JP2010101243A - ディーゼル内燃機関用のピストン - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、構造を複雑化させること無く、燃料噴霧を内部に満遍なく拡散させることができる形状の燃焼室を備えるピストンを提供する。
【解決手段】ピストン１は、第１の燃焼室１０と第２の燃焼室２０と突部３０とを備える。第１の燃焼室１０は、燃料噴射ノズルＮから噴出された燃料の液柱が霧化される位置を半径とする円筒面Ｐよりも内側の範囲のピストン１の頂部１ａに凹設されている。第２の燃焼室２０は、第１の燃焼室１０の外側の範囲のピストン１の頂部１ａに第１の燃焼室１０よりも浅く凹設され、底壁２２が中央に向かって上り勾配を有している。突部３０は、第１の燃焼室１０から第２の燃焼室２０へ曲面で接続し、第１の燃焼室１０の最大径よりも縮径されている。このピストン１は、燃料噴射ノズルＮから突部３０に向かって噴出された燃料噴霧を、第１の燃焼室１０と第２の燃焼室２０とに突部３０で分配する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料噴射ノズルから燃料が直接噴射される燃焼室を頂部に有するディーゼル内燃機関用のピストンに関する。

直噴式ディーゼルエンジンの頂面に二段の凹部を形成したピストンが特許文献１に開示されている。このピストンは、バルブリセスも有しており、燃料噴射ノズルから噴出される燃料噴霧のうち、第一噴霧はバルブリセスに渦流れを形成するように燃料を噴射し、第二噴霧はピストンの下から二段目の凹部（第１燃焼室）の側壁面に向かって噴射され、第三噴霧は下から一段目の凹部（第２燃焼室）の側壁面に向かって噴霧される。

また、ピストンの頂部に設けられた燃焼室へ燃料噴射ノズルから燃料を噴射する直接噴射式のディーゼルエンジンが特許文献２に開示されている。燃焼室は、噴射された燃料を上部方向と下部方向へと分配する突起部を有している。下部方向へ分配された燃料は、燃焼室の内部方向へ誘導され、上部方向へ分配された燃料は、ピストンの外周方向であるスキッシュエリアへ誘導される。

これらのピストンは、燃焼室の中の空気と燃料噴霧とを均一に混合することで燃焼効率を高め、煤などの発生量を低減しようとするものである。
特開２００４−１９０５７２号公報 特開２００８−１５１０８９号公報

ところが、特許文献１に記載されたピストンは、それぞれの燃焼室に対応するノズルを必要としている。そのため、燃料噴射ノズルの製造において高い加工精度が要求され、コストが増加する。また、特許文献２に記載されたピストンは、スキッシュエリアに積極的に燃料噴霧を送り込むものである。しかし、スキッシュエリアに残存する空気量は、燃焼室と比較するとはるかに小さく、その中に含まれる酸素で改善できる燃焼効率も小さい。

同じ量の燃料を消費するのであれば、燃焼室の温度を急激に高くするよりも、緩やかに上昇させた温度を維持したほうが、燃焼効率はよい。つまり、燃焼室内で燃料が長く燃焼し続けるようにしたほうが、熱損失が少なく、有効にエネルギーを活用できる。そのためには、燃料噴霧を満遍なく攪拌し、燃焼中の温度分布を燃焼室内で広く安定させることが望ましい。

そこで、本発明は、構造を複雑化させること無く、燃料噴霧を内部に満遍なく拡散させることができる形状の燃焼室を備えるピストンを提供する。

本発明のディーゼル内燃機関用のピストンは、第１の燃焼室と第２の燃焼室と突部とを備える。第１の燃焼室は、燃料噴射ノズルから噴出された燃料の液柱が霧化される位置を半径とする円筒よりも内側の範囲で燃料噴射ノズルに対して同心に頂部に凹設されている。第２の燃焼室は、燃料噴射ノズルから噴出された燃料の液柱が霧化される位置を半径とする円筒よりも外側の範囲で燃料噴射ノズルに対して同心に頂部に第１の燃焼室よりも浅く凹設され底壁が中央に向かって上り勾配を有している。突部は、第１の燃焼室の外周壁から第２の燃焼室の底壁へ曲面で接続し、第１の燃焼室の最大径よりも小さく縮径されている。そして、このピストンは、燃料噴射ノズルから突部に向かって噴出されて霧化した燃料噴霧を、第１の燃焼室と第２の燃焼室とに突部で分配する。

