WO2020105353A1

WO2020105353A1 - 副室式ディーゼル機関

Info

Publication number: WO2020105353A1
Application number: PCT/JP2019/041621
Authority: WO
Inventors: 豪朝井; 銀森田; 和也松木
Original assignee: ヤンマー株式会社
Priority date: 2018-11-20
Filing date: 2019-10-24
Publication date: 2020-05-28
Also published as: JP2020084846A

Abstract

長時間の運転においても、噴射特性が変化したり、耐久性に問題が生じたりすることを抑制することができる副室式ディーゼル機関を提供する。本発明によれば、主燃焼室（１４）に連絡孔（１２）によって連通される副燃焼室（１０）が形成されたシリンダヘッド（３Ａ）を備えた副室式ディーゼル機関（１）において、副燃焼室（１０）に燃料を噴射するインジェクタ（２０）がシリンダヘッド（３Ａ）に取り付けられており、シリンダヘッド（３Ａ）は、シリンダヘッド（３Ａ）のインジェクタ取付部（３ｃ）におけるインジェクタ先端部（２１）の周辺に過熱防止構造（７０Ａ）を備えた副室式ディーゼル機関（１）が提供される。

Description

副室式ディーゼル機関

　本発明は、連絡孔によって連通される主燃焼室及び副燃焼室を備えた副室式ディーゼル機関に関する。

　従来から、連絡孔によって連通される主燃焼室及び副燃焼室を備えた副室式ディーゼル機関が知られている。

　従来から知られている渦流室式の副室式ディーゼル機関は、ピストン上に形成される主燃焼室と、主燃焼室と連絡孔によって連通される副燃焼室と、副燃焼室に燃料を噴射するインジェクタと、を備え、圧縮行程において連通孔を介して主燃焼室側から副燃焼室に空気が進入して、副燃焼室内に強い渦流を発生させる。そして、副燃焼室に臨むように配設されたインジェクタから、渦流が発生している副燃焼室に対して燃料を噴射して混合気を形成し、圧縮自着火させて、燃焼を開始させる。次いで、副燃焼室にて開始された燃焼エネルギーにより、副燃焼室から連通孔を介して主燃焼室に火炎を進入させて、ピストンを駆動しながら燃焼を完遂させ、動力を得る（例えば、特許文献１、及び特許文献２を参照。）。

特公平７－１１６９４１号公報特許第３８５１７２７号公報

　前記特許文献１及び特許文献２に記載された従来の副室式ディーゼル機関では、ジャーク式燃料噴射装置が採用されており、燃料噴射特性は、燃料をインジェクタに供給するポンプ側の作動に依存するため、インジェクタは機械構造部品によってシンプルに構成される。これにより、副室式ディーゼル機関のインジェクタは、比較的耐久性に優れたものとなり、インジェクタの冷却について殆ど配慮する必要がない。

　しかし、副燃焼室に臨むインジェクタから、任意の噴射時期、噴射圧で副燃焼室に燃料を供給すべく、インジェクタの作動を電子化することを想定した場合、インジェクタの内部構造が複雑になり、特に、駆動手段として電磁ソレノイド等を搭載した場合は、長時間高温に曝されることで、噴射特性が変化したり、耐久性に問題が生じたりするという問題がある。

　本発明は、上記事実に鑑みなされたものであり、その主たる技術課題は、長時間の運転においても、噴射特性が変化したり、耐久性に問題が生じたりすることを抑制することができる副室式ディーゼル機関を提供することにある。

　上記主たる技術課題を解決するため、本発明によれば、主燃焼室に連絡孔によって連通される副燃焼室が形成されたシリンダヘッドを備えた副室式ディーゼル機関において、前記副燃焼室に燃料を噴射するインジェクタが前記シリンダヘッドに取り付けられており、前記シリンダヘッドは、前記シリンダヘッドのインジェクタ取付部におけるインジェクタ先端部の周辺に過熱防止構造を備えた副室式ディーゼル機関が提供される。

