JP5523998B2 - 直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造 - Google Patents

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８〜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（気筒天井部２３）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ともに、ピストン９の頂部には、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９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燃焼室壁面部１２と、該燃焼室壁面部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。

図８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。

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等が入力されており、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８において、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、２３は気筒天井部を示しており、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８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の再循環量を増やすために吸入空気７の量を減らすと、ＮＯxの低減を図ることはできるものの、気筒内での燃焼不良により黒煙が発生してしまう。また、吸入空気７の量を減らさずに、排気ガス２の再循環量を増やすとポンピングロスが大きくなり、燃費の悪化を招いてしまうことになる。

そこで、燃焼室内の空気を有効に利用して黒煙の発生を抑えることが重要になり、これについては、現在、下記のことが分かっている。

エンジン低速運転時においては、ピストン９の下降速度が遅いため、燃料を噴射している時間と比較してピストン９の下降する時間が長くなることから、該ピストン９が充分に下降する前に燃料の噴射が終了してしまう。

よって、図１０に示すように、燃料の殆どがキャビティ１０内に噴射されて混合気を生成し、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）の空気は有効利用されていないと考えられ、黒煙が発生し易い状態になる。図中、Ｆ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、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。

これは、気筒天井部２３からのインジェクタ８の突出寸法を短くすると、エンジン低速運転時における黒煙の発生が少なくなるという実験結果によって明らかである。つまり、インジェクタ８の突出寸法を短くした場合、インジェクタ８の噴孔からのキャビティ１０までの相対距離が延びることに起因して燃料の一部がスキッシュエリアＳへ流れ、キャビティ１０内の燃料濃度の低減が図られるためである。

エンジン高速運転時においては、ピストン９の下降速度が速いため、燃料を噴射している時間と比較してピストン９の下降する時間が短くなることから、該ピストン９が燃料噴射期間の前半で既に下降し過ぎてしまう。

よって、図１１に示すように、燃料の殆どがキャビティ１０内に入らずにスキッシュエリアＳへ流れて混合気を生成し、キャビティ１０内の空気は有効利用されていないと考えられ、黒煙が発生し易い状態になる。Ｆ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、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。

これは、気筒天井部２３からのインジェクタ８の突出寸法を長くすると、エンジン高速運転時における黒煙の発生が少なくなるという実験結果によって明らかである。つまり、インジェクタ８の突出寸法を長くした場合、インジェクタ８の噴孔からのキャビティ１０までの相対距離が縮まることに起因して燃料の一部がキャビティ１０内へ入り、スキッシュエリアＳの燃料濃度の低減が図られるためである。

更に、運転直後の直噴式ディーゼルエンジンを分解してピストン９を観察してみると、図１２に示すように、ピストン９頂部のキャビティ１０周囲において、ピストン９上方のインジェクタ８から矢印Ａ方向に放射状に燃料が噴射される個所には、燃料燃焼跡２４が確認できたが、インジェクタ８から燃料が噴射されない個所では、燃料燃焼跡２４が確認できなかった。つまり、燃料燃焼跡２４が確認できなかったところでは、混合気が形成されない、もしくは燃料濃度が低いことになるので、スキッシュエリアＳの空気は全周にわたって有効利用されていないと考えられる。

本発明は上述した実情に鑑みてなしたもので、燃焼室内の空気を有効利用して黒煙の発生を抑制可能な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。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、
ピストン頂部に燃焼室の大半をなすように窪むキャビティを形成し、気筒天井部の中心からピストン頂部へ向けて燃料を複数方向に噴射して自己着火させる直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造であって、
ピストン頂部の燃料噴射方向下流側に当たる各個所に、ピストン頂部端面に対して窪み且つキャビティ側からピストン半径方向へえぐられてピストン周方向に延びる形状の凹陥部を形成し、
該凹陥部の内底面を、スワール流通方向上流側から下流側へ向けて漸次ピストン頂部端面に近づいて連なるように構成している。

請求項２に記載の発明は、
エンジン低速運転時にピストン頂部へ向けて噴射される燃料が、スワールにより偏向して凹陥部内に到達し、また、エンジン高速運転時にピストン頂部へ向けて噴射される燃料が、スワールにより偏向して凹陥部下方のキャビティ内周壁に到達するように、凹陥部の内底面の傾斜を設定している。

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、下記のような優れた作用効果を奏し得る。

（１）エンジン低速運転時は、ピストン頂部に設けた凹陥部とスワールとの相乗作用によって、燃料の大半がスキッシュエリアに溢れ且つその周方向に導かれるので、スキッシュエリア周方向全体で混合気が生成され、スキッシュエリア周方向全体の空気を有効利用することができる。

（２）しかも、スキッシュエリアへ燃料を導入することによって、キャビティ内の燃料濃度が局所的に高くなることが回避され、黒煙の発生を低減できる。

（３）エンジン高速運転時は、ピストン頂部に設けた凹陥部下方のキャビティ内周壁によって燃料の大半がキャビティ内に導かれるとともに、スワールによって残りの燃料がスキッシュエリア周方向へ導かれるので、スキッシュエリアの燃料濃度が局所的に高くなることが回避され、黒煙の発生を低減できる。

