JP3707247B2 - Sub-chamber engine with a sub-chamber in the piston - Google Patents

Sub-chamber engine with a sub-chamber in the piston Download PDF

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    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は，ピストンに副室を持つと共に，シリンダヘッドから突出する状態で前記シリンダヘッドに取り付けられた燃料噴射ノズルの先端部が，ピストンに形成されたノズル挿入孔に突入して前記副室内に燃料を噴霧する副室式エンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンとして，一般に直射式エンジンと副室式エンジンがよく知られている。直射式エンジンは，副室式エンジンに比べて，燃費が良いため，従来からトラック，バス等の大型車に多く使用されてきている。しかしながら，直射式エンジンは，副室式エンジンに比べてＮＯX 排出量が多く，近年一層厳しくなる傾向にあるＮＯX 規制との対比の上では燃費のメリットが薄れてきている。また，排気ガスの一部を吸気側に環流するようにした排気ガス再循環装置（ＥＧＲシステム）などによるＮＯX 低減が検討されているが，ＥＧＲの排気ガスによる腐食の問題の発生により，エンジンの耐久性や信頼性が悪化するという問題点がある。そこで，厳しいＮＯX 規制に対応するため，ＮＯX 排出量の少ない中央副室式エンジンが注目されるようになってきた。そして，副室式エンジンの燃費を改善し，ＥＧＲなしで，排気ガス規制をクリアすることが検討されている。
【０００３】
副室式エンジン（渦流室式ディーゼルエンジン）の燃費の悪化原因は，第一に，副室に燃料を噴射し，副室で着火燃焼させ，その後，火炎が副室の中心軸からの径方向に対して傾斜した方向に延びる一つの連絡孔を通過し，主室全域に拡散していくため，燃焼期間が長いということ，第二に，連絡孔の絞り損失が大きいこと，第三に，副室内の空気流動及び表面積が大きいため放熱損失が大きいことなどにある。このような従来の副室式エンジンの欠点を解消するために，中央副室式エンジンが提案されている。中央副室式エンジンは，副室をシリンダの中央に配置し，複数の連絡孔を主室外周部に向けて放射状に配置したものである。副室を中央に配置したために，従来の副室に比べて，シリンダ外壁までに火炎が到達する時間が短縮し，連絡孔の通路面積を増大することで連絡孔による絞り損失を低減し，主室に存在する新気との混合を促進して燃焼期間を短縮して，燃費の向上が図られている。
【０００４】
ピストンに中央副室を有する副室式エンジンとして，例えば，特開平８−１２１１６９号公報に開示されたものがある。この中央副室式エンジンは，シリンダヘッド中央部の下面から突出して垂下するようにシリンダヘッドに燃料噴射ノズルを取り付け，ピストンヘッド上部のほぼシリンダ中央に濃混合気室となる副燃焼室（副室）を形成し，燃料噴射ノズルの噴孔が上死点近傍で副室に突入できるノズル挿入孔と主室と副室とを連通してノズル挿入孔の周方向に隔置した複数の連絡孔とをピストンヘッドの頂部に形成した副室式エンジンであって，燃料噴射ノズルをピストンの上死点近傍で副室内に突入させ，多噴孔から副室の側壁面に対して燃料を噴射している。副室の上部には，燃料がリッチな混合気が生成され，濃混合気を素早く主室に噴出させて燃焼期間の短縮化を図っている。
【０００５】
上記公報に開示されたものにおいては，更に，ピストンに形成した副室に燃料噴射ノズルを突入させるノズル挿入孔をスリーブで形成し，スリーブのピストン上壁から突出する部分を突起上部とし，且つ副室内に突出する部分を突起下部として，燃料噴射ノズルの噴孔部を火炎や高温の燃焼ガスから熱遮断して保護している。即ち，燃料噴射ノズルを副室内に直接挿入するため，燃料噴射ノズルを高温の燃焼ガスから保護しないと，燃料噴射ノズルの噴孔部が着火後の高温の燃焼ガスに晒されて，燃料噴射ノズルのサックボリューム，即ち，燃料溜まり内の燃料が炭化し，ノズルチップが焼損したり，焼き鈍し現象が発生し，針弁着座面の摩耗等が発生して燃料噴射ノズルの耐久性が低下することがあるが，上記公報に開示されたものによれば，スリーブの突起上部と突起下部とは高温の燃焼ガスが燃料噴射ノズルの噴孔部に直接に接触するのを防止するので，噴孔部はスリーブによって遮熱保護されることになり，上記したような燃料溜まり内の燃料の炭化や，ノズルチップの焼損，焼き鈍し現象，針弁着座面の摩耗等が発生せず，燃料噴射ノズルの耐久性が向上している。
【０００６】
ところで，ピストン中央副室式エンジンにおいて，ピストン上壁に取り付けらたスリーブによって主室側に突出する突起上部と副室側に突出する突起下部とを形成する構造とすると，主室，及び副室の形状，或いはシリンダヘッドの下面の構造に制約が課せられることがある。即ち，突起上部が存在することによって，突起上部の周囲のピストンヘッドに大きな凹部が形成されると，上死点での主室の容積を小さくすること，即ち，所定の圧縮比を得ることができなくなるので，シリンダヘッドの下面に突起上部が突入可能な凹部を形成せざるを得なくなる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
中央副室式エンジンでは，一般に，複数の連絡孔よりも，副室の上部中央に配置されている径の大きなノズル挿入孔が開口している時間が長いため，ピストン圧縮行程において主室内の空気が連絡孔のみならずノズル挿入孔からも流入する。したがって，圧縮行程時には副室内には，連絡孔を通じて流入して強い空気流動を生じる流入量が減少するので，副室内での正味の空気流動が低下し，上死点前に噴射した燃料の副室内での空気との混合の均一性が低下し，パティキュレート成分やＮＯｘの発生量が多くなる。また，燃料が着火した後の膨張行程初期においては，連絡孔からばかりではなく，燃料噴射ノズルが抜け出た後に開口するノズル挿入孔からも多くの火炎が噴出するため，火炎の噴射時間が短くなり，主室内での火炎の広がりが弱くなり，燃焼ガス中にパティキュレート成分が発生しやすくなると共に燃費の悪化を招いている。
【０００８】
したがって，ピストン頂部中央に副室を配設した中央副室式エンジンにおいて，ピストン上壁にスリーブを取り付けることなく，副室のノズル挿入孔の閉鎖期間を長くすることにより，ピストンの圧縮行程時における副室内への空気流動を主として連絡孔から行い，且つピストン膨張行程時における火炎がノズル挿入孔から噴出するのを極力抑え，連絡孔を通じて主室の外周へ向かってより多くの火炎が噴出するようにすることにより，パティキュレート成分の発生を抑えると共に燃費の向上を図る点で解決すべき課題がある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明の目的は，上記の課題を解決することであり，燃料噴射ノズルの先端部をヒートシールドで覆うことにより，高温の燃焼ガスから直接に熱が燃料噴射ノズルに伝達することを防止して，燃料噴射ノズルのサック部内の燃料の炭化やノズルチップの焼損，焼き鈍し現象，針弁着座面の摩耗等を防止すると共に，ヒートシールドによって，ノズル挿入孔の閉鎖時間を長くして，ノズル挿入孔を通じての副室内への空気の流入と主室への火炎の噴出を極力抑えて，パティキュレート成分の発生の抑制と燃費の向上を図ることができるピストンに副室を持つ副室式エンジンを提供することである。
【００１０】
