(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料噴射弁の噴射口からピストンの頂部に形成された凹部に向けて、複数の方向に燃料噴霧が噴射されるディーゼルエンジンの燃焼室の構造であって、
前記噴射口は前記燃焼室の中央に配置されており、
前記噴射口からの噴射方向に向かって連続して前記噴射口からの距離を大きくする窪みを、前記凹部の外周部に一箇所のみ設け、
前記ピストンの前記凹部の壁面は、前記中央からの距離が等しい対称形状部と、前記対称形状部よりも前記中央からの距離が長い非対称形状部とによって構成され、
前記窪みは前記非対称形状部によって構成され、
前記非対称形状部の底面は、前記対称形状部の底面よりも浅くなっており、
前記複数の方向のうち、１つの方向は前記噴射口から前記非対称形状部に向かう方向であり、残りの方向は前記噴射口から前記対称形状部に向かう方向であり、
前記噴射口から前記非対称形状部に向かって噴射された燃料噴霧が、前記非対称形状部の底面よりも上方側の領域の部分にまで至るが、前記非対称形状部の底面及び前記非対称形状部の壁面には衝突しないように、構成されていることを特徴とするディーゼル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、ディーゼルエンジンの燃焼室構造に関し、詳しくは、ピストンの頂部に燃焼室の一部をなす凹部が形成されたディーゼルエンジンの燃焼室構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ディーゼルエンジンの燃焼室構造として、ピストンの頂部に燃焼室の一部をなす凹部が形成された燃焼室構造が知られている（例えば特許文献１参照）。この燃焼室構造において、燃料噴射弁は、ピストンが上死点位置になったときに、ピストンの凹部（これはキャビティと称される場合もある）に向けて噴射口から複数の方向に燃料噴霧を噴射する。
【０００３】
ところで、燃料噴霧の燃焼率（噴射された燃料噴霧に対する燃焼した燃料噴霧の割合をいい、例えば燃焼率が１００％とは、噴射された燃料噴霧の全量が燃焼したことを意味する）を向上させるためには、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧の燃焼時においてシリンダ内の空気を効率良く利用して燃料噴霧を効率的に燃焼させることが有効である。
【０００４】
これに関して、特許文献１の燃焼室構造では、ピストンの凹部の底を傾斜させ、燃料噴射位置を凹部中心から浅いほうに偏心させ、凹部の深い方に対向する噴射口からの燃料噴射量を多くすることで、噴射口から噴射される燃料の空気利用特性の均一化を図り、エミッション性能及びエンジン出力を高めることを図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２２１１６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に係る技術では、燃料噴射位置とピストン凹部の底の傾斜状態との関係が複雑であるので、燃焼室構造が複雑化するという問題がある。
【０００７】
また、燃料噴霧と空気の効率的な混合を図るためには、噴射口と凹部の壁面との距離を大きくすること、すなわち凹部の口径を拡大して、燃料噴霧と凹部の壁面との衝突を緩和または回避することも有効である。しかしながら、この点に関して、特許文献１の技術では、噴射された全ての燃料噴霧が凹部の壁面に衝突するので、燃料噴霧と空気の効率的な混合を図ることは困難である。
【０００８】
そこで、燃料噴霧と空気の効率的な混合を図るために、燃料噴射方向の凹部の壁面が全体的に噴射口から遠くなるように、凹部の外周部に連続して噴射口からの距離を大きくする窪みを複数箇所設けることが考えられる。
【０００９】
しかしながら、この場合、窪みを含めた凹部の容積（すなわち燃焼室の容積）を一定として圧縮比を一定とするために、凹部の口径を拡大した分、凹部の底面を浅くする必要が生じる。この結果、噴射された燃料噴霧が凹部の底面に衝突する可能性が高くなり、この場合、依然として燃料噴霧の内部に空気を効率的に導入して混合することが困難になってしまい、良好な燃焼率を得ることが困難となる。
【００１０】
本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、簡素な構成で燃料噴
