JP4929012B2 - 燃料直噴エンジン - Google Patents

Description

本発明は、頂面の高さが円周方向に変化するピストンと、前記ピストンの中央部に凹設されたキャビティと、前記キャビティ内の円周方向に離間する複数方向を指向する複数の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、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。
特開昭６２−２５５５２０号公報

本出願人は、特願２００６−１７５５９７号において、燃料と空気との混合状態をキャビティの円周方向に均一化すべく、フュエルインジェクタの燃料噴射点を通ってピストンの頂面に直交する任意の断面において、キャビティの断面形状を一致させたものを提案している。

しかしながら、キャビティの断面形状を上述のように一致させても、ペントルーフ型のピストンを備えたディーゼルエンジンではスキッシュ流の大きさが円周方向に不均一になり易いため、スキッシュ流の小さい部分で燃料がキャビティから流出したり、スキッシュ流の大きい部分で燃料がキャビティの底部に押し込められたりし、混合気の燃焼状態が悪化する可能性があった。

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、スキッシュ流の大きさが円周方向に不均一であっても、キャビティ内の燃料および空気の混合状態を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、前記ピストンの中央部に凹設されたキャビティと、前記キャビティ内の円周方向に離間する複数方向を指向する複数の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、スキッシュ流の大きさが円周方向に変化し、スキッシュ流が小さい方向を指向する第１燃料噴射軸が前記キャビティに衝突する第１衝突角よりも、スキッシュ流が大きい方向を指向する第２燃料噴射軸が前記キャビティに衝突する第２衝突角が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２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、前記ピストンの中央部に凹設されたキャビティと、前記キャビティ内の円周方向に離間する複数方向を指向する複数の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、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小さい方向を指向する第１燃料噴射軸が前記キャビティに衝突する第１衝突角よりも、前記スキッシュエリアが大きい方向を指向する第２燃料噴射軸が前記キャビティに衝突する第２衝突角が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３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、前記ピストンの中央部に凹設されたキャビティと、前記キャビティ内の円周方向に離間する複数方向を指向する複数の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、スキッシュエリアの幅が円周方向に変化し、前記幅が小さい方向を指向する第１燃料噴射軸が前記キャビティに衝突する第１衝突角よりも、前記幅が大きい方向を指向する第２燃料噴射軸が前記キャビティに衝突する第２衝突角が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４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、前記ピストンの中央部に凹設されたキャビティと、前記キャビティ内の円周方向に離間する複数方向を指向する複数の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、スキッシュエリアの稜線長さが円周方向に変化し、前記稜線長さが小さい方向を指向する第１燃料噴射軸が前記キャビティに衝突する第１衝突角よりも、前記稜線長さが大きい方向を指向する第２燃料噴射軸が前記キャビティに衝突する第２衝突角が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５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、前記ピストンの中央部に凹設されたキャビティと、前記キャビティ内の円周方向に離間する複数方向を指向する複数の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、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大きい方向を指向する第１燃料噴射軸が前記キャビティに衝突する第１衝突角よりも、前記スキッシュクリアランスが小さい方向を指向する第２燃料噴射軸が前記キャビティに衝突する第２衝突角が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〜請求項５の何れか１項の構成に加えて、前記第２衝突角が９０°以上であることを特徴とする、請求項１に記載の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、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において略等しい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７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が噴射した燃料は前記ピストンの上死点以前に前記キャビティに衝突する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、ピストンの外周部からキャビティに向かって流れるスキッシュ流の大きさが円周方向に変化しても、スキッシュ流が小さい方向で第１衝突角が小さくなって燃料がキャビティの外部に流出する傾向が弱くなり、スキッシュ流が大きい方向で第２衝突角が大きくなって燃料がキャビティの外部に流出する傾向が強くなるため、スキッシュ流の大小に関わらずにキャビティの全域に亘って燃料および空気の混合状態を均一化することができる。

