JP2019113006A

JP2019113006A - 副室式ディーゼルエンジン

Info

Publication number: JP2019113006A
Application number: JP2017247308A
Authority: JP
Inventors: 宣義岡田; Noriyoshi Okada; 陽田中; Yo Tanaka; 洋樹尾曽; Hiroki Oso; 良憲田中; Yoshinori Tanaka; 隆寛山▲崎▼; Takahiro Yamazaki; 小山　秀行; Hideyuki Koyama; 秀行小山
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2017-12-25
Filing date: 2017-12-25
Publication date: 2019-07-11
Anticipated expiration: 2037-12-25
Also published as: JP6830057B2

Abstract

【課題】ピストン天井壁に形成されリセスの形状などを見直して工夫することにより、ＰＭの発生が抑制されるように改善された副室式ディーゼルエンジンを提供する。【解決手段】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８を介して連通され、ピストン１の天井壁１Ａに、吸気弁リセス１８と排気弁リセス１９とが形成され、天井壁１Ａにおける噴孔８から主燃焼室内へ噴出される燃焼気流１０が吹き付けられる箇所ｆに、平面視で吸排気弁リセス１８，１９それぞれに重なる状態の直下リセス２１が形成されている副室式ディーゼルエンジン。【選択図】図３

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主燃焼室から偏心した箇所に設けられている副室とが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２００２−６１５１４号公報

そこで従来では、特許文献１（図１，３など参照）において開示されるように、ピストンの天井壁の頂面側における噴孔に対応した位置に凹み、即ちリセス（６，７，７：特許文献１）が形成されていることが多い。即ち、ピストン上死点時における燃焼室を、ピストン頂部にリセスを設けることで燃料と空気の混合が促進され易い形状とし、熱効率の改善が可能となるようにされていた。

しかしながら、従来構造の燃焼室においては、ピストン頂面と噴孔（口金）との距離が小さく、燃焼途中の噴霧がピストン頂面に衝突した際に急冷され易い傾向があり、その結果、ＰＭ（ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ：粒子状物質）が発生し易いという問題があった。

本発明の目的は、ピストン天井壁に形成されリセスの形状などを見直して工夫することにより、ＰＭの発生が抑制されるように改善された副室式ディーゼルエンジンを提供する点にある。

本発明は、副室式ディーゼルエンジンにおいて、
主燃焼室９と前記主燃焼室９から偏心した箇所に設けられている副室６とが噴孔８を介して連通され、ピストン１の天井壁１Ａに、吸気弁リセス１８と排気弁リセス１９とが形成され、前記天井壁１Ａ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が吹き付けられる箇所ｆに、平面視で前記吸排気弁リセス１８，１９それぞれに重なる状態の直下リセス２１が形成されていることを特徴とする。

第２の本発明は、本発明の副室式ディーゼルエンジンにおいて、
前記直下リセス２１は、平面視で円形をなすものに形成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の本発明による副室式ディーゼルエンジンにおいて、
前記天井壁１Ａに、平面視において前記噴孔８に対応する箇所ｆを基準として噴出方向下流側に広がる扇形の受止めリセス２２が形成されていることを特徴とする。

第４の本発明は、本発明又は第２の本発明による副室式ディーゼルエンジンにおいて、
前記吸気弁リセス１８及び前記排気弁リセス１９と前記直下リセス２１との互いの深さが異なる設定とされていることを特徴とする。

第５の本発明は、第３の本発明の副室式ディーゼルエンジンにおいて、
前記直下リセス２１と前記受止めリセス２２との互いの深さが異なる設定とされていることを特徴とする。

第６の本発明は、第５の本発明の副室式ディーゼルエンジンにおいて、
前記吸気弁リセス１８及び前記排気弁リセス１９と前記直下リセス２１との互いの深さが異なる設定とされていることを特徴とする。

第７の本発明は、第６の本発明の副室式ディーゼルエンジンにおいて、
前記吸気弁リセス１８及び前記排気弁リセス１９と前記受止めリセス２２との互いの深さが異なる設定とされていることを特徴とする。

本発明によれば、ピストンの天井壁における噴孔直下に、即ち、噴孔から主燃焼室内へ噴出される燃焼気流が吹き付けられる箇所に、凹みである直下リセスが形成されているので、噴孔とピストン頂面との距離を従来より広めて、噴孔直下における主燃焼室容積を局所的に増大させることが可能になる。
従って、その噴孔直下の容積増大により、噴孔から噴出された混合気と主燃焼室の空気との混合が促進され、燃焼途中の噴霧が急冷されることが抑制されるようになる。

そして、直下リセスでの温度低下の少ない燃焼気流が、主燃焼室の吸排気弁リセスに円滑に流れて火炎伝播するので、これら３つのリセスを有する相乗作用によって主燃焼室における燃焼がより促進されるようになる。
その結果、ピストン天井壁に形成されリセスの形状などを見直して工夫することにより、ＰＭの発生が抑制されるように改善された副室式ディーゼルエンジンを提供することができる。

