JP6019831B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、ピストンの頂部に凹設されたキャビティと、キャビティに対向するシリンダヘッドのヘッド面に配置されたインジェクタから燃料が噴射される内燃機関に関する。

ディーゼルエンジンは、ガソリンエンジンに比べて熱効率が良く、二酸化炭素（ＣＯ_２）の排出量が少ないので石油枯渇問題や地球温暖化問題の観点から有利である。しかし、ディーゼルエンジンは、窒素酸化物（ＮＯｘ）や微粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ：以下、ＰＭと略す）が排出されるとともに、このＮＯｘとＰＭとが、一方が低減すると他方が増加するというトレードオフの関係にあり問題となっている。

そこで、このようなディーゼルエンジンの問題を解決する予混合圧縮着火（Ｐｒｅｍｉｘｅｄ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ：以下、ＰＣＩと略す）燃焼方式が注目されている。このＰＣＩ燃焼は、燃焼室への燃料の噴射時期を、ピストンの圧縮上死点よりも早期にして、燃料の噴射完了後に着火する燃焼方法であり、ＮＯｘやＰＭ等の物質を同時に低減することができる。

しかし、ＰＣＩ燃焼方法は、適用運転領域が軽負荷に限られるという問題があるので、その問題を解決するために、インジェクタ（燃料噴射弁）の噴孔径を小さくして、燃料を微粒化することにより、蒸発を促進させて、均一で希薄な予混合気を迅速に生成し、ＰＣＩ燃焼による運転領域を拡大しようという試みがなされている（例えば特許文献１参照）。

ただし、噴孔径を小さくした場合、全負荷での燃費を悪化させないためには、一定期間内に必要量の燃料を噴射する必要がある。したがって、必要とされる総噴射孔面積を確保する必要があり、小径の噴孔を複数設ける多噴孔化が必須となる。

ところで、多量の燃料を噴射する全負荷或いはそれに近い運転領域では、燃費を悪化させないためには、負荷に応じた必要な燃料量を一定期間内（例えばクランク軸角度で３０度以内）に噴射する必要がある。従って、噴孔面積の小さなインジェクタを用いる場合、全負荷時に必要な燃料量を一定期間内に噴射することができる総噴孔面積を確保する必要があり、インジェクタの多噴孔化が必須となる。

しかし、インジェクタを多噴孔化すると、隣り合う噴孔同士の間隔が狭くなるため、図９の（ａ）〜（ｃ）に示すように、インジェクタ５の各噴孔５ａから噴射された燃料の噴霧Ｆが、キャビティ１１の壁面１１ａに衝突した後、壁面１１ａに沿ってキャビティ１１の周方向ｘ（図９における左右方向）に広がった際に、隣り合う噴孔の噴霧Ｆ同士が干渉してしまう。この結果、噴霧Ｆ同士が重なり合う部分ＦＬで燃料の過濃領域が形成され、スモーク（煤）の生成量が増大してしまう。

このスモークの生成量の増大については、図１０に示すグラフから明らかである。このグラフは、インジェクタ５の噴孔５ａの噴孔径および噴孔数毎に煤の生成量を比較して示しており、縦軸は煤の生成量、横軸は燃料噴射圧力を示している。このグラフによれば、噴孔径が小さく、噴孔総数が多い方が、噴孔径が大きく、噴孔総数が少ない方よりも、煤の生成量が多いことが分かる。

この問題に対して、本発明者は、図１１の（ａ）に示すように、キャビティ１１の壁面
１１ａに、各噴霧Ｆが衝突する部分に位置して、キャビティ１１の内外方向ｙ（図１１の（ａ）における紙面裏表方向であり、図１１の（ｂ）における紙面上下方法）に沿った、断熱素材で形成されたキャビティ用突起１６を複数備えた燃焼室１０Ｘを備える装置（例えば、特許文献２参照）を考案した。

この装置によれば、インジェクタ５の各噴孔５ａから噴射された燃料の噴霧Ｆは、キャビティ１１の壁面１１ａに衝突した後、キャビティ用突起１６に沿ってキャビティ１１の内外方向ｙに案内されるので、噴霧Ｆが壁面１１ａに沿ってキャビティ１１の周方向ｘに広がることによる隣り合う噴霧Ｆ同士の干渉が抑制される。この結果、燃料の過濃領域の形成が抑制され、スモークの発生量が低減される。

加えて、断熱素材で形成されたキャビティ用突起１６を設けたので、噴霧が衝突するキャビティ１１の壁面１１ａが断熱素材でカバーされた状態となり、噴霧Ｆとキャビティ１１の壁面１１ａとの衝突表面積が、各キャビティ用突起１６の凹凸によって増加した熱損失を低減でき、燃費悪化を抑制される。

