JP6477750B2 - 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、特にピストンの冠面にキャビティが凹設されており、該キャビティに燃料噴射弁から燃料が直接に噴射される直噴式ディーゼルエンジンに関する。

ピストンの冠面にキャビティが形成されたディーゼルエンジンが知られている。このエンジンでは、燃料噴射弁から噴射された燃料は、キャビティの周縁部近傍に到達した後、内周壁面に沿ってキャビティの中央側に案内されて、空気との混合が促進されるようになっている。特に、比較的多量の燃料が噴射される中負荷域又は高負荷域では、燃料噴射弁から噴射される噴霧のペネトレーション（貫徹力）が強く、燃料噴射弁から十分に離れた位置でも噴霧の速度が高速に維持され、空気との混合が促進される。

一方、燃料噴射量の少ない低負荷域においては、噴霧は、キャビティの周縁部近傍に滞留しやすく、空気との混合性が低下してしまう。空気との混合性を向上させるには、噴霧のペネトレーションを強くするのが有効であるが、噴霧のペネトレーションが不必要に強いと、キャビティの周縁部近傍の壁面から放熱される熱量が増大してしまい、冷却損失が増大する。

これに対して、特許文献１には、低負荷域における冷却損失を抑制するため、噴霧のペネトレーションが不必要に強くならないように、キャビティの形状及び燃料噴射弁の噴孔の形状（長さ、口径）を所定の関係を満足するように設定することが開示されている。

特開２０１５−２３２２８８号公報

しかしながら、特許文献１によれば、低負荷域における冷却損失の増大を抑制できるものの、噴霧の流動性は低く、キャビティにおける空気との混合を促進できるものではない。このため、キャビティの周縁部近傍において局所燃焼が生じやすく、該局所燃焼に起因して高温と酸素不足からＮＯ_Ｘ及び煤が増大する場合がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、低ペネトレーションとされた噴霧であっても、キャビティにおける流動性を向上させて空気との混合を促進できるディーゼルエンジンを提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本願発明は次のように構成したことを特徴とする。

本願の請求項１に記載の、本発明は、シリンダと、該シリンダの端面を覆うシリンダヘッドであって、燃焼室にスワール流を生成する吸気ポートが形成された、シリンダヘッドと、前記シリンダヘッドとは反対側へ凹設されたキャビティを有するピストンと、前記シリンダの中心軸方向に見て、前記シリンダの径方向の中心に位置するように前記シリンダヘッドに取り付けられており、上死点に位置する前記ピストンの前記キャビティ内を指向しており、燃料を放射状に噴射可能な複数の噴孔を有する、燃料噴射弁とを備えたディーゼルエンジンであって、前記キャビティは、開口部に位置しており前記キャビティの内部に比して縮径されたリップ部と、該リップ部から底部に向かう周辺部とを有し、該周辺部は、前記リップ部よりも拡径するように径方向外側へ凹設されており前記ピストンの中心軸を含む平面上の断面形状が前記キャビティの中心側に中心を有する円弧により構成されており、前記ピストンは、前記キャビティの前記周辺部から冠面側にわたって放射状に凹設された複数の切欠き部を周方向に互いに間隔を空けて更に有しており、該切欠き部は、前記キャビティの前記周辺部から前記冠面にわたって設けられ、前記キャビティの前記周辺部よりも外径側へ凹設された第１凹部と、前記第１凹部の前記冠面側の端部にから外径側へ延びており、前記ピストンの冠面からピストン底面側へ一段下がるように凹設された、第２凹部とを含んでおり、前記第２凹部は、平面視で、スワール流の下流側の縦壁部が、スワール流の下流側に向かって内径側に延びる円弧状に形成されており、前記燃料噴射弁は、前記複数の噴孔それぞれが、周方向に隣り合う前記切欠き部の間に位置する非切欠き部を指向するように配置されており、噴霧が、前記ピストンが圧縮上死点近傍に位置するとき、前記リップ部と前記周辺部との境界部近傍を指向するように構成されていることを特徴とする。

前記の構成により、本願各請求項の発明によれば、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、上死点近傍におけるピストンの冠面に位置するスキッシュ部において生じる水平方向の流動（例えば、スワール流又はスキッシュ流）を、切欠き部を介して、キャビティ内にこの中央部側へ向かうように導入させることができる。この結果、燃料噴射弁より噴射され、キャビティの内周壁面の近傍に位置する噴霧が、切欠き部により導入された空気流動によって、キャビティの中央部側へ流動するように促進される。すなわち、低ペネトレーションとされたためにキャビティの内周壁面に滞留しやすい噴霧であっても、流動が促進されてキャビティにおける空気との混合性を向上させることができる。

しかも、切欠き部は、第１凹部とこの外径側に連続する第２凹部とによって構成されており、第２凹部のスワール流の下流側の縦壁部が、スワール流の下流側に向かって内径側に延びる円弧状に形成されている。これによって、スキッシュ部において周方向に流れるスワール流が、第２凹部の円弧状の縦壁部に沿って内径側に緩やかに向きを変えられつつ、第１凹部に案内される。すなわち、スキッシュ部における水平方向の流動を、ロスを抑制しつつ第１凹部に導入できるので、空気流動をより効果的に生じさせることができる。

また、複数の切欠き部からキャビティに空気流動が導入されるので、噴霧のキャビティ中央部側への流動がより一層強化される。

また、複数の噴孔から噴射された噴霧を、複数の切欠き部から導入された空気流動によって、キャビティ中央部側へ流動させることができる。これによって、空気との混合が促進された噴霧をキャビティに略均一に拡散させることができる。

