(57)【要約】【課題】本発明は、燃費が最も良くなる運転条件で煤発生量が少ない直接噴射式ディーゼルエンジンを提供する。【解決手段】直接噴射式ディーゼルエンジン１００は、燃焼室１０と環状溝２０と制御装置（ＥＣＵ３０）とを備える。燃焼室１０は、噴孔Ｈから噴射した勢いで燃料を霧化する燃料噴射ノズルＮに対応した形状にピストン１の頂部１ａに凹設される。環状溝２０は、燃焼室１０よりも外側のピストン１の頂部１ａに燃焼室１０と独立して凹設される。ＥＣＵ３０は、運転条件に応じて燃料噴射時期を−３０°〜０°ＡＴＤＣ（上死点後）の範囲内でＢＳＦＣ（正味燃料消費率）が最小となる時期を選択して燃料噴射ノズルＮから燃料を噴射させる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
噴孔から噴射した勢いで燃料を霧化する燃料噴射ノズルに対応した形状にピストンの頂部に凹設される燃焼室と、
前記燃焼室よりも外側の前記頂部に前記燃焼室と独立して凹設された環状溝と、
運転条件に応じて燃料噴射時期を−３０°〜０°ＡＴＤＣの範囲内で正味燃料消費率が最小となる時期を選択して前記燃料噴射ノズルから燃料を噴射させる制御装置と
を備えることを特徴とする直接噴射式ディーゼルエンジン。
【請求項２】
請求項１に記載された直接噴射式ディーゼルエンジンにおいて、
前記環状溝の容積は、前記燃焼室および前記環状溝を足し合わせた総容積の１０％以下であることを特徴とする。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載された直接噴射式ディーゼルエンジンにおいて、
前記環状溝の内周側の側壁は、頂面に対して成す角度が鋭角であることを特徴とする。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載された直接噴射式ディーゼルエンジンにおいて、
前記ピストンの半径方向に前記環状溝の開口幅は、前記燃焼室の外周縁から前記頂部の外周までの距離の１／３以下であることを特徴とする。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載された直接噴射式ディーゼルエンジンにおいて、
前記ピストンの半径方向に前記環状溝の開口幅の中心は、前記燃焼室の外周縁から前記頂部の外周までの距離の半分の位置よりも前記燃焼室寄りであることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストンの頂部に燃焼室および環状溝が凹設された直接噴射式ディーゼルエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
頂部に燃焼室が凹設されたピストンを有するディーゼルエンジンが特許文献１に開示されている。このエンジンのピストンは、燃焼室の外周に環状溝を有している。膨張行程において、シリンダヘッドとピストンの頂部との隙間であるスキッシュエリアに環状溝から空気を供給することによって、燃焼効率を改善している。
【特許文献１】特開昭５７−１８１９２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、ディーゼルエンジンの燃料噴射時期は、排気ガス規制との関係から発生する煤量を低減するために、必ずしも燃費が最適条件となるように設定されない。特に、燃料噴射時期に対する煤量および燃費の関係は真逆の挙動を示す。したがって、各運転条件において煤の発生量を抑えるために、最も燃費が良くなる燃料噴射時期に対してやや早いか遅い燃料噴射時期にずらして燃料が噴射されるように制御される。
【０００４】
また、特許文献１では、全ての運転条件で燃焼効率が改善され、排気煙濃度を低減させることができるように記載されているが、燃料噴射時期と燃費との関係について明らかにされていない。燃料噴射時期について、特許文献１は圧縮行程の終期直前に噴射することを記載している。
【０００５】
