JP2010248957A - ディーゼルエンジン用ピストン - Google Patents

Abstract

【課題】スートの発生量を低減したディーゼルエンジン用ピストンを提供する。
【解決手段】冠面３を凹ませて形成したキャビティ部１１と、キャビティ部の入口部内径を絞って形成したリップ部１２と、キャビティ部の中央部を隆起させて形成した突起部１３とを有するリエントラント型燃焼室１０が形成されたディーゼルエンジン用ピストン１を、燃焼室の容積をＶ、キャビティ部の最大内径をＤ１、リップ部の最小内径をＤ２としたときに、Ｄ１／Ｖ≧１．６５かつＤ２／Ｖ≧１．４７である構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジン用ピストンに関し、キャビティ入口部を絞るとともにキャビティ内に突起を有するリエントラント型燃焼室を有するものに関する。

自動車用の直噴ディーゼルエンジンのピストン冠部の燃焼室形状は、キャビティの入口部の径を絞りこんだリップ部を形成し、キャビティの中央部に突起を隆起させたリエントラント型とすることが一般的である。エンジン筒内に噴射された燃料は、リップ部からキャビティ部に衝突して噴霧拡散を促進させる。その後、噴霧はキャビティ内部を流動しながら着火して噴霧火炎が形成され、この噴霧火炎は膨張行程においてキャビティ中央の突起によって、ピストン冠面の外周縁部に設けられたスキッシュエリアに巻きあげられる。
このような燃焼室の形状や寸法の設定は、スモークの主成分となるスート（煤）や、ＮＯｘの発生量を低減するために重要である。

リエントラント型の燃焼室に関する従来技術として、例えば特許文献１には、ガス流動を強化して燃料と空気との混合を改善するため、シリンダの内径に対するキャビティの最大内径の比を０．６以下の範囲に設定するとともに、リップ部を鋭角に形成したものが記載されている。
また、特許文献２には、燃焼初期から燃焼後期の全期間にわたって燃料と空気との混合が良好に行われ、良好な燃焼が行われるようにするため、燃焼室（キャビティ）の壁面に環状突起部を設けるとともに、燃焼室の最大内径をピストン外径の０．５倍以上とすることが記載されている。
さらに、特許文献３には、全運転領域においてスモークの発生を減少させるため、キャビティの最大径Ｄ１、リップ径Ｄ２、最大深さをＨとしたときに、リエントラント率（Ｄ１−Ｄ２）／Ｄ１を略０．１とし、アスペクト比Ｄ１／Ｈの値を略４とすることが記載されている。

特開平１１−１９０２１７号公報 特開２００１−８２１５０号公報 特開２００６−２９２９２号公報

これまで燃料噴霧を高拡散化して燃焼で発生するスート（煤）を抑制するため、キャビティ内径の広径化が図られてきた。キャビティ内径を広径化することによって、インジェクタから噴射された燃料噴霧がピストン壁面に到達するまでの空間が拡大し、燃料と空気の混合が促進され、その結果スートが抑制される。
しかし、上述したような従来技術においては、キャビティ径、リップ径、シリンダボア径、キャビティ径等の２次元的な寸法の比によって燃焼室形状が定義され、３次元的な燃焼室容積は考慮されていないため、圧縮比、ボア、ストローク等が異なったエンジンに適用した場合には、所望の性能が得られないことが懸念される。
本発明の課題は、スートの発生量を低減したディーゼルエンジン用ピストンを提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１の発明は、ピストン冠面を凹ませて形成したキャビティ部と、前記キャビティ部の入口部内径を絞って形成したリップ部と、前記キャビティ部の底面中央部を隆起させて形成した突起部とを有するリエントラント型燃焼室が形成されたディーゼルエンジン用ピストンであって、前記燃焼室の容積をＶ、前記キャビティ部の最大内径をＤ１、前記リップ部の最小内径をＤ２としたときに、Ｄ１／Ｖ≧１．６５かつＤ２／Ｖ≧１．４７であることを特徴とするディーゼルエンジン用ピストンである。

本発明によれば、インジェクタから噴射された燃料噴霧がピストンのキャビティ部内壁面に到達するまでに燃料と空気とを十分に混合することができ、燃焼状態を改善してスートの発生量を低減することができる。

本発明を適用したディーゼルエンジン用ピストンの実施例における燃焼室部の断面図である。 ディーゼルエンジンにおけるキャビティ径Ｄ１／燃焼室容積Ｖとスート発生量との相関を示すグラフである。 ディーゼルエンジンにおけるリップ径Ｄ２／燃焼室容積Ｖとスート発生量との相関を示すグラフである。

本発明は、スートの発生量を低減したディーゼルエンジン用ピストンを提供する課題を、キャビティ内径Ｄ１／燃焼室容積Ｖを１．６５以上としかつリップ部内径Ｄ２／燃焼室容積Ｖを１．４７以上とすることによって解決した。

以下、本発明を適用したディーゼルエンジン用ピストン（以下、単に「ピストン」と称する。）について説明する。
実施例のピストンは、例えば乗用車等の自動車に搭載されるコモンレール直噴式の４ストロークディーゼルエンジンに用いられるものである。
図１は、実施例のピストンにおける燃焼室部を、ピストンの中心軸を含む平面で切って見た断面図である。

