JP6244839B2 - 内燃機関 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関に関する。
従来、内燃機関から排出される窒素化合物（以下、ＮＯｘ）を低減する技術として、排気の一部を吸気系に環流して燃焼温度を低下させるＥＧＲ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、排気がリーン雰囲気のときにＮＯｘを吸蔵すると共に、排気がリッチ雰囲気のときにＮＯｘを還元するＮＯｘ吸蔵還元型触媒（以下、ＬＮＴ）等も知られている（例えば、特許文献２参照）。
しかしながら、ＥＧＲ装置では燃焼状態が悪化し、ＬＮＴでは還元剤として余分な燃料を噴射する必要があるため、これら何れの技術においても燃費の悪化を招く可能性がある。
これに対し、ピストン頂部のキャビティに複数の溝を設けて、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で、スモークの発生を低減する技術も知られている（例えば、特許文献３参照）。
特開２００９−２１８４号公報 特開２００８−１２１４５５号公報 特開２０１０−２８５９０７号公報
ところで、メイン噴射で生成された一酸化窒素（以下、ＮＯ）は、燃焼過程において燃料から生じる炭化水素ラジカル（ＣＨ3，ＨＣＣＯ等）と反応する還元反応経路を有する。
このようなＮＯ還元反応を利用すれば、燃焼室内において燃料とＮＯとを混合させて燃焼させることで、ＮＯの還元浄化を図ることができる。燃焼室内でＮＯと燃料とを効果的に混合させるためには、メイン噴射により生成されたＮＯを含む既燃ガスを燃料噴射ノズルの先端部近傍に向けて導くと共に、メイン噴射直後の燃焼可能なタイミングでアフタ噴射（還元用噴射）を行うことが重要となる。
本発明の目的は、メイン噴射により生成されたＮＯを含む既燃ガスを燃料噴射ノズルの先端部近傍に効果的に導くことができる内燃機関を提供することを目的とする。
上述の目的を達成するため、本発明の内燃機関は、シリンダを有するシリンダブロックと、前記シリンダ内に上下移動自在に収容されて、その頂部にキャビティが凹設されたピストンと、前記シリンダブロックの上部に設けられて、その下面の少なくとも一部を前記キャビティに臨ませたシリンダヘッドと、前記シリンダブロックに設けられて、前記キャビティ内に燃料を噴射するインジェクタと、前記キャビティの表面に設けられて、前記インジェクタから噴射される燃料の噴射方向と平行に延びる複数の第１ガイド溝と、前記キャビティに臨む前記シリンダヘッドの下面に設けられて、前記第１ガイド溝と平行に延びる複数の第２ガイド溝とを備えることを特徴とする。
また、前記シリンダヘッドに設けられて、その下面を前記キャビティに臨ませた吸排気バルブをさらに備え、前記第２ガイド溝の少なくとも一部が前記吸排気バルブの下面に設けられてもよい。
また、前記インジェクタが、前記ピストンの圧縮上死点近傍でメイン噴射を行うと共に、該メイン噴射よりも遅角側の燃焼可能なタイミングでアフタ噴射を行うことが好ましい。
本発明の内燃機関によれば、メイン噴射により生成されたＮＯを含む既燃ガスを燃料噴射ノズルの先端部近傍に効果的に導くことができる。
本発明の一実施形態に係る内燃機関を示す部分断面図である。 （ａ）は本実施形態の燃焼室Ａを示す縦断面図、（ｂ）はピストンの頂面をシリンダヘッド側から下方視した平面図、（ｃ）はシリンダヘッドの下面をピストン側から上方視した平面図である。 本実施形態の燃料噴射制御の一例を示すタイムチャートである。 （ａ）は本実施形態の燃焼室内における燃料噴霧の移動を説明する図、（ｂ）は従来の燃焼室内における燃料噴霧の移動を説明する図である。
以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係る内燃機関を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