しかし、ピストンの上死点後（ＡＴＤＣ）を０°とする燃料噴射時期は、そもそも回転数やアクセルの開度、冷却水温度など運転条件によって、可変制御されるものである。そして、圧縮行程の早い段階で噴射された燃料は燃焼室の外側のスキッシュエリアに拡散されることもある。そのため、特許文献１のように環状溝が設けられていてもスキッシュエリアに拡散した燃料によって燃焼の初期に環状溝内の空気が消費されてしまい、燃焼後期まで環状溝による効果を持続することができない。また、燃料噴射時期を０°ＡＴＤＣよりも遅延化させた場合、スキッシュエリアは広くなる一方であり、環状溝に空気を確保しておく効果は薄れていく。
【０００６】
そこで、本発明は、燃費が最も良くなる運転条件で煤発生量が少ない直接噴射式ディーゼルエンジンを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る直接噴射式ディーゼルエンジンは、燃焼室と環状溝と制御装置とを備える。燃焼室は、噴孔から噴射した勢いで燃料を霧化する燃料噴射ノズルに対応した形状にピストンの頂部に凹設される。環状溝は、燃焼室よりも外側のピストンの頂部に燃焼室と独立して凹設される。制御装置は、運転条件に応じて燃料噴射時期を−３０°〜０°ＡＴＤＣの範囲内で正味燃料消費率が最小となる時期を選択して燃料噴射ノズルから燃料を噴射させる。
【０００８】
この場合、環状溝の容積は、燃焼室および環状溝を足し合わせた総容積の１０％以下とする。また、環状溝の内周側の側壁は、頂面に対して成す角度を鋭角にする。または、ピストンの半径方向に環状溝の開口幅は、燃焼室の外周縁から頂部の外周までの距離の１／３以下にする。または、ピストンの半径方向に環状溝の開口幅の中心は、燃焼室の外周縁から頂部の外周までの距離の半分の位置よりも燃焼室寄りにする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る直接噴射式ディーゼルエンジンによれば、運転条件に応じて正味燃料消費率が最小となる時期を燃料噴射時期を−３０°〜０°ＡＴＤＣの範囲内において選択した場合にも、環状溝内に確保された空気によって、スキッシュエリアに拡がる燃焼ガス中の煤成分を継続して燃焼させることができる。つまり、燃費が最も良い条件でかつ発生する煤量を低減できる直接噴射式ディーゼルエンジンを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明に係る第１の実施形態の直接噴射式ディーゼルエンジン１００は、図１から図６を参照して説明する。図１に示す直接噴射式ディーゼルエンジン１００は、ピストン１の頂部１ａに燃焼室１０と環状溝２０とを備えるとともに、制御装置としてＥＣＵ（電子コントロールユニット）３０を備えている。
【００１１】
ＥＣＵ３０は、燃料噴射ノズルＮから噴射する燃料の量および燃料噴射時期（°ＡＴＤＣ）を運転条件に応じて決定する。本実施形態において、ＥＣＵ３０が運転条件として検出するものは、大気圧、吸気圧、アクセル開度、燃料供給ポンプ４における燃料温度、燃料供給ポンプ４の回転数、コモンレール５内の燃料圧力、シリンダブロック６に流れる冷却水温度、エンジン回転数などである。大気圧は大気圧センサ３１によって測定される。吸気圧は吸気マニホールドに設置される圧力センサ３２によって測定される。アクセル開度はアクセルペダル７に設置されるアクセルセンサ７１によって計測される。燃料供給ポンプ４における燃料温度は、燃料供給ポンプ４内に設けられる温度センサ４１によって測定され、燃料供給ポンプ４の回転数は回転計４２によって計測される。コモンレール５内の燃料圧力はコモンレール５に設置される圧力計５１によって測定される。冷却水温度は、シリンダブロック６に取り付けられる水温センサ６１で測定され、エンジン回転数はタコメータなど回転計８によって計測される。なお、燃料供給ポンプ４によって燃料タンク４０からコモンレール５に送られた燃料の余剰分、およびコモンレール５から燃料噴射ノズルＮに供給された燃料の余剰分は、それぞれ燃料タンク４０に回収される。