また、噴霧は、非切欠き部間に向けて噴射されるので、キャビティの内周壁面に案内された後に、切欠き部から導入される空気流動によって中央部側への流動がより一層促進される。

すなわち、本発明に係るディーゼルエンジンによれば、低ペネトレーションとされた噴霧であっても、キャビティにおける流動性を向上させて空気との混合を促進できる。

本発明の一実施形態に係るエンジンの燃焼室を概略的に示す断面図。 燃焼室を構成するキャビティの断面図。 キャビティが設けられたピストンの平面図。 燃料噴射弁の構造を示す図であり、（ａ）が側面図、（ｂ）が断面図。 ピストンを冠面側から見た斜視図。 図５のＡ矢視による、切欠き部の正面図。 切欠き部を拡大して示す平面図。 切欠き部を拡大して示す斜視図。 キャビティにおける噴霧及び空気流動を示す説明図。 燃焼前半における燃焼状態を示す説明図。 燃焼後半における燃焼状態を示す説明図。 変形例に係るピストンを示す平面図。 図１２のピストンにおける噴霧及び空気流動を示す説明図。 周方向壁部の傾斜角度を変更した場合のキャビティを示す断面図。 図１４のキャビティにおける噴霧及び空気流動を示す説明図。

以下、本発明に係る実施形態を添付図面に従って説明する。なお、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物、あるいは、その用途を制限することを意図するものではない。また、図面は模式的なものであり、各距離の比率等は現実のものとは相違している。

図１は、本発明の一実施形態に係る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のピストン冠面１３ａと、吸気ポート１４ａ及び排気ポート１４ｂをそれぞれ開閉する吸気弁１５と排気弁１６の下面と、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、ピストン冠面１３ａに対向する下面１４ｃとで構成されている。

また、ピストン冠面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キャビティ３０が凹設されており、この内側空間も燃焼室１１を構成している。キャビティ３０は、平面視での基本形状が略円形に構成されている。シリンダヘッド１４には、燃料噴射弁１７が取り付けられている。燃料噴射弁１７は、平面視でシリンダ１２ａの中央に位置しており、先端部が燃焼室に臨むように配置されている。

図２は、シリンダ１２ａの中心軸Ｘ−Ｘを通る断面上における燃焼室１１の断面図であり、図３は、燃焼室１１の平面図である。図２及び図３ではいずれも、ピストン１３が圧縮上死点に位置する状態が示されており、併せて、燃料噴射弁１７から噴射された燃料の噴霧が符号Ｆにより示されている。キャビティ３０は、少なくともピストン１３が圧縮上死点又はこの近傍に位置するときに、燃料噴射弁１７から噴射された燃料（噴霧Ｆ）を受け入れ可能な形状及び大きさに設定されている。

図２に示されるように、キャビティ３０は、いわゆるリエントラント型に構成されており、キャビティ開口部３１に位置しておりキャビティ３０の内部に比して縮径されたリップ部３２と、リップ部３２からキャビティ３０の底部に向かう周辺部３３と、周辺部３３からキャビティの中央部に向かう中央部３４とで構成されている。周辺部３３は、リップ部３２よりも拡径するように径方向外側へ凹設されている。中央部３４は、その中心部上方に位置する燃料噴射弁１７に向かって凸となる山状に形成されている。

すなわち、キャビティ３０は、キャビティの径方向外側壁部を構成する内周壁面３０ａが、リップ部３２と周辺部３３のうち径方向外側部分とにより構成されており、底壁部３０ｂが、中央部３４と周辺部３３のうち底側部分とにより構成されている。

図３に示されるように、キャビティ開口部３１には、複数の切欠き部４０が形成されている。切欠き部４０は、キャビティ３０の内周壁面３０ａからピストン冠面１３ａにわたって放射状に凹設されて形成されており、複数の切欠き部４０を介して、ピストン冠面１３ａ上の空気流動をキャビティ３０の内側に導入させて、キャビティ３０内における噴霧Ｆの流動性を増大させるようになっている。

燃料噴射弁１７の先端部の周囲には、複数の噴孔１７ａ…１７ａが形成されている。燃料噴射弁１７は、噴孔１７ａが、ピストン１３が圧縮上死点又はこの近傍に位置するときに、図３に示されるように、放射状に燃料を噴射するように構成されていると共に、図２に示されるように、噴霧Ｆがキャビティ３０のリップ部３２と周辺部３３との境界部近傍を指向するように構成されている。

本実施形態では、噴孔１７ａは、周方向に等間隔で１０個設けられ、それぞれ同じ大きさに形成されている。図４は、燃料噴射弁１７の先端部を拡大して示しており、図４（ａ）に側面図を示し、図４（ｂ）に図４（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図を示している。

図４（ｂ）に示されるように、噴孔１７ａは、所定の噴孔径Ｄ及び噴孔長Ｌに形成されている。噴孔１７ａの噴孔径Ｄ及び噴孔長さＬは、シリンダ径Ｂ（図１参照）との関係で所定の関係を満たすように構成されており、これによって、低負荷域における噴霧Ｆの低ペネトレーション化を実現してこれによる冷却損失の低減を実現すると共に、中高負荷域におけるスート（煤）の低減を実現するようになっている。

