JP2010053710A - 燃料直噴エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】燃料直噴エンジンの燃焼室に発生する吸気のタンブル流の影響を補償し、フュエルインジェクタから噴射した燃料および吸気を可及的に均一に混合できるようにする。
【解決手段】シリンダ内をピストンが下降する吸気行程において、吸気ポートから吸気バルブ孔を通して燃焼室に吸入される吸気によって、燃焼室内に、燃焼室の下方側で排気側象限Ｑｅから吸気側象限Ｑｉに向かう流動となるタンブル流が発生する。このタンブル流は圧縮上死点付近まで維持されるが、フュエルインジェクタから燃焼室の下部に向けて噴射される燃料を、排気側象限Ｑｅにおける燃料噴射量が吸気側象限Ｑｉにおける燃料噴射量よりも多くなるように設定したので、排気側象限Ｑｅから吸気側象限Ｑｉに向かって流れるタンブル流による燃料噴霧の偏りの影響を相殺し、燃焼室の全領域で燃料および吸気の混合状態を均一化して燃焼状態を改善することができる。
【選択図】図１７

Description

本発明は、シリンダ内を摺動するピストンの上面とシリンダヘッドの下面との間に区画される燃焼室を備え、前記燃焼室に臨むシリンダヘッドの下面は稜線を挟んで斜め下向きに傾斜する二つの傾斜面を有するペントルーフ状に形成され、前記二つの傾斜面の一方に吸気バルブ孔が開口して他方に排気バルブ孔が開口し、前記シリンダヘッドに設けられたフュエルインジェクタが、前記吸気バルブ孔および前記排気バルブ孔の間であって前記稜線の近傍に開口する燃料噴射孔から、斜め下向きにコーン状に拡開する複数の燃料噴射軸に沿って前記燃焼室に燃料を噴射する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。

ペントルーフ型のピストンの頂面にキャビティを凹設すると、キャビティの開口の高さが円周方向に変化する。従って、キャビティの底壁部の高さを円周方向に一定にすると、キャビティの周壁部の深さが円周方向に変化してしまい、フュエルインジェクタから噴射された燃料と空気との混合状態が円周方向に不均一になり、エンジンの出力が低下したり排気有害物質が増加したりする問題がある。

この問題を解決するために、下記特許文献１に記載されたものは、キャビティの底壁部の高さをキャビティの開口の高さの変化に追従するように変化させることで、キャビティの周壁部の深さを円周方向にほぼ一定にし、これによりキャビティにおける燃料と空気との混合状態が円周方向に均一になるようにしている。

しかしながら上記特許文献１に記載されたものは、キャビティの周壁部の深さは円周方向に一定になるが、各燃料噴射軸を通るキャビティの断面形状がキャビティの開口の高さに応じて変化してしまうため、燃料と空気との混合状態を必ずしもキャビティの円周方向に均一化することができなかった。

そこで本出願人は、下記特許文献２に開示されているように、ピストン中心軸上に配置したフュエルインジェクタの複数の燃料噴射軸を通るキャビティの各断面形状を基本的に同一形状にすることで、キャビティ内での燃料および空気の混合状態を均一化し、エンジンの出力向上および排気有害物質の低減を図った燃料直噴エンジンを提案した。
特公平５−１７３６９号公報 特開２００８−２４４３号公報

