(57)【要約】【課題】低負荷時のプレ噴霧の希釈化を抑制し、高負荷時には、メイン噴霧の分散を促進し、燃焼を改善するようにしたディーゼルエンジンのピストンを提供する。【解決手段】ピストン頂面２０に形成され、燃料噴射ノズル１３から噴射された燃料を燃焼させる燃焼室３が形成されたディーゼルエンジンにおけるピストンの燃焼室構造において、燃焼室３は、ピストン頂面２０の中心に形成された小口径燃焼室３０と、この小口径燃焼室３０の外周に連続して形成された大口径燃焼室３５とを有している。【選択図】図２
2012092778.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン頂面に形成され、燃料噴射ノズルから噴射された燃料を燃焼させる燃焼室が形成されたディーゼルエンジンにおけるピストンの燃焼室構造において、
前記燃焼室は、前記ピストン頂面の中心に形成された小口径燃焼室と、この小口径燃焼室の外周に連続して形成された大口径燃焼室とを有していることを特徴とするディーゼルエンジンにおけるピストンの燃焼室構造。
【請求項２】
前記小口径燃焼室は、低負荷時に噴射される燃料を燃焼させる容積を有する口径に形成され、前記大口径燃焼室は、高負荷時に噴射される燃料を燃焼させる容積を有する口径に形成される請求項１記載のディーゼルエンジンにおけるピストンの燃焼室構造。
【請求項３】
前記小口径燃焼室の口径は、前記ピストン頂面の直径の５０〜６０％の範囲内にあるように設定され、前記大口径燃焼室の口径は、前記ピストン頂面の直径の７５〜８０％の範囲内にあるように設定される請求項１又は２記載のディーゼルエンジンにおけるピストンの燃焼室構造。
【請求項４】
前記小口径燃焼室の底壁部は、前記ピストン中心に形成された円錐面と、その円錐面の外周下部に連続的に形成された断面円弧状の円環状面とで形成され、前記大口径燃焼室の底壁部は、前記小口径燃焼室の円環状面の外周から前記ピストンの径方向外方の頂面にかけた断面円弧状の円環溝面で形成される請求項１乃至３のいずれかに記載のディーゼルエンジンにおけるピストンの燃焼室構造。
【請求項５】
前記小口径燃焼室の円環状面と前記大口径燃焼室の円環溝面間に断面突状の仕切部が形成される請求項１乃至４のいずれかに記載のディーゼルエンジンにおけるピストンの燃焼室構造。
【請求項６】
前記小口径燃焼室の円環状面の底部は、前記ピストン頂面から第１の深さを有し、前記大口径燃焼室の円環溝面の底部は、前記ピストン頂面から前記第１の深さより浅い第２の深さを有する請求項１乃至５のいずれかに記載のディーゼルエンジンにおけるピストンの燃焼室構造。
【請求項７】
前記燃料噴射ノズルから噴射される燃料が前記仕切部の下部及び円環状面の上部に衝突するように、該仕切部及び円環状面が形成される請求項１乃至６のいずれかに記載のディーゼルエンジンにおけるピストンの燃焼室構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジンにおけるピストンの燃焼室構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンでは、ピストンの圧縮上死点近傍で燃料を燃焼室内に噴射して、燃料の拡散と燃焼とをほぼ同時に行い、燃料の噴射中に燃焼が行なわれる。ディーゼルエンジンのピストン頂面には、図３に示すような燃焼室３ａが設けられている（例えば特許文献１，２参照）。ノズル１３より噴射された燃料噴霧ｅは、図４に示すようにピストン２に衝突後、燃焼室３ａ内およびスキッシュエリア（シリンダヘッド下面とピストン頂面との隙間）６へと広がる。燃料噴霧ｅを燃焼室３ａ内だけなくスキッシュエリア６にも分布させることにより、シリンダ内の空気を有効に利用することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−５６３４９号公報
