JP4456528B2 - Premixed compression self-ignition internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は予混合圧縮自着火式内燃機関に関するものである。 The present invention relates to a premixed compression self-ignition internal combustion engine.
ディーゼルエンジン等の内燃機関の分野では、近年、環境問題の高まりに伴って年々厳しい排気規制が施行されており、煤やスモーク、CO、NOx等の大気汚染物質の排出を低減し、また、燃費を向上することが強く要請されている。 In recent years, in the field of internal combustion engines such as diesel engines, stricter exhaust regulations have been enforced year by year due to the growing environmental problems, reducing emissions of soot, smoke, CO, NOx and other air pollutants, and fuel consumption There is a strong demand for improvement.
しかしながら、ディーゼルエンジンは、シリンダ内で圧縮された空気に燃料を噴霧し、自着火により燃焼させるため、空気と燃料との混合に濃淡が生じ易く、燃料濃度が濃いところでは煤やスモークを、量論比付近ではNOxを生成し易くなっている。 However, since diesel engines spray fuel on compressed air in a cylinder and burn it by self-ignition, light and dark mixing tends to occur in the mixture of air and fuel, and soot and smoke can be produced where the fuel concentration is high. It is easy to generate NOx near the theoretical ratio.
このような事情に鑑み、近年、予混合圧縮自着火方式が注目されている。この予混合圧縮自着火方式は、ピストンが上死点に至る前の圧縮行程初期から中期に燃料を噴射することで、燃焼室内で燃料と空気とを予め均一に混合し、この混合気をピストンによる圧縮により昇温、昇圧させ、燃料の発火点において自着火させる技術である。この方式によれば、高い空気過剰率によってスモークの発生を抑制可能であり、また、火炎温度を均一化できることからNOxの発生も抑制することが可能である。また、予混合圧縮自着火方式に、通常の噴霧燃焼方式を組み合わせ、複数段の噴射を行わせる技術も知られている。 In view of such circumstances, in recent years, a premixed compression self-ignition system has attracted attention. This premixed compression auto-ignition method injects fuel from the beginning to the middle of the compression stroke before the piston reaches top dead center, so that the fuel and air are uniformly mixed in advance in the combustion chamber. This is a technology that raises the temperature and raises the pressure by compression by the self-ignition at the ignition point of the fuel. According to this method, the generation of smoke can be suppressed by a high excess air ratio, and the generation of NOx can be suppressed because the flame temperature can be made uniform. Also known is a technique in which a normal spray combustion system is combined with a premixed compression self-ignition system to perform a plurality of stages of injection.
ところが、予混合圧縮自着火方式では、ピストンが上死点に至る前の低い位置にあるときに燃料が噴射されるため、該燃料が直接シリンダライナーに衝突してしまう恐れがある。ピストンが上昇する過程では、シリンダ内の温度と圧力はそれほど上昇していないため、シリンダライナーに衝突した燃料は蒸発することなくそのまま付着する可能性が高い。付着した燃料はピストンにより掻き落とされてオイルを希釈させたり、そのまま燃焼に寄与することなく白煙となって排出される恐れがあり、また、当然に燃費を悪化させる原因にもなる。 However, in the premixed compression self-ignition system, fuel is injected when the piston is at a low position before reaching the top dead center, so that the fuel may directly collide with the cylinder liner. In the process of raising the piston, the temperature and pressure in the cylinder do not rise so much, so the fuel that has collided with the cylinder liner is likely to adhere as it is without evaporating. The adhering fuel may be scraped off by the piston to dilute the oil, or may be discharged as white smoke without contributing to the combustion as it is, and naturally also causes a deterioration in fuel consumption.
一方、下記特許文献1には、ピストンの頂面に対向するシリンダヘッドの爆面に凹状のドーム(ヘッドキャビティ)を形成し、ドームの底部に、ドームの周壁面に向かって開口する燃料噴射口を有する噴射ノズルを備えたディーゼルエンジンが開示されている。
On the other hand, in
この技術を用いて、予混合圧縮自着火を行った場合、燃料はシリンダライナーに到達する前にドームの周壁面に衝突して方向が変えられるとともに微粒化されるため、シリンダライナーへの燃料の付着を防止することが可能になる。 When premixed compression auto-ignition is performed using this technique, the fuel collides with the peripheral wall of the dome before reaching the cylinder liner, and the direction is changed and atomized. It becomes possible to prevent adhesion.
上記特許文献1では、シリンダヘッドのドームが半球状に形成されており、このドームの周壁面に衝突した燃料は、大部分が下方に拡散するが、一部は上方に拡散する。しかし、燃料の衝突部分よりも上側には空間が少ないため、燃料過濃の混合気が生成され、スモークが生じやすくなるという欠点がある。
In
本発明は、予混合圧縮自着火式の内燃機関において、噴射された燃料噴霧が直接シリンダライナーに衝突することを防止するとともに、燃料の拡散及び空気との混合を促進し、均一な希薄混合気を形成することにより、NOx及びスモークの発生を抑制することを目的とする。 In the premixed compression self-ignition internal combustion engine, the present invention prevents the injected fuel spray from directly colliding with the cylinder liner and promotes the diffusion of the fuel and the mixing with the air, thereby producing a uniform lean mixture. The purpose of this is to suppress the generation of NOx and smoke.