しかしながら、特許文献２の発明のように、キャビティの断面形状を工夫して燃料および空気の混合状態の均一化を図っても、キャビティに吸入される吸気に縦方向に回転するタンブル流が発生すると、フュエルインジェクタから円周方向に均一に噴射された燃料が、排気側から吸気側に向かうタンブル流や、吸気側から排気側に流れるタンブル流に押し流されてしまい、燃料および空気の混合状態が不均一化される虞があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、燃料直噴エンジンの燃焼室に発生する吸気のタンブル流の影響を補償し、フュエルインジェクタから噴射した燃料および吸気を可及的に均一に混合できるように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、シリンダ内を摺動するピストンの上面とシリンダヘッドの下面との間に区画される燃焼室を備え、前記燃焼室に臨むシリンダヘッドの下面は稜線を挟んで斜め下向きに傾斜する二つの傾斜面を有するペントルーフ状に形成され、前記二つの傾斜面の一方に吸気バルブ孔が開口して他方に排気バルブ孔が開口し、前記シリンダヘッドに設けられたフュエルインジェクタが、前記吸気バルブ孔および前記排気バルブ孔の間であって前記稜線の近傍に開口する燃料噴射孔から、斜め下向きにコーン状に拡開する複数の燃料噴射軸に沿って前記燃焼室に燃料を噴射する燃料直噴エンジンにおいて、前記燃焼室を前記シリンダヘッド側と前記ピストン側とに２分する第１仮想面によって、該燃焼室をシリンダヘッド側象限とピストン側象限とに区分し、かつピストン中心軸を含んで前記稜線と平行に延びる第２仮想面によって、前記燃焼室を吸気側象限と排気側象限とに区分し、前記シリンダヘッドに形成されて前記吸気バルブ孔に開口する吸気ポ−トを、前記シリンダヘッド側象限では前記吸気側象限から前記排気側象限に向かって吸気が流動し、かつ前記ピストン側象限では前記排気側象限から前記吸気側象限に向かって吸気が流動するタンブル流となるように形成し、前記ピストン側象限かつ前記排気側象限における燃料噴射量を、前記前記ピストン側象限かつ前記吸気側象限における燃料噴射量よりも多くなるよう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、前記ピストン側象限かつ前記排気側象限を通過する燃料噴射軸の数を、前記ピストン側象限かつ前記吸気側象限を通過する燃料噴射軸の数よりも多くなるよう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３に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記ピストン側象限かつ前記排気側象限における燃料噴射軸の間隔を、前記ピストン側象限かつ前記吸気側象限における燃料噴射軸の間隔よりも小さくなるよう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４に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記フュエルインジェクタの前記ピストン側象限かつ前記排気側象限を指向する燃料噴射孔の数を、前記フュエルインジェクタの前記ピストン側象限かつ前記吸気側象限を指向する燃料噴射孔の数よりも多くなるよう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５に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記フュエルインジェクタの前記ピストン側象限かつ前記排気側象限を指向する燃料噴射孔の径を、前記フュエルインジェクタの前記ピストン側象限かつ前記吸気側象限を指向する燃料噴射孔の径よりも大きくなるよう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６に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記フュエルインジェクタの前記ピストン側象限かつ前記排気側象限を指向する燃料噴射孔の断面積の総和を、前記フュエルインジェクタの前記ピストン側象限かつ前記吸気側象限を指向する燃料噴射孔の断面積の総和よりも大きくなるよう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７に記載された発明によれば、請求項１〜請求項６の何れか１項の構成に加えて、前記フュエルインジェクタの燃料噴射孔の中心となる仮想的な燃料噴射点を前記排気側象限に位置させ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８に記載された発明によれば、請求項７の構成に加えて、前記フュエルインジェクタを、その上部が前記排気側象限に向かって倒れるように前記ピストン中心軸に対して傾斜させ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９に記載された発明によれば、請求項１〜請求項８の何れか１項の構成に加えて、前記吸気バルブ孔における前記吸気ポ−トの軸線下流側方向が前記排気側象限を指向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１０に記載された発明によれば、シリンダ内を摺動するピストンの上面とシリンダヘッドの下面との間に区画される燃焼室を備え、前記燃焼室に臨むシリンダヘッドの下面は稜線を挟んで斜め下向きに傾斜する二つの傾斜面を有するペントルーフ状に形成され、前記二つの傾斜面の一方に吸気バルブ孔が開口して他方に排気バルブ孔が開口し、前記シリンダヘッドに設けられたフュエルインジェクタが、前記吸気バルブ孔および前記排気バルブ孔の間であって前記稜線の近傍に開口する燃料噴射孔から、斜め下向きにコーン状に拡開する複数の燃料噴射軸に沿って前記燃焼室に燃料を噴射する燃料直噴エンジンにおいて、前記燃焼室を上下方向に２分する第１仮想面によって、該燃焼室をシリンダヘッド側象限とピストン側象限とに区分し、かつピストン中心軸を含んで前記稜線と平行に延びる第２仮想面によって、前記燃焼室を吸気側象限と排気側象限とに区分し、前記シリンダヘッドに形成されて前記吸気バルブ孔に開口する吸気ポ−トを、前記ピストン側象限では前記吸気側象限から前記排気側象限に向かって吸気が流動し、かつ前記シリンダヘッド側象限では前記排気側象限から前記吸気側象限に向かって吸気が流動するタンブル流となるように形成し、前記ピストン側象限かつ前記吸気側象限における燃料噴射量を、前記前記ピストン側象限かつ前記排気側象限における燃料噴射量よりも多くなるよう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１１に記載された発明によれば、請求項１０の構成に加えて、前記ピストン側象限かつ前記吸気側象限を通過する燃料噴射軸の数を、前記ピストン側象限かつ前記排気側象限を通過する燃料噴射軸の数よりも多くなるよう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１２に記載された発明によれば、請求項１０の構成に加えて、前記ピストン側象限かつ前記吸気側象限における燃料噴射軸の間隔を、前記ピストン側象限かつ前記排気側象限における燃料噴射軸の間隔よりも小さくなるよう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１３に記載された発明によれば、請求項１０の構成に加えて、前記フュエルインジェクタの前記ピストン側象限かつ前記吸気側象限を指向する燃料噴射孔の数を、前記フュエルインジェクタの前記ピストン側象限かつ前記排気側象限を指向する燃料噴射孔の数よりも多くなるよう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１４に記載された発明によれば、請求項１０の構成に加えて、前記フュエルインジェクタの前記ピストン側象限かつ前記吸気側象限を指向する燃料噴射孔の径を、前記フュエルインジェクタの前記ピストン側象限かつ前記排気側象限を指向する燃料噴射孔の径よりも大きくなるよう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１５に記載された発明によれば、請求項１０の構成に加えて、前記フュエルインジェクタの前記ピストン側象限かつ前記吸気側象限を指向する燃料噴射孔の断面積の総和を、前記フュエルインジェクタの前記ピストン側象限かつ前記排気側象限を指向する燃料噴射孔の断面積の総和よりも大きくなるよう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１６に記載された発明によれば、請求項１０〜請求項１５の何れか１項の構成に加えて、前記フュエルインジェクタの燃料噴射孔の中心となる仮想的な燃料噴射点を前記吸気側象限に位置させ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１７に記載された発明によれば、請求項１６の構成に加えて、前記フュエルインジェクタを、その上部が前記吸気側象限に向かって倒れるように前記ピストン中心軸に対して傾斜させ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１８に記載された発明によれば、請求項１０〜請求項１７の何れか１項の構成に加えて、前記吸気バルブ孔における前記吸気ポ−トの軸線下流側方向が前記吸気側象限を指向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１９に記載された発明によれば、請求項１〜請求項６および請求項１０〜請求項１５の何れか１項の構成に加えて、前記燃焼室は前記ピストンの頂面に凹設したキャビティで構成され、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２０に記載された発明によれば、請求項１９の構成に加えて、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周縁との交点を第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たことを特徴とする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、シリンダ内をピストンが下降する吸気行程において、吸気ポートから吸気バルブ孔を通して燃焼室に吸気が吸入されるとき、燃焼室のシリンダヘッド側象限では吸気側象限から排気側象限に向かって吸気が流動し、かつピストン側象限では排気側象限から吸気側象限に向かって吸気が流動するタンブル流が発生しても、フュエルインジェクタからピストン側象限に噴射される燃料を、排気側象限における燃料噴射量が吸気側象限における燃料噴射量よりも多くなるように設定したので、ピストン側象限を排気側象限から吸気側象限に向かって流れるタンブル流による燃料噴霧の偏りの影響を相殺し、燃焼室の全領域で燃料および吸気の混合状態を均一化して燃焼状態を改善することができる。

