(57)【要約】【課題】燃料噴霧と空気との混合性能を低下させることなく、ピストンへの熱損失を低減して熱効率を向上できる内燃機関の燃焼室構造を提供する。【解決手段】シリンダ４に摺動自在に内嵌するピストン５の頂面５ａに、シリンダ軸Ｘ方向に直交する径が開口端５ｆ側へ向けて小さくなるキャビティ５ｅを形成し、キャビティ５ｅがシリンダヘッド３に面するリエントラント型の燃焼室１０を構成するエンジンＥの燃焼室構造において、ピストン５における燃焼室１０を画定する内壁面のうち、円弧断面形状壁面５ｃにおけるキャビティ５ｅの最大径部５ｍよりも円錐状壁面５ｄ側に、燃焼混合気の流れに沿う複数のディンプル１１を形成する。【選択図】図２
2011094496.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダに摺動自在に内嵌するピストンの頂面に、シリンダ軸方向に直交する径が開口端側へ向けて小さくなるキャビティを形成し、該キャビティがシリンダヘッドに面するリエントラント型の燃焼室を構成する内燃機関の燃焼室構造であって、
前記シリンダヘッドには、前記燃焼室に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁が設けられ、
前記ピストンにおける前記燃焼室を画定する内壁面には、前記燃料噴射弁からの燃料噴霧が直接当たらない位置にディンプルが形成されたことを特徴とする内燃機関の燃焼室構造。
【請求項２】
前記燃料噴射弁は、前記ピストンが圧縮上死点にあるときに前記キャビティの開口端近傍へ向けて燃料を噴射し、
前記ディンプルは、シリンダ軸方向に直交する前記キャビティの最大径部よりも前記燃焼室の底面側に配置されたことを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項３】
前記ディンプルは、半径に対する深さの比が０．８以下に設定されたことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項４】
前記ディンプルは、半径に対する深さの比が０．３〜０．７の範囲に設定されたことを特徴とする、請求項３に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項５】
前記ディンプルが燃焼混合気の流れに沿って複数形成されたことを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストンの頂面にリエントラント型のキャビティが形成された内燃機関の燃焼室構造に係り、ピストンへの熱損失を低減して熱効率を改善する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ディーゼルエンジンでは、圧縮比を高めるために圧縮上死点におけるピストンの頂面をシリンダヘッドの端面に近接させるとともに、ピストン頂面に燃焼室となるキャビティ（凹部）を形成している。この種の燃焼室は、キャビティの形状に応じてリエントラント型、トロイダル型、バスタブ型等に分類される。このうちリエントラント型は、キャビティの径が開口端側へ向けて小さくなり、キャビティを画定する内壁面がオーバーハングした湾曲形状を呈することで空気の過流運動を高めるとともに、開口端のキャビティリップ付近に燃料噴霧を噴射し、その勢いで湾曲する内壁面に沿って流動させることによって燃料を効率良く空気と混合させながら燃焼させる。
【０００３】
ここで、燃料噴霧の混合性能を高めるために、キャビティの内壁面に燃料噴射の数と同数のポケット状の凹陥部を形成したトロイダル型の燃焼室において、隣接する凹陥部同士を所定間隔離して配置し、凹陥部間に燃料を噴射するようにした燃焼室構造や（特許文献１参照）、リエントラント型燃焼室において、燃焼室の内壁面における燃料噴霧が衝突する部位から周方向にずらした位置に、ピストン頂面に達しない複数のくぼみを形成した燃焼室構造（特許文献２参照）が提案されている。
