JP6851961B2 - 副室式ディーゼルエンジン - Google Patents

Description

本発明は、シリンダヘッドに設けられた副燃焼室内に燃料の噴射を行う形式のエンジン、即ち、副室式ディーゼルエンジンに関するものである。

副室式のディーゼルエンジンでは、エンジンの主燃焼室と主燃焼室から偏心した箇所に設けられている副室とが噴孔を介して連通され、副室から噴孔を通して主燃焼室内へ燃焼気流が噴出するように構成されている。一般的には、噴孔から出た燃焼気流が、上死点付近に至っているピストンの頂面に対して斜めに吹き付けられるように、噴孔は主燃焼室の中央側へ向けて傾けて形成されている。例えば、特許文献１において開示されたものが知られている。

副室式は直噴式（直接噴射式）に比べた場合、全ての回転域で容易に安定した燃焼状態が得られ、燃焼時間が長いため燃焼時の圧力と温度変化が穏やかで窒素酸化物と炭化水素の発生が少なく、騒音（ディーゼルノック）が低く高回転化にも好適となる長所を有している。そのため、産業用ディーゼルエンジンなどにおいては多数の採用例がある。

その反面、燃料が燃焼爆発した熱エネルギーが、シリンダヘッドやシリンダブロック内の冷却水へ熱として伝導するので、直噴式に比べて熱損失は大きい。そのため、熱効率の点では直噴式に劣っており、パワーや燃費の点では不利である。

特開２００２−６１５１４号公報

そこで従来では、特許文献１（図１，３など参照）において開示されるように、ピストンの天井壁の頂面側における噴孔に対応した位置に凹み、即ちリセス（６，７，７：特許文献１）が形成されていることが多い。即ち、ピストン上死点時における燃焼室を、ピストン頂部にリセスを設けることで燃料と空気の混合が促進され易い形状とし、熱効率の改善が可能となるようにされていた。

しかしながら、従来構造の燃焼室においては、ピストン頂面と噴孔（口金）との距離が小さく、燃焼途中の噴霧がピストン頂面に衝突した際に急冷され易い傾向があり、その結果、ＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ：粒子状物質）が発生し易いという問題があった。

本発明の目的は、ピストン天井壁に形成されリセスの形状などを見直して工夫することにより、ＰＭの発生が抑制されるように改善された副室式ディーゼルエンジンを提供する点にある。

本発明は、副室式ディーゼルエンジンにおいて、
主燃焼室５と前記主燃焼室５から偏心した箇所に設けられている副室９とが噴孔ｈにより連通され、ピストン４の天井壁４Ａに、前記噴孔ｈから噴出される燃焼気流ｇを受止める受止めリセスＲが形成され、
前記噴孔ｈは、中央噴孔１３及びその両脇に張り出すように一体形成された一対の脇噴孔１４，１４を備える主孔１を有して構成され、
前記受止めリセスＲは、前記噴孔ｈから前記主燃焼室５へ噴出される燃焼気流ｇが吹き付けられる箇所ｆに前記噴孔ｈの開口形状に対応する状態で形成される直下リセス部２５と、前記主燃焼室５における前記吹付けられる箇所ｆから燃焼気流ｇの噴出経路ｗで下流側ほど広がる状態で形成される拡散リセス部２６とを有し、
前記直下リセス部２５は、前記中央噴孔１３に対応して形成される基リセス部分２７と、前記基リセス部分２７に繋がる状態で一対の前記脇噴孔１４，１４のそれぞれに対応して形成される一対の脇リセス部分２８，２８と、から構成され、
前記受止めリセスＲの形状は、噴孔ｈの前記開口形状に合せた前記噴出経路ｗの方向に長い雲型形状に構成され、
吸気バルブに対応した吸気弁リセス３０と、排気バルブに対応した排気弁リセス３１とのそれぞれが、前記拡散リセス部２６に繋がる状態で前記天井壁４Ａに形成されていることを特徴とする。