また請求項２の構成によれば、吸気のタンブル流が排気側象限から吸気側象限に向かって流動するピストン側象限において、排気側象限における燃料噴射軸の数を吸気側象限における燃料噴射軸の数よりも多くなるように設定したので、タンブル流の影響を補償して燃焼室の全領域で燃料の密度を均一化することができる。

また請求項３の構成によれば、吸気のタンブル流が排気側象限から吸気側象限に向かって流動するピストン側象限において、排気側象限における燃料噴射軸の間隔を吸気側象限における燃料噴射軸の間隔よりも小さくなるように設定したので、タンブル流の影響を補償して燃焼室の全領域で燃料の密度を均一化することができる。

また請求項４の構成によれば、吸気のタンブル流が排気側象限から吸気側象限に向かって流動するピストン側象限において、フュエルインジェクタの排気側象限を指向する燃料噴射孔の数を吸気側象限を指向する燃料噴射孔の数よりも多くなるように設定したので、タンブル流の影響を補償して燃焼室の全領域で燃料の密度を均一化することができる。

また請求項５の構成によれば、吸気のタンブル流が排気側象限から吸気側象限に向かって流動するピストン側象限において、フュエルインジェクタの排気側象限を指向する燃料噴射孔の径を吸気側象限を指向する燃料噴射孔の径よりも大きくなるように設定したので、タンブル流の影響を補償して燃焼室の全領域で燃料の密度を均一化することができる。

また請求項６の構成によれば、吸気のタンブル流が排気側象限から吸気側象限に向かって流動するピストン側象限において、フュエルインジェクタの排気側象限を指向する燃料噴射孔の断面積の総和を吸気側象限を指向する燃料噴射孔の断面積の総和よりも大きくなるように設定したので、タンブル流の影響を補償して燃焼室の全領域で燃料の密度を均一化することができる。

また請求項７に記載された発明によれば、シリンダ内をピストンが下降する吸気行程において、吸気ポートから吸気バルブ孔を通して燃焼室に吸気が吸入されるとき、燃焼室のシリンダヘッド側象限では吸気側象限から排気側象限に向かって吸気が流動し、かつピストン側象限では排気側象限から吸気側象限に向かって吸気が流動するタンブル流が発生しても、フュエルインジェクタの燃料噴射孔の中心となる仮想的な燃料噴射点を排気側象限に位置させたので、ピストン側象限を排気側象限から吸気側象限に向かって流れるタンブル流による燃料噴霧の偏りの影響を相殺し、燃焼室の全領域で燃料および吸気の混合状態を均一化して燃焼状態を改善することができる。

また請求項８の構成によれば、フュエルインジェクタの上部をピストン中心軸に対して排気側象限に向かって倒れるように傾斜させたので、フュエルインジェクタの仮想的な燃料噴射点を排気側象限に位置させても、その燃料噴射孔の角度を排気側象限側および吸気側象限側で同一にし、加工を容易にしてコストの削減を図ることができる。

また請求項９の構成によれば、吸気バルブ孔における吸気ポ−トの軸線下流側方向が排気側象限を指向するので、フュエルインジェクタから燃料が噴射される燃焼室のピストン側象限において、排気側象限から吸気側象限に向かうタンブル流を発生させることができる。

また請求項１０の構成によれば、シリンダ内をピストンが下降する吸気行程において、吸気ポートから吸気バルブ孔を通して燃焼室に吸気が吸入されるとき、燃焼室のシリンダヘッド側象限では排気側象限から吸気側象限に向かって吸気が流動し、かつピストン側象限では吸気側象限から排気側象限に向かって吸気が流動するタンブル流が発生しても、フュエルインジェクタからピストン側象限に噴射される燃料を、吸気側象限における燃料噴射量が排気側象限における燃料噴射量よりも多くなるように設定したので、ピストン側象限を吸気側象限から排気側象限に向かって流れるタンブル流による燃料噴霧の偏りの影響を相殺し、燃焼室の全領域で燃料および吸気の混合状態を均一化して燃焼状態を改善することができる。

また請求項１１の構成によれば、吸気のタンブル流が吸気側象限から排気側象限に向かって流動するピストン側象限において、吸気側象限における燃料噴射軸の数を排気側象限における燃料噴射軸の数よりも多くなるように設定したので、タンブル流の影響を補償して燃焼室の全領域で燃料の密度を均一化することができる。

また請求項１２の構成によれば、吸気のタンブル流が吸気側象限から排気側象限に向かって流動するピストン側象限において、吸気側象限における燃料噴射軸の間隔を排気側象限における燃料噴射軸の間隔よりも小さくなるように設定したので、タンブル流の影響を補償して燃焼室の全領域で燃料の密度を均一化することができる。

また請求項１３の構成によれば、吸気のタンブル流が吸気側象限から排気側象限に向かって流動するピストン側象限において、フュエルインジェクタの吸気側象限を指向する燃料噴射孔の数を排気側象限を指向する燃料噴射孔の数よりも多くなるように設定したので、タンブル流の影響を補償して燃焼室の全領域で燃料の密度を均一化することができる。

