(57)【要約】【課題】ピストンの上部の燃焼室を形成する壁面に触媒を担持した内燃機関において、燃料と空気の混合ガスと触媒との接触をより促進して燃焼効率を向上できて、燃焼室内における触媒による酸化及び浄化に有利な環境を持つ燃焼室に触媒を担持した内燃機関を提供する。【解決手段】内燃機関のピストン１０の上部の燃焼室１１を形成する壁面１１ａに触媒を担持した内燃機関において、前記触媒を担持した壁面１１ａの全面又は一部に、定格出力時の運転時に、前記燃焼室１１内における燃焼中の熱発生率が最大となるような状態の燃焼ガスの流れが乱流領域にある流れとなり、燃焼室壁面１１ａ等における摩擦抵抗が極力小さくなるように凹凸形状を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のピストンの上部の燃焼室を形成する壁面に触媒を担持した内燃機関において、前記触媒を担持した壁面の全面又は一部に、定格出力時のエンジン回転速度の６０％回転速度で全負荷時の７０％の負荷の運転時に、前記燃焼室内における燃焼中の熱発生率が最大となるような状態の燃焼ガスの流れが乱流領域にある流れとなる凹凸部を形成したことを特徴とする燃焼室に触媒を担持した内燃機関。
【請求項２】
定格出力時のエンジン回転速度の６０％回転速度において、全負荷時の４０％負荷で１５分間運転を行った状態で、最高筒内圧が上死点後５〜１０ｄｅｇＡＴＤＣになるように、燃料噴射弁から定格トルク時において全負荷時の６０〜８０％の負荷となる燃料量で燃料を噴射し、この噴射された燃料噴霧が最初に燃焼室壁面又はシリンダ壁面に衝突した位置より、噴霧中心線に対して垂線を引き、この垂線上の燃料噴霧の幅をＢとしたときに、
燃焼室の表面に施す凹凸部を凸部又は凹部のいずれか又は両方で形成すると共に、前記凸部又は前記凹部の基部の最大長さＬｓを前記燃料噴霧の幅Ｂの１００分の１以上１０分の１以下とし、凸部の高さＨｓ又は凹部の深さＤｓを、前記最大長さＬｓの１０分の１以上２分の１以下とし、隣接する間隔Ｂｓを前記最大長さＬｓの１０分の１以上２分の１以下として、この凹凸形状を前記燃焼室の壁面の全面又は一部に施して前記燃焼室の前記凹凸部を形成することを特徴とする請求項１記載の燃焼室に触媒を担持した内燃機関。
【請求項３】
定格出力時のエンジン回転速度の６０％回転速度において、全負荷時の４０％負荷で１５分間運転を行った状態で、最高筒内圧が上死点後５〜１０ｄｅｇＡＴＤＣになるように、燃料噴射弁から定格トルク時において全負荷時の６０〜８０％の負荷となる燃料量で燃料を噴射し、この噴射された燃料噴霧が最初に燃焼室壁面又はシリンダ壁面に衝突した位置より、噴霧中心線に対して垂線を引き、この垂線上の燃料噴霧の幅をＢとしたときに、
前記噴霧中心線上にある燃料噴霧の前記垂線上位置における速度をＵとし、
最高熱発生時のシリンダ内の気体の動粘性係数をνとした場合におけるＲｅ＝Ｕ×Ｂ／νで算出されるレイノルズ数Ｒｅを求め、
このレイノルズ数Ｒｅにおいて、表面に凹凸形状を施した直径がＢの円筒又は球で形成される抵抗体の抗力係数が、凹凸形状を変化させたときに最少となる抗力係数の１０％増しの抗力係数よりも小さい範囲内に入るような凹凸形状を定め、この凹凸形状と同じ凹凸形状を前記燃焼室の壁面の全面又は一部に施して前記燃焼室の前記凹凸部を形成することを特徴とする請求項１記載の燃焼室に触媒を担持した内燃機関。
【請求項４】
燃料に含酸素燃料を使用することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃焼室に触媒を担持した内燃機関。
【請求項５】
内燃機関のピストンの上部の燃焼室を形成する壁面に触媒を担持し、該触媒を担持した壁面の表面に凹凸部を形成した内燃機関の製造方法であって、
