JP2007120353A - 圧縮着火内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 通常燃焼時の燃料の噴射角と予混合燃焼時に予混合気を形成するために燃料を噴射するときの燃料の噴射角とが同様の場合に、予混合燃焼時は予混合気をより良好に形成することができ且つ通常燃焼時は燃料と空気とをより良好に混合させることができる技術を提供する。
【解決手段】 キャビティ４が頂面に凹設されたピストン１と、燃料噴射ノズル５と、を備え、通常燃焼と、予混合燃焼と、を切り替える圧縮着火内燃機関において、燃料噴射ノズル５は通常燃焼時及び予混合燃焼時のどちらでも同様の噴射角θで燃料を噴射するものであり、キャビティ４は、通常燃焼時に噴射される燃料が衝突する第１凹部４２と、該第１凹部４２の開口縁部を凹ませて形成され予混合燃焼時に予混合気を形成するために噴射される燃料が衝突する第２凹部４３と、を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は通常燃焼及び予混合燃焼を行う圧縮着火内燃機関に関する。

圧縮着火内燃機関では、圧縮行程上死点近傍の時期の燃料噴射による通常燃焼に加え、圧縮行程上死点近傍の時期より早い時期の燃料噴射によって予混合気を形成して行われる予混合燃焼を行う場合がある。

通常燃焼時であっても予混合燃焼時であっても噴射角を同様の角度とし、該噴射角を、通常燃焼時ではピストン頂面に凹設されるキャビティの最底位置より外径側の壁面に燃料が到達し、且つ、予混合燃焼時ではキャビティの壁面に燃料が到達するような角度とした技術が特許文献１に開示されている。
特開２００３−８３１１９号公報 特開平１０−１４８１２８号公報 特開２００１−３１７３５９号公報 実開昭６４−４８２４号公報 特開平１０−２５２６０７号公報

通常燃焼時及び予混合燃焼時のどちらでも同様の噴射角で燃料を噴射する圧縮着火内燃機関においては、予混合燃焼時にキャビティ内へ燃料を噴射するために、通常燃焼のみを行う場合に比べて燃料噴射の噴射角を狭くしていた。このように噴射角を狭くすると、通常燃焼時には噴射される燃料が空気と良好に混合できるような状態でキャビティの壁面に衝突できないおそれがある。噴射される燃料が良好に空気と混合できない場合には、スモークの発生量の増加を招くおそれがある。

本発明の目的とするところは、通常燃焼時の燃料の噴射角と予混合燃焼時に予混合気を形成するために燃料を噴射するときの燃料の噴射角とが同様の場合に、予混合燃焼時は予混合気をより良好に形成することができ、且つ通常燃焼時は燃料と空気とをより良好に混合させることができる技術を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明にあっては以下の構成を採用する。すなわち、
燃焼室の一部を形成するキャビティが頂面に凹設されたピストンと、前記燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁と、を備え、
圧縮行程上死点近傍の時期の燃料噴射による通常燃焼と、圧縮行程上死点近傍の時期より早い時期の燃料噴射によって予混合気を形成して行われる予混合燃焼と、を切り替える圧縮着火内燃機関において、
前記燃料噴射弁は通常燃焼時及び予混合燃焼時のどちらでも同様の噴射角で燃料を噴射するものであり、
前記キャビティは、通常燃焼時に噴射される燃料が衝突する第１凹部と、該第１凹部の開口縁部を凹ませて形成され予混合燃焼時に予混合気を形成するために噴射される燃料が衝突する第２凹部と、を有することを特徴とする圧縮着火内燃機関である。

本発明では、キャビティが、該キャビティの底面を含んで形成されている第１凹部と該第１凹部の開口縁部を凹ませて形成されておりピストン頂面に開口している第２凹部とを
有している。このように形成された第１凹部と第２凹部とにおいては、第２凹部の開口部の面積が第１凹部の開口部の面積よりも大きくなっている。また、通常燃焼の場合であっても予混合燃焼時に予混合気を形成するために燃料を噴射する場合であっても同様の噴射角で燃料が噴射される。