また請求項１４の構成によれば、吸気のタンブル流が吸気側象限から排気側象限に向かって流動するピストン側象限において、フュエルインジェクタの吸気側象限を指向する燃料噴射孔の径を排気側象限を指向する燃料噴射孔の径よりも大きくなるように設定したので、タンブル流の影響を補償して燃焼室の全領域で燃料の密度を均一化することができる。

また請求項１５の構成によれば、吸気のタンブル流が吸気側象限から排気側象限に向かって流動するピストン側象限において、フュエルインジェクタの吸気側象限を指向する燃料噴射孔の断面積の総和を排気側象限を指向する燃料噴射孔の断面積の総和よりも大きくなるように設定したので、タンブル流の影響を補償して燃焼室の全領域で燃料の密度を均一化することができる。

また請求項１６に記載された発明によれば、シリンダ内をピストンが下降する吸気行程において、吸気ポートから吸気バルブ孔を通して燃焼室に吸気が吸入されるとき、燃焼室のシリンダヘッド側象限では排気側象限から吸気側象限に向かって吸気が流動し、かつピストン側象限では吸気側象限から排気側象限に向かって吸気が流動するタンブル流が発生しても、フュエルインジェクタの燃料噴射孔の中心となる仮想的な燃料噴射点を吸気側象限に位置させたので、ピストン側象限を吸気側象限から排気側象限に向かって流れるタンブル流による燃料噴霧の偏りの影響を相殺し、燃焼室の全領域で燃料および吸気の混合状態を均一化して燃焼状態を改善することができる。

また請求項１７の構成によれば、フュエルインジェクタの上部をピストン中心軸に対して吸気側象限に向かって倒れるように傾斜させたので、フュエルインジェクタの仮想的な燃料噴射点を吸気側象限に位置させても、その燃料噴射孔の角度を排気側象限側および吸気側象限側で同一にし、加工を容易にしてコストの削減を図ることができる。

また請求項１８の構成によれば、吸気バルブ孔における吸気ポ−トの軸線が吸気側象限を指向するので、吸気ポ−トから吸気バルブ孔を通過して燃焼室に供給された吸気に、シリンダヘッド側象限では排気側象限から吸気側象限に向かって吸気が流動し、かつピストン側象限では吸気側象限から排気側象限に向かって吸気が流動するタンブル流を形成することができる。

また請求項１９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、上記請求項１〜請求項６および請求項１０〜請求項１５の構成によって、タンブル流を考慮した燃料噴射による燃料の均一化に加え、燃料噴射空間であるキャビティが均一化されることで、キャビティにおける燃料および空気の混合状態がより一層均一化され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２０の構成によれば、特許文献２の発明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、特許文献２の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１７は本発明の第１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は図１の１１部拡大図、図１２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１３はシリンダヘッド側象限Ｑｈ、ピストン側象限Ｑｐ、吸気側象限Ｑｉおよび排気側象限Ｑｅの定義を示す図、図１４はタンブル流が生成する過程の説明図、図１５はＴＤＣ付近のピストン側象限Ｑｐにおけるタンブル流の方向を示す図、図１６はキャビティにおける燃料の分布を示す図（従来例）、図１７はキャビティにおける燃料の分布を示す図（第１の実施の形態）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、図２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。

シリンダヘッド１６のペントルーフ型の下面は、ピストンピン１４と平行に直線状に延びる稜線１６ａと、その稜線１６ａから斜め下方に傾斜する一対の傾斜面１６ｂ，１６ａとを備える。厳密に言うと、稜線１６ａは幾何学的な「線」ではなく、吸排気方向に所定の幅を有する帯状の面である。またピストン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、その先端に形成された６個の燃料噴射孔２３ａ…（図１１参照）を備えており、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不等間隔で離間する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の方向に対して小さい角度γ１で交差しており、他の４本の第２燃料噴射軸Ｌｉ２は、ピストンピン１４の方向に対して大きい角度γ２，γ３で交差している（図３参照）。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。

次に、図５〜図７を参照して上記特許文献２の発明のキャビティ２５の断面形状を詳述する。特許文献２の発明のキャビティ２５の断面形状を説明する理由は、特許文献２の発明のキャビティ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に近い断面）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に近い断面）である。

上記特許文献２の発明は、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に示すキャビティ２５の断面については、図７に示すピストンピン１４方向の断面（第１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（第２断面Ｓ２）における網かけ部分とは同形になる。第１燃料噴射軸Ｌｉ１は、図７に示す第１断面Ｓ１から僅かに外れた位置にあるが、便宜上、第１燃料噴射軸Ｌｉ１を図７の第１断面Ｓ１上に示してある。また第２燃料噴射軸Ｌｉ２は、図６に示す第２断面Ｓ２から僅かに外れた位置にあるが、便宜上、第２燃料噴射軸Ｌｉ２を図６の第２断面Ｓ２上に示してある。

図７に示すピストンピン１４方向の第１断面Ｓ１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°で交差する方向の第２断面Ｓ２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。

以上のように特許文献２の発明によれば、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に近接する二つの断面（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。

尚、燃料衝突点Ｐ１，Ｐ２は、キャビティ２５からの燃料の吹き零れを抑制する意味で、キャビティ２５内の低い位置（即ち、後述するピストン側象限Ｑｐ）に設定することが望ましい。

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。

ところで特許文献２の発明は、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、鎖線の形状は特許文献２の発明のものを示し、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、上記特許文献２に記載された発明に対して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、鎖線の形状は特許文献２の発明のものを示し、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、本実施の形態によれば、特許文献２の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の発明あるいは特許文献２の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の発明あるいは特許文献２の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１２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。

従って、本願発明の一つの定義は、「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（特許文献１の発明）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。

次に、フュエルインジェクタ２３がキャビティ２５の内部に燃料を噴射する燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２の方向について詳述する。

