JP5983110B2 - Internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は、ピストンの頂部に凹設されたキャビティと、キャビティに対向するシリンダヘッドのヘッド面に配置されたインジェクタから燃料が噴射される内燃機関に関する。 The present invention relates to an internal combustion engine in which fuel is injected from a cavity recessed at the top of a piston and an injector disposed on a head surface of a cylinder head facing the cavity.
ディーゼルエンジンは、ガソリンエンジンに比べて熱効率が良く、二酸化炭素(CO2)の排出量が少ないので石油枯渇問題や地球温暖化問題の観点から有利である。しかし、ディーゼルエンジンは、窒素酸化物(NOx)や微粒子状物質(Particulate Matter:以下、PMと略す)が排出されるとともに、このNOxとPMとが、一方が低減すると他方が増加するというトレードオフの関係にあり問題となっている。 Diesel engines are more efficient than gasoline engines and have less carbon dioxide (CO 2 ) emissions, which is advantageous from the viewpoint of oil depletion problems and global warming problems. However, the diesel engine is a trade-off in which nitrogen oxides (NOx) and particulate matter (Particulate Matter: hereinafter abbreviated as PM) are discharged, and when one of these NOx and PM decreases, the other increases. This is a problem.
そこで、このようなディーゼルエンジンの問題を解決する予混合圧縮着火(Premixed Compression Ignition:以下、PCIと略す)燃焼方式が注目されている。このPCI燃焼は、燃焼室への燃料の噴射時期を、ピストンの圧縮上死点よりも早期にして、燃料の噴射完了後に着火する燃焼方法であり、NOxやPM等の物質を同時に低減することができる。 Therefore, a premixed compression ignition (hereinafter abbreviated as PCI) combustion method that solves the problem of such a diesel engine has attracted attention. This PCI combustion is a combustion method in which the timing of fuel injection into the combustion chamber is made earlier than the compression top dead center of the piston and is ignited after the fuel injection is completed, and substances such as NOx and PM are simultaneously reduced. Can do.
しかし、PCI燃焼方法は、適用運転領域が軽負荷に限られるという問題があるので、その問題を解決するために、インジェクタ(燃料噴射弁)の噴孔径を小さくして、燃料を微粒化することにより、蒸発を促進させて、均一で希薄な予混合気を迅速に生成し、PCI燃焼による運転領域を拡大しようという試みがなされている(例えば特許文献1参照)。 However, the PCI combustion method has a problem that the applicable operating range is limited to light load. In order to solve the problem, the diameter of the injection hole of the injector (fuel injection valve) is reduced to atomize the fuel. Thus, an attempt has been made to promote evaporation, to quickly generate a uniform and lean premixed gas, and to expand an operation range by PCI combustion (see, for example, Patent Document 1).
ただし、噴孔径を小さくした場合、全負荷での燃費を悪化させないためには、一定期間内に必要量の燃料を噴射する必要がある。したがって、必要とされる総噴射孔面積を確保する必要があり、小径の噴孔を複数設ける多噴孔化が必須となる。 However, when the nozzle hole diameter is made small, it is necessary to inject a required amount of fuel within a certain period in order not to deteriorate the fuel consumption at the full load. Therefore, it is necessary to secure the required total injection hole area, and it is essential to make a plurality of injection holes with a plurality of small diameter injection holes.
ところで、多量の燃料を噴射する全負荷或いはそれに近い運転領域では、燃費を悪化させないためには、負荷に応じた必要な燃料量を一定期間内(例えばクランク軸角度で30度以内)に噴射する必要がある。従って、噴孔面積の小さなインジェクタを用いる場合、全負荷時に必要な燃料量を一定期間内に噴射することができる総噴孔面積を確保する必要があり、インジェクタの多噴孔化が必須となる。 By the way, in a full load in which a large amount of fuel is injected or in an operation region close thereto, in order not to deteriorate fuel consumption, a required amount of fuel corresponding to the load is injected within a certain period (for example, within 30 degrees in crankshaft angle). There is a need. Therefore, when an injector having a small nozzle hole area is used, it is necessary to secure a total nozzle hole area capable of injecting a required amount of fuel at a full load within a certain period, and it is essential to increase the number of injectors. .
