JP2017031891A - 内燃機関用のピストン、内燃機関、及び内燃機関用のピストンの設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ディーゼルエンジン等の内燃機関において、スワールを利用して、燃料噴霧とキャビティ内の吸気との混合を促進すると共に、燃料噴霧同士の干渉による燃料過濃領域の発生を抑制して、不完全燃焼による煤、ＨＣ、ＣＯ等の生成を回避できる内燃機関用のピストン、内燃機関、及び内燃機関用のピストンの設計方法を提供する。【解決手段】キャビティ１０の領域を燃料噴射ノズル３０の噴孔３１ごとの区画領域Ｄｉに区分し、この区画領域Ｄｉの内側にキャビティ１０の外周壁１１の外周上側部分を窪みを有する棚部１４を設けると共に、この区画領域Ｄｉに隣接する区画領域Ｄｉ＋１との境界部分では窪みのある棚部１４が無い形状に形成し、この棚部１４の形状をスワールの方向に関して、スワール上流では窪みの抉り量を大きく、スワール下流では窪みの抉り量を徐々に小さく形成する。【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関において、キャビティ（燃焼室）内の燃料噴霧と吸気との混合を促進すると共に、隣接する燃料噴霧同士の干渉による燃料過濃領域の発生を抑制して、不完全燃焼による煤、ＨＣ、ＣＯ等の生成を回避できる内燃機関用のピストン、内燃機関、及び内燃機関用のピストンの設計方法に関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関用のピストンにおいては、ピストンの頂部（冠面：ピストントップ）にキャビティと呼ばれる凹部を設けて、このキャビティの中央部に対向させて設けた燃料噴射ノズルから燃料を噴射し、この噴射された燃料噴霧をキャビティの内部で吸気と混合させて燃料を燃焼させている。この燃焼においては、不完全燃焼による煤、ＨＣ、ＣＯ等の生成がある．現象としては、次に示す通りである。図８に示すように、ピストン１Ｘの頂部２に設けられたキャビティ１０Ｘにおいて、図９に示すように、燃料噴霧Ｆはキャビティ１０Ｘの外周壁１１に衝突した後でスワールＳに流されるので、このスワールＳに流された燃料噴霧Ｆｓがスワール下流側に存在することになり、図１０に示すように、隣接する噴孔３１から噴射された燃料噴霧Ｆ１、Ｆ２がキャビティ１０Ｘ内で重なり合って干渉が生じる。

そして、この燃料噴霧Ｆ１、Ｆ２同士の干渉が生じると、燃料に対して酸素不足となる過濃領域Ｒｏが形成されるおそれがあり、煤、ＨＣ、ＣＯ等が生成する可能性がある。これは、内燃機関における燃焼の観察結果によって得られた知見である。そこで、それらの現象を回避して、燃焼効率を良くするために、キャビティの形状に様々な工夫がなされてきている。

例えば、インジェクタからキャビティに向けて噴射された燃料の噴霧がキャビティの壁面に沿って周方向に広がって隣り合う噴霧同士が干渉することによる燃料の過濃領域の形成を抑制するために、ピストンの頂部に、上方に配置されたインジェクタから周方向に間隔を隔てて複数噴射された燃料の噴霧が衝突するキャビティを凹設した内燃機関の燃焼室構造であって、キャビティの壁面に、噴霧が衝突する部分に位置して、キャビティの内外方向に沿ったガイド突起を複数設けて、噴霧が壁面に沿ってキャビティの周方向に広がることによる隣り合う噴霧同士の干渉を抑える内燃機関の燃焼室構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、煤が凹部に堆積した場合にはガイド突起の効果が薄れたり、熱応力によりガイド突起が破壊されたりする可能性が生じるとの知見を得た。

言い換えれば、噴霧の拡散を防止するための構造が、熱応力によって破損しやすい構造であるため、負荷が高い領域での使用には向いていないという改善の余地や、ピストンのキャビティの断面形状が周方向に大きく変化しておらず、スワール（横渦流：旋回）の流れを生かして噴霧と吸気の混合を促進する構造になっていないので、この面からも改善の余地があるとの知見を得た。

