JP6241479B2 - ディーゼルエンジンの燃焼室構造 - Google Patents

Description

この発明は、ピストン冠面にリエントラント型キャビティを備えるとともに、このキャビティの中心線上に多噴孔の燃料噴射ノズルが配置されてなる直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造に関する。

リエントラント型キャビティを備えた直噴式ディーゼルエンジンにおいては、近年、高速高負荷域で問題となるススの低減を図るために、スキッシュエリアの空気利用率を向上させるようにキャビティの入口径を比較的大きくした所謂オープン型のリエントラント型キャビティが採用される傾向にある。

しかしながら、このようなオープン型のリエントラント型キャビティにおいては、キャビティ内の中心部における空気利用率が逆に低下し、結果として、必ずしもススを十分に低減することができない。

リエントラント型キャビティは、中心部に円錐形ないし円錐台形の凸部を備えており、入口部に形成されるリップ部と上記凸部との組み合わせにより、スワールが保存される円環状の空間を形成しているが、例えば特許文献１に見られるように、従来のリエントラント型キャビティでは、凸部の円錐面の傾斜は比較的緩い。このような緩い傾斜の円錐面は、キャビティ内の中心部における空気利用率の向上に寄与しない。

特開２０１３−５２７３６０号公報

本発明に係るディーゼルエンジンの燃焼室構造は、
リエントラント型キャビティを冠面に有するピストンと、上記キャビティの中心線上に配置された多噴孔の燃料噴射ノズルと、を備えてなるディーゼルエンジンにおいて、
上記キャビティの底部中央に設けられる凸部の円錐面が、ピストン上死点位置において燃料噴射ノズルの噴霧点を指向する角度ないしこれよりも急峻な角度に形成されている。

このような構成によれば、キャビティ底部での燃料と空気との混合が良好となってススの初期の生成が抑制されると同時に、拡散燃焼中のキャビティ中心部での空気利用率の向上によりススの酸化が促進されるため、高速高負荷域でのススの排出が低減する。特に、円錐面に沿ってキャビティ底部から上昇したガスが、空気が多く残存するキャビティ中心部の領域に案内されるため、キャビティ中心部の空気利用率が向上し、ススが効果的に抑制される。

好ましい一つの態様では、上記キャビティの入口部において最小径となるリップ部が開口縁よりも下方に位置し、上記凸部の頂部の高さ位置が上記リップ部の高さ位置にほぼ等しく設定されている。

一実施例の燃焼室構造を備えたディーゼルエンジンの構成説明図。 キャビティの構成を示すピストン要部の断面図。 「傾き到達深さＺ１」および「深さＺ２」についての説明図。 「傾き到達深さＺ１」および「深さＺ２」とスス排出量との関係を示した特性図。 比較例１〜４のキャビティ形状を示す説明図。 サイクル中のススの量の変化を示した特性図。 所定クランク角度における筒内の当量比分布を示す特性図。 比較例１における筒内の乱流エネルギを示す特性図。 比較例２における筒内の乱流エネルギを示す特性図。 比較例３における筒内の乱流エネルギを示す特性図。 比較例４における筒内の乱流エネルギを示す特性図。 実施例における筒内の乱流エネルギを示す特性図。 キャビティの寸法の説明図。 高さの比（ｈ２／ｈ１）とスス排出量との関係を示した特性図。 実施例のキャビティと噴霧中心軸線Ｆとの位置関係を示した説明図。 凸部の変形例を示した説明図。 凸部のさらに別の変形例を示した説明図。 ２つの噴孔群を備えた変形例を示した説明図。 ２つの噴孔群を備えたさらに別の変形例を示した説明図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明に係る直噴式ディーゼルエンジン１をその吸排気系とともに示した構成説明図であって、シリンダブロック２に形成されたシリンダ３に、ピストン４が摺動可能に嵌合しており、かつシリンダブロック２の上面に固定されたシリンダヘッド５がシリンダ３の上端開口を覆っている。

上記ピストン４の頂面には、リエントラント型のキャビティ６が凹設されている。このキャビティ６は、ピストン４の中心軸線を中心とした回転体形状をなす。つまり、ピストン４の平面視において真円形をなし、かつピストン４の中心に形成されている。また上記シリンダヘッド５側には、上記キャビティ６の中心に対応するシリンダ３中心位置に、多噴孔の燃料噴射ノズル７が配置されている。この実施例では、上記燃料噴射ノズル７はシリンダ３の中心軸線に沿って、つまり垂直に配置されている。

