(57)【要約】【課題】本発明は、燃焼室内の空気と燃料噴射ノズルから噴射された燃料噴霧とを広く攪拌できる形状の燃焼室を有したディーゼル内燃機関用のピストンを提供する。【解決手段】ピストン１は、燃焼室１０を頂部１ａに有したディーゼル内燃機関用のピストンであって、中央突部１１と周囲突部１２と縁部１３とを備える。中央突部１１は、燃焼室１０の底壁１０ａを形成し、燃料噴射ノズルＮに向かって円錐形状に突出するとともに、燃焼室１０の周壁１０ｂの底壁側の部分に対してトロイダル曲面によって連続的に裾部１１１が接続されている。周囲突部１２は、底壁１０ａから頂部１ａまでの間の周壁１０ｂの全周にわたって燃料噴射ノズルＮに向かう凸状に形成されている。縁部１３は、周囲突部１２よりも頂部側で周囲突部１２よりも径大となった部分から頂部１ａまでの範囲の周壁１０ｂにリエントラント角Ｒが設けられている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料噴射ノズルから燃料が直接噴射される燃焼室を頂部に有したディーゼル内燃機関用のピストンであって、
前記燃焼室の底壁を形成し前記燃料噴射ノズルに向かって円錐形状に突出するとともに前記燃焼室の周壁の底壁側の部分に対してトロイダル曲面によって連続的に裾部が接続された中央突部と、
前記底壁から前記頂部までの間の周壁の全周にわたって前記燃料噴射ノズルに向かう凸状に形成された周囲突部と、
前記周囲突部よりも前記頂部側で前記周囲突部よりも径大となった部分から前記頂部までの範囲の周壁にリエントラント角が設けられた縁部と
を備えることを特徴とするピストン。
【請求項２】
請求項１に記載されたピストンにおいて、
前記中央突部は、このピストンの中心線に沿う方向へ、前記周囲突部の頂点の位置からこのピストンの頂面までの間の高さに突出している
ことを特徴とする。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載されたピストンにおいて、
前記燃料噴射ノズルの噴孔と前記周囲突部の頂点とを結ぶ円錐面で前記燃焼室を分けて、前記頂部側を第１領域、前記底壁側を第２領域とすると、前記第１領域と前記第２領域との容積比率に同等の重量比率で、前記燃料噴射ノズルから噴出されて霧化した燃料噴霧が前記第１領域および前記第２領域に拡散されるように前記燃料噴射ノズルの噴孔角を設定する
ことを特徴とする。
【請求項４】
請求項３に記載されたピストンにおいて、
前記第２領域の容積は、前記第１領域の容積に対して同等、または、大きい
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、燃料噴射ノズルから燃料が直接噴射される燃焼室を頂部に有するディーゼル内燃機関用のピストンに関する。
【背景技術】
【０００２】
直接燃料を燃焼室に噴霧するディーゼルエンジンは、燃焼室内での燃料噴霧と空気の混合の度合いによって、燃焼効率が変わる。燃焼効率を良好にするために、燃焼室の周面に全周に及ぶ突部を形成したピストンが特許文献１に開示されている。このピストンは、周面に突起が設けられていることにより、圧縮行程において燃焼室内に強い空気の渦流を突起よりも上側の領域に形成する。また、燃焼室の底部にも突起が設けられていることにより、膨張行程において底部の突起と周面の突起との間の領域に渦流を形成する。特許文献１ではこの空気の渦流によって燃料噴霧を燃焼室内に拡散させている。
【０００３】
ピストンの頂部に設けられた燃焼室へ燃料噴射ノズルから燃料を噴射する直接噴射式のディーゼルエンジンが特許文献２に開示されている。燃焼室は、噴射された燃料を上部方向と下部方向へと分配する突起部を有している。下部方向へ分配された燃料は、燃焼室の内部方向へ誘導され、上部方向へ分配された燃料は、ピストンの外周方向であるスキッシュエリアへ誘導される。
【０００４】
これらのピストンは、燃焼室の中の空気と燃料噴霧とを均一に混合することで燃焼効率を高め、煤などの発生量を低減するものである。
【特許文献１】特開平７−２３８８３７号公報
【特許文献２】特開２００８−１５１０８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、特許文献１に記載されたピストンの場合、突部よりも上側の領域は、圧縮行程中に周面に設けられた突起によって攪拌され、突部よりも下側の領域は、膨張行程中に底部側の突起によって攪拌される。つまり、攪拌される領域とそのタイミングが燃焼室中において異なっている。
