WO2007091389A1 - 直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造 - Google Patents

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cavity
piston
fuel
diesel engine
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Shotaro Iikubo
Hiroshi Nakajima
Yusuke Adachi
Kiyohiro Shimokawa
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Hino Motors, Ltd.
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a combustion chamber structure of a direct injection diesel engine.
  • EGR exhaust gas recirculation
  • FIG. 1 shows an example of a diesel engine having a mechanism for recirculating exhaust gas.
  • an exhaust passage 3 through which exhaust gas 2 flows and an intake passage 4 is connected by EGR pipe 5 and part of exhaust gas 2 is recirculated together with intake air 7 through EGR valve 6 provided in the middle of EGR pipe 5 to diesel engine 1 To reduce the NOx by reducing the combustion temperature in the cylinder.
  • a porous injector 8 for injecting fuel (light oil) into the cylinder is installed in the ceiling of each cylinder of the diesel engine 1 (cylinder ceiling 2 3).
  • a cavity 10 that is recessed so as to form the majority of the combustion chamber is recessed on the top surface, and fuel is injected radially from the tip of the injector 8 onto the inner peripheral surface of the cavity 10 and compressed. It is designed to self-ignite due to the high cylinder temperature at the end of the stroke.
  • the details of the cavity 10 are as shown in FIG. 2.
  • An inlet lip portion 1 1 that forms the outer edge of the opening of the cavity 10 and a gentle S-shaped curve are drawn from the inlet lip portion 1 1.
  • Combustion chamber wall surface portion 1 2 projecting downward and extending radially outward from the inlet lip portion 1 1, and heading radially inward from the combustion chamber wall surface portion 1 2
  • the above-mentioned cavity 10 is formed by including an outer curved surface portion 1 3 that forms a gentle curved surface, and a center cone 14 that forms a flat conical shape from the entire circumference of the lower end portion of the outer curved surface portion 1 3 toward the piston center O. It has come to be.
  • a fuel injection command 8a from a control device 15 which forms an engine control computer (ECU: Electronic Control Unit).
  • ECU Engine Control Unit
  • a fuel injection command 8a is output to the injector 8 to inject fuel.
  • control device 15 includes an accelerator opening signal 16a from an accelerator sensor 16 (load sensor) that detects the accelerator opening as a load of the diesel engine 1, and a diesel engine 1
  • accelerator sensor 16 load sensor
  • the rotational speed signal 1 7 a from the rotational sensor 17 that detects the engine rotational speed is input, and the operation state of the diesel engine 1 is constantly monitored to execute various engine controls.
  • 18 is a crankshaft
  • 19 is an exhaust port
  • 20 is an exhaust valve
  • 2 1 is an intake port
  • 2 2 is an intake valve
  • 2 3 is a cylinder ceiling.
  • the intake valve 22 and the exhaust valve 20 are opened at an appropriate timing according to the stroke of each cylinder through a push rod and a rocker arm by a cam provided in an unshown engine-driven cam shaft. It has become so.
  • Patent Document 1 As information on prior art documents related to the combustion chamber structure of this type of direct injection diesel engine, for example, the following Patent Document 1, Patent Document 2, and the like have already been proposed.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 6_2 1 2 9 7 3
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 7_1 5 0 9 4 4
  • FIG. 3 crank angle 8 °
  • FIG. 12 ° crank angle 12 °
  • Fig. 5 crank angle 16 °
  • Fig. 6 crank angle 20 °
  • Fig. 7 crank angle 24 °
  • the diagram indicated by F in the figure schematically shows the diffusion status of the distribution by concentration of injected fuel, and shows that the fuel concentration is higher in the inner distribution region.
  • Fig. 8 crank angle 8 °
  • Fig. 9 crank angle 20 °
  • Fig. 10 crank angle 24 °
  • Fig. 11 crank angle 28 °
  • Fig. 12 crank angle 40 °
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and even if the amount of exhaust gas recirculation is increased, the combustion chamber of a direct injection type diesel engine capable of avoiding the generation of black smoke and the deterioration of fuel consumption as much as possible. Its purpose is to provide a structure.
  • the present invention includes a cavity that is recessed so as to form most of the combustion chamber on the piston top surface, and fuel is injected into the cavity radially from the center of the cylinder ceiling so as to be self-attached.
  • a combustion chamber structure of a direct-injection type diesel engine that can be ignited, and a peripheral portion of the cavity opening is provided with a hollow portion that forms a step with a required depth with respect to the piston top surface, and the outer peripheral portion of the bottom surface of the hollow portion is a radius As it goes to the outside in the direction, it rises so as to draw a gentle curved surface, reaches the top surface of the biston, and further from the top surface of the piston by the inner peripheral portion of the bottom surface of the turned portion and the wall surface of the combustion chamber rising from the bottom surface of the cavity It is characterized in that the inlet lip is formed at the lower position.
  • the lowering speed of the piston is slower than the fuel injection period, so if the fuel is injected radially from the center of the cylinder ceiling into the cavity, the piston will be sufficiently The fuel injection will end before it descends.
  • the inlet lip is formed at a position one step below the top surface of the piston, so the fuel spray is sprayed near the inlet lip for most of the injection period. In other words, the flow is distributed into the flow toward the cavity and the flow toward the turn.
  • the fuel spray blown to the cavity side near the inlet lip portion descends to the bottom surface of the cavity along the combustion chamber wall surface and forms a flow inward in the radial direction along the bottom surface.
  • the formation of a series of flows from the descent to the inside in the radial direction and the downward movement of the piston combine to generate a swirling vortex in the cavity.
  • This vortex promotes the diffusion of fuel spray in the cavity. Since a part of the fuel has already flowed into the swollen part and has decreased in quantity, the fuel spray is likely to diffuse, and the possibility of locally forming a fuel-rich region in the cavity is avoided.
  • the piston descending speed with respect to the fuel injection period
  • the piston will be greatly lowered from the first half of the fuel injection, but the inlet lip part will be one step down from the top surface of the piston.