【特許文献２】特開２００２−３４９２６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料噴霧ｅは、ピストン２との衝突によりシリンダ内全域に広がる。しかしながら、ピストン２との衝突は燃料噴霧ｅの分散を抑制するため、燃料噴霧ｅをどのような条件でピストン２に衝突させるかが、燃焼の良し悪しを左右する。燃焼室３ａの口径は、衝突の条件に深くかかわる因子の一つである。大口径の燃焼室は、燃料噴霧ｅの分散が良好であり、またエンジン始動時、低温のピストン２への燃料噴霧ｅの衝突によるＨＣ（炭化水素）増加を抑制するなどの利点を有している。一方で、大口径の燃焼室は、微少噴射量のプレ噴霧が過度の分散により希薄化し、反応し難くなるという欠点を併せ持つ。これは、燃料噴射量が少ない低負荷時のように、プレ噴霧がメイン噴霧の反応に及ぼす影響が大きい場合には、燃焼を悪化させる。逆に小口径の燃焼室は、燃料噴霧ｅがピストン２にすぐ衝突することによって燃料噴霧ｅと空気との混合が抑制されてしまう。
【０００５】
このように一つの燃焼室しか持たないと、燃焼室が広ければ燃料噴射量が多いときは燃料噴霧の分散が良好となるが、燃料噴射量が少ないときは燃料が希薄化して燃焼を悪化させる。逆に燃焼室が狭ければ燃料噴射量が少ないときは希薄化を抑制するが、燃料噴射量が多いときはすぐ衝突して空気との混合が抑制されて燃焼を悪化させてしまう問題があった。
【０００６】
本発明は、前記問題を解決するべく案出されたものであり、その目的とするところは、低負荷時にはプレ噴霧の希薄化を抑制し、高負荷時にはメイン噴霧の分散を促進し、燃焼を改善するようにしたディーゼルエンジンにおけるピストンの燃焼室構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記課題を解決するために本発明のディーゼルエンジンにおけるピストンの燃焼室構造は、ピストン頂面に形成され、燃料噴射ノズルから噴射された燃料を燃焼させる燃焼室が形成されたディーゼルエンジンにおけるピストンの燃焼室構造において、前記燃焼室は、前記ピストン頂面の中心に形成された小口径燃焼室と、この小口径燃焼室の外周に連続して形成された大口径燃焼室とを有していることを特徴とする。
【０００８】
また前記小口径燃焼室は、低負荷時に噴射される燃料を燃焼させる容積を有する口径に形成され、前記大口径燃焼室は、高負荷時に噴射される燃料を燃焼させる容積を有する口径に形成されるのが好ましい。
【０００９】
また前記小口径燃焼室の口径は、前記ピストン頂面の直径の５０〜６０％の範囲内にあるように設定され、前記大口径燃焼室の口径は、前記ピストン頂面の直径の７５〜８０％の範囲内にあるように設定されるのが好ましい。
【００１０】
また前記小口径燃焼室の底壁部は、前記ピストン中心に形成された円錐面と、その円錐面の外周下部に連続的に形成された断面円弧状の円環状面とで形成され、前記大口径燃焼室の底壁部は、前記小口径燃焼室の円環状面の外周から前記ピストンの径方向外方の頂面にかけた断面円弧状の円環溝面で形成されるのが好ましい。
【００１１】
前記小口径燃焼室の円環状面と前記大口径燃焼室の円環溝面間に断面突状の仕切部が形成されるのが好ましい。
【００１２】
また前記小口径燃焼室の円環状面の底部は、前記ピストン頂面から第１の深さを有し、前記大口径燃焼室の円環溝面の底部は、前記ピストン頂面から前記第１の深さより浅い第２の深さを有するのが好ましい。
【００１３】
また前記燃料噴射ノズルから噴射される燃料が前記仕切部の下部及び円環状面に衝突するように、該仕切部及び円環状面が形成されるのが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のディーゼルエンジンにおけるピストンの燃焼室構造によれば、低負荷時にはプレ噴霧の希薄化を抑制することができ、高負荷時にはメイン噴霧の分散を促進することができ、燃焼を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明の一実施の形態を示すディーゼルエンジンのピストンを示す概略図である。
