JP2022102408A

JP2022102408A - ディーゼルエンジン

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Publication number: JP2022102408A
Application number: JP2020217117A
Authority: JP
Inventors: 貴一末廣; Kiichi Suehiro; 洋樹尾曽; Hiroki Oso; 雄介宮田; Yusuke Miyata; 明岩崎; Akira Iwasaki; 健介藤田; Kensuke Fujita
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2020-12-25
Filing date: 2020-12-25
Publication date: 2022-07-07
Anticipated expiration: 2040-12-25

Abstract

【課題】さらなる鋭意研究により、渦流が促進されてより燃焼効率に優れるように改善されるＩＤＩ型（副室型）のディーゼルエンジンを提供する【解決手段】主燃焼室と、主燃焼室から偏心した箇所に設けられる副室６が噴孔９を介して連通され、噴孔９は、主噴孔１５と、主噴孔１５の両脇に配置される一対の副噴孔１７，１７とが連なる複葉形状の孔に形成され、副噴孔１７は、噴孔９の軸心ｐ方向視又はピストンの軸心方向視における一対の副噴孔１７，１７が並ぶ配列方向の長さＤ２が、配列方向に交差する方向の長さｔ２よりも長い横長形状の孔に設定されているディーゼルエンジン。【選択図】図４

Description

本発明は、主燃焼室に噴孔を介して連なる副室が設けられた構造のディーゼルエンジに関するものである。

主燃焼室（主室）の他に副燃焼室（副室）を設けたディーゼルエンジン、即ち副室（ＩＤＩ：ＩｎｄｉｒｅｃｔＩｎｊｅｃｔｉｏｎ）式ディーゼルエンジンは、副室内に燃料を噴射して着火させ、副室の燃焼ガスが噴孔（絞り）を通じて主室内に噴出して燃焼が完了する。ＩＤＩでは、燃焼室表面積が大きいため、絞り損失と熱損失が大きいという弱点があるため、近年では直噴（ＤＩ：ＤｉｒｅｃｔＩｎｊｅｃｔｉｏｎ）式ディーゼルエンジンに置き換えられてきている。

しかしながら、ＩＤＩは、限られた副室内で燃料を噴射するので、火炎の流速を高くできて低圧の噴射弁でも確実に着火できる良さがある。また、副室内は空気量が少なく燃焼圧と燃焼温度が低いため、ＤＩに比べて、ディーゼルノックが発生しづらく、ＮＯｘ生成量が少ないという利点もある。従って、ＩＤＩは低速型のエンジンに適したシステムであることから、農機や建機、発電機、或いは後進国向けの各種産業機器などには、まだまだニーズがあると考えられる。

ＩＤＩ型のディーゼルエンジンにおいては、実質的に燃焼室となる副室での渦流を如何に効率よく発生させるかが重要なポイントである。例えば、特許文献１において、渦流を弱めることなく始動性の改善が可能となる技術が開示されている。

特開２０１０－１８０７４４号公報

本発明の目的は、さらなる鋭意研究により、渦流が促進されてより燃焼効率に優れるように改善されるＩＤＩ型（副室型）の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、
主燃焼室と、前記主燃焼室から偏心した箇所に設けられる副室とが噴孔を介して連通され、
前記噴孔は、主噴孔と、前記主噴孔の両脇に配置される一対の副噴孔とが連なる複葉形状の孔に形成され、
前記副噴孔は、前記噴孔の軸心方向視又はピストンの軸心方向視における前記一対の副噴孔が並ぶ配列方向の長さが、前記配列方向に交差する方向の長さよりも長い横長形状の孔に設定されていることを特徴とする。

前記副噴孔の形状は、長円又は角丸長方形に設定されていると好都合であり、また、前記副噴孔における対向する辺どうしが互いに平行となる直線形状部の長さが、前記副噴孔の前記配列方向長さの４０％～７０％となる範囲に設定されるとさらに好都合である。

本発明に関して、上述した構成（手段）以外の特徴構成や手段ついては、請求項４～９を参照のこと。

本発明によれば、噴孔は、一対の横長形状の副噴孔を主噴孔の両脇に備える形状の孔に形成されているので、噴孔内の幅方向（一対の副噴孔が並ぶ配列方向）に空気の流れが発生され、平均渦流が強められる。流速の大きな主流（渦流）の回転力を妨げる副室内での外周側（壁面近く）の速度が高められ、摩擦損失が低減されるようになる。