  • the fuel spray is sprayed near the inlet lip and divided into the flow into the cavity and the flow toward the swirl, and after that, most of the fuel spray is the inlet lip.
  • the upward flow is formed by the curved surface of the turn portion, and an upward vortex is generated on the inside and outside in the radial direction so as to sandwich the upward flow.
  • the vortex allows good fuel spray diffusion in the re-squish area, so there is a risk that fuel-rich areas will form locally near the liner wall in the squish area. It is avoided.
  • the fuel spray blown near the inlet lip and flowed to the cavity side descends to the bottom surface of the cavity along the combustion chamber wall surface, and forms a flow radially inward along the bottom surface.
  • the formation of a series of flows from the descent to the inside in the radial direction and the descent of the piston combine to generate a swirling vortex in the cavity, and this vortex promotes the diffusion of fuel spray in the cavity.
  • the nozzle cone angle for fuel injection in the range of 1 4 0 ° ⁇ 1 6 0 °, the depression 9 0/0 or width dimension in the radial direction of the diameter of the inlet lip of the And the depth of the inlet lip portion with respect to the piston top surface is not less than 4.50 / 0 and 9.5% or less of the diameter of the inlet lip portion. It is good to constitute so that.
  • FIG. 1 is a schematic view of a diesel engine equipped with a mechanism for recirculating exhaust gas.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing details of the cavity shown in FIG.
  • FIG. 3 is a diagram showing a conventional fuel diffusion state at a crank angle of 8 ° during low-speed operation.
  • FIG. 4 is a diagram showing a conventional fuel diffusion state at a crank angle of 12 ° during low-speed operation.
  • FIG. 5 is a diagram showing a conventional fuel diffusion state at a crank angle of 16 ° during low-speed operation.
  • FIG. 6 is a diagram showing a conventional fuel diffusion state at a crank angle of 20 ° during low-speed operation.
  • FIG. 7 is a diagram showing a conventional fuel diffusion state at a crank angle of 24 ° during low-speed operation.
  • FIG. 8 is a diagram showing a conventional fuel diffusion state at a crank angle of 8 ° during high-speed operation.
  • FIG. 9 is a diagram showing a conventional fuel diffusion state at a crank angle of 20 ° during high-speed operation.
  • FIG. 10 is a diagram showing a conventional fuel diffusion state at a crank angle of 24 ° during high-speed operation.
  • FIG. 1 1 A diagram showing a conventional fuel diffusion state at a crank angle of 28 ° during high-speed operation.
  • FIG. 12 is a view showing a conventional fuel diffusion state at a crank angle of 40 ° during high-speed operation.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view showing an example of the present invention.
  • FIG. 14 is a diagram showing a fuel diffusion state at a crank angle of 8 ° during low speed operation.
  • FIG. 15 is a diagram showing a fuel diffusion state at a crank angle of 12 ° during low speed operation.
  • FIG. 16 is a diagram showing a fuel diffusion state at a crank angle of 16 ° during low-speed operation.
  • FIG. 17 is a diagram showing a fuel diffusion state at a crank angle of 20 ° during low-speed operation.
  • FIG. 18 is a diagram showing a fuel diffusion state at a crank angle of 24 ° during low-speed operation.
  • FIG. 19 is a diagram showing a fuel diffusion state at a crank angle of 8 ° during high-speed operation.
  • FIG. 20 is a diagram showing a fuel diffusion state at a crank angle of 20 ° during high-speed operation.
  • FIG. 21 is a diagram showing a fuel diffusion state at a crank angle of 24 ° during high-speed operation.
  • FIG. 22 is a diagram showing a fuel diffusion state at a crank angle of 28 ° during high-speed operation.
  • FIG. 23 is a diagram showing a fuel diffusion state at a crank angle of 40 ° during high-speed operation.
  • FIG. 24 is a low-speed operation graph showing the results of verification experiments by the present inventors.
  • FIG. 25 is a high-speed operation graph showing the results of verification experiments by the present inventors.
  • FIG. 26 is a graph for explaining the optimum range of the width dimension in the radial direction of the turn portion.
  • FIG. 27 is a graph for explaining the optimum range of the depth dimension of the inlet lip.
  • FIGS. 13 to 27 show an embodiment of the present invention, and the parts denoted by the same reference numerals as those in FIGS. 1 and 2 represent the same items.
  • the cavity 1 recessed in the top surface of the piston 9 is provided.
  • a beveled portion 24 that is recessed with respect to the top surface of the piston 9 and forms a step, and the outer periphery of the bottom surface of the bendable portion 24 has a gently curved surface as it goes radially outward.
  • An inlet lip portion 11 is formed at the position.
  • the shape of the cavity 10 below the inlet lip 11 is substantially the same as the conventional cavity 10 described above with reference to FIG.
  • Combustion chamber wall surface portion 1 2 that descends in a curved manner and protrudes radially outward from inlet lip portion 1 1, and an outer curved surface portion that forms a gently curved surface radially inward from combustion chamber wall surface portion 1 2 1 3 and a center cone 14 having a flat conical shape from the entire lower end of the outer curved surface portion 1 3 toward the biston center O.
  • the nozzle cone angle of the fuel injection injected from (1) is defined in the range of 140 ° to 160 °
  • the radial width dimension L of the ridge portion 24 is equal to the inlet lip portion 11
  • the diameter d is 9% or more and 19% or less of the diameter d
  • the depth h of the inlet lip 11 relative to the top surface of the piston 9 is 4. 5% or more and 9.5% or less.
  • the fuel spray blown near the inlet lip 11 and flowed to the cavity 10 side descends to the bottom surface of the cavity 10 along the combustion chamber wall surface 12 and radially along the bottom surface. Inward flow is formed, and the formation of a series of flow from the descent to the inside in the radial direction and the downward movement of the biston 9 combine to generate a vertical swirling vortex in the cavity 10, and this vortex causes the vortex in the cavity 10.
