WO2015177898A1 - ディーゼルエンジンの燃焼室構造 - Google Patents

Abstract

　直噴式ディーゼルエンジン（１）のピストン（４）は、リエントラント型のキャビティ（６）を有し、その中心線上に多噴孔の燃料噴射ノズル（７）が配置される。キャビティ（６）は、最も小径となるリップ部（４２）が、ピストン冠面（４３）よりも下方にあり、リップ部（４２）よりも上方に、ポケット部（４４）が形成されている。ポケット部（４４）は、機関アイドル時に上死点前に噴射されるパイロット噴射が指向する高さ位置にあり、噴霧先端が強く衝突しないように、壁面（４５）の位置が設定されている。パイロット噴射の燃料がポケット部（４４）に一時的に滞留し、その後のスキッシュ流によってキャビティ（６）内に流動する。これにより、未燃ＨＣの悪化が抑制される。

Description

ディーゼルエンジンの燃焼室構造

　この発明は、ピストン冠面にリエントラント型キャビティを備えるとともに、このキャビティの中心線上に多噴孔の燃料噴射ノズルが配置されてなる直噴式ディーゼル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においては、上死点後の所定の噴射時期に噴射されるメイン噴射に先行して、いわゆるパイロット噴射として上死点前に少量の燃料を噴射する技術が知られており、近年では、低負荷域における騒音（いわゆるディーゼルノック音）の低減や燃焼安定性改善のために、パイロット噴射をさらに多段化する試みもなされている。

　このようにアイドル時などの低負荷域でパイロット噴射を多段に噴射しようとすると、最初の噴射は、上死点前の筒内圧力が比較的低い段階で行われる。そして個々の噴射量が微小量であることから、燃料噴射ノズルのニードルがフルリフトしない状態で噴射されるため、ペネトレーション（貫徹力ないし噴霧到達距離）が大きくなる。従って、一般的なリエントラント型キャビティでは、パイロット噴射の初期の噴霧がキャビティ内壁面に衝突し、キャビティ外へ飛散したりキャビティ内壁面に付着したりすることから、未燃ＨＣの悪化が問題となる。

　一方、上記のようなパイロット噴射のペネトレーションを考慮してキャビティの入口径を大きく設定した大口径型キャビティ燃焼室とすると、キャビティが必然的に偏平化することから、上死点以降のキャビティ内のスワール速度やスキッシュ速度が低下し、中高負荷域において、キャビティ内での混合不足によってススの悪化が生じやすい。

　なお、特許文献１は、キャビティの開口縁に「抉り部」を設け、ピストン頂面から一段下がった位置に入口リップ部を形成した構成を開示しているが、この特許文献１は、リップ部よりも上方の「抉り部」に積極的に噴霧を衝突させて上方へ向かわせるようにした技術であり、上述した上死点前のパイロット噴射による未燃ＨＣの悪化を改善できるものではない。

特許第４９０６０５５号公報

　この発明に係るディーゼルエンジンの燃焼室構造は、
　リエントラント型キャビティを冠面に有するピストンと、上記キャビティの中心線上に配置された多噴孔の燃料噴射ノズルと、を備えてなるディーゼルエンジンにおいて、
　上記リエントラント型キャビティの入口部において最小径となるリップ部が開口縁よりも下方に位置し、
　上記リップ部よりも上方かつ外周側に形成されるポケット部は、アイドル時に上死点前に噴射される最先の噴霧が指向する高さ位置にあり、
　アイドル時に、上記の最先の噴霧の先端が上記ポケット部内に入りかつ該ポケット部の外周の壁面には衝突しないように、ポケット部の外周の位置が設定されている。

　このような構成によれば、アイドル時にパイロット噴射として上死点前に噴射された燃料は、ポケット部の壁面に強く衝突することなく、ポケット部内に留まる。このポケット部内の燃料は、その後のピストンの上昇に伴い、ピストン冠面からキャビティ内へ向かうスキッシュ流によってキャビティ内に移送される。そして、所定の噴射時期にキャビティ内に噴射されるメイン噴射により開始されるメイン燃焼によって、再燃焼する。従って、パイロット噴射に起因した未燃ＨＣが抑制される。

　また、ポケット部の下方にリップ部が存在し、単純に大口径化した偏平なリエントラント型キャビティに比較してキャビティ内のスワールやスキッシュによるガス流動を高いレベルに維持できるので、中高負荷域でのススの悪化が抑制される。

　好ましい一つの態様では、キャビティの開口縁における入口径がシリンダのボア径に対し５８パーセント以上であり、ポケット部の容積は、ピストン上死点位置での全燃焼室容積に対し、３パーセント以上でかつ１３パーセント以下である。