【図２】図２は、図１の燃焼室の軸芯部から半径方向外方に臨んで切断した状態を示す半断面図である。
【図３】図３は、従来の燃焼室の軸芯部から半径方向外方に臨んで切断した状態を示す半断面図である。
【図４】図４は、図３のピストンに燃料が衝突する際の燃料噴霧の状態を示す部分的斜視図である。
【図５】図５は、本発明の燃焼室と従来の燃焼室の軸芯部からそれぞれ半径方向外方に臨んで切断した状態を示す半断面図で、（ａ）は本発明の燃焼室を示し、（ｂ）は従来の燃焼室を示す。
【図６】図６は、シミュレーションにより得られたプレ噴霧反応時のφ―Ｔマップで、（ａ）は本発明の燃焼室の場合を示し、（ｂ）は従来の燃焼室の場合を示す。
【図７】図７は、シリンダ内の燃焼状態を示す部分的斜視図で、（ａ）は本発明の燃焼室での燃料の燃え残った状態を示し、（ｂ）は従来の燃焼室での燃料の燃え残った状態を示す。
【図８】図８は、本発明の燃焼室と従来の燃焼室について、低負荷時と高負荷時でのすす排出量とピストン仕事量の結果を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１７】
図１に示すようにディーゼルエンジン（以下、エンジンという）１は、複数のシリンダボア１１が形成されたシリンダブロック１０と、このシリンダブロック１０の上部に設けられたシリンダヘッド１２と、シリンダボア１１内に摺動可能に嵌挿されたピストン２とを備えている。ピストン２は、コンロッド１５を介してクランクシャフト（図示せず）に連結されている。
【００１８】
ピストン２の頂面２０には、図２に示すように燃料噴射ノズル１３から噴射された燃料を燃焼させる燃焼室３が形成されている。燃焼室３は、ピストン頂面２０の中心に形成された小口径の小口径燃焼室３０と、この小口径燃焼室３０の外周を取り巻くように連続的に形成された大口径の大口径燃焼室３５とを有している。
【００１９】
小口径燃焼室３０は、低負荷時（噴射される燃料の量が少ない）に噴射される燃料を燃焼させる容積を有する口径Ｒ１に形成されている。大口径燃焼室３５は、高負荷時（噴射される燃料の量が多い）に噴射される燃料を燃焼させる容積を有する口径Ｒ２に形成されている。例えば小口径燃焼室３０は、その口径Ｒ１がピストン頂面２０の直径の５０〜６０％の範囲内にあるように設定され、大口径燃焼室３５は、その口径Ｒ２がピストン頂面２０の直径の７５〜８０％の範囲内にあるように設定されている。例えばピストン頂面２０の直径が９５．４ｍｍとすると、口径Ｒ１は４９．６ｍｍ、口径Ｒ２は７３．６ｍｍが好ましい。
【００２０】
図２に示すように小口径燃焼室３０の底壁部は、ピストン２の中心の頂部３１から下方に傘状に広がるように形成された円錐面３２と、この円錐面３２の外周下部３３に連続的に形成された断面円弧状の円環状面３４とで形成されている。大口径燃焼室３５の底壁部は、小口径燃焼室３０の円環状面３４の外周からピストン２の径方向外方の頂面２０に向けて断面円弧状に形成された円環溝面３７と、この円環溝面３７の外周から頂面２０にかけて連続的に形成された外周側傾斜面３６とで形成されている。
【００２１】
小口径燃焼室３０の円環状面３４と大口径燃焼室３５の円環溝面３７間には、小口径燃焼室３０側に斜め上方に突出する断面突状の仕切部４が形成されている。この仕切部４を介して小口径燃焼室３０と大口径燃焼室３５とが接続されている。
【００２２】
