JP2017218902A - 直噴ディーゼルエンジンの燃焼室構造 - Google Patents

Abstract

【課題】燃費の悪化を抑制しつつ、筒内最高圧力を低下させることができる直噴ディーゼルエンジンの燃焼室構造を提供する。
【解決手段】シリンダ３内を往復移動するピストンヘッド４の頭頂面４ａに凹設されたキャビティ９に、燃料噴射ノズル８から燃料が噴射される直噴ディーゼルエンジンの燃焼室構造１である。キャビティ９は、環状に凹む環状凹部１０と、環状凹部１０の中央側において燃料噴射ノズル８に向けて突出する中央突起部１１と、を有する。中央突起部１１の頂面１１ａは、ピストンヘッド４が上死点の位置にある場合に、燃料噴射ノズル８から燃料の液柱長さの位置Ｅにおいて、燃料の噴霧角θの範囲内の領域である燃料噴霧領域Ｄと干渉する。
【選択図】図３

Description

本発明は、直噴ディーゼルエンジンの燃焼室構造に関する。

特許文献１には、ピストンヘッドの頂面に燃料が噴射されるキャビティを形成した直噴ディーゼルエンジンの燃焼室構造が記載されている。特許文献１に記載された技術では、キャビティ内に突起部を設けて、シリンダ中心線に直交する基準水平面に対して、突起部の傾斜面のなす角度を、噴霧燃料の下縁のなす角度よりも大きく設定している。これにより、噴霧燃料がキャビティ内の突起部と直接的に干渉するのを抑制することで、スモークやハイドロカーボンの排出量が増加することによる排気性能の低下を抑制している。

特開２００２−１４７２４０号公報

ところで、高Ｐｍｅ（正味平均有効圧力）化したエンジンでは、摩擦抵抗によるエネルギ損失（フリクションロス）の増加を防ぐため、筒内最高圧力（Ｐｍａｘ）を低下させることが望まれている。

この点、燃料の噴射時期を遅角することにより、筒内最高圧力を容易に低下させることができる。しかしながら、燃料の噴射時期を遅角すると、燃料が十分に燃え切らずに燃費が悪くなる可能性がある。なお、特許文献１に記載の技術は、噴霧燃料がキャビティ内の突起部と直接的に干渉するのを抑制するものであって、筒内最高圧力を低下させるものではない。

そこで、本発明は、燃費の悪化を抑制しつつ、筒内最高圧力を低下させることができる直噴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する。

本発明に係る直噴ディーゼルエンジンの燃焼室構造は、シリンダ内を往復移動するピストンヘッドの頭頂面に凹設されたキャビティに、燃料噴射ノズルから燃料が噴射される直噴ディーゼルエンジンの燃焼室構造であって、キャビティは、環状に凹む環状凹部と、環状凹部の中央側において燃料噴射ノズルに向けて突出する中央突起部と、を有し、中央突起部の頂面は、ピストンヘッドが上死点の位置にある場合に、燃料噴射ノズルから燃料の液柱長さの位置において、燃料の噴霧角の範囲内の領域である燃料噴霧領域と干渉する。

通常、燃料噴射ノズルから噴射された燃料は、液柱長さの位置までは液柱状となっているが、液柱長さの位置において分裂して霧状の噴霧燃料となる。そして、噴霧燃料に、圧縮昇温された筒内雰囲気が導入（混合）されることで着火する。これに対して、本発明に係る直噴ディーゼルエンジンの燃焼室構造では、前記中央突起部の頂面は、ピストンヘッドが上死点の位置にある場合に、燃料噴射ノズルから噴射された燃料の液柱長さの位置において、燃料の燃料噴霧領域と干渉する。その結果、液柱長さの位置における筒内雰囲気の噴霧への導入が抑制されることで、噴霧燃料の着火が遅れる。これにより、ピストンヘッドの下降がより進んだタイミングで噴霧燃料の着火が行われるため、筒内最高圧力が低下する。しかも、噴霧燃料の着火が遅れることで、噴霧燃料の大部分を、前記環状凹部において燃焼させることができるため、燃料の燃え切りが良くなって、燃費の悪化が抑制される。

