JP6090638B2 - エンジンの燃焼室構造 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの燃焼室構造に係わり、特に、所定の運転領域において燃料を圧縮行程で噴射するエンジンの燃焼室構造に関する。

一般的には、ガソリン又はガソリンを主成分とする燃料を用いるエンジンでは、点火プラグによって着火する火花点火方式が広く採用されている。一方、最近では、燃費の向上を図る観点などから、エンジンの幾何学的圧縮比として高圧縮比（例えば１７以上）を適用して、ガソリン又はガソリンを主成分とする燃料を用いつつ、所定の運転領域において、圧縮自己着火（具体的にはＨＣＣＩ（Homogeneous-Charge Compression Ignition）と呼ばれる予混合圧縮自己着火）を行う技術が開発されている。

このような圧縮自己着火を行うようにしたエンジンに関する技術が、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１には、低負荷領域では圧縮自己着火を行い、高負荷領域では火花点火によって着火するエンジンにおいて、高負荷領域では、ピストンのキャビティ内に燃料を噴射して、この燃料を含む混合気が点火プラグ周りに輸送されたタイミングで点火を実施するようにした技術が開示されている。

特開２０１２−１７２６６２号公報

上記したようなエンジンでは、高負荷領域（特に高負荷低回転域）において、圧縮行程にて燃料を噴射している、具体的には燃料噴射開始時期を遅角側に設定して燃料噴射（所謂リタード噴射）を実施している。そのようなエンジンでは、圧縮上死点付近のタイミングで燃料を噴射するときには、ピストンが燃料噴射弁にかなり近いため、燃料をキャビティ内に噴射することができる噴射角の範囲が広いので、燃料噴射弁からの噴射角を厳密に設定せずとも、燃料を適切にキャビティ内に噴射することができる。しかしながら、圧縮行程において早いタイミングで燃料を噴射するとき（つまり圧縮行程における噴射タイミングの進角度合いが大きい場合）には、ピストンが燃料噴射弁から離れているため、燃料をキャビティ内に噴射することができる噴射角の範囲が狭くなるので、燃料を適切にキャビティ内に噴射することが困難となる。このように圧縮行程において早いタイミングで燃料を噴射する場合にも燃料を適切にキャビティ内に噴射させるためには、噴射角を厳密に設定する必要があると言える。

ここで、燃料がキャビティ内に噴射されずに、シリンダ側壁（例えばシリンダライナなど）に噴射された場合には、燃料がシリンダ側壁に付着したまま燃焼されなかったり（つまり未燃が生じる）、シリンダ側壁に付着した燃料がピストンリングにより掻き出されて、エンジンオイルに混じってオイル希釈が生じてしまったりする。また、燃料がシリンダ側壁に噴射されなくても、キャビティの外側のピストン上面に噴射された場合には、燃料がピストン径方向外方に移動してシリンダ側壁に付着することで、上記と同様の問題が発生する可能性がある。これに対して、燃料をキャビティ内に噴射すると、燃料がキャビティ内にとどまり、シリンダ側壁のほうに移動してしまうことを抑制できる。

ところで、燃料噴射弁から噴射された燃料は、ある程度の距離を進むと、初期分裂を起こして粒状になることが知られている。燃料噴射弁から噴射された燃料が燃焼室壁面（ピストン上面など）に衝突するときに、当該燃料が初期分裂を起こした後の状態のものであれば、初期分裂を起こす前の燃料が燃焼室壁面に衝突する場合と比較して、燃料の蒸発性が向上し、燃焼安定性が改善するものと考えられる。したがって、上記のように燃料をキャビティ内に噴射するエンジンでは、このように初期分裂を起こした後の燃料をキャビティ表面に衝突させるように構成することが好ましいと言える。