　さらに望ましくは、ピストン冠面から上記リップ部までのピストン軸方向の距離が、ピストン冠面からキャビティ底部までの高さに対し、１０パーセント以上でかつ３７パーセント以下である、

一実施例の燃焼室構造を備えたディーゼルエンジンの構成説明図。 この実施例の燃焼室構造を示すシリンダおよびピストンの半断面図。 ポケット部の壁面の形状の説明図。 ポケット部の各部の寸法の説明図。 ピストン上昇中のスキッシュ流の説明図。 口径比（ｄｅ／Ｂ）とＨＣ排出量との関係を示した特性図。 容積割合（ｖｓ／ＶＣ）とスス排出量との関係を示した特性図。 高さの比（ｈ２／ｈ１）とスス排出量との関係を示した特性図。 ２つの噴孔群を備えた変形例を示す半断面図。 ２つの噴孔群を備えた第２の変形例を示す半断面図。 ２つの噴孔群を備えた第３の変形例を示す半断面図。

　以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

　図１は、この発明に係る直噴式ディーゼルエンジン１をその吸排気系とともに示した構成説明図であって、シリンダブロック２に形成されたシリンダ３に、ピストン４が摺動可能に嵌合しており、かつシリンダブロック２の上面に固定されたシリンダヘッド５がシリンダ３の上端開口を覆っている。

　上記ピストン４の頂面には、リエントラント型のキャビティ６が凹設されている。このキャビティ６は、ピストン４の中心軸線を中心とした回転体形状をなす。つまり、ピストン４の平面視において真円形をなし、かつピストン４の中心に形成されている。また上記シリンダヘッド５側には、上記キャビティ６の中心に対応するシリンダ３中心位置に、多噴孔の燃料噴射ノズル７が配置されている。この実施例では、上記燃料噴射ノズル７はシリンダ３の中心軸線に沿って、つまり垂直に配置されている。

　上記シリンダヘッド５には、一対の吸気弁８および一対の排気弁９が配置されており、それぞれ吸気ポート１０および排気ポート１１の先端開口部を開閉している。これらの吸気弁８および排気弁９は、各々のバルブステムがシリンダ３の中心軸線と平行となった垂直姿勢に配置されている。またシリンダヘッド５には、燃料噴射ノズル７に隣接してグロープラグ１２が配設されている。

　各気筒の燃料噴射ノズル７は、模式的に示すコモンレール１３にそれぞれ接続されており、図示せぬエンジンコントロールユニットからの駆動信号により燃料噴射ノズル７のニードル（図示せず）がリフトすると、高圧燃料ポンプ１４によりコモンレール１３内に供給された高圧の燃料が噴射される構成となっている。コモンレール１３内の燃料圧力は、調圧弁１５を介して、エンジンコントロールユニットにより運転条件に応じた所定の圧力に調圧される。

　この実施例のディーゼルエンジン１は、ターボ過給機１８を備えており、該ターボ過給機１８のタービン１９が排気通路２１の通路中に配置され、コンプレッサ２０が吸気通路２２の通路中に配置されている。排気通路２１のタービン１９よりも下流側には、プリ触媒コンバータ２３およびメイン触媒コンバータ２４が直列に配置されている。吸気通路２２のコンプレッサ２０よりも上流側には、エアフロメータ２５およびエアクリーナ２６が設けられており、コンプレッサ２０よりも下流側となるコレクタ部２８との間にはインタークーラ２７が配設されている。さらに、排気還流装置として、排気通路２１のタービン１９よりも上流側の位置と吸気コレクタ部２８とを連通する排気還流通路２９と、排気還流率を機関運転条件に応じた所定の排気還流率に制御するために設けられた排気還流制御弁３０と、を備えている。

　図２は、上記キャビティ６のより具体的な断面形状を示している。このキャビティ６は、リエントラント型として、底面中央に山型に膨出した中央突起部４１を有するとともに、中間付近の高さ位置における最大径に比べて入口部分の径が相対的に小さなものとなっている。特に、この入口部において最も小径となるリップ部４２は、円環状に残存するピストン冠面４３からピストン軸方向に下がった位置にあり、リップ部４２よりも上方に、ピストン４の外周側に拡大ないし後退した空間からなるポケット部４４が形成されている。つまり、ピストン冠面４３におけるポケット部４４の開口縁４４ａの径は、リップ部４２の径よりも大径であり、この開口縁４４から下方のリップ部４２へ至る外周側の壁面４５によってポケット部４４が形成されている。詳しくは、図４に示すように、リップ部４２先端をピストン４中心軸線と平行に延長してなる仮想の円筒面４６と上記壁面４５との間に画成される空間がポケット部４４となる。

