(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジン1(内燃機関の一例,以下単にエンジン1という)について説明する。
【0012】
図1に示すように、エンジン1は、シリンダブロック2とシリンダヘッド3を備えている。シリンダブロック2の上側半部はシリンダ部10に相当し、上下方向に延びる円形状の穴部11が形成されている。この穴部11には、ピストン12が往復移動可能な状態で収納される。穴部11の下端(すなわちピストン12の下死点側の端)はクランクケース部20に接続されている。一方、穴部11の上端(すなわちピストン12の上死点側の端)に連通して凹部13が形成されている。凹部13は、ピストン12の頂面12aやシリンダヘッド3の下面3aと共に燃焼室Xを形成する。なお、凹部13については、燃焼室Xと共に後で説明する。
【0013】
クランクケース部20には、クランクシャフト21が回転可能な状態で配置されている。クランクシャフト21が備えるクランクピン22には、コンロッド23の下端が回転可能な状態で取り付けられている。コンロッド23の上端は、ピストン12が備えるピストンピン12bに回転可能な状態で取り付けられている。クランクケース部20の上端には、オイル流路24から供給されたオイルを上方に向けて噴射するオイルジェット25が設けられている。オイルジェット25から噴射されたオイルは、ピストン12の内部に形成されたクーリングチャンネル12c(
図2を参照)に流入され、ピストン12の冷却に使用される。また、シリンダ部10における凹部13の周囲には、冷却水等の冷媒が流れる冷媒流路14が設けられている。
【0014】
シリンダヘッド3には、吸気ポート31と排気ポート32が形成されている。吸気ポート31は新気を導入する流路であり、排気ポート32は排気を排出する流路である。吸気ポート31の出口は、シリンダヘッド3の下面3aにおけるピストン12の直上位置に開口されている。排気ポート32の入口は、吸気ポート31の出口と同様に、シリンダヘッド3の下面3aにおけるピストン12の直上位置に開口されている。
【0015】
吸気ポート31には吸気バルブ33が配置され、排気ポート32には排気バルブ34が配置されている。具体的には、吸気バルブ33の傘部が吸気ポート31の出口に配置され、排気バルブ34の傘部が排気ポート32の入口に配置されている。吸気バルブ33及び排気バルブ34には、それぞれの軸部に設けられたバルブスプリング35によって上向きの力が加えられている。吸気カム36及び排気カム37のカムプロフィールに従ってロッカーアーム38が揺動すると、吸気バルブ33や吸気バルブ33は、ロッカーアーム38の揺動に応じて上下方向に移動する。すなわち、吸気バルブ33や吸気バルブ33は、ピストン12の上下方向の往復移動に連動して開閉される。
【0016】
吸気バルブ33と排気バルブ34の間にはインジェクタ41が配置されている。インジェクタ41は、燃料を燃焼室X内に噴射する部材であり、燃焼室X内に配置された先端部には噴射孔42が形成されている。本実施形態では、5個の噴射孔42が周方向に等角度間隔(72度間隔)で形成されている。これにより、インジェクタ41からは5方向に向けて燃料が噴射される(
図4を参照)。なお、噴射孔42の形成数は、5個に限らず任意の数に設定できる。例えば、7個の噴射孔42を設けて7方向に燃料を噴射させてもよいし、10個の噴射孔42を設けて10方向に燃料を噴射させてもよい。
【0017】
次に、燃焼室Xについて詳細に説明する。
図2に示すように、第1実施形態の燃焼室Xは、シリンダブロック2に形成された凹部13と、ピストン12と、シリンダヘッド3によって形成されている。この燃焼室Xの容積は、凹部13を備えずに穴部11の上端部に形成された一般的な燃焼室の容積と同じである。言い換えれば、第1実施形態の燃焼室Xと一般的な燃焼室は同じ圧縮比である。
【0018】
凹部13は、ピストン12が往復移動する穴部11の縁よりも外周方向(穴部11の半径方向)に拡大された形状とされ、底面13aと側面(周面)13bによって形成されている。
