JP2010144593A - 燃料直噴エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】 ピストンのキャビティの内部で燃料と混合し難い未利用空気が発生するのを最小限に抑え、キャビティにおける燃料および空気の混合状態を可及的に均一化する。
【解決手段】 燃料直噴エンジンにおいて、燃料噴射軸Ｌｉ２がキャビティ２５の内面と交差する燃料噴射軸衝突点Ｐよりもキャビティ２５の開口端側の内面と燃料噴射軸Ｌｉ２とが成す角度を鈍角αに設定したので、キャビティ２５の内面の燃料噴射軸衝突点Ｐに衝突した燃料噴霧がキャビティ２５の開口端側に駆け上がり易くして燃料噴射軸Ｌｉ２の上方の未利用空気を減少させることができる反面、相互に隣接する燃料噴射軸Ｌｉ２間の下方に未利用空気が発生し易くなるが、相互に隣接する燃料噴射軸Ｌｉ２間にキャビティ２５の底壁部２５ｃから突出する凸部２５ｆを形成したことにより、燃料噴射軸Ｌｉ２間の下方に存在する未利用空気を前記凸部２５ｆにより埋めることで、燃焼室全体としての空気利用率を高めて均等な混合気を形成することができる。
【選択図】 図６

Description

本発明は、頂面の中央部にキャビティが凹設されたピストンと、前記キャビティ内の円周方向に離間する複数の方向を指向する複数の燃料噴射軸に沿って燃料を噴射するフュエルインジェクタとを備える燃料直噴エンジンに関する。

燃料直噴ディーゼルエンジンのピストンの頂面にキャビティを凹設し、キャビティの底部３１に形成した略円錐台状の傾斜面３２に、放射状の燃料噴霧軸線Ｑに沿うように凹溝３３を形成することで、燃料噴霧がキャビティの底部３１と衝突するのを防止し、キャビティ内の空気流動機能を損なうことなく燃料噴霧の空気導入を改善するものが、下記特許文献１に第２実施例として記載されている。
特開平９−２３６０１６号公報

ところで上記特許文献１に記載された発明は、燃料噴霧軸線Ｑに沿って噴射された燃料噴霧がキャビティの窪み部２２に衝突したとき、その燃料噴霧軸線Ｑと、その下方のキャビティの窪み部２２とが成す角度が鈍角になっているため、前記窪み部２２に衝突して反射された燃料噴霧の多くがキャビティの底部３１側に偏向し、燃料噴霧が底部３１に付着して空気との混合が良好に行われなくなる可能性があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、ピストンのキャビティの内部で燃料と混合し難い未利用空気が発生するのを最小限に抑え、キャビティにおける燃料および空気の混合状態を可及的に均一化することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、頂面の中央部にキャビティが凹設されたピストンと、前記キャビティ内の円周方向に離間する複数の方向を指向する複数の燃料噴射軸に沿って燃料を噴射するフュエルインジェクタとを備える燃料直噴エンジンにおいて、前記燃料噴射軸が前記キャビティの内面と交差する燃料噴射軸衝突点よりも前記キャビティの開口端側の内面と前記燃料噴射軸とが成す角度を鈍角に設定するとともに、ピストン中心軸方向に見て、相互に隣接する前記燃料噴射軸間に、前記キャビティの底壁部から突出する凸部を形成したことを特徴とする燃料直噴エンジンが提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記凸部の上端面の高さを、前記キャビティの内面の前記燃料噴射軸衝突点に衝突した燃料が、前記キャビティの円周方向に移動しつつピストン中心軸に向かって反射する反射噴霧の下端と干渉しない高さに設定したことを特徴とする燃料直噴エンジンが提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記凸部の上端面を、ピストン中心軸と前記燃料噴射軸とを通る断面視で、ピストン上死点近傍で噴射された燃料の燃料噴射軸高さと略一致するように設定したことを特徴とする燃料直噴エンジンが提案される。

また請求項４に記載された発明によれば、請求項１〜請求項３の何れか１項の構成に加えて、ピストン中心軸方向に見て、円周方向に相互に隣接する一対の凸部間の間隔を、前記燃料噴射軸に沿って前記一対の凸部間にピストン上死点近傍かつ最大燃料噴射圧で噴射された燃料噴霧と干渉しないように設定したことを特徴とする燃料直噴エンジンが提案される。

また請求項５に記載された発明によれば、請求項１〜請求項４の何れか１項の構成に加えて、前記ピストンは、ピストンピン軸線と平行な方向に延びる頂部を挟んで傾斜する二つの傾斜面を含むペントルーフ型の頂面を備えることを特徴とする燃料直噴エンジンが提案される。

