JP2010031772A

JP2010031772A - 群噴孔ノズル及びその設計諸元の選定方法

Info

Publication number: JP2010031772A
Application number: JP2008195623A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Kono; 正顕河野; Hiroshige Matsuoka; 弘芝松岡; Akio Tanaka; 章雄田中
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2008-07-30
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2010-02-12
Also published as: DE102009035027A1

Abstract

【課題】簡易な方法により特性の異なるディーゼル燃焼機関に対して適切な燃料噴射ノズルの諸元を選定するノズル諸元選定方法を提供すると共に、ノズル諸元の適切化により、燃焼後期における燃焼効率を高め、高負荷時においてもＮＯｘの排出量とＰＭの排出量とを同時に低減する燃料噴射ノズルを提供する。
【解決手段】シリンダ４０内を摺動するピストン３０の頂面３１に設けた窪み部３２によって、ピストン３０とシリンダヘッド２０との間に形成した該燃焼室内に、高圧燃料を直接噴射する燃料直噴式ディーゼル燃焼機関のボア径Ｄ_ＢＯＲとリップ開口径Ｄ_ＲＩＰとから（Ｄ_ＢＯＲ ^２−Ｄ_Ｒｉｐ ^２）／４Ｄ_Ｒｉｐで求めた最大スキッシュ速度ｍａｘ｜Ｖ_ＳＱ｜と所定の閾値とを比較し、該最大値が４０ｍ／ｓ以上である場合には、噴霧分割数ｎを少なく設定し、４０ｍ／ｓより小さい場合には、噴霧分割数ｎを多く設定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃焼室内に直接燃料を噴射し、圧縮熱によって混合気の着火を行う燃料直噴式ディーゼル燃焼機関に用いられる群噴孔ノズル及びその設計諸元の選定方法に関するものである。

近年、省エネルギ、地球環境保護の見地から、燃焼効率の高いディーゼル機関が見直され、特に、コモンレールシステムの発達により数十ＭＰａから２００ＭＰａという極めて高い高圧に蓄圧された燃料の噴射が可能となり、シリンダ内を摺動するピストンの頂面に設けた窪みによって、ピストンとシリンダヘッドとの間に燃焼室を形成し、ピストンによって圧縮状態となった該燃焼室内の空気に、高圧燃料を直接噴射し、圧縮熱によって混合気を着火し燃焼、爆発させて動力を得る燃料直噴式ディーゼル燃焼機関への関心が高まっている。
燃料直噴式ディーゼル燃焼機関は、燃焼効率が高く、燃費に優れる反面、燃焼排気に含まれる窒素酸化物ＮＯｘや粒子状物質ＰＭ等の環境負荷物質の排出を抑制する必要がある。しかし、ＮＯｘを低減すると、燃費が悪化すると共にＰＭが増大し、ＰＭを低減すると燃費は改善するが、ＮＯｘは増大傾向となる。ＮＯｘの低減とＰＭの低減とは通常二律背反する関係にあり、両者を同時に抑制するのは極めて困難な課題である。

このような課題に対して、ピストンの頂面に、その開口部を内側方向に狭めたリップ部と中心部を隆起せしめた突起部とを有する窪みを形成した、いわゆるリエントラント型の燃焼室を有する燃料直噴ディーゼルエンジンにおいて、燃焼室内に噴射された燃料と空気との効果的な混合によって燃焼効率を向上させ、ＮＯｘの低減とＰＭの低減との両立を図るべく、リップ部の形状や、スキッシュエリア等のディーゼル機関燃焼室の諸元について種々と提言されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

特許文献１には、シリンダに摺動自在に支持したピストンの頂面の中央部にシリンダヘッドに対抗する燃焼室を形成し、かつピストンの頂面とシリンダヘッドの仮面との間にスキッシュエリアを形成した燃料直噴式ディーゼルエンジンにおいて、前記燃焼室のシリンダ軸線を通る縦断面形状は、ピストンの頂面に連なる燃焼室の入口から下方に延びてシリンダ軸線から遠ざかる方向に直線状に延びる直線部とを有し、ピストンの頂面、曲線部及び直線部は角を持たずに滑らかに連続しており、シリンダ軸線上に設けたインジェクタはピストンが上死点近傍にある時に前記直線部を指向して燃料を噴射することを特徴とする燃料直噴式ディーゼルエンジンが開示されている。特許文献１の発明では、直噴式ディーゼルエンジンエリアのインジェクタからピストン頂面の中央部に形成したリエントラント型の燃焼室に噴射された燃料は、その燃焼室の直線部に沿うようにスムーズに上下に案内され、下方に案内された燃料は燃焼室内に効果的にスワールを発生する一方、上方に案内された燃料は角のない滑らかな曲線よりなる曲線部に案内されてピストンの頂面の上方に形成されたスキッシュエリアに供給されるため、燃料室の内部及びスキッシュエリアの内部で燃料を均等に霧化することが可能になる。

