(57)【要約】【課題】スモークの生成を抑制する燃焼室を提供する。【解決手段】シリンダの内部を往復するピストン１１の頂面１２の中央部が窪んで構成される燃焼室１０において、スワール流の流方向であるＣ１方向の反対側の方向であるＣ２方向に面する壁面２０が、Ｃ１方向に間隔を空けて底部１６の外縁の環状部位１９に複数配置されるとともに、壁面２０を覆う遮熱膜２５を備えて構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダの内部を往復するピストンの頂面の中央部が窪んで構成される燃焼室において、スワール流の流方向の反対側の方向に面する壁面が、その流方向に間隔を空けて窪みの底部の外縁の環状部位に複数配置されるとともに、前記壁面を覆う遮熱膜を備えることを特徴とする燃焼室。
【請求項２】
前記遮熱膜が、前記壁面と前記環状部位の前記壁面に対して前記反対側の方向に存在する部分との両方の表面を覆う請求項１に記載の燃焼室。
【請求項３】
前記遮熱膜が前記環状部位の全域の表面を覆う請求項１に記載の燃焼室。
【請求項４】
前記遮熱膜の表面は、前記遮熱膜に覆われていない部位の表面よりも粗い請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃焼室。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃焼室に関し、より詳細には、スモークの発生を抑制する燃焼室に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの燃焼室において、中央部に配置されて上方に向かって突出する突起部の表面に上下方向に延びる複数の溝を形成し、燃焼室の壁面に沿って流れる燃料の通過経路が互いに隣り合う溝どうしの間に位置されるものが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。この装置において、噴霧された燃料は壁面に衝突後に溝どうしの間を流れることで、溝の中で流入することなく、滞留することもない。それ故、燃料と空気との混合気の撹拌、混合が促進されることで排気エミッションが向上していた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−０１３４７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、多量の燃料を噴霧する運転領域では、燃費の悪化を回避するために負荷に応じた必要な燃料量を一定期間内に噴霧する必要がある。従って、噴孔面積の小さな燃料噴霧装置を用いる場合、高負荷時に必要な燃料量を一定期間内に噴霧することが可能な総噴孔面積を確保する必要があった。それ故、燃料噴霧装置の多噴孔化が必須となっていた。
【０００５】
しかしながら、燃料噴霧装置を多噴孔化すると、上記の特許文献１に記載の装置では、隣り合う噴孔どうしの間隔が狭くなる。それ故、溝を設けたとしても、燃料噴霧装置の各噴孔から噴霧された燃料が燃焼室の壁面に衝突した後、スワール流によってスワール流の流方向に流されて隣り合う噴霧どうしが干渉するという問題があった。この噴霧どうしの干渉によって燃焼室内に燃料の過濃領域が形成されることは、スモークの生成量が増大する要因となっている。
【０００６】
本開示の目的は、スモークの生成を抑制する燃焼室を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成する本発明の一態様の燃焼室は、シリンダの内部を往復するピストンの頂面の中央部が窪んで構成される燃焼室において、スワール流の流方向の反対側の方向に面する壁面が、その流方向に間隔を空けて窪みの底部の外縁の環状部位に複数配置されるとともに、前記壁面を覆う遮熱膜を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の一態様によれば、壁面によりスワール流の影響によって噴霧された燃料がスワール流の流方向への流れることを防ぐことで、隣り合う噴霧どうしの干渉を抑制することができる。また、遮熱膜で壁面を覆うことで、壁面を設けたことにより表面積が増加したことを起因とした熱損失の悪化を防ぐことができる。以上の二つの効果により、熱効率の低下を抑制しつつ、スモークの生成を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】燃焼室の第一実施形態を例示する斜視図である。
【図２】図１の一部を拡大した平面図である。
