JP6238702B2 - ディーゼルエンジン - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼルエンジンに関し、特に、シリンダ内に面するピストン頂面にキャビティが形成されたディーゼルエンジンに関する。

下記特許文献１のディーゼルエンジンでは、燃料をキャビティのリップ部に向かうように噴射し、着火遅れ期間に燃料噴霧をリップ部に到達させてリップ部付近に燃料蒸気を形成し、着火による燃料ガスの膨張流により、その着火位置前方の燃料蒸気をキャビティの周壁面に当ててキャビティの底の方へ誘導する。これによって、縦渦を促進し、ヒートスポットが特定部位で大きくならないようにするとともに、ヒートスポットを早く消滅させ、ＮＯの生成を抑制する一方、縦渦によって燃料ガス中の煤の再燃焼を促進している。

特開２００２−３６４３６７号公報 米国特許第８４５９２２９号明細書 特開２０１０−４８２６０号公報

特許文献１においては、キャビティ内外に発生するスキッシュ流、逆スキッシュ流、スワール流等の気流に頼って燃料と空気を混合している。本願発明者がシリンダ内の燃焼を可視化する実機実験を行ったところ、キャビティ１２ｂ内は全体が火炎に覆われ、空気が十分に使われているものの、図１５に示すように、ピストン頂面におけるキャビティ１２ｂより外周側の部分とシリンダヘッド下面との間に形成されるスキッシュエリア２２では、燃焼後半においても火炎が到達していない領域、すなわち空気が使われていない領域が多数存在していることがわかった。そのため、気流に頼って燃料と空気を混合するだけでは、シリンダ内の空気を燃焼に有効利用することが困難であり、スモーク排出量を低減することが困難となる。

本発明に係るディーゼルエンジンは、シリンダ内の空気を燃焼に有効利用してスモーク排出量を低減することを目的とする。

本発明に係るディーゼルエンジンは、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係るディーゼルエンジンは、シリンダ内に面するピストン頂面にキャビティが形成されたディーゼルエンジンであって、キャビティ内周壁には、シリンダ径方向内側へ突出する複数の突起部がシリンダ周方向に並んで形成され、燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかを各突起部に衝突させるように燃料噴射弁の噴孔から燃料を噴射し、各突起部は、衝突した燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかをシリンダ周方向両側及びシリンダ軸方向両側に振り分け、各突起部においては、シリンダ周方向に第１所定角度を成し、燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかをシリンダ周方向両側に振り分けるための第１及び第２ガイド面と、シリンダ軸方向に第２所定角度を成し、燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかをシリンダ軸方向両側に振り分けるための第３及び第４ガイド面が形成されていることを要旨とする。また、本発明に係るディーゼルエンジンは、シリンダ内に面するピストン頂面にキャビティが形成されたディーゼルエンジンであって、キャビティ内周壁には、シリンダ径方向内側へ突出する複数の突起部がシリンダ周方向に並んで形成され、燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかを各突起部に衝突させるように燃料噴射弁の噴孔から燃料を噴射し、各突起部は、衝突した燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかをシリンダ周方向両側及びシリンダ軸方向両側に振り分け、シリンダ周方向に隣接する突起部間には、突起部でシリンダ周方向両側に振り分けられた燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかをスキッシュエリアへ導くための段部が形成されており、各突起部の先端は、段部のシリンダ径方向内側面よりも、シリンダ径方向内側に位置していることを要旨とする。

本発明の一態様では、シリンダ周方向に隣接する突起部間には、突起部でシリンダ周方向両側に振り分けられた燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかをスキッシュエリアへ導くための段部が形成されていることが好適である。

本発明の一態様では、突起部と段部とのシリンダ軸方向高さ差のシリンダボア径に対する割合が０．０１７７より大きく且つ０．０５３１より小さいことが好適である。

本発明の一態様では、突起部においては、シリンダ周方向に第１所定角度を成し、燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかをシリンダ周方向両側に振り分けるための第１及び第２ガイド面と、シリンダ軸方向に第２所定角度を成し、燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかをシリンダ軸方向両側に振り分けるための第３及び第４ガイド面が形成されていることが好適である。

本発明の一態様では、突起部のシリンダ径方向長さとシリンダボア径の比が０．１１８より小さいことが好適である。

本発明の一態様では、シリンダ内にスワール流を形成する場合に、噴孔の中心軸が、シリンダ中心軸と突起部の先端を通る平面に対して、スワール上流側に傾斜していることが好適である。

