JP2015105570A - Diesel engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ディーゼルエンジンに関し、特に、シリンダ内に面するピストン頂面にキャビティが形成されたディーゼルエンジンに関する。 The present invention relates to a diesel engine, and more particularly to a diesel engine in which a cavity is formed on a piston top surface facing a cylinder.
下記特許文献1のディーゼルエンジンでは、燃料をキャビティのリップ部に向かうように噴射し、着火遅れ期間に燃料噴霧をリップ部に到達させてリップ部付近に燃料蒸気を形成し、着火による燃料ガスの膨張流により、その着火位置前方の燃料蒸気をキャビティの周壁面に当ててキャビティの底の方へ誘導する。これによって、縦渦を促進し、ヒートスポットが特定部位で大きくならないようにするとともに、ヒートスポットを早く消滅させ、NOの生成を抑制する一方、縦渦によって燃料ガス中の煤の再燃焼を促進している。 In the diesel engine disclosed in Patent Document 1 below, fuel is injected toward the lip portion of the cavity, fuel spray is caused to reach the lip portion during the ignition delay period, and fuel vapor is formed in the vicinity of the lip portion. Due to the expansion flow, the fuel vapor in front of the ignition position is applied to the peripheral wall surface of the cavity and guided toward the bottom of the cavity. This promotes the vertical vortex and prevents the heat spot from becoming large at a specific site, while the heat spot disappears quickly and suppresses the generation of NO, while the vertical vortex promotes the reburning of soot in the fuel gas. doing.
特許文献1においては、キャビティ内外に発生するスキッシュ流、逆スキッシュ流、スワール流等の気流に頼って燃料と空気を混合している。本願発明者がシリンダ内の燃焼を可視化する実機実験を行ったところ、キャビティ12b内は全体が火炎に覆われ、空気が十分に使われているものの、図15に示すように、ピストン頂面におけるキャビティ12bより外周側の部分とシリンダヘッド下面との間に形成されるスキッシュエリア22では、燃焼後半においても火炎が到達していない領域、すなわち空気が使われていない領域が多数存在していることがわかった。そのため、気流に頼って燃料と空気を混合するだけでは、シリンダ内の空気を燃焼に有効利用することが困難であり、スモーク排出量を低減することが困難となる。
In Patent Document 1, fuel and air are mixed depending on airflow such as squish flow, reverse squish flow, and swirl flow generated inside and outside the cavity. When the inventor of the present application conducted an actual machine experiment to visualize the combustion in the cylinder, the
本発明に係るディーゼルエンジンは、シリンダ内の空気を燃焼に有効利用してスモーク排出量を低減することを目的とする。 An object of the diesel engine according to the present invention is to reduce smoke emission by effectively using air in a cylinder for combustion.
本発明に係るディーゼルエンジンは、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。 The diesel engine according to the present invention employs the following means in order to achieve the above-described object.
本発明に係るディーゼルエンジンは、シリンダ内に面するピストン頂面にキャビティが形成されたディーゼルエンジンであって、キャビティ内周壁には、シリンダ径方向内側へ突出する複数の突起部がシリンダ周方向に並んで形成され、燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかを各突起部に衝突させるように燃料噴射弁の噴孔から燃料を噴射し、各突起部は、衝突した燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかをシリンダ周方向両側及びシリンダ軸方向両側に振り分けることを要旨とする。 A diesel engine according to the present invention is a diesel engine in which a cavity is formed on a piston top surface facing a cylinder, and a plurality of protrusions protruding inward in the cylinder radial direction are formed in the cylinder circumferential direction on the cavity inner peripheral wall. The fuel is injected from the nozzle hole of the fuel injection valve so that either the fuel or the flame after fuel ignition is collided with each projection, and each projection is formed of the fuel and the flame after fuel ignition. The gist is to distribute any of the above to both sides in the cylinder circumferential direction and both sides in the cylinder axial direction.
本発明の一態様では、シリンダ周方向に隣接する突起部間には、突起部でシリンダ周方向両側に振り分けられた燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかをスキッシュエリアへ導くための段部が形成されていることが好適である。 In one aspect of the present invention, a step portion for guiding either the fuel distributed to both sides of the cylinder circumferential direction by the protrusion portion or the flame after fuel ignition to the squish area is provided between the protrusion portions adjacent to each other in the cylinder circumferential direction. It is suitable that it is formed.
本発明の一態様では、突起部と段部とのシリンダ軸方向高さ差のシリンダボア径に対する割合が0.0177より大きく且つ0.0531より小さいことが好適である。 In one aspect of the present invention, it is preferable that the ratio of the height difference in the cylinder axial direction between the protrusion and the step to the cylinder bore diameter is greater than 0.0177 and less than 0.0531.
