JP2010112350A - Piston of direct injection type diesel internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、直接噴射式ディーゼル内燃機関のスモークやNOxなどの発生を低下させるために頂部に設けられた燃焼室の外周に改良を施されたピストンに関する。 The present invention relates to a piston in which the outer periphery of a combustion chamber provided at the top is improved in order to reduce the generation of smoke and NOx in a direct injection diesel internal combustion engine.
噴射した勢いで燃料を燃焼室に霧化させる構造の燃料噴射ノズルに対応したピストンの場合、噴射された燃料のうち約90%が燃焼室で燃焼し、残りの約10%がスキッシュエリアで燃焼することが分かっている。スキッシュエリアで燃焼した燃料から発生する煤は、トップランドに侵入してピストンやピストンリングの焼き付きの原因となったり、潤滑オイルの劣化の原因になったりする。そのため、スキッシュエリアの燃焼効率を高めて煤の酸化を促進する必要がある。 In the case of a piston corresponding to a fuel injection nozzle structured to atomize fuel into the combustion chamber with the injected momentum, about 90% of the injected fuel burns in the combustion chamber and the remaining about 10% burns in the squish area I know you will. Soot generated from the fuel burned in the squish area penetrates into the top land, causing seizure of the piston and piston ring, and deterioration of the lubricating oil. Therefore, it is necessary to increase the combustion efficiency in the squish area and promote soot oxidation.
ディーゼル内燃機関から排出されるNOx量を低減する方法としてリッチ・リーンバーンがある。これは、点火から初期までの間にリッチ燃焼を行い、その後の中後期にリーン燃焼を行うものである。このようにすることで、NOxの発生量を抑制しつつ、初期のリッチ燃焼で生成された可燃性の中間性生物(CO,HC,シアン等)やスモーク成分(C)を後期のリーン燃焼によって再燃焼させ、結果としてNOxおよびスモークの発生量を低減させている。 Rich lean burn is a method for reducing the amount of NOx discharged from a diesel internal combustion engine. In this method, rich combustion is performed from ignition to the initial stage, and then lean combustion is performed in the middle and later stages. In this way, while suppressing the amount of NOx generated, flammable intermediate organisms (CO, HC, cyan, etc.) and smoke components (C) produced by the early rich combustion can be removed by the later lean combustion. As a result, the amount of NOx and smoke generated is reduced.
リッチ・リーンバーンを行える燃焼室の構造が、特許文献1の従来の技術に開示されている。これによれば、ピストンの頂面に設けられた燃焼室の外周に環状溝を形成する。同じ圧縮比を維持するために環状溝を設けた分だけ燃焼室の容積が小さくなる。上死点近傍において燃焼室ではリッチ燃焼を行い、その後の膨張行程において環状溝内の空気を利用して可燃性中間生成物やスモークを燃焼させるリーン燃焼を行っている。
ところが、特許文献1の従来技術に記載されたピストン構造は、衝突拡散によって燃焼室内に燃料噴霧を作り、吸気ポートから入った空気のスワールによって燃料噴霧と空気とを攪拌、混合する。そのため、吸気ポートから入った空気の一部が燃焼室の周囲に設けた環状溝に導かれてしまうと、スワールによる燃焼室の攪拌力が不足するので、これを補うべく別途装置を必要としている。
However, the piston structure described in the prior art of
また、特許文献1の従来技術に記載されたピストン構造の場合、燃料を衝突拡散させているため、燃焼室の外周に環状溝を設けても燃料噴霧が到達しにくい。これに対して、噴射した勢いで燃料を霧化させる構造の燃料噴射ノズルに対応したピストン構造の場合、圧縮行程で噴射された燃料噴霧が燃焼室を越えて環状溝に入り込んでしまう可能性がある。入り込んだ燃料噴霧は、燃焼初期において環状溝内の酸素を消費する。その結果、燃焼後期で酸素が不足し、スキッシュエリアの燃焼効率は改善されなくなってしまう。
Further, in the case of the piston structure described in the prior art of
十分な酸素を供給するために環状溝の容積を大きくすることも考えられる。しかし、燃焼室の圧縮比を維持するために燃焼室の容積を小さくしなければならなくなるので、好ましくない。 It is conceivable to increase the volume of the annular groove in order to supply sufficient oxygen. However, it is not preferable because the volume of the combustion chamber must be reduced in order to maintain the compression ratio of the combustion chamber.
そこで、本発明は、燃焼室の容積をできるだけ維持したまま、簡単な構造でスキッシュエリアの燃焼効率を高めた直接噴射式ディーゼル内燃機関のピストンを提供する。 Therefore, the present invention provides a piston for a direct injection type diesel internal combustion engine having a simple structure and improving the combustion efficiency in the squish area while maintaining the volume of the combustion chamber as much as possible.
