(57)【要約】【課題】動作時のトータルの熱損失を低減し、燃費の向上に資する内燃機関を提供すること。【解決手段】シリンダ内で往復運動するピストン１０と、ピストン１０が形成する燃焼室Ｎ内に燃料を噴射するインジェクタＩと、を備える内燃機関であって、ピストン１０は、燃焼室Ｎを形成するキャビティ部１１と、キャビティ部１１の開口縁部において、キャビティ部１１の内周側面から当該キャビティ部１１の中心領域に向かって張り出すように、シリンダ周方向に沿って部分的に形成された突起部１２と、を有し、インジェクタＩは、突起部１２の下方側に位置するキャビティ部１１の内周側面に向けて燃料Ｆを噴射する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内で往復運動するピストンと、
前記ピストンが形成する燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタと、
を備える内燃機関であって、
前記ピストンは、
前記燃焼室を形成するキャビティ部と、
前記キャビティ部の開口縁部において、前記キャビティ部の内周側面から当該キャビティ部の中心領域に向かって張り出すように、前記シリンダの周方向に沿って部分的に形成された突起部と、
を有し、
前記インジェクタは、前記突起部の下方側に位置する前記キャビティ部の内周側面に向けて前記燃料を噴射する
内燃機関。
【請求項２】
前記突起部は、前記シリンダの周方向に沿って複数箇所に形成されている、
請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記ピストンは、前記キャビティ部の開口縁部の互いに隣接する前記突起部間において、前記キャビティ部の内周側面から当該キャビティ部の外周領域側に窪むように形成された窪み部を有している、
請求項２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記インジェクタは、平面視で、複数箇所に形成された前記突起部それぞれに向かう中心軸を有する複数の噴射孔を備える、
請求項２又は３に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記キャビティ部の内周側面は、当該キャビティ部が当該キャビティ部の底面側から開口縁部に近づくにつれて拡径するような傾斜形状を呈している
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関として、浅皿型の燃焼室構造を有するものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２８５８４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この種の燃焼室構造を形成するキャビティ部は、一般に、開口径が底面側から開口縁部に至るにつれて拡径するような形状を呈している。そして、かかる内燃機関、例えばディーゼルエンジンにおいては、インジェクタからの燃料をキャビティ部の側面もしくは底面に衝突させ、当該衝突を介して、燃焼室内に燃料を拡散させる構成となっている。
【０００５】
この種の燃焼室構造は、ピストンの表面積を減少させ、内燃機関動作時の熱損失の低減が可能な点で、有用である。
【０００６】
しかしながら、本願の発明者等の鋭意検討の結果、従来技術に係る内燃機関においては、インジェクタから噴射された燃料は、キャビティ部の内周側面に沿ってそのままシリンダライナ（ピストンを収容するシリンダブロックの内周側面の部材）まで到達していることが分かってきた。その結果、シリンダライナにおける熱損失が予想以上に大きくなり、燃費の悪化に直結する自体を招いている。
【０００７】
この対策として、キャビティ部の開口縁部の全周に対して、当該キャビティ部の内周側面から当該キャビティ部の中心領域に向かって張り出す突起部（リップ部とも称される）を設けることも検討を行った。しかしながら、当該態様とすると、ピストンの表面積の増加に伴う熱損失が発生するおそれがある。加えて、当該態様とすると、内燃機関動作時の圧縮行程において、スキッシュ部からキャビティ部に向かう強いスキッシュ流が発生することになるため、これに伴う熱損失も増大する。その結果、突起部を設けない場合よりも、トータルの熱損失が増加することもある。
【０００８】
