JPS581627Y2 - 燃焼室 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は直接噴射式ディーゼルエンジンの燃焼室、特に
燃焼による騒音（以下単に燃焼騒音とする）を減少でき
ると共に、排気ガス中の窒素酸化物（以下単にＮＯｘと
する）を減少できるようにした燃焼室に関するものであ
る。

ディーゼルエンジンにおいては、燃料の燃焼室内への噴
射時期を遅らせることによって爆発圧力、圧力上昇率を
下げれば燃焼騒音を下げることができると共に、燃焼ガ
ス温度が低下してＮＯｘを低減できることが一般に知ら
れている。

しかし、一般に噴射時期を遅らせるとディーゼルサイク
ルとしての熱効率が悪化して燃料消費率が低下すると共
に、燃焼が悪化して排気色が黒くなってし１うという不
具合を有している。

すなわち、 （燃料消費率、排気色、ＮＯｘ、燃焼騒音）＝ｆ （ｄ
Ｍ／ｄｔ −Ｓ 、Ｔｍ−τｄ、ｄＱ／ｄｔ）の関係と
なっている。

ここで、ｄＭ／ｄ ｔ ＝空気と燃料の混合速度Ｓ＝混
合比の時間的、空間的分布 Ｔｍ＝平均サイクルガス温度 τｄ＝着火遅れ ｄ Ｑ／ｄ ｔ ＝熱発生率−グ（ａＭ／ｄｔ）である
。

噴射時期を遅らせることは着火遅れτｄを小さくするこ
とであるので、平均サイクルガス温度Ｔｍ熱発生率ｄＱ
／ｄｔを小さくすると共に、空気と燃料混合速度ｄＭ／
ｄ ｔ、混合比の時間的、空間的分布Ｓが悪化する。

したがって、噴射時期を遅らせると燃焼騒音、ＮＯｘを
低減できるが上記の関係から燃料消費率、排気色を悪化
してし昔つ。

上記現象を改善するには噴射時期を遅らせた時に空気と
燃料の混合速度ｄＭ／ｄｔを速める、すなわち着火後の
燃焼速度を速くすれば良い。

つ昔り、噴射時期を遅らせた場合に排気色、燃料消費率
が悪化するのは燃焼期間が上死点を過ぎてから長くなる
ことに帰因するので燃焼速度を速くして燃焼期間を短か
くすれば良いことになる。

この燃焼速度を速くするためには燃焼室内の空気流動（
特に着火後の空気流動）をさかんにすれば良い。

ここで空気流動とは公知の手段により燃焼室内に発生す
る大スワールと、その結果生ずる小スケールの渦を意味
するものである。

そこで、従来第１図、第２図に示す如ぐピストン１の頂
部に角形凹部２を削設置たは鋳設した角形燃焼室が提案
されている。

この形状の燃焼室であると、隅角部２ａに大スワールＡ
により小スケールの渦Ｂが発生して乱流を発生すること
ができるので、空気流動がさかんとなる。

しかし、この形状の燃焼室であると隅角部２ａに発生す
る小スケールのａＢの強さと犬スワールＡの強さは相反
する特性を有する。

すなわち隅角部２ａの半径Ｒを角形凹部２に内接する内
接円半径Ｒｏに対し比較的小さくすれば（Ｒ，／’Ｒｏ
を小さくすれば）隅角部２ａに発生する小スケールの渦
Ｂの強さを大きくできるが犬スワールＡか弱くなってし
１う。

また、ＲＩＲｏを大きくすれば犬スワールＡを強くでき
るが隅角部２ａに発生する小スケールの渦Ｂか弱くなっ
てし１う。

いずれにしても従来の形状の燃焼室では小スケールの渦
Ｂと犬スワールＡの両方を同時に強くできないと共に、
小スケールの渦Ｂは隅角部２ａの数だけしか形成されな
いので、空気流動を十分さかんとすることができない。

例えば、特開昭４９−７２５０８号公報ではＲ／Ｒｏを
０．４〜０．７５の範囲内としている。

本考案は上記の事情に鑑みなされたものであわ、その目
的は、空気流動を十分さかんとすることができるように
した燃焼室を提供することである。

以下、第３図以降を参照して本考案の実施例を説明する
。

ピストン１０の頂部には上部角形凹部１１と下部丸形凹
部１２とが上下に連続して削設寸たは鋳設しである。

上部角形凹部１１の隅角部１１ａは下部丸形凹部１２の
内周壁１２ａよりも外方に位置し、その内周壁１２ａは
上下方向に滑らかに彎曲しかつ上部角形凹部１１の内周
壁１１ｂとの接続部１３は滑らかな曲線となっていると
共に、その底壁１２ｂは中高の断面山形状となっている
。

オた、上部角形凹部１１の深さＤと下部丸形凹部１２の
深さＨはＤ／Ｈが０．７５となるようにしであると共に
、下部丸形凹部１２の半径γは上部角形凹部１１の内接
円半径Ｒｏの１〜１の範囲となっている。

