JP4906055B2 - 直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造 - Google Patents
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Description
本発明は、直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造に関するものである。
従来より、自動車のディーゼルエンジン等では、排気側から排気ガスの一部を抜き出して吸気側へと戻し、その吸気側に戻された排気ガスでエンジン内での燃料の燃焼を抑制させて燃焼温度を下げることによりＮＯxの発生を低減するようにした、いわゆる排気ガス再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）を採用したものがある。
図１６は排気ガスを再循環する機構を備えたディーゼルエンジンの一例を示すもので、ここに図示しているディーゼルエンジン１においては、排気ガス２が流通する排気通路３と吸気通路４との間がＥＧＲパイプ５により接続されており、このＥＧＲパイプ５の途中に備えたＥＧＲバルブ６を介し排気ガス２の一部を吸入空気７と一緒に再循環してディーゼルエンジン１の気筒内に送り込み、該気筒内での燃焼温度を下げてＮＯxの低減化を図るようにしてある。
また、ディーゼルエンジン１の各気筒の天井部（気筒天井部２３）に、燃料（軽油）を気筒内に噴射する多孔式のインジェクタ８が装備されていると共に、ピストン９の頂面には、燃焼室の大半を成すように窪むキャビティ１０が凹設されており、該キャビティ１０の内周面に対し前記インジェクタ８の先端部から燃料が放射状に噴射されて圧縮行程終期の高い気筒内温度により自己着火するようになっている。
前記キャビティ１０の詳細は図１７に示す通りであり、キャビティ１０の開口の外縁部を成す入口リップ部１１と、該入口リップ部１１から緩やかなＳ字カーブを描くように下降して前記入口リップ部１１より半径方向外側へ張り出す燃焼室壁面部１２と、該燃焼室壁面部１２から半径方向内側へ向かう緩やかな曲面を成す外側曲面部１３と、該外側曲面部１３の下端部全周からピストン中心Ｏに向け扁平な円錐状を成すセンターコーン１４とを備えて前記キャビティ１０が形成されるようになっている。
また、図１６のディーゼルエンジン１におけるインジェクタ８の噴射作動については、エンジン制御コンピュータ（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）を成す制御装置１５からの燃料噴射指令８ａにより制御されるようになっており、圧縮上死点近辺で前記インジェクタ８に燃料噴射指令８ａを出力して燃料を噴射せしめるようにしてある。
また、この制御装置１５には、アクセル開度をディーゼルエンジン１の負荷として検出するアクセルセンサ１６（負荷センサ）からのアクセル開度信号１６ａや、ディーゼルエンジン１の機関回転数を検出する回転センサ１７からの回転数信号１７ａ等が入力されており、各種のエンジン制御を実行するべくディーゼルエンジン１の運転状態が常に監視されるようになっている。
尚、図１６中における１８はクランクシャフト、１９は排気ポート、２０は排気弁、２１は吸気ポート、２２は吸気弁、２３は気筒天井部を示しており、該吸気弁２２及び前記排気弁２０は、図示しないエンジン駆動のカムシャフトに備えたカムによりプッシュロッドやロッカーアームを介して各気筒毎の行程に応じた適切なタイミングで開弁操作されるようになっている。
この種の直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造に関連する先行技術文献情報としては、例えば、下記の特許文献１や特許文献２等が既に提案されている状況にある。
特開平６−２１２９７３号公報
特開平７−１５０９４４号公報