本発明の一態様では、突起部においては、シリンダ周方向に第1所定角度を成し、燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかをシリンダ周方向両側に振り分けるための第1及び第2ガイド面と、シリンダ軸方向に第2所定角度を成し、燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかをシリンダ軸方向両側に振り分けるための第3及び第4ガイド面が形成されていることが好適である。 In one aspect of the present invention, the projection portion forms a first predetermined angle in the cylinder circumferential direction, and the first and second guide surfaces for distributing either the fuel or the flame after fuel ignition to both sides in the cylinder circumferential direction. It is preferable that a second predetermined angle is formed in the cylinder axial direction, and third and fourth guide surfaces are formed for distributing either the fuel or the flame after fuel ignition to both sides in the cylinder axial direction. .
本発明の一態様では、突起部のシリンダ径方向長さとシリンダボア径の比が0.118より小さいことが好適である。 In one embodiment of the present invention, it is preferable that the ratio of the length of the protrusion in the cylinder radial direction to the cylinder bore diameter is smaller than 0.118.
本発明の一態様では、シリンダ内にスワール流を形成する場合に、噴孔の中心軸が、シリンダ中心軸と突起部の先端を通る平面に対して、スワール上流側に傾斜していることが好適である。 In one aspect of the present invention, when a swirl flow is formed in a cylinder, the central axis of the injection hole is inclined to the swirl upstream side with respect to a plane passing through the cylinder central axis and the tip of the protrusion. Is preferred.
本発明の一態様では、前記平面に対する噴孔の中心軸のスワール上流側への傾斜角度が9°より小さいことが好適である。 In one aspect of the present invention, it is preferable that an inclination angle of the central axis of the nozzle hole with respect to the plane toward the swirl upstream side is smaller than 9 °.
本発明の一態様では、突起部が、ピストン頂面における突起部より外周側の部分に対して、シリンダ軸方向下側に窪んでいることが好適である。 In one aspect of the present invention, it is preferable that the protrusion is recessed downward in the cylinder axial direction with respect to a portion on the outer peripheral side of the protrusion on the piston top surface.
本発明の一態様では、ピストン頂面における突起部より外周側の部分と突起部とのシリンダ軸方向高さ差のシリンダボア径に対する割合が0.0295より小さいことが好適である。 In one aspect of the present invention, it is preferable that the ratio of the height difference in the cylinder axial direction between the protrusion on the outer surface of the piston top surface and the protrusion to the cylinder bore diameter is smaller than 0.0295.
本発明によれば、スキッシュエリアにおける燃料や火炎はシリンダ周方向により均一に広がったものとなり、スキッシュエリアにおける空気が燃焼に使用されない領域を大幅に減らすことができる。その結果、シリンダ内の空気を燃焼に有効利用することができ、スモーク排出量を低減することができる。 According to the present invention, the fuel and flame in the squish area spread more uniformly in the circumferential direction of the cylinder, and the area where air in the squish area is not used for combustion can be greatly reduced. As a result, the air in the cylinder can be effectively used for combustion, and the amount of smoke discharged can be reduced.