図２に戻って、キャビティ３０の周辺部３３は、燃料噴射弁１７から最も離れた第１部分３３ａと、第１部分３３ａのリップ部３２側に位置する第２部分３３ｂと、第１部分３３ａの中央部３４側に位置する第３部分３３ｃとで構成されている。第１部分３３ａ、第２部分３３ｂ、及び第３部分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。

また、本実施形態では、第２部分３３ｂの円弧の半径Ｒ_２と第３部分の円弧の半径Ｒ_３とが等しくされていると共に、第１部分３３ａの円弧の半径Ｒ_１が、半径Ｒ_２及びＲ_３よりも小さく設定されている。したがって、周辺部３３は、燃料噴射弁１７の噴孔１７ａと、噴孔１７ａから最も離れた第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。

周辺部３３の第２部分３３ｂに続くリップ部３２は、シリンダ１２ａの中心軸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。

図３において２点鎖線で示されるように、燃焼室１１の４隅に、２つの吸気ポート１４ａと２つの排気ポート１４ｂとが開口している。２つの吸気ポート１４ａは、ヘリカルポート及び／又はタンジェンシャルポートから構成されており、少なくとも一方の吸気ポート１４ａ（本実施形態では図３の右下に位置するポート）の燃焼室１１に開口する部分の軸線が、図３において時計回り方向を指向するように構成されている。

これによって、図３において右下に位置する吸気ポート１４ａから燃焼室１１に導入される新気は、燃焼室１１に向かって時計回り方向に導入されやすく、燃焼室１１に時計回り方向に流れるスワール流Ｓが生成される。スワール流Ｓは、ピストン冠面１３ａ上の他、キャビティ３０の内部にも生成される。

また、燃焼室１１には、ピストン１３が圧縮上死点に向かうにつれて、ピストン冠面１３ａとシリンダヘッド１４の下面１４ｃとの間のスキッシュ部に位置する空気がキャビティ３０に流れ込むように、径方向外側から内側へ流れるスキッシュ流Ｖが生成される。すなわち、本実施形態では、燃焼室１１においてスワール流Ｓとスキッシュ流Ｖとが生成される。

以下、図５〜図８を併せて参照して、ピストン１３のキャビティ開口部３１に形成された切欠き部４０について詳述する。図５は、ピストン１３の斜視断面図であって、キャビティ３０を示している。図６は、図５のＡ矢視による切欠き部４０の正面図である。図７は、切欠き部４０を拡大して示す平面図である。図８は、切欠き部４０を拡大して示す斜視図である。図５に示されるように、切欠き部４０は、周方向に等間隔に複数設けられ、それぞれ同じ大きさに形成されている。

切欠き部４０は、キャビティ３０のキャビティ開口部３１に設けられた第１凹部６０と、このピストン径方向外端部に連続してピストン冠面１３ａに設けられた第２凹部７０とを含んでおり、凹設された底面を構成する底壁部４１とこの周方向両端部から立設された一対の縦壁部４２とにより画定されている。一対の縦壁部４２は、スワール流の上流側（スワール上流側）に位置する上流側縦壁部４２ａと、スワール流の下流側（スワール下流側）に位置する下流側縦壁部４２ｂとを含んでいる。

図３を併せて参照して、切欠き部４０は、燃料噴射弁１７から噴射される噴霧Ｆを避けた位置に設けられている。換言すれば、隣接する切欠き部４０間に位置しており、キャビティ３０の基本形状部分（すなわち内周壁面３０ａ）である非切欠き部５０に、燃料噴射弁１７の噴孔１７ａが対向するようになっている。ここで、本実施形態では、切欠き部４０の数Ｎ_Ｃは、燃料噴射弁１７の噴孔１７ａの数（以下、噴孔数Ｎ_Ｈと称する）との関係で、以下の式（１）の関係を満たすように設定されている。

Ｎ_Ｈ／２≦Ｎ_Ｃ≦Ｎ_Ｈ （１）

すなわち、切欠き部４０は、噴孔数Ｎ_Ｈの半分以上、噴孔数Ｎ_Ｈ以下の数で形成されている。換言すれば、キャビティ３０の内周壁面３０ａに到達した噴霧Ｆの少なくとも周方向の一方側には、切欠き部４０が隣接して位置するように構成されている。

なお、本実施形態では、切欠き部４０は、燃料噴射弁１７の噴孔数Ｎ_Ｈと同じ数だけ設けられている。すなわち、切欠き部４０は、キャビティ開口部３１の１０箇所に周方向に等間隔で形成されており、非切欠き部５０に噴射された各噴霧Ｆの周方向の両側には、切欠き部４０が隣接して位置している。

第１凹部６０は、キャビティ内周壁面３０ａよりもピストン外径側へ凹設されて、周方向に所定幅を有する溝状に形成されている。第１凹部６０は、径方向に対向して周方向に延びると共に溝底面を構成する第１底壁部６１と、この周方向の両端部に立設された周方向に一対の第１縦壁部６２とから、構成されている。

図２に破線で示されるように、第１底壁部６１は、周方向に延びると共に、ピストン冠面側からキャビティ３０の周辺部３３に向かって径方向内側へ傾斜している。より具体的には、図２に示す断面図上で、第１底壁部６１の下端部６１ａは、キャビティ３０の周辺部３３に対して接線連続状に接続されている。したがって、第１底壁部６１から周辺部３３へ至る経路が、折れ、段差等なく滑らかに接続されている。

