JP6920826B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に関し、より特定的には直接噴射式ディーゼルエンジンに関するものである。

従来の直接噴射式ディーゼルエンジンの燃焼室構造は、たとえば、特開平６−２２１１６２号公報（特許文献１）に開示されている。

特許文献１の燃焼室構造は、ピストン頂面に凹設されるキャビティの開口部を絞り、そのキャビティの中央部に突起（中央突起部）を設けた、所謂、リエントラント型となっている。

特開平６−２２１１６２号公報

特許文献１のような従来の燃焼室構造では、内燃機関が高負荷となって燃料噴射量が多くなると、燃焼室内に噴射された燃料（燃料噴霧）は燃焼室壁面に沿って流れて中央突起部の周囲にまで到達する。中央突起部まで到達した燃料噴霧は、周囲の酸素が初期の燃焼で減量していることに加え燃料噴霧自体の流動が低下していることから、酸素との混合が促進されずに当量比の高い状態（燃料の濃度が高い状態）で燃焼してスートを生成してしまうという問題があった。

そこで、この発明は上記の問題点を解決するためになされたものであり、スートの発生を抑制することが可能な内燃機関を提供することを目的とする。

この発明に従った内燃機関は、ピストン頂面に頂面側に開口する燃焼室が設けられたピストンと、燃焼室に燃料を噴射するインジェクタとを備える。ピストンは、燃焼室の中央部に設けられた突起部と、燃焼室の開口縁を構成するリップ部と、突起部の周囲を取り囲むように設けられるとともにインジェクタからリップ部に向けて噴射された燃料噴霧を突起部に向かって案内する湾曲部とを含む。突起部の湾曲部との接続部には、インジェクタから噴射されて湾曲部に沿って突起部へ向かって流れる燃料噴霧を突起部の壁面から剥離させて突起部と燃料噴霧との間に空気層を形成するための剥離用段部が設けられている。

このように構成された内燃機関では、インジェクタから噴射されて燃焼室内を湾曲部に沿って流動する燃料噴霧は、燃焼室中央の突起部に到達すると、突起部に形成された剥離用段部によって燃焼室の壁面から離間した状態となる。このため、剥離用段部に残っている酸素および燃焼室内の酸素を燃料噴霧に十分に取り込ませることができ、燃料の流動が低下した燃焼の後半においても、当量比の低い状態で燃料を燃焼させることができる。その結果、スートの発生を抑制することができる。

好ましくは、剥離用段部の湾曲部側には、湾曲部に沿って流れる燃料噴霧の流れ方向に突出する微小凸部が設けられている。この場合、剥離用段部に形成した微小凸部によって、燃焼室壁面に沿って流れる燃料噴霧を、突起部において燃焼室の壁面から確実に剥離させることができる。

好ましくは、剥離用段部の底面はピストンの中心軸に近づくにつれてピストンの頂面から遠ざかるように傾斜している。この場合、傾斜する剥離用段部の底面によって、燃焼室壁面に沿って流れる燃料噴霧を、突起部において燃焼室の壁面から確実に剥離させることができる。

好ましくは、突起部は、インジェクタの複数の噴口に対応する複数の剥離用段部と、ピストンの周方向に沿って隣りあう剥離用段部の間を仕切る壁部とを有する。この場合、インジェクタの各噴口から噴射されて突起部に到達した燃料噴霧は、それぞれ、流動が低下した状態となる。燃焼室内にスワール流が発生している場合には燃料噴霧は燃焼室内のスワール流に流される。突起部には複数の剥離用段部の間を仕切る壁部が設けられているので、燃料噴霧同士の突起部周辺における干渉が抑制される。その結果、各燃料噴霧について酸素を多くとりこんだ状態で燃焼させることができ、スートの発生を効果的に抑制することができる。

