JP2016176405A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関に関し、シリンダ内の噴霧の混合状態をより適切な状態にする。
【解決手段】シリンダ２１を形成するシリンダブロック２０と、シリンダ２１の一端側に設けられたシリンダヘッド１１と、シリンダ２１内に所定方向に移動自在に収容されて、シリンダヘッド１１に臨む側にキャビティ３１が凹設されたピストン３０と、シリンダヘッド１１に設けられて、キャビティ３１内に燃料を噴射する１以上の噴孔を有するインジェクタ１２と、ピストン３０のキャビティ３１の表面に形成され、インジェクタ１２の少なくとも１以上の噴孔から噴射される燃料噴霧の外殻部分の少なくとも一部の通過を抑制するとともに、燃料噴霧の残りの部分の通過を許容する噴霧調整部３２と、を備えるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関に関する。

従来、内燃機関のシリンダ内に燃料噴射ノズルから燃料を噴射させ、燃焼させて内燃機関を動作させている。このような内燃機関においては、燃料噴射ノズルから噴射された燃料の噴霧状態が内燃機関の動作に深く影響を及ぼす。

例えば、低セタン価燃料を使用するエンジンにおいて、複数のチャンバ孔が形成されているチャンバを噴射ノズルの先端部を覆うように設けることによって、低セタン価燃料の火炎伝播を確実にする技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

実用新案登録第２５０６６０７号公報

例えば、シリンダ内に燃料噴射ノズルから噴射された燃料が空気と混合すると、噴霧内には、希薄から過濃まで様々な当量比の領域が形成される。例えば、希薄領域については、燃焼温度が上がらずに未燃ＨＣやＣＯの排出要因となる一方、過濃領域については、すすの生成が顕著になるという問題がある。

これに対して、噴霧内の当量比はピストンとの衝突により変化させることができるが、噴霧内の当量比分布を大きく変化させる効果は小さい。

本発明の目的は、シリンダ内の噴霧の混合状態をより適切な状態にすることのできる内燃機関を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の一観点に係る内燃機関は、シリンダを形成するシリンダブロックと、シリンダの一端側に設けられたシリンダヘッドと、シリンダ内に所定方向に移動自在に収容されて、シリンダヘッドに臨む側にキャビティが凹設されたピストンと、シリンダヘッドに設けられて、キャビティ内に燃料を噴射する１以上の噴孔を有するインジェクタと、ピストンのキャビティの表面に形成され、インジェクタの少なくとも１以上の噴孔から噴射される燃料噴霧の外殻部分の少なくとも一部の通過を抑制するとともに、燃料噴霧の残りの部分の通過を許容する噴霧調整部と、を備える。

上記内燃機関において、噴霧調整部は、シリンダヘッド側に伸びて形成され、インジェクタの少なくとも１以上の噴孔から噴射される燃料噴霧の外殻部分の少なくとも一部の通過を抑制する壁部を有し、燃料噴霧の残りの部分の通過を許容する間隙が形成されていてもよい。

また、上記内燃機関において、インジェクタは、シリンダの中心軸に沿って配置され、噴霧調整部の壁部は、ピストンのシリンダヘッド側の面の略中心をその中心とする円周上に形成されていてもよい。

また、上記内燃機関において、所定方向に垂直な面内における、燃料噴霧の進行方向に垂直な方向についての間隙の幅は、噴孔からの燃料噴霧が障害なく進んだ場合に間隙の位置で広がると想定される想定幅よりも狭い幅となっていてもよい。

また、上記内燃機関において、所定方向に垂直な面内における、燃料噴霧の進行方向に垂直な方向についての間隙の中心は、前記燃料噴霧の進行方向に垂直な方向における中心軸上となるようにしてもよい。

上記内燃機関において、噴霧調整部は、インジェクタのそれぞれの噴孔から噴射されるそれぞれの燃料噴霧の外殻部分の少なくとも一部の通過を抑制する壁部を有し、インジェクタのそれぞれの噴孔から噴射されるそれぞれの燃料噴霧の残りの部分の通過を許容する複数の間隙が形成されていてもよい。

