JP7470036B2 - 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、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、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
燃焼が開始されるときである燃焼開始時に、前記噴孔の軸心方向視において前記受止めリセスの始端部と前記噴孔とが一致する一致構造が採られ、
前記噴孔の両脇それぞれに、前記副室に臨む補助噴孔の開口が設けられ、
前記噴孔の形状及び前記受止めリセスの形状は、共に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ていることを特徴とする。

前記一致構造は、前記偏心の方向に対する横方向視において前記噴孔の軸心に沿う噴孔壁面のうちのピストン軸心から遠い側の壁面のピストン側への延長線上に、前記受止めリセスの始端が位置する構造とされていると好都合であり、前記燃焼開始時は、前記噴孔から燃焼流が出る時や前記副室での着火時であれば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５～７を参照のこと。

本発明は、燃焼が開始されるときである燃焼開始時に、噴孔の軸心方向視において受止めリセスの始端部と噴孔とが一致する一致構成とされたものであり、その一致構造により、噴孔から出る燃焼流は、従来の構造のものに比べて、流れが乱れることなく受止めリセスの始端部から主燃焼室に円滑に流れて行くようになる。

つまり、副室から排出される燃焼流（噴流）が受止めリセスの形状に沿って速度を落とすことなく、従来よりも速い速度で主燃焼室内を流れて進んで行くようになり、燃焼効率が向上するようになる。従って、受止めリセスでの空気を効率よく取り込んで主燃焼室での素早い燃焼が得られ、燃焼効率向上によって燃費の向上やスモーク低減の効果が発揮されるようになる。

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 （Ａ）は図３に示すＹ部分の拡大図、（Ｂ）は別実施形態による噴孔受止めリセスとの関係を示す要部の拡大断面図 副室からの燃焼流の流れ方を示し、（Ａ）は従来例、（Ｂ）は本発明

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、シリンダヘッド底面２ａ（水平線）に対して傾斜角τで傾いた傾斜孔（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に臨むシリンダヘッド底面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。

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。

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５（Ａ）及び図６（Ｂ）に示されるように、副室６での燃焼が開始されるときである燃焼開始時に、噴孔９の軸心ｐ方向視において受止めリセス２０の始端部２０Ａと噴孔９とが一致する一致構造が採られている。一致構造は、図５に示されるよう、主燃焼室５に対する副室６の偏心の方向（矢印Ｑの方向）に対する横方向（矢印Ｒの方向：図２参照）視において噴孔９の軸心ｐに沿う噴孔壁面ｈ１（ｈ），ｈ２（ｈ）のうちのピストン軸心８Ｐから遠い側の最遠壁面ｈ１のピストン８側への延長線ｆ上に、受止めリセス２０の始端２０ａが位置する構造とされている。

図５（Ａ）に示されるように、上死点におけるピストン上面８ａの位置は、シリンダヘッド底面２ａから縦方向（ピストン軸心８Ｐ方向）の距離ａで下に離れた仮想線で示される位置にあり、副室６での着火時期におけるピストン上面８ａの位置は、上死点の僅か手前の位置、即ち、シリンダヘッド底面２ａから距離ｂで下に離れた位置にある。前述の一致構造は、ピストン上面８ａがシリンダヘッド底面２ａから縦方向（ピストン軸心８Ｐ方向）の距離ｂで離れた位置にあるときに出現される設計になっている。つまり、上死点の位置では、受止めリセス２０の始端２０ａは、ピストン上面８ａと延長線ｆとの交点から水平方向に距離ｃ離れる（オフセット）位置関係に設置されている。

つまり、図５（Ａ）及び図６（Ｂ）に示されるように、実際に燃焼流ｗが噴孔９から噴出するときのシリンダ１に対する上下位置にあるピストン８において、最遠壁面ｈ１の延長線ｆ上に始端２０ａが位置するように受止めリセス２０が天井壁８Ａに形成されている。従って、最遠壁面ｈ１に沿って噴孔９の下開口部９Ｂから噴出される燃焼流ｗは、流れの乱れを生じることなく受止めリセス２０の始端部２０Ａに流れ、円滑に向きを横方向に変えながらピストン軸心８Ｐ方向に進んで行く。

エンジンが高回転型になるに従って、着火時期は早まる傾向にある。従って、ピストン８が上死点にあるときの距離ｃ（オフセット量）は、低回転型エンジンでは短い目〔図６（Ｂ）の実線のピストン８を参照〕に、そして高回転型エンジンでは長い目〔図６（Ｂ）の一点破線のピストン８を参照〕に設定されれば好都合である。なお、図６（Ａ），（Ｂ）における「ＴＤＣ」は、上死点でのピストン上面８ａの位置を示している。

〔作用効果について〕
従来のディーゼルエンジンでは、図６（Ａ）に示されるように、ピストン８の天井壁８Ａに噴孔９に対応した受止めリセス２０を設ける場合、噴孔９と受止めリセス２０との位置関係は上死点（圧縮上死点：ＴＤＣ）において最適となるように（最遠壁面ｈ１の延長線ｆ上に始端２０ａが位置するように）設計されていた。

内燃機関における着火時期（火花点火式エンジンでは点火時期）は、正確にはピストン８の上死点（圧縮上死点）位置ではなく、その僅か手前の状態、即ちピストン８が上昇し切る前、即ち、着火の進角である（火花点火式エンジンでは「点火進角」と言われる）。しかしながら、農機や建機、或いは発電機などに用いられる産業用ディーゼルエンジンは、低回転型又は極低回転型エンジン（トルク型エンジン）であって着火時期（噴射時期）を早める割合（着火の進角）は小さいので、噴孔９と受止めリセス２０との位置関係は上死点を基本とするセッティングで事足りると考えられていた。

