(57)【要約】【課題】噴射時期に応じた適切な整流機能を発揮することができるディーゼル内燃機関を提供する。【解決手段】ディーゼル内燃機関は、気筒が設けられたシリンダブロックと、気筒内に配設され、頂面にピストン側整流部が設けられたピストンと、気筒に被さるようにシリンダブロックに組み付けられ、ピストンの頂面とともに燃焼室を形成する天井面と、吐出口が天井面から燃焼室に連通する燃料噴射弁と、天井面に設けられたヘッド側整流部とを有し、ピストンの上死点でヘッド側整流部とピストン側整流部とが燃料噴射弁の噴霧を整流するダクトを形成しピストンが上死点から下がるとピストン側整流部がヘッド側整流部から離脱することでダクトを形成しないように構築されたシリンダヘッドと、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒が設けられたシリンダブロックと、
前記気筒内に配設され、頂面にピストン側整流部が設けられたピストンと、
前記気筒に被さるように前記シリンダブロックに組み付けられ、前記ピストンの前記頂面とともに燃焼室を形成する天井面と、前記天井面から前記燃焼室に連通する燃料噴射ノズルと、前記天井面に設けられたヘッド側整流部とを有し、前記ピストンの上死点で前記ヘッド側整流部と前記ピストン側整流部とが前記燃料噴射弁の噴霧を整流するダクトを形成し前記ピストンが上死点から下がると前記ピストン側整流部が前記ヘッド側整流部から離脱することで前記ダクトを形成しないように構築されたシリンダヘッドと、
を備えるディーゼル内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼル内燃機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特開２０１７−５３０２９８号公報に記載されているように、ダクトを備えたディーゼル内燃機関が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１７−５３０２９８号公報
【特許文献２】特開２０１３−０９２１０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来のダクト付きディーゼル内燃機関は、パイロット噴射およびアフター噴射などにおいて、燃料噴霧の貫徹力が期待される程度を下回ってしまうおそれがあった。
【０００５】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、噴射時期に応じた適切な整流機能を発揮することができるディーゼル内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本出願にかかるディーゼル内燃機関は、
気筒が設けられたシリンダブロックと、
前記気筒内に配設され、頂面にピストン側整流部が設けられたピストンと、
前記気筒に被さるように前記シリンダブロックに組み付けられ、前記ピストンの前記頂面とともに燃焼室を形成する天井面と、前記天井面から前記燃焼室に連通する燃料噴射ノズルと、前記天井面に設けられたヘッド側整流部とを有し、前記ピストンの上死点で前記ヘッド側整流部と前記ピストン側整流部とが前記燃料噴射弁の噴霧を整流するダクトを形成し前記ピストンが上死点から下がると前記ピストン側整流部が前記ヘッド側整流部から離脱することで前記ダクトを形成しないように構築されたシリンダヘッドと、
を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ピストン上死点よりも早期または後期に行われるパイロット噴射とアフター噴射とが、シリンダヘッドに設けたヘッド側整流部で噴霧の拡散を抑制することで強い貫徹力の噴霧を実現する。ピストン上死点近傍で噴射されるメイン噴射については、ピストン上昇に伴いヘッド側整流部とピストン側整流部とが重なることでダクトが形成されるので、このダクトを用いてメイン噴射の均質化が可能となる。これにより、噴射時期に応じた適切な整流機能を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態にかかるディーゼル内燃機関を模式的に示す図である。