　このポケット部４４は、機関アイドル時にパイロット噴射として上死点前に噴射される噴霧とりわけ最先の噴霧が指向する高さ位置にある。図中の仮想線Ｆは、この最先の噴霧の噴霧中心軸線を示している。そして、このように上死点前に噴射されるパイロット噴射の噴霧は、前述したようにペネトレーションが比較的大きくなるが、アイドル時の対応するクランク角における筒内圧や燃料噴射ノズル７のニードルリフト量などから定まるペネトレーションに対して、最先の噴霧の先端が上記ポケット部４４内に入りかつ外周の壁面４５には衝突しないように、ポケット部４４の壁面４５の位置が設定されている。

　上記壁面４５は、リップ部４２の上面から外周側へ延びる傾斜面４５ａと、開口縁４４ａからピストン４の下方へ延びる傾斜面４５ｂと、を、中間の遷移部４５ｃでもって滑らかに連続させた形状をなしている。特に、図３に示すように、ポケット部４４へ向かう噴霧中心軸線Ｆを中心として対称に拡がった円弧ないし楕円Ｃに沿った湾曲形状をなしている。

　上記のポケット部４４を備えたディーゼルエンジン１にあっては、機関アイドル時にパイロット噴射として上死点前に噴射された噴霧の燃料が、基本的に、ポケット部４４の壁面４５に強く衝突・拡散することなく、ポケット部４４内に一時的に滞留する。その後、ピストン４が上死点へ向かって上昇すると、ピストン冠面４３とシリンダヘッド５の下面との間の隙間に存在していた空気がスキッシュ流Ｓ（図５参照）となってキャビティ６内へと流動する。ポケット部４４内に滞留していたパイロット噴射による燃料は、このスキッシュ流Ｓによってキャビティ６内へ移動する。その後、キャビティ６内で、パイロット噴射の後の所定の噴射時期に噴射されたメイン噴射による燃焼が開始し、パイロット噴射による燃料は、このメイン燃焼によって再燃焼する。

　このように、上記実施例では、ペネトレーションの大きなパイロット噴射による燃料が過度に拡散したりキャビティ６の壁面に付着したりすることがなく、パイロット噴射に起因したアイドル時の未燃ＨＣの増加を抑制できる。また、ポケット部４４は、キャビティ６の開口縁部分のみを大口径化した形に形成され、その容積が必要最小限のものとなるので、キャビティ６自体の形状とりわけリップ部４２よりも下方の部分を過度に偏平化する必要がなく、キャビティ６内部でのスワールやスキッシュ流によるガス流動を高いレベルに維持することができる。従って、中高負荷域でのススの悪化を伴うことがない。

　特に上記実施例では、ポケット部４４の壁面４５が噴霧中心軸線Ｆを中心とした円弧ないし楕円に沿った湾曲形状に窪んで形成されているので、噴霧先端との衝突を効果的に回避しつつポケット部４４の容積を小さくすることができる。しかも仮に噴霧が衝突しても、外周側へ拡散することがない。

　図４に示すように、上記ポケット部４４の開口縁４４ａの直径つまり入口径ｄｅのシリンダ３のボア径Ｂに対する比（ｄｅ／Ｂ）は、５８パーセント以上であることが好ましく、ポケット部４４の容積ｖｓがピストン上死点位置での全燃焼室容積ＶＣの中で占める割合（ｖｓ／ＶＣ）は、３パーセント以上でかつ１３パーセント以下であることが望ましい。なお、全燃焼室容積ＶＣは、ピストン４とシリンダヘッド５下面との間の隙間容積にキャビティ６の容積を加えた空間全体の容積である。

　図６は、前者の口径比（ｄｅ／Ｂ）とアイドル時のＨＣ排出量との関係を種々のエンジンについて実測した結果をまとめたものであり、口径比（ｄｅ／Ｂ）が５８パーセント以上であると、ＨＣ排出量が十分に低下する結果が得られた。これは、口径比（ｄｅ／Ｂ）が５８パーセント以上であれば、パイロット噴射の噴霧がポケット部４４の壁面４５に強く衝突しないことを意味する。

　また図７は、後者の容積割合（ｖｓ／ＶＣ）と中高負荷域でのスス排出量との関係を同様に種々のエンジンについて実測した結果をまとめたものである。図示するように、ポケット部４４の容積が１３パーセントよりも大きいと、一定の圧縮比の制約の下では、必然的にキャビティ６が浅くなるため、結果として、ススの悪化を招来する。３パーセントよりも小さい場合には、実質的にポケット部４４を具備しない浅いキャビティの形状に近付くため、やはりススの悪化が生じる。