本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、適切な噴射角で燃料を噴射することにより、燃料を確実にキャビティ内に噴射することができると共に、分裂長さ以上の距離で燃料をキャビティ表面に衝突させることができるエンジンの燃焼室構造を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、所定の高負荷運転領域において燃料を圧縮行程で噴射して圧縮上死点後に点火プラグにより点火を行うエンジンの燃焼室構造であって、上面の中央部に下方に凹んだキャビティが形成され、このキャビティの中央部に上方に突出した山形の突起部が形成されたピストンと、ピストンの上方で、且つピストンの中心軸線上に設けられた燃料噴射弁であって、エンジンの運転状態に応じて圧縮行程において燃料を噴射させるタイミングが変化され、キャビティの突起部に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁と、を有し、ピストンが圧縮上死点に位置するときに、燃焼室側の点火プラグの先端部が、キャビティにより形成される空間に対して上方に離間した位置に配置され、圧縮行程において燃料が噴射される全てのタイミングにおいて、（１）ピストンのキャビティ内に燃料が噴射されるという第１の条件と、（２）燃料噴射弁の燃料噴射位置からピストンのキャビティに燃料が衝突する位置までの噴霧衝突距離が、燃料噴射弁の燃料噴射位置から燃料の初期分裂が生じる位置までの長さである分裂長さよりも大きくなるという第２の条件と、の両方が成立するように、燃料噴射弁からの燃料の噴射角が設定され、第２の条件は、圧縮上死点において燃料噴射弁から燃料を噴射させたときに、噴霧衝突距離が分裂長さよりも大きくなるという条件であり、ピストンが圧縮上死点に位置するときに、燃料噴射弁から噴射された燃料がキャビティの最深部よりも突起部側の位置において衝突するように、噴射角が設定されている、ことを特徴とする。
このように構成された本発明においては、燃料噴射弁の噴射角を適切に設定することで、圧縮行程において燃料を噴射させるタイミングの全てにおいて、噴霧衝突距離を分裂長さよりも大きくすることができると共に、燃料をピストンのキャビティ内に確実に噴射させることができる。したがって、ピストンのキャビティ内に燃料を確実に噴射させることにより、燃料がシリンダ側壁に付着することを抑制することができる。また、噴霧衝突距離を分裂長さよりも大きくして燃料をキャビティの表面に衝突させることにより、キャビティの表面への燃料の付着量を低減させて、燃料の蒸発性を向上させることができ、燃焼安定性を改善してスモークを抑制することが可能となる。また、圧縮上死点において規定された第２の条件を用いることで、分裂長さよりも大きな噴霧衝突距離をより効果的に確保することが可能となる。

本発明において、好ましくは、第１の条件は、圧縮行程において最も早いタイミングで燃料噴射弁から燃料を噴射させたときに、ピストンのキャビティ内に燃料が噴射されるという条件である。
このように構成された本発明によれば、圧縮行程において燃料噴射を行う最も早いタイミングにて規定された第１の条件を用いることで、ピストンのキャビティ内への燃料噴射をより効果的に確保することが可能となる。

好適な例では、キャビティ径を「Ｒｃ」とし、圧縮行程において最も早いタイミングで燃料噴射弁から燃料を噴射させるときのピストンの上面の位置から燃料噴射弁までの距離を「Ｌｐ」とし、燃料噴射弁からの燃料の噴射角を「α」とすると、第１の条件は、以下の式（１）によって表すことができる。
Ｒｃ＞Ｌｐ・ｔａｎα 式（１）

好適な例では、キャビティ深さを「Ｄｃ」とし、燃料噴射弁から噴射させる燃料の燃圧を「Ｐｆ」とし、燃焼室内の圧力を「Ｐａ」とし、燃料噴射弁からの燃料の噴射角を「α」とし、所定の係数を「ｋ」とすると、第２の条件は、以下の式（２）によって表すことができる。
Ｄｃ＞ｋ・Ｐａ・ｃｏｓα／｛２（Ｐｆ−Ｐａ）｝ 式（２）

本発明のエンジンの燃焼室構造によれば、適切な噴射角で燃料を噴射することにより、燃料を確実にキャビティ内に噴射することができると共に、分裂長さ以上の距離で燃料をキャビティ表面に衝突させることができる。

本発明の実施形態によるエンジンの燃焼室構造が適用された１つの気筒をシリンダ軸線方向の上方から見た概略平面図である。 本発明の実施形態によるピストンをシリンダ軸線方向の上方から見た平面図である。 図１中のIII−IIIに沿って見た、本発明の実施形態によるピストン及びシリンダヘッドなどの一部分の断面図である。 燃圧に応じた噴霧衝突距離と蒸気量改善率との関係を示す図であって、燃料の分裂長さについての説明図である。 図３と同様の、本発明の実施形態によるピストン及びシリンダヘッドなどの一部分の断面図であって、噴射角を種々に変化させた場合の燃料の衝突位置についての説明図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態によるエンジンの燃焼室構造について説明する。