請求項1に記載の発明は、ピストンの頂面に対向するシリンダヘッドの爆面に凹状のヘッドキャビティが形成され、ヘッドキャビティの底部に、ヘッドキャビティの周壁面に向かって燃料を噴射する複数の燃料噴射口を有する噴射ノズルが設けられており、前記ヘッドキャビティの底面が、前記シリンダヘッドの爆面に略平行な平坦面に形成され、前記ヘッドキャビティの周壁面が、前記ピストン側へ向けて拡開状に傾斜されており、前記ヘッドキャビティの周壁面の、燃料が衝突する部分に、噴射ノズル側へ膨出する膨出部が設けられており、前記膨出部の頂部が、前記噴射ノズルを中心とする放射方向に直線状に形成されており、前記周壁面が、前記噴射ノズルを中心とする周方向に沿って凹凸形状を呈している。
In the first aspect of the present invention, a concave head cavity is formed on the explosion surface of the cylinder head facing the top surface of the piston, and a plurality of fuels are injected at the bottom of the head cavity toward the peripheral wall surface of the head cavity. An injection nozzle having a fuel injection port is provided, the bottom surface of the head cavity is formed in a flat surface substantially parallel to the explosion surface of the cylinder head, and the peripheral wall surface of the head cavity is directed toward the piston side. are inclined in expanded form, the peripheral wall surface of the head cavity, the portion where the fuel collides, bulging portion that bulges to the injection nozzle side is provided with the top portion of the bulging portion, the injection It is linearly formed in the radial direction centering on the nozzle, and the peripheral wall surface has an uneven shape along the circumferential direction centering on the injection nozzle .
請求項2に記載の発明は、ピストンの頂面に対向するシリンダヘッドの爆面に凹状のヘッドキャビティが形成され、ヘッドキャビティの底部に、ヘッドキャビティの周壁面に向かって燃料を噴射する複数の燃料噴射口を有する噴射ノズルが設けられており、前記ヘッドキャビティの底面が、前記シリンダヘッドの爆面に略平行な平坦面に形成され、前記ヘッドキャビティの周壁面が、前記ピストン側へ向けて拡開状に傾斜されており、前記ヘッドキャビティの周壁面の、燃料が衝突する部分に、噴射ノズル側へ膨出する膨出部が設けられ、該膨出部の頂部が、噴射ノズルから離れるに従いスワール流の下流側へ傾斜している。
According to the second aspect of the present invention, a concave head cavity is formed on the explosion surface of the cylinder head facing the top surface of the piston, and a plurality of fuels are injected at the bottom of the head cavity toward the peripheral wall surface of the head cavity. An injection nozzle having a fuel injection port is provided, the bottom surface of the head cavity is formed in a flat surface substantially parallel to the explosion surface of the cylinder head, and the peripheral wall surface of the head cavity is directed toward the piston side. are inclined in expanded form, the peripheral wall surface of the head cavity, the portion where the fuel collides, the bulge portion is provided with a bulge to the injection nozzle side, the apex of the bulging portion, away from the injection nozzle according to you it is inclined to the downstream side of the swirl flow.
請求項3に記載の発明は、ピストンの頂面に対向するシリンダヘッドの爆面に凹状のヘッドキャビティが形成され、ヘッドキャビティの底部に、ヘッドキャビティの周壁面に向かって燃料を噴射する複数の燃料噴射口を有する噴射ノズルが設けられており、前記ヘッドキャビティの底面が、前記シリンダヘッドの爆面に略平行な平坦面に形成され、前記ヘッドキャビティの周壁面が、前記ピストン側へ向けて拡開状に傾斜されており、前記ヘッドキャビティの周壁面の傾斜角度が、互いに隣接する燃料噴射口から噴射された燃料が衝突する部分同士で異なっている。
According to a third aspect of the present invention, a concave head cavity is formed on the explosion surface of the cylinder head facing the top surface of the piston, and a plurality of fuels are injected at the bottom of the head cavity toward the peripheral wall surface of the head cavity. An injection nozzle having a fuel injection port is provided, the bottom surface of the head cavity is formed in a flat surface substantially parallel to the explosion surface of the cylinder head, and the peripheral wall surface of the head cavity is directed toward the piston side. It is inclined in expanded form, the inclination angle of the peripheral wall surface of the head cavity, that are different in part between the impinging fuel injected from the fuel injection port adjacent to each other.
請求項4に記載の発明は、ピストンの頂面に対向するシリンダヘッドの爆面に凹状のヘッドキャビティが形成され、ヘッドキャビティの底部に、ヘッドキャビティの周壁面に向かって燃料を噴射する複数の燃料噴射口を有する噴射ノズルが設けられており、前記ヘッドキャビティの底面が、前記シリンダヘッドの爆面に略平行な平坦面に形成され、前記ヘッドキャビティの周壁面が、前記ピストン側へ向けて拡開状に傾斜されており、前記ヘッドキャビティの周壁面の傾斜角度が、互いに隣接する燃料噴射口から噴射された燃料が衝突する部分同士で異なっており、前記周壁面が、ヘッドキャビティの深さ方向に複数段の階段状に形成されている。
In a fourth aspect of the present invention, a concave head cavity is formed on the explosion surface of the cylinder head facing the top surface of the piston, and a plurality of fuels are injected at the bottom of the head cavity toward the peripheral wall surface of the head cavity. An injection nozzle having a fuel injection port is provided, the bottom surface of the head cavity is formed in a flat surface substantially parallel to the explosion surface of the cylinder head, and the peripheral wall surface of the head cavity is directed toward the piston side. are inclined in expanded form, the inclination angle of the peripheral wall surface of the head cavity, are different in the portion between the colliding fuel injected from the fuel injection port adjacent to each other, wherein the circumferential wall surface of the head cavity depth that is formed in a plurality of stages of stepwise directionally.