前記目的を達成するため、本発明によるピストンに副室を持つ副室式エンジンは、シリンダを構成するシリンダブロックに固定されたシリンダヘッド、前記シリンダ内を往復動するピストン、前記シリンダに形成された主室、前記ピストンの中央部に形成された副室、前記シリンダヘッドの下面から先端部が突出した状態で前記シリンダヘッドに取り付けられ且つ前記副室内に燃料を噴射する多噴孔を有する燃料噴射ノズル、前記主室と前記副室とを連通する複数の連絡孔、及び前記燃料噴射ノズルが突入する前記ピストンに形成されたノズル挿入孔から成るピストンに副室を有する副室式エンジンにおいて、前記燃料噴射ノズルの先端部は、端部が閉鎖された筒状ヒートシールドによって覆われていて、その端部により、前記ピストンの上昇時には、前記燃料噴射ノズルが前記ノズル挿入孔の開口位置に到達するよりも先行して前記ノズル挿入孔に突入して前記ノズル挿入孔を閉鎖し、且つ前記ピストンの下降時には、前記燃料噴射ノズルが前記ノズル挿入孔の開口位置から、前記主室側に変位した後も前記ノズル挿入孔を閉鎖していることを特徴とする。
【００１４】
このピストンに副室を持つ副室式エンジンは，以上のように構成されているので，シリンダブロックによって構成されるシリンダに形成された主室と，シリンダ内を往復動するピストンの中央部に形成された副室とは複数の連絡孔によって連通されており，シリンダヘッドに先端部がシリンダヘッドの下面から突出した状態で取り付けられた燃料噴射ノズルは，ピストンが上昇してピストンに形成されたノズル挿入孔に突入したとき，燃料噴孔ノズルの先端に形成された多噴孔から副室内に燃料を噴射する。燃料噴射ノズルの先端部は，端部が閉鎖された筒状ヒートシールドによって覆われているので，燃料が着火して副室内及び主室内が高温になっても，熱が直接にノズル先端部に作用せず，燃料噴射ノズルの先端部は熱に対して保護される。また，筒状ヒートシールドの閉鎖された端部は，燃料噴孔ノズルの先端部より更に下方の位置にあるので，ピストンの上昇時には，燃料噴孔ノズルがノズル挿入孔の開口位置に到達するよりも先行してノズル挿入孔に突入してノズル挿入孔を閉鎖し，且つピストンの下降時には，燃料噴孔ノズルがノズル挿入孔の開口位置から主室側に変位した後もノズル挿入孔を閉鎖している。筒状ヒートシールドの長さによって，ノズル挿入孔の閉鎖期間が調節され，連絡孔を通じての空気流動の強さや火炎の主室への噴出期間及び噴出量が調節され，ＮＯｘやパティキュレート等の燃焼ガス特性を調節することが可能になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下，図面を参照して，この発明によるピストンに副室を持つ副室式エンジンの実施例について説明する。図１はこの発明によるピストンに副室を持つ副室式エンジンの一実施例を示す断面図，図２は図１に示したピストンに副室を持つ副室式エンジンがノズル挿入孔の閉鎖期間の終了時期にある状態を示す断面図である。このピストンに副室を持つ副室式エンジンの実施例では，要部のみを説明するため，吸排気ポートや吸排気バルブを図示していないが，通常のディーゼルエンジンと同様にそれらが設けられている。
【００１６】
図１及び図２に示すピストンに副室を持つ副室式エンジンは，例えば，シリンダブロック６に固定されたシリンダヘッド５を有し，シリンダブロック６にはエンジンの気筒数に対応する数のシリンダボアが形成され，シリンダボアにはシリンダ３を構成するシリンダライナ７が嵌合されている。シリンダライナ７で形成されたシリンダ３には，ピストン４が往復運動するように組み込まれている。ピストン４の頂面４ａとシリンダヘッド５の下面５ａとの間には，主室１が形成されている。また，ピストン４の頂部には，側壁面１６で輪郭を定められる副室２が形成されている。副室２の形成については，例えば，ピストン頂部に，キャビティ（図示しない。例えば，前掲の特開平８−１２１１６９号公報を参照）を形成し，キャビティ内に配設した耐熱合金或いは耐熱性に富んだセラミックスによって形成されたピストン頂部部材内に副室２を形成することができる。キャビティ内に配置されたピストン頂部部材の周囲にはピストン４の本体への熱伝導を遮断する遮熱構造が採用される。
【００１７】
副室２内に燃料を噴射する燃料噴射ノズル９は，多噴孔２６を含む先端部１０がシリンダヘッド５から突出した状態でシリンダヘッド５に取り付けられている。多噴孔２６からは，燃料がほぼ水平方向に噴射される。多噴孔２６の噴孔数は，シリンダ中心軸１５の周りに等角度で設けられた，例えば８個である。燃料噴射ノズル９及び副室２は，シリンダ中心軸１５を中心としてほぼ中央に配置されている。ピストン４の上壁１３には，主室１と副室２とを連通するための連絡孔１４，及び燃料噴射ノズル９をピストン４の上死点を含むその近傍で副室２内に突入させるためのノズル挿入孔１１が形成されている。
【００１８】
主室１と副室２とを連通する連絡孔１４は，ピストン４の上壁１３において，副室２の中心と一致するシリンダ中心軸１５に対して，周方向に好ましくは等間隔に隔置してピストン４の外周方向へ向けて放射状に形成されている。即ち，連絡孔１４の軸線は，シリンダ中心軸１５からシリンダヘッド５の下面５ａに向かうように上方に傾斜している。連絡孔１４は，燃料噴射ノズル９の多噴孔２６の対応した数だけ設けられている。また，連絡孔１４は，副室２の側壁面１６において副室側開口１７で開口している。
【００１９】
燃料噴射ノズル９は，副室２の側壁面１６，即ち，連絡孔１４の副室側開口１７の近傍の側壁面１６に向けて燃料を略水平に噴射する（図１において二点鎖線で示した燃料噴射の輪郭Ｆを参照）。燃料噴射ノズル９から噴霧された燃料は側壁面１６に衝突し，衝突した燃料は，周囲に噴霧化し且つ拡散する。
【００２０】
このピストンに副室を持つ副室式エンジンでは，燃料噴射ノズル９は，インジェクタのノズル本体１８に形成された中空部１９内を昇降する針弁２０を有しており，燃料通路２１を通じて供給された高圧燃料は，燃料溜まり２２，及び針弁２０の周囲において中空部１９内に形成された燃料通路２３を経て，先端部１０のノズルサック部２７に至る。針弁２０が下降して針弁２０の先端に形成されたテーパ面２４がノズル本体１８の先端に形成されたテーパ面２５に着座することにより，燃料通路２３とノズルサック部２７との連通が断たれ，噴孔２６からの燃料の噴射が停止される。針弁２０がリフトしてテーパ面２４がテーパ面２５から離れると，ノズルサック部２７に形成された噴孔２６から燃料が噴射される。
【００２１】
燃料噴射ノズル９のシリンダヘッド５の下面５ａから突出する先端部１０には，ヒートシールド３０が被せられる。ヒートシールド３０は，筒状部３１とその先端に設けられた閉鎖されている端部３２を有する筒状体から成り，シリンダヘッド５の下面５ａから突出する先端部１０，即ち，燃料通路２３，テーパ面２４，２５を内部に有する部分及びノズルサック部２７を外側から覆うものである。筒状部３１の筒状部分は比較的肉厚が薄く形成されているが，端部３２は，図１にノズルサック部２７から先端の長さＤで示すように，軸方向に比較的厚い肉厚部となっている。筒状部３１には，噴孔２６から噴射された燃料を遮ることなく筒状部３１の外側に燃料を噴射可能とするため，噴孔２６に対応した位置に噴孔２６の径よりも大きい径を有する通孔３３が形成されている。ヒートシールド３０を燃料噴射ノズル９に組み込んだ状態で，筒状部３１及び端部３２と燃料噴射ノズル９との間には空気層３６が形成されている。空気層３６は，燃焼ガスからの熱がヒートシールド３０を介して直接に燃料噴射ノズル９に伝わるのを防止する遮熱作用を有している。
【００２２】
筒体３１の基端側はフランジ部３４となっており，フランジ部３４をノズル本体１８との間でリテーニングナット３５によって挟み込むことにより，ヒートシールド３０が燃料噴射ノズル９に組み込まれている。リテーニングナット３５は，ノズル本体１８に対してねじによって螺合されることによりノズル本体１８に固定されると共に，ノズルホルダ２８にも連結される。燃料噴射ノズル９のシリンダヘッド５への取り付けは，シリンダヘッド５に形成されたインジェクタ取り付け用の中空孔３７にノズルホルダ２８とノズルパッキン２９を介して行われる。ヒートシールド３０の組込みは，図示の例ではリテーニングナット３５により行われているが，ヒートシールド３０をシリンダヘッド５に直接に固定しても，或いはリテーニングナット３５と一体構造，即ち，燃料噴射ノズル９と一体に構成してもよい。