しかしながら、図１６に示す如き従来の直噴式ディーゼルエンジンにおいて、排気ガス２の再循環によりＮＯxの低減化を図ることは、気筒内での燃焼不良により黒煙を発生してしまうこととトレードオフの関係にあるので、大幅なＮＯxの低減化を実現するべく単純に排気ガス２の再循環量を増やしてしまうと、黒煙の発生や燃費の悪化等といった問題を招いてしまうことになる。
そこで、本発明者らが図１７に示す如き既存の燃焼室構造に関し、燃料噴霧の拡散状況に着目して鋭意研究を続けたところ、図１８（クランク角８゜）、図１９（クランク角１２゜）、図２０（クランク角１６゜）、図２１（クランク角２０゜）、図２２（クランク角２４゜）に順を追って示している通り、低速運転時においては、燃料の噴射期間に対しピストン９の下降速度が遅いために該ピストン９が十分に下降する前に燃料噴射が終了してしまい、燃料噴霧の殆どがキャビティ１０内に噴射されて留まり、ここに燃料の濃い領域が局所的に形成されて黒煙が発生し易くなっているという事実を見いだした。尚、図中にＦで示す線図は、噴射燃料の濃度別分布の拡散状況を模式的に示したものであり、内側の分布領域ほど燃料の濃度が濃いことを示している。
他方、図２３（クランク角８゜）、図２４（クランク角２０゜）、図２５（クランク角２４゜）、図２６（クランク角２８゜）、図２７（クランク角４０゜）に順を追って示している通り、高速運転時においては、燃料の噴射期間に対しピストン９の下降速度が速いために該ピストン９が燃料噴射の前半から大きく下がり過ぎてしまい、燃料噴霧の殆どがキャビティ１０内に入らずにスキッシュエリアＳ（キャビティ１０周囲のピストン９の頂面と気筒天井部２３との間の領域）へ流れてライナ壁付近（スキッシュエリアＳの最外側部分）に留まり、ここに燃料の濃い領域が局所的に形成されて黒煙が発生し易くなっているという事実を見いだした。
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、排気ガスの再循環量を増やしても黒煙の発生や燃費の悪化を極力回避し得るようにした直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造を提供することを目的としている。
本発明は、ピストン頂面にキャビティを凹設し、該キャビティ内に気筒天井部の中心から燃料を放射状に噴射して自己着火せしめる直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造であって、キャビティの開口の外周部にピストン頂面に対し所要深さ窪んで段差を成す抉り部を設け、該抉り部の底面の外周部が曲面を描くように上昇してピストン頂面に到り且つ前記抉り部の底面の内周部とキャビティの底面から立ち上がる燃焼室壁面部とによりピストン頂面から一段下がった位置に入口リップ部を形成し、前記抉り部の半径方向の幅寸法が入口リップ部の口径の９％以上で且つ１９％以下となり、ピストン頂面に対する入口リップ部の深さ寸法が該入口リップ部の口径の４．５％以上で且つ９．５％以下となるように構成すると共に、燃料噴射のノズルコーン角を１４０゜〜１６０゜の範囲とし、噴射期間の少なくとも初期に燃料噴霧が入口リップ部付近に吹き付けられるように構成したことを特徴とするものである。
而して、低速運転時においては、燃料の噴射期間に対しピストンの下降速度が遅いため、キャビティ内に気筒天井部の中心から放射状に燃料噴射を行うと、ピストンが十分に下降する前に燃料噴射が終了してしまうことになるが、ピストン頂面から一段下がった位置に入口リップ部が形成されているため、噴射期間の大半で燃料噴霧が入口リップ部付近に吹き付けられてキャビティ内に向かう流れと抉り部に向かう流れとに分配されることになる。
そして、抉り部側へ流れた燃料噴霧が半径方向外側に向かうにつれ曲面に案内されて上向きの流れを形成するので、この上向きの流れの形成とピストンの下降動作が相まって縦向き旋回の渦が抉り部の上側付近に発生し、この渦により半径方向内側への燃料噴霧の移動が促されると共に、前記の上向きの流れに残存する噴射の勢いで半径方向外側への燃料噴霧の移動も促され、スキッシュエリア内での良好な燃料噴霧の拡散が図られることになる。