【図３】図２の矢印ＩＩＩで示す断面を例示する断面図である。
【図４】図２の矢印ＩＶで示す断面を例示する断面図である。
【図５】燃焼室の第二実施形態を例示する平面図である。
【図６】図５の矢印ＶＩで示す断面を例示する断面図である。
【図７】燃焼室の第三実施形態を例示する平面図である。
【図８】図７の矢印ＶＩＩＩで示す断面を例示する断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本開示における燃焼室の実施形態について説明する。なお、本開示でピストン１１が往復運動するシリンダ（図示しない）は、図１において中心軸の軸方向が上下方向に向いているものとする。従って、図中では、Ｃ方向をシリンダの中心軸まわりの周方向とし、Ｃ１方向をＣ方向のうちのスワール流の流方向（左回りの方向）とし、Ｃ２方向をＣ１方向の反対側の方向（右回りの方向）とし、Ｄ方向をシリンダの径方向とする。また、Ｘ方向をＤ方向のうちの一方向とし、Ｚ方向をシリンダの中心軸の軸方向とし、Ｙ方向をＸ方向及びＺ方向のそれぞれに直交する方向とし、Ｚ方向は鉛直方向に限定されないものとする。また、本開示では、「角」は相交わる二平面や二直線が作る形状を示すものとし、場所を示す意味では用いないものとする。また、図中では、「角」がある形状を実線で示し、「角」の無い形状については点線で示すものとする。
【００１１】
図１に例示するように、燃焼室１０は、図示しないシリンダの内部をＺ方向に往復運動するピストン１１の頂面１２の中央部が下方に向かって凹状に窪んで構成される。燃焼室１０は頂面１２に形成されたこの窪みと図示しないシリンダの内壁面と燃料噴霧装置１３および吸排気弁が設置されたシリンダヘッドとに囲まれた空間のことを示すが、本開示で燃焼室１０はこの窪みを示すものとする。
【００１２】
燃焼室１０は、上方から下方に向かって筒部１４とリップ部１５と底部１６とが順に配置された分配型の燃焼室で構成される。本開示において、分配型の燃焼室とは燃料噴霧装置１３から噴霧された燃料がリップ部１５に衝突して上下二方向に分配される機能を有するものを示す。燃焼室１０は、そのような分配型の燃焼室に限定されずに、燃料噴霧装置１３から噴霧された燃料がリップ部１５に衝突して少なくとも下方に導かれるものでもよい。燃焼室１０としては、リップ部１５の上方に筒部１４を有さないものも例示される。
燃焼室１０の窪みの形状としては椀状、半球形状、多球形状が例示され、その横断面形状（Ｘ−Ｙ平面の断面形状）としては円形状や多円形状が例示される。
【００１３】
筒部１４は、Ｚ方向の両端が開口した筒の内筒面で構成される。筒部１４は内筒面で構成されればよく、その内筒面が上方から下方に向かって拡径してもよく、上方から下方に向かって縮径してもよい。また、筒部１４は、その内筒面が上方から下方に向かって段々に変化する段状の筒面でもよい。
【００１４】
リップ部１５は、筒部１４および底部１６の間に位置し、Ｚ方向に見て筒部１４の内側の面よりも中央側に突出した環状の部位である。リップ部１５は、Ｚ方向に見て中央側に突出した角に丸みを付けてもよい。リップ部１５は、燃料噴霧装置１３から噴霧された燃料が衝突する衝突部位１７を有し、衝突部位１７に衝突したその燃料のうちの一部の燃料をＺ方向上方に、その他の燃料をＺ方向下方にそれぞれ分割させるように機能する。なお、一つの燃焼室１０に複数のリップ部１５が設けられてもよく、複数のリップ部１５がＺ方向に多段状に設けられてもよい。
【００１５】
衝突部位１７は、燃料噴霧装置１３から噴霧された燃料が衝突する部位であり、リップ部１５のＣ方向に間隔を空けて複数配置される。リップ部１５における衝突部位１７の配置位置と専有領域とは、燃料噴霧装置１３ごとに適宜設定される。衝突部位１７は、燃料が衝突する領域であり、図中では点線で囲われた領域とする。
【００１６】
底部１６は、窪みである燃焼室１０の底に位置し、Ｚ方向の上端が開口する一方で下端が閉口した有底筒状を成し、上方から下方に向かって開口径が徐々に狭まる椀状を成す。底部１６は、中央部に上方に向かって膨らんで成る膨らみ１８と、膨らみ１８よりも縁側でＺ方向に見て環状を成す環状部位１９と、を有する。
【００１７】
膨らみ１８は、底部１６の底から上方に向かって凸の椀状に膨らんで成る。膨らみ１８の最高位置は、リップ部１５の上端の位置よりも低くすることが望ましい。環状部位１９は、底部１６の外縁部に位置する部位であり、より具体的に膨らみ１８の裾野とリップ部１５との間の部位である。環状部位１９は、その表面が環状体状に窪んで成る。ここでいう環状体としては、トーラス体（円環体）が例示される。環状部位１９は、底部１６において外縁部に位置する環状の部位であればよく、その表面が環状体状に窪んだものに限定されない。