この発明に従えば、スートの発生を抑制できる内燃機関を提供することができる。

実施の形態１に従った内燃機関の断面図である。 実施の形態１における上死点後クランク角１４°での燃焼室１０ａ内の燃料噴霧２１の様子を示す図である。 実施の形態１における上死点後クランク角２２°での燃焼室１０ａ内の燃料噴霧２１の様子を示す図である。 比較例における上死点後クランク角１４°での燃焼室１０ａ内の燃料噴霧２１の様子を示す図である。 比較例における上死点後クランク角２２°での燃焼室１０ａ内の燃料噴霧２１の様子を示す図である。 剥離用段部１９が設けられたピストンおよび剥離用段部１９が設けられていないピストンの噴射時期とスートの割合との関係を示すグラフである。 剥離用段部１９が設けられたピストンおよび剥離用段部１９が設けられていないピストンの噴射時期と燃料消費率との関係を示すグラフである。 剥離用段部１９が設けられたピストンおよび剥離用段部１９が設けられていないピストンのクランク角と熱発生率(Rate of Heart Release)との関係を示すグラフである。 実施の形態２に従った内燃機関の断面図である。 実施の形態３に従った内燃機関の断面図である。 実施の形態４に従ったピストンの突起部の斜視図である。 図１１中の矢印ＸＩＩで示す方向から見た平面図である。 実施の形態４に従ったピストンの変形例に従った突起部の斜視図である。

以下、本発明の各実施形態に係る内燃機関について図を参照して説明する。以下の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に従った内燃機関の断面図である。図１で示すように、内燃機関１は、シリンダ壁３と、シリンダ壁３内に配置されるピストン１０と、シリンダ壁３の上部に設けられるシリンダヘッド２と、シリンダヘッド２に設けられるインジェクタ４とを備える。内燃機関１は圧縮自着火機関である。圧縮された空気に燃料を噴射することで燃料を燃焼させることができる。

シリンダ壁３に取り囲まれる空間がボア３ａである。ボア３ａ内にピストン１０が嵌合する。ボア３ａは円筒形状である。

ピストン１０はボア３ａ内を往復運動する。ピストン１０には環状のリング溝１１ａが設けられる。リング溝１１ａにピストンリング（図示せず）が嵌め合わせられる。

ピストン１０の頂面１１（ピストン頂面）がシリンダヘッド２に向かい合うように配置される。ピストン１０の頂面１１には、頂面１１側に開口するように燃焼室１０ａが凹設される。ピストン１０は燃焼室１０ａの中央部に設けられた突起部９と、燃焼室の開口縁１３を構成するリップ部８と、突起部９とリップ部８との間に設けられて燃焼室１０ａの壁面を構成する湾曲部７とを含み、突起部９に少なくとも１つの剥離用段部１９が設けられている。リップ部８の頂面１１側には、頂面１１との間に微小な段差を形成するスキッシュ部１２が設けられる。ピストン１０の上昇に伴って、頂面１１とシリンダヘッド２との間に存在する空気が、スキッシュ部１２によって乱れを生じながら燃焼室１０ａの中央側へと流れる。なお、スキッシュ部１２が設けられていなくてもよい。

突起部９はピストン１０の中心軸６を含むように設けられている。突起部９はインジェクタ４に対向するように配置されている。

突起部９には剥離用段部１９が設けられている。剥離用段部１９は底面１６と側面１７とを有する。剥離用段部１９が設けられない場合の側面３０を点線で示している。剥離用段部１９は突起部９の円周方向に延在して突起部９を取り囲むように環状に設けられる。すなわち、剥離用段部１９は突起部９の円周方向に連続するように設けられる。

湾曲部７は、図１で示す中心軸６に平行な断面において弧状に設けられている。湾曲部７の壁面１４は滑らかな曲面により構成される。湾曲部７と突起部９との境界部１５は、壁面１４と、剥離用段部１９の底面１６との境界である。ここで、突起部９に剥離用段部１９が設けられない比較例の燃焼室を点線で示す。点線の壁面１４ａおよび側面３０は、比較例の燃焼室のものである。なお、剥離用段部１９が設けられない点線の比較例の壁面１４ａおよび側面３０の形状で構成される燃焼室は、剥離用段部１９を設けた燃焼室１０ａと同じ体積を有するように、湾曲部を若干深く形成している。

