JP2012246859A

JP2012246859A - 内燃機関及び内燃機関の燃料噴射方法

Info

Publication number: JP2012246859A
Application number: JP2011120107A
Authority: JP
Inventors: Shinya Furukawa; 伸哉古川
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2011-05-30
Filing date: 2011-05-30
Publication date: 2012-12-13

Abstract

【課題】
内燃機関において、燃料液滴のピストンへの衝突を低減し、すすの生成につながる高当量比領域の形成を抑制した内燃機関、及び内燃機関の燃料噴射方法を提供する。
【解決手段】
燃料噴射ノズル３と、冠面６に凹状のキャビティ５を形成したピストン２を有する内燃機関１において、前記ピストン２が、平面視で前記燃料噴射ノズル３の燃料噴射軸Ｌ上で、且つ前記キャビティ５の側壁１１の下方から前記冠面６に連通する燃料蒸発通路１０を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼室に燃料を直接噴射する内燃機関及び内燃機関の燃料噴射方法に関するものである。

近年、燃焼効率の向上及び低燃費化の要求から、燃焼室内に燃料を直接噴射する直接噴射式の内燃機関の開発が進められている。この直接噴射式の内燃機関は、具体的には、ピストンとシリンダヘッドで形成した空間（以下、燃焼室という）に、燃料を噴霧する構成を有している（例えば特許文献１参照）。この内燃機関には、ディーゼルエンジンや、ガソリンエンジン等がある。以下、ディーゼルエンジンを例に説明する。

図４に、ディーゼルエンジン１Ｘのピストン２Ｘ周辺の断面の端面図を示す。ディーゼルエンジン１Ｘは、円筒形のピストン２Ｘと、燃料を霧状に噴射する燃料噴射ノズル３と、ピストン２Ｘと図示しないシリンダヘッドの間に形成する燃焼室４を有している。ピストン２Ｘは、ピストン２Ｘの冠面（上面）６Ｘを刳り貫いて形成したキャビティ５Ｘ（例えばリエントラント形）を有している。キャビティ５Ｘは、側壁１１Ｘと底面１２を有している。このキャビティ５Ｘは、側壁１１Ｘの一部を突出して形成したリップ１３Ｘを有している。

なお、一点鎖線Ｃはピストンの中心軸Ｃを示し、破線Ｌは燃料噴射ノズル３から噴射される燃料の方向（以下、燃料噴射軸Ｌという）を示している。また、点線で囲まれた領域７は、ピストン２Ｘの冠面６Ｘ上方のスキッシュエリア７を示している。このスキッシュエリア７とキャビティ５Ｘを合わせた空間を、燃焼室４と呼ぶ。更に、ｘ軸及びｚ軸は、図面の方向を示している。

次に、ディーゼルエンジン１Ｘにおける燃料噴射について説明する。図５に、ディーゼルエンジン１Ｘのピストン２Ｘの平面図を示す。平面視で円形となるピストン２Ｘの一部（６０度に相当）を切り出して図示している。ここで、矢印ｇ１は、燃料噴射期間初期の噴射圧力が立ち上がる時期に噴射された低圧噴霧ｇ１を示し、矢印Ｓは燃焼室４（キャビティ５Ｘ及びスキッシュエリア７）内を流れるスワール流の方向Ｓを示している。

まず、低圧噴霧ｇ１は、速度が遅いためスワールにより大きく流され、キャビティ５Ｘの側壁１１Ｘに衝突する（衝突領域Ｐ１参照）。このとき、ピストン２Ｘは、上死点に接近する方向に移動している。その後、図６に示す様に、低圧噴霧ｇ１は、キャビティ５Ｘ内に入り込む（拡散領域Ｐ２参照）。一方、噴射圧力が十分上昇したときに噴射された高圧噴霧ｇ２は、スワールにより流されにくくなる。そのため、この高圧噴霧ｇ２は、キャビティ５Ｘの側壁１１Ｘに衝突し、減速した後、スキッシュエリア７においてスワールにより流される。

このディーゼルエンジン１Ｘは、すすが発生するという問題点を有している。この原因を究明すべく、ディーゼルエンジン１Ｘの燃料噴射に関して解析及び実験等を行ったところ、以下の知見を得ることができた。第１に、この高圧噴霧ｇ２の一部は、蒸発せず液滴のままキャビティ５Ｘの側壁１１Ｘに到達している。第２に、この高圧噴霧ｇ２が側壁１１Ｘに衝突した場所に、当量比の高い（５以上）の領域が形成される（以下、高当量比領域Ｐ３という）。第３に、噴射された低圧噴霧ｇ１は、キャビティ５Ｘの側壁１１Ｘの広い範囲にわたって衝突しているにも関わらず、この高当量比領域Ｐ３は、高圧噴霧ｇ２が側壁１１Ｘに衝突した場所にのみ形成されている。