特許文献２には、ピストン冠面の中央に凹状の窪み部を有し、該窪み部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、窪み部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が開示されている。特許文献２の発明では、ピストン冠面に中央部に設けた窪み部の開口部より外側のピストン冠面に段差部を設けることにより、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、混合を促進し、出力の向上及び高負荷時のスモーク低域化を図っている。

また、噴射された燃料の更なる微粒化や貫徹力の強化によって低ＮＯｘ化、低スモーク化を図るべく、燃料噴射ノズルの諸元についても種々と提案されている（例えば、特許文献３等参照。）。

特許文献３には、複数の噴孔により１つの噴霧を形成する群噴孔を１つあるいは複数備えた燃料噴射ノズルにおいて、前記群噴孔を構成する各噴孔の噴孔径をＤ、前記群噴孔における各噴孔の出口端から、各噴孔の中心軸が交差する交点までの交差距離をＸ、前記群噴孔における各噴孔の中心軸が交差する交差角度をθとした時、前記交差距離Ｘ＝１０Ｄ〜１００Ｄ、及び前記交差角度θ＝１°〜１０°を満足することを特徴とする燃料噴射ノズルが開示されている。
特許文献３の発明では、群噴孔ノズルを用いることによって燃料の微粒化と噴霧の貫徹力を得ることによって、スモークの抑制を図っている。また、特許文献３の発明は、群噴孔における各噴孔の出口端から、前記群噴孔の燃料噴射方向の燃焼室壁面までの壁面距離をＳとした時、前記壁面距離Ｓにつき、Ｓ＝３５０Ｄ〜４５０Ｄを満足する燃焼室に適応している。
特開２００１−２２７３４６号公報特開２００１−２２１０５０号広報特開２００４−２７９５５号公報

ところで、従来の技術では、機関燃焼室の諸元と燃料噴射ノズルの諸元とがそれぞれ独立して規定されている。このため、機関燃焼室の特性と燃料噴射ノズルの特性とが合わない場合には、却って燃焼効率が低下したり、スモーク性が悪化したりする虞がある。
例えば、図１０に示すように、ボア径及びストローク等のエンジン諸元の異なる機関Ａと機関Ｂとに群噴孔ノズルを用いて、スワール比及びスキッシュ速度を変化させて燃料噴射を行った時のスモーク特性を調べた結果、機関Ａ、機関Ｂのいずれの場合も、スワール比が低い場合及びスキッシュ速度が特定の速度以上に高い場合においてスモーク特性が悪くなっていることが判明した。なお、本図（ａ）は、機関Ａのスモーク特性を示し、（ｂ）は機関Ｂのスモーク特性を示す。

スワール比が低い場合には、空気と燃料との攪拌が不足しており、未燃焼の燃料が残存し、スモーク特性が悪化することは当然に予想されることである。一方、スワール比も高く、スキッシュ速度も高い条件、即ち、機関の高付加時に相当する条件においては、強力なスワールによって燃焼初期には充分に空気と燃料とが攪拌され、さらに強力なスキッシュ、特に燃焼後期において発生するピストン頂面に形成された窪み部からピストン頂面に向かう逆スキッシュによって、燃焼後期における空気と未燃焼燃料との混合が促進されると考えられていた。したがって、従来の群噴孔ノズルを用いた場合、機関の高付加時に相当する条件においては、良好なスモーク特性が得られるものと期待されていた。

ところが、図１０に示すように、スキッシュ速度が４０ｍ／ｓ以上の場合には、機関Ａと機関Ｂとのいずれにおいても、却ってスモーク特性が悪化する虞があることが判明した。これは、群噴孔ノズルを用いて燃料噴射を行った場合、噴射される燃料は極めて微細な粒径の液滴となる。このため、スキッシュ速度が速すぎる条件下では、燃焼後期において残留する未燃焼の極めて微細な粒径の燃料粒子が逆スキッシュによってピストン外周方向の機関燃焼室内の比較的温度の低いシリンダ内壁近傍にまで飛ばされ、未燃燃料として残留してしまうものと推察される。

したがって、機関燃焼室と燃料噴射ノズルとの適切な組合せを得るためには、種々と燃料噴射ノズルの諸元を変更して試験を繰り返す必要があり、更なる燃焼効率の向上には多大なエネルギ、時間、コストを要していた。

