JP5937857B2 - ピストン - Google Patents

Description

本発明は、ピストンの技術に関する。より詳細には、直接噴射式ディーゼルエンジンのピストンの技術に関する。

従来、ピストンに設けられた燃焼室へ燃料を噴射し、該燃焼室内で燃料を燃焼させる直接噴射式ディーゼルエンジンが知られている（例えば特許文献１参照）。直接噴射式ディーゼルエンジンは、例えば農業機械や建設機械の動力源として使用されるほか、大型船舶の動力源としても使用される。

直接噴射式ディーゼルエンジンは、大型船舶用の動力源として使用されるものを除き、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の各工程をクランク軸が二回転する間に完結する。このような直接噴射式ディーゼルエンジンは、吸気行程でシリンダ内に吸入された空気量が少ない場合、膨張行程で局所的に不完全燃焼が発生し、排気に含まれる粒子状物質が増加するという問題を有する。また、排気行程でシリンダ内に残留した既燃ガスが多い場合、次の膨張行程で局所的に不完全燃焼が発生し、排気に含まれる粒子状物質が増加するという問題も有する。

このため、近年の直接噴射式ディーゼルエンジンにおいては、吸気行程で多くの空気を吸入できるように一つのシリンダに対して二つの吸気ポートが設けられ、排気行程で残留する既燃ガスが少なくなるように一つのシリンダに対して二つの排気ポートが設けられる。つまり、近年の直接噴射式ディーゼルエンジンにおいては、一つのシリンダに対して二つの吸気ポートと二つの排気ポートが設けられているのである（例えば特許文献２参照）。

しかし、排気量が小さい直接噴射式ディーゼルエンジンにおいては、一つのシリンダに対して二つの吸気ポートと二つの排気ポートを設けることは困難である。また、一つのシリンダに対して二つの吸気ポートと二つの排気ポートを設けることは、コストの増加や生産性の低下にもつながる。そのため、一つのシリンダに対して一つの吸気ポートと一つの排気ポートを備える方式を採用せざるを得ない場合があった。

ところで、一つのシリンダに対して一つの吸気ポートと一つの排気ポートを備える直接噴射式ディーゼルエンジンは、吸気ポートと排気ポートの断面積が大きく設計されるため、円筒形状に形成されたシリンダの軸心上に燃料噴射ノズルを配置できない。そのため、このような直接噴射式ディーゼルエンジンの燃料噴射ノズルは、シリンダの軸心から偏移した位置に配置されることとなる。また、ピストンの燃焼室も、燃料噴射ノズルの配置に応じてシリンダの軸心から偏移した位置に形成されることとなる。

このように、シリンダの軸心から偏移した位置に燃焼室が形成されている場合、燃焼室の内部及びその近傍の空気の流れは、周方向で均一にならないことが知られている。そして、空気の流れが周方向で均一にならないことに起因して、空気と燃料の混合状態もバラつき、局所的に不完全燃焼が発生して排気に含まれる粒子状物質が増加する原因となっていたのである。

特開２０１１−１６９２８１号公報 特開２００８−２４８８９４号公報

本発明は、燃焼室の内部及びその近傍の空気の流れを周方向で均一にし、局所的な不完全燃焼を抑制して排気に含まれる粒子状物質を低減できる技術を提供することを目的としている。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

請求項１においては、シリンダの軸心から偏移した位置に燃焼室が形成されたピストンにおいて、前記燃焼室は、燃焼室の軸心が燃料噴射ノズルの先端部に交わる位置に設けられ、前記燃焼室は、開口部中心がシリンダの軸心から燃焼室の軸心を結ぶ第一仮想線に対して、シリンダの軸心を中心として所定のスラント角度となる位置に周方向に変位して設けられ、前記燃焼室は、開口部の周壁面が燃焼室の周壁面との間に零でない寸法を有して収まり、前記スラント角度は、スワール流の旋回方向に対して逆方向に０°より大きく９０°以下の範囲に納まる値である。

