(57)【要約】    【課題】  予混合圧縮自着火式の内燃機関において、燃料の拡散及び空気との混合を促進し、均一な希薄混合気を形成することにより、ＮＯｘ及びスモークの発生を抑制する。    【解決手段】  ピストン１１の頂面に対向するシリンダヘッド１２の爆面２８に凹状のヘッドキャビティ２９を形成し、ヘッドキャビティ２９の底部に、ヘッドキャビティ２９の周壁面３１に向かって燃料を噴射する複数の燃料噴射口４４を有する噴射ノズル１３を設け、ピストン１１の頂面に、凹状のピストンキャビティ２０を形成し、ヘッドキャビティ２９の底面３０を、シリンダヘッド１２の爆面２８に略平行な平坦面に形成し、周壁面３１を、ピストン１１側へ向けて拡開状に傾斜し、ヘッドキャビティ２９の開口径φＸと、ピストンキャビティ２０の開口径φＹとを、φＹ≧１．２×φＸの関係に設定する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンの頂面に対向するシリンダヘッドの爆面に凹状のヘッドキャビティが形成され、ヘッドキャビティの底部に、ヘッドキャビティの周壁面に向かって燃料を噴射する複数の燃料噴射口を有する噴射ノズルが設けられ、ピストンの頂面に、凹状のピストンキャビティが形成されており、
前記ヘッドキャビティの底面が、シリンダヘッドの爆面に略平行な平坦面に形成され、周壁面が、ピストン側へ向けて拡開状に傾斜されており、
前記ヘッドキャビティの開口径φＸと、前記ピストンキャビティの開口径φＹとが、φＹ≧１．２×φＸの関係に設定されていることを特徴とする、予混合圧縮自着火式内燃機関。
【請求項２】
前記ヘッドキャビティが、シリンダヘッドに設けた複数のバルブシートの外接円の範囲内に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の予混合圧縮自着火式内燃機関。
【請求項３】
前記ピストンキャビティの開口径φＹと、前記ピストンキャビティの開口より反シリンダヘッド側の最大外径φＺとが、φＺ≧φＹの関係に設定されていることを特徴とする、請求項１記載の予混合圧縮自着火式内燃機関。
【請求項４】
前記ピストンが上死点からクランク角±４０°の範囲にあるとき、前記ヘッドキャビティの周壁面に衝突した後の燃料の噴霧軸線が、ピストンキャビティ内に入るように設定されていることを特徴とする、請求項１記載の圧縮自着火式内燃機関。
【請求項５】
前記燃料噴射口の径φｄと、該燃料噴射口から噴射した燃料が前記周壁面に衝突するまでの噴霧軸線の長さＬとが、Ｌ／ｄ≧５０の関係に設定されていることを特徴とする、請求項１記載の予混合圧縮自着火式内燃機関。
【請求項６】
前記ピストンキャビティの中央部に、シリンダヘッド側へ突出する突出部を備え、該突出部が、反シリンダヘッド側へ向けて拡開状に傾斜する外周面を有し、該外周面の拡開角度Ｃが、Ｃ≦１４０°に設定されていることを特徴とする、請求項１記載の予混合圧縮自着火式内燃機関。
【請求項７】
前記ヘッドキャビティ周壁面に衝突した後の燃料の噴霧軸線が前記ピストンキャビティ内の壁面に衝突した部分の径φＶと、ピストンキャビティの最大外径φＺとが、φＶ≧０．５φＺの関係に設定されていることを特徴とする、請求項１記載の予混合圧縮自着火式内燃機関。
【請求項８】
前記ピストンキャビティの中央部に、シリンダヘッド側に突出する突出部を備えており、前記ピストンが上死点にあるときに、前記突出部が、シリンダ内の燃焼室を、ヘッドキャビティ内の第１燃焼室とピストンキャビティ内の第２燃焼室とに区画形成するとともに、ヘッドキャビティの開口周縁との間に、第１，第２燃焼室を連通する連通口を形成することを特徴とする、請求項１記載の予混合圧縮自着火式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は予混合圧縮自着火式内燃機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン等の内燃機関の分野では、近年、環境問題の高まりに伴って年々厳しい排気規制が施行されており、煤やスモーク、ＣＯ、ＮＯｘ等の大気汚染物質の排出を低減し、また、燃費を向上することが強く要請されている。
【０００３】
