WO2000020735A1 - Systeme de combustion pour moteurs diesel a injection - Google Patents

Description

明細書 直噴式ディ一ゼル機関の燃焼システム 技術分野

本発明は、 燃料直噴式ディーゼル機関の燃焼システムに係り、 特に、 ピストン 頭部に穿設される燃焼室を開口比の小さな深皿状に構成し、 燃料噴射ノズルの噴 口を上下二列に構成して、 総合的に排気中の N O x 及び黒煙の低減化と、 燃費の 低減化とを同時に得るように構成したものに関する。 背景技術

従来の燃料直噴式ディ一ゼル機関においては、 一般にビストン頭部に形成され る燃焼室は浅皿状で、 その外縁部がピストン外周に近く配置されていて、 開口比 が大きい。 これにより、 燃焼室に臨ませる燃料噴射ノズルの噴口から燃焼室側壁 部までの到達距離を大きくして、 殆ど気流を使わずに燃料を完全に霧化して空気 利用率を上げ、 燃焼させるのである。

更に、 燃料噴射ノズルにおいて、 上下に噴口を千鳥配設して、 それぞれノズル 軸芯を中心に放射状に配置した技術力 例えば実公昭 6 1 - 2 9 9 4 0号公報に 開示されている。 この技術では、 燃焼室が上下段状に形成されていて、 上部の噴 口が上部燃焼室の壁部に、 下部噴口が下部燃焼室の壁部に向けてそれぞれ燃料を 噴射するようにしている。

し力、し、 上記の技術では、 空気利用率を向上して燃費向上を図ることだけを前 堤としており、 上部噴口から上部燃焼室壁部までの噴霧到達距離と、 下部噴口か ら下部燃焼室壁部までの噴霧到達距離は略等しく、 均一な燃焼をさせようとして いたのである。

また、 特公昭 4 3 - 2 0 4 0 3号公報では、 下部噴口の噴口径を絞り、 かつ数 も減らした技術が開示されている。 この従来技術においては、 ピストンの燃焼室 の構造が開示されていないが、 下部噴口のノズル軸芯に対する角度が比較的広く (該公報中の噴口角 /3 ) 、 また、 圧縮行程末期の燃焼室形状を考慮し、 気流改善 だけでは補えない燃料の完全燃焼化を燃料噴射分布により達成するという記述が あることから、 圧縮行程末期においてもピストン燃焼室内に噴霧が入るように、 少なくとも下部噴口は燃焼室外壁の縁部を狙って噴霧しているものと思われる。 従って、 この場合もおそらく燃焼室の底部中央付近は上部に突出した形状でこの 部分の燃焼を想定していないか、 仮に底部力 <平坦であるならば、 底部中央付近に おいては空気が燃焼に十分利用されていないこととなる。

し力、し、 深皿状の燃焼室では、 ピストン外周部分の空気が有効に利用されず、 また、 従来の上下二列に噴口を有する燃料噴射ノズルであっても、 下列の噴口は 燃焼室の側壁に向けて燃料を噴射することを想定しているため、 燃焼室中央付近 の空気が有効に利用されない。 このような部分の空気を有効利用できるようにす れば、 燃焼効率を向上し、 燃費低減に繋がるのである。 発明の開示

本発明は、 直噴式ディーゼル機関において、 燃費の低減と排気中の Ν Ο χ や黒 煙量 （排気ェミッション） の低減という相反する要求を同時に満たすことを目的 として、 まず、 ピストン頭部に形成する燃焼室を、 開口比の小さな深皿燃焼室と し、 一方、 燃料噴射ノズルにおいては、 噴口を上下二列に千鳥状に設け、 上列の 噴口からの噴霧は燃焼室の側壁に向かつて噴射するようにして、 その単噴口径に 対する噴霧到達距離の比を 1 5 0〜2 5 0とし、 下列の噴口からの噴霧は燃焼室 の底面に衝突するようにして、 その単噴口径に対する噴霧到達距離の比を 1 0 0 〜 1 8 0となるように構成するとともに、 燃料噴射ノズルの全噴口の総面積に対 する下列全噴口の総面積を 0 . 2 5〜0 . 3 5とし、 上列の噴口の数を下列の噴 口の数の二倍とする。

このように噴口を形成した燃料噴射ノズルから上記の深皿燃焼室に燃料を噴射 することにより、 全噴口の総面積に対して 6 5〜7 5 %の燃料は、 燃焼室の縦壁 近傍で若干のスワールとスキッシュと逆スキッシュを用いて燃焼され、 残り 2 5 〜3 5 %の燃料は、 燃焼室の壁 （底面） に直接衝突して拡散し、 微粒化されて燃 焼される。 また、 上列の噴口からの燃料は、 燃焼室の縦壁を嘗めるように拡散し て、 ピストン外周部の空気を利用して燃焼させることができ、 一方、 下列の噴口 からの燃料は、 底面に衝突拡散することで、 燃焼室中央部付近にも拡散して、 こ の部分の空気を利用して燃焼させることができる。 即ち、 燃焼室内全体の空気を 有効利用して燃焼効率を向上させ、 燃費を低減することができるのである。

