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JP2001221050A - 直噴ディーゼルエンジンのピストン - Google Patents

直噴ディーゼルエンジンのピストン

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Publication number
JP2001221050A
JP2001221050A JP2000033149A JP2000033149A JP2001221050A JP 2001221050 A JP2001221050 A JP 2001221050A JP 2000033149 A JP2000033149 A JP 2000033149A JP 2000033149 A JP2000033149 A JP 2000033149A JP 2001221050 A JP2001221050 A JP 2001221050A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
piston
crown surface
diesel engine
cavity
injection diesel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2000033149A
Other languages
English (en)
Inventor
Hiroaki Nakai
洋明 中井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
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Pending legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/02Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition
    • F02B23/06Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston
    • F02B23/0672Omega-piston bowl, i.e. the combustion space having a central projection pointing towards the cylinder head and the surrounding wall being inclined towards the cylinder center axis
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B2275/00Other engines, components or details, not provided for in other groups of this subclass
    • F02B2275/14Direct injection into combustion chamber
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02B23/0678Unconventional, complex or non-rotationally symmetrical shapes of the combustion space, e.g. flower like, having special shapes related to the orientation of the fuel spray jets
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ピストン4冠面の中央部にキャビティ5を有
し、該キャビティ5の開口部にリップ部7を有する直噴
ディーゼルエンジンにおいて、スキッシュ流を強化する
と共に、乱れ成分を大きくして、燃料の攪拌、混合を促
進することで、出力の向上及び高負荷時のスモーク低減
を図る。 【解決手段】 キャビティ5の開口部より外側のピスト
ン4冠面に、ピストン4外周側が高く、リップ部7側が
低くなるように、全周にわたる段差部10を設けて、外
周側を高冠面11、内周側を低冠面12とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、直噴ディーゼルエ
ンジンのピストンに関し、特にその冠面形状に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の直噴ディーゼルエンジンのピスト
ンとして、特開平2−146220号公報に示されるよ
うに、ピストン冠面の中央部に凹状のトロイダル型のキ
ャビティを有するものがあり、更に、該キャビティの開
口部に該開口部を狭めるように全周にわたって内周側に
突出するリップ部を有するものがある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の直噴ディーゼルエンジンのピストンでは、ピ
ストンの上死点付近におけるピストン冠面とシリンダヘ
ッドとの隙間を小さくして、スキッシュ流を強化して
も、乱れ成分を大きくすることができないので、燃料の
攪拌、混合を十分には促進できず、出力の向上、高負荷
時のスモーク(PM)低減が十分ではなかった。
【0004】また、ピストン冠面とシリンダヘッドとの
隙間を小さくすると、シリンダヘッドの熱劣化によるシ
リンダヘッド下面の膨張により、ピストン冠面との干渉
を生じる恐れもあった。
【0005】尚、前記特開平2−146220号公報に
