JPH02267312A - 渦流室式ディーゼル機関の燃焼室 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、渦流室式ディーゼル機関の燃焼室形状の改良
に関する。

（従来の技術） 渦流室式ディーゼル機関の主燃焼室形状として、第８図
Ａ、Ｂに示したようなものが知られている。

これを説明すると、シリング中心からオフセットして位
置するようにシリングへラド４に設けられた渦流室５が
噴孔６を介して主燃焼室９に連通しており、ピストン３
の頂面８には前記噴孔６の主燃焼室側開口部のほぼ直下
領域からピストン中心方向に直線的に延びる溝状のトレ
ンチ部１１と、このトレンチ部１１のピストン中心付近
の領域から両側方に広がる略円形のキャビティ部１０と
が形成されており、これらでいわゆるクローバリーフ型
の主室キャビティを構成している。

この渦流室式燃焼室構造にあっては、圧縮行程で主燃焼
室９から噴孔６を通って渦流室５へと流入した空気が渦
流（スワール）を形成する。燃焼は、この渦流へと図示
しない噴射ノズルを介して燃料を噴射供給することによ
り開始され、この渦流室５での燃焼開始に伴い、膨張ガ
スと一部の噴射燃料とが噴孔６を介して主燃焼室９へと
噴出する。

この噴流と燃料は、ピストン３のトレンチ部１１に沿っ
て主燃焼室９の中心方向へと導かれ、さらに第８図Ｂに
矢印ａで示したように両側方のキャビティ部１０へ旋回
流となって拡散する。これにより、燃料はばば同図に破
線で示した範囲の主燃焼室内空気と混合して拡散燃焼す
ることになる。

（この種の燃焼室構造に関する公知例としては、例えば
実開昭５０−１３８４０３号、同５７−７８７２４号、
特開昭５４−５９５１２号公報を参照、） （発明が解決しようとする問題点） しかしながら、このような従来の渦流室式燃焼室にあっ
ては、トレンチ部１１が渦流室５がらの噴流の方向に沿
っているため、このトレンチ部１１に沿って噴孔６から
半径方向へと進む噴流の勢いが相対的に大きく、キャビ
ティ部１０を始めとしてトレンチ部１１の側方へと拡散
する噴流の勢力は比較的弱いものになる。このため、特
に噴流の上流にあたるトレンチ部１１の基端付近とその
両側方では燃料と空気との混合が不充分で、空気利用率
が小さくなりがちである。このことは、低負荷運転時に
は排気中の未燃燃料成分の濃度増大を、高負荷運転時に
はスモーク濃度の増大を引き起こすことになる。

本発明はこのような従来の問題点を解消することを目的
としている。

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するために本発明では、主燃焼室の縁部
付近に渦流室からの噴孔を開口させた渦流室式ディーゼ
ル１ｆｉｌ［において、平面上の噴孔の向きをその噴流
中心１１ＬＲｏがピストンの略中心部を通るように設定
するとともに、ピストン頂面に、ピストン中心部付近の
領域から略円形に広がる左右の大キャビティ部と、噴孔
の下方領域から分岐して各大キャビティ部に連通する左
右の側方キャビティ部とを形成し、この側方キャビティ
部を形成する外郭に側方キャビティ部を通過する噴流を
大キャビティ部に生起される旋回流に対して接線方向か
ら合流させるように案内するガイド部を形成する一方、
　前記噴孔の前方に位置して該噴孔と対向する略■字形
状の先端外郭形状を有する拡散促進部を突設し、かつピ
ストンの下降過程で噴孔の前縁部延長１１１１ｆ並びに
後縁部延長Ｍｊｒが前記拡散促進部の先端部を乗り越え
始める点をそれぞれ減衰点並びに終点とするとき、滅設
点がクランク角度にしてＡＴＤＣ１７〜２１゛、終点が
同じ＜　ＡＴＤＣ３３〜３５°の範囲内に在るように、
噴孔が側面上でピストン頂面となす角度θもしくは拡散
促進部の位置を設定するとともに、上死点位置にて噴孔
前縁部Ｊ！艮繰ＲＥとキャビティ部底面とが交わる点Ｐ
と、左右の大キャビティ部の中心点Ｑとを結ぶ直線ＰＱ
が平面上で噴流中心線２０となす角を（ｆｆ／２）”　
とするとき、（ａ／２）±２゜の範囲内でＰ点から引い
た直線に沿って前記拡散促進部の先端外郭形状を設定し
た。

