本發(fā)明涉及一種直噴式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室構(gòu)造，該直噴式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成為在活塞冠頂面具有凹腔(reentrant)型空腔，并且在該空腔的中心線上配置有多噴孔的燃料噴射嘴。

背景技術(shù)：

在具有凹腔型空腔的直噴式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，近幾年為了實(shí)現(xiàn)在高速高負(fù)載區(qū)域成為問題的碳煙(soot)的降低，傾向于采用空腔的入口直徑設(shè)得比較大的所謂開放型的凹腔型空腔，以使得提高擠氣區(qū)(squish area)的空氣利用率。

然而，在上述開放型的凹腔型空腔中，空腔內(nèi)的中心部處的空氣利用率反而下降，作為結(jié)果，也不能一定充分降低碳煙。

凹腔型空腔在中心部具有圓錐形或圓錐臺(tái)形的凸部，通過在入口部形成的唇部和上述凸部的組合，形成有保存漩渦的圓環(huán)狀的空間，但例如在專利文獻(xiàn)1中看到的那樣，在現(xiàn)有的凹腔型空腔中，凸部的圓錐面的傾斜比較緩慢。如上述的緩慢傾斜的圓錐面不會(huì)對空腔內(nèi)的中心部處的空氣利用率的提高作貢獻(xiàn)。

專利文獻(xiàn)1：日本特開2013－527360號公報(bào)

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

作為本發(fā)明涉及的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室構(gòu)造，該柴油發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成為具有：活塞，其在冠頂面具有凹腔型空腔；以及多噴孔的燃料噴射嘴，其配置在上述空腔的中心線上，其中，

在上述空腔的底部中央設(shè)置的凸部的圓錐面形成為在活塞上止點(diǎn)位置處指向燃料噴射嘴的噴霧點(diǎn)的角度或比該角度陡峭的角度。

根據(jù)如上述的結(jié)構(gòu)，空腔底部處的燃料和空氣的混合變得良好，碳煙的初期的生成得到抑制的同時(shí)，通過擴(kuò)散燃燒中的空腔中心部處的空氣利用率的提高而碳煙的氧化得到促進(jìn)，因此高速高負(fù)載區(qū)域中的碳煙的排出降低。特別是，沿著圓錐面從空腔底部上升的氣體被引導(dǎo)至空氣殘留較多的空腔中心部的區(qū)域，因此空腔中心部的空氣利用率提高，有效地抑制碳煙。

在優(yōu)選的一個(gè)方式中，在上述空腔的入口部處直徑為最小的唇部與開口緣相比位于下方，上述凸部的頂部的高度位置設(shè)定為與上述唇部的高度位置大致相等。

附圖說明

圖1是具有一個(gè)實(shí)施例的燃燒室構(gòu)造的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)說明圖。

圖2是表示空腔的結(jié)構(gòu)的活塞主要部件的剖視圖。

圖3是對“傾斜到達(dá)深度Z1”以及“深度Z2”的說明圖。

圖4是示出“傾斜到達(dá)深度Z1”以及“深度Z2”和碳煙排出量的關(guān)系的特性圖。

圖5是表示對比例1～4的空腔形狀的說明圖。

圖6是示出循環(huán)中的碳煙的量的特性圖。

圖7是表示規(guī)定曲軸轉(zhuǎn)角處的缸內(nèi)的當(dāng)量比分布的特性圖。

圖8是表示對比例1的缸內(nèi)的湍流能量特性圖。

圖9是表示對比例2的缸內(nèi)的湍流能量的特性圖。

圖10是表示對比例3的缸內(nèi)的湍流能量的特性圖。

圖11是表示對比例4的缸內(nèi)的湍流能量的特性圖。

圖12是表示實(shí)施例的缸內(nèi)的湍流能量的特性圖。

圖13是空腔的尺寸的說明圖。

圖14是表示高度的比(h2/h1)和碳煙排出量的關(guān)系的特性圖。

圖15是示出實(shí)施例的空腔和噴霧中心軸線F之間的位置關(guān)系的說明圖。

圖16是示出凸部的變形例的說明圖。

圖17是示出凸部的其他變形例的說明圖。

圖18是示出具有2個(gè)噴孔組的變形例的說明圖。

圖19是示出具有2個(gè)噴孔組的其他變形例的說明圖。

具體實(shí)施方式

下面，基于附圖，對本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例詳細(xì)地進(jìn)行說明。

