WO2018163742A1 - ディーゼルエンジン - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a diesel engine, and more particularly to a direct injection diesel engine in which a cavity is formed in a crown surface of a piston, and fuel is directly injected into the cavity from a fuel injection valve.
- Diesel engines with cavities formed on the crown of pistons are known.
- the fuel injected from the fuel injection valve reaches the vicinity of the peripheral edge of the cavity, and then is guided along the inner peripheral wall surface toward the center of the cavity to promote mixing with air. ing.
- the penetration of the spray injected from the fuel injection valve is strong, and the spray speed is even at a position sufficiently away from the fuel injection valve. Is maintained at high speed and mixing with air is promoted.
- the spray tends to stay near the peripheral edge of the cavity, and the mixing with air is reduced.
- it is effective to increase the penetration of the spray, but if the penetration of the spray is unnecessarily strong, the amount of heat radiated from the wall near the peripheral edge of the cavity increases. As a result, the cooling loss increases.
- Patent Document 1 in order to suppress cooling loss in a low load region, the shape of the cavity and the shape (length, length) of the injection hole of the fuel injection valve are prevented so that the penetration of the spray does not become unnecessarily strong. It is disclosed that the aperture is set so as to satisfy a predetermined relationship.
- Patent Document 1 Although an increase in cooling loss in a low load region can be suppressed, the fluidity of spray is low and mixing with air in the cavity cannot be promoted. For this reason, local combustion is likely to occur in the vicinity of the peripheral edge of the cavity, and NOx and soot may increase due to high temperatures and insufficient oxygen resulting from the local combustion.
- the present invention has been made in view of the circumstances as described above, and an object of the present invention is to provide a diesel engine that can improve the fluidity in the cavity and promote the mixing with air even if the spray is weak in penetration.
- a diesel engine includes a cylinder, a cylinder head that covers an end surface of the cylinder and has an intake port that generates a swirl flow in a combustion chamber, and the cylinder head.
- the piston further includes a notch formed at the peripheral edge of the cavity.
- the notch includes a first recess in which the inner peripheral wall surface of the cavity is recessed radially outward at a part of the peripheral edge of the cavity, and from the crown surface of the piston to the bottom of the cavity.
- a second recess that is recessed and continuously extends radially outward from the crown-side end of the first recess.
- the second recess has a bottom wall portion and a vertical wall portion standing from a peripheral edge of the bottom wall portion on the downstream side of the swirl flow, and the vertical wall portion is the second wall portion in plan view. It is formed so as to extend in a circular arc shape from the position corresponding to the radially outer end of the recess toward the radially inner side and the downstream side of the swirl flow.
- FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a combustion chamber of an engine according to an embodiment of the present invention.
- Sectional drawing of the cavity which comprises a combustion chamber.
- the top view of the piston provided with the cavity.
- the side view which shows the structure of a fuel injection valve.
- Sectional drawing which shows the structure of a fuel injection valve.
- the perspective view which looked at the piston from the crown side.
- the top view which expands and shows a notch part.
- the perspective view which expands and shows a notch part.
- Explanatory drawing which shows the spray and air flow in a cavity.
- Explanatory drawing which shows the combustion state in the first half of combustion.
- Explanatory drawing which shows the combustion state in the second half of combustion.
- FIG. 1 shows a combustion chamber structure of a diesel engine according to an embodiment of the present invention.
- a combustion chamber 11 of the engine 10 includes an inner peripheral surface of a cylinder 12a formed in a cylinder block 12, a crown surface 13a of a piston 13 reciprocating in the cylinder 12a (hereinafter referred to as a piston crown surface 13a), a piston crown.
- the lower surface 14c of the cylinder head 14 that faces the surface 13a and the lower surfaces of the intake valve 15 and the exhaust valve 16 that open and close the intake port 14a and the exhaust port 14b formed in the cylinder head 14, respectively.
- a cavity 30 is formed in the piston crown surface 13 a so as to be recessed in the direction away from the lower surface 14 c of the cylinder head 14 (downward). This inner space also constitutes the combustion chamber 11.
- the cavity 30 has a substantially circular basic shape in plan view.
- a fuel injection valve 17 is attached to the cylinder head 14. The fuel injection valve 17 is located at the center of the cylinder 12 a in a plan view, and is arranged so that the tip thereof faces the combustion chamber 11.
- FIG. 2 is a cross-sectional view of the combustion chamber 11 on a cross section passing through the central axis X of the cylinder 12a
- FIG. 3 is a plan view of the combustion chamber 11. 2 and 3 both show a state in which the piston 13 is located at the compression top dead center, and the fuel spray injected from the fuel injection valve 17 is also indicated by the symbol F.
- FIG. The cavity 30 is set to a shape and size that can receive the fuel (spray F) injected from the fuel injection valve 17 when at least the piston 13 is located at or near the compression top dead center.
- the cavity 30 has a so-called reentrant type. That is, the wall surface of the cavity 30 is located at the periphery of the opening 31 on the upper surface of the cavity 40 (hereinafter referred to as the cavity opening 31), and has a lip portion 32 having a reduced diameter as compared with the inside of the cavity 30.
- a peripheral portion 33 that extends from 32 toward the bottom of the cavity 30, and a central raised portion 34 that extends from the peripheral portion 33 toward the center of the cavity.
- the peripheral portion 33 is recessed outward in the radial direction so as to have a larger diameter than the lip portion 32.
- the central raised portion 34 is formed in a mountain shape that protrudes toward the fuel injection valve 17 located above the central portion.
- the cavity 30 has an inner peripheral wall surface 30 a that constitutes the radially outer wall portion of the cavity 30 and a bottom surface portion 30 b that constitutes the bottom portion of the cavity 30.
- the inner peripheral wall surface 30 a is configured by a lip portion 32 and a part of the outer peripheral portion 33 on the radially outer side.
- the bottom surface portion 30 b is configured by the central raised portion 34 and a part on the bottom side of the peripheral portion 33.
- a plurality of notches 40 arranged radially at intervals in the circumferential direction are formed radially at the peripheral edge of the cavity opening 31.
- Each notch 40 is formed by denting a region extending from the inner peripheral wall surface 30 a of the cavity 30 to the piston crown surface 13 a radially outward.
- the plurality of notches 40 serve to increase the fluidity of the spray F in the cavity 30 by introducing the air flow on the piston crown surface 13 a to the inside of the cavity 30. Details will be described later.
- a plurality of injection holes 17 a are formed around the tip of the fuel injection valve 17. As shown in FIG. 3, the fuel injection valve 17 injects fuel radially from the plurality of injection holes 17a. Further, the fuel injection valve 17 is configured such that when the piston 13 is located at the compression top dead center, as shown in FIG. 33 is arranged so as to be directed near the boundary with 33.
- FIG. 4A is a side view
- FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line BB of FIG. 4A.
- the injection hole 17a is formed to have a predetermined injection hole diameter D and injection hole length L.
- the nozzle hole diameter D and the nozzle hole length L of the nozzle hole 17a are configured to satisfy a predetermined relationship with respect to the cylinder diameter C (see FIG. 1), thereby reducing the low penetration of the spray F in the low load region. The reduction of the cooling loss due to this is realized, and the reduction of soot in the medium and high load range is realized.
- the peripheral portion 33 of the cavity 30 includes a first portion 33a farthest from the fuel injection valve 17, a second portion 33b positioned closer to the lip portion 32 than the first portion 33a, and a first portion. It is comprised with the 3rd part 33c located in the center protruding part 34 side rather than 33a.
- the first portion 33a, the second portion 33b, and the third portion 33c are configured by arcs having centers O 1 , O 2 , and O 3 on the center side of the cavity 30, respectively.
- the radius R 2 of the arc of the second portion 33b is equal to the radius R 3 of the arc of the third portion
- the radius R 1 of the arc of the first portion 33a is equal to the radius R 2. It is smaller than and R 3.
- the cross-sectional shape of the peripheral portion 33 is a line-symmetric shape centering on a straight line Y connecting the central position of the first portion 33a farthest from the injection hole 17a of the fuel injection valve 17 and the injection hole 17a. . That is, the peripheral portion 33 is formed so that the portion closer to the second portion 33b than the straight line Y and the portion closer to the third portion 33c than the straight line Y are symmetrical with respect to the straight line Y.
- the lip portion 32 following the second portion 33 b of the peripheral portion 33 is configured by an arc having a center O 4 on the side opposite to the center of the cavity 30 on the cross section including the central axis X of the cylinder 12 a.
- two intake ports 14 a and two exhaust ports 14 b are opened at four corners of the combustion chamber 11.
- the two intake ports 14a are composed of a helical port and / or a tangential port, and a portion opened to the combustion chamber 11 of at least one intake port 14a (port located in the lower right in FIG. 3 in this embodiment). Is configured to point in the clockwise direction in FIG.
- the air located in the squish portion between the piston crown surface 13 a and the lower surface 14 c of the cylinder head 14 flows into the cavity 30 as the piston 13 moves toward the compression top dead center.
- a squish flow V flowing from the outside to the inside is generated. That is, in this embodiment, the swirl flow S and the squish flow V are generated in the combustion chamber 11.
- FIG. 5 is a perspective sectional view of the piston 13 and shows the cavity 30.
- FIG. 6 is a front view of the notch 40 as viewed in the direction of arrow A in FIG.
- FIG. 7 is an enlarged plan view showing the notch 40.
- FIG. 8 is an enlarged perspective view showing the notch 40.
- the notch part 40 is provided with two or more at equal intervals in the circumferential direction, and is each formed in the same magnitude
- the notch 40 is provided on the piston crown surface 13a so as to be continuous with the first recess 60 provided at the peripheral edge of the cavity opening 31 and the end portion of the first recess 60 on the piston crown surface 13a side. And a second recess 70.
- the cutout portion 40 is defined by a bottom wall portion 41 that constitutes the bottom surface of each of the recesses 60 and 70, and a pair of vertical wall portions 42 that are erected from both ends in the circumferential direction of the bottom wall portion 41.
- the pair of vertical wall portions 42 includes an upstream vertical wall portion 42a located on the upstream side (swirl upstream side) of the swirl flow S and a downstream vertical wall portion 42b located on the downstream side (swirl downstream side) of the swirl flow S. And have.
- the notch 40 is provided at a position avoiding the spray F injected from the fuel injection valve 17.
- the fuel injection valve 17 has the nozzle hole 17a not uncut. It arrange
- the number N C of the cutout portion 40, the number of the injection holes 17a of the fuel injection valve 17 (hereinafter, referred to as the injection hole number N H) in relation to the following formula (1) It is set to satisfy the relationship.
