JP4767775B2 - 燃料直噴ディーゼルエンジン - Google Patents

Description

本発明は、頂面の高さが円周方向に変化するピストンと、前記ピストンの中央部に凹設されたキャビティ内の円周方向の複数位置を指向して燃料を噴射するフュエルインジェクタとを備えた燃料直噴ディーゼルエンジンに関する。

一般的に燃料直噴ディーゼルエンジンのピストンの頂面は平坦に形成されているが、ピストンの頂面をペントルーフ状に突出させた燃料直噴ディーゼルエンジンが、下記特許文献１により公知である。

この燃料直噴ディーゼルエンジンは、ペントルーフ型のピストンの頂面に凹設したキャビティの周壁部の高さが円周方向に変化するため、その周壁部の高さに応じてフュエルインジェクタからの燃料の上下の噴射方向を設定し、これによりキャビティからの火炎のはみ出しを防止するようになっている。具体的には、周壁部が低くなる場合には当該噴射方向を低く設定し、周壁部が高くなる場合には当該噴射方向を高く設定している。

前記キャビティの周壁部はピストン中心軸と平行な円筒面であり、フュエルインジェクタから異なる噴射角で噴射された燃料は前記円筒面においてキャビティの周壁部に衝突するため、噴射された燃料がキャビティの周壁部に衝突する衝突角（燃料噴射軸と衝突点におけるキャビティの接線とが成す角であって、キャビティの開口側の角）は燃料の噴射角だけで決まることになる。
実開昭６２−５２２３２号公報

ところで、ペントルーフ型ピストンを備えた燃料直噴ディーゼルエンジンにおいて、フュエルインジェクタから噴射された燃料が衝突するキャビティの周壁部がピストン中心軸に対して成す角度が円周方向に一定であると、ピストンの頂面とキャビティの周壁部とが成す角度がピストンの頂面の高さが低くなるに従って小さくなるため、キャビティを出入りする気流の流路形状に差が生じて燃料および空気の混合が不均一になる虞がある。

そこで、キャビティの周壁部の角度を円周方向に変化させることが考えられるが、キャビティの開口を狭めるように該キャビティの周壁部を傾斜させた場合、狭められたキャビティの開口縁の先端部（リップ部）が肉薄になって熱負荷が高くなるという問題がある。また前記リップ部により燃料がキャビティの外部に流出し難くなるため、キャビティの外部の空気の有効利用が図れなくなるという問題もある。このため、ピストンの頂面の高さが低くなるに従って、キャビティの周壁部を該キャビティの開口を拡開する方向に傾斜させることが考えれる。

また円筒面で構成されたキャビティの周壁部に燃料が衝突すると衝突角が鋭角になるため、反射した燃料がキャビティの底壁部にこもり易くなり、その燃料がキャビティの開口側に存在する空気と効果的に混合されないという問題がある。燃料の衝突角を鈍角にして燃料をキャビティの開口側に反射させ、キャビティの開口側に存在する空気を有効に利用するために、キャビティの円筒状の周壁部の下方に連なる曲壁部に燃料を衝突させることが考えられる。

ところが、ピストン中心軸に対するキャビティの周壁部の角度を円周方向に変化させる場合や、燃料をキャビティの曲壁部に衝突させる場合においては、燃料の衝突角は噴射角だけでは決まらず、ピストン中心軸に対するキャビティの周壁部の角度やキャビティの曲壁部の湾曲度合いに依存することになる。この場合、上述とは逆に燃料の衝突角が過大になると、燃料がキャビティの開口側に強く反射されてキャビティから燃料や火炎が流出し易くなり、スモークの増加や、それに伴うエンジン出力の低下を招く問題がある。