このように、 本発明の直噴式ディーゼル機関の燃焼システムでは、 二種類の燃 焼が同時に一つの燃焼室の中の二つの領域にて行われ、 総合的に排気ェミツショ ンの低減化と燃費低減化とを同時に実現できるのである。

更に、 前記構成の燃料噴射ノズルにおいて、 上列における隣接する噴口からの 両延長直線と燃料噴射ノズルの軸芯とのなす角度を全て同一とし、 下列における 隣接する噴口からの延長直線と燃料噴射ノズルの軸芯とのなす角度を全て同一と することで、 平面視において、 上列の全噴口からの噴霧と、 下列の全噴口からの 噴霧がそれぞれ均等になされ、 燃焼室内における上列噴口からの噴霧による燃焼 と、 下列噴口からの噴霧による燃焼とがそれぞれ均一になされ、 燃焼効率を向上 し、 燃費低減に貢献するのである。 図面の簡単な説明

第 1図は本発明の直噴式ディーゼル機関の燃焼システムを示す噴射時期での側 面断面図、

第 2図は図 1の X— X矢視断面図、

第 3図は従来の直噴式ディーゼル機関の燃焼システムを示す噴射時期での側面 断面図、

第 4図は図 3の Y— Y矢視断面図である。 発明を実施するための最良の形態

図 1及び図 2図示の本発明のディーゼル機関の燃料噴射ノズルの構成を、 図 3 及び図 4図示の従来のディーゼル機関の燃料噴射ノズルの構成と比較して説明す る。

ピストン Pの上面中央部に、 側面視横長、 平面視円形の、 即ち円筒深皿状の燃 焼室 Aを形成している。

従来の燃焼室は、 図 3に示す如く、 ピストン P ' の頭部の燃焼室 A' の中央に て、 その底部に上方へ突出した凸部 5を形成していたのであるが、 本発明におい ては、 このような中央の凸部を無くして、 底面 4を平坦にし、 即ち燃焼室 Aを深 皿状にしているのである。

ピストン Pにおいて、 その外径 （ シリンダボア径） を Bとし、 該ピストン P に設けた深皿状の燃焼室 Aの内径を Dとし、 深さを Hとすると、

H/D < 0 . 2 5

としている。

また、 燃焼室開口比 D Z Bは、

0 . 6 < D/ B < 0 . 7

としている。

従来の浅皿状の燃焼室 A' の外縁は、 図 3の如く、 ピストン P ' の外周近くに 至っており、 開口比が大きくなつていたが、 本発明に係る深皿状燃焼室 Aの開口 比はこのように小さく構成されている。

一方、 燃料噴射ノズル Nに関しては、 上下二列の噴口群を形成しており、 上列 噴口群をなす上部噴口 1 · 1 · · ·の数を、 下列噴口群をなす下部噴口 2 · 2 · • ·の数の二倍としている。 本実施例では、 上部噴口 1の数を 8とし、 下部噴口 2の数をその半分の 4としている。

上下列の噴口の配列に関しては、 各上部噴口 1に対して各下部噴口 2が上下に 重なることなく、 千鳥状に配置している。

この千鳥配置に関しては、 図 2の如く、 平面視で上列の隣接する上部噴口 1 · 1間の丁度中間に下部噴口 2を配置する必要はなく、 この上部噴口 1 · 1間内の 範囲であればよい。

各噴口の向きに関しては、 上部噴口 1からの噴射が深皿燃焼室 Aの側壁 3に向 け、 また下部噴口 2からの噴射が深皿燃焼室 Aの底面 4に衝突すべく構成してい る。

なお、 従来の図 3及び図 4図示の燃料噴射ノズル N ' の噴口 6は、 燃焼室 A ' の側壁に向けて噴射する構成となっており、 燃焼室 A' の底部中央には前記の如 く凸部 5が形成されていて、 この部分に噴霧することは想定していない。 更に、 噴口 6からの噴霧は、 図 4の如く、 燃焼室 A' の側壁に衝突するのではなく、 側 壁に達するまでに完全に霧化させる構造である。

ここで、 燃料噴射ノズル N (またはピストン P ) の軸芯線 N aに対して各上部 噴口 1の軸芯線 1 aのなす角度 （噴口軸芯角） を Θ 、 同じく各下部噴口 2の軸 芯線 2 aのなす角度 （噴口軸芯角） を θ ₂ とすると、 上列の噴口群における各上 部噴口 1の噴口軸芯角 0 を全て同一とする必要はなく、 ± 5 ° の範囲で変動さ せてよい。 下列の噴口群における各下部噴口 2の噴口軸芯角 ₂ についても同様 である。

