(57)【要約】【課題】熱損失を効果的に低減できるディーゼルエンジンを提供する。【解決手段】ピストン５と、燃料噴射弁６とを有するディーゼルエンジン１において、ピストン５は、ピストン頂面５０に、シリンダヘッド３下面側に向かって開口し、底面５１ｂと内側面５１ｃとを含むキャビティ５１が形成されており、燃料噴射弁６は、キャビティ５１の内側面５１ｃの一部に向かって燃料を噴射し、ピストン頂面５０には、平面視において燃料噴射弁６の燃料噴射方向６０と対応する領域５０ａにのみ、ディンプル５２が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダライナと、
前記シリンダライナの頂面と対向するように配置されたシリンダヘッドと、
前記シリンダライナの内部に摺動自在に嵌合されたピストンと、
燃料噴射装置とを有するディーゼルエンジンにおいて、
前記ピストンの頂面に、前記シリンダヘッドの前記シリンダライナとの対向面側に向かって開口し、底面と内側面とを含むキャビティが形成されており、
前記燃料噴射装置は、前記キャビティの内側面の一部に向かって燃料を噴射し、
前記ピストンの頂面には、平面視において前記燃料噴射装置の燃料噴射方向と対応する領域にのみ、凹部が形成されている、ディーゼルエンジン。
【請求項２】
前記凹部は、前記頂面にディンプル加工することにより形成されている、請求項１に記載のディーゼルエンジン。
【請求項３】
前記凹部は、前記頂面に撥油加工することにより形成されている、請求項１に記載のディーゼルエンジン。
【請求項４】
前記ピストンの頂面のうち少なくとも前記凹部が形成された領域は、前記キャビティに向かって下がるように傾斜している、請求項１〜３のいずれか１項に記載のディーゼルエンジン。
【請求項５】
前記凹部の容積は、前記キャビティから離れるにつれて大きくなる、請求項２に記載のディーゼルエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建設機械、農業機械および船舶等に搭載されるディーゼルエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１には、燃焼室に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁を備える内燃機関の燃焼室構造であって、燃焼室内壁面に、燃料噴射弁からの燃料噴霧が直接当たらない領域にディンプルが形成された燃焼室構造が開示されている。この構成によれば、ディンプル内に空気が留まって断熱層が形成されることにより断熱性を高め、ピストンへの熱損失を低減できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−９４４９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、研究の結果、燃焼室内壁面よりもピストン頂面における熱損失のほうが大きく、特許文献１の構成では、熱損失が比較的小さい燃焼室内壁面にディンプルを形成しているため、断熱による熱損失の低減効果が小さい。
【０００５】
そこで、本発明は上記課題に鑑み、熱損失を効果的に低減できるディーゼルエンジン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】
【０００６】
本発明のディーゼルエンジンは、シリンダライナと、
前記シリンダライナの頂面と対向するように配置されたシリンダヘッドと、
前記シリンダライナの内部に摺動自在に嵌合されたピストンと、
燃料噴射装置とを有するディーゼルエンジンにおいて、
前記ピストンの頂面に、前記シリンダヘッドの前記シリンダライナとの対向面側に向かって開口し、底面と内側面とを含むキャビティが形成されており、
前記燃料噴射装置は、前記キャビティの内側面の一部に向かって燃料を噴射し、
前記ピストンの頂面には、平面視において前記燃料噴射装置の燃料噴射方向と対応する領域にのみ、凹部が形成されている。
【０００７】
本発明によれば、ピストンの頂面のうち燃料噴射方向と対応する領域にのみ凹部を形成することで、凹部内の空気が断熱層を構成するため、熱損失が最も大きい燃料噴射方向のピストンの頂面への熱損失を効果的に低減できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態に係るディーゼルエンジンを示す断面図である。
【図２】ピストンの平面図である。
【図３】別実施形態に係るピストンの断面図である。
【図４】別実施形態に係るピストンの断面図である。