図１３（Ａ）において、キャビティ２５を紙面上下に２分する面を第１仮想面ＩＰ１としたとき、第１仮想面ＩＰ１の上側（シリンダヘッド１６側）の領域がシリンダヘッド側象限Ｑｈとして定義され、第１仮想面ＩＰ１の下側（ピストン１３側）の領域がピストン側象限Ｑｐとして定義される。また図１３（Ｂ）において、キャビティ２５を吸排気側に２分するようにピストン中心軸Ｌｐを通ってシリンダヘッド１６の稜線１６ａと平行に延びる面を第２仮想面ＩＰ２としたとき、第２仮想面ＩＰ２の吸気側の領域が吸気側象限Ｑｉとして定義され、第２仮想面ＩＰ２の排気側の領域が排気側象限Ｑｅとして定義される。

図１４（Ａ）に示すように、吸気行程で吸気バルブ２１が開弁してピストン１３が下降すると、吸気ポート１９からシリンダ１２内に吸気が吸入されるが、吸気バルブ孔１７における吸気ポート１９の軸線の下流側方向が排気側象限Ｑｅを指向するため、シリンダ１２内に吸入される吸気は排気側に向かって流れる成分が支配的になる。よって、図１４（Ｂ）に示すように、吸気下死点では、シリンダ１２内に図中反時計まわりのタンブル流が生成され、図１４（Ｃ）に示す圧縮行程から、図１４（Ｄ）に示す燃料噴射が行われる圧縮上死点にかけても、図中反時計まわりのタンブル流が維持される。

図１３、図１４（Ｄ）および図１５を併せて参照すると明らかなように、圧縮上死点でピストン１３のキャビティ２５内に維持されるタンブル流は、第１仮想面ＩＰ１の上側のシリンダヘッド側象限Ｑｈでは吸気側から排気側を指向しているが、第１仮想面ＩＰ１の下側のピストン側象限Ｑｐでは排気側から吸気側を指向している。フュエルインジェクタ２３の第１、第２燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２は第１仮想面ＩＰ１よりも下側のピストン側象限Ｑｐに存在するため、第１、第２燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２に沿って噴射された燃料は、図１５に示すピストン側象限Ｑｐの排気側から吸気側を指向するタンブル流の影響を受けて吸気側に偏向することになる。

仮に、図１６（Ａ）に示すように、第１、第２燃料噴射軸Ｌｉ，Ｌｉ２を円周方向に等間隔に設定すると、第１、第２燃料噴射軸Ｌｉ，Ｌｉ２に沿って噴射された燃料は、図１６（Ｂ）に示すように、ピストン側象限Ｑｐにおいて排気側象限Ｑｅから吸気側象限Ｑｉに向かうタンブル流に流されて吸気側象限Ｑｉに偏向し、吸気側象限Ｑｉの燃料の密度が排気側象限Ｑｅの燃料の密度よりも濃くなり、キャビティ２５内の燃料および吸気の混合状態が不均一になってしまう。

しかしながら、本実施の形態では、図１７（Ａ）に示すように、排気側象限Ｑｅに向けて噴射される燃料量を吸気側象限Ｑｉに向けて噴射される燃料量よりも多くすることで、具体的には、第１、第２燃料噴射軸Ｌｉ，Ｌｉ２の方向を円周方向に不等間隔にし、隣接する第１、第２燃料噴射軸Ｌｉ，Ｌｉ２が成す角度δ１〜δ４を排気側のものほど小さくして吸気側のものほど大きくすることで、排気側象限Ｑｅに４本の燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２を指向させ、吸気側象限Ｑｉに２本の燃料噴射軸Ｌｉ２を指向させ、図１７（Ｂ）に示すように、排気側象限Ｑｅから吸気側象限Ｑｉに向かうタンブル流に流されて吸気側象限Ｑｉに偏向した後の燃料の濃度をキャビティ２５内の全域で均一化することを可能にし、これにより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。

次に、図１８に基づいて本発明の第２の実施の形態を説明する。

第１の実施の形態では、６本の燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２の方向を不等間隔にしてタンブル流の影響を補償しているが、第２の実施の形態では、６本の燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２の方向を等間隔にしながら、インジェクタ２３の６個の燃料噴射孔２３ａ…（図１１参照）の径を不均一にしてタンブル流の影響を補償している。

即ち、図１８（Ａ）に示すように、排気側象限Ｑｅに燃料を噴射する２個の燃料噴射孔２３ａ，２３ａの径φａを大きくし、排気側象限Ｑｅおよび吸気側象限Ｑｉの境界に燃料を噴射する２個の燃料噴射孔２３ａ，２３ａの径φｂを中程度にし、吸気側象限Ｑｉに燃料を噴射する２個の燃料噴射孔２３ａ，２３ａの径φｃを小さくすることで、排気側象限Ｑｅに噴射される燃料量を吸気側象限Ｑｉに噴射さる燃料量よりも多くする。その結果、図１８（Ｂ）に示すように、排気側象限Ｑｅから吸気側象限Ｑｉに向かうタンブル流に流されて吸気側象限Ｑｉに偏向した後の燃料の濃度を、キャビティ２５内の全域で均一化することができる。

尚、第１の実施の形態の燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２の円周位方向の間隔の設定と、第２の実施の形態の燃料噴射孔２３ａ…の径の設定とを併用することで、排気側象限Ｑｅに噴射される燃料量を吸気側象限Ｑｉに噴射される燃料量よりも多くしても良い。これは、排気側象限Ｑｅを指向する燃料噴射孔２３ａ…の断面積の総和を、吸気側象限Ｑｉを指向する燃料噴射孔２３ａ…の断面積の総和よりも大きくなるように設定することで達成可能である。