インジェクタ４の噴口４ｈからリップ部８に向かって燃料４ａが噴射される。噴射された燃料４ａ、即ち、燃料噴霧２１の一部は矢印４ｂで示すように、リップ部８の上側に位置するスキッシュ部１２側へ流れる。燃料噴霧２１の残りの部分は矢印４ｃで示すように湾曲部７の壁面１４に沿って流れる。湾曲部７の壁面に沿って流れる燃料噴霧２１は、突起部９に到達すると、剥離用段部１９の底面１６および側面１７から剥離した流れとなる。即ち、燃料噴霧２１は突起部９の剥離用段部１９において、燃焼室１０ａの壁面から剥離する。突起部９周辺において燃料噴霧２１が壁面から剥離した流れとなることで、燃料噴霧２１と周辺の酸素との接触面積が大きくなる。そのため、流動の低下した状態の燃焼後半の燃料噴霧２１に剥離用段部１９に残っている酸素および突起部９の周辺に残っている酸素を十分に取り込ませることができ、当量比を低下させた状態で燃料４ａを燃焼させることができる。その結果、スートの発生を抑制することができる。

すなわち、リップ部８に向かってインジェクタ４から噴射された燃料噴霧２１の一部は、リップ部８から湾曲部７を経由して突起部９へ向かって流れ、突起部９の剥離用段部１９に達すると、剥離用段部１９の底面１６の少なくとも一部分から離れた状態で流動することとなる。これにより、突起部９に到達した燃焼後半の燃料噴霧２１を燃焼室１０ａ内の酸素と十分に反応させて燃焼させることができる。

図２と図３に、実施の形態１に従った内燃機関の燃焼室１０ａ内における燃料噴霧２１の流動の様子を模式的に示す。また、図４と図５に、図１で点線にて示される壁面１４ａおよび側面３０を有する比較例に従った内燃機関の燃焼室内における燃料噴霧２１の流動の様子を模式的に示す。

図２は、実施の形態１における上死点後クランク角１４°での燃焼室１０ａ内の燃料噴霧２１の様子を示す図である。図２で示すように、主噴射時期が上死点前クランク角度６°で、インジェクタ４の噴口４ｈからリップ部８に向けて噴射された燃料噴霧２１は、一部がリップ部８の頂面１１側に沿った流れとなり、残りの部分は、湾曲部７の壁面１４に沿った流れとなる。インジェクタ４から噴射された燃焼初期の燃料噴霧２１は、流速が速く噴射による運動エネルギーによって流動が高い状態にあるため、周囲の酸素を取り込みながら燃焼を進行させる。

図３は、実施の形態１における上死点後クランク角２２°での燃焼室１０ａ内の燃料噴霧２１の様子を示す図である。図３で示すように、湾曲部７の壁面１４に沿って流れる燃料噴霧２１は、突起部９に到達すると剥離用段部１９によって燃焼室１０ａの壁面から剥離した流れとなる。即ち、突起部９の周辺において、燃料噴霧２１の先端２１ａは剥離用段部１９の底面１６および側面１７から離間する。即ち、湾曲部７の壁面１４に沿って流れて突起部９に到達した燃料噴霧２１は、噴射による運動エネルギーを消費して燃焼初期よりも流動が低下した状態である。しかし、燃焼室１０ａの壁面から離間した流れとなることによって、先端２１ａと周囲の空気２２との接触面積が増えるので、剥離用段部１９に残っている酸素および燃焼室１０ａ内に残っている酸素を十分に取り込みながら燃焼を進行させる。言い換えると、剥離用段部１９によって、突起部９に到達した後の燃焼後半の燃料噴霧２１に十分な酸素を取り込んだ状態で当量比の低い状態で燃焼させることができ、スートの生成を低減することができる。

図４は、比較例における上死点後クランク角１４°での燃焼室１０ａ内の燃料噴霧２１の様子を示す図である。図４で示すように、比較例に従った内燃機関１のピストン１０の燃焼室１０ａには剥離用段部１９が設けられていない。その結果、湾曲部７ａと突起部９ａとの境界部１５ａから中心軸６へ向かう突起部９ａの側面３０の傾斜は緩やかに変化している。

