JP5418315B2 - ディーゼルエンジンの燃焼室 - Google Patents

Description

本発明は、ピストンの頂面に凹設されたキャビティに、ピストンの上方に配置された燃料噴射ノズルから燃料が噴射されるディーゼルエンジンの燃焼室に関する。

ディーゼルエンジンのピストンの頂面には、燃焼室となるキャビティが凹設されている。キャビティの一般的な形状を図４、図５に示す。図４は、ピストン１の頂面に凹設されたキャビティ２の開口が絞られていない浅皿型（Shallow dish）の燃焼室を示し（特許文献１参照）、図５は、ピストン１の頂面に凹設されたキャビティ２の開口が絞られたリエントラント型（Re-entrant）の燃焼室を示す（特許文献２参照）。

図６に示すように、キャビティ２には、ピストン１の上方に配置された燃料噴射ノズル（以下、ノズルという。）３から燃料が噴射される。このように筒内（シリンダ内）に直接噴射された燃料は、空気と混合し、ピストン１の上昇に伴って圧縮され、着火に至る。そのため、燃焼室となるキャビティ２の形状は、燃料と空気との混合気の形成に大きく影響し、ひいては燃焼効率及び排ガス性状等のエンジン性能に多大な影響を及ぼすことが知られている。

ところで、燃焼効率の改善を図るためにノズル３の噴孔の面積を小さくし、且つ噴孔の数を増やして（例えば１０以上）総噴孔面積を確保するようにしたものが知られている。噴孔の数をある程度以上に増やそうとした場合、通常のノズル３のように各噴孔を周方向に間隔を隔てて一列に配置することが困難となるため、図７に示すように、噴孔４を上下二段の所謂千鳥配置とすることが行われる。

千鳥配置された噴孔４は、ノズル３に周方向に間隔を隔てて配設された複数の上段噴孔４ａと、上段噴孔４ａ同士の間で且つ上段噴孔４ａよりも下方において周方向に間隔を隔てて配設された複数の下段噴孔４ｂとの二種から成り、周方向に間隔を隔てて一列に配置された通常の噴孔よりも噴孔数を増やすことができる。

特開２００２−１２２０２４号公報 浅皿型 特開２００８−２６７１５５号公報 リエントラント型

しかし乍ら、このようにして噴孔４の数を増やすほど、夫々の噴孔４間の距離が短くなり、隣り合う上段噴孔４ａと下段噴孔４ｂとから噴射された燃料の噴霧がキャビティ２の壁面２ｘに衝突した後、噴霧同士の干渉が強くなる。

詳しくは、上段噴孔４ａから噴射された燃料の噴霧は、図６に実線矢印Ａで示すようにキャビティ２の壁面２ｘの比較的上部分に衝突し、下段噴孔４ｂから噴射された燃料の噴霧は、図６に破線矢印Ｂで示すようにキャビティ２の壁面２ｘの比較的下部分に衝突する。隣り合う上段噴孔４ａと下段噴孔４ｂとから噴射されキャビティ２の壁面２ｘに衝突した噴霧は、衝突位置から壁面２ｘに沿って夫々上下左右に広がる。このため、隣り合う上段噴孔４ａと下段噴孔４ｂとの距離が短くなると、噴霧同士の干渉が強くなってしまう。

噴霧同士の干渉が強くなると、その干渉部分では相対的に空気の量に対して燃料量が増えるため、その部分の混合気は燃料過濃となり、煤（スート：SOOT）や一酸化炭素（ＣＯ）の多量排出を招く要因となる。