しかし、インジェクタを多噴孔化すると、隣り合う噴孔同士の間隔が狭くなるため、図8の(a)〜(c)に示すように、インジェクタ5の各噴孔5aから噴射された燃料の噴霧Fが、キャビティ11の壁面11aに衝突した後、壁面11aに沿ってキャビティ11の周方向x(図8における左右方向)に広がった際に、隣り合う噴孔の噴霧F同士が干渉してしまう。この結果、噴霧F同士が重なり合う部分FLで燃料の過濃領域が形成され、スモーク(煤)の生成量が増大してしまう。
However, when the number of injection holes is increased, the interval between adjacent injection holes becomes narrower, so that the fuel injected from each
このスモークの生成量の増大については、図9に示すグラフから明らかである。このグラフは、インジェクタ5の噴孔5aの噴孔径および噴孔数毎に煤の生成量を比較して示しており、縦軸は煤の生成量、横軸は燃料噴射圧力を示している。このグラフによれば、噴孔径が小さく、噴孔総数が多い方が、噴孔径が大きく、噴孔総数が少ない方よりも、煤の生成量が多いことが分かる。
The increase in the amount of smoke generated is apparent from the graph shown in FIG. This graph shows a soot production amount for each nozzle hole diameter and number of
この問題に対して、本発明者は、図10の(a)に示すように、キャビティ11の壁面
11aに、各噴霧Fが衝突する部分に位置して、キャビティ11の内外方向y(図10の(a)における紙面裏表方向であり、図10の(b)における紙面上下方法)に沿ったキャビティ用溝16を複数形成し、キャビティ用溝16の表面にその窪みを保って設けられた断熱層17を備えた燃焼室10Xを備える装置(例えば、特許文献2参照)を考案した。
To solve this problem, the present inventor is located in a portion where each spray F collides with the
この装置によれば、インジェクタ5の各噴孔5aから噴射された燃料の噴霧Fは、キャビティ11の壁面11aに衝突した後、キャビティ用溝16に沿ってキャビティ11の内外方向yに案内されるので、噴霧Fが壁面11aに沿ってキャビティ11の周方向xに広がることによる隣り合う噴霧F同士の干渉が抑制される。この結果、燃料の過濃領域の形成が抑制され、スモークの発生量が低減される。
According to this apparatus, the fuel spray F injected from each
加えて、キャビティ用溝16の表面に断熱層17を設けたので、噴霧が衝突するキャビティ11の壁面11aが断熱層17でカバーされた状態となり、噴霧Fとキャビティ11の壁面11aとの衝突表面積が、各キャビティ用溝16の凹凸によって増加した熱損失を低減でき、燃費悪化を抑制される。
In addition, since the
一方、図11(a)〜(d)に示すように、インジェクタ5の各噴孔5aから噴射された燃料の噴霧Fが、キャビティ11の壁面11aに衝突した後、噴霧Fがシリンダヘッド4のヘッド面12に到達すると、噴霧Fはシリンダヘッド4のヘッド面12に沿って発達し、隣接する噴霧F(図示せず)と干渉することで過濃領域FLが形成されてしまうという問題もある。
On the other hand, as shown in FIGS. 11A to 11D, after the fuel spray F injected from each
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、インジェクタからキャビティに向けて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にシリンダヘッドに到達して、燃焼室の周方向に広がり、隣り合う噴霧同士が干渉することによる燃料の過濃領域の形成を抑制すると共に、燃焼室の表面への熱損失量を増加させずに、燃費の悪化を抑制することができることができる内燃機関を提供することである。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to reach the cylinder head after the spray of fuel injected from the injector toward the cavity hits the wall surface of the cavity, and the combustion chamber In addition to suppressing the formation of a fuel-rich region due to interference between adjacent sprays, the fuel consumption can be suppressed without increasing the amount of heat loss to the surface of the combustion chamber. It is to provide an internal combustion engine that can do.
上記の目的を解決するための本発明の内燃機関は、ピストンの頂部に凹設され燃焼室の一部を形成するキャビティと、前記キャビティに対向するシリンダヘッドのヘッド面と、このヘッド面に配置され、前記キャビティの壁面に、周方向に間隔を隔てて複数の燃料の噴霧を噴射するインジェクタと、を備える内燃機関において、前記ヘッド面の、前記インジェクタから噴射された前記噴霧が前記キャビティの壁面に衝突した後に到達する部分のそれぞれに位置して設けられた複数のヘッド用溝群を備え、これらのヘッド用溝群のそれぞれが複数のヘッド用溝を有しており、一つの前記ヘッド用溝群におけるそれらのヘッド用溝が互いに前記燃焼室の周方向に隣接しており、前記ヘッド用溝の表面をそのヘッド用溝の窪みを保って設けられた断熱層で覆って構成される。 An internal combustion engine of the present invention for solving the above-mentioned object is provided with a cavity that is recessed at the top of a piston and forms a part of a combustion chamber, a head surface of a cylinder head that faces the cavity, and is disposed on the head surface. And an injector for injecting a plurality of fuel sprays at intervals in a circumferential direction on the wall surface of the cavity, wherein the spray injected from the injector on the head surface is a wall surface of the cavity A plurality of head groove groups that are provided at respective positions that reach after reaching the head , each of the head groove groups has a plurality of head grooves, and is adjacent in the circumferential direction of the combustion chamber is a groove for their heads to each other in groove groups, the cross-sectional provided the surface of the groove for the head while maintaining a depression groove for the head Constructed covered with a layer.
この構成によれば、インジェクタ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に、キャビティに対向するシリンダヘッドのヘッド面に到達しても、ヘッド面にヘッド用溝を設けたことにより、燃料の噴霧が、ヘッド用溝に沿って、つまり燃焼室の内外方向に沿って広がるのを促す。また、キャビティ用溝に交差する方向、つまり燃焼室の周方向に対しては、隣り合うキャビティ用溝同士の間の山の部分を乗り越えなければならないため相対的に抵抗が大きく広がりが抑えられる。 According to this configuration, even if the fuel spray injected from the injector collides with the wall surface of the cavity and reaches the head surface of the cylinder head facing the cavity, the head groove is provided on the head surface. The fuel spray is promoted to spread along the head groove, that is, along the inside and outside of the combustion chamber. Further, in the direction intersecting the cavity groove, that is, in the circumferential direction of the combustion chamber, the resistance is greatly increased and the spread is relatively suppressed because the mountain portion between the adjacent cavity grooves must be overcome.
これにより、隣り合う噴霧同士の干渉を抑制し、燃焼室内における燃料の過濃領域の形成を抑制することができるので、その結果、スモークの生成を抑制することができる。 Thereby, interference between adjacent sprays can be suppressed, and formation of a fuel rich region in the combustion chamber can be suppressed, and as a result, generation of smoke can be suppressed.