図１に示すように、ピストン１は、略円柱状に形成され、外周面２、冠面３を有し、図示しないピストンピン及びコネクティングロッドを介してエンジンの出力軸であるクランクシャフトに接続されている。ピストン１は、例えば、アルミニウム系合金を用いて鋳造又は鍛造したのち、機械加工を施して製作されている。
外周面２は、図示しないシリンダボア内面と所定の間隔を隔てて対向し摺動する部分である。外周面２には、図示しないピストンリング及びオイルリングがそれぞれ嵌め込まれる周方向溝である図示しないリング溝が形成される。
冠面３は、ピストン１のヘッド側端面であって、以下説明する燃焼室１０を除き、シリンダ軸線に対して直交する略平面状に形成されている。

燃焼室１０は、ピストン１の冠面３を凹ませて形成され、図示しないコモンレール式燃料噴射装置のインジェクタから燃料噴霧が吹き込まれる部分である。燃焼室１０は、キャビティ部１１、リップ部１２、突起部１３等を備えたリエントラント型燃焼室となっている。

キャビティ部１１は、燃焼室１０の主要部を構成する部分である。キャビティ部１１の外径側かつクランクシャフト側（図１における下側）の領域には燃料噴霧が吹き込まれて燃焼を開始するボール部が形成されている。このボール部における内面は、図１に示すように、ピストン１を径方向に切って見たときの断面形状が円弧状となる凹曲面として形成され、その曲率半径Ｒ１（キャビティＲ）は、例えば、５．１ｍｍに設定されている。また、キャビティ部１１における最大内径（以下、「キャビティ径」と称する）Ｄ１は、例えばφ５４．８ｍｍに設定されている。また、冠面３からのピストン１の中心軸方向に沿ったキャビティ部１１の深さＨは、例えば１４．１ｍｍに設定されている。

リップ部１２は、燃焼室１０の入口（冠面３側の縁部）の内径を、キャビティ径Ｄ１よりも小さく絞って形成されている。リップ部１２の内径（以下、）Ｄ２は、例えばφ４９．０７ｍｍに設定されている。

突起部１３は、燃焼室１０のキャビティ部１１の底面（図示しないインジェクタと対向する面・図１における下面）を隆起させて形成されている。突起部１３は、ピストン１の中心軸と同心の円錐台状に形成されている。突起部１３の突端面はＲ１０の曲面として形成され、その直径ｄは、例えばφ８．５ｍｍに設定されている。また、この突起部１３の突端面と冠面３との段差（ピストン１の中心軸方向の相対距離）ｈは、例えば４．２ｍｍに設定されている。また、突起部１３を中心軸を通る平面で切って見た断面における対向する側面がなす角度θは、例えば１１８．５°に設定されている。

なお、実施例において、燃焼室容積Ｖ（冠面３から凹んだ部分の容積）は、例えば３３．２９ｃｃに設定されている。
また、燃焼室容積Ｖ（ｃｃ）に対するキャビティ径Ｄ１（ｍｍ）の比Ｄ１／Ｖは１．６５に設定され、燃焼室容積Ｖ（ｃｃ）に対するリップ径Ｄ２（ｍｍ）の比Ｄ２／Ｖは１．４７に設定されている。

以下、燃焼室１０の容積Ｖに対するキャビティ径Ｄ１及びリップ径Ｄ２の比をパラメータとした場合のスート発生量の変化について説明する。
図２は、キャビティ径Ｄ１／燃焼室容積Ｖとスート発生量との相関を示すグラフであって、横軸はＤ１／Ｖを示し、縦軸はスート発生量を示している。
図２に示すように、Ｄ１／Ｖの増加に応じてスート発生量は低減するが、特にＤ１／Ｖが１．６５以上の領域において、スート発生量の低減率がそれ以外の領域よりも大きくなっていることがわかる。

図３は、リップ径Ｄ２／燃焼室容積Ｖとスート発生量との相関を示すグラフであって、横軸はＤ２／Ｖを示し、縦軸はスート発生量を示している。
図３に示すように、Ｄ２／Ｖの増加に応じてスート発生量は低減するが、特にＤ２／Ｖが１．４７以上の領域において、スート発生量の低減率がそれ以外の領域よりも大きくなっていることがわかる。

以上説明したように、本実施例によれば、燃焼室容積をＶ、キャビティ径をＤ１、リップ径をＤ２としたときに、Ｄ１／Ｖ≧１．６５かつＤ２／Ｖ≧１．４７とすることによって、インジェクタから噴射された燃料噴霧がピストン１のキャビティ部１１内壁に到達するまでに燃料と空気とが十分に混合され、燃焼状態を改善してスートの発生を低減することができる。

（変形例）
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。例えば、キャビティ径Ｄ１、リップ径Ｄ２は、燃焼室容積Ｖが変化した場合には、本発明が規定するＤ１／Ｖ、Ｄ２／Ｖの範囲内において適宜変更することができる。

１ ピストン ２ 外周面
３ 冠面 １０ 燃焼室
１１ キャビティ部 １２ リップ部
１３ 突起部 Ｖ 燃焼室容積
Ｄ１ キャビティ径 Ｄ２ リップ径

Claims (1)

1. ピストン冠面を凹ませて形成したキャビティ部と、
   前記キャビティ部の入口部内径を絞って形成したリップ部と、
   前記キャビティ部の底面中央部を隆起させて形成した突起部と
   を有するリエントラント型燃焼室が形成されたディーゼルエンジン用ピストンであって、
   前記燃焼室の容積をＶ、前記キャビティ部の最大内径をＤ１、前記リップ部の最小内径をＤ２としたときに、
   Ｄ１／Ｖ≧１．６５かつＤ２／Ｖ≧１．４７であること
   を特徴とするディーゼルエンジン用ピストン。

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