以下、本発明を実施するための形態(以下実施形態という)を図面に従って説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described with reference to the drawings.
図1〜5は、本発明の実施形態に係るディーゼルエンジン(圧縮着火式内燃機関)10の構成例を示す図である。図1は全体構成の概略を示し、図2,3はピストン12の概略構成を示し、図4は図3のA−A断面図を示し、図5は図3のB−B断面図を示す。図1では、1気筒分の構成を示しているが、多気筒の場合も同様の構成である。ディーゼルエンジン10は、例えばピストン−クランク機構を用いて構成可能である。ディーゼルエンジン10では、吸気行程にて吸気ポート14からシリンダ11内に吸気(空気)が吸入され、圧縮行程にてシリンダ11内に吸入された吸気がピストン12により圧縮される。その際には、シリンダ11内にスワール流が形成される。そして、例えばピストン12が圧縮上死点付近に位置するときに燃料(例えば軽油等の液体燃料)をインジェクタ(燃料噴射弁)13からシリンダ11内に直接噴射することで、シリンダ11内の燃料が自着火して燃焼(ディーゼル燃焼)する。燃焼後の排出ガスは、排気行程にて排気ポート15へ排出される。ディーゼルエンジン10においては、排気ポート15と吸気ポート14とを繋ぐ還流通路16が設けられており、燃焼後の排出ガスの一部が還流通路16を通って吸気ポート14(吸気側)へEGRガスとして供給される排気再循環(EGR)が行われる。還流通路16にはEGR制御弁17が設けられており、EGR制御弁17の開度を制御することで、排気ポート15から吸気ポート14への排出ガス(EGRガス)の還流量が制御され、吸気側へ供給され筒内に吸入されるEGRガス量(EGR率)が制御される。ただし、必ずしもEGRを行う必要はなく、還流通路16及びEGR制御弁17を省略することも可能である。また、シリンダ11内への吸気を図示しないターボチャージャー等の過給器で加圧することもできる。なお、シリンダ11内にスワール流を形成するための構成については、公知の構成で実現可能であるため、詳細な説明を省略する。一方、シリンダ11内にスワール流を形成しないことも可能である。
FIGS. 1-5 is a figure which shows the structural example of the diesel engine (compression ignition internal combustion engine) 10 which concerns on embodiment of this invention. 1 shows the outline of the overall configuration, FIGS. 2 and 3 show the schematic configuration of the
図2〜5に示すように、シリンダ11内に面するピストン12の頂面12aには、キャビティ12bが形成されている。インジェクタ13は、その先端部がキャビティ12bの中央部に臨む状態でシリンダヘッド9に配置されている。インジェクタ13の先端部には、複数の噴孔13aがインジェクタ周方向に沿って均等に形成されている。例えばピストン12が圧縮上死点付近に位置する燃料噴射時期において、各噴孔13aの中心軸の延長線13bがキャビティ12bの内周壁にぶつかるように配置し、燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかをキャビティ12bの内周壁に衝突させるようにインジェクタ13の各噴孔13aから燃料を放射状に噴射する。
As shown in FIGS. 2 to 5, a
本実施形態では、キャビティ12bの内周壁には、シリンダ径方向内側へ突出する複数(図2,3の例では8つ)の突起部32がシリンダ周方向に沿って均等に並んで形成されている。各突起部32は、シリンダ径方向の外側から内側に向かうにつれて、ガイド面32−1,32−2間のシリンダ周方向幅、及びガイド面32−3,32−4間のシリンダ軸方向厚さが徐々に減少する形状を呈し、ガイド面32−1,32−2がシリンダ周方向に所定角度θ1を成し、ガイド面32−3,32−4がシリンダ軸方向に所定角度θ2を成す。図2,3の例では、シリンダ中心軸11aを通る平面に対して、ガイド面32−1がシリンダ径方向の内側から外側に向かうにつれてシリンダ周方向一方側(スワール上流側)に傾斜し、ガイド面32−2がシリンダ径方向の内側から外側に向かうにつれてシリンダ周方向他方側(スワール下流側)に傾斜し、シリンダ径方向に対するガイド面32−1,32−2の傾斜角度がθ1/2である。そして、シリンダ中心軸11aと直交する平面に対してガイド面32−3がシリンダ径方向の内側から外側に向かうにつれてシリンダ軸方向下側に傾斜し、ガイド面32−4がシリンダ中心軸と直交する平面と平行でピストン頂面12aの一部を形成する。
In the present embodiment, a plurality of (eight in the example of FIGS. 2 and 3) projecting
インジェクタ13の噴孔13aは突起部32と同数(図2,3の例では8つ)形成されており、燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかを各突起部32に衝突させるように、各噴孔13aから燃料を噴射する。各突起部32は、衝突した燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかを、図6の矢印A,Bに示すようにガイド面32−1,32−2に従ってシリンダ周方向両側(スワール上流側及び下流側)に振り分けるとともに、図6の矢印C,Dに示すようにガイド面32−3,32−4に従ってシリンダ軸方向両側に振り分ける。シリンダ11内にスワール流を形成する場合に、着火前の燃料噴霧や着火後の火炎を突起部32の先端(最内径位置)に衝突させるためには、燃料噴射時期において噴孔13aの中心軸の延長線13bが突起部32の先端より若干スワール上流側(ガイド面32−1)にぶつかるように、シリンダ中心軸11aと突起部32の先端を通る平面11bに対して、噴孔13aの中心軸をスワール上流側に若干傾斜させることが好ましい。一方、シリンダ11内にスワール流を形成しない場合に、着火前の燃料噴霧や着火後の火炎を突起部32の先端に衝突させるためには、燃料噴射時期において噴孔13aの中心軸の延長線13bが突起部32の先端にぶつかるように、シリンダ中心軸11aと突起部32の先端を通る平面11b内に噴孔13aの中心軸を配置することが好ましい。