図１は、内燃機関１０の部分断面図であって、符号１１はシリンダヘッド、符号２０はシリンダブロック、符号３０はピストン、符号５０は電子制御ユニット（以下、ＥＣＵと称する）を示している。なお、説明の便宜上、シリンダヘッド１１側を上方、シリンダブロック２０側を下方として説明する。
シリンダヘッド１１には、吸気バルブ１３の開閉により燃焼室Ａ内に吸気を導入する吸気ポート１４及び、排気バルブ１５の開閉により燃焼室Ａ内から排気を導出する排気ポート１６が形成されている。また、シリンダヘッド１１には、燃焼室Ａ内に燃料を直接噴射するインジェクタ１２が設けられている。
インジェクタ１２は、先端部が円錐状に形成されたノズル１２ａを燃焼室Ａ内に突出させている。このノズル１２ａの先端部には複数の微細な噴孔（不図示）が形成されており、これら複数の噴孔から燃焼室Ａ内に燃料が放射状に噴射される。また、インジェクタ１２には、コモンレール１７が接続されており、コモンレール１７内で畜圧された高圧燃料が常時供給されている。
シリンダブロック２０には、略円筒状のシリンダ２１が形成されている。このシリンダ２１内には、ピストン３０が上下方向に往復移動自在に収容されている。
ピストン３０の頂部には、薄皿型のキャビティ３１が凹設されている。なお、キャビティ３１の形状は薄皿型に限定されず、トロイダル型やリエントランス型等であってもよい。
次に、図２（ａ）〜（ｃ）に基づいて、燃焼室Ａの詳細について説明する。図２（ａ）は燃焼室Ａを示す縦断面図、図２（ｂ）はピストン３０の頂面をシリンダヘッド１１側から下方視した平面図、図２（ｃ）はシリンダヘッド１１の下面をピストン３０側から上方視した平面図である。
図２（ａ）に示すように、燃焼室Ａは、キャビティ３１と、スキッシュエリアＳと、キャビティ３１に臨むシリンダヘッド１１の下面１１ａと、吸気バルブ１３の下面１３ａと、排気バルブ１５の下面１５ａとで構成されている。
図２（ａ），（ｂ）に示すように、キャビティ３１の表面（底面３１ａ及び、側面３１ｂ）には、ノズル１２ａの各噴孔から放射状に噴射された燃料の噴霧Ｆｘ（図２（ｂ）にのみ示す）が衝突する部分に複数の第１ガイド溝群４１Ｇがそれぞれ設けられている。これら複数の第１ガイド溝群４１Ｇは、燃料の噴射方向と略平行にキャビティ３１の径方向（内外方向）に延びる複数の第１ガイド溝４１で構成されており、ノズル１２ａから噴射された燃料の噴霧Ｆｘをキャビティ３１の径方向外方に案内すると共に、キャビティ３１内の周方向への広がりを抑止するように機能する。なお、図２（ｂ）には、ノズル１２ａから噴射された４つの噴霧Ｆｘ及びこれに対応する４つの第１ガイド溝群４１Ｇのみを示し、他の噴霧に対応する第１ガイド溝群４１Ｇについては図示を省略している。
図２（ａ），（ｃ）に示すように、シリンダヘッド１１の下面１１ａ、吸気バルブ１３の下面１３ａ及び、排気バルブ１５の下面１５ａには、第１ガイド溝群４１Ｇ（図２（ａ），（ｂ）に示す）と対向する複数の第２ガイド溝群４２Ｇが設けられている。これら第２ガイド溝群４２Ｇは、第１ガイド溝４１と略平行にノズル１２ａの先端部に向かって延びる複数の第２ガイド溝４２で構成されており、ノズル１２ａの各噴孔から噴射されてキャビティ３１に衝突した燃料の噴霧をノズル２１先端部に導く（戻す）ように機能する。なお、図２（ｃ）には、４つの第２ガイド溝群４２Ｇのみを示し、他の第２ガイド溝群４２Ｇについては図示を省略している。
ＥＣＵ５０は、インジェクタ１２の燃料噴射を制御するもので、本実施形態では、特にメイン噴射で生成されたＮＯを還元するためのアフタ噴射を実行するように構成されている。より詳しくは、図３に示すように、圧縮上死点近傍でメイン噴射ＦMを行うと共に、このメイン噴射ＦMよりも遅角側の燃焼可能なタイミングでＮＯ還元用のアフタ噴射ＦAを実行する。これにより、メイン噴射で生成されるＮＯを含んだ既燃ガスに向けてＮＯ還元用のアフタ噴射が噴霧されて、これら既燃ガス及びアフタ噴射の燃料を効果的に混合することができる。