（４）ピストンの頂部に凹陥部を形成した分だけピストンのトップクリアランス面積が小さくなり、リバーススキッシュによってスキッシュエリアに引き戻される混合気の量が減るので、エンジン高速運転時には、スキッシュエリアにおいて燃料濃度が局所的に高くなることが回避され、黒煙の発生を低減できる。

本発明の直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造の一例におけるピストンを示す平面図である。 本発明の直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造の一例におけるピストンを示す斜視図である。 図１におけるピストン頂部の凹陥部の側面形状についての説明図である。 図１におけるピストン頂部の凹陥部の平面形状についての説明図である。 図１におけるピストン頂部のキャビティの深さについての説明図である。 （ａ）はエンジン低速運転時のスワールによる燃料の流れの偏向を示す概念図、（ｂ）はエンジン高速運転時のスワールによる燃料の流れの偏向を示す概念図である。 図１におけるピストン頂部に対する燃料の到達範囲を示す概念図である。 排気ガス再循環を採用したディーゼルエンジンの一例を示す概念図である。 図８におけるピストン頂部のキャビティの形状についての説明図である。 エンジン低速運転時おける気筒内の燃料濃度分布についての説明図である。 エンジン高速運転時おける気筒内の燃料濃度分布についての説明図である。 直噴式ディーゼルエンジンのピストン頂部における燃料燃焼跡についての説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１〜図７は本発明の直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造の一例を示すもので、ピストン２５の頂部には、燃焼室の大半をなすように窪むキャビティ２６がされており、ピストン２５上方に配置されているインジェクタ８（図８参照）からは、ピストン２５の頂部へ向けて燃料を六方向に噴射される。

ピストン２５の頂部の燃料噴射方向下流側に当たる各個所（先述の図１２における燃料燃焼跡２４が表れている個所）には、ピストン頂部端面２７に対して窪み且つキャビティ２６側からピストン２５半径方向へえぐられてピストン２５周方向へと延びる凹陥部２８が形成されている。つまり、前記インジェクタ８の噴孔数が六であれば、凹陥部２８の数も同じく六になる。

凹陥部２８は、キャビティ２６中心側を向き且つピストン頂部端面２７に連なる側壁面３２と、キャビティ内周壁３０、側壁面３２のスワール上流側縁部、及びピストン頂部端面２７に連なる端壁面３１と、キャビティ内周壁３０、端壁面３１の下縁部、側壁面３２の下縁部、及びピストン頂部端面２７に連なる内底面２９とを有している。

キャビティ２６中心側から見た凹陥部２８の側面形状は、ピストン頂部端面２７のキャビティ２６外縁部分に設定した「えぐり開始点Ｐ」から、ピストン頂部端面２７に対してθ１の角度をなして深さｈに達する端壁面３１の側縁と、該端壁面３１の側縁に連なり且つピストン頂部端面２７に対してθ２の角度をなし、前記「えぐり開始点Ｐ」よりもスワール下流側に位置するように、ピストン頂部端面２７のキャビティ２６外縁部分に設定した「えぐり終了点Ｑ」に至る前記内底面２９の側縁とで決定される（図３参照）。

この凹陥部２８の内底面２９は、矢印Ｂ方向に流れるスワールの上流側から下流側へ向けて漸次ピストン頂部端面２７に近づいて連なるように構成してある。

前記深さｈとは、ピストン頂部端面２７から凹陥部２８における内底面２９の最深個所までの距離である。
深さｈは、ピストン２５のキャビティ２６の深さＨに基づき、
Ｈ×２０％≦ｈ≦Ｈ×４０％
となるように設定されている。
深さＨとは、ピストン頂部端面２７からキャビティ２６内底面における最深個所までの距離である（図５参照）。
θ１は、
４５°≦θ１≦９０°
となるように設定されている。
θ２は、
１０°≦θ２≦４５°
となるように設定されている。
尚、端壁面３１と内底面２９との間の凹曲面の半径Ｒ１は特定しない。

キャビティ２６上方から見た凹陥部２８の平面形状は、前述した「えぐり開始点Ｐ」におけるキャビティ内周壁３０の接線Ｌ１に対してθ３の角度をなす端壁面３１の端縁と、該端壁面３１に連なってスワール下流側に設定した「えぐり終了点Ｑ」に至る側壁面３２の端縁で決定される。
θ３は、
９０°≦θ３≦１８０°
となるように設定されている。
１３０°≦θ３≦１８０°の場合は端壁面３１と側壁面３２との間に介在する凹曲面をなくすことができる。
尚、スワール下流側に設定した「えぐり終了点Ｑ」におけるキャビティ内周壁３０の接線Ｌ２に対して側壁面３２がなすθ４の角度は、任意で構わない。