　前記過熱防止構造は、前記シリンダヘッドに形成されたインジェクタ取付部のボス部を囲繞するように冷却水通路を配置することで実現することができる。また、前記インジェクタ取付部のボス部を、前記シリンダヘッドに対して別体のノズルスリーブにより構成し、前記ノズルスリーブの外周を囲繞するように冷却水通路を配置してもよい。さらに、前記過熱防止構造は、インジェクタ先端部を、前記副燃焼室の内壁面から内側にオフセットさせて凹部を形成することにより実現することができる。さらに、前記過熱防止構造は、インジェクタ先端部にプロテクタチップを配設することにより実現してもよい。さらに、前記シリンダヘッドの前記副燃焼室を囲繞する領域が、前記過熱防止構造が配設される上部領域と、シリンダヘッド下面を冷却する冷却水通路が配設される下部領域と、前記上部領域と前記下部領域とで挟まれる中間領域と、により構成され、前記中間領域に冷却水通路を配設しないようにすることが好ましい。

　本発明は、上記したように構成されていることから、長時間の運転においても、噴射特性が変化したり、耐久性に問題が生じたりすることを抑制することができる副室式ディーゼル機関が提供される。

副室式ディーゼル機関に適用される第１の過熱防止構造を示す図である。図１に示すインジェクタ取付部のＡ－Ａ断面を示す図である。図１に示すシリンダヘッドにおいて冷却水通路を配設しない領域を説明するための説明図である。副室式ディーゼル機関に適用される第２の過熱防止構造を示す図である。副室式ディーゼル機関に適用される第３の過熱防止構造を示す図である。（ａ）副室式ディーゼル機関に適用される第４の過熱防止構造を示す図、及び（ｂ）第４の過熱防止構造を構成するプロテクタチップの斜視図である。

　以下、本発明に従って構成された副室式ディーゼル機関の好適な実施形態について添付図面を参照しながら、詳細に説明する。

　図１には、連絡孔によって連通される主燃焼室及び副燃焼室を備えた副室式のディーゼル機関１Ａの構成の一部を断面で示す概要図が示されている。ディーゼル機関１Ａは、シリンダブロック２、シリンダヘッド３Ａ、ピストン４、吸気ポート５、吸気弁６、排気ポート（図示は省略する。）、及び排気弁（図示は省略する。）を備えている。

　シリンダヘッド３Ａには、略球形状に形成された副燃焼室１０が形成されている。副燃焼室１０は、シリンダブロック２に形成されたシリンダ２ａ内を摺動するピストン４の頂面４ａと、シリンダヘッド３Ａのピストン４の頂面４ａと対向する面（以下「下面」という。）３ａとの間に形成される主燃焼室１４に、ピストン４の摺動方向に対して傾斜する連通孔１２を介して連通されている。副燃焼室１０には、副燃焼室１０に燃料を噴射するインジェクタ２０が備えられている。インジェクタ２０には、燃料通路管５０が接続されている。

　燃料通路管５０には、燃料通路管５０に燃料を供給する図示しない燃料ポンプが接続されている。燃料ポンプは、ディーゼル機関１Ａのクランク軸７によって駆動され、図示しない燃料タンクから吸引した燃料を燃料通路管５０に供給する。

　図示は省略するが、ディーゼル機関１Ａは、複数のシリンダ２ａを備えたいわゆる多気筒エンジンであり、複数のシリンダ２ａはシリンダブロック２に直列に配設される。各シリンダ２ａに対応して図１に示す副燃焼室１０が形成され、各副燃焼室１０に対してインジェクタ２０が備えられる。各インジェクタ２０は、共通する燃料通路管５０に接続されており、燃料通路管５０に蓄圧された燃料圧力で、副燃焼室１０に燃料を噴射する。すなわち、燃料通路管５０内に保持された燃料圧力が、インジェクタ２０から副燃焼室１０に燃料を噴射する際の噴射圧となる。インジェクタ２０は、インジェクタ先端部２１、インジェクタ本体部２２、駆動部２３、及び入口配管２４を備える。インジェクタ２０は、いわゆる内開弁式タイプのインジェクタであり、インジェクタ先端部２１には、燃料を噴射する噴射孔２１ａが形成され、インジェクタ先端部２１及びインジェクタ本体部２２の内部には、図示しないニードル弁が内蔵されている。該ニードル弁は、駆動部２３に収容された図示しない電磁ソレノイドによりその作動が制御され、コネクタ２３ａを介して送られる電気信号に基づいて任意の噴射時期で噴射孔２１ａを開閉する。インジェクタ２０のインジェクタ先端部２１の反対側には、インジェクタ２０に燃料を導入する入口配管２４が形成されている。入口配管２４の側面には、図示しない環状の溝部が形成され、該溝部には、柔軟性を有する耐油性の樹脂で構成されたＯリング２４ａが装着されている。図１に示すように、燃料通路管５０は、図１の紙面に垂直な方向に延びる管状の部材であり、インジェクタ２０の入口配管２４が嵌合される嵌合ボス５２が形成されている。嵌合ボス５２は、装着されるインジェクタ２０の数に合わせて燃料通路管５０の軸方向に均等間隔で形成される。