また請求項６に記載された発明によれば、請求項５の構成に加えて、前記キャビティの底壁部は、ピストンピン軸線と平行な方向に延びる底壁頂部を挟んで傾斜する二つの底壁傾斜面を備え、前記凸部は前記底壁傾斜面に形成されることを特徴とする燃料直噴エンジンが提案される。

請求項１の構成によれば、燃料噴射軸がキャビティの内面と交差する燃料噴射軸衝突点よりもキャビティの開口端側の内面と燃料噴射軸とが成す角度を鈍角に設定したので、キャビティの内面の燃料噴射軸衝突点に衝突した燃料噴霧がキャビティの開口端側に駆け上がり易くして燃料噴射軸の上方の未利用空気を減少させることができる反面、相互に隣接する燃料噴射軸間の下方に未利用空気が発生し易くなるが、未利用空気が発生し易い当該箇所にキャビティの底壁部から突出する凸部を形成したことにより、相互に隣接する燃料噴射軸間の下方の未利用空気を前記凸部により埋めることで、燃焼室全体としての空気利用率を高めて均等な混合気を形成することができる。

また請求項２の構成によれば、キャビティの内面の燃料噴射軸衝突点に衝突した燃料が、キャビティの円周方向に移動しつつピストン中心軸に向かって反射する反射噴霧の下端と干渉しないように凸部の上端面の高さを設定したので、燃料噴射軸衝突点に衝突して反射した燃料噴霧が凸部に接触し難くして燃焼状態の悪化を防止することができる。

また請求項３の構成によれば、凸部の上端面をピストン中心軸と燃料噴射軸とを通る断面視で、ピストン上死点近傍で噴射された燃料の燃料噴射軸高さと略一致するように設定したので、燃料噴射軸衝突点に衝突して反射した燃料噴霧が凸部に接触し難くして燃焼状態の悪化を防止することができる。

また請求項４の構成によれば、ピストン中心軸方向に見て、円周方向に相互に隣接する一対の凸部間の間隔を、燃料噴射軸に沿って一対の凸部間にピストン上死点近傍かつ最大燃料噴射圧で噴射された燃料噴霧と干渉しないように設定したので、燃料を最大燃料噴射圧で噴射したときであっても、キャビティ２５の内面に衝突する前の燃料噴霧の凸部への衝突も確実に抑制することができる。

また請求項５の構成によれば、ピストンが、ピストンピン軸線と平行な方向に延びる頂部を挟んで傾斜する二つの傾斜面を含むペントルーフ型の頂面を備えるので、平坦な頂面を備えるピストンに比べて空気が円周方向に流動し難くなって未利用空気が残り易くなるが、キャビティの凸部によって未利用空気部分を埋めてしまうことで、全体として空気利用効率が向上する。しかも空気が円周方向に流動し難くなるということは、隣接する凸部間を通過する燃料噴霧の軌跡も円周方向に乱され難くなるということであり、前記燃料噴霧の凸部への衝突を抑制することができる。

また請求項６の構成によれば、キャビティの底壁部がピストンピン軸線と平行な方向に延びる底壁頂部を挟んで傾斜する二つの底壁傾斜面を備えているので、凸部を底壁傾斜面に形成することで該凸部の突出量を少なくすることができるだけでなく、底壁頂部を避けた位置に凸部が形成されるので該凸部の形成が容易になる。

以下、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて説明する。

図１〜図６は本発明の実施の形態を示すもので、図１はディーゼルエンジンの要部縦断面図、図２は図１の２−２線矢視図、図３は図１の３−３線矢視図、図４はピストンの上部斜視図、図５は図３の５−５線断面図、図６は本発明および従来例の作用説明図である。

図１〜図３に示すように、燃料直噴型のディーゼルエンジンは、シリンダブロック１１に形成されたシリンダ１２に摺動自在に嵌合するピストン１３を備えており、ピストン１３はピストンピン１４およびコネクティングロッド１５を介して図示せぬクランクシャフトに接続される。シリンダブロック１１の上面に結合されるシリンダヘッド１６の下面に、ピストン１３の頂面に対向する２個の吸気バルブ孔１７，１７と、２個の排気バルブ孔１８，１８とが開口しており、吸気バルブ孔１７，１７に吸気ポ−ト１９が連通し、排気バルブ孔１８，１８に排気ポート２０が連通する。吸気バルブ孔１７，１７は吸気バルブ２１，２１で開閉され、排気バルブ孔１８，１８は排気バルブ２２，２２で開閉される。ピストン中心軸Ｌｐ上に位置するようにフュエルインジェクタ２３が設けられるとともに、フュエルインジェクタ２３に隣接するようにグロープラグ２４が設けられる。