本開示は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、動作時のトータルの熱損失を低減し、燃費の向上に資する自己着火式の内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前述した課題を解決する主たる本開示は、
シリンダ内で往復運動するピストンと、
前記ピストンが形成する燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタと、
を備える自己着火式の内燃機関であって、
前記ピストンは、
前記燃焼室を形成するキャビティ部と、
前記キャビティ部の開口縁部において、前記キャビティ部の内周側面から当該キャビティ部の中心領域に向かって張り出すように、前記シリンダの周方向に沿って部分的に形成された突起部と、
を有し、
前記インジェクタは、前記突起部の下方側に位置する前記キャビティ部の内周側面に向けて前記燃料を噴射する
内燃機関である。
【発明の効果】
【００１０】
本開示に係る自己着火式の内燃機関によれば、動作時のトータルの熱損失を低減し、燃費の向上に資する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係るディーゼルエンジンの構成を示す模式図
【図２】第１の実施形態に係るディーゼルエンジンの燃焼室（ピストン）の平面図
【図３】図２のＯ−Ｔ１の位置における燃焼室の側面断面図
【図４】図２のＯ−Ｔ２の位置における燃焼室の側面断面図
【図５】インジェクタから噴射された燃料の挙動を示す図
【図６】第１の実施形態に係るディーゼルエンジンの動作時の熱損失を、従来技術に係るディーゼルエンジンの動作時の熱損失と比較した図
【図７】第１の実施形態に係るディーゼルエンジンの熱損失の時間的変化を、従来技術１に係るディーゼルエンジンの熱損失の時間的変化と比較した図
【図８】第２の実施形態に係るディーゼルエンジンの燃焼室（ピストン）の平面図
【図９】図８のＯ−Ｔ３の位置における燃焼室の側面断面図
【図１０】第２の実施形態に係るディーゼルエンジンの１燃焼サイクル当たりの熱損失［Ｊ］を、第１の実施形態に係るディーゼルエンジンの１燃焼サイクル当たりの熱損失［Ｊ］、及び、従来技術１に係るディーゼルエンジンの１燃焼サイクル当たりの熱損失［Ｊ］と比較した図
【図１１】第２の実施形態に係るディーゼルエンジンの熱損失の時間的変化を、第１の実施形態に係るディーゼルエンジンの熱損失の時間的変化、及び、従来技術に係るディーゼルエンジンの熱損失の時間的変化と比較した図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に添付図面を参照しながら、本開示の好適な実施形態について詳細に説明する。尚、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００１３】
（第１の実施形態）
［内燃機関の構成］
図１は、本実施形態に係るディーゼルエンジンＥの構成を示す模式図である。なお、内燃機関として、直噴式ガソリンエンジンを選定してもよい。
【００１４】
ディーゼルエンジンＥは、シリンダブロックＢ内に上下に摺動可能に嵌挿したピストン１０、シリンダブロックＢの上方に保持されたシリンダヘッド部２０、及び、シリンダヘッド部２０に保持されたインジェクタＩ等を備えている。
【００１５】
ディーゼルエンジンＥの燃焼室Ｎは、ピストン１０の頂面に形成されたキャビティ部１１（後述する図３を参照）、シリンダヘッド部２０の下面、及び、シリンダブロックＢの内周側面のシリンダライナＢａにより区画形成されている。尚、本実施形態に係る燃焼室Ｎは、公知の浅皿型の燃焼室構造をベースとしている。
【００１６】
燃焼室Ｎ内には、インジェクタＩの噴孔が燃料噴射可能に配されると共に、吸気を導入する吸気ポート、及び、燃焼を終えたガスを排気する排気ポートが配設されている。尚、本実施形態に係る吸気ポート及び排気ポートには、例えば、可変スワール機構を備える四バルブシステムが適用されている。
【００１７】
次に、図２〜図４を参照して、本実施形態に係るディーゼルエンジンＥの燃焼室Ｎの詳細構造を説明する。
【００１８】
図２は、本実施形態に係るディーゼルエンジンＥの燃焼室Ｎ（ピストン１０）の平面図である。図３は、図２のＯ−Ｔ１の位置における燃焼室Ｎの側面断面図である。図４は、図２のＯ−Ｔ２の位置における燃焼室Ｎの側面断面図である。
