WO2022201895A1 - 燃焼室構造及びそれを備えるエンジン - Google Patents

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WO2022201895A1
WO2022201895A1 PCT/JP2022/004374 JP2022004374W WO2022201895A1 WO 2022201895 A1 WO2022201895 A1 WO 2022201895A1 JP 2022004374 W JP2022004374 W JP 2022004374W WO 2022201895 A1 WO2022201895 A1 WO 2022201895A1
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combustion chamber
cylinder
cavity
piston
chamber structure
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English (en)
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Inventor
賢二 平岡
良太 南埜
豪 朝井
Original Assignee
ヤンマーホールディングス株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/02—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition
    • F02B23/06—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with compression ignition the combustion space being arranged in working piston
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F3/00—Pistons 
    • F02F3/26—Pistons  having combustion chamber in piston head

Definitions

  • the present invention relates to a combustion chamber structure configured as a space surrounded by a cylinder, a piston with a cavity recessed in the top surface, and a cylinder head, and an engine including the same.
  • Patent Document 1 discloses a technique for providing a structure capable of suppressing the emission of soot into the atmosphere.
  • a cavity is recessed in the top surface of the piston against which fuel injected from a fuel injection valve arranged above the piston collides.
  • the shape of the inner surface of the cavity on a cross section including the cylinder central axis includes a constricted portion around the cavity opening on the top surface of the piston, a central portion of the cavity bottom that protrudes in a direction approaching the fuel injection valve, and a constricted portion. and a peripheral portion that connects between the portion and the central portion using an arc centered on the cavity center side.
  • the fuel injection valve is set so that the direction of fuel injection is directed toward the vicinity of the boundary between the constricted portion and the peripheral portion.
  • part of the combustion gas generated at the start of combustion rides on the reverse squish flow generated by the movement of the piston toward the bottom dead center, smoothly diffusing into the combustion chamber whose volume is expanding, It mixes with the air in the entire combustion chamber and efficiently generates power.
  • the strong reverse squish flow causes the fuel and combustion gases to flow into the space surrounded by the piston, cylinder head, and cylinder liner wall surface, so that the fuel and combustion gases contact more areas of the combustion chamber.
  • the present invention has been made in consideration of such circumstances, and its object is to reduce the influence of the reverse squish flow by utilizing the entrain flow generated by fuel injection, thereby diffusing the fuel throughout the combustion chamber.
  • a combustion chamber structure includes a cylinder head in which a fuel injection valve is arranged, a cylinder, and a piston that reciprocates inside the cylinder.
  • a circular cavity is formed in the surface, the fuel injection valve is attached to the cylinder head, and injects fuel from the vicinity of the cylinder center axis passing through the center of the cavity, the top surface of the piston including the cavity, and the A combustion chamber structure in which a combustion chamber is formed by a space surrounded by a cylinder and the cylinder head, wherein an inner surface shape of the cavity on a cross section including the central axis of the cylinder is convex in a direction approaching the fuel injection valve.
  • an injection axis representing an injection direction of the fuel injected from the fuel injection valve intersects the first bottom inclined portion.
  • the shape of the inner surface of the cavity on a cross section including the cylinder central axis is from the cavity opening at the top of the piston toward the center of the cavity on the side opposite to the top of the piston. It may have a second bottom slope portion that slopes, and a bottom arc portion that connects the first bottom slope portion and the second bottom slope portion using an arc.
  • the angle formed by the first inclined bottom surface portion and the cylinder central axis is larger than the angle formed by the second inclined bottom surface portion and the cylinder central axis. It can be big.
  • the fuel injection valve has a plurality of injection holes with an injection hole angle of 125° or more and 135° or less and spaced apart in the circumferential direction. may have.
  • the diameter of the opening of the cavity may be 90% or more of the diameter of the cylinder.
  • the number of the injection holes may be 4 or 8 in the fuel injection valve.
  • a total of four intake/exhaust valves are arranged in one cylinder head, and valve recesses for avoiding contact with the intake/exhaust valves are formed in the piston.
  • Four injection axes are provided on the top, and all the injection axes may be oriented so as to avoid the vicinity of the center of the valve recess when viewed in the direction of the cylinder center axis.
  • four of the injection shafts may be oriented in a direction in which the valve recess does not exist.
  • an engine according to one aspect of the present invention comprises the combustion chamber structure according to one aspect of the present invention, and the engine speed at maximum output excluding the instantaneous maximum speed is 2500 rpm or less. characterized by
  • the entrain flow generated by fuel injection is utilized to weaken the effect of the reverse squish flow, thereby diffusing the fuel throughout the combustion chamber and reducing heat loss. It is possible to provide a combustion chamber structure and an engine including the same.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a cross section taken along the line AA in FIG. 2;
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing the flow of injected fuel in chronological order;
  • FIG. 4 is an explanatory diagram showing the flow of injected fuel in chronological order;
  • It is a schematic sectional drawing which shows the modification of the injection shaft in the axial direction view.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of an engine E according to an embodiment of the invention.
  • the engine E includes a combustion chamber 1, an air supply pipe 2, an intake valve 3, an exhaust pipe 4, an exhaust valve 5, a fuel injection valve 6, a crankshaft 7, a rotation speed sensor 8, and a control unit 9. , is equipped with
  • An air supply pipe 2 supplies air to the combustion chamber 1 .
  • the intake valve 3 adjusts the amount of air supplied to the combustion chamber 1 .
  • An exhaust pipe 4 discharges exhaust from the combustion chamber 1 .
  • the exhaust valve 5 adjusts the amount of exhaust gas discharged from the combustion chamber 1 .
  • the fuel injection valve 6 injects liquid fuel (hereinafter abbreviated as “fuel”) into the combustion chamber 1 .