【００２３】
ノズル挿入孔１１の口径は，ヒートシールド３０が突入可能な大きさであり，ヒートシールド３０が突入した状態ではヒートシールド３０の周面とノズル挿入孔１１の内面との間に形成される隙間は，可及的に小さいものに設定される。主室１と副室２とを連絡する通路は，副室２の中央に設けられたノズル挿入孔１１と主室１の外周に向かって設けられた連絡孔１４とである。シリンダ３のボアの面積に対する主室１と副室２とを連絡する通路の断面積の占める割合として定義される連絡口面積比は，ピストン中央副室式エンジンの場合には，シリンダボアの面積に対するノズル挿入孔１１と連絡孔１４との合計面積の割合である。したがって，連絡口面積比は，ピストン４の昇降運動，即ち，上死点前後の位置によって変化し，ノズル挿入孔１１に燃料噴射ノズル９が突入するときには連絡口面積比は小さくなり，燃料噴射ノズル９がノズル挿入孔１１から主室１側に抜け出ると連絡口面積比は大きくなる。
【００２４】
ヒートシールド３０を用いない場合には，例えば，上死点後において，図２の二点鎖線位置Ｌ−Ｌまでピストン４の頂面４ａが下降した位置が，連絡口面積比が変化するノズル挿入孔閉鎖期間の終了位置となり，ヒートシールド３０を用いる場合には，図２に示すピストン４の頂面４ａが下降した位置がノズル挿入孔閉鎖期間の終了位置となる。即ち，燃料噴射ノズル９の先端のノズルサック部２７よりも先端側に突出しているヒートシールド３０の端部３２の距離Ｄ（図１）に応じて，ピストン４の上死点の前後においてノズル挿入孔閉鎖期間を長くすることができる。
【００２５】
エンジンの圧縮行程時に連絡孔１４を通じて導入される空気は，副室２内において渦流を形成する。ピストン４の頂面４ａとシリンダヘッド５の下面５ａとの間のシリンダ３に吸入されていた空気は，エンジンの圧縮行程でピストン４が上昇し，ヒートシールド３０がノズル挿入孔１１に突入した後には，主室１側から連絡孔１４を通じて副室２内へ導入される。副室２に導入された空気は，連絡孔１４の傾きによって，副室２の底面に向かう方向で入り込み，副室２で縦渦を形成する。副室２の側壁面１６に衝突して拡散した燃料は，副室２内の空気流動によって混合される。したがって，副室側開口１７付近には，以下に述べるように，燃料の過濃な領域，即ち燃料密度の大きな極めて濃い混合気の領域が形成されることになる。これに対して，連絡孔１４から遠い副室２の底面の近傍には燃料の比較的少ない空気の多い領域，燃料密度が小さくほとんど空気だけと言える混合気の領域が形成される。
【００２６】
次に，この副室式エンジンの作動について説明する。エンジンの圧縮行程では，ピストン４の上昇によって圧縮された主室１内の空気は，複数本の連絡孔１４及びノズル挿入孔１１を通じて副室２に圧送され，副室２内で渦を形成する。圧縮行程の初期にはヒートシールド３０がノズル挿入孔１１に突入していないので，一部の空気はノズル挿入孔１１を通じて副室２へ流入する。ヒートシールド３０がノズル挿入孔１１に突入した後は，ノズル挿入孔１１を通じての副室２への空気の流入はなくなり，空気は連絡孔１４を通じてのみの副室２に流入するので，副室２内では連絡孔１４を通じた空気流動が強くなる。上死点前からの予め決められた燃料噴射期間に，燃料噴射ノズル９の噴孔２６から燃料が副室２に噴射される。燃料噴射ノズル９から噴射された燃料は，互いに隣接する連絡孔１４の副室側開口１７間に延びる側壁面１６に対して噴射され，側壁面１６に衝突することによってその周囲に拡散し，副室２内の強い空気流動によって，副室２内では燃料と空気との混合が均一化される。
【００２７】
次いで，燃料と空気の混合気が着火すると，エンジンは膨張行程に移行する。膨張行程では，過濃な混合気を含み連絡孔１４付近の副室２の上部に生じた火炎は，連絡孔１４へ円滑に流入し，連絡孔１４を通じて主室１へ噴出する。膨張行程初期では，ノズル挿入孔１１はヒートシールド３０によって閉鎖されているので，火炎がノズル挿入孔１１を通じて主室１へ噴出することはない。連絡孔１４から噴出する過濃な混合気を含んだ火炎は，主室１内で流動して，主室１内の空気と混合する。そして，火炎は内部まで短期間で空気と混合して希薄化し，主室１内で拡散する。燃焼の終期において，ピストン４が下降してヒートシールド３０がノズル挿入孔１１から抜け出ると，火炎の一部がノズル挿入孔１１を通じて主室１へ噴出するが，連絡孔１４を通じての火炎の噴出と比べてノズル挿入孔１１を通じての火炎の噴出の占める割合は少ない。
【００２８】
このように，このピストンに副室を持つ副室式エンジンは，燃料噴射ノズル９の周囲に筒状ヒートシールド３０が装着されているため，燃料噴射ノズル９の先端部１０は，通孔３３を除き，常に，筒状ヒートシールド３０に覆われている。したがって，ピストン４の位置がどこにあろうとも，ノズルサック部２７や，針弁２０が着座するテーパ面２４，２５に対応する部分を含む先端部１０は，副室２内においては勿論のこと，主室１においても，火炎や高温の燃焼ガスに直接晒されることがなく，熱に対して保護される。また，先端部１０と筒状ヒートシールド３０との間には空気層３６が形成されているので，熱伝導度の低い空気層３６の遮熱作用によってノズル先端部１０への熱の影響が抑制されている。
【００２９】
圧縮行程においては，燃料噴射ノズル９だけの場合よりも早期にノズル挿入孔１１を閉鎖し，副室２内への空気の導入を連絡孔１４のみから行うので，連絡孔１４から導入される空気によって副室２内で強い空気流動が生じる。上死点前に燃料を噴射する場合には，副室２内での空気と燃料との混合をより均一化することができる。その結果，燃料は，希薄で高温で燃焼する機会が減少し，ＮＯX の排出量が低減する。更に，膨張行程においては，ノズル挿入孔１１からのヒートシールド３０の抜出しが遅れるので，燃料噴射ノズル９の周囲にヒートシールド３０を装着しない場合よりも，ノズル挿入孔１１の閉鎖期間が長くなる。したがって，副室２内からノズル挿入孔１１を通じて噴出する火炎が少なくなり，殆どの火炎を連絡孔１４を通じて主室１の全体に広げることができ，燃焼ガス内でのパティキュレート成分の発生が少なくなる。
【００３０】
図３は，クランク角度（ＣＡ）に対する熱発生率ｑと，連絡口面積比変化との関係を示すグラフである。図３の下側のグラフは，クランク角度（ＣＡ）に対する熱発生率ｑのグラフであり，上死点（ＴＤＣ）の直後に燃料が着火し，クランク角度が約２０度で最大値を付けた後，次第に熱発生率ｑが低下している様子が示されている。上死点（ＴＤＣ）からクランク角度で２０度まで燃料噴射期間Ｔｉであり，熱発生率ｑが正の値の範囲が燃焼期間Ｔｂである。
【００３１】
図３の上側のグラフは，クランク角度（ＣＡ）に対する連絡口面積比変化を示すグラフである。実線で示すグラフｆは，図１及び図２に示すヒートシールド３０を備えた副室式エンジンの実施例において，クランク角度の経過に対する連絡口面積比変化を示している。連絡口面積比変化は，容易に理解できるように，上死点位置の縦軸に対して対称な特性となっている。破線で示すグラフｇは，ヒートシールド３０を装着しない場合のクランク角度（ＣＡ）に対する連絡口面積比変化を示している。グラフｇは，上死点位置の縦軸に対して対称な特性である点では相違しないが，ヒートシールド３０を装着しないために，ピストン４がより高く上昇しないと，即ち，クランク角度がより上死点に接近しないとノズル挿入孔１１が燃料噴射ノズル９によって閉鎖されて連絡口面積比が低下せず（図示の例では，上死点前クランク角度２５°），また，上死点後も，クランク角度がより早い時期（上死点後クランク角度２５°）に燃料噴射ノズル９がノズル挿入孔１１から抜け出してノズル挿入孔１１を開口し，連絡口面積比が上昇する。
【００３２】