- the notch 40 is formed with a number that is not less than half of the number of nozzle holes NH and not more than the number of nozzle holes NH .
- the notch 40 is configured to be adjacent to at least one side in the circumferential direction of the spray F that has reached the inner peripheral wall surface 30 a of the cavity 30.
- the same number of notches 40 as the number of injection holes NH of the fuel injection valve 17 are provided. That is, the notches 40 are formed at equal intervals in the circumferential direction at 10 locations of the cavity opening 31, and the notches are formed on both sides in the circumferential direction of the sprays F injected to the non-notched portions 50. 40 are located adjacent to each other.
- the first recess 60 is recessed so as to be positioned radially outside the non-notched portion 50 at the peripheral edge of the cavity opening 31, and is formed in a groove shape having a predetermined width in the circumferential direction.
- the first recess 60 has a predetermined width in the circumferential direction and a first bottom wall portion 61 that forms a belt-like bottom surface facing the center of the cavity 30, and both ends in the circumferential direction of the first bottom wall portion 61. It has a pair of 1st vertical wall part 62 which protrudes to radial direction and opposes the circumferential direction.
- the first bottom wall portion 61 is inclined so as to be located on the radially inner side as the distance from the piston crown surface 13a increases (as the distance from the peripheral portion 33 of the cavity 30 increases). More specifically, in the cross-sectional view shown in FIG. 2, the first bottom wall portion 61 is formed along a tangent line that circumscribes the peripheral portion 33 of the cavity 30. Thereby, the lower end part 61a and the peripheral part 33 of the 1st bottom wall part 61 are smoothly continuing without a bend and a level
- the first bottom wall portion 61 is inclined radially inward from the piston crown surface 13a toward the peripheral portion 33 at an inclination angle ⁇ of about 30 ° with respect to the central axis X of the cylinder 12a.
- the first bottom wall portion 61 may not be inclined radially outward toward the peripheral portion 33. Therefore, the inclination angle ⁇ may be larger or smaller than 30 ° within a range of 0 ° (that is, an angle at which the first bottom wall portion 61 is parallel to the central axis X) or more.
- the inclination angle ⁇ is 0 ° or more and 50 ° or less.
- the path from the piston crown surface 13a side to the first recess 60 is greatly bent radially outward in the cross section shown in FIG. 2, and the air on the piston crown surface 13a. It is difficult to smoothly introduce the flow into the cavity 30.
- the larger the inclination angle ⁇ the smoother the path from the piston crown surface 13a side to the first recess 60 can be made in the cross section shown in FIG. Can be increased.
- the inclination angle ⁇ exceeds 50 °, it is necessary to excessively reduce the volume of the cavity 30 in order to maintain the compression ratio of the combustion chamber 11.
- the depth of the central raised portion 340 of the cavity 30 is made shallower after the inclination angle ⁇ of the first bottom wall portion 610 is made larger than 50 °.
- the spray is changed in direction by the spray Fa injected from the fuel injection valve 17 and the inner peripheral wall surface 30a and guided along the central raised portion 340. Since Fb easily interferes with each other (W in the figure indicates an interference region), the flow of the spray F is hindered and the mixing with air is reduced.
- the pair of first vertical wall portions 62 facing each other in the circumferential direction includes an upstream first vertical wall portion 621 located on the upstream side of the swirl and a downstream first vertical wall located on the downstream side of the swirl. Part 622.
- the upstream first vertical wall portion 621 is a plane extending radially with respect to the center of the cylinder 12a, in other words, passes through the center of the cylinder 12a and is parallel to the center axis X of the cylinder 12a (perpendicular to the piston crown surface 13a). It is formed along a plane.
- the downstream-side first vertical wall portion 622 is curved along an arc located on the upstream side of the swirl toward the radially outer side in plan view (top view) and parallel to the central axis X of the cylinder 12a (the piston crown surface 13a and It is formed along a curved surface (perpendicular).
- the second recess 70 is recessed downward (on the bottom side of the cavity 30) so as to be one step lower than the piston crown surface 13 a.
- the second recess 70 has a second bottom wall portion 71 (corresponding to the bottom wall portion in the present invention) inclined so as to be lower in height toward the downstream side of the swirl (located on the bottom side of the cavity 30), It has the 2nd vertical wall part 72 (equivalent to the vertical wall part in this invention) standingly arranged from the periphery of the swirl downstream side of the 2nd bottom wall part 71.
- the second bottom wall portion 71 is an inclined surface whose height decreases toward the swirl downstream side, and is a normal line orthogonal to the central axis X of the cylinder 12 a (in the radial direction from the center of the cylinder 12 a). It is formed along an inclined plane parallel to the extending straight line.
- the shape of the second recess 70 will be described more specifically with reference to FIG.
- the point located on the innermost radial direction that is, the smallest diameter portion of the lip portion 32 (the portion that bulges most radially inward)
- a point corresponding to is a reference point P0
- a plane passing through the reference point P0 and orthogonal to a straight line extending radially from the center of the cylinder 12a that is, orthogonal to the radial direction
- Q two points
- a straight line passing through the reference point P0 and extending in parallel with the central axis X of the cylinder 12a is defined as a first line L1
- a straight line that is, a first line projected on the virtual plane Q
- a line obtained by projecting the piston crown surface 13a onto the virtual plane Q that is, the piston crown surface 13a having a diameter
- the intersection line between the plane extending inward in the direction and the virtual plane Q is defined as a third line L3.
- intersection of the first line L1 and the third line L3 is a first point P1
- intersection of the first line L1 and the second line L2 is a second point P2
- the second line L2 and the third line L3 are Is defined as a third point P3.
- the position of the second point P2 is such that the distance H to the first point P1 is 2 mm or more in the direction parallel to the first line L1, and the third point in the direction parallel to the third line L3.
- the distance W from P3 is set to be 2 mm or more.
- the second point P2 is above the lower end 61a of the first bottom wall portion 61 (that is, the connecting portion between the first bottom wall portion 61 and the inner peripheral wall surface 30a) (on the piston crown surface 13a side) and in the radial direction. It is located inside and between the reference point P0 and the first point P1.
- the second bottom wall 71 is continuous with the piston crown surface 13a without a step on the upstream side of the swirl.
- the second bottom wall portion 71 is formed such that the upstream edge 73 that is the edge on the swirl upstream side is located on the piston crown surface 13a.
- the upstream edge 73 continuously extends radially from the upper end (the end on the piston crown surface 13 a side) of the upstream first vertical wall 621 of the first recess 70.
- the second bottom wall portion 71 is formed so that the height gradually decreases from the upstream edge 73 toward the swirl downstream side (so that the swirl downstream side is located on the bottom side of the cavity 30).
- the second vertical wall portion 72 continuously extends from the upper end portion (end portion on the piston crown surface 13 a side) of the downstream first vertical wall portion 622 toward the radially outer side and the swirl upstream side. It extends in an arc shape and is connected to an outer end portion 73 a that is an end portion on the outermost radial direction at the upstream side edge portion 73. More specifically, the second vertical wall portion 72 is formed so as to coincide with the circumference of the virtual circle C0 indicated by a two-dot chain line. Similarly, the downstream first vertical wall portion 622 is also formed so as to coincide with the circumference of the virtual circle C0.
- the downstream side vertical wall portion 42b of the cutout portion 40 is connected to the downstream side first vertical wall portion 622 and the second vertical wall portion 72 formed on the same circumference in this way without any step, It is formed as a series of curved surfaces.
- a straight line that passes through the first point P1 (or the reference point P0, the second point P2) and extends in the radial direction is defined as a fourth line L4, and is radially inward from the outer peripheral surface of the piston 13 by a predetermined amount d.
- the offset concentric circle is a circle C1
- the virtual circle C0 is set as a circle in contact with the fourth line L4 and the circle C1.
- the virtual circle C0 is a circle that passes through the first point P1 (or the reference point P0, the second point P2).
- the downstream vertical wall 42 b of the notch 40 is a virtual circle extending from the outer end 73 a of the upstream edge 73 of the second recess 70 to the reference point P 0.
- the curved surface extends toward the swirl downstream side along C0.
- the downstream vertical wall portion 42b extends toward the central axis X of the cylinder 12a at the reference point P0, in other words, extends from the radially inner end of the downstream vertical wall portion 42b in the tangential direction of the virtual circle C0.
- the extension line is formed so as to intersect the central axis X of the cylinder 12a.
- the predetermined amount d is set to an appropriate value such that a required amount of the thickness between the second recess 70 and the outer peripheral surface of the piston 13 is ensured.
- a chamfered portion 43 that is rounded in an arc shape in a sectional view of FIG. 2 is formed.
- the bottom wall 41 of the notch 40 is stepped in the order of the second bottom wall 71, the chamfered portion 43, and the first bottom wall 61 between the piston crown surface 13 a and the peripheral portion 33 of the cavity 30. It is formed so that the inclination becomes tight.
- the chamfered portion 43 extends between the upstream vertical wall portion 42 a and the downstream vertical wall portion 42 b while being inclined so as to be positioned radially inward toward the swirl downstream side.
- the chamfered diameter r1 of the chamfered portion 43 is set to 2 mm or more and half or less than the radius r0 (see FIG. 7) of the virtual circle C0.
- the second bottom wall portion 71 is inclined such that the height is lower (located on the bottom side of the cavity 30) on the downstream side of the swirl.
- the second vertical wall portion 72 is formed such that the height in the central axis X direction of the cylinder 12a gradually increases toward the swirl downstream side (or radially inner diameter side).
- each notch 40 is formed in a predetermined angle range ⁇ around the central axis X of the cylinder 12a.
- the angle range ⁇ means the opening width of the notch 40 opening in the inner peripheral wall surface 30a of the cavity 30, that is, the cut in the minimum diameter portion (the portion bulging most radially inward) of the lip portion 32. It is the circumferential width of the notch 40. Since the downstream vertical wall portion 42b extends in an arc shape toward the radially outer side and the swirl upstream side (this gradually reduces the circumferential width of the cutout portion 40), other than the minimum diameter portion of the lip portion 32. At the position (radially outside the minimum diameter portion), the circumferential angle range of the notch 40 is smaller than ⁇ .
- the angle range ⁇ is set in consideration of the spray angle ⁇ (spread in a plan view of FIG. 3) of the spray F so that the non-notched portion 50 that receives the spray F is secured in a predetermined angle range (at least 15 °). ing. Specifically, the angle range ⁇ of the notch 40 is assumed to be an assumed number of nozzle holes (for example, 16 nozzle holes at most) so that the non-notch 50 has an angle range wider than the spray angle ⁇ of the spray F. In consideration, it is set to 7.5 ° or more and 30 ° or less.
