JP2524133Y2 - 直噴式ディーゼル機関の燃焼室 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は直噴式ディーゼル機関の燃焼室に関する。

〔従来の技術〕

ピストン頂面に開口するキャビティをそなえ、このキ
ャビティ内へ噴出された噴霧状燃料をピストン変位に応
じてキャビティ内の各部へ向け分散誘導すべく、キャビ
ティ内の側壁に凹部が形成されていることを特徴とする
ディーゼル機関の燃焼室構造が公知である（実開昭60−
190935号公報参照）。

〔考案が解決しようとする課題〕

しかしながらこのディーゼル機関の燃焼室構造では、
機関低回転運転時のようにスワール流の流速が低速時に
おいてもキャビティ全体に燃料を噴射するため、キャビ
ティ周壁部に多量の燃料が付着する。

機関低回転運転時においては、キャビティの周壁部は
高温とならないため、周壁部に付着した燃料の霧化が悪
く、また周壁部の液状燃料を気化させるために燃焼熱が
奪われ冷却損失が増大する。この現象は、特に暖機運転
時において著しい。

従ってスワール流の流速が低速時に、特に暖機運転時
において、キャビティ周壁部に多量の燃料が付着すると
燃焼が悪化し、排気ガス中のHC量の増大、排気臭、白煙
の排気等の問題を生ずる。

〔課題を解決するための手段〕

本考案によれば、ピストン頂面に形成されたキャビテ
ィ内周壁面上において、燃料噴射弁の噴射燃料軸線上に
第１の燃料反射面を形成すると共に、該第１の燃料反射
面からスワール流の方向に該第１の燃料反射面に隣接す
る第２の燃料反射面を形成し、スワール流の流速が低速
のときに前記第１の燃料反射面で反射された噴射燃料が
キャビティ中心部に向くように前記第１の燃料反射面
を、ピストン軸線を含む平面で切った該反射面の断面が
ピストン軸線に平行になるように形成し、スワール流の
流速が高速のときに、前記第２の燃料反射面で反射され
た噴射燃料が、ピストンの変位に応じて、前記キャビテ
ィ周辺部から前記キャビティ中心部に、または前記キャ
ビティ中心部から前記キャビティ周辺部に向けて反射方
向が変化するように、前記第２の燃料反射面をキャビテ
ィ底部方向を向いた凹曲面状に形成した直噴式ディーゼ
ル機関の燃焼室が提供される。

〔作用〕

本考案は上記した構成によって、スワール流の流速が
低速のときには、噴射燃料は第１の燃料反射面で反射さ
れてキャビティ中心部に向かうため、壁温の影響を受け
にくく、特に暖機中の燃焼が改善される。スワール流の
流速が高速のときは、噴射燃料は、第２の燃料反射面で
反射され、これによって噴射燃料の向きはピストンの変
位に応じてキャビティ周辺部からキャビティ中心部まで
変化せしめられることとなるため空気利用率の高い燃焼
が実現される。

〔実施例〕

第１図に直噴式ディーゼル機関の略平面図を示す。第
１図を参照すると、１はシリンダブロック、２はピスト
ン、３はピストン２頂面に形成されたキャビティ、４は
燃料噴射弁を夫々示す。燃料噴射弁４は４つのノズル孔
を有し、各ノズル孔の噴射燃料軸線Ｊは、中心角が90度
毎の向きとなるように指向されている。

第２図には第１図のＡ−Ａ線による断面図を示す。第
２図を参照すると、５はシリンダブロック１に固締され
たシリンダヘッド、６はシリンダブロック１の平坦な内
壁面とピストン２の間に形成された燃料室を夫々示す。
燃料噴射弁４は燃焼室６の頂部中央に配置される。図面
には示さないがシリンダヘッド５内には吸気ポートおよ
び排気ポートが形成され、これら吸気ポートおよび排気
ポートの燃焼室６内への開口部には夫々吸気弁および排
気弁が配置される。燃焼室６内に流入する吸入空気に、
燃焼室６の円周方向（第１図Ｗ方向）にスワール流を与
えるために吸気ポートとしてヘリカル型吸気ポートが使
用されており、或いは吸気弁としてシュラウド付吸気弁
が使用されている。無論、吸気ポートを燃焼室６内に燃
焼室６の周辺方向に向けて連結する等の手段により燃焼
室６中に流入する吸入空気にスワールを与えることがで
きる。第２図に示される実施例ではこれら吸排気弁や吸
排気ポートとの干渉を避けるために燃料噴射弁４が斜め
に配置されている。