つまり、ピストン中心軸に対するキャビティの周壁部の角度を円周方向に変化させる場合や、燃料をキャビティの曲壁部に衝突させる場合においては、上記特許文献１に記載されているように周壁部が低くなる場合には当該噴射方向を低く設定し、周壁部が高くなる場合には当該噴射方向を高く設定するだけでは、キャビティの円周方向の全ての方向で燃料および空気を的確に混合することはできない。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、ペントルーフ型ピストンを備えた燃料直噴ディーゼルエンジンにおいて、キャビティの円周方向の全ての方向で燃料および空気を的確に混合できるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、頂面の高さが円周方向に変化するピストンと、前記ピストンの中央部に凹設されたキャビティ内の円周方向の複数位置を指向して燃料を噴射するフュエルインジェクタとを備えた燃料直噴ディーゼルエンジンにおいて、前記ピストンの頂面の高さが低い方向における前記キャビティの周壁部が径方向外側に向かって開口するように傾斜しており、前記ピストンの頂面の高さが低い方向に噴射される燃料がキャビティに衝突する衝突角よりも、前記ピストンの頂面の高さが高い方向に噴射される燃料がキャビティに衝突する衝突角を大きく設定したことを特徴とする燃料直噴ディーゼルエンジンが提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、頂面の高さが円周方向に変化するピストンと、前記ピストンの中央部に凹設されたキャビティ内の円周方向の複数位置を指向して燃料を噴射するフュエルインジェクタとを備えた燃料直噴ディーゼルエンジンにおいて、前記複数位置のうちの少なくとも一つが前記キャビティの周壁部および底壁部を接続する曲壁部上に存在し、前記ピストンの頂面の高さが低い方向に噴射される燃料がキャビティに衝突する衝突角よりも、前記ピストンの頂面の高さが高い方向に噴射される燃料がキャビティに衝突する衝突角を大きく設定したことを特徴とする燃料直噴ディーゼルエンジンが提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項１または請求項２の構成に加えて、 ピストン中心軸に対して前記フュエルインジェクタの複数の燃料噴射方向が成す角度が等しいことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の燃料直噴ディーゼルエンジンが提案される。

また請求項４に記載された発明によれば、請求項１〜請求項３の何れか１項の構成に加えて、前記複数位置における燃料の衝突角の最小値が９０°よりも小さいことを特徴とする燃料直噴ディーゼルエンジンが提案される。

また請求項５に記載された発明によれば、請求項１〜請求項４の何れか１項の構成に加えて、前記複数位置における燃料の衝突角の最大値が９０°よりも大きいことを特徴とする燃料直噴ディーゼルエンジンが提案される。

請求項１の構成によれば、ピストンの頂面の高さが低い方向に噴射される燃料がキャビティに衝突する衝突角よりも、ピストンの頂面の高さが高い方向に噴射される燃料がキャビティに衝突する衝突角を大きく設定したので、頂面の高さが高い方向ではキャビティに衝突した燃料を上向きに反射し易くし、高さが高いキャビティの開口近傍に存在する豊富な空気と混合させて効果的に燃焼させるとともに、頂面の高さが低い方向ではキャビティに衝突した燃料が上向きに反射し難くし、高さが低いキャビティの開口から燃料や火炎が流出するのを抑制して効果的に燃焼させることで、エンジンの出力の向上と排気有害物質の低減とを可能にすることができる。しかもピストンの頂面の高さが低い方向におけるキャビティの周壁部が径方向外側に向かって開口するように傾斜しているので、その周壁部の上端がキャビティの開口に連なる部分が薄肉のリップ形状になるのを防止して熱負荷を軽減することができる。

また請求項２に記載された発明によれば、ピストンの頂面の高さが低い方向に噴射される燃料がキャビティに衝突する衝突角よりも、ピストンの頂面の高さが高い方向に噴射される燃料がキャビティに衝突する衝突角を大きく設定したので、頂面の高さが高い方向ではキャビティに衝突した燃料を上向きに反射し易くし、高さが高いキャビティの開口近傍に存在する豊富な空気と混合させて効果的に燃焼させるとともに、頂面の高さが低い方向ではキャビティに衝突した燃料が上向きに反射し難くし、高さが低いキャビティの開口から燃料や火炎が流出するのを抑制して効果的に燃焼させることで、エンジンの出力の向上と排気有害物質の低減とを可能にすることができる。しかもフュエルインジェクタから噴射した燃料が衝突する複数位置のうちの少なくとも一つが、キャビティの周壁部および底壁部を接続する曲壁部上に存在するので、その曲壁部の形状を変化させるだけで衝突角の設定を容易に行うことができる。

