特開 2024-90955 副室式ディーゼルエンジン

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024090955

(43)【公開日】2024-07-04

(54)【発明の名称】副室式ディーゼルエンジン

(51)【国際特許分類】

   F02B 19/14 20060101AFI20240627BHJP

   F02F 3/26 20060101ALI20240627BHJP

【ＦＩ】

F02B19/14 C

F02B19/14 B

F02F3/26 C

F02F3/26 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022207174

(22)【出願日】2022-12-23

(71)【出願人】

【識別番号】000001052

【氏名又は名称】株式会社クボタ

(74)【代理人】

【識別番号】100087653

【弁理士】

【氏名又は名称】鈴江 正二

(72)【発明者】

【氏名】末廣 貴一

(72)【発明者】

【氏名】小林 泰

(72)【発明者】

【氏名】天呑 将成

(72)【発明者】

【氏名】高▲崎▼ 慧斗

【テーマコード（参考）】

3G023

【Ｆターム（参考）】

3G023AA02

3G023AA04

3G023AB05

3G023AC04

3G023AD02

3G023AD14

3G023AD22

3G023AD27

3G023AD28

3G023AD29

(57)【要約】

【課題】噴孔とリセスとの関係に着目してのさらなる鋭意研究により、燃焼速度を速めるなどによって燃焼状態の改善を図り、燃費やスモークの改善が可能となるように、より改良された副室式ディーゼルエンジンを提供する。
【解決手段】主燃焼室５と、主燃焼室５から偏心した箇所に設けられる副室６とが噴孔９を介して連通され、ピストン８の天井壁８Ａにおける噴孔９から主燃焼室５へ噴出される燃焼流が吹き付けられる箇所に受止めリセスＲが形成され、受止めリセスＲの平面視の形状は記燃焼流の流れ方向Ｑで下流側ほど横幅が大きくなる先拡がり形状に設定され、受止めリセスＲは、噴孔９に対応した噴孔対応ｆの深さｈがその他の箇所ｔよりも深く形成され、かつ、噴口対応箇所ｆは湾曲状に凹んでいる副室式ディーゼルエンジン。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

主燃焼室と、前記主燃焼室から偏心した箇所に設けられる副室とが噴孔を介して連通され、ピストンの天井壁における前記噴孔から前記主燃焼室へ噴出される燃焼流が吹き付けられる箇所に受止めリセスが形成され、
前記受止めリセスの平面視の形状は、前記燃焼流の流れ方向で下流側ほど横幅が大きくなる先拡がり形状に設定され、
前記受止めリセスは、前記噴孔に対応した噴孔対応箇所の深さがその他の箇所よりも深く形成され、かつ、前記噴口対応箇所は湾曲状に凹んでいる副室式ディーゼルエンジン。

【請求項2】

前記噴口対応箇所は、前記燃焼流の流れ方向に沿って上下に切った断面視で球面状又は円弧状に凹まされている請求項１に記載の副室式ディーゼルエンジン。

【請求項3】

前記噴口対応箇所の最大深さは、前記その他の箇所の深さの２倍以上に設定されている請求項１又は２に記載の副室式ディーゼルエンジン。

【請求項4】

前記その他の箇所における前記噴口対応箇所の前記燃焼流の流れ方向で下流側の部分は、前記噴口対応箇所に円滑に連続されている請求項３に記載の副室式ディーゼルエンジン。

【請求項5】

前記噴孔は、前記副室から前記主燃焼室の中央部に向かう傾斜孔に形成されている請求項１，２，４の何れか一項に記載の副室式ディーゼルエンジン。

【請求項6】

前記噴孔は、主噴孔と、前記主噴孔の両脇に配置される一対の副噴孔とが連なる複葉形状の孔に形成されている請求項５に記載の副室式ディーゼルエンジン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、主燃焼室に噴孔を介して連なる副室が設けられた構造のディーゼルエンジン、即ち、副室式ディーゼルエンジンに関するものである。

【背景技術】

【0002】

主燃焼室（主室）の他に副燃焼室（副室）を設けた副室（ＩＤＩ：Ｉｎｄｉｒｅｃｔ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）式ディーゼルエンジンは、副室内に燃料を噴射して着火させ、副室の燃焼ガスが噴孔（絞り）を通じて主室内に噴出して燃焼が完了する、というものである。直噴（ＤＩ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）式ディーゼルエンジンは、「燃焼室表面積が大きくて絞り損失と熱損失が大きい」というＩＤＩの弱点をカバーできる良さがあり、近年では多用されてきている。

