(57)【要約】【課題】スキッシュエリアの空気を利用した酸化促進を目的に、噴射される燃料の量及び流通方向を制御するためにキャビティ内に突起部（第一突起部）を設けたエンジンの燃焼室構造において、高速高負荷域でのスモーク性能の悪化を改善する。【解決手段】ピストン１の頂部に凹設され、ピストン１の上方に配置されたインジェクター３から燃料が噴射されるキャビティ２と、キャビティ２の壁面に、インジェクター３から噴射された燃料が衝突する部分に位置させて設けられ、キャビティ２の径方向内側に向かい突出する第一突起部５と、キャビティ２の壁面に、キャビティ２の開口部に位置させて設けられ、キャビティ２の径方向内側に向かい突出する第二突起部１０とを備え、第一突起部５の最小径をｄ１とし、第二突起部１０の最小径をｄ２とすると、ｄ２＞ｄ１という関係を満たす。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンの頂部に凹設され、該ピストンの上方に配置されたインジェクターから燃料が噴射されるキャビティと、該キャビティの壁面に、前記インジェクターから噴射された燃料が衝突する部分に位置させて設けられ、前記キャビティの径方向内側に向かい突出する第一突起部と、前記キャビティの壁面に、前記キャビティの開口部に位置させて設けられ、前記キャビティの径方向内側に向かい突出する第二突起部とを備え、前記第一突起部の最小径をｄ１とし、前記第二突起部の最小径をｄ２とすると、ｄ２＞ｄ１という関係を満たすことを特徴とするエンジンの燃焼室構造。
【請求項２】
前記第一突起部より下方の燃焼室壁面下部の最大径をｄ３とし、前記第一突起部より上方の燃焼室壁面上部の最大径をｄ４とすると、ｄ４＞ｄ３という関係を満たす請求項１に記載のエンジンの燃焼室構造。
【請求項３】
前記第一突起部及び前記第二突起部はそれぞれ、前記キャビティの全周に亘って環状に形成されている請求項１又は２に記載のエンジンの燃焼室構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストンの頂部に凹設されたキャビティにピストンの上方に配置されたインジェクターから燃料が噴射されるエンジンの燃焼室構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば図９に示すように、直接噴射式ディーゼルエンジンの燃焼室は、ピストン１０１の頂部に窪んだキャビティ１０２として凹設されており、シリンダーヘッドに配置されたインジェクター１０３によりピストン１０１の圧縮上死点付近で燃料が噴射され、主に当該燃焼室内（キャビティ１０２内）において燃焼がなされている。
【０００３】
一般的にはキャビティ１０２内における燃料の拡散性を向上させることにより燃焼性を高めている。近年では、特許文献１及び２のように、気筒外周部のスキッシュエリア１０４の空気を利用した酸化促進を目的に、噴射される燃料の量及び流通方向を制御するためにキャビティ１０２内に突起部１０５（図４参照）を設けるものが提案されている。キャビティ１０２の壁面に、燃料の噴霧が衝突する部分に位置させて突起部１０５が設けられ、この突起部１０５によってキャビティ１０２側とスキッシュエリア１０４側とに燃料を適量に分けることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１５１０８９号公報
【特許文献２】特開２００７−２１１６４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このようなキャビティ１０２側とスキッシュエリア１０４側とに燃料を適量に分けるというコンセプトにより、低速低負荷域及び中速中負荷域においては目論見通りに排出されるスモークの低減が得られる。しかしながら、高速高負荷域になると、ピストンスピードが速くなり、また燃料噴射量の増加により噴射時間も長くなるため、キャビティ１０２側とスキッシュエリア１０４側とへの燃料の分割を狙った突起部１０５によりスキッシュエリア１０４への燃料の流通がスムーズになりすぎて燃料の噴霧の分布がスキッシュエリア１０４側で過多となってしまう。そのために高速高負荷域ではスモーク性能の悪化を招くことがある。