JPS62240419A - 直噴式デイ−ゼル機関およびその燃焼方法 - 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〕 本発明は直噴式ディーゼル機関およびその燃焼方法に関
する。

（従来の技術〕 直噴式ディーゼル機関は過流室付ディーゼル機関或いは
予燃焼室付ディーゼル機関と比べて燃料消費率が低いと
いう利点をもっている。従って種々の形式の直噴式ディ
ーゼル機関が提案されているが代表的な直噴式ディーゼ
ル機関では燃料噴射弁として多孔式燃料噴射弁が用いら
れ、また空気利用率を高めるために燃焼室内にスワール
を発生させるようにしている。しかしながら多孔式燃料
噴射弁を用いた場合には個々のノズル孔の径が小さなた
めにノズル孔が目づまりを起こすという問題がある。ま
た、ノズル孔が小さなためにノズルの温度が噴霧の生成
に大きな影響を与え、ノズルの温度によって燃焼室内に
形成される噴霧の形態が大きく変化するという問題があ
る。

また、このような多孔式燃料噴射弁を用いた直噴式ディ
ーゼル機関において噴射燃料がピストン頂面に形成され
たキャビティの内周壁面に到達するようにした場合には
噴射燃料が衝突するキャビティ内周壁部分が局所的に燃
料噴射時に噴射燃料によって冷却され、燃焼が開始され
ると燃焼ガスによって加熱される。従って噴射燃料が衝
突するキャビティ内周壁部分は冷却作用および加熱作用
が繰返されるために熱疲労を生ずる。また、このような
噴射燃料がキャビティ内周面に局所的に付着すると燃料
が付着したキャビティ内周壁部分の温度が低下し、また
付着燃料量も多いために付着燃料がすみやかに気化せず
、斯くして白煙、青煙が発生する。従って多孔式燃料噴
射弁を用いた直噴式ディーゼル機関では通常噴射燃料が
キャビティ内周壁面に到達しないように燃料噴射圧力お
よびノズル孔の寸法が定められている。

ところがこのディー、ゼル機関では燃料噴射量を増量す
ると隣接するノズル孔からの噴射燃料により形成される
燃料噴霧が互いに重なり合い、その結果多量のすすが発
生する０通常このような噴霧の重なりは燃焼室内に発生
するスワールの強さを調整することによって防止するよ
うにしているがあらゆる運転状態に対して適切にスワー
ルを調整することは極めて困難である。

また、ディーゼル機関においては着火遅れが存在するた
めに高速になるにつれて燃料噴射開始時期を早めなけれ
ばならない。しかしながら多孔式燃料噴射弁を用いた場
合には噴射燃料をただちに霧化せしめる拡散燃焼方式を
採用しているために燃料噴射開始時期を早めると急激な
予混合気燃焼が行なわれ、斯くして激しいディーゼルノ
ックを発生する。従って燃料噴射開始時期を早めること
ができず、従って機関回転数を高めることができない。

現在市販されている直噴小型ディーゼル機関の良好な燃
焼が得られる最高回転数は３０００ｒ、ｐ、ｍ程度であ
る。

また、キャビティ内においてはキャビティ周壁部に存在
する空気量が最も多い。しかしながら上述のように直噴
式ディーゼル機関では噴射燃料がキャビティ周壁面に到
達しないようにしているのでキャビティ周壁部に存在す
る空気を十分に利用することができず、必然的に空気利
用率が低下する。

一方、ピストン頂面に形成されたキャビティ内に燃料衝
突壁を形成すると共に燃料噴射弁から燃料衝突壁に向け
て燃料を噴射し、燃料衝突壁に衝突した噴射燃料を周囲
に飛散せしめるようにした直噴式ディーゼル機関が公知
である（特開昭５９−２１１７１６号公報参照）。この
直噴式ディーゼル機関では燃料噴射弁のノズル孔から１
５度乃至２０度の噴霧角でもって燃料衝突面に向けて燃
料が噴射され、このときに噴射燃料の一部が微粒化され
て第一段目の微粒化作用が行なわれる。次いで燃料衝突
壁に衝突した噴射燃料は周囲に飛散せしめられ、このと
きに２段目の微粒化作用が行なわれる。

このようにこの直噴式ディーゼル機関では２段階の微粒
化作用を行なわせることによって噴射燃料の微粒化を促
進するようにしている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながらこの直噴式ディーゼル機関では第１段目の
微粒化作用においてがなりの燃料を霧化せしめるために
１５度から２０度の噴霧角でもって燃料を噴射せしめる
ようにしている。また、このように１５度から２０度の
噴霧角でもって燃料を噴射せしめると上述のようにがな
りの燃料が霧化せしめられるために燃料衝突壁に衝突す
る燃料量がかなり減少し、しかも燃料衝突壁に衝突する
際の燃料の速度もかなり遅くなる。その結果、燃料衝突
壁に衝突した燃料は周囲に飛散して第２段目の微粒化が
行なわれるがこの燃料はキャビティ内周壁面に到達する
には至らない。即ち、この直噴式ディーゼル機関におい
ても噴射燃料がキャビティ周壁面に到達しないようにし
ている。このことは第２段目の微粒化が燃料衝突壁への
燃料の衝突によって行なわれ、その後に燃料がキャビテ
ィ内周壁面に衝突して第３段目の微粒化が行なわれるこ
とに関する示唆がないことからも明らかである。

