(57)【要約】【課題】低負荷域での冷却損失の低減と中・高負荷域でのスートの低減とを両立することが可能なディーゼルエンジンを提供する。【解決手段】燃料噴射弁の中心軸からキャビティのリップ部における最も径方向内側に突出した部分までを結んだ距離をリップ半径Ｒ（ｍｍ）、燃料噴射弁の噴孔の軸方向長さを噴孔長Ｌ（ｍｍ）、噴孔の直径を噴孔径Ｄ（ｍｍ）、シリンダの半径をボア半径Ｂ（ｍｍ）としたとき、これら各値を下式（１）の関係を満たすように設定する。  ［式１］９９．４Ｄ×（１−３Ｄ）×（Ｌ＋２．７）≦Ｒ≦ｍｉｎ｛２３７．１Ｄ×（１−３Ｄ）×（０．８Ｌ＋１），２Ｂ／３｝…（１）【選択図】図１２
2015232288.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内を往復運動するピストンと、ピストンの冠面と対向する側からシリンダの端面を覆うシリンダヘッドと、シリンダヘッドに取り付けられた燃料噴射弁とを備えたディーゼルエンジンであって、
上記燃料噴射弁は、燃料が内部に導入されるバルブボディを有し、このバルブボディのピストン側の端部である先端部に、バルブボディの内部の燃料をピストンに向けて噴射するための複数の噴孔が穿設され、
上記ピストンの冠面には、少なくともピストンが上死点にあるときに上記燃料噴射弁から噴射された燃料を受け入れ可能なようにシリンダヘッドとは反対側に凹んだ平面視円形のキャビティが形成され、
上記キャビティを形成する壁面は、キャビティの中心側ほど上記燃料噴射弁に近づくように隆起した中央隆起部と、中央隆起部よりもピストンの径方向外側に形成されかつ断面視で径方向外側に凹入する周辺凹部と、周辺凹部とピストンの冠面との間に形成されかつ断面視でピストンの径方向内側に凸となるリップ部とを有し、
上記燃料噴射弁の先端部の中心を通る中心軸から上記リップ部における最も径方向内側に突出した部分までを結んだ距離をリップ半径Ｒ（ｍｍ）、上記噴孔の軸方向長さを噴孔長Ｌ（ｍｍ）、上記噴孔の直径を噴孔径Ｄ（ｍｍ）、上記シリンダの半径をボア半径Ｂ（ｍｍ）としたとき、これら各値が下式（１）の関係を満たすように設定された、ことを特徴とするディーゼルエンジン。
［式１］
９９．４Ｄ×（１−３Ｄ）×（Ｌ＋２．７）
≦Ｒ≦ｍｉｎ｛２３７．１Ｄ×（１−３Ｄ）×（０．８Ｌ＋１），２Ｂ／３｝…（１）
【請求項２】
上記噴孔径Ｄが０．１±０．０１５ｍｍに設定され、かつ上記噴孔長Ｌが０．７ｍｍ以下に設定された、ことを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン。
【請求項３】
上記噴孔長Ｌが０．５ｍｍ以上に設定された、ことを特徴とする請求項２に記載のディーゼルエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリンダ内を往復運動するピストンと、ピストンの冠面と対向する側からシリンダの端面を覆うシリンダヘッドと、シリンダヘッドに取り付けられた燃料噴射弁とを備えたディーゼルエンジンであって、特に、ピストンの冠面にいわゆるリエントラント型のキャビティが形成されたディーゼルエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン、特に、乗用車等に用いられる比較的小型のディーゼルエンジンにおいては、ピストンの冠面にリエントラント型のキャビティ、つまり、中央部が隆起するとともに開口部が上窄まり状に絞られたキャビティが形成されることが多い（例えば下記特許文献１参照）。
【０００３】
リエントラント型のキャビティがピストンに設けられた特許文献１のようなディーゼルエンジンによれば、例えばエンジンの中負荷域または高負荷域で燃料噴射弁から比較的多量の燃料が噴射されたときに、キャビティの周縁部に到達した燃料の噴霧がキャビティの壁面に沿って反転する（中心側に向けて方向転換する）ような流れが起き、これによって燃料と空気とのミキシングが促進されるので、スート（煤）の発生量が低減することが期待される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１２１４８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のような中・高負荷域でのミキシングの促進効果をより高めるには、燃料噴射弁から噴射される燃料のペネトレーション（貫徹力）を強めることが有効である。噴霧のペネトレーションが強いと、燃料噴射弁から十分に離れた位置でも噴霧の速度が高速に保たれるので、燃焼室内でより広範囲に噴霧を行き渡らせることが可能だからである。なお、噴霧のペネトレーションに影響する要素の１つとして、燃料噴射弁の噴孔の軸方向長さ（噴孔長）がある。この噴孔長が長ければ、たとえ噴射量が同じでも噴霧のペネトレーションが強くなる。このため、上記のようにペネトレーションを強めようとする場合には、例えば噴孔長の長い燃料噴射弁を用いればよい。
【０００６】
しかしながら、中・高負荷域でのミキシング促進だけを考慮してむやみに噴霧のペネトレーションを強めると、低負荷域での冷却損失が増大し、エンジンの燃費性能に悪影響を及ぼすおそれがある。すなわち、燃料噴射量の少ない低負荷域では、そもそも、噴霧がキャビティの壁面に沿って中心側に反転するような流れはほとんど起きない。このため、噴霧中の燃料が燃焼しても、火炎（燃焼ガス）はキャビティの周縁部のあたりからあまり移動せず、燃焼熱の一部はキャビティの壁面に吸収される。このとき、噴霧のペネトレーションが不必要に強くされていると、火炎がキャビティの壁面の広い範囲に拡がり、キャビティの壁面から奪われる燃焼熱が増大する結果、冷却損失が増大するおそれがある。
