JPH11117747A - 直噴式ディーゼルエンジン - Google Patents

直噴式ディーゼルエンジン

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JPH11117747A
JPH11117747A JP9280876A JP28087697A JPH11117747A JP H11117747 A JPH11117747 A JP H11117747A JP 9280876 A JP9280876 A JP 9280876A JP 28087697 A JP28087697 A JP 28087697A JP H11117747 A JPH11117747 A JP H11117747A
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JP
Japan
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injection
fuel
cavity
piston
diesel engine
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JP9280876A
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English (en)
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Masato Shiraki
正人 白木
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Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 直噴式ディーゼルエンジンにおいて、燃料噴
射角を最適化して空気利用率の向上をはかる。 【解決手段】 燃料噴射終了時期が最も遅れる運転条件
で燃料噴射終了時に、燃料噴霧の中心線Ｆがキャビティ
５とピストン冠面１５の角部（境界部）１８の近傍と交
差するように噴射ノズル７の燃料噴射角θを設定するも
のとした。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、直噴式ディーゼル
エンジンにおいて、燃料噴射角の設定に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】近年、ディーゼルエンジンの低公害化お
よび高出力化の要求が強まっており、燃料噴射技術につ
いて種々の提案がなされている。
【０００３】従来の直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室
として、特開昭６３−１６２９２５号公報に開示された
ものや、例えば図８に示すようなものがある。
【０００４】これについて説明すると、ピストン４の冠
面１５に凹状に窪むキャビティ５は、ピストン冠面１５
に対して円筒状に開口する入口部１２と、入口部１２に
対して凹状に窪む窪み部１３と、その底部中央から隆起
する隆起部１４によって画成される。
【０００５】噴射ノズル７はシリンダ中心線上に配置さ
れ、キャビティ５の中央に臨んでいる。噴射ノズル７は
燃料を噴射する複数の噴口を有し、各噴口から燃料噴霧
をキャビティ５の窪み部１３に向けて放射状に噴射する
ようになっている。
【０００６】こうして燃料噴霧の大部分がキャビティ５
に集められることにより、シリンダ壁の近傍で生成され
る未燃焼ＨＣやパティキュレートの発生量を抑えられ
る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ところで、この従来装
置にあっては、大量の燃料が噴射される高負荷時におい
て燃料噴霧がキャビティ５に集められるため、燃料が燃
焼室全域の空気を利用することができず、全領域におけ
る最適な燃焼を行うことが難しいという問題点があっ
た。
【０００８】本発明は上記の問題点を鑑みてなされたも
のであり、直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室におい
て、燃料噴射角を最適化して空気利用率の向上をはかる
ことを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の直噴式
ディーゼルエンジンは、ピストンの冠面に凹状に窪むキ
ャビティと、ピストンの冠面およびキャビティとの間で
燃焼室を画成する燃焼室天井壁と、燃焼室天井壁に取付
けられて燃料をキャビティに向けて噴射する噴射ノズル
とを備える直噴式ディーゼルエンジンにおいて、燃料噴
射終了時期が最も遅れる運転条件で燃料噴射終了時に噴
