JP5338268B2 - ディーゼルエンジンの燃焼室構造 - Google Patents

Description

本発明はディーゼルエンジンの燃焼室構造、特にすすの排出の抑制が可能な燃焼室構造に関し、自動車用等のエンジンの排気対策技術の分野に属する。

ピストンの圧縮上死点近傍で、燃焼室のほぼ中央に配置した燃料噴射弁から燃料を噴射して燃焼させる直噴式のディーゼルエンジンにおいては、例えば特許文献１に開示されているように、ピストンの頂面にキャビティを形成し、該キャビティを含むピストンの頂面と、シリンダと、シリンダヘッドのピストン頂面に対向する面とで燃焼室を構成することがある。

前記キャビティは、燃料噴射弁を中心とする円形で、シリンダヘッドから離れる方向に凹とされたものであるが、その内面形状は、例えば図１２に示すように、シリンダ中心線を含む断面において、ピストンの頂面に開口するキャビティ１の開口部周囲の内部より小径とされた絞縮部２と、燃料噴射弁５に近づく方向に凸とされた底面中央部３と、前記絞縮部２と底面中央部３との間をキャビティ中心側に中心を有する円弧を用いて結んだ周辺部４とで構成した形状とされる。

そして、ピストンの圧縮上死点近傍で、燃料噴射弁５から前記キャビティ１の絞縮部２と周辺部４との境界部近傍を指向して燃料が噴射されるように設定され、燃料は、その指向部の壁面に衝突した後、周辺部４の壁面に沿ってキャビティ１の該周辺部４から中央部３に回り込み、燃焼室内の空気と混合しながら燃焼を開始するようになっている。

特開２００３−２５４０６６号公報

ところで、上記のような形状のキャビティを備えた燃焼室においては、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧とキャビティ内の空気との混合が良好に行われず、混合気の空燃比が部位によって不均一となると、リッチ領域ですすが発生し、そのすすが十分酸化されないまま大気中に排出されることになる。

このすすの発生を抑制し、或いは発生したすすの酸化を促進するためには、キャビティ内で燃料噴霧と空気とが良好に混合され、混合気全体がリーンな状態で均一化されることが望ましい。そのためには、図１２に示すように、ピストンの圧縮上死点近傍において燃料噴射弁５からキャビティ１の絞縮部２と周辺部４との境界部近傍を指向して噴射された燃料噴霧Ａが、勢いを弱められることなく、矢印ａで示すように、周辺部４の円弧状内面に沿って該周辺部４からキャビティ１の底面中央部３に向かうように流れの方向を変えられる必要があり、また、その流れが拡散したり、燃料噴射弁５から噴射された燃料噴霧Ａと干渉して分散したりすることなく、さらに矢印ｂに示すように中央部３に向かい、燃焼室中央部の空気と十分に混ざり合う必要がある。

そこで、本発明は、ピストンの頂面にキャビティが設けられたディーゼルエンジンにおいて、燃料噴霧と空気とが良好に混合し、すすの大気中への排出が抑制される燃焼室構造を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は次のように構成したことを特徴とする。