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、噴孔が上下二段に千鳥配置されたノズルを備えたディーゼルエンジンの燃焼室において、ノズルの各噴孔から噴射された燃料の噴霧がキャビティの壁面に衝突した後、噴霧同士の干渉を抑制したディーゼルエンジンの燃焼室を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、ピストンの頂面に、該ピストンの上方に配置された燃料噴射ノズルから噴射された燃料の噴霧が衝突するキャビティを凹設したディーゼルエンジンの燃焼室であって、前記燃料噴射ノズルが、周方向に間隔を隔てて形成された複数の上段噴孔と、該上段噴孔同士の間で且つ前記上段噴孔よりも下方において周方向に間隔を隔てて形成された複数の下段噴孔とを有し、前記ピストンの頂面が、前記上段噴孔から噴射された燃料の噴霧が衝突する前記キャビティの壁面は高く、前記下段噴孔から噴射された燃料の噴霧が衝突する前記キャビティの壁面は低くなるように、周方向に交互に凸凹に形成されたものである。

前記上段噴孔から噴射された燃料の噴霧が前記キャビティの壁面に衝突する衝突位置が、前記下段噴孔から噴射された燃料の噴霧が前記キャビティの壁面に衝突する衝突位置よりも高いことが好ましい。

本発明に係るディーゼルエンジンの燃焼室によれば、燃料噴射ノズルの下段噴孔から噴射された燃料の噴霧は、キャビティ壁面に衝突した後、ピストン頂面に周方向に交互に凸凹に形成された凹の部分を伝って外方に広がり、上段噴孔から噴射された燃料の噴霧は、キャビティ壁面に衝突した後、ピストン頂面に周方向に交互に凸凹に形成された凸の部分を伝って外方に広がる。これにより、隣り合う下段噴孔と上段噴孔とから噴射された燃料の噴霧がキャビティ壁面に衝突した後、噴霧同士の干渉を抑制できる。よって、燃料の過濃領域が生成されることを抑制でき、スート、ＣＯの排出量を低減できる。

本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジンの燃焼室の概要を示すピストンの斜視図である。 図１のピストンの平面図である。 図１のピストン及び燃料噴射ノズル等を表す断面図である。 従来例を示すディーゼルエンジンの燃焼室（浅皿型）の説明図であり、（ａ）はピストンの平面図、（ｂ）はピストンの側断面図である。 別の従来例を示すディーゼルエンジンの燃焼室（リエントラント型）の説明図であり、（ａ）はピストンの平面図、（ｂ）はピストンの側断面図である。 従来例に係るディーゼルエンジンの燃焼室のキャビティに、噴孔が上下二段に千鳥配置された燃料噴射ノズルの各噴孔から燃料を噴射する様子を示すピストン及び燃料噴射ノズル等の断面図である。 図６のVII−VII線矢視図であり、噴孔が上段噴孔と下段噴孔とから千鳥配置された燃料噴射ノズルの下面図である。

本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１〜図３に示すように、本実施形態に係るディーゼルエンジンの燃焼室は、シリンダ５内を昇降するピストン１の頂面に凹設されたキャビティ２を備えている。キャビティ２の形状は、浅皿型の他、リエントラント型、トロイダル型、バスタブ型等、様々な形状であってよい。キャビティ２の壁面２ｘには、ピストン１の上方に配置された燃料噴射ノズル（以下、ノズルという。）３から噴射された燃料の噴霧が衝突する。ノズル３はシリンダヘッド６に装着されている。

ノズル３の下部には、図７に示すように、周方向に間隔を隔てて複数の上段噴孔４ａが形成されていると共に、上段噴孔４ａ同士の間で且つ上段噴孔４ａよりも下方において周方向に間隔を隔てて複数の下段噴孔４ｂが形成されている。すなわち、このノズル３は、上段噴孔４ａと下段噴孔４ｂとから上下二段の千鳥配置された噴孔４を有する。上段噴孔４ａから噴射された燃料の噴霧は、図１、図３に実線矢印Ａで示すようにキャビティ２の壁面２ｘの比較的上部分に衝突し、下段噴孔４ｂから噴射された燃料の噴霧は、図１又は図３に破線矢印Ｂで示すようにキャビティ２の壁面２ｘの比較的下部分に衝突する。