本発明によれば、燃料噴射口から噴射された燃料がヘッドキャビティの周壁面に衝突することによって、シリンダライナーに直接的に付着することが防止されるとともに、衝突によって燃料が微粒化するため、空気との混合が促進される。また、ヘッドキャビティの底面が、シリンダヘッドの爆面に略平行な平坦面に形成されているので、燃料の衝突部分よりもヘッドキャビティの底面側に、従来に比べて広い空間を形成することができ、ヘッドキャビティ内における燃料と空気との混合を促進することができる。
According to the present invention, since the fuel injected from the fuel injection port collides with the peripheral wall surface of the head cavity, it is prevented from directly adhering to the cylinder liner, and the fuel is atomized by the collision. Mixing with air is promoted. In addition, since the bottom surface of the head cavity is formed on a flat surface substantially parallel to the explosion surface of the cylinder head, it is possible to form a wider space on the bottom surface side of the head cavity than the collision portion of the fuel. And mixing of fuel and air in the head cavity can be promoted.
請求項1の発明によれば、前記ヘッドキャビティの周壁面に形成した膨出部に燃料を衝突させることで、燃料を噴射ノズルの周方向に積極的に拡散させることができ、空気との均一な混合を促進することができる。
According to the first aspect of the present invention, the fuel can be actively diffused in the circumferential direction of the injection nozzle by causing the fuel to collide with the bulging portion formed on the peripheral wall surface of the head cavity, so that it is uniform with the air. Mixing can be promoted.
請求項2の発明によれば、前記ヘッドキャビティの周壁面に形成した膨出部に燃料を衝突させることで、燃料を積極的に拡散させることができ、さらに、拡散した燃料をスワール流にのせて空気との均一な混合を促進することができる。
According to the second aspect of the present invention, the fuel can be actively diffused by causing the fuel to collide with the bulging portion formed on the peripheral wall surface of the head cavity, and further, the diffused fuel can be placed on the swirl flow. To promote uniform mixing with air.
請求項3の発明によれば、隣接する燃料噴射口から噴射された燃料が、ヘッドキャビティの周壁面に衝突した後、互いに重なることが少なくなり、燃料の濃淡の発生を抑制し、空気との均一な混合を促進することができる。また、ヘッドキャビティの周壁面に凹凸が形成され、表面積が拡大するため、付着した燃料の蒸発を促進することができる。
According to the invention of claim 3 , after the fuel injected from the adjacent fuel injection port collides with the peripheral wall surface of the head cavity, it is less likely to overlap each other, and the occurrence of fuel concentration is suppressed, Uniform mixing can be promoted. In addition, since unevenness is formed on the peripheral wall surface of the head cavity and the surface area is enlarged, evaporation of the attached fuel can be promoted.
請求項4の発明によれば、隣接する燃料噴射口から噴射された燃料が、ヘッドキャビティの周壁面に衝突した後、互いに重なることが少なくなり、混合気の空間利用率を向上させるだけでなく、燃料の濃淡の発生を抑制し、空気との均一な混合を促進することができる。また、ヘッドキャビティの周壁面に凹凸が形成され、表面積が拡大するため、付着した燃料の蒸発を促進することができる。
According to the invention of claim 4 , the fuel injected from the adjacent fuel injection ports does not overlap each other after colliding with the peripheral wall surface of the head cavity, and not only improves the space utilization rate of the air-fuel mixture. Further, it is possible to suppress the occurrence of fuel density and promote uniform mixing with air. In addition, since unevenness is formed on the peripheral wall surface of the head cavity and the surface area is enlarged, evaporation of the attached fuel can be promoted.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
本実施形態の内燃機関は、予混合圧縮自着火方式のディーゼルエンジンであり、その構造の詳細について説明する前に、基本的な作動工程を簡単に説明する。図1は、本実施形態のディーゼルエンジンの作動工程の概要を示す説明図である。このディーゼルエンジンは、シリンダ10にピストン11を摺動自在に嵌合するとともに、シリンダヘッド12に、燃料噴射ノズル13、吸気孔14、及び排気孔15を設け、吸気孔14及び排気孔15を、それぞれ吸気用及び排気用バルブ17によって開閉自在にしたものである。ピストン11頂面とシリンダ10側面とシリンダヘッド12下面との間には、燃焼室18が形成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