【０００７】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、低負荷域での冷却損失の低減と中・高負荷域でのスートの低減とを両立することが可能なディーゼルエンジン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】
【０００８】
上記課題を解決するためのものとして、本発明は、シリンダ内を往復運動するピストンと、ピストンの冠面と対向する側からシリンダの端面を覆うシリンダヘッドと、シリンダヘッドに取り付けられた燃料噴射弁とを備えたディーゼルエンジンであって、上記燃料噴射弁は、燃料が内部に導入されるバルブボディを有し、このバルブボディのピストン側の端部である先端部に、バルブボディの内部の燃料をピストンに向けて噴射するための複数の噴孔が穿設され、上記ピストンの冠面には、少なくともピストンが上死点にあるときに上記燃料噴射弁から噴射された燃料を受け入れ可能なようにシリンダヘッドとは反対側に凹んだ平面視円形のキャビティが形成され、上記キャビティを形成する壁面は、キャビティの中心側ほど上記燃料噴射弁に近づくように隆起した中央隆起部と、中央隆起部よりもピストンの径方向外側に形成されかつ断面視で径方向外側に凹入する周辺凹部と、周辺凹部とピストンの冠面との間に形成されかつ断面視でピストンの径方向内側に凸となるリップ部とを有し、上記燃料噴射弁の先端部の中心を通る中心軸から上記リップ部における最も径方向内側に突出した部分までを結んだ距離をリップ半径Ｒ（ｍｍ）、上記噴孔の軸方向長さを噴孔長Ｌ（ｍｍ）、上記噴孔の直径を噴孔径Ｄ（ｍｍ）、上記シリンダの半径をボア半径Ｂ（ｍｍ）としたとき、これら各値が下式（１）の関係を満たすように設定された、ことを特徴とするものである。
【０００９】
［式１］
９９．４Ｄ×（１−３Ｄ）×（Ｌ＋２．７）
≦Ｒ≦ｍｉｎ｛２３７．１Ｄ×（１−３Ｄ）×（０．８Ｌ＋１），２Ｂ／３｝…（１）
【００１０】
なお、この式（１）において、ｍｉｎ｛２３７．１Ｄ×（１−３Ｄ）×（０．８Ｌ＋１），２Ｂ／３｝とは、「２３７．１Ｄ×（１−３Ｄ）×（０．８Ｌ＋１）」および「２Ｂ／３」のうち小さい方という意味である。
【００１１】
本発明によれば、キャビティのリップ半径Ｒが、噴孔長Ｌおよび噴孔径Ｄを用いた式「９９．４Ｄ×（１−３Ｄ）×（Ｌ＋２．７）」で規定される値以上に設定されるので、エンジンの低負荷域で少量の燃料を燃料噴射弁から噴射した場合に、噴霧がキャビティの壁面に到達したときの速度を十分に低く抑えることができる。これにより、噴霧中の燃料が空気と反応して燃焼したときに、その燃焼により生じる火炎（燃焼ガス）がキャビティの壁面と接触する面積を小さくでき、燃焼熱がキャビティの壁面に吸収されることで生じる損失、つまり冷却損失を効果的に低減することができる。
【００１２】
また、キャビティのリップ半径Ｒが、噴孔長Ｌ、噴孔径Ｄ、ボア半径Ｂを用いた式「ｍｉｎ｛２３７．１Ｄ×（１−３Ｄ）×（０．８Ｌ＋１），２Ｂ／３｝」により規定される値以下に設定されるので、エンジンの中・高負荷域で多量の燃料を燃料噴射弁から噴射した場合に、噴霧がキャビティの壁面に到達したときの速度を十分に高い値に維持することができ、キャビティの壁面に沿って噴霧を反転させる流れ（縦渦）を強めることができる。これにより、噴霧が高速を保ちながらキャビティの中心側へと流れていき、その過程で燃料のミキシングが促進されるので、空気が豊富な環境下で燃料を燃焼させることができ、スートの発生量を効果的に低減することができる。
【００１３】
本発明において、好ましくは、上記噴孔径Ｄが０．１±０．０１５ｍｍに設定され、かつ上記噴孔長Ｌが０．７ｍｍ以下に設定される（請求項２）。
【００１４】
このような噴孔径Ｄおよび噴孔長Ｌの条件は、排気量の比較的小さい（よってボア径の小さい）小型のディーゼルエンジンに好適である。
【００１５】
さらに、燃料噴射弁に噴孔を加工する場合の加工性やバルブボディの強度を考慮すると、上記噴孔長Ｌは０．５ｍｍ以上に設定されることが好ましい（請求項３）。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明のディーゼルエンジンによれば、低負荷域での冷却損失の低減と中・高負荷域でのスートの低減とを両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態にかかるディーゼルエンジンの全体構成を示す図である。
【図２】エンジン本体の一部を拡大して示す断面図である。
【図３】エンジンの制御系統を示すブロック図である。
【図４】燃料噴射弁の構造を示す図であり、（ａ）が断面図、（ｂ）が側面図である。
【図５】エンジンの運転状態に応じて異なるように設定された燃料の噴射形態の一例を示す図である。
【図６】ピストンの一部拡大断面図である。
【図７】ピストンの平面図である。
【図８】エンジンの低負荷域で燃料を噴射した場合に得られる噴霧および燃焼ガスの振る舞いを説明するための模式図であり、（ａ）は壁面到達時の噴霧先端速度を２０ｍ／ｓ以下に設定した場合を示し、（ｂ）は同速度を２０ｍ／ｓ超に設定した場合を示している。
【図９】エンジンの中負荷域で燃料を噴射した場合に得られる噴霧および燃焼ガスの振る舞いを説明するための模式図であり、（ａ）は壁面到達時の噴霧先端速度を５０ｍ／ｓ以上に設定した場合を示し、（ｂ）は同速度を５０ｍ／ｓ未満に設定した場合を示している。
