JP2010101244A - Piston for diesel internal combustion engines - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a piston for a diesel internal combustion engine having a combustion chamber at the top where fuel is directly injected from a fuel injection nozzle.
直接燃料を燃焼室に噴霧するディーゼルエンジンは、燃焼室内での燃料噴霧と空気の混合の度合いによって、燃焼効率が変わる。燃焼効率を良好にするために、燃焼室の周面に全周に及ぶ突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、周面に突起が設けられていることにより、圧縮行程において燃焼室内に強い空気の渦流を突起よりも上側の領域に形成する。また、燃焼室の底部にも突起が設けられていることにより、膨張行程において底部の突起と周面の突起との間の領域に渦流を形成する。特許文献1ではこの空気の渦流によって燃料噴霧を燃焼室内に拡散させている。
In a diesel engine that directly sprays fuel into the combustion chamber, the combustion efficiency varies depending on the degree of mixing of the fuel spray and air in the combustion chamber. In order to improve the combustion efficiency,
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。 Patent Document 2 discloses a direct injection diesel engine that injects fuel from a fuel injection nozzle into a combustion chamber provided at the top of a piston. The combustion chamber has a protrusion that distributes the injected fuel in an upper direction and a lower direction. The fuel distributed in the lower direction is guided toward the inside of the combustion chamber, and the fuel distributed in the upper direction is guided to the squish area which is the outer peripheral direction of the piston.
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するものである。
ところが、特許文献1に記載されたピストンの場合、突部よりも上側の領域は、圧縮行程中に周面に設けられた突起によって攪拌され、突部よりも下側の領域は、膨張行程中に底部側の突起によって攪拌される。つまり、攪拌される領域とそのタイミングが燃焼室中において異なっている。
However, in the case of the piston described in
また、特許文献2に記載されたピストンの場合、周面に突起を設けることによって、スキッシュエリアにも燃料噴霧を分配し、スキッシュエリアの空気を利用して燃焼効率を向上させる。しかし、燃焼室の内側の燃料噴霧の流れが一方向となり、燃料噴霧の燃料密度が高くなるため、その中核における燃焼が抑制される。 Further, in the case of the piston described in Patent Document 2, by providing protrusions on the peripheral surface, fuel spray is distributed also to the squish area, and combustion efficiency is improved by using air in the squish area. However, since the flow of fuel spray inside the combustion chamber is unidirectional and the fuel density of the fuel spray is increased, combustion in the core is suppressed.
そこで、本発明は、燃焼室内の空気と燃料噴射ノズルから噴射された燃料噴霧とを広く攪拌できる形状の燃焼室を有したディーゼル内燃機関用のピストンを提供する。 Therefore, the present invention provides a piston for a diesel internal combustion engine having a combustion chamber having a shape capable of widely stirring the air in the combustion chamber and the fuel spray injected from the fuel injection nozzle.
本発明のピストンは、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したディーゼル内燃機関用のピストンであって、中央突部と、周囲突部と、縁部とを備える。中央突部は、燃焼室の底壁を形成し、燃料噴射ノズルに向かって円錐形状に突出するとともに、燃焼室の周壁の底壁側の部分に対してトロイダル曲面によって連続的に裾部が接続されている。周囲突部は、底壁から頂部までの間の周壁の全周にわたって燃料噴射ノズルに向かう凸状に形成されている。縁部は、周囲突部よりも頂部側で周囲突部よりも径大となった部分から頂部までの範囲の周壁にリエントラント角が設けられている。 The piston of the present invention is a piston for a diesel internal combustion engine having a combustion chamber at a top portion where fuel is directly injected from a fuel injection nozzle, and includes a central protrusion, a peripheral protrusion, and an edge. The central projection forms the bottom wall of the combustion chamber, protrudes in a conical shape toward the fuel injection nozzle, and the skirt is continuously connected to the bottom wall side of the peripheral wall of the combustion chamber by a toroidal curved surface Has been. The peripheral protrusion is formed in a convex shape toward the fuel injection nozzle over the entire periphery of the peripheral wall from the bottom wall to the top. The edge portion is provided with a reentrant angle on a peripheral wall in a range from a portion having a diameter larger than that of the peripheral protrusion to the top portion on the top side of the peripheral protrusion.
