JP4495766B2 - Direct fuel injection engine - Google Patents
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Description
本発明は、頂面のピストン中心軸方向の高さが円周方向に変化するピストンと、前記ピストンの頂面の中央部に凹設されたキャビティと、前記キャビティ内に燃料を噴射するフュエルインジェクタとを備えた燃料直噴エンジンに関する。 The present invention relates to a piston in which the height of the top surface in the piston central axis direction changes in the circumferential direction, a cavity recessed at the center of the top surface of the piston, and a fuel injector that injects fuel into the cavity. And a fuel direct injection engine.
燃料直噴エンジン用のフュエルインジェクタの先端部に設けられる燃料噴射孔を複数の大径燃料噴射孔および複数の小径燃料噴射孔から構成し、大径燃料噴射孔および小径燃料噴射孔を円周方向に交互に配置することで、キャビティ内の燃料および空気の混合状態を均一化するものが、下記特許文献１により公知である。
ところでペントルーフ型ピストンを備えた燃料直噴ディーゼルエンジンで、吸気にスワールを発生させない場合、フュエルインジェクタから噴射された燃料と空気とが均一に混合せず、混合気の燃焼状態が悪化する可能性がある。 By the way, in a direct fuel injection diesel engine equipped with a pent roof type piston, if the swirl is not generated in the intake air, the fuel injected from the fuel injector and air may not be mixed uniformly, and the combustion state of the air-fuel mixture may deteriorate. is there.
例えば、図１７（Ａ）に示すように、フュエルインジェクタから６０°間隔で６本の燃料噴射軸Ｌｉに沿ってピストン１３のキャビティ２５内に燃料を噴射した場合、隣接する燃料噴射軸Ｌｉの間に燃料と混合しない未利用空気が残ってしまう問題がある。前記未利用空気を最小限に抑えるために、図１７（Ｂ）に示すように、燃料噴射軸Ｌｉの数を増加させると（例えば、８本）、キャビティ２５の内周面に衝突して円周方向に拡散した燃料が相互に重なり合って局所的に燃料濃度が高い領域が発生してしまい、しかも前記領域に存在する燃料が逆スキッシュ流によってキャビティ２５の外部に吹きこぼれてしまう問題がある。
For example, as shown in FIG. 17A, when the fuel is injected into the
本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、ペントルーフ型ピストンを備えた燃料直噴エンジンにおいて、キャビティ内での燃料および空気の混合状態を円周方向に均一化することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to make the mixed state of fuel and air in a cavity uniform in a circumferential direction in a fuel direct injection engine having a pent roof type piston.
上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、頂面のピストン中心軸方向の高さが円周方向に変化するピストンと、前記ピストンの頂面の中央部に凹設されたキャビティと、前記キャビティ内に燃料を噴射するフュエルインジェクタとを備え、Ｎを２以上の自然数とし、前記キャビティの内壁面と、ピストン中心軸から放射方向に延びて互いに均等な挟み角を有するＮ個の半平面とで、前記キャビティをＮ個の仮想的なキャビティ区分に区画したとき、前記各々の仮想的なキャビティ区分の容積が略等しくなるように、前記キャビティの内壁面の形状を設定し、前記フュエルインジェクタは内径が異なる複数の燃料噴射孔を備え、前記複数の燃料噴射孔は、高ペネトレーションを有するＮ個の大径燃料噴射孔と、前記大径燃料噴射孔よりも小径であって低ペネトレーションを有する少なくともＮ個の小径燃料噴射孔とからなり、ピストン中心軸方向に見て、各大径燃料噴射孔は対応する仮想的なキャビティ区分の前記挟み角の２等分線の方向を指向し、前記小径燃料噴射孔は円周方向に隣接する前記大径燃料噴射孔が指向する二つの方向の間を指向することを特徴とする燃料直噴エンジンが提案される。
In order to achieve the above object, according to the invention described in
また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記フュエルインジェクタは、円周方向に隣接する前記大径燃料噴射孔の中央位置に前記小径燃料噴射孔を１個ずつ備えることを特徴とする燃料直噴エンジンが提案される。
According to a second aspect of the present invention, in addition to the configuration of the first aspect , the fuel injector has the small-diameter
また請求項３に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記フュエルインジェクタは、円周方向に隣接する前記大径燃料噴射孔の間に前記小径燃料噴射孔を複数個ずつ備えることを特徴とする燃料直噴エンジンが提案される。
According to the invention described in
また請求項４に記載された発明によれば、請求項１〜請求項３の何れか１項の構成に加えて、前記ピストンの頂面はペントルーフ状に形成されることを特徴とする燃料直噴エンジンが提案される。 According to a fourth aspect of the present invention, in addition to the structure of any one of the first to third aspects, the top surface of the piston is formed in a pent roof shape. A jet engine is proposed.