（作用） 上記構成において、膨張行程で渦流室がら噴孔を介して
主燃焼室へと噴出した未燃燃料を含む燃焼ガス噴流は、
噴孔のすぐ下流側に位置する拡散促進部の先端外郭部に
衝突して、左右の側方キャビティ部へと分流するととも
に、ピストンが下降するにしたがい噴流の一部は拡散促
進部を乗り越えて、左右の各大キャビティ部の外郭が交
差して形成する略■字形状の対向壁部に衝突して大キャ
ビティ部へと分流拡散しく第１図Ｂの矢印Ｃを参照）、
当該大キャビティの外郭に案内されて旋回流となる。

側方キャビティ部を通って大キャビティ部へと流れ込む
噴流は、側方キャビティ部のガイド部に案内され、上記
大キャビティ部での旋回流に対して略接線方向から合流
する（同図の矢印すを参照）。

このようにして、当該合流部付近での噴流の淀みが防止
されるとともに、大キャビティ部での旋回流が強化され
る結果、従来に比較して噴流の拡散域が拡大され、即ち
主燃焼室での空気利用率が向上するので良好な燃焼が行
なわれる。

そして、このような空気利用率の向上作用は、以下の実
施例にて具体的に説明する通り、拡散促進部の位置・形
状及び噴孔の角度を上記所定の条件を満足するように設
定することにより最大限に発揮される。

（実施例） 次に本発明の実施例を添付図面に基づいて説明するが、
第８図Ａ、Ｂとの対応部分には同図と同一の符号を付し
て示すことにする。

第１図ＡまたはＢにおいて、１２はピストン３の頂面８
上でその中心付近の領域から両側方に略円形に広がる大
キャビティ部であり、同じくピストン中心付近を通る噴
流の中心１１Ａｌｏを挟んで対称的に円弧を配した形状
の外郭１７によって形成されている。この外郭１７には
噴流中心線２ｏ上にて噴孔６と対向するように略Ｖ字形
状に突出した平面形状の対向壁部１７Ａが形成されてい
る。

また、１４は噴孔６の下方から両側方に展開して大キャ
ビティ部１２に連通する側方キャビティ部、１３は噴流
中心線２ｏ上で、はぼ側方キャビティ部１４と大キャビ
ティ部１２の中間位置にてキャビティ底面から島状に隆
起する形状に突設された拡散促進部である。拡散促進部
１３の、噴孔６に対向する先端外郭部１３Ａは略Ｖ字形
状に形成されている。

１８は拡散促進部１３との間に側方キャビティ部１４を
形成する外郭であり、噴流中心線２ｏの位置から側方へ
とピストン３の外形線に沿って略円形に広がり、途中か
ら徐々に内側に湾曲してピストン中心方向へと向いたガ
イド部１８Ａとなり、大キャビティ部１２へと開放する
部分で終わっている。

本発明は、このような基本形状を燃焼室に設定したうえ
で、次のように各部につき所定の形状及び寸法を付与す
ることを特徴とするものである。

即ち第一には、ピストン３の下降過程で噴孔６の前縁部
延長線ｌｆ並びに後縁部延長線２ｒが前記拡散促進部１
３の先端部を乗り越え始める点をそれぞれ減衰点並びに
終点とするとき、減衰点がクランク角度にしてＡＴＤＣ
１７〜２１°、終点が同じ＜　ＡＴＤＣ３３〜３５°の
範囲内に在るように、噴孔６が側面上でピストン頂面８
となす角度θもしくは拡散促進部１３の位置を設定する
。

また第二には、上死、α位置にて噴孔６の前縁部延長＠
Ｒｆがキャビティ部底面と交わる点Ｐと左右の大キャビ
ティ部１２の中心点Ｑとを結ぶ直線ＰＱが平面上で噴流
中心線２ｏとなす角を（ｆｆ／２）”とするとき、（ａ
／２）±２°の範囲内でＰ点からＱ点方向に引いた直線
に沿って前記拡散促進部１３の先端外郭部１３Ａの形状
を設定する。

