JP4580309B2 - Combustion chamber structure of direct injection diesel engine - Google Patents
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Description
本発明は、直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造に関するものである。 The present invention relates to a combustion chamber structure of a direct injection diesel engine.
車両用エンジンには、排気経路から分流した排気を吸気経路に戻して、NOxの発生を低減させる排気再循環(EGR:Exhaust Gas Recirculation)を採用したものがある。 Some vehicle engines employ exhaust gas recirculation (EGR) that reduces the generation of NOx by returning exhaust gas that has been diverted from the exhaust path to the intake path.
図8は排気再循環を採用した車両用エンジンの一例であり、ここに図示したディーゼルエンジン1では、排気2が流通する排気通路3と吸気通路4をEGRパイプ5により接続しており、当該EGRパイプ5にはEGRバルブ6が組み込んである。
FIG. 8 shows an example of a vehicle engine that employs exhaust gas recirculation. In the diesel engine 1 shown here, an
EGRバルブ6を開くと、ディーゼルエンジン1から排気通路3へ送出される排気2の一部がEGRパイプ5を経て吸気通路4に導かれ、吸気7とともにディーゼルエンジン1の気筒内に送り込まれる。
When the
これにより、気筒内の燃焼温度の低下が図られ、NOxの発生が低減することになる。 Thereby, the combustion temperature in the cylinder is lowered, and the generation of NOx is reduced.
ディーゼルエンジン1の各気筒の天井部には、燃料(軽油)を気筒内に噴射する多孔式のインジェクタ8が装備され、また、ピストン9の頂部には、燃焼室の大半をなすように窪むキャビティ10が形作ってある。
The ceiling of each cylinder of the diesel engine 1 is equipped with a
ピストン9の頂部のキャビティ10は図9に示すように、その開口の外縁部をなす入口リップ部11と、該入口リップ部11から緩やかなS字カーブを描くように下降して入口リップ部11より半径方向外側へ張り出すリエントラント部12と、該リエントラント部12から半径方向内側へ向かう緩やかな凹湾曲面をなす外側曲面部13と、該外側曲面部13の下端部全周からピストン中心Oに向けて扁平な円錐状をなすセンタコーン14とを備えている。
As shown in FIG. 9, the
インジェクタ8からの燃料の噴射は、制御装置15からの燃料噴射指令8aに基づき、気筒内温度が高くなる圧縮行程終期(圧縮上死点近辺)で実行される。
The fuel injection from the
また、制御装置15には、アクセル開度をエンジン負荷として検出するアクセルセンサ16からのアクセル開度信号16aや、エンジン回転数を検出する回転センサ17からの回転数信号17a等が入力されており、各種制御に応じてディーゼルエンジン1の運転状態が常に監視されている。
The
更に、図8における18はクランクシャフト、19は排気ポート、20は排気弁、21は吸気ポート、22は吸気弁であり、吸気弁22及び排気弁20は、エンジン駆動のカムシャフトに付帯しているカムにより、プッシュロッドやロッカーアームを介して、各気筒ごとの行程に応じた適切な時期に開弁操作される。
Further, in FIG. 8, 18 is a crankshaft, 19 is an exhaust port, 20 is an exhaust valve, 21 is an intake port, 22 is an intake valve, and the
この種の直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造に関連する先行技術文献情報としては、例えば、下記の特許文献1や特許文献2等が既に提案されている状況にある。
しかしながら、図8に示すような従来の車両用エンジンにおいて、排気通路3から分流した排気2を気筒に送り込んでNOxの低減化を図ることは、気筒内での燃焼不良により黒煙を発生してしまうこととトレードオフの関係にある。
However, in the conventional vehicle engine as shown in FIG. 8, reducing the NOx by sending the
つまり、大幅なNOxの低減化を実現するために排気2の再循環量を増やしてしまうと、黒煙の発生や燃費の悪化等といった問題を招いてしまう。
That is, if the recirculation amount of the
そこで、本発明者は、図9に示す既存の燃焼室構造に関し、燃料の拡散状況に着目して鋭意研究を続けたところ、図10(圧縮上死点)のように、リエントラント部12に向けて噴射された燃料は、図11(クランク角6°)や図12(クランク角12°)のように、リエントラント部12に衝突し、その燃料の噴射で生じた空気流が外側曲面部13に沿いセンタコーン14まで下降して半径方向内側へ折り返され、更に、図13(クランク角18°)のように、その上方で燃料噴射後半の半径方向外側へ向かう空気流が残存しているため、図14(クランク角30°)のようなキャビティ10内で循環する大きな渦が形成され、図15(クランク角40°)のように、燃料の大半がキャビティ10内に留まり、ここに燃料の濃い領域が局所的に形成されて黒煙が発生し易くなるという事実を見いだした。
Therefore, the present inventor has conducted intensive research on the existing combustion chamber structure shown in FIG. 9 while paying attention to the diffusion state of the fuel. As shown in FIG. 10 (compression top dead center), the inventor is directed toward the
なお、図10〜図15にFで示す線図は、噴射した燃料の濃度別分布の拡散状況を模式的に表わしたもので、内側の分布領域ほど燃料の濃度が濃いことを示している。 10 to 15 schematically show the diffusion state of the distribution by concentration of the injected fuel, and indicates that the concentration of the fuel is higher in the inner distribution region.
