(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン頂面に、リエントラント型燃焼室を構成する主キャビティが形成され、
シリンダヘッド下面に、前記主キャビティに対応して副燃焼室を構成する副キャビティが形成され、
シリンダ中心側に位置された燃料噴射弁からの噴射燃料が、前記主キャビティの開口端縁付近の内面に向かうように指向され、
前記主キャビティ開口端縁と前記副キャビティの開口端縁とが、シリンダ径方向位置において略同一位置となるように設定され、
シリンダ軸線からシリンダ径方向外方側に向かう方向において、前記副キャビティの開口端縁および前記主キャビティの開口端縁の位置がそれぞれ、前記各弁のバルブステム軸線を越えない位置となるように設定され、
シリンダヘッド下面に形成された吸気弁用のリセスと排気弁用のリセスとが、前記副キャビティに跨るように形成されており、
閉弁状態にある吸・排気弁の傘部がシリンダヘッド下面よりも所定距離引っ込んだ位置とされ、
前記副キャビティの深さが、該副キャビティの内底面が前記閉弁状態にある吸・排気弁の下面と面一となるように設定され、
前記主キャビティの内底面中心部分に隆起部が形成されている、
ことを特徴とする直噴式ディ−ゼルエンジンの燃焼室構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直噴式ディ−ゼルエンジンの燃焼室構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
直噴式ディ−ゼルエンジンにおいては、ピストン頂面に燃焼室を構成するためのキャビティが形成されるのが一般的である。このピストン頂面に形成されるキャビティの形状として、キャビティの開口端縁から奥側に向かうにつれてシリンダ径方向外方側へと拡径された形状のリエントラント型とされたものがある。
【０００３】
一方、直噴式ディ−ゼルエンジンにおいては、ピストン頂面とシリンダヘッド下面との隙間から、キャビティへ向かうつまりシリンダ中心側へ向かう吸気の流れつまりスキッシュ流を形成して、燃焼改善を行なうことが一般に行なわれている。
【０００４】
リエントラント型の燃焼室つまりキャビティを有するものにあっては、スキッシュ流を利用して、キャビティ内に旋回方向が互いに反対方向となった２つの渦流が形成される。すなわち、ピストンが上死点へ向かうときにキャビティ内に所定方向に旋回される第１の渦流が形成されると共に、圧縮行程終期にはスキッシュ流を利用して上記所定方向とは反対方向に旋回される第２の渦流が形成される。そして、上記２つの渦流の境界部分の乱れエネルギが極めて大きくなり、この大きな乱れに極力噴射燃料が供給されるように設定することにより、スモ−クの低減を図ることができる。
【０００５】
特開昭５９−１５８３１６号公報には、キャビティ内に生じた渦流が逆スキッシュ流となるのを防止すべく、ピストン頂面に形成された主燃焼室構成用の主キャビティに対応して、シリンダヘッド下面に副キャビティを形成して、この副キャビティの開口端縁位置を、主キャビティの開口端縁位置よりも所定の段差分だけシリンダ中心側寄りの位置に設定することが提案されている。すなわち、上記副キャビティの開口端縁付近において、主キャビティ内に形成される渦流とは反対方向に旋回される渦流を形成して、主キャビティ内の渦流が逆スキッシュ流となって主キャビティ内から流出するのを防止するようにしている。
【０００６】