The injection holes 13a of the
さらに、本実施形態では、シリンダ周方向に隣接する突起部32間に段部34が形成されており、シリンダ周方向において突起部32と段部34が交互に配置されている。図2,3の例では、段部34が隣接する突起部32間の中間位置に配置されている。各段部34は突起部32よりシリンダ軸方向下側に窪んでおり、各段部34の上面34−1は突起部32のガイド面32−4(ピストン頂面12a)よりシリンダ軸方向下側に位置し、各段部34の内周面34−2は突起部32の先端(最内径位置)よりシリンダ径方向外側に位置する。突起部32でガイド面32−1,32−2に従ってシリンダ周方向両側(スワール上流側及び下流側)に振り分けられた燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかは、図6の矢印E,Fに示すように段部34によりシリンダ軸方向上側へ誘導され、ピストン頂面12aにおけるキャビティ12bより外周側の部分とシリンダヘッド9の下面との間に形成されるスキッシュエリア22へ押し出される。
Furthermore, in this embodiment, the
インジェクタ13の各噴孔13aから噴射された燃料噴霧は、着火前に突起部32に衝突するか、着火後に火炎となって突起部32に衝突する。着火前の燃料噴霧や着火後の火炎が突起部32に衝突することで、燃料噴霧や火炎の流れが、図6の矢印A,Bに示すようにガイド面32−1,32−2に従ってスワール上流側及び下流側に振り分けられるとともに、図6の矢印C,Dに示すようにガイド面32−3,32−4に従ってシリンダ軸方向上側及び下側に振り分けられる。突起部32のガイド面32−3によりシリンダ軸方向下側に振り分けられた燃料噴霧や火炎はキャビティ12b内を流れることで、キャビティ12b内の空気を効率よく利用して燃焼が行われる。一方、突起部32のガイド面32−4によりシリンダ軸方向上側に振り分けられた燃料噴霧や火炎はスキッシュエリア22へ導かれる。そして、突起部32のガイド面32−1,32−2によりスワール上流側及び下流側に振り分けられた燃料噴霧や火炎も、図6の矢印E,Fに示すように段部34によりスキッシュエリア22へ導かれる。
The fuel spray injected from each
本実施形態によれば、図6の矢印A,B,E,Fに示すようにガイド面32−1,32−2及び段部34によりスキッシュエリア22へ導かれた燃料噴霧や火炎は、図6の矢印Dに示すようにガイド面32−4によりスキッシュエリア22へ導かれた燃料噴霧や火炎に対してシリンダ周方向位置がずれたものとなり、スキッシュエリア22における燃料噴霧や火炎が到達しにくい領域(空気を燃焼に使用しにくい領域)に燃料噴霧や火炎を導くことができる。そのため、スキッシュエリア22における燃料噴霧や火炎はシリンダ周方向により均一に広がったものとなり、例えば図7に示すように、スキッシュエリア22における空気が燃焼に使用されない領域を大幅に減らすことができ、スキッシュエリア22の空気を燃焼に効率よく利用することができる。その結果、空気過剰率同等の条件下において、すなわち過給機仕事量を増大させることなく、スモーク排出量を低減して低エミッション化を実現することができる。さらに、シリンダ周方向に隣接する突起部32間に段部34を設けることで、ガイド面32−1,32−2によりスワール上流側及び下流側に振り分けられた燃料噴霧や火炎を、段部34によりスキッシュエリア22における燃料噴霧や火炎が到達しにくい領域(空気を燃焼に使用しにくい領域)へ効率よく導くことができ、スキッシュエリア22の空気を燃焼にさらに効率よく利用することができる。
According to the present embodiment, as shown by arrows A, B, E, and F in FIG. 6, the fuel spray and flame guided to the
なお、特許文献2では、キャビティ壁における燃料が衝突する部分にエッジ部を設け、エッジ部に衝突した燃料の流れを切り替えている。しかし、特許文献2には、エッジ部に衝突した燃料の流れをどの方向に切り替えるか、より具体的には、燃料の流れをシリンダ周方向両側(スワール上流側及び下流側)及びシリンダ軸方向両側に振り分けることについては示されていない。さらに、特許文献2には、シリンダ周方向に隣接するエッジ部間に段部を設けることについても示されていない。
In
また、段部34が無い場合は、膨張行程において逆スキッシュ流が強くなる。逆スキッシュ流が強くなると、キャビティ12b内からスキッシュエリア22に向かって、気流の強い部分の火炎だけが気流に乗ってシリンダ径方向に遠くまで運ばれることになる。その結果、火炎がシリンダ周方向に不均一に成長し、火炎が到達せずに空気が使用されない領域が残り、燃焼への空気利用率が低下する。これに対して本実施形態では、シリンダ周方向に隣接する突起部32間に段部34を設けることで、膨張行程における逆スキッシュ流を弱めることができ、突起部32で分配された火炎を噴流の速度によってシリンダ径方向により均一に成長させることができる。その結果、噴霧間に火炎が存在しない領域が減少し、燃焼への空気利用率を高めることができる。
Moreover, when there is no