【００１２】
ＥＣＵ３０は、これら検出した運転条件に基づいて、予め用意されているデータテーブルからその運転条件において最も燃費が良くなる燃料噴射時期および噴射量を決定し、燃料供給ポンプ、燃料噴射ノズルＮが内蔵する弁の開放時期および閉鎖時期を制御する。
【００１３】
図２に示すように、燃焼室１０は、噴孔Ｈから噴射した勢いで燃料を霧化する燃料噴射ノズルＮに対応した形状である。環状溝２０は、燃焼室１０よりも外側の位置にこの燃焼室１０と独立して凹設されている。燃料噴射ノズルＮは、図２に示すように、ピストン１の中心線Ｃと同軸に配置されており、燃料を半径方向へ噴射する複数の噴孔Ｈ、本実施形態では６つの噴孔Ｈを先端部の周囲に等配に有している。
【００１４】
燃焼室１０の周壁１１は、この燃料噴射ノズルＮの各噴孔Ｈから噴射された燃料がその勢いで霧化する距離に設けられている。この燃焼室１０は、いわゆるリエントラント形の燃焼室である。つまり、周壁１１の上側部分は、ピストン１の頂部１ａに対して鋭角の角度αを成す。そして、燃焼室１０の底壁１２は、中央部分が燃料噴射ノズルＮに向かって突出する円錐形状であり、ピストン１の中心線Ｃを通る断面において周壁１１となだらかな円弧形状で接続されている。
【００１５】
環状溝２０は、燃焼室１０および燃料噴射ノズルＮと同様にピストン１の中心線Ｃと同軸に配置されている。ピストン１の半径方向にこの環状溝２０の開口幅Ｗは、燃焼室１０の外周縁１３からピストン１の頂部１ａの外周までの距離、いわゆるスキッシュエリア１４の幅の１／３以下である。また、環状溝２０の開口幅Ｗの中心Ｋは、スキッシュエリア１４の幅の半分の位置Ｌよりも燃焼室１０寄りになるように設けられる。
【００１６】
本実施形態の燃焼室１０と同じ形状の燃焼室のみを頂部に有し環状溝２０が形成されていないピストンの場合、燃料噴射ノズルＮから噴射された燃料のうち約９０％が燃焼室１０で燃焼し、残りの１０％がピストンの頂部１ａとシリンダヘッド２の下面２ａとの間に作られるスキッシュエリア１４で燃焼することが解析などによって判明した。したがって、スキッシュエリア１４で必要となる空気量もまた燃焼室１０と足し合わせた全体の空気量の１０％であると見積もることができる。つまり、環状溝２０に確保すべき空気量は、多くとも１０％であることが分かる。そこで、本実施形態では、環状溝２０の容積は、燃焼室１０および環状溝２０を足し合わせた総容積の１０％以下にしている。
【００１７】
圧縮行程で燃料噴射ノズルＮから燃料が噴射されると、図２に示すように、霧化した燃料噴霧Ｍのほとんどは、燃焼室１０の周壁１１によって燃焼室１０の中心側に戻るように拡散される。そして、燃料噴霧Ｍの一部は、燃焼室１０の外周縁１３を越えて外側のスキッシュエリア１４に拡散される。ピストン１は、燃料噴射ノズルＮから噴射された燃料のうちスキッシュエリア１４で燃焼される燃料に見合った酸素量を含む空気を環状溝２０に確保している。
【００１８】
したがって、スキッシュエリア１４に拡散された燃料をその空気で燃焼させ、スキッシュエリア１４に発生する煤量を減らすことができる。また、必要以上に環状溝２０を大きくしていないので、燃焼室１０の容積を極端に減らすこともない。そのため、膨張行程における燃焼室１０の圧力および温度の低下が緩やかになり、燃焼室１０の燃焼状態を維持しやすい。
【００１９】
燃焼室１０と環状溝２０を足し合わせた総容積に対する環状溝２０の容積の割合と、燃焼室１０に発生する煤量Ａ１、および、スキッシュエリア１４に発生する煤量Ａ２の関係を図６に示す。また、この図６には、煤量Ａ１と煤量Ａ２とを足し合わせたものを一回の燃焼でシリンダ内に発生する総煤量Ａ３として示している。
【００２０】
図６に因れば、スキッシュエリア１４で燃焼される燃料噴霧Ｍの量に相当する容積比率である総容積の１０％に環状溝２０の容積を近づけることで、スキッシュエリア１４に発生する煤量Ａ２がゼロに近づくことがわかる。これとは反対に、環状溝２０の容積比率が大きくなる、すなわち燃焼室１０の容積比率が小さくなると、燃焼室１０内に発生する煤量Ａ１が増加することが分かる。