【図１０】エンジンの低負荷域で壁面到達時の噴霧先端速度を２０ｍ／ｓ以下にするためのリップ半径の条件を噴孔長との関係で特定するために用いたグラフであり、（ａ）は噴霧先端到達距離と噴霧先端速度との関係を示し、（ｂ）は噴孔長とリップ半径との関係を示している。
【図１１】エンジンの中負荷域で壁面到達時の噴霧先端速度を５０ｍ／ｓ以上にするためのリップ半径の条件を噴孔長との関係で特定するために用いたグラフであり、（ａ）は噴霧先端到達距離と噴霧先端速度との関係を示し、（ｂ）は噴孔長とリップ半径との関係を示している。
【図１２】噴孔径０．１ｍｍ、ボア半径３８ｍｍのときに、冷却損失の低減とスートの低減とを両立できる噴孔長Ｌおよびリップ半径Ｒの条件を求めたグラフである。
【図１３】上記実施形態の変形例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（Ｉ）エンジンの全体構成
図１は、本発明の一実施形態にかかるディーゼルエンジンの全体構成を示す図である。本図に示されるディーゼルエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載される４サイクルのディーゼルエンジンである。具体的に、このディーゼルエンジンは、軽油を主成分とする燃料の供給を受けて駆動されるエンジン本体１と、エンジン本体１に燃焼用の空気を導入するための吸気通路３０と、エンジン本体１で生成された排気ガス（燃焼ガス）を排出するための排気通路４０と、排気通路４０を通過する排気ガスの一部を吸気通路３０に還流するためのＥＧＲ装置５０と、排気通路４０を通過する排気ガスにより駆動されるターボ過給機６０とを備えている。
【００１９】
図２は、エンジン本体１の一部を拡大して示す断面図である。この図２および先の図１に示すように、エンジン本体１は、上下方向に延びるシリンダ２が内部に形成されたシリンダブロック３と、シリンダ２に往復動（上下動）可能に収容されたピストン４と、ピストン４の冠面４ａと対向する側からシリンダ２の端面（上面）を覆うように設けられたシリンダヘッド５と、潤滑油を貯溜するためにシリンダブロック３の下側に配設されたオイルパン６とを有している。
【００２０】
ピストン４は、エンジン本体１の出力軸であるクランク軸７とコネクティングロッド８を介して連結されている。また、ピストン４の上方には燃焼室９が形成されており、この燃焼室９では、後述する燃料噴射弁２０から噴射された燃料が空気と混合されつつ拡散燃焼する。そして、当該燃焼に伴う膨張エネルギーにより、ピストン４が往復運動するとともにクランク軸７が中心軸回りに回転するようになっている。
【００２１】
ここで、エンジン本体１の幾何学的圧縮比、つまり、ピストン４が下死点にあるときの燃焼室容積とピストン４が上死点にあるときの燃焼室容積との比は、１２以上１５以下（例えば１４）に設定されている。この１２以上１５以下という幾何学的圧縮比は、ディーゼルエンジンとしてはかなり低い値である。これは、燃焼温度の抑制によるエミッション性能の向上や熱効率の向上を狙ってのことである。
【００２２】
シリンダヘッド５には、吸気通路３０から供給される空気を燃焼室９に導入するための吸気ポート１６と、燃焼室９で生成された排気ガスを排気通路４０に導出するための排気ポート１７と、吸気ポート１６の燃焼室９側の開口を開閉する吸気弁１８と、排気ポート１７の燃焼室９側の開口を開閉する排気弁１９とが設けられている。
【００２３】
ピストン４の冠面４ａには、その中心部を含む領域をシリンダヘッド５とは反対側（下方）に凹ませたキャビティ１０が形成されている。このキャビティ１０は、ピストン４が上死点まで上昇したときの燃焼室９の大部分を占める容積を有するように形成されている。
【００２４】
シリンダヘッド５には、燃焼室９に燃料を噴射する燃料噴射弁２０が取り付けられている。この燃料噴射弁２０は、そのピストン４側の端部（後述する先端部２１ａ）がキャビティ１０の中心部を臨むような姿勢で取り付けられている。
【００２５】
ＥＧＲ装置５０は、排気通路４０と吸気通路３０とを互いに連結するＥＧＲ通路５１と、ＥＧＲ通路５１に設けられたＥＧＲクーラ５２およびＥＧＲ弁５３とを有している。ＥＧＲ弁５３は、ＥＧＲ通路５１を通じて排気通路４０から吸気通路３０に還流される排気ガス、つまりＥＧＲガスの流量を調節するために開閉される弁であり、ＥＧＲクーラ５２はＥＧＲガスを冷却するための熱交換器である。ＥＧＲ弁５３は、例えばエンジンの負荷が比較的低い条件のときに大きく開弁されて、十分な量のＥＧＲガスをエンジン本体１に導入する。これにより、燃焼温度が抑制されてエミッション性能が向上する。
【００２６】
ターボ過給機６０は、吸気通路３０に配設されたコンプレッサ６１と、コンプレッサ６１と同軸に連結され、かつ排気通路４０に配設されたタービン６２と、タービンをバイパスするために排気通路４０に設けられたバイパス通路６４と、バイパス通路６４に開閉可能に設けられたウェストゲート弁６５とを有している。タービン６２は、排気通路４０を流れる排気ガスのエネルギーを受けて回転し、コンプレッサ６１は、タービン６２と連動して回転することにより、吸気通路３０を流通する空気を圧縮（過給）する。ウェストゲート弁６５は、ターボ過給機６０による過給圧が上限値を超えたときに開弁され、過給圧の過上昇を防止する。
【００２７】