霧の燃焼率を向上させることができるディーゼルエンジンの燃焼室構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するための本発明のディーゼルエンジンの燃焼室構造は、燃料噴射弁の噴射口からピストンの頂部に形成された凹部に向けて、複数の方向に燃料噴霧が噴射されるディーゼルエンジンの燃焼室の構造であって、前記噴射口は前記燃焼室の中央に配置されており、前記噴射口からの噴射方向に向かって連続して前記噴射口からの距離を大きくする窪みを、前記凹部の外周部に一箇所のみ設け、前記ピストンの前記凹部の壁面は、前記中央からの距離が等しい対称形状部と、前記対称形状部よりも前記中央からの距離が長い非対称形状部とによって構成され、前記窪みは前記非対称形状部によって構成され、
前記非対称形状部の底面は、前記対称形状部の底面よりも浅くなっており、前記複数の方向のうち、１つの方向は前記噴射口から前記非対称形状部に向かう方向であり、残りの方向は前記噴射口から前記対称形状部に向かう方向であり、前記噴射口から前記非対称形状部に向かって噴射された燃料噴霧が、前記非対称形状部の底面よりも上方側の領域の部分にまで至るが、前記非対称形状部の底面及び前記非対称形状部の壁面には衝突しないように、構成されていることを特徴とする。 
【００１２】
本発明によれば、燃料噴射弁の噴射口からピストンの凹部（キャビティ）に向けて複数の方向に燃料噴霧が噴射されるので、燃焼室内に燃料噴霧を広く分散させることができる。また、窪みが一箇所のみに設けられているので、各噴射方向の全部または複数箇所に窪みが形成される場合に比べて、窪みが有する容積が小さくて済み、圧縮比を所定の値に保つときに、凹部を浅くする度合いが小さくて済み、噴射された燃料噴霧が凹部の底面に衝突する可能性を低くすることができる。
【００１３】
また窪みにおいては、噴射口から凹部の壁面まで距離が長いので、噴射された燃料噴霧が壁面と衝突するのを緩和または回避しつつ、燃料噴霧の内部に空気を効率的に導入して混合することができるので、燃焼率を高くし、より大きな発熱が得ることができる。この結果、この窪みにおける温度が上昇することにより、窪みのない部分の燃料噴霧の燃焼を促進することもでき、燃料噴霧の燃焼を全体的に改善することもできる。この結果、全体的に燃料噴霧の燃焼率を向上させることができ、シリンダ内の平均圧力及び平均温度を上昇させることができる。また、この発明によれば、凹部に上記窪みを一箇所のみ設けるという簡素な構成で燃料噴霧の燃焼率を向上させることができる。
【００１５】
また、本発明によれば、ピストンの凹部の壁面に、対称形状部と、窪みに相当する非対称形状と、を形成するという簡素な構成で、燃料噴霧の燃焼率を向上させることができる。これにより、製造コストの低減を図りつつ燃料噴霧の燃焼率の向上を図ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、簡素な構成で燃料噴霧の燃焼率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】実施形態に係る燃焼室構造を有するディーゼルエンジンの構成を示す概略図である。
【図２】図２（ａ）は実施形態に係るピストンの頂部の斜視図である。図２（ｂ）はピストンの断面図である。図２（ｃ）は燃料噴霧が噴射された様子を示す斜視図である。
【図３】実施形態に係る燃焼室構造と比較例に係る燃焼室構造の燃焼率を数値流体力学による数値解析によってシミュレーションした結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態に係るディーゼルエンジン１の燃焼室構造１０について図面を参照しつつ説明する。図１は本実施形態に係る燃焼室構造１０を有するディーゼルエンジン１の構成を示す概略図である。図２（ａ）はピストン５の頂部の斜視図である。図２（
ｂ）はピストン５の断面図である。図２（ｃ）は燃料噴霧Ｆが噴射された様子を示す斜視図である。ディーゼルエンジン１は車両に搭載されている。車両の種類は特に限定されるものではないが、本実施形態においては一例としてバス、トラック等の大型車両を用いる。
【００１９】
