JP4657343B2 - 燃料直噴エンジン - Google Patents

Description

本発明は、円周方向に配置された複数のキャビティ区分を備え、かつ逆スキッシュ流の大きさが円周方向に不均一な燃料直噴エンジンに関する。

ピストンの平坦な頂面の中央部にキャビティを凹設し、ピストン中心軸上に配置したフュエルインジェクタから放射状に延びる複数の燃料噴射軸に沿ってキャビティの内面に燃料を噴射する燃料直噴ディーゼルエンジンにおいて、フュエルインジェクタから噴射された燃料が衝突するキャビティの内壁面に複数の溝（凹部）を形成し、フュエルインジェクタから噴射された燃料が前記溝に衝突するまでの燃料の噴射距離を増加させることで、燃料および空気の混合を促進するものが、下記特許文献１により公知である。
実開昭５８−２３２３号公報

ところで上記特許文献１に記載されたものは、ピストンの頂面が平坦に形成されているため、ピストンが上死点から下降するときにキャビティの内部からピストンの外周部に向かう逆スキッシュ流の大きさが円周方向に均一になる。従って、キャビティの複数の溝の形状や、それらの溝とそこに燃料を噴射する燃料噴射軸との関係を一定にしても、燃料および空気の混合状態をキャビティ内の円周方向に均一化することが可能であった。

