WO2022024858A1 - ディーゼルエンジン - Google Patents

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WO2022024858A1
WO2022024858A1 PCT/JP2021/027065 JP2021027065W WO2022024858A1 WO 2022024858 A1 WO2022024858 A1 WO 2022024858A1 JP 2021027065 W JP2021027065 W JP 2021027065W WO 2022024858 A1 WO2022024858 A1 WO 2022024858A1
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WO
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fuel
diesel engine
cavity
injection hole
partition wall
Prior art date
Application number
PCT/JP2021/027065
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English (en)
French (fr)
Inventor
銀 森田
Original Assignee
ヤンマーホールディングス株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/02—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition
    • F02B23/06—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/26—Pistons  having combustion chamber in piston head
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J1/00—Pistons; Trunk pistons; Plungers
    • F16J1/09—Pistons; Trunk pistons; Plungers with means for guiding fluids
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a diesel engine having a piston having a concave cavity on the top surface and a fuel injection nozzle for spraying fuel into the cavity.
  • a concave cavity serving as a combustion chamber is provided on the top surface of a diesel engine piston.
  • a plurality of upper injection holes and a plurality of lower injection holes are provided at the tip of the fuel injection nozzle used in the diesel engine.
  • the upper injection hole is formed at a distance in the circumferential direction far from the tip of the fuel injection nozzle.
  • the lower injection hole is formed near the tip of the fuel injection nozzle at a distance in the circumferential direction.
  • the number of the upper injection holes and the number of the lower injection holes are set to be the same, and the upper injection holes and the lower injection holes are arranged in a staggered pattern.
  • Convex portions protruding inward in the radial direction are provided at several locations on the inner peripheral wall surface of the cavity, and recesses are formed between adjacent convex portions.
  • the fuel sprayed from the upper injection hole of the fuel injection nozzle collides with the upper end portion of the recess and spreads vertically and horizontally, while the fuel sprayed from the lower injection hole of the fuel injection nozzle. Collides with the top of the mountain portion of the convex portion and spreads up, down, left and right, but there is a difference between the time until the fuel collides with the concave portion and the time until the fuel collides with the convex portion. Interference between the fuel that collides with the concave portion and spreads vertically and horizontally and the fuel that collides with the convex portion and spreads vertically and horizontally can be suppressed.
  • Patent Document 1 the fuel sprayed from the upper injection hole of the fuel injection nozzle and collides with the concave portion of the cavity to spread up, down, left and right, and the convex portion of the cavity sprayed from the lower injection hole of the fuel injection nozzle.
  • Soot soot
  • CO carbon monoxide
  • THC unburned hydrocarbon
  • the present invention relates to a fuel sprayed from the upper injection hole and collided with a recess on the inner peripheral wall surface of the cavity and a fuel sprayed from the lower injection hole and collided with the vicinity of the partition wall on the inner bottom surface of the cavity.
  • the purpose is to provide a diesel engine that can suppress the interference with the vehicle as much as possible.
  • the present invention is a diesel engine having a piston having a concave cavity on the top surface and a fuel injection nozzle for spraying fuel into the cavity, and the circumference of a portion of the tip of the fuel injection nozzle far from the tip.
  • Upper injection holes are provided at several locations
  • lower injection holes are provided at several locations on the circumference of the tip near the tip
  • openings are provided from the inner bottom surface of the cavity on the inner peripheral wall surface of the cavity.
  • the lower region up to the intermediate position toward the opening is flush with each other in the circumferential direction, and the number of circumferences of the upper region on the opening side from the intermediate position toward the opening from the inner bottom surface of the cavity on the inner peripheral wall surface.
  • the lower injection holes are provided with concave portions that are radially outwardly recessed and collide with the fuel sprayed from the upper injection hole, and the lower injection holes are adjacent to each other on the inner bottom surface of the inner bottom surface. It is characterized in that it is provided so as to collide with the vicinity of the partition wall existing between the recesses.
  • the fuel sprayed from the upper injection hole collides with the concave portion and then spreads in the vertical and horizontal directions, while the fuel sprayed from the lower injection hole is in the vicinity of the partition wall portion on the inner bottom surface. After the collision, it spreads upward and left and right.
  • the collision position of the fuel sprayed from the lower injection hole is located radially inside the collision position of the fuel sprayed from the upper injection hole, the fuel is sprayed from the upper injection hole into the recess.
  • the fuel that collided and the fuel that was sprayed from the lower injection hole and collided with the vicinity of the partition wall on the inner bottom surface spread in different directions, and particularly upward from the vicinity of the partition wall on the inner bottom surface.
  • the spreading fuel is less likely to interfere with the fuel spreading in the vertical and horizontal directions from the recess.
  • the portion of the cavity where the fuel becomes excessively concentrated can be reduced and the air utilization rate can be improved, which can contribute to the improvement of fuel efficiency, as well as soot (Soot), carbon monoxide (CO), and unburned hydrocarbon ( THC) emissions can be reduced.
  • soot soot
  • CO carbon monoxide
  • THC unburned hydrocarbon
  • a step may be formed between the lower region on the inner bottom surface side and the upper region on the inner peripheral wall surface from the intermediate position.
  • the fuel sprayed from the upper injection hole and colliding with the concave portion and the fuel sprayed from the lower injection hole and colliding with the lower region on the inner bottom surface are less likely to interfere with each other.
  • the lower region on the inner end surface of the partition wall portion from the inner bottom surface to the intermediate position in front of the opening is flush with the lower region of the inner peripheral wall surface in the axial direction.
  • the upper region from the intermediate position to the opening on the inner end surface of the partition wall portion is retracted radially outward from the lower region of the partition wall portion, and the lower side of the partition wall portion is retracted accordingly.