上記シリンダヘッド５には、一対の吸気弁８および一対の排気弁９が配置されており、それぞれ吸気ポート１０および排気ポート１１の先端開口部を開閉している。これらの吸気弁８および排気弁９は、各々のバルブステムがシリンダ３の中心軸線と平行となった垂直姿勢に配置されている。またシリンダヘッド５には、燃料噴射ノズル７に隣接してグロープラグ１２が配設されている。

各気筒の燃料噴射ノズル７は、模式的に示すコモンレール１３にそれぞれ接続されており、図示せぬエンジンコントロールユニットからの駆動信号により燃料噴射ノズル７のニードル（図示せず）がリフトすると、高圧燃料ポンプ１４によりコモンレール１３内に供給された高圧の燃料が噴射される構成となっている。コモンレール１３内の燃料圧力は、調圧弁１５を介して、エンジンコントロールユニットにより運転条件に応じた所定の圧力に調圧される。

この実施例のディーゼルエンジン１は、ターボ過給機１８を備えており、該ターボ過給機１８のタービン１９が排気通路２１の通路中に配置され、コンプレッサ２０が吸気通路２２の通路中に配置されている。排気通路２１のタービン１９よりも下流側には、プリ触媒コンバータ２３およびメイン触媒コンバータ２４が直列に配置されている。吸気通路２２のコンプレッサ２０よりも上流側には、エアフロメータ２５およびエアクリーナ２６が設けられており、コンプレッサ２０よりも下流側となるコレクタ部２８との間にはインタークーラ２７が配設されている。さらに、排気還流装置として、排気通路２１のタービン１９よりも上流側の位置と吸気コレクタ部２８とを連通する排気還流通路２９と、排気還流率を機関運転条件に応じた所定の排気還流率に制御するために設けられた排気還流制御弁３０と、を備えている。

図２は、上記キャビティ６のより具体的な断面形状を示している。このキャビティ６は、リエントラント型として、底面中央に山型に膨出した凸部４１を有するとともに、中間付近の高さ位置における最大径に比べて入口部分の径が相対的に小さなものとなっている。特に、この入口部において最も小径となるリップ部４２は、円環状に残存するピストン冠面４３からピストン軸方向に下がった位置にあり、リップ部４２よりも上方に、ピストン４の外周側に拡大ないし後退した空間からなるポケット部４４が形成されている。つまり、ピストン冠面４３におけるポケット部４４の開口縁４４ａの径は、リップ部４２の径よりも大径であり、所謂オープン型のリエントラント型キャビティとしてスキッシュエリア（冠面４３上方の領域）の空気利用率の向上を図っている。

リップ部４２よりも下方の部分は、断面において円弧に近似した湾曲面４５となっており、凸部４１に滑らかに連続している。凸部４１は、円錐面４１ａと頂面４１ｂとを有する略円錐台形をなし、頂面４１ｂは、完全な平坦面ではなく緩く湾曲した形状をなしている。

ここで、図３の説明図に示すように、円錐面４１ａの傾斜角度を示す指標として、円錐面４１ａの延長線がピストン４の中心線ＣＬと交わる点Ｏ１のピストン冠面４３からの距離Ｚ１を、「傾き到達深さＺ１」と定義する。本実施例では、この傾き到達深さＺ１は、ピストン４が上死点位置にあるときの燃料噴射ノズル７の噴霧点ＦＰの高さ位置に対応している。なお、「噴霧点ＦＰ」は、燃料噴射ノズル７の各噴孔の噴霧中心軸線が該燃料噴射ノズル７の中心線と交わる点として定義される。すなわち、本実施例では、円錐面４１ａは、ピストン上死点位置において燃料噴射ノズル７の噴霧点ＦＰを指向する角度を有している。

また、図３に示すように、最も高い部位となる頂面４１ｂ中央部のピストン冠面４３からの距離Ｚ２を、凸部４１の「深さＺ２」と定義する。本実施例では、この深さＺ２は、ピストン冠面４３からリップ部４２までのピストン４軸方向の距離にほぼ等しい。つまり、凸部４１の頂部の高さ位置がリップ部４２の高さ位置にほぼ等しく設定されている。

