JP2016186257A - 直噴式エンジンの燃焼室構造 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な燃焼状態を維持しつつ熱損失を低減できるとともに、スモークや未燃物質の生成を抑制することができる直噴式エンジンの燃焼室構造を提供する。
【解決手段】ピストン２の上面３に凹設された中心部に略円錐台状の凸部７を有するキャビティ４からなる浅皿型燃焼室５と、その浅皿型燃焼室５の上方に同軸で配置されたインジェクタ６とからなり、キャビティ４の開口径Ｄに対する深さＨの比が２０〜２５％の範囲であるとともに、そのキャビティ４の開口面積Ｓに対する凸部７の上面積Ａの比が９〜１６％の範囲であり、かつピストン２が上死点近傍にあるときに、インジェクタ６の燃料噴射口８の延長先９が凸部７の周縁部７ａに位置するように構成した直噴式エンジンの燃焼室構造において、凸部７の周縁部７ａの表面に遮熱膜１０をコーティングする。
【選択図】図１

Description

本発明は直噴式エンジンの燃焼室構造に関し、更に詳しくは、良好な燃焼状態を維持しつつ熱損失を低減できるとともに、スモークや未燃物質の生成を抑制することができる直噴式エンジンの燃焼室構造に関する。

車両の動力源として用いられているディーゼルエンジンにおいては、地球温暖化や化石燃料の枯渇などの喫緊の課題に対応するため、より一層の燃費改善が求められている。燃費改善のために、ディーゼルエンジンの熱効率を向上するには、熱損失を低減させることが必須である。

この熱損失を低減する手法には様々なものがあるが（例えば、特許文献１を参照）、その１つとして、浅皿型燃焼室と広角の噴射角度を有するインジェクタとを組み合わせることで、燃焼室の壁面と火炎の高温ガスとの接触を抑制することが考えられる。

しかしながら、通常の浅皿型燃焼室において理論熱効率の向上を図るために圧縮比を高めると、高負荷運転条件下で空気利用率が顕著に低下して、従来のリエントラント型の燃焼室の場合よりも燃焼状態が悪化してしまうとともに、熱損失の低減効果も得られなくなるため、結果として熱効率が低下してしまうという問題があった。

上記の問題を解決するために、本発明者は、図３に示すような、直噴式エンジンの燃焼室構造２０を考案した。この燃焼室構造２０は、ピストン２１の上面２２に凹設された中心部に略円錐台状の凸部２３を有するキャビティ２４からなる浅皿型燃焼室２５と、その浅皿型燃焼室２５の上方に同軸で配置されたインジェクタ２６とからなり、キャビティ２４の開口径Ｄに対する深さＨの比が２０〜２５％の範囲であるとともに、キャビティ２４の開口面積Ｓに対する凸部２３の上面積Ａの比が９〜１６％の範囲であって、かつピストン２１が上死点近傍にあるときに、インジェクタ２６の噴射先２７が凸部２３の周縁部２３ａとなるように構成されている。

このような燃焼室構造２０により、燃焼室中心部の空気を効果的に利用するとともに、燃料噴霧の壁面側での燃焼が抑制されるため、良好な燃焼状態を維持しつつ、熱損失の低減を図ることが可能となる。

しかしながら、本発明者が鋭意研究を進めたところ、上記のような直噴式エンジンの燃焼室構造２０では、燃料の噴射後に燃料噴霧が凸部２３の壁面にすぐに衝突するとともに、衝突しなかった燃料噴霧の主要部がキャビティ２４の表面に沿って発達するため、キャビティ２４内に燃料液膜が形成されることが明らかになった。

この燃料液膜は蒸発速度が遅いため、燃焼の後半において過濃度の混合気を形成して、多量のスモークを生成させるおそれがある。また、キャビティ２４の壁面に付着した燃料液膜の一部は、燃焼に寄与できないままＨＣなどの未燃物質として外部へ排出されるおそれもある。

特開２０１４−１５８４５号公報

本発明の目的は、良好な燃焼状態を維持しつつ熱損失を低減できるとともに、スモークや未燃物質の生成を抑制することができる直噴式エンジンの燃焼室構造を提供することにある。

上記の目的を達成する本発明の直噴式エンジンの燃焼室構造は、ピストンの上面に凹設された中心部に略円錐台状の凸部を有するキャビティからなる浅皿型燃焼室と、前記浅皿型燃焼室の上方に同軸で配置されたインジェクタとからなり、前記キャビティの開口径に対する深さの比が２０〜２５％の範囲であるとともに、該キャビティの開口面積に対する前記凸部の上面積の比が９〜１６％の範囲であり、前記ピストンが上死点近傍にあるときに、前記インジェクタの噴射先が該凸部の周縁部となるように構成した直噴式エンジンの燃焼室構造において、前記凸部の周縁部の表面が少なくとも含まれるとともに、該凸部の周縁部の表面で厚肉となるように、前記キャビティの壁面に遮熱膜をコーティングしたことを特徴とするものである。

