JP6551868B2

JP6551868B2 - ディーゼルエンジン

Info

Publication number: JP6551868B2
Application number: JP2017052234A
Authority: JP
Inventors: 淳神崎; 片岡　一司; 一司片岡; 尚奎金; 大輔志茂
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2017-03-17
Filing date: 2017-03-17
Publication date: 2019-07-31
Anticipated expiration: 2037-03-17
Also published as: US20190376442A1; EP3561256A4; CN110382835A; JP2018155161A; WO2018168692A1; EP3561256A1

Description

本発明は、ディーゼルエンジンに係わり、特に、シリンダの一端を覆うシリンダヘッドと、シリンダヘッドに対向する冠面を備えシリンダ内を往復動するピストンと、シリンダヘッドに取り付けられた燃料噴射弁とを有するディーゼルエンジンに関する。

ディーゼルエンジン、特に、乗用車等に用いられる比較的小型のディーゼルエンジンにおいては、ピストンの冠面にリエントラント型のキャビティ、つまり、中央部が隆起するとともに開口部が上窄まり状に絞られたキャビティが形成することが知られている（例えば下記特許文献１参照）。

リエントラント型のキャビティをピストンに形成し特許文献１のようなディーゼルエンジンでは、例えばエンジンの中負荷域または高負荷域において燃料噴射弁が比較的多量の燃料を噴射したときに、キャビティの周縁部に到達した燃料噴霧がキャビティの壁面に沿って反転する（即ちピストンの径方向中心側に向けて方向転換する）ような流れが起き、これによって燃料噴霧と空気との混合が促進される。これにより、燃料がリッチな領域において局所燃焼による高温と酸素不足に起因して発生するＮＯｘやスート（煤）の発生量を低減することができる。

特開２０１５−２３２２８８号公報

しかしながら、低負荷域では燃料噴射量が少ないので、燃料噴霧がキャビティの壁面に沿って反転するような流れはほとんど起きない。この場合、燃焼ガスはキャビティの周縁部近傍からあまり移動せずにキャビティの壁面に接触する。したがって、中・高負荷域での燃料噴霧と空気の混合性向上のために噴霧のペネトレーションを強くし過ぎると、低負荷域において燃焼ガスがキャビティの壁面に接触する面積が大きくなり、冷却損失が増大するので、エンジンの燃費性能が低下する。

