JPH04191413A - デイーゼル機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ピストンヘッドに燃焼キャビティを凹設し、
燃料噴射弁の噴射口をシリンダとシリンダヘッドとピス
トンとで形成される燃焼室に臨ませて配設した、直接噴
射式のディーゼル機関に関する。

［従来の技術］ ピストンヘッドに燃焼キャビティを凹設し、燃料噴射弁
から噴射された燃料を燃焼キャビティ内壁に衝突させ、
燃焼キャビティの壁面の熱により蒸発させ燃焼させる内
燃機関は、燃料消費率において有利であり、ディーゼル
機関においては運転が静かで排気中に黒煙等のパティキ
ュレート（すす、ＨＣ）が生じ難いとされているが、高
速運転時や高負荷運転時に燃焼キャビティの壁面の温度
が過大となると、燃料蒸発率が過大となり、燃焼が早く
なりすぎるために燃焼騒音、燃焼圧力が上昇し、また低
速運転時や低負荷運転時には燃焼キャビティの壁面の温
度が低下しすぎて、燃焼の遅延、ＨＣやアルデヒド類の
排出が過大となる。

そこで燃焼キャビティの壁面の温度を適温に保つために
、ピストンの燃焼キャビティの壁の裏面にオイルジェッ
トを吹きかけて燃焼キャビティの壁面の温度を調節する
方式（例えば特開昭６１−１３８８１６号公報）が提案
されているが、機構が複雑でディーゼル機関が大型のも
のとなる。また燃料着火性の改善、出力の増大、排気浄
化を目的として、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧が
衝突する燃焼キャビティの内壁面の部分または全体をセ
ラミック製部材等の耐熱部材で構成して燃料の蒸発を促
進するもの、または反対にピストンヘッドに凹設した燃
焼キャビティの内壁面は金属製部材で構成し、燃焼室を
構成する他の部分の内壁面、即ちシリンダヘッドの内壁
面、ピストンヘッドの燃焼キャビティの開口部周囲の頂
面、シリンダ内周面の頂部付近をセラミック等の耐熱部
材で構成することにより、燃焼キャビティを除く燃焼室
内壁のまわりから熱が逃げるのを防止して前記燃焼室内
壁の高温化を図るものが提案されている（例えば特開昭
６４−４５９１８号公報）。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、ピストンヘッドに燃焼キャビティを凹設し、
燃料噴射弁の噴射口をシリンダブロックとシリンダヘッ
ドとピストンとで形成される燃焼室に臨ませて配設した
ディーゼル機関において、窒素酸化物（ＮＯＸ）やパテ
ィキュレート（すす。

ＨＣ）を低減して排気の清浄化を図ろうとするものであ
る。

公知技術において、燃焼室の内壁表面をセラミック、耐
熱金属の耐熱部材で構成し、あるいはこれらの材料のコ
ーティングを施すと、その部分の遮熱性が向上し、高温
化することにより、これらの内壁部分に衝突した燃料粒
子を蒸発させるので、燃料消費に有利であり熱効率が向
上する。しかしながら、ピストンヘッドの燃焼キャビテ
ィの内壁面の表面をセラミックや耐熱金属なとの熱伝導
率の低い材料により構成した場合は、噴霧された燃料粒
子がこれらの表面に衝突した直後から燃焼がはじまり、
燃焼領域が非常に高温となって排気中のＮＯｘが増大す
る。また、ピストンヘッドに形成した燃焼キャビティの
内壁面を金属材料で構成し、燃焼室の残りの内壁面、即
ちピストンヘッドの前記燃焼キャビティの開口部周縁の
頂面、シリンダヘッドの内壁面等を熱伝導率の低い耐熱
材料により構成したものは、燃料噴射弁から噴射された
燃料を燃焼キャビティに衝突せしめると、燃焼キャビテ
ィの表面は熱伝導性が高く冷却が良好であるため、衝突
した燃料粒子の蒸発が阻害され、未蒸発の燃料が液膜状
に付着し、この液膜状の燃料は燃焼室内の燃焼期間の後
期に緩慢に蒸発するため、燃焼キャビティの内壁表面の
燃料粒子の衝突点近傍から輝炎（燃料粒子の酸化不十分
によるすす化およびＨＣ化と、すすの高熱化による発光
現象）の発生が認められる。このような燃焼後期から発
生する輝炎は、ピストンの下降により燃焼環ヤーンティ
内の火炎がピストンヘッドの頂面とシリンダヘッドとの
隙間部に流出する逆スキッシュ現象と、燃焼キャビティ
内壁面の良好な放熱効果とによる燃焼ガスの温度低下が
、すすおよびＨＣの酸化を阻止し、すすおよびＨＣが排
出されることを、本発明者らは、実験により確認した。