ここで、本発明の実施形態の内容を説明する前に、本発明の実施形態によるエンジンの前提としている構成について簡単に説明する。本発明の実施形態によるエンジンは、例えば幾何学的圧縮比が１４以上（好適には１７〜１８）である高圧縮比で運転すると共に、所定の運転領域（例えば低回転・高負荷域）において、圧縮行程にて燃料を噴射し、具体的には燃料噴射開始時期を遅角側に設定して燃料噴射（リタード噴射）を実施して、圧縮上死点後に点火を行うものである。また、本発明の実施形態によるエンジンは、所定の低負荷領域において、ＨＣＣＩと呼ばれる予混合圧縮自己着火を行うものである。

図１は、本発明の実施形態によるエンジンの燃焼室構造が適用された１つの気筒をシリンダ軸線方向の上方から見た概略平面図である。図１において、符合Ｚは紙面直角方向に伸びるシリンダ軸線を示し、符合Ｙは、紙面上下方向に伸びるクランク軸線を示す。また、符号Ｘは、シリンダの中心軸線を通り、クランク軸線Ｙに直交する線分を示す。

図１に示すように、１つの気筒（シリンダ）には、クランク軸線Ｙを挟んで一方側（図中左側）の領域に、２つの吸気バルブ１Ａ、１Ｂが配設されている。この２つの吸気バルブ１Ａ、１Ｂは、クランク軸線Ｙ方向に並んで配設されている。図１中の符号５は、吸気バルブ１Ａ、１Ｂにより開閉される吸気ポートを示している。なお、以下では、２つの吸気バルブ１Ａ、１Ｂを区別しないで用いる場合には、単に「吸気バルブ１」と表記する。

また、１つの気筒（シリンダ）には、クランク軸線Ｙを挟んで他方側（図中右側）の領域において、２つの排気バルブ２Ａ、２Ｂが配設されている。２つの排気バルブ２Ａ、２Ｂは、クランク軸線Ｙ方向に並んで配設されている。図１中の符号６は、排気バルブ２Ａ、２Ｂにより開閉される排気ポートを示している。なお、以下では、２つの排気バルブ２Ａ、２Ｂを区別しないで用いる場合には、単に「排気バルブ２」と表記する。

また、シリンダ軸線Ｚ上に、１つの燃料噴射弁３が配設されている。加えて、吸気バルブ１Ａと吸気バルブ１Ｂとの間には、第１点火プラグ４Ａが配設され、排気バルブ２Ａと排気バルブ２Ｂとの間には、第２点火プラグ４Ｂが配設されている。なお、以下では、２つの第１点火プラグ４Ａ及び第２点火プラグ４Ｂを区別しないで用いる場合には、単に「点火プラグ４」と表記する。

図２は、本発明の実施形態によるピストンをシリンダ軸線方向の上方から見た平面図である。

図２に示すように、ピストン１０の上面（言い換えると冠面／頂面）の中央部には、下方に凹んだキャビティ１１が形成されている。キャビティ１１は、シリンダ軸線Ｚ方向から見たとき円形とされており、その中央部には、山形の突起部１１ａが形成されている。また、キャビティ１１は、その両端に２つの凹部１２Ａ、１２Ｂが連なって構成されている。キャビティ１１の突起部１１ａの真上に燃料噴射弁３が配置され、キャビティ１１の凹部１２Ａ内に第１点火プラグ４Ａが配置され、キャビティ１１の凹部１２Ｂ内に第２点火プラグ４Ｂが配置される。

また、ピストン１０の上面には、例えば１ｍｍ程度、下方に凹んだ４つのバルブリセス１５Ａ、１５Ｂ、１６Ａ、１６Ｂが設けられている。バルブリセス１５Ａは吸気バルブ１Ａに対応する位置に設けられ、バルブリセス１５Ｂは吸気バルブ１Ｂに対応する位置に設けられ、バルブリセス１６Ａは排気バルブ２Ａに対応する位置に設けられ、バルブリセス１６Ｂは排気バルブ２Ｂに対応する位置に設けられている。更に、ピストン１０の上面には、キャビティ１１及びバルブリセス１５Ａ、１５Ｂ、１６Ａ、１６Ｂを除いた部分が、シリンダ軸線Ｚと直交する方向に伸びるほぼ平坦面とされており、図２では、この平坦面部分を符合１０Ａで示してある（以下では、平坦面部分を適宜「ピストン上面部１０Ａ」と表記する）。

