JP2020012432A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料噴霧同士の干渉を抑制してスモーク悪化を抑制する。【解決手段】内燃機関は、シリンダ内に形成された燃焼室６と、燃焼室の中心部に配置され、燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタとを備える。インジェクタは、燃焼室の半径方向外側に向かって燃料を噴射する複数の噴孔２０を備える。噴孔は、燃焼室内のスワールＳ方向と反対の方向に燃料を噴射するよう指向されている。【選択図】図２

Description

本開示は内燃機関に係り、特に、ディーゼルエンジンに好適な内燃機関に関する。

内燃機関、特に直噴式内燃機関としてのディーゼルエンジンにおいては、シリンダ内に形成された燃焼室と、燃焼室の中心部に配置され燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタとを備えている。インジェクタは複数の噴孔を備え、これら噴孔から、燃焼室の半径方向外側に向かって放射状に燃料を噴射するようになっている。

特開２０１３−３６３８９号公報

一般的に、複数の噴孔の向きは燃焼室あるいはインジェクタの半径方向と平行になるように設定される。一方、燃焼室内には、その周方向に向かって流れる吸気流もしくは空気流であるスワールが存在する。このスワールの流れ方向をスワール方向という。

この場合、噴孔から出た直後の燃料は、スワール方向と直角な向きで進行するが、燃料が半径方向外側に進むにつれ、燃料は次第にスワール方向に流されていく。

すると、ある噴孔から出た燃料の噴霧が、隣の噴孔から出た燃料の噴霧とシリンダ内壁付近で干渉し、燃料の過濃領域が形成されてスモークが悪化するという問題がある。

そこで本開示は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、燃料噴霧同士の干渉を抑制してスモーク悪化を抑制できる内燃機関を提供することにある。

本開示の一の態様によれば、
シリンダ内に形成された燃焼室と、
前記燃焼室の中心部に配置され、前記燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタと、
を備え、
前記インジェクタは、前記燃焼室の半径方向外側に向かって燃料を噴射する複数の噴孔を備え、
前記噴孔は、前記燃焼室内のスワール方向と反対の方向に燃料を噴射するよう指向されている
ことを特徴とする内燃機関が提供される。

好ましくは、前記噴孔は、その出口側が入口側よりスワール方向上流側に位置されるよう、前記インジェクタの半径方向に対し傾斜されている。

本開示によれば、燃料噴霧同士の干渉を抑制してスモーク悪化を抑制できる。

内燃機関を示す縦断面図である。 複数の噴孔を図１のＩＩ−ＩＩ線の位置から透過的に見たときの概略横断面図である。 比較例の場合の燃料噴霧の様子を示す概略平面図である。 本実施形態の場合の燃料噴霧の様子を示す概略平面図である。

以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を説明する。なお本開示は以下の実施形態に限定されない点に留意されたい。

本実施形態に係る内燃機関は、直噴式内燃機関、特にディーゼルエンジンである。エンジンは車両用であり、特にトラック等の大型車両の車両動力源として使用される。しかしながら、内燃機関および車両の種類、用途等はこれらに限定されない。例えば車両は乗用車等の小型車両であってもよいし、エンジンはガソリンエンジンであってもよい。

図１に示すように、本実施形態のエンジン１は、ピストン２と、ピストン２が昇降可能かつ同軸に収容されたシリンダ３と、シリンダ３の上端開口を閉じるシリンダヘッド４と、ピストン２の外周面に装着された複数（本実施形態では三つ）のピストンリング５と、これらにより画成された閉空間である燃焼室６とを備える。シリンダ３はシリンダブロック９に形成される。またエンジン１は、シリンダヘッド４に取り付けられ燃焼室６内に燃料を噴射するインジェクタ７を備える。インジェクタ７は、コモンレール（図示せず）から供給された高圧燃料を噴射する。

Ｃはシリンダ３の中心軸（シリンダ軸という）を示し、ピストン２はシリンダ軸Ｃと同軸に配置される。ピストン２は、その頂面８の中央部に凹設されたキャビティ１１を有する。キャビティ１１の形状は任意であり、リエントラント型、トロイダル型、深皿型、浅皿型等であってもよい。ピストン２の内部にはオイル通路１７が形成され、このオイル通路１７に向かって冷却用オイルが図示しないオイルジェットから上向きに噴射される。ピストン２はピストンピン１０およびコンロッド１２を介してクランクシャフト（図示せず）に連結される。

また図示しないが、周知のように、燃焼室６には、吸気弁により開閉される吸気ポートと、排気弁により開閉される排気ポートとが連通される。吸気弁の開弁時に吸気ポートから燃焼室６内に導入された吸気は、燃焼室６内に、その周方向に向かって流れる吸気流もしくは空気流であるスワールＳを発生させる。このスワールＳの流れ方向をスワール方向という。言い換えれば、吸気ポート等の形状が、燃焼室６内に所定強度のスワールＳを発生させるように形成されている。