即ち本発明者らの実験と解析の結果によれば、ディーゼ
ル機関における燃焼室壁面の熱伝導性の低い遮熱部材に
よる遮熱と排気中のＮＯｘ、すす。

ＨＣの発生の関連性は、次のとおりであると考えられる
。

燃料噴射弁からの噴射された燃料粒子が衝突する燃焼キ
ャビティの表面が通常のピストン材料である鋳鉄やアル
ミニウムのような熱伝導性の良好な金属である場合に、
前述したように噴射燃料の衝突点近傍に燃料粒子が付着
して液膜状となり、付着燃料の蒸発が阻害されて蒸発が
緩慢に続くため、主燃焼期終了後に主燃焼火炎が消滅し
た状況下でも前記付着燃料の蒸発が続き、前記衝突点近
傍から空気との混合不足の状態ですすを発生しながら燃
焼する輝炎発生状態となる。そして主燃焼火炎の消滅と
ピストンの下降とによる燃焼ガス温度の急速な低下から
、輝炎は消炎されて生成したすすは再燃焼されることな
く燃焼ガスとともに排出され、また壁面に付着した燃料
の蒸発分は燃焼しないままＨＣとして燃焼ガスとともに
排出される。従って公知技術の示すとおり、ピストンの
燃焼キャビティの内壁面を熱伝導性の低い耐熱部材で遮
熱することは、噴射燃料の蒸発促進に有効で、すすやＨ
Ｃの発生を低減する。

一方排気中のＮＯｘ低減のため、ディーゼル機関の燃料
噴射時期をピストンの上死点時またはそれ以降まで遅延
化する試みが実施されているが、燃料噴射時期を遅延化
すると、燃焼が悪化して機関出力および燃料消費が悪化
するとともに、排気中にすすやＨＣが増加する。この原
因の１つとして、初期および中期燃焼の時期が遅延化す
るためピストンが上死点から下降しはじめると、燃焼キ
ャビティ内で発生した火炎がシリンダヘッド内壁面とピ
ストンの燃焼キャビティの開口部周縁の頂面との間の間
隙（スキッシュエリア）への吹き出し、いわゆる逆スキ
ッシュ現象が早まり、このためスキッシュエリアで火炎
が冷却され消炎されることが挙げられている。従って公
知事実の示すとおり、シリンダヘッド内壁面とピストン
の頂面とシリンダ内壁面とで形成される燃焼室の壁面を
熱伝導率の低い耐熱部材で構成し、これらの壁面部を遮
熱し、高温に維持することは、燃料噴射時期を遅延化し
た際に、スキッシュエリアに吹き出した火炎の冷却を阻
止するのに有効である。

しかしながら、ピストンの燃焼キャビティの内壁面とシ
リンダヘッドの内壁面における燃焼キャビティと対面す
る壁面部は、ピストンの上死点時に、初期燃焼および中
期燃焼の火炎が生ずる空間に接している面であり、これ
らの壁面が熱伝導率の低い部材で構成されていて高温に
過熱されると、燃焼温度が上昇して排気中のＮＯｘが増
加するとともに、燃料の熱分解が促進されて、すすおよ
びＨＣの量も増加する。

本発明は、ディーゼル機関の燃焼室の内壁の適切な位置
に熱伝導率の低い遮熱部材を配設することにより、燃料
噴射時期の遅延化と、ＮＯｘの増加抑制、すすやＨＣの
低減という排気の清浄化との両立を図ることを目的とす
るものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、ピストンヘッドに燃焼キャビティを凹設し、
燃料噴射弁の噴射口をシリンダブロックとシリンダヘッ
ドとピストンとで形成される燃焼室に臨ませて配設した
ディーゼル機関に関する。

本発明においては、前記燃料噴射弁の噴射口から噴射さ
れる燃料の噴射中心軸を、前記ピストンが上死点付近の
位置にあるときの前記燃焼キャビティの側壁に指向し交
叉させ、前記ピストンヘッドのシリンダヘッド内壁面に
対向する頂面、前記燃焼キャビティの側壁の前記燃料の
噴射中心軸が指向し交叉する点から前記ピストンヘッド
頂面との間の第１の側壁部分および前記噴射中心軸が指
向し交叉する点から前記燃焼キャビティの底壁に向って
予め定めた幅の第２の側壁部分のそれぞれの少くとも表
面部分を、前記ピストンより熱伝導率の低い部材で構成
し、燃料噴射弁から噴射される燃料を前記熱伝導率の低
い遮熱部材に衝突せしめる。

また前記燃焼室を構成するシリンダヘッドの内壁部分の
前記ピストンヘッドの頂面が対面する内壁部分を、前記
シリンダヘッドより熱伝導率の低い遮熱部材で構成し、
前記ピストン頂面とにより囲む空間の温度゛を維持する
ように構成するものである。