上段噴孔４ａ及び下段噴孔４ｂの孔径は、噴霧の微細化を図って燃焼効率の改善を推進するため、非常に小さく、例えば１００μｍ〜５０μｍ程度に形成されている。但し、この数値に限定されるものではない。このように、各噴孔４ａ、４ｂの孔径を小さくした場合、全負荷時等における燃料の噴射量を確保するため、噴孔４ａ、４ｂの数を通常よりも増やして総噴孔面積を稼ぐ必要が生じる。本実施形態では、図７に示すように、上段噴孔４ａの数を１０、下段噴孔４ｂの数を１０とし、計２０個の噴孔としているが、この数値に限定されるものではない。

このように上段噴孔４ａ及び下段噴孔４ｂの数を増やすと、隣り合う上段噴孔４ａと下段噴孔４ｂとの距離が短くなり、これら噴孔４ａ、４ｂから噴射されてキャビティ２の壁面２ｘに衝突した噴霧同士の干渉が強くなり易い。そこで、この干渉を和らげる（抑える）ために、図１に示すように、ピストン１の頂面７に、上段噴孔４ａから噴射された燃料の噴霧が衝突するキャビティ２の壁面２ｘは高く、下段噴孔４ｂから噴射された燃料の噴霧が衝突するキャビティ２の壁面２ｘは低くなるように、周方向に交互に凸凹に高段部（図２の白抜き部分）７ａと低段部（図２の網掛け部分）７ｂとを形成している。

図１〜図３において、実線矢印Ａは上段噴孔４ａから噴射された燃料の噴射方向を表し、破線矢印Ｂは下段噴孔４ｂから噴射された燃料の噴射方向を表している。なお、実線矢印Ａ及び破線矢印Ｂは、図１では見易くするために一つずつしか表示していないが、実際には周方向に間隔を隔てて複数存在する（図２参照）。また、図１と図２とで高段部７ａ及び低段部７ｂの数が異なっているが、作図上の都合に過ぎず、実際は同数である。また、図１において、高段部７ａと低段部７ｂとの接続部８、高段部７ａの角部９は、アール形状となっていてもよい。

図３に示すように、高段部７ａと低段部７ｂとの高さ差は、上段噴孔４ａから噴射された燃料の噴霧が衝突するキャビティ壁面２ｘの衝突位置ＦＡが低段部７ｂよりも高く高段部７ａよりも低くなり、且つ下段噴孔４ｂから噴射された燃料の噴霧が衝突するキャビティ壁面２ｘの衝突位置ＦＢが低段部７ｂよりも低くなるように、設定されている。高段部７ａの数は上段噴孔４ａの数と等しく、高段部７ａのキャビティ壁面２ｘが上段噴孔４ａから噴射された燃料の噴霧に対応する。同様に、低段部７ｂの数は下段噴孔４ｂの数と等しく、低段部７ｂのキャビティ壁面２ｘが下段噴孔４ｂから噴射された燃料の噴霧に対応する。

すなわち、ピストン１の頂面７には、周方向に交互に凸凹に形成された高段部７ａと低段部７ｂとからなる段差が設けられており、これらの段差のそれぞれがノズル３の各噴孔４ａ、４ｂから噴射される燃料の噴霧に対応していて、高段部７ａのキャビティ壁面２ｘに上段噴孔４ａから噴射された燃料の噴霧が衝突し、低段部７ｂのキャビティ壁面２ｘに下段噴孔４ｂから噴射された燃料の噴霧が衝突するような位置関係となっている。

本実施形態の作用を述べる。

図１〜図３に示すように、ノズル３の上段噴孔４ａから噴射された燃料の噴霧は、実線矢印Ａで示すように高段部７ａのキャビティ壁面２ｘに衝突し、ノズル３の下段噴孔４ｂから噴射された燃料の噴霧は、破線矢印Ｂで示すように低段部７ｂのキャビティ壁面２ｘに衝突する。こうして各噴孔４ａ、４ｂから噴射されてキャビティ壁面２ｘに衝突した噴霧は、夫々の衝突位置ＦＡ、ＦＢから壁面２ｘに沿って上下左右に広がり、また筒内で起こる逆スキッシュ流の影響により、キャビティ２の外へと流れるような挙動をする。