　ディーゼル機関１は、インジェクタ２０から燃料を噴射する噴射時期、噴射圧を制御するため、図示しないエンジンＥＣＵを備えている。このエンジンＥＣＵにより、図示しない燃料ポンプから供給される燃料量が調節され、燃料通路管５０に蓄圧される燃料圧力が調整される。そして、インジェクタ２０の駆動部２３を制御することにより、任意の噴射時期、噴射圧で、副燃焼室１０に対して燃料を噴射することができる。

　シリンダヘッド３Ａのインジェクタ取り付け面３ｂには、インジェクタ２０を挿入する挿入部を構成するインジェクタ取付部３ｃが形成される。そして、インジェクタ取付部３ｃに挿入されたインジェクタ２０の先端部２１の周辺には、副燃焼室１０において発生する燃焼ガスによってインジェクタ２０が過剰に加熱されることを防止する過熱防止構造が配置される。図１に示す実施形態では、過熱防止構造として、第一の過熱防止構造７０Ａが形成される。図１に示すＡ－Ａ断面を示す図２からも理解されるように、第１の過熱防止構造７０Ａは、インジェクタ取付部３ｃを構成する取付ボス７１と、取付ボス７１を囲繞するように配置された冷却水通路７２を備える。取付ボス７１、及び冷却水通路７２は、例えば、鋳造によりシリンダヘッド３Ａと共に一体成形される。シリンダヘッド３Ａには、主燃焼室１４に面する下面３ａ付近を冷却する冷却水通路３３も配置されている。冷却水通路７２、及び冷却水通路３３を流れる冷却水は、図示しない冷却水ポンプによって、ディーゼル機関１の各冷却水通路（シリンダブロック２に配設されるウオータジャケット２ｂ等を含む）、及び図示しないラジエータ等を循環させられ、ディーゼル機関１Ａを冷却する。

　上記した第１の過熱防止構造７０Ａによれば、副燃焼室１０に臨むように配設されるインジェクタ２０の先端部２１の周囲が積極的に冷却される。これにより、副燃焼室１０内で発生する燃焼ガスから受熱することによるインジェクタ２０、特に、先端部２１の温度上昇が抑えられる。この結果、インジェクタ２０に電磁ソレノイド等の電気的に作動する駆動部２３が備えられていたとしても、作動特性が変化して、所望の噴射特性が得られなくなる問題、さらには、過剰に加熱され耐久性が低下する等の問題も解消することができる。さらに、第一の過熱防止構造７０Ａは、鋳造により一体成型されることから、部品点数を増やすことなく実現することができるという利点も有している。

　本実施形態では、図３に示すように、シリンダヘッド３Ａの副燃焼室１０を囲繞する領域３７が、第一の過熱防止構造７０Ａが配設される上部領域Ｘ１と、シリンダヘッド３Ａの下面３ａを冷却する冷却水通路３３が配設される下部領域Ｘ２と、上部領域Ｘ１と下部領域Ｘ２とで挟まれる中間領域Ｘ３と、により構成されており、中間領域Ｘ３には冷却水通路を配設しないようにしている。これにより、上記した第一の過熱防止構造７０Ａを採用した構成であっても、副燃焼室１０の壁面が必要以上に冷却され、冷却損失が大きくなることを抑制することができる。なお、図３に基づき説明する「上部」、「下部」とは、ピストン４の摺動方向でみてシリンダヘッド２が配設された側を「上部」とし、クランク軸７が配設する側を「下部」として説明するものであり、ディーゼル機関１が実際に使用される際に設置される方向とは関係がない。