ただし、上記公報記載のものは、主キャビティに形状が、その開口端縁から奥側に向かうにつれて徐々に縮径する形状であって、主キャビティ内には所定方向に旋回される１つの渦流が形成される型式のものであり、キャビティ内に２つの渦流が形成されるリエントラント型とは異なる形状とされている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、最近では、直噴式ディ−ゼルエンジンの小型化つまり小排気量化が強く要請されており、前記リエントラント型燃焼室を有する直噴式ディ−ゼルエンジンの小型化が考えられている。この場合、ピストン頂面に形成されるキャビティの容積、特に深さが、ピストンに対するコンロッドの取付位置の関係から制約を受けて、圧縮比を小さくするのに限界をきたしている。すなわち、現状の小型ディ−ゼルエンジンではその圧縮比が１８以上であるのが一般的であるが、圧縮比を１４〜１５付近にまで小さくすることがもっとも燃費改善に好ましいとされている。
【０００８】
また、リエントラント型燃焼室を構成するキャビティ内には、前述したように、旋回方向が互いに逆方向とされた２つの渦流が生成されて、乱れエネルギの大きい２つの渦流の境界付近に燃料を供給するのがスモ−ク低減の上で好ましいが、この乱れエネルギの大きい位置に効果的に燃料を供給するには、上記境界付近をより高い位置つまりピストン頂面寄りに形成することが望まれるものとなる。
【０００９】
本発明は以上のような事情を勘案してなされたもので、その目的は、リエントラント型燃焼室を有する直噴式ディ−ゼルエンジンにおいて、燃焼室容積を十分確保することができ、しかもピストン頂面に形成されたキャビティ内での乱れエネルギの大きい部分をより高い位置に設定してスモ−クをより十分低減できるようにした直噴式ディ−ゼルエンジンの燃焼室構造を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明にあっては次のような構成としてある。すなわち、特許請求の範囲における請求項１に記載のように、
ピストン頂面に、リエントラント型燃焼室を構成する主キャビティが形成され、
シリンダヘッド下面に、前記主キャビティに対応して副燃焼室を構成する副キャビティが形成され、
シリンダ中心側に位置された燃料噴射弁からの噴射燃料が、前記主キャビティの開口端縁付近の内面に向かうように指向され、
前記主キャビティ開口端縁と前記副キャビティの開口端縁とが、シリンダ径方向位置において略同一位置となるように設定され、
シリンダ軸線からシリンダ径方向外方側に向かう方向において、前記副キャビティの開口端縁および前記主キャビティの開口端縁の位置がそれぞれ、前記各弁のバルブステム軸線を越えない位置となるように設定され、
シリンダヘッド下面に形成された吸気弁用のリセスと排気弁用のリセスとが、前記副キャビティに跨るように形成されており、
閉弁状態にある吸・排気弁の傘部がシリンダヘッド下面よりも所定距離引っ込んだ位置とされ、
前記副キャビティの深さが、該副キャビティの内底面が前記閉弁状態にある吸・排気弁の下面と面一となるように設定され、
前記主キャビティの内底面中心部分に隆起部が形成されている、
ようにしてある。
【００１１】
本発明によれば、シリンダヘッド下面に副キャビティを構成することにより、燃焼室容積を十分確保して圧縮比を小さくすることが可能となり、燃費改善の点で好ましいものとなる。また、スキッシュ流の一部が副キャビティ内で渦流を生成することになるため、スキッシュ流によって主キャビティ内に生成される渦流の勢いが適度に弱いものとされて、主キャビティ内での乱れエネルギの大きい部分をピストン頂面寄りに移動させることができ、スモ−クを効果的に低減することができる。
以上に加えて、本発明にあっては次のような種々の効果を奏する。
主キャビティにより構成される主燃焼室と副キャビティにより構成される副燃焼室とからなる燃焼室全体として、両キャビティ間での段差をほぼなくして、段差に起因する部分的熱負荷増大や燃焼性悪化を防止する上で好ましいものとなる。
シリンダヘッド下面側に極力段差部分をなくして、段差に起因する燃焼性悪化を防止する等の上で好ましいものとなる。
