JP2021188528A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】煤の排出量を抑制する。【解決手段】内燃機関１は、シリンダ３、シリンダヘッド４およびピストン２により画成された燃焼室６と、燃焼室の半径方向の中心部に配置されたインジェクタ７であって、半径方向外側に向かって燃料を噴射する複数の噴孔２０を有するインジェクタとを備える。噴孔は、燃料噴射時期における燃焼室の天井面２９と、噴孔の真下に位置するピストンの表面２４との間の高さ方向の間隔Ａの略中間部に位置されている。【選択図】図１

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、特に直噴式燃焼室を備えた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、燃焼室の半径方向の中心部に配置された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有し、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２０１５−０９４３１４号公報

一般に噴孔は、燃焼室の天井面から比較的近い高さ位置にあり、燃料を斜め下向きに噴射するよう指向されている。

しかし、こうした一般的な噴孔位置では、燃料噴霧の周囲に存在する空気を十分に利用できず、煤の排出量が増加する傾向がある。

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、煤の排出量を抑制することが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、シリンダヘッドおよびピストンにより画成された燃焼室と、
前記燃焼室の半径方向の中心部に配置されたインジェクタであって、半径方向外側に向かって燃料を噴射する複数の噴孔を有するインジェクタと、
を備え、
前記噴孔は、燃料噴射時期における前記燃焼室の天井面と、前記噴孔の真下に位置する前記ピストンの表面との間の高さ方向の間隔の略中間部に位置されている
ことを特徴とする内燃機関が提供される。

好ましくは、前記間隔をＡとし、前記燃焼室の天井面と前記噴孔との間の高さ方向の間隔をＢとした場合、Ｂ／Ａは４０〜６０％の範囲内に設定されている。

好ましくは、前記Ｂ／Ａは５０％に設定されている。

好ましくは、前記ピストンの頂面にキャビティが設けられ、前記キャビティ内には、その底部から隆起する凸部が設けられ、前記ピストンの表面は、前記凸部の頂面により形成される。

前記キャビティは、リエントラント型キャビティであってもよい。

好ましくは、前記噴孔は、これより噴射された燃料噴霧の噴霧軸がシリンダ軸と略直角になるように指向されている。

好ましくは、前記噴孔は、これより噴射された燃料噴霧の噴霧軸が、シリンダ軸に直角な方向に対し斜め下向きとなるように指向されている。

本開示によれば、煤の排出量を抑制することができる。

本実施形態の内燃機関を示す縦断面図である。 比較例の内燃機関を示す縦断面図である。 比較例と本実施形態のシミュレーション結果を示すグラフである。 第１変形例の内燃機関を示す縦断面図である。 第２変形例の内燃機関を示す縦断面図である。

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。

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、形式、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。

エンジンは、車両以外の移動体、例えば船舶、建設機械、または産業機械に搭載されるものであってもよい。またエンジンは、移動体に搭載されるものではなく、定置式のものであってもよい。

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。本実施形態の燃焼室６が副室式ではなく、直噴式であることに留意されたい。

Ｃはシリンダ３の中心軸（シリンダ軸という）を示す。以下、特に断らない限り、軸方向、半径方向および周方向といった場合、シリンダ軸Ｃを基準とした軸方向、半径方向および周方向をいうものとする。軸方向は高さ方向ともいい、図中上方が高さ方向の上側、下方が下側である。

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の半径方向内側の部分に凹設されたキャビティ１１を有する。本実施形態のキャビティ１１はリエントラント型であり、凸部２５と、外周側面部２６と、リップ部２７と、傾斜面部２８とを有する。

凸部２５は、キャビティ１１内の半径方向中心部においてその底部から上方に向かって隆起して形成されている。凸部２５は、その半径方向中心部に位置された頂面すなわち凸部頂面２４と、凸部頂面２４の半径方向外側に隣接された凸部傾斜面２３とを有する。凸部頂面２４は、シリンダ軸Ｃに垂直な円形の平面により形成される。凸部傾斜面２３は、半径方向外側に向かうにつれ下側に向かうよう傾斜された円錐面により形成される。