加えて、ヘッド用溝の表面に断熱層を設けたので、噴霧が到達するシリンダヘッドのヘッド面が断熱層でカバーされた状態となり、噴霧からシリンダヘッドのヘッド面への熱損失を低減でき、燃費悪化を抑制できる。 In addition, since the heat insulating layer is provided on the surface of the groove for the head, the head surface of the cylinder head where the spray reaches is covered with the heat insulating layer, and heat loss from the spray to the head surface of the cylinder head can be reduced. Deterioration of fuel consumption can be suppressed.
なお、インジェクタの各噴孔から噴射される燃料の噴霧が到達する部分毎に複数のヘッド用溝からなるヘッド用溝群を配置すると、より効率的に噴霧の周方向の広がりを抑制することができる。また、ここでいうヘッド面とは、シリンダヘッドの下面、吸気バルブの下面、及び排気バルブの下面を含む面のことであり、ヘッド用溝群を、シリンダヘッドの下面、吸気バルブの下面、及び排気バルブの下面などを問わず、燃料の噴霧が到達する部分に設けるとよい。 In addition, if the groove group for heads which consists of a plurality of groove | channels for a head is arrange | positioned for every part to which the spray of the fuel injected from each injection hole of an injector reaches | attains, the spreading of the circumferential direction of a spray can be suppressed more efficiently. it can. Further, the head surface here is a surface including the lower surface of the cylinder head, the lower surface of the intake valve, and the lower surface of the exhaust valve. The head groove group includes the lower surface of the cylinder head, the lower surface of the intake valve, and Regardless of the lower surface of the exhaust valve or the like, it may be provided in a portion where fuel spray reaches.
さらに、この断熱層を、セラミックから形成するとよく、この断熱層には、例えば、アルミナ(Al2O3)、ジルコニア(ZrO2)、炭化珪素(SiC)、窒化珪素(Si3N4)等のセラミック単体や、それらセラミック中に中空のセラミックビーズを閉じ込めた複合材料等を用いて、ヘッド用溝の表面に、溶着、PVD、CVD等によりコーティングする。 Furthermore, the heat insulating layer may be formed of ceramic. Examples of the heat insulating layer include alumina (Al 2 O 3 ), zirconia (ZrO 2 ), silicon carbide (SiC), silicon nitride (Si 3 N 4 ), and the like. The surface of the groove for the head is coated by welding, PVD, CVD, or the like using a ceramic simple substance or a composite material in which hollow ceramic beads are confined in the ceramic.
また、上記の内燃機関において、前記ヘッド用溝を、前記燃料噴射ノズルから前記キャビティに向けて噴射される燃料の噴射方向に対し、平行に形成すると、ヘッド用溝は、燃焼室の周方向に広がろうとする燃料に対して直交する配置となり、燃焼室の周方向に広がろうとする燃料に、的確に抵抗を与えることができる。 In the internal combustion engine, the head groove is formed in the circumferential direction of the combustion chamber when the head groove is formed in parallel to the injection direction of the fuel injected from the fuel injection nozzle toward the cavity. The arrangement is orthogonal to the fuel to be spread, and resistance can be given to the fuel to be spread in the circumferential direction of the combustion chamber.
加えて、上記の内燃機関において、前前記キャビティの壁面に、前記噴霧が衝突する部分のそれぞれに位置して設けられた複数のキャビティ用溝群を備え、これらのキャビティ用溝群のそれぞれが複数のキャビティ用溝を有しており、一つの前記キャビティ用溝群におけるそれらのキャビティ用溝が互いにそのキャビティの周方向に隣接しており、前記キャビティ用溝の表面をそのキャビティ用溝の窪みを保って設けられた断熱層で覆い、前記ヘッド用溝群と前記キャビティ用溝群とが対向一致するように配置されていると、キャビティの壁面とシリンダヘッドのヘッド面の両方で燃料が燃焼室の周方向に広がることを抑制することができる。 In addition, in the internal combustion engine described above, a plurality of groove groups for cavities are provided on the wall surface of the front cavity at positions where the sprays collide , and each of these cavity groove groups includes a plurality of groove groups. The cavity grooves in one cavity groove group are adjacent to each other in the circumferential direction of the cavity, and the cavity grooves are formed on the surface of the cavity groove . kept covered with a heat insulating layer provided, wherein the head groove group and said cavity groove groups are arranged so as to face matching, the fuel combustion chamber in both the head surfaces of the wall surface of the cavity and the cylinder head It is possible to suppress spreading in the circumferential direction.
まず、キャビティの壁面に衝突した燃料の噴霧が、キャビティ用溝に沿って広がるのを促し、キャビティ用溝に対して交差する方向に広がるのを抑制することができる。次に、噴霧がシリンダヘッドのヘッド面に到達しても、ヘッド用溝に沿って広がるのを促し、ヘッド用溝に対して交差する方向に広がるのを抑制することができる。 First, the spray of fuel that collides with the wall surface of the cavity can be promoted to spread along the cavity groove, and can be prevented from spreading in a direction intersecting the cavity groove. Next, even if the spray reaches the head surface of the cylinder head, it can be promoted to spread along the head groove, and can be prevented from spreading in a direction intersecting the head groove.