- the non-notched portion 50 needs to be in an angle range of at least 15 °.
- the angle range ⁇ of each of the plurality of notches 40 is set to 7.5 °, a total of 16 non-notch portions 50 having an angle range of 15 ° can be formed, so that a maximum of 16 nozzle holes can be formed.
- a fuel injection valve 17 having the following can be used. Further, when the angle range ⁇ of each of the plurality of notches 40 is set to 30 °, a total of eight non-notches 50 having an angle range of 15 ° can be formed, so that fuel injection having a maximum of 8 injection holes is possible.
- a valve 17 can be used.
- the angle range ⁇ of the notch 40 is set to 14 °
- the angle range of the non-notch 50 is set to 22 °.
- the angle range (22 °) of the non-notched portion 50 is wider than the lower limit angle range (15 °) described above.
- FIG. 9 is a perspective view schematically showing the spray F and the air flow Z in the combustion chamber 11 when the piston 13 is positioned near the compression top dead center.
- the swirl flow S and the squish flow V are generated in the combustion chamber 11 (see FIG. 3), and on the piston crown surface 13a located near the compression top dead center.
- an air flow Z introduced into the cavity 30 from the notch 40 is generated.
- the swirl flow S that flows clockwise in a plan view and the squish flow V that flows from the radially outer side to the radially inner side are combined, so that the inner peripheral wall surface 30a of the cavity 30 through the plurality of cutouts 40.
- the air flow Z toward the central raised portion 34 is generated.
- the air flow Z introduced into the cavity flows in the clockwise direction along the swirl flow S, and toward the radially inner side along the squish flow V. It will flow in a spiral toward the center.
- the notch 40 serves to introduce the air flow Z into the cavity 30 more smoothly. That is, in the present embodiment, the notch 40 is constituted by the first recess 60 and the second recess 70 continuous radially outward, and the downstream vertical wall 42b of the notch 40, that is, the first The swirl from the position (outer end 73a) where the downstream first vertical wall 622 of the first recess 60 and the second vertical wall 72 of the second recess 70 correspond to the radially outer end of the second recess 70. It is formed to extend in a circular arc shape toward the downstream side and the radially inner side (see FIGS. 7 and 8).
- the swirl flow S flowing in the circumferential direction on the crown surface 13a (squish portion) of the piston 13 in the vicinity of the top dead center is radially inward along the arcuate second vertical wall portion 72 of the second recess 70.
- the first concave portion 60 is guided while the direction is gradually changed. That is, in the present embodiment, the horizontal flow on the piston crown surface 13a (squish portion) can be smoothly introduced into the first concave portion 60 while gradually turning inward in the radial direction, and energy generated during the introduction process. Loss can be suppressed, and as a result, the momentum of the air flow Z introduced into the cavity 30 can be maintained high.
- the second recess 70 is inclined so that the height gradually decreases toward the downstream side of the swirl (so that the downstream side of the swirl is located on the bottom side of the cavity 30). For this reason, the swirl flow S flowing in the circumferential direction on the piston crown surface 13a is gradually changed in the downward direction (the bottom side of the cavity 30) along the second bottom wall portion 71 of the second recess 70, 1 guided to the recess 60.
- the flow direction is changed by the inclined bottom wall (second bottom wall portion 71) in the second recess 70, the flow is guided directly from the piston crown surface 13a to the first recess 60.
- a rounded chamfered portion 43 is formed at the connecting portion between the first recess 60 and the second recess 70.
- the air flow Z introduced from the piston crown surface 13 a into the second recess 70 can be smoothly introduced into the first recess 60 via the chamfered portion 43. If the chamfered portion is not formed at the connecting portion between the first recess 60 and the second recess 70, the direction of the air flow Z changes rapidly from the second recess 70 to the first recess 60, so that the energy Loss increases and the momentum of the air flow introduced into the cavity 30 decreases.
- FIG. 10 shows the state of the first half of combustion in the low load region.
- the spray F injected from the fuel injection valve 17 reaches the inner peripheral wall surface 30 a, and then most of the spray F faces the bottom side of the cavity 30 along the peripheral portion 33. Can be changed.
- the penetration of the spray F is weak (that is, the fluidity is low) in the low load region, the spray F stays in the vicinity of the peripheral portion 33.
- the air flow Z introduced from the notch 40 entrains the spray F located on the downstream side of the swirl while entraining the central raised portion 34. It flows in a spiral toward.
- the flow of the spray F staying in the peripheral portion 33 toward the central raised portion 34 side is promoted, so that the mixing property between the spray F and the air in the cavity 30 is improved.
- the air flow Z is directed in substantially the same direction as the direction of the spray F staying in the peripheral portion 33, the air flow Z does not hinder the flow of the spray F, but rather assists the movement toward the central raised portion 34 side. Thereby, the flow of the spray F is further promoted. Further, since the first bottom wall portion 61 of the first recess 60 is formed along a tangent line that circumscribes the peripheral portion 33 in a cross-sectional view, the air flow Z introduced from the notch portion 40 is smoothly surrounded by the periphery. Part 33 can be introduced. Thereby, the flow of the spray F is further promoted.
- the spray F since the arc radius R 2 which constitutes the second portion 33b of the peripheral portion 33 is relatively large (larger than the radius R 1 of the first portion 33a), as shown in FIG. 10, the spray The angle formed between the tangential T direction and the spray direction of the spray F at the part where F collides can be reduced. Thereby, the spray F does not collide violently with the inner peripheral wall surface 30a and is not scattered to the periphery, and the spray F can be smoothly introduced into the second portion 33b.
- the spray F colliding with the lip portion 32 in the vicinity of the boundary between the second portion 33b and the lip portion 32 also flows smoothly toward the second portion 33b side without much scattering. To be guided. Thereby, most of the spray F is introduced into the cavity 30.
- the spray F moves from the second portion 33b to the first portion 33a, and the direction of the flow is changed in the direction in which the piston 13 moves from the radially outer side to the inner side.
- the radius R 1 of the first portion 33 a is smaller than the radius R 2 of the second portion 33 b, the diffusion of the spray F is suppressed and coupled with the assistance by the air flow Z from the notch 40, The flow of the spray F toward the three portions 33c is accelerated.
- peripheral portion 33 is formed symmetrically with respect to a straight line Y connecting the position J in the first portion 33a farthest from the fuel injection valve 17 and the injection hole 17a of the fuel injection valve 17 at the time of fuel injection.
- the flow of the semi-combustion gas that is once accelerated and then decelerated is smoothly converted into a flow from the radially outer side to the inner side of the piston 13 at the position J of the first portion 33a without being greatly dispersed.
- the spray F introduced into the third portion 33 c abruptly becomes closer to the cavity opening 31 side. It is prevented that the direction is changed to (upward). Thereby, it is avoided that the spray F after the direction change interferes with the spray F immediately after being injected from the fuel injection valve 17.
- the air flow Z is introduced into the cavity 30 from the plurality of notches 40, and the spray F injected from the plurality of injection holes 17a is caused to flow toward the central raised portion 34 of the cavity 30 by the air flow Z. be able to.
- the spray F is injected toward the non-notch part 50, after being changed in direction by being guided by the inner peripheral wall surface 30a of the cavity 30, the notch part 40 introduced in the same direction as this direction.
- the air flow Z from the air further promotes the flow toward the central raised portion 34 side.
- each of the plurality of notches 40 is formed in an angle range of 7.5 ° to 30 ° around the central axis X of the cylinder 12a in plan view.
- the angle range ⁇ of the notch 40 is less than 7.5 °, the volume of the notch 40 becomes relatively small, and therefore the momentum of the air flow introduced by the notch 40 is small, Less effective to promote flow.
- the position of the second point P2 is such that the distance H between the first point P1 and the first line L1 in the direction parallel to the first line L1 is 2 mm or more.
- the distance W from the third point P3 in the direction parallel to the third line L3 is set to be 2 mm or more.
- the first concave portion 60 disappears by the chamfered portion 43. May end up.
- the distance W is 2 mm or more as described above, the first recess 60 does not disappear, so that the air flow Z is reliably guided into the cavity 30 using the first recess 60. can do.
- the second recess 70 having a sufficient depth can be formed. Thereby, the air flowing on the piston crown surface 13 a can be reliably guided to the first recess 60 through the second recess 70.
- the second point P2 is located above the lower end portion 61a of the first bottom wall portion 61 (on the piston crown surface 13a side), the second recess 70 is directly formed on the inner peripheral wall surface 30a of the cavity 30. Appearance is prevented. That is, the air flowing on the piston crown surface 13 a is not necessarily introduced directly into the cavity 30 through the second recess 70, but is necessarily introduced into the cavity 30 through both the second recess 70 and the first recess 60. . Thus, in the present embodiment, the air flow Z is smoothly changed into the cavity 30 through the second recess 70 and the first recess 60 in order while changing the direction of the air flow Z downward (to the bottom side of the cavity 30). Can be introduced.
- the air flow Z can be smoothly introduced from the second recessed portion 70 to the first recessed portion 60 along the chamfered portion 43.
- the chamfered diameter of the chamfered portion 43 is less than 2 mm, the direction of the air flow Z changes relatively abruptly from the second recessed portion 70 to the first recessed portion 60, so that the fluidity is lowered. Concerned.
- the chamfered diameter r1 of the chamfered portion 43 is set to be less than half the radius r0 of the virtual circle C0, the chamfered portion 43 can prevent the second concave portion 70 from disappearing.
- a plan view of the combustion chamber 11 shows a variation of the number N C was half of the injection hole number N H of the fuel injection valve 17 of the notch 40.
- the nozzle hole number N H is 10
- the number N C of the cutout portion 40 is 5.
- Each spray F injected from the fuel injection valve 17 is adjacent to the notch 40 on one side in the circumferential direction and adjacent to the spray F on the other side.
- the angle range ⁇ of the notch 40 may be set as a function of the number of nozzle holes NH .
- the number of injection holes N H of the fuel injection valve 17 and the angle range ⁇ of the notch 40 are set so as to satisfy the relationship of the following expression (2).
- the angle range ⁇ when the angle range ⁇ is set to the lower limit value, at least 10% of the total angular range ⁇ of the notch portions 40 in the peripheral portion of the piston crown surface 13a is secured. The flow rate of the air flow introduced into the cavity 30 via the portion 40 can be ensured. Further, when the angle range ⁇ is set to the upper limit value, the non-notched portion 50 can be secured in an angle range of at least 15 °, so that the inner peripheral wall surface is received while the spray F is received by the non-notched portion 50. It can guide to the cavity 30 along 30a.