本発明の一態様では、前記平面に対する噴孔の中心軸のスワール上流側への傾斜角度が９°より小さいことが好適である。

本発明の一態様では、突起部が、ピストン頂面における突起部より外周側の部分に対して、シリンダ軸方向下側に窪んでいることが好適である。

本発明の一態様では、ピストン頂面における突起部より外周側の部分と突起部とのシリンダ軸方向高さ差のシリンダボア径に対する割合が０．０２９５より小さいことが好適である。

本発明によれば、スキッシュエリアにおける燃料や火炎はシリンダ周方向により均一に広がったものとなり、スキッシュエリアにおける空気が燃焼に使用されない領域を大幅に減らすことができる。その結果、シリンダ内の空気を燃焼に有効利用することができ、スモーク排出量を低減することができる。

本発明の実施形態に係るディーゼルエンジンの概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るディーゼルエンジンの概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るディーゼルエンジンの概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るディーゼルエンジンの概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るディーゼルエンジンの概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るディーゼルエンジンにおける燃料噴霧や火炎の流れを説明する図である。 本発明の実施形態に係るディーゼルエンジンにおける火炎範囲の一例を示す図である。 キャビティ入口径とシリンダボア径の比ＤＣ／ＤＢを変化させた場合にスモーク排出量を測定した実機実験結果を示す図である。 突起部３２のシリンダ径方向長さとキャビティ基準径の比（Ｄ２−Ｄ１）／（２×Ｄ０）を変化させた場合にスモーク排出量を測定した実機実験結果を示す図である。 シリンダ中心軸１１ａと突起部３２の先端を通る平面１１ｂに対する噴孔１３ａの中心軸のスワール上流側への傾斜角度θを変化させた場合にスモーク排出量を測定した実機実験結果を示す図である。 突起部３２と段部３４とのシリンダ軸方向高さ差のキャビティ基準径に対する割合Ｈ１／Ｄ０を変化させた場合にスモーク排出量を測定した実機実験結果を示す図である。 本発明の実施形態に係るディーゼルエンジンの他の概略構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るディーゼルエンジンの他の概略構成を示す図である。 ピストン頂面１２ａにおける突起部３２より外周側の部分と突起部３２とのシリンダ軸方向高さ差のキャビティ基準径に対する割合Ｈ／Ｄ０を変化させた場合にスモーク排出量を測定した実機実験結果を示す図である。 シリンダ内の燃焼を可視化する実機実験を行った場合における火炎範囲の一例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

図１〜５は、本発明の実施形態に係るディーゼルエンジン（圧縮着火式内燃機関）１０の構成例を示す図である。図１は全体構成の概略を示し、図２，３はピストン１２の概略構成を示し、図４は図３のＡ−Ａ断面図を示し、図５は図３のＢ−Ｂ断面図を示す。図１では、１気筒分の構成を示しているが、多気筒の場合も同様の構成である。ディーゼルエンジン１０は、例えばピストン−クランク機構を用いて構成可能である。ディーゼルエンジン１０では、吸気行程にて吸気ポート１４からシリンダ１１内に吸気（空気）が吸入され、圧縮行程にてシリンダ１１内に吸入された吸気がピストン１２により圧縮される。その際には、シリンダ１１内にスワール流が形成される。そして、例えばピストン１２が圧縮上死点付近に位置するときに燃料（例えば軽油等の液体燃料）をインジェクタ（燃料噴射弁）１３からシリンダ１１内に直接噴射することで、シリンダ１１内の燃料が自着火して燃焼（ディーゼル燃焼）する。燃焼後の排出ガスは、排気行程にて排気ポート１５へ排出される。ディーゼルエンジン１０においては、排気ポート１５と吸気ポート１４とを繋ぐ還流通路１６が設けられており、燃焼後の排出ガスの一部が還流通路１６を通って吸気ポート１４（吸気側）へＥＧＲガスとして供給される排気再循環（ＥＧＲ）が行われる。還流通路１６にはＥＧＲ制御弁１７が設けられており、ＥＧＲ制御弁１７の開度を制御することで、排気ポート１５から吸気ポート１４への排出ガス（ＥＧＲガス）の還流量が制御され、吸気側へ供給され筒内に吸入されるＥＧＲガス量（ＥＧＲ率）が制御される。ただし、必ずしもＥＧＲを行う必要はなく、還流通路１６及びＥＧＲ制御弁１７を省略することも可能である。また、シリンダ１１内への吸気を図示しないターボチャージャー等の過給器で加圧することもできる。なお、シリンダ１１内にスワール流を形成するための構成については、公知の構成で実現可能であるため、詳細な説明を省略する。一方、シリンダ１１内にスワール流を形成しないことも可能である。