  • the crankshaft 7 is an output shaft of the engine E and is connected to a generator (not shown) or the like.
  • a rotation speed sensor 8 is provided near the crankshaft 7 and detects the engine rotation speed.
  • the control unit 9 controls the operation of each part of the engine E based on the engine speed and the like obtained from the speed sensor 8 .
  • FIG. 2 is a schematic sectional view showing a combustion chamber structure 10 including the combustion chamber 1 and the fuel injection valve 6.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a cross section taken along the line AA in FIG. 2.
  • the combustion chamber structure 10 includes a cylindrical cylinder 11, a cylinder head 12 provided so as to close an opening of the cylinder 11, a piston 13 having a circular cross section provided inside the cylinder 11, the cylinder 11 and the cylinder head 12. and a piston 13 , and a fuel injection valve 6 attached to the cylinder head 12 .
  • a groove-shaped cavity 19 is formed on the top surface of the piston 13 by the second bottom slope portion 17 , the bottom arc portion 18 , the first bottom slope portion 15 , and the bottom center convex portion 14 .
  • This cavity 19 has a circular opening as viewed in the axial direction as shown in FIG. 3, and the diameter D1 of the opening as shown in FIG. ing.
  • the bottom central protrusion 14 is a protrusion formed so that the radial central portion of the top surface of the piston 13 protrudes toward the fuel injection valve 6 side.
  • the first bottom inclined portion 15 is an inclined surface forming an angle ⁇ 1 with respect to the cylinder central axis C, as shown in FIG.
  • the first bottom surface inclined portion 15 extends radially outward from the base end portion of the bottom central protrusion 14 and is inclined so as to separate from the cylinder head 12 as it extends radially outward.
  • "forming an angle” means a smaller crossing angle.
  • the peripheral edge portion 16 is an end surface that is formed on the radially outer portion of the top surface of the piston 13 and extends orthogonally to the cylinder central axis C.
  • a valve recess 20 is formed in a radially inner portion of the peripheral edge portion 16 so as to be one step lower than the periphery.
  • the valve recesses 20 have an arc-shaped outer shape when viewed in the axial direction of the cylinder (hereinafter abbreviated as "axial view"). It is These valve recesses 20 prevent the intake valves 3 and exhaust valves 5 shown in FIG. playing a role.
  • the second bottom inclined portion 17 is an inclined surface forming an angle ⁇ 2 with respect to the cylinder center axis C, as shown in FIG.
  • the second bottom inclined portion 17 extends radially inward from the inner edge portion of the peripheral edge portion 16 and is inclined away from the cylinder head 12 as it extends radially inward.
  • the angle ⁇ 2 is set to be smaller than the angle ⁇ 1.
  • the angle ⁇ 1 is set larger than the angle ⁇ 2.
  • the angle ⁇ 3 formed between the second bottom surface inclined portion 17 and the first bottom surface inclined portion 15, that is, the value obtained by subtracting the sum of the angles ⁇ 1 and ⁇ 2 from 180° is set to 50° or more.
  • the arcuate bottom surface 18 is a curved surface that is formed to be convex toward the side opposite to the fuel injection valve 6 and curved in an arc.
  • the arcuate bottom surface portion 18 has one end connected to the lower end portion of the first inclined bottom surface portion 15 and the other end connected to the lower end portion of the second inclined bottom surface portion 17 .
  • the first bottom slope portion 15 and the second bottom slope portion 17 are connected to each other by the bottom arc portion 18 .
  • the piston 13 configured in this manner is housed inside the cylinder 11 and reciprocates between a so-called top dead center P1 indicated by a solid line in FIG. 2 and a so-called bottom dead center P2 indicated by a two-dot chain line in FIG. It is movable.
  • the fuel injection valve 6 has a plurality of injection holes 21 that are capable of injecting the fuel F at an injection hole angle ⁇ 4 and are spaced apart in the circumferential direction.
  • the "injection hole angle ⁇ 4" in the present invention is also called the “head angle”, and is formed by the injection axis 22 representing the injection direction of the fuel F and the cylinder center axis C in a cross section including the cylinder center axis C. It means an angle that is double the angle.
  • the nozzle hole angle ⁇ 4 is set to 125° or more and 135° or less.
  • the fuel injection valve 6 of this embodiment is provided with a total of eight injection holes 21 at intervals of 45° in the circumferential direction.
  • the fuel injection valve 6 configured in this manner is attached to a position near the cylinder center axis C in the cylinder head 12 .
  • the injection axis 22 of each injection hole 21 intersects the first bottom inclined portion 15 of the piston 13 when positioned at the top dead center P1.
  • all of the injection shafts 22 of the eight injection holes 21 are oriented so as to avoid the center 23 of the valve recess 20 when viewed in the axial direction.
  • injection shafts 22 are oriented in a direction in which no valve recesses 20 exist, that is, to areas between adjacent valve recesses 20 when viewed in the axial direction.
  • the remaining four injection shafts 22 are oriented in the direction in which the valve recess 20 exists in an axial view, and are oriented in a region other than the center 23 .
  • FIG. 4(a) the effects of the combustion chamber structure 10 according to this embodiment will be described.
  • 4 and 5 are explanatory diagrams showing the flow of the injected fuel F in chronological order. In the combustion chamber structure 10 described above, the fuel F is injected from the fuel injection valve 6 when the piston 13 is positioned at the top dead center P1 as shown in FIG. 4(a).
  • the injection axis 22 of the injected fuel F is oriented so as to intersect the first bottom inclined portion 15 of the piston 13 as described above. Therefore, the injected fuel F collides with a predetermined portion of the first bottom surface inclined portion 15 and flows downward along the first bottom surface inclined portion 15 .