第２図および第３図に示すされるようにピストン２は
平坦な頂面2aを有し、この平坦なピストン頂面2aにキャ
ビティ３が形成される。キャビティ３の周壁面3aの上端
部には環状リップ７が形成され、この環状リップ７の内
周面上には上下方向に間隔を隔てた一対の円形状をなす
峰部８および９が形成される。ピストン頂面2aから峰部
８まで延びる環状リップ７の内周面上端部7aは下方に向
けて断面積が徐々に減少する漏斗状断面形状に形成され
る。また、峰部８から峰部９まで延びる環状リップ７の
内周面中間部7bはピストン２と同心の円筒面から形成さ
れる。峰部９から下方に延びる環状リップ７の内周面下
端部7cは峰部９から下方に向けて徐々に拡大し、この内
周面下端部7cはキャビティ３の下側周壁面3bの一部を形
成する。このキャビティ下側周壁面3bは凹状をなす湾曲
面から形成され、更にこのキャビティ下側周壁面3bはそ
の全体が峰部９に対して外方に膨出している。キャビテ
ィ３の低部3cは中央部が隆起したほぼ円錐状に形成され
る。

燃料噴射弁４は４個のノズル孔を具備し、第２図にお
いて矢印Ｆで示されるように４個のノズル孔から環状リ
ップ７の内周面中間部7bに向けて燃料が噴射される。こ
の噴射燃料は内周面中間部7bにおいて反射し、従って以
下この内周面中間部7bを第１の燃料反射面と称する。

第２図は、ピストン２が上死点の少し手前にあって燃
料噴射が開始されたときを示している。第４図は第２図
と同様の図であるが、ピストン２が上死点に達したとき
を示している。第２図に示されるように燃料噴射開始時
には噴射燃料Ｆが第１燃料反射面7bの上端部に衝突し、
第４図に示されるようにピストン２が上死点に達したと
きには噴射燃料Ｆが第１燃料反射面7bの下端部に衝突す
る。即ち、云い換えると第１燃料反射面7bの位置および
燃料噴射弁４からの燃料噴射方向は燃料噴射開始時に噴
射燃料Ｆが第１燃料反射面7bの上端部に衝突し、ピスト
ン２が上死点に達したときには噴射燃料Ｆが第１燃料反
射面7bの下端部に衝突するように定められる。

また、第１燃料反射面7bは、燃料噴射が開始されてか
ら終了するまで、ピストン２の位置に関係なく、第１燃
料反射面7bでの反射燃料Ｇはキャビティ３の中心部に向
かうように形成されている。

第１図に示す区間Ｂ内のキャビティ３の周壁面は、第
２図に示す断面形状を有し、第１の燃料反射面7bを有す
る。区間Ｂは、燃料の噴射弁４を中心とする所定中心角
の範囲で、燃料噴射弁４の噴射燃料軸線Ｊを含む。

第５図には第１図のＣ−Ｃ線による断面図の部分拡大
図を示す。同図を参照してキャビティ３の周壁面3dの上
端部には内方に向けて突出する環状のリップ10が形成さ
れ、この環状リップ10の内周面上には上下方向に間隔を
隔てた一対の円形状をなす峰部11および12が形成され
る。第５図からわかるように峰部11の内径は峰部12の内
径よりも小さく、従って峰部11は環状リップ10の内周面
のうちで最も径の小さな狭窄部を形成する。峰部11は比
較的鋭い角部をなしており、これに対して峰部12は滑ら
かな曲面から形成されている。ピストン頂面2aから峰部
11まで延びる環状リップ10の内周面上端部10aは下方に
向けて断面積が徐々に減少する漏斗状断面形状に形成さ
れる。また、峰部11から峰部12まで延びる環状リップ10
の内周面中間部10bは下方に向けて断面積が徐々に増大
する凹状湾曲面から形成され、この凹状湾曲面からなる
環状リップ10の内周面中間部10bは第５図に示されるよ
うに円弧状断面を有する。この内周面中間部10bはほぼ
キャビティ３の底部中心部の方向に指向されている。峰
部12から下方に延びる環状リップ10の内周面下端部10c
は峰部12から下方に向けて徐々に拡大し、この内周面下
端部10cはキャビティ３の下側周壁面3eの一部を形成す
る。このキャビティ下側周壁面3eは凹状をなす湾曲面か
ら形成され、更にこのキャビティ下側周壁面3eはその全
体が峰部12に対して外方に膨出している。キャビティ３
の底部3cは中央部が隆起したほぼ円錐状に形成される。