  • the fuel spray spreads easily at the same time, and part of the fuel has already flowed into the swollen portion 24 and has decreased in quantity, making it easier for the fuel spray to diffuse. The possibility that a dark region is locally formed is avoided.
  • crank angle 24 ° crank angle 24 °
  • Fig. 22 crank angle 28 °
  • Fig. 23 crank angle 40 °
  • inlet lip part 1 1 Since the inlet lip part 1 1 is formed at a position one step below the top surface, fuel spray is sprayed near the inlet lip part 1 1 at the beginning of the injection period and flows into the cavity 10 0 After that, most of the fuel spray is sprayed on the ridges 2 4 above the inlet lip 11 and forms an upward flow by the curved surface of the ridges 2 4. , Radial direction so as to sandwich this upward flow Vortices that are opposite to each other are generated on the inner and outer sides, and each of these vortices spreads the fuel spray well in the squish area S. The possibility of locally forming a fuel rich region in the outermost part of area s is avoided.
  • the fuel spray blown near the inlet lip portion 11 and flowed toward the cavity 10 goes down to the bottom surface of the cavity 10 along the combustion chamber wall surface 12 and radially along the bottom surface.
  • the inward flow is formed, and the formation of a series of flows from the descent to the inside in the radial direction and the lowering of the biston 9 are combined to generate a vertical swirling vortex in the cavity 10, and this vortex causes the vortex in the cavity 10.
  • the diffusion of fuel spray in is promoted.
  • the conventional combustion chamber structure is shown in FIGS. 24 and 25, as shown in the graphs of the low-speed operation and the high-speed operation, respectively. Improvements were observed in both the generation of black smoke and the deterioration of fuel consumption when the combustion chamber structure of the present example was adopted rather than when it was adopted.
  • Figs. 24 and 25 the experimental results when the conventional combustion chamber structure is adopted are used as the reference (100%), and the combustion chamber structure of this embodiment is used.
  • the graph shows a relative evaluation of the experimental results as a percentage.
  • the horizontal axis shows the amount of NOx generated, the upper vertical axis shows the amount of black smoke generated, and the lower vertical axis shows the fuel required to produce a predetermined output. It is an evaluation of consumption.
  • the nozzle cone angle of the fuel injection is set between 140 ° and 160 °.
  • the width L in the radial direction of the flange portion 24 is set to be not less than 9% and not more than 19% of the diameter d of the inlet lip portion 1 1, and to the top surface of the piston 9
  • the significance of the depth dimension h of the inlet lip portion 11 being not less than 4.5% and not more than 9.5% of the diameter d of the inlet lip portion 11 will be described below.