次に、上記構成に基づく作用について説明すると、基本
的な燃焼がスの流れについては本発明の作用として説明
した通りであり、即ち膨張行程で渦流室５から噴孔６を
介して主燃焼室９へと噴出した未燃燃料を含む燃焼ガス
噴流は、ピストンの下降に伴って拡散促進部を乗り越え
た流れ（矢印Ｃ）によって大キャビティ部に旋回流を生
起し、これに拡散促進部にて側方へと分流した流れ（矢
印ｂ）がガイド部を介して接線方向から合流することに
より強い旋回流を形成し、主燃焼室９での〃ス流動及び
拡散燃焼を促す。

ただし、本出願人の知見によれば、このときピストン３
の下降に伴って拡散促進部１３を渦流室５からの噴流が
通過するタイミング及び拡散促進部１３の先端部頂角（
略ａに等しい。）によって空気利用率及び燃焼性が変化
するのである。

まず、拡散促進部１３に対する噴流の通過タイミングで
あるが、これは噴孔６の角度θが小さくなるほど、また
は拡散促進部１３が噴孔６に接近するほど早くなり、同
じく角度θが大きくなるほど、または拡散促進部１３が
噴孔６がら離れるほど遅くなる。噴流の通過タイミング
が過早であると、これは噴流が拡散促進部１３を乗り越
える時期が早いのであるから、それだけ側方キャビティ
部１４へと流れる〃ス流の割合が減少してしまい、側方
キャビティ１４部での空気利用が悪化する。

また、拡散促進部１３に対する噴流の通過タイミングが
遅すぎるときには、前記とは逆に大キャビティ部１２へ
の〃ス流の供給が不足してしまい、大キャビティ部１２
での空気利用が悪化する。これに対して、後述するよう
な適当なタイミングで噴流が拡散促進部１３を乗り越え
るように設定すれば、膨張行程で側方キャビティ部１４
と大キャビティ部１２へと過不足なく噴流を供給して空
気利用を改善することができる。

このような噴流の通過タイミングを、噴孔６の前縁部延
長線ｌｆまたは後縁部延長線１ｒ（第１図Ａ参照。）が
拡散促進部１３の先端部を乗す越えるときのクランク角
度で表したものが第２図である。

図において減衰点とは拡散促進部１３の先端部をｔＪ縁
部延延長ｊｆが釆９越えるときのクランク角度、終点と
は同じく後縁部延長線ｊｒが乗り越えるときのクランク
角度である０本出願人の実験によれば、θ＝３５°で減
衰、αが１８．９゜ＡＴＤＣ，終点が３４．２’　ＡＴ
ＤＣのとき（第２図の領域Ｔ）に最も良好に燃焼し、第
３図に示したように最大出力が得られるとともに、第４
図に示したようにスモーク性能が向上した。減衰点と終
点の適切な範囲としては、第３図に示した実験結果と角
度θとの関係から、減衰点については１７〜２１゜ＡＴ
ＤＣ１終点については３３〜３５゜ＡＴＤＣである。

ところで、側方キャビティ部１４または大キャビティ部
１２へと噴流が流れる割合は、拡散促進部１３の頂角に
よっても影響を受ける。即ち、頂角が小さくなるほど側
方キャビティ部１４への流れが減少するとともに大キャ
ビティ部１２への流れが増大して空気利用の偏りが生じ
る。上記の実験結果は、上死点位置にて噴孔６の前縁部
延長線ｔｆがキャビティ部底面と交わる点Ｐと左右大キ
ャビティ部１２の中心点Ｑとを結ぶ直線ＰＱに沿って拡
散促進部１３の先端外郭部１３Ａを形成したときのもの
である（第１図Ｂを参照）。

