(57)【要約】【課題】貫徹力が異なる２つの噴孔群を有するものにおいて、スワールの影響による噴霧同士の干渉ひいては煤の発生を抑制する。【解決手段】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が、第１の噴孔の噴霧中心軸線Ｆ１は、両側の第２の噴孔の噴霧中心軸線Ｆ２の中央位置からスワール上流側に片寄っている。第２の噴孔の噴霧５２，５３（６２，６３）の直進性が高いのに対し、第１の噴孔の噴霧５１（６１）はスワールＳの影響を受け、下流側に流れるが、下流側に位置する噴霧５３（６３）との干渉が抑制される。【選択図】図４
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【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、
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く
複数の第１の噴孔は、各々の噴霧中心軸線が周方向に等間隔の放射状となるように配置され、かつ複数の第２の噴孔は、各々の噴霧中心軸線が周方向に等間隔の放射状となるように配置され、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、
さらに、周方向において、第１の噴孔の噴霧中心軸線が、該第１の噴孔の両側に位置する２つの第２の噴孔の噴霧中心軸線の中央位置からスワール上流側に片寄っている、ことを特徴とする直噴式ディーゼルエンジン。
【請求項２】
第１の噴孔群が相対的に上側の位置を指向し、第２の噴孔群が相対的に下側の位置を指向している、ことを特徴とする請求項１に記載の直噴式ディーゼルエンジン。
【請求項３】
上記キャビティ燃焼室がリエントラント型キャビティ燃焼室であり、第１の噴孔群が該キャビティ燃焼室の入口部を指向し、第２の噴孔群が該キャビティ燃焼室の内部を指向している、ことを特徴とする請求項２に記載の直噴式ディーゼルエンジン。
【請求項４】
吸気ポート自体の構成によってスワールが生成されるとともに、特定の運転領域でスワールを強化するスワール制御弁を具備しており、
上記第１の噴孔の噴霧中心軸線の片寄りは、上記スワール制御弁が非作動でかつ機関運転条件が中速中負荷であるときに、スワールで流れた第１の噴孔の噴霧と第２の噴孔の噴霧とが等間隔となるように設定されている、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の直噴式ディーゼルエンジン。
【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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１２０８３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の構成では、噴霧の貫徹力が大きな噴孔と噴霧の貫徹力が小さな噴孔とが交互に等間隔に配置されているが、スワールの存在下では、各噴孔により形成された噴霧がスワールの下流側に流れる。このとき、貫徹力の小さな噴霧は、貫徹力の大きな噴霧に比較してスワールの影響をより強く受け、スワールの下流側により大きく流れる。そのため、上記従来のように両者が等間隔に配置されていると、周方向に見て、貫徹力の小さな噴霧がスワール下流側に大きく流れる結果、スワール下流側に隣接している貫徹力の大きな噴霧（これは、半径方向への直進性が強いためスワール下流側への移動が少ない）と干渉し、局部的に燃料濃度の高い領域が発生する。この結果、酸素不足による煤の発生が生じる、という不具合があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、
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く
複数の第１の噴孔は、各々の噴霧中心軸線が周方向に等間隔の放射状となるように配置され、かつ複数の第２の噴孔は、各々の噴霧中心軸線が周方向に等間隔の放射状となるように配置され、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、
さらに、周方向において、第１の噴孔の噴霧中心軸線が、該第１の噴孔の両側に位置する２つの第２の噴孔の噴霧中心軸線の中央位置からスワール上流側に片寄っている、ことを特徴としている。
【０００７】
第２の噴孔の噴孔径が第１の噴孔の噴孔径よりも大きいことから、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の噴孔による噴霧の貫徹力が第１の噴孔による噴霧の貫徹力よりも大きく、また、噴射される燃料量も大となる。そのため、スワールの存在下において、第２の噴孔による噴霧の直進性は相対的に高く、逆に、第１の噴孔による噴霧は直進性が低くスワールの影響を受けやすい。