【００２１】
そして、一回の燃焼でシリンダ内に発生する総煤量Ａ３として評価した場合、総容積に対して環状溝２０の容積比率が３〜４％であるときに最も総煤量Ａ３が少なくなっている。特に、総容積に対して環状溝２０の容積比率が１〜７％の範囲である場合に、環状溝２０を設けたことによる総煤量Ａ３の減量効果が現れている。なお、スキッシュエリア１４に発生する煤量Ａ２は、ピストンリングの固着や潤滑オイルの劣化などの原因になるので、極力少ないほうが良い。このことを考慮すると、総容積に対する環状溝２０の容積比率は、４〜７％であることが好ましいと考えられる。
【００２２】
以上のように構成された直接噴射式ディーゼルエンジン１００は、ある運転条件において図４に示すような結果を得ている。図４に、燃料噴射時期に対する従来のエンジンによる煤量９１、未燃燃料（ＨＣ）濃度９２、ＢＳＦＣ（Brake Specific Fuel Consumption：正味燃料消費率）９３と本実施形態の直接噴射式ディーゼルエンジン１００による煤量１０１、未燃燃料（ＨＣ）濃度１０２、ＢＳＦＣ１０３を比較して示す。特に、ＢＳＦＣが良好な燃料噴射時期の範囲について、従来のものと比較して図５に拡大して示す。
【００２３】
図４に示すように、本実施形態の場合、燃料噴射時期を−３０°ＡＴＤＣよりも早めると未燃燃料濃度１０２が増え、ＢＳＦＣ１０３も悪化していることがわかる。これは、−３０°ＡＴＤＣよりも燃料噴射時期が早いと、ピストン１の位置が低くなり過ぎるからと考えられる。ピストン１の位置が低いと、噴射された燃料が燃焼室１０に納まらずにピストン１の頂面Ｔやシリンダ内壁に向けて直接燃料が噴射されるようになる。その結果、これらの燃料が未燃燃料として排出されるとともに、燃費も悪くなる。
【００２４】
また、燃料噴射時期が０°ＡＴＤＣよりも遅いと従来の煤量９１よりも本実施形態の煤量１０１のほうが多くなっている。ピストン１が下降するタイミングで燃料噴射および燃焼が行われ、スキッシュエリア１４の空間が燃料噴射に伴い広がる。したがって、燃料噴射時期が０°ＡＴＤＣから遅くなるほど、スキッシュエリア１４に十分な空気が入り込むため、環状溝２０を設ける効果が薄れていく。そして、燃料噴射時期が遅くなるほど、シリンダ内の圧力および温度が低下する。このとき、本実施形態の燃焼室１０の容積は、環状溝２０の容積分だけ小さいため、従来よりも空気量が少ない。そのため、煤が発生しやすい状況となる。
【００２５】
また、図５に示すように環状溝が無い場合、−１５°〜−５°ＡＴＤＣの範囲においてＢＳＦＣ９３が良好であっても煤量９１が増加していた。これに対して、環状溝２０を有している本実施形態の場合、−１５°〜０°ＡＴＤＣの範囲でＢＳＦＣ１０３が良好になるとともに煤量１０１も低減することができている。つまり、ＢＳＦＣが良好となる範囲で煤量が増えないので、ＢＳＦＣ１０３が良好となる範囲を積極的に利用することができる。
【００２６】
このように、この直接噴射式ディーゼルエンジン１００は、燃焼室１０の外周に環状溝２０を有しており、燃料噴射時期が−３０°〜０°ＡＴＤＣの範囲においてＢＳＦＣが最良となる燃料噴射時期をＥＣＵ３０が運転条件に応じて選択し、燃料の噴射量を制御するので、一回の燃焼で発生する煤量を低減することができる。
【００２７】
本発明に係る第２の実施形態の直接噴射式ディーゼルエンジン１００は、図７を参照して説明する。なお、第２の実施形態の直接噴射式ディーゼルエンジン１００は、ピストン１の頂部１ａに設けられる環状溝２０の断面形状が第１の実施形態の直接噴射式ディーゼルエンジン１００と異なっている。その他の構成は、第１の実施形態と同じであるので、図１から図３およびその説明を参照するものとし、ここでの説明を省略する。また、環状溝２０の断面形状が異なることに起因する燃料噴射時期と煤量との関係、燃料噴射時期と未燃燃料成分（ＨＣ）との関係、燃料噴射時期と正味燃料賞比率（ＢＳＦＣ）との関係は、絶対数に差はあるもののその変化の傾向は第１の実施形態の場合と同じであるからここでの説明を省略する。