請求項１の構成によれば、ピストンの頂面の中央部に凹設したキャビティの内壁面と、ピストン中心軸から放射方向に延びて互いに均等な挟み角を有するＮ個の半平面とで、キャビティをＮ個の仮想的なキャビティ区分に区画したとき、各々の仮想的なキャビティ区分の容積が略等しくなるようにキャビティの内壁面の形状を設定したので、キャビティにおける燃料および空気の混合状態を円周方向に均一化してエンジンの出力向上および排気有害物質の低減を図ることができる。しかもフュエルインジェクタに設けられた内径が異なる複数の燃料噴射孔は、高ペネトレーションを有するＮ個の大径燃料噴射孔と、大径燃料噴射孔よりも小径であって低ペネトレーションを有する少なくともＮ個の小径燃料噴射孔とからなり、Ｎ個の大径燃料噴射孔は、ピストン中心軸方向に見て、各大径燃料噴射孔は対応する仮想的なキャビティ区分の前記挟み角の２等分線の方向を指向し、小径燃料噴射孔は円周方向に隣接する大径燃料噴射孔が指向する二つの方向の間を指向するので、大径燃料噴射孔から噴射された燃料の噴霧が行き渡らない空間に小径燃料噴射孔から噴射された燃料の噴霧を行き渡らせ、かつ大径燃料噴射孔から噴射された燃料の噴霧と小径燃料噴射孔から噴射された燃料の噴霧とが重ならないようにし、キャビティからの噴霧の吹きこぼれを防止しながら未利用空気を最小限に抑え、キャビティ区分の等容積化との相乗効果により、キャビティにおける燃料および空気の混合状態を更に均一化することができる。
According to the configuration of
また請求項２の構成によれば、フュエルインジェクタの円周方向に隣接する大径燃料噴射孔の中央位置に小径燃料噴射孔を１個ずつ設けたので、大径燃料噴射孔から噴射された燃料の噴霧が行き渡らない空間に小径燃料噴射孔から噴射された燃料の噴霧を均等に行き渡らせることができる。 According to the second aspect of the present invention, since one small-diameter fuel injection hole is provided at the center position of the large-diameter fuel injection hole adjacent in the circumferential direction of the fuel injector, the fuel injected from the large-diameter fuel injection hole The spray of fuel injected from the small-diameter fuel injection holes can be evenly distributed in the space where the spray of the fuel does not spread.
また請求項３の構成によれば、フュエルインジェクタの円周方向に隣接する大径燃料噴射孔の間に小径燃料噴射孔を複数個ずつ設けたので、大径燃料噴射孔から噴射された燃料の噴霧が行き渡らない空間に小径燃料噴射孔から噴射された燃料の噴霧を均等に行き渡らせることができる。 According to the third aspect of the present invention, since the plurality of small diameter fuel injection holes are provided between the large diameter fuel injection holes adjacent in the circumferential direction of the fuel injector, the fuel injected from the large diameter fuel injection holes The fuel spray injected from the small-diameter fuel injection holes can be evenly distributed in the space where the spray does not spread.
また請求項４の構成によれば、ピストンの頂面をペントルーフ状に形成したので、バルブ孔の開口面積を拡大して吸排気効率を高めることができる。 According to the fourth aspect of the present invention, since the top surface of the piston is formed in a pent roof shape, the opening area of the valve hole can be enlarged to improve the intake / exhaust efficiency.
以下、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図１〜図１３は本発明の第１の実施の形態を示すもので、図１はディーゼルエンジンの要部縦断面図、図２は図１の２−２線矢視図、図３は図１の３−３線矢視図、図４は図１の４部拡大図、図５は図４の５−５線拡大断面図、図６はピストンの上部斜視図、図７は図３の７−７線断面図、図８は図３の８−８線断面図、図９は図３の９−９線断面図、図１０は補正後のキャビティの断面形状を示す、前記図７に対応する図、図１１は補正後のキャビティの断面形状を示す、前記図８に対応する図、図１２は仮想的なキャビティ区分の説明図、図１３はキャビティ区分の方向を円周方向に変化させたときの、該キャビティ区分の容積の変化率を示すグラフである。
