JP3079544B2 - 燃料衝突燃焼ディーゼルエンジン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は，ピストンヘッド部の頂面に形成した平坦
面に燃料噴射ノズルから噴射される燃料を直接衝突させ
て燃焼させる燃料衝突燃焼ディーゼルエンジンに関す
る。

〔従来の技術〕 従来，エンジンの燃焼室としては，直接噴射式及び副
室式によって代表されている。

直接噴射式燃焼室は，燃料噴射ノズルより噴射された
燃料の噴射エネルギー及び燃焼室内に形成されるスワー
ル及びスキッシュ流によって燃料と空気との混合を達成
し，可燃性混合気を形成している。

しかしながら，上記直接噴射式燃焼室は，スワール生
成のため，吸気効率が低下するという問題を有し，ま
た，燃料の噴霧微粒化及び貫徹力をアップさせるため，
燃料噴射ノズルを高圧化，高噴射率化に構成しなければ
ならず，構造が複雑になるという問題を有している。

また，副室式燃焼室は，副室内に形成される高スワー
ルによって燃料油滴と空気との混合を達成し，可燃性混
合気を形成している。該副室式燃焼室は，副室内に高ス
ワールを形成し，また主室と副室との総和の伝熱面積が
増大して熱損失が増加するという問題があり，更に，主
室と副室とを連通する連絡孔による絞り損失が増加する
という問題を有している。

また，燃料の衝突噴流を利用した燃焼室を有する燃料
衝突拡散式エンジンが知られている。該燃料衝突拡散式
エンジンは，ピストンに形成した凹部即ちキャビティの
底部中央から突出する衝突部を設け，該衝突部の周囲に
凹状の燃焼室を形成し，燃料噴射ノズルから噴射された
液状燃料を衝突部に衝突させ，燃料噴流の衝突部への衝
突作用によって衝突面を起点として燃料の拡散，微粒化
等を達成し，燃料と空気との良好な混合を達成させるも
のである。

また，上記燃料衝突拡散式エンジンは，燃料噴射ノズ
ルの単孔ノズルから噴射された燃料をピストンヘッドの
衝突部の平らな衝突面に衝突させて円盤状に拡散させ，
次いでピストンの上昇によって生じるスキッシュ流によ
って燃料をキャビティの下方に押し込められながら，該
燃料と空気とを混合して混合気を形成するものである。

また，特開昭62−139921号公報には，燃料の衝突反射
拡散燃焼式ディーゼルエンジンが開示されている。該衝
突反射拡散燃焼式ディーゼルエンジンは，ノズルよりの
燃料噴流をピストン面或いはキャビティ内に噴射衝突さ
せ，衝突面での反射拡散作用により衝突部を起点として
キャビティ全域に燃料の拡散分布と混合を計り，スワー
ルに依存すること少なく，主にスキッシュ流れによって
空気利用率を高め，燃焼期間の短縮を図るものである。

更に，同様なディーゼルエンジンとして，特開昭62−
240419号公報に開示されたものがある。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで，上記のようなディーゼルエンジンでは，主
燃焼室に設けた衝突面に燃料噴霧を衝突させ，偏平噴霧
流と主燃焼室内の空気流動により燃料と空気の混合を図
っている。そして，シリンダヘッドに設けた単孔ノズル
から噴射された燃料を衝突させる衝突面はピストンヘッ
ドの平らな衝突面であり，燃料が該衝突面に衝突して円
盤状に拡散するが，ピストンの上昇行程において燃焼室
内へのスキッシュ流が発生し，該スキッシュ流によって
薄膜円盤状の燃料と空気と良好な混合気を生成して燃焼
状態を良好にするものである。

しかしながら，エンジンの部分負荷時には,NO_Xの発生
はある程度抑制されるが，エンジンの高負荷時には，燃
焼室内は高温になると共に，直接噴射式で燃料を燃焼さ
せるので,NO_Xの発生が増加するという問題がある。

