JP2009281378A - 燃料直噴エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料直噴エンジンにおいて、フュエルインジェクタの主噴射および副噴射による燃料が共にキャビティ内で空気と適切に混合し、未利用空気の残存を最小限に抑える。【解決手段】 ピストン１３の上死点の近傍で主噴射を行うときの燃料噴射軸Ｌｉ１の主噴射衝突点Ｐ１ｍにおいて、その接線と燃料噴射軸Ｌｉ１とが成す主噴射衝突角α１ｍを鈍角に設定したので、主噴射衝突点Ｐ１ｍに衝突した燃料を主としてキャビティ２５の開口端側に偏向させてキャビティ２５の上方に未利用空気が残存するのを最小限に抑えることができ、ピストン１３が上死点から離れた位置で副噴射を行うときの燃料噴射軸Ｌｉ１の副噴射衝突点Ｐ１ｓにおいて、その接線と燃料噴射軸Ｌｉ１とが成す副噴射衝突角α１ｓを直角あるいは鋭角に設定したので、副噴射衝突点Ｐ１ｓに衝突した燃料を主としてキャビティ２５の円周方向に偏向させて隣接する燃料噴射軸Ｌｉ１間に未利用空気が残存するのを最小限に抑えることができる。
【選択図】 図１２

Description

本発明は、ピストンの頂面の中央部に凹設されたキャビティと、前記キャビティ内に燃料を噴射するフュエルインジェクタとを備え、前記フュエルインジェクタは、前記ピストンの上死点の近傍で前記キャビティの内壁面を指向する燃料噴射軸に沿って主噴射を行うとともに、主噴射を行うときよりも前記ピストンが上死点から離れた位置で、主噴射と同一の前記燃料噴射軸に沿って副噴射を行う燃料直噴エンジンに関する。

燃料直噴ディーゼルエンジンにおいて、ピストンが上死点に達する手前でフュエルインジェクタから燃料をパイロット噴射（副噴射）し、ピストンが上死点に達したときにフュエルインジェクタから燃料を主噴射する際に、パイロット噴射される燃料のコーン角を小さくし、かつ主噴射される燃料のコーン角を大きくして燃料がキャビティ内の適切な位置に衝突するように、フュエルインジェクタにパイロット噴射用の第１噴孔および主噴射用の第２噴孔を設けたものが、下記特許文献１により公知である。

また主噴射および副噴射を同じ燃料噴射軸に沿って行う燃料直噴ディーゼルエンジンにおいて、副噴射の行うときの燃料噴射軸の方向をピストンのキャビティの開口端を指向させるものが、下記特許文献２により公知である。
特開平７−３２４６６１号公報 特開２００１−２２７３４５号公報

ところで上記特許文献１に記載されたものは、フュエルインジェクタにパイロット噴射用の第１噴孔および主噴射用の第２噴孔を設ける必要があるために、フュエルインジェクタの構造が複雑化してコストアップの要因となる問題があった。

また上記特許文献２に記載されたものは、副噴射を行うときの燃料噴射軸の方向がキャビティの高い位置（開口端）を指向するので、主噴射の行うときの燃料噴射軸の方向もキャビティの比較的高い位置を指向することになり、下方に向かって拡開するキャビティの内壁面に衝突した燃料が該キャビティの開口端側に向かわずに底壁側に向かってしまい、キャビティの上方に未利用空気が残存してしまう可能性があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、燃料直噴エンジンにおいて、フュエルインジェクタの主噴射および副噴射による燃料が共にキャビティ内で空気と適切に混合し、未利用空気の残存を最小限に抑え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、ピストンの頂面の中央部に凹設されたキャビティと、前記キャビティ内に燃料を噴射するフュエルインジェクタとを備え、前記フュエルインジェクタは、前記ピストンの上死点の近傍で前記キャビティの内壁面を指向する燃料噴射軸に沿って主噴射を行うとともに、主噴射を行うときよりも前記ピストンが上死点から離れた位置で、主噴射と同一の前記燃料噴射軸に沿って副噴射を行う燃料直噴エンジンにおいて、主噴射における前記燃料噴射軸と前記キャビティの内壁面との交点を主噴射衝突点とし、副噴射における前記燃料噴射軸と前記キャビティの内壁面との交点を副噴射衝突点としたとき、前記キャビティの内壁面のうち、前記主噴射衝突点よりも前記キャビティの開口端側の内壁面と前記燃料噴射軸とが成す主噴射衝突角を鈍角に設定し、前記キャビティの内壁面のうち、前記副噴射衝突点よりも前記キャビティの開口端側の内壁面と前記燃料噴射軸とが成す副噴射衝突角を直角あるいは鋭角に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２に記載された発明によれば、請求項１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、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端との交点を第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２または請求項３の構成に加えて、前記ピストンは、ピストンピンの軸線と平行な方向に延びる頂部を挟んで傾斜する二つの傾斜面を含むペントルーフ型の頂面を有する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５に記載された発明によれば、請求項１〜請求項４の何れか１項の構成に加えて、前記燃料噴射軸がピストン中心軸に対して成す燃料噴射軸傘半角を、５５°〜６５°と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６に記載された発明によれば、請求項１〜請求項５の何れか１項の構成に加えて、前記副噴射は、前記ピストンが上死点からクランクアングルで３０°〜４０°離れた位置で行われることを特徴とする燃料直噴エンジンが提案される。

