JP5549809B2 - ディーゼルエンジンのオープントロイダル燃焼室 - Google Patents

Description

本発明は、ピストンの頂面に、上部を外側へ曲成させて拡げたオープン形状のキャビティを形成したディーゼルエンジンのオープントロイダル燃焼室に関する。

トラックなど車両に搭載される直噴形ディーゼルエンジンのピストンの頂面には、噴霧された燃料を燃焼させるため窪み形の燃焼室が形成されている。
この燃焼室には、下部（底部）に噴霧燃料を受ける円弧状の曲面をもつ皿状や同じく円環状のキャビティが用いられる。多くは、キャビティの上部開口端をすぼませた燃焼室、直線状の側壁面を用いて上部開口端をキャビティの底部からストレートに開口させた燃焼室、特許文献１にも開示されているような上部開口の縁部を若干、外側に円弧状に拡げさせたオープントロイダル形の燃焼室が用いられている。

ところで、車両のディーゼルエンジンでは、排ガス規制（ＮＯｘ規制など）に対応するために排ガスの一部を燃焼室に還流させるＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）が行われている。近年では、厳しい排ガス規制の対応のために、大量のＥＧＲを実施することが主流となる。
ところが、上部開口をすぼませた燃焼室、上部開口を底部から直線状に開口させた燃焼室、上部開口の縁部を若干拡げただけのオープントロイダル形の燃焼室は、いずれも燃焼室内の酸素だけで燃焼を行うことを目的として形成された燃焼室であるため、大量のＥＧＲ下での燃焼には適さない。

すなわち、大量のＥＧＲは、燃焼室内の酸素量が少なくなるため、燃焼室内の空気過剰率（以下、λという）が低下するので、主に燃焼室内部の酸素だけで燃焼させることを目的とした燃焼室だと、燃焼に求められる酸素量の不足が生じる。このため、燃焼初期や燃焼中期における燃焼は損なわれ、排煙濃度が増加するなど排ガスが悪化したり、燃費が低下したりする。特にディーゼルエンジンは、λが１．３より低下すると、著しく排煙濃度や燃費が著しく増加する傾向が見られる。

そこで、近時では特許文献２〜４に開示されているように燃焼室の開口側を、突起や段部を介在させて、階段状に拡げる構造が提案されている。特許文献２〜４は、燃焼室の開口側を拡げることにより、燃焼室外側のスキッシュエリアに有る酸素を燃焼に積極的に用い、酸素不足を対応するものとしている。

特開平５−３１２１０４号公報 特開２００７−２１１６４４号公報 特開２００８−１５１０８９号公報 特開２００９−５３５５６１号公報

ところが、階段状の燃焼室は、ディーゼルエンジンの運転領域の全体（低回転領域〜高回転領域、低負荷領域〜高負荷領域）には対応できない難点がある。
すなわち、ディーゼルエンジンの燃料噴射時期は、エンジンの回転数や負荷など運転状態に応じて異なる。しかも、排ガス規制の対応のために、メイン噴射より早い時期に、噴射するというパイロット噴射を行うこともある。

燃料噴射時期が異なると、それに応じてピストンは上死点（圧縮）からの位置、すなわち燃焼室の位置が変化する。しかし、階段状の燃焼室は、突起や段部が有るために、燃料噴射時期が変化すると、燃料が衝突する地点が、段部付近だったり、段部からキャビティ開口側へ離れた地点であったり、段部からキャビティ下部（底部）側へ離れた地点であったりするなど、段部を境にずれる。このため、階段状の燃焼室だと、ディーゼルエンジンの運転状態により突起や段部を境に、多くの燃料が上側へ偏って噴射され、下側へは極少量しか到達しなかったり、逆に多くの燃料が下側へ偏って噴射され、上側へは極少量しか到達しなかったりするなど、上下で極端に偏った燃料噴射が生じやすく、スキッシュエリアを活用しても燃焼が安定しないことがある。つまり、階段状の燃焼室は、スキッシュエリアの酸素を用いて、一部の運転領域については良好な燃焼となるものの、大部分の運転領域に対応できるものではなかった。

そこで、本発明の目的は、ディーゼルエンジンの運転領域全体における低空気過剰率下で良好な燃焼を実現可能としたディーゼルエンジンのオープントロイダル燃焼室を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、上記目的を達成するために、オープントロイダル燃焼室をなすピストンの頂面と前記キャビティの側壁面とをつなぐキャビティ上部の円弧状の曲成部は、キャビティの側壁面の一部であるとともに、ピストンの頂面とキャビティの側壁面とを曲線状につなぎ、かつ、キャビティの側壁面とキャビティの底面とつなぐキャビティ下部の円弧状の曲面部より大きい半径寸法で形成したことにある。

