JP4549222B2 - 直接噴霧式ディーゼル機関 - Google Patents

Description

本発明は、直接噴霧式ディーゼル機関のディーゼル機関に関するものであり、よりくわしくは、直接噴霧式ディーゼル機関の環境に対する影響を低減するための技術に関する。

従来、燃料噴射ノズルにおいて、噴射圧の制約によってノズルの総噴孔面積が決定されている。そして、一つの噴孔が単噴孔により構成されている。また、ノズル噴射孔の噴霧角を単噴射孔で２種類持つ、Ｗコーンアングル（千鳥噴射孔）も知られている（例えば特許文献１）。そして、噴射燃料と空気とを効率良く混合して、スモークを減少した良好な燃焼を行うことを目的として、エンジンのピストンの頂面を皿状に凹ませて形成したキャビティと、該キャビティの中心を盛り上げて形成した燃料分散体と、前記キャビティに対向して設けられ複数の噴孔を有する燃料噴射ノズルとを有するものが知られている（例えば特許文献２）。
特開平１１−１３５９４号公報 特開平１１−２１０４６８号公報

しかし、従来の燃料噴射ノズルにおいては、ノズルを小噴孔化する場合には、噴射孔数を増加するため、オーバースワールによる燃焼悪化が生じる可能性がある。そして、低速時においては、噴射孔数増加による着火点増により初期燃焼量が増加して、燃焼騒音が増大する可能がある。取り分け、低圧縮比化によって高過給率を増加するエンジンでは、燃焼騒音が悪化する傾向がある。

また、Ｗコーンアングルでは、噴霧角の違いによって、オーバースワールによる噴霧重合は軽減できるものの、燃焼室が浅い形状の燃焼室では、最適な噴射時期と燃焼室内の空間分布が異なり、かえって、空気との混合低下を招き、不快燃焼室では、噴霧到達距離が縮まるために、ＨＣやＣＯといった未燃成分が増加する可能性がある。そして、高負荷ではスモークが増加する傾向にある。

特許文献２の記載される技術においては、燃料分散体に熱的に大きな負荷がかかり、燃料分散体の形状維持が困難である。

本発明は、上記の課題を解決するべく、次のような手段をとる。

請求項１においては、上面の凹部により燃焼室（２１）を構成するピストン（１１）と、該ピストン（１１）の燃焼室（２１）内に燃料を噴射する燃料噴射ノズル（１２）と、により構成される直接噴霧式ディーゼル機関において、該燃料噴射ノズル（１２）には、複数組の噴孔（３２・３２）を配置し、該一組の噴孔（３２・３２）は、各組において一方の噴孔（３２）は他方の噴孔（３２）よりも、該燃料噴射ノズル（１２）の下端側で、底面視において内側に配置して、上下にタンデムに構成し、各組の噴孔（３２・３２）は燃料噴射ノズル（１２）の軸心よりの放射線上に等間隔に配置し、該一組の噴孔（３２・３２）は同一の縦断面上に配置し、該一組の噴孔（３２・３２）は、該燃料噴射ノズル（１２）に、略平行に穿設し、すなわち、該燃料噴射ノズル（１２）の縦方向の軸心と、噴孔（３２）とが織り成す交点が、一組の噴孔（３２・３２）において２つある構成とし、各組間において、下側に位置する噴孔（３２・・）の開口は同一平面上に配置し、上側に位置する噴孔（３２・・）の開口も同一平面上に配置し、前記ピストン（１１）の燃焼室（２１）の燃焼室口（５１）の形状を多角形に構成し、該複数組の噴孔（３２・３２）の組数と同じ角を持つ多角形の燃焼室口（５１）とし、前記タンデム配置した一組の噴孔（３２・３２）を６組配置し、前記ピストン（１１）の燃焼室口（５１）を６角形に構成し、前記燃焼室口（５１）形状を構成する六角形の辺において、少なくとも一つ以上の対辺が平行でないものである。

請求項２においては、上面の凹部により燃焼室（２１）を構成するピストン（１１）と、該ピストン（１１）の燃焼室（２１）内に燃料を噴射する燃料噴射ノズル（１２）と、により構成される直接噴霧式ディーゼル機関において、該燃料噴射ノズル（１２）には、複数組の噴孔（３２・３２）を配置し、該一組の噴孔（３２・３２）は、各組において一方の噴孔（３２）は他方の噴孔（３２）よりも、該燃料噴射ノズル（１２）の下端側で、底面視において内側に配置して、上下にタンデムに構成し、各組の噴孔（３２・３２）は燃料噴射ノズル（１２）の軸心よりの放射線上に等間隔に配置し、該一組の噴孔（３２・３２）は同一の縦断面上に配置し、該一組の噴孔（３２・３２）は、該燃料噴射ノズル（１２）に、略平行に穿設し、すなわち、該燃料噴射ノズル（１２）の縦方向の軸心と、噴孔（３２）とが織り成す交点が、一組の噴孔（３２・３２）において２つある構成とし、各組間において、下側に位置する噴孔（３２・・）の開口は同一平面上に配置し、上側に位置する噴孔（３２・・）の開口も同一平面上に配置し、前記ピストン（１１）の燃焼室（２１）の燃焼室口（５１）の形状を多角形に構成し、該複数組の噴孔（３２・３２）の組数と同じ角を持つ多角形の燃焼室口（５１）とし、前記燃料噴射ノズル（１２）の断面中心軸が、燃焼室（２１）の中心線に対して同一線上となる、もしくは燃料噴射ノズル（１２）の延出方向が燃焼室（２１）の中心線に対して交差する構成とするものである。