また請求項２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ピストンの外周部からキャビティに向かって流れるスキッシュ流の大きさが円周方向に変化しても、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）で第１衝突角が小さくなって燃料がキャビティの外部に流出する傾向が弱くなり、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）で第２衝突角が大きくなって燃料がキャビティの外部に流出する傾向が強くなるため、スキッシュ流の大小に関わらずにキャビティの全域に亘って燃料および空気の混合状態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、スキッシュエリアの幅が円周方向に変化するためにピストンの外周部からキャビティに向かって流れるスキッシュ流の大きさが円周方向に変化しても、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）で第１衝突角が小さくなって燃料がキャビティの外部に流出する傾向が弱くなり、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）で第２衝突角が大きくなって燃料がキャビティの外部に流出する傾向が強くなるため、スキッシュ流の大小に関わらずにキャビティの全域に亘って燃料および空気の混合状態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、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ピストンの外周部からキャビティに向かって流れるスキッシュ流の大きさが円周方向に変化しても、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）で第１衝突角が小さくなって燃料がキャビティの外部に流出する傾向が弱くなり、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）で第２衝突角が大きくなって燃料がキャビティの外部に流出する傾向が強くなるため、スキッシュ流の大小に関わらずにキャビティの全域に亘って燃料および空気の混合状態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、スキッシュクリアランスが円周方向に変化するためにピストンの外周部からキャビティに向かって流れるスキッシュ流の大きさが円周方向に変化しても、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）で第１衝突角が小さくなって燃料がキャビティの外部に流出する傾向が弱くなり、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）で第２衝突角が大きくなって燃料がキャビティの外部に流出する傾向が強くなるため、スキッシュ流の大小に関わらずにキャビティの全域に亘って燃料および空気の混合状態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、９０°以上の第２衝突角でキャビティに衝突した燃料はキャビティの壁面に案内されて開口側に流れるため、燃料は大きいスキッシュ流に押し戻されることなくキャビティ内に均一に拡散することができる。

また請求項７の構成によれば、頂面の高さが円周方向に変化するピストンの中央部に凹設されたキャビティ内に、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複数の燃料噴射軸に沿って燃料を噴射する際に、ｎ番目の燃料噴射軸を通るキャビティの断面を燃料噴射断面Ｓｎとし、その燃料噴射断面Ｓｎ上で第１〜第３特定点Ａｎ，Ｂｎ，Ｃｎにより規定されるキャビティの断面形状を各燃料噴射断面Ｓｎにおいて略等しくなるように設定したので、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。またピストンの頂面が傾斜した部分におけるキャビティの開口縁が鋭角化しないため、耐熱応力面でも優位となる。

また請求項８の構成によれば、フュエルインジェクタが噴射した燃料がピストンの上死点以前にキャビティに衝突するので、スキッシュ流が発生するタイミングに合わせて燃料をキャビティに衝突させ、キャビティの外部に流出しようとする燃料をスキッシュ流で効果的に封じ込めることができる。

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は燃料噴射軸の方向を円周方向に変化させたときの、燃料噴射軸の左右各３０°の範囲のキャビティ容積の変化率を示すグラフ、図９は第１、第２衝突角による煤発生量の変化を示す図である。

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を参照してキャビティ２５の断面形状を詳述する。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。

ここで重要なことは、図５〜図７の断面は、何れも燃料噴射点Ｏｉｎｊを通ってピストン１３の頂面に直交する方向の断面であるということである。図５のピストンピン１４直角方向の断面と、図７のピストンピン１４方向の断面とは、その切断面がピストン１３の頂面と直交し、かつピストン中心軸Ｌｐを含んでいる。それに対し、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は、第２燃料噴射軸Ｌｉ２を通り、かつピストン１３の頂面（つまり傾斜面１３ｂ，１３ｂ）に直交しており、ピストン中心軸Ｌｐを含まない断面となっている。即ち、図３において、５−５線に沿う切断面と７−７線に沿う切断面とは紙面に直交しているが、６−６線に沿う切断面は紙面に直交しておらず、ピストン１３の傾斜面１３ｂ，１３ｂに直交している。