一方、冷却損失を低減するために噴霧のペネトレーションを弱くすると、燃料噴霧と空気との混合性が低下し、局所燃焼によりＮＯｘやスートの発生量が増大してしまう。

したがって、冷却損失の低減と、燃料噴霧と空気の混合性向上とを両立するためには、燃料噴霧のペネトレーションを強めることなく、キャビティ内における燃料噴霧の移動距離を伸長することが求められる。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、燃料噴霧のペネトレーションを強めることなくキャビティ内の燃料噴霧の移動距離を伸長することにより、冷却損失の低減と、燃料噴霧と空気の混合性向上とを両立することが可能なディーゼルエンジン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、本発明によるディーゼルエンジンは、シリンダが形成されたシリンダブロックと、シリンダの一端を覆うようにシリンダブロック上に配設されるシリンダヘッドと、シリンダヘッドに対向する冠面を備えシリンダ内を往復動するピストンと、シリンダヘッドに取り付けられた燃料噴射弁とを有するディーゼルエンジンであって、ピストンの冠面には、シリンダヘッドとは反対側に凹んだ平面視円形のキャビティが形成され、このキャビティは、断面視でそのキャビティの中心側ほど燃料噴射弁に近づくように隆起した中央隆起部と、この中央隆起部と連続しており、断面視でピストンの径方向外側に凹となる円弧状に形成されると共に平面視で円形状に形成された周辺凹部と、この周辺凹部と連続しており、断面視でピストンの径方向内側に凸となる円弧状に形成されると共に平面視で円形状に形成されたリップ部と、を備えるリエントラント型のキャビティであり、キャビティの周辺凹部には、その複数の箇所で、周辺凹部の径方向最も外側の位置からキャビティのリップ部の先端と同じ位置までピストンの径方向内側に突出し、キャビティの周縁に沿って延びる複数の壁部が形成され、燃料噴射弁には、キャビティ内に平面視で複数の指向方向に放射状に燃料を噴射するための複数の噴孔が形成され、これらの燃料噴射弁の噴孔は、噴射された燃料噴霧がキャビティのリップ部と周辺凹部との接続部付近に到達するよう指向され、キャビティの周辺凹部に形成された複数の壁部は、それぞれ、燃料噴射弁の複数の噴孔の各指向方向の間に配置され、複数の壁部は、ピストンの周方向において複数の壁部の両端に位置する側面を有し、平面視においてピストンの中心と壁部の両端の側面とを結ぶ直線が成す中心角αが、リップ部と周辺凹部との接続部付近に到達した燃料噴霧がキャビティの円弧状形状の周辺凹部に沿ってピストンの径方向内側に反転するよう、燃料噴霧が壁部の側面の間の周辺凹部の部分に収まるような大きさに形成され、複数の壁部には、ピストンの径方向外側に凹んだ凹部が形成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、ピストンの冠面に形成されたキャビティの壁面は、キャビティの周縁において燃料噴射弁の噴孔の指向方向から外れた位置に形成され且つピストンの中心軸線を含む面とほぼ平行にピストンの径方向内側に突出した壁部を有するので、キャビティの周縁に到達した燃料噴霧の内、キャビティの壁面に沿ってピストンの周方向に広がった噴霧は、隣り合う噴霧と衝突することなく壁部の側面に沿ってピストンの径方向中心側に向きを変える。即ち、噴孔から噴射された燃料噴霧の運動量をピストンの径方向中心側に向かう運動量に有効に変換することができ、これにより、燃料噴霧のペネトレーションを強めることなく、キャビティ内における燃料噴霧の移動距離を伸長することができ、燃料噴霧と空気との混合性を向上することができる。
さらに、このように構成された本発明においては、キャビティ内を流れるスワール流を、キャビティの周縁において壁部及び凹部により形成されるピストンの径方向の凹凸に沿って湾曲させ、ピストンの径方向内側へ進む空気流動を発生させることができる。この空気流動は、キャビティの壁面に沿って径方向内側に反転した噴霧と合流してピストンの径方向内側へ向かうので、燃料噴霧のペネトレーションを強めることなく、燃料噴霧と空気との混合性をより向上することができる。また、凹部内の空気がキャビティの周縁における燃料がリッチな領域に供給されるので、燃料噴霧が到達するキャビティの周縁付近のリッチな領域における酸素不足を解消でき、ＮＯｘやスートの発生を抑制することができる。
さらに、このように構成された本発明においては、キャビティ内に平面視で放射状に噴霧された燃料の運動量をピストンの径方向中心側に向かう運動量に有効に変換することができ、これにより、燃料噴霧のペネトレーションを強めることなく、キャビティ内における燃料噴霧の移動距離を伸長することができ、燃料噴霧と空気との混合性を確実に向上することができる。
さらに、このように構成された本発明においては、キャビティ内に平面視で放射状に噴霧され、キャビティの壁面に沿ってピストンの径方向内側に反転する燃料の運動量を、隣り合う噴霧の運動量と相殺することなくピストンの径方向中心側に向かう運動量に確実に変換することができ、これにより、燃料噴霧のペネトレーションを強めることなく、キャビティ内における燃料噴霧の移動距離を伸長することができ、燃料噴霧と空気との混合性を確実に向上することができる。

本発明において、好ましくは、複数の壁部の側面は、壁部の側面の間の周辺凹部の部分がキャビティの中央から見てほぼ円形となるように、円弧状に形成される。

また、本発明において、好ましくは、壁部は、キャビティの壁面に沿ってピストンの径方向内側に延びる延長部を有する。
このように構成された本発明においては、キャビティの壁面に沿って反転しピストンの径方向中心側に向かう噴霧は、隣り合う噴霧と衝突することなく延長部の側面及びキャビティの壁面に沿ってピストンの径方向中心側に向かう。これにより、噴孔から噴射された燃料噴霧の運動量をより有効にピストンの径方向中心側に向かう運動量に変換し、噴霧をピストンの径方向中心の近傍まで移動させることができる。即ち、燃料噴霧のペネトレーションを強めることなく、キャビティ内における燃料噴霧の移動距離を更に伸長することができ、燃料噴霧と空気との混合性を一層向上することができる。

本発明のディーゼルエンジンによれば、燃料噴霧のペネトレーションを強めることなくキャビティ内の燃料噴霧の移動距離を伸長することにより、冷却損失の低減と、燃料噴霧と空気の混合性向上とを両立することができる。

本発明の実施形態によるディーゼルエンジンの構成を示す概略図である。本発明の実施形態によるディーゼルエンジンにおける吸気ポート及び排気ポートの配置を概略的に示す平面図である。本発明の実施形態による燃料噴射弁の先端部の部分断面図である。本発明の実施形態によるディーゼルエンジンの運転状態に応じて異なるように設定された燃料の噴射形態の一例を示す図である。本発明の実施形態によるピストンの斜視図である。本発明の実施形態によるピストンの平面図である。図５中のVII−VII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部分断面図である。図6中のVIII−VIII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部分断面図である。従来技術による燃焼室内の燃料噴霧の流動を概念的に示す断面図である。本発明の実施形態による燃焼室内の燃料噴霧の流動を概念的に示す断面図である。本発明の実施形態による燃焼室内の空気流動を概念的に示す斜視図である。本発明の実施形態の変形例によるピストンの斜視図である。本発明の実施形態の変形例によるピストンの斜視図である。本発明の実施形態の変形例によるピストンの平面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態によるディーゼルエンジンを説明する。