ヒートシールド３０を装着しないときに，上死点後に連絡口面積比変化がステップ状に増加するクランク角度（図示の例では２５°）から，熱発生率ｑが０にまで低下するクランク角度までの範囲が，ヒートシールド３０を装着することによってノズル挿入孔が閉鎖される期間を調整することができるノズル挿入孔閉鎖調整範囲Ｔａである。図３の下側のグラフにおいて，ハッチングを施した部分においては，主室１に噴出する火炎は，連絡孔１４からの他に，燃料噴射ノズル９が抜け出て開口したノズル挿入孔１１からも存在する期間である。上記のハッチングを施した部分の面積が総熱発生量（ｑの積分）に占める割合が３０％，即ち，総熱発生量のうち７０％までの熱発生量の部分において，副室２で生じた火炎がノズル挿入孔１１を通じて主室１に噴出することなく，連絡孔１４を通じてのみ主室１に噴出するように設定するのが好ましい。このとき，圧縮行程時には，空気の大部分が連絡孔１４を通じて副室２に流入して副室２内に強い空気流動を生じさせると共に，膨張行程時には，火炎の大部分が連絡孔１４を通じて主室１の外周部に噴出して主室１全体に火炎を広げることができる。
【００３３】
【発明の効果】
この発明によるピストンに副室を持つ副室式エンジンは，上記のように，主室とピストンに形成された副室とを，燃料噴射ノズルが突入するノズル挿入孔と複数の連絡孔とで連絡したものにおいて，シリンダヘッドから突出する燃料噴射ノズルの先端部を端部が閉鎖された筒状ヒートシールドによって覆ったので，筒状ヒートシールドは，燃料噴射ノズルを副室内に直接挿入することによって受ける高温の燃料ガスからの熱の影響から燃料噴射ノズルを保護することができる。即ち，燃料噴射ノズルの噴孔が着火後の高温の燃焼ガスに直接に晒されることがないので，高温の燃焼ガスの熱に起因して燃料噴射ノズルのサックボリューム，即ち，燃料溜まり内の燃料が炭化することがなく，ノズルチップの焼損，焼き鈍し現象が発生せず，或いは針弁着座面の摩耗等も発生することがなくなるので，燃料噴射ノズルの耐久性が向上する。
【００３４】
また，圧縮行程時には，筒状ヒートシールドによってノズル挿入孔は，筒状ヒートシールドを装着しない場合に燃料噴射ノズル自体によって閉鎖されるよりも早期に閉鎖されるので，主室内の空気は，主として連絡孔を通じて副室内に流入する。連絡孔を通じて流入した空気は副室内に強い空気流動を生じ，上死点前に噴射した燃料と副室内で一層均一に混合するので，ＮＯｘの発生量が抑制される。また，燃料が着火した後の膨張行程初期においても，燃料噴射ノズルがノズル挿入孔から抜け出てノズル挿入孔が開口される時期が遅れるので，副室で生じた火炎は，ノズル挿入孔から噴出するのが極力抑えられ，より多くの火炎が連絡孔を通じて主室に噴出する。連絡孔からの火炎の噴出方向は主室の外周に向かっているので，火炎の噴射時間が長くなり，主室内での火炎の広がりが強くなり，燃焼ガス中にパティキュレート成分が発生するのが抑制され，燃費の悪化が防止される。
【００３５】
更に，この発明によるピストンに副室を持つ副室式エンジンでは，主室側に突出する突起上部と副室側に突出する突起下部とを形成する構造のように，ピストンに対してスリーブを取り付けたり，シリンダヘッドの下面に突起上部が突入可能な凹部を形成するという加工が必要でない。ピストンに対する加工としては，筒状ヒートシールドを突入することができる程度に単にノズル挿入孔を拡大する程度の変更で済み，ピストンの頂部のプロフィールに大きな変更を必要とせず，ピストンの製作が簡素化される。更に，ノズルホルダに設計上の変更が生じても，シリンダヘッドに対しては，事実上従来のものと同等のものでよく，燃料噴射ノズルに対してもヒートシールドを組み込む程度の工程が付加されるのみであり，エンジンの製造コストの上昇を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるピストンに副室を持つ副室式エンジンの一実施例を示す拡大断面図である。
【図２】図１に示すピストンに副室を持つ副室式エンジンが，ヒートシールドによるノズル挿入孔閉鎖期間の終了時期にある状態を示す断面図である。
【図３】この発明によるピストンに副室を持つ副室式エンジンのクランク角度に応じた連絡口面積比と熱発生率の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 主室
２ 副室
３ シリンダ
４ ピストン
４ａ ピストン頂面
５ シリンダヘッド
５ａ シリンダヘッド下面
６ シリンダブロック
９ 燃料噴射ノズル
１０ 先端部
１１ ノズル挿入孔
１３ ピストンの上壁
１４ 連絡孔
１８ ノズル本体
２６ 噴孔
２７ ノズルサック部
３０ 筒状ヒートシールド
３１ 筒状部
３２ 端部
３３ 通孔
３６ 空気層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
In this invention, the piston has a sub chamber, and the tip of the fuel injection nozzle attached to the cylinder head in a state of protruding from the cylinder head enters a nozzle insertion hole formed in the piston and enters the sub chamber. The present invention relates to a sub-chamber engine for spraying fuel.
[0002]
[Prior art]
As a diesel engine, a direct-type engine and a sub-chamber engine are generally well known. Direct-fired engines are better used for large vehicles such as trucks and buses because they have better fuel efficiency than sub-chamber engines. However, direct-fired engines are more NO than sub-chamber engines. X NO has been increasing and has become more severe in recent years X Compared with regulations, the benefits of fuel consumption are fading. In addition, NOx by an exhaust gas recirculation device (EGR system) that circulates a part of the exhaust gas to the intake side, etc. X Although reduction is being studied, there is a problem that the durability and reliability of the engine deteriorate due to the occurrence of corrosion problems due to the exhaust gas of EGR. So severe NO X NO to comply with regulations X A central sub-chamber engine with low emissions has attracted attention. And it is considered to improve the fuel efficiency of the sub-chamber engine and clear the exhaust gas regulation without EGR.