第２の本発明は、本発明による副室式ディーゼルエンジンにおいて、
前記噴孔ｈは、前記中央噴孔１３の両脇の位置に独立して形成される一対の補助噴孔２２，２２を有するとともに、前記直下リセス部２５は、前記基リセス部分２７に繋がる状態で一対の前記補助噴孔２２，２２のそれぞれに対応して形成される一対の補助リセス部分２９，２９を有していることを特徴とする。

第３の本発明は、本発明又は第２の本発明による副室式ディーゼルエンジンにおいて、
前記受止めリセスＲの深さｄが均一なものに形成されていることを特徴とする。

第４の本発明は、本発明〜第３の本発明による副室式ディーゼルエンジンにおいて、
前記受止めリセスＲの深さが、燃焼気流ｇの噴出経路ｗで下流側ほど浅くなる状態に形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、ピストンの天井壁における噴孔直下に、即ち、噴孔から主燃焼室内へ噴出される燃焼気流が吹き付けられる箇所に、凹みである直下リセス部が形成されているので、噴孔とピストン頂面との距離を従来品より広めて、噴孔直下における主燃焼室容積を局所的に増大させることが可能になる。従って、その噴孔直下の容積増大により、噴孔から噴出された混合気と主燃焼室の空気との混合が促進され、燃焼途中の噴霧が急冷されることが抑制されるようになる。

そして、下流側ほど広がる状態の拡散リセス部も形成して噴孔の開口形状に合せた形状の受止めリセスとされているので、噴孔から出た全ての燃焼気流（噴流）と接触する空気量が増加し、燃焼効率も改善されるようになる。
その結果、ピストン天井壁に形成されリセスの形状などを見直して工夫することにより、ＰＭの発生が抑制されるように改善された副室式ディーゼルエンジンを提供することができる。

副室式ディーゼルエンジンの燃焼室部位を示す要部の縦断面図 図１の副室を示す要部の拡大断面図 （ａ）副室形成用口金の平面図、（ｂ）副室形成用口金の底面図 ピストンの天井壁を示す平面図 別形状のリセスを有するピストンの天井壁を示す平面図

以下に、本発明による副室式ディーゼルエンジンの実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

図１に示されるように、副室式ディーゼルエンジンＥは、シリンダブロック２及びシリンダヘッド６有しており、シリンダブロック２にはシリンダ３が設けられて、シリンダ３内にはピストン４が軸心Ｐで往復上下移動可能に内嵌されている。シリンダブロック２の上側にはシリンダヘッド６が組み付けられており、シリンダヘッド６には、副燃焼室として機能する副室（渦流室、うず室とも呼ばれる）９が設けられている。

シリンダヘッド６には燃料噴射ノズル１９が貫通装備され、燃料噴射ノズル１９の先端噴射部１９ａが副室９内に臨むように配置されている。副室９は、シリンダ３内に形成される主燃焼室５に、その主燃焼室５の偏心箇所に設けられる噴孔ｈを介して連通されている。噴孔ｈは、副室９の内周面の略接線方向で、かつ、ピストン４の軸心（＝シリンダ軸心）Ｐに向かって噴口１５（図２参照）を有する傾斜孔に形成されている。

副室９の構成について説明する。図２、図３（ａ），（ｂ）に示されるように、シリンダヘッド６におけるシリンダ中心軸からシリンダ周壁側に偏芯した位置に、シリンダブロック２に開口する状態の装着穴（副室形成穴）７が形成され、装着穴７には副室形成用口金（チャンバー）８が収容されている。装着穴７は、シリンダヘッド６の主燃焼室５に臨むヘッド底面６ａから順に、大径の開口部１６と、小径の胴部収容部１７と、胴部収容部１７よりも奥に位置する空洞部１８とを有して構成されている。

開口部１６には、カップ状に形成された副室形成用口金８の底部１１が収容されている。胴部収容部１７は、副室形成用口金８の胴部１０が収容される箇所であって開口部１６よりも小径である。空洞部１８は略半球形に凹んだ箇所に形成され、胴部収容部１７とは段付き面（符記省略）で繋がる構成とされている。なお、副室９に臨むグロープラグは省略してある。