図２〜５に示すように、シリンダ１１内に面するピストン１２の頂面１２ａには、キャビティ１２ｂが形成されている。インジェクタ１３は、その先端部がキャビティ１２ｂの中央部に臨む状態でシリンダヘッド９に配置されている。インジェクタ１３の先端部には、複数の噴孔１３ａがインジェクタ周方向に沿って均等に形成されている。例えばピストン１２が圧縮上死点付近に位置する燃料噴射時期において、各噴孔１３ａの中心軸の延長線１３ｂがキャビティ１２ｂの内周壁にぶつかるように配置し、燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかをキャビティ１２ｂの内周壁に衝突させるようにインジェクタ１３の各噴孔１３ａから燃料を放射状に噴射する。

本実施形態では、キャビティ１２ｂの内周壁には、シリンダ径方向内側へ突出する複数（図２，３の例では８つ）の突起部３２がシリンダ周方向に沿って均等に並んで形成されている。各突起部３２は、シリンダ径方向の外側から内側に向かうにつれて、ガイド面３２−１，３２−２間のシリンダ周方向幅、及びガイド面３２−３，３２−４間のシリンダ軸方向厚さが徐々に減少する形状を呈し、ガイド面３２−１，３２−２がシリンダ周方向に所定角度θ１を成し、ガイド面３２−３，３２−４がシリンダ軸方向に所定角度θ２を成す。図２，３の例では、シリンダ中心軸１１ａを通る平面に対して、ガイド面３２−１がシリンダ径方向の内側から外側に向かうにつれてシリンダ周方向一方側（スワール上流側）に傾斜し、ガイド面３２−２がシリンダ径方向の内側から外側に向かうにつれてシリンダ周方向他方側（スワール下流側）に傾斜し、シリンダ径方向に対するガイド面３２−１，３２−２の傾斜角度がθ１／２である。そして、シリンダ中心軸１１ａと直交する平面に対してガイド面３２−３がシリンダ径方向の内側から外側に向かうにつれてシリンダ軸方向下側に傾斜し、ガイド面３２−４がシリンダ中心軸と直交する平面と平行でピストン頂面１２ａの一部を形成する。

インジェクタ１３の噴孔１３ａは突起部３２と同数（図２，３の例では８つ）形成されており、燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかを各突起部３２に衝突させるように、各噴孔１３ａから燃料を噴射する。各突起部３２は、衝突した燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかを、図６の矢印Ａ，Ｂに示すようにガイド面３２−１，３２−２に従ってシリンダ周方向両側（スワール上流側及び下流側）に振り分けるとともに、図６の矢印Ｃ，Ｄに示すようにガイド面３２−３，３２−４に従ってシリンダ軸方向両側に振り分ける。シリンダ１１内にスワール流を形成する場合に、着火前の燃料噴霧や着火後の火炎を突起部３２の先端（最内径位置）に衝突させるためには、燃料噴射時期において噴孔１３ａの中心軸の延長線１３ｂが突起部３２の先端より若干スワール上流側（ガイド面３２−１）にぶつかるように、シリンダ中心軸１１ａと突起部３２の先端を通る平面１１ｂに対して、噴孔１３ａの中心軸をスワール上流側に若干傾斜させることが好ましい。一方、シリンダ１１内にスワール流を形成しない場合に、着火前の燃料噴霧や着火後の火炎を突起部３２の先端に衝突させるためには、燃料噴射時期において噴孔１３ａの中心軸の延長線１３ｂが突起部３２の先端にぶつかるように、シリンダ中心軸１１ａと突起部３２の先端を通る平面１１ｂ内に噴孔１３ａの中心軸を配置することが好ましい。