一方、図１２（ａ）〜（ｄ）に示すように、インジェクタ５の各噴孔５ａから噴射された燃料の噴霧Ｆが、キャビティ１１の壁面１１ａに衝突した後、噴霧Ｆがシリンダヘッド４のヘッド面１２に到達すると、噴霧Ｆはシリンダヘッド４のヘッド面１２に沿って発達し、隣接する噴霧Ｆ（図示せず）と干渉することで過濃領域ＦＬが形成されてしまうという問題もある。

特開２００７−２１１７６８号公報 特開２０１１−１７４３８８号公報

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、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衝突した後にシリンダヘッドに到達して、燃焼室の周方向に広がり、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と共に、燃焼室の表面への熱損失量を増加させずに、燃費の悪化を抑制することができることができる内燃機関を提供することである。

上記の目的を解決するための本発明の内燃機関は、ピストンの頂部に凹設され燃焼室の一部を形成するキャビティと、前記キャビティに対向するシリンダヘッドのヘッド面と、このヘッド面に配置され、前記キャビティの壁面に、周方向に間隔を隔てて複数の燃料の噴霧を噴射するインジェクタと、を備える内燃機関において、前記ヘッド面の、前記インジェクタから噴射された前記噴霧が前記キャビティの壁面に衝突した後に到達する部分のそれぞれに位置して設けられた複数のヘッド用突起群を備え、これらのヘッド用突起群のそれぞれが複数のヘッド用突起を有しており、一つの前記ヘッド用突起群におけるそれらのヘッド用突起が互いに前記燃焼室の周方向に隣接して構成される。

この構成によれば、インジェクタから噴射された燃料の噴霧がキャビティの壁面に衝突した後に、キャビティに対向するシリンダヘッドのヘッド面に到達しても、ヘッド面にヘッド用突起を設けたことにより、燃料の噴霧が、ヘッド用突起に沿って、つまり燃焼室の内外方向に沿って広がるのを促す。また、キャビティ用突起に交差する方向、つまり燃焼室の周方向に対しては、キャビティ用突起を乗り越えなければならないため相対的に抵抗が大きく広がりが抑えられる。

これにより、隣り合う噴霧同士の干渉を抑制し、燃焼室内における燃料の過濃領域の形成を抑制することができるので、その結果、スモークの生成を抑制することができる。

なお、インジェクタの各噴孔から噴射される燃料の噴霧が到達する部分毎に複数のヘッド用突起からなるヘッド用突起群を配置すると、より効率的に噴霧の周方向の広がりを抑制することができる。また、ここでいうヘッド面とは、シリンダヘッドの下面、吸気バルブの下面、及び排気バルブの下面を含む面のことであり、ヘッド用突起群を、シリンダヘッドの下面、吸気バルブの下面、及び排気バルブの下面などを問わず、燃料の噴霧が到達する部分に設けるとよい。

また、上記の内燃機関において、前記ヘッド用突起を断熱素材で形成すると、断熱素材で形成したヘッド用突起で、噴霧が到達するシリンダヘッドのヘッド面がカバーされた状態となり、噴霧からシリンダヘッドのヘッド面への熱損失を低減でき、燃費悪化を抑制できる。

なお、この断熱素材には、セラミックを用いる。例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等のセラミック単体や、それらセラミック中に中空のセラミックビーズを閉じ込めた複合材料等を用いる。

加えて、上記の内燃機関において、前記ヘッド用突起を、前記燃料噴射ノズルから前記キャビティに向けて噴射される燃料の噴射方向に対し、平行に形成すると、ヘッド用突起は、燃焼室の周方向に広がろうとする燃料に対して直交する配置となり、燃焼室の周方向に広がろうとする燃料に、的確に抵抗を与えることができる。

さらに、上記の内燃機関において、前記キャビティの壁面に、前記噴霧が衝突する部分のそれぞれに位置して設けられた複数のキャビティ用突起群を備え、これらのキャビティ用突起群のそれぞれが複数のキャビティ用突起を有しており、一つの前記キャビティ用突起群におけるそれらのキャビティ用突起が互いにそのキャビティの周方向に隣接しており、前記ヘッド用突起群と前記キャビティ用突起群とが対向一致するように配置されていると、キャビティの壁面とシリンダヘッドのヘッド面の両方で燃料が燃焼室の周方向に広がることを抑制することができる。また、前記キャビティ用突起が断熱素材で形成されると、キャビティの壁面とシリンダヘッドのヘッド面の両方の熱損失を低減することができる。

