(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン頂面中央部にキャビティ燃焼室を有するとともに、このキャビティ燃焼室の略中心位置に多噴孔の燃料噴射ノズルが配置され、かつシリンダ内にスワールを生成するようにした直噴式ディーゼルエンジンにおいて、
ピストン上死点位置で先端部が上記キャビティ燃焼室内に入るように天井面から突出したグロープラグを備え、
上記燃料噴射ノズルは、シリンダ中心軸線に対する傾斜角が互いに異なる第１の噴孔群と第２の噴孔群とを有し、
第１の噴孔群に属する複数の第１の噴孔は、各々の噴霧中心軸線が放射状となるように配置され、かつ第２の噴孔群に属する複数の第２の噴孔は、各々の噴霧中心軸線が放射状となるように配置され、さらに、第１の噴孔と第２の噴孔とが周方向に交互に配置されており、
上記グロープラグは、周方向において、第１の噴孔の噴霧中心軸線と第２の噴孔の噴霧中心軸線との間に位置し、かつ、シリンダの高さ方向において、相対的に下側の位置を指向する一方の噴霧中心軸線の高さまで突出している、直噴式ディーゼルエンジン。
【請求項２】
一方の噴孔群の噴孔径は、他方の噴孔群の噴孔径よりも大きく、
上記グロープラグは、周方向において、噴孔径が相対的に大きい噴孔の噴霧中心軸線のスワール下流側に位置する、請求項１に記載の直噴式ディーゼルエンジン。
【請求項３】
相対的に上側の位置を指向する噴孔群の噴孔径に比べて、相対的に下側の位置を指向する噴孔群の噴孔径が大きい、請求項２に記載の直噴式ディーゼルエンジン。
【請求項４】
上記燃料噴射ノズルは、シリンダの中心軸線に沿うように垂直に配置されている、請求項１〜３のいずれかに記載の直噴式ディーゼルエンジン。
【請求項５】
上記キャビティ燃焼室は、中間付近の最大径に比べて入口部分の径が相対的に小さなリエントラント型燃焼室である、請求項１〜４のいずれかに記載の直噴式ディーゼルエンジン。
【請求項６】
上記キャビティ燃焼室は、ピストン中心軸線を中心とした回転体形状をなしている、請求項１〜５のいずれかに記載の直噴式ディーゼルエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ピストン頂面中央部にキャビティ燃焼室が形成され、かつ、このキャビティ燃焼室の略中心位置に多噴孔の燃料噴射ノズルが配置される直噴式ディーゼルエンジンの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
直噴式ディーゼルエンジンにおいて、近年、筒内のガス流動を比較的少なくして冷却損失を低減することで燃費の改善を図ることが試みられているが、低ガス流動化に伴う混合不良により煤（Soot）が増大する傾向となる。【０００３】
特許文献１には、このような問題に対処するために、シリンダ中心軸線に対する傾斜角が大小異なる２つの噴孔群を備えた燃料噴射ノズルを用いた直噴式ディーゼルエンジンが開示されている。ここでは、上側を指向する一方の噴孔群の貫徹力に比較して下側を指向する他方の噴孔群の貫徹力が大きく設定されており、かつこれら２種類の噴孔が周方向に交互に配置されている。これにより、燃料を燃焼室内に広く分散させ、煤の低減を図っている。【０００４】
また、特許文献２は、圧縮着火ができないメタノールを燃料としたメタノールエンジンに関するものであるが、やはりシリンダ中心軸線に対する傾斜角が大小異なる２つの噴孔群を備えた燃料噴射ノズルが用いられている。そして、メタノール燃料への着火を行うグロープラグが、上側を指向する噴孔群の中の１つの噴霧中心軸線と交差する位置に設けられている。【０００５】