請求項２においては、請求項１に記載のピストンにおいて、前記スラント角度は、前記第一仮想線と前記シリンダの軸心から逆スキッシュ流が最も強くなる領域を結ぶ第二仮想線のなす角よりも小さい値である。

請求項３においては、請求項１又は請求項２に記載のピストンにおいて、前記開口部は、該開口部の周壁面が前記燃焼室の周壁面の内側に収まるものである。

請求項４においては、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のピストンにおいて、前記燃料噴射ノズルが前記シリンダの軸心に対して斜めに取り付けられた場合に用いられるものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

本発明によれば、燃焼室の内部及びその近傍の空気の流れを周方向で均一にできる。これにより、空気と燃料の混合状態を周方向で等しくでき、局所的な不完全燃焼を抑制することが可能となる。従って、直接噴射式ディーゼルエンジンの排気に含まれる粒子状物質を低減させることが可能となる。

直接噴射式ディーゼルエンジンの構成を示す図。 エンジン主体部の作動態様を示す図。 本発明の実施形態に係るピストンを示す図。 圧縮行程における燃焼室及びその近傍の空気の流れを示す図。 膨張行程における燃焼室及びその近傍の空気の流れを示す図。 （従来技術）従来の実施形態に係るピストンを示す図。 （従来技術）圧縮行程における燃焼室及びその近傍の空気の流れを示す図。 （従来技術）膨張行程における燃焼室及びその近傍の空気の流れを示す図。

まず、直接噴射式ディーゼルエンジン（以降「ディーゼルエンジン」とする）１００について簡単に説明する。

図１は、ディーゼルエンジン１００の構成を示す図である。図中の矢印Ｆａは、吸入された空気の流れ方向を示し、図中の矢印Ｆｅは、排気の流れ方向を示している。また、図中の矢印Ｘは、ピストン１３の摺動方向を示し、図中の矢印Ｒは、クランク軸１４の回転方向を示している。

ディーゼルエンジン１００は、主にエンジン主体部１と、吸気通路２と、排気通路３と、燃料噴射ポンプ４と、で構成される。

エンジン主体部１は、燃料の燃焼による膨張エネルギーを利用して回転動力を発生させる。エンジン主体部１は、主にシリンダブロック１１と、シリンダヘッド１２と、ピストン１３と、クランク軸１４と、で構成される。

エンジン主体部１には、シリンダブロック１１に設けられたシリンダ１１ｃと、該シリンダ１１ｃに摺動可能に内設されたピストン１３と、該ピストン１３に対向するように配置されたシリンダヘッド１２と、で作動室Ｗが構成されている。即ち、作動室Ｗとは、ピストン１３の摺動運動によって容積が変化するシリンダ１１ｃの内部空間を意味する。但し、以降では説明の簡単のために、作動室Ｗとピストン１３に設けられた燃焼室Ｃを区別して説明する。ピストン１３は、コネクティングロッド１５によってクランク軸１４のピン部と連結されており、該ピストン１３の摺動によってクランク軸１４を回転させる。なお、エンジン主体部１の具体的な作動態様については後述する。

吸気通路２は、外部から吸入された空気をシリンダ１１ｃ内に導く。即ち、吸気通路２は、外部から吸入された空気を作動室Ｗに導く。吸気通路２は、空気が流れる方向に沿って、主にエアクリーナ２１と、吸気マニホールド２２と、で構成される。

エアクリーナ２１は、濾紙又はスポンジ等によって吸入された空気を濾過する。エアクリーナ２１は、空気を濾過することで埃等の異物が作動室Ｗに混入するのを防止している。

吸気マニホールド２２は、エアクリーナ２１によって濾過された空気を各作動室Ｗに分配する。本ディーゼルエンジン１００は、複数の作動室Ｗが設けられた多気筒エンジンであるため、吸気マニホールド２２もそれぞれの作動室Ｗに分岐するように形成されている。なお、吸気マニホールド２２は、各作動室Ｗ毎に設けられた吸気ポート１２Ｉｐと連通するように、シリンダヘッド１２に固設されている。本ディーゼルエンジン１００では、一の作動室Ｗ（シリンダ１１ｃ）に対して一の吸気ポート１２Ｉｐを備えている。