定格出力時のエンジン回転速度の６０％回転速度において、全負荷時の４０％負荷で１５分間運転を行った状態で、最高筒内圧が上死点後５〜１０ｄｅｇＡＴＤＣになるように、燃料噴射弁から定格トルク時において全負荷時の６０〜８０％の負荷となる燃料量で燃料を噴射し、この噴射された燃料噴霧が最初に燃焼室壁面又はシリンダ壁面に衝突した位置より、噴霧中心線に対して垂線を引き、この垂線上の燃料噴霧の幅をＢとしたときに、
燃焼室の表面に施す凹凸形状を凸部又は凹部のいずれか又は両方で形成すると共に、前記凸部又は前記凹部の基部の最大長さＬｓを前記燃料噴霧の幅Ｂの１００分の１以上１０分の１以下とし、凸部の高さＨｓ又は凹部の深さＤｓを、前記最大長さＬｓの１０分の１以上２分の１以下とし、隣接する間隔Ｂｓを前記最大長さＬｓの１０分の１以上２分の１以下として、この凹凸形状を前記燃焼室の壁面の全面又は一部に施して前記燃焼室の前記凹凸部を形成することを特徴とする内燃機関の製造方法。
【請求項６】
内燃機関のピストンの上部の燃焼室を形成する壁面に触媒を担持し、該触媒を担持した壁面の表面に凹凸部を形成した内燃機関の製造方法であって、
定格出力時のエンジン回転速度の６０％回転速度において、全負荷時の４０％負荷で１５分間運転を行った状態で、最高筒内圧が上死点後５〜１０ｄｅｇＡＴＤＣになるように、燃料噴射弁から定格トルク時において全負荷時の６０〜８０％の負荷となる燃料量で燃料を噴射し、この噴射された燃料噴霧が最初に燃焼室壁面又はシリンダ壁面に衝突した位置より、噴霧中心線に対して垂線を引き、この垂線上の燃料噴霧の幅をＢとしたときに、
前記噴霧中心線上にある燃料噴霧の前記垂線上位置における速度をＵとし、
最高熱発生時のシリンダ内の気体の動粘性係数をνとした場合におけるＲｅ＝Ｕ×Ｂ／νで算出されるレイノルズ数Ｒｅを求め、
このレイノルズ数Ｒｅにおいて、表面に凹凸形状を施した直径がＢの円筒又は球で形成される抵抗体の抗力係数が、凹凸形状を変化させたときに最少となる抗力係数の１０％増しの抗力係数よりも小さい範囲内に入るような凹凸形状を定め、この凹凸形状と同じ凹凸形状を前記燃焼室の壁面の全面又は一部に施して前記燃焼室の凹凸部を形成することを特徴とする内燃機関の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料と空気の混合ガスと触媒との接触をより促進して燃焼効率を向上できる燃焼室に触媒を担持した内燃機関及び内燃機関の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン等の内燃機関においては、内燃機関より排出される燃焼によって生成された排気ガス中の未燃炭化水素等の成分は、排気通路の途中に設けられた触媒コンバータに担持された酸化触媒等によって浄化される。これらの触媒コンバータはハニカム構造の担体を有しており、この担体に触媒金属を担持して形成されている。
【０００３】
しかしながら、排気通路途中に設けられた酸化触媒による排気ガス浄化に関しては、ディーゼルエンジンンでは、低燃費化や高過給化が進んできて排気温度が低下してきており、酸化触媒の配置位置や構造上の理由から、軽負荷運転領域における運転時の排気温度の低下や冷間時起動（コールドスタート）の触媒温度の低下が問題になってきている。これらの排気温度や触媒温度の低下により、酸化触媒の浄化率の低下や排気圧力上昇による燃費の悪化等が生じるという問題がある。
【０００４】
一方、内燃機関の燃焼室に、着火性の高い点火触媒、混合気を酸素よりも高い熱伝導率の改質ガスに改質する改質触媒を担持した内燃機関が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
また、シリンダライナー内面、シリンダヘッド内面及びピストン上面よりなる燃焼室の少なくとも一部に触媒コーティング層を設けると共に、エンジンの所定の運転状態下で燃料の噴射に先立って排気浄化用の微量の燃料をパイロット噴射する内燃機関が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−５２７２２号公報
