(57)【要約】【課題】燃焼室内における燃料の過濃領域の形成を抑制し、スモークの発生を抑制することができる内燃機関を提供する。【解決手段】ディーゼルエンジン１のピストン３の頂面に凹設されたキャビティ６において、インジェクタ７のノズル７ａの複数の微細な噴孔から噴射される燃料の噴霧が衝突する壁面に、キャビティ６の中央から外周に向かって延在する複数の溝１５を形成した。これにより、キャビティ６の壁面の複数の溝１５に衝突した燃料の噴霧は、複数の溝１５の延在方向に沿って広がる一方、複数の溝１５が隣接する方向への広がりが抑制される。この結果、隣接する噴霧間の干渉を抑制することができ、過濃領域の形成を抑制できるので、スモークの生成を抑制することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンの頂面に凹設され燃焼室の一部を形成するキャビティに対向する位置に燃料噴射部を備えた内燃機関において、前記燃料噴射部から噴射される燃料の噴霧が衝突する前記キャビティの壁面に、前記噴霧が前記キャビティの外周に沿う方向へ広がるのを抑制する複数の溝を設けた内燃機関。
【請求項２】
前記燃料噴射部から前記燃焼室への燃料の噴射時期を、前記ピストンの圧縮上死点よりも早期にして、前記燃料の噴射完了後に着火する予混合圧縮着火燃焼を行う運転領域を有する請求項１記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に関し、更に詳しくは、燃焼室内における燃料の過濃領域の形成を抑制することができる内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンは、ガソリンエンジンに比べて熱効率が良く、二酸化炭素（ＣＯ２）の排出量が少ないので石油枯渇問題や地球温暖化問題の観点から有利である。しかし、ディーゼルエンジンは、窒素酸化物（ＮＯｘ）や微粒子状物質（Particulate Matter：以下、ＰＭと略す）が排出されるとともに、このＮＯｘとＰＭとが、一方が低減すると他方が増加するというトレードオフの関係にあり問題となっている。
【０００３】
そこで、このようなディーゼルエンジンの問題を解決する予混合圧縮着火（Premixed Compression Ignition：以下、ＰＣＩと略す）燃焼方式が注目されている。このＰＣＩ燃焼は、燃焼室への燃料の噴射時期を、ピストンの圧縮上死点よりも早期にして、燃料の噴射完了後に着火する燃焼方法であり、ＮＯｘやＰＭ等の物質を同時に低減することができる。
【０００４】
しかし、ＰＣＩ燃焼方法は、適用運転領域が軽負荷に限られるという問題があるので、その問題を解決するために、燃料噴射弁の噴孔径を小さくして、燃料を微粒化することにより、蒸発を促進させて、均一で希薄な予混合気を迅速に生成し、ＰＣＩ燃焼による運転領域を拡大しようという試みがなされている（例えば特許文献１参照）。ただし、噴孔径を小さくした場合、全負荷での燃費を悪化させないためには、一定期間内に必要量の燃料を噴射する必要がある。したがって、必要とされる総噴射孔面積を確保する必要があり、小径の噴孔を複数設ける多噴孔化が必須となる。
【０００５】
しかし、多噴孔化にすると、燃料の噴霧がピストン頂面のキャビティの壁面に衝突した後に噴霧間の干渉が生じ易くなり、キャビティ内に過濃領域が形成される結果、スモーク（煤）の生成量が増えてしてしまうという問題がある。図６〜図８は燃料の噴射から所定時間ｔｓの経過毎の燃料の噴霧Ｆ０の状態を模式的に示している。横軸はピストンの頂面に沿う平面位置を示し、縦軸はピストンの頂面に直交する高さ位置を示している。燃料の噴霧Ｆ０間の距離が小さい場合、噴霧Ｆ０間に干渉が生じ、燃料過濃領域ＦＴが形成され易くなる。また、図９は燃料噴射弁の噴孔の径および数毎に煤の生成量を比較して示したグラフである。縦軸は煤の生成量、横軸は燃料噴射圧力を示している。また、ｈｓは噴孔径が０．０８ｍｍで噴孔総数が２０個の測定結果であり、ｈｂは噴孔径が０．１４ｍｍで噴孔総数が７個の測定結果である。小噴孔で多噴孔の方が煤の生成量が多いことが分かる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２１１７６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、燃焼室内における燃料の過濃領域の形成を抑制することができる内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、ピストンの頂面に凹設され燃焼室の一部を形成するキャビティに対向する位置に燃料噴射部を備えた内燃機関において、前記燃料噴射部から噴射される燃料の噴霧が衝突する前記キャビティの壁面に、前記噴霧が前記キャビティの外周に沿う方向へ広がるのを抑制する複数の溝を設けたものである。