  • the ratio of the width dimension L to the diameter d is 0% for low speed operation under the condition that the nozzle cone angle of fuel injection is specified in the range of 140 ° to 160 °. From the above, it was confirmed that the black smoke reduction effect was remarkable when it became 9% or more.
  • the radial width L of the swollen portion 24 is not less than 9% and not more than 19% of the diameter d of the inlet lip portion 11. It is concluded that it is optimal to define the range in this way, and within this range, a remarkable black smoke reduction effect can be obtained both at low speed operation and at high speed operation.
  • the value was increased from 0%, it was confirmed that the effect of reducing black smoke was remarkable between about 4.5% and 12%.
  • the ratio of the width dimension L to the aperture diameter d and the depth dimension h after the nozzle cone angle of the fuel injection is conditioned in the range of 140 ° to 160 °.
  • the ratio of the ratio to the diameter d is specified in the future, considering that the general nozzle cone angle in the current diesel engine 1 is about 1555 °, and in the future 14 0 ° -1 This is because it is possible to change the nozzle cone angle in the range of 60 °.
  • the combustion chamber structure of the direct injection type diesel engine of the present invention is not limited to the above-described embodiment.
  • the combustion chamber structure descends so as to draw a gentle S-curve from the inlet lip.
  • Toroidal with the combustion chamber wall portion extending in the vertical direction with the same diameter as the inlet lip portion Of course, it may be a mold cavity, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

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Abstract

　排気ガスの再循環量を増やしても黒煙の発生や燃費の悪化を極力回避し得るようにした直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造を提供する。 　ピストン９の頂面に燃焼室の大半を成すように窪むキャビティ１０を備え、該キャビティ１０の内周面に気筒天井部の中心から燃料を放射状に噴射して自己着火せしめる直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造に関し、キャビティ１０の開口の外周部にピストン９の頂面に対し窪んで段差を成す抉り部２４を設け、該抉り部２４の底面の外周部が半径方向外側へ向かうにつれ緩やかな曲面を描くように上昇してピストン９の頂面に到り且つ前記抉り部２４の底面の内周部とキャビティ１０の底面から立ち上がる燃焼室壁面部１２とによりピストン９の頂面から一段下がった位置に入口リップ部１１が形成されるように構成する。

Description

明 細 書
直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造
技術分野
[0001 ] 本発明は、 直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造に関するものである。
背景技術
[0002] 従来より、 自動車のディーゼルエンジン等では、 排気側から排気ガスの一 部を抜き出して吸気側へと戻し、 その吸気側に戻された排気ガスでエンジン 内での燃料の燃焼を抑制させて燃焼温度を下げることにより N Oxの発生を低 減するようにした、 いわゆる排気ガス再循環 （E G R ： Exhaust Gas Rec i rcu I at i on) を採用したものがある。
[0003] 図 1は排気ガスを再循環する機構を備えたディーゼルエンジンの一例を示 すもので、 ここに図示しているディーゼルエンジン 1においては、 排気ガス 2が流通する排気通路 3と吸気通路 4との間が E G Rパイプ 5により接続さ れており、 この E G Rパイプ 5の途中に備えた E G Rバルブ 6を介し排気ガ ス 2の一部を吸入空気 7と一緒に再循環してディーゼルエンジン 1の気筒内 に送り込み、 該気筒内での燃焼温度を下げて N Oxの低減化を図るようにして あ^ ο
[0004] また、 ディーゼルエンジン 1の各気筒の天井部 （気筒天井部 2 3 ) に、 燃 料 （軽油） を気筒内に噴射する多孔式のインジェクタ 8が装備されていると 共に、 ピストン 9の頂面には、 燃焼室の大半を成すように窪むキヤビティ 1 0が凹設されており、 該キヤビティ 1 0の内周面に対し前記インジェクタ 8 の先端部から燃料が放射状に噴射されて圧縮行程終期の高い気筒内温度によ り自己着火するようになっている。
