JP4416680B2

JP4416680B2 - 直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造

Info

Publication number: JP4416680B2
Application number: JP2005053989A
Authority: JP
Inventors: 大中島
Original assignee: Hino Motors Ltd
Current assignee: Hino Motors Ltd
Priority date: 2005-02-28
Filing date: 2005-02-28
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2025-02-28
Also published as: JP2006233946A

Description

本発明は、直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造に関するものである。

従来より、自動車のディーゼルエンジン等では、排気側から排気ガスの一部を抜き出して吸気側へと戻し、その吸気側に戻された排気ガスでエンジン内での燃料の燃焼を抑制させて燃焼温度を下げることによりＮＯxの発生を低減するようにした、いわゆる排気ガス再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）を採用したものがある。

図１２は排気ガスを再循環する機構を備えたディーゼルエンジンの一例を示すもので、ここに図示しているディーゼルエンジン１においては、排気ガス２が流通する排気通路３と吸気通路４との間がＥＧＲパイプ５により接続されており、このＥＧＲパイプ５の途中に備えたＥＧＲバルブ６を介し排気ガス２の一部を吸入空気７と一緒に再循環してディーゼルエンジン１の気筒内に送り込み、該気筒内での燃焼温度を下げてＮＯxの低減化を図るようにしてある。

また、ディーゼルエンジン１の各気筒の天井部に、燃料（軽油）を気筒内に噴射する多孔式のインジェクタ８が装備されていると共に、ピストン９の頂面には、燃焼室の大半を成すように窪むキャビティ１０が凹設されており、該キャビティ１０の内周面に対し前記インジェクタ８の先端部から燃料が放射状に噴射されて圧縮行程終期の高い気筒内温度により自己着火するようになっている。

前記キャビティ１０の詳細は図１３に示す通りであり、キャビティ１０の開口の外縁部を成す入口リップ部１１と、該入口リップ部１１から緩やかなＳ字カーブを描くように下降して前記入口リップ部１１より半径方向外側へ張り出すリエントラント部１２と、該リエントラント部１２から半径方向内側へ向かう緩やかな曲面を成す外側曲面部１３と、該外側曲面部１３の下端部全周からピストン中心Ｏに向け扁平な円錐状を成すセンターコーン１４とを備えて前記キャビティ１０が形成されるようになっている。

また、図１２のディーゼルエンジン１におけるインジェクタ８の噴射作動については、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置１５からの燃料噴射指令８ａにより制御されるようになっており、圧縮上死点近辺で前記インジェクタ８に燃料噴射指令８ａを出力して燃料を噴射せしめるようにしてある。

また、この制御装置１５には、アクセル開度をディーゼルエンジン１の負荷として検出するアクセルセンサ１６（負荷センサ）からのアクセル開度信号１６ａや、ディーゼルエンジン１の機関回転数を検出する回転センサ１７からの回転数信号１７ａなどが入力されており、各種のエンジン制御を実行するべくディーゼルエンジン１の運転状態が常に監視されるようになっている。

尚、図１２中における１８はクランクシャフト、１９は排気ポート、２０は排気弁、２１は吸気ポート、２２は吸気弁を示しており、該吸気弁２２及び前記排気弁２０は、図示しないエンジン駆動のカムシャフトに備えたカムによりプッシュロッドやロッカーアームを介して各気筒毎の行程に応じた適切なタイミングで開弁操作されるようになっている。

この種の直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造に関連する先行技術文献情報としては、例えば、下記の特許文献１や特許文献２等が既に提案されている状況にある。
特開平６−２１２９７３号公報特開平７−１５０９４４号公報

しかしながら、図１２に示す如き従来の直噴式ディーゼルエンジンにおいて、排気ガス２の再循環によりＮＯxの低減化を図ることは、気筒内での燃焼不良により黒煙を発生してしまうこととトレードオフの関係にあるので、大幅なＮＯxの低減化を実現するべく単純に排気ガス２の再循環量を増やしてしまうと、黒煙の発生や燃費の悪化等といった問題を招いてしまうことになる。