このために、下部丸形凹部１２の内周壁１２ａに対して
上部角形凹部１１の内周壁１１ｂは２寸法だけ外方に位
置している。

、また、燃料は接続部１３．１−よび接続部１３より僅
かに下方に向って噴射される。

しかして、上部角形凹部１１内には上部穴スワールＡが
発生しかつその隅角部１１ａには小スケールの７１％Ｂ
が発生すると共に、下部角形凹部１２内には下部大スワ
ールＣが発生する。

これと同時に、彎曲した内周壁１２ａと接続部１３とに
も小スケールの渦り、Ｅが発生する。

また、吸入行程時シリンダヘッド吸入ポートにより創設
された上部穴スワールＡと下部大スワールＣは上部穴ス
ワールＡが隅角部１１ａで減衰されるので下部大スワー
ルＣの強さが上部穴スワールＡの強さよりも犬となる。

すなわち、上部穴スワールＡのスワール速度よりも下部
大スワールＢのスワール速度が速くなるので、上部穴ス
ワールＡと下部大スワールＣとの間に剪断流による乱流
Ｆが発生する。

この剪断流による乱流発生は上部角形凹部１１の深さＤ
と下部丸形凹部１２の深さＨとの比ｐによって変化する
。

かかる乱流発生の程度を測定する一つの手段として次の
ような評価方法を採用した。

すなわち、第１０図ａ、ｂに示すように、上部角形凹部
１１の対角線Ｎ−Ｎと下部丸形凹部１２の交点で〔ａ図
参照〕かつ上部角形凹部１１と下部丸形凹部１２との接
続部１３を結んで形成される境界面Ｍ−Ｍの上下台１朋
の点Ｐ、Ｑの流速Ｗ１ ｙＷ２及び速度変動ｕ′、ｖ′
をレーザ・ドツプラー流速計によりそれぞれ計測し、上
記各点Ｐ、Ｑの平均流速■ ｗ−−ｚ （ｗ １ ＋ｗ ２ ）及び速度変動平均値
ｕ′、ｖｌを算出し、その速度変動平均値ｕ’ 、 ｖ
’と密度ρと乗じたものを、上記平均流速ｗ −Ｌ（ｗ
１＋Ｗ２） −− ０２乗で除したもの、すなわち、ρ・ｕ’ 、 ｖ’／
ｗ ２を乱流度として採用し境界面Ｍ−ＭＫ釦ける乱流
の強さを相対計画したものである。

第６図は、上部角形凹部１１の深さＤと、下部り 丸形凹部１２の深さＨｌすなわち行を種々変化した場合
、すなわち０ 、０．３ 、０．５ 、１ 、１．２
。

１．５の各場合について乱流度を表わした表図であＤ す、この表図から明らかなように、行が０．３〜１・、
２の範囲であれば良好なる乱流を発生できることが判明
する。

丑た、内周壁１１ｂと内周壁１２ａとの差２が円周方向
により異なるために小スケールの渦りと小スケールの渦
Ｅの大きさは円周方向で異なり、この部分でも剪断流が
発生し小スケールの渦Ｄ、小スケールのｅＪＥはより複
雑となると共に、下部円形凹部１２が上部角形凹部１１
の内方に位置しているために隅角部１１ａの下方にいわ
ゆるスキッシュと同様の渦が創成される。

このように、燃焼室内には種々のスワールと渦が発生し
空気流動が十分さかんとなるので、燃焼速度が速くなり
、排気色、燃料消費率を低減できる。

次に具体的な燃焼状態を説明する。

第５図に示すようにノズル１４より噴射された燃料噴霧
は接続部１３を境として上部角形凹部１１と下部丸形凹
部１２とに分散するが、燃料噴霧が斜め上方から燃焼室
内に噴射されるために最初はスワール速度の遅い上部大
スワールＡ部分（以下低速スワール部分とする）を通り
、次に乱流１部分を通り、その後にスワール速度の速い
下部大スワールＣ部分（以下高速スワール部分とする）
に到達する。

ここで、燃料噴霧の方向は接続部１３、渣たは接続部１
３より僅かに下部としであるために、燃料噴霧はその中
間部の乱流１部分を最も長期間通過することになり、こ
の乱流１部分を燃料噴霧が通過するときに最も良好な混
合が行なわれることは明らかである。

このことを平面的に観た状況を第７図について説明する
と、噴射された燃料噴霧は、まず低速スワール部分をほ
ぼスワールに押されることなく進み（Ｇ部分）、次に乱
流部分にて多少スワールに抑流されながら乱流により良
好な混合が行なわれる（Ｉ部分）が、比較的粒径の大き
な燃焼粒はこの乱流部分でも混合が不十分である。