吸気通路３０におけるコンプレッサ６１よりも下流側（吸入空気の流れ方向下流側）には、コンプレッサ６１により圧縮された空気を冷却するためのインタークーラ３５と、開閉可能なスロットル弁３６とが設けられている。なお、スロットル弁３６は、エンジンの運転中は基本的に全開もしくはこれに近い高開度に維持されており、エンジンの停止時等の必要時にのみ閉弁されて吸気通路３０を遮断する。
【００２８】
排気通路４０におけるタービン６２よりも下流側（排気ガスの流れ方向下流側）には、排気ガス中の有害成分を浄化するための排気浄化装置４１が設けられている。この排気浄化装置４１には、排気ガス中のＣＯおよびＨＣを酸化する酸化触媒４１ａと、排気ガス中のスート（煤）を捕集するＤＰＦ４１ｂとが含まれる。
【００２９】
（II）制御系統
図３は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。本図に示すように、当実施形態のディーゼルエンジンは、ＰＣＭ（パワートレイン・コントロール・モジュール）７０によって統括的に制御される。ＰＣＭ７０は、周知のとおり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるマイクロプロセッサである。
【００３０】
ＰＣＭ７０は、エンジンの運転状態を検出するための各種センサと電気的に接続されている。すなわち、エンジンおよび車両には、吸気通路３０を通じて吸入される空気の流量（吸入空気量）を検出するためのエアフローセンサＳＮ１と、クランク軸７の回転速度（エンジン回転速度）を検出するためのエンジン回転速度センサＳＮ２と、車両を運転するドライバーにより操作されるアクセルペダル（図示省略）の開度を検出するためのアクセル開度センサＳＮ３とを含む各種センサが設けられており、これら各種センサによって検出された情報が電気信号としてＰＣＭ７０に入力される。
【００３１】
また、ＰＣＭ７０は、上記各種センサからの入力信号に基づいて種々の判定や演算等を実行しつつ、エンジンの各部を制御する。すなわち、ＥＣＵ５０は、燃料噴射弁２０、スロットル弁３６、ＥＧＲ弁５３、ウェストゲート弁６５等の各部と電気的に接続されており、上記演算の結果等に基づいて、これらの機器にそれぞれ駆動用の制御信号を出力する。
【００３２】
（III）燃料噴射弁
図４（ａ）（ｂ）は、燃料噴射弁２０の構造を示す断面図および側面図である。本図に示すように、燃料噴射弁２０は、コモンレール等の図外の蓄圧室から燃料が導入される燃料流路２３が内部に形成された筒状のバルブボディ２１と、バルブボディ２１の燃料流路２３内に進退可能に配設されたニードル弁２５とを有している。バルブボディ２１は半球状の先端部２１ａを有しており、この先端部２１ａに対応する燃料流路２３の終端は半球状の副室２３ａとされている。さらに、副室２３ａの周囲のバルブボディ２１の内面には、ニードル弁２５の前進時にその先端部が着座されるシート部２４が形成されている。
【００３３】
バルブボディ２１の先端部２１ａには複数の噴孔２２が設けられている。各噴孔２２は先端部２１ａを貫通するように設けられ、バルブボディ２１の先端部２１ａの表面と副室２３ａとを連通している。なお、当実施形態では、合計１０個の噴孔２２が先端部２１ａに設けられており、各噴孔２２は周方向にほぼ等間隔に並ぶように配設されている。このような噴孔２２を通過することにより、燃料は平面視で放射状に噴射される（後述する図７参照）。
【００３４】
バルブボディ２１には、上述したＰＣＭ７０により通電制御される図外のソレノイドが設けられており、このソレノイドの吸引力によってニードル弁２５が進退駆動される。ニードル弁２５が前進駆動されてシート部２４に着座されると、副室２３ａへの燃料の導入が遮断されて、各噴孔２２からの燃料の噴射が停止される。一方、その状態からニードル弁２５が後退駆動されると（図４（ａ）はこの状態を図示）、副室２３ａに燃料が導入されて、各噴孔２２からの燃料の噴射が開始される。ＰＣＭ７０は、ニードル弁４３を後退駆動する時間を制御することにより、燃料の噴射量を調節する。
【００３５】
以上のような構成の燃料噴射弁２０は、シリンダ２と同軸に取り付けられている。すなわち、バルブボディ２１の先端部２１ａの中心を通って上下方向に延びる直線を燃料噴射弁２０の中心軸Ｓとすると、この中心軸Ｓが図２に示すシリンダ軸線Ｋ（シリンダ２の中心軸）と一致するような姿勢で燃料噴射弁２０が取り付けられている。
【００３６】
図５は、エンジンの運転状態に応じて異なるように設定された燃料の噴射形態の一例を示す図である。本図に示すように、当実施形態のディーゼルエンジンでは、例えばエンジンの負荷が極めて低い運転領域Ａ１において、３回のプレ噴射Ｑｐ１と１回のメイン噴射Ｑｍ１とに分けて燃料噴射弁２０から燃料が噴射される。メイン噴射Ｑｍ１では、圧縮上死点（圧縮行程終了時の上死点）付近で燃料噴射が開始され、その噴射量は１〜５ｍｍ3程度に設定される。プレ噴射Ｑｐ１では、メイン噴射Ｑｍ１よりも少ない量の燃料が圧縮上死点よりも前に噴射される。
【００３７】
一方、運転領域Ａ１よりも負荷が高く加速時に多用される中負荷の運転領域Ａ２では、２回のプレ噴射Ｑｐ２と、１回のメイン噴射Ｑｍ２と、さらに１回のアフター噴射Ｑａ２とに分けて燃料噴射弁２０から燃料が噴射される。メイン噴射Ｑｍ２では、圧縮上死点付近で燃料噴射が開始され、その噴射量は１０〜３０ｍｍ3程度に設定される。プレ噴射Ｑｐ２では、メイン噴射Ｑｍ２よりも少ない量の燃料が圧縮上死点よりも前に噴射される。アフター噴射Ｑａ２では、メイン噴射Ｑｍ２よりも少ない量の燃料が、メイン噴射Ｑｍ２が終了した後（膨張行程の途中）で噴射される。