【０００４】
一方、燃料噴霧の混合性能を高める手段として、リエントラント型燃焼室内でスワールを発達させるとともに、燃料噴霧に伴って発生する空気の随伴流に強力な乱れを発生させるために、噴射燃料が直接当たらないフラットな上面を有する突出部を燃焼室の底部に形成し、更にこの突出部の上面外周のコーナーを凹状にえぐった燃焼室構造や（特許文献３参照）、混合促進手段として、リエントラント型燃焼室の内壁面における燃料噴霧に対向する位置に、圧縮上死点直後に空気を噴射させる開口部（スロート部）を有する空気閉じ込み用凹所を形成した燃焼室構造（特許文献４参照）なども提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開昭５６−２０２０号公報
【特許文献２】特開平１０−８２３２３号公報
【特許文献３】特許第３２２０１９２号公報
【特許文献４】特開平５−１４１２４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記した従来技術の燃焼室構造では、それぞれ凹陥部、くぼみ、凹状のえぐりおよび凹所をキャビティに形成し、いずれも空気の流れを乱すことで燃料噴霧と空気との混合性能を高めているが、燃焼室の熱損失については考慮されていない。つまり、上記燃焼室構造では、燃焼室を画定するピストン内壁面の表面積が大きくなるとともに、燃料噴霧が当該ピストン内壁面に沿って移動しながら燃焼することでピストン内壁面が直接火炎に曝されるため、その表面温度が高くなり、ピストンへの熱損失が大きく熱効率が悪い。
【０００７】
本発明は、このような従来技術に課せられた問題点を解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、燃料噴霧と空気との混合性能を低下させることなく、ピストンへの熱損失を低減して熱効率を向上できる内燃機関の燃焼室構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような課題を解決するために、第１の発明は、シリンダ（４）に摺動自在に内嵌するピストン（５）の頂面（５ａ）に、シリンダ軸（Ｘ）方向に直交する径が開口端（５ｆ）側へ向けて小さくなるキャビティ（５ｅ）を形成し、キャビティ（５ｅ）がシリンダヘッド（３）に面するリエントラント型の燃焼室（１０）を構成する内燃機関（Ｅ）の燃焼室構造であって、シリンダヘッド（３）には、燃焼室（１０）に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁（９）が設けられ、ピストン（５）における燃焼室（１０）を画定する内壁面（５ｂ，５ｃ，５ｄ）には、燃料噴射弁（９）からの燃料噴霧が直接当たらない位置にディンプル（１１）が形成されたことを特徴とする。
【０００９】
燃料噴霧が直接当たる位置にディンプルを形成すると、火炎は噴霧の勢いでディンプル内に進入するため、ピストン内壁面の表面積が大きくなることにより、かえって熱損失が大きくなる。そこで、この発明によれば、燃料噴霧が直接当たらない位置にディンプルを形成することにより、噴霧が直接当たらない部分では、火炎がディンプル内に進入せず、空気が断熱層としてディンプル内に留まるため、表面温度の上昇が抑制され、ピストンへの熱損失が低下して熱効率が向上する。
【００１０】
また、第２の発明は、第１の発明に係る内燃機関（Ｅ）の燃焼室構造において、燃料噴射弁（９）は、ピストン（５）が圧縮上死点にあるときにキャビティ（５ｅ）の開口端（５ｆ）近傍へ向けて燃料を噴射し、ディンプル（１１）は、シリンダ軸（Ｘ）方向に直交するキャビティ（５ｅ）の最大径部（５ｍ）よりも燃焼室（１０）の底面（円錐状壁面５ｄ）側に配置されたことを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、燃料噴射弁によって噴射された燃料噴霧は、その一部がキャビティの開口端近傍に衝突し、他の一部が混合気となってリエントラント型燃焼室の湾曲した内壁面に沿って移動しながら燃焼する。そして、ディンプルがピストン内壁面の最大径部よりも燃焼室底面側に配置されたことにより、流動する混合気がディンプル内に進入し難くなり、ディンプル内に確実に空気を留めて断熱層を形成することができ、ピストンへの熱損失を低減できる。