次に、図１９に基づいて本発明の第３の実施の形態を説明する。

第１、第２の実施の形態では、フュエルインジェクタ２３をピストン中心軸Ｌｐ上に配置しているが、第３の実施の形態では、フュエルインジェクタ２３の燃料噴射点Ｏｉｎｊをピストン中心軸Ｌｐに対して距離εだけ排気側象限Ｑｅに偏倚させることで、排気側象限Ｑｅに噴射される燃料量を吸気側象限Ｑｉに噴射さる燃料量よりも多くしている。これにより、排気側象限Ｑｅに多く噴射された燃料が、指向排気側象限Ｑｅから吸気側象限Ｑｉに向かうタンブル流に流されて吸気側象限Ｑｉに偏向することで、燃料の濃度をキャビティ２５内の全域で均一化することができる。

次に、図２０に基づいて本発明の第４の実施の形態を説明する。

第４の実施の形態は、上述した第３の実施の形態の変形であって、フュエルインジェクタ２３の軸線を傾斜させたものである。具体的には、フュエルインジェクタ２３の上部がピストン中心軸Ｌｐから遠ざかるように、つまり排気側象限Ｑｅに向かって倒れるように角度θだけ傾斜している。

フュエルインジェクタ２３をピストン中心軸Ｌｐに対して排気側象限Ｑｅ側に距離εだけ偏倚させると、キャビティ２５の形状が排気側象限Ｑｅと吸気側象限Ｑｉとで異なってしまうため、上述した第３の実施の形態では、第１、第２燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２の下向きの角度が排気側象限Ｑｅと吸気側象限Ｑｉとで異なってしまい、フュエルインジェクタ２３の燃料噴射孔２３ａ…の加工が面倒になる問題がある。

しかしながら、本実施の形態によれば、フュエルインジェクタ２３の軸線を傾斜させることにより、フュエルインジェクタ２３の燃料噴射孔２３ａ…の下向きの角度を排気側象限Ｑｅと吸気側象限Ｑｉとで同一にすることができ、フュエルインジェクタ２３の燃料噴射孔２３ａ…の加工を容易にしてコストダウンを図ることができる。

次に、図２１に基づいて本発明の第５の実施の形態を説明する。

上述した第１〜第４の実施の形態のタンブル流は、図１３〜図１５で説明したように、第１仮想面ＩＰ１の下側のピストン側象限Ｑｐで排気側から吸気側を指向しているが、第５の実施の形態のタンブル流は、図２１に示すように、第１仮想面ＩＰ１の下側のピストン側象限Ｑｐで吸気側から排気側を指向している。

その理由は、第５の実施の形態では、吸気バルブ孔１７における吸気ポート１９の軸線の下流側方向が吸気側象限Ｑｉを指向しているので、図中時計まわりのタンブル流が発生するためである。

このように第１〜第４の実施の形態とは逆向きのタンブル流、つまりピストン側象限Ｑｐで吸気側から排気側を指向するタンブル流が発生すると、吸気側象限Ｑｉに噴射された燃料がタンブル流に流されて排気側象限Ｑｅに偏向するため、吸気側象限Ｑｉに噴射される燃料量を排気側象限Ｑｅに噴射される燃料量よりも多くすることで、燃料の濃度をキャビティ２５内の全域で均一化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。

従って、第５の実施の形態では、第１の実施の形態における燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２の間隔、第２の実施の形態における燃料噴射孔２３ａ…の径、第３の実施の形態におけるフュエルインジェクタ２３の偏倚方向、第４の実施の形態におけるフュエルインジェクタ２３の傾斜方向が逆になる。

しかして、この第５の実施の形態によっても、第１〜第４の実施の形態と同様の作用効果を達成することができる。

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、本発明はペントルーフ型でないピストン１３を備えるエンジンに対しても適用することができる。

また実施の形態のフュエルインジェクタ２３は６個の燃料噴射孔２３ａ…を備えているが、燃料噴射孔２３ａ…の数は６個に限定されるものではない。

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。

また実施の形態では燃料衝突点Ｐ１，Ｐ２をピストン側象限Ｑｐに設定しているが、それをシリンダヘッド側象限Ｑｈに設定しても良い。この場合、燃料噴射に対するタンブル流の関係が逆になるので、燃料噴射量を実施の形態と逆の関係とすることで（即ち、第１の実施の形態であれば吸気側象限Ｑｉに向けて噴射される燃料量を、排気側象限Ｑｅに向けて噴射される燃料量よりも多くすることで）、実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

第１の実施の形態に係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の説明図 図１の１１部拡大図 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 シリンダヘッド側象限Ｑｈ、ピストン側象限Ｑｐ、吸気側象限Ｑｉおよび排気側象限Ｑｅの定義を示す図 タンブル流が生成する過程の説明図 ＴＤＣ付近のピストン側象限Ｑｐにおけるタンブル流の方向を示す図 キャビティにおける燃料の分布を示す図（従来例） キャビティにおける燃料の分布を示す図（第１の実施の形態） 第２の実施の形態に係る、前記図１７に対応する図 第３の実施の形態に係る、前記図１７に対応する図 第４の実施の形態に係る、前記図１７（Ａ）に対応する図 第５の実施の形態に係る、タンブル流の方向の説明図

符号の説明

１２ シリンダ
１３ ピストン
１６ シリンダヘッド
１６ａ 稜線
１６ｂ 傾斜面
１７ 吸気バルブ孔
１８ 排気バルブ孔
１９ 吸気ポート
２３ フュエルインジェクタ
２３ａ 燃料噴射孔
２５ キャビティ（燃焼室）
２５ｃ 底壁部
２５Ａ〜２５Ｆ キャビティ区分
ＩＰ１ 第１仮想面
ＩＰ２ 第２仮想面
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
Ｏｉｎｊ 燃料噴射点
Ｑｈ シリンダヘッド側象限
Ｑｐ ピストン側象限
Ｑｉ 吸気側象限
Ｑｅ 排気側象限
Ｘ１〜Ｘ６ 半平面

