JP7372903B2

JP7372903B2 - ディーゼルエンジン

Info

Publication number: JP7372903B2
Application number: JP2020217120A
Authority: JP
Inventors: 健介藤田; 泰小林; 亮田村; 莉菜金子; 貴一末廣
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2020-12-25
Filing date: 2020-12-25
Publication date: 2023-11-01
Anticipated expiration: 2040-12-25
Also published as: JP2022102411A

Description

本発明は、主燃焼室に噴孔を介して連なる副室が設けられた構造のディーゼルエンジに関するものである。

主燃焼室（主室）の他に副燃焼室（副室）を設けたディーゼルエンジン、即ち副室（ＩＤＩ：ＩｎｄｉｒｅｃｔＩｎｊｅｃｔｉｏｎ）式ディーゼルエンジンは、副室内に燃料を噴射して着火させ、副室の燃焼ガスが噴孔（絞り）を通じて主室内に噴出して燃焼が完了する。ＩＤＩでは、燃焼室表面積が大きいため、絞り損失と熱損失が大きいという弱点があるため、近年では直噴（ＤＩ：ＤｉｒｅｃｔＩｎｊｅｃｔｉｏｎ）式ディーゼルエンジンに置き換えられてきている。

しかしながら、ＩＤＩは、限られた副室内で燃料を噴射するので、火炎の流速を高くできて低圧の噴射弁でも確実に着火できる良さがある。また、副室内は空気量が少なく燃焼圧と燃焼温度が低いため、ＤＩに比べて、ディーゼルノックが発生しづらく、ＮＯｘ生成量が少ないという利点もある。従って、ＩＤＩは低速型のエンジンに適したシステムであることから、農機や建機、発電機、或いは後進国向けの各種産業機器などには、まだまだニーズがあると考えられる。

ＩＤＩ型のディーゼルエンジンにおいては、実質的に燃焼室となる副室での渦流を強めることや、副室から主燃焼室への火炎伝播速度を速めることが重要なポイントであると考えられる。例えば、特許文献１では、渦流を弱めることなく始動性の改善が可能となる技術が開示され、特許文献２においては、ピストンの天井壁に設けられるリセスの構造工夫によって燃焼速度を速める技術が開示されている。

特開２０１０－１８０７４４号公報特開２００２－２７６３６９号公報

本発明の目的は、噴孔とリセスとの関係に着目してのさらなる鋭意研究により、燃焼速度を速めることによって燃焼効率に優れるように改善されるＩＤＩ型（副室型）のディーゼルエンジンを提供する点にある。

本発明は、ディーゼルエンジンにおいて、主燃焼室と前記主燃焼室から偏心した箇所に設けられる副室とが噴孔を介して連通され、ピストンの天井壁における前記噴孔から前記主燃焼室へ噴出される燃焼流が吹き付けられる箇所に受止めリセスが形成され、前記噴孔の形状及び前記受止めリセスの形状は、共に前記燃焼流の流れ方向で下流側ほど横幅が大きくなる先拡がり形状に設定されるとともに、前記受止めリセスの拡がり角は前記噴孔の拡がり角よりも小さい角度に設定され、
前記受止めリセスの拡がり角は、前記噴孔の拡がり角の５０％～７０％に設定されていることを特徴とする。

前記噴孔の始端位置と前記受止めリセスの始端位置とが、前記噴孔の軸心方向視又はピストン軸心方向視で合致されているとさらに好都合である。

本発明に関して、上述した構成（手段）以外の特徴構成や手段ついては、請求項３～６を参照のこと。

本発明によれば、受止めリセスの拡がり角は前記噴孔の拡がり角よりも小さい角度に設定されているので、噴孔から主燃焼室に向って進む燃焼流は左右幅が集約される作用を受けるようになり、それによってピストン中心に向かう進行速度が速められる。つまり、着火からの燃焼行程における火炎伝播が速くなって燃焼速度が従来よりも速くなるので、燃焼効率が向上するようになる。

その結果、噴孔とリセスとの関係に着目してのさらなる鋭意研究により、燃焼効率に優れるように燃焼速度を速めることができ、燃費向上やスモーク低減が図れるように改善されるＩＤＩ型（副室型）のディーゼルエンジンを提供することができる。