【特許文献２】特開２００５−１８０２６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、ピストンの上部の燃焼室において、燃料と空気の混合ガスと触媒との接触をより促進して燃焼効率を向上できて、燃焼室内における触媒による酸化及び浄化に有利な環境を持つ、燃焼室に触媒を担持した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】
上記のような目的を達成するための本発明の燃焼室に触媒を担持した内燃機関は、内燃機関のピストンの上部の燃焼室を形成する壁面に触媒を担持した内燃機関において、前記触媒を担持した壁面の全面又は一部に、定格出力時のエンジン回転速度の６０％回転速度で全負荷時の７０％の負荷の運転時に、前記燃焼室内における燃焼中の熱発生率が最大となるような状態の燃焼ガスの流れが乱流領域にある流れとなる凹凸部を形成して構成される。
【０００９】
つまり、前記燃焼室内における燃焼中の熱発生率が最大となるような状態で、乱流発生により燃焼室壁面等における摩擦抵抗が極力小さくなるように凹凸部を形成する。この触媒は、例えば、酸化触媒、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒等であり、この触媒を担持する部分は、例えば、ピストンのピストン頂部、クレビス部等、シリンダのシリンダライナー、シリンダヘッド等、吸気弁及び排気弁のバルブフェース等の、燃料と空気の混合ガスや燃焼ガスが接触する部分である。
【００１０】
また、燃焼中とは、吸入空気とＥＧＲガスとの混合気に燃料が噴射されると、ピストンの圧縮行程で圧縮され温度上昇した混合気と噴射された燃料が接触して燃焼を開始し、混合気と燃料が拡散すると共に、更に噴射で燃料が追加されるため燃焼が進捗し、燃料噴射が終了すると、燃焼も終了するが、この燃焼開始直後から燃焼を完了するまでの間の全部の期間中である。
【００１１】
また、この乱流領域は、レイノルズ数が臨界レイノルズ数以上であり、かつ、実用的には、１０8以下であるような領域となる。なお、燃焼室のガスの流れが層流領域にあるか乱流領域にあるか、即ち、臨界レイノルズ数以上にあるか否かは、実験による測定又は数値シミュレーション計算により容易に認定できる。
【００１２】
なお、定格出力時のエンジン回転速度の６０％回転速度で全負荷時の７０％の負荷の運転時は、内燃機関を搭載した車両の運転において、実際の運転状態の基準となる内燃機関の運転状態として選択している。
【００１３】
上記の構成によれば、触媒を担持させた燃焼室は温度が高いので触媒活性が良く、また、触媒が炭化水素等の燃料が噴射される燃焼室内に設けてあるので、噴射された燃料を酸化したり、燃焼ガスを浄化したりすることを、燃焼室内に担持した触媒の触媒作用で促進することができ、効率良く、燃料の燃焼と排気ガスの浄化を行うことができる。また、燃焼ガスが担持された触媒により浄化される際に発生する熱、即ち、燃焼熱とは別の触媒による分解反応による熱により、サイクル効率が向上する。
【００１４】
更に、触媒を担持した壁面、即ち、燃焼室を形成する壁面に設けた凹凸部により、乱流境界層を発生させて、燃焼室の壁面において、燃料と空気の混合ガス若しくは燃焼ガスの剥離を抑制することができるので、混合ガス若しくは燃焼ガスと触媒との接触を長く保つことができる。また、凹凸部により触媒が担持されている壁面の表面積が増加するので、混合ガス若しくは燃焼ガスと触媒との接触機会が増加する。
【００１５】
これにより、酸化作用を発揮する触媒を用いた場合には、燃料と空気の混合ガスと触媒との接触により燃焼が促進されるので、燃焼効率が向上し、高い燃焼温度を保つことができる。従って、触媒による浄化に有利な環境を作り出すことができる。また、燃焼ガスの成分を浄化する作用を発揮する触媒を用いた場合は、高温で触媒が活性化した状態で、未燃炭化水素やＮＯｘ等を浄化できる。従って、効率よく排気ガスを浄化することができる。