まず、図１乃至図４を参照して、本発明の実施形態によるディーゼルエンジンの構成を説明する。
図１は、本発明の実施形態によるディーゼルエンジンの構成を示す概略図であり、図２は、本発明の実施形態によるディーゼルエンジンにおける吸気ポート及び排気ポートの配置を概略的に示す平面図であり、図３は、本発明の実施形態による燃料噴射弁の先端部の部分断面図であり、図４は、本発明の実施形態によるディーゼルエンジンの運転状態に応じて異なるように設定された燃料の噴射形態の一例を示す図である。

図１において、符号１は本発明の実施形態によるディーゼルエンジンを示し、ディーゼルエンジン１は、気筒２（シリンダ）が設けられたシリンダブロック４と、このシリンダブロック４上に配設されたシリンダヘッド６と、シリンダブロック４の下側に配設され、潤滑油が貯溜されたオイルパン８とを有している。気筒２内には、ピストン１０が往復動可能に嵌挿されていて、シリンダヘッド６に対向するピストン１０の冠面１０ａには、シリンダヘッド６と反対側に凹んだキャビティ１２が形成されている。ピストン１０は、コンロッド１４を介してクランク軸１６と連結されている。

シリンダヘッド６には、第１及び第２の吸気ポート１８、２０並びに第１及び第２の排気ポート２２、２４が形成されている。これら第１及び第２の吸気ポート１８、２０は、シリンダヘッド６のピストン１０側の面（下面）と、シリンダヘッド６の一方の側面（吸気側の側面）とに開口し、第１及び第２の排気ポート２２、２４は、シリンダヘッド６のピストン１０側の面と、シリンダヘッド６の他方の側面（排気側の側面）とに開口している。

また、シリンダヘッド６には、第１及び第２の吸気ポート１８、２０のピストン側開口１８ａ、２０ａをそれぞれ開閉する第１及び第２の吸気弁２６、２８と、第１及び第２の排気ポート２２、２４のピストン側開口２２ａ、２４ａをそれぞれ開閉する第１及び第２の排気弁３０、３２とが配設されている。

さらに、シリンダヘッド６には、燃料を噴射する燃料噴射弁３４と、ディーゼルエンジン１の冷間時に吸入空気を暖めて燃料の着火性を高めるためのグロープラグ３６とが設けられている。燃料噴射弁３４は、ピストン１０側の端部がキャビティ１２の中心部を臨むような姿勢で取り付けられている。なお、燃料噴射弁３４は、燃料供給管３８を介して図外のコモンレールに連結されていて、燃料供給管３８及びコモンレールを介して図外の燃料タンクから燃料が供給される。余剰燃料は、リターン管４０を通じて燃料タンクへ戻される。

シリンダヘッド６の吸気側の側面には、第１及び第２の吸気ポート１８、２０に連通するように吸気通路４２が接続されている。この吸気通路４２の上流端部には、吸入空気を濾過する図外のエアクリーナが配設されており、このエアクリーナで濾過した吸入空気が吸気通路４２及び吸気ポート１８、２０を介して気筒２内に供給される。吸気通路４２における下流端近傍には、サージタンク４４が配設されている。このサージタンク４４よりも下流側の吸気通路４２は、第１及び第２の吸気ポート１８、２０にそれぞれ対応して分岐する独立通路４２ａ、４２ｂとされ、これら各独立通路４２ａ、４２ｂの下流端が気筒２の吸気ポート１８、２０にそれぞれ接続されている。

シリンダヘッド６の排気側の側面には、気筒２内から既燃ガス（排気ガス）を排出するための排気通路４６が接続されている。この排気通路４６の上流側の部分は、第１及び第２の排気ポート２２、２４にそれぞれ対応して分岐する独立通路４６ａ、４６ｂとされ、これら各独立通路４６ａ、４６ｂの上流端が排気ポート２２、２４にそれぞれ接続されている。

図２に示すように、第１及び第２の吸気ポート１８、２０のピストン側開口１８ａ、２０ａ並びに第１及び第２の排気ポート２２、２４のピストン側開口２２ａ、２４ａは、気筒２の中心軸線方向のシリンダヘッド６側（上側）から見て、時計回りに、第２の吸気ポート２０のピストン側開口２０ａ、第１の吸気ポート１８のピストン側開口１８ａ、第２の排気ポート２４のピストン側開口２４ａ、第１の排気ポート２２のピストン側開口２２ａの順に配置されている。