圖1是將本發(fā)明涉及的直噴式柴油發(fā)動(dòng)機(jī)1與其進(jìn)排氣系統(tǒng)一起示出的結(jié)構(gòu)說明圖，在形成于氣缸體2上的氣缸3，以能夠滑動(dòng)的方式嵌合有活塞4，并且在該氣缸體2的上表面固定的氣缸蓋5將氣缸3的上端開口覆蓋。

在上述活塞4的頂面處凹陷設(shè)置有凹腔型的空腔6。該空腔6呈以活塞4的中心軸線為中心的旋轉(zhuǎn)體形狀。即，在活塞4的俯視觀察時(shí)呈正圓形，并且在活塞4的中心形成。另外，在上述氣缸蓋5側(cè)，在與上述空腔6的中心相對應(yīng)的氣缸3的中心位置處配置有多噴孔的燃料噴射嘴7。在本實(shí)施例中，上述燃料噴射嘴7沿著氣缸3的中心軸線進(jìn)行配置，即垂直地進(jìn)行配置。

在上述氣缸蓋5處配置有一對進(jìn)氣閥8以及一對進(jìn)氣閥9，分別對進(jìn)氣口10以及排氣口11的前端開口部進(jìn)行開閉。這些進(jìn)氣閥8以及進(jìn)氣閥9以各自的閥桿與氣缸3的中心軸線平行的垂直姿態(tài)進(jìn)行配置。另外，在氣缸蓋5處，與燃料噴射嘴7相鄰地配設(shè)有預(yù)熱塞12。

各氣缸的燃料噴射嘴7構(gòu)成為，與示意地表示的共軌13分別連接，如果通過來自未圖示的發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元的驅(qū)動(dòng)信號而燃料噴射嘴7的針閥(未圖示)上升，則通過高壓燃料泵14供給至共軌13內(nèi)的高壓的燃料噴射。共軌13內(nèi)的燃料壓力經(jīng)由調(diào)壓閥15，通過發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元而調(diào)壓為與運(yùn)轉(zhuǎn)條件對應(yīng)的規(guī)定壓力。

該實(shí)施例的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)1具有渦輪增壓器18，該渦輪增壓器18的渦輪19配置在排氣通路21的通路中，壓縮機(jī)20配置在進(jìn)氣通路22的通路中。在排氣通路21的與渦輪19相比的下游側(cè)，預(yù)催化轉(zhuǎn)換器23以及主催化轉(zhuǎn)換器24串聯(lián)地配置。在進(jìn)氣通路22的與壓縮機(jī)20相比的上游側(cè)，設(shè)置有空氣流量計(jì)25以及空氣凈化器26，在壓縮機(jī)20和與其相比處于下游側(cè)的集氣部28之間配設(shè)有中冷器27。而且，作為排氣回流裝置，具有：排氣回流通路29，其將排氣通路21的比渦輪19靠上游側(cè)的位置和進(jìn)氣集氣部28連通；以及排氣回流控制閥30，其為了將排氣回流率控制為與內(nèi)燃機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)條件對應(yīng)的規(guī)定的排氣回流率而設(shè)置

圖2示出上述空腔6的更具體的剖面形狀。該空腔6作為凹腔型，在底面中央具有以山型鼓出的凸部41，并且與中間附近的高度位置處的最大直徑相比入口部分的直徑相對較小。特別是，在該入口部處直徑為最小的唇部42位于從以圓環(huán)狀殘留的活塞冠頂面43沿活塞軸向下方的位置，在與唇部42相比的上方，形成有由向活塞4的外周側(cè)擴(kuò)大或后退的空間構(gòu)成的型腔部44。即，活塞冠頂面43中的型腔部44的開口緣44a的直徑比唇部42的直徑大，作為所謂開放型的凹腔型空腔而實(shí)現(xiàn)擠氣區(qū)(冠頂面43上方的區(qū)域)的空氣利用率的提高。

比唇部42靠下方的部分成為在剖面中近似于圓弧的彎曲面45，與凸部41順滑地相連續(xù)。凸部41呈具有圓錐面41a和頂面41b的大致圓錐臺(tái)型，頂面41b并不是完全的平坦面而是呈緩慢彎曲的形狀。