なお、燃料の噴霧角は、広安の式において、筒内雰囲気密度、燃料噴射圧力、筒内雰囲気圧力、ノズル噴孔径、筒内雰囲気の粘性係数により求められる角度である。燃料の液柱長さは、燃料噴射ノズルから噴射された燃料噴霧（噴流）の液柱長さであって、広安の式において、燃料密度、筒内雰囲気密度、ノズル噴孔径により求められる液柱長さである。広安の式は、「ディーゼル噴霧の到達距離と噴霧角」（広安博之、新井雅隆：自動車技術会論文集、Ｎｏ．２１，１９８０、ｐｐ５−１１）の論文に記載された式である。

上記の直噴ディーゼルエンジンの燃焼室構造において、前記燃料噴霧領域は、エンジンの高負荷条件における燃料の噴霧角の範囲内の領域であってもよい。直噴ディーゼルエンジンでは、エンジンが高負荷になる程、雰囲気の密度が高くなるため、燃料噴射ノズルから噴射される燃料の噴霧角が大きくなる。その結果、圧縮昇温された筒内雰囲気が導入されやすくなって、噴霧燃料の着火が早まる。そこで、この直噴ディーゼルエンジンの燃焼室構造では、エンジンの高負荷条件において、液柱長さの位置において前記中央突起部の頂面が燃料噴霧領域と干渉することで、燃費の悪化を効果的に抑制しつつ、筒内最高圧力を効果的に低下させることができる。

また、上記の直噴ディーゼルエンジンの燃焼室構造において、前記中央突起部の頂面は、ピストンヘッドが上死点の位置にある場合に、液柱長さの位置よりも燃料噴射ノズル側から、燃料の燃料噴霧領域と干渉してもよい。この直噴ディーゼルエンジンの燃焼室構造では、前記中央突起部の頂面が液柱長さの位置よりも燃料噴射ノズル側から燃料噴霧領域と干渉するため、より確実に筒内雰囲気の噴霧への導入を抑制することができる。

また、上記の直噴ディーゼルエンジンの燃焼室構造において、前記中央突起部の頂面と、燃料の噴射軸線とは、平行であってもよい。この直噴ディーゼルエンジンの燃焼室構造では、中央突起部の頂面が燃料の噴射軸線と平行であるため、燃料噴射ノズルから液柱長さの位置までの区間において、燃料への最低限の雰囲気導入を確保しつつ、燃料噴霧への雰囲気導入を抑制することができる。これにより、液柱長さの位置において燃料を適切に分裂させることができるとともに、液柱長さの位置までに燃料が着火するのを抑制することができる。

また、上記の直噴ディーゼルエンジンの燃焼室構造において、前記ピストンヘッドの頭頂面と対向するシリンダの天面と、燃料噴霧領域の天面側の上端縁とは、平行であってもよい。この直噴ディーゼルエンジンの燃焼室構造では、シリンダの天面と燃料噴霧領域の天面側の上端縁とが平行であるため、シリンダの天面側から噴霧燃料に筒内雰囲気が導入されるのを抑制しつつ、燃料がシリンダの天面に付着することによるスモークやハイドロカーボンの発生を抑制することができる。

本発明によれば、燃費の悪化を抑制しつつ、筒内最高圧力を低下させることができる。

実施形態に係る直噴ディーゼルエンジンの燃焼室構造を示す概略断面図である。 ピストンヘッドの頭頂面を示す平面図である。 図１において燃料噴射ノズルから燃料が噴射されている状態を示す概略断面図である。 燃料噴射ノズルから噴射された燃料噴霧の形状を模式的に示す図である。

