JP2021148083A - 直噴式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料噴霧を凸部に干渉させたときと同等の効果を維持しつつ燃料の凸部への付着を抑制する。【解決手段】直噴式内燃機関は、ピストン１の頂面３に設けられたキャビティ４と、キャビティの底面５から隆起する凸部６であって、頂面部９と、頂面部からキャビティの底面に向かって傾斜する斜面部１０とを有する凸部と、凸部において頂面部と斜面部の交差部１１に形成された部分円錐面形状または部分円筒面形状の凹面１２と、凸部の上方に位置され、凹面に近接した円錐状の燃料噴霧Ｆを噴射する噴孔２とを備える。【選択図】図１

Description

本開示は直噴式内燃機関に係り、特に、シリンダ内に燃料を直接噴射する直噴式内燃機関に関する。

直噴式内燃機関、例えばディーゼルエンジンでは、ピストンの頂面にキャビティが凹設され、このキャビティ内に燃料噴射ノズルの噴孔から燃料が円錐状に噴射される。キャビティ内には、キャビティの底面から隆起する凸部が設けられる。凸部は、頂面部と、頂面部からキャビティの底面に向かって傾斜する斜面部とを有する。

特開２０１７−２１８９０２号公報

ところで、噴孔から噴射される円錐状の燃料噴霧の下端部を、凸部の頂面部の外周端縁部に敢えて干渉させることで、燃料噴霧への空気導入を抑制し、着火遅れを長くしたり部分的な熱損失を低減したりすることが考えられる。着火遅れが長いと、燃料と空気の予混合期間が長くなって混合気の均質化が進み、煤や窒素酸化物といった有害物質の生成を抑制できる。

しかし、こうした燃料噴霧の干渉により燃料が凸部に付着する問題がある。

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、燃料噴霧を凸部に干渉させたときと同等の効果を維持しつつ燃料の凸部への付着を抑制することができる直噴式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、
ピストンの頂面に設けられたキャビティと、
前記キャビティの底面から隆起する凸部であって、頂面部と、前記頂面部から前記キャビティの底面に向かって傾斜する斜面部とを有する凸部と、
前記凸部において前記頂面部と前記斜面部の交差部に形成された部分円錐面形状または部分円筒面形状の凹面と、
前記凸部の上方に位置され、前記凹面に近接した円錐状の燃料噴霧を噴射する噴孔と、
を備えることを特徴とする直噴式内燃機関が提供される。

好ましくは、前記頂面部と前記凹面の交差部にアール面または面取り面が形成される。

本開示によれば、燃料噴霧を凸部に干渉させたときと同等の効果を維持しつつ燃料の凸部への付着を抑制することができる。

直噴式内燃機関のピストンの一部を示す断面斜視図である。 同平面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 第１変形例のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面相当図である。 第２変形例のピストンの一部を示す平面図である。 第２変形例の空気の流れを示す拡大断面図である。 基本実施形態の空気の流れを示す拡大断面図である。 第３変形例を示す拡大断面図である。

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。

図１〜図３は、本実施形態の直噴式内燃機関のピストンの一部を示し、図１は断面斜視図、図２は平面図、図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。本実施形態の内燃機関（エンジンともいう）は車両用ディーゼルエンジンであり、車両はトラック等の大型車両である。しかしながら、内燃機関および車両の種類、用途等に特に限定はない。

図示される符号Ｃ１はピストン１の中心軸すなわちピストン軸である。ピストン軸Ｃ１は、ピストン１が収容されるシリンダ（図示せず）の中心軸すなわちシリンダ軸と実質的に同軸である。ピストン１の上方には、シリンダヘッドに固定された燃料噴射弁（いずれも図示せず）が同軸に配置されている。燃料噴射弁の先端部に設けられた燃料噴射ノズルの噴孔２から、シリンダ半径方向外側に向かって、円錐状の燃料噴霧Ｆが噴射される。図示例では便宜上、噴孔２がピストン軸Ｃ１上にあるものとして描かれているが、実際にはピストン軸Ｃ１より僅かに半径方向外側にある。図には一つの噴孔２および燃料噴霧Ｆしか示されていないが、実際には噴孔２はシリンダ周方向に等間隔で複数（具体的には８個）あり、燃料噴霧Ｆはこれら噴孔２から放射状に噴射される。

ピストン１は、ピストン軸Ｃ１に対して対称の構造とされる。ピストン１は、その頂面３に設けられたキャビティ４と、キャビティ４の底面５から隆起する凸部６とを有する。

キャビティ４は、ピストン軸Ｃ１と同軸の浅皿状とされている。但しその形状は任意であり、深皿状、リエントラント状等とされてもよい。キャビティ４の外周部には、頂面３に接続する断面アール状のアール面７が形成され、このアール面７がキャビティ４の底面５と内周面８を形成する。