この場合、第１の燃焼室の底壁の中央部は、ピストンの中心軸に沿う方向へピストンの頂面から突部までの高さに隆起している。また、突起は、液柱が霧化された直後の位置に配置する。また、このピストンの中心軸と第２の燃焼室の底壁とが成す勾配角は、中心軸と燃料噴射ノズルの噴孔が開口する方向とが成す噴孔角と同じ、または、小さいことが好ましい。また、このピストンの頂面と第２の燃焼室の外周壁とが成すリエントラント角は、第１の燃焼室に分配された第１燃料噴霧と第２の燃焼室に分配された第２燃料噴霧とが互いに混合しない程度の鋭角に設けられることが好ましい。また、第１の燃焼室の容積は、第２の燃焼室の容積に対して同じか、それよりも小さくする。

本発明のピストンによれば、構造が単純であるとともに、燃料噴霧を満遍なく攪拌し、燃焼室中に拡散させることができるので、燃料の燃焼効率を向上させることができる。また、燃焼効率が向上することによって、排気中の煤や窒素化合物の量も軽減する。

また、第１の燃焼室の底壁の中央部をピストンの中心軸に沿う方向へピストンの頂面から突部までの間の高さに隆起させている本発明のピストンによれば、燃料噴射ノズルによって燃料が直接拡散されない領域を減らすことができる。燃料噴霧と攪拌されない未使用空気を減少するので、燃焼効率が向上する。

燃料噴射ノズルから噴射された燃料の液柱が霧化された直後の位置に突起を配置している本発明のピストンによれば、燃料が液状のまま突部に付着してしまう量を少なくするとともに、霧化された燃料の運動エネルギーが大きい状態でこの燃料噴霧を第１の燃焼室に拡散される第１燃料噴霧と第２の燃焼室に拡散される第２燃料噴霧とに分配できる。運動エネルギーが大きい状態で燃料噴霧を分配することで、第１の燃焼室および第２の燃焼室それぞれにおける燃料の攪拌を効率よく行うことができる。

さらに、ピストンの中心軸と第２の燃焼室の底壁とが成す勾配角を、ピストンの中心軸と燃料噴射ノズルの噴孔が開口する方向とが成す噴孔角に対して同じ、または、小さくする本願発明のピストンによれば、第２の燃焼室の底壁に対する燃料噴霧の衝突角度がゼロ度または燃料噴霧が底壁に直接衝突しなくなる。そのため、第１燃料噴霧よりも遠くまで拡散される第２燃料噴霧の運動エネルギーが損失しにくく、第２の燃焼室の空気と攪拌されやすくなる。その結果、第２の燃焼室において燃料噴霧の濃度分布に斑が生じにくく、燃焼効率が向上する。

ピストンの頂面と第１の燃焼室の外周壁とが成すリエントラント角度を第１の燃焼室に分配された第１燃料噴霧と第２の燃焼室に分配された第２燃料噴霧とが互いに混合しない程度の鋭角に設ける本発明のピストンによれば、第１燃料噴霧と第２燃料噴霧とがシリンダ内で互いに干渉することなく拡散される。燃料噴霧どうしが重なり合って燃料噴霧の濃度分布に斑を生じさせないので、燃焼が均質化され、燃焼効率が向上する。