【図２】実施の形態にかかるディーゼル内燃機関を模式的に示す図である。
【図３】実施の形態にかかるディーゼル内燃機関の効果を示す図である。
【図４】実施の形態の他の例にかかるディーゼル内燃機関を模式的に示す図である。
【図５】実施の形態の他の例にかかるディーゼル内燃機関を模式的に示す図である。
【図６】実施の形態の他の例にかかるディーゼル内燃機関を模式的に示す図である。
【図７】実施の形態の他の例にかかるディーゼル内燃機関を模式的に示す図である。
【図８】実施の形態の他の例にかかるディーゼル内燃機関を模式的に示す図である。
【図９】実施の形態の他の例にかかるディーゼル内燃機関を模式的に示す図である。
【図１０】実施の形態の他の例にかかるディーゼル内燃機関の構成を説明するための図である。
【図１１】実施の形態の他の例にかかるディーゼル内燃機関の構成を説明するための図である。
【図１２】実施の形態の他の例にかかるディーゼル内燃機関の構成を説明するための図である。
【図１３】実施の形態の他の例にかかるディーゼル内燃機関の構成を説明するための図である。
【図１４】比較例にかかるディーゼル内燃機関の構成を説明するための図である。
【図１５】実施の形態の他の例にかかるディーゼル内燃機関の構成を説明するための図である。
【図１６】実施の形態の他の例にかかるディーゼル内燃機関の構成を説明するための図である。
【図１７】実施の形態の他の例にかかるディーゼル内燃機関の構成を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１および図２は、実施の形態にかかるディーゼル内燃機関を模式的に示す図である。図１は実施の形態にかかるディーゼル内燃機関の斜視図である。図２は、図１に示したディーゼル内燃機関の断面図である。
【００１０】
図１および図２に示すように、実施の形態にかかるディーゼル内燃機関は、気筒が設けられたシリンダブロックと、気筒内に配設されキャビティ１０にピストン側整流部１１１が設けられたピストン１５と、気筒に被さるようにシリンダブロックに組み付けられたシリンダヘッド２０と、を備える。
【００１１】
シリンダヘッド２０は、ピストン１５のキャビティ１０とともに燃焼室を形成する天井面と、天井面に設けられたヘッド側整流部２３と、天井面から燃焼室に連通した燃料噴射ノズル２１と、燃焼室内に連通した吸気バルブ２７および排気バルブ２８と、を有する。燃料噴射ノズル２１は、燃料噴射方向軸２５に沿って燃料の噴霧２４を噴射する。吸気バルブ２７は、燃焼室内にスワール流Ｓｗｒを形成する。
【００１２】
シリンダヘッド２０における燃料噴射ノズル２１の周囲には、冷却水流路２９が設けられている。ピストン１５の内部にはオイルジェット１６が設けられている。ヘッド側整流部２３とピストン側整流部１１１は、それぞれ、燃料噴射ノズル２１の燃料噴射方向軸２５に沿って伸びるように設けられている。
【００１３】
ピストン１５の上死点において、ヘッド側整流部２３とピストン側整流部１１１とが燃料噴射方向軸２５を挟むように重なる。その結果、ヘッド側整流部２３とピストン側整流部１１１とが燃料噴射ノズル２１の噴霧２４を整流する筒状のダクトを形成する。
【００１４】
ピストン１５が上死点から下がるとピストン側整流部１１１がヘッド側整流部２３から離脱することでダクトを形成しない。この場合、ヘッド側整流部２３が噴霧ガイド機能を発揮することで、噴霧２４を最適燃焼位置に案内する。
【００１５】
シリンダヘッド２０とピストン１５のキャビティ１０に設けられた二つの整流部は、噴霧２４を最適燃焼位置に案内する。
【００１６】
噴霧２４の拡散を抑制し、ピストン１５の上死点近傍で噴射するメイン噴射では噴霧２４の均質化を実現する。上死点よりも早期のパイロット噴射と上死点より後期のアフター噴射では、貫徹力が強い噴霧２４を実現することで、低排気エミッション燃焼を達成する。
【００１７】
特開２０１７−５３０２９８号公報に記載されているように、シリンダヘッドに完全筒状ダクトを設けて整流部材とする技術が知られている。この技術によれば、噴射口から噴射された燃料がこの完全筒状ダクトを通過してから筒内に供給されることで、燃料と空気の混合を促進するディーゼルエンジンが提供される。