予混合燃焼時における予混合気を形成するための燃料噴射は、ピストンが上死点近傍よりも低い位置にあるときに行われる。このとき、噴射される燃料は、キャビティにおける第２凹部に衝突するように噴射される。本発明では、第２凹部の開口部の面積がより大きくなっている。そのため、燃料噴射の噴射角をより大きくした場合であっても、予混合気を形成するために噴射された燃料をキャビティの第２凹部に衝突させることができる。このため、噴射された燃料がキャビティ外へ漏れてしまうことが抑制される。よって、噴射された燃料がキャビティ外へ漏れてしまうことに起因するシリンダ内壁への燃料の付着を抑制しつつ、燃料噴射の噴射角をより大きくすることが可能となる。その結果、予混合気をより良好に形成することができる。また、燃料を第２凹部に衝突させることで予混合気が拡散されるのを抑制することができる。

そして、燃料噴射の噴射角をより大きくすることで、通常燃焼時においては、燃料をより広い範囲に拡散させつつ、該燃料をキャビティの第１凹部に衝突させることが可能となる。その結果、燃料をより多くの空気とより良好に混合させることができる。

したがって、通常燃焼時の燃料の噴射角と予混合燃焼時に予混合気を形成するために燃料を噴射するときの燃料の噴射角とが同様の場合に、予混合燃焼時は予混合気をより良好に形成することができ、且つ通常燃焼時は燃料と空気とをより良好に混合させることができる。

また、噴射される燃料が空気とより良好に混合するようになると、スモークの発生量が減少する。そのため、スモークが大量発生するのを抑制するために燃料噴射量を抑制する必要がなくなり、全負荷時のトルクの低下を抑制することができる。

前記第１凹部と前記第２凹部との境には、環状に径方向内側に突出する環状突出部が設けられており、通常燃焼時に噴射される燃料が前記環状突出部の前記第１凹部側へ衝突するよう前記環状突出部が形成されていても良い。

これによると、通常燃焼時に噴射される燃料が環状突出部の第１凹部側へ衝突し、当該部位へ衝突後の燃料が第１凹部の壁面に沿って下方へ流動する。その結果、第１凹部において燃料が縦方向に旋回するように流動することになる。したがって、上記によれば、キャビティ内で燃料と空気とをより良好に早期に混合させることができる。

予混合燃焼時における予混合気を形成する際には、燃焼室内温度が冷炎反応開始温度に達する前に燃料噴射を終了させると良い。これによると、予混合気をより確実に形成することができる。

本発明によると、通常燃焼時の燃料の噴射角と予混合燃焼時に予混合気を形成するために燃料を噴射するときの燃料の噴射角とが同様の場合に、予混合燃焼時は予混合気をより良好に形成することができ、且つ通常燃焼時は燃料と空気とをより良好に混合させることができる。

以下に本発明の具体的な実施例を説明する。

図１、図２は、本発明の実施例１に係る圧縮着火内燃機関のシリンダ上部の内部を示す断面図である。

図１、図２に示す圧縮着火内燃機関のシリンダ２にはピストン１が昇降自在に内包されている。シリンダ２の上部にはシリンダヘッド３が取り付けられている。これらピストン１、シリンダ２及びシリンダヘッド３に囲まれて燃焼室が形成される。

ピストン１には、燃焼室の一部を形成するキャビティ４が頂面に凹設されている。シリンダヘッド３には、燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁としての燃料噴射ノズル５が取り付けられている。燃料噴射ノズル５は、先端部がシリンダヘッド３から下方のピストン１側に向けて突出されており、この先端部に燃料を噴射する噴孔を有している。

ピストン１、シリンダ２、燃料噴射ノズル５の軸心は軸心Ｃの同軸上にある。燃料噴射ノズル５の噴孔は、軸心Ｃに対し所定の噴射角θの方向に燃料を噴射する。なお、図示上では軸心Ｃの片側にのみ噴射角θを示しているが、両側とも軸心Ｃに対称に噴射角θの角度で燃料が噴射される。

