JP2019015251A - ディーゼルエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】各燃焼室の表面処理に工夫を凝らすことにより、直噴式に比べて熱損失が大きいという短所を極力減らせるようにして、副室式における熱効率が改善されるディーゼルエンジンを提供する。【解決手段】エンジンの主燃焼室９と副室６とが主燃焼室９での偏心箇所に設けられている噴孔８を介して連通され、副室６における噴射燃料の被噴射箇所２０の面粗度Ｒａ１が０．３μｍ以下（Ｒａ１≦０．３μｍ）に設定されているディーゼルエンジン。副室６形成用の副室形成用口金４における被噴射箇所２０以外の箇所２１の表面には、セラミック皮膜ｓが施されている。【選択図】図２

Description

本発明は、シリンダヘッドに設けられた副燃焼室内に燃料の噴射を行う形式のエンジン、即ち、副室式のディーゼルエンジンに関するものである。

副室式のディーゼルエンジンでは、エンジンの主燃焼室と副室とが主燃焼室での偏心箇所に設けられている噴孔を介して連通され、副室から噴孔を通して主燃焼室内へ燃焼気流が噴出するように構成されている。一般的には、噴孔から出た燃焼気流が、上死点付近に至っているピストンの頂面に対して斜めに吹き付けられるように、噴孔は主燃焼室の中央側へ向けて傾けて形成されている。例えば、特許文献１において開示されたものが知られている。

副室式は直噴式（直接噴射式）に比べた場合、全ての回転域で容易に安定した燃焼状態が得られ、燃焼時間が長いため燃焼時の圧力と温度変化が穏やかで窒素酸化物と炭化水素の発生が少なく、騒音（ディーゼルノック）が低く高回転化にも好適となる長所を有している。そのため、産業用ディーゼルエンジンなどにおいては多数の採用例がある。

その反面、燃料が燃焼爆発した熱エネルギーが、シリンダヘッドやシリンダブロック内の冷却水へ熱として伝導するので、直噴式に比べて熱損失は大きい。そのため、熱効率の点では直噴式に劣っており、パワーや燃費の点では不利である。

特開２００２−２８５８４６号公報

従来の副室式のディーゼルエンジンでは、燃焼室の壁面が鋳肌のために粗いものであり、そのため、燃料噴霧や燃焼気流が燃焼室壁面へ衝突後、壁面に沿ってより遠くまで到達し難い。従って、燃焼火炎が溜まりやすくて熱が冷却水へと逃げやすい傾向が増長され、冷却損失や熱効率の点では不利なものであった。

本発明の目的は、燃焼室各部の表面処理に工夫を凝らすことにより、直噴式に比べて熱損失が大きいという短所を極力減らせるようにして、副室式における熱効率が改善されるディーゼルエンジンを提供する点にある。

本発明は、ディーゼルエンジンにおいて、
エンジンの主燃焼室９と副室６とが前記主燃焼室９での偏心箇所に設けられている噴孔８を介して連通され、
前記副室６における噴射燃料の被噴射箇所２０が鏡面仕上げされていることを特徴とする。

第２の本発明は、本発明によるにディーゼルエンジンおいて、
前記被噴射箇所２０の面粗度Ｒａ１が１μｍ以下（Ｒａ１≦１μｍ）に設定されていることを特徴とする。

第３の本発明は、本発明又は第２の本発明によるにディーゼルエンジンおいて、
前記副室６における前記被噴射箇所２０以外の箇所２１の表面にセラミック皮膜ｓが施されていることを特徴とする。

第４の本発明は、第３の本発明によるディーゼルエンジンにおいて、
前記副室６の一部１５及び前記噴孔８が、シリンダヘッド５の主燃焼室側に嵌着されている副室形成用口金４に形成され、
前記セラミック皮膜ｓは、前記副室形成用口金４における前記副室６の一部１５を形成する副室形成用凹部１５の表面にのみ形成されていることを特徴とする。

第５の本発明は、第３又は第４の本発明によるディーゼルエンジンにおいて、
前記セラミック皮膜ｓの厚さが５０μｍ±１０μｍに設定されていることを特徴とする。

第６の本発明は、ディーゼルエンジンにおいて、
エンジンの主燃焼室９と副室６とが前記主燃焼室９での偏心箇所に設けられている噴孔８を介して連通され、ピストン１の頂面１１における前記噴孔８から前記主燃焼室９内へ噴出される燃焼気流１０の噴出経路ｗに対応する箇所１６が鏡面仕上げされていることを特徴とする。

