(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を設けており、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する。【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ており、
前記ヘッドキャビティの底面が、前記シリンダヘッドの爆面に略平行な平坦面に形成され、前記ヘッドキャビティの周壁面が、前記ピストン側へ向けて拡開状に傾斜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の周壁面の拡開角度Ａが、６０°≦Ａ≦１２０°に設定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】
前記各燃料噴射口と、前記ヘッドキャビティの周壁面との距離が、略等しく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】
前記噴射ノズルが、４〜１０個の前記燃料噴射口を放射状に有しており、該燃料噴射口の燃料の噴霧角度Ｂが、１２０°≦Ｂ≦１８０°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５】
前記燃料噴射口から噴射されヘッドキャビティの周壁面に衝突した燃料の噴霧軸線と、ヘッドキャビティの周壁面との、ピストン側の交差角度Ｄが、１２０°≦Ｄ＜１８０°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】
前記燃料噴射口から噴射された燃料の噴霧軸線が、ヘッドキャビティの周壁面に衝突した点から、シリンダヘッドの爆面までのシリンダ軸心方向の距離Ｅが、Ｅ＞０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の周壁面に、耐熱性を有する材料により形成され且つ噴射した燃料が衝突する燃料衝突部が設けられ、該燃料衝突部が、衝突した燃料の蒸発を促進するように、シリンダヘッドに対する断熱性を有し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】
前記ヘッドキャビティの周壁面の、燃料が衝突する部分に、噴射ノズル側へ膨出する膨出部が設けら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９】
前記ヘッドキャビティの周壁面の、燃料が衝突する部分に、噴射ノズル側へ膨出する膨出部が設けられ、該膨出部の頂部が、噴射ノズルから離れるに従いスワール流の下流側へ傾斜し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１０】
前記ヘッドキャビティの周壁面の傾斜角度が、互いに隣接する燃料噴射口から噴射された燃料が衝突する部分同士で異なっ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１１】
前記ヘッドキャビティの周壁面の傾斜角度が、互いに隣接する燃料噴射口から噴射された燃料が衝突する部分同士で異なっており、前記周壁面が、ヘッドキャビティの深さ方向に複数段の階段状に形成されている、請求項１記載の予混合圧縮自着火式内燃機関。
【請求項１２】
前記噴射ノズルが、上下２段の燃料噴射口を有しており、上段の燃料噴射口がヘッドキャビティの周壁面に向かって開口され、下段の燃料噴射口が、ヘッドキャビティの周壁面よりもピストン側に向かって開口されている、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】
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】
【００１１】
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ており、前記ヘッドキャビティの底面が、前記シリンダヘッドの爆面に略平行な平坦面に形成され、前記ヘッドキャビティの周壁面が、前記ピストン側へ向けて拡開状に傾斜されていることを特徴とする。
【００１２】
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の周壁面の拡開角度Ａが、６０°≦Ａ≦１２０°に設定されていることを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記各燃料噴射口と、前記ヘッドキャビティの周壁面との距離が、略等しく設定されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記噴射ノズルが、４〜１０個の前記燃料噴射口を放射状に有しており、該燃料噴射口の燃料の噴霧角度Ｂが、１２０°≦Ｂ≦１８０°に設定されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項５記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記燃料噴射口から噴射されヘッドキャビティの周壁面に衝突した燃料の噴霧軸線と、ヘッドキャビティの周壁面との、ピストン側の交差角度Ｄが、１２０°≦Ｄ＜１８０°に設定されていることを特徴とする。
【００１６】
請求項６記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記燃料噴射口から噴射した燃料の噴霧軸線が、ヘッドキャビティの周壁面に衝突した点から、シリンダヘッドの爆面までのシリンダ軸心方向の距離Ｅが、Ｅ＞０に設定されていることを特徴とする。