そこで、本発明者は、図１３に示す如き既存の燃焼室構造に関し、燃料噴霧の拡散状況に着目して鋭意研究を続けたところ、図１４（圧縮上死点）のように、リエントラント部１２に向けて噴射された燃料は、図１５（クランク角６゜）や図１６（クランク角１２゜）に示す如く、リエントラント部１２に衝突し、その燃料噴射で生じた空気の流れが外側曲面部１３に沿いセンターコーン１４まで下降して半径方向内側へ折り返される一方、図１７（クランク角１８゜）に示す如く、その上方で燃料噴射後半の半径方向外側へ向かう空気流れが残存していることにより、図１８（クランク角３０゜）の如きキャビティ１０内で再循環する大きな渦が形成され、この結果、図１９（クランク角４０゜）のように、燃料噴霧の大半がキャビティ１０内に留まり、ここに燃料の濃い領域が局所的に形成されて黒煙が発生し易くなっているという事実を見いだした。尚、図１４〜図１９中にＦで示す線図は、噴射燃料の濃度別分布の拡散状況を模式的に示したものであり、内側の分布領域ほど燃料の濃度が濃いことを示している。

そして、キャビティ１０内から積極的にスキッシュエリアＳ（キャビティ１０周囲のピストン９の頂面と気筒天井部２３との間の領域）に燃料噴霧を向かわせることによって、燃料の拡散性を向上し且つ気筒の内周側よりも酸素が多い外周側（体積が大きい分だけ酸素も多い）で良好に燃焼させて黒煙発生を抑制する技術を創案するに到ったが、前述の特許文献１や特許文献２等は、燃料と空気の混合性ばかりに注目したものとなっていて、キャビティ１０内からスキッシュエリアＳへの積極的な燃料の拡散を実現し得るようにはなっていなかった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、排気ガスの再循環量を増やしても黒煙の発生や燃費の悪化を極力回避し得るようにした直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造を提供することを目的としている。

本発明は、ピストン頂面に燃焼室の大半を成すように窪むキャビティを備え、該キャビティの内周面に気筒天井部の中心から燃料を放射状に噴射して自己着火せしめる直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造であって、キャビティの半径方向中途部にて該キャビティの底面から半径方向外側へ向けて反るように立ち上がる折り返し部を全周に亘り形成すると共に、該折り返し部の上端部全周からピストン中心に向け扁平な円錐状を成すセンターコーンを形成し、該センターコーンの外縁部と前記折り返し部の上端部とによるエッジ部が成す角度を鋭角とし、更に、キャビティの開口の外縁部を成す入口リップ部と、該入口リップ部から緩やかなＳ字カーブを描くように下降して前記入口リップ部より半径方向外側へ張り出すリエントラント部と、該リエントラント部から半径方向内側へ向かう緩やかな曲面を介してキャビティの底面に連続する外側曲面部とを備え、しかも、前記キャビティの底面から立ち上がる折り返し部の下端部における曲率半径が外側曲面部の曲率半径よりも小さく、前記折り返し部の周囲を取り囲むキャビティの底面が半径方向に直線状を成すように形成され、前記入口リップ部の径寸法がピストン径の４０〜７０％の寸法範囲で設定され、前記センターコーンの径寸法がピストン径の２０〜４０％の寸法範囲で設定され、垂直線に対する前記折り返し部の半径方向外側への反り角が０゜より大きく６０゜より小さい角度範囲で設定され、該折り返し部の反り角よりも、水平線に対するセンターコーンの勾配角の方が小さくなるように構成したことを特徴とするものである。

而して、気筒天井部の中心からキャビティの内周面に向け放射状に燃料噴射を行うと、その燃料噴霧により押し出された空気の流れがキャビティの内周面に当り、該内周面からキャビティの底面に下降して半径方向内側へ折り返し、その半径方向中途部にある折り返し部により半径方向外側に向かう上昇流となるが、この上昇流は継続中の燃料噴霧による空気の流れに行き当たって再循環されることになり、斯かる一連の空気の流れによりキャビティの内周面と底面と折り返し部に囲まれた領域に大きな渦が形成されて燃料噴射が終了するまで持続されることになる。

他方、折り返し部に沿う上昇流がエッジ部を超える際には、該エッジ部の上側で前記上昇流による圧力降下が起こって急激にセンターコーン側へ向かう流れが引き起こされるが、このセンターコーン側へ向かう流れは、燃料噴射の終了に伴い燃料噴霧による空気の流れが消失し且つその際にピストンが膨張行程を迎えて下降することで縦方向に引き伸ばされ、前記の渦とは逆向きの渦を形成することになる。