The internal combustion engine of the present embodiment is a premixed compression auto-ignition type diesel engine, and a basic operation process will be briefly described before the details of the structure are described. FIG. 1 is an explanatory diagram showing an outline of the operation process of the diesel engine of the present embodiment. In this diesel engine, a
図1中(a)は吸気行程、(b)は圧縮行程、(c)は膨張行程、(d)は排気行程である。(a)の吸気行程では、ピストン11が上死点から下死点へ移動し、その間に吸気孔14から燃焼室18に空気が取り込まれる。(b)の圧縮行程では、吸気した空気が圧縮されるとともに、圧縮初期から中期にかけて、燃料噴射ノズル13から燃料Sが噴射(プレ噴射)され、空気と燃料との混合気が形成される(予混合)。ピストン11が上死点付近になると、予混合気が圧縮によって昇温、昇圧され、自着火する。また、上死点付近では再度燃料Sが噴射(メイン噴射;(c)に示す)され、該燃料Sは、直ちに蒸発しながら拡散し、高温高圧の雰囲気下で自着火する。このメイン噴射による燃焼で、出力が向上されるとともに、予混合気の燃焼により発生したHCやCOが燃焼される。(c)の膨張行程では、ピストン11が下降し、(d)の排気行程では、排気用バルブ17が開き、ピストン11の上昇により排気孔15から燃焼室18内の排気が排出される。
In FIG. 1, (a) is an intake stroke, (b) is a compression stroke, (c) is an expansion stroke, and (d) is an exhaust stroke. In the intake stroke (a), the
したがって、本実施形態では、予混合のためのプレ噴射と、通常の圧縮自着火燃焼(ディーゼル燃焼)のためのメイン噴射との複数段の噴射が行われるようになっている。そして、このような複数段の噴射を行うため、上記シリンダ10、ピストン11、燃料噴射ノズル13の形状の適正化が図られている。以下、この点について詳細に説明する。
Therefore, in the present embodiment, multiple stages of injection are performed, that is, pre-injection for premixing and main injection for normal compression self-ignition combustion (diesel combustion). And in order to perform such multi-stage injection, optimization of the shape of the said
〔ピストン11の構成〕
図2及び図3は、本発明を適用したディーゼルエンジンのシリンダ頂部の断面図であり、特に、図2はピストン11が上死点よりも下位にある状態(プレ噴射を行っている状態)、図3はピストン11が上死点付近にある状態(メイン噴射を行っている状態)を示す。図2に示すように、ピストン11の頂面には、凹状のピストンキャビティ20が形成されている。ピストンキャビティ20の底部中央には、シリンダヘッド12側に突出する中央突出部21が形成されており、該中央突出部21は、基部(裾野部)の外径が大きく頂部の外径が小さくなるような、山形に形成され、外周面22が反シリンダヘッド12側に向けて拡開状に傾斜する傾斜面となっている。この外周面22の拡開角度にはCを付してある。
[Configuration of Piston 11]
2 and 3 are cross-sectional views of a cylinder top portion of a diesel engine to which the present invention is applied. In particular, FIG. 2 is a state where the
ピストンキャビティ20の底面24は、中央突出部21の傾斜面22になだらかに連なる円弧面に形成されている。ピストンキャビティ20の外周面25は、底面24から連続する円弧面に形成され、ピストン11の頂面まで延びている。ピストンキャビティ20の開口部26は、外周面25よりもやや径方向内方に入り込んでおり、これによって、径方向内方に突出するリップ部27が形成されている。図2において、ピストンキャビティ20の開口径にはφYを付し、ピストンキャビティ20の外周面25における最大外径にはφZを付してある。
The
〔シリンダヘッド12の構成〕
図5は、シリンダヘッドを拡大して示す断面図である。図2、図3、及び図5に示すように、ピストン11頂面に対向するシリンダヘッド12の爆面28には、凹状のヘッドキャビティ29が設けられており、該ヘッドキャビティ29は、裁頭円錐形に形成されている。すなわち、ヘッドキャビティ29の底面30は、爆面28に略平行な平坦面に形成されており、ヘッドキャビティ29の周壁面31は、ピストン11側(図2の下側)に向けて拡開状に傾斜されている。図2において、ヘッドキャビティ29の開口径にはφXを付し、周壁面31の拡開角度にはAを付してある。
[Configuration of Cylinder Head 12]
FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of the cylinder head. As shown in FIGS. 2, 3, and 5, the
図6は、図2のVI−VI矢視断面図である。シリンダヘッド12には、吸気用、排気用のバルブシート33が各2個ずつ設けられ、各バルブシート33に吸気用、排気用のバルブ17が設けられている。ヘッドキャビティ29は、4つのバルブ17の間に囲まれ、各バルブシート33に外接する大きさに形成されている。ただし、必ずしも各バルブシート33に外接しなくても、その外接円の範囲内で可及的に大きく形成することができる。
6 is a cross-sectional view taken along the line VI-VI in FIG. The
図5に示すように、本実施形態では、ヘッドキャビティ29の周壁面31に、シリンダヘッド12とは別の素材で形成された燃料衝突部34を設けている。この燃料衝突部34は、ヘッドキャビティ29の深さ全体に渡る幅を有し、当該幅に渡って均等な厚さに形成されている。素材としては、耐熱性及び断熱性を有するものが用いられ、例えば、SUH系の耐熱鋼等が用いられる。ただし、この燃料衝突部34を省略し、シリンダヘッド12そのものの素材で周壁面31を構成してもよい。