なお、圧縮比が一定の条件で突起部32のシリンダ径方向長さ(最外径D2と最内径D1との差の1/2)を変更すると、突起部32のシリンダ径方向長さ(D2−D1)/2が増大するほど、ガイド面32−1,32−2の成す角度θ1が小さくなる。突起部32のシリンダ径方向長さ(D2−D1)/2が長すぎてガイド面32−1,32−2の成す角度θ1が小さすぎると、燃料噴霧や火炎の突起部32への衝突位置がスワール上流側か下流側かによって、燃料噴霧や火炎のスワール上流側及び下流側への配分が大きく変動する。一方、突起部32のシリンダ径方向長さ(D2−D1)/2が短すぎてガイド面32−1,32−2の成す角度θ1が大きすぎると、燃料噴霧や火炎のスワール上流側及び下流側への分配効果が減少する。その結果、突起部32のシリンダ径方向長さ(D2−D1)/2は、スモーク排出量に影響を与えることになる。
If the length of the
また、キャビティ入口径DCとシリンダボア径DBの比DC/DBもスモーク排出量に影響を与える。圧縮比が一定の条件でキャビティ入口径DCとシリンダボア径DBの比DC/DBを変化させた場合にスモーク排出量を測定した実機実験結果を図8に示す。図8に示す実機実験結果から、スモーク排出量が最小となるキャビティ入口径DCとシリンダボア径DBの比DC/DBは、エンジンによらず59%となった。以下、スモーク排出量が最小となるキャビティ入口径(シリンダボア径DBの59%)D0をキャビティ基準径とする。 The ratio DC / DB between the cavity inlet diameter DC and the cylinder bore diameter DB also affects the smoke discharge amount. FIG. 8 shows a result of an actual machine experiment in which the smoke discharge amount was measured when the ratio DC / DB of the cavity inlet diameter DC and the cylinder bore diameter DB was changed under a constant compression ratio. From the result of the actual machine experiment shown in FIG. 8, the ratio DC / DB between the cavity inlet diameter DC and the cylinder bore diameter DB that minimizes the smoke discharge amount was 59% regardless of the engine. Hereinafter, the cavity inlet diameter (59% of the cylinder bore diameter DB) D0 that minimizes the smoke discharge amount is defined as the cavity reference diameter.
圧縮比が一定の条件で突起部32のシリンダ径方向長さ(D2−D1)/2とキャビティ基準径D0の比(D2−D1)/(2×D0)を変化させた場合にスモーク排出量を測定した実機実験結果を図9に示す。図9に示す実機実験結果から、突起部32を設けない(突起部32のシリンダ径方向長さが0)構成よりもスモーク排出量を減少させるためには、突起部32のシリンダ径方向長さ(D2−D1)/2とキャビティ基準径D0の比(D2−D1)/(2×D0)を0.2より小さくすることが好ましい。つまり、突起部32のシリンダ径方向長さ(D2−D1)/2とシリンダボア径DBの比(D2−D1)/(2×DB)を0.118より小さくすることが好ましい。さらに、スモーク排出量を最小化するためには、突起部32のシリンダ径方向長さ(D2−D1)/2とキャビティ基準径D0の比(D2−D1)/(2×D0)を0.175(あるいはほぼ0.175)にすることが好ましく、突起部32のシリンダ径方向長さ(D2−D1)/2とシリンダボア径DBの比(D2−D1)/(2×DB)を0.103(あるいはほぼ0.103)にすることが好ましい。
The amount of smoke discharged when the ratio (D2-D1) / (2 × D0) of the length (D2-D1) / 2 of the
また、ディーゼルエンジンのキャビティ12bとインジェクタ13の諸元を考慮すると、突起部32及び噴孔13aの数は、8〜10の範囲内にあることが好ましい。そして、ガイド面32−1,32−2の成す角度θ1は、100°〜140°の範囲内にあることが好ましい。また、隣接する突起部32間に段部34を設けることを考慮すると、突起部32の最外径D2とキャビティ基準径D0の比D2/D0は、1.1より大きく1.5より小さい範囲内にあることが好ましい。そして、突起部32の先端(最内径)がキャビティ基準径D0よりもシリンダ径方向内側へ突き出る点を考慮すると、突起部32の最内径D1とキャビティ基準径D0の比D1/D0は、0.9より大きく1.0より小さい範囲内にあることが好ましい。
Moreover, when the specifications of the
また、噴孔13aの中心軸の配置も、燃料噴霧や火炎の突起部32への衝突位置に影響を与え、その結果、スモーク排出量に影響を与える。さらに、シリンダ11内にスワール流を形成する場合は、噴孔13aから噴射された燃料噴霧がスワール流によってスワール下流側に煽られる。シリンダ中心軸11aと突起部32の先端を通る平面11bに対する噴孔13aの中心軸のスワール上流側への傾斜角度θ(図3参照)を変化させた場合にスモーク排出量を測定した実機実験結果を図10に示す。図10に示す実機実験結果から、突起部32を設けない構成よりもスモーク排出量を減少させるためには、平面11bに対する噴孔13aの中心軸のスワール上流側への傾斜角度θを9°より小さくすることが好ましい。さらに、スモーク排出量を最小化するためには、平面11bに対する噴孔13aの中心軸のスワール上流側への傾斜角度θを5°(あるいはほぼ5°)にすることが好ましい。