同構成によると、キャビティ上部の曲成部の円弧面の大きさを利用して、燃焼は、キャビティ（燃焼室）内部の酸素だけでなく、キャビティ（燃焼室外）外のスキッシュエリアの酸素も用いて行われ、低空気過剰率（λ）下での酸素不足が改善される。しかも、曲成部は、キャビティ下部（底部）の円弧状の曲面部よりも大きくしただけなので、たとえ燃料噴射時期によりピストン位置が変動しても、噴射燃料は、若干、ずれるだけで、キャビティ開口側、キャビティ下部（底部）側へ大きく偏らずに噴射される。このため、燃料衝突位置のずれに対して寛容となり、ディーゼルエンジンの運転領域の全体で安定した良好な燃焼が得られる。

請求項２に記載の発明は、側壁面が、曲成部と曲面部、及び、曲成部と曲面部の間の変曲点で構成されるものとした。
請求項３に記載の発明は、噴霧燃料が、燃料噴射ノズルのノズル先端から側壁面に向かって噴射されるものとした。

請求項１の発明によれば、燃焼は、キャビティ上部の大きな円弧状の曲成部により、キャビティ（燃焼室）内部の酸素だけでなく、キャビティ（燃焼室外）外のスキッシュエリアの酸素を用いて行われ、低空気過剰率（λ）下での酸素不足が改善できる。しかも、同曲成部は、燃料がキャビティ開口側、キャビティ下部（底部）側へ大きく偏らずに噴射されずにすむから、燃料噴射時期の変化がもたらす燃料衝突位置のずれに対して寛容であり、ディーゼルエンジンの運転領域の全体において良好な燃焼を行わせることができる。
したがって、ディーゼルエンジンの運転領域全体における低空気過剰率下で安定した良好な燃焼が実現できる。

請求項２の発明によれば、極力、キャビティの上部の曲成部は、大きい半径寸法で形成でき、良好な燃焼の実現に貢献する。
請求項３の発明によれば、最も燃料衝突位置のずれに対する寛容度を高めることができ、良好な燃焼の実現に貢献する。

本発明の一実施形態の要部となるオープントロイダル燃焼室を示す一部断面した斜視図。 上死点近くにピストンが位置するときにおける燃料噴射状態を示す断面図。 上死点からピストンが離れた位置にあるときにおける燃料噴射状態を示す断面図。 （ａ）は観察窓を通してスキッシュエリア付近を観察したときの燃焼初期の火炎の発生状況を示す図、（ｂ）は同じく燃焼後期の火炎の発生状況を示す図。 キャビティ上部の曲成部の半径とキャビティ底部の曲面部の半径との比に応じた燃費の状況を示す線図。 同じくスモークの状況を示す図。 燃焼室の形状に違いによるＳＯＯＴ（すす）、ＣＯの改善状況を示す図。 同じくトルク、燃費、スモーク、ＨＣの改善状況を示す図。

以下、本発明を図１ないし図８に示す一実施形態にもとづいて説明する。
図１は、直噴式ディーゼルエンジンのピストン周辺を示す断面図を示し、図２および図３は同ピストンの断面図を示している。図中１は気筒を示す。

ここで、気筒１は、シリンダヘッド２（図２，３に図示）、シリンダブロック（図示しない）に設けた筒形のシリンダライナ４で囲まれた円筒状の空間で形成される。気筒１の頭部の中央には燃料を噴射する燃料噴射ノズル５が設けられる。その両側には吸気を導入する吸気弁、燃焼を終えたガスを導出させる排気弁（いずれも図示しない）が設けられる。この気筒１内にピストン７が往復動可能に収められている。

このピストン７の頂面中央には、上部を外側に拡げたオープントロイダル燃焼室８（以下、単に燃焼室８という）が設けられている。すなわち、燃焼室８は、図１〜図３に示されるように円環状（または皿状）のキャビティ１１を有している。このキャビティ１１のうち底面１２と側壁面１３とをつなぐ下側のコーナー部は、半径寸法Ｒ２でなす円弧形の曲面部１５で形成される。この曲面部１５は、燃料噴射ノズル５から噴霧した燃料を受ける機能をもつ。この曲面部１５が、底面中央から円錐状に突き出た突起部１６と連ねてある。ピストン７の頂面７ａと側壁面１３とをつなぐキャビティ１１の開口縁部は、半径寸法Ｒ１でなす円弧形の曲成面１８で形成されている。このキャビティ１１の開口側の曲成面１８は、キャビティ１１の底面（下部）側の曲面部１５よりも大きい円弧形としている。つまり、開口（上部）側に形成される曲成面１８の半径寸法Ｒ１は、底面（底部）側に形成される曲面部１５の半径寸法Ｒ２より大きくしてある（Ｒ１＞Ｒ２、Ｒ１／Ｒ２が１．０より大）。この大きな曲成面１８から、上部が外側に大きく拡がるオープントロイダル形の燃焼室８を形成している。この燃焼室８により、燃焼室８の開口周囲のスキッシュエリア１９に存する酸素（空気）を積極的に活用した燃焼が行えるようにしている。