【００１６】
つまり、燃焼室の壁面等に乱流境界層を形成させることで、燃焼ガスの剥離の抑制と燃焼を促進する効果が期待でき、これにより、高い等容度を保つことができる。なお、この等容度とはオットーサイクル（等容サイクル：定容サイクル）にどれだけ近いかを示す指標であり、言い換えれば、オットーサイクルに対して効率の低下する度合いを示す指標である。この等容度の値が１ということはオットーサイクルと同一であることを示し、等容度が高い程理論熱効率に近づく。
【００１７】
上記の燃焼室に触媒を担持した内燃機関で、定格出力時のエンジン回転速度の６０％回転速度において、全負荷時の４０％負荷で１５分間運転を行った状態で、最高筒内圧が上死点後５〜１０ｄｅｇＡＴＤＣになるように、燃料噴射弁から定格トルク時において全負荷時の６０〜８０％の負荷となる燃料量で燃料を噴射し、この噴射された燃料噴霧が最初に燃焼室壁面又はシリンダ壁面に衝突した位置より、噴霧中心線に対して垂線を引き、この垂線上の燃料噴霧の幅をＢとしたときに、燃焼室の表面に施す凹凸部を凸部又は凹部のいずれか又は両方で形成すると共に、前記凸部又は前記凹部の基部の最大長さＬｓを前記燃料噴霧の幅Ｂの１００分の１以上１０分の１以下とし、凸部の高さＨｓ又は凹部の深さＤｓを、前記最大長さＬｓの１０分の１以上２分の１以下とし、隣接する間隔Ｂｓを前記最大長さＬｓの１０分の１以上２分の１以下として、この凹凸形状を前記燃焼室の壁面の全面又は一部に施して前記燃焼室の前記凹凸部を形成して構成すると、適切な凹凸を容易に形成することができ、定格出力時のエンジン回転速度の６０％回転速度で全負荷時の７０％の負荷の運転時に、前記燃焼室内における燃焼中の熱発生率が最大となるような状態の燃焼ガスの流れが乱流領域にある流れとなる。
【００１８】
なお、これらの燃焼室の表面に施す凹凸部の凸部又は凹部の寸法は、実験や数値シミュレーションの結果から、設計し易い形にまとめたものであり、凸部又は凹部がこれより小さい形状になっても大きな形状になっても乱流促進効果が小さくなる。なお、凸部の基部と凹部の基部とは、凹凸を設ける前の元の表面と接する部分のことを言う。
【００１９】
あるいは、上記の燃焼室に触媒を担持した内燃機関で、定格出力時のエンジン回転速度の６０％回転速度において、全負荷時の４０％負荷で１５分間運転を行った状態で、最高筒内圧が上死点後５〜１０ｄｅｇＡＴＤＣになるように、燃料噴射弁から定格トルク時において全負荷時の６０〜８０％の負荷となる燃料量で燃料を噴射し、この噴射された燃料噴霧が最初に燃焼室壁面又はシリンダ壁面に衝突した位置より、噴霧中心線に対して垂線を引き、この垂線上の燃料噴霧の幅をＢとしたときに、前記噴霧中心線上にある燃料噴霧の前記垂線上位置における速度をＵとし、最高熱発生時のシリンダ内の気体の動粘性係数をνとした場合におけるＲｅ＝Ｕ×Ｂ／νで算出されるレイノルズ数Ｒｅを求め、このレイノルズ数Ｒｅにおいて、表面に凹凸形状を施した直径がＢの円筒又は球で形成される抵抗体の抗力係数が、凹凸形状を変化させたときに最少となる抗力係数の１０％増しの抗力係数よりも小さい範囲内に入るような凹凸形状を定め、この凹凸形状と同じ凹凸形状を前記燃焼室の壁面の全面又は一部に施して前記燃焼室の前記凹凸部を形成して構成すると、適切な凹凸を容易に形成することができ、定格出力時のエンジン回転速度の６０％回転速度で全負荷時の７０％の負荷の運転時に、前記燃焼室内における燃焼中の熱発生率が最大となるような状態の燃焼ガスの流れが乱流領域にある流れとなる。
【００２０】