図４は、上記の「傾き到達深さＺ１」を横軸とし「深さＺ２」を縦軸として、高速高負荷域でのススの排出量をシミュレーションにより求めたものである。つまり、リップ部４２を含めキャビティ６の外周縁部分の形状は変更せずに、凸部４１の形状を変更した種々の燃焼室構造についてススの排出量をシミュレーションした結果を示している。図４には、スス排出量を等高線状に示してあるが、全体的な傾向としては、「傾き到達深さＺ１」が小さいほどスス排出量が少なくなり、「深さＺ２」については、「深さＺ２」がリップ部４２の高さ位置（図中にＺ０２として示す）にあるときに、スス排出量が少なくなる。そして、図４のシミュレーション結果から明らかなように、「傾き到達深さＺ１」がピストン上死点での噴霧点ＦＰの高さ位置（図中にＺ０１として示す）にあり、かつ「深さＺ２」がリップ部４２の高さ位置Ｚ０２にあれば、スス排出量が最小レベルとなる。なお、「傾き到達深さＺ１」については、噴霧点ＦＰの高さ位置Ｚ０１よりも小さければスス排出量が最小レベルとなるが、ピストン上死点での燃料噴射ノズル７との干渉回避などの制約から、上記実施例では「傾き到達深さＺ１」が噴霧点ＦＰの高さ位置Ｚ０１に等しく設定されている。

従って、実施例の凸部４１の構成は、図４上において点Ｐ０で示す位置にある。これに対し、図５の（ａ）〜（ｄ）は、比較例１〜４の構成を示しており、これらは、図４上でそれぞれ点Ｐ１〜Ｐ４で示す位置となり、スス排出量が相対的に大きい。図５（ａ）の比較例１は、「傾き到達深さＺ１」および「深さＺ２」の双方が上記実施例よりも大きい構成である。図５（ｂ）の比較例２は、「傾き到達深さＺ１」が上記実施例と同等で、「深さＺ２」がより小さい構成を示し、図５（ｃ）の比較例３は、「傾き到達深さＺ１」が上記実施例と同等で、「深さＺ２」がより大きい構成を示す。図５（ｄ）の比較例４は、「傾き到達深さＺ１」および「深さＺ２」の双方が上記実施例よりも小さい構成である。

図６は、上記の実施例および比較例１〜４について、サイクル中のススの量の変化を示した特性図である。ススは、拡散燃焼中に生成された後、酸化反応によって部分的に減少し、残った部分が最終的に燃焼室から排出される。図示するように、実施例の燃焼室構造では、ススの生成そのものが抑制されることに加えて、酸化反応によってススが大きく減少し、最終的に排出されるススの量が比較例１〜４に比べて最も少なくなる。

図７は、上記のような酸化反応が進行しているクランク角度（４３０°ＣＡ）における筒内の当量比ないし空気過剰率の分布を示している。同図の（ａ）〜（ｄ）は、比較例１〜４の特性を示し、（ｅ）は実施例の特性を示す。図７に示すように、図（ｅ）の実施例では、凸部４１の中心線上に、最も空気過剰率の高い領域（符号Ｈで示す）が広く存在する。これに対し、図（ａ）〜（ｃ）の比較例１〜３では空気過剰率の高い領域Ｈは小さくなり、図（ｄ）の比較例４では領域Ｈは殆ど存在しない。本実施例では、このような中心部の空気を利用して酸化反応が進行し、ススが低減する。

図８〜図１２は、同じく４３０°ＣＡにおける筒内の乱流エネルギを図示したものであり、図８〜図１１は、それぞれ比較例１〜４の特性を示し、図１２は、実施例の特性を示す。また、最も乱流エネルギの大きな領域を符号Ｔでもって図示してある。図示するように図８の比較例１では、乱流エネルギの大きな領域Ｔは存在しない。図９〜図１１の比較例２〜４では、乱流エネルギの大きな領域Ｔがキャビティ６の外周上方付近に発生する。これに対し、図１２に示す実施例では、乱流エネルギの大きな領域Ｔがキャビティ６の中心寄りに発生する。従って、キャビティ６中心付近での混合促進による酸化促進が図れるものと考えられる。

さらに、凸部４１の「深さＺ２」が対応するリップ部４２の高さ位置（ピストン軸方向の位置）としては、図１３に示すように、ピストン冠面４３からリップ部４２までのピストン軸方向の距離ｈ２が、ピストン冠面４３からキャビティ６底部までの高さｈ１に対し、１０パーセント以上でかつ３７パーセント以下であることが望ましい。