気筒２内には、吸気行程において上側から見て時計回りの吸気スワール流Ｓ（気筒２の中心軸線まわりに流れる横渦）が生成される。本実施形態において、第１の吸気ポート１８は、ピストン側開口１８ａから気筒２内に流入する吸気の流れを気筒２の周方向（第１の吸気ポート１８のピストン側開口１８ａの近傍を流れる吸気スワール流Ｓの進行方向）に指向させるいわゆるタンジェンシャルポートとして形成されている。また、第２の吸気ポート２０は、ピストン側開口２０ａから気筒２内に吸気を螺旋状に流入させるいわゆるヘリカルポートとして形成されている。これらの第１及び第２の吸気ポート１８、２０により、気筒２内の吸気スワール流Ｓが強化される。

図３に示すように、燃料噴射弁３４は、コモンレールから燃料が導入される燃料流路４８が内部に形成された筒状のバルブボディ５０と、バルブボディ５０の燃料流路４８内に進退可能に配設されたニードル弁５２とを有している。バルブボディ５０は半球状の先端部５０ａを有しており、この先端部５０ａに対応する燃料流路４８の終端は半球状の副室４８ａとされている。さらに、副室４８ａの周囲のバルブボディ５０の内面には、ニードル弁５２の前進時にその先端部が着座されるシート部５４が形成されている。

バルブボディ５０の先端部５０ａには複数の噴孔５６が設けられている。各噴孔５６は先端部５０ａを貫通するように設けられ、バルブボディ５０の先端部５０ａの表面と副室４８ａとを連通している。なお、本実施形態では、合計１０個の噴孔５６が先端部５０ａに設けられており、各噴孔５６は周方向にほぼ等間隔に並ぶように配設されている。このような噴孔５６を通過することにより、燃料は平面視で放射状に噴射される。

バルブボディ５０には、図外のソレノイドが設けられており、このソレノイドの吸引力によってニードル弁５２が進退駆動される。ニードル弁５２が前進駆動されてシート部５４に着座すると、副室４８ａへの燃料の導入が遮断され、各噴孔５６からの燃料の噴射が停止される。一方、その状態からニードル弁５２が後退駆動されると（図３はこの状態を図示）、副室４８ａに燃料が導入されて、各噴孔５６からの燃料の噴射が開始される。ニードル弁５２を後退駆動する時間を制御することにより、燃料の噴射量を調節することができる。

燃料噴射弁３４は、気筒２と同軸に取り付けられている。即ち、バルブボディ５０の先端部５０ａの中心を通って上下方向に延びる直線を燃料噴射弁３４の中心軸線とすると、この中心軸線が気筒２の中心軸線と一致するような姿勢で燃料噴射弁３４が取り付けられている。

図４に示すように、本実施形態のディーゼルエンジン１では、例えばエンジンの負荷が極めて低い運転領域Ａ１において、３回のプレ噴射Ｑｐ１と１回のメイン噴射Ｑｍ１とに分けて燃料噴射弁３４から燃料が噴射される。メイン噴射Ｑｍ１では、圧縮上死点（圧縮行程終了時の上死点）付近で燃料噴射が開始され、その噴射量は１〜５ｍｍ³程度に設定される。プレ噴射Ｑｐ１では、メイン噴射Ｑｍ１よりも少ない量の燃料が圧縮上死点よりも前に噴射される。

一方、運転領域Ａ１よりも負荷が高く加速時に多用される中負荷の運転領域Ａ２では、２回のプレ噴射Ｑｐ２と、１回のメイン噴射Ｑｍ２と、さらに１回のアフター噴射Ｑａ２とに分けて燃料噴射弁３４から燃料が噴射される。メイン噴射Ｑｍ２では、圧縮上死点付近で燃料噴射が開始され、その噴射量は１０〜３０ｍｍ³程度に設定される。プレ噴射Ｑｐ２では、メイン噴射Ｑｍ２よりも少ない量の燃料が圧縮上死点よりも前に噴射される。アフター噴射Ｑａ２では、メイン噴射Ｑｍ２よりも少ない量の燃料が、メイン噴射Ｑｍ２が終了した後（膨張行程の途中）で噴射される。

なお、図示されていないＡ１、Ａ２以外の運転領域での燃料噴射の形態（噴射回数、噴射タイミング、噴射量）としては種々のパターンが採用され得るが、総じていえば、メイン噴射（圧縮上死点付近で開始される燃料噴射）の噴射量は負荷が高くなるほど増大される傾向にある。このため、例えば運転領域Ａ２よりもさらに高負荷側では、メイン噴射の噴射量が運転領域Ａ２の場合（１０〜３０ｍｍ³）よりもさらに増やされることになる。