しかしながら、近年では、燃費向上、出力アップなどの性能向上や排ガス規制の強化がより強く求められていることから、よりきめ細かな改善を行う必要があり、その一環として、噴孔と受止めリセスとの関係構造についても見直しが行われた。そこで、本発明は、燃焼が開始されるときである燃焼開始時に、噴孔９の軸心ｐ方向視において受止めリセス２０の始端部２０Ａと噴孔とが一致する構成としたことを特徴とする。

従来の構造では、図６（Ａ）に示されるように、噴孔９の最遠壁面ｈ１に沿って流れる燃焼流ｗは、受止めリセス２０に差し掛かったときには既に始端２０ａから主燃焼室５の中央側に離れた位置関係になっている。そのため、受止めリセス２０の始端部２０Ａにおいて、乱流である回り込み燃焼流（渦状燃焼流）ｗｒが発生して流れが乱れ、従って、主燃焼室５においては燃焼流ｗの流速が落ち易い傾向があった。

本発明のディーゼルエンジンでは、一致構造の採用により、図６（Ｂ）に示されるように、低回転型で説明するに、燃焼開始時には最遠壁面ｈ１の延長線ｆ上に始端２０ａが位置する受止めリセス２０とされている。故に、噴孔９から出る燃焼流ｗは、流れの乱れなく受止めリセス２０の始端部２０Ａから主燃焼室５に円滑に流れて行く。

従って、副室６から排出される燃焼流（噴流）ｗが受止めリセス２０の形状に沿って速度を落とすことなく、従来よりも速い速度で流れて行く。その結果、受止めリセス２０での空気を効率よく取り込んで主燃焼室５での素早い燃焼が得られ、燃焼効率向上によって燃費の向上やスモーク低減の効果を奏することができる。

〔別実施形態〕
図５（Ｂ）に示されるように、受止めリセス２０の始端２０ａの前記偏心の方向に対する横方向視における傾斜角θは、噴孔９の傾斜角δに等しい（θ＝δ）又は±１０度の誤差を含んで等しい設定とされていても良い。即ち、受止めリセス２０の始端部２０Ａに、始端２０ａを含む短い直線傾斜壁２４が形成されており、その直線傾斜壁２４の傾斜角θが、最遠壁面ｈ１の傾斜角δの±１０度、即ち、δ－１０≦θ≦δ＋１０（例：４０度≦θ≦６０度）に設定されている。なお、最遠壁面ｈ１の傾斜角δと噴孔９（噴孔軸心ｐ）の傾斜角τとは、δ≧τとなる場合が多い。

このように、燃焼開始時に、噴孔９の軸心ｐ方向視において受止めリセス２０の始端部２０Ａと噴孔９とが一致する一致構造に、始端部２０Ａの傾斜角θと噴孔９の傾斜角δとが互いに等しい（ほぼ等しい）構成も加えれば、燃焼流ｗがより円滑に主燃焼室５に流れて進んで行くので、より一層の燃費向上やスモーク低減の効果が期待できる。

また、図示は省略するが、オフセット量ｃを図５（Ａ）に示される長さよりも極僅かに長くして、着火時ではなく、着火後に実際に噴孔９から燃焼流ｗが出る時を燃焼開始時とする一致構造が採られたディーゼルエンジンとしてもよい。
[まとめ]
この発明では、図２に示すように、前記噴孔９の両脇それぞれに、前記副室６に臨む補助噴孔１８・１８の開口１８ａ・１８ａが設けられ、図４に示すように、前記噴孔９の形状及び前記受止めリセス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に設定されるとともに、前記受止めリセス２０の拡がり角αは前記噴孔９の拡がり角βよりも小さい角度に設定されている。

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
２０Ａ 始端部
２０ａ 始端
ｆ 遠い側の壁面のピストン側への延長線
ｈ１ 遠い側の壁面（最遠壁面）
ｐ 噴孔の軸心
ｗ 燃焼流
θ 受止めリセスの傾斜角
δ 噴孔の傾斜角

Claims (7)

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、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
   燃焼が開始されるときである燃焼開始時に、前記噴孔の軸心方向視において前記受止めリセスの始端部と前記噴孔とが一致する一致構造が採られ、
   前記噴孔の両脇それぞれに、前記副室に臨む補助噴孔の開口が設けられ、
   前記噴孔の形状及び前記受止めリセスの形状は、共に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ているディーゼルエンジン。
2. 前記一致構造は、前記偏心の方向に対する横方向視において前記噴孔の軸心に沿う噴孔壁面のうちのピストン軸心から遠い側の壁面のピストン側への延長線上に、前記受止めリセスの始端が位置する構成とされている請求項１に記載のディーゼルエンジン。
3. 前記燃焼開始時は、前記噴孔から燃焼流が出る時である請求項１又は２に記載のディーゼルエンジン。
4. 前記燃焼開始時は、前記副室での着火時である請求項１又は２に記載のディーゼルエンジン。
5. 前記受止めリセスの始端の前記偏心の方向に対する横方向視における傾斜角は、前記噴孔の傾斜角に等しい又は±１０度の誤差を含んで等しい設定とされている請求項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１～５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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