JP4456968B2 - 燃料直接噴射式ディーゼルエンジン - Google Patents

Description

本発明は、ピストン頂面部に設けられた燃焼室に向けて、シリンダヘッドに設けられた燃料噴射ノズルから燃料を噴射する燃料直接噴射式ディーゼルエンジンに関する。

従来、燃料直接噴射式ディーゼルエンジンのピストン頂面部に設けられた燃焼室の形状、および燃料噴射の形式に関しては、ＮＯｘの低減、スモーク（黒煙）の低減、燃料消費率の低減といった観点から、各種の提案がなされている（例えば特許文献１）。

特許文献１によれば、燃焼室の形状を燃焼室下部のトロイダル部と、燃焼室上部のオープンチャンバ部とで構成し、エンジン回転に伴うピストンの上下動によって、噴射する燃料の半分を下部側のトロイダル部に導いた後、残り半分を上部側のオープンチャンバ部に連続的に導き、これにより燃料を互いに噴射分散させて燃焼室内での均一化を図り、ＮＯｘの低減およびスモークの低減を両立させ、また、燃料消費率を低減できるとしている。

実開昭５８−１８３９３３号公報

しかしながら、一般的に、燃料噴射量（つまり燃料噴射期間）は、エンジン回転数やエンジン負荷に応じて変化させる必要があり、これに伴って燃料噴射時期（つまり噴射開始のタイミング）も変えなければならない。
ところが、前記特許文献１によれば、燃料噴射時期は一定とされ、変化する燃料噴射量に対しては、燃焼室を構成するトロイダル部とオープンチャンバ部との境界部のエッジ半径を所定の値に設定することで対処しているだけである。従って、特許文献１では、燃料噴射量が大きく変化した場合に、その半分をトロイダル部へ、残り半分をオープンチャンバ部へと正確に分散させることができないことになり、燃料噴射量の変化に対応しきれず、エミッションの改善効果や燃料消費率の低減効果をさほど期待できないのである。
特に建設機械に搭載されるエンジンでは、作業によってエンジン回転速度やエンジン負荷が大きく異なるため、このような稼動状況にも確実に対応できることが望まれている。

本発明は上記問題点に着目してなされたもので、ＮＯｘの発生を抑制し、スモークの発生が少なく、かつ燃料消費量の少ない燃料直接噴射式ディーゼルエンジンを提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る燃料直接噴射式ディーゼルエンジンは、ピストンの頂面にシリンダヘッド側に向けて開口して設けられた燃焼室と、シリンダヘッドに設けられ、かつ前記燃焼室に向けて燃料を噴射する燃料噴射ノズルと、前記燃料噴射ノズルからの燃料の噴射時期を制御する制御装置とを備え、前記燃焼室は、前記開口を形成する円形の周縁を有して前記頂面からピンボス側へ窪んで設けられた第１容積部と、この第１容積部の中央に当該第１容積部よりもさらに前記ピンボス側へ窪んで設けられた第２容積部とを有し、前記制御装置は、ピストン圧縮行程末期から開始させる前記燃料噴射ノズルからの燃料噴射を、前記ピストンの移動により前記第２容積部から前記第１容積部にかけて連続して行わせるとともに、エンジン運転範囲の少なくとも一部において、エンジン回転速度および／またはエンジン負荷に応じて燃料の噴射時期を制御することにより、噴射開始から前記第１容積部と前記第２容積部との境
界部に達するまでの噴射期間を全体燃料噴射期間の４０〜７０％に維持することを特徴とする。

本発明の請求項２に係る燃料直接噴射式ディーゼルエンジンは、ピストンの頂面にシリンダヘッド側に向けて開口して設けられた燃焼室と、シリンダヘッドに設けられ、かつ前記燃焼室に向けて燃料を噴射する燃料噴射ノズルと、前記燃料噴射ノズルからの燃料の噴射時期を制御する制御装置とを備え、前記燃焼室は、前記開口を形成する円形の周縁を有して前記頂面からピンボス側へ窪んで設けられた第１容積部と、この第１容積部の中央に当該第１容積部よりもさらに前記ピンボス側へ窪んで設けられた第２容積部とを有し、前記制御装置は、ピストン圧縮行程末期から開始させる前記噴射ノズルからの燃料噴射を、第１回目の燃料噴射として、前記第２容積部の内周壁面部に向けて行わせるとともに、第２回目の燃料噴射として、前記第１容積部の底面に向けて行わせ、かつエンジン回転速度および／またはエンジン負荷に応じて前記噴射時期を制御することにより、前記第２回目の燃料噴射を前記第１回目の燃料噴射とは断続的に行わせることを特徴とする。