請求項１に記載のごとく、上面の凹部により燃焼室（２１）を構成するピストン（１１）と、該ピストン（１１）の燃焼室（２１）内に燃料を噴射する燃料噴射ノズル（１２）と、により構成される直接噴霧式ディーゼル機関において、該燃料噴射ノズル（１２）には、複数組の噴孔（３２・３２）を配置し、該一組の噴孔（３２・３２）は、各組において一方の噴孔（３２）は他方の噴孔（３２）よりも、該燃料噴射ノズル（１２）の下端側で、底面視において内側に配置して、上下にタンデムに構成し、各組の噴孔（３２・３２）は燃料噴射ノズル（１２）の軸心よりの放射線上に等間隔に配置し、該一組の噴孔（３２・３２）は同一の縦断面上に配置し、該一組の噴孔（３２・３２）は、該燃料噴射ノズル（１２）に、略平行に穿設し、すなわち、該燃料噴射ノズル（１２）の縦方向の軸心と、噴孔（３２）とが織り成す交点が、一組の噴孔（３２・３２）において２つある構成とし、各組間において、下側に位置する噴孔（３２・・）の開口は同一平面上に配置し、上側に位置する噴孔（３２・・）の開口も同一平面上に配置し、前記ピストン（１１）の燃焼室（２１）の燃焼室口（５１）の形状を多角形に構成し、該複数組の噴孔（３２・３２）の組数と同じ角を持つ多角形の燃焼室口（５１）とし、前記タンデム配置した一組の噴孔（３２・３２）を６組配置し、前記ピストン（１１）の燃焼室口（５１）を６角形に構成し、前記燃焼室口（５１）形状を構成する六角形の辺において、少なくとも一つ以上の対辺が平行でないので、オーバースワールの発生を抑制しながら、燃料噴射ノズルにおける多孔化を実現できる。

また、総噴孔面積が噴射圧力によって限定される場合、単噴孔で多孔化するよりも、オーバースワールによる弊害が無く、噴霧を微粒化しかつ噴霧の気相範囲が拡大し、かつ広がる特徴を持つため、燃焼着火し易くなり、着火遅れ時期が減少して、予混合気燃焼量が減少するため、圧力上昇率が低下し、等圧的に燃焼し、筒内圧および燃焼騒音が減少できる。

また、燃焼室（２１）の燃焼室口（５１）の燃焼室断面において、燃焼室のリップが、多角に切り込んだ形状により、燃料噴射による燃焼開始後、ピストン頂部へ燃焼火炎が出やすく、空気との混合が改善するとともに、スモークの発生が低減される。

また、前記タンデム配置した一組の噴孔（３２・３２）を６組配置し、前記ピストン（１１）の燃焼室口（５１）を六角形に構成したので、オーバースワールの発生を抑制しながら、燃料噴射ノズルにおける多孔化を実現でき、燃料噴霧条件の幅を広げることが出来、部分的に最適条件の燃料噴射状態を得ることができる。

また、前記燃焼室口（５１）形状を構成する六角形の辺において、少なくともひとつ以上の対辺が平行でないので、直接噴霧式ディーゼル機関を構成するので、燃焼室断面において、燃焼室のリップが、多角に切り込んだ形状により、燃料噴射による燃焼開始後、ピストン頂部へ燃焼火炎が出る形状のバリエーションを、ひとつのピストンにおいて増やすことができるので、燃料噴射の様々な条件に対応可能となる。

また、前記燃焼室（２１）の燃焼室口（５１）の多角形の形状が、少なくともひとつ以上の対辺が平行でない不等辺多角形であるので、燃料噴射ノズルと燃焼室の組み合わせによって、噴霧の気相部分が増加し、一般的に遅角時に発生する炭化水素、一酸化炭素などのＳＯＦ（Ｓｏｌｕｂｌｅ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｆｒａｃｔｉｏｎ；可溶性有機成分）が減少し、ＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）の低減が図れるとともに、未燃焼分が増加しない。

請求項２に記載のごとく、上面の凹部により燃焼室（２１）を構成するピストン（１１）と、該ピストン（１１）の燃焼室（２１）内に燃料を噴射する燃料噴射ノズル（１２）と、により構成される直接噴霧式ディーゼル機関において、該燃料噴射ノズル（１２）には、複数組の噴孔（３２・３２）を配置し、該一組の噴孔（３２・３２）は、各組において一方の噴孔（３２）は他方の噴孔（３２）よりも、該燃料噴射ノズル（１２）の下端側で、底面視において内側に配置して、上下にタンデムに構成し、各組の噴孔（３２・３２）は燃料噴射ノズル（１２）の軸心よりの放射線上に等間隔に配置し、該一組の噴孔（３２・３２）は同一の縦断面上に配置し、該一組の噴孔（３２・３２）は、該燃料噴射ノズル（１２）に、略平行に穿設し、すなわち、該燃料噴射ノズル（１２）の縦方向の軸心と、噴孔（３２）とが織り成す交点が、一組の噴孔（３２・３２）において２つある構成とし、各組間において、下側に位置する噴孔（３２・・）の開口は同一平面上に配置し、上側に位置する噴孔（３２・・）の開口も同一平面上に配置し、前記ピストン（１１）の燃焼室（２１）の燃焼室口（５１）の形状を多角形に構成し、該複数組の噴孔（３２・３２）の組数と同じ角を持つ多角形の燃焼室口（５１）とし、前記燃料噴射ノズル（１２）の断面中心軸が、燃焼室（２１）の中心線に対して同一線上となる、もしくは燃料噴射ノズル（１２）の延出方向が燃焼室（２１）の中心線に対して交差する構成とするので、燃料噴射ノズルを燃焼室の中心とすることにより、燃焼室口形状の特性を発揮しやすくなり、燃焼室のリップが、多角に切り込んだ形状により、燃料噴射による燃焼開始後、ピストン頂部へ燃焼火炎が出やすく、空気との混合が改善するとともに、スモークの発生が低減される。

