JP6481968B2 - ディーゼルエンジン - Google Patents
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Description
このように構成された本発明においては、ピストンの冠面には、ピストンの冠面と連続するキャビティのリップ部からピストンの径方向外側に凹んだ切欠き部が形成されているので、ピストン冠面の上方においてキャビティよりもピストンの径方向外側を流れるスワール流が切欠き部からキャビティ内へ流入し、キャビティの壁面に沿ってピストンの径方向内側へ進む空気流動が発生する。このように、スワール流によるシリンダの中心軸線まわりに流れる横渦に加えて、ピストンの径方向の速度成分を持つ空気流動を発生させることにより、燃料噴霧のペネトレーションを強めることなくキャビティ内における空気の流動性を高めることができ、冷却損失の低減と、燃料噴霧と空気の混合性向上とを両立することができる。
また、切欠き部の底面及び側面とピストンの冠面とを接続する角部、及び、切欠き部の2つの側面とこれらの2つの側面のピストン径方向内側の周縁部におけるキャビティのリップ部とを接続する角部のそれぞれの丸み径は1mm以下であるので、角部の丸み径が1mmより大きい場合と比較して、ピストン冠面の上方から切込み部に流入したスワール流をより確実にキャビティの中央方向へ方向付けることができ、これにより、ピストン冠面の上方から切欠き部を通ってキャビティの中央方向へ進む空気の流量を増大させ、燃料噴霧のペネトレーションを強めることなくキャビティ内における空気の流動性を確実に高めることができる。
また、本発明においては、複数の切欠き部は、複数の噴孔の各指向方向の間に形成されている。 このように構成された本発明においては、キャビティ内に平面視で放射状に噴霧され、キャビティの壁面に沿ってピストンの径方向内側に反転する燃料の流れと、スワール流が切欠き部からキャビティ内に流入することにより発生したピストンの径方向の速度成分を持つ空気流動とを合流させ、キャビティ内における燃料と空気との混合を促進することができ、これにより、燃料噴霧のペネトレーションを強めることなく燃料噴霧と空気の混合性を一層向上することができる。
また、本発明において、好ましくは、切欠き部は、ピストンの冠面に複数形成されている。このように構成された本発明においては、キャビティ内のより広い範囲においてピストンの径方向の速度成分を持つ空気流動を発生させることができ、これにより、キャビティ内における空気の流動性を一層高めることができる。
また、本発明において、好ましくは、燃料噴射弁の噴孔は、キャビティ内に平面視で複数の指向方向に放射状に燃料を噴霧するよう複数形成されている。このように構成された本発明においては、キャビティ内に平面視で放射状に噴霧された燃料の流動を、ピストンの径方向の速度成分を持つ空気流動により促進することができ、燃料噴霧のペネトレーションを強めることなく燃料噴霧と空気の混合性を一層向上することができる。
図1は、本発明の実施形態によるディーゼルエンジンの構成を示す概略図であり、図2は、本発明の実施形態によるディーゼルエンジンにおける吸気ポート及び排気ポートの配置を概略的に示す平面図であり、図3は、本発明の実施形態による燃料噴射弁の先端部の部分断面図であり、図4は、本発明の実施形態によるディーゼルエンジンの運転状態に応じて異なるように設定された燃料の噴射形態の一例を示す図である。
図5は、本発明の実施形態によるピストン10の斜視図であり、図6は、図5に示したピストン10の平面図であり、図7は、図5中のVII−VIIに沿って見たピストン10及びシリンダヘッド6などの部分断面図であり、図8は、図5中のVIII−VIIIに沿って見たピストン10及びシリンダヘッド6などの部分断面図である。
なお、図7及び図8では、上死点まで上昇したときのピストン10を示すとともに、図6及び図7では、燃料噴射弁34の噴孔56から噴射された燃料の噴霧を符号Fとして示している。これらの図から理解されるように、キャビティ12は、少なくともピストン10が上死点にあるときに燃料噴射弁34から噴射された燃料(噴霧F)を受け入れ可能な形状および大きさに形成されている。