本発明の請求項３に係る燃料直接噴射式ディーゼルエンジンは、請求項１または請求項２に記載の燃料直接噴射式ディーゼルエンジンにおいて、前記第１容積部の底面は、前記ピストンの外周部近傍から中心に向かうに従って前記ピンボス側へ深くなる傾斜面により形成されていることを特徴とする。

本発明の請求項４に係る燃料直接噴射式ディーゼルエンジンは、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料直接噴射式ディーゼルエンジンにおいて、前記第２容積部の底面には、内周壁面部から半径方向内側に向かうに従って前記頂面側に高くなる斜面部により円錐部が形成されていることを特徴とする。

本発明の請求項５に係る燃料直接噴射式ディーゼルエンジンは、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料直接噴射式ディーゼルエンジンにおいて、前記ピストンの外径に対する前記第２容積部の内径の比が、０．４〜０．６であり、前記第２容積部の内径に対する前記第１容積部の内径の比が、１．３〜２．０であることを特徴とする。
ここで、第１容積部の内径とは、シリンダヘッド側に向いた開口の口径のことである。

本発明の請求項６に係る燃料直接噴射式ディーゼルエンジンは、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料直接噴射式ディーゼルエンジンにおいて、前記第１容積部と前記第２容積部との境界部に形成されるエッジの半径は、前記ピストンの外径の３％以下であることを特徴とする。
ここで、エッジの半径とは、いわゆる「角Ｒ（かくアール）」と称される寸法のことである。

以上において、請求項１および請求項２の発明によれば、燃焼室を第１容積部と第２容積部とで構成した。そのため、圧縮比を従来一般的な例えばリエントラント型のものと同一にすれば、第２容積部の容積は、リエントラント型の燃焼室の容積よりも小さくなる。
この結果、燃料噴射前期（または第１回目の燃料噴射、以下同じ）では、燃料を第２容積部の内周壁面部に向けて噴射すれば、燃料噴射前期には噴霧は短い距離で内周壁面部に衝突することになり、かつ第１容積部の空気量は少ないので、燃焼が制限されて燃焼温度が低減する。従って、従来の燃焼で燃焼初期に多量に発生するＮＯｘを大幅に低減できる。
一方の燃料噴射後期（または第２回目の燃料噴射、以下同じ）には、ピストンが下降するために、噴霧は第１容積部の底面に向かい、これにより、シリンダヘッドの下面とピストンの頂面との間に残留していた新しい空気を使用できる。従って、燃焼が活発になってＰＭ（微粒子物質）の発生を低減できるとともに、燃料噴射前期に第２容積部側で生じた不完全燃焼成分の酸化も促進でき、ＰＭ、スモーク、および燃料消費率を大幅に低減できる。
そして、エンジン回転数やエンジン負荷に基づいて燃料噴射量を変化させなけれなならない場合でも、燃料の噴射時期を制御することにより、燃料噴射前期の噴射期間を全体燃料噴射期間の４０〜７０％にしたり（請求項１）、第１回目と第２回目とに確実に分けるため（請求項２）、第１容積部への燃料噴射量と第２容積部への燃料噴射量とが常に安定することになり、燃焼室内での燃料の分散がより確実に行われるようになって前述の作用効果が顕著となる。
なお、燃料噴射後期には燃焼が活発になり、多少ＮＯｘの発生が増加するが、燃料噴射前期と後期とを合わせた全体的なＮＯｘ発生量を十分に押さえ込むことができる。また、燃料噴射時期の制御は、近年のコモンレールや燃料噴射用の制御装置を用いることで、実現可能である。