また小口径燃焼室３０の円環状面３４の底部は、ピストン頂面２０から第１の深さＤ１を有し、大口径燃焼室３５の円環溝面３７の底部は、ピストン頂面２０から第１の深さＤ１より浅い第２の深さＤ２を有する。例えば第１の深さＤ１は、ピストン頂面２０の直径の１３〜１４％の範囲内にあるように設定され、第２の深さＤ２は、ピストン頂面２０の直径の４〜５％の範囲内にあるように設定されている。例えばピストン頂面２０の直径が９５．４ｍｍとすると、Ｄ１は１３．２ｍｍ、Ｄ２は４．３ｍｍが好ましい。
【００２３】
シリンダヘッド１２には、燃焼室３に燃料を噴射するための燃料噴射ノズル１３が取り付けられる。燃料噴射ノズル１３の先端部は燃焼室３内に突出され、その先端部には、燃料を噴射する複数の噴孔１４が設けられる。ピストン２、シリンダボア１１、燃料噴射ノズル１３の軸心は同一の軸心（ピストン中心軸）Ｃ上に配置されている。燃料噴射ノズル１３の噴孔１４は、ピストン中心軸Ｃ上の同一高さ位置に周方向に等間隔に複数配置されている。噴孔１４は、ピストン中心軸Ｃに対して所定の噴射角θ（ピストン中心軸Ｃと燃料噴射軸Ｄとのなす角度）に設定されている。噴孔１４から噴射角θ（例えば７５〜８０°の範囲、好ましくは７６°）をもって燃料を噴射すると、燃料が仕切部４の下部及び円環状面３４の上部に噴射される。矢印ｆは、噴孔１４より噴射される燃料の噴射方向を示す。
【００２４】
このように本発明のディーゼルエンジンにおけるピストンの燃焼室構造は、それぞれ口径の異なる小口径燃焼室３０と大口径燃焼室３５とを設けているので、燃料噴射ノズル１３から矢印ｆのごとく噴射される燃料の噴射量が少ない低負荷時には、燃料噴霧が小口径燃焼室３０に収まってプレ噴霧の希薄化が抑制され、燃焼反応が改善されることにより、メイン噴霧の燃焼促進が得られる。一方、燃料噴射ノズル１３から矢印ｆのごとく噴射される燃料の噴射量が多い高負荷時には、大口径燃焼室３５によりメイン噴霧の分散が促進され、燃焼が改善される。
【００２５】
また小口径燃焼室３０の円環状面３４と大口径燃焼室３５の円環溝面３７間に断面突状の仕切部４が形成されているので、噴射される燃料の噴射量が少ない低負荷時には、燃料が仕切部４の下部及び円環状面３４の上部に衝突し、燃料噴霧が円環状面３４の周壁に沿って矢印ａのごとく外側から内側に流れが生じ、燃料の希薄化が抑制され、燃焼しやすい空気と燃料の割合となり、燃焼が促進される。一方、噴射される燃料の噴射量が多い高負荷時には、燃料が勢いよく仕切部４の下部及び円環状面３４の上部に衝突すると共に、燃料噴霧の一部が仕切部４を越えて大口径燃焼室３５まで至る。仕切部４の下部及び円環状面３４の上部に衝突した燃料噴霧は、円環状面３４の周壁に沿って矢印ａのごとく外側から内側に流れが生じ、さらに小口径燃焼室３０から外側の大口径燃焼室３５まで矢印ｂのごとく流れる。これによって燃料噴霧はシリンダ内の空気全体と混合され、燃焼しやすい空気と燃料の割合となり、燃焼が促進される。
【００２６】
以上のように本発明は、ディーゼルエンジンにおけるピストンの燃焼室構造が大小の異なる口径を有する２つの燃焼室により構成されるので、低負荷時には、小口径燃焼室３０によりプレ噴霧の希薄化を抑制、反応を改善することにより、メイン噴霧の燃焼促進が得られ、高負荷時には、大口径燃焼室３５によりメイン噴霧の分散を促し、燃焼を改善することができる。
【００２７】
図５は、本発明の燃焼室３と従来の燃焼室３ａの形状を比較したものである。図５（ａ）は本発明の燃焼室３の一例を示し、燃焼室３の軸芯部から半径方向外方に臨んで切断した状態を示す半断面図である。図５（ｂ）は従来の燃焼室３ａの一例を示し、燃焼室３ａの軸芯部から半径方向外方に臨んで切断した状態を示す半断面図である。本発明の燃焼室３、従来の燃焼室３ａのいずれもその容積は同一であり、シリンダボアサイズは共に９５．４ｍｍである。また燃料噴射軸Ｄがピストン中心軸Ｃとなす噴射角θはいずれも７６°である。図５（ａ）において、Ｒ１は小口径燃焼室３０の口径であり、Ｒ２は大口径燃焼室３５の口径であり、Ｒ３は小口径燃焼室３０の最大内径である。またＤ１は小口径燃焼室３０のピストン頂面２０からの深さであり、Ｄ２は大口径燃焼室３５のピストン頂面２０からの深さである。図５（ｂ）において、ｒ１は燃焼室３ａの口径であり、ｒ２は燃焼室３ａの最大内径であり、ｄは燃焼室３ａのピストン頂面２０からの深さである。