[0003]
The cause of the deterioration in fuel efficiency of the sub-chamber engine (vortex-chamber diesel engine) is that fuel is first injected into the sub-chamber and ignited and combusted in the sub-chamber, and then the flame is radial from the central axis of the sub-chamber It passes through one communication hole extending in a direction inclined with respect to the main chamber and diffuses throughout the main chamber, so that the combustion period is long, second, the throttle loss of the communication hole is large, third, The heat flow loss is large due to the large air flow and surface area in the sub chamber. In order to eliminate the disadvantages of the conventional sub-chamber engine, a central sub-chamber engine has been proposed. The central sub-chamber engine has a sub-chamber arranged in the center of the cylinder and a plurality of communication holes arranged radially toward the outer periphery of the main chamber. Since the sub chamber is arranged in the center, the time for the flame to reach the cylinder outer wall is shortened compared to the conventional sub chamber, and the passage area of the communication hole is increased to reduce the throttle loss due to the communication hole. It promotes mixing with fresh air present in the chamber, shortens the combustion period, and improves fuel efficiency.
[0004]
An example of a sub-chamber engine having a central sub-chamber in a piston is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-121169. This central sub-chamber engine has a fuel injection nozzle attached to the cylinder head so as to protrude from the lower surface of the center of the cylinder head and hang down. And a plurality of communication holes spaced from each other in the circumferential direction of the nozzle insertion hole through which the nozzle insertion hole communicates with the main chamber and the sub chamber. Is a sub-chamber engine formed on the top of the piston head, and a fuel injection nozzle is inserted into the sub-chamber near the top dead center of the piston, and fuel is injected from the multi-holes onto the side wall of the sub-chamber. ing. A mixture rich in fuel is generated in the upper part of the sub chamber, and the rich mixture is quickly injected into the main chamber to shorten the combustion period.
[0005]
In the above-mentioned publication, the nozzle insertion hole for allowing the fuel injection nozzle to enter the sub chamber formed in the piston is formed by the sleeve, the portion protruding from the piston upper wall of the sleeve is the upper portion of the protrusion, and the sub chamber The part protruding into the room is the lower part of the protrusion, and the nozzle hole part of the fuel injection nozzle is shielded from heat from the flame and high-temperature combustion gas to protect it. That is, since the fuel injection nozzle is directly inserted into the sub chamber, unless the fuel injection nozzle is protected from the high-temperature combustion gas, the nozzle hole portion of the fuel injection nozzle is exposed to the high-temperature combustion gas after ignition. Sack volume, that is, the fuel in the fuel pool is carbonized, the nozzle tip is burnt out or annealed, and the wear of the needle valve seating surface may occur, reducing the durability of the fuel injection nozzle. However, according to what is disclosed in the above publication, the upper and lower protrusions of the sleeve prevent high-temperature combustion gas from coming into direct contact with the injection hole of the fuel injection nozzle. The sleeve protects against heat, and does not cause carbonization of the fuel in the fuel reservoir, burning of the nozzle tip, annealing, wear on the needle valve seating surface, etc., and durability of the fuel injection nozzle Improved To have.
[0006]
By the way, in a piston central sub-chamber engine, a structure in which an upper protrusion protruding toward the main chamber and a lower protrusion protruding toward the sub-chamber are formed by a sleeve attached to the upper wall of the piston. There may be restrictions on the shape of the cylinder head or the structure of the lower surface of the cylinder head. That is, if a large recess is formed in the piston head around the top of the protrusion due to the presence of the top of the protrusion, the volume of the main chamber at top dead center can be reduced, that is, a predetermined compression ratio can be obtained. This makes it impossible to form a recess in the lower surface of the cylinder head into which the upper part of the protrusion can enter.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In a central sub-chamber engine, since the nozzle insertion hole having a large diameter arranged in the upper center of the sub-chamber is generally longer than the plurality of communication holes, the air in the main chamber is not compressed during the piston compression stroke. Flows from the nozzle insertion hole as well as the communication hole. Therefore, during the compression stroke, the amount of inflow that flows into the sub chamber through the communication hole and generates a strong air flow is reduced, so that the net air flow in the sub chamber is reduced and the sub-injection of fuel injected before top dead center is reduced. The uniformity of mixing with air in the room is reduced, and the amount of particulate components and NOx generated is increased. In addition, in the initial stage of the expansion stroke after the fuel has ignited, many flames are ejected not only from the communication hole but also from the nozzle insertion hole that opens after the fuel injection nozzle comes out, so the flame injection time is shortened. , The spread of the flame in the main chamber is weakened, the particulate component is easily generated in the combustion gas, and the fuel consumption is deteriorated.
[0008]
Therefore, in a central sub-chamber engine in which a sub-chamber is arranged in the center of the piston top part, the closing period of the nozzle insertion hole in the sub-chamber is extended without a sleeve attached to the piston upper wall. The air flow into the sub chamber is mainly performed from the communication hole, and the flame during the piston expansion stroke is suppressed from being ejected from the nozzle insertion hole as much as possible, so that more flames are ejected through the communication hole toward the outer periphery of the main chamber. Therefore, there is a problem to be solved in terms of suppressing generation of particulate components and improving fuel consumption.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
An object of the present invention is to solve the above-described problem, and by covering the tip of the fuel injection nozzle with a heat shield, heat is prevented from being directly transferred from the high-temperature combustion gas to the fuel injection nozzle. In addition to preventing carbonization of the fuel in the sack part of the fuel injection nozzle, burning of the nozzle tip, annealing, wear on the needle valve seating surface, etc. Provides a sub-chamber engine with a sub-chamber in the piston that can suppress the generation of particulate components and improve fuel efficiency by minimizing the inflow of air into the sub-chamber and the injection of flame into the main chamber It is to be.
[0010]
In order to achieve the above object, a sub-chamber engine having a sub-chamber in a piston according to the present invention includes: A cylinder head fixed to a cylinder block constituting the cylinder, a piston that reciprocates in the cylinder, a main chamber formed in the cylinder, a sub chamber formed in the center of the piston, and a tip from the lower surface of the cylinder head A fuel injection nozzle that is attached to the cylinder head in a state in which the portion protrudes and has a plurality of injection holes for injecting fuel into the sub chamber, a plurality of communication holes that connect the main chamber and the sub chamber, and the fuel injection In a sub-chamber engine having a sub-chamber in a piston comprising a nozzle insertion hole formed in the piston into which the nozzle enters, the tip of the fuel injection nozzle is covered with a cylindrical heat shield whose end is closed. The end portion of the fuel injection nozzle enters the nozzle insertion hole before the nozzle insertion hole reaches the opening position of the nozzle insertion hole and closes the nozzle insertion hole when the piston rises, and When the piston is lowered, the nozzle injection hole is closed even after the fuel injection nozzle is displaced from the opening position of the nozzle insertion hole to the main chamber side. It is characterized by being.