  • the configuration may be such that a step is formed between the region and the upper region.
  • the fuel that is particularly upward from the vicinity of the partition wall portion on the inner bottom surface is guided straight toward the opening of the cavity by the lower region of the partition wall portion.
  • the fuel that spreads upward due to the lower region of the partition wall portion is less likely to interfere with the fuel that spreads vertically and horizontally from the recess.
  • the number of the lower injection holes is half the number of the upper injection holes, and the lower injection holes allow the fuel to be sprayed between the adjacent recesses on the inner bottom surface. It can be configured to be arranged at a position where it collides with every other partition wall of all the existing partition walls.
  • the width along the circumferential direction of the partition wall where the fuel collides may be set to be larger than the width along the circumferential direction of the partition wall where the fuel does not collide. can.
  • the fuel that spreads upward from the vicinity of the partition wall on the inner bottom surface is less likely to interfere with the fuel that spreads vertically and horizontally from the recess.
  • a mountain portion that rises toward the opening is provided in the center of the inner bottom surface, and the outer peripheral slope of the mountain portion is along with the fuel sprayed from the lower injection hole. It can be configured to be a guide surface facing the inner bottom surface.
  • the fuel sprayed from the upper injection hole and collided with the recess on the inner peripheral wall surface of the cavity and the fuel sprayed from the lower injection hole and collided with the vicinity of the partition wall on the inner bottom surface of the cavity can be suppressed as much as possible. This makes it possible to reduce carbon monoxide (CO) and unburned hydrocarbon (THC) emissions as much as possible.
  • CO carbon monoxide
  • THC unburned hydrocarbon
  • FIG. 2 It is a top view which shows one Embodiment of the piston of the diesel engine which concerns on this invention. It is the figure which looked at the cross section (2)-(2) of FIG. 1 from the direction of an arrow. It is the figure which looked at the cross section (3)-(3) of FIG. 1 from the direction of an arrow. It is the figure which looked at the cross section (4)-(4) of FIG. 2 from the direction of an arrow. It is a perspective view which shows by breaking a part of the piston of FIG. It is the figure which looked up at the lower end of a fuel injection nozzle. It is a graph which shows the calculation result by the in-cylinder pressure and the heat generation history about this embodiment and the conventional example.
  • FIG. 11 It is a top view which shows the other embodiment of the piston of the diesel engine which concerns on this invention. It is a figure which looked at the cross section (9)-(9) of FIG. 8 from the direction of an arrow. It is a figure which looked at the cross section (10)-(10) of FIG. 8 from the direction of an arrow. 9 is a view of the cross section of the line (11)-(11) of FIG. 9 viewed from the direction of the arrow. It is a perspective view which shows by breaking a part of the piston of FIG. It is the figure which looked up at the lower end of a fuel injection nozzle. It is a graph which shows the calculation result by the in-cylinder pressure and the heat generation history about this embodiment and the conventional example. It is a figure corresponding to FIG. 11 in another embodiment of the piston of the diesel engine which concerns on this invention.
  • 1 to 7 show an embodiment of the present invention.
  • 1 is a diesel engine piston (hereinafter, simply referred to as a piston), and 2 is a fuel injection nozzle.
  • a concave cavity 3 is provided on the top surface of the piston 1.
  • a mountain portion 4 that rises toward the opening is provided. Due to the presence of the mountain part 4, the inner bottom surface is circular in a plan view.
  • the mountain portion 4 has a conical shape.
  • the outer peripheral slope of the mountain portion 4 is a guide surface along which the fuel sprayed from the lower injection hole 2b is directed toward the inner bottom surface of the cavity 3.
  • the foot portion of this mountain portion 4 is formed in a cylindrical shape that is concentric with the outer peripheral surface of the piston 1.
  • the inner bottom surface has an annular shape, and the annular space on the inner bottom surface of the annular shape is enlarged as compared with the case where the foot portion of the mountain portion 4 is a slope. This expansion promotes mixing of the fuel sprayed from the lower injection hole 2b with air.
  • the lower region 3a from the inner bottom surface of the cavity 3 to the middle position toward the opening is flush with each other in the circumferential direction.
  • the inner diameter of the lower region 3a is the same at each portion in the circumferential direction.
  • recesses 5 recessed outward in the radial direction are provided at equal intervals in several places (for example, six places) in the upper region from the intermediate position to the front of the opening.
  • a step 6 is formed between the lower region 3a of the inner peripheral wall surface of the cavity 3 and the upper region.
  • partition wall portion 7 between the recesses 5 adjacent to each other in the circumferential direction.
  • partition walls 7 There are six partition walls 7. As shown in FIG. 4, of the six partition walls 7, the width along the circumferential direction of the partition wall 7 to which the fuel collides is larger than the width along the circumferential direction of the partition wall 7 to which the fuel does not collide. Is also set large.
  • the lower region 7a from the inner bottom surface of the cavity 3 to the middle position in front of the opening of the cavity 3 on the inner end surface of the partition wall portion 7 is axially flush with the lower region 3a of the inner peripheral wall surface of the cavity 3. ing.
  • the dimensions of the lower region 7a on the inner end surface of the partition wall 7 along the axial direction are appropriately set.
  • a step 8 is formed between the lower region 7a of the partition wall 7 and the upper region.
  • the step 8 is located on the opening side of the cavity 3 with respect to the step 6 between the lower region 3a of the inner peripheral wall surface of the cavity 3 and the upper region.
  • round chamfers and tapered chamfers are applied to both steps 6 and 8, both sides of the partition wall 7 in the circumferential direction, and the inner corners formed by the inner bottom surface and the inner peripheral wall surface.