尚、実施の形態の第１燃料噴射軸Ｌｉ１および第２燃料噴射軸Ｌｉ２′は本発明の燃料噴射軸に対応する。

請求項１の構成によれば、フュエルインジェクタがピストンの上死点の近傍で主噴射を行うときの燃料噴射軸とキャビティの内壁面との交点を主噴射衝突点とし、ピストンが上死点から離れた位置で、主噴射と同一の燃料噴射軸に沿って副噴射を行うときの燃料噴射軸とキャビティの内壁面との交点を副噴射衝突点としたとき、キャビティの内壁面のうち、主噴射衝突点よりもキャビティの開口端側の内壁面と燃料噴射軸とが成す主噴射衝突角を鈍角に設定したので、主噴射衝突点に衝突した燃料を主としてキャビティの開口端側に偏向させてキャビティの上方に未利用空気が残存するのを最小限に抑えることができ、しかも副噴射衝突点よりもキャビティの開口端側の内壁面と燃料噴射軸とが成す副噴射衝突角を直角あるいは鋭角に設定したので、副噴射衝突点に衝突した燃料を主としてキャビティの円周方向に偏向させて隣接する燃料噴射軸間に未利用空気が残存するのを最小限に抑えることができる。しかも主噴射および副噴射を同じ燃料噴射軸に沿って行うので、フュエルインジェクタの構造を簡素化することができる。

また請求項２の構成によれば、ピストンの頂面の中央部に凹設した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、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。

また請求項３の構成によれば、先願発明（特開２００８−２４４３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。

また請求項４の構成によれば、ピストンの頂面をペントルーフ型にしたので、バルブ孔の開口面積を拡大して吸排気効率を高めることができる反面、ピストンの頂面がピストン中心軸に関して非対称になるため、円周方向の筒内流動が発生し難くなって燃料噴射軸間に未利用空気が残存し易い問題があるが、副噴射衝突角を直角あるいは鋭角に設定してキャビティの周方向への燃料の拡散を促進することで、燃料噴射軸間の未利用空気を低減することができる。

また請求項５の構成によれば、燃料噴射軸がピストン中心軸に対して成す燃料噴射軸傘半角を、５５°〜６５°としたので、フュエルインジェクタがピストンの上死点から離れた位置で副噴射を行うとときに、噴射された燃料がキャビティの開口端から外部に漏れるのを防止することができる。

また請求項６の構成によれば、ピストンが上死点からクランクアングルで３０°〜４０°離れた位置で副噴射を行うので、主噴射による燃料がキャビティの底壁部に付着するのを防止しながら、副噴射による燃料がキャビティの開口端から外部に漏れるのを防止することができる。

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１４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、図１２は主噴射および副噴射における第１燃料噴射軸を示す図、図１３は主噴射および副噴射における第２燃料噴射軸を示す図、図１４は図１２および図１３の１４Ａ方向矢視図および１４Ｂ方向矢視図である。

図１〜図４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。

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Ｌｉ２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。またフュエルインジェクタ２３は後述する主噴射および副噴射を行うが、主噴射および副噴射は同一の噴孔から行われる。これにより、主噴射用の噴孔および副噴射用の噴孔を別個に設ける場合に比べて、フュエルインジェクタ２３の構造を簡素化することができる。

