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JP7686474B2 - Combustion chamber structure of direct injection diesel engine - Google Patents
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Description

本発明の一態様は、直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造に関する。 One aspect of the present invention relates to a combustion chamber structure for a direct injection diesel engine.

直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造として、リエントラント型燃焼室形状に対し、スキッシュエリアから燃焼空間に段を設けて燃焼室入口にリップ構造を持つ構造が知られている(例えば特許文献1参照)。 As a combustion chamber structure for a direct injection diesel engine, a structure is known in which, in contrast to a reentrant combustion chamber shape, a step is provided from the squish area to the combustion space, and a lip structure is provided at the combustion chamber entrance (see, for example, Patent Document 1).

特許第4906055号Patent No. 4906055

上述した特許文献1に記載されたような燃焼室構造よりも、更に燃費に有利な燃焼室構造が求められている。 There is a demand for a combustion chamber structure that is more fuel efficient than the combustion chamber structure described in Patent Document 1 above.

本発明の一態様は上記実情に鑑みてなされたものであり、より燃費に有利な直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造を提供することを目的とする。 One aspect of the present invention was made in consideration of the above situation, and aims to provide a combustion chamber structure for a direct injection diesel engine that is more fuel efficient.

本発明の一態様に係る直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造は、ピストン頂面に対して下方向きに窪むキャビティを備え、該キャビティ内に気筒天井部の中心から燃料を放射状に噴射して自己着火せしめる直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造であって、キャビティの底面から上方に立ち上がる第1立ち上がり部と、第1立ち上がり部の上端に連続すると共に、キャビティの外周方向に略水平に伸びる第1水平部と、第1水平部に連続すると共に上方に立ち上がる第2立ち上がり部と、第2立ち上がり部の上端に連続すると共に、キャビティの外周方向に略水平に伸びる第2水平部と、第2水平部に連続すると共に上方に立ち上がりピストン頂面に至る第3立ち上がり部と、を備え、燃焼室は、キャビティの底面及び第1立ち上がり部によって区画される第1室と、第1水平部及び第2立ち上がり部によって区画される第2室と、第2水平部及び第3立ち上がり部によって区画される第3室と、を有し、燃焼室全体に占める第3室の容積比は、2%以上且つ40%以下である。 The combustion chamber structure of a direct injection diesel engine according to one embodiment of the present invention is a combustion chamber structure for a direct injection diesel engine that has a cavity recessed downward relative to the piston top surface, and in which fuel is injected radially from the center of the cylinder ceiling into the cavity to cause self-ignition, and includes a first rising portion rising upward from the bottom surface of the cavity, a first horizontal portion that is continuous with the upper end of the first rising portion and extends approximately horizontally in the outer periphery of the cavity, and a second rising portion that is continuous with the first horizontal portion and rises upward. The combustion chamber has a first chamber defined by the bottom surface of the cavity and the first rising portion, a second chamber defined by the first horizontal portion and the second rising portion, and a third chamber defined by the second horizontal portion and the third rising portion, and the volume ratio of the third chamber to the entire combustion chamber is 2% or more and 40% or less.

本発明の一態様に係る直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造では、立ち上がり部分(第1立ち上がり部、第2立ち上がり部、第3立ち上がり部)と水平部分(第1水平部、第2水平部、ピストン頂面)とで構成されるいわゆるリップ部が3箇所に形成されている。そのため、燃焼室の構造として、キャビティの底面及び第1立ち上がり部によって区画される第1室、第1水平部及び第2立ち上がり部によって区画される第2室(第1室よりも外周側且つ上方に形成される第2室)、並びに、第2水平部及び第3立ち上がり部によって区画される第3室(第2室よりも外周側且つ上方に形成される第3室)が形成されることとなる。従来の燃焼室構造では、いわゆるリップ部が2つのみであり、本発明の第3室に相当する燃焼室が形成されていない。これに対して、本発明のように、第2室よりも外側且つ上方に第3室が形成された構成においては、外周方向に流れる燃料噴霧を、第3室を介してピストン頂面に至る第3立ち上がり部(最上段燃焼室の縦壁)にまで至らしめることができ、従来は構成されていない第3室を、燃料噴霧と空気とが混合する空間として積極的に利用することができる。すなわち、本発明では、キャビティの外周側において燃料噴霧と空気とが混合する空間(第3室)が形成されているため、燃料と酸素とが接触・反応(燃焼)する機会を増やし、燃焼を促進することができる。そして、本発明では、燃焼室全体に占める第3室の容積比が2%以上且つ40%以下とされることにより、キャビティの外周側における燃焼を促進しながら、第3室が大きくなり過ぎて燃焼が緩慢になることも抑制することができる。以上のように、本発明の一態様によれば、より燃費に有利な直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造を提供することができる。 In the combustion chamber structure of the direct injection diesel engine according to one embodiment of the present invention, so-called lip portions consisting of rising portions (first rising portion, second rising portion, third rising portion) and horizontal portions (first horizontal portion, second horizontal portion, piston top surface) are formed in three locations. Therefore, the combustion chamber structure is formed with a first chamber defined by the bottom surface of the cavity and the first rising portion, a second chamber defined by the first horizontal portion and the second rising portion (the second chamber formed on the outer periphery side and above the first chamber), and a third chamber defined by the second horizontal portion and the third rising portion (the third chamber formed on the outer periphery side and above the second chamber). In the conventional combustion chamber structure, there are only two so-called lip portions, and no combustion chamber corresponding to the third chamber of the present invention is formed. In contrast, in the present invention, in which the third chamber is formed outside and above the second chamber, the fuel spray flowing in the outer circumferential direction can reach the third rising portion (the vertical wall of the uppermost combustion chamber) that reaches the piston top surface through the third chamber, and the third chamber, which was not formed in the past, can be actively used as a space for mixing the fuel spray and air. That is, in the present invention, a space (third chamber) for mixing the fuel spray and air is formed on the outer circumferential side of the cavity, so that the opportunities for the fuel and oxygen to come into contact and react (burn) can be increased, and combustion can be promoted. In addition, in the present invention, the volume ratio of the third chamber to the entire combustion chamber is set to 2% or more and 40% or less, so that while promoting combustion on the outer circumferential side of the cavity, it is also possible to prevent the third chamber from becoming too large and causing combustion to become sluggish. As described above, according to one aspect of the present invention, a combustion chamber structure for a direct injection diesel engine that is more advantageous in terms of fuel efficiency can be provided.

