JP2023131833A - Combustion chamber structure - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の一態様は、ディーゼルエンジンの燃焼室構造に関する。 One aspect of the present invention relates to a combustion chamber structure of a diesel engine.
直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造として、リエントラント型燃焼室形状に対し、スキッシュエリアから燃焼空間に段を設けて燃焼室入口にリップ構造を持つ構造が知られている(例えば特許文献1参照)。 BACKGROUND ART As a combustion chamber structure of a direct injection diesel engine, a structure is known in which, in contrast to a reentrant combustion chamber shape, stages are provided from a squish area to a combustion space and a lip structure is provided at the entrance of the combustion chamber (for example, see Patent Document 1).
上述したような燃焼室構造では、燃焼空間に対して、気筒天井部の中心に設けられたノズルから燃料が噴射される。ここで、ディーゼル燃焼では、ボア全体で燃焼させることが理想であるため、燃料をノズルから遠くまで飛ばすことが必要になる。このような燃料の噴霧によると、燃焼室外側の空気利用率が高くなる一方で、燃焼室内側の空気利用率が低くなってしまう。また、霧状の燃料の内部には、空気が入り込みにくいため、燃料の内部がリッチ状態となり、燃料空気の混合促進を十分に図ることができない。以上のように、従来の燃焼室構造においては、燃焼室空間の内側(中心側)において空気利用率を向上させることができておらず、また、燃料空気の混合が十分に促進しないため、十分に燃焼を活性化させることができていない。 In the combustion chamber structure as described above, fuel is injected into the combustion space from a nozzle provided at the center of the cylinder ceiling. In diesel combustion, it is ideal to burn the entire bore, so it is necessary to spray the fuel far from the nozzle. According to such fuel spraying, while the air utilization rate outside the combustion chamber increases, the air utilization rate inside the combustion chamber decreases. In addition, since air is difficult to enter inside the mist fuel, the inside of the fuel becomes rich, making it impossible to sufficiently promote the mixing of fuel and air. As mentioned above, in the conventional combustion chamber structure, it is not possible to improve the air utilization efficiency inside the combustion chamber space (center side), and the mixing of fuel and air is not promoted sufficiently. It has not been possible to activate combustion.
本発明の一態様は上記実情に鑑みてなされたものであり、燃焼を活性化させることにより熱効率を向上させることができるディーゼルエンジンの燃焼室構造を提供することを目的とする。 One aspect of the present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide a combustion chamber structure for a diesel engine that can improve thermal efficiency by activating combustion.
本発明の一態様に係る燃焼室構造は、ピストン頂面に対して下向きに窪む平面視円形のキャビティを備え、気筒天井部の中心に設けられたノズルからキャビティ内に燃料を放射状に噴射して自己着火せしめる直噴式のディーゼルエンジンの燃焼室構造であって、キャビティの底面を囲うように該底面の径方向外端から上方に立ち上がる壁状部と、底面の径方向におけるノズルと壁状部との間に設けられ、ノズルから噴射された燃料に当たり、該燃料を上下に分割するように、底面から上方に延びた突起部と、を備える。 The combustion chamber structure according to one aspect of the present invention includes a cavity that is circular in plan view and is depressed downward from the top surface of the piston, and fuel is injected radially into the cavity from a nozzle provided at the center of the cylinder ceiling. This is a combustion chamber structure of a direct injection diesel engine that self-ignites through a combustion chamber, and includes a wall portion that rises upward from a radially outer end of the bottom surface so as to surround the bottom surface of the cavity, and a nozzle and a wall portion in the radial direction of the bottom surface. and a protrusion extending upward from the bottom surface so as to catch the fuel injected from the nozzle and divide the fuel into upper and lower parts.