【００１８】
しかしながら、特開２０１７−５３０２９８号公報にかかる完全筒状ダクトは、マルチ噴射におけるあらゆる燃料噴射時期で整流効果を発揮する。その結果、パイロット噴射などでは噴霧貫徹力を不当に低下させる問題がある。また、パイロット噴射などの燃料噴射量が微小である場合にはダクト内でパイロット燃料の着火が起こり、燃焼を悪化させる懸念もある。
【００１９】
この点、実施の形態では、ヘッド側整流部２３とピストン側整流部１１１とを設けることで、ダクトの開口部をピストン１５の位置に応じて変化させる可変ダクト構造とするように構築されているので、パイロット噴射された噴霧の到達距離を伸ばしながら、その一方でメイン噴射された噴霧の均質化も実現することができる。これによりマルチ噴射の各噴射時期に応じて適切な整流効果を作り出すことができ、高い排気改善効果を得ることができる。
【００２０】
ダクト付きディーゼルエンジンにおいて、ダクトの一部をシリンダヘッドに設けるとともに、ダクトの残部をピストン１５のキャビティ１０に設ける。メイン噴射など噴霧均質化が必要な場合には、噴霧全体をダクトで覆うことで、ダクト内での微視的混合を行う。
【００２１】
パイロット噴射およびアフター噴射などの噴霧貫徹力を必要とする噴射時には、噴霧の全体ではなく一部をガイドで整流することによって、噴霧速度が低下することを抑制して貫徹力の強化を図る。その結果、マルチ噴射時において各噴射の噴霧を最適な噴射形状に制御することができる。
【００２２】
ピストン側整流部１１１はピストン１５のキャビティ１０に設けられているので、ピストン１５の上死点付近で噴射される燃料に対してはヘッド側整流部２３とピストン側整流部１１１とが協働して整流効果を発揮する。一方、パイロット噴霧およびアフター噴射などの上死点から離れた時期に燃料される噴霧に対してはピストン側整流部１１１がもはやシリンダヘッドから離れている。従って、パイロット噴霧およびアフター噴射などの噴霧にはピストン側整流部１１１による整流効果を発揮させないようにすることができる。
【００２３】
ダクトを設ける技術は、エンジン筒内に噴射する燃料噴霧の拡散性を最適化し、低排気エミッション（つまり低ＮＯｘおよび低スモーク）の燃焼を実現する技術であり、特にマルチ噴射で適合する燃焼において有効である。燃料噴射方向軸２５に沿って、ピストン１５のキャビティ１０とシリンダヘッドとにそれぞれ噴霧を整流する整流部を配置する。
【００２４】
ピストン１５の上死点よりも早期または後期に行われるパイロット噴射とアフター噴射とが、シリンダヘッドに設けたヘッド側整流部２３で噴霧の拡散を抑制することで強い貫徹力の噴霧を実現する。ピストン１５の上死点近傍で噴射されるメイン噴射については、ピストン１５の上昇に伴いヘッド側整流部２３とピストン側整流部１１１とが重なることでダクトが形成されるので、このダクトを用いてメイン噴射の均質化が可能となる。
【００２５】
図３は、実施の形態にかかるディーゼル内燃機関の効果を示す図である。図３は整流部による噴霧ガイド効果を表している。図３の上段「整流部無し」と、図３の中段および下段の「整流部有り」の場合の噴霧形状を比較してみる。まず、図３の中段「整流部有り片側」に示すように、噴霧側面に整流部が設けられた場合に、高圧（いいかえると高速）で噴射される噴霧と整流部の内壁との間にコアンダ効果が発生する。
【００２６】
コアンダ効果は、雰囲気圧を低下させる。噴霧は整流部の内壁に引き寄せられ、噴霧の拡散が制限されることで、噴霧の貫徹力が強化される。さらに、図３の下段「整流部有り両側」に記載したように、ヘッド側整流部２３とピストン側整流部１１１とが重なることで形成されたダクト内に高圧（高速）の噴霧が噴射された場合、同じくコアンダ効果によってダクト出口において噴霧の外縁が大きく引き伸ばされるように噴霧が整流部の内壁に引き寄せられる。
【００２７】
図３の中段の場合と比較して、図３の下段の場合には、ダクト出口においてより広く噴霧が引き伸ばされていることがわかる。その結果、均質化した噴霧分布とすることができる。