また，エンジンの排気ガス対策のため，燃料噴射時期
を遅らせた場合，ピストンヘッド部の頂面とシリンダヘ
ッド下面との間隔が大きくなり，従って，燃料噴射ノズ
ルと衝突面との距離が大きくなり，この空間の空気の利
用には，燃焼ガスの逆スキッシュ流効果による流出に依
存することになり，噴射燃料と空気との十分な混合は期
待できず，良好な混合気形成ができないという現象があ
る。

また，上記特開昭62−139921号公報，特開昭62−2404
19号公報に開示されたディーゼルエンジンについても，
同様の問題を有している。

この発明の目的は，上記の課題を解決することであ
り，シリンダヘッドの中央部に単孔ノズルである燃料噴
射ノズルを配置し，ピストンヘッド部の頂面の外周部の
環状凹部から成る燃焼室を形成し，該燃焼室以外の頂面
を平坦面に形成し，燃料噴射ノズルの単噴孔からの噴射
燃料を平坦面の中央部位に衝突させ，半径方向外向きに
平坦面に沿って高速拡散させて偏平噴霧流を形成させ，
圧縮行程終端においてピストン上昇で燃焼室に形成され
るスキッシュ流，特に，ドーナツ状上下方向流れに交差
させて拡散燃料と空気との混合を促進し，更に，燃焼ガ
スの膨張と膨張行程前半のピストン下降で発生する逆ス
キッシュ流と拡散燃料流との相対速度による乱れの効
果，及び平坦面上の偏平噴霧流自体の蒸発による混合気
形成効果で燃料と空気との混合を促進する燃料衝突燃焼
ディーゼルエンジンを提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

この発明は，上記目的を達成するため，次のように構
成されている。即ち，この発明は，シリンダ内を往復運
動するピストン，該ピストンのピストンヘッド部の外周
部に形成された環状凹部で構成される燃焼室，該燃焼室
以外の前記ピストンヘッド部の頂面全域に形成され且つ
燃料が衝突する衝突面と前記燃料が円盤状に拡散する拡
散面とで構成される平坦面，及び該平坦面の前記衝突面
に対向状態でシリンダヘッド下面の中央部に単噴孔を開
口し且つ前記衝突面に燃料を噴射衝突させる燃料噴射ノ
ズル，から成る燃料衝突燃焼ディーゼルエンジンに関す
る。

また，この燃料衝突燃焼ディーゼルエンジンにおい
て，前記ピストンヘッド部の前記外周部は，前記頂面よ
り切り下がった環状切り下がり面と外周平坦面で形成さ
れている。

前記燃焼室は，前記環状切り下がり面，前記外周平坦
面，シリンダヘッド下面及び前記シリンダで囲まれる環
状空間によって形成されている。

前記ピストンヘッド部は，前記ピストンヘッド部の前
記頂面を高温に維持するため，セラミック材料及び断熱
層によって断熱構造に構成されている。

〔作用〕

この発明による燃料衝突燃焼ディーゼルエンジンは，
上記のように構成されているので，ピストン上昇で前記
燃焼室内に環状上下方向旋回流即ちスキッシュ流が形成
され，また，前記平坦面に衝突した燃料は前記平坦面に
沿って半径方向外向きに円盤状になって拡散して偏平噴
霧流に形成され，該偏平噴霧流は前記スキッシュ流と交
差して燃料と空気との混合が促進される。しかも，前記
燃料噴射ノズルからの燃料噴射時期が圧縮行程後半から
膨張行程前半で行われるので，ピストン下降で発生する
シリンダ中央部へ向かう逆スキッシュ流と偏平噴霧流の
燃料拡散流とが大きな相対速度となって乱れが発生し，
しかも燃料と空気との混合が広い接触面積の前記平坦面
で行われ，燃料と空気との混合が一層促進される。

