JP2009215979A - 燃料直噴エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】 ペントルーフ型ピストンを備えた燃料直噴エンジンにおいて、リップ部の熱負荷やキャビティ内の混合気の濃度を円周方向に可及的に均一化する。
【解決手段】 頂面の高さが円周方向に変化するピストン１３の中央部に凹設したキャビティ２５のピストン中心軸Ｌｐを含む断面形状を円周方向の各位置で均一化したものにおいて、キャビティ２５からの燃料の吹き零れを防止すべく、キャビティ２５の開口縁に径方向内向きに突設されるリップ部２６の断面形状を円周方向の各位置で均一化したので、リップ部２６を設けたことでピストン中心軸Ｌｐを含むキャビティ２５の各断面形状が不一致になるのを防止し、キャビティ２５内での燃料の均一な混合を確保することができる。更に、混合気の燃焼時にリップ部２６に加わる熱負荷を円周方向全域に亘って均一にして耐久性を高めることができ、しかもピストン１３の鋳造時にリップ部２６における溶湯の冷却速度を均一化して鋳造精度を高めることができる。
【選択図】 図９

Description

本発明は、頂面のピストン中心軸方向の高さが円周方向に変化するピストンと、前記ピストンの頂面の中央部に凹設されたキャビティと、前記キャビティの開口縁からピストン中心軸に向けて環状に突出し、該キャビティの開口径を縮径するリップ部と、前記キャビティ内に燃料を噴射するフュエルインジェクタとを備えた燃料直噴エンジンに関する。

一般的に燃料直噴ディーゼルエンジンのピストンの頂面は平坦に形成されているが、ピストンの頂面をペントルーフ状に突出させた燃料直噴ディーゼルエンジンが、下記特許文献１により公知である。

この燃料直噴ディーゼルエンジンは、ペントルーフ型のピストンの頂面に凹設したキャビティの開口縁から環状のリップ部を径方向内向きに突設するとともに、そのリップ部のピストン中心軸方向の厚さを円周方向に均一化することにより、キャビティの内部に噴射された燃料の吹き零れを防止してＨＣやスモークの発生を抑制するようになっている。
特公平５−１７３７０号公報

ところで上記従来のものは、キャビティのリップ部のピストン中心軸方向の厚さを円周方向に均一化しているが、ペントルーフ型のピストンのキャビティの開口縁は円周方向に波打つように高さが変化しているため、リップ部の断面形状やキャビティの断面形状が円周方向に不均一になり、リップ部の熱負荷やキャビティ内の混合気の濃度が円周方向に不均一になる問題があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、ペントルーフ型ピストンを備えた燃料直噴エンジンにおいて、リップ部の熱負荷やキャビティ内の混合気の濃度を円周方向に可及的に均一化することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、頂面のピストン中心軸方向の高さが円周方向に変化するピストンと、前記ピストンの頂面の中央部に凹設されたキャビティと、前記キャビティの開口縁からピストン中心軸に向けて環状に突出し、該キャビティの開口径を縮径するリップ部と、前記キャビティ内に燃料を噴射するフュエルインジェクタとを備えた燃料直噴エンジンにおいて、ピストン中心軸から放射方向に延びる任意の半平面における前記リップ部の断面形状を、該リップ部の円周方向全域に亘って略等しくしたことを特徴とする燃料直噴エンジンが提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、頂面のピストン中心軸方向の高さが円周方向に変化するピストンと、前記ピストンの頂面の中央部に凹設されたキャビティと、前記キャビティの開口縁からピストン中心軸に向けて環状に突出し、該キャビティの開口径を縮径するリップ部と、前記キャビティ内に燃料を噴射するフュエルインジェクタとを備えた燃料直噴エンジンにおいて、Ｎを２以上の自然数とし、前記リップ部の外壁面と、ピストン中心軸から放射方向に延びて互いに均等な挟み角を有するＮ個の半平面とで、前記リップ部をＮ個の仮想的なリップ部区分に区画したとき、前記各々の仮想的なリップ部区分の容積が略等しくなるように、前記リップ部の外壁面の形状を設定したことを特徴とする燃料直噴エンジンが提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項２の構成に加えて、Ｎを２以上の自然数とし、前記キャビティの内壁面と、ピストン中心軸から放射方向に延びて互いに均等な挟み角を有するＮ個の半平面とで、前記キャビティをＮ個の仮想的なキャビティ区分に区画したとき、前記各々の仮想的なキャビティ区分の容積が略等しくなるように、前記キャビティの内壁面の形状を設定したことを特徴とする、請求項２に記載の燃料直噴エンジンが提案される。

