JP2860575B2 - ディーゼル機関の燃焼装置 - Google Patents

ディーゼル機関の燃焼装置

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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、ピストンの上壁に一定の容積を有する燃焼
室を形成し、該燃焼室に臨む燃料噴射弁をシリンダヘッ
ドに備え、燃料カムにより燃料送油率を制御するディー
ゼル機関の燃焼装置に関する。
(従来技術) ディーゼル機関に対しては、近年は高出力性能を維持
しつつ、低騒音及び低排気濃度(低NOX)化することが
要望されてきている。
第13図は従来形の燃焼室形状を示し、燃焼室5の上端
周縁26はピストン4の上端面と同じ高さである。また燃
焼室5の側壁11は下方にいくに従い燃焼室径が大きくな
るように一定の角度θ1で傾斜している。H1は燃焼室深
さ、d1は燃焼室上端縁径、Dはピストン径である。
また第14図及び第16図は従来形式の3変速型ならびに
3円弧型の燃料におけるカム角度に対するカム速度の変
化を示している。
第16図の3円弧型では負荷増加による噴射期間の増加
に伴って、次第にカム速度の低速域を食い込み使用して
おり、従って噴射パターンは第17図に示すように噴射初
期において高く、噴射後期において噴射率が低下してし
まい、最大出力は延びない。
第14図の3変速型では第15図のように高負荷時の噴射
後期に燃料噴射率は向上するが、初期の噴射率も高く、
騒音及び排気濃度(NOX)が抑えられない。また負荷増
加により噴射期間が増加してくると、噴射後期になる途
中で燃焼室の空気を使い果してしまい、空気が不足し、
充分に燃焼できず、噴射率が高くてもそれに対応した出
力向上にならない。
なおピストン上端面とシリンダヘッドの間の空気を有
効に利用して、燃焼の割合を向上させる構造として、特
開昭55−51917がある。即ち燃焼室の上端周縁にテーパ
面を設け、ピストン上昇時の噴霧初期に燃料噴霧の一部
をテーパ部からピストン上端壁の隙間に入れ、ピストン
下降行程において燃焼ガスを上記隙間に吹き込むことに
より燃焼の向上を図っている。
しかし噴射後期において積極的にバックスキッシュ流
を増大させて燃料を急速に増大させるような考えはな
く、また噴射率のパターンも不明で、さらに燃焼室内の
空気利用率と噴射期間(負荷)との関係も全く不明であ
る。
(発明の目的) 本発明の目的は、燃焼初期における予混合燃焼を低減
してNOX及び騒音を低減させると共に、噴射後期におい
て、シリンダヘッドとピストン上端壁間の空気を有効利
用して急速に燃焼させることにより、出力、特に高負荷
時の出力を向上させることである。
(目的を達成するための技術的手段) 上記目的を達成するために本考案は、燃料カムのカム
面形状を、初期のカム速度が低く抑制されると共に後期
のカム速度が高くなり燃料噴射後期において噴射率が急
速に上昇するように、4変速又は5変速型に構成し、燃
焼室の上端開口部周縁にテーパ面を形成し、燃料の噴射
角度を、ピストン下降行程におけるカム角度後期に燃料
噴霧が上記テーパ面に当接するようにし、カム角度後期
においてバックスキッシュ流が急速に増大するように、
ピストン径に対する燃焼室の上端開口部径の開口比を小
さく、燃焼室深さを深くかつ燃料室側壁の傾斜角を大き
くしている。
(作用) 噴射初期はカム速度の低減により噴射率が抑制され、
それにより予混合燃焼が抑制されて騒音及びNOXが低減
される。
噴射後期はカム速度の増加により、噴射率が急速に増
加することと、燃料噴射弁からの噴霧の一部がテーパー
部に沿ってシリンダヘッドとピストンの間に流れ込むこ
とと、燃料室の開口比が小さくて燃焼室が深くかつ燃焼
室周壁の傾斜角度が急なことにより上記隙間へのバック
スキッシュ流が強くなることにより、シリンダヘッドと
ピストンの間の空気を有効に利用して、急速に燃焼し、
出力が向上する。特に高負荷時のように噴射期間が長く
なる場合には、機関出力の向上は顕著である。
(実施例) 第1図は本発明を適用した燃焼室の断面を示してお
り、シリンダヘッド1に燃料噴射弁6が取り付けられて
おり、シリンダ2に嵌合するピストン4の上端壁には、
上方から見て円形状の燃焼室5が形成され、該燃焼室5