図１及び図２に示されるように、副室形成用口金８は、円柱状の胴部１０と底部１１とを含んだ段付円柱状の金具で形成されている。底部１１は胴部１０の一端側を胴部１０の外径よりも大径で周方向に張り出させてフランジ状の嵌合鍔部１１Ａを有する状態に形成されている。胴部１０の他端側には、胴部１０の上端面から略半球形の副室形成用凹部１２が形成されている。そして、副室形成用口金８の底部１１には、副室形成用凹部１２と主燃焼室５とを連通させる噴孔ｈが形成されている。

図２に示されるように、空洞部１８と胴部収容部１７とは段付き面（符記省略）で繋がっており、副室形成用口金８がシリンダヘッド６に嵌着された組付け状態では、空洞部１８の内周面１８ａと副室形成用口金８の副室形成用凹部１２の内周面１２ａとが略面一に連続するように構成されている。即ち、空洞部１８と副室形成用凹部１２とによって略球形の副室９が形成されている。

図２、図３（ａ），（ｂ）に示されるように、噴孔ｈは、副室９の内周面の略接線方向で、かつ、シリンダ中心軸に向かう傾斜状態に形成され、その主燃焼室５側での開口を噴口１５とすることにより、圧縮時に副室９内に進入する空気が副室９内で渦流を発生させるように形成されている。シリンダヘッド６には燃料噴射ノズル１９が貫通されており、燃料噴射ノズル１９の先端噴射部１９ａが副室９内に臨むように配置されている。

噴孔ｈは、主孔１及びその両脇に位置する一対の補助噴孔２２，２２を備えて構成されている。主孔１は、中央（噴出経路ｗを基準とした左右中央）に位置される中央噴孔１３と、その両脇に張り出すように一体的に形成された一対の脇噴孔１４，１４とを備えてピストン軸心Ｐの方向視で略三つ葉形状の連通孔に形成されている。一対の脇噴孔１４，１４と一対の補助噴孔２２，２２とは、中央噴孔１３の一端側と他端側とに振分けて配置されている。

副室９と主燃焼室５とを連通する噴孔ｈは、副室９から主燃焼室５の中央部へ向かうように傾斜状に設けられている。副室９から噴孔ｈを通して主燃焼室５内へ燃焼気流ｇが噴出したときには、燃焼気流ｇが上死点付近に至っているピストン４のピストンヘッド（天井壁）４Ａの頂面４ａに対して斜めに吹き付けられるように構成されている。

図２、図３（ａ），（ｂ）に示されるように、補助噴孔２２，２２は、底部１１における噴孔ｈの底凹入部２０Ａ側の両脇近傍のそれぞれに形成されている。補助噴孔２２は、副室９の略中央位置において底部１１を貫いて主燃焼室５に開先開口する縦孔に形成されている。従って、副室９からも補助噴孔２２，２２を通して、ピストンヘッド４Ａに対面して向かう状態で主燃焼室５内へ燃焼気流ｇが噴出するように構成されている。

図２及び図３（ａ），（ｂ）に示されるように、シリンダヘッド６及びシリンダブロック２との間に空間部ｓを形成可能な凹入部２０が口金外面（符記省略）に形成されている。副室形成用口金８には、底凹入部２０Ａ及び外周凹入部２０Ｂを有する断熱用の凹入部２０が形成されている。なお、口金外面は、胴部１０の外周面、底部１１の上面、外周面、及び底面１１Ｂを含む概念である。

底凹入部２０Ａは、底部１１の底面１１Ｂに開口する（シリンダブロック２の上面２ａに向けて開口する）状態で底部１１に設けられている。即ち、上下方向視で副室形成用口金８とシリンダブロック２とが重なる部分の底部１１に形成されていて上方に凹入した湾曲形状の底凹入部２０Ａは、底部１１の外周に沿う外周円弧面２３、外周円弧面２３より曲率が小の内周円弧面２４を有している。

つまり、底凹入部２０Ａは、底部１１における噴孔ｈの存在側とは反対となる側に偏らせて形成されている。この底凹入部２０Ａとシリンダブロック２の上面２ａとにより、ガスケット２１を介した断熱用の空間部ｓが形成されている。底凹入部２０Ａの深さは、底部１１の厚みの半分弱に設定されている。