圧縮着火を行う直噴式ディーゼルエンジンにおいては、冷間始動のためにグロープラグもしくはその代替となる吸気ヒータ等が必要であるが、上記特許文献１には、グロープラグの配置について、開示がない。【０００６】
一方、特許文献２は、噴孔から噴射された燃料がグロープラグに直接に衝突する構成であり、このような構成では、グロープラグの耐久性が低くなる問題がある。また、直噴式ディーゼルエンジンにおいて、特にグロープラグが必要となるような冷間始動時については、燃焼室内のスワールと組み合わされるのが一般的であるが、スワール存在下でスワールに沿って流れてくる次の燃料塊は、シリンダの高さ方向に関し、相対的に下側の位置となるため、特許文献２のように上側の噴霧中心軸線に対応してグロープラグを配置すると、次の燃料塊にグロープラグが接触できない。従って、スワール存在下における着火性が低い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１２０８３２号公報
【特許文献２】特開平６−７４１３１号公報
【発明の概要】
【０００８】
この発明は、ピストン頂面中央部にキャビティ燃焼室を有するとともに、このキャビティ燃焼室の略中心位置に多噴孔の燃料噴射ノズルが配置され、かつシリンダ内にスワールを生成するようにした直噴式ディーゼルエンジンにおいて、
ピストン上死点位置で先端部が上記キャビティ燃焼室内に入るように天井面から突出したグロープラグを備え、
上記燃料噴射ノズルは、シリンダ中心軸線に対する傾斜角が互いに異なる第１の噴孔群と第２の噴孔群とを有し、
第１の噴孔群に属する複数の第１の噴孔は、各々の噴霧中心軸線が放射状となるように配置され、かつ第２の噴孔群に属する複数の第２の噴孔は、各々の噴霧中心軸線が放射状となるように配置され、さらに、第１の噴孔と第２の噴孔とが周方向に交互に配置されており、
上記グロープラグは、周方向において、第１の噴孔の噴霧中心軸線と第２の噴孔の噴霧中心軸線との間に位置し、かつ、シリンダの高さ方向において、相対的に下側の位置を指向する一方の噴霧中心軸線の高さまで突出している。
【０００９】
このような構成では、各噴孔から噴射された噴霧はグロープラグを直撃せず、噴射後、スワールによってスワール下流側に拡がっていく燃料塊がグロープラグに接触する。このとき、第１の噴孔から噴射された噴霧と第２の噴孔から噴射された噴霧とは、筒内での高さ位置が異なるが、グロープラグが双方の噴霧に対応し得るように十分に長く突出しているので、第１の噴孔群および第２の噴孔群の中のいずれか一方の噴霧による燃料塊がグロープラグに接触した後、スワールによって流れてくる後続の他方の噴霧の燃料塊もグロープラグに確実に接触する。従って、冷間時に確実な着火が得られる。
【００１０】
この発明の好ましい一つの実施例では、一方の噴孔群の噴孔径が他方の噴孔群の噴孔径よりも大きい場合に、上記グロープラグは、周方向において、噴孔径が相対的に大きい噴孔の噴霧中心軸線のスワール下流側に位置することが望ましい。
【００１１】
すなわち、上記のように噴孔径が異なることで、噴孔径が大きい噴孔から相対的に多量の燃料が噴射されることとなるが、上記構成では、燃料噴射後、噴孔径が大きい方の噴孔による多量の燃料を含む燃料塊がスワールによって最初にグロープラグに接触し、次いで、噴孔径が小さい方の噴孔の噴霧による燃料塊がグロープラグに接触する。従って、着火性の上で有利となる。
【００１２】
この発明によれば、シリンダ中心軸線に対する傾斜角が大小異なる第１の噴孔と第２の噴孔が周方向に交互に配置されてなる構成の直噴式ディーゼルエンジンにおいて、グロープラグの耐久性を確保しつつ、冷間始動時の着火性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明に係る直噴式ディーゼルエンジンの一実施例を示す断面図。