また、ピストンの第１燃焼室の容積を第２燃焼室の容積と同じかそれよりも小さくする本発明のピストンによれば、ピストンモーションによる乱流効果の影響を強く受ける第２の燃焼室へより多くの燃料噴霧を拡散できる。したがって、効率よく燃料と空気とを混合でき、燃焼効率が向上する。

本発明に係る第１の実施形態のディーゼル内燃機関用のピストン１は、図１から図５を参照して説明する。図１に示すピストン１は、ディーゼル内燃機関用のピストンであって、第１の燃焼室１０と、第２の燃焼室２０と、突部３０とを備える。第１の燃焼室１０および第２の燃焼室２０は、ピストン１の中心軸Ｃ上に配置される燃料噴射ノズルＮに対して同心に、ピストン１の頂部１ａに凹設されている。燃料噴射ノズルＮの先端には、複数の噴孔Ｈ、本実施形態では６つの噴孔Ｈが開口しており、燃料が放射状に噴射される。噴孔から噴射された燃料は、一定の距離だけ一塊の液柱Ｌとなって飛翔した後で霧化して燃料噴霧Ｍとなる。なお、噴孔Ｈの数は、６つに限らず、シリンダおよびピストンの口径が大きい場合には６つ以上、例えば７つや８つ、口径が小さい場合には６つ以下、例えば５つや４つにする。また、噴出される燃料の広がり角によっても、噴孔Ｈの数は、適宜変更され得るものである。

第１の燃焼室１０は、図４に示すように、燃料噴射ノズルＮの噴孔Ｈから噴出された燃料の液柱Ｌが霧化される位置を半径とする円筒面Ｐよりも内側の範囲に設けられる。第２の燃焼室２０は、第１の燃焼室１０よりも外側、つまり、燃料噴射ノズルＮから噴出された燃料の液柱Ｌが霧化される位置を半径とする円筒面Ｐよりも外側の範囲に設けられる。そして、第２の燃焼室２０は、第１の燃焼室１０よりも浅く形成される。

突部３０は、図２に示すように、第１の燃焼室１０の外周壁１１から第２の燃焼室２０の底壁２２へなだらかな曲面で接続し、第１の燃焼室１０の最大径よりも内側に小さく縮径された形状である。つまり、突部３０は、第１の燃焼室１０と第２の燃焼室２０との間に設けられており、燃料噴射ノズルＮから噴射された燃料の液柱Ｌが霧化されて燃料噴霧Ｍになった位置に配置されている。第１の燃焼室１０の底壁１２は、外周壁１１からなだらかに、かつ、突部３０よりも高く中央部が丸く盛り上がった曲面に形成されている。

また、第２の燃焼室２０の底壁２２は、中央に向かって一定の上り勾配を有した曲面に形成されている。このときピストン１の中心軸Ｃと第２の燃焼室２０の底壁２２とが成す勾配角Ａは、ピストン１の中心軸Ｃと燃料噴射ノズルＮの噴孔が開口する方向とが成す噴孔角Ｓと同じかそれよりも小さい角度であることが好ましい。本実施形態では、図２に示すように噴孔角Ｓよりも勾配角Ａのほうがやや小さい。

図４に示すように燃料噴射ノズルＮから突部３０に向かって噴出されて突部３０の手前で霧化した燃料噴霧Ｍは、図３や図５に示すように第１の燃焼室１０と第２の燃焼室２０とに突部３０で分配されてそれぞれの燃焼室へ流れ込む。第２の燃焼室２０の外周壁２１は、ピストン１の頂面Ｔに対して鋭角になるリエントラント角Ｒが設定されている。

このリエントラント角Ｒは、第１の燃焼室１０に分配された第１燃料噴霧Ｍ１と第２の燃焼室２０に分配された第２燃料噴霧Ｍ２とが互いに混合しない程度の鋭角に設けられる。つまり、第２の燃焼室２０に分配された第２燃料噴霧Ｍ２が第２の燃焼室２０の外周壁２１に案内されるように折り返したときに、突部３０を越えて第１の燃焼室１０側へ戻り過ぎない程度の角度に、リエントラント角Ｒは設けられる。