キャビティ４は、その壁面に環状突出部としてのリップ４１を有している。キャビティ４におけるリップ４１が形成された部分の孔径Ｒ１は、ピストン１の頂面におけるキャビティ４の孔径Ｒ２よりも小さくなっている。即ち、キャビティ４は、底面を有しリップ４１を境としてピストン１の頂面とは反対側である下部の凹部を形成する第１凹部４２と、第１凹部４２が仮想的にピストン頂面に開口していた場合の開口縁部を凹ませて形成されておりリップ４１を境としてピストン1の頂面側である上部の凹部を形成する第２凹部４
３と、を備える。このように形成されたキャビティ４は、第１凹部４２と第２凹部４３との境となる部分がリップ４１によってくびれており、第２凹部４３の開口部（孔径Ｒ２の部分）の面積が第１凹部４２の開口部（孔径Ｒ１の部分）の面積よりも大きくなっている。なお、キャビティ４は軸心Ｃに対し対称形状である。

第１凹部４２の側面は、底面付近の側面よりもリップ４１下側付近の側面が小径となってオーバーハングした所謂リエントラント角を有する側面となっている。つまり、第１凹部４２は、リップ４１の先端で開口部がしぼられた形状である。第１凹部４２の底面には、軸心Ｃ部分が最も盛り上がった隆起部が形成されている。

第２凹部４３は、リップ４１上面が底面となっており、該底面の外周に沿って側面が形成されている。

ここで、ピストン１頂面と第２凹部４３の側面とを結ぶ角部Ｋ１並びに第２凹部４３の側面とリップ４１の上面を結ぶ隅部Ｓ１は直角に曲がっている。

本実施例に係る圧縮着火内燃機関においては、燃料噴射ノズル５からの燃料噴射の時期を制御することで、通常燃焼と予混合燃焼とのいずれかが選択されて実行される。

通常燃焼は、圧縮行程上死点近傍の時期に燃料噴射ノズル５から燃料を噴射して行われる燃焼であって、所謂拡散燃焼となる。

予混合燃焼は、圧縮行程上死点近傍の時期より早い時期に燃料噴射ノズル５から燃料を噴射することで予混合気を形成して行われる燃焼である。

本実施例では、通常燃焼時および予混合燃焼時のどちらの場合であっても、単一の燃料噴射ノズル５から同様の噴射角θで燃料が噴射される。

本実施例では、通常燃焼の場合及び予混合燃焼時における予混合気を形成するために燃料を噴射する場合のどちらでも一定の噴射角θのままで、通常燃焼の場合には、燃料噴射ノズル５から噴射された燃料が第１凹部４２に衝突するようにし、予混合燃焼時における予混合気を形成するために燃料を噴射する場合には、燃料噴射ノズル５から噴射された燃料が第２凹部４３に衝突するようにしている。

具体的には、予混合燃焼時における予混合気を形成するために燃料を噴射する場合においては、図１に示すように、燃料噴射は、ピストン１が上死点近傍よりも低い位置にあるときに行われる。このとき、燃料噴射ノズル５から噴射角θで燃料を噴射すると、その燃料は第２凹部４３に衝突する。

すなわち、本実施例では、第２凹部４３の開口部の面積が第１凹部４２の開口部の面積より大きくなっている。そのため、第１凹部４２が仮想的にピストン頂面に開口しているようなキャビティに予混合気を形成するために燃料を噴射する場合の狭い噴射角よりも、燃料噴射の噴射角をより大きくした噴射角θの本実施例の場合であっても、予混合気を形成するために噴射された燃料をキャビティの第２凹部４３に衝突させることができる。このため、噴射された燃料がキャビティ４外へ漏れてしまうことを抑制することができる。

これにより、噴射された燃料がキャビティ４外へ漏れてしまうことに起因するシリンダ２内壁への燃料の付着を抑制しつつ、燃料噴射の噴射角をより大きくすることが可能となる。その結果、予混合気をより良好に形成することができる。また、燃料を第２凹部４３に衝突させることで予混合気が拡散されるのを抑制することができる。