これに関連して、燃焼室の容積をできるだけ維持したまま、簡単な構造でスキッシュ
エリアの燃焼効率を高めたために、噴孔から噴射した勢いで燃料を霧化する燃料噴射ノズルに対応した直接噴射式ディーゼル内燃機関のピストンであって、頂部に凹設された燃焼室と、燃料噴射ノズルの複数の噴孔から噴射された燃料噴霧の拡散範囲に個別に対応させて燃焼室の外周に独立して設けられる窪みとを備え、ピストンの半径方向に沿う窪みの断面形状は、ピストンの中心に対する周方向位置によって異なる燃料噴霧の燃料濃度の分布に応じて設けられているピストンが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、この構成では、窪みは、ピストンの頂部に燃焼室の空間とは独立して設けられているので、この燃焼室の外周縁を越えるスキッシュエリアの燃料噴霧の燃焼の改善には効果があるが、燃焼室中心部の燃焼の改善には直接には役立たないという問題がある。

特開２０１１−１７４３８８号公報 特開２０１０−１１２３５０号公報

本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、ディーゼルエンジン等の内燃機関において、スワールを利用して、キャビティ内の燃料噴霧と吸気との混合を促進すると共に、隣接する燃料噴霧同士の干渉による燃料過濃領域の発生を抑制して、不完全燃焼による煤、ＨＣ、ＣＯ等の生成を回避できる内燃機関用のピストン、内燃機関、及び内燃機関用のピストンの設計方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の内燃機関用のピストンは、ピストンの頂部に凹形状に設けられたキャビティと、該キャビティの中央部に対向してシリンダヘッドに設けられた燃料噴射ノズルを有し、吸気をスワールさせる内燃機関のための内燃機関用のピストンにおいて、前記キャビティの領域を前記燃料噴射ノズルの噴孔ごとの区画領域に区分し、前記区画領域の内側に前記キャビティの周壁面の外周上側部分を窪みを有する棚部を設けると共に、前記区画領域に隣接する区画領域との境界部分では前記棚部が無い形状に形成し、スワールの方向に関して、前記区画領域のスワール最上流側では前記棚部が無い形状から外周側に抉る前記棚部を形成した形状に移行する第１移行部と、前記区画領域の中央まで徐々に前記窪みの外周側への抉り量を大きくする第１窪み部と、前記区画領域の中央で前記窪みの外周側への抉り量を最大とする最大窪み部と、前記区画領域の中央からスワール下流側に徐々に前記窪みの外周側への抉り量を小さくする第２窪み部と、前記区画領域のスワール最下流側では前記棚部のある形状から前記棚部の無い形状に移行する第２移行部とで形成して、隣接する区画領域のスワール最上流側の形状に連続させるように形成し、更に、前記第１移行部、前記第２移行部、前記第２窪み部、前記第１窪み部の順に、前記窪みの外周側への抉り量における周方向に対する変化量を小さくして構成する。

この構成によれば、燃料噴霧ごとに、ピストンのキャビティの円周方向にキャビティの断面積が変化する構造で、その区画領域内の吸気と燃料噴霧が混合するように工夫しているので、キャビティ内の吸気と燃料噴霧を十分混合することが可能となり、煤、ＨＣ、ＣＯなどの発生を抑制できる。この区画領域は、噴孔に対応して設定される、つまり、噴孔の数によって変化する。

また、隣接する噴霧同士の重なりを排除して干渉を防止しているので、隣接する燃料噴霧同士の干渉による燃料過濃領域の発生を抑制することが可能となり、これにより，不完全燃焼による煤、ＨＣ、ＣＯの生成を回避することができる。また、吸気と燃料噴霧の混合が良好に促進されるので、この面においてもＳｏｏｔ、ＣＯの低減が可能となる。