また請求項４に記載された発明によれば、請求項３の構成に加えて、前記フュエルインジェクタは円周方向に離間する複数の燃料噴射軸を備え、ｎ番目の燃料噴射軸を通る前記キャビティの断面を燃料噴射断面Ｓｎとし、前記燃料噴射断面Ｓｎと前記キャビティの開口縁との交点を第１特定点Ａｎとし、前記第１特定点Ａｎを通りかつ前記燃料噴射断面Ｓｎにおけるシリンダヘッドの下面と平行な線上には第２特定点Ｂｎが存在し、前記燃料噴射断面Ｓｎにおける前記キャビティの底壁部上には第３特定点Ｃｎが存在し、前記第２特定点Ｂｎは前記第１特定点Ａｎよりもピストン中心軸に近い位置にあり、前記第３特定点Ｃｎは前記キャビティの底壁部の最大外径位置よりもピストン中心軸に近い位置にあり、前記第１、２特定点Ａｎ，Ｂｎを前記燃料噴射断面Ｓｎにおける前記シリンダヘッドの下面に沿う線で結ぶ経路ＡｎＢｎと、前記第１、第３特定点Ａｎ，Ｃｎを前記燃料噴射断面Ｓｎにおける前記キャビティの壁面に沿って結ぶ経路ＡｎＣｎと、前記第２、第３特定点Ｂｎ，Ｃｎを最短直線で結ぶ経路ＢｎＣｎとで囲まれる断面形状が、各燃料噴射断面Ｓｎにおいて略等しくしたものを基準断面形状とし、前記ピストンの頂面のピストン中心軸方向の高さが低い方向に存在する燃料噴射軸を通る前記燃料噴射断面Ｓｎほど、前記基準断面形状が拡大するように前記キャビティの内壁面の形状を変化させることで、前記各々の仮想的なキャビティ区分の容積を略等しくし、前記燃料噴射断面Ｓｎにおける前記経路ＡｎＢｎ上の前記第１特定点Ａｎから前記第２特定点Ｂｎ側に距離ｒだけ離れた点ｇ１，ｇ２と、前記点ｇ１，ｇ２から前記経路ＡｎＢｎと直交する方向に前記キャビティの底壁部側に距離Ｈｅだけ離れた点ｈ１，ｈ２とを規定し、前記第１特定点Ａｎおよび前記点ｇ１，ｇ２を結ぶ線分と、前記点ｇ１，ｇ２および前記点ｈ１，ｈ２を結ぶ線分と、前記点ｈ１，ｈ２および前記キャビティの周壁部を滑らかに結ぶ曲線とにより、前記リップ部の形状を設定したことを特徴とする、請求項３に記載の燃料直噴エンジンが提案される。

請求項１の構成によれば、いわゆるペントルーフ型のピストンの頂面の中央部に凹設したキャビティの開口縁に、ピストン中心軸に向けて環状に突出するリップ部を設けたものにおいて、リップ部の断面形状を円周方向全域に亘って略等しくしたので、インジェクタから噴射された燃料がキャビティから吹き零れるのをリップ部により阻止できるだけでなく、リップ部を設けたことでピストン中心軸を含むキャビティの各断面形状が不一致になるのを防止し、キャビティ内での燃料の均一な混合を確保することができる。更に、混合気の燃焼時にリップ部に加わる熱負荷を円周方向全域に亘って均一にして耐久性を高めることができ、しかもピストンの鋳造時にリップ部における溶湯の冷却速度を均一化して鋳造精度を高めることができる。

また請求項２の構成によれば、いわゆるペントルーフ型のピストンの頂面の中央部に凹設したキャビティの開口縁に、ピストン中心軸に向けて環状に突出するリップ部を設けたものにおいて、ピストン中心軸から放射方向に延びて互いに均等な挟み角を有するＮ個の半平面でリップ部をＮ個の仮想的なリップ部区分に区画したとき、各々の仮想的なリップ部区分の容積を略等しくしたので、インジェクタから噴射された燃料がキャビティから吹き零れるのをリップ部により阻止できるだけでなく、リップ部を設けたことでピストン中心軸を含むキャビティの各断面形状が不一致になるのを防止し、キャビティ内での燃料の均一な混合を確保することができる。更に、混合気の燃焼時にリップ部に加わる熱負荷を円周方向全域に亘って均一にして耐久性を高めることができ、しかもピストンの鋳造時にリップ部における溶湯の冷却速度を均一化して鋳造精度を高めることができる。

また請求項３の構成によれば、ピストン中心軸から放射方向に延びて互いに均等な挟み角を有するＮ個の半平面で、キャビティをＮ個の仮想的なキャビティ区分に区画したとき、各々の仮想的なキャビティ区分の容積が略等しくなるようにキャビティの内壁面の形状を設定したので、キャビティにおける燃料および空気の混合状態を均一化してエンジンの出力向上および排気有害物質の低減を図ることができる。このとき、各々の仮想的なリップ部区分の容積を略等しくしたので、リップ部を設けたことで各々の仮想的なキャビティ区分の容積が不均一になるのを防止することができる。

また請求項４の構成によれば、先願発明（特開２００８−００２４４３号公報参照）のキャビティの断面形状を基準断面形状とし、ピストンの頂面のピストン中心軸方向の高さが低い方向に存在する燃料噴射軸を通る燃料噴射断面Ｓｎほど、前記基準断面形状が拡大するようにキャビティの内壁面の形状を変化させることで、各々の仮想的なキャビティ区分の容積を略等しくしたので、先願発明に比べて各燃料噴射断面Ｓｎにおける燃料および空気の混合状態をより均一化することができる。