以下、実施形態に係る連節バスについて、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、実施形態に係る直噴ディーゼルエンジンの燃焼室構造を示す概略断面図である。図２は、ピストンヘッドの頭頂面を示す平面図である。なお、図１は、図２に示すＩ−Ｉ線における断面を示している。図１及び図２に示すように、実施形態に係る直噴ディーゼルエンジンの燃焼室構造１は、シリンダヘッド２に形成された円筒状のシリンダ３に、円筒状のピストンヘッド４がシリンダ３の中心軸線Ａに沿って往復移動可能に配設されている。そして、ピストンヘッド４の頭頂面４ａと、シリンダ３の周面３ａと、シリンダ３の頭頂面４ａと対向する天面３ｂと、によって燃焼室Ｂが画成される。ピストンヘッド４の頭頂面４ａは、中心軸線Ａと直交する平面状に形成されている。また、シリンダ３の天面３ｂは、中心軸線Ａと直交する平面状に形成されている。なお、ピストンヘッド４の頭頂面４ａ及びシリンダ３の天面３ｂは、エンジンの形式によっては、このような平面状に形成されていない場合もあるが、本実施形態では、このような平面状に形成されているものとして説明する。

シリンダヘッド５には、燃焼室Ｂに給気ガスを供給する吸気ポート（不図示）と、燃焼室Ｂから排気ガスを排出する排気ポート（不図示）と、が形成されている。また、シリンダヘッド５には、燃焼室Ｂに燃料Ｆを噴射する燃料噴射装置６が取り付けられている。燃料噴射装置６は、シリンダヘッド５に固定される固定部７と、燃焼室Ｂに燃料Ｆを噴射する燃料噴射ノズル８と、を備える。燃料噴射ノズル８は、中心軸線Ａ上において天面３ｂから燃焼室Ｂ側に突出している。なお、燃料噴射ノズル８は、エンジンの形式によっては、中心軸線Ａ以外の位置から突出している場合もあるが、本実施形態では、中心軸線Ａ上において突出しているものとして説明する。燃料噴射ノズル８には、燃料Ｆが噴射される複数の噴孔８ａが形成されている。噴孔８ａは、例えば、中心軸線Ａ周りに等間隔で６個形成される。噴孔８ａから噴射される燃料Ｆの噴射方向については、後述する。

頭頂面４ａには、燃料噴射ノズル８から燃料Ｆが噴射されるキャビティ９が凹設されている。キャビティ９は、環状に凹む環状凹部１０と、環状凹部１０の中央側において燃料噴射ノズル８に向けて突出する中央突起部１１と、を有する。なお、キャビティ９では、中央突起部１１が形成される空間よりも、環状凹部１０が形成される空間の方が、広い空間となっている。環状凹部１０は、中心軸線Ａを中心とした環状に形成されている。環状凹部１０の凹形状は、図に示された形状に限定されるものではなく、様々な凹形状とすることができる。中央突起部１１は、センターコーンとも呼ばれる。中央突起部１１の頂面１１ａは、環状凹部１０に対する中央突起部１１の突出方向における先端面であって、天面３ｂ側に向けられる面である。頂面１１ａは、中心軸線Ａを頂点とした円錐状に形成されている。つまり、頂面１１ａは、中心軸線Ａから離れるに従いシリンダ３の天面３ｂから離れていくように、中心軸線Ａを通る断面が直線となる円錐状に形成されている。

ここで、図３及び図４を参照して、燃料噴射ノズル８から噴射される燃料Ｆの状態について説明する。図３は、図１において燃料噴射ノズルから燃料が噴射されている状態を示す概略断面図である。図４は、燃料噴射ノズルから噴射された燃料噴霧の形状を模式的に示す図である。図３及び図４に示すように、燃料噴射ノズル８から噴射される燃料Ｆの噴射方向、つまり燃料Ｆの噴射軸線Ｃは、平面視では、燃料噴射ノズル８を中心とした放射方向となる。また、噴射軸線Ｃは、平面視（中心軸線Ａを通る断面）では、噴孔８ａを通るとともに中心軸線Ａと直交する基準水平面に対してピストンヘッド４側（シリンダ３の天面３ｂとは反対側）に傾斜した方向となる。