外周側面部２６は、凸部２５（具体的には凸部傾斜面２３）の半径方向外側に隣接され、凸部２５に連続されると共に、半径方向外側に向かって凸となる円弧状の断面形状を有する。リップ部２７は、外周側面部２６の上側に隣接され、外周側面部２６に連続されると共に、半径方向内側に向かって凸となる円弧状の断面形状を有する。これによりリップ部２７はキャビティ１１の入口を絞る。

傾斜面部２８は、リップ部２７の半径方向外側に隣接され、リップ部２７に連続されると共に、リップ部２７とピストン頂面８を繋ぐ。ピストン頂面８がシリンダ軸Ｃに垂直な平面により形成されるのに対し、傾斜面部２８は、シリンダ軸Ｃに垂直な方向に対して小角度で傾斜された平面により形成される。傾斜面部２８は、半径方向内側に向かうにつれ下側に向かうよう傾斜されている。

もっとも、キャビティ１１の形状は任意であり、トロイダル型、深皿型、浅皿型等であってもよい。

インジェクタ７は、その先端部１０を下向きにしてシリンダ軸Ｃと同軸に配置されている。インジェクタ７の先端部１０は、シリンダヘッド４の下面すなわち燃焼室６の天井面２９よりも下方に突出され、燃焼室６の半径方向の中心部に配置されている。インジェクタ７の先端部１０には、複数（例えば８個）の噴孔２０が周方向等間隔で設けられている。但し図には一つの噴孔２０のみが示される。一つの噴孔２０は半径方向外側に向かって燃料を噴射し、全噴孔２０は放射状に燃料を噴射する。これにより燃焼室６内には、噴孔２０の位置を起点もしくは頂点とした円錐状の燃料噴霧Ｆが形成される。

符号Ｃｆは燃料噴霧Ｆの中心軸（噴霧軸という）を表す。燃料噴霧Ｆは、噴孔２０から噴霧軸Ｃｆ方向に離間するにつれ、噴霧軸Ｃｆを中心とした半径方向外側に徐々に拡散するような形状を有する。図では便宜上、燃料噴霧Ｆを単純な円錐形として示す。符号Ｓｆは燃料噴霧Ｆにおける円錐面形状の外周面を示す。符号Ｔｆは、噴孔２０から最も遠方に到達した燃料噴霧Ｆの先端を示す。

図１は、圧縮上死点近傍の燃料噴射時期で燃料噴射（特にメイン噴射）が行われた直後の様子を示す。このタイミングは実質的に燃料噴射時期に等しい。

ここで本実施形態は、シリンダ軸Ｃ方向における噴孔２０の高さ位置が通常のエンジンよりも下方である点に特徴がある。すなわち、図示の如き燃料噴射時期において、燃焼室６の天井面２９（特にインジェクタ７の近傍の天井面２９）と、噴孔２０の真下に位置するピストン２の表面との間には、高さ方向の間隔Ａが形成される。そして噴孔２０は、この間隔Ａの略中間部（丁度中間を含む）に位置されている。

ここでピストン２の表面とは、本実施形態の場合、凸部頂面２４を意味する。燃料噴射時期における燃焼室６の天井面２９と、噴孔２０との間の高さ方向の間隔をＢとした場合、Ｂ／Ａ（間隔比という）は、好ましくは４０〜６０％の範囲内に設定され、より好ましくは約５０％に設定され、より好ましくは５０％に設定される。図示例では５３％に設定されている。

このように噴孔２０の高さ位置を下げるため、本実施形態のインジェクタ７の先端部１０は、通常のエンジンよりも大きく、燃焼室６の天井面２９から下方に突出されている。

また図示するように、本実施形態の噴孔２０は、燃料噴霧Ｆの噴霧軸Ｃｆがシリンダ軸Ｃと略直角（直角を含む）になるように指向されている。この向きは通常のエンジンよりも上向きである。噴霧軸Ｃｆは、リップ部２７の上端付近に向けられている。

次に、本実施形態の作用効果を比較例と比較しつつ説明する。なお比較例のうち本実施形態と同様の部分については図中同一符号を付して説明を省略する。

図２に示す比較例では、噴孔２０の高さ位置が本実施形態よりも高く、通常のエンジンと同等とされ、噴孔２０が本実施形態よりも燃焼室６の天井面２９に近づけられている。間隔比Ｂ／Ａは２８％である。また噴孔２０は、通常のエンジンと同様、燃料を斜め下向きに噴射するよう指向されている。噴霧軸Ｃｆは、リップ部２７の下端付近に向けられている。