1 to 13 show a first embodiment of the present invention. FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an essential part of a diesel engine, FIG. 2 is a view taken along line 2-2 in FIG. 1, and FIG. 4 is an enlarged view of
図１〜図６に示すように、燃料直噴型のディーゼルエンジンは、シリンダブロック１１に形成されたシリンダ１２に摺動自在に嵌合するピストン１３を備えており、ピストン１３はピストンピン１４およびコネクティングロッド１５を介して図示せぬクランクシャフトに接続される。シリンダブロック１１の上面に結合されるシリンダヘッド１６の下面に、ピストン１３の頂面に対向する２個の吸気バルブ孔１７，１７と、２個の排気バルブ孔１８，１８とが開口しており、吸気バルブ孔１７，１７に吸気ポ−ト１９が連通し、排気バルブ孔１８，１８に排気ポート２０が連通する。吸気バルブ孔１７，１７は吸気バルブ２１，２１で開閉され、排気バルブ孔１８，１８は排気バルブ２２，２２で開閉される。ピストン中心軸Ｌｐ上に位置するようにフュエルインジェクタ２３が設けられるとともに、フュエルインジェクタ２３に隣接するようにグロープラグ２４が設けられる。
As shown in FIGS. 1 to 6, the direct fuel injection type diesel engine includes a
ピストン１３の頂面と、そこに対向するシリンダヘッド１６の下面とは平坦ではなく断面三角形のペントルーフ状に傾斜しており、この形状により、吸気ポ−ト１９および排気ポート２０の湾曲度を小さくするとともに吸気バルブ孔１７，１７および排気バルブ孔１８，１８の直径を確保し、吸気効率および排気効率を高めることができる。
The top surface of the
ピストン１３の頂面には、ピストン中心軸Ｌｐを中心とするキャビティ２５が凹設される。キャビティ２５の径方向外側には、ピストンピン１４と平行に直線状に延びる頂部１３ａ，１３ａから吸気側および排気側に向かって下向きに傾斜する一対の傾斜面１３ｂ，１３ｂと、傾斜面１３ｂ，１３ｂの下端近傍に形成されてピストン中心軸Ｌｐに直交する一対の平坦面１３ｃ，１３ｃと、頂部１３ａ，１３ａの両端を平坦に切り欠いた一対の切欠き部１３ｄ，１３ｄとが形成される。
A
ピストン中心軸Ｌｐに沿って配置されたフュエルインジェクタ２３は、ピストン中心軸Ｌｐ上の仮想的な点である燃料噴射点Ｏｉｎｊを中心として円周方向に３０°間隔で離間する１２の方向に燃料を噴射する。１２本の燃料噴射軸のうちの２本の第１燃料噴射軸Ｌｉ１は、ピストン中心軸Ｌｐ方向に見てピストンピン１４と重なっており、４本の第２燃料噴射軸Ｌｉ２は、ピストンピン１４の方向に対して６０°の角度で交差しており、６本の第３燃料噴射軸Ｌｉ３は合計６本の第１燃料噴射軸Ｌｉ１および第２燃料噴射軸Ｌｉ２の中央を指向する。またピストン中心軸Ｌｐに直交する方向に見て、１２本の第１、第２、第３燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２，Ｌｉ３は斜め下向きに傾斜しており、その下向きの度合いは第１燃料噴射軸Ｌｉ１から遠いものほど大きくなっている（図８および図９参照）。従って、ピストンピン軸線Ｌ２に直交する方向を指向する２本の第３燃料噴射軸Ｌｉ３が最も下向きに傾斜している。
The
尚、フュエルインジェクタ２３が実際に燃料を噴射する噴射点はピストン中心軸Ｌｐから径方向外側に僅かにずれているが、前記燃料噴射点Ｏｉｎｊは前記第１〜第３燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２，Ｌｉ３がピストン中心軸Ｌｐと交差する点として定義される。
The fuel injection point at which the
図４および図５に拡大して示すように、シリンダヘッド１６の下面からピストン１３側に突出するフュエルインジェクタ２３の先端部２３ａに第１、第２燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２に対応する６個の大径燃料噴射孔２３ｄ…が６０°間隔で形成され、それら６個の大径燃料噴射孔２３ｄ…の中間位置に６個の小径燃料噴射孔２３ｅ…が形成される。各燃料噴射孔２３ｄ…，２３ｅ…の断面形状は円形であるが、大径燃料噴射孔２３ｄ…の直径は小径燃料噴射孔２３ｅ…の直径よりも大きくなっており、大径燃料噴射孔２３ｄ…から噴射された燃料のペネトレーション（到達距離）は小径燃料噴射孔２３ｅ…から噴射された燃料のペネトレーション（到達距離）よりも大きくなる。
As shown in enlarged views in FIGS. 4 and 5, there are six pieces corresponding to the first and second fuel injection shafts Li <b> 1 and Li <b> 2 at the
次に、図７〜図９を参照して先願発明（特願２００６−１７５５９７号）のキャビティ２５の断面形状を詳述する。先願発明のキャビティ２５の断面形状を説明する理由は、先願発明のキャビティ２５の断面形状を補正して本願発明のキャビティ２５の断面形状を得るからである。図７はピストンピン１４に対して直交する方向の断面であり、図８はピストンピン１４に対して６０°で交差する方向の断面（第２燃料噴射軸Ｌｉ２を含む断面）であり、図９はピストンピン１４に沿う方向の断面（第１燃料噴射軸Ｌｉ１を含む断面）である。
Next, the sectional shape of the
先願発明は、ピストン中心軸Ｌｐを通る任意の断面において、キャビティ２５の形状を可及的に一致させることを狙ったものである。キャビティ２５の断面形状はピストン中心軸Ｌｐを挟んで左右二つの部分に分かれており、その二つの部分は図９のピストンピン１４方向の断面では概ね直線状に繋がっているが、図７のピストンピン１４直交方向の断面と、図８のピストンピン１４に対して６０°で交差する方向の断面とでは、ピストン１３のペントルーフ形状に応じて山型に繋がっている。但し、キャビティ２５の断面形状の主要部、つまり図７〜図９に網かけをして示す部分の形状は完全に一致している。