〔実施例〕

以下，図面を参照して，この発明による燃料衝突燃焼
ディーゼルエンジンの実施例を説明する。

第１図はこの発明による燃料衝突燃焼ディーゼルエン
ジンの一実施例の圧縮行程後半の状態を示す説明図，第
２図は第１図の燃料衝突燃焼ディーゼルエンジンの上死
点の状態を示す説明図，及び第３図は第１図の燃料衝突
燃焼ディーゼルエンジンの膨張行程前半の状態を示す説
明図である。

第１図に示すように，この燃料衝突燃焼ディーゼルエ
ンジンは，シリンダブロック9,該シリンダブロック９に
ヘッドガスケットを介して固定されたシリンダヘッド3,
シリンダブロック９の孔部20に嵌合したシリンダライナ
14,シリンダライナ14で形成されるシリンダ10内を往復
運動するピストン1,ピストン１のピストンヘッド部８に
形成した燃焼室2,及びシリンダヘッド３の中央部に配置
された単噴孔11を有する燃料噴射ノズル４を有してい
る。シリンダヘッド３には，吸気ポート18及び排気ポー
ト19が形成されている。吸気ポート18には吸気弁16が配
置され，また，排気ポート19には排気弁17が配置されて
いる。

この燃料衝突燃焼ディーゼルエンジンは，特に，ピス
トン１のピストンヘッド部８を中央部を平らな面として
燃料の衝突面と燃料と拡散面を構成し，且つピストンヘ
ッド部８の外周部に適切な容積を有する燃焼室２を構成
したことに特徴を有している。

即ち，この燃料衝突燃焼ディーゼルエンジンは，ピス
トンヘッド部８の外周部に環状凹部（図では環状の切り
欠き段部）を形成して燃焼室２を構成し，燃焼室２以外
のピストンヘッド部８の頂面全域に平坦面５を形成して
衝突面部と拡散面部を構成し，シリンダヘッド３の下面
13の中央部に燃料噴射ノズル４を配置し，燃料噴射ノズ
ル４の単噴孔11を該平坦面５の衝突面部に対向状態で開
口し且つ平坦面５に燃料を噴射衝突させるものである。

燃料噴射ノズル４は，ピントルノズル等の単孔ノズル
から成り，該単孔ノズルの単噴孔11から噴射された燃料
が液状で平坦面５の中央部に衝突するように構成されて
いる。更に，ピストンヘッド部８の外周部の凹部は，頂
面の平坦面５より切り下がった環状切り下がり面６と外
周平坦面７で形成している。

従って，燃焼室２は，環状切り下がり面６と外周平坦
面7,シリンダヘッド３の下面13及びシリンダライナ14で
形成されるシリンダ10で囲まれる環状空間によって形成
されている。図では，外周平坦面７は水平方向に平らに
伸びており，また，環状切り下がり面６はピストンヘッ
ド部８の平坦面５に垂直方向に円形状に伸びており，燃
焼室２は断面四角形状に形成されている。

更に，ピストン１はピストンヘッド部８と該ピストン
ヘッド部８に固定したピストンスカート部12から構成さ
れている。ピストンヘッド部８とピストンスカート部12
とは，例えば，メタルフロー等による固着手段21によっ
て固定され，ピストンヘッド部８とピストンスカート部
12との間には断熱層15が形成されている。ピストンヘッ
ド部８の平坦面５には，燃料噴射ノズル４からの噴射燃
料が衝突するが，衝突した噴射燃料が半径方向外向きの
高速で拡散するため，平坦面５は高温に維持されること
が好ましい。即ち，ピストンヘッド部８の頂面５を高温
に維持するため，ピストンヘッド部８をセラミック材料
及び断熱層15によって断熱構造に構成する。ピストンヘ
ッド部８は，窒素ケイ素，炭化ケイ素，ジルコニア等の
セラミック材料から製作されている。