第3立ち上がり部の上方に立ち上がる長さは、上下方向に交差する方向におけるキャビティの底面の長さの、3%以上且つ9.5%以下であってもよい。このように、第3室を区画する第3立ち上がり部の長さが設定されることにより、第3室の大きさを十分に確保してキャビティの外周側における燃焼を促進しながら、第3室が大きくなり過ぎて燃焼が緩慢になることも抑制することができる。 The length of the third rising portion that rises upward may be 3% or more and 9.5% or less of the length of the bottom surface of the cavity in a direction intersecting the up-down direction. In this way, by setting the length of the third rising portion that divides the third chamber, it is possible to ensure a sufficient size of the third chamber to promote combustion on the outer periphery of the cavity, while also preventing the third chamber from becoming too large and slowing down combustion.

上下方向に交差する方向における第2水平部の長さは、上下方向に交差する方向におけるキャビティの底面の長さの、10%以上且つ18%以下であってもよい。このように、第3室を区画する第2水平部の長さが設定されることにより、第3室の大きさを十分に確保してキャビティの外周側における燃焼を促進しながら、第3室が大きくなり過ぎて燃焼が緩慢になることも抑制することができる。 The length of the second horizontal portion in a direction intersecting the vertical direction may be 10% or more and 18% or less of the length of the bottom surface of the cavity in a direction intersecting the vertical direction. In this way, by setting the length of the second horizontal portion that divides the third chamber, it is possible to ensure a sufficient size of the third chamber to promote combustion on the outer periphery of the cavity, while also preventing the third chamber from becoming too large and slowing down combustion.

本発明の一態様によれば、より燃費に有利な直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造を提供することができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to provide a combustion chamber structure for a direct injection diesel engine that is more fuel efficient.

排気ガスを再循環する機構を備えたディーゼルエンジンの概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a diesel engine equipped with exhaust gas recirculation. ディーゼルエンジンの燃焼室構造を模式的に示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a schematic diagram of a combustion chamber structure of a diesel engine. 燃焼室構造を説明する図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a combustion chamber structure. 2段リップ構造と3段リップ構造との構造上の違いを説明する図である。1A and 1B are diagrams illustrating the structural difference between a two-stage lip structure and a three-stage lip structure. 2段リップ構造と3段リップ構造との燃焼状況の違いを説明する図である。1 is a diagram illustrating a difference in combustion state between a two-stage lip structure and a three-stage lip structure. FIG. 2段リップ構造と3段リップ構造との燃焼状況の違いを説明する図である。1 is a diagram illustrating a difference in combustion state between a two-stage lip structure and a three-stage lip structure. FIG. 3段目燃焼室の容積比と燃費改善効果との関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between the volume ratio of the third stage combustion chamber and the fuel efficiency improvement effect.

以下、実施形態に係るディーゼルエンジンの燃焼室構造について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。 The combustion chamber structure of a diesel engine according to an embodiment will be described below with reference to the drawings. In the following description, the same or equivalent elements will be given the same reference numerals, and duplicate descriptions will be omitted.

図1は、排気ガスを再循環する機構を備えたディーゼルエンジン1の概略図である。ディーゼルエンジン1は、直噴式ディーゼルエンジンであり、例えば、排気側からの排気ガスの一部を抜き出して呼気側へと戻し、その呼気側に戻された排気ガスでエンジン内の燃料の燃焼を抑制して燃焼温度を下げることによりNOxの発生を低減するようにした、いわゆる排気ガス再循環(EGR:Exhaust Gas Recirculation)を採用したものであってもよい。 Figure 1 is a schematic diagram of a diesel engine 1 equipped with a mechanism for recirculating exhaust gas. The diesel engine 1 is a direct injection diesel engine, and may be one that employs so-called exhaust gas recirculation (EGR), in which, for example, a portion of the exhaust gas is extracted from the exhaust side and returned to the intake side, and the exhaust gas returned to the intake side is used to suppress the combustion of fuel in the engine, lowering the combustion temperature and reducing the generation of NOx.

ディーゼルエンジン1では、排気ガス2が流通する排気通路3と呼気通路4との間がEGRパイプ5により接続されており、このEGRパイプ5の途中に設けられたEGRバルブ6を介し排気ガス2の一部を吸入空気7と共に再循環してディーゼルエンジン1の気筒内に送り込み、該気筒内での燃焼温度を下げてNOxの低減化を図るようにしている。 In a diesel engine 1, an exhaust passage 3 through which exhaust gas 2 flows is connected to an intake passage 4 by an EGR pipe 5. A portion of the exhaust gas 2 is recirculated together with intake air 7 via an EGR valve 6 provided midway through the EGR pipe 5 and sent into the cylinders of the diesel engine 1, lowering the combustion temperature in the cylinders and reducing NOx.

ディーゼルエンジン1の各気筒の天井部である気筒天井部11に、燃料(軽油)を気筒内に噴射する多孔式のインジェクタ8が設けられている。また、ピストン9の頂面には、下方向きに窪むキャビティ10が形成されており、キャビティ10の内周面に対しインジェクタ8の先端部から燃料が放射状に噴射されて圧縮行程終期の高い気筒内温度により自己着火するようになっている。 A multi-hole injector 8 that injects fuel (diesel) into the cylinder is provided on the cylinder ceiling 11, which is the ceiling of each cylinder of the diesel engine 1. A cavity 10 that is recessed downward is formed on the top surface of the piston 9, and fuel is injected radially from the tip of the injector 8 onto the inner surface of the cavity 10, causing self-ignition due to the high temperature inside the cylinder at the end of the compression stroke.

