JP2014222041A - 直噴式ディーゼルエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】スキッシュエリア側とキャビティ燃焼室５側との燃料の分散を安定的に得られるようにする。
【解決手段】ピストン１の中心にリエントラント型のキャビティ燃焼室５を有し、その入口部の最小径となるリップ部１２は、ピストン頂面１３からピストン軸方向に下がった位置にある。燃料噴射ノズル６は、噴霧中心軸線Ｆ１がリップ部１２の上端エッジ１２ａよりも僅かに上側を指向した第１の噴孔群と、噴霧中心軸線Ｆ２がリップ部１２の下端エッジ１２ｃよりも僅かに下側を指向した第２の噴孔群と、を有する。第１の噴孔群の噴霧は、傾斜面１４ａに衝突してスキッシュエリア側へ案内され、第２の噴孔群の噴霧は、傾斜面１５に衝突してキャビティ燃焼室５内に案内される。これにより安定した分散が得られる。
【選択図】図２

Description

この発明は、ピストン頂面中央部にキャビティ燃焼室が形成され、かつ、このキャビティ燃焼室の略中心位置に多噴孔の燃料噴射ノズルが配置される直噴式ディーゼルエンジンの改良に関する。

直噴式ディーゼルエンジンにおいて、近年、筒内のガス流動を比較的少なくして冷却損失を低減することで燃費の改善を図ることが試みられているが、低ガス流動化に伴う混合不良により煤（Soot）が増大する傾向となる。

特許文献１には、このような問題に対処するために、燃料をキャビティ燃焼室内のみならずスキッシュエリアにも分散させることで、煤の低減と燃焼効率の向上とを図った技術が開示されている。具体的には、キャビティ燃焼室の内周壁面に断面三角形状に突出した突起部を設け、燃料噴射ノズルから放射状に噴射された噴霧がこの突起部に衝突するようにして、上方および下方の２方向へ燃料を分散させる構成となっている。そして、上方へ向かった燃料はスキッシュエリア内の空気と混合し、下方へ向かった燃料はキャビティ燃焼室内の空気と混合する。

特開２００８−１５１０８９号公報

上記の構成では、１本の燃料噴霧が断面三角形状の突起部に衝突することで上下への分散が行われるので、スキッシュエリア側へ案内される燃料とキャビティ燃焼室側へ案内される燃料との割合を安定的に得ることが困難であり、いずれかの領域での空気の過不足が生じ易い。特に、燃料噴射時期が多少でも変化すると、燃料噴霧が突起部に正しく衝突しなくなり、上下へ分散させることができない。

また、キャビティ燃焼室側とスキッシュエリア側とで、各々に適した噴霧の貫徹力を与えることができない。

この発明は、ピストン頂面中央部にリエントラント型のキャビティ燃焼室を有するとともに、このキャビティ燃焼室の略中心位置に多噴孔の燃料噴射ノズルが配置される直噴式ディーゼルエンジンにおいて、
上記キャビティ燃焼室の入口部において最も小径となるリップ部が、ピストン頂面からピストン軸方向に下がった位置に設けられており、
上記燃料噴射ノズルは、上記リップ部を挟んで、該リップ部よりも上側の位置を噴霧中心軸線が指向した第１の噴孔群と、該リップ部よりも下側の位置を噴霧中心軸線が指向した第２の噴孔群と、を有し、
噴霧がピストンと衝突したときに、第１の噴孔群からの噴霧は上方へ案内され、第２の噴孔群からの噴霧は下方へ案内されるように構成されていることを特徴としている。

本発明の好ましい一つの態様では、第１の噴孔群の噴孔径に比較して第２の噴孔群の噴孔径が大きい。

本発明では、第１の噴孔群から噴射された噴霧は、キャビティ燃焼室入口部におけるリップ部よりも上側に衝突し、上方へ案内される。このように上方へ案内された燃料は、ピストン頂面よりも上方のスキッシュエリアの空気と混合する。また第２の噴孔群から噴射された噴霧は、リップ部よりも下側に衝突し、下方へ案内される。この下方へ向かう燃料は、キャビティ燃焼室内で空気と混合する。