しかしながらこのように噴射燃料がキャビティ内周壁面
に到達しないようにするとキャビティ周辺部に存在する
空気を十分に利用することができず、キャビティ中心域
の燃料密度が濃くなって熱ピンチが生じやすくなり、従
って噴射燃料量を増大せしめるとすすが発生することに
なる。また、機関高速運転を行なうには燃料噴射開始時
期を早める必要があるが燃料噴射弁のノズル孔から噴出
した燃料の微粒化が良好なために燃料噴射開始時期を早
めるとディーゼルノックを生ずることになる。従ってこ
の直噴式ディーゼル機関も機関回転数を高くすることが
できず、良好な燃焼が得られる最高回転数は３００Ｏｒ
、ｐ、＋ａ程度である。

ｃ問題点を解決するための手段〕 上記問題点を解決するために本発明によれば直噴式ディ
ーゼル機関において、ピストン頂面に形成したキャビテ
ィの内周壁面に液状燃料が付着するように燃料噴射弁か
ら燃料を噴射し、燃料噴射弁からの燃料噴射を圧縮着火
が行なわれる以前に完了せしめるようにしている。

更に、上記問題点を解決するために本発明によれば直噴
式ディーゼル機関において、ピストン頂面に形成したキ
ャビティ内に燃料衝突壁を形成すると共に燃料噴射弁か
ら燃料衝突壁に向けて燃料を噴射し、燃料衝突壁を燃料
衝突壁に衝突した燃料がキャビティの内周壁面に向けて
飛散するように形成し、機関高負荷運転時の燃料噴射開
始時期を機関低負荷運転時の燃料噴射開始時期よりも早
めるようにしている。

更に、上記問題点を解決するために本発明によれば直噴
式ディーゼル機関において、ピストン頂面に形成したキ
ャビティ内に燃料衝突壁を形成すると共に燃料噴射弁か
ら燃料衝突壁に向けて燃料を噴射し、燃料衝突壁を燃料
衝突壁に衝突した燃料がキャビティの内周壁面に向けて
飛散するように形成し、機関高速運転時の燃料噴射開始
時期を機関低速運転時の燃料噴射開始時期よりも早める
ようにしている。

更に、上記問題点を解決するために本発明によれば直噴
式ディーゼル機関の燃焼方法において、燃料噴射弁から
キャビティ内に向けて燃料を噴射し、噴射燃料をキャビ
ティの内周壁面上に付着させ、圧縮着火が行なわれる以
前に燃料噴射弁からの燃料噴射を完了し、キャビティ内
周壁面上に付着した燃料を蒸発させてキャビティ内に混
合気を形成し、次いでキャビティ内の燃料を圧縮着火せ
しめるようにしている。

更に、上記問題点を解決するために本発明によれば直噴
式ディーゼル機関の燃焼方法において、ピストン頂面の
キャビティ内に形成した燃料衝突壁に向けて燃料を噴射
し、噴射燃料を燃料衝突壁に衝突した後にキャビティの
内周壁面に向けて飛散させ、次いで飛散された噴射燃料
をキャビティ内周壁面上に付着させ、次いでキャビティ
内周壁面上に付着した燃料を蒸発させてキャビティ内に
混合気を形成し、次いで、キャビティ内の燃料を圧縮着
火せしめるようにしている。

〔実施例〕

第１図に本発明を４ストロ一クデイーゼル機関に適用し
た場合を示す。しかしながら熱論本発明を２ストロ一ク
デイーゼル機関に適用することもできる。

第１図を参照すると、１ばシリンダブロック、２はシリ
ンダブロック１内を往復動するピストン、３ばシリンダ
ブロックエ上に固定されたシリンダヘッド、４は吸気弁
、５は吸気ボート、６は排気弁、７は排気ポート、８は
シリンダへラド３の平坦内壁面３ａのほぼ中央部に配置
された燃料噴射弁を夫々示す。ピストン２は平坦な頂面
２ａを有し、この平坦なピストン頂面２ａの中央部にキ
ャビティ９が形成される。このキャビティ９は底壁面９
ａと断面円弧状の内周壁面９ｂとを有し、内周壁面９ｂ
の上端部には内方に向けて突出する環状リブ部９ｃが形
成される。従って環状リブ部９ｃの内径は断面円弧状内
周壁面９ｂの最大内径よりも小さい。キャビティ９の底
壁面９ａの中央部には上方に向けて突出する隆起部１ｏ
が形成され、この隆起部１０の頂面には燃料衝突壁１１
が形成される。第１図に示すように燃料噴射弁８がらは
燃料Ｇが燃料衝突壁１１の中央部に向けて噴射される。

第２図に４ストロ一クデイーゼル機関の別の実施例を示
す。この実施例ではキャビティ９が第１図のキャビティ
９よりも深い球形状をなし、第１図と同様に環状リブ部
９ｃの内径は円弧状内周壁面９ｂの最大内径よりも小さ
い。更に、第１図と同様にキャビティ９の底壁面９ａの
中央部に形成された隆起部１０の頂面上には燃料衝突壁
１１が形成され、この燃料衝突壁１１の中央部に向けて
燃料噴射弁８から燃料Ｇが噴射される。第１図および第
２図かられかるように第２図の隆起部１゜の高さは第１
図の隆起部１ｏの高さよりも低くなっている。