Further, the arrangement of the central axis of the
なお、平面11bに対する噴孔13aの中心軸のスワール上流側への傾斜角度θについては、噴孔13aから噴射された燃料噴霧が突起部32の先端に到達するまでの時間tの間に、スワール流によってスワール下流側に流される角度として見積もることが可能である。下死点でのスワール比をSR、上死点近傍でのスワールの増加率を補正するスピンアップ係数をC、機関回転数をNe〔rpm〕、噴孔13aから突起部32の先端への燃料噴霧到達時間をt〔ms〕とすると、θとtの関係は以下の(1)式で表される。
In addition, regarding the inclination angle θ of the central axis of the
θ=t/1000×360/60×SR×C×Ne (1) θ = t / 1000 × 360/60 × SR × C × Ne (1)
ここで、スピンアップ係数Cについては、実機諸元での計算値をもとに、C=1.6とする。また、燃料噴霧到達時間tについては、以下の(2)式による広安の式を用いて算出可能である。広安の式より、燃料噴霧到達時間tはキャビティ基準径D0や噴孔径、燃料噴射圧力、充填効率等の影響を受けることがわかるが、実機諸元を考慮すると、0.07ms<t<0.18msの範囲内に入ることを計算で見積もることが可能である。その結果からも、θを9°より小さくすることが好ましい。 Here, the spin-up coefficient C is set to C = 1.6 based on the calculated values in the actual machine specifications. Further, the fuel spray arrival time t can be calculated using a Guang'an equation according to the following equation (2). From the Guang'an equation, it can be seen that the fuel spray arrival time t is affected by the cavity reference diameter D0, the nozzle hole diameter, the fuel injection pressure, the filling efficiency, and the like, but considering the actual machine specifications, 0.07 ms <t <0. It is possible to estimate by calculation that it falls within the range of 18 ms. From the result, it is preferable to make θ smaller than 9 °.
また、隣接する突起部32間の段部34は、突起部32のガイド面32−1,32−2によりスワール上流側及び下流側に振り分けられた燃料噴霧や火炎をスキッシュエリア22へ押し出す役割を果たす。突起部32(ガイド面32−4)と段部34(上面34−1)とのシリンダ軸方向高さ差H1(図5参照)が大きすぎると、スワール上流側及び下流側に振り分けられた燃料噴霧や火炎をスキッシュエリア22へ押し出す作用が弱くなって、キャビティ12b内に燃料噴霧や火炎が溜まりやすくなり、燃焼が悪化しやすくなる。一方、突起部32と段部34とのシリンダ軸方向高さ差H1が小さすぎると、燃料噴霧や火炎をガイド面32−1,32−2によりスワール上流側及び下流側に振り分ける作用が弱くなって、そのままスキッシュエリア22に流出しやすくなる。その結果、突起部32と段部34とのシリンダ軸方向高さ差H1も、スモーク排出量に影響を与える。
Further, the
圧縮比が一定の条件で突起部32(ガイド面32−4)と段部34(上面34−1)とのシリンダ軸方向高さ差H1のキャビティ基準径D0に対する割合H1/D0を変化させた場合にスモーク排出量を測定した実機実験結果を図11に示す。図11に示す実機実験結果から、突起部32を設けない構成よりもスモーク排出量を減少させるためには、突起部32と段部34とのシリンダ軸方向高さ差H1のキャビティ基準径D0に対する割合H1/D0を0.03(3%)より大きく且つ0.09(9%)より小さくすることが好ましい。つまり、突起部32と段部34とのシリンダ軸方向高さ差H1のシリンダボア径DBに対する割合H1/DBを0.0177(1.77%)より大きく且つ0.0531(5.31%)より小さくすることが好ましい。さらに、スモーク排出量を最小化するためには、突起部32と段部34とのシリンダ軸方向高さ差H1のキャビティ基準径D0に対する割合H1/D0を0.06〜0.075(6%〜7.5%)の範囲内にすることが好ましく、突起部32と段部34とのシリンダ軸方向高さ差H1のシリンダボア径DBに対する割合H1/DBを0.0354〜0.0443(3.54%〜4.43%)の範囲内にすることが好ましい。
The ratio H1 / D0 of the cylinder axial height difference H1 between the protrusion 32 (guide surface 32-4) and the stepped portion 34 (upper surface 34-1) to the cavity reference diameter D0 was changed under the condition that the compression ratio was constant. FIG. 11 shows the results of an actual machine experiment in which smoke emission was measured. From the result of the actual machine experiment shown in FIG. 11, in order to reduce the smoke discharge amount as compared with the configuration without the