さらに、本実施形態では、シリンダ周方向に隣接する突起部３２間に段部３４が形成されており、シリンダ周方向において突起部３２と段部３４が交互に配置されている。図２，３の例では、段部３４が隣接する突起部３２間の中間位置に配置されている。各段部３４は突起部３２よりシリンダ軸方向下側に窪んでおり、各段部３４の上面３４−１は突起部３２のガイド面３２−４（ピストン頂面１２ａ）よりシリンダ軸方向下側に位置し、各段部３４の内周面３４−２は突起部３２の先端（最内径位置）よりシリンダ径方向外側に位置する。突起部３２でガイド面３２−１，３２−２に従ってシリンダ周方向両側（スワール上流側及び下流側）に振り分けられた燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかは、図６の矢印Ｅ，Ｆに示すように段部３４によりシリンダ軸方向上側へ誘導され、ピストン頂面１２ａにおけるキャビティ１２ｂより外周側の部分とシリンダヘッド９の下面との間に形成されるスキッシュエリア２２へ押し出される。

インジェクタ１３の各噴孔１３ａから噴射された燃料噴霧は、着火前に突起部３２に衝突するか、着火後に火炎となって突起部３２に衝突する。着火前の燃料噴霧や着火後の火炎が突起部３２に衝突することで、燃料噴霧や火炎の流れが、図６の矢印Ａ，Ｂに示すようにガイド面３２−１，３２−２に従ってスワール上流側及び下流側に振り分けられるとともに、図６の矢印Ｃ，Ｄに示すようにガイド面３２−３，３２−４に従ってシリンダ軸方向上側及び下側に振り分けられる。突起部３２のガイド面３２−３によりシリンダ軸方向下側に振り分けられた燃料噴霧や火炎はキャビティ１２ｂ内を流れることで、キャビティ１２ｂ内の空気を効率よく利用して燃焼が行われる。一方、突起部３２のガイド面３２−４によりシリンダ軸方向上側に振り分けられた燃料噴霧や火炎はスキッシュエリア２２へ導かれる。そして、突起部３２のガイド面３２−１，３２−２によりスワール上流側及び下流側に振り分けられた燃料噴霧や火炎も、図６の矢印Ｅ，Ｆに示すように段部３４によりスキッシュエリア２２へ導かれる。

本実施形態によれば、図６の矢印Ａ，Ｂ，Ｅ，Ｆに示すようにガイド面３２−１，３２−２及び段部３４によりスキッシュエリア２２へ導かれた燃料噴霧や火炎は、図６の矢印Ｄに示すようにガイド面３２−４によりスキッシュエリア２２へ導かれた燃料噴霧や火炎に対してシリンダ周方向位置がずれたものとなり、スキッシュエリア２２における燃料噴霧や火炎が到達しにくい領域（空気を燃焼に使用しにくい領域）に燃料噴霧や火炎を導くことができる。そのため、スキッシュエリア２２における燃料噴霧や火炎はシリンダ周方向により均一に広がったものとなり、例えば図７に示すように、スキッシュエリア２２における空気が燃焼に使用されない領域を大幅に減らすことができ、スキッシュエリア２２の空気を燃焼に効率よく利用することができる。その結果、空気過剰率同等の条件下において、すなわち過給機仕事量を増大させることなく、スモーク排出量を低減して低エミッション化を実現することができる。さらに、シリンダ周方向に隣接する突起部３２間に段部３４を設けることで、ガイド面３２−１，３２−２によりスワール上流側及び下流側に振り分けられた燃料噴霧や火炎を、段部３４によりスキッシュエリア２２における燃料噴霧や火炎が到達しにくい領域（空気を燃焼に使用しにくい領域）へ効率よく導くことができ、スキッシュエリア２２の空気を燃焼にさらに効率よく利用することができる。

なお、特許文献２では、キャビティ壁における燃料が衝突する部分にエッジ部を設け、エッジ部に衝突した燃料の流れを切り替えている。しかし、特許文献２には、エッジ部に衝突した燃料の流れをどの方向に切り替えるか、より具体的には、燃料の流れをシリンダ周方向両側（スワール上流側及び下流側）及びシリンダ軸方向両側に振り分けることについては示されていない。さらに、特許文献２には、シリンダ周方向に隣接するエッジ部間に段部を設けることについても示されていない。

また、段部３４が無い場合は、膨張行程において逆スキッシュ流が強くなる。逆スキッシュ流が強くなると、キャビティ１２ｂ内からスキッシュエリア２２に向かって、気流の強い部分の火炎だけが気流に乗ってシリンダ径方向に遠くまで運ばれることになる。その結果、火炎がシリンダ周方向に不均一に成長し、火炎が到達せずに空気が使用されない領域が残り、燃焼への空気利用率が低下する。これに対して本実施形態では、シリンダ周方向に隣接する突起部３２間に段部３４を設けることで、膨張行程における逆スキッシュ流を弱めることができ、突起部３２で分配された火炎を噴流の速度によってシリンダ径方向により均一に成長させることができる。その結果、噴霧間に火炎が存在しない領域が減少し、燃焼への空気利用率を高めることができる。