インジェクタ７は、燃焼室６の中心部に配置され、本実施形態ではシリンダ軸Ｃと同軸に配置されている。インジェクタ７は、シリンダヘッド４の取付穴１３に隙間を以て挿入配置されている。但し図外上方にはその隙間を塞ぐパッキンが設けられている。インジェクタ７の下端に位置する最先端部は、取付穴１３からその下方の燃焼室６内に突出されている。そしてその最先端部の突出部分に、燃料の噴射口となる複数の噴孔２０が設けられている。図１に示すように、これら噴孔２０は、燃焼室６の半径方向外側かつ斜め下に向かって、放射状に燃料（もしくは燃料噴霧）Ｆを噴射するよう指向されている。

図２には、複数の噴孔２０を図１のＩＩ−ＩＩ線の位置、すなわちシリンダ軸Ｃ方向上側から透過的に見たときの概略横断面図を示す。なお周知のようにインジェクタ７は、燃料流路２１を形成するノズルボディ２２と、ノズルボディ２２内に昇降可能に収容され燃料流路を開閉するニードル弁（図示せず）とを有する。このニードル弁による開閉部ないし着座部より下流側における燃料流路２１と、各噴孔２０の入口２３とが連通接続するよう、各噴孔２０がノズルボディ２２に貫通形成されている。各噴孔２０の出口２４は当然に燃焼室６に開放されている。

本実施形態では８つの噴孔２０が設けられ、これら噴孔２０は、シリンダ軸Ｃと同軸であるインジェクタ７の中心軸（インジェクタ軸という）Ｃｉを中心に、周方向等間隔で、放射状に配置されている。噴孔２０はドリル加工され、小径の断面円形かつ直線状に形成される。

ところで本実施形態の噴孔２０は、燃焼室６内のスワールＳ方向と反対の方向（逆スワール方向という）に燃料を噴射するよう指向されている。図中Ｃｆは、噴孔２０から噴射された燃料噴霧の中心軸（噴霧軸という）を示す。噴孔２０は、その出口２４側が入口２３側よりスワールＳ方向上流側に位置されるよう、インジェクタ７の半径方向に対し傾斜されている。例えば２０Ａで示す一つの噴孔２０について述べると、噴孔２０Ａの出口２４は、その入口２３よりも、スワールＳ方向上流側に位置されている。そして噴孔２０の中心軸（噴孔軸という）Ｃｈは、インジェクタ軸Ｃｉから延び入口２３の位置で噴孔軸Ｃｈと交差する半径線Ｌｒに対し、逆スワール方向に向かって所定角度α傾斜されている。

次に、本実施形態の作用効果を説明する。

図２に示した噴霧軸Ｃｆの軌跡から分かるように、噴孔２０の出口２４から噴射された燃料は、最初は噴孔軸Ｃｈの方向に進むが、半径方向外側に向かうにつれ次第にスワールＳ方向に曲げられる。燃料噴霧の速度ベクトルＶを、スワールＳ方向に平行な速度成分（平行速度成分という）Ｖ１と、スワールＳ方向に垂直な速度成分（垂直速度成分という）Ｖ２とに分けて考えると、半径方向外側に向かうにつれ、平行速度成分Ｖ１が大きくなり垂直速度成分Ｖ２が小さくなる傾向にある。

一方、図１は、ピストン２が圧縮上死点ＴＤＣを過ぎて下降中の位置Ｐにあるときの状態を示す。インジェクタ７からの燃料噴射は圧縮上死点ＴＤＣ付近で開始されるので、図示する位置では燃料噴霧Ｆが相当程度半径方向外側まで進行しており、シリンダ３の内壁３Ａ付近まで到達している。またこのとき燃料噴霧Ｆは、キャビティ１１から既に外れ、ピストン２の頂面８上に達している。そして燃料噴霧Ｆは、シリンダ軸Ｃを中心とした半径方向外側に向かうほど、噴霧軸Ｃｆを中心とした半径方向外側に拡散する傾向にある。

こうした場合、図１に示すようなピストン位置Ｐのとき、燃焼室６内の半径方向における最も外側の領域、すなわちシリンダ３の内壁３Ａ付近の領域で、隣り合う燃料噴霧Ｆ同士が干渉し、燃料の過濃領域が形成されてスモークが悪化するという問題がある。特に従来の構造では、この問題が顕著である。

図３は、本実施形態と異なる比較例の場合の燃料噴霧Ｆの様子を示す概略平面図であり、タイミングは図１に示したタイミングと同じである。この比較例は、本実施形態と噴孔２０の向きだけが異なり、図示しないが噴孔２０の向きは、シリンダ軸Ｃを中心とした半径方向と平行になるように設定される。図２に示した傾斜角αはゼロであり、噴孔軸は、インジェクタ軸から延びる半径線と平行である。なお図中、本実施形態と同様の部分には同一の符号を付す。