本実施形態では、第１底壁部６１は、ピストン冠面側から周辺部３３に向かってシリンダ１２ａの中心軸Ｘ−Ｘに対して約３０°の傾斜角度αで径方向内側へ傾斜している。なお、第１底壁部６１は、周辺部３３に向かって径方向外側に傾斜しなければよく、傾斜角度αは、０°（周方向壁部４１が中心軸Ｘ−Ｘと平行）に構成したり、傾斜角度αを３０°より増大させたり逆に減少させたりしてもよい。好ましくは、傾斜角度αは、０°以上５０°以下に構成されている。

傾斜角度αが０°未満の場合、ピストン冠面側から第１凹部６０に至る経路が、図２に示す断面において、径方向外側に大きく屈曲することになり、ピストン冠面１３ａ上の空気流動をキャビティ３０へ滑らかに導入させにくい。一方、傾斜角度αは大きいほど、ピストン冠面側から第１凹部６０に至る経路を、図２に示す断面において滑らかに構成することができ、空気流動をキャビティ３０に導入させやすく、その流量を増大させることができる。

しかしながら、傾斜角度αが５０°を超える場合、燃焼室１１の圧縮比を維持するためにキャビティ３０の容積を過度に小さくすることを要する。この場合、図１４において点線で示すように、第１底壁部６１０の傾斜角度αを５０°よりも大きくすると共に中央部３４０を浅くするようにキャビティ３０を形成すると、図１５に示すように、燃料噴射弁１７から噴射された噴霧Ｆ０と、内周壁面３０ａによって向きが変えられて中央部３４０に沿って案内される噴霧Ｆ１とが互いに図中Ｆ２で示すように干渉しやすくなり、噴霧Ｆの流動が阻害されてしまい、空気との混合性の向上効果が低減してしまう。一方、キャビティ開口部３１を小さくすると、噴霧Ｆは、内周壁面３０ａに到達したときのペネトレーションが相対的に強くなるので冷却損失が増大してしまう。

本実施形態では、第１底壁部６１は、傾斜角度αが３０°に設定されており、径方向において、上端部６１ｂがピストン冠面側に開口するように位置している。傾斜角度αが小さい場合（例えば０°）、第１底壁部６１の上端部６１ｂはリップ部３２側に開口するように位置している。

図７に示されるように、周方向に一対の第１縦壁部６２は、スワール上流側に位置する上流側第１縦壁部６２１と、スワール下流側に位置する下流側第１縦壁部６２２とを含んでいる。上流側第１縦壁部６２１は、シリンダ１２ａの中心に対して放射状に延びている。下流側第１縦壁部６２２は、径方向外側へ向かってスワール上流側へ円弧上に湾曲して延びている。また、図６に示されるように、一対の第１縦壁部６２は、シリンダ１２ａの中心軸Ｘ−Ｘと平行に延びており、ピストン冠面１３ａに対して直交している。

図６に示されるように、第２凹部７０は、ピストン周方向においてスワール下流側に向かってピストン底面側へ傾斜するように、ピストン冠面１３ａから一段下った面部として構成されており、ピストン冠面１３ａからピストン底面側へ凹設されている。第２凹部７０は、ピストン冠面１３ａからピストン底面側に傾斜して延びる第２底壁部７１と、この周縁部から立設された第２縦壁部７２とを含んでいる。

第２底壁部７１は、周方向においては正面視でスワール下流側に向かってピストン底面側に傾斜するように延びており、径方向においては径方向に平行に延びている。図８を参照して具体的に説明すると、下流側第１縦壁部６２２のキャビティ内周壁面３０ａ側の周縁部上に位置する点のうち、最も内径側に位置する（すなわちリップ部３２の先端側）点を基準点Ｐ０とし、該基準点Ｐ０を通る平面であって、シリンダ１２ａの中心軸Ｘ−Ｘから放射状に延びる直線に対して直交する（すなわち径方向に直交している）平面を仮想平面Ｑ（二点鎖線で示している）と仮定する。

そして、仮想平面Ｑ上において、基準点Ｐ０を通りシリンダ１２ａの中心軸Ｘ−Ｘに平行に延びる直線を第１線Ｌ１とし、仮想平面Ｑ上に投影された第２底壁部７１に沿って延びる直線を第２線Ｌ２とし、仮想平面Ｑ上に投影されたピストン冠面１３ａに沿って延びる直線を第３線Ｌ３とする。更に、第１線Ｌ１と第３線Ｌ３との交点を第１点Ｐ１とし、第１線と第２線との交点を第２点Ｐ２とし、第２線Ｌ２と第３線Ｌ３との交点を第３点Ｐ３とする。

この場合に、第２点Ｐ２の位置は、第１線Ｌ１に平行な方向において第１点Ｐ１との間の距離Ｈが２ｍｍ以上となり、且つ、第３線Ｌ３に平行な方向において第３点Ｐ３との間の距離Ｗが２ｍｍ以上となるように、設定されている。更に、第２点Ｐ２は、第１底壁部６１の下端部６１ａ（すなわち、第１底壁部６１と内周壁面３０ａとの接合部）よりもピストン冠面側に位置している。

第２底壁部７１は、スワール上流側に位置する上流側縁部７３がピストン冠面１３上に位置している。上流側縁部７３は、上流側第１縦壁部６２１の外端部に連続して放射状に延びている。すなわち、第２底壁部７１は、上流側縁部７３を基軸としてスワール下流側に向かってピストン底面側に傾斜するように構成されている。