【００１９】
図３、図４は、ピストン１０が圧縮上死点付近に達した状態のときの燃焼室Ｎを示している。図３、図４中に示すＣＬは、シリンダブロックＢの中心軸（以下、「シリンダ中心軸ＣＬ」）を表し、当該シリンダ中心軸ＣＬがキャビティ部１１の中心位置に相当する。又、図３中に示すＦは、インジェクタＩから噴射された燃料を表す。
【００２０】
ピストン１０は、キャビティ部１１、突起部１２、及びスキッシュ部１３を含んで構成される。
【００２１】
キャビティ部１１は、ピストン１０の頂面の中心領域に形成された凹部である。尚、キャビティ部１１は、例えば、平面視で略真円形状を呈している。
【００２２】
キャビティ部１１の底面の中央領域には、略円錐状の隆起部１１ａが形成されている。換言すると、キャビティ部１１の底面形状は、隆起部１１ａにより、中央領域が外周領域に対して盛り上がった凸形状を呈している。
【００２３】
キャビティ部１１の内周側面は、当該キャビティ部１１が底面側から開口縁部に近づくにつれて拡径するような傾斜形状を呈している。又、キャビティ部１１の内周側面の底部と頂部との中間位置には、シリンダ周方向に沿って環状に形成された凸部１１ｂが配設されている。シリンダ周方向に沿って環状に形成された凸部１１ｂのうち、突起部１２の下方側に位置する部分が、インジェクタＩから噴射される燃料が衝突する部分となる（詳細は後述）。
【００２４】
突起部１２は、キャビティ部１１の開口縁部に形成され、当該キャビティ部１１の内周側面から当該キャビティ部１１の中心領域に向かって張り出す部位である。突起部１２は、キャビティ部１１の開口縁部において、シリンダ周方向に沿って複数箇所（ここでは、４箇所）に形成されている。
【００２５】
キャビティ部１１の開口縁部の突起部１２が形成されていない部分は、キャビティ部１１の内周側面の凸部１１ｂから開口縁部まで滑らかに連続するように平坦部１２ａを構成する（図４を参照）。つまり、キャビティ部１１の開口縁部には、突起部１２と平坦部１２ａとが、シリンダ周方向に沿って、交互に形成されている。尚、ここで、平坦部１２ａとは、キャビティ部１１の内周側面から突出していないことを意味しており、当該平坦部１２ａは、シリンダ周方向に沿って円弧状に延在する。
【００２６】
突起部１２は、凸部１１ｂに衝突して、衝突後にキャビティ部１１の内周側面に沿って上方向に進行する燃料の進行方向を、タンブル流方向（突起部１２から、シリンダヘッド下面２０ｕのシリンダ中心軸ＣＬに向かう縦渦方向を表す。図３の矢印Ｆａを参照。）に変化させる。これによって、凸部１１ｂ衝突後にキャビティ部１１の内周側面に沿って上方向に進行する燃料がシリンダライナＢａに到ることを抑制する。
【００２７】
突起部１２の張り出し量は、例えば、最も先端側で、キャビティ部１１の開口縁部（ここでは、図２のＯ−Ｔ２の方向を基準とする）の直径に対して５％以上で且つ２０％以下となるように設定されている。本実施形態に係る突起部１２は、平面視で、図２に示すように、キャビティ部１１の中心領域に向かって凸の三角形状を呈し、突起部１２の張り出し量は、当該三角形状の先端位置で最も大きく、平坦部１２ａ側に近づくにつれて小さくなる。尚、突起部１２の張り出し形状は、平面視で、円弧形状又は矩形状であってもよい。
【００２８】
スキッシュ部１３は、キャビティ部１１の外周を取り巻くように形成されたピストン１０の頂面の平坦部である。スキッシュ部１３は、圧縮上死点近傍にて、シリンダヘッド部２０の底面２０ｕとの間に隙間（スキッシュ領域）を形成する。
【００２９】
インジェクタＩは、シリンダヘッド部２０の下面２０ｕ付近の高さ位置において、燃焼室Ｎのシリンダ中心軸ＣＬ上に配設されている。インジェクタＩは、平面視で、複数の突起部１２それぞれに向かう中心軸を有する複数の噴射孔を有している。
【００３０】
インジェクタＩは、ピストン１０の圧縮上死点付近で、燃焼室Ｎ内にて噴孔から燃料を噴射する。このとき、インジェクタＩは、複数の突起部１２それぞれの下方側の凸部１１ｂの位置に向けて燃料を噴射する（図２の矢印Ｆを参照）。つまり、インジェクタＩは、燃料噴霧を、４箇所の突起部１２の下方側の凸部１１ｂに衝突させるように、燃料を噴射する。尚、このとき、インジェクタＩから噴射された燃料は、突起部１２に対して直接は衝突しない。又、インジェクタＩは、平面視で、突起部１２が形成されていない平坦部１２ａの方向に対しては、燃料を噴射しない構成となっている。