図１および図４から明らかなように、ピストン１３の頂面と、そこに対向するシリンダヘッド１６の下面とは平坦ではなく断面三角形のペントルーフ状に傾斜しており、この形状により、吸気ポ−ト１９および排気ポート２０の湾曲度を小さくするとともに吸気バルブ孔１７，１７および排気バルブ孔１８，１８の直径を確保し、吸気効率および排気効率を高めることができる。

ピストン１３の頂面には、ピストン中心軸Ｌｐを中心とするキャビティ２５が凹設される。キャビティ２５の径方向外側には、ピストンピン１４と平行に直線状に延びる頂部１３ａ，１３ａから吸気側および排気側に向かって下向きに傾斜する一対の傾斜面１３ｂ，１３ｂと、傾斜面１３ｂ，１３ｂの下端近傍に形成されてピストン中心軸Ｌｐに直交する一対の平坦面１３ｃ，１３ｃと、頂部１３ａ，１３ａの両端を平坦に切り欠いた一対の切欠き部１３ｄ，１３ｄとが形成される。

図５はピストン中心軸Ｌｐを通るキャビティ２５の断面形状を示すもので、その右半部はピストンピン１４の方向に対して直交する方向の断面であり、その左半部はピストンピン１４の方向に対して６０°の角度で交差する方向の断面である。これらの断面において、キャビティ２５は、ピストン１３の頂面から下向きに直線状に延びる周壁部２５ａと、周壁部２５ａの下端からピストン中心軸Ｌｐに向かってコンケーブ状に湾曲する曲壁部２５ｂと、曲壁部２５ｂの径方向内端からピストン中心軸Ｌｐに向かって斜め上方に直線状に延びる一対の底壁部２５ｃ，２５ｃとを備える。

図５には上記二つの断面が示されているが、本実施の形態のキャビティ２５の断面形状は、ピストン中心軸Ｌｐを通る任意の断面において実質的に同じになっている。但し、ピストン１３の頂面がペントルーフ型であるため、断面の位置がピストンピン１４の方向から遠ざかるほど、その断面はピストン中心軸Ｌｐを中心とする径方向外側部分が強く下向きに傾斜している。図５において、右半部のピストンピン１４の方向に対して直交する方向の断面は下向きの傾斜角度が最も大きく、それよりもピストンピン１４の方向に近い左半部のピストンピン１４の方向に対して６０°の角度で交差する方向の断面の下向きの傾斜角度は、上記右半部の断面の下向きの傾斜角度よりも若干小さくなっている。

ピストン１３の頂面がペントルーフ型であるため、キャビティ２５の底壁部２５ｃ，２５ｃの形状もペントルーフ型となっている。即ち、キャビティ２５の底壁部２５ｃ，２５ｃは、ピストンピン１４の方向に延びる稜線状の底壁頂部２５ｄ，２５ｄと、底壁頂部２５ｄ，２５ｄを挟んで傾斜する二つの底壁傾斜面２５ｅ，２５ｅとを備えている、そして二つの底壁傾斜面２５ｅ，２５ｅには、各３個のアーモンド形の凸部２５ｆ…が６０°間隔で上向きに突設される。凸部２５ｆ…は一定の高さを有しており、その上面は底壁傾斜面２５ｅ，２５ｅと平行である。

またキャビティ２５の底壁部２５ｃ，２５ｃに上向きに傾斜するように設けた二つの底壁傾斜面２５ｅ，２５ｅに凸部２５ｆ…を形成したことにより、凸部２５ｆ…の突出量を少なくすることができるだけでなく、底壁頂部２５ｄ，２５ｄを避けた位置に凸部２５ｆ…が形成されるので該凸部２５ｆ…の形成が容易になる。

図３に示すように、ピストン中心軸Ｌｐに沿って配置されたフュエルインジェクタ２３は、ピストン中心軸Ｌｐ上の仮想的な点である燃料噴射点Ｏｉｎｊを中心として、平面視で（ピストン中心軸Ｌｐ方向に見て）円周方向に６０°間隔で離間する６つの方向に燃料を噴射する。６本の燃料噴射軸のうちの２本の第１燃料噴射軸Ｌｉ１は、ピストン中心軸Ｌｐ方向に見てピストンピン１４と重なっており、他の４本の第２燃料噴射軸Ｌｉ２は、ピストンピン１４の方向に対して６０°の角度で交差している。６本の第１、第２燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２の位相と、６個の凸部２５ｆ…の位相とは３０°ずれており、従って隣接する一対の凸部２５ｆ，２５ｆの間を第１、第２燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２が通過する。