しかしながら、ディーゼルエンジンは、シリンダ内で圧縮された空気に燃料を噴霧し、自着火により燃焼させるため、空気と燃料との混合に濃淡が生じ易く、燃料濃度が濃いところでは煤やスモークを、量論比付近ではＮＯｘを生成し易くなっている。
【０００４】
このような事情に鑑み、近年、予混合圧縮自着火方式が注目されている。この予混合圧縮自着火方式は、ピストンが上死点に至る前の圧縮行程初期から中期に燃料を噴射することで、燃焼室内で燃料と空気とを予め均一に混合し、この混合気をピストンによる圧縮により昇温、昇圧させ、燃料の発火点において自着火させる技術である。この方式によれば、高い空気過剰率によってスモークの発生を抑制可能であり、また、火炎温度を均一化できることからＮＯｘの発生も抑制することが可能である。また、予混合圧縮自着火方式に、通常の噴霧燃焼方式を組み合わせ、複数段の噴射を行わせる技術も知られている。
【０００５】
ところが、予混合圧縮自着火方式では、ピストンが上死点に至る前の低い位置にあるときに燃料が噴射されるため、該燃料が直接シリンダライナーに衝突してしまう恐れがある。ピストンが上昇する過程では、シリンダ内の温度と圧力はそれほど上昇していないため、シリンダライナーに衝突した燃料は蒸発することなくそのまま付着する可能性が高い。付着した燃料はピストンにより掻き落とされてオイルを希釈させたり、そのまま燃焼に寄与することなく白煙となって排出される恐れがあり、また、当然に燃費を悪化させる原因にもなる。
【０００６】
一方、下記特許文献１には、ピストンの頂面に対向するシリンダヘッドの爆面に凹状のドーム（ヘッドキャビティ）を形成し、ドームの底部に、ドームの周壁面に向かって開口する燃料噴射口を有する噴射ノズルを備えたディーゼルエンジンが開示されている。
【０００７】
この技術を用いて、予混合圧縮自着火を行った場合、燃料はシリンダライナーに到達する前にドームの周壁面に衝突して方向が変えられるとともに微粒化されるため、シリンダライナーへの燃料の付着を防止することが可能になる。
【０００８】
【特許文献１】特開平１０−１４１０６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記特許文献１では、シリンダヘッドのドームが半球状に形成されており、このドームの周壁面に衝突した燃料は、大部分が下方に拡散するが、一部は上方に拡散する。しかし、燃料の衝突部分よりも上側には空間が少ないため、燃料過濃の混合気が生成され、スモークが生じやすくなるという欠点がある。
【００１０】
また、特許文献１では、ピストンの頂部に凹状の燃焼室（ピストンキャビティ）が形成されており、この燃料室の開口径と、ドームの開口径とが同一とされている。そのため、ピストンの上死点付近で燃料を噴射した場合に、燃料が燃焼室からはみ出す可能性が高い。はみ出した燃料は、圧縮行程における強いスキッシュ流によって、ピストンキャビティの中心へ吹き戻されるため、ピストンキャビティ内の混合気が不均一となり、燃焼が悪化する。
【００１１】
本発明は、予混合圧縮自着火式の内燃機関において、噴射された燃料噴霧が直接シリンダライナーに衝突することを防止するとともに、燃料の拡散及び空気との混合を促進し、均一な希薄混合気を形成することにより、ＮＯｘ及びスモークの発生を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１記載の発明は、ピストンの頂面に対向するシリンダヘッドの爆面に凹状のヘッドキャビティが形成され、ヘッドキャビティの底部に、ヘッドキャビティの周壁面に向かって燃料を噴射する複数の燃料噴射口を有する噴射ノズルが設けられ、ピストンの頂面に、凹状のピストンキャビティが形成されており、前記ヘッドキャビティの底面が、シリンダヘッドの爆面に略平行な平坦面に形成され、周壁面が、ピストン側へ向けて拡開状に傾斜されており、前記ヘッドキャビティの開口径φＸと、前記ピストンキャビティの開口径φＹとが、φＹ≧１．２×φＸの関係に設定されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記ヘッドキャビティが、シリンダヘッドに設けた複数のバルブシートの外接円の範囲内に配置されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記ピストンキャビティの開口径φＹと、前記ピストンキャビティの開口より反シリンダヘッド側の最大外径φＺとが、φＺ≧φＹの関係に設定されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記ピストンが上死点からクランク角±４０°の範囲にあるとき、前記ヘッドキャビティの周壁面に衝突した後の燃料の噴霧軸線が、ピストンキャビティ内に入るように設定されていることを特徴とする。