The invention of the prior application aims at matching the shape of the
図７〜図９から明らかなように、ピストン中心軸Ｌｐを中心として形成されたキャビティ２５は、ピストン１３の頂面から下向きに直線状に延びる周壁部２５ａと、周壁部２５ａの下端からピストン中心軸Ｌｐに向かってコンケーブ状に湾曲する曲壁部２５ｂと、曲壁部２５ｂの径方向内端からピストン中心軸Ｌｐに向かって斜め上方に直線状に延びる底壁部２５ｃと、ピストン中心軸Ｌｐ上で底壁部２５ｃの径方向内端に連なる頂部２５ｄとで構成される。
As is apparent from FIGS. 7 to 9, the
キャビティ２５に対向するシリンダヘッド１６の下面を示す線Ｌ−Ｒ１，Ｌ−Ｒ２から下方に距離Ｈａだけ離れて平行に延びるラインをピストン頂面基本線Ｌ−ａ１，Ｌ−ａ２とする。同様にシリンダヘッド１６の下面を示す線Ｌ−Ｒ１，Ｌ−Ｒ２から下方に距離Ｈｂｃだけ離れて平行に延びる線をキャビティ底面基本線Ｌ−ｂｃ１，Ｌ−ｂｃ２とし、シリンダヘッド１６の下面を示す線Ｌ−Ｒ１，Ｌ−Ｒ２から下方に距離Ｈｄだけ離れて平行に延びる線をキャビティ頂部基本線Ｌ−ｄ１，Ｌ−ｄ２とする。
Lines extending downward and parallel to each other by a distance Ha from lines L-R1 and L-R2 indicating the lower surface of the
燃料噴射点Ｏｉｎｊを中心とする半径Ｒａの円弧と前記ピストン頂面基本線Ｌ−ａ１，Ｌ−ａ２との交点をａ１，ａ２とする。同様に燃料噴射点Ｏｉｎｊを中心とする半径Ｒｂの円弧と前記キャビティ底面基本線Ｌ−ｂｃ１，Ｌ−ｂｃ２との交点をｂ１，ｂ２とし、燃料噴射点Ｏｉｎｊを中心とする半径Ｒｃの円弧と前記キャビティ底面基本線Ｌ−ｂｃ１，Ｌ−ｂｃ２との交点をｃ１，ｃ２とし、燃料噴射点Ｏｉｎｊを中心とする半径Ｒｄの円弧と前記キャビティ頂部基本線Ｌ−ｄ１，Ｌ−ｄ２との交点をｄ１，ｄ２とする。交点ｅ１，ｅ２は、前記交点ｄ１，ｄ２からピストン頂面基本線Ｌ−ａ１，Ｌ−ａ２に下ろした垂線が該ピストン頂面基本線Ｌ−ａ１，Ｌ−ａ２に交差する点である。 Intersections between an arc having a radius Ra centered on the fuel injection point Oinj and the piston top surface basic lines L-a1, L-a2 are defined as a1, a2. Similarly, the intersections of the arc of radius Rb centered on the fuel injection point Oinj and the cavity bottom surface basic lines L-bc1, L-bc2 are b1, b2, and the arc of radius Rc centered on the fuel injection point Oinj The intersections of the cavity bottom basic lines L-bc1 and L-bc2 are c1 and c2, and the intersection of the arc having a radius Rd centered on the fuel injection point Oinj and the cavity top basic lines Ld1 and Ld2 is d1. , D2. The intersections e1 and e2 are points where perpendiculars drawn from the intersections d1 and d2 to the piston top surface basic lines L-a1 and L-a2 intersect the piston top surface basic lines L-a1 and L-a2.
キャビティ２５の周壁部２５ａは直線ａ１ｂ１，ａ２ｂ２の上にあり、キャビティ２５の底壁部２５ｃは直線ｃ１ｄ１，ｃ２ｄ２に一致し、キャビティ２５の曲壁部２５ｂは直線ａ１ｂ１，ａ２ｂ２および直線ｃ１ｄ１，ｃ２ｄ２を滑らかに接続する。
The
しかして、交点ａ１，ｃ１，ｄ１，ｅ１あるいは交点ａ２，ｃ２，ｄ２，ｅ２によって決まる網かけした断面形状が，ピストン中心軸Ｌｐを通る任意の断面において等しくなるように、キャビティ２５の形状が設定される。
Thus, the shape of the
前記交点ａ１，ａ２は本発明の第１特定点Ａｎに対応し、前記交点ｅ１，ｅ２は本発明の第２特定点Ｂｎに対応し、前記交点ｄ１，ｄ２は本発明の第３特定点Ｃｎに対応するものである。 The intersection points a1 and a2 correspond to the first specific point An of the present invention, the intersection points e1 and e2 correspond to the second specific point Bn of the present invention, and the intersection points d1 and d2 correspond to the third specific point Cn of the present invention. It corresponds to.