しかしながら、例えばペントルーフ型のピストンを備えた燃料直噴エンジンでは逆スキッシュ流の大きさが円周方向に不均一になるため、キャビティを円周方向に配置された複数のキャビティ区分に区画し、各キャビティ区分を指向する燃料噴射軸に沿って燃料を噴射する場合、円周方向に不均一な逆スキッシュ流の大きさを考慮しないと、逆スキッシュ流の大きい部分でキャビティ区分から燃料が吹きこぼれたり、逆スキッシュ流の小さい部分でキャビティ区分の底部に燃料が滞留したりして、燃料および空気の混合状態をキャビティ内の円周方向に均一化することができない可能性がある。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、円周方向に配置された複数のキャビティ区分を備え、かつ逆スキッシュ流の大きさが円周方向に不均一な燃料直噴エンジンにおいて、キャビティにおける燃料および空気の混合状態を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、前記キャビティの側壁からピストン中心軸に向かって突出する複数の凸部と、隣接する前記凸部間に形成されてピストン中心軸を囲むように配置された複数のキャビティ区分と、前記複数のキャビティ区分を指向する燃料噴射軸に沿って燃料を噴射するフュエルインジェクタとを備え、逆スキッシュ流の大きさが円周方向に変化する燃料直噴エンジンにおいて、逆スキッシュ流が相対的に大きい位置に配置された前記キャビティ区分を第１キャビティ区分とし、逆スキッシュ流が相対的に小さい位置に配置された前記キャビティ区分を第２キャビティ区分としたとき、逆スキッシュ流の大きさに応じて、前記第１、第２キャビティ区分の形状および／または前記第１、第２キャビティ区分とそれらを指向する第１、第２燃料噴射軸との位置関係を相互に異なら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、前記第１キャビティ区分の周壁面と前記第１燃料噴射軸に沿って噴射された燃料との衝突点を第１衝突点とし、前記第２キャビティ区分の周壁面と前記第２燃料噴射軸に沿って噴射された燃料との衝突点を第２衝突点としたとき、前記第１衝突点の前記第１キャビティ区分の開口端からの第１衝突点深さを、前記第２衝突点の前記第２キャビティ区分の開口端からの第２衝突点深さよりも大きくしたことを特徴とする燃料直噴エンジン。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項１または請求項２の構成に加えて、前記第１燃料噴射軸に沿って噴射された燃料が前記第１衝突点に衝突した後の燃料噴霧の軸線を第１燃料反射軸とし、前記第２燃料噴射軸に沿って噴射された燃料が前記第２衝突点に衝突した後の燃料噴霧の軸線を第２燃料反射軸としたとき、前記第１、第２燃料反射軸はそれぞれ前記第１、第２キャビティ区分の開口端側を指向するとともに、前記第１燃料反射軸とピストン中心軸に垂直な平面との成す第１燃料反射角を、前記第２燃料反射軸とピストン中心軸に垂直な平面との成す第２燃料反射角よりも小さ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４に記載された発明によれば、請求項１〜請求項３の何れか１項の構成に加えて、第１キャビティ区分の開口端と底面との距離である第１キャビティ深さを、第２キャビティ区分の開口端と底面との距離である第２キャビティ深さよりも大き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、ピストン中心軸方向に見たとき、前記第１、第２衝突点において前記第１、第２キャビティ区分の周壁面と前記第１、第２燃料噴射軸とが成す燃料衝突角を鈍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、スキッシュエリアが円周方向に変化し、前記スキッシュエリアが大きい位置ほど逆スキッシュ流が大きくなり、前記第１キャビティ区分を前記スキッシュエリアが相対的に大きい位置に配置し、前記第２キャビティ区分を前記スキッシュエリアが相対的に小さい位置に配置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５の何れか１項の構成に加えて、スキッシュエリアの幅が円周方向に変化し、前記幅が大きい位置ほど逆スキッシュ流が大きくなり、前記第１キャビティ区分を前記幅が相対的に大きい位置に配置し、前記第２キャビティ区分を前記幅が相対的に小さい位置に配置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８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、スキッシュエリアの稜線長さが円周方向に変化し、前記稜線長さが大きい位置ほど逆スキッシュ流が大きくなり、前記第１キャビティ区分を前記稜線長さが相対的に大きい位置に配置し、前記第２キャビティ区分を前記稜線長さが相対的に小さい位置に配置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９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、スキッシュクリアランスが円周方向に変化し、前記スキッシュクリアランスが小さい位置ほど逆スキッシュ流が大きくなり、前記第１キャビティ区分を前記スキッシュクリアランスが相対的に小さい位置に配置し、前記第２キャビティ区分を前記スキッシュクリアランスが相対的に大きい位置に配置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１０に記載された発明によれば、ピストンピン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、前記キャビティの側壁からピストン中心軸に向かって突出する複数の凸部と、隣接する前記凸部間に形成されてピストン中心軸を囲むように配置された複数のキャビティ区分と、前記複数のキャビティ区分を指向する燃料噴射軸に沿って燃料を噴射するフュエルインジェクタとを備える燃料直噴エンジンにおいて、前記頂部の方向から相対的に遠い位置に配置された前記キャビティ区分を第１キャビティ区分とし、前記頂部の方向から相対的に近い位置に配置された前記キャビティ区分を第２キャビティ区分としたとき、前記頂部からの距離に応じて、前記第１、第２キャビティ区分の形状および／または前記第１、第２キャビティ区分とそれらを指向する第１、第２燃料噴射軸との位置関係を相互に異なら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、前記第１キャビティ区分の周壁面と前記第１燃料噴射軸に沿って噴射された燃料との衝突点を第１衝突点とし、前記第２キャビティ区分の周壁面と前記第２燃料噴射軸に沿って噴射された燃料との衝突点を第２衝突点としたとき、前記第１衝突点の前記第１キャビティ区分の開口端からの第１衝突点深さを、前記第２衝突点の前記第２キャビティ区分の開口端からの第２衝突点深さよりも大き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１２に記載された発明によれば、請求項１０または請求項１１の構成に加えて、前記第１燃料噴射軸に沿って噴射された燃料が前記第１衝突点に衝突した後の燃料噴霧の軸線を第１燃料反射軸とし、前記第２燃料噴射軸に沿って噴射された燃料が前記第２衝突点に衝突した後の燃料噴霧の軸線を第２燃料反射軸としたとき、前記第１、第２燃料反射軸はそれぞれ前記第１、第２キャビティ区分の開口端側を指向するとともに、前記第１燃料反射軸とピストン中心軸に垂直な平面との成す第１燃料反射角を、前記第２燃料反射軸とピストン中心軸に垂直な平面との成す第２燃料反射角よりも小さ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１３に記載された発明によれば、請求項１０〜請求項１２の何れか１項の構成に加えて、第１キャビティ区分の開口端と底面との距離である第１キャビティ深さを、第２キャビティ区分の開口端と底面との距離である第２キャビティ深さよりも大き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１４に記載された発明によれば、請求項１０〜請求項１３の何れか１項の構成に加えて、ピストン中心軸方向に見たとき、前記第１、第２衝突点において前記第１、第２キャビティ区分の周壁面と前記第１、第２燃料噴射軸とが成す燃料衝突角を鈍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１５に記載された発明によれば、請求項１０〜請求項１４の何れか１項の構成に加えて、スキッシュエリアが円周方向に変化し、前記スキッシュエリアが大きい位置ほど逆スキッシュ流が大きくなり、前記第１キャビティ区分を前記スキッシュエリアが相対的に大きい位置に配置し、前記第２キャビティ区分を前記スキッシュエリアが相対的に小さい位置に配置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１４の何れか１項の構成に加えて、スキッシュエリアの幅が円周方向に変化し、前記幅が大きい位置ほど逆スキッシュ流が大きくなり、前記第１キャビティ区分を前記幅が相対的に大きい位置に配置し、前記第２キャビティ区分を前記幅が相対的に小さい位置に配置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１７に記載された発明によれば、請求項１０〜請求項１４の何れか１項の構成に加えて、スキッシュエリアの稜線長さが円周方向に変化し、前記稜線長さが大きい位置ほど逆スキッシュ流が大きくなり、前記第１キャビティ区分を前記稜線長さが相対的に大きい位置に配置し、前記第２キャビティ区分を前記稜線長さが相対的に小さい位置に配置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１８に記載された発明によれば、請求項１０〜請求項１４の何れか１項の構成に加えて、スキッシュクリアランスが円周方向に変化し、前記スキッシュクリアランスが小さい位置ほど逆スキッシュ流が大きくなり、前記第１キャビティ区分を前記スキッシュクリアランスが相対的に小さい位置に配置し、前記第２キャビティ区分を前記スキッシュクリアランスが相対的に大きい位置に配置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または請求項１０の構成によれば、ピストンの頂面の高さが円周方向に変化するために、あるいはピストンがペントルーフ型の頂面を有するために、逆スキッシュ流の大きさが円周方向に変化する燃料直噴エンジンにおいて、ピストンのキャビティをピストン中心軸を囲むように配置された複数のキャビティ区分に区画し、各キャビティ区分を指向する複数の燃料噴射軸に沿って燃料を噴射するので、キャビティ区分の壁面に沿って流れる燃料が増加して初期燃焼が小さくなって後期燃焼を大きくなることで、熱発生率のピーク値を低減することができるだけでなく、隣接する燃料噴射軸間に残存する未利用空気を減少させて燃焼状態を改善することができる。しかも逆スキッシュ流が相対的に大きい位置に配置された第１キャビティ区分と、逆スキッシュ流が相対的に小さい位置に配置された第２キャビティ区分との形状を相互に異ならせ、あるいは第１、第２キャビティ区分とそれらを指向する第１、第２燃料噴射軸との位置関係を相互に異ならせたので、逆スキッシュ流の大きい部分でキャビティ区分から燃料が吹きこぼれたり、逆スキッシュ流の小さい部分でキャビティ区分の底部に燃料が滞留したりするのを防止し、キャビティの円周方向全域で空気および燃料の混合状態を均一化することができる。