[0005] 前記キヤビティ 1 0の詳細は図 2に示す通りであり、 キヤビティ 1 0の開 口の外縁部を成す入口リップ部 1 1 と、 該入口リップ部 1 1から緩やかな S 字カーブを描くように下降して前記入口リップ部 1 1より半径方向外側へ張 り出す燃焼室壁面部 1 2と、 該燃焼室壁面部 1 2から半径方向内側へ向かう 緩やかな曲面を成す外側曲面部 1 3と、 該外側曲面部 1 3の下端部全周から ピストン中心 Oに向け扁平な円錐状を成すセンターコーン 1 4とを備えて前 記キヤビティ 1 0が形成されるようになっている。
[0006] また、 図 1のディーゼルエンジン 1におけるインジェクタ 8の噴射作動に ついては、 エンジン制御コンピュータ （E C U ： E l ectron i c Contro l Un i t) を成す制御装置 1 5からの燃料噴射指令 8 aにより制御されるようになって おり、 圧縮上死点近辺で前記インジェクタ 8に燃料噴射指令 8 aを出力して 燃料を噴射せしめるようにしてある。
[0007] また、 この制御装置 1 5には、 アクセル開度をディーゼルエンジン 1の負 荷として検出するアクセルセンサ 1 6 (負荷センサ） からのアクセル開度信 号 1 6 aや、 ディーゼルエンジン 1の機関回転数を検出する回転センサ 1 7 からの回転数信号 1 7 a等が入力されており、 各種のエンジン制御を実行す るべくディーゼルエンジン 1の運転状態が常に監視されるようになっている
[0008] 尚、 図 1中における 1 8はクランクシャフト、 1 9は排気ポート、 2 0は 排気弁、 2 1は吸気ポート、 2 2は吸気弁、 2 3は気筒天井部を示しており 、 該吸気弁 2 2及び前記排気弁 2 0は、 図示しないエンジン駆動のカムシャ フ卜に備えたカムによりプッシュロッドゃロッカーアームを介して各気筒毎 の行程に応じた適切なタイミングで開弁操作されるようになっている。
[0009] この種の直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造に関連する先行技術文献 情報としては、 例えば、 下記の特許文献 1や特許文献 2等が既に提案されて いる状況にある。
特許文献 1 ：特開平 6 _ 2 1 2 9 7 3号公報
特許文献 2：特開平 7 _ 1 5 0 9 4 4号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0010] しかしながら、 図 1に示す如き従来の直噴式ディーゼルエンジンにおいて 、 排気ガス 2の再循環により N Oxの低減化を図ることは、 気筒内での燃焼不 良により黒煙を発生してしまうこととトレードオフの関係にあるので、 大幅 な N Oxの低減化を実現するべく単純に排気ガス 2の再循環量を増やしてしま うと、 黒煙の発生や燃費の悪化等といった問題を招いてしまうことになる。
[001 1 ] そこで、 本発明者らが図 2に示す如き既存の燃焼室構造に関し、 燃料噴霧 の拡散状況に着目して鋭意研究を続けたところ、 図 3 (クランク角 8 ° ) 、 図 4 (クランク角 1 2 ° ) 、 図 5 (クランク角 1 6 ° ) 、 図 6 (クランク角 2 0 ° ) 、 図 7 (クランク角 2 4 ° ) に順を追って示している通り、 低速運 転時においては、 燃料の噴射期間に対しピストン 9の下降速度が遅いために 該ピストン 9が十分に下降する前に燃料噴射が終了してしまい、 燃料噴霧の 殆どがキヤビティ 1 0内に噴射されて留まり、 ここに燃料の濃い領域が局所 的に形成されて黒煙が発生し易くなつているという事実を見いだした。 尚、 図中に Fで示す線図は、 噴射燃料の濃度別分布の拡散状況を模式的に示した ものであり、 内側の分布領域ほど燃料の濃度が濃いことを示している。
[0012] 他方、 図 8 (クランク角 8 ° ) 、 図 9 (クランク角 2 0 ° ) 、 図 1 0 (ク ランク角 2 4 ° ) 、 図 1 1 (クランク角 2 8 ° ) 、 図 1 2 (クランク角 4 0 ° ) に順を追って示している通り、 高速運転時においては、 燃料の噴射期間 に対しピストン 9の下降速度が速いために該ピストン 9が燃料噴射の前半か ら大きく下がり過ぎてしまい、 燃料噴霧の殆どがキヤビティ 1 0内に入らず にスキッシュエリア S (キヤビティ 1 0周囲のビストン 9の頂面と気筒天井 部 2 3との間の領域） へ流れてライナ壁付近 （スキッシュエリア Sの最外側 部分） に留まり、 ここに燃料の濃い領域が局所的に形成されて黒煙が発生し 易くなつているという事実を見いだした。
[0013] 本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、 排気ガスの再循環量を増やし ても黒煙の発生や燃費の悪化を極力回避し得るようにした直噴式ディーゼル ェンジンの燃焼室構造を提供することを目的としている。
課題を解決するための手段
[0014] 本発明は、 ピストン頂面に燃焼室の大半を成すように窪むキヤビティを備 え、 該キヤビティ内に気筒天井部の中心から燃料を放射状に噴射して自己着 火せしめる直噴式ディ一ゼルェンジンの燃焼室構造であって、 キヤビティの 開口の外周部にピストン頂面に対し所要深さ窪んで段差を成す抉り部を設け 、 該抉り部の底面の外周部が半径方向外側へ向かうにつれ緩やかな曲面を描 くように上昇してビストン頂面に到り且つ前記抉り部の底面の内周部とキヤ ビティの底面から立ち上がる燃焼室壁面部とによりピストン頂面から一段下 がつた位置に入口リップ部が形成されるように構成したことを特徴とするも のである。
[001 5] 而して、 低速運転時においては、 燃料の噴射期間に対しピストンの下降速 度が遅いため、 キヤビティ内に気筒天井部の中心から放射状に燃料噴射を行 うと、 ピストンが十分に下降する前に燃料噴射が終了してしまうことになる 力 ピストン頂面から一段下がった位置に入口リップ部が形成されているた め、 噴射期間の大半で燃料噴霧が入口リップ部付近に吹き付けられてキヤビ ティ内に向かう流れと抉り部に向かう流れとに分配されることになる。
[001 6] そして、 抉り部側へ流れた燃料噴霧が半径方向外側に向かうにつれ曲面に 案内されて上向きの流れを形成するので、 この上向きの流れの形成とビスト ンの下降動作が相まって縦向き旋回の渦が抉り部の上側付近に発生し、 この 渦により半径方向内側への燃料噴霧の移動が促されると共に、 前記の上向き の流れに残存する噴射の勢いで半径方向外側への燃料噴霧の移動も促され、 スキッシュエリァ内での良好な燃料噴霧の拡散が図られることになる。
