(57)【要約】【課題】始動性を向上するとともに通常運転時の排ガス中の黒煙及び未燃成分を低減したディーゼルエンジンを提供する。【解決手段】シリンダヘッド２０に設けられ燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタ３０と、発熱部４１がシリンダヘッドに設けられた予熱手段４０と、ピストン１００の冠面１２０を凹ませて形成され、インジェクタから噴き込まれた燃料の少なくとも一部を反転させて予熱手段の発熱部側へ向かわせる凹曲面部が形成された第１のキャビティ１３０と、第１のキャビティの周囲に形成された第２のキャビティ１４０とを有するディーゼルエンジン１を、インジェクタは、第１のキャビティに向けられた第１の墳孔３１ｂ及び第２のキャビティに向けられた第２の墳孔３１ｃを有するとともに、始動時には燃料の全噴射量に占める第１の墳孔からの噴射量の割合を通常運転時に対して大きくする噴射制御手段を備える構成とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッドに設けられ燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタと、
発熱部が前記シリンダヘッドに設けられた予熱手段と、
ピストンの冠面を凹ませて形成され、前記インジェクタから噴き込まれた燃料の少なくとも一部を反転させて前記予熱手段の前記発熱部側へ向かわせる凹曲面部が形成された第１のキャビティと、
前記第１のキャビティの周囲に形成された第２のキャビティと
を有するディーゼルエンジンであって、
前記インジェクタは、前記第１のキャビティに向けられた第１の墳孔及び前記第２のキャビティに向けられた第２の墳孔を有するとともに、始動時には燃料の全噴射量に占める前記第１の墳孔からの噴射量の割合を通常運転時に対して大きくする噴射制御手段を備えること
を特徴とするディーゼルエンジン。
【請求項２】
前記噴射制御手段は、始動時には前記第１の墳孔のみから燃料を噴射させ、前記第２の墳孔からの燃料噴射を停止すること
を特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン。
【請求項３】
前記インジェクタはシリンダ中心軸近傍に配置され、
前記第１のキャビティは、前記ピストンの冠面の中央部を凹ませて形成された浅皿型燃焼室であって、
前記第２のキャビティは、前記第１のキャビティの外径側でありかつ前記第１のキャビティに対して前記冠面からの深さが浅い位置に配置されたリエントラント型燃焼室であること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のディーゼルエンジン。
【請求項４】
前記インジェクタは、前記第１の噴孔及び前記第２の噴孔をそれぞれ開閉するとともに、独立して駆動可能な第１の弁体及び第２の弁体を有すること
を特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のディーゼルエンジン。
【請求項５】
前記噴射制御手段は、前記第１の噴孔から前記第１のキャビティに噴射された後反転して前記シリンダヘッド側に巻き上げられる燃料が、前記第２の噴孔から前記第２のキャビティに噴射された後反転して前記シリンダヘッド側に巻き上げられる燃料に対して、前記第１の噴孔から噴射された燃料の軌跡と前記第２の噴孔から噴射された燃料の軌跡とが交差する領域を先に通過するよう前記第２の噴孔からの燃料噴射時期を前記第１の噴孔からの燃料噴射時期に対して遅延させること
を特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のディーゼルエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直噴式のディーゼルエンジンに関し、特に、始動性を向上するとともに通常運転時の排ガス中の黒煙及び未燃成分を低減したものに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年ディーゼルエンジンにおいては、ＮＯＸ低減や正味熱効率の改善を目的として、圧縮比を従来よりも低下させることが提案されている。
しかし、ディーゼルエンジンにおいては、圧縮比を低下させると、冷間始動性が悪化することが懸念される。
【０００３】
ディーゼルエンジンの始動性改善に関する従来技術として、例えば特許文献１には、グロープラグの周囲をカバーで囲い、カバー内に十分な量の混合気を貯留可能としたディーゼルエンジンが記載されている。