次にキャビティ形状が第１図のキャビティ９の形状を存
する場合を例にとって第３図および第４図を参照しつつ
本発明の基本原理について説明する。

第３図はキャビティ９の中心軸線Ｏからの距離ｒとキャ
ビティ９内の空気量Ｑとの関係を示す。

第３図かられかるようにキャビティ９内の空気量Ｑはキ
ャビティ９の中心軸線０から離れるに従って増大し、キ
ャビティ９の周壁部において最大となる。本発明は量が
最大となるキャビティ９の周壁部の空気を有効に利用す
るようにしたものである。

次に第４図を参照してまず始めに本発明による混合気形
成方法について説明する。

機関運転時において圧縮行程後期になると第４図に示さ
れるように燃料噴射弁８から燃料Ｇが燃料衝突壁１１に
向けて噴射される。このとき噴射燃料Ｇは可能な限り広
がらないようにすることが必要である。即ち、燃料噴射
弁８から噴出した燃料Ｇが積極的に微粒化されることな
く連続流のままで燃料衝突壁Ｉｆに衝突することが必要
である。

しかしながら実際には燃料噴射弁８から噴射された燃料
Ｇをノズル孔から噴出した後に全く広がらないようにす
ることは困難である。従って実際の燃料噴射弁を考慮す
ると燃料噴霧角は１０度以下であることが好ましい。燃
料噴霧角が１０度以下であれば大部分の燃料は連’Ｉｔ
流のままで燃料衝突壁１１に衝突せしめることができる
ものと考えられる。一方、燃料噴射弁８から連続流のま
まで燃料を噴射せしめても燃料の一部はノズル孔から噴
出する際に気化し、また噴射燃料が燃料衝突壁に到達す
る前に燃料の一部は気化して拡散する。従って燃料噴射
弁８から燃料が噴射されると噴射燃料Ｇの周りに、即ち
第４図の破ＭＡで囲まれた領域内に混合気が形成される
。

次いで噴射燃料Ｇが燃料衝突壁１１に衝突すると一部の
燃料は反射して粗粒子の形ではね返り、一部の燃料は燃
料衝突壁１１上を半径方向に向けて流れ、次いで粗粒子
の形で燃料衝突壁１１から飛び出す。このとき燃料衝突
壁１１から飛び出す粗粒子がキャビティ９の内周壁面９
ｂ上にできるだけ均等に向かうように燃料衝突壁１１を
形成することが好ましい。噴射燃料Ｇは上述したように
連続流の形で燃料衝突壁１１に衝突するので噴射燃料Ｇ
は大きな運動エネルギを有し、従って燃料衝突壁１１か
ら飛び出す個々の粗粒子も大きな運動エネルギを有する
。このように個々の粗粒子が大きな運動エネルギを有し
、しかもこれら粗粒子の径は比較的大きなことから各粗
粒子は慣微力を有し、従ってかなりの量の粗粒子がキャ
ビティ９の内周壁面９ｂに達して全内周壁面９ｂ上に一
様に付着する。なお、燃料衝突壁１１から飛び出した粗
粒子がキャビティ９の内周壁面９ｂに達する間において
燃料の霧化作用が進行し、斯くして第４図の領域Ａの外
側には破線Ｂで示すドーナツ状の混合気領域が形成され
る。このとき圧縮作用は進行中であり、圧力および燃料
密度が共に低いために急激な燃焼反応は未だ生じていな
い。

キャビティ９の内周壁面９ｂに付着した液状燃料はキャ
ビティ内周壁面９ｂから熱を奪って気化する。上述した
ように付着燃料量はキャビティ内周壁面９ｂの全面に亘
って一様に分布しており、従って多量の燃料がキャビテ
ィ内周壁面９ｂに付着してもキャビティ内周壁面９ｂの
単位面積当りに付着する燃料量は少ない。従ってキャビ
ティ内周壁面９ｂが局所的に冷却されることがないので
白煙、青煙が発生することがなく、またキャビティ内周
壁面９ｂの温度は機関運転中高温度に保持されるために
キャビティ内周壁面９ｂ上に付着した液状燃料が徐々に
気化し、斯くして領域Ｂの外側には破線Ｃで示す混合気
領域が形成される。このように本発明によればキャビテ
ィ９内には燃料噴射時の霧化作用によって第１段階の混
合気領域Ａが形成され、次いで燃料衝突壁１１への衝突
による霧化作用によって第２段階の混合気領域Ｂが形成
され、次いでキャビティ内周壁面９ｂからの気化作用に
よって第３段階の混合気領域Ｃが形成される。従って本
発明における混合気形成段階における第１の特徴は最も
空気量の多いキャビティ９の周壁部に混合気領域Ｃが形
成されることにあり、これによってキャビティ９内の空
気利用率が大巾に高められ、更にキャビティ９内の燃料
の混合、気化、活性化が促進され、急速燃焼への準備が
整のうことにある。第２の特徴は各混合気領域Ａ、Ｂ、
Ｃが時間遅れをもって順次形成されることにある。しか
もこの場合、混合気量の最も少ない混合気領域Ａがまず
始めに形成され、次いで混合気量の多い混合気領域Ｂ、
Ｃが形成される。第３の特徴は各混合気領域Ａ、Ｂ、Ｃ
によってキャビティ９内の空間全体が占められることに
ある。