Claims (20)

1. シリンダ（１２）内を摺動するピストン（１３）の上面とシリンダヘッド（１６）の下面との間に区画される燃焼室（２５）を備え、前記燃焼室（２５）に臨むシリンダヘッド（１６）の下面は稜線（１６ａ）を挟んで斜め下向きに傾斜する二つの傾斜面（１６ｂ）を有するペントルーフ状に形成され、前記二つの傾斜面（１６ｂ）の一方に吸気バルブ孔（１７）が開口して他方に排気バルブ孔（１８）が開口し、前記シリンダヘッド（１６）に設けられたフュエルインジェクタ（２３）が、前記吸気バルブ孔（１７）および前記排気バルブ孔（１８）の間であって前記稜線（１６ａ）の近傍に開口する燃料噴射孔（２３ａ）から、斜め下向きにコーン状に拡開する複数の燃料噴射軸（Ｌｉ１，Ｌｉ２）に沿って前記燃焼室（２５）に燃料を噴射する燃料直噴エンジンにおいて、
   前記燃焼室（２５）を前記シリンダヘッド（１６）側と前記ピストン（１３）側とに２分する第１仮想面（ＩＰ１）によって、該燃焼室（２５）をシリンダヘッド側象限（Ｑｈ）とピストン側象限（Ｑｐ）とに区分し、
   かつピストン中心軸（Ｌｐ）を含んで前記稜線（１６ａ）と平行に延びる第２仮想面（ＩＰ２）によって、前記燃焼室（２５）を吸気側象限（Ｑｉ）と排気側象限（Ｑｅ）とに区分し、
   前記シリンダヘッド（１６）に形成されて前記吸気バルブ孔（１７）に開口する吸気ポ−ト（１９）を、前記シリンダヘッド側象限（Ｑｈ）では前記吸気側象限（Ｑｉ）から前記排気側象限（Ｑｅ）に向かって吸気が流動し、かつ前記ピストン側象限（Ｑｐ）では前記排気側象限（Ｑｅ）から前記吸気側象限（Ｑｉ）に向かって吸気が流動するタンブル流となるように形成し、
   前記ピストン側象限（Ｑｐ）かつ前記排気側象限（Ｑｅ）における燃料噴射量を、前記前記ピストン側象限（Ｑｐ）かつ前記吸気側象限（Ｑｉ）における燃料噴射量よりも多くなるように設定したことを特徴とする燃料直噴エンジン。
2. 前記ピストン側象限（Ｑｐ）かつ前記排気側象限（Ｑｅ）を通過する燃料噴射軸（Ｌｉ１，Ｌｉ２）の数を、前記ピストン側象限（Ｑｐ）かつ前記吸気側象限（Ｑｉ）を通過する燃料噴射軸（Ｌｉ１，Ｌｉ２）の数よりも多くなるように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. 前記ピストン側象限（Ｑｐ）かつ前記排気側象限（Ｑｅ）における燃料噴射軸（Ｌｉ１，Ｌｉ２）の間隔を、前記ピストン側象限（Ｑｐ）かつ前記吸気側象限（Ｑｉ）における燃料噴射軸（Ｌｉ１，Ｌｉ２）の間隔よりも小さくなるように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。
4. 前記フュエルインジェクタ（２３）の前記ピストン側象限（Ｑｐ）かつ前記排気側象限（Ｑｅ）を指向する燃料噴射孔（２３ａ）の数を、前記フュエルインジェクタ（２３）の前記ピストン側象限（Ｑｐ）かつ前記吸気側象限（Ｑｉ）を指向する燃料噴射孔（２３ａ）の数よりも多くなるように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。
5. 前記フュエルインジェクタ（２３）の前記ピストン側象限（Ｑｐ）かつ前記排気側象限（Ｑｅ）を指向する燃料噴射孔（２３ａ）の径を、前記フュエルインジェクタ（２３）の前記ピストン側象限（Ｑｐ）かつ前記吸気側象限（Ｑｉ）を指向する燃料噴射孔（２３ａ）の径よりも大きくなるように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。
6. 前記フュエルインジェクタ（２３）の前記ピストン側象限（Ｑｐ）かつ前記排気側象限（Ｑｅ）を指向する燃料噴射孔（２３ａ）の断面積の総和を、前記フュエルインジェクタ（２３）の前記ピストン側象限（Ｑｐ）かつ前記吸気側象限（Ｑｉ）を指向する燃料噴射孔（２３ａ）の断面積の総和よりも大きくなるように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。
7. 前記フュエルインジェクタ（２３）の燃料噴射孔（２３ａ）の中心となる仮想的な燃料噴射点（Ｏｉｎｊ）を前記排気側象限（Ｑｅ）に位置させたことを特徴とする、請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の燃料直噴エンジン。
8. 前記フュエルインジェクタ（２３）を、その上部が前記排気側象限（Ｑｅ）に向かって倒れるように前記ピストン中心軸（Ｌｐ）に対して傾斜させたことを特徴とする、請求項７に記載の燃料直噴エンジン。
9. 前記吸気バルブ孔（１７）における前記吸気ポ−ト（１９）の軸線下流側方向が前記排気側象限（Ｑｅ）を指向することを特徴とする、請求項１〜請求項８の何れか１項に記載の燃料直噴エンジン。