本発明の内燃機関によれば、シリンダ内の噴霧の混合状態をより適切な状態にすることができる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関を示す部分断面図である。 本発明の一実施形態に係るピストンの頂面をシリンダヘッド側から下方視した平面図である。 本発明の一実施形態に係るピストンの燃焼室内における燃料噴霧の移動を説明する図である。 本発明の一実施形態に係る内燃機関についての検証シミュレーションにより得られた噴霧内の燃料液相質量の変化を示す図である。 本発明の一実施形態に係る内燃機関についての検証シミュレーションにより得られた噴霧内当量比分布を示す図である。 本発明の一実施形態に係る内燃機関についての検証シミュレーションにより得られた熱発生率の変化を示す図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係る内燃機関を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関を示す部分断面図である。

内燃機関１０は、シリンダヘッド１１と、シリンダブロック２０と、ピストン３０と、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと称する）５０とを有する。なお、説明の便宜上、シリンダヘッド１１側を上方、シリンダブロック２０側を下方として説明する。

シリンダヘッド１１には、吸気バルブ１３の開閉により燃焼室Ａ内に吸気を導入する吸気ポート１４、及び排気バルブ１５の開閉により燃焼室Ａ内から排気を導出する排気ポート１６が形成されている。また、シリンダヘッド１１には、燃焼室Ａ内に燃料を直接噴射するインジェクタ１２が設けられている。

インジェクタ１２は、先端部が円錐状に形成されたノズル１２ａを燃焼室Ａ内に突出させている。ノズル１２ａの先端部には複数（例えば、８個）の微細な噴孔（不図示）が形成されており、これら複数の噴孔から燃焼室Ａ内に燃料が放射状に噴射される。本実施形態では、インジェクタ１２は、後述するシリンダ２１の中心軸に沿って設けられている。このため、ノズル１２ａからは、シリンダ２１の中心軸を中心に放射状に燃料が噴射される。また、インジェクタ１２には、コモンレール１７が接続されており、コモンレール１７内で畜圧された高圧燃料が常時供給されている。

シリンダブロック２０には、略円筒状のシリンダ２１が形成されている。このシリンダ２１内には、ピストン３０が上下方向に往復移動自在に収容されている。

ピストン３０の頂部には、薄皿型のキャビティ３１が凹設されている。なお、キャビティ３１の形状は薄皿型に限定されず、トロイダル型やリエントランス型等であってもよい。

ピストン３０のキャビティ３１の表面には、噴霧調整部３２が形成されている。噴霧調整部３２は、インジェクタ１２のノズル１２ａの少なくとも１以上の噴孔から噴射される燃料噴霧の外殻部分の少なくとも一部の通過を抑制するとともに、燃料噴霧の残りの部分の通過を許容する。本実施形態では、噴霧調整部３２は、複数の壁部３２ａを有しており、壁部３２ａ同士の間には、間隙Ｇが形成されている。壁部３２ａの高さは、ピストン３０の最上面を超えない高さに形成されている。本実施形態では、噴孔から見た間隙Ｇの形状は、略矩形となっている。

次に、噴霧調整部３２の詳細な構成及びインジェクタ１２の噴孔から噴射された燃料噴霧の状態について図面を用いて説明する。

図２は、本発明の一実施形態に係るピストンの頂面をシリンダヘッド側から下方視した平面図である。すなわち、図２は、ピストンの移動方向に対して垂直な面を示している。

本実施形態では、図２に示すように、ピストン３０の中心がインジェクタ１２のノズル１２ａの位置と略一致している。従って、ピストン３０の中心から放射状に燃料が噴射されることとなる。

噴霧調整部３２の各壁部３２ａは、ピストン３０の中心をその中心とする円周上に間隙Ｇを開けて配置されている。本実施形態では、間隙Ｇの数は、ノズル１２ａの噴孔の数と一致しており、各間隙Ｇの中心は、ノズル１２ａの各噴孔から噴射される燃料噴霧のピストンの移動方向に対して垂直な面における中心軸上となるように配置されている。また、各間隙Ｇの幅は、各噴孔から噴射される燃料噴霧が何の障害なく進んだ場合の燃料噴霧Ｆ０における間隔Ｇの位置での幅よりも狭くなっている。

従って、噴霧調整部３２によると、ノズル１２ａの各噴孔から噴射された燃料噴霧Ｆｘは、壁部３２ａの位置に到達すると、ピストン３０の移動方向に対して垂直な面において、燃料噴霧の最も外側の部分（最外殻部分）の一部が壁部３２ａに衝突して、間隙Ｇを通過することが抑制される一方、燃料噴霧のそれ以外の部分が間隙Ｇを通過して、ピストン３０の径方向外側に進む。