次に、本実施形態の内燃機関１０による作用効果を説明する。
図４（ａ）に示すように、キャビティ３１の表面には、ノズル１２ａから噴射された燃料の噴霧Ｆｘをキャビティ３１の径方向外方に案内しつつ周方向への広がりを抑止する第１ガイド溝群４１Ｇが設けられている。さらに、シリンダヘッド１１の下面１１ａ（吸気バルブ１３の下面１３ａ及び、排気バルブ１５の下面１５ａを含む）には、キャビティ３１に衝突した燃料の噴霧（既燃ガス）ＦGをノズル１２ａの先端部に導く複数の第２ガイド溝群４２Ｇが設けられている。
したがって、本実施形態の内燃機関１０によれば、図４（ｂ）に示す溝加工を施していない従来の燃焼室Ｂに比べて、ノズル１２ａから噴射された燃料の噴霧Ｆｘをキャビティ３１の表面に効果的に衝突させつつ、衝突後の噴霧（既燃ガスＦGを含む）をノズル１２ａの先端部に向けて効果的に移動させることが可能になる。
また、本実施形態の内燃機関１０では、圧縮上死点近傍でメイン噴射ＦMが行われると共に、このメイン噴射ＦMよりも遅角側の燃焼可能なタイミングでＮＯ還元用のアフタ噴射ＦAが行われる。すなわち、図４（ａ）に示すように、第２ガイド溝群４２Ｇによってノズル１２ａ側に戻されるＮＯを含んだ既燃ガスＦGに向けて、ＮＯ還元用のアフタ噴射を効果的に噴霧することが可能になる。
したがって、本実施形態の内燃機関１０によれば、メイン噴射で生成されたＮＯを含む既燃ガスＦGとアフタ噴射の燃料との混合が促進されて、ＮＯの還元反応を効果的に向上することができる。
なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。
１０ 内燃機関
１１ シリンダヘッド
１２ インジェクタ
１３ 吸気バルブ
１５ 排気バルブ
２０ シリンダブロック
２１ シリンダ
２１ａ ノズル
３０ ピストン
３１ キャビティ
４１ 第１ガイド溝
４１Ｇ 第１ガイド溝群
４２ 第２ガイド溝
４２Ｇ 第２ガイド溝群
５０ ＥＣＵ

Claims (3)

  1. シリンダを有するシリンダブロックと、
    前記シリンダ内に上下移動自在に収容され、頂部に薄皿型のキャビティが凹設されたピストンと、
    前記シリンダブロックの上部に設けられ、下面の少なくとも一部を前記キャビティに臨ませたシリンダヘッドと、
    前記シリンダヘッドに設けられ、前記キャビティ内に燃料を噴射するインジェクタと、
    前記キャビティの表面に設けられ、前記インジェクタから噴射される燃料の噴射方向と平行に延びる複数の第１ガイド溝と、
    前記キャビティに臨む前記シリンダヘッドの下面に設けられ、前記第１ガイド溝と平行に延びる複数の第２ガイド溝と、を備え、
    前記第１のガイド溝は、前記キャビティの径方向中間位置から外周端まで延びて形成されると共に、先端を前記ピストンの移動方向に沿う上方に向けて形成され、
    前記第２のガイド溝は、前記第１ガイド溝の先端が向かう方向の延長線上の前記シリンダヘッドから前記インジェクタの方向に延びて形成されると共に、前記第１ガイド溝と対向して形成される
    ことを特徴とする内燃機関。
  2. 前記シリンダヘッドに設けられ、下面を前記キャビティに臨ませた吸排気バルブをさらに備え、
    前記第２ガイド溝の少なくとも一部が前記吸排気バルブの下面に設けられた
    請求項１に記載の内燃機関。
  3. 前記インジェクタが、前記ピストンの圧縮上死点近傍でメイン噴射を行うと共に、該メイン噴射よりも遅角側の燃焼可能なタイミングでアフタ噴射を行う
    請求項１又は２に記載の内燃機関。
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