また請求項３の構成によれば、ピストン中心軸に対してフュエルインジェクタの複数の燃料噴射方向が成す角度を等しく設定したので、フュエルインジェクタの構造を簡素化してコストダウンに寄与することができる。

また請求項４の構成によれば、フュエルインジェクタから噴射された燃料が衝突するキャビティの何れかの位置で燃料の衝突角を９０°よりも小さく設定することで、衝突した燃料をキャビティの底部に向けて反射させ、混合気や火炎がキャビティの開口から流出するのを抑制して混合気の有効な燃焼を可能にすることができる。

また請求項５の構成によれば、フュエルインジェクタから噴射された燃料が衝突するキャビティの何れかの位置で燃料の衝突角を９０°よりも大きく設定することで、衝突した燃料をキャビティの開口に向けて反射させ、前記開口付近の空気と効果的に混合させて有効に燃焼させることができる。

以下、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて説明する。

図１〜図８は本発明の実施の形態を示すもので、図１はディーゼルエンジンの要部縦断面図、図２は図１の２−２線矢視図、図３は図１の３−３線矢視図、図４はピストンの上部斜視図、図５は図３の５−５線断面図、図６は図３の６−６線断面図、図７は燃料の衝突角とエンジン出力との関連を示すグラフ、図８は燃料の二つの衝突角の大小関係とエンジン出力との関連を示すグラフである。

図１〜図３に示すように、燃料直噴型のディーゼルエンジンは、シリンダブロック１１に形成されたシリンダ１２に摺動自在に嵌合するピストン１３を備えており、ピストン１３はピストンピン１４およびコネクティングロッド１５を介して図示せぬクランクシャフトに接続される。シリンダブロック１１の上面に結合されるシリンダヘッド１６の下面に、ピストン１３の頂面に対向する２個の吸気バルブ孔１７，１７と、２個の排気バルブ孔１８，１８とが開口しており、吸気バルブ孔１７，１７に吸気ポ−ト１９が連通し、排気バルブ孔１８，１８に排気ポート２０が連通する。吸気バルブ孔１７，１７は吸気バルブ２１，２１で開閉され、排気バルブ孔１８，１８は排気バルブ２２，２２で開閉される。ピストン中心軸Ｌｐ上に位置するようにフュエルインジェクタ２３が設けられるとともに、フュエルインジェクタ２３に隣接するようにグロープラグ２４が設けられる。

図１および図４から明らかなように、ピストン１３の頂面と、そこに対向するシリンダヘッド１６の下面とは平坦ではなく断面三角形のペントルーフ状に傾斜しており、この形状により、吸気ポ−ト１９および排気ポート２０の湾曲度を小さくするとともに吸気バルブ孔１７，１７および排気バルブ孔１８，１８の直径を確保し、吸気効率および排気効率を高めることができる。

ピストン１３の頂面には、ピストン中心軸Ｌｐを中心とするキャビティ２５が凹設される。キャビティ２５の径方向外側には、ピストンピン１４と平行に直線状に延びる頂部１３ａ，１３ａから吸気側および排気側に向かって下向きに傾斜する一対の傾斜面１３ｂ，１３ｂと、傾斜面１３ｂ，１３ｂの下端近傍に形成されてピストン中心軸Ｌｐに直交する一対の平坦面１３ｃ，１３ｃと、頂部１３ａ，１３ａの両端を曲面状の切り欠いた一対の切欠き部１３ｄ，１３ｄとが形成される。

ピストン中心軸Ｌｐに配置されたフュエルインジェクタ２３は、ピストン中心軸Ｌｐ上の一点を中心として円周方向に６０°間隔で離間する６つの方向に燃料を噴射する。６本の燃料噴射軸のうちの２本の第１燃料噴射軸Ｌｉ１は、ピストン中心軸Ｌｐ方向に見てピストンピン１４の方向と平行であり、他の４本の第２燃料噴射軸Ｌｉ２は、ピストンピン１４の方向に対して６０°傾斜している。またピストン中心軸Ｌｐに直交する方向に見て、６本の第１、第２燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２は斜め下向きに傾斜しており、燃料の噴射角（コーン角）は第１、第２燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２の全てのについて一定の１２０°に設定される（図５および図６参照）。