図１４は、上記の高さの比（ｈ２／ｈ１）とスス排出量との関係を種々のエンジンについて実測した結果をまとめたものである。図示するように、高さの比（ｈ２／ｈ１）が１０パーセントから３７パーセントの範囲内にないと、ススの悪化が見られた。

図１５は、上記実施例のキャビティ６と燃料噴射ノズル７からの噴霧との位置関係を示したものであり、燃料噴射ノズル７の噴霧点ＦＰから延びる噴霧中心軸線Ｆがリップ部４２の僅かに下方の位置を指向している。

図１６は、凸部４１を頂面４１ｂが平坦な円錐台形とした変形例を示している。「傾き到達深さＺ１」および「深さＺ２」は、前述した実施例と同様である。

図１７は、所定の「傾き到達深さＺ１」を有する円錐面４１ａが凸部４１の上半部にのみ存在するようにした変形例を示している。凸部４１の下側部分はより急峻な傾斜面となっているが、キャビティ６の中心部へ向かうガスが最終的に円錐面４１ａに沿って案内されるため、上記実施例と同様の作用効果が得られる。

図１８および図１９は、燃料噴射ノズル７が上下２段に噴射する変形例を示している。すなわち、図１５，図１６の実施例では、燃料噴射ノズル７の複数の噴孔からの噴霧が同一の高さ位置（シリンダ軸方向の位置）を指向しているが、図１８，１９の例は、燃料噴射ノズル７が、噴霧中心軸線Ｆ１が相対的に上側の位置を指向した第１の噴孔群と、噴霧中心軸線Ｆ２が相対的に下側の位置を指向した第２の噴孔群と、を有している。換言すれば、第１の噴孔群と第２の噴孔群とは、シリンダ中心軸線に対する傾斜角（いわゆる傘角）が異なるものとなっている。なお、上方の噴霧中心軸線Ｆ１および下方の噴霧中心軸線Ｆ２の双方とも、共通の噴霧点ＦＰを始点とする。そして、第１の噴孔群の噴霧中心軸線Ｆ１は、リップ部４２よりも僅かに上方の位置を指向し、第２の噴孔群の噴霧中心軸線Ｆ２は、リップ部４２よりも僅かに下方の位置を指向する。図１８の凸部４１の構成は図１５のものと同一であり、図１９の凸部４１の構成は図１６のものと同一である。

Claims (3)

1. リエントラント型キャビティを冠面に有するピストンと、上記キャビティの中心線上に配置された多噴孔の燃料噴射ノズルと、を備えてなるディーゼルエンジンにおいて、
   上記キャビティの入口部において最小径となるリップ部が開口縁よりも下方に位置し、該リップ部の上方に、ピストンの外周側に拡大した空間からなるポケット部が形成されており、
   上記燃料噴射ノズルの噴霧点から延びる噴霧中心軸線が、上死点付近において、上記リップ部の僅かに下方の位置を指向しており、
   上記キャビティの底部中央に設けられる凸部の頂部の高さ位置が上記リップ部の高さ位置にほぼ等しく設定されており、
   上記凸部の中心線上に最も空気過剰率の高い領域が存在するように、上記凸部の円錐面が、ピストン上死点位置において上記燃料噴射ノズルの噴霧点を指向する角度に形成されており、
   クランク角度４３０°ＣＡにおいて上記凸部の中心線上に最も空気過剰率の高い領域が存在するように、上記頂部の高さ位置と上記凸部の円錐面の角度とが組み合わされている、ディーゼルエンジンの燃焼室構造。
2. ピストン冠面から上記リップ部までのピストン軸方向の距離が、ピストン冠面からキャビティ底部までの高さに対し、１０パーセント以上でかつ３７パーセント以下である、請求項１に記載のディーゼルエンジンの燃焼室構造。
3. 上記燃料噴射ノズルが、相対的に下方を指向した第１の噴孔群と、相対的に上方を指向した第２の噴孔群と、を有し、
   上死点付近において、上記噴霧点から延びる上記第１の噴孔群の噴霧中心軸線が上記リップ部よりも下方の位置を指向し、上記第２の噴孔群の噴霧中心軸線が上記リップ部よりも上方の位置を指向している、請求項１または２に記載のディーゼルエンジンの燃焼室構造。

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