この場合、中央突部は、このピストンの中心線に沿う方向へ、周囲突部の頂点の位置からこのピストンの頂面までの間の高さに突出させる。また、燃料噴射ノズルの噴孔と周囲突部の頂点とを結ぶ円錐面で燃焼室を分け、頂部側を第1領域、底壁側を第2領域とする場合、第1領域と第2領域との容積比率に同等の重量比率で、燃料噴射ノズルから噴出されて霧化した燃料噴霧が第1領域および第2領域に拡散されるように、燃料噴射ノズルの噴孔角を設定する。さらに、第2領域の容積は、第1領域の容積に対して同等、または、大きいことが好ましい。 In this case, the center protrusion protrudes in a direction along the center line of the piston to a height from the position of the apex of the peripheral protrusion to the top surface of the piston. In addition, when the combustion chamber is divided by a conical surface connecting the nozzle hole of the fuel injection nozzle and the apex of the peripheral protrusion, and the top side is the first region and the bottom wall side is the second region, the first region and the second region The injection hole angle of the fuel injection nozzle is set so that the fuel spray sprayed from the fuel injection nozzle and atomized is diffused to the first region and the second region at a weight ratio equivalent to the volume ratio. Furthermore, the volume of the second region is preferably equal to or larger than the volume of the first region.
本発明に係るピストンは、周囲突部を燃焼室に有していることで、燃焼室内の空気と燃料噴射ノズルから噴射された燃料噴霧とを、第1領域および第2領域に分けて拡散させることができるので、燃焼効率が向上する。さらに、第1領域と第2領域との容積比率に同等の重量比率で第1領域および第2領域へ燃料噴霧が拡がるように燃料噴射ノズルの噴孔角を設定していることにより、燃焼室の燃料噴霧の濃度が均質になるので、さらに燃焼効率が向上する。そして、周壁の底壁側の部分に対してトロイダル曲面によって連続的に裾部が接続されている中央突部を有しているので、燃料噴霧の運動エネルギーが大きい間に第2領域に拡散される燃料噴霧の飛翔ベクトルを燃焼室の中央上方へ向けることができる。その結果、燃焼の広がりが促進されやすくなる。 The piston according to the present invention has the peripheral protrusion in the combustion chamber, and diffuses the air in the combustion chamber and the fuel spray injected from the fuel injection nozzle into the first region and the second region. Combustion efficiency is improved. Furthermore, by setting the nozzle hole angle of the fuel injection nozzle so that the fuel spray spreads to the first region and the second region at a weight ratio equivalent to the volume ratio between the first region and the second region, the combustion chamber Since the concentration of the fuel spray becomes uniform, the combustion efficiency is further improved. And since it has the center protrusion by which the bottom part is continuously connected by the toroidal curved surface with respect to the part by the side of the bottom wall of a surrounding wall, it is spread | diffused by the 2nd area | region, while the kinetic energy of fuel spray is large. The fuel spray flight vector can be directed upward in the center of the combustion chamber. As a result, the spread of combustion is easily promoted.
中央突部をピストンの中心線に沿う方向へ、周囲突部の頂点の位置からこのピストンの頂面までの間の高さに突出させる本願発明のピストンによれば、燃料が直接噴射されない領域を減らすことができる。燃料噴霧と拡散されない未使用空気が減少するので、燃焼効率が向上する。 According to the piston of the present invention in which the central protrusion protrudes in the direction along the center line of the piston to the height between the position of the top of the peripheral protrusion and the top surface of the piston, the region in which fuel is not directly injected is Can be reduced. Combustion efficiency is improved because fuel spray and unused air that is not diffused are reduced.
燃焼室を周囲突部を境に第1領域と第2領域とする場合に、それぞれの領域の容積比率に同等の重量比率で、それぞれの領域に燃料噴霧が拡散するように、燃料噴射ノズルの噴孔角を設定する本発明のピストンによれば、それぞれの領域に燃料噴霧が分配されることによって、燃料噴霧の表面積が拡大するため、空気との攪拌されやすくなる。また、第1領域と第2領域の空気量に応じた量の燃料噴霧を供給することによって、燃料の濃度が均質化されるとともに燃焼室内の空気使用率が向上する。その結果、燃焼効率が向上し、煤の発生量が減少する。 When the combustion chamber is defined as the first region and the second region with the peripheral projection as a boundary, the fuel injection nozzle is arranged so that the fuel spray diffuses to each region at a weight ratio equivalent to the volume ratio of each region. According to the piston of the present invention in which the nozzle hole angle is set, the fuel spray is distributed to the respective regions, so that the surface area of the fuel spray is increased, so that the fuel spray is easily stirred. In addition, by supplying fuel spray in an amount corresponding to the amount of air in the first region and the second region, the fuel concentration is homogenized and the air usage rate in the combustion chamber is improved. As a result, the combustion efficiency is improved and the amount of soot is reduced.