  • the fuel injection nozzle 2 sprays fuel into the cavity 3 of the piston 1, and has an upper injection hole 2a and a lower injection hole 2b at the tip thereof, as shown in FIG. There is.
  • the tip of the fuel injection nozzle 2 has a tapered shape.
  • the upper injection holes 2a are provided at several points on the circumference of the conical portion of the fuel injection nozzle 2 far from the tip at equal intervals. The fuel sprayed from the upper injection hole 2a collides with each recess 5 (see the low-density dot pattern in FIG. 4).
  • the lower injection holes 2b are provided at equal intervals in several places on the circumference of the conical portion of the fuel injection nozzle 2 near the tip.
  • the fuel sprayed from the lower injection hole 2b collides with the vicinity of every other partition wall 7 among all the partition walls 7 existing between the adjacent recesses 5 on the inner bottom surface of the cavity 3. (See the high-density dot pattern in Fig. 4).
  • the number of upper injection holes 2a is set to be larger than the number of lower injection holes 2b.
  • the number of upper injection holes 2a is six, and the number of lower injection holes 2b is three.
  • the upper injection holes 2a and the lower injection holes 2b having different numbers in this way are arranged in a staggered manner so that the phases of the upper injection holes 2a and the lower injection holes 2b do not match.
  • the injection diameter of the upper injection hole 2a is set to be larger than the injection diameter of the lower injection hole 2b.
  • the diameter of the upper injection hole 2a is ⁇ 0.12 mm to ⁇ 0.16 mm
  • the diameter of the lower injection hole 2b is ⁇ 0.10 mm to ⁇ 0.13 mm.
  • the nozzle angle ⁇ 1 of the upper jet hole 2a is set to be larger than the jet angle ⁇ 2 of the lower jet hole 2b.
  • the injection port angle ⁇ 1 of the upper injection hole 2a is 150 to 160 degrees
  • the injection port angle ⁇ 2 of the lower injection hole 2b is 80 to 90 degrees.
  • the fuel sprayed from the upper injection hole 2a of the fuel injection nozzle 2 collides with the concave portion 5 of the cavity 3 and then spreads in the vertical and horizontal directions.
  • the fuel sprayed from the lower injection hole 2b of the fuel injection nozzle 2 collides with the vicinity of the partition wall portion 7 on the inner bottom surface of the cavity 3 as shown by the two-point chain line in FIG. Spread to.
  • the fuel sprayed from the upper injection hole 2a and the fuel sprayed from the lower injection hole 2b both spread in a fan shape in a plan view, but are sprayed from the upper injection hole 2a.
  • the spread of fuel is larger than the spread of fuel sprayed from the lower injection hole 2b.
  • the upper injection hole 2a to the recess 5 Since the distance from the upper injection hole 2a to the deepest position of the recess 5 is longer than the distance from the lower injection hole 2b to the vicinity of the partition wall 7 on the inner bottom surface of the cavity 3, the upper injection hole 2a to the recess 5 There is a difference between the time until the fuel collides with the fuel and the time until the fuel collides with the vicinity of the partition wall 7 on the inner bottom surface of the cavity 3 from the lower injection hole 2b.
  • a step 6 is provided between the recess 5 and the lower region 3a of the inner peripheral wall surface of the cavity 3, and the lower region 7a of the inner end surface of the partition wall 7 is combined with the lower region 3a of the inner peripheral wall surface. Since they are flush with each other, the collision position of the fuel sprayed from the lower injection hole 2b is located radially inside the collision position of the fuel sprayed from the upper injection hole 2a.
  • the fuel sprayed from the upper injection hole 2a and colliding with the recess 5 and the fuel sprayed from the lower injection hole 2b and colliding with the vicinity of the partition wall 7 on the inner bottom surface of the cavity 3 are in different directions. As the fuel spreads, the fuel spreading upward from the vicinity of the partition wall portion 7 on the inner bottom surface is less likely to interfere with the fuel spreading in the vertical and horizontal directions from the recess 5 of the cavity 3.
  • the portion of the cavity 3 where the fuel becomes excessively concentrated can be reduced and the air utilization rate can be improved, which can contribute to the improvement of fuel efficiency, as well as soot (Soot), carbon monoxide (CO), and unburned hydrocarbon ( THC) emissions can be reduced.
  • soot soot
  • CO carbon monoxide
  • THC unburned hydrocarbon
  • the fuel sprayed from the lower injection hole 2b is made to collide with the target position (near the partition wall portion 7 on the inner bottom surface) along the outer peripheral slope of the mountain portion 4 provided in the center of the inner bottom surface of the cavity 3. I am doing it.
  • the number of the upper injection holes 2a is six
  • the number of the lower injection holes 2b is three
  • the injection diameter of the upper injection hole 2a is ⁇ 0.148 mm
  • the injection diameter of the lower injection hole 2b is ⁇ 0.119 mm.
  • CO carbon monoxide
  • THC unburned hydrocarbons
  • NOx nitrogen oxides
  • FIGS. 8 to 14 show other embodiments of the present invention.
  • the number of upper injection holes 2a is eight and the number of lower injection holes 2b is four.
  • the diameter of the upper injection hole 2a is ⁇ 0.12 mm to ⁇ 0.13 mm
  • the diameter of the lower injection hole 2b is ⁇ 0.10 mm to ⁇ 0.11 mm.
  • the number of the upper injection holes 2a is eight
  • the number of the lower injection holes 2b is four
  • the injection diameter of the upper injection hole 2a is ⁇ 0.128 mm
  • the injection diameter of the lower injection hole 2b is ⁇ 0.103 mm.
  • the result of this embodiment is shown by the solid line in FIG. 7, and the result of the conventional example is shown by the broken line in FIG.