燃料噴射弁４から噴射された燃料は、後述するよう
に、スワール流Ｗの流速が高速のときに、スワール流に
よって燃料噴射軸線Ｊからスワール流Ｗの流れ方向に偏
向せしめられ、内周面中間部10bに衝突せしめられて、
反射される。従って以下この内周面中間部10bを第２の
燃料反射面と称する。

第６図（ａ）から（ｅ）は燃料噴射開始から燃料噴射
終りまでを経時的に示している。第６図（ａ）はピスト
ン２が上死点の少し手前にあって燃料噴射が開始された
ときを示している。第６図（ｂ）はピストン２が上死点
に向けて少し上昇したときを示しており、第６図（ｃ）
はピストン２が上死点に達したときを示している。第６
図（ｄ）はピストン２が上死点を越えて少し下降したと
ころを示しており、第６図（ｅ）はピストン２が更に下
降した噴射完了時を示している。第６図（ａ）に示され
るように燃料噴射開始時には噴射燃料Ｈが第２燃料反射
面10bの上端部に衝突し、第６図（ｃ）に示されるよう
にピストン２が上死点に達したときには噴射燃料Ｈが第
２燃料反射面10bの下端部に衝突する。即ち、云い換え
ると第２燃料反射面10bの位置および燃料噴射弁４から
の燃料噴射方向は燃料噴射開始時に噴射燃料Ｈが第２燃
料反射面10bの上端部に衝突し、ピストン２が上死点に
達したときには噴射燃料Ｈが第２燃料反射面10bの下端
部に衝突するように定められる。

一方、第２燃料反射面10bはキャビティ３の底部中心
部方向に斜め下向きに指向されており、更にこの第２燃
料反射面10bは断面円弧状をなしている。従って第６図
の（ａ）から（ｃ）に示されるようにピストン２が上昇
するにつれて燃料衝突点における第２燃料反射面10bと
噴射燃料Ｈとのなす角度は次第に増大し、従って第２燃
料反射面10bに向かう噴射燃料Ｈと第２燃料反射面10bに
おいて反射した反射燃料Ｋの軸線とのなす角はピストン
２が上昇するにつれて次第に小さくなる。第６図（ａ）
に示されるように燃料噴射開始時に反射燃料Ｋがキャビ
ティ３の周辺部に向かい、第６図（ｂ）に示されるよう
にピストン２が少し上昇すると反射燃料Ｋが進行方向が
キャビティ３の周辺部から中心部に向けて移動し、第６
図（ｃ）に示されるようにピストン２が上死点に達する
と反射燃料Ｋはキャビティ３の中心部に向かう。即ち、
燃料噴射が開始されてからピストン２が上死点に達する
までに反射燃料Ｋの進行方向がキャビティ３の周辺部か
ら中心部に向けて連続的に移動する。云い換えると第２
燃料反射面10bの形状は燃料噴射が開始されてからピス
トン２が上死点に達するまでに反射燃料Ｋの進行方向が
キャビティ３の周辺部から中心部に向けて連続的に移動
するように定められている。第６図の（ｃ）から（ｅ）
に示されるようにピストン２が上死点に達してから燃料
噴射が完了するまでは反射燃料Ｋはキャビティ３の中心
部から周辺部に向けて連続的に移動する。