【００２８】
図６は、シミュレーションにより得られたプレ噴霧反応時のφ―Ｔマップである。縦軸は当量比（燃料と空気の混じり具合）φで、横軸は温度Ｔである。ある温度Ｔで、ある当量比φの燃料がどれだけ分布しているかをプロットしたものである。当量比１は、ある燃料に対して全ての空気が使われて効率よく燃焼が行われたことを意味する。図３に示す従来の燃焼室３ａであると燃料噴霧とピストン２との衝突がない分、図６（ｂ）に示すように過度に当量比１以下に希薄化して燃焼しにくくなっている。これに対して本実施形態の燃焼室３は、小口径燃焼室３０を設けることによって燃料噴霧の分散が抑制されて燃料の希薄化が進まず、図６（ａ）に示すように当量比１に近いところまでで抑えられており、燃焼しやすい状態になっている。図６（ａ）から本発明の燃焼室３は、当量比φの上昇、すなわち燃料噴霧の希薄化抑制効果が得られていることが分かる。
【００２９】
図７は、シリンダ内で燃料がどれだけ残っているかを示したものである。従来の燃焼室３ａでは、過度に燃料が分散して燃焼の状態が悪くなり、図７（ｂ）に示すようにシリンダ内に多くの燃料ｇ（薄く塗した部分）が残ってしまうのに対して、本発明の燃焼室３では、燃料の分散を抑えて効率よく燃焼しているので、図７（ａ）に示すようにシリンダ内に残る燃料ｇ（薄く塗した部分）が減少している。
【００３０】
図８に示したグラフは、本発明のピストンによる燃焼室３と従来のピストンによる燃焼室３ａによる燃焼の状態を、低負荷時と高負荷時におけるすす排出量（Ｓｏｏｔ）とピストン仕事量（Ｗｏｒｋ）とを比較したものである。図８から分かるように低負荷時においては、従来の燃焼室３ａではＳｏｏｔが０．３ｍｇ／ｃｙｃｌｅ近く生じているが、本発明の燃焼室３では０．１ｍｇ／ｃｙｃｌｅ以下に大幅に減少しており、効率よく燃焼されている。このことはプレ噴霧の噴射量に対して負荷が低いときと高いときとでは、プレ噴霧が一定であれば負荷が低いときの噴射量に占めるプレ噴霧の割合が大きくなり、このため負荷の低いところでの効果が大きいことを意味する。またＷｏｒｋも従来の燃焼室３ａの場合と比べて本発明の燃焼室３の場合の方が増加している。
【００３１】
高負荷時の場合も同様に、Ｓｏｏｔが従来の燃焼室３ａに比べて本発明の燃焼室３の場合の方が減少しており、Ｗｏｒｋも従来の燃焼室３ａの場合と比べて本発明の燃焼室３の場合の方が増加している。このように本発明の燃焼室３は、低負荷時及び高負荷時のいずれにおいても燃焼を改善し、すす排出量の減少とピストン仕事量の増加をもたらす。
【符号の説明】
【００３２】
１  ディーゼルエンジン（エンジン）
２  ピストン
３  燃焼室
４  仕切部
１３  燃料噴射ノズル
２０  ピストン頂面
３０  小口径燃焼室
３２  円錘面
３３  外周下部
３４  円環状面
３５  大口径燃焼室
３７  円環溝面
Ｒ１  小口径燃焼室の口径
Ｒ２  大口径燃焼室の口径
Ｄ１  第１の深さ
Ｄ２  第２の深さ
【図１】
2012092778.tif 000003
【図２】
2012092778.tif 000004
【図３】
2012092778.tif 000005
【図５】
2012092778.tif 000006
【図６】
2012092778.tif 000007
【図４】
2012092778.tif 000008
【図７】
2012092778.tif 000009
【図８】
2012092778.tif 000010