第７の本発明は、第６の本発明によるディーゼルエンジンにおいて、
前記噴出経路ｗに対応する箇所１６の面粗度Ｒａ２が１μｍ以下（Ｒａ２≦１μｍ）に設定されていることを特徴とする。

第８の本発明は、第６又は第７の本発明によるディーゼルエンジンにおいて、
前記ピストン１の頂面１１における前記噴出経路ｗに対応する箇所１６以外の箇所１７に、アルマイト処理ａが為されていることを特徴とする。

第９の本発明は、第８の本発明によるディーゼルエンジンにおいて、
前記アルマイト処理ａは、前記ピストン１の頂面１１に形成されているバルブリセス１８，１９には施されないものであることを特徴とする。

第１０の本発明は、第８又は第９の本発明によるディーゼルエンジンにおいて、
前記アルマイト処理ａの厚さが５０μｍ±１０μｍに設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、被噴射箇所が緻密な面粗度である鏡面仕上げされているので、燃料噴霧が副室の被噴射箇所（壁面）へ衝突後、壁面に沿ってより遠くまで噴霧が到達できるようになる。従って、燃焼火炎が留まらなくなって熱がシリンダヘッドや冷却水へ逃げ難くなり、冷却損失を減じることができる。冷却損失が減ると熱効率が改善され、燃費が改善されるようになる。

その結果、各燃焼室の表面処理に工夫を凝らすことにより、直噴式に比べて熱損失が大きいという短所を極力減らせるようにして、副室式における熱効率が改善されるディーゼルエンジンを提供することができる。

第６の本発明によれば、噴出経路に対応する箇所が緻密な面粗度である鏡面仕上げされているので、ピストンの頂面における燃焼気流の噴出経路に対応する箇所に燃焼気流が衝突後、頂面や壁面に沿ってより遠くまで到達できるようになる。従って、燃焼火炎が留まらなくなって熱がシリンダブロックやシリンダヘッド、或いは冷却水へ逃げ難くなり、冷却損失を減じることができる。冷却損失が減ると熱効率が改善され、燃費が改善されるようになる。

その結果、各燃焼室の表面処理に工夫を凝らすことにより、直噴式に比べて熱損失が大きいという短所を極力減らせるようにして、副室式における熱効率が改善されるディーゼルエンジンを提供することができる。

ディーゼルエンジンの燃焼室部位を示す要部の縦断面図 図１のディーゼルエンジンにおける副室を示す要部の拡大断面図 （ａ）副室形成用口金の平面図、（ｂ）別構造の副室形成用口金の平面図 （ａ）ピストンを示す平面図、（ｂ）別構造のピストンの平面図

以下に、本発明によるディーゼルエンジンの実施の形態を、産業用で副室式のディーゼルエンジンの場合について図面を参照しながら説明する。

図１に示されるように、ディーゼルエンジンＥは、シリンダブロック２及びシリンダヘッド５有しており、シリンダブロック２にはシリンダ３が設けられて、シリンダ３内にはピストン１が往復上下移動可能に内嵌されている。シリンダブロック２の上側にはシリンダヘッド５が組み付けられており、シリンダヘッド５には、副燃焼室として機能する副室（渦流室、うず室とも呼ばれる）６が設けられている。

シリンダヘッド５には燃料噴射ノズル７が貫通装備され、燃料噴射ノズル７の先端噴射部７ａが副室６内に臨むように配置されている。副室６は、シリンダ３内に形成される主燃焼室９に、その主燃焼室９の偏心箇所に設けられる噴孔８を介して連通されている。
副室６と主燃焼室９とを連通させる噴孔８は、垂直線に対して角度が付いた傾斜孔に形成されている。副室６から噴孔８を通って主燃焼室９内へ燃焼気流１０が噴出すると、燃焼気流１０が、上死点付近に至っているピストン１頭部のピストンヘッド１Ａの頂面１１に対して斜めに吹き付けられる構成とされている（図３も参照）。