図３は、図１中のIII−IIIに沿って見た、本発明の実施形態によるピストン１０及びシリンダヘッド３０などの一部分の断面図である。特に、図３は、ピストン１０が圧縮上死点に位置するときの図を示している。また、図３では、燃料噴射弁３及び点火プラグ４については、断面ではなく側面を図示している。なお、図３では、説明の便宜上、燃料噴射弁３から噴射された燃料を含む混合気が右側の方向に流れていくものののみを図示している。実際には、燃料噴射弁３からは、燃焼室内に均一に燃料が噴射されるように、軸対称に傘状に燃料が噴霧される。

図３において、符号Ｒｃは、キャビティ１１の半径であるキャビティ径を示し、符号Ｄｃは、ピストン１０が上死点（圧縮上死点）に位置するときの、燃料噴射弁３とキャビティ１１の最深部とのシリンダ軸線方向に沿った距離であるキャビティ深さを示し、符号αは、シリンダ軸線（つまり燃料噴射弁３の中心軸線）を基準にして規定された、燃料噴射弁３からの燃料の噴射角を示している。また、符号Ｌ１は、圧縮上死点において燃料噴射弁３から燃料を噴射したときに、燃料噴射弁３の燃料噴射位置から燃料がキャビティ１１に衝突するまでの距離（噴霧衝突距離）を示している。

図３に示すように、本実施形態では、燃料噴射弁３からキャビティ１１に向けて燃料を噴射するようにする、つまりキャビティ１１内に燃料を噴射するようにする。また、本実施形態では、圧縮上死点において燃料噴射弁３から燃料を噴射したときの噴霧衝突距離Ｌ１が、燃料噴射弁３の燃料噴射位置から燃料の初期分裂が生じる位置までの長さ（分裂長さ）よりも大きくなるようにする。具体的には、本実施形態では、燃料噴射弁３からの燃料が確実にキャビティ１１内に噴射され、且つ、噴霧衝突距離Ｌ１が分裂長さよりも大きくなるように、キャビティ径Ｒｃやキャビティ深さＤｃなどに応じて、燃料噴射弁３の噴射角αを設定する。

ここで、図４を参照して、上記した燃料の分裂長さについて具体的に説明する。図４は、横軸に、燃料噴射弁３から噴射された燃料が燃焼室壁面（例えばピストン１０の上面）に衝突するまでの噴霧衝突距離を示し、縦軸に、燃料噴射弁３から噴射された燃料の燃焼室内での蒸発度合いに相当する蒸気量改善率を示している。基本的には、蒸気量改善率が高いほど、燃料の蒸発度合いが高く、燃焼安定性が向上する。また、グラフＧ１は、比較的高い燃圧（例えば１２０ＭＰａ）の燃料を用いた場合の噴霧衝突距離と蒸気量改善率との関係を示し、グラフＧ２は、グラフＧ１よりも低い燃圧（例えば８０ＭＰａ）の燃料を用いた場合の噴霧衝突距離と蒸気量改善率との関係を示している。グラフＧ１、Ｇ２より、燃圧が高いほうが、蒸気量改善率が高いことがわかる。これは、燃圧が高くなると、燃料噴霧の微粒化が進みやすくなるからである。

更に、グラフＧ１より、噴霧衝突距離が距離ＢＬ１未満では、噴霧衝突距離によらずに蒸気量改善率がほぼ一定であるが、噴霧衝突距離が距離ＢＬ１以上となると、噴霧衝突距離が大きくなるほど、蒸気量改善率が高くなることがわかる。同様に、グラフＧ２より、噴霧衝突距離が距離ＢＬ２未満では、噴霧衝突距離によらずに蒸気量改善率がほぼ一定であるが、噴霧衝突距離が距離ＢＬ２以上となると、噴霧衝突距離が大きくなるほど、蒸気量改善率が高くなることがわかる。

