柴油发动的制造方法
【专利摘要】本发明涉及柴油发动机，该柴油发动机的喷射器具有第一喷射阀及第二喷射阀，该第一喷射阀和第二喷射阀设置在隔着燃烧室的中心相向的位置。当将通过第一喷射阀及第二喷射阀这两者的直线设为对称轴，将由该对称轴将燃烧室的平而区域一分为二后的一侧设为第一区域，将另一侧设为第二区域时，第一喷射阀向第一区域喷射燃料，第二喷射阀向第二区域喷射燃料。在活塞的顶面上形成有凹部，第一喷射阀及第二喷射阀俯视下分别在位于比凹部的周缘更靠直径方向内侧的位置的部位具有喷孔。由此，能够提高燃烧室内的空气利用率，从而能够有效地减少碳烟产生量。
【专利说明】柴油发动机
【技术领域】
[0001]本发明涉及使从喷射器喷射出的燃料在燃烧室扩散燃烧的柴油发动机。
【背景技术】
[0002]作为如上所述的柴油发动机，例如已知有日本专利公开公报特开2007-231908号(专利文献I)所公开的柴油发动机。具体而言，专利文献I的柴油发动机在与活塞顶面面对的燃烧室顶壁的缘部，具备能够将燃料直接喷射到燃烧室的一对侧喷射器(第一侧喷射器及第二侧喷射器)。
[0003]上述第一、第二侧喷射器以彼此相向且面对燃烧室中心的方式设置。在该状态下，若同时从各喷射器喷射出燃料，则来自各喷射器的喷射燃料会相互碰撞，因此，通过该碰撞时的冲击促进燃料的微粒化。
[0004]然而，像上述专利文献I那样，在使从一对侧喷射器喷射出的燃料相互碰撞的情况下，会在燃烧室的中央部形成燃料浓度较高的混合气体，另一方面，会在燃烧室的周缘部形成燃料浓度较低的混合气体，因此，容易导致燃料分布失衡。若燃料分布失衡，则燃烧室中的空气利用率下降，有碳烟(煤烟)的产生量增大的问题。
[0005]另一方面，若使来自上述一对侧喷射器的燃料的喷射方向分别大幅偏离燃烧室的中心，则来自各喷射器的喷射燃料不会相互碰撞，因此，燃烧室中央的燃料浓度变得过高这一如上所述的问题消失。然而，若使喷射方向过度地偏离中心，则来自各喷射器的喷射燃料会在较短的距离内碰撞活塞等部件的壁面，因此，有可能因燃烧室的中央部以外的燃料浓度变得过高等而导致燃料分布还是失衡，空气利用率下降。
【发明内容】
[0006]本发明鉴于上述的情况而作，其目的在于提供一种能够提高燃烧室内的空气利用率从而有效地减少碳烟产生量的柴油发动机。
[0007]为了达成上述目的，本发明是一种柴油发动机，其包括形成在往返运动的活塞与气缸盖之间的燃烧室以及将燃料从气缸盖侧喷射到燃烧室的喷射器，并且使从所述喷射器喷射出的燃料在所述燃烧室扩散燃烧，所述喷射器具有第一喷射阀及第二喷射阀，该第一喷射阀和第二喷射阀设置在隔着所述燃烧室的中心相向的位置，当将通过所述第一喷射阀及所述第二喷射阀这两者的直线设为对称轴，将由所述对称轴将所述燃烧室的平面区域一分为二后的一侧设为第一区域，将另一侧设为第二区域时，所述第一喷射阀向所述第一区域喷射燃料，所述第二喷射阀向所述第二区域喷射燃料，所述活塞的顶面上形成有使包含所述顶面的中央部的区域向所述气缸盖侧的相反侧凹陷的凹部，所述第一喷射阀及所述第二喷射阀俯视下分别在位于比所述凹部的周缘更靠自径方向内侧的位置的部位具有作为燃料出口的至少一个喷孔。
[0008]根据本发明，能够提高燃烧室内的空气利用率，从而能够有效地减少碳烟产生量。【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是表示本发明的一实施方式所涉及的柴油发动机的整体结构的图。
[0010]图2是表示上述柴油发动机的发动机主体的结构的剖视图。
[0011 ] 图3是表示上述柴油发动机的进气口及排气口的形状的图。
[0012]图4是表示上述柴油发动机的喷射器(第喷射阀及第二喷射阀)的结构的剖视图。
[0013]图5是上述喷射器(第一喷射阀及第二喷射阀)的远端部的侧视图。
[0014]图6是用于说明上述第一喷射阀及第二喷射阀的位置关系和来自各喷射阀的燃料的喷射方向的俯视图。
[0015]图7是与图6对应的侧视图。
[0016]图8是表示通过从上述各喷射阀喷射燃料而在燃烧室中形成的过浓混合气体的质量比例与曲轴转角的关系的曲线图。
[0017]图9是表示从上述各喷射阀喷射出的燃料燃烧时所产生的碳烟产生量与曲轴转角的关系的曲线图。
[0018]图10是用于表示通过使上述各喷射阀的喷孔的大小不同来减少碳烟产生量的曲线图。
[0019]图11是用于表示通过使上述各喷射阀的喷孔的大小不同来减少冷却损失的曲线图。
[0020]图12是用于表示通过从上述各喷射阀喷射燃料来强化涡流的曲线图。
[0021]图13是表示以各种角度从上述各喷射阀喷射出燃料时的喷雾的状态的图。
[0022]图14是用于说明上述实施方式的变形例的图。
【具体实施方式】
[0023](I)发动机的黎体结构
[0024]图1及图2表示本发明的一个实施方式所涉及的柴油发动机。这些图所示的柴油发动机是作为行驶用的动力源而搭载在车辆中的四循环多气缸柴油发动机。具体而言，该柴油二发动机包括:直列四气缸型发动机主体1，具有呈直线状地排列的四个气缸2 ;进气通路20，用于将空气导入发动机主体I ;排气通路25，用于排出发动机主体I所生成的废气。
[0025]如图2所示，发动机主体I包括:气缸体11，在内部形成有上述四个气缸2 ;气缸盖12，设置于气缸体11的上表面；活塞13，能够往返滑动地分别插入各气缸2。