本発明に係るピストンは、噴孔から噴射した勢いで燃料を霧化する燃料噴射ノズルに対応した直接噴射式ディーゼル内燃機関のピストンであって、燃焼室と窪みとを備える。燃焼室は、頂部に設けられる。窪みは、燃料噴射ノズルの複数の噴孔から噴射された燃料噴霧の拡散範囲に個別に対応させて燃焼室の外周に独立して設けられる。そして、ピストンの半径方向に沿う窪みの断面形状は、ピストンの中心に対する周方向位置によって異なる燃料噴霧の燃料濃度の分布に応じて設ける。 A piston according to the present invention is a piston of a direct injection type diesel internal combustion engine corresponding to a fuel injection nozzle that atomizes fuel with the momentum injected from an injection hole, and includes a combustion chamber and a depression. The combustion chamber is provided at the top. The depressions are independently provided on the outer periphery of the combustion chamber so as to individually correspond to the diffusion range of the fuel spray injected from the plurality of injection holes of the fuel injection nozzle. And the cross-sectional shape of the hollow along the radial direction of the piston is provided according to the distribution of the fuel concentration of the fuel spray that varies depending on the circumferential position with respect to the center of the piston.
この場合、燃料噴霧の燃料濃度の分布が最大となる周方向位置で、窪みの断面形状の面積も最大となるように設ける。また、ピストンの周方向に窪みが設けられる範囲は、周方向に燃料噴霧が拡散される範囲と一致させる。 In this case, the fuel spray is provided so that the area of the cross-sectional shape of the depression is maximized at the circumferential position where the fuel concentration distribution of the fuel spray is maximized. Further, the range in which the depressions are provided in the circumferential direction of the piston is matched with the range in which the fuel spray is diffused in the circumferential direction.
燃焼室にスワールが設定される場合、窪みは、スワールの下流方向へオフセットして設けられる。または、窪みは、燃料噴射ノズルに近い側の側壁を頂面に対して鋭角に設け、燃料噴射ノズルに遠い側の側壁を頂面に対して鈍角に設ける。または、窪みの深さは、周方向位置によって異なる燃料噴霧の燃料濃度の分布に応じた寸法に設ける。または、燃料噴射ノズルを中心とする半径方向の窪みの開口幅は、周方向位置によって異なる燃料噴霧の燃料濃度の分布に応じた寸法に設ける。または、窪みは、頂部の外周から燃焼室の外周縁までの距離の半分よりも内側に設ける。または、窪みは、燃料噴射ノズルを中心とする半径方向の開口幅を、頂部の外周から燃焼室の外周縁までの距離の1/3以下にする。または、窪みは、燃料噴射ノズルを中心とする円弧形状にする。 When a swirl is set in the combustion chamber, the recess is provided by being offset in the downstream direction of the swirl. Alternatively, the recess has a side wall closer to the fuel injection nozzle at an acute angle with respect to the top surface and a side wall far from the fuel injection nozzle at an obtuse angle with respect to the top surface. Or the depth of a hollow is provided in the dimension according to distribution of the fuel concentration of a fuel spray which changes with circumferential positions. Alternatively, the opening width of the recess in the radial direction centering on the fuel injection nozzle is set to a size corresponding to the distribution of the fuel concentration of the fuel spray that varies depending on the circumferential position. Or a hollow is provided inside half of the distance from the outer periphery of a top part to the outer periphery of a combustion chamber. Or a hollow makes the opening width of the radial direction centering on a fuel-injection nozzle into 1/3 or less of the distance from the outer periphery of a top part to the outer periphery of a combustion chamber. Alternatively, the recess has an arc shape centered on the fuel injection nozzle.
本発明のピストンによれば、圧縮行程で窪みに溜めていた空気を膨張行程でスキッシュエリアに供給することができるので、スキッシュエリアの燃焼効率が向上する。その結果、スモークの発生量が少なくなる。また、各噴孔から噴出された燃料噴霧の拡散範囲に個別に対応させて窪みを設けている。窪みが無いピストンの燃焼室の容積に比べて、同じ圧縮比を維持するためには窪みを設けた分だけ燃焼室の容積を縮小させる必要はある。しかし、窪みを設けたことによって著しく燃焼室の圧縮比を低下させるものではない。つまり、燃焼室の容積は、従来のものとほぼ同じ大きさを維持することができるので、このピストンを装備するディーゼル内燃機関の特性に与える影響も小さい。 According to the piston of the present invention, the air accumulated in the depression during the compression stroke can be supplied to the squish area during the expansion stroke, so that the combustion efficiency of the squish area is improved. As a result, the amount of smoke generated is reduced. In addition, depressions are provided individually corresponding to the diffusion ranges of the fuel sprays ejected from the respective nozzle holes. In order to maintain the same compression ratio as compared to the volume of the combustion chamber of the piston without the depression, it is necessary to reduce the volume of the combustion chamber by the amount of the depression. However, providing the depression does not significantly reduce the compression ratio of the combustion chamber. In other words, the volume of the combustion chamber can be maintained substantially the same as that of the conventional one, so that the influence on the characteristics of the diesel internal combustion engine equipped with this piston is small.
