JPH1136868A - 直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造 - Google Patents

直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造

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JPH1136868A
JPH1136868A JP9196884A JP19688497A JPH1136868A JP H1136868 A JPH1136868 A JP H1136868A JP 9196884 A JP9196884 A JP 9196884A JP 19688497 A JP19688497 A JP 19688497A JP H1136868 A JPH1136868 A JP H1136868A
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combustion chamber
fuel
vertical vortex
diesel engine
injection
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Kazuya Yokota
和也 横田
Masaaki Kashimoto
正章 樫本
Mitsunori Kondo
光徳 近藤
Manabu Shibakawa
学 柴川
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Original Assignee
Mazda Motor Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】燃料の気化・霧化を促進しながら、燃料の燃焼
室７からの流出を抑制する。 【解決手段】リエントラント型燃焼室７の底部中央に凸
部１４を設け、この凸部１４でスキッシュ流の向きを変
えることにより、燃焼室上部と下部とに互いに逆向きに
なった縦渦ａ，ｂを生成する。この縦渦ａ，ｂの合流部
分に燃料を噴射する。スキッシュ面積率×リエントラン
ト率を所定値以下にすることによって、燃焼室７からス
キッシュエリアへの燃料の流出を抑制する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、直噴式ディーゼル
エンジンの燃焼室構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】直噴式ディーゼルエンジンのピストン頂
部にリエントラント型燃焼室を形成したものは一般に知
られている。例えば、特開平８−１３５４４９号公報に
は、燃焼室の開口を形成するリップ部の下側に、全周に
わたって外側へ凹んだ環状凹部を形成することによって
燃焼室をリエントラント型とするとともに、該燃焼室の
底部中央に凸部を設けたものが記載されている。この中
央凸部は、圧縮行程において生成するスキッシュ流を下
側外向きに変え、強い流れの縦渦を形成することによっ
て、そこに噴射される燃料の気化・霧化を促進するもの
である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術によれ
ば、上記燃料の気化・霧化の促進によって燃焼性が向上
し排気中のスモークが低減するが、噴射された燃料が燃
焼室から比較的温度が低いスキッシュエリア側へ流出す
ることを十分に抑制するに至っていない。
【０００４】そこで、本発明は、燃料の気化・霧化をさ
らに促進するとともに、燃料の燃焼室外への流出を抑制
してさらにスモークの低減を図るものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、リエントラン
ト型燃焼室のリップ部、環状凹部及び中央凸部、並びに
燃料噴射ノズルを、燃焼室の上部と下部とに縦渦を形成
してこの両縦渦の合流部分に燃料噴霧を当てるように関
係付けて構成し、且つスキッシュ面積率とリエントラン
ト率とを、スキッシュ流の利用効率を高めながら燃料室
からの燃料の流出を抑制するという観点から関係付けて
構成している。
【０００６】すなわち、この出願の発明は、ピストン頂
部に形成された燃焼室が、該燃焼室の開口を形成するリ
ップ部の下側に全周にわたって外側へ凹んだ環状凹部が
形成されてなるリエントラント型であり、シリンダヘッ
ドに設けられた噴射ノズルにより燃料が直接噴射される
直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造において、上記
燃焼室の底部中央に、圧縮行程において生成するスキッ
シュ流を外向きに変えて燃焼室上部に縦渦を生成させる
中央凸部が形成され、上記中央凸部によって反射されて
上記環状凹部の壁面に衝突し下方へ流れるスキッシュ流
が燃焼室底部を通り上記中央凸部に沿って上昇して燃焼
室下部に上記燃焼室上部の縦渦とは逆向きの縦渦を生成
するように、上記環状凹部の下部から上記中央凸部の周
面上端部に至る間が連続する曲線に形成され且つその曲
率半径が環状凸部の下部で小さく中央凸部で大きくなる