【００１８】
燃焼室１０の種類としては、燃料噴霧装置１３から噴霧された燃料が上下に分配される分配型の燃焼室であればよく、上記の構成に限定されない。例えば、燃焼室１０の種類としては、シリンダヘッドの形状に応じてペントルーフ型やウエッジ型が例示される。また、燃焼室１０の種類としては、窪みの形状に応じて深皿型（トロイダル型、リエントラント型、バスタブ型）や浅皿型が例示される。
【００１９】
燃焼室１０は、複数の壁面２０を備えて構成される。また、燃焼室１０は、壁面２０のそれぞれがＣ方向に隣り合う凹み２１どうしの間の凸部位で構成される。加えて、燃焼室１０は、環状部位１９の全域を覆う遮熱膜２５を備える。
【００２０】
図２および図３に例示するように、壁面２０はＣ２方向に面し、Ｃ１方向に見て三日月型を成す。本開示で、Ｃ２方向に面するとは、Ｃ１方向の燃料の流れに対して抵抗となるように面することを意味し、壁面２０はＣ２方向に向かう面であればよい。このような面としては、例えば、Ｃ２方向に対して直交するＸ−Ｚ平面の他に、Ｃ２方向に対して交差する斜面も例示される。また、Ｃ１方向に見た壁面２０の形状は、Ｃ１方向の燃料の流れに対して抵抗となれば特に限定されず、例えば、矩形状も例示される。
【００２１】
複数の壁面２０は、底部１６の環状部位１９にＣ１方向に互いに間隔を空けて配置される。複数の壁面２０は、リップ部１５における衝突部位１７の配置数に対応させた数が配置される。複数の壁面２０の配置間隔は、リップ部１５における衝突部位１７の配置間隔に対応させる。例えば、複数の壁面２０の配置間隔は、衝突部位１７の配置間隔が等間隔の場合にＣ１方向に等間隔に配置される。また、複数の壁面２０の配置間隔は、衝突部位１７の配置間隔が所定の位置からＣ１方向に向かって徐々に広くなる場合に同様にＣ１方向に向かって徐々に広くなるように配置される。
【００２２】
壁面２０は、衝突部位１７におけるＣ１方向に関して下流側の端部２２から底部１６の中心部に向かう線分Ｌ１に沿って設けられる。ここでいう線分Ｌ１としては、底部１６の中心から径方向Ｄに延在する線分のうちの端部２２に接する線分が例示される。また、壁面２０がその線分Ｌ１に沿って設けられるとは、壁面２０が線分Ｌ１上の底部１６、あるいは、線分Ｌ１のＣ１方向の側方にずれた底部１６から上方に立設して線分Ｌ１に沿ってＤ方向に延在することを示すものとする。壁面２０は、線分Ｌ１のＣ２方向の側方を除き、線分Ｌ１上または線分Ｌ１のＣ１方向の側方に立設することで、衝突部位１７に衝突して下方に分配された燃料の流れを妨げることを回避するには有利になる。
【００２３】
壁面２０は、底部１６を上方に凸ませて形成してもよいが、底部１６を下方に凹ませて形成することが望ましく、Ｃ方向に隣り合う凹み２１どうしの間の凸部位で構成されることがより望ましい。
【００２４】
凹み２１は、底部１６の環状部位１９のＣ方向に間隔を空けて配置されて、底部１６から下方に凹状に凹んで成る。また、凹み２１は、一つの壁面２０に対して一つ設けられ、壁面２０に対してＣ２方向に存在する部分である。
【００２５】
凹み２１の形状は、壁面２０を形成することが可能な形状であれば特に限定されない。この実施形態で、Ｚ方向に見た凹み２１の開口形状は矩形状を成す。また、凹み２１の深さは、Ｄ方向に関して凹み２１の中央部から外縁に向かって深さが浅くなるように構成され、Ｃ方向に関して一定の深さとなるように構成される。
【００２６】
底部１６を凹み２１により凹ませて壁面２０を形成することで、燃焼室１０の総容積を凹ませた分だけ増やすことができる。このように、燃焼室１０により多くの空間を設けることで、空気との混合を良化するには有利になり、燃焼期間を短縮することができる。
【００２７】
但し、凹み２１のＺ方向の深さを深くする、あるいは開口面積を広くすると、燃焼室１０の総表面積が増えることになり、総表面積の増加による熱損失が増加する。従って、凹み２１の深さや開口面積は、凹み２１を設けることで増加する熱損失よりも、総容積の増加によって得られる燃焼期間の短縮により低減する熱損失が大きくなるように設定することが好ましい。
【００２８】