まず、キャビティの壁面に衝突した燃料の噴霧が、キャビティ用突起に沿って広がるのを促し、キャビティ用突起に対して交差する方向に広がるのを抑制することができる。次に、噴霧がシリンダヘッドのヘッド面に到達しても、ヘッド用突起に沿って広がるのを促し、ヘッド用突起に対して交差する方向に広がるのを抑制することができる。

特に、インジェクタの多噴孔化に対して、各噴霧の到達する部分毎にヘッド用突起群を配置し、さらにそのヘッド用突起群に対向する部分、つまり各噴霧の衝突する部分毎に複数のキャビティ用突起からなるキャビティ用突起群を配置すると、効果的である。

その上、上記の内燃機関において、前記インジェクタからの燃料の噴射時期を、前記ピストンの圧縮上死点よりも早期にして、前記燃料の噴射完了後に着火する予混合圧縮着火燃焼を行う運転領域を有すると、上記の作用効果により、ＰＣＩ燃焼領域を拡大するため、噴孔径を小さくし、且つ多噴孔化する場合に発生する隣り合う燃料の噴霧Ｆ同士の干渉による煤の生成量の増加を抑制することができるので、ＰＣＩ燃焼の燃焼領域を拡大することができる。これにより、ＮＯｘとＰＭを同時に低減することができる。

本発明によれば、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
ビティの壁面に衝突した後にシリンダヘッドに到達して、燃焼室の周方向に広がり、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ことができる。その結果、スモークの生成を抑制することができる。

そのため、インジェクタの噴孔径を小さくし、且つ噴孔数を多くすることができるので、ＰＣＩ燃焼の燃焼領域を拡大し、ＮＯｘとＰＭを同時に効率よく低減することができる。

加えて、燃焼室の表面への熱損失量を増加させずに、燃費の悪化を抑制することができる。

本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関の燃焼室を示す断面図である。 図１のシリンダヘッドのヘッド面を示す平面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面を示す断面図である。 図２のヘッド用突起群の各ヘッド用突起の働きを示した図であり、（ａ）はヘッド用突起群の断面図を示し、（ｂ）はヘッド用突起群の平面図を示す。 図１の内燃機関の燃料の噴霧の動きを示した図であり、燃料の噴霧がキャビティの壁面に衝突した後にシリンダヘッドのヘッド面に到達した直後を、（ａ）のキャビティの平面図と、（ｂ）の燃焼室の斜視図で示し、燃料の噴霧がシリンダヘッドのヘッド面に到達してから一定の時間が経過した後を、（ｃ）のキャビティの平面図と、（ｄ）の燃焼室の斜視図で示す。 本発明に係る第２の実施の形態の内燃機関の燃焼室を示す断面図である。 図６のキャビティの壁面を示す平面図である。 図６の内燃機関の燃料の噴霧の動きを示した図であり、（ａ）は燃料の噴霧がキャビティの壁面に衝突した直後を示し、（ｂ）は燃料の噴霧がシリンダヘッドのヘッド面に到達してから一定の時間が経過した後を示す。 従来の内燃機関のインジェクタの噴孔から噴射された燃料の噴霧がキャビティ壁面に衝突し、隣り合う噴霧同士が干渉する様子を模式的に表す従来例の説明図であり、（ａ）は衝突直前、（ｂ）は衝突直後、（ｃ）は衝突後所定時間経過後の説明図である。 従来の内燃機関のインジェクタの噴孔の径および数毎に煤の生成量を比較して示したグラフ図である。 従来の内燃機関の噴霧が溝の部分に衝突した様子を示す説明図であり、（ａ）は溝、及び噴霧の断面図、（ｂ）は溝、及び噴霧を噴射方向から見た平面図である。 従来の内燃機関の燃料の噴霧の動きを示した図であり、燃料の噴霧がキャビティの壁面に衝突した後にシリンダヘッドのヘッド面に到達した直後を、（ａ）のキャビティの平面図と、（ｂ）の燃焼室の斜視図で示し、燃料の噴霧がシリンダヘッドのヘッド面に到達してから一定の時間が経過した後を、（ｃ）のキャビティの平面図と、（ｄ）の燃焼室の斜視図で示す。

以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関について、図面を参照しながら説明する。なお、内燃機関として、トラックのような自動車両に搭載されるディーゼルエンジンを例に説明するが、本発明はこれに限定しない。また、図面に関しては、構成が分かり易いように寸法や数などを変化させており、各部材、各部品の板厚や幅や長さなどの比率も必ずしも実際に製造するものの比率、又は配置される数とは一致させていない。