ディーゼルエンジン1におけるインジェクタ8の噴射動作については、エンジン制御コンピュータを成す制御装置12からの燃料噴射指令8aにより制御されるようになっており、圧縮上死点近辺でインジェクタ8に燃料噴射指令8aを出力して燃料を噴射せしめるようになっている。 The injection operation of the injector 8 in the diesel engine 1 is controlled by a fuel injection command 8a from a control device 12, which constitutes an engine control computer, and the fuel injection command 8a is output to the injector 8 near the top dead center of the compression stroke to inject fuel.

また、制御装置12には、アクセル開度をディーゼルエンジン1の負荷として検出するアクセルセンサ13からのアクセル開度信号13aや、ディーゼルエンジン1の機関回転数を検出する回転センサ14からの回転数信号14a等が入力される。このように、各種のエンジン制御を実行すべくディーゼルエンジン1の運転状態が常に監視されている。 The control device 12 also receives an accelerator opening signal 13a from an accelerator sensor 13 that detects the accelerator opening as a load on the diesel engine 1, and a rotation speed signal 14a from a rotation sensor 14 that detects the engine speed of the diesel engine 1. In this way, the operating state of the diesel engine 1 is constantly monitored to perform various engine controls.

ディーゼルエンジン1は、図1に示されるように、クランクシャフト15と、排気ポート16と、排気弁17と、呼気ポート18と、呼気弁19と、を備えている。呼気弁19及び排気弁17は、図示しないエンジン駆動のカムシャフトに具備されたカムによりプッシュロッドやロッカーアームを介して各気筒の行程に応じた適切なタイミングで開弁操作されるようになっている。 As shown in FIG. 1, the diesel engine 1 has a crankshaft 15, an exhaust port 16, an exhaust valve 17, an exhalation port 18, and an exhalation valve 19. The exhalation valve 19 and the exhaust valve 17 are opened and closed at appropriate times according to the stroke of each cylinder via a push rod or a rocker arm by a cam provided on an engine-driven camshaft (not shown).

次に、図2~図6を参照して、上述したキャビティ10を含むディーゼルエンジン1の燃焼室構造100について説明する。 Next, the combustion chamber structure 100 of the diesel engine 1 including the above-mentioned cavity 10 will be described with reference to Figures 2 to 6.

図2に示されるように、燃焼室構造100は、ピストン9の頂面であるピストン頂面9aに対して下方向きに窪むキャビティ10を備え、該キャビティ10内に気筒天井部11(図1参照)の中心から燃料を放射状に噴射して自己着火せしめる直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造である。 As shown in FIG. 2, the combustion chamber structure 100 is a combustion chamber structure for a direct injection diesel engine that has a cavity 10 recessed downward from the piston top surface 9a, which is the top surface of the piston 9, and injects fuel radially into the cavity 10 from the center of the cylinder ceiling 11 (see FIG. 1) to cause self-ignition.

燃焼室構造100は、第1立ち上がり部102と、第1水平部103と、第2立ち上がり部104と、第2水平部105と、第3立ち上がり部106と、を含んで構成されている。 The combustion chamber structure 100 includes a first rising portion 102, a first horizontal portion 103, a second rising portion 104, a second horizontal portion 105, and a third rising portion 106.

第1立ち上がり部102は、平面視円形のキャビティ10の底面101(底部)を囲うように、底面101の径方向外端から上方に立ち上がる壁状部分である。第1水平部103は、第1立ち上がり部102の上端に連続すると共にキャビティ10の外周方向(径方向外側)に略水平に伸びる部分である。第2立ち上がり部104は、第1水平部103の径方向外端に連続すると共に上方に立ち上がる壁状部分である。第2水平部105は、第2立ち上がり部104の上端に連続すると共にキャビティ10の外周方向(径方向外側)に略水平に伸びる部分である。第3立ち上がり部106は、第2水平部105の径方向外端に連続すると共に上方に立ち上がる壁状部分である。第3立ち上がり部106の上端は、ピストン頂面9aに至っている。第3立ち上がり部106は、ライナーへの火炎衝突を回避するための火炎防止壁として機能する。 The first rising portion 102 is a wall-like portion that rises upward from the radial outer end of the bottom surface 101 so as to surround the bottom surface 101 (bottom) of the cavity 10, which is circular in plan view. The first horizontal portion 103 is a portion that is continuous with the upper end of the first rising portion 102 and extends approximately horizontally in the outer circumferential direction (radial outer side) of the cavity 10. The second rising portion 104 is a wall-like portion that is continuous with the radial outer end of the first horizontal portion 103 and rises upward. The second horizontal portion 105 is a portion that is continuous with the upper end of the second rising portion 104 and extends approximately horizontally in the outer circumferential direction (radial outer side) of the cavity 10. The third rising portion 106 is a wall-like portion that is continuous with the radial outer end of the second horizontal portion 105 and rises upward. The upper end of the third rising portion 106 reaches the piston top surface 9a. The third raised portion 106 functions as a flame prevention wall to prevent flame impingement on the liner.

第1立ち上がり部102と第1水平部103とにより第1リップ部201が形成されている。また、第2立ち上がり部104と第2水平部105とにより第2リップ部202が形成されている。また、第3立ち上がり部106とピストン頂面9aとにより第3リップ部203が形成されている。 The first lip portion 201 is formed by the first raised portion 102 and the first horizontal portion 103. The second lip portion 202 is formed by the second raised portion 104 and the second horizontal portion 105. The third lip portion 203 is formed by the third raised portion 106 and the piston top surface 9a.

キャビティ10における火炎防止壁である第3立ち上がり部106の幅寸法D´(上下方向に交差する方向における)は、ボアの長さの95%以下とされてもよい。また、第2水平部105の略水平に伸びる部分の長さL´(上下方向に交差する方向における第2水平部105の長さ)は、キャビティ10の底面101の直径d(上下方向に交差する方向における底面101の長さ)の、10%以上且つ18%以下とされてもよい。また、第3立ち上がり部106の上方に立ち上がる長さh´は、上述したキャビティ10の底面101の直径dの、3%以上且つ9.5%以下とされてもよい。 The width dimension D' (in a direction intersecting the vertical direction) of the third rising portion 106, which is a flame prevention wall in the cavity 10, may be 95% or less of the length of the bore. In addition, the length L' (length of the second horizontal portion 105 in a direction intersecting the vertical direction) of the portion extending substantially horizontally of the second horizontal portion 105 may be 10% or more and 18% or less of the diameter d (length of the bottom surface 101 in a direction intersecting the vertical direction) of the bottom surface 101 of the cavity 10. In addition, the length h' rising upward of the third rising portion 106 may be 3% or more and 9.5% or less of the diameter d of the bottom surface 101 of the cavity 10 described above.