【００１６】
請求項５記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記燃料噴射口の径φｄと、該燃料噴射口から噴射した燃料が前記周壁面に衝突するまでの噴霧軸線の長さＬとが、Ｌ／ｄ≧５０の関係に設定されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項６記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記ピストンキャビティの中央部に、シリンダヘッド側へ突出する突出部を備え、該突出部が、反シリンダヘッド側へ向けて拡開状に傾斜する外周面を有し、該外周面の拡開角度Ｃが、Ｃ≦１４０°に設定されていることを特徴とする。
【００１８】
請求項７記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記ヘッドキャビティ周壁面に衝突した後の燃料の噴霧軸線がピストンキャビティの壁面に衝突した部分の径φＶと、ピストンキャビティの最大外径φＺとが、φＶ≧０．５φＺの関係に設定されていることを特徴とする。
【００１９】
請求項８記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記ピストンキャビティの中央部に、シリンダヘッド側に突出する突出部を備えており、前記ピストンが上死点にあるときに、前記突出部が、シリンダ内の燃焼室を、ヘッドキャビティ内の第１燃焼室とピストンキャビティ内の第２燃焼室とに区画形成するとともに、ヘッドキャビティの開口周縁との間に、第１，第２燃焼室を連通する連通口を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１の発明によれば、燃料がヘッドキャビティの周壁面に衝突することによって、シリンダライナーに直接的に付着することが防止されるとともに、衝突によって燃料が微粒化するため、空気との混合が促進される。また、ヘッドキャビティの底面が、シリンダヘッドの爆面に略平行な平坦面に形成されているので、燃料の衝突部分よりもヘッドキャビティの底面側には、従来に比べて広い空間を形成することができ、ヘッドキャビティ内における燃料と空気との混合を促進することができる。さらに、ピストンキャビティの開口径φＹをヘッドキャビティの開口径φＸの１．２倍以上としているので、ピストンの上死点付近で燃料を噴射した場合に、燃料を確実にピストンキャビティ内に受け入れることができ、ピストンキャビティ内で燃料の流動を活性化させ、均一な混合気の形成を促進することができる。したがって、スモーク等の発生を好適に抑制することができる。
【００２１】
シリンダヘッドには、通常２又は４つのバルブシートが形成されており、前記ヘッドキャビティが、バルブシートにまで及んで形成された場合、該バルブシートへのデポジットが増し、好ましくない。一方、ヘッドキャビティが小さすぎると、燃料噴射口からヘッドキャビティの周壁面までの距離が短くなり、噴射された燃料が液状のままヘッドキャビティの周壁面に付着し、白煙発生の原因となる。したがって、請求項２の発明によれば、バルブシートへのデポジットや白煙を生じないように、ヘッドキャビティのサイズを適切に設定できる。
【００２２】
請求項３の発明によれば、圧縮行程において、ピストンキャビティ内への強いスキッシュ流を生じさせることができ、ピストンキャビティ内で燃料の撹拌、混合を促進することができる。特に、上記の如く、燃料噴射口から噴射された燃料は、ヘッドキャビティの周壁面に衝突し、径方向外方への拡散エネルギーが失われて、微粒化した状態でキャビティ内を漂う状態となるため、請求項３の如く、ピストンキャビティ内への強いスキッシュ流を生成し、ピストンキャビティ内の流動の乱れを強化することが特に有効である。
