JP7438930B2 - ディーゼルエンジン - Google Patents

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：Ｉｎｄｉｒｅｃｔ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）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：Ｄｉｒｅｃｔ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）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如何に効率よく発生させるかが重要なポイントである。例えば、特許文献１において、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ている。

特開２０１０－１８０７４４号公報

本発明の目的は、さらなる鋭意研究により、渦流が促進されてより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、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、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、
前記副室の噴孔周縁部の壁面における渦流の流れ方向で下流側となる壁面に、前記噴孔に近づくに連れて周囲の壁面よりも盛り上がるガイド面が形成され、
前記ガイド面は、前記副室で生じる渦流のうちの前記ガイド面で案内される被案内渦流が、前記噴孔から前記副室に入ってくる空気流の向きに沿って又は近づいて円滑に合流される状態となる凹状湾曲面に形成され、
前記ガイド面の先端部は、前記ガイド面の先端縁に近づくにつれて前記副室の中心側に近づけられ、前記ガイド面の幅方向を横方向として、前記噴孔の前記副室側の開口の横方向両側に一対の補助噴孔の前記副室側の開口が形成されている、ディーゼルエンジン。

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２～７を参照のこと。

副室式（過流式）のディーゼルエンジンにおいては、主燃焼室から噴孔を通過して副室に入ってくる空気流により、副室で渦流（タンブル）が生じるが、副室内での渦流は、噴孔から新たに副室に入ってくる空気流にぶつかるようになる。そこで、本発明では、副室の噴孔周縁部の壁面における渦流の流れ方向で下流側となる壁面に、噴孔に近づくに連れて周囲の壁面よりも盛り上がるガイド面が形成されている。

故に、副室の内部で生じる渦流は、ガイド面による案内作用により、噴孔から入ってくる空気流に沿った又は沿う流れに近い緩い角度で円滑に合流するようになる。従って、副室での渦流（タンブル）が従来のものよりも強化され、圧縮空気と噴射燃料との混合が促進されるようになり、その結果、燃費改善やスモーク低減に寄与できる効果が得られるようになる。

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断面図 副室形成用の口金を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図 （Ａ）口金を示す斜視図、（Ｂ）渦流の流れを示す口金の断面図

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）、２２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）に向かう傾斜孔に形成されている。インジェクタ３は、先端噴射部３ａからの噴射燃料ｇ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（Ａ）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（又は卵球形、まゆ形）の副室形成用凹部１１が形成されている。

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に形成されている。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（Ａ），（Ｂ）に示されるように、副室６側の開口である上噴口(開口)９ａ及びシリンダ側の開口である下噴口９ｂを有する噴孔９は、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。なお、主噴孔１５の両脇に、細径の補助噴孔２１，２１を形成してもよい。

図１及び図３（Ｂ）に示されるように、副室６から噴孔９を通って下噴口９ｂから主燃焼室５へ噴出するのは燃焼気流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ｅにより、副室６ではその壁面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、副室６での渦流ｕを促進させる構造について説明する。図２、図３に示されるように、副室６の噴孔周縁部（副室６を形成する壁のうちの噴孔９周りの壁）１６の壁面ｈにおける渦流ｕの流れ方向で下流側となる裏壁面１９に、噴孔９に近づくに連れて周囲の壁面１９ａよりも盛り上がるガイド面２０ａが形成されている。副室６の噴孔周縁部１６における噴孔９のピストン軸心８Ｐ側となる箇所が隆起されてガイド壁２０が形成されており、その表面（上面）がガイド面２０ａとされている。

なお、ガイド面２０ａの定義は、次のように表現することもできる。即ち、副室６の噴孔周縁部１６の壁面ｈにおける噴孔９の向き方向（噴孔９の噴孔軸心ｐの方向）に対向する側となる対向壁面１８の噴孔９に対して反対側となる裏壁面１９に、噴孔９に近づくに連れて周囲の壁面１９ａよりも盛り上がるガイド面２０ａが形成されている。