図８および図９に示す第１、第２燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２を通る断面については、図９に示すピストンピン１４方向の断面（燃料噴射断面Ｓ１）における網かけ部分と、図８に示すピストンピン１４に対して６０°で交差する方向の断面（燃料噴射断面Ｓ２）における網かけ部分とは同形になる。
8 and 9, the cross section passing through the first and second fuel injection shafts Li1 and Li2 is shown in FIG. 8 and the shaded portion in the cross section in the direction of the piston pin 14 (fuel injection cross section S1) shown in FIG. The shaded portion in the cross section (fuel injection cross section S2) in the direction intersecting with the
図９に示すピストンピン１４方向の断面において、第１燃料噴射軸Ｌｉ１がキャビティ２５と交差する点を燃料衝突点Ｐ１とし、図８に示すピストンピン１４に対して６０°で交差する方向の断面において、第２燃料噴射軸Ｌｉ２がキャビティ２５と交差する点を燃料衝突点Ｐ２とする。二つの燃料衝突点Ｐ１，Ｐ２は、網かけした同一形状の断面上の同じ位置に存在している。従って、燃料衝突点Ｐ２の位置は燃料衝突点Ｐ１の位置よりも低くなり、燃料噴射点Ｏｉｎｊから延びる第２燃料噴射軸Ｌｉ２は第１燃料噴射軸Ｌｉ１よりも更に下向きに燃料を噴射することになる。
In the cross section in the direction of the
燃料噴射点Ｏｉｎｊから燃料衝突点Ｐ１までの距離Ｄ１は、燃料噴射点Ｏｉｎｊから燃料衝突点Ｐ２までの距離Ｄ２に略一致する。また燃料衝突点Ｐ１におけるキャビティ２５の接線と第１燃料噴射軸Ｌｉ１とが成す燃料衝突角α１は、燃料衝突点Ｐ２におけるキャビティ２５の接線と第２燃料噴射軸Ｌｉ２とが成す燃料衝突角α２に略一致する。
A distance D1 from the fuel injection point Oinj to the fuel collision point P1 is substantially equal to a distance D2 from the fuel injection point Oinj to the fuel collision point P2. The fuel collision angle α1 formed by the tangent line of the
以上のように先願発明によれば、ピストン中心軸Ｌｐを通る任意の断面において、燃料噴射点Ｏｉｎｊの近傍のごく一部（交点ｅ１，ｄ１，ｄ２，ｅ２で囲まれた領域）を除いて、キャビティ２５の断面形状が同一に形成されている。特に、第１、第２燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２を含む二つの断面（図８および図９参照）においてもキャビティ２５の断面形状が同一に形成されており、しかも前記二つの断面において燃料噴射点Ｏｉｎｊから燃料衝突点Ｐ１，Ｐ２までの距離Ｄ１，Ｄ２が略等しく設定され、かつ燃料衝突点Ｐ１，Ｐ２における燃料衝突角α１，α２が略等しく設定されるので、キャビティ２５の各部における空気および燃料の混合状態を円周方向に均一化し、混合気の燃焼状態を改善してエンジン出力の増加および排気有害物質の低減を図ることができる。
As described above, according to the invention of the prior application, in an arbitrary cross section passing through the piston center axis Lp, except for a very small part in the vicinity of the fuel injection point Oinj (a region surrounded by the intersections e1, d1, d2, and e2). The cross-sectional shapes of the
また図７および図８に示すピストン１３の頂面が傾斜する断面においても、キャビティ２５の開口のエッジ（交点ａ２の部分）が成す角度が、図９に示すピストン１３の頂面が平坦な場合に比べて鋭角化することがないため、その部分の熱負荷を軽減して耐熱性を高めることができる。
Further, in the cross section where the top surface of the
ところで先願発明は、図７〜図９におけるキャビティ２５の断面形状が、網かけをして示す部分では完全に一致しているものの、燃料噴射点Ｏｉｎｊの近傍の交点ｅ１，ｄ１，ｄ２，ｅ２で囲まれた白抜きの領域で不一致になっている。その理由は、キャビティ２５の断面形状のピストン中心軸Ｌｐを挟む二つの部分が、図９のピストンピン１４方向の断面では概ね直線状に繋がっているが、図７のピストンピン１４直交方向の断面と、図８のピストンピン１４に対して６０°で交差する方向の断面とでは、ピストン１３のペントルーフ形状に応じて山型に繋がっているため、交点ｅ１，ｄ１，ｄ２，ｅ２で囲まれた白抜きの領域の面積が、図９のピストンピン１４方向の断面で最も大きく、図８のピストンピン１４に対して６０°で交差する方向の断面で減少し、図７のピストンピン１４直交方向の断面で更に減少するためである。
In the prior invention, the cross-sectional shape of the
本実施の形態は、交点ｅ１，ｄ１，ｄ２，ｅ２で囲まれた白抜きの領域の面積が最大になるピストンピン１４方向のキャビティ２５の断面形状（図９参照）を基準とし、その他の方向の断面形状を拡大する方向（つまり、キャビティ２５の深さを増加させる方向）に補正することで、前記交点ｅ１，ｄ１，ｄ２，ｅ２で囲まれた白抜きの領域の面積の差異を補償し、キャビティ２５の全ての方向の断面で空気および燃料の混合状態の一層の均一化を図るものである。
This embodiment is based on the cross-sectional shape of the
図１０は、図７のピストンピン１４直交方向におけるキャビティ２５の断面形状の補正手法を説明するものであり、鎖線の形状は先願発明のものを示し、実線の形状は本実施の形態のものを示している。
FIG. 10 illustrates a method of correcting the cross-sectional shape of the
本実施の形態によるキャビティ２５の断面形状の補正は、交点ｂ１および交点ｃ１の位置を、それぞれ交点ｂ１′および交点ｃ１′となるように下方に移動させることで、網かけ部分の面積を増加させることにより行われる。
The correction of the cross-sectional shape of the
先ずキャビティ底面基本線Ｌ−ｂｃ１と、直線ｅ１ｄ１の下方への延長線との交点をｆ１として決定する。続いて交点ｆ１を通るキャビティ底面基本線Ｌ−ｂｃ１を、交点ｆ１を中心として所定角度βだけ下方に回転させ、新たなキャビティ底面基本線Ｌ−ｂｃ１′を設定する。続いて燃料噴射点Ｏｉｎｊを中心とする半径Ｒｂの円弧と新たなキャビティ底面基本線Ｌ−ｂｃ１′との交点を前記ｂ１′として決定し、燃料噴射点Ｏｉｎｊを中心とする半径Ｒｃの円弧と新たなキャビティ底面基本線Ｌ−ｂｃ１′との交点を前記ｃ１′として決定する。 First, the intersection point between the cavity bottom surface basic line L-bc1 and the line extending downward from the straight line e1d1 is determined as f1. Subsequently, the cavity bottom surface basic line L-bc1 passing through the intersection point f1 is rotated downward by a predetermined angle β around the intersection point f1 to set a new cavity bottom surface basic line L-bc1 ′. Subsequently, an intersection point between the arc having the radius Rb centered on the fuel injection point Oinj and the new cavity bottom basic line L-bc1 ′ is determined as the b1 ′, and the arc having the radius Rc centered on the fuel injection point Oinj is newly determined. The intersection point with the cavity bottom surface basic line L-bc1 'is determined as c1'.