この発明によれば、リップ部を挟んで上方へ案内される燃料と下方へ案内される燃料とが各々別の噴孔群から噴射されるので、双方の燃料の割合を常に安定的に得ることができ、スキッシュエリアとキャビティ燃焼室の双方へ最適な割合で燃料を分散させることができる。従って、燃料の分散・混合が向上し、煤の低減が図れる。

この発明に係る直噴式ディーゼルエンジンの一実施例を示す断面図。 この実施例の燃焼室部分を示す要部の断面図。 この実施例における噴霧の衝突の説明図。 キャビティ容積およびスキッシュ容積の説明図。 この発明の第２実施例を示す要部の断面図。 この発明の第３実施例を示す要部の断面図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明に係る直噴式ディーゼルエンジンの要部の断面図であって、シリンダブロック３に形成されたシリンダ４には、ピストン１が摺動可能に嵌合しており、かつこのシリンダブロック３の上面にシリンダヘッド２が載置固定されている。このシリンダヘッド２の下面は平坦に形成されており、シリンダ４の上端開口を覆っている。

上記ピストン１の頂面には、リエントラント型のキャビティ燃焼室５が凹設されている。このキャビティ燃焼室５は、ピストン中心軸線を中心とした回転体形状をなし、つまり、ピストン１の平面視において真円形をなし、かつピストン１の中心に形成されている。また上記シリンダヘッド２側には、上記キャビティ燃焼室５の中心に対応するシリンダ４中心位置に、多噴孔の燃料噴射ノズル６が配置されている。この実施例では、上記燃料噴射ノズル６はシリンダ４の中心軸線に沿って、つまり垂直に配置されている。

上記シリンダヘッド２には、一対の吸気弁７および一対の排気弁８が配置されており、それぞれ吸気ポート９および排気ポート１０の先端開口部を開閉している。これらの吸気弁７および排気弁８は、各々のバルブステムがシリンダ４の中心軸線と平行となった垂直姿勢に配置されている。

図２は、上記キャビティ燃焼室５のより具体的な断面形状を示している。このキャビティ燃焼室５は、リエントラント型として、底面中央に山型の中央突起部１１を有するとともに、中間付近の高さ位置における最大径に比べて入口部分の径が相対的に小さなものとなっている。特に、この入口部において最も小径となるリップ部１２は、円環状をなすピストン頂面１３からピストン軸方向に下がった位置にあり、リップ部１２の上端エッジ１２ａとピストン頂面１３とは、２つの傾斜面１４ａ，１４ｂによって接続されている。なお、内周側の傾斜面１４ａは、外周側の傾斜面１４ｂよりも緩い傾斜を有している。

上記リップ部１２は、この実施例では、ピストン中心軸線と平行な円筒面１２ｂを有する幅広なものとなっており、つまり、上端エッジ１２ａと下端エッジ１２ｃとの間の全体がリップ部１２となっている。下端エッジ１２ｃには、キャビティ燃焼室５の最大径部５ａに至る傾斜面１５が接続されている。換言すれば、斜め上方を向いた傾斜面１４ａと円筒面１２ｂとの境界として上端エッジ１２ａが形成され、斜め下方を向いた傾斜面１５と円筒面１２ｂとの境界として下端エッジ１２ｃが形成されている。なお、上記の各傾斜面１４ａ，１４ｂ，１５は、図２の断面において直線的な面（立体としては円錐面）として描かれているが、断面において曲線となる緩く湾曲した面であってもよい。