図７に示されるように、第２縦壁部７２は、下流側第１縦壁部６２２の外端部に連続して径方向外側に向けてスワール上流側へ円弧状に延びており、上流側縁部７３の外端部７３ａに接続されている。より具体的には、第２縦壁部７２は、二点鎖線で示す仮想円Ｃ０の円周上に位置している。仮想円Ｃ０の円周上には、下流側第１縦壁部６２２も位置している。すなわち、切欠き部４０の下流側縦壁部４２ｂは、下流側第１縦壁部６２２と第２縦壁部７２とによって段差なく連続的に接続された曲面として構成されている。

第１点Ｐ１を通り径方向に延びる直線を第４線Ｌ４とし、ピストン１３の外径側端部から所定量ｄだけ内径側にオフセットした同芯円を円Ｃ１としたとき、仮想円Ｃ０は第４線Ｌ４と円Ｃ１とに接する円として設定されている。より具体的には、仮想円Ｃ０は、第１点Ｐ１を通る円として設定されている。

すなわち、図７に示す平面視において、切欠き部４０の下流側縦壁部４２は、上流側縁部７３の外端部７３ａから、スワール下流側に向けて仮想円Ｃ０上を延びて基準点Ｐ０に至っており、基準点Ｐ０においてシリンダ１２ａの中心軸Ｘ−Ｘを向くようになっている。所定量ｄは、第２凹部７０とピストン１３の外周面との間の肉厚が所定量確保されるように適宜設定されている。

第１底壁部６１と第２底壁部７１との接合部には、Ｒ状の面取り部４３が形成されている。したがって、切欠き部４０の底壁部４１は、第１底壁部６１と、面取り部４３と、第２底壁部７１とによって段階的に周方向からキャビティ３０に向かうように構成されている。面取り部４３は、スワール下流側に向かって径方向内側に傾斜して延びている。図２に示されるように、面取り部４３の面取り径ｒ１は２ｍｍ以上であって、且つ、仮想円Ｃ０の半径ｒ０（図７参照）の半分以下の大きさに設定されている。

また、第２凹部７０は、スワール下流側に向かってピストン底面側に傾斜しているので、第２縦壁部７２は、スワール下流側に向かって径方向内径側へ円弧状に延びるにしたがって、シリンダ１２ａの中心軸Ｘ−Ｘ方向における高さが漸増するようになっている。

図３に戻って、各切欠き部４０は、シリンダ１２ａの中心軸Ｘ−Ｘ周りにおける所定の角度範囲βに形成されている。なお、切欠き部４０は、リップ部３２の先端位置において、角度範囲βでキャビティ内周壁面３０ａに開口しているものの、下流側縦壁部４２ｂが径方向外側へ進むにつれてスワール上流側へ向けて円弧状に延びているため、周方向の幅が漸減している。

角度範囲βは、噴霧Ｆの噴霧角θ（図３の平面視における広がり）を考慮して、噴霧Ｆを受ける非切欠き部５０が所定の角度範囲（少なくとも１５°）確保されるよう設定されている。非切欠き部５０が噴霧Ｆの噴霧角θより広い角度範囲を有するように、切欠き部４０の角度範囲βが設定されており、想定される噴孔数（例えば多くても１６噴孔）を考慮して、７．５°以上３０°以下に設定されている。

すなわち、噴霧Ｆの噴霧角θを考慮すると非切欠き部は少なくとも１５°の角度範囲を要するが、複数の切欠き部４０それぞれの角度範囲βを７．５°に設定した場合には、最大１６噴孔を有する燃料噴射弁１７まで非切欠き部５０を１５°の角度範囲で確保できる。また、複数の切欠き部４０それぞれの角度範囲βを３０°に設定した場合には、最大８噴孔を有する燃料噴射弁１７まで非切欠き部５０を１５°の角度範囲で確保できる。

本実施形態では、切欠き部４０の角度範囲βは、１４°に設定されており、この場合、非切欠き部５０は、２２°の角度範囲で確保されており、１５°より広い。

次に、この実施形態の作用効果を説明する。

図９は、ピストン１３が圧縮上死点近傍に位置するときの、燃焼室１１における噴霧Ｆ及び空気流動Ｚを模式的に示す斜視図である。本実施形態では、図３を参照して上述したように、燃焼室１１には、スワール流Ｓとスキッシュ流Ｖとが生成されるようになっており、圧縮上死点近傍に位置するピストン冠面１３ａ上に生成するこれらの水平方向の流れＳ，Ｖが、複数の切欠き部４０を介して、キャビティ３０の内周壁面３０ａからこの中央部３４側へ向かうように導入される。

この場合に生じる空気流動Ｚは、平面視で時計回りに流動するスワール流Ｓと、径方向外側から径方向内側へ流動するスキッシュ流Ｖとが合成されつつ、切欠き部４０からキャビティ３０の内部に導入されるようになる。このため、図９に示されるように、キャビティに導入された空気流動Ｚは、スワール流Ｓに沿って時計回りに流動しつつスキッシュ流Ｖに沿って径方向内側に向かうように、中央部３４の中央に向かって螺旋状に流動することになる。

このとき、切欠き部４０は、第１凹部６０とこの外径側に連続する第２凹部７０とによって構成されており、下流側縦壁部４２ａが、スワール下流側に向かって径方向内側に延びる円弧状に形成されている。これによって、ピストン冠面１３ａにおいて周方向に流れるスワール流Ｓが、第２凹部７０の円弧状の第２縦壁部７２に沿って径方向内側に緩やかに向きを変えられつつ、第１凹部６０に案内される。すなわち、ピストン冠面１３ａにおける水平方向の流動を、ロスを抑制しつつ第１凹部６０に導入できるので、空気流動Ｚをより効果的に生じさせることができる。