特に、インジェクタの多噴孔化に対して、各噴霧の到達する部分毎にヘッド用溝群を配置し、さらにそのヘッド用溝群に対向する部分、つまり各噴霧の衝突する部分毎に複数のキャビティ用溝からなるキャビティ用溝群を配置すると、効果的である。 In particular, for multi-hole injection of an injector, a head groove group is arranged for each portion where each spray reaches, and a plurality of portions facing each head groove group, that is, a plurality of portions where each spray collides are arranged. It is effective to arrange a cavity groove group composed of the cavity grooves.
さらに、上記の内燃機関において、前記インジェクタからの燃料の噴射時期を、前記ピストンの圧縮上死点よりも早期にして、前記燃料の噴射完了後に着火する予混合圧縮着火燃焼を行う運転領域を有すると、上記の作用効果により、PCI燃焼領域を拡大するため、噴孔径を小さくし、且つ多噴孔化する場合に発生する隣り合う燃料の噴霧F同士の干渉による煤の生成量の増加を抑制することができるので、PCI燃焼の燃焼領域を拡大することができる。これにより、NOxとPMを同時に低減することができる。 Furthermore, the internal combustion engine has an operation region in which premixed compression ignition combustion is performed in which the fuel injection timing from the injector is set earlier than the compression top dead center of the piston and is ignited after the fuel injection is completed. Then, in order to expand the PCI combustion region by the above effect, the increase in the amount of soot generated due to the interference between the adjacent fuel sprays F generated when the nozzle hole diameter is reduced and the number of nozzle holes is increased is suppressed. Therefore, the combustion area of PCI combustion can be expanded. Thereby, NOx and PM can be reduced simultaneously.
本発明によれば、インジェクタからキャビティに向けて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にシリンダヘッドに到達して、燃焼室の周方向に広がり、隣り合う噴霧同士が干渉することによる燃料の過濃領域の形成を抑制することができる。その結果、スモークの生成を抑制することができる。 According to the present invention, the spray of fuel injected from the injector toward the cavity reaches the cylinder head after colliding with the wall surface of the cavity, spreads in the circumferential direction of the combustion chamber, and adjacent sprays interfere with each other. It is possible to suppress the formation of a fuel-rich region due to the above. As a result, the generation of smoke can be suppressed.
そのため、インジェクタの噴孔径を小さくし、且つ噴孔数を多くすることができるので、PCI燃焼の燃焼領域を拡大し、NOxとPMを同時に効率よく低減することができる。 Therefore, since the nozzle hole diameter of the injector can be reduced and the number of nozzle holes can be increased, the combustion region of PCI combustion can be expanded and NOx and PM can be efficiently reduced simultaneously.
加えて、燃焼室の表面への熱損失量を増加させずに、燃費の悪化を抑制することができる。 In addition, deterioration of fuel consumption can be suppressed without increasing the amount of heat loss to the surface of the combustion chamber.
以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関について、図面を参照しながら説明する。なお、内燃機関として、トラックのような自動車両に搭載されるディーゼルエンジンを例に説明するが、本発明はこれに限定しない。また、図面に関しては、構成が分かり易いように寸法や数などを変化させており、各部材、各部品の板厚や幅や長さなどの比率も必ずしも実際に製造するものの比率、又は配置される数とは一致させていない。 Hereinafter, an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, although the diesel engine mounted in the motor vehicles like a truck is demonstrated to an example as an internal combustion engine, this invention is not limited to this. In addition, the dimensions and number of the drawings are changed so that the configuration is easy to understand, and the ratios of the thickness, width, length, etc. of each member and each component are not necessarily the ratio or arrangement of what is actually manufactured. This number does not match.
ここで、図面について補足する。燃料の噴霧が衝突、又は到達する位置における燃焼室の周方向をx、燃焼室の内外方向(若しくはピストンの半径方向)をyとする。また、図1、図2、図5、及び図6に示す一点鎖線については、燃料の噴霧Fの噴射方向Fxを示す。 Here, it supplements about drawing. The circumferential direction of the combustion chamber at the position where the fuel spray collides or reaches is x, and the inside / outside direction of the combustion chamber (or the radial direction of the piston) is y. Moreover, about the dashed-dotted line shown in FIG.1, FIG.2, FIG.5 and FIG. 6, the injection direction Fx of the fuel spray F is shown.