ピストン中心軸Ｌｐ方向に見て、円周方向に相互に隣接する一対の凸部２５ｆ，２５ｆ間の間隔は、燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２に沿って一対の凸部２５ｆ，２５ｆ間にピストン上死点近傍かつ最大燃料噴射圧で噴射されたキャビティ２５への衝突前の燃料噴霧と干渉しないように設定される。これにより、燃料が最大燃料噴射圧で噴射されて円周方向に最大限に広がったときであっても、燃料噴霧の凸部２５ｆ，２５ｆへの衝突を確実に抑制することができる。

ピストン中心軸Ｌｐに直交する方向に見て、６本の第１、第２燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２は斜め下向きに傾斜しており、その下向きの度合いを示す燃料噴射傘角γは第１燃料噴射軸Ｌｉ１では大きく、従って第１燃料噴射軸Ｌｉ１の下向きの度合いは小さくなっており、また燃料噴射傘角γは第２燃料噴射軸Ｌｉ２では小さく、従って第２燃料噴射軸Ｌｉ２の下向きの度合いは大きくなっている。図５には、一例として第２燃料噴射軸Ｌｉ２の燃料噴射傘角γが示されている。

キャビティ２５の凸部２５ｆ…の上端面の高さは、ピストン中心軸Ｌｐと燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２とを通る断面視で、ピストン上死点近傍で噴射された燃料の燃料噴射軸高さと略一致するように設定されており、これにより燃料噴射軸衝突点Ｐに衝突して反射した燃料噴霧が凸部２５ｆ…に接触し難くして燃焼状態の悪化を防止することができる。

図５において、第２燃料噴射軸Ｌｉ２がキャビティ２５の曲壁部２５ｂと交差する点が燃料噴射軸衝突点Ｐとして定義される。燃料噴射軸衝突点Ｐにおいて曲壁部２５ｂの接線を引いたとき、第２燃料噴射軸Ｌｉ２と、前記接線のキャビティ２５の開口端側との成す角度をαとすると、αは鈍角になるように設定される。

尚、第１燃料噴射軸Ｌｉ１がキャビティ２５の曲壁部２５ｂと交差する点も燃料噴射軸衝突点Ｐとして定義され、第１燃料噴射軸Ｌｉ１と、燃料噴射軸衝突点Ｐにおいて曲壁部２５ｂの接線のキャビティ２５の開口端側との成す角度をαとすると、αは鈍角になるように設定される。

次に、上記構成を備えた本発明の実施の形態の作用について説明する。

ピストン１３が上死点の近傍にあるときにフュエルインジェクタ２３から６本の第１、第２燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２に沿って噴射された燃料は、ピストン１３の底壁部２５ｃ，２５ｃに突設した６個の凸部２５ｆ…の間を通過してキャビティ２５の燃料噴射軸衝突点Ｐに衝突する。衝突により反射した燃料のうちの多くは、角度α（図５参照）が鈍角に設定されていること、燃料の衝突後にピストン１３が下降して逆スキッシュ流が発生すること等の要因により、キャビティ２５の曲壁部２５ｂから周壁部２５ａに向かって上向きに（キャビティ２５の開口端側に）流れ、図６（Ａ）に示す燃料噴霧拡散領域に拡散する。

このように、ピストン１３がペントルーフ型の頂面を備えるので、フラットな頂面を備える場合に比べて空気が円周方向に流動し難くなって未利用空気が残り易くなり、しかも噴射された燃料の主要部が燃料噴射軸衝突点Ｐから上方に反射することで、相互に隣接する第１、第２燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２間のキャビティ２５の底壁部２５ｃ，２５ｃの近傍の空気が燃料と混合しない未利用空気となって均一な混合気の生成を妨げることになるが（図６（Ｂ）の従来例参照）、本実施の形態では未利用空気が発生するキャビティ２５の底壁部２５ｃ，２５ｃに凸部２５ｆ…を形成して未利用空気を排除することで、キャビティ２５全体における空気利用率を高めて均等な混合気を形成することができる。しかも空気が円周方向に流動し難くなるということは、隣接する凸部２５ｆ…間を通過する燃料噴霧の軌跡も円周方向に乱され難くなるということであり、前記燃料噴霧の凸部２５ｆ…への衝突を抑制することができる。