そして、ピストンの半径方向に沿う窪みの断面形状を燃料噴霧の燃料濃度の分布に応じて設けている。したがって、シリンダ内における燃料噴霧と空気との混合比が均質化されやすく、燃焼が安定する。 And the cross-sectional shape of the hollow in alignment with the radial direction of a piston is provided according to distribution of the fuel concentration of fuel spray. Therefore, the mixing ratio of fuel spray and air in the cylinder is easily homogenized, and combustion is stabilized.
また、燃料噴霧の燃料濃度の分布に窪みの断面形状を合わせる、または、燃料噴霧の拡散範囲に窪みを設ける範囲を一致させる発明のピストンによれば、さらに燃料噴霧と空気との混合比の均質化が図れるため、燃焼が安定し、燃焼効率が向上する。 Further, according to the piston of the invention in which the cross-sectional shape of the depression is matched to the fuel concentration distribution of the fuel spray, or the range in which the depression is provided in the diffusion range of the fuel spray is matched, the mixing ratio of the fuel spray and air is further uniform. Therefore, combustion is stabilized and combustion efficiency is improved.
窪みの位置をスワールの分だけオフセットさせる発明のピストンによれば、燃料噴射ノズルから噴射されて霧化した燃料がスワールによって下流へと流された位置にちょうど窪みが配置されていることになる。したがって、スキッシュエリアへ拡散されてきた燃料噴霧に対して効率よく窪みに溜められた空気を提供することができるため、燃焼効率を向上させることができる。 According to the piston of the invention in which the position of the depression is offset by the amount of the swirl, the depression is arranged just at the position where the atomized fuel injected from the fuel injection nozzle is caused to flow downstream by the swirl. Therefore, since the air accumulated in the depression can be efficiently provided for the fuel spray diffused to the squish area, the combustion efficiency can be improved.
窪みの内周側の側壁が頂面に対して成す角度を鋭角にした発明のピストンによれば、圧縮行程中に燃料噴射ノズルから噴射された燃料噴霧がスキッシュエリアに拡散された場合でも、窪みの中に燃料噴霧が入りにくい。窪みの内側に空気を確実に保持しておくことができるので、膨張行程でスキッシュエリアに十分な酸素を供給することができる。その結果、スキッシュエリアの燃焼効率が向上しスモークの発生量が減る。 According to the piston of the invention in which the angle formed by the inner peripheral side wall of the recess with respect to the top surface is an acute angle, even when the fuel spray injected from the fuel injection nozzle is diffused into the squish area during the compression stroke, The fuel spray is difficult to enter. Since air can be reliably held inside the recess, sufficient oxygen can be supplied to the squish area in the expansion stroke. As a result, the combustion efficiency in the squish area is improved and the amount of smoke generated is reduced.
窪みの深さを燃料噴霧の燃料濃度の分布に応じた深さにする発明のピストンによれば、燃料の量に応じた量の空気を窪みから供給することができる。したがって、スキッシュエリアの燃焼効率が向上し、スモークの発生量が減る。また、燃料濃度の分布に併せることによって、窪みの容積を必要最小限にとどめることができるので、燃焼室の容積を縮小させる量が少なくてすむ。つまり、このピストンを装備するディーゼル内燃機関の特性に与える影響も少ない。 According to the piston of the invention in which the depth of the recess is set to a depth corresponding to the fuel concentration distribution of the fuel spray, an amount of air corresponding to the amount of fuel can be supplied from the recess. Therefore, the combustion efficiency in the squish area is improved and the amount of smoke generated is reduced. In addition, the volume of the recess can be kept to the minimum necessary by combining with the distribution of the fuel concentration, so that the amount of reducing the volume of the combustion chamber can be reduced. That is, there is little influence on the characteristics of the diesel internal combustion engine equipped with this piston.