圧縮比を一定にする必要から、第２容積部を確保した上で第１容積部を設けようとして当該第１容積部を円筒タイプにすると、第１容積部の内径（開口の口径）が小さくなり、燃料噴射後期の噴霧がピストンの頂面に当たってしまう。そして、この噴霧の流れがシリンダに着きやすくなり、炭化した燃料がオイルに混じってオイルを劣化させる。
これに対して請求項３の発明では、燃焼室の第１容積部の底面を緩やかな傾斜面で形成するため、頂面に設けられた開口の口径すなわち第１容積部の内径をピストンの外周部近傍まで大きくでき、燃料噴射後期の噴霧を第１容積部内に確実に行って燃料を第１容積部内で燃焼させることができる。このため、燃焼が活発になってＰＭの発生をより低減できるとともに、燃料噴射前期に第２容積部側で生じた不完全燃焼成分の酸化を一層促進でき、ＰＭ、スモーク、および燃料消費率をさらに低減できる。

請求項４の発明によれば、第２容積部の底面に円錐部を形成するので、燃料噴霧との関係で燃焼にさほど関与しないスペースが少なくなり、ＰＭ、スモーク、燃料消費率がより低減する。

請求項５の発明によれば、ピストンの外径に対する第２容積部の内径の比、および第２容積部の内径に対する第１容積部の内径の比を最適に設定することにより、第１容積部と第２容積部とが最適な体積に分割されるので、各々の容積部に噴射された燃料を良好に燃焼させることができる。

請求項６の発明によれば、第１容積部と第２容積部との境界部に形成されるエッジの半径を所定寸法よりも小さくするので、第１、第２容積部への噴霧燃料の分離が確実に行え、一方の容積部への片寄った噴霧が防止されてＰＭ、スモークの低減をさらに促進できる。

以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
図１には、第１実施形態に係る燃料直接噴射式ディーゼルエンジン１の一部断面図が示されている。この図１において、ディーゼルエンジン１は、ダンプトラック、ブルドーザ、油圧ショベル、ホイルローダ等の各種建設機械や、大型発電機の駆動用に用いられるものであって、エンジン本体２と、エンジン本体２に燃料を供給する燃料噴射装置３とを備えている。

エンジン本体２は、内部に複数のシリンダ４Ａが形成されたシリンダブロック４と、シリンダブロック４の上部にボルト止め等されたシリンダヘッド５と、各シリンダ４Ａの内部で燃焼した燃焼ガスの圧力を受けて当該シリンダ４Ａ内を往復運動する複数のピストン１０と、ピストン１０の往復運動を回転運動に変換するクランクシャフト６とを備えている。

燃料噴射装置３は、燃料を高圧で圧送する高圧サプライポンプ７と、高圧の燃料を蓄積するコモンレール８と、コモンレール８からの燃料を各シリンダ４Ａ内に噴射する燃料噴射ノズル９とを備えている。サプライポンプ７およびコモンレール８は、シリンダブロック４外壁に取り付けられ、燃料噴射ノズル９はシリンダヘッド５内に配置されている。このような燃料噴射装置３は、後述する制御装置３０によって制御される。

以下には、図２に示す側面断面図に基づき、ディーゼルエンジン１のピストン１０について詳説する。
図２において、ピストン１０の頂面１１には、燃焼室２０がシリンダヘッド５側に向けて平面視円形に開口して設けられている。燃焼室２０は、前記開口の円形の周縁と連続した傾斜面２１を有する第１容積部２２と、この第１容積部２２の中央に、当該第１容積部２２よりもさらにピンボス１３側へ窪んで設けられた平面視円形の第２容積部２３とからなっている。このような燃焼室２０では、圧縮比を従来のものと同一にすれば、第２容積部２３の容積は、従来の例えばリエントラント型の燃焼室の容積よりも小さくなる。