ここで、ノズル１２ａの噴孔から噴射された燃料噴霧は、壁部３２ａに到達する前は、最外殻部分が周囲の空気と接触するので燃料が希薄であり、内部（中心）に向かうほど燃料が濃くなり、中心近傍では燃料が濃すぎる（過濃）状態となっている。

このような燃料噴霧が、壁部３２ａに到達すると、燃料が希薄である最外殻部分の通過が壁部３２ａにより抑制されることにより、壁部３２ａよりもピストン３０の径方向内側に留まるようになり、結果として、空気との接触が抑制され、燃料の過度な希薄が抑制される。一方、間隙Ｇを通過した燃料が濃い状態の部分については、周囲の空気との接触が促進され、結果として燃料が濃すぎる状態が改善される。

図３は、本発明の一実施形態に係るピストンの燃焼室内における燃料噴霧の移動を説明する図である。図３は、燃焼室Ａを示す縦断面図であり、ピストン３０が圧縮上死点近傍にある状態を示している。

図３に示すように、燃焼室Ａは、キャビティ３１と、スキッシュエリアＳと、キャビティ３１に臨むシリンダヘッド１１の下面１１ａとで構成されている。

キャビティ３１には、噴霧調整部３２の壁部３２ａ（図３では、１つの壁部３２ａのみ示す）が配置されている。ノズル１２ａの各噴孔からは、放射状に燃料噴霧Ｆｘ（図３では、１つの噴孔の噴霧のみを示す）が噴射される。噴射された燃料噴霧Ｆｘは、壁部３２ａの位置に到達し、燃料噴霧Ｆｘの最外殻部分の一部（最外殻部分の図面手前側及び奥行き側の部分）が壁部３２ａに衝突して、間隙Ｇを通過することが抑制される一方、燃料噴霧のそれ以外の部分が間隙Ｇを通過して、ピストン３０の径方向外側に進む。壁部３２ａの上下方向の長さは、燃料噴霧Ｆｘの上下方向の幅よりも長くなっている。従って、噴霧調整部３２が適切に機能を発揮する噴射タイミングについて、或る程度の幅を持たせることができる。

ＥＣＵ５０は、インジェクタ１２の燃料噴射を制御する。ＥＣＵ５０は、圧縮上死点近傍でメイン噴射を行う。

次に、本実施形態の内燃機関１０についての検証シミュレーションを行った結果を説明する。

図４は、本発明の一実施形態に係る内燃機関についての検証シミュレーションにより得られた噴霧内の燃料液相質量の変化を示す図である。図４は、噴霧調整部３２を設けていない場合の例（比較例）と、噴霧調整部３２を設けた場合の例（実施例）とにおける噴霧内の燃料液相質量の変化を示す。

図４に示すように、実施例によると、噴射直後の燃料液相質量を比較例に比して大幅に減少させることができる。これは、噴霧調整部３２により、燃料噴霧内の過濃領域を効果的に高温空気に晒すことができるためである。

図５は、本発明の一実施形態に係る内燃機関についての検証シミュレーションにより得られた噴霧内当量比分布を示す図である。図５は、比較例と、実施例とにおける噴霧内当量比分布を示す。

図５に示すように、実施例によると、当量比０．２〜０．６の希薄領域を減少させ、量論比近傍の領域を増加させることができる。

図６は、本発明の一実施形態に係る内燃機関についての検証シミュレーションにより得られた熱発生率の変化を示す図である。図６は、比較例と、実施例とにおける熱発生率の変化を示す。

