(57)【要約】【課題】ディーゼルエンジンの燃焼室に関し、簡素な構成で筒内における燃料の流量及び流通方向を制御して、燃料の燃焼効率を向上させるとともにスモークを低減させる。【解決手段】燃料噴射ノズル５から噴射される燃料の分散方向をキャビティ２の上部方向と下部方向とへ分岐させるようにキャビティ２の内壁面３からキャビティ２の内側へ向けて突出形成された突起部３ａと、突起部３ａとピストン１の頂面１ａとを接続し該上部方向へ流通する燃料をピストン１の外周方向へと誘導する第１面部３ｂと、突起部３ａとキャビティ２の底面２ａとを接続し該下部方向へ流通する燃料をキャビティ２の内部方向へと誘導する第２面部３ｃとを備え、第１面部３ｂを、ピストン１の中心軸を通る縦断面において、突起部３ａ側ほど該中心軸に対する距離が短くかつ頂面１ａ側ほど該中心軸に対する距離が長い形状に形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンの頂面において該頂面よりも該ピストンの内部へ窪んだ形状にキャビティが形成され、該頂面に対向するシリンダヘッドに該キャビティの内壁面へ向けて燃料を噴射する燃料噴射ノズルを有する直接噴射式のディーゼルエンジンの燃焼室であって、
該燃料噴射ノズルから噴射される該燃料の該内壁面への衝突位置において該燃料の分散方向を該キャビティの上部方向と下部方向とへ分岐させるように、該キャビティの該内壁面から該キャビティの内側へ向けて突出形成された突起部と、
該突起部と該頂面とを接続して該内壁面における上部側面をなし、該突起部から該上部方向へ流通する燃料を該頂面に沿って該ピストンの外周方向へと誘導する第１面部と、
該突起部と該キャビティの底面とを接続して該内壁面における下部側面をなし、該突起部から該下部方向へ流通する燃料を該キャビティの底面に沿って該キャビティの内部方向へと誘導する第２面部とを備え、
該第１面部が、該ピストンの中心軸を通る縦断面において、該突起部側ほど該中心軸に対する距離が短くかつ該頂面側ほど該中心軸に対する距離が長い形状に形成されている
ことを特徴とする、ディーゼルエンジンの燃焼室。
【請求項２】
該突起部が、該内壁面の全周にわたって環状に形成されてなる
ことを特徴とする、請求項１記載のディーゼルエンジンの燃焼室。
【請求項３】
該突起部が、該ピストンの中心軸を通る縦断面において、三角形状に形成されてなる
ことを特徴とする、請求項１又は２記載のディーゼルエンジンの燃焼室。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直接噴射式のディーゼルエンジンの燃焼室に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、直接噴射式のディーゼルエンジンの燃焼室においては、ピストンの頂面にキャビティが形成され、シリンダヘッドに配置された燃料噴射ノズルからキャビティ内部へ燃料が直接噴射されている。すなわち、圧縮行程においてピストンが上死点付近に達したときに燃料噴射ノズルから燃料を噴射し、燃料をキャビティの内壁面へ衝突させてキャビティ全体に拡散させ、燃料を燃焼させている。このような燃焼室を備えたディーゼルエンジンでは、キャビティ内部における空気の流れを制御することによって燃料と空気とを均一に混合し、燃費の向上やスモークの低減を図る技術が開発されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、リエントラント型のキャビティを有するディーゼルエンジンにおいて、キャビティ壁面にくぼみを設けた構成が開示されている。つまり、くぼみの面形状に沿って燃料を流すことでキャビティの内部に対流を発生させ、キャビティ底部の空気の流れを促進することで燃料と空気との混合を促進している。これにより、燃料の過濃状態での急激な燃焼を抑制でき、黒煙（スモーク）を減少させることができるとされている。
【特許文献１】特開２００１−８２１５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、一般的なディーゼルエンジンの燃焼室では、キャビティ内における燃料の拡散性を向上させることによって燃焼性を高めている。つまり、スキッシュエリアと呼ばれる気筒の外周側への燃料の拡散を抑制して、主に気筒の内周側で燃料を燃焼させるようになっている。例えば、特許文献１に記載の技術では、キャビティの開口部分に環状突起部を設けることで燃料のキャビティ外部への流出を防止している。
【０００５】
