WO2013035544A1 - 直噴式エンジンの燃焼室構造 - Google Patents

直噴式エンジンの燃焼室構造 Download PDF

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  • the shape change of the piston 10 due to the formation of the recess does not reach the inner peripheral side of the top surface 17 but extends only to the outer peripheral side of the top surface 17. As a result, it is possible to suppress the difference in the combustion state due to the presence or absence of the recess as much as possible. Further, since the influence of the change in the shape of the combustion chamber due to the formation of the recess is small, it is possible to suppress the difference in the compression ratio due to the presence or absence of the recess.

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Abstract

　燃料をスキッシュエリアで積極的に燃焼させることで、ＮＯｘやスモーク等の生成が少なく、且つ燃料消費量が少ない直噴式エンジンの燃焼室構造を提供する。　ピストン１０の頂面１７に、キャビティ１１の内周壁面１６に連続してピストン１０の径方向外側に向かい延び且つピストン１０の径方向外側に向かうに従って浅くなる傾斜面１９と、傾斜面１９の外周に段差なく連続してピストン１０の外周面２１まで延び且つピストン１０の中心軸Ｃに直交する直交面２０とを設ける。

Description

直噴式エンジンの燃焼室構造
　本発明は、ピストンの頂部中央に凹設されたキャビティにピストンの上方に配置されたインジェクタの噴孔から燃料が噴射される直噴式エンジンの燃焼室構造に関する。
　直噴式ディーゼルエンジンのピストン頂部に設ける燃焼室（キャビティ）の形状としては、浅皿型、リエントラント型、トロイダル型等がある。従来の直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造では、燃料をキャビティ内で燃焼させることに主眼をおいている。
　なお、この種の直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造は、例えば、特許文献１に記載されている。
特開２００７－２１１６４４号公報
　従来の直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造では、燃料をキャビティ内で燃焼させることに主眼をおいており、燃料をスキッシュエリア（ピストン頂面とシリンダ天井面との間の領域）で積極的に燃焼させていない。そのため、燃焼領域がキャビティ内に偏るため、エミッションの改善や燃料消費量の低減が困難である。
　そこで、本発明の目的は、燃料をスキッシュエリアで積極的に燃焼させることで、ＮＯｘ（窒素酸化物）やスモーク等の生成が少なく、且つ燃料消費量が少ない直噴式エンジンの燃焼室構造を提供することにある。
　上述の目的を達成するために、本発明は、ピストンの頂部中央に凹設され、前記ピストンの上方に配置されたインジェクタの噴孔から燃料が噴射されるキャビティを備え、前記ピストンの頂面に、前記キャビティの内周壁面に連続して前記ピストンの径方向外側に向かい延び且つ前記ピストンの径方向外側に向かうに従って浅くなる傾斜面と、前記傾斜面の外周に段差なく連続して前記ピストンの外周面まで延び且つ前記ピストンの中心軸に直交する直交面とを設けたものである。
　前記傾斜面の角度は、前記直交面側を基準に１度から３０度の範囲内とされることが好ましい。
　前記キャビティの形状が、リエントラント型、トロイダル型又は浅皿型であっても良い。
　前記直噴式エンジンが直噴式ディーゼルエンジン又は直噴式ガソリンエンジンであっても良い。
　本発明によれば、燃料をスキッシュエリアで積極的に燃焼させることで、ＮＯｘやスモーク等の生成が少なく、且つ燃料消費量が少ない直噴式エンジンの燃焼室構造を提供することができるという優れた効果を奏する。
本発明の一実施形態に係る直噴式エンジンの燃焼室構造を示すピストンの側断面図である。 変形例に係る燃焼室構造を示すピストンの側断面図である。
　以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
　図１に示すように、本実施形態に係る直噴式エンジンの燃焼室構造Ａは、直噴式ディーゼルエンジンのピストン１０の頂部中央に凹設されたキャビティ（燃焼室）１１を備えている。キャビティ１１には、ピストン１０の上方に配置され、後述する傾斜面１９とリップ部１２との接合線（例えば、図１中に符号１８で示す）よりも上方に噴孔中心をもつインジェクタＩから燃料が噴射される。本実施形態では、キャビティ１１の形状をリエントラント型としている。
　本実施形態に係る燃焼室構造Ａでは、キャビティ１１の底面１３に、中央突起１４と、中央突起１４外周側の窪み１５とが設けられている。即ち、キャビティ１１内で発生する空気流動に燃料を供給することで、燃料と空気との混合を促進することができる。本実施形態では、中央突起１４を切頭円錐状としている。なお、中央突起１４の形状は、切頭円錐状には限定はされない。