【００１２】
また、第３の発明は、第１または第２の発明に係る内燃機関（Ｅ）の燃焼室構造において、ディンプル（１１）は、半径（ｒ）に対する深さ（ａ）の比（ａ／ｒ）が０．８以下に設定されたことを特徴とする。
【００１３】
ディンプルの半径とディンプルの深さに応じ、発揮される熱損失の低減効果は変化する。この発明によれば、ディンプルの半径に対する深さの比を０．８以下に設定することにより、ディンプルを形成しない場合に比べて熱損失を低減することができる。
【００１４】
また、第４の発明は、第３の発明に係る内燃機関（Ｅ）の燃焼室構造において、ディンプル（１１）は、半径（ｒ）に対する深さ（ａ）の比（ａ／ｒ）が０．３〜０．７の範囲に設定されたことを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、ディンプルの半径に対する深さの比を０．３〜０．７の範囲に設定することにより、より効率的に熱損失を低減することができる。
【００１６】
また、第５の発明は、第１〜第４の発明に係る内燃機関（Ｅ）の燃焼室構造において、ディンプル（１１）が燃焼混合気の流れに沿って複数形成されたことを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、燃焼室の熱損失の低減に有効な位置により多くのディンプルを形成することにより、燃焼混合気のエネルギーをより効率的に活用することができる。
【発明の効果】
【００１８】
このように、本発明によれば、燃料噴霧と空気との混合性能を低下させることなく、ピストンへの熱損失を低減して熱効率を向上できる内燃機関の燃焼室構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施形態に係る内燃機関の要部断面図である。
【図２】実施形態に係る燃焼室の拡大断面図である。
【図３】ディンプル形状に応じた各種特性の変化を示すグラフである。
【図４】図２中のIV−IV矢視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付の図面に示された一実施形態を参照して本発明に係るについて詳細に説明する。本実施形態では、本発明が直列４気筒のディーゼルエンジン（以下、単にエンジンＥと記す）に適用されており、図１は、ピストン５が上死点にあるときの状態を示している。また、説明にあたり、エンジンＥがシリンダ軸Ｘを鉛直にして配置された状態を基準にして上下の方向を定めるものとする。
【００２１】
図１に示すように、エンジンＥは、シリンダブロック１と、シリンダブロック１の上部にガスケット２を介して締結されたシリンダヘッド３と、シリンダブロック１の内部に形成されたシリンダ４に摺動自在に嵌合するピストン５とを備えており、ピストン５の往復運動によって、ピストン５に連結されたコネクティングロッド６を介して図示外のクランクシャフトが回転駆動される。シリンダヘッド３には２本の吸気バルブ７および２本の排気バルブ８が設けられており、これら吸排気バルブ７，８は、シリンダヘッド３の上方に設けられてクランクシャフトに連結された図示外のカムシャフトおよびロッカアームを介して開閉駆動される。ピストン５の頂面５ａの中央部には、シリンダ軸Ｘを中心にしたリエントラント型のキャビティ５ｅが凹設されて燃焼室１０を構成しており、燃焼室１０の上面を画成するシリンダヘッド３のシリンダ軸Ｘ上には、噴射口が燃焼室１０の中心に臨むように燃料噴射弁９が配置されている。
【００２２】