[0026]在各气缸2中，在活塞13的上方划分形成有俯视时呈圆形的燃烧室3。在燃烧室3中，从后述的喷射器4喷射出的燃料(轻油)与空气混合并且扩散燃烧，由该燃烧产生的膨胀能量使活塞13进行往返运动。接着，该活塞13的往返运动经由连杆16而被转换成输出轴亦即曲轴5的旋转运动。该实施方式的柴油发动机为四循环式，因此，随着曲轴5的旋转，在各气缸2中依次反复进行进气、压缩、膨胀、排气这四个冲程。
[0027]各气缸2的几何压缩比，即活塞13处于下止点时的燃烧室3的容积与活塞13处于上止点时的燃烧室3的容积之比被设定为13?20。另外，各气缸2的内径(缸径)被设定为IOOmm以下。[0028]活塞13的顶面包括:凹部13a，向气缸盖12侧的相反侧凹陷；挤压部13b，形成在凹部13a的周围。凹部13a设置于包含活塞13顶面的中央部的区域，且形成为越靠近活塞13的中心侧，则凹陷深度越深的碗状。挤压部13b设置在比凹部13a更靠直径方向外侧的位置，且形成为包围凹部13a的环状平坦面。如图7所示，该挤压部13b发挥以下的作用:当活塞13上升至压缩上止点附近时，在燃烧室3内形成所谓的挤流(从燃烧室3的外周侧流向中心侧的空气流；参照图7的箭头S2)。
[0029]如图1及图2所示，在气缸盖12中，设置有用于将进气通路20所供应的空气导入各气缸2的燃烧室3的进气口 6、用于将各气缸2的燃烧室3所生成的废气导出至排气通路25的排气口 7、使进气口 6的燃烧室3侧的开口开闭的进气门8、以及使排气口 7的燃烧室3侧的开口开闭的排气门9。进气门8及排气门9分别通过包含凸轮轴或凸轮等的气门传动机构(图示省略)，与发动机主体I的曲轴5的旋转联动地受到开闭驱动。此外,在该实施方式中，每一个气缸2设置有两个进气门8及两个排气门9。
[0030]进气通路20包括:四条独立进气通路21，与各气缸2的进气口 6连通；平衡箱22，共用地连接于各独立进气通路21的上游端部(吸入空气的流动方向上游侧的端部)；一根进气管23，从平衡箱22向上游侧延伸。
[0031]排气通路25包括:四条独立排气通路26，与各气缸2的排气口 7连通；集合部27，由各独立排气通路26的下游端部(废气的流动方向下游侧的端部)集合到一起而成；一根排气管28，从集合部27向下游侧延伸。
[0032]如图3所示，各气缸2的进气口 6包括分成两股的第一口 6A及第二口 6B，该第一口 6A及第二口 6B分别以连通独立进气通路21的下游端部与燃烧室3的方式设置。第一口 6A在位于其远端的朝向燃烧室3的开口附近具有弯曲部6A1，该弯曲部6A1向与燃烧室3的中心P不同的方向弯曲，更具体而言，向与连接第一 口 6A的朝向燃烧室3的开口和燃烧室3的中心P的线段大致正交的方向弯曲。另一方面，第二口 6B也具有与第一口 6A相同的弯曲部6B1,但其远端被设定成指向燃烧室3的中心P。
[0033]根据这样的结构，基于从第一口 6A导入的吸入空气，形成沿着周方向在燃烧室3的外周部回旋的空气流，并且基于从第二口 6B导入的吸入空气，形成小幅地在燃烧室3的中心P附近回旋的空气流，结果，在整个燃烧室3中形成逆时针回旋的涡流SI。
[0034]在气缸盖12的对应于各气缸2的位置，设置有直接向各气缸2的燃烧室3喷射燃料(以轻油为主成分的燃料)的喷射器4。各气缸2的喷射器4各自包括:第一喷射阀4A，设置在比燃烧室3的中心P更偏向进气侧的位置；第二喷射阀4B，设置在比燃烧室3的中心P更偏向排气侧的位置。
[0035]各气缸2的第一喷射阀4A与以沿着气缸列方向延伸的方式设置的共用的第一共轨30连接。来自第一高压泵32的燃料蓄压并储存在第一共轨30中，该第一高压泵32压送燃料箱35所贮存的燃料。在发动机运转过程中，该第一共轨30所储存的高压燃料从第一喷射阀4A喷射并被供应至各气缸2的燃烧室3。
[0036]向第二喷射阀4B供应燃料的燃料供应系统也与上述系统相同。S卩,各气缸2的第二喷射阀4B与以沿着气缸列方向延伸的方式设置的共用的第二共轨31连接。来自第二高压泵33的燃料蓄压并储存在第二共轨31中，该第二高压泵33压送燃料箱35所贮存的燃料。在发动机运转过程中，该第二共轨31所储存的高压燃料从第二喷射阀4B喷射并被供应至各气缸2的燃烧室3。
[0037](2)喷射器的具体结构
[0038]图4是表示第一喷射阀4A及第二喷射阀4B的远端部的结构的剖视图，图5是从侧方(气缸列方向一侧的侧方)观察各喷射阀4A、4B的远端部时的侧视图。如这些图所示，各喷射阀4A、4B包括:筒状的阀体41，在内部形成有可供燃料流通的燃料流路42 ;针阀43，能够在阀体41的燃料流路42内进退地配设。在阀体41的内部，形成有与燃料流路42的远端部相连的凹陷部45，在阀体41的远端部，形成有以连接凹陷部45与阀体41的远端部表面的方式穿孔而成的多个(在该实施方式中合计六个)喷孔44a~44f。在发动机运转过程中，针阀43通过未图示的电磁阀的驱动力而受到进退驱动。这样，燃料流路42与凹陷部45随之被阻断或连通，只有在针阀43后退的期间(燃料流路42与凹陷部45连通的期间)，才会从各喷孔44a~44f喷射出燃料。此外，在图4中表示了针阀43后退状态(即燃料喷射状态)下的剖面。