この発明による燃料衝突燃焼ディーゼルエンジンは，
上記のように構成されており，次のように作用する。

この燃料衝突燃焼ディーゼルエンジンは，シリンダラ
イナ14によって構成されるシリンダ10内をピストン１が
往復運動することによって作動され，吸入行程，圧縮行
程，膨張行程及び排気行程の４サイクルで順次作動され
る４サイクルディーゼルエンジンである。吸入行程にお
いて吸気弁16の開弁によってシリンダ10内に吸入された
空気は，圧縮行程の後半におけるピストン１の上昇によ
って，第１図に矢印Ａで示すように，シリンダ10内の空
気は半径方向外向きに流れる強いスキッシュ流となって
燃焼室２へと流入する。

このスキッシュ流は，ピストン１の上死点で，第２図
に矢印Ｂで示すように，燃焼室２に流入して環状上下方
向の旋回流れとなる。

次いで，圧縮行程終端付近から膨張行程前半におい
て，燃料噴射ノズル４の単噴孔11から液状燃料が噴射さ
れ，該噴射液状燃料はピストンヘッド部８の平坦面５に
衝突し，第３図の矢印Ｆで示すように，液状燃料は平坦
面５に沿って半径方向外向きに円盤状の平板流になって
拡散して偏平噴霧流に形成され，該偏平噴霧流は燃焼室
２内に発生しているスキッシュ流と交差して燃料と空気
との混合が促進される。

しかも，燃料噴射ノズル４からの燃料噴射時期が圧縮
行程後半から膨張行程前半で行われるので，第３図に矢
印Ｃで示すように，ピストン下降で発生するシリンダ中
央部へ向かう逆スキッシュ流と偏平噴霧流の燃料拡散流
とが大きな相対速度となって乱れが発生し，しかも燃料
と空気との混合が広い接触面積の平坦面５で行われの
で，燃料と空気との混合が一層促進されることになる。

即ち，この燃料衝突燃焼ディーゼルエンジンは，ピス
トン１は断熱構造に構成され，ピストンヘッド部８の平
坦面５の表面を高温に維持することができるので，燃料
噴霧の初期の速度を燃料がピストン頂面の外周に到達す
る期間まで維持することができ，燃料を高速で半径方向
外向きに拡散させることができる。それ故，燃料の拡散
噴流速度の低下がほとんどないことによって，ピストン
ヘッド部８の外周部に形成した燃焼室２まで円盤状の拡
散平板流（第３図で矢印Ｆで示す）を到達させることが
できる。

そこで，該拡散平板流の燃料と，燃焼ガスの膨張とピ
ストン１の下降開始に伴って発生する半径方向内向きに
向かう逆スキッシュ流（第３図で矢印Ｃで示す）の空気
とは，大きな相対速度となって燃料と空気との境界面に
乱れが発生し，しかも，ピストンヘッド部８の平坦面５
は広い接触面積であるので，燃料と空気との混合が促進
され，良好な混合気が形成され，良好な燃焼状態を実現
でき,NO_Xの発生を抑制することができ，良好な燃焼状態
を確保して燃焼効率を向上できる。

〔発明の効果〕

この発明による燃料衝突燃焼ディーゼルエンジンは，
上記のように構成されているので，燃料噴射ノズルの単
噴孔からの噴射燃料を前記平坦面の中央部位に衝突さ
せ，半径方向外向きに前記平坦面に沿って高速拡散させ
て偏平噴霧流を形成させることができる。一方，圧縮行
程の後半においてピストンの上昇に従って，ピストン外
周部の環状燃焼室には，スキッシュ流が流入し，燃焼室
内で該スキッシュ流はドーナツ状上下方向流れの旋回流
を形成する。そこで，スキッシュ流の旋回流れに偏平噴
霧流が交差し，拡散燃料と空気との混合を促進する。