他方、入口リップ部付近に吹き付けられてキャビティ側へ流れた燃料噴霧は、燃焼室壁面部に沿いキャビティの底面に下降して該底面に沿い半径方向内側へ向かう流れを形成し、この下降から半径方向内側へ向かう一連の流れの形成とピストンの下降動作が相まって縦向き旋回の渦がキャビティ内に発生し、この渦によりキャビティ内での燃料噴霧の拡散が促進されると共に、既に一部が抉り部側に流れ込んで量的に少なくなっていることから燃料噴霧が拡散し易くなり、キャビティ内に燃料の濃い領域が局所的に形成される虞れが回避される。
また、高速運転時においては、燃料の噴射期間に対しピストンの下降速度が速いため、キャビティ内に気筒天井部の中心から放射状に燃料噴射を行うと、ピストンが燃料噴射の前半から大きく下がり過ぎてしまうことになるが、ピストン頂面から一段下がった位置に入口リップ部が形成されているため、噴射期間の初期に燃料噴霧が入口リップ部付近に吹き付けられてキャビティ内に向かう流れと抉り部に向かう流れとに分配され、これ以降は燃料噴霧の大半が入口リップ部より上側の抉り部に吹き付けられて該抉り部の曲面により上向きの流れを形成し、この上向きの流れを挟むようにして半径方向内側と外側に互に逆向きの渦が発生し、これら各渦によりスキッシュエリア内での良好な燃料噴霧の拡散が図られるので、スキッシュエリアのライナ壁付近に燃料の濃い領域が局所的に形成される虞れが回避される。
他方、入口リップ部付近に吹き付けられてキャビティ側へ流れた燃料噴霧は、燃焼室壁面部に沿いキャビティの底面に下降して該底面に沿い半径方向内側へ向かう流れを形成し、この下降から半径方向内側へ向かう一連の流れの形成とピストンの下降とが相まって縦向き旋回の渦がキャビティ内に発生し、この渦によりキャビティ内での燃料噴霧の拡散が促進される。
上記した本発明の直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造によれば、低速運転時におけるキャビティ内に燃料の濃い領域が局所的に形成される虞れや、高速運転時におけるスキッシュエリアのライナ壁付近に燃料の濃い領域が局所的に形成される虞れを未然に回避することができ、しかも、燃焼室の広範囲に燃料噴霧を積極的に拡散させて良好に燃焼させることができるので、黒煙の発生や燃費の悪化を極力回避しながら排気ガスの再循環量を既存の直噴式ディーゼルエンジンで実現できなかったレベルまで増加することができ、従来よりも優れたＮＯxの低減効果を得ることができるという優れた効果を奏し得る。
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
図１〜図１５は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１６及び図１７と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。
先に図１６で説明した直噴式ディーゼルエンジン１に関し、本形態例においては、図１に示す如く、ピストン９の頂面に凹設されているキャビティ１０の開口の外周部に、ピストン９の頂面に対し所要深さだけ窪んで段差を成す抉り部２４を設け、該抉り部２４の底面の外周部が曲面を描くように上昇してピストン９の頂面に到り且つ前記抉り部２４の底面の内周部とキャビティ１０の底面から立ち上がる燃焼室壁面部１２とによりピストン９の頂面から一段下がった位置に入口リップ部１１が形成されるように構成してある。
ここで、入口リップ部１１より下方のキャビティ１０の形状は、先に図１７で説明した従来のキャビティ１０と略同様であり、入口リップ部１１から緩やかなＳ字カーブを描くように下降して前記入口リップ部１１より半径方向外側へ張り出す燃焼室壁面部１２と、該燃焼室壁面部１２から半径方向内側へ向かう緩やかな曲面を成す外側曲面部１３と、該外側曲面部１３の下端部全周からピストン中心Ｏに向け扁平な円錐状を成すセンターコーン１４とにより構成されている。