- a piston having a reentrant type cavity has been described as an example, but the present invention may be applied to a piston having various cavities such as a shallow bottom type or a toroidal type.
- the plurality of notches 40 are provided on the peripheral edge of the cavity opening 31, but the present invention is not limited to this. That is, you may provide only one place. Also by this, an air flow can be introduced from the notch 40 to the cavity 30.
- the first recess 60 is extended to the piston crown surface 13a instead of the piston 13 of the above-described embodiment having the notch portion 40 including the first recess 60 and the second recess 70.
- This is an example in which a piston having a notch with a substantially constant width (with the second recess 70 omitted) is used.
- the pistons 13 of Comparative Examples 1 to 4 the air flow in the cavity was evaluated by CAE analysis. As shown in Table 1, Reference Examples 1 to 4 differ only in the inclination angle (the value corresponding to the inclination angle ⁇ in the embodiment) of the bottom wall portion of the notch, and the others are the same.
- the number of injection holes of the fuel injection valve is 10
- the number of notches 40 is 10
- the angular range in the circumferential direction is 14 °.
- the inclination angle of the notch is 0 °, and in Reference Examples 2 to 4, the inclination angle of the notch increases in order of 20 °, 30 °, and 45 °.
- the air flow in the low speed region of the engine was evaluated by the maximum flow velocity, and the results shown in Table 1 below were obtained.
- the maximum flow velocity of air flow is shown as an index when the maximum flow velocity in Reference Example 1 is set to 100.
- the maximum flow velocity of the air flow Z increases as the angle of inclination of the notch increases from 0 °.
- the maximum flow velocity of the air flow is significantly increased.
- the increase effect of the maximum flow velocity converges.
- the inclination angle of the notch by setting the inclination angle of the notch to 0 ° or more, the maximum flow velocity of the air flow can be increased, thereby improving the fluidity of the spray in the cavity.
- the inclination angle of the notch by setting the inclination angle of the notch to 50 ° or less, the fluidity of the spray can be effectively enhanced while preventing the range of the notch from becoming excessive.
- a diesel engine includes a cylinder, a cylinder head that covers an end face of the cylinder and has an intake port that generates a swirl flow in a combustion chamber, and a piston having a cavity that is recessed to the opposite side of the cylinder head. And a fuel injection valve having an injection hole directed in the cavity of the piston located at the top dead center.
- the piston further includes a notch formed at the peripheral edge of the cavity.
- the notch includes a first recess in which the inner peripheral wall surface of the cavity is recessed radially outward at a part of the peripheral edge of the cavity, and from the crown surface of the piston to the bottom of the cavity.
- a second recess that is recessed and continuously extends radially outward from the crown-side end of the first recess.
- the second recess has a bottom wall portion and a vertical wall portion standing from a peripheral edge of the bottom wall portion on the downstream side of the swirl flow, and the vertical wall portion is the second wall portion in plan view. It is formed so as to extend in a circular arc shape from the position corresponding to the radially outer end of the recess toward the radially inner side and the downstream side of the swirl flow.
- a horizontal flow for example, a swirl flow or a squish flow
- the introduced air flow moves the spray, which is injected from the fuel injection valve and reaches the vicinity of the inner peripheral wall surface of the cavity, toward the center of the cavity.
- the notch is configured by a first recess and a second recess that is continuous radially outward, and the second recess has a vertical wall on the downstream side of the swirl flow that is radially outward and swirl. It is formed to extend in an arc shape toward the upstream side of the flow. For this reason, the swirl flow that flows in the circumferential direction on the crown surface (squish portion) of the piston is gradually changed radially inward along the arcuate vertical wall portion of the second recess to the first recess. Guided.
- the horizontal flow in the squish portion can be smoothly introduced into the first recess while gradually turning inward in the radial direction, and energy loss that occurs during the introduction process can be suppressed. As a result, the momentum of the air flow introduced into the cavity can be kept high.
- a plurality of the notches are formed at intervals in the circumferential direction.
- the fuel injection valve is positioned at the center in the radial direction when viewed from the central axis direction of the cylinder, and has a plurality of injection holes through which fuel can be injected radially.
- the spray injected from the plurality of nozzle holes can be made to flow toward the cavity central part side by the air flow introduced from the notch part.
- the spray whose mixing with air is promoted can be diffused substantially uniformly into the cavity.
- the fuel injection valve has an injection hole capable of injecting fuel so as to be directed to a non-notched portion which is a portion other than the notched portion in the peripheral portion of the cavity.