そこで、かかる実情に鑑み、本願発明は、簡易な方法により特性の異なるディーゼル燃焼機関に対して適切な燃料噴射ノズルの諸元を選定するノズル諸元選定方法を提供すると共に、ノズル諸元の適切化により、燃焼後期における燃焼効率を高め、特に高負荷時においてもＮＯｘの排出量とＰＭの排出量とを同時に低減する燃料噴射ノズルを提供することを目的とする。

請求項１の発明では、筒状のシリンダ内を摺動するピストンの頂面に設けた窪みによってピストンとシリンダヘッドとの間に燃焼室を形成し、上記ピストンによって圧縮状態となった上記燃焼室内の空気に、高圧に蓄圧した燃料を直接噴射して、圧縮熱によって混合気を着火し燃焼、爆発させて動力を得る燃料直噴式ディーゼル燃焼機関に用いられ、複数の噴孔によって構成した群噴孔から噴射される燃料を１条の噴霧を形成して噴射せしめる群噴孔ノズルであって、上記ピストンのボア径をφＤ_Ｂｏｒとし、上記燃焼室に設けた窪みのリップ部の開口径をφＤ_Ｒｉｐとし、時刻ｔにおける上記ピストンの頂面と上記シリンダヘッド下面との距離をＨ（ｔ）とし、時刻ｔにおける距離Ｈ（ｔ）の時間微分をｄＨ（ｔ）／ｄｔとした時、下記式１によって表されるスキッシュ速度Ｖ_ＳＱの絶対値の最大値ｍａｘ｜Ｖ_ＳＱ｜が４０ｍ／ｓ以上である機関において、上記群噴孔ノズルの噴霧分割数ｎを下記式２の関係を満たす範囲に設定する。

請求項１の発明によれば、スキッシュ速度Ｖ_ＳＱが大きな燃焼室特性を持つディーゼル燃焼機関に対して、噴霧分割数ｎを少なく設定してあるので、一定の噴射量に対して継続される噴射時間が相対的に長くなる。このため、強力なスキッシュの発生する燃焼後期においても、複数の噴孔から噴射された噴霧が互いに干渉して貫徹力を強化する群噴孔ノズルの特性が生かされ、噴霧の貫徹力が維持されておりスキッシュによってシリンダの内周壁側に吹き飛ばされることがない。
したがって、本発明の群噴孔ノズルを採用することによって、噴霧の微粒化が促進され燃焼効率が向上するのに加え、強い貫徹力によって噴射された燃料が燃焼後期においても適度に空気と攪拌され良好な燃焼が実現され、燃焼排気の低スモーク化を図ることができる。

請求項２の発明では、筒状のシリンダ内を摺動するピストンの頂面に設けた窪みによってピストンとシリンダヘッドとの間に燃焼室を形成し、上記ピストンによって圧縮状態となった上記燃焼室内の空気に、高圧に蓄圧した燃料を直接噴射して、圧縮熱によって混合気を着火し燃焼、爆発させて動力を得る燃料直噴式ディーゼル燃焼機関に用いられ、複数の噴孔によって構成した群噴孔から噴射される燃料を１条の噴霧を形成して噴射せしめる群噴孔ノズルであって、上記ピストンのボア径をφＤ_Ｂｏｒとし、上記燃焼室に設けた窪みのリップ部の開口径をφＤ_Ｒｉｐとし、時刻ｔにおける上記ピストンの頂面と上記シリンダヘッド下面との距離をＨ（ｔ）とし、時刻ｔにおける距離Ｈ（ｔ）の時間微分をｄＨ（ｔ）／ｄｔとした時、上記式１によって表されるスキッシュ速度Ｖ_ＳＱの絶対値の最大値ｍａｘ｜Ｖ_ＳＱ｜が４０ｍ／ｓより低い機関において、上記群噴孔ノズルの噴霧分割数ｎを下記式３の関係を満たす範囲に設定する。

請求項２の発明によれば、スキッシュ速度Ｖ_ＳＱが小さな燃焼室特性を持つディーゼル燃焼機関に対して、噴霧分割数ｎを多く設定してあるので、１条の噴霧を形成する群噴孔当たりの噴霧時間は短くなり、燃焼初期において圧縮空気との接触機会が多くなる。したがって速やかに燃焼が促進され、良好な燃焼が実現され、燃焼排気の低スモーク化を図ることができる。

請求項３の発明では、上記群噴孔を構成する複数の噴孔は、その中心軸が交差する閉じ角をなして設ける。

請求項３の発明によれば、上記群噴孔を形成する複数の噴孔が閉じ角を以て噴射されると、それぞれの噴霧が干渉し、微粒化された燃料の貫徹力を強化することができる。

請求項４の発明では、上記群噴孔を構成する複数の噴孔は、その中心軸が平行又は開き角をなして設ける。

請求項４の発明によれば、複数の噴孔から噴射される噴霧が１条の噴霧を形成して互いに干渉することによって微粒化された燃料の貫徹力を維持しつつ、１条の噴霧の持つ噴霧角を広くすることができる。したがって、圧縮空気との接触機会が増加し、速やかに燃焼が促進されるので、良好な燃焼が実現し、低スモーク化を図ることができる。