[0014]
This sub-chamber engine with a sub-chamber in the piston is constructed as described above, so it is formed in the main chamber formed in the cylinder constituted by the cylinder block and the central part of the piston that reciprocates in the cylinder. The fuel injection nozzle attached to the cylinder head with a plurality of communication holes connected to the cylinder head with the tip protruding from the bottom surface of the cylinder head is a nozzle formed on the piston by raising the piston. When entering the insertion hole, fuel is injected into the sub chamber from the multiple injection holes formed at the tip of the fuel injection nozzle. The tip of the fuel injection nozzle is covered with a cylindrical heat shield whose end is closed, so even if the fuel ignites and the sub-chamber and main chamber reach a high temperature, heat is directly applied to the nozzle tip. The tip of the fuel injection nozzle is protected against heat. Further, since the closed end of the cylindrical heat shield is located at a position further below the tip of the fuel injection nozzle, when the piston is raised, the fuel injection nozzle reaches the opening position of the nozzle insertion hole. Also, the nozzle insertion hole is closed in advance, and the nozzle insertion hole is closed. When the piston is lowered, the nozzle hole is closed even after the fuel injection nozzle is displaced from the opening position of the nozzle insertion hole to the main chamber side. ing. The length of the cylindrical heat shield adjusts the closing period of the nozzle insertion hole, adjusts the strength of the air flow through the communication hole, the injection period of the flame into the main chamber and the injection amount, and burns NOx, particulates, etc. It becomes possible to adjust the gas properties.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a sub-chamber engine having a sub-chamber in a piston according to the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of a sub-chamber engine having a sub chamber in a piston according to the present invention, and FIG. 2 is a period in which the sub-chamber engine having a sub chamber in the piston shown in FIG. It is sectional drawing which shows the state which exists in the end time of. In the embodiment of the sub-chamber engine having the sub-chamber in the piston, the intake / exhaust port and the intake / exhaust valve are not shown in order to explain only the main part, but they are provided in the same manner as a normal diesel engine. Yes.
[0016]
A sub-chamber engine having a sub-chamber in the piston shown in FIGS. 1 and 2 has, for example, a cylinder head 5 fixed to a cylinder block 6, and the cylinder block 6 has a number of cylinder bores corresponding to the number of cylinders of the engine. A cylinder liner 7 constituting the cylinder 3 is fitted into the cylinder bore. A piston 3 is incorporated in a cylinder 3 formed by a cylinder liner 7 so as to reciprocate. A main chamber 1 is formed between the top surface 4 a of the piston 4 and the lower surface 5 a of the cylinder head 5. A sub chamber 2 whose contour is defined by a side wall surface 16 is formed at the top of the piston 4. As for the formation of the sub chamber 2, for example, a cavity (not shown; see, for example, the above-mentioned JP-A-8-121169) is formed at the top of the piston, and the heat-resistant alloy or the heat-resistant material disposed in the cavity is rich. The sub chamber 2 can be formed in the piston top member made of ceramic. A heat insulating structure that blocks heat conduction to the main body of the piston 4 is adopted around the piston top member disposed in the cavity.
[0017]
The fuel injection nozzle 9 for injecting fuel into the sub chamber 2 is attached to the cylinder head 5 in a state in which the tip portion 10 including the multiple injection holes 26 protrudes from the cylinder head 5. From the multiple injection holes 26, fuel is injected in a substantially horizontal direction. The number of nozzle holes of the multi-hole 26 is, for example, eight provided around the cylinder central axis 15 at an equal angle. The fuel injection nozzle 9 and the sub chamber 2 are disposed substantially in the center with the cylinder center axis 15 as the center. On the upper wall 13 of the piston 4, a communication hole 14 for communicating the main chamber 1 and the sub chamber 2 and a fuel injection nozzle 9 are inserted into the sub chamber 2 in the vicinity including the top dead center of the piston 4. A nozzle insertion hole 11 is formed.
[0018]
The communication hole 14 that communicates the main chamber 1 and the sub chamber 2 is spaced apart from the cylinder center shaft 15 that coincides with the center of the sub chamber 2 in the upper wall 13 of the piston 4, preferably at equal intervals in the circumferential direction. Thus, it is formed radially toward the outer periphery of the piston 4. That is, the axis of the communication hole 14 is inclined upward so as to go from the cylinder center shaft 15 toward the lower surface 5 a of the cylinder head 5. The communication holes 14 are provided in a number corresponding to the number of the multiple injection holes 26 of the fuel injection nozzle 9. Further, the communication hole 14 is opened at the sub chamber side opening 17 in the side wall surface 16 of the sub chamber 2.
[0019]
The fuel injection nozzle 9 injects fuel substantially horizontally toward the side wall surface 16 of the sub chamber 2, that is, the side wall surface 16 in the vicinity of the sub chamber side opening 17 of the communication hole 14 (indicated by a two-dot chain line in FIG. 1). See fuel injection profile F). The fuel sprayed from the fuel injection nozzle 9 collides with the side wall surface 16, and the collided fuel is atomized and diffused around.
[0020]
In the sub-chamber engine having a sub-chamber in the piston, the fuel injection nozzle 9 has a needle valve 20 that moves up and down in a hollow portion 19 formed in the nozzle body 18 of the injector, and is supplied through the fuel passage 21. The high-pressure fuel reaches the nozzle sack portion 27 of the tip portion 10 through the fuel reservoir 22 and the fuel passage 23 formed in the hollow portion 19 around the needle valve 20. When the needle valve 20 is lowered and the tapered surface 24 formed at the tip of the needle valve 20 is seated on the tapered surface 25 formed at the tip of the nozzle body 18, the communication between the fuel passage 23 and the nozzle sack portion 27 is established. The fuel injection from the nozzle hole 26 is stopped. When the needle valve 20 is lifted and the taper surface 24 is separated from the taper surface 25, fuel is injected from the injection hole 26 formed in the nozzle sack portion 27.
[0021]
A heat shield 30 is put on the front end portion 10 of the fuel injection nozzle 9 protruding from the lower surface 5a of the cylinder head 5. The heat shield 30 is formed of a cylindrical body having a cylindrical portion 31 and a closed end portion 32 provided at the distal end thereof, and protrudes from the lower surface 5a of the cylinder head 5, that is, the fuel passage 23, The portion having the tapered surfaces 24 and 25 and the nozzle sack portion 27 are covered from the outside. The cylindrical portion of the cylindrical portion 31 is formed to be relatively thin, but the end portion 32 is relatively thick in the axial direction as shown by the length D of the tip from the nozzle sack portion 27 in FIG. It is a thick part. The cylindrical portion 31 is larger than the diameter of the injection hole 26 at a position corresponding to the injection hole 26 so that the fuel can be injected outside the cylindrical part 31 without blocking the fuel injected from the injection hole 26. A through hole 33 having a diameter is formed. In the state where the heat shield 30 is incorporated in the fuel injection nozzle 9, an air layer 36 is formed between the tubular portion 31 and the end portion 32 and the fuel injection nozzle 9. The air layer 36 has a heat shielding action for preventing heat from the combustion gas from being directly transmitted to the fuel injection nozzle 9 through the heat shield 30.
[0022]
The base end side of the cylindrical body 31 is a flange portion 34, and the heat shield 30 is incorporated in the fuel injection nozzle 9 by sandwiching the flange portion 34 between the nozzle body 18 and the retaining nut 35. The retaining nut 35 is fixed to the nozzle body 18 by being screwed into the nozzle body 18 with a screw, and is also connected to the nozzle holder 28. The fuel injection nozzle 9 is attached to the cylinder head 5 through a nozzle holder 28 and a nozzle packing 29 in an injector mounting hollow hole 37 formed in the cylinder head 5. The heat shield 30 is assembled by the retaining nut 35 in the illustrated example. However, the heat shield 30 may be directly fixed to the cylinder head 5 or may be integrated with the retaining nut 35, that is, the fuel injection. You may comprise integrally with the nozzle 9. FIG.