10. シリンダ（１２）内を摺動するピストン（１３）の上面とシリンダヘッド（１６）の下面との間に区画される燃焼室（２５）を備え、前記燃焼室（２５）に臨むシリンダヘッド（１６）の下面は稜線（１６ａ）を挟んで斜め下向きに傾斜する二つの傾斜面（１６ｂ）を有するペントルーフ状に形成され、前記二つの傾斜面（１６ｂ）の一方に吸気バルブ孔（１７）が開口して他方に排気バルブ孔（１８）が開口し、前記シリンダヘッド（１６）に設けられたフュエルインジェクタ（２３）が、前記吸気バルブ孔（１７）および前記排気バルブ孔（１８）の間であって前記稜線（１６ａ）の近傍に開口する燃料噴射孔（２３ａ）から、斜め下向きにコーン状に拡開する複数の燃料噴射軸（Ｌｉ１，Ｌｉ２）に沿って前記燃焼室（２５）に燃料を噴射する燃料直噴エンジンにおいて、
    前記燃焼室（２５）を上下方向に２分する第１仮想面（ＩＰ１）によって、該燃焼室（２５）をシリンダヘッド側象限（Ｑｈ）とピストン側象限（Ｑｐ）とに区分し、
    かつピストン中心軸（Ｌｐ）を含んで前記稜線（１６ａ）と平行に延びる第２仮想面（ＩＰ２）によって、前記燃焼室（２５）を吸気側象限（Ｑｉ）と排気側象限（Ｑｅ）とに区分し、
    前記シリンダヘッド（１６）に形成されて前記吸気バルブ孔（１７）に開口する吸気ポ−ト（１９）を、前記ピストン側象限（Ｑｐ）では前記吸気側象限（Ｑｉ）から前記排気側象限（Ｑｅ）に向かって吸気が流動し、かつ前記シリンダヘッド側象限（Ｑｈ）では前記排気側象限（Ｑｅ）から前記吸気側象限（Ｑｉ）に向かって吸気が流動するタンブル流となるように形成し、
    前記ピストン側象限（Ｑｐ）かつ前記吸気側象限（Ｑｉ）における燃料噴射量を、前記前記ピストン側象限（Ｑｐ）かつ前記排気側象限（Ｑｅ）における燃料噴射量よりも多くなるように設定したことを特徴とする燃料直噴エンジン。
11. 前記ピストン側象限（Ｑｐ）かつ前記吸気側象限（Ｑｉ）を通過する燃料噴射軸（Ｌｉ１，Ｌｉ２）の数を、前記ピストン側象限（Ｑｐ）かつ前記排気側象限（Ｑｅ）を通過する燃料噴射軸（Ｌｉ１，Ｌｉ２）の数よりも多くなるように設定したことを特徴とする、請求項１０に記載の燃料直噴エンジン。
12. 前記ピストン側象限（Ｑｐ）かつ前記吸気側象限（Ｑｉ）における燃料噴射軸（Ｌｉ１，Ｌｉ２）の間隔を、前記ピストン側象限（Ｑｐ）かつ前記排気側象限（Ｑｅ）における燃料噴射軸（Ｌｉ１，Ｌｉ２）の間隔よりも小さくなるように設定したことを特徴とする、請求項１０に記載の燃料直噴エンジン。
13. 前記フュエルインジェクタ（２３）の前記ピストン側象限（Ｑｐ）かつ前記吸気側象限（Ｑｉ）を指向する燃料噴射孔（２３ａ）の数を、前記フュエルインジェクタ（２３）の前記ピストン側象限（Ｑｐ）かつ前記排気側象限（Ｑｅ）を指向する燃料噴射孔（２３ａ）の数よりも多くなるように設定したことを特徴とする、請求項１０に記載の燃料直噴エンジン。
14. 前記フュエルインジェクタ（２３）の前記ピストン側象限（Ｑｐ）かつ前記吸気側象限（Ｑｉ）を指向する燃料噴射孔（２３ａ）の径を、前記フュエルインジェクタ（２３）の前記ピストン側象限（Ｑｐ）かつ前記排気側象限（Ｑｅ）を指向する燃料噴射孔（２３ａ）の径よりも大きくなるように設定したことを特徴とする、請求項１０に記載の燃料直噴エンジン。
15. 前記フュエルインジェクタ（２３）の前記ピストン側象限（Ｑｐ）かつ前記吸気側象限（Ｑｉ）を指向する燃料噴射孔（２３ａ）の断面積の総和を、前記フュエルインジェクタ（２３）の前記ピストン側象限（Ｑｐ）かつ前記排気側象限（Ｑｅ）を指向する燃料噴射孔（２３ａ）の断面積の総和よりも大きくなるように設定したことを特徴とする、請求項１０に記載の燃料直噴エンジン。
16. 前記フュエルインジェクタ（２３）の燃料噴射孔（２３ａ）の中心となる仮想的な燃料噴射点（Ｏｉｎｊ）を前記吸気側象限（Ｑｉ）に位置させたことを特徴とする、請求項１０〜請求項１５の何れか１項に記載の燃料直噴エンジン。
17. 前記フュエルインジェクタ（２３）を、その上部が前記吸気側象限（Ｑｉ）に向かって倒れるように前記ピストン中心軸（Ｌｐ）に対して傾斜させたことを特徴とする、請求項１６に記載の燃料直噴エンジン。
18. 前記吸気バルブ孔（１７）における前記吸気ポ−ト（１７）の軸線下流側方向が前記吸気側象限（Ｑｉ）を指向することを特徴とする、請求項１０〜請求項１７の何れか１項に記載の燃料直噴エンジン。
19. 前記燃焼室は前記ピストン（１３）の頂面に凹設したキャビティ（２５）で構成され、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〜請求項６および請求項１０〜請求項１５の何れか１項に記載の燃料直噴エンジン。
20. 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）の開口周縁との交点を第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たことを特徴とする、請求項１９に記載の燃料直噴エンジン。

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