また、 上列における全上部噴口 1の噴口軸芯角 θ 1 の平均値を θ ^ m e a nと し、 下列における全下部噴口 2の噴口軸芯角 Θ 2 の平均値を 0 ₂ m e a nとする と、

としている。

また、 上列の噴口群をなす各上部噴口 1の軸芯線 1 aを内向きに延長すると、 燃料噴射ノズル N (またはピストン P) の軸芯線 N a上にて全て一点 （これを噴 口の延長中心とする。 ) に交わる。 下列の噴口群をなす各下部噴口 2の軸芯線 2 aを内向きに延長した場合も同様である。 本実施例では、 上部噴口 1の延長中心 と下部噴口 2の延長中心とは、 図 1の如く延長中心 Cに一致するが、 両延長中心 を、 燃料噴射ノズル Nの軸芯線 N a上で上下にずらせてもよい。

そして、 上部噴口 1の列から深皿燃焼室 Aの側壁 3までの噴霧到達距離を L , とし、 下部噴口 2の列から底面 4までの噴霧到達距離を L ₂ とし、 上部噴口 1の 単噴口径を 、 下部噴口 2の単噴口径を d ₂ とすると、

L i Z d ! = 1 5 0〜2 5 0， L ₂ / d ₂ = 1 0 0〜1 8 0

となるようにし、 かつ噴口面積に関しては、

下部噴口総面積 Z噴口総面積 = 0 . 2 5〜 0 . 3 5

としている。

こうして、 上部噴口 1から噴射される全噴口の総面積に対して 6 5〜7 5 %の 燃料は、 側壁 3の近傍で若千のスワールとスキッシュと逆スキッシュを用いて燃 焼され、 更に側壁 3を嘗めるように拡散して、 ピストン P外周の空気も有効に利 用する。 そして、 下部噴口 2から噴射される残り 2 5〜3 5 %の燃料は、 底面 4 に直接衝突して拡散し、 微粒化されて燃焼され、 底面 4の中央部付近の空気も有 効に利用して燃焼する。

こうして、 燃焼室 A内における限られた量の空気を最大限有効に利用するので 、 即ち、 二律背反の排気エミッシヨンの低減化と燃費の低減化とを総合的に同時 に実現できるのである。

なお、 上列の噴口群における各上部噴口 1 · 1間同士の間隔、 また、 下列の噴 口群における各下部噴口 2 · 2間同士の間隔は、 いずれも等間隔としている。 即 ち、 図 2の如く、 上列の噴口群における任意の隣接する上部噴口 1 ♦ 1の軸芯線 1 a · 1 a間の角度 （延長中心 cにおける両軸芯線間の角度） を α、 また、 下列 の噴口群における任意の隣接する下部噴口 2 · 2の軸芯線 2 a · 2 a間の角度を βとすると、 本実施例では上部噴口 1 ·下部噴口 2の数がそれぞれ 8及び 4なの で、

α = 3 6 0 ° Ζ 8 = 4 5 ° ， = 3 6 0 ° Ζ 4 = 9 0 °

である。

このように構成することで、 上列の噴口群からの噴射、 そして下列の噴口群か らの噴射が、 それぞれ、 深皿燃焼室 Αの全周に対して均一になされ、 燃焼室 A全 域において均一な燃焼がなされ、 燃焼効率を向上し、 燃費の低減に貢献するので ある。 産 m±の利用分野

本発明の燃焼システムは、 シリンダ径の大きな大型の直噴式ディーゼル機関に おいても、 深皿燃焼室を採用するにより低コストで高圧噴射が可能であり、 シリ ンダ径の大小に関わらず、 低燃費で排気の低エミッシヨンを必要とされる直噴式 ディ一ゼル機関に用いるのに適している。

Claims

請求の範囲

1 . 開口比の小さな深皿燃焼室に対して、 上下二列の噴口群を有する燃料噴射 ノズルを臨ませてなる直噴式ディーゼル機関の燃焼システムであって、 上列の各 噴口から噴射される燃料は燃焼室の側壁に、 下列の各噴口から噴射される燃料は 燃焼室の底面に衝突するように各噴口の向きを構成し、 上列の単噴口径に対する 上列噴口群からの噴霧到達距離の比を 1 5 0〜2 5 0とし、 下列の単噴口径に対 する下列噴口群からの噴霧到達距離の比を 1 0 0 ~ 1 8 0とし、 上下列全噴口の 総面積に対する下列全噴口の総面積の比を 0 . 2 5〜 0 . 3 5とし、 上列の噴口 数を下列の噴口数の二倍としたことを特徴とする直噴式ディーゼル機関の燃焼シ スアム。

2 . 前記の上下二列の噴口群において、 同一列内の隣接する噴口の軸芯間隔を 上列と下列とでそれぞれ同一としたことを特徴とする直噴式ディ一ゼル機関の燃 焼システム。