以下、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて説明する。

図１〜図１１は本発明の実施の形態を示すもので、図１はディーゼルエンジンの要部縦断面図、図２は図１の２−２線矢視図、図３は図１の３−３線矢視図、図４はピストンの上部斜視図、図５は図３の５−５線断面図、図６は図３の６−６線断面図、図７は図３の７−７線断面図、図８は補正後のキャビティの断面形状を示す、前記図５に対応する図、図９は補正後のキャビティの断面形状を示す、前記図６に対応する図、図１０は仮想的なキャビティ区分およびリップ部区分の説明図、図１１はキャビティ区分の方向を円周方向に変化させたときの、該キャビティ区分の容積の変化率を示すグラフである。

図１〜図３に示すように、燃料直噴型のディーゼルエンジンは、シリンダブロック１１に形成されたシリンダ１２に摺動自在に嵌合するピストン１３を備えており、ピストン１３はピストンピン１４およびコネクティングロッド１５を介して図示せぬクランクシャフトに接続される。シリンダブロック１１の上面に結合されるシリンダヘッド１６の下面に、ピストン１３の頂面に対向する２個の吸気バルブ孔１７，１７と、２個の排気バルブ孔１８，１８とが開口しており、吸気バルブ孔１７，１７に吸気ポ−ト１９が連通し、排気バルブ孔１８，１８に排気ポート２０が連通する。吸気バルブ孔１７，１７は吸気バルブ２１，２１で開閉され、排気バルブ孔１８，１８は排気バルブ２２，２２で開閉される。ピストン中心軸Ｌｐ上に位置するようにフュエルインジェクタ２３が設けられるとともに、フュエルインジェクタ２３に隣接するようにグロープラグ２４が設けられる。

図１および図４から明らかなように、ピストン１３の頂面と、そこに対向するシリンダヘッド１６の下面とは平坦ではなく断面三角形のペントルーフ状に傾斜しており、この形状により、吸気ポ−ト１９および排気ポート２０の湾曲度を小さくするとともに吸気バルブ孔１７，１７および排気バルブ孔１８，１８の直径を確保し、吸気効率および排気効率を高めることができる。

ピストン１３の頂面には、ピストン中心軸Ｌｐを中心とするキャビティ２５が凹設される。キャビティ２５の径方向外側には、ピストンピン１４と平行に直線状に延びる頂部１３ａ，１３ａから吸気側および排気側に向かって下向きに傾斜する一対の傾斜面１３ｂ，１３ｂと、傾斜面１３ｂ，１３ｂの下端近傍に形成されてピストン中心軸Ｌｐに直交する一対の平坦面１３ｃ，１３ｃと、頂部１３ａ，１３ａの両端を平坦に切り欠いた一対の切欠き部１３ｄ，１３ｄとが形成される。

ピストン中心軸Ｌｐに沿って配置されたフュエルインジェクタ２３は、ピストン中心軸Ｌｐ上の仮想的な点である燃料噴射点Ｏｉｎｊを中心として円周方向に６０°間隔で離間する６つの方向に燃料を噴射する。６本の燃料噴射軸のうちの２本の第１燃料噴射軸Ｌｉ１は、ピストン中心軸Ｌｐ方向に見てピストンピン１４と重なっており、他の４本の第２燃料噴射軸Ｌｉ２は、ピストンピン１４の方向に対して６０°の角度で交差している。またピストン中心軸Ｌｐに直交する方向に見て、６本の第１、第２燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２は斜め下向きに傾斜しており、その下向きの度合いは第１燃料噴射軸Ｌｉ１については小さく、第２燃料噴射軸Ｌｉ１については大きくなっている（図６および図７参照）。

尚、フュエルインジェクタ２３が実際に燃料を噴射する噴射点はピストン中心軸Ｌｐから径方向外側に僅かにずれているが、前記燃料噴射点Ｏｉｎｊは前記第１、第２燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２がピストン中心軸Ｌｐと交差する点として定義される。

次に、図５〜図７を参照して、本出願人の出願に係る先願発明（特開２００８−００２４４３号公報参照）のキャビティ２５の断面形状を詳述する。先願発明のキャビティ２５の断面形状を説明する理由は、先願発明のキャビティ２５の断面形状を補正した上で、キャビティ２５の開口縁にリップ部２６を突設して本願発明のキャビティ２５の断面形状を得るからである。図５はピストンピン１４に対して直交する方向の断面であり、図６はピストンピン１４に対して６０°で交差する方向の断面（第２燃料噴射軸Ｌｉ２を含む断面）であり、図７はピストンピン１４に沿う方向の断面（第１燃料噴射軸Ｌｉ１を含む断面）である。

先願発明は、ピストン中心軸Ｌｐを通る任意の断面において、キャビティ２５の形状を可及的に一致させることを狙ったものである。キャビティ２５の断面形状はピストン中心軸Ｌｐを挟んで左右二つの部分に分かれており、その二つの部分は図７のピストンピン１４方向の断面では概ね直線状に繋がっているが、図５のピストンピン１４直交方向の断面と、図６のピストンピン１４に対して６０°で交差する方向の断面とでは、ピストン１３のペントルーフ形状に応じて山型に繋がっている。但し、キャビティ２５の断面形状の主要部、つまり図５〜図７に網かけをして示す部分の形状は完全に一致している。