As shown in FIG. 5, in the present embodiment, a
〔燃料噴射ノズル13の構成〕
図2及び図3に示すように、ヘッドキャビティ29の底面30の中央部には、燃料噴射ノズル13が設けられている。噴射ノズル13は、下部にニードル弁を収容した細径部36、上部に細径部36よりも大径の太径部37を有しており、細径部36と太径部37との間には段部38が形成されている。噴射ノズル13は、シリンダヘッド12に形成された保持孔39にホルダー40を介して装着されている。ホルダー40は、筒形に形成されるとともに、筒内部が、噴射ノズル13の外形に適合した形状に形成されている。ホルダー40の内面と細径部36との間には、両者間の気密を保つ筒形の第1シール材41が介装され、ホルダー40と段部38との間には環状の第2シール材42が介装されている。ホルダー40の先端部は、保持孔39を介してヘッドキャビティ29の底面に露出している。また、ホルダー40の先端部には、径内方向に折曲部43が突設され、折曲部43によって第1シール材41を下側から受けている。
[Configuration of Fuel Injection Nozzle 13]
As shown in FIGS. 2 and 3, the
図5に示すように、噴射ノズル13の先端には、複数の燃料噴射口44が形成されている。燃料噴射口44は、ノズル軸心O1を中心として放射状に、4〜10個形成されている。各噴射口44は、それぞれヘッドキャビティ29の周壁面31(燃料衝突部34)に向けて開口している。
As shown in FIG. 5, a plurality of
〔ヘッドキャビティ29と燃料噴射ノズル13との関係〕
図2に示すように、噴射ノズル13の燃料噴射口44から噴射された燃料は、全体として円錐状又は水平に放射方向に拡散する。このときの噴霧軸線X1の拡散角度(噴霧角度)をBとすると、120°≦B≦180°に設定されている。このように設定することによって、燃料が直接周壁面31に衝突するようになっている。この衝突によって、燃料は、方向が変えられるとともに、微粒化されるようになっている。
[Relationship Between
As shown in FIG. 2, the fuel injected from the
したがって、プレ噴射を行う場合において(図1(b)、図2)、燃料が直接シリンダライナー46に衝突して付着してしまうことを防止することができる。また、周壁面31に対する衝突で燃料が微粒化するので、空気との混合をより促進することができる。なお、図2には、比較として、ヘッドキャビティ29の周壁面31に衝突しない場合の噴霧軸線X2を2点差線で例示しており、この場合、シリンダライナー46に燃料が衝突することになる。
Therefore, when pre-injection is performed (FIGS. 1B and 2), it is possible to prevent the fuel from directly colliding with the
上記噴霧角度Bを120°以上としたのは、それ以下であると、ヘッドキャビティ29の周壁面31に燃料を衝突させるためにヘッドキャビティ29を深く形成する必要が生じ、シリンダヘッド12の大幅な構造の変更を伴うことになるからである。噴霧角度Bを180°以下としたのは、それ以上であると、噴射ノズル13における流量係数が低下するからである。また、メイン噴射を行う場合において、ヘッドキャビティ29内の上部側(底面30側)に多くの燃料が拡散し、該部分の燃料濃度が高くなり、スモーク発生の原因となるからである。
If the spray angle B is set to 120 ° or more, it is necessary to form the
一方、ヘッドキャビティ29の周壁面31の拡開角度Aは、60°≦A≦120°に設定されている。この拡開角度Aは、小さければ小さいほど、衝突後の燃料がシリンダライナー46に付着する可能性を低くする。しかし、拡開角度Aを小さくすることは、メイン噴射(図1(c)、図3)を行う場合の燃料拡散の妨げになる。すなわち、メイン噴射され周壁面31に衝突した後の燃料と、シリンダ10内の径方向外側に存在する多量の空気との混合を促進することが困難となり、均一な混合気形成の妨げになる。また、ヘッドキャビティ29の周壁面31に衝突した燃料がヘッドキャビティ29内の上部側に多く拡散されることになり、ヘッドキャビティ29内の燃料過濃によりスモークを生じ易くなる。したがって、本実施形態では、拡開角度Aを、上記の如く設定することにより、プレ噴射、メイン噴射の双方において、適切な混合気形成を実現している。
On the other hand, the expansion angle A of the
また、ヘッドキャビティ29の周壁面31と燃料の噴霧軸線X1との、ピストン11側の交差角度をDとすると、120°≦D<180°に設定されている。このDが120°以下であると、メイン噴射を行う場合において、ヘッドキャビティ29内の上部側への燃料の拡散が多くなり、スモークが発生し易くなり、180°以上であると、実質的に燃料がほとんど周壁面31に衝突しなくなるからである。
Further, assuming that the intersection angle between the
上記ヘッドキャビティ29は、底面30がシリンダヘッド12の爆面28と略平行な平坦面に形成されており、図5に示すように、底面30と周壁面31との境界に角部47が形成されている。この角部47の存在によって、ヘッドキャビティ29内の上部側には、従来技術(ドーム形乃至円錐形のヘッドキャビティ)よりも広い空間Rが確保されている。そのため、ヘッドキャビティ29の周壁面31に衝突した燃料がヘッドキャビティ29の上部側(底面30側)に拡散したとしても、従来技術に比べて空気との混合が促進されるようになっている。
The
なお、燃料噴射口44から噴射された燃料は、その全てが周壁面31に衝突しなくてもよく、少なくとも噴霧軸線X1が周壁面31に衝突するように設定されていればよい。すなわち、噴霧軸線X1が周壁面31に衝突した部分と爆面28とのシリンダ軸心方向の距離をEとしたとき、E>0の条件を満たしていればよい。燃料液滴の速さは噴霧軸X1上で最も高く、径方向外方にいくに従い周囲空気とのせん断作用で速さが低下するため、噴霧軸線X1より下側の燃料は、霧状になり、貫徹力が小さくなって、周壁面31に衝突しなくてもシリンダライナー46に至ることが少なくなり、また、周壁面31に衝突した燃料が下向き成分となって拡散することによって、シリンダライナー46に向かう貫徹力を一層弱めるからである。
The fuel injected from the
燃料は、燃料噴射口44から出た直後は液柱状であり、その後霧状に拡散しつつ周壁面31に到るようになっている。本実施形態では、燃料噴射口44から周壁面31までの噴霧軸線X1の距離(長さ)Lと、燃料噴射口44の口径φdとが、L/φd≧50の関係に設定されている。このように設定することで、燃料Sの液柱部分S1(長さをL1で示す)が直接周壁面31に衝突して付着しないようになっている。
The fuel is in the form of a liquid column immediately after exiting from the