  • the fuel sprayed from the lower injection hole 2b is made difficult to mix with the air on the outer peripheral slope of the mountain portion 4 of the cavity 3, so that the initial stage is as shown in FIG. 14 (a).
  • the heat generation becomes slower, and the fuel sprayed from the upper injection hole 2a and collides with the recess 5 and spreads, and the fuel sprayed from the lower injection hole 2b collides with the inner bottom surface of the cavity 3 and spreads.
  • the late combustion is activated as shown in FIG. 14 (b) and the post-combustion is reduced as shown in FIG. 14 (c).
  • the number of the upper injection holes 2a and the number of the lower injection holes 2b can be the same number (for example, eight). In this case, it is preferable that all the partition walls 7 have the same width along the circumferential direction.
  • the width along the circumferential direction of the partition wall 7 to which the fuel sprayed from the lower injection hole 2b collides and the fuel sprayed from the lower injection hole 2b are It is possible to set the width of the partition wall portion 7 that does not collide along the circumferential direction to be the same.
  • the present invention can be suitably used for a diesel engine having a piston having a concave cavity on the top surface and a fuel injection nozzle for spraying fuel into the cavity.

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Abstract

ピストン１のキャビティ３の内周壁面においてキャビティ３の内底面から開口へ向かう途中位置までの下側領域３ａが、円周方向で面一とされている。前記内周壁面において前記キャビティ３の内底面から開口へ向かう前記途中位置から前記開口側の上側領域の円周数ヶ所には、径方向外向きに凹むとともに上段噴孔２ａから噴霧される燃料がそれぞれ衝突される凹部５が設けられている。下段噴孔２ｂは、噴霧する燃料を前記内底面において前記隣り合う各凹部５の間に存在する隔壁部７の近傍に衝突させるように設けられている。

Description

ディーゼルエンジン
　本発明は、頂面に凹状のキャビティを有するピストンと、前記キャビティに燃料を噴霧する燃料噴射ノズルと、を有するディーゼルエンジンに関する。
　例えば特許文献１に示すように、ディーゼルエンジン用ピストンの頂面には、燃焼室となる凹状のキャビティが設けられている。
　ディーゼルエンジンに用いる燃料噴射ノズルの先端部には、複数の上段噴孔と複数の下段噴孔とが設けられている。
　前記上段噴孔は、燃料噴射ノズルの先端から遠くに周方向に間隔を隔てて形成されている。前記下段噴孔は、燃料噴射ノズルの先端に近くに周方向に間隔を隔てて形成されている。
　前記上段噴孔の数と前記下段噴孔の数は同じに設定されており、前記上段噴孔と前記下段噴孔とは千鳥状に配置されている。
　前記キャビティの内周壁面の円周数ヶ所には、径方向内向きに突出する凸部が設けられており、隣り合う凸部の間が凹部になっている。
　そして、上記特許文献１には、「燃料噴射ノズルの上段噴孔から噴霧される燃料が前記凹部の上端部分に衝突して上下左右に広がる一方、燃料噴射ノズルの下段噴孔から噴霧される燃料が前記凸部の山部の頂部に衝突して上下左右に広がるが、前記凹部に燃料が衝突するまでの時間と、前記凸部に燃料が衝突するまでの時間とに差が生ずるので、前記凹部に衝突して上下左右に広がる燃料と前記凸部に衝突して上下左右に広がる燃料との干渉が抑えられる」と記載されている。
特許第５５８９４５３号公報
　しかしながら、上記特許文献１では、燃料噴射ノズルの上段噴孔から噴霧されて前記キャビティの凹部に衝突して上下左右に広がる燃料と、燃料噴射ノズルの下段噴孔から噴霧されて前記キャビティの凸部に衝突して上下左右に広がる燃料とが干渉することを十分に抑制できていないために、煤（Ｓｏｏｔ）、一酸化炭素（ＣＯ）、未燃炭化水素（ＴＨＣ）の排出量を低減する効果が弱いことが指摘される。