尚、図１に示すような予混合燃焼時における予混合気を形成する際の燃料噴射は、燃焼室内温度が冷炎反応開始温度に達する前に終了するように実行される。冷炎反応開始温度は、燃料性状にもよるがおおよそ７５０Ｋである。予混合燃焼時において、予混合気を形成すべく燃料噴射を行っている最中に燃焼室の温度が冷炎反応開始温度に達した場合、予混合気の形成が困難となる虞がある。上記のようなタイミングで予混合気を形成する際の燃料噴射を終了させることで予混合気をより確実に形成することが可能となる。

一方、通常燃焼時においては、図２に示すように、燃料噴射ノズル５から噴射角θで燃料を噴射すると、燃料は広い範囲に拡散しつつ、その燃料は第１凹部４２の壁面（キャビティ４の壁面）に衝突する。

このように、燃料噴射の噴射角θをより大きくしていると、通常燃焼時においては、燃料をより広い範囲に拡散させつつ、該燃料をキャビティ４の第１凹部４２に衝突させることが可能となる。その結果、燃料をより多くの空気とより良好に混合させることができる。なお、本実施例では、燃料をリップ４１の下側部位Ｐ１に衝突させるようにしているが、それに限らず、燃料を第１凹部４２に衝突させさえすれば上記効果を得ることができる。

尚、燃料噴射ノズル５から噴射される燃料の噴射角θは、通常燃焼の場合には第１凹部４２に噴射燃料を衝突させることができ、予混合燃焼時における予混合気を形成するために燃料を噴射する場合には第２凹部４３に噴射燃料を衝突させることができる角度に設定される。噴射角θは、この条件を満たせばよく、特に限定されるものではない。

特に、燃料噴射の噴射角θを、通常燃焼時に噴射される燃料がリップ４１の第１凹部４
２側である下側部位Ｐ１へ衝突するような角度としても良い。このようにすると、リップ４１の下側部位Ｐ１へ衝突後の燃料が第１凹部４２の壁面に沿って下方へ流動する。その結果、図示矢印のように第１凹部４２において燃料が縦方向に旋回するように流動することになる。したがって、キャビティ４内で燃料と空気とをより良好に早期に混合させることができる。

通常燃焼では燃料噴射中に着火させて拡散燃焼させるので、このように通常燃焼時に燃料と空気を早期に混合できることが重要である。

さらに、図３に示されるような通常燃焼時に噴射される噴射角θの燃料噴射方向と噴射された燃料が衝突するリップ４１の下側部位Ｐ１との相対衝突角φは、図４に示すようにトルクが最も発揮できる４０°という最適値が存在するため、４０°を中心に±１０°程度の値を採るように設定されることが好適である。

尚、図３は、実施例１に係るキャビティ４の拡大図であり、通常燃焼時に噴射される噴射角θと該噴射角θで噴射された燃料が衝突するリップ４１の下側部位Ｐ１との相対衝突角φとを示している。図４は、スモーク一定状態で、横軸に相対衝突角度をとり、縦軸に相対衝突角度によって変化するトルクをとったグラフである。

以上説明したように、本実施例では、通常燃焼時の燃料の噴射角と予混合燃焼時に予混合気を形成するために燃料を噴射するときの燃料の噴射角とが同様の噴射角θである場合に、予混合燃焼時は予混合気をより良好に形成することができ、且つ通常燃焼時は燃料と空気とをより良好に混合させることができる。

また、噴射される燃料が空気とより良好に混合するようになると、スモークの発生量が減少する。そのため、スモークが大量発生するのを抑制するために燃料噴射量を抑制する必要がなくなり、全負荷時のトルクの低下を抑制することができる。

図５は、本発明の実施例２に係る圧縮着火内燃機関の要部を示す図であり、（ｂ）はシリンダ上部の内部を示す断面図であり、（ａ）は（ｂ）の丸で囲った部分の拡大図である。

本実施例では、図５に示すように、第２凹部４３の側面とリップ４１の第２凹部側である上面を結ぶ隅部Ｓ２を湾曲させている。ピストン１頂面と第２凹部４３の側面を結ぶ角部Ｋ２は、実施例１と同様に直角に曲げている。