  • the fuel F flows in an arc along the bottom arc portion 18, thereby changing its flow direction upward. Furthermore, the fuel F reaches the radially outer edge of the cavity 19 by flowing upward along the second bottom inclined portion 17 from the bottom arc portion 18 .
  • the fuel F injected from the fuel injection valve 6 develops so as to take in the surrounding gas into itself, so that the flow of gas substantially perpendicular to the injection axis 22 of itself, that is, the entrain flow, flows around. known to cause
  • the fuel F injected from adjacent injection holes 21 interferes with each other, causing the injected fuel F to travel forward in the injection direction. Since the gas is taken in from the side, an entrain flow 24 is generated in a direction opposite to the injection direction of the fuel F, as shown in FIG. 5(a).
  • the fuel F that has reached the radially outer edge of the cavity 19 is attracted by the entrain flow 24, and its flow direction is directed toward the radially central portion of the combustion chamber 1, as shown in FIG. 5(a). change as you go.
  • mixing of the fuel F and air is promoted in the radial center portion of the combustion chamber 1 where air is abundantly present, and the air utilization rate is improved, so the fuel consumption of the engine E can be reduced.
  • the angle ⁇ 2 formed by the second bottom surface inclined portion 17 with respect to the cylinder central axis C is less than or equal to the angle ⁇ 1 formed by the first bottom surface inclined portion 15 with respect to the cylinder central axis C. is set to the size of That is, the second bottom surface inclined portion 17 is formed to be steeper than the first bottom surface inclined portion 15 . Therefore, the fuel F flowing along the steep second bottom surface inclined portion 17 tends to form a vortex at the radially outer edge of the cavity 19 . It is easy to change to the center part in the radial direction.
  • a reverse squish flow 25 is generated inside the combustion chamber 1 as shown in FIG. 5(b). More specifically, a space called a squish 26 is formed at the radially outer edge of the combustion chamber 1 by the peripheral edge 16 of the piston 13 , the wall surface of the cylinder 11 and the bottom surface of the cylinder head 12 .
  • a reverse squish flow 25 is generated.
  • the fuel F flows into the squish 26 under the influence of the reverse squish flow 25 and burns, the generated combustion gas may come into contact with the cylinder 11, increasing heat loss.
  • the injection axis 22 of the fuel F is oriented so as to intersect the first bottom inclined portion 15 of the piston 13, and an entrain flow 24 is generated inside the combustion chamber 1 in the opposite direction.
  • the entrain flow 24 weakens the influence of the reverse squish flow 25 on the fuel F, thereby suppressing the inflow of the fuel F into the squish 26 .
  • the fuel F is diffused and burned throughout the combustion chamber 1, and contact between the combustion gas and the cylinder 11 is reduced, so that heat loss can be reduced.
  • the diameter D1 of the opening of the cavity 19 is set relatively wide. This is because the flow velocity of the reverse squish flow 25 is inversely proportional to the size of the diameter D1 of the opening of the cavity 19 . If the diameter D1 of the opening of the cavity 19 is set relatively wide to reduce the flow velocity of the reverse squish flow 25 as in this embodiment, the influence of the reverse squish flow 25 on the fuel F can be weakened. , the inflow of the fuel F into the squish 26 is further suppressed. This makes it possible to further reduce heat loss. By setting the diameter D1 of the opening of the cavity 19 to 90% or more of the inner diameter D2 of the cylinder 11, the reverse squish flow can be greatly weakened, so that a more remarkable heat loss reduction effect can be obtained.
  • the injection hole angle ⁇ 4 of the fuel injection valve 6 is set relatively narrow.
  • the fuel F injected from the fuel injection valve 6 collides with the first bottom inclined portion 15 at an early stage, and the amount of air introduced into the fuel F is restricted, thereby slowing down the initial combustion.
  • an increase in combustion temperature is suppressed, so that it is possible to reduce the amount of nitrogen oxide (NOx) emissions.
  • NOx nitrogen oxide
  • all the injection axes 22 of the eight nozzle holes 21 of the fuel injection valve 6 are oriented so as to avoid the center 23 of the valve recess 20 when viewed in the axial direction. This is because when the fuel F is injected into the valve recess 20, the fuel F tends to reach and stay in the cylinder 11, and the mixture with the air existing inside the combustion chamber 1 becomes insufficient. This is because incomplete combustion occurs, leading to deterioration of exhaust gas. Therefore, by orienting all the injection axes 22 so as to avoid the center 23 of the valve recess 20, the injected fuel F is less likely to be adversely affected by the valve recess 20.
  • four of the eight injection shafts 22 are oriented in directions in which the valve recesses 20 do not exist when viewed in the axial direction. Therefore, the fuel F injected in these four directions can be less likely to be adversely affected by the valve recess 20 .
  • the engine speed at maximum output is set relatively low.
  • swirl flow swirl flow generated during intake
  • squish flow flow from squish 26 generated when piston 13 rises to cavity 19
  • the air flow becomes faster.
  • the effect of the entrain flow 24 that is, the effect of weakening the influence of the reverse squish flow 25 on the fuel F, is relatively weakened. Therefore, it is preferable to set the engine speed relatively low in order to sufficiently obtain the heat loss reduction effect and the exhaust improvement effect of the present invention.
  • the number of injection holes 21 of the fuel injection valve 6 is not limited to eight in the present embodiment, and can be arbitrarily changed according to the number of valve recesses 20 and the like.
  • the number of injection holes 21 can be four. In this case, all four injection shafts 22 avoid the center 23 of the valve recess 20. 20 may be set so as to point in a nonexistent direction.