また、第２凹部７０は、スワール下流側に向かってピストン底面側に傾斜している。これによって、ピストン冠面１３ａにおいて水平方向に流れるスワール流Ｓが、第２凹部７０の第２底壁部７１に沿ってピストン底面側に向きを変えられつつ、第１凹部６０に案内される。すなわち、ピストン冠面１３ａにおける水平方向の空気流動が、段階的にピストン底面側に向きを変えられるので、ピストン冠面１３ａから第１凹部６０に直接に導入させる場合に比して、空気流動Ｚの向きを水平方向からピストン底面側へ緩やかに変えることができる。よって、ピストン冠面１３ａからの空気流動Ｚを、ロスを抑制しつつキャビティ内に導入させることができる。

さらに、第１凹部６０と第２凹部７０との接合部にＲ状の面取り部４３が形成されている。これによって、ピストン冠面１３ａから第２凹部７０に導入された空気流動Ｚを、面取り部４３を介して第１凹部６０に滑らかに導入させることができる。第１凹部６０と第２凹部７０との接合部にＲ状の面取り部が形成されていない場合、第２凹部７０から第１凹部６０にかけて空気流動Ｚの向きが急激に変わることになるのでロスが生じ、キャビティ３０に導入される空気流動が減少してしまう。

ここで、図１０は、低負荷域における燃焼前半部を示している。図１０に示されるように、低負荷域において、燃料噴射弁１７から噴射された噴霧Ｆは、内周壁面３０ａに到達した後、その大部分が周辺部３３に沿ってキャビティ３０の底側へ向きを変えられる。しかしながら、噴霧Ｆは、低負荷域においては低ペネトレーションに構成されており、このため、流動性が低く、周辺部３３の近傍に滞留することになる。

このとき、図９を併せて参照して、切欠き部４０から導入される空気流動Ｚが、スワール方向下流側に位置する噴霧Ｆを巻込みつつ、螺旋状に中央部３４に向かって流動する。これによって、図１０に示されるように、周辺部３３において滞留していた噴霧Ｆの中央部３４側への流動が促進されるので、噴霧Ｆとキャビティ３０内の空気との混合性が向上する。

しかも、空気流動Ｚは、周辺部３３において滞留する噴霧Ｆの向きと略同じ方向を向いているので、噴霧Ｆの流動を阻害することなく中央部３４側へアシストしやすく、より一層噴霧Ｆの流動性を向上させやすい。また、第１凹部６０の第１底壁部６１は、接線連続状に周辺部３３に接続されているので、切欠き部４０から導入される空気流動Ｚを、滑らかに周辺部３３に導入させやすい。これによって、更により一層噴霧Ｆの流動性を向上させやすい。

さらに、本実施形態では、周辺部３３の第２部分３３ｂを構成する円弧の半径Ｒ_２は比較的大きくされているので、図示のように、噴霧Ｆが衝突する部位での接線Ｔ−Ｔ方向と噴霧Ｆ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、噴霧Ｆが内周壁面３０ａ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に導入されやすい。

また、リップ部３２によれば、第２部分３３ｂとの境界近傍でリップ部３２側に衝突した噴霧Ｆも、あまり散乱することなく、第２部分３３ｂ側へ滑らかに案内され、噴霧Ｆ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、噴霧Ｆは、第２部分３３ｂから第１部分３３ａに移動し、ピストン３の半径方向外側から内側へ流れの方向が変えられ、その際、第１部分３３ａの半径Ｒ_１は第２部分３３ｂの半径Ｒ_２よりも小さいので、噴霧Ｆの拡散が抑制されると共に、切欠き部４０からの空気流動Ｚによるアシストと相まって、その流れが加速されて、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、噴霧Ｆ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の内周壁面３０ａ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煤の発生が抑制される。

また、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における前記最も遠くなる位置を中心として対称的になり、ピストン１３の半径方向外側から内側へ、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の半径方向内側へ向きを変えられた半燃焼ガスがキャビティ３０の中央部３４で多量の空気と混合するまでの燃焼後半部について説明すると、図１１に示すように、半燃焼ガスの流れは、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３０の底部の中央部３４に向けて案内されることになる。

その際、周辺部３３における第３部分３３ｃの半径Ｒ_３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に導入された噴霧Ｆが急激にキャビティ開口部３１側に向きを変えられることを抑制して、燃料噴射弁１７から噴射された噴霧Ｆと干渉することが避けられる。

その結果、半燃焼ガスの流れは、勢いを維持したまま、分散することなくキャビティ３０の中央部３４側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煤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、一部で発生した煤も効果的に酸化されることになる。

すなわち、低ペネトレーションとされたためにキャビティの内周壁面３０ａに滞留しやすい噴霧Ｆであっても、流動が促進されてキャビティ３０における空気との混合性を向上させることができる。

しかも、複数の切欠き部４０らキャビティ３０に空気流動Ｚが導入されると共に、この空気流動Ｚによって、複数の噴孔１７ａから噴射された噴霧Ｆをキャビティ３０の中央部３４側へ流動させることができる。また、噴霧Ｆは、非切欠き部５０に向けて噴射されるので、キャビティ３０の内周壁面３０ａに案内されて向きが変えられた後に、この方向と同じ方向に導入される切欠き部４０からの空気流動Ｚによって中央部３４側への流動がより一層促進される。