本発明は、直接噴霧式ディーゼル機関において、燃料噴射ノズルの多孔化およびピストンの燃焼室口形状により良好な燃焼を実現するものである。

［全体構成］
まず、直接噴霧式ディーゼル機関の全体構成について説明する。図１は直接噴霧式ディーゼル機関の構成を示す斜視一部断面図。図２は直接噴霧式ディーゼル機関の構成を示す側面断面図。

ディーゼル機関は、シリンダ１０、ピストン１１、燃料噴射ノズル１２、シリンダヘッド１３とを有している。シリンダ１０内にはピストン１１が配設され、ピストン１１はシリンダ１０内において摺動自在に構成されている。

シリンダ１０の上部にはシリンダヘッド１３が取り付けられており、シリンダヘッド１３には燃料噴射ノズル１２が取り付けられている。

ピストン１１の上面にはキャビティである燃焼室２１が構成されており、この燃焼室２１に燃料噴射ノズル１２より燃料を噴霧する構成となっている。燃焼室２１は平面視においてピストン１１の中央に位置するものであり、ピストン１１頂部の凹部により構成されている。

そして、ピスト１１の上方であって、平面視においてピストン１１の中央に燃料噴射ノズル１２が位置する。燃料噴射ノズル１２の下端部はピストン１１の上死点位置において、ピストン１１の上面とほぼ同じ高さに位置する構成となっている。燃料噴射ノズル１２の下端部には燃料を噴霧する噴孔が設けられており、燃料噴射ノズル１２の下端部より燃焼室２１に霧化した燃料を供給する構成となっている。

［ノズル］
次に燃料噴射ノズルの構成について説明する。ここにおいて、燃料噴射ノズルのサック容量は関係なく、燃料噴射ノズルの噴孔の配置が燃料噴射ノズルの特性に影響するものである。図３は燃料噴射ノズルの下方斜視図。図４は燃料噴射ノズルの側面断面図。図５は燃料噴射ノズルの下端部の底面図。図６は燃料噴射ノズルの噴孔の展開図。図７は燃料噴射ノズルの燃料噴霧構成を示す模式図。図７（ａ）は燃料噴射ノズルの燃料噴霧構成を示す平面断面図。図７（ｂ）は燃料噴射ノズルの燃料噴霧構成を示す側面断面図。燃料噴射ノズル１２の下部先端には、複数個の噴孔３２・３２・・が設けられており、この噴孔３２より燃焼室２１に燃料を噴霧する。燃料噴射ノズル１２内部には、ニードル弁３３が配設されており、ニードル弁３３の上下摺動により油路が開閉して噴孔よりの燃料噴霧および噴霧停止を行う。燃料噴射ノズル１２において、上下に設けられた噴孔３２・３２を一組として、図４に示す構成において６組の噴孔が設けられている。すなわち、燃料噴射ノズル１２において噴孔３２・３２は上下方向の並設したタンデム仕様となっている。燃料噴射ノズル１２の下端部を底面視において複数の扇形状に区分し、各区分に一組の噴孔３２・３２を設けている。そして、各組の噴孔３２・３２は燃料噴射ノズル１２の下端部周面に等間隔に配設され、各組において一方の噴孔３２は他方の噴孔３２よりも燃料噴射ノズル１２の下端側（底面視において内側）に位置している。この構成において、同一の組内では、一方の燃料噴射ノズル３２に対して他方の高さ位置をずらす構成となっている。なお、各組間において、下側に位置する噴孔３２・・の開口は同一水平面上に位置し、上側に位置する噴孔３２・・の開口は同一水平面上に位置する。