【００２８】
図４は、実施の形態の他の例にかかるディーゼル内燃機関を模式的に示す図である。ヘッド側整流部２３は、円筒形状のダクトを上下に分割したように、半円筒形状の整流部として構築されている。
【００２９】
ヘッド側整流部２３は、燃料噴射ノズル２１の周囲に放射状に並べて設けられている。ピストン１５の上死点よりも手前あるいはその後においてピストン１５が下降しているときには、ヘッド側整流部２３によって噴霧が整流される。コアンダ効果によって噴霧の拡散が抑えられ貫徹力が強化された噴霧が得られる。一方、ピストン１５の上死点においては上下の半円筒形状の整流部が重なることで円筒形状のダクトが形成される。
【００３０】
なお、ヘッド側整流部２３およびピストン側整流部１１１の形状は、半円筒形状に限らず、凹形状であってもよい。ヘッド側整流部２３とピストン側整流部１１１のうち、一方を半円筒形状とし他方を断面凹形状としたものを組み合わせても良い。ヘッド側整流部２３とピストン側整流部１１１とで内径を相違させても良い。
【００３１】
図５は、実施の形態の他の例にかかるディーゼル内燃機関を模式的に示す図である。図５に示すヘッド側整流部１２３ａは、全体として円盤形状の外形を持ち、中心から外縁に向かって複数の曲面鍵型流路が放射状に伸びている。
【００３２】
図５から把握されるように、ヘッド側整流部１２３ａの中心に埋没された燃料噴射ノズル２１の先端から放射状に複数の噴霧２４が噴射され、それぞれの曲面鍵型流路が噴霧２４を整流している。図５の構造は、整流部を用いたコアンダ効果による貫徹力の強化に加えて、さらにスワール流Ｓｗｒを整流部でガイドして、より一層強い貫徹力を得ることを狙ったものである。
【００３３】
ヘッド側整流部１２３ａは、燃料噴射ノズル２１を中心に旋回するスワール流Ｓｗｒが燃料噴射方向軸２５に対して鈍角または垂直となるように配置されている。スワール流Ｓｗｒはヘッド側整流部１２３ａに当たり、ヘッド側整流部１２３ａに沿って燃料噴射方向にスワール流Ｓｗｒが流れを変える。
【００３４】
ピストン側整流部１２３ｂは、ピストン１５のキャビティ１０に設けられた板状の突起である。ピストン１５が上死点に至ると、ピストン側整流部１２３ｂとヘッド側整流部１２３ａの曲面鍵型流路とが重なることで、燃料噴射方向軸２５に沿って伸びる半円筒状のダクトが形成される。
【００３５】
パイロット噴射およびアフター噴射では、ヘッド側整流部１２３ａによって燃料噴射方向に流れたスワール流Ｓｗｒとともにその噴霧が成長し、強い貫徹力が得られる。一方、ピストン１５の上死点でのメイン噴射では、ヘッド側整流部１２３ａとピストン側整流部１２３ｂとが重なることで半円筒状のダクトが形成されるので、均一噴霧が形成される。
【００３６】
図６および図７は、実施の形態の他の例にかかるディーゼル内燃機関を模式的に示す図である。図６に示すような半円筒形状のヘッド側整流部２２３ａであってもよく、図７に示した平板形状のヘッド側整流部３２３ａであってもよい。
【００３７】
図６に示すような半円筒形状のピストン側整流部２２３ｂであってもよく、図７に示した平板形状のピストン側整流部３２３ｂであってもよい。これ以外に、断面凹形状つまり四角筒を半分にした形状のものとしてもよい。
【００３８】
ヘッド側整流部２２３ａ、３２３ａとピストン側整流部２２３ｂ、３２３ｂのうち一方を半円筒形状と板状と断面凹形状とのうち任意の一つとし、他方を半円筒形状と板状と断面凹形状とのうち任意の一つとしたものを組み合わせてもよい。ヘッド側整流部２２３ａ、３２３ａとピストン側整流部２２３ｂ、３２３ｂとで内径を相違させても良い。
【００３９】
図８および図９は、実施の形態の他の例にかかるディーゼル内燃機関を模式的に示す図である。図９および図１０では、ヘッド側整流部４２３ａ、５２３ａによってスワール流Ｓｗｒが噴霧２４に当たらないように配置されている。
【００４０】
つまり、スワール流Ｓｗｒの進行方向に見て先にスワール流Ｓｗｒがヘッド側整流部４２３ａ、５２３ａに当たり、スワール流Ｓｗｒが噴霧２４に当たらないように構築されている。これによりスワール流Ｓｗｒによる噴霧２４の拡散を抑制することができるので、強い貫徹力を得ることができる。