　本発明により実現される過熱防止構造は、上記した第１の過熱防止構造７０Ａに限定されず、種々の変形例が想定される。以下に、図４～図６を参照しながら、説明する。

　図４には、第２の過熱防止構造７０Ｂを備えたディーゼル機関１Ｂが示されている。ディーゼル機関１Ｂは、図１に示すディーゼル機関１Ａの第１の過熱防止構造７０Ａに対し、シリンダヘッド３Ｂに配設された過熱防止構造が、第２の過熱防止構造７０Ｂである点で相違し、他の構成については同一であるため、第１の過熱防止構造７０Ａと異なる点を中心に説明し、他の構成についての説明は省略する。

　図４に示す第２の過熱防止構造７０Ｂは、シリンダヘッド３Ｂとは別体のノズルスリーブ７３と、ノズルスリーブ７３がシリンダヘッド３Ｂに配設された状態でノズルスリーブ７３の外周７３ｂを囲繞するように配置された冷却水通路７４と、を備える。

　ノズルスリーブ７３は、例えば、ＳＵＳ系金属からなる略円筒状部材である。ノズルスリーブ７３は、インジェクタ２０を保持すべく段差形状をなすインジェクタ取付部７３ａと、小径のスリーブ先端部７３ｃを備える。先端部７３ｃの外周には雄ねじが形成されている。シリンダヘッド３Ｂには、インジェクタ２０を挿入する位置に、副燃焼室１０側に開放される開口部３４及び外部に開放される開口部３５が形成され、内部に冷却水通路７４を有する。開口部３４には雌ねじが形成されている。ノズルスリーブ７３をシリンダヘッド３Ｂに取り付ける際には、開口部３４にノズルスリーブ７３の先端部７３ｃを螺合することにより固定する。開口部３４の近傍位置には段差部が形成され、該段差部には、パッキン７３ｄが配設される。また、ノズルスリーブ７３と開口部３５との嵌合部には、少なくともいずれか一方に形成された溝部にＯリング７３ｅが配設される。ノズルスリーブ７３をシリンダヘッド３Ｂに固定した際には、パッキン７３ｄ及びＯリング７３ｅの作用により、冷却水通路７４と副燃焼室１０、及び外部とのシール性が確保される。

　上記した第２の過熱防止構造７０Ｂによっても、第１の過熱防止構造７０Ａと同様に、副燃焼室１０に臨むように配設されるインジェクタ２０の先端部２１の周囲が積極的に冷却される。これにより、副燃焼室１０内で発生する燃焼ガスから受熱することによるインジェクタ２０、特に、先端部２１の温度上昇が抑えられる。まだ、第２の過熱防止構造７０Ｂのように、過熱防止構造をシリンダヘッド３Ｂに対して別体のノズルスリーブ７３によって構成することにより、シリンダヘッド３Ｂの成形性が向上し、また、冷却水通路７４にインジェクタ２０をより近接させることができることから、インジェクタ２０をより効率よく冷却することが可能になる。この結果、インジェクタ２０に電磁ソレノイド等の電気的に作動する駆動部２３が備えられていたとしても、作動特性が変化して、所望の噴射特性が得られなくなる問題、さらには、過剰に加熱され耐久性が低下する等の問題も解消することができる。

　図５を参照しながら、ディーゼル機関１Ｃに適用された第３の過熱防止構造７０Ｃについて説明する。なお、図５（ａ）には、第３の過熱防止構造７０Ｃと共に、上記した第１の過熱防止構造７０Ａも併せて示している。このように、第３の過熱防止構造７０Ｃは、上記した第１の過熱防止構造７０Ａ、又は第２の過熱防止構造７０Ｂと併用することができ、また、第３の過熱防止構造単独で実施することも可能である。