一方、燃料の燃焼効率の点から見ると、スキッシュエリアの空気中に含まれる酸素を利用すれば、より酸化反応を促進することができ、十分な燃焼が期待できると考えられる。つまり、キャビティ内部だけでなくスキッシュエリアでも燃料を燃焼させることで、筒内全域での燃焼効性が高まり、スモークの発生を抑制することが可能になると推測される。
しかしながら、キャビティ内部からスキッシュエリアへの燃料の流出量が多すぎれば、スキッシュエリアでの燃焼も過剰となり、シリンダライナの温度が過度に上昇するおそれがある。また、スキッシュエリアでの燃焼に係る燃料量を正確に制御することを目的として適量の燃料を直接スキッシュエリアへ噴射する構成としても、シリンダライナの表面へ燃料が付着しやすくなり、燃料のエンジンオイルへの混入によって耐摩耗性の低下や焼き付きといった不具合を生じかねない。
【０００６】
このように、従来のディーゼルエンジンの燃焼室では、キャビティ内部へ向けて噴射された燃料のうちスキッシュエリア側へ拡散する燃料の量をコントロールすることが困難であった。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、簡素な構成で筒内における燃料の流量及び流通方向を制御して、燃料の燃焼効率を向上させるとともにスモークを低減させることができるようにした、ディーゼルエンジンの燃焼室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】
【０００７】
上記目的を達成するため、請求項１記載の本発明のディーゼルエンジンの燃焼室は、ピストンの頂面において該頂面よりも該ピストンの内部へ窪んだ形状にキャビティが形成され、該頂面に対向するシリンダヘッドに該キャビティの内壁面へ向けて燃料を噴射する燃料噴射ノズルを有する直接噴射式のディーゼルエンジンの燃焼室であって、該燃料噴射ノズルから噴射される該燃料の該内壁面への衝突位置において該燃料の分散方向を該キャビティの上部方向と下部方向とへ分岐させるように、該キャビティの該内壁面から該キャビティの内側へ向けて突出形成された突起部と、該突起部と該頂面とを接続して該内壁面における上部側面をなし、該突起部から該上部方向へ流通する燃料を該頂面に沿って該ピストンの外周方向へと誘導する第１面部と、該突起部と該キャビティの底面とを接続して該内壁面における下部側面をなし、該突起部から該下部方向へ流通する燃料を該キャビティの底面に沿って該キャビティの内部方向へと誘導する第２面部とを備え、該第１面部が、該ピストンの中心軸を通る縦断面において、該突起部側ほど該中心軸に対する距離が短くかつ該頂面側ほど該中心軸に対する距離が長い形状に形成されていることを特徴としている。
【０００８】
また、請求項２記載の本発明のディーゼルエンジンの燃焼室は、該突起部が、該内壁面の全周にわたって環状に形成されてなることを特徴としている。
また、請求項３記載の本発明のディーゼルエンジンの燃焼室は、該突起部が、該ピストンの中心軸を通る縦断面において、三角形状に形成されてなることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のディーゼルエンジンの燃焼室（請求項１）によれば、突起部よりも上部方向及び下部方向の二方向へ燃料を分散させることができ、燃焼室全体へ燃料を拡散することができる。つまり、キャビティ内部だけでなくスキッシュエリアにおいても空気と燃料とをむらなく混合させることができ、燃焼効率を向上させることができ、スモークの発生を抑制することができる。
【００１０】
また、本発明のディーゼルエンジンの燃焼室（請求項２）によれば、突起部の加工が容易となる。また、燃料の噴射方向に関わらずキャビティの内壁面の形状を同一のものとすることができる。
また、本発明のディーゼルエンジンの燃焼室（請求項３）によれば、三角形状の突起部における先端を境界として、上部方向及び下部方向へ分岐される燃料の割合を正確に設定することが可能となる。つまり、キャビティ内部での燃焼に係る燃料量と、スキッシュエリアでの燃焼に係る燃料量との割合を設定しておくことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面により、本発明の実施の形態について説明する。
図１〜図３は本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジンの燃焼室を説明するものであり、図１は本燃焼室の全体構成を示す縦断面図、図２は本燃焼室における燃料の分散方向及び流通方向を説明するための部分断面図（図１のＡ部）、図３（ａ）〜（ｅ）は本燃焼室における燃焼過程の酸素濃度の変動を示すコンター図である。なお、図４（ａ）〜（ｅ）は本発明に対する比較例としてのディーゼルエンジンの燃焼室における燃焼過程の酸素濃度の変動を示すコンター図である。