本発明の直噴式エンジンの燃焼室構造によれば、燃焼時において燃焼室中心部の空気の利用が促進されるとともに、燃料噴霧の壁面側での燃焼が抑制されてガスが高温にならないことに加えて、燃焼室壁面の温度が増加して燃料液膜からの燃料の蒸発が促進されるため、良好な燃焼状態を維持しつつ熱損失を低減するとともに、スモークや未燃物質の生成を抑制することができる。

本発明の実施形態からなる直噴式エンジンの燃焼室構造の半断面図である。 本発明の別の実施形態からなる直噴式エンジンの燃焼室構造の半断面図である。 本発明者が従来考案した直噴式エンジンの浅皿型燃焼室構造の半断面図である。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態からなる直噴式エンジンの燃焼室構造を示す。

この直噴式エンジンの燃焼室構造１Ａ（以下、単に「燃焼室構造」と言う。）は、シリンダボア（図示せず）内を往復動するピストン２の上面３の中央部に凹設されたキャビティ４からなる浅皿型燃焼室５と、その浅皿型燃焼室５と同軸の上方に配置されたインジェクタ６とから構成されている。

キャビティ４の中心部には、略円錐台状の凸部７が設けられている。キャビティ４の開口径Ｄに対する深さＨの比（Ｈ／Ｄ）は２０〜２５％の範囲になっているとともに、キャビティ４の開口面積Ｓに対する凸部７の上面積Ａの比（Ａ／Ｓ）は９〜１６％の範囲になっている。

また、インジェクタ６の先端部には、燃料を噴射する燃料噴射口８が形成されている。この燃料噴射口８は、ピストン２が上死点近傍にあるときには、その噴射先（燃料噴射口８の延長先９）が凸部７の周縁部７ａになるように設定されている。なお、ここでいう上死点近傍とは、クランク角が−１０〜１０°ＡＴＤＣとなる範囲を指す。

このような燃焼室構造１Ａにおいて、凸部７の周縁部７ａの表面（壁面）のみには、遮熱膜１０がコーティングされている。この遮熱膜１０は、ピストン２の材料よりも熱伝導度が低い物質から形成されている。具体的な物質としては、特に限定するものではないが、シリコーン樹脂、発泡セラミックス、テフロン（デュポン社の登録商標）やガラスなどが例示される。

また、そのような物質を周縁部７ａの壁面にコーティングする方法についても、特に限定するものではないが、蒸着、焼結、浸漬、溶射やプラズマＣＶＤなどが例示される。

このように燃焼室構造１Ａを構成することにより、噴霧燃料が衝突する凸部７の周縁部７ａの壁面の温度が増加して、燃料液膜からの燃料の蒸発が促進されるため、スモークや未燃物質の生成を抑制することができる。

図２は、本発明の実施形態からなる直噴式エンジンの燃焼室構造を示す。なお、図１と同じ箇所には同一の符号を付し、その説明を省略する。

この燃焼室構造１Ｂは、キャビティ４の壁面全体に遮熱膜１０をコーティングするとともに、凸部７の周縁部７ａの壁面での遮熱膜１０の厚さが、他の部分の遮熱膜１０よりも厚肉となるようにしたものである。

このように燃焼室構造１Ｂを構成することにより、噴霧燃料が衝突する凸部７の周縁部７ａの壁面だけでなく、キャビティ４の壁面全体の温度が増加するので、燃料液膜からの燃料の蒸発がより促進されるため、スモークや未燃物質の生成を更に抑制することができる。

１ 燃焼室構造
２ ピストン
３ 上面
４ キャビティ
５ 浅皿型燃焼室
６ インジェクタ
７ 凸部
７ａ 周縁部
８ 燃料噴射口
９ 延長先
１０ 遮熱膜

Claims (1)

1. ピストンの上面に凹設された中心部に略円錐台状の凸部を有するキャビティからなる浅皿型燃焼室と、前記浅皿型燃焼室の上方に同軸で配置されたインジェクタとからなり、
   前記キャビティの開口径に対する深さの比が２０〜２５％の範囲であるとともに、該キャビティの開口面積に対する前記凸部の上面積の比が９〜１６％の範囲であり、
   前記ピストンが上死点近傍にあるときに、前記インジェクタの噴射先が該凸部の周縁部となるように構成した直噴式エンジンの燃焼室構造において、
   前記凸部の周縁部の表面が少なくとも含まれるとともに、該凸部の周縁部の表面で厚肉となるように、前記キャビティの壁面に遮熱膜をコーティングしたことを特徴とする直噴式エンジンの燃焼室構造。

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