従って、ディーゼルエンジン等の内燃機関において、スワールを利用して、キャビティ内の燃料噴霧と吸気との混合を促進すると共に、隣接する燃料噴霧同士の干渉による燃料過濃領域の発生を抑制して、不完全燃焼による煤、ＨＣ、ＣＯ等の生成を回避できる。

上記の内燃機関用のピストンにおいて、前記第２窪み部の前記棚部のある部位において、前記ピストンの頂部との角部の口元部をピストン中心軸側にせり出させて形成する。言い換えれば、噴射された燃料噴霧が、ギャビティの外周壁に衝突した後、スワールで流される間に、キャビティの中心部の吸気と混合するように、キャビティの口元部をせり出す構造とする。これにより、スワールの流れに合わせて、燃料噴霧がキャビティの中心部の吸気と混合し易くなる。

また、この口元部の構造により、ピストンが圧縮上死点を越えて膨張行程に入るとキャビティからシリンダへの流れとなる流れを逆スキッシュ流というが、この逆スキッシュ流も活用できて、燃料噴霧と吸気の混合を促進できるようになる。

上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、上記の内燃機関用のピストンを備えて構成され、上記の燃料噴射装置と同様の作用効果を奏することができる。

そして、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関用のピストンの設計方法は、ピストンの頂部に凹形状に設けられたキャビティと、該キャビティの中央部に対向してシリンダヘッドに設けられた燃料噴射ノズルを有し、吸気をスワールさせる内燃機関のための内燃機関用のピストンの設計方法において、予め設定されたスワールによって、前記燃料噴射ノズルの各噴孔から噴射された燃料噴霧が流される範囲を計測または算出する第１ステップと、噴射された燃料噴霧と吸気の混合分布を計測し、燃料噴霧の量に対して混合している吸気中の酸素量が余剰となる当量比１未満領域を計測または算出する第２ステップと、前記キャビティの領域を、前記燃料噴射ノズルの噴孔ごとの区画領域に前記当量比１未満領域を含むように区分する第３ステップと、前記区画領域ごとに前記キャビティの形状を決定する第４ステップとを有することを特徴とする方法である。

また、上記の内燃機関用のピストンの設計方法において、前記第４ステップにおいて、前記噴孔から燃料が噴射される方向においては、燃料噴霧が前記キャビティの外周壁と衝突するまでの混合距離を稼ぐために、前記キャビティの外周壁をピストン中心軸から遠くに配置し、スワール下流側では、燃料噴霧が前記キャビティの前記外周壁に衝突後、スワールで流される間に前記キャビティの内部の吸気と混合するように、前記キャビティの口元部を燃料噴霧を押し込むようにせり出す形状とし、スワール上流側では、燃料噴霧が前記キャビティの前記外周壁に衝突後、隣接する燃料噴霧との干渉が無いように、前記キャビティの前記外周壁をピストン中心軸側に近づけて配置し、前記ピストン中心軸を含む平面内の前記キャビティの断面形状を、スワールの流れに沿って前記ピストン中心軸を中心にして周方向に沿って回転させたときに、この回転に伴って前記キャビティが外側に広がった後に元に戻るように連続させて前記キャビティの形状を作成する。

これらの内燃機関用のピストンの設計方法によれば、上記の内燃機関用のピストンと同様の作用効果を奏することができる。

本発明の内燃機関用のピストン、内燃機関及び内燃機関用のピストンの設計方法によれば、ディーゼルエンジン等の内燃機関において、スワールを利用して、キャビティ内の燃料噴霧と吸気との混合を促進すると共に、隣接する燃料噴霧同士の干渉による燃料過濃領域の発生を抑制して、不完全燃焼による煤、ＨＣ、ＣＯ等の生成を回避できる。