しかして、補正後のキャビティ２５の断面形状では、キャビティ２５の周壁部２５ａは直線ａ１ｂ１′の上にあり、キャビティ２５の底壁部２５ｃは直線ｃ１′ｄ１に一致し、キャビティ２５の曲壁部２５ｂは直線ａ１ｂ１′および直線ｃ１′ｄ１を滑らかに接続している。
Thus, in the cross-sectional shape of the
尚、キャビティ底面基本線Ｌ−ｂｃ１とピストン中心軸Ｌｐとの交点をｆとし、この交点ｆを中心としてキャビティ底面基本線Ｌ−ｂｃ１を所定角度βだけ下方に回転させることで、新たなキャビティ底面基本線Ｌ−ｂｃ１′を設定しても良い。 An intersection between the cavity bottom surface basic line L-bc1 and the piston center axis Lp is defined as f, and the cavity bottom surface basic line L-bc1 is rotated downward by a predetermined angle β about the intersection point f to obtain a new cavity bottom surface. The basic line L-bc1 ′ may be set.
このように、キャビティ２５の内壁面における経路ＡｎＣｎのうち、経路ＡｎＣｎの最下部から第３特定点Ｃｎまでの区間は第２燃料噴射軸Ｌｉ２と近接するが、その区間の形状を変化させることでキャビティ２５の内壁面への燃料の付着を抑制して燃焼悪化を防止することができる。
Thus, of the path AnCn on the inner wall surface of the
本実施の形態では、正味平均有効圧力ＮＭＥＰが、煤が発生しない状態で、先願発明に対して２％程度向上した。 In the present embodiment, the net average effective pressure NMEP is improved by about 2% with respect to the prior application invention in a state where no soot is generated.
図１０は、図８のピストンピン１４に対して６０°で交差する方向におけるキャビティ２５の断面形状の補正手法を説明するものであり、鎖線の形状は先願発明のものを示し、実線の形状は本実施の形態のものを示している。
FIG. 10 illustrates a method for correcting the cross-sectional shape of the
図９（ピストンピン１４方向）および図７（ピストンピン１４直交方向）における交点ｅ１，ｄ１，ｄ２，ｅ２で囲まれた白抜きの領域の面積の差異に比べ、図９（ピストンピン１４方向）および図８（ピストンピン１４に対して６０°で交差する方向）の前記面積の差異は小さいため、図１１（ピストンピン１４に対して６０°で交差する方向）におけるキャビティ２５の断面形状の拡大量は、図１０（ピストンピン１４直交方向）におけるキャビティ２５の断面形状の拡大量よりも小さなものとなる。
Compared to the difference in the area of the white area surrounded by the intersections e1, d1, d2, e2 in FIG. 9 (
以上、ピストン中心軸Ｌｐの一側のキャビティ２５の断面形状の補正について説明したが、ピストン中心軸Ｌｐの他側のキャビティ２５の断面形状の補正も全く同様にして行われる。
Although the correction of the cross-sectional shape of the
以上のように、本実施の形態によれば、先願発明が有する問題点、つまり燃料噴射点Ｏｉｎｊの近傍の交点ｅ１，ｄ１，ｄ２，ｅ２で囲まれた領域におけるキャビティ２５の各断面形状の不一致が補償されるので、キャビティ２５の各部における空気および燃料の混合状態を円周方向に一層均一化し、混合気の燃焼状態を改善してエンジン出力の更なる増加および排気有害物質の更なる低減を図ることができる。
As described above, according to the present embodiment, the problems of the prior invention, that is, the cross-sectional shapes of the
図１２は、本実施の形態によるキャビティ２５の断面形状の補正を、別の視点で捕らえる説明図である。
FIG. 12 is an explanatory diagram that captures the correction of the cross-sectional shape of the
同図において、キャビティ２５の中心を通るピストン中心軸Ｌｐから、６個の半平面Ｘ１〜Ｘ６が放射状に延びている。隣接する２個の半平面Ｘ１〜Ｘ６が成す角度（挟み角）は全て６０°であり、各半平面Ｘ１〜Ｘ６の間を２等分する６本の２等分線は、ピストン中心軸Ｌｐの方向に見て第１、第２燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２と重なっている。キャビティ２５は６個の半平面Ｘ１〜Ｘ６によって６個の仮想的なキャビティ区分２５Ａ〜２５Ｆに分割されており、本実施の形態によれば、上述したキャビティ２５の断面形状の補正により、６個のキャビティ区分２５Ａ〜２５Ｆの容積を理論的には同一に設定することが可能である。
In the figure, six half planes X1 to X6 extend radially from a piston central axis Lp passing through the center of the
しかしながら、６個のキャビティ区分２５Ａ〜２５Ｆの容積を完全に同一に設定する必要はなく、それを略同一に設定するだけでも、先願発明に比べて燃料の混合状態を円周方向により均一化することができる。具体的には、６個のキャビティ区分２５Ａ〜２５Ｆの容積のばらつき、つまり最大容積のキャビティ区分と最小容積のキャビティ区分の容積との差分を先願発明に比べて小さくすれば、燃料の混合状態を円周方向により均一化することができる。
However, it is not necessary to set the volumes of the six
図１３は、キャビティ区分の方向（つまり、キャビティ区分の挟み角の２等分線の方向）をピストンピン１４の方向を基準（０°）としてピストン中心軸Ｌｐまわりに左右に各６０°の範囲で移動させたとき、そのキャビティ区分の容積の変化率を示すものである。破線は従来例に対応し、実線は本実施の形態に対応する。 FIG. 13 shows a range of 60 ° left and right around the piston center axis Lp, with the direction of the cavity section (that is, the direction of the bisector of the sandwich angle of the cavity section) as the direction of the piston pin 14 (0 °). It shows the rate of change of the volume of the cavity section when moved by. A broken line corresponds to the conventional example, and a solid line corresponds to the present embodiment.