示されるピストンでは、ピストン冠面に段差部を設けて
いるが、これはその内側にシリンダヘッド側(燃料噴射
弁側)の盤状突起部材を入り込ませて、圧縮作用を行わ
せるためのものである。
【0006】本発明は、前記従来の問題点に鑑み、スキ
ッシュ流を強化すると共に、乱れ成分を大きくして、燃
料の攪拌、混合を促進することで、出力の向上及び高負
荷時のスモーク低減を図り、更にシリンダヘッドの熱劣
化によるピストン冠面との干渉も確実に防止できる直噴
ディーゼルエンジンのピストンを提供することを目的と
する。
【0007】
【課題を解決するための手段】このため、請求項1に係
る発明では、ピストン冠面の中央部に凹状のキャビティ
を有し、該キャビティの開口部に該開口部を狭めるよう
に全周にわたって内周側に突出するリップ部を有する直
噴ディーゼルエンジンのピストンにおいて、キャビティ
の開口部より外側のピストン冠面に、ピストン外周側が
高く、リップ部側が低くなるように、全周にわたる段差
部を設けたことを特徴とする。
【0008】請求項2に係る発明では、前記段差部の高
さΔhを、0.1〜0.5mmの範囲としたことを特徴
とする。請求項3に係る発明では、ピストンのボア径B
に対する段差部の内径Dの比(B/D)を、55〜80
%の範囲としたことを特徴とする。また、請求項4に係
る発明では、ピストンのボア径Bに対するリップ部の内
径Lの比(L/B)を、40〜50%の範囲としたこと
を特徴とする。
【0009】請求項5に係る発明では、前記段差部の角
部をエッジにより形成したことを特徴とする。
【0010】
【発明の効果】請求項1に係る発明によれば、次のよう
な効果が得られる。ピストンが上死点に至る頃、燃料噴
射弁からキャビティ内に燃料が噴射供給され、蒸発過程
及び空気との混合過程を経て、着火、燃焼に至る。この
とき、ピストン冠面、特に段差部より外周側の高冠面
と、シリンダヘッドとのクリアランスにおいて、スキッ
シュ流が生成される。ここで、高冠面を高くして、前記
クリアランスを小さくできるので、スキッシュ流を強化
できる。また、このスキッシュ流は、高冠面上から内周
側の低冠面上へ流れる際に、段差部により乱れを生じ、
更にリップ部を回り込んでキャビティ内に流入する際に
も乱れを生じる。
【0011】従って、スキッシュ流を強化でき、しかも
乱れ成分が大きくなることにより、燃料の攪拌、混合が
促進される。しかも、段差部は全周にわたって設けら
れ、ピストン冠面側からキャビティ側へのスワール流と
同方向側へ設けられた形状であるため、吸気行程時に生
成されたスワール流を減衰させることもない。よって、
燃料の攪拌、混合の促進により、出力の向上及び高負荷
時のスモーク低減を図ることができる。
【0012】また、ピストン冠面の高さを高くして、シ
リンダヘッドとのクリアランスを小さくすると、シリン
ダヘッドの熱劣化によるシリンダヘッド下面の膨張によ
り、ピストン冠面との干渉が問題となるが、干渉が問題
となる内周側を低冠面としてあるので、干渉を避けるこ
とができ、その分、外周側の高冠面により、スキッシュ
流を強化することができる。
【0013】請求項2に係る発明によれば、前記段差部
の高さΔhを最適化することで、より大きな効果を得る
ことができる。請求項3に係る発明によれば、ピストン
のボア径Bに対する段差部の内径Dの比(B/D)を最
適化することで、より大きな効果を得ることができる。
また、請求項4に係る発明によれば、ピストンのボア径
Bに対するリップ部の内径Lの比(L/B)を規定する
ことで、B/Dの最適化を確実なものとすることができ
る。
【0014】請求項5に係る発明によれば、前記段差部
の角部をエッジにより形成することで、乱れ成分をより
大きくして、より大きな効果を得ることができる。
【0015】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図1は本発明の一実施形態を示す
直噴ディーゼルエンジンの要部断面図、図2は同上のピ
ストンの平面図である。
【0016】これらの図において、1はシリンダ、2は
シリンダヘッド、3は燃料噴射弁、4はピストンであ
る。燃料噴射弁3は、シリンダヘッド2に取付けられ、
シリンダ1の中心軸に沿って、シリンダ1内に臨んでい
る。
【0017】ピストン4には、その冠面の中央部にリエ
ントラント型のキャビティ(凹状燃焼室)5が穿設され
ている。このキャビティ5は、底面中央部に円錐状の突
起部6を有し、その回りに断面略円弧状の環状溝として
形成されている。そして、キャビティ5の開口部には、
全周にわたって、該開口部を狭めるように、内周側に突
出するリップ部7が形成されている。
【0018】ここにおいて、ピストン4の冠面(キャビ
ティ5の開口部より外側の冠面)には、ピストン4外周
側が高く、内周側(リップ部7側)が低くなるように、
全周にわたる段差部10を形成してある。すなわち、必
要によりピストン4の冠面の高さを高くしておいて、リ
ップ部7の上面を全周にわたって削ることにより、段差
部10を挟んで、外周側の高冠面11と、内周側の低冠
面12とを形成してある。
【0019】次に作用を説明する。シリンダ1内には吸
気行程にてスワール流が生成されており、圧縮行程にて
ピストン4が上昇して、シリンダ1内の空気を圧縮する
と、圧縮された高温高圧の空気はスワール流を伴ってピ
ストン4のキャビティ5内に流入する。
【0020】そして、ピストン4の上死点付近で、燃料
噴射弁3からキャビティ5内に燃料が噴射供給され、蒸
発過程及び空気との混合過程を経て、着火、燃焼に至
る。このとき、ピストン4の冠面、特に外周側の高冠面
11と、シリンダヘッド2とのクリアランスにおいて、
図3に示すように、スキッシュ流が生成されるが、高冠