【0003】

副室（ＩＤＩ）式は、限られた副室内で燃料を噴射するので、火炎の流速を高くできて低圧の噴射弁でも確実に着火できる良さがある。また、副室内は空気量が少なく燃焼圧と燃焼温度が低いため、直噴（ＤＩ）式に比べて、ディーゼルノックが発生しづらく、ＮＯｘ生成量が少ないという利点もある。従って、副室式は比較的低速型のエンジンに適したシステムであることから、農機や建機、発電機、或いは後進国向けの各種産業機器などにおいては、依然として重要な動力源である。

【0004】

副室式ディーゼルエンジンにおいては、実質的に燃焼室となる副室での渦流を強めることや、副室から主燃焼室への火炎伝播速度を速めることが重要なポイントであると考えられる。特許文献１では、渦流を弱めることなく始動性の改善が可能となる技術が開示され、特許文献２は、ピストンの天井壁に設けられるリセスの構造工夫により、燃焼効率を向上させる技術を開示している。

【0005】

しかしながら、技術の進歩や環境的要因から、副室式においても、さらなる燃費向上やスモークの改善が求められてきている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１０－１８０７４４号公報

【特許文献2】特開平７－２７９６７１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明の目的は、噴孔とリセスとの関係に着目してのさらなる鋭意研究により、燃焼速度を速めるなどによって燃焼状態の改善を図り、燃費やスモークの改善が可能となるように、より改良された副室（ＩＤＩ）式ディーゼルエンジンを提供する点にある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明は、副室式ディーゼルエンジンにおいて、
主燃焼室と、前記主燃焼室から偏心した箇所に設けられる副室とが噴孔を介して連通され、ピストンの天井壁における前記噴孔から前記主燃焼室へ噴出される燃焼流が吹き付けられる箇所に受止めリセスが形成され、
前記受止めリセスの平面視の形状は、前記燃焼流の流れ方向で下流側ほど横幅が大きくなる先拡がり形状に設定され、
前記受止めリセスは、前記噴孔に対応した噴孔対応箇所の深さがその他の箇所よりも深く形成され、かつ、前記噴口対応箇所は湾曲状に凹んでいることを特徴とする。

【0009】

この場合、前記噴口対応箇所は、前記燃焼流の流れ方向に沿って上下に切った断面視で球面状又は円弧状に凹まされていると好都合である。

【0010】

本発明に関して、上述した構成（手段）以外の特徴構成や手段ついては、特許請求の範囲における請求項３以降を参照のこと。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、受止めリセスの噴孔対応箇所の深さを、その他の箇所の深さよりも深く、かつ、湾曲状に凹んだものに形成したので、圧縮行程におけるピストンの上昇移動に伴う圧縮空気の主燃焼室から噴孔を介しての副室への入り込みの流れが、円滑で効率良く促進されるようになる。

【0012】

加えて、受止めリセスの形状が、燃焼流の流れで下流側の幅が拡がる扇形であることに因って、上死点の直前状態では受止めリセスがガイドとなって圧縮空気の流速を加速させる作用が発揮され、圧縮行程における噴孔を介しての主燃焼室から副室への圧縮空気の流れが促進される作用も発揮される。

【0013】

つまり、受止めリセスを扇形の形状とすること、及びその噴孔対応箇所の深さを湾曲状に深くすることの双方の工夫により、主燃焼室から副室への圧縮空気の流入速度が高速化されるようになり、燃料と空気との混合が促進されて良くなり、スモーク低減、燃費向上、Ｎｏx低減の各種利点を得ることが可能になる。

【0014】

その結果、噴孔とリセスとの関係に着目してのさらなる鋭意研究により、燃焼速度を速めるなどによって燃焼状態の改善を図り、燃費やスモークの改善が可能となるように、より改良された副室（ＩＤＩ）式ディーゼルエンジンを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】副室式ディーゼルエンジンの燃焼室部位を示す要部の縦断面図

【図2】（Ａ）図１の噴孔周辺を示す拡大断面図、（Ｂ）ピストン（天井壁）と口金（噴孔）との関係を示す展開図

【図3】受止めリセスの始端部形状を示すさらなる拡大図であって、（Ａ）は本実施形態、（Ｂ）は別実施形態

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下に、本発明による副室式ディーゼルエンジンの実施の形態を、農用トラクタなどに適用される産業用のディーゼルエンジンの場合について、図面を参照しながら説明する。図１は、インジェクタとグロープラグを含むようにシリンダヘッドを、その長手方向（気筒直列方向）に対して約２５度傾いた線（面）で切った断面図に相当する。