【００２３】
ＮＯｘ低減等のために燃料噴射時期のリタードを行う場合、通常、噴射時期は上死点からクランク角４０°の範囲内である。したがって、請求項４の発明によれば、上記リタードを行う場合であっても、ピストンキャビティ内に燃料を吹き付けることができ、ピストンキャビティ内での燃料の流動を活性化させ、混合気を好適に形成することができる。
【００２４】
燃料噴射口から噴射された燃料は、噴射口から出た直後の部分が液柱状となり、その周囲で霧状に拡散する。機関始動時等の低負荷運転時に、液柱状の燃料がヘッドキャビティの周壁面に付着すると、燃焼に関与することなく白煙となって排出されてしまう可能性が高くなる。したがって、請求項５の発明によれば、燃料噴射口径φｄと、燃料噴射口からヘッドキャビティ周壁面までの距離Ｌとを適切に設定することで、燃料噴射口から噴射された燃料の液柱状部分が直接周壁面に付着することを防止でき、その結果白煙の発生を防止できる。
【００２５】
ピストンキャビティ内に燃料が吹き付けられたとき、中央突出部の山が低い（外周傾斜の拡開角度が大きい）と、中央突出部に衝突した燃料の貫徹力が失われると共に、径方向外側だけでなく内側にも拡散し、空気量の少ないピストンキャビティ中央部において燃料濃度が高くなり、スモークやすすを生じやすくなる。したがって、請求項６の発明によれば、中央突出部としてある程度の高さ、ある程度急な外周傾斜面を有するものにすることができ、中央突出部に衝突した燃料を貫徹力を失わせることなく径方向外方に拡散させて、混合気の形成を促進することができる。
【００２６】
ピストンキャビティ内の中央付近に燃料が吹き付けられ、燃焼すると、外方の空気を使わずに火炎が収縮し、燃焼が縮まる現象（熱ピンチ）を生じることがあり、これによって径方向外方への燃料の拡散が阻害される。したがって、請求項７の発明では、燃料をピストンキャビティの中央部に吹き付けずに、好適に径方向外方に拡散することができ、混合気形成を促進することができる。
【００２７】
請求項８の発明によれば、第１，第２燃焼室を連通する隙間による絞りの効果で、燃料噴霧の筒内における乱れを活性化し、燃料と空気の高速混合と、壁面衝突によって失われる噴霧の噴霧軸方向への貫徹力とを増強することができ、その結果、燃料と空気との混合を活性化させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
本実施形態の内燃機関は、予混合圧縮自着火方式のディーゼルエンジンであり、その構造の詳細について説明する前に、基本的な作動工程を簡単に説明する。図１は、本実施形態のディーゼルエンジンの作動工程の概要を示す説明図である。このディーゼルエンジンは、シリンダ１０にピストン１１を摺動自在に嵌合するとともに、シリンダヘッド１２に、燃料噴射ノズル１３、吸気孔１４、及び排気孔１５を設け、吸気孔１４及び排気孔１５を、それぞれ吸気用及び排気用バルブ１７によって開閉自在にしたものである。ピストン１１頂面とシリンダ１０側面とシリンダヘッド１２下面との間には、燃焼室１８が形成されている。
【００２９】
図１中（ａ）は吸気行程、（ｂ）は圧縮行程、（ｃ）は膨張行程、（ｄ）は排気行程である。（ａ）の吸気行程では、ピストン１１が上死点から下死点へ移動し、その間に吸気孔１４から燃焼室１８に空気が取り込まれる。（ｂ）の圧縮行程では、吸気した空気が圧縮されるとともに、圧縮初期から中期にかけて、燃料噴射ノズル１３から燃料Ｓが噴射（プレ噴射）され、空気と燃料との混合気が形成される（予混合）。ピストン１１が上死点付近になると、予混合気が圧縮によって昇温、昇圧され、自着火する。また、上死点付近では再度燃料Ｓが噴射（メイン噴射；（ｃ）に示す）され、該燃料Ｓは、直ちに蒸発しながら拡散し、高温高圧の雰囲気下で自着火する。このメイン噴射による燃焼で、出力が向上されるとともに、予混合気の燃焼により発生したＨＣやＣＯが燃焼される。（ｃ）の膨張行程では、ピストン１１が下降し、（ｄ）の排気行程では、排気用バルブ１７が開き、ピストン１１の上昇により排気孔１５から燃焼室１８内の排気が排出される。