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２００８−２４４３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と交差する点を噴射衝突点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と交差する点を噴射衝突点Ｐ２とする。二つの噴射衝突点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、噴射衝突点Ｐ２の位置は噴射衝突点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から噴射衝突点Ｐ１までの距離Ｄ１は、燃料噴射点Ｏｉｎｊから噴射衝突点Ｐ２までの距離Ｄ２に略一致する。また噴射衝突点Ｐ１におけるキャビティ２５の接線と第１燃料噴射軸Ｌｉ１とが成す噴射衝突角α１は、噴射衝突点Ｐ２におけるキャビティ２５の接線と第２燃料噴射軸Ｌｉ２とが成す噴射衝突角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から噴射衝突点Ｐ１，Ｐ２までの距離Ｄ１，Ｄ２が略等しく設定され、かつ噴射衝突点Ｐ１，Ｐ２における噴射衝突角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。

以上のように、本実施の形態のキャビティ２５の形状によれば、先願発明が有する問題点、つまり燃料噴射点Ｏｉｎｊの近傍の交点ｅ１，ｄ１，ｄ２，ｅ２で囲まれた領域におけるキャビティ２５の各断面形状の不一致が補償されるので、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一層均一化し、混合気の燃焼状態を改善してエンジン出力の更なる増加および排気有害物質の更なる低減を図ることができる。

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〜２６Ｆ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〜２６Ｆの容積を理論的には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〜２６Ｆ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〜２６Ｆ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。

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。

従って、本実施の形態のキャビティ２５の形状の一つの定義は、「各キャビティ区分２５Ａ〜２６Ｆの容積のばらつきが、キャビティの深さを円周方向に均一にした従来例の各キャビティ区分２５Ａ〜２６Ｆの容積のばらつきよりも小さいもの」とすることができる。

ところで、燃料がフュエルインジェクタ２３から主噴射あるいは副噴射されるときに重要なことは、その燃料がキャビティ２５の開口端から外部に漏れないことと、キャビティ２５の底壁部２５ｃ（図５〜図７参照）に衝突しないこととである。その理由は、燃料がキャビティ２５の開口端から外部に漏れると、漏れた燃料がキャビティ２５内での混合気の燃焼に有効に利用されなくなるからであり、燃料がキャビティ２５の底壁部２５ｃに衝突すると、その燃料が底壁部２５ｃに付着してしまって混合気の燃焼に有効に利用されなくなるからである。

図１２は、キャビティ２５のピストンピン１４の方向の断面を示すもので、図１２（Ａ）はピストン１３が上死点近傍にあってフュエルインジェクタ２３が主噴射を行っている状態を示し、図１２（Ｂ）はピストン１３が上死点から離れた位置（クランクアングルで上死点の３０°進角位置あるいは遅角位置）にあってフュエルインジェクタ２３が副噴射（前噴射あるいは後噴射）を行っている状態を示している。尚、副噴射を行うクランクアングルは、上死点の３０°〜４０°進角位置あるいは遅角位置であれば良い。

図示された二つの第１燃料噴射軸Ｌｉ１が成す燃料噴射軸傘角（コーン角）は１４０°であり、ピストン中心軸Ｌｐに対して各第１燃料噴射軸Ｌｉ１が成す燃料噴射軸傘半角δは７０°である。図１２（Ａ）における主噴射衝突点Ｐ１ｍは、図７で説明した第１燃料噴射軸Ｌｉ１がキャビティ２５と交差する噴射衝突点Ｐ１と同じである。図１２（Ａ）において、ピストン１３が上死点の近傍にあるときに第１燃料噴射軸Ｌｉ１に沿って主噴射された燃料は、角度εで拡散しながらキャビティ２５の内壁面に衝突するが、その燃料の下端はキャビティ２５の底壁部２５ｃに衝突することはなく、もちろんキャビティ２５の外部に漏れることもない。図１２（Ｂ）において、ピストン１３が上死点より離れた低い位置にあるときに第１燃料噴射軸Ｌｉ１に沿って副噴射された燃料は、角度εで拡散しながら副噴射衝突点Ｐ１ｓでキャビティ２５の内壁面に衝突するが、その燃料の上端はキャビティ２５から漏れることはなく、もちろんキャビティ２５の底壁部２５ｃに衝突することもない。

図１２（Ａ）に示す主噴射の状態では、ピストン１３の位置が高いために主噴射衝突点Ｐ１ｍはキャビティ２５の深い位置にあり、主噴射衝突点Ｐ１ｍにおいてキャビティ２５の内壁面から開口端側に引いた接線と第１燃料噴射軸Ｌｉ１とが成す主噴射衝突角α１ｍ（即ち、主噴射衝突点Ｐ１ｍよりもキャビティ２５の開口端側の内壁面と第１燃料噴射軸Ｌｉ１とが成す主噴射衝突角α１ｍ）は鈍角となる。従って、主噴射衝突点Ｐ１ｍに衝突した燃料は主としてキャビティ２５の開口端側に反射され、キャビティ２５の上部の未利用空気を減少させることができる（図１４（Ａ）参照）。