ように形成され、上死点付近において上記燃焼室上部の
縦渦と燃焼室下部の縦渦とが合流する部分に燃料噴霧が
衝突するように、上記噴射ノズルの燃料噴射方向が定め
られており、上記環状凹部の最大内径Ｄ3 に対する上記
リップ部における燃焼室開口径Ｄ1の比であるリエント
ラント率Ｄ1/Ｄ3 と、ボア面積に対するスキッシュエリ
アの面積の百分率であるスキッシュ面積率との積が６５
以下であることを特徴とするものである。
【０００７】−上下２層の縦渦の生成− ここに、圧縮行程においては、リップ部を回って燃焼室
内に向かう空気の正スキッシュ流が発生する。このスキ
ッシュ流は中央凸部に当たって反射されることにより外
向きの流れに変わり、燃焼室の環状凹部と中央凸部との
間に縦渦を生成する。ピストンが上死点に近付くに従っ
てスキッシュ流が強くなると、上記縦渦は燃焼室上部に
おいて強く渦巻く少し横長になった縦渦に変わる。これ
に伴って、上記中央凸部で反射されるスキッシュ流の一
部が環状凹部の壁面に当たることによって下方へ分かれ
て燃焼室下部側（環状凹部と中央凸部との間の下側）に
流れ、この燃焼室下部に上記横長になった縦渦とは逆向
きの縦渦が発生する。
【０００８】上記燃焼室下部の縦渦は、環状凹部の下部
から上記中央凸部の周面上端部に至る間が連続する曲線
に形成されているから、生起され易いものであり、且つ
この曲線の曲率半径が環状凸部の下部で小さく中央凸部
で大きくなるように形成されているから、この燃焼室下
部の縦渦の流れが滞ることなく上昇して、燃焼室上部の
縦渦に合流することになる。
【０００９】上記正スキッシュ流を効率良く反転させて
燃焼室上部に縦渦を確実に生成させる観点から、上記中
央凸部は燃焼室の深さの半分以上の高さとすることが好
適である。
【００１０】−燃料の気化・霧化− 燃料噴射ノズルは、上死点付近において上記燃焼室上部
の縦渦と燃焼室下部の縦渦とが合流する部分に燃料噴霧
が衝突するように、その燃料噴射方向が定められてお
り、この上死点を挟む前後の所定期間に燃料を噴射す
る。燃料噴霧は、上記両縦渦が合流する強い流れ部分に
与えられるから、気化・霧化を生じ易く、さらに当該合
流部分から上下の縦渦に分かれるから、そのことによっ
て気化・霧化が促進されるとともに、この気化・霧化し
た燃料が燃焼室の全体に行き渡る。
【００１１】−燃料の気化・霧化と燃料流出抑制とのバ
ランス− 膨脹行程においては、燃焼室内からリップ部を回ってス
キッシュエリアへ混合気等が流れる逆スキッシュ流を生
じ、これに伴って燃焼室内の燃料（気化・霧化した未燃
焼ガスを含む）がスキッシュエリアに流出する。スキッ
シュエリアは、シリンダヘッド側及びシリンダブロック
側へ放熱し易い部位であるから、ここに多量の燃料が流
出すると不完全燃焼を生じ易くなってスモーク量が増え
る。
【００１２】これに対して、当該発明ではリエントラン
ト率（Ｄ1/Ｄ3 ）とスキッシュ面積率（百分率）との積
を６５以下としている。その意味は次の通りである。
【００１３】すなわち、スキッシャ面積率は、これが大
きくなると、正スキッシュ流が強くなる反面、逆スキッ
シュ流も強くなるため、燃料の気化・霧化には有利であ
るが、燃料の流出防止の観点からは不利になる、という
性格を有する。一方、リエントラント率は、それが小さ
くなると、環状凹部の凹みが深くなることを意味するか
ら、それだけ燃焼室の内容物がスキッシュエリアに流出
し難くなる、という性格を有する。
【００１４】そこで、当該発明では、燃料の気化・霧化
の促進のために強いスキッシュ流を得るべくスキッシュ
面積率を大きくするほど、そのことによって生じ易くな
る上記燃料流出を効果的に抑制することができるように
リエントラント率を小さくする、という観点から、上記
積を６５以下とするようにしたものである。
【００１５】ここに、上記燃料の気化・霧化を促進する
ことが、ディーゼルエンジンの燃焼室構造の基本的な要
求であることから、上記スキッシュ面積率については、
これを７７％以上とすることが好適であり、さらには８
０％以上とすることが好適である。その場合、リエント
ラント率は６５／７７以下、あるいは６５／８０以下、
という小さな値になり、圧縮行程で強いスキッシュ流を
得て燃料の気化・霧化を促進しながら、膨脹行程におい
て燃料の流出を効果的に抑制し、燃焼性の向上を図るこ
とができる。
【００１６】−中央凸部の立ち上がり角度について− また、上記燃料の流出抑制の観点から、上記中央凸部
は、上記連続曲線の当該凸部上端における接線がボア横
断面に対して垂直となるように又はボア中心側へ１０度
以下の範囲で傾くように、立ち上げることが好適であ
る。
【００１７】すなわち、中央凸部の上端部の径が漸次拡
大した先太であってその周面の上端部が外側へ傾斜した
ものであれば、膨脹行程において該中央凸部の周面に沿
って上昇する燃料が、この周面上端部において外側へ案
内されてスキッシュエリアに流出し易くなる。そこで、
当該中央凸部の上端部をボア横断面に対して垂直にする
か、若干先細にするものである。但し、先細になり過ぎ
ると、吸気行程において中央凸部の周面に沿って上方且
つ内方へ向かう空気の流れを生じ、新気が入り難くなる