図示は省略するが、エンジンＥの燃料タンク内には低圧ポンプ設けられており、低圧ポンプから圧送された燃料が高圧ポンプに供給され、さらに、高圧ポンプから圧送された燃料がコモンレールに供給される。コモンレールで蓄圧された高圧の燃料は燃料噴射弁９に供給され、エンジンＥＣＵによって燃料噴射弁９が開弁駆動されることにより、所定量の高圧の燃料噴霧が所定のタイミングで燃焼室１０に噴射される。
【００２３】
ピストン５は、圧縮上死点でその頂面５ａがシリンダブロック１の上面１ａとほぼ同一の位置となり、燃焼室１０を囲むように環状に形成されたピストン５の頂面５ａは、バルブリセスが形成されずに平坦面となっている。そして、圧縮上死点において、ピストン５の頂面５ａとシリンダヘッド３の下面３ａとの間に略ガスケット２の厚さに相当するスキッシュが形成される。
【００２４】
図２を併せて参照すると、ピストン５は、頂面５ａから面取り部５ｈを介してシリンダ軸Ｘ方向に延在する円筒状壁面５ｂと、円筒状壁面５ｂの下端から面取り部５ｉを介して連続し、円筒状壁面５ｂの径よりも大径の外径を有する円弧断面形状壁面５ｃと、円弧断面形状壁面５ｃの下端から連続し、シリンダヘッド３の下面３ａに向けて突出する円錐状壁面５ｄとを有している。これらピストン５の円筒状壁面５ｂ、円弧断面形状壁面５ｃおよび円錐状壁面５ｄによってキャビティ５ｅが画成され、このキャビティ５ｅがシリンダヘッド３の下面３ａに面する燃焼室１０を構成する。これにより、燃焼室１０は、シリンダ軸Ｘ方向に直行する径が円弧断面形状壁面５ｃにおいて開口端５ｆへ向けて小さくなるリエントラント型のキャビティ５ｅを含み、円筒状壁面５ｂがキャビティ５ｅの開口端５ｆにキャビティリップを形成する。なお、本実施形態では、円錐状壁面５ｄの頂点が面取りされて球面とされている。
【００２５】
ピストン５には、円弧断面形状壁面５ｃの下部、より詳細には、シリンダ軸Ｘ方向に直交するキャビティ５ｅの最大径部５ｍよりも円錐状壁面５ｄ側（燃焼室１０の底面側）の下半部に、半球状の複数のディンプル１１が凹設される。本実施形態では、ディンプル１１は、シリンダ軸Ｘ方向に等間隔に３列形成されている。図２の拡大図に示すように、各ディンプル１１は、仮想線で示す球体１２の外面の一部をなす半球状の凹面５ｇによって画成されており、その深さａと球体１２の半径（以下、ディンプル１１の半径ｒと称する）との比ａ／ｒが０．６程度に設定されている。
【００２６】
図２に示すように、燃料噴射弁９は、ピストン５が上死点にあるときに円筒状壁面５ｂの下半部に向けて燃料噴霧を噴射する。また、燃料噴射弁９は、ピストン５が上死点におるときに燃料を噴射する主噴射の他、圧縮工程の後期に燃料を噴射するパイロット噴射、および膨張工程や排気工程で燃料を噴射するポスト噴射を行う。そして、このような構成の燃焼室構造においては、主噴射で円筒状壁面５ｂに向かって噴射された燃料噴霧は、圧縮空気と混合して燃焼しながらその一部が円筒状壁面５ｂおよび円弧断面形状壁面５ｃの上部に衝突し、その大部分が流動によって円弧断面形状壁面５ｃ近傍を移動する。ここで、円弧断面形状壁面５ｃの下半部にディンプル１１が形成されたことにより、火炎はディンプル１１内に進入せず、空気がディンプル１１内に留まって断熱層として機能するため、円弧断面形状壁面５ｃの下半部における火炎からピストン５への熱伝達が阻止される。したがって、当該部分の温度上昇が抑制され、ピストン５への熱損失が低下して熱効率が上昇する。
【００２７】
逆に、燃料噴霧が直接当たる円筒状壁面５ｂおよび円弧断面形状壁面５ｃの上部にディンプル１１を設けると、噴霧の勢いで火炎がディンプル１１内に進入するため、燃焼室１０の内壁面の表面積が大きくなる分、かえって熱損失が大きくなる。したがって、燃料噴射弁９からの燃料噴霧が直接当たらない位置にディンプル１１を設けることが重要である。
【００２８】