- the spray injected toward the non-notched portion is guided to the central portion side by the inner peripheral wall surface of the cavity, and the spray to the central portion side is caused by the air flow introduced from the notched portion. Flow is further promoted.
- the wall surface of the cavity is recessed so as to be closer to the fuel injection valve toward the center of the cavity, and to be recessed radially outward in a cross-sectional view on the radially outer side than the central raised portion.
- a peripheral portion formed between the peripheral portion and the crown surface of the piston, and a lip portion protruding inward in the radial direction of the piston in a cross-sectional view.
- the piston is formed so as to be directed to a position corresponding to the vicinity of the boundary between the lip portion and the peripheral portion.
- the spray injected toward the non-notched portion can be flowed to the central portion (central raised portion) side of the cavity by utilizing the shapes of the lip portion and the peripheral portion.
- the diesel engine according to the present invention can improve the fluidity in the cavity and promote the mixing with air even in the case of sprays with weak penetration. May be used.
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Abstract
ディーゼルエンジンは、シリンダと、シリンダヘッドと、燃料噴射弁と、ピストンとを備える。ピストンは、キャビティと、キャビティの周縁部に形成された切欠き部とを有する。切欠き部は、キャビティの内周壁面を径方向外側へ凹設した第1凹部と、ピストンの冠面からキャビティの底側へ凹設され、第1凹部の冠面側の端部から径方向外側に連続して延びる第2凹部とを含む。第2凹部のスワール流の下流側の縦壁部は、平面視において、第2凹部の径方向外側の端部に対応する位置から径方向内側かつスワール流の下流側に向かって円弧状に延びるように形成されている。
Description
本発明は、ディーゼルエンジンに関し、特にピストンの冠面にキャビティが凹設されており、該キャビティに燃料噴射弁から燃料が直接に噴射される直噴式ディーゼルエンジンに関する。
ピストンの冠面にキャビティが形成されたディーゼルエンジンが知られている。このエンジンでは、燃料噴射弁から噴射された燃料は、キャビティの周縁部近傍に到達した後、内周壁面に沿ってキャビティの中央側に案内されて、空気との混合が促進されるようになっている。特に、比較的多量の燃料が噴射される中負荷域又は高負荷域では、燃料噴射弁から噴射される噴霧のペネトレーション(貫徹力)が強く、燃料噴射弁から十分に離れた位置でも噴霧の速度が高速に維持され、空気との混合が促進される。
一方、燃料噴射量の少ない低負荷域においては、噴霧は、キャビティの周縁部近傍に滞留しやすく、空気との混合性が低下してしまう。空気との混合性を向上させるには、噴霧のペネトレーションを強くするのが有効であるが、噴霧のペネトレーションが不必要に強いと、キャビティの周縁部近傍の壁面から放熱される熱量が増大してしまい、冷却損失が増大する。
これに対して、特許文献1には、低負荷域における冷却損失を抑制するため、噴霧のペネトレーションが不必要に強くならないように、キャビティの形状及び燃料噴射弁の噴孔の形状(長さ、口径)を所定の関係を満足するように設定することが開示されている。
しかしながら、特許文献1によれば、低負荷域における冷却損失の増大を抑制できるものの、噴霧の流動性は低く、キャビティにおける空気との混合を促進できるものではない。このため、キャビティの周縁部近傍において局所燃焼が生じやすく、該局所燃焼に起因した高温化と酸素不足からNOx及び煤が増大する場合がある。
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、ペネトレーションの弱い噴霧であっても、キャビティにおける流動性を向上させて空気との混合を促進できるディーゼルエンジンを提供することを目的とする。
前記課題を解決するためのものとして、本発明のディーゼルエンジンは、シリンダと、該シリンダの端面を覆うと共に、燃焼室にスワール流を生成する吸気ポートが形成されたシリンダヘッドと、前記シリンダヘッドとは反対側へ凹設されたキャビティを有するピストンと、上死点に位置する前記ピストンの前記キャビティ内を指向する噴孔を有する燃料噴射弁とを備える。前記ピストンは、前記キャビティの周縁部に形成された切欠き部を更に有する。前記切欠き部は、前記キャビティの周縁部の周方向の一部において、該キャビティの内周壁面を径方向外側へ凹設した第1凹部と、前記ピストンの冠面から前記キャビティの底側へ凹設され、前記第1凹部の前記冠面側の端部から径方向外側に連続して延びる第2凹部とを含む。前記第2凹部は、底壁部と、該底壁部における前記スワール流の下流側の周縁から立設された縦壁部とを有し、前記縦壁部は、平面視において、前記第2凹部の径方向外側の端部に対応する位置から径方向内側かつ前記スワール流の下流側に向かって円弧状に延びるように形成される。
以下、本発明に係る実施形態を添付図面に従って説明する。なお、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物、あるいは、その用途を制限することを意図するものではない。また、図面は模式的なものであり、各距離の比率等は現実のものとは相違している。
図1は、本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジンの燃焼室構造を示している。このエンジン10の燃焼室11は、シリンダブロック12に形成されたシリンダ12aの内周面と、シリンダ12a内を往復動するピストン13の冠面13a(以下、ピストン冠面13aという)と、ピストン冠面13aに対向するシリンダヘッド14の下面14cと、シリンダヘッド14に形成された吸気ポート14a及び排気ポート14bをそれぞれ開閉する吸気弁15及び排気弁16の各下面とによって区画されている。
ピストン冠面13aには、シリンダヘッド14の下面14cから離れる方向(下方)に凹陥したキャビティ30が形成されており、この内側空間も燃焼室11を構成している。キャビティ30は、平面視での基本形状が略円形に構成されている。シリンダヘッド14には、燃料噴射弁17が取り付けられている。燃料噴射弁17は、平面視でシリンダ12aの中央に位置しており、先端部が燃焼室11に臨むように配置されている。
図2は、シリンダ12aの中心軸Xを通る断面上における燃焼室11の断面図であり、図3は、燃焼室11の平面図である。図2及び図3ではいずれも、ピストン13が圧縮上死点に位置する状態が示されており、併せて、燃料噴射弁17から噴射された燃料の噴霧が符号Fにより示されている。キャビティ30は、少なくともピストン13が圧縮上死点又はその近傍に位置するときに、燃料噴射弁17から噴射された燃料(噴霧F)を受け入れ可能な形状及び大きさに設定されている。
図2に示すように、キャビティ30は、いわゆるリエントラント型に構成されている。すなわち、キャビティ30の壁面は、キャビティ40の上面の開口部31(以下、キャビティ開口部31という)の周縁に位置しかつキャビティ30の内部に比して縮径されたリップ部32と、リップ部32からキャビティ30の底側に向かう周辺部33と、周辺部33からキャビティの中心に向かう中央***部34とで構成されている。周辺部33は、リップ部32よりも拡径するように径方向外側へ凹設されている。中央***部34は、その中心部上方に位置する燃料噴射弁17に向かって凸となる山状に形成されている。
言い換えると、キャビティ30は、キャビティ30の径方向外側壁部を構成する内周壁面30aと、キャビティ30の底部を構成する底面部30bとを有している。内周壁面30aは、リップ部32と、周辺部33の径方向外側の一部とにより構成されている。底面部30bは、中央***部34と、周辺部33の底側の一部とにより構成されている。
図3に示すように、キャビティ開口部31の周縁部には、周方向に間隔を空けて並ぶ複数の切欠き部40が放射状に形成されている。各切欠き部40は、キャビティ30の内周壁面30aからピストン冠面13aにわたる領域を径方向外側に凹設することにより形成されている。複数の切欠き部40は、ピストン冠面13a上の空気流動をキャビティ30の内側に導入させて、キャビティ30内における噴霧Fの流動性を増大させる役割を果たす。詳細は後述する。
燃料噴射弁17の先端部の周囲には、複数の噴孔17aが形成されている。燃料噴射弁17は、図3に示すように、複数の噴孔17aから放射状に燃料を噴射する。また、燃料噴射弁17は、ピストン13が圧縮上死点に位置するときに、図2に示すように、各噴孔17aから噴射された燃料の噴霧Fがキャビティ30のリップ部32と周辺部33との境界部近傍を指向するように配置されている。
本実施形態では、噴孔17aは、周方向に等間隔で10個設けられ、それぞれ同じ大きさに形成されている。図4A,Bは、燃料噴射弁17の先端部を拡大して示しており、図4Aは側面図、図4Bは図4AのB-B線に沿った断面図である。
図4Bに示すように、噴孔17aは、所定の噴孔径D及び噴孔長Lを有するように形成されている。噴孔17aの噴孔径D及び噴孔長Lは、シリンダ径C(図1参照)との関係で所定の関係を満たすように構成されており、これによって、低負荷域における噴霧Fの低ペネトレーション化を実現してこれによる冷却損失の低減を実現すると共に、中高負荷域におけるスート(煤)の低減を実現するようになっている。
図2に戻って、キャビティ30の周辺部33は、燃料噴射弁17から最も離れた第1部分33aと、第1部分33aよりもリップ部32側に位置する第2部分33bと、第1部分33aよりも中央***部34側に位置する第3部分33cとで構成されている。第1部分33a、第2部分33b、及び第3部分33cは、それぞれ、キャビティ30の中心側に中心O1、O2、O3を有する円弧によって構成されている。
また、本実施形態では、第2部分33bの円弧の半径R2と第3部分の円弧の半径R3とが等しくされていると共に、第1部分33aの円弧の半径R1が、半径R2及びR3よりも小さく設定されている。これにより、周辺部33の断面形状は、燃料噴射弁17の噴孔17aから最も離れた第1部分33aの中心位置と噴孔17aとを結ぶ直線Yを中心とした線対称の形状とされる。すなわち、周辺部33は、直線Yよりも第2部分33b側の部分と直線Yよりも第3部分33c側の部分とが直線Yを挟んで対称となるように形成されている。
周辺部33の第2部分33bに続くリップ部32は、シリンダ12aの中心軸Xを含む断面上において、キャビティ30の中心とは反対側に中心O4を有する円弧によって構成されている。
図3において2点鎖線で示すように、燃焼室11の4隅に、2つの吸気ポート14aと2つの排気ポート14bとが開口している。2つの吸気ポート14aは、ヘリカルポート及び/又はタンジェンシャルポートから構成されており、少なくとも一方の吸気ポート14a(本実施形態では図3の右下に位置するポート)の燃焼室11に開口する部分の軸線が、図3において時計回り方向を指向するように構成されている。