ため、上記上端部の立ち上がり角度は８０度以上にする
ことが好適である。
【００１８】−バルブリセスの利用− 上述の如き燃焼室構造において、吸排気バルブを合わせ
て４つ設け、ピストン頂面の上記各バルブに対応する位
置にそれぞれバルブリセスを形成する一方、上記噴射ノ
ズルが、４噴口型として、各噴口を上記４バルブのバル
ブリセスに対応する方向に燃料を噴射するように開口す
ることが好適である。
【００１９】バルブリセスは、本来ピストンによるバル
ブの突き上げを避けるために設けられるが、スキッシュ
流を弱める働きをする。そこで、このバルブリセスを燃
料の流出抑制に積極的に利用することによって、スキッ
シュ流を弱めるという不利な点を補うものである。すな
わち、燃料を当該バルブリセスの存する方向に噴射すれ
ば、その噴霧がピストン上死点付近ではバルブリセスの
周壁に当たり、その外側へ流出する量が減ることにな
る。よって、バルブリセスの形成によって、スキッシュ
流が弱められる場合でも、燃料の流出抑制という効果が
得られ、燃焼性向上、スモーク低減に有利になる。
【００２０】−ペントルーフの利用− シリンダヘッドをペントルーフ型に形成して、上記中央
凸部の上端部をボア横断面に対して略垂直に立ち上げる
こと、つまりは、上記連続曲線の当該凸部上端における
接線がボア横断面に対して略垂直に立ち上がるようにす
ることが好適である。
【００２１】すなわち、上述の上下２層の縦渦を形成
し、これを強化するためには、中央凸部の上端部をでき
るだけ立てる、つまりボア横断面に対して垂直にする、
さらには上端部周面が上へいくに従って若干外向きにな
るように先太にすればよい。そのことによって、正スキ
ッシュ流が中央凸部によって効率良く反射されて燃焼室
上部に強い横長の縦渦を形成することができるからであ
る。しかし、そのことは先に説明したように、膨脹行程
における燃料の流出抑制には不利に働く。
【００２２】そこで、この発明ではシリンダヘッドをペ
ントルーフ型とすることによって燃料の流出を抑制でき
るようにしたものである。ペントルーフ型であれば、シ
リンダヘッドとピストン頂部と間隔はボア中心側で広く
周辺側では狭くなるから、燃料が流出し難くなる。
【００２３】要するに、ペントルーフ型では正スキッシ
ュ流も弱まるが、この発明は、燃料の気化・霧化には上
記上下２層の縦渦を確実に生成させることがより重要で
ある、という観点から、上記中央凸部の上端部を略垂直
にすることとしたものであり、この略垂直にすることに
よって燃料が流出し易くなることを上記ペントルーフに
よって解決したものである。
【００２４】上記中央凸部の上端部を略垂直にする程度
は、上記連続曲線の当該上端における接線とボア横断面
とのなす角度が８０〜１００度が好適である。この接線
が内側に倒れ過ぎると上記２層縦渦の形成に不利にな
り、また、外側へ倒れ過ぎると環状凹部と中央凸部との
なす空間の上端部が絞られた形となり、着火後の火炎が
当該空間に伝播し難くなり、燃焼性の点で不利になるか
らである。
【００２５】−燃料反射部について− 上述の如き各燃焼室構造においては、上記リップ部に続
いてその下側に、上死点付近において上記噴射ノズルの
燃料噴霧を衝突させるための、外側へ一段下がった燃料
反射部を形成し、該燃料反射部に続いてその下側にさら
に外側へ凹んだ上記環状凹部を形成し、上記リップ部の
開口径をＤ1 、上記燃料反射部の最大内径をＤ2 、上記
環状凹部の最大内径をＤ3 とするとき、Ｄ3 とＤ1 との
差に対するＤ2 とＤ1 との差の比（Ｄ2 −Ｄ1 ）／（Ｄ
3 −Ｄ1 ）が０．４〜０．６となるように設定すること
が、上記燃料の流出を抑制する観点から好適である。
【００２６】上記燃料反射部は、噴射ノズルから噴射さ
れた燃料を燃焼室内の気化・霧化に好適な部位に反射さ
せるために設けられ、上述の如き上記上下２層の縦渦を
生成させる場合には、この両縦渦が合流している部位に
反射を指向させることになる。そこで、この発明では、
上記燃料反射部をさらに燃料の流出抑制に利用するもの
である。
【００２７】すなわち、上記比（Ｄ2 −Ｄ1 ）／（Ｄ3
−Ｄ1 ）が０．４〜０．６の範囲に設定されているとい
うことは、要するに燃料反射部がリップ部の先端面と環
状凹部の一番奥まった部位との略中間位置に存すること
を意味する。また、燃料反射部が外側へ一段下がり、環
状凸部が外側へ凹んでいるということは、リップ部が燃
料反射部の上側で相対的に内方へ棚状に突出しリップ部
下側がアンダカット（ピストン頂面から見てかくれた部
分）になっている、同様に燃料反射部の下側（環状凹部
の上部）がアンダカットになっていることを意味する。
【００２８】従って、燃焼室内の燃料は、膨脹行程にお
いてスキッシュエリア側へ流出しようとするが、上記２
段のアンダカットによって遮られ、その流出が抑制され
る。上記燃料反射部を略中間位置に配置するようにした
のは、燃料の流出抑制に有用な２段のアンダカットを形
成するためである。
【００２９】上記燃料反射部は、燃料噴霧をできるだけ
上記合流部分に反射させるために、ボア横断面に対して
略垂直（±１０度の角度範囲）になっている反射面を有
することが好ましく、さらには垂直から１０度の範囲で