燃料噴射ノズル１２において、一組の噴孔３２・３２は上下に配設されており、各組の噴孔３２・３２は燃料噴射ノズル１２の軸心よりの放射線上に位置している。そして、組内において噴孔３２・３２は同一の縦断面上に位置する。このように、燃料噴射ノズル１２において、上下にタンデム配置された噴孔３２・３２が一組となり、燃料噴射ノズル１２に複数組配設される。そして、各組の噴孔３２・３２は燃料噴射ノズル１２の下端部の周面に等間隔に配設されている。そして、噴孔３２・３２は燃料噴射ノズル１２において略平行に設けられている。すなわち、燃料噴射ノズル１２の縦方向の軸心と噴孔３２とが織り成す交点が、一組の噴孔３２・３２において２つある構成となる。噴孔３２・３２は上下方向の並設したタンデム仕様とすることにより、図７に示すように、上下空間を利用して燃料噴射を行うことができる。これにより、燃料噴射ノズル１２下端部の限られた面積のなかで、噴孔３２の小径化を行うとともに、多くの噴孔３２を設けることができる。そして、小径の噴孔から噴霧するので、燃料の微粒子化を促進でき、上下の噴孔３２・３２より燃料を噴霧するので霧化した燃料の範囲を大きくできる。そして、噴孔３２・３２は上下方向に並設するので、噴孔３２・３２よりそれぞれ噴霧された燃料３２ａ・３２ｂが互いに干渉しにくく、燃料の粒状を維持しやすい。そして、燃料３２ａ・３２ｂが上下に位置することから、噴霧された燃料が占める空間を大きくすることができる。すなわち、空気と燃料の混合を促進できる構成となる。また、燃焼室２１内の渦流の影響を受けた場合においても、隣接する燃料３２ａ・３２ａ間もしくは燃料３２ｂ・３２ｂ間において干渉が生じにくい。なお、このような噴孔３２・３２による効果は、噴孔３２の構成位置が製造公差の範囲内であっても、噴孔３２・３２・・の配置が特定の偏りとなっていることにより実現可能となる。

このように、上下に設けた噴孔により噴孔数を増加するので、単噴孔で多孔化する場合に比べて、オーバースワールによる弊害を低減できる。そして、燃料噴霧を微粒子化し、噴霧の気相範囲が拡大し、広がる特徴をもつこととなる。燃料噴射ノズル１２において、噴孔３２を縦断面方向に複数個配設し、穿設した噴孔３２をタンデムに配置することにより、燃料噴霧の均一粒子化を行い、スート（すす）分を減少させるとともに、着火遅れ期間を短縮することによって、燃焼騒音を大幅に低減し、最大筒内圧を減少する効果を得て、同じ筒内圧で出力大幅に増加させ、燃焼騒音低減と出力増加を両立できる。エンジンの耐久性を向上できる。単噴孔と比較した場合に、タンデム仕様は、噴孔を小径に構成でき、噴霧粒径を小径化することができる。同一量の噴霧を行う場合、小径側の流速が速くなり、噴霧時における噴霧粒径が小径化される。

なお、一組内の噴孔３２・３２において、一方の噴孔の径あるいは流量を他方と異なる仕様とすることができる。これにより、複数の噴孔により構成される一組の噴孔としての特性を調節しやすく、単一の噴孔により構成できない特性をもたせることができる。一方の径を小さくし、噴霧される燃料粒の粒径の幅を調節したり、噴霧された燃料霧の形状を調節したりできる。

［ピストン］
次に、ピストンの構成について図を用いて説明する。図８はピストンの斜視図。図９はピストンの平面図。図１０はピストンのＡ−Ａ線断面図。ピストン１１は上部を円柱状に構成しており、ピストン１１の上部中央には燃焼室２１が構成されている。ピストン１１の上面に構成された燃焼室２１の口形状は平面視多角形状に構成されている。燃焼室２１の下部中央には円錐形状に構成される中央凸部２２が構成されており、燃焼室口５１は正六角形状に構成されている。燃焼室２１は、ピストン１１の内部において、燃焼室口５１より広く構成されている。そして、燃焼室口５１の中心がピストン１１の中心と一致した構成となっている。燃焼室２１はピストン１１内部に設けたドーナツ形状の空間と中央凸部２２の上方の空間とにより構成されており、燃焼室２１は燃焼室口５１を介してシリンダ内の空間を連通している。ドーナツ形状の空間の中心はピストン１１の中心と一致しており、このドーナツ形状の空間の上方にオーバーハング部が構成される。

オーバーハングの量（リップ）は、燃焼室口５１が多角形状に構成されるので、各辺において線形的に変化する。このため、ピストン１１においてリップの幅を持たせることができ、各辺において燃焼条件に適したリップを提供することができる。そして、燃焼室口５１が多角形の角部において切り込んだ形状となっているので、燃焼室２１よりピストン１１の頂部へ燃焼火炎が出やすくなっている。これにより、空気との混合が改善されるとともに、ピストン１１が降下する際に発生する逆スキッシュとともに、燃焼室２１全体に火炎が撹乱・発達し、スモークの低減ができる。また、燃焼室口５１の角部に鈍角部を有するので、平面視において角部の開口を大きく取ることができ燃焼火炎の噴出し時の抵抗を軽減できる。そして、角部が鈍角部であることにより、角部に気流があたる場合も容易に側方に流すことが出来、火炎の撹乱・発達が容易となる。

本実施例においては、燃料噴射ノズル１２による燃料噴霧方向と同じく６つの角を燃焼室５１が有している。各角部は等しく１２０°であり、ピストン１１の中心からの距離も等しく構成されている。そして、燃焼室２１よりの火炎噴出し抵抗を軽減して火炎の噴出しを容易にするとともに、燃焼室２１内での火炎の撹乱・発達を阻害しない構成とすることができる。また、同じ条件の角部と辺部とを６つ等間隔で持つ燃焼室口５１を構成でき、扱いやすい燃焼室２１の特性を得ることができる。

［騒音と出力］
上記のように構成した燃料噴射ノズルとピストン１１を用いた直接噴霧式のディーゼル機関の騒音を出力とを単位時間あたりのエンジン回転数（エンジン回転速度）について測定した。図１１はエンジン回転数に対する騒音を出力との関係を示す図。従来構成の燃料噴射ノズルは単孔で等間隔に６個の噴孔を持つものであり、従来構成のピストンは燃焼室口が円形になっており、燃焼室口の中心がピストン中心と一致しているものである。左側縦軸は騒音量ＣＮを示し、単位はｄｂＡである。右側縦軸はエンジン出力Ｐを示し、単位はＮｍである。横軸は単位時間あたりのエンジンの回転数Ｎｅであり、単位はｒｐｍである。そして、騒音および出力の測定は等トルクで比較した。