換言すれば、一対の円形状の副噴孔を主噴孔の両脇に備える従来品に比べて、ピストンの軸心方向視で一対の副噴孔が並ぶ配列方向における副噴孔の壁面から主噴孔の中心までの距離が長くなる。これにより、噴孔内の空気流の大部分を占める主噴孔内の空気流の流速が従来品よりも速くなる。

従って、副噴孔を従来品よりも横に長い形状として、複葉形状の噴孔の形状を全体として扁平化させることにより、副室での渦流（タンブル）が強化され、圧縮空気と噴射燃料との混合が促進されて、燃費改善やスモーク低減に寄与できる効果が得られるようになる。

その結果、主に副噴孔の形状や大きさを見直しての噴孔の工夫により、渦流が促進されてより燃焼効率に優れるようになって、燃費向上やスモーク低減が図れるように改善されたＩＤＩ型（副室型）のディーゼルエンジンを提供することができる。

産業用ディーゼルエンジンの副室付近の構造を示す要部の断面図副室形成用の口金を示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は底面図（Ａ）は通常実施例による口金の平面図、（Ｂ）は本発明の第１実施例による口金の平面図本発明による口金を示し、（Ａ）は第２実施例の平面図、（Ｂ）は第３実施例の平面図（Ａ）は図２の口金を副噴孔で切った断面図、（Ｂ）は噴孔の軸心方向における底面側から見た口金の斜視図五つ葉形状の噴孔を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図、（Ｃ）は底面図通常実施例及び第１～第３実施例の噴孔による効果のデータを示す図表

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、農用トラクタなどに適用される産業用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に過流式の産業用ディーゼルエンジンの副室周辺部の断面図が示されている。１はシリンダ（シリンダブロック）、２はシリンダヘッド、３はインジェクタ、４はグロープラグ、５は主燃焼室（主室）、６は副室（副燃焼室）、７は副室形成用の口金、８はピストン、９は口金７に形成された噴孔、１０はウォータジャケット（冷却水の通路）、１９はガスケットである。なお、ピストンの圧縮上死点においては主燃焼室５の体積は殆どないため、副室６が実質的に燃焼室である、といってもよい。

シリンダヘッド２にはインジェクタ３が貫通装備され、インジェクタ３の先端噴射部３ａが副室６に臨むように配置されている。副室６は、シリンダ１内に形成される主燃焼室５に、その主燃焼室５の偏心箇所に設けられる噴孔９を介して連通されている。噴孔９は、副室６の壁面（内周面）ｈの略接線方向で、かつ、主燃焼室５の中央部（ピストン８の軸心８Ｐ）に向かう傾斜孔に形成されている。インジェクタ３は、先端噴射部３ａからの噴射燃料が噴孔９に向かう状態となるように配置されている。

図１に示されるように、シリンダヘッド２におけるピストン８の軸心８Ｐからシリンダ周壁側に偏心した位置に、シリンダ１に開口する状態の副室形成穴２Ａが形成され、副室形成穴２Ａには副室形成用の口金（チャンバー）７が収容されている。副室形成穴２Ａは、シリンダヘッド２の主燃焼室５に臨むヘッド底面２ａ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口金７の底部７Ａが収容されている。胴部収容部１３は、口金７の胴部７Ｂ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。

図１～図３（Ａ）に示されるように、口金７は、円柱状の胴部７Ｂと底部７Ａとを含んだ段付円柱状の金具で形成されている。底部７Ａは胴部７Ｂの一端側を胴部７Ｂ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７Ｂの他端側には、胴部７Ｂ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１１が形成されている。

副室６は、空洞部１４と副室形成用凹部１１とで構成され、噴孔９は、副室形成用凹部１１と主燃焼室５とを連通させる部位として底部７Ａから胴部７Ｂにかけて形成されている。つまり、シリンダヘッド２における主燃焼室５に隣り合う状態でシリンダヘッド壁２ｂに嵌着される口金７には、副室６を形成するための副室形成用凹部１１が形成される胴部７Ｂと、噴孔９とが形成されている。

図２及び図３（Ａ）に示されるように、球形（卵球形、まゆ形）の副室６側の開口である上開口部９Ａ及びシリンダ側の開口である下開口部９Ｂを有する噴孔９は、中央の主噴孔１５と、その両脇に張り出し形成された一対の副噴孔１７，１７とを備え、ピストン軸心８Ｐの方向視で三つ葉形状（複葉形状の一例）を呈する複合孔に形成されている。