外周凹入部２０Ｂは、シリンダヘッド６に開口する状態で胴部１０の外周に設けられている。外周凹入部２０Ｂは、副室形成用凹部１２の内周面１２ａに略沿った傾斜周面２０ｂを有して、底部１１の上面に連なる状態の略三角形の断面形状を呈して胴部１０の全外周に亘るドーナツ状の空間部ｓに形成されている。

次に、ピストン４について説明する。図２及び図４に示されるように、ピストン４のピストンヘッド４Ａに、吸気バルブ（図示省略）に対応した吸気弁リセス３０と、排気バルブ（図示省略）に対応した排気弁リセス３１と、受止めリセスＲとが形成されている。受止めリセスＲは、噴孔ｈから噴出される燃焼気流ｇを受止める凹み（リセス）として設けられている。吸排気弁リセス３０，３１は、それら単体では平面視で円形をなしている。

受止めリセスＲは、直下リセス部２５と、燃焼気流ｇの噴出経路ｗで下流側の拡散リセス部２６とを有して構成されている。直下リセス部２５は、噴孔ｈから主燃焼室５へ噴出される燃焼気流ｇが吹き付けられる箇所ｆに、噴孔ｈの開口形状に対応する状態で形成されている。拡散リセス部２６は、吹付けられる箇所ｆから噴出経路ｗで下流側ほど広がる状態で形成されている。つまり、受止めリセスＲは、噴孔ｈの開口部である噴口１５の形状（開口形状）に合せた形状（雲型形状）のものに構成されている。

直下リセス部２５は、中央噴孔１３に対応して形成される基リセス部分２７と、基リセス部分２７に繋がる状態で一対の脇噴孔１４，１４及び一対の補助噴孔２２，２２のそれぞれに対応して形成される一対の脇リセス部分２８，２８及び一対の補助リセス部分２９，２９と、から構成されている。

受止めリセスＲは、平面視（ピストン４の軸心Ｐ方向視）で噴出経路ｗに対して左右対称の形状又はそれに近い形状を呈しており、吸気弁リセス３０及び排気弁リセス３１は受止めリセスＲ、詳しく拡散リセス部２６に繋がる状態で形成されている。図２に示されるように、均一の深さｄに設定されている受止めリセスＲの深さより、吸排気弁リセス３０，３１の深さが浅く設定されているが、この限りではない。

噴孔ｈから主燃焼室５に噴出される燃焼気流ｇは、中央噴孔１３からは基リセス部分２７に噴出され、脇噴孔１４，１４からは脇リセス部分２８，２８に噴出され、補助噴孔２２，２２からは補助リセス部分２９，２９に噴出され、その後は拡散リセス部２６に流れてゆくようになる。その燃焼気流ｇの噴出状態に合致した形状に受止めリセスＲが形状設定されている。

〔実施例〕
各リセスの深さ範囲は次のとおりである。受止めリセスＲ：０．７〜２．０ｍｍであり、噴孔ｈから噴出された燃焼気流ｇがピストン４の頂面に当った際の急冷が抑制されてＰＭ低減の効果が得られ、青白煙性能や低温始動性の点からも望ましい。吸気弁リセス３０：０．５〜１．０ｍｍ、排気弁リセス３１：０．５〜１．０ｍｍであり、吸排気バルブとの干渉なく、かつ、圧縮比や容積比の低下が抑制できて青白煙性能や低温始動性が良好になる。

〔実施形態２〕
図５に示されるピストン４を有する副室式ディーゼルエンジンでもよい。即ち、噴孔ｈは、中央噴孔１３及びその両脇に張り出すように一体形成された一対の脇噴孔１４，１４を備える主孔を有して構成されている。直下リセス部２５は、中央噴孔１３に対応して形成される基リセス部分２７と、基リセス部分２７に繋がる状態で一対の脇噴孔１４，１４のそれぞれに対応して形成される一対の脇リセス部分２８，２８と、から構成されている。補助噴孔２２，２２や補助リセス部分２９，２９は無い。