何れのものも、キャビティ区分の挟み角の２等分線の方向がピストンピン１４の方向に対して６０°で交差するとき（図１２のキャビティ区分２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｅ，２５Ｆ参照）を基準とし、そのときの変化率を０％としている。破線で示す従来例では、キャビティ区分の挟み角の２等分線の方向がピストンピン１４の方向に一致するとき（図１２のキャビティ区分２５Ａ，２５Ｄ参照）、変化率は最大になって７％程度であるが、実線で示す実施の形態では、同じ位置で変化率は最大になるが、その値は大幅に減少して僅か０．５％に抑えられている。
In either case, the direction of the bisector of the sandwich angle of the cavity section intersects the direction of the
従って、本願発明の一つの定義は、「各キャビティ区分２５Ａ〜２５Ｆの容積のばらつきが、キャビティの深さを円周方向に均一にした従来例の各キャビティ区分２５Ａ〜２５Ｆの容積のばらつきよりも小さいもの」とすることができる。
Accordingly, one definition of the present invention is that "the variation in volume of each
さて、図３から明らかなように、６個の大径燃料噴射孔２３ｄ…から第１、第２燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２に沿って噴射された燃料は、キャビティ２５の内面に衝突して円周方向に広がるが、隣接する第１、第２燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２に沿って噴射された燃料がキャビティ２５の内面に衝突した後に円周方向に重ならない程度にペネトレーションの大きさが設定される。また第１、第２燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２に沿って噴射された燃料は、キャビティ２５の外周部を除く部分の全体には行き渡らず、６個の吹き残し領域が発生するが、この吹き残し領域を指向して６個の小径燃料噴射孔２３ｅ…から燃料を噴射することで、キャビティ２５の全域に燃料の噴霧が行き渡らない部分がなく、かつ大径燃料噴射孔２３ｄ…から噴射された燃料の噴霧と小径燃料噴射孔２３ｅ…から噴射された燃料の噴霧とが重なる部分がないようにし、未利用空気を最小限に抑えてキャビティ２５における燃料および空気の混合状態を更に均一化し、キャビティ区分２５Ａ〜２５Ｆの等容積化との相乗効果により、エンジンの出力向上および排気有害物質の低減を図ることができる。
As is apparent from FIG. 3, the fuel injected along the first and second fuel injection axes Li1 and Li2 from the six large-diameter
次に、図１４に基づいて本発明の第２の実施の形態を説明する。 Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
第１の実施の形態では仮想的なキャビティ区分２５Ａ〜２５Ｆの数を６個に設定しているが（Ｎ＝６）、第２の実施の形態は仮想的なキャビティ区分の数を４個に設定したものである（Ｎ＝４）。従って４個の大径燃料噴射孔２３ｄ…に対応する４本の燃料噴射軸Ｌｉ１（２）の数は９０°間隔の４本になり、４個の小径燃料噴射孔２３ｅ…に対応する４本の燃料噴射軸Ｌｉ３は、前記４本の燃料噴射軸Ｌｉ１（２）の間に配置される。
In the first embodiment, the number of
次に、図１５に基づいて本発明の第３の実施の形態を説明する。 Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
第１の実施の形態では仮想的なキャビティ区分２５Ａ〜２５Ｆの数を６個に設定しているが（Ｎ＝６）、第３の実施の形態は仮想的なキャビティ区分の数を５個に設定したものである（Ｎ＝５）。従って５個の大径燃料噴射孔２３ｄ…に対応する５本の燃料噴射軸Ｌｉ１（２）の数は７２°間隔になり、５個の小径燃料噴射孔２３ｅ…に対応する５本の燃料噴射軸Ｌｉ３は、前記５本の燃料噴射軸Ｌｉ１（２）の間に配置される。
In the first embodiment, the number of
次に、図１６に基づいて本発明の第４の実施の形態を説明する。 Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
第４の実施の形態は前記第２の実施の形態の変形であり、第２の実施の形態では４個の大径燃料噴射孔２３ｄ…の間に各１個、合計４個の小径燃料噴射孔２３ｅ…が形成されているが、第４の実施の形態では４個の大径燃料噴射孔２３ｄ…の間に各２個、合計８個の小径燃料噴射孔２３ｅ…が形成されている。
The fourth embodiment is a modification of the second embodiment. In the second embodiment, a total of four small-diameter fuel injections, one each between four large-diameter
これらの第２〜第４の実施の形態によっても、上述した第１の実施の形態と同様の作用効果を達成することができる。 According to these second to fourth embodiments, the same operational effects as those of the above-described first embodiment can be achieved.