なお、これらの燃焼室の表面に施す凹凸部の凹凸形状を決めるに際しての、試験的な凹凸形状を施した抵抗体の抵抗係数は、実験や数値シミュレーションで容易に得ることができる。また、多くの実験や数値シミュレーションの結果から、抵抗体の抗力係数が、乱流と関係し、凹凸形状を変化させたときに最少となる抗力係数の１０％増しの抗力係数よりも小さい範囲内に入るような凹凸形状を、燃焼室の表面に適用すると、燃焼室での乱流促進効果が大きくなることが分かっており、この知見を元に、燃焼室の壁面に施す凹凸形状を設定している。
【００２１】
上記の燃焼室に触媒を担持した内燃機関において、燃料に含酸素燃料を使用する。このジメチルエーテル（ＤＭＥ）等の含酸素燃料を使用する内燃機関の場合には、これらの燃料の燃焼特性として煤を発生し難いので、燃焼室の内壁面がすすで覆われることがなく、担持された触媒の浄化が煤により妨げられることがないので、より効率よく触媒作用を発揮できる。
【００２２】
そして、上記の燃焼室に触媒を担持した内燃機関の製造方法は、内燃機関のピストンの上部の燃焼室を形成する壁面に触媒を担持し、該触媒を担持した壁面の表面に凹凸部を形成した内燃機関の製造方法であって、定格出力時のエンジン回転速度の６０％回転速度において、全負荷時の４０％負荷で１５分間運転を行った状態で、最高筒内圧が上死点後５〜１０ｄｅｇＡＴＤＣになるように、燃料噴射弁から定格トルク時において全負荷時の６０〜８０％の負荷となる燃料量で燃料を噴射し、この噴射された燃料噴霧が最初に燃焼室壁面又はシリンダ壁面に衝突した位置より、噴霧中心線に対して垂線を引き、この垂線上の燃料噴霧の幅をＢとしたときに、燃焼室の表面に施す凹凸形状を凸部又は凹部のいずれか又は両方で形成すると共に、前記凸部又は前記凹部の基部の最大長さＬｓを前記燃料噴霧の幅Ｂの１００分の１以上１０分の１以下とし、凸部の高さＨｓ又は凹部の深さＤｓを、前記最大長さＬｓの１０分の１以上２分の１以下とし、隣接する間隔Ｂｓを前記最大長さＬｓの１０分の１以上２分の１以下として、この凹凸形状を前記燃焼室の壁面の全面又は一部に施して前記燃焼室の前記凹凸部を形成することを特徴とする方法である。
【００２３】
あるいは、上記の燃焼室に触媒を担持した内燃機関の製造方法は、内燃機関のピストンの上部の燃焼室を形成する壁面に触媒を担持し、該触媒を担持した壁面の表面に凹凸部を形成した内燃機関の製造方法であって、定格出力時のエンジン回転速度の６０％回転速度において、全負荷時の４０％負荷で１５分間運転を行った状態で、最高筒内圧が上死点後５〜１０ｄｅｇＡＴＤＣになるように、燃料噴射弁から定格トルク時において全負荷時の６０〜８０％の負荷となる燃料量で燃料を噴射し、この噴射された燃料噴霧が最初に燃焼室壁面又はシリンダ壁面に衝突した位置より、噴霧中心線に対して垂線を引き、この垂線上の燃料噴霧の幅をＢとしたときに、前記噴霧中心線上にある燃料噴霧の前記垂線上位置における速度をＵとし、最高熱発生時のシリンダ内の気体の動粘性係数をνとした場合におけるＲｅ＝Ｕ×Ｂ／νで算出されるレイノルズ数Ｒｅを求め、このレイノルズ数Ｒｅにおいて、表面に凹凸形状を施した直径がＢの円筒又は球で形成される抵抗体の抗力係数が、凹凸形状を変化させたときに最少となる抗力係数の１０％増しの抗力係数よりも小さい範囲内に入るような凹凸形状を定め、この凹凸形状と同じ凹凸形状を前記燃焼室の壁面の全面又は一部に施して前記燃焼室の凹凸部を形成することを特徴とする方法である。
【００２４】
これらの燃焼室に触媒を担持した内燃機関の製造方法によれば、上記の燃焼室に触媒を担持した内燃機関を比較的容易に製造することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明に係る内燃焼室に触媒を担持した燃機関によれば、内燃機関のピストンの上部の燃焼室を形成する壁面に触媒を担持した内燃機関において、触媒を担持した壁面の全面又は一部に凹凸部を形成して、燃焼室壁面等における摩擦抵抗が極力小さくなるように燃焼ガスの流れを乱流にして、燃焼室の壁面における燃焼ガスの剥離を抑制することで、燃焼ガスと触媒の接触を長く保つことができ、また、凹凸部により触媒が担持されている壁面の表面積が増加するので、混合ガス若しくは燃焼ガスと触媒との接触機会が増加する。