また請求項２または請求項１１の構成によれば、第１キャビティ区分の周壁面と第１燃料噴射軸に沿って噴射された燃料との衝突点である第１衝突点の第１キャビティ区分の開口端からの第１衝突点深さを、第２キャビティ区分の周壁面と第２燃料噴射軸に沿って噴射された燃料との衝突点である第２衝突点の第２キャビティ区分の開口端からの第２衝突点深さよりも大きくしたので、逆スキッシュ流が大きい第１キャビティ区分では第１衝突点を深くして燃料の吹きこぼれを防止し、逆スキッシュ流が小さい第２キャビティ区分では第２衝突点を浅くして燃料の滞留を防止することができる。

また請求項３または請求項１２の構成によれば、第１燃料噴射軸に沿って噴射された燃料が第１衝突点に衝突した後に第１キャビティ区分の開口端側を指向する燃料噴霧の軸線である第１燃料反射軸とピストン中心軸に垂直な平面との成す第１燃料反射角を、第２燃料噴射軸に沿って噴射された燃料が第２衝突点に衝突した後に第２キャビティ区分の開口端側を指向する燃料噴霧の軸線である第２燃料反射軸とピストン中心軸に垂直な平面との成す第２燃料反射角よりも小さくしたので、逆スキッシュ流が大きい第１キャビティ区分では第１燃料反射軸の上向き度合いを小さくして燃料の吹きこぼれを防止し、逆スキッシュ流が小さい第２キャビティ区分では第２燃料反射軸の上向き度合いを大きくして燃料の滞留を防止することができる。

また請求項４または請求項１３の構成によれば、第１キャビティ区分の開口端と底面との距離である第１キャビティ深さを、第２キャビティ区分の開口端と底面との距離である第２キャビティ深さよりも大きくしたので、逆スキッシュ流が大きい第１キャビティ区分では燃料が第１キャビティ区分の底部に溜まり易くして燃料の吹きこぼれを防止し、逆スキッシュ流が小さい第２キャビティ区分では燃料が第２キャビティ区分の底部に溜まり難くして燃料の滞留を防止することができる。

また請求項５または請求項１４の構成によれば、ピストン中心軸方向に見たときに第１、第２衝突点において第１、第２キャビティ区分の周壁面と第１、第２燃料噴射軸とが成す燃料衝突角を鈍角に設定したので、第１、第２衝突点に衝突した燃料は第１、第２キャビティ区分の周壁面に沿う旋回流となり、燃料と空気との接触面積を減少させて熱発生率のピーク値を低減しながら、隣接する燃料噴射軸間に未利用空気が発生するのを防止して燃焼状態を改善することができる。

また請求項６または請求項１５の構成によれば、スキッシュエリアが円周方向に変化するために逆スキッシュ流の大きさが円周方向に変化しても、逆スキッシュ流が大きい方向（即ちスキッシュエリアが大きい方向）に第１キャビティ区分を配置し、逆スキッシュ流が小さい方向（即ちスキッシュエリアが小さい方向）に第２キャビティ区分を配置したので、逆スキッシュ流の大きい部分で第１キャビティ区分から燃料が吹きこぼれたり、逆スキッシュ流の小さい部分で第２キャビティ区分の底部に燃料が滞留したりするのを防止することができる。

また請求項７または請求項１６の構成によれば、スキッシュエリアの幅が円周方向に変化するために逆スキッシュ流の大きさが円周方向に変化しても、逆スキッシュ流が大きい方向（即ちスキッシュエリアの幅が大きい方向）に第１キャビティ区分を配置し、逆スキッシュ流が小さい方向（即ちスキッシュエリアの幅が小さい方向）に第２キャビティ区分を配置ので、逆スキッシュ流の大きい部分で第１キャビティ区分から燃料が吹きこぼれたり、逆スキッシュ流の小さい部分で第２キャビティ区分の底部に燃料が滞留したりするのを防止することができる。

また請求項８または請求項１７の構成によれば、スキッシュエリアの稜線長さが円周方向に変化するために逆スキッシュ流の大きさが円周方向に変化しても、逆スキッシュ流が大きい方向（即ちスキッシュエリアの稜線長さが大きい方向）に第１キャビティ区分を配置し、逆スキッシュ流が小さい方向（即ちスキッシュエリアの稜線長さが小さい方向）に第２キャビティ区分を配置したので、逆スキッシュ流の大きい部分で第１キャビティ区分から燃料が吹きこぼれたり、逆スキッシュ流の小さい部分で第２キャビティ区分の底部に燃料が滞留したりするのを防止することができる。