機関始動時等の低負荷運転時に、液柱状の燃料がヘッドキャビティ29の周壁面31に付着すると、燃焼に関与することなく白煙となって排出されてしまうが、上記の如く、距離Lと口径φdとを設定することで、このような問題を解決することができる。なお、距離Lと口径φdとの上記関係は、燃料噴射圧を約50MPa以上とした場合に特に有効である。
If the liquid columnar fuel adheres to the
前述したように、ヘッドキャビティ29の周壁面31には、断熱性及び耐熱性を有する燃料衝突部34が設けられている。シリンダヘッド12は冷却水によって冷却されるが、この燃料衝突部34は、その断熱性によって温度が低下し難くなっている。したがって、燃料衝突部34に衝突した燃料は、燃料衝突部34の熱によって蒸発しやすくなり、付着した燃料が白煙となって排出されることが防止されている。
As described above, the
ヘッドキャビティは、図6に示したように、吸気用及び排気用の4つのバルブシート33に外接するように設けられている。すなわち、バルブシート33を侵食しない範囲で最大限に形成されている。これにより、燃料噴射ノズル13からヘッドキャビティ29の周壁面31までの距離を可及的に遠くすることができ、燃料の液柱部分S1が周壁面31に付着することを防止している。
As shown in FIG. 6, the head cavity is provided so as to circumscribe the four
〔ヘッドキャビティとピストンキャビティとの関係〕
上記ヘッドキャビティ29の開口径φXは、ピストンキャビティ20の開口部26の径φYよりも、小さく形成されている。具体的には、φY≧1.2×φXの関係にある。したがって、メイン噴射(図1(c)、図3)を行う場合において、噴射ノズル13から噴射されヘッドキャビティ29の周壁面31に衝突した燃料は、そのほとんどがピストンキャビティ20内に導入される。そして、圧縮行程におけるピストンキャビティ20内へのスキッシュ流と、膨張行程におけるピストンキャビティ20外への逆スキッシュ流によって、燃料の流動に強い乱れが生じるとともに、ピストン11内の径方向外側において空気との混合がより促進されるようになっている。
[Relationship between head cavity and piston cavity]
The opening diameter φX of the
なお、ピストンキャビティ20の開口部26の径φYは、ピストンキャビティ20の外周面25の外径(最大外形)φZよりも小さく形成され、開口部26には、径方向内方に突出するリップ部27が形成されているため、より強いスキッシュ流及び逆スキッシュ流を得ることができる。
The diameter φY of the
〔噴射燃料とピストンキャビティ20との関係〕
ピストンキャビティ20に形成された突出部21は、既に説明したように山形に形成されており、その外周面22の拡開角度Cは、C≦140°に設定されている。メイン噴射を行う場合において(図1(c)、図3)、噴射ノズル13から噴射されヘッドキャビティ29に衝突した燃料は、さらに円錐状に広がりながらピストンキャビティ20内の突出部21の外周面22の傾斜に衝突する。したがって、突出部斜面22に衝突したのちも、燃料はさらに径方向外側に導かれ、空気との混合が促進されるようになっている。
[Relationship between injected fuel and piston cavity 20]
The
図3に示すように、ピストンキャビティ20に対して燃料が衝突した部分の径φVと、ピストンキャビティ20の最大外径φZとは、φV≧0.5×φZの関係にある。したがって、メイン噴射を行った場合に、燃料は、ピストンキャビティ内の径方向外方に広がり、空気との混合が促進される。したがって、ピストンキャビティ20の中央付近に燃料が噴射されて、径方向外方の空気を使わずに火炎が収縮する”熱ピンチ”の発生が防止されるようになっている。
As shown in FIG. 3, the diameter φV of the portion where the fuel collides with the
上記メイン噴射は、ピストン11がほぼ上死点にあるときだけでなく、主としてNOx低減のために、上死点を過ぎた後に遅延してなされる場合がある。このような場合に、噴射された燃料がピストンキャビティ20から外れて噴射されると、均一な混合気の生成が阻害され、スモークが増加する。したがって、本実施形態では、ピストン11が上死点からクランク角±40°の範囲内にあるときに、噴射された燃料が確実にピストンキャビティ20内に入るように、燃料噴射角B、周壁面31の拡開角度A、ピストンキャビティ20の開口径φY等が設定されている。一例として、図4には、クランク角が上死点±30°の場合のピストン11の配置を示している。
The main injection may be delayed not only when the
なお、本実施形態では、周壁面31に衝突した燃料の噴霧軸線X1が、径方向外方へ最大に広がった場合、すなわち、燃料の噴霧軸線X1が、周壁面31に衝突したあと、そのまま周壁面31の傾斜に沿って拡散した場合を想定して、噴霧軸線X1がピストンキャビティ20内に入るように設定している。
In the present embodiment, when the fuel spray axis X1 that collides with the
〔第2の実施形態〕
図7及び図8は、燃焼衝突部34に係る第2の実施形態を示す断面図である。本実施形態では、燃料衝突部34のシリンダヘッド12に対する当接面に凹部55を形成し、該凹部55内に空気を存在させることによって断熱層56を形成したものである。
[Second Embodiment]
7 and 8 are cross-sectional views showing a second embodiment related to the
図7に示す凹部55は、断面矩形状であり、図8に示す凹部55は、断面半円形状であって、ヘッドキャビティ29の深さ方向に複数(3個)形成されている。
The
本実施形態のように、空気層からなる断熱層をシリンダヘッド12と燃料衝突部34との間に形成することによって断熱性を高め、燃料衝突部34の表面温度を維持し、衝突した燃料の蒸発を促進することができる。
As in the present embodiment, a heat insulating layer made of an air layer is formed between the
〔第3の実施形態〕
図9は、ヘッドキャビティ29に係る第3の実施形態であり、(a)は、ピストン11側から見たヘッドキャビティの平面図、(b)は、(a)のb−b矢視断面図である。本実施形態では、ヘッドキャビティ29の周壁面31に、径方向内方に膨出する膨出部58が周方向に複数形成され、実質的に周壁面31が凹凸形状を呈している。
[Third Embodiment]
9A and 9B show a third embodiment of the
膨出部58は、略3角形の山形であり、頂部58Aが、噴射ノズル13を中心とした放射方向に直線状に形成されている。隣接する膨出部58間には、嵌入部59が形成されており、嵌入部59の底部59Aも、噴射ノズル13を中心とした放射方向に直線状に形成されている。
The bulging