図１に示されるように、副室６から噴孔９を通って主燃焼室５へ噴出するのは燃焼気流ｗ（図１に仮想線で示す矢印）であり、ピストン８の上昇移動による圧縮工程時には、主燃焼室５から噴孔９を通って副室６へ圧縮された空気流（圧縮空気流）ｅが流れ込む。副室６に流れ込む空気流ｅにより、副室６ではその壁面ｈに沿って流れる縦向きの渦流（タンブル）ｕが生じる構成とされている。

次に、副室６での渦流ｕを促進させる構造について説明する。図３（Ａ）や図５に示されるように、副噴孔１７は、噴孔９の軸心（噴孔軸心）ｐの方向視（又はピストン８の軸心８Ｐ方向視）における一対の副噴孔１７，１７が並ぶ配列方向〔図３（Ａ）の矢印ｋの方向〕の長さである副噴孔長さＤ_０（Ｄ）が、配列方向に交差する方向の長さである縦方向長さｔ_０（ｔ）よりも長いＤ_０＞ｔ_０（Ｄ＞ｔ）横長形状の孔、即ち長円又は角丸長方形の副噴孔１７，１７に設定されている。なお、本明細書においては、図３～４における上下方向（矢印ｋで示す方向）を、上述した「配列方向」と呼ぶほか、「横方向」とも呼ぶ。また、「縦方向」とは、上述した通り、「横方向」に交差する方向であればよく、「横方向」と直交する方向に限らない。

図３及び図４は、噴孔９のピストン８の軸心８Ｐ方向視における横方向長さＬ_０～Ｌ_３（Ｌ）と、主噴孔１５の幅、即ち、一対の副噴孔１７，１７と交わる箇所における主噴孔１５の幅Ｗ_０～Ｗ_３（Ｗ）と、各副噴孔１７の副噴孔長さＤ_０～Ｄ_３（Ｄ）とを示している。図３（Ａ）は、主噴孔１５の幅Ｗ_０と横方向長さＬ_０とが一般的な比率を採る通常実施例の噴孔９を示している。図３（Ｂ）及び図４（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第１～第３実施例による噴孔９であって、副噴孔１７の長さ（横方向長さＬに対応じた方向の長さ）が、通常実施例のものよりも長められている。

図３（Ａ）に示される通常実施例では、横方向長さＬ_０に対する一対の副噴孔１７，１７の配列長さ２Ｄ_０（２×Ｄ_０）の比率である通常長さ率τ_０＝２Ｄ_０／Ｌ_０＝（Ｌ_０－Ｗ_０）／Ｌ_０＝０．４～０．４５（０．４≦τ_０≦０．４５）に設定されている。図３（Ｂ）に示される第１実施例では、第１長さ率τ_１＝２Ｄ_１／Ｌ_１＝（Ｌ_１－Ｗ_１）／Ｌ_１＝０．５３～０．５４（０．５３≦τ_１≦０．５４）に設定されている。

同様に、図４（Ａ）に示される第２実施例では、第２長さ率τ_２＝２Ｄ_２／Ｌ_２＝（Ｌ_２－Ｗ_２）／Ｌ_２＝０．５９～０．６０（０．５９≦τ_２≦０．６０）に設定され、図４（Ｂ）に示される第３実施例では、第３長さ率τ_３＝２Ｄ_３／Ｌ_３＝（Ｌ_３－Ｗ_３）／Ｌ_３＝０．５７～８０．５７≦τ_３≦０．５８）に設定されている。

なお、通常実施例及び第１～３実施例によるそれぞれの噴孔９の断面積（上開口部９Ａの面積）は、全て等しい値に設定されている。つまり、噴孔９の面積は、直線形状部１６の長さの範囲の如何に拘らず一定である、及び／又は、副噴孔１７の配列方向長さＤ（Ｄ_０～Ｄ_３）の範囲の如何に拘らず一定であるが、これらには限らない。

つまり、副噴孔１７の長さＤ（Ｄ_０～Ｄ_３）又は長さ率τ（τ_０～τ_３）が大になれば、その分主噴孔１５の幅Ｗ（Ｗ_０～Ｗ_３）は狭くなる関係にある。噴孔９の横方向長さＬ（Ｌ_０～Ｌ_３）に対する一対の副噴孔１７，１７の配列方向長さ２Ｄ（２×Ｄ_０～Ｄ_３）の割合が５０％～６５％に、好ましくは５３％～６０％に設定されている。各実施例における縦方向長さｔ（ｔ_０～ｔ_３）は、互いに同じであってもよいが、通常実施例ｔ_０＜第１実施例ｔ_１＜第２実施例ｔ_２＜第３実施例ｔ_３、となるなど、互いに異なっていてもよい。