[0039]上述多个(合计六个)喷孔44a~44f集中没置在沿着周方向将大致形成为半球状的阀体41的远端部表面一分为四而成的区域中的一个区域。更具体而言，在该实施方式中，六个喷孔44a~44f以排列成2段3列的方式设置。此处，从周方向侧起，依次将上段的三个喷孔设为44a、44c、44e，同样从周方向一侧起，依次将下段的三个喷孔设为44b、44d、44f0喷孔44a、44b的周方向位置相同，喷孔44c、44d的周方向位置相同，喷孔44e、44f?的周方向位置相同。
[0040]接着，利用图6及图7所示的模式图，说明各气缸2中的第一喷射阀4A及第二喷射阀4B的位置关系。图6是从燃烧室3的顶部侧观察某个气缸2的喷射阀4A、4B的俯视图，图7是该气缸2的活塞13上升至压缩上止点时的燃烧室3的侧视图。此外，在图6中，由双点划线表示设置于活塞13的顶面的凹部13a的周缘，即凹部13a与其周围的挤压部13b的边界线，在图7中，将该凹部13a的周缘的半径标记为Re。
[0041]如图6及图7所示，第一喷射阀4A的远端部设置在燃烧室3的顶部(气缸盖12的下壁)的一处，即从燃烧室3的中心P向进气侧偏移了凹部13a的半径Re的位置。换句话说，第一喷射阀4A的远端部的中心设定在与凹部13a的周缘中的位于最靠近进气侧的位置的点相向的位置。
[0042]另一方面，第二喷射阀4B的远端部在从顶部侧观察燃烧室3的俯视时，设置在以燃烧室3的中心P为中心使第一喷射阀4A旋转180°后的位置，即隔着燃烧室3的中心P与第一喷射阀4A成点对称的位置。换句话说，第二喷射阀4B的远端部的中心设定在与凹部13a的周缘中的位于最靠近排气侧的位置的点相向的位置。
[0043]在图6及图7中，从第一喷射阀4A延伸出的箭头al~a6分别表示从第一喷射阀4A的远端部所具有的六个喷孔44a~44f (图4、图5)喷射出的燃料的喷雾,更准确而言表示其中心线(喷雾中心)。同样地，从第二喷射阀4B延伸出的箭头bl~b6分别表示从第二喷射阀4B的远端部所具有的六个喷孔44a~44f喷射出的燃料的喷雾,更准确而言表示其中心线(喷雾中心)。
[0044] 具体而言，关于第一喷射阀4A，来自喷孔44a的喷雾为al，来自喷孔44b的喷雾为a2，来自喷孔44c的喷雾为a3，来自喷孔44d的喷雾为a4，来自喷孔44e的喷雾为a5，来自喷孔44f的喷雾为a6。但是，在图6的俯视图中，来自周方向位置相同的喷孔的喷雾看上去重叠，因此，分别重叠地表示al、a2的组合、a3、a4的组合及a5、a6的组合。另外，在图7的侧视图中，来自上下位置相同的喷孔的喷雾看上去重叠，因此，分别重叠地表示al、a3、a5的组合和a2、a4、a6的组合。
[0045]另外，关于第二喷射阀4B，来自喷孔44a的喷雾为bl，来自喷孔44b的喷雾为b2，来自喷孔44c的喷雾为b3，来自喷孔44d的喷雾为b4，来自喷孔44e的喷雾为b5，来自喷孔44f的喷雾为b6。但是，在图6的俯视图中，来自周方向位置相同的喷孔的喷雾看上去重叠，因此，分别重叠地表示bl、b2的组合、b3、b4的组合及b5、b6的组合。另外，在图7的侧视图中，来自上下位置相同的喷孔的喷雾看上去重叠，因此，分别重叠地表示bl、b3、b5的组合和b2、b4、b6的组合。
[0046]在图6中，设定通过第一喷射阀4A及第二喷射阀4B的各中心的线，并将该线设为对称轴SL。另外，将由该对称轴SL将燃烧室3的平面区域一分为二时的一侧设为第一区域D1，将另一侧设为第二区域D2。
[0047]第一喷射阀4A从其远端部的六个喷孔44a?44f向第一区域Dl呈放射状地喷射燃料。与此相对，第二喷射阀4B从其远端部的六个喷孔44a?44f向第二区域D2呈放射状地喷射燃料。由此，从第一喷射阀4A喷射出的燃料的喷雾al?a6、和从第二喷射阀4B喷射出的燃料的喷雾bl?b6被设定成彼此沿着错开的方向延伸,且不会在中途交叉。
[0048]另外，如图6及图7所示，第一喷射阀4A、第二喷射阀4B以在俯视时，从比凹部13a的周缘更靠直径方向内侧(燃烧室3的中心侧)的位置喷射出燃料的方式设置。即，上述喷雾al?a6的出口即第一喷射阀4A的喷孔44a?44f、和喷雾bl?b6的出口即第二喷射阀4B的喷孔44a?44f均在比凹部13a的周缘更靠直径方向内侧的位置形成开口。因此，来自第一喷射阀4A、第二喷射阀4B的各喷雾(al?a6及bl?b6)不与活塞13的挤压部13b发生碰撞，并指向凹部13a的内部空间地飞翔。
[0049]从第一喷射阀4A喷射出的六个喷雾al?a6中，最靠近对称轴SL的喷雾是来自喷孔44a、44b的喷雾al、a2。若将该喷雾al、a2的中心线与对称轴SL所成的角度(喷雾角)设为rl，则该喷雾角rl被设定为7°以上15°以下。
[0050]另外,从第一喷射阀4A喷射出的六个喷雾al?a6中，第二靠近对称轴SL的喷雾是来自喷孔44c、44d的喷雾a3、a4。而且，最远离对称轴SL的喷雾是来自喷孔44e、44f的喷雾a5、a6。若将所述各喷雾的平均角度，即对喷雾a3、a4的中心线与对称轴SL所成的角度、和喷雾a5、a6的中心线与对称轴SL所成的角度取平均所得的角度设为平均喷雾角r2，则该平均喷雾角r2被设定为45° ±10°。
[0051]以上的内容对于第二喷射阀4B也相同。即，从第二喷射阀4B喷射出的六个喷雾bl?b6中，最靠近对称轴SL的喷雾是来自喷孔44a、44b的喷雾bl、b2，与上述喷雾al、a2同样地，该喷雾bl、b2的中心线与对称轴SL所成的角度被设定为rl (=7°以上15°以下)。