図６に示すように、実施例によると、熱発生率のピークを上昇することができ、燃焼後半の燃え切りを改善することができる。

以上説明したように、本実施形態の内燃機関１０によれば、インジェクタ１２の少なくとも１以上の噴孔から噴射される燃料噴霧の外殻部分の少なくとも一部の通過を抑制するとともに、燃料噴霧の残りの部分の通過を許容するようにしているので、燃料の過度な希薄を抑制することができるとともに、燃料が濃すぎる状態を改善することができる。このため、燃焼温度の向上を促進でき、未燃ＨＣやＣＯの排出を低減でき、また、すすの生成を低減することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、上記実施形態では、ノズル１２ａの各噴孔に対応して間隙Ｇを備えて、各噴孔から噴射された燃料噴霧の外殻部分の少なくとも一部の通過を抑制するとともに、燃料噴霧の残りの部分の通過を許容するようにしていたが、本発明はこれに限られず、一部の噴孔に対応して間隙Ｇを備えるようにしてもよい。この場合には、残りの噴孔から噴射された燃料噴霧に対しては、その燃料噴霧が流れる領域に壁部が配置されないようにすればよい。例えば、４つの噴孔に対応して間隙Ｇを備えるようにする場合には、図２に示す状態から１つ置きに壁部３２ａを取り除くようにすることができる。

また、上記実施形態では、間隙Ｇの高さ方向の長さを、壁部３２ａの高さ方向の長さと同じにしていたが、本発明はこれに限られず、隣り合う壁部３２ａ同士の下方部分を接続し、間隙Ｇの高さ方向の長さを、壁部３２ａの高さ方向の長さよりも短くしてもよい。

また、上記実施形態では、間隙Ｇの形状を噴孔から見ると略矩形となるようにしていたが、本発明はこれに限られず、噴孔から噴射される燃料噴霧の外殻部分の少なくとも一部の通過を抑制するとともに、燃料噴霧の残りの部分の通過を許容するような形状であれば、間隙Ｇの形状は、任意の形状としてもよい。

また、上記実施形態では、内燃機関１０として、ディーゼルエンジンを例に説明していたが、本発明はこれに限られず、ガソリンを燃料とするガソリンエンジンや、他のエンジンであってもよい。

１０ 内燃機関
１１ シリンダヘッド
１２ インジェクタ
１２ａ ノズル
１３ 吸気バルブ
１５ 排気バルブ
２０ シリンダブロック
２１ シリンダ
３０ ピストン
３１ キャビティ
３２ 噴霧調整部
３２ａ 壁部

Claims (6)

1. シリンダを形成するシリンダブロックと、
   前記シリンダの一端側に設けられたシリンダヘッドと、
   前記シリンダ内に所定方向に移動自在に収容されて、前記シリンダヘッドに臨む側にキャビティが凹設されたピストンと、
   前記シリンダヘッドに設けられて、前記キャビティ内に燃料を噴射する１以上の噴孔を有するインジェクタと、
   前記ピストンの前記キャビティの表面に形成され、前記インジェクタの少なくとも１以上の噴孔から噴射される燃料噴霧の外殻部分の少なくとも一部の通過を抑制するとともに、前記燃料噴霧の残りの部分の通過を許容する噴霧調整部と、を備える
   内燃機関。
2. 前記噴霧調整部は、前記シリンダヘッド側に伸びて形成され、前記インジェクタの少なくとも１以上の噴孔から噴射される燃料噴霧の外殻部分の少なくとも一部の通過を抑制する壁部を有し、前記燃料噴霧の前記残りの部分の通過を許容する間隙が形成されている
   請求項１記載の内燃機関。
3. 前記インジェクタは、前記シリンダの中心軸に沿って配置され、
   前記噴霧調整部の前記壁部は、前記ピストンの前記シリンダヘッド側の面の略中心をその中心とする円周上に形成されている
   請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記所定方向に垂直な面内における、前記燃料噴霧の進行方向に垂直な方向についての前記間隙の幅は、前記噴孔からの燃料噴霧が障害なく進んだ場合に前記間隙の位置で広がると想定される想定幅よりも狭い幅となっている
   請求項２または３に記載の内燃機関。
5. 前記所定方向に垂直な面内における、前記燃料噴霧の進行方向に垂直な方向についての前記間隙の中心は、前記燃料噴霧の進行方向に垂直な方向における中心軸上となっている
   請求項２乃至４の何れか一項に記載の内燃機関。
6. 前記噴霧調整部は、前記インジェクタのそれぞれの噴孔から噴射されるそれぞれの燃料噴霧の外殻部分の少なくとも一部の通過を抑制する壁部を有し、前記インジェクタのそれぞれの噴孔から噴射されるそれぞれの燃料噴霧の前記残りの部分の通過を許容する複数の間隙が形成されている
   請求項２乃至５の何れか一項に記載の内燃機関。

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