特に燃焼に、燃焼室８外のスキッシュエリア１９の酸素ができる限り多く活用されるよう、曲成部１８は、直線部を介在させずに、円弧の向きが異なるキャビティ底部（下部）の曲面部１５と、曲面同士を接線連続させて連ねてあり、極力、大きい半径寸法Ｒ１とし、できる限り外側に大きく拡がる円弧形としている。

またキャビティ上部の曲成部１８とキャビティ底部（下部）の曲面部１５の間、具体的には異なる円弧の向きで連続する曲成部１８と曲面部１５間の曲がりが変わる変曲点Ｐ付近が、図１に示されるように燃料噴射ノズル５から噴射される噴霧燃料の中心Ｓと衝突する衝突点Ｎ（噴霧の中心衝突点）にしてある。
特に噴霧燃料の中心衝突点Ｎは、キャビティ底部（下部）の曲面部１５内で、良好に燃料の旋回流が生成されるよう、キャビティ１１の底面中央から突き出た突起部１６とほぼ同じ高さ位置に設定してある。

こうしたオープントロイダル形の燃焼室８の特徴は、多量のＥＧＲによって低λ（空気過剰率）となるディーゼルエンジンの運転のときに発揮する。
すなわち、ディーゼルエンジンの運転に伴い燃料噴射ノズル５からは、圧縮上死点に近づくピストン７の燃焼室８内へ向け燃料が噴射される。具体的には燃料は、ノズル先端から燃焼室８の側壁面１３に向かって噴射される。

このとき、キャビティ１１の開口縁部は、燃料を受ける曲面部１５よりも半径寸法の大きい円弧を描く曲成部１８で形成され、当該縁部をキャビティ１１の開口周囲に存するスキッシュエリア１９に大きく開口させているから、図１中の矢印αに示されるように開口側へ向かう燃料は曲成部１８の円弧面にならってスキッシュエリア１９へ導かれる。すると、スキッシュエリア１９に至る噴霧燃料は、スキッシュエリア１９からの酸素（空気）の供給を受けながら燃焼する（自己着火による）。またキャビティ１１の底部に至る燃料は、キャビティ１１内の酸素の供給を受けて燃焼する（自己着火による）。

これにより、多量のＥＧＲにより燃焼室８内が低λとなっても、燃焼室８外のスキッシュエリア１９の活用により酸素不足が解消されるために、燃料は燃焼初期から活発に燃焼する。燃焼の実験を行い、観察窓を通してスキッシュエリア１９付近を観察した結果、図４（ａ）に示されるように燃焼初期となるＡＴＤＣ５°や、図４（ｂ）に示されるように燃焼中期となるＡＴＤＣ１２°において、スキッシュエリア１９の酸素を活用して燃料が良好に燃焼していることが確認された。

しかも、曲成部１８は、キャビティ底部の曲面部１５よりも円弧を大きくしただけなので（Ｒ１＞Ｒ２、Ｒ１／Ｒ２が１．０より大）、ディーゼルエンジンの運転状態に応じた燃料噴射時期により、ピストン位置が変動（圧縮上死点からの変化）しても、スキッシュエリア１９の酸素を活用した燃焼は行える。

すなわち、例えば図２に示されるように燃料噴射時期が遅く、ピストン７が圧縮上死点に接近した位置から燃料噴射が行われた場合、若干、噴射する領域がキャビティ１１の底部（下部）側にずれるだけで、噴射した燃料の上側の領域は、曲成部１８の円弧面と衝突して、同曲成部１８の円弧面（曲面）を経てスキッシュエリア１９に向かうから、スキッシュエリア１９の酸素を用いた燃焼が行われる。また例えば図３に示されるように燃料噴射時期が早く、ピストン７が圧縮上死点から遠い位置にあるとき燃料噴射が行われた場合、若干、噴射する領域がキャビティ１１の開口（上部）側にずれるだけで、噴射した燃料の上側の領域は、同様に曲成部１８の円弧面と衝突して、同曲成部１８の円弧面（曲面）を経てスキッシュエリア１９に向かい、同様にスキッシュエリア１９の酸素を用いて燃焼されるだけで、噴射位置のずれに関わらず、スキッシュアリア１９側やキャビティ１１側でも、安定した良好な燃焼が継続される。