上向きになった反射面を有することが好ましい。そのよ
うな反射面は、上下方向に直線的ものであっても、湾曲
しているものであってもよい。ここに、上記Ｄ2 につい
ては、垂直の反射面を有する場合には、その垂直面の位
置を基準に計算し、上向きになった反射面を有する場合
には、最も奥まった部位を基準に計算し、反射面が下向
きになっている場合には、その上下方向における中間部
位を基準に計算すればよい。
【００３０】また、上述の如き燃料反射部構造は、先に
説明したスキッシュ面積率とリエントラント率との関係
を規定しない場合や、ペントルーフタイプとしない場合
においても有用である。
【００３１】
【発明の効果】従って、本発明によれば、リエントラン
ト型燃焼室のリップ部、環状凹部及び中央凸部、並びに
燃料噴射ノズルを、燃焼室の上部と下部とに縦渦を形成
してこの両縦渦の合流部分に燃料噴霧を当てるように関
係付け、且つスキッシュ面積率とリエントラント率と
を、スキッシュ流の利用効率を高めながら燃料室からの
燃料の流出を抑制するという観点から関係付けているか
ら、燃料の気化・霧化が促進されるとともに、燃料のス
キッシュエリアへの流出が適度に抑制されて、燃焼性が
向上し、スモークの発生を抑えることができる。
【００３２】また、リエントラント型燃焼室の中央凸部
の上端部をボア横断面に対して略垂直にして立ち上げた
ものによれば、燃焼室の上部と下部の各々に縦渦を形成
して燃料の気化・霧化を促進しながら、燃料の流出を適
度に抑制することができ、燃焼性を向上させてスモーク
の発生を抑えることができる。
【００３３】また、リップ部に続いてその下側に外側へ
凹んだ燃料反射部を形成し、該燃料反射部に続いてその
下側にさらに外側へ凹んだ環状凹部を形成し、リップ部
の開口径をＤ1 、上記燃料反射部の最大内径をＤ2 、上
記環状凹部の最大内径をＤ3とするとき、Ｄ3 とＤ1 と
の差に対するＤ2 とＤ1 との差の比を０．４〜０．６と
なるように設定したものによれば、燃料の流出を効果的
に抑制して燃焼性を向上させ、スモークを低減させるこ
とができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
＜実施形態１＞図１に示す直噴式ディーゼルエンジンの
燃焼室構造において、１はピストン、２はシリンダヘッ
ド、３は吸気ポート、４は排気ポート、５は吸気バル
ブ、６は排気バルブである。ピストン１の頂部にリエン
トラント型燃焼室７が形成され、シリンダヘッド２に燃
料噴射弁８が設けられ、その噴射ノズル９が燃焼室７に
燃料を直接噴射すべく下方へ若干突出している。なお、
シリンダヘッド２はフラット型であり、バルブ５，６は
直立型である。
【００３５】−燃焼室形状− 図２に拡大して示す燃焼室７において、１１はピストン
頂面部において内方へ突出する環状のリップ部、１２は
該リッブ部１１の下側で外側へ段状に一段下がった（凹
んだ）環状の燃料反射部、１３は該燃料反射部１２の下
側でさらに外側へ凹んだ環状凹部である。燃焼室７の底
部中央には上方へ突出する凸部１４が形成されている。
【００３６】図３に示すように、リップ部１１の先端面
は、ピストン頂面より小さな凸Ｒ1（凸Ｒは燃焼室な凸
曲面を形成する丸みのこと。以下、同じ。）を介して下
方へ若干垂直に延びている。
【００３７】燃料反射部１２は、リップ部１１から続く
凸Ｒ2 によって外側へ凹み、該凸Ｒ2 に続く凹Ｒ3 （凹
Ｒは燃焼室に凹曲面を形成する丸みのこと。以下、同
じ。）によって下方へ延びている。この凹Ｒ3 の下端に
おける接線Ｌ1 はボア横断面に対して垂直な線（ボア軸
方向に延びる線）から角度α（零乃至十数度）外側へ傾
いている。すなわち、燃料反射部１２は、後述する燃料
噴霧を反射させるものであり。上記傾きによって燃焼室
内方へ向かって若干上向きになった反射面を有する。
【００３８】環状凹部１３は、燃料反射部１２から続く
凸Ｒ4 によって外側へ凹み、該凸Ｒ4 に続く大きな凹Ｒ
5 によってさらに外側へ大きく凹んでいる。この凹Ｒ5
は燃焼室７の最低部に至っており、該最低部での凹Ｒ5
の接線方向はボア横断方向に延びている。
【００３９】中央凸部１４は、上記環状凹部１３の凹Ｒ
5 に続く凹Ｒ6 によって燃焼室７の底部から立ち上がっ
ている。この環状凹部１３の凹Ｒ5 から中央凸部１４の
凹Ｒ6 に至る連続曲線において、凹Ｒ6 の曲率半径は凹
Ｒ5 の曲率半径の１．５〜２．５倍になっている。中央
凸部１４の上端における凹Ｒ6 の接線Ｌ2 がボア横断面
と垂直に線に対してなす角度βは０〜１０度の範囲であ
る。
【００４０】中央凸部１４の頂面は、上記凹Ｒ6 から小
さな凸Ｒ7 を介して小さな傾斜（１０度前後の傾斜）を
もって漸次高くなった傾斜部１４ａに綴喜、さらに、頂
面中央は平坦に形成されている。中央凸部１４の高さは
燃焼室７の深さの２／４から３／４である。
【００４１】ここに、リップ部１１における燃焼室開口
径をＤ1 、燃料反射部１２の反射面の内径（凹Ｒ3 の最
も奥まった部位での内径）をＤ2 、環状凹部１３の最も
奥まった部位での内径をＤ3 とすると、環状凹部１３の
リエントラント率はＤ1/Ｄ3で表わすことができる。燃
料反射部１２の反射面位置（リップ部１１と環状凹部１