第１容積部２２の傾斜面２１は、ピストン１０の外周部１２近傍からピストン１０の中心に向かうに従ってピンボス１３側へ深くなるように形成されている。
第２容積部２３は垂直な内周壁面部２４を有し、第２容積部２３の底面には、内周壁面部２４から半径方向内側に向かうに従って頂面１１側に高くなる斜面部２５により円錐部２６が形成され、円錐部２６の頂部分は凸型の第１曲面部２７で構成され、内周壁面部２４と斜面部２５とは凹型の第２曲面部２８で接続されている。この円錐部２６が設けられていることにより、燃焼にさほど関与しないスペースを少なくし、ＰＭ、スモーク、燃料消費率の低減が図られている。

ここで、燃焼室２０全体の容積は、リエントラント型の燃焼室の容積と同等である。従って、第２容積部２３の内径Ｄ２は、従来の燃焼室の内径よりも小さく、容積も小さい。また、ピストンの外径Ｄに対する第２容積部２３の内径Ｄ２の比は、０．４〜０．６であり、第２容積部２３の内径Ｄ２に対する第１容積部２２の内径Ｄ１の比は、１．３〜２．０である。このように、ピストンの外径Ｄに対する第２容積部２３の内径Ｄ２の比、および第２容積部２３の内径Ｄ２に対する第１容積部２２の内径Ｄ１の比を最適に設定することにより、第１容積部２２と第２容積部２３とを最適な体積に分割でき、各々の容積部２２，２３に噴射された燃料を良好に燃焼させることができる。なお、第１容積部２２の内径Ｄ１は、シリンダヘッド５側に向いた開口の口径のことである。

さらに、第１容積部２２と第２容積部２３との境界部２０Ａに形成されるエッジの半径Ｒは、ピストンの外径Ｄの３％以下である。３％よりも大きいと、この境界部２０Ａに噴射された燃料が第１容積部２２または第２容積部２３のいずれか一方に大きく片寄って分散していまい、ＰＭ、スモークの発生量が増加する。従って、３％以下に設けることで、ＰＭやスモークの低減を促進できるのである。

次いで、図１に戻って制御装置３０について説明する。
制御装置３０は、ＭＰＵ等から構成されており、コモンレール８に蓄圧された燃料の実圧力Ｐａを圧力センサ８Ａからフィードバックし、この実圧力Ｐａがディーゼルエンジン１の回転速度と負荷に応じて設定された最適なレール圧となるように、サプライポンプ７の吐出量制御電磁弁７Ａに開閉信号Ｓ１を出力して吐出量制御電磁弁７Ａの開閉時期を制御する。また、燃料噴射に関して制御装置３０は、ディーゼルエンジン１の回転速度と負荷に応じて設定された燃料噴射時期（噴射開始のタイミング）および燃料噴射期間（燃料噴射量）に従い、燃料噴射ノズル９の図示しない電磁弁に対して制御パルスＳ２を出力し、よって燃料噴射ノズル９からの燃料噴射を制御する。このため、制御装置３０には、ディーゼルエンジン１の回転速度を検出するために、回転センサ２Ａからの回転速度信号Ｎが入力され、また、負荷検出のために、アクセルペダルや燃料噴射量設定ダイヤル等からの開度信号Ｌが入力される。

以下に本実施形態の燃料噴射方式について説明する。
燃料噴射はピストン圧縮行程の末期に開始される。そして、図２に示すように、最初第２容積部２３に噴射を開始してから、燃料噴霧の中心が境界部２０Ａに到達するまでを燃料噴射前期と呼び、燃料噴霧の中心が境界部２０Ａに達してから、噴射終了までを燃料噴射後期と呼ぶことにすれば、燃料噴射前期においては、図３（Ａ）に示すように、燃料噴射ノズル９から噴射される燃料の噴霧Ｆは、第２容積部２３の内周壁面部２４に衝突する。従って、殆どの燃料は第２容積部２３内に供給され、燃焼する。このとき、第２容積部２３の空気量は従来のものより少ないため、第２容積部２３内での燃焼が制限されて燃焼温度を低減させることができ、ＮＯｘの排出を大幅に低減できる。