【図２】この実施例の燃焼室部分を示す要部の断面図。
【図３】燃焼室内での噴霧の状態を示す説明図。
【図４】この発明の第２実施例を示す要部の断面図。
【図５】この第２実施例における燃焼室内での噴霧の状態を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１５】
図１は、この発明に係る直噴式ディーゼルエンジンの要部の断面図であって、シリンダブロック３に形成されたシリンダ４には、ピストン１が摺動可能に嵌合しており、かつこのシリンダブロック３の上面にシリンダヘッド２が載置固定されている。このシリンダヘッド２の下面は平坦に形成されており、シリンダ４の上端開口を覆っている。
【００１６】
上記ピストン１の頂面には、リエントラント型のキャビティ燃焼室５が凹設されている。このキャビティ燃焼室５は、ピストン中心軸線を中心とした回転体形状をなし、つまり、ピストン１の平面視において真円形をなし、かつピストン１の中心に形成されている。また上記シリンダヘッド２側には、上記キャビティ燃焼室５の中心に対応するシリンダ４中心位置に、多噴孔の燃料噴射ノズル６が配置されている。この実施例では、上記燃料噴射ノズル６はシリンダ４の中心軸線に沿って、つまり垂直に配置されている。
【００１７】
上記シリンダヘッド２には、一対の吸気弁７および一対の排気弁８が配置されており、それぞれ吸気ポート９および排気ポート１０の先端開口部を開閉している。これらの吸気弁７および排気弁８は、各々のバルブステムがシリンダ４の中心軸線と平行となった垂直姿勢に配置されている。ここで、一対の吸気弁７によってそれぞれ開閉される一対の吸気ポート９は、一方がヘリカルポート、他方がストレートポートとして構成されており、ストレートポート側に配置されたスワール制御弁（図示せず）を閉じることによって、シリンダ４内に矢印Ｓ方向（図３、図５参照）に生成されるスワールの強度を可変制御できる構成となっている。なお、スワール制御弁が非作動（開状態）であっても、ヘリカルポートからなる吸気ポート９自体の形状によって矢印Ｓ方向のスワールが生成される。
【００１８】
また、上記シリンダヘッド２には、ピストン上死点位置で先端部が上記キャビティ燃焼室５内に入るようにシリンダヘッド２下面（燃焼室天井面）から突出した棒状のグロープラグ１１が配置されている。
【００１９】
図２は、上記キャビティ燃焼室５のより具体的な断面形状を示している。このキャビティ燃焼室５は、リエントラント型として、底面中央に山型の中央突起部５ａを有するとともに、中間付近の高さ位置における最大径に比べて入口部分におけるリップ部５ｂの径が相対的に小さなものとなっている。このキャビティ燃焼室５の周囲に円環状に残存するピストン頂面１３は、ピストン中心軸線に対し直交する平面に沿っており、ピストン上死点位置においては、シリンダブロック３の上面とほぼ同一の平面となる。従って、ピストン上死点位置においては、ピストン頂面１３とシリンダヘッド２下面（燃焼室の天井面）との間に、シリンダヘッドガスケット１２（図１参照）の厚さにほぼ相当する隙間がスキッシュエリアとして残存する。なお、図示は省略するが、吸気弁７および排気弁８の弁頭部に対応する位置には、比較的浅いバルブリセスが凹設されている。
【００２０】
上記のように構成されたキャビティ燃焼室５に対し、燃料噴射ノズル６は、シリンダ中心軸線に対する傾斜角が大小異なる２つの噴孔群を備えている。符号Ｆ１で示す直線は、第１の噴孔群の噴霧中心軸線を示している。この第１の噴孔群は、周方向に等間隔に配置された複数の噴孔、例えば４〜６個の噴孔を含み、これらの噴孔（以下では、必要に応じて第１の噴孔とも呼ぶ）は、シリンダ中心軸線に対しそれぞれ同一の傾斜角θ１を有している。従って、複数の噴霧は、シリンダ中心軸線を中心とした傾斜角θ１の円錐に沿って形成される。ここで、第１の噴孔群に属する各噴孔の噴霧中心軸線Ｆ１は、ピストン上死点位置において、リップ部５ｂの円筒面付近を指向している。