図１に示すように、ディーゼルエンジン１は、気筒としてのシリンダ２が形成されたシリンダブロック３と、シリンダブロック３の上部に配置されたシリンダヘッド４と、シリンダ２に配置されたピストン５とを備えている。ピストン５の頂部には凹部（キャビティ）６が形成されている。ピストン５の頂部とシリンダヘッド４とシリンダブロック３との間に囲まれた領域に燃焼室７が形成されている。本実施形態に係る燃焼室構造１０は、この燃焼室７の構造であり、具体的には、ピストン５の頂部に燃焼室７の一部をなす凹部６が形成されたディーゼルエンジン１の燃焼室構造である。
【００２０】
またディーゼルエンジン１は、燃料噴射弁８を備えている。燃料噴射弁８は、その先端が燃焼室７に露出するようにシリンダヘッド４に配置されている。燃料噴射弁８の先端には、複数の方向に燃料噴霧Ｆを噴射する噴射口９が形成されている。噴射口９は複数の方向を向いた噴孔によって構成されている。また、本実施形態に係る噴射口９は、燃焼室７の頂部の中央に配置されている。具体的には噴射口９は、噴射口９の各々の噴孔が、燃焼室７の頂部の中央に等角度で分散するように配置されている。
【００２１】
より具体的には燃料噴射弁８は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有する電子制御装置（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ：ＥＣＵ）によって構成された制御装置（図示せず）によって制御されて、燃料噴霧Ｆをピストン５の凹部６に向けて、複数の方向に噴射する。この燃料噴霧Ｆが噴射される方向の具体的な数は特に限定されるものではないが、図２（ｃ）に例示するように、本実施形態に係る噴射口９は、燃焼室７の中央から凹部６に向けて、等間隔で７方向に燃料噴霧Ｆを噴射している。
【００２２】
なお、噴射口９が燃料噴霧Ｆを噴射する時期（噴射時期）は、特に限定されるものではないが、本実施形態においては一例として、ピストン５が上死点近傍になったときを用いる。
【００２３】
図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、ピストン５の凹部６は、一箇所のみ設けられた窪み１２と、窪みのない領域１１とを有している。具体的には、窪みのない領域１１は、噴射口９からの燃料噴霧Ｆの噴射時において、噴射口９からの距離が等しい領域となっており、一方、窪み１２は、窪みのない領域１１よりも噴射口９からの距離が長い領域となっている。
【００２４】
より具体的には、ピストン５の凹部６は底面１３の外周部から上方に起立する壁面１４を備えており、この壁面１４は、中央（すなわち燃料噴射弁８が配置されている部分）からの距離が等しい対称形状部１５と、対称形状部１５よりも中央からの距離が長い非対称形状部１６とを含んで構成されている。より詳しくは、凹部６の壁面１４は、上方側から視認した場合に（すなわち上面視で）、円形の部分と、円形の一部分に設けられた、外側に扇状部分が連続して接続している窪み１２と、を有している。凹部６の壁面１４のうち、この円形の部分が対称形状部１５に相当する。そして、前述した窪みのない領域１１はこの対称形状部１５によって構成され、窪み１２は非対称形状部１６によって構成されている。
【００２５】
すなわち、本実施形態に係る燃焼室構造１０は、噴射口９からの噴射方向に向かって連続して噴射口９からの距離を大きくする窪み１２を、凹部６の外周部に一箇所のみ設けている。また窪み１２は、非対称形状部１６によって構成されている。
【００２６】
図２（ｃ）に示すように、噴射口９から噴射される燃料噴霧Ｆの複数の方向のうち、１つの方向は噴射口９から窪み１２としての非対称形状部１６に向かう方向となっており、残りの方向は噴射口９から窪みのない領域１１としての対称形状部１５に向かう方向となっている。また本実施形態の場合、窪みのない領域１１に向かって６方向に噴射された燃料噴霧Ｆは窪みのない領域１１の壁面１４に衝突し、一箇所にのみ形成された窪み１２に向かって噴射された燃料噴霧Ｆは窪み１２の壁面１４に衝突しないように、凹部６の壁面１４の噴射口９からの距離は設定されている。
【００２７】
なお、図２（ｂ）に示すように、本実施形態においては、非対称形状部１６の底面１３は、対称形状部１５の底面１３よりも浅く形成されており（上方に位置しており）、その結果、非対称形状部１６の底面１３と対称形状部１５の底面１３との間に段差が生じている。