【０００８】
本発明では、このようなスワールに対する直進性の差異を考慮して、第１の噴孔の噴霧中心軸線がスワール上流側に片寄った配置となっている。従って、スワールの影響による第１の噴孔の噴霧と第２の噴孔の噴霧との周方向での干渉が抑制され、局部的に燃料濃度の高い領域の発生が回避される。
【０００９】
本発明の好ましい一つの態様では、この直噴式ディーゼルエンジンは、吸気ポート自体の構成によってスワールが生成されるとともに、特定の運転領域でスワールを強化するスワール制御弁を具備しており、
上記第１の噴孔の噴霧中心軸線の片寄りは、上記スワール制御弁が非作動でかつ機関運転条件が中速中負荷であるときに、スワールで流れた第１の噴孔の噴霧と第２の噴孔の噴霧とが等間隔となるように設定されている。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、シリンダ中心軸線に対する傾斜角ならびに噴孔径が異なる２つの噴孔群を備えることにより、燃料を広く分散させることができる。そして、スワールに対する各々の噴霧の直進性の差異を考慮して、第２の噴孔の噴霧中心軸線がスワール上流側に片寄った配置となっているため、スワールによる第１の噴孔の噴霧との干渉を回避でき、煤の発生を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【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】第１の噴孔群および第２の噴孔群の噴霧中心軸線の方向を示す説明図。
【図４】燃焼室内での噴霧の状態を示す説明図。
【図５】この発明の第２実施例を示す要部の断面図。
【図６】噴霧方向の調整の対象となる運転条件を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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１１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４参照）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１１が非作動（開状態）となっていても、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相対的に弱い矢印Ｓ方向のスワールが生成される。
【００１６】
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。
【００１７】
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５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。
【００１８】
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５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。
【００１９】
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。従って、第２の噴孔からの噴霧の直進性は、第１の噴孔からの噴霧の直進性よりも相対的に高い。
【００２０】
図３は、第１の噴孔群の噴霧中心軸線Ｆ１および第２の噴孔群の噴霧中心軸線Ｆ２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。ここでは、各噴霧中心軸線を放射状の矢印でもって示しているが、この矢印の長さが噴霧の貫徹力に相当する。
【００２１】
図示するように、平面視においては、第１の噴孔群の噴霧中心軸線Ｆ１が等間隔の放射状となるように第１の噴孔の各々が周方向に等間隔に配置される。一実施例では、５個の第１の噴孔を含むので、これらの第１の噴孔は、周方向に７２°毎に配置されており、７２°毎に噴霧中心軸線Ｆ１が生じる。同様に、第２の噴孔群に属する第２の噴孔の各々は、噴霧中心軸線Ｆ２が等間隔の放射状となるように、周方向に等間隔に配置されており、一実施例では、５個の第２の噴孔が７２°毎に配置されている。そして、周方向に、第１の噴孔と第２の噴孔とが交互に配置されている。
【００２２】
ここで、第１の噴孔の噴霧中心軸線Ｆ１は、第２の噴孔の噴霧中心軸線Ｆ２に対し、スワール上流側に片寄って位置している。つまり、図３に示すように、ある１つの噴霧中心軸線Ｆ１に着目したときに、該噴霧中心軸線Ｆ１からその両側に隣接する第２の噴孔による２つの噴霧中心軸線Ｆ２までの角度α，βは、互いに異なり、スワール上流側の角度αの方がスワール下流側の角度βよりも小さい。換言すれば、２つの噴霧中心軸線Ｆ２の中央位置を基準とした場合に、この基準となる角度位置からスワール上流側に片寄って噴霧中心軸線Ｆ１が位置している。
【００２３】