３との間のどの位置に反射面が存するか）は（Ｄ2 −Ｄ
1)／（Ｄ3 −Ｄ1)で表わすことができる。この例ではリ
エントラント率は０．７６６であり、反射面位置は、
０．４５強である。また、スキッシュ面積率は８２．５
％ある。
【００４２】−上下２層の縦渦の形成− 従って、上記燃焼室構造においては、圧縮行程では、リ
ップ部１１を回って燃焼室７内に向かう空気の正スキッ
シュ流が発生する。このスキッシュ流は、スキッシュ面
積率が８２．５％と大きな値になっているからかなり強
いものになる。このスキッシュ流は、凸部１４に当たっ
て反射されることにより外向きの流れに変わり、燃焼室
７の環状凹部１３と中央凸部１３との間の空間に縦渦を
生成する。ピストン１が上死点に近付くに従ってスキッ
シュ流が強くなると、上記縦渦は、図２に示すように燃
焼室上部において強く渦巻く少し横長になった縦渦ａに
変わる。
【００４３】このとき、燃料反射部１２の反射面がリッ
プ部１１よりも奥にあってリップ部１１の下に適切なア
ンダカットが形成されているから、このことが上記縦渦
ａを横長に寝かせた状態にすることに有利に働く。この
ような横長縦渦ａの生成に伴って、その下側に逆向きの
縦渦ｂが生成する。すなわち、中央凸部１４に反射され
たスキッシュ流は環状凹部１３の壁面に当たることによ
ってその一部が下方へ分かれて燃焼室７の下側（環状凹
部１３と中央凸部１４との間の下側）に流れ、燃焼室底
部から中央凸部１４に沿って上昇することによって、こ
の燃焼室下部に上記横長になった縦渦ａとは逆向きの縦
渦ｂが発生する。
【００４４】上記燃焼室下部の縦渦ｂは、環状凹部の下
部から上記中央凸部１４の周面上端部に至る間が連続す
る曲線に形成されているから、流れが滞ることなく上昇
して、燃焼室上部の縦渦ａに合流することになる。
【００４５】−噴射ノズルの噴射方向等− 図２に示すように、噴射ノズル９の噴射方向Ａは、ピス
トン上死点付近において上記縦渦ａと縦渦ｂとの合流部
分に燃料噴霧１６が衝突するように定められている。燃
料噴射時期は、上死点前から噴射が開始され上死点後に
噴射が終了するように定められている。また、噴射開始
から噴射終了までの期間の中間点が上死点又は上死点後
の数度（クランク角度で数度）の点に存するように定め
られている。なお、この噴射開始時点及び噴射終了時点
はエンジンの運転状態によって変わり、エンジン負荷が
高くなるほど噴射時期が長くなり、また、エンシン回転
数が高くなるほど噴射開始時期が早くなる。
【００４６】従って、上死点付近において、燃料噴霧１
６が上記両縦渦ａ，ｂが合流する強い流れ部分に与えら
れるから、気化・霧化を生じ易く、さらに当該合流部分
から上下の縦渦ａ，ｂに分かれるから、そのことによっ
て気化・霧化が促進されるとともに、この気化・霧化し
た燃料が燃焼室７の全体に行き渡ることになる。この場
合、ピストン１は上死点付近ではその昇降速度が低下し
上死点では速度零になるから、燃料噴霧１６が上記合流
部分に衝突するのは瞬間的なものではなく、実質的には
所定時間継続して該合流部分に燃料噴霧１６が与えられ
ることになり、両縦渦ａ，ｂを燃料の気化・霧化に十分
に利用することができる。
【００４７】燃料噴霧１６は上記合流部分を介して燃料
反射部１２に衝突し反射される。この燃料反射部１２
は、上述の凹Ｒ3 による若干上向きになった反射面を有
するから、燃料噴霧１６は当該合流部分に効率良く反射
され、燃料の気化・霧化が促進される。
【００４８】中央凸部１４の頂面周辺部が下降傾斜して
いることは、中央凸部１４を高くしても、燃料噴霧１６
が該中央凸部１４に衝突することを避けるうえで有利に
なっている。この中央凸部１４を高くすることができる
ということは、燃焼室７に燃料が行き渡り難いデッドス
ペースが少ないということであり、効率の良い燃焼を図
るうえで有利に働く。
【００４９】−燃料流出抑制− 上述の如く、燃料噴霧１６は縦渦ａと縦渦ｂとの合流部
分に与えられ、また、燃料反射部１２で反射するが、燃
焼室上部の縦渦ａは横長になっていて強く渦巻いている
から、燃料がスキッシュエリア側へ流出し難い。
【００５０】膨脹行程に入ってピストン１が下降を開始
すると、燃焼室７からスキッシュエリアに混合気が流れ
る逆スキッシュ流が生成するが、この例ではリエントラ
ント率が０．７６６と小さくなっているから、逆スキッ
シュ流が比較的強いものであっても、燃料は燃焼室７か
らスキッシュエリアへ流出し難い。特に、燃料反射部１
２がリップ部１１と環状凹部１３との中間位置にあっ
て、該燃料反射部１２の上下の各々にアンダカットが形
成されているから、環状凹部１３の壁面を伝って上昇す
る燃料は、凹Ｒ3 による反射面の下側の凸Ｒ4 による突
出部に遮られ、また、反射面を伝って上昇する燃料は上
側の凸Ｒ2 による突出部に遮られることになり、そのス
キッシュエリアへの流出が抑制される。また、中央凸部
１４の周面を伝って上昇する燃料も、中央凸部１４の上
端部が若干内倒れに形成されているから、該中央凸部１
４によってスキッシュエリアに案内される度合いも小さ
く、このことも燃料の流出抑制に働いている。