排気通路３は、シリンダ１１ｃ内から排出された排気を排気口Ｔｐまで導く。即ち、排気通路３は、各作動室Ｗから排出された排気を排気口Ｔｐまで導く。排気通路３は、排気の流れる方向に沿って、主に排気マニホールド３１と、サイレンサー３２と、で構成される。

排気マニホールド３１は、各作動室Ｗから排出された排気を集合させる。本ディーゼルエンジン１００は、複数の作動室Ｗが設けられた多気筒エンジンであるため、排気マニホールド３１もそれぞれの作動室Ｗから合流するように形成されている。なお、排気マニホールド３１は、各作動室Ｗ毎に設けられた排気ポート１２Ｅｐと連通するように、シリンダヘッド１２に固設されている。本ディーゼルエンジン１００では、一の作動室Ｗ（シリンダ１１ｃ）に対して一の排気ポート１２Ｅｐを備えている。

サイレンサー３２は、複数の膨張室やグラスウールによって排気のエネルギーを低減させる。サイレンサー３２は、排気のエネルギーを低減させることで、排気口Ｔｐからの放射音を小さくする。

燃料噴射ポンプ４は、シリンダヘッド１２に取り付けられた燃料噴射ノズル１６へ燃料を圧送する。燃料噴射ポンプ４は、主にカム軸４１と、プランジャ４２と、で構成される。

カム軸４１は、回転するクランク軸１４によってギヤ等を介して駆動される。プランジャ４２は、回転するカム軸４１によってプランジャバレル内を摺動する。そして、プランジャ４２の摺動によって加圧された燃料は、蓄圧管を介して燃料噴射ノズル１６へ送られる。

次に、図２を用いてエンジン主体部１の作動態様について説明する。なお、本ディーゼルエンジン１００は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の各工程をクランク軸１４が二回転する間に完結する４サイクルエンジンである。

図２は、エンジン主体部１の作動態様を示す図である。図中の矢印Ｆａは、吸入された空気の流れ方向を示し、図中の矢印Ｆａｅは、排気となる既燃ガス等の流れ方向を示している。また、図中の矢印Ｒは、クランク軸１４の回転方向を示している。

吸気工程は、吸気バルブ１２Ｉｖを開弁するとともにピストン１３を下方へ摺動させて、作動室Ｗ内（シリンダ１１ｃ内）に空気を吸い込む行程である。作動室Ｗ内に吸い込まれた空気は、シリンダ１１ｃの内壁に沿って螺旋状に旋回する。これは、螺旋状に形成された吸気ポート１２Ｉｐによって実現される。

圧縮工程は、吸気バルブ１２Ｉｖを閉弁するとともにピストン１３を上方へ摺動させて、作動室Ｗ内の空気を圧縮する行程である。作動室Ｗ内の空気は、依然としてシリンダ１１ｃの内壁に沿って旋回している（図４Ａ、図４Ｂ参照）。また、ピストン１３の摺動による作動室Ｗの収縮で燃焼室Ｃ内に導入された空気も、該燃焼室Ｃの周壁面Ｃｗに沿って旋回する（図４Ｂ参照）。なお、空気がシリンダ１１ｃの内壁又は燃焼室Ｃの周壁面Ｃｗに沿って旋回する流れをスワール流Ｓｗという（図４Ｂ参照）。また、作動室Ｗの収縮で空気が燃焼室Ｃ内に導入される流れをスキッシュ流Ｓｑという（図４Ａ参照）。

その後、圧縮されて高温高圧となった空気中に燃料噴射ノズル１６から燃料が噴射される。すると、燃料は、燃焼室Ｃ内で分散して蒸発し、高温高圧の空気と混合して燃焼を開始する。こうして、ディーゼルエンジン１００は、ピストン１３を再び下方へ摺動させる膨張行程に移行するのである。