図５はピストンピン１４に沿う方向、つまりフュエルインジェクタ２３の第１燃料噴射軸Ｌｉ１に沿う方向のピストン１３の縦断面である。この断面位置では、ピストン１３がその頂面の最も高い位置にある直線状の頂部１３ａ，１３ａに沿って切断されており、頂部１３ａ，１３ａの両端には下向きに傾斜した切欠き部１３ｄ，１３ｄが形成されている。頂部１３ａ，１３ａおよび切欠き部１３ｄ，１３ｄとシリンダヘッド１６の下面との間にスキッシュエリア２６が形成される。

ピストン中心軸Ｌｐを中心として形成されたキャビティ２５は、ピストン１３の頂面からピストン中心軸Ｌｐに沿って下向きに直線状に延びる周壁部２５ａと、周壁部２５ａの下端からピストン中心軸Ｌｐに向かってコンケーブ状に湾曲する曲壁部２５ｂと、曲壁部２５ｂの径方向内端からピストン中心軸Ｌｐに向かって斜め上方に直線状に延びる底壁部２５ｃと、ピストン中心軸Ｌｐで底壁部２５ｃの径方向内端に連なって上方にコンベックス状に湾曲する頂壁部２５ｄとで構成される。この断面位置での周壁部２５ａの方向ｔ１は、ピストン中心軸Ｌｐに対して平行である。

図５において、第１燃料噴射軸Ｌｉ１はキャビティ２５の曲壁部２５ｂを指向しており、第１燃料噴射軸Ｌｉ１上に噴射された燃料が曲壁部２５ｂに衝突する衝突点ａから上向きに延びる接線ｔ２と前記第１燃料噴射軸Ｌｉ１とが衝突角αとして定義される。本実施の形態では前記衝突角αは鈍角である１０６．７°に設定される。

図６はピストンピン１４に沿う方向から６０°ずれた方向、つまりフュエルインジェクタ２３の第２燃料噴射軸Ｌｉ２に沿う方向のピストン１３の縦断面である。この断面位置では、ピストン１３の頂面が前記図６よりも低い位置にある傾斜面１３ｂ，１３ｂおよび平坦面１３ｃ，１３ｃに沿って切断されている。傾斜面１３ｂ，１３ｂおよび平坦面１３ｃ，１３ｃとシリンダヘッド１６の下面との間にスキッシュエリア２６が形成される。ちなみに、ピストン１３の頂面が最も低くなるのは、ピストンピン１４に対して直交する方向の断面であるが、この断面位置には燃料噴射軸が存在していない。

図６の断面位置では、ピストン１３の頂面が低くなったことでキャビティ２５の形状が異なっている。図５の断面位置と比べて、頂壁部２５ｄの形状および底壁部２５ｃの形状は同じであるが、曲壁部２５ｂの形状は異なっており、また曲壁部２５ｂから上方に延びる周壁部２５ａはピストン中心軸Ｌｐと平行ではなく、径方向外側に傾斜している。即ち、ピストン１３の頂面が最も高くなるピストンピン１４に対して平行な断面（図５参照）を除く断面において、キャビティ２５の周壁部２５ａの方向ｔ１は上方の開口に向かって径方向外側に拡開している。

第２燃料噴射軸Ｌｉ２はキャビティ２５の曲壁部２５ｂを指向しており、第２燃料噴射軸Ｌｉ２上に噴射された燃料が曲壁部２５ｂに衝突する衝突点ｂから上向きに延びる接線ｔ２と前記第２燃料噴射軸Ｌｉ２との成す角が衝突角βとして定義される。本実施の形態では前記衝突角βは略直角の９１．６°に設定される。