これによって、図3において右下に位置する吸気ポート14aから燃焼室11に導入される新気は、燃焼室11に向かって時計回り方向に導入されやすく、燃焼室11に時計回り方向に流れるスワール流Sが生成される。スワール流Sは、ピストン冠面13aの上方だけでなく、キャビティ30の内部にも生成される。
また、燃焼室11には、ピストン13が圧縮上死点に向かうにつれて、ピストン冠面13aとシリンダヘッド14の下面14cとの間のスキッシュ部に位置する空気がキャビティ30に流れ込むように、径方向外側から内側へ流れるスキッシュ流Vが生成される。すなわち、本実施形態では、燃焼室11においてスワール流Sとスキッシュ流Vとが生成される。
以下、図5~図8を併せて参照して、ピストン13のキャビティ開口部31の周縁部に形成された切欠き部40について詳述する。図5は、ピストン13の斜視断面図であって、キャビティ30を示している。図6は、図5のA矢視による切欠き部40の正面図である。図7は、切欠き部40を拡大して示す平面図である。図8は、切欠き部40を拡大して示す斜視図である。図5に示すように、切欠き部40は、周方向に等間隔に複数設けられ、それぞれ同じ大きさに形成されている。
切欠き部40は、キャビティ開口部31の周縁部に設けられた第1凹部60と、この第1凹部60におけるピストン冠面13a側の端部に連続するようにピストン冠面13aに設けられた第2凹部70とを有している。切欠き部40は、各凹部60,70の底面を構成する底壁部41と、底壁部41の周方向の両端から立設された一対の縦壁部42とにより画成されている。一対の縦壁部42は、スワール流Sの上流側(スワール上流側)に位置する上流側縦壁部42aと、スワール流Sの下流側(スワール下流側)に位置する下流側縦壁部42bとを有している。
図3を併せて参照して、切欠き部40は、燃料噴射弁17から噴射される噴霧Fを避けた位置に設けられている。換言すれば、キャビティ開口部31の周縁部のうち隣接する切欠き部40の間に位置する基本形状部分を非切欠き部50としたとき、燃料噴射弁17は、その噴孔17aが非切欠き部50と対向するように配置されている。より詳しくは、噴孔17aは、ピストン13が上死点にあるときの非切欠き部50のうちリップ部32と周辺部33との境界部もしくはその近傍に対応する高さ位置に向かって噴霧Fが飛翔するように形成されている。
ここで、本実施形態では、切欠き部40の数NCは、燃料噴射弁17の噴孔17aの数(以下、噴孔数NHと称する)との関係で、以下の式(1)の関係を満たすように設定されている。
NH/2≦NC≦NH ‥‥(1)
すなわち、切欠き部40は、噴孔数NHの半分以上、噴孔数NH以下の数で形成されている。換言すれば、キャビティ30の内周壁面30aに到達した噴霧Fの少なくとも周方向の一方側には、切欠き部40が隣接して位置するように構成されている。
なお、本実施形態では、切欠き部40は、燃料噴射弁17の噴孔数NHと同じ数だけ設けられている。すなわち、切欠き部40は、キャビティ開口部31の10箇所に周方向に等間隔で形成されており、非切欠き部50に噴射された各噴霧Fの周方向の両側には、切欠き部40が隣接して位置している。
第1凹部60は、キャビティ開口部31の周縁部において非切欠き部50よりも径方向外側に位置するように凹設されており、周方向に所定幅を有する溝状に形成されている。詳しくは、第1凹部60は、周方向に所定幅を有しかつキャビティ30の中心を臨む帯状の底面を構成する第1底壁部61と、第1底壁部61の周方向の両端から径方向に迫り出しかつ周方向に対向する一対の第1縦壁部62とを有している。
図2において破線で示すように、第1底壁部61は、ピストン冠面13aから離れるほど(キャビティ30の周辺部33に近づくほど)径方向内側に位置するように傾斜している。より具体的には、図2に示す断面図上で、第1底壁部61は、キャビティ30の周辺部33と外接する接線に沿って形成されている。これにより、第1底壁部61の下端部61aと周辺部33とが、折れや段差を介さずに滑らかに連続している。
本実施形態において、第1底壁部61は、ピストン冠面13aから周辺部33に向かってシリンダ12aの中心軸Xに対して約30°の傾斜角度αで径方向内側へ傾斜している。なお、第1底壁部61は、周辺部33に向かって径方向外側に傾斜しなければよい。このため、傾斜角度αは、0°(つまり第1底壁部61が中心軸Xと平行になる角度)以上の範囲において、30°より大きくても小さくてもよい。好ましくは、傾斜角度αは、0°以上50°以下とされる。
傾斜角度αが0°未満の場合、ピストン冠面13a側から第1凹部60に至る経路が、図2に示す断面において、径方向外側に大きく屈曲することになり、ピストン冠面13a上の空気流動をキャビティ30へ滑らかに導入させにくい。一方、傾斜角度αは大きいほど、ピストン冠面13a側から第1凹部60に至る経路を、図2に示す断面において滑らかにすることができ、空気流動をキャビティ30に導入させやすく、その流量を増大させることができる。
しかしながら、傾斜角度αが50°を超える場合、燃焼室11の圧縮比を維持するためにキャビティ30の容積を過度に小さくする必要がある。例えば、図14において破線で示すように、第1底壁部610の傾斜角度αを50°よりも大きくした上で、キャビティ30の中央***部340の深さを浅くすることが考えられる。しかしながら、このようにした場合には、図15に示すように、燃料噴射弁17から噴射された噴霧Faと、内周壁面30aによって向きが変えられて中央***部340に沿って案内される噴霧Fbとが互いに干渉しやすくなるので(図中のWは干渉領域を示している)、噴霧Fの流動が阻害されてしまい、空気との混合性が低下してしまう。一方、キャビティ開口部31を小さくすることも考えられるが、このようにすると、噴霧Fが内周壁面30aに到達したときのペネトレーションが相対的に強くなるので、冷却損失が増大してしまう。
図7に示すように、周方向に対向する一対の第1縦壁部62は、スワール上流側に位置する上流側第1縦壁部621と、スワール下流側に位置する下流側第1縦壁部622とを有している。上流側第1縦壁部621は、シリンダ12aの中心に対して放射状に延びる平面、言い換えると、シリンダ12aの中心を通りかつシリンダ12aの中心軸Xと平行な(ピストン冠面13aと直交する)平面に沿って形成されている。下流側第1縦壁部622は、平面視(上面視)で径方向外側ほどスワール上流側に位置する円弧に沿って湾曲し、かつシリンダ12aの中心軸Xと平行な(ピストン冠面13aと直交する)湾曲面に沿って形成されている。
図6に示すように、第2凹部70は、ピストン冠面13aより一段低くなるように下方に(キャビティ30の底側に)凹設されている。詳しくは、第2凹部70は、スワール下流側ほど高さが低くなる(キャビティ30の底側に位置する)ように傾斜した第2底壁部71(本発明における底壁部に相当)と、第2底壁部71のスワール下流側の周縁から立設された第2縦壁部72(本発明における縦壁部に相当)とを有している。
第2底壁部71は、図8に示すように、スワール下流側ほど高さが低くなる傾斜面であって、シリンダ12aの中心軸Xと直交する法線(シリンダ12aの中心から径方向に延びる直線)に対し平行な傾斜面に沿って形成されている。
図8を参照しつつ、第2凹部70の形状をより具体的に説明する。下流側第1縦壁部622の径方向内側の周縁上に位置する点のうち、最も径方向内側に位置する点、つまりリップ部32の最小径部(最も径方向内側に膨出した部分)に対応する点を基準点P0とし、この基準点P0を通る平面であって、シリンダ12aの中心から放射状に延びる直線に対し直交する(すなわち径方向と直交する)平面を仮想平面Q(二点鎖線で示している)とする。
また、仮想平面Q上において、基準点P0を通りかつシリンダ12aの中心軸Xと平行に延びる直線を第1線L1とし、第2底壁部71を仮想平面Q上に投影した直線(つまり第2底壁部71を径方向内側に延長した面と仮想平面Qとの交線)を第2線L2とし、ピストン冠面13aを仮想平面Q上に投影した直線(つまりピストン冠面13aを径方向内側に延長した面と仮想平面Qとの交線)を第3線L3とする。さらに、第1線L1と第3線L3との交点を第1点P1とし、第1線L1と第2線L2との交点を第2点P2とし、第2線L2と第3線L3との交点を第3点P3とする。
この場合に、第2点P2の位置は、第1線L1に平行な方向において第1点P1との間の距離Hが2mm以上となり、かつ、第3線L3に平行な方向において第3点P3との間の距離Wが2mm以上となるように設定されている。更に、第2点P2は、第1底壁部61の下端部61a(すなわち、第1底壁部61と内周壁面30aとの接続部)よりも上方(ピストン冠面13a側)かつ径方向内側に位置するとともに、基準点P0と第1点P1との間に位置している。
第2底壁部71は、スワール上流側においてピストン冠面13aと段差なく連続している。言い換えると、第2底壁部71は、そのスワール上流側の縁部である上流側縁部73がピストン冠面13a上に位置するように形成されている。上流側縁部73は、第1凹部70の上流側第1縦壁部621の上端部(ピストン冠面13a側の端部)から連続して放射状に延びている。第2底壁部71は、上流側縁部73からスワール下流側に向かって徐々に高さが低くなるように(スワール下流側ほどキャビティ30の底側に位置するように)形成されている。
図7に示すように、第2縦壁部72は、下流側第1縦壁部622の上端部(ピストン冠面13a側の端部)から連続して径方向外側かつスワール上流側に向かって円弧状に延びており、上流側縁部73における最も径方向外側の端部である外端部73aに接続されている。より具体的に、第2縦壁部72は、二点鎖線で示す仮想円C0の円周と一致するように形成されている。同様に、下流側第1縦壁部622も、仮想円C0の円周に一致するように形成されている。切欠き部40の下流側縦壁部42bは、このように同一の円周上に形成された下流側第1縦壁部622と第2縦壁部72とが段差なく接続されることにより、一連の曲面として形成されている。
図7に示すように、第1点P1(又は基準点P0、第2点P2)を通り径方向に延びる直線を第4線L4とし、ピストン13の外周面から所定量dだけ径方向内側にオフセットした同芯円を円C1としたとき、仮想円C0は、第4線L4と円C1とに接する円として設定されている。仮想円C0は、第1点P1(又は基準点P0、第2点P2)を通る円である。
すなわち、図7に示す平面視において、切欠き部40の下流側縦壁部42bは、第2凹部70の上流側縁部73の外端部73aから基準点P0までの間に亘って仮想円C0に沿ってスワール下流側に向けて延びる曲面とされている。下流側縦壁部42bは、基準点P0においてシリンダ12aの中心軸Xを指向するように、言い換えると、下流側縦壁部42bの径方向内側の端部から仮想円C0の接線方向に延ばした延長線がシリンダ12aの中心軸Xと交差するように形成されている。なお、所定量dは、第2凹部70とピストン13の外周面との間の肉厚が所要量確保されるような適宜の値に設定されている。
第1底壁部61と第2底壁部71との接続部には、図2の断面視で円弧状に丸められた面取り部43が形成されている。言い換えると、切欠き部40の底壁部41は、ピストン冠面13aからキャビティ30の周辺部33までの間において、第2底壁部71、面取り部43、第1底壁部61の順に段階的に傾斜がきつくなるように形成されている。図7に示すように、面取り部43は、上流側縦壁部42aと下流側縦壁部42bとの間において、スワール下流側ほど径方向内側に位置するように傾斜しつつ延びている。図2に示すように、面取り部43の面取り径r1は2mm以上であって、かつ、仮想円C0の半径r0(図7参照)の半分以下の大きさに設定されている。
上述したとおり、第2底壁部71は、スワール下流側ほど高さが低くなる(キャビティ30の底側に位置する)ように傾斜している。このため、第2縦壁部72は、スワール下流側(もしくは径方向内径側)に至るほどシリンダ12aの中心軸X方向における高さが漸増するように形成されている。
図3に戻って、各切欠き部40は、シリンダ12aの中心軸X周りにおける所定の角度範囲βに形成されている。なお、ここでいう角度範囲βとは、キャビティ30の内周壁面30aに開口する切欠き部40の開口幅、つまりリップ部32の最小径部(最も径方向内側に膨出した部分)における切欠き部40の周方向の幅のことである。下流側縦壁部42bが径方向外側かつスワール上流側へ向けて円弧状に延びている(これにより切欠き部40の周方向の幅が漸減する)ため、リップ部32の最小径部以外の位置(最小径部よりも径方向外側)では、切欠き部40の周方向の角度範囲がβよりも小さくなる。