次に、副噴孔１７における対向する辺どうしが互いに平行となる直線形状部１６の長さであるストレート部長さｓ（ｓ_０～ｓ_３）の副噴孔１７の配列方向長さＤ（Ｄ_０～Ｄ_３）に対する割合（ｓ／Ｄ）を直線率α（α_０～α_３）とする。図３（Ａ）に示される通常実施例では、通常直線率α_０＝ｓ_０／Ｄ_０＝０．３５～０．３８（０．３５≦α_０≦０．３８）に設定されている。図３（Ｂ）に示される第１実施例では、第１直線率α_１＝ｓ_１／Ｄ_１＝０．４２～０．４５（０．４２≦α_１≦０．４５）に設定されている。

同様に、図４（Ａ）に示される第２実施例では、第２直線率α_２＝ｓ_２／Ｄ_２＝０．５１～０．５４（０．５１≦α_２≦０．５４）に設定されており、図４（Ｂ）に示される第３実施例では、第３直線率α_３＝ｓ_３／Ｄ_３＝０．６１～０．６４（０．６１≦α_３≦０．６４）に設定されている。つまり、副噴孔１７における対向する辺どうしが互いに平行となる直線形状部１６の長さ、即ちストレート部長さｓ（ｓ_０～ｓ_３）が、副噴孔１７の配列方向長さＤ（Ｄ_０～Ｄ_３）の４０％～６５％となる範囲に設定されている。

なお、図４（Ａ）などに示されるように、副室形成用凹部１１が凹球面であること、及び噴孔軸心ｐが水平（又は垂直）に対して傾斜していることから、口金７の平面図では両脇の副噴孔１７，１７は配列方向ｋに対して傾いた長孔に見える。従って、その傾いた方向の長さを傾き方向長さＤ’（Ｄ_０’～Ｄ_３’）とし、この傾き方向長さＤ’（Ｄ_０’～Ｄ_３’）の配列方向長さＬ（Ｌ_０～Ｌ_３）に対する割合いとして、前述の長さ率τ（τ_０～τ_３）を論じることも可能である。

図５（Ａ），（Ｂ）に示されるように、図１～図３（Ａ）に示される噴孔９は、水平に対して角度θ〔図２（Ａ）や図５（Ａ）参照〕で傾いた傾斜孔で、噴孔軸心ｐの方向視において、左右対称でやや下拡がり（ピストン側拡がり）する複葉形状の孔であり〔図５（Ｂ）参照〕、副噴孔１７自体もやや下拡がりする孔に形成されている〔図５（Ａ）参照〕。

〔作用効果について〕
噴孔９内の空気流ｅ（図１参照）は、壁面から離れるほど摩擦損失が小さくなるので、壁面から離れるほど流速が速くなる。副噴孔１７の一対を主噴孔１５の両脇に備える噴孔９内においては、副噴孔１７内よりも、ピストン８の軸心８Ｐ方向視で壁面から中心までの距離が長くなる主噴孔１５内の方が、空気流ｅの流速は速くなる。

例えば、本発明の通常実施例〔図３（Ａ）参照〕では、噴孔９が、横長形状（Ｄ_０＞ｔ_０）の副噴孔１７の一対を主噴孔１５の両脇に備える形状のものとされている。このため、円形状の副噴孔の一対を主噴孔の両脇に備える従来品に比べて、噴孔９内の幅方向（配列方向：矢印ｋ）における副噴孔１７の壁面から主噴孔１５の中心までの距離が長くなる。これにより、噴孔９内の空気流ｅの大部分を占める主噴孔１５内の空気流ｅの流速が従来品よりも速くなる。その結果、副室６での渦流（タンブル）ｕが強化され、圧縮空気と噴射燃料との混合が促進されて、燃費改善やスモーク低減に寄与できる効果が得られるようになる。

なお、次のように言うこともできる。即ち、主噴孔１５の両脇に横長形状の副噴孔１７を有する噴孔９内の幅方向に空気の流れが発生され、平均渦流が強められる。流速の大きな主流（渦流ｕ）の回転力を妨げる副室６内での外周側（壁面ｈ近く）の速度が高められ、摩擦損失が低減されるようになる。