そして、これら二つの逆向きの渦によりスキッシュエリア（キャビティ周囲のピストン頂面と気筒天井部との間の領域）に向かう強い流れが形成され、これにより燃料と空気の混合気が、キャビティの底部や中心部で局所的に燃料の濃い領域を生じることなく、酸素が多く存在しているスキッシュエリア（気筒の外周側の方が内周側よりも体積が大きい分だけ酸素も多い）へ良好に拡散される結果、煤の再酸化が促進されて黒煙の発生が著しく抑制されることになる。

また、本発明においては、キャビティの開口の外縁部を成す入口リップ部と、該入口リップ部から緩やかなＳ字カーブを描くように下降して前記入口リップ部より半径方向外側へ張り出すリエントラント部と、該リエントラント部から半径方向内側へ向かう緩やかな曲面を介してキャビティの底面に連続する外側曲面部とを備えているので、リエントラント部に向けた燃料噴射で生じた空気の流れが外側曲面部により円滑に半径方向内側へ折り返され、その半径方向中途部にある折り返し部により効果的に半径方向外側に向かう上昇流が形成されることになる。

更に、この上昇流を良好に形成するに際しては、キャビティの底面から立ち上がる折り返し部の下端部における曲率半径が外側曲面部の曲率半径よりも小さくなっているので、半径方向内側へ折り返される空気の流れの勢いが削がれることなく折り返し部の下端部まで導かれることになる。

また、折り返し部の周囲を取り囲むキャビティの底面が半径方向に直線状を成すように形成されているので、この直線状の底面部分を助走路として半径方向内側へ向かう空気の流れをストレートに導いて折り返し部の下端部にぶつけることが可能となる。

尚、入口リップ部の径寸法はピストン径の４０〜７０％の寸法範囲で設定し、センターコーンの径寸法はピストン径の２０〜４０％の寸法範囲で設定すると良く、また、垂直線に対する折り返し部の半径方向外側への反り角を０゜より大きく６０゜より小さい角度範囲で設定し、更には、垂直線に対する折り返し部の半径方向外側への反り角よりも、水平線に対するセンターコーンの勾配角の方が小さくなるようにすると良い。

上記した本発明の直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造によれば、キャビティの底部や中心部で局所的に燃料の濃い領域が生じることを未然に回避することができると共に、酸素が多く存在しているスキッシュエリアへ燃料を積極的に拡散させて良好に燃焼させることもできるので、黒煙の発生や燃費の悪化を極力回避しながら排気ガスの再循環量を既存の直噴式ディーゼルエンジンで実現できなかったレベルまで増加することができ、従来よりも優れたＮＯxの低減効果を得ることができるという優れた効果を奏し得る。

以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図１〜図１１は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１２及び図１３と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。

先に図１２で説明した直噴式ディーゼルエンジン１に関し、本形態例においては、図１に示す如く、ピストン９の頂面に凹設されているキャビティ１０の半径方向中途部に、該キャビティ１０の底面２７から半径方向外側へ向けて反るように立ち上がる折り返し部２４を全周に亘り形成すると共に、該折り返し部２４の上端部全周からピストン中心Ｏにかけては、扁平な円錐状を成すセンターコーン２５を形成し、該センターコーン２５の外縁部と前記折り返し部２４の上端部とによるエッジ部２６が成す角度が鋭角（直角より小さい角度）となるように構成してある。

ここで、燃料が噴射されるキャビティ１０の内周面の形状は、先に図１３で説明した従来のキャビティ１０と同様であり、キャビティ１０の開口の外縁部を成す入口リップ部１１と、該入口リップ部１１から緩やかなＳ字カーブを描くように下降して前記入口リップ部１１より半径方向外側へ張り出すリエントラント部１２と、該リエントラント部１２から半径方向内側へ向かう緩やかな曲面を介してキャビティ１０の底面２７に連続する外側曲面部１３とにより構成されている。