ここで、燃料噴射弁３から噴射された燃料は、ある程度の距離（つまり分裂長さ）を進むと、初期分裂を起こして粒状になることが知られている。このように初期分裂を起こした後の燃料が燃焼室壁面に衝突した場合には、初期分裂を起こす前の燃料が燃焼室壁面に衝突した場合よりも、燃料の蒸発性が向上するものと考えられる。つまり、初期分裂を起こす位置の下流側で燃料が燃焼室壁面に衝突した場合には、初期分裂を起こす位置の上流側で燃料が燃焼室壁面に衝突した場合よりも、燃料の壁面付着が低減することで、燃料の蒸発量が増大するものと考えられる。したがって、上記したような、蒸気量改善率が上昇し始める距離ＢＬ１、ＢＬ２は、燃料の初期分裂が生じた分裂長さに相当するものと考えられる。また、燃圧が高くなると燃料噴霧の微粒化が進みやすくなるため、グラフＧ１に示す比較的高い燃圧のほうが、グラフＧ２に示す比較的低い燃圧よりも、分裂長さが短くなったものと考えられる。

なお、実験又はシミュレーションによれば、１２０ＭＰａの燃圧の燃料を用いた場合には分裂長さ（距離ＢＬ１に対応する）が１５ｍｍ程度となり、８０ＭＰａの燃圧の燃料を用いた場合には分裂長さ（距離ＢＬ２に対応する）が２０ｍｍ程度となるという結果が得られた。

図３に戻ると、圧縮上死点において燃料噴射弁３から燃料を噴射したときの噴霧衝突距離Ｌ１は、キャビティ深さＤｃ及び噴射角αを用いて、以下の式（３）で表すことができる。
Ｌ１＝Ｄｃ／ｃｏｓα 式（３）

他方で、燃料噴射弁３の燃料噴射位置から燃料の初期分裂が生じる位置までの分裂長さを「ＢＬ」と表記すると、この分裂長さＢＬは、燃料噴射弁３から噴射させる燃料の燃圧を示す「Ｐｆ」と、燃焼室内の圧力を示す「Ｐａ」と、所定の係数を示す「ｋ」とを用いて、以下の式（４）で表すことができる。
ＢＬ＝ｋ・Ｐａ／｛２（Ｐｆ−Ｐａ）｝ 式（４）
この式（４）は、１２０ＭＰａの燃圧を用いた場合に分裂長さが１５ｍｍ程度となり、８０ＭＰａの燃圧を用いた場合に分裂長さが２０ｍｍ程度となるという実験結果又はシミュレーション結果に基づき、ベルヌーイの定理をベースに導出されたものである。この場合、燃焼室内の圧力Ｐａは、例えば４ＭＰａである。また、所定の係数ｋは、燃料噴射弁３の噴霧孔の径などに応じた値であり、例えば０．８〜０．９である。

本実施形態では、初期分裂を起こした後の燃料をキャビティ１１の表面に衝突させて、つまり初期分裂を起こす位置の下流側で燃料をキャビティ１１の表面に衝突させて、燃料のキャビティ１１の表面への付着量を低減させて、燃料の蒸発性を改善すべく、上述したように、圧縮上死点において燃料噴射弁３から燃料を噴射したときの噴霧衝突距離Ｌ１が分裂長さＢＬよりも大きくなるようにする。具体的には、「Ｌ１＞ＢＬ」という条件式が成立するように、式（３）及び式（４）を適用した以下の式（５）に基づいて、燃料噴射弁３の噴射角αを設定するようにする。
Ｄｃ＞ｋ・Ｐａ・ｃｏｓα／｛２（Ｐｆ−Ｐａ）｝ 式（５）

なお、上記したように、圧縮上死点において燃料を噴射させたときの噴霧衝突距離Ｌ１を分裂長さＢＬよりも大きくなるようにすれば、当然、圧縮上死点よりも前のタイミング（つまりより進角側のタイミング）で燃料を噴射させたときにも、噴霧衝突距離が分裂長さＢＬよりも大きくなる。これは、圧縮上死点よりも前のタイミングにおけるピストン１０の位置が、圧縮上死点におけるピストン１０の位置よりも、燃料噴射弁３から離れたものとなるからである。