また、特許文献２には、インジェクタから噴射された燃料が直接グロープラグにあたることを防ぐ目的で、燃料の噴射範囲がグロープラグの下方となり、その後リエントラント型燃焼室内で反転した燃料（可燃混合気）がグロープラグに集まるようにしたディーゼルエンジンが記載されている。
一方、ディーゼルエンジンの筒内燃料噴射装置に関する従来技術として、特許文献３には、ノズルに角度の異なる２種類の噴孔を設けるとともに、各噴孔を独立したニードルバルブで開閉するようにしたものが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平  ６−２２１２５８号公報
【特許文献２】特開２００３−２５４０６６号公報
【特許文献３】実公昭６４−    ４８２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上述した従来技術のように、可燃混合気をグロープラグ周辺に集めるよう特化させて燃焼室形状等を設計した場合、通常運転時には局部的に燃料過濃領域が形成され、スート等の粒子状物質（ＰＭ）からなる黒煙や、燃料の未燃成分の排出量が増加してしまう。
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、始動性を向上するとともに通常運転時の排ガス中の黒煙及び未燃成分を低減したディーゼルエンジンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１に係る発明は、シリンダヘッドに設けられ燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタと、発熱部が前記シリンダヘッドに設けられた予熱手段と、ピストンの冠面を凹ませて形成され、前記インジェクタから噴き込まれた燃料の少なくとも一部を反転させて前記予熱手段の前記発熱部側へ向かわせる凹曲面部が形成された第１のキャビティと、前記第１のキャビティの周囲に形成された第２のキャビティとを有するディーゼルエンジンであって、前記インジェクタは、前記第１のキャビティに向けられた第１の墳孔及び前記第２のキャビティに向けられた第２の墳孔を有するとともに、始動時には燃料の全噴射量に占める前記第１の墳孔からの噴射量の割合を通常運転時に対して大きくする噴射制御手段を備えることを特徴とするディーゼルエンジンである。
これによれば、始動時には主に燃料を第１のキャビティに向けて噴射し、反転した可燃混合気を予熱手段の近傍に集めてエンジンの始動性を向上することができる。
一方、通常運転時には、第１、第２のキャビティに向けて燃料を噴射することによって、筒内の混合気分布を均一に近づけて、空気利用率を高め、局部的に過濃領域が形成されて黒煙や未燃成分が増加することを防止できる。
【０００７】
請求項２に係る発明は、前記噴射制御手段は、始動時には前記第１の墳孔のみから燃料を噴射させ、前記第２の墳孔からの燃料噴射を停止することを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジンである。
これによれば、始動時に噴射される燃料の大部分を可燃混合気として予熱手段の周辺に集めることができる。
【０００８】
請求項３に係る発明は、前記インジェクタはシリンダ中心軸近傍に配置され、前記第１のキャビティは、前記ピストンの冠面の中央部を凹ませて形成された浅皿型燃焼室であって、前記第２のキャビティは、前記第１のキャビティの外径側でありかつ前記第１のキャビティに対して前記冠面からの深さが浅い位置に配置されたリエントラント型燃焼室であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のディーゼルエンジンである。
これによれば、上述した効果を確実に得ることができる。
【０００９】
請求項４に係る発明は、前記インジェクタは、前記第１の噴孔及び前記第２の噴孔をそれぞれ開閉するとともに、独立して駆動可能な第１の弁体及び第２の弁体を有することを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のディーゼルエンジンである。
これによれば、第１及び第２の噴孔からの燃料噴射量を個別に制御することが可能となり、上述した各発明の効果を確保できる。
【００１０】