また、キャビティ１０の底面２７から立ち上がる折り返し部２４の下端部における曲率半径は、リエントラント部１２から前記キャビティ１０の底面２７にかけての曲面の曲率半径よりも小さくなっており、折り返し部２４の周囲を取り囲むキャビティ１０の底面２７は、ピストン９の頂面と平行な平坦面となっていて半径方向に直線状を成すように形成されている。

ただし、キャビティ１０の底面２７が半径方向に直線状を成すように形成するにあたっては、必ずしもピストン９の頂面と平行な平坦面とする必要はなく、ピストン中心Ｏに向けて下り勾配や上り勾配を成す錐状又は擂り鉢状の形状を採用することも可能である。

尚、入口リップ部１１の径寸法Ｄ1がピストン径Ｄ0の４０〜７０％の寸法範囲で設定されていると共に、センターコーン２５の径寸法Ｄ2はピストン径Ｄ0の２０〜４０％の寸法範囲で設定されている（図２参照）。

また、垂直線に対する折り返し部２４の半径方向外側への反り角αは０゜より大きく６０゜より小さい角度範囲で設定されており（図３参照）、この折り返し部２４の反り角αよりも、水平線に対するセンターコーン２５の勾配角βの方が小さくなるようにしてある（図４参照）。

而して、このように燃焼室構造を構成した場合に、図５（圧縮上死点）のように、気筒天井部２３の中心からキャビティ１０のリエントラント部１２に向け放射状に燃料噴射を行うと、図６（クランク角６゜）のように、その燃料噴霧により押し出された空気の流れがリエントラント部１２に当り、該リエントラント部１２から下降して外側曲面部１３により円滑に半径方向内側へ折り返され、その半径方向中途部にある折り返し部２４により半径方向外側に向かう上昇流となるが、図７（クランク角１２゜）のように、この上昇流は継続中の燃料噴霧による空気の流れに行き当たって再循環されることになり、斯かる一連の空気の流れによりキャビティ１０の内周面と底面２７と折り返し部２４に囲まれた領域に大きな渦が形成されて燃料噴射が終了するまで持続されることになる。

この際、特に本形態例においては、キャビティ１０の底面２７から立ち上がる折り返し部２４の下端部における曲率半径が、リエントラント部１２から底面２７にかけての外側曲面部１３の曲率半径よりも小さくしてあるので、半径方向内側へ折り返される空気の流れの勢いが削がれることなく折り返し部２４の下端部まで導かれることになり、しかも、折り返し部２４の周囲を取り囲むキャビティ１０の底面２７が半径方向に直線状を成すように形成されているので、この直線状の底面部分を助走路として半径方向内側へ向かう空気の流れをストレートに導いて折り返し部２４の下端部にぶつけることが可能となる。

また、折り返し部２４に沿う上昇流がエッジ部２６を超える際には、該エッジ部２６の上側で前記上昇流による圧力降下が起こって急激にセンターコーン２５側へ向かう流れが引き起こされるが、このセンターコーン２５側へ向かう流れは、図８（クランク角１８゜）のように、燃料噴射の終了に伴い燃料噴霧による空気の流れが消失し且つその際にピストン９が膨張行程を迎えて下降することで縦方向に引き伸ばされ、図９（クランク角３０゜）のように、前記の渦とは逆向きの渦を形成することになる。

そして、これら二つの逆向きの渦によりスキッシュエリアＳ（キャビティ１０周囲のピストン９の頂面と気筒天井部２３との間の領域）に向かう強い流れが形成され、図１０の（クランク角４０゜）ように、燃料と空気の混合気が、キャビティ１０の底部や中心部で局所的に燃料の濃い領域を生じることなく、酸素が多く存在しているスキッシュエリアＳ（気筒の外周側の方が内周側よりも体積が大きい分だけ酸素も多い）へ良好に拡散される結果、煤の再酸化が促進されて黒煙の発生が著しく抑制されることになる。尚、図５〜図１０中にＦで示す線図は、噴射燃料の濃度別分布の拡散状況を模式的に示したものであり、内側の分布領域ほど燃料の濃度が濃いことを示している。