この乱流境界層を燃焼室の壁面等に形成させることで、燃焼ガスの剥離の抑制と燃焼を促進する効果が期待でき、これにより、高い等容度を保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る実施の形態の燃焼室に触媒を担持した内燃機関のピストンの頂部の燃焼室の構成を示した模式的な側断面図である。
【図２】図１のピストンの頂部の燃焼室の構成を示した模式的な平面図である。
【図３】燃料噴霧の幅Ｂを説明するための燃焼室と燃料噴射の関係を示した模式的な側断面図である。
【図４】燃料噴霧の幅Ｂを説明するための図である。
【図５】凸部で形成された凹凸形状を示す部分断面図である。
【図６】凹部で形成された凹凸形状を示す部分断面図である。
【図７】凸部と凹部で形成された凹凸形状を示す部分断面図である。
【図８】凹凸形状を示す部分平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明に係る実施の形態の燃焼室に触媒を担持した内燃機関について、図面を参照しながら説明する。この実施の形態の燃焼室に触媒を担持した内燃機関では、図１及び図２に示すように、ピストン１０の上部の燃焼室１１を形成する壁面１１ａに触媒を担持し、更に、この触媒を担持した壁面１１ａの全面又は一部に、定格出力時のエンジン回転速度の６０％回転速度で全負荷時の６０％〜８０％の一部の負荷で、好ましくは７０％の負荷の運転時に、前記燃焼室内における燃焼中の熱発生率が最大となるような状態の燃焼ガスの流れが乱流領域にある流れとなる凹凸部を形成する。
【００２８】
この触媒としては、酸化触媒又はＮＯｘ吸蔵還元型触媒等を用いるが、燃料と空気の混合ガス中の未燃燃料の酸化を促進できる酸化作用や燃焼ガスを浄化できる浄化作用を発揮できる触媒を用いる。
【００２９】
酸化作用を発揮する酸化触媒を用いた場合には、燃料と空気の混合ガスと触媒との接触により燃焼が促進されるので、燃焼効率が向上し、高い燃焼温度を保つことができる。従って、触媒による浄化に有利な環境を作り出すことができる。また、燃焼ガスの成分を浄化する作用を発揮するＮＯｘ吸蔵還元型触媒を用いた場合は、高温で触媒が活性化した状態で、未燃炭化水素やＮＯｘ等を浄化できる。従って、効率よく排気ガスを浄化することができる。
【００３０】
また、この触媒を担持する部分は、混合ガス若しくは燃焼ガスと確実に接触するので、ピストン１０のピストン頂部の燃焼室１１の内面の壁面１１ａ（図１及び図２では太線で示す部分）である。なお、さらに、その他、ピストンのクレビス部等、シリンダのシリンダライナー、シリンダヘッド等、吸気弁及び排気弁のバルブフェース等の、燃料と吸入空気とＥＧＲガスの混合ガスや燃焼ガスが接触する部分に触媒を担持してもよい。
【００３１】
また、凹凸部による乱流領域は、レイノルズ数が臨界レイノルズ数以上であり、かつ、１０8以下であるような領域である。なお、燃焼室１１のガスの流れが層流領域にあるか乱流領域にあるか、即ち、臨界レイノルズ数以上にあるか否かは、実験による測定又は数値シミュレーション計算により容易に認定できる。
【００３２】
この凹凸形状に関しては、最初に、燃料噴霧の幅Ｂを求める。図３及び図４に示すように、この燃料噴霧の幅Ｂは、定格出力時のエンジン回転速度の６０％回転速度において、全負荷時の４０％負荷で１５分間運転を行った状態で、最高筒内圧が上死点（ＴＤＣ）後５〜１０ｄｅｇＡＴＤＣになるように、燃料噴射弁２０から定格トルク時において全負荷時の６０〜８０％の負荷となる燃料量で燃料Ｆを噴射した時に、この噴射された燃料噴霧Ｆが最初に燃焼室１１の壁面１１ａ（又はシリンダ壁面）に衝突した位置を求める。この位置から噴霧中心線Ｌ１に対して垂線Ｌ２を引き、この垂線Ｌ２上の燃料噴霧Ｆの幅をＢとする。この燃料噴霧の幅Ｂは、数値シミュレーション計算により比較的容易に求めることができる。