通常実施例及び第１～第３実施例における解析結果による効果（改善度合い）が図７に示されている。図７は、流体解析に基づくデータの比較であり、噴孔９内の空気流ｅに対する摩擦損失と、副室６内に流入する空気流ｅにより発生する渦流ｕの平均流速（タンブル流速）と、について、通常実施例を１００とし、第１～３実施例を通常実施例に対する相対値として、示している。この図７からは、第１～第３実施例のいずれにおいても通常実施例に比べて改善されており、特に実施例２のものが最も優れた効果を奏することが示されている。

〔別実施形態〕
図６（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示されるように、主噴孔１５と各副噴孔１７との間に小さな孔である補助噴孔１８を設けた五つ葉形状（複葉形状の一例）を呈する噴孔９を有するディーゼルエンジンでもよい。各補助噴孔１８は、その左右両端は主噴孔１５と副噴孔１７に張り出ていて形状としての輪郭は欠如されており、対向する一対の湾曲面（符記省略）よりなる小判形のような形状に見えている。

この五つの円筒形状の主噴孔１５、副噴孔１７、及び補助噴孔１８による五つ葉形状の噴孔９により、副室６での流速の大きな主流（渦流ｕ）の回転力を妨げる外周側の速度（渦流の速度）が高められ、主流の流速向上と摩擦損失の低減作用が得られる。補助噴孔１８，１８の噴孔径や配置を変更設定することにより、副室６での渦流ｕの強さをコントロールすることが可能になる。即ち、副室６での噴射燃料と空気との混合促進による燃費向上やスモーク低減の効果を、補助噴孔１８の径や配置のチューニングにより、任意にコントロールして設定することができる。

〔その他の実施例など〕
副噴孔１７の横に長い形状は、長楕円や台形など、長円や角丸長方形以外の形であっても良い。

２シリンダヘッド
２ｂシリンダ壁
５主燃焼室
６副室
７口金
７Ｂ胴部
８ピストン
８Ｐ軸心（ピストン軸心）
９噴孔
１１副室形成用凹部
１５主噴孔
１６直線形状部
１７副噴孔
Ｄ配列方向の長さ
Ｌ横方向長さ（配列方向の長さ）
ｐ軸心（噴孔の軸心）
ｔ縦方向長さ（配列方向に交差する方向の長さ）
ｓストレート部長さ（直線形状部の長さ）

Claims

主燃焼室と、前記主燃焼室から偏心した箇所に設けられる副室とが噴孔を介して連通され、
前記噴孔は、主噴孔と、前記主噴孔の両脇に配置される一対の副噴孔とが連なる複葉形状の孔に形成され、
前記副噴孔は、前記噴孔の軸心方向視又はピストンの軸心方向視における前記一対の副噴孔が並ぶ配列方向の長さが、前記配列方向に交差する方向の長さよりも長い横長形状の孔に設定されているディーゼルエンジン。
前記副噴孔の形状は、長円又は角丸長方形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。
前記副噴孔における対向する辺どうしが互いに平行となる直線形状部の長さが、前記副噴孔の前記配列方向長さの４０％～７０％となる範囲に設定されている請求項２に記載のディーゼルエンジン。
前記噴孔の面積は、前記直線形状部の長さの範囲の如何に拘らず一定である請求項３に記載のディーゼルエンジン。
前記噴孔の前記配列方向での長さに対する一対の前記副噴孔の前記配列方向での長さの割合が５０％～６５％に設定されている請求項１～４の何れか一項に記載のディーゼルエンジン。
前記噴孔の面積は、前記副噴孔の前記配列方向長さの範囲の如何に拘らず一定である請求項５に記載のディーゼルエンジン。
前記噴孔は、前記副室から前記主燃焼室の中央部に向かう傾斜孔に形成されている請求項１～６何れか一項に記載のディーゼルエンジン。
前記副室の横から見た形状が球形又は卵球形となるように設定されている請求項１～５の何れか一項に記載のディーゼルエンジン。
シリンダヘッドにおける前記主燃焼室に隣り合う状態でシリンダ壁に嵌着される口金が設けられ、
前記口金に、前記副室を形成するための副室形成用凹部が形成される胴部と、前記噴孔とが形成されている請求項１～８の何れか一項に記載のディーゼルエンジン。