まず、請求項１に記載の発明は、シリンダと、該シリンダ内を往復動するピストンと、吸排気弁が配設されたシリンダヘッドと、該シリンダヘッドに取り付けられ、前記シリンダのほぼ中央から放射状に燃料を噴射する燃料噴射弁とを有し、かつ、前記ピストンの頂面にシリンダヘッドから離れる方向に凹となる該ピストンの平面視で円形のキャビティが形成され、該キャビティを含むピストンの頂面と、前記シリンダと、前記シリンダヘッドのピストン頂面に対向する面とで燃焼室が構成されたディーゼルエンジンの燃焼室構造であって、前記キャビティのシリンダ中心軸を含む断面上における内面形状が、ピストン頂面のキャビティ開口部の周囲の絞縮部と、前記燃料噴射弁に近づく方向に凸となるキャビティ底部の中央部と、前記絞縮部と中央部との間をキャビティ中心側に中心を有する円弧を用いて結ぶ周辺部とで構成され、前記燃料噴射弁からの燃料噴射時に、その噴射方向が、前記絞縮部と周辺部との境界部近傍を指向するように設定されていると共に、前記周辺部は、前記燃料噴射弁から最も遠い円弧状の第１部分と、該第１部分の前記絞縮部側に位置する円弧状の第２部分と、該第１部分の前記中央部側に位置する円弧状の第３部分とを有し、シリンダ中心軸を含む断面上において、第２部分から第１部分にかけて円弧の半径が小さくなり、第１部分から第３部分にかけて円弧の半径が大きくなるように形成されており、かつ、該周辺部は、前記燃料噴射時において、前記燃料噴射弁の噴孔から最も遠くなる位置と該燃料噴射弁の噴孔とを結ぶ直線を直線Ｙ−Ｙとし、該直線Ｙ−Ｙを挟んで、燃料噴霧の進行方向における上流側に前記第１部分の一部と前記第２部分とを位置させ、前記進行方向における下流側に前記第１部分の残部と前記第３部分とを位置させると共に、前記キャビティ底部の中央部は、前記第３部分の前記キャビティ中心側の端部から該キャビティ中心部へ向かって、ピストン頂面からのキャビティ空間深さが徐々に浅くなる山状に形成されていることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、前記請求項1に記載のディーゼルエンジンの燃焼室構造において、前記キャビティの内面形状を構成する周辺部の第１〜第３部分は、第２部分の絞縮部側の端部から第１部分を経て第３部分の中央部側の端部に至る間、円弧の半径が連続的に変化するように形成されていることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、前記請求項１に記載のディーゼルエンジンの燃焼室構造において、前記キャビティの内面形状を構成する周辺部の第１〜第３部分は、それぞれ所定の半径の円弧で形成されていることを特徴とする。

さらに、請求項４に記載の発明は、前記請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のディーゼルエンジンの燃焼室構造において、前記キャビティの内面形状を構成する絞縮部は、シリンダ中心軸を含む断面上において、反キャビティ中心側に中心を有する円弧で形成されていることを特徴とする。

以上の構成により、本願各請求項の発明によれば、それぞれ次の効果が得られる。

まず、請求項１に記載の発明によれば、ピストンの圧縮上死点近傍において燃料噴射弁から放射状に噴射された燃料噴霧は、ピストン頂面に設けられたキャビティの周辺部と該キャビティの開口部周囲の絞縮部との境界部近傍の壁面に衝突した後、前記周辺部における第２部分に沿ってキャビティの底部に向かうように流れの方向を変えられる。

その場合に、前記第２部分を構成するキャビティ中心側に中心を有する円弧は相対的に曲率半径が大きいので、燃料噴霧が衝突する部位での接線方向と燃料噴射方向とのなす角度を小さくすることができ、これにより、噴射された燃料噴霧が、壁面に激しく衝突して散乱することなく、第２部分に円滑に導入されることになる。

そして、燃料噴霧は第１部分に移動して、ピストンの外方から内方へ方向が変えられることになるが、その際、円弧の曲率半径が第２部分から第１部分にかけて小さくなるから、これらの部分に沿って流れる燃料噴霧の流れは、拡散することなく加速され、噴霧された際の勢いを保持して第３部分に移動することになる。

また、この時点では、既に一部の燃料が燃焼し始めて燃焼ガスが発生することになるが、この燃焼ガスが混ざった燃料噴霧が上記のように第１部分によって加速されることにより、キャビティ周辺部の壁面に付着した燃料が確実に吹き飛ばされ、付着燃料により生じた局部的なリッチ領域で燃焼が行われることによるすすの発生が抑制される。