本実施の形態の一つの特徴は、燃料噴射点Ｏｉｎｊを通ってピストン１３の頂面に直交する任意の断面において、キャビティ２５の形状が略一致していることである。キャビティ２５の断面形状は燃料噴射点Ｏｉｎｊ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直角方向の断面と、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。しかしながら、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，燃料噴射点Ｏｉｎｊを通ってピストン１３の頂面に直交す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の壁面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の壁面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燃料噴射断面Ｓ１，Ｓ２上の異なる位置に存在している。即ち、同一形状の燃料噴射断面Ｓ１，Ｓ２上において燃料衝突点Ｐ１に対応する位置はＰ２′であるが、実際の燃料衝突点Ｐ２はＰ２′よりも低い位置（キャビティ２５の深い位置）に存在する。従って、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とが成す第１衝突角α１に比べて、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とが成す第２衝突角α２は大きくなる。実施の形態では第１、第２衝突角α１，α２は共に９０°以上であるが、第１衝突角α１は９０°未満であっても良く、第２衝突角α２は９０°以上であることが望ましい。

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。

本実施の形態によれば、燃料噴射点Ｏｉｎｊを通ってピストン１３の頂面に直交す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。

また燃料噴射点Ｏｉｎｊを通るキャビティ２５の断面のうち、燃料および空気の混合に大きな影響を与える断面は、ピストン中心軸Ｌｐを含む断面ではなく、ピストン１３の頂面に直交する断面である。なぜならば、キャビティ２５内における燃料微粒子の円周方向の拡散はピストン１３の頂面に沿う方向に発生し、その拡散方向に直交する断面がピストン１３の頂面に直交する断面だからである。本実施の形態では、燃料噴射点Ｏｉｎｊを通ってピストン１３の頂面に直交する任意の断面において、キャビティ２５の形状を略一致させたことで、キャビティ２５の各部における燃料および空気の混合状態をより一層均一化することができる。

また交点ｄ１，ｄ２はキャビティ２５の底壁部２５ｃと頂部２５ｄとの境界に位置するので、交点ｄ１，ｄ２および交点ｅ１，ｅ２をできるだけピストン中心軸Ｌｐに接近させ、網かけした断面形状が各燃料噴射断面Ｓｎにおいて占める比率を高くし、キャビティ２５の円周方向の各断面における燃料および空気の混合状態のばらつきを最小限に抑えることができる。

図８は、燃料噴射軸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、前記燃料噴射軸の左右各３０°の範囲におけるキャビティ２５の容積の変化率を示すものである。実線は燃料噴射点Ｏｉｎｊを通ってピストン１３の頂面に直交する任意の断面におけるキャビティ２５の断面形状を一致させた本実施の形態に対応し、破線は従来例（前記特許文献１に記載の発明）に対応する。同図から明らかなように、従来例では容積の変化率が２０％を越えているのに対し、本実施の形態では容積の変化率が１０％未満に抑えられていることが分かる。

尚、本願発明では燃料噴射点Ｏｉｎｊを通ってピストン１３の頂面に直交する任意の断面においてキャビティ２５の形状を略一致させているが、キャビティ２５の形状が略一致するとは、上述した容積の変化率が１０％未満となるような僅かな形状の変化、例えば燃料噴射断面Ｓｎがピストン中心軸Ｌｐを通る場合や、燃料噴射断面Ｓｎがピストン１３の頂面と直交した状態から僅かに傾く場合を許容するものとして定義される。

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５〜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。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、スキッシュ流の大きさが円周方向に不均一になる。

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（図７参照）で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（図５参照）でスキッシュ流が最も大きくなる。よって第１燃料噴射軸Ｌｉ１を含むピストンピン１４に沿う断面（図７参照）でのスキッシュ流よりも、第２燃料噴射軸Ｌｉ２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６参照）での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、ピストン中心線Ｌｐ方向に見たキャビティ２５の形状がピストンピン１４の方向に長軸を一致させた楕円形状となるため、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Ｗ１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ではスキッシュエリアＳＡの幅Ｗ２が大きくなるからである。