【0019】
底面13aは、平面方向から見て穴部11を中心とするリング形状に設けられている。図示の例において、底面13aは、内周縁から外周縁へ下る傾斜面によって形成されている。第1実施形態では、ピストン12の頂面12aが高さの低い円錐形状に形成されており、凹部13の底面13aもピストン12の頂面12aと同じ傾斜角度の傾斜面とされている。これにより、ピストン12が上死点に位置した際に、ピストン12の頂面12aと凹部13の底面13aが一連の傾斜面(円錐面)を形成する。
【0020】
側面13bは、底面13aから上方へ離隔する程に底面13aの外周縁から内周側に立ち上がる傾斜面として構成されている。すなわち、側面13bは、シリンダヘッド3へ近づくほどに縮径するテーパー面(折り返し面)になっている。
【0021】
穴部11よりも外周方向に拡大された凹部13を形成したことから、
図3に示すように、インジェクタ41の中心から底面13aの外周縁までの距離L2が、インジェクタ41から穴部11の内壁面までの距離L1よりも長くなり、インジェクタ41の中心から側面13bの内周縁までの距離L3も距離L1より長くなる。これにより、
図4に示すように、5方向に噴射された燃料F同士が衝突するまでの距離を確保でき、燃料Fを十分に拡散させることができる。また、凹部13の側面13bへ直接衝突する燃料Fの量を抑えることもできる。
【0022】
さらに
図5に示すように、ピストン12が上死点に位置した場合に、ピストン12の面方向中心から凹部13の外周縁に至る燃焼室Xの底面(ピストン12の頂面12a,凹部13の底面13a)が下り傾斜面となる。このため、燃焼室Xは、外周側に向かうほどに深くなる空間となる。そして、インジェクタ41は、側面13bにおける高さ方向の中央に向けて燃料Fを噴射させる。従って、噴射孔42から噴射された燃料Fが上下方向へ拡がっても、燃焼室Xの底面や燃焼室Xの天井面(シリンダヘッド3の下面3a)へ直接衝突する燃料Fの量を抑えることができる。加えて、側面13bが底面13aに対する折り返し面となっていることから、噴射された燃料Fは側面13bや底面13aに沿って流れ、円滑に向きを変える。その結果、燃料Fと空気を均一に混合させ易くなり、過剰燃料領域の発生を抑制できる。
【0023】
以上説明したように、第1実施形態のエンジン1では、シリンダブロック2に、ピストン12が往復移動される穴部11と、穴部11におけるピストン12の上端部(上死点側端部)でこの穴部11と連通され、穴部11よりも外周方向に拡大された形状の凹部13を形成している。そして、シリンダヘッド3の下面3aと、ピストン12の頂面12aと、凹部13の底面13a及び側面13bとによって燃焼室Xを形成している。さらに、インジェクタ41は、燃焼室Xに噴射孔42が臨むように配置されており、噴射孔42から燃焼室Xに燃料Fを噴射している。
【0024】
このため、燃焼室Xの形状に対する自由度が高められ、噴射された燃料Fを燃焼室Xで十分に拡散させることができ、かつ、燃焼室Xの側面13b、底面13a、及び天井面(下面3a)へ直接衝突する燃料Fの量を抑えることができる。その結果、燃焼室X内における燃料濃度を均等化でき、スート、一酸化炭素、未燃燃料の生成を抑制できる。また、燃焼室Xを、一般的な形状の燃焼室よりも浅く、面方向に拡がった形状にできるため、拡散途中の燃料Fに火炎が接触し難くなり、効率よく燃料Fを燃焼させることができる。
【0025】
また、第1実施形態における燃焼室Xに関し、平面方向に見て円形であり、外周側に向かうにつれて深くなる形状であるため、噴射孔42から噴射された燃料Fが外周側に向かうにつれて上下方向に拡がっても、天井面や底面13aに直接衝突する燃料Fの量を抑えることができ、燃焼室X内に噴射された燃料Fの濃度を均等化できる。
【0026】