本発明の一態様に係る燃焼室構造では、キャビティの底面を囲う壁状部と、燃料を放射状に噴射するノズルとの間(キャビティの底面の径方向における間)に、底面から上方に延びる突起部が設けられている。該突起部は、ノズルから噴射された燃料に当たり、該燃料を上下に分割するように延びている。このように、底面における径方向の中間地点(中央と外端の間の領域)に設けられた突起部が、燃料を上下に分割することによって、分割された下半分の燃料の軌跡が変化、具体的には燃焼室空間の内側(中心側)に戻るような軌跡に変化し、燃焼室空間の内側(中心側)における空気利用率を向上させることができる。また、燃料が上下に分割されるので、燃料の内部を暴露させることができ、燃料の内部のリッチ状態が解消され、燃料空気の混合促進を図ることができる。以上のように、本発明の一態様に係る燃焼室構造によれば、燃焼室空間の内側(中心側)において空気利用率を向上させると共に、燃料空気の混合を促進し、燃焼を活性化させて熱効率を向上させることができる。 In the combustion chamber structure according to one aspect of the present invention, a projection extending upward from the bottom surface is provided between the wall portion surrounding the bottom surface of the cavity and the nozzle that injects fuel radially (in the radial direction of the bottom surface of the cavity). A section has been established. The protrusion extends so as to hit the fuel injected from the nozzle and divide the fuel into upper and lower parts. In this way, the protrusion provided at the radial midpoint (area between the center and the outer edge) on the bottom divides the fuel into upper and lower parts, thereby changing the locus of the fuel in the lower half of the division. Specifically, the trajectory changes to return to the inside (center side) of the combustion chamber space, and the air utilization rate inside the combustion chamber space (center side) can be improved. Furthermore, since the fuel is divided into upper and lower parts, the inside of the fuel can be exposed, the rich condition inside the fuel can be eliminated, and the mixing of fuel and air can be promoted. As described above, according to the combustion chamber structure according to one aspect of the present invention, the air utilization rate is improved inside (the center side) of the combustion chamber space, and the mixing of fuel air is promoted to activate combustion. thermal efficiency can be improved.
突起部の上端は、ノズルにおける燃料の噴射口よりも下方に位置していてもよい。このような構成によれば、ノズルから下方に向けて噴射される燃料を、突起部によって適切に上下に分割することができる。 The upper end of the protrusion may be located below the fuel injection port in the nozzle. According to such a configuration, the fuel injected downward from the nozzle can be appropriately divided into upper and lower parts by the protrusion.
突起部の上端は、ノズルから噴射される燃料の噴霧軸中心よりも下方に位置していてもよい。このような構成によれば、噴霧軸中心よりも上方の燃料については突起部に当たらないこととなるので、突起部に当たり軌跡が変わる燃料が多くなり過ぎることを適切に回避することができる。すなわち、燃料の適度な上下分割を適切に行うことができる。 The upper end of the protrusion may be located below the center of the spray axis of the fuel injected from the nozzle. According to such a configuration, the fuel above the center of the spray axis does not hit the protrusion, so it is possible to appropriately avoid an excessive amount of fuel that hits the protrusion and changes its locus. That is, the fuel can be appropriately divided into upper and lower portions.
本発明の一態様に係る燃焼室構造によれば、燃焼を活性化させることにより熱効率を向上させることができる。 According to the combustion chamber structure according to one aspect of the present invention, thermal efficiency can be improved by activating combustion.