また、底面64a及び側面64bとピストン10の冠面10aとを接続する角部64d、及び、側面64bとキャビティ12の壁面とを接続する角部64dは、半径rの丸みを持つように形成される。
切欠き部64の隅部64cの丸み径R及び角部64dの丸み径rの設定については後述する。
また、図8に示すように、切欠き部64の底面64aは、断面視でキャビティ12の底面64aからピストン10の冠面10aに向かってピストン10の径方向外側に傾斜している。切欠き部64の底面64aとピストン10の軸線方向とが成す角(すり鉢角)θは、本実施形態では例えば30°である。切欠き部64の底面64aの周辺凹部60側の端部は、周辺凹部60の周縁と連続している。
図4における運転領域A1のような低負荷域では、燃料噴射弁34からの燃料の噴射量が少ないので、燃料の噴霧Fはリップ部62と周辺凹部60との接続部付近に到達した時点でかなり減速している。したがって、噴霧Fがキャビティ12の壁面に沿って径方向内側に反転するような流れは、噴霧F自体の運動量によってはほとんど生じない。
しかしながら、吸気スワール流Sが切欠き部64からキャビティ12の周辺凹部60へ落ち込むことにより、キャビティ12内には、ピストン10の径方向の速度成分を持つ空気流動Vが存在している。したがって、図10に示すように、リップ部62と周辺凹部60との接続部付近に到達した噴霧Fは空気流動Vと合流し、キャビティ12の壁面に沿って径方向内側に反転しながら空気と混合する。これにより、燃料の噴射量が少ない低負荷域においても燃料噴霧Fと空気との混合性を向上することができ、冷却損失を低減することができる。
しかしながら、吸気スワール流Sが切欠き部64からキャビティ12の周辺凹部60へ落ち込むことにより、キャビティ12内には、ピストン10の径方向の速度成分を持つ空気流動Vが存在している。したがって、図10に示すように、リップ部62と周辺凹部60との接続部付近に到達した噴霧Fは、キャビティ12の壁面に沿って径方向内側に反転しながら空気流動Vと合流し、空気と混合する。これにより、中・高負荷域において燃料噴霧Fのペネトレーションを強めることなく燃料噴霧Fと空気との混合性を向上することができ、NOxやスート(煤)の発生量を低減することができる。
したがって、ピストン10の径方向の速度成分を持つ空気流動を発生させることにより、燃料噴霧Fのペネトレーションを強めることなくキャビティ12内における空気の流動性を高め、燃料噴霧Fと空気の混合性を向上させるという観点からは、隅部64cのRは可能な限り小さい方が好ましい。
したがって、ピストン10の径方向の速度成分を持つ空気流動を発生させることにより、燃料噴霧Fのペネトレーションを強めることなくキャビティ12内における空気の流動性を高め、燃料噴霧Fと空気の混合性を向上させるという観点からは、角部64dのrは可能な限り小さい方が好ましい。
上記した実施形態では、平面視においてピストン10の中心と切欠き部64の底面64aの両端とを結ぶ直線が成す中心角αが例えば14°であり、切欠き部64の底面64aとピストン10の軸線方向とが成す角(すり鉢角)θが例えば30°であると説明したが、切欠き部64をこれとは異なる寸法により形成してもよい。
また、切欠き部64の底面64aと側面64bとを接続する隅部64cの丸み径Dは5mm以下であるので、隅部64cの丸み径Dが5mmより大きい場合と比較して、ピストン冠面の上方から切込み部に流入したスワール流をより確実にキャビティの中央方向へ方向付けることができ、これにより、ピストン冠面10aの上方から切欠き部64を通ってキャビティ12の中央方向へ進む空気の流量を増大させ、燃料噴霧Fのペネトレーションを強めることなくキャビティ12内における空気の流動性を確実に高めることができる。
また、切欠き部64の隅部64cの丸み径Dは切欠き部64の幅の1/2以下であるので、切欠き部64の底面64a又は側面64bと隅部64cとの間に不連続な箇所が生じないようにすることができ、これにより、不連続な箇所の存在に起因する生産性の低下や応力集中による破損等を防止しつつ、燃料噴霧Fのペネトレーションを強めることなくキャビティ12内における空気の流動性を確実に高めることができる。