  • the injection shafts 22 are oriented so as to avoid the center 23 of the valve recess 20 from the viewpoint of preventing deterioration of the exhaust gas. As a result, as shown in FIG. is oriented. However, in the case of a high-output engine, etc., where the combustion temperature is high, the piston 13 is likely to crack at the periphery of the valve recess 20, so it is not preferable that the injection shaft 22 is oriented in the direction of the periphery. Therefore, when giving priority to such a point of view, as shown in FIG. It is preferable to set the injection axis 22 so as to point in a direction in which the valve recess 20 does not exist. It should be noted that when the total number of injection shafts 27 is four, all the injection shafts 27 may be set to point in the direction in which the valve recess 20 does not exist.
  • the combustion chamber structure according to the present invention can also be applied to in-cylinder injection gasoline engines.
  • Combustion Chamber 2 Air Supply Pipe 3 Intake Valve 4 Exhaust Pipe 5 Exhaust Valve 6
  • Control Part 10 Combustion Chamber Structure 11 Cylinder 12 Cylinder Head 13 Piston 14 Bottom Center Projection 15 First Bottom Inclination Part 16 Peripheral Edge 17 Second Bottom Inclined Part 18 Bottom Circular Part 19 Cavity 20 Valve Recess 21 Injection Hole 22 Injection Axis 23 Center 24 Entrain Flow 25 Reverse Squish Flow 26 Squish 27 Injection Axis C Cylinder Central Axis D1 Diameter D2 Inside Diameter E Engine F Fuel P1 Top dead center P2 Bottom dead center ⁇ 1 angle ⁇ 2 angle ⁇ 3 angle ⁇ 4 injection hole angle

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Abstract

本発明に係る燃焼室構造(10)は、燃料噴射弁(6)が配置されたシリンダヘッド(12)と、シリンダ(11)と、ピストン(13)とを備える。キャビティ(19)を含むピストン(13)の頂面と、シリンダ(11)と、シリンダヘッド(12)で囲まれた空間で燃焼室(1)が構成される。キャビティ(19)のシリンダ中心軸Ｃを含む断面上における内面形状が、燃料噴射弁(6)に近付く方向に凸となるキャビティ(19)底部の底面中央凸部(14)と、該底面中央凸部(14)からキャビティ(19)外径方向に向かってピストン(13)頂部と反対側に傾斜する第１底面傾斜部(15)と、を有する。ピストン(13)が上死点Ｐ１にある時、燃料噴射弁(6)から噴射された燃料Ｆの噴射方向を表す噴射軸(22)が第１底面傾斜部(15)と交差する。

Description

燃焼室構造及びそれを備えるエンジン
　本発明は、シリンダと、頂面にキャビティが凹設されたピストンと、シリンダヘッドとで囲まれた空間として構成される燃焼室構造及びそれを備えるエンジンに関する。
　ディーゼルエンジンの燃焼室構造として、特許文献１には、大気中への煤の排出を抑制可能な構造を提供する技術が開示されている。この従来の燃焼室構造においては、ピストンの頂面に、ピストンの上方に配置された燃料噴射弁から噴射された燃料が衝突するキャビティが凹設されている。そして、キャビティのシリンダ中心軸を含む断面上における内面形状が、ピストン頂面のキャビティ開口部の周囲の絞縮部と、燃料噴射弁に近付く方向に凸となるキャビティ底部の中央部と、絞縮部と中央部との間をキャビティ中心側に中心を有する円弧を用いて結ぶ周辺部とで構成されている。このような構成において、燃料噴射弁は、その燃料の噴射方向が、絞縮部と周辺部との境界部近傍を指向するように設定されている。
日本国公開特許公報「特開２０１０－１２１４８３号公報」