【００１２】
［基本構成］
図１に示すように、本ディーゼルエンジンは直接噴射式のディーゼルエンジンであり、ピストン１，シリンダヘッド４及びシリンダライナ７によって囲まれた筒内空間として本エンジンの燃焼室１０が形成されている。シリンダライナ７は略円筒形状の孔として形成されており、その上端部及び下端部がそれぞれシリンダヘッド４及びピストン１によって閉塞されている。
【００１３】
ピストン１は、略円筒形状の外形をなしており、シリンダライナ７の内周面に沿って図１中上下方向へ摺動自在に嵌合している。また、ピストン１の下部は、図示しないクランクシャフトに連結されている。これにより、ピストン１の往復直線運動がクランクシャフトの回転運動へと変換されて動力が伝達されるようになっている。また、ピストン１の頂面１ａには、ピストン１の内部へ窪んだ形状のキャビティ２が形成されている。なお、ピストン１の上面視において、キャビティ２は略円形となっている。
【００１４】
キャビティ２の上方には、筒内へ直接燃料を噴射する燃料噴射ノズル５が設けられている。この燃料噴射ノズル５は、図１に示すように、ピストン１の頂面１ａに対向するシリンダヘッド４の中央部にその先端を突出させた状態で固設されている。燃料は、この燃料噴射ノズル５からキャビティ２の内壁面３へ向けて噴射されるようになっている。
なお、ピストン１が上死点付近に位置する状態において、キャビティ２以外のピストン１の頂面１ａとシリンダヘッド４との隙間空間のことをスキッシュエリア６という。ピストン１が上死点へ近づいている（図１中における上昇）状態においては、スキッシュエリア６付近の空気が押し上げられてスキッシュエリア６側からキャビティ２側へ逃げようとする空気の流れが生じることが知られており、一般に、このような気流のことをスキッシュ流という。一方、ピストン１が上死点から離れている（図１中における下降）状態においては、スキッシュエリア６の容積拡大に伴う吸い込み効果によりキャビティ２側からスキッシュエリア６側への空気の流れが生じており、これを逆スキッシュ流という。
【００１５】
［キャビティの内部形状］
図１，図２に示すように、キャビティ２の断面形状は、その入口部分の直径が内部の最大直径よりも大きく形成された所謂オープン形状となっている。つまり、キャビティ２の開口付近において内壁面３がキャビティ２の外側へ向かって傾斜している。また、キャビティ２の底面２ａはその中央部が上方へ隆起するように形成されている。
【００１６】
内壁面３は、突起部３ａ，第１面部３ｂ及び第２面部３ｃの各部を備えて構成される。以下に詳述する内壁面３の形状は、断りのない限り、ピストン１の中心軸を通る縦断面における形状とする。
突起部３ａは、燃料噴射ノズル５から噴射された燃料が内壁面３と衝突する位置においてキャビティ２の内側へ向けて突出するように形成された部位である。この突起部３ａは略三角形状に形成されており、一つの頂点が内壁面３から燃料噴射ノズル５の方向へ向かって突出している。なお、突起部３ａは内壁面３の全周にわたって環状に形成されている。
【００１７】
第１面部３ｂは、キャビティ２の内壁面３における上部側面をなす面であり、突起部３ａの上部側と頂面１ａとを滑らかな曲線で接続している。また、第１面部３ｂは、突起部３ａ側ほど中心軸に対する距離が短くかつ頂面１ａ側ほど中心軸に対する距離が長い形状に形成されている。つまり、第１面部３ｂの形状が前述のオープン形状を形成している。
一方、第２面部３ｃは、内壁面３における下部側面をなす面であり、突起部３ａの下部側と底面２ａとを滑らかな曲線で接続している。図２に示すように、第２面部３ｃは、突起部３ａよりも下部側においてピストン１の径方向外側へ拡開して窪みを形成している。
【００１８】
換言すれば、キャビティ２の内壁面３は、所謂トロイダル型のキャビティの開口端部にアール加工を加えてオープン形状としたうえで突起部３ａを付加したような形状となっている。なお、燃料噴射時における突起部３ａの頂点の位置と燃料噴射ノズル５の噴孔位置とを結んで、図２中に破線Ｂで示す。突起部３ａは、破線Ｂに対して略線対称の形状となっている。また、燃料噴射ノズル５から噴射される燃料の噴射方向は、破線Ｂに対してやや下方へ設定されている。
【００１９】
［作用］
本発明の一実施形態にかかるディーゼルエンジンの燃焼室１０は上述のように構成されて、以下のように作用する。