産業用ディーゼルエンジンの副室付近の構造を示す要部の縦断面図口金とピストンとの関係構造を示す平面図図２のＺ－Ｚ線で切った断面図（上死点の状態）噴孔と受止めリセスとの関係構造を示す平面図図３に示すＹ部分の拡大図従来における噴孔と受止めリセスとの関係構造及び別実施形態による受止めリセスの形状を示す平面図

以下に、本発明によるディーゼルエンジンの実施の形態を、農用トラクタなどに適用される産業用ディーゼルエンジンの場合について、図面を参照しながら説明する。

図１に過流式の産業用ディーゼルエンジンの副室周辺部の断面図が示されている。１はシリンダ（シリンダブロック）、２はシリンダヘッド、３はインジェクタ、４はグロープラグ、５は主燃焼室（主室）、６は副室（副燃焼室）、７は副室形成用の口金、８はピストン、９は口金７に形成された噴孔、１０はウォータジャケット（冷却水の通路）、１９はガスケットである。なお、ピストンの圧縮上死点においては主燃焼室５の体積は殆どないため、副室６が実質的に燃焼室である、といってもよい。

シリンダヘッド２にはインジェクタ３が貫通装備され、インジェクタ３の先端噴射部３ａが副室６に臨むように配置されている。副室６は、シリンダ１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９を介して連通されている。噴孔９は、副室６の壁面（内周面）ｈの略接線方向で、かつ、主燃焼室５の中央部（ピストン８の軸心８Ｐ）に向かい、ヘッド底面２ａ（水平線）に対して角度θ傾いた傾斜孔（図５を参照）に形成されている。インジェクタ３は、先端噴射部３ａからの噴射燃料が噴孔９に向かう状態となるように配置されている。

図１に示されるように、シリンダヘッド２におけるピストン８の軸心８Ｐからシリンダ周壁側に偏心した位置に、シリンダ１に開口する状態の副室形成穴２Ａが形成され、副室形成穴２Ａには副室形成用の口金（チャンバー）７が収容されている。副室形成穴２Ａは、シリンダヘッド２の主燃焼室５に臨むヘッド底面２ａから順に、大径の開口部１２と、小径の胴部収容部１３と、胴部収容部１３よりも奥に位置する空洞部１４とを有して構成されている。

開口部１２には、カップ状に形成された口金７の底部７Ａが収容されている。胴部収容部１３は、口金７の胴部７Ｂが収容される箇所であって開口部１２よりも小径である。空洞部１４は半球よりも少し大きい略半球形に凹んだ箇所に形成され、胴部収容部１３とは段付き面（符記省略）で繋がる構成とされている。

図１～図３に示されるように、口金７は、円柱状の胴部７Ｂと底部７Ａとを含んだ段付円柱状の金具で形成されている。底部７Ａは胴部７Ｂの一端側を胴部７Ｂの外径よりも大径で周方向に張り出たフランジ状の部位として形成されている。胴部７Ｂの他端側には、胴部７Ｂの上端面から半球よりも少し小さい略半球形の副室形成用凹部１１が形成されている。

球形（卵球形、まゆ形）の副室６は、空洞部１４と副室形成用凹部１１とで構成され、噴孔９は、副室形成用凹部１１と主燃焼室５とを連通させる部位として底部７Ａから胴部７Ｂにかけて形成されている。つまり、シリンダヘッド２における主燃焼室５に隣り合う状態でシリンダヘッド壁２ｂに嵌着される口金７には、副室６を形成するための副室形成用凹部１１が形成される胴部７Ｂと、噴孔９とが形成されている。

図２～図４に示されるように、噴孔９は、副室６側の開口である上開口部９Ａ及びシリンダ側の開口である下開口部９Ｂを有し、中央の主噴孔１５と、その両脇に張り出し形成された一対の副噴孔１７，１７とを備え、ピストン軸心８Ｐの方向視で三つ葉形状（複葉形状の一例）を呈する複合孔に形成されている。つまり、滑らかに３つに分割された先端部を持ち、かつ、基端が丸められた扇形を呈する噴孔９に形成されている。なお、主噴孔１５の両脇それぞれで副噴孔１７の近傍となる箇所に、細径の孔である補助噴孔１８，１８を設けてもよい。