更に、本実施形態では、エンジンの運転状態（例えばエンジン回転数、エンジン負荷、有効圧縮比など。また、適用する燃料の燃圧も含む）に応じて圧縮行程において燃料を噴射させるタイミングを種々に変化させるが、そのような圧縮行程において燃料を噴射させるタイミングの全てにおいて、燃料がピストン１０のキャビティ１１内に適切に噴射されるようにする。ここで、上述した噴霧衝突距離Ｌ１が分裂長さＢＬよりも大きいという条件（第１の条件）を満たすためには、燃料噴射弁３の噴射角αを大きくすればよいが（噴射角αを大きくすると噴霧衝突距離Ｌ１が大きくなるので）、噴射角αを大きくし過ぎると、燃料がキャビティ１１内に適切に噴射されなくなる。特に、圧縮行程において早いタイミングで燃料を噴射するとき（つまり圧縮行程における噴射タイミングの進角度合いが大きい場合）には、ピストン１０が燃料噴射弁３から離れているため、噴射角αが大きいと、燃料がキャビティ１１内に適切に噴射されなくなる。この場合にキャビティ１１内に燃料を適切に噴射させるためには、燃料噴射弁３の噴射角αを小さくするのが望ましい。したがって、本実施形態では、圧縮行程において燃料を噴射させるタイミングの全てにおいて、噴霧衝突距離Ｌ１が分裂長さＢＬよりも大きいという条件（第１の条件）と、ピストン１０のキャビティ１１内に燃料が適切に噴射されるという条件（第２の条件）の両方が満たされるように、燃料噴射弁３の噴射角αを設定する。

具体的には、本実施形態では、第２の条件として、圧縮行程において最も早いタイミングで燃料を噴射させたとき（つまり圧縮行程における噴射タイミングの進角度合いが最も大きい場合）に、ピストン１０のキャビティ１１内に燃料が適切に噴射されるという条件を用いて、燃料噴射弁３の噴射角αを設定するようにする。こうするのは、圧縮行程において最も早いタイミングで燃料を噴射させたときに燃料がキャビティ１１内に適切に噴射されるように噴射角αを設定すれば、圧縮行程において燃料を噴射する他のタイミングでは、ピストン１０が燃料噴射弁３により近付いているため、当然、燃料がキャビティ１１内に適切に噴射されることとなるからである。
なお、圧縮行程において燃料噴射を行う最も早いタイミングは、火花点火をきっかけにした正常な燃焼開始時期よりも前に混合気が自着火するプリイグニッションを抑制する観点などから、エンジン回転数やエンジン負荷や有効圧縮比や燃料の燃圧などに基づいて定められる。

図５を参照して、燃料をキャビティ１１内に適切に噴射させるべく燃料噴射弁３の噴射角αを設定する手法について具体的に説明する。

図５は、燃料噴射弁３の噴射角αを種々に変化させた場合の燃料の衝突位置の具体例を示している。図５も、図３と同様に、図１中のIII−IIIに沿って見た、本発明の実施形態によるピストン１０及びシリンダヘッド３０などの一部分の断面図である。特に、図５は、圧縮行程において最も早いタイミングで燃料を噴射させるとき（圧縮行程における噴射タイミングの進角度合いが最も大きいときであり、例えば上死点前４５°）における、ピストン１０の位置を図示している。この場合、図５中の符号Ｌｐが、そのような状態にあるピストン１０の上面の位置と燃料噴射弁３の位置とのシリンダ軸線方向に沿った距離を示している。また、図５では、燃料噴射弁３及び点火プラグ４については、断面ではなく側面を図示している。なお、図５では、説明の便宜上、燃料噴射弁３から噴射された燃料を含む混合気が右側の方向に流れていくものののみを図示している。

図５（Ａ）は、比較的大きい噴射角α１で燃料を噴射させた場合を示している。この場合には、燃料がシリンダライナ４０（ピストン１０の側面と摺動接触する部材）に衝突していることがわかる。燃料がシリンダライナ４０に衝突した場合、つまり所謂ライナウェットが生じた場合には、燃料がシリンダライナ４０に付着したまま燃焼されなかったり、シリンダライナ４０に付着した燃料がピストンリングにより掻き出されて、エンジンオイルに混じってオイル希釈が生じてしまったりする。

一方、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示した噴射角α１よりも小さい噴射角α２で燃料を噴射させた場合を示している。この場合には、燃料がシリンダライナ４０には衝突しないが、燃料がキャビティ１１の外側のピストン上面部１０Ａに衝突していることがわかる。燃料がピストン上面部１０Ａに衝突した場合にも、燃料がピストン径方向外方に移動してシリンダライナ４０に付着することで、上記したライナウェットが生じる可能性がある。