膨張行程は、燃料が燃焼したことによる膨張エネルギーによってピストン１３を押し下げる行程である。燃焼室Ｃ内に形成された火炎は、該燃焼室Ｃ内の空気や既燃ガスとともに周壁面Ｃｗに沿って旋回している（図５Ｂ参照）。また、ピストン１３の摺動による作動室Ｗの拡張で燃焼室Ｃの外側に形成された火炎も、シリンダ１１ｃの内壁に沿って旋回する（図５Ａ、図５Ｂ参照）。なお、作動室Ｗの拡張で既燃ガス等が燃焼室Ｃから導出される流れもスキッシュ流という。但し、圧縮行程におけるスキッシュ流Ｓｑと区別するため、膨張行程におけるスキッシュ流を「逆スキッシュ流Ｓｑｒ」と定義する（図５Ａ参照）。

膨張行程では、ピストン１３からコネクティングロッド１５を介してクランク軸１４に回転トルクが付与される。このとき、クランク軸１４に取り付けられたフライホイルによって運動エネルギーが保存されるため、クランク軸１４は、回転を維持することとなる。こうして、ディーゼルエンジン１００は、ピストン１３を再び上方へ摺動させて排気行程に移行するのである。

排気工程は、排気バルブ１２Ｅｖを開弁するとともにピストン１３を上方へ摺動させて、作動室Ｗ内（シリンダ１１ｃ内）の既燃ガス等を排気として押し出す行程である。作動室Ｗ内の空気や既燃ガスは、シリンダ１１ｃの内壁に沿って緩やかに旋回しながら排気通路３へ押し出される。

こうして、ディーゼルエンジン１００は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の各工程をクランク軸１４が二回転する間に完結する。ディーゼルエンジン１００は、全ての作動室Ｗで上記の各行程を繰り返すことにより、連続して運転することを可能としている。

次に、ピストン１３について詳細に説明する。

図３は、本発明の実施形態に係るピストン１３を示す図である。図３Ａは、ピストン１３の側面断面図を示し、図３Ｂは、その上面図を示している。

本ディーゼルエンジン１００では、吸気ポート１２Ｉｐと排気ポート１２Ｅｐの断面積が大きいため、シリンダ１１ｃの軸心Ａｃｙ上に燃料噴射ノズル１６を配置できない。そのため、燃料噴射ノズル１６は、シリンダ１１ｃの軸心Ａｃｙから偏移した位置に配置されている。従って、ピストン１３の燃焼室Ｃも、燃料噴射ノズル１６の配置に応じてシリンダ１１ｃの軸心Ａｃｙから偏移した位置に形成されている。詳細に説明すると、燃焼室Ｃは、該燃焼室Ｃの軸心Ａｃｏが燃料噴射ノズル１６の先端部１６ｔに交わる位置に設けられている。

燃焼室Ｃは、ピストン１３に形成された窪みである。図３Ａに示すように、燃焼室Ｃは、中心部に突起Ｃｐが設けられ、ピストン１３の表面１３ｓから周壁面Ｃｗにかけて開口部Ｃｏが設けられている。なお、図３Ｂに示すように、開口部Ｃｏは、該開口部Ｃｏの周壁面Ｃｏｗが燃焼室Ｃの周壁面Ｃｗの内側に収まるように形成されている。つまり、燃焼室Ｃは、ピストン１３の表面１３ｓから周壁面Ｃｗにかけて拡径（表面１３ｓ側ほど小径）された、いわゆるリエントラント型燃焼室である。なお、図３Ｂに示すように、開口部Ｃｏの周壁面Ｃｏｗ及び燃焼室Ｃの周壁面Ｃｗは、円形に形成されている。

