JP5671809B2

JP5671809B2 - 内燃機関の燃焼室構造

Info

Publication number: JP5671809B2
Application number: JP2010037616A
Authority: JP
Inventors: 景太荒戸
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-02-23
Filing date: 2010-02-23
Publication date: 2015-02-18
Anticipated expiration: 2030-02-23
Also published as: JP2011174388A

Description

本発明は、ピストンの頂部に凹設されたキャビティにピストンの上方に配置されたインジェクタから燃料が噴射される内燃機関の燃焼室構造に関する。

トラック、バス等の車両に搭載されたディーゼルエンジンの排気ガス中には、パティキュレートマター（ＰＭ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）等の有害物質が存在する。ＰＭとＮＯｘとは、一般的なディーゼル燃焼（拡散燃焼）ではトレードオフの関係にあり、ＰＭを低減するとＮＯｘが増加してしまい、ＮＯｘを低減するとＰＭが増加してしまう。

近年、ＰＭとＮＯｘとの双方を同時に低減させる燃焼技術として、予混合圧縮着火燃焼（Premixed Compression Ignition combustion：ＰＣＩ燃焼）が注目されている。ＰＣＩ燃焼は、ピストンの上方に配置されたインジェクタからピストンの頂部に凹設されたキャビティに向けて燃料を、従来の一般的なディーゼル燃焼よりも早くピストンが上死点に至る前に噴射することで、均一な予混合気を形成し、その予混合気を燃料の噴射完了後に着火させる燃焼方法であり、ＰＭ及びＮＯｘの同時低減が可能である。

但し、ＰＣＩ燃焼は、適用運転領域が軽負荷に限られる。これに対して、インジェクタの噴孔面積を小さくすることで、噴射される燃料を微粒化して蒸発を促進させ、希薄・均一な予混合気を迅速に生成し、ＰＣＩ燃焼による運転領域を中高負荷側に拡大しようとする試みがなされている（特許文献１参照）。

特開２００７−２１１７６８号公報

ところで、多量の燃料を噴射する全負荷或いはそれに近い運転領域では、燃費を悪化させないためには、負荷に応じた必要な燃料量を一定期間内（例えばクランク軸角度で３０度以内）に噴射する必要がある。従って、噴孔面積の小さなインジェクタを用いる場合、全負荷時に必要な燃料量を一定期間内に噴射することができる総噴孔面積を確保する必要があり、多噴孔化が必須となる。

しかし、多噴孔化すると、隣り合う噴孔同士の間隔が狭くなるため、図４（ａ）〜図４（ｃ）に示すように、インジェクタの各噴孔から噴射された燃料の噴霧Ｆが、キャビティ３の壁面３ｘに衝突した後、壁面３ｘに沿ってキャビティ３の周方向（図４における左右方向）に広がった際に、隣り合う噴孔の噴霧Ｆ同士が干渉してしまう。この結果、噴霧Ｆ同士が重なり合う部分ＦＬで燃料の過濃領域が形成され、スモーク（煤）の生成量が増大してしまう。

この問題に対して、本発明者は、キャビティ３の壁面３ｘに、各噴霧Ｆが衝突する部分に位置して、キャビティ３の内外方向（図４における紙面裏表方向）に沿ったガイド溝（図示せず）を複数形成した燃焼室構造を創案した。この燃焼室構造によれば、インジェクタの各噴孔から噴射された燃料の噴霧Ｆは、キャビティ３の壁面３ｘに衝突した後、ガイド溝に沿ってキャビティ３の内外方向に案内されるので、噴霧Ｆが壁面３ｘに沿ってキャビティ３の周方向に広がることによる隣り合う噴霧Ｆ同士の干渉が抑制される。この結果、燃料の過濃領域の形成が抑制され、スモークの発生量が低減される。