本発明に係る実施の形態の内燃機関用のピストンのキャビティの構造を模式的に示すピストンの側断面図である。 本発明に係る実施の形態の内燃機関用のピストンの設計方法における第１ステップを説明するための図で、キャビティ内におけるスワールによる燃料噴霧の流れを模式的に示す図である。 本発明に係る実施の形態の内燃機関用のピストンの設計方法における第２ステップと第３ステップを説明するための図で、キャビティ内における当量比１未満の領域を模式的に示す図である。 本発明に係る実施の形態の内燃機関用のピストンの設計方法における第４ステップを説明するための図で、キャビティ内における区画領域と各断面の位置を模式的に示す図である。 本発明に係る実施の形態の内燃機関用のピストンにおける断面形状を模式的に示す図である。 本発明に係る実施の形態の内燃機関用のピストンにおける断面形状を立体的に示す斜視図である。 本発明に係る実施の形態の内燃機関用のピストンにおける隣接する燃料噴霧の状態を模式的に示す図である。 従来技術の内燃機関用のピストンのキャビティの構造を模式的に示すピストンの側断面図である。 従来技術の内燃機関用のピストンのキャビティ内におけるスワールによる燃料噴霧の流れを模式的に示す図である。 従来技術の内燃機関用のピストンのキャビティ内における隣接する燃料噴霧の重なりの状態を模式的に示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関用のピストン、内燃機関、及び内燃機関用のピストンの設計方法について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明に係る実施の形態の内燃機関は、本発明に係る実施の形態の内燃機関用のピストンを備えて構成され、後述する内燃機関用のピストンが奏する作用効果と同様の作用効果を奏することができる。

先ず、最初に、本発明の実施の形態の内燃機関用のピストンの設計方法について説明する。この内燃機関用のピストンの設計方法は、図１に示すように、ピストン１の頂部２に凹形状に設けられたキャビティ１０と、このキャビティ１０の中央部に対向してシリンダヘッド（図示しない）に設けられた燃料噴射ノズル３０を有し、吸気をスワールさせる内燃機関のための内燃機関用のピストンの設計方法である。

なお、図１に示すように、キャビティ１０は、外周壁１１、底部１２、外縁部１３、口元部（せり出し部）１３ａ、棚部１４、窪み１５、棚部１４の口元部（せり出し部）１６などを有して構成されている。

この内燃機関用のピストンの設計方法は、第１〜第４のステップを有しており、第１ステップでは、図２に示すように、予め設定されたスワールＳによって、燃料噴射ノズル３０の各噴孔３１から噴射された燃料噴霧Ｆが仮想の外周壁１１Ｘに衝突して流される範囲Ｒｓを計測または算出する。この仮想の外周壁１１Ｘは、燃料噴霧Ｆが流れる範囲Ｒｓを得るためのものであるので、適当な形状でよく、例えば、先行技術の円環状の外周壁をもつキャビティの形状を使用することができる。

また、第２ステップでは、図３に示すように、噴射された燃料噴霧Ｆと吸気の混合分布を計測し、燃料噴霧Ｆの量に対して混合している吸気中の酸素量が余剰となる当量比１未満領域Ｒ１を計測または算出する。

そして、第３ステップでは、図３に示すように、キャビティ１０の中心から延びる直線Ｌｉと直線Ｌｉ＋１とにより、キャビティ１０の領域を、燃料噴射ノズル３０の噴孔３１ごとの区画領域Ｄｉにおいて当量比１未満領域Ｒ１を含むように区分する。次の第４ステップでは、図４〜図６に示すように、区画領域Ｄｉごとにキャビティ１０の形状を決定する。この区画領域Ｄｉは、噴孔３１、言い換えれば、噴孔３１の数に対応して変化する。つまり、区画領域Ｄｉは、噴孔３１の数に対応した数だけあることになる。