ここで、図面について補足する。燃料の噴霧が衝突、又は到達する位置における燃焼室の周方向をｘ、燃焼室の内外方向（若しくはピストンの半径方向）をｙとする。また、図
１、図２、図６、及び図７に示す一点鎖線については、燃料の噴霧Ｆの噴射方向Ｆｘを示す。

まず、本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関について、図１〜図４を参照しながら説明する。図１に示すように、エンジン（内燃機関）１は、周知のエンジンの構成に加えて、シリンダヘッド４のヘッド面１２の、インジェクタ５から噴射された燃料の噴霧Ｆがキャビティ１１の壁面１１ａに衝突した後に到達する部分に位置して設けられ、燃焼室１０の内外方向に沿って形成された複数のヘッド用突起１３を備える。

詳しくは、このエンジン１は、シリンダ２、ピストン３、及びシリンダヘッド４を備え、シリンダヘッド４にインジェクタ（インジェクタ）５、吸気ポート６、吸気バルブ（吸気弁）７、排気ポート８、及び排気バルブ９を備える。燃焼室１０は、中空状のシリンダ２の内壁面と、ピストン３の頂面（キャビティ１１を含む）と、シリンダヘッド４のヘッド面１２とに囲まれた空間に形成されている。

このキャビティ１１は、燃焼室１０の一部を形成する領域であり、キャビティ１１の壁面１１ａは、底面１１ｂと、壁面１１ａの最外周で底面１１ｂに交差する側面１１ｃにより区画されている。キャビティ１１の底面１１ｂは、その中央から外周に向かって次第に深くなるように形成されており、これによりトロイダル型の燃焼室１０が形成されている。ただし、キャビティ１１の形状はトロイダル型に限定されるものではなく種々変更可能であり、例えばリエントラント型や浅皿型のような他の形状としても良い。

インジェクタ５の先端は、例えば円錐状に形成されており、燃焼室１０内に突出されている。このインジェクタ５の円錐状の突出先端部には、複数の微細な噴孔５ａが形成されており、その複数の微細な噴孔５ａから燃料が放射状に同時に噴射されるようになっている。

このように本実施の形態のエンジン１においては、燃料を微細な噴孔から噴射し微粒化することにより、蒸発を促進させて、均一で希薄な予混合気を迅速に生成することができるので、後述の予混合圧縮着火（Ｐｒｅｍｉｘｅｄ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ：以下、ＰＣＩと略す）燃焼による運転領域を拡大することができる。

また、微細な噴孔５ａを必要噴射孔面積が確保できる分だけ複数設けることにより、全負荷での燃費の悪化も生じないようにすることができる。ここでは、特に限定されるものではないが、例えばインジェクタ５の円錐先端から円錐底部に向かって二個の噴孔５ａが隣接配置され、この二個で一組とする噴孔５ａがインジェクタ５の円錐外周に沿って複数配置されている場合等がある。

また、噴孔５ａの直径や数は、エンジン１の出力の大きさ等により変わるので一概には言えないが、例えば下記のとおりである。すなわち、各噴孔５ａの直径は、特に限定されるものではないが、例えば０．１ｍｍ以下である。燃料の微粒化と噴孔５ａの加工性とを考慮すると、噴孔５ａの直径は、例えば０．０８〜０．０５ｍｍ程度が好ましい。噴孔５ａの総数は、特に限定されるものではないが、例えば二十個である。

このようなエンジン１は、ＰＣＩ燃焼による運転領域を有している。このＰＣＩ燃焼は、燃料の噴射時期を、ピストン３の圧縮上死点よりも早期に開始し、かつ、その圧縮上死点よりも早期に終了させ、燃料の噴射完了後に混合気が着火する燃焼方式である。このＰＣＩ燃焼による運転領域は、比較的軽負荷領域に設定されている。

ここでいうヘッド面１２は、図１に示すように、キャビティ１１の壁面１１ａに対向す
る面であり、図２に示すように、シリンダヘッド４の下面１２ａ、吸気バルブ７の下面１２ｂ、及び排気バルブ９の下面１２ｃを含む面である。

ヘッド用突起１３は、図２に示すように、シリンダヘッド４のヘッド面１２からキャビティ１１に向かって突起するように、且つインジェクタ５の各噴孔５ａからキャビティ１１に向けて噴射される燃料の噴射方向Ｆｘに対し、シリンダヘッド４の下面視で平行に形成されており、各噴孔５ａ毎に、複数のヘッド用突起１３から成るヘッド用突起群１５を形成している。また、隣り合うヘッド用突起１３の間には、ヘッド用溝１４が形成されている。