［実施例］ 第１図は本発明の一実施例のディーゼル機関の１気筒分
の要部の断面図、第２図は第１図中の要部の拡大図であ
る。

図において符号ｌは鋳鉄またはアルミニウムにより形成
したピストンで、その頂面２の中央部にはキャビティ形
成用凹所３が凹設されて形成される。該凹所３は、ピス
トンｌの中心軸に平行な円筒状の側壁４と中心軸に垂直
な底壁５とを備え、前記側壁４と頂面２との接続部に前
記側壁４より大径の段部６が形成される。前記ピストン
１は外周面に第１リング溝７と、該第１リング溝７より
頂面２に対して遠い位置に複数個のリング溝８を備える
。

ピストン１の頂面２には、該頂面２の全面を覆うととも
に内周縁が前記凹所３の側壁４の径よりやや小径に形成
された環状の板状体に成形された遮熱部材１１が、前記
側壁４の頂部の段部６には該側壁４の内径と同一内径を
有する筒状体に成形された遮熱部材１２が、またピスト
ン１の外周面には、第１リング溝７から頂面にかけて前
記ピストン１の外径より小径に形成した小径部９に、外
径をピストンｌの外径と同一外径を有する筒状体に成形
された遮熱部材１３が、それぞれ固定され、ピストンｌ
の頂面２を完全に覆い、かつ前記凹所３の側壁４の頂部
およびピストン１の外周面の頂面２より第１リング溝７
に至る外周面とを覆う連続した遮熱壁面を形成している
。そして前記遮熱部材１１の内径端部１４と、遮熱部材
１２の内周面部と、該内周面部と同一の面上に延在する
側壁４と、底部５とにより、ピストンｌの頂部に開口す
る燃焼キャビティ１０を形成する。

符号２１は鋳鉄で形成したシリンダブロックで、該シリ
ンダブロック２１に嵌装したライナ２２のシリンダ壁面
２３に前記ピストン１を摺動自在に案内する。前記ライ
ナ２２のシリンダ壁面２３の頂部には該シリンダ壁面２
３の内径より大径の段部２４が形成され、該段部２４に
は、前記シリンダ壁面２３の内径と同一内径を有する筒
状体に成形された遮熱部材１５が固定される。

符号３１は鋳鉄で形成されたシリンダヘッドであって、
該シリンダヘッド２１のライナ２２の内腔部と対応する
内壁面３２には、前記ピストンｌに固定した遮熱部材１
１と対面する部分に、外径が前記ライナ２２の内径より
大で内径が遮熱部材１１の内径にほぼ等しい環状の凹所
３３を形成し、該凹所３３に該凹所３３と同一寸法の環
状の板状体に形成した遮熱部材１６を、その−表面が前
記内壁面３２と同一面を形成するように固定する。

前記シリンダヘッド３１には通常のディーゼル機関と同
様に燃料噴射弁、吸入弁（ともに図示せず）、排気弁３
４、バルブシート３５、排気通路３６および冷却水通路
３７を形成し、シリンダブロック２１にも冷却水通路２
５が形成される。

遮熱部材１１，１２，１３，１４，１５．１６は、熱伝
導率の低い耐熱金属または耐熱性を備えたセラミック焼
結体、セラミックコーティング層で形成された部材であ
って、耐熱金属としてはニッケル基超合金、コバルト基
超合金、ステンレス鋼等が好適であり、セラミック焼結
体としては、窒化珪素、サイアロン、部分安定化ジルコ
ニア、ムライト、アルミナ、炭化珪素あるいはこれらの
組合せが好適であり、セラミックコーティングとしては
、ジルコニア、酸化クロム、窒化珪素、炭化珪素、ムラ
イト、アルミナ、サイアロンおよびこれらの組合せの溶
射、メツキ、ＣＶＤ％ＰＶＤ等により形成された層が好
適である。

第２図に示すように、シリンダヘッド３１に配設された
燃料噴射弁４１の噴射口４２の噴射中心軸４３は、シリ
ンダ壁面２３の中心軸に平行な軸線４４に対してθ＝７
０〜８０度の角度をなし、図示した上死点位置にあるピ
ストン１の燃焼キャビティ１０の側壁を構成する遮熱部
材１２の表面に点４５において交叉するように配設され
る。燃料噴射弁４１の噴射口４２から噴射中心軸４３を
中心として噴射される噴霧燃料は２点鎖線で示される噴
霧中心角αの噴流４６となって燃焼キャビティ１０の側
壁に衝突する。この噴霧中心角αを約２０度とし、遮熱
部材１２の内径をＤｃとすると、耐熱部材１０における
噴霧中心角αの噴流が衝突する底壁５側の下限は、前記
噴射中心軸４３の交点４５より距離Ｘだけ隔たった点で
あり、この距離Ｘは次式で与えられる。