在這里，如圖3的說明圖所示，作為表示圓錐面41a的傾斜角度的指標(biāo)，將圓錐面41a的延長線與活塞4的中心線CL相交的點(diǎn)O1相距活塞冠頂面43的距離Z1定義為“傾斜到達(dá)深度Z1”。在本實(shí)施例中，該傾斜到達(dá)深度Z1對應(yīng)于活塞4處于上止點(diǎn)位置時(shí)的燃料噴射嘴7的噴霧點(diǎn)FP的高度位置。此外，“噴霧點(diǎn)FP”定義為燃料噴射嘴7的各噴孔的噴霧中心軸線與該燃料噴射嘴7的中心線相交的點(diǎn)。即，在本實(shí)施例中，圓錐面41a具有在活塞上止點(diǎn)位置處指向燃料噴射嘴7的噴霧點(diǎn)FP的角度。

另外，如圖3所示，將成為最高的部位的頂面41b中央部相距活塞冠頂面43的距離Z2定義為凸部41的“深度Z2”。在本實(shí)施例中，該深度Z2與從活塞冠頂面43至唇部42為止的活塞4軸向的距離大致相等。即，設(shè)定為凸部41的頂部的高度位置與唇部42的高度位置大致相等。

圖4是將上述“傾斜到達(dá)深度Z1”設(shè)為橫軸、將“深度Z2”設(shè)為縱軸，通過對高速高負(fù)載區(qū)域中的碳煙的排出量進(jìn)行模擬而求出的。即，示出針對包含唇部42在內(nèi)的空腔6的外周緣部分的形狀不變更、而對凸部41的形狀進(jìn)行了變更的各種燃燒室構(gòu)造，對碳煙的排出量進(jìn)行了模擬的結(jié)果。在圖4中，將碳煙排出量以等高線狀示出，但作為整體的傾向，“傾斜到達(dá)深度Z1”越小，碳煙排出量越少，對于“深度Z2”，在“深度Z2”處于唇部42的高度位置(在圖中作為Z02示出)時(shí)，碳煙排出量減少。而且，根據(jù)圖4的模擬結(jié)果可明確，如果“傾斜到達(dá)深度Z1”處于活塞上止點(diǎn)處的噴霧點(diǎn)FP的高度位置(在圖中作為Z01示出)、且“深度Z2”處于唇部42的高度位置Z02，則碳煙排出量成為最小水平。此外，對于“傾斜到達(dá)深度Z1”，如果比噴霧點(diǎn)FP的高度位置Z01小，則碳煙排出量成為最小水平，但因?yàn)榕c活塞上止點(diǎn)處的燃料噴射嘴7的干涉避免等的限制，在上述實(shí)施例中設(shè)定為“傾斜到達(dá)深度Z1”與噴霧點(diǎn)FP的高度位置Z01相等。

因而，實(shí)施例的凸部41的結(jié)構(gòu)處于在圖4上用點(diǎn)P0示出的位置。與此相對，圖5的(a)～(d)示出對比例1～4的結(jié)構(gòu)，這些成為在圖4上分別用點(diǎn)P1～P4示出的位置，碳煙排出量相對較大。圖5(a)的對比例1是“傾斜到達(dá)深度Z1”以及“深度Z2”這兩者比上述實(shí)施例大的結(jié)構(gòu)。圖5(b)的對比例2示出“傾斜到達(dá)深度Z1”與上述實(shí)施例等同，“深度Z2”較小的結(jié)構(gòu)，圖5(c)的對比例3示出“傾斜到達(dá)深度Z1”與上述實(shí)施例等同，“深度Z2”較大的結(jié)構(gòu)。圖5(d)的對比例4是“傾斜到達(dá)深度Z1”以及“深度Z2”這兩者比上述實(shí)施例小的結(jié)構(gòu)。

圖6是針對上述的實(shí)施例以及對比例1～4，示出循環(huán)中的碳煙的量的變化的特性圖。碳煙在擴(kuò)散燃燒中生成后，通過氧化反應(yīng)而部分地減少，剩余的部分最終從燃燒室被排出。如圖所示，在實(shí)施例的燃燒室構(gòu)造中，在抑制碳煙的生成其本身的基礎(chǔ)上，通過氧化反應(yīng)而碳煙大幅減少，最終被排出的碳煙的量與對比例1～4相比變得最少。