図3は、燃焼室構造100を説明する図である。燃焼室構造100に含まれる燃焼室は、図3に示されるように、1段目燃焼室V1(第1室)と、2段目燃焼室V2(第2室)と、3段目燃焼室V3(第3室)と、を含んで構成されている。1段目燃焼室V1は、キャビティ10の底面101及び第1立ち上がり部102によって区画される領域である。2段目燃焼室V2は、第1水平部103及び第2立ち上がり部104によって区画される領域(図3において斜線で示される領域)である。3段目燃焼室V3は、第2水平部105及び第3立ち上がり部106によって区画される領域(図3において塗りつぶしで示される領域)である。燃焼室全体に占める3段目燃焼室V3の容積比は、例えば、2%以上且つ40%以下であり、好ましくは、4%以上且つ35%以下である。また、燃焼室全体に占める、2段目燃焼室V2及び3段目燃焼室V3を足し合わせた領域の容積比は、例えば、50%以上且つ80%以下である。 3 is a diagram illustrating the combustion chamber structure 100. As shown in FIG. 3, the combustion chamber included in the combustion chamber structure 100 is configured to include a first stage combustion chamber V1 (first chamber), a second stage combustion chamber V2 (second chamber), and a third stage combustion chamber V3 (third chamber). The first stage combustion chamber V1 is an area defined by the bottom surface 101 and the first rising portion 102 of the cavity 10. The second stage combustion chamber V2 is an area defined by the first horizontal portion 103 and the second rising portion 104 (area shown by diagonal lines in FIG. 3). The third stage combustion chamber V3 is an area defined by the second horizontal portion 105 and the third rising portion 106 (area shown by solid color in FIG. 3). The volume ratio of the third stage combustion chamber V3 to the entire combustion chamber is, for example, 2% or more and 40% or less, and preferably 4% or more and 35% or less. In addition, the volume ratio of the combined area of the second stage combustion chamber V2 and the third stage combustion chamber V3 to the entire combustion chamber is, for example, 50% or more and 80% or less.

このように、本実施形態に係る燃焼室構造100では、3つのリップ部を形成し、従来の燃焼室(2つのリップ部を有する燃焼室)のスキッシュエリアS(図1参照)に更に段(3段目燃焼室V3)を設け、段内のリップ部である第2リップ部202の形状を段深さと同等の寸法だけ下側にオフセットしている。このように段を設けることによって、キャビティ10内の容積が増加することとなるが、当該容積増加分だけ、キャビティ10の底部の位置を上側にオフセットさせることにより、従来の燃焼室と同等の容積となるように調整されている。これにより、スキッシュ流を低減させて冷却損失を低減し、燃費改善が図られる。なお、スキッシュ流が極度に低減した場合には燃焼効率が悪化することが考えられるが、EGRを少なくすることを前提とすれば、低スキッシュ流であっても煙を効果的に抑制することができる。以下では、従来の燃焼室構造のように2つのリップ部のみが形成された構造を2段リップ構造、本実施形態に係る燃焼室構造100のように3つのリップ部が形成された構造を3段リップ構造と記載する場合がある。 In this way, in the combustion chamber structure 100 according to this embodiment, three lip portions are formed, and an additional step (third-stage combustion chamber V3) is provided in the squish area S (see FIG. 1) of a conventional combustion chamber (a combustion chamber having two lip portions), and the shape of the second lip portion 202, which is the lip portion within the step, is offset downward by a dimension equivalent to the step depth. By providing the step in this way, the volume inside the cavity 10 increases, but the bottom position of the cavity 10 is offset upward by the amount of the increase in volume, so that the volume is adjusted to be equivalent to that of a conventional combustion chamber. This reduces the squish flow, reduces cooling loss, and improves fuel efficiency. Note that if the squish flow is extremely reduced, it is considered that combustion efficiency will deteriorate, but if it is assumed that EGR will be reduced, smoke can be effectively suppressed even with a low squish flow. In the following, a structure in which only two lip portions are formed as in the conventional combustion chamber structure may be referred to as a two-stage lip structure, and a structure in which three lip portions are formed as in the combustion chamber structure 100 according to this embodiment may be referred to as a three-stage lip structure.

図4は、2段リップ構造と3段リップ構造との構造上の違いを説明する図である。図4においては、キャビティ10のリップ部周辺の構造が図示されており、破線は2段リップ構造の場合の構造を、実線は3段リップ構造の場合の構造を、それぞれ示している。図4に示されるように、3段リップ構造では、第1リップ部201、第2リップ部202、及び第3リップ部203の3つのリップ部が形成されており、2段リップ構造においてピストン頂面9aと同等の高さとされていた領域が、下側にオフセットされて第2水平部105が形成されている。そして、3段リップ構造では、上述した下側へのオフセットによる容積増加分だけ、キャビティ10の底部が上側にオフセットされることにより、2段リップ構造と同等の容積とされている。 Figure 4 is a diagram explaining the structural difference between the two-stage lip structure and the three-stage lip structure. In Figure 4, the structure around the lip portion of the cavity 10 is illustrated, with the broken line indicating the structure in the case of the two-stage lip structure and the solid line indicating the structure in the case of the three-stage lip structure. As shown in Figure 4, in the three-stage lip structure, three lip portions are formed, the first lip portion 201, the second lip portion 202, and the third lip portion 203, and the area that is at the same height as the piston top surface 9a in the two-stage lip structure is offset downward to form the second horizontal portion 105. In addition, in the three-stage lip structure, the bottom of the cavity 10 is offset upward by the amount of the increase in volume due to the above-mentioned downward offset, so that the volume is the same as that of the two-stage lip structure.

