(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の気筒に挿入されるピストンの頂部に凹部形状の部分が形成されていて、前記凹部形状の部分に対して燃料を噴射する燃料噴射装置を備えるとともに、この燃料噴射装置より噴射される燃料を圧縮自着火させることで、この燃料を燃焼して内燃機関の動力を発生させる内燃機関において、
予め設定された設計用の噴射タイミングで、前記燃料噴射装置の各噴射孔より噴射される燃料噴霧の中心が前記凹部形状の部分の壁面と衝突する地点である噴霧衝突点の周囲の前記壁面に、前記壁面に沿って燃料噴霧が拡散する方向に対して交差するように前記噴霧衝突点を連続的または不連続に囲う環状溝で構成される拡散軽減部を備え、前記環状溝は、凸部と凹部のいずれか又は両方の集合体で構成されることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記拡散軽減部は複数の前記環状溝で構成され、複数の前記環状溝は前記噴霧衝突点を中心とする同心円状である請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記予め設定された設計用の噴射タイミングで、前記燃料噴射装置の各噴射孔より噴射された燃料噴霧が前記壁面に沿って拡散する前記壁面上の領域である噴霧拡散領域が、隣接する噴射孔より噴射される燃料噴霧の噴霧拡散領域と重ならないように、前記拡散軽減部によって燃料噴霧の拡散を制限していることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記拡散軽減部の溝の幅を、０．５ｍｍ以上で、１．５ｍｍ以下として構成していると共に、前記拡散軽減部の溝の深さを、０．５ｍｍ以上で、１．５ｍｍ以下として構成していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の気筒内の燃焼室に燃料噴射装置を備えるとともに、この燃料噴射装置より噴射される燃料を圧縮自着火させることで、この燃料を燃焼して内燃機関の動力を発生させる内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン等の内燃機関では、気筒（シリンダ）内の燃焼室に燃料噴射装置を備えて、この燃料噴射装置の各噴射孔より噴射された燃料を燃焼室に吸引した新気（空気）とともにピストンにより圧縮して自己着火燃焼させることで、内燃機関に動力を発生させている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２００３９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この燃料噴射装置の各噴射孔より噴射される燃料が新気と混合して形成される燃料噴霧（噴霧火災）は、燃焼室の壁面と衝突した後、この壁面に沿って拡散していくが、この拡散時に燃料噴霧が壁面と接触することで、壁面経由で熱が外部に流れるため壁面に熱を奪われて（熱損失が発生して）、燃焼室内での燃焼状態が悪化するという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、内燃機関の気筒に挿入されるピストンの頂部に凹部形状の部分が形成されていて、前記凹部形状の部分に対して燃料を噴射する燃料噴射装置を備えるとともに、この燃料噴射装置より噴射される燃料を圧縮自着火させることで、この燃料を燃焼して内燃機関の動力を発生させる内燃機関において、予め設定された設計用の噴射タイミングで、前記燃料噴射装置の各噴射孔より噴射される燃料噴霧の中心が前記凹部形状の部分の壁面と衝突する地点である噴霧衝突点の周囲の前記壁面に、前記壁面に沿って燃料噴霧が拡散する方向に対して交差するように前記噴霧衝突点を連続的または不連続に囲う環状溝で構成される拡散軽減部を備え、前記環状溝は、凸部と凹部のいずれか又は両方の集合体で構成されることを特徴とする。
また、上記の内燃機関において、前記拡散軽減部は複数の前記環状溝で構成され、複数の前記環状溝は前記噴霧衝突点を中心とする同心円状である。
【０００６】