衝突点ａ，ｂをキャビティ２５の周壁部２５ａおよび底壁部２５ｃを接続する曲壁部２５ｂ上に配置することで、その曲壁部２５ｂの形状を変化させるだけで衝突角α，βの設定を容易に行うことができる。またピストン１３の頂面の高さが低い方向におけるキャビティ２５の周壁部２５ａが径方向外側に向かって開口するように傾斜しているので、その周壁部２５ａの上端がキャビティ２５の開口に連なる部分が薄肉のリップ形状になるのを防止して熱負荷を軽減することができる。

以上のように、ピストン１３の頂面が最も高くなるピストンピン１４に対して平行な断面（図５参照）において、燃料の衝突角α（１０６．７°）は大きく設定され、ピストン１３の頂面がそれよりも低くなるピストンピン１４に対して傾斜する断面（図６参照）において、燃料の衝突角β（９１．６°）は前記衝突角αよりも小さく設定される。

図７のグラフは、横軸に燃料の衝突角をとり、縦軸に単気筒エンジンの４０００ｒｐｍでの最大出力を４気筒相当に換算したものをとったものである。実線はピストン１３の頂面が最も高くなるピストンピン１４に対して平行な断面（図５参照）に対応するもので、衝突角αが１２０°の近傍でエンジンの出力が最大になっている。破線はピストン１３の頂面がそれよりも低くなるピストンピン１４に対して６０°傾斜した断面（図６参照）に対応するもので、衝突角βが７５°近傍でエンジンの出力が最大になっている。

図８のグラフは、横軸に衝突角αをとり、縦軸に衝突角βをとって図７のグラフを書き直したものである。鎖線は衝突角α＝衝突角βのラインであり、そのラインの下側、つまりα＞βの領域で最大のエンジン出力である８８．８ｋｗが得られることが分かる。

そして図７のグラフから、ピストン１３の頂面の高さが高い方向で燃料の衝突角αは９０°よりも大（鈍角）であり、かつピストン１３の頂面の高さが低い方向で燃料の衝突角βは９０°よりも小（鋭角）であることが望ましいことが分かり、このように設定すればエンジン出力を効果的に向上させることができる。

ピストン１３の頂面の高さが高い方向で燃料の衝突角αを鈍角に設定するとエンジンの出力が向上する理由は、以下のように考えられる。即ち、ピストン１３の頂面の高さが高い方向ではキャビティ２５が深くなり、フュエルインジェクタ２３から噴射された燃料はキャビティ２５の深い位置に衝突して該キャビティ２５の底部に滞留し易くなり、キャビティ２５の開口付近に存在する空気が燃料と充分に混合せずに燃焼に有効に寄与しなくなる。そこで本実施の形態に如く、ピストン１３の頂面の高さが高い方向で燃料の衝突角αを鈍角に設定すれば、衝突点ａでキャビティ２５の曲壁部２５ｂに衝突した燃料の多くはキャビティ２５の開口に向かって上向きに反射し、キャビティ２５の開口付近に存在する空気と充分に混合して効率的に燃焼するからである。

またピストン１３の頂面の高さが低い方向で燃料の衝突角βを鋭角に設定すると、エンジンの出力が向上する理由は以下のように考えられる。即ち、ピストン１３の頂面の高さが低い方向ではキャビティ２５が浅くなり、フュエルインジェクタ２３から噴射された燃料はキャビティ２５の浅い位置に衝突して該キャビティ２５の開口付近に滞留し易くなり、混合気や該混合気が燃焼した火炎がキャビティ２５から流出して有効に燃焼しなくなる。そこで本実施の形態に如く、ピストン１３の頂面の高さが低い方向で燃料の衝突角βを直角ないし鋭角に設定すれば、衝突点ｂでキャビティ２５の曲壁部２５ｂに衝突した燃料の多くがキャビティ２５の開口に向かって上向きに反射するのが防止され、混合気や火炎がキャビティ２５内に保持されて効率的に燃焼するからである。