[0052]另外，从第二喷射阀4B喷射出的六个喷雾bl?b6中，第二靠近对称轴SL的喷雾是来自喷孔44c、44d的喷雾b3、b4，而且，最远离对称轴SL的喷雾是来自喷孔44e、44f的喷雾b5、b6。与上述喷雾a3?a6同样地，所述各喷雾的平均角度，即对喷雾b3、b4的中心线与对称轴SL所成的角度、和喷雾b5、b6的中心线与对称轴SL所成的角度取平均所得的平均喷雾角被设定为r2 (=45° ±10° )。
[0053]如图6所示，来自第一喷射阀4A的喷雾al?a6的飞翔方向、及来自第二喷射阀4B的喷雾bl?b6的飞翔方向分别被设定成沿着燃烧室3中所形成的涡流SI的流动方向。具体而言，在图6中，在燃烧室3内形成俯视时向逆时针方向旋转的涡流SI，因此，该涡流SI在燃烧室3的第一区域Dl中从左向右流动，在燃烧室3的第二区域D2中从右向左流动。与此相对，来自第一喷射阀4A的喷雾al?a6与涡流SI同样地，在第一区域Dl中从左向右喷射，另外，来自第二喷射阀4B的喷雾bl?b6与涡流SI同样地，在第二区域D2中从右向左喷射。
[0054]如图5所示，第一喷射阀4A、第二喷射阀4B各自所具有的六个喷孔44a?44f以喷雾越远离对称轴SL则与该喷雾对应的喷孔的孔径越小的方式形成。即，与对应于最靠近对称轴SL的喷雾al、a2(或bl、b2)的喷孔44a、44b的孔径相比，对应于第二靠近对称轴SL的喷雾a3、a4(或b3、b4)的喷孔44c、44d的孔径被设定为更小的值，与该喷孔44c、44d的孔径相比，对应于最远离对称轴SL的喷雾a5、a6 (或b5、b6)的喷孔44e、44f的孔径被设定为更小的值。
[0055](3)作用等
[0056]如以上的说明所述，在该实施方式中，将燃料从喷射器4喷射至活塞13与气缸盖12之间所形成的燃烧室3并使其扩散燃烧的柴油发动机采用了如下所述的特征性结构。
[0057]在从顶部侧(气缸盖12侧)观察燃烧室3的俯视时，喷射器4包括:第一喷射阀4A，设置于燃烧室3的周缘部；第二喷射阀4B，设置在隔着燃烧室3的中心P与第一喷射阀4A成点对称的位置。当将通过第一喷射阀4A及第二喷射阀4B这两者的直线设为对称轴SL，将由该对称轴SL将燃烧室3的平面区域一分为二时的一侧没为第一区域D1，将另一侧设为第二区域D2时，第一喷射阀4A向第一区域Dl喷射燃料，第二喷射阀4B向第二区域D2喷射燃料。在活塞13的顶面上，设置有使包含该顶面中央部的区域向气缸盖12的相反侧凹陷而成的凹部13a，第一喷射阀4A及第二喷射阀4B所具有的多个喷孔44a?44f在俯视时，设置得比凹部13a的周缘更靠直径方向内侧。
[0058]根据这样的结构，有以下的优点:能够提高燃烧室3内的空气利用率，从而有效地减少碳烟产生量。
[0059]S卩，在上述实施方式中，从以隔着燃烧室3的中心P相向的方式设置的第一喷射阀4A及第二喷射阀4B，向隔着连接两者的对称轴SL的不同的两个区域(第一区域Dl及第二区域D2)喷射燃料，因此，与例如从没置于燃烧室3的中心P的单一的喷射阀向燃烧室3周围呈放射状地喷射燃料的普通柴油发动机不同，能够延长所喷射的燃料的喷雾(特别是最靠近对称轴SL的喷雾al、a2及喷雾bl、b2)所能够飞翔的可飞翔距离，即沿着喷雾的中心线连接喷雾的出口(喷孔)与活塞13的壁面所得的距离。
[0060]特别是在上述实施方式中，向气缸盖12的相反侧凹陷的凹部13a设置于活塞13的顶面，第一喷射阀4A、第二喷射阀4B的各喷孔44a?44f设置得比该凹部13a的周缘更靠直径方向内侧，因此，能够避免来自各喷孔44a?44f的喷雾在极短的距离内碰撞凹部13a外侧的壁面(挤压部13b)，而且例如如图7所示，能够使从各喷孔44a?44f喷射出的燃料的喷雾(al?a6及bl?b6)沿着凹部13a的壁面飞翔，从而能够进一步延长喷雾的可飞翔距离。
[0061]这样，确保来自各喷射阀4A、4B的喷雾(al?a6及bl?b6)的可飞翔距离较长，由此，燃料在各喷雾的飞翔过程中充分地雾化，并且各喷雾的穿透力(penetration)随之减弱，因此，能够避免例如喷雾猛力地碰撞活塞13的壁面而使燃料分布失衡这一情况。结果，处于燃烧室3内的空气利用率提高，因此，能够抑制在氧过少的环境下引起燃烧，从而能够有效地减少碳烟产生量。
[0062]而且，因为在燃烧室3的周缘部的相向的两处设置有第一喷射阀4A、第二喷射阀4B，所以能够从不同位置分散地喷射出所需量的燃料，而且能够通过在燃烧室3中沿着周方向回旋的涡流SI，不断将空气供应至各喷射阀4A、4B的喷孔的周围。因此，特别是在从各喷射阀4A、4B喷射出燃料后立即燃烧的初始阶段，能够消除空气量的不足，使燃料与空气充分混合。这样，即使在空气量经常不足的燃烧初始阶段，仍能够确保充足的空气量，因此，能够实现更不易产生碳烟的排放性优异的燃烧。
[0063]此外，如上所述，喷雾的穿透力减弱，且空气利用率提高，因此，还有以下的优点:发动机的冷却损失减少，热效率提闻。
[0064]此处，冷却损失是因燃烧所产生的热能被燃烧室3的壁面吸收而产生，壁面所吸收的热能主要取决于(i)火焰与壁面发生接触的部分即导热部的面积、(ii)导热部的流速、(iii)火焰温度这三个要素。即，(i)的导热部的面积越大，则冷却损失越大，(ii)的导热部的流速越快，则冷却损失越大，(iii)的火焰温度越高，则冷却损失越大。