つまり、隣接する燃料噴霧Ｆの干渉が少なくなるようにキャビティ（燃焼室）１０の形状を設定することを目的にして、予め設定されたスワールＳで燃料噴霧Ｆが流される範囲を計測または流体解析プログラム等の使用により算出し、また、ＬＡＳ法（レーザー吸収散乱法）などで当量比（空気過剰率の逆数＝完全燃焼に必要な酸素の重量／実際の混合気が含む酸素の重量）を計測，当量比１未満となる領域Ｒ１、言い換えれば、酸素が余剰な領域Ｒ１が、各噴孔３１から噴射される区画領域Ｄｉ毎に配置されるようキャビティ１０の周方向に区分された範囲となる区画領域Ｄｉを決定して、各噴孔３１の噴射された燃料噴霧Ｆが発生する領域で決められる各区画領域Ｄｉごとのキャビティ１０の断面形状（Ｓ１〜Ｓ７）を決定する。

そして、予め設定されたスワールＳに基づいて、キャビティ１０の上面視の周方向で当量比が１未満となるように区画領域Ｄｉを設定し、この区画領域Ｄｉ毎にキャビティ１０の断面形状（Ｓ１〜Ｓ７）を設定する。このキャビティ１０の断面形状（Ｓ１〜Ｓ７）の設定に際して、噴射された燃料噴霧Ｆが直接衝突する箇所Ｓ４は、噴孔３１からできるだけ遠い箇所とし、仮想の外周壁１１Ｘ上で，噴霧同士が重なり、当量比が１を超えて、酸素不足が生じると計測または、計算されるような箇所（Ｓ１、Ｓ７）には壁状の形状を設定して、隣接する噴射された燃料噴霧Ｆ１、Ｆ２が重ならないようにする。そのため、各区画領域Ｄｉの両端の断面形状（Ｓ１、Ｓ７）は、隣接する区域の燃料噴霧Ｆ１、Ｆ２と干渉しないようにキャビティ１０の半径方向のピストン中心軸Ｃからの距離を縮小させる。

また、上記の第４ステップにおいて、噴孔３１から燃料噴霧Ｆが噴射される方向（断面Ｓ４）においては、燃料噴霧Ｆがキャビティ１０の外周壁１１と衝突するまでの混合距離を稼ぐために、キャビティ１０の外周壁１１をピストン中心軸Ｃから遠くに配置し、スワール下流側（断面Ｓ５、Ｓ６）では、燃料噴霧Ｆがキャビティ１０の外周壁１１に衝突後、スワールＳで流される間にキャビティ１０の内部の吸気と混合するように、キャビティ１０の口元部１３ａを燃料噴霧Ｆを押し込むようにせり出す形状とし、スワール上流側（断面Ｓ２、Ｓ３）では、燃料噴霧Ｆがキャビティ１０の外周壁１１に衝突後、隣接する燃料噴霧Ｆとの干渉が無いように、キャビティ１０の外周壁１１をピストン中心軸Ｃ側に近づけて配置し、図６に示すように、ピストン中心軸Ｃを含む平面内のキャビティ１０の断面形状（Ｓ１〜Ｓ７）を、スワールＳの流れに沿ってピストン中心軸Ｃを中心にして周方向に沿って回転させたときに、この回転に伴ってキャビティ１０が外側に広がった後に元に戻るように連続させてキャビティ１０の形状を作成する。つまり、ピストン中心軸Ｃを含む平面内のキャビティ１０の断面形状（Ｓ１〜Ｓ７）をピストン中心軸Ｃを中心にして、周方向に広げるように連続させてキャビティ１０の形状を作成する。

つまり、キャビティ１０内の吸気の流れであるスワールＳに合わせて、キャビティ１０をピストン中心軸Ｃを含む平面で切断した断面形状（Ｓ１〜Ｓ７）をスワールＳの方向に従って半径方向に変化するように構成し、このキャビティ１０の断面形状（Ｓ１〜Ｓ７）の変化については、燃料噴霧Ｆが直接衝突する箇所（Ｓ４）の口元部１３ａは、噴孔３１から最も遠い箇所とし、第１ステップ及び第２ステップで得られた結果では、隣接する燃料噴霧Ｆと重なり、当量比が１を超えていた箇所（Ｓ１、Ｓ７）には、壁状の形状を設定する。また、燃料噴霧ＦがスワールＳに流されるに従って、燃料噴霧Ｆがキャビティ１０の中心部Ｃ側の吸気と混合するように、燃料Ｆを押し込むように口元部１３ａを中心部Ｃ側にせり出させる。