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。 The embodiments of the present invention have been described above, but various design changes can be made without departing from the scope of the present invention.
例えば、実施の形態では、仮想的なキャビティ区分の数を４個、５個あるいは６個に設定しているが（Ｎ＝４、Ｎ＝５またはＮ＝６）、前記キャビティ区分の数は２個以上であれば良い（Ｎは２以上の自然数）。 For example, in the embodiment, the number of virtual cavity sections is set to 4, 5, or 6 (N = 4, N = 5 or N = 6), but the number of cavity sections is 2 It is sufficient that the number is greater than or equal to N (N is a natural number of 2 or more).
また実施の形態では、仮想的なキャビティ区分２５Ａ〜２５Ｆの容積には、上死点にあるピストン１３の頂面とシリンダヘッド１６の下面とに挟まれた部分の容積を含めず、キャビティ２５の開口端縁までの容積（即ち、ピストン頂面基本線Ｌ−ａ１，Ｌ−ａ２より下の容積）としたが、それを含めたものを仮想的なキャビティ区分２５Ａ〜２５Ｆの容積として定義しても、同様の作用効果を奏することができる。
In the embodiment, the volume of the
また実施の形態ではディーゼルエンジンについて説明したが、本願発明はディーゼルエンジンに限定されず、燃焼室内に燃料を直接噴射する任意の形式のエンジンに対して適用することができる。 Although the diesel engine has been described in the embodiment, the present invention is not limited to the diesel engine, and can be applied to any type of engine that directly injects fuel into the combustion chamber.
１３ ピストン
２３ フュエルインジェクタ
２３ｄ 大径燃料噴射孔
２３ｅ 小径燃料噴射孔
２５ キャビティ
２５Ａ〜２５Ｆ キャビティ区分
Ｌｐ ピストン中心軸
Ｘ１〜Ｘ６ 半平面
13
Claims (4)
Ｎを２以上の自然数とし、前記キャビティ（２５）の内壁面と、ピストン中心軸（Ｌｐ）から放射方向に延びて互いに均等な挟み角を有するＮ個の半平面（Ｘ１〜Ｘ６）とで、前記キャビティ（２５）をＮ個の仮想的なキャビティ区分（２５Ａ〜２５Ｆ）に区画したとき、前記各々の仮想的なキャビティ区分（２５Ａ〜２５Ｆ）の容積が略等しくなるように、前記キャビティ（２５）の内壁面の形状を設定し、
前記フュエルインジェクタ（２３）は内径が異なる複数の燃料噴射孔（２３ｄ，２３ｅ）を備え、前記複数の燃料噴射孔（２３ｄ，２３ｅ）は、高ペネトレーションを有するＮ個の大径燃料噴射孔（２３ｄ）と、前記大径燃料噴射孔（２３ｄ）よりも小径であって低ペネトレーションを有する少なくともＮ個の小径燃料噴射孔（２３ｅ）とからなり、ピストン中心軸（Ｌｐ）方向に見て、各大径燃料噴射孔（２３ｄ）は対応する仮想的なキャビティ区分（２５Ａ〜２５Ｆ）の前記挟み角の２等分線の方向を指向し、前記小径燃料噴射孔（２３ｅ）は円周方向に隣接する前記大径燃料噴射孔（２３ｄ）が指向する二つの方向の間を指向することを特徴とする燃料直噴エンジン。 A piston (13) whose height in the piston central axis (Lp) direction of the top surface changes in the circumferential direction; a cavity (25) recessed in the center of the top surface of the piston (13); and the cavity (25) a fuel injector (23) for injecting fuel into the interior,
N is a natural number of 2 or more, and the inner wall surface of the cavity (25) and N half planes (X1 to X6) extending radially from the piston central axis (Lp) and having an equal sandwich angle with each other, When the cavity (25) is divided into N virtual cavity sections (25A to 25F), the volumes of the respective virtual cavity sections (25A to 25F) are substantially equal to each other. )
The fuel injector (23) includes a plurality of fuel injection holes (23d, 23e) having different inner diameters, and the plurality of fuel injection holes (23d, 23e) include N large-diameter fuel injection holes (23d) having high penetration. ) And at least N small-diameter fuel injection holes (23e) having a smaller diameter than the large-diameter fuel injection hole (23d) and having a low penetration , each of which is larger when viewed in the direction of the piston central axis (Lp). The diameter fuel injection hole (23d) points in the direction of the bisector of the included angle of the corresponding virtual cavity section (25A to 25F), and the small diameter fuel injection hole (23e) is adjacent in the circumferential direction. A direct fuel injection engine characterized by being directed between two directions in which the large-diameter fuel injection holes (23d) are directed .
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