つまり、たとえ燃料噴射時期のよりピストン位置が変わることがあっても、燃料の噴射領域が、若干、キャビティ１１の開口側や底部側にずれるだけで、キャビティ１１の開口側、キャビティ１１の底部側へ大きく偏らずに噴射されるから、燃料衝突位置のずれに対する燃料の偏りは寛容である。そのため、ディーゼルエンジンの運転領域の全体で、スキッシュエリア１０を積極的に活用した安定した良好な燃焼を得ることができる。

こうした利点は、キャビティ上部の曲成部１８を、直線部を介在させずに曲面同士の接線連続で、キャビティ１１の曲面部１５と連ねて、曲成部１８を、極力、大きい半径寸法をもつ円弧形としたり、曲成部１８と曲面部１５との間の変曲点Ｐ近傍を、噴霧燃料の中心Ｓが衝突する衝突点Ｎとしたりすることにより、顕著に表れる。

小型ディーゼルエンジンや大型ディーゼルエンジンなど、キャビティ１１の深さ寸法が異なるオープントロイダル燃焼室８を用いて、実験により同エンジンの燃費やスモークの発生を調べた結果、いずれのエンジンにおいても図５および図６に示されるようにＲ１／Ｒ２の比が「１．０」を超える付近（Ｒ１＞Ｒ２）から、スモークの減少と燃費の向上との双方が改善することが見られた。

また燃焼室形状の違いからもオープントロイダル燃焼室８が、図７（ａ），（ｂ）に示されるように大量のＥＧＲにより著しく排煙濃度が増加するとされる低λのとき、特にλが１．３より低くなる領域においてＳＯＯＴ（すす）、ＣＯ、トルク、燃費、スモーク、ＨＣのいずれに対して、他の形状の燃焼室よりも優れていることが確認された。

すなわち、図７（ａ）〜（ｄ）、図８（ａ）〜（ｄ）は、開口をすぼめた円環状の燃焼室（ひし形で表記）、ストレートに開口する円環状の燃焼室（四角形で表記）、上述の開口が曲成により外側に大きく開口するオープントロイダル燃焼室８（三角で表記）を用いてディーゼルエンジンを運転したときの、ＳＯＯＴ（すす）、ＣＯ、トルク、燃費、スモーク、ＨＣの挙動を線図化したものである。これら線図からは、特にλが１．３より低くなる運転領域の大部分で、三角で表記したオープントロイダル燃焼室が、他の形状の燃焼室を用いたときよりも、著しくＳＯＯＴやＣＯやスモークやＨＣなど排ガスの点で改善が見られ、その分、トルクや燃費が向上したことが見られ、オープントロイダル燃焼室８が他の形状の燃焼室よりも優れていることが確認された。

なお、本発明は上述した一実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々可変して実施しても構わない。例えば一実施形態では円環状のキャビティを用いた例を挙げたが、皿状のキャビティを用いた燃焼室でもよく、一実施形態と同様の効果を奏する。

７ ピストン
８ オープントロイダル燃焼室
１１ キャビティ
１５ 曲面部
１８ 曲成部

Claims (3)

1. ピストンに、上部を外側に円弧状に曲成させて拡げ、下部に噴霧燃料を受ける円弧状の曲面を有するオープン形状のキャビティを形成したディーゼルエンジンのオープントロイダル燃焼室であって、
   前記ピストンの頂面と前記キャビティの側壁面とをつなぐ前記キャビティ上部の円弧状の曲成部は、前記キャビティの側壁面の一部であるとともに、前記ピストンの頂面と前記キャビティの側壁面とを曲線状につなぎ、かつ、前記キャビティの側壁面と前記キャビティの底面とつなぐ前記キャビティ下部の円弧状の曲面部より大きい半径寸法で形成される
   ことを特徴とするディーゼルエンジンのオープントロイダル燃焼室。
2. 前記側壁面は、前記曲成部と前記曲面部、及び、前記曲成部と前記曲面部の間の変曲点で構成されることを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジンのオープントロイダル燃焼室。
3. 前記噴霧燃料は、燃料噴射ノズルのノズル先端から前記側壁面に向かって噴射されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のディーゼルエンジンのオープントロイダル燃焼室。

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