[0065]与此相对，在上述实施方式中，确保喷雾的可飞翔距离较长，从而减弱穿透力，因此，可避免喷雾远端的火焰沿着活塞13的壁面大幅蔓延，从而导热部的面积减小，并且导热部的流速变慢。而且，可实现空气利用率高的比较稀薄的燃烧，因此，火焰的温度下降。这样，上述⑴?(iii)的任一个要素均向减少冷却损失的方向发生变化，因此，这些要素的叠加效应的结果是热效率提高，燃油经济性得到改善。
[0066]此处，利用图8及图9详细地说明上述实施方式的喷射阀的设置方式与抑制碳烟
产生量相关的理由。
[0067]图8是表示在以一定的喷射模式喷射出燃料的情况下，燃烧室3中所形成的过浓混合气体(此处是当量比Φ超过2的混合气体)的质量比例的曲线图。在该图中，粗实线所示的波形Vl表示采用了上述实施方式的喷射阀的设置的情况下(即以隔着燃烧室3的中心P相向的方式设置第一喷射阀4A、第二喷射阀4B的情况；以下，也将该情况称为侧喷射方式)的过浓混合气体的比例，细实线所示的波形V2表示将单一的喷射阀设置于燃烧室3的中心P的情况下(以下，也将该情况称为中央喷射方式)的过浓混合气体的比例。此夕卜，在后者的中央喷射方式的情况下，从具有数量与上述实施方式的第一喷射阀4A、第二喷射阀4B的合计喷孔数相同的(12个)喷孔的单一的喷射阀，向燃烧室3的周围呈放射状地喷射燃料。另外，在侧喷射方式、中央喷射方式的任一种情况下，喷射模式均相同，在该曲线图的例子中，在压缩上止点(横轴的TDC的位置)之前，先进行两次预喷射Fpl、Fp2，并且在压缩上止点之后，立即进行一次主喷射Fm，然后进行一次后喷射Fai。
[0068]如图8所示，已知从隔着燃烧室3的中心P相向的第一喷射阀4A、第二喷射阀4B喷射燃料的侧喷射方式，与从设置于燃烧室3的中心P的单一的喷射阀喷射燃料的中央喷射方式相比，过浓混合气体的平均质量比例变得更小。特别是对于在进行燃料喷射量最多的主喷射Fm后所形成的过浓混合气体，侧喷射方式与中央喷射方式相比，质量比例的峰值更小，而且峰值后的过浓混合气体的消失速度更快。另外，对于在进行后喷射Fa后所形成的过浓混合气体，虽然侧喷射方式下的质量比例的峰值稍高，但是其后的消失速度较快，平均过浓混合气体的质量比例在侧喷射方式下还是会变小。
[0069]图9是按照侧喷射方式的情况和中央喷射方式的情况，对以图8所示的喷射模式喷射的燃料燃烧时所产生的碳烟产生量进行比较的曲线图，粗实线的波形Wl表示侧喷射方式下的碳烟产生量，细实线的波形W2表示中央喷射方式下的碳烟产生量。如该图所示，已知在压缩上止点(TDC)之后的所有期间内，侧喷射方式下的碳烟产生量小于中央喷射方式下的碳烟产生量。这是因为如图8所示，在采用了侧喷射方式的情况下，过浓混合气体(当量比Φ > 2的混合气体)的质量比例总体上被抑制得更低。即，虽然容易在燃料浓度较高(空气较稀薄)的区域中产生碳烟，但是侧喷射方式能够将过浓混合气体的质量比例抑制得较低，因此，碳烟产生量也随之下降。
[0070]如利用图5等进行的说明所述，在上述实施方式中，第一喷射阀4A、第二喷射阀4B所具有的多个喷孔44a?44f以喷雾越远离对称轴SL则与该喷雾对应的喷孔的孔径越小的方式形成。更具体而言，按照与最靠近对称轴SL的喷雾al、a2(或bl、b2)对应的喷孔44a、44b、与第二靠近对称轴SL的喷雾a3、a4 (或b3、b4)对应的喷孔44c、44d、及与最远离对称轴SL的喷雾a5、a6 (或b5、b6)对应的喷孔44e、44f的顺序，来设定逐渐变小的孔径。根据这样的结构，到达活塞13的壁面的距离(可飞翔距离)越短的喷雾，则其出口亦即喷孔被设定得越小，以减弱穿透力，因此，可避免任一喷雾猛力地碰撞活塞13的壁面，从而可使燃料分布更均匀，结果，碳烟产生量减少。
[0071]S卩，最靠近对称轴SL的喷雾(al、a2及bl、b2)的可飞翔距离，即沿着喷雾的中心线连接喷雾的出口(喷孔44a、44b)与活塞13的壁面所得的距离最长，在喷雾飞翔中途，穿透力充分地减弱，因此，即使对应于该喷雾的喷孔44a、44b较大(即，即使来自喷孔44a、44b的喷射量较大)，仍可避免喷雾猛力地磁撞活塞13。另一方面,最远离对称轴SL的喷雾(a5、a6及b5、b6)的可飞翔距离较短,但因为对应于该喷雾的喷孔44e、44f较小(即，因为来自喷孔44e、44f的喷射量较少)，所以原来所具有的穿透力较弱，还是可避免如上所述的喷雾的碰撞。
[0072]这样，即使通过中央侧的喷雾(al、a2及bl、b2)喷射出大量的燃料，也能够在其飞翔中途充分地减弱穿透力，因此，对于外侧的喷雾(特别是a5、a6及b5、b6)，能够通过减少其喷射量来减弱原来的穿透力，结果，能够充分地抑制任何喷雾与活塞13发生碰撞。
[0073]图10是对以上述方式使喷孔的大小不同时的碳烟产生量(实线的波形Yl)、和使喷孔的大小完全相同时的碳烟产生量(虚线的波形Y2)进行比较的曲线图。此外，在后者的情况下，将所有的喷孔的孔径设定为约01mm，在前者的情况下，设定了约0.1mm的孔径、比该孔径约大22%的孔径、及比所述孔径约小30%的孔径这三种孔径。该图10表明在喷孔越是对应于远离对称轴SL的喷雾，则使其孔径越小的情况下，与使孔径完全相同的情况相比，碳烟产生量更少。这是因为使孔径不同的前者可更有效地抑制喷雾碰撞活塞13的壁面，空气利用率提闻。