[0023]
The diameter of the nozzle insertion hole 11 is large enough to allow the heat shield 30 to enter. When the heat shield 30 enters, the gap formed between the circumferential surface of the heat shield 30 and the inner surface of the nozzle insertion hole 11 is not large. , Is set as small as possible. A passage connecting the main chamber 1 and the sub chamber 2 is a nozzle insertion hole 11 provided in the center of the sub chamber 2 and a communication hole 14 provided toward the outer periphery of the main chamber 1. The ratio of the communication port area defined as the ratio of the cross-sectional area of the passage connecting the main chamber 1 and the sub chamber 2 to the bore area of the cylinder 3 is relative to the cylinder bore area in the case of a piston central sub chamber engine. This is the ratio of the total area of the nozzle insertion hole 11 and the communication hole 14. Therefore, the communication port area ratio varies depending on the vertical movement of the piston 4, that is, the position before and after the top dead center, and when the fuel injection nozzle 9 enters the nozzle insertion hole 11, the communication port area ratio decreases, and the fuel injection nozzle When 9 exits from the nozzle insertion hole 11 to the main chamber 1 side, the communication port area ratio increases.
[0024]
When the heat shield 30 is not used, for example, after the top dead center, the position where the top surface 4a of the piston 4 descends to the two-dot chain line position LL in FIG. When the heat shield 30 is used as the end position of the hole closing period, the position where the top surface 4a of the piston 4 shown in FIG. 2 is lowered becomes the end position of the nozzle insertion hole closing period. That is, the nozzle insertion is performed before and after the top dead center of the piston 4 according to the distance D (FIG. 1) of the end 32 of the heat shield 30 protruding from the nozzle sack 27 at the tip of the fuel injection nozzle 9. The hole closing period can be lengthened.
[0025]
Air introduced through the communication hole 14 during the compression stroke of the engine forms a vortex in the sub chamber 2. The air sucked into the cylinder 3 between the top surface 4a of the piston 4 and the lower surface 5a of the cylinder head 5 rises in the compression stroke of the engine, and the heat shield 30 enters the nozzle insertion hole 11 after the heat shield 30 enters the nozzle insertion hole 11. Is introduced into the sub chamber 2 through the communication hole 14 from the main chamber 1 side. The air introduced into the sub chamber 2 enters in the direction toward the bottom surface of the sub chamber 2 due to the inclination of the communication hole 14, and forms a vertical vortex in the sub chamber 2. The fuel that has collided with the side wall surface 16 of the sub chamber 2 and diffused is mixed by the air flow in the sub chamber 2. Therefore, in the vicinity of the sub-chamber side opening 17, as described below, a fuel-rich region, that is, a very dense air-fuel mixture region having a high fuel density is formed. On the other hand, in the vicinity of the bottom surface of the sub chamber 2 far from the communication hole 14, there are formed a region with a relatively small amount of air and a mixture region where the fuel density is small and almost only air.
[0026]
Next, the operation of this sub-chamber engine will be described. In the compression stroke of the engine, the air in the main chamber 1 compressed by the rise of the piston 4 is pumped to the sub chamber 2 through the plurality of communication holes 14 and the nozzle insertion holes 11 to form vortices in the sub chamber 2. . Since the heat shield 30 does not enter the nozzle insertion hole 11 at the initial stage of the compression stroke, a part of the air flows into the sub chamber 2 through the nozzle insertion hole 11. After the heat shield 30 enters the nozzle insertion hole 11, the air does not flow into the sub chamber 2 through the nozzle insertion hole 11, and the air flows into the sub chamber 2 only through the communication hole 14. Inside, the air flow through the communication hole 14 becomes stronger. Fuel is injected into the sub chamber 2 from the injection hole 26 of the fuel injection nozzle 9 during a predetermined fuel injection period from before the top dead center. The fuel injected from the fuel injection nozzle 9 is injected to the side wall surface 16 extending between the sub chamber side openings 17 of the communication holes 14 adjacent to each other, and is diffused around the side wall surface 16 by colliding with the side wall surface 16. Due to the strong air flow in the chamber 2, the mixing of fuel and air is made uniform in the sub chamber 2.
[0027]
Next, when the fuel / air mixture is ignited, the engine shifts to an expansion stroke. In the expansion stroke, a flame that contains a rich mixture and is generated in the upper portion of the sub chamber 2 near the communication hole 14 smoothly flows into the communication hole 14 and is ejected to the main chamber 1 through the communication hole 14. In the initial stage of the expansion stroke, the nozzle insertion hole 11 is closed by the heat shield 30, so that no flame is ejected to the main chamber 1 through the nozzle insertion hole 11. The flame containing the rich air-fuel mixture ejected from the communication hole 14 flows in the main chamber 1 and mixes with the air in the main chamber 1. The flame mixes with air in a short period of time until it becomes diluted, and diffuses in the main chamber 1. At the end of combustion, when the piston 4 descends and the heat shield 30 comes out of the nozzle insertion hole 11, a part of the flame is ejected to the main chamber 1 through the nozzle insertion hole 11. In comparison, the ratio of the flame ejection through the nozzle insertion hole 11 is small.
[0028]
Thus, in the sub-chamber engine having the sub-chamber in the piston, since the cylindrical heat shield 30 is mounted around the fuel injection nozzle 9, the tip portion 10 of the fuel injection nozzle 9 has a through hole 33. Except for this, it is always covered with the cylindrical heat shield 30. Therefore, wherever the position of the piston 4 is, the tip portion 10 including the nozzle sack portion 27 and the portions corresponding to the tapered surfaces 24 and 25 on which the needle valve 20 is seated is of course in the sub chamber 2. The main chamber 1 is also protected from heat without being directly exposed to a flame or high-temperature combustion gas. In addition, since the air layer 36 is formed between the tip 10 and the cylindrical heat shield 30, the effect of heat on the nozzle tip 10 is suppressed by the heat shielding action of the air layer 36 having low thermal conductivity. Has been.
[0029]
In the compression stroke, the nozzle insertion hole 11 is closed earlier than the case of the fuel injection nozzle 9 alone, and air is introduced into the sub chamber 2 only from the communication hole 14. As a result, a strong air flow is generated in the sub chamber 2. When fuel is injected before top dead center, the mixing of air and fuel in the sub chamber 2 can be made more uniform. As a result, the fuel is dilute and has a reduced chance of burning at high temperatures. X Emissions are reduced. Further, in the expansion stroke, since the extraction of the heat shield 30 from the nozzle insertion hole 11 is delayed, the closing period of the nozzle insertion hole 11 becomes longer than when the heat shield 30 is not mounted around the fuel injection nozzle 9. Accordingly, the flame that is ejected from the sub chamber 2 through the nozzle insertion hole 11 is reduced, and most flames can be spread throughout the main chamber 1 through the communication hole 14 and the generation of particulate components in the combustion gas is reduced. Become.
[0030]
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the heat generation rate q with respect to the crank angle (CA) and the change in the connection port area ratio. The lower graph in FIG. 3 is a graph of the heat generation rate q with respect to the crank angle (CA). The fuel ignites immediately after the top dead center (TDC), and the crank angle is about 20 degrees and the maximum value is obtained. Later, it is shown that the heat generation rate q gradually decreases. The fuel injection period Ti is from the top dead center (TDC) to a crank angle of 20 degrees, and the range in which the heat generation rate q is a positive value is the combustion period Tb.