燃料噴射ノズル８から噴射される燃料Ｆの噴霧領域は、理想的には、噴射軸線Ｃを中心として燃料噴射ノズル８から離れるに従い広がる円錐状の燃料噴霧領域Ｄとなる。燃料噴霧領域Ｄは、燃料Ｆの噴霧角θの範囲内の領域である。燃料Ｆの噴霧角θは、広安の式において、筒内雰囲気密度、燃料噴射圧力、筒内雰囲気圧力、ノズル噴孔径、筒内雰囲気の粘性係数により求められる角度である。広安の式は、「ディーゼル噴霧の到達距離と噴霧角」（広安博之、新井雅隆：自動車技術会論文集、Ｎｏ．２１，１９８０、ｐｐ５−１１）の論文に記載された式である。具体的には、噴霧角θは、以下の式（１）により求められる。

式（１）において、ρ_ａは燃焼室Ｂにおける筒内雰囲気の密度［ｋｇ／ｍ^３］、Ｐ_０は燃料Ｆの噴射圧力［Ｐａ］、Ｐ_ａは燃焼室Ｂにおける筒内雰囲気の圧力［Ｐａ］、ΔＰはＰ_０からＰａを引いた圧力（Ｐ_０−Ｐ_ａ）［Ｐａ］、ｄ_０は燃料噴射ノズル８の各噴孔８ａの噴孔径（ｍ）、μ_ａは燃焼室Ｂにおける筒内雰囲気の粘性係数［Ｐａ・ｓ］である。

このように、燃料噴射ノズル８から噴射された燃料Ｆは、理想的には、燃料噴霧領域Ｄに噴霧されるが、実際には、燃料噴射ノズル８から燃料Ｆの液柱長さＬ_ｂの位置Ｅまでは液柱状の液柱燃料Ｆ１となる。以下では、燃料噴射ノズル８から燃料Ｆの液柱長さＬ_ｂの位置Ｅを、単に、液柱長さの位置Ｅともいう。そして、液柱長さの位置Ｅにおいて、液柱燃料Ｆ１が分裂して、燃料噴霧領域Ｄに噴霧される霧状の噴霧燃料Ｆ２となる。なお、実際には、液柱長さの位置Ｅよりも燃料噴射ノズル８側から液柱燃料Ｆ１の分裂が開始される。

燃料Ｆの液柱長さＬ_ｂは、広安の式において、燃料密度、筒内雰囲気密度、ノズル噴孔径により求められる液柱長さＬ_ｂである。広安の式は、上記の噴霧角θと同様に、「ディーゼル噴霧の到達距離と噴霧角」（広安博之、新井雅隆：自動車技術会論文集、Ｎｏ．２１，１９８０、ｐｐ５−１１）の論文に記載された式である。具体的には、液柱長さＬ_ｂは、以下の式（２）により求められる。

式（２）において、αはＬｅｖｉｃｈの理論による微粒化（分裂）が開始されるまでの距離の実験による補正係数、ρ_ｌは燃料Ｆの密度［ｋｇ／ｍ^３］、ρ_ａは燃焼室Ｂにおける筒内雰囲気の密度［ｋｇ／ｍ^３］、ｄ_０は燃料噴射ノズル８の各噴孔８ａの噴孔径（ｍ）である。

そして、通常は、燃料噴射ノズル８から液柱長さの位置Ｅにおいて、ピストンヘッド４の上昇により圧縮昇温された筒内雰囲気が噴霧燃料Ｆ２に導入（混合）されることで、噴霧燃料Ｆ２が着火して燃焼が開始される。

そこで、本実施形態では、燃料噴射ノズル８から液柱長さの位置Ｅにおいて、中央突起部１１の頂面１１ａにより、噴霧燃料Ｆ２に筒内雰囲気が導入されるのを阻害することで、噴霧燃料Ｆ２の着火を遅らせる。