凹み２１は、Ｃ１方向に存在する内面として壁面２０を、Ｃ２方向に存在する内面として壁面２０に対してＣ方向に対向する対向面２３を、それぞれ有する。対向面２３の形状は特に限定されず、壁面２０に対して面対称となる形状に形成されてもよく、壁面２０と異なる形状に形成されてもよい。対向面２３を壁面２０に対向して設ける場合は、衝突部位１７に衝突して分割された燃料の噴霧の進行を妨げないように衝突部位１７におけるＣ２方向に関して下流側の端部（Ｃ１方向に関して上流側の端部）２４から底部１６の中心部に向かう線分Ｌ２に沿って設けられることが好ましい。
【００２９】
遮熱膜２５は、ピストン１１を構成する部材よりも熱伝導率が低い部材で構成される。遮熱膜２５としては、ピストン１１を構成する部材の酸化皮膜やセラミックスが例示され、より具体的に、アルマイトやジルコニアなどが例示される。
【００３０】
遮熱膜２５は、環状部位１９のうちの少なくとも壁面２０を覆うように構成される。このように遮熱膜２５が壁面２０を覆うことで、壁面２０を設けることによる燃焼室１０の表面積の増加に起因した熱損失の悪化を防ぐには有利になる。
【００３１】
また、遮熱膜２５は、環状部位１９のうちの少なくとも壁面２０と環状部位１９の壁面２０に対してＣ２方向に存在する部分である凹み２１との両方の表面を覆うように構成される。このように、壁面２０に加えて凹み２１の表面を覆うことで、壁面２０を設けたことにより壁面２０に対してＣ２方向に存在する部分である凹み２１に生じる燃料の滞留を起因とした熱損失の悪化を防ぐには有利になる。
【００３２】
また、遮熱膜２５は、環状部位１９の全周に渡って複数の壁面２０が配置される場合に、全ての壁面２０および凹み２１を含む環状部位１９の全域の表面を覆うように構成されることが望ましい。このように、遮熱膜２５が環状部位１９の全域の表面を覆うことで、環状部位１９の全域で熱損失の悪化を防ぐには有利になる。
【００３３】
なお、遮熱膜２５は少なくとも壁面２０を覆えばよく、燃焼室１０の筒部１４やリップ部１５、および底部１６のいずれか、あるいはそれらの全部を覆ってもよい。但し、燃焼室１０の全てを遮熱膜２５で覆うことで製造コストが高くなるため、遮熱膜２５で覆う部位を限定することが望ましい。また、壁面２０、凹み２１、あるいはそれらを含む環状部位１９を覆う遮熱膜２５と、それ以外を覆う遮熱膜とを異なる部材で構成してもよい。
【００３４】
図４に例示するように、環状部位１９のＣ方向の全周に渡って延在して環状部位１９に配置された全ての壁面２０と凹み２１とを横断する線分で環状部位１９を切断した場合の切断面に現れる環状部位１９の表面形状は波形状を成すことが好ましい。
【００３５】
本開示で、波形状としては、矩形波、正弦波、三角波、および、のこぎり波が例示される。この実施形態における切断面に現れる環状部位１９の表面形状は矩形波を成す。その矩形波の周期はリップ部１５における衝突部位１７の配置間隔に基づき、その振幅は凹み２１のＹ方向の深さに基づく。
【００３６】
燃料噴霧装置１３から燃料が噴霧されると、噴霧された燃料はリップ部１５の衝突部位１７に衝突して上下方向に分割される。下方に分割された燃料はスワール流の影響によりＣ１方向へ流れようとするが、壁面２０がその流れに対する抵抗となる。この結果、下方に分割された燃料のスワール流の流速が低減し、その流れが抑制される。
【００３７】
このように、本開示の燃焼室１０によれば、燃焼室１０の底部１６に壁面２０を設けることで、壁面２０が抵抗となり下方に進行する燃料のＣ１方向への流れを抑制することができる。これにより、Ｃ方向に隣り合う燃料どうしの干渉を抑制するには有利になり、燃料の過濃領域により生じるスモークの生成量を抑制することができる。
【００３８】
また、本開示の燃焼室１０によれば、下方に分割された燃料は凹み２１により広がった空間により、凹み２１を設けないものに比して空気との混合を良化（促進）させることができる。これにより、燃焼状態を良化して燃焼期間を短縮するには有利になり、燃焼期間が短縮することで熱損失を低下してスモークの生成量を抑制することができる。
【００３９】
加えて、本開示の燃焼室１０によれば、遮熱膜２５が環状部位１９の全域を覆うことで、壁面２０を設けたことにより表面積が増加したことを起因とした熱損失の悪化を防ぐとともに、燃料が壁面２０により凹み２１に滞留することを起因とした熱損失の悪化も防ぐことができる。
【００４０】
以上のように、壁面２０を設けることによる効果と、遮熱膜２５を設けることによる効果とが合わさることにより、熱効率の低下を抑制しつつ、スモークの生成を抑制することができる。
【００４１】