以下、実施形態に係るディーゼルエンジンの燃焼室構造について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。 Hereinafter, a combustion chamber structure of a diesel engine according to an embodiment will be described with reference to the drawings. In addition, in the following description, the same or equivalent elements are given the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
図1は、排気ガスを再循環する機構を備えたディーゼルエンジン1の概略図である。ディーゼルエンジン1は、直噴式ディーゼルエンジンであり、例えば、排気側からの排気ガスの一部を抜き出して呼気側へと戻し、その呼気側に戻された排気ガスでエンジン内の燃料の燃焼を抑制して燃焼温度を下げることによりNOxの発生を低減するようにした、いわゆる排気ガス再循環(EGR:Exhaust Gas Recirculation)を採用したものであってもよい。
FIG. 1 is a schematic diagram of a
ディーゼルエンジン1では、排気ガス2が流通する排気通路3と呼気通路4との間がEGRパイプ5により接続されており、このEGRパイプ5の途中に設けられたEGRバルブ6を介し排気ガス2の一部を吸入空気7と共に再循環してディーゼルエンジン1の気筒内に送り込み、該気筒内での燃焼温度を下げてNOxの低減化を図るようにしている。
In the
ディーゼルエンジン1の各気筒の天井部である気筒天井部11の中心に、燃料(軽油)を気筒内に噴射する多孔式のノズル8(インジェクタ)が設けられている。また、ピストン9の頂面には、下方向きに窪む平面視円形のキャビティ10が形成されており、キャビティ10の内周面に対しノズル8の先端部から燃料が放射状に噴射されて圧縮行程終期の高い気筒内温度により自己着火するようになっている。
A multi-hole nozzle 8 (injector) for injecting fuel (light oil) into the cylinder is provided at the center of a cylinder ceiling 11 that is the ceiling of each cylinder of the
ディーゼルエンジン1におけるノズル8の噴射動作については、エンジン制御コンピュータを成す制御装置12からの燃料噴射指令8aにより制御されるようになっており、圧縮上死点近辺でノズル8に燃料噴射指令8aを出力して燃料を噴射せしめるようになっている。
The injection operation of the
また、制御装置12には、アクセル開度をディーゼルエンジン1の負荷として検出するアクセルセンサ13からのアクセル開度信号13aや、ディーゼルエンジン1の機関回転数を検出する回転センサ14からの回転数信号14a等が入力される。このように、各種のエンジン制御を実行すべくディーゼルエンジン1の運転状態が常に監視されている。
The
ディーゼルエンジン1は、図1に示されるように、クランクシャフト15と、排気ポート16と、排気弁17と、呼気ポート18と、呼気弁19と、を備えている。呼気弁19及び排気弁17は、図示しないエンジン駆動のカムシャフトに具備されたカムによりプッシュロッドやロッカーアームを介して各気筒の行程に応じた適切なタイミングで開弁操作されるようになっている。
As shown in FIG. 1, the
次に、図2~図6を参照して、上述したキャビティ10を含むディーゼルエンジン1の燃焼室構造100について説明する。
Next, the
図2に示されるように、燃焼室構造100は、ピストン9の頂面であるピストン頂面9aに対して下方向きに窪むキャビティ10を備え、気筒天井部11(図1参照)の中心に設けられたノズル8からキャビティ10内に燃料を放射状に噴射して自己着火せしめる直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造である。
As shown in FIG. 2, the
燃焼室構造100は、第1立ち上がり部102(壁状部)と、第1水平部103と、第2立ち上がり部104と、を含んで構成されている。
The
第1立ち上がり部102は、平面視円形のキャビティ10の底面101を囲うように、底面101の径方向外端から上方に立ち上がる壁状部分である。第1水平部103は、第1立ち上がり部102の上端に連続すると共にキャビティ10の外周方向(径方向外側)に略水平に伸びる部分である。第2立ち上がり部104は、第1水平部103の径方向外端に連続すると共に上方に立ち上がる壁状部分である。第2立ち上がり部104の上端は、ピストン頂面9aに至っている。第1立ち上がり部102と第1水平部103とによりリップ部が形成されている。