【図５】第２実施形態に係るピストン頂面の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
ディーゼルエンジン１は、シリンダブロック２と、シリンダブロック２の上部に配置されたシリンダヘッド３と、シリンダブロック２の内部に配置されたシリンダライナ４に摺動自在に嵌合されたピストン５と、を備えている。
【００１１】
ピストン５のピストン頂面５０には、キャビティ５１が形成されている。キャビティ５１は、シリンダヘッド３の下面側に向かって開口する開口部５１ａを備えている。開口部５１ａは略円形である。また、キャビティ５１は、底面５１ｂと内側面５１ｃを備えている。底面５１ｂは、平面視で略円形であり、内側面５１ｃは底面５１ｂと開口部５１ａとの間の領域である。
【００１２】
ピストン５が下降する際、燃焼室は、シリンダヘッド３、シリンダライナ４、ピストン頂面５０、及びキャビティ５１で構成される空間である。燃焼室内では、高温ガス（燃焼ガス）からシリンダヘッド３、シリンダライナ４、ピストン５を伝わって冷却水や潤滑油へ熱が移動して熱損失（冷却損失）が起こる。本発明者は、鋭意研究の結果、燃焼室内での熱損失は、ピストン頂面５０への熱損失の割合が最も大きくなっており、ピストン頂面５０への熱損失を低減することで熱効率を向上できることを見出した。
【００１３】
シリンダヘッド３の下面には、燃料噴射装置としての燃料噴射弁６が設けられている。本実施形態の燃料噴射弁６は、噴射口が平面視でキャビティ５１の開口部５１ａの略中心に位置するように配置されているが、これに限定されず、中心から外れた位置に配置されてもよい。燃料噴射弁６は、不図示の燃料噴射ポンプによって加圧された燃料、又は不図示のコモンレールに蓄えられた高圧の燃料を燃焼室に噴射する。より具体的には、燃料噴射弁６は、ピストン５が上死点付近に位置するときにキャビティ５１の内側面５１ｃの一部に向かって燃料を噴射する。
【００１４】
燃料噴射弁６による燃料噴射方向６０は、平面視において、図２に示すように燃料噴射弁６を中心として放射状に延びている。燃料噴射方向６０は、燃料噴射弁６に設けられた噴射口の中心軸方向となる。本実施形態では、燃料噴射弁６には４つの噴射口が周方向に等間隔で設けられており、４つの燃料噴射方向６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄは周方向に等間隔となっている。噴射口からの噴流は、燃料噴射方向６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄの±α°の領域に形成される。なお、本実施形態では、燃料噴射弁６に４つの噴射口を設けているが、これに限定されず、３つ以下又は５つ以上の噴射口を設けてもよい。
【００１５】
ピストン５のピストン頂面５０には、複数のディンプル５２（凹部の一例）が形成されている。複数のディンプル５２は、ピストン頂面５０のうち、平面視において燃料噴射弁６の燃料噴射方向６０と対応する領域５０ａにのみ形成されている。燃料噴射弁６の燃料噴射方向６０と対応する領域５０ａとは、燃料噴射方向６０の±β°の領域である。好ましくは、βは２２．５以下である。また、β＞αである。
【００１６】
ピストン頂面５０のうち燃料噴射方向６０と対応する領域５０ａにのみ複数のディンプル５２を形成することで、ディンプル５２内の空気が断熱層を構成するため、熱損失が最も大きい燃料噴射方向６０のピストン頂面５０への熱損失を効果的に低減できる。なお、ピストン頂面５０の全面にディンプル５２を形成した場合、燃焼室の壁面温度が上がり過ぎて吸気加熱が起こったり、体積効率が低減したりして燃焼効率が悪化するが、ピストン頂面５０のうち燃料噴射方向６０と対応する領域５０ａにのみディンプル５２を形成することで、吸気加熱や体積効率低減を抑制することができる。
【００１７】
複数のディンプル５２は、ディンプル加工により形成される。ディンプル加工には、レーザ光線を用いる方法、ショットブラストを用いる方法等がある。本実施形態のディンプル５２は、半球状に形成されている。半球状のディンプル５２の半径は、０．５〜１００μｍであり、好ましくは１〜２０μｍである。なお、本実施形態のディンプル５２は半球状であるが、他の形状であってもよい。また、複数のディンプル５２の形状は、すべて同じであっても異なっていてもよい。
【００１８】