【００５１】−燃料流出量とスモーク量との関係− 噴射ノズル９の突出量と燃料流出量、スモーク発生量と
の関係をみると、図４のようになる。すなわち、噴射方
向（噴射角度）が同じであれば、噴射ノズル９の突出量
が大きくなるほど燃料流出量Ｑが少なくなる。燃料流出
量Ｑが少なくなると、スモーク量Ｓもそれに応じて少な
くなるが、噴射ノズル９の突出量が大きくなり過ぎる
と、燃焼空間全体に燃料が行き渡り難くなる、気化・霧
化がわるくなる等の原因でスモーク量が逆に増えてく
る。
【００５２】従って、噴射ノズル９の突出量の調節によ
る燃料の流出抑制に限界があることがわかる。しかし、
同じ噴射ノズル突出量であっても、燃料流出量がＱ→Ｑ
´のように減れば、スモーク量もＳ→Ｓ´のように減少
する。よって、燃焼室構造を工夫することによる燃料流
出抑制がスモーク量の低減に有効である。
【００５３】−比較− そこで、上記実施形態の燃焼室構造について、比較例と
の比較においてその効果を確認した。図３に鎖線で示す
ものは比較例であり、そのＤ1 、Ｄ2 、Ｄ3 、スキッシ
ュ面積率、リエントラント率及び反射面位置は、上記実
施形態と併せて示すと表１の通りである。また、比較例
の中央凸部の上端の立ち上がり角度はボア横断面に対し
て垂直になっている。
【００５４】
【表１】
【００５５】図５には、リエントラント率が小さくなっ
たことによる燃料流出量の抑制効果と、中央凸部１４の
上端部の立ち上がり角度を９０度未満（内側へ傾いてい
る）にしたことによる燃料流出量の抑制効果とが示され
ている。すなわち、実施形態では、リエントラント率を
小さくしたことによって、比較例に比べて燃料流出量が
１０％以上低減し、また、中央凸部の形状変更によって
同じく数％低減している。
【００５６】次に燃料を高圧噴射したときの、エンジン
回転数とエンジントルクとの関係、並びにトルク同一時
におけるエンジン回転数とのスモーク量との関係を調
べ、図６に示す結果を得た。また、燃料を低圧噴射した
ときの同関係を調べ、図７に示す結果を得た。この両図
から明らかなように、実施形態ではエンジントルクが３
〜９％向上し、また、スモーク量が大きく低減してい
る。このスモーク量の低減には上述の燃料流出抑制の効
果と共に、上記２層縦渦ａ，ｂの生成による燃料の気化
・霧化の向上効果が反映されていると考えられる。そし
て、このような燃焼性の向上によってエンジントルクの
向上を招いている。
【００５７】−スキッシュ面積率×リエントラント率に
ついて− 次にスキッシュ面積率とリエントラント率との積とスモ
ーク量との関係について調べ、図８に示す結果を得た。
これは、径Ｄ1 、スキッシュ面積率及び反射面位置、並
びに噴射ノズルの噴射方向及び噴射時期を上記実施形態
と同じにして、リエントラント率を異なるものにした各
燃焼室構造に関し、スモーク量を調べたものである。同
図から、当該積が６５を越えるとスモーク量の増大率が
高くなることがわかる。なお、スキッシュ面積率が大き
い場合も小さい場合も同様の傾向を示したが、スキッシ
ュ面積率が７７％よりも小さくなると、当該積が６５以
下となるようにリエントラント率を調整しても、スモー
ク量の低減効果を十分に得ることができなかった。
【００５８】＜実施形態２＞図９に示す燃焼室構造で
は、シリンダヘッド２をそのルーフがボア中心で最も高
く周辺にいくに従って漸次下降傾斜したペントルーフ型
に形成している。そのため、吸排気バルブ５，６はシリ
ンダヘッド２のルーフ形状に合わせて傾斜した傾斜バル
ブになっている。燃焼室７の中央凸部１４の上端部はボ
ア横断面に対して略垂直に立ち上がっている。他の構成
は実施形態１と同じである。
【００５９】すなわち、この実施形態で上記中央凸部１
４の上端部を略垂直にち上げているのは、これによっ
て、正スキッシュ流を効率良く反射させて燃焼室上部に
横長になった縦渦ａを確実に作り、そのことによって、
その下に逆方向の縦渦ｂを生成するためである。中央凸
部１４の上端部を略垂直に立ち上げれば、燃料が流出し
易いという不利があるが、シリンダヘッド２をペントル
ーフ型にして燃料の流出を抑えているから、これにより
当該不利は相殺される。
【００６０】ペントルーフ型によって正スキッシュ流が
弱くなっても、上下２層の縦渦ａ，ｂが確実に生成され
るから、燃料の気化・霧化にはかえって有利になる場合
がある。
【００６１】＜実施形態３＞図１０に示す燃焼室構造で
は、吸排気バルブ５を２個、排気バルブ６を２個設けた
４バルブ型において、ピストン頂面の上記各バルブ５，
６に対応する位置にそれぞれバルブリセス１５が形成さ
れている。また、噴射ノズル９は、４噴口型であり、各
噴口はそれらの燃料噴霧１６が上記４バルブのバルブリ
セス１５に対応する方向に噴射されるように開口してい
る。
【００６２】上記バルブリセス１５は、スキッシュ流を
弱める働きをするが、燃料がバルブリセス１５の存する
方向に噴射されるから、その噴霧がピストン上死点付近
ではバルブリセス１５の周壁に当たり、その外側へ流出
する量が減ることになる。よって、この実施形態によれ
ば、バルブリセス１５の形成によって、スキッシュ流が
弱められる場合でも、燃料の流出抑制という効果が得ら
れ、燃焼性向上、スモーク低減に有利になる。