The first rising
ピストン頂面9aの直径(ボア径)は、例えばΦ112mm程度とされる。また、キャビティ10の底面101の直径は、例えばΦ55~80mm程度とされ、例えばΦ61.5mm程度とされる。径方向における第1立ち上がり部102と第2立ち上がり部104との離間距離(すなわち、第1水平部103の長さ)は、例えば8mm程度とされる。
The diameter (bore diameter) of the piston
さらに、燃焼室構造100は、底面101から上方に延びた突起部30を備えている。突起部30は、底面101の径方向におけるノズル8と第1立ち上がり部102との間において、底面101の中心を囲うように円周上に設けられている。突起部30は、例えば底面101の中心(すなわち、ノズル8の直下)から径方向外側に7.5~15mm程度(例えば12.5mm程度)の位置に設けられている。突起部30は、ノズル8から噴射された噴霧燃料Fuに当たり、該噴霧燃料Fuを上下に分割することが可能になる高さまで上方に延びている。突起部30の高さは、例えば3~7mm程度(例えば3.8mm程度)とされる。
Further, the
突起部30の上端30aは、ノズル8における噴霧燃料Fuの噴射口よりも下方に位置している。より具体的には、突起部30の上端30aは、ノズル8から噴射される噴霧燃料の噴霧軸中心Acよりも下方に位置している。突起部30の上端30aは、噴霧軸中心Acより1~3mm程度(例えば1.2mm程度)下方に位置している。なお、噴霧軸中心Acは、ノズル8の取り付け位置とコーン角とから導出される。
The
上述したように、突起部30は、噴霧燃料Fuに当たり、該噴霧燃料Fuを上下に分割する。突起部30に当たり剥がされた下側の噴霧燃料(下側噴霧燃料Fun)は、軌跡が変化し、ノズル8方向である燃焼室空間の内側(中心側)に戻るような軌跡に変化する。このように、下側噴霧燃料Funが燃焼室空間の内側(中心側)に戻るように流れることにより、燃焼室空間の内側(中心側)における空気利用率を向上させることができる。
As described above, the
図3は、噴霧燃料Fuの分割を説明する図である。図3(a)は分割されていない(分割前の)噴霧燃料Fuを示しており、図3(b)は分割された(分割後の)噴霧燃料Fuを示している。図3(a)に示されるように、ノズル8から噴射された噴霧燃料Fの内部には、空気Aiが入り込みにくく、噴霧燃料Fuの内部がリッチ状態となり、燃料-空気の混合を促進することは難しい。この点、図3(b)に示されるように、突起部30に当たることにより噴霧燃料Fuが上下に分割され噴霧燃料Fuの内部が暴露されると、上側の噴霧燃料(上側噴霧燃料Fup)と下側噴霧燃料Funとの間から空気Arが入り込み、噴霧燃料Fuの内部のリッチ状態が解消され、燃料-空気の混合を促進することができる。
FIG. 3 is a diagram illustrating division of the sprayed fuel Fu. FIG. 3(a) shows the sprayed fuel Fu that is not divided (before division), and FIG. 3(b) shows the sprayed fuel Fu that is divided (after division). As shown in FIG. 3(a), air Ai is difficult to enter into the sprayed fuel F injected from the
なお、上述した下側噴霧燃料Funの軌跡の変化や噴霧燃料Fuの内部の暴露によって、噴霧燃料Fuについて、壁面衝突させる部分が増えることや表面積が増加することによって冷損が増加することが懸念されるが、突起部30が比較的ノズル8付近に設けられており、噴霧燃料Fuが発達途中で温度が低い状態の噴霧火炎が衝突することとなるため、従来と比較して冷損が増加することはない。
Furthermore, due to the above-mentioned changes in the locus of the lower sprayed fuel Fun and exposure of the inside of the sprayed fuel Fu, there is a concern that cooling loss will increase due to an increase in the portion of the sprayed fuel Fu that collides with the wall and an increase in the surface area. However, since the
次に、本実施形態に係る燃焼室構造100の作用効果について説明する。
Next, the effects of the