燃料噴射ノズル13は、8個の燃料噴射口44を等間隔で有しており、膨出部58も、燃料噴射口44の数に対応して8個形成されている。各燃料噴射口44から噴射した燃料は、対応する膨出部58の頂部58Aに衝突するようになっている。図9において、各燃料噴射口44から噴射した燃料の噴霧軸線X1が1点鎖線で示されている。
The
本実施形態では、燃料噴射口44から噴射した燃料を、膨出部58に衝突することによって、嵌入部59に向けて周方向に拡散することができる。したがって、均一な混合気形成に一層役立つ。
In the present embodiment, the fuel injected from the
なお、上記膨出部58の頂部58Aや嵌入部59の底部59Aは、なだらかに湾曲する波形に形成してもよい。
The
〔第4の実施形態〕
図10は、ヘッドキャビティ29に係る第4の実施形態であり、(a)は、ピストン11側から見たヘッドキャビティの平面図、(b)は、(a)のb−b矢視断面図である。本実施形態では、ヘッドキャビティ29の周壁面31に膨出部58を形成した点で、第3実施形態と同様であるが、膨出部58の頂部58Aが周方向に傾斜している点で異なっている。具体的に、膨出部58の頂部58Aは、噴射ノズル13から離れるに従い、スワール流(矢印Tで示す)の下流側へ傾斜している。
[Fourth Embodiment]
10A and 10B show a fourth embodiment of the
本実施形態では、燃料噴射口44から噴射した燃料を、膨出部58のスワール流下流側の面に衝突させている。従って、衝突後の燃料はスワール流の下流側に多く拡散し、スワール流にのって適切に流動する。これにより、空気との混合を促進し、均一な混合気を形成することができる。
In the present embodiment, the fuel injected from the
なお、第3の実施形態のように、膨出部58の頂部58Aを噴射ノズル13を中心に放射状に形成した場合にも、燃料を、膨出部58のスワール流下流側の面に衝突させることによって、略同様の効果を得ることができる。
In addition, even when the
〔第5の実施形態〕
図11は、ヘッドキャビティ29に係る第5の実施形態であり、(a)は、ピストン1側から見たヘッドキャビティの平面図、(b)は、(a)のb−b矢視断面図である。本実施形態では、ヘッドキャビティ29の周壁面31の傾斜が、互いに隣接する燃料噴射口44から噴射された燃料が衝突する部分同士で異なるものとなっている。すなわち、ある燃料噴射口44から噴射された燃料が衝突する周壁面31の一部分31Aと、その隣の燃料噴射口44から噴射された燃料が衝突する周壁面31の一部分31Bとが、異なる傾斜となっている。
[Fifth Embodiment]
11A and 11B show a fifth embodiment of the
本実施形態の場合、隣接する各燃料噴射口44から、ヘッドキャビティ29の周壁面31までの距離が互いに異なるものとなり、さらに、衝突後の反射角度も異なるものになる。したがって、周壁面31に衝突した後に、燃料同士が重なり合うことが少なくなり、燃料の濃淡が生じ難くなる。したがって、空気との均一な混合を一層促進することが可能となる。
In the case of the present embodiment, the distances from the adjacent
さらに、周壁面31の傾斜角度を変えると、周壁面31には凹凸が形成されることになり、表面積が拡大する。したがって、周壁面31に衝突した燃料の蒸発を促進することができる。
Furthermore, when the inclination angle of the
〔第6の実施形態〕
図12は、ヘッドキャビティ29に係る第6の実施形態を示しており、(a)は、ピストン11側からみたヘッドキャビティの平面図、(b)は、(a)のb−b矢視断面図である。本実施形態は、第5の実施形態から更に変形を加えたものであり、周壁面31を、ヘッドキャビティ29の深さ方向に複数段の階段状に形成したものである。
[Sixth Embodiment]
FIG. 12 shows a sixth embodiment relating to the
本実施形態においても、上記実施形態と同様の作用効果を奏するが、さらに周壁面31の表面積が拡大するため、衝突した燃料の蒸発をより促進することができる。また、周壁面31に衝突した燃料が、様々な方向に反射して拡散することになるので、空気との均一な混合を一層促進することができる。
In the present embodiment, the same operational effects as in the above-described embodiment can be obtained. However, since the surface area of the
〔第7の実施形態〕
図13及び図14は、燃料噴射ノズル13に係る第7の実施形態を示しており、図13は、ピストン上部の断面図、図14は、噴射ノズル先端の断面図である。本実施形態では、燃料噴射ノズル13の燃料噴射口44が、上下2段に設けられている。上下各段には、それぞれ複数の燃料噴射口が放射状に形成されている。
[Seventh Embodiment]
13 and 14 show a seventh embodiment relating to the
上段の燃料噴射口44(44A)は、上記実施形態で述べたように、ヘッドキャビティ29の周壁面31に衝突するように構成されている。下段の燃料噴射口44(44B)は、ヘッドキャビティ29の周壁面31に衝突せず、そのまま、ピストン側に向けて燃料を噴射するように構成されている。
The upper fuel injection port 44 (44A) is configured to collide with the
このように上下2段に分けることによって、噴射された燃料が互いに重なり合わないようにし、燃焼室18内の燃料に濃淡が生じるのを防止することができるとともに、上段の燃料噴射口から噴射された燃料は、上記各実施形態で説明したように、シリンダライナー46に付着せず、下段の燃料噴射口44Bから噴射された燃料は、ピストンめがけて噴射されることからシリンダライナー46に付着することはない。
By dividing the fuel into two upper and lower stages in this way, the injected fuels can be prevented from overlapping each other, and it is possible to prevent the fuel in the
上下多段の燃料噴射口44A,44Bを形成することによって、実質的に燃料噴射口44の総数を増大することができ、燃料の流量を維持したまま、各燃料噴射口44の径φd,φd’を小さくすることが可能になる。燃料噴射口44A,44Bの径を小さくすると、燃料の微粒化が促進されることから、空気との均一な混合をより促進することができる。
By forming the upper and lower multi-stage
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、適宜設計変更可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and the design can be changed as appropriate.