すると、ノズル３の上段噴孔４ａから噴射された燃料の噴霧は、キャビティ壁面２ｘに衝突した後、ピストン１の頂面７の高段部７ａを伝って外方に広がり、下段噴孔４ｂから噴射された燃料の噴霧は、キャビティ壁面２ｘに衝突した後、ピストン１の頂面７の低段部７ｂを伝って外方に広がる。これにより、隣り合う上段噴孔４ａと下段噴孔４ｂとから噴射された燃料の噴霧は、キャビティ壁面２ｘに衝突した後、噴霧同士の干渉が抑制される。

すなわち、高段部７ａのキャビティ壁面２ｘと低段部７ｂのキャビティ壁面２ｘとに夫々衝突した燃料の噴霧は、キャビティ壁面２ｘに沿って上下左右に広がるが、ピストン１の頂面７に設けられた段差により、低段部７ｂのキャビティ壁面２ｘに衝突した噴霧が、高段部７ａのキャビティ壁面２ｘに衝突した噴霧よりもキャビティ２の外へと広がり易くなり、隣り合う噴霧同士の干渉が弱くなる。

このように、隣り合う噴霧同士の干渉が弱くなるため、筒内で形成される過濃混合気が抑制され、燃焼時に排出されるスート、ＣＯの排出量を低減される。つまり、噴孔４ａ、４ｂが上下二段に千鳥配置されたノズル３を備えたディーゼルエンジンにおいて、ノズル３の各噴孔４ａ、４ｂから噴射された燃料の噴霧がキャビティ壁面２ｘに衝突した後の噴霧同士の干渉を抑制でき、スート、ＣＯの排出量を低減できる。

また、図３に示すように、上方の上段噴孔４ａから噴射された燃料の噴霧がキャビティ壁面２ｘに衝突する衝突位置ＦＡが、下方の下段噴孔４ｂから噴射された燃料の噴霧がキャビティ壁面２ｘに衝突する衝突位置ＦＢよりも高い。このため、各噴孔４ａ、４ｂから噴射された燃料の噴霧は、キャビティ壁面２ｘに衝突する以前においても、側方視で交差（クロス）することはなく、噴霧同士が干渉し難い。

１ ピストン
２ キャビティ
２ｘ 壁面
３ 燃料噴射ノズル
４ 噴孔
４ａ 上段噴孔
４ｂ 下段噴孔
７ 頂面
７ａ 高段部
７ｂ 低段部
ＦＡ 衝突位置
ＦＢ 衝突位置

Claims (2)

1. ピストンの頂面に、該ピストンの上方に配置された燃料噴射ノズルから噴射された燃料の噴霧が衝突するキャビティを凹設したディーゼルエンジンの燃焼室であって、
   前記燃料噴射ノズルが、周方向に間隔を隔てて形成された複数の上段噴孔と、該上段噴孔同士の間で且つ前記上段噴孔よりも下方において周方向に間隔を隔てて形成された複数の下段噴孔とを有し、
   前記ピストンの頂面が、前記上段噴孔から噴射された燃料の噴霧が衝突する前記キャビティの壁面は高く、前記下段噴孔から噴射された燃料の噴霧が衝突する前記キャビティの壁面は低くなるように、周方向に交互に凸凹に形成された
   ことを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼室。
2. 前記上段噴孔から噴射された燃料の噴霧が前記キャビティの壁面に衝突する衝突位置が、前記下段噴孔から噴射された燃料の噴霧が前記キャビティの壁面に衝突する衝突位置よりも高い
   請求項１に記載のディーゼルエンジンの燃焼室。

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