しかし、噴霧Ｆが衝突するキャビティ３の壁面３ｘに、キャビティ３の内外方向に沿ったガイド溝を複数形成すると、噴霧Ｆとキャビティ３の壁面３ｘとの衝突表面積が、各ガイド溝の凹凸によって、ガイド溝が無い通常のものよりも大きくなってしまう。このため、噴霧Ｆからキャビティ３の壁面３ｘ、即ち燃焼室表面への熱損失量が増加し、燃費の悪化を引き起こす。

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、インジェクタからキャビティに向けて噴射された燃料の噴霧がキャビティの壁面に沿って周方向に広がって隣り合う噴霧同士が干渉することによる燃料の過濃領域の形成を抑制し、且つ、噴霧からキャビティ壁面への熱損失を低減した内燃機関の燃焼室構造を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、ピストンの上方に配置されたインジェクタと、前記ピストンの頂部に、前記インジェクタの直下に位置して凹設され、前記インジェクタから周方向に間隔を隔てて複数噴射された燃料の噴霧が衝突するキャビティとを備えた内燃機関の燃焼室構造において、前記キャビティの壁面に、前記噴霧が衝突する部分に位置して設けられ、前記キャビティの内外方向に沿った複数のガイド突起を有すると共にこれらガイド突起が平行に形成されてなるガイド突起群を備え、前記ガイド突起が、断熱素材で形成されると共に、金属製の前記キャビティの壁面に、セラミック単体又はセラミック中に中空のセラミックビーズを閉じ込めた複合材料を、前記キャビティの内外方向に沿って順次幅狭に溶着して山状に形成されたセラミックから成り、周方向に隣り合う前記ガイド突起群同士の外周部間には、前記ガイド突起が存在しない領域が形成されたものである。

本発明に係る内燃機関の燃焼室構造によれば、次のような効果を発揮できる。
（１）キャビティの壁面に噴霧が衝突する部分に位置してキャビティの内外方向に沿ったガイド突起を複数設けたので、インジェクタからキャビティに向けて噴射された燃料の噴霧が、ガイド突起に沿って広がることが促されると共に、ガイド突起に対して交差する方向に広がることが抑えられる。この結果、噴霧がキャビティの壁面に沿って周方向に広がることが抑えられ、隣り合う噴霧同士が干渉することによる燃料の過濃領域の形成を抑制でき、スモークの生成を低減できる。
（２）加えて、ガイド突起が断熱素材で形成されていることにより、噴霧からキャビティ壁面への熱損失を低減でき、燃費悪化を抑制できる。
（３）すなわち、本発明者が先に創案した「内燃機関の燃焼室構造」における「ガイド溝」と同様の機能を果たすガイド突起を断熱素材で形成して燃料の噴霧に対する断熱材を兼ねてキャビティの壁面に設けたので、燃費の悪化を抑制しつつスモークの生成を低減することができる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の燃焼室構造を示す説明図であり、（ａ）はピストンの平面図、（ｂ）はそのピストンの側断面図である。図１（ｂ）のII−II線断面図であり、ガイド突起の断面を示す。噴霧がガイド突起に衝突した様子を示す説明図であり、（ａ）はガイド突起及び噴霧の断面図、（ｂ）はガイド突起及び噴霧を噴射方向から見た平面図である。インジェクタの噴孔から噴射された燃料の噴霧がキャビティ壁面に衝突し、隣り合う噴霧同士が干渉する様子を模式的に表す従来例の説明図であり、（ａ）は衝突直前、（ｂ）は衝突直後、（ｃ）は衝突後所定時間経過後の説明図である。

本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、本実施形態に係る内燃機関の燃焼室構造Ａは、ディーゼルエンジンのピストン１の頂部に凹設されたキャビティ３と、キャビティ３の壁面３ｘにキャビティ３の内外方向に沿って設けられた複数のガイド突起４とを備えている。

キャビティ３の形状は、トロイダル型、リエントラント型、浅皿型等、様々な形状であってよい。キャビティ３には、インジェクタ２から噴射された燃料の噴霧Ｆ（図３（ａ）参照）が衝突する。なお、図１（ａ）、図１（ｂ）にて仮想線で示す矢印Ｆｘは、燃料すなわち噴霧Ｆの噴射方向を表す。