　従って、口径比（ｄｅ／Ｂ）が５８パーセント以上で、かつ容積割合（ｖｓ／ＶＣ）が３パーセントから１３パーセントの範囲内にあることが望ましい。

　さらに、ポケット部４４を規定するリップ部４２の高さ位置（ピストン軸方向の位置）としては、図４に示すように、ピストン冠面４３からリップ部４２までのピストン軸方向の距離ｈ２が、ピストン冠面４３からキャビティ６底部までの高さｈ１に対し、１０パーセント以上でかつ３７パーセント以下であることが望ましい。

　図８は、上記の高さの比（ｈ２／ｈ１）と中高負荷域でのスス排出量との関係を同様に種々のエンジンについて実測した結果をまとめたものである。図示するように、高さの比（ｈ２／ｈ１）が１０パーセントから３７パーセントの範囲内にないと、ススの悪化が見られた。

　図９～図１１は、それぞれ本発明の変形例を示している。すなわち、上記実施例では、燃料噴射ノズル７の複数の噴孔からの噴霧が同一の高さ位置（シリンダ軸方向の位置）を指向しているが、図９～図１１の各実施例は、燃料噴射ノズル７が、噴霧中心軸線Ｆ１が相対的に上側の位置を指向した第１の噴孔群と、噴霧中心軸線Ｆ２が相対的に下側の位置を指向した第２の噴孔群と、を有している。換言すれば、第１の噴孔群と第２の噴孔群とは、シリンダ中心軸線に対する傾斜角（いわゆる傘角）が異なるものとなっている。

　図９の実施例は、第１の噴孔群の噴孔径と第２の噴孔群の噴孔径とが互いに等しい場合の例であり、この場合、両者が同一のペネトレーションとなるので、双方がポケット部４４を指向するように構成されている。

　図１０の実施例は、第１の噴孔群の噴孔径に比較して第２の噴孔群の噴孔径が大きい場合の例であり、噴射量が少ない条件下では第２の噴孔群のペネトレーションに比較して第１の噴孔群のペネトレーションが大となる。そのため、第１の噴孔群がポケット部４４を指向し、かつ第２の噴孔群はリップ部４２付近を指向するように構成されている。

　図１１の実施例は、第１の噴孔群の噴孔径に比較して第２の噴孔群の噴孔径が小さい場合の例であり、噴射量が少ない条件下では第１の噴孔群のペネトレーションに比較して第２の噴孔群のペネトレーションが大となる。そのため、図９と同様に、双方がポケット部４４を指向するように構成されている。
　

Claims (5)

1. 　リエントラント型キャビティを冠面に有するピストンと、上記キャビティの中心線上に配置された多噴孔の燃料噴射ノズルと、を備えてなるディーゼルエンジンにおいて、
   　上記リエントラント型キャビティの入口部において最小径となるリップ部が開口縁よりも下方に位置し、
   　上記リップ部よりも上方かつ外周側に形成されるポケット部は、アイドル時に上死点前に噴射される最先の噴霧が指向する高さ位置にあり、
   　アイドル時に、上記の最先の噴霧の先端が上記ポケット部内に入りかつ該ポケット部の外周の壁面には衝突しないように、ポケット部の外周の位置が設定されている、ディーゼルエンジンの燃焼室構造。
2. 　上記ポケット部内に保持された燃料が、ピストン上昇に伴いキャビティ内へ向かうスキッシュ流によってキャビティ内に流れ込むように構成されている、請求項１に記載のディーゼルエンジンの燃焼室構造。
3. 　上記リップ部の直上におけるポケット部の外周壁面が、断面で円弧形をなす、請求項１または２に記載のディーゼルエンジンの燃焼室構造。
4. 　リエントラント型キャビティを冠面に有するピストンと、上記キャビティの中心に配置された多噴孔の燃料噴射ノズルと、を備えてなるディーゼルエンジンにおいて、
   　上記リエントラント型キャビティの入口部において最小径となるリップ部が開口縁よりも下方に位置し、
   　上記リップ部よりも上方かつ外周側に形成されるポケット部は、アイドル時に上死点前に噴射される最先の噴霧が指向する高さ位置にあり、
   　上記キャビティの開口縁における入口径がシリンダのボア径に対し５８パーセント以上であり、
   　上記ポケット部の容積は、ピストン上死点位置での全燃焼室容積に対し、３パーセント以上でかつ１３パーセント以下である、ディーゼルエンジンの燃焼室構造。
5. 　ピストン冠面から上記リップ部までのピストン軸方向の距離が、ピストン冠面からキャビティ底部までの高さに対し、１０パーセント以上でかつ３７パーセント以下である、請求項３に記載のディーゼルエンジンの燃焼室構造。

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