JP2010112347A - 直接噴射式ディーゼル内燃機関用のピストン - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、燃焼室の容積をできる限り維持しつつ、膨張行程でスキッシュエリアへ十分な酸素を供給できる直接噴射式ディーゼル内燃機関用のピストンを提供する。
【解決手段】ピストン１は、噴孔Ｈから噴射した勢いで燃料を霧化する燃料噴射ノズルＮに対応した燃焼室１０を頂部１ａに有した直接噴射式ディーゼル内燃機関用のピストンである。このピストン１は、燃焼室１０よりも外側の頂部１ａに燃焼室１０と独立して凹設された環状溝２０を有する。環状溝２０の容積は、燃焼室１０および環状溝２０を足し合わせた容積の１０％以下にする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、頂部に設けられた燃焼室の外周部に改良を施してスモークの発生を低下させる、直接噴射式ディーゼル内燃機関用のピストンに関する。

頂部に燃焼室が凹設されたディーゼル内燃機関用のピストンが特許文献１に開示されている。このピストンは、燃焼室の外周を囲う環状溝を有している。そして、膨張行程においてシリンダヘッドとピストンの頂部との隙間（スキッシュエリア）に環状溝から空気を供給することによって、燃焼効率を改善している。このとき、排気中のＮＯｘ濃度を低下させるために、燃料の噴射時期を遅延させても、燃焼効率が低下しないことを開示している。
特開昭５７−１８１９２６号公報

しかしながら、燃焼室の外周に環状溝を設けると、燃焼室の圧縮比が低下してしまう。そのため、圧縮比を維持するためには、環状溝を設けた分だけ燃焼室の容積を縮小する必要がある。しかし、燃焼室の容積を縮小すると、燃焼室内の空気が不足して燃焼条件が悪くなるため、燃焼室での燃焼効率が低下する。また、圧縮行程で噴射された燃料噴霧が環状溝内に侵入すると、環状溝に確保した空気中の酸素が燃焼初期で消費されてしまう。したがって、環状溝を単に設ければよいというものでもない。

そこで、本発明は、燃焼室の容積をできる限り維持しつつ、膨張行程でスキッシュエリアへ十分な酸素を供給できる直接噴射式ディーゼル内燃機関用のピストンを提供する。

本発明に係るピストンは、噴孔から噴射した勢いで燃料を霧化する燃料噴射ノズルに対応した燃焼室を頂部に有した直接噴射式ディーゼル内燃機関用のピストンである。このピストンは、燃焼室よりも外側の頂部に燃焼室と独立して凹設された環状溝を有する。環状溝の容積は、燃焼室および環状溝を足し合わせた容積の１０％以下、好ましくは、１〜７％にする。また、環状溝の内周側の側壁が頂面に対して成す角度は、鋭角にする。または、このピストンの半径方向に環状溝の開口幅は、環状溝の底壁の幅よりも小さくする。または、このピストンの半径方向に前記環状溝の開口幅は、燃焼室の外周縁から頂部の外周までの距離の１／３以下にすることも好ましい。または、このピストンの半径方向に環状溝の開口幅の中心は、燃焼室の外周縁から頂部の外周までの距離の半分の位置よりも燃焼室寄りに設ける。

本発明のピストンによれば、環状溝の容積を、燃焼室および環状溝を足し合わせた容積の１０％以下にすることで、一回の燃焼で発生する煤の量を増やすことなく、スキッシュエリアで発生する煤の量を減らすことができる。また、環状溝の容積を、燃焼室および環状溝を足し合わせた容積の１〜７％にすると、全体で発生する煤の量を減らすことができ、かつ、スキッシュエリアで発生する煤の量も減らすことができる。

環状溝の内周側の側壁が頂面に対して成す角度を鋭角にしたピストンの場合、圧縮行程中に燃料噴射ノズルから噴射された燃料噴霧がスキッシュエリアに拡散されても環状溝に侵入しにくい。環状溝に十分な酸素を有した空気を溜めておくことができるため、膨張行程でスキッシュエリアへ十分な酸素を供給することができる。その結果、スキッシュエリアの燃焼効率が向上し、スモークの発生量が少なくなる。