また、複数の切欠き部４０はそれぞれ、平面視でシリンダ１２ａの中心軸Ｘ−Ｘ周りの７．５°以上３０°以下の角度範囲に形成されている。この結果、非切欠き部５０を所定の角度範囲で確保して噴霧Ｆをより内周壁面３０ａに案内させることができると共に、切欠き部４０による空気流動Ｚをより効果的に生じさせることができる。すなわち、切欠き部４０を７．５°未満の角度範囲βに形成すると、切欠き部４０の容積が相対的に小さくなるため、切欠き部４０により導入される空気流動の運動量が少なく、噴霧の流動を促進する効果が少ない。

また、切欠き部４０を３０°を超える角度範囲βに形成すると、切欠き部４０による噴霧Ｆの流動促進効果が略一定値に収束しやすく向上代が少なくなる一方で、切欠き部４０の容積が過度に大きくなれば、燃焼室１１の圧縮比を維持するためにキャビティ３０の容積を過度に小さくすることを要する。この場合、図１４，１５を参照して上述したように燃焼室１１を浅くすると、燃料噴射弁１７から噴射された噴霧が互いに干渉しやすくなり空気との混合性の向上効果が低減してしまう。一方、キャビティ開口部３１を小さくすると、噴霧Ｆは、内周壁面３０ａに到達したときのペネトレーションが相対的に強くなるので冷却損失が増大してしまう。

また、図８に示すように、仮想平面Ｑ上において、第２点Ｐ２の位置は、第１線Ｌ１に平行な方向において第１点Ｐ１との間の距離Ｈが２ｍｍ以上となり、且つ、第３線Ｌ３に平行な方向において第３点Ｐ３との間の距離Ｗが２ｍｍ以上となるように、設定されている。本構成によれば、第１凹部６０と第２凹部７０との接合部に少なくとも２ｍｍの面取り径を有する面取り部４３を形成しつつも、第１凹部６０の形状が消失することを防止できる。

すなわち、面取り部４３の面取り径が２ｍｍである場合に、第２点Ｐ２と第３点Ｐ３との間の距離Ｗが２ｍｍ未満であると、第１凹部６０が面取り部４３によって消失してしまう場合がある。また、第１点Ｐ１と第２点Ｐ２との間の距離Ｈが２ｍｍ以上であるので、第２凹部７０を、所定深さを有するように構成でき、これにより第２凹部７０によるスキッシュ流の第１凹部６０への案内作用を効果的に発揮させることができるようになっている。

また、第２点Ｐ２は、第１底壁部６１の下端部６１ａよりもピストン冠面側に位置している。本構成によれば、また、第２凹部７０が直接にキャビティ内周壁面３０ａに表れることを防止できる。よって、ピストン冠面１３ａにおける水平方向の流動が、第２凹部７０から直接にキャビティ３０に導入されることがなく、第２凹部７０と第１凹部６０とを順に介して段階的にピストン底面側に向きを変えられるようになっている。

また、面取り部４３の面取り径ｒ１は、２ｍｍ以上に設定されている。本構成によれば、面取り部４３に沿って、第２凹部７０から第１凹部６０へ空気流動Ｚを案内させやすい。面取り部４３の面取り径が２ｍｍ未満である場合、第２凹部７０から第１凹部６０にかけて空気流動Ｚの向きを緩やかに変える効果が低減する。

また、面取り部４３の面取り径ｒ１は、仮想円Ｃ０の半径ｒ０の半分以下の大きさに設定されている。本構成によれば、面取り部４３によって、第２凹部７０が消失することを防止できる。

図１１〜図１３に、燃焼室１１の平面図であって、切欠き部４０の数Ｎ_Ｃを燃料噴射弁１７の噴孔数Ｎ_Ｈの半分とした変形例を示している。図１１に示されるように、噴孔数Ｎ_Ｈは１０であり、切欠き部４０の数Ｎ_Ｃは５であり、燃料噴射弁１７から噴射される各噴霧Ｆは、周方向の一方側において切欠き部４０に隣接しており、他方側において噴霧Ｆに隣接している。

この場合、燃焼室１１にスワール流Ｓが生成される場合、図１２に示されるように、空気流動Ｚは、スワール方向Ｓの上流側（図１２において反時計回り側）に隣接する噴霧Ｆ_１を低下した圧力により引き込みつつ、スワール方向Ｓの下流側（図１２において時計回り側）に隣接する噴霧Ｆ_２を巻込んで、キャビティ３０の中央部３４側へ流動させるように作用する。

また、噴孔数Ｎ_Ｈの関数として、切欠き部４０の角度範囲βを設定してもよい。この場合、燃料噴射弁１７の噴孔数Ｎ_Ｈ、切欠き部４０の角度範囲βが、以下の式（２）の関係を満たすように設定する。

（３６０°×０．１）／Ｎ_Ｈ≦β≦（３６０°−Ｎ_Ｈ×１５°）／Ｎ_Ｈ （２）

すなわち、下限値によれば、全ての切欠き部４０の角度範囲βの合計が、ピストン冠面１３ａの周部における１０％は少なくとも確保されることになり、切欠き部４０を介してキャビティ３０に導入される空気流動の流量を確保できる。また、上限値によれば、非切欠き部５０を少なくとも１５°の角度範囲で確保することができるので、噴霧Ｆを非切欠き部５０で受けつつ、内周壁面３０ａに沿ってキャビティ３０に案内できる。