[001 7] 他方、 入口リップ部付近に吹き付けられてキヤビティ側へ流れた燃料噴霧 は、 燃焼室壁面部に沿いキヤビティの底面に下降して該底面に沿い半径方向 内側へ向かう流れを形成し、 この下降から半径方向内側へ向かう一連の流れ の形成とピストンの下降動作が相まって縦向き旋回の渦がキヤビティ内に発 生し、 この渦によりキヤビティ内での燃料噴霧の拡散が促進されると共に、 既に一部が抉り部側に流れ込んで量的に少なくなつていることから燃料噴霧 が拡散し易くなり、 キヤビティ内に燃料の濃い領域が局所的に形成される虞 れが回避される。
[001 8] また、 高速運転時においては、 燃料の噴射期間に対しピストンの下降速度 が速いため、 キヤビティ内に気筒天井部の中心から放射状に燃料噴射を行う と、 ピストンが燃料噴射の前半から大きく下がり過ぎてしまうことになるが 、 ピストン頂面から一段下がった位置に入口リップ部が形成されているため 、 噴射期間の初期に燃料噴霧が入口リップ部付近に吹き付けられてキヤビテ ィ内に向かう流れと抉り部に向かう流れとに分配され、 これ以降は燃料噴霧 の大半が入口リップ部より上側の抉り部に吹き付けられて該抉り部の曲面に より上向きの流れを形成し、 この上向きの流れを挟むようにして半径方向内 側と外側に互に逆向きの渦が発生し、 これら各渦によリスキッシュエリア内 での良好な燃料噴霧の拡散が図られるので、 スキッシュエリアのライナ壁付 近に燃料の濃い領域が局所的に形成される虞れが回避される。
[001 9] 他方、 入口リップ部付近に吹き付けられてキヤビティ側へ流れた燃料噴霧 は、 燃焼室壁面部に沿いキヤビティの底面に下降して該底面に沿い半径方向 内側へ向かう流れを形成し、 この下降から半径方向内側へ向かう一連の流れ の形成とピストンの下降とが相まって縦向き旋回の渦がキヤビティ内に発生 し、 この渦によりキヤビティ内での燃料噴霧の拡散が促進される。
[0020] また、 本発明においては、 燃料噴射のノズルコーン角を 1 4 0 ° ~ 1 6 0 ° の範囲とし、 抉り部の半径方向の幅寸法が入口リップ部の口径の 9 0/0以上 で且つ 1 9 %以下となるように構成することが好ましく、 また、 ピストン頂 面に対する入口リップ部の深さ寸法が該入口リップ部の口径の 4 . 50/0以上 で且つ 9 . 5 %以下となるように構成すると良い。
発明の効果
[0021 ] 上記した本発明の直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造によれば、 低速 運転時におけるキヤビティ内に燃料の濃い領域が局所的に形成される虞れや 、 高速運転時におけるスキッシュエリアのライナ壁付近に燃料の濃い領域が 局所的に形成される虞れを未然に回避することができ、 しかも、 燃焼室の広 範囲に燃料噴霧を積極的に拡散させて良好に燃焼させることができるので、 黒煙の発生や燃費の悪化を極力回避しながら排気ガスの再循環量を既存の直 噴式ディーゼルエンジンで実現できなかつたレベルまで増加することができ 、 従来よりも優れた N Oxの低減効果を得ることができるという優れた効果を 奏し得る。
図面の簡単な説明
[図 1 ]排気ガスを再循環する機構を備えたディーゼルエンジンの概略図である [図 2]図 1のキヤビティの詳細を示す断面図である。
[図 3]低速運転時のクランク角 8 ° での従来の燃料拡散状態を示す図である。
[図 4]低速運転時のクランク角 1 2 ° での従来の燃料拡散状態を示す図である
[図 5]低速運転時のクランク角 1 6 ° での従来の燃料拡散状態を示す図である
[図 6]低速運転時のクランク角 2 0 ° での従来の燃料拡散状態を示す図である
[図 7]低速運転時のクランク角 2 4 ° での従来の燃料拡散状態を示す図である
[図 8]高速運転時のクランク角 8 ° での従来の燃料拡散状態を示す図である。
[図 9]高速運転時のクランク角 2 0 ° での従来の燃料拡散状態を示す図である
[図 10]高速運転時のクランク角 2 4 ° での従来の燃料拡散状態を示す図であ る。
[図 1 1 ]高速運転時のクランク角 2 8 ° での従来の燃料拡散状態を示す図であ る。
[図 12]高速運転時のクランク角 4 0 ° での従来の燃料拡散状態を示す図であ る。
[図 13]本発明の一実施例を示す断面図である。
[図 14]低速運転時のクランク角 8 ° での燃料拡散状態を示す図である。
[図 15]低速運転時のクランク角 1 2 ° での燃料拡散状態を示す図である。
[図 16]低速運転時のクランク角 1 6 ° での燃料拡散状態を示す図である。 [図 17]低速運転時のクランク角 2 0 ° での燃料拡散状態を示す図である。
[図 18]低速運転時のクランク角 2 4 ° での燃料拡散状態を示す図である。
[図 19]高速運転時のクランク角 8 ° での燃料拡散状態を示す図である。
[図 20]高速運転時のクランク角 2 0 ° での燃料拡散状態を示す図である。
[図 21 ]高速運転時のクランク角 2 4 ° での燃料拡散状態を示す図である。
[図 22]高速運転時のクランク角 2 8 ° での燃料拡散状態を示す図である。
[図 23]高速運転時のクランク角 4 0 ° での燃料拡散状態を示す図である。
[図 24]本発明者らによる検証実験の結果を示す低速運転のグラフである。
[図 25]本発明者らによる検証実験の結果を示す高速運転のグラフである。
[図 26]抉り部の半径方向の幅寸法の最適範囲を説明するグラフである。
[図 27]入口リップ部の深さ寸法の最適範囲を説明するグラフである。
符号の説明
1 ディーゼルエンジン
9 ピストン
1 0 キヤビティ
1 1 入口リップ部
1 2 燃焼室壁面部
2 3 気筒天井部
2 4 抉り部
し 抉り部の半径方向の幅寸法
d 入口リップ部の口径
h ピストン頂面に対する入口リップ部の深さ寸法
発明を実施するための最良の形態
[0024] 以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
図 1 3〜図 2 7は本発明の一実施例を示すもので、 図 1及び図 2と同一の 符号を付した部分は同一物を表わしている。
[0025] 先に図 1で説明した直噴式ディーゼルエンジン 1に関し、 本実施例におい ては、 図 1 3に示す如く、 ピストン 9の頂面に凹設されているキヤビティ 1 0の開口の外周部に、 ピストン 9の頂面に対し窪んで段差を成す抉り部 2 4 を設け、 該抉り部 2 4の底面の外周部が半径方向外側へ向かうにつれ緩やか な曲面を描くように上昇してピストン 9の頂面に到り且つ前記抉り部 2 4の 底面の内周部とキヤビティ 1 0の底面から立ち上がる燃焼室壁面部 1 2とに よりピストン 9の頂面から一段下がった位置に入口リップ部 1 1が形成され るように構成してある。