比較例に従った内燃機関１においても、インジェクタ４の噴口４ｈからリップ部８ａに向かって燃料が噴射されて燃料噴霧２１を形成する。燃料噴霧２１の一部は、リップ部８の上側に位置するスキッシュ部１２ａ側へ流れる。燃料噴霧２１の残りの部分は湾曲部７ａの壁面１４ａに沿って流れる。

図５は、比較例における上死点後クランク角２２°での燃焼室１０ａ内の燃料噴霧２１の様子を示す図である。図５で示すように、湾曲部７ａの壁面１４ａに沿って流れて突起部９ａに到達した燃料噴霧２１は、突起部９ａに剥離用段部が設けられていないので、そのまま突起部９ａの側面３０に沿った流れとなる。即ち、突起部９ａ周辺に到達した流動の低下した燃焼後半の燃料噴霧２１は、燃焼室１０ａの側面３０から剥離せずに側面３０に沿って流れるので、周囲の酸素を十分に取り込むことができず、当量比が高いままで燃焼が進行する。その結果、スートを生成してしまう。

図６は、剥離用段部１９が設けられた実施の形態１に従ったピストン１０および剥離用段部１９が設けられていない図１で点線で示す壁面１４ａおよび側面３０を有する比較例のピストン１０における、燃料の噴射時期と燃焼行程全体におけるスートの生成割合との関係を示すグラフである。図６で示すように、剥離用段部１９が設けられた実施の形態１に従ったピストン１０（図２、図３）では、剥離用段部１９が設けられていない比較例のピストン１０（図４、図５）と比較して、燃焼行程全体におけるスートの生成割合が少ない。これは、剥離用段部１９を設けたことによって、燃焼後半の燃料噴霧に十分な酸素を取り込ませることができ、燃料が当量比の低い状態で燃焼することに起因する。

また、図７は剥離用段部１９が設けられた実施の形態１に従ったピストン１０および剥離用段部１９が設けられていない図１で点線で示す比較例のピストン１０における、燃料の噴射時期と燃料消費率との関係を示すグラフである。図７で示すように、剥離用段部１９が設けられた実施の形態１に従ったピストン１０（図２、図３）では、剥離用段部１９が設けられていない比較例のピストン１０（図４、図５）と比較して、燃料消費率（単位仕事をするのに必要な燃料の量）が小さい。これは燃費が良いことを示している。その原因は、主として以下の２つの理由と考えられる。

理由１：剥離用段部１９近傍において流動性が低下した燃料に十分に酸素が供給されて燃料が当量比の小さい状態で燃焼して燃料の燃え残り（スート）が無いため、無駄なく燃料を燃焼させることができる。燃料からの入熱量をＱ１、排熱量をＱ２、仕事量をＷとするとＱ１−Ｑ２＝Ｗであり、無駄なく燃料を燃焼させることで入熱量Ｑ１を大きくすることができ、仕事量Ｗが大きくなる。その結果、燃料消費率が小さくなる。

理由２：燃焼時の火炎が燃焼室１０ａの壁面から剥離する。熱伝導性の低い気体（空気２２）が火炎と燃焼室１０ａの壁面との間に存在するため燃焼で生じた熱量Ｑ１がピストン１０へ伝わることを抑制できる。その結果、排熱量Ｑ２を減少させることができ、仕事量Ｗが大きくなる。これにより、燃料消費率が小さくなる。