まず、本発明に係る第1の実施の形態の内燃機関について、図1〜図3を参照しながら説明する。図1に示すように、エンジン(内燃機関)1は、周知のエンジンの構成に加えて、シリンダヘッド4のヘッド面12の、インジェクタ5から噴射された燃料の噴霧Fがキャビティ11の壁面11aに衝突した後に到達する部分に位置して設けられ、燃焼室10の内外方向に沿って形成された複数のヘッド用溝13と、そのヘッド用溝13の表面にその窪みを保って設けられた断熱層14と、を備える。
First, an internal combustion engine according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 1, the engine (internal combustion engine) 1 includes a well-known engine configuration, and fuel spray F injected from the
詳しくは、このエンジン1は、シリンダ2、ピストン3、及びシリンダヘッド4を備え、シリンダヘッド4にインジェクタ(インジェクタ)5、吸気ポート6、吸気バルブ(吸気弁)7、排気ポート8、及び排気バルブ9を備える。燃焼室10は、中空状のシリンダ2の内壁面と、ピストン3の頂面(キャビティ11を含む)と、シリンダヘッド4のヘッド面12とに囲まれた空間に形成されている。
Specifically, the
このキャビティ11は、燃焼室10の一部を形成する領域であり、キャビティ11の壁面11aは、底面11bと、壁面11aの最外周で底面11bに交差する側面11cにより区画されている。キャビティ11の底面11bは、その中央から外周に向かって次第に深くなるように形成されており、これによりトロイダル型の燃焼室10が形成されている。ただし、キャビティ11の形状はトロイダル型に限定されるものではなく種々変更可能であり、例えばリエントラント型や浅皿型のような他の形状としても良い。
The
インジェクタ5の先端は、例えば円錐状に形成されており、燃焼室10内に突出されている。このインジェクタ5の円錐状の突出先端部には、複数の微細な噴孔5aが形成されており、その複数の微細な噴孔5aから燃料が放射状に同時に噴射されるようになっている。
The tip of the
このように本実施の形態のエンジン1においては、燃料を微細な噴孔5aから噴射し微粒化することにより、蒸発を促進させて、均一で希薄な予混合気を迅速に生成することができるので、後述の予混合圧縮着火(Premixed Compression Ignition:以下、PCIと略す)燃焼による運転領域を拡大することができる。
As described above, in the
また、微細な噴孔5aを必要噴射孔面積が確保できる分だけ複数設けることにより、全負荷での燃費の悪化も生じないようにすることができる。ここでは、特に限定されるものではないが、例えばインジェクタ5の円錐先端から円錐底部に向かって2個の噴孔5aが隣接配置され、この2個で1組とする噴孔5aがインジェクタ5の円錐外周に沿って複数配置されている場合等がある。
Further, by providing a plurality of
また、噴孔5aの直径や数は、エンジン1の出力の大きさ等により変わるので一概には言えないが、例えば下記のとおりである。すなわち、各噴孔5aの直径は、特に限定されるものではないが、例えば0.1mm以下である。燃料の微粒化と噴孔5aの加工性とを考慮すると、噴孔5aの直径は、例えば0.08〜0.05mm程度が好ましい。噴孔5aの総数は、特に限定されるものではないが、例えば二十個である。
The diameter and number of the
このようなエンジン1は、PCI燃焼による運転領域を有している。このPCI燃焼は、燃料の噴射時期を、ピストン3の圧縮上死点よりも早期に開始し、かつ、その圧縮上死点よりも早期に終了させ、燃料の噴射完了後に混合気が着火する燃焼方式である。このPCI燃焼による運転領域は、比較的軽負荷領域に設定されている。
Such an
ここでいうヘッド面12は、図1に示すように、キャビティ11の壁面11aに対向する面であり、図2に示すように、シリンダヘッド4の下面12a、吸気バルブ7の下面12b、及び排気バルブ9の下面12cを含む面である。
1, the
ヘッド用溝13は、図2に示すように、インジェクタ5の各噴孔5aからキャビティ11に向けて噴射される燃料の噴射方向Fxに対し、シリンダヘッド4の下面視で平行に形成されており、各噴孔5a毎に、複数のヘッド用溝13から成るヘッド用溝群15を形成している。
As shown in FIG. 2, the
各ヘッド用溝群15は、インジェクタ5の各噴孔5aから噴射され、キャビティ11の壁面11aに衝突した後に、シリンダヘッド4のヘッド面12に到達した燃料の噴霧Fを、燃焼室10の内外方向yに案内すると共に、燃焼室10の周方向xに広がろうとする燃料の抵抗として機能する。
Each
なお、図2においては、インジェクタ5の六つの噴孔5aから矢印で表す噴射方向Fxに噴射された燃料の噴霧Fに対応するヘッド用溝13のみを表しているが、実際には、インジェクタ5からはキャビティ11の周方向に間隔を隔てて複数(例えば二十個)の燃料が噴射されるので、シリンダヘッド4のヘッド面12の、それら複数の噴霧Fがキャビティ11の壁面11aに衝突した後に到達する部分の夫々に複数のヘッド用溝13が、つまりはヘッド用溝群15が形成されている。
In FIG. 2, only the
ヘッド用溝群15を構成するヘッド用溝13は、シリンダヘッド4の下面12a、吸気バルブ7の下面12b、及び排気バルブ9の下面12cを含み、キャビティ11に対向するシリンダヘッド4のヘッド面12の中心部から外周に向けて、形成してもよいが、図2に示すように、ヘッド面12の中心部近傍を除いて同様に形成してもよい。要は、ヘッド用溝13は、ヘッド面12内の少なくとも燃料が到達する部分に形成されていればよい。
The
また、ヘッド用溝群15を構成するヘッド用溝13は、シリンダヘッド4のヘッド面12に形成されるため、シリンダヘッド4の下面12aと吸気バルブ7の下面12b、又はシリンダヘッド4の下面12aと排気バルブ9の下面12cの境界では、途切れてしまうが、燃料の噴霧Fを案内することには何ら問題はない。
Further, since the
隣り合うヘッド用溝群15同士の間には、ヘッド用溝13が存在しない領域Aが形成されている。但し、この領域Aにもヘッド用溝13を設けてもよい。この領域Aに設けられるヘッド用溝13は、燃料の燃焼室10の周方向yへの広がりを抑えることができればよく、ヘッド用溝群15と平行でなくても構わない。
A region A where the
図3の(a)に示すように、各ヘッド用溝13の断面形状は、特に限定されるものではないが、例えばV字状またはU字状に形成されている。