各ヘッド用突起群１５は、インジェクタ５の各噴孔５ａから噴射され、キャビティ１１
の壁面１１ａに衝突した後に、シリンダヘッド４のヘッド面１２に到達した燃料の噴霧Ｆを、燃焼室１０の内外方向ｙに案内すると共に、燃焼室１０の周方向ｘに広がろうとする燃料の抵抗として機能する。

なお、図２においては、インジェクタ５の六つの噴孔５ａから矢印で表す噴射方向Ｆｘに噴射された燃料の噴霧Ｆに対応するヘッド用突起１３のみを表しているが、実際には、インジェクタ５からはキャビティ１１の周方向に間隔を隔てて複数（例えば二十個）の燃料が噴射されるので、シリンダヘッド４のヘッド面１２の、それら複数の噴霧Ｆがキャビティ１１の壁面１１ａに衝突した後に到達する部分の夫々に複数のヘッド用突起１３が、つまりはヘッド用突起群１５が形成されている。

ヘッド用突起群１５を構成するヘッド用突起１３は、シリンダヘッド４の下面１２ａ、吸気バルブ７の下面１２ｂ、及び排気バルブ９の下面１２ｃを含み、キャビティ１１に対向するシリンダヘッド４のヘッド面１２の中心部から外周に向けて、形成してもよいが、図２に示すように、ヘッド面１２の中心部近傍を除いて同様に形成してもよい。要は、ヘッド用突起１３は、ヘッド面１２内の少なくとも燃料が到達する部分に形成されていればよい。

また、ヘッド用突起群１５を構成するヘッド用突起１３は、シリンダヘッド４のヘッド面１２に形成されるため、シリンダヘッド４の下面１２ａと吸気バルブ７の下面１２ｂ、又はシリンダヘッド４の下面１２ａと排気バルブ９の下面１２ｃの境界では、途切れてしまうが、燃料の噴霧Ｆを案内することには何ら問題はない。

隣り合うヘッド用突起群１５同士の間には、ヘッド用突起１３が存在しない領域Ａが形成されている。但し、この領域Ａにもヘッド用突起１３を設けてもよい。この領域Ａに設けられるヘッド用突起１３は、燃料の燃焼室１０の周方向ｙへの広がりを抑えることができればよく、ヘッド用突起群１５と平行でなくても構わない。

図３の（ａ）に示すように、各ヘッド用突起１３の断面形状は、特に限定されるものではないが、例えば、隣り合うヘッド用突起１３の間のヘッド用溝１４の断面形状がＶ字状またはＵ字状に形成されている。

また、各ヘッド用突起１３の高さＤは、特に限定されるものではないが、例えば、高さＤを、ヘッド面１２の中心部でゼロとし、中心部から外周に架けて徐々に高くしてもよい。また、全領域に亘って略一定の高さとしてもよく、噴霧Ｆが到達する部分を高くそこからシリンダ２の内外方向に沿ったそれ以外の部分に架けては徐々に低くする等してもよい。

さらに、一つのヘッド用突起群１５における燃焼室１０の周方向ｘの位置によって、高
さＤを異ならせてもよい。要は、噴霧Ｆの燃焼室１０の周方向ｘへの広がりを抑制できればよい。例えば、この高さＤを１〜５ｍｍ程度とする。

また、隣り合うヘッド用突起１３の間の幅Ｗも、特に限定されるものではないが、例えば、幅Ｗを、ヘッド用突起群１５の端に向けて太くしてもよい。この幅Ｗを２〜１０ｍｍ程度とする。

このような複数のヘッド用突起１３は、上記した噴霧Ｆのシリンダヘッド４のヘッド面１２に沿って、燃焼室１０の周方向ｘへの広がりが抑えられればよく、複数のヘッド用突起１３の配置の仕方は上記したものに限定されるものではなく種々変更可能である。例えばヘッド用突起１３をシリンダヘッド４のヘッド面１２の中心から外周に向かって放射線状に配置しても良い。

ところで、噴霧Ｆが到達するシリンダヘッド４のヘッド面１２に上述したヘッド用突起１３（ヘッド用突起群１５）を形成すると、噴霧Ｆとシリンダヘッド４のヘッド面１２との衝突表面積が、各ヘッド用突起１３の凹凸によって、ヘッド用突起１３が無い通常のものよりも大きくなってしまう。このため、噴霧Ｆからシリンダヘッド４のヘッド面１２、即ち燃焼室１０の表面への熱損失量が増加し、燃費の悪化を引き起こす。