また、第３部分における円弧の曲率半径は、第１部分より大きくされているから、第３部分に導入された燃料噴霧もしくは半燃焼状態のガスの流れが急激に方向を変えられて、キャビティ壁面から剥離して開口部側に向かうことが回避され、燃料噴射弁から噴射された壁面に衝突する前の燃料噴霧と干渉することが防止される。その結果、燃料噴霧は、勢いを保持したまま分散することなく、キャビティの底面中央部に向けて流れることになり、燃焼室中央部に存在する多量の空気と良好に混合する。

これにより、燃焼室内における混合気の空燃比の不均一な分布によるリッチ領域の発生や、該リッチ領域で燃焼することによるすすの発生が抑制されると共に、混合気全体がリーンな状態で均一化されることにより、燃焼初期ないし中期にすすが発生しても、燃焼後期にその酸化が促進され、すすが大気中に排出されることが抑制される。

そして、前記混合気もしくは燃焼の開始により発生した一部の燃焼ガスは、ピストンの下死点方向への移動により生じる逆スキッシュ流に乗り、容積が拡大しつつある燃焼室に円滑に拡散され、燃焼室全体の空気と混じり合って効率よく動力を発生する。

また、請求項２に記載の発明によれば、前記キャビティの内面形状を構成する周辺部の第１〜第３部分が、半径が絞縮部側から一旦小さくなった後、再び大きくなるように、連続的に変化する形状に形成されているので、燃料噴霧が第２部分から第１部分に移動する際にスムーズに加速されると共に、さらに第３部分に移動して、キャビティの底面中央部に向けて滑らかに方向が変えられることになり、前記請求項１に記載の発明の効果が一層効果的に達成されることになる。

また、請求項３に記載の発明によれば、前記キャビティの内面形状を構成する周辺部の第１〜第３部分が、それぞれ所定の半径の円弧で形成されているので、該半径を連続的に変化させる場合に比べて該キャビティの製造が容易であり、低コストで前記請求項１に記載の発明の効果が達成される。

そして、請求項４に記載の発明によれば、前記キャビティの開口部周囲の絞縮部は、シリンダ中心軸を含む断面上において、反キャビティ中心側に中心を有する円弧で形成されているので、キャビティ周辺部の第３部分と絞縮部の境界部近傍の壁面に衝突した一部の燃料噴霧も、あまり散乱することなく、前記周辺部の第２部分側へ滑らかに案内され、噴射された燃料の大部分がキャビティ内にスムーズに導入されることになる。

以下、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本実施形態が適用されたディーゼルエンジンの燃焼室構造を示すもので、このエンジン１０の燃焼室１１は、シリンダブロック１２に形成されたシリンダ１２ａと、該シリンダ１２ａ内を往復動するピストン１３の頂面１３ａと、吸排気ポート１４ａ、１４ｂをそれぞれ開閉する吸気弁１５及び排気弁１６が配設されたシリンダヘッド１４の前記ピストン頂面１３ａと対向する下面１４ｃとで構成されている。

また、前記ピストン１３の頂面１３ａには、シリンダヘッド１４の下面１４ｃから離れる方向に凹となる円形のキャビティ３０が形成されており、該キャビティ３０内の空間も前記燃焼室１１を構成している。そして、該キャビティ３０もしくは燃焼室１１の中央に先端部１７ａが位置するように、前記シリンダヘッド１４に燃料噴射弁１７が取り付けられている。

次に、図２により、シリンダ中心軸Ｘ−Ｘを含む断面上におけるキャビティ３０の内面形状を説明すると、該キャビティ３０は、ピストン頂面１３ａのキャビティ開口部３１の周囲の該キャビティ内部より径が小さくされた絞縮部３２と、該絞縮部３２からキャビティ３０の底部に向かう周辺部３３と、さらに該周辺部３３からキャビティ３０の中心部に向かう中央部３４とで構成されており、前記中央部３４は、その中心部上方に位置する燃料噴射弁１７に近づく方向に凸の山状に形成されている。