即ち、各混合気領域Ａ、Ｂ、Ｃばキャビティ９の底壁面
９ａとシリンダヘッド内壁面３ａ間の全体に亘って立体
的に形成され、しかも混合気領域Ａを包囲するように混
合気領域Ｂが形成され、混合気領域Ｂを包囲するように
混合気領域Ｃが形成されるのでキャビティ９内の空間全
体が各混合気領域Ａ、Ｂ、Ｃによって占められることに
なる。ここで重要なことはまだ空気密度、即ち酸素濃度
の低いキャビティ９内の全領域が燃料混合気によって満
たされ、この混合気は圧縮の進行により圧力。

熱、酸素の補給を受けて急速反応に移行するが、この急
速反応に到るまでにキャビティ９内の燃料はキャビティ
周壁面からの授熱により活性化が十分に図られているこ
とにある。

次に第５図および第６図を参照して本発明において採用
される燃料噴射時期の一例について説明する。

第５図の実ｉＫは燃料噴射開始時期を示す。なお、第５
図において横軸はクランク角を示し、縦軸りは機関負荷
を示す。第５図かられかるように燃料噴射開始時期には
機関負荷が高くなるにつれて早められる。なお、この燃
料噴射開始時期には機関回転数に応じて変化し、機関回
転数が高くなるほど破線に、、Ｋｔ・・・Ｋ、、で示さ
れるように燃料噴射開始時期が早められる。第５図に示
されるように高速高負荷運転時における燃料噴射開始時
３ＬｌｌＫｎ’４よ上死点前４０度よりももっと前まで
早められる。なお、第５図の矢印Ｔは燃料噴射ポンプの
タイマーにより制御される燃料噴射開始時期の範囲を示
す。

第６図は模式的に表わした燃料噴射率Ｑとクランク角と
の関係を示す。第６図において曲線り。

はアイドリング運転時を示し、曲線Ｌ２は中負荷運転時
を示し、曲線り、Ｊは高負荷運転時を示す。

第６図の実線で示すようにアイドリング運転時における
燃料噴射完了時期は例えば上死点前１０度の一定クラン
ク角に設定され、従って燃料噴射開始時期は機関負荷が
大きくなるにつれて早くなる。

また、破線で示されるように機関回転数が高くなるにつ
れて燃料噴射時期は早められるが燃料噴射完了時期は機
関負荷にかかわらずに一定となる。

なお゛、第５図および第６図は一例を示すものであって
必ずしも第５図および第６図に示されるように燃料噴射
時期を設定する必要はないが少くとも機関高負荷運転時
における燃料噴射開始時期を機関低負荷運転時における
燃料噴射開始時期よりも早めることが好ましく、機関高
速運転時における燃料噴射開始時期を機関低速運転時に
おける燃料噴射開始時期よりも早めることが好ましい。

次に再び第４図を参照して本発明による燃焼方法につい
て説明する。前述したように圧縮行程中に燃料噴射弁８
から燃料Ｇが噴射され、各混合気領域Ａ、Ｂ、Ｃが順次
形成される。機関アイドリング運転時或いは機関低負荷
運転時には噴射燃料量が少なく、従ってキャビティ内周
壁面９ｂに付着する燃料量も少ない、従ってキャビティ
内周壁面９ｂに付着した燃料はただちに気化せしめられ
、斯くして燃料噴射弁８から燃料Ｇが噴射されると最初
に混合気領域Ａが、次いで混合気領域Ｂが、次いで混合
気領域Ｃが比較的短かい時間間隔で形成される。このよ
うに比較的短かくはあるが成る時間間隔をもって各混合
気領域Ａ、Ｂ、Ｃ内に順次混合気が形成されるので各混
合気領域Ａ、Ｂ。

Ｃの混合気は順次段階的に燃焼せしめられ、その結果圧
力上昇率が比較的緩やかな燃焼が行なわれる。その結果
、ディーゼルノックが発生することもなく、静粛な運転
が得られることになる。

機関負荷が高くなるとそれに伴なって燃料噴射量が増大
するために各混合気領域Ａ、Ｂ内に形成される混合気量
が増大し、またキャビティ内周壁面９ｂ上に付着する燃
料量も増大する。キャビティ内周壁面９ｂ上に付着する
燃料量が増大するとそれに伴なってキャビティ内周壁面
９ｂの温度低下も大きくなり、しかも単位重量当りの燃
料がキャビティ内周壁面９ｂから奪う熱量も低下する。

従ってこのときには燃料噴射開始時期を早めて燃料の活
性化を図る必要がある。その結果、キャビティ内周壁面
９ｂ上に付着した全燃料が気化するのに時間を要するこ
とにもなる。従ってこのときにも各混合気領域Ａ、Ｂ、
Ｃ内の混合気は１頃次段階的に燃焼せしめられ、しかも
キャビティ内周壁面９ｂ上に付着した燃料は順次気化活
性化するので混合気領域Ｃ内の混合気も気化した燃料か
ら順次燃焼することになる。その結果、圧力上昇率が比
較的緩やかな燃焼が行なわれ、斯くしてディーゼルノッ
クを発生しない良好な燃焼を得ることができる。