　従来技術の効果として、燃焼の開始により発生した一部の燃焼ガスは、ピストンの下死点方向への移動により生じる逆スキッシュ流に乗り、容積が拡大しつつある燃焼室に円滑に拡散され、燃焼室全体の空気と混じり合って効率良く動力を発生する。しかし一方で、強い逆スキッシュ流により、燃料及び燃焼ガスは、ピストンとシリンダヘッドとシリンダライナ壁面に囲まれた空間へと流入するため、燃料や燃焼ガスが燃焼室のより多くの領域と接触する分、熱損失の悪化を招く弊害がある。
　そこで本発明は、かかる事情を考慮してなされたものであり、その目的は、燃料噴射によって発生するエントレイン流れを活用して逆スキッシュ流の影響を弱めることにより、燃料を燃焼室全体へ拡散させつつ熱損失を低減させることが可能な燃焼室構造及びそれを備えるエンジンを提供することにある。
　本発明の一の態様に係る燃焼室構造は、燃料噴射弁が配置されたシリンダヘッドと、シリンダと、該シリンダの内部を往復動するピストンとを備え、前記ピストンにおける前記シリンダヘッドの側の頂面に、円形のキャビティが形成され、前記燃料噴射弁は前記シリンダヘッドに取り付けられ、前記キャビティの中心を通るシリンダ中心軸付近から燃料を噴射し、前記キャビティを含む前記ピストンの頂面と、前記シリンダと、前記シリンダヘッドで囲まれた空間で燃焼室が構成された燃焼室構造であって、前記キャビティのシリンダ中心軸を含む断面上における内面形状が、前記燃料噴射弁に近付く方向に凸となるキャビティ底部の底面中央凸部と、該底面中央凸部からキャビティ外径方向に向かってピストン頂部と反対側に傾斜する第１底面傾斜部と、を有し、前記ピストンが上死点にある時、前記燃料噴射弁から噴射された燃料の噴射方向を表す噴射軸が前記第1底面傾斜部と交差する、ことを特徴とする。
　なお、本発明の一の態様に係る燃焼室構造においては、前記キャビティのシリンダ中心軸を含む断面上における内面形状が、ピストン頂部のキャビティ開口部からキャビティ中心部に向かってピストン頂部と反対側に傾斜する第２底面傾斜部と、前記第１底面傾斜部と前記第２底面傾斜部とを円弧を用いて結ぶ底面円弧部と、を有してもよい。
　また、本発明の一の態様に係る燃焼室構造においては、前記第1底面傾斜部と前記シリンダ中心軸とがなす角度が、前記第２底面傾斜部と前記シリンダ中心軸とがなす角度よりも大きくてもよい。
　また、本発明の一の態様及び他の態様に係る燃焼室構造においては、前記燃料噴射弁は、噴孔角度が１２５°以上１３５°以下で、周方向に間隔を開けて複数の噴孔を有してもよい。
　また、本発明の一の態様に係る燃焼室構造においては、前記キャビティの開口部の径が、前記シリンダの径の９０％以上であってもよい。
　また、本発明の一の態様に係る燃焼室構造においては、前記燃料噴射弁において、前記噴孔の数が４又は８であってもよい。
　また、本発明の一の態様に係る燃焼室構造においては、１個の前記シリンダヘッドに合計４個の吸排気弁が配置され、前記吸排気弁との接触を避けるためのバルブリセスが前記ピストンの頂部に４箇所設けられており、シリンダ中心軸方向視において、前記噴射軸は全て、前記バルブリセスの中心付近を避けるように指向してもよい。
　また、本発明の一の態様に係る燃焼室構造においては、前記噴射軸の内４本は前記バルブリセスの存在しない方向を指向してもよい。
　また、本発明の一の態様に係るエンジンは、本発明の一の態様に係る燃焼室構造を備え、瞬間最高回転数を除く最大出力時のエンジン回転数が２５００回転／分以下である、ことを特徴とする。
　本発明の一の態様に係る燃焼室構造によれば、燃料噴射によって発生するエントレイン流れを活用して逆スキッシュ流の影響を弱めることにより、燃料を燃焼室全体へ拡散させつつ熱損失を低減させることが可能な燃焼室構造及びそれを備えるエンジンを提供することができる。
本発明の実施形態に係るエンジンＥの概略構成を示す模式図である。 燃焼室や燃料噴射弁を含んだ燃焼室構造を示す概略断面図である。 図２におけるＡ－Ａ線断面を示す概略断面図である。 噴射された燃料の流れを時系列で示す説明図である。 噴射された燃料の流れを時系列で示す説明図である。 軸方向視における噴射軸の変形例を示す概略断面図である。
　以下、本発明の実施の形態に係る燃焼室構造及びそれを備えたエンジンについて、図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態に係るエンジンは、筒内直接噴射式のディーゼルエンジンである。
（エンジンの構成）
　まず、本発明の実施形態に係る燃焼室構造を備えたエンジンの構成について説明する。図１は、本発明の実施形態に係るエンジンＥの概略構成を示す模式図である。エンジンＥは、燃焼室１と、給気管２と、吸気バルブ３と、排気管４と、排気バルブ５と、燃料噴射弁６と、クランク軸７と、回転数センサ８と、制御部９と、を備えている。
　給気管２は、燃焼室１に対して空気を供給する。吸気バルブ３は、燃焼室１へ供給する空気量を調節する。排気管４は、燃焼室１から排気を排出する。排気バルブ５は、燃焼室１から排出する排気量を調節する。燃料噴射弁６は、燃焼室１の内部に液体燃料（以下、「燃料」と略す）を噴射する。クランク軸７は、エンジンＥの出力軸であって、不図示の発電機等に接続される。回転数センサ８は、クランク軸７の近傍に設けられ、エンジン回転数を検出する。制御部９は、回転数センサ８から取得したエンジン回転数等に基づいて、エンジンＥの各部の動作を制御する。
（燃焼室構造の構成）
　図２は、燃焼室１や燃料噴射弁６を含んだ燃焼室構造１０を示す概略断面図である。また図３は、図２におけるＡ－Ａ線断面を示す概略断面図である。燃焼室構造１０は、円筒形状のシリンダ１１と、シリンダ１１の開口を塞ぐように設けられたシリンダヘッド１２と、シリンダ１１の内部に設けられた断面円形のピストン１３と、シリンダ１１とシリンダヘッド１２とピストン１３とに囲まれた空間として構成された燃焼室１と、シリンダヘッド１２に取り付けられた燃料噴射弁６と、を有している。