ピストンの半径方向に環状溝の開口幅を、環状溝の底壁の幅よりも小さくした、あるいは、燃焼室の外周縁から頂部の外周までの距離の１／３以下にしたピストンの場合、環状溝内に空気を保持しやすい。環状溝の開口幅の中心を燃焼室の外周縁から頂部の外周までの距離の半分の位置よりも燃焼室寄りにしたピストンの場合、膨張行程でスキッシュエリアに吸い出される燃焼ガスに対して早い段階で環状溝から空気を供給することができる。その結果、燃焼ガスがスキッシュエリアに拡がる前に可燃性の中間生成物（ＣＯ，ＨＣ，シアン等）やスモーク成分（Ｃ）を燃焼させることができるため、煤の発生量を抑えることができる。

本発明に係る第１の実施形態のピストン１は、直接噴射式ディーゼル内燃機関用のピストンであって、図１から図３を参照して説明する。図１に示すように、ピストン１は、頂部１ａに燃焼室１０および環状溝２０を有している。燃焼室１０は、噴孔Ｈから噴射した勢いで燃料を霧化する燃料噴射ノズルＮに対応した形状である。環状溝２０は、燃焼室１０よりも外側の位置にこの燃焼室１０と独立して凹設されている。

燃料噴射ノズルＮは、図１に示すように、ピストン１の中心線Ｃと同軸に配置されており、燃料を半径方向へ噴射する複数の噴孔Ｈ、本実施形態では６つの噴孔Ｈを先端の周囲に等配に有している。燃焼室１０の周壁１１は、この燃料噴射ノズルＮの各噴孔Ｈから噴射された燃料がその勢いで霧化する距離に設けられている。周壁１１の上側部分は、ピストン１の頂面Ｔに対して鋭角を成す。つまり、燃焼室１０は、いわゆるリエントラント形の燃焼室１０である。燃焼室１０の底壁１２は、中央部分が燃料噴射ノズルＮに向かって突出する円錐形状であり、ピストン１の中心線Ｃを通る断面において周壁１１となだらかな円弧形状で接続されている。

環状溝２０は、燃焼室１０および燃料噴射ノズルＮと同様にピストン１の中心線Ｃと同軸に配置されている。ピストン１の半径方向にこの環状溝２０の開口幅Ｗは、燃焼室１０の外周縁１３からピストン１の頂部１ａの外周までの距離、いわゆるスキッシュエリア１４の幅の１／３以下である。また、環状溝２０の開口幅Ｗの中心Ｋは、スキッシュエリア１４の幅の半分の位置Ｌよりも燃焼室１０寄りになるように設けられる。

本実施形態の燃焼室１０と同じ形状の燃焼室のみを頂部１ａに有し環状溝２０が形成されていないピストン１の場合、燃料噴射ノズルＮから噴射された燃料のうち約９０％が燃焼室１０で燃焼し、残りの約１０％がピストン１の頂面Ｔとシリンダヘッド２の下面２ａとの間に作られるスキッシュエリア１４で燃焼することが解析などによって判明した。したがって、スキッシュエリア１４で必要となる空気量もまた燃焼室１０を足し合わせた全体の空気量の１０％であると見積もると、環状溝２０に確保すべき空気量は、多くとも１０％であることが分かる。そこで、本実施形態では、環状溝２０の容積は、燃焼室１０および環状溝２０を足し合わせた総容積の１０％以下にしている。

以上のように構成されたピストン１において、圧縮行程で燃料噴射ノズルＮから燃料が噴射されると、図１に示すように、霧化した燃料噴霧Ｍのほとんどは、燃焼室１０の周壁１１によって燃焼室１０の中心側に戻るように拡散される。そして、燃料噴霧Ｍの一部は、燃焼室１０の外周縁１３を越えて外側のスキッシュエリア１４に拡散される。

ピストン１は、燃料噴射ノズルＮから噴射された燃料のうちスキッシュエリア１４で燃焼される燃料に見合った酸素量を含む空気を環状溝２０に確保しているので、スキッシュエリア１４に発生する煤量を減らすことができる。また、必要以上に環状溝２０を大きくしていないので、燃焼室１０の容積を極端に減らすことも無い。

燃焼室１０と環状溝２０を足し合わせた総容積に対する環状溝２０の容積の割合と、燃焼室１０に発生する煤量Ａ１、および、スキッシュエリア１４に発生する煤量Ａ２の関係を図３に示す。また、図３には煤量Ａ１と煤量Ａ２を足し合わせたものを一回の燃焼でシリンダ３内に発生する総煤量Ａ３として示した。