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、スキッシュエリアの空気を利用した酸化促進を目的に、噴射される燃料の量及び流通方向を制御するためにキャビティ内に突起部（第一突起部）を設けたエンジンの燃焼室構造において、高速高負荷域でのスモーク性能の悪化を改善することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するために、本発明は、ピストンの頂部に凹設され、該ピストンの上方に配置されたインジェクターから燃料が噴射されるキャビティと、該キャビティの壁面に、前記インジェクターから噴射された燃料が衝突する部分に位置させて設けられ、前記キャビティの径方向内側に向かい突出する第一突起部と、前記キャビティの壁面に、前記キャビティの開口部に位置させて設けられ、前記キャビティの径方向内側に向かい突出する第二突起部とを備え、前記第一突起部の最小径をｄ１とし、前記第二突起部の最小径をｄ２とすると、ｄ２＞ｄ１という関係を満たすものである。
【０００８】
前記第一突起部より下方の燃焼室壁面下部の最大径をｄ３とし、前記第一突起部より上方の燃焼室壁面上部の最大径をｄ４とすると、ｄ４＞ｄ３という関係を満たすものであっても良い。
【０００９】
前記第一突起部及び前記第二突起部はそれぞれ、前記キャビティの全周に亘って環状に形成されていても良い。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、スキッシュエリアの空気を利用した酸化促進を目的に、噴射される燃料の量及び流通方向を制御するためにキャビティ内に突起部（第一突起部）を設けたエンジンの燃焼室構造において、高速高負荷域でのスモーク性能の悪化を改善することができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係るエンジンの燃焼室構造を示す説明図である。
【図２】ピストンの要部拡大図である。
【図３】（ａ）及び（ｂ）は、第二突起部を示す説明図である。
【図４】突起部付燃焼室（比較例１）及びリエントラントタイプ燃焼室（比較例２）を示す説明図である。
【図５】低速低負荷域（＃１）、中速中負荷域（＃２）及び高速高負荷域（＃３）を示す説明図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、低速低負荷域（＃１）、中速中負荷域（＃２）及び高速高負荷域（＃３）におけるＮＯｘとＳｍｏｋｅとのトレードオフカーブを示す図である。
【図７】（ａ）〜（ｇ）は、本発明例における燃料拡散状態を示す図である。
【図８】（ａ）〜（ｇ）は、突起部付燃焼室（比較例１）における燃料拡散状態を示す図である。
【図９】従来のエンジンの燃焼室構造を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１３】
図１及び図２に示すように、本実施形態に係るエンジンの燃焼室構造Ａは、直接噴射式ディーゼルエンジンのピストン１の頂部に凹設され、燃焼室を区画する窪んだキャビティ２を備えている。キャビティ２には、ピストン１の上方に配置されたインジェクター３から燃料が噴射される。
【００１４】
また、本実施形態に係るエンジンの燃焼室構造Ａは、キャビティ２の底面に設けられた中央突起部１１と、キャビティ２の壁面に、インジェクター３から噴射された燃料の噴霧Ｆ（図２参照）が衝突する部分に位置させて設けられ、キャビティ２側とスキッシュエリア４側とへの燃料の分割を狙った燃焼室壁面下部（キャビティ壁面下部）６と燃焼室壁面上部（キャビティ壁面上部）７とからなる第一突起部５とを備えている。本実施形態の第一突起部５は、キャビティ２の中心側（径方向内側）に向かい突出するものであって、キャビティ２の全周に亘って環状に形成されている。
【００１５】
ここで、本発明者は、キャビティ２側とスキッシュエリア４側とに燃料を適量に分けるというコンセプトを守りつつ、高速高負荷域でのスモーク性能の悪化を改善すべく種々の燃焼室形状の検討を行った結果、図１及び図２に示されるように、燃焼室壁面上部７とピストン頂面８とを結ぶ口元部９（キャビティ２の開口部）がキャビティ２の径方向内側に向かい突出する第二突起部１０を有することが良いことを見出した。
【００１６】
すなわち、本実施形態に係るエンジンの燃焼室構造Ａは、キャビティ２の壁面に、燃焼室壁面上部７とピストン頂面８とを結ぶ口元部９（キャビティ２の開口部）に位置させて設けられた第二突起部１０を備えることを特徴とする。本実施形態の第二突起部１０は、キャビティ２の径方向内側に向かい突出するものであって、キャビティ２の全周に亘って環状に形成されている。