　このような事情に鑑み、本発明は、上段噴孔から噴霧されてキャビティの内周壁面の凹部に衝突した燃料と下段噴孔から噴霧されてキャビティの内底面において隔壁部の近傍に衝突した燃料との干渉を可及的に抑制可能とするディーゼルエンジンの提供を目的としている。
　本発明は、頂面に凹状のキャビティを有するピストンと、前記キャビティに燃料を噴霧する燃料噴射ノズルと、を有するディーゼルエンジンであって、前記燃料噴射ノズルの先端部において先端から遠い部位の円周数ヶ所には上段噴孔が設けられ、前記先端部において前記先端に近い部位の円周数ヶ所には下段噴孔が設けられており、前記キャビティの内周壁面において前記キャビティの内底面から開口へ向かう途中位置までの下側領域が、円周方向で面一とされており、前記内周壁面において前記キャビティの内底面から開口へ向かう前記途中位置から前記開口側の上側領域の円周数ヶ所には、径方向外向きに凹むとともに前記上段噴孔から噴霧される燃料がそれぞれ衝突される凹部が設けられており、前記下段噴孔は、噴霧する燃料を前記内底面において前記隣り合う各凹部の間に存在する隔壁部の近傍に衝突させるように設けられていることを特徴としている。
　この構成によれば、前記上段噴孔から噴霧される燃料が前記凹部に衝突してから上下左右方向に広がる一方、前記下段噴孔から噴霧される燃料が前記内底面において前記隔壁部の近傍に衝突してから上方向および左右方向に広がる。
　ここで、前記凹部に燃料が衝突するまでの時間と前記内底面において前記隔壁部の近傍に燃料が衝突するまでの時間とに差が生ずるようになる。
　しかも、前記下段噴孔から噴霧される燃料の衝突位置が前記上段噴孔から噴霧される燃料の衝突位置よりも径方向内側に位置しているから、前記上段噴孔から噴霧されて前記凹部に衝突した燃料と前記下段噴孔から噴霧されて前記内底面において前記隔壁部の近傍に衝突した燃料とが異なる方向へ広がるようになって、前記内底面において前記隔壁部の近傍から特に上方向に広がる燃料が、前記凹部から上下左右方向に広がる燃料に干渉しにくくなる。
　その結果、前記キャビティ内において燃料過濃となる部分を減らせて空気の利用率が向上するので、燃費の向上に貢献できるとともに、煤（Ｓｏｏｔ）、一酸化炭素（ＣＯ）、未燃炭化水素（ＴＨＣ）の排出量を低減できるようになる。
　ところで、上記ディーゼルエンジンにおいて、前記内周壁面において前記途中位置から内底面側の前記下側領域と前記上側領域との間には、段差が形成されている構成とすることができる。
　この構成によれば、前記上段噴孔から噴霧されて前記凹部に衝突した燃料と、前記下段噴孔から噴霧されて前記内底面において前記下側領域に衝突した燃料とが干渉しにくくなる。
　また、上記ディーゼルエンジンにおいて、前記隔壁部の内端面において前記内底面から前記開口よりも手前の途中位置までの下側領域が、前記内周壁面の下側領域と軸方向で面一とされており、前記隔壁部の内端面において前記途中位置から前記開口までの上側領域は、前記隔壁部の下側領域よりも径方向外向きに後退されており、この後退に伴い前記隔壁部の下側領域と上側領域との間に段差が形成されている構成とすることができる。
　この構成によれば、前記内底面において前記隔壁部の近傍から特に上方向に向かう燃料が、前記隔壁部の下側領域によって前記キャビティの開口へ向けて真っ直ぐ案内されることになる。
　これにより、前記隔壁部の下側領域によって上方向に広がる燃料が前記凹部から上下左右方向に広がる燃料にさらに干渉しにくくなる。
　また、上記ディーゼルエンジンにおいて、前記下段噴孔の数は、前記上段噴孔の数の半分とされており、前記下段噴孔は、噴霧する燃料を前記内底面において前記隣り合う各凹部の間に存在するすべての隔壁部のうちの一つおきの隔壁部の近傍に衝突させる位置に配置されている構成とすることができる。
　この構成によれば、前記内底面において前記隔壁部の近傍から特に上方向に広がる燃料が、前記凹部から上下左右方向に広がる燃料に干渉する可能性が低くなる。
　また、上記ディーゼルエンジンにおいて、前記燃料が衝突される隔壁部の円周方向に沿う幅は、前記燃料が衝突されない隔壁部の円周方向に沿う幅よりも大きく設定されている構成とすることができる。
　この構成によれば、前記内底面において前記隔壁部の近傍から特に上方向に広がる燃料が低減されることになる。
　これにより、前記内底面において前記隔壁部の近傍から特に上方向に広がる燃料が前記凹部から上下左右方向に広がる燃料にさらに干渉しにくくなる。
　また、上記ディーゼルエンジンにおいて、前記内底面の中央には、前記開口へ向けて隆起する山部が設けられており、この山部の外周斜面は、前記下段噴孔から噴霧される燃料を沿わせて前記内底面に向かわせる案内面とされている構成とすることができる。
　この構成によれば、前記下段噴孔から噴霧される燃料を前記キャビティ内の山部の外周斜面に沿わせて狙いとなる位置（前記内底面において前記隔壁部の近傍）に衝突させる過程で、前記燃料が空気に触れにくくなる。
　これにより、燃焼温度の上昇を抑制することが可能になるから、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を低減できるようになる。
　本発明に係るディーゼルエンジンによれば、上段噴孔から噴霧されてキャビティの内周壁面の凹部に衝突した燃料と下段噴孔から噴霧されてキャビティの内底面において隔壁部の近傍に衝突した燃料との干渉を可及的に抑制することが可能になる。これにより、一酸化炭素（ＣＯ）、未燃炭化水素（ＴＨＣ）の排出量を可及的に低減することが可能になる。