副室６の構成について詳しく説明する。図１、図２に示されるように、シリンダヘッド５におけるシリンダ中心軸からシリンダ周壁側に偏芯した位置に、シリンダ３に開口する状態の副室形成穴５Ａが形成され、副室形成穴５Ａには副室形成用口金（チャンバー）４が収容されている。副室形成穴５Ａは、シリンダヘッド５の主燃焼室９に臨むヘッド底面５ａから順に、大径の開口部１２と、小径の胴部収容部１３と、胴部収容部１３よりも奥に位置する空洞部１４とを有して構成されている。

開口部１２には、カップ状に形成された副室形成用口金４の底部４Ａが収容されている。胴部収容部１３は、副室形成用口金４の胴部４Ｂが収容される箇所であって開口部１２よりも小径である。空洞部１４は半球よりも少し大きい略半球形に凹んだ箇所に形成され、胴部収容部１３とは段付き面（符記省略）で繋がる構成とされている。なお、開口部１２と胴部収容部１３とが互いに同径或いはほぼ同径とされた副室形成用口金４でもよい。

図１及び図２に示されるように、副室形成用口金４は、円柱状の胴部４Ｂと底部４Ａとを含んだ段付円柱状の金具で形成されている。底部４Ａは胴部４Ｂの一端側を胴部４Ｂの外径よりも大径で周方向に張り出たフランジ状の部位として形成されている。胴部４Ｂの他端側には、胴部４Ｂの上端面から半球よりも少し小さい略半球形の副室形成用凹部１５が形成されている。そして、副室形成用口金４の底部４Ａには、副室形成用凹部１５と主燃焼室９とを連通させる噴孔８が形成されている。

〔実施形態１〕
図２及び図３（ａ）に示されるように、副室６における噴射燃料の被噴射箇所２０の面粗度Ｒａ１が１μｍ以下（Ｒａ１≦１μｍ）に設定されている。Ｒａは、算術平均粗さ（ＪＩＳ Ｂ ０６０１）のことであって高さ方向のパラメーターを表しており、被噴射箇所２０の面粗度を第１面粗度Ｒａ１と呼ぶものとする。

第１面粗度Ｒａ１が１μｍ以下とは、いわゆる鏡面仕上げに相当する精度であり、加工上からは０．０１μｍ≦Ｒａ１≦１μｍが現実的な範囲である。なお、好ましくは第１面粗度Ｒａ１は０．３μｍ以下であり、より好ましくは０．０１μｍ≦Ｒａ１≦０．３μｍである。

噴射燃料が副室６の壁面に衝突する箇所である被噴射箇所２０は、図３（ａ）に示されるように、副室形成用凹部１５における燃料噴霧の主流部と言うべき箇所、即ち、平面視で噴孔８を含む幅方向中央域にて略縦長となる形状の表面部分である。ピストン１上昇によって副室６に入り込む圧縮流の影響を受けることにより、噴孔８の形成方向に沿って長い略縦長の形状の表面部分が生じる。

なお、燃料噴射ノズル７の先端噴射部７ａの噴射形態（噴射パターン）などにより、図３（ｂ）に示されるように、噴孔８を取り囲むループ状箇所２０の表面粗さが第１面粗度Ｒａ１に設定される構成でもよい。

被噴射箇所２０は、副室形成用凹部１５の一部〔図３（ａ）や（ｂ）を参照〕だけでなく、噴孔８の内周面（符記省略）を含むものとし、噴孔８の内周面にも第１面粗度Ｒａ１が適用される構成でもよい。

図２及び図３（ａ）に示されるように、副室６における被噴射箇所２０以外の箇所２１、詳しくは、副室形成用口金４における副室６の一部１５を形成する副室形成用凹部１５の表面における被噴射箇所２０を除いた両サイド箇所２１，２１にセラミック皮膜ｓが形成されている。セラミック皮膜ｓの厚さは５０μｍ±１０μｍに設定されている。

セラミック皮膜ｓは、図３（ｂ）に示されるように、第１面粗度Ｒａ１の箇所がループ状箇所２０である場合には、その外周部２１に形成される構成となる。なお、セラミック皮膜ｓは、両サイド箇所２１，２１〔図３（ａ）参照〕や外周部２１〔図３（ｂ）参照〕に加えて、副室６を形成するシリンダヘッド５の空洞部１４の表面に形成されてもよい。