また請求項９または請求項１８の構成によれば、スキッシュクリアランスが円周方向に変化するために逆スキッシュ流の大きさが円周方向に変化しても、逆スキッシュ流が大きい方向（即ちスキッシュクリアランスが小さい方向）に第１キャビティ区分を配置し、逆スキッシュ流が小さい方向（即ちスキッシュクリアランスが大きい方向）に第２キャビティ区分を配置したので、逆スキッシュ流の大きい部分で第１キャビティ区分から燃料が吹きこぼれたり、逆スキッシュ流の小さい部分で第２キャビティ区分の底部に燃料が滞留したりす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９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はピストン中心軸方向に見たキャビティの展開図、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は図５の８Ａー８Ａ線展開図および８Ｂー８Ｂ線展開図、図９は本発明および従来例の熱発生率を比較する図である。

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。

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。

図５から明らかなように、キャビティ２５の外周部からピストン中心軸Ｌｐに向けて６０°間隔で６個の凸部１３ｅ…が突出しており、６個の凸部１３ｅ…の間にピストン中心軸Ｌｐ側が開放した６個の円形のキャビティ区分２５Ａ…；２５Ｂ，２５Ｂが形成される。これにより、キャビティ２５は６枚の花弁を有する花のような形状となる。６０°間隔でピストン中心軸Ｌｐまわりに配置される６個のキャビティ区分２５Ａ…；２５Ｂ，２５Ｂのうち、２個の第２キャビティ区分２５Ｂ，２５Ｂは概ねピストンピン１４の方向に配置され、４個の第１キャビティ区分２５Ａ…は概ねピストンピン１４の方向に対して６０°の角度で交差する方向に配置される。

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ＬｆＡ…，ＬｆＢ，ＬｆＢのうちの２本の第２燃料噴射軸ＬｆＢ，ＬｆＢ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１燃料噴射軸ＬｆＡ…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。従って、２本の第２燃料噴射軸ＬｆＢ，ＬｆＢは２個の第２キャビティ区分２５Ｂ，２５Ｂの内部にそれぞれ燃料を噴射し、４本の第１燃料噴射軸ＬｆＡ…は４個の第１キャビティ区分２５Ａ…の内部にそれぞれ燃料を噴射する。

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ＬｆＡ…，ＬｆＢ，ＬｆＢ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ＬｆＡ…については大きく、第２燃料噴射軸ＬｆＢ，ＬｆＢ，については小さくなっている（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ＬｆＡ…，ＬｆＢ，ＬｆＢがピストン中心軸Ｌｐと交差する点として定義される。

ところで、圧縮行程でピストン１３が上死点に接近すると、ピストン１３のキャビティ２５を囲む頂面とシリンダヘッド１６の下面との間に形成される環状のスキッシュエリアＳＡ（図６および図７参照）の容積が減少することで、スキッシュエリアＳＡからキャビティ２５に向かって径方向内向きに流れるスキッシュ流が発生する。またピストン１３が上死点から下降を開始するとスキッシュエリアＳＡの容積が増加することで、キャビティ２５からスキッシュエリアＳＡに向かって径方向外向きに流れる逆スキッシュ流が発生する。ピストン１３の円周方向の各位置において、スキッシュ流と逆スキッシュ流とは方向が逆で略同じ大きさになるが、本実施の形態では、ピストン１３がペントルーフ状の頂面を備えていることで、スキッシュ流および逆スキッシュ流の大きさは円周方向に不均一になる。

逆スキッシュ流の大きさはスキッシュエリアＳＡの形状に左右され、本実施の形態ではピストンピン１４に沿う方向の断面で逆スキッシュ流が最も小さくなり、ピストンピン１４に直交する方向の断面で逆スキッシュ流が最も大きくなる。よって第２燃料噴射軸ＬｆＢ，ＬｆＢを含むピストンピン１４に沿う断面（図６参照）での逆スキッシュ流よりも、第１燃料噴射軸ＬｆＡ…を含むピストンピン１４に対して６０°で交差する方向の断面（図７参照）での逆スキッシュ流の方が大きくなる。

その理由は、図３から明らかなように、ピストンピン１４に沿う方向の断面ではスキッシュエリアＳＡの幅ＷがＷ２と小さくなり、ピストンピン１４に対して６０°で交差する方向の断面ではスキッシュエリアＳＡの幅ＷがＷ１と大きくなるからである。

このように、逆スキッシュ流の大きさは基本的にスキッシュエリアＳＡの径方向の幅Ｗに依存するが、スキッシュエリアＳＡの径方向の稜線長さに依存するとも言える。スキッシュエリアＳＡの径方向の稜線長さとは、断面となって示されるスキッシュエリアＳＡに沿う屈曲した折れ線の長さであり、その稜線長さが小さいほど逆スキッシュ流が小さくなり、その稜線長さが大きいほど逆スキッシュ流が大きくなる。

更に、逆スキッシュ流の大きさは、ピストン１３の上死点におけるスキッシュエリアＳＡの厚さであるスキッシュクリアランスにも依存し、スキッシュクリアランスが小さいと逆スキッシュ流が大きくなり、スキッシュクリアランスが大きいと逆スキッシュ流が小さくなる。本実施の形態ではピストンピン１４に沿う方向の断面（図６参照）ではスキッシュクリアランスＣがＣ２と大きくなって逆スキッシュ流が小さくなり、ピストンピン１４に対して６０°で交差する方向の断面（図７参照）ではスキッシュクリアランスＣがＣ１と小さくなって逆スキッシュ流が大きくなる。