As shown in FIG. 3A, the cross-sectional shape of each
また、各ヘッド用溝13の深さDは、特に限定されるものではないが、例えば、深さDを、ヘッド面12の中心部でゼロとし、中心部から外周に架けて徐々に高くしてもよい。また、全領域に亘って略一定の深さとしてもよく、噴霧Fが到達する部分を深くそこからシリンダ2の内外方向に沿ったそれ以外の部分に架けては徐々に浅くする等してもよい。
The depth D of each
さらに、一つのヘッド用溝群15における燃焼室10の周方向xの位置によって、深さDを異ならせてもよい。要は、噴霧Fの燃焼室10の周方向xへの広がりを抑制できればよい。例えば、この深さDを1〜5mm程度とする。
Furthermore, the depth D may be varied depending on the position in the circumferential direction x of the
また、各ヘッド用溝13の幅Wも、特に限定されるものではないが、例えば、幅Wを、ヘッド用溝群15の端に向けて太くしてもよい。この幅Wを2〜10mm程度とする。
Also, the width W of each
このような複数のヘッド用溝13は、上記した噴霧Fのシリンダヘッド4のヘッド面12に沿って、燃焼室10の周方向xへの広がりが抑えられればよく、複数のヘッド用溝13の配置の仕方は上記したものに限定されるものではなく種々変更可能である。例えばヘッド用溝13をシリンダヘッド4のヘッド面12の中心から外周に向かって放射線状に配置しても良い。
Such
ところで、噴霧Fが到達するシリンダヘッド4のヘッド面12に上述したヘッド用溝13(ヘッド用溝群15)を形成すると、噴霧Fとシリンダヘッド4のヘッド面12との衝突表面積が、各ヘッド用溝13の凹凸によって、ヘッド用溝13が無い通常のものよりも大きくなってしまう。このため、噴霧Fからシリンダヘッド4のヘッド面12、即ち燃焼室10の表面への熱損失量が増加し、燃費の悪化を引き起こす。
By the way, when the above-described head groove 13 (head groove group 15) is formed on the
そこで、図1〜3に示すように、ヘッド用溝13の表面に断熱層14を設け、噴霧Fからシリンダヘッド4のヘッド面12への熱損失を抑えている。断熱層14は、シリンダヘッド4の下面12a、吸気バルブ7の下面12b、及び排気バルブ9の下面12cよりも熱伝達率が低いものが用いられる。断熱層14は、ヘッド用溝13の表面にその窪みを保って設けられて(コーティングされて)おり、ヘッド用溝13の窪みを埋めるように設けられているわけではない。
Therefore, as shown in FIGS. 1 to 3, a
図1、図2、及び図3(a)に示すように、複数のヘッド用溝13からなるヘッド用溝群15は、シリンダヘッド4のヘッド面12に、噴霧Fが到達する部分に位置して形成されている。よって、ヘッド用溝群15を構成するヘッド用溝13上に断熱層14を設けることで、シリンダヘッド4のヘッド面12の噴霧Fが到達する部分が断熱層14でカバーされた状態となり、噴霧Fがヘッド用溝群15の部分に衝突した際、噴霧Fからシリンダヘッド4のヘッド面12への熱損失が低減される。
As shown in FIGS. 1, 2, and 3 (a), the
断熱層14は、セラミックから成る。セラミックには、例えば、アルミナ(Al2O3)、ジルコニア(ZrO2)、炭化珪素(SiC)、窒化珪素(Si3N4)等のセラミック単体や、それらセラミック中に中空のセラミックビーズを閉じ込めた複合材料等が用いられる。このセラミックから成る断熱層14は、ヘッド用溝13の表面に、溶着、PVD、CVD等によりコーティングされている。断熱層14は、一つのヘッド用溝群15を構成する複数のヘッド用溝13を全て覆うようにコーティングされており、シリンダヘッド4のヘッド面12の噴霧Fが到達する部分を覆っている。
The
次に、本発明に係る第1の実施の形態のエンジン1の動作について、図3及び図4を参照にしながら説明する。従来技術の場合(シリンダヘッド4のヘッド面12にヘッド用溝13が形成されていない場合)、インジェクタ5の噴孔5aを微細且つ多噴孔にすると、燃料の噴霧Fがキャビティ11の壁面11aに衝突した後に、シリンダヘッド4のヘッド面12に到達し、燃焼室10の周方向xに発達し、隣り合う噴霧F間の干渉が生じ易くなり、燃焼室10内に過濃領域が形成され、その結果、スモーク(煤)の生成量が増えてしてしまう問題がある。
Next, the operation of the
これに対して、第1の実施の形態のエンジン1において、インジェクタ5の複数の微細な噴孔5aから噴射された燃料の噴霧Fは、キャビティ11の壁面11aに衝突し、シリンダヘッド4のヘッド面12に到達すると、図3の(a)と(b)に示すように、複数の断熱層14で覆われたヘッド用溝13の延在方向(燃焼室10の内外方向y)に対しては
相対的に抵抗が少ないので断熱層14で覆われたヘッド用溝13の延在方向に沿って広がる。一方で、断熱層14で覆われたヘッド用溝13の延在方向に交差する方向(複数のヘッド用溝13の隣接方向、若しくは燃焼室10の周方向x)に対しては複数の断熱層14で覆われたヘッド用溝13に邪魔され相対的に抵抗が高いので広がりが抑えられる。
On the other hand, in the
すなわち、複数の断熱層14で覆われたヘッド用溝13は、噴霧Fが燃焼室10の中央から放射線上に沿って広がるのを促すとともに、噴霧Fが複数のヘッド用溝群15の隣接方向(燃料室10の周方向x)に広がるのを抑制する(抵抗となる)誘導部として作用する。
That is, the
このことは、図4の(a)〜(d)に示すように、インジェクタ5の各噴孔5aから噴射された燃料の噴霧Fが、キャビティ11の壁面11aに衝突した後、噴霧Fがシリンダヘッド4のヘッド面12に到達しても、噴霧Fはシリンダヘッド4のヘッド面12に沿って発達することなく、隣接する噴霧F(図示せず)と干渉することで過濃領域FLが形成されてしまうことがない。
This is because, as shown in FIGS. 4A to 4D, after the spray F of fuel injected from each
このように、本実施の形態1のエンジン1においては、燃焼室10において燃料の噴霧Fがキャビティ11の壁面11aに衝突した後に到達するシリンダヘッド4のヘッド面12に複数のヘッド用溝13を設けたことにより、燃料の噴霧Fが、ヘッド用溝13に沿って広がるのを促し、複数のヘッド用溝13に対して交差する方向に広がるのを抑制することができるので、互いに隣接する噴霧F、F間の干渉を抑制することができる。これにより、燃焼室10内における燃料の過濃領域の形成を抑制することができる。その結果、スモークの生成を抑制することができる。