第2領域を第1領域に対して同じまたは大きくする本発明のピストンによれば、燃焼室の底壁と周壁との間を連続的に接続するトロイダル曲面の小円周方向の曲率半径を大きく設定することができる。その結果、第2領域に分配された燃料噴霧は、運動エネルギーが減衰することを抑えられ、周壁から底壁に沿って燃焼室の中央部まで誘導されやすくなる。膨張行程において、燃焼室の上方へ空間が広がる際に、燃焼し続ける燃料噴霧がこれに伴って拡張される。第2領域へ拡散された燃料噴霧は、第1領域へ拡散された燃料噴霧とともに広範囲にわたる燃焼領域を形成することができるので、燃焼効率が向上する。 According to the piston of the present invention in which the second region is the same as or larger than the first region, the radius of curvature in the small circumferential direction of the toroidal curved surface that continuously connects the bottom wall and the peripheral wall of the combustion chamber is increased. Can be set. As a result, the fuel spray distributed to the second region is suppressed from being attenuated in kinetic energy, and is easily guided from the peripheral wall to the center of the combustion chamber along the bottom wall. In the expansion stroke, as the space expands above the combustion chamber, the fuel spray that continues to burn is expanded accordingly. The fuel spray diffused to the second region can form a wide combustion region together with the fuel spray diffused to the first region, so that the combustion efficiency is improved.
本発明に係る第1の実施形態のピストン1は、図1から図5を参照して説明する。図1に示したピストン1の頂部1aは、ディーゼル内燃機関用のピストンの頂部であって、燃料噴射ノズルNから燃料が直接噴射される燃焼室10を有している。燃焼室10は、ピストン1の中心線C上に配置される燃料噴射ノズルNと同心に形成されている。燃料噴射ノズルNの端部には、燃料を噴出する噴孔Hが複数、本実施形態では、6つ放射状に開口している。
A
なお、噴孔Hの数は、シリンダおよびピストンの口径に応じて変更されるものである。したがって、噴孔の数は、6つに限らず、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つまたは4つにする。また、噴出される燃料の広がり角によっても、噴孔の数は適宜変更され得るものである。 The number of nozzle holes H is changed according to the diameters of the cylinder and the piston. Therefore, the number of nozzle holes is not limited to six, but is six or more, for example, seven or eight when the diameter is large, or six or less, for example, five or four when the diameter is small. Also, the number of nozzle holes can be changed as appropriate depending on the spread angle of the fuel to be ejected.
燃焼室10は、中央突部11と、周囲突部12と、縁部13とを備える。中央突部11は、図1に示すように、燃焼室10の底壁10aを形成しており、燃料噴射ノズルNに向かって円錐形状に突出している。また、中央突部11の裾部111は、燃焼室10の周壁10bの底壁側の部分に対してトロイダル曲面によって連続的に接続されている。周囲突部12は、底壁10aから頂部1aまでの間の周壁10bの全周にわたって燃料噴射ノズルNに向かう凸状に形成されている。
The
中央突部11の頂点は、ピストン1の中心線Cに沿う方向へ、周囲突部12の頂点121の位置からピストン1の頂面Tまでの間の高さに突出しており、本実施形態においては周囲突部12の頂点121の位置よりも高く形成されている。
The apex of the
図2に示すように、燃料噴射ノズルNの噴孔Hと周囲突部12の頂点121とを通る円錐面Pで燃焼室10を二分割し、頂部側を第1領域A1、底壁側を第2領域A2とする。このとき、燃料噴射ノズルNの噴孔Hの噴孔角Sは、周囲突部12に燃料噴霧Mが向かうように設定するのではなく、第1領域A1と第2領域A2との容積比率に同等の重量比率で燃料噴霧Mが第1領域A1と第2領域A2とに拡散されるように設定される。したがって、燃料噴射ノズルNの噴孔Hが開口する方向Gは、円錐面Pに必ずしも一致しない。
As shown in FIG. 2, the