【0017】

図１に、副室式ディーゼルエンジンの一例である過流式の産業用ディーゼルエンジンの副室周辺部の断面図が示されている。１はシリンダブロック、２はシリンダヘッド、３はインジェクタ、４はグロープラグ、５は主燃焼室（主室）、６は副室（副燃焼室）、７は副室形成用の口金、８はピストン、８Ｐはピストン中心、９は口金７に形成された噴孔、１０はウォータジャケット（シリンダヘッド２の冷却水通路）である。

【0018】

シリンダブロック１は、シリンダ（シリンダボア）１Ｂを形成するシリンダバレル（シリンダ壁）１Ａを有し、シリンダ１Ｂにはピストン８が内嵌されている。シリンダブロック１の上面（符記省略）とシリンダヘッド２の底面２ａとの間にはガスケット１１が挟まれ（介装され）ている。なお、ピストン８の圧縮上死点（ほぼ図１に示される状態）においては、主燃焼室５の容積は０（ゼロ）に近付き、実質的に副室６が燃焼室になる。

【0019】

シリンダヘッド２にはインジェクタ３が装備され、インジェクタ３の先端噴射部３ａが副室６の上部に臨むように配置されている。副室６は、シリンダ１Ｂ内に形成される主燃焼室５に、その主燃焼室５の偏心箇所に設けられる噴孔９を介して連通されている。なお、図２（Ａ）においては、ガスケット１１（図１参照）の図示は省略してある。

【0020】

図１、図２（Ａ）に示されるように、噴孔９は、副室６の壁面（内周面）ｗの略接線方向で、かつ、主燃焼室５の中央部（ピストン軸心８Ｐ）に向かい、シリンダヘッド底面２ａ（この実施例では水平線）に対して傾斜角θで傾いた孔心９Ｐを有する傾斜孔に形成されている。インジェクタ３は、先端噴射部３ａからの噴射燃料が噴孔９に向かうように傾斜配置されている。

【0021】

シリンダヘッド２におけるピストン８の軸心８Ｐからシリンダ周壁側に偏心した位置に、シリンダ１Ｂに開口する状態の副室形成穴２Ａが形成され、副室形成穴２Ａには副室形成用の口金（チャンバー）７が収容されている。副室形成穴２Ａは、シリンダヘッド２の主燃焼室５に臨むシリンダヘッド底面２ａから上に向けて順に、大径の開口部１２と、小径の胴部収容部１３と、胴部収容部１３よりも奥に位置する空洞部１４とを有して構成されている。

【0022】

開口部１２には、カップ状に形成された口金７の底部７Ａが収容されている。胴部収容部１３は、口金７の胴部７Ｂが収容される箇所であって開口部１２よりも小径である。空洞部１４は半球よりも少し大きい略半球形に凹んだ箇所に形成され、胴部収容部１３とは段付き面（符記省略）で繋がる構成とされている。副室６は、その上下方向に延びる中心線（図示省略）が、ピストン８の外周端より若干ピストン軸心８Ｐに寄るように、シリンダ１Ｂに対して配置されている。

【0023】

図１、図２（Ａ）に示されるように、口金７は、円柱状の胴部７Ｂと底部７Ａとを含んだ段付円柱状の金具で形成されている。底部７Ａは胴部７Ｂの一端側を胴部７Ｂの外径よりも大径で周方向に張り出たフランジ状の部位であって平らな底面７ａを有して形成されている。胴部７Ｂの他端側には、胴部７Ｂの上端面から半球よりも少し小さい略半球形の副室形成用凹部７Ｃが形成されている。

【0024】

球形（卵球形、まゆ形）の副室６は、空洞部１４と副室形成用凹部７Ｃとで構成され、噴孔９は、副室形成用凹部７Ｃと主燃焼室５とを連通させる部位として底部７Ａから胴部７Ｂにかけて形成されている。つまり、シリンダヘッド２における主燃焼室５に隣り合う状態で副室形成穴２Ａに嵌着される口金７には、副室６を形成するための副室形成用凹部７Ｃが形成される胴部７Ｂと、噴孔９とが形成されている。

【0025】

図１～図２（Ａ），（Ｂ）に示されるように、噴孔９は、主噴孔９Ａと、主噴孔９Ａの両脇に配置される一対の副噴孔９Ｂ，９Ｂとが連なる三つ葉形状（複葉形状の一例）の孔に形成されている。つまり、滑らかに３つに分割された先端部を持ち、かつ、基端が丸められた扇形を呈する噴孔９に形成されている（噴孔９の三つ葉形状は、ハート形の膨らみ先端側の中央にもう１つ外に向けての膨らみを設けて、計３つの膨らみあるような形状を呈している）。また、燃焼流の流れ方向で噴孔９の上流側に若干離れて左右それぞれに配置される一対の補助噴孔１５，１５を設けてもよい。