インジェクタ２は、ピストン１の上方のシリンダヘッド５に装着されており、インジェクタ２の下端部には、キャビティ３の周方向に間隔を隔てて複数の噴孔が形成されている。インジェクタ２の各噴孔からキャビティ３に向けて噴射される燃料の噴射時期は、ＰＣＩ燃焼を行うために、一般的なディーゼル燃焼（拡散燃焼）よりも早く、ピストン１が上死点に至る前に設定されている。

インジェクタ２の各噴孔の口径は、噴射される燃料を微粒化して蒸発を促進させ、希薄・均一な予混合気を迅速に生成することで、ＰＣＩ燃焼の運転領域を軽負荷域から中高負荷域側に拡大するため、小径化が図られている。具体的には、各噴孔の口径は、燃料の微粒化及び加工性を考慮して、例えば０．１〜０．０５ｍｍ程度に設定されている。但し、この数値に限定されるものではない。また、各噴孔の小口径化を図ってもＰＣＩ燃焼を適用できない運転領域（例えば高負荷域等）においては、各噴孔から噴射される燃料の噴射時期を、一般的な拡散燃焼（燃料の噴射中に混合気が着火する燃焼）を行う噴射時期、即ちピストン１が上死点に至るとき或いはその近傍に設定している。

こうして噴孔の小口径化が図られたインジェクタ２においては、既述のように、全負荷での燃費を悪化させないためには、必要な燃料量を一定期間（例えばクランク軸角度で３０度以内、これに限定されるものではない）内に噴射することができる総噴孔面積を確保する必要があり、多噴孔化が必須となる。このため、インジェクタ２は、周方向に間隔を隔てて複数（例えば２０個、これに限定されるものではない）の噴孔を備えている。これにより、隣り合う噴孔同士の間隔が狭くなり、隣り合う噴孔から噴射された燃料の噴霧Ｆがキャビティ３の壁面３ｘに衝突した後、周方向に広がって干渉し易く、スモークの発生量が多くなる傾向にある。

そこで、図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、キャビティ３の壁面３ｘに、各噴霧Ｆが衝突する部分に位置して、キャビティ３の内外方向に沿ったガイド突起４を複数設け、噴霧Ｆ（図３（ａ）、図３（ｂ）参照）のキャビティ３の周方向への広がりを抑制している。なお、図１（ａ）においては、インジェクタ２の４つの噴孔から矢印Ｆｘで表す噴射方向に噴射された燃料の噴霧Ｆに対応するガイド突起４のみを表しているが、実際には、インジェクタ２からは周方向に間隔を隔てて複数（例えば２０）の燃料が噴射されるので、それら複数の噴霧Ｆがキャビティ３の壁面３ｘに衝突する部分の夫々にガイド突起４が設けられている。

ガイド突起４は、インジェクタ２の各噴孔からキャビティ３に向けて噴射される燃料の噴射方向Ｆｘに対し、ピストン１の頂部上方からの平面視で平行に形成されており、各噴孔毎に、複数のガイド突起４から成るガイド突起群４ｘが形成されている。各ガイド突起群４ｘは、インジェクタ２の各噴孔から噴射された燃料をキャビティ３の内外方向に案内すると共に、キャビティ３の周方向に広がろうとする燃料の堤防（抵抗）として機能する。

ガイド突起群４ｘを構成するガイド突起４は、図１（ｂ）に示すように、キャビティ３の中心部３ａから底面３ｂ及び側面３ｃに架けて配設してもよいが、図１（ａ）に示すように、キャビティ３の中心部３ａ近傍を除いて同様に配設してもよい。要は、ガイド突起４は、キャビティ３内の少なくとも噴霧Ｆが衝突する部分に配設されていればよい。