本発明に係るディーゼルエンジンのピストンの一実施形態を示す平面図である。 図１の（２）－（２）線断面を矢印方向から見た図である。 図１の（３）－（３）線断面を矢印方向から見た図である。 図２の（４）－（４）線断面を矢印方向から見た図である。 図１のピストンの一部を破断にして示す斜視図である。 燃料噴射ノズルの下端を見上げた図である。 この実施形態と従来例とについて、筒内圧力および熱発生履歴による計算結果を示すグラフである。 本発明に係るディーゼルエンジンのピストンの他の実施形態を示す平面図である。 図８の（９）－（９）線断面を矢印方向から見た図である。 図８の（１０）－（１０）線断面を矢印方向から見た図である。 図９の（１１）－（１１）線断面を矢印方向から見た図である。 図８のピストンの一部を破断にして示す斜視図である。 燃料噴射ノズルの下端を見上げた図である。 この実施形態と従来例とについて、筒内圧力および熱発生履歴による計算結果を示すグラフである。 本発明に係るディーゼルエンジンのピストンの他の実施形態で、図１１に対応する図である。
　以下、本発明を実施するための最良の実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
　図１から図７に本発明の一実施形態を示している。図中、１はディーゼルエンジンのピストン（以下、単にピストンと言う）、２は燃料噴射ノズルである。
　ピストン１の頂面には、凹状のキャビティ３が設けられている。このキャビティ３の内底面の中央には、開口へ向けて隆起する山部４が設けられている。山部４の存在によって内底面が平面視で円環状になっている。
　山部４は、図２および図３に示すように、円錐形状とされている。この山部４の外周斜面は、図３に示すように、下段噴孔２ｂから噴霧される燃料を沿わせてキャビティ３の内底面に向かわせる案内面とされている。
　この山部４の裾野部分は、ピストン１の外周面と同心円となる円柱形状に形成されている。これにより、内底面が円環状になっていて、この円環状の内底面上の環状空間が、山部４の裾野部分を斜面にする場合に比べると、拡大されるようになっている。この拡大により下段噴孔２ｂから噴霧された燃料と空気との混合が促進されることになる。
　キャビティ３の内周壁面においてキャビティ３の内底面から開口へ向かう途中位置までの下側領域３ａが、円周方向で面一とされている。言い換えれば、下側領域３ａの内径寸法が円周方向の各部位で同一になっている。
　キャビティ３の内周壁面において前記途中位置から前記開口の手前までの上側領域の円周数ヶ所（例えば六ヶ所）には、径方向外向きに凹む凹部５が等間隔に設けられている。
　このような凹部５を設けることに伴いキャビティ３の内周壁面の下側領域３ａと前記上側領域との間に段差６が形成されている。
　また、円周方向で隣り合う各凹部５の間には隔壁部７が存在している。この隔壁部７は六個になっている。図４に示すように、六個の隔壁部７のうち、前記燃料が衝突される隔壁部７の円周方向に沿う幅は、前記燃料が衝突されない隔壁部７の円周方向に沿う幅よりも大きく設定されている。
　隔壁部７の内端面においてキャビティ３の内底面からキャビティ３の開口よりも手前の途中位置までの下側領域７ａは、キャビティ３の内周壁面の下側領域３ａと軸方向で面一とされている。なお、隔壁部７の内端面における下側領域７ａの軸方向に沿う寸法は、適宜に設定される。
　隔壁部７の内端面において前記途中位置から前記開口までの上側領域は、隔壁部７の下側領域７ａよりも径方向外向きに後退されている。この後退に伴い隔壁部７の下側領域７ａと前記上側領域との間に段差８が形成されている。
　この段差８は、キャビティ３の内周壁面の下側領域３ａと前記上側領域との間の段差６よりもキャビティ３の開口側に位置している。
　なお、両段差６，８、隔壁部７の円周方向両側ならびに内底面と内周壁面とで作る内隅部には、丸い面取りやテーパ状の面取りが施されている。
　燃料噴射ノズル２は、ピストン１のキャビティ３に燃料を噴霧するものであって、その先端部には、図６に示すように、上段噴孔２ａと、下段噴孔２ｂと、を有している。
　燃料噴射ノズル２の先端部は、テーパ形状とされている。上段噴孔２ａは、燃料噴射ノズル２の円錐形部分において先端から遠い部位の円周数ヶ所に等間隔に設けられている。この上段噴孔２ａから噴霧される燃料は各凹部５に衝突されるようになっている（図４の低密度のドット模様参照）。
　下段噴孔２ｂは、燃料噴射ノズル２の円錐形部分において先端に近い部位の円周数ヶ所に等間隔に設けられている。この下段噴孔２ｂから噴霧される燃料はキャビティ３の内底面において前記隣り合う各凹部５の間に存在するすべての隔壁部７のうちの一つおきの隔壁部７の近傍に衝突されるようになっている（図４の高密度のドット模様参照）。
　そして、上段噴孔２ａの数は下段噴孔２ｂの数より多く設定されている。例えば図６に示すように、上段噴孔２ａの数は六個、下段噴孔２ｂの数は三個とされる。
　このように数が異なる上段噴孔２ａおよび下段噴孔２ｂは、上段噴孔２ａと下段噴孔２ｂの位相が一致しないように千鳥状に配置される。
　また、上段噴孔２ａの噴口径は下段噴孔２ｂの噴口径よりも大きく設定される。例えば上段噴孔２ａの噴口径はφ０．１２ｍｍ～φ０．１６ｍｍ、下段噴孔２ｂの噴口径はφ０．１０ｍｍ～φ０．１３ｍｍとされる。
　さらに、上段噴孔２ａの噴口角度θ１は下段噴孔２ｂの噴口角度θ２よりも大きく設定される。例えば上段噴孔２ａの噴口角度θ１は１５０度～１６０度、下段噴孔２ｂの噴口角度θ２は８０度～９０度とされる。
　なお、前記各数値は特に限定されるものではない。
　次に、この実施形態の作用を説明する。
　燃料噴射ノズル２の上段噴孔２ａから噴霧される燃料は、図２の一点鎖線で示すように、キャビティ３の凹部５に衝突してから上下左右方向に広がる。一方、燃料噴射ノズル２の下段噴孔２ｂから噴霧される燃料は、図３の二点鎖線で示すように、キャビティ３の内底面において隔壁部７の近傍に衝突してから上方向および左右方向に広がる。