本発明は、予混合圧縮自着火方式のディーゼルエンジンに好適に採用することができる。 The present invention can be suitably employed in a premixed compression auto-ignition diesel engine.
10 シリンダ
11 ピストン
12 シリンダヘッド
13 燃料噴射ノズル
20 ピストンキャビティ
21 突出部
21A 頂面
22 外周面
25 外周面
26 開口部
28 爆面
29 ヘッドキャビティ
30 底面
31 周壁面
34 燃料衝突部
44 燃料噴射口
46 シリンダライナー
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記ヘッドキャビティの底面が、前記シリンダヘッドの爆面に略平行な平坦面に形成され、前記ヘッドキャビティの周壁面が、前記ピストン側へ向けて拡開状に傾斜されており、
前記ヘッドキャビティの周壁面の、燃料が衝突する部分に、噴射ノズル側へ膨出する膨出部が設けられており、前記膨出部の頂部が、前記噴射ノズルを中心とする放射方向に直線状に形成されており、前記周壁面が、前記噴射ノズルを中心とする周方向に沿って凹凸形状を呈している、予混合圧縮自着火式内燃機関。 A concave head cavity is formed on the explosion surface of the cylinder head facing the top surface of the piston, and an injection nozzle having a plurality of fuel injection ports for injecting fuel toward the peripheral wall surface of the head cavity is provided at the bottom of the head cavity. And
The bottom surface of the head cavity is formed as a flat surface substantially parallel to the explosion surface of the cylinder head, and the peripheral wall surface of the head cavity is inclined so as to expand toward the piston side ,
A bulging portion that bulges toward the injection nozzle is provided at a portion of the peripheral wall surface of the head cavity where the fuel collides, and the top of the bulging portion is linear in a radial direction centering on the injection nozzle. A premixed compression self-ignition internal combustion engine which is formed in a shape and has a concavo-convex shape along the circumferential direction centering on the injection nozzle .
前記ヘッドキャビティの底面が、前記シリンダヘッドの爆面に略平行な平坦面に形成され、前記ヘッドキャビティの周壁面が、前記ピストン側へ向けて拡開状に傾斜されており、
前記ヘッドキャビティの周壁面の、燃料が衝突する部分に、噴射ノズル側へ膨出する膨出部が設けられ、該膨出部の頂部が、噴射ノズルから離れるに従いスワール流の下流側へ傾斜している、予混合圧縮自着火式内燃機関。 A concave head cavity is formed on the explosion surface of the cylinder head facing the top surface of the piston, and an injection nozzle having a plurality of fuel injection ports for injecting fuel toward the peripheral wall surface of the head cavity is provided at the bottom of the head cavity. And
The bottom surface of the head cavity is formed as a flat surface substantially parallel to the explosion surface of the cylinder head, and the peripheral wall surface of the head cavity is inclined so as to expand toward the piston side ,
A bulging portion that bulges toward the injection nozzle is provided at a portion of the peripheral wall surface of the head cavity where the fuel collides, and the top of the bulging portion is inclined toward the downstream side of the swirl flow as the distance from the injection nozzle increases. and that, the premixed-charge compression auto-ignition internal combustion engine.
前記ヘッドキャビティの底面が、前記シリンダヘッドの爆面に略平行な平坦面に形成され、前記ヘッドキャビティの周壁面が、前記ピストン側へ向けて拡開状に傾斜されており、
前記ヘッドキャビティの周壁面の傾斜角度が、互いに隣接する燃料噴射口から噴射された燃料が衝突する部分同士で異なっている、予混合圧縮自着火式内燃機関。 A concave head cavity is formed on the explosion surface of the cylinder head facing the top surface of the piston, and an injection nozzle having a plurality of fuel injection ports for injecting fuel toward the peripheral wall surface of the head cavity is provided at the bottom of the head cavity. And
The bottom surface of the head cavity is formed as a flat surface substantially parallel to the explosion surface of the cylinder head, and the peripheral wall surface of the head cavity is inclined so as to expand toward the piston side ,
The angle of inclination of the peripheral wall surface of the head cavity is different in the portion between the colliding fuel injected from the fuel injection port adjacent premixed compression self-igniting internal combustion engine.
前記ヘッドキャビティの底面が、前記シリンダヘッドの爆面に略平行な平坦面に形成され、前記ヘッドキャビティの周壁面が、前記ピストン側へ向けて拡開状に傾斜されており、
前記ヘッドキャビティの周壁面の傾斜角度が、互いに隣接する燃料噴射口から噴射された燃料が衝突する部分同士で異なっており、前記周壁面が、ヘッドキャビティの深さ方向に複数段の階段状に形成されている、予混合圧縮自着火式内燃機関。 A concave head cavity is formed on the explosion surface of the cylinder head facing the top surface of the piston, and an injection nozzle having a plurality of fuel injection ports for injecting fuel toward the peripheral wall surface of the head cavity is provided at the bottom of the head cavity. And
The bottom surface of the head cavity is formed as a flat surface substantially parallel to the explosion surface of the cylinder head, and the peripheral wall surface of the head cavity is inclined so as to expand toward the piston side ,
The inclination angle of the peripheral wall surface of the head cavity is different between portions where the fuel injected from the fuel injection ports adjacent to each other collides, and the peripheral wall surface has a plurality of steps in the depth direction of the head cavity. that is formed, the premixed-charge compression auto-ignition internal combustion engine.
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