まず、圧縮行程でピストン１が上死点近傍へ達したときに、燃料噴射ノズル５からキャビティ２の内壁面３へ向かって燃料が噴射される。この噴霧（霧状の燃料）を図２中に矢印Ｆで示すと、噴霧Ｆは破線Ｂよりもやや下方へ向けて直進し、内壁面３の突出部３ａに衝突する。このとき、突出部３ａが略三角形状に突出形成されているため、噴霧Ｆは突出部３ａの上部側へ流れる第１噴霧ＦAと下部側へ流れる第２噴霧ＦBとに分割される。
【００２０】
また、分割される第１噴霧ＦA及び第２噴霧ＦBの割合は、燃料噴射ノズル５から噴射される燃料の噴射方向と突出部３ａとの相対的な位置関係によって定まり、予め設定された値となる。なお、本実施形態では、燃料噴射ノズル５から噴射される燃料の噴射方向が破線Ｂに対してやや下方を向いているため、第１噴霧ＦAの量よりも第２噴霧ＦBの量が多くなる。
【００２１】
突起部３ａの上部側では、第１面部３ｂが突起部３ａと頂面１ａとを滑らかに接続しているため、第１噴霧ＦAが頂面１ａ側へ誘導される。加えて、第１面部３ｂの形状がキャビティ２の開口付近におけるオープン形状をなしているため、第１噴霧ＦAには第１面部３ｂによって誘導される方向と同一方向に流れようとする逆スキッシュ流も作用することになる。したがって、第１噴霧ＦAはキャビティ２側からスキッシュエリア６側へ吸い込まれ、スキッシュエリア６で拡散する。
【００２２】
一方、突起部３ａの下部側では、第２面部３ｃが突起部３ａと底面２ａとを滑らかに接続しているため、第２噴霧ＦBは底面２ａ側へ誘導され、図２中に符号ＦCで示すような対流を生じながらキャビティ２内部で拡散する。つまり、キャビティ２内部だけでなくスキッシュエリア６においても空気と燃料とがむらなく混合する。
【００２３】
［ＣＦＤ解析結果］
図３に、ＣＦＤ(Computational Fluid Dynamics)解析によって得られた結果を示す。ここでは、燃焼室１０における燃料の燃焼過程の酸素濃度の変動シミュレーションが示されており、色の濃い部分が酸素濃度の低い部分、すなわち燃料が燃焼している部分を示している。また、（ａ）はクランクアングルが２°ＡＴＤＣの状態、（ｂ）はクランクアングルが４°ＡＴＤＣの状態、（ｃ）はクランクアングルが６°ＡＴＤＣの状態、（ｄ）はクランクアングルが８°ＡＴＤＣの状態、（ｅ）はクランクアングルが１０°ＡＴＤＣの状態に対応している。なお、図４は、キャビティ２の内壁面３に突起部３ａがない場合の解析結果を示す比較例である。
【００２４】
まず、スキッシュエリア６近傍における酸素濃度に着目すると、本燃焼室１０に係る図３（ａ）〜（ｃ）において、突起部３ａの上部側へ誘導された燃料がシリンダヘッド４とピストン１の頂面１ａとの隙間に僅かに進入している。一方、比較例である図４（ａ）〜（ｃ）の場合には、燃料が大量にスキッシュエリア６へと進入しており、ピストン１とシリンダライナ７との隙間へも漏洩している。
【００２５】
また、本燃焼室１０に係る図３（ｄ），（ｅ）においては、スキッシュエリア６の酸素が適度に利用されて燃焼が発生している。一方、比較例である図４（ｄ），（ｅ）の場合には、ピストン１及びシリンダライナ７間における焼き付きが発生しかねないほど過剰な燃焼が生じている。
このように、突起部３ａを有する本燃焼室１０では、突起部３ａを持たない場合と比較すると、スキッシュエリア６側へ誘導される噴霧量が適切にコントロールされていることがわかる。
【００２６】
また、キャビティ２の内部の酸素濃度に着目すると、本燃焼室１０では図３（ｅ）に示すように、突起部３ａから底面２ａに沿ってキャビティ２の内部側へ誘導された燃料が大きく対流して広い範囲で燃焼している。一方、比較例である図４（ｅ）においては、本燃焼室１０と同様の対流が見られるものの、黒い部分の面積が狭く、燃焼範囲がやや狭い。
このように、突起部３ａを有する本燃焼室１０では、突起部３ａを持たない場合と比較して、キャビティ２側へ誘導される噴霧量も適切にコントロールされていることがわかる。
【００２７】
なお、前述の通り、突起部３ａから上部方向へ誘導される第１噴霧ＦAの量と下部方向へ誘導される第２噴霧ＦBの量との比率は、燃料噴射ノズル５から噴射される燃料の噴射方向と突出部３ａとの相対的な位置関係によって定められる。本解析では、この比率が２：８程度となるようにこれらの位置関係を設定した。
【００２８】
［効果］
上記の通り、本ディーゼルエンジンの燃焼室１０では、突起部３ａを設けたことにより、第１噴霧ＦAを第１面部３ｂに沿って上部方向へ誘導することができ、かつ、第２噴霧ＦBを第２面部３ｃに沿って下部方向へ誘導することができる。また、噴霧Ｆのキャビティ２側及びスキッシュエリア６側への分散の割合を規定しておくことができる。