第１図に示す区間Ｄ内のキャビティ３の周壁面は、第
５図に示す断面形状を有し、第２の燃料反射面10bを有
する。区間間Ｄは、燃料噴射弁４を中心とする所定中心
角の範囲であり、区間Ｂからスワール流Ｗの方向にずれ
て区間Ｂに隣接する区間である。

第１図を参照して、機関低回転運転時においては吸入
空気量が少ないためスワール流Ｗの流速は低速となる。
このため、燃料噴射弁４から噴射燃料軸線Ｊに沿って噴
射された燃料はスワール流Ｗによってほとんど偏向され
ることがないため、噴射された燃料は噴射燃料軸線Ｊに
沿って進み、（噴射燃料方向Ｆは噴射燃料軸線Ｊとほぼ
一致する）、区間Ｂ内の第１燃料反射面7bに衝突する。

一方、機関中速又は高速運転時においては吸入空気量
が増大するため、スワール流Ｗの流速は高速となる。こ
のため、燃料噴射弁４から噴射燃料軸線Ｊに沿って噴射
された燃料はスワール流Ｗによって、スワール流Ｗの流
れ方向に偏向される（噴射燃料方向Ｋは噴射燃料軸線Ｊ
からスワール流Ｗの方向にずれる）。このため噴射燃料
は噴射燃料軸線Ｊ方向からスワール流Ｗの流れの方向に
偏向されて進み、区間Ｄ内の第２燃料反射面10bに衝突
する。即ち、云い換えると第２燃料反射面10bの円周方
向位置は、スワール流Ｗの流速が高速のときに噴射燃料
が第２燃料反射面10bに衝突するように定められる。

機関低速運転時においては、噴射燃料は、噴射燃料軸
線Ｊに沿って進み第１燃料反射面7bに衝突する。第１燃
料反射面7bで反射された燃料は、第２図及び第４図に示
すようにキャビティ３の中心部に向かう。このためキャ
ビティ３の中心部に混合気が形成され、中心部で混合気
が着火燃焼せしめられる。機関低速運転時においてはキ
ャビティ３の周壁部は高温とならないため、周壁部に付
着した燃料の霧化が悪く、また周壁部の液状燃料を気化
させるために燃焼熱が奪われ冷却損失が増大する。この
現象は機関暖機運転時に特に著しく、排気ガス中のHC量
の増大、排気臭、白煙の排気等の問題を生ずる。

本実施例においては、反射燃料Ｇはキャビティ３中心
部に向かうためキャビティ３の周壁部に付着する燃料量
は少なくなる。また混合気の着火燃焼がキャビティ３中
心部で行なわれるためキャビティ３中心部は比較的高温
となり、燃料の霧化は良好となる。従って、機関低回転
運転時、特に機関暖機運転時における燃焼を改善するこ
とができる。

一方、機関中高速運転時においては、噴射燃料は噴射
燃料軸線Ｊからスワール流Ｗの方向に偏向してＨの方向
に進み第２燃料反射面10bに衝突する。

第６図（ａ）に示されるように燃料噴射が開始される
と噴射燃料Ｈが第２燃料反射面10aの上端部に衝突し、
反射した燃料は矢印Ｋで示されるようにキャビティ３の
周辺部に向かう。このため噴射燃料がキャビティ３の周
辺部に集められるのでキャビティ３の周辺部には混合気
領域Ｐが形成される。

次いで第６図（ｂ）に示されるようにピストン２が上
昇すると反射燃料Ｋの進行方向がキャビティ３の中心部
に向けて移動する。一方、燃料粒子の温度が十分に高ま
るとキャビティ３の周辺部の混合気Ｐ（第６図（ａ））
が着火燃焼せしめられる。ところで旋回流中に質量の大
きなガスと質量の小さなガスとが存在すると遠心力によ
って質量の小さなガスは周辺部に移動し、質量の小さな
ガスは中心部に集まる。ところで燃料ガスの質量は空気
の質量よりも小さく、従って燃料ガスおよび空気が旋回
していると燃料ガスは中心部に向けて移動し、空気は周
辺部に向けて移動する。従ってキャビティ３の周辺部の
混合気Ｐ（第６図（ａ））が着火燃焼せしめられるとそ
の燃焼ガスは第６図（ｂ））においてＱで示されるよう
にキャビティ３の中心部に向けて移動を開始する。同時
に燃焼火炎もキャビティ３の中心部に向けて伝播する。
従って第６図（ｂ）に示されるように反射燃料Ｑを追い
かけるように火炎が伝播することになる。云い換えると
反射燃料Ｑによって混合気が形成されるとこの混合気に
タイミングよくただちに火炎が伝播し、混合気が燃焼せ
しめられることになる。従って第６図（ｃ）に示される
ように反射燃料Ｋがキャビティ３の中心部に向かうとこ
の反射燃料Ｋによってキャビティ３の中心部に形成され
た混合気が中心部に向かう火炎によってただちに着火燃
焼せしめられる。