以上より、図６と図７と合わせてみると、本発明の構成では、噴射タイミングを燃費が良くなる進角側に振った時に、スートの生成割合が小さくなることが分かる。

図８は、剥離用段部１９が設けられた実施の形態１に従ったピストン１０および剥離用段部１９が設けられていない図１で点線で示す比較例のピストンにおける、クランク角と熱発生率(Rate of Heart Release)との関係を示すグラフである。図８で示すように、剥離用段部１９が設けられた実施の形態１に従ったピストン１０（図２、図３）では、剥離用段部１９が設けられていない比較例のピストン１０（図４、図５）と比較して、クランク角が１０°前後において、熱発生率が大きくなっていることが分かる。これは突起部９に剥離用段部１９が設けられたピストン１０では、比較例のピストン１０よりも燃焼室１０ａの中央部における容積が大きくなるので、スワール流れが強化されて、インジェクタ４から噴射されてリップ部８に到達するまでの燃料噴霧に十分に空気を取り込ませることができるためである。そのため燃焼初期における燃焼が改善している。さらに、クランク角が２０°以降においても、剥離用段部１９が設けられた実施の形態１に従ったピストン１０（図２、図３）では、剥離用段部１９が設けられていない比較例のピストン１０（図４、図５）と比較して、熱発生率が大きくなっていることが分かる。これは、剥離用段部１９を設けることで燃焼後半において燃料噴霧２１に十分な量の酸素を取り込ませて燃焼させることで、発熱量が大きくなっているためである。

以上のような内燃機関１では、燃焼室１０ａ中央まで進行した燃焼後半の燃料噴霧２１を燃焼室１０ａの中央の突起部９壁面から剥離させる。これにより突起部９近傍において燃料に供給される空気を確保し当量比を低下させた状態で燃焼を進行させることができる。その結果、スートを低減することができる。

（実施の形態２）
図９は、実施の形態２に従った内燃機関の断面図である。図９で示すように実施の形態２に従ったピストン１０は、剥離用段部１９の燃料流れの上流側に剥離用段部１９に隣接するように設けられた微小凸部１８をさらに含む。微小凸部１８は、剥離用段部１９の湾曲部７側に、湾曲部７に沿って流れる燃料噴霧２１の流れ方向に突出するように設けられている。

微小凸部１８は環状に設けられている。微小凸部１８は湾曲部７と突起部９との境界部１５に設けられている。

微小凸部１８が設けられることで、湾曲部７から微小凸部１８に向かって矢印４ｃで示す方向に燃料噴霧が流れる。そのため、燃料噴霧は側面１７および底面１６から大きく離れることになる。燃焼後半の燃料噴霧２１を燃焼室１０ａ内の酸素と十分に反応させて燃焼させることができる。その結果、スートの発生を抑制できる。

（実施の形態３）
図１０は、実施の形態３に従った内燃機関の断面図である。図１０で示すように実施の形態３に従ったピストン１０の剥離用段部１９の底面１６はピストン１０の中心軸６に近づくにつれてピストン１０の頂面１１から遠ざかるように傾斜している。傾斜角はθで示される。

湾曲部７から境界部１５に向かって矢印４ｃで示す方向に噴霧が流れる。そのため、噴霧は底面１６から大きく離れることになる。噴霧に酸素が供給されやすくなり、スートの発生を抑制できる。

（実施の形態４）
図１１は、実施の形態４に従ったピストンの突起部の斜視図である。図１２は、図１１中の矢印ＸＩＩで示す方向から見た平面図である。図１１および図１２で示すように、実施の形態４に従ったピストン１０の突起部９には複数の剥離用段部１９が設けられている。剥離用段部１９の各々は、底面１６、第一側面１７ａおよび第二側面１７ｂによって囲まれる。インジェクタ４は複数の噴口４ｈを有し、噴口４ｈの数と同じ数の複数の剥離用段部１９が設けられており、突起部９は複数の凹１９部の間を仕切る壁部９ｗを有する。

矢印３１で示すスワール方向に吸気が流れているため、噴口４ｈから噴射された燃料の噴霧は矢印３２で示すようにスワール方向に流れる。そして剥離用段部１９に向かって噴霧が流れ、剥離用段部１９の底面、第一側面１７ａおよび第二側面１７ｂから剥離した位置で酸素と反応して燃焼する。