【００２９】
つまり、燃料Ｆを二方向へ分散させることができ、燃焼室１０全体へ拡散させることができる。これにより、キャビティ２の内部だけでなくスキッシュエリア６においても燃焼効率を高めることができる。特に、スキッシュエリア６に存在する空気（酸素）を利用できるようになるため、従来のディーゼルエンジンよりもスモークの発生を抑制することができる。
【００３０】
また、第１噴霧ＦA及び第２噴霧ＦBへの分割の割合を正確に設定しておくことができるため、スキッシュエリア６側へ拡散する燃料の量も正確に制御することができる。つまり、スキッシュエリア６で燃料が過剰に燃焼することがなく、シリンダライナ７の温度が過度に上昇することもない。また、シリンダライナ７の表面へ燃料が付着しないため、燃料のエンジンオイルへの混入のおそれもない。
【００３１】
このように、本燃焼室１０によれば、単にスキッシュエリア６で燃料を燃焼させるのではなく、スキッシュエリア６での燃焼に係る燃料量を正確にコントロールすることによって、スキッシュエリア６で燃料を適度に燃焼させることができる。なお、キャビティ２の内部とスキッシュエリア６とでは一般的に燃焼条件（雰囲気温度やスワールの速度等）が異なるが、本発明に係る突起部３ａを設けることで各燃焼条件に最適な分量の燃料を設定しておくことができる。
【００３２】
また、突起部３ａが内壁面３の全周にわたって形成されるため、加工が容易であり、燃料噴射ノズル５における噴孔の配置や燃料の噴射方向に関わらず、キャビティ２の内壁面３の形状を同一のものとすることができる。なお、キャビティ２の内部にスワール流が生じているような場合であっても、突起部３ａを内壁面３の全周に形成することにより、確実に燃料の誘導方向を上下へ分割することができるという利点もある。
【００３３】
［その他］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
例えば、上述の実施形態における突起部３ａの形状は、ピストン１の中心軸を通る縦断面において略三角形状に形成されているが、正三角形状や二等辺三角形状、あるいは等脚台形状としてもよい。
【００３４】
また、上述の実施形態では、ピストン１の中心軸を通る縦断面において第１面部３ｂが曲線となっているが、突起部３ａの上部側と頂面１ａとを接続する形状であれば直線（直線を含む線）であってもよい。
また、上述の実施形態では、突起部３ａが内壁面３の全周にわたって形成されているが、少なくとも燃料噴射ノズル５から噴射される燃料を上部方向と下部方向とへ分岐させる長さがあればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジンの燃焼室の全体構成を示す縦断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジンの燃焼室における燃料の分散方向及び流通方向を説明するための部分断面図（図１のＡ部）である。
【図３】本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジンの燃焼室における燃焼過程の酸素濃度の変動を示すコンター図であり、（ａ）はクランクアングルが２°ＡＴＤＣの状態、（ｂ）はクランクアングルが４°ＡＴＤＣの状態、（ｃ）はクランクアングルが６°ＡＴＤＣの状態、（ｄ）はクランクアングルが８°ＡＴＤＣの状態、（ｅ）はクランクアングルが１０°ＡＴＤＣの状態である。
【図４】本発明に対する比較例としてのディーゼルエンジンの燃焼室における燃焼過程の酸素濃度の変動を示すコンター図であり、（ａ）はクランクアングルが２°ＡＴＤＣの状態、（ｂ）はクランクアングルが４°ＡＴＤＣの状態、（ｃ）はクランクアングルが６°ＡＴＤＣの状態、（ｄ）はクランクアングルが８°ＡＴＤＣの状態、（ｅ）はクランクアングルが１０°ＡＴＤＣの状態である。
【符号の説明】
【００３６】
１  ピストン
１ａ  頂面
２  キャビティ
２ａ  底面
３  内壁面
３ａ  突起部
３ｂ  第１面部
３ｃ  第２面部
４  シリンダヘッド
５  燃料噴射ノズル
６  スキッシュエリア
７  シリンダライナ
１０  ディーゼルエンジン
【図１】
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【図２】
2008151089.tif 000004
【図３】
2008151089.tif 000005
【図４】
2008151089.tif 000006