JP6481322B2

JP6481322B2 - 直噴式エンジンの燃焼室構造

Info

Publication number: JP6481322B2
Application number: JP2014205738A
Authority: JP
Inventors: 宗篤柿木
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2014-10-06
Filing date: 2014-10-06
Publication date: 2019-03-13
Anticipated expiration: 2034-10-06
Also published as: JP2016075207A

Description

本発明は直噴式エンジンの燃焼室構造に関し、更に詳しくは、スモークやＣＯ等の発生を従来よりも低減することができる直噴式エンジンの燃焼室構造に関する。

一般に、直噴式エンジンの燃焼室構造は、ピストンの頂部中央に凹設されたリエントラントタイプのキャビティを備えている。そのような燃焼室構造においては、ピストンが圧縮上死点付近に達したときに、インジェクタからキャビティの内側側壁へ向けて噴射された燃料（以下、「燃料噴霧」という。）は、その多くが壁面にそって下方へ流れるが、曲線部と底壁直線部との間の不連続な箇所で速度が低下する。燃料噴霧の流速が低下すると、燃料濃度が濃くなって空気との混合が妨げられるため、燃焼時にスモークや一酸化炭素（ＣＯ）等が発生することになる。

そのような問題を解決するために、燃料噴霧の流れがキャビティー内で留まることがないように、キャビティの曲線部と底壁直線部との間に緩和曲線により規定された縦断面形状を有する底壁緩和曲線部を設けた燃焼室構造が提案されている（特許文献１を参照）。

上記の特許文献１に係る燃焼室構造について、発明者が鋭意研究を進めたところ、燃料噴霧と空気との混合を妨げる要因は、燃料噴霧の速度エネルギーがキャビティの壁面との摩擦により減衰されることによる燃料噴霧の流れの低下にもあることを見出した結果、本発明を完成させるに至ったものである。

特開２０１３−２１７３０６号公報

本発明の目的は、スモークやＣＯ等の発生を従来よりも低減することができる直噴式エンジンの燃焼室構造を提供することにある。

上記の目的を達成する本発明の直噴式エンジンの燃焼室構造は、ピストンの頂面の中央
部に凹設され、前記ピストンの上方に配置されたインジェクタから燃料が噴射されるキャビティを備え、前記キャビティが、前記ピストンの径方向外側へ突出する円弧曲線により規定された縦断面形状を有する曲線部と、直線により規定された縦断面形状を有する前記キャビティの底壁に設けられた底壁直線部と、曲率半径が前記曲線部の縦断面形状を規定する円弧曲線の曲率半径から無限大まで連続的に変化する緩和曲線により規定された縦断面形状を有する前記キャビティの底壁における前記曲線部と前記底壁直線部との間に位置して設けられた底壁緩和曲線部と、を含む直噴式エンジンの燃焼室構造において、少なくとも前記底壁直線部の壁面を、前記噴射された燃料の電荷と反発する電荷を有する物質が吸着可能な材料でコーティングしたことを特徴とするものである。

本発明の直噴式エンジンの燃焼室構造によれば、キャビティの大きな領域を占める底壁直線部において、燃料噴霧と壁面との間の摩擦が低くなり、燃料噴霧の移動速度が低下しなくなるので、燃料噴霧と空気との混合が促進されるため、スモークやＣＯ等を従来よりも低減することができる。

本発明の実施形態からなる直噴式エンジンの燃焼室構造の構成を示すピストンの半断面図である。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態からなる直噴式エンジンの燃焼室構造を示す。

この直噴式エンジンの燃焼室構造１（以下、単に「燃焼室構造」と言う。）は、基本的な構成を特許文献１に開示された発明と同一とするものであり、直噴式ディーゼルエンジンのピストン１の頂部中央に凹設されたキャビティ２を備えている。なお、キャビティ２の形状は、リエントラントタイプが好ましく例示されるが、これに限定されるものではなく、例えばトロイダルタイプやリップ付タイプであっても良い。

キャビティ２の内側の側壁３の下部には、側壁直線部４、側壁緩和曲線部５及び曲線部（窪み部）１３が、順に連続して設けられている。

側壁緩和曲線部５は、その曲率半径が、側壁直線部４の縦断面形状を規定する直線の曲率半径（無限大）から、曲線部６の縦断面形状を規定する径方向外側に凸となる円弧曲線の曲率半径（一定）まで連続的に変化する緩和曲線により規定された縦断面形状を有している。つまり、側壁緩和曲線部５の縦断面形状を規定する緩和曲線の曲率半径は、その曲線区間内において側壁直線部４側から曲線部６側に行くに従って徐々に小さくなっている。

キャビティ２の底壁７には、底壁緩和曲線部８及び底壁直線部９が、曲線部６から径方向内側に形成された円錐台状の隆起部１０へ向けて、順に連続して設けられている。

底壁緩和曲線部８は、その曲率半径が曲線部６の縦断面形状を規定する径方向外側に凸となる円弧曲線の曲率半径（一定）から、底壁直線部９の縦断面形状を規定する直線の曲率半径（無限大）まで連続的に変化する緩和曲線により規定された縦断面形状を有している。つまり、底壁緩和曲線部８の縦断面形状を規定する緩和曲線の曲率半径は、その曲線区間内において曲線部６側から底壁直線部９側に行くに従って徐々に大きくなっている。