　図５（ａ）に示すように、第３の過熱防止構造７０Ｃは、インジェクタ２０の先端部２１を、シリンダヘッド３Ｃに形成された副燃焼室１０の内壁面１０ａから内側にオフセットさせ形成された凹部により実現される。図５（ｂ）に、図５（ａ）のＡ部を拡大して示す。図５（ｂ）に示すように、インジェクタ２０が、副燃焼室１０の内壁面１０ａに対し、先端部２１が内側方向にＸだけオフセットした状態で取り付けられる。オフセット量Ｘは、機関出力や、圧縮比等によって調整されるべきであるが、１．０ｍｍ～３．０ｍｍで設定されることが好ましい。

　上記した凹部をなす第３の過熱防止構造７０Ｃを備えることで、膨張行程において、燃焼ガスＦが副燃焼室１０内を流動する際に、インジェクタ２０の先端部２１に直接接触することを抑制し、副燃焼室１０内で発生し流動する燃焼ガスＦから受熱することによる先端部２１の温度上昇が抑えられる。この結果、インジェクタ２０に電磁ソレノイド等の電気的に作動する駆動部２３が備えられていたとしても、作動特性が変化して、所望の噴射特性が得られなくなる問題、さらには、過剰に加熱され耐久性が低下する等の問題も解消することができる。

　図６を参照しながら、ディーゼル機関１Ｄのシリンダヘッド３Ｄに対して配設された第４の過熱防止構造７０Ｄについて説明する。なお、ディーゼル機関１Ｄは、第１の過熱防止構造７０Ａが配設されたディーゼル機関１Ａのシリンダヘッド３Ａに対し、インジェクタ２０が取付けられる周辺領域のみ相違するため、図６（ａ）では、インジェクタ２０が取付けられる周辺領域のみを拡大して示している。

　図６（ａ）に示すように、第４の過熱防止構造７０Ｄは、インジェクタ２０の先端部２１に配設されるプロテクタチップ７６により実現される。このプロテクタチップ７６の構成について、図６（ｂ）を参照しながら、より具体的に説明する。

　図６（ｂ）にプロテクタチップ７６を斜め下方から見た斜視図を示す。図６（ｂ）から理解されるように、プロテクタチップ７６は、略カップ状の部材であり、筒状の胴体部７６ａ、胴体部７６ａの上縁開口部を囲繞し外方に鍔形状をなす鍔部７６ｂ、鍔部７６ｂの反対側でインジェクタ先端部２１を覆う下面部７６ｃ、下面部７６ｃの中央に形成されインジェクタ２０の先端部２１の噴口２１ａを副燃焼室１０に臨ませるための先端開口部７６ｄと、を備えている。このプロテクタチップ７６は、例えばＳＵＳ系金属で形成される。

　図６（ａ）に示すように、本実施形態では、上記したプロテクタチップ７６に加え、筒状のパッキン７７を備えている。パッキン７７は、例えば、インジェクタ２０を取り付ける押圧力で変形可能な耐熱性のシリコン樹脂、あるいはポリアセタール樹脂等から形成されることが好ましい。インジェクタ２０をシリンダヘッド３Ｄに取り付ける際には、インジェクタ２０の先端部２１に対し、先端部２１側からパッキン７７、及びプロテクタチップ７６を装着する。次いで、シリンダヘッド３Ｄのインジェクタ取付部３ｃ’に対してインジェクタ２０を挿入し、図示しない所定の固定手段によりインジェクタ２０を固定する。インジェクタ取付部３ｃ’には、段差部３６が形成されており、段差部３６にプロテクタチップ７６の鍔部７６ｂが押し当てられる。これにより、鍔部７６ｂは、インジェクタ２０側の段差部２５から押圧されるパッキン７７と、段差部３６とにより挟持された状態となる。パッキン７７が配設される空間には、予めパッキン７７の潰れ代が形成されており、インジェクタ２０をシリンダヘッド３Ｄに固定することでパッキン７７が潰れ、プロテクタチップ７６は、パッキン７７と、インジェクタ取付部３ｃ’の段差部３６によって強固に固定される。