以上説明したように、スキッシュエリアＳＡの形状に応じて逆スキッシュ流の大きさが円周方向に不均一になると、フュエルインジェクタ２３がキャビティ２５の内部に均一に燃料を噴射しても、逆スキッシュ流が大きい部分では燃料がキャビティ２５の開口端２５ｂから吸い出されたり、逆に逆スキッシュ流が小さい部分では燃料がキャビティ２５の底部に滞留したりし、キャビティ２５の内部での燃料および空気の混合状態が不均一になって燃焼状態が悪化したり、排気有害物質が増加したり、煤が発生したりする可能性がある。

そこで本実施の形態では、第１、第２キャビティ区分２５Ａ…；２５Ｂ，２５Ｂの形状と、第１、第２キャビティ区分２５Ａ…；２５Ｂ，２５Ｂおよび第１、第２燃料噴射軸ＬｆＡ…，ＬｆＢ，ＬｆＢの位置関係とを工夫することで、キャビティ２５の内部における燃料の燃焼状態を改善している。

先ず、図５において、キャビティ２５をピストン中心軸Ｌｐ方向に見たとき、円形を成す第１、第２キャビティ区分２５Ａ…；２５Ｂ，２５Ｂの中心Ｏ…は、第１、第２燃料噴射軸ＬｆＡ…，ＬｆＢ，ＬｆＢに対して反時計方向にずれており、その第１、第２燃料衝突点Ｐ１…，Ｐ２，Ｐ２におけるキャビティ区分２５Ａ…；２５Ｂ，２５Ｂの周壁面２５ａ…の接線と第１、第２燃料噴射軸ＬｆＡ…，ＬｆＢ，ＬｆＢとが成す燃料衝突角αは、鈍角に設定される。

図６および図７から明らかなように、ピストンピン１４の方向（ピストン１３の頂部１３ａ，１３ａの方向）から遠いために逆スキッシュ流が大きい位置にある４個の第１キャビティ区分２５Ａ…の底壁の、キャビティ２５の開口端２５ｂから測った第１キャビティ深さＤｃ１は、ピストンピン１４の方向に近いために逆スキッシュ流が小さい位置にある２個の第２キャビティ区分２５Ｂ，２５Ｂの底壁の、キャビティ２５の開口端２５ｂから測った第２キャビティ深さＤｃ２よりも大きくなっている（Ｄｃ１＞Ｄｃ２）。

ピストンピン１４の方向から遠いために逆スキッシュ流が大きい位置にある４個の第１キャビティ区分２５Ａ…の第１燃料衝突点Ｐ１の、キャビティ２５の開口端２５ｂから測った第１衝突点深さＤｐ１は、ピストンピン１４の方向に近いために逆スキッシュ流が小さい位置にある２個の第２キャビティ区分２５Ｂ，２５Ｂの第２燃料衝突点Ｐ２の、キャビティ２５の開口端２５ｂから測った第２衝突点深さＤｐ２よりも大きくなっている（Ｄｐ１＞Ｄｐ２）。

図８（Ａ）から明らかなように、逆スキッシュ流が大きい第１キャビティ区分２５Ａの周壁部２５ａの下端の第１衝突点Ｐ１に、第１燃料噴射軸ＬｆＡに沿って斜め下向きに衝突した燃料は、第１燃料反射軸ＬｒＡに沿って斜め上向きに反射する。同様に逆スキッシュ流が小さい第２キャビティ区分２５Ｂの周壁部２５ａの下端の第２衝突点Ｐ２に、第２燃料噴射軸ＬｆＢに沿って斜め下向きに衝突した燃料は、第２燃料反射軸ＬｒＢに沿って斜め上向きに反射する。第１燃料反射軸ＬｒＡおよび第２燃料反射軸ＬｒＢが、ピストン中心軸Ｌｐに直交する平面に対する上向きの角度として定義される第１燃料反射角β１および第２燃料反射角β２は、第１燃料反射角β１が第２燃料反射角β２よりも小さくなるように（β１＜β２）、第１、第２衝突点Ｐ１，Ｐ２の付近の第１、第２キャビティ区分２５Ａ…；２５Ｂ，２５Ｂの壁面の形状が設定される。

次に、上記構成を備えた本発明の実施の形態の作用を説明する。

逆スキッシュ流の大きさはキャビティ２５の円周方向に不均一であり、ピストンピン１４の方向に対して遠い第１燃料噴射軸ＬｆＡ…に沿う方向では、スキッシュエリアＳＡの幅が大きく、稜線の長さが大きく、スキッシュクリアランスＣが小さいことで逆スキッシュ流が大きくなり、第１燃料噴射軸ＬｆＡ…に沿って第１キャビティ区分２５Ａ…に噴射された燃料は外部に吸い出され易くなる。一方、ピストンピン１４の方向に対して近い第２燃料噴射軸ＬｆＢ，ＬｆＢに沿う方向では、スキッシュエリアＳＡの幅が小さく、稜線の長さが小さく、スキッシュクリアランスＣが大きいことで逆スキッシュ流が小さくなり、第２燃料噴射軸ＬｆＢ，ＬｆＢに沿って第２キャビティ区分２５Ｂ，２５Ｂに噴射された燃料は底部に対流し易くなる。