そして、前記燃料噴射弁１７の先端部の周囲には複数の噴孔１７ａ…１７ａが形成され、ピストン１３の圧縮上死点近傍において、図２、図３に示すように、キャビティ周辺部３３に向けて放射状に燃料を噴射するように構成されていると共に、シリンダ中心軸Ｘ−Ｘを含む断面上において、燃料噴霧Ａが前記キャビティ周辺部３３と絞縮部３２との境界部の近傍を指向するように、燃料噴射弁１７の噴孔１７ａが設けられている。

また、図２に示すように、前記キャビティ周辺部３３は、燃料噴射弁１７から最も遠い第１部分３３ａと、該第１部分３３ａの前記絞縮部３２側に位置する第２部分３３ｂと、該第１部分３３ａの前記中央部３４側に位置する第３部分３３ｃとで構成されている。これらの部分３３ａ、３３ｂ、３３ｃは、いずれもキャビティ３０の中心側にそれぞれ中心Ｏ_１、Ｏ_２、Ｏ_３を有する円弧で構成されている。

その場合に、第２部分３３ｂの円弧の半径Ｒ２と第３部分の円弧の半径Ｒ３とが等しくされていると共に、これらの半径Ｒ２、Ｒ３に比べて、第１部分３３ａの半径Ｒ１が小さく設定されている。したがって、これらの部分３３ａ、３３ｂ、３３ｃでなるキャビティ周辺部３３の内面形状は、燃料噴射弁１７の噴孔１７ａと、該噴孔１７ａから最も遠い第１部分３３ａの中心位置とを結ぶ直線Ｙ−Ｙを軸として、その両側の第２部分３３ｂ側と第３部分３３ｃ側とが対称形となっている。

そして、この周辺部３３の第２部分３３ｂに続く前記絞縮部３２は、シリンダ中心軸Ｘ−Ｘを含む断面上において、反キャビティ中心側に中心Ｏ_４を有する円弧で形成されている。

次に、この実施形態の作用を説明する。

まず、図４に示すように、ピストン１３の圧縮上死点近傍において燃料噴射弁１７から放射状に噴射された燃料噴霧Ａがピストン頂面１３ａに設けられたキャビティ３０の周辺部３３で、ピストン１３の半径方向の外方から内方へ向きを変えられるまでの燃焼初期の状態を説明する。

前記燃料噴霧Ａは、キャビティ３０の周辺部３３と絞縮部３２との境界部の近傍の壁面に衝突し、まず、該キャビティ周辺部３３における第２部分３３ｂに沿ってキャビティ３０の底部に向かうように方向を変えられる。

その場合に、前記第２部分３３ｂを構成するキャビティ中心側に中心Ｏ_２を有する円弧の半径Ｒ_２は比較的大きくされているので、図示のように、燃料噴霧Ａが衝突する部位での接線Ｔ−Ｔの方向と燃料噴霧Ａの噴射方向とのなす角度を小さくすることができ、これにより、燃料噴霧Ａが壁面に激しく衝突して周辺に散乱することなく、円滑に第２部分３３ｂに導入されることになる。

また、前記絞縮部３２は、シリンダ中心軸Ｘ−Ｘを含む断面上において反キャビティ中心側に中心Ｏ_４を有する円弧で形成されているので、周辺部３３の第２部分３３ｂとの境界部の近傍で該絞縮部３２側に衝突した一部の燃料噴霧も、あまり散乱することなく、周辺部３３の第２部分３３ｂ側へ滑らかに案内され、噴射された燃料の大部分がキャビティ３０内にスムーズに導入される。

そして、燃料噴霧は第２部分３３ｂから第１部分３３ａに移動し、ピストン３の半径方向の外方から内方へ流れの方向が変えられることになるが、その際、第１部分３３ａの円弧の半径Ｒ１は第２部分３３ｂの半径Ｒ２より小さいから、燃料噴霧Ａの拡散が抑制されると共に、その流れの速度が加速され、噴射された際の勢いを保持して第３部分３３ｃに向かうことになる。