そして、燃料噴射後期を示す図３（Ｂ）において、ピストン１０は下降し、これに伴って噴霧Ｆは第１容積部２２の傾斜面２１に向かって噴射される。この際の噴霧Ｆは、第２容積部２３への供給段階から連続して噴出されている。これにより燃料は、第１容積部２２の内部、およびシリンダヘッド５の下面５Ａとピストン１０の頂面１１との間に存在する新規の空気と混合し、完全燃焼する。従って、燃焼が活発になってＰＭの発生を低減できる。さらに、燃料噴射前期において第２容積部２３に残留していた不完全燃焼成分は、燃料噴射後期の燃料と共に完全燃焼する。このことから、ＰＭ、スモーク、および燃料消費率を大幅に低減できる。しかも、傾斜面２１の外周縁側は、ピストン１０の外周部１２近傍まで大きく広がっているので、燃料噴射後期の噴霧Ｆを第１容積部２２内に確実に行って燃料を第１容積部２２内で燃焼させることができる。このため、燃焼が活発になってＰＭの発生をより低減できるとともに、燃料噴射前期に第２容積部２３側で生じた不完全燃焼成分の酸化を一層促進でき、ＰＭ、スモーク、および燃料消費率をさらに低減できる。

また、本実施形態では、前記制御装置３０がディーゼルエンジン１の回転速度および負荷に応じて燃料噴射時期を制御することにより、燃料噴射前期の燃料噴射期間を全体燃料噴射期間の４０〜７０％となるようにしている。

すなわち、図４に示すように、ディーゼルエンジン１の稼動状態が高回転速度高負荷域、高回転速度中負荷域、中回転速度高負荷域、および中回転速度中負荷域にある場合に、燃料噴射前期の燃料噴射期間を全体燃料噴射期間の４０〜７０％としている。より詳細には、高回転速度中負荷域および中回転速度中負荷域のように、中回転速度以上で中負荷にある場合には、燃料噴射前期の燃料噴射期間を全体燃料噴射期間の４０〜６５％とし、高回転速度高負荷域および中回転速度高負荷域のように、中回転速度以上で高負荷にある場合では、燃料噴射前期の燃料噴射期間を全体燃料噴射期間の５０〜７０％としている。

ここで、中回転速度とは、定格回転速度の約６０〜７５％に相当する回転速度をいい、高回転速度とは、中回転速度よりも大きい回転速度のことである。高負荷とは、定格負荷を含み、その前後の所定範囲にある負荷のことであり、中負荷とは、定格負荷の５０％に相当する負荷を含み、その前後の所定範囲にある負荷のことである。

図５には、特にエンジン負荷に対する燃料噴射時期（噴射開始のタイミング）との関係が示されている。この図から明らかなように、全体の燃料噴射期間に対する前期の燃料噴射期間を４０〜７０％に維持するためには、エンジン負荷に応じて燃料噴射量を変化させる必要から、噴射を開始させる時期もまた、エンジン負荷に応じて変化させる必要がある。つまり、中負荷で運転している状態では、燃料噴射量が少ないため、図２に示した境界部２０Ａを遷移点Ｘとすると、この遷移点Ｘに達する以前に噴射される前期の噴射時期をより遅い段階で開始し、後期の燃料噴射の終了をより早くしなければならない。一方高負荷で運転している状態では、燃料噴射量が多くなるため、前期の噴射時期をより早い段階で開始し、後期の燃料噴射終了をより遅くする必要がある。

このことを踏まえて、図６には、前期の燃料噴射期間／全体の燃料噴射期間に対応した燃料噴射時期が運転状態毎に示されている。この図において、高回転速度高負荷とは、ディーゼルエンジン１の大きさや性能にもよるが、例えば回転速度が２０００ｒｐｍで、エンジン負荷が定格負荷１００％の場合である。高回転速度中負荷とは、例えば回転速度が２０００ｒｐｍで、エンジン負荷が定格負荷の５０％の場合である。以下、中回転速度高負荷とは、例えば回転速度が１４００ｒｐｍで、エンジン負荷が全負荷（１００％負荷）の場合であり、中回転速度中負荷とは、例えば回転速度が１４００ｒｐｍで、エンジン負荷が全負荷の５０％の場合である。この図６からすれば、全体の燃料噴射期間に対する前期の燃料噴射期間を４０〜７０％に維持するために、エンジン負荷が高負荷の場合ではやはり、噴射時期を早め、中負荷の場合では、燃料噴射時期を遅くする必要がある。