本発明による副室式ディーゼルエンジンＥにおいては、次の（１）〜（６）の作用効果を奏することができる。
（１）直下リセス部２５が設けられているので、噴孔ｈから主燃焼室５に噴出される燃焼気流ｇがピストン４の頂面４ａ（受止めリセスＲの底面）に衝突するまでの時間が、従来に比べて長くなり、従って急冷され難くなる。
（２）主燃焼室５において、主燃焼室５に噴出された燃焼気流ｇと接触する空気量を増加させることができる。
（３）受止めリセスＲの形状が、噴口１５の形状に合せられているので、上記（１），（２）の作用効果をより効率良く得ることができる。

（４）受止めリセスＲが形成されているので、吸気工程において主燃焼室５から噴孔ｈに空気が入り易くなる。
（５）主燃焼室５での空気と混合気（燃焼気流ｇ）との混合が促進されるようになる。
（６）上記（１）〜（５）により、出力向上、燃費向上、ＰＭ低減を実現させることが可能になる。

〔別実施形態〕
受止めリセスＲより、吸排気弁リセス３０，３１が深い構成のものでもよい。また、受止めリセスＲの深さが、噴出経路ｗの上流側から下流側に行くに従って変化（浅く又は深く）するものでもよい。特に、受止めリセスＲの深さが、燃焼気流ｇの噴出経路ｗで下流側ほど浅くなる状態に形成されていると好都合である。

１ 主孔
４ ピストン
４Ａ 天井壁
５ 主燃焼室
９ 副室
１３ 中央噴孔
１４ 脇噴孔
２２ 補助噴孔
２５ 直下リセス部
２６ 拡散リセス部
２７ 基リセス部分
２８ 脇リセス部分
２９ 補助リセス部分
３０ 吸気弁リセス
３１ 排気弁リセス
Ｒ 受止めリセス
ｄ 深さ
ｆ 吹き付けられる箇所
ｇ 燃焼気流
ｈ 噴孔

Claims (4)

1. 主燃焼室と前記主燃焼室から偏心した箇所に設けられている副室とが噴孔により連通され、ピストンの天井壁に、前記噴孔から噴出される燃焼気流を受止める受止めリセスが形成され、
   前記噴孔は、中央噴孔及びその両脇に張り出すように一体形成された一対の脇噴孔を備える主孔を有して構成され、
   前記受止めリセスは、前記噴孔から前記主燃焼室へ噴出される燃焼気流が吹き付けられる箇所に前記噴孔の開口形状に対応する状態で形成される直下リセス部と、前記主燃焼室における前記吹付けられる箇所から燃焼気流の噴出経路で下流側ほど広がる状態で形成される拡散リセス部とを有し、
   前記直下リセス部は、前記中央噴孔に対応して形成される基リセス部分と、前記基リセス部分に繋がる状態で一対の前記脇噴孔のそれぞれに対応して形成される一対の脇リセス部分と、から構成され、
   前記受止めリセスの形状は、噴孔の前記開口形状に合せた前記噴出経路の方向に長い雲型形状に構成され、
   吸気バルブに対応した吸気弁リセスと、排気バルブに対応した排気弁リセスとのそれぞれが、前記拡散リセス部に繋がる状態で前記天井壁に形成されている副室式ディーゼルエンジン。
2. 前記噴孔は、前記中央噴孔の両脇の位置に独立して形成される一対の補助噴孔を有するとともに、前記直下リセス部は、前記基リセス部分に繋がる状態で一対の前記補助噴孔のそれぞれに対応して形成される一対の補助リセス部分を有している請求項１に記載の副室式ディーゼルエンジン。
3. 前記受止めリセスの深さが均一なものに形成されている請求項１又は２に記載の副室式ディーゼルエンジン。
4. 前記受止めリセスの深さが、燃焼気流の噴出経路で下流側ほど浅くなる状態に形成されている請求項１〜３の何れか一項に記載の副室式ディーゼルエンジン。

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