本実施の形態では、燃料がキャビティ２５の外部に吸い出され易い第１キャビティ区分２５Ａ…では、第１キャビティ区分２５Ａ…の第１キャビティ深さＤｃ１を大きくし、第１キャビティ区分２５Ａ…の第１燃料衝突点Ｐ１の第１衝突点深さＤｐ１を大きくし、かつ第１燃料衝突点Ｐ１において燃料が上向きに反射する第１燃料反射角β１を小さくすることで、第１キャビティ区分２５Ａ…から燃料がキャビティ２５の外部に吸い出され難くすることができる。

また燃料がキャビティ２５の底部に滞留し易い第２キャビティ区分２５Ｂ，２５Ｂでは、第２キャビティ区分２５Ｂ，２５Ｂの第２キャビティ深さＤｃ２を小さくし、第２キャビティ区分２５Ｂ，２５Ｂの第２燃料衝突点Ｐ２の第２衝突点深さＤｐ２を小さくし、かつ第２燃料衝突点Ｐ２において燃料が上向きに反射する第２燃料反射角β２を大きくすることで、第２キャビティ区分２５Ｂ，２５Ｂから燃料がキャビティ２５の底部に滞留し難くすることができる。

以上のように、噴射された燃料がキャビティ２５の底部に滞留する傾向と、逆スキッシュ流が燃料をキャビティ２５から吸い出す傾向とを相殺させ、キャビティ２５内の全域で燃料を均一に拡散させて外部への流出を防止し、混合気の燃焼状態を改善して排気有害物質や煤の発生を抑制することができる。

また図５に示すように、第１、第２燃料噴射軸ＬｆＡ…，ＬｆＢ，ＬｆＢが第１、第２キャビティ区分２５Ａ…；２５Ｂ，２５Ｂの周壁面２５ａ…の接線に対して成す燃料衝突角αが鈍角に設定されているため、第１、第２衝突点Ｐ１，Ｐ２において反射した燃料は第１、第２キャビティ区分２５Ａ…；２５Ｂ，２５Ｂの周壁面２５ａ…に沿って反時計方向に旋回する。その結果、燃料および空気の接触面積が減少するため、図９に示すように、従来例の単純な円形のキャビティに比べて、燃焼過程の前期の燃焼が小さく後期の燃焼が大きくなることで、熱発生率ＲＯＨＲ（熱発生速度）のピークを低減することができる。

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、実施の形態ではフュエルインジェクタ２３が６０°間隔で離間する６つの方向に燃料を噴射しているが、燃料の噴射方向は６つの方向に限定されるものではない。

また実施の形態では燃料直噴ディーゼルエンジンについて説明したが、本発明はディーゼルエンジン以外の燃料直噴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 ピストン中心軸方向に見たキャビティの展開図 図３の６−６線断面図 図３の７−７線断面図 図５の８Ａー８Ａ線展開図および８Ｂー８Ｂ線展開図 本発明および従来例の熱発生率を比較する図

符号の説明

１３ ピストン
１３ａ 凸部
１４ ピストンピン
２３ フュエルインジェクタ
２５ キャビティ
２５ａ 周壁部
２５ｂ 開口端
２５Ａ 第１キャビティ区分
２５Ｂ 第２キャビティ区分
Ｃ スキッシュクリアランス
Ｄｃ１ 第１キャビティ深さ
Ｄｃ２ 第２キャビティ深さ
Ｄｐ１ 第１衝突点深さ
Ｄｐ２ 第２衝突点深さ
ＬｆＡ 第１燃料噴射軸
ＬｆＢ 第２燃料噴射軸
ＬｒＡ 第１燃料反射軸
ＬｒＢ 第２燃料反射軸
ＳＡ スキッシュエリア
Ｗ スキッシュエリアの幅
α 燃料衝突角
β１ 第１燃料反射角
β２ 第２燃料反射角

Claims (18)