本実施形態に係るピストン１３の最大の特徴は、燃焼室Ｃの軸心Ａｃｏから偏移した位置に該燃焼室Ｃの開口部Ｃｏが設けられている点にある。つまり、本実施形態に係るピストン１３では、燃焼室Ｃの軸心Ａｃｏと開口部Ｃｏの軸心Ａｏｐが互いにズレているのである。このため、開口部Ｃｏの周壁面Ｃｏｗから燃焼室Ｃの周壁面Ｃｗまでの寸法Ｔは、周方向で異なっている。以下に、開口部Ｃｏが設けられている位置について特定する。

まず、シリンダ１１ｃの軸心Ａｃｙから燃焼室Ｃの軸心Ａｃｏを結ぶ直線を第一仮想線Ｌ１と定義する。開口部Ｃｏは、第一仮想線Ｌ１に対して、シリンダ１１ｃの軸心Ａｃｙを中心として所定のスラント角度αとなる位置に設けられている。スラント角度αは、スワール流Ｓｗの旋回方向に対して逆方向に０°以上９０°以下の範囲に納まる。これは、逆スキッシュ流Ｓｑｒが最も強くなる領域を考慮して定められた範囲であり、次のように限定することが可能である。即ち、シリンダ１１ｃの軸心Ａｃｙから逆スキッシュ流Ｓｑｒが最も強くなる領域Ｄｓｑｒ（図５Ｂ参照）を結ぶ直線を第二仮想線Ｌ２と定義した場合、スラント角度αは、第一仮想線Ｌ１と第二仮想線Ｌ２のなす角βよりも小さい値となる。

ここで、本実施形態に係るピストン１３の優位性を示すため、従来のピストンＣ１３について説明する。但し、ピストン１３の説明で使用した記号と同じ記号を付し、異なる部分を中心に説明する。

図６は、従来の実施形態に係るピストンＣ１３を示す図である。図６Ａは、ピストンＣ１３の側面断面図を示し、図６Ｂは、その上面図を示している。

ピストンＣ１３の燃焼室Ｃは、燃料噴射ノズル１６の配置に応じてシリンダ１１ｃの軸心Ａｃｙから偏移した位置に形成されている。詳細に説明すると、燃焼室Ｃは、該燃焼室Ｃの軸心Ａｃｏが燃料噴射ノズル１６の先端部１６ｔに交わる位置に設けられている。また、燃焼室Ｃは、ピストン１３の表面１３ｓから周壁面Ｃｗにかけて拡径（表面１３ｓ側ほど小径）されたリエントラント型燃焼室である。

ピストンＣ１３では、燃焼室Ｃの軸心Ａｃｏ上に該燃焼室Ｃの開口部Ｃｏが設けられている。つまり、従来のピストンＣ１３では、燃焼室Ｃの軸心Ａｃｏと開口部Ｃｏの軸心Ａｏｐが一致している。このため、開口部Ｃｏの周壁面Ｃｏｗから燃焼室Ｃの周壁面Ｃｗまでの寸法Ｔは、周方向で一定である。

図７は、圧縮行程における燃焼室Ｃ及びその近傍の空気の流れを示す図である。図７Ａは、その側面断面図を示し、図７Ｂは、その上面図を示している。また、図８は、膨張行程における燃焼室Ｃ及びその近傍の空気の流れを示す図である。図８Ａは、その側面断面図を示し、図８Ｂは、その上面図を示している。なお、図中の矢印Ｆａは、吸入された空気の流れ方向を示し、図中の矢印Ｆａｅは、排気となる既燃ガス等の流れ方向を示している。また、図中の矢印Ｘは、ピストン１３の摺動方向を示している。

シリンダ１１ｃの軸心Ａｃｙから偏移した位置に燃焼室Ｃが形成されている場合、燃焼室Ｃの内部及びその近傍の空気の流れは、周方向で均一にならないことが知られている。まず、圧縮行程における不均一性について説明する。