一方、この間空気はキャビティ３の中心部から周辺部
の方へ移動する。従って第６図（ｄ）から（ｅ）に示さ
れるようにピストン２が下降を開始して反射燃料Ｋの進
行方向がキャビティ３の中心部から周辺部に移動すると
反射燃料Ｋは十分空気が存在する領域内に送り込まれる
ことになる。このとき火炎は逆キャビティ３の中心部か
ら周辺部に向かう。一方、キャビティ３の周壁面に付着
した液状燃料が蒸発することによってキャビティ３の周
辺部には混合気が形成されており、この混合気はキャビ
ティ３の中心部から周辺部に向かう火炎によって燃焼せ
しめられる。

このように、機関中高速運転時においては空気利用率
を高めることができる。なお、ピストンの上昇に伴なっ
て、噴射燃料の進行方向がキャビティ周辺部から中心部
に移動することとしたが、この噴射燃料の移動方向は逆
方向であってもよい。

また、本実施例では、キャビティ３の内周面形状がＢ
領域、Ｄ領域と変化するため、燃焼室内の乱れが増し、
空気と燃料の混合を促進するという効果もある。

なお本実施例では区間Ｂと区間Ｄを接して設け、第１
燃料反射面を有する周壁部から第２燃料反射面を有する
周壁部に段状に変化するようにしたが、区間Ｂと区間Ｄ
との間に遷移領域を設け、第１燃料反射面を有する周壁
部から第２燃料反射面を有する周壁部を滑らかに変化す
るようにしてもよい。

〔考案の効果〕

以上のように本考案によれば、スワール流の流速が低
速のときに噴射燃料の進行方向をキャビティの中心部に
向くようにしているので、特に暖機時における燃焼を改
善することができる。

また、スワール流の流速が高速となる中高速運転時に
おいては、空気利用率を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はディーゼル機関の略平面図、第２図は第１図の
Ａ−Ａ線による縦断面図、第３図は第２図の拡大縦断面
図、第４図は第２図と同様の図であるがピストンが上死
点にある状態を示す図、第５図は第１図のＣ−Ｃ線によ
る部分拡大縦断面図、第６図は燃焼方法を説明するため
の図である。 ２…ピストン、３…キャビティ、４…燃料噴射弁、7b…
第１燃料反射面、10b…第２燃料反射面、Ｊ…噴射燃料
軸線、Ｗ…スワール流。

Claims (1)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】ピストン頂面に形成されたキャビティ内周
   壁面上において、燃料噴射弁の噴射燃料軸線上に第１の
   燃料反射面を形成すると共に、該第１の燃料反射面から
   スワール流の方向に該第１の燃料反射面に隣接する第２
   の燃料反射面を形成し、スワール流の流速が低速のとき
   に前記第１の燃料反射面で反射された噴射燃料がキャビ
   ティ中心部に向くように前記第１の燃料反射面を、ピス
   トン軸線を含む平面で切った該反射面の断面がピストン
   軸線に平行になるように形成し、スワール流の流速が高
   速のときに、前記第２の燃料反射面で反射された噴射燃
   料が、ピストンの変位に応じて、前記キャビティ周辺部
   から前記キャビティ中心部に、または前記キャビティ中
   心部から前記キャビティ周辺部に向けて反射方向が変化
   するように、前記第２の燃料反射面をキャビティ底部方
   向を向いた凹曲面状に形成した直噴式ディーゼル機関の
   燃焼室。