1. 頂面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）の側壁からピストン中心軸（Ｌｐ）に向かって突出する複数の凸部（１３ｅ）と、
   隣接する前記凸部（１３ｅ）間に形成されてピストン中心軸（Ｌｐ）を囲むように配置された複数のキャビティ区分（２５Ａ，２５Ｂ）と、
   前記複数のキャビティ区分（２５Ａ，２５Ｂ）を指向する燃料噴射軸（ＬｆＡ，ＬｆＢ）に沿って燃料を噴射するフュエルインジェクタ（２３）とを備え、
   逆スキッシュ流の大きさが円周方向に変化する燃料直噴エンジンにおいて、
   逆スキッシュ流が相対的に大きい位置に配置された前記キャビティ区分を第１キャビティ区分（２５Ａ）とし、逆スキッシュ流が相対的に小さい位置に配置された前記キャビティ区分を第２キャビティ区分（２５Ｂ）としたとき、
   逆スキッシュ流の大きさに応じて、前記第１、第２キャビティ区分（２５Ａ，２５Ｂ）の形状および／または前記第１、第２キャビティ区分（２５Ａ，２５Ｂ）とそれらを指向する第１、第２燃料噴射軸（ＬｆＡ，ＬｆＢ）との位置関係を相互に異ならせたことを特徴とする燃料直噴エンジン。
2. 前記第１キャビティ区分（２５Ａ）の周壁面（２５ａ）と前記第１燃料噴射軸（ＬｆＡ）に沿って噴射された燃料との衝突点を第１衝突点（Ｐ１）とし、前記第２キャビティ区分（２５Ｂ）の周壁面（２５ａ）と前記第２燃料噴射軸（ＬｆＢ）に沿って噴射された燃料との衝突点を第２衝突点（Ｐ２）としたとき、前記第１衝突点（Ｐ１）の前記第１キャビティ区分（２５Ａ）の開口端（２５ｂ）からの第１衝突点深さ（Ｄｐ１）を、前記第２衝突点（Ｐ２）の前記第２キャビティ区分（２５Ｂ）の開口端（２５ｂ）からの第２衝突点深さ（Ｄｐ２）よりも大きく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. 前記第１燃料噴射軸（ＬｆＡ）に沿って噴射された燃料が前記第１衝突点（Ｐ１）に衝突した後の燃料噴霧の軸線を第１燃料反射軸（ＬｒＡ）とし、前記第２燃料噴射軸（ＬｆＢ）に沿って噴射された燃料が前記第２衝突点（Ｐ２）に衝突した後の燃料噴霧の軸線を第２燃料反射軸（ＬｒＢ）としたとき、前記第１、第２燃料反射軸（ＬｒＡ，ＬｒＢ）はそれぞれ前記第１、第２キャビティ区分（２５Ａ，２５Ｂ）の開口端（２５ｂ）側を指向するとともに、前記第１燃料反射軸（ＬｒＡ）とピストン中心軸（Ｌｐ）に垂直な平面との成す第１燃料反射角（β１）を、前記第２燃料反射軸（ＬｒＢ）とピストン中心軸（Ｌｐ）に垂直な平面との成す第２燃料反射角（β２）よりも小さくしたことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の燃料直噴エンジン。
4. 第１キャビティ区分（２５Ａ）の開口端（２５ｂ）と底面との距離である第１キャビティ深さ（Ｄｃ１）を、第２キャビティ区分（２５Ｂ）の開口端（２５ｂ）と底面との距離である第２キャビティ深さ（Ｄｃ２）よりも大きくしたことを特徴とする、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の燃料直噴エンジン。
5. ピストン中心軸（Ｌｐ）方向に見たとき、前記第１、第２衝突点（Ｐ１，Ｐ２）において前記第１、第２キャビティ区分（２５Ａ，２５Ｂ）の周壁面（２５ａ）と前記第１、第２燃料噴射軸（ＬｆＡ，ＬｆＢ）とが成す燃料衝突角（α）を鈍角に設定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. スキッシュエリア（ＳＡ）が円周方向に変化し、前記スキッシュエリア（ＳＡ）が大きい位置ほど逆スキッシュ流が大きくなり、
   前記第１キャビティ区分（２５Ａ）を前記スキッシュエリア（ＳＡ）が相対的に大きい位置に配置し、前記第２キャビティ区分（２５Ｂ）を前記スキッシュエリア（ＳＡ）が相対的に小さい位置に配置したことを特徴とする、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。
7. スキッシュエリア（ＳＡ）の幅（Ｗ）が円周方向に変化し、前記幅（Ｗ）が大きい位置ほど逆スキッシュ流が大きくなり、
   前記第１キャビティ区分（２５Ａ）を前記幅（Ｗ）が相対的に大きい位置に配置し、前記第２キャビティ区分（２５Ｂ）を前記幅（Ｗ）が相対的に小さい位置に配置したことを特徴とする、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。
8. スキッシュエリア（ＳＡ）の稜線長さが円周方向に変化し、前記稜線長さが大きい位置ほど逆スキッシュ流が大きくなり、
   前記第１キャビティ区分（２５Ａ）を前記稜線長さが相対的に大きい位置に配置し、前記第２キャビティ区分（２５Ｂ）を前記稜線長さが相対的に小さい位置に配置したことを特徴とする、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。
9. スキッシュクリアランス（Ｃ）が円周方向に変化し、前記スキッシュクリアランス（Ｃ）が小さい位置ほど逆スキッシュ流が大きくなり、
   前記第１キャビティ区分（２５Ａ）を前記スキッシュクリアランス（Ｃ）が相対的に小さい位置に配置し、前記第２キャビティ区分（２５Ｂ）を前記スキッシュクリアランス（Ｃ）が相対的に大きい位置に配置したことを特徴とする、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。