【００３０】
したがって、本実施形態では、予混合のためのプレ噴射と、通常の圧縮自着火燃焼（ディーゼル燃焼）のためのメイン噴射との複数段の噴射が行われるようになっている。そして、このような複数段の噴射を行うため、上記シリンダ１０、ピストン１１、燃料噴射ノズル１３の形状の適正化が図られている。以下、この点について詳細に説明する。
【００３１】
〔ピストン１１の構成〕
図２及び図３は、本発明を適用したディーゼルエンジンのシリンダ頂部の断面図であり、特に、図２はピストン１１が上死点よりも下位にある状態（プレ噴射を行っている状態）、図３はピストン１１が上死点付近にある状態（メイン噴射を行っている状態）を示す。図２に示すように、ピストン１１の頂面には、凹状のピストンキャビティ２０が形成されている。ピストンキャビティ２０の底部中央には、シリンダヘッド１２側に突出する中央突出部２１が形成されており、該中央突出部２１は、基部（裾野部）の外径が大きく頂部の外径が小さくなるような、山形に形成され、外周面２２が反シリンダヘッド１２側に向けて拡開状に傾斜する傾斜面となっている。この外周面２２の拡開角度にはＣを付してある。
【００３２】
ピストンキャビティ２０の底面２４は、中央突出部２１の傾斜面２２になだらかに連なる円弧面に形成されている。ピストンキャビティ２０の外周面２５は、底面２４から連続する円弧面に形成され、ピストン１１の頂面まで延びている。ピストンキャビティ２０の開口部２６は、外周面２５よりもやや径方向内方に入り込んでおり、これによって、径方向内方に突出するリップ部２７が形成されている。図２において、ピストンキャビティ２０の開口径にはφＹを付し、ピストンキャビティ２０の外周面２５における最大外径にはφＺを付してある。
【００３３】
〔シリンダヘッド１２の構成〕
図５は、シリンダヘッドを拡大して示す断面図である。図２、図３、及び図５に示すように、ピストン１１頂面に対向するシリンダヘッド１２の爆面２８には、凹状のヘッドキャビティ２９が設けられており、該ヘッドキャビティ２９は、裁頭円錐形に形成されている。すなわち、ヘッドキャビティ２９の底面３０は、爆面２８に略平行な平坦面に形成されており、ヘッドキャビティ２９の周壁面３１は、ピストン１１側（図２の下側）に向けて拡開状に傾斜されている。図２において、ヘッドキャビティ２９の開口径にはφＸを付し、周壁面３１の拡開角度にはＡを付してある。
【００３４】
図６は、図２のVI−VI矢視断面図である。シリンダヘッド１２には、吸気用、排気用のバルブシート３３が各２個ずつ設けられ、各バルブシート３３に吸気用、排気用のバルブ１７が設けられている。ヘッドキャビティ２９は、４つのバルブ１７の間に囲まれ、各バルブシート３３に外接する大きさに形成されている。ただし、必ずしも各バルブシート３３に外接しなくても、その外接円の範囲内で可及的に大きく形成することができる。
【００３５】
図５に示すように、本実施形態では、ヘッドキャビティ２９の周壁面３１に、シリンダヘッド１２とは別の素材で形成された燃料衝突部３４を設けている。この燃料衝突部３４は、ヘッドキャビティ２９の深さ全体に渡る幅を有し、当該幅に渡って均等な厚さに形成されている。素材としては、耐熱性及び断熱性を有するものが用いられ、例えば、ＳＵＨ系の耐熱鋼等が用いられる。ただし、この燃料衝突部３４を省略し、シリンダヘッド１２そのものの素材で周壁面３１を構成してもよい。
【００３６】
〔燃料噴射ノズル１３の構成〕
図２及び図３に示すように、ヘッドキャビティ２９の底面３０の中央部には、燃料噴射ノズル１３が設けられている。噴射ノズル１３は、下部にニードル弁を収容した細径部３６、上部に細径部３６よりも大径の太径部３７を有しており、細径部３６と太径部３７との間には段部３８が形成されている。噴射ノズル１３は、シリンダヘッド１２に形成された保持孔３９にホルダー４０を介して装着されている。ホルダー４０は、筒形に形成されるとともに、筒内部が、噴射ノズル１３の外形に適合した形状に形成されている。ホルダー４０の内面と細径部３６との間には、両者間の気密を保つ筒形の第１シール材４１が介装され、ホルダー４０と段部３８との間には環状の第２シール材４２が介装されている。ホルダー４０の先端部は、保持孔３９を介してヘッドキャビティ２９の底面に露出している。また、ホルダー４０の先端部には、径内方向に折曲部４３が突設され、折曲部４３によって第１シール材４１を下側から受けている。