機関負荷が高くなって燃料噴射量が増大すると上述した
ようにキャビティ内周壁面９ｂに付着する燃料量が増大
し、斯くしてキャビティ内周壁面９ｂに付着した全燃料
が気化するのに時間を要することになる。その結果、燃
焼時間が長びき、出力が低下する危険性がある。このよ
うな危険性を防止するために機関負荷が高くなるにつれ
て燃料噴射開始時期を早めることが好ましい。燃料噴射
開始時期を早めると燃料噴射が開始されたときのキャビ
ティ９内の圧縮空気温度、空気密度がまだ低いためにキ
ャビティ９の内周壁面９ｂに付着した燃料が気化しても
この気化した燃料が急速に反応することはない。即ち、
燃料噴射開始時期を早めると着火する前に既に混合気領
域Ｃ内には予混合気が形成される。なお、機関高速高負
荷運転時には第５図に示されるように燃料噴射開始時期
が上死点前４０度程度、或いはそれよりももっと早めら
れ、このときには圧縮着火が行なわれる前に燃料噴射作
用が完了している。次いでこの混合気領域Ｃ内の予混合
気の量は徐々に増大する。ピストン２が上昇してキャビ
ティ９内の圧縮空気温度、空気密度が上昇し、キャビテ
ィ９内に新気が流入すると先に形成された混合気領域Ａ
の混合気から混合気領域Ｂ、Ｃの混合気へと順次燃焼せ
しめられる。その結果、緩やかな燃焼が行なわれるため
にディーゼルノックを生ずることがない。また、キャビ
ティ９の周壁部の空気を十分に利用できるのですすが発
生することがなく、機関高出力を得ることができる。着
火を開始する前にどの程度の量の予混合気を形成するか
はキャビティ９の形状やその他の機関の構造に依存して
いるが予混合気量を調節することによってディーゼルノ
ックを生ずることなく最大重゛力を得られることば明ら
がである。本発明によれば各混合気ｗＩ域Ａ、Ｂ、Ｃ内
の混合気を順次段階的に燃焼せしめることによって良好
な燃焼が得られる最高回転数を５００Ｏｒ、ｐ、ｍ以上
にすることができ、しかもキャビティ９の周壁部に形成
される予混金気の量を適切に変化させ、この予混合気を
活性化するために燃料噴射時期を機関負荷、回転数に応
じて適切に変化せしめることによって機関高速高負荷運
転時にすすが発生することなく、高出力を得ることがで
きる。

第７図に４ストロ一クデイーゼル機関の別の実施例を示
す。この実施例ではキャビティ９の底壁面９ａ上に燃料
衝突壁１１が形成され、燃料噴射弁８がキャビティ９内
に突出せしめられる。この場合でも燃料の微粒化と拡散
燃焼を請訓するために燃料衝突壁１１は燃料衝突壁１１
に衝突した燃料がキャビティ内周壁面９ｂ上に一様に付
着しうる形状にすることが好ましい。

第８図は４ストロ一クデイーゼルａ間の更に別の実施例
を示す。この実施例では燃料衝突壁１１の下方であって
燃料衝突壁ＩＩの周囲に環状段部１２が形成される。こ
の環状段部１２は燃料噴射弁８から噴射された燃料Ｇの
周りに形成される噴霧がキャビティ底壁面９ａに付着す
るのを阻止し、゛環核段部１２に衝突した噴霧をキャビ
ティ内周壁面９ｂに向けて飛散させる役目を果す。

第９図から第１１図は燃料衝突壁１１の一例を示す。第
９図から第１１図を参照すると燃料衝突壁１１は平坦な
円形中央部１３と、円形中央部１３の中心に形成された
ほぼ円錐状の突起１３ａと、円形中央部Ｉ３から放射杖
に延びる傾斜面１４ａ。

１４ｂ、１４ｃとを具備し、各傾斜面１４ａ　、　１４
ｂ　。

１４Ｃの半径方向内端部は円形中央部Ｉ３に滑らかに接
続される。第１１図は各傾斜面１４ａ　、　１４ｂ　。

１４Ｃの傾斜の差異を明確にするために第１０図のａｖ
Ａ、ｂ線、ｃｖＡに沿ってみた各傾斜面１４ａ。

１４ｂ、１４ｃの断面形状を図解的に示している。第９
図から第１１図に示されるように各傾斜面１４ａ。

１４ｂ、１４ｃは半径方向上方に向けて傾斜しており、
傾斜面１４ａの傾斜角が最も大きく、傾斜面１４ｃの傾
斜角が最も小さい。また、傾斜面１４ａば等角度間隔で
４個形成されており、各傾斜面１４ａは２ツおきに形成
される。これば他の傾斜面１４ｂ、１４Ｃについても同
様である。燃料噴射弁８から噴出した燃料Ｇ（第４図）
は燃料衝突壁１１の円形中央部１３に形成された突起１
３ａに衝突し、一部の燃料は反射して円形中央部１３か
らはね返り、残りの燃料は突起１３ａにより案内された
後に各傾斜面１４ａ　、　１４ｂ　、　１４ｃに沿って
キャビティ内周壁面９ｂに向けて飛散する。従って傾斜
角の異なる各傾斜面１４ａ　、　１４ｂ　、　１４ｃを
燃料衝突壁１１の円形中央部１３の周囲に順次形成する
ことによってキャビティ内周壁面９ｂの全領域に亘って
一様に燃料を付着せしめることができる。また、噴射燃
料Ｇは円錐状の突起１３ａにより案内されてゆっくりと
方向変換せしめられるので噴射燃料Ｇはさほど減速され
ることなくキャビティ内周壁面９ｂに向けて飛散する。