一方、図５（Ｃ）は、図５（Ｂ）に示した噴射角α２よりも更に小さい噴射角α３で燃料を噴射させた場合を示している。この場合には、燃料がピストン１０のキャビティ１１内に適切に噴射されていることがわかる。燃料がキャビティ１１内に噴射された場合には、燃料がキャビティ１１内にとどまり、シリンダライナ４０のほうに移動してしまうことを抑制できる、つまり上記したライナウェットの発生を抑制することができる。このようにキャビティ１１内に噴射された燃料は、キャビティ１１内にとどまって、徐々に蒸発していき、上方向に流れていく。

本実施形態では、ライナウェットを抑制する観点などから、図５（Ｃ）に示したような噴射角α３を採用して、圧縮行程において燃料を噴射させるタイミングの全てにおいてキャビティ１１内に燃料が適切に噴射されるようにする。ここで、圧縮行程において最も早いタイミングで噴射させた燃料を適切にキャビティ１１内に噴射させることが可能な噴射角αは、以下のようにして一般化して表すことができる。

圧縮行程において最も早いタイミングで噴射させた燃料を適切にキャビティ１１内に噴射させるためには、燃料噴射弁３からの噴射角αに対応する直線（断面で見たときのものであり、言い換えると燃料噴射方向に対応する直線である。）がピストン１０の上面に沿った平面（ピストン１０の上面だけでなく、ピストン１０の上面を延長した面も含む）に交わる位置と、ピストン１０の上面の中心点との距離（以下では「距離Ｌ２」と表記する。）を、キャビティ径Ｒｃよりも小さくすればよい。つまり、「Ｒｃ＞Ｌ２」が成立すればよい。この距離Ｌ２は、図５に示すような、圧縮行程において最も早いタイミングで燃料を噴射させるときのピストン１０の上面の位置と燃料噴射弁３の位置との距離Ｌｐを用いて、以下の式（６）で表すことができる。
Ｌ２＝Ｌｐ・ｔａｎα 式（６）

したがって、式（６）から、圧縮行程において最も早いタイミングで噴射させた燃料を適切にキャビティ１１内に噴射させるためには、以下の式（７）が満たされるように、燃料噴射弁３の噴射角αを設定すればよい。
Ｒｃ＞Ｌｐ・ｔａｎα 式（７）

以上をまとめると、本実施形態では、圧縮行程において燃料を噴射させるタイミングの全てにおいて、噴霧衝突距離Ｌ１が分裂長さＢＬよりも大きいという第１の条件、及び、ピストン１０のキャビティ１１内に燃料が適切に噴射されるという第２の条件が満たされるように、上記した式（５）及び式（７）の両方が成立するような燃料噴射弁３の噴射角αを設定するようにする。

なお、コンロッド長を「ｃ」とし、クランク軸の半径を「ｒ」とすると（ｒはストローク長の半分の長さ）、或るクランク角θにおける、クランク軸の中心からピストン１０までの距離ｘは、以下の式（８）で表される。
ｘ＝ｒｃｏｓθ＋｛ｃ²−（ｒｓｉｎθ）²｝^1/2 式（８）
したがって、圧縮行程において燃料噴射を行う最も早いタイミングに対応するクランク角を「θ１」とすると、上記した距離Ｌｐは、式（８）より、以下の式（９）で表すことができる。
Ｌｐ＝ｒ（１−ｃｏｓθ１）＋ｃ−｛ｃ²−（ｒｓｉｎθ１）²｝^1/2 式（９）
ここで、上記では、クランク軸の中心からピストン１０までの距離ｘを用いていたが、この代わりに、ストローク量を用いてもよい。この場合、ストローク量を「Ｓ」とし、クランク軸の半径ｒとコンロッド長ｃとを「ρ」を用いて「ρ＝ｒ／ｃ」と表現すると、ストローク量Ｓは、以下の式（１０）で表すことができる。
Ｓ＝ｒ｛（１−ｃｏｓθ）＋ρ／４（１−ｃｏｓ２θ）｝ 式（１０）
このような式（１０）を用いて、距離Ｌｐを定義してもよい。