〔実施形態２〕
実施形態２によるディーゼルエンジンＥにおいては、図４（ａ）に示されるように、ピストン１の頂面１１における噴孔８から主燃焼室９内へ噴出される燃焼気流１０の噴出経路ｗに対応する箇所１６の面粗度である第２面粗度Ｒａ２が１μｍ以下（Ｒａ２≦１μｍ）に設定されている。噴出経路ｗに対応する箇所１６とは、広義には、平面視において、頂面１１における噴孔８に対応する箇所を中心として噴出方向下流側に広がる略扇形の箇所１６を言う〔図４（ｂ）を参照〕。

図４（ａ）に示されるように、吸排気バルブとの干渉防止用の逃がし凹みであるバルブリセスの一対１８，１９が頂面１１に形成されている場合には、前述の略扇形の箇所からそれらバルブリセス１８，１９の部分を除いた箇所、即ち、略鼓形箇所１６の表面粗さが第２面粗度Ｒａ２に仕上げられている。第２面粗度Ｒａ２は、鏡面仕上げ相当のＲａ２≦１μｍが望ましいが、第１面粗度Ｒａ１と同様に、０．０１μｍ≦Ｒａ２≦１μｍが現実的な範囲であり、Ｒａ２≦０．３μｍや０．０１μｍ≦Ｒａ２≦０．３μｍに設定されても可である。

図４（ａ）に示されるように、ピストン１の頂面１１における略鼓形箇所１６以外で、かつ、各バルブリセス１８，１９以外の箇所１７、即ち、略外周部箇所１７にはアルマイト処理ａが為されている。つまり、各バルブリセス１８，１９及び第２面粗度Ｒａ２が施されている箇所以外の部分にアルマイト処理ａが形成されている。アルマイト処理ａの厚さは５０μｍ±１０μｍに設定されている。

なお、図４（ｂ）に示されるように、ピストン１の頂面１１にバルブリセス１８，１９が無い場合では、噴出経路ｗに対応する略扇形の箇所１６が第２面粗度Ｒａ２に仕上げられ、かつ、それ以外の箇所１７にアルマイト処理ａが形成される、という構成とされてもよろしい。

実施形態１や実施形態２による本発明のディーゼルエンジンにおいては、次の（１）〜（４）に示す作用効果が得られ、また、ａ〜ｅに示す効果を奏することができる。

（１）副室６内部における噴射燃料の被噴射箇所（燃料噴霧の主流部）２０の表面をバフ仕上げなどにより、その表面粗さである第１面粗度Ｒａ１が１μｍ以下、好ましくは０．３μｍ以下となるように鏡面仕上げされている。従って、燃料噴霧が副室６の壁面（被噴射箇所２０）へ衝突後、壁面に沿ってより遠くまで噴霧が到達できるようになり、燃焼火炎が留まらなくなって、熱が冷却水へ熱伝達され難くなり、冷却損失を減じることができる。

（２）副室６の内部における被噴射箇所２０以外の箇所（燃料噴霧の主流部以外の内面両側やその外周部）２１に、断熱皮膜としてセラミック皮膜ｓが厚さ５０μｍ±１０μｍで形成されている。従って、燃料が副室６内部で燃焼（爆発）することによる熱エネルギーが、シリンダヘッド５やその内部を通る冷却水に熱伝達され難くなり、冷却損失を軽減させることが可能になる。

（３）ピストン１の頂面１１における燃焼気流１０の噴出経路ｗに対応する箇所１６を、バフ仕上げなどにより、その表面粗さである第２面粗度Ｒａ２が１μｍ以下、好ましくは０．３μｍ以下となるように鏡面仕上げされている。従って、燃焼気流１０がピストン頂面１１における略鼓形箇所又は略扇形箇所１６に衝突後、壁面に沿ってより遠くまで燃焼気流が到達できるようになり、燃焼火炎が留まらなくなって、熱が冷却水へ熱伝達され難くなり、冷却損失を減じることができる。

（４）ピストン１の頂面１１における燃焼気流１０の噴出経路ｗに対応する箇所１６以外の箇所に、断熱皮膜としてアルマイト処理ａが厚さ５０μｍ±１０μｍで形成されているので、燃料が主燃焼室９で燃焼（爆発）することによる熱エネルギーが、シリンダブロック２やその内部を通る冷却水に熱伝達され難くなり、冷却損失を軽減させることが可能になる。