ピストン頂面１３は、ピストン中心軸線に対し直交する平面に沿っており、ピストン上死点位置においては、シリンダブロック３の上面とほぼ同一の平面となる。従って、ピストン上死点位置においては、ピストン頂面１３とシリンダヘッド２下面（燃焼室の天井面）との間に、シリンダヘッドガスケット２１（図１参照）の厚さにほぼ相当する隙間がスキッシュエリアとして残存する。なお、図示は省略するが、吸気弁７および排気弁８の弁頭部に対応する位置には、比較的浅いバルブリセスが凹設されている。

上記のように構成されたキャビティ燃焼室５に対し、燃料噴射ノズル６は、シリンダ中心軸線に対する傾斜角が大小異なる２つの噴孔群を備えている。符号Ｆ１で示す直線は、第１の噴孔群の噴霧中心軸線を示している。この第１の噴孔群は、周方向に等間隔に配置された複数の噴孔、例えば４〜６個の噴孔を含み、これらの噴孔（以下では、必要に応じて第１の噴孔とも呼ぶ）は、シリンダ中心軸線に対しそれぞれ同一の傾斜角を有している。従って、複数の噴霧は、図４に示すように、シリンダ中心軸線を中心とした円錐角θ１の円錐に沿って形成される。ここで、第１の噴孔群に属する各噴孔の噴霧中心軸線Ｆ１は、ピストン上死点位置において、リップ部１２の上端エッジ１２ａよりも僅かに上側の位置つまり傾斜面１４ａを指向している。

また符号Ｆ２で示す直線は、第２の噴孔群の噴霧中心軸線を示している。この第２の噴孔群は、第１の噴孔群と同様に、周方向に等間隔に配置された複数の噴孔、例えば４〜６個の噴孔を含み、これらの噴孔（以下では、必要に応じて第２の噴孔とも呼ぶ）は、シリンダ中心軸線に対しそれぞれ同一の傾斜角を有している。従って、複数の噴霧は、図４に示すように、シリンダ中心軸線を中心とした円錐角θ２の円錐に沿って形成される。ここで、第２の噴孔群の円錐角θ２は第１の噴孔群の円錐角θ１よりも小さく、第２の噴孔群に属する各噴孔の噴霧中心軸線Ｆ２は、ピストン上死点位置において、リップ部１２の下端エッジ１２ｃよりも僅かに下側の位置つまり傾斜面１５を指向している。

なお、平面視においては、上述したように、第１の噴孔群の各噴孔が等間隔に放射状に配置され、同様に、第２の噴孔群の各噴孔が等間隔に放射状に配置されているが、平面視における両者の関係としては、隣接する２つの第１の噴孔の間に１つの第２の噴孔が位置するように、つまり第１の噴孔と第２の噴孔とが周方向に交互に配置されるようにしてもよく、あるいは、周方向の同一の角度位置に、第１の噴孔と第２の噴孔とが上下に並ぶように配置してもよい。空気利用率の点からは前者の配置が好ましい。また、第１の噴孔の個数と第２の噴孔の個数とは、必ずしも同数でなくてもよい。

さらに、本実施例では、第２の噴孔群に属する各噴孔の噴孔径は、第１の噴孔群に属する各噴孔の噴孔径よりも大きい。これにより、少なくとも総燃料噴射量（換言すれば機関負荷）があるレベルよりも大きな条件下では、第２の噴孔群による各噴霧の貫徹力が第１の噴孔群による各噴霧の貫徹力よりも大きなものとなる。

上記のような構成においては、圧縮上死点前の所定の噴射時期に噴射された燃料噴霧は、ピストン１が上死点付近にあるときにピストン１に到達する。このとき、第１の噴孔群からの燃料噴霧は、図３に示す噴霧中心軸線Ｆ１のように、主にリップ部１２よりも上方の傾斜面１４ａに衝突する。従って、燃料噴霧は、この傾斜面１４ａで上方かつ外周側へ向かうように反射し、矢印Ａで示すように、ピストン頂面１３上方のスキッシュエリアへと案内される。