図５〜図７から明らかなように、ピストン中心軸Ｌｐを中心として形成されたキャビティ２５は、ピストン１３の頂面から下向きに直線状に延びる周壁部２５ａと、周壁部２５ａの下端からピストン中心軸Ｌｐに向かってコンケーブ状に湾曲する曲壁部２５ｂと、曲壁部２５ｂの径方向内端からピストン中心軸Ｌｐに向かって斜め上方に直線状に延びる底壁部２５ｃと、ピストン中心軸Ｌｐ上で底壁部２５ｃの径方向内端に連なる頂部２５ｄとで構成される。

キャビティ２５に対向するシリンダヘッド１６の下面を示す線Ｌ−Ｒ１，Ｌ−Ｒ２から下方に距離Ｈａだけ離れて平行に延びるラインをピストン頂面基本線Ｌ−ａ１，Ｌ−ａ２とする。同様にシリンダヘッド１６の下面を示す線Ｌ−Ｒ１，Ｌ−Ｒ２から下方に距離Ｈｂｃだけ離れて平行に延びる線をキャビティ底面基本線Ｌ−ｂｃ１，Ｌ−ｂｃ２とし、シリンダヘッド１６の下面を示す線Ｌ−Ｒ１，Ｌ−Ｒ２から下方に距離Ｈｄだけ離れて平行に延びる線をキャビティ頂部基本線Ｌ−ｄ１，Ｌ−ｄ２とする。

燃料噴射点Ｏｉｎｊを中心とする半径Ｒａの円弧と前記ピストン頂面基本線Ｌ−ａ１，Ｌ−ａ２との交点をａ１，ａ２とする。同様に燃料噴射点Ｏｉｎｊを中心とする半径Ｒｂの円弧と前記キャビティ底面基本線Ｌ−ｂｃ１，Ｌ−ｂｃ２との交点をｂ１，ｂ２とし、燃料噴射点Ｏｉｎｊを中心とする半径Ｒｃの円弧と前記キャビティ底面基本線Ｌ−ｂｃ１，Ｌ−ｂｃ２との交点をｃ１，ｃ２とし、燃料噴射点Ｏｉｎｊを中心とする半径Ｒｄの円弧と前記キャビティ頂部基本線Ｌ−ｄ１，Ｌ−ｄ２との交点をｄ１，ｄ２とする。交点ｅ１，ｅ２は、前記交点ｄ１，ｄ２からピストン頂面基本線Ｌ−ａ１，Ｌ−ａ２に下ろした垂線が該ピストン頂面基本線Ｌ−ａ１，Ｌ−ａ２に交差する点である。

キャビティ２５の周壁部２５ａは直線ａ１ｂ１，ａ２ｂ２の上にあり、キャビティ２５の底壁部２５ｃは直線ｃ１ｄ１，ｃ２ｄ２に一致し、キャビティ２５の曲壁部２５ｂは直線ａ１ｂ１，ａ２ｂ２および直線ｃ１ｄ１，ｃ２ｄ２を滑らかに接続する。

しかして、交点ａ１，ｃ１，ｄ１，ｅ１あるいは交点ａ２，ｃ２，ｄ２，ｅ２によって決まる網かけした断面形状が，ピストン中心軸Ｌｐを通る任意の断面において等しくなるように、キャビティ２５の形状が設定される。

前記交点ａ１，ａ２は本発明の第１特定点Ａｎに対応し、前記交点ｅ１，ｅ２は本発明の第２特定点Ｂｎに対応し、前記交点ｄ１，ｄ２は本発明の第３特定点Ｃｎに対応するものである。

図６および図７に示す第１、第２燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２を通る断面については、図７に示すピストンピン１４方向の断面（燃料噴射断面Ｓ１）における網かけ部分と、図６に示すピストンピン１４に対して６０°で交差する方向の断面（燃料噴射断面Ｓ２）における網かけ部分とは同形になる。

図７に示すピストンピン１４方向の断面において、第１燃料噴射軸Ｌｉ１がキャビティ２５と交差する点を燃料衝突点Ｐ１とし、図６に示すピストンピン１４に対して６０°で交差する方向の断面において、第２燃料噴射軸Ｌｉ２がキャビティ２５と交差する点を燃料衝突点Ｐ２とする。二つの燃料衝突点Ｐ１，Ｐ２は、網かけした同一形状の断面上の同じ位置に存在している。従って、燃料衝突点Ｐ２の位置は燃料衝突点Ｐ１の位置よりも低くなり、燃料噴射点Ｏｉｎｊから延びる第２燃料噴射軸Ｌｉ２は第１燃料噴射軸Ｌｉ１よりも更に下向きに燃料を噴射することになる。