さらに燃料噴霧の燃料濃度の分布に応じて窪みの深さが設定されているということは、周方向に窪みの両端が浅くなっていることである。スワールが設定されている場合、スワールによる気流が窪みの中に入り込んで攪拌する。運転条件が悪化して運転上煤が窪みの中に堆積しても、運転条件が回復した際に退役した煤がスワールの気流によって掻き出される。 Furthermore, the fact that the depth of the depression is set according to the fuel concentration distribution of the fuel spray means that both ends of the depression are shallow in the circumferential direction. If the swirl is set, the airflow from the swirl enters the recess and stirs. Even if the operating condition deteriorates and driving soot accumulates in the depression, the retired soot is scraped out by the swirl airflow when the operating condition is recovered.
ピストンの半径方向に沿う窪みの開口幅が、燃料噴霧の燃料濃度の分布に併せて周方向位置で異なっている形状の窪みを設けた発明のピストンによれば、燃料の量に応じた空気量を窪みから提供することができる。その結果、スキッシュエリアの燃焼効率が向上しスモーク発生量が減る。 According to the piston of the invention in which the opening width of the recess along the radial direction of the piston is provided with a recess having a shape that differs in the circumferential position in accordance with the fuel concentration distribution of the fuel spray, the amount of air corresponding to the amount of fuel Can be provided from the recess. As a result, the combustion efficiency in the squish area is improved and the amount of smoke generated is reduced.
ピストンの半径方向に窪みの開口幅の中心を、燃焼室の外周縁から頂部の外周までの距離の半分の位置よりも燃焼室寄りにした発明のピストンによれば、膨張行程でスキッシュエリアに吸い出された燃焼室内の燃焼ガスに早い段階で窪みから空気を供給することができる。したがって、燃焼ガスがスキッシュエリアに拡がりきる前に可燃性の中間生成物(CO,HC,シアン)やスモーク成分(C)を燃焼させることができる。そのため、煤の発生量を抑えることができる。 According to the piston of the invention in which the center of the opening width of the hollow in the radial direction of the piston is closer to the combustion chamber than the half of the distance from the outer peripheral edge of the combustion chamber to the outer periphery of the top, the piston is sucked into the squish area during the expansion stroke. Air can be supplied to the combustion gas in the combustion chamber that has been discharged from the recess at an early stage. Therefore, the combustible intermediate product (CO, HC, cyan) and smoke component (C) can be combusted before the combustion gas spreads to the squish area. Therefore, the generation amount of soot can be suppressed.
ピストンの半径方向に窪みの開口幅を、窪みの底壁の幅よりも小さくした、あるいは、燃焼室の外周縁から頂部の外周までの距離、すなわちスキッシュエリアの幅、の1/3以下にした発明のピストンによれば、窪みの内部に空気を保持しやすい。 The opening width of the dent in the radial direction of the piston is made smaller than the width of the bottom wall of the dent, or less than 1/3 of the distance from the outer periphery of the combustion chamber to the outer periphery of the top, that is, the width of the squish area. According to the piston of the invention, it is easy to hold air inside the recess.