凸部６も、ピストン軸Ｃ１と同軸に形成される。凸部６は、キャビティ４の中心部に設けられている。凸部６は、頂面部９と、頂面部９からキャビティ４の底面５に向かって傾斜する斜面部１０とを有する。

頂面部９は、凸部６の頂部に位置する面部分であり、本実施形態ではピストン軸Ｃ１に垂直な平面により形成される。頂面部９の基本形状は円形である。斜面部１０は、頂面部９の外周端縁部から底面５に向かって下降する傾斜面により形成される。これによって凸部６の断面形状は図１および図３に示すように全体として台形となる。頂面部９はピストン頂面３より低い高さ位置にある。

凸部６において、頂面部９と斜面部１０の交差部１１には、部分円錐面形状の凹面１２が形成される。より詳しくは、同交差部１１にアール面１３が形成され、このアール面１３に凹面１２が形成される。

図３に示すように、燃料噴霧Ｆに平行または略平行で、かつ相似の仮想円錐１４が仮定される。凹面１２を規定する部分円錐面は、この仮想円錐１４の円錐面１５の一部と等しい形状とされる。凹面１２は、図２に示すように、頂面部９の最大半径の約１／２の位置から、底面５付近の斜面部１０の位置まで、ピストン半径方向に延びており、平面視で略楕円形状とされる。

噴孔２は、凸部６（具体的には頂面部９）の上方に位置され、凹面１２に近接した円錐状の燃料噴霧Ｆを噴射するよう構成されている。

詳しくは図３に示すように、所定の燃料噴射時期（例えばピストン１が上死点に位置する時）で燃料噴射が行われたとき、円錐状の燃料噴霧Ｆの下端部すなわち円錐面下端部が、凹面１２に接近するが接触しないよう、凹面１２の位置および形状が設定されている。言い換えれば、燃料噴霧Ｆとの干渉をぎりぎり避けるよう、凹面１２が形成されている。これにより燃料噴霧Ｆは、凹面１２上を通過してキャビティ４の底面５上に直接到達するようになる。

図３に示すように、例えば、仮想円錐１４の回転軸Ｃ２は、燃料噴霧Ｆの中心軸すなわち噴霧軸Ｃｆと同軸とされる。また仮想円錐１４の頂点１６は、噴孔２に対し、燃料噴射方向（白矢印で示す）とは反対の方向にずれた位置に位置される。仮想円錐１４の頂角θは、燃料噴霧Ｆの噴霧角θｆと等しくされる。これにより凹面１２は、噴霧軸Ｃｆ方向の各位置において、噴霧軸Ｃｆを中心とした半径の大きさが燃料噴霧Ｆより所定値だけ大きい部分同心円を規定することとなる。所定値は小さな値である。そのため燃料噴霧Ｆと凹面１２の隙間は小さなものとなる。

アール面１３は、図３に示すように、頂面部９と斜面部１０の交差部１１の角を滑らかにするためのアール面である。図２に示すように、アール面１３は、ピストン周方向において凹面１２の周囲にのみ部分的に形成され、略扇状に形成される。またアール面１３には、凹面１２の半径方向内側部分のみが形成される。これにより、頂面部９と凹面１２の交差部にはアール面１３が形成される。

さて本実施形態によれば、図３に示すように、燃料噴射時、円錐状の燃料噴霧Ｆの下端部が凹面１２内を通過する。このとき燃料噴霧Ｆは凹面１２に接近するが、凹面１２に実質的に干渉したり接触したりしない。こうしても、燃料噴霧Ｆを凸部６に干渉させたときと同等の効果を発揮できる。

すなわち、凹面１２が燃料噴霧Ｆの下端部を覆い隠すため、燃料噴霧Ｆへの空気導入を抑制し、着火遅れを長くしたり部分的な熱損失を低減したりすることができる。着火遅れを長くすることにより、燃料と空気の予混合期間を長くし、混合気の均質化を進め、煤や窒素酸化物といった有害物質の生成を抑制できる。熱損失を低減することにより、熱効率を改善して燃費を向上できる。

加えて本実施形態によれば、燃料噴霧Ｆが凸部６に干渉しないので、燃料の凸部６への付着を抑制できる。そして燃料付着による煤の生成といった問題を解決できる。

このように本実施形態によれば、燃料噴霧Ｆを凸部６に干渉させたときと同等の効果を維持しつつ、燃料の凸部６への付着を抑制することができる。

また本実施形態によれば、凹面１２の形状を、燃料噴霧Ｆの外形と同様の部分円錐面形状としたので、燃料噴霧Ｆと凹面１２の隙間を最大限縮小し、前記効果を最大限得ることができる。