また、燃料（軽油）を気筒内に噴射する気筒天井部２３のインジェクタ８（図１６参照）から噴射される燃料噴射のノズルコーン角を１４０゜〜１６０゜の範囲に規定した場合、抉り部２４の半径方向の幅寸法Ｌが入口リップ部１１の口径ｄの９％以上で且つ１９％以下となるようにし、しかも、ピストン９の頂面に対する入口リップ部１１の深さ寸法ｈが該入口リップ部１１の口径ｄの４．５％以上で且つ９．５％以下となるようにしてあり、噴射期間の少なくとも初期に燃料噴霧が入口リップ部付近に吹き付けられるように構成してある。
而して、このように燃焼室構造を構成した場合、図２（クランク角８゜）、図３（クランク角１２゜）、図４（クランク角１６゜）、図５（クランク角２０゜）、図６（クランク角２４゜）に順を追って示している通り、低速運転時においては、燃料の噴射期間に対しピストン９の下降速度が遅いため、キャビティ１０内に気筒天井部２３の中心から放射状に燃料噴射を行うと、ピストン９が十分に下降する前に燃料噴射が終了してしまうことになるが、本形態例においては、ピストン９の頂面から一段下がった位置に入口リップ部１１が形成されているため、噴射期間の大半で燃料噴霧が入口リップ部１１付近に吹き付けられてキャビティ１０内に向かう流れと抉り部２４に向かう流れとに分配されることになる。
そして、抉り部２４側へ流れた燃料噴霧が半径方向外側に向かうにつれ曲面に案内されて上向きの流れを形成するので、この上向きの流れの形成とピストン９の下降動作が相まって縦向き旋回の渦が抉り部２４の上側付近に発生し、この渦により半径方向内側への燃料噴霧の移動が促されると共に、前記の上向きの流れに残存する噴射の勢いで半径方向外側への燃料噴霧の移動も促され、スキッシュエリアＳ（キャビティ１０周囲のピストン９の頂面と気筒天井部２３との間の領域）内での良好な燃料噴霧の拡散が図られることになる。
他方、入口リップ部１１付近に吹き付けられてキャビティ１０側へ流れた燃料噴霧は、燃焼室壁面部１２に沿いキャビティ１０の底面に下降して該底面に沿い半径方向内側へ向かう流れを形成し、この下降から半径方向内側へ向かう一連の流れの形成とピストン９の下降動作が相まって縦向き旋回の渦がキャビティ１０内に発生し、この渦によりキャビティ１０内での燃料噴霧の拡散が促進されると共に、既に一部が抉り部２４側に流れ込んで量的に少なくなっていることから燃料噴霧が拡散し易くなり、キャビティ１０内に燃料の濃い領域が局所的に形成される虞れが回避される。
また、図７（クランク角８゜）、図８（クランク角２０゜）、図９（クランク角２４゜）、図１０（クランク角２８゜）、図１１（クランク角４０゜）に順を追って示している通り、高速運転時においては、燃料の噴射期間に対しピストン９の下降速度が速いため、キャビティ１０内に気筒天井部２３の中心から放射状に燃料噴射を行うと、ピストン９が燃料噴射の前半から大きく下がり過ぎてしまうことになるが、ピストン９の頂面から一段下がった位置に入口リップ部１１が形成されているため、噴射期間の初期に燃料噴霧が入口リップ部１１付近に吹き付けられてキャビティ１０内に向かう流れと抉り部２４に向かう流れとに分配され、これ以降は燃料噴霧の大半が入口リップ部１１より上側の抉り部２４に吹き付けられて該抉り部２４の曲面により上向きの流れを形成し、この上向きの流れを挟むようにして半径方向内側と外側に互に逆向きの渦が発生し、これら各渦によりスキッシュエリアＳ内での良好な燃料噴霧の拡散が図られるので、スキッシュエリアＳのライナ壁付近（スキッシュエリアＳの最外側部分）に燃料の濃い領域が局所的に形成される虞れが回避される。
他方、入口リップ部１１付近に吹き付けられてキャビティ１０側へ流れた燃料噴霧は、燃焼室壁面部１２に沿いキャビティ１０の底面に下降して該底面に沿い半径方向内側へ向かう流れを形成し、この下降から半径方向内側へ向かう一連の流れの形成とピストン９の下降とが相まって縦向き旋回の渦がキャビティ１０内に発生し、この渦によりキャビティ１０内での燃料噴霧の拡散が促進される。