図７に示すように、シリンダ１１ｃの軸心Ａｃｙから偏移した位置に燃焼室Ｃが形成されている場合、周壁面Ｃｗに沿って旋回する空気の速度は、軸心Ａｃｙ側の領域Ｄｓｗで遅くなる。つまり、燃焼室Ｃ内のスワール流Ｓｗは、領域Ｄｓｗで弱くなる。これは、ピストン１３の摺動によって作動室Ｗが収縮した際に、燃焼室Ｃ内に導入される空気量（スキッシュ流Ｓｑによる空気の移動量）が周方向で異なることに起因する。

詳細に説明すると、領域Ｄｓｗには、該領域Ｄｓｗに隣接する空間（図７Ａ、図７Ｂにおける左側の空間）が広いため、大量の空気が導入される。これにより、領域Ｄｓｗでは、強いスキッシュ流Ｓｑが生じて、燃焼室Ｃ内を旋回する空気の流れを阻害する。つまり、領域Ｄｓｗでは、強いスキッシュ流Ｓｑがスワール流Ｓｗを減衰させると考えられる。なお、図７Ｂに示すように、スキッシュ流Ｓｑも少なからずスワール流Ｓｗの影響を受けるため、領域Ｄｓｗがスワール流Ｓｗの下流側に発達していることがわかる。

次に、膨張行程における不均一性について説明する。

図８に示すように、シリンダ１１ｃの軸心Ａｃｙから偏移した位置に燃焼室Ｃが形成されている場合、燃焼室Ｃから導出される既燃ガス等の速度は、軸心Ａｃｙ側の領域Ｄｓｑｒで速くなる。つまり、作動室Ｗの拡張によって生じる逆スキッシュ流Ｓｑｒは、領域Ｄｓｑｒで強くなる。これは、ピストン１３の摺動によって作動室Ｗが拡張した際に、燃焼室Ｃの外部に導出される既燃ガス量（逆スキッシュ流Ｓｑｒによる既燃ガス等の移動量）が周方向で異なることに起因する。

詳細に説明すると、領域Ｄｓｑｒには、該領域Ｄｓｑｒに隣接する空間（図８Ａ、図８Ｂにおける左側の空間）が広いため、大量の既燃ガス等が導出される。これにより、領域Ｄｓｑｒでは、周方向で最も強い逆スキッシュ流Ｓｑｒが生じると考えられる。なお、図８Ｂに示すように、逆スキッシュ流Ｓｑｒも少なからずスワール流Ｓｗの影響を受けるため、領域Ｄｓｑｒがスワール流Ｓｗの下流側に発達していることがわかる。

このように、従来のピストンＣ１３では、燃焼室Ｃの内部及びその近傍の空気の流れが周方向で均一にならない。そして、空気の流れが周方向で均一にならないことに起因して、空気と燃料の混合状態もバラつき、燃料の燃焼形態に影響を及ぼすものと考えられる。特に、圧縮行程における空気と燃料の混合状態は、窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成量に強い影響を与えるとされている。圧縮行程が終了して膨張行程を開始する際の燃焼形態は、主に予混合燃焼であるため、急激に温度が上昇して空気中の窒素と酸素が結合するからである。但し、局所的に空気量（酸素量）の少ない領域が生じた場合は、かかる領域で不完全燃焼が発生して粒子状物質（ＰＭ）を生成すると考えられる。

また、膨張行程における空気と燃料の混合状態は、粒子状物質（ＰＭ）の生成量に強い影響を与えるとされている。膨張行程における燃焼形態は、主に拡散燃焼であるため、火炎の近傍及びその内部で空気量（酸素量）が不足するからである。そして、局所的に空気量（酸素量）の少ない領域が生じた場合は、かかる領域で不完全燃焼が発生して粒子状物質（ＰＭ）を生成すると考えられる。なお、空気量（酸素量）が少ない領域では、生成された粒子状物質（ＰＭ）を強い攪拌によって酸化することもできない。