【００４１】
ヘッド側整流部４２３ａ、５２３ａおよびピストン側整流部４２３ｂ、５２３ｂの構造は、上述した各種の変形例と同様に変形することができる。
【００４２】
図１０〜図１２は、実施の形態の他の例にかかるディーゼル内燃機関の構成を説明するための図である。図１０〜図１２に示すディーゼル内燃機関はヘッド側整流部１２３ａを備えている。ここでは、ヘッド側整流部１２３ａの整流作用との関係で噴霧の貫徹力向上効果を説明する。
【００４３】
図１０に示すような高速のスワール流Ｓｗｒがあるときに、パイロット噴射の貫徹力を向上させることが好ましい。図１１は、燃料噴射ノズルの軸方向に図１０の構成を見下ろしたときの平面図である。図１２（Ａ）は、噴霧拡散の抑制により噴霧貫徹力を向上させた様子を表すシミュレーション図である。この効果は、図１２（Ｂ）に示す作用によって得られる。
【００４４】
図１２（Ｂ）の符号Ｐｔ１で指し示すように、スワール流Ｓｗｒによって噴霧ガイドに噴霧を押し当てることで拡散を抑制し、貫徹力を向上させることができる。また、図１２（Ｂ）の符号Ｐｔ２で指し示すようにスワール流Ｓｗｒを噴霧ガイドに沿わせることでスワール流Ｓｗｒの向きを噴射方向軸と平行となるように変えることで、貫徹力を向上させることができる。
【００４５】
図１３および図１４は、比較例にかかるディーゼル内燃機関の構成を説明するための図である。比較例に示す構成では、燃料噴射ノズル２の周囲にはなんら整流部が存在せず、ピストン３のキャビティ４の中央にピストン側整流部１１が設けられている。この場合、パイロット噴射時にはピストン３は上死点から離れているので、ピストン側整流部１１は噴霧を整流することはなく、その結果スワール流で噴霧の貫徹力が低下してしまう問題があった。
【００４６】
図１５〜図１７は、実施の形態の他の例にかかるディーゼル内燃機関の構成を説明するための図である。図１５は、ヘッド側整流部１２３ａを燃料噴射ノズル２１の軸方向に沿って見下ろして平面図である。図１５の破線Ｑ１を拡大したものが、図１６である。
【００４７】
ヘッド側整流部１２３ａの設計要件を説明する。スワール流Ｓｗｒをヘッド側整流部１２３ａに当て、スワール流の向きを噴射方向に変えることが求められる。そのためには、噴射方向に向かって、スワール流をヘッド側整流部に対して鈍角で当てる必要がある。
【００４８】
ヘッド側整流部１２３ａの出口径ｒｏｕｔが、パラメータｒとの関係で下記の式の条件を満たす必要がある。
ｒｏｕｔ＞（Ｒｏｕｔ／Ｒｉｎ）×ｒｉｎ
ｒ＝Ｒｏｕｔ×ｓｉｎθ＝（Ｒｏｕｔ／Ｒｉｎ）×ｒｉｎ
つまり、ｒｏｕｔ＞ｒを満たす必要がある。
【００４９】
関連するパラメータは下記のとおりである。
ｓｉｎθ＝ｒｉｎ／Ｒｉｎ
Ｒｉｎは、ヘッド側整流部１２３ａの入口までの距離である。
Ｒｏｕｔは、ヘッド側整流部１２３ａの出口までの距離である。
ｒｉｎは、ヘッド側整流部１２３ａの入口径である。
ｒｏｕｔは、ヘッド側整流部１２３ａの出口径である。
これらのパラメータは図１６および図１７にも図示されている。
【００５０】
他のヘッド側整流部２３、２２３ａ、３２３ａ、４２３ａ、５２３ａ及びその変形例についても、上記の設計条件が適用されてもよい。
【符号の説明】
【００５１】
４、１０  キャビティ
１１、１１１、１２３ｂ、２２３ｂ、３２３ｂ、４２３ｂ、５２３ｂ  ピストン側整流部
３，１５  ピストン
１６  オイルジェット
２０  シリンダヘッド
２，２１  燃料噴射ノズル
２３、１２３ａ、２２３ａ、３２３ａ、４２３ａ、５２３ａ  ヘッド側整流部
２４  噴霧
２５  燃料噴射方向軸
２７  吸気バルブ
２８  排気バルブ
２９  冷却水流路
Ｓｗｒ  スワール流
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2020112125.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
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