　ピストン１３は、図２のシリンダ中心軸Ｃを含む断面に示すように、底面中央凸部１４と、第１底面傾斜部１５と、周縁部１６と、第２底面傾斜部１７と、底面円弧部１８と、を有している。そして、第２底面傾斜部１７と底面円弧部１８と第１底面傾斜部１５と底面中央凸部１４により、ピストン１３の頂面には溝状のキャビティ１９が形成されている。このキャビティ１９は、図３に示すように軸方向視で円形の開口部を有し、図２に示すように開口部の直径Ｄ１はシリンダ１１の内径Ｄ２の９０％以上の大きさに設定されている。
　底面中央凸部１４は、図２に示すように、ピストン１３の頂面における径方向中央部が燃料噴射弁６の側へ凸となるように形成された突起である。
　第１底面傾斜部１５は、図２に示すように、シリンダ中心軸Ｃに対して角度θ１をなす傾斜面である。この第１底面傾斜部１５は、底面中央凸部１４の基端部から径方向外側へ向かって延び、径方向外側へ向かうに従ってシリンダヘッド１２から離間するように傾斜している。なお、本発明において「角度をなす」とは、交差角のうち小さい方の角度を意味している。
　周縁部１６は、図２に示すように、ピストン１３の頂面における径方向外側部に形成されてシリンダ中心軸Ｃに直交して延びる端面である。この周縁部１６の径方向内側部には、周囲より一段低くなるように凹ませてバルブリセス２０が形成されている。このバルブリセス２０は、図３に示すように、シリンダ中心軸方向視（以下、「軸方向視」と略す）で円弧形状の外形を有し、周方向に９０°の間隔で合計４個が設けられている。なお、これらバルブリセス２０は、図１に示す吸気バルブ３や排気バルブ５（図に詳細は示さないが、合計４個がシリンダヘッド１２に配置されている）がピストン１３に干渉するのを防止する役割を果たしている。
　第２底面傾斜部１７は、図２に示すように、シリンダ中心軸Ｃに対して角度θ２をなす傾斜面である。この第２底面傾斜部１７は、周縁部１６の内縁部から径方向内側へ向かって延び、径方向内側へ向かうに従ってシリンダヘッド１２から離間するように傾斜している。なお、角度θ２は、角度θ１以下の大きさに設定されている。換言すれば、角度θ１は、角度θ２より大きく設定されている。また、第２底面傾斜部１７と第１底面傾斜部１５とのなす角度θ３、すなわち１８０°から角度θ１と角度θ２の合計値を引いた値は、５０°以上に設定されている。
　底面円弧部１８は、図２に示すように、燃料噴射弁６と逆側へ凸となるように形成されて円弧状に湾曲する曲面である。この底面円弧部１８は、その一端部が第１底面傾斜部１５の下端部に接続されると共に、その他端部が第２底面傾斜部１７の下端部に接続されている。これにより、第１底面傾斜部１５と第２底面傾斜部１７とが、底面円弧部１８によって互いに結ばれている。
　このように構成されるピストン１３が、シリンダ１１の内部に収容されて、図２に実線で示すいわゆる上死点Ｐ１と、同図に二点鎖線で示すいわゆる下死点Ｐ２との間を往復動可能となっている。
　燃料噴射弁６は、図２に示すように、噴孔角度θ４で燃料Ｆを噴射可能な噴孔２１を、周方向に間隔を開けて複数有している。ここで、本発明における「噴孔角度θ４」とは、「傘角度」とも呼ばれ、シリンダ中心軸Ｃを含む断面において、燃料Ｆの噴射方向を表す噴射軸２２とシリンダ中心軸Ｃとがなす角度を２倍にした角度を意味している。本実施形態では、この噴孔角度θ４が、１２５°以上１３５°以下に設定されている。また、図３に二点鎖線で示すように、本実施形態の燃料噴射弁６には、周方向に４５°間隔で合計８個の噴孔２１が設けられている。
　このように構成される燃料噴射弁６が、シリンダヘッド１２におけるシリンダ中心軸Ｃ付近の位置に取り付けられている。これにより、図２に示すように、シリンダ中心軸Ｃを含む断面においては、各噴孔２１の噴射軸２２が、上死点Ｐ１に位置する時のピストン１３の第１底面傾斜部１５と交差するように指向している。また、図３に示すように、軸方向視においては、８個の噴孔２１の噴射軸２２の全てが、バルブリセス２０の中心２３を避けるように指向している。より詳細には、８本の噴射軸２２のうち４本は、軸方向視でバルブリセス２０の存在しない方向、すなわち隣接するバルブリセス２０の間の領域を指向している。また、残りの４本の噴射軸２２は、軸方向視でバルブリセス２０の存在する方向であって中心２３以外の領域を指向している。
（燃焼室構造の作用効果）
　次に、本実施形態に係る燃焼室構造１０の作用効果について説明する。図４及び図５は、噴射された燃料Ｆの流れを時系列で示す説明図である。上述の燃焼室構造１０において、図４（ａ）に示すように、ピストン１３が上死点Ｐ１に位置する時、燃料噴射弁６から燃料Ｆが噴射される。この時、噴射された燃料Ｆの噴射軸２２は、上述のようにピストン１３の第１底面傾斜部１５と交差するように指向している。従って、噴射された燃料Ｆは、第１底面傾斜部１５の所定箇所に衝突し、第１底面傾斜部１５に沿って下方へ流れる。
　その後、図４（ｂ）に示すように、燃料Ｆは底面円弧部１８に沿って円弧を描くように流れることにより、その流れ方向が上向きに変化する。更に、燃料Ｆは、底面円弧部１８から第２底面傾斜部１７に沿って上方へ流れることにより、キャビティ１９の径方向外縁部に到達する。
　ところで、燃料噴射弁６から噴射された燃料Ｆは、周囲のガスを自身に取り込むように発達することにより、自身の噴射軸２２に略直交するようなガスの流れ、すなわちエントレイン流を周囲に生じさせることが知られている。特に、本実施形態のように複数の噴孔２１を有する燃料噴射弁６では、隣接する噴孔２１から噴射された燃料Ｆ同士が互いに干渉することにより、噴射された燃料Ｆは噴射方向の前方側からガスを取り込もうとするため、図５（ａ）に示すように、燃料Ｆの噴射方向とは逆向きのエントレイン流２４が発生する。