10. ピストンピン（１４）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）の側壁からピストン中心軸（Ｌｐ）に向かって突出する複数の凸部（１３ｅ）と、
    隣接する前記凸部（１３ｅ）間に形成されてピストン中心軸（Ｌｐ）を囲むように配置された複数のキャビティ区分（２５Ａ，２５Ｂ）と、
    前記複数のキャビティ区分（２５Ａ，２５Ｂ）を指向する燃料噴射軸（ＬｆＡ，ＬｆＢ）に沿って燃料を噴射するフュエルインジェクタ（２３）と、
    を備える燃料直噴エンジンにおいて、
    前記頂部（１３ａ）の方向から相対的に遠い位置に配置された前記キャビティ区分を第１キャビティ区分（２５Ａ）とし、前記頂部（１３ａ）の方向から相対的に近い位置に配置された前記キャビティ区分を第２キャビティ区分（２５Ｂ）としたとき、
    前記頂部（１３ａ）からの距離に応じて、前記第１、第２キャビティ区分（２５Ａ，２５Ｂ）の形状および／または前記第１、第２キャビティ区分（２５Ａ，２５Ｂ）とそれらを指向する第１、第２燃料噴射軸（ＬｆＡ，ＬｆＢ）との位置関係を相互に異ならせたことを特徴とする燃料直噴エンジン。
11. 前記第１キャビティ区分（２５Ａ）の周壁面（２５ａ）と前記第１燃料噴射軸（ＬｆＡ）に沿って噴射された燃料との衝突点を第１衝突点（Ｐ１）とし、前記第２キャビティ区分（２５Ｂ）の周壁面（２５ａ）と前記第２燃料噴射軸（ＬｆＢ）に沿って噴射された燃料との衝突点を第２衝突点（Ｐ２）としたとき、前記第１衝突点（Ｐ１）の前記第１キャビティ区分（２５Ａ）の開口端（２５ｂ）からの第１衝突点深さ（Ｄｐ１）を、前記第２衝突点（Ｐ２）の前記第２キャビティ区分（２５Ｂ）の開口端（２５ｂ）からの第２衝突点深さ（Ｄｐ２）よりも大きく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. 前記第１燃料噴射軸（ＬｆＡ）に沿って噴射された燃料が前記第１衝突点（Ｐ１）に衝突した後の燃料噴霧の軸線を第１燃料反射軸（ＬｒＡ）とし、前記第２燃料噴射軸（ＬｆＢ）に沿って噴射された燃料が前記第２衝突点（Ｐ２）に衝突した後の燃料噴霧の軸線を第２燃料反射軸（ＬｒＢ）としたとき、前記第１、第２燃料反射軸（ＬｒＡ，ＬｒＢ）はそれぞれ前記第１、第２キャビティ区分（２５Ａ，２５Ｂ）の開口端（２５ｂ）側を指向するとともに、前記第１燃料反射軸（ＬｒＡ）とピストン中心軸（Ｌｐ）に垂直な平面との成す第１燃料反射角（β１）を、前記第２燃料反射軸（ＬｒＢ）とピストン中心軸（Ｌｐ）に垂直な平面との成す第２燃料反射角（β２）よりも小さくしたことを特徴とする、請求項１０または請求項１１に記載の燃料直噴エンジン。
13. 第１キャビティ区分（２５Ａ）の開口端（２５ｂ）と底面との距離である第１キャビティ深さ（Ｄｃ１）を、第２キャビティ区分（２５Ｂ）の開口端（２５ｂ）と底面との距離である第２キャビティ深さ（Ｄｃ２）よりも大きくしたことを特徴とする、請求項１０〜請求項１２の何れか１項に記載の燃料直噴エンジン。
14. ピストン中心軸（Ｌｐ）方向に見たとき、前記第１、第２衝突点（Ｐ１，Ｐ２）において前記第１、第２キャビティ区分（２５Ａ，２５Ｂ）の周壁面（２５ａ）と前記第１、第２燃料噴射軸（ＬｆＡ，ＬｆＢ）とが成す燃料衝突角（α）を鈍角に設定したことを特徴とする、請求項１０〜請求項１３の何れか１項に記載の燃料直噴エンジン。
15. スキッシュエリア（ＳＡ）が円周方向に変化し、前記スキッシュエリア（ＳＡ）が大きい位置ほど逆スキッシュ流が大きくなり、
    前記第１キャビティ区分（２５Ａ）を前記スキッシュエリア（ＳＡ）が相対的に大きい位置に配置し、前記第２キャビティ区分（２５Ｂ）を前記スキッシュエリア（ＳＡ）が相対的に小さい位置に配置したことを特徴とする、請求項１０〜請求項１４の何れか１項に記載の燃料直噴エンジン。
16. スキッシュエリア（ＳＡ）の幅（Ｗ）が円周方向に変化し、前記幅（Ｗ）が大きい位置ほど逆スキッシュ流が大きくなり、
    前記第１キャビティ区分（２５Ａ）を前記幅（Ｗ）が相対的に大きい位置に配置し、前記第２キャビティ区分（２５Ｂ）を前記幅（Ｗ）が相対的に小さい位置に配置したことを特徴とする、請求項１０〜請求項１４の何れか１項に記載の燃料直噴エンジン。
17. スキッシュエリア（ＳＡ）の稜線長さが円周方向に変化し、前記稜線長さが大きい位置ほど逆スキッシュ流が大きくなり、
    前記第１キャビティ区分（２５Ａ）を前記稜線長さが相対的に大きい位置に配置し、前記第２キャビティ区分（２５Ｂ）を前記稜線長さが相対的に小さい位置に配置したことを特徴とする、請求項１０〜請求項１４の何れか１項に記載の燃料直噴エンジン。
18. スキッシュクリアランス（Ｃ）が円周方向に変化し、前記スキッシュクリアランス（Ｃ）が小さい位置ほど逆スキッシュ流が大きくなり、
    前記第１キャビティ区分（２５Ａ）を前記スキッシュクリアランス（Ｃ）が相対的に小さい位置に配置し、前記第２キャビティ区分（２５Ｂ）を前記スキッシュクリアランス（Ｃ）が相対的に大きい位置に配置したことを特徴とする、請求項１０〜請求項１４の何れか１項に記載の燃料直噴エンジン。

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