まず、エンジン騒音について説明する。図１１において、クロ丸は従来の構成の燃料噴射ノズルおよびピストンによるものであり、白抜きの丸は本実施例における燃料噴射ノズルとピストンとを組み合わせたものである。測定の結果、騒音においては、中回転域および高回転域において従来構成に比べて大きく低減されている。

次に、エンジン筒内圧力について説明する。図１１において、クロ四角は従来の構成の燃料噴射ノズルおよびピストンによるものであり、白抜きの四角は本実施例における燃料噴射ノズルとピストンとを組み合わせたものである。筒内圧力においては、安定した圧力特性を発揮することができ、同形のエンジンにおける最高圧力を低減している。このため、過給などにより出力の増大が可能であり、中域から高域にかけて安定したエンジン特性を維持しながら出力増大を行うことができる。

このように、同一エンジン諸元において、燃料噴射ノズルとピストンの燃焼室口形状とを変更することにより、等トルクで比較すると、大きな騒音低減効果が得られた。そして、許容内圧まで、燃焼最高圧を高めることが可能であり、トルク・出力の向上を過給圧増加により可能となることが解った。

［クランク角と筒内圧、熱発生率、燃料噴射時期］
次に、クランク角と筒内圧、熱発生率、燃料噴射時期の従来構成との比較結果について説明する。図１２はクランク角と筒内圧、熱発生率、燃料噴射時期の関係を示す図。点線が従来の燃料噴射ノズルおよびピストンによるものであり、実線が本発明の構成を用いたものである。上から、筒内圧、熱発生率、燃料噴射時期を示す。筒内圧において縦軸は筒内の平均圧力Ｐであり、単位はｂａｒである。熱発生率において縦軸は、筒内の平均熱発生率であり、単位はｋｊ／ｍ３Ｄｅｇである。燃料噴射時期において縦軸はニードル弁３３のリフト量であり、単位はｍｍである。横軸はクランク角であり、単位は度である。

図１２に示すように、筒内圧、熱発生率において最高値の減少が見られた。そして、燃料噴射時期については遅側へのずれが見られた。また、熱発生率については、熱発生率が高い時間が長くなった。噴射時期を同一とした場合、従来の構成と比較して、熱発生率が緩慢でかつ、シリンダ圧力が大きく低減している。このような結果から、エンジンのシリンダの許容筒内圧力まで、燃焼最高圧を高めることが可能となり、トルクおよび出力の向上を過給圧の増加により行うことができる。また、燃料噴射時期が遅角側にシフトするので、燃料噴射時期をさらに進角できる。これにより、燃料消費量の低減を行えると共に、進角によるエンジン出力向上を行える。さらに、燃料噴射時期の遅角によりＮＯｘ低減を行いながら、スモークの発生を低減できる。

燃料噴射ノズル１２の燃焼騒音およびスモーク低減効果に相乗して燃焼室２１も同様の効果を得ることができることが解る。燃料噴射ノズル１２の効果に加え、燃焼室２１の口径を多角形状にすることにより、燃焼室のリップにおいて多角に切り込んだ部位ができるので、噴射による燃焼開始後、ピストンの頂部への火炎が出やすく、燃焼室内における円滑な燃焼を得られる。そして、燃焼室内における気流の阻害が低減されるので、空気との混合が改善される。そして、ピストン１１が降下する際に燃焼室より火炎が撹乱され、シリンダ内に火炎が発達するので、スモークの発生を低減できる。そして、熱発生率の最高値を低減できるので、ＮＯｘの低減を行える。

［排出ガス特性］
次に、本実施例のディーゼル機関の排出ガス特性について説明する。本実施例のディーゼル機関について、排出ガス中に含まれるＰＭ量、一酸化炭素量、炭化水素および酸化窒素量を測定した。図１３は排出ガス中のＰＭ量と炭化水素および酸化窒素量結果を示す図。図１４は排出ガス中の一酸化炭素量と炭化水素および酸化窒素量結果を示す図。丸は従来の構成の燃料噴射ノズルおよびピストンによるものであり、四角は本実施例における燃料噴射ノズルとピストンとを組み合わせたものである。図１３において、縦軸は単位出力あたりのＰＭ量であり、横軸は総炭化水素量およびＮＯｘ量の単位出力あたりの和である。図１４において、縦軸は単位出力あたりの一酸化炭素量であり、横軸は総炭化水素量およびＮＯｘ量の単位出力あたりの和である。単位は図１３および図１４において、共にｇ／ｋＷｈである。図１３および図１４に示すように、ＰＭ量において従来構成の機関より大幅な改善が見られた。また、一酸化炭素量および総炭化水素量、ＮＯｘ量においても改善が認められた。本実施例に示す燃料噴射ノズル１２と燃焼室２１との組み合わせにてよって、噴霧の気相部分が増加し、一般的に遅角側に発生するＨＣ、ＣＯ等のＳＯＦが減少し、ＰＭ低減が図れるとともに、未燃分が増加しない。