α丑２０６．θ＝７０〜８０″とするとＸ＝（０，１〜
０．１５）・ＤＣ が得られる。即ち耐熱部材１２の軸方向端末部は、ピス
トン１の上死点位置において燃料噴射弁４１の噴射口４
２の噴射中心軸４３が交叉する点４５から、耐熱部材１
２の内径Ｄｃ　（燃焼キャビティの内径）（７）０．２
倍（好ましくは０．１〜０，１５倍）の位置であれば、
前記噴射口４２から噴射される噴霧燃料をピストン１の
母体である鋳鉄あるいはアルミニウムに衝突させること
なく、耐熱部材１２に衝突させることができる。

なお遮熱部材１１，１２，１３，１４，１５゜１６をセ
ラミック焼結体で作製するときは、各遮熱部材の厚さを
１〜３ｍｍ程度とし、各遮熱部材を溶射により層状に形
成するときは、溶射層の厚さを０．５鵬程度とする。

上記実施例においては、燃料噴射弁４１の噴射口４２の
噴射中心軸４３が燃焼キャビティ１０の側壁に交叉する
点４５には耐熱金属、セラミックス等の遮熱部材１２が
、前記噴射口４２から噴射される噴霧燃料の噴流４６を
その内周面で衝突させるように固定されているから、燃
焼キャビティ１０の側壁が鋳鉄やアルミニウムにより構
成されて・いる場合に比して遮熱部材１２は高温に保持
され、衝突した噴流４６に含まれる燃料粒子の蒸発を促
進する。

そして主燃焼が生ずるピストンの上死点時には、ピスト
ンｌの燃焼キャビティ１０の内壁面およびシリンダヘッ
ド３１の内壁面３２の中央部分が初期燃焼および中期燃
焼の火炎が生ずる空間、即ち燃焼キャビティ１０に接す
る面となる。特にピストン１の頂面２の凹所３を除く面
に固定した遮熱　　　　−部材１１の内径端部１４が、
ピストン１の凹所３の側壁４の径よりやや小径に形成さ
れて燃焼キャビティ１０の上部に張り出していると、前
記火炎は先ずシリンダヘッド３１の燃焼室′を形成する
内壁面３２の中央部分に衝突し、スキッシュエリアに向
かう。上記実施例においては、前記シリンダヘッド３１
の内壁面３２の中央部分およびピストン１の底壁５には
遮熱部材が固定されていないので、これらの部分の冷却
は遮熱部材が固定されている内壁面より良好に行われ、
遮熱部材が固定されている内壁面より低温であるので、
ＮＯｘの生成に関係が深い初期燃焼および中期燃焼の火
炎温度を抑制し、燃焼ガス中のＮＯｘの増加を阻止し、
また初期燃焼時の熱分解も抑制されてすすの発生も抑制
される。そしてスキッシュエリアは、ピストン１の頂面
２に燃焼キャビティｌＯの開口部の周縁に固定された環
状の遮熱部材ｌｌと、該ピストン頂面２に対面するシリ
ンダヘッド３１の内壁面３２に固定された環状の遮熱部
材１６とにより主として囲まれた空間となっているので
、逆スキッシュ現象で前記空間に流出した火炎の温度が
保持され、消炎が防止されて、すすおよびＨＣの酸化が
継続されて、燃焼ガス中のすすおよびＨＣを低下する。

これにより逆スキッシュ現象を利用した混合促進の目的
も効果的に達成される。特に排気中のＮＯｘを減少する
目的で燃料噴射時期をピストン上死点位置から上死点後
５度（クランク角度）に遅延させたディーゼル機関にお
いては、燃料着火による火炎のスキッシュエリアへの流
出が燃焼期間の比較的早い時期に行われるので、スキッ
シュエリアに流出する火炎の温度保持は極めて有効であ
り、燃料の燃焼が改善されてすすおよびＨＣの低減効果
が著大である。

次に本実施例による排気清浄化について本発明者らの実
験結果を説明する。

量産型の鋳鉄製シリンダブロック、鋳鉄製シリンダヘッ
ド、鋳鉄製ライナ、およびアルミニウム製ピストンを備
え、燃料噴射弁の噴射口の噴射中心軸をシリンダ中心軸
に平行な軸に対しほぼ７５度、噴射口よりの噴霧の中心
角をほぼ２０度とした、同一形式の単気筒ディーゼル機
関２台を用い、１台は原形のまま（以下原形機関と称す
る）、１台は第１図および第２図に示すように遮熱部材
ｌｌ〜１６を固定するように改造した機関（以下本発明
機関と称する）として、燃料噴射時期とＮＯＸ、すすお
よびＨＣの発生状況を対比実験した。