なお、圧縮比が一定の条件で突起部３２のシリンダ径方向長さ（最外径Ｄ２と最内径Ｄ１との差の１／２）を変更すると、突起部３２のシリンダ径方向長さ（Ｄ２−Ｄ１）／２が増大するほど、ガイド面３２−１，３２−２の成す角度θ１が小さくなる。突起部３２のシリンダ径方向長さ（Ｄ２−Ｄ１）／２が長すぎてガイド面３２−１，３２−２の成す角度θ１が小さすぎると、燃料噴霧や火炎の突起部３２への衝突位置がスワール上流側か下流側かによって、燃料噴霧や火炎のスワール上流側及び下流側への配分が大きく変動する。一方、突起部３２のシリンダ径方向長さ（Ｄ２−Ｄ１）／２が短すぎてガイド面３２−１，３２−２の成す角度θ１が大きすぎると、燃料噴霧や火炎のスワール上流側及び下流側への分配効果が減少する。その結果、突起部３２のシリンダ径方向長さ（Ｄ２−Ｄ１）／２は、スモーク排出量に影響を与えることになる。

また、キャビティ入口径ＤＣとシリンダボア径ＤＢの比ＤＣ／ＤＢもスモーク排出量に影響を与える。圧縮比が一定の条件でキャビティ入口径ＤＣとシリンダボア径ＤＢの比ＤＣ／ＤＢを変化させた場合にスモーク排出量を測定した実機実験結果を図８に示す。図８に示す実機実験結果から、スモーク排出量が最小となるキャビティ入口径ＤＣとシリンダボア径ＤＢの比ＤＣ／ＤＢは、エンジンによらず５９％となった。以下、スモーク排出量が最小となるキャビティ入口径（シリンダボア径ＤＢの５９％）Ｄ０をキャビティ基準径とする。

圧縮比が一定の条件で突起部３２のシリンダ径方向長さ（Ｄ２−Ｄ１）／２とキャビティ基準径Ｄ０の比（Ｄ２−Ｄ１）／（２×Ｄ０）を変化させた場合にスモーク排出量を測定した実機実験結果を図９に示す。図９に示す実機実験結果から、突起部３２を設けない（突起部３２のシリンダ径方向長さが０）構成よりもスモーク排出量を減少させるためには、突起部３２のシリンダ径方向長さ（Ｄ２−Ｄ１）／２とキャビティ基準径Ｄ０の比（Ｄ２−Ｄ１）／（２×Ｄ０）を０．２より小さくすることが好ましい。つまり、突起部３２のシリンダ径方向長さ（Ｄ２−Ｄ１）／２とシリンダボア径ＤＢの比（Ｄ２−Ｄ１）／（２×ＤＢ）を０．１１８より小さくすることが好ましい。さらに、スモーク排出量を最小化するためには、突起部３２のシリンダ径方向長さ（Ｄ２−Ｄ１）／２とキャビティ基準径Ｄ０の比（Ｄ２−Ｄ１）／（２×Ｄ０）を０．１７５（あるいはほぼ０．１７５）にすることが好ましく、突起部３２のシリンダ径方向長さ（Ｄ２−Ｄ１）／２とシリンダボア径ＤＢの比（Ｄ２−Ｄ１）／（２×ＤＢ）を０．１０３（あるいはほぼ０．１０３）にすることが好ましい。

また、ディーゼルエンジンのキャビティ１２ｂとインジェクタ１３の諸元を考慮すると、突起部３２及び噴孔１３ａの数は、８〜１０の範囲内にあることが好ましい。そして、ガイド面３２−１，３２−２の成す角度θ１は、１００°〜１４０°の範囲内にあることが好ましい。また、隣接する突起部３２間に段部３４を設けることを考慮すると、突起部３２の最外径Ｄ２とキャビティ基準径Ｄ０の比Ｄ２／Ｄ０は、１．１より大きく１．５より小さい範囲内にあることが好ましい。そして、突起部３２の先端（最内径）がキャビティ基準径Ｄ０よりもシリンダ径方向内側へ突き出る点を考慮すると、突起部３２の最内径Ｄ１とキャビティ基準径Ｄ０の比Ｄ１／Ｄ０は、０．９より大きく１．０より小さい範囲内にあることが好ましい。