圖7示出進(jìn)行如上述的氧化反應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角(430℃A)處的缸內(nèi)的當(dāng)量比以及空氣過剩率的分布。該圖的(a)～(d)表示對比例1～4的特性，(e)表示實(shí)施例的特性。如圖7所示，在圖(e)的實(shí)施例中，在凸部41的中心線上，空氣過剩率最高的區(qū)域(用標(biāo)號H表示)廣泛存在。與此相對，在圖(a)～(c)的對比例1～3中空氣過剩率高的區(qū)域H變小，在圖(d)的對比例4中區(qū)域H幾乎不存在。在本實(shí)施例中，利用如上述的中心部的空氣進(jìn)行氧化反應(yīng)，碳煙降低。

圖8～圖12圖示出相同430℃A處的缸內(nèi)的湍流能量，圖8～圖11分別表示對比例1～4的特性，圖12表示實(shí)施例的特性。另外，湍流能量最大的區(qū)域用標(biāo)號T圖示。如圖示，在圖8的對比例1中，湍流能量大的區(qū)域T不存在。在圖9～圖11的對比例2～4中，湍流能量大的區(qū)域T發(fā)生在空腔6的外周上方附近。與此相對，在圖12示出的實(shí)施例中，湍流能量大的區(qū)域T發(fā)生在空腔6的靠近中心的位置。因此，可以認(rèn)為能夠?qū)崿F(xiàn)由空腔6中心附近處的混合促進(jìn)帶來的氧化促進(jìn)。

而且，作為凸部41的“深度Z2”所對應(yīng)的唇部42的高度位置(活塞軸向的位置)，如圖13所示，優(yōu)選從活塞冠頂面43至唇部42為止的活塞軸向的距離h2相對于從活塞冠頂面43至空腔6底部為止的高度h1的比大于或等于10％而且小于或等于37％。

圖14是匯總了針對各種發(fā)動(dòng)機(jī)對上述的高度之比(h2/h1)和碳煙排出量關(guān)系進(jìn)行了實(shí)測的結(jié)果。如圖示，如果高度之比(h2/h1)不處于從10％至37％的范圍內(nèi)，則出現(xiàn)碳煙的惡化。

圖15示出上述實(shí)施例的空腔6和來自燃料噴射嘴7的噴霧之間位置關(guān)系，從燃料噴射嘴7的噴霧點(diǎn)FP延伸的噴霧中心軸線F指向唇部42的略微下方的位置。

圖16示出將凸部41設(shè)為頂面41b平坦的圓錐臺(tái)形的變形例?！皟A斜到達(dá)深度Z1”以及“深度Z2”與前述的實(shí)施例相同。

圖17示出設(shè)為具有規(guī)定的“傾斜到達(dá)深度Z1”的圓錐面41a僅存在于凸部41的上半部的變形例。凸部41的下側(cè)部分成為更陡峭的傾斜面，但朝向空腔6的中心部的氣體最終沿圓錐面41a被引導(dǎo)，因此得到與上述實(shí)施例同樣的作用效果。

圖18及圖19示出燃料噴射嘴7以上下2層噴射的變形例。即，在圖15、圖16的實(shí)施例中，來自燃料噴射嘴7的多個(gè)噴孔的噴霧指向同一高度位置(氣缸軸向的位置)，但圖18、19的例子是燃料噴射嘴7具有噴霧中心軸線F1相對地指向上側(cè)的位置的第1噴孔組和噴霧中心軸線F2相對地指向下側(cè)的位置的第2噴孔組。換言之，第1噴孔組和第2噴孔組相對于氣缸中心軸線的傾斜角(所謂傘角)不同。此外，上方的噴霧中心軸線F1以及下方的噴霧中心軸線F2這兩者將共通的噴霧點(diǎn)FP作為起始點(diǎn)。而且，第1噴孔組的噴霧中心軸線F1指向比唇部42略微上方的位置，第2噴孔組的噴霧中心軸線F2指向比唇部42略微下方的位置。圖18的凸部41的結(jié)構(gòu)與圖15的凸部41的結(jié)構(gòu)相同，圖19的凸部41結(jié)構(gòu)與圖16的凸部41的結(jié)構(gòu)相同。