次に、本発明の実施の形態の内燃機関用のピストン（以下ピストン）１について説明する。このピストン１は、図１〜図６に示すように、ピストン１の頂部２に凹形状に設けられたキャビティ１０と、このキャビティ１０の中央部に対向してシリンダヘッド（図示しない）に設けられた燃料噴射ノズル３０を有し、吸気をスワールさせる内燃機関のための内燃機関用のピストンである。

このピストン１において、キャビティ１０の領域を燃料噴射ノズル３０の噴孔３１ごとの区画領域Ｄｉに区分し、この区画領域Ｄｉの内側にキャビティ１０の外周壁１１の外周上側部分を窪み１５を有する棚部１４を設ける。

それと共に、この区画領域Ｄｉに隣接する区画領域Ｄｉ＋１との境界部分では窪み１５を有する棚部１４が無い形状に形成し、スワールＳの方向に関して、区画領域Ｄｉのスワール最上流側（Ｓ１）では棚部１４が無い形状から外周側に抉る窪み１５を設けて棚部１４を形成した形状に移行する第１移行部（Ｓ１〜Ｓ２）を設ける。

また、区画領域Ｄｉの中央（Ｓ４）まで徐々に窪み１５の外周側への抉り量を大きくする第１窪み部（Ｓ２〜Ｓ４）と、区画領域Ｄｉの中央（Ｓ４）で窪み１５の外周側への抉り量を最大とする最大窪み部（Ｓ４）を設ける。

更に、区画領域Ｄｉの中央（Ｓ４）からスワール下流側に徐々に窪み１５の外周側への抉り量を小さくする第２窪み部（Ｓ４〜Ｓ６）と、区画領域Ｄｉのスワール最下流側（Ｓ７）では窪み１５を有する棚部１４のある形状から窪み１５を有する棚部１４の無い形状に移行する第２移行部（Ｓ６〜Ｓ７）とで形成して、隣接する区画領域Ｄｉ＋１のスワール最上流側の形状に連続させるように形成する。

その上、第１移行部（Ｓ１〜Ｓ２）、第２移行部（Ｓ２〜Ｓ４）、第２窪み部（Ｓ４〜Ｓ６）、第１窪み部（Ｓ６〜Ｓ７）の順に、窪み１５の外周側への抉り量における周方向に対する変化量を小さくして構成する。

つまり、キャビティ（燃焼室）１０の形状に関しては、燃料噴射ノズル３０の噴孔３１から噴射される燃料噴霧Ｆごとに、ピストン中心軸Ｃから半径方向に延びる断面形状（Ｓ１〜Ｓ７）を周方向に扇状に重ね合わせるようにしてキャビティ形状を作成する。

そして、燃料噴霧Ｆが直接衝突する箇所である最大窪み部（Ｓ４）は、燃料噴霧Ｆが衝突するまでの混合距離を稼ぐため出来るだけ遠くになるようにする。また、第２窪み部（Ｓ４〜Ｓ６）では、燃料噴霧Ｆがキャビティ１０の外周壁１１に衝突後、スワールＳで流される間にキャビティ１０の中心部Ｃの吸気と混合するようにキャビティ１０の口元部１３ａが燃料噴霧Ｆを押し込むように口元部１３ａをピストン中心軸Ｃ側にせり出す形状にする。

これにより、燃料噴霧Ｆと吸気の混合をできる限り促進したい部位（Ｓ４〜Ｓ６）では、混合時間が長く、また、混合領域が大きくなるように、噴射された燃料噴霧Ｆが衝突するキャビティ１０の外周壁１１の位置を遠くにして形成する。