本実験においては両ディーゼル機関のシリンダヘッド内
壁面が同一温度となるまで馳らし運転を行った後、回転
速度をｌｏｏｏｒｐｍ、負荷７５％として、燃料噴射時
期を上死点前１５度（クランク角度）から、上死点後５
度（クランク角度）まで変化させ、排出された排気を分
析してＮＯｘ、すすおよびＨＣの量を対比した。第３図
ないし第５図に本発明機関における測定結果を実線で、
原形機関における測定結果を破線で示す。なお図中符号
Ａは原形機関のマツチング点、符号Ｂは本発明機関のマ
ツチング点をそれぞれ示す。

第３図かられかるように、排気中のＮＯｘについては、
原形機関においても燃料噴射時期を遅延せしめると大き
く低減する。これは燃焼室内壁がすべて金属であって、
燃焼最高温度を低下せしめているからである。これに比
して本発明機関においては、遮熱部材を配設した分だけ
燃焼最高温度が上昇し、原形機関に比してＮＯｘの量は
多いが、燃料噴射時期を遅延せしめると、原形機関の低
減率より大なる率で低減し、ピストンの上死点位置でＢ
Ｃ，の量だけ原形機関より多くなり、ピストンの上死点
後においてはその差はさらに小となる。

排気中のすすについては、第４図から明らかなように、
原形機関は燃料噴射時期を遅延せしめるとすすの量は急
激に増大する。またＨＣについては、第５図に示すよう
に、燃料噴射時期がピストンの上死点前５度あたりで最
低の量を示し、これから燃料噴射時期が遅れるに従って
急速に増加する。これは燃料噴射弁からの燃料噴射流が
ピストンの燃焼キャビティの側壁に膜状となって付着し
て蒸発が遅れること、燃料噴射時期が遅れると逆スキッ
シュ現象によりスキッシュエリアに火炎が噴出して主燃
焼を生ずるが、スキッシュエリアを囲む壁面が鋳鉄およ
びアルミニウムであるために火炎が消炎しあるいは酸化
反応速度が低下することによるものである。

これに対し本発明機関においては、排気内のすすの量は
上死点前１５度程度と燃料噴射時期を進めた場合には原
形機関より僅かに少ない程度であるが、噴射時期を遅ら
せるに従って第４図に示すように漸減し、ピストンの上
死点においては原形機関よりＢＣ，の量だけ低減せしめ
ている。またＨＣについては、燃料噴射時期を上死点１
５度程度に進めても原形機関の排気中のＨＣ量より極め
て少く、噴射時期を遅らせるに従って漸減し、ピストン
の上死点においてＢＣ，の量だけ原形機関より低減し、
著るしい低減を示している。以上のように本発明機関に
おいては、燃料噴射時期を上死点前５度から上死点後５
度の範囲にすることによって、ＮＯｘ、すす、ＨＣの排
出を改善することができる。これは、本発明機関におい
ては燃料噴射弁４１の噴射口４２からの燃料の噴射流４
６がピストン１の燃焼キャビティ１ｏの衝突部に遮熱部
材１２が配設され、該遮熱部材１２が保持する温度によ
り燃料の蒸発が促進されること、しかしシリンダヘッド
３１のシリンダヘッド内壁面３２における燃焼キャビテ
ィ１０の開口部との対向面および燃焼キャビティ１０の
底壁５には遮熱部材は施されず鋳鉄およびアルミニウム
の面であって冷却されているため、これらの面が高温と
なっていないから、ＮＯｘの発生とすすの発生が低減さ
れ、さらに燃料噴射時期の遅延化に伴って主燃焼の場と
なるスキッシュエリアは、ピストンｌの頂面２に配設し
た遮熱部材１１およびシリンダヘッド３１の内壁面３２
に配設した遮熱部材１６により主として囲まれており、
これら遮熱部材１１゜１６の保持する熱によってスキッ
シュエリア内で初期燃焼および中期燃焼の火炎が消炎さ
れることなく、かつ逆スキッシュ現象によって空気と可
燃物の混合が促進される結果、すすおよびＨＣの酸化が
良好に行われるためであって、本発明機関によれば燃焼
改善に極めて有効である。

またディーゼル機関の燃焼室は、ピストン１が上死点位
置にあるときの、ピストン頂面（燃焼キャビティを含む
）、ピストンの頂面より第１ピストンリングに至る外周
面、シリンダヘッド、およびシリンダのシリンダヘッド
との接続部から前記第１ピストンリングに至る壁面で囲
まれた空間をいうから、第１図に示すようにライナ２２
の内壁面（シリンダ内壁面）のシリンダヘッド３１の内
壁面３２の接続部からピストンＩの上死点位置における
第１リング溝７の位置までの内壁面に遮熱部材１５を、
また、ピストン１の頂面がら第１リング溝７に至る外周
面に遮熱部材１３を、それぞれ配設すると、前記燃焼改
善に一層効果がある。