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4を参照して説明する。このピストン1は、直接噴射式ディーゼル内燃機関用のピストンであって、噴孔Hから噴射した勢いで燃料を霧化する燃料噴射ノズルNに対応した形状の燃焼室10を有している。図1および図2に示すように、燃料噴射ノズルNは、ピストン1の中心線C上に配置されており、等配に6方向放射状に燃料を噴射する噴孔Hを有している。燃焼室10は燃料噴射ノズルNを中心にピストン1の頂部1aに設けられている。ピストン1が図3に示す上死点に位置する状態で、シリンダヘッド2の下面2aとピストン1の頂面Tとの隙間がほとんど無くなる。
A
燃焼室10の周壁11は、燃料噴射ノズルNから噴出された燃料が液柱から噴霧に変化した先に設けられる。また、燃焼室10の底壁12は、中央部が燃料噴射ノズルNに向かって円錐形状に突出している。周壁11とピストン1の頂面Tとによって形成される外周縁13は、鋭角となるリエントラント角が設定されている。つまり、この燃焼室10は、いわゆるリエントラント型燃焼室である。
The
燃焼室10より外周に拡がるスキッシュエリア14には、6つの噴孔Hから各々噴出された燃料噴霧Mの拡散範囲に個別に対応する位置に、窪み20が設けられている。各窪み20は、燃焼室10および隣り合う窪み20と独立しており、図2に示すように、燃料噴射ノズルNを中心とする燃焼室10の外周に沿った円弧形状に設けられている。本実施形態において「独立している」とは、ピストン1の頂面Tよりも凹んでいる部分(燃焼室10と窪み20)が互いにつながっていないことを意味する。
In the
このとき、ピストン1の半径方向に窪み20の中心位置Kは、ピストン1の頂部1aの外周から燃焼室10の外周縁13までの距離の半分の位置Lよりも内側になるように設ける。また、燃料噴射ノズルNを中心とする1半径方向の窪み20の開口幅Wは、頂部1aの外周から燃焼室10の外周縁13までの距離の1/3以下、すなわち、ピストン1の半径方向にスキッシュエリア14の幅の1/3以下である。
At this time, the center position K of the
以上のように構成されたピストン1に対して、図1に示すように圧縮行程において燃料を噴射すると、燃料は霧化して燃料噴霧Mの状態で周壁11に当ったのち、一部が燃焼室10の外周縁13を越えてスキッシュエリア14へ拡散される。このとき、スキッシュエリア14に拡散された燃料噴霧Mのほとんどは、ピストン1が上死点に近づくにつれて、スキッシュエリア14から燃焼室10側に押し戻される。窪み20の開口幅Wがスキッシュエリア14の幅の1/3以下であるので、空気と置換されて窪み20に侵入する燃料噴霧Mの量は少なく、空気が窪み20に溜まる。
When fuel is injected in the compression stroke as shown in FIG. 1 with respect to the
図3に示すように上死点において燃焼が開始されると、燃焼領域Bは、燃焼室10内に拡がり、膨張行程でピストン1が下がるにつれて図4に示すようにスキッシュエリア14へ拡がる。このとき、ピストン1が下がるにつれて燃焼室10内の圧力も下がるため、窪み20内に確保されていた空気がスキッシュエリア14に放出される。その結果、圧縮行程でスキッシュエリア14に入り込んだ燃料噴霧Mおよびスキッシュエリア14へ拡がった燃焼領域Bに、窪み20に入っていた空気中の酸素が供給されるので、スキッシュエリア14での燃焼が促進される。
As shown in FIG. 3, when combustion is started at the top dead center, the combustion region B expands into the
このように、このピストン1は、燃焼室10の外周のスキッシュエリア14に燃料噴霧Mの拡散範囲に対応させて窪み20を設けている。圧縮行程でスキッシュエリア14に侵入した燃料および膨張行程でスキッシュエリア14に拡がる燃焼領域B中のスモーク成分の燃焼を促進させることができるので、煤の発生量が少なくなるとともに燃焼効率が向上する。
Thus, this
窪み20は、ピストン1の半径方向にスキッシュエリア14の半分よりも内側に開口幅Wの中心が来るように設けられている。したがって、膨張行程でスキッシュエリア14に拡がってくる燃焼領域Bに対して、早い段階で窪み20から空気を供給できる。
The
また、このピストン1は、燃焼後期の膨張行程でスキッシュエリア14へ拡がる燃焼領域Bに対して、窪み20に確保していた空気、つまりはその中の酸素を供給し、燃焼領域B中のスモークを燃焼させる。したがって、これまで燃費は良かったがスモーク発生量も多かった運転条件において、このピストン1は、スモーク発生量を減らすことができる。
Further, the
さらに、このピストン1は、燃料噴霧Mの拡散範囲に対応させて窪み20を設けている。したがって、図1および図2に示すように燃料噴霧Mが入り込んだ領域に対して効率よく酸素を供給できる。また、燃料噴霧Mの拡散範囲に対応する部分にのみ窪み20を設けているので、燃焼室10の圧縮比を維持するために燃焼室10の容積を減らす量を最小限にとどめることができる。
Further, the
本発明に係る第2の実施形態のピストン1は、図5を参照して説明する。このピストン1の燃焼室10には、図5に示すように反時計回りのスワールSが設定されている。したがって、燃料噴射ノズルNの噴孔Hから噴射された燃料は、霧化されて燃料噴霧MになるとスワールSに流される。そこで、本実施形態におけるピストン1の窪み20は、図5に示すように、噴孔Hに対してスワールSの下流方向へオフセットして設けられている。言い換えれば、スワールSが設定されている分だけ、窪み20に対して上流側に向けて燃料噴射ノズルNの噴孔Hを設ける。
The
上記以外のピストン1の構成は、第1の実施形態のピストン1と同じであるので、図面中において同一の符号を付してその説明を省略する。また、ピストン1の頂部1aの断面形状は、第1の実施形態の図1、図2および図3を参照するものとする。