請求項５の発明では、上記群噴孔を構成する複数の噴孔は、その中心軸が水平方向に対して広がりを有したひねり角をなして設ける。

請求項５の発明によれば、スキッシュの影響が少ないので、複数の噴孔から噴射される噴霧が１条の噴霧を形成して互いに干渉することによって微粒化された燃料の貫徹力を維持しつつ、１条の噴霧の持つ噴霧角をさらに広くすることができる。したがって、圧縮空気との接触機会が増加し、速やかに燃焼が促進されるので、良好な燃焼が実現し、低スモーク化を図ることができる。

請求項６の発明では、筒状のシリンダ内を摺動するピストンの頂面に設けた窪みによって、ピストンとシリンダヘッドとの間に燃焼室を形成し、ピストンによって圧縮状態となった該燃焼室内の空気に、高圧燃料を直接噴射して、圧縮熱によって混合気を着火し燃焼、爆発させて動力を得る燃料直噴式ディーゼル燃焼機関の燃焼室特性を上記式１によってあらわされるスキッシュ速度Ｖ_ＳＱの絶対値の最大値、即ち、最大スキッシュ速度ｍａｘ｜Ｖ_ＳＱ｜と所定の閾値とを比較し、該最大値が上記閾値以上である場合には、噴霧分割数ｎを少なく設定し、上記最大値が上記閾値より小さい場合には、噴霧分割数ｎを多く設定する。

請求項６の発明によれば、異なる燃焼室特性を有したディーゼル燃焼機関に対して、極めて簡易な方法で、最適な群噴孔ノズルの諸元を選定することができる。

本発明の特徴は、筒状のシリンダ内を自在に摺動するピストンと該ピストンの頂面に窪みを設けて、シリンダヘッドとピストンとの間に燃焼室を形成した内燃機関の特徴をスキッシュ速度によって分別し、複数の噴孔によって群噴孔を構成し、該群噴孔から上記燃焼室内に燃料を噴射する群噴孔ノズルの諸元を、機関の特性に応じて最適化した点にある。

図１を参照して、本発明の群噴孔ノズルの選定方法について説明する。
先ず、総排気量Ｖ_{Ｔｏｔａｌ}、気筒数Ｎ、シリンダ排気量Ｖｃｙｌ、ストローク長Ｓ、圧縮比Ｖ_ＣＡＶ／（Ｖ_ＣＡＶ＋Ｖｃｙｌ）、ボア径φＤ_Ｂｏｒ、リップ径φＤ_Ｒｉｐ、平均ピストン速度Ｖ_Ｍｐｓ、スワール角速度ω_ＳＷ、平均有効圧力ＩＭＥＰ等の内燃機関の諸元を確定し、次いで、これに応じて、燃料噴射圧Ｐ_ＩＮＪ、噴霧ペネトレーション規格Ｌ_Ｐｅｎ、噴霧最大速度Ｖ_ＦＬ、噴孔径Ｄ_Ｅ等の燃料噴射条件が決定され、後述する機関特性の判定が行われ、以下に示す式１によって決定するスキッシュ速度Ｖ_ＳＱの絶対値の最大値、即ち、最大スキッシュ速度ｍａｘ｜ＶＳＱ｜が所定の閾値（例えば、４０ｍ／ｓ）以上であるか否かによって群噴孔ノズルの噴霧分割数ｎが決定できる。最大スキッシュ速度ｍａｘ｜ＶＳＱ｜が閾値以上の場合には、ｎを少なくするように群噴孔ノズルの諸元を決定し、最大スキッシュ速度ｍａｘ｜Ｖ_ＳＱ｜が閾値より小さい場合には、ｎを多くするように群噴孔ノズルの諸元を決定する。ｎ選定の条件は、以下に示す式２によって求めることができる。噴霧分割数ｎが決定されると、それぞれの噴霧分割数に応じて以下に詳述する群噴孔ノズルの噴射角度θ_１、θ_２、θ_３の諸元について決定することができる。