一方、図１２（Ｂ）に示す副噴射の状態では、ピストン１３の位置が低いために副噴射衝突点Ｐ１ｓはキャビティ２５の浅い位置にあり、副噴射衝突点Ｐ１ｓにおいてキャビティ２５の内壁面から開口端側に引いた接線と第１燃料噴射軸Ｌｉ１とが成す副噴射衝突角α１ｓ（即ち、副噴射衝突点Ｐ１ｓよりもキャビティ２５の開口端側の内壁面と第１燃料噴射軸Ｌｉ１とが成す副噴射衝突角α１ｓ）は鋭角ないし直角となる。従って、副噴射衝突点Ｐ１ｓに衝突した燃料は主としてキャビティ２５の円周方向に反射され、隣接する第１、第２燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２′間の未利用空気を減少させることができる（図１４（Ｂ）参照）。

図１３は、キャビティ２５のピストンピン１４の方向に対して６０°で交差する方向の断面を示すもので、図１３（Ａ）はピストン１３が上死点の近傍にあってフュエルインジェクタ２３が主噴射を行っている状態を示し、図１３（Ｂ）はピストン１３が上死点から離れた位置（クランクアングルで上死点の３０°進角位置あるいは遅角位置）にあってフュエルインジェクタ２３が副噴射（前噴射あるいは後噴射）を行っている状態を示している。

図１３（Ａ）における主噴射衝突点Ｐ２ｍは、図６で説明した第２燃料噴射軸Ｌｉ２がキャビティ２５と交差する噴射衝突点Ｐ２と同じである。本実施の形態では、第２燃料噴射軸Ｌｉ２がキャビティ２５と交差する主噴射衝突点Ｐ２ｍ′が、前記主噴射衝突点Ｐ２ｍよりも低くなるように設定されている。即ち、本実施の形態では、先願発明に比べてキャビティ２５の底壁部２５ｃを鎖線位置から実線位置へと下方に膨らませているので、その分だけ第２燃料噴射軸をＬｉ２からＬｉ２′へと下向きにして主噴射衝突点をＰ２ｍからＰ２ｍ′へと下方に移動させても、ピストン１３が上死点の近傍にあるときに主噴射された燃料はキャビティ２５の底壁部２５ｃに付着することがない。

一方、図１３（Ｂ）に示すように、ピストン１３が上死点より離れた低い位置にあるときに、仮に第２燃料噴射軸をＬｉ２の方向に副噴射された燃料の上部はキャビティ２５の開口端から漏れてしまうが、下向きに変更した第２燃料噴射軸Ｌｉ２′の方向に副噴射された燃料の上部はキャビティ２５の開口端から漏れることがなくなる。

以上のように、ピストンピン１４の方向に対して６０°で交差する方向の第２燃料噴射軸Ｌｉ２′を、キャビティ２５の底壁部２５ｃを下方に膨らませた分だけ下向きにして主噴射衝突点Ｐ２ｍ′を下方に移動させることで、主噴射時に燃料がキャビティ２５の底壁部２５ｃに衝突するのを防止しながら、副噴射時に燃料がキャビティ２５の開口端から漏れるのを防止することができる。

図１３（Ａ）に示す主噴射の状態では、ピストン１３の位置が高いために主噴射衝突点Ｐ２ｍ′はキャビティ２５の深い位置にあり、主噴射衝突点Ｐ２ｍ′においてキャビティ２５の内壁面から開口端側に引いた接線と第２燃料噴射軸Ｌｉ２′とが成す主噴射衝突角α２ｍ′は鈍角となる。従って、主噴射衝突点Ｐ２ｍ′に衝突した燃料は主としてキャビティ２５の開口端側に反射され、キャビティ２５の上部の未利用空気を減少させることができる（図１４（Ａ）参照）。

一方、図１３（Ｂ）に示す副噴射の状態では、ピストン１３の位置が低いために副噴射衝突点Ｐ２ｓ′はキャビティ２５の浅い位置にあり、副噴射衝突点Ｐ２ｓ′においてキャビティ２５の内壁面から開口端側に引いた接線と第２燃料噴射軸Ｌｉ２′とが成す副噴射衝突角α２ｓ′は鋭角ないし直角となる。従って、副噴射衝突点Ｐ２ｓ′に衝突した燃料は主としてキャビティ２５の円周方向に反射され、隣接する第１、第２燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２′間の未利用空気を減少させることができる（図１４（Ｂ）参照）。