そして、キャビティ10内から積極的にスキッシュエリアS(キャビティ10周囲のピストン9の頂面と気筒天井部23との間の領域)に燃料を向かわせることによって、燃料の拡散性を向上し且つ気筒の内周側よりも酸素が多い外周側(体積が大きい分だけ酸素も多い)で良好に燃焼させて黒煙発生を抑制する技術を創案するに到ったが、前述の特許文献1や特許文献2等は、燃料と空気の混合性ばかりに注目したものとなっていて、キャビティ10内からスキッシュエリアSへの効果的な燃料の拡散を実現し得るようにはなっていなかった。
The fuel is directed from the
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、排気ガスの再循環量を増やしても黒煙の発生や燃費の悪化を極力回避し得るようにした直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a combustion chamber structure of a direct injection type diesel engine that can avoid generation of black smoke and deterioration of fuel consumption as much as possible even if the amount of exhaust gas recirculation is increased. The purpose is to do.
本発明は、
ピストン頂部に燃焼室の大半をなすように窪むキャビティを形作り、前記ピストンが上死点に至ったときにキャビティ内方へ燃料を噴射して自己着火させる直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造であって、
キャビティの開口の外縁部をなす入口リップ部と、
該入口リップ部から緩やかなS字カーブを描くように下降して入口リップ部より半径方向外側へ張り出すリエントラント部と、
該リエントラント部から半径方向内側へ向かう凹湾曲面をなす外側曲面部と、
該外側曲面部の下端部全周から半径方向内側に向けて下がり込み且つ引き続き立ち上がる凹湾曲面をなす内側曲面部と、
該内側曲面部の上端部全周からピストン中心に向けて扁平な円錐状をなすセンタコーンとを備え、
前記内側曲面部の凹湾曲面を外側曲面部の凹湾曲面よりも緩やかな曲りとして、
前記ピストンが圧縮上死点に近付くのに伴い、スキッシュエリアからキャビティへ流入する空気が、外側曲面部に向けて下降する渦、及び内側曲面部に向けて下降し且つ該内側曲面部に沿って半径方向外側から内側へ流れ、更に上方へ向かう縦に長い形の渦を生じさせ、
前記ピストンが圧縮上死点付近に至った際に燃料の噴射により押し出されてきた空気が、前記外側曲面部に向けて下降する渦を消滅させるとともに、前記内側曲面部上方の縦に長い形の渦を付勢し、
この内側曲面部上方の渦が燃料混合気を随伴して燃焼室上部へ導き得るようにした構成を採る。
The present invention
Shape the cavity recessed so as to form the majority of the combustion chamber in the piston crown, a combustion chamber structure for a direct injection diesel engine to self-ignition by injecting fuel into the cavity inwardly when said piston reaches the top dead center And
An inlet lip that forms the outer edge of the cavity opening;
A reentrant portion that descends from the inlet lip portion so as to draw a gentle S-curve and protrudes radially outward from the inlet lip portion;
An outer curved surface portion forming a concave curved surface radially inward from the reentrant portion;
An inner curved surface portion that forms a concave curved surface that descends radially inward from the entire circumference of the lower end portion of the outer curved surface portion and subsequently rises;
A center cone having a flat conical shape from the entire upper end of the inner curved surface to the center of the piston,
As the concave curved surface of the inner curved surface part is gentler than the concave curved surface of the outer curved surface part,
As the piston approaches the compression top dead center, the air flowing from the squish area into the cavity descends toward the outer curved surface portion and the inner curved surface portion, and along the inner curved surface portion. Causing a vertically long vortex to flow from the outside in the radial direction to the inside and further upward,
The air pushed out by fuel injection when the piston reaches the vicinity of the compression top dead center eliminates the vortex descending toward the outer curved surface portion and has a vertically long shape above the inner curved surface portion. Energize the vortex,
A configuration is adopted in which the vortex above the inner curved surface portion can be guided to the upper portion of the combustion chamber along with the fuel mixture .