また、本実施形態では、例えば図12,13に示すように、各突起部32(ガイド面32−4)が、ピストン頂面12aにおける突起部32(ガイド面32−4)より外周側の部分に対して、シリンダ軸方向下側に窪んでいてもよい。ピストン頂面12aにおける突起部32(ガイド面32−4)より外周側の部分と各突起部32(ガイド面32−4)との間に段差を設けることで、スキッシュ流及び逆スキッシュ流を弱めることができ、燃料噴霧や火炎をキャビティ12b内外(シリンダ軸方向上側及び下側)に最適に分配することができる。突起部32によるシリンダ周方向の分配の最適化と、この段差によるシリンダ軸方向の分配の最適化を組み合わせることで、燃焼室内の燃料と空気の混合を気流に頼らずとも最適化することが可能となり、さらなる低エミッション化を実現することができる。
Moreover, in this embodiment, as shown, for example in FIG. 12, 13, each protrusion part 32 (guide surface 32-4) is a part on the outer peripheral side from the protrusion part 32 (guide surface 32-4) in the piston
なお、キャビティ12bの容積は、圧縮比を決定する上で重要な諸元である。圧縮比は、シリンダ内圧力の上限や、低温始動時の燃料の着火性を考慮して決定される値であり、通常の燃焼室の設計では、目標となる圧縮比にあわせてキャビティ12bの容積を調整するのが一般的である。現在のエンジンでは、キャビティ基準径D0はシリンダボア径の59%程度と広径化が進んでおり、それに従ってキャビティ12bの深さも浅くなる傾向にある。図12,13に示す構成において、ピストン頂面12aにおける突起部32(ガイド面32−4)より外周側の部分と突起部32(ガイド面32−4)とのシリンダ軸方向高さ差Hを大きくしすぎると、キャビティ12bの深さがさらに浅くなってキャビティ12b内に縦渦を形成することが困難となり、キャビティ12b内の空気利用率が低下してスモーク排出量が増加する。その結果、ピストン頂面12aにおける突起部32より外周側の部分と突起部32とのシリンダ軸方向高さ差Hも、スモーク排出量に影響を与える。
The volume of the
圧縮比が一定の条件でピストン頂面12aにおける突起部32(ガイド面32−4)より外周側の部分と突起部32(ガイド面32−4)とのシリンダ軸方向高さ差Hのキャビティ基準径D0に対する割合H/D0を変化させた場合にスモーク排出量を測定した実機実験結果を図14に示す。図14に示す実機実験結果から、突起部32を設けない構成よりもスモーク排出量を減少させるためには、シリンダ軸方向高さ差Hのキャビティ基準径D0に対する割合H/D0を0.05(5%)より小さくすることが好ましい。つまり、シリンダ軸方向高さ差Hのシリンダボア径に対する割合H/DBを0.0295(2.95%)より小さくすることが好ましい。さらに、スモーク排出量を最小化するためには、シリンダ軸方向高さ差Hのキャビティ基準径D0に対する割合H/D0を0.03(あるいはほぼ0.03)にすることが好ましく、シリンダ軸方向高さ差Hのシリンダボア径に対する割合H/DBを0.0177(あるいはほぼ0.0177)にすることが好ましい。
Cavity reference of the cylinder shaft height difference H between the protrusion 32 (guide surface 32-4) and the protrusion 32 (guide surface 32-4) on the outer peripheral side of the piston
以上の実施形態では、シリンダ径方向に対するガイド面32−1,32−2の傾斜角度の大きさが互いに等しいものとしたが、シリンダ径方向に対するガイド面32−1,32−2の傾斜角度の大きさを互いに異ならせることも可能である。例えばシリンダ11内にスワール流を形成する場合は、燃料噴霧や火炎がスワール流によってスワール下流側に煽られるため、シリンダ径方向に対するガイド面32−1の傾斜角度をシリンダ径方向に対するガイド面32−2の傾斜角度より大きくすることも可能である。
In the above embodiment, the inclination angles of the guide surfaces 32-1 and 32-2 with respect to the cylinder radial direction are equal to each other. However, the inclination angles of the guide surfaces 32-1 and 32-2 with respect to the cylinder radial direction are the same. It is also possible to make the sizes different from each other. For example, when a swirl flow is formed in the
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。 As mentioned above, although the form for implementing this invention was demonstrated, this invention is not limited to such embodiment at all, and it can implement with a various form in the range which does not deviate from the summary of this invention. Of course.
