JP7491834B2 - 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、ピストンの軸心方向視で前記副室の外縁に沿う外郭形状を有する幅広で扁平な円弧形状又はＵ字形状を呈する孔に形成され、
前記噴孔は、ピストンの軸心方向に沿って延びる縦孔に形成され、
前記噴孔は、前記主燃焼室側の下開口部の面積よりも前記副室側の上開口部の面積が大となるテーパ孔に形成され、
前記噴孔は、前記噴孔におけるピストンの軸心方向視での前記副室の周方向に沿う長さが、前記下開口部よりも前記上開口部の方が長くなるテーパ孔に形成され、
前記噴孔は、ピストンの軸心方向視での前記噴孔の幅方向の両端側部分に上向き拡開状の一対のテーパ面部を備えている、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２～４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）が生じるのであるが、従来のものでは、副室内での渦流が、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っていた。そこで、本発明では、ピストンの軸心方向視で副室の外縁に沿う外郭形状を有する幅広で扁平な円弧形状又はＵ字形状を呈する噴孔を設けたものである。

噴孔から副室に入る空気流は、副室の壁面に沿った流れになり、副室内での渦流を強めるように作用する。加えて、従来技術によるものに比べて、噴孔はより副室の壁面に近づいた位置に設けられているので、副室内での渦流が噴孔の副室側の開口部に差し掛かるときの流れのベクトルと、噴孔から新しく副室に入ってくる空気流の流れのベクトルとが合致又は極力合致されるようになり、これら両者が円滑に合流されるようになる。

つまり、副室内の渦流と副室に入ってくる空気流とがぶつかることなく又は少なくなり、円滑に合流されるか又は渦流が増速される作用が得られるようになり、渦流の強さを高めることが可能になる。その結果、噴孔の形状や副室に対する位置などを見直しての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なって、燃費向上やスモーク低減が図れるように改善された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断面図 副室形成用の口金を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は底面図 図２の口金の断面図を示し、（Ａ）は図２（Ａ）のＺ－Ｚ線断面図、（Ｂ）は図２（Ａ）のＹ－Ｙ線断面図 （Ａ）は口金を斜め上方から見た斜視図、（Ｂ）は噴孔位置が異なる口金を有する副室付近の構造を示す要部の断面図

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）、１５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。インジェクタ３の先端噴射部３ａから副室６に高圧の燃料が噴射され、噴孔９から副室に入ってくる圧縮された空気流ｅと噴射燃料とが、空気流ｅによって生じる渦流ｕにより効率よく混合されるようになる。

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４（Ａ）に示されるように、口金７は、ピストン軸心８Ｐに沿う口金軸心７ｐを有して円柱状の胴部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、底面７ａを有している。胴部７Ｂの他端側には、胴部７Ｂの上端面７ｂ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１に示されるように、副室６から噴孔９を通って上開口部９Ａ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１～図４（Ａ）に示されるように、噴孔９は、ピストン８の軸心８Ｐの方向に沿って延びる縦孔であって、ピストン８の軸心８Ｐ方向視で副室６の外縁６Ａに沿う外郭形状を有する幅広で扁平な円弧形状（又はＵ字形状）を呈する孔に形成されている。

詳しくは、噴孔９は、口金７の副室形成用凹部１１の壁面ｈのうちの上端の径（最大径）Ｒの外縁６Ａに沿う外郭形状とする、即ち外周縁９ａとし、かつ、口金７の底部７Ａにおける径内側の外郭形状である内周縁９ｂとされ、かつ、両端の湾曲縁９ｅ，９ｅを備えてピストン側（下側の）の下開口部９Ｂを有する円弧状の縦孔である。

そして、噴孔９の副室６側（上側）の上開口部９Ａは、副室形成用凹部１１の直径にまで延びた外縁６Ａである外周縁９ｃと、同じく副室形成用凹部１１の直径にまで延びた内周縁９ｄとが、前述の外周縁９ａ及び内周縁９ｂに加えられた三日月状（円弧状でもある）に形成されている。

つまり、噴孔９は、主燃焼室５側の下開口部９Ｂの面積よりも副室６側の上開口部９Ａの面積が大となるように、ピストン８の軸心８Ｐ方向視での副室６の周方向に沿う長さが、下側の外周縁９ａ及び内周縁９ｂを含みそれらよりも長い上側の外周縁９ｃ及び内周縁９ｄを有するテーパ孔に形成されている。

図２（Ａ）及び図３（Ａ）に示されるように、噴孔９の外周壁９Ｇ及び内周壁９Ｎはそれぞれピストン８の軸心８Ｐに沿う鉛直（垂直）な壁であり、周方向で両側の各側壁９Ｓ，９Ｓが周方向に傾いて上下で周方向長さの異なる上拡がりのテーパ壁に形成されている。

噴孔９の開口長さ（下開口部９Ｂの長手方向の長さ）Ｌは、ピストン８の軸心８Ｐ方向視における副室６の径Ｒの６０％以上に設定されており、好ましくは７０％～７５％（０．７Ｒ≦Ｌ≦０．７５Ｒ）に設定されている。また、噴孔９の開口幅（下開口部９Ｂの副室６の径方向に沿った方向の幅）Ｄは、開口長さＬの７．５％～１７．５％の範囲に、好ましくは１０％～１５％の範囲（０．１０Ｌ≦Ｄ≦０．１５Ｌ）に設定されている。