射ノズルから噴射される燃料噴霧がキャビティの内外へ
略均等に分布するように噴射ノズルの燃料噴射角を設定
するものとした。
【００１０】請求項２に記載の直噴式ディーゼルエンジ
ンは、請求項１に記載の発明において、前記燃料噴射終
了時期が最も遅れる運転条件で燃料噴射終了時に噴射ノ
ズルから噴射される燃料噴霧の中心線がキャビティとピ
ストン冠面の境界部近傍と交差するようにノズルの燃料
噴射角を設定するものとした。
【００１１】請求項３に記載の直噴式ディーゼルエンジ
ンは、請求項１または２に記載の発明において、前記キ
ャビティにピストンの冠面に対して円筒状に開口する入
口部と、入口部に対して凹状に窪む窪み部とを形成する
ものとした。
【００１２】請求項４に記載の直噴式ディーゼルエンジ
ンは、請求項１または２に記載の発明において、前記キ
ャビティにピストンの冠面に対して円筒状に開口する入
口部と、入口部に対して円筒状に連続する側壁部とを形
成するものとした。
【００１３】
【発明の作用および効果】請求項１に記載の直噴式ディ
ーゼルエンジンにおいて、燃料噴射量が増大するのにし
たがって燃料噴射終了時期に対しピストン上死点からの
遅れが増大し、燃料噴射終了時に噴射ノズルから噴射さ
れる燃料噴霧がキャビティに到達する部位は上方に移行
する。
【００１４】燃料噴射終了時期が最も遅れる運転条件に
おける燃料噴射終了時に、噴射ノズルから噴射される燃
料噴霧がキャビティの内外へ略均等に分布するため、大
量の燃料が燃焼室全域の空気を利用して燃焼し、スモー
クの発生量を抑えるとともに、出力性能の向上がはかれ
る。
【００１５】請求項２に記載の直噴式ディーゼルエンジ
ンにおいて、燃料噴射終了時期が最も遅れる運転条件に
おける燃料噴射終了時に、燃料噴霧の中心線がキャビテ
ィとピストン冠面の境界部の近傍と交差することによ
り、燃料噴射終了時に噴射ノズルから噴射される燃料噴
霧がキャビティの内外へ略均等に分布する。これによ
り、空気利用率を高め、排気ガスのスモーク濃度を低減
するとともに、出力性能の向上がはかれる。
【００１６】請求項３に記載の直噴式ディーゼルエンジ
ンにおいて、キャビティの入口部に対して凹状に窪む窪
み部は、燃料噴霧をキャビティ内に集め、シリンダ壁の
近傍で生成されるＨＣやパティキュレートの発生量を抑
えられる。
【００１７】請求項４に記載の直噴式ディーゼルエンジ
ンにおいて、キャビティの入口部に対して円筒状に連続
する側壁部は、キャビティ内に生起されるガス流動を強
め、排気ガスのスモーク濃度を低減するとともに、出力
性能の向上がはかれる。
【００１８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を添付図
面に基づいて説明する。
【００１９】図４において、１はシリンダブロック、２
はシリンダ、４はピストン、６はシリンダヘッド、８は
シリンダヘッド６に形成された吸気ポート、９は吸気ポ
ート８を開閉する吸気バルブ、１０はシリンダヘッド６
に形成された排気ポート、１１は排気ポートを開閉する
排気バルブである。
【００２０】シリンダヘッド１はピストン４との間で燃
焼室を画成する燃焼室天井壁２１を有する。燃焼室天井
壁２１には燃焼室に燃料を放射状に噴射する噴射ノズル
７が設置される。
【００２１】燃焼室天井壁２１には噴射ノズル７を取り
囲むように２本の吸気バルブ９と、２本の排気バルブ１
１がそれぞれ設けられる。ピストン４が下降する吸気行
程で各吸気バルブ９が開かれるのに伴って各吸気ポート
８からシリンダ２に空気を吸入し、この空気をピストン
４で圧縮し、ピストン４が上死点の近傍に達するときに
噴射ノズル７から噴射される燃料を着火燃焼させる。燃
焼したガスはピストン４が上昇する行程で各排気バルブ
１１が開かれるのに伴って各排気ポート１０に排出され
る。これらの各行程が連続して繰り返される。ピストン
４の往復運動はコンロッド３を介してクランクシャフト
の回転運動に変換される。
【００２２】図１にも示すように、ピストン４の冠面１
５に凹状に窪むキャビティ５が形成される。噴射ノズル
７はシリンダ中心線上に配置され、キャビティ５の中央
に臨んでいる。
【００２３】ピストン４の冠面１５は、シリンダ中心線
に対して直交する平面状に形成される。ピストン冠面１
５は、キャビティ５のまわりに環状に広がり、ピストン
４が上死点付近に到達するとき、シリンダヘッド６の燃
焼室天井壁２１の間でシリンダ２内の空気を圧縮してキ
ャビティ５に流入するスキッシュ流を生起するスキッシ
ュエリアを構成する。
【００２４】リエントラント式のキャビティ５は、ピス
トン冠面１５に対して円筒状に開口する入口部１２と、
入口部１２に対して凹状に窪む窪み部１３と、その底部
中央から隆起する隆起部１４によって画成される。