燃料噴射点Ｏｉｎｊから燃料衝突点Ｐ１までの距離Ｄ１は、燃料噴射点Ｏｉｎｊから燃料衝突点Ｐ２までの距離Ｄ２に略一致する。また燃料衝突点Ｐ１におけるキャビティ２５の接線と第１燃料噴射軸Ｌｉ１とが成す燃料衝突角α１は、燃料衝突点Ｐ２におけるキャビティ２５の接線と第２燃料噴射軸Ｌｉ２とが成す燃料衝突角α２に略一致する。

以上のように先願発明によれば、ピストン中心軸Ｌｐを通る任意の断面において、燃料噴射点Ｏｉｎｊの近傍のごく一部（交点ｅ１，ｄ１，ｄ２，ｅ２で囲まれた領域）を除いて、キャビティ２５の断面形状が同一に形成されている。特に、第１、第２燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２を含む二つの断面（図６および図７参照）においてもキャビティ２５の断面形状が同一に形成されており、しかも前記二つの断面において燃料噴射点Ｏｉｎｊから燃料衝突点Ｐ１，Ｐ２までの距離Ｄ１，Ｄ２が略等しく設定され、かつ燃料衝突点Ｐ１，Ｐ２における燃料衝突角α１，α２が略等しく設定されるので、キャビティ２５の各部における空気および燃料の混合状態を円周方向に均一化し、混合気の燃焼状態を改善してエンジン出力の増加および排気有害物質の低減を図ることができる。

また図５および図６に示すピストン１３の頂面が傾斜する断面においても、キャビティ２５の開口のエッジ（交点ａ２の部分）が成す角度が、図７に示すピストン１３の頂面が平坦な場合に比べて鋭角化することがないため、その部分の熱負荷を軽減して耐熱性を高めることができる。

ところで先願発明は、図５〜図７におけるキャビティ２５の断面形状が、網かけをして示す部分では完全に一致しているものの、燃料噴射点Ｏｉｎｊの近傍の交点ｅ１，ｄ１，ｄ２，ｅ２で囲まれた白抜きの領域で不一致になっている。その理由は、キャビティ２５の断面形状のピストン中心軸Ｌｐを挟む二つの部分が、図７のピストンピン１４方向の断面では概ね直線状に繋がっているが、図５のピストンピン１４直交方向の断面と、図６のピストンピン１４に対して６０°で交差する方向の断面とでは、ピストン１３のペントルーフ形状に応じて山型に繋がっているため、交点ｅ１，ｄ１，ｄ２，ｅ２で囲まれた白抜きの領域の面積が、図７のピストンピン１４方向の断面で最も大きく、図６のピストンピン１４に対して６０°で交差する方向の断面で減少し、図５のピストンピン１４直交方向の断面で更に減少するためである。

本実施の形態は、交点ｅ１，ｄ１，ｄ２，ｅ２で囲まれた白抜きの領域の面積が最大になるピストンピン１４方向のキャビティ２５の断面形状（図７参照）を基準とし、その他の方向の断面形状を拡大する方向（つまり、キャビティ２５の深さを増加させる方向）に補正することで、前記交点ｅ１，ｄ１，ｄ２，ｅ２で囲まれた白抜きの領域の面積の差異を補償し、キャビティ２５の全ての方向の断面で空気および燃料の混合状態の一層の均一化を図るものである。

図８は、図５のピストンピン１４直交方向におけるキャビティ２５の断面形状の補正手法を説明するものであり、鎖線の形状は先願発明のものを示し、実線の形状は本実施の形態のものを示している。

本実施の形態によるキャビティ２５の断面形状の補正は、交点ｂ１および交点ｃ１の位置を、それぞれ交点ｂ１′および交点ｃ１′となるように下方に移動させることで、網かけ部分の面積を増加させることにより行われる。

先ずキャビティ底面基本線Ｌ−ｂｃ１と、直線ｅ１ｄ１の下方への延長線との交点をｆ１として決定する。続いて交点ｆ１を通るキャビティ底面基本線Ｌ−ｂｃ１を、交点ｆ１を中心として所定角度βだけ下方に回転させ、新たなキャビティ底面基本線Ｌ−ｂｃ１′を設定する。続いて燃料噴射点Ｏｉｎｊを中心とする半径Ｒｂの円弧と新たなキャビティ底面基本線Ｌ−ｂｃ１′との交点を前記ｂ１′として決定し、燃料噴射点Ｏｉｎｊを中心とする半径Ｒｃの円弧と新たなキャビティ底面基本線Ｌ−ｂｃ１′との交点を前記ｃ１′として決定する。

しかして、補正後のキャビティ２５の断面形状では、キャビティ２５の周壁部２５ａは直線ａ１ｂ１′の上にあり、キャビティ２５の底壁部２５ｃは直線ｃ１′ｄ１に一致し、キャビティ２５の曲壁部２５ｂは直線ａ１ｂ１′および直線ｃ１′ｄ１を滑らかに接続している。

尚、キャビティ底面基本線Ｌ−ｂｃ１とピストン中心軸Ｌｐとの交点をｆとし、この交点ｆを中心としてキャビティ底面基本線Ｌ−ｂｃ１を所定角度βだけ下方に回転させることで、新たなキャビティ底面基本線Ｌ−ｂｃ１′を設定しても良い。