図３によれば、スキッシュエリア１４で燃焼される燃料噴霧Ｍの量に相当する容積比率である総容積の１０％に環状溝２０の容積を近づけることで、スキッシュエリア１４に発生する煤量Ａ２がゼロに近づくことが分かる。これとは反対に環状溝２０の容積比率が大きくなる、すなわち燃焼室１０の容積比率が小さくなると、燃焼室１０内に発生する煤量Ａ１が増加することが分かる。

そして、一回の燃焼でシリンダ３内に発生する総煤量Ａ３として評価した場合、総容積に対して環状溝２０の容積比率が３〜４％で最も総煤量Ａ３が少なくなっている。特に、総容積に対して環状溝２０の容積比率が１〜７％の範囲である場合に、環状溝２０を設けたことによる総煤量Ａ３の減量効果が現れている。なお、スキッシュエリア１４に発生する煤量Ａ２は、ピストンリング４の固着や潤滑オイルの劣化などの原因になるので、極力少ないほうが良い。このことを考慮すると、総容積に対する環状溝２０の容積比率は、４〜７％であることが好ましいと考えられる。

以下、ピストン１の半径方向に環状溝２０の断面形状が異なる本発明に係る第２から第６の実施形態のピストン１は、それぞれ図４から図８を参照して説明する。各実施形態において、環状溝２０の断面形状以外は、第１の実施形態のピストン１と同じであるので、同じ機能を有する構成は、各図中において同一の符号を付してその説明を省略する。

本発明に係る第２の実施形態のピストン１は、図４を参照して説明する。ピストン１の中心線Ｃを通る断面において、この実施形態のピストン１は、環状溝２０の断面形状が第１の実施形態のピストン１と異なっている。このピストン１の環状溝２０において、内周側の側壁２１がピストン１の頂面Ｔに対して成す角度αは、鋭角である。また、環状溝２０の外周側の側壁２２は、頂面Ｔに対して直角に設けられている。したがって、ピストン１の半径方向に環状溝２０の開口幅Ｗは、環状溝２０の底壁２３の幅よりも小さい。

内周側の側壁２１がピストン１の頂面Ｔに対してなす角度αを鋭角に設けた環状溝２０を有するピストン１は、圧縮行程において、燃料噴霧Ｍの一部がスキッシュエリア１４に拡がったとしても、燃料噴霧Ｍが環状溝２０内に侵入しにくい。つまり、膨張行程まで環状溝２０内に空気が確保されやすい。したがって、燃焼室１０と環状溝２０を足し合わせた総容積に対して環状溝２０の容積比率を小さ目に設定しても、スキッシュエリア１４で燃焼される燃料比率に応じた酸素量に必要な空気を環状溝２０に確保しておくことができる。その結果、燃焼室１０の容積比率を大きいままに維持できるので、燃焼室１０内に発生する煤量Ａ１も少なくなる。

本発明に係る第３の実施形態のピストン１は、図５を参照して説明する。この実施形態におけるピストン１の環状溝２０は、内周側の側壁２１および外周側の側壁２２の両方ともがピストン１の頂面Ｔに対して鋭角に設けられている。上記構成を有したピストン１は、第２の実施形態と同様に圧縮行程中に噴霧された燃料噴霧Ｍが環状溝２０に入りにくい。燃焼後期の膨張行程において、未燃燃料、燃焼ガス中の可燃性中間生成物、スモーク成分などに対して環状溝２０から空気を供給し、燃焼を促進させることができる。したがって、他の実施形態と同様にスキッシュエリア１４において発生する煤量Ａ２が減る。

本発明に係る第４の実施形態のピストンは、図６を参照して説明する。この実施形態におけるピストン１の環状溝２０は、内周側の側壁２１がピストン１の頂面Ｔに対して鋭角を成し、外周側の側壁２２がピストン１の頂面Ｔに対して鈍角を成している。内周側の側壁２１と外周側の側壁２２は、下端で接合されている。つまり、この環状溝２０の断面形状は、図６に示すようにＶ字形である。この環状溝２０を有したピストン１は、先の実施形態のピストン１と同様に、燃料噴霧Ｍがスキッシュエリア１４に拡散されても、空気を環状溝２０に確保しやすい。