次に、ディンプル１１の形状および配置について説明する。図３は、円弧断面形状壁面５ｃの下半部に周方向に１５度ピッチで２４個のディンプル１１を一列配置した燃焼室構造において、ディンプル１１の深さａと半径ｒとの比ａ／ｒを変化させたときの各種特性の変化を示したものであり、（Ａ）はディンプル１１を画成する凹面５ｇの表面積を示し、（Ｂ）はディンプル１１を画成する凹面５ｇの熱伝達率を示し、（Ｃ）はディンプル１１を画成する凹面５ｇによる熱損失を示している。（Ａ）に示すように、比ａ／ｒが大きいと、ディンプル１１を画成する凹面５ｇの表面積は大きくなり、（Ｂ）に示すように、比ａ／ｒが大きいと、ディンプル１１を画成する凹面５ｇの熱伝達率は低下する。そして、ディンプル１１を画成する凹面５ｇによる熱損失は、（Ｃ）に示すように、比ａ／ｒを０．３〜０．７の範囲にしたときに、大きく低減する。また、比ａ／ｒが０．８より大きいと、ディンプル１１を画成する凹面５ｇによる熱損失は逆に増大する。したがって、ディンプル１１による熱損失の低減効果は、比ａ／ｒを０．８以下に設定すると発揮され、比ａ／ｒを０．３〜０．７の範囲に設定すると効果的に発揮される。
【００２９】
また、図２中のIV−IV矢視を示す図４に参照すると、燃料噴射弁９は、ピストン５の周方向において等間隔に分割された６つの方向へ、且つ円筒状壁面５ｂへ向けて噴射口から燃料を噴射する。そして、燃焼室１０の内部には、図２中に矢印で示す燃料噴霧による流れの他、吸気弁から空気が吸入された際に、図中の時計回りに渦巻く白抜き矢印で示すスワール１３が発生している。したがって、燃料噴射弁９から噴射された燃料と圧縮空気とによる燃焼混合気は、燃焼室１０において径方向へ移動するだけでなく、周方向へも同時に移動し、円弧断面形状壁面５ｃの下半部に沿う移動の際には、図４中に黒塗り矢印で示すように燃焼室１０の中央に向かって斜め左方向へ移動する。そこで、本実施形態では、各列におけるディンプル１１を燃焼混合気の流れに沿うように配置する。このような配置とすることで、燃焼室１０の内壁面のうち、熱損失の低減を図るべき部位、すなわち燃焼混合気の火炎に曝される部位において、ディンプル１１によって火炎からの熱伝達が効率的に阻止されるとともに、熱損失低減の必要性が低い部位では、平滑な燃焼室１０の内壁面によって燃焼混合気のエネルギーを効率良く活用でき、スワール１３の形成にも影響が生じないようになる。また、列ごとにディンプル１１の位置をずらして千鳥状に配置することで、熱伝達がより効率的に阻止される。
【００３０】
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態では、ディンプル１１を円弧断面形状壁面５ｃに燃焼混合気の流れに沿って３列配置しているが、ディンプル１１を円錐状壁面５ｄにも設ける形態や、ディンプル１１をキャビティ５ｅの周方向に沿って配置する形態、ディンプル１１を１列や２列、或いは４列以上配置する形態、ディンプル１１を格子状に配置する形態等であってもよい。また、上記実施形態では、ディンプル１１の大きさについて言及していないが、ディンプル１１は、火炎からの熱伝達を低減できる限りにおいて如何なる大きさであってもよく、燃料圧力や吸気圧、スワール１３の流速等に応じて適宜設定すればよい。また、その形状も半球に限定されるものではない。この他、各部材や部位の具体的形状や配置など、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００３１】
３      シリンダヘッド
４      シリンダ
５      ピストン
５ａ    頂面
５ｂ    円筒状壁面
５ｃ    円弧断面形状壁面
５ｄ    円錐状壁面
５ｅ    キャビティ
５ｆ    開口端
５ｇ    凹面
５ｍ    最大径部
９      燃料噴射弁
１０    燃焼室
１１    ディンプル
Ｅ      エンジン
Ｘ      シリンダ軸線
【図１】
2011094496.tif 000003
【図２】
2011094496.tif 000004
【図３】
2011094496.tif 000005
【図４】
2011094496.tif 000006