角度範囲βは、噴霧Fの噴霧角θ(図3の平面視における広がり)を考慮して、噴霧Fを受ける非切欠き部50が所定の角度範囲(少なくとも15°)確保されるよう設定されている。詳しくは、非切欠き部50が噴霧Fの噴霧角θより広い角度範囲を有するように、切欠き部40の角度範囲βは、想定される噴孔数(例えば多くても16噴孔)を考慮して、7.5°以上30°以下に設定されている。
すなわち、噴霧Fの噴霧角θを考慮すると、非切欠き部50は少なくとも15°の角度範囲であることを要する。この場合において、複数の切欠き部40それぞれの角度範囲βを7.5°に設定した場合には、角度範囲15°の非切欠き部50を合計16個形成できるので、最大で16噴孔を有する燃料噴射弁17を使用することができる。また、複数の切欠き部40それぞれの角度範囲βを30°に設定した場合には、角度範囲15°の非切欠き部50を合計8個形成できるので、最大で8噴孔を有する燃料噴射弁17を使用することができる。
本実施形態では、切欠き部40の角度範囲βは14°に設定され、非切欠き部50の角度範囲は22°に設定されている。非切欠き部50の角度範囲(22°)は、上述した下限の角度範囲(15°)よりも広い。
次に、この実施形態の作用効果を説明する。
図9は、ピストン13が圧縮上死点近傍に位置するときの、燃焼室11における噴霧F及び空気流動Zを模式的に示す斜視図である。本実施形態では、上述したように、燃焼室11にスワール流Sとスキッシュ流Vとが生成されるようになっており(図3参照)、圧縮上死点近傍に位置するピストン冠面13a上に生成されるこれらの水平方向の流れS,Vによって、切欠き部40からキャビティ30の内部に導入される空気流動Zが生成される。
すなわち、平面視で時計回りに流れるスワール流Sと、径方向外側から径方向内側へ流れるスキッシュ流Vとが合成されることにより、複数の切欠き部40を介してキャビティ30の内周壁面30aからその中央***部34側へ向かう空気流動Zが生成される。このため、図9に示すように、キャビティに導入された空気流動Zは、スワール流Sに沿って時計回りに流動しつつスキッシュ流Vに沿って径方向内側に向かうように、中央***部34の中央に向かって螺旋状に流動することになる。
このとき、切欠き部40は、空気流動Zをより円滑にキャビティ30の内部に導入する役割を果たす。すなわち、本実施形態では、第1凹部60とその径方向外側に連続する第2凹部70とによって切欠き部40が構成されると共に、この切欠き部40の下流側縦壁部42b、つまり第1凹部60の下流側第1縦壁部622と第2凹部70の第2縦壁部72とが、第2凹部70の径方向外側の端部に対応する位置(外端部73a)からスワール下流側かつ径方向内側に向かって円弧状に延びるように形成されている(図7及び図8参照)。このため、上死点近傍のピストン13の冠面13a上(スキッシュ部)を周方向に流れるスワール流Sは、第2凹部70の円弧状の第2縦壁部72に沿って径方向内側に徐々に向きを変えられつつ第1凹部60へと案内される。すなわち、本実施形態では、ピストン冠面13a上(スキッシュ部)における水平方向の流動を徐々に径方向内側に方向転換させつつ円滑に第1凹部60に導入できると共に、その導入の過程で生じるエネルギーロスを抑制することができ、その結果、キャビティ30の内部に導入される空気流動Zの勢いを高く維持することができる。
また、第2凹部70は、スワール下流側に向かって徐々に高さが低くなるように(スワール下流側ほどキャビティ30の底側に位置するように)傾斜している。このため、ピストン冠面13a上を周方向に流れるスワール流Sは、第2凹部70の第2底壁部71に沿って下方(キャビティ30の底側)に徐々に向きを変えられつつ、第1凹部60に案内される。このように、本実施形態では、第2凹部70における傾斜した底壁(第2底壁部71)によって流動の向きが変えられるので、ピストン冠面13aから第1凹部60に直接に流動を案内する場合に比して、ピストン冠面13aにおける水平方向の流動を徐々に下方に方向転換させつつ円滑に第1凹部60に導入することができる。これにより、ピストン冠面13aからの空気流動Zを、比較的強い勢いを維持しつつキャビティ30の内部に導入することができる。
さらに、第1凹部60と第2凹部70との接続部に丸みを帯びた面取り部43が形成されている。これにより、ピストン冠面13aから第2凹部70に導入された空気流動Zを、面取り部43を介して第1凹部60に円滑に導入することができる。仮に、第1凹部60と第2凹部70との接続部に面取り部が形成されていない場合、第2凹部70から第1凹部60にかけて空気流動Zの向きが急激に変わることになるので、エネルギーロスが増大し、キャビティ30に導入される空気流動の勢いが減少してしまう。
ここで、図10は、低負荷域における燃焼前半部の状態を示している。図10に示すように、低負荷域において、燃料噴射弁17から噴射された噴霧Fは、内周壁面30aに到達した後、その大部分が周辺部33に沿ってキャビティ30の底側へ向きを変えられる。しかしながら、低負荷域においては、噴霧Fのペネトレーションが弱い(つまり流動性が低い)ため、噴霧Fは周辺部33の近傍に滞留することになる。
これに対し、本実施形態では、切欠き部40から導入される空気流動Zが、図9及び図10に示すように、スワール下流側に位置する噴霧Fを巻込みつつ、中央***部34に向かって螺旋状に流動する。これによって、図10に示すように、周辺部33において滞留していた噴霧Fの中央***部34側への流動が促進されるので、噴霧Fとキャビティ30内の空気との混合性が向上する。
しかも、空気流動Zは、周辺部33において滞留する噴霧Fの向きと略同じ方向を向いているので、噴霧Fの流動を阻害することなく、むしろ中央***部34側への移動をアシストする。これにより、噴霧Fの流動が一層促進される。また、第1凹部60の第1底壁部61は、断面視で周辺部33に外接する接線に沿って形成されているので、切欠き部40から導入される空気流動Zを、滑らかに周辺部33に導入することができる。これにより、噴霧Fの流動がより一層促進される。
さらに、本実施形態では、周辺部33の第2部分33bを構成する円弧の半径R2が比較的大きい(第1部分33aの半径R1よりも大きい)ので、図10に示すように、噴霧Fが衝突する部位での接線T方向と噴霧Fの噴射方向とのなす角度を小さくすることができる。これにより、噴霧Fが内周壁面30aに激しく衝突して周辺に散乱することがなく、噴霧Fを円滑に第2部分33bに導入することができる。
また、リップ部32の存在により、第2部分33bとリップ部32との境界近傍でリップ部32に衝突した噴霧Fについても、あまり散乱することなく、主に第2部分33b側へ滑らかに流動するように案内される。これにより、噴霧Fの大部分がキャビティ30内に導入される。
そして、噴霧Fは、第2部分33bから第1部分33aに移動し、ピストン13の径方向外側から内側へと移動する方向に流れの向きが変えられる。その際、第1部分33aの半径R1は第2部分33bの半径R2よりも小さいので、噴霧Fの拡散が抑制されると共に、切欠き部40からの空気流動Zによるアシストと相まって、第3部分33cに向かう噴霧Fの流れが加速される。
このとき、既に一部の燃料の燃焼が開始されて燃焼ガスが発生し、噴霧Fは燃焼ガスと未燃燃料とが混ざった半燃焼状態となるが、この半燃焼状態にある噴霧F(以下、これを半燃焼ガスという)の流れが第1部分33aによって加速されることにより、周辺部33の壁面に付着した燃料が吹き飛ばされる。これにより、付着燃料を含む局部リッチな領域での燃焼により発生する煤の量を抑制することができる。
また、周辺部33は、燃料噴射時に燃料噴射弁17から最も遠くなる第1部分33a内の位置Jと燃料噴射弁17の噴孔17aとを結ぶ直線Yに対し対称的に形成されているので、一旦加速された後に減速される半燃焼ガスの流れは、大きく分散することなく、第1部分33aの上記位置Jを境にピストン13の径方向外側から内側に向かう流れへと円滑に変換される。
次に、ピストン13の径方向内側へ向きを変えられた半燃焼ガスがキャビティ30の中央***部34で多量の空気と混合するまでの燃焼後半部について説明する。図11に示すように、径方向内側へ向きを変えられた半燃焼ガスは、周辺部33の第3部分33cに沿って案内され、該周辺部33から中心部が凸とされたキャビティ30の底部の中央***部34に向けて移動する。
その際、周辺部33における第3部分33cの半径R3は、第1部分33aの半径R1より大きくされているから、第3部分33cに導入された噴霧Fが急激にキャビティ開口部31側(上方)に向きを変えられることが防止される。これにより、方向転換後の噴霧Fが燃料噴射弁17から噴射された直後の噴霧Fと干渉することが避けられる。
その結果、半燃焼ガスの流れは、勢いを維持したまま、分散することなくキャビティ30の中央***部34側に向けて流れることになり、燃焼室11の中央部に存在する多量の空気と良好に混合し、均一でリーンな燃焼ガスが生成される。そして、その状態で燃焼が進行することにより、リッチ領域で燃焼することによる煤の発生が抑制されると共に、燃焼ガスの全体が相対的にリーンであることにより、一部で発生した煤も効果的に酸化されることになる。
すなわち、ペネトレーションが弱いためにキャビティの内周壁面30aに滞留しやすい噴霧Fであっても、流動が促進されてキャビティ30における空気との混合性を向上させることができる。
しかも、複数の切欠き部40からキャビティ30に空気流動Zが導入されると共に、この空気流動Zによって、複数の噴孔17aから噴射された噴霧Fをキャビティ30の中央***部34側へ流動させることができる。また、噴霧Fは、非切欠き部50に向けて噴射されるので、キャビティ30の内周壁面30aに案内されて向きが変えられた後に、この方向と同じ方向に導入される切欠き部40からの空気流動Zによって中央***部34側への流動がより一層促進される。
また、複数の切欠き部40はそれぞれ、平面視でシリンダ12aの中心軸X周りの7.5°以上30°以下の角度範囲に形成されている。これにより、非切欠き部50の角度範囲が過不足なく確保されるので、キャビティ30の内周壁面30aによって噴霧Fを良好に案内させることができると共に、切欠き部40による空気流動Zをより効果的に生じさせることができる。
例えば、切欠き部40の角度範囲βを7.5°未満にすると、切欠き部40の容積が相対的に小さくなるため、切欠き部40により導入される空気流動の運動量が少なく、噴霧の流動を促進する効果が少なくなる。
逆に、切欠き部40の角度範囲βを30°より大きくしても、切欠き部40による噴霧Fの流動促進効果の向上はあまり期待できない。むしろ、切欠き部40の容積が過度に大きくなることで、燃焼室11の圧縮比を維持するためにキャビティ30の容積を大幅に小さくする必要が生じる。この場合、図14及び図15を用いて既に説明したとおり、噴霧の混合性や冷却損失の面で不利になる。すなわち、燃焼室11を浅くすると、燃料噴射弁17から噴射された噴霧が互いに干渉しやすくなり、噴霧と空気との混合性が低減してしまう。一方、キャビティ開口部31を小さくすると、噴霧Fは、内周壁面30aに到達したときのペネトレーションが相対的に強くなるので、冷却損失が増大してしまう。
また、図8に示すように、仮想平面Q上において、第2点P2の位置は、第1線L1に平行な方向において第1点P1との間の距離Hが2mm以上となり、かつ、第3線L3に平行な方向において第3点P3との間の距離Wが2mm以上となるように設定されている。これにより、本実施形態では、第1凹部60と第2凹部70との接続部に少なくとも2mmの面取り径を有する面取り部43を形成しつつも、第1凹部60が消失するのを防止することができる。
すなわち、面取り部43の面取り径が2mmである場合に、仮に、第2点P2と第3点P3との間の距離Wが2mm未満であると、第1凹部60が面取り部43によって消失してしまう場合がある。一方、上記のように距離Wが2mm以上である場合には、第1凹部60が消失することがないので、この第1凹部60を利用して空気流動Zを確実にキャビティ30の内部に案内することができる。
また、第1点P1と第2点P2との間の距離Hが2mm以上であるので、十分な深さを有する第2凹部70を形成することができる。これにより、ピストン冠面13a上を流動する空気を第2凹部70を通じて第1凹部60に確実に案内することができる。
また、第1点P1と第2点P2との間の距離Hが2mm以上であるので、十分な深さを有する第2凹部70を形成することができる。これにより、ピストン冠面13a上を流動する空気を第2凹部70を通じて第1凹部60に確実に案内することができる。