縁部13は、周囲突部12よりも頂部側で周囲突部12よりも径大となった部分から頂部1aまでの範囲の周壁10bにリエントラント角Rが設けられている。このリエントラント角Rは、周囲突部12によって第1領域A1側に分配された燃料噴霧M1が燃焼室10の中央部へ戻るように設定される。このとき、リエントラント角Rを10°未満にすると、燃料噴霧M1が中央部に戻りにくい。また、リエントラント角Rが60°を超えると、燃料噴霧M1が周壁10bに衝突して付着してしまう。したがって、リエントラント角Rは、10°〜60°の範囲で設定することが好ましい。
The
なお、第1領域A1と第2領域A2との容積比率において、第2領域A2が大きくなりすぎると、縁部13の長さとリエントラント角Rを十分に確保できなくなる。また、燃焼室10内部に燃料噴霧Mを均質に拡散することを考えると、第1領域A1の容積と第2領域A2の容積とをほぼ同じにすることが望ましい。したがって、第1領域A1と第2領域A2の容積比率は、50%:50%から30%:70%程度がよい。
In addition, in the volume ratio of 1st area | region A1 and 2nd area | region A2, when 2nd area | region A2 becomes large too much, it becomes impossible to ensure the length of the
以上のように構成されたピストン1の燃焼室10に噴出された燃料は、図3に示すように、液柱Lのまま周壁10bの近傍まで飛翔する。本実施形態では、第1領域A1の容積が燃焼室全体の40%、第2領域A2の容積が燃焼室全体の60%になるように周囲突部12が配置されている。したがって、図3に示すように、燃料噴射ノズルNの噴孔Hも、第1領域A1に40%、第2領域A2に60%の燃料が拡散されるように、周囲突部12よりも第2領域A2に偏って燃料を噴出する。
The fuel jetted into the
燃料の液柱Lは、図4に示すように、周壁10bに到達する前に霧化して燃料噴霧Mとなる。燃料噴霧Mは、周囲突部12によって、第1領域A1側の燃料噴霧M1と第2領域A2側の燃料噴霧M2に分配される。燃料噴霧M1は、縁部13に沿って燃焼室10の中央部へ戻されるように第1領域A1内に拡散され、燃料噴霧M2は、周壁10bから底壁10aにかけて設けられているトロイダル曲面に沿って燃焼室10の中央部へ戻されるように第2領域A2内に拡散される。
As shown in FIG. 4, the fuel liquid column L is atomized into the fuel spray M before reaching the
燃料は、周壁10b近傍まで液柱Lの状態で飛翔して周壁10bに衝突する手前で霧化される。したがって、燃料噴霧Mの運動エネルギーは、大きい状態で第1領域A1および第2領域A2に分配されるので、燃料噴霧M1,M2が広い範囲にわたって拡散される。その結果、図5に示すように、広い領域で混合比が均質に安定した燃焼領域Bを得ることができるので、燃焼効率が向上する。
The fuel is atomized just before flying in the state of the liquid column L to the vicinity of the
本実施形態では、第2領域A2の容積を第1領域A1の容積よりも大きくしている。そのため、燃焼室10の底壁10aと周壁10bとの間を連続的に接続するトロイダル曲面の小円周方向の曲率半径を大きく設定することができる。その結果、第2領域A2に分配された燃料噴霧M2は、運動エネルギーの減衰が抑えられ、周壁10bから底壁10aに沿って燃焼室10の中央部まで誘導されやすくなる。膨張行程において、燃焼室10の上方へ空間が広がる際に、燃焼し続ける燃料噴霧Mがこれに伴って拡張される。第2領域A2へ拡散された燃料噴霧M2は、第1領域A1へ拡散された燃料噴霧M1とともに広範囲にわたる燃焼領域Bを形成することができるので、燃焼効率が向上する。
In the present embodiment, the volume of the second area A2 is larger than the volume of the first area A1. Therefore, the radius of curvature in the small circumferential direction of the toroidal curved surface that continuously connects the
本発明に係る第2の実施形態のピストン1は、図6から図9を参照して説明する。図6から図9はいずれも燃焼室10の片側を拡大して示している。第1の実施形態のピストン1と同じ機能を有する構成は、図面中に同一の符号を付してその説明を省略する。
A
図6に示すピストン1の燃焼室10は、第1領域A1の最大径が第2領域A2の最大径よりも大きい。また、第1領域A1の容積と第2領域A2の容積とがほぼ同じであるので、噴孔Hの開口する方向Gが円錐面Pに一致する。
In the
噴孔Hから噴出された燃料は、図7に示すように液柱Lのまま周壁10bの近傍まで飛翔した後、図8に示すように周壁10bに到達する直前に霧化されて燃料噴霧Mとなる。燃料噴霧Mは、周囲突部12によって、第1領域A1側の燃料噴霧M1と第2領域A2側の燃料噴霧M2に分配される。燃料噴霧M1は第1領域A1に、燃料噴霧M2は第2領域A1にそれぞれ拡散される。そして、第1の実施形態と同様に、図9に示すように広い領域で混合比が均質に安定した燃焼領域Bを得ることができるので、燃焼効率が向上する。
The fuel ejected from the nozzle hole H flies to the vicinity of the
燃焼室10内の2つの領域の容積比率に燃料の重量比率を合わせて燃料噴霧Mが拡散されるように、周囲突部12に対して燃料が噴出される。つまり、第1領域A1と第2領域A2とでどちらかが大きい場合は、その大きい側へ偏らせて燃料を噴射するように燃料噴射ノズルNの噴孔Hの噴孔角Sを設定する。簡単な構造によって、均質な濃度の燃料噴霧Mを燃焼室10内の広い範囲に提供できる。