図７には、各運転状態でのＰＭの発生量が示されている。この図によれば、低負荷の方が高負荷の場合よりも、ＰＭの発生割合が多いことがわかる。これは、低負荷の場合には、噴射燃料が少ないために燃焼温度が低いためであると推測される。しかし、図７に示すＰＭの発生量は、従来に比べて格段に少ないものとなっっている。
ところで、低負荷の場合には、全体の燃料噴射期間に対する前期の燃料噴射期間の割合が７０％を越えると、ＰＭの発生割合が大きくなるが、５０％付近での増加の割合は小さい。高負荷の場合では、全体の燃料噴射期間に対する前期の燃料噴射期間の割合が６０％付近で、ＰＭの発生量が特に少ないことがわかる。従って、前述したように、４０〜７０％の中でも、特に中負荷にある場合には、前期の燃料噴射期間を全体燃料噴射期間の４０〜６５％とし、高負荷にある場合では、前期の燃料噴射期間を全体燃料噴射期間の５０〜７０％とすることが望ましいのである。

図８は、従来の燃焼方式と本実施形態の燃焼方式との燃焼時の筒内熱発生率の比較を示す図である。図８において、縦軸は筒内熱発生率、横軸はクランク角度、実線で示す曲線Ａは本実施形態の燃焼方式のものであり、破線で示す曲線Ｂは従来の燃焼方式のものであり、曲線Ｃは燃料噴射ノズル９のニードル上昇量である。図で明らかなように、燃焼初期にあっては、本実施形態の燃焼方式の筒内熱発生率は、従来の燃焼方式の筒内熱発生率よりも低い。このことは、ＮＯｘの排出量が少ないことを意味する。燃焼後期にあっては、燃焼は十分に行われ、ＰＭ、スモーク、燃料消費率が大幅に低減される。燃焼後期に曲線Ａが曲線Ｂより高く、本実施形態での筒内熱発生率が多き部分があり、ＮＯｘ排出量は従来のものより増加するが、総量としては略同じである。すなわち、ＮＯｘの排出が抑制され、ＰＭ、スモーク、燃料消費率が低減する。

このように、エンジン回転数およびエンジン負荷に基づいて燃料噴射量を変化させた場合でも、制御装置３０によって燃料の噴射時期を制御することにより、燃料噴射前期の噴射期間を全体燃料噴射期間の４０〜７０％にするため、第１容積部２２への燃料噴射量と第２容積部２３への燃料噴射量とを常に安定させることができ、燃焼室２０内での燃料の分散をより確実に行ってエミッションおよび燃料消費率をより効果的に低減できる。従って、エンジン回転数やエンジン負荷が頻繁に変化する建設機械等に、本実施形態のディーゼルエンジン１を好適に用いることができる。

図９は、本発明の第２実施形態に係る燃焼室２０の形状を示す側面断面図である。
ピストン１０の頂面１１には、この頂面１１と略平行な底面を有して所定の深さに窪んだ第１容積部２２が設けられ、底面の中央には、さらに窪んだ平面視円形で断面凹型の第２容積部２３が設けられている。第２容積部２３の内周壁面部２４は、底面側がすぼまるように傾斜して形成されている。第２容積部２３の底面には、第１実施形態と同様に、円錐部２６が設けられている。

図１０は、本発明の第３実施形態に係る燃焼室２０の形状を示す側面断面図である。
本実施形態では、第２容積部２３の内周壁面部２４が底面側に向かって広がるように形成されている点で、第１実施形態とは異なる。その他の形状は、第１実施形態と同じである。

図１１は、本発明の第４実施形態に係る燃焼室２０の形状を示す側面断面図である。
本実施形態では、第２容積部２３の底面が平坦とされている点で、第１実施形態とは異なる。その他の形状は、第１実施形態と同じである。