【００３８】
なお、図示されていないＡ１，Ａ２以外の運転領域での燃料噴射の形態（噴射回数、噴射タイミング、噴射量）としては種々のパターンが採用され得るが、総じていえば、メイン噴射（圧縮上死点付近で開始される燃料噴射）の噴射量は負荷が高くなるほど増大される傾向にある。このため、例えば運転領域Ａ２よりもさらに高負荷側では、メイン噴射の噴射量が運転領域Ａ２でのそれ（１０〜３０ｍｍ3）よりもさらに増やされることになる。
【００３９】
以上のような各運転領域での燃料噴射の形態は、ＰＣＭ７０の制御によって実現される。すなわち、ＰＣＭ７０は、エアフローセンサＳＮ１、エンジン回転速度センサＳＮ２、アクセル開度センサＳＮ３からの信号によりエンジンの運転状態を逐次判断し、運転状態ごとに予め設定された目標の噴射形態に適合するように燃料噴射弁２０を制御する。
【００４０】
（IV）キャビティの形状
図６および図７は、キャビティ１０の具体的形状を示すためのピストン４の拡大断面図および平面図である。なお、図６では、上死点まで上昇したときのピストン４を示すとともに、図６および図７では、燃料噴射弁２０の噴孔２２から噴射された燃料の噴霧を符号Ｆとして示している。これらの図から理解されるように、キャビティ１０は、少なくともピストン４が上死点にあるときに燃料噴射弁２０から噴射された燃料（噴霧Ｆ）を受け入れ可能な形状および大きさに設定されている。
【００４１】
図６および図７に示すように、キャビティ１０は、いわゆるリエントラント型のキャビティとされている。すなわち、キャビティ１０を形成する壁面は、ほぼ山型の中央隆起部１１と、中央隆起部１１よりもピストン４の径方向外側に形成された平面視円形の周辺凹部１２と、周辺凹部１２とピストン４の冠面４ａとの間に形成された平面視円形のリップ部１３とを有している。
【００４２】
中央隆起部１１は、キャビティ１０の中心側ほど燃料噴射弁２０に近づくように隆起しており、その隆起の頂部が燃料噴射弁２０の先端部２１ａの直下方に位置するように形成されている。周辺凹部１２は、中央隆起部１１と連続し、断面視でピストン４の径方向外側に凹入する円弧状をなすように形成されている。リップ部１３は、周辺凹部１２と連続し、断面視でピストン４の径方向内側に凸となる円弧状をなすように形成されている。
【００４３】
上記のような構成のキャビティ１０は、全体として、ピストン４の冠面４ａに近づくほど開口面積が小さくなる上窄まり状の断面形状を有する。このようなリエントラント型のキャビティ１０は、特にエンジンの中負荷以上の運転領域において比較的多くの燃料が噴射されたときに、その燃料の噴霧Ｆを、主に周辺凹部１２および中央隆起部１１に沿って径方向外側から内側（キャビティ１０の中心側）に反転させる機能を発揮するので（例えば後述する図９参照）、燃料のミキシングを促進するのに有利である。
【００４４】
（Ｖ）寸法条件
図６に示すように、燃料噴射弁２０の中心軸Ｓからキャビティ１０のリップ部１３における最も径方向内側に突出した部分までを水平に（ピストン４の冠面４ａと平行に）結んだ距離をリップ半径Ｒ（ｍｍ）とする。また、図４（ａ）に示すように、燃料噴射弁２０の噴孔２２の軸方向長さを噴孔長Ｌ（ｍｍ）、噴孔２２の直径を噴孔径Ｄ（ｍｍ）とする。さらに、図２に示すように、シリンダ２の半径をボア半径Ｂ（ｍｍ）とする。当実施形態のディーゼルエンジンでは、これらリップ半径Ｒ、噴孔長Ｌ、噴孔径Ｄ、ボア半径Ｂが、下記の式（１）の関係を満たすように設定されている。
【００４５】
［式１］
９９．４Ｄ×（１−３Ｄ）×（Ｌ＋２．７）
≦Ｒ≦ｍｉｎ｛２３７．１Ｄ×（１−３Ｄ）×（０．８Ｌ＋１），２Ｂ／３｝…（１）
【００４６】
なお、この式（１）において、ｍｉｎ｛２３７．１Ｄ×（１−３Ｄ）×（０．８Ｌ＋１），２Ｂ／３｝とは、「２３７．１Ｄ×（１−３Ｄ）×（０．８Ｌ＋１）」および「２Ｂ／３」のうち小さい方という意味である。
【００４７】
本願発明者が行った研究によれば、上記式（１）の関係を満たすようにディーゼルエンジンを設計することにより、エンジンの低負荷域での冷却損失の低減と中・高負荷域でのスート（煤）の低減とを両立できることが分かった。以下、詳しく説明する。
【００４８】
本願発明者は、図５に示した運転領域Ａ１，Ａ２で行われるメイン噴射（Ｑｍ１、Ｑｍ２）を想定して、ピストン４が圧縮上死点にあるときに燃料噴射弁２０から種々の量の燃料を噴射する実験等を行い、その噴射によって燃料の噴霧がどのような振る舞いをするかを調べた。その結果、以下のような知見を得た。
【００４９】
運転領域Ａ１のような低負荷域では、燃料噴射弁２０からの燃料の噴射量が少ないため、噴射時に噴孔２２から飛び出した燃料の噴霧Ｆは、キャビティ１０の壁面（リップ部１３）に到達した時点でかなり減速している。このため、噴霧Ｆがキャビティ１０の壁面に沿って径方向内側に反転するような流れはほとんど起きず、噴霧Ｆの先端部は、キャビティ１０の壁面の近傍からあまり移動することなく空気と反応して燃焼する。このとき、火炎（燃焼ガス）とキャビティ１０との接触面積が大きいと、燃焼熱が当該壁面を通じて吸収されることで生じる損失、つまり冷却損失が増大する。そこで、エンジンの低負荷域では、火炎がキャビティ１０の壁面と接触する面積をできるだけ小さくすることが、冷却損失を低減させる上で重要であることが理解される。
【００５０】