以上より、すすの生成の原因は高当量比領域Ｐ３の形成にあり、この高当量比領域Ｐ３の形成は高速で噴射された燃料液滴の一部が側壁１１Ｘに衝突し、分裂、蒸発したためと考えられる。

特開平１１−１９０２１７号公報

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、ディーゼルエンジン及びガソリンエンジンをはじめとする内燃機関において、燃料液滴のピストンへの衝突を低減し、すすの生成につながる高当量比領域の形成を抑制した内燃機関、及び内燃機関の燃料噴射方法を提供することである。

上記の目的を達成するための本発明に係る内燃機関は、燃料噴射ノズルと、冠面に凹状のキャビティを形成したピストンを有する内燃機関において、前記ピストンが、平面視で前記燃料噴射ノズルの燃料噴射軸上で、且つ前記キャビティの側壁の下方から前記冠面に連通する燃料蒸発通路を有していることを特徴とする。

この構成により、すすの生成につながる高当量比領域の形成を抑制することができる。これは、噴射された燃料が、この燃料蒸発通路を通過して冠面に移動するためである。つまり、燃料がキャビティの側壁に衝突して燃料噴射軸上に留まることを抑制することができる。

上記の内燃機関において、前記ピストンが、前記キャビティの底面から前記冠面に連通する燃料蒸発通路を有していることを特徴とする。この構成により、更に高当量比領域の形成を抑制することができる。その結果、更にすすの生成を抑制することができる。

上記の目的を達成するための本発明に係る内燃機関の燃料噴射方法は、燃料噴射ノズルと、冠面に凹状のキャビティを形成したピストンを有し、前記ピストンが、平面視で前記燃料噴射ノズルの燃料噴射軸上で、且つ前記キャビティの側壁の下方から前記冠面に連通する燃料蒸発通路を有した内燃機関の燃料噴射方法であって、低圧で噴射された燃料である低圧噴霧を、前記キャビティ内でスワール流によりシリンダの周方向に流して前記キャビティの側壁に衝突させ、高圧で噴射された燃料である高圧噴霧を、前記燃料蒸発通路を通過させ、スキッシュエリアに到達させて燃焼させることを特徴とする。この構成により、上記と同様の作用効果を得ることができる。

本発明に係る内燃機関及び内燃機関の燃料噴射方法によれば、内燃機関のキャビティ内において、高当量比領域の形成を抑制し、すすの生成を抑制することができる。

本発明に係る実施の形態の内燃機関の概略を示した図である。本発明に係る実施の形態の内燃機関のピストンの平面を示した図である。本発明に係る実施の形態の内燃機関のピストンの断面の端面を示した図である。従来の内燃機関のピストンの断面の端面を示した図である。従来の内燃機関のピストンの平面を示した図である。従来の内燃機関のピストンの平面を示した図である。

以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関１を示す。特に、ピストン２の部分拡大図を示す。ピストン２は、ピストン２の冠面６を刳り貫いて形成したキャビティ５と、キャビティ側壁１１の下端部から冠面６を連通する燃料蒸発通路１０を有している。このキャビティ５は、側壁１１と底面１２で形成された空間である。また、キャビティ５は、側壁１１の上方の一部を突出して形成したリップ１３を有している。また、燃料蒸発通路１０は、燃料噴射ノズル３の燃料噴射軸Ｌ（図示しない）の方向に対応する位置に形成している。ここで、ｇ１は低圧噴霧ｇ１がスワールで流されている様子を、ｇ２は高圧噴霧ｇ２が燃料蒸発通路１０に沿って移動している様子を示している。

次に、ディーゼルエンジン１における燃料噴射について説明する。図２に、ディーゼルエンジン１のピストン２の平面図を示す。ピストン２は、キャビティ５の底面１２から冠面６に至る燃料蒸発通路１０を有している。この燃料蒸発通路１０は、燃料噴射ノズル３から燃料が噴射される方向（燃料噴射軸Ｌ）の延長線上に形成されている。また、Ｓは、スワール流の方向Ｓを示している。

まず、燃料噴射ノズル３より、燃料噴射軸Ｌの方向に燃料が噴射される。燃料噴射期間初期の圧力が立ち上がる時期は、噴射圧力の低い低圧噴霧ｇ１が噴射される。低圧噴霧ｇ１は、スワール流の影響によりキャビティ５内を拡散していく。

その後、燃料噴射期間の中期及び後期は、噴射圧力の高い高圧噴霧ｇ２が噴射される。この高圧噴霧ｇ２は、噴射圧力が高いため、スワール流の影響を受けにくい。この高圧噴霧ｇ２のうち、蒸発せずにキャビティ５の側壁１１まで到達した燃料液滴は、燃料蒸発通路１０に導かれて蒸発する。この燃料蒸発通路１０で蒸発した燃料は、冠面６上方のスキッシュエリア７（図示しない）で空気と混合し、燃焼に至る。