図１２に示す第５実施形態の燃焼室２０では、第２容積部２３の内周壁面部２４が底面側に向かってすぼまるように形成されており、この点で第４実施形態とは異なる。

図１３に示す第６実施形態の燃焼室２０では、第２容積部２３の内周壁面部２４が底面側に向かって広がるように形成されており、この点で第４実施形態とは異なる。

以上の第２〜第６実施形態においても、第１実施形態と同様な構成により、本発明の目的を達成できる。

なお、本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。
例えば、前記第１実施形態では、図５に示すように、燃焼室２０の境界部２０Ａを境にして行われる燃料噴射前期と燃料噴射後期とが連続していたが、本発明では、燃焼噴射前期を第１回目の燃料噴射とし、燃焼噴射後期を第１回目の燃料噴射とは断続的に行われる第２回目の燃料噴射としてもよい。このようなパイロット噴射を行う場合でも、制御装置３０の制御により第１回目の燃料噴射と第２回目の燃料噴射とを確実に分けることで、本発明の目的を達成できる。このようなディーゼルエンジン１は、前記請求項２の発明である。

また、前記各実施形態では、ピストン１０の中心、燃焼室２０の中心、および燃料噴射ノズル９の噴射位置は一致していたが、図１４に示すように、ピストン１０の中心Ｃ１に対して、燃焼室２０の中心Ｃ２および燃料噴射ノズル９の噴射位置Ｃ３をそれぞれオフセット（偏心）させた構造であっても、本発明を適用できる。なお、このような構造は、吸気バルブおよび排気バルブがそれぞれ１つずつ設けられる場合に多い。

さらに、前記第１実施形態では、燃料噴射時期をエンジン回転速度および負荷に応じて制御するようになっていたが、エンジン回転速度のみや、エンジン負荷のみで燃料噴射時期を制御した場合でも、本発明に含まれる。

その他、本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
従って、上記に開示した形状、数量などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、数量などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

本発明は、建設機械など、エンジン回転速度や負荷が大幅に変動するものに搭載される燃料直接噴射式ディーゼルエンジンとして好適に利用できる。

本発明の第１実施形態に係る燃料直接噴射式ディーゼルエンジンを示す一部断面図。 第１実施形態のピストンを示す側面断面図。 第１実施形態での燃焼方式を説明するための図。 エンジン回転速度とエンジン負荷との関係を示す図。 エンジン負荷と燃料噴射時期との関係を示す図。 全体の燃料噴射期間に対する前記の燃料噴射期間の割合と燃料噴射時期との関係を示す図。 全体の燃料噴射期間に対する前記の燃料噴射期間の割合とＰＭの発生量との関係を示す図。 第１実施形態の燃焼方式と従来の燃焼方式とでの筒内熱発生率の比較を示す図。 本発明の第２実施形態に係る燃焼室の形状を示す側面断面図。 本発明の第３実施形態に係る燃焼室の形状を示す側面断面図。 本発明の第４実施形態に係る燃焼室の形状を示す側面断面図。 本発明の第５実施形態に係る燃焼室の形状を示す側面断面図。 本発明の第６実施形態に係る燃焼室の形状を示す側面断面図。 本発明の他の変形例を示す側面断面図。

符号の説明

１…燃料直接噴射式ディーゼルエンジン、５…シリンダヘッド、９…燃料噴射ノズル
、１０…ピストン、１１…頂面、１２…外周部、１３…ピンボス、２０…燃焼室、２０Ａ…境界部、２１…傾斜面、２２…第１容積部、２３…第２容積部、２４…内周壁面部、２５…斜面部、２６…円錐部、３０…制御装置、Ｄ…外径、Ｄ１，Ｄ２…内径、Ｒ…半径。

Claims (6)