【０００６】
また、特許文献２に記載されたピストンの場合、周面に突起を設けることによって、スキッシュエリアにも燃料噴霧を分配し、スキッシュエリアの空気を利用して燃焼効率を向上させる。しかし、燃焼室の内側の燃料噴霧の流れが一方向となり、燃料噴霧の燃料密度が高くなるため、その中核における燃焼が抑制される。
【０００７】
そこで、本発明は、燃焼室内の空気と燃料噴射ノズルから噴射された燃料噴霧とを広く攪拌できる形状の燃焼室を有したディーゼル内燃機関用のピストンを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のピストンは、燃料噴射ノズルから燃料が直接噴射される燃焼室を頂部に有したディーゼル内燃機関用のピストンであって、中央突部と、周囲突部と、縁部とを備える。中央突部は、燃焼室の底壁を形成し、燃料噴射ノズルに向かって円錐形状に突出するとともに、燃焼室の周壁の底壁側の部分に対してトロイダル曲面によって連続的に裾部が接続されている。周囲突部は、底壁から頂部までの間の周壁の全周にわたって燃料噴射ノズルに向かう凸状に形成されている。縁部は、周囲突部よりも頂部側で周囲突部よりも径大となった部分から頂部までの範囲の周壁にリエントラント角が設けられている。
【０００９】
この場合、中央突部は、このピストンの中心線に沿う方向へ、周囲突部の頂点の位置からこのピストンの頂面までの間の高さに突出させる。また、燃料噴射ノズルの噴孔と周囲突部の頂点とを結ぶ円錐面で燃焼室を分け、頂部側を第１領域、底壁側を第２領域とする場合、第１領域と第２領域との容積比率に同等の重量比率で、燃料噴射ノズルから噴出されて霧化した燃料噴霧が第１領域および第２領域に拡散されるように、燃料噴射ノズルの噴孔角を設定する。さらに、第２領域の容積は、第１領域の容積に対して同等、または、大きいことが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るピストンは、周囲突部を燃焼室に有していることで、燃焼室内の空気と燃料噴射ノズルから噴射された燃料噴霧とを、第１領域および第２領域に分けて拡散させることができるので、燃焼効率が向上する。さらに、第１領域と第２領域との容積比率に同等の重量比率で第１領域および第２領域へ燃料噴霧が拡がるように燃料噴射ノズルの噴孔角を設定していることにより、燃焼室の燃料噴霧の濃度が均質になるので、さらに燃焼効率が向上する。そして、周壁の底壁側の部分に対してトロイダル曲面によって連続的に裾部が接続されている中央突部を有しているので、燃料噴霧の運動エネルギーが大きい間に第２領域に拡散される燃料噴霧の飛翔ベクトルを燃焼室の中央上方へ向けることができる。その結果、燃焼の広がりが促進されやすくなる。
【００１１】
中央突部をピストンの中心線に沿う方向へ、周囲突部の頂点の位置からこのピストンの頂面までの間の高さに突出させる本願発明のピストンによれば、燃料が直接噴射されない領域を減らすことができる。燃料噴霧と拡散されない未使用空気が減少するので、燃焼効率が向上する。
【００１２】
燃焼室を周囲突部を境に第１領域と第２領域とする場合に、それぞれの領域の容積比率に同等の重量比率で、それぞれの領域に燃料噴霧が拡散するように、燃料噴射ノズルの噴孔角を設定する本発明のピストンによれば、それぞれの領域に燃料噴霧が分配されることによって、燃料噴霧の表面積が拡大するため、空気との攪拌されやすくなる。また、第１領域と第２領域の空気量に応じた量の燃料噴霧を供給することによって、燃料の濃度が均質化されるとともに燃焼室内の空気使用率が向上する。その結果、燃焼効率が向上し、煤の発生量が減少する。
【００１３】
第２領域を第１領域に対して同じまたは大きくする本発明のピストンによれば、燃焼室の底壁と周壁との間を連続的に接続するトロイダル曲面の小円周方向の曲率半径を大きく設定することができる。その結果、第２領域に分配された燃料噴霧は、運動エネルギーが減衰することを抑えられ、周壁から底壁に沿って燃焼室の中央部まで誘導されやすくなる。膨張行程において、燃焼室の上方へ空間が広がる際に、燃焼し続ける燃料噴霧がこれに伴って拡張される。第２領域へ拡散された燃料噴霧は、第１領域へ拡散された燃料噴霧とともに広範囲にわたる燃焼領域を形成することができるので、燃焼効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明に係る第１の実施形態のピストン１は、図１から図５を参照して説明する。図１に示したピストン１の頂部１ａは、ディーゼル内燃機関用のピストンの頂部であって、燃料噴射ノズルＮから燃料が直接噴射される燃焼室１０を有している。燃焼室１０は、ピストン１の中心線Ｃ上に配置される燃料噴射ノズルＮと同心に形成されている。燃料噴射ノズルＮの端部には、燃料を噴出する噴孔Ｈが複数、本実施形態では、６つ放射状に開口している。