　従って、キャビティ１９の径方向外縁部に到達した燃料Ｆは、このエントレイン流２４に引き寄せられることにより、図５（ａ）に示すように、その流れ方向が燃焼室１の径方向中央部へ向かうように変化する。これにより、空気が豊富に存在する燃焼室１の径方向中央部において、燃料Ｆと空気の混合が促進され、空気利用率が向上するため、エンジンＥの燃費を低減させることができる。
　更に本実施形態では、図２に示すように、第２底面傾斜部１７がシリンダ中心軸Ｃに対してなす角度θ２が、第１底面傾斜部１５がシリンダ中心軸Ｃに対してなす角度θ１以下の大きさに設定されている。すなわち、第２底面傾斜部１７の方が、第１底面傾斜部１５より急勾配で傾斜するように形成されている。従って、急勾配の第２底面傾斜部１７に沿って流れた燃料Ｆは、キャビティ１９の径方向外縁部で渦流を形成しやすい、すなわちシリンダヘッド１２に衝突してその流れ方向が燃焼室１の径方向中央部へ変えられやすくなっている。このような渦流形成効果により、キャビティ１９の径方向外縁部に到達した燃料Ｆは、その流れが燃焼室１の径方向中央部へ一層向かいやすいため、エンジンＥの燃費を一層低減させることができる。なお、このような渦流形成効果は、第２底面傾斜部１７と第１底面傾斜部１５とのなす角度を５０°以上とした場合に顕著になることが、数値シミュレーションにより確認された。
　その後、ピストン１３が、上死点Ｐ１から下死点Ｐ２へ向けて移動を開始する。そうすると、図５（ｂ）に示すように、燃焼室１の内部に逆スキッシュ流２５が発生する。より詳細には、燃焼室１の径方向外縁部には、ピストン１３の周縁部１６とシリンダ１１の壁面とシリンダヘッド１２の底面とにより形成され、スキッシュ２６と呼ばれる空間が形成される。そして、ピストン１３の下降に伴って燃焼室１の容積が増大すると、キャビティ１９の内部からスキッシュ２６へ向かうガスの流れ、すなわち逆スキッシュ流２５が発生する。そして、この逆スキッシュ流２５の影響を受けて燃料Ｆがスキッシュ２６に流入して燃焼すると、発生した燃焼ガスがシリンダ１１と接触することにより、熱損失が増加する恐れがある。
　しかし、本発明では燃料Ｆの噴射軸２２がピストン１３の第１底面傾斜部１５と交差するように指向しており、それと逆向きのエントレイン流２４が燃焼室１の内部に発生する。そして、このエントレイン流２４が、燃料Ｆに対する逆スキッシュ流２５の影響力を弱めることにより、燃料Ｆのスキッシュ２６への流入が抑制される。その結果、燃料Ｆが燃焼室１の全体へ拡散されて燃焼し、燃焼ガスとシリンダ１１との接触が低減されるので、熱損失を低減させることが可能となる。なお、このようにエントレイン流２４が逆スキッシュ流２５の影響力を弱める効果は、燃料噴射弁６の噴孔角度θ４を１２５°以上１３５°以下とした場合に、先述の渦流形成効果を得られやすくなるため、顕著になる。
　更に本実施形態では、キャビティ１９の開口部の直径Ｄ１が比較的広く設定されている。これは、逆スキッシュ流２５の流速は、キャビティ１９の開口部の直径Ｄ１の大きさに反比例するからである。本実施形態のように、キャビティ１９の開口部の直径Ｄ１を比較的広く設定し、逆スキッシュ流２５の流速を低下させれば、燃料Ｆに対する逆スキッシュ流２５の影響力を弱めることができるので、燃料Ｆのスキッシュ２６への流入が一層抑制される。これにより、熱損失を一層低減させることが可能となる。なお、キャビティ１９の開口部の直径Ｄ１をシリンダ１１の内径Ｄ２の９０％以上の大きさとすることで逆スキッシュ流を大きく弱められるため、より顕著な熱損失の低減効果を得ることができる。
　また、キャビティ１９の開口部の直径Ｄ１が比較的広く設定される場合、燃焼室１の容積を一定量に保持するためにキャビティ１９の軸方向への深さが浅く設定されることになり、それに伴い、燃料噴射弁６の噴孔角度θ４が比較的狭く設定されることになる。そうすると、燃料噴射弁６から噴射された燃料Ｆが早期に第１底面傾斜部１５に衝突し、燃料Ｆへの空気の導入量が制限されるため、初期燃焼が緩慢化される。これにより、燃焼温度の上昇が抑制されるので、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を低減させることも可能となる。
　更に本実施形態では、燃料噴射弁６の８個の噴孔２１の全ての噴射軸２２が、軸方向視においてバルブリセス２０の中心２３を避けるように指向している。これは、バルブリセス２０に燃料Ｆが噴射された場合、シリンダ１１に燃料Ｆが到達、および、滞留しやすくなり燃焼室１の内部に存在する空気との混合が不足するため、局所的に輝炎や不完全燃焼が生じ、排気の悪化につながるからである。従って、バルブリセス２０の中心２３を避けるように全ての噴射軸２２を指向させることにより、噴射された燃料Ｆがバルブリセス２０から悪影響を受けにくくすることができる。更に本実施形態では、８本の噴射軸２２のうち４本は、軸方向視でバルブリセス２０の存在しない方向を指向している。従って、これら４方向へ噴射された燃料Ｆについて、バルブリセス２０から悪影響を一層受けにくくすることができる。
　更に本実施形態では、最大出力時のエンジン回転数を比較的低く設定している。これは、エンジン回転数が速くなると、図に詳細は示さないが、燃焼室１の内部で生じるスワール流（吸気時に生じる旋回流）やスキッシュ流（ピストン１３の上昇時に生じるスキッシュ２６からキャビティ１９へ向かう流れ）といった空気流動が速くなる。これにより、エントレイン流２４が持つ効果、すなわち燃料Ｆに対する逆スキッシュ流２５の影響力を弱める効果が相対的に薄れてしまう。従って、本発明が奏する熱損失の低減効果や排気の改善効果を十分に得るためには、エンジン回転数を比較的低く設定することが好適である。なお、上述のような本発明の効果は、瞬間最高回転数を除いて最大出力時のエンジン回転数を２５００回転／分以下とした場合に顕著に得られることが、数値シミュレーションにより確認された。
