(57)【要約】【課題】  比較的簡単かつ低コストな構成でありながら、燃焼室内が低酸素濃度雰囲気であっても、燃料噴霧内に効果的に酸素を取り込むことができ、以って黒煙やＨＣの排出量の低減を図ることができる内燃機関を提供する。【解決手段】  本発明は、ピストン１２０の頂面と、シリンダヘッド１１０の下面と、シリンダライナ１４０の内壁と、により囲まれた燃焼室１５０を備えた内燃機関１００であって、シリンダヘッド１１０の下面から燃焼室１５０の略中央に臨んで燃料を噴射する燃料噴射ノズル１６１を備えると共に、前記燃焼室１５０の外周側に開口される外周側開口部２０１と、燃料噴射ノズル１６１側に開口される中央側開口部２０２と、シリンダヘッド１１０内部に設けられ、外周側開口部２０１と、中央側開口部２０２と、を連通する通路２０３と、を含んで構成される連通部２００を備えたことを特徴とする。【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頂面と、シリンダヘッド下面と、ピストンが摺動自在に収容されるシリンダの内壁と、により囲まれた燃焼室を備えた内燃機関であって、
シリンダヘッドに取り付けられ、シリンダヘッド下面から燃焼室の略中央に臨んで燃料を噴射する燃料噴射ノズルを備えると共に、
前記燃焼室の外周側のシリンダヘッド下面に開口される外周側開口部と、
前記燃焼室の燃料噴射ノズル側のシリンダヘッド下面に開口される中央側開口部と、
前記シリンダヘッド内部に設けられ、前記外周側開口部と、前記中央側開口部と、を連通する通路と、
を含んで構成される連通部を備えたことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記外周側開口部の開口面積が、前記中央側開口部の開口面積より大きいことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
隣接する連通部の中央側開口部が、燃焼室の周方向において連続するように構成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に関する。特に、燃料を燃焼室に直接噴射供給する内燃機関の燃焼室の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで、例えば、直接噴射式ディーゼルエンジン（燃料を直接燃焼室に噴射供給して燃焼させるディーゼルエンジン）においては、燃料噴霧の貫徹力（ペネトレーション）を上げるだけでなく、スワール（旋回流）やスキッシュ（縦方向流れ）といった空気流動を利用して、燃焼室内における燃料と空気の混合気の空間分布を制御して、空気利用率の改善延いては燃焼改善を図ってきた。
【０００３】
より詳細には、これまでのディーゼル燃焼機関におけるリエントラント型燃焼室（図８参照）においては、燃料噴射圧力を高圧化して燃料噴霧の微粒化や貫徹力を増加させると共に、スワールにより燃料噴霧への空気導入を促進し、スキッシュによって混合気を燃焼室外にも導いて空気利用率を向上していた。しかしながら、エンジン回転速度や負荷などの運転条件によっては気流の強さが変わるため、燃焼室壁面に衝突した噴霧が滞留し、ススの生成や熱損失の増大があった。
【０００４】
ここで、例えば、特許文献１には、図９に示すように、ピストン９の頂面に燃焼室の大半を成すように窪むキャビティ１０を備え、該キャビティ１０の内周面に気筒天井部の中心から燃料を放射状に噴射して自己着火せしめる直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造に関し、キャビティ１０の開口の外周部にピストン９の頂面に対し所要深さだけ窪んで段差を成す抉り部（えぐり部）２４を設け、該抉り部２４の底面の外周部が半径方向外側へ向かうにつれ緩やかな曲面を描くように上昇してピストン９の頂面に到り且つ前記抉り部２４の底面の内周部とキャビティ１０の底面から立ち上がる燃焼室壁面部１２とによりピストン９の頂面から一段下がった位置に入口リップ部１１が形成されるように構成した燃焼室（２段リップ構造）を有するピストンが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】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】
【０００６】
かかる特許文献１に記載される燃焼室を備えたピストンによれば、燃焼室内において燃料噴霧と空気とのミキシングが改善され、より良好な燃焼を行わせることができ、直噴型ディーゼルエンジンの排ガスの改善を図ることができる。