また、第１の燃焼室１０の容積は、第２の燃焼室２０の容積と同じかそれよりも小さく設けられる。本実施形態では、第１の燃焼室１０と第２の燃焼室２０の容積は、ほぼ同じである。

以上のように第１の燃焼室１０および第２の燃焼室２０が形成されたディーゼルエンジン内燃機関用のピストン１において、燃料噴射ノズルＮから噴射された燃料は、図４に示すように、まとまった液柱Ｌの状態で突部３０に向かって飛翔する。液柱Ｌ状態の燃料は、突部３０に衝突する前に霧化して燃料噴霧Ｍとなり、図５に示すように突部３０によって第１の燃焼室１０側に流れ込む第１燃料噴霧Ｍ１と第２の燃焼室２０側に流れ込む第２燃料噴霧Ｍ２とに分配される。

突部３０は、液柱Ｌが霧化されて燃料噴霧Ｍとなった位置にある。これは、燃料が液状のまま突部３０に付着してしまう量を少なくし、かつ、霧化された燃料の運動エネルギーが大きい状態で、第１燃料噴霧Ｍ１と第２燃料噴霧Ｍ２とに分配するためである。運動エネルギーが大きい状態で燃料噴霧Ｍを分配することによって、第１の燃焼室１０および第２の燃焼室２０それぞれにおける燃料の攪拌を効率よく行うことができる。なお、突部３０を設ける位置は、燃料の液柱Ｌが燃料噴霧Ｍとなった位置から離れると、燃料の運動エネルギーが小さくなり、燃料噴霧Ｍが突部３０に衝突した際にそのまま付着してしまう量が増える。したがって、燃料が霧化された直後に突部３０が配置されることが好ましい。

第１燃料噴霧Ｍ１は、第１の燃焼室１０の外周壁１１から底壁１２に沿って下に巻き込まれた後、第１の燃焼室１０の内側に拡散される。また、第２燃料噴霧Ｍ２は、突部３０を越えて第２の燃焼室２０の底壁２２から外周壁２１に沿って上に巻き上がり、リエントラント角Ｒによって第２の燃焼室２０の内側に拡散される。

このとき、第２の燃焼室２０の底壁２２の勾配角Ａは燃料噴射ノズルＮの噴孔角Ｓよりも小さく設定されているため、第２燃料噴霧Ｍ２が底壁２２に当らない。したがって、突部３０を越えた第２燃料噴霧Ｍ２が底壁２２に付着してしまうことを防止できる。また、第１の燃焼室１０の底壁１２の中央部が全体的に盛り上がった突状に形成されている。

したがって、６つの噴孔Ｈから噴射されて内側に巻き込まれた第１燃料噴霧Ｍ１の燃料密度が濃くなりすぎることを防止できる。また、膨張行程でピストン１が下がり第１の燃焼室１０が拡がるのに伴って、図６に示す第１燃料噴霧Ｍ１の燃焼領域Ｂ１を第１の燃焼室１０の中央の高さに維持する。

さらに、第２の燃焼室２０の外周壁２１に適度なリエントラント角Ｒが設けられていることによって、第２の燃焼室２０内の第２燃料噴霧Ｍ２の流れおよび図６に示す燃焼領域Ｂ２を、第２の燃焼室２０の中央の高さに維持する。このように、第２燃料噴霧Ｍ２の流れおよび燃焼領域Ｂ２をコントロールすることによって、第２燃料噴霧Ｍ２が第１燃料噴霧Ｍ１と干渉したり、第２燃料噴霧Ｍ２がシリンダヘッドに接近しすぎて燃焼熱を奪われたりすることを防止できる。