【００２１】
また符号Ｆ２で示す直線は、第２の噴孔群の噴霧中心軸線を示している。この第２の噴孔群は、第１の噴孔群と同様に、周方向に等間隔に配置された複数の噴孔、例えば４〜６個の噴孔を含み、これらの噴孔（以下では、必要に応じて第２の噴孔とも呼ぶ）は、シリンダ中心軸線に対しそれぞれ同一の傾斜角θ２を有している。従って、複数の噴霧は、シリンダ中心軸線を中心とした傾斜角θ２の円錐に沿って形成される。ここで、第２の噴孔群の傾斜角θ２は第１の噴孔群の傾斜角θ１よりも小さく、第２の噴孔群に属する各噴孔の噴霧中心軸線Ｆ２は、ピストン上死点位置において、リップ部５ｂの下端よりも下側の位置つまりリップ部５ｂより径が拡大したキャビティ燃焼室５内部を指向している。
【００２２】
また、平面視においては、上述したように、第１の噴孔群の各噴孔が等間隔に放射状に配置され、同様に、第２の噴孔群の各噴孔が等間隔に放射状に配置されているが、平面視における両者の関係としては、隣接する２つの第１の噴孔の間に１つの第２の噴孔が位置するように、つまり第１の噴孔と第２の噴孔とが周方向に交互に配置されている。
【００２３】
さらに、第２の噴孔群に属する第２の噴孔の噴孔径は、第１の噴孔群に属する第１の噴孔の噴孔径よりも大きい。これにより、少なくとも総燃料噴射量（換言すれば機関負荷）があるレベルよりも大きな条件下では、第２の噴孔群による各噴霧の貫徹力が第１の噴孔群による各噴霧の貫徹力よりも大きなものとなる。また、個々の噴孔から噴出する燃料量としても第２の噴孔の方が第１の噴孔よりも大となる。
【００２４】
図３は、第１の噴孔群および第２の噴孔群により燃焼室内に形成される噴霧の状態を、シリンダ４を上方から見た平面視において示した説明図である。符号５１，５３は、相対的に上側を指向した第１の噴孔により噴霧中心軸線Ｆ１に沿ってそれぞれ形成された初期の噴霧の形状を示している。これらの噴霧５１，５３は、時間経過に伴い、符号６１，６３で示すように拡がり、かつスワールＳによりその下流側に流れる。符号５２は、相対的に下側を指向した第２の噴孔により噴霧中心軸線Ｆ２に沿って形成された初期の噴霧の形状を示している。この噴霧５２は、同様に時間経過に伴い符号６２で示すように拡がり、かつスワールＳの下流側へ流れる。
【００２５】
上記のように構成される各噴霧に対し、グロープラグ１１は、図３に示すように、半径方向については、キャビティ燃焼室５の入口部の外周寄りとなる位置にあり、かつ、周方向においては、初期の噴霧５１，５２，５３が直撃しないように第１の噴孔の噴霧中心軸線Ｆ１と第２の噴孔の噴霧中心軸線Ｆ２との間に位置する。特に、スワールＳの旋回方向に関し、噴孔径が相対的に大きな第２の噴孔の噴霧中心軸線Ｆ２のスワール下流側となる位置に配置されている。
【００２６】
また、グロープラグ１１は、シリンダ４の高さ方向においては、図２に示すように、相対的に下側の位置を指向する第２の噴孔群の噴霧中心軸線Ｆ２の高さまで突出している、
上記のような構成においては、圧縮上死点前の所定の噴射時期に噴射された燃料噴霧は、ピストン１が上死点付近にあるときにピストン１に到達する。ここで、各噴孔から噴霧中心軸線Ｆ１，Ｆ２に沿って噴射された燃料噴霧は、筒内に存在するスワールＳの影響を受け、図３に示したように、該スワールＳの下流側へ拡散していく。冷間始動時に通電されるグロープラグ１１は、第２の噴孔の噴霧中心軸線Ｆ２のスワール下流側に位置するので、第２の噴孔からの噴霧５２がスワール下流側に拡散した燃料塊６２が最初にグロープラグ１１に接触する。そして、その後、噴霧がさらにスワール下流側に旋回していく結果、符号６３でもって示す第１の噴孔からの噴霧５３による燃料塊が次にグロープラグ１１に接触する。