以上のような各運転領域での燃料噴射の形態は、図外のＰＣＭ（Powertrain Control Module）の制御によって実現される。即ち、ＰＣＭは、エアフローセンサ、エンジン回転速度センサ、アクセル開度センサ等（何れも不図示）の各種センサから入力された信号によりエンジンの運転状態を逐次判断し、運転状態ごとに予め設定された目標の噴射形態に適合するように燃料噴射弁３４を制御する。

次に、図５乃至図８を参照して、本発明の実施形態によるピストン１０の形状を説明する。
図５は、本発明の実施形態によるピストン１０の斜視図であり、図６は、図５に示したピストン１０の平面図であり、図７は、図５中のVII−VIIに沿って見たピストン１０及びシリンダヘッド６などの部分断面図であり、図８は、図５中のVIII−VIIIに沿って見たピストン１０及びシリンダヘッド６などの部分断面図である。
なお、図７及び図８では、上死点まで上昇したときのピストン１０を示すとともに、図６及び図７では、燃料噴射弁３４の噴孔５６から噴射された燃料の噴霧を符号Ｆとして示している。これらの図から理解されるように、キャビティ１２は、少なくともピストン１０が上死点にあるときに燃料噴射弁３４から噴射された燃料（噴霧Ｆ）を受け入れ可能な形状および大きさに形成されている。

図５乃至図７に示すように、キャビティ１２は、いわゆるリエントラント型のキャビティとされている。即ち、キャビティ１２を形成する壁面は、ほぼ山型の中央隆起部５８と、中央隆起部５８よりもピストン１０の径方向外側に形成された平面視円形の周辺凹部６０と、周辺凹部６０とピストン１０の冠面１０ａとの間（即ちキャビティ１２の周縁）に形成された平面視円形のリップ部６２とを有している。

中央隆起部５８は、キャビティ１２の中心側ほど燃料噴射弁３４に近づくように隆起しており、その隆起の頂部が燃料噴射弁３４の先端部５０ａの直下方に位置するように形成されている。周辺凹部６０は、中央隆起部５８と連続し、断面視でピストン１０の径方向外側に凹入する円弧状をなすように形成されている。リップ部６２は、周辺凹部６０と連続し、図７に示すように断面視でピストン１０の径方向内側に凸となる円弧状をなすように形成されている。燃料噴射弁３４の各噴孔５６は、リップ部６２と周辺凹部６０との接続部付近を指向している。

図５、図６及び図８に示すように、キャビティ１２の周縁における周辺凹部６０には、ピストン１０の中心軸線を含む面とほぼ平行にピストン１０の径方向内側に突出した壁部６４が形成されている。壁部６４は、燃料噴射弁３４の噴孔５６の各指向方向の間に配置される。上述したように、本実施形態では、合計１０個の噴孔５６が周方向にほぼ等間隔に並ぶように配設されており、燃料は平面視で放射状に噴射される。したがって図６に示すように、本実施形態では、合計１０個の壁部６４が、燃料噴射弁３４の噴孔５６の各指向方向の間に周方向にほぼ等間隔に並ぶように配置されている。

図５に示すように、ピストン１０の周方向において壁部６４の両端に位置する壁部６４の側面６４ａは、隣接する壁部６４の側面６４ａにより挟まれた領域がキャビティ１２の中央から見てほぼ円形となるように、円弧状に形成される。
また、図６及び図８に示すように、壁部６４は、周辺凹部６０からピストン１０の径方向内側に向かって、ピストン１０の径方向におけるリップ部６２の先端とほぼ同じ位置まで突出している。
平面視においてピストン１０の中心と壁部６４の両端とを結ぶ直線が成す中心角α（壁部６４の幅に相当する）は、燃料噴射弁３４の各噴孔５６から噴射された燃料噴霧Ｆがキャビティ１２の周縁に到達したときに、その燃料噴霧Ｆが壁部６４の間に収まるような大きさに設定される。本実施形態において、壁部６４の中心角αは例えば２０°である。

更に、図５及び図６に示すように、各壁部６４には、ピストン１０の径方向外側に凹んだ凹部６６が形成されている。この凹部６６は、ピストン１０の周方向において壁部６４の中央に位置し、キャビティ１２の中央から見てほぼ円形に形成されている。凹部６６は、ピストン１０の径方向における周辺凹部６０とほぼ同じ位置まで、壁部６４の表面からピストン１０の径方向外側に凹んでいる。

次に、図９乃至図１１を参照して、本発明の実施形態によるディーゼルエンジン１の作用を説明する。図９は、従来技術による燃焼室内の燃料噴霧Ｆの流動を概念的に示す断面図であり、図１０は、本発明の実施形態による燃焼室内の燃料噴霧Ｆの流動を概念的に示す断面図である。図１１は、本発明の実施形態による燃焼室内の空気流動を概念的に示す斜視図である。
なお、図９及び図１０は、圧縮上死点直後（ＡＴＤＣ２０°程度）の燃焼室内における燃料噴霧Ｆの流動を示している。