また、切欠き部64の底面64a及び側面64bとピストン冠面10aとを接続する角部64d、及び、切欠き部64の側面64bとキャビティ12の壁面とを接続する角部64dのそれぞれの丸み径rは1mm以下であるので、角部64dの丸み径rが1mmより大きい場合と比較して、ピストン冠面10aの上方から切込み部64に流入したスワール流をより確実にキャビティ12の中央方向へ方向付けることができ、これにより、ピストン冠面10aの上方から切欠き部64を通ってキャビティ12の中央方向へ進む空気の流量を増大させ、燃料噴霧Fのペネトレーションを強めることなくキャビティ12内における空気の流動性を確実に高めることができる。
2 気筒
6 シリンダヘッド
10 ピストン
10a 冠面
12 キャビティ
18 第1の吸気ポート
20 第2の吸気ポート
22 第1の排気ポート
24 第2の排気ポート
34 燃料噴射弁
56 噴孔
58 中央隆起部
60 周辺凹部
62 リップ部
64 切欠き部
64a 底面
64b 側面
64c 隅部
64d 角部
S スワール流
Claims (1)
- シリンダが形成されたシリンダブロックと、前記シリンダの一端を覆うように前記シリンダブロック上に配設されるシリンダヘッドと、前記シリンダヘッドに対向する冠面を備え前記シリンダ内を往復動するピストンと、前記シリンダヘッドに取り付けられた燃料噴射弁とを有するディーゼルエンジンであって、
このディーゼルエンジンは、その吸気行程および圧縮行程において、前記シリンダ内でその周方向に指向する吸気スワール流が生成されるよう構成され、
前記ピストンの冠面には、前記シリンダヘッドとは反対側に凹んだ平面視円形のキャビティが形成され、このキャビティは、断面視でそのキャビティの中心側ほど前記燃料噴射弁に近づくように隆起した中央隆起部と、この中央隆起部と連続しており、断面視でピストンの径方向外側に凹となる円弧状に形成されると共に平面視で円形状に形成された周辺凹部と、この周辺凹部と連続しており、断面視で前記ピストンの径方向内側に凸となる円弧状に形成されると共に平面視で円形状に形成され、前記ピストンの冠面と連続するリップ部と、を備えるリエントラント型のキャビティであり、
前記ピストンの冠面には、さらに、前記ピストンの径方向外側を流れる吸気スワール流が流入して前記キャビティの径方向内側に進む空気流動が発生するように、前記キャビティのリップ部から前記ピストンの径方向外側に凹んだ複数の切欠き部が形成され、
前記燃料噴射弁には、前記キャビティ内に燃料を噴射する複数の噴孔が形成され、この燃料噴射弁の複数の噴孔は、前記キャビティ内に平面視で複数の指向方向に放射状に燃料を噴霧するよう形成され、前記複数の指向方向は、前記複数の切欠き部の間に向く方向であり、
前記燃料噴射弁の複数の噴孔は、噴射された燃料噴霧が、前記複数の切欠き部の間において、前記キャビティのリップ部と周辺凹部との接続部付近に到達するよう指向され、
前記ディーゼルエンジンは、その圧縮行程において、前記リップ部と前記周辺凹部との接続部付近に到達した燃料噴霧が、前記キャビティの周辺凹部の円弧状の形状、および、前記ピストンの冠面の切欠き部により発生した前記キャビティの径方向内側に進む空気流動との合流によって、前記キャビティの周辺凹部に沿って径方向内側に反転するよう構成され、
前記切欠き部は、平面視において、前記ピストンの周方向に延びる底面と、前記ピストンの周方向における前記底面の両端からそれぞれ前記ピストンの径方向内側に延びる2つの側面とにより形成され、
前記切欠き部の前記底面及び前記側面と前記ピストンの前記冠面とを接続する角部、及び、前記切欠き部の2つの側面とこれらの2つの側面のピストン径方向内側の周縁部において前記キャビティのリップ部とを接続する角部のそれぞれの丸み径は1mm以下であることを特徴とするディーゼルエンジン。
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