最大スキッシュ速度ｍａｘ｜Ｖ_ＳＱ｜が４０ｍ／ｓ以上の場合を本発明の第１の実施形態における群噴孔ノズル１０として図２に示し、最大スキッシュ速度ｍａｘ｜Ｖ_ＳＱ｜が４０ｍ／ｓより低い場合を本発明の第２の実施形態における群噴孔ノズル１０Ａとして図３に示し、最大スキッシュ速度ｍａｘ｜Ｖ_ＳＱ｜が４０ｍ／ｓより低く、ピストン頂面に溝部を設けた場合を本発明の第３の実施形態における群噴孔ノズル１０Ｂとして図４に示し、最大スキッシュ速度ｍａｘ｜Ｖ_ＳＱ｜が４０ｍ／ｓ以上で、ピストンの頂面に設けた窪みの内周壁にポケット部を設けた場合を本発明の第４の実施形態における群噴孔ノズル１０Ｃとして図５に示し、以下に各実施形態について、図を参照して詳述する。

図２を参照して、本発明の第１の実施形態における群噴孔ノズル１０について詳述する。なお、本図（ａ）は、（ａ）は、機関との関係を示す要部断面図、（ｂ）は群噴孔ノズルの諸元を示す要部断面図、（ｃ）は群噴孔ノズルの諸元を示す平面図である。

図２（ａ）に示すように、本実施形態において、略筒状のシリンダ４０内を自在に摺動するピストン３０の頂面３１に設けた窪み部３２とシリンダヘッド２０の下面２１とによって区画された空間を燃焼室とする内燃機関に複数の噴孔１０１、１０２から噴射された燃料が１条の噴霧を形成する群噴孔を構成する群噴孔ノズル１０が配設されている。

ピストン３０が上昇し、窪み部３２内の空気が圧縮された状態において群噴孔ノズル１０から燃料が噴射されると、圧縮高温状態の空気と燃料とが燃焼反応を起こし、爆発し駆動力を得る。燃焼爆発により、ピストン２０が下降し始める。この時、窪み部３２からピストン頂面３１に向かう逆スキッシュが発生する。

なお、シリンダヘッドには吸気バルブ２２及び図略の排気バルブが配設され、図略の吸気管からの吸気及び排気管への排気を調整している。
また、吸気バルブは、シリンダヘッド２０に２カ所配設され、一方の吸気管に図略のスワールコントロールバルブ等を設けて、２つの吸気バルブが開き、ピストン３０が下降した時に導入される空気の流入速度に差を設けて、シリンダ４０内に強いスワールを発生させることができる。ピストン２０が上昇し、窪み部３２内が圧縮状態となった時においても、窪み部内には、各速度ωＳＷで周方向に回転する強力なスワールが形成されている。

シリンダのボア径をＤ_Ｂｏｒとし、ピストン３０の頂面３１に穿たれた窪み部３２の開口径をＤ_ＲＩＰとし、窪み部３２の体積をＶ_ＣＡＶとし、時刻ｔにおけるシリンダブロック２０の下面２１とピストン３０の頂面３１との距離をＨ（ｔ）とし、時刻ｔにおけるその時間微分をｄＨ（ｔ）／ｄｔとすると、スキッシュ速度Ｖ_ＳＱと、機関の各諸元とには、下記の関係が成立することが知られている。

ここで、キャビティ３２の体積Ｖｃａｖは一定であり、ピストンの下降によって増加する体積は上死点ＴＤＣにおいて最小であるから、下記の関係が成立する。

したがって、スキッシュ速度Ｖ_ＳＱは下記式１の関係が成立する。

さらに、ｔ時刻における変位Ｈ（ｔ）とその時間微分とは以下の関係が成り立つ。

このことから、ボア径Ｄ_Ｂｏｒとリップ開口径Ｄ_Ｒｉｐとから簡易に最大スキッシュ速度ｍａｘ｜Ｖ_ＳＱ｜（＝Ｄ_Ｂｏｒ ^２−Ｄ_Ｒｉｐ ^２）を決定でき、機関の燃焼室特性を分類できる。

本実施形態においては、最大スキッシュ速度ｍａｘ｜Ｖ_ＳＱ｜が４０ｍ／ｓ以上である。このような機関においては、以下に示す式２を満たすように群噴孔ノズル１０の諸元を決定することができる。

本実施形態において群噴孔ノズル１０は、先端が閉塞する略筒状のノズル基体１００の先端に複数の噴孔１０１、１０２を穿設して群噴孔となし、ノズル基体１００内を昇降するニードル弁体１１０によって開閉し、燃料貯留室１２０内に蓄圧された高圧燃料をノズル弁体１２０が上昇した時に形成される燃料流路１２１、サック室１２２を経由して、群噴孔１０１、１０２からの噴射と停止を制御している。

群噴孔を構成する噴孔１０１と噴孔１０２とは、それぞれ、群噴孔ノズル１０の軸中心に対してそれぞれθ_１０１、θ_１０２の角度を設けて穿設されている。
さらに、本実施形態においては、噴孔１０１の中心軸と噴孔１０２の中心軸とが閉じ角を形成するように、θ_１０１とθ_１０２との差、即ち、θ_１が０より大きくなっている。
また、噴孔１０１と噴孔１０２との間にはひねり角は形成されておらず、同一平面上に形成されており、θ_２は０となっている。
このような構成とすることによって、噴孔１０１から噴出する燃料と噴孔１０２から噴出する燃料とは１条の噴霧を形成して、窪み部３２内に噴射される。