ピストン１の上死点を０°ＡＴＤＣとするクランク角〔°ＡＴＤＣ〕についてプロットしたこの実施形態のピストン１による熱発生率ＱＡ〔Ｊ／ｄｅｇ〕を、燃焼室の容積が同じでかつ燃焼室が１つしかない従来のピストンの熱発生率ＱＢと比較して、図７に示す。本実施形態のピストン１の熱発生率ＱＡは、燃料噴霧Ｍが拡散されたことによって、燃焼中の温度上昇が緩やかになっており、シリンダライナやシリンダヘッドに奪われる熱損失を低減できることが分かる。また、熱発生率の低下がゆるくトータルの熱発生量が多いことから、空気使用率が向上し、燃焼効率が向上していることが分かる。

本発明に係る一実施形態のピストンの中心軸を通る断面図。 図１に示したピストンの第２の燃焼室および突部を拡大した断面図。 図１に示したピストンの第１および第２の燃焼室に広がる燃料噴霧を模式的に示す平面図。 図１に示したピストンの突部に向かって燃料噴射ノズルから燃料が噴出された様子を模式的に示す断面図。 図４に示したピストンの突部に向かって噴射された燃料が噴霧となって第１の燃焼室および第２の燃焼室に分流され、拡散される様子を模式的に示す断面図。 図５に示したピストンの第１の燃焼室および第２の燃焼室に拡散された燃料が燃焼する範囲を模式的に示す断面図。 図１に示したピストンのクランク角に対する熱発生率について、燃焼室が１つしかない従来のピストンと比較して示す図。

符号の説明

１…ピストン、１ａ…頂部、１０…第１の燃焼室、１１…外周壁、２０…第２の燃焼室、２２…底壁、３０…突部、Ａ…勾配角、Ｃ…中心軸、Ｈ…噴孔、Ｌ…液柱、Ｍ…燃料噴霧、Ｎ…燃料噴射ノズル、Ｐ…円筒面、Ｒ…リエントラント角、Ｓ…噴孔角、Ｔ…頂面。

Claims (6)

1. ディーゼル内燃機関用のピストンであって、
   燃料噴射ノズルから噴出された燃料の液柱が霧化される位置を半径とする円筒よりも内側の範囲で前記燃料噴射ノズルに対して同心に頂部に凹設された第１の燃焼室と、
   前記燃料噴射ノズルから噴出された燃料の液柱が霧化される位置を半径とする円筒よりも外側の範囲で前記燃料噴射ノズルに対して同心に前記頂部に前記第１の燃焼室よりも浅く凹設され底壁が中央に向かって上り勾配を有した第２の燃焼室と、
   前記第１の燃焼室の外周壁から前記第２の燃焼室の前記底壁へ曲面で接続し前記第１の燃焼室の最大径よりも小さく縮径された突部と
   を備え、
   前記燃料噴射ノズルから前記突部に向かって噴出されて霧化した燃料噴霧を、前記第１の燃焼室と前記第２の燃焼室とに前記突部で分配する
   ことを特徴とするピストン。
2. 請求項１に記載されたピストンにおいて、
   前記第１の燃焼室の底壁の中央部は、前記ピストンの中心軸に沿う方向へ前記ピストンの頂面から前記突部までの高さに隆起していることを特徴とする。
3. 請求項１または請求項２に記載されたピストンにおいて、
   前記突起は、前記液柱が霧化された直後の位置に配置されることを特徴とする。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載されたピストンにおいて、
   このピストンの中心軸と前記第２の燃焼室の底壁とが成す勾配角は、前記中心軸と前記燃料噴射ノズルの噴孔が開口する方向とが成す噴孔角と同じ、または、小さいことを特徴とする。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載されたピストンにおいて、
   このピストンの頂面と前記第２の燃焼室の外周壁とが成すリエントラント角は、前記第１の燃焼室に分配された第１燃料噴霧と前記第２の燃焼室に分配された第２燃料噴霧とが互いに混合しない程度の鋭角に設けられることを特徴とする。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載されたピストンにおいて、
   前記第１の燃焼室の容積は、前記第２の燃焼室の容積と同じ、または、小さいことを特徴とする。

Images