【００３３】
このときの燃焼室の噴射された燃料が燃焼を開始する前の温度は、エンジンの種類にもよるが６００℃〜１０００℃程度である。また、吸入空気量、ＥＧＲガス量なども定格出力運転時の状態のものとする。
【００３４】
第１の実施の形態の燃焼室に触媒を担持した内燃機関では、凹凸部の凹凸形状は幾何学的に次のようにして設定される。図５〜図８に示すように、燃焼室１１の壁面（表面）１１ａに施す凹凸形状を凸部１２又は凹部１３のいずれか又は両方で形成する。この凸部１２又は凹部１３の個々の形状は、壁面１１と接する部分の形状が円形、楕円形、正方形、四角形、多角形等で形成され、立体形状も円錐形や円錐台、四角錐、四角錐台、多角錐、多角錐台等の加工し易い形状で形成される。
【００３５】
凸部１２又は凹部１３の基部の最大長さＬｓを燃料噴霧の幅Ｂの１００分の１以上１０分の１以下とする。また、図５〜図７に示すような凸部１２の高さＨｓ、又は、凹部１３の深さＤｓを、最大長さＬｓの１０分の１以上２分の１以下とする。
【００３６】
また、凸部１２又は凹部１３の分布としては、図８に示すような直交する２直線上に配置した規則正しい分布とすると製造し易くなるが、この分布の仕方に限定する必要はなく、例えば、斜交する複数の直線上に配置したり、ランダムに配置したりしても良い。但し、凸部１２同士、又は凹部１３同士、又は凸部１２と凹部１３が隣接する間隔Ｂｓを前記最大長さＬｓの１０分の１以上２分の１以下とする。
【００３７】
この凹凸形状を燃焼室１１の壁面１１ａの全面又は一部に施して燃焼室１１の凹凸部を形成する。この構成により、適切な凹凸形状をした凹凸部を容易に形成することができ、定格出力時のエンジン回転速度の６０％回転速度で全負荷時の７０％の負荷の運転時に、燃焼室１１内における燃焼中の熱発生率が最大となるような状態の燃焼ガスの流れを乱流領域にある流れとすることができる。
【００３８】
第２の実施の形態の燃焼室に触媒を担持した内燃機関では、凹凸部の凹凸形状は実験的に又は数値シミュレーションの結果により、次のようにして設定される。図３に示すような噴霧中心線Ｌ１上にある燃料噴霧Ｆの垂線Ｌ２上の位置における速度をＵとし、最高筒内温度時のシリンダ内の気体の動粘性係数をνとする。この場合におけるＲｅ＝Ｕ×Ｂ／νで算出されるレイノルズ数Ｒｅを求める。
【００３９】
このときの燃焼室の噴射された燃料が燃焼を開始する前の温度は、エンジンの種類にもよるが６００℃〜１０００℃程度である。また、吸入空気量、ＥＧＲガス量なども定格出力運転時の状態のものとする。
【００４０】
次に、燃焼室１１の壁面１１ａに形成する凹凸部の凹凸形状が適正か否かを決めるために、表面に多様な凹凸形状を施した直径がＢの円筒又は球で形成される１連の抵抗体を用意する。風洞実験を行う場合は、表面の凹凸形状を変化させた一連の試験用の抵抗体、あるいは、抵抗体の表面を覆う一連の凹凸形状を持つカバー体と、このカバー体で覆うことができる抵抗体を製作して用意する。また、数値シミュレーション計算を行う場合は、表面の凹凸形状を変化させた抵抗体のデータを用意する。
【００４１】
この凹凸形状は、幾つかのパラメータ（例えば、上記の最大長さＬｓ、高さＨｓ、深さＤｓ、間隔Ｂｓ等）を系統的に変化させる等のシリーズものとする。なお、風洞実験の場合には、円筒の方が製作し易く固定支持し易い。また、数値シミュレーション計算では、円筒の方が２次元的な計算で済むので計算が容易となる。
【００４２】
風洞試験又は数値シミュレーション計算で、上記のレイノルズ数Ｒｅにおいて、抵抗体の表面の凹凸形状を変化させたときの抵抗係数Ｃｔをそれぞれの凹凸形状に対して求める。この抗力係数Ｃｔは実験における計測又は数値シミュレーション計算等により比較的容易に見積もることができる。