上記スキッシュ流の勢いを適度なものとして、前述の効果を十分発揮させる上で好ましいものとなる。
衝突された噴射燃料を、主キャビティ内の乱れエネルギの大きい部分に効果的に飛散させて、スモ−ク低減の上でより好ましいものとなる。
隆起部を利用して、スキッシュ流とは反対方向に旋回される渦流の勢いをより助長させて、つまり乱れエネルギの大きい部分をより高い位置とさせて、スモ−クをより効果的に低減する上で好ましいものとなる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例を添付した図面に基づいて説明する。図１において、１はシリンダブロック、２はシリンダヘッド、３はピストンである。ピストン３の頂面には、主燃焼室を構成する主キャビティ１１が形成されている。この主キャビティ１１は、リエントラント型とされて、その開口端縁１１ａから奥側へ向かうにつれて徐々に拡径された形状とされている。これにより、主キャビティ１１の開口端縁１１ａは、リップ部となるように形成されている。
【００１３】
主キャビティ１１の内底面からは、隆起部１２が形成されている。隆起部１２は、ピストン頂面には達っしない高さとされて、その中心部分がもっとも高く、シリンダ径方向外側へ向かうにつれて徐々に低くなる裾部１２ａを有するように形成されている。
【００１４】
主キャビティ１１は、シリンダ軸線を中心とする点対称の形状として形成されており、隆起部１２もシリンダ軸線を中心とする点対称の形状として形成されている。つまり、主キャビティ１１は、シリンダ周方向の任意の位置でのシリンダ軸線に沿う断面形状が、図１に示された形状となるようにされている。
【００１５】
シリンダヘッド２の下面には、主キャビティ１１に対応して、副燃焼室を構成する副キャビティ１３が形成されている。この副キャビティ１２は、シリンダ軸線を中心とする点対称の形状とされている。つまり、副キャビティ１３は、シリンダ周方向の任意の位置でのシリンダ軸線に沿う断面形状が、図１に示された形状となるようにされている。
【００１６】
副キャビティ１３の中心は、主キャビティ１１の中心と一致しているが、その開口端縁１３ａも、主キャビティ１１の開口端縁１１ａと略一致した位置とされている。つまり、副キャビティ１３のシリンダ軸線を中心とする半径が、主キャビティ１１のシリンダ軸線を中心とする半径と略一致されている。
【００１７】
シリンダヘッド２には、シリンダの略中心位置（実施例では丁度シリンダ軸線上）において、つまり、隆起部１２の中心位置上方において、燃料噴射弁１４が配設されている。この燃料噴射弁１４は、その周方向等間隔に複数（実施例では５個）の噴孔を有しており、各噴孔の指向方向は、主キャビティ１１の開口端縁１１ａ付近の内面とされている。なお、各噴孔の高さ位置は、上死点位置にあるピストン３の頂面高さ位置とほぼ一致するように設定されている。
【００１８】
図２に示すように、主キャビティ１１は、その開口端縁１１ａからわずかに奥側となる内面に、当該開口端縁１１ａ側から奥側へと順次複数（実施例では２個）の燃料反射面部１５、１６が段付き形状として形成されている。この各反射面部１５、１６は、それぞれ所定の曲率半径とされた円弧状として形成されている（実施例では主キャビティ１１内に向けて凹となる形状）。そして、燃料噴射弁１４から所定の上下幅で噴射された燃料が、上記燃料反射面部１５、１６に衝突反射されて、後述する主キャビティ１１内の乱れエネルギの大きい境界部（特定領域）に効果的に飛散されるようになっている。
【００１９】
図２において、ピストン３が上昇するとき、主キャビティ１１内には、当該主キャビティ１１内の中央部分から底面側を通って隆起部１２の裾部１２ａに沿う所定方向へと旋回される第１の渦流２１が形成される。一方、ピストン３が圧縮上死点付近にまで上昇すると、各キャビティ１１、１３のシリンダ径方向外側におけるピストン３頂面とシリンダヘッド２下面の間から、シリンダ中心へと向かうスキッシュ流が生成され、このスキッシュ流の一部は、主キャビティ１１内において、その開口端縁１１ａを取り巻くように旋回される、つまり上記第１の渦流とは反対方向に旋回される第２の渦流２２が生成される。