上記実験において次のことが確認された。

シリンダヘッド３１の内壁面３２のピストンヘラドどの
対向面を遮熱部材１６で構成したのみで、すす３３％、
ＨＣ３８％が減少する。

ピストン１の頂面と燃焼キャビティ１０の側壁面の燃料
衝突部とを遮熱部材１１．１２で構成し、シリンダヘッ
ド３１の内壁面３２のピストンヘッドとの対向面を遮熱
部材１６で構成することにより、すす５２％、８０７０
％が減少する。

なおピストンｌの頂面と燃焼キャビティ１０の側壁面の
燃料衝突部のみを遮熱部材１１．１２で構成した場合は
、すすおよびＨＣは、機関のアイドリング時に１６％、
中速中負荷時に３０％減少する。

［発明の作用および効果］ 本発明は、ピストンヘッドに燃焼キャビティを凹設し、
燃料噴射弁の噴射口を、シリンダブロックとシリンダヘ
ッドとピストンとで形成される燃焼室を臨ませて配設し
たディーゼル機関において、前記燃料噴射弁の噴射口か
ら噴射される燃料の噴射中心軸を、前記ピストンが上死
点付近の位置にあるときの前記燃焼キャビティの側壁に
指向させ、前記ピストンヘッドのシリンダヘッド内壁面
に対向する頂面、前記シリンダヘッドの内壁面のピスト
ンヘッドの頂面が対面する内壁面部分、前記燃焼キャビ
ティの側壁の前記燃料の噴射中心軸が指向し交叉する点
から前記ピストンヘッドの頂面との間の第１の側壁部分
および前記燃料の噴射中心軸が指向し交叉する点から前
記燃焼キャビティの底壁に向って予め定めた幅の第２の
側壁部分のそれぞれの少くとも表面部分を、前記シリン
ダブロック、シリンダヘッドおよびピストンより熱伝導
率の低い遮熱部材で構成したことを特徴とするものであ
る。

本発明によるときは、ピストンの上死点位置においても
燃料噴射弁の噴射口から噴射された燃料は、ピストンの
燃焼キャビティの側壁の第１の側壁部分および第２の側
壁部分を構成するピストンより熱伝導率の低い遮熱部材
に衝突するから、該部材の保持する温度により燃料の蒸
発が促進され、かつ燃焼室を構成するピストンの燃焼キ
ャビティの底壁およびシリンダヘッドにおける前記燃焼
キャビティの開口部に対面する内壁部分には、それぞれ
ピストンおよびシリンダヘッドの構成材料が露呈されて
いて遮熱部材は存在しないから、空気と燃料の混合体は
過熱されることなく燃焼最高温度の上昇を阻止し、ＮＯ
ｘの発生、燃料の熱分解によるすすやＨＣの発生を低減
し、かつ初期燃焼′　および中期燃焼の火炎が吹き出す
スキッシュエリアは、ピストンの頂面の遮熱部材および
シリンダヘッドの内壁面の燃焼キャビティと対向する部
分を除いた内壁面の遮熱部材でほぼ囲まれているから、
逆スキッシュ現象で前記スキッシュエリアに吹き出され
た火炎は遮熱部材の保持する熱によって消炎されること
がなく、主燃焼時にすすやＨＣが酸化されて、排気中の
すすを低減し、ＨＣを著るしく低減させることができ、
上記スキッシュエリアの遮熱部材の保持する温度によっ
て逆スキッシュ現象により吹き出した火炎を消炎せしめ
ないことから、燃料噴射時期を上死点前５度（クランク
角）から上死点後５度（クランク角）に遅延せしめて、
逆スキッシュ現象による火炎のスキッシュエリアへの吹
き出しが燃焼の初期に行われても、火炎が消炎されるこ
となく、初期燃焼および中期燃焼は良好に行われ、かつ
排気中のすすを低減しＨＣを著るしく低減する等、燃焼
が改善され、ＮＯｘの発生の増加を僅かに止めることが
できるから、ディーゼル機関の燃料噴射時期の遅延化に
極めて有効である。