【００１７】
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の周壁面に、耐熱性を有する材料により形成され且つ噴射した燃料が衝突する燃料衝突部が設けられ、該燃料衝突部が、衝突した燃料の蒸発を促進するように、シリンダヘッドに対する断熱性を有していることを特徴とする。
【００１８】
請求項８記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記ヘッドキャビティの周壁面の、燃料が衝突する部分に、噴射ノズル側へ膨出する膨出部が設けられていることを特徴とする。
【００１９】
請求項９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の周壁面の、燃料が衝突する部分に、噴射ノズル側へ膨出する膨出部が設けられ、該膨出部の頂部が、噴射ノズルから離れるに従いスワール流の下流側へ傾斜していることを特徴とする。
【００２０】
請求項１０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の周壁面の傾斜角度が、互いに隣接する燃料噴射口から噴射された燃料が衝突する部分同士で異なっていることを特徴とする。
【００２１】
請求項１１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の周壁面の傾斜角度が、互いに隣接する燃料噴射口から噴射された燃料が衝突する部分同士で異なっており、前記周壁面が、ヘッドキャビティの深さ方向に複数段の階段状に形成されていることを特徴とする。
【００２２】
請求項１２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記噴射ノズルが、上下２段の燃料噴射口を有しており、上段の燃料噴射口がヘッドキャビティの周壁面に向かって開口され、下段の燃料噴射口が、ヘッドキャビティの周壁面よりもピストン側に向かって開口されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
請求項１の発明によれば、燃料噴射口から噴射された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、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。
【００２４】
請求項２の発明によれば、ヘッドキャビティの周壁面の拡開角度Ａを１２０°以下とすることによって、該周壁面に衝突した燃料が、シリンダライナーに付着するのを確実に防止することができ、拡開角度Ａを６０°以上とすることによって、周壁面に衝突した後の燃料を可及的にシリンダ内の径方向外方に拡散し、空気との混合を促進することができる。
【００２５】
請求項３の発明によれば、各燃料噴射口からヘッドキャビティの周壁面までの距離を均一に広くすることができ、これによって周壁面に対する燃料の付着を防止し、燃料の付着に伴う白煙の発生を防止することができる。
【００２６】
請求項４の発明によれば、噴霧角度Ｂを１２０°以上とすることによって、ヘッドキャビティをそれほど深くしなくても、周壁面に燃料を衝突させることが可能となり、噴霧角度Ｂを、１８０°以下とすることによって、噴霧ノズルから噴射した燃料の流量係数の低下を抑制することができる。
【００２７】
請求項５の発明によれば、ヘッドキャビティの周壁面に衝突した後の燃料が、ヘッドキャビティの底面側に拡散するのを少なくすることができ、ヘッドキャビティ内の燃料過濃状態を防止してスモークの発生を抑制することができる。
【００２８】
噴射ノズルの燃料噴射口から噴射された燃料は、その噴霧軸線よりも下側（ピストン側）がより霧状になって貫徹力が小さくなり、また、噴霧軸線上の燃料がヘッドキャビティに衝突すると、下側に拡散し、噴霧軸線よりも下側の燃料の貫徹力を一層弱める。したがって、請求項６の発明によれば、少なくとも燃料の噴霧軸線を前記ヘッドキャビティの周壁面に衝突させることによって、燃料がシリンダライナーに到ることを防止しながら、周壁面に対する燃料の付着を可及的に少なくすることができる。
【００２９】
請求項７の発明によれば、燃料衝突部に衝突した燃料の蒸発を促進することができ、ヘッドキャビティの周壁面に燃料が付着することに起因する白煙の発生を抑制することができる。
【００３０】
請求項８の発明によれば、前記ヘッドキャビティの周壁面に形成した膨出部に燃料を衝突させることで、燃料を積極的に拡散させることができ、空気との均一な混合を促進することができる。
【００３１】
請求項９の発明によれば、前記ヘッドキャビティの周壁面に形成した膨出部に燃料を衝突させることで、燃料を積極的に拡散させることができ、さらに、拡散した燃料をスワール流にのせて空気との均一な混合を促進することができる。
【００３２】
請求項１０の発明によれば、隣接する燃料噴射口から噴射された燃料が、ヘッドキャビティの周壁面に衝突した後、互いに重なることが少なくなり、燃料の濃淡の発生を抑制し、空気との均一な混合を促進することができる。また、ヘッドキャビティの周壁面に凹凸が形成され、表面積が拡大するため、付着した燃料の蒸発を促進することができる。
【００３３】
請求項１１の発明によれば、隣接する燃料噴射口から噴射された燃料が、ヘッドキャビティの周壁面に衝突した後、互いに重なることが少なくなり、混合気の空間利用率を向上させるだけでなく、燃料の濃淡の発生を抑制し、空気との均一な混合を促進することができる。また、ヘッドキャビティの周壁面に凹凸が形成され、表面積が拡大するため、付着した燃料の蒸発を促進することができる。