このように、キャビティ２５の内壁面における経路ＡｎＣｎのうち、経路ＡｎＣｎの最下部から第３特定点Ｃｎまでの区間は第２燃料噴射軸Ｌｉ２と近接するが、その区間の形状を変化させることでキャビティ２５の内壁面への燃料の付着を抑制して燃焼悪化を防止することができる。

本実施の形態では、正味平均有効圧力ＮＭＥＰが、煤が発生しない状態で、先願発明に対して２％程度向上した。

図９は、図６のピストンピン１４に対して６０°で交差する方向におけるキャビティ２５の断面形状の補正手法を説明するものであり、鎖線の形状は先願発明のものを示し、実線の形状は本実施の形態のものを示している。

図７（ピストンピン１４方向）および図５（ピストンピン１４直交方向）における交点ｅ１，ｄ１，ｄ２，ｅ２で囲まれた白抜きの領域の面積の差異に比べ、図７（ピストンピン１４方向）および図６（ピストンピン１４に対して６０°で交差する方向）の前記面積の差異は小さいため、図９（ピストンピン１４に対して６０°で交差する方向）におけるキャビティ２５の断面形状の拡大量は、図８（ピストンピン１４直交方向）におけるキャビティ２５の断面形状の拡大量よりも小さなものとなる。

以上、ピストン中心軸Ｌｐの一側のキャビティ２５の断面形状の補正について説明したが、ピストン中心軸Ｌｐの他側のキャビティ２５の断面形状の補正も全く同様にして行われる。

更に、本願発明のキャビティ２５の開口縁には、先願発明にない環状のリップ部２６が径方向内向きに突設され、このリップ部２６によってキャビティ２５内に噴射された燃料の吹き零れを防止することができる。リップ部２６の形状はキャビティ２５の円周方向に一定である。つまりピストン中心軸Ｌｐを通る任意の面で切断したリップ部２６の断面形状は一定になる。

即ち、図５〜図９に示すように、リップ部２６の形状は、ピストン頂面基本線Ｌ−ａ１，Ｌ−ａ２上の第１特定点Ａｎから径方向内向きに距離ｒだけ離れた点ｇ１，ｇ２を特定し、更に点ｇ１，ｇ２を通ってピストン頂面基本線Ｌ−ａ１，Ｌ−ａ２に直交する方向の下側に距離Ｈｅだけ離れた点ｈ１，ｈ２を特定し、更に点ｈ１，ｈ２を通ってピストン頂面基本線Ｌ−ａ１，Ｌ−ａ２と平行なリップ下部基本線Ｌ−ｈ１，Ｌ−ｈ２を特定する。そして第１特定点Ａｎおよび点ｇ１，ｇ２を結ぶ線分と、前記点ｇ１，ｇ２および点ｈ１，ｈ２を結ぶ線分と、リップ下部基本線Ｌ−ｈ１，Ｌ−ｈ２およびキャビティ２５の周壁部２５ａを滑らかに結ぶ曲線とにより、前記リップ部２６の形状が確定する。

尚、リップ部２６を角のない滑らかな断面形状とするために、点ｇ１，ｇ２および点ｈ１，ｈ２の部分で角が丸められている。

以上のように、本実施の形態によれば、キャビティ２５の開口縁に形成したリップ部２６の断面形状は円周方向に一定であるため、リップ部２６を形成したことでキャビティ２５の各断面形状が不一致になることはなく、しかも混合気の燃焼により薄肉のリップ部２６が受ける熱負荷を円周方向の全域に亘って一定にし、ピストン１３の耐久性を高めることができる。更に、ピストン１３の鋳造時に、リップ部２６における溶湯の冷却速度を均一化して鋳造精度を高めることができる。

図１０は、本実施の形態によるキャビティ２５の断面形状の補正を、別の視点で捕らえる説明図である。

同図において、キャビティ２５の中心を通るピストン中心軸Ｌｐから、６個の半平面Ｘ１〜Ｘ６が放射状に延びている。隣接する２個の半平面Ｘ１〜Ｘ６が成す角度（挟み角）は全て６０°であり、各半平面Ｘ１〜Ｘ６の間を２等分する６本の２等分線は、ピストン中心軸Ｌｐの方向に見て第１、第２燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２と重なっている。キャビティ２５は６個の半平面Ｘ１〜Ｘ６によって６個の仮想的なキャビティ区分２５Ａ〜２５Ｆに分割されており、本実施の形態によれば、上述したキャビティ２５の断面形状の補正により、６個のキャビティ区分２５Ａ〜２５Ｆの容積を理論的には同一に設定することが可能である。またリップ部２６も６個の半平面Ｘ１〜Ｘ６によって６個の仮想的なリップ部区分２６Ａ〜２６Ｆに分割されており、本実施の形態によれば６個のリップ部区分２６Ａ〜２６Ｆの断面形状を同一に設定することが可能である
しかしながら、６個のキャビティ区分２５Ａ〜２５Ｆの容積を完全に同一に設定する必要はなく、それを略同一に設定するだけでも、特許文献１の発明あるいは先願発明に比べて燃料の混合状態を円周方向により均一化することができる。具体的には、６個のキャビティ区分２５Ａ〜２５Ｆの容積のばらつき、つまり最大容積のキャビティ区分と最小容積のキャビティ区分の容積との差分を特許文献１の発明あるいは先願発明に比べて小さくすれば、燃料の混合状態を円周方向により均一化することができる。また６個の仮想的なリップ部区分２６Ａ〜２６Ｆの断面形状も完全に同一にする必要はなく、別の観点から見れば、６個の仮想的なリップ部区分２６Ａ〜２６Ｆの容積が略等しくなるように、リップ部２６の外壁面の形状を設定すれば、所望の作用効果を達成することができる。