面11を高くして、前記クリアランスを小さくできるの
で、スキッシュ流を強化できる。また、このスキッシュ
流は、図3に示すように、高冠面11上から低冠面12
上へ流れる際に、段差部10により乱れを生じ、更にリ
ップ部7を回り込んでキャビティ5内に流入する際にも
乱れを生じる。
【0021】従って、スキッシュ流を強化でき、しかも
乱れ成分が大きくなることにより、燃料の攪拌、混合が
促進される。しかも、段差部10は全周にわたって設け
られているので、スワール流を減衰させることもない。
よって、燃料の攪拌、混合の促進により、出力の向上、
及び、高負荷時のスモーク(PM)低減を図ることがで
きる。
【0022】また、ピストン4の冠面の高さを高くし
て、シリンダヘッド2とのクリアランスを小さくする
と、図4に示すようなシリンダヘッド2の熱劣化による
シリンダヘッド2下面の膨張により、ピストン4の冠面
との干渉が問題となるが、干渉が問題となる内周側を低
冠面12としてあるので、干渉を避けることができ、そ
の分、外周側の高冠面11により、スキッシュ流を強化
することができる。
【0023】図5は、ピストン4の各部の寸法を示すた
めの図であり、図中Δhは段差部10の高さ、Bはピス
トン4のボア径、Dは段差部10の内径、Lはリップ部
7(キャビティ5開口部)の内径である。
【0024】図6は、横軸を段差部10の高さΔhとし
て、縦軸にスモーク発生量及び熱損失をとったグラフで
あり、Δh=0.1〜0.5mmの範囲で、スモーク発
生量の低減と熱損失の低減とを両立できることを示して
いる。
【0025】すなわち、段差部10の高さΔhを高くし
て、外周側の高冠面11とシリンダヘッド2とのクリア
ランスを小さくするほど、スキッシュ流を強化して、混
合を改善でき、スモーク発生量を低減できるが、クリア
ランスが小さくなると、流速が増大して、熱損失が増大
し、燃費が悪化するので、Δhは0.1〜0.5mmの
範囲とする。
【0026】図7は、横軸をピストン4のボア径Bに対
する段差部10の内径Dの比D/B(%)として、縦軸
にスモーク発生量をとったグラフであり、D/B=55
〜80%の範囲でスモーク発生量を低減できることを示
している。
【0027】すなわち、段差部10の内径Dはなるべく
小さくして、高冠面11におけるスキッシュ流の助走距
離を長くすることにより、スキッシュ流を強化するのが
よいが、段差部10の内径Dを小さくしすぎると、抵抗
が増え過ぎて効果が悪化してくるので、D/Bは55〜
80%の範囲とする。
【0028】尚、D/Bの最適範囲は、リップ部7(キ
ャビティ5開口部)の内径Lとも関連しており、図7
は、ピストン4のボア径Bに対するリップ部7(キャビ
ティ5開口部)の内径Lの比L/B(%)が、約45%
の場合の特性であるが、通常のリップ部付きピストンキ
ャビティでのL/B=40〜50%の範囲であれば、D
/B=55〜80%が最適範囲であるといえる。
【0029】また、図5において、E1、E2で示すと
ころの、段差部10の角部は、面取りやアールを設ける
ことなく、エッジとする。より大きな乱れを助長できる
からである。
【0030】リップ部7の角部も、乱れを大きくする上
からは、エッジとするのがよいが、熱負荷が問題となる
場合は、微小な面取り又はアールをつける。尚、図面で
は省略したが、ピストン冠面に、必要により、吸気バル
ブ及び排気バルブを逃げるためのバルブリセスを形成す
るようにしてもよいことはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態を示す直噴ディーゼルエ
ンジンの要部断面図
【図2】 同上のピストンの平面図
【図3】 スキッシュ流の様子を示す拡大図
【図4】 シリンダヘッド熱膨張時の様子を示す拡大図
【図5】 各部の寸法を示すピストンの断面図
【図6】 Δhの最適範囲を示す図
【図7】 D/Bの最適範囲を示す図
【符号の説明】
1 シリンダ 2 シリンダヘッド 3 燃料噴射弁 4 ピストン 5 キャビティ 6 突起部 7 リップ部 10 段差部 11 高冠面 12 低冠面

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ピストン冠面の中央部に凹状のキャビティ
    を有し、該キャビティの開口部に該開口部を狭めるよう
    に全周にわたって内周側に突出するリップ部を有する直
    噴ディーゼルエンジンのピストンにおいて、 キャビティの開口部より外側のピストン冠面に、ピスト
    ン外周側が高く、リップ部側が低くなるように、全周に
    わたる段差部を設けたことを特徴とする直噴ディーゼル
    エンジンのピストン。
  2. 【請求項2】前記段差部の高さΔhを、0.1〜0.5
    mmの範囲としたことを特徴とする請求項1記載の直噴
    ディーゼルエンジンのピストン。
  3. 【請求項3】ピストンのボア径Bに対する段差部の内径
    Dの比(D/B)を、55〜80%の範囲としたことを
    特徴とする請求項1又は請求項2記載の直噴ディーゼル
    エンジンのピストン。
  4. 【請求項4】ピストンのボア径Bに対するリップ部の内
    径Lの比(L/B)を、40〜50%の範囲としたこと
    を特徴とする請求項3記載の直噴ディーゼルエンジンの
    ピストン。
  5. 【請求項5】前記段差部の角部をエッジにより形成した
    ことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか1つに
    記載の直噴ディーゼルエンジンのピストン。
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