本願発明者は、上記のような観点で種々の検討を行った結果、図８（ａ）に示すように、噴霧Ｆの先端部がキャビティ１０の壁面に到達する時点における当該先端部の速度が２０ｍ／ｓ以下であれば、その後の燃焼により生じる火炎（燃焼ガス）Ｇがキャビティ１０の壁面に接触する面積が比較的小さくなり、冷却損失が十分に低減されるという知見を得た。これに対し、図８（ｂ）に示すように、噴霧Ｆの先端部がキャビティ１０の壁面に到達する時点における当該先端部の速度が２０ｍ／ｓを超えると、火炎Ｇの壁面との接触面積が大きくなり、冷却損失が増大する。
【００５１】
さらに、本願発明者は、燃料の噴射圧力（燃圧）を１２０ＭＰａに設定し、かつ燃料の噴射量を３ｍｍ3に設定した上で、燃料噴射弁２０の噴孔長Ｌが異なるいくつかの条件で燃料を噴射する実験および数値計算を行い、そのときの噴霧Ｆの速度を調べて図１０（ａ）のような結果を得た。なお、この図１０（ａ）のグラフにおいて、横軸の「噴霧先端到達距離」とは、噴霧Ｆの先端部が燃料噴射弁２０の中心軸Ｓから径方向にどれだけ離れたかを表す離間距離のことであり、縦軸の「噴霧先端速度」とは、横軸の各位置まで噴霧Ｆの先端部が到達したときに当該先端部がもつ速度のことである。
【００５２】
図１０（ａ）によれば、噴孔長Ｌが長くても短くても、噴霧先端速度の波形としては、噴孔２２から少し離れた位置でピークを迎える同様の波形が得られる。すなわち、噴霧先端速度は、噴孔長Ｌにかかわらず、噴孔２２から離れるにつれて徐々に増大し、その後徐々に減少するという同様の傾向で変化する。ただし、同じ噴霧先端到達距離で比較すれば、噴霧先端速度は、噴孔長Ｌが長いほど高い値になる。これは、噴孔径Ｄが同じであれば噴孔長Ｌが長いほど噴霧Ｆのペネトレーション（貫徹力）が強くなるからである。
【００５３】
また、図１０（ａ）では、噴霧先端速度＝２０ｍ／ｓの線（等速度線）を一点鎖線で示している。この等速度線と各波形との交点は、噴霧Ｆの先端部の速度が２０ｍ／ｓまで低下したときに当該先端部が到達している地点の中心軸Ｓからの離間距離を表している。図１０（ａ）において破線で囲んだ部分から明らかなように、噴霧Ｆの先端部の速度が２０ｍ／ｓ以下になる離間距離は、燃料噴射弁２０の噴孔長Ｌが長いほど長く、噴孔長Ｌが短いほど短くなる。
【００５４】
図１０（ｂ）は、上記図１０（ａ）で得られたデータの傾向から導き出したキャビティ１０のリップ半径Ｒの条件を示したグラフである。当グラフに示される複数のプロット（黒丸）における横軸の値は、図１０（ａ）の各波形に対応する噴孔長Ｌに相当し、各プロットの縦軸の値は、各波形が２０ｍ／ｓの等速度線と交わる点の噴霧先端到達距離（つまり噴霧Ｆの先端部の速度が２０ｍ／ｓ以下になる離間距離）に相当する。これら各プロットの配置から明らかなように、噴霧先端速度２０ｍ／ｓを実現するための条件は、右上がりの直線Ｐ１に沿って分布している。
【００５５】
噴孔径Ｄが同じ０．１ｍｍという条件で得られたデータから、この直線Ｐ１を表す関数（一次関数）を調べたところ、当該関数は「Ｒ＝６．９６×（Ｌ＋２．７）」で表されることが分かった。さらに、噴孔径Ｄが０．１ｍｍとは異なる場合に得られたいくつかのデータおよび理論から、噴孔径Ｄを一般化した場合の直線Ｐ１の関数を調べたところ、下記の式（２）が得られた。
【００５６】
［式２］
Ｒ＝９９．４Ｄ×（１−３Ｄ）×（Ｌ＋２．７）…（２）
【００５７】
上記式（２）で表される直線Ｐ１上の値にリップ半径Ｒを設定することは、噴霧Ｆの先端部がキャビティ１０の壁面（リップ部１３）に到達した時点で、その先端部の速度が約２０ｍ／ｓになることを意味する。したがって、リップ半径Ｒが直線Ｐ１（式（２））の値以上に設定されていれば、エンジンの低負荷域において、噴霧Ｆの壁面到達時の速度が２０ｍ／ｓ以下に抑えられることになる。すなわち、リップ半径Ｒが直線Ｐ１（式（２））の値以上になるように、噴孔長Ｌが長いほどリップ半径Ｒを大きく設定することにより、低負荷域での冷却損失の低減に有利なキャビティ１０の形状をつくり出すことができる。
【００５８】
一方、運転領域Ａ２のような中負荷域、もしくはこれよりもさらに高負荷側の領域では、燃料噴射弁２０からの燃料の噴射量が多いため、噴射時に噴孔２２から飛び出した燃料の噴霧Ｆは、キャビティ１０の壁面（リップ部１３）に到達した時点でもかなりの高速に保たれている。このため、噴霧Ｆは、キャビティ１０の壁面に沿って径方向内側に反転し、高速を保ちながらキャビティ１０の中心側に向けて流れるとともに、その過程で空気と反応し、燃焼する。このとき、キャビティ１０の中心側に向かう噴霧Ｆの流れが弱いと、噴霧Ｆが十分に空気と混合されないので、燃料が過度にリッチになる過濃領域が生じ、スートの発生量が増大する。そこで、エンジンの中負荷域または高負荷域では、キャビティ１０の中心側に向かう噴霧の流れをできるだけ強めることが、スートの発生量を低減させる上で重要であることが理解される。
【００５９】
本願発明者は、上記のような観点で種々の検討を行った結果、図９（ａ）に示すように、噴霧Ｆの先端部がキャビティ１０の壁面に到達する時点における当該噴霧Ｆの先端部の速度が５０ｍ／ｓ以上であれば、その後に噴霧Ｆをキャビティ１０の壁面に沿って反転させる流れ（以下、これを縦渦Ｔという）が十分に強くなり、燃料が空気と十分に混合しながら燃焼する結果、スートの発生量が十分に低減されるという知見を得た。これに対し、図９（ｂ）に示すように、噴霧Ｆがキャビティ１０の壁面に到達する時点における当該先端部の速度が５０ｍ／ｓ未満になると、十分に強い縦渦Ｔが形成されないため、燃料の過濃領域Ｍが部分的に形成され、スートの発生量が増大する。