具体的に説明すると、中央突起部１１の頂面１１ａは、ピストンヘッド４が上死点の位置にある場合に、燃料噴射ノズル８から液柱長さの位置Ｅにおいて、燃料噴霧領域Ｄと干渉する。つまり、頂面１１ａは、液柱長さの位置Ｅにおいて、燃料噴霧領域Ｄと干渉するように形成されている。燃料噴射ノズル８から液柱長さの位置Ｅは、噴射軸線Ｃにおける位置だけではなく、燃料噴霧領域Ｄの全角度範囲における位置をいう。そして、液柱長さの位置Ｅは、頂面１１ａの環状凹部１０側の先端に位置してもよく、頂面１１ａの環状凹部１０側の先端よりも中心軸線Ａ側に位置してもよい。後者の場合、頂面１１ａが円錐状である本実施形態においては、液柱長さの位置Ｅから頂面１１ａの環状凹部１０側の先端までの全区間において、燃料噴霧領域Ｄと干渉する。

ところで、燃料Ｆの噴霧角θは、エンジンの負荷条件によって変動する。具体的には、エンジンが高負荷になる程、筒内雰囲気の密度が高くなるため、燃料Ｆの噴霧角θが大きくなる。その結果、エンジンが中負荷又は軽負荷である場合に比べて、圧縮昇温された筒内雰囲気が導入されやすくなって、噴霧燃料Ｆ２の着火が早まる。そこで、本実施形態では、上述した燃料噴霧領域Ｄは、エンジンの高負荷条件における燃料Ｆの噴霧角θの範囲内の領域であるものとする。エンジンの高負荷条件とは、設定回転数における最大トルクの８０％以上のトルクを必要とする条件をいう。設定回転数は、例えば、最大トルクを発生するエンジン回転数である。

また、頂面１１ａが燃料噴霧領域Ｄと干渉し始める位置は、液柱長さの位置Ｅよりも燃料噴射ノズル８側であってもよい。つまり、中央突起部１１の頂面１１ａは、ピストンヘッド４が上死点の位置にある場合に、液柱長さの位置Ｅよりも燃料噴射ノズル８側から、燃料噴霧領域Ｄと干渉する。この場合であっても、ピストンヘッド４が上死点の位置にある場合に、中央突起部１１の頂面１１ａは、液柱長さの位置Ｅにおいて、燃料噴霧領域Ｄと干渉する。

また、中央突起部１１の頂面１１ａは、必ずしも円錐状である必要はないが、頂面１１ａが円錐状である場合は、中央突起部１１の頂面１１ａと燃料Ｆの噴射軸線Ｃとは、平行であることが好ましい。また、シリンダ３の天面３ｂは、必ずしも平面状である必要はないが、天面３ｂが平面状である場合は、シリンダ３の天面３ｂと燃料噴霧領域Ｄの天面３ｂ側の上端縁Ｄ１とは、平行であることが好ましい。

このように、本実施形態に係る直噴ディーゼルエンジンの燃焼室構造１では、中央突起部１１の頂面１１ａは、ピストンヘッド４が上死点の位置にある場合に、燃料噴射ノズル８から液柱長さの位置Ｅにおいて、燃料Ｆの燃料噴霧領域Ｄと干渉する。その結果、液柱長さの位置Ｅにおける筒内雰囲気の噴霧への導入が抑制されることで、噴霧燃料Ｆ２の着火が遅れる。これにより、ピストンヘッド４の下降がより進んだタイミングで噴霧燃料Ｆ２の着火が行われるため、筒内最高圧力が低下する。しかも、噴霧燃料Ｆ２の着火が遅れることで、噴霧燃料Ｆ２の大部分を、環状凹部１０において燃焼させることができるため、燃料Ｆの燃え切りが良くなって、燃費の悪化が抑制される。

また、エンジンの高負荷条件における燃料Ｆの噴霧角θの範囲内の領域を燃料噴霧領域Ｄとし、エンジンの高負荷条件において、液柱長さの位置Ｅにおいて中央突起部１１の頂面１１ａが燃料噴霧領域Ｄと干渉することで、燃費の悪化を効果的に抑制しつつ、筒内最高圧力を効果的に低下させることができる。