【０００７】
しかしながら、より一層のＮＯｘ排出量の低減の要請に伴って、燃焼温度を下げるためにＥＧＲ率をより一層高め、燃焼室内（筒内；シリンダ内）をより一層の低酸素濃度雰囲気に制御することが必要とされている。
【０００８】
このような低酸素濃度の雰囲気では、燃焼室に臨んで開口される燃料インジェクタ（燃料噴射弁）の噴孔から噴射された燃料噴霧内への酸素の取り込みが不足することで、燃焼が悪化し、黒煙（スス）やＨＣ（炭化水素）の排出量の増加が避けられないといった実情がある。
【０００９】
本発明は、かかる実情に鑑みなされたものであり、比較的簡単かつ低コストな構成でありながら、燃焼室内が低酸素濃度雰囲気であっても、燃料噴霧内に効果的に酸素を取り込むことができ、以って黒煙（スス）やＨＣ（炭化水素）の排出量の低減を図ることができる内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このため、本発明に係る内燃機関は、
内燃機関のピストン頂面と、シリンダヘッド下面と、ピストンが摺動自在に収容されるシリンダの内壁と、により囲まれた燃焼室を備えた内燃機関であって、
シリンダヘッドに取り付けられ、シリンダヘッド下面から燃焼室の略中央に臨んで燃料を噴射する燃料噴射ノズルを備えると共に、
前記燃焼室の外周側のシリンダヘッド下面に開口される外周側開口部と、
前記燃焼室の燃料噴射ノズル側のシリンダヘッド下面に開口される中央側開口部と、
前記シリンダヘッド内部に設けられ、前記外周側開口部と、前記中央側開口部と、を連通する通路と、
を含んで構成される連通部を備えたことを特徴とする。
【００１１】
本発明において、前記外周側開口部の開口面積が、前記中央側開口部の開口面積より大きいことを特徴とすることができる。
【００１２】
本発明において、隣接する連通部の中央側開口部が、燃焼室の周方向において連続するように構成されることを特徴とすることができる。
【００１３】
本発明において、前記連通部は、燃料噴射ノズルの外周と所定隙間を持って形成される燃料噴射ノズルと同心的な開口であることを特徴とすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、比較的簡単かつ低コストな構成でありながら、燃焼室内が低酸素濃度雰囲気であっても、燃料噴霧内に効果的に酸素を取り込むことができ、以って黒煙（スス）やＨＣ（炭化水素）の排出量の低減を図ることができる内燃機関を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施の形態に係る内燃機関の燃焼室付近を模式的に表現した断面図（クランク軸と略直交する平面で切断した断面図）である。
【図２】図１の燃焼室をシリンダヘッド下面側から見た図である。
【図３】同上実施の形態に係る内燃機関の燃焼室付近の他の一例を模式的に表現した断面図（クランク軸と略直交する平面で切断した断面図）である。
【図４】図３の燃焼室をシリンダヘッド下面側から見た図である。
【図５】図１或いは図３の内燃機関の燃焼室における外側開口部とピストン燃焼室との位置関係（最小半径位置）を説明するためにシリンダヘッド上方から当該内燃機関の燃焼室を見た図である。
【図６】図１或いは図３の内燃機関の燃焼室における外側開口部とピストン燃焼室との位置関係（最大半径位置）を説明するためにシリンダヘッド上方から当該内燃機関の燃焼室を見た図である。
【図７】図１の内燃機関の燃焼室における連通部２００の形成するための一例を説明する断面図（クランク軸と略直交する平面で切断した断面図）である。
【図８】従来の内燃機関の燃焼室（リエントラント型）の一例を示す断面図である。
【図９】従来の内燃機関の燃焼室（２段リップ構造）の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係る一実施の形態を、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。
【００１７】
本発明の一実施の形態に係る内燃機関１００は、図１に示すように、シリンダヘッド１１０の下面と、ピストン１２０の頂面（上面）と、シリンダブロック１３０に嵌挿されるシリンダライナ１４０の内周壁面と、により画成される燃焼室１５０に、その先端の燃料噴射ノズル１６１が臨むように、燃料インジェクタ１６０がシリンダヘッド１１０に取り付けられている。
【００１８】