しかし、この噴孔位置だと、燃料噴霧Ｆの周囲に存在する空気を十分に利用できず、煤の排出量が増加する傾向があることが判明した。

すなわち、燃料噴霧Ｆは、外周面Ｓｆの周囲に存在する空気を取り込みながら先端Ｔｆ側に向かう。そして取り込んだ空気と共に燃焼する。

ここで、噴孔２０の近辺の空気に着目する。燃料噴霧Ｆの下側では、燃料噴霧Ｆとピストン２の表面、具体的には凸部２５の表面との間に比較的大きな高さ方向の隙間が形成される。従って比較的多量の空気Ｇ１を利用可能であり、かつ、燃料噴霧Ｆに導入可能である。

しかし、燃料噴霧Ｆの上側では、燃料噴霧Ｆと燃焼室６の天井面２９との間の高さ方向の隙間が小さい。よって比較的少量の空気Ｇ２しか利用できず、燃料噴霧Ｆに導入される空気も自ずと少量となる。

こうなると、空気利用率が低下し、煤の排出量が増加してしまう。

一方、図１に示す本実施形態の場合だと、噴孔２０の高さ位置を下げた結果、燃料噴霧Ｆの上側に形成される、燃料噴霧Ｆと燃焼室天井面２９との間の高さ方向の隙間を比較例よりも拡大することができる。よって、比較的多量の空気Ｇ２が利用可能となり、かつ、燃料噴霧Ｆに導入可能となる。

これにより、空気利用率を増加し、煤の排出量を抑制することが可能となる。

ところで、このように噴孔２０の高さ位置を下げるだけだと、燃料噴霧Ｆの下側で、燃料噴霧Ｆとピストン表面との間の隙間が縮小し、利用可能な空気量が減少する虞がある。よって本実施形態では、これを回避するため、併せてピストン表面の高さ位置を比較例（仮想線ａで示す）よりも下げている。具体的には比較例よりも、凸部頂面２４の高さ位置を下げ、凸部傾斜面２３の傾斜を緩くしている。こうすることにより、燃料噴霧Ｆの下側で燃料噴霧Ｆとピストン表面との間の隙間を比較例と同等に維持し、比較的多量の空気Ｇ１が利用可能となる。

本実施形態のように、噴孔２０の高さ位置を間隔Ａの略中間部に設定することで、燃料噴霧Ｆの下側だけでなく、上側にも大きな隙間ないしスペースを確保することができ、燃料噴霧Ｆ内部への空気導入に有利である。また間隔比Ｂ／Ａを４０〜６０％に設定したり、より好ましくは約５０％に設定したり、より好ましくは５０％に設定したりすることも、燃料噴霧Ｆ内部への空気導入に有利である。

また本実施形態では、燃料噴霧Ｆの噴霧軸Ｃｆがシリンダ軸Ｃと略直角（直角を含む）になるように、すなわち略水平方向に燃料を噴射するように、噴孔２０が指向されている。このことも、燃料噴霧Ｆの上下に大きな隙間ないしスペースを確保するのに有利である。また比較例に比べ、噴孔２０の位置を下げるだけで向きを変えないと、燃料噴霧Ｆの到達先の位置も下がってしまう。本実施形態では、噴孔２０の位置を下げるのと同時に向きも若干上向きに変更しているので、燃料噴霧Ｆの到達先の位置を同等に保つことができる。

図３に示すように、シミュレーション結果によれば、本実施形態は比較例よりも煤排出量を９８％減少できることが確認できた。

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。

図４には第１変形例を示す。この第１変形例では、噴孔２０の高さ位置が基本実施形態と同様であるが、噴孔２０の向きが基本実施形態と異なる。

本変形例の噴孔２０は、噴霧軸Ｃｆが、シリンダ軸Ｃに直角な方向に対し斜め下向きとなるように指向されている。つまり噴孔２０は、比較例と同様、斜め下向きに燃料を噴射するよう指向されている。これにより本変形例の噴孔２０の向きは、基本実施形態の噴孔２０の向きより下向きとなる。図示例の場合、燃料噴霧Ｆの外周面Ｓｆの上端に位置する母線Ｂｆは、シリンダ軸Ｃに略直角（直角を含む）とされている。