図5は、2段リップ構造と3段リップ構造との燃焼状況の違いを説明する図である。図5において、左側には各クランク角(8°、12°、16°)における2段リップ構造の燃焼状況が示されており、右側には各クランク角(8°、12°、16°)における3段リップ構造の燃焼状況が示されている。図5では、燃料の流量が色の濃さで示されている(図5の凡例を参照)。なお、ここでは、2段リップ構造が、第1立ち上がり部102と、第1水平部103と、第2立ち上がり部104とにより構成されているとして説明する。 Figure 5 is a diagram explaining the difference in combustion conditions between a two-stage lip structure and a three-stage lip structure. In Figure 5, the left side shows the combustion conditions of the two-stage lip structure at each crank angle (8°, 12°, 16°), and the right side shows the combustion conditions of the three-stage lip structure at each crank angle (8°, 12°, 16°). In Figure 5, the fuel flow rate is indicated by the color intensity (see the legend in Figure 5). Note that, in this explanation, the two-stage lip structure is assumed to be composed of a first rising portion 102, a first horizontal portion 103, and a second rising portion 104.

図5の左図に示されるように、2段リップ構造の場合、クランク角が8°の時点では、内側のリップ部に衝突した燃料噴霧は、第1水平部103及び第2立ち上がり部104に区画される上段の燃焼室内で上向き流れのみが促進され、縦の旋回流であるスキッシュ流が生じる。この場合、燃料噴霧は旋回流の範囲にしか広散しないこととなる。このため、クランク角が12°の時点では、最上段であるピストン頂面9aにおけるおよそ半分程度の領域にしか、燃料噴霧が広がっていない。このように、2段リップ構造では、キャビティ10の外周側において空間が無く、燃焼が律速であると言える。さらに、クランク角が16°の時点では、ノズル噴口から噴射された燃料(図中において濃く表示されている部分)と、内側のリップ部に衝突して燃焼室内側に広がった燃料(図中において薄く表示されている部分)とが干渉し合うこととなり、燃料噴霧が燃焼室内の空気の利用を阻害して燃焼が悪化することが問題となる。 As shown in the left diagram of FIG. 5, in the case of a two-stage lip structure, when the crank angle is 8°, the fuel spray that collides with the inner lip portion is promoted to flow only upward in the upper combustion chamber divided by the first horizontal portion 103 and the second rising portion 104, and a squish flow, which is a vertical swirling flow, is generated. In this case, the fuel spray spreads only within the range of the swirling flow. Therefore, when the crank angle is 12°, the fuel spray spreads only to about half of the area of the piston top surface 9a, which is the uppermost stage. In this way, with a two-stage lip structure, there is no space on the outer periphery side of the cavity 10, and it can be said that combustion is rate-limiting. Furthermore, when the crank angle is 16°, the fuel injected from the nozzle nozzle (the part shown dark in the diagram) and the fuel that collides with the inner lip portion and spreads inside the combustion chamber (the part shown light in the diagram) interfere with each other, and the fuel spray inhibits the use of air in the combustion chamber, causing the combustion to deteriorate.

一方で、図5の右図に示されるように、3段リップ構造の場合、クランク角が8°の時点では、内側のリップ部に衝突した燃料噴霧は、第1水平部103及び第2立ち上がり部104に区画される上段の燃焼室内で、上向き流れの促進と共に、外向き流れも維持される。これは、3段リップ構造では、キャビティ10の外周側において十分な空間が確保されているためである。これにより、クランク角が12°の時点では、最上段の燃焼室内で、外向き流れの燃料噴霧が径方向外側へ流れて、最上段燃焼室の縦壁に到達するまで広がる。なお、外向き流れの燃料噴霧については2段リップ構造よりも3段リップ構造において強くなるところ、中段の燃焼室の下降による縦渦が弱くなるので、上向きの燃料噴霧により生じる縦の旋回流であるスキッシュ流については、2段リップ構造よりも3段リップ構造において弱くなる。このため、燃料噴霧は、スキッシュ流の範囲に留まらず、燃焼室の内側の領域にも広がる。このような3段リップ構造では、EGRが少なく酸素が十分に存在する条件下において、燃料噴霧が空気中に広がった先で空気と混合する空間が確保されており、燃料と酸素とが接触・反応(燃焼)する機会も十分に確保さえるので、燃焼が活発になり、クランク角が8°~12°における熱発生率(ROHR)が増加する。なお、上述したように、3段リップ構造では、燃料噴霧が外側に広がるため、燃焼室内側に分配される燃料が少なくなる。その結果、クランク角が16°の時点において、ノズル噴口から噴射された燃料(図中において濃く表示されている部分)と、内側のリップ部に衝突して燃焼室内側に広がった燃料(図中において薄く表示されている部分)とが干渉しにくくなっている。 On the other hand, as shown in the right diagram of FIG. 5, in the case of the three-stage lip structure, when the crank angle is 8°, the fuel spray that collides with the inner lip portion promotes an upward flow and maintains an outward flow in the upper combustion chamber partitioned by the first horizontal portion 103 and the second rising portion 104. This is because the three-stage lip structure ensures sufficient space on the outer periphery of the cavity 10. As a result, when the crank angle is 12°, in the top combustion chamber, the outward flow of the fuel spray flows radially outward and spreads until it reaches the vertical wall of the top combustion chamber. Note that while the outward flow of the fuel spray is stronger in the three-stage lip structure than in the two-stage lip structure, the vertical vortex caused by the downward movement of the middle combustion chamber is weaker, so the squish flow, which is a vertical swirling flow generated by the upward fuel spray, is weaker in the three-stage lip structure than in the two-stage lip structure. For this reason, the fuel spray does not remain within the range of the squish flow, but also spreads to the inner area of the combustion chamber. With this type of three-stage lip structure, under conditions where there is little EGR and sufficient oxygen, there is a space where the fuel spray spreads into the air and mixes with the air, and there is also sufficient opportunity for the fuel and oxygen to come into contact and react (burn), which activates combustion and increases the rate of heat release (ROHR) at crank angles of 8° to 12°. As mentioned above, with the three-stage lip structure, the fuel spray spreads outward, so less fuel is distributed inside the combustion chamber. As a result, at a crank angle of 16°, there is less interference between the fuel injected from the nozzle orifice (the part shown dark in the figure) and the fuel that collides with the inner lip and spreads inside the combustion chamber (the part shown light in the figure).