上開口部９Ａは、その両端部が実質的に側壁の無い尖った形状に形成されるに対して、下開口部９Ｂは、その両端部が滑らかな湾曲縁であり、それら両開口部９Ａ，９Ｂの上下間に形成される側壁９Ｓ，９Ｓにおいて形状が滑らかに変化する形状に噴孔９は構成されている。

図１に示されるように、噴孔９は、ピストン８の軸心８Ｐ方向視での副室６におけるピストン８の軸心８Ｐに対して最も近い側の壁面ｈに形成されている。詳しくは、副室６のピストン軸心８Ｐに対する偏心方向に沿う方向の軸線Ｑ（図１の紙面における水平方向）の上手側に長さ方向（長さＬ）の中心を有する縦孔として噴孔９が口金７に設けられている。

本発明は、従来技術の課題であった「副室での渦流の強さを如何に高めるか」を実現させるものであり、ピストン８の軸心８Ｐ方向視で副室６の外縁に沿う外郭形状を有する幅広で扁平な円弧形状又はＵ字形状を呈する噴孔９を設けた、点に特徴がある。
具体的には、上開口部９Ａの方が下開口部９Ｂよりも長さが長く、周方向に傾いた両側壁９Ｓ，９Ｓを有するテーパ孔形状の噴孔９とされている。

噴孔９が副室６の接線方向に配置され、副室６の卵球形状（球形状）に沿わせるように渦流（タンブル流）ｕ（図１参照）が形成されることにより、渦流ｕの壁面ｈへの衝突によるロスが低減され、渦流ｕの強さが高められるようになる。噴孔９の両側壁９Ｓ，９Ｓが上拡がり傾斜しているので、副室６の内部全域に渦流ｕを行き亘らせることが可能となり、従来に比べて渦流ｕの強さが高められる。その結果、従来品に比べて、空気と燃料の混合が促進され、燃費改善やスモーク低減に寄与できる作用効果を得ることができる。

また、テーパ孔形状の噴孔９により、下開口部９Ｂにおいては適切な断面積としながら、副室に入ってくる空気流ｅを副室６の幅いっぱい又はそれに近づけて広く作用させることができ、渦流（タンブル流）ｕを副室６の全域に行き亘らせることが可能となる効果も奏することができる。

〔別実施形態〕
（１）図４（Ｂ）に示されるように、噴孔９が、ピストン８の軸心８Ｐ方向視での副室６におけるピストン８の軸心８Ｐに対して最も遠い側の壁面ｈに形成される構造でもよい。また、図示は省略するが、図１に示す位置（ピストン軸心８Ｐから最も近い位置）と、図４（Ｂ）に示される位置（ピストン軸心８Ｐから最も遠い位置）との間に噴孔９が配置される構造でも良い。つまり、主燃焼室５に開口される位置ならば、噴孔９はどこの位置にあってもよい。

（２）噴孔９は、ピストン軸心８Ｐの方向視でＵ字形状を呈するものや、噴孔としての断面積は従来品と同じ（又は殆ど同じ→例：従来断面積の９０％～１１０％）でありながら長さは従来品より長い扁平な円弧形状又はＵ字形状の噴孔９としてもよい。
[まとめ]
本発明では、図２(Ａ)に例示するように、前記噴孔９は、前記噴孔９におけるピストン８の軸心８Ｐ方向視での前記副室６の周方向に沿う長さが、前記下開口部９Ｂよりも前記上開口部９Ａの方が長くなるテーパ孔に形成されている。
そして、図２(Ａ),３(Ａ)(Ｂ),４(Ａ)に例示するように、前記噴孔９は、ピストンの軸心方向視での前記噴孔の幅方向の両端側部分に上向き拡開状の一対のテーパ面部９Ｓａ・９Ｓａを備えている。

２ シリンダヘッド
２ｂ シリンダ壁
５ 主燃焼室
６ 副室
６Ａ 外縁
７ 口金
７Ｂ 胴部
８ ピストン
８Ｐ ピストンの軸心
９ 噴孔
９ａ 上開口部
９ｂ 下開口部
９Ｓa テーパ面部
１１ 副室形成用凹部
Ｌ 噴孔の長さ
Ｒ 副室の径
ｈ 壁面

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る副室とが噴孔を介して連通され、前記噴孔は、ピストンの軸心方向視で前記副室の外縁に沿う外郭形状を有する幅広で扁平な円弧形状又はＵ字形状を呈する孔に形成され、
   前記噴孔は、ピストンの軸心方向に沿って延びる縦孔に形成され、
   前記噴孔は、前記主燃焼室側の下開口部の面積よりも前記副室側の上開口部の面積が大となるテーパ孔に形成され、
   前記噴孔は、前記噴孔におけるピストンの軸心方向視での前記副室の周方向に沿う長さが、前記下開口部よりも前記上開口部の方が長くなるテーパ孔に形成され、
   前記噴孔は、ピストンの軸心方向視での前記噴孔の幅方向の両端側部分に上向き拡開状の一対のテーパ面部を備えている、ディーゼルエンジン。
2. 前記噴孔の開口長さは、ピストンの軸心方向視における前記副室の径の６０％以上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、ピストンの軸心方向視での前記副室におけるピストンの軸心に対して遠い側の壁面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１～３何れか一項に記載のディーゼルエンジン。

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