図１３における二つの第２燃料噴射軸Ｌｉ２′が成す燃料噴射軸傘角は１１０°であり、ピストン中心軸Ｌｐに対して各第２燃料噴射軸Ｌｉ２′が成す燃料噴射軸傘半角δは５５°であるが、前記燃料噴射軸傘半角δは５５°〜６５°の範囲であれば良い。

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、実施の形態のピストン１３はペントルーフ型の頂面を有しているが、本発明は平坦な頂面を有するピストンに対しても適用することができる。

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 １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 主噴射および副噴射における第１燃料噴射軸を示す図 主噴射および副噴射における第２燃料噴射軸を示す図 図１２および図１３の１４Ａ方向矢視図および１４Ｂ方向矢視図

符号の説明

１３ ピストン
１３ａ 頂部
１３ｂ 傾斜面
２３ フュエルインジェクタ
２５ キャビティ
２５ｃ 底壁部
２５Ａ〜２５Ｆ キャビティ区分
Ｌｉ１ 第１燃料噴射軸（燃料噴射軸）
Ｌｉ２′ 第２燃料噴射軸（燃料噴射軸）
Ｌｐ ピストン中心軸
Ｐ１ｍ 主噴射衝突点
Ｐ２ｍ′ 主噴射衝突点
Ｐ１ｓ 副噴射衝突点
Ｐ２ｓ′ 副噴射衝突点
Ｘ１〜Ｘ６ 半平面
α１ｍ 主噴射衝突角
α２ｍ′ 主噴射衝突角
α１ｓ 副噴射衝突角
α２ｓ′ 副噴射衝突角
δ 燃料噴射軸傘半角

Claims (6)

1. 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）内に燃料を噴射するフュエルインジェクタ（２３）とを備え、
   前記フュエルインジェクタ（２３）は、前記ピストン（１３）の上死点の近傍で前記キャビティ（２５）の内壁面を指向する燃料噴射軸（Ｌｉ１，Ｌｉ２′）に沿って主噴射を行うとともに、主噴射を行うときよりも前記ピストン（１３）が上死点から離れた位置で、主噴射と同一の前記燃料噴射軸（Ｌｉ１，Ｌｉ２′）に沿って副噴射を行う燃料直噴エンジンにおいて、
   主噴射における前記燃料噴射軸（Ｌｉ１，Ｌｉ２′）と前記キャビティ（２５）の内壁面との交点を主噴射衝突点（Ｐ１ｍ，Ｐ２ｍ′）とし、副噴射における前記燃料噴射軸（Ｌｉ１，Ｌｉ２′）と前記キャビティ（２５）の内壁面との交点を副噴射衝突点（Ｐ１ｓ，Ｐ２ｓ′）としたとき、
   前記キャビティ（２５）の内壁面のうち、前記主噴射衝突点（Ｐ１ｍ，Ｐ２ｍ′）よりも前記キャビティ（２５）の開口端側の内壁面と前記燃料噴射軸（Ｌｉ１，Ｌｉ２′）とが成す主噴射衝突角（α１ｍ，α２ｍ′）を鈍角に設定し、前記キャビティ（２５）の内壁面のうち、前記副噴射衝突点（Ｐ１ｓ，Ｐ２ｓ′）よりも前記キャビティ（２５）の開口端側の内壁面と前記燃料噴射軸（Ｌｉ１，Ｌｉ２′）とが成す副噴射衝突角（α１ｓ，α２ｓ′）を直角あるいは鋭角に設定したことを特徴とする燃料直噴エンジン。
2. 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１に記載の燃料直噴エンジン。
3. 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）の開口端との交点を第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（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. 前記ピストン（１３）は、ピストンピン（１４）の軸線と平行な方向に延びる頂部（１３ａ）を挟んで傾斜する二つの傾斜面（１３ｂ）を含むペントルーフ型の頂面を有することを特徴とする、請求項２または請求項３に記載の燃料直噴エンジン。
5. 前記燃料噴射軸（Ｌｉ１，Ｌｉ２′）がピストン中心軸（Ｌｐ）に対して成す燃料噴射軸傘半角（δ）を、５５°〜６５°としたことを特徴とする、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の燃料直噴エンジン。
6. 前記副噴射は、前記ピストン（１３）が上死点からクランクアングルで３０°〜４０°離れた位置で行われることを特徴とする、請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の燃料直噴エンジン。

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