また、本実施形態において、群噴孔の噴霧分割数ｎは、上記式２を満たしており、図２(ｃ)に示すように角度θ_３を設けて複数列形成されている。
最大スキッシュ速度ｍａｘ｜Ｖ_ＳＱ｜が４０ｍ／ｓ以上の場合には、噴霧分割数ｎを少なく形成してある。

図３を参照して、本発明の第２の実施形態における群噴孔ノズル１０Ａについて詳述する。
本実施形態においては、窪み部３２Ａが上記実施形態よりも大きなリップ開口径φＤＲｉｐＡで形成されており、これに対して適切な群噴孔ノズルの諸元が選定されている点が上記実施形態と相異する。

本実施形態においては、噴霧分割数ｎが下記式３を満たす範囲に設定されている。

本実施形態においては、噴孔１０１Ａと噴孔１０２Ａとは閉じ角又は平行となるようにθ_１０１Ａとθ_１０２Ａとの差即ちθ_１Ａが０以上となっている。
また、噴孔１０１Ａと噴孔１０２Ａとの間にはひねり角は形成されておらず、同一平面上に形成されており、θ_２Ａは０となっている。
このような構成とすることによって、噴孔１０１Ａから噴出する燃料と噴孔１０２Ａから噴出する燃料とは１条の噴霧を形成して、窪み部３２Ａ内に噴射される。

また、本実施形態において、群噴孔の噴霧分割数ｎは、上記式３を満たしており、図３(ｃ)に示すように角度θ_３Ａを設けて複数列形成されている。
最大スキッシュ速度ｍａｘ｜Ｖ_ＳＱ｜が４０ｍ／ｓより小さい場合には、噴霧分割数ｎを多く形成してある。

図４を参照して本発明の第３の実施形態における群噴孔ノズル１０Ｂについて詳述する。本実施形態においては、ピストン３０Ｂの頂面３１Ｂのリップ開口部３３Ｂの外周の一部を窪ませた溝部３５Ｂが形成されており、スキッシュ速度Ｖ_ＳＱＢがさらに弱まった機関に用いられる群噴孔ノズル１０Ｂの諸元の最適化を図っている。なお、溝部３５Ｂの開口径φＤ_ＣＡＶは、リップ開口径φＤ_Ｒｉｐよりも大きくボア径φＤ_Ｂｏｒよりも小さく形成されている。

本実施形態においては、噴孔１０１Ｂと噴孔１０２Ｂとは開き角となるようにθ_１０１Ｂとθ_１０２Ｂとの差即ちθ_１Ｂが０より小さくなっている。
また、噴孔１０１Ｂと噴孔１０２Ｂとの間にはひねり角を形成してあり、θ_２Ｂは０以上となっている。
このような構成とすることによって、噴孔１０１Ｂから噴出する燃料と噴孔１０２Ｂから噴出する燃料とは１条の噴霧を形成しつつも、広い噴霧角度を形成しながら窪み部３２Ｂ内に噴射される。

また、本実施形態において、群噴孔の噴霧分割数ｎは、上記式３を満たしており、図４(ｃ)に示すように角度θ_３Ｂを設けて複数列形成されている。
本実施形態においても、最大スキッシュ速度ｍａｘ｜Ｖ_ＳＱ｜が４０ｍ／ｓより小さいので、噴霧分割数ｎを多く形成してある。
なお、溝部３５Ｂに換えて、ピストン頂面の吸気バルブ又は排気バルブに対抗する位置にバルブリセスが形成してある場合においても、本実施形態と同様のノズル諸元が適用できる。

図５を参照して本発明の第４の実施形態における群噴孔ノズル１０Ｃについて詳述する。本実施形態においては、最大スキッシュ速度ｍａｘ｜Ｖ_ＳＱ｜が４０ｍ／ｓ以上で、上記第１の実施形態における窪み部３２に換えてピストン３０Ｃの頂面３１Ｃに設けた窪みの内周壁にポケット部３２ｃを設けてある。ポケット部３２Ｃ内に閉じこめられる渦流を強化し、圧縮空気と燃料との混合を良好にし、さらに燃焼効率を向上させることもできる。本実施形態においては、最大スキッシュ速度ｍａｘ｜Ｖ_ＳＱ｜が４０ｍ／ｓ以上であるので、群噴孔ノズル１０Ｃについては、上記第１の実施形態と同様の諸元を適用することができる。