また、中央突起部１１の頂面１１ａが液柱長さの位置Ｅよりも燃料噴射ノズル８側から燃料噴霧領域Ｄと干渉することで、より確実に筒内雰囲気の噴霧への導入を抑制することができる。

また、中央突起部１１の頂面１１ａが燃料Ｆの噴射軸線Ｃと平行であるため、燃料噴射ノズル８から液柱長さの位置Ｅまでの区間において、燃料Ｆへの最低限の雰囲気導入を確保しつつ、燃料Ｆへの雰囲気導入を抑制することができる。これにより、液柱長さの位置Ｅにおいて燃料Ｆを適切に分裂させることができるとともに、液柱長さの位置Ｅまでに燃料Ｆが着火するのを抑制することができる。

また、シリンダ３の天面３ｂと燃料噴霧領域Ｄの天面３ｂ側の上端縁Ｄ１とが平行であるため、シリンダ３の天面３ｂ側から噴霧燃料Ｆ２に筒内雰囲気が導入されるのを抑制しつつ、燃料Ｆがシリンダ３に付着することによるスモークやハイドロカーボンの発生を抑制することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用してもよい。例えば、上記実施形態では、中央突起部の頂面は、中心軸線Ａを通る断面が直線となる円錐状であるものとして説明したが、例えば、中心軸線Ａを通る断面が凸曲線又は凹曲線となるお椀形状であってもよい。

１…直噴ディーゼルエンジンの燃焼室構造、２…シリンダヘッド、３…シリンダ、３ａ…周面、３ｂ…天面、４…ピストンヘッド、４ａ…頭頂面、５…シリンダヘッド、６…燃料噴射装置、７…固定部、８…燃料噴射ノズル、８ａ…噴孔、９…キャビティ、１０…環状凹部、１１…中央突起部、１１ａ…頂面、Ａ…中心軸線、Ｂ…燃焼室、Ｃ…噴射軸線、Ｄ…燃料噴霧領域、Ｄ１…上端縁、Ｅ…液柱長さの位置、Ｆ…燃料、Ｆ１…液柱燃料、Ｆ２…噴霧燃料、θ…噴霧角。

Claims (5)

1. シリンダ内を往復移動するピストンヘッドの頭頂面に凹設されたキャビティに、燃料噴射ノズルから燃料が噴射される直噴ディーゼルエンジンの燃焼室構造であって、
   前記キャビティは、
   環状に凹む環状凹部と、
   前記環状凹部の中央側において前記燃料噴射ノズルに向けて突出する中央突起部と、を有し、
   前記中央突起部の頂面は、前記ピストンヘッドが上死点の位置にある場合に、前記燃料噴射ノズルから前記燃料の液柱長さの位置において、前記燃料の噴霧角の範囲内の領域である燃料噴霧領域と干渉する、
   直噴ディーゼルエンジンの燃焼室構造。
2. 前記燃料噴霧領域は、エンジンの高負荷条件における前記燃料の噴霧角の範囲内の領域である、
   請求項１に記載の直噴ディーゼルエンジンの燃焼室構造。
3. 前記中央突起部の頂面は、前記ピストンヘッドが上死点の位置にある場合に、前記液柱長さの位置よりも前記燃料噴射ノズル側から、前記燃料の燃料噴霧領域と干渉する、
   請求項１又は２に記載の直噴ディーゼルエンジンの燃焼室構造。
4. 前記中央突起部の頂面と、前記燃料の噴射軸線とは、平行である、
   請求項１〜３の何れか一項に記載の直噴ディーゼルエンジンの燃焼室構造。
5. 前記頭頂面と対向する前記シリンダの天面と、前記燃料噴霧領域の前記天面側の上端縁とは、平行である、
   請求項１〜４の何れか一項に記載の直噴ディーゼルエンジンの燃焼室構造。

Images