【００２５】入口部１２はピストン冠面１５に開口する
キャビティ５の側壁の上部を構成している。入口部１２
はピストン４と同心の直円筒面状に形成される。したが
って、入口部１２はその断面がピストン４の冠面１５に
対して直交している。ピストン冠面１５と入口部１２に
よって、その断面が直交する角部１８が形成され、この
角部１８がキャビティ５とピストン冠面１５の境界部と
なる。
【００２６】窪み部１３はキャビティ５の側壁の下部と
底壁の外周部を構成している。窪み部１３はその断面が
楕円弧状に湾曲して形成される。窪み部１３はピストン
４と同心の環状に延びる。
【００２７】隆起部１４はキャビティ５の底面の中央部
を構成している。隆起部１４はピストン４と同心の円錐
面状に隆起して形成される。
【００２８】噴射ノズル７は、中空の筒状ノズルボディ
の内部にニードル（針弁）が収装され、燃料ポンプから
通路を介してエンジン回転に同期して圧送される燃料圧
力に応じてニードルがノズルボディのシート部からリフ
トして燃料噴射を行い、ニードルがノズルボディのシー
ト部に着座することにより、燃料噴射を終了するように
なっている。
【００２９】噴射ノズル７は燃料を噴射する複数の噴口
を有し、各噴口から燃料噴霧をキャビティ５に向けて放
射状に噴射するようになっている。各噴口は円形の断面
をもって形成されており、各噴口から噴射されて燃焼室
に拡散する燃料噴霧の形態は、円錐状をしている。円錐
状をした燃料噴霧の中心線Ｆは、噴射ノズル７の各噴口
の中心線と同軸上にある。エンジン負荷が増大して燃料
噴射量が増加するのに伴って、燃料噴射期間が長くな
り、燃料噴射終了時期が遅くなる場合もある。
【００３０】ここで、２つの噴口から噴射される燃料噴
霧の中心線Ｆどうしが各中心線Ｎを含む面において為す
角度θを噴射角度とする。この噴射角度θは、１８０°
より小さく設定され、図３に示すように、ピストン４が
上死点近傍にあるとき、噴射ノズル７から噴射される燃
料噴霧の中心線Ｆがキャビティ５の窪み部１３と交差
し、燃料噴霧が燃焼室天井壁２１に当たらないように設
定される。
【００３１】しかし、大量の燃料が噴射される高速高負
荷時等の運転条件において、噴射ノズル７から噴射され
る燃料噴霧が到達する領域をキャビティ５の内側に設定
した場合、大量の燃料がキャビティ５内に集まり、空気
利用率が低下してスモーク排出量が増加したり、エンジ
ンの発生出力を低下させる。
【００３２】本発明はこれに対処して、燃料噴射終了時
期が最も遅れる運転条件において、噴射ノズル７のニー
ドルがシート部に着座して各噴口から燃料の噴射が終了
されるとき、図１に示すように、燃料噴霧の中心線Ｆが
キャビティ５とピストン冠面１５の角部（境界部）１８
の近傍と交差するように噴射ノズル７の燃料噴射角θを
設定する。これにより、燃料噴射終了時に噴射ノズル７
から噴射される燃料噴霧をキャビティ５の内外へ略均等
に分布させ、キャビティ５の入口部１２とピストン冠面
１５に衝突させる。
【００３３】燃料噴射終了時期が進む運転条件におい
て、噴射ノズル７から燃料の噴射が終了されるとき、図
２に示すように、燃料噴霧の中心線Ｆがキャビティ５の
入口部１２の下部と交差し、円錐状に拡がる燃料噴霧の
外側部分が角部１８の近傍と交差する。これにより、噴
射ノズル７から噴射される燃料噴霧のほとんどがキャビ
ティ５の内側に分布する。
【００３４】以上のように構成され、次に作用について
説明する。
【００３５】噴射ノズル７から噴射される燃料は、微粒
化、蒸発、空気との混合を経て燃焼に至る。
【００３６】燃料噴射終了時期が進む運転条件におい
て、噴射ノズル７から燃料の噴射が終了されるとき、図
２に示すように、燃料噴霧の中心線Ｆがキャビティ５の
入口部１２の下部と交差し、円錐状に拡がる燃料噴霧の
外側部分が角部１８の近傍と交差しているため、噴射ノ
ズル７から噴射される燃料噴霧のほとんどがキャビティ
５の内側に分布する。
【００３７】キャビティ５の入口部１２に対して凹状に
窪む窪み部１３は、燃料噴霧をキャビティ５内に集め
る。
【００３８】こうしてキャビティ５内に集められた燃料
の燃焼は、キャビティ５内に生起されるガス流動により
促され、シリンダ壁の近傍で生成される未燃焼ＨＣやパ
ティキュレートの発生量を抑えられる。
【００３９】燃料噴射終了時期が最も遅れる運転条件に
おいて、噴射ノズル７から燃料の噴射が終了されると
き、図１に示すように、燃料噴霧の中心線Ｆがキャビテ
ィ５とピストン冠面１５の角部１８の近傍と交差するた
め、燃料噴射終了時に噴射ノズル７から噴射される燃料
噴霧がキャビティ５の内外へ略均等に分布する。燃料噴
射終了時にキャビティ５の入口部１２とピストン冠面１
５に衝突した燃料がキャビティ５の内外に拡散し、大量
の燃料が燃焼室の全域に分散し、燃焼室全域の空気を利