上記の作用効果は本発明者らが行った次の実験用単気筒
ディーゼル機関により行った実験結果によって裏付けす
ることができる。

先ず、シリンダヘッドの壁温の変化とピストンヘッドの
壁温との関連性は第６図ないし第８図に示すとおりであ
る。図中符号りはピストンヘッドの頂面および燃焼キャ
ビティの側壁の燃料衝突部の壁温、符号Ｅは前記燃焼キ
ャビティの底壁中央部の壁温の測定結果（平均値）であ
り、いずれもピストンを空冷した状態において、点ｐは
シリンダヘッドを水冷した場合、ｑはシリンダヘッドを
無冷却の状態、ｒおよびＳはシリンダヘッドをヒータに
より加熱した状態、ｔはシリンダヘッドをヒータで加熱
した状態においてピストンの空冷を停止せしめた状態を
示す。第６図（ａ）から明らかなように、ピストン頂面
および燃焼キャビティの側壁の温度（約３６０〜３８０
℃）はシリンダヘッドの壁温（約２３０〜４２０℃）に
比例して昇温し、燃焼キャビティの底壁の温度（２６０
〜３００℃）は冷却方法によって異なり、該底壁の温度
は空冷を停止したｔの状態において約４００℃に急上昇
する。排気中のＮＯｘの量は第６図（ｂ）に示すように
、ピストンの燃焼キャビティ底壁の温度の状況と類似し
た状況で変化する。排気中のＨＣの量は無冷却ｑの場合
が最大で、空冷を停止した状Ｌｉｔの場合も低減してい
る。以上から、次のことがいえる。即ちシリンダヘッド
の壁温を上昇させると、約３００℃までは排気中のＨＣ
が増加するが、３００℃以上となると急速に減少し、約
４００℃においては約２００℃のときに比してほぼ半減
する。しかしＮＯｘの増減には殆ど影響がない。一方ピ
ストンの燃焼キャビティの底壁の温度が上昇すると（ｓ
−ｔ）、）Ｉｃは減少せずＮＯｘが大きく増加する。従
って燃焼キャビティの底部の昇温は排気浄化にメリット
がなく、むしろ所定の温度以下に保持する必要がある。

そしてピストン頂面および燃焼キャビティの燃料衝突面
の昇温と組み合わせることにより、排気中のＮＯｘを増
加させることなく、すすとＨＣとを低減することがわか
る。

次に、前記実験用単気筒ディーゼル機関のピストンの頂
面および燃焼キャビティの燃料衝突面である側壁をセラ
ミック板で構成し、シリンダヘッドの内壁面の壁温を変
化せしめて、排気中のＮ。

Ｘ、すすおよびＨＣの変化を検討する。第７図はこの実
験結果を示すもので符号Ｆを付した線はシリンダヘッド
を水冷し、燃料噴射時期をピストンの上死点前１０度（
クランク角）で行った実験例を、符号Ｇを付した線はシ
リンダヘッドを冷却せず、燃料噴射時期をピストンの上
死点で行った実験例を、それぞれ横軸に当量比（理論空
燃比［空気と燃料の理論混合比］を供給された混合気の
空燃比で割った値）をとって示している。第７図（ａ）
はシリンダヘッドの冷却方法の差異に基くシリンダヘッ
ドの壁温の差異を示し、第７図（ｂ）は排気中のＮＯｘ
の量の差異を示す。同図によれば燃料噴射時期をピスト
ンの上死点に遅らせた場合（線Ｇ）には、シリンダヘッ
ドの壁温が高いのにも拘らず、通常の燃料噴射時期の場
合（線Ｆ）よりもＮＯｘは低減している（シリンダヘッ
ドを水冷して燃料噴射時期をピストンの上死点位置とし
た場合の実験例を線Ｈとして付記する）。第７図（Ｃ）
はシリンダヘッドの冷却方法の差異に基く排気中のすす
の量を対比するものであるが、すすの量は噴射時期の遅
延化にも拘らず、殆ど差異がなく、燃料噴射時期の遅延
化とシリンダヘッドの壁温の高温化との組合せにより、
通常の水冷シリンダヘッドの壁温における噴射遅延時の
すすの悪化分を回復している。第７図（ｄ）はシリンダ
ヘッドの冷却方法の差異に基く排気中のＨＣの量を対比
するもので、シリンダヘッドを水冷した場合（線Ｆ）に
比して、シリンダヘッドの壁温が高い無冷却の場合（線
Ｇ）のＨＣ発生量は噴射時期の遅延に拘らず５０〜８０
％と著るしく低減している。以上からシリンダヘッドの
壁温が３５０℃以上に保持された場合、好ましくは４０
０℃以上５００℃以下に保持された場合は、排気中のＮ
。

Ｘは、第７図（ｂ）に付記したシリンダヘッドを水冷し
て燃料噴射時期をピストン上死点位置とした場合（線Ｈ
）よりは若干増加しているが、燃料噴射時期の遅延化に
よるＮＯｘの低減効果は顕著であり、排気中のＨＣ低減
効果がシリンダヘッドを水冷した線Ｆの場合に比してシ
リンダヘッドの壁温が約３５０℃以上（好ましくは４０
０℃以上）において顕著であり、ＨＣの低減効果におい
てもシリンダヘッドの壁温を高温に（４００’Ｃ以上）
維持した場合（線Ｇ）の方がシリンダヘッドを冷却した
場合（線Ｆ、線Ｉ）に比して燃料噴射時期の遅進に拘ら
ず著るしい低減を示すことが明らかである（シリンダヘ
ッドを水冷して燃料噴射時期をピストンの上死点＃Ｊ１
０度とした場合の実験例を線Ｉとして付記する）。