【００１５】
なお、噴孔Ｈの数は、シリンダおよびピストンの口径に応じて変更されるものである。したがって、噴孔の数は、６つに限らず、口径が大きい場合には６つ以上、例えば７つや８つ、口径が小さい場合には６つ以下、例えば５つまたは４つにする。また、噴出される燃料の広がり角によっても、噴孔の数は適宜変更され得るものである。
【００１６】
燃焼室１０は、中央突部１１と、周囲突部１２と、縁部１３とを備える。中央突部１１は、図１に示すように、燃焼室１０の底壁１０ａを形成しており、燃料噴射ノズルＮに向かって円錐形状に突出している。また、中央突部１１の裾部１１１は、燃焼室１０の周壁１０ｂの底壁側の部分に対してトロイダル曲面によって連続的に接続されている。周囲突部１２は、底壁１０ａから頂部１ａまでの間の周壁１０ｂの全周にわたって燃料噴射ノズルＮに向かう凸状に形成されている。
【００１７】
中央突部１１の頂点は、ピストン１の中心線Ｃに沿う方向へ、周囲突部１２の頂点１２１の位置からピストン１の頂面Ｔまでの間の高さに突出しており、本実施形態においては周囲突部１２の頂点１２１の位置よりも高く形成されている。
【００１８】
図２に示すように、燃料噴射ノズルＮの噴孔Ｈと周囲突部１２の頂点１２１とを通る円錐面Ｐで燃焼室１０を二分割し、頂部側を第１領域Ａ１、底壁側を第２領域Ａ２とする。このとき、燃料噴射ノズルＮの噴孔Ｈの噴孔角Ｓは、周囲突部１２に燃料噴霧Ｍが向かうように設定するのではなく、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２との容積比率に同等の重量比率で燃料噴霧Ｍが第１領域Ａ１と第２領域Ａ２とに拡散されるように設定される。したがって、燃料噴射ノズルＮの噴孔Ｈが開口する方向Ｇは、円錐面Ｐに必ずしも一致しない。
【００１９】
縁部１３は、周囲突部１２よりも頂部側で周囲突部１２よりも径大となった部分から頂部１ａまでの範囲の周壁１０ｂにリエントラント角Ｒが設けられている。このリエントラント角Ｒは、周囲突部１２によって第１領域Ａ１側に分配された燃料噴霧Ｍ１が燃焼室１０の中央部へ戻るように設定される。このとき、リエントラント角Ｒを１０°未満にすると、燃料噴霧Ｍ１が中央部に戻りにくい。また、リエントラント角Ｒが６０°を超えると、燃料噴霧Ｍ１が周壁１０ｂに衝突して付着してしまう。したがって、リエントラント角Ｒは、１０°〜６０°の範囲で設定することが好ましい。
【００２０】
なお、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２との容積比率において、第２領域Ａ２が大きくなりすぎると、縁部１３の長さとリエントラント角Ｒを十分に確保できなくなる。また、燃焼室１０内部に燃料噴霧Ｍを均質に拡散することを考えると、第１領域Ａ１の容積と第２領域Ａ２の容積とをほぼ同じにすることが望ましい。したがって、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２の容積比率は、５０％：５０％から３０％：７０％程度がよい。
【００２１】
以上のように構成されたピストン１の燃焼室１０に噴出された燃料は、図３に示すように、液柱Ｌのまま周壁１０ｂの近傍まで飛翔する。本実施形態では、第１領域Ａ１の容積が燃焼室全体の４０％、第２領域Ａ２の容積が燃焼室全体の６０％になるように周囲突部１２が配置されている。したがって、図３に示すように、燃料噴射ノズルＮの噴孔Ｈも、第１領域Ａ１に４０％、第２領域Ａ２に６０％の燃料が拡散されるように、周囲突部１２よりも第２領域Ａ２に偏って燃料を噴出する。
【００２２】
燃料の液柱Ｌは、図４に示すように、周壁１０ｂに到達する前に霧化して燃料噴霧Ｍとなる。燃料噴霧Ｍは、周囲突部１２によって、第１領域Ａ１側の燃料噴霧Ｍ１と第２領域Ａ２側の燃料噴霧Ｍ２に分配される。燃料噴霧Ｍ１は、縁部１３に沿って燃焼室１０の中央部へ戻されるように第１領域Ａ１内に拡散され、燃料噴霧Ｍ２は、周壁１０ｂから底壁１０ａにかけて設けられているトロイダル曲面に沿って燃焼室１０の中央部へ戻されるように第２領域Ａ２内に拡散される。