【００３７】
図５に示すように、噴射ノズル１３の先端には、複数の燃料噴射口４４が形成されている。燃料噴射口４４は、ノズル軸心Ｏ１を中心として放射状に、４〜１０個形成されている。各噴射口４４は、それぞれヘッドキャビティ２９の周壁面３１（燃料衝突部３４）に向けて開口している。
【００３８】
〔ヘッドキャビティ２９と燃料噴射ノズル１３との関係〕
図２に示すように、噴射ノズル１３の燃料噴射口４４から噴射された燃料は、全体として円錐状又は水平に放射方向に拡散する。このときの噴霧軸線Ｘ１の拡散角度（噴霧角度）をＢとすると、１２０°≦Ｂ≦１８０°に設定されている。このように設定することによって、燃料が直接周壁面３１に衝突するようになっている。この衝突によって、燃料は、方向が変えられるとともに、微粒化されるようになっている。
【００３９】
したがって、プレ噴射を行う場合において（図１（ｂ）、図２）、燃料が直接シリンダライナー４６に衝突して付着してしまうことを防止することができる。また、周壁面３１に対する衝突で燃料が微粒化するので、空気との混合をより促進することができる。なお、図２には、比較として、ヘッドキャビティ２９の周壁面３１に衝突しない場合の噴霧軸線Ｘ２を２点差線で例示しており、この場合、シリンダライナー４６に燃料が衝突することになる。
【００４０】
上記噴霧角度Ｂを１２０°以上としたのは、それ以下であると、ヘッドキャビティ２９の周壁面３１に燃料を衝突させるためにヘッドキャビティ２９を深く形成する必要が生じ、シリンダヘッド１２の大幅な構造の変更を伴うことになるからである。噴霧角度Ｂを１８０°以下としたのは、それ以上であると、噴射ノズル１３における流量係数が低下するからである。また、メイン噴射を行う場合において、ヘッドキャビティ２９内の上部側（底面３０側）に多くの燃料が拡散し、該部分の燃料濃度が高くなり、スモーク発生の原因となるからである。
【００４１】
一方、ヘッドキャビティ２９の周壁面３１の拡開角度Ａは、６０°≦Ａ≦１２０°に設定されている。この拡開角度Ａは、小さければ小さいほど、衝突後の燃料がシリンダライナー４６に付着する可能性を低くする。しかし、拡開角度Ａを小さくすることは、メイン噴射（図１（ｃ）、図３）を行う場合の燃料拡散の妨げになる。すなわち、メイン噴射され周壁面３１に衝突した後の燃料と、シリンダ１０内の径方向外側に存在する多量の空気との混合を促進することが困難となり、均一な混合気形成の妨げになる。また、ヘッドキャビティ２９の周壁面３１に衝突した燃料がヘッドキャビティ２９内の上部側に多く拡散されることになり、ヘッドキャビティ２９内の燃料過濃によりスモークを生じ易くなる。したがって、本実施形態では、拡開角度Ａを、上記の如く設定することにより、プレ噴射、メイン噴射の双方において、適切な混合気形成を実現している。
【００４２】
また、ヘッドキャビティ２９の周壁面３１と燃料の噴霧軸線Ｘ１との、ピストン１１側の交差角度をＤとすると、１２０°≦Ｄ＜１８０°に設定されている。このＤが１２０°以下であると、メイン噴射を行う場合において、ヘッドキャビティ２９内の上部側への燃料の拡散が多くなり、スモークが発生し易くなり、１８０°以上であると、実質的に燃料がほとんど周壁面３１に衝突しなくなるからである。
【００４３】
上記ヘッドキャビティ２９は、底面３０がシリンダヘッド１２の爆面２８と略平行な平坦面に形成されており、図５に示すように、底面３０と周壁面３１との境界に角部４７が形成されている。この角部４７の存在によって、ヘッドキャビティ２９内の上部側には、従来技術（ドーム形乃至円錐形のヘッドキャビティ）よりも広い空間Ｒが確保されている。そのため、ヘッドキャビティ２９の周壁面３１に衝突した燃料がヘッドキャビティ２９の上部側（底面３０側）に拡散したとしても、従来技術に比べて空気との混合が促進されるようになっている。
【００４４】