図６（ａ）、（ｂ）において、インジェクタ８（図８参照）の噴孔の向きが、矢印Ｃで表すピストン２５の半径方向に重なっていたとすると、エンジン運転中に噴孔から噴射される燃料は、気筒内を矢印Ｂ方向に流れるスワールの影響を受けて、矢印Ａで表すようにスワール下流側へと偏向する。図６（ａ）はエンジン低速運転時における燃料の流れ、図６（ｂ）はエンジン高速運転時における燃料の流れを示しており、エンジン低速運転時に比べてスワール速度が速いエンジン高速運転時には、矢印Ａで表される燃料の流れは、よりスワール下流側へ偏向することになる。

そこで、図７に示すように、エンジン低速運転時にピストン２５の頂部へ向けて噴射される燃料が、スワールにより偏向して凹陥部２８における側壁面３２の範囲Ｘに到達し、エンジン高速運転時にピストン２５の頂部へ向けて噴射される燃料が、スワールにより偏向して凹陥部２８下方のキャビティ内周壁３０の範囲Ｙに到達するように、前記凹陥部２８の内底面２９の傾斜を設定している。

次に、本発明の直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造の作動について述べる。

エンジン低速運転時にインジェクタ８（図８参照）からピストン２５の頂部へ向けて噴射される燃料は、スワール速度が遅いので、スワール下流側へは大きく偏向せずに、凹陥部２８における側壁面３２の範囲Ｘに到達する。このため、燃料の大半が凹陥部２８に入り、残りの燃料はキャビティ２６内で混合気を生成する。

そして、凹陥部２８に入った燃料の一部は、側壁面３２を越してピストン頂部端面２７上方のスキッシュエリアＳへ溢れ出し、また、残りの燃料は、内底面２９及び側壁面３２に沿って燃焼室周方向に導かれ、ピストン頂部端面２７上方のスキッシュエリアＳへ溢れ出す。

エンジン低速運転時に空気が多く存在しているスキッシュエリアＳに対して、上述したように燃料を導入させれば、スキッシュエリアＳ周方向全体で混合気が生成され、スキッシュエリアＳ周方向全体の空気を有効利用することができる。つまり、スキッシュエリアＳへ燃料を導入することによって、キャビティ２６内において燃料濃度が局所的に高くなることが回避され、黒煙の発生を低減できる。

エンジン高速運転時にインジェクタ８（図８参照）からピストン２５の頂部へ向けて噴射される燃料は、スワール速度が速いので、スワール下流側へ大きく偏向し、凹陥部２８下方のキャビティ内周壁３０の範囲Ｙに到達する。このため、燃料の大半がキャビティ２６内に入って混合気を生成し、残りの燃料が凹陥部２８に入る。

エンジン高速運転時に空気が多く存在しているキャビティ２６内に対して、上述したように燃料を導入させれば、スキッシュエリアＳにおいて燃料濃度が局所的に高くなることが回避され、黒煙の発生を低減できる。

そして、凹陥部２８に入った燃料は、内底面２９及び側壁面３２に沿ってピストン頂部端面２７上方のスキッシュエリアＳへ導かれ、この燃料がスキッシュエリアＳ周方向全体に分散して混合気を生成するので、スキッシュエリアＳにおいて燃料濃度が局所的に高くなることが回避され、黒煙の発生を低減できる。

また、ピストン２５下降時には、キャビティ２６の混合気がスキッシュエリアＳへ引っ張られるリバーススキッシュと呼ばれる現象が生じるが、本発明の直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造においては、ピストン２５の頂部に凹陥部２８を形成した分だけピストン２５のトップクリアランス面積が小さくなり、リバーススキッシュによってスキッシュエリアＳに引き戻される混合気の量が減る。よって、エンジン高速運転時には、スキッシュエリアＳにおいて燃料濃度が局所的に高くなることが回避され、黒煙の発生を低減できる。

なお、本発明の直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造は、上述した実施の形態のみに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において変更を加え得ることは勿論である。

２５ ピストン
２６ キャビティ
２７ ピストン頂部端面
２８ 凹陥部
２９ 内底面
３０ キャビティ内周壁
３１ 端壁面
３２ 側壁面

Claims (2)

1. ピストン頂部に燃焼室の大半をなすように窪むキャビティを形成し、気筒天井部の中心からピストン頂部へ向けて燃料を複数方向に噴射して自己着火させる直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造であって、
   ピストン頂部の燃料噴射方向下流側に当たる各個所に、ピストン頂部端面に対して窪み且つキャビティ側からピストン半径方向へえぐられてピストン周方向に延びる形状の凹陥部を形成し、
   該凹陥部の内底面を、スワール流通方向上流側から下流側へ向けて漸次ピストン頂部端面に近づいて連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。
2. エンジン低速運転時にピストン頂部へ向けて噴射される燃料が、スワールにより偏向して凹陥部内に到達し、また、エンジン高速運転時にピストン頂部へ向けて噴射される燃料が、スワールにより偏向して凹陥部下方のキャビティ内周壁に到達するように、凹陥部の内底面の傾斜を設定した請求項１に記載の直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造。

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