更に，前記燃料噴射ノズルからの燃料噴射時期が圧縮
行程後半から膨張行程前半で行われるので，ピストン下
降で発生するシリンダ中央部へ向かう逆スキッシュ流と
偏平噴霧流の燃料拡散流とが大きな相対速度となって乱
れが発生する。従って，燃焼ガスの膨張と膨張行程前半
のピストン下降で発生する逆スキッシュ流と拡散燃料流
との相対速度差による乱れの効果で燃料と空気との混合
が更に促進すると共に，燃料と空気との混合が広い接触
面積の前記平坦面で行われ，平坦面上の偏平噴霧流自体
の蒸発による混合気形成効果で燃料と空気との混合が一
層促進する。

また，前記燃焼室は，前記頂面より切り下がった環状
切り下がり面，外周平坦面，シリンダヘッド下面及びシ
リンダで囲まれる環状空間によって形成されるので，圧
縮行程でピストン上昇で半径方向外向きに向かうスキッ
シュ流が前記燃焼室に流入することによって，該燃焼室
内に極めて理想的なドーナツ状上下方向流れの旋回流れ
が形成され，該旋回流れの空気と半径方向外向きに向か
う偏平噴霧流との混合が促進され，良好な混合気が形成
される。

また，ピストンヘッド部をセラミック材料と断熱層に
よって断熱構造に構成したので，前記ピストンの前記平
坦面は高温に維持され，該高温の平坦面に沿って拡散す
る燃料は燃料噴霧の初期の速度をピストン外周到達時間
即ち燃焼室への到達時間まで維持でき，噴流速度の低下
がないので，燃料と空気との混合気が，大きな相対速度
と広い接触面積で行われ，空気と燃料との混合が著しく
改善され，良好な燃焼を実現でき，未燃ガス，カーボ
ン,NO_X等の発生を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による燃料衝突燃焼ディーゼルエンジ
ンの一実施例の圧縮行程後半の状態を示す説明図，第２
図は第１図の燃料衝突燃焼ディーゼルエンジンの上死点
の状態を示す説明図，及び第３図は第１図の燃料衝突燃
焼ディーゼルエンジンの膨張行程前半の状態を示す説明
図である。 １……ピストン,2……燃焼室,3……シリンダヘッド,4…
…燃料噴射ノズル,5……平坦面,6……環状切り下がり
面,7……外周平坦面,8……ピストンヘッド部,10……シ
リンダ,11……単噴孔,12……シリンダヘッド下面。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｍ 61/14 ３１０ Ｆ０２Ｍ 61/14 ３１０Ｄ (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02B 23/02 F02B 23/00 F02F 3/00 302 F02F 3/28 F02M 61/14 310

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリンダ内を往復運動するピストン，該ピ
   ストンのピストンヘッド部の外周部に形成された環状凹
   部で構成される燃焼室，該燃焼室以外の前記ピストンヘ
   ッド部の頂面全域に形成され且つ燃料が衝突する衝突面
   と前記燃料が円盤状に拡散する拡散面とで構成される平
   坦面，及び該平坦面の前記衝突面に対向状態でシリンダ
   ヘッド下面の中央部に単噴孔を開口し且つ前記衝突面に
   燃料を噴射衝突させる燃料噴射ノズル，から成る燃料衝
   突燃焼ディーゼルエンジン。
2. 【請求項２】前記ピストンヘッド部の前記外周部は，前
   記頂面より切り下がった環状切り下がり面と外周平坦面
   で形成されていることから成る請求項１に記載の燃料衝
   突燃焼ディーゼルエンジン。
3. 【請求項３】前記燃焼室は，前記環状切り下がり面，前
   記外周平坦面，シリンダヘッド下面及び前記シリンダで
   囲まれる環状空間によって形成されていることから成る
   請求項２に記載の燃料衝突燃焼ディーゼルエンジン。
4. 【請求項４】前記ピストンヘッド部の前記頂面を高温に
   維持するため，前記ピストンヘッド部は，セラミック材
   料及び断熱層によって断熱構造に構成されていることか
   ら成る請求項１に記載の燃料衝突燃焼ディーゼルエンジ
   ン。