なお、燃料噴射口４４から噴射された燃料は、その全てが周壁面３１に衝突しなくてもよく、少なくとも噴霧軸線Ｘ１が周壁面３１に衝突するように設定されていればよい。すなわち、噴霧軸線Ｘ１が周壁面３１に衝突した部分と爆面２８とのシリンダ軸心方向の距離をＥとしたとき、Ｅ＞０の条件を満たしていればよい。燃料液滴の速さは噴霧軸Ｘ１上で最も高く、径方向外方にいくに従い周囲空気とのせん断作用で速さが低下するため、噴霧軸線Ｘ１より下側の燃料は、霧状になり、貫徹力が小さくなって、周壁面３１に衝突しなくてもシリンダライナー４６に至ることが少なくなり、また、周壁面３１に衝突した燃料が下向き成分となって拡散することによって、シリンダライナー４６に向かう貫徹力を一層弱めるからである。
【００４５】
燃料は、燃料噴射口４４から出た直後は液柱状であり、その後霧状に拡散しつつ周壁面３１に到るようになっている。本実施形態では、燃料噴射口４４から周壁面３１までの噴霧軸線Ｘ１の距離（長さ）Ｌと、燃料噴射口４４の口径φｄとが、Ｌ／φｄ≧５０の関係に設定されている。このように設定することで、燃料Ｓの液柱部分Ｓ１（長さをＬ１で示す）が直接周壁面３１に衝突して付着しないようになっている。
【００４６】
機関始動時等の低負荷運転時に、液柱状の燃料がヘッドキャビティ２９の周壁面３１に付着すると、燃焼に関与することなく白煙となって排出されてしまうが、上記の如く、距離Ｌと口径φｄとを設定することで、このような問題を解決することができる。なお、距離Ｌと口径φｄとの上記関係は、燃料噴射圧を約５０ＭＰａ以上とした場合に特に有効である。
【００４７】
前述したように、ヘッドキャビティ２９の周壁面３１には、断熱性及び耐熱性を有する燃料衝突部３４が設けられている。シリンダヘッド１２は冷却水によって冷却されるが、この燃料衝突部３４は、その断熱性によって温度が低下し難くなっている。したがって、燃料衝突部３４に衝突した燃料は、燃料衝突部３４の熱によって蒸発しやすくなり、付着した燃料が白煙となって排出されることが防止されている。
【００４８】
ヘッドキャビティは、図６に示したように、吸気用及び排気用の４つのバルブシート３３に外接するように設けられている。すなわち、バルブシート３３を侵食しない範囲で最大限に形成されている。これにより、燃料噴射ノズル１３からヘッドキャビティ２９の周壁面３１までの距離を可及的に遠くすることができ、燃料の液柱部分Ｓ１が周壁面３１に付着することを防止している。
【００４９】
〔ヘッドキャビティとピストンキャビティとの関係〕
上記ヘッドキャビティ２９の開口径φＸは、ピストンキャビティ２０の開口部２６の径φＹよりも、小さく形成されている。具体的には、φＹ≧１．２×φＸの関係にある。したがって、メイン噴射（図１（ｃ）、図３）を行う場合において、噴射ノズル１３から噴射されヘッドキャビティ２９の周壁面３１に衝突した燃料は、そのほとんどがピストンキャビティ２０内に導入される。そして、圧縮行程におけるピストンキャビティ２０内へのスキッシュ流と、膨張行程におけるピストンキャビティ２０外への逆スキッシュ流によって、燃料の流動に強い乱れが生じるとともに、ピストン１１内の径方向外側において空気との混合がより促進されるようになっている。
【００５０】
なお、ピストンキャビティ２０の開口部２６の径φＹは、ピストンキャビティ２０の外周面２５の外径（最大外形）φＺよりも小さく形成され、開口部２６には、径方向内方に突出するリップ部２７が形成されているため、より強いスキッシュ流及び逆スキッシュ流を得ることができる。
【００５１】
〔噴射燃料とピストンキャビティ２０との関係〕
ピストンキャビティ２０に形成された突出部２１は、既に説明したように山形に形成されており、その外周面２２の拡開角度Ｃは、Ｃ≦１４０°に設定されている。メイン噴射を行う場合において（図１（ｃ）、図３）、噴射ノズル１３から噴射されヘッドキャビティ２９に衝突した燃料は、さらに円錐状に広がりながらピストンキャビティ２０内の突出部２１の外周面２２の傾斜に衝突する。したがって、突出部斜面２２に衝突したのちも、燃料はさらに径方向外側に導かれ、空気との混合が促進されるようになっている。
【００５２】
図３に示すように、ピストンキャビティ２０に対して燃料が衝突した部分の径φＶと、ピストンキャビティ２０の最大外径φＺとは、φＶ≧０．５×φＺの関係にある。したがって、メイン噴射を行った場合に、燃料は、ピストンキャビティ内の径方向外方に広がり、空気との混合が促進される。したがって、ピストンキャビティ２０の中央付近に燃料が噴射されて、径方向外方の空気を使わずに火炎が収縮する”熱ピンチ”の発生が防止されるようになっている。