上記実施形態では、リエントラント型のキャビティを有するピストンを例にとって説明したが、浅底型又はトロイダル型等種々のキャビティを有するピストンにも適用してもよい。

また、上記実施形態では、切欠き部４０を、キャビティ開口部３１に複数設けたが、これに限らない。すなわち、１箇所のみ設けてもよい。これによっても、切欠き部４０からキャビティ３０へ空気流動を導入させることができる。

［参考実施例］
実施例１〜４のピストン１３について、キャビティ３０内における空気流動Ｚを、ＣＡＥ解析により評価した。表１に示されるように、実施例１〜４は、切欠き部４０の周方向壁部４１の傾斜角度αのみ異なっており、その他は同一である。すなわち、各切欠き部４０は、燃料噴射弁１７の噴孔数Ｎ_Ｈは１０であり、同様に切欠き部４０の数Ｎ_Ｃも１０であり、周方向における角度範囲βが１４°で形成されている。参考実施例においては、切欠き部４０は、第１凹部６０のみで構成されており、第２凹部７０は有していない。

実施例１に係る切欠き部４０は、傾斜角度αが０°であり、実施例２〜４では、周方向壁部４１の傾斜角度αが、２０°、３０°、４５°と順に大きくなるように構成されている。実施例１〜４に係る切欠き部４０を有するピストン１３の低速域における空気流動Ｚをそれぞれの最高流速により評価し、表１に、実施例１における空気流動の最高流速を１００として、実施例２〜４の最高流速をそれぞれ指数で示している。

表１から明らかなように、切欠き部４０の傾斜角度αが０°から増大するにしたがって、空気流動Ｚの最大流速は増大する。特に、実施例２において傾斜角度αが２０°より大きくなると顕著に空気流動Ｚの最大流速は増大する。一方で、実施例３及び４から判るように、傾斜角度αが大きくなるにしたがって、最大流速の上昇代が収束するようになっている。

したがって、切欠き部４０の傾斜角度αを０°以上に設定することにより、空気流動Ｚの最大流速を上昇させることができ、これによりキャビティ３０における噴霧Ｆの流動性を高めることができる。一方で、切欠き部４０の傾斜角度αは５０°以下に設定することによって、切欠き部４０を過大に形成することを抑制しつつ噴霧Ｆの流動性を効果的に高めることができる。

以上説明したように、本発明に係るディーゼルエンジンによれば、低ペネトレーションとされた噴霧であっても、キャビティにおける流動性を向上させて空気との混合を促進できるので、この種の製造技術分野において好適に利用される可能性がある。

１０ エンジン
１１ 燃焼室
１２ シリンダブロック
１２ａ シリンダ
１３ ピストン
１３ａ ピストン冠面
１４ シリンダヘッド
１４ａ 吸気ポート
１７ 燃料噴射弁
１７ａ 噴孔
３０ キャビティ
３０ａ 内周壁面
３１ キャビティ開口部
３２ リップ部
３３ 周辺部
３４ 中央部
４０ 切欠き部
４１ 底壁部
４２ 縦壁部
４３ 面取り部
６０ 第１凹部
６１ 第１底壁部
６２ 第１縦壁部
７０ 第２凹部
７１ 第２底壁部
７２ 第２縦壁部
５０ 非切欠き部
α 第１底壁部の傾斜角度
β 切欠き部の角度範囲

Claims (1)

1. シリンダと、
   該シリンダの端面を覆うシリンダヘッドであって、燃焼室にスワール流を生成する吸気ポートが形成された、シリンダヘッドと、
   前記シリンダヘッドとは反対側へ凹設されたキャビティを有するピストンと、
   前記シリンダの中心軸方向に見て、前記シリンダの径方向の中心に位置するように前記シリンダヘッドに取り付けられており、上死点に位置する前記ピストンの前記キャビティ内を指向しており、燃料を放射状に噴射可能な複数の噴孔を有する、燃料噴射弁と
   を備え、
   前記キャビティは、開口部に位置しており前記キャビティの内部に比して縮径されたリップ部と、該リップ部から底部に向かう周辺部とを有し、該周辺部は、前記リップ部よりも拡径するように径方向外側へ凹設されており前記ピストンの中心軸を含む平面上の断面形状が前記キャビティの中心側に中心を有する円弧により構成されており、
   前記ピストンは、前記キャビティの前記周辺部から冠面側にわたって放射状に凹設された複数の切欠き部を周方向に互いに間隔を空けて更に有しており、
   該切欠き部は、
   前記キャビティの前記周辺部から前記冠面にわたって設けられ、前記キャビティの前記周辺部よりも外径側へ凹設された第１凹部と、
   前記第１凹部の前記冠面側の端部から外径側へ延びており、前記ピストンの冠面からピストン底面側へ一段下がるように凹設された、第２凹部と
   を含んでおり、
   前記第２凹部は、平面視で、スワール流の下流側の縦壁部が、スワール流の下流側に向かって内径側に延びる円弧状に形成されており、
   前記燃料噴射弁は、前記複数の噴孔それぞれが、周方向に隣り合う前記切欠き部の間に位置する非切欠き部を指向するように配置されており、噴霧が、前記ピストンが圧縮上死点近傍に位置するとき、前記リップ部と前記周辺部との境界部近傍を指向するように構成されているディーゼルエンジン。

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