また、噴孔１３ａの中心軸の配置も、燃料噴霧や火炎の突起部３２への衝突位置に影響を与え、その結果、スモーク排出量に影響を与える。さらに、シリンダ１１内にスワール流を形成する場合は、噴孔１３ａから噴射された燃料噴霧がスワール流によってスワール下流側に煽られる。シリンダ中心軸１１ａと突起部３２の先端を通る平面１１ｂに対する噴孔１３ａの中心軸のスワール上流側への傾斜角度θ（図３参照）を変化させた場合にスモーク排出量を測定した実機実験結果を図１０に示す。図１０に示す実機実験結果から、突起部３２を設けない構成よりもスモーク排出量を減少させるためには、平面１１ｂに対する噴孔１３ａの中心軸のスワール上流側への傾斜角度θを９°より小さくすることが好ましい。さらに、スモーク排出量を最小化するためには、平面１１ｂに対する噴孔１３ａの中心軸のスワール上流側への傾斜角度θを５°（あるいはほぼ５°）にすることが好ましい。

なお、平面１１ｂに対する噴孔１３ａの中心軸のスワール上流側への傾斜角度θについては、噴孔１３ａから噴射された燃料噴霧が突起部３２の先端に到達するまでの時間ｔの間に、スワール流によってスワール下流側に流される角度として見積もることが可能である。下死点でのスワール比をＳＲ、上死点近傍でのスワールの増加率を補正するスピンアップ係数をＣ、機関回転数をＮｅ〔ｒｐｍ〕、噴孔１３ａから突起部３２の先端への燃料噴霧到達時間をｔ〔ｍｓ〕とすると、θとｔの関係は以下の（１）式で表される。

θ＝ｔ／１０００×３６０／６０×ＳＲ×Ｃ×Ｎｅ （１）

ここで、スピンアップ係数Ｃについては、実機諸元での計算値をもとに、Ｃ＝１．６とする。また、燃料噴霧到達時間ｔについては、以下の（２）式による広安の式を用いて算出可能である。広安の式より、燃料噴霧到達時間ｔはキャビティ基準径Ｄ０や噴孔径、燃料噴射圧力、充填効率等の影響を受けることがわかるが、実機諸元を考慮すると、０．０７ｍｓ＜ｔ＜０．１８ｍｓの範囲内に入ることを計算で見積もることが可能である。その結果からも、θを９°より小さくすることが好ましい。

また、隣接する突起部３２間の段部３４は、突起部３２のガイド面３２−１，３２−２によりスワール上流側及び下流側に振り分けられた燃料噴霧や火炎をスキッシュエリア２２へ押し出す役割を果たす。突起部３２（ガイド面３２−４）と段部３４（上面３４−１）とのシリンダ軸方向高さ差Ｈ１（図５参照）が大きすぎると、スワール上流側及び下流側に振り分けられた燃料噴霧や火炎をスキッシュエリア２２へ押し出す作用が弱くなって、キャビティ１２ｂ内に燃料噴霧や火炎が溜まりやすくなり、燃焼が悪化しやすくなる。一方、突起部３２と段部３４とのシリンダ軸方向高さ差Ｈ１が小さすぎると、燃料噴霧や火炎をガイド面３２−１，３２−２によりスワール上流側及び下流側に振り分ける作用が弱くなって、そのままスキッシュエリア２２に流出しやすくなる。その結果、突起部３２と段部３４とのシリンダ軸方向高さ差Ｈ１も、スモーク排出量に影響を与える。