図１１は、キャビティ区分の方向（つまり、キャビティ区分の挟み角の２等分線の方向）をピストンピン１４の方向を基準（０°）としてピストン中心軸Ｌｐまわりに左右に各６０°の範囲で移動させたとき、そのキャビティ区分の容積の変化率を示すものである。破線は従来例（特許文献１の発明）に対応し、実線は本実施の形態に対応する。

何れのものも、キャビティ区分の挟み角の２等分線の方向がピストンピン１４の方向に対して６０°で交差するとき（図１０のキャビティ区分２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｅ，２５Ｆ参照）を基準とし、そのときの変化率を０％としている。破線で示す従来例では、キャビティ区分の挟み角の２等分線の方向がピストンピン１４の方向に一致するとき（図１０のキャビティ区分２５Ａ，２５Ｄ参照）、変化率は最大になって７％程度であるが、実線で示す実施の形態では、同じ位置で変化率は最大になるが、その値は大幅に減少して僅か０．５％に抑えられている。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施の形態では、仮想的なキャビティ区分２５Ａ〜２５Ｆおよびリップ部区分２６Ａ〜２６Ｆの数を６個に設定しているが（Ｎ＝６）、前記キャビティ区分２５Ａ〜２５Ｆおよびリップ部区分２６Ａ〜２６Ｆの数は２個以上であれば良い（Ｎは２以上の自然数）。

このとき、キャビティ区分２５Ａ〜２５Ｆの数と燃料噴射軸の数とは、必ずしも一致させる必要はないが、それを一致させることで、一つのキャビティ区分２５Ａ〜２５Ｆに一つの燃料噴射軸が対応することになり、燃料の混合状態を円周方向により均一化することができる。尚、キャビティ区分２５Ａ〜２５Ｆの挟み角の２等分線を燃料噴射軸に一致させれば、一つのキャビティ区分２５Ａ〜２５Ｆの中心に燃料噴射軸が位置することになり、燃料の混合状態を更に均一化することができる。

また実施の形態では、仮想的なキャビティ区分２５Ａ〜２５Ｆの容積には、上死点にあるピストン１３の頂面とシリンダヘッド１６の下面とに挟まれた部分の容積を含めず、キャビティ２５の開口端縁までの容積（即ち、ピストン頂面基本線Ｌ−ａ１，Ｌ−ａ２より下の容積）としたが、それを含めたものを仮想的なキャビティ区分２５Ａ〜２５Ｆの容積として定義しても、同様の作用効果を奏することができる。

また実施の形態ではディーゼルエンジンについて説明したが、本願発明はディーゼルエンジンに限定されず、燃焼室内に燃料を直接噴射する任意の形式のエンジンに対して適用することができる。

ディーゼルエンジンの要部縦断面図 図１の２−２線矢視図 図１の３−３線矢視図 ピストンの上部斜視図 図３の５−５線断面図 図３の６−６線断面図 図３の７−７線断面図 補正後のキャビティの断面形状を示す、前記図５に対応する図 補正後のキャビティの断面形状を示す、前記図６に対応する図 仮想的なキャビティ区分およびリップ部区分の説明図 キャビティ区分の方向を円周方向に変化させたときの、該キャビティ区分の容積の変化率を示すグラフ

符号の説明

１３ ピストン
２３ フュエルインジェクタ
２５ キャビティ
２５ａ 周壁部
２５ｃ 底壁部
２５Ａ〜２５Ｆ キャビティ区分
２６ リップ部
２６Ａ〜２６Ｆ リップ部区分
Ｌｉ１ 燃料噴射軸
Ｌｉ２ 燃料噴射軸
Ｌｐ ピストン中心軸
Ｘ１〜Ｘ６ 半平面

Claims (4)