Since the configuration of the
本発明に係る第3の実施形態のピストン1は、図6および図7を参照して説明する。このピストン1の窪み20は、図6に示すように、周方向に沿って深さが変化している。つまり、ピストン1の周方向に窪み20の両方の端部21は浅く、中央部分22は深くなっている。燃料噴霧Mの燃料濃度(燃料密度)の分布は、図7に示すように、燃料噴霧Mの中心部で濃く、周辺部で薄い。
A
そこで、ピストン1の半径方向に沿う窪み20の断面形状は、ピストン1の中心に対する周方向位置によって異なる燃料噴霧Mの燃料濃度の分布に応じて設けている。具体的には、図7に示すように、窪み20の深さは、周方向位置によって異なる燃料噴霧Mの燃料濃度の分布に応じた寸法に設けている。そして、本実施形態では、燃料噴霧Mの燃料濃度が最大となる位置で、窪み20の断面積が最大、この場合は、深さが最大となるように、窪み20を設けている。
Therefore, the cross-sectional shape of the
以上のように構成されたピストン1は、スキッシュエリア14に入り込んだ燃料噴霧Mの密度分布に適応する分量の酸素を窪み20から供給することができるようになる。その結果、燃焼領域B内における燃焼温度や燃焼速度が均質化し、煤の発生を減少させることができる。
The
上記以外のピストン1の構成は、第1の実施形態のピストン1と同じであるので、図面中において同一の符号を付してその説明を省略する。なお、スワールSが設定される場合は、燃料噴霧Mの燃料密度の分布に合うように、例えばスワールSの方向に沿って下流側が浅く上流側が深いというような偏りを含ませ、ピストン1の周方向に非対称な窪み20を設ければよい。
Since the configuration of the
本発明に係る第4の実施形態のピストン1は、図8を参照して説明する。このピストン1の窪み20は、ピストン1の中心線Cおよび燃料噴射ノズルNを中心とする半径方向の開口幅Wが先の実施形態と異なっている。本実施形態のピストン1の窪み20の開口幅Wは、周方向位置によって異なる燃料噴霧Mの燃料濃度の分布に応じた寸法に設けられている。つまり、ピストン1の半径方向に沿う窪み20の断面形状は、ピストン1の中心線Cに対する周方向位置によって異なる燃料噴霧の燃料濃度の分布に応じて設けており、本実施形態では、窪み20の開口幅Wを燃料濃度の分布に対応させている。
A
図8に示すように、窪み20は、二等辺三角形の底辺を燃料噴射ノズルに向けた開口形状であり、噴孔Hから噴射される燃料の噴射方向である燃料噴霧Mの中心が最も開口幅Wが大きく、中心から離れるにしたがって開口幅Wが小さくなる。
As shown in FIG. 8, the
上記以外のピストン1の構成は、第1の実施形態のピストン1と同じであるので、図面中において同一の符号を付してその説明を省略する。また、燃焼室10の断面形状や窪み20の配置などについては、第1の実施形態および図1から図4を参照するものとする。スワールSが設定されている場合は、図5に示されているように窪み20の配置をオフセットするとともに、頂点がスワールSの上流側に偏った三角形にすればよい。さらに、燃料噴霧Mの燃料密度の分布に対応させて窪み20の深さを周方向位置によって変化させても良い。
Since the configuration of the
本発明に係る第5の実施形態のピストン1は、図9を参照して説明する。このピストン1の窪み20は、燃料噴射ノズルNを中心とする半径方向の開口幅Wが第4の実施形態と同様に変化している。本実施形態のピストン1の窪み20は、図9に示すように、周方向に長い菱形の開口形状を有している。第4の実施形態の窪み20と同様に、開口幅Wは、燃料噴霧Mの燃料密度の分布に対応しており、燃料噴霧Mの中心が最も大きく、中心から離れるにしたがって小さくなっている。
A
上記以外のピストン1の構成は、第1の実施形態のピストン1と同じであるので、図中に同一の符号を付してその説明を省略する。また、燃焼室10の断面形状や窪み20の配置などについては、第1の実施形態および図1から図4を参照するものとする。また、スワールSが設定されている場合は図5に示されているように窪み20の配置をオフセットするとともに、ピストン1の中心線Cを通る対角線に対してスワールSの下流側に長い菱形の開口形状にする。本実施形態では、燃料噴霧Mの燃料密度の分布に対して開口幅Wのみを変化させているが、第3の実施形態のように窪み20にさらに深さ方向の変化を加えても良い。
Since the configuration of the
本発明に係る第6の実施形態のピストン1は、図10を参照して説明する。このピストン1の窪み20は、燃料噴射ノズルNを中心とする半径方向の開口幅Wが第4および第5の実施形態と同様に変化しているとともに、燃料噴霧Mの形状に沿う形の開口形状を有している。つまり、図10に示すように、窪み20の開口形状は、三日月形である。燃料噴霧Mに沿った開口形状が設けられているので、第4および第5の実施形態の窪み20に対してさらに適した範囲に酸素を供給できるようになる。
A
上記以外のピストン1の構成は、第1の実施形態のピストン1と同じであるので、図中に同一の符号を付してその説明を省略する。また、燃焼室10の断面形状や窪み20の配置などについては、第1の実施形態および図1から図4を参照するものとする。また、スワールSが設定されている場合は、図5に示すスワールSによって作られる燃料噴霧Mの形状に沿って下流側に尾が延びる涙形の開口形状を設ける。本実施形態では、燃料噴霧Mの燃料密度の分布に対して開口幅Wのみを変化させているが、第3の実施形態のように窪み20に深さ方向の変化を加えても良い。
Since the configuration of the
本発明に係る第7の実施形態のピストン1は、図11を参照して説明する。このピストン1の窪み20は、図11に示すように燃料噴射ノズルNを中心とする半径方向の開口幅Wが一定であり、また、半径方向に対して直交する方向にまっすぐに延びた長円形の開口形状を有している。形状が簡単であるため加工がしやすい。
A