【０００９】
また、上記した内燃機関において、前記燃料噴射部から前記燃焼室への燃料の噴射時期を、前記ピストンの圧縮上死点よりも早期にして、前記燃料の噴射完了後に着火する予混合圧縮着火燃焼を行う運転領域を有するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の内燃機関によれば、ピストンの頂面に凹設されたキャビティにおいて燃料の噴霧が衝突する壁面に溝を設けたことにより、燃料の噴霧が、溝に沿って広がるのを促し、溝に対して交差する方向に広がるのを抑制することができるので、噴霧間の干渉を抑制することができ、燃焼室内における燃料の過濃領域の形成を抑制することができる。その結果、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】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態の内燃機関の要部断面図である。
【図２】図１の内燃機関のピストンの頂面の平面図である。
【図３】図２のピストンのＩ−Ｉ線の断面図である。
【図４】図２のピストンの頂面の１つの溝群の拡大平面図である。
【図５】図４のピストンの頂面のＩＩ−ＩＩ線の断面図である。
【図６】燃料の噴射から所定時間の経過毎の燃料の噴霧の状態を模式的に示した図である。
【図７】燃料の噴射から所定時間の経過毎の燃料の噴霧の状態を模式的に示した図である。
【図８】燃料の噴射から所定時間の経過毎の燃料の噴霧の状態を模式的に示した図である。
【図９】燃料噴射弁の噴孔の径および数毎に煤の生成量を比較して示したグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態の内燃機関について添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１３】
図１は本実施の形態の内燃機関の要部断面図を示している。
【００１４】
本実施の形態の内燃機関は、例えばトラックのような自動車両に搭載されるディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１である。このエンジン１は、シリンダ２と、ピストン３と、シリンダヘッド４とを有しており、燃焼室５は、中空状のシリンダ２の内壁面と、ピストン３の頂面と、シリンダヘッド４の底面とに囲まれた空間に形成されている。
【００１５】
シリンダ２の内部には、ピストン３がシリンダ２の内壁面に沿って移動可能な状態で設置されている。このピストン３の頂面には、キャビティ６が凹設されている。このキャビティ６は、燃焼室５の一部を形成する領域であり、底面（壁面）６ａと、キャビティ６の最外周で底面６ａに交差する側面（壁面）６ｂとにより区画されている。キャビティ６の底面６ａは、その中央から外周に向かって次第に深くなるように形成されており、これによりトロイダル型の燃焼室が形成されている。ただし、キャビティ６の形状はトロイダル型に限定されるものではなく種々変更可能であり、例えばリエントラント型や浅皿型のような他の形状としても良い。
【００１６】
また、シリンダ２上には、シリンダヘッド４が設置されている。このシリンダヘッド４には、インジェクタ（燃料噴射部）７が設置されている。このインジェクタ７は、燃焼室５内に燃料を直接噴射する装置であり、キャビティ６の底面に対向する位置にシリンダ２およびピストン３（キャビティ６）の軸心Ａに一致するように設置されている。インジェクタ７はコモンレール（図示せず）に接続され、そのコモンレールに貯留された高圧燃料がインジェクタ７に常時供給される。コモンレールへの燃料圧送は高圧サプライポンプ（図示せず）により行われる。
【００１７】