[0074]图11是对使喷孔的大小不同时的冷却损失(实线的波形Zl)、和使喷孔的大小完全相同时的冷却损失(虚线的波形Z2)进行比较的曲线图。此外，在图11中，将壁面热损失累计值(纵轴)作为冷却损失，越靠近纵轴的下侧，则表示损失越大。该图11表明在喷雾越是远离对称轴SL则与该喷雾对应的喷孔的孔径越小的情况下，与使孔径完全相同的情况相比，冷却损失更少。这是因为使孔径不同的前者可充分地抑制喷雾碰撞壁面，结果，导热部的面积减小或流速变慢，而且空气利用率提高，火焰温度下降。
[0075]如图2、图7所示，在上述实施方式中，在位于比凹部13a更靠直径方向外侧的位置的活塞13的外周部，设置有由环状平坦面形成的挤压部13b。根据这样的结构，当活塞13上升至压缩上止点附近时，能够形成从燃烧室3的外周侧流向中心侧的挤流S2(图7)。挤流S2发挥使在燃烧室3中沿着周方向回旋的涡流SI靠近中心侧的作用，因此，能够进一步强化涡流SI。另外，挤流S2以推回从第一喷射阀4A、第二喷射阀4B喷射且靠近活塞13的壁面(凹部13a的周缘部)的喷雾的方式发挥作用，因此，能够抑制喷雾碰撞活塞13的壁面。而且，通过所述涡流SI与挤流S2的叠加效应来促进燃料与空气混合，因此，能够进一步提闻空气利用率。
[0076]特别是在上述实施方式中，来自第一喷射阀4A、第二喷射阀4B的多个喷雾中，除了最靠近上述对称轴SL的喷雾(al、a2及bl、b2)以外的剩余的喷雾群(a3?a6及b3?b6)的平均喷雾角r2被设定为相对于对称轴SL成45° ±10°。根据这样的结构，能够进一步强化在燃烧室3内回旋的涡流SI，从而能够进一步促进燃料与空气混合。
[0077]即，从第一喷射阀4A、第二喷射阀4B喷射出的上述剩余的喷雾群(a3?a6及b3?b6)包含大量与对称轴SL正交的方向即切线方向的向量成分，因此，会沿着强化在燃烧室3中回旋的涡流SI的方向发挥作用。但是，若上述剩余的喷雾群的角度(喷雾角)过小，则切线成分会减少，从而无法充分地获得强化涡流SI的效果。另一方面，若喷雾角过大，则从喷雾的出口(喷孔44c?44f)至活塞13的壁面为止的可飞翔距离缩短，导致燃料在充分保持其势头的状态下碰撞活塞13。与此相对，在将上述剩余的喷雾群的角度的平均值(平均喷雾角)r2设定为45° ±10°的情况下，能够避免如上所述的喷雾的碰撞，并且能够充分地强化涡流SI，从而能够进一步提高空气利用率。
[0078]图12是按照侧喷射方式的情况和中央喷射方式的情况，对燃烧室3中所形成的涡流Si的强度(更具体而言是涡流的旋转角速度相对于曲轴的旋转角速度之比即旋流比)进行比较的曲线图，粗实线的波形Xl表示侧喷射方式下的旋流比，细实线的波形X2表示中央喷射方式下的旋流比。此外，在图12中，在采用侧喷射方式的情况下，将上述平均喷雾角r2设定为45° (更具体而言，将喷雾a3、a4及喷雾b3、b4的喷雾角设为35°，将喷雾a5、a6及喷雾b5、b6的喷雾角设为55° )。
[0079]如图12所示，已知在采用了从隔着燃烧室3的中心P相向的第一喷射阀4A、第二喷射阀4B喷射燃料的侧喷射方式的情况下，与从燃烧室3的中心P呈放射状地喷射燃料的中央喷射方式相比，旋流比大幅提高。如上所述，这是基于由挤流S2强化涡流SI，及平均喷雾角r2为45° ±10°的喷雾a3至a6及喷雾b3至b6的作用。与此对照，在中央喷射方式下，旋流比不会上升，这是因为在从燃烧室3的中心P呈放射状地喷射燃料的中央喷射方式下，各喷雾的动量相互抵消。
[0080]如利用图6进行的说明所述，在上述实施方式中，从第一喷射阀4A及第二喷射阀4B喷射出的多个喷雾中，最靠近对称轴SL的喷雾(al、a2及bl、b2)的中心线与对称轴SL所成的角度rl被设定为7°以上15°以下。根据这样的结构，如利用图13在后文中进行的详细说明所述，不仅可避免来自第一喷射阀4A的喷雾al、a2与来自第二喷射阀4B的喷雾bl、b2发生碰撞而导致燃料集中在燃烧室3的中心部，而且会引起由一个喷雾(al、a2或bl、b2)吸引另一个喷雾(bl、b2或al、a2)的卷入现象，从而减弱各喷雾的穿透力(穿透力)。由此，可切实地避免上述喷雾猛力地碰撞活塞13的壁面，形成燃料浓度过高的过浓混合气体的比例进一步减小，因此，能够提高空气利用率，从而更有效地减少碳烟产生量。
[0081]图13是表示以各种角度从第一喷射阀4A及第二喷射阀4B喷射燃料，在喷射后经过了指定时间的时刻的喷雾的状态的图。在该图中，由虚线表示喷雾角(与上述对称轴SL所成的角度)为5°时的喷雾的外廓，由粗实线表示喷雾角为7°时的喷雾的外廓，由点划线表示喷雾角为15°时的喷雾的外廓，由细实线表示喷雾角为17°时的喷雾的外廓。所述各线图表明在喷雾角为5°的情况下(虚线)，来自第一喷射阀4A的喷雾与来自第二喷射阀4B的喷雾相互碰撞,两者成为一体。这意味着大量的燃料滞留在燃烧室3的中心部,并形成燃料浓度大幅提高的区域。另一方面，在喷雾角为17°的情况下(细实线)，未引起如上所述的喷雾的相互碰撞，但来自第一喷射阀4A的喷雾与来自第二喷射阀4B的喷雾完全不受相互影响而大致呈直线状地较长地延伸。这意味着即使在从喷射起经过了指定时间的时刻，来自各喷射阀4A、4B的喷雾的穿透力仍较强。