【００６３】＜実施形態４＞図１１に示す燃焼室構造で
は、シリンダヘッド２をフラットルーフ型とし、バルブ
５，６を傾斜バルブとして、実施形態３と同様に４バル
ブに対応するバルブリセス１５を形成するとともに、４
噴口型噴射ノズル９の各噴口を各バルブリセス１５に向
けたものである。この実施形態でも実施形態３と同様の
効果が得られる。
【００６４】＜実施形態５＞図１２に示す燃焼室構造で
は、シリンダヘッド２を実施形態２と同様にペントルー
フ型として、燃焼室７の中央凸部１４の上端部を略垂直
に立ち上げ、さらに実施形態３と同様に４バルブに対応
するバルブリセス１５を形成するとともに、４噴口型噴
射ノズル９の各噴口を各バルブリセス１５に向けたもの
である。この実施形態でも実施形態２，３と同様の効果
が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１の燃焼室構造を示す縦断面図。
【図２】同形態の燃焼室の縦断面図。
【図３】同形態と比較例の各々の燃焼室の縦断面形状を
示す図。
【図４】噴射ノズルの突出量とスモーク量・燃料流出量
との関係を示すグラフ図。
【図５】同形態の燃料流出抑制効果を示すグラフ図。
【図６】燃料高圧噴射における同形態と比較例のエンジ
ン出力特性及びスモーク発生特性を示すグラフ図。
【図７】燃料低圧噴射における同形態と比較例のエンジ
ン出力特性及びスモーク発生特性を示すグラフ図。
【図８】スキッシュ面積率×リエントラント率とスモー
ク発生量との関係を示すグラフ図。
【図９】実施形態２の燃焼室構造を示す縦断面図。
【図１０】実施形態３の燃焼室構造を示す図（(a) はピ
ストンの平面図，(b) は燃焼室構造の縦断面図）。
【図１１】実施形態４の燃焼室剛造を示す縦断面図。
【図１２】実施形態５の燃焼室構造を示す図（(a) はピ
ストンの平面図，(b) は燃焼室構造の縦断面図）。
【符号の説明】
１ ピストン ２ シリンダヘッド ５ 吸気バルブ ６ 排気バルブ ７ 燃焼室 ８ 燃料噴射弁 ９ 噴射ノズル １１ リップ部 １２ 燃料反射部 １３ 環状凹部 １４ 中央凸部 １５ バルブリセス １６ 燃料噴霧 ａ，ｂ 縦渦
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柴川 学 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツダ 株式会社内

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ピストン頂部に形成された燃焼室が、該
    燃焼室の開口を形成するリップ部の下側に全周にわたっ
    て外側へ凹んだ環状凹部が形成されてなるリエントラン
    ト型であり、シリンダヘッドに設けられた噴射ノズルに
    より燃料が直接噴射される直噴式ディーゼルエンジンの
    燃焼室構造において、 上記燃焼室の底部中央に、圧縮行程において生成するス
    キッシュ流を外向きに変えて燃焼室上部に縦渦を生成さ
    せる中央凸部が形成され、 上記中央凸部によって反射されて上記環状凹部の壁面に
    衝突し下方へ流れるスキッシュ流が燃焼室底部を通り上
    記中央凸部に沿って上昇して燃焼室下部に上記燃焼室上
    部の縦渦とは逆向きの縦渦を生成するように、上記環状
    凹部の下部から上記中央凸部の周面上端部に至る間が連
    続する曲線に形成され且つその曲率半径が環状凸部の下
    部で小さく中央凸部で大きくなるように形成され、 上死点付近において上記燃焼室上部の縦渦と燃焼室下部
    の縦渦とが合流する部分に燃料噴霧が衝突するように、
    上記噴射ノズルの燃料噴射方向が定められており、 上記環状凹部の最大内径Ｄ3 に対する上記リップ部にお
    ける燃焼室開口径Ｄ1の比であるリエントラント率Ｄ1/
    Ｄ3 と、ボア面積に対するスキッシュエリアの面積の百
    分率であるスキッシュ面積率との積が６５以下であるこ
    とを特徴とする直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構
    造。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載されている直噴式ディー
    ゼルエンジンの燃焼室構造において、 上記スキッシュ面積率が７７％以上であることを特徴と
    する直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造。
  3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載されている
    直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造において、 上記中央凸部は、上記連続曲線の当該凸部上端における
    接線がボア横断面に対して垂直となるように又はボア中
    心側へ１０度以下の範囲で傾くように、立ち上がってい
    ることを特徴とする直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室