図１に示されるように、副室６から噴孔９を通って主燃焼室５へ噴出するのは燃焼流（燃焼気流）ｗ（図１に仮想線で示す矢印）であり、ピストン８の上昇移動による圧縮工程時には、主燃焼室５から噴孔９を通って副室６へ圧縮された空気流（圧縮空気流）ｅが流れ込む。副室６に流れ込む空気流（圧縮空気流）ｅにより、副室６ではその壁面ｈに沿って流れる縦向きの渦流（タンブル）ｕが生じる構成とされている。

次に、主燃焼室５における燃焼流ｗの速度を促進させる構造について説明する。図２～図５に示されるように、ピストン８の天井壁８Ａにおける噴孔９から主燃焼室５へ噴出される燃焼流ｗが吹き付けられる箇所、即ち、噴孔９の直下となる位置から燃焼流ｗの流れの下流側に相当する箇所に亘る扇形の凹みである受止めリセス２０が形成されている。また、吸排気弁（図示省略）に対する凹みである共に円形の吸気弁リセス２１と排気弁リセス２２とが天井壁８Ａに形成されている。

図４に示されるように、噴孔９の形状及び受止めリセス２０の形状は、共に燃焼流ｗの流れ方向で下流側ほど横幅が大きくなる先拡がり形状、即ち扇形に設定されるとともに、受止めリセス２０の拡がり角αは噴孔９の拡がり角βよりも小さい角度に設定されている。加えて、噴孔９の始端位置〔ピストン軸心８Ｐ側と反対側（偏心方向）で先端の位置〕と、受止めリセス２０の始端位置とが、噴孔９の軸心ｐ方向視（又はピストン軸心８Ｐ方向視）で合致されている（図５参照）。

一例として、各拡がり角α，βの値は、ピストン軸心８Ｐの方向視で、噴孔９の拡がり角βは６５度～８０度（好ましくは７０度～７５度）に設定され、受止めリセス２０の拡がり角αは３５度～５５度（好ましくは４０度～５０度、より好ましくは４５度前後）に設定されている。そして、受止めリセスの拡がり角αは、噴孔９の拡がり角βの５０％～７０％（０．５β≦α≦０．７β）に設定されている。

図３及び図５に示されるように、一対の側縁２３，２３を有する扇形の受止めリセス２０（図４参照）の深さについて、一例としては次のとおりである。即ち、噴孔９の直下となる始端２０ａから燃焼流ｗの下流側に進むに従って徐々に深くなって、主噴孔１５の先端部１５ａの直下の辺りである直下リセス部２０ｂで最も深くなり、それから燃焼流ｗの下流側に進むに従って徐々に浅くなり、先端縁２０ｃではピストン上面８ａに合流する状態に設定されている。

受止めリセス２０における噴孔９の下方に位置する部分、即ち直下リセス部２０ｂでの深さを比較的深くすることにより、浅い場合に比べて、噴孔９から斜め下方に出る燃焼流ｗの向き変化が穏やかになり、燃焼流ｗ進行速度が低下され難くなる効果が得られる。
なお、図５に示されるように、噴孔９（主噴孔１５）の始端側（ピストン軸心８Ｐから遠い側）の下方延長線上に受止めリセス２０の始端２０ａが位置しているが、始端２０ａの位置を僅か（例：０．１ｍｍ～０．５ｍｍ程度）に噴孔軸心ｐ側に寄せた構成としてもよい（ピストン８が上死点の僅か手前の位置で着火される時期に合せる、など）。

そして、図２、図４に示されるように、吸気弁リセス２１及び排気弁リセス２２と受止めリセス２０とは部分的に重なっており、それら重なり部分２１ａ，２２ａにおいては、受止めリセス２０の深さよりも吸気弁リセス２１及び排気弁リセス２２の深さの方が僅かに深いが、この限りではない。

図６には、従来における受止めリセス３０と噴孔９との関係が示されている。この場合は、受止めリセス３０の拡がり角ｄは６０度前後に設定されており、噴孔９の拡がり角β（図４を参照）に準じた大差ない角度設定になっていた。なお、３０ａは受止めリセス３０の始端で３０ｃは先端縁である。