請求項５に係る発明は、前記噴射制御手段は、前記第１の噴孔から前記第１のキャビティに噴射された後反転して前記シリンダヘッド側に巻き上げられる燃料が、前記第２の噴孔から前記第２のキャビティに噴射された後反転して前記シリンダヘッド側に巻き上げられる燃料に対して、前記第１の噴孔から噴射された燃料の軌跡と前記第２の噴孔から噴射された燃料の軌跡とが交差する領域を先に通過するよう前記第２の噴孔からの燃料噴射時期を前記第１の噴孔からの燃料噴射時期に対して遅延させることを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のディーゼルエンジンである。
これによれば、第１の噴孔からの噴射によって形成される混合気の流れと第２の噴孔からの噴射によって形成される混合気の流れとが干渉することを防止でき、筒内の混合気流動を適切化して燃焼状態を良好にすることができる。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明によれば、始動性を向上するとともに通常運転時の排ガス中の黒煙及び未燃成分を低減したディーゼルエンジンを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明を適用したディーゼルエンジンの実施例における燃焼室部分をクランク軸と直交しかつシリンダ中心軸を含む平面で切って見た模式的断面図であって、始動時の状態を示す図である。
【図２】図１のディーゼルエンジンにおけるインジェクタ先端部（噴孔部）の模式的断面図である。
【図３】図１のディーゼルエンジンの燃焼室部分の模式的断面図であって、通常運転時の状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、始動性を向上するとともに通常運転時の排ガス中の黒煙及び未燃成分を低減したディーゼルエンジンを提供する課題を、ピストンに浅皿型燃焼室である第１のキャビティ、及び、その周囲に配置されたリエントラント型燃焼室である第２のキャビティを形成し、始動時には第１のキャビティにのみ燃料を噴射し、通常運転時には第１、第２のキャビティにともに燃料を噴射することによって解決した。
【実施例】
【００１４】
以下、本発明を適用したディーゼルエンジンの実施例について説明する。
実施例のディーゼルエンジンは、例えば乗用車等の自動車に走行用動力源として搭載されるコモンレール式の直噴４ストロークディーゼルエンジンである。
図１は、実施例のディーゼルエンジンの燃焼室部分をクランク軸と直交しかつシリンダ中心軸を含む平面で切って見た模式的断面図であって、始動時の状態を示す図である。
エンジン１は、シリンダブロック１０、シリンダヘッド２０、インジェクタ３０、グロープラグ４０、ピストン１００等を備えて構成されている。
また、シリンダヘッド２０とピストン１００の冠面との間の空間部は、噴射された燃料が混合気となって燃焼する燃焼室として機能する。
【００１５】
シリンダブロック１０は、ピストン１００が挿入される円筒内面状のシリンダ１１を備えている。
シリンダヘッド２０は、シリンダ１１の一方側の端部を閉塞して設けられている。
シリンダヘッド２０は、新気（未燃空気及びＥＧＲガス）の吸入及び既燃ガスの排気を行なう図示しない吸気ポート及び排気ポートを備えている。
また、シリンダヘッド２０は、吸気ポート及び排気ポートを開閉するバルブ及びこのバルブを駆動する動弁駆動系等を備えている。
【００１６】
インジェクタ３０は、図示しない高圧サプライポンプによって加圧され、蓄圧室であるコモンレールに貯留された燃料を、微粒化して筒内に噴射するものである。
インジェクタ３０は、その中心軸方向（ニードル駆動方向）をシリンダ１１の中心軸とほぼ一致させた状態で、ピストン１００の冠面中央に対向するようにシリンダヘッド２０に固定されている。
【００１７】
図２は、インジェクタのノズル部近傍の模式的断面図である。
図２に示すように、インジェクタ３０は、ノズル本体３１、第１ニードル３２、第２ニードル３３等を備えて構成されている。
ノズル本体３１は、円筒状に形成され、その燃焼室側の端部は、端面部３１ａによって閉塞されている。
端面部３１ａは、ピストン１００側にコーン状に突出して形成されている。
端面部３１ａの内面は、第１ニードル３２及び第２ニードル３３の突端部と密着して燃料をシールするシール面部となっている。
【００１８】
端面部３１ａには、第１噴孔３１ｂ及び第２噴孔３１ｃが形成されている。
第１噴孔３１ｂは、インジェクタ３０の中心軸に対して、所定の角度だけ傾斜した方向に燃料を噴射する貫通孔である。
第２噴孔３１ｃは、インジェクタ３０の中心軸に対して、第１噴孔３１ｂよりも大きい所定の角度だけ傾斜した方向に燃料を噴射する貫通孔である。
第２噴孔３１ｃは、第１噴孔３１ｂに対して、端面部３１ａの内径側（突端側）に配置されている。