高圧噴霧ｇ２の蒸発が進んでいる間、低圧噴霧ｇ１は、スワール流の影響により、シリンダ周方向に大きく流され拡散する。この低圧噴霧ｇ１は、燃料蒸発通路１０の位置に対してスワール下流側のキャビティ側壁１１に衝突する。これにより、低圧噴霧ｇ１は、キャビティ５内に留まり、燃焼に至る。

上記の構成により、以下の作用効果を得ることができる。第１に、内燃機関のキャビティ内において、高当量比領域の形成を抑制し、すすの生成を抑制することができる。これは、従来キャビティ側壁１１に衝突していた高圧噴霧ｇ２の燃料液滴を、燃料蒸発通路１０に導き、蒸発を促進することができるためである。つまり、燃料蒸発通路１０に導かれた高圧噴霧ｇ２は、側壁１１に衝突せず飛距離が伸びた分、蒸発のための時間を稼ぐことができる。

第２に、燃料液滴のキャビティ側壁１１への衝突を抑制し、且つ低圧噴霧ｇ１に対しては従来と同様の燃焼を実現することができる。これは、低圧噴霧ｇ１と高圧噴霧ｇ２のスワールに対する流され方の違いを利用しているためである。つまり、燃料蒸発通路１０の設置により、キャビティ５内に拡散する燃料（低圧噴霧ｇ１）と、スキッシュエリア７に到達する燃料（高圧噴霧ｇ２）を、自動的に振り分けることができるためである。

なお、この燃料蒸発通路１０は、燃料噴射軸Ｌに対応する位置形成している。例えば、燃料噴射ノズル３が、４方向に開口部を有する場合は、燃料蒸発通路１０を燃料噴射軸Ｌに対応する位置に１〜４つ、望ましくは４つ形成する。特に、燃料噴射ノズル３の開口部
の数が多い場合などは、全ての燃料噴射軸Ｌ上に、燃料蒸発通路１０を形成しなくてもよい。また、燃料蒸発通路１０においても蒸発できず、燃料蒸発通路１０の下面に衝突する燃料液滴もあるが、高当量比領域を形成するほどの量にはならない。

図３に、図１のＲ−Ｒで切断した断面の端面図を示す。燃料蒸発通路１０は、キャビティ５の側壁１１の下方から、冠面６を連通するように形成している。また、燃料噴射ノズル３ａ及び燃料噴射軸Ｌａは、燃料噴射期間の初期及び中期のピストン２に対する位置関係を示しており、燃料噴射ノズル３及び燃料噴射軸Ｌは、燃料噴射期間の後期（ピストン２が上死点近傍となる時期）のピストン２に対する位置関係を示している。

ここで、燃料蒸発通路１０を、キャビティ５の側壁１１の下端部、即ちキャビティ５の底面１２から冠面６にかけて、滑らかな斜面となるように形成することが望ましい。この構成により、更に、高当量比領域の形成を抑制し、すすの生成を抑制することができる。これは、燃料噴射後期で燃料噴射軸Ｌが側壁１１の下端部に達する場合であっても、高圧噴霧ｇ２を燃料蒸発通路１０に導くことができるためである。つまり、燃料蒸発通路１０は、高圧噴霧ｇ２が衝突する側壁１１の全域を覆うように形成することが望ましい。

なお、本発明は、ガソリンエンジンにも適用することができる。また、図１乃至３に示すキャビティ５は、リエントラント形と呼ばれる形状のものを例示しているが、本発明は他の形状であっても作用効果を得ることができる。具体的には、トロイダル形、皿形、Ｍ形、浅皿形等が挙げられる。

１内燃機関（ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン）
２ピストン
３燃料噴射ノズル
５キャビティ
６（ピストンの）冠面
７スキッシュエリア
１０燃料蒸発通路
１１（キャビティ）側壁
１２（キャビティ）底面
Ｌ燃料噴射軸
ｇ１低圧噴霧
ｇ２高圧噴霧

Claims

燃料噴射ノズルと、冠面に凹状のキャビティを形成したピストンを有する内燃機関において、
前記ピストンが、平面視で前記燃料噴射ノズルの燃料噴射軸上で、且つ前記キャビティの側壁の下方から前記冠面に連通する燃料蒸発通路を有していることを特徴とする内燃機関。
前記ピストンが、前記キャビティの底面から前記冠面に連通する燃料蒸発通路を有していることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
燃料噴射ノズルと、冠面に凹状のキャビティを形成したピストンを有し、前記ピストンが、平面視で前記燃料噴射ノズルの燃料噴射軸上で、且つ前記キャビティの側壁の下方から前記冠面に連通する燃料蒸発通路を有した内燃機関の燃料噴射方法であって、
低圧で噴射された燃料である低圧噴霧を、前記キャビティ内でスワール流によりシリンダの周方向に流して前記キャビティの側壁に衝突させ、
高圧で噴射された燃料である高圧噴霧を、前記燃料蒸発通路を通過させ、スキッシュエリアに到達させて燃焼させることを特徴とする内燃機関の燃料噴射方法。