その結果、キャビティ内周壁面に向かう燃料粗粒子は大
きな貫徹力を有する。また、噴射燃料Ｇを円錐状突起１
３ａにより案内することによって噴射燃料衝突時に噴射
燃料が霧化するのを抑制でき、大部分の燃料をキャビテ
ィ内周壁面９ｂに向けて飛散せしめることができる。こ
のように円錐状突起１３ａを設けることにより大部分の
燃料をキャビティ内周壁面９ｂに向けて飛散させること
ができ、しかもキャビティ内周壁面９ｂに向けて飛散す
る燃料粗粒子は大きな貫徹力を有するので多量の燃料を
キャビティ内周壁面９ｂに付着せしめることができる。

上述したように第９図から第１１図に示す燃料衝突′壁
１１は一例であり、キャビティ内周壁面９ｂに燃料を一
様に付着せしめることができればどのような形状の燃料
衝突壁ｉｔであってもよい。

例えば円形中央部１３を凸状球形成いは凹状球形にする
こともできるし、また傾斜面１４ａ　、　１４ｂ　。

１４Ｃの代りに傾斜角の異なる多数の細溝にしてもよい
。また、場合によっては燃料衝突壁１１全体を平坦面に
することができる。更に、燃料衝突壁ｌｌはピストン２
と一体形成することもできるし、第９図から第１１図に
示すように燃料衝突壁１１を・耐熱耐摩耗性の部材１５
上に形成し、この部材１５をピストン２上に固着するよ
うにしてもよい。

第１２図から第１４図は燃料噴射弁８の種々の実施例を
示す。第１２図から第１４図において１Ｇはノズルホル
ダ、１７ばニードル、１８はノズル孔を夫々示す。本発
明では前述したように燃料噴射弁８のノズル孔１８から
噴出した燃料ができるだけ広がらずに連続流のままで燃
料衝突壁１１（第４図）に衝突させる必要がある。そこ
で本発明では第１２図のような単孔１８のホールノズル
、或いは第１３図に示すような噴霧が広がらないように
改良されたビントルノズル又はスロ・ノトルノズルを使
用することが好ましい。なお、第１４図に示すように複
数個のノズル孔１８を有し、各ノズル孔１８から噴出し
た燃料を互いに衝突せしめるようにしてもよい。

第１５図から第１８図はキャビティ９の種々の実施例を
示す。第１５図は第１図に示すキャビティ９の平面図を
示しており、燃料噴射弁８はキャビティ９の中央部に配
置されている。これに対して第１６図に示す実施例では
燃料噴射弁８がキャビティ９の中心から偏心して配置さ
れており、従ってこの場合には燃料衝突壁１１もキャビ
ティ９の中心から偏心して配置される。燃料衝突壁１１
をキャビティ９の中心から偏心して配置すると燃料衝突
壁Ｉｌから飛び出した燃料がキャビティ内周壁面９ｂに
到達する時間がキャビティ内周壁面９ｂの位置毎に異な
り、従って圧縮行程末期において燃料衝突壁１１に近い
キャビティ内周壁面ｌｌ上から順次混合気が形成される
。従って混合気領域Ｃ（第４図）における燃焼が時間的
にずれて順次進行するために急激な圧力上昇を一層防止
することができる。また、第１７図に示すようにキャビ
ティ９の形状を三角形状としても、又第１８図に示すよ
うにキャビティ９の形状を四角形状としてもキャビティ
内周壁面９ｂに燃料が到達する時間がキャビティ内周壁
面９ｂの各位置において異なり、従って混合気領域Ｃ（
第４図）における燃焼が時間的にずれて順次進行するた
めに急激な圧力上昇を一層防止することができる。

前述したように本発明においては第５図に示すように機
関負荷りが高くなるにつれて燃料噴射開始時期Ｋを早く
し、また第６図に示すように燃料噴射完了時期を機関負
荷にかかわらずに一定とし、機関回転数の増大に伴ない
タイマーによって早めることが好ましい。このように燃
料噴射時期を機械的に制御する燃料噴射制御装置の一例
が第１９図および第２０図に示され、電気的に制御する
燃料噴射制御装置の一例が第２１図および第２２図に示
される。

第１９図を参照すると燃料噴射弁８は機関駆動の燃料噴
射ポンプ２０に連結される。燃料噴射ポンプ２０はよく
知られているようにプランジャバレル２１と、プランジ
ャバレル２１内で機関駆動のカム（図示せず）により往
復動せしめられるプランジャ２２と、プランジャバレル
２１の外周に回転可能に取付けられた制御スリーブ２３
と、制御スリーブ２３に一体形成された制御ビニオン２
４と噛合する制御ラック２５とを具備する。プランジャ
２２にはフランジ２６が形成され、このフランジ２６が
制御スリーブ２３に形成された溝２７と係合する。制御
ラック２５はアクセルペダルに連結され、アクセルペダ
ルが踏込まれると制御ラック２５は長手方向に移動せし
められる。このとき制御スリーブ２３は回転せしめられ
、同時にプランジャ２２も回転せしめられる。第２０図
に示されるようにプランジャ２２の上端部外周面には傾
斜した下端縁２８ａを有する上部切欠き２８と、水平に
延びる上端縁２９ａを有する下部切欠き２９とが形成さ
れる。上部切欠き２８は燃料噴射弁８に連結されたシリ
ンダ室３０（第１９図）に常時連通し、下部切欠き２９
はプランジャ２２内に形成された燃料逃し孔３１を介し
てシリンダ室３０内に連通ずる。第１９図に示されるよ
うにプランジャバレル２１には燃料供給孔３２が形成さ
れる。プランジャ２２の上昇中において燃料供給孔３２
が上部切欠き２日の下端縁２８ａと下部切欠き２９の上
端縁２９ａとの間のプランジ中外周面によって閉鎖され
ているときにシリンダ室３０内の燃料は圧縮され、燃料
噴射弁８から燃料が噴射される。機関負荷が高くなると
プランジャ２２は第２０図において矢印Ｚの方向に回転
せしめられる。