10 ディーゼルエンジン、11 シリンダ、12 ピストン、12a 頂面、12b キャビティ、13 インジェクタ、13a 噴孔、14 吸気ポート、15 排気ポート、16 還流通路、17 EGR制御弁、22 スキッシュエリア、32 突起部、32−1,32−2,32−3,32−4 ガイド面、34 段部。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
キャビティ内周壁には、シリンダ径方向内側へ突出する複数の突起部がシリンダ周方向に並んで形成され、
燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかを各突起部に衝突させるように燃料噴射弁の噴孔から燃料を噴射し、
各突起部は、衝突した燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかをシリンダ周方向両側及びシリンダ軸方向両側に振り分ける、ディーゼルエンジン。 A diesel engine having a cavity formed in a piston top surface facing in a cylinder,
A plurality of protrusions protruding inward in the cylinder radial direction are formed in the cavity inner peripheral wall side by side in the cylinder circumferential direction,
Injecting fuel from the nozzle hole of the fuel injection valve so that either the fuel or the flame after fuel ignition collides with each projection,
Each protrusion is a diesel engine that distributes either the fuel that collided or the flame after fuel ignition to both sides in the cylinder circumferential direction and both sides in the cylinder axial direction.
シリンダ周方向に隣接する突起部間には、突起部でシリンダ周方向両側に振り分けられた燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかをスキッシュエリアへ導くための段部が形成されている、ディーゼルエンジン。 The diesel engine according to claim 1,
A diesel engine in which a step portion for guiding either the fuel distributed to both sides of the cylinder circumferential direction by the protrusion or the flame after fuel ignition to the squish area is formed between the protrusions adjacent to each other in the cylinder circumferential direction. .
突起部と段部とのシリンダ軸方向高さ差のシリンダボア径に対する割合が0.0177より大きく且つ0.0531より小さい、ディーゼルエンジン。 The diesel engine according to claim 2,
A diesel engine in which a ratio of a height difference between a projection and a step in a cylinder axial direction to a cylinder bore diameter is larger than 0.0177 and smaller than 0.0531.
突起部においては、シリンダ周方向に第1所定角度を成し、燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかをシリンダ周方向両側に振り分けるための第1及び第2ガイド面と、シリンダ軸方向に第2所定角度を成し、燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかをシリンダ軸方向両側に振り分けるための第3及び第4ガイド面が形成されている、ディーゼルエンジン。 The diesel engine according to any one of claims 1 to 3,
The protrusion has a first predetermined angle in the cylinder circumferential direction, and first and second guide surfaces for distributing either the fuel or the flame after fuel ignition to both sides of the cylinder circumferential direction, and the first in the cylinder axial direction. 2 A diesel engine having a predetermined angle and formed with third and fourth guide surfaces for distributing either the fuel or the flame after fuel ignition to both sides in the cylinder axial direction.
突起部のシリンダ径方向長さとシリンダボア径の比が0.118より小さい、ディーゼルエンジン。 The diesel engine according to any one of claims 1 to 4,
A diesel engine in which the ratio of the cylinder radial length of the protrusion to the cylinder bore diameter is smaller than 0.118.
シリンダ内にスワール流を形成する場合に、噴孔の中心軸が、シリンダ中心軸と突起部の先端を通る平面に対して、スワール上流側に傾斜している、ディーゼルエンジン。 The diesel engine according to any one of claims 1 to 5,
A diesel engine in which, when a swirl flow is formed in a cylinder, the central axis of the nozzle hole is inclined upstream of the swirl with respect to a plane passing through the cylinder central axis and the tip of the protrusion.
前記平面に対する噴孔の中心軸のスワール上流側への傾斜角度が9°より小さい、ディーゼルエンジン。 The diesel engine according to claim 6, wherein
A diesel engine having an inclination angle of the central axis of the nozzle hole with respect to the plane toward the swirl upstream side is smaller than 9 °.
突起部が、ピストン頂面における突起部より外周側の部分に対して、シリンダ軸方向下側に窪んでいる、ディーゼルエンジン。 The diesel engine according to any one of claims 1 to 7,
A diesel engine in which the protrusion is recessed downward in the cylinder axial direction with respect to the outer peripheral portion of the protrusion on the piston top surface.
ピストン頂面における突起部より外周側の部分と突起部とのシリンダ軸方向高さ差のシリンダボア径に対する割合が0.0295より小さい、ディーゼルエンジン。 The diesel engine according to claim 8, wherein
A diesel engine in which the ratio of the height difference in the cylinder axial direction between the protrusion on the outer peripheral side of the protrusion on the top surface of the piston and the cylinder bore diameter is smaller than 0.0295.
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