上記以外のピストン1の構成は、第1の実施形態のピストン1と同じであるので、図中に同一の符号を付してその説明を省略する。また、燃焼室10の断面形状や窪み20の配置などについては、第1の実施形態および図1から図4を参照するものとする。また、スワールSが設定されている場合は、第2の実施形態と同様に、スワールSの分だけオフセットして窪み20を設ける。さらに、第3の実施形態のように窪み20の深さは、燃料噴霧Mの燃料密度の分布に合わせて周方向位置で変えても良い。
Since the configuration of the
本発明に係る第8の実施形態のピストン1は、図12を参照して説明する。図12に示すピストン1の窪み20は、燃料噴射ノズルNに近い内周側の側壁23が頂面Tに対して鋭角に設けられている。また、燃料噴射ノズルNに遠い外周側の側壁24は、頂面Tに対して鈍角に設けられており、内周側の側壁23とほぼ平行に対峙している。窪み20の底壁25は、頂面Tに平行に設けられており、ピストン1の周方向に深さが一定である。
A
窪み20の開口形状は、燃焼室10の外周縁13に平行な円弧形状であっても、ピストン1の半径方向に対して直角に延びる長方形であってもよい。窪み20は、燃料噴射ノズルNから噴射されて拡散される燃料噴霧Mに対応してピストン1の頂部1aに配置されている。
The opening shape of the
上記以外のピストン1の構成は、第1の実施形態のピストン1と同じであるので、図中に同一の符号を付してその説明を省略する。燃焼室10および窪み20の配置などについては、第1の実施形態および図2を参酌する。なお、スワールSが設定されている場合は、第2の実施形態と同様にスワールSの分だけオフセットして窪み20を配置する。第3の実施形態のように、燃料噴霧Mの燃料密度の分布にあわせて周方向位置で窪み20の深さ変化させても良い。また、第4から第6の実施形態のピストン1のように、窪み20の開口幅Wを燃料噴霧Mの燃料密度の分布に合わせて変化させても良い。
Since the configuration of the
以上のように構成されたピストン1は、圧縮行程の途中、−30°〜0°ATDCの範囲内で燃料が各噴孔Hから噴射される。図12に示すように、スキッシュエリア14とシリンダヘッド2との間に隙間があるため、燃焼室10の外周縁13を越えた燃料噴霧Mの一部は、スキッシュエリア14側に拡散される。このとき、窪み20の内周側の側壁23が頂面Tに対して鋭角に設けられているため、窪み20の中が燃料噴霧Mによって置換されにくい。したがって、窪み20に空気がたくさん蓄えられる。上死点を越えて膨張行程に移行した際に、窪み20に確保していた空気、すなわち空気中の酸素を供給することができる。その結果、燃焼室10で完全燃焼しきらなかった燃料およびスキッシュエリア14に侵入した燃料が燃焼されるため、スモークの排出量が減る。
In the
本発明に係る第9の実施形態のピストン1は、図13を参照して説明する。図13に示すピストン1は、窪み20の断面形状が先の実施形態のものと異なる。この窪み20の内周側の側壁23は、頂面Tに対して鋭角に設けられている。窪み20の外周側の側壁24は、下端が内周側の側壁23の下端につながる程度に、頂面Tに対して鈍角に設けられている。したがって、この窪み20は、ピストン1の半径方向に内側が深く、外側に行くにつれて浅く形成されている。上記以外のピストン1の構成は、第8の実施形態と同じである。
A
以上のように構成されたピストン1は、第8の実施形態と同様に、圧縮行程で噴射された燃料噴霧Mが窪み20の内部に侵入しにくいため、膨張行程でスキッシュエリア14に供給する空気をたくさん窪み20に溜めておくことができる。
In the
1…ピストン、1a…頂部、10…燃焼室、11…周壁、12…底壁、13…外周縁、14…スキッシュエリア、20…窪み、23…(内周側の)側壁、24…(外周側の)側壁、C…中心線、H…噴孔、M…燃料噴霧、N…燃料噴射ノズル、S…スワール、T…頂面。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
頂部に凹設された燃焼室と、
前記燃料噴射ノズルの複数の噴孔から噴射された燃料噴霧の拡散範囲に個別に対応させて前記燃焼室の外周に独立して設けられる窪みと
を備え、前記ピストンの半径方向に沿う前記窪みの断面形状は、前記ピストンの中心に対する周方向位置によって異なる前記燃料噴霧の燃料濃度の分布に応じて設けられていることを特徴とするピストン。 A direct-injection type diesel internal combustion engine piston corresponding to a fuel injection nozzle that atomizes fuel by the momentum injected from the injection hole,
A combustion chamber recessed at the top,
A depression provided independently on the outer periphery of the combustion chamber in correspondence with the diffusion range of the fuel spray injected from the plurality of nozzle holes of the fuel injection nozzle, and the depression along the radial direction of the piston. The piston is characterized in that the cross-sectional shape is provided in accordance with the distribution of the fuel concentration of the fuel spray that varies depending on the circumferential position with respect to the center of the piston.