【００２３】
燃料は、周壁１０ｂ近傍まで液柱Ｌの状態で飛翔して周壁１０ｂに衝突する手前で霧化される。したがって、燃料噴霧Ｍの運動エネルギーは、大きい状態で第１領域Ａ１および第２領域Ａ２に分配されるので、燃料噴霧Ｍ１，Ｍ２が広い範囲にわたって拡散される。その結果、図５に示すように、広い領域で混合比が均質に安定した燃焼領域Ｂを得ることができるので、燃焼効率が向上する。
【００２４】
本実施形態では、第２領域Ａ２の容積を第１領域Ａ１の容積よりも大きくしている。そのため、燃焼室１０の底壁１０ａと周壁１０ｂとの間を連続的に接続するトロイダル曲面の小円周方向の曲率半径を大きく設定することができる。その結果、第２領域Ａ２に分配された燃料噴霧Ｍ２は、運動エネルギーの減衰が抑えられ、周壁１０ｂから底壁１０ａに沿って燃焼室１０の中央部まで誘導されやすくなる。膨張行程において、燃焼室１０の上方へ空間が広がる際に、燃焼し続ける燃料噴霧Ｍがこれに伴って拡張される。第２領域Ａ２へ拡散された燃料噴霧Ｍ２は、第１領域Ａ１へ拡散された燃料噴霧Ｍ１とともに広範囲にわたる燃焼領域Ｂを形成することができるので、燃焼効率が向上する。
【００２５】
本発明に係る第２の実施形態のピストン１は、図６から図９を参照して説明する。図６から図９はいずれも燃焼室１０の片側を拡大して示している。第１の実施形態のピストン１と同じ機能を有する構成は、図面中に同一の符号を付してその説明を省略する。
【００２６】
図６に示すピストン１の燃焼室１０は、第１領域Ａ１の最大径が第２領域Ａ２の最大径よりも大きい。また、第１領域Ａ１の容積と第２領域Ａ２の容積とがほぼ同じであるので、噴孔Ｈの開口する方向Ｇが円錐面Ｐに一致する。
【００２７】
噴孔Ｈから噴出された燃料は、図７に示すように液柱Ｌのまま周壁１０ｂの近傍まで飛翔した後、図８に示すように周壁１０ｂに到達する直前に霧化されて燃料噴霧Ｍとなる。燃料噴霧Ｍは、周囲突部１２によって、第１領域Ａ１側の燃料噴霧Ｍ１と第２領域Ａ２側の燃料噴霧Ｍ２に分配される。燃料噴霧Ｍ１は第１領域Ａ１に、燃料噴霧Ｍ２は第２領域Ａ１にそれぞれ拡散される。そして、第１の実施形態と同様に、図９に示すように広い領域で混合比が均質に安定した燃焼領域Ｂを得ることができるので、燃焼効率が向上する。
【００２８】
燃焼室１０内の２つの領域の容積比率に燃料の重量比率を合わせて燃料噴霧Ｍが拡散されるように、周囲突部１２に対して燃料が噴出される。つまり、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２とでどちらかが大きい場合は、その大きい側へ偏らせて燃料を噴射するように燃料噴射ノズルＮの噴孔Ｈの噴孔角Ｓを設定する。簡単な構造によって、均質な濃度の燃料噴霧Ｍを燃焼室１０内の広い範囲に提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に掛かる第１の実施形態のピストンの中心軸を通る頂部の断面図。
【図２】図１に示したピストンの燃焼室の片側を拡大して示す断面図。
【図３】図２に示したピストンの燃焼室に燃料噴射ノズルから燃料が噴出された様子を模式的に示す断面図。
【図４】図３に示したピストンの燃焼室に噴出された燃料が噴霧となって燃焼室に拡散される様子を模式的に示す図。
【図５】図４に示したピストンの燃焼室に拡散された燃料が燃焼する領域を模式的に示す断面図。
【図６】本発明に係る第２の実施形態のピストンの中心線を通る頂部の片側を拡大して示す断面図。
【図７】図６に示したピストンの燃焼室に燃料噴射ノズルから燃料が噴出された様子を模式的に示す断面図。
【図８】図７に示したピストンの燃焼室に噴出された燃料が噴霧となって燃焼室に拡散される様子を模式的に示す図。
【図９】図８に示したピストンの燃焼室に拡散された燃料が燃焼する領域を模式的に示す断面図。
【符号の説明】
【００３０】
１…ピストン、１ａ…頂部、１０…燃焼室、１１…中央突部、１２…周囲突部、１３…縁部、１１１…裾部、１２１…頂点、Ａ１…第１領域、Ａ２…第２領域、Ｈ…噴孔、Ｍ，Ｍ１，Ｍ２…燃料噴霧、Ｎ…燃料噴射ノズル、Ｐ…円錐面、Ｒ…リエントラント角、Ｓ…噴孔角。
【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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