このとき、既に一部の燃料の燃焼が開始されて燃焼ガスが発生し、燃料噴霧は燃焼ガスと未燃燃料とが混ざった半燃焼状態となるが、この半燃焼ガスの流れが前記第１部分３３ａによって加速されることにより、キャビティ周辺部３３の壁面に付着した燃料が吹き飛ばされ、付着燃料により生じた局部的なリッチ領域で燃焼が行われることによるすすの発生が抑制される。

また、キャビティ周辺部３３は、第１部分３３ａにおける燃料噴射時に燃料噴射弁１７から最も遠くなる位置Ｐと該燃料噴射弁１７の噴孔１７ａとを結ぶ直線Ｙ−Ｙを対称軸とし、その両側の第２部分３３ｂ側と第３部分３３ｃ側とが対称的に形成されているので、一旦加速された後、減速される半燃焼ガスの流れは、第１部分３３ａにおける前記位置Ｐを中心として対称的になり、ピストン１３の半径方向の外方から内方へ、流れの方向が、分散することなく、円滑かつ確実に変化することになる。

次に、ピストン１３の半径方向の内方へ向きを変えられた半燃焼ガスがキャビティ中央部３４で多量の空気と混合するまでの燃焼中期について説明すると、図５に示すように、半燃焼ガスＢの流れは、キャビティ周辺部３３の第３部分３３ｃにより、該周辺部３３から中心部が凸とされたキャビティ底面の中央部３４に向けて案内されることになる。

その際、前記周辺部３３における第３部分３３ｃの円弧の半径Ｒ３は、第１部分３３ａの半径Ｒ_１より大きくされているから、第３部分３３ｃに導入された燃料噴霧が急激に開口部３１側に向きを変えられて、燃料噴射弁１７から噴射された燃料噴霧Ａと干渉することが避けられる。

その結果、半燃焼ガスＢの流れは、勢いを保持したまま、分散することなくキャビティ３０の底面中央部３４に向けて流れることになり、燃焼室１１の中央部に存在する多量の空気Ｃと良好に混合し、均一でリーンな燃焼ガスが生成される。そして、その状態で燃焼が進行することにより、リッチ領域で燃焼することによるすすの発生が抑制されると共に、燃焼ガスの全体が相対的にリーンであることにより、一部で発生したすすも効果的に酸化されることになる。

また、上記のようにして生成された燃焼ガスがピストン１３を駆動し始める燃焼後期について説明すると、図６に示すように、ピストン１３の下降により燃焼室１１の容積が増大することにより、キャビティ３０の内部からピストン頂面１３ａとシリンダヘッド下面１４ｃとの間の燃焼室１１の周辺空間へガスが流れる逆スキッシュ流が発生する。

一方、燃焼室１１の中央部には、上記のようにして生成された燃焼ガスＤが存在し、この燃焼ガスＤが前記逆スキッシュ流に乗り、燃焼室１１の中央部から周辺部に向けて均一に拡散することになる。その結果、燃焼室１１の全体の空気が効率よく燃焼に利用されることになり、高い燃焼効率が得られて、燃料の完全燃焼が促進されると共に、ピストン１３に大きな駆動力が与えられる。

そして、燃焼終了後の排気行程で、燃焼室１１内の排気ガスが大気中に排出されることになるが、上記のように燃焼時におけるすすの発生が抑制されると共に、発生したすすの酸化が促進されることにより、大気中へのすすの排出が効果的に低減されることになる。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。

この実施形態は、キャビティ周辺部の内面形状として、デカルトの卵型楕円曲線を利用したものである。この卵型楕円曲線は、図７に示すように、焦点Ｓ_１、Ｓ_２からの距離Ｌ１、Ｌ２が、ｍ、ａを定数として、Ｌ１＋ｍＬ２＝ａで示される点の集合であり、焦点Ｓ_１、Ｓ_２を結ぶ中心線ｙ−ｙと曲線Ｍとの一方の交点ｐの近傍では、該交点ｐで半径が最も小さくなり、該交点ｐから両側へ離れるに従って半径が連続的に大きくなる。