その後に粒径の大きな燃料は高速スワール部分の高速な
空気流に出合い粒の分解と気化が促進され良好な混合が
行なわれる。

（Ｈ部分）な釦、小スケールの渦Ｂと、小スケールの渦
り。

小スケールの渦Ｅも前述の混合気生成に寄与することは
当然であると共に、燃料噴霧が乱流部分を通る割合３よ
びその通過状況は第５図に示す噴霧角度θを変えること
により制御できる。

すなわち、第８図に示す如く接続部１３を中心とした上
側の噴霧角度θ１と下側の噴霧角度θ２を種々変更して
排気色と相対的燃料消費率とを測定したところ第９図に
示す表図の結果を得た。

この結果から上側の噴霧角度θ１が５度から下側の噴霧
角度θ２が１４度１での範囲が良好である。

このように、燃焼室のいたるところにスワールと渦が存
在しかつ剪断流による乱流があるので、空気流動が十分
にさかんとなり噴射開始から噴射路りまでの燃料噴霧は
良好に混合し燃焼速度を速めることができる。

また、着火後の燃焼速度をより一層速くするには噴射が
終了した後燃焼室各部に燃焼せずに残った燃料を速く燃
焼させる必要がある。

そのためには前述した局部的な小スケールの渦の存在が
効果的であるが、臣に重要なのは全体的な混合を達成す
るスワールの存在である。

また、上部角形凹部１１の隅角部１１ａのＲ／Ｒｏを小
さくして隅角部１１ａに発生する小スワールＢを強くし
ても下部丸形凹部１２内の下部大スワールＣのスワール
速度が速いので燃焼室全体としてのスワールエネルギー
に大きな損失がない。

したがって、小スワールＢの強さを犬とすることができ
るので混合状態を良好とすることができる。

本考案は前述のように構成したので、上部角形凹部１１
．下部丸形凹部１２内に上部大スワールＡ、下部大スワ
ールＣが発生し、隅角部１１ａに小スケールのＡＢが発
生すると共に、上部大スワールＡのスワール速度よりも
下部大スワールＣのスワール速度が速くなってその間に
剪断流による乱流Ｆが発生する。

このために、上部角形凹部１１の隅角部１１ａのＲ／′
Ｒｏを小さくして小スケールの渦Ｂを強くしても下部丸
形凹部１２内の下部大スワー・ルＣのスワール速度が速
いために燃焼室全体としてのスワールエネルギーを損失
することがない。

したがって、燃焼室内に強い小スケールの渦Ｂと、大ス
ワールＡ、Ｃと乱流Ｆとが発生し、空気流動性がさかん
となって強い小スケールの渦Ｂにより空気と燃料が局部
的に混合すると共に、大スワールＡ、Ｃと乱流Ｆとによ
り燃焼室全体内で空気と燃料が良好に混合するので着火
後の燃焼速度が速くなり、ＮＯｘと燃焼騒音を低減する
ために燃料噴射時期を遅らせても燃料消費率と排気色を
低減できる。

また、上部凹部１１が角形で下部凹部１２が丸形である
と共に、上部角形凹部１１の外周壁１１ｂが下部丸形凹
部１２の外周壁１２ａよりも外方に位置しているので、
隅角部１１ａの下方にもスキッシュと同様な渦が発生し
、より一層空気流動がさかんとなる。

さらに昔た、前記上部角形凹部１１の深さＤと前記下部
丸形凹部１２の深さＨと比肩を０．３〜１．２としたら
、良好な乱流を発生することができるばかりか、前記上
部角形凹部１１と前記丸形凹部１２の接続部１３を中心
として上側の噴霧角度θ１を５度、下側の噴霧角度θ２
を１４度の範囲内にかいて燃料を噴射するようにしたこ
とと相俟って、前述の如き作用効果を一層助長するもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は角形燃焼室の断面図、第２図は平面図、第３図
は本考案の実施例の断面図、第４図は平面図、第５図は
混合状態説明図、第６図は上部角形凹部の深さと下部丸
形凹部の深さとの比と乱流度との関係を示す表図、第７
図は混合状態説明平面図、第８図は燃料噴霧角度説明図
、第９図は燃料噴霧角度を変更して試験した結果を示す
表図、第１０図ａ、ｂは計測説明図である。 １０はピストン、１１は上部角形凹部、１２は下部丸形
凹部。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 ピストン１０の頂部に上部角形凹部１１と下部丸形凹部
   １２とを上下に連続しかつ前記上部角形凹部１１の内周
   １１１ｂが前記下部丸形凹部１２の内周壁１２ａよりも
   外方に位置するように形成すると共に、前記上部角形凹
   部１１の深さＤと前り 配下部丸形凹部１２の深さＨの比行が（Ｌ３〜１．２の
   範囲とし、かつ前記上部角形凹部１１と前記下部丸形凹
   部１２の接続部１３を中心として上側の噴霧角度θ１を
   ５度、下側の噴霧角度をθ２を１４度の範囲内に釦いて
   燃料を噴射するようにしたことを特徴とする燃焼室。