その結果、燃料供給孔３２がプランジャ２２によって閉
鎖される時期が早められ、斯くして燃料噴射開始時期が
早められることになる。一方、切欠き２９の上端縁２９
ａは水平に延びているので燃料噴射作用は一定のクラン
ク角で完了することになる。なお、燃料噴射ポンプ２０
はタイマー（図示せず）を具えており、このタイマーに
よりプランジャ駆動用カムが機関回転数の増大に伴ない
燃料噴射開始時期が早くなるように制御される。

第２１図は燃料噴射弁８′を電子制御ユニット４０の出
力信号により電気的に制御する場合を示している。この
実施例においては燃料噴射弁８′のノズル孔１８は燃料
通路３３を介して燃料供給ポンプ３４に連結され、燃料
１ｆｆｉ路３３の開閉Ｍ御をするプランジャ３５がピエ
ゾ圧電素子３６により制御される。このピエゾ圧電素子
３６は薄板状の圧電素子を多数枚積層した積層構造をな
しており、このピエゾ圧電素子３６に電圧を印加すると
ピエゾ圧電素子３６の電歪効果によって長手方向の歪を
生じ、その結果ピエゾ圧電素子３６は伸長する。従って
この燃料噴射弁８′ではピエゾ圧電素子３６の伸長、収
縮作用によってプランジャ３５が駆動され、燃料通路３
３の開閉制御が行なわれる。電子制御ユニット４０はデ
ィジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によ
って相互に接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４
２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモ１月　４３、ＣＰＵ
　（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５および
出力ポート４６を具備する。機関負荷、例えばアクセル
ペダルの踏込み量を検出する負荷センサ４７がＡＤ変換
器４８を介して人力ボート４５に接続され、機関回転数
を検出する回転数センサ４９がＡＤ変換器５０を介して
入力ポート４５に接続される。一方、出力ポート４６は
駆動回路５１を介して燃料噴射弁８′のピエゾ圧電素子
３６に接続される。

第２２図はピエゾ圧電素子３６を具えた燃料噴射弁８′
を用いた場合の燃料噴射処理ルーチンを示す。第２２図
を参照すると、まず始めにステップ６０において機関負
荷りを表わす負荷センサ４７の出力信号、および機関回
転数Ｎを表わす回転数センサ４９の出力信号を取込む。

次いでステップ６１では機関負荷りおよび機関回転数Ｎ
から燃料噴射時間が計算される。例えば機関負荷し、機
関回転数Ｎと燃料噴射期間との関係はマツプの形で予め
ＲＱＭ　４２内に記憶されており、ステップ６１ではこ
のマツプから燃料噴射期間が計算される。次いでステッ
プ６２では機関負荷りおよび機関回転数Ｎから燃料噴射
開始時期が計算される。

燃料噴射開始時期と機関負荷り、機関回転数Ｎとの関係
は例えば第５図においてに、ＫＩ　、Ｋｚ　　。

・・・Ｋ、、で示すような関係となっており、この関係
は予めＲＯＭ　４２内に記憶されている。次いでステッ
プ６３では燃料噴射時間と燃料噴射開始時期から燃料噴
射完了時期が計算される０次いでステップ６４では燃料
噴射開始時期と燃料噴射完了時期に基いて燃料噴射が行
なわれる。

第４図を参照して既に説明したように本発明では混合気
領域Ａ、Ｂ、Ｃ内の混合気が順次燃焼せしめられる。こ
の場合、ピストン２が上死点に近づくとピストン２の平
坦頂面２ａとシリンダへラド３の内壁面３３間に形成さ
れるスキッシュエリアからスキッシュ流がキャビティ９
内に流入するので各混合気領域Ａ、Ｂ、Ｃ内の混合気に
強力な乱れが与えられ、更にキャビティ内周壁面９ｂ上
に液状燃料が残っている場合にはこの液状燃料の気化も
促進される。このようにキャビティ９内には強力な乱れ
が発生せしめられるために各混合気領域Ａ、Ｂ、Ｃ内の
予め活性化されている混合気は順次急速に燃焼せしめら
れ、斯くして着火遅れが短かくなるために高出力を得る
ことができる。

なお、本発明においては機関吸気系をシリンダ内にスワ
ールが生じるように形成することもできるが混合気はキ
ャビティ９内の全領域に形成されるのでスワールを特に
生じさせないでもすすが発生しない良好な燃焼を得るこ
とができる。

また、本発明では第１２図或いは第１３図に示すような
単孔ノズルを使用することができる。こΦような単孔ノ
ズルは自己清浄作用があり、従って従来の多孔ノズルの
よ°うに目詰まりを生ずる危険性もない。また、本発明
では燃料噴射圧力は１００ｋｇ／ｃｍ２から２００ｋｇ
／ｃ＋ｗ”と比較的低圧力でよいので燃料噴射ポンプの
駆動力を軽減することができ、それだけ燃料消費率を低
減することができる。また、単孔ノズルを使用できるこ
とから従来よりノズルにより制約を受けて実現不可能で
あった超小型の直噴式ディーゼル機関の実現が可能にな
ったという大きな意味がある。