以上のように、本実施形態のディーゼルエンジン１は、ピストン５と、燃料噴射弁６とを有するディーゼルエンジン１において、ピストン５は、ピストン頂面５０に、シリンダヘッド３下面側に向かって開口し、底面５１ｂと内側面５１ｃとを含むキャビティ５１が形成されており、燃料噴射弁６は、キャビティ５１の内側面５１ｃの一部に向かって燃料を噴射し、ピストン頂面５０には、平面視において燃料噴射弁６の燃料噴射方向６０と対応する領域５０ａにのみ、ディンプル５２が形成されている。
【００１９】
この構成によれば、ピストン頂面５０のうち燃料噴射方向６０と対応する領域５０ａにのみディンプル５２を形成することで、ディンプル５２内の空気が断熱層を構成するため、熱損失が最も大きい燃料噴射方向６０のピストン頂面５０への熱損失を効果的に低減できる。
【００２０】
また、本実施形態において、図３に示すように、ディンプル５２の容積は、キャビティ５１から離れるにつれて大きくなることが好ましい。ディンプル５２の容積は、ディンプル５２の開口面積や深さによって定まる。本実施形態のディンプル５２においては、半径をキャビティ５１から離れるにつれて大きくしている。
【００２１】
噴流後期は乱流渦の大きさが大きくなるため、ディンプル５２を大きくしても燃焼ガスが流れ込みにくく、ディンプル５２内の空気が留まって断熱層を保持することできる。そのため、ディンプル５２の容積を大きくして空気の断熱層を大きくすることで、より効率的に断熱することができる。
【００２２】
また、本実施形態において、図４に示すように、ピストン頂面５０のうち少なくともディンプル５２が形成された領域５０ａは、キャビティ５１に向かって下がるように傾斜していることが好ましい。
【００２３】
領域５０ａを傾斜させることで、キャビティ５１からシリンダライナ４に向かう逆スキッシュ流れを緩和することができる。これにより、逆スキッシュ流れによる乱流渦が小さくならず、ディンプル５２に燃料ガスが流れ込むことを抑制できる。その結果、ディンプル５２の空気が留まって断熱層を保持できるため、効果的に断熱することができる。
【００２４】
（第２実施形態）
前述の実施形態では、凹部をディンプル加工により形成しているが、凹部は、撥油加工により形成されてもよい。撥油加工には、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などのフッ素樹脂でピストン頂面５０をコーティングする方法、アルミ合金製のピストン５に熱水処理を施してピストン頂面５０にべーマイトを形成する方法等がある。フッ素樹脂をコーティングする方法は、凹部の加工が容易である。熱水処理を施す方法は、凹部の耐久性に優れる。撥油加工を行うと、図５に示すように、ピストン頂面５０に針状構造が形成され、隣接する針状部５３の間に凹部が形成される。すなわち、本発明における凹部は、予め形成されたピストン頂面５０を基準面として、基準面から突出するように形成した凸部（この例では針状部５３）の間に結果的に構成される凹部も含む概念である。針状部５３によりピストン頂面５０に凹部が形成されるため、前述のディンプル５２と同様の作用効果が得られる。また、撥油加工を行うことで、燃料のほか、ディーゼルエンジン１内の潤滑油がピストン頂面５０の領域５０ａに付着するのも防止できる。
【００２５】
［他の実施形態］
スワールが発生するディーゼルエンジン１の場合、燃料噴射弁６から噴射された燃料はスワールの影響を受けて周方向に移動しながらキャビティ５１の内側面５１ｃに到達する。そのため、凹部を形成する領域５０ａはスワールの流速等に応じて適宜設定される。
【００２６】
本発明のエンジンは、前述の実施形態のようにピストンが上下方向に往復動する直列型に限定されず、ピストンが水平方向に往復動する水平対向型や、Ｖ型などでもよい。
【００２７】
以上、本発明の実施形態について図面に基づいて説明したが、具体的な構成は、これらの実施形態に限定されるものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明だけではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
【符号の説明】
【００２８】
１    ディーゼルエンジン
３    シリンダヘッド
５    ピストン
５０    ピストン頂面
５１    キャビティ
５１ｃ  内側面
５２    ディンプル
５３    針状部
６    燃料噴射弁
６０    燃料噴射方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2020159222.tif 000006
【図５】
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