本実施形態に係る燃焼室構造100は、ピストン頂面9aに対して下向きに窪む平面視円形のキャビティ10を備え、気筒天井部11の中心に設けられたノズル8からキャビティ10内に燃料を放射状に噴射して自己着火せしめる直噴式のディーゼルエンジン1の燃焼室構造であって、キャビティ10の底面101を囲うように該底面101の径方向外端から上方に立ち上がる第1立ち上がり部102と、底面101の径方向におけるノズル8と第1立ち上がり部102との間に設けられ、ノズル8から噴射された噴霧燃料Fuに当たり、該噴霧燃料Fuを上下に分割するように、底面101から上方に延びた突起部30と、を備える。
The
本実施形態に係る燃焼室構造100では、キャビティ10の底面101を囲う第1立ち上がり部102と、噴霧燃料Fuを放射状に噴射するノズル8との間(キャビティ10の底面101の径方向における間)に、底面101から上方に延びる突起部30が設けられている。該突起部30は、ノズル8から噴射された噴霧燃料Fuに当たり、該噴霧燃料Fuを上下に分割するように延びている。このように、底面101における径方向の中間地点(中央と外端の間の領域)に設けられた突起部30が、噴霧燃料Fuを上下に分割することによって、分割された下側噴霧燃料Funの軌跡が変化、具体的には燃焼室空間の内側(中心側)に戻るような軌跡に変化し、燃焼室空間の内側(中心側)における空気利用率を向上させることができる。また、噴霧燃料Fuが上下に分割されるので、噴霧燃料Fuの内部を暴露させることができ、噴霧燃料Fuの内部のリッチ状態が解消され、燃料空気の混合促進を図ることができる。以上のように、本実施形態に係る燃焼室構造100によれば、燃焼室空間の内側(中心側)において空気利用率を向上させると共に、燃料空気の混合を促進し、燃焼を活性化させて熱効率を向上させることができる。
In the
図4~図6は、比較例と比較した燃焼室構造100の効果を説明するための図である。ここでの比較例とは、突起部30を有さない従来型の燃焼室構造を指している。
4 to 6 are diagrams for explaining the effects of the
図4(a)は、比較例に係る噴霧燃料の状態を示している。図4(b)は、本実施形態に係る噴霧燃料の状態を示している。図4(a)(b)においては、噴霧燃料の当量比が色の濃淡で示されている。図4(a)に示されるように、比較例に係る燃焼室では、燃焼室空間の内側A1(中心側)において、噴霧燃料の当量比が小さくなっている。また、燃焼室空間の外側A2(壁面付近)において、噴霧燃料の当量比が大きくなっている。これに対して、図4(b)に示されるように、本実施形態に係る燃料質では、燃焼室空間の内側A101(中心側)においても、比較例と比較すると噴霧燃料の当量比が大きくなっている。また、燃焼室空間の中央から外側の領域A102においては、比較例に示されるような壁面までの領域における過ぎた当量比が解消されている。 FIG. 4(a) shows the state of the sprayed fuel according to the comparative example. FIG. 4(b) shows the state of the sprayed fuel according to this embodiment. In FIGS. 4(a) and 4(b), the equivalence ratio of the sprayed fuel is shown by the shade of color. As shown in FIG. 4(a), in the combustion chamber according to the comparative example, the equivalence ratio of the sprayed fuel is small in the inner side A1 (center side) of the combustion chamber space. Furthermore, the equivalence ratio of the sprayed fuel is large on the outside A2 (near the wall surface) of the combustion chamber space. On the other hand, as shown in FIG. 4(b), in the fuel quality according to the present embodiment, even on the inside A101 (center side) of the combustion chamber space, the equivalence ratio of the sprayed fuel is large compared to the comparative example. It has become. Furthermore, in the region A102 outside the center of the combustion chamber space, the excessive equivalence ratio in the region up to the wall surface as shown in the comparative example is eliminated.