【００２８】
但し、燃焼室構造１０の構成はこれに限定されるものではなく、例えば燃焼室構造１０は、非対称形状部１６の底面１３と対称形状部１５の底面１３との高さが同じ構成とすることもできる。
【００２９】
しかしながら、非対称形状部１６の底面１３が対称形状部１５の底面１３よりも浅く形成されていることにより、非対称形状部１６を設けることに伴う凹部６全体の容積の拡大を効果的に抑制することができる。これにより、非対称形状部１６を設けることに伴う圧縮比の低下を効果的に抑制することができる点で好ましい。なお、本実施形態において、非対称形状部１６の底面１３の深さは、噴射口９から噴射された燃料噴霧Ｆが非対称形状部１６の底面１３に衝突しないように設定されている。
【００３０】
続いて燃焼室構造１０の作用効果について説明する。燃焼室構造１０によれば、燃料噴射弁８の噴射口９からピストン５の凹部６に向けて複数の方向に燃料噴霧Ｆが噴射されるので、燃焼室７内に燃料噴霧Ｆを広く分散させることができる。また、窪み１２が一箇所のみに設けられているので、各噴射方向の全部または複数箇所に窪み１２が形成される場合に比べて、窪み１２が有する容積が小さくて済み、圧縮比を所定の値に保つときに、凹部６を浅くする度合いが小さくて済み、噴射された燃料噴霧Ｆが凹部６の底面に衝突する可能性を低くすることができる。
【００３１】
また窪み１２では、噴射口９から凹部６の壁面まで距離が長いので、噴射された燃料噴霧Ｆが壁面１４と衝突するのを緩和または回避することができる。これにより、この窪み１２では、燃料噴霧Ｆが凹部６の壁面１４へ向かって移動している間に、燃料噴霧Ｆの内部に多くの空気を効率的に導入することができるので、燃料噴霧Ｆの燃焼が良好に行われ、燃焼率を高くし、大きな発熱を得ることができる。この結果、この窪み１２における温度が上昇することにより、窪み１２のない部分の燃料噴霧Ｆの燃焼を促進することもでき、燃料噴霧Ｆの燃焼を全体的に改善することもできる。この結果、全体的に燃料噴霧Ｆの燃焼率を向上させることができ、シリンダ２内の平均圧力及び平均温度を上昇させることができる。
【００３２】
また、本実施形態によれば凹部６に窪み１２を一箇所のみ設けるという簡素な構成で燃料噴霧Ｆの燃焼率を向上させることができる。
【００３３】
具体的には本実施形態によれば、ピストン５の凹部６の壁面１４に、窪みのない領域１１としての対称形状部１５と窪み１２としての非対称形状部１６とを形成するという簡素な構成で、燃料噴霧Ｆの燃焼率を向上させることができる。したがって、製造コストの低減を図りつつ燃料噴霧Ｆの燃焼率の向上を図ることができる。
【００３４】
（実施例）
図３は、本実施形態に係る燃焼室構造１０と比較例に係る燃焼室構造の燃焼率を、数値流体力学（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ  Ｆｌｕｉｄ  Ｄｙｎａｍｉｃｓ：ＣＦＤ）による数値解析によってシミュレーションした結果を示すグラフである。図３においてライン１００が本実施形態に係る燃焼室構造１０のシミュレーション結果であり、ライン２００が比較例に係る燃焼室構造のシミュレーション結果である。なお、比較例に係る燃焼室構造は、図２（ａ）及び図２（ｂ）で前述したような窪み１２を有しておらず、その結果、ピストンの凹部の壁面が窪みのない領域（対称形状部）のみで構成されている点において、本実施形態に係る燃焼室構造１０と異なっている。
【００３５】
図３から、燃焼室構造１０（ライン１００）の方が比較例に係る燃焼室構造（ライン２００）よりも全体的に燃焼率が向上していることが分かる。すなわち、このシミュレーション結果は、前述した本実施形態に係る燃焼室構造１０の作用効果を裏付けている。
【００３６】
以上本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１    ディーゼルエンジン
５    ピストン
６    凹部
７    燃焼室
８    燃料噴射弁
９    噴射口
１０  燃焼室構造
１１  窪みのない領域
１２  窪み
１３  底面
１４  壁面
１５  対称形状部
１６  非対称形状部
【図１】
0006597030.tif 000002
【図２】
0006597030.tif 000003
【図３】
0006597030.tif 000004