【００２８】
第２の実施形態の直接噴射式ディーゼルエンジン１００に用いられるピストン１に設けられる環状溝２０の断面形状において、内周側の側壁２１がピストン１の頂面Ｔに対して成す角度αは、図７に示すように、鋭角である。また、環状溝２０の外周側の側壁２２は、頂面Ｔに対して直角に設けられている。したがって、ピストン１の半径方向に環状溝２０の開口幅Ｗは、環状溝２０の底壁２３の幅よりも小さい。
【００２９】
内周側の側壁２１がピストン１の頂面Ｔに対して成す角度αを鋭角に設けられた環状溝２０を有するピストン１であると、圧縮行程において、燃料噴霧Ｍの一部がスキッシュエリア１４に拡散された場合でも、その燃料噴霧Ｍが環状溝２０の内部に侵入しにくい。つまり、環状溝２０は、膨張行程まで内部に空気を確保しやすい。したがって、燃焼室１０と環状溝２０を足し合わせた総容積に対して環状溝２０の容積比率を第１の実施形態の場合よりも小さ目に設定しても、スキッシュエリア１４で燃焼される燃料比率に応じた酸素量に必要な空気を環状溝２０に確保しておくことができる。その結果、燃焼室１０の容積比率を大きいままに維持できるので、燃焼室１０内に発生する煤量や未燃燃料成分（ＨＣ）も少なくなる。
【００３０】
なお、ピストン１の半径方向に沿う環状溝２０の断面形状は、第１または第２の実施形態で示した形状に限定されない。例えば、底壁２３が丸くなっていても良いし、開口幅Ｗが底壁２３の幅よりも狭い台形であっても良い。また、内周側の側壁２１が頂面Ｔに対して鋭角で、外周側の側壁２２が頂面Ｔに対して鈍角に設けられていても良い。さらに、内周側の側壁２１が頂面Ｔに対して鋭角なＶ字形状の環状溝であっても良い。また、燃料噴射ノズルＮの噴孔Ｈから噴射された燃料噴霧Ｍの濃度分布に対応して、周方向に部分的に環状溝が配置されていても良いし、その深さが周方向位置で変化していることも好ましい。
【００３１】
また、燃料噴射ノズルＮの噴孔Ｈの数は、シリンダおよびピストン１の口径に応じて変更される。上記実施形態の場合よりも口径が大きい場合は、噴孔Ｈの数を６つ以上、例えば７つや８つに増やし、口径が小さい場合は、噴孔Ｈの数を例えば５つや４つに減らす。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係る第１の実施形態の直接噴射式ディーゼルエンジンを示す図。
【図２】図１に示した直接噴射式ディーゼルエンジンのピストンの断面図。
【図３】図２に示したピストンの平面図。
【図４】図１に示した直接噴射式ディーゼルエンジンの燃料噴射時期に対する煤量、未燃燃料成分、正味燃料消費率の関係を示す図。
【図５】図１に示した直接噴射式ディーゼルエンジンの燃料噴射時期に対する煤量、正味燃料賞比率の関係を示す図。
【図６】図１に示したピストンの燃焼室と環状溝を足し合わせた総容積に対する環状溝の容積の割合と発生する煤重量の関係を示す図。
【図７】本発明に係る第２の実施形態の直接噴射式ディーゼルエンジンのピストンの環状溝を示す断面図。
【符号の説明】
【００３３】
１…ピストン、１ａ…頂部、１０…燃焼室、１３…外周縁、１４…スキッシュエリア（燃焼室の外周縁から頂部の外周までの部分）、２０…環状溝、２１…（内周側の）側壁、２２…（外周側の）側壁、３０…ＥＣＵ（制御装置）、１００…直接噴射式ディーゼルエンジン、Ｈ…噴孔、Ｋ…（開口部の）中心、Ｌ…（ピストンの半径方向に燃焼室の外周縁から頂部の外周までの距離の半分の）位置、Ｎ…燃料噴射ノズル、Ｔ…頂面、Ｗ…開口幅、α…環状溝の内周側の側壁が頂面に対してなす角度。
【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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