　なお、図４に示すように、上段噴孔２ａから噴霧される燃料および下段噴孔２ｂから噴霧される燃料は共に平面視で扇形に広がるようになっているが、上段噴孔２ａから噴霧される燃料の広がりの方が下段噴孔２ｂから噴霧される燃料の広がりよりも大きくなっている。
　但し、図４では、図２の（４）－（４）線断面図を上から見下ろすようになっているために、下段噴孔２ｂから噴霧されてキャビティ３の内底面に衝突した燃料のうち内周壁面の下側領域３ａで左右方向に方向転換される燃料が、上段噴孔２ａから噴霧されて凹部５に衝突して上下左右方向に広がる燃料と重なっているように見えるが、実際には、下段噴孔２ｂから噴霧されてキャビティ３の内底面に衝突した燃料のうち内周壁面の下側領域３ａで左右方向に方向転換される燃料がキャビティ３の内底面寄りの空間で広がるようになる一方で、上段噴孔２ａから噴霧されて凹部５に衝突して上下左右方向に広がる燃料はキャビティ３の開口寄りの空間で広がるようになるので、それらが干渉しにくくなっているのである。
　ここで、上段噴孔２ａから凹部５の最深位置までの距離が、下段噴孔２ｂからキャビティ３の内底面において隔壁部７の近傍までの距離よりも長いために、上段噴孔２ａから凹部５に燃料が衝突するまでの時間と下段噴孔２ｂからキャビティ３の内底面において隔壁部７の近傍に燃料が衝突するまでの時間とに差が生ずる。
　しかも、凹部５とキャビティ３の内周壁面の下側領域３ａとの間に段差６を設けているとともに、隔壁部７の内端面の下側領域７ａを前記内周壁面の下側領域３ａと面一にしているから、下段噴孔２ｂから噴霧される燃料の衝突位置が上段噴孔２ａから噴霧される燃料の衝突位置よりも径方向内側に位置するようになっている。
　これらの相乗作用により、上段噴孔２ａから噴霧されて凹部５に衝突した燃料と、下段噴孔２ｂから噴霧されてキャビティ３の内底面において隔壁部７の近傍に衝突した燃料とが異なる方向へ広がるようになって、前記内底面において隔壁部７の近傍から特に上方向に広がる燃料が、キャビティ３の凹部５から上下左右方向に広がる燃料に干渉しにくくなる。
　その結果、キャビティ３内において燃料過濃となる部分を減らせて空気の利用率が向上するので、燃費の向上に貢献できるとともに、煤（Ｓｏｏｔ）、一酸化炭素（ＣＯ）、未燃炭化水素（ＴＨＣ）の排出量を低減できるようになる。
　また、下段噴孔２ｂから噴霧される燃料を、キャビティ３の内底面の中央に設けられる山部４の外周斜面に沿わせて狙いとなる位置（内底面において隔壁部７の近傍）に衝突させるようにしている。
　これにより、前記燃料が山部４の外周斜面に沿って移動する過程で、前記燃料が空気に触れにくくなる。その結果、燃焼温度の上昇を抑制することが可能になるから、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を低減することが可能になる。
　次に、参考までに、この実施形態と従来例とについて、筒内圧力および熱発生履歴を３Ｄ数値流体力学（ＣＦＤ）によりシミュレーションしたので、図７を参照して説明する。
　前記従来例としては、キャビティをバスタブ型としたピストンを用いている。また、この実施形態では、上段噴孔２ａの数を六個、下段噴孔２ｂの数を三個、上段噴孔２ａの噴口径をφ０．１４８ｍｍ、下段噴孔２ｂの噴口径をφ０．１１９ｍｍ、上段噴孔２ａの噴口角度αを１５６度、下段噴孔２ｂの噴口角度βを９０度とすることにより、上段噴孔２ａおよび下段噴孔２ｂの総面積比（下段噴孔２ｂの総面積／上段噴孔２ａの総面積）を０．３２０とし、上段噴孔２ａおよび下段噴孔２ｂからの総燃料噴射量を１１００ｃｃ／ｍｉｎとしている。
　この実施形態の結果を図７の実線で示し、従来例の結果を図７の破線で示している。この実施形態では、従来例と対比すると、下段噴孔２ｂから噴霧された燃料をキャビティ３の山部４の外周斜面で空気と混合させにくくすることによって、図７（ａ）に示すように初期の熱発生が緩慢になり、また、上段噴孔２ａから噴霧されて凹部５に衝突して広がる燃料と下段噴孔２ｂから噴霧されてキャビティ３の内底面に衝突して広がる燃料との干渉を抑制することによって、図７（ｂ）に示すように後期の燃焼が活発化し、図７（ｃ）に示すように後燃えが低減していることが理解できる。
　このように、本発明を適用した実施形態のディーゼルエンジンでは、ピストン１のキャビティ３内の形状、ならびにキャビティ３内の各部と燃料噴射ノズル２の上段噴孔２ａおよび下段噴孔２ｂとの相対位置関係を工夫することにより、燃費の向上に貢献できるとともに、一酸化炭素（ＣＯ）、未燃炭化水素（ＴＨＣ）ならびに窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を可及的に低減できるようになっている。
　なお、本発明は、上記実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内および当該範囲と均等の範囲内で適宜に変更することが可能である。
　（１）図８～図１４には本発明の他の実施形態を示している。この実施形態では、図１４に示すように、上段噴孔２ａの数を八個、下段噴孔２ｂの数を四個としている。また、例えば上段噴孔２ａの噴口径はφ０．１２ｍｍ～φ０．１３ｍｍ、下段噴孔２ｂの噴口径はφ０．１０ｍｍ～φ０．１１ｍｍとされる。
　その他の構成については、図１～図７に示す実施形態と基本的に同様とされている。この実施形態においても上記実施形態と同様の作用、効果が得られる。
　次に、参考までに、この実施形態と従来例とについて、筒内圧力および熱発生履歴を３Ｄ数値流体力学（ＣＦＤ）によりシミュレーションしたので、図１４を参照して説明する。