（変形例）
　燃料噴射弁６が有する噴孔２１の数は、本実施形態の８個に限られず、バルブリセス２０の数等に応じて任意に変更が可能である。例えば、噴孔２１の数を４個にすることも可能であり、この場合、４本の噴射軸２２が全てバルブリセス２０の中心２３を避けるように、より好適には全ての噴射軸２２がバルブリセス２０の存在しない方向を指向するように設定すればよい。
　本実施形態では、排気の悪化防止の観点からバルブリセス２０の中心２３を避けるように噴射軸２２を指向させた結果、図３に示すように４本の噴射軸２２がバルブリセス２０の周縁部の方向を指向している。しかし、燃焼温度が高温になる高出力エンジン等の場合、バルブリセス２０の周縁部ではピストン１３にクラックが入りやすいため、噴射軸２２が周縁部の方向を指向していることは好ましくない。従ってこのような観点を優先させる場合には、図６に示すように、８本の噴射軸２７のうち４本の噴射軸２７がバルブリセス２０の中心２３の方向を指向し、残りの４本の噴射軸２２がバルブリセス２０の存在しない方向を指向するよう、設定することが好ましい。なお、噴射軸２７の総数が４本の場合には、全ての噴射軸２７がバルブリセス２０の存在しない方向を指向するよう設定すればよいことは、この観点においても同様である。
　この出願は、２０２１年３月２５日に日本で出願された特願２０２１－０５１５６５に基づく優先権を請求する。これに言及することにより、その全ての内容は本出願に組み込まれるものである。
　本発明に係る燃焼室構造は、筒内噴射式のガソリンエンジンにも適用が可能である。
　１　　燃焼室
　２　　給気管
　３　　吸気バルブ
　４　　排気管
　５　　排気バルブ
　６　　燃料噴射弁
　７　　クランク軸
　８　　回転数センサ
　９　　制御部
　１０　燃焼室構造
　１１　シリンダ
　１２　シリンダヘッド
　１３　ピストン
　１４　底面中央凸部
　１５　第１底面傾斜部
　１６　周縁部
　１７　第２底面傾斜部
　１８　底面円弧部
　１９　キャビティ
　２０　バルブリセス
　２１　噴孔
　２２　噴射軸
　２３　中心
　２４　エントレイン流
　２５　逆スキッシュ流
　２６　スキッシュ
　２７　噴射軸
　Ｃ　　シリンダ中心軸
　Ｄ１　直径
　Ｄ２　内径
　Ｅ　　エンジン
　Ｆ　　燃料
　Ｐ１　上死点
　Ｐ２　下死点
　θ１　角度
　θ２　角度
　θ３　角度
　θ４　噴孔角度

Claims (9)

  1. 　燃料噴射弁が配置されたシリンダヘッドと、シリンダと、該シリンダの内部を往復動するピストンとを備え、
    　前記ピストンにおける前記シリンダヘッドの側の頂面に、円形のキャビティが形成され、
    　前記燃料噴射弁は前記シリンダヘッドに取り付けられ、前記キャビティの中心を通るシリンダ中心軸付近から燃料を噴射し、
    　前記キャビティを含む前記ピストンの頂面と、前記シリンダと、前記シリンダヘッドで囲まれた空間で燃焼室が構成された燃焼室構造であって、
    　前記キャビティのシリンダ中心軸を含む断面上における内面形状が、前記燃料噴射弁に近付く方向に凸となるキャビティ底部の底面中央凸部と、該底面中央凸部からキャビティ外径方向に向かってピストン頂部と反対側に傾斜する第１底面傾斜部と、を有し、
    　前記ピストンが上死点にある時、前記燃料噴射弁から噴射された燃料の噴射方向を表す噴射軸が前記第１底面傾斜部と交差する、
    　ことを特徴とする燃焼室構造。
  2. 　前記キャビティのシリンダ中心軸を含む断面上における内面形状が、ピストン頂部のキャビティ開口部からキャビティ中心部に向かってピストン頂部と反対側に傾斜する第２底面傾斜部と、前記第１底面傾斜部と前記第２底面傾斜部とを円弧を用いて結ぶ底面円弧部と、を有する、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の燃焼室構造。
  3. 　前記第１底面傾斜部と前記シリンダ中心軸とがなす角度が、前記第２底面傾斜部と前記シリンダ中心軸とがなす角度よりも大きい、
    　ことを特徴とする、請求項２に記載の燃焼室構造。
  4. 　前記燃料噴射弁は、噴孔角度が１２５°以上１３５°以下で、周方向に間隔を開けて複数の噴孔を有する、
    　ことを特徴とする、請求項１ないし３の何れか一項に記載の燃焼室構造。
  5. 　前記キャビティの開口部の径が、前記シリンダの径の９０％以上である、
    　ことを特徴とする、請求項１ないし４の何れか一項に記載の燃焼室構造。
  6. 　前記燃料噴射弁において、前記噴孔の数が４又は８である、
    　ことを特徴とする、請求項４に記載の燃焼室構造。
  7. 　１個の前記シリンダヘッドに合計４個の吸排気弁が配置され、前記吸排気弁との接触を避けるためのバルブリセスが前記ピストンの頂部に４箇所設けられており、シリンダ中心軸方向視において、前記噴射軸は全て、前記バルブリセスの中心付近を避けるように指向する、
    　ことを特徴とする請求項６に記載の燃焼室構造。
  8. 　前記噴射軸の内４本は前記バルブリセスの存在しない方向を指向する、
    　ことを特徴とする、請求項７に記載の燃焼室構造。
  9. 　請求項１ないし８の何れか一項に記載の燃焼室構造を備えるエンジンで、瞬間最高回転数を除く最大出力時のエンジン回転数が２５００回転／分以下である、
    　ことを特徴とするエンジン。
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