[0082]与此相对，已知在喷雾角为7° (粗实线)或15° (点划线)的情况下，来自第一喷射阀4A的喷雾与来自第二喷射阀4B的喷雾未成为一体，且未引起碰撞。而且，还能够理解因为来自各喷射阀4A、4B的喷雾的远端部以相互卷入的方式弯曲，所以喷雾的穿透力减弱，飞翔速度变慢。
[0083]此外，认为喷雾相互卷入的现象的原因在于沿着喷雾的轴方向产生的压力梯度。即，若从各喷射阀4A、4B猛力地喷射出喷雾，则以越靠近喷雾的下游侧，则压力越高(越靠近一上游侧，则压力越低)的方式，产生沿着喷雾的轴方向的压力梯度。因此，当从各喷射阀4A、4B喷射出的喷雾相互接近时，一个喷雾的下游端被吸向另一个喷雾的上游侧(压力较低的一侧)，如图13的实线或点划线所示，产生喷雾向燃烧室3的中心侧弯曲的现象(卷入现象)。但是，若喷雾相互的隔开距离较长(即喷雾角较大)，则由压力差产生的吸引力不会发挥作用，因此，如图13中的细实线所示，不会引起喷雾相互卷入的现象。另一方面，若喷雾相互的隔开距离较短(即喷雾角较小)，则如图13中的虚线所示，会导致喷雾相互碰撞。根据图13，如粗实线及点划线所示，能够不伴随如上所述的情况而适当地引起喷雾相互卷入的现象的喷雾角范围为7°以上15°以下。
[0084]此外，在上述实施方式中，如图2、图7所示，在活塞13上设置有越靠近活塞13的中心侧,则凹陷深度越深的碗状的凹部13a，但只要凹部的包含活塞顶面的中央部的区域凹陷便可，能够对其具体形状进行各种变更。例如，还可像图14所示的活塞113那样，在活塞113的顶面上形成包含中央部的平坦面与其周围的斜面的凹部113a。
[0085]另外，在上述实施方式中，在第一喷射阀4A及第二喷射阀4B中，分别设置有排列成2段3列的合计六个喷孔44a?44f，但喷孔的数量及没置不限于此，能够进行各种变更。
[0086]另外，在上述实施方式中，喷雾越远离对称轴SL则与该喷雾对应的喷孔的孔径设定得越小，由此，喷雾越远离对称轴SL，则其穿透力越弱，但用于改变穿透力的方法不限于此。例如，还可改变喷孔的轴长(穿设有喷孔的部分的阀体41的壁厚)而不改变喷孔的孔径，由此，使喷雾的穿透力变化。即，若喷孔的轴长较长，则从喷孔喷出时的喷雾的扩散角度会变小，因此穿透力增强，相反地，着喷孔的轴长较短，则从喷孔喷出时的喷雾的扩散角度会变大，因此穿透力减弱。因此，通过替代改变喷孔的孔径的方式或者除了改变喷孔的孔径之外还改变喷孔的轴长的方式，也可使穿透力发生变化。[0087]另外，在上述实施方式中，设置有蓄压且储存供应至第一喷射阀4A的燃料的第一共轨30，并且设置有蓄压且储存供应至第二喷射阀4B的燃料的第二共轨31，但还可利用第一喷射阀4A及第二喷射阀4B所共用的共轨。在此情况下，只要设置将燃料压送至上述共用的共轨的单一的泵作为将燃料压送至共轨的高压泵便可。
[0088]另外，在上述实施方式中，以进行所谓的扩散燃烧的柴油发动机为前提而进行了说明，所谓的扩散燃烧是指在活塞13上升至压缩上止点的附近的时刻(即，在燃烧室3已充分达到高温的状态下)，从第一喷射阀4A及第二喷射阀4B喷射燃料(例如参照图8的主喷射Fm等)，使喷射出的燃料与空气混合并且燃烧，但还可采用以下的柴油发动机，该柴油发动机无需在所有的运转区域中进行扩散燃烧，而是在至少一部分的运转区域中进行预混合燃烧(从到达压缩上止点相当前的时期喷射燃料，使燃料与空气均匀地混合后使之燃烧)。
[0089]此外，当然能够在不脱离本发明的宗旨的范围内进行各种变更。
[0090]最后，归纳说明上述实施方式所公开的柴油发动机的特征性结构及基于该特征性结构的作用效果。
[0091]柴油发动机包括形成在往返运动的活塞与气缸盖之间的燃烧室以及将燃料从气缸盖侧喷射到燃烧室的喷射器，并且使从所述喷射器喷射出的燃料在所述燃烧室扩散燃烧，所述喷射器具有第一喷射阀及第二喷射阀，该第一喷射阀和第二喷射阀设置在隔着所述燃烧室的中心相向的位置，当将通过所述第一喷射阀及所述第二喷射阀这两者的直线设为对称轴，将由所述对称轴将所述燃烧室的平面区域一分为二后的一侧设为第一区域，将另一侧设为第二区域时，所述第一喷射阀向所述第一区域喷射燃料，所述第二喷射阀向所述第二区域喷射燃料，所述活塞的顶面上形成有使包含所述顶面的中央部的区域向所述气缸盖侧的相反侧凹陷的凹部，所述第一喷射阀及所述第二喷射阀俯视下分别在位于比所述凹部的周缘更靠直径方向内侧的位置的部位具有作为燃料出口的至少一个喷孔。
[0092]上述柴油发动机中，从以隔着燃烧室的中心相向的方式设置的第一喷射阀及第二喷射阀，向隔着连接两者的对称轴的不同的两个区域(第一区域及第二区域)喷射燃料，因此，与例如从设置于燃烧室的中心的单一的喷射阀向燃烧室的周围呈放射状地喷射燃料的普通的柴油发动机不同，能够延长所喷射的燃料的喷雾所能够飞翔的可飞翔距离，即能够将沿着喷雾的中心线连接从喷雾的出口(喷孔)至活塞的壁面为止的距离延长。
[0093]特别是在上述柴油发动机中，活塞的顶面上设置有向气缸盖侧的相反侧凹陷的凹部，第一喷射阀及第二喷射阀的喷孔设置在比该凹部的周缘更靠直径方向内侧，因此，能够避免来自喷孔的喷雾在极短的距离内碰撞凹部外侧的壁面，而且能够使从喷孔喷射出的燃料的喷雾沿着凹部的壁而飞翔，从而能够进一步延长喷雾的可飞翔距离。
[0094]这样，通过确保较长的来自各喷射阀的喷雾的可飞翔距离，由此，燃料在各喷雾的飞翔过程中充分地雾化，并且各喷雾的穿透力随之减弱，因此，能够避免例如喷雾猛力地碰撞活塞的壁面而使燃料分布失衡这一情况。结果，处于燃烧室内的空气利用率提高，因此，能够抑制在氧过少的环境下引起燃烧，从而能够有效地减少碳烟产生量。