この比較例の場合、噴霧軸Ｃｆの軌跡から分かるように、噴孔２０から出た直後の燃料Ｆは、噴孔軸の方向、すなわちシリンダ軸Ｃを中心とした半径方向に平行に進み、純粋に半径方向外側に向かって放射状に噴出される。そして燃料は、半径方向外側に向かうにつれ次第にスワールＳ方向に曲げられ、かつ、噴霧軸Ｃｆを中心に拡散する。

このとき、図から分かるように、シリンダ３の内壁３Ａ付近の領域（外周領域といい、例えば区画線ａより外側の領域Ｒをいう）で、隣り合う燃料噴霧Ｆ同士が互いに干渉する傾向にある（図では便宜上離れているが）。すると、その干渉により燃料の過濃領域が形成され、スモークが悪化する。すなわち、この外周領域Ｒでは燃料と空気の混合ガスの当量比が高くなってスモークが悪化する。なお当量比とは空気量に対する燃料量の割合をいい、理論空燃比のとき当量比は１、理論空燃比より低いリッチ側の空燃比のとき当量比は１より大である。

また、外周領域Ｒで生成された混合ガスの一部は、ピストン２とシリンダ３の隙間を通じて下方のクランクケース内に漏れ出し、ブローバイガスをなす。このとき、ブローバイガス中に粒子状物質（PM:Particulate Matter）が多く含まれるので、これによりクランクケース内のオイルに煤が多く混入するという問題も生じる。

一方、図４は、本実施形態の場合の燃料噴霧Ｆの様子を示す概略平面図である。タイミングは図１に示したタイミングと同じである。

本実施形態の場合、噴霧軸Ｃｆの軌跡から分かるように、噴孔２０から出た直後の燃料Ｆは、シリンダ軸Ｃを中心とした半径方向ではなく、それよりも逆スワール方向に向かって傾斜された方向に向かっている。そして燃料Ｆは、半径方向外側に向かうにつれスワールＳ方向に曲げられ、かつ、噴霧軸Ｃｆを中心に拡散する。しかし、シリンダ内壁３Ａ付近の外周領域Ｒに到達したときの燃料噴霧の向きは、比較例ほどスワールＳ方向には向かっていない。この領域の燃料噴霧の速度ベクトルＶを比較例のものと比較すると、本実施形態の平行速度成分Ｖ１は比較例の平行速度成分Ｖ１より小さい。噴孔２０から出た直後の燃料Ｆが、反スワール方向の速度成分、すなわちマイナスの平行速度成分Ｖ１を有しているので、その分、外周領域Ｒに到達したときの燃料噴霧の平行速度成分Ｖ１を低下させることができる。

また本実施形態では、噴孔２０から逆スワール方向に向かって燃料を噴射するので、この噴射直後の燃料とスワールＳが幾分衝突し、燃料噴霧の勢いを弱めることができる。よって比較例に比べ、外周領域Ｒの燃料噴霧の速度ベクトルＶの大きさを低下させ、これによっても平行速度成分Ｖ１を低下させることができる。

それ故、本実施形態は比較例と比較して、隣り合う燃料噴霧同士の干渉傾向を弱めることができ、干渉による燃料過濃領域の形成、ひいてはスモーク悪化を抑制できる。また、ブローバイガスの粒子状物質含有量も低減できるので、オイルへの煤混入も抑制することが可能である。

また本実施形態によれば、隣り合う燃料噴霧同士の干渉を抑制できるので、その分、噴孔の間隔を狭くして噴孔数を増やすことができる。噴孔数の増加は、同一噴射時間内における燃料噴射量の増大につながるので、エンジンの出力向上や、同等出力を保持したままの小排気量化に有利である。

以上、本開示の実施形態を詳細に述べたが、本開示は他の実施形態も可能である。例えば噴孔数を変更したり、噴孔の断面形状を変更したり、噴孔の傾斜角度αを変更したりすることが可能である。

本開示の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本開示の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本開示に含まれる。従って本開示は、限定的に解釈されるべきではなく、本開示の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１ 内燃機関
３ シリンダ
６ 燃焼室
７ インジェクタ
２０ 噴孔
２３ 入口
２４ 出口
Ｓ スワール

Claims (2)

1. シリンダ内に形成された燃焼室と、
   前記燃焼室の中心部に配置され、前記燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタと、
   を備え、
   前記インジェクタは、前記燃焼室の半径方向外側に向かって燃料を噴射する複数の噴孔を備え、
   前記噴孔は、前記燃焼室内のスワール方向と反対の方向に燃料を噴射するよう指向されている
   ことを特徴とする内燃機関。
2. 前記噴孔は、その出口側が入口側よりスワール方向上流側に位置されるよう、前記インジェクタの半径方向に対し傾斜されている
   請求項１に記載の内燃機関。

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