図６は、特性の異なる機関Ａ、機関ＢのＴＤＣ近傍におけるスキッシュ速度の変化を示す特性図である。燃焼後期において、影響を与えるのは、ＡＴＤＣ１０度付近にピークが発生する逆スキッシュであり、この速度の絶対値の最大値によって機関の特性を分類し、これに応じて群噴孔ノズルの諸元を決定した点が本発明の最大の特徴である。

図７を参照して、本発明の効果について説明する。
図７(ａ)は、本発明の効果を確認するために用いた機関の出力特性を示す特性図であり、本図中ａ、ｂで示した条件で燃焼試験を行った。
本図（ｂ）は、従来の群噴孔を形成しない多噴孔ノズルを用いた場合を比較例１とし、従来の群噴孔ノズルを用いた場合を比較例２としてＮＯｘとスモーク特性とのトレードオフの関係を示す特性図である。比較例１に比べ比較例２は燃焼効率が向上し、スモーク特性が僅かながら向上しているが、ＮＯｘの発生とスモークの発生とは、二律背反の関係にあり、両立が困難であることわかる。
本図（ｃ）は、本発明の効果を示し、条件ａにおける本発明に群噴孔ノズルを用いた結果を実施例１として示し、条件ｂにおける本発明に群噴孔ノズルを用いた結果を実施例２として示し、条件ａにおける従来ノズルを用いた場合の試験結果を比較例３とし、条件ｂにおける従来ノズルを用いた場合の試験結果を比較例４として示す。
ａ、ｂいずれの条件においても、機関のスキッシュ速度に応じて諸元を最適化した本発明の群噴孔ノズルを用いることによって、ＮＯｘを抑制しつつ、ＰＭの発生も抑制するスモーク特性の良い燃料噴射が実現できることが判明した。

さらに、図８に、本発明の効果を検証した結果を示す。本図(ａ)は、機関Ａに本発明に群噴孔ノズルを適用した場合のスモークメリットの実測値と理論値とのズレを示し、本図（ｂ）は、機関Ｂに本発明に群噴孔ノズルを適用した場合のスモークメリットの実測値と理論値とのズレを示す。
機関Ａ、Ｂいずれの場合も、本発明の群噴孔ノズルを用いることによってスモーク特性を向上させることができることが判明した。

図９に、本発明の群噴孔ノズルを用いた場合の諸元を変化させた時の噴霧の性状の違いを示す。本図（ａ）に示すように、閉じ角及びひねり角を設けて群噴孔を形成した場合、貫徹力が高く、開き角を設けて群噴孔を形成した場合には、貫徹力が低くなる。
また、本図（ｂ）に示すように、開き角及び、ひねり角を設けて群噴孔を形成した場合に噴霧角が広くなり、閉じ角を設けて群噴孔を形成した場合に噴霧角が狭くなる。
さらに、本図（Ｃ）に示すように、閉じ角及びひねり角を設けて群噴孔を形成した場合に噴霧の粒径は小さくなり、開き角を設けて群噴孔を形成した場合に噴霧の粒径は大きくなる。

本発明の群噴孔ノズル選定方法の概要を示すフローチャート。本発明の第１の実施形態における群噴孔ノズルの概要を示し、（ａ）は、機関との関係を示す要部断面図、（ｂ）は群噴孔ノズルの諸元を示す要部断面図、（ｃ）は群噴孔ノズルの諸元を示す平面図。本発明の第２の実施形態における群噴孔ノズルの概要を示し、（ａ）は、機関との関係を示す要部断面図、（ｂ）は群噴孔ノズルの諸元を示す要部断面図、（ｃ）は群噴孔ノズルの諸元を示す平面図。本発明の第３の実施形態における群噴孔ノズルの概要を示し、（ａ）は、機関との関係を示す要部断面図、（ｂ）は群噴孔ノズルの諸元を示す要部断面図、（ｃ）は群噴孔ノズルの諸元を示す平面図。本発明の第４の実施形態における群噴孔ノズルの概要を示し、（ａ）は、機関との関係を示す要部断面図、（ｂ）は群噴孔ノズルの諸元を示す要部断面図、（ｃ）は群噴孔ノズルの諸元を示す平面図。機関のＴＤＣ近傍におけるスキッシュ速度の変化を示す特性図。（ａ）は試験条件を示す特性図、（ｂ）は従来のスモークとＰＭとの関係を示す特性図、（ｃ）は、本発明の効果を比較例とともに示す特性図。本発明の理論値と実測値との整合性を示す特性図。本発明の群噴孔ノズルの諸元の影響を示し、(ａ)は貫徹力に対する効果を示す特性図、（ｂ）は噴霧角に対する効果を示す特性図、（ｃ）は、平均粒径に対する効果を示す特性図。従来の群噴孔ノズルの問題点を示し、（ａ）は、機関Ａに用いた場合のスモーク特性を示す特性図、（ｂ）は、機関Ｂに用いた場合のスモーク特性を示す特性図。