また、第１噴孔３１ｂ及び第２噴孔３１ｃは、インジェクタ３０の中心軸回りに周方向に分散して複数配置されている。
【００１９】
第１ニードル３２は、ノズル本体３１と同心の円筒状に形成され、ノズル本体３１の内径側に挿入されている。
第１ニードル３２の端面は、ノズル本体３１の端面部３１ａと密着し、第１噴孔３１ｂを閉塞可能となっている。
また、第１ニードル３２の外周面とノズル本体３１の内周面との隙間には、コモンレールから供給される高圧の燃料が満たされている。
【００２０】
第２ニードル３３は、ノズル本体３１及び第１ニードル３２と同心の円柱状に形成され、第１ニードル３２の内径側に挿入されている。
第２ニードル３３の端面は、ノズル本体３１の端面部３１ａと密着し、第２噴孔３１ｃを閉塞可能となっている。
【００２１】
上述した第１ニードル３２及び第２ニードル３３は、図示しないソレノイドコイルやピエゾ素子等のアクチュエータによって、図示しないエンジン制御装置（噴射制御手段）からの制御信号に基づいて個別にリフト方向（図２における上方）に駆動可能となっている。これによって、エンジン制御装置は、第１の噴孔３１ｂ及び第２の噴孔３１ｃからの燃料噴射時期及び噴射量を個別に調整可能であり、さらに、第２ニードル３３の駆動を停止することによって、第１の噴孔３１ｂのみから燃料を噴射することも可能である。
【００２２】
図１等に示すグロープラグ４０は、エンジン１の冷間始動時に用いられる予熱手段である。
グロープラグ４０は、その先端部に設けられた発熱部４１が燃焼室内でインジェクタ３０と隣接して露出するように、シリンダヘッド２０に固定されている。
【００２３】
ピストン１００は、シリンダ１１内に挿入され、筒内の燃焼圧力を受けて図示しないコンロッドを介して図示しないクランクシャフトに伝達するほぼ円柱状の部材である。
ピストン１００は、側面１１０、冠面１２０、第１キャビティ１３０、第２キャビティ１４０等を備えて形成されている。
【００２４】
側面１１０は、シリンダ１１の内周面と対向して配置された面部であって、シリンダヘッド２０側から順に、第１リング溝１１１、第２リング溝１１２、第３リング溝１１３が形成されている。
第１リング溝１１１、第２リング溝１１２、第３リング溝１１３は、例えばほぼ矩形の横断面を有する周方向溝であって、それぞれ図示しない第１コンプレッションリング、第２コンプレッションリング、オイルリングがはめ込まれる部分である。
【００２５】
冠面１２０は、ピストン１００がシリンダヘッド２０と対向する側の端面であって、実質的にほぼ平面状に形成されている。
【００２６】
第１キャビティ１３０は、冠面１１０の中央部をクランクシャフト側に凹ませた浅皿型燃焼室である。第１キャビティ１３０のインジェクタ３０と対向する内面は、図１等に示すように、中心軸で切って見た断面形状が円弧状となる凹曲面として形成されている。
第１キャビティ１３０の外周壁部１３１は、ピストン１００の中心軸方向とほぼ並行に配置されている。
第１キャビティ１３０の中央部には、コーン状の突起１３２が形成されている。突起１３２の高さは、第１キャビティ１３０の深さに対して小さく設定され、突起１３２の頂部は丸みをつけた凸曲面状に形成されている。
【００２７】
第２キャビティ１４０は、第１キャビティ１３０の外径側でありかつ冠面１２０からの深さが第１キャビティ１３０に対して浅い位置に設けられたリエントラント型燃焼室である。第２キャビティ１４０のインジェクタ３０と対向する内面は、図１等に示すように、中心軸で切って見た断面形状が円弧状となる凹曲面として形成されている。
第２キャビティ１４０の外周壁部１４１は、冠面１２０側の端部がクランクシャフト側の端部に対してシリンダ１１の内径側となるように傾斜して形成されている。
第２キャビティ１４０の下面部（シリンダヘッド２０から遠い側の面部）１４２は、内径側が外径側に対してシリンダヘッド２０側となるように傾斜して配置されている。
また、第２キャビティ１４０の下面部１４２と、第１キャビティ１３０の外周壁部１３１との接続部１４３は、丸みをつけて凸曲面状に形成されている。
【００２８】
以下、実施例のエンジンにおける噴射制御について説明する。
先ず、エンジン１の始動時においては、エンジン制御装置は、インジェクタ３０の第２ニードル３３の駆動を停止し、第１ニードル３２のみを駆動して第１噴孔３１ｂからのみ燃料噴射を行なう。
このとき、第１噴孔３１ｂからの噴射によって形成される混合気の流れＦ１は、図１に示すように、第１キャビティ１３０の底部に衝突してその内面に沿って向きを変え、外周壁部１３１に沿ってシリンダヘッド２０側へ巻き上げられる。