しかして、ピストン１３の頂面の高さが高い方向で燃料の衝突角αを大きく、好ましくは鈍角に設定し、ピストン１３の頂面の高さが低い方向で燃料の衝突角βを小さく、好ましくは鋭角に設定することで、キャビティ２５における混合気の燃焼状態を改善してエンジンの出力を向上させるとともに、排気有害物質の低減を図ることができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施の形態では第１燃料噴射軸Ｌｉ１がピストン１３の頂面の高さが最も高い方向を指向しているが、必ずしも前記最も高い方向を指向する必要はない。

また実施の形態ではフュエルインジェクタ２３が６０°間隔で離間する６つの方向に燃料を噴射しているが、燃料の噴射方向は６つの方向に限定されるものではない。

また実施の形態では複数の燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２の方向を全て等しく設定し、キャビティ２５の曲壁部２５ｂの形状を円周方向に変化させて衝突角α＞衝突角βを実現しているが、キャビティ２５の曲壁部２５ｂの形状を円周方向に等しく設定し、複数の燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２の方向を円周方向に変化させて衝突角α＞衝突角βを実現しても良い。勿論、キャビティ２５の曲壁部２５ｂの形状を円周方向に変化させ、かつ複数の燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２の方向を円周方向に変化させて衝突角α＞衝突角βを実現しても良い。但し、複数の燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２の方向を全て等しく設定した方が、フュエルインジェクタ２３のノズルの加工が容易になって製造コストの点で有利である。

ディーゼルエンジンの要部縦断面図 図１の２−２線矢視図 図１の３−３線矢視図 ピストンの上部斜視図 図３の５−５線断面図 図３の６−６線断面図 燃料の衝突角とエンジン出力との関連を示すグラフ 燃料の二つの衝突角の大小関係とエンジン出力との関連を示すグラフ

符号の説明

１３ ピストン
２３ フュエルインジェクタ
２５ キャビティ
２５ａ 周壁部
２５ｂ 曲壁部
２５ｃ 底壁部
α 衝突角
β 衝突角
Ｌｐ ピストン中心軸

Claims (5)

1. 頂面の高さが円周方向に変化するピストン（１３）と、前記ピストン（１３）の中央部に凹設されたキャビティ（２５）内の円周方向の複数方向を指向して燃料を噴射するフュエルインジェクタ（２３）とを備えた燃料直噴ディーゼルエンジンにおいて、
   前記ピストン（１３）の頂面の高さが低い方向における前記キャビティ（２５）の周壁部（２５ａ）が径方向外側に向かって開口するように傾斜しており、前記ピストン（１３）の頂面の高さが低い方向に噴射される燃料がキャビティ（２５）に衝突する衝突角（β）よりも、前記ピストン（１３）の頂面の高さが高い方向に噴射される燃料がキャビティ（２５）に衝突する衝突角（α）を大きく設定したことを特徴とする燃料直噴ディーゼルエンジン。
2. 頂面の高さが円周方向に変化するピストン（１３）と、前記ピストン（１３）の中央部に凹設されたキャビティ（２５）内の円周方向の複数位置を指向して燃料を噴射するフュエルインジェクタ（２３）とを備えた燃料直噴ディーゼルエンジンにおいて、
   前記複数位置のうちの少なくとも一つが前記キャビティ（２５）の周壁部（２５ａ）および底壁部（２５ｃ）を接続する曲壁部（２５ｂ）上に存在し、前記ピストン（１３）の頂面の高さが低い方向に噴射される燃料がキャビティ（２５）に衝突する衝突角（β）よりも、前記ピストン（１３）の頂面の高さが高い方向に噴射される燃料がキャビティ（２５）に衝突する衝突角（α）を大きく設定したことを特徴とする燃料直噴ディーゼルエンジン。
3. ピストン中心軸（Ｌｐ）に対して前記フュエルインジェクタ（２３）の複数の燃料噴射方向が成す角度が等しいことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の燃料直噴ディーゼルエンジン。
4. 前記複数位置における燃料の衝突角の最小値が９０°よりも小さいことを特徴とする、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の燃料直噴ディーゼルエンジン。
5. 前記複数位置における燃料の衝突角の最大値が９０°よりも大きいことを特徴とする、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の燃料直噴ディーゼルエンジン。
   

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