1. 燃料直接噴射式ディーゼルエンジンにおいて、
   ピストン（１０）の頂面（１１）にシリンダヘッド（５）側に向けて開口して設けられた燃焼室（２０）と、
   シリンダヘッド（５）に設けられ、かつ前記燃焼室（２０）に向けて燃料を噴射する燃料噴射ノズル（９）と、
   前記燃料噴射ノズル（９）からの燃料の噴射時期を制御する制御装置（３０）とを備え、
   前記燃焼室（２０）は、前記開口を形成する円形の周縁を有して前記頂面（１１）からピンボス（１３）側へ窪んで設けられた第１容積部（２２）と、
   この第１容積部（２２）の中央に当該第１容積部（２２）よりもさらに前記ピンボス（１３）側へ窪んで設けられた第２容積部（２３）とを有し、
   前記制御装置（３０）は、ピストン圧縮行程末期から開始させる前記燃料噴射ノズル（９）からの燃料噴射を、前記ピストン（１０）の移動により前記第２容積部（２３）から前記第１容積部（２２）にかけて連続して行わせるとともに、エンジン運転範囲の少なくとも一部において、エンジン回転速度および／またはエンジン負荷に応じて前記噴射時期を制御することにより、噴射開始から前記第１容積部（２２）と前記第２容積部（２３）との境界部（２０Ａ）に達するまでの噴射期間を全体燃料噴射期間の４０〜７０％に維持する
   ことを特徴とする燃料直接噴射式ディーゼルエンジン（１）。
2. 燃料直接噴射式ディーゼルエンジンにおいて、
   ピストン（１０）の頂面（１１）にシリンダヘッド（５）側に向けて開口して設けられた燃焼室（２０）と、
   シリンダヘッド（５）に設けられ、かつ前記燃焼室（２０）に向けて燃料を噴射する
   料噴射ノズル（９）と、
   前記燃料噴射ノズル（９）からの燃料の噴射時期を制御する制御装置（３０）とを備え、
   前記燃焼室（２０）は、前記開口を形成する円形の周縁を有して前記頂面（１１）からピンボス（１３）側へ窪んで設けられた第１容積部（２２）と、
   この第１容積部（２２）の中央に当該第１容積部（２２）よりもさらに前記ピンボス（１３）側へ窪んで設けられた第２容積部（２３）とを有し、
   前記制御装置（３０）は、ピストン圧縮行程末期から開始させる前記噴射ノズル（９）からの燃料噴射を、第１回目の燃料噴射として、前記第２容積部（２３）の内周壁面部（２４）に向けて行わせるとともに、第２回目の燃料噴射として、前記第１容積部（２２）の底面に向けて行わせ、かつエンジン回転速度および／またはエンジン負荷に応じて前記噴射時期を制御することにより、前記第２回目の燃料噴射を前記第１回目の燃料噴射とは断続的に行わせる
   ことを特徴とする燃料直接噴射式ディーゼルエンジン（１）。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料直接噴射式ディーゼルエンジン（１）において、
   前記第１容積部（２２）の底面は、前記ピストン（１０）の外周部（１２）近傍から中心に向かうに従って前記ピンボス（１３）側へ深くなる傾斜面（２１）により形成されている
   ことを特徴とする燃料直接噴射式ディーゼルエンジン（１）。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料直接噴射式ディーゼルエンジン（１）において、
   前記第２容積部（２３）の底面には、内周壁面部（２４）から半径方向内側に向かうに従って前記頂面（１１）側に高くなる斜面部（２５）により円錐部（２６）が形成されている
   ことを特徴とする燃料直接噴射式ディーゼルエンジン（１）。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料直接噴射式ディーゼルエンジン（１）において、
   前記ピストン（１０）の外径（Ｄ）に対する前記第２容積部（２３）の内径（Ｄ２）の
   比が、０．４〜０．６であり、
   前記第２容積部（２３）の内径（Ｄ２）に対する前記第１容積部（２２）の内径（Ｄ１）の比が、１．３〜２．０である
   ことを特徴とする燃料直接噴射式ディーゼルエンジン（１）。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料直接噴射式ディーゼルエンジン（１）において、
   前記第１容積部（２２）と前記第２容積部（２３）との境界部（２０Ａ）に形成されるエッジの半径（Ｒ）は、前記ピストン（１０）の外径（Ｄ）の３％以下である
   ことを特徴とする燃料直接噴射式ディーゼルエンジン（１）。

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