そこで、図８に示すように、キャビティ１３０の周辺部１３３における燃料噴射弁１１７の噴孔１１７ａから最も遠い位置Ｐと該噴孔１１７ａとを結ぶ直線Ｙ−Ｙ上に前記卵形楕円曲線Ｍの中心線ｙ−ｙを一致させ、かつ、前記位置Ｐに、該卵形楕円曲線Ｍとその中心線ｙ−ｙの交点ｐを位置させる。また、キャビティ開口部１３１の周囲の絞縮部１３２を構成するキャビティ１３０の反中心側に中心を有する円弧と、燃料噴射弁１１７側に凸のキャビティ中央部１３４を形成する曲線とを前記卵形楕円曲線Ｍの交点ｐを含む所定の範囲に連続させる。

そして、前記交点ｐを中心とした一定範囲を第１部分１３３ａ、その絞縮部１３２側の一定範囲を第２部分１３３ｂ、その中央部１３４側の一定範囲を第３部分１３３ｃとすれば、周辺部１３３は、前記実施形態と同様に、シリンダ中心軸Ｘ−Ｘを含む断面上において、第２部分１３３ｂから第１部分１３３ａにかけて円弧の半径が小さくなり、第１部分１３３ａから第３部分１３３ｃにかけて円弧の半径が大きくなるように形成されることになる。

そして、この実施形態については、上記のようにして形成されたキャビティ１３０のコンピュータ解析用モデルを作成し、燃料噴射弁１１７から噴射される燃料及びキャビティ中の空気に関する各種パラメータと、所定の関係式とを用い、燃料噴射後のキャビティ１３０内におけるガスの流速の分布、燃料と空気の当量比の分布、及びガスの温度−当量比特性を解析した。また、比較例として、図８に鎖線で示す周辺部が半径一定の曲線Ｍ′で形成されるキャビティのモデルについても解析した。

その結果、燃焼初期の流速分布は、図９（ａ）に示すとおりであって、比較例モデルでは、ガスの流れが周辺部１３３′から中央部１３４′に至る途中でキャビティ壁面から剥離し、拡散しながら開口部１３１′側に向かっているのに対し、実施形態モデルでは、周辺部１３３から中央部１３４にかけて壁面に沿って分散の少ない流れが形成されることが判明した。

また、当量比分布は、図９（ｂ）に示すように、比較例モデルでは、当量比が大きい領域（リッチ領域）が、周辺部１３３′の第３部分１３３ｃ′付近で滞留しているのに対し、本発明モデルでは、周辺部１３３の第３部分１３３ｃから中央部１３４に向けて壁面に沿って流動しているように分布することが示され、燃料噴霧と空気との混合が比較例モデルに比べて促進されていることが判明した。ここで、図の濃く着色した領域は当量比最大の領域を示し、薄く着色した領域は当量比最小の領域を示す。

また、ガスの温度−当量比特性は図９（ｃ）に示すようになり、鎖線で示す比較例モデルでは、ガスの分布が、ＨＣ、ＣＯ発生領域（不完全燃焼領域）に一部が属し、ＳＯＯＴ領域（すす発生領域）にかなり大きな部分が属しているのに対し、実施形態モデルでは、ＨＣ、ＣＯ発生領域に属する部分はごく小さく、ＳＯＯＴ領域に属する部分も比較例モデルに比べて小さくなっている。つまり、ＨＣ、ＣＯ、及びすすの発生が比較例モデルに比べて低減されることが示されている。