一方で、区画領域Ｄｉの両側では隣接する燃料噴霧Ｆとの干渉が生じないように、スワール流れの向きと反対側の方向のスワール上流側の第１窪み部（Ｓ２〜Ｓ４）では、隣接する噴射された燃料噴霧Ｆと干渉しないようにキャビティ１０の半径方向のピストン中心軸Ｃからの距離を徐々に縮小させ、隣接する噴射された燃料噴霧Ｆと重なることなく、干渉しないようにする障壁を形成する形状にする。

このキャビティ１０では、ピストン１の頂部２の内側のラインとなる外縁部１３は、図４及び図６に示すように、ピストン中心軸Ｃの上から見たときに、噴孔３１からの燃料噴射の方向に対して、線対称とはならず、非線対称となる。

この構成によれば、燃料噴霧Ｆごとに、ピストン１のキャビティ１０の円周方向にキャビティ１０の断面積が変化する構造で、その区画領域Ｄｉ内の吸気と燃料噴霧Ｆが混合するように工夫しているので、キャビティ１０内の吸気と燃料噴霧Ｆを十分混合することが可能となり、煤、ＨＣ、ＣＯなどの発生を抑制できる。

また、図７の領域Ｒｘに示すように、噴射された隣接する燃料噴霧Ｆ１、Ｆ２同士の重なりを排除して干渉が無いようにしているので、隣接する燃料噴霧Ｆ１、Ｆ２同士の干渉による燃料過濃領域の発生を抑制することが可能となり、これにより，不完全燃焼による煤、ＨＣ、ＣＯの生成を回避することができる。また、吸気と燃料噴霧Ｆの混合が良好に促進されるので、この面においてもＳｏｏｔ、ＣＯの低減が可能となる。

また、第２窪み部の棚部１４のある部位（Ｓ４〜Ｓ６）において、ピストン１の頂部２との角部の口元部１３ａ、及び、棚部１４の口元部１６をピストン中心軸Ｃ側にせり出させて形成する。言い換えれば、噴射された燃料噴霧Ｆが、ギャビティ１０の外周壁１１に衝突した後、スワールＳで流される間に、キャビティ１０の中心部側の吸気と混合するように、キャビティ１０の口元部１３ａ、及び、棚部１４の口元部１６をせり出す構造とする。これにより、スワールＳの流れに合わせて、燃料噴霧Ｆがキャビティ１０の中心部側の吸気と混合し易くなる。

また、この口元部１３ａ、１６の構造により、ピストン１が圧縮上死点を越えて膨張行程に入るとキャビティ１０からシリンダへの流れとなる逆スキッシュ流も活用できて、燃料噴霧Ｆと吸気の混合を促進できるようになる。

従って、上記の構成の内燃機関用のピストン、内燃機関、及び内燃機関用のピストンの設計方法によれば、ディーゼルエンジン等の内燃機関において、スワールＳを利用して、キャビティ１０内の燃料噴霧Ｆと吸気との混合を促進すると共に、隣接する燃料噴霧Ｆ同士の干渉による燃料過濃領域の発生を抑制して、不完全燃焼による煤、ＨＣ、ＣＯ等の生成を回避できる。

１、１Ｘ 内燃機関用のピストン（ピストン）
２ ピストンの頂部
１０、１０Ｘ キャビティ
１１ キャビティの外周壁
１１Ｘ 仮想の外周壁
１２ キャビティの底部
１３ キャビティの外縁部
１３ａ キャビティの口元部（せり出し部）
１４ 棚部
１５ 窪み
１６ 棚部の口元部（せり出し部）
３０ 燃料噴射ノズル
３１ 噴孔
Ｃ キャビティの中心部（ピストン中心軸）
Ｄｉ 区画領域
Ｆ 燃料噴霧
Ｌｉ、Ｌｉ＋１ キャビティの中心から延びる直線
Ｒｓ 燃料噴霧が仮想の外周壁に衝突して流される範囲
Ｒ１ 当量比１未満領域
Ｓ スワール
Ｓ１〜Ｓ７ キャビティの断面形状