また、本発明では着火前にキャビティ９の周辺部に予め
混合気を形成して気化、活性化を図ることにより空気利
用率を高めると共に着火遅れを短かくすることができ、
斯くして直噴式ディーゼル機関においても５０００ｒ、
ｐ、ｍ以上の高速回転で良好な燃焼が可能になったので
ある。また、燃料噴射開始時期を調節することによりキ
ャビティ９の周辺部に形成される予混合気の量を調節す
ることができる。即ち、燃料に応じた最適なテの予混合
気をキャビティ９の周辺部に形成することができ、斯く
して多種燃料をも使用することができるという利点もあ
る。

また、本発明による燃焼方法はキャビティ９の形状やス
ワールに対して鈍感であり、従って機関の設計上極めて
有利である。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば各混合気領域Ａ、Ｂ、
Ｃ内の混合気が時間差をもって順次燃焼せしめられろの
で圧力上昇率が急に増大することのない緩やかな燃焼を
得ることができる。その結果、機関の振動、騒音は大巾
に低減して静粛な運転が行なわれ、特にディーゼル機関
特有のアイドリングノックを大巾に低減することができ
る。また、キャビティ９の周辺部に予混合気を形成する
ことによって５００Ｏｒ、ｐ、ｍ以上で高速回転しても
良好な燃焼が得られるという大きな利点がある。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明によるディーゼル機関の側面断面図、第
２図はディーゼル機関の別の実施例の側面断面図、第３
図はキャビティ内の空気の分布を説明するための図、第
４図は本発明によるＰ、焼方法を説明するための図、第
５図は燃料噴射開始時期を示す線図、第６図は燃料噴射
率を示す線図、第７図はディーゼル機関の更に別の実施
例の側面断面図、第８図はディーゼル機関の更に別の実
施例の側面断面図、第９図は燃料衝突壁の斜視図、第１
０図は燃料衝突壁の平面図、第１１図は図解的に表わし
た燃料衝突壁の側面図、第１２図から第１４図は燃料噴
射弁の夫々側の実施例を示す側面断面図、第１５図から
第１８図はキャビティの夫々側の実施例を示す平面図、
第１９図は燃料噴射装置を図解的に示す斜視図、第２０
図はプランジャの側面図、第２１図は燃料噴射装置の別
の実施例を示す図、第２２図は燃料噴射処理を実行する
ためのフローチャートである。 ４・・・吸気弁、　　　６・・・排気弁、８・・・燃料
噴射弁、　９・・・キャビティ、１１・・・燃料衝突壁
。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．　直噴式ディーゼル機関において、ピストン頂面に
   形成したキャビティの内周壁面に液状燃料が付着するよ
   うに燃料噴射弁から燃料を噴射し、燃料噴射弁からの燃
   料噴射を圧縮着火が行なわれる以前に完了せしめた直噴
   式ディーゼル機関。
2. ２．　直噴式ディーゼル機関において、ピストン頂面に
   形成したキャビティ内に燃料衝突壁を形成すると共に燃
   料噴射弁から該燃料衝突壁に向けて燃料を噴射し、該燃
   料衝突壁を燃料衝突壁に衝突した燃料がキャビティの内
   周壁面に向けて飛散するように形成し、機関高負荷運転
   時の燃料噴射開始時期を機関低負荷運転時の燃料噴射開
   始時期よりも早めた直噴式ディーゼル機関。
3. ３．　直噴式ディーゼル機関において、ピストン頂面に
   形成したキャビティ内に燃料衝突壁を形成すると共に燃
   料噴射弁から該燃料衝突壁に向けて燃料を噴射し、該燃
   料衝突壁を燃料衝突壁に衝突した燃料がキャビティの内
   周壁面に向けて飛散するように形成し、機関高速運転時
   の燃料噴射開始時期を機関低速運転時の燃料噴射開始時
   期よりも早めた直噴式ディーゼル機関。
4. ４．　直噴式ディーゼル機関の燃焼方法において、燃料
   噴射弁からキャビティ内に向けて燃料を噴射し、該噴射
   燃料をキャビティの内周壁面上に付着させ、圧縮着火が
   行なわれる以前に燃料噴射弁からの燃料噴射を完了し、
   キャビティ内周壁面上に付着した燃料を蒸発させてキャ
   ビティ内に混合気を形成し、次いでキャビティ内の燃料
   を圧縮着火せしめるようにした直噴式ディーゼル機関の
   燃焼方法。
5. ５．　直噴式ディーゼル機関の燃焼方法において、ピス
   トン頂面のキャビティ内に形成した燃料衝突壁に向けて
   燃料を噴射し、該噴射燃料を燃料衝突壁に衝突した後に
   キャビティの内周壁面に向けて飛散させ、次いで飛散さ
   れた噴射燃料をキャビティ内周壁面上に付着させ、次い
   でキャビティ内周壁面上に付着した燃料を蒸発させてキ
   ャビティ内に混合気を形成し、次いで、キャビティ内の
   燃料を圧縮着火せしめるようにした直噴式ディーゼル機
   関の燃焼方法。