Thus, in the
加えて、ヘッド用溝群15のヘッド用溝13の表面に断熱層14を設けたので、噴霧Fが衝突するシリンダヘッド4のヘッド面12が断熱層14でカバーされた状態となり、噴霧Fがヘッド用溝群15の部分に到達した際、噴霧Fからシリンダヘッド4のヘッド面12(燃焼室10の壁面)への熱損失が低減される。よって、かかる熱損失に起因する燃費の悪化を低減することができる。
In addition, since the
さらに、ヘッド用溝13を、インジェクタ5からキャビティ11に向けて噴射される燃料の噴射方向Fxに対し、シリンダヘッド4の下面視で平行に形成すると、ヘッド用溝13は、燃焼室10の周方向xに広がろうとする燃料に対して直交する配置となり、燃焼室10の周方向xに広がろうとする燃料に、的確に抵抗を与えることができる。
Further, when the
次に、本発明に係る第2の実施の形態の内燃機関について、図5〜図7を参照しながら説明する。このエンジン20は、図1に示す、第1の実施の形態の構成に加えて、図5に示すように、キャビティ11の壁面11aにキャビティ11の内外方向に沿って設けられた複数のキャビティ用溝16と、そのキャビティ用溝16の表面にその窪みを保って設けられた断熱層17と、を備え、ヘッド用溝13とキャビティ用溝16を対向一致するように配置する。
Next, an internal combustion engine according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In addition to the configuration of the first embodiment shown in FIG. 1, the
このキャビティ用溝16と断熱層17は、例えば、特開2011−174389号公報で開示されている公知の技術の溝と断熱層を用いることができる。また、図6に示すように、キャビティ用溝16からなるキャビティ用溝群18が、噴霧Fがキャビティ11の壁面11aに衝突する部分の夫々に形成され、ヘッド用溝群15と同様に配置され、隣り合うキャビティ用溝群18の間にキャビティ用溝16が存在しない領域Bが形成されている。
As the
ヘッド用溝群15とキャビティ用溝群18は、燃焼室10を平面視で重なる位置に配置
され、ヘッド用溝群15のヘッド用溝13と、キャビティ用溝群18のキャビティ用溝16も同様に、燃焼室10を平面視で重なる、つまり対向一致するように配置される。詳しくは、図7の(a)に示すように、ヘッド用溝群15の凸部とキャビティ用溝群18の凸部と、また、ヘッド用溝群15の凹部とキャビティ用溝群18の凹部とを平面視で一致させる。
The
これにより、燃料の噴霧Fが衝突する部分と、衝突後に到達する部分の両方に断熱層14、及び断熱層17を設けることができ、噴霧Fからキャビティ11の壁面11a(燃焼室10の壁面)への熱損失と、シリンダヘッド4のヘッド面12(燃焼室10の壁面)への熱損失の両方が低減される。よって、かかる熱損失に起因する燃費の悪化をより低減することができる。
Thereby, the
次に、このエンジン20の動作について、図7を参照しながら説明する。まず、インジェクタ5の各噴孔5aから噴射された燃料の噴霧Fは、キャビティ11の壁面11aに設けられたキャビティ用溝群18の部分に衝突する。
Next, the operation of the
次に、キャビティ用溝群18に衝突した燃料は、キャビティ用溝群18を構成する断熱層17で覆われたキャビティ用溝16に案内されてキャビティ11の内外方向yに広がり、隣り合うキャビティ用溝16同士の間の山の部分が、キャビティ11の周方向xに広がろうとする燃料が乗り越える際の堤防(抵抗)として機能することで、キャビティ11の周方向xへの広がりが抑制される。
Next, the fuel that has collided with the
次に、キャビティ11の壁面11aに衝突した燃料は、キャビティ11の上方に舞い上がり、シリンダヘッド4のヘッド面12に到達する。
Next, the fuel that has collided with the
次に、ヘッド面12に到達した燃料は、ヘッド用溝群15を構成する断熱層14で覆われたヘッド用溝13に案内されて燃焼室10の内外方向yに広がり、隣り合うヘッド用溝13同士の間の山の部分が、燃焼室10の周方向xに広がろうとする燃料が乗り越える際の堤防(抵抗)として機能することで、燃焼室10の周方向xへの広がりが抑制される。
Next, the fuel that has reached the
従って、インジェクタ5の各噴孔5aから噴射された燃料の噴霧Fが、キャビティ11の壁面11aに衝突し、壁面11aに設けた複数のキャビティ用溝16により、キャビティ11の周方向xに広がることが抑えられ、さらに、その後、シリンダヘッド4のヘッド面12に到達しても、シリンダヘッド4のヘッド面12に設けた複数のヘッド用溝13により、ヘッド面12に沿って周方向xに広がることが抑えられ、隣り合う噴霧F同士が干渉することによる燃料の過濃領域の形成を抑制でき、スモークの発生を低減できる。
Therefore, the fuel spray F injected from each
加えて、ヘッド用溝13の表面に断熱層14を、且つキャビティ用溝16の表面に断熱層17を設けたので、噴霧Fが到達するシリンダヘッド4のヘッド面12と、噴霧Fが衝突するキャビティ11の壁面11aの両方が断熱層14と断熱層17でカバーされた状態となり、噴霧Fから燃焼室10の壁面(壁面11a及びヘッド面12を含む)への熱損失が低減される。よって、かかる熱損失に起因する燃費の悪化を低減することができる。
In addition, since the
本発明の内燃機関は、インジェクタからキャビティに向けて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にシリンダヘッドに到達して、燃焼室の周方向に広がり、隣り合う噴霧同士が干渉することによる燃料の過濃領域の形成を抑制する。加えて、燃料から燃焼室への熱損失が低減されるので、燃費の悪化を低減することができる。 In the internal combustion engine of the present invention, the fuel spray injected from the injector toward the cavity reaches the cylinder head after colliding with the wall surface of the cavity, spreads in the circumferential direction of the combustion chamber, and adjacent sprays interfere with each other. This prevents the formation of a fuel rich region. In addition, since heat loss from the fuel to the combustion chamber is reduced, deterioration of fuel consumption can be reduced.