なお、このとき前記直＃ｉＰＱが平面上で噴流中心線２
ｏとなす角を（ｆｆ／２）’　　とするとき、α＝７７
°であったが、この条件に対応する頂角のまま拡散促進
部１３をｆｌｔＪ１図Ｂに示した適正位置Ｉから移動さ
せて■の位置まで噴孔６に近付けた場合、減衰点と終点
に関しては噴孔角度θ＝３３°のとさと同等になるもの
の、破線で示したようにαが実質的にα゛＝９２°（第
５図参照）まで拡大したのと同様の作用を生じるため、
噴流の左右方向への拡散が強まるとともに大キャビティ
部１４での旋回流が弱まって空気利用が悪化してしまい
、この結果第３図及び第４図に示したように出力性能、
スモーク性能ともに低下した。一方、他の条件を適正範
囲内に設定してαのみを変化させたときには第５図のよ
うな特性が得られ、この結果から、（＋７／２）±２”
範の回内であれば良好な燃焼性を維持できることが判っ
た。

このように、本発明は噴孔６の角度θ及び拡散促進部１
３の形状・位置を燃焼室全体の噴流の流れを考慮して適
切に設定したことを特徴とするものであり、これにより
空気利用率が者しく改善されるのであるが、さらには、
次のように側方キャビティ部１４の面積比率と拡散促進
部１３の幅比率を設定するのが好ましい。

側方キャビティ部１４の面積比率とは、大キャビティ部
１２を含む全キャビティ面積に対して、側方キャビティ
部１４の面積が占める割合であり、本出願人の実験によ
れば、第６図に示したようにこの面積比率を１９．５〜
２２．５％の範囲内に設定した場合に良好な燃焼性及び
出力が得られた。

なお、この場合側方キャビティ部１４の面積は、大キャ
ビティ部１２の外郭を拡散促進部１３の方向に延長した
仮想の円弧を境界線として測定しである。　ちなみに、
噴孔６を介して主燃焼室９、と噴出するｍ焼〃スの噴流
は、ピストン３がほは１死１点に位置する時魚がら側方
キャビティ部１４へと拡散しはじめ、ピストン３の下降
に伴って大キャビティ部１２に拡散してゆくから、側方
キャビティ部１４の面積が小さすぎる場合にはピストン
３が上死点近傍に在って圧力、温度ともに高くて燃焼に
適した状態であるにもかかわらず空気を充分に取り込む
ことができないことになり、それだけ主燃焼室９におけ
る前期の燃焼が緩慢になってしまうのである。また、側
方キャビティ部１４の面積が過大である場合には、前記
と逆の作用により噴流の大キャビティ部１２への拡散が
弱くなり、それだけ主燃焼室９における後期の燃焼が緩
慢になるのであり、やはり空気利用率は低下する。

次に、拡散促進ｇｌｓ１３の幅比率であるが、これは＠
１図Ｂに示したように拡散促進部１３の幅をＷＭ、左右
ガイド部１８Ａの間隔をＷＳとしたときにＷ　Ｍ／　Ｗ
　ｓで示される割合である。ただし、ＷＭは噴孔６の幅
Ｗ丁に略等しくするのが好ましいので、前記比率Ｗ　ｖ
／　Ｗ　ｓは主としてＷｓの大きさによって調整するこ
とになる。　ここで、上述した側方キャビティ部１４の
面積比率を適正値に維持したままＷｓを拡大するものと
すると、それだけガイド部１８Ａの長さが短くなるから
、大キャビティ部１２の旋回流に対する付勢作用が減少
してしまい、旋回流による空気利用が悪化する。また、
Ｗｓを小さくしすぎると大キャビティ部１２の方向への
流れの抵抗が増大するため一部の噴流が外郭１８を乗り
越えてシリング壁に衝突し、この結果シリング壁のクエ
ンチ層で消炎してしまうのでやはり燃焼が悪化する。こ
れに対して、本出願人の実験によれば、側方キャビティ
部１４の面積比率を２０％で一定としたとき、第７図に
示したようにＷ呵／Ｗｓが２７．５〜３１．５％の範囲
内で良い結果が得られた。なお、前記適正比率を維持し
うる限りにおいて、Ｗｓは左右の大キャビティ部１２の
中心間隔（Ｑ　−Ｑ　）に等しくするのがさらに好まし
い。