副室式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）ピストンを示す平面図、（ｂ）副室形成用口金の平面図（ａ）第１別構造のピストン平面図、（ｂ）第２別構造のピストン平面図（ａ）第３別構造のピストン平面図、（ｂ）第４別構造のピストン平面図（ａ）第５別構造のピストン平面図、（ｂ）第６別構造のピストン平面図

以下に、本発明による副室式ディーゼルエンジンの実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、図３（ａ）に描かれている噴孔８、補助噴孔２０、及び噴出経路ｗ（燃焼気流１０）は、図４，５，６においては図示を省略してある。

図１に示されるように、副室式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。
噴孔８は、副室６の内周面の略接線方向で、かつ、ピストン軸心（＝シリンダ軸心）Ｐに向かって噴口８ａを有する傾斜孔に形成されている。

副室６の構成について説明する。図１、図２に示されるように、シリンダヘッド５におけるピストン軸心Ｐ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。なお、図２における２３はグロープラグである。

図１、図２、図３（ｂ）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。つまり、副室６は空洞部１４と副室形成用凹部１５とで構成されている。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。

図２、図３（ｂ）に示されるように、噴孔８は、中央の主噴孔１６と、その両脇に張り出すように一体的に形成された一対の副噴孔１７，１７とを備えてピストン軸心Ｐの方向視で略三つ葉形状の連通孔に形成されている。副室６と主燃焼室９とを連通する噴孔８は、副室６から主燃焼室９の中央部へ向かうように傾斜状に設けられている。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の天井壁であるピストンヘッド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。

また、図２、図３に示されるように、副室形成用口金４の底部４Ａにおける噴孔８の両脇近傍のそれぞれに補助噴孔２０，２０が形成されている。一対の補助噴孔２０，２０は、噴孔８に対してピストン軸心Ｐから遠い側に寄った位置、即ち、副室６のピストン軸心Ｐの方向視で略中央位置において底部４Ａをピストン軸心Ｐに沿って貫かれて主燃焼室９に開口する小径の縦孔に形成されている。従って、副室６から補助噴孔２０，２０を通っても、ピストンヘッド１Ａに対面して向かう状態で主燃焼室９内へ燃焼気流１０が噴出する構成とされている。

次に、ピストン１について説明する。図１、図２、図３（ａ）に示されるように、ピストン１のピストンヘッド１Ａに、吸気バルブ（図示省略）に対応した吸気弁リセス１８と排気バルブ（図示省略）に対応した排気弁リセス１９とが形成され、ピストンヘッド１Ａ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が吹き付けられる箇所ｆに、平面視で円形をなす直下リセス２１が形成されている。

直下リセス２１は、吸気弁リセス１８及び排気弁リセス１９のいずれにも平面視で重なっており、従って、直下リセス２１と吸気弁リセス１８及び直下リセス２１と排気弁リセス１９は直接に連通する構成とされている。図３（ａ）においては、吸気弁リセス１８より面積が若干小さい排気弁リセス１９と直下リセス２１との重なり長さが、吸気弁リセス１８と直下リセス２１との重なり長さよりも長い状態に描かれているが、この限りではない。

加えて、図３（ａ）に示されるように、ピストンヘッド１Ａに、平面視において噴孔８に対応する箇所ｆを基準として噴出方向下流側に広がる扇形の受止めリセス２２も形成されている。受止めリセス２２は、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に対応する箇所である。噴出経路ｗは、主噴孔１６から噴出される燃焼気流１０の経路であり、実際には、図３（ａ）に仮想線の矢印で示されるように、一対の副噴孔１７，１７から噴出される燃焼気流１０による左右の副噴出経路（符記省略）も生じている。

また、円形をなす直下リセス２１の内部では、図３（ａ）に示されるように、その形状に沿って外周側を進む旋回流ｈ、ｈが生じるようになる。それら旋回流ｈ，ｈの存在により、及び噴出経路ｗの左右の旋回流ｈ、ｈどうしが流れの下流側にて互いに衝突することにより混合気と空気との混合が促進される効果が得られる。

これら４箇所のリセスの凹み深さは深い方からの順で、直下リセス２１＞吸気弁リセス１８＝排気弁リセス１９＞受止めリセス２２となっている。図３（ａ）に示されるように、受止めリセス２２は、直下リセス２１及び吸排気弁リセス１８，１９との重なり部分が多いため、前述の深さ関係と相まって、直下リセス２１の径外側部位の２箇所に分かれて存在する面積の少ないものとなっている。

実施形態１による副室式ディーゼルエンジンでは次の（１）〜（４）のとおりの作用効果を奏することができる。
（１）ピストンヘッド１Ａに直下リセス２１を設けたことにより、噴孔８、詳しくは噴口８ａと頂面１１とのピストン軸心Ｐ方向での間隔が従来に比べて大きくなり、主燃焼室９における噴孔８の直下（又は直後）の容積を局所的に増大させることができる。

（２）直下リセス２１は平面視（ピストン移動方向視）で円形をなしているので、直下リセス２１内で旋回流が生じ、噴孔８から噴出された混合気と主燃焼室の空気との混合がその旋回流によって促進され、「燃焼途中の噴霧が急冷される」という従来の問題がより抑制又は解消されるようになる。