これらにより、インジェクタの噴孔径を小さく、且つ噴孔数を多くしても、煤の発生を
低減し、PCI燃焼の燃焼領域を拡大し、NOxとPMを同時に効率よく低減すると共に、燃費の悪化を低減することができるので、特にディーゼルエンジンを搭載するトラックなどの車両に利用することができる。
As a result, even if the nozzle hole diameter of the injector is reduced and the number of nozzle holes is increased, the generation of soot is reduced, the combustion area of PCI combustion is expanded, NOx and PM are simultaneously reduced efficiently, and fuel consumption is deteriorated. Therefore, it can be used for vehicles such as trucks equipped with diesel engines.
1、20 エンジン(内燃機関)
2 シリンダ
3 ピストン
4 シリンダヘッド
5 インジェクタ
6 吸気ポート
7 吸気バルブ
8 排気ポート
9 排気バルブ
10 燃焼室
11 キャビティ
12 ヘッド面
13 ヘッド用溝
14 断熱層
15 ヘッド用溝群
16 キャビティ用溝
17 断熱層
18 キャビティ用溝群
1,20 engine (internal combustion engine)
2
Claims (4)
前記ヘッド面の、前記インジェクタから噴射された前記噴霧が前記キャビティの壁面に衝突した後に到達する部分のそれぞれに位置して設けられた複数のヘッド用溝群を備え、
これらのヘッド用溝群のそれぞれが複数のヘッド用溝を有しており、一つの前記ヘッド用溝群におけるそれらのヘッド用溝が互いに前記燃焼室の周方向に隣接しており、
前記ヘッド用溝の表面をそのヘッド用溝の窪みを保って設けられた断熱層で覆っていることを特徴とする内燃機関。 A cavity that is recessed at the top of the piston and forms a part of the combustion chamber, a head surface of the cylinder head that faces the cavity, and a head surface that is disposed on the wall surface of the cavity with an interval in the circumferential direction. An internal combustion engine comprising: an injector for injecting a plurality of fuel sprays;
A plurality of groove groups for the heads provided on each of the portions of the head surface that reach after the spray sprayed from the injector collides with the wall surface of the cavity;
Each of the head groove groups has a plurality of head grooves, and the head grooves in one head groove group are adjacent to each other in the circumferential direction of the combustion chamber,
An internal combustion engine, wherein a surface of the head groove is covered with a heat insulating layer provided so as to keep a recess of the head groove .
これらのキャビティ用溝群のそれぞれが複数のキャビティ用溝を有しており、一つの前記キャビティ用溝群におけるそれらのキャビティ用溝が互いにそのキャビティの周方向に隣接しており、
前記キャビティ用溝の表面をそのキャビティ用溝の窪みを保って設けられた断熱層で覆い、
前記ヘッド用溝群と前記キャビティ用溝群とが対向一致するように配置されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の内燃機関。 The wall surface of the cavity, comprising a plurality of cavities grooves group provided positioned respective portions where the spray impinges,
Each of these cavity groove groups has a plurality of cavity grooves, and the cavity grooves in one cavity groove group are adjacent to each other in the circumferential direction of the cavity,
The surface of the cavity groove is covered with a heat insulating layer provided while keeping the cavity groove depression ,
The internal combustion engine according to claim 1, wherein the head groove group and the cavity groove group are arranged so as to face each other .
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