ガイド壁２０（ガイド面２０ａ）の先端縁２０ｂは、ガイド壁２０の幅方向で中央部が低くなる凹状湾曲縁となる状態に構成されている。ガイド壁２０は、噴孔９（主噴孔１５）を形成する壁でもあり、噴孔９を型成形する際の中子（ピン型）の抜き取りにより成形される。図示しない中子は、その断面が三つ葉形状を呈する柱状の部材であるため、製品としての口金７においては、ガイド壁２０の先端縁２０ｂが凹状に湾曲している。ガイド面２０ａ（ガイド壁２０）の左右幅（噴孔軸心ｐ方向に対する左右幅）は、主噴孔１５の幅とほぼ同じ幅に設定されている。

図３（Ｂ）に示されるように、ガイド面２０ａは、副室６で生じる渦流ｕのうちのガイド面２０ａで案内される被案内渦流ａｕが、噴孔９から副室６に入ってくる空気流ｅの向きに沿って又は近づいて円滑に合流される状態となる凹状湾曲面〔図２（Ｂ）参照〕に形成されている。即ち、ガイド面２０ａの始端は、縦方向（ピストン軸心８Ｐの方向）で裏壁面１９に滑らかに接続されており〔図２（Ｂ）参照〕、かつ、裏壁面１９におけるガイド壁２０の左右に位置する脇壁面（「周囲の壁面」の一例）１９ａ，１９ａに対しては急激に立ち上がっていて、発射台のような形状〔図３（Ａ）参照〕である。

図２（Ｂ）に示されるように、噴孔９の壁面のうちのガイド面２０ａに対応した箇所であるガイド側噴孔壁面９ｈと、ガイド面２０ａ先端の接線（先端縁２０ｂを通り、噴孔軸心ｐとピストン軸心８Ｐとを結ぶ線分に沿った接線）ｒで定まる尖り角度θが、１０～３０度に設定されている。尖り角度θは、小さいほど被案内渦流ａｕと空気流ｅとが円滑に合流できて好都合である〔図３（Ｂ）参照〕が、あまり角度が小さいとガイド壁２０の先端肉厚が薄くなりすぎて耐久性の点では不利になる。従って、尖り角度θは前述の角度範囲（１０度≦θ≦３０度）が好ましく、２０度前後ならばより好ましい。

以上のように、渦流式のディーゼルエンジンでは、副室６での渦流の強さを高めることが燃焼効率の向上に繋がることから、副室６内での渦流（タンブル）ｕが、下噴口９ｂから入ってくる空気流（圧縮空気流）ｅと交わる際の速度ベクトルを、空気流ｅに極力沿わせることが肝要であり、そのためにガイド面２０ａを設けている〔図３（Ｂ）参照〕。

ガイド面２０ａ（ガイド壁２０）が無い従来技術の場合では、副室６の内部で生じる渦流ｕは、噴孔９から入ってくる空気流ｅに直角に近い大きな角度で衝突することになり、それによって渦流ｕに乱れが生じ、結果的に渦流ｕが弱くなり、燃費や出力、あるいはスモークの点で不利な面があった。

本発明においては、新設のガイド面２０ａにより、噴孔９を通過した空気流ｅによって副室６で生じる渦流ｕが、その主要部は裏壁面１９及びガイド面２０ａに沿って流れ、空気流ｅとほぼ同じ向きの流れに案内されて円滑に合流される。その結果、副室６での渦流（タンブル）ｕが強化され、圧縮空気と噴射燃料との混合が促進されて、燃費改善やスモーク低減に寄与できる効果が得られるようになる。