従って、上記形態例によれば、キャビティ１０の底部や中心部で局所的に燃料の濃い領域が生じることを未然に回避することができると共に、酸素が多く存在しているスキッシュエリアＳへ燃料を積極的に拡散させて良好に燃焼させることもできるので、黒煙の発生や燃費の悪化を極力回避しながら排気ガス２（図１２参照）の再循環量を既存の直噴式ディーゼルエンジン１で実現できなかったレベルまで増加することができ、従来よりも優れたＮＯxの低減効果を得ることができる。

事実、本発明者による検証実験によれば、図１１にグラフで示す通り、λ（空気過剰率；ＥＧＲ率を上げるほど空気過剰率は下がる）に対する排気ガス２の光不透過率（燃焼不良により生じた黒煙による排気ガス２の汚染度を光の不透過率で評価した排気煙濃度の代用値）を、従来の燃焼室構造を採用した場合と本発明の燃焼室構造を採用した場合とで比較したところ、異なる回転数で実施した何れの実験結果においても、本発明の燃焼室構造を採用した場合の方が排気ガス２の光不透過率が低い、即ち、同じＥＧＲ率で排気再循環を実行した時（同じλの時）の黒煙による排気ガス２の汚染度が低いことが確認されている。

尚、本発明の直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造は、上述の形態例にのみ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変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の一例を示す断面図である。入口リップ部及びセンターコーンの径寸法に関する説明図である。折り返し部の反り角の角度範囲に関する説明図である。折り返し部の反り角とセンターコーンの勾配角との関係を示す説明図である。本形態例の圧縮上死点での燃焼噴射状況を示す断面図である。本形態例のクランク角６゜での燃焼噴射状況を示す断面図である。本形態例のクランク角１２゜での燃焼噴射状況を示す断面図である。本形態例のクランク角１８゜での燃焼噴射状況を示す断面図である。本形態例のクランク角３０゜での燃焼噴射状況を示す断面図である。本形態例のクランク角４０゜での燃焼噴射状況を示す断面図である。本発明者による検証実験の結果を示すグラフである。排気ガスを再循環する機構を備えたディーゼルエンジンの概略図である。図１２のキャビティの詳細を示す断面図である。従来の圧縮上死点での燃焼噴射状況を示す断面図である。従来のクランク角６゜での燃焼噴射状況を示す断面図である。従来のクランク角１２゜での燃焼噴射状況を示す断面図である。従来のクランク角１８゜での燃焼噴射状況を示す断面図である。従来のクランク角３０゜での燃焼噴射状況を示す断面図である。従来のクランク角４０゜での燃焼噴射状況を示す断面図である。

符号の説明

１ディーゼルエンジン
９ピストン
１０キャビティ
１１入口リップ部
１２リエントラント部
１３外側曲面部
２３気筒天井部
２４折り返し部
２５センターコーン
２６エッジ部
２７底面

Claims

ピストン頂面に燃焼室の大半を成すように窪むキャビティを備え、該キャビティの内周面に気筒天井部の中心から燃料を放射状に噴射して自己着火せしめる直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造であって、
キャビティの半径方向中途部にて該キャビティの底面から半径方向外側へ向けて反るように立ち上がる折り返し部を全周に亘り形成すると共に、該折り返し部の上端部全周からピストン中心に向け扁平な円錐状を成すセンターコーンを形成し、該センターコーンの外縁部と前記折り返し部の上端部とによるエッジ部が成す角度を鋭角とし、
更に、キャビティの開口の外縁部を成す入口リップ部と、該入口リップ部から緩やかなＳ字カーブを描くように下降して前記入口リップ部より半径方向外側へ張り出すリエントラント部と、該リエントラント部から半径方向内側へ向かう緩やかな曲面を介してキャビティの底面に連続する外側曲面部とを備え、
しかも、前記キャビティの底面から立ち上がる折り返し部の下端部における曲率半径が外側曲面部の曲率半径よりも小さく、前記折り返し部の周囲を取り囲むキャビティの底面が半径方向に直線状を成すように形成され、前記入口リップ部の径寸法がピストン径の４０〜７０％の寸法範囲で設定され、前記センターコーンの径寸法がピストン径の２０〜４０％の寸法範囲で設定され、垂直線に対する前記折り返し部の半径方向外側への反り角が０゜より大きく６０゜より小さい角度範囲で設定され、該折り返し部の反り角よりも、水平線に対するセンターコーンの勾配角の方が小さくなるように構成したことを特徴とする直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造。