また、ピストン12に関し、頂面12aが高さの低い円錐形状とされているので、高温や高圧下においても十分な強度を確保できる。加えて、シリンダブロック2における凹部13の周囲に、冷媒が流れる冷媒流路14が設けられている。シリンダブロック2は、エンジン1を構成する部品群の中で体積の大きな部品であることから、エンジン1の強度を損なうことなく必要な冷却能力が容易に得られる。
【0027】
次に、本発明の第2実施形態に係るエンジン1について説明する。第2実施形態のエンジン1では、凹部13における側面13bの形状が第1実施形態のエンジン1と相違している。このため以下では、相違点に関する部分について説明し、共通部分についての説明を省略する。
【0028】
図6に示すように、第2実施形態の燃焼室Xもまた、シリンダブロック2に形成された凹部13と、ピストン12と、シリンダヘッド3によって形成されている。第2実施形態においても、燃焼室Xの容積は、一般的な燃焼室の容積と同じである。
【0029】
凹部13は、ピストン12が往復移動する穴部11よりも外周方向に拡大された形状とされ、底面13aと側面13bによって形成されている。
【0030】
底面13aは、平面方向から見て穴部11を中心とするリング形状であり、内周縁から外周縁へ下る傾斜面によって形成されている。第2実施形態でも、ピストン12の頂面12aが高さの低い円錐形状に形成されており、凹部13の下面3aもピストン12の頂面12aと同じ傾斜角度の傾斜面とされている。
【0031】
側面13bは、底面13aから上方へ離隔する程に底面13aの外周縁から外周側に立ち上がる傾斜面として構成されている。すなわち、側面13bは、シリンダヘッド3へ近づくほどに拡径するテーパー面になっている。
【0032】
上記の凹部13を形成したことから、
図7に示すように、インジェクタ41の中心から側面13bの外周縁までの距離L5が、インジェクタ41から穴部11の内壁面までの距離L1よりも長くなる。これにより、噴射された燃料Fを十分に拡散させることができ、凹部13の側面13bへ直接衝突する燃料Fの量を抑えることもできる。
【0033】
さらに、ピストン12が上死点に位置した場合に、燃焼室Xは、外周側に向かうほどに深くなる空間となる。第2実施形態でも、インジェクタ41は、凹部13の側面13bにおける高さ方向の中央に向けて燃料Fを噴射させている。このため、噴射孔42から噴射された燃料Fが上下方向へ拡がっても、燃焼室Xの底面や燃焼室Xの天井面へ直接衝突する燃料Fの量を抑えることができる。
【0034】
このように、第2実施形態のエンジン1では、凹部13の側面13bがシリンダヘッド3へ近づくほどに拡径するテーパー面になっているため、噴射された燃料同士が衝突するまでの距離を確保でき、燃料Fを十分に拡散させることができる。また、凹部13の側面13bへ直接衝突する燃料Fの量を抑えることもできる。
【0035】
次に、本発明の第3実施形態に係るエンジン1について説明する。
図8に示すように、第3実施形態のエンジン1では、凹部13Aの形状が第1,2実施形態のエンジン1と相違している。このため以下では、相違点に関する部分について説明し、共通部分についての説明を省略する。
【0036】
インジェクタ41は、平面方向に見てピストン12の中心点の上方から燃焼室Xにおける周方向の所定角度範囲に燃料Fを噴射させる。
図8に示す例では、符号α1〜α5で示す5方向の噴射角度範囲に燃料Fを噴射させている。なお、第1実施形態で説明した通り、燃料噴射方向の数は任意に設定できる。
【0037】
凹部13Aは、第1,2実施形態と同様に穴部11の上端から上方に設けられている。そして、凹部13Aを平面方向から見た場合に、噴射角度範囲に属する第1部分15は、噴射角度範囲に属さない第2部分16よりも外周方向に膨出されている。このため、凹部13の側面13bを、外周方向に向けて凸状に湾曲している第1湾曲側面13cと、内周方向に向けて凸状に湾曲している第2湾曲側面13dによって構成している。すなわち、これらの第1湾曲側面13cと第2湾曲側面13dを交互に配置することで、第1部分15を第2部分16よりも外周方向に膨出させている。
【0038】
第3実施形態でも、燃焼室Xの容積は、第1,2実施形態の燃焼室Xと同様に、一般的な燃焼室の容積と同じである。このため、