　前記従来例としては、キャビティをバスタブ型としたピストンを用いている。また、この実施形態では、上段噴孔２ａの数を八個、下段噴孔２ｂの数を四個、上段噴孔２ａの噴口径をφ０．１２８ｍｍ、下段噴孔２ｂの噴口径をφ０．１０３ｍｍ、上段噴孔２ａの噴口角度αを１５６度、下段噴孔２ｂの噴口角度βを９０度とすることにより、上段噴孔２ａおよび下段噴孔２ｂの総面積比（下段噴孔２ｂの総面積／上段噴孔２ａの総面積）を０．３２０とし、上段噴孔２ａおよび下段噴孔２ｂからの総燃料噴射量を１１００ｃｃ／ｍｉｎとしている。
　この実施形態の結果を図７の実線で示し、従来例の結果を図１４の破線で示している。この実施形態では、従来例と対比すると、下段噴孔２ｂから噴霧された燃料をキャビティ３の山部４の外周斜面で空気と混合させにくくすることによって、図１４（ａ）に示すように初期の熱発生が緩慢になり、また、上段噴孔２ａから噴霧されて凹部５に衝突して広がる燃料と下段噴孔２ｂから噴霧されてキャビティ３の内底面に衝突して広がる燃料との干渉を抑制することによって、図１４（ｂ）に示すように後期の燃焼が活発化し、図１４（ｃ）に示すように後燃えが低減していることが理解できる。
　（２）図示していないが、図１～図７に示す実施形態において、上段噴孔２ａの数と下段噴孔２ｂの数とを同数（例えば八個）とすることが可能である。この場合、すべての隔壁部７の円周方向に沿う幅を同じにすることが好ましい。
　（３）図示していないが、上記各実施形態において、下段噴孔２ｂから噴霧される燃料が衝突される隔壁部７の円周方向に沿う幅と、下段噴孔２ｂから噴霧される燃料が衝突されない隔壁部７の円周方向に沿う幅とを同じに設定することが可能である。
　（４）図示していないが、上記各実施形態において、山部４の裾野部分をそれ以外の外周斜面と連続するような斜面にすることが可能である。
　（５）例えば図１５に示すように、凹部５の開口側の周方向幅（間口幅）を奥側の周方向幅よりも小さくすることが可能である。
　特に、この場合、上段噴孔２ａから噴霧された燃料が凹部５に衝突した後で特に左右方向への広がりを抑制できるようになる。これにより、キャビティ３の内底面において隔壁部７の近傍から特に上方向に広がる燃料が、凹部５から左右方向に広がる燃料に干渉しにくくなる。
　この出願は、２０２０年７月２９日に日本で出願された特願２０２０－１２８４４９号に基づく優先権を請求する。これに言及することにより、その全ての内容は本出願に組み込まれるものである。
　本発明は、頂面に凹状のキャビティを有するピストンと、前記キャビティに燃料を噴霧する燃料噴射ノズルと、を有するディーゼルエンジンに好適に利用することが可能である。
　　　１　ピストン
　　　２　燃料噴射ノズル
　　　　　２ａ　上段噴孔
　　　　　２ｂ　下段噴孔
　　　３　キャビティ
　　　　　３ａ　内周壁面の下側領域
　　　４　山部
　　　５　凹部
　　　６　段差
　　　７　隔壁部
　　　　　７ａ　内端面の下側領域
　　　８　段差

Claims (6)

  1. 　頂面に凹状のキャビティを有するピストンと、前記キャビティに燃料を噴霧する燃料噴射ノズルと、を有するディーゼルエンジンであって、
    　前記燃料噴射ノズルの先端部において先端から遠い部位の円周数ヶ所には上段噴孔が設けられ、前記先端部において前記先端に近い部位の円周数ヶ所には下段噴孔が設けられており、
    　前記キャビティの内周壁面において前記キャビティの内底面から開口へ向かう途中位置までの下側領域が、円周方向で面一とされており、
    　前記内周壁面において前記キャビティの内底面から開口へ向かう前記途中位置から前記開口側の上側領域の円周数ヶ所には、径方向外向きに凹むとともに前記上段噴孔から噴霧される燃料がそれぞれ衝突される凹部が設けられており、
    　前記下段噴孔は、噴霧する燃料を前記内底面において前記隣り合う各凹部の間に存在する隔壁部の近傍に衝突させるように設けられていることを特徴とするディーゼルエンジン。
  2. 　請求項１に記載のディーゼルエンジンにおいて、
    　前記内周壁面において前記途中位置から内底面側の前記下側領域と前記上側領域との間には、段差が形成されていることを特徴とするディーゼルエンジン。
  3. 　請求項２に記載のディーゼルエンジンにおいて、
    　前記隔壁部の内端面において前記内底面から前記開口よりも手前の途中位置までの下側領域が、前記内周壁面の下側領域と軸方向で面一とされており、
    　前記隔壁部の内端面において前記途中位置から前記開口までの上側領域は、前記隔壁部の下側領域よりも径方向外向きに後退されており、
    　この後退に伴い前記隔壁部の下側領域と上側領域との間に段差が形成されていることを特徴とするディーゼルエンジン。
  4. 　請求項１から３のいずれか１項に記載のディーゼルエンジンにおいて、
    　前記下段噴孔の数は、前記上段噴孔の数の半分とされており、
    　前記下段噴孔は、噴霧する燃料を前記内底面において前記隣り合う各凹部の間に存在するすべての隔壁部のうちの一つおきの隔壁部の近傍に衝突させる位置に配置されていることを特徴とするディーゼルエンジン。
  5. 　請求項４に記載のディーゼルエンジンにおいて、
    　前記燃料が衝突される隔壁部の円周方向に沿う幅は、前記燃料が衝突されない隔壁部の円周方向に沿う幅よりも大きく設定されていることを特徴とするディーゼルエンジン。
  6. 　請求項１から５のいずれか１項に記載のディーゼルエンジンにおいて、
    　前記内底面の中央には、前記開口へ向けて隆起する山部が設けられており、
    　この山部の外周斜面は、前記下段噴孔から噴霧される燃料を沿わせて前記内底面に向かわせる案内面とされていることを特徴とするディーゼルエンジン。
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