【００２０】
上記スキッシュ流によって、副キャビティ１３内には、その開口端縁１３ａ付近において、第３の渦流２３が生成される。上記第１の渦流２１と第２の渦流２２との境界部分が吸気の乱れエネルギの大きい部分となり、この乱れエネルギの大きい部分が図２中破線で囲まれた特定領域２４として示される。
【００２１】
特定領域２４の高さ位置が高いほど（ピストン３の頂面側寄りになるほど）、反射面部１５、１６から反射される燃料が効果的に特定領域２４に飛散されることになる。いま、副キャビティ１３が存在しないと仮定すると、第２の渦流２２の勢いが極めて強くなるので、特定領域２４はかなり低い位置となってしまう。これに対して、副キャビティ１３を形成して、ここに第３の渦流を２３を生成させることにより、第２の渦流２２の勢いが第３の渦流２３の生成分だけ弱くなり、特定領域２４が高い位置へと移動されることになる。勿論、副キャビティ１３を形成することにより、圧縮比を小さくして燃費改善の上でも好ましいものとなる。
【００２２】
上述のように、吸気の乱れエネルギの大きい特定領域２４が高い位置へと移動されることにより、この特定領域に対する燃料の飛散が効果的に行なわれて、スモ−クが効果的に低減されることになる。なお、第２の渦流２２の勢いが弱くなるということは、反射面部１５、１６で衝突、反射された燃料が、第２の渦流２２を容易に通過して特定領域２４へ到達し易いことにもなる。
【００２３】
このスモ−ク低減の効果を図５に示してあり、スモ−クが問題となる高負荷時でのスモ−ク低減が極めて効果的に行なわわれることが理解される。なお、ＮＯｘの発生量は、負荷の変動に応じてほとんど変化はないものの、低負荷時には若干の減少傾向が見られ、高負荷時において若干の増大傾向が見られた。ただし、スモ−ク低減効果が極めて大きいため、燃料噴射時期をリタ−ドさせることによって（スモ−ク低減効果がリタ−ド分だけ低下する）、高負荷時においてスモ−クを十分低減しつつＮＯｘ低減をも図ることが可能となる。
【００２４】
ここで、図２に示すように、主キャビティ１１の開口端縁１１ａのシリンダ軸線αからの距離（＝半径）をｒ、副キャビティ１３の開口端縁１３ａのシリンダ軸線αからの距離（＝半径）をφ、主キャビティ１１のもっともシリンダ軸線から離れた部分の距離をｃとする。主キャビティ１１がリエントラント型であるため、当然のことながらｒ＜ｃとなる。
【００２５】
実施例では、φ＝ｒとされているが、φがｒよりも大きくなるにしたがって（開口端縁１３ａが１１ａよりもシリンダ径方向外側へ位置するのにしたがって）、第２の渦流２２の勢いが弱くなる（第３の渦流２３の勢いが強くなる）。逆に、φがｒよりも小さくなるにしたがって（開口端縁１３ａが１１ａよりもシリンダ径方向内側へ位置するのにしたがって）、第２の渦流２２の勢いが強くなる（第３の渦流２３の勢いが弱くなる）。したがって、開口端縁１１ａと１３ａとのシリンダ径方向位置関係は、特定領域２４の高さ位置の設定に影響を与えるが、開口端縁１１ａと１３ａとはシリンダ径方向において略同一位置とすることによって、所望強さのスキッシュ流を得つつ特定領域２４の高さ位置を高くすることが可能となる。ただし、特定領域２４の高さを確実に十分高くするため、ｒ≦φとするのが好ましい。
【００２６】
副キャビティ１３の深さＤは、圧縮比の確保を勘案しつつ、極力浅くするのが加工の点から有利となる。また、深さＤをあまり大きくすると、全体の吸気の乱れエネルギが、副キャビティ１３を形成しない場合よりも小さくなってしまうので好ましくなく、シリンダボア径を２Ｂとしたとき、Ｄ≦０．１Ｂの範囲に設定するのが好ましい。