[0026] ここで、 入口リップ部 1 1より下方のキヤビティ 1 0の形状は、 先に図 2 で説明した従来のキヤビティ 1 0と略同様であり、 入口リップ部 1 1から緩 やかな S字カーブを描くように下降して前記入口リップ部 1 1より半径方向 外側へ張り出す燃焼室壁面部 1 2と、 該燃焼室壁面部 1 2から半径方向内側 へ向かう緩やかな曲面を成す外側曲面部 1 3と、 該外側曲面部 1 3の下端部 全周からビストン中心 Oに向け扁平な円錐状を成すセンターコーン 1 4とに より構成されている。
[0027] また、 燃料 （軽油） を気筒内に噴射する気筒天井部 2 3のインジェクタ 8
(図 1参照） から噴射される燃料噴射のノズルコーン角を 1 4 0 ° ~ 1 6 0 ° の範囲に規定した場合、 抉り部 2 4の半径方向の幅寸法 Lが入口リップ部 1 1の口径 dの 9 %以上で且つ 1 9 %以下となるようにしてあり、 しかも、 ピストン 9の頂面に対する入口リップ部 1 1の深さ寸法 hが該入口リップ部 1 1のロ径 の4 . 5 %以上で且つ 9 . 5 %以下となるようにしてある。
[0028] 而して、 このように燃焼室構造を構成した場合、 図 1 4 (クランク角 8 ° ) 、 図 1 5 (クランク角 1 2 ° ) 、 図 1 6 (クランク角 1 6 ° ) 、 図 1 7 ( クランク角 2 0 ° ) 、 図 1 8 (クランク角 2 4 ° ) に順を追って示している 通り、 低速運転時においては、 燃料の噴射期間に対しピストン 9の下降速度 が遅いため、 キヤビティ 1 0内に気筒天井部 2 3の中心から放射状に燃料噴 射を行うと、 ピストン 9が十分に下降する前に燃料噴射が終了してしまうこ とになるが、 本実施例においては、 ピストン 9の頂面から一段下がった位置 に入口リップ部 1 1が形成されているため、 噴射期間の大半で燃料噴霧が入 口リップ部 1 1付近に吹き付けられてキヤビティ 1 0内に向かう流れと抉り 部 2 4に向かう流れとに分配されることになる。
[0029] そして、 抉り部 2 4側へ流れた燃料噴霧が半径方向外側に向かうにつれ曲 面に案内されて上向きの流れを形成するので、 この上向きの流れの形成とピ ストン 9の下降動作が相まって縦向き旋回の渦が抉り部 2 4の上側付近に発 生し、 この渦により半径方向内側への燃料噴霧の移動が促されると共に、 前 記の上向きの流れに残存する噴射の勢いで半径方向外側への燃料噴霧の移動 も促され、 スキッシュエリア S (キヤビティ 1 0周囲のピストン 9の頂面と 気筒天井部 2 3との間の領域） 内での良好な燃料噴霧の拡散が図られること になる。
[0030] 他方、 入口リップ部 1 1付近に吹き付けられてキヤビティ 1 0側へ流れた 燃料噴霧は、 燃焼室壁面部 1 2に沿いキヤビティ 1 0の底面に下降して該底 面に沿い半径方向内側へ向かう流れを形成し、 この下降から半径方向内側へ 向かう一連の流れの形成とビストン 9の下降動作が相まって縦向き旋回の渦 がキヤビティ 1 0内に発生し、 この渦によりキヤビティ 1 0内での燃料噴霧 の拡散が促進されると共に、 既に一部が抉り部 2 4側に流れ込んで量的に少 なくなつていることから燃料噴霧が拡散し易くなり、 キヤビティ 1 0内に燃 料の濃い領域が局所的に形成される虞れが回避される。
[0031 ] また、 図 1 9 (クランク角 8 ° ) 、 図 2 0 (クランク角 2 0 ° ) 、 図 2 1
(クランク角 2 4 ° ) 、 図 2 2 (クランク角 2 8 ° ) 、 図 2 3 (クランク角 4 0 ° ) に順を追って示している通り、 高速運転時においては、 燃料の噴射 期間に対しピストン 9の下降速度が速いため、 キヤビティ 1 0内に気筒天井 部 2 3の中心から放射状に燃料噴射を行うと、 ピストン 9が燃料噴射の前半 から大きく下がり過ぎてしまうことになる力 ピストン 9の頂面から一段下 がった位置に入口リップ部 1 1が形成されているため、 噴射期間の初期に燃 料噴霧が入口リップ部 1 1付近に吹き付けられてキヤビティ 1 0内に向かう 流れと抉り部 2 4に向かう流れとに分配され、 これ以降は燃料噴霧の大半が 入口リップ部 1 1より上側の抉り部 2 4に吹き付けられて該抉り部 2 4の曲 面により上向きの流れを形成し、 この上向きの流れを挟むようにして半径方 向内側と外側に互に逆向きの渦が発生し、 これら各渦によリスキッシュエリ ァ S内での良好な燃料噴霧の拡散が図られるので、 スキッシュエリァ Sのラ イナ壁付近 （スキッシュエリア sの最外側部分） に燃料の濃い領域が局所的 に形成される虞れが回避される。
[0032] 他方、 入口リップ部 1 1付近に吹き付けられてキヤビティ 1 0側へ流れた 燃料噴霧は、 燃焼室壁面部 1 2に沿いキヤビティ 1 0の底面に下降して該底 面に沿い半径方向内側へ向かう流れを形成し、 この下降から半径方向内側へ 向かう一連の流れの形成とビストン 9の下降とが相まって縦向き旋回の渦が キヤビティ 1 0内に発生し、 この渦によりキヤビティ 1 0内での燃料噴霧の 拡散が促進される。
[0033] 従って、 上記実施例によれば、 低速運転時におけるキヤビティ 1 0内に燃 料の濃い領域が局所的に形成される虞れや、 高速運転時におけるスキッシュ エリア Sのライナ壁付近に燃料の濃い領域が局所的に形成される虞れを未然 に回避することができ、 しかも、 燃焼室の広範囲に燃料噴霧を積極的に拡散 させて良好に燃焼させることができるので、 黒煙の発生や燃費の悪化を極力 回避しながら排気ガス 2 (図 1参照） の再循環量を既存の直噴式ディーゼル エンジンで実現できなかったレベルまで増加することができ、 従来よりも優 れた N Oxの低減効果を得ることができる。
[0034] 事実、 本発明者らによる検証実験によれば、 図 2 4及び図 2 5に低速運転 の場合と高速運転の場合とをグラフで夫々示している通り、 従来の燃焼室構 造を採用した場合よりも、 本実施例の燃焼室構造を採用した場合の方が、 黒 煙の発生と燃費の悪化の何れについても改善が認められた。
[0035] 尚、 図 2 4及び図 2 5においては、 従来の燃焼室構造を採用した場合の実 験結果を基準 （1 0 0 %) として、 本実施例の燃焼室構造を採用した場合の 実験結果を百分率で相対評価したグラフとなっており、 横軸では N Ox発生量 を、 上段の縦軸では黒煙発生量を、 下段の縦軸では所定の出力を出すのに必 要な燃料消費量を評価したものとなっている。
[0036] 更に、 本実施例において、 燃料噴射のノズルコーン角を 1 4 0 ° 〜 1 6 0 ° の範囲に規定し、 抉り部 2 4の半径方向の幅寸法 Lが入口リップ部 1 1の 口径 dの 9 %以上で且つ 1 9 %以下となるようにし、 しかも、 ピストン 9の 頂面に対する入口リップ部 1 1の深さ寸法 hが該入口リップ部 1 1の口径 d の 4 . 5 %以上で且つ 9 . 5 %以下となるようにしている意義につき以下に する。