1. 頂面のピストン中心軸（Ｌｐ）方向の高さが円周方向に変化するピストン（１３）と、前記ピストン（１３）の頂面の中央部に凹設されたキャビティ（２５）と、前記キャビティ（２５）の開口縁からピストン中心軸（Ｌｐ）に向けて環状に突出し、該キャビティ（２５）の開口径を縮径するリップ部（２６）と、前記キャビティ（２５）内に燃料を噴射するフュエルインジェクタ（２３）とを備えた燃料直噴エンジンにおいて、
   ピストン中心軸（Ｌｐ）から放射方向に延びる任意の半平面における前記リップ部（２６）の断面形状を、該リップ部（２６）の円周方向全域に亘って略等しくしたことを特徴とする燃料直噴エンジン。
2. 頂面のピストン中心軸（Ｌｐ）方向の高さが円周方向に変化するピストン（１３）と、前記ピストン（１３）の頂面の中央部に凹設されたキャビティ（２５）と、前記キャビティ（２５）の開口縁からピストン中心軸（Ｌｐ）に向けて環状に突出し、該キャビティ（２５）の開口径を縮径するリップ部（２６）と、前記キャビティ（２５）内に燃料を噴射するフュエルインジェクタ（２３）とを備えた燃料直噴エンジンにおいて、
   Ｎを２以上の自然数とし、前記リップ部（２６）の外壁面と、ピストン中心軸（Ｌｐ）から放射方向に延びて互いに均等な挟み角を有するＮ個の半平面（Ｘ１〜Ｘ６）とで、前記リップ部（２６）をＮ個の仮想的なリップ部区分（２６Ａ〜２６Ｆ）に区画したとき、前記各々の仮想的なリップ部区分（２６Ａ〜２６Ｆ）の容積が略等しくなるように、前記リップ部（２６）の外壁面の形状を設定したことを特徴とする燃料直噴エンジン。
3. Ｎを２以上の自然数とし、前記キャビティ（２５）の内壁面と、ピストン中心軸（Ｌｐ）から放射方向に延びて互いに均等な挟み角を有するＮ個の半平面（Ｘ１〜Ｘ６）とで、前記キャビティ（２５）をＮ個の仮想的なキャビティ区分（２５Ａ〜２５Ｆ）に区画したとき、前記各々の仮想的なキャビティ区分（２５Ａ〜２５Ｆ）の容積が略等しくなるように、前記キャビティ（２５）の内壁面の形状を設定したことを特徴とする、請求項２に記載の燃料直噴エンジン。
4. 前記フュエルインジェクタ（２３）は円周方向に離間する複数の燃料噴射軸（Ｌｉ１，Ｌｉ２）を備え、
   ｎ番目の燃料噴射軸（Ｌｉ１，Ｌｉ２）を通る前記キャビティ（２５）の断面を燃料噴射断面Ｓｎとし、
   前記燃料噴射断面Ｓｎと前記キャビティ（２５）の開口縁との交点を第１特定点Ａｎとし、
   前記第１特定点Ａｎを通りかつ前記燃料噴射断面Ｓｎにおけるシリンダヘッド（１６）の下面と平行な線上には第２特定点Ｂｎが存在し、
   前記燃料噴射断面Ｓｎにおける前記キャビティ（２５）の底壁部（２５ｃ）上には第３特定点Ｃｎが存在し、
   前記第２特定点Ｂｎは前記第１特定点Ａｎよりもピストン中心軸（Ｌｐ）に近い位置にあり、
   前記第３特定点Ｃｎは前記キャビティ（２５）の底壁部（２５ｃ）の最大外径位置よりもピストン中心軸（Ｌｐ）に近い位置にあり、
   前記第１、２特定点Ａｎ，Ｂｎを前記燃料噴射断面Ｓｎにおける前記シリンダヘッド（１６）の下面に沿う線で結ぶ経路ＡｎＢｎと、前記第１、第３特定点Ａｎ，Ｃｎを前記燃料噴射断面Ｓｎにおける前記キャビティ（２５）の壁面に沿って結ぶ経路ＡｎＣｎと、前記第２、第３特定点Ｂｎ，Ｃｎを最短直線で結ぶ経路ＢｎＣｎとで囲まれる断面形状が、各燃料噴射断面Ｓｎにおいて略等しくしたものを基準断面形状とし、
   前記ピストン（１３）の頂面のピストン中心軸（Ｌｐ）方向の高さが低い方向に存在する燃料噴射軸（Ｌｉ１，Ｌｉ２）を通る前記燃料噴射断面Ｓｎほど、前記基準断面形状が拡大するように前記キャビティ（２５）の内壁面の形状を変化させることで、前記各々の仮想的なキャビティ区分（２５Ａ〜２５Ｆ）の容積を略等しくし、
   前記燃料噴射断面Ｓｎにおける前記経路ＡｎＢｎ上の前記第１特定点Ａｎから前記第２特定点Ｂｎ側に距離ｒだけ離れた点ｇ１，ｇ２と、前記点ｇ１，ｇ２から前記経路ＡｎＢｎと直交する方向に前記キャビティ（２５）の底壁部（２５ｃ）側に距離Ｈｅだけ離れた点ｈ１，ｈ２とを規定し、前記第１特定点Ａｎおよび前記点ｇ１，ｇ２を結ぶ線分と、前記点ｇ１，ｇ２および前記点ｈ１，ｈ２を結ぶ線分と、前記点ｈ１，ｈ２および前記キャビティ（２５）の周壁部（２５ａ）を滑らかに結ぶ曲線とにより、前記リップ部（２６）の形状を設定したことを特徴とする、請求項３に記載の燃料直噴エンジン。

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