従って、上記形態例によれば、低速運転時におけるキャビティ１０内に燃料の濃い領域が局所的に形成される虞れや、高速運転時におけるスキッシュエリアＳのライナ壁付近に燃料の濃い領域が局所的に形成される虞れを未然に回避することができ、しかも、燃焼室の広範囲に燃料噴霧を積極的に拡散させて良好に燃焼させることができるので、黒煙の発生や燃費の悪化を極力回避しながら排気ガス２（図１６参照）の再循環量を既存の直噴式ディーゼルエンジンで実現できなかったレベルまで増加することができ、従来よりも優れたＮＯxの低減効果を得ることができる。
事実、本発明者らによる検証実験によれば、図１２及び図１３に低速運転の場合と高速運転の場合とをグラフで夫々示している通り、従来の燃焼室構造を採用した場合よりも、本形態例の燃焼室構造を採用した場合の方が、黒煙の発生と燃費の悪化の何れについても改善が認められた。
尚、図１２及び図１３においては、従来の燃焼室構造を採用した場合の実験結果を基準（１００％）として、本形態例の燃焼室構造を採用した場合の実験結果を百分率で相対評価したグラフとなっており、横軸ではＮＯx発生量を、上段の縦軸では黒煙発生量を、下段の縦軸では所定の出力を出すのに必要な燃料消費量を評価したものとなっている。
更に、本形態例において、燃料噴射のノズルコーン角を１４０゜〜１６０゜の範囲に規定し、抉り部２４の半径方向の幅寸法Ｌが入口リップ部１１の口径ｄの９％以上で且つ１９％以下となるようにし、しかも、ピストン９の頂面に対する入口リップ部１１の深さ寸法ｈが該入口リップ部１１の口径ｄの４．５％以上で且つ９．５％以下となるようにしている意義につき以下に詳述する。
図１４にグラフで示す如く、燃料噴射のノズルコーン角を１４０゜〜１６０゜の範囲に規定した条件下で低速運転に関して幅寸法Ｌの口径ｄに対する割合を０％から大きくしていくと、９％以上となった時に黒煙低減効果が顕著であることが確認された。
これは、抉り部２４の幅寸法Ｌが大きくなることによって、酸素が多く存在しているスキッシュエリアＳ（気筒の外周側の方が内周側よりも体積が大きい分だけ酸素も多い）へ燃料噴霧が拡散し易くなって空気利用率が向上する結果、煤の再酸化が促進されて黒煙の発生が著しく抑制されるものと考えられる。
ただし、高速運転に関しては、幅寸法Ｌの口径ｄに対する割合が２１％以上となったところで急激に黒煙低減効果が低下することが確認されており、これは、抉り部２４の幅寸法Ｌが大きくなり過ぎて燃料噴霧がライナ壁に到達するようになってしまったためであると考えられる。
而して、これらの実験結果を総合的に勘案すると、抉り部２４の半径方向の幅寸法Ｌを入口リップ部１１の口径ｄの９％以上で且つ１９％以下となるように範囲規定するのが最適であると結論づけられ、この範囲であれば、低速運転時と高速運転時の両方で顕著な黒煙低減効果が得られることになる。
他方、図１５にグラフで示す如く、燃料噴射のノズルコーン角を１４０゜〜１６０゜の範囲に規定した条件下で低速運転に関して深さ寸法ｈの口径ｄに対する割合を０％から大きくしていくと、約４．５〜１２％の間で黒煙低減効果が顕著であることが確認された。
これは、入口リップ部１１の深さ寸法ｈが大きくなることによって、酸素が多く存在しているスキッシュエリアＳへ燃料噴霧が拡散し易くなって空気利用率が向上する結果、煤の再酸化が促進されて黒煙の発生が著しく抑制されるものと考えられる。
ただし、高速運転に関しては、深さ寸法ｈの口径ｄに対する割合が低速運転の場合と同じ４．５％以上となったあたりから黒煙低減効果が顕著となるものの、１０％以上となったところで急激に黒煙低減効果が低下することが確認されており、これは、入口リップ部１１の深さ寸法ｈが大きくなり過ぎて抉り部２４の容積が過剰に増え、燃焼室形状により生成されるべき空気流動（スキッシュ）が低下したためであると考えられる。