図6は、2段リップ構造と3段リップ構造との燃焼状況の違いを説明する図である。図6において、横軸はクランク角を、縦軸は燃焼による熱発生率(ROHR)を示している。図6に示されるように、3段リップ構造では、クランク角が8°~16°の時点において、2段リップ構造と比べて燃焼を活発化させることができている。 Figure 6 is a diagram that explains the difference in combustion conditions between a two-stage lip structure and a three-stage lip structure. In Figure 6, the horizontal axis shows the crank angle, and the vertical axis shows the rate of heat release due to combustion (ROHR). As shown in Figure 6, the three-stage lip structure is able to stimulate combustion when the crank angle is between 8° and 16°, compared to the two-stage lip structure.

次に、本実施形態に係る直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造100の作用効果について説明する。 Next, the effects of the combustion chamber structure 100 of the direct injection diesel engine according to this embodiment will be described.

本実施形態に係る直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造100は、ピストン頂面9aに対して下方向きに窪むキャビティ10を備え、該キャビティ10内に気筒天井部11の中心から燃料を放射状に噴射して自己着火せしめる直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造であって、キャビティ10の底面101から上方に立ち上がる第1立ち上がり部102と、第1立ち上がり部102の上端に連続すると共に、キャビティ10の外周方向に略水平に伸びる第1水平部103と、第1水平部103に連続すると共に上方に立ち上がる第2立ち上がり部104と、第2立ち上がり部104の上端に連続すると共に、キャビティ10の外周方向に略水平に伸びる第2水平部105と、第2水平部105に連続すると共に上方に立ち上がりピストン頂面9aに至る第3立ち上がり部106と、を備え、燃焼室は、キャビティ10の底面101及び第1立ち上がり部102によって区画される1段目燃焼室V1と、第1水平部103及び第2立ち上がり部104によって区画される2段目燃焼室V2と、第2水平部105及び第3立ち上がり部106によって区画される3段目燃焼室V3と、を有し、燃焼室全体に占める3段目燃焼室V3の容積比は、2%以上且つ40%以下である。 The combustion chamber structure 100 of the direct injection diesel engine according to this embodiment has a cavity 10 recessed downward relative to the piston top surface 9a, and is a combustion chamber structure of a direct injection diesel engine in which fuel is radially injected from the center of the cylinder ceiling portion 11 into the cavity 10 to cause self-ignition. The combustion chamber structure includes a first rising portion 102 rising upward from the bottom surface 101 of the cavity 10, a first horizontal portion 103 that is continuous with the upper end of the first rising portion 102 and extends approximately horizontally in the outer circumferential direction of the cavity 10, a second rising portion 104 that is continuous with the first horizontal portion 103 and rises upward, and a second rising portion 104 that is continuous with the first horizontal portion 103 and rises upward. The combustion chamber has a first stage combustion chamber V1 defined by the bottom surface 101 of the cavity 10 and the first rising portion 102, a second stage combustion chamber V2 defined by the first horizontal portion 103 and the second rising portion 104, and a third stage combustion chamber V3 defined by the second horizontal portion 105 and the third rising portion 106, and the volume ratio of the third stage combustion chamber V3 to the entire combustion chamber is 2% or more and 40% or less.

本実施形態に係る直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造100では、立ち上がり部分(第1立ち上がり部102、第2立ち上がり部104、第3立ち上がり部106)と水平部分(第1水平部103、第2水平部105、ピストン頂面9a)とで構成されるいわゆるリップ部が3箇所に形成されている。そのため、燃焼室の構造として、キャビティ10の底面101及び第1立ち上がり部102によって区画される1段目燃焼室V1、第1水平部103及び第2立ち上がり部104によって区画される2段目燃焼室V2、並びに、第2水平部105及び第3立ち上がり部106によって区画される3段目燃焼室V3が形成されることとなる。従来の燃焼室構造では、いわゆるリップ部が2つのみであり、本実施形態の3段目燃焼室V3に相当する燃焼室が形成されていない。これに対して、本実施形態に係る構成のように、2段目燃焼室V2よりも外側且つ上方に3段目燃焼室V3が形成された構成においては、外周方向に流れる燃料噴霧を、3段目燃焼室V3を介してピストン頂面9aに至る第3立ち上がり部106(最上段燃焼室の縦壁)にまで至らしめることができ、従来は構成されていない3段目燃焼室V3を、燃料噴霧と空気とが混合する空間として積極的に利用することができる。すなわち、本実施形態に係る構成では、キャビティ10の外周側において燃料噴霧と空気とが混合する空間(3段目燃焼室V3)が形成されているため、燃料と酸素とが接触・反応(燃焼)する機会を増やし、燃焼を促進することができる。そして、本実施形態に係る構成では、燃焼室全体に占める3段目燃焼室V3の容積比が2%以上且つ40%以下とされることにより、キャビティ10の外周側における燃焼を促進しながら、3段目燃焼室V3が大きくなり過ぎて燃焼が緩慢になることも抑制することができる。以上のように、本実施形態に係る燃焼室構造100によれば、より燃費に有利な直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造を提供することができる。 In the combustion chamber structure 100 of the direct injection diesel engine according to this embodiment, so-called lip portions consisting of rising portions (first rising portion 102, second rising portion 104, third rising portion 106) and horizontal portions (first horizontal portion 103, second horizontal portion 105, piston top surface 9a) are formed in three places. Therefore, as the structure of the combustion chamber, a first stage combustion chamber V1 defined by the bottom surface 101 of the cavity 10 and the first rising portion 102, a second stage combustion chamber V2 defined by the first horizontal portion 103 and the second rising portion 104, and a third stage combustion chamber V3 defined by the second horizontal portion 105 and the third rising portion 106 are formed. In the conventional combustion chamber structure, there are only two so-called lip portions, and a combustion chamber corresponding to the third stage combustion chamber V3 of this embodiment is not formed. In contrast, in the configuration according to the present embodiment, in which the third-stage combustion chamber V3 is formed outside and above the second-stage combustion chamber V2, the fuel spray flowing in the outer circumferential direction can reach the third rising portion 106 (the vertical wall of the uppermost combustion chamber) that reaches the piston top surface 9a via the third-stage combustion chamber V3, and the third-stage combustion chamber V3, which has not been conventionally configured, can be actively used as a space for mixing the fuel spray and air. That is, in the configuration according to the present embodiment, a space (third-stage combustion chamber V3) for mixing the fuel spray and air is formed on the outer circumferential side of the cavity 10, so that the opportunities for contact and reaction (combustion) between the fuel and oxygen can be increased, and combustion can be promoted. In addition, in the configuration according to the present embodiment, the volume ratio of the third-stage combustion chamber V3 to the entire combustion chamber is set to 2% or more and 40% or less, so that while promoting combustion on the outer circumferential side of the cavity 10, it is also possible to prevent the third-stage combustion chamber V3 from becoming too large and causing slow combustion. As described above, the combustion chamber structure 100 according to this embodiment can provide a combustion chamber structure for a direct injection diesel engine that is more fuel efficient.