符号の説明

１０群噴孔ノズル
１０１、１０２噴孔
２０シリンダヘッド
３０ピストン
３１ピストン頂面
３２窪み部
３３リップ部
４０シリンダ
φＤ_Ｂｏｒボア径
φＤ_Ｒｉｐリップ部開口径
Ｈ（ｔ）時刻ｔにおけるピストン頂面とシリンダヘッド下面との距離
Ｖ_ＳＱスキッシュ速度

Claims

筒状のシリンダ内を摺動するピストンの頂面に設けた窪みによってピストンとシリンダヘッドとの間に燃焼室を形成し、上記ピストンによって圧縮状態となった上記燃焼室内の空気に、高圧に蓄圧した燃料を直接噴射して、圧縮熱によって混合気を着火し燃焼、爆発させて動力を得る燃料直噴式ディーゼル燃焼機関に用いられ、複数の噴孔によって構成した群噴孔から噴射される燃料を１条の噴霧を形成して噴射せしめる群噴孔ノズルであって、上記ピストンのボア径をφＤ_Ｂｏｒとし、上記燃焼室に設けた窪みのリップ部の開口径をφＤ_Ｒｉｐとし、時刻ｔにおける上記ピストンの頂面と上記シリンダヘッド下面との距離をＨ（ｔ）とし、時刻ｔにおける距離Ｈ（ｔ）の時間微分をｄＨ（ｔ）／ｄｔとした時、下記式１によって表されるスキッシュ速度Ｖ_ＳＱの絶対値の最大値、即ち、最大スキッシュ速度ｍａｘ｜Ｖ_ＳＱ｜が４０ｍ／ｓ以上である機関において、
上記群噴孔ノズルの噴霧分割数ｎが下記式２の関係を満たすことを特徴とする群噴孔ノズル。
筒状のシリンダ内を摺動するピストンの頂面に設けた窪みによってピストンとシリンダヘッドとの間に燃焼室を形成し、上記ピストンによって圧縮状態となった上記燃焼室内の空気に、高圧に蓄圧した燃料を直接噴射して、圧縮熱によって混合気を着火し燃焼、爆発させて動力を得る燃料直噴式ディーゼル燃焼機関に用いられ、複数の噴孔によって構成した群噴孔から噴射される燃料を１条の噴霧を形成して噴射せしめる群噴孔ノズルであって、上記ピストンのボア径をφＤ_Ｂｏｒとし、上記燃焼室に設けた窪みのリップ部の開口径をφＤ_Ｒｉｐとし、時刻ｔにおける上記ピストンの頂面と上記シリンダヘッド下面との距離をＨ（ｔ）とし、時刻ｔにおける距離Ｈ（ｔ）の時間微分をｄＨ（ｔ）／ｄｔとした時、上記式１によって表されるスキッシュ速度Ｖ_ＳＱの絶対値の最大値、即ち、最大スキッシュ速度ｍａｘ｜Ｖ_ＳＱ｜が４０ｍ／ｓより低い機関において、
上記群噴孔ノズルの噴霧分割数ｎが下記式３の関係を満たすことを特徴とする群噴孔ノズル。
上記群噴孔を構成する複数の噴孔は、その中心軸が交差する閉じ角をなして設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の群噴孔ノズル。
上記群噴孔を構成する複数の噴孔は、その中心軸が平行又は開き角をなして設けたことを特徴とする請求項２に記載の群噴孔ノズル。
上記群噴孔を構成する複数の噴孔は、その中心軸が水平方向に対して広がりを有したひねり角をなして設けたことを特徴とする請求項２又は３に記載の群噴孔ノズル。
筒状のシリンダ内を摺動するピストンの頂面に設けた窪みによって、ピストンとシリンダヘッドとの間に燃焼室を形成し、ピストンによって圧縮状態となった該燃焼室内の空気に、高圧燃料を直接噴射して、圧縮熱によって混合気を着火し燃焼、爆発させて動力を得る燃料直噴式ディーゼル燃焼機関の燃焼室特性を上記式１によってあらわされるスキッシュ速度Ｖ_ＳＱの絶対値の最大値、即ち、最大スキッシュ速度ｍａｘ｜Ｖ_ＳＱ｜と所定の閾値とを比較し、
該最大値が上記閾値以上である場合には、噴霧分割数ｎを少なく設定し、
上記最大値が上記閾値より小さい場合には、噴霧分割数ｎを多く設定することを特徴とする群噴孔ノズルの設計諸元の選定方法。