また、燃焼中期の解析結果は、図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すとおりであって、図１０（ａ）に示すように、流速分布は、比較例モデルでは、ガスの流れがキャビティ周辺部１３３′と中央部１３４′との境界部近傍で壁面からほぼ完全に剥離して、キャビティ底部から開口部１３１′側に向かい、キャビティ中央部１３４′に向かう流れの勢いが弱くなっているのに対し、実施形態モデルでは、キャビティ周辺部１３３において壁面に沿って加速されたガスが、さらに壁面に沿って中央部１３４のほぼ中心部まで達している様子が示されており、比較例モデルに比べて、流れの分散が少なく、勢いを保持してキャビティ中央部１３４に向かっていることが判明する。

また、燃焼中期の当量比分布は、燃焼初期におけるガスの流速分布の結果が反映されたもので、図１０（ｂ）に示すように、比較例モデルでは、燃焼初期にガスの流れがキャビティ壁面から剥離して拡散することにより、当量比のリッチ領域がキャビティ周辺部１３３′と中央部１３４′の境界部近傍で滞留しているのに対し、実施形態モデルでは、燃焼初期のガスの流れが、周辺部１３３から中央部１３４にかけて壁面に沿う分散の少ない流れになっていることにより、当量比分布においても、リッチ領域がキャビティ中央部１３４まで運ばれていることが示されている。また、最リーン領域が比較例モデルに比べて小さくなっており、良好なガスの流れにより、燃料と空気の混合が比較例モデルより促進されていることが示されている。

そして、これらの結果に対応して、ガスの温度−当量比特性は、図１０（ｃ）に示すようになり、比較例モデルでは、ＨＣ、ＣＯ発生領域にガスの一部が属し、ＳＯＯＴ領域には、相変わらず、かなり大きな部分が属しているのに対し、実施形態モデルでは、ＨＣ、ＣＯ発生領域に属する部分がなくなると共に、ＳＯＯＴ領域に属する部分もごく小さくなっており、比較例モデルに比べてすすの発生が低減されることが示されている。

さらに、燃焼後期については、当量比分布と、温度―当量比特性を解析したが、その結果は図１１（ａ）、（ｂ）に示すとおりであって、当量比分布は、比較例モデルでは、燃焼中期のガスの流れがキャビティ周辺部１３３′と中央部１３４′との境界部近傍で壁面からほぼ完全に剥離して、中央部１３４′に向かう流れの勢いが弱くなっているため、当量比の最リッチ領域がキャビティ周辺部１３３′と中央部１３４′の境界部近傍で滞留している。また、当量比の最リーン領域が燃焼室中央部に大きく残っており、燃料と空気の混合があまり促進されていない様子が示されている。

これに対し、実施形態モデルでは、燃焼中期まで保持されているキャビティ周辺部１３３から中央部１３４に向かう勢いのよい流れにより、当量比分布の最リッチ領域及び最リーン領域が小さくなり、燃料噴霧もしくは燃焼ガスと空気との混合が促進されていることが示されている。そして、燃焼ガスが逆スキッシュ流に乗り、燃焼室の周辺部に良好に拡散している状態が示されている。

その結果、図１１（ｂ）に示すように、ガスの温度−当量比特性が、実施形態モデルでは、比較例モデルに比べて全体としてリーンな状態に均一化されたものとなり、特にＯＨ領域（すすの酸化領域）に属する割合が比較例モデルに比べて大きく、燃焼初期ないし中期に発生したすすが、燃焼後期に効果的に酸化されることが判明した。

以上のように、本発明によれば、ピストンの頂面にキャビティが設けられたディーゼルエンジンの燃焼室構造として、大気中へのすすの排出が効果的に抑制される構造が実現されることになる。したがって、この種のエンジンを製造する自動車産業等の分野において、好適に利用される可能性がある。