本発明に係る第５の実施形態のピストン１は、図７を参照して説明する。この実施形態におけるピストン１の環状溝２０は、底壁２３が図７に示すように丸く形成されている。側壁２１，２２と底壁２３との接合部にコーナ部が作られないため、環状溝２０に取り込まれた空気を膨張行程でよどみなく排出することができる。

本発明に係る第６の実施形態のピストン１は、図８を参照して説明する。この実施形態におけるピストン１の環状溝２０は、ピストン１の中心線Ｃに対して同心円状に複数、本実施形態では３重に形成されている。燃焼室１０寄りに設けられた環状溝２０が最もその容積が大きく、外周側の環状溝２０になるにつれて容積が小さくなるように形成されている。また、各々の環状溝２０の容積および開口位置も加味した場合の環状溝２０の全開口幅の中心Ｋは、スキッシュエリア１４の幅の半分の位置Ｌよりも燃焼室１０寄りである。

このように環状溝２０を分散して設けることで、それぞれの開口幅Ｗを小さくし、燃料噴霧Ｍが進入することを抑えることができる。また、３重に環状溝２０を有していることによって、膨張行程で燃焼室１０側からスキッシュエリア１４に拡がってくる燃焼ガスに対して段階的に新しい空気を供給することができる。つまり、燃焼室１０で燃焼しきらなかった燃料噴霧Ｍや可燃性中間生成物、スモーク成分に対して、まず最内周の環状溝２０から空気を供給する。さらにそれによって燃焼しきらなかったものに対して２番目の環状溝２０から空気が供給される。最後に最外周の環状溝２０から空気が供給されることとなる。このように、膨張行程で燃焼室１０側からスキッシュエリア１４に拡散されてくる燃料噴霧Ｍの未燃成分などに対して新鮮な空気を順番に供給することで、スキッシュエリアでの燃焼効率を高め、煤の発生量を少なくすることができる。

本発明に係る第１の実施形態のピストンの頂部とその周辺を示す断面図。 図１に示したピストンの平面図。 燃焼室と環状溝を足し合わせた容積に対する環状溝の容積の割合と発生するすす重量の関係を示す図。 本発明に係る第２の実施形態のピストンの環状溝の断面図。 本発明に係る第３の実施形態のピストンの環状溝の断面図。 本発明に係る第４の実施形態のピストンの環状溝の断面図。 本発明に係る第５の実施形態のピストンの環状溝の断面図。 本発明に係る第６の実施形態のピストンの環状溝の断面図。

符号の説明

１…ピストン、１ａ…頂部、１０…燃焼室、１３…外周縁、２０…環状溝、２１…（内周側の）側壁、２２…（外周側の）側壁、Ｈ…噴孔、Ｋ…（開口幅の）中心、Ｌ…（半径方向にスキッシュエリアの幅の半分の）位置、Ｎ…燃料噴射ノズル、Ｔ…頂面、Ｗ…開口幅、α…環状溝の内周側の側壁が頂面に対してなす角度。

Claims (6)

1. 噴孔から噴射した勢いで燃料を霧化する燃料噴射ノズルに対応した燃焼室を頂部に有した直接噴射式ディーゼル内燃機関用のピストンであって、
   前記燃焼室よりも外側の前記頂部に前記燃焼室と独立して凹設された環状溝を有し、
   前記環状溝の容積は、前記燃焼室および前記環状溝を足し合わせた総容積の１０％以下であることを特徴とするピストン。
2. 請求項１に記載されたピストンにおいて、
   前記環状溝の容積は、前記燃焼室および前記環状溝を足し合わせた総容積の１〜７％であることを特徴とする。
3. 請求項１または請求項２に記載されたピストンにおいて、
   前記環状溝の内周側の側壁が頂面に対して成す角度が鋭角であることを特徴とする。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載されたピストンにおいて、
   このピストンの半径方向に前記環状溝の開口幅は、前記環状溝の底壁の幅よりも小さいことを特徴とする。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載されたピストンにおいて、
   このピストンの半径方向に前記環状溝の開口幅は、前記燃焼室の外周縁から前記頂部の外周までの距離の１／３以下であることを特徴とする。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載されたピストンにおいて、
   このピストンの半径方向に前記環状溝の開口幅の中心は、前記燃焼室の外周縁から前記頂部の外周までの距離の半分の位置よりも前記燃焼室寄りに設けることを特徴とする。

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