図9に示すように、第1部分15についてはインジェクタ41の中心から側面13bの外周縁までの距離L6を確保でき、噴射された燃料Fを十分に拡散させることができる。一方、第2部分16については、必要な容積を小さく抑えることができるため、燃焼室Xの深さ(具体的にはピストン12が上死点に位置した場合における、ピストン12の頂面12aとシリンダヘッド3の下面3aとの間隔H1)を、第1,2実施形態における燃焼室Xの深さよりも広げることができる。その結果、吸気バルブ33や排気バルブ34のリフト範囲を拡げることができ、バルブ制御についての自由度が増す。
【0039】
次に、本発明の第4実施形態に係るエンジン1について説明する。第4実施形態のエンジン1では、インジェクタ41の配置が第1〜3実施形態のエンジン1と相違している。このため以下では、相違点に関する部分について説明し、共通部分についての説明を省略する。
【0040】
図10及び
図11に示すように、第4実施形態のインジェクタ41は横向きで用いられており、一対の噴射孔42が形成された先端部が、燃焼室Xにおける一側部に配置されている。これらの図に示す例において、インジェクタ41の先端部は、燃焼室Xにおける図中左側部に配置されており、各噴射孔42から燃焼室Xにおける図中右側部(穴部11を挟んだ他側部)へ向け、凹部13の底面13a、及び、上死点に位置するピストン12の頂面12aに沿って燃料Fを噴射させている。
【0041】
燃焼室Xを形成する凹部13Bは、直径方向における他側部の幅が一側部の幅よりも広くなるように形状が定められている。
図10に示すように、穴部11の右側半部において最も広い幅W2が、インジェクタ41が備える各噴射孔42の位置における凹部13の幅W1(インジェクタ41の軸方向と直交する方向の幅W1)よりも広くなるように、凹部13における平面方向の形状(底部の形状)が定められている。
【0042】
図11に示すように、凹部13Bの深さは、インジェクタ41の先端が配置される一側部から穴部11を挟んだ他側部に向かうにつれて深くなっている。すなわち、凹部13Bの下面13a及びピストン12の頂面12aは、一側部から他側部へ向けて下る傾斜面となっている。これに伴い、凹部13の側面13bも、一側部から他側部へ向かうほど下方向の距離が大きくなっている。
【0043】
インジェクタ41は、燃焼室Xにおける他側部の側面(凹部13の側面13b)に向けて燃料Fを噴射させる。燃焼室Xは、他側部に向かって横方向の幅が拡がっているので、噴射された燃料Fが横方向に拡がっても燃焼室Xの側面へ直接衝突する量を抑えることができる。同様に、燃焼室Xは、他側部に向かって深くなっているので、噴射された燃料Fが下方向に拡がっても、燃焼室Xの底面(凹部13の下面3a及びピストン12の頂面12a)へ直接衝突する量を抑えることができる。これにより、燃料Fと空気を均一に混合させ易くなる。
【0044】
従って、第4実施形態のエンジン1でも、噴射された燃料Fを燃焼室Xで十分に拡散させることができ、かつ、燃焼室Xの側面、底面、及び天井面へ直接衝突する燃料Fの量を抑えることができる。その結果、燃焼室X内における燃料濃度を均等化でき、スート、一酸化炭素、未燃燃料の生成を抑制できる。
【0045】
以上の実施形態の説明は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれる。
【0046】
例えば、或る実施形態に記載された技術要素を他の実施形態に適用してもよい。例えば、第3実施形態や第4実施形態における凹部13の側面13bを、第1実施形態のように折り返してもよいし、第2実施形態のように上方へ向けて拡開させてもよい。
【0047】
また、前述の各実施形態では、シリンダブロック2とシリンダヘッド3を備えるエンジン1を例示したが、この構成のエンジン1に限定されるものではない。ピストンと、ピストンが往復移動される穴部と、穴部の上端でこの穴部と連通される凹部を少なくとも備えるエンジンであればよい。