前記燃料噴霧の燃料濃度の分布が最大となる前記周方向位置で、前記窪みの断面形状の面積は最大となることを特徴とする。 The piston according to claim 1,
The area of the cross-sectional shape of the depression is maximized at the circumferential position where the fuel concentration distribution of the fuel spray is maximized.
前記ピストンの周方向に前記窪みが設けられる範囲は、前記周方向に前記燃料噴霧が拡散される範囲と一致することを特徴とする。 The piston according to claim 1 or claim 2,
The range in which the depression is provided in the circumferential direction of the piston is the same as the range in which the fuel spray is diffused in the circumferential direction.
前記窪みは、前記燃焼室にスワールが設定される場合、スワールの下流方向へオフセットして設けられることを特徴とする。 The piston according to claim 1 or claim 2,
When the swirl is set in the combustion chamber, the recess is provided by being offset in the downstream direction of the swirl.
前記窪みは、前記燃料噴射ノズルに近い側の側壁を頂面に対して鋭角に設け、前記燃料噴射ノズルに遠い側の側壁を頂面に対して鈍角に設けることを特徴とする。 The piston according to claim 1 or claim 2,
The recess is characterized in that a side wall close to the fuel injection nozzle is provided at an acute angle with respect to the top surface, and a side wall far from the fuel injection nozzle is provided at an obtuse angle with respect to the top surface.
前記窪みは、周方向位置によって異なる前記燃料噴霧の燃料濃度の分布に応じた深さに設けられることを特徴とする。 The piston according to claim 1 or claim 2,
The recess is provided at a depth corresponding to a fuel concentration distribution of the fuel spray, which varies depending on a circumferential position.
前記窪みは、前記燃料噴射ノズルを中心とする半径方向の開口幅が、周方向位置によって異なる前記燃料噴霧の燃料濃度の分布に応じた寸法に設けられることを特徴とする。 The piston according to claim 1 or claim 2,
The depression is provided with a size corresponding to a distribution of fuel concentration of the fuel spray, the opening width in the radial direction centering on the fuel injection nozzle being different depending on the circumferential position.
前記窪みは、前記頂部の外周から前記燃焼室の外周縁までの距離の半分よりも内側に設けられることを特徴とする。 The piston according to claim 1 or claim 2,
The recess is provided on the inner side of half of the distance from the outer periphery of the top to the outer peripheral edge of the combustion chamber.
前記窪みは、前記燃料噴射ノズルを中心とする半径方向の開口幅が、前記頂部の外周から前記燃焼室の外周縁までの距離の1/3以下であることを特徴とする。 The piston according to claim 1 or claim 2,
The depression has a radial opening width centered on the fuel injection nozzle, which is 1/3 or less of a distance from an outer periphery of the top portion to an outer peripheral edge of the combustion chamber.
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---|---|---|---|
JP2008287939A JP2010112350A (en) | 2008-11-10 | 2008-11-10 | Piston of direct injection type diesel internal combustion engine |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10619594B2 (en) | 2017-03-31 | 2020-04-14 | Caterpillar Inc. | Combustion system for an internal combustion engine |
JP2020159222A (en) * | 2019-03-25 | 2020-10-01 | ヤンマーパワーテクノロジー株式会社 | diesel engine |
CN117569943A (en) * | 2024-01-15 | 2024-02-20 | 潍柴动力股份有限公司 | Porous eccentric piston and design method thereof |
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2008
- 2008-11-10 JP JP2008287939A patent/JP2010112350A/en not_active Withdrawn
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