而して、これらの実験結果を総合的に勘案すると、入口リップ部１１の口径ｄの４．５％以上で且つ９．５％以下となるように範囲規定するのが最適であると結論づけられ、この範囲であれば、低速運転時と高速運転時の両方で顕著な黒煙低減効果が得られることになる。
更に、付言しておくと、燃料噴射のノズルコーン角を１４０゜〜１６０゜の範囲に条件付けした上で、幅寸法Ｌの口径ｄに対する割合と、深さ寸法ｈの口径ｄに対する割合とを範囲規定しているのは、現状のディーゼルエンジン１における一般的なノズルコーン角が約１５５゜程度であることに鑑み、将来的にも１４０゜〜１６０゜の範囲でノズルコーン角を変更することが有り得るからである。
特に、近年においては、ＮＯx発生を抑制する観点から燃料の噴射時期を遅らせる傾向にあり、このように燃料の噴射時期を遅らせれば、ピストン９の下降による圧力降下により燃焼温度が抑制されてＮＯx発生が抑制されることになるが、燃料の吹き終わりがクランク角で見て遅くなり、特に高速運転時に燃料噴射がライナ壁に直撃してオイル膜の希釈等の不具合を起こし易くなるため、斯かる燃料噴射のライナ壁への直撃を回避し得るようノズルコーン角を従来より小さく絞ることが考えられており、１４０゜付近までは絞り込まれる可能性があると想定されている。
また、このように燃料噴射のノズルコーン角を現状より小さく絞り込んだ場合に、従来の燃焼室構造を採用したままでは、その低速運転時における燃料噴霧の殆どがキャビティ１０内に偏る傾向が益々顕著となることが明らかであり、ＮＯx低減のために燃料噴射のノズルコーン角を現状より小さく絞り込む場合に、本形態例の如き燃焼室構造を採用する意義が更に高くなることは言うまでもない。
尚、本発明の直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、図示している例では、入口リップ部から緩やかなＳ字カーブを描くように下降して前記入口リップ部より半径方向外側へ張り出す燃焼室壁面部としたリエントラント型のキャビティで例示しているが、燃焼室壁面部が入口リップ部と同じ口径のまま鉛直方向に延びるようにしたトロイダル型のキャビティであっても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
１ ディーゼルエンジン
９ ピストン
１０ キャビティ
１１ 入口リップ部
１２ 燃焼室壁面部
２３ 気筒天井部
２４ 抉り部
Ｌ 抉り部の半径方向の幅寸法
ｄ 入口リップ部の口径
ｈ ピストン頂面に対する入口リップ部の深さ寸法
９ ピストン
１０ キャビティ
１１ 入口リップ部
１２ 燃焼室壁面部
２３ 気筒天井部
２４ 抉り部
Ｌ 抉り部の半径方向の幅寸法
ｄ 入口リップ部の口径
ｈ ピストン頂面に対する入口リップ部の深さ寸法
Claims (1)
- ピストン頂面にキャビティを凹設し、該キャビティ内に気筒天井部の中心から燃料を放射状に噴射して自己着火せしめる直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造であって、キャビティの開口の外周部にピストン頂面に対し所要深さ窪んで段差を成す抉り部を設け、該抉り部の底面の外周部が曲面を描くように上昇してピストン頂面に到り且つ前記抉り部の底面の内周部とキャビティの底面から立ち上がる燃焼室壁面部とによりピストン頂面から一段下がった位置に入口リップ部を形成し、前記抉り部の半径方向の幅寸法が入口リップ部の口径の９％以上で且つ１９％以下となり、ピストン頂面に対する入口リップ部の深さ寸法が該入口リップ部の口径の４．５％以上で且つ９．５％以下となるように構成すると共に、燃料噴射のノズルコーン角を１４０゜〜１６０゜の範囲とし、噴射期間の少なくとも初期に燃料噴霧が入口リップ部付近に吹き付けられるように構成したことを特徴とする直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造。
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