【００５３】
上記メイン噴射は、ピストン１１がほぼ上死点にあるときだけでなく、主としてＮＯｘ低減のために、上死点を過ぎた後に遅延してなされる場合がある。このような場合に、噴射された燃料がピストンキャビティ２０から外れて噴射されると、均一な混合気の生成が阻害され、スモークが増加する。したがって、本実施形態では、ピストン１１が上死点からクランク角±４０°の範囲内にあるときに、噴射された燃料が確実にピストンキャビティ２０内に入るように、燃料噴射角Ｂ、周壁面３１の拡開角度Ａ、ピストンキャビティ２０の開口径φＹ等が設定されている。一例として、図４には、クランク角が上死点±３０°の場合のピストン１１の配置を示している。
【００５４】
なお、本実施形態では、周壁面３１に衝突した燃料の噴霧軸線Ｘ１が、径方向外方へ最大に広がった場合、すなわち、燃料の噴霧軸線Ｘ１が、周壁面３１に衝突したあと、そのまま周壁面３１の傾斜に沿って拡散した場合を想定して、噴霧軸線Ｘ１がピストンキャビティ２０内に入るように設定している。
【００５５】
〔第２実施形態〕
図７は、本発明の第２実施形態を示すシリンダ頂部の断面図である。本実施形態では、ピストンキャビティ２０の中央突出部２１の頂面２１Ａが、ヘッドキャビティ２９の開口径φＸよりもやや小さい外径φＵを有する平坦な円形に形成され、且つ、ピストン１１の頂面よりもやや反シリンダヘッド１２側に後退した位置に配置されている。そして、中央突出部２１は、ピストン１１が上死点付近にあるとき、ヘッドキャビティ２９内の第１燃焼室４９と、ピストンキャビティ内の第２燃焼室５０とに燃焼室を区画するようになっている。第１燃焼室４９と第２燃焼室５０とは、中央突出部２１の頂面２１Ａ外周部と、ヘッドキャビティ２９の開口縁との間に形成される隙間（連通口）５１によって連通されている。
【００５６】
本実施形態では、ピストン１１が上死点から下降するに伴い、狭い連通口５１を通じて第１燃焼室４９から第２燃焼室５０への噴流が生じ、シリンダ１０内の流動の乱れが活性化される。したがって、メイン噴射（図１（ｃ）、図３）を行う場合において、燃料と空気との高速な混合が可能になり、燃料がヘッドキャビティ２９の周壁面３１に衝突することにより失われる噴霧の噴霧軸Ｘ１方向への貫徹力を増強することができる。その結果、燃料と空気との混合が活性化される。
【００５７】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく適宜設計変更可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、予混合圧縮自着火方式のディーゼルエンジンに好適に採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本実施形態のディーゼルエンジンの作動工程の概要を示す説明図である。
【図２】本発明を適用したディーゼルエンジンのシリンダ頂部の断面図である。
【図３】本発明を適用したディーゼルエンジンのシリンダ頂部の断面図である。
【図４】本発明を適用したディーゼルエンジンのシリンダ頂部の断面図である。
【図５】ヘッドキャビティ及び燃料噴射ノズル１３を拡大して示す断面図である。
【図６】図２のVI−VI矢視断面図である。
【図７】本発明の第２実施形態を示すシリンダ頂部の断面図である。
【符号の説明】
【００６０】
１０  シリンダ
１１  ピストン
１２  シリンダヘッド
１３  燃料噴射ノズル
２０  ピストンキャビティ
２１  突出部
２２  外周面
２６  開口部
２８  爆面
２９  ヘッドキャビティ
３０  底面
３１  周壁面
３３  バルブシート
４４  燃料噴射口
４６  シリンダライナー
４９  第１燃焼室
５０  第２燃焼室
５１  連通口
【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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