インジェクタ７のノズル７ａの先端は、例えば円錐状に形成されており、燃焼室５内に突出されている。このノズル７ａの円錐状の突出先端部には、複数の微細な噴孔が形成されており、その複数の微細な噴孔から燃料が放射状に同時に噴射されるようになっている。このように本実施の形態のエンジン１においては、燃料を微細な噴孔から噴射し微粒化することにより、蒸発を促進させて、均一で希薄な予混合気を迅速に生成することができるので、後述の予混合圧縮着火（Premixed Compression Ignition：以下、ＰＣＩと略す）燃焼による運転領域を拡大することができる。また、微細な噴孔を必要噴射孔面積が確保できる分だけ複数設けることにより、全負荷での燃費の悪化も生じないようにすることができる。ここでは、特に限定されるものではないが、例えばノズル７ａの円錐先端から円錐底部に向かって２個の噴孔が隣接配置され、この２個で１組とする噴孔がノズル７ａの円錐外周に沿って複数配置されている場合等がある。また、噴孔の直径や数は、エンジンの出力の大きさ等により変わるので一概には言えないが、例えば下記のとおりである。すなわち、各噴孔の直径は、特に限定されるものではないが、例えば０．１ｍｍ以下である。燃料の微粒化と噴孔の加工性とを考慮すると、噴孔の直径は、例えば０．０８〜０．０５ｍｍ程度が好ましい。噴孔の総数は、特に限定されるものではないが、例えば２０個である。
【００１８】
ノズル７ａの先端の各噴孔から噴射される燃料の噴射軸Ｂは、軸心Ａに対してそれぞれ所定の噴射角度θだけ傾けられている。この噴射角度θは、燃料が燃料噴射期間の全期間に亘ってキャビティ６内に収まるような角度に設定されている。噴射角度θの決定にあたっては、燃料の噴射開始時期や燃料の噴射開始時のピストン３の頂面位置等に基づいて決定されている。
【００１９】
また、上記のシリンダヘッド４には、吸気ポート８と、吸気弁９と、排気ポート１０と排気弁１１とが設置されている。吸気ポート８および吸気弁９と、排気ポート１０および排気弁１１とは、インジェクタ７を挟むように、インジェクタ７の左右両側に配置されている。吸気ポート８は吸気管１２に接続され、排気ポート１０は排気管１３に接続されている。吸気弁９は燃焼室５と吸気管１２との間の開閉を行い、排気弁１１は燃焼室５と排気管１３との間の開閉を行う。
【００２０】
このようなエンジン１は、ＰＣＩ燃焼による運転領域を有している。このＰＣＩ燃焼は、燃料の噴射時期を、ピストン３の圧縮上死点よりも早期に開始し、かつ、その圧縮上死点よりも早期に終了させ、燃料の噴射完了後に混合気が着火する燃焼方式である。このＰＣＩ燃焼による運転領域は、比較的軽負荷領域に設定されている。
【００２１】
また、エンジン１は、拡散燃焼による運転領域を有している。この拡散燃焼は、燃料の噴射をピストン３の圧縮上死点近傍で開始し、かつ、その圧縮上死点より遅い時期に終了させ、燃料の噴射中に混合気が着火する燃焼方式である。この拡散燃焼による運転領域は、ＰＣＩ燃焼による運転領域よりも高負荷領域に設定されている。
【００２２】
次に、本実施の形態１のエンジン１におけるピストン３のキャビティ６について図２〜図５を参照しながら説明する。
【００２３】
まず、ピストン３のキャビティ６の構成を図２および図３により説明する。図２はピストン３の頂面の平面図、図３は図２のピストン３のＩ−Ｉ線の断面図を示している。なお、Ｘ，Ｙ，Ｚは各図の位置関係が分かり易くなるように示した位置座標である。Ｘ，Ｙはピストン３の頂面の平面座標を示し、Ｚはピストン３の頂面に直交する方向の座標を示している。
【００２４】
ピストン３の頂面のキャビティ６の平面形状は、ピストン３の頂面の外周に沿うように円形状に形成されている。また、キャビティ６の断面形状は、ピストン３の頂面に直交する方向に凹む凹状に形成されている。
【００２５】
このキャビティ６の壁面（底面６ａおよび側面６ｂ）には、ノズル７ａから噴射されキャビティ６の壁面に衝突した燃料の噴霧が、キャビティ６の外周に沿う方向（キャビティ６の円周方向）へ広がるのを抑制する複数の溝１５が形成されている。
【００２６】
図２においては、複数の溝１５で１つの溝群Ｃが構成されており、その溝群Ｃがピストン３の頂面の外周に沿って複数並んで配置されている。なお、図２においては、図面を見易くするため、２つの溝群Ｃが示され、他は省略されている。
【００２７】
各溝群Ｃは、上記したＰＣＩ燃焼および拡散燃焼による各運転領域に際して、上記したノズル７ａの複数の微細な噴孔から噴射された燃料の噴霧が衝突する領域に配置されている。すなわち、各溝群Ｃは、ノズル７ａの微細な噴孔に対向する位置に配置されている。
【００２８】
また、図２においては、複数の溝群Ｃの隣接間に溝１５が形成されていない領域１６が配置されている。領域１６は、キャビティ６の中央側から外周側に向かって次第に幅の広くなるような扇形に形成されている。領域１６内の底面６ａおよび側面６ｂには溝１５が形成されていない。ただし、領域１６に溝１５を形成しても良い。この領域１６に形成される溝１５は、噴霧の広がりを抑えればよく、溝群Ｃ内の溝１５に対して平行でなくても良い。
【００２９】