隣り合うガイド突起群４ｘ同士の間には、図１（ａ）に示すように、突起が存在しない領域６が形成されている。但し、この領域６にもガイド突起４を設けてもよい。この領域６に設けられるガイド突起４は、噴霧Ｆのキャビティ周方向への広がりを抑えることができればよく、ガイド突起群４ｘと平行でなくても構わない。

ガイド突起群４ｘにおける各ガイド突起４の谷底から山頂までの高さＨは、図１（ｂ）に示すように、キャビティ３の中心部３ａで零とし、中心部３ａから底面３ｂに架けて徐々に高くし、底面３ｂから側面３ｃに架けて略一定の高さとしてもよいが、全領域に亘って略一定の高さとしてもよく、噴霧Ｆが衝突する部分を高くそこからキャビティ内外方向に沿ったそれ以外の部分に架けては徐々に低くする等してもよい。また、一つのガイド突起群４ｘにおけるキャビティ周方向の位置によって、高さＨを異ならせてもよい。要は、噴霧Ｆのキャビティ周方向への広がりを抑制できればよい。

ガイド突起４の具体的な高さＨの寸法、隣り合う山頂同士の間隔Ｗの寸法は、特に限定されるものではないが、例えば、高さＨを１〜５ｍｍ程度、間隔Ｗを２〜１０ｍｍ程度とすることが考えられる。

ところで、噴霧Ｆが衝突するキャビティ３の壁面３ｘに上述したガイド突起４（ガイド突起群４ｘ）を設けると、噴霧Ｆとキャビティ３の壁面３ｘとの衝突表面積が、各ガイド突起４の凹凸によって、ガイド突起４が無い通常のものよりも大きくなってしまう。このため、噴霧Ｆからキャビティ３の壁面３ｘ、即ち燃焼室の表面への熱損失量が増加し、燃費の悪化を引き起こす。

そこで、ガイド突起４を断熱素材（キャビティ３が凹設されるピストン１よりも熱伝達率が低い素材）で形成し、噴霧Ｆからキャビティ３の壁面３ｘへの熱損失を抑えている。

図２、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、複数のガイド突起４からなるガイド突起群４ｘは、キャビティ３の壁面３ｘに、噴霧Ｆが衝突する部分を覆うようにして設けられている。よって、ガイド突起群４ｘを断熱素材で形成することで、キャビティ３の壁面３ｘの噴霧Ｆが衝突する部分が断熱素材でカバーされた状態となり、噴霧Ｆがガイド突起群４ｘに衝突した際、噴霧Ｆからキャビティ３の壁面３ｘへの熱損失が低減される。なお、図２と図３（ａ）とで、ガイド突起群４ｘを構成するガイド突起４の数が異なっているが、見易くするための作図上の都合に過ぎず、実際は同数である。

断熱素材には、セラミックが用いられている。セラミックには、例えば、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ジルコニア（ＺｒＯ₂）、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）等のセラミック単体や、それらセラミック中に中空のセラミックビーズを閉じ込めた複合材料等が用いられる。

セラミックから成るガイド突起４は、キャビティ３の壁面３ｘに溶着等により固定されている。例えば、図２に破線７で示すように、金属製のキャビティ３の壁面３ｘに、上述したセラミック単体やセラミック中に中空のセラミックビーズを閉じ込めた複合材料を図面の裏表方向（キャビティ３の内外方向）に沿って肉盛り溶接の如く溶着して第１層とし、その上に同様にして同じ材料を第１層よりも幅狭に溶着して第２層とし、以降同様の手順で溶着を繰り返し、山状のガイド突起４を形成する。隣り合うガイド突起４の第１層同士は繋がっており、複数のガイド突起４から成るガイド突起群４ｘは、キャビティ３の壁面３ｘの噴霧Ｆが衝突する部分を覆っている。

本実施形態の作用を述べる。

図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、インジェクタ２の各噴孔から噴射された燃料の噴霧Ｆは、キャビティ３の壁面３ｘに設けられたガイド突起群４ｘに衝突する。