次に、燃料噴射ノズルの他の構成について説明する。上下に並設する燃料噴射ノズル３２・３２を閉じる方向もしくは開く方向に配設して、噴霧される燃料特性を調節することが可能である。図１５は噴孔の構成を示す図。図１５ａは燃料噴射ノズルの断面図、図１５ｂは噴射された燃料の長さおよび幅の測定部位を示す図。図１６は噴孔間の角度による噴霧状態を示す図。図１６ａは噴霧長さの変化を示す図、図１６ｂは噴霧幅の変化を示す図。上下に並設する燃料噴射ノズル３２・３２間の角度に対する燃料の噴霧状態について測定した。燃料の噴霧状態は、長さＥＬおよび幅ＥＷを測定することによりおこなった。噴孔３２・３２が、開く方向で角度θ１が１°のもの、平行に配設されているもの、閉じる方向で角度θ２が２°のものおよび５°のものについて、噴霧状態の測定を行い比較した。なお、θ１＝１°のものは各噴孔３２の延長線と燃料噴射ノズル１２の縦軸心との交差する点が一点であり、噴孔３２・３２が平行のものおよびθ２＝２°、５°のものは、交差する点が二点となる。また、噴孔３２は平面方向に対して、約８０°から７０°の間で構成される。

測定の結果、図１６に示すように、長さＥＬは平行なものがもっとも長く、続いてθ１＝１°のもの、θ２＝２°のもの、θ２＝５°のものとなった。幅ＥＷは平行なものがもっとも狭く、続いてθ１＝１°のもの、θ２＝２°のもの、θ２＝５°のものとなった。このように、タンデム仕様に配置した噴孔３２・３２の角度を調節することにより、噴霧の長さおよび幅を調節することができるものである。これにより、ピストンなどの特性に応じて燃料噴射ノズルの噴孔３２・３２のなす角度を調節して、良好な燃焼を得ることができる。そして、ひとつの燃料噴射ノズル１２において、全てを同一のタンデム仕様の噴孔をすることも可能であり、開く方向に配設した噴孔、閉じる方向に配設した噴孔、平行に配設した噴孔を組み合わせて用いることも可能である。

噴孔３２・３２は上下方向に一致する位置ばかりではなく、一方に対してオフセットした位置に配設することもできる。図１７は千鳥配置の噴孔を示す構成例の図。図１７ａは燃料噴射ノズルの側面断面図、図１７ｂは燃料噴射ノズルの底面図、図１７ｃは噴孔配置の展開図。図１７に示すごとく、燃料噴射ノズル１２には、噴孔３４・３５が設けられており、燃料噴射ノズル１２下端部の下側に噴孔３５・３５・・・が、上側に噴孔３４・３４・・が設けられている。噴孔３４・３５は平面視において互い違いに配設された千鳥配置となっている。このように構成することにより、噴孔３４・３５間の上下配設位置を近接させることができ、燃焼容積の増大および燃料噴射ノズル１２の小型化を行える。また、噴孔３４・３５の千鳥配置において、一方の噴孔３４に対して、他方の噴孔に左右位置で寄せて配設し、噴孔３４・３５間の干渉を強めることもできる。

次に、ピストン１１の燃焼室口５１における他の構成について説明する。図１８は他の燃焼室口の構成を示す図。図１８ａは正五角形の燃焼室口を示す平面図、図１８ｂは正７角形の燃焼室口を示す平面図。燃焼室口５１は、多角形状に構成されるので、リップの少ない角部と、リップの量が線形的に変化する辺部分とを有する。さらに、燃焼室口５１を五角形以上の多角形とすることにより、平面視における角部の角度が９０°より大きくなり、燃焼室よりの火炎の噴出および燃焼室内の撹乱が妨げられない。図１８ａに示す５角形の燃焼室５１は正５角形に構成されており、燃焼室５１の中心がピストン１１の中心に一致した構成となっている。図１８ｂに示す７角形の燃焼室５１は正７角形に構成されており、燃焼室５１の中心がピストン１１の中心に一致した構成となっている。正五角形のものは、正六角形のものよりも角部の数が少なく、燃焼室より排出される火炎の数が少なくできる。そして、正七角形のものは、正六角形のものよりも角部の数が多く、燃焼室より排出される火炎の数を多くできる。

図１９は六角形燃焼室口の他の構成を示す図。図１９ａは燃焼室口をオフセットしたものを示す平面図、図１９ｂは不等辺六角形の燃焼室口を示す平面図。図１９ａにおいて、円５１ｂはピストン１１と中心を一致させ、燃焼室口５１の内側で一辺に接するものである。図１９ａに示すごとく、燃焼室口５１はその面積中心をピストン１１の中心に対してオフセットさせて構成されている。これにより、燃焼室口５１におけるリップが角部間において不均一となり、燃焼室口５１において複数の火炎排出環境を提供することができる。図１９ｂに示す不等辺六角形においても同様に、燃焼室口５１において複数の火炎排出環境を提供することができる。これにより、火炎排出条件などに幅を持たせた燃焼室を構成することができ、燃焼特性を調節しやすくなる。このように、燃焼室口形状を構成する辺に対して、少なくともひとつ以上、対辺が平行でない構成とすることにより、燃焼特性に幅を持たせた燃焼室を構成できる。