このように、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Ｗ１，Ｗ２に依存するが、同様にスキッシュエリア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スキッシュ流が小さくなり、その稜線長さが大きいほどスキッシュ流が大きくなる。

更に、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７参照）ではスキッシュクリアランスＣ１が大きくなって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６参照）ではスキッシュクリアランスＣ２小さくなって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、スキッシュ流が大きい部分では燃料がキャビティ２５の底部に閉じ込められて均一に拡散せず、逆にスキッシュ流が小さい部分では燃料がキャビティ２５の外部に流出してしまい、せっかく燃料噴射点Ｏｉｎｊを通ってピストン１３の頂面に直交する任意の断面においてキャビティ２５の断面形状を同一に形成しても、その利点を充分に活かしきれず、混合気の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。

しかしながら、本実施の形態によれば、スキッシュ流が小さい断面、つまり第１燃料噴射軸Ｌｉ１を含むピストンピン１４に沿う断面（図７参照）での第１衝突角α１が小さい（直角に近い）ので、キャビティ２５に衝突した燃料はキャビティ２５の壁面に跳ね返され、キャビティ２５の壁面に沿って開口側に駆け上がる傾向が弱くなる。よってスキッシュ流が小さくても、燃料がキャビティ２５の開口から外部に流出するのを阻止しながら、燃料をキャビティ２５の内部で均一に拡散させることができる。

またスキッシュ流が大きい断面、つまり第２燃料噴射軸Ｌｉ２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６参照）での第２衝突角α２が大きい（鈍角）ので、キャビティ２５に衝突した燃料はキャビティ２５の壁面に跳ね返されず、キャビティ２５の壁面に沿って開口側に駆け上がる傾向が強くなる。よってスキッシュ流が大きくても、燃料がキャビティ２５の開口から外部に流出するのを阻止しながら、燃料をキャビティ２５の内部で均一に拡散させることができる。

以上のように、第１、第２燃料噴射軸Ｌｉ１，Ｌｉ２がキャビティ２５の壁面と交差する燃料衝突点Ｐ１，Ｐ２における第１、第２衝突角α１，α２を異ならせることで、キャビティ２５に衝突した燃料がキャビティ２５壁面に沿って開口側に駆け上がる傾向と、スキッシュ流が燃料をキャビティ２５内に閉じ込める傾向とを相殺させ、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。

図９は第１、第２衝突角α１，α２による煤の発生量の変化を示す図であって、横軸は第１衝突角α１を示し、縦軸は第２衝突角α２を示し、色の濃い部分は煤の発生量が多いことを示している。原点を通る右上がりの直線Ａが第１衝突角α１＝第２衝突角α２に対応し、この直線Ａの上側の領域、つまり第２衝突角α２＞第１衝突角α１の領域で煤の発生が減少していることが分かる。また直線Ｂは第２衝突角α２＝９０°に対応し、前記直線Ａの上側の領域であって前記直線Ｂの上側の領域、つまり第２衝突角α２＞第１衝突角α１かつ第２衝突角α２≧９０°の領域で特に顕著に煤の発生が減少していることがわかる。

尚、スキッシュ流が発生するのはピストン１３が圧縮行程の上死点に達する以前であるため、フュエルインジェクタ２３が噴射した燃料がキャビティ２５に衝突するタイミングは上死点以前であることが望ましい。１サイクル中で複数回の燃料噴射を行うものでは、最も大量の燃料を噴射する主噴射の燃料がキャビティに衝突するタイミングを上死点以前に設定すれば良い。

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、実施の形態のキャビティ２５は燃料噴射点Ｏｉｎｊを通ってピストン１３の頂面に直交する任意の断面において断面形状が同一に形成されているが、本発明は前記断面形状が同一に形成されていないものに対しても適用することができる。