次に、本発明の実施形態に係るピストン１３について説明する。

図４は、圧縮行程における燃焼室Ｃ及びその近傍の空気の流れを示す図である。図４Ａは、その側面断面図を示し、図４Ｂは、その上面図を示している。また、図５は、膨張行程における燃焼室Ｃ及びその近傍の空気の流れを示す図である。図５Ａは、その側面断面図を示し、図５Ｂは、その上面図を示している。なお、図中の矢印Ｆａは、吸入された空気の流れ方向を示し、図中の矢印Ｆａｅは、排気となる既燃ガス等の流れ方向を示している。また、図中の矢印Ｘは、ピストン１３の摺動方向を示している。

本実施形態に係るピストン１３は、シリンダ１１ｃの軸心Ａｃｙから偏移した位置に燃焼室Ｃが形成されているにも関わらず、燃焼室Ｃの内部及びその近傍の空気の流れを周方向で均一にできる（完全に均一とはならないが従来のピストンＣ１３と比較してより均一にできる）。まず、圧縮行程における均一性について説明する。

図４に示すように、本実施形態に係るピストン１３では、周壁面Ｃｗに沿って旋回する空気の速度が領域Ｄｓｗで遅くなりにくい。つまり、本実施形態に係るピストン１３では、燃焼室Ｃ内のスワール流Ｓｗが領域Ｄｓｗで弱くなりにくい。これは、ピストン１３の摺動によって作動室Ｗが収縮した際に、燃焼室Ｃ内に導入される空気の速度（スキッシュ流Ｓｑの速度）が周方向で異なることに起因する。

詳細に説明すると、領域Ｄｓｗでは、開口部Ｃｏの周壁面Ｃｏｗから燃焼室Ｃの周壁面Ｃｗまでの寸法Ｔが小さいため、燃焼室Ｃ内に導入される空気の速度が遅くなる。これにより、領域Ｄｓｗでは、従来のピストンＣ１３と比較して弱いスキッシュ流Ｓｑが生じ、燃焼室Ｃ内を旋回する空気の流れを阻害しにくい。つまり、領域Ｄｓｗでは、スキッシュ流Ｓｑが弱いため、スワール流Ｓｗを減衰させにくいと考えられる。

次に、膨張行程における均一性について説明する。

図５に示すように、本実施形態に係るピストン１３では、燃焼室Ｃから導出される既燃ガス等の速度が領域Ｄｓｑｒで速くなりにくい。つまり、本実施形態に係るピストン１３では、作動室Ｗの拡張によって生じる逆スキッシュ流Ｓｑｒが領域Ｄｓｑｒで強くなりにくい。これは、ピストン１３の摺動によって作動室Ｗが拡張した際に、燃焼室Ｃの外部に導出される既燃ガス等の速度（逆スキッシュ流Ｓｑｒの速度）が周方向で異なることに起因する。

詳細に説明すると、領域Ｄｓｑｒでは、開口部Ｃｏの周壁面Ｃｏｗから燃焼室Ｃの周壁面Ｃｗまでの寸法Ｔが小さいため、燃焼室Ｃ内から導出される空気の速度が遅くなる。これにより、領域Ｄｓｑｒでは、従来のピストンＣ１３と比較して弱い逆スキッシュ流Ｓｑｒが生じ、他の領域の逆スキッシュ流Ｓｑｒとほぼ等しくなると考えられる。

また、図３Ｂに示すように、開口部Ｃｏは、第一仮想線Ｌ１に対して、シリンダ１１ｃの軸心Ａｃｙを中心として所定のスラント角度αとなる位置に設けられている。これは、従来のピストンＣ１３を用いた解析結果に基づいて、スワール流Ｓｗの下流側で逆スキッシュ流Ｓｑｒが強くなることに対応したものである（図８Ｂ参照）。即ち、本実施形態に係るピストン１３は、スラント角度αをスワール流Ｓｗの旋回方向に対して逆方向に０°以上９０°以下の範囲に納まる値とすることで、領域Ｄｓｑｒにおける逆スキッシュ流Ｓｑｒを他の領域の逆スキッシュ流Ｓｑｒと等しくなる程度に抑えているのである。