この燃料インジェクタ１６０は、気筒（燃焼室）毎にシリンダヘッド１１０に設けられ、その先端の燃料噴射ノズル１６１が、ピストン１２０の往復運動に沿った方向から見たときに燃焼室１５０の略中心となるように配設される。
【００１９】
燃焼室１５０に臨む燃料噴射ノズル１６１の先端には、例えば６〜１０個の複数の噴孔が周方向に所定間隔で設けられていて、該複数の噴孔からピストン１２０の頂面に凹状に設けられたピストン燃焼室（キャビティ）１２１へ向けて、内燃機関１００の運転状態（回転速度や負荷等）に応じて設定された燃料噴射量にて、所定タイミングで燃料が噴射供給されるようになっている。
なお、符号１７０は吸気弁、符号１８０は排気弁である。
【００２０】
ここにおいて、一般的に、ディーゼルエンジンでは、ピストンが圧縮上死点に近づくに従い、燃焼室内に吸入された空気が高温・高圧となり、その雰囲気に高圧の燃料を噴射することで、自己着火によって燃焼が開始され、その後は燃料噴霧の持つ運動エネルギ等で燃料と空気の混合気を形成しながら拡散燃焼が行われる。
【００２１】
近年の研究では、燃料噴霧構造が次第に解明され、燃料噴霧は周囲空気と運動量交換によって燃料噴霧内に空気を取り込むこと、燃焼が開始されると空気の取り込みは主に燃料噴霧の最上流の火炎に覆われない部分（燃料噴射ノズルから噴射された比較的直後の部分）で起こること、燃料噴射の終了と共に燃料噴霧の運動量は急速に減少し、燃料と空気の混合が緩慢なまま高温の既燃ガスと干渉して、多くの黒煙（スス）やＨＣ（炭化水素）を生成することなどが解ってきた。
【００２２】
このような燃料噴射期間の後期に噴射され運動量が減少している状態で燃料噴射終了後に燃焼に供される燃料噴霧の空気との混合を促進することができれば、燃焼期間の後期における燃焼（後期燃焼）を活発化させることができるため、燃費改善と黒煙（スス）やＨＣ（炭化水素）の低減に貢献することが期待できる。
【００２３】
このようなことから、本実施の形態においては、図１に示したように、シリンダヘッド１１０の下面側に連通部２００を設ける構成を採用した。
【００２４】
この連通部２００は、シリンダヘッド１１０の下面にシリンダ（燃焼室）の外周側（付近）に臨んで開口される外周側開口部２０１と、燃料噴射ノズル１６１側（付近）に開口される中央側開口部２０２と、前記外周側開口部２０１と前記中央側開口部２０２とを連通する通路２０３と、を含んで構成されている。
【００２５】
なお、連通部２００（外周側開口部２０１、中央側開口部２０２、通路２０３）は、図２に示したように、吸気弁１７０、排気弁１８０、吸気ポート、排気ポートなどとの干渉を避けつつ燃焼室の周方向に複数レイアウトされることができる。
【００２６】
このような連通部２００を備えたシリンダ（燃焼室）によれば、燃料噴射ノズル１６１の噴孔から燃焼室内に噴射された燃料噴霧が着火し、シリンダ（燃焼室）の外周に向かって火炎が成長すると、ピストン１２０の上昇運動等と相俟って、シリンダ（燃焼室）の外周側に存在する未使用の空気（酸素）がシリンダヘッド１１０の下面に設けた前記外周側開口部２０１を介して通路２０３内に導かれるようになる。
【００２７】
これにより、前記外周側開口部２０１と反対側の前記中央側開口部２０２から、通路２０３内に蓄えられていた未使用の空気（酸素）を含む未使用の空気（酸素）が、シリンダ（燃焼室）へ噴出されることになる。
【００２８】
ここで、前記中央側開口部２０２は、燃料噴射ノズル１６１の噴孔近くに設けられているため、該中央側開口部２０２から噴出された未使用の空気（酸素）は、燃料噴霧の根元（基端）付近（燃料噴射期間の後期に噴射され運動量が減少している部分など）における空気導入が促進され、以って燃料後期を含めて全体として燃焼を活性化させることが可能となる。
【００２９】
燃料噴射ノズル１６１の噴孔から噴出した燃料噴霧と、この燃料噴霧の周囲気体と、の混合は、従来は、燃料噴霧が持つ運動エネルギと、ピストン燃焼室（キャビティ）１２１の形状やスワール、スキッシュなどによる空気流動と、に頼って行われてきたが、本実施の形態によれば、火炎との反応が困難（燃焼での利用が困難）であった燃焼室（シリンダ）外周側の未使用の空気（酸素）を、燃焼圧力と温度との作用により、連通部２００を介して移動させ、燃料噴射ノズル１６１の噴孔近くに噴出させることができるので、以って燃料噴霧内部への空気（酸素）の導入を従来以上に促進でき、燃焼温度を下げＮＯｘ排出量を低減するためにＥＧＲ率をより一層高め、燃焼室（シリンダ）内をより一層の低酸素濃度雰囲気に制御する場合であっても、燃焼を改善して黒煙（スス）やＨＣ（炭化水素）の排出量を抑制することができる。
【００３０】