また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 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 燃料噴射軸の方向を円周方向に変化させたときの、燃料噴射軸の左右各３０°の範囲のキャビティ容積の変化率を示すグラフ 第１、第２衝突角による煤発生量の変化を示す図

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
２５ｃ 底壁部
Ｃ１ スキッシュクリアランス
Ｃ２ スキッシュクリアランス
Ｌｉ１ 第１燃料噴射軸
Ｌｉ２ 第２燃料噴射軸
ＳＡ スキッシュエリア
Ｗ１ スキッシュエリアの幅
Ｗ２ スキッシュエリアの幅
α１ 第１衝突角
α２ 第２衝突角

Claims (8)

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）内の円周方向に離間する複数方向を指向する複数の燃料噴射軸（Ｌｉ１，Ｌｉ２）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、
   スキッシュ流の大きさが円周方向に変化し、スキッシュ流が小さい方向を指向する第１燃料噴射軸（Ｌｉ１）が前記キャビティ（２５）に衝突する第１衝突角（α１）よりも、スキッシュ流が大きい方向を指向する第２燃料噴射軸（Ｌｉ２）が前記キャビティ（２５）に衝突する第２衝突角（α２）が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。
2. 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）内の円周方向に離間する複数方向を指向する複数の燃料噴射軸（Ｌｉ１，Ｌｉ２）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、
   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）が小さい方向を指向する第１燃料噴射軸（Ｌｉ１）が前記キャビティ（２５）に衝突する第１衝突角（α１）よりも、前記スキッシュエリア（ＳＡ）が大きい方向を指向する第２燃料噴射軸（Ｌｉ２）が前記キャビティ（２５）に衝突する第２衝突角（α２）が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。
3. 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）内の円周方向に離間する複数方向を指向する複数の燃料噴射軸（Ｌｉ１，Ｌｉ２）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、
   スキッシュエリア（ＳＡ）の幅（Ｗ１，Ｗ２）が円周方向に変化し、前記幅（Ｗ１）が小さい方向を指向する第１燃料噴射軸（Ｌｉ１）が前記キャビティ（２５）に衝突する第１衝突角（α１）よりも、前記幅（Ｗ２）が大きい方向を指向する第２燃料噴射軸（Ｌｉ２）が前記キャビティ（２５）に衝突する第２衝突角（α２）が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。
4. 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）内の円周方向に離間する複数方向を指向する複数の燃料噴射軸（Ｌｉ１，Ｌｉ２）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、
   スキッシュエリア（ＳＡ）の稜線長さが円周方向に変化し、前記稜線長さが小さい方向を指向する第１燃料噴射軸（Ｌｉ１）が前記キャビティ（２５）に衝突する第１衝突角（α１）よりも、前記稜線長さが大きい方向を指向する第２燃料噴射軸（Ｌｉ２）が前記キャビティ（２５）に衝突する第２衝突角（α２）が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。
5. 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）内の円周方向に離間する複数方向を指向する複数の燃料噴射軸（Ｌｉ１，Ｌｉ２）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、
   スキッシュクリアランス（Ｃ１，Ｃ２）が円周方向に変化し、前記スキッシュクリアランス（Ｃ１）が大きい方向を指向する第１燃料噴射軸（Ｌｉ１）が前記キャビティ（２５）に衝突する第１衝突角（α１）よりも、前記スキッシュクリアランス（Ｃ２）が小さい方向を指向する第２燃料噴射軸（Ｌｉ２）が前記キャビティ（２５）に衝突する第２衝突角（α２）が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。
6. 前記第２衝突角（α２）が９０°以上であ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。
7. 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において略等しいことを特徴とする、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）が噴射した燃料は前記ピストン（１３）の上死点以前に前記キャビティ（２５）に衝突することを特徴とする、請求項１〜請求項７の何れか１項に記載の燃料直噴エンジン。

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