（３）直下リセス２１の深さを、他のリセス（吸排気弁リセス１８，１９及び受止めリセス２２）の深さよりも深く設定してあるので、吸排気弁リセス１８，１９の機能を最低限とし、リセス上部で直下リセス２１からの流れを発生する渦を利用して燃焼を促進させることが可能になる。

（４）上記（１）〜（３）の結果、直下リセス２１を設けたので、従来に比べて、噴孔８から主燃焼室９への噴流がピストン１の頂面１１に衝突し難くなり、主燃焼室９における噴流と接触する空気量を増加させることができ、主燃焼室９における燃焼気流１０の冷却が穏やかになり、ＰＭの発生が抑制されるようになる。

〔実施形態２〕
図４（ａ）に示されるように、ピストンヘッド１Ａに、吸排気弁リセス１８，１９、直下リセス２１、受止めリセス２２が形成されるとともに、直下リセス２１＞受止めリセス２２＞吸気弁リセス１８及び排気弁リセス１９、というリセス深さに順番が付けられている構成。この場合、吸気弁リセス１８の深さ≠排気弁リセス１９の深さ、でも、吸気弁リセス１８の深さ＝排気弁リセス１９の深さ、でもよい。

〔実施形態３〕
図４（ｂ）に示されるように、ピストンヘッド１Ａに、吸排気弁リセス１８，１９、直下リセス２１、受止めリセス２２が形成されるとともに、直下リセス２１＜受止めリセス２２＜吸気弁リセス１８及び排気弁リセス１９というリセス深さに順番が付けられている構成。この場合、吸気弁リセス１８＝排気弁リセス１９、でも、吸気弁リセス１８の深さ≠排気弁リセス１９の深さ、でもよい。

〔実施形態４〕
図５（ａ）に示されるように、ピストンヘッド１Ａに、吸排気弁リセス１８，１９、直下リセス２１、受止めリセス２２が形成されるとともに、受止めリセス２２＜吸気弁リセス１８及び排気弁リセス１９＜直下リセス２１というリセス深さに順番が付けられている構成。この場合、吸気弁リセス１８＝排気弁リセス１９、でも、吸気弁リセス１８の深さ≠排気弁リセス１９の深さ、でもよい。

〔実施形態５〕
図５（ｂ）に示されるように、ピストンヘッド１Ａに、吸排気弁リセス１８，１９、直下リセス２１、受止めリセス２２が形成されるとともに、直下リセス２１＝受止めリセス２２＝吸気弁リセス１８及び排気弁リセス１９というリセス深さに順番が無く、すべて同じ深さに設定されている構成。

〔実施形態６〕
図６（ａ）に示されるように、ピストンヘッド１Ａに、吸排気弁リセス１８，１９、直下リセス２１が形成されるとともに、直下リセス２１＞吸気弁リセス１８及び排気弁リセス１９、というリセス深さに順番が付けられている構成。この場合、吸気弁リセス１８の深さ≠排気弁リセス１９の深さ、でも、吸気弁リセス１８の深さ＝排気弁リセス１９の深さ、でもよい。

〔実施形態７〕
図６（ｂ）に示されるように、ピストンヘッド１Ａに、吸排気弁リセス１８，１９、直下リセス２１が形成されるとともに、直下リセス２１＜吸気弁リセス１８及び排気弁リセス１９、というリセス深さに順番が付けられている構成。この場合、吸気弁リセス１８の深さ≠排気弁リセス１９の深さ、でも、吸気弁リセス１８の深さ＝排気弁リセス１９の深さ、でもよい。

１ピストン
１Ａ天井壁
６副室
８噴孔
９主燃焼室
１０燃焼気流
１８吸気弁リセス
１９排気弁リセス
２１直下リセス
２２受止めリセス
ｆ吹き付けられる箇所

Claims

主燃焼室と主燃焼室から偏心した箇所に設けられている副室とが噴孔を介して連通され、ピストンの天井壁に、吸気弁リセスと排気弁リセスとが形成され、前記天井壁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が吹き付けられる箇所に、平面視で前記吸排気弁リセスそれぞれに重なる状態の直下リセスが形成されている副室式ディーゼルエンジン。
前記直下リセスは、平面視で円形をなすものに形成されている請求項１に記載の副室式ディーゼルエンジン。
前記天井壁に、平面視において前記噴孔に対応する箇所を中心として噴出方向下流側に広がる扇形の受止めリセスが形成されている請求項１又は２に記載の副室式ディーゼルエンジン。
前記吸気弁リセス及び前記排気弁リセスと前記直下リセスとの互いの深さが異なる設定とされている請求項１又は２に記載の副室式ディーゼルエンジン。
前記直下リセスと前記受止めリセスとの互いの深さが異なる設定とされている請求項３に記載の副室式ディーゼルエンジン。
前記吸気弁リセス及び前記排気弁リセスと前記直下リセスとの互いの深さが異なる設定とされている請求項５に記載の副室式ディーゼルエンジン。
前記吸気弁リセス及び前記排気弁リセスと前記受止めリセスとの互いの深さが異なる設定とされている請求項６に記載の副室式ディーゼルエンジン。