図５および図６に例示するように、第二実施形態の燃焼室１０は、第一実施形態に対して、凹み２１が角の無い形状を成す点が異なる。本開示で、角の無い形状とは、凹み２１を構成する要素の全てに角が存在しない形状である。具体的に、Ｚ方向に見た凹み２１の開口形状を含む凹み２１の横断面形状としては、円形状や楕円形状、オーバル形状が例示される。
【００４２】
凹み２１の深さは凹み２１の中心部から外縁に向かって徐々に浅くなるように構成される。具体的に、凹み２１の任意の縦断面形状としては、一つのスプライン曲線あるいは一つのベジエ曲線で描かれる形状が例示される。
【００４３】
凹み２１は、Ｚ方向に見て、長手方向がＣ方向に向いた楕円形状あるいはオーバル形状の外縁がＣ方向に沿って婉曲した形状を成す。切断線で切断した場合の切断面に現れる環状部位１９の表面形状はシヌソイドを成すことが好ましい。この実施形態のシヌソイドの周期はリップ部１５における衝突部位１７の配置間隔に基づき、その振幅は凹み２１のＹ方向の深さに基づく。なお、切断する位置をＸ方向で変化させた場合のシヌソイドの振幅の変化は、凹み２１のＸ方向の深さに基づく。
【００４４】
このように、シヌソイドを用いて波形の周期および振幅を変化させることで、凹み２１の形状を調節することが可能となる。これにより、複数の凹み２１がある複雑な形状であっても容易に製造することができる。
【００４５】
以上のように、凹み２１が角の無い形状を成すことで、角のある形状に比して凹み２１の表面積を減少することができる。これにより、凹み２１を設けることで増加する表面積の増加による熱損失の増加を抑制するには有利になる。
【００４６】
また、凹み２１が角のある形状では燃焼時に角に熱応力が集中するおそれがあるが、凹み２１が角の無い形状では燃焼時に特定の部位に熱応力が集中することを回避できる。これにより、角のある形状に比して、熱応力の集中による損壊を回避して、耐久性を向上するには有利になる。
【００４７】
図７および図８に例示するように、第三実施形態の燃焼室１０は、第一実施形態に対して、遮熱膜２５の表面が、それ以外の部位（例えば、筒部１４、リップ部１５）の表面よりも粗い点が異なる。
【００４８】
本開示で、表面の粗さは、単位面積あたりの表面積を比較して表面積が広くなるものが粗く、小さくなるものが滑らかとなる。また、表面の粗さは、日本産業規格ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１で規定される線粗さのパラメータにより求められる表面粗さや表面うねりも例示される。
【００４９】
燃焼室１０は、遮熱膜２５の表面が底部１６以外の部位の表面よりも粗ければよい。燃焼室１０は、遮熱膜２５が環状部位１９の全周の表面を覆う場合に、その遮熱膜２５の全域の表面が床部１６以外の部位の表面よりも粗いことがより望ましい。
【００５０】
燃焼室１０において、遮熱膜２５の表面の粗さを異ならせる方法としては、遮熱膜２５を所定の位置に形成した後に、ブラストなどの表面仕上げ加工によりその表面仕上げを粗くする一方で、筒部１４やリップ部１５の表面仕上げを滑らかにする方法が例示される。また、ブラストを応用し、ブラストにより遮熱膜２５の表面を粗くする方法も例示される。また、ショットピーニングにより遮熱膜２５に微細なディンプルを形成する方法も例示される。また、形成された遮熱膜２５の表面がブラストやショットピーニングを用いなくとも粗い場合は、それらの方法を用いなくてもよい。
【００５１】
以上のように、遮熱膜２５の表面を底部１６以外の部位の表面よりも粗くすることで、燃料のスワール流の流速を低減するには有利になり、Ｃ方向に隣り合う燃料どうしの干渉を抑制する効果が増す。
【符号の説明】
【００５２】
１０  燃焼室
１１  ピストン
１２  頂面
１６  底部
１９  環状部位
２０  壁面
２５  遮熱膜
Ｃ１  スワール流の流方向
Ｃ２  スワール流の流方向の反対側の方向
【図１】
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【図２】
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【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】
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【図８】
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