（発明の効果） 以上の通り本発明によれば、渦流室からの燃焼ブスの噴
流を拡散促進部を介して側方キャビティ部とその前方の
大キャビティ部へと拡散させるようにした燃焼室構成を
前提として、噴孔の角度及び拡散促進部の形状・位置を
適切に設定することにより側方キャビティ部と大キャビ
ティ部とに〃ス噴流を分配するようにしたので、主燃焼
室の全域にわたって空気利用率を高められ、従って低負
荷運転時の未燃燃料分や高負荷運転時のスモークの排出
量が大幅に低減し、かつ出力が向上するという効果が得
られる。

【図面の簡単な説明】 第１図Ａは本発明の一実施例の縦断面図、同図Ｂは同じ
くピストン頂部の平面図である。第２図〜第７図は前記
実施例の燃焼室形状の設定内容に関連する図面であって
、第２図は減衰点及び終点とクランク角度との関係を示
すタイミング図、第３図は噴孔角度θに対する出力特性
を示す特性線図、第４図は拡散促進部の位置によるスモ
ーク濃度の相違を燃料噴射量毎に示した特性線図、第５
図は拡散促進部の頂角に対する出方特性を示す特性線図
、第６図は側方キャビティの面積比率に対する出力特性
を示す特性線図、第７図は拡散促進部の幅比率に討する
出力特性を示す特性線図である。第８図Ａは従来例の縦
断面図、同図Ｂは同じくピストン頂部の平面図である。 ３・・・ピストン、５・・・渦流室、６・・・噴孔、８
・・・ピストン頂面、９・・・主燃焼室、１２・・・大
キャビティ部、１３・・・拡散促進部、１３Ａ・・・先
端外郭部、１４・・・側方キャビティ部、１７・・・大
キャビティ部外郭、１８・・・側方キャビティ部外郭、
１８Ａ・・・ガイド部、２ｏ・・・噴流中心線、εｆ・
・・噴孔後縁部延長線、２ｒ・・・噴孔後縁部延長線。 特許出願人　　日産自動車株式会社 第３図 θ；唄口角度 第４図 燃料噴射量□ 第６図 側方キャビテイ面積比率（％） 第７図 ＷＭ／ＷＳＸ１００　：　を敗促進部中比率（％）第５
図 ■ 第８図Ａ 第８図Ｂ ■

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 主燃焼室の縁部付近に渦流室からの噴孔を開口させた渦
   流室式ディーゼル機関において、平面上の噴孔の向きを
   その噴流中心線ｌ＿ｏがピストンの略中心部を通るよう
   に設定するとともに、ピストン頂面に、ピストン中心部
   付近の領域から略円形に広がる左右の大キャビティ部と
   、噴孔の下方領域から分岐して各大キャビティ部に連通
   する左右の側方キャビティ部とを形成し、この側方キャ
   ビティ部を形成する外郭に側方キャビティ部を通過する
   噴流を大キャビティ部に生起される旋回流に対して接線
   方向から合流させるように案内するガイド部を形成する
   一方、前記噴孔の前方に位置して該噴孔と対向する略Ｖ
   字形状の先端外郭形状を有する拡散促進部を突設し、か
   つピストンの下降過程で噴孔の前縁部延長線ｌ＿ｆ並び
   に後縁部延長線ｌ＿ｒが前記拡散促進部の先端部を乗り
   越え始める点をそれぞれ減衰点並びに終点とするとき、
   減衰点がクランク角度にして１７〜２１゜ＡＴＤＣ、終
   点が同じく３３〜３５゜ＡＴＤＣの範囲内に在るように
   、噴孔が側面上でピストン頂面となす角度θもしくは拡
   散促進部の位置を設定するとともに、上死点位置にて噴
   孔前縁部延長線ｌ＿ｆがキャビティ部底面と交わる点Ｐ
   と、左右の大キャビティ部の中心点Ｑとを結ぶ直線ＰＱ
   が平面上で噴流中心線ｌ＿ｏとなす角を（ａ／２）゜と
   するとき、（ａ／２）±２゜の範囲内でＰ点から引いた
   直線に沿って前記拡散促進部の先端外郭形状を設定した
   ことを特徴とする渦流室式ディーゼル機関の燃焼室。