【００６０】
さらに、本願発明者は、燃料の噴射圧力（燃圧）を１２０ＭＰａに設定し、かつ燃料の噴射量を２０ｍｍ3に設定した上で、燃料噴射弁２０の噴孔長Ｌが異なるいくつかの条件で燃料を噴射する実験および数値計算を行い、そのときの噴霧Ｆの速度を調べて図１１（ａ）のグラフを得た。このグラフによれば、噴霧Ｆの先端部の速度が５０ｍ／ｓまで低下する離間距離（噴霧先端到達距離）は、燃料噴射弁２０の噴孔長Ｌが長いほど長く、噴孔長Ｌが短いほど短くなる。
【００６１】
また、上記図１１（ａ）のグラフで得られたデータを基にキャビティ１０のリップ半径Ｒの条件を検討し、図１１（ｂ）のグラフを得た。このグラフによれば、噴霧先端速度５０ｍ／ｓを実現するための条件は、右上がりの直線Ｐ２に沿って分布している。噴孔径Ｄが同じ０．１ｍｍという条件で得られたデータから、この直線Ｐ２を表す関数を調べたところ、当該関数は「Ｒ＝１６．６×（０．８Ｌ＋１）」で表されることが分かった。さらに、噴孔径Ｄが０．１ｍｍとは異なる場合に得られたいくつかのデータおよび理論から、噴孔径Ｄを一般化した場合の直線Ｐ１の関数を調べたところ、下記の式（３）が得られた。
【００６２】
［式３］
Ｒ＝２３７．１Ｄ×（１−３Ｄ）×（０．８Ｌ＋１）…（３）
【００６３】
上記式（３）で表される直線Ｐ２上の値にリップ半径Ｒを設定することは、噴霧Ｆの先端部がキャビティ１０の壁面（リップ部１３）に到達した時点で、その先端部の速度が約５０ｍ／ｓになることを意味する。したがって、リップ半径Ｒが直線Ｐ２（式（３））の値以下に設定されていれば、エンジンの中負荷以上の負荷域において、噴霧Ｆの壁面到達時の速度が５０ｍ／ｓ以上の高い値に維持されることになる。これにより、キャビティ１０内に十分な強さの縦渦Ｔが形成されて、燃料のミキシング促進およびスートの低減が期待される。
【００６４】
ここで、図１１（ｂ）によれば、直線Ｐ２（式（３））で示されるリップ半径Ｒの上限値は、噴孔長Ｌに比例して大きくなる。このため、噴孔長Ｌを長めに設定した場合には、これに伴ってリップ半径Ｒも拡大することが可能である。しかしながら、例えばシリンダ２のボア半径Ｂと無関係にむやみにリップ半径Ｒを大きくすると、所望の幾何学的圧縮比を確保するために必要な燃焼室９の容積の制約から、キャビティ１０の深さを十分に確保することができなくなってしまう。このことは、エンジンの中・高負荷域において、キャビティ１０内で形成される縦渦Ｔの成長をかえって阻害する（つまり燃料のミキシングを阻害する）ことにつながる。したがって、キャビティ１０のリップ半径Ｒは、ボア半径Ｂとの関係である範囲に収めることが望ましい。本願発明者は、検討の結果、リップ半径Ｒをボア半径Ｂの２／３以下に収めることが有効であるという知見を得た。
【００６５】
図１１（ｂ）では、リップ半径Ｒをボア半径Ｂの２／３に設定した場合の値（Ｒ＝２Ｂ／３）を直線Ｐ３として図示している。すなわち、キャビティ１０内に十分な強さの縦渦Ｔを形成してスートの低減を図るには、上述した直線Ｐ２だけでなく、当該直線Ｐ３をも考慮して、これら両直線Ｐ２，Ｐ３の下側の領域に含まれるようにリップ半径Ｒを設定する必要がある。なお、図１１（ｂ）に示すように、直線Ｐ３の位置は、ボア半径Ｂが変化すれば、これに伴って上下することになる。
【００６６】
以上のようにして得られた知見（図１０（ｂ）、図１１（ｂ）の各条件）を考慮して、当実施形態では、キャビティ１０のリップ半径Ｒが、先に述べた式（１）を満足するような値に設定されている。すなわち、リップ半径Ｒは、噴孔長Ｌ、噴孔径Ｄ、およびボア半径Ｂを用いて、「９９．４Ｄ×（１−３Ｄ）×（Ｌ＋２．７）」ｍｍ以上、かつ「ｍｉｎ｛２３７．１Ｄ×（１−３Ｄ）×（０．８Ｌ＋１），２Ｂ／３｝」ｍｍ以下の値に設定されている。
【００６７】
図１２は、燃料噴射弁２０の噴孔径Ｄが０．１ｍｍ、シリンダ２のボア半径Ｂが３８ｍｍであるときを例に、上述した図１０（ｂ）および図１１（ｂ）の条件に適合する噴孔長Ｌおよびリップ半径Ｒの範囲を示したグラフである。この図１２のグラフでは、図１０（ｂ）、図１１（ｂ）と同じく、エンジンの低負荷域で噴射された燃料噴霧Ｆの速度をキャビティ１０の壁面到達時に２０ｍ／ｓ以下にするための条件を直線Ｐ１で表し、エンジンの中・高負荷域で噴射された燃料噴霧Ｆの速度をキャビティ１０の壁面到達時に５０ｍ／ｓ以上にするための条件を直線Ｐ２で表し、リップ半径Ｒをボア半径Ｂの２／３以下（ここでは２５．３ｍｍ以下）に収めるための条件を直線Ｐ３で表している。グラフから明らかなように、これら３つの要求（低負荷域での噴霧速度２０ｍ／ｓ以下、中・高負荷域での噴霧速度５０ｍ／ｓ以上、ボア半径との関係によるリップ半径の制限）をともに満足できるのは、噴孔長Ｌおよびリップ半径Ｒが、直線Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３で囲まれた領域Ｘ、つまり直線Ｐ２，Ｐ３の下側に位置しかつ直線Ｐ１の上側に位置する領域Ｘに含まれるときである。
【００６８】
すなわち、図１２の例（Ｄ＝０．１、Ｂ＝３８）では、領域Ｘに含まれるように噴孔長Ｌとリップ半径Ｒとを設定することにより、エンジンの低負荷域での冷却損失の低減と、中・高負荷域でのスートの低減とを両立することができる。
【００６９】
さらに、図１２では、比較的小型のディーゼルエンジンにおいて望ましいと思われる噴孔長Ｌの条件を付け加え、領域Ｙとして示している。この領域Ｙは、領域Ｘから、Ｌ＜０．５の範囲とＬ＞０．７の範囲とを除外したもの、つまり、噴孔長Ｌを０．５≦Ｌ≦０．７の範囲に限定したものである。