こうすると、噴孔２０近辺における燃料噴霧Ｆの上側の隙間がより大きくなるので、周囲空気の取り込みに有利である。なおこれとのトレードオフで、燃料噴霧Ｆの下側の隙間はより小さくなるが、元々この隙間は大きいのでそれ程問題はない。

シリンダ軸Ｃに直角な方向に対する噴霧軸Ｃｆの斜め下向きの角度は、あまり大きくすると、燃料噴霧Ｆの下側の隙間を過度に縮小したり、燃料噴霧Ｆの到達先の位置を過度に下げたりする虞があるので、そうならないよう適度な大きさとされている。

次に、図５を参照して第２変形例を説明する。この第２変形例では、噴孔２０の向きがさらに上向きとされている。

すなわち、噴孔２０の高さ位置は基本実施形態と同様であるが、噴孔２０は斜め上向きに燃料を噴射するよう指向されている。噴孔２０は、噴霧軸Ｃｆが、シリンダ軸Ｃに直角な方向に対し斜め上向きとなるように指向されている。

こうしても、噴孔２０の高さ位置は依然として下がっているので、噴孔２０近辺において燃料噴霧Ｆの上側に比較的大きな隙間を確保でき、周囲空気の取り込みに有利である。実際、この上側の隙間は比較例より大である。

こうすると、燃料噴霧Ｆの先端Ｔｆ付近で燃料噴霧Ｆが燃焼室６の天井面２９に近づく傾向にある。しかし、燃料噴霧Ｆの先端Ｔｆ付近では、噴霧軸Ｃｆを中心とした半径方向において、燃料噴霧Ｆから近い距離の空気しか取り込めない傾向がある。よって燃料噴霧Ｆが天井面２９に近づいても問題とならない可能性がある。また、燃料噴霧Ｆが燃焼室６の天井面２９に到達して接触する可能性がある。これを防止するため、シリンダ軸Ｃに直角な方向に対する噴霧軸Ｃｆの斜め上向きの角度を小さくしたり、燃料噴霧Ｆの貫徹力を小さく（すなわち噴孔２０から燃料噴霧先端Ｔｆまでの距離を短く）したりすることが考えられる。

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、ピストンの形状は任意であり、キャビティが無いものであってもよい。同様に、キャビティ内の凸部は無くてもよい。

（２）傾斜面部２８は省略されてもよく、リップ部２７と頂面８を直接接続してもよい。

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 内燃機関（エンジン）
２ ピストン
３ シリンダ
４ シリンダヘッド
６ 燃焼室
７ インジェクタ
１１ キャビティ
２０ 噴孔
２４ 凸部頂面
２５ 凸部
２９ 天井面
Ｃ シリンダ軸
Ｆ 燃料噴霧
Ｃｆ 噴霧軸

Claims (7)

1. シリンダ、シリンダヘッドおよびピストンにより画成された燃焼室と、
   前記燃焼室の半径方向の中心部に配置されたインジェクタであって、半径方向外側に向かって燃料を噴射する複数の噴孔を有するインジェクタと、
   を備え、
   前記噴孔は、燃料噴射時期における前記燃焼室の天井面と、前記噴孔の真下に位置する前記ピストンの表面との間の高さ方向の間隔の略中間部に位置されている
   ことを特徴とする内燃機関。
2. 前記間隔をＡとし、前記燃焼室の天井面と前記噴孔との間の高さ方向の間隔をＢとした場合、Ｂ／Ａは４０〜６０％の範囲内に設定されている
   請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記Ｂ／Ａは５０％に設定されている
   請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記ピストンの頂面にキャビティが設けられ、前記キャビティ内には、その底部から隆起する凸部が設けられ、前記ピストンの表面は、前記凸部の頂面により形成される
   請求項１〜３の何れか一項に記載の内燃機関。
5. 前記キャビティがリエントラント型キャビティである
   請求項１〜４の何れか一項に記載の内燃機関。
6. 前記噴孔は、これより噴射された燃料噴霧の噴霧軸がシリンダ軸と略直角になるように指向されている
   請求項１〜５の何れか一項に記載の内燃機関。
7. 前記噴孔は、これより噴射された燃料噴霧の噴霧軸が、シリンダ軸に直角な方向に対し斜め下向きとなるように指向されている
   請求項１〜５の何れか一項に記載の内燃機関。

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