ガイド突起群４ｘに衝突した燃料は、ガイド突起群４ｘのガイド突起４に沿って、隣接するガイド突起４同士の間に形成された溝８（図２参照）に案内されてキャビティ３の内外方向に広がり、各ガイド突起４の山の部分がキャビティ３の周方向に広がろうとする燃料が乗り越える際の堤防（抵抗）として機能することで、キャビティ３の周方向への広がりが抑制される。なお、図３（ａ）、図３（ｂ）において、符号Ｆａは噴霧Ｆのネック領域を示し、符号Ｆｂは噴霧Ｆの広がり領域を示している。

インジェクタ２の各噴孔から噴射された燃料の噴霧Ｆは、キャビティ３の壁面３ｘに設けられたガイド突起群４ｘに衝突すると、図３（ｂ）に矢印Ｘで示すように複数のガイド突起４の延在方向に対しては抵抗が小さいのでその方向に沿って広がり、他方、矢印Ｙで示すようにガイド突起４に交差する方向（複数のガイド突起４の隣接方向）に対してはそれら各ガイド突起４の山の部分を乗り越えなければならないため相対的に抵抗が大きく広がりが抑えられる。

本実施形態においては、ガイド突起４は、図１（ａ）に示すように、燃料の噴射方向Ｆｘに対し、ピストン１の頂部上方からの平面視で平行に形成されている。よって、ガイド突起４は、矢印Ｙで示すようにキャビティ３の周方向に広がろうとする燃料に対して直交する配置となり、キャビティ３の周方向に広がろうとする燃料に、的確に抵抗を与えることができる。

従って、インジェクタ２の各噴孔から噴射された燃料の噴霧Ｆが、キャビティ３の壁面３ｘに衝突した後、キャビティ３の壁面３ｘに沿って周方向に広がることが抑えられ、隣り合う噴霧Ｆ同士が干渉することによる燃料の過濃領域の形成を抑制でき、スモークの発生を低減できる。

加えて、噴霧Ｆが衝突するガイド突起４を断熱素材で形成したので、キャビティ３の壁面３ｘの噴霧Ｆが衝突する部分が断熱素材でカバーされた状態となり、噴霧Ｆがガイド突起群４ｘに衝突した際、噴霧Ｆからキャビティ３の壁面３ｘ（燃焼室壁面）への熱損失が低減される。よって、かかる熱損失に起因する燃費の悪化を低減することができる。

以上述べたように、本発明においては、本発明者が先に創案した「内燃機関の燃焼室構造」における「ガイド溝」（「発明が解決しようとする課題」の記述を参照のこと）と同様の機能を果たすガイド突起４を断熱素材で形成して燃料の噴霧Ｆに対する断熱材を兼ねてキャビティ３の壁面３ｘに装着したので、燃費の悪化を抑制しつつスモークの生成を低減することができる。

１ピストン
２インジェクタ
３キャビティ
３ｘ壁面
４ガイド突起
４ｘガイド突起群
Ｆ噴霧
Ｆｘ噴射方向
Ａ燃焼室構造

Claims

ピストンの上方に配置されたインジェクタと、前記ピストンの頂部に、前記インジェクタの直下に位置して凹設され、前記インジェクタから周方向に間隔を隔てて複数噴射された燃料の噴霧が衝突するキャビティとを備えた内燃機関の燃焼室構造において、
前記キャビティの壁面に、前記噴霧が衝突する部分に位置して設けられ、前記キャビティの内外方向に沿った複数のガイド突起を有すると共にこれらガイド突起が平行に形成されてなるガイド突起群を備え、
前記ガイド突起が、断熱素材で形成されると共に、金属製の前記キャビティの壁面に、セラミック単体又はセラミック中に中空のセラミックビーズを閉じ込めた複合材料を、前記キャビティの内外方向に沿って順次幅狭に溶着して山状に形成されたセラミックから成り、
周方向に隣り合う前記ガイド突起群同士の外周部間には、前記ガイド突起が存在しない領域が形成された
ことを特徴とする内燃機関の燃焼室構造。