【００３４】
請求項１２の発明によれば、各燃料噴射口から噴射された燃料が互いに重なるのを防止しながら、燃料噴射口数を増やすことが可能となる。したがって、燃料の流量を落とすことなく各噴射口の径を小さくすることが可能となり、燃料の微粒化を促進することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
〔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。
【００３９】
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。
【００４０】
〔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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
〔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。
【００４４】
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。
【００４５】
〔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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
〔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。
【００５７】
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。
【００５８】
〔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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
〔第２の実施形態〕
図７及び図８は、燃焼衝突部３４に係る第２の実施形態を示す断面図である。本実施形態では、燃料衝突部３４のシリンダヘッド１２に対する当接面に凹部５５を形成し、該凹部５５内に空気を存在させることによって断熱層５６を形成したものである。
【００６３】
図７に示す凹部５５は、断面矩形状であり、図８に示す凹部５５は、断面半円形状であって、ヘッドキャビティ２９の深さ方向に複数（３個）形成されている。
【００６４】
本実施形態のように、空気層からなる断熱層をシリンダヘッド１２と燃料衝突部３４との間に形成することによって断熱性を高め、燃料衝突部３４の表面温度を維持し、衝突した燃料の蒸発を促進することができる。
【００６５】
〔第３の実施形態〕
図９は、ヘッドキャビティ２９に係る第３の実施形態であり、（ａ）は、ピストン１１側から見たヘッドキャビティの平面図、（ｂ）は、（ａ）のｂ−ｂ矢視断面図である。本実施形態では、ヘッドキャビティ２９の周壁面３１に、径方向内方に膨出する膨出部５８が周方向に複数形成され、実質的に周壁面３１が凹凸形状を呈している。
【００６６】
膨出部５８は、略３角形の山形であり、頂部５８Ａが、噴射ノズル１３を中心とした放射方向に直線状に形成されている。隣接する膨出部５８間には、嵌入部５９が形成されており、嵌入部５９の底部５９Ａも、噴射ノズル１３を中心とした放射方向に直線状に形成されている。
【００６７】
燃料噴射ノズル１３は、８個の燃料噴射口４４を等間隔で有しており、膨出部５８も、燃料噴射口４４の数に対応して８個形成されている。各燃料噴射口４４から噴射した燃料は、対応する膨出部５８の頂部５８Ａに衝突するようになっている。図９において、各燃料噴射口４４から噴射した燃料の噴霧軸線Ｘ１が１点鎖線で示されている。
【００６８】
本実施形態では、燃料噴射口４４から噴射した燃料を、膨出部５８に衝突することによって、嵌入部５９に向けて周方向に拡散することができる。したがって、均一な混合気形成に一層役立つ。
【００６９】
なお、上記膨出部５８の頂部５８Ａや嵌入部５９の底部５９Ａは、なだらかに湾曲する波形に形成してもよい。
【００７０】
〔第４の実施形態〕
図１０は、ヘッドキャビティ２９に係る第４の実施形態であり、（ａ）は、ピストン１１側から見たヘッドキャビティの平面図、（ｂ）は、（ａ）のｂ−ｂ矢視断面図である。本実施形態では、ヘッドキャビティ２９の周壁面３１に膨出部５８を形成した点で、第３実施形態と同様であるが、膨出部５８の頂部５８Ａが周方向に傾斜している点で異なっている。具体的に、膨出部５８の頂部５８Ａは、噴射ノズル１３から離れるに従い、スワール流（矢印Ｔで示す）の下流側へ傾斜している。
【００７１】
本実施形態では、燃料噴射口４４から噴射した燃料を、膨出部５８のスワール流下流側の面に衝突させている。従って、衝突後の燃料はスワール流の下流側に多く拡散し、スワール流にのって適切に流動する。これにより、空気との混合を促進し、均一な混合気を形成することができる。
【００７２】
なお、第３の実施形態のように、膨出部５８の頂部５８Ａを噴射ノズル１３を中心に放射状に形成した場合にも、燃料を、膨出部５８のスワール流下流側の面に衝突させることによって、略同様の効果を得ることができる。
【００７３】
〔第５の実施形態〕
図１１は、ヘッドキャビティ２９に係る第５の実施形態であり、（ａ）は、ピストン１側から見たヘッドキャビティの平面図、（ｂ）は、（ａ）のｂ−ｂ矢視断面図である。本実施形態では、ヘッドキャビティ２９の周壁面３１の傾斜が、互いに隣接する燃料噴射口４４から噴射された燃料が衝突する部分同士で異なるものとなっている。すなわち、ある燃料噴射口４４から噴射された燃料が衝突する周壁面３１の一部分３１Ａと、その隣の燃料噴射口４４から噴射された燃料が衝突する周壁面３１の一部分３１Ｂとが、異なる傾斜となっている。