図7は、3段目燃焼室V3の容積比と燃費改善効果との関係を示すグラフである。図7において、横軸は燃焼室全体に示す3段目燃焼室V3の容積比を示しており、縦軸は燃料消費(すなわち燃費改善効果)を示している。3段目燃焼室V3の容積比が0(横軸が0)とは、3段目燃焼室V3が無い構成であり、従来型の2段リップ構造に相当する構成である。この状態を基準として、3段目燃焼室V3の容積比が0の場合よりも燃料消費が少ない状態が燃費が改善した状態であり、燃料消費が多い状態が燃費が悪化した状態である。 Figure 7 is a graph showing the relationship between the volume ratio of the third stage combustion chamber V3 and the fuel economy improvement effect. In Figure 7, the horizontal axis shows the volume ratio of the third stage combustion chamber V3 in the entire combustion chamber, and the vertical axis shows fuel consumption (i.e., fuel economy improvement effect). A volume ratio of the third stage combustion chamber V3 of 0 (horizontal axis is 0) is a configuration without the third stage combustion chamber V3, which is a configuration equivalent to a conventional two-stage lip structure. Using this state as a reference, a state in which fuel consumption is less than when the volume ratio of the third stage combustion chamber V3 is 0 is a state in which fuel economy is improved, and a state in which fuel consumption is greater is a state in which fuel economy is worsened.

図7に示されるように、3段目燃焼室V3の容積比が2~3%程度になると、燃料消費低減(燃費改善)効果が確認され、3段目燃焼室V3の容積比が4%程度となると、燃料消費低減(燃費改善)効果が明らかに認められるようになる。更に3段目燃焼室V3の容積比を増大させる場合、3段目燃焼室V3の容積比が8%程度までは3段目燃焼室V3の容積比が大きいほど燃費が改善される。更に3段目燃焼室V3の容積比を増大させる場合、3段目燃焼室V3の容積比が8~11%程度までは3段目燃焼室V3の容積比を大きくしても燃料消費は大きくは増減しない。更に3段目燃焼室V3の容積比を増大させる場合、3段目燃焼室V3の容積比が35%程度までは燃費改善効果が認められ、3段目燃焼室V3の容積比が40%程度で燃料消費は基準(3段目燃焼室V3の容積比が0)と同程度となる。3段目燃焼室V3の容積比が40%より大きくなると、燃料消費は基準より増加し燃費が悪化する。このように、3段目燃焼室V3の容積比については、ある程度までは、大きくすることにより空気と燃料とが混合する空間が大きくなり燃費が改善するが、増大させすぎた場合には燃焼が緩慢になり燃費改善効果が小さくなる。 As shown in FIG. 7, when the volume ratio of the third stage combustion chamber V3 is about 2-3%, the fuel consumption reduction (fuel economy improvement) effect is confirmed, and when the volume ratio of the third stage combustion chamber V3 is about 4%, the fuel consumption reduction (fuel economy improvement) effect is clearly recognized. When the volume ratio of the third stage combustion chamber V3 is further increased, the fuel economy improves as the volume ratio of the third stage combustion chamber V3 increases up to about 8%. When the volume ratio of the third stage combustion chamber V3 is further increased, the fuel economy does not increase or decrease significantly even if the volume ratio of the third stage combustion chamber V3 is increased up to about 8-11%. When the volume ratio of the third stage combustion chamber V3 is further increased, the fuel economy improvement effect is recognized up to about 35% of the volume ratio of the third stage combustion chamber V3, and when the volume ratio of the third stage combustion chamber V3 is about 40%, the fuel economy becomes the same as the standard (volume ratio of the third stage combustion chamber V3 is 0). If the volume ratio of the third combustion chamber V3 becomes larger than 40%, fuel consumption will increase more than the standard and fuel economy will deteriorate. In this way, by increasing the volume ratio of the third combustion chamber V3 to a certain extent, the space in which the air and fuel mix will become larger and fuel economy will improve, but if it is increased too much, combustion will become slow and the effect of improving fuel economy will be small.

第3立ち上がり部106の上方に立ち上がる長さは、上下方向に交差する方向におけるキャビティ10の底面101の長さの、3%以上且つ9.5%以下であってもよい。このように、3段目燃焼室V3を区画する第3立ち上がり部106の長さが設定されることにより、3段目燃焼室V3の大きさを十分に確保してキャビティ10の外周側における燃焼を促進しながら、3段目燃焼室V3が大きくなり過ぎて燃焼が緩慢になることも抑制することができる。 The length of the third rising portion 106 rising upward may be 3% or more and 9.5% or less of the length of the bottom surface 101 of the cavity 10 in a direction intersecting the vertical direction. In this way, by setting the length of the third rising portion 106 that divides the third stage combustion chamber V3, it is possible to ensure a sufficient size of the third stage combustion chamber V3 to promote combustion on the outer periphery side of the cavity 10, while also preventing the third stage combustion chamber V3 from becoming too large and slowing down combustion.