次に、本発明の実施形態によるエンジンの燃焼室構造の作用効果について説明する。本実施形態によれば、燃料噴射弁３の噴射角αを適切に設定することで、圧縮行程において燃料を噴射させるタイミングの全てにおいて、噴霧衝突距離Ｌ１を分裂長さＢＬよりも大きくすることができると共に、ピストン１０のキャビティ１１内に燃料を確実に噴射させることができる。したがって、ピストン１０のキャビティ１１内に燃料を確実に噴射させることにより、燃料がシリンダライナ４０に付着するライナウェットを抑制することができる。また、噴霧衝突距離Ｌ１を分裂長さＢＬよりも大きくすることにより、キャビティ１１の表面への燃料の付着量を低減させて、燃料の蒸発性を向上させることができ、燃焼安定性を改善してスモークを抑制することが可能となる。

１Ａ、１Ｂ 吸気バルブ
２Ａ、２Ｂ 排気バルブ
３ 燃料噴射弁
４Ａ 第１点火プラグ
４Ｂ 第２点火プラグ
１０ ピストン
１１ キャビティ
３０ シリンダヘッド
４０ シリンダライナ

Claims (4)

1. 所定の高負荷運転領域において燃料を圧縮行程で噴射して圧縮上死点後に点火プラグにより点火を行うエンジンの燃焼室構造であって、
   上面の中央部に下方に凹んだキャビティが形成され、このキャビティの中央部に上方に突出した山形の突起部が形成されたピストンと、
   上記ピストンの上方で、且つ上記ピストンの中心軸線上に設けられた燃料噴射弁であって、上記エンジンの運転状態に応じて圧縮行程において燃料を噴射させるタイミングが変化され、上記キャビティの突起部に向けて燃料を噴射する上記燃料噴射弁と、を有し、
   上記ピストンが圧縮上死点に位置するときに、燃焼室側の上記点火プラグの先端部が、上記キャビティにより形成される空間に対して上方に離間した位置に配置され、
   圧縮行程において燃料が噴射される全てのタイミングにおいて、（１）上記ピストンのキャビティ内に燃料が噴射されるという第１の条件と、（２）上記燃料噴射弁の燃料噴射位置から上記ピストンのキャビティに燃料が衝突する位置までの噴霧衝突距離が、上記燃料噴射弁の燃料噴射位置から燃料の初期分裂が生じる位置までの長さである分裂長さよりも大きくなるという第２の条件と、の両方が成立するように、上記燃料噴射弁からの燃料の噴射角が設定され、
   上記第２の条件は、圧縮上死点において上記燃料噴射弁から燃料を噴射させたときに、上記噴霧衝突距離が上記分裂長さよりも大きくなるという条件であり、
   上記ピストンが圧縮上死点に位置するときに、上記燃料噴射弁から噴射された燃料が上記キャビティの最深部よりも上記突起部側の位置において衝突するように、上記噴射角が設定されている、ことを特徴とするエンジンの燃焼室構造。
2. 上記第１の条件は、圧縮行程において最も早いタイミングで上記燃料噴射弁から燃料を噴射させたときに、上記ピストンのキャビティ内に燃料が噴射されるという条件である、請求項１に記載のエンジンの燃焼室構造。
3. キャビティ径を「Ｒｃ」とし、圧縮行程において最も早いタイミングで上記燃料噴射弁から燃料を噴射させるときの上記ピストンの上面の位置から上記燃料噴射弁までの距離を「Ｌｐ」とし、上記燃料噴射弁からの燃料の噴射角を「α」とすると、
   上記第１の条件は、以下の式（１）によって表される、請求項２に記載のエンジンの燃焼室構造。
   Ｒｃ＞Ｌｐ・ｔａｎα 式（１）
4. キャビティ深さを「Ｄｃ」とし、上記燃料噴射弁から噴射させる燃料の燃圧を「Ｐｆ」とし、燃焼室内の圧力を「Ｐａ」とし、上記燃料噴射弁からの燃料の噴射角を「α」とし、所定の係数を「ｋ」とすると、
   上記第２の条件は、以下の式（２）によって表される、請求項１に記載のエンジンの燃焼室構造。
   Ｄｃ＞ｋ・Ｐａ・ｃｏｓα／｛２（Ｐｆ−Ｐａ）｝ 式（２）

Images