【００４３】
これらの数多くの凹凸形状の中から最少となる抗力係数Ｃｔｍを求め、更に、この抵抗係数Ｃｔｍの１０％増しの抗力係数（１．１×Ｃｔｍ）を求め、許容抗力係数Ｃｔａとする。抵抗係数Ｃｔがこの許容抗力係数Ｃｔａよりも小さい範囲内に入る抵抗体の凹凸形状を採用可とする。この採用可とした凹凸形状と同じ凹凸形状を燃焼室１１の壁面１１ａの全面又は一部に施して燃焼室１１の凹凸部を形成する。つまり、風洞試験又は数値シミュレーション計算の結果から、個々の凸部１２、凹部１３の形状（円錐、角錐、半球等）、代表寸法（径Ｌｓ、高さＨｓ、深さＤｓ）、分布（間隔Ｂｓ、単位面積あたりの凹凸の個数等）を設定し、この設定した凹凸形状を燃焼室１１の触媒を担持させる壁面１１ａの全面又は一部に形成する。
【００４４】
これにより、適切な凹凸形状を持つ凹凸部を容易に形成することができ、定格出力時のエンジン回転速度の６０％回転速度で全負荷時の７０％の負荷の運転時に、燃焼室１１内における燃焼中の熱発生率が最大となるような状態の燃焼ガスの流れを乱流領域にある流れとすることができる。
【００４５】
上記の構成の燃焼室に触媒を担持した内燃機関によれば、触媒を設けた燃焼室１１は温度が高いので触媒活性が良く、また、触媒が、炭化水素等の燃料が噴射される燃焼室１１内に設けてあるので、触媒により、噴射された燃料を酸化したり、燃焼ガスを浄化したりすることを触媒作用で促進することができ、効率良くが行うことができる。
【００４６】
また、燃焼室１１を形成し、触媒を担持する壁面１１ａの全面又は一部に設けた凹凸部により、燃焼室壁面等における摩擦抵抗が極力小さくなるように乱流境界層を発生させて、燃焼室１１の壁面１１ａにおいて、燃料と吸入空気とＥＧＲガスの混合ガス若しくは燃焼ガスの剥離を抑制することができるので、混合ガス若しくは燃焼ガスと触媒との接触を長く保つことができる。また、凹凸部により触媒が担持されている壁面１１ａの表面積が増加するので、混合ガス若しくは燃焼ガスと触媒との接触機会が増加する。  つまり、この乱流境界層を燃焼室の壁面等に形成させることで、燃焼ガスの剥離の抑制と燃焼を促進する効果が期待でき、これにより、高い等容度を保つことができる。
【００４７】
更に、燃焼ガスが担持された触媒により浄化される際に発生する熱、即ち、燃焼熱とは別の触媒による分解反応による熱により、サイクル効率が向上する。
【００４８】
また、上記の内燃機関において、燃料に含酸素燃料を使用する用にすると、このジメチルエーテル（ＤＭＥ）等の含酸素燃料を使用する内燃機関の場合には、これらの燃料の燃焼特性として煤を発生し難いので、燃焼室１１の内壁面１１ａがすすで覆われることがなく、担持された触媒の浄化が煤により妨げられることがないので、より効率よく触媒作用を発揮できるようになる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明の内燃機関は、ピストンの上部の燃焼室を形成する壁面に触媒を担持した内燃機関において、燃料と空気とＥＧＲガスの混合ガスと触媒との接触をより促進して燃焼効率を向上できて、燃焼室内における触媒による酸化及び浄化に有利な環境を持つことができるので、自動車搭載等の内燃機関として利用できる。
【符号の説明】
【００５０】
１０  ピストン
１１  燃焼室
１１ａ  触媒を担持した壁面（凹凸部を形成した部分）
１２  凸部
１３  凹部
２０  燃料噴射弁(インジェクタ)
Ｂ  燃料噴霧の幅
Ｂｓ  間隔
Ｄｓ  深さ
Ｆ  燃料噴霧
Ｈｓ  高さ
Ｌ１  噴霧中心線
Ｌ２  垂線
Ｌｓ  最大長さ
【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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