【００１７】
本実施形態では、ピストン頂面８のキャビティ２の径方向内側への延長線８ａと燃焼室壁面上部７とが成す角度Ｒが鈍角（９０°以上）である（図３（ａ）参照）。具体的には、第二突起部１０が、断面略三角形状に形成されている。なお、図３（ｂ）に示されるように、口元部９がピストン頂面８の先端部からの垂線８ｂよりキャビティ２の中心側（径方向内側）へ凸な形状を有していても良い。具体的には、第二突起部１０が、断面略半円形状に形成されていても良い。
【００１８】
本実施形態においては、第一突起部５の最小径（直径）ｄ１と第二突起部１０の最小径（直径）ｄ２との間には、ｄ２＞ｄ１という関係がある。つまり、本実施形態では、第二突起部１０の最小径ｄ２は、第一突起部５の最小径ｄ１よりも大きい。また、本実施形態では、第一突起部５の最小径ｄ１とピストン１の径（直径）Ｄとの間には、ｄ１／Ｄ≒０．６５〜０．７０という関係がある。つまり、本実施形態では、第一突起部５の最小径ｄ１は、ピストン１の径Ｄの約０．６５〜０．７０倍である。さらに、本実施形態では、第二突起部１０の最小径ｄ２とピストン１の径Ｄとの間には、ｄ２／Ｄ≒０．７５〜０．８２という関係がある。つまり、本実施形態では、第二突起部１０の最小径ｄ２は、ピストン１の径Ｄの約０．７５〜０．８２倍である。
【００１９】
また、本実施形態においては、一般的なリエントラントタイプ燃焼室（図４参照）とは異なり、第一突起部５より下方の燃焼室壁面下部６の最大径（直径）ｄ３と第一突起部５より上方の燃焼室壁面上部７の最大径（直径）ｄ４との間には、ｄ４＞ｄ３という関係がある。つまり、本実施形態では、燃焼室壁面上部７の最大径ｄ４は、燃焼室壁面下部６の最大径ｄ３よりも大きい。また、燃焼室壁面下部６の最大径ｄ３とピストン１の径Ｄとの間には、ｄ３／Ｄ≒０．６６〜０．７２という関係がある。つまり、本実施形態では、燃焼室壁面下部６の最大径ｄ３は、ピストン１の径Ｄの約０．６６〜０．７２倍である。さらに、本実施形態では、燃焼室壁面上部７の最大径ｄ４とピストン１の径Ｄとの間には、ｄ４／Ｄ≒０．７８〜０．８４という関係がある。つまり、本実施形態では、燃焼室壁面上部７の最大径ｄ４は、ピストン１の径Ｄの約０．７８〜０．８４倍である。
【００２０】
本実施形態の作用を説明する。
【００２１】
圧縮行程でピストン１が圧縮上死点付近に達したときに、インジェクター３によりキャビティ２の壁面（第一突起部５）へ向けて燃料が噴射される。図２に示されるように、第一突起部５に衝突した燃料の噴霧Ｆは、第一突起部５より下方の燃焼室壁面下部６側へと下方に流れる噴霧Ｆｌと、第一突起部５より上方の燃焼室上部７側へと上方に流れる噴霧Ｆｕとに分割される。
【００２２】
本実施形態に係る燃焼室（以下、本発明例ともいう）と、図４に示される突起部１０５を有する突起部付燃焼室（以下、比較例１ともいう）及び一般的なリエントラントタイプ燃焼室（以下、比較例２ともいう）との差異を確認するために、図５で示される＃１〜＃３の代表ポイント（＃１；低速低負荷域、＃２；中速中負荷域、＃３；高速高負荷域）で各燃焼室の排ガス性能（ＮＯｘ（窒素酸化物）とＳｍｏｋｅ（スモーク）とのトレードオフカーブ）を実験により求めた。その実験結果を比較すると、図６に示されるようになった。なお、図６中、左側の矢印Ｓ１〜Ｓ３は各ポイント＃１〜＃３でのスモークの同一絶対値レベルを示している。また、当該実験では、低速低負荷域＃１及び中速中負荷域＃２での噴射開始タイミングを６°ＢＴＤＣとし、高速高負荷域＃３での噴射開始タイミングを５°ＢＴＤＣとした。
【００２３】
比較例１と比較例２とを比較すると、図６に示されるように、低速低負荷域＃１（図６（ａ）参照）及び中速中負荷域＃２（図６（ｂ）参照）では、突起部付燃焼室（比較例１）において大幅なスモーク性能の改善ができているが、高速高負荷域＃３（図６（ｃ）参照）では、逆に突起部付燃焼室（比較例１）においてスモーク性能の悪化が大きいことが分かる。
【００２４】
他方、本発明例と比較例１とを比較すると、図６に示されるように、低速低負荷域＃１（図６（ａ）参照）では、本発明例において若干のスモーク性能の悪化がみられるもののその悪化幅は小さく、中速中負荷域＃２（図６（ｂ）参照）では、本発明例において比較例１と同等のスモーク性能の改善ができており、高速高負荷域＃３（図６（ｃ）参照）では、本発明例においてスモーク性能が大きく改善されていることが分かる。