本発明の実施形態に係る燃焼室の断面図である。 燃焼室を構成するキャビティの断面図である。 キャビティが設けられたピストンの平面図である。 燃焼初期の燃焼状態を示す説明図である。 燃焼中期の燃焼状態を示す説明図である。 燃焼後期の燃焼状態を示す説明図である。 本発明の他の実施形態で用いられる卵形楕円曲線の説明図である。 同曲線用いたキャビティの断面図である。 図８のキャビティについて解析した燃焼初期の解析結果を比較例と共に示すガスの流速分布図、当量比分布図、温度−当量比特性図である。 同じく燃焼中期の解析結果を比較例と共に示すガスの流速分布図、当量比分布図、温度−当量比特性図である。 同じく燃焼後期の解析結果を比較例と共に示すガスの当量比分布図、温度−当量比特性図である。 従来の燃焼室構造を示す断面図である。

符号の説明

１１ 燃焼室
１３ ピストン
１７，１１７ 燃料噴射弁
３０、１３０ キャビティ
３１、１３１ 開口部
３２、１３２ 絞縮部
３３、１３３ 周辺部
３３ａ、１３３ａ 第１部分
３３ｂ、１３３ｂ 第２部分
３３ｃ、１３３ｃ 第３部分

Claims (4)

1. シリンダと、該シリンダ内を往復動するピストンと、吸排気弁が配設されたシリンダヘッドと、該シリンダヘッドに取り付けられ、前記シリンダのほぼ中央から放射状に燃料を噴射する燃料噴射弁とを有し、かつ、前記ピストンの頂面にシリンダヘッドから離れる方向に凹となる該ピストンの平面視で円形のキャビティが形成され、該キャビティを含むピストンの頂面と、前記シリンダと、前記シリンダヘッドのピストン頂面に対向する面とで燃焼室が構成されたディーゼルエンジンの燃焼室構造であって、
   前記キャビティのシリンダ中心軸を含む断面上における内面形状が、ピストン頂面のキャビティ開口部の周囲の絞縮部と、前記燃料噴射弁に近づく方向に凸となるキャビティ底部の中央部と、前記絞縮部と中央部との間をキャビティ中心側に中心を有する円弧を用いて結ぶ周辺部とで構成され、
   前記燃料噴射弁からの燃料噴射時に、その噴射方向が、前記絞縮部と周辺部との境界部近傍を指向するように設定されていると共に、
   前記周辺部は、前記燃料噴射弁から最も遠い円弧状の第１部分と、該第１部分の前記絞縮部側に位置する円弧状の第２部分と、該第１部分の前記中央部側に位置する円弧状の第３部分とを有し、
   シリンダ中心軸を含む断面上において、第２部分から第１部分にかけて円弧の半径が小さくなり、第１部分から第３部分にかけて円弧の半径が大きくなるように形成されており、かつ、
   該周辺部は、前記燃料噴射時において、前記燃料噴射弁の噴孔から最も遠くなる位置と該燃料噴射弁の噴孔とを結ぶ直線を直線Ｙ−Ｙとし、該直線Ｙ−Ｙを挟んで、燃料噴霧の進行方向における上流側に前記第１部分の一部と前記第２部分とを位置させ、前記進行方向における下流側に前記第１部分の残部と前記第３部分とを位置させると共に、
   前記キャビティ底部の中央部は、前記第３部分の前記キャビティ中心側の端部から該キャビティ中心部へ向かって、ピストン頂面からのキャビティ空間深さが徐々に浅くなる山状に形成されていることを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼室構造。
2. 前記請求項１に記載の発明において、
   前記キャビティの内面形状を構成する周辺部の第１〜第３部分は、第２部分の絞縮部側の端部から第１部分を経て第３部分の中央部側の端部に至る間、円弧の半径が連続的に変化するように形成されていることを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼室構造。
3. 前記請求項１に記載の発明において、
   前記キャビティの内面形状を構成する周辺部の第１〜第３部分は、それぞれ所定の半径の円弧で形成されていることを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼室構造。
4. 前記請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の発明において、
   前記キャビティの内面形状を構成する絞縮部は、シリンダ中心軸を含む断面上において、反キャビティ中心側に中心を有する円弧で形成されていることを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼室構造。

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