用して燃焼が十分に行われる。この結果、スモークの発
生量を抑えるとともに、出力性能の向上がはかれる。
【００４０】次に、図５に示す実施形態について説明す
る。なお、図１との対応部分には同一符号を付す。
【００４１】トロイダル式のキャビティ５は、ピストン
冠面１５に対して円筒状に開口する入口部１２と、入口
部１２に連続する円筒状に形成された側壁部１７と、そ
の底部中央から隆起する隆起部１４によって画成され
る。
【００４２】入口部１２はピストン冠面１５に開口する
キャビティ５の側壁部１７の上部を構成している。入口
部１２および側壁部１７はピストン４と同心の直円筒面
状に形成される。したがって、入口部１２および側壁部
１７はその断面がピストン４の冠面１５に対して直交し
ている。
【００４３】噴射角度θは、１８０°より小さく設定さ
れ、図７に示すように、ピストン４が上死点近傍にある
とき、噴射ノズル７から噴射される燃料噴霧の中心線Ｆ
がキャビティ５の側壁部１７と交差し、燃料噴霧が燃焼
室天井壁２１に当たらないように設定される。
【００４４】燃料噴射終了時期が最も遅れる運転条件に
おいて、噴射ノズル７から燃料の噴射が終了されると
き、図５に示すように、燃料噴霧の中心線Ｆがキャビテ
ィ５とピストン冠面１５の角部（境界部）１８の近傍と
交差するように噴射ノズル７の燃料噴射角θを設定す
る。これにより、燃料噴射終了時に噴射ノズル７から噴
射される大量の燃料噴霧がキャビティ５の内外へ略均等
に分布し、燃焼室の全域の空気を利用して燃焼し、スモ
ークの発生量を抑えるとともに、出力性能の向上がはか
れる。
【００４５】燃料噴射終了時期が進む運転条件におい
て、噴射ノズル７から燃料の噴射が終了されるとき、図
６に示すように、燃料噴霧の中心線Ｆがキャビティ５の
入口部１２の下部と交差し、円錐状に拡がる燃料噴霧の
外側部分が角部１８の近傍と交差する。これにより、噴
射ノズル７から噴射される燃料噴霧のほとんどがキャビ
ティ５の内側に分布し、シリンダ壁の近傍で生成される
未燃焼ＨＣやパティキュレートの発生量を抑えられる。
【００４６】キャビティ５の入口部１２に連続する円筒
状に形成された側壁部１７は、キャビティ５内に生起さ
れるガス流動を強め、排気ガスのスモーク濃度を低減す
るとともに、出力性能の向上がはかれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示し、高速高負荷時におけ
るピストンの断面図。
【図２】同じく低速低負荷時におけるピストンの断面
図。
【図３】同じく上死点近傍にあるピストンの断面図。
【図４】同じくエンジンの断面図。
【図５】他の実施形態を示し、高速高負荷時におけるピ
ストンの断面図。
【図６】同じく低速低負荷時におけるピストンの断面
図。
【図７】同じく上死点近傍にあるピストンの断面図。
【図８】従来例を示すピストンの断面図。
【符号の説明】
４ ピストン ５ キャビティ ７ 噴射ノズル １２ 入口部 １３ 窪み部 １５ ピストン冠面 １７ 側壁部 １８ 角部（境界部） ２１ 燃焼室天井壁

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ピストンの冠面に凹状に窪むキャビティ
    と、 ピストンの冠面およびキャビティとの間で燃焼室を画成
    する燃焼室天井壁と、 燃焼室天井壁に取付けられて燃料をキャビティに向けて
    噴射する噴射ノズルとを備える直噴式ディーゼルエンジ
    ンにおいて、 燃料噴射終了時期が最も遅れる運転条件で燃料噴射終了
    時に噴射ノズルから噴射される燃料噴霧がキャビティの
    内外へ略均等に分布するように噴射ノズルの燃料噴射角
    を設定したことを特徴とする直噴式ディーゼルエンジ
    ン。
  2. 【請求項２】前記燃料噴射終了時期が最も遅れる運転条
    件で燃料噴射終了時に噴射ノズルから噴射される燃料噴
    霧の中心線がキャビティとピストン冠面の境界部近傍と
    交差するようにノズルの燃料噴射角を設定したことを特
    徴とする請求項１に記載の直噴式ディーゼルエンジン。
  3. 【請求項３】前記キャビティにピストンの冠面に対して
    円筒状に開口する入口部と、 入口部に対して凹状に窪む窪み部とを形成したことを特
    徴とする請求項１または２に記載の直噴式ディーゼルエ
    ンジン。
  4. 【請求項４】前記キャビティにピストンの冠面に対して
    円筒状に開口する入口部と、 入口部に対して円筒状に連続する側壁部とを形成したこ
    とを特徴とする請求項１または２に記載の直噴式ディー
    ゼルエンジン。
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