次に、変形例を説明する。なお前記基本実施形態と同様の部分には図中同一符号を付して説明を割愛し、以下、基本実施形態との相違点を主に説明する。

（第１変形例）
図４に示すように、第１変形例においては、凹面１２が部分円錐面形状ではなく、部分円筒面形状とされる。この場合、燃料噴霧Ｆに非平行の仮想円筒１７が仮定される。凹面１２を規定する部分円筒面は、この仮想円筒１７の円筒面１８の一部と等しい形状とされる。

前記同様、所定の燃料噴射時期で燃料噴射が行われたとき、円錐状の燃料噴霧Ｆの下端部すなわち円錐面下端部が、凹面１２に接近するが接触しないよう、凹面１２の位置および形状が設定されている。言い換えれば、燃料噴霧Ｆとの干渉をぎりぎり避けるように、凹面１２が形成されている。

例えば、仮想円筒１７の中心軸Ｃ３は、噴霧軸Ｃｆとピストン周方向の同一位置に位置され、かつ、噴霧軸Ｃｆと非平行とされ、噴霧軸Ｃｆよりも大きく下向きに傾斜される。仮想円筒１７の中心軸Ｃ３の位置、向きおよび半径は、噴霧軸Ｃｆ方向の各位置において燃料噴霧Ｆの下端部外形より大きい部分円を規定するよう設定され、また、燃料噴霧Ｆの最下端とその部分円との間の隙間の大きさが図示の如く噴霧軸Ｃｆ方向に一定となるよう設定される。この隙間の大きさも小さい。

このように凹面１２の形状を変更しても、基本実施形態と同様の作用効果を発揮できる。

（第２変形例）
図５に示すように、第２変形例においては、アール面１３が省略されている。これによっても基本実施形態とほぼ同様の作用効果を発揮できるが、基本実施形態と第２変形例を比較すると、次の理由で基本実施形態の方が若干有利である。

図６に示すように、第２変形例の場合、燃料噴射時に頂面部９上の空気Ａが燃料噴霧Ｆに向かって流れ、燃料噴霧Ｆに合流される。このとき、頂面部９と凹面１２の交差部にアール面１３がないため、その交差部は比較的鋭利となる。このため、空気Ａが燃料噴霧Ｆに合流する直前でＡ１の如く渦を巻き、これによって巻き上げられた燃料噴霧Ｆの一部が頂面部９に付着する。この結果、付着燃料に起因した煤が生成される虞がある。

これに対し、図７に示すように、基本実施形態の場合でも、燃料噴射時に頂面部９上の空気Ａが燃料噴霧Ｆに向かって流れ、燃料噴霧Ｆに合流される。しかしこのとき、頂面部９と凹面１２の交差部にアール面１３があるため、空気Ａが燃料噴霧Ｆにスムーズに合流される。従って空気が渦巻いたり燃料噴霧Ｆが頂面部９に付着したりするのを抑制できる。この点で基本実施形態は第２変形例より若干有利である。

好ましくは、図７に示すように、噴霧軸Ｃｆの直交方向における燃料噴霧Ｆとアール面１３の隙間の大きさｔは、ピストン半径方向外側に向かうほど、すなわち燃料噴射方向下流側に向かうほど小さくされ、アール面１３の終端で最小とされる。これにより隙間をノズル状とし、空気Ａを効率よく燃料噴霧Ｆに合流させることができる。

（第３変形例）
図８に示すように、第３変形例においては、同様の理由で、頂面部９と凹面１２の交差部に平面状の面取り面１９が形成される。燃料噴霧Ｆと面取り面１９の隙間の大きさｔがピストン半径方向外側に向かうほど小さくされる点も前記同様である。

以上、本開示の実施形態を詳細に述べたが、本開示の実施形態および変形例は他にも様々考えられる。

（１）例えば、内燃機関はディーゼルエンジンでなくてもよく、直噴式のガソリンエンジンまたは天然ガスエンジンであってもよい。

（２）キャビティ４および凸部６の少なくとも一方は、ピストン軸Ｃ１と同軸でなくてもよい。

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 ピストン
２ 噴孔
３ 頂面
４ キャビティ
５ 底面
６ 凸部
９ 頂面部
１０ 斜面部
１１ 交差部
１２ 凹面
１３ アール面
１９ 面取り面
Ｆ 燃料噴霧

Claims (2)

1. ピストンの頂面に設けられたキャビティと、
   前記キャビティの底面から隆起する凸部であって、頂面部と、前記頂面部から前記キャビティの底面に向かって傾斜する斜面部とを有する凸部と、
   前記凸部において前記頂面部と前記斜面部の交差部に形成された部分円錐面形状または部分円筒面形状の凹面と、
   前記凸部の上方に位置され、前記凹面に近接した円錐状の燃料噴霧を噴射する噴孔と、
   を備えることを特徴とする直噴式内燃機関。
2. 前記頂面部と前記凹面の交差部にアール面または面取り面が形成される
   請求項１に記載の直噴式内燃機関。

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