【００２７】
グロープラグ１１は、第２の噴孔の噴霧中心軸線Ｆ２の高さまで突出しているので、第１の噴孔の噴霧および第２の噴孔の噴霧の双方の燃料塊が確実にグロープラグ１１に接触する。従って、グロープラグ１１による冷間時の着火性が向上する。特に、上記実施例では、噴孔径が大きく燃料噴射量が相対的に大となる第２の噴孔による噴霧５２のスワール下流側にグロープラグ１１が位置するので、グロープラグ１１には、燃料量の多い燃料塊が最初に接触し、より確実な着火が得られる。また、グロープラグ１１を初期の噴霧が直撃することがないので、グロープラグ１１の早期劣化を招来することがない。
【００２８】
なお、上記実施例の構成では、シリンダ中心軸線に対する傾斜角が異なる第１の噴孔群および第２の噴孔群によってキャビティ燃焼室５内に燃料が広く分散されるため、キャビティ燃焼室５全体の空気をより有効に利用できる。しかも、キャビティ燃焼室５の内部に向かう第２の噴孔群の方が噴孔径が大きく設定されているので、キャビティ燃焼室５の形状に対応した適切な割合の燃料を各噴孔群から供給することができる利点がある。
【００２９】
次に、図４および図５は、この発明の第２実施例を示す。この実施例は、前述した実施例と同様に、シリンダ中心軸線に対する傾斜角が大きい第１の噴孔群と、シリンダ中心軸線に対する傾斜角が小さい第２の噴孔群と、を備えているが、前述した実施例とは逆に、相対的に上側を指向する第１の噴孔の噴孔径の方が相対的に下側を指向する第２の噴孔の噴孔径よりも大きなものとなっている。従って、第１の噴孔から噴射される燃料量は、第２の噴孔から噴射される燃料量よりも相対的に多い。
【００３０】
このような場合には、図５に示すように、噴孔径が大である第１の噴孔の噴霧中心軸線Ｆ１のスワール下流側にグロープラグ１１が配置されている。なお、シリンダの高さ方向については、前述した実施例と同様であり、相対的に下側を指向する第２の噴孔の噴霧中心軸線Ｆ２の高さまでグロープラグ１１が突出している。従って、前述した実施例と同様に、グロープラグ１１の劣化を抑制しつつ高い着火性が得られる。
【００３１】
以上、この発明の一実施例を説明したが、この発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、上記の各実施例では、第１の噴孔群の噴孔径と第２の噴孔群の噴孔径が異なるものとなっているが、本発明は、両者の噴孔径が等しい場合にも適用が可能である。この場合は、グロープラグ１１は、第１の噴孔の噴霧中心軸線Ｆ１のスワール下流側あるいは第２の噴孔群の噴霧中心軸線Ｆ２のスワール下流側のいずれにあってもよい。
【要約】
リエントラント型キャビティ燃焼室（５）の中心に配置された燃料噴射ノズル（６）は、シリンダ中心軸線に対する傾斜角が大小異なる第１の噴孔群と第２の噴孔群とを有し、第２の噴孔群の噴孔径は第１の噴孔群の噴孔径よりも大きい。第１の噴孔と第２の噴孔は、周方向に交互に配置されている。グロープラグ（１１）は、シリンダ（４）の高さ方向について、下側を指向を指向する第２の噴孔の噴霧中心軸線（Ｆ２）の高さまで突出しており、両者の噴霧による燃料塊と接触できる。周方向においては、各々の噴霧中心軸線（Ｆ１，Ｆ２）の間で、かつ噴霧中心軸線（Ｆ２）のスワール下流側に位置する。【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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