また、各溝群Ｃは、キャビティ６の中央には配置されておらず、キャビティ６の中心（軸心Ａ）から少し離れた位置に形成されている。すなわち、複数の溝１５は、キャビティ６の中央（キャビティ６の中心（軸心Ａ）から予め設定された長さだけ離れた位置）から外周に向かって互いに平行に延在形成されている。各溝１５は、キャビティ６の底面６ａのみならず側面６ｂにも連続して延在形成されている。
【００３０】
溝群Ｃ内の複数の溝１５は等間隔となるように配置されている。ただし、複数の溝１５の隣接間隔を変えても良い。また、各溝１５の平面で見た形状は線状に形成されている。各溝１５の幅（短方向平面寸法）は、特に限定されるものではないが、溝１５の延在方向に沿ってほぼ同一であり、例えば幅２〜１０ｍｍ程度である。ただし、各溝１５の全体または一部を曲線形状としても良い。
【００３１】
また、各溝１５の断面形状は、特に限定されるものではないが、例えばＶ字状またはＵ字状に形成されている。各溝１５の深さは、特に限定されるものではないが、溝１５の延在方向に沿ってほぼ同一であり、例えば深さ１〜５ｍｍ程度である。ただし、溝１５の一部の深さをその溝１５の他の部分より深くしても良い。また、溝群Ｃ内の複数の溝１５毎に深さを変えても良い。
【００３２】
このような複数の溝１５は、上記した噴霧のキャビティ６の円周方向への広がりが抑えられればよく、複数の溝１５の配置の仕方は上記したものに限定されるものではなく種々変更可能である。例えば溝１５をキャビティ６の中心から外周に向かって放射線状に配置しても良い。
【００３３】
次に、ノズル７ａから噴射された燃料の噴霧と複数の溝１５との関係を図４および図５を参照にしながら説明する。図４はピストン３の頂面の１つの溝群Ｃの拡大平面図、図５は図４のピストン３の頂面のＩＩ−ＩＩ線の断面図を示している。
【００３４】
図中の符号Ｆは、ノズル７ａの複数の微細な噴孔から噴射された燃料の噴霧を示している。符号Ｆａは噴霧Ｆのネック領域を示し、符号Ｆｂは噴霧Ｆの広がり領域を示している。
【００３５】
従来技術の場合（ピストンの頂面に溝１５が形成されていない場合）、ノズル７ａの噴孔を微細・多噴孔にすると、燃料の噴霧がキャビティの壁面に衝突した後に噴霧間の干渉が生じ易くなり、キャビティ内に過濃領域が形成される結果、スモーク（煤）の生成量が増えてしてしまう問題がある。
【００３６】
これに対して、本実施の形態のエンジン１において、ノズル７ａの複数の微細な噴孔から噴射された燃料の噴霧は、キャビティ６の壁面の溝群Ｃに衝突すると、矢印ＰＶに示すように複数の溝１５の延在方向に対しては相対的に抵抗が少ないので溝１５の延在方向に沿って広がる一方で、矢印ＰＬに示すように溝１５の延在方向に交差する方向（複数の溝１５の隣接方向）に対しては複数の溝１５に邪魔され相対的に抵抗が高いので広がりが抑えられる。すなわち、複数の溝１５は、噴霧Ｆがキャビティ６の中央から放射線上に沿って広がるのを促すとともに、噴霧Ｆが複数の溝群Ｃの隣接方向（キャビティ６の円周方向）に広がるのを抑制する（抵抗となる）誘導部として作用する。
【００３７】
このように、本実施の形態１のエンジン１においては、キャビティ６において燃料の噴霧Ｆが衝突する壁面に複数の溝１５を設けたことにより、燃料の噴霧Ｆが、溝１５に沿って広がるのを促し、複数の溝１５に対して交差する方向に広がるのを抑制することができるので、互いに隣接する溝群Ｃの各々に衝突する噴霧Ｆ，Ｆ間の干渉を抑制することができ、キャビティ６内における燃料の過濃領域の形成を抑制することができる。その結果、スモークの生成を抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の内燃機関は、ピストンの頂面に凹設されたキャビティにおいて燃料の噴霧が衝突する壁面に溝を設けたことにより、燃焼室内における燃料の過濃領域の形成を抑制することができ、スモークの生成を抑制することができるので、自動車両等の内燃機関に利用できる。
【符号の説明】
【００３９】
１  ディーゼルエンジン（内燃機関）
２  シリンダ
３  ピストン
４  シリンダヘッド
５  燃焼室
６  キャビティ
６ａ  底面
６ｂ  側面
７  インジェクタ
７ａ  ノズル
１５  溝
１６  領域
Ｃ  溝群
Ｆ  噴霧
【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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【図９】
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