図１２の点線９ｄは、実施の形態１から３における剥離用段部１９と剥離用段部１９でない部分との境界を示している。実施の形態１から３では点線９ｄで囲まれた円から外側は全て剥離用段部１９であるのに対して、実施の形態４では点線９ｄで囲まれた円から外側に壁部９ｗが存在する。そのため、実施の形態４では実施の形態１から３と比較して剥離用段部１９の体積が小さくなる。

このように構成された実施の形態４に従った内燃機関１では実施の形態１と同様の効果を奏することができる。また、実施の形態１と比較して剥離用段部１９の体積が小さくなるので、燃焼室１０ａの総体積を実施の形態１と等しくしようとすると、剥離用段部１９の余剰体積（実施の形態１の剥離用段部１９の体積−実施の形態４に従った剥離用段部１９の体積）分だけスキッシュ部１２（図１参照）の体積を増やすことができる。その結果、スキッシュ部１２での燃焼を改善することができる。

また、剥離用段部１９の余剰体積分だけ燃焼室１０ａの総体積を減少させれば圧縮比が上がり、低温時の着火性が向上する。

また、各噴口４ｈから噴射された燃料噴霧は、それぞれ、矢印３１で示す方向のスワール流に流されながら流動が低下した状態となって突起部９に到達する。突起部９には複数の剥離用段部１９の間を仕切る壁部９ｗが設けられているので、燃料噴霧同士の突起部９周辺における干渉が抑制される。その結果、各燃料噴霧について酸素を多くとりこんだ状態で燃焼させることができ、スートの発生を効果的に抑制することができる。

図１３は、実施の形態４に従ったピストンの変形例に従った突起部の斜視図である。図１３では側面が図１１のように第一側面１７ａおよび第二側面１７ｂに分かれておらず、曲面状側面１７Ｕが側面を構成している。このように構成しても、図１１で示すピストンと同様の効果がある。

以上、実施の形態について説明したが、上記の開示内容はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、内燃機関において用いることができる。

１ 内燃機関、２ シリンダヘッド、３ シリンダ壁、３ａ ボア、４ インジェクタ、４ａ 燃料、４ｈ 噴口、６ 中心軸、７ 湾曲部、８，８ａ リップ部、９，９ａ 突起部、９ｗ 壁部、１０ ピストン、１０ａ 燃焼室、１１ 頂面、１１ａ リング溝、１２，１２ａ スキッシュ部、１３，１３ａ 開口縁、１４，１４ａ 壁面、１５，１５ａ 境界部、１６ 底面、１７，３０ 側面、１７ａ 第一側面、１７ｂ 第二側面、１８ 微小凸部、１９ 剥離用段部、２１ 高濃度領域、２１ａ 先端、２２ 空気。

Claims (3)

1. ピストン頂面に頂面側に開口する燃焼室が設けられたピストンと、
   前記燃焼室に燃料を噴射するインジェクタとを備え、
   前記ピストンは、前記燃焼室の中央部に設けられた突起部と、前記燃焼室の開口縁を構成するリップ部と、前記突起部の周囲を取り囲むように設けられるとともに前記インジェクタから前記リップ部に向けて噴射された燃料噴霧を前記突起部に向かって案内する湾曲部とを含み、
   前記突起部の前記湾曲部との接続部には、前記インジェクタから噴射されて前記湾曲部に沿って前記突起部へ向かって流れる燃料噴霧を前記突起部の壁面から剥離させて前記突起部と燃料噴霧との間に空気層を形成するための剥離用段部が設けられており、
   前記剥離用段部は、底面と側面とからなり、
   前記剥離用段部の前記湾曲部側には、前記湾曲部に沿って流れる燃料噴霧の流れ方向に突出する環状の微小凸部が設けられており、前記微小凸部は前記底面からシリンダヘッドに向かって突出する、内燃機関。
2. 前記剥離用段部の前記底面は前記ピストンの中心軸に近づくにつれて前記ピストンの頂面から遠ざかるように傾斜している、請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記突起部は、前記インジェクタの複数の噴口に対応する複数の前記剥離用段部と、前記ピストンの周方向に沿って隣りあう前記剥離用段部の間を仕切る壁部とを有する、請求項１または２に記載の内燃機関。

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