[0037] 図 2 6にグラフで示す如く、 燃料噴射のノズルコーン角を 1 4 0 ° 〜 1 6 0 ° の範囲に規定した条件下で低速運転に関して幅寸法 Lの口径 dに対する 割合を 0 %から大きくしていくと、 9 %以上となった時に黒煙低減効果が顕 著であることが確認された。
[0038] これは、 抉り部 2 4の幅寸法 Lが大きくなることによって、 酸素が多く存 在しているスキッシュエリア S (気筒の外周側の方が内周側よりも体積が大 きい分だけ酸素も多い） へ燃料噴霧が拡散し易くなつて空気利用率が向上す る結果、 煤の再酸化が促進されて黒煙の発生が著しく抑制されるものと考え られる。
[0039] ただし、 高速運転に関しては、 幅寸法 Lの口径 dに対する割合が 2 1 %以 上となったところで急激に黒煙低減効果が低下することが確認されており、 これは、 抉り部 2 4の幅寸法 Lが大きくなり過ぎて燃料噴霧がライナ壁に到 達するようになってしまったためであると考えられる。
[0040] 而して、 これらの実験結果を総合的に勘案すると、 抉り部 2 4の半径方向 の幅寸法 Lを入口リップ部 1 1の口径 dの 9 %以上で且つ 1 9 %以下となる ように範囲規定するのが最適であると結論づけられ、 この範囲であれば、 低 速運転時と高速運転時の両方で顕著な黒煙低減効果が得られることになる。
[0041 ] 他方、 図 2 7にグラフで示す如く、 燃料噴射のノズルコーン角を 1 4 0 ° 〜 1 6 0 ° の範囲に規定した条件下で低速運転に関して深さ寸法 hの口径 d に対する割合を 0 %から大きくしていくと、 約 4 . 5〜 1 2 %の間で黒煙低 減効果が顕著であることが確認された。
[0042] これは、 入口リップ部 1 1の深さ寸法 hが大きくなることによって、 酸素 が多く存在しているスキッシュエリア Sへ燃料噴霧が拡散し易くなつて空気 利用率が向上する結果、 煤の再酸化が促進されて黒煙の発生が著しく抑制さ れるものと考えられる。
[0043] ただし、 高速運転に関しては、 深さ寸法 hの口径 dに対する割合が低速運 転の場合と同じ 4 . 5 %以上となったあたりから黒煙低減効果が顕著となる ものの、 1 0 %以上となったところで急激に黒煙低減効果が低下することが 確認されており、 これは、 入口リップ部 1 1の深さ寸法 hが大きくなり過ぎ て抉り部 2 4の容積が過剰に増え、 燃焼室形状により生成されるべき空気流 動 （スキッシュ） が低下したためであると考えられる。
[0044] 而して、 これらの実験結果を総合的に勘案すると、 入口リップ部 1 1の口 径 dの 4 . 5 %以上で且つ 9 . 5 %以下となるように範囲規定するのが最適 であると結論づけられ、 この範囲であれば、 低速運転時と高速運転時の両方 で顕著な黒煙低減効果が得られることになる。
[0045] 更に、 付言しておくと、 燃料噴射のノズルコーン角を 1 4 0 ° ~ 1 6 0 ° の範囲に条件付けした上で、 幅寸法 Lの口径 dに対する割合と、 深さ寸法 h の口径 dに対する割合とを範囲規定しているのは、 現状のディーゼルェンジ ン 1における一般的なノズルコーン角が約 1 5 5 ° 程度であることに鑑み、 将来的にも 1 4 0 ° ~ 1 6 0 ° の範囲でノズルコーン角を変更することが有 り得るからである。
[0046] 特に、 近年においては、 N Ox発生を抑制する観点から燃料の噴射時期を遅 らせる傾向にあり、 このように燃料の噴射時期を遅らせれば、 ピストン 9の 下降による圧力降下により燃焼温度が抑制されて N Ox発生が抑制されること になるが、 燃料の吹き終わりがクランク角で見て遅くなり、 特に高速運転時 に燃料噴射がライナ壁に直撃してオイル膜の希釈等の不具合を起こし易くな るため、 斯かる燃料噴射のライナ壁への直撃を回避し得るようノズルコーン 角を従来より小さく絞ることが考えられており、 1 4 0 ° 付近までは絞り込 まれる可能性があると想定されている。
[0047] また、 このように燃料噴射のノズルコーン角を現状より小さく絞り込んだ 場合に、 従来の燃焼室構造を採用したままでは、 その低速運転時における燃 料噴霧の殆どがキヤビティ 1 0内に偏る傾向が益々顕著となることが明らか であり、 N Ox低減のために燃料噴射のノズルコーン角を現状より小さく絞り 込む場合に、 本実施例の如き燃焼室構造を採用する意義が更に高くなること は言うまでもない。
尚、 本発明の直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造は、 上述の実施例に のみ限定されるものではなく、 図示している例では、 入口リップ部から緩や かな S字カーブを描くように下降して前記入口リップ部より半径方向外側へ 張り出す燃焼室壁面部としたリエントラント型のキヤビティで例示している 力 燃焼室壁面部が入口リップ部と同じ口径のまま鉛直方向に延びるように したトロイダル型のキヤビティであっても良いこと、 その他、 本発明の要旨 を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

Claims

請求の範囲
[1] ピストン頂面に燃焼室の大半を成すように窪むキヤビティを備え、 該キヤ ビティ内に気筒天井部の中心から燃料を放射状に噴射して自己着火せしめる 直噴式ディ一ゼルェンジンの燃焼室構造であって、 キヤビティの開口の外周 部にピストン頂面に対し所要深さ窪んで段差を成す抉り部を設け、 該抉り部 の底面の外周部が半径方向外側へ向かうにつれ緩やかな曲面を描くように上 昇してピストン頂面に到り且つ前記抉り部の底面の内周部とキヤビティの底 面から立ち上がる燃焼室壁面部とによりピストン頂面から一段下がった位置 に入口リップ部が形成されるように構成した直噴式ディーゼルエンジンの燃 焼室構造。
[2] 燃料噴射のノズルコーン角を 1 40° ~1 60° の範囲とし、 抉り部の半 径方向の幅寸法が入口リップ部の口径の 9%以上で且つ 1 9%以下となるよ うに構成した請求項 1に記載の直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造。
[3] 燃料噴射のノズルコーン角を 1 40° ~1 60° の範囲とし、 ピストン頂 面に対する入口リップ部の深さ寸法が該入口リップ部の口径の 4. 50/0以上 で且つ 9. 5%以下となるように構成した請求項 1に記載の直噴式ディーゼ ルエンジンの燃焼室構造。
[4] 燃料噴射のノズルコーン角を 1 40° 〜1 60° の範囲とし、 ピストン頂 面に対する入口リップ部の深さ寸法が該入口リップ部の口径の 4. 5%以上 で且つ 9. 5 %以下となるように構成した請求項 2に記載の直噴式ディーゼ ルエンジンの燃焼室構造。
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