つまり、圧縮行程にあるピストンが圧縮上死点に近付くのに伴い、スキッシュエリアからキャビティへ空気が流入し、外側曲面部に対応した渦と、内側曲面部に対応した縦に長い形の渦が生じる。 In other words, as the piston in the compression stroke approaches the compression top dead center, air flows from the squish area into the cavity, and a vortex corresponding to the outer curved surface portion and a vertically long vortex corresponding to the inner curved surface portion are formed. Arise.
ピストンが圧縮上死点付近に至り、燃料の噴射が実行されると、外側曲面部に対応していた渦は消滅し、燃料の噴射により押し出されてきた空気により、内側曲面部に対応している渦が強められ、当該渦は、それ自体が持っている遠心力で上方へ引き伸ばされる。 When the piston reaches the compression top dead center and fuel injection is executed, the vortex corresponding to the outer curved surface portion disappears, and the air pushed out by the fuel injection corresponds to the inner curved surface portion. The vortex is strengthened, and the vortex is stretched upward by its own centrifugal force.
この渦が燃料混合気を随伴して酸素が多く存在している燃焼室上部へ導き、燃料混合気がスキッシュエリアへ拡散し、これにより、煤の再酸化を促進する。 This vortex leads the fuel mixture to the upper part of the combustion chamber where there is a lot of oxygen, and the fuel mixture diffuses into the squish area, thereby promoting soot reoxidation.
本発明の直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造によれば、キャビティの内底部分や中心部付近に局所的に燃料の濃い領域が生じることがなく、酸素が多く存在しているスキッシュエリアへ燃料混合気が効果的に拡散するので、黒煙の発生や燃費の悪化を極力回避しながら、排気の再循環量を今までに実現できなかった領域まで増やすことが可能になり、顕著なNOxの低減を達成できる、という優れた効果を奏し得る。 According to the combustion chamber structure of the direct injection type diesel engine of the present invention, fuel mixing is not performed in the squish area where a lot of oxygen exists without locally generating a fuel-rich region near the inner bottom portion or the center portion of the cavity. As the air diffuses effectively, it is possible to increase the amount of exhaust gas recirculation to an area where it has not been possible so far, while avoiding the generation of black smoke and the deterioration of fuel consumption as much as possible, and significantly reducing NOx. It is possible to achieve an excellent effect that can be achieved.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1〜図7は本発明の直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造の一例であって、図中、図8、図9と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。 FIGS. 1-7 is an example of the combustion chamber structure of the direct-injection diesel engine of this invention, In the figure, the part which attached | subjected the code | symbol same as FIG. 8, FIG. 9 represents the same thing.
ピストン9の頂部のキャビティ10は、その開口の外縁部をなす入口リップ部11と、該入口リップ部11から緩やかなS字カーブを描くように下降して入口リップ部11より半径方向外側へ張り出すリエントラント部12と、該リエントラント部12から半径方向内側へ向かう凹湾曲面をなす外側曲面部24と、該外側曲面部24の下端部全周から半径方向内側に向けて下がり込み且つ引き続き立ち上がる凹湾曲面をなす内側曲面部25と、該内側曲面部25の上端部全周からピストン中心Oに向けて扁平な円錐状をなすセンタコーン26とを備えている。
The
内側曲面部25の縦断面の半径R2は外側曲面部24の縦断面の半径R1よりも大きく設定してある(これら凹湾曲面は必ずしも単一半径とは限らないので、内側曲面部25の縦断面の曲率を外側曲面部24の縦断面の曲率よりも小さく設定してある、という表現が相応しい)。
The radius R2 of the longitudinal section of the inner
また、外側曲面部24と内側曲面部25は、双方の凹湾曲面が突き合う境界部27によって区切られている。
Further, the outer
また、内側曲面部25とセンタコーン26は、凹湾曲面と平坦面とが突き合うエッジ部28によって区切られている。
Further, the inner
なお、上述したピストン9を組み込む車両用エンジンの構造は、図8に示すディーゼルエンジン1と相違しない。
In addition, the structure of the vehicle engine which incorporates the
この直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造においては、圧縮行程にあるピストン9が圧縮上死点に近付くのに伴い、スキッシュエリアSからキャビティ10へ空気が流入し、図2のように、境界部27の上方から外側曲面部24に向けて下降する渦Iが生じる。
In the combustion chamber structure of this direct injection type diesel engine, as the
また、境界部27の上方から内側曲面部25に向けて下降し且つ当該内側曲面部25に沿いながらエッジ部28に向かう縦に長い形の渦IIが、粘性効果によって渦Iとは逆にまわるように生じる。
In addition, a vertically long vortex II descending from the upper side of the
渦IIを縦に長い形とするためには、内側曲面部25の縦断面の曲率を外側曲面部24の縦断面の曲率よりも小さく設定することが要件となる。
In order to make the vortex II vertically long, it is necessary to set the curvature of the longitudinal section of the inner
ピストン9が圧縮上死点付近に至り、リエントラント部12に向けて燃料の噴射が実行されると渦Iは消滅し、図3(クランク角6°)のように、先の燃料の噴射により押し出されてきた空気IIIが渦IIを付勢し、図4(クランク角12°)のように、渦IIを強め、渦IIは、それ自体が持っている遠心力で上方へ引き伸ばされる。