【００３１】
これによって、インジェクタＩから噴射された燃料Ｆが、インジェクタＩから噴射された際の勢いにより、シリンダライナＢａに到達することを抑制している。
【００３２】
［ディーゼルエンジンの燃焼時の挙動］
次に、本実施形態に係るディーゼルエンジンＥの燃焼時の挙動について説明する。
【００３３】
図５は、インジェクタＩから噴射された燃料の挙動を示す図である。
【００３４】
インジェクタＩは、圧縮行程において、ピストン１０が圧縮上死点付近で、４箇所の突起部１２の下方側に位置する凸部１１ｂに向かって燃料Ｆを噴射する。凸部１１ｂに衝突した燃料Ｆの大部分は、キャビティ部１１の内周側面に沿って上方側に向かう。そして、当該燃料Ｆは、突起部１２に衝突して、タンブル流方向に進行方向が変化する（図５の実線矢印Ｆａ）。これにより、当該燃料ＦがシリンダライナＢａに到ることは、抑制されることになる。尚、凸部１１ｂに衝突した燃料Ｆの一部は、キャビティ部１１の内周側面に沿って下方側に向かう（図５の点線矢印Ｆｂ）。
【００３５】
この際、インジェクタＩから噴射された燃料Ｆは、霧状の燃料噴霧となり、燃料の拡散と燃焼とがほぼ同時に進行する。そして、当該燃料Ｆは、突起部１２に衝突した後には、タンブル流方向に進行しながら、キャビティ部１１内に存在するスワール流に沿って拡散し、当該キャビティ部１１内の空気を使って燃焼する。
【００３６】
尚、この圧縮行程においては、スキッシュ部１３の領域の圧縮に伴って、キャビティ部１１の内周側面に沿ってスキッシュ流が発生し、スキッシュ部１３の領域に存在する空気が、キャビティ部１１内に流れ込むことになる。この際、キャビティ部１１の開口縁部に設けられた平坦部１２ａが、スキッシュ部１３の領域における圧縮応力を緩和するように作用し、スキッシュ流の勢いを抑制する。
【００３７】
その後、膨張行程において、ピストン１０が圧縮上死点を超えて降下するに伴い、スキッシュ部１３の容積が増加する。この際、スキッシュ部１３の膨張に伴い、キャビティ部１１内からスキッシュ部１３に向かう逆スキッシュ流が、キャビティ部１１の内周側面に沿って発生する。そして、キャビティ部１１に残留する燃料Ｆは、当該逆スキッシュ流に乗ってスキッシュ部１３に向かい、スキッシュ部１３の領域にて更なる燃焼が行われることになる。
【００３８】
［ディーゼルエンジンの動作時の熱損失］
図６は、本実施形態に係るディーゼルエンジンＥの動作時の熱損失を、従来技術に係るディーゼルエンジンの動作時の熱損失と比較した図である。
【００３９】
図６の各グラフは、ディーゼルエンジン動作時の１燃焼サイクル当たりのトータルの熱損失［Ｊ］を示している。ここで、図６の従来技術１は、キャビティ部１１の開口縁部に突起部１２が設けられてない態様（以下、従来技術１と略称する）であり、図６の従来技術２は、キャビティ部１１の開口縁部の全周に突起部１２が設けられた態様（以下、従来技術２と略称する）である。尚、図６に示す結果は、燃焼シミュレーションによって算出されたものである。
【００４０】
図６を参照すると、本実施形態に係るディーゼルエンジンＥの熱損失は、従来技術１に係るディーゼルエンジンの熱損失及び従来技術２に係るディーゼルエンジンの熱損失のいずれよりも小さくなっていることが分かる。
【００４１】
燃焼シミュレーションにおいて、燃焼室Ｎ内の部位毎の熱損失（図示せず）を確認したところ、この理由としては、本実施形態に係るディーゼルエンジンＥにおいては、従来技術１に係るディーゼルエンジンと比較して、シリンダライナＢａにおける熱損失が抑制されるためであると推察される。又、本実施形態に係るディーゼルエンジンＥにおいては、従来技術２に係るディーゼルエンジンと比較して、圧縮行程時のスキッシュ流に伴う熱損失が抑制され、且つ、ピストン１０の表面積の増加に伴う熱損失が抑制されているためであると推察される。
【００４２】
図７は、本実施形態に係るディーゼルエンジンＥの熱損失の時間的変化を、従来技術１に係るディーゼルエンジンの熱損失の時間的変化と比較した図である。図７の横軸はクランク角（ゼロ度が圧縮上死点に相当）を表し、縦軸は単位時間当たりの熱損失［Ｊ／ｓ］を表す。尚、図７に示す結果は、図６と同様に、燃焼シミュレーションによって算出されたものである。
【００４３】
一般に、ディーゼルエンジンにおいては、圧縮上死点付近における燃焼エネルギーが、最も効率的に運動エネルギーに変換される。そのため、ディーゼルエンジンにおいて熱損失が発生するタイミングは、圧縮上死点から離れるほど望ましい。