    構造。
  4. 【請求項４】 請求項１乃至請求項３のいずれか一に記
    載されている直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造に
    おいて、 吸排気バルブを合わせて４つ備え、 ピストン頂面の上記各バルブに対応する位置にそれぞれ
    バルブリセスが形成されており、 上記噴射ノズルが、４噴口型であって、各噴口が上記４
    バルブのバルブリセスに対応する方向に燃料を噴射する
    ように開口していることを特徴とするとする直噴式ディ
    ーゼルエンジンの燃焼室構造。
  5. 【請求項５】 ピストン頂部に形成された燃焼室が、該
    燃焼室の開口を形成するリップ部の下側に全周にわたっ
    て外側へ凹んだ環状凹部が形成されてなるリエントラン
    ト型であり、シリンダヘッドに設けられた噴射ノズルに
    より燃料が直接噴射される直噴式ディーゼルエンジンの
    燃焼室構造において、 上記燃焼室の底部中央に、圧縮行程において生成するス
    キッシュ流を外向きに変えて燃焼室上部に縦渦を生成さ
    せる中央凸部が形成され、 上記中央凸部によって反射されて上記環状凹部の壁面に
    衝突し下方へ流れるスキッシュ流が燃焼室底部を通り上
    記中央凸部に沿って上昇して燃焼室下部に上記燃焼室上
    部の縦渦とは逆向きの縦渦を生成するように、上記環状
    凹部の下部から上記中央凸部の周面上端部に至る間が連
    続する曲線に形成され且つその曲率半径が環状凸部の下
    部で小さく中央凸部で大きくなるように形成され、 上死点付近において上記燃焼室上部の縦渦と燃焼室下部
    の縦渦とが合流する部分に燃料噴霧が衝突するように、
    上記噴射ノズルの燃料噴射方向が定められており、 上記中央凸部は、上記連続曲線の当該凸部上端における
    接線がボア横断面に対して略垂直に立ち上がるように形
    成され、 上記シリンダヘッドがペントルーフ型に形成されている
    ことを特徴とする直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構
    造。
  6. 【請求項６】 請求項１乃至請求項５のいずれか一に記
    載されている直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造に
    おいて、 上記リップ部に続いてその下側に、上死点付近において
    上記噴射ノズルの燃料噴霧を衝突させるための、外側へ
    一段下がった燃料反射部が形成され、該燃料反射部に続
    いてその下側にさらに外側へ凹んだ上記環状凹部が形成
    されており、 上記リップ部の開口径をＤ1 、上記燃料反射部の最大内
    径をＤ2 、上記環状凹部の最大内径をＤ3 とするとき、
    Ｄ3 とＤ1 との差に対するＤ2 とＤ1 との差の比（Ｄ2
    −Ｄ1 ）／（Ｄ3 −Ｄ1 ）が０．４〜０．６となるよう
    に設定されていることを特徴とする直噴式ディーゼルエ
    ンジンの燃焼室構造。
  7. 【請求項７】 ピストン頂部に形成された燃焼室が、該
    燃焼室の開口を形成するリップ部の下側に全周にわたっ
    て外側へ凹んだ環状凹部が形成されてなるリエントラン
    ト型であり、シリンダヘッドに設けられた噴射ノズルに
    より燃料が直接噴射される直噴式ディーゼルエンジンの
    燃焼室構造において、 上記燃焼室の底部中央に、圧縮行程において生成するス
    キッシュ流を外向きに変えて燃焼室上部に縦渦を生成さ
    せる中央凸部が形成され、 上記中央凸部によって反射されて上記環状凹部の壁面に
    衝突し下方へ流れるスキッシュ流が燃焼室底部を通り上
    記中央凸部に沿って上昇して燃焼室下部に上記燃焼室上
    部の縦渦とは逆向きの縦渦を生成するように、上記環状
    凹部の下部から上記中央凸部の周面上端部に至る間が連
    続する曲線に形成され且つその曲率半径が環状凸部の下
    部で小さく中央凸部で大きくなるように形成され、 上死点付近において上記燃焼室上部の縦渦と燃焼室下部
    の縦渦とが合流する部分に燃料噴霧が衝突するように、
    上記噴射ノズルの燃料噴射方向が定められており、 さらに、上記リップ部に続いてその下側に、上死点付近
    において上記噴射ノズルの燃料噴霧を衝突させるため
    の、外側へ一段下がった燃料反射部が形成され、該燃料
    反射部に続いてその下側にさらに外側へ凹んだ上記環状
    凹部が形成されていて、 上記リップ部の開口径をＤ1 、上記燃料反射部の最大内
    径をＤ2 、上記環状凹部の最大内径をＤ3 とするとき、
    Ｄ3 とＤ1 との差に対するＤ2 とＤ1 との差の比（Ｄ2
    −Ｄ1 ）／（Ｄ3 −Ｄ1 ）が０．４〜０．６となるよう
    に設定されていることを特徴とする直噴式ディーゼルエ
    ンジンの燃焼室構造。
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