圧縮比が一定の条件で突起部３２（ガイド面３２−４）と段部３４（上面３４−１）とのシリンダ軸方向高さ差Ｈ１のキャビティ基準径Ｄ０に対する割合Ｈ１／Ｄ０を変化させた場合にスモーク排出量を測定した実機実験結果を図１１に示す。図１１に示す実機実験結果から、突起部３２を設けない構成よりもスモーク排出量を減少させるためには、突起部３２と段部３４とのシリンダ軸方向高さ差Ｈ１のキャビティ基準径Ｄ０に対する割合Ｈ１／Ｄ０を０．０３（３％）より大きく且つ０．０９（９％）より小さくすることが好ましい。つまり、突起部３２と段部３４とのシリンダ軸方向高さ差Ｈ１のシリンダボア径ＤＢに対する割合Ｈ１／ＤＢを０．０１７７（１．７７％）より大きく且つ０．０５３１（５．３１％）より小さくすることが好ましい。さらに、スモーク排出量を最小化するためには、突起部３２と段部３４とのシリンダ軸方向高さ差Ｈ１のキャビティ基準径Ｄ０に対する割合Ｈ１／Ｄ０を０．０６〜０．０７５（６％〜７．５％）の範囲内にすることが好ましく、突起部３２と段部３４とのシリンダ軸方向高さ差Ｈ１のシリンダボア径ＤＢに対する割合Ｈ１／ＤＢを０．０３５４〜０．０４４３（３．５４％〜４．４３％）の範囲内にすることが好ましい。

また、本実施形態では、例えば図１２，１３に示すように、各突起部３２（ガイド面３２−４）が、ピストン頂面１２ａにおける突起部３２（ガイド面３２−４）より外周側の部分に対して、シリンダ軸方向下側に窪んでいてもよい。ピストン頂面１２ａにおける突起部３２（ガイド面３２−４）より外周側の部分と各突起部３２（ガイド面３２−４）との間に段差を設けることで、スキッシュ流及び逆スキッシュ流を弱めることができ、燃料噴霧や火炎をキャビティ１２ｂ内外（シリンダ軸方向上側及び下側）に最適に分配することができる。突起部３２によるシリンダ周方向の分配の最適化と、この段差によるシリンダ軸方向の分配の最適化を組み合わせることで、燃焼室内の燃料と空気の混合を気流に頼らずとも最適化することが可能となり、さらなる低エミッション化を実現することができる。

なお、キャビティ１２ｂの容積は、圧縮比を決定する上で重要な諸元である。圧縮比は、シリンダ内圧力の上限や、低温始動時の燃料の着火性を考慮して決定される値であり、通常の燃焼室の設計では、目標となる圧縮比にあわせてキャビティ１２ｂの容積を調整するのが一般的である。現在のエンジンでは、キャビティ基準径Ｄ０はシリンダボア径の５９％程度と広径化が進んでおり、それに従ってキャビティ１２ｂの深さも浅くなる傾向にある。図１２，１３に示す構成において、ピストン頂面１２ａにおける突起部３２（ガイド面３２−４）より外周側の部分と突起部３２（ガイド面３２−４）とのシリンダ軸方向高さ差Ｈを大きくしすぎると、キャビティ１２ｂの深さがさらに浅くなってキャビティ１２ｂ内に縦渦を形成することが困難となり、キャビティ１２ｂ内の空気利用率が低下してスモーク排出量が増加する。その結果、ピストン頂面１２ａにおける突起部３２より外周側の部分と突起部３２とのシリンダ軸方向高さ差Ｈも、スモーク排出量に影響を与える。

圧縮比が一定の条件でピストン頂面１２ａにおける突起部３２（ガイド面３２−４）より外周側の部分と突起部３２（ガイド面３２−４）とのシリンダ軸方向高さ差Ｈのキャビティ基準径Ｄ０に対する割合Ｈ／Ｄ０を変化させた場合にスモーク排出量を測定した実機実験結果を図１４に示す。図１４に示す実機実験結果から、突起部３２を設けない構成よりもスモーク排出量を減少させるためには、シリンダ軸方向高さ差Ｈのキャビティ基準径Ｄ０に対する割合Ｈ／Ｄ０を０．０５（５％）より小さくすることが好ましい。つまり、シリンダ軸方向高さ差Ｈのシリンダボア径に対する割合Ｈ／ＤＢを０．０２９５（２．９５％）より小さくすることが好ましい。さらに、スモーク排出量を最小化するためには、シリンダ軸方向高さ差Ｈのキャビティ基準径Ｄ０に対する割合Ｈ／Ｄ０を０．０３（あるいはほぼ０．０３）にすることが好ましく、シリンダ軸方向高さ差Ｈのシリンダボア径に対する割合Ｈ／ＤＢを０．０１７７（あるいはほぼ０．０１７７）にすることが好ましい。