When the
更に、図5(クランク角18°)のように、符号Fが付してある燃料の分布領域、言い替えれば燃料混合気は、渦IIに随伴されて酸素が多く存在している燃焼室上部へ導かれやすくなり、膨張行程にあるピストン9が圧縮上死点から遠ざかるのに伴い、図6(クランク角30°)及び図7(クランク角40°)のように、燃料混合気がスキッシュエリアSへ拡散し、これにより、煤の再酸化が促進される。
Further, as shown in FIG. 5 (crank
このように上述した直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造によれば、キャビティ10の内底部分や中心部付近に局所的に燃料の濃い領域が生じることがなく、酸素が多く存在しているスキッシュエリアSへ燃料混合気が効果的に拡散するので、黒煙の発生や燃費の悪化を極力回避しながら、排気2(図8参照)の再循環量を既存のディーゼルエンジン1で実現できなかった領域まで増やすことが可能になり、顕著なNOxの低減を達成できる。
As described above, according to the combustion chamber structure of the direct injection type diesel engine described above, a squish area where there is a large amount of oxygen without locally producing a fuel-rich region near the inner bottom portion or the central portion of the
なお、本発明の直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造は、上述した実施の形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変更を加え得ることは勿論である。 It should be noted that the combustion chamber structure of the direct injection diesel engine of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that changes can be made without departing from the gist of the present invention.
9 ピストン
10 キャビティ
11 入口リップ部
12 リエントラント部
24 外側曲面部
25 内側曲面部
26 センタコーン
9
Claims (1)
キャビティの開口の外縁部をなす入口リップ部と、
該入口リップ部から緩やかなS字カーブを描くように下降して入口リップ部より半径方向外側へ張り出すリエントラント部と、
該リエントラント部から半径方向内側へ向かう凹湾曲面をなす外側曲面部と、
該外側曲面部の下端部全周から半径方向内側に向けて下がり込み且つ引き続き立ち上がる凹湾曲面をなす内側曲面部と、
該内側曲面部の上端部全周からピストン中心に向けて扁平な円錐状をなすセンタコーンとを備え、
前記内側曲面部の凹湾曲面を外側曲面部の凹湾曲面よりも緩やかな曲りとして、
前記ピストンが圧縮上死点に近付くのに伴い、スキッシュエリアからキャビティへ流入する空気が、外側曲面部に向けて下降する渦、及び内側曲面部に向けて下降し且つ該内側曲面部に沿って半径方向外側から内側へ流れ、更に上方へ向かう縦に長い形の渦を生じさせ、
前記ピストンが圧縮上死点付近に至った際に燃料の噴射により押し出されてきた空気が、前記外側曲面部に向けて下降する渦を消滅させるとともに、前記内側曲面部上方の縦に長い形の渦を付勢し、
この内側曲面部上方の渦が燃料混合気を随伴して燃焼室上部へ導き得るようにしたことを特徴とする直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造。 Shape the cavity recessed so as to form the majority of the combustion chamber in the piston crown, a combustion chamber structure for a direct injection diesel engine to self-ignition by injecting fuel into the cavity inwardly when said piston reaches the top dead center And
An inlet lip that forms the outer edge of the cavity opening;
A reentrant portion that descends from the inlet lip portion so as to draw a gentle S-curve and protrudes radially outward from the inlet lip portion;
An outer curved surface portion forming a concave curved surface radially inward from the reentrant portion;
An inner curved surface portion that forms a concave curved surface that descends radially inward from the entire circumference of the lower end portion of the outer curved surface portion and subsequently rises;
A center cone having a flat conical shape from the entire upper end of the inner curved surface to the center of the piston,
As the concave curved surface of the inner curved surface part is gentler than the concave curved surface of the outer curved surface part,
As the piston approaches the compression top dead center, the air flowing from the squish area into the cavity descends toward the outer curved surface portion and the inner curved surface portion, and along the inner curved surface portion. Causing a vertically long vortex to flow from the outside in the radial direction to the inside and further upward,
The air pushed out by fuel injection when the piston reaches the vicinity of the compression top dead center eliminates the vortex descending toward the outer curved surface portion and has a vertically long shape above the inner curved surface portion. Energize the vortex,
A combustion chamber structure of a direct injection diesel engine, characterized in that the vortex above the inner curved surface portion can be guided to the upper portion of the combustion chamber with the fuel mixture .
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