　上記した第４の過熱防止構造７０Ｄによれば、膨張行程において、燃焼ガスＦが副燃焼室１０内を流動する際に、インジェクタ２０の先端部２１に燃焼ガスＦが直接接触することを抑制し、インジェクタ２０の先端部２１の温度上昇が抑えられる。この結果、インジェクタ２０に電磁ソレノイド等の電気的に作動する駆動部２３が備えられていたとしても、作動特性が変化して、所望の噴射特性が得られなくなる問題、さらには、過剰に加熱され耐久性が低下する等の問題も解消することができる。

　上記した第４の過熱防止構造は、第１の過熱防止構造、又は第２の過熱防止構造と組み合わせることができ、また単独で実施することも可能である。

　上記した実施形態では、図３の第１の過熱防止構造７０Ａが形成されたシリンダヘッド３Ａを参照しながら、シリンダヘッド３Ａの上部領域Ｘ１と下部領域Ｘ２とで挟まれる中間領域Ｘ３に冷却水通路を配設しないようにすることを説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、第２の過熱防止構造７０Ｂを搭載したシリンダヘッド３Ｂ、又は第３の過熱防止構造７０Ｃを搭載したシリンダヘッド３Ｃ、第４の過熱防止構造７０Ｄを搭載したシリンダヘッド３Ｄにおいても、過熱防止構造が配設される上部領域Ｘ１とシリンダヘッドの下面を冷却する冷却水通路が配設される下部領域Ｘ２とで挟まれ、冷却水通路を配設しない中間領域Ｘ３を設けてもよい。

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ：ディーゼル機関
２：シリンダブロック
２ｂ：ウオータジャケット
３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ：シリンダヘッド
３ａ：下面
３ｂ：インジェクタ取り付け面
３ｃ、３ｃ’：インジェクタ取付部
４：ピストン
４ａ：頂面
５：吸気ポート
６：吸気弁
１０：副燃焼室
１２：連通孔
１４：主燃焼室
２０：インジェクタ
２１：インジェクタ先端部
２１ａ：噴口
２２：インジェクタ本体部
２３：駆動部
２３ａ：コネクタ
２４：入口配管
３３：冷却水通路
３４、３５：開口部
５０：燃料通路管
５２：嵌合ボス
７０Ａ：第１の過熱防止構造
７０Ｂ：第２の過熱防止構造
７０Ｃ：第３の過熱防止構造（凹部）
７０Ｄ：第４の過熱防止構造
７１：取付ボス
７２：冷却水通路
７３：ノズルスリーブ
７４：冷却水通路
７６：プロテクタチップ
７７：パッキン

Claims

　主燃焼室に連絡孔によって連通される副燃焼室が形成されたシリンダヘッドを備えた副室式ディーゼル機関において、
　前記副燃焼室に燃料を噴射するインジェクタが前記シリンダヘッドに取り付けられており、前記シリンダヘッドは、前記シリンダヘッドのインジェクタ取付部におけるインジェクタ先端部の周辺に過熱防止構造を備えた副室式ディーゼル機関。
　前記過熱防止構造は、前記シリンダヘッドに形成されたインジェクタ取付部のボス部を囲繞するように冷却水通路を配置することにより実現される請求項１に記載の副室式ディーゼル機関。
　前記インジェクタ取付部のボス部を、前記シリンダヘッドに対して別体のノズルスリーブにより構成し、前記ノズルスリーブの外周を囲繞するように冷却水通路を配置した、請求項２に記載の副室式ディーゼル機関。
　前記過熱防止構造は、インジェクタ先端部を、前記副燃焼室の内壁面から内側にオフセットさせて凹部を形成することにより実現される請求項１乃至３のいずれかに記載の副室式ディーゼル機関。
　前記過熱防止構造は、インジェクタ先端部にプロテクタチップを配設することにより実現される請求項１に記載の副室式ディーゼル機関。
　前記シリンダヘッドの前記副燃焼室を囲繞する領域が、前記過熱防止構造が配設される上部領域と、シリンダヘッド下面を冷却する冷却水通路が配設される下部領域と、前記上部領域と前記下部領域とで挟まれる中間領域と、により構成され、前記中間領域に冷却水通路を配設しない請求項１乃至５のいずれかに記載された副室式ディーゼル機関。