キャビティ４を本実施例のような形状とした場合、キャビティをより容易に加工することが可能となる。

図６は、本発明の実施例３に係る圧縮着火内燃機関の要部を示す図であり、（ｂ）はシリンダ上部の内部を示す断面図であり、（ａ）は（ｂ）の丸で囲った部分の拡大図である。

本実施例では、図６に示すように、第２凹部４３の側面とリップ４１の上面を結ぶ隅部Ｓ３を湾曲させ、ピストン１頂面と第２凹部４３の側面を結ぶ角部Ｋ３を湾曲させている。

キャビティ４を本実施例のような形状とした場合、燃焼時に第２凹部４３の側面やリッ
プ４１の上面に加わる応力が低減でき、ピストン１の耐久信頼性が向上できる。

図７は、本発明の実施例４に係る圧縮着火内燃機関の要部を示す図であり、（ｂ）はシリンダ上部の内部を示す断面図であり、（ａ）は（ｂ）の丸で囲った部分の拡大図である。

本実施例では、図７に示すように、実施例３と同様に、第２凹部４３の側面とリップ４１の上面を結ぶ隅部Ｓ４を湾曲させ、ピストン１頂面と第２凹部４３の側面を結ぶ角部Ｋ４を湾曲させている。なおかつ、第２凹部４３におけるリップ４１の上面の外径側を下側に凹ませて凹空間部４４を形成している。

キャビティ４を本実施例のような形状とした場合、予混合燃焼時に予混合気を形成するために燃料を噴射する際に第２凹部４３に噴射された燃料がキャビティ４内から流出し難い方向（軸心Ｃ方向）へ積極的に誘導されて流動するようになり、噴射された燃料が空気と良好によりよく混合できる。

実施例１に係る圧縮着火内燃機関の予混合燃焼時に予混合気を形成するために燃料を噴射する際のシリンダ上部の内部を示す断面図。 実施例１に係る圧縮着火内燃機関の通常燃焼時のシリンダ上部の内部を示す断面図。 実施例１に係る圧縮着火内燃機関の通常燃焼時のキャビティ内部を示す図。 実施例１に係る相対衝突角度とトルクとの関係を示す図。 実施例２に係る圧縮着火内燃機関の要部を示す図。 実施例３に係る圧縮着火内燃機関の要部を示す図。 実施例４に係る圧縮着火内燃機関の要部を示す図。

符号の説明

１ ピストン
２ シリンダ
３ シリンダヘッド
４ キャビティ
５ 燃料噴射ノズル
４１ リップ
４２ 第１凹部
４３ 第２凹部
４４ 凹空間部
Ｃ 軸心
Ｋ１〜Ｋ４ 角部
Ｐ１ 下側部位
Ｓ１〜Ｓ４ 隅部
θ 噴射角
φ 相対衝突角

Claims (3)

1. 燃焼室の一部を形成するキャビティが頂面に凹設されたピストンと、前記燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁と、を備え、
   圧縮行程上死点近傍の時期の燃料噴射による通常燃焼と、圧縮行程上死点近傍の時期より早い時期の燃料噴射によって予混合気を形成して行われる予混合燃焼と、を切り替える圧縮着火内燃機関において、
   前記燃料噴射弁は通常燃焼時及び予混合燃焼時のどちらでも同様の噴射角で燃料を噴射するものであり、
   前記キャビティは、通常燃焼時に噴射される燃料が衝突する第１凹部と、該第１凹部の開口縁部を凹ませて形成され予混合燃焼時に予混合気を形成するために噴射される燃料が衝突する第２凹部と、を有することを特徴とする圧縮着火内燃機関。
2. 前記第１凹部と前記第２凹部との境には、環状に径方向内側に突出する環状突出部が設けられており、通常燃焼時に噴射される燃料が前記環状突出部の前記第１凹部側へ衝突するよう前記環状突出部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧縮着火内燃機関。
3. 予混合燃焼時における予混合気を形成する際には、燃焼室内温度が冷炎反応開始温度に達する前に燃料噴射を終了させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧縮着火内燃機関。
   

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