【００２５】
この理由を明確にするために高速高負荷域＃３での燃料拡散状態のシミュレーションを本発明例及び比較例１について行った。このシミュレーション結果を図７及び図８に示す。
【００２６】
図７には本発明例におけるシミュレーション結果が示され、図８には比較例１におけるシミュレーション結果が示されており、図７及び図８において、色の濃い部分が燃料が濃い部分、すなわちスモーク生成が多い部分を示している。また、図７（ａ）及び図８（ａ）はクランクアングルが１１°ＡＴＤＣでの状態、図７（ｂ）及び図８（ｂ）はクランクアングルが２１°ＡＴＤＣでの状態、図７（ｃ）及び図８（ｃ）はクランクアングルが３２°ＡＴＤＣでの状態、図７（ｄ）及び図８（ｄ）はクランクアングルが３５°ＡＴＤＣでの状態、図７（ｅ）及び図８（ｅ）はクランクアングルが３８°ＡＴＤＣでの状態、図７（ｆ）及び図８（ｆ）はクランクアングルが４３°ＡＴＤＣでの状態、図７（ｇ）及び図８（ｇ）はクランクアングルが６１°ＡＴＤＣでの状態を示している。
【００２７】
まず、比較例１では、スキッシュエリア１０４への流れがスムーズであり、且つ高速高負荷域＃３ではピストンスピードは速く燃料の噴霧Ｆの多くがスキッシュエリア１０４へ向かう。その結果、燃料がスキッシュエリア１０４で過濃になりすぎてスモーク性能の悪化を招いていると考えられる（図８（ｆ）及び（ｇ）参照）。
【００２８】
他方、図７に示されるように、本発明例によれば、クランクアングル３５°ＡＴＤＣ以降で明確なようにキャビティ２の口元部９に設けた第二突起部１０により渦Ｓ（図７（ｄ）及び（ｅ）参照）が生成され、渦Ｓにより空気と燃料との混合が進みスモーク性能が改善されると思われる。また、本発明例によれば、渦Ｓにより酸化促進がなされることにより、クランクアングル６１°ＡＴＤＣで明確なように、スモーク生成が多い色の濃い部分が比較例１と比較して少なくなっていることが分かる（図７（ｇ）参照）。
【００２９】
以上要するに、本実施形態に係るエンジンの燃焼室構造Ａによれば、キャビティ２の口元部９に第二突起部１０を設け、且つ、第二突起部１０の最小径ｄ２を第一突起部５の最小径ｄ１より大きくしたことにより、スキッシュエリア４の空気を利用した酸化促進を目的に、噴射される燃料の量及び流通方向を制御するためにキャビティ２内に突起部（第一突起部５）を設けたエンジンの燃焼室構造Ａにおいて、突起部（第一突起部５）の特性のために高速高負荷域でスモーク性能の悪化を起こしていたものを改善し、全領域（低速低負荷域、中速中負荷域、高速高負荷域）において良好な排ガス性能を確保できるという効果を奏する。
【００３０】
因みに、前記特許文献１（特開２００８−１５１０８９号公報）に先行技術文献として開示されている特開２００１−８２１５０号公報には、段落００１０にて環状突起部〔６〕によりスキッシュエリア〔９〕への燃料の流出は抑制されると記載されているが、特開２００１−８２１５０号公報に係る特許出願の出願当時の噴射系と現在の噴射系とでは噴射圧力からして桁違いに高くなり、このような環状突起部〔６〕によりスキッシュエリア〔９〕への燃料の流出が抑制されることはないと思われる。
【００３１】
なお、特開２００１−８２１５０号公報に記載の燃焼室においては、前記実施形態の第一突起部５に対応する壁面突起部〔４〕の最小径をｄ１とし、前記実施形態の第二突起部１０に対応する環状突起部〔６〕の最小径をｄ２とすると、前記実施形態とは逆のｄ２＜ｄ１という関係がある。また、特開２００１−８２１５０号公報に記載の燃焼室においては、前記実施形態の燃焼室壁面下部６に対応する壁面突起部〔４〕より下方の壁面〔３〕の最小径をｄ３とし、前記実施形態の燃焼室壁面上部７に対応するくぼみ部〔５〕の最小径をｄ４とすると、前記実施形態とは逆のｄ４＜ｄ３という関係がある。
【符号の説明】
【００３２】
１  ピストン
２  キャビティ
３  インジェクター
４  スキッシュエリア
５  第一突起部
６  燃焼室壁面下部
７  燃焼室壁面上部
８  ピストン頂面
９  口元部
１０  第二突起部
１１  中央突起部
Ａ  燃焼室構造
【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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