この巻き上げられた混合気の一部は、グロープラグ４０の発熱部４１の近傍に集められ、これによって着火される。
【００２９】
一方、エンジン１の通常運転時には、エンジン制御装置は、インジェクタ３０の第１噴孔３１ｂ、第２噴孔３１ｃの両方を用いて燃料噴射を行なう。
図３は、図１に相当する断面を示す模式的断面図であって、通常運転時の状態を示している。
このとき、筒内には、上述した混合気の流れＦ１に加えて、第２噴孔３１ｃからの噴射によって形成され、第２キャビティ１４０の上部に入った後、その内面に沿って反転し、燃焼室の中心側へ流れる流れＦ２が形成される。
また、第２噴孔３１ｃからの噴射によって、第２キャビティ１４０の上方からシリンダヘッド２０とピストン１００の冠面１２０との間に流入する流れＦ３も形成される。
これらの各混合気流は、燃焼室内にほぼ均一な混合気分布を形成し、燃焼室内の各部で着火及び燃焼する。
なお、エンジン制御装置が第２の墳孔からの噴射時期を第１の墳孔からの噴射時期に対して遅延させることで、流れＦ２は、流れＦ１が第１キャビティ１３０側からシリンダヘッド２０側へ流れた後に、時間差をもって当該箇所を通過するため、相互に干渉することを防止されている。
【００３０】
以上説明した実施例においては、以下の効果を得ることができる。
（１）始動時には燃料を第１キャビティ１３０に向けて噴射し、反転した可燃混合気Ｆ１をグロープラグ４０の近傍に集めてエンジン１の始動性を向上することができる。
一方、通常運転時には、第１キャビティ１３０、第２キャビティ１４０に向けて燃料を噴射することによって、筒内の混合気分布を均一に近づけて、空気利用率を高め、局部的に過濃領域が形成されて黒煙や未燃成分が増加することを防止できる。
（２）始動時にインジェクタ３０の第２噴孔３１ｃからの燃料噴射を停止することによって、始動時に噴射される燃料の大部分を可燃混合気としてグロープラグ４０の周辺に集めることができる。
（３）インジェクタ３０は第１噴孔３１ｂ及び第２噴孔３１ｃを個別に開閉する第１ニードル３２及び第２ニードル３３を有することによって、各噴孔３１ｂ、３１ｃからの燃料噴射量を適切に制御することができる。
（４）第１噴孔３１ｂからの噴射によって形成される混合気の流れＦ１と第２噴孔３１ｃからの噴射によって形成される混合気の流れＦ２とが干渉することが防止されており、筒内の混合気流動を適切化して燃焼状態を良好にすることができる。
【００３１】
（変形例）
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
例えば、第１及び第２のキャビティの具体的な形状や、インジェクタ、グロープラグの配置は、適宜変更することが可能である。
また、第１、第２の噴孔からの燃料噴射量を個別に調節可能な燃料噴射手段の構成も特に限定されない。また、エンジンの運転状態によっては、第２の噴孔のみから燃料を噴射するようにしてもよい。
また、実施例では始動時に第２の噴孔からの燃料噴射を停止しているが、始動時に第２の噴孔から通常時に対して少量の燃料を噴射するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３２】
１    エンジン                  １０    シリンダブロック
１１    シリンダ                  ２０    シリンダヘッド
３０    インジェクタ              ３１    ノズル本体
３１ａ  端面部                    ３１ｂ  第１噴孔
３１ｃ  第２噴孔                  ３２    第１ニードル
３３    第２ニードル              ４０    グロープラグ
４１    発熱部                  １００    ピストン
１１０    側面                    １１１    第１リング溝
１１２    第２リング溝            １１３    第３リング溝
１２０    冠面                    １３０    第１キャビティ
１３１    外周壁部                １３２    突起
１４０    第２キャビティ          １４１    外周壁部
１４２    下面部                  １４３    接続部
Ｆ１〜Ｆ３    混合気の流れ
【図１】
2012184747.tif 000003
【図２】
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【図３】
2012184747.tif 000005