そこで、上記のヘッド用突起１３を断熱素材で形成し、噴霧Ｆからシリンダヘッド４のヘッド面１２への熱損失を抑えている。断熱素材は、シリンダヘッド４の下面１２ａ、吸気バルブ７の下面１２ｂ、及び排気バルブ９の下面１２ｃよりも熱伝達率が低いものが用いられる。

図１、図２、及び図３（ａ）に示すように、複数のヘッド用突起１３からなるヘッド用突起群１５は、シリンダヘッド４のヘッド面１２に、噴霧Ｆが到達する部分に位置して形成されている。よって、ヘッド用突起群１５を構成するヘッド用突起１３を断熱素材で形成することで、シリンダヘッド４のヘッド面１２の噴霧Ｆが到達する部分が断熱素材でカバーされた状態となり、噴霧Ｆがヘッド用突起群１５の部分に衝突した際、噴霧Ｆからシリンダヘッド４のヘッド面１２への熱損失が低減される。

断熱素材は、セラミックが用いられる。例えば、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）等のセラミック単体や、それらセラミック中に中空のセラミックビーズを閉じ込めた複合材料等が用いられる。

セラミックから成るヘッド用突起１３は、シリンダヘッド４のヘッド面１２に溶着等により固定されている。例えば、図３の（ａ）に破線Ｌで示すように、金属製のシリンダヘッド４のヘッド面１２に、上述したセラミック単体やセラミック中に中空のセラミックビーズを閉じ込めた複合材料を図面の裏表方向（燃焼室１０の内外方向ｙ）に沿って肉盛り溶接の如く溶着して第１層とし、その上に同様にして同じ材料を第１層よりも幅狭に溶着して第２層とし、以降同様の手順で溶着を繰り返し、山状のヘッド用突起１３を形成する。隣り合うヘッド用突起１３の第１層同士は繋がっており、複数のヘッド用突起１３から成るヘッド用突起群１５は、シリンダヘッド４のヘッド面１２の噴霧Ｆが到達する部分を覆っている。

また、例えば、図３の（ｂ）に示すように、金属製のシリンダヘッド４のヘッド面１２に、上述したセラミック単体やセラミック中に中空のセラミックビーズを閉じ込めた複合材料から形成した断面形状が三角形の角柱でヘッド用突起１３を形成してもよい。この場合は、隣り合うヘッド用突起１３同士は繋がっていないが、隣り合うヘッド用突起１３同
士を隙間なく並べることで、シリンダヘッド４のヘッド面１２の噴霧Ｆが到達する部分を覆っている。

次に、本発明に係る第１の実施の形態のエンジン１の動作について、図４及び図５を参照にしながら説明する。従来技術の場合（シリンダヘッド４のヘッド面１２にヘッド用突起１３が形成されていない場合）、インジェクタ５の噴孔５ａを微細且つ多噴孔にすると、燃料の噴霧Ｆがキャビティ１１の壁面１１ａに衝突した後に、シリンダヘッド４のヘッド面１２に到達し、燃焼室１０の周方向ｘに発達し、隣り合う噴霧Ｆ間の干渉が生じ易くなり、燃焼室１０内に過濃領域が形成され、その結果、スモーク（煤）の生成量が増えてしてしまう問題がある。

これに対して、第１の実施の形態のエンジン１において、インジェクタ５の複数の微細な噴孔５ａから噴射された燃料の噴霧Ｆは、キャビティ１１の壁面１１ａに衝突し、シリンダヘッド４のヘッド面１２に到達すると、図４の（ａ）と（ｂ）に示すように、複数の断熱素材で形成されたヘッド用突起１３の延在方向（燃焼室１０の内外方向ｙ）に対しては相対的に抵抗が少ないので断熱素材で形成されたヘッド用突起１３の延在方向に沿って広がる。一方で、断熱素材で形成されたヘッド用突起１３の延在方向に交差する方向（複数のヘッド用突起１３の隣接方向、若しくは燃焼室１０の周方向ｘ）に対しては複数の断熱素材で形成されたヘッド用突起１３に邪魔され相対的に抵抗が高いので広がりが抑えられる。

すなわち、複数の断熱素材で形成されたヘッド用突起１３は、噴霧Ｆが燃焼室１０の中央から放射線上に沿って広がるのを促すとともに、噴霧Ｆが複数のヘッド用突起群１５の隣接方向（燃料室１０の周方向ｘ）に広がるのを抑制する（抵抗となる）誘導部として作用する。