【００４４】
この点、図７を参照すると、本実施形態に係るディーゼルエンジンＥにおいては、従来技術１に係るディーゼルエンジンと比較して、熱損失がピーク値を取るタイミングが遅れることが分かる。この要因としては、上記したように、キャビティ部１１の開口縁部に設けた突起部１２及び平坦部１２ａに起因した燃料流の変化に依拠すると考えられる。
【００４５】
以上のように、本実施形態に係るディーゼルエンジンＥにおいては、従来技術に係るディーゼルエンジンと比較して、動作時のトータルの熱損失を低減することが可能であり、これによって、燃費を改善することができる。
【００４６】
（第２の実施形態）
次に、図８〜図１１を参照して、第２の実施形態に係るディーゼルエンジンＥの燃焼室構造について説明する。
【００４７】
図８は、本実施形態に係るディーゼルエンジンＥの燃焼室Ｎ（ピストン１０）の平面図である。図９は、図８のＯ−Ｔ３の位置における燃焼室Ｎの側面断面図である。尚、図８のＯ−Ｔ１における側面断面は、図３と同様の構成を有するため、ここでの図示は省略する。
【００４８】
本実施形態に係る燃焼室Ｎは、互いに隣接する突起部１２間に、シリンダ周方向に沿って形成された窪み部１２ｂを有している点で、第１の実施形態と相違する。
【００４９】
窪み部１２ｂは、キャビティ部１１の開口縁部に形成され、当該キャビティ部１１の内周側面から当該キャビティ部１１の外周領域に向かって窪んだ部位である。そして、本実施形態に係る燃焼室Ｎは、平面視で、キャビティ部１１の開口縁部において、シリンダ周方向に沿って突起部１２と窪み部１２ｂとが交互に形成された構成となっている。図８では、８箇所の突起部１２それぞれの間に、窪み部１２ｂが形成されている。
【００５０】
窪み部１２ｂは、キャビティ部１１の内周側面に沿って上方向に進行する燃料Ｆが突起部１２に衝突した際に、当該燃料Ｆを、キャビティ部１１内に存在するスワール流に沿わせるように、タンブル流方向に進行させる。これによって、キャビティ部１１内に発生する燃料流をより円滑に循環させることが可能となる。
【００５１】
図１０は、本実施形態に係るディーゼルエンジンＥの１燃焼サイクル当たりの熱損失［Ｊ］を、第１の実施形態に係るディーゼルエンジンＥの１燃焼サイクル当たりの熱損失［Ｊ］、及び、従来技術１に係るディーゼルエンジンの１燃焼サイクル当たりの熱損失［Ｊ］と比較した図である。又、図１１は、本実施形態に係るディーゼルエンジンＥの熱損失の時間的変化を、第１の実施形態に係るディーゼルエンジンＥの熱損失の時間的変化、及び、従来技術に係るディーゼルエンジンの熱損失の時間的変化と比較した図である。
【００５２】
図１０に示すように、本実施形態に係るディーゼルエンジンＥにおいては、キャビティ部１１内に発生する燃料流をより円滑に循環させることによって、第１の実施形態に係るディーゼルエンジンＥと比較しても、熱損失を更に低減することが可能である。
【００５３】
又、図１１に示すように、本実施形態に係るディーゼルエンジンＥにおいては、第１の実施形態に係るディーゼルエンジンＥと比較して、熱損失がピーク値を取るタイミングをより遅らせること可能である。
【００５４】
以上のように、本実施形態に係る内燃機関によれば、より燃費を改善することが可能である。
【００５５】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本開示に係る内燃機関によれば、動作時のトータルの熱損失を低減し、燃費の向上に資する。
【符号の説明】
【００５７】
Ｂ  シリンダブロック
Ｂａ  シリンダライナ
Ｅ  ディーゼルエンジン
Ｆ  燃料
Ｉ  インジェクタ
Ｎ  燃焼室
１０  ピストン
１１  キャビティ部
１２  突起部
１２ａ  平坦部
１２ｂ  窪み部
１３  スキッシュ部
２０  シリンダヘッド部
【図１】
2020045882.tif 000003
【図２】
2020045882.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2020045882.tif 000009
【図８】
2020045882.tif 000010
【図９】
2020045882.tif 000011
【図１０】
2020045882.tif 000012
【図１１】
2020045882.tif 000013