以上の実施形態では、シリンダ径方向に対するガイド面３２−１，３２−２の傾斜角度の大きさが互いに等しいものとしたが、シリンダ径方向に対するガイド面３２−１，３２−２の傾斜角度の大きさを互いに異ならせることも可能である。例えばシリンダ１１内にスワール流を形成する場合は、燃料噴霧や火炎がスワール流によってスワール下流側に煽られるため、シリンダ径方向に対するガイド面３２−１の傾斜角度をシリンダ径方向に対するガイド面３２−２の傾斜角度より大きくすることも可能である。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

１０ ディーゼルエンジン、１１ シリンダ、１２ ピストン、１２ａ 頂面、１２ｂ キャビティ、１３ インジェクタ、１３ａ 噴孔、１４ 吸気ポート、１５ 排気ポート、１６ 還流通路、１７ ＥＧＲ制御弁、２２ スキッシュエリア、３２ 突起部、３２−１，３２−２，３２−３，３２−４ ガイド面、３４ 段部。

Claims (10)

1. シリンダ内に面するピストン頂面にキャビティが形成されたディーゼルエンジンであって、
   キャビティ内周壁には、シリンダ径方向内側へ突出する複数の突起部がシリンダ周方向に並んで形成され、
   燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかを各突起部に衝突させるように燃料噴射弁の噴孔から燃料を噴射し、
   各突起部は、衝突した燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかをシリンダ周方向両側及びシリンダ軸方向両側に振り分け、
   各突起部においては、シリンダ周方向に第１所定角度を成し、燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかをシリンダ周方向両側に振り分けるための第１及び第２ガイド面と、シリンダ軸方向に第２所定角度を成し、燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかをシリンダ軸方向両側に振り分けるための第３及び第４ガイド面が形成されている、ディーゼルエンジン。
2. シリンダ内に面するピストン頂面にキャビティが形成されたディーゼルエンジンであって、
   キャビティ内周壁には、シリンダ径方向内側へ突出する複数の突起部がシリンダ周方向に並んで形成され、
   燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかを各突起部に衝突させるように燃料噴射弁の噴孔から燃料を噴射し、
   各突起部は、衝突した燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかをシリンダ周方向両側及びシリンダ軸方向両側に振り分け、
   シリンダ周方向に隣接する突起部間には、突起部でシリンダ周方向両側に振り分けられた燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかをスキッシュエリアへ導くための段部が形成されており、
   各突起部の先端は、段部のシリンダ径方向内側面よりも、シリンダ径方向内側に位置している、ディーゼルエンジン。
3. 請求項１に記載のディーゼルエンジンであって、
   シリンダ周方向に隣接する突起部間には、突起部でシリンダ周方向両側に振り分けられた燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかをスキッシュエリアへ導くための段部が形成されている、ディーゼルエンジン。
4. 請求項２または請求項３に記載のディーゼルエンジンであって、
   突起部と段部とのシリンダ軸方向高さ差のシリンダボア径に対する割合が０．０１７７より大きく且つ０．０５３１より小さい、ディーゼルエンジン。
5. 請求項２に記載のディーゼルエンジンであって、
   突起部においては、シリンダ周方向に第１所定角度を成し、燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかをシリンダ周方向両側に振り分けるための第１及び第２ガイド面と、シリンダ軸方向に第２所定角度を成し、燃料及び燃料着火後の火炎のいずれかをシリンダ軸方向両側に振り分けるための第３及び第４ガイド面が形成されている、ディーゼルエンジン。
6. 請求項１〜５のいずれか１に記載のディーゼルエンジンであって、
   突起部のシリンダ径方向長さとシリンダボア径の比が０．１１８より小さい、ディーゼルエンジン。
7. 請求項１〜６のいずれか１に記載のディーゼルエンジンであって、
   シリンダ内にスワール流を形成する場合に、噴孔の中心軸が、シリンダ中心軸と突起部の先端を通る平面に対して、スワール上流側に傾斜している、ディーゼルエンジン。
8. 請求項７に記載のディーゼルエンジンであって、
   前記平面に対する噴孔の中心軸のスワール上流側への傾斜角度が９°より小さい、ディーゼルエンジン。
9. 請求項１〜８のいずれか１に記載のディーゼルエンジンであって、
   突起部が、ピストン頂面における突起部より外周側の部分に対して、シリンダ軸方向下側に窪んでいる、ディーゼルエンジン。
10. 請求項９に記載のディーゼルエンジンであって、
    ピストン頂面における突起部より外周側の部分と突起部とのシリンダ軸方向高さ差のシリンダボア径に対する割合が０．０２９５より小さい、ディーゼルエンジン。

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