このことは、図５の（ａ）〜（ｄ）に示すように、インジェクタ５の各噴孔５ａから噴射された燃料の噴霧Ｆが、キャビティ１１の壁面１１ａに衝突した後、噴霧Ｆがシリンダヘッド４のヘッド面１２に到達しても、噴霧Ｆはシリンダヘッド４のヘッド面１２に沿って発達することなく、隣接する噴霧Ｆ（図示せず）と干渉することで過濃領域ＦＬが形成されてしまうことがない。

このように、本実施の形態１のエンジン１においては、燃焼室１０において燃料の噴霧Ｆがキャビティ１１の壁面１１ａに衝突した後に到達するシリンダヘッド４のヘッド面１２に複数のヘッド用突起１３を設けたことにより、燃料の噴霧Ｆが、ヘッド用突起１３に沿って広がるのを促し、複数のヘッド用突起１３に対して交差する方向に広がるのを抑制することができるので、互いに隣接する噴霧Ｆ、Ｆ間の干渉を抑制することができる。これにより、燃焼室１０内における燃料の過濃領域の形成を抑制することができる。その結果、スモークの生成を抑制することができる。

加えて、ヘッド用突起群１５のヘッド用突起１３を断熱素材で形成するので、噴霧Ｆが衝突するシリンダヘッド４のヘッド面１２が断熱素材でカバーされた状態となり、噴霧Ｆがヘッド用突起群１５の部分に到達した際、噴霧Ｆからシリンダヘッド４のヘッド面１２（燃焼室１０の壁面）への熱損失が低減される。よって、かかる熱損失に起因する燃費の悪化を低減することができる。

さらに、ヘッド用突起１３を、インジェクタ５からキャビティ１１に向けて噴射される燃料の噴射方向Ｆｘに対し、シリンダヘッド４の下面視で平行に形成すると、ヘッド用突起１３は、燃焼室１０の周方向ｘに広がろうとする燃料に対して直交する配置となり、燃焼室１０の周方向ｘに広がろうとする燃料に、的確に抵抗を与えることができる。

次に、本発明に係る第２の実施の形態の内燃機関について、図６〜図８を参照しながら説明する。このエンジン２０は、図１に示す、第１の実施の形態の構成に加えて、図６に示すように、キャビティ１１の壁面１１ａにキャビティ１１の内外方向に沿って設けられ、断熱素材で形成された複数のキャビティ用突起１６を備え、ヘッド用突起１３とキャビティ用突起１６を対向一致するように配置する。

このキャビティ用突起１６は、例えば、特開２０１１−１７４３８８号公報で開示されている公知の技術の突起を用いることができる。また、図７に示すように、キャビティ用突起１６からなるキャビティ用突起群１８がキャビティ１１の壁面１１ａに衝突する部分の夫々に形成されている。このキャビティ用突起群１８の隣り合うキャビティ用突起１６の間にはキャビティ用溝１７を形成する。また、隣り合うキャビティ用突起群１８の間にキャビティ用突起１６が存在しない領域Ｂが形成されている。

ヘッド用突起群１５とキャビティ用突起群１８は、燃焼室１０を平面視で重なる位置に配置され、ヘッド用突起群１５のヘッド用突起１３と、キャビティ用突起群１８のキャビティ用突起１６も同様に、燃焼室１０を平面視で重なる、つまり対向一致するように配置される。詳しくは、図８の（ａ）に示すように、ヘッド用突起群１５の凸部とキャビティ用突起群１８の凸部と、また、ヘッド用突起群１５の凹部とキャビティ用突起群１８の凹部とを平面視で一致させる。

これにより、燃料の噴霧Ｆが衝突する部分と、衝突後に到達する部分の両方を断熱素材で覆うことができ、噴霧Ｆからキャビティ１１の壁面１１ａ（燃焼室１０の壁面）への熱損失と、シリンダヘッド４のヘッド面１２（燃焼室１０の壁面）への熱損失の両方が低減される。よって、かかる熱損失に起因する燃費の悪化をより低減することができる。

次に、このエンジン２０の動作について、図７を参照しながら説明する。まず、インジェクタ５の各噴孔５ａから噴射された燃料の噴霧Ｆは、キャビティ１１の壁面１１ａに設けられたキャビティ用突起群１８の部分に衝突する。

次に、キャビティ用突起群１８に衝突した燃料は、キャビティ用突起群１８を構成する断熱素材で形成したキャビティ用突起１６に案内されてキャビティ１１の内外方向ｙに広がり、キャビティ用突起１６が、キャビティ１１の周方向ｘに広がろうとする燃料が乗り越える際の堤防（抵抗）として機能することで、キャビティ１１の周方向ｘへの広がりが抑制される。