本発明においては、ピストンヘッドに凹設した燃焼キャ
ビティにおける燃料の衝突面となる遮熱部材の温度保持
は、燃料の蒸発促進に重要である。

即ち燃料粒子の衝突点近傍が低温であると、着火遅れ期
間が長くなって、着火前に燃料と空気との混合が進み、
多量の可燃混合気が準備され、これが−気に燃焼するた
め、初期（予混合）燃焼が大幅に増大し、この予混合燃
焼は燃焼ガス温度を急激に上昇させるため、ＮＯｘ生成
の主要原因となる。これに対し本発明においては、噴射
燃料が遮熱部材に薄膜状に付着したとしても、遮熱部材
の保持する温度により急速に蒸発し、着火遅れが短縮さ
れて早期にこの燃料蒸気の燃焼は完了し、すすおよびＨ
Ｃは酸化され、初期に燃焼が抑制されるため、燃焼最高
温度は低くなってＮＯｘ排気量は抑制される。しかしな
がら前記遮熱部材が過熱されるとＮＯｘの排出が増える
ため、当量比との関係もあるが３００〜４００℃に抑制
されることが望ましい。第８図に前記本発明における遮
熱部位の壁温と当量比との関係を線図で示す。

さらに本発明は、ディーゼル機関の最高回転速度におけ
る最高噴射圧が７０　Ｍ　ｐ　ａ以上となる高圧噴射と
、遅延噴射との組合せにより、すすを殆ど排出しない程
度に大幅に改善し、ＨＣおよびＮＯｘを低減できる等大
なる効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のディーゼル機関の１気筒分
の要部断面図、第２図は第１図の要部断面図、第３図な
いし第５図は本発明実施例の燃料噴射時期の進みまたは
遅れに対応する排気清浄イピの状態を示す線図であって
、第３図はＮＯｘの低減状態を示す線図、第４図はすす
の低減状態を示す線図、第５図はＨＣの低減状態を示す
線図である。第６図はシリンダヘッド壁温の変化とピス
トン壁温、生成したＮＯｘ、ＨＣの量の変化を示す線図
、第７図はディーゼル機関の当量比に対するシリンダヘ
ッド壁温２亮生したＮＯｘ、すす、ＨＣの変化をそれぞ
れ示す線図、第８図は本発明における遮熱部位の壁温と
当量比との関係を示す線図である。 なお図中、次の符号は次の部分を示す。 １・・・・・・ピストン、　　　２・・・・・・ピスト
ン頂面、３・・・・・・凹所、 ４・・・・・・燃焼キャビティ側壁、 ５・・・・・・燃焼キャビティ底壁、 １０・・・・・・燃焼キャビティ、 ２１・・・・・・シリンダブロック、 ２２・・・・・・ライナ、　　　　２３・・・・・・シ
リンダ、３１・・・・・・シリンダヘッド、 ３２・・・・・・その内壁面、　　４１・・・・・・燃
料噴射弁、４２・・・・・・その噴射口、 ４３・・・・・・噴射燃料の中心軸、 ４６・・・・・・燃料噴射流、 １１．１２，１３，１５，１６ ・・・・・・遮熱部材。 特許出願人　　株式会社豊田中央研究所（外１名）代理
人　弁理士　鈴木昌明（外２名） 第１図 第２ｍ ＴＤＣ− 第４図 −ＴＤＣ− 第６図 （°Ｃ） 第７１！１

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ピストンヘッドに燃焼キャビティを凹設し、燃料
   噴射弁の噴射口をシリンダブロックのシリンダとシリン
   ダヘッドとピストンとで形成される燃焼室に臨ませて配
   設したディーゼル機関において、前記燃料噴射弁の噴射
   口から噴射される燃料の噴射中心軸を、前記ピストンが
   上死点付近の位置にあるときの前記燃焼キャビティの側
   壁に指向させ、 前記ピストンヘッドのシリンダヘッド内壁面に対向する
   頂面、前記シリンダヘッド内壁面の前記ピストンヘッド
   の頂面が対面する内壁面部分、前記燃焼キャビティの側
   壁の前記燃料の噴射中心軸が指向し交叉する点から前記
   ピストンヘッドの頂面との間の第１の側壁部分および前
   記燃料の噴射中心軸が指向し交叉する点から燃焼キャビ
   ティの底壁に向つて予め定めた幅の第２の側壁部分のそ
   れぞれの少くとも表面部分を、前記シリンダブロック、
   シリンダヘッドおよびピストンよりそれぞれ熱伝導率の
   低い遮熱部材で構成したことを特徴とするディーゼル機
   関。