圧縮行程が進み圧縮上死点付近で燃料噴射弁３４により燃料噴射が行われると、噴孔５６から噴射された燃料はリップ部６２と周辺凹部６０との接続部付近に到達し、周辺凹部６０に沿ってピストン１０の径方向中心側に向けて反転する。その後、燃料の噴霧Ｆは、中央隆起部５８に沿ってピストン１０の径方向中心側に移動し、中央隆起部５８の斜面においてピストン１０の径方向外側に向けて再び反転して、シリンダヘッド６に沿ってピストン１０の径方向外側に移動する。このように、キャビティ１２内には、吸気スワール流Ｓによる気筒２の中心軸線まわりに流れる横渦に加えて、ピストン１０の径方向の速度成分を持つ縦渦が発生する。

周辺凹部６０に壁部６４が設けられていない従来のディーゼルエンジンにおいては、各噴孔５６から噴射され周辺凹部６０に到達した燃料噴霧Ｆの一部が、周辺凹部６０に沿ってピストン１０の周方向に広がり、隣り合う噴霧Ｆが衝突して互いが持つ運動量を相殺してしまう。即ち、周辺凹部６０に沿って反転しピストン１０の径方向中心側に向かう噴霧Ｆの運動量を増大させる余地がある。

これに対し、本実施形態では、周辺凹部６０に到達した燃料噴霧Ｆをピストン１０の周方向において両側から挟むように壁部６４が設けられている。したがって、周辺凹部６０に到達した燃料噴霧Ｆの内、周辺凹部６０に沿ってピストン１０の周方向に広がった噴霧Ｆは、隣り合う噴霧Ｆと衝突することなく壁部６４の側面６４ａに沿ってピストン１０の径方向中心側に向きを変える。即ち、噴孔５６から噴射された燃料噴霧Ｆの運動量をピストン１０の径方向中心側に向かう運動量に有効に変換することができる。

その結果、図１０に示した本実施形態においては、図９に示した従来のディーゼルエンジンにおける燃料噴霧Ｆの流動と比較して、周辺凹部６０に沿って反転しピストン１０の径方向中心側に向かう噴霧Ｆの運動量が大きいので、噴霧Ｆが従来よりもピストン１０の径方向中心の近傍まで移動する。即ち、燃料噴霧Ｆのペネトレーションを強めることなく、キャビティ１２内における燃料噴霧Ｆの移動距離を伸長することができ、燃料噴霧Ｆと空気との混合性を向上することができる。

また、上述したように、気筒２内には、吸気行程において上側から見て時計回りの吸気スワール流Ｓが生成され、第１及び第２の吸気ポート１８、２０により、気筒２内の吸気スワール流Ｓが強化される。本実施形態では、図１１に示すように、キャビティ１２内を流れるスワール流Ｓが、周辺凹部６０の壁部６４及び凹部６６により形成されるピストン１０の径方向の凹凸に沿って湾曲することにより、ピストン１０の径方向内側へ進む空気流動Ｖが発生する。したがって、リップ部６２と周辺凹部６０との接続部付近に到達した噴霧Ｆは空気流動Ｖと合流し、キャビティ１２の壁面に沿って径方向内側に反転しながら空気と混合する。これにより、燃料噴霧Ｆのペネトレーションを強めることなく、燃料噴霧Ｆと空気との混合性を向上することができる。

また、燃料噴霧Ｆが到達する周辺凹部６０の近傍は、キャビティ１２内における他の領域と比較して燃料がリッチになり易い。しかしながら、本実施形態では周辺凹部６０の壁部６４に凹部６６が形成されているので、この凹部６６内の空気が近傍のリッチな領域に供給される。これにより、燃料噴霧Ｆが到達する周辺凹部６０付近のリッチな領域における酸素不足を解消でき、ＮＯｘやスートの発生を抑制することができる。

次に、本発明の実施形態のさらなる変形例を説明する。図１２及び図１３は、本発明の実施形態の変形例によるピストンの斜視図であり、図１４は、図１３に示した本発明の実施形態の変形例によるピストンの平面図である。

上記した実施形態では、各壁部６４に、ピストン１０の径方向外側に凹んだ凹部６６が形成されていると説明したが、図１２に示すように、凹部６６を形成しなくてもよい。
この変形例においても、周辺凹部６０に到達した燃料噴霧Ｆをピストン１０の周方向において両側から挟むように壁部６４が設けられているので、上述した実施形態と同様に、周辺凹部６０に到達した燃料噴霧Ｆの内、周辺凹部６０に沿ってピストン１０の周方向に広がった噴霧Ｆは、隣り合う噴霧Ｆと衝突することなく壁部６４の側面６４ａに沿ってピストン１０の径方向中心側に向きを変える。即ち、噴孔５６から噴射された燃料噴霧Ｆの運動量をピストン１０の径方向中心側に向かう運動量に有効に変換することができる。