これに対し、第２の噴孔群からの燃料噴霧は、図３に示す噴霧中心軸線Ｆ２のように、主にリップ部１２よりも下方の傾斜面１５に衝突する。この傾斜面１５は斜め下方へ傾いており、かつ最大径部５ａに連続しているので、燃料噴霧は斜め下方へ反射し、矢印Ｂで示すように、最大径部５ａを経てＵターンするように案内される。つまり、リエントラント型キャビティ燃焼室５の内壁面に沿って最大径部５ａから中央突起部１１へと半径方向内側へ進行する。

このように、上記実施例では、第１の噴孔群からの燃料が主にスキッシュエリアに分散し、第２の噴孔群からの燃料が主にキャビティ燃焼室５内に分散する。これにより、燃焼室内の空気をより有効に利用することができ、スワールなどのガス流動が比較的少ない条件下でも、煤の発生を抑制することができる。特に、スキッシュエリア側とキャビティ燃焼室５側とで別々の噴孔群から燃料が供給されるので、それぞれの領域に分散する燃料の割合を適切なものとすることができ、かつ燃料噴射時期による影響が少なくなる。

さらに、上記実施例では、第２の噴孔群における第２の噴孔の噴孔径が第１の噴孔群における第１の噴孔の噴孔径よりも大きいため、スキッシュエリア側とキャビティ燃焼室５側とでそれぞれ適切な噴霧の貫徹力が得られる。キャビティ燃焼室５側では、該キャビティ燃焼室５内に案内される第２の噴孔による噴霧の貫徹力が大きいため、図３の矢印ＢのようにＵターンする流れが強く得られ、この結果、キャビティ燃焼室５内に燃料が広く分散・混合し、該キャビティ燃焼室５内の空気を有効利用した燃焼が図れる。他方、スキッシュエリア側へ向かうこととなる第１の噴孔による噴霧の貫徹力は比較的小さいので、シリンダ４壁面への燃料付着に起因するオイル希釈の問題を抑制することができる。

ここで、図４に示すように、ピストン上死点位置において筒内に存在する全燃焼室容積を、第１の噴孔群の噴霧中心軸線Ｆ１と第２の噴孔群の噴霧中心軸線Ｆ２との間を通る円錐面Ｃで区画して、中央部の容積をキャビティ容積ＣＡと定義し、周囲の容積をスキッシュ容積ＳＡと定義したときに、上記実施例では、キャビティ容積ＣＡがスキッシュ容積ＳＡよりも大きなものとなっている。燃料噴霧は拡散燃焼しつつ進行するので、上記スキッシュ容積ＳＡに存在する空気は、第１の噴孔群による燃料で利用され、また上記キャビティ容積ＣＡに存在する空気は、第２の噴孔群による燃料で利用されるものとみなすことが可能である。上記実施例では、第１の噴孔に比較して第２の噴孔の噴孔径が大であるので、各々の噴孔数が同数であれば、第２の噴孔群から供給される燃料量が相対的に大となる。従って、上記のようにスキッシュエリア側とキャビティ燃焼室５側とで適切な噴霧の貫徹力を確保できると同時に、スキッシュ容積ＳＡとキャビティ容積ＣＡとに、それぞれの容積に対応した適切な割合の燃料を供給することができる。これにより、例えばスキッシュエリア内での局部的に過濃な燃料の分布による煤の発生などを回避することができる。

次に、図５は、本発明の第２実施例を示している。この第２実施例は、前述した実施例と同様に、ピストン中心軸線と平行な円筒面１２ｂを有する幅広なリップ部１２を備えており、リップ部１２の上端エッジ１２ａが、ピストン頂面１３からピストン軸方向に下がった位置にある。しかし、前述した実施例とは異なり、この上端エッジ１２ａとピストン頂面１３とが、ピストン中心軸線に直交する環状平面１６と、ピストン中心軸線に平行な円筒面１７と、によってステップ状に接続されている。