Claims (5)

1. ピストンの頂部に凹形状に設けられたキャビティと、該キャビティの中央部に対向してシリンダヘッドに設けられた燃料噴射ノズルを有し、吸気をスワールさせる内燃機関のための内燃機関用のピストンにおいて、
   前記キャビティの領域を前記燃料噴射ノズルの噴孔ごとの区画領域に区分し、
   前記区画領域の内側に前記キャビティの外周壁の外周上側部分を窪みを有する棚部を設けると共に、前記区画領域に隣接する区画領域との境界部分では前記棚部が無い形状に形成し、
   スワールの方向に関して、
   前記区画領域のスワール最上流側では前記棚部が無い形状から外周側に抉る前記棚部を形成した形状に移行する第１移行部と、前記区画領域の中央まで徐々に前記窪みの外周側への抉り量を大きくする第１窪み部と、前記区画領域の中央で前記窪みの外周側への抉り量を最大とする最大窪み部と、前記区画領域の中央からスワール下流側に徐々に前記窪みの外周側への抉り量を小さくする第２窪み部と、前記区画領域のスワール最下流側では前記棚部のある形状から前記棚部の無い形状に移行する第２移行部とで形成して、隣接する区画領域のスワール最上流側の形状に連続させるように形成し、
   更に、前記第１移行部、前記第２移行部、前記第２窪み部、前記第１窪み部の順に、前記窪みの外周側への抉り量における周方向に対する変化量を小さくしたことを特徴とする内燃機関用のピストン。
2. 前記第２窪み部の前記棚部のある部位において、前記ピストンの頂部との角部の口元部をピストン中心軸側にせり出させて形成した請求項１に記載の内燃機関用のピストン。
3. 請求項１又は２に記載の内燃機関用のピストンを備えたことを特徴とする内燃機関。
4. ピストンの頂部に凹形状に設けられたキャビティと、該キャビティの中央部に対向してシリンダヘッドに設けられた燃料噴射ノズルを有し、吸気をスワールさせる内燃機関のための内燃機関用のピストンの設計方法において、
   予め設定されたスワールによって、前記燃料噴射ノズルの各噴孔から噴射された燃料噴霧が流される範囲を計測または算出する第１ステップと、
   噴射された燃料噴霧と吸気の混合分布を計測し、燃料噴霧の量に対して混合している吸気中の酸素量が余剰となる当量比１未満領域を計測または算出する第２ステップと、
   前記キャビティの領域を、前記燃料噴射ノズルの噴孔ごとの区画領域に前記当量比１未満領域を含むように区分する第３ステップと、
   前記区画領域ごとに前記キャビティの形状を決定する第４ステップとを有することを特徴とする内燃機関用のピストンの設計方法。
5. 前記第４ステップにおいて、
   前記噴孔から燃料が噴射される方向においては、燃料噴霧が前記キャビティの外周壁と衝突するまでの混合距離を稼ぐために、前記キャビティの外周壁をピストン中心軸から遠くに配置し、
   スワール下流側では、燃料噴霧が前記キャビティの前記外周壁に衝突後、スワールで流される間に前記キャビティの内部の吸気と混合するように、前記キャビティの口元部を燃料噴霧を押し込むようにせり出す形状とし、
   スワール上流側では、燃料噴霧が前記キャビティの前記外周壁に衝突後、隣接する燃料噴霧との干渉が無いように、前記キャビティの前記外周壁をピストン中心軸側に近づけて配置し、
   前記ピストン中心軸を含む平面内の前記キャビティの断面形状を、スワールの流れに沿って前記ピストン中心軸を中心にして周方向に沿って回転させたときに、この回転に伴って前記キャビティが外側に広がった後に元に戻るように連続させて前記キャビティの形状を作成する請求項４に記載の内燃機関用のピストンの設計方法。

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