次に、キャビティ１１の壁面１１ａに衝突した燃料は、キャビティ１１の上方に舞い上がり、シリンダヘッド４のヘッド面１２に到達する。

次に、ヘッド面１２に到達した燃料は、ヘッド用突起群１５を構成する断熱素材で形成したヘッド用突起１３に案内されて燃焼室１０の内外方向ｙに広がり、ヘッド用突起１３が、燃焼室１０の周方向ｘに広がろうとする燃料が乗り越える際の堤防（抵抗）として機能することで、燃焼室１０の周方向ｘへの広がりが抑制される。

従って、インジェクタ５の各噴孔５ａから噴射された燃料の噴霧Ｆが、キャビティ１１の壁面１１ａに衝突し、壁面１１ａに設けた複数のキャビティ用突起１６により、キャビティ１１の周方向ｘに広がることが抑えられ、さらに、その後、シリンダヘッド４のヘッド面１２に到達しても、シリンダヘッド４のヘッド面１２に設けた複数のヘッド用突起１３により、ヘッド面１２に沿って周方向ｘに広がることが抑えられ、隣り合う噴霧Ｆ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でき、スモークの発生を低減できる。

加えて、ヘッド用突起１３を断熱素材で形成し、且つキャビティ用突起１６を断熱素材で形成したので、噴霧Ｆが到達するシリンダヘッド４のヘッド面１２と、噴霧Ｆが衝突するキャビティ１１の壁面１１ａの両方が断熱素材でカバーされた状態となり、噴霧Ｆから燃焼室１０の壁面（壁面１１ａ及びヘッド面１２を含む）への熱損失が低減される。よって、かかる熱損失に起因する燃費の悪化を低減することができる。

本発明の内燃機関は、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衝突した後にシリンダヘッドに到達して、燃焼室の周方向に広がり、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。加えて、燃料から燃焼室への熱損失が低減されるので、燃費の悪化を低減することができる。

これらにより、インジェクタの噴孔径を小さく、且つ噴孔数を多くしても、煤の発生を低減し、ＰＣＩ燃焼の燃焼領域を拡大し、ＮＯｘとＰＭを同時に効率よく低減すると共に、燃費の悪化を低減することができるので、特にディーゼルエンジンを搭載するトラックなどの車両に利用することができる。

１、２０ エンジン（内燃機関）
２ シリンダ
３ ピストン
４ シリンダヘッド
５ インジェクタ
６ 吸気ポート
７ 吸気バルブ
８ 排気ポート
９ 排気バルブ
１０ 燃焼室
１１ キャビティ
１２ ヘッド面
１３ ヘッド用突起
１４ ヘッド用溝
１５ ヘッド用突起群
１６ キャビティ用突起
１７ キャビティ用溝
１８ キャビティ用突起群

Claims (6)

1. ピストンの頂部に凹設され燃焼室の一部を形成するキャビティと、前記キャビティに対向するシリンダヘッドのヘッド面と、このヘッド面に配置され、前記キャビティの壁面に、周方向に間隔を隔てて複数の燃料の噴霧を噴射するインジェクタと、を備える内燃機関において、
   前記ヘッド面の、前記インジェクタから噴射された前記噴霧が前記キャビティの壁面に衝突した後に到達する部分のそれぞれに位置して設けられた複数のヘッド用突起群を備え、
   これらのヘッド用突起群のそれぞれが複数のヘッド用突起を有しており、一つの前記ヘッド用突起群におけるそれらのヘッド用突起が互いに前記燃焼室の周方向に隣接していることを特徴とする内燃機関。
2. 前記ヘッド用突起が断熱素材で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記ヘッド用突起群において、複数の前記ヘッド用突起が、前記インジェクタから前記キャビティに向けて噴射される燃料の噴射方向に対し、平行に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
4. 前記キャビティの壁面に、前記噴霧が衝突する部分のそれぞれに位置して設けられた複数のキャビティ用突起群を備え、
   これらのキャビティ用突起群のそれぞれが複数のキャビティ用突起を有しており、一つの前記キャビティ用突起群におけるそれらのキャビティ用突起が互いにそのキャビティの周方向に隣接しており、
   前記ヘッド用突起群と前記キャビティ用突起群とが対向一致するように配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。
5. 前記キャビティ用突起が断熱素材で形成されていることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関。
6. 前記インジェクタからの燃料の噴射時期を、前記ピストンの圧縮上死点よりも早期にし
   て、前記燃料の噴射完了後に着火する予混合圧縮着火燃焼を行う運転領域を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関。

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