〔別実施形態〕
ガイド面２０ａは、幅方向の全域に亘って直線状態の先端縁２０ｂを持つ形状でも良く、横方向視〔図２（Ｂ）で示される断面の方向視〕で先端側〔図２（Ｂ）で２０ａが付された部分〕が直線的な傾斜を持つ面でもよい。また、ガイド面２０ａの幅は、左右の副噴孔１７，１７を含む噴孔９の全幅に亘る幅や、主噴孔１５の幅より多少小さい幅など、種々設定が可能である。
〔まとめ〕
この発明では、図１、３(Ｂ)に示されるように、前記ガイド面２０ａは、前記副室６で生じる渦流ｕのうちの前記ガイド面２０ａで案内される被案内渦流ａｕが、前記噴孔９から前記副室６に入ってくる空気流ｅの向きに沿って又は近づいて円滑に合流される状態となる凹状湾曲面に形成され、図２(Ｂ)，３(Ｂ)に示されるように、前記ガイド面２０aの先端部２０ｃは、前記ガイド面２０ａの先端縁２０ｂに近づくにつれて前記副室６の中心側に近づけられ、図２(Ａ)，３(Ａ)に示されるように、前記ガイド面２０ａの幅方向を横方向として、前記噴孔９の前記副室６側の開口９ａの横方向両側に一対の補助噴孔２１・２１の前記副室６側の開口２１ａ・２１ａが形成されている。
また、図２(Ａ)，３(Ａ)に示されるように、前記ガイド壁２０の先端縁２０ｂは、前記横方向の中央部が低くなる凹状湾曲縁となる状態に構成されている。

２ｂ シリンダヘッド壁
３ インジェクタ
５ 主燃焼室
６ 副室
７ 口金
７Ｂ 胴部
９ 噴孔
９ａ 開口
９ｈ ガイド側噴孔壁面
１１ 副室形成用凹部
１５ 主噴孔
１６ 噴孔周縁部
１７ 副噴孔
１９ 裏壁面（渦流の流れ方向で下流側となる壁面）
１９ａ 脇壁面（周囲の壁面）
２０ ガイド壁
２０ａ ガイド面
２０ｂ 先端縁
２０ｃ 先端部
２１ 補助噴孔
２１ａ 開口
ｅ 空気流
ｇ 噴射燃料
ｈ 壁面（副室の壁面）
ｒ 接線（ガイド面先端の接線）
ｕ 渦流
ａｕ 被案内渦流
θ 尖り角度

Claims (7)

1. 主燃焼室と、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、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、
   前記副室の噴孔周縁部の壁面における渦流の流れ方向で下流側となる壁面に、前記噴孔に近づくに連れて周囲の壁面よりも盛り上がるガイド面が形成され、
   前記ガイド面は、前記副室で生じる渦流のうちの前記ガイド面で案内される被案内渦流が、前記噴孔から前記副室に入ってくる空気流の向きに沿って又は近づいて円滑に合流される状態となる凹状湾曲面に形成され、
   前記ガイド面の先端部は、前記ガイド面の先端縁に近づくにつれて前記副室の中心側に近づけられ、前記ガイド面の幅方向を横方向として、前記噴孔の前記副室側の開口の横方向両側に一対の補助噴孔の前記副室側の開口が形成されている、ディーゼルエンジン。
2. 前記噴孔の壁面のうちの前記ガイド面に対応した箇所であるガイド側噴孔壁面と前記ガイド面の先端の接線とで定まる尖り角度が、１０～３０度に設定されている請求項１に記載のディーゼルエンジン。
3. 前記噴孔は、主噴孔と、前記主噴孔の両サイドに形成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又は２に記載のディーゼルエンジン。
4. 前記ガイド面は、前記主噴孔にのみ対応する状態で設けられている請求項３に記載のディーゼルエンジン。
5. 前記副室に臨むインジェクタは、当該インジェクタによる噴射燃料が前記噴孔に向かう状態となるように配置されている請求項１～４の何れか一項に記載のディーゼルエンジン。
6. 前記ガイド面を備えたガイド壁が前記噴孔周縁部から隆起形成され、前記ガイド壁の先端縁は、前記横方向の中央部が低くなる凹状湾曲縁となる状態に構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。
7. 前記主燃焼室に隣り合う状態でシリンダヘッド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１～６の何れか一項に記載のディーゼルエンジン。

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