また、上述した実施形態では、キャビティ１２の周縁に壁部６４が形成されていると説明したが、図１３及び図１４に示すように、壁部６４が、周辺凹部６０から中央隆起部５８に沿ってピストン１０の径方向内側に延びる延長部６８を有するようにしてもよい。この場合、壁部６４の側面６４ａは、隣接する壁部６４の側面６４ａ及び延長部６８の側面６８ａにより挟まれた領域がシリンダヘッド６側から見てほぼ半楕円形となるように、直線状に形成される。
この変形例においては、周辺凹部６０に到達した燃料噴霧Ｆをピストン１０の周方向において両側から挟むように壁部６４が設けられていることに加えて、周辺凹部６０に沿って反転し中央隆起部５８に沿ってピストン１０の径方向中心側に向かう噴霧Ｆをピストン１０の周方向において両側から挟むように延長部６８が設けられている。したがって、周辺凹部６０に沿って反転しピストン１０の径方向中心側に向かう噴霧Ｆは、隣り合う噴霧Ｆと衝突することなく延長部６８の側面６８ａ及び中央隆起部５８の斜面に沿ってピストン１０の径方向中心側に向かう。これにより、噴孔５６から噴射された燃料噴霧Ｆの運動量をより有効にピストン１０の径方向中心側に向かう運動量に変換し、噴霧Ｆをピストン１０の径方向中心の近傍まで移動させることができる。即ち、燃料噴霧Ｆのペネトレーションを強めることなく、キャビティ１２内における燃料噴霧Ｆの移動距離を更に伸長することができ、燃料噴霧Ｆと空気との混合性を一層向上することができる。

また、上記した実施形態では、１０個の噴口２７を備えた燃料噴射弁３４を示したが、本発明は、これとは異なる複数の噴口２７を備えた燃料噴射弁３４を有するエンジンにも適用可能である。

次に、上述した本発明の実施形態及び本発明の実施形態の変形例によるディーゼルエンジン１の作用効果を説明する。

まず、ピストン１０の冠面１０ａに形成されたキャビティ１２の壁面は、キャビティ１２の周縁において燃料噴射弁３４の噴孔５６の指向方向から外れた位置に形成され且つピストン１０の中心軸線を含む面とほぼ平行にピストン１０の径方向内側に突出した壁部６４を有するので、キャビティ１２の周縁に到達した燃料噴霧Ｆの内、キャビティ１２の壁面に沿ってピストン１０の周方向に広がった噴霧Ｆは、隣り合う噴霧Ｆと衝突することなく壁部６４の側面６４ａに沿ってピストン１０の径方向中心側に向きを変える。即ち、噴孔５６から噴射された燃料噴霧Ｆの運動量をピストン１０の径方向中心側に向かう運動量に有効に変換することができ、これにより、燃料噴霧Ｆのペネトレーションを強めることなく、キャビティ１２内における燃料噴霧Ｆの移動距離を伸長することができ、燃料噴霧Ｆと空気との混合性を向上することができる。

また、壁部６４には、ピストン１０の径方向外側に凹んだ凹部６６が形成されているので、キャビティ１２内を流れるスワール流Ｓを、周辺凹部６０の壁部６４及び凹部６６により形成されるピストン１０の径方向の凹凸に沿って湾曲させ、ピストン１０の径方向内側へ進む空気流動Ｖを発生させることができる。この空気流動Ｖは、キャビティ１２の壁面に沿って径方向内側に反転した噴霧Ｆと合流してピストン１０の径方向内側へ向かうので、燃料噴霧Ｆのペネトレーションを強めることなく、燃料噴霧Ｆと空気との混合性をより向上することができる。
また、凹部６６内の空気がキャビティ１２の周縁における燃料がリッチな領域に供給されるので、燃料噴霧Ｆが到達するキャビティ１２の周縁付近のリッチな領域における酸素不足を解消でき、ＮＯｘやスートの発生を抑制することができる。

また、壁部６４は、キャビティ１２の壁面に沿ってピストン１０の径方向内側に延びる延長部６８を有するので、周辺凹部６０に沿って反転しピストン１０の径方向中心側に向かう噴霧Ｆは、隣り合う噴霧Ｆと衝突することなく延長部６８の側面６８ａ及び中央隆起部５８の斜面に沿ってピストン１０の径方向中心側に向かう。これにより、噴孔５６から噴射された燃料噴霧Ｆの運動量をより有効にピストン１０の径方向中心側に向かう運動量に変換し、噴霧Ｆをピストン１０の径方向中心の近傍まで移動させることができる。即ち、燃料噴霧Ｆのペネトレーションを強めることなく、キャビティ１２内における燃料噴霧Ｆの移動距離を更に伸長することができ、燃料噴霧Ｆと空気との混合性を一層向上することができる。