ａ：冷却損失が減るので熱効率が改善され、燃費が良くなる。またパワーが増すことも期待できる。

ｂ：副室６における燃料噴霧が壁面に衝突後により遠く到達可能となり、空気と燃料との混合が促進され黒煙やＰＭの排出が軽減されるようになる。

ｃ：主燃焼室９の壁面から熱が逃げ難くなって主燃焼室の温度が上がるので、燃料の着火遅れ期間が短くなり、予混合燃焼が減ってＮＯｘ排出量を減らすことが可能になる。

ｄ：主燃焼室９の壁面から熱が逃げ難くなって主燃焼室の温度が上がるので、中軽負荷運転時の未燃の燃料部分であるＨＣやＨＣ起因のＰＭ排出量を減らすことが可能になる。

ｅ：冷却損失が減るので、ラジエータ容量を小さくすることが可能になるから、よりコンパクトなエンジンやより安価なエンジンなどを提供できるようになる。

〔別実施例〕
副室６における被噴射箇所２０は、燃料噴射ノズル７による燃料の噴射形態（噴射パターン）などにより、ループ状箇所２０など、縦長箇所２０以外の形状の箇所とすることが可能である。

また、頂面１１における「燃焼気流１０の噴出経路ｗに対応する箇所１６」は、噴孔８の形状や大きさ、シリンダ３に対する向きなどの条件により、種々に変更設定することが可能である。

１ ピストン
４ 副室形成用口金
５ シリンダヘッド
６ 副室
８ 噴孔
９ 主燃焼室
１０ 燃焼気流
１１ 頂面
１５ 副室形成用凹部、副室の一部
１６ 噴出経路に対応する箇所
１７ 対応する箇所以外の箇所
１８ バルブリセス
１９ バルブリセス
２０ 被噴射箇所
２１ 被噴射箇所以外の箇所
Ｒａ１ 面粗度(20)
Ｒａ２ 面粗度(16)
ａ アルマイト処理
ｓ セラミック皮膜
ｗ 噴出経路

Claims (10)

1. エンジンの主燃焼室と副室とが前記主燃焼室での偏心箇所に設けられている噴孔を介して連通され、
   前記副室における噴射燃料の被噴射箇所が鏡面仕上げされているディーゼルエンジン。
2. 前記被噴射箇所の面粗度Ｒａ１が１μｍ以下（Ｒａ１≦１μｍ）に設定されている請求項１に記載のディーゼルエンジン。
3. 前記副室における前記被噴射箇所以外の箇所の表面にセラミック皮膜が施されている請求項１又は２に記載のディーゼルエンジン。
4. 前記噴孔及び前記副室の一部が、前記副室を形成すべくシリンダヘッドの主燃焼室側に嵌着されている副室形成用口金に形成され、
   前記セラミック皮膜は、前記副室形成用口金における前記副室の一部を形成する副室形成用凹部の表面にのみ形成されている請求項３に記載のディーゼルエンジン。
5. 前記セラミック皮膜の厚さが５０μｍ±１０μｍに設定されている請求項３又は４に記載のディーゼルエンジン。
6. エンジンの主燃焼室と副室とが前記主燃焼室での偏心箇所に設けられている噴孔を介して連通され、ピストンの頂面における前記噴孔から前記主燃焼室内へ噴出される燃焼気流の噴出経路に対応する箇所が鏡面仕上げされているディーゼルエンジン。
7. 前記噴出経路に対応する箇所の面粗度Ｒａ２が１μｍ以下（Ｒａ２≦１μｍ）に設定されている請求項６に記載のディーゼルエンジン。
8. 前記ピストンの頂面における前記噴出経路に対応する箇所以外の箇所に、アルマイト処理が為されている請求項６又は７に記載のディーゼルエンジン。
9. 前記アルマイト処理は、前記ピストンの頂面に形成されているバルブリセスには施されないものである請求項８に記載のディーゼルエンジン。
10. 前記アルマイト処理の厚さが５０μｍ±１０μｍに設定されている請求項８又は９に記載のディーゼルエンジン。

Images