そして、燃料噴射ノズル６の第１の噴孔群の噴霧中心軸線Ｆ１は、ピストン上死点位置において、上端エッジ１２ａよりも僅かに上側の位置を指向しており、つまり環状平面１６を指向している。従って、この第１の噴孔群からの噴霧は、主に環状平面１６に衝突して外周側へ反射し、かつ円筒面１７に沿って上方へ向かおうとする。従って、前述した実施例と同様に、ピストン頂面１３上方のスキッシュエリア内に燃料が案内される。

なお、キャビティ燃焼室５のリップ部１２よりも下側の構成ならびに第２の噴孔群との関係は前述した実施例と特に変わりがない。

次に、図６は、本発明の第３実施例を示している。この第３実施例においては、リップ部１２が、ピストン軸方向に幅のない局部的に内周に突出した形状をなしているとともに、このリップ部１２とピストン頂面１３とが１つの傾斜面１８でもって接続されている。また、この実施例では、リップ部１２の径と最大径部５ａの径との差は非常に小さく、リップ部１２よりも下方の傾斜面１５は、ピストン中心軸線に対しごく僅か下向きとなるように傾いている。

そして、燃料噴射ノズル６の第１の噴孔群の噴霧中心軸線Ｆ１は、ピストン上死点位置において、上記リップ部１２よりも僅かに上側の位置つまり傾斜面１８の内周寄り部分を指向している。また第２の噴孔群の噴霧中心軸線Ｆ２は、ピストン上死点位置において、上記リップ部１２よりも僅かに下側の位置つまり傾斜面１５を指向している。

従って、この第３実施例においても、リップ部１２を挟んで、第１の噴孔群からの噴霧は上方へ案内され、第２の噴孔群からの噴霧は下方へ案内されることとなる。

なお、第２実施例および第３実施例においても、第２の噴孔の噴孔径は第１の噴孔の噴孔径よりも大きい。また、図４のようにスキッシュ容積ＳＡとキャビティ容積ＣＡとに全燃焼室容積を区分したときに、キャビティ容積ＣＡの方がスキッシュ容積ＳＡよりも大きい関係を有している。

１…ピストン
５…キャビティ燃焼室
６…燃料噴射ノズル
１２…リップ部
１２ａ…上端エッジ
１２ｃ…下端エッジ
Ｆ１，Ｆ２…噴霧中心軸線

Claims (3)

1. ピストン頂面中央部にリエントラント型のキャビティ燃焼室を有するとともに、このキャビティ燃焼室の略中心位置に多噴孔の燃料噴射ノズルが配置される直噴式ディーゼルエンジンにおいて、
   上記キャビティ燃焼室の入口部において最も小径となるリップ部が、ピストン頂面からピストン軸方向に下がった位置に設けられており、
   上記燃料噴射ノズルは、上記リップ部を挟んで、該リップ部よりも上側の位置を噴霧中心軸線が指向した第１の噴孔群と、該リップ部よりも下側の位置を噴霧中心軸線が指向した第２の噴孔群と、を有し、
   噴霧がピストンと衝突したときに、第１の噴孔群からの噴霧は上方へ案内され、第２の噴孔群からの噴霧は下方へ案内されるように構成されていることを特徴とする直噴式ディーゼルエンジン。
2. 第１の噴孔群の噴孔径に比較して第２の噴孔群の噴孔径が大きいことを特徴とする請求項１に記載の直噴式ディーゼルエンジン。
3. ピストン上死点位置において筒内に存在する全燃焼室容積を、第１の噴孔群の噴霧中心軸線と第２の噴孔群の噴霧中心軸線との間を通る円錐面で区画して、中央部の容積をキャビティ容積と定義し、周囲の容積をスキッシュ容積と定義したときに、上記キャビティ容積が上記スキッシュ容積よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の直噴式ディーゼルエンジン。

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