本発明では、受止めリセス２０の拡がり角αは噴孔９の拡がり角βよりも小さい角度に設定されているので、噴孔９から主燃焼室５に向って進む燃焼流ｗは左右幅が集約される作用を受けるので、それによって主燃焼室５の中央部（ピストン軸心８Ｐ）に向かう進行速度が、図６に示される従来品に比べて速められるようになる。つまり、副室６での着火からの燃焼行程における火炎伝播が速くなって燃焼速度が従来よりも速くなり、燃焼効率が向上するようになる。

その結果、噴孔とリセスとの関係に着目しての構造工夫により、燃焼効率に優れるように燃焼速度を速めることができ、燃費向上やスモーク低減が図れるように改善されるＩＤＩ型（副室型）のディーゼルエンジンが実現されている。また、受止めリセス２０の先端側（燃焼流ｗの進行方向で下流側）に吸排気弁リセス２１，２２が重ねられているので、受止めリセス２０がより顕著な先拡がり形状のようになり、主燃焼室５の隅々まで火炎伝播が進み易くなる利点もある。

〔別実施形態〕
図６に仮想線で示されるように、拡がり角ｄを有する従来の扇形の受止めリセス３０を基本として、一対の側縁２３，２３が互いに接近する方向に緩やかに湾曲する凹曲線とされた略ホーン状受止めリセス２０としてもよい。この略ホーン状受止めリセス２０でも、その始端部での拡がり角（図示省略）は、従来の受止めリセス３０の拡がり角ｄよりも小さく、かつ、当然ながら噴孔９の拡がり角β（図４を参照）よりも小さい。

〔その他の実施例など〕
噴孔９の傾斜の角度θは、９０度（垂直孔）やそれに近い立った角度でもよく、その場合には、受止めリセスの始端位置は、ピストン軸心８Ｐ方向で噴孔９の始端位置に合致することがありうる。噴孔９は単純な扇型や、５つ葉形状であっても良く、また受止めリセス２０は三角形や先端が張り出る凸円弧縁とされた扇形など、種々の設定が可能である。

２シリンダヘッド
２ｂシリンダ壁
５主燃焼室
６副室
７口金
７Ｂ胴部
８ピストン
８Ａ天井壁
８Ｐ軸心（ピストン軸心）
９噴孔
１１副室形成用凹部
１５主噴孔
１７副噴孔
２０受止めリセス
２１吸気弁リセス
２２排気弁リセス
ｐ噴孔の軸心
ｗ燃焼流
α 受止めリセスの拡がり角
β 噴孔の拡がり角

Claims

主燃焼室と、前記主燃焼室から偏心した箇所に設けられる副室とが噴孔を介して連通され、ピストンの天井壁における前記噴孔から前記主燃焼室へ噴出される燃焼流が吹き付けられる箇所に受止めリセスが形成され、前記噴孔の形状及び前記受止めリセスの形状は、共に前記燃焼流の流れ方向で下流側ほど横幅が大きくなる先拡がり形状に設定されるとともに、前記受止めリセスの拡がり角は前記噴孔の拡がり角よりも小さい角度に設定され、
前記受止めリセスの拡がり角は、前記噴孔の拡がり角の５０％～７０％に設定されているディーゼルエンジン。
前記噴孔の始端位置と前記受止めリセスの始端位置とが、前記噴孔の軸心方向視又はピストン軸心方向視で合致されている請求項１に記載のディーゼルエンジン。
前記噴孔は、前記副室から前記主燃焼室の中央部に向かう傾斜孔に形成されている請求項１又は２に記載のディーゼルエンジン。
前記噴孔は、主噴孔と、前記主噴孔の両脇に配置される一対の副噴孔とが連なる複葉形状の孔に形成されている請求項１～３の何れか一項に記載のディーゼルエンジン。
前記ピストンの天井壁に、吸気弁リセス及び／又は排気弁リセスが形成されるとともに、前記受止めリセスと前記吸気弁リセス及び／又は排気弁リセスとが重なっている請求項１～４の何れか一項に記載のディーゼルエンジン。
シリンダヘッドにおける前記主燃焼室に隣り合う状態でシリンダ壁に嵌着される口金が設けられ、前記口金に、前記副室を形成するための副室形成用凹部が形成される胴部と、前記噴孔とが形成されている請求項１～５の何れか一項に記載のディーゼルエンジン。