図２０は燃焼室口角部の形状を丸くした構成を示す図。図２０ａは角部を弧状に構成したものを示す図、図２０ｂは角部を直線状に構成したものを示す図。燃焼室５１の角部５１ａを、図２０ａに示すごとく、弧状に構成することにより、燃焼室より噴出する火炎を円滑にピストン１１上方に導くことが出来、火炎による撹乱を円滑に行うことができる。燃焼室５１の角部５１ａは、図２０ｂに示すごとく、直線状に構成することも可能である。角部５１ａを直線状に構成することにより、ピストン１１の成形にかかるコストを低減しながら、燃焼室特性を向上させることができる。このように、多角形の辺の交差する部分を、任意形状で接続することにより、燃焼室口５１の特性を調節することができる。

図２１は楕円に接する多角形状に構成した燃焼室口を示す平面図。燃焼室口５１は、図２１に示すように、楕円５１ｂが内設する多角形状とすることができる。楕円５１ｂは中心をピストン１１の中心に一致させたものであり、燃焼室口５１は楕円５１ｂが内設する六角形状に構成されている。このように、燃焼室口５１を構成することにより、３種類の特性の異なった角部が構成され、同じ特性を有する角部がピストン１１を点中心とする点対称位置に存在することとなる。燃焼室口５１の辺部においても同様である。すなわち、燃焼室口５１を楕円に接する多角形状とすることにより、複数の特性を有して一定の対称性のある燃焼室５１を構成することが可能となる。特性の同じ角部もしくは辺部がピストン１１の中心に対して対象位置に存在するので、燃焼時にピストン１１に偏った荷重がかかりにくく、ピストン１１の負荷が軽減される。

図２２は燃焼室口に切欠き部を設ける構成を示す平面図。図２２ａは辺の位置に切欠き部を設けた構成を示す平面図であり、図２２ｂは多角形の頂点部分に切欠き部を設けた構成を示す平面図である。図２２ａに示す構成においては、六角形の各辺にあたる位置に切欠き部５５を設けている。切欠き部５５は半円形状に構成されている。このように、辺にあたる部位に切欠き部５５を設けることにより、燃焼室２１より噴出する火炎の数を増すことができる。そして、円滑な燃焼を促進できる。切欠き部は、多角形を構成する辺の任意の位置に構成可能であり、燃焼室２１の上面視で、任意の形状の切欠き部を用いることができる。切欠き部を設けることにより、任意の位置に燃焼時の火炎の噴出部を構成できるので、ピストン１１における燃焼特性を容易に調節することができる。

図２２ｂに示す構成においては、六角形の各頂点にあたる位置に切欠き部５６を設けている。切欠き部５６は略円形状に構成されている。このように、頂点にあたる部位に切欠き部５６を設けることにより、燃焼室２１よりの火炎の噴出を円滑に行うことができる。切欠き部は、多角形を構成する頂点の任意の位置に構成可能であり、燃焼室２１の上面視で、任意の形状の切欠き部を用いることができる。切欠き部を設けることにより、任意の位置に燃焼時の火炎の噴出部を構成できるので、ピストン１１における燃焼特性を容易に調節することができる。

次に、燃料噴射ノズルの配置構成の他例について説明する。図２３は燃料噴射ノズルを傾けて配置した構成を示す図。図２３ａは燃料噴射ノズルの配置構成を示す側面断面図、図２３ｂは燃料噴射ノズルの下端部の構成を示す側面図。この実施例においては、燃料噴射ノズル１２をピストン１１の摺動方向に対して、傾けて配設するものであり、図２３においては、角度θ分傾けて配設されている。燃料噴射ノズル１２の先端部は燃焼室２１の中心の中央凸部２２に向けた配設されている。なお、角度θは燃料噴射ノズル１２による燃料供給が可能な範囲内において行い、燃焼特性により適宜調節される。そして、燃料噴射ノズル１２の先端部には、噴孔３２・３２・・がタンデム仕様で配設されており、下側に配設した噴孔３２・・・はピストン１１の摺動方向に直交する面上に位置しており、上側に配設した噴孔３２・・・もピストン１１の摺動方向に直交する面上に位置しており、下側に配設した噴孔３２と上側に配設した噴孔３２とは、高さ方向にずれて配設されている。このように燃料噴射ノズル１２を構成することにより、燃料噴射ノズル１２の配置構成に関わらず、燃焼室２１に燃料を均一に噴霧することができる。また、燃料噴射ノズル１２の延出方向が燃焼室中心に対して交差する構成とすることにより、シリンダ１０の上方の空間を有効に利用可能となる。燃料噴射ノズル１２の延出方向と直交する面に噴孔３２・３２・・を配設するものを用いた場合には、燃焼室口５１における各角部の燃料条件がことなり、燃焼特性に幅を持たせることができる。すなわち、角度θにより、ピストン１１に対する燃料の噴射角が調節され、燃焼特性の調節を行うことができる。

図２４は燃料噴射ノズルを燃焼室に対してオフセットした構成を示す図。図２４ａは燃料噴射ノズルの配置構成を示す側面断面図、図２４ｂは同じく平面図。燃料噴射ノズル１２は、図２４に示すごとく、ピストン１１の中心および燃焼室２１の中心に対して、距離ｄだけ側方に位置している。このように、燃料噴射ノズル１２を燃焼室２１に対してオフセットすることにより、燃料噴射ノズル１２と燃焼室口５１の位置関係が各角部および各辺部において不均一となる。これにより、各角部に導入される燃料状態がことなるようになり、燃焼室口５１の角部における空気と燃料の状態に幅をもたせることができる。これにより、燃焼特性に幅をもたせた機関を構成することができる。なお、距離ｄは燃焼室口５１内に位置するように設定されるものであり、主に、中央凸部２２の半径内に設定することで、燃焼条件を調節しながら燃焼室２１内全体に燃料噴射を行うことができる。