更に、スラント角度αは、次のように限定することが可能である。即ち、シリンダ１１ｃの軸心Ａｃｙから逆スキッシュ流Ｓｑｒが最も強くなる領域Ｄｓｑｒを結ぶ直線を第二仮想線Ｌ２と定義した場合、スラント角度αは、第一仮想線Ｌ１と第二仮想線Ｌ２のなす角βよりも小さい値となる（図３Ｂ参照）。このような限定方法は、図５に示す領域Ｄｓｑｒの中で最も逆スキッシュ流Ｓｑｒが強い位置を特定することで可能となる。

このように、本発明の実施形態に係るピストン１３は、燃焼室Ｃの内部及びその近傍の空気の流れを周方向で均一にできる。これにより、空気と燃料の混合状態を周方向で等しくでき、局所的な不完全燃焼を抑制することが可能となる。従って、ディーゼルエンジン１００の排気に含まれる粒子状物質（ＰＭ）を低減させることが可能となる。

なお、本実施形態に係るピストン１３は、燃料噴射ノズル１６がシリンダ１１ｃの軸心Ａｃｙに対して斜めに取り付けられている場合に特に効果を奏する。これは、燃料噴射ノズル１６が斜めに取り付けられたことに起因して、燃焼室Ｃ内の燃料噴霧が周方向で均一にならない場合であっても、燃焼室Ｃの内部及びその近傍の空気の流れを周方向で均一にすることで理想的な燃焼に寄与するものと考えられる。

１００ 直接噴射式ディーゼルエンジン（ディーゼルエンジン）
１ エンジン主体部
１１ シリンダブロック
１１ｃ シリンダ
１２ シリンダヘッド
１２Ｉｐ 吸気ポート
１２Ｅｐ 排気ポート
１３ ピストン
１４ クランク軸
１５ コネクティングロッド
１６ 燃料噴射ノズル
１６ｔ 燃料噴射ノズルの先端部
Ａｃｙ シリンダの軸心
Ａｃｏ 燃焼室の軸心
Ａｏｐ 開口部の軸心（Ａｏｐ）
Ｃ 燃焼室
Ｃｗ 燃焼室の周壁面
Ｃｏ 開口部
Ｃｏｗ 開口部の周壁面
Ｄｓｗ スワール流が弱くなる領域
Ｄｓｑｒ 逆スキッシュ流が強くなる領域
Ｌ１ 第一仮想線
Ｌ２ 第二仮想線
Ｓｗ スワール流
Ｓｑ スキッシュ流
Ｓｑｒ 逆スキッシュ流
Ｗ 作動室
α スラント角度
β 第一仮想線と第二仮想線のなす角

Claims (4)

1. シリンダの軸心から偏移した位置に燃焼室が形成されたピストンにおいて、
   前記燃焼室は、燃焼室の軸心が燃料噴射ノズルの先端部に交わる位置に設けられ、
   前記燃焼室は、開口部中心がシリンダの軸心から燃焼室の軸心を結ぶ第一仮想線に対して、シリンダの軸心を中心として所定のスラント角度となる位置に周方向に変位して設けられ、
   前記燃焼室は、開口部の周壁面が燃焼室の周壁面との間に零でない寸法を有して収まり、
   前記スラント角度は、スワール流の旋回方向に対して逆方向に０°より大きく９０°以下の範囲に納まる値である、
   ことを特徴とするピストン。
2. 前記スラント角度は、前記第一仮想線と前記シリンダの軸心から逆スキッシュ流が最も強くなる領域を結ぶ第二仮想線のなす角よりも小さい値である、ことを特徴とする請求項１に記載のピストン。
3. 前記開口部は、該開口部の周壁面が前記燃焼室の周壁面の内側に収まる、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のピストン。
4. 前記燃料噴射ノズルが前記シリンダの軸心に対して斜めに取り付けられた場合に用いられる、ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のピストン。

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