【００７４】
本実施形態の場合、隣接する各燃料噴射口４４から、ヘッドキャビティ２９の周壁面３１までの距離が互いに異なるものとなり、さらに、衝突後の反射角度も異なるものになる。したがって、周壁面３１に衝突した後に、燃料同士が重なり合うことが少なくなり、燃料の濃淡が生じ難くなる。したがって、空気との均一な混合を一層促進することが可能となる。
【００７５】
さらに、周壁面３１の傾斜角度を変えると、周壁面３１には凹凸が形成されることになり、表面積が拡大する。したがって、周壁面３１に衝突した燃料の蒸発を促進することができる。
【００７６】
〔第６の実施形態〕
図１２は、ヘッドキャビティ２９に係る第６の実施形態を示しており、（ａ）は、ピストン１１側からみたヘッドキャビティの平面図、（ｂ）は、（ａ）のｂ−ｂ矢視断面図である。本実施形態は、第５の実施形態から更に変形を加えたものであり、周壁面３１を、ヘッドキャビティ２９の深さ方向に複数段の階段状に形成したものである。
【００７７】
本実施形態においても、上記実施形態と同様の作用効果を奏するが、さらに周壁面３１の表面積が拡大するため、衝突した燃料の蒸発をより促進することができる。また、周壁面３１に衝突した燃料が、様々な方向に反射して拡散することになるので、空気との均一な混合を一層促進することができる。
【００７８】
〔第７の実施形態〕
図１３及び図１４は、燃料噴射ノズル１３に係る第７の実施形態を示しており、図１３は、ピストン上部の断面図、図１４は、噴射ノズル先端の断面図である。本実施形態では、燃料噴射ノズル１３の燃料噴射口４４が、上下２段に設けられている。上下各段には、それぞれ複数の燃料噴射口が放射状に形成されている。
【００７９】
上段の燃料噴射口４４（４４Ａ）は、上記実施形態で述べたように、ヘッドキャビティ２９の周壁面３１に衝突するように構成されている。下段の燃料噴射口４４（４４Ｂ）は、ヘッドキャビティ２９の周壁面３１に衝突せず、そのまま、ピストン側に向けて燃料を噴射するように構成されている。
【００８０】
このように上下２段に分けることによって、噴射された燃料が互いに重なり合わないようにし、燃焼室１８内の燃料に濃淡が生じるのを防止することができるとともに、上段の燃料噴射口から噴射された燃料は、上記各実施形態で説明したように、シリンダライナー４６に付着せず、下段の燃料噴射口４４Ｂから噴射された燃料は、ピストンめがけて噴射されることからシリンダライナー４６に付着することはない。
【００８１】
上下多段の燃料噴射口４４Ａ，４４Ｂを形成することによって、実質的に燃料噴射口４４の総数を増大することができ、燃料の流量を維持したまま、各燃料噴射口４４の径φｄ，φｄ’を小さくすることが可能になる。燃料噴射口４４Ａ，４４Ｂの径を小さくすると、燃料の微粒化が促進されることから、空気との均一な混合をより促進することができる。
【００８２】
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、適宜設計変更可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
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】
【００８４】
【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】本発明の第１実施形態にかかる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】同シリンダ頂部の断面図である。
【図４】同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実施形態に係り、ヘッドキャビティ及び燃料噴射ノズルを拡大して示す断面図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係り、ヘッドキャビティ及び燃料噴射ノズルを拡大して示す断面図である。
【図９】本発明の第３実施形態を示しており、（ａ）は、ピストン１１側からみたヘッドキャビティの平面図、（ｂ）は、（ａ）のｂ−ｂ矢視断面図である。
【図１０】本発明の第４実施形態を示しており、（ａ）は、ピストン１１側からみたヘッドキャビティの平面図、（ｂ）は、（ａ）のｂ−ｂ矢視断面図である。
【図１１】本発明の第５実施形態を示しており、（ａ）は、ピストン１１側からみたヘッドキャビティの平面図、（ｂ）は、（ａ）のｂ−ｂ矢視断面図である。
【図１２】本発明の第６実施形態を示しており、（ａ）は、ピストン１１側からみたヘッドキャビティの平面図、（ｂ）は、（ａ）のｂ−ｂ矢視断面図である。
【図１３】本発明の第７実施形態にかかる本発明を適用したシリンダ頂部の断面図である。
【図１４】同噴射ノズル先端の断面図である。
【符号の説明】
【００８５】
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
２１Ａ  頂面
２２  外周面
２５  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
３４  燃料衝突部
４４  燃料噴射口
４６  シリンダライナー
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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