また燃料噴射軸衝突点Ｐに衝突した燃料は上方以外にも円周方向に反射しながらピストン中心軸Ｌｐに向かって拡散し、図６（Ａ）に網掛けして示す燃料噴霧拡散領域を形成するが、この燃料噴霧拡散領域の下端が凸部２５ｆ…と干渉しないように該凸部２５ｆ…の上端面の高さを設定したので、燃料噴射軸衝突点Ｐに衝突して反射した燃料噴霧が凸部２５ｆ…と接触し難くして燃焼状態の悪化を防止することができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施の形態ではディーゼルエンジンについて説明したが、本願発明はディーゼルエンジンに限定されず、燃焼室内に燃料を直接噴射する任意の形式のエンジンに対して適用することができ、ペントルーフ型のピストン１３を持たないエンジンに対しても適用することができる。

また燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２の数は実施の形態の６本に限定されるものではない。

ディーゼルエンジンの要部縦断面図 図１の２−２線矢視図 図１の３−３線矢視図 ピストンの上部斜視図 図３の５−５線断面図 本発明および従来例の作用説明図

符号の説明

１３ ピストン
１３ａ 頂部
１３ｂ 傾斜面
２３ フュエルインジェクタ
２５ キャビティ
２５ｃ 底壁部
２５ｄ 底壁頂部
２５ｅ 底壁傾斜面
２５ｆ 凸部
Ｌｉ１ 燃料噴射軸
Ｌｉ２ 燃料噴射軸
Ｌｐ ピストン中心軸
Ｐ 燃料噴射軸衝突点
α 角度

Claims (6)

1. 頂面の中央部にキャビティ（２５）が凹設されたピストン（１３）と、前記キャビティ（２５）内の円周方向に離間する複数の方向を指向する複数の燃料噴射軸（Ｌｉ１，Ｌｉ２）に沿って燃料を噴射するフュエルインジェクタ（２３）とを備える燃料直噴エンジンにおいて、
   前記燃料噴射軸（Ｌｉ１，Ｌｉ２）が前記キャビティ（２５）の内面と交差する燃料噴射軸衝突点（Ｐ）よりも前記キャビティ（２５）の開口端側の内面と前記燃料噴射軸（Ｌｉ１，Ｌｉ２）とが成す角度（α）を鈍角に設定するとともに、
   ピストン中心軸（Ｌｐ）方向に見て、相互に隣接する前記燃料噴射軸（Ｌｉ１，Ｌｉ２）間に、前記キャビティ（２５）の底壁部（２５ｃ）から突出する凸部（２５ｆ）を形成したことを特徴とする燃料直噴エンジン。
2. 前記凸部（２５ｆ）の上端面の高さを、前記キャビティ（２５）の内面の前記燃料噴射軸衝突点（Ｐ）に衝突した燃料が、前記キャビティ（２５）の円周方向に移動しつつピストン中心軸（Ｌｐ）に向かって反射する反射噴霧の下端と干渉しない高さに設定したことを特徴とする、請求項１に記載の燃料直噴エンジン。
3. 前記凸部（２５ｆ）の上端面を、ピストン中心軸（Ｌｐ）と前記燃料噴射軸（Ｌｉ１，Ｌｉ２）とを通る断面視で、ピストン上死点近傍で噴射された燃料の燃料噴射軸高さと略一致するように設定したことを特徴とする、請求項１に記載の燃料直噴エンジン。
4. ピストン中心軸（Ｌｐ）方向に見て、円周方向に相互に隣接する一対の凸部（２５ｆ）間の間隔を、前記燃料噴射軸（Ｌｉ１，Ｌｉ２）に沿って前記一対の凸部（２５ｆ）間にピストン上死点近傍かつ最大燃料噴射圧で噴射された燃料噴霧と干渉しないように設定したことを特徴とする、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の燃料直噴エンジン。
5. 前記ピストン（１３）は、ピストンピン軸線と平行な方向に延びる頂部（１３ａ）を挟んで傾斜する二つの傾斜面（１３ｂ）を含むペントルーフ型の頂面を備えることを特徴とする、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の燃料直噴エンジン。
6. 前記キャビティ（２５）の底壁部（２５ｃ）は、ピストンピン軸線と平行な方向に延びる底壁頂部（２５ｄ）を挟んで傾斜する二つの底壁傾斜面（２５ｅ）を備え、前記凸部（２５ｆ）は前記底壁傾斜面（２５ｅ）に形成されることを特徴とする、請求項５に記載の燃料直噴エンジン。

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