に上記燃料噴射弁6が臨んでいる。燃焼室5の中心C2は
シリンダ中心C1から少しずれており、燃焼室底壁8の中
央部には円錐状突起9が形成されている。燃焼室側壁11
は上方に行くに従い燃焼室径が小さくなるように中心2
側に傾斜しており、上端リップ部15はR加工されてい
る。側壁11の下端部は大きな円弧部10を介して底壁8に
つながっている。リップ部15はピストン上端面よりも低
い位置に形成されており、リップ部15からピストン上端
壁まではテーパ面16が形成されている。
ピストン外径Dに対するリップ部15の内径d2の開口比
d2/Dは、第13図の従来例の比率d1/D=0.4267よりも小さ
くなっており、d2/D=0.3867に設定されている。また第
13図の従来例と第1図とでは、圧縮比は例えば19.4で同
じであるが、燃焼室側壁11の傾斜角度θ及び深さH2は、
従来第13図のものに比べて大きくなっており、従来の数
値H1=9.5mm、θ1=50゜に対してH2=11mm、θ2=58
゜に設定されており、これらによりバックスキッシュ流
の速度の増大化を図っている。
さらに上記テーパ面16と燃料の噴射角との関係は、ピ
ストン下降行程の噴射後期において、燃料噴霧の一部が
テーパ面16にかかり、ピストン上端面とシリンダヘッド
1の間の隙間Aに入るように設定されている。
第2図は5変速型カムのプロフィールであり、一段目
の緩やかな立ち上がりの後、2段目はさらに緩やかな傾
斜となってカム速度は低く抑えられ、3段目で急激に高
く立ち上がり、4段目で高い最高カム速度を一定期間保
ち、そして5段目で急速にカム速度が減速されるように
なっている。即ち高負荷の長い噴射期間における噴射後
期で極めて高い最高カム速度になり、噴射率が急上昇
し、一定区間その最高カム速度が持続されるようになっ
ている。
第3図は4変速型カムのプロフィールであり、一段目
の緩やかな立ち上がり後、2段目はさらに緩やかな傾斜
となってカム速度は低く抑えられ、3段目で急激に高く
立ち上がって高い最高カム速度に到達し、そして4段目
で急速にカム速度が減速されるようになっている。即ち
高負荷の長い噴射期間における噴射後期で極めて高い最
高カム速度となって、噴射率が急上昇するようになって
いる。
第2図あるいは第3図のような燃料カムのプロフィー
ルと、第1図のような燃焼室形状が組み合わされて本発
明に従った燃焼装置が構成されている。
作用を説明する。第5図〜第8図はピストン上昇行程
終期から上死点を通過し、下降する間の燃料噴霧等の変
化を示しており、上死点をクランク角0゜とした場合、
第5図はピストン上昇行程終期でクランク角が−5゜の
時、第6図は上死点時、第7図はピストン下降行程でク
ランク角が5゜の時、第8図はクランク角が10゜の時の
状態を示している。
噴射初期における噴霧は第4図に示すように噴射率が
低く抑えられ、しかも第5図及び第6図に示すように、
テーパ面16に噴霧は当接せず、かつシリンダヘッド1と
ピストン4の間の隙間Aからの正スッキシュ流S1により
燃料噴霧は燃焼室5内に抑え込まれる。従って燃焼室5
内の空気を無駄なく効率良く利用して燃焼し、一方噴射
率は低く抑えられることによりNOX及び騒音は低減され
る。
噴射後期になると第4図のように噴射率は急速に上昇
する。一方第7図及び第8図のように燃料噴霧の一部は
テーパ面16にかかって隙間A内に流入し、かつピストン
下降により燃焼室5内から隙間Aへのバックスキッシュ
流S2が発生する。このバックスキッシュ流S2は、開口比
d2/Dが小さくて燃焼室深さH2及び側壁傾斜角θ2が大き
いことにより、その速度が増大されており、燃焼ガス及
び火炎と共に上記噴霧を隙間A内に積極的に勢い良く押
し込む。従って噴射後期においては、上記隙間A内にお
いて隙間A内の空気を利用して急激に燃焼し、出力が向
上する。
第9図はスキッシュ流速度を示しており、開口比d1/D
=0.4267で深さH1=9.5mm、側壁傾斜角θ1=50゜の第1
3図の従来型燃焼室に比べて、開口比d2/D=0.3867で深
さH2=11mm、側壁傾斜角θ2=58゜の第1図の燃焼室を
使用した場合、第1図の方が正スキッシュ流及びバック
スキッシュ流共に増大していることが示されている。
第10図は排気温度、排気濃度、燃費を従来例と比較し