[0095]而且，因为在燃烧室的周缘部的相向的两处设置有第一喷射阀、第二喷射阀，所以能够从不同位置分散地喷射出所需量的燃料，而且能够通过在燃烧室中沿着周方向回旋的涡流，不断将空气供应至各喷射阀的喷孔的周围。因此，特别是在从各喷射阀喷射出燃料不久的燃烧的初始阶段，能够消除空气量的不足，使燃料与空气充分混合。这样，即使在空气量常常会不足的燃烧初始阶段，仍能够确保充是足空气量，因此，能够实现更不易产生碳烟的排放性优异的燃烧。
[0096]上述柴油发动机中较为理想的是，所述第一喷射阀及所述第二喷射阀分别具有多个喷孔，所有喷孔的位置俯视下设定在比所述凹部的周缘更靠直径方向内侧，所述第一喷射阀所具有的多个喷孔形成为互不相同的形状，使得燃料的喷雾的穿透力基于喷孔的不同而不同，所述第二喷射阀所具有的多个喷孔形成为互不相同的形状，使得燃料的喷雾的穿透力基于喷孔的不同而不同。
[0097]根据该结构，从第一喷射阀、第二喷射阀所具有的所有的多个喷孔向凹部喷射燃料，因此，能够使燃烧室内的燃料浓度分布均等，从而能够进一步提高燃烧室内的空气利用率。而且，通过使每个喷孔的形状不同，喷雾的直至活塞壁面为止的可飞翔距离越短，则穿透力越弱，因此，能够避免任一喷雾猛力地碰撞活塞的壁面。由此，能够使燃料分布更均匀，因此，能够更有效地减少碳烟产生量。
[0098]具体而言，为了使各喷雾的穿透力发生变化，所述第一喷射阀所具有的多个喷孔以孔径互不相同的方式形成，所述第二喷射阀所具有的多个喷孔以孔径互不相同的方一式形成便可。
[0099]而且，上述结构中，为了使喷雾的直至活塞壁面为止的可飞翔距离越短则穿透力越弱，只要使所述第一喷射阀所具有的多个喷孔以喷雾越远离所述对称轴则与该喷雾对应的喷孔的孔径越小的方式形成，所述第二喷射阀所具有的多个喷孔以喷雾越远离所述对称轴则与该喷雾对应的喷孔的孔径越小的方式形成便可。
[0100]上述结构中，所谓多个喷孔“形成为互不相同的形状”，并不限于喷孔各自的形状完全不同这一含意。例如，在有三个以上的喷孔的情况下，只要有至少两种形状的喷孔便可，并不否定有相同形状的喷孔。另外，上述结构中，所谓多个喷孔“以孔径互不相同的方式形成”，并不限于喷孔各自的孔径完全不同这一含意。例如，在有三个以上的喷孔的情况下，只要有至少两种孔径的喷孔便可，并不否定有相同孔径的喷孔。
[0101]上述柴油发动机中较为理想的是，所述活塞在位于比所述凹部更靠直径方向外侧的位置的部位具有由环状的平坦面形成的挤压部。
[0102]根据该结构，当活塞上升至压缩上止点附近时，能够形成从燃烧室的外周侧流向中心侧的挤流。挤流发挥使在燃烧室中沿着周方向回旋的涡流靠近中心侧的作用，因此，能够进一步强化涡流。而且，通过这样较强的涡流与上述挤流的叠加效应来促进燃料与空气混合，由此能够进一步提1?空气利用率。
【权利要求】
1.一种柴油发动机，其特征在于: 包括形成在往返运动的活塞与气缸盖之间的燃烧室以及将燃料从气缸盖侧喷射到燃烧室的喷射器，并且使从所述喷射器喷射出的燃料在所述燃烧室扩散燃烧， 所述喷射器具有第一喷射阀及第二喷射阀，该第一喷射阀和第二喷射阀设置在隔着所述燃烧室的中心相向的位置， 当将通过所述第一喷射阀及所述第二喷射阀这两者的直线设为对称轴，将由所述对称轴将所述燃烧室的平面区域一分为二后的一侧设为第一区域，将另一侧设为第二区域时，所述第一喷射阀向所述第一区域喷射燃料，所述第二喷射阀向所述第二区域喷射燃料，所述活塞的顶面上形成有使包含所述顶面的中央部的区域向所述气缸盖侧的相反侧凹陷的凹部， 所述第一喷射阀及所述第二喷射阀俯视下分别在位于比所述凹部的周缘更靠直径方向内侧的位置的部位具有作为燃料出口的至少一个喷孔。
2.根据权利要求1所述的柴油发动机，其特征在于: 所述第一喷射阀及所述第二喷射阀分别具有多个喷孔，所有喷孔的位置俯视下设定在比所述凹部的周缘更靠直径方向内侧， 所述第一喷射阀所具有的多个喷孔形成为互不相同的形状，使得燃料的喷雾的穿透力基于喷孔的不同而不同， 所述第二喷射阀所具有的多个喷孔形成为互不相同的形状，使得燃料的喷雾的穿透力基于喷孔的不同而不同。
3.根据权利要求2所述的柴油发动机，其特征在于: 所述第一喷射阀所具有的多个喷孔以孔径互不相同的方式形成， 所述第二喷射阀所具有的多个喷孔以孔径互不相同的方式形成。
4.根据权利要求3所述的柴油发动机，其特征在于: 所述第一喷射阀所具有的多个喷孔以喷雾越远离所述对称轴则与该喷雾对应的喷孔的孔径越小的方式形成， 所述第二喷射阀所具有的多个喷孔以喷雾越远离所述对称轴则与该喷雾对应的喷孔的孔径越小的方式形成。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的柴油发动机，其特征在于: 所述活塞在位于比所述凹部更靠直径方向外侧的位置的部位具有由环状的平坦面形成的挤压部。
【文档编号】F02M61/14GK103967673SQ201410027249
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年1月21日 优先权日:2013年2月1日
【发明者】饭田晋也, 金尚奎, 神崎淳, 横尾健志 申请人:马自达汽车株式会社