【００７０】
図１２の例で前提とした３８ｍｍのボア半径Ｂは、例えば、総排気量１．５Ｌの４気筒エンジン（単筒排気量３７５ｃｃ）のような比較的小型のディーゼルエンジンに適用され得る。ただし、ボア半径Ｂは、排気量がさらに小さくなれば３８ｍｍ未満になり得るし、また、排気量が同じであっても、狙いのエンジンの特性によってはやはり３８ｍｍ未満になり得る。ボア半径Ｂが３８ｍｍ未満になると、ボア半径Ｂとの関係で定めたリップ半径Ｒの上限、つまり直線Ｐ３の位置が、グラフ上においてより下側に移動し、領域Ｘが下側に狭まることになる。しかしながら、噴孔長Ｌが０．７ｍｍ以下であれば、小排気量である等の理由で領域Ｘが下側に多少狭まったとしても、噴孔長Ｌおよびリップ半径Ｒを領域Ｘの範囲に含ませることができると考えられる。
【００７１】
一方、噴孔長Ｌが短くなるということは、噴孔２２が設けられるバルブボディ２１の先端部２１ａの肉厚がそれだけ薄くなることを意味する。このため、噴孔長Ｌをむやみに短くすると、噴孔２２を加工する際の加工性やバルブボディ２１の強度などの面で問題が生じるおそれがある。このような観点から、噴孔長Ｌは０．５ｍｍ以上に設定することが好ましい。
【００７２】
以上のように、噴孔径Ｄを０．１ｍｍとした場合において、燃料噴射弁２０を比較的小型のディーゼルエンジンに適用することを考慮し、さらに噴孔２２の加工性等を考慮した場合には、図１２の領域Ｙに示すように、噴孔長Ｌを０．５ｍｍ以上０．７ｍｍ以下に設定することが好ましい。もちろん、このことは、噴孔径Ｄが０．１ｍｍの場合に限られるわけでなく、０．１ｍｍに近い値であれば同じことが言える。例えば、噴孔径Ｄが０．１±０．０１５ｍｍであれば、噴孔長Ｌの好ましい範囲として同じく０．５ｍｍ以上０．７ｍｍ以下を採用することができる。
【００７３】
ここで、燃焼室９で発生したスートは最終的にはＤＰＦ４１ｂで捕集されるので、スートの低減効果はある程度のレベルで達成されれば十分であるといえる。これに対し、冷却損失の低減効果については、燃費性能の面から、高ければ高いほど好ましいといえる。このように、燃費性能をより重視したい場合、リップ半径Ｒ等は、上記領域Ｘ（あるいは領域Ｙ）の中でも直線Ｐ１からできるだけ離れた位置（言い換えると直線Ｐ２にできるだけ近い位置）に対応する値に設定することが好ましい。具体的に、図１２の例でいえば、リップ半径Ｒおよび噴孔長Ｌは、直線Ｐ２に近接する領域の中でもリップ半径Ｒが十分に大きい領域Ｚ（直線Ｐ２と直線Ｐ３の交点の近傍）に対応する値に設定することが好ましい。
【００７４】
なお、上記実施形態では、燃料噴射弁から１２０ＭＰａの燃圧で燃料を噴射する実験等を行い、それによって上記式（１）の条件を求めたが、噴霧のペネトレーションに大きく影響するのは噴射量なので、燃圧が多少異なっても得られる結果に大差はない。このため、上記式（１）の条件は、燃圧が１２０ＭＰａに設定されるディーゼルエンジンに限らず適用することができる。例えば、燃圧が５０〜２５０ＭＰａ程度のいずれかに設定されるディーゼルエンジンであれば、上記式（１）と同じ条件を用いてリップ半径Ｒ等を決定することができる。
【００７５】
また、上記実施形態では、図２等に示したように、キャビティ１０よりも径方向外側に位置する部分のピストン４の冠面４ａ（以下、この部分の冠面をスキッシュ部という）を全て平坦面によって構成したが、当該スキッシュ部に段差を設けてもよい。例えば、図１３に示すピストン４’のように、スキッシュ部８０の径方向内側部分８１を径方向外側部分８２よりも低くし、両者の間に段差部８３を設けることが考えられる。本願発明者は、このような段差部８３を設けることにより、圧縮上死点にあるピストン４’が下降に転じたときに、キャビティ１０のリップ部１３に沿ってキャビティ１０からスキッシュ部８０へと遡る逆スキッシュ流Ｖの形成が抑制されることを見出している。このような逆スキッシュ流Ｖの抑制効果は、特にエンジンの中・高負荷域において、キャビティ１０内で形成される縦渦Ｔ（図９（ａ）参照）の成長を促進することにつながる。したがって、上述した式（１）の条件を満足させることに加えて、図１３のような段差部８３を設けるという構成を採用すれば、燃料のミキシングを十分に促進でき、スートの発生をより効果的に抑制することが可能になる。
【符号の説明】
【００７６】
１  エンジン本体
２  シリンダ
４  ピストン
５  シリンダヘッド
１０  キャビティ
１１  中央隆起部
１２  周辺凹部
１３  リップ部
２０  燃料噴射弁
２１  バルブボディ
２１ａ  先端部
２２  噴孔
【図１】
2015232288.tif 000003
【図２】
2015232288.tif 000004
【図３】
2015232288.tif 000005
【図４】
2015232288.tif 000006
【図５】
2015232288.tif 000007
【図６】
2015232288.tif 000008
【図７】
2015232288.tif 000009
【図８】
2015232288.tif 000010
【図９】
2015232288.tif 000011
【図１０】
2015232288.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2015232288.tif 000014
【図１３】
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