上記の側壁緩和曲線部５及び底壁緩和曲線部８の縦断面形状を規定する緩和曲線としては、クロソイド曲線が好ましく例示されるが、これに限定されるものではなく、三次放物線（三次曲線）又はサインカーブ（サイン半波長逓減曲線）であっても良い。

上述したキャビティ２の内側の側壁３に向けて、ピストン１の上方に配置されたインジェクタ（図示せず）から噴射された燃料Ｆ（以下、「燃料噴霧Ｆ」という。）は、側壁直線部４及び側壁緩和曲線部５から、曲線部６を経て底壁緩和曲線部８及び底壁直線部９まで、壁面に沿って停止することなく連続的に流れつつ空気と混合する。

そして、燃焼室構造１のキャビティ２における少なくとも底壁直線部９の壁面には、燃料噴霧Ｆの電荷と反発する電荷を有する物質が吸着可能な材料１１がコーティングされている。

キャビティ２内を流れる燃料噴霧Ｆは、その分子状態によりプラス又はマイナスの電荷を有している。具体的には、燃料噴霧Ｆの電荷は、燃料噴出孔の材質の帯電列がプラスの場合はマイナスとなる可能性が高くなり、帯電列がマイナスの場合はプラスとなる可能性が高くなる。従って、燃料噴霧Ｆの電荷と反発する電荷を有する物質は、燃料噴霧Ｆの電荷がマイナスであるときはマイナスに帯電する物質となる一方で、プラスであるときはプラスに帯電する物質となる。

このようにマイナスに帯電する物質を吸着可能な材料１１としては、ガラスが例示される。また、プラスに帯電する物質を吸着可能な材料１１としては、テフロン（デュポン社の登録商標）が例示される。

それらの材料１１を底壁直線部９の壁面にコーティングする方法については、特に限定するものではないが、蒸着、焼結、浸漬、溶射やプラズマＣＶＤなどが例示される。

このような表面加工を行うことで、キャビティ２の大きな領域を占める底壁直線部９において、燃料噴霧Ｆと壁面との間に生じる電気的反発力により両者の間の摩擦が低くなって、燃料噴霧Ｆの移動速度が低下しなくなるので、燃料噴霧Ｆと空気との混合が促進されるため、スモークやＣＯ等を従来よりも低減することができるのである。

本発明の別の実施形態では、上記の燃焼室構造１のキャビティ２における少なくとも底壁直線部９の壁面には、周期表の第１族、第２族又は第１４〜１７族のいずれかに属する原子を含む金属からなる材料１２がコーティングされている。なお、周期表の第１族、第２族又は第１４〜１７族のいずれかに属する原子を表面の結晶構造に含む材料１２を用いるようにしても良い。

それらの材料１２を底壁直線部９の壁面にコーティングする方法については、特に限定するものではないが、蒸着、焼結、浸漬、溶射やプラズマＣＶＤなどが例示される。

このような材料１２をコーティングする表面加工を行うことによっても、キャビティ２の大きな領域を占める底壁直線部９において、燃料噴霧Ｆと壁面との間に生じる電気的反発力により両者の間の摩擦を低くすることができる。

上記の２つの実施形態においては、上述した材料１１、１２を底壁直線部９以外の部分、例えば曲線部６及び底壁緩和曲線部８にもコーティングすることが可能である。

本発明における直噴式エンジンは、直噴式ディーゼルエンジンに限定されるものではなく、直噴式ガソリンエンジンであっても良い。

１ピストン
２キャビティ
３側壁
４側壁直線部
５側壁緩和曲線部
６曲線部
７底壁
８底壁緩和曲線部
９底壁直線部
１０隆起部
１１、１２材料
Ｆ燃料噴霧

Claims

ピストンの頂面の中央部に凹設され、前記ピストンの上方に配置されたインジェクタから燃料が噴射されるキャビティを備え、前記キャビティが、前記ピストンの径方向外側へ突出する円弧曲線により規定された縦断面形状を有する曲線部と、直線により規定された縦断面形状を有する前記キャビティの底壁に設けられた底壁直線部と、曲率半径が前記曲線部の縦断面形状を規定する円弧曲線の曲率半径から無限大まで連続的に変化する緩和曲線により規定された縦断面形状を有する前記キャビティの底壁における前記曲線部と前記底壁直線部との間に位置して設けられた底壁緩和曲線部と、を含む直噴式エンジンの燃焼室構造において、
少なくとも前記底壁直線部の壁面を、前記噴射された燃料の電荷と反発する電荷を有する物質が吸着可能な材料でコーティングしたことを特徴とする直噴式エンジンの燃焼室構造。
少なくとも前記底壁直線部の壁面を、前記噴射された燃料の電荷と反発する電荷を有する物質が吸着可能な材料でコーティングする場合であって、前記材料がガラス又はテフロン（デュポン社の登録商標）である請求項１に記載の直噴式エンジンの燃焼室構造。
前記キャビティは、前記キャビティの側壁上部に設けられ、直線により規定された縦断面形状を有する側壁直線部と、前記キャビティの側壁に前記側壁直線部と前記曲線部との間に位置させて設けられ、曲率半径が無限大から前記曲線部の縦断面形状を規定する円弧曲線の曲率半径まで連続的に変化する緩和曲線により規定された縦断面形状を有する側壁緩和曲線部とを更に含む請求項１又は２に記載の直噴式エンジンの燃焼室構造。