[0031]
The upper graph in FIG. 3 is a graph showing the change in the connection port area ratio with respect to the crank angle (CA). A graph f indicated by a solid line shows a change in the contact port area ratio with respect to the crank angle in the embodiment of the sub-chamber engine including the heat shield 30 shown in FIGS. 1 and 2. The change in the contact port area ratio is symmetric with respect to the vertical axis of the top dead center position so that it can be easily understood. A graph g indicated by a broken line indicates a change in the connection port area ratio with respect to the crank angle (CA) when the heat shield 30 is not attached. The graph g is not different in that the characteristic is symmetrical with respect to the vertical axis of the top dead center position. However, if the piston 4 does not rise higher because the heat shield 30 is not mounted, that is, the crank angle is higher. If the dead center is not approached, the nozzle insertion hole 11 is closed by the fuel injection nozzle 9 and the communication port area ratio does not decrease (in the example shown, the crank angle before top dead center is 25 °), and also after top dead center. When the crank angle is earlier (crank angle 25 ° after top dead center), the fuel injection nozzle 9 comes out of the nozzle insertion hole 11, opens the nozzle insertion hole 11, and the connection port area ratio increases.
[0032]
When the heat shield 30 is not mounted, from the crank angle (25 ° in the illustrated example) at which the change in the contact port area ratio increases stepwise after top dead center to the crank angle at which the heat generation rate q decreases to zero. The range is a nozzle insertion hole closing adjustment range Ta in which the period during which the nozzle insertion hole is closed by attaching the heat shield 30 can be adjusted. In the lower graph in FIG. 3, in the hatched portion, the flame that is jetted into the main chamber 1 exists not only from the communication hole 14 but also from the nozzle insertion hole 11 that is opened through the fuel injection nozzle 9. It is a period to do. The ratio of the hatched area to the total heat generation amount (integral of q) is 30%, that is, the heat generation amount up to 70% of the total heat generation amount is generated in the sub chamber 2 It is preferable to set so that the flame does not jet into the main chamber 1 through the nozzle insertion hole 11 but only into the main chamber 1 through the communication hole 14. At this time, during the compression stroke, most of the air flows into the sub chamber 2 through the communication hole 14 to generate a strong air flow in the sub chamber 2, and during the expansion stroke, most of the flame passes through the communication hole 14. A flame can be spread over the entire main chamber 1 by being ejected to the outer periphery of the chamber 1.
[0033]
【The invention's effect】
As described above, the sub-chamber engine having a sub chamber in the piston according to the present invention connects the main chamber and the sub chamber formed in the piston through the nozzle insertion hole into which the fuel injection nozzle enters and a plurality of communication holes. Since the tip of the fuel injection nozzle protruding from the cylinder head is covered with a cylindrical heat shield whose end is closed, the cylindrical heat shield is received by inserting the fuel injection nozzle directly into the sub chamber. The fuel injection nozzle can be protected from the influence of heat from the hot fuel gas. That is, since the nozzle hole of the fuel injection nozzle is not directly exposed to the high-temperature combustion gas after ignition, the sack volume of the fuel injection nozzle, that is, the fuel in the fuel reservoir due to the heat of the high-temperature combustion gas. No carbonization occurs, the nozzle tip is not burned or annealed, or the needle valve seating surface is not worn, so that the durability of the fuel injection nozzle is improved.
[0034]
In addition, during the compression stroke, the nozzle insertion hole is closed earlier by the cylindrical heat shield than when the cylindrical heat shield is not attached, so that the air in the main chamber is mainly communicated. It flows into the sub chamber through the hole. The air flowing in through the communication hole causes a strong air flow in the sub chamber and more uniformly mixes with the fuel injected before top dead center in the sub chamber, so that the amount of NOx generated is suppressed. Even in the early stage of the expansion stroke after the fuel has ignited, the time at which the fuel injection nozzle comes out of the nozzle insertion hole and the nozzle insertion hole is opened is delayed, so that the flame generated in the sub chamber is ejected from the nozzle insertion hole. This is suppressed as much as possible, and more flames are ejected to the main chamber through the communication hole. Since the direction of flame ejection from the communication hole is toward the outer periphery of the main chamber, the flame injection time becomes longer, the spread of the flame in the main chamber becomes stronger, and particulate components are generated in the combustion gas. It is suppressed and deterioration of fuel consumption is prevented.
[0035]
Furthermore, in the sub-chamber engine having a sub-chamber in the piston according to the present invention, a sleeve is attached to the piston as in a structure in which a projection upper part projecting to the main chamber side and a projection lower part projecting to the sub-chamber side are formed. In addition, it is not necessary to form a recess in which the upper part of the protrusion can enter into the lower surface of the cylinder head. The piston can be processed simply by enlarging the nozzle insertion hole to the extent that a cylindrical heat shield can be inserted, and the piston top profile is not required to be changed, simplifying the piston manufacturing. Is done. Further, even if the design of the nozzle holder is changed, the cylinder head may be substantially the same as the conventional one, and a process for incorporating a heat shield is added to the fuel injection nozzle. Therefore, an increase in engine manufacturing cost can be suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an enlarged sectional view showing an embodiment of a sub-chamber engine having a sub-chamber in a piston according to the present invention.
2 is a cross-sectional view showing a state in which the sub-chamber engine having the sub-chamber in the piston shown in FIG. 1 is at the end of the nozzle insertion hole closing period by the heat shield.
FIG. 3 is a graph showing a change in a communication port area ratio and a heat generation rate according to a crank angle of a sub-chamber engine having a sub-chamber in a piston according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 main room
2 Sub-room
3 cylinders
4 Piston
4a Piston top surface
5 Cylinder head
5a Cylinder head bottom surface
6 Cylinder block
9 Fuel injection nozzle
10 Tip
11 Nozzle insertion hole
13 Top wall of piston
14 Communication hole
18 Nozzle body
26 injection hole
27 Nozzle sucker
30 Cylindrical heat shield
31 Cylindrical part
32 edge
33 through holes
36 Air layer

Claims (1)

シリンダを構成するシリンダブロックに固定されたシリンダヘッド、前記シリンダ内を往復動するピストン、前記シリンダに形成された主室、前記ピストンの中央部に形成された副室、前記シリンダヘッドの下面から先端部が突出した状態で前記シリンダヘッドに取り付けられ且つ前記副室内に燃料を噴射する多噴孔を有する燃料噴射ノズル、前記主室と前記副室とを連通する複数の連絡孔、及び前記燃料噴射ノズルが突入する前記ピストンに形成されたノズル挿入孔から成るピストンに副室を有する副室式エンジンにおいて、
前記燃料噴射ノズルの先端部は、端部が閉鎖された筒状ヒートシールドによって覆われていて、その端部により、前記ピストンの上昇時には、前記燃料噴射ノズルが前記ノズル挿入孔の開口位置に到達するよりも先行して前記ノズル挿入孔に突入して前記ノズル挿入孔を閉鎖し、且つ前記ピストンの下降時には、前記燃料噴射ノズルが前記ノズル挿入孔の開口位置から、前記主室側に変位した後も前記ノズル挿入孔を閉鎖していることを特徴とするピストンに副室を持つ副室式エンジン。A cylinder head fixed to a cylinder block constituting the cylinder, a piston that reciprocates in the cylinder, a main chamber formed in the cylinder, a sub chamber formed in the center of the piston, and a tip from the lower surface of the cylinder head A fuel injection nozzle that is attached to the cylinder head in a state in which the portion protrudes and has a plurality of injection holes for injecting fuel into the sub chamber, a plurality of communication holes that connect the main chamber and the sub chamber, and the fuel injection In a sub-chamber engine having a sub-chamber in a piston comprising a nozzle insertion hole formed in the piston into which a nozzle enters,
The tip of the fuel injection nozzle is covered with a cylindrical heat shield whose end is closed , and the end of the fuel injection nozzle reaches the opening position of the nozzle insertion hole when the piston is raised. Before entering the nozzle insertion hole, the nozzle insertion hole is closed, and when the piston is lowered, the fuel injection nozzle is displaced from the opening position of the nozzle insertion hole to the main chamber side. A sub-chamber engine having a sub-chamber in a piston, wherein the nozzle insertion hole is closed afterward .
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