なお、図３に示すように、外周側開口部２０１の開口面積（通路断面積）が、中央側開口部２０２の開口面積（通路断面積）より大きくなるように設定することができる。これにより、連通路２０３への空気の入口側である外周側開口部２０１と、出口側である中央側開口部２０２と、の圧力差を大きくすることができるため、一層効果的に、未使用の空気（酸素）を、燃料噴射ノズル１６１の噴孔近くのシリンダ（燃焼室）へ噴出させることができる。
【００３１】
ここで、中央側開口部２０２は、例えば、図４に示すように、燃焼室の周方向において連続させた構成とすることもできる。かかる場合においても、外周側開口部２０１の合計の開口面積（通路断面積）が、中央側開口部２０２の合計の開口面積（通路断面積）より大きくなるように設定することができる。
【００３２】
また、外周側開口部２０１は、図５に示すように、ピストン１２０の往復運動方向に沿った方向から見たときに、外周側開口部２０１の外周が、ピストン燃焼室１２１の入口径（リップ部内径）１２２と内側で接する内接位置に配設されることができる。
【００３３】
かかる位置は、燃焼室（シリンダ）外周側の未使用の空気を、ピストン燃焼室１２１の出口部（リップ部）による空気流動を効果的に利用して、外周側開口部２０１延いては通路２０３へと効果的に導くことができる最小半径位置（複数の外周側開口部２０１の中心を通るピッチ円の最小半径位置）である。
【００３４】
一方、外周側開口部２０１は、図６に示すように、ピストン１２０の往復運動方向に沿った方向から見たときに、外周側開口部２０１の外周が、ピストン燃焼室１２１の入口径（リップ部内径）と外側で接する外接位置に配設されることができる。
【００３５】
かかる位置は、燃焼室（シリンダ）外周側の未使用の空気を、ピストン燃焼室１２１の出口部（リップ部）による空気流動を効果的に利用して、外周側開口部２０１延いては通路２０３へと効果的に導くことができる最大半径位置（複数の外周側開口部２０１の中心を通るピッチ円の最大半径位置）である。
【００３６】
すなわち、本実施の形態に係る外周側開口部２０１は、前記ピッチ円の最小半径位置から最大半径位置の範囲内に配設されることが、燃焼室（シリンダ）外周側の未使用の空気を、ピストン燃焼室１２１の出口部（リップ部）による空気流動を効果的に利用して外周側開口部２０１延いては通路２０３へと効果的に導くことができる点で好ましい。
【００３７】
ところで、連通部２００（外周側開口部２０１、中央側開口部２０２、通路２０３）は、例えばシリンダヘッド１１１の鋳造の際に消失鋳型を用いることで形成することができる。
【００３８】
また、シリンダヘッド１１０を鋳造により成形した後、穴開け加工等の機械加工により形成することも可能である。このとき、シリンダヘッド横方向に伸びる通路２０３を穴開け加工した後、図７に示すような栓（プラグ）を利用することで通路２０３を形成することができる。
【００３９】
ところで、本実施の形態に係るピストン燃焼室１２１は、特許文献１に記載されているような２段リップ構造のものとすることができるが、これに限定されるものではなく、トロイダル型燃焼室、リエントラント型燃焼室、その他の形状とすることができるものである。
【００４０】
本実施の形態では、ディーゼルエンジンを例として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ガソリン、天然ガス、アルコール、バイオ燃料など軽油以外の燃料であっても、直接的に燃焼室に燃料を噴射供給する内燃機関であれば、本発明は適用可能であり、本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００４１】
本発明は、上述した発明の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得ることは可能である。
【符号の説明】
【００４２】
１００      内燃機関（エンジン）
１１０      シリンダヘッド
１２０      ピストン
１２１      ピストン燃焼室（キャビティ）
１５０      燃焼室
１６０      燃料インジェクタ
１６１      燃料噴射ノズル
２００      連通部
２０１      外側開口部
２０２      中央側開口部
２０３      通路
【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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