The fuel is ejected to the
1…ピストン、1a…頂部、10…燃焼室、11…中央突部、12…周囲突部、13…縁部、111…裾部、121…頂点、A1…第1領域、A2…第2領域、H…噴孔、M,M1,M2…燃料噴霧、N…燃料噴射ノズル、P…円錐面、R…リエントラント角、S…噴孔角。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記燃焼室の底壁を形成し前記燃料噴射ノズルに向かって円錐形状に突出するとともに前記燃焼室の周壁の底壁側の部分に対してトロイダル曲面によって連続的に裾部が接続された中央突部と、
前記底壁から前記頂部までの間の周壁の全周にわたって前記燃料噴射ノズルに向かう凸状に形成された周囲突部と、
前記周囲突部よりも前記頂部側で前記周囲突部よりも径大となった部分から前記頂部までの範囲の周壁にリエントラント角が設けられた縁部と
を備えることを特徴とするピストン。 A piston for a diesel internal combustion engine having a combustion chamber at a top portion where fuel is directly injected from a fuel injection nozzle,
A central protrusion that forms a bottom wall of the combustion chamber and protrudes in a conical shape toward the fuel injection nozzle and has a skirt continuously connected to the bottom wall side portion of the peripheral wall of the combustion chamber by a toroidal curved surface. And
A circumferential protrusion formed in a convex shape toward the fuel injection nozzle over the entire circumference of the peripheral wall between the bottom wall and the top;
A piston comprising: an edge portion provided with a reentrant angle on a peripheral wall in a range from a portion having a diameter larger than that of the peripheral protrusion to the top portion on the top side of the peripheral protrusion.
前記中央突部は、このピストンの中心線に沿う方向へ、前記周囲突部の頂点の位置からこのピストンの頂面までの間の高さに突出している
ことを特徴とする。 The piston according to claim 1,
The center protrusion protrudes in a direction along the center line of the piston to a height between the position of the apex of the peripheral protrusion and the top surface of the piston.
前記燃料噴射ノズルの噴孔と前記周囲突部の頂点とを結ぶ円錐面で前記燃焼室を分けて、前記頂部側を第1領域、前記底壁側を第2領域とすると、前記第1領域と前記第2領域との容積比率に同等の重量比率で、前記燃料噴射ノズルから噴出されて霧化した燃料噴霧が前記第1領域および前記第2領域に拡散されるように前記燃料噴射ノズルの噴孔角を設定する
ことを特徴とする。 The piston according to claim 1 or claim 2,
The combustion chamber is divided by a conical surface connecting the injection hole of the fuel injection nozzle and the apex of the peripheral projection, and the first region is defined as the first region and the bottom wall side is defined as the second region. Of the fuel injection nozzle so that the fuel spray sprayed from the fuel injection nozzle and atomized at a weight ratio equivalent to the volume ratio between the first region and the second region is diffused to the first region and the second region. The nozzle hole angle is set.
前記第2領域の容積は、前記第1領域の容積に対して同等、または、大きい
ことを特徴とする。 The piston according to claim 3,
The volume of the second region is equal to or larger than the volume of the first region.
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