たグラフであり、三角印の実線のグラフが本発明、丸印
の破線のグラフが従来例である。
本発明は隙間Aの空気を噴射後期において有効に利用
して急速燃焼しているので、例えば概ね定格出力から最
大出力の範囲における排気温度が下がり、排気濃度が下
がり、かつ燃費が下がるので、最大出力を従来に比べて
充分に延ばすことができる。
なお下段に示すのは使用した空気の割合であり、λは
空気過剰率である。即ち概ね定格出力付近で燃焼室内の
空気を使い果すが、その後は隙間Aの空気を利用して出
力の増大が図られていることを示している。
第11図及び第12図はそれぞれ無負荷時及び負荷時の燃
焼音の変化を示しており、いずれの場合にも破線で示す
従来例に比べ、実線で示す本発明の方が燃焼音が低減し
ている。
本発明が適用される燃焼室形状の各種寸法値として
は、開口比d2/D=0.35〜0.40、ピストン径に対する深さ
の比H2/D=0.14〜0.16、側壁傾斜角θ2=55゜〜65゜で
ある。
(発明の効果) 以上説明したように本発明によると、騒音の低減、NO
Xの低減及び高い出力時の出力性能の向上が同時に達成
できる。即ち: (1)初期のカム速度が低く抑制されると共に後期のカ
ム速度が高くなるように燃料カムのプロフィールを4変
速又は5変速型として、初期の噴射率を抑制しているの
で、NOX及び騒音の低減を達成することができる。
(2)しかも噴射後期において燃料カムの形状により燃
料噴射率を急速上昇させることと、上端テーパ面16によ
り噴射後期において燃料噴霧をピストン上端面の隙間A
に導いてこの隙間Aの空気を有効に利用することと、上
端開口部径の開口比d2/Dを小さくし、燃焼室深さH2及び
燃焼室側壁11の傾斜角θ2を大きくしてバックスキッシ
ュ流を急速に増大させることにより、高い出力時の出力
性能の向上が達成できる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明を適用した燃焼室の縦断面図、第2図及
び第3図は本発明を適用した5段変速型及び4段変速型
の燃料カムのプロフィールを示すグラフ、第4図は噴射
率を示すグラフ、第5図〜第8図はそれぞれ噴射初期か
ら噴射後期の噴霧等の変化を示す燃焼室の縦断面図、第
9図はスキッシュ流速度の変化をグラフ、第10図は排気
温度、排気濃度及び燃費の変化を示すグラフ、第11図及
び第12図はそれぞれ無負荷、負荷時の燃焼音の変化を示
すグラフ、第13図は従来型燃焼室の縦断面図、第14図及
び第16図は従来の3円弧及び2円弧型の燃料カムのプロ
フィールを示すグラフ、第15図及び第17図はそれぞれ第
14図及び第16図に対応する燃料噴射率のグラフである。
1……シリンダヘッド、4……ピストン、5……燃焼
室、11……燃焼室側壁、16……テーパ面
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−149314(JP,A) 実開 平1−119828(JP,U) 実開 平3−68525(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) F02B 1/00 - 23/10

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ピストンの上壁に一定の容積を有する燃焼
    室を形成し、該燃焼室に臨む燃料噴射弁をシリンダヘッ
    ドに備え、燃料カムにより燃料送油率を制御するディー
    ゼル機関の燃焼装置において、燃料カムのカム面形状
    を、初期のカム速度が低く抑制されると共に後期のカム
    速度が高くなり燃料噴射後期において噴射率が急速に上
    昇するように、4変速又は5変速型に構成し、燃焼室の
    上端開口部周縁にテーパ面を形成し、燃料の噴射角度
    を、ピストン下降行程におけるカム角度後期に燃料噴霧
    が上記テーパ面に当接するようにし、カム角度後期にお
    いてバックスキッシュ流が急速に増大するように、ピス
    トン径に対する燃焼室の上端開口部径の開口比を小さ
    く、燃焼室深さを深くかつ燃料室側壁の傾斜角を大きく
    したことを特徴とするディーゼル機関の燃焼装置。
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