【００２７】
図３に示すように、閉弁状態にある吸・排気弁３１の傘部３１ａは、通常シリンダヘッド２の下面２ａよりも若干引っこんだ位置にあり、この傘部３１ａのシリンダヘッド２ａ下面からの引っこみ量ｄは、ｄ≦０．１Ｂの関係を満足する。したがって、副キャビティ１３の深さＤを、引っこみ量ｄと一致させることによって、副キャビティ１３の内底面を、閉弁状態にある吸・排気弁の下面と面一とすることができる。
【００２８】
副キャビティ１３の面積をあまり大きくすることは、十分なスキッシュ流が得られなくなって、好ましくないものとなる。図４には、吸気２弁、排気２弁の４弁式とした場合のシリンダヘッド下面２ａの様子を示してあるが、１重ハッチングで示す部分が副キャビティ１３の面積Ｓ１であり、２重ハッチングで示す部分がスキッシュ生成用となる面積Ｓ２であり、さらに、白抜きの丸部分のうち３２ａが吸気弁用リセス、３２ｂが排気弁用リセスである。そして、副キャビティ１３は、シリンダ軸線を中心とする円形となるように、各リセス３２ａ、３２ｂにまたがって、副キャビティ１３が形成されている（リセス３２ａ、３２ｂにまたがる副キャビティ１３の外周縁が図４中一点鎖線で示される）。なお、スキッシュ流生成用面積Ｓ２は、バルブリセス３２ａ、３２ｂ部分を除外した面積としてある。
【００２９】
図６において、シリンダボア径（直径）を２Ｂ、副キャビティ１３の直径を２φとして、シリンダ全体の断面積Ｓ０（＝Ｂ×Ｂ×π）に対するスキッシュ流生成用面積Ｓ２の比の関係を図６に示してある。この図６から明らかなように、副キャビティ１３のシリンダボア断面積に占める面積が大きくなるほどスキッシュ流生成用面積が小さくなっていくが、φ／Ｂが０．８を越えると十分なスキッシュ流生成面積を確保することが困難となる。したがって、φ／Ｂが０．８以下（φ≦０．８Ｂ）となるように設定するのが好ましい。前述したｒ≦φの関係をも考慮すると、ｒ≦φ≦０．８Ｂに設定するのが好ましいものとなる。なお、上述した設定において、４弁式のものにおいては図６から明らかなように、副キャビティ１３の開口端縁１３ａを吸・排気弁のバルブステム（軸線）よりもシリンダ径方向内側に位置させることによって、スキッシュ流生成用の面積を十分確保することができる。
【００３０】
以上実施例について説明したが、隆起部１２は無くてもよいものである（主キャビティ１１の底面がフラット形状）。ただし、隆起部１２を形成しておくことにより、第１の渦流２１を十分強くすると共に、特定領域２４の位置を高くする上で好ましいものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す側面断面図。
【図２】図１の要部拡大断面図。
【図３】吸・排気弁とシリンダヘッド下面との高さ位置関係を示す断面図。
【図４】シリンダヘッドの下面を示す図。
【図５】スモ−クの低減効果を示す図。
【図６】副キャビティの面積設定を説明するための図。
【符号の説明】
１：シリンダブロック
２：シリンダヘッド
２ａ：シリンダヘッド下面
３：ピストン
１１：主キャビティ
１１ａ：主キャビティの開口端縁
１２：隆起部
１２ａ：裾部
１３：副キャビティ
１３ａ：副キャビティの開口端縁
１４：燃料噴射弁
１５：噴射燃料の衝突反射部
１６：噴射燃料の衝突反射部
２１：第１渦流
２２：第２渦流
２３：第３渦流
３１：吸・排気弁
３１ａ：吸・排気弁の傘部
３２ａ：吸気弁用リセス
３２ｂ：排気弁用リセス
【図１】
0003593751.tif 000002
【図２】
0003593751.tif 000003
【図３】
0003593751.tif 000004
【図４】
0003593751.tif 000005
【図５】
0003593751.tif 000006
【図６】
0003593751.tif 000007