また、第2点P2は、第1底壁部61の下端部61aよりも上方(ピストン冠面13a側)に位置しているので、第2凹部70が直接にキャビティ30の内周壁面30aに表れることが防止される。すなわち、ピストン冠面13a上を流動する空気は、第2凹部70を通じて直接にキャビティ30内に導入されることなく、必ず第2凹部70及び第1凹部60の両方を通じてキャビティ30内に導入される。これにより、本実施形態では、第2凹部70と第1凹部60とを順に介して、空気流動Zを段階的に下方に(キャビティ30の底側に)方向転換させつつ円滑にキャビティ30内に導入することができる。
また、面取り部43の面取り径r1が2mm以上に設定されているので、この面取り部43に沿って第2凹部70から第1凹部60へと空気流動Zを円滑に導入することができる。一方、面取り部43の面取り径が2mm未満であった場合には、第2凹部70から第1凹部60にかけて空気流動Zの向きが比較的急に変化することになるので、流動性の低下が懸念される。
また、面取り部43の面取り径r1が仮想円C0の半径r0の半分以下の大きさに設定されているので、この面取り部43によって第2凹部70が消失するのを防止することができる。
図12及び図13に、燃焼室11の平面図であって、切欠き部40の数NCを燃料噴射弁17の噴孔数NHの半分とした変形例を示している。図12に示す例では、噴孔数NHは10であり、切欠き部40の数NCは5である。燃料噴射弁17から噴射される各噴霧Fは、周方向の一方側において切欠き部40に隣接しており、他方側において噴霧Fに隣接している。
この場合において、燃焼室11にスワール流Sが生成されると、図13に示すように、空気流動Zは、スワール流Sの上流側(図13において反時計回り側)に隣接する噴霧F1を、低下した圧力により引き込みつつ、スワール流Sの下流側(図13において時計回り側)に隣接する噴霧F2を巻込んで、キャビティ30の中央***部34側へ流動させるように作用する。
また、噴孔数NHの関数として、切欠き部40の角度範囲βを設定してもよい。この場合、燃料噴射弁17の噴孔数NH、切欠き部40の角度範囲βが、以下の式(2)の関係を満たすように設定する。
(360°×0.1)/NH≦β≦(360°-NH×15°)/NH ‥‥(2)
すなわち、角度範囲βを下限値に設定した場合には、全ての切欠き部40の角度範囲βの合計が、ピストン冠面13aの周部における10%は少なくとも確保されることになり、切欠き部40を介してキャビティ30に導入される空気流動の流量を確保できる。また、角度範囲βを上限値に設定した場合には、非切欠き部50を少なくとも15°の角度範囲で確保することができるので、噴霧Fを非切欠き部50で受け止めつつ、内周壁面30aに沿ってキャビティ30に案内できる。
上記実施形態では、リエントラント型のキャビティを有するピストンを例にとって説明したが、浅底型又はトロイダル型等種々のキャビティを有するピストンにも適用してもよい。
また、上記実施形態では、切欠き部40を、キャビティ開口部31の周縁部に複数設けたが、これに限らない。すなわち、1箇所のみ設けてもよい。これによっても、切欠き部40からキャビティ30へ空気流動を導入することができる。
[参考例]
以下に説明する参考例1~4は、第1凹部60及び第2凹部70からなる切欠き部40を有した上記実施形態のピストン13ではなく、第1凹部60をピストン冠面13aまで延長した(第2凹部70を省略した)略一定幅の切欠き部を有したピストンを使用した例である。この比較例1~4のピストン13について、キャビティ内における空気流動を、CAE解析により評価した。表1に示すように、参考例1~4は、切欠き部の底壁部の傾斜角度(実施形態の傾斜角度αに相当する値)のみが異なっており、その他は同一である。すなわち、参考例1~4のいずれにおいても、燃料噴射弁の噴孔数は10であり、切欠き部40の数は10であり、周方向における角度範囲(実施形態の傾斜角度βに対応する値)は14°である。
以下に説明する参考例1~4は、第1凹部60及び第2凹部70からなる切欠き部40を有した上記実施形態のピストン13ではなく、第1凹部60をピストン冠面13aまで延長した(第2凹部70を省略した)略一定幅の切欠き部を有したピストンを使用した例である。この比較例1~4のピストン13について、キャビティ内における空気流動を、CAE解析により評価した。表1に示すように、参考例1~4は、切欠き部の底壁部の傾斜角度(実施形態の傾斜角度αに相当する値)のみが異なっており、その他は同一である。すなわち、参考例1~4のいずれにおいても、燃料噴射弁の噴孔数は10であり、切欠き部40の数は10であり、周方向における角度範囲(実施形態の傾斜角度βに対応する値)は14°である。
参考例1では、切欠き部の傾斜角度が0°であり、参考例2~4では、切欠き部の傾斜角度が20°、30°、45°と順に大きくなる。参考例1~4に係る切欠き部を有するピストンを用いて、エンジンの低速域における空気流動をそれぞれの最高流速により評価し、下記の表1の結果を得た。表1では、空気流動の最高流速を、参考例1における最高流速を100とした場合の指数で示している。
表1から明らかなように、切欠き部の傾斜角度が0°から増大するにしたがって、空気流動Zの最大流速は増大する。特に、参考例2及び参考例3から判るように、傾斜角度が20°より大きくなると顕著に空気流動の最大流速は増大する。一方で、参考例3及び参考例4から判るように、傾斜角度が30°より大きくなるにしたがって、最大流速の上昇効果は収束する。
したがって、切欠き部の傾斜角度を0°以上に設定することにより、空気流動の最大流速を上昇させることができ、これによりキャビティにおける噴霧の流動性を高めることができる。一方で、切欠き部の傾斜角度は50°以下に設定することによって、切欠き部の範囲が過大になるのを防止しつつ噴霧の流動性を効果的に高めることができる。
<実施形態のまとめ>
上記実施形態のディーゼルエンジンの特徴をまとめると以下のとおりである。
上記実施形態のディーゼルエンジンの特徴をまとめると以下のとおりである。
ディーゼルエンジンは、シリンダと、該シリンダの端面を覆うと共に、燃焼室にスワール流を生成する吸気ポートが形成されたシリンダヘッドと、前記シリンダヘッドとは反対側へ凹設されたキャビティを有するピストンと、上死点に位置する前記ピストンの前記キャビティ内を指向する噴孔を有する燃料噴射弁とを備える。前記ピストンは、前記キャビティの周縁部に形成された切欠き部を更に有する。前記切欠き部は、前記キャビティの周縁部の周方向の一部において、該キャビティの内周壁面を径方向外側へ凹設した第1凹部と、前記ピストンの冠面から前記キャビティの底側へ凹設され、前記第1凹部の前記冠面側の端部から径方向外側に連続して延びる第2凹部とを含む。前記第2凹部は、底壁部と、該底壁部における前記スワール流の下流側の周縁から立設された縦壁部とを有し、前記縦壁部は、平面視において、前記第2凹部の径方向外側の端部に対応する位置から径方向内側かつ前記スワール流の下流側に向かって円弧状に延びるように形成される。
この構成によれば、上死点近傍にあるピストンの冠面上(スキッシュ部)において生じる水平方向の流動(例えばスワール流又はスキッシュ流)が、切欠き部を通じてキャビティの内部に導入される。導入された空気流動は、燃料噴射弁から噴射されてキャビティの内周壁面の近傍に到達した噴霧を、キャビティの中央部側へと移動させる。このように、キャビティの中央部側への噴霧の流動が促進されるので、ペネトレーションが弱いためにキャビティの内周壁面に滞留しやすい噴霧であっても、その流動を促進することができ、キャビティにおける空気との混合性を向上させることができる。
しかも、切欠き部は、第1凹部とその径方向外側に連続する第2凹部とによって構成されており、第2凹部は、そのスワール流の下流側の縦壁部が、径方向外側かつスワール流の上流側に向かって円弧状に延びるように形成されている。このため、ピストンの冠面上(スキッシュ部)を周方向に流れるスワール流は、第2凹部の円弧状の縦壁部に沿って径方向内側に徐々に向きを変えられつつ第1凹部へと案内される。すなわち、前記構成では、スキッシュ部における水平方向の流動を徐々に径方向内側に方向転換させつつ円滑に第1凹部に導入できると共に、その導入の過程で生じるエネルギーロスを抑制することができ、その結果、キャビティ内に導入される空気流動の勢いを高く維持することができる。
好ましくは、前記切欠き部は、周方向に互いに間隔を空けて複数形成される。
この構成によれば、複数の切欠き部からキャビティに空気流動が導入されるので、噴霧のキャビティ中央部側への流動がより一層強化される。
好ましくは、前記燃料噴射弁は、前記シリンダの中心軸方向視において径方向の中心に位置しており、放射状に燃料を噴射可能な複数の噴孔を有する。
この構成によれば、複数の噴孔から噴射された噴霧を、切欠き部から導入された空気流動によって、キャビティ中央部側へ流動させることができる。これによって、空気との混合が促進された噴霧をキャビティに略均一に拡散させることができる。
好ましくは、前記燃料噴射弁は、前記キャビティの周縁部における前記切欠き部以外の部位である非切欠き部を指向するように燃料を噴射可能な噴孔を有する。
この構成によれば、非切欠き部に向けて噴射された噴霧がキャビティの内周壁面によって中央部側へ案内されると共に、切欠き部から導入される空気流動によって中央部側への噴霧の流動がより一層促進される。
より好ましくは、前記キャビティの壁面は、キャビティの中心側ほど前記燃料噴射弁に近づくように***した中央***部と、中央***部よりも径方向外側において断面視で径方向外側に凹入するように形成された周辺部と、周辺部と前記ピストンの冠面との間に形成されかつ断面視でピストンの径方向内側に突出するリップ部とを有し、前記燃料噴射弁の噴孔は、前記ピストンが上死点にあるときの前記非切欠き部のうち前記リップ部と前記周辺部との境界近傍に対応する位置を指向するように形成される。
この構成によれば、リップ部及び周辺部の形状を利用して、非切欠き部に向けて噴射された噴霧をキャビティの中央部(中央***部)側へ流動させることができる。
以上説明したように、本発明に係るディーゼルエンジンによれば、ペネトレーションが弱い噴霧であっても、キャビティにおける流動性を向上させて空気との混合を促進できるので、この種の製造技術分野において好適に利用される可能性がある。
Claims (5)
- シリンダと、
該シリンダの端面を覆うと共に、燃焼室にスワール流を生成する吸気ポートが形成されたシリンダヘッドと、
前記シリンダヘッドとは反対側へ凹設されたキャビティを有するピストンと、
上死点に位置する前記ピストンの前記キャビティ内を指向する噴孔を有する燃料噴射弁とを備え、
前記ピストンは、前記キャビティの周縁部に形成された切欠き部を更に有し、
前記切欠き部は、
前記キャビティの周縁部の周方向の一部において、該キャビティの内周壁面を径方向外側へ凹設した第1凹部と、
前記ピストンの冠面から前記キャビティの底側へ凹設され、前記第1凹部の前記冠面側の端部から径方向外側に連続して延びる第2凹部とを含み、
前記第2凹部は、底壁部と、該底壁部における前記スワール流の下流側の周縁から立設された縦壁部とを有し、
前記縦壁部は、平面視において、前記第2凹部の径方向外側の端部に対応する位置から径方向内側かつ前記スワール流の下流側に向かって円弧状に延びるように形成されている、ディーゼルエンジン。 - 前記切欠き部は、周方向に互いに間隔を空けて複数形成されている、
請求項1に記載のディーゼルエンジン。 - 前記燃料噴射弁は、前記シリンダの中心軸方向視において径方向の中心に位置しており、放射状に燃料を噴射可能な複数の噴孔を有している、
請求項1又は2に記載のディーゼルエンジン。 - 前記燃料噴射弁は、前記キャビティの周縁部における前記切欠き部以外の部位である非切欠き部を指向するように燃料を噴射可能な噴孔を有している、
請求項1~3のいずれか1項に記載のディーゼルエンジン。 - 前記キャビティの壁面は、キャビティの中心側ほど前記燃料噴射弁に近づくように***した中央***部と、中央***部よりも径方向外側において断面視で径方向外側に凹入するように形成された周辺部と、周辺部と前記ピストンの冠面との間に形成されかつ断面視でピストンの径方向内側に突出するリップ部とを有し、
前記燃料噴射弁の噴孔は、前記ピストンが上死点にあるときの前記非切欠き部のうち前記リップ部と前記周辺部との境界近傍に対応する位置を指向するように形成されている、
請求項4に記載のディーゼルエンジン。
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