図5は、比較例と比較した熱発生率(ROHR)の増加を示す図である。図5において、横軸はクランク角を、縦軸は燃焼による熱発生率(ROHR)を示している。図5中の「突起無し」とは比較例の燃焼室構造を意味しており、「突起有り」とは本実施形態の燃焼室構造を意味している。図5に示されるように、本実施形態の燃焼室構造では、特にクランク角が5°~10°の時点において、比較例の燃焼室構造と比べて燃焼を活性化させることができている。 FIG. 5 is a diagram showing the increase in heat release rate (ROHR) compared to the comparative example. In FIG. 5, the horizontal axis represents the crank angle, and the vertical axis represents the heat release rate (ROHR) due to combustion. In FIG. 5, "without protrusions" means the combustion chamber structure of the comparative example, and "with protrusions" means the combustion chamber structure of the present embodiment. As shown in FIG. 5, the combustion chamber structure of this embodiment is able to activate combustion compared to the combustion chamber structure of the comparative example, especially when the crank angle is between 5° and 10°.
図6は、比較例と比較した熱効率の向上を示す図である。図6において、縦軸はヒートバランス(ITE,冷却損失、排気損失のバランス)を示している。図6中の「突起無し」とは比較例の燃焼室構造を意味しており、「突起有り」とは本実施形態の燃焼室構造を意味している。図6に示されるように、本実施形態の燃焼室構造では、比較例の燃焼室構造と比べて、ITEが0.6%程度増えており、熱効率を向上させることができている。なお、図6に示されるように、冷却損失については、比較例と同程度(詳細には0.1%減少)となっている。 FIG. 6 is a diagram showing an improvement in thermal efficiency compared to a comparative example. In FIG. 6, the vertical axis indicates the heat balance (balance of ITE, cooling loss, and exhaust loss). In FIG. 6, "without protrusions" means the combustion chamber structure of the comparative example, and "with protrusions" means the combustion chamber structure of the present embodiment. As shown in FIG. 6, in the combustion chamber structure of this embodiment, the ITE increases by about 0.6% compared to the combustion chamber structure of the comparative example, and the thermal efficiency can be improved. Note that, as shown in FIG. 6, the cooling loss is approximately the same as that of the comparative example (specifically, a decrease of 0.1%).
突起部30の上端30aは、ノズル8における噴霧燃料Fuの噴射口よりも下方に位置していてもよい。このような構成によれば、ノズル8から下方に向けて噴射される噴霧燃料Fuを、突起部30によって適切に上下に分割することができる。
The
突起部の上端30aは、ノズル8から噴射される噴霧燃料Fuの噴霧軸中心Acよりも下方に位置していてもよい。このような構成によれば、突起部30に当たり軌跡が変わる燃料(下側噴霧燃料Fun)が多くなり過ぎることを適切に回避することができる。
The
1…ディーゼルエンジン、8…ノズル、9a…ピストン頂面、10…キャビティ、11…気筒天井部、30…突起部、30a…上端、100…燃焼室構造、101…底面、102…第1立ち上がり部(壁状部)、Ac…噴霧軸中心、Fu…噴霧燃料(燃料)。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記キャビティの底面を囲うように該底面の径方向外端から上方に立ち上がる壁状部と、
前記底面の径方向における前記ノズルと前記壁状部との間に設けられ、前記ノズルから噴射された燃料に当たり、該燃料を上下に分割するように、前記底面から上方に延びた突起部と、を備える燃焼室構造。 Combustion in a direct-injection diesel engine, which has a circular cavity in plan view that is recessed downward from the top surface of the piston, and injects fuel radially into the cavity from a nozzle installed at the center of the cylinder ceiling to cause self-ignition. A chamber structure,
a wall portion rising upward from a radially outer end of the bottom surface so as to surround the bottom surface of the cavity;
a protrusion provided between the nozzle and the wall portion in the radial direction of the bottom surface and extending upward from the bottom surface so as to hit the fuel injected from the nozzle and divide the fuel into upper and lower parts; Combustion chamber structure with.
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