【0026】

図２（Ｂ）は、平面視によるピストン８と底面視による口金７とを、燃焼流の流れ方向Ｑ（孔心９Ｐ方向）で隣り合わせて描いたものであり、噴孔軸心である孔心９Ｐの左右に関しては、ピストン８と口金７とは互いに対応する位置関係にある。例えば、補助噴孔１５は、ピストン軸心８Ｐに沿う小円径の垂直孔に形成されており、一対の補助噴孔１５，１５どうしは、孔心９Ｐに対して対称となる位置関係にある。なお、噴孔９から方向を変えられて主燃焼室５へと流れる燃焼流の流れ方向Ｑ〔図２（Ａ）を参照〕は、平面視では孔心９Ｐ方向と互いに同じ方向〔図２（Ｂ）を参照〕を向いている。

【0027】

図２（Ｂ）に示されるように、口金７の底面７ａに開口する噴孔９は、孔心９Ｐに沿う方向である燃焼流の流れ方向Ｑの長さである前後長さ（全長）ｂよりも燃焼流の流れ方向Ｑに対する左右方向の長さである左右長さ（横幅）ａが大きい（ａ＞ｂ）横長形状に形成されている。つまり、主噴孔９Ａと一対の副噴孔９Ｂ，９Ｂとの並び方向の長さ（左右長さａ）が、噴孔９の（主噴孔９Ａの）全長（孔心９Ｐ方向長さ：前後長さｂ）よりも長い噴孔９に設定されている。

【0028】

図１及び図２（Ａ）に示されるように、ピストン８の天井壁８Ａにおける噴孔９から主燃焼室５へ噴出される燃焼流が吹き付けられる箇所に受止めリセスＲが形成されるとともに、吸気弁リセス１６及び排気弁リセス１７が形成されている。図１において、１８は吸気バルブ（図示省略）の軸部を通す軸孔、１８Ａはバルブ座、１９はシール材である。また、噴孔９の傾斜角θは、図１，２では４５度に描かれているが、それ以外の角度や、或いは４０～５０度などの範囲であってもよい。

【0029】

図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示されるように、受止めリセスＲは、その燃焼流の流れ方向Ｑで上流側の部分であるリセス始端部２０が、噴孔９に対応した位置となるように形成されている。そして、図２（Ｂ）に示されるように、受止めリセスＲの平面視（ピストン軸心８Ｐの方向視）の形状は、燃焼流の流れ方向Ｑで下流側ほど横幅が大きくなる先拡がり形状に設定されており、詳しくは、噴孔９に対応した位置を始端として燃焼流の流れ方向Ｑで下流側ほど横幅が大きくなる扇形に設定されている。

【0030】

平面視で扇形を呈する受止めリセスＲは、小幅の始端縁（基端縁）２０Ａと、円弧状の外周縁２２と、一側（左側）縁２４、及び他側（右側）縁２５を有している。一側縁２４の先端側の大部分は、深さ関係によって排気弁リセス１７に吸収されており、他側縁２５の先端側及び外周縁２２の他側縁２５側部分は、深さ関係によって吸気弁リセス１６に吸収されている〔図２（Ｂ）参照〕が、これには限らない。

【0031】

図２（Ｂ）に示されるように、噴孔９の縦横寸法比は、噴孔９の左右長さａと前後長さｂとの長さ割合の範囲は、１．３ｂ≦ａ≦１．６ｂであり、好ましくは１．４ｂ≦ａ≦１．５ｂに設定される（ａ＝約１．４６ｂで図示されている）。また、一対の補助噴孔１５，１５に対応するように、ごく浅い補助リセス２１を、天井壁８Ａにおけるリセス始端部２０の位置（燃焼流の流れ方向Ｑで最上流端の位置）付近を中心とする円弧状のものとして設けてもよい。

【0032】

受止めリセスＲは、基本的には図２（Ａ）に示されるように、リセス始端部２０の深さが最も深くて、燃焼流の流れ方向Ｑで下流側に行くに従って深さが浅くなるように、滑らかな湾曲底面又は直線底面（符記省略）を有する不均一深さのリセスに形成されている。或いは、図示は省略するが、一様な深さを有する受止めリセスを有する副室式エンジンも一般的である。なお、一般的なリセス始端部は符号２３を、そして本発明によるリセス始端部は符号２０を付すものとする。