上下方向に交差する方向における第2水平部105の長さは、上下方向に交差する方向におけるキャビティ10の底面101の長さの、10%以上且つ18%以下であってもよい。このように、3段目燃焼室V3を区画する第2水平部105の長さが設定されることにより、3段目燃焼室V3の大きさを十分に確保してキャビティ10の外周側における燃焼を促進しながら、3段目燃焼室V3が大きくなり過ぎて燃焼が緩慢になることも抑制することができる。 The length of the second horizontal portion 105 in a direction intersecting the vertical direction may be 10% or more and 18% or less of the length of the bottom surface 101 of the cavity 10 in a direction intersecting the vertical direction. In this way, by setting the length of the second horizontal portion 105 that divides the third stage combustion chamber V3, it is possible to ensure a sufficient size of the third stage combustion chamber V3 to promote combustion on the outer periphery of the cavity 10, while also preventing the third stage combustion chamber V3 from becoming too large and slowing down combustion.

1…ディーゼルエンジン、9a…ピストン頂面、10…キャビティ、11…気筒天井部、100…燃焼室構造、101…底面、102…第1立ち上がり部、103…第1水平部、104…第2立ち上がり部、105…第2水平部、106…第3立ち上がり部、V1…1段目燃焼室(第1室)、V2…2段目燃焼室(第2室)、V3…3段目燃焼室。 1... diesel engine, 9a... piston top surface, 10... cavity, 11... cylinder ceiling, 100... combustion chamber structure, 101... bottom surface, 102... first rising portion, 103... first horizontal portion, 104... second rising portion, 105... second horizontal portion, 106... third rising portion, V1... first stage combustion chamber (first chamber), V2... second stage combustion chamber (second chamber), V3... third stage combustion chamber.

Claims (3)

ピストン頂面に対して下方向きに窪むキャビティを備え、該キャビティ内に気筒天井部の中心から燃料を放射状に噴射して自己着火せしめる直噴式ディーゼルエンジンであって、
前記気筒天井部に設けられ、燃料を気筒内に噴射する多孔式のインジェクタと、
燃料噴射指令により前記インジェクタの噴射動作を制御する制御装置と、
燃焼室構造と、を備え、
前記燃焼室構造は、
前記キャビティの底面から上方に立ち上がる第1立ち上がり部と、
前記第1立ち上がり部の上端に連続すると共に、前記キャビティの外周方向に略水平に伸びる第1水平部と、
前記第1水平部に連続すると共に上方に立ち上がる第2立ち上がり部と、
前記第2立ち上がり部の上端に連続すると共に、前記キャビティの外周方向に略水平に伸びる第2水平部と、
前記第2水平部に連続すると共に上方に立ち上がり前記ピストン頂面に至る第3立ち上がり部と、を備え、
燃焼室は、
前記キャビティの底面及び前記第1立ち上がり部によって区画される第1室と、
前記第1水平部及び前記第2立ち上がり部によって区画される第2室と、
前記第2水平部及び前記第3立ち上がり部によって区画される第3室と、を有し、
前記燃焼室全体に占める前記第3室の容積比は、2%以上且つ40%以下であり、
前記制御装置は、
クランク角が8°の時点において燃料噴霧を内側のリップ部に衝突させ、クランク角が12°の時点において最上段の前記第3室内で外向き流れの燃料噴霧を径方向外側へ流して前記第3室の縦壁である前記第3立ち上がり部に到達するまで広げ、クランク角が16°の時点においてノズル噴口から噴射された燃料と内側のリップ部に衝突して燃焼室内に広がった燃料とが干渉しにくくなるように、前記インジェクタの噴射動作を制御する、直噴式ディーゼルエンジン。
A direct injection diesel engine having a cavity recessed downward from a piston top surface, in which fuel is radially injected from the center of a cylinder ceiling into the cavity to cause self-ignition,
a multi-hole injector provided on a cylinder ceiling for injecting fuel into the cylinder;
a control device that controls the injection operation of the injector based on a fuel injection command;
A combustion chamber structure,
The combustion chamber structure includes:
a first rising portion rising upward from a bottom surface of the cavity;
a first horizontal portion that is continuous with an upper end of the first rising portion and extends substantially horizontally in an outer circumferential direction of the cavity;
a second rising portion that is continuous with the first horizontal portion and rises upward;
a second horizontal portion that is continuous with an upper end of the second rising portion and extends substantially horizontally in an outer circumferential direction of the cavity;
a third rising portion that is continuous with the second horizontal portion and rises upward to reach the piston top surface,
The combustion chamber is
a first chamber defined by a bottom surface of the cavity and the first raised portion;
a second chamber defined by the first horizontal portion and the second rising portion;
a third chamber defined by the second horizontal portion and the third rising portion,
A volume ratio of the third chamber to the entire combustion chamber is 2% or more and 40% or less,
The control device includes:
a direct injection diesel engine in which the injection operation of the injector is controlled so that, when the crank angle is 8°, the fuel spray collides with an inner lip portion, and, when the crank angle is 12°, the outward flowing fuel spray in the uppermost third chamber flows radially outward and spreads until it reaches the third rising portion, which is the vertical wall of the third chamber, and, when the crank angle is 16°, the fuel injected from the nozzle orifice and the fuel that collides with the inner lip portion and spreads into the combustion chamber are less likely to interfere with each other .
前記第3立ち上がり部の上方に立ち上がる長さは、上下方向に交差する方向における前記キャビティの底面の長さの、3%以上且つ9.5%以下である、請求項1記載の直噴式ディーゼルエンジン。 2. The direct injection diesel engine according to claim 1, wherein an upwardly rising length of the third rising portion is 3% to 9.5% of a length of the bottom surface of the cavity in a direction intersecting the up-down direction. 上下方向に交差する方向における前記第2水平部の長さは、上下方向に交差する方向における前記キャビティの底面の長さの、10%以上且つ18%以下である、請求項1又は2記載の直噴式ディーゼルエンジン。 3. The direct injection diesel engine according to claim 1, wherein the length of the second horizontal portion in a direction intersecting the vertical direction is 10% or more and 18% or less of the length of the bottom surface of the cavity in the direction intersecting the vertical direction .
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