　また、本実施形態に係る燃焼室構造Ａでは、ピストン１０の頂面１７に、キャビティ１１の内周壁面１６に連続してピストン１０の径方向外側に向かい延び且つピストン１０の径方向外側に向かうに従って浅くなる傾斜面（テーパ面）１９と、傾斜面１９の外周に段差なく連続してピストン１０の外周面２１まで延び且つピストン１０の中心軸Ｃに直交する直交面２０とを設けている。即ち、本実施形態では、ピストン１０の頂面１７は、傾斜面１９及び直交面２０から構成されている。また、傾斜面１９及び直交面２０は、全周に亘って円環状に形成されている。傾斜面１９の角度θは、直交面２０側を基準に１度から３０度の範囲内とされる。本実施形態では、傾斜面１９の角度θを直交面２０側を基準に１０度としている。
　さらに、本実施形態に係る燃焼室構造Ａでは、キャビティ１１の内周壁面１６とピストン１０の頂面１７との接続部分であるリップ部１２を設けている。リップ部１２は、キャビティ１１の全周に亘って円環状に形成されている。本実施形態では、リップ部１２を断面Ｒ形状としている。
　本実施形態の作用を説明する。
　図１に示されるように、ピストン１０が圧縮上死点付近に達したときに、燃料ＦがインジェクタＩの噴孔からキャビティ１１のリップ部１２に向かって噴射される。噴射された燃料Ｆは、キャビティ１１のリップ部１２に衝突し、下方に流れてキャビティ１１内に流入する燃料Ｆｌと、上方に流れてスキッシュエリアＳへ流入する燃料Ｆｕとに分散される。
　本実施形態に係る燃焼室構造Ａでは、ピストン１０の頂面１７に傾斜面１９を設けているので、キャビティ１１のリップ部１２に向けて噴射された燃料をスキッシュエリアＳとキャビティ１１内とに分散させることができる。そのため、筒内全体の空気利用率が向上し、混合気の均一化が促進されることで、スモークやＰＭ（粒子状物質）の生成を抑えられる。特に、本実施形態では、傾斜面１９と直交面２０との間に段差がないので、燃料をスキッシュエリアＳの外周側まで導くことができる。
　また、本実施形態に係る燃焼室構造Ａでは、ピストン１０の頂面１７に傾斜面１９を設けているので、傾斜面１９の傾斜分だけスキッシュエリアＳが広くなる。スキッシュエリアＳが広いため、圧縮行程時にスキッシュエリアＳから燃焼室（キャビティ１１）に流れるガスのスキッシュ流、及び膨張行程時に燃焼室（キャビティ１１）からスキッシュエリアＳに流れる逆スキッシュ流の流速が下がり、乱流の強度が下がることで、燃焼室壁面及びシリンダ壁面からの熱損失が低減する。また、熱損失が低減することで、ガス温度が高くなり、燃焼効率が向上する。この結果、燃料消費率が低減する。
　また、乱流の強度が下がることで、燃料と酸素との混合がゆっくりとなり、熱発生率の立ち上がりが緩やかになるため、局所的な高温燃焼領域が少なくなる。また、スキッシュエリアＳに流入した燃料と空気との混合気は、スキッシュエリアＳの広い空間で燃焼するために、燃焼温度の上昇が抑制される。この結果、ＮＯｘの生成を抑えられる。
　ところで、排気バルブ或いは吸気バルブとピストン１０との接触を回避する目的でピストン１０の頂面１７にリセス（バルブリセス）を設ける場合がある。その場合、リセスの有無により圧縮比や燃焼状態が大きく変わるため、従来、おのおの個別に最適な燃焼室形状を追求する必要があった。これに対し、本実施形態によれば、ピストン１０の頂面１７に傾斜面１９を設けることで、リセスの形成によるピストン１０の形状変化をキャビティ１１の中央から外周側に遠ざけることができる。即ち、リセスの形成によるピストン１０の形状変化は、頂面１７の内周側には及ばず、頂面１７の外周側にのみ及ぶこととなる。その結果、リセスの有無による燃焼状態の差を極力抑えることが可能である。また、リセスの形成による燃焼室形状の変化の影響が少ないため、リセスの有無による圧縮比の差分を抑えることが可能となる。
　また、従来、圧縮比の変更のために、燃焼室形状を大きく変更する必要があった。これに対し、本実施形態によれば、傾斜面１９の角度θを調節することにより、容易に圧縮比の変更が可能となる。
　以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。
　例えば、キャビティ１１の形状は、リエントラント型には限定はされず、浅皿型、トロイダル型等であっても良い。キャビティ１１の形状をトロイダル型とした変形例を図２に示す。なお、図２において、図１と実質的に同一の構成要素には同一符号を付している。
　また、直噴式エンジンは、直噴式ディーゼルエンジンには限定はされず、直噴式ガソリンエンジンであっても良い。
１０　ピストン
１１　キャビティ
１６　内周壁面
１７　頂面
１９　傾斜面
２０　直交面
２１　外周面
　Ａ　燃焼室構造
　Ｃ　ピストンの中心軸
　Ｉ　インジェクタ

Claims (4)

  1. 　ピストンの頂部中央に凹設され、前記ピストンの上方に配置されたインジェクタの噴孔から燃料が噴射されるキャビティを備え、前記ピストンの頂面に、前記キャビティの内周壁面に連続して前記ピストンの径方向外側に向かい延び且つ前記ピストンの径方向外側に向かうに従って浅くなる傾斜面と、前記傾斜面の外周に段差なく連続して前記ピストンの外周面まで延び且つ前記ピストンの中心軸に直交する直交面とを設けたことを特徴とする直噴式エンジンの燃焼室構造。
  2. 　前記傾斜面の角度は、前記直交面側を基準に１度から３０度の範囲内とされる請求項１に記載の直噴式エンジンの燃焼室構造。
  3. 　前記キャビティの形状が、リエントラント型、トロイダル型又は浅皿型である請求項１又は２に記載の直噴式エンジンの燃焼室構造。
  4. 　前記直噴式エンジンが直噴式ディーゼルエンジン又は直噴式ガソリンエンジンである請求項１から３のいずれかに記載の直噴式エンジンの燃焼室構造。
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