直接噴霧式ディーゼル機関の構成を示す斜視一部断面図。 直接噴霧式ディーゼル機関の構成を示す側面断面図。 燃料噴射ノズルの下方斜視図。 燃料噴射ノズルの側面断面図。 燃料噴射ノズルの下端部の底面図。 燃料噴射ノズルの噴孔の展開図。 燃料噴射ノズルの燃料噴霧構成を示す模式図。 ピストンの斜視図。 ピストンの平面図。 ピストンのＡ−Ａ線断面図。 エンジン回転数に対する騒音を出力との関係を示す図。 クランク角と筒内圧、熱発生率、燃料噴射時期の関係を示す図。 排出ガス中のＰＭ量と炭化水素および酸化窒素量結果を示す図。 排出ガス中の一酸化炭素量と炭化水素および酸化窒素量結果を示す図。 噴孔の構成を示す図。 噴孔間の角度による噴霧状態を示す図。 千鳥配置の噴孔を示す図。 他の燃焼室口の構成を示す図。 六角形燃焼室口の他の構成を示す図。 燃焼室口角部の形状を丸くした構成を示す図。 楕円に接する多角形状に構成した燃焼室口を示す平面図。 燃焼室口に切欠き部を設ける構成を示す平面図。 燃料噴射ノズルを傾けて配置した構成を示す図。 燃料噴射ノズルを燃焼室に対してオフセットした構成を示す図。

１１ ピストン
１２ 燃料噴射ノズル
２１ 燃料室
３２ 噴孔
５１ 燃焼室口

Claims (2)

1. 上面の凹部により燃焼室（２１）を構成するピストン（１１）と、該ピストン（１１）の燃焼室（２１）内に燃料を噴射する燃料噴射ノズル（１２）と、により構成される直接噴霧式ディーゼル機関において、該燃料噴射ノズル（１２）には、複数組の噴孔（３２・３２）を配置し、該一組の噴孔（３２・３２）は、各組において一方の噴孔（３２）は他方の噴孔（３２）よりも、該燃料噴射ノズル（１２）の下端側で、底面視において内側に配置して、上下にタンデムに構成し、各組の噴孔（３２・３２）は燃料噴射ノズル（１２）の軸心よりの放射線上に等間隔に配置し、該一組の噴孔（３２・３２）は同一の縦断面上に配置し、該一組の噴孔（３２・３２）は、該燃料噴射ノズル（１２）に、略平行に穿設し、すなわち、該燃料噴射ノズル（１２）の縦方向の軸心と、噴孔（３２）とが織り成す交点が、一組の噴孔（３２・３２）において２つある構成とし、各組間において、下側に位置する噴孔（３２・・）の開口は同一平面上に配置し、上側に位置する噴孔（３２・・）の開口も同一平面上に配置し、前記ピストン（１１）の燃焼室（２１）の燃焼室口（５１）の形状を多角形に構成し、該複数組の噴孔（３２・３２）の組数と同じ角を持つ多角形の燃焼室口（５１）とし、前記タンデム配置した一組の噴孔（３２・３２）を６組配置し、前記ピストン（１１）の燃焼室口（５１）を６角形に構成し、前記燃焼室口（５１）形状を構成する六角形の辺において、少なくとも一つ以上の対辺が平行でないことを特徴とする直接噴霧式ディーゼル機関。
2. 上面の凹部により燃焼室（２１）を構成するピストン（１１）と、該ピストン（１１）の燃焼室（２１）内に燃料を噴射する燃料噴射ノズル（１２）と、により構成される直接噴霧式ディーゼル機関において、該燃料噴射ノズル（１２）には、複数組の噴孔（３２・３２）を配置し、該一組の噴孔（３２・３２）は、各組において一方の噴孔（３２）は他方の噴孔（３２）よりも、該燃料噴射ノズル（１２）の下端側で、底面視において内側に配置して、上下にタンデムに構成し、各組の噴孔（３２・３２）は燃料噴射ノズル（１２）の軸心よりの放射線上に等間隔に配置し、該一組の噴孔（３２・３２）は同一の縦断面上に配置し、該一組の噴孔（３２・３２）は、該燃料噴射ノズル（１２）に、略平行に穿設し、すなわち、該燃料噴射ノズル（１２）の縦方向の軸心と、噴孔（３２）とが織り成す交点が、一組の噴孔（３２・３２）において２つある構成とし、各組間において、下側に位置する噴孔（３２・・）の開口は同一平面上に配置し、上側に位置する噴孔（３２・・）の開口も同一平面上に配置し、前記ピストン（１１）の燃焼室（２１）の燃焼室口（５１）の形状を多角形に構成し、該複数組の噴孔（３２・３２）の組数と同じ角を持つ多角形の燃焼室口（５１）とし、前記燃料噴射ノズル（１２）の断面中心軸が、燃焼室（２１）の中心線に対して同一線上となる、もしくは燃料噴射ノズル（１２）の延出方向が燃焼室（２１）の中心線に対して交差する構成とすることを特徴とする直接噴霧式ディーゼル機関。

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