また、燃料噴射弁３４には、キャビティ１２内に平面視で放射状に燃料を噴霧するようにキャビティ１２内を指向する複数の噴孔５６が形成されているので、キャビティ１２内に平面視で放射状に噴霧された燃料の運動量をピストン１０の径方向中心側に向かう運動量に有効に変換することができ、これにより、燃料噴霧Ｆのペネトレーションを強めることなく、キャビティ１２内における燃料噴霧Ｆの移動距離を伸長することができ、燃料噴霧Ｆと空気との混合性を確実に向上することができる。

特に、壁部６４は、複数の噴孔５６の各指向方向の間に配置されているので、キャビティ１２内に平面視で放射状に噴霧され、キャビティ１２の壁面に沿ってピストン１０の径方向内側に反転する燃料の運動量を、隣り合う噴霧Ｆの運動量と相殺することなくピストン１０の径方向中心側に向かう運動量に確実に変換することができ、これにより、燃料噴霧Ｆのペネトレーションを強めることなく、キャビティ１２内における燃料噴霧Ｆの移動距離を伸長することができ、燃料噴霧Ｆと空気との混合性を確実に向上することができる。

１ディーゼルエンジン
２気筒
６シリンダヘッド
１０ピストン
１０ａ冠面
１２キャビティ
１８第１の吸気ポート
２０第２の吸気ポート
２２第１の排気ポート
２４第２の排気ポート
３４燃料噴射弁
５６噴孔
５８中央隆起部
６０周辺凹部
６２リップ部
６４壁部
６４ａ側面
６６凹部
６８延長部
６８ａ側面

Claims

シリンダが形成されたシリンダブロックと、前記シリンダの一端を覆うように前記シリンダブロック上に配設されるシリンダヘッドと、前記シリンダヘッドに対向する冠面を備え前記シリンダ内を往復動するピストンと、前記シリンダヘッドに取り付けられた燃料噴射弁とを有するディーゼルエンジンであって、
前記ピストンの冠面には、前記シリンダヘッドとは反対側に凹んだ平面視円形のキャビティが形成され、このキャビティは、断面視でそのキャビティの中心側ほど前記燃料噴射弁に近づくように隆起した中央隆起部と、この中央隆起部と連続しており、断面視でピストンの径方向外側に凹となる円弧状に形成されると共に平面視で円形状に形成された周辺凹部と、この周辺凹部と連続しており、断面視で前記ピストンの径方向内側に凸となる円弧状に形成されると共に平面視で円形状に形成されたリップ部と、を備えるリエントラント型のキャビティであり、
前記キャビティの周辺凹部には、その複数の箇所で、前記周辺凹部の径方向最も外側の位置から前記キャビティのリップ部の先端と同じ位置まで前記ピストンの径方向内側に突出し、前記キャビティの周縁に沿って延びる複数の壁部が形成され、
前記燃料噴射弁には、前記キャビティ内に平面視で複数の指向方向に放射状に燃料を噴射するための複数の噴孔が形成され、これらの燃料噴射弁の噴孔は、噴射された燃料噴霧が前記キャビティのリップ部と周辺凹部との接続部付近に到達するよう指向され、
前記キャビティの周辺凹部に形成された複数の壁部は、それぞれ、前記燃料噴射弁の複数の噴孔の各指向方向の間に配置され、
前記複数の壁部は、前記ピストンの周方向において前記複数の壁部の両端に位置する側面を有し、平面視において前記ピストンの中心と前記壁部の両端の側面とを結ぶ直線が成す中心角αが、前記リップ部と前記周辺凹部との接続部付近に到達した燃料噴霧が前記キャビティの円弧状形状の周辺凹部に沿って前記ピストンの径方向内側に反転するよう、前記燃料噴霧が前記壁部の側面の間の前記周辺凹部の部分に収まるような大きさに形成され、
前記複数の壁部には、前記ピストンの径方向外側に凹んだ凹部が形成されていることを特徴とするディーゼルエンジン。
前記複数の壁部の側面は、前記壁部の側面の間の前記周辺凹部の部分が前記キャビティの中央から見てほぼ円形となるように、円弧状に形成される、請求項１に記載のディーゼルエンジン。
前記壁部は、前記キャビティの壁面に沿って前記ピストンの径方向内側に延びる延長部を有する、請求項１又は２に記載のディーゼルエンジン。