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、該スワールＳの下流側へ多少流される。図４は、このような噴霧の拡散を模式的に示したものであり、符号５１は、第１の噴孔により噴霧中心軸線Ｆ１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５１は、時間経過に伴い、ピストン１に衝突する頃には、符号６１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５２，５３は、隣接する第２の噴孔により噴霧中心軸線Ｆ２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５２，５３は、時間経過に伴い、ピストン１に衝突する頃には、符号６２，６３で示すように拡がり、かつスワールＳの下流側へ多少流れる。このように、いずれの噴霧５１，５２，５３もスワールＳの影響を受けるが、前述したように、噴孔径の大きな第２の噴孔の噴霧は直進性が高くスワールＳの影響を受けにくいのに対し、噴孔径の小さな第１の噴孔の噴霧はスワールＳに影響されやすい。
【００２４】
このような両者の相違に対し、上記実施例では、第１の噴孔の噴霧中心軸線Ｆ１が予めスワール上流側に片寄って配置されているため、噴霧６１，６２，６３として示すように、スワールＳにより下流側へ流れたときに各々の噴霧がほぼ等間隔となり、噴霧同士の干渉ひいては局部的に燃料濃度の高い領域の発生が回避される。なお、図示していないが、仮に図４に示す３つの初期噴霧５１，５２，５３が等間隔であったとすると、第１の噴孔の噴霧６１がスワールＳにより下流側へ拡がる結果、スワール下流側に隣接する第２の噴孔の噴霧６３と干渉し、局部的に濃い領域が発生してしまう。
【００２５】
従って、上記実施例によれば、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。そして、周方向については、第１の噴孔群の噴霧中心軸線Ｆ１が第２の噴孔群の噴霧中心軸線Ｆ２の中央位置からスワール上流側に片寄って配置されているので、スワールＳの影響による噴霧同士の干渉が回避され、局部的に濃い領域の発生ひいては煤の発生を防止することができる。
【００２６】
第１の噴孔群の噴霧中心軸線Ｆ１を噴霧中心軸線Ｆ２の中央位置からどの程度片寄った配置とするかは、想定されるスワールＳの強度にも依存するが、一つの実施例では、図６に領域Ａとして示すように、機関運転条件が中速中負荷であるときに、スワールＳで流れた第１の噴孔の噴霧６１と第２の噴孔の噴霧６２，６３とが等間隔となるように、片寄りの程度が設定されている。この実施例では、スワール制御弁１１は、所定の低速低負荷領域でのみＯＮ（つまり閉）となるので、上記の領域Ａでは、スワール制御弁１１は開いており、スワール制御弁１１によるスワール強化は行われていない。上記領域Ａは、図示せぬ排気還流装置（外部排気還流装置もしくは内部排気還流機構）によって比較的多量の排気還流が行われている領域でもある。上記領域Ａよりも高負荷側の領域および高速側の領域では、燃焼速度が速く、従って、噴霧同士の多少の重なりがあっても煤の発生は相対的に少ない。逆に領域Ａよりも低速低負荷側では、燃焼室内に十分な酸素が存在することから、やはり煤の発生は少ない。スワール制御弁１１がＯＮとなる領域では、スワール強度が非常に高いことから、局部的な噴霧の重なりは問題とならない。これらに対し、中速中負荷領域Ａでは、多量の排気還流と相俟って燃焼速度が比較的緩慢であり、かつ空気量に比較して燃料量も比較的多いので、噴霧同士の重なりがあると、局部的に酸素が欠乏し、煤の発生を招来し易い。
【００２７】
次に、図５は、本発明の第２実施例を示している。この実施例では、噴孔径の小さな第１の噴孔群の噴霧中心軸線Ｆ１が、キャビティ燃焼室５のリップ部５ｂよりも僅かに下側の位置を指向しており、噴孔径の大きな第２の噴孔群の噴霧中心軸線Ｆ２が、これよりも下側のキャビティ燃焼室５内部を指向している。平面視における各々の噴霧中心軸線Ｆ１，Ｆ２の配置については、前述した図３，図４と同様であり、第１の噴孔の噴霧中心軸線Ｆ１は、直進性の高い第２の噴孔の噴霧中心軸線Ｆ２の中央位置からスワール上流側に片寄って配置されている。
【００２８】
なお、上記各実施例では、噴孔径の大きな第２の噴孔群が第１の噴孔群よりも下側を指向した構成となっているが、これとは逆に、噴孔径の大きな第２の噴孔群が第１の噴孔群よりも上側を指向した構成であっても、本発明は同様に適用することが可能である。
【符号の説明】
【００２９】
１…ピストン
５…キャビティ燃焼室
５ｂ…リップ部
６…燃料噴射ノズル
Ｆ１，Ｆ２…噴霧中心軸線  
【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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