【0033】

図２（Ａ）及び図３（Ａ）に示されるように、本発明による受止めリセスＲは、リセス始端部２０における噴孔９に対応した噴孔対応箇所ｆの深さｈがその他の箇所ｔの深さｓよりも深く形成され、かつ、噴孔対応箇所ｆは湾曲状に下方に凹んでいることを特徴としている。噴孔対応箇所ｆは、燃焼流の流れ方向Ｑに沿って上下に切った断面視で球面状又は円弧状に、或いはすり鉢状で滑らかに凹まされている。なお、「その他の箇所ｔ」とは、扇形の受止めリセスＲにおける噴孔対応箇所ｆ以外の箇所であり、また、リセス始端部２０と噴孔対応箇所ｆとの関係は、「同じ」、「大部分が同じ」、「異なる」など種々の場合が考えられる。

【0034】

図３（Ａ）に仮想線（想像線、二点破線）の円弧で示す噴孔対応箇所ｆ（＝リセス始端部２０）のように、その最大深さｈｍが、その他の箇所ｔの深さｓの２倍以上（ｈｍ≧２ｓ）に設定されていると好都合である。そして、受止めリセスＲは（その底面は）、その他の箇所ｔにおける噴孔対応箇所ｆの燃焼流の流れ方向Ｑで下流側の部分は、噴孔対応箇所ｆに円滑に連続されている〔図３（Ａ）を参照〕。

【0035】

リセス始端部２０を、その他の箇所ｔの深さｓよりも深い（大きい）深さｈを持ち、かつ、湾曲状に凹んだ噴孔対応箇所ｆに形成してあるので、圧縮行程におけるピストン８の上昇移動に伴う圧縮空気の主燃焼室５から噴孔９を介しての副室６への入り込みの流れが、円滑で効率良く促進されるようになる。加えて、受止めリセスＲが扇形の形状であることに因ってノズル作用（コンバージェント・ノズルによる流体を加速させる作用）が発揮され、圧縮行程における噴孔９を介しての主燃焼室５から副室６への圧縮空気の流れが促進されるようにもなる。

【0036】

つまり、主燃焼室５から噴孔９に圧縮空気を流し込み易く（導入し易く）なるように、受止めリセスＲにおける噴孔対応箇所ｆを比較的深く凹ませたものであり、噴孔対応箇所ｆ（リセス始端部２０）が圧縮空気の流れのガイドとして機能でき、流量係数を下げて流速を上げる作用が生じるようになる
その結果、主燃焼室５から副室６への圧縮空気の流入速度が高速化されるようになり、燃料と空気との混合が促進されて良くなり、スモーク低減、燃費向上の各種効果を奏することができる副室式ディーゼルエンジンが実現されている。

【0037】

また、副室６で着火されて噴孔９から主燃焼室５へ燃焼流が噴出される場合でも、深さの深い噴孔対応箇所ｆを持つ受止めリセスＲによって円滑で素早く燃焼流が主燃焼室５に広がるようになる。従って、圧縮空気の流れ改善だけでなく、燃焼流の流れ改善も行え、この点でもスモーク低減や燃費向上などに寄与で切る効果を奏することができる。

【0038】

〔別実施形態〕
図３（Ｂ）に示されるように、基本的に一様な深さを有する受止めリセスＲであり、かつ、深く凹んだ噴孔対応箇所ｆのリセス始端部２０を持つ副室式ディーゼルエンジンであっても良い。例えば、噴孔対応箇所ｆは凹球面状に形成されており、その深さｈは、仮想線で示された一様深さの噴孔対応箇所ｆの深さ、即ち、その他の箇所ｔの深さｓよりも深く、２倍以上の深さであればなお良い。この図３（Ｂ）に示される構造の受止めリセスＲの場合は、噴孔対応箇所ｆの深さｈと最大深さｈｍとは互いに同じである〔図３（Ａ）を参照〕。

【0039】

〔別実施例〕
噴孔対応箇所ｆの深く凹ませる形状や深さ度合いは、種々の変更設定が可能である。また、リセス始端部２０の始端縁２０Ａの左右長さ（横幅）は、図２（Ｂ）のものより長い受止めリセスＲでも良い。噴孔９の形状は、縦長形状や、二つ葉形状など、三つ葉で横長形状以外でもよい。

【符号の説明】

【0040】

５ 主燃焼室
６ 副室
８ ピストン
８Ａ 天井壁
９ 噴孔
９Ａ 主噴孔
９Ｂ 副噴孔
Ｑ 燃焼流の流れ方向
Ｒ 受止めリセス
ｆ 噴孔対応箇所
ｈｍ 最大深さ
ｈ 深さ（噴孔対応箇所）
ｓ 深さ（その他の箇所）
ｔ その他の箇所

【図1】

【図2】

【図3】