ここで、この噴霧衝突点は、ディーゼルエンジンの燃焼計算用のプログラム（例えば、ＣＯＮＶＥＲＧＥ（Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｔ  Ｓｃｉｅｎｃｅ社製））を用いて、多くの内燃機関の運転状態から、最も熱効率を改善したい運転状態などの特定の運転状態を選定して計算し、その運転状態における燃料の噴射タイミングを「予め設定された設計用の噴射タイミング」とし、この噴射タイミングで、燃料噴射装置の各噴射孔より噴射される燃料噴霧の中心が燃焼室の壁面と衝突する地点を燃焼室の壁面上に特定して、噴霧衝突点とする。この噴霧衝突点の数は、燃料噴射装置の噴射孔と同じ数となる。この噴霧衝突点が、燃料が自己着火燃焼して局所的に高温度となり、この火炎が触れている壁面が高温となって、大きな熱流束が発生して外部へ熱移動している領域の略中心になっていると考えられるからである。
【０００７】
なお、この噴霧衝突点は、燃料噴霧が初めて燃焼室の壁面と衝突するときの衝突地点だけでなく、燃焼室の壁面と衝突後の燃料噴霧が再度燃焼室の壁面と衝突するときの２回目の衝突地点があるときには、この２回目の衝突地点に対しても拡散軽減部を設けることが、より好ましい。
【０００８】
この構成によれば、燃料噴霧が燃焼室の壁面と衝突した後でこの壁面に沿って拡散しているときに、この燃料噴霧が壁面に沿って拡散する拡散軽減部でその拡散度合いを軽減して、燃料噴霧の拡散範囲を、言い換えれば、この拡散した燃料噴霧が圧縮着火して燃焼したときの火炎と壁面とが接触している領域を低減させることにより、高温になって熱移動が多くなる壁面の領域を狭めることで、熱移動を低減させることができるので、熱損失を低減でき、その結果、内燃機関の熱効率を向上させて燃費を向上させることができる。
【０００９】
また、上記の内燃機関において、前記予め設定された設計用の噴射タイミングで、前記燃料噴射装置の各噴射孔より噴射された燃料噴霧が前記壁面に沿って拡散する前記壁面上の領域である噴霧拡散領域が、隣接する噴射孔より噴射される燃料噴霧の噴霧拡散領域と重ならないように、前記拡散軽減部によって燃料噴霧の拡散を制限している構成であると、隣接する燃料噴霧の燃焼による火炎も重なり合わず、干渉しなくなるので、より燃料噴霧の燃焼状態を良くすることができる。また、隣接する燃料噴霧による噴霧拡散領域同士の相互干渉を考慮する必要がなくなるので、拡散軽減部の構成を容易に設定することができる。
【００１０】
また、燃焼室の壁面に溝を設けるという比較的簡単な加工で容易にこの拡散軽減部を有する燃焼室を備えたピストンを製造することができるようになる。
【００１１】
また、上記の内燃機関において、前記拡散軽減部の溝の幅を、０．５ｍｍ以上で、１．５ｍｍ以下として構成していると共に、前記拡散軽減部の溝の深さを、０．５ｍｍ以上で、１．５ｍｍ以下として構成していると、燃料噴霧が燃焼室の壁面と衝突してこの壁面に沿って拡散しているときに、この拡散している燃料噴霧が、各溝による抵抗を受けて拡散の度合いを適度に制限できる。仮に、溝が小さ過ぎると燃料噴霧がこの溝の抵抗を受けずに拡散してしまい、溝が大きすぎると燃料噴霧がこの溝に入り込んで拡散しなくなってしまうので、溝の大きさに適した範囲が存在することになる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の内燃機関によれば、燃料噴霧が燃焼室の壁面と衝突した後でこの壁面に沿って拡散しているときに、この燃料噴霧が壁面に沿って拡散する拡散軽減部でその拡散度合いを軽減して、燃料噴霧の拡散範囲を、言い換えれば、この拡散した燃料噴霧が圧縮着火して燃焼したときの火炎と壁面とが接触している領域を低減させることにより、高温になって熱移動が多くなる壁面の領域を狭めることで、熱移動を低減させることができるので、熱損失を低減でき、その結果、内燃機関の熱効率を向上させて燃費を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る実施の形態の内燃機関の燃焼室の構成を模式的に示す図である。
【図２】図１の内燃機関の燃焼室の構成をＸ断面図より見た図である。
【図３】燃料噴射装置の噴射孔と燃焼室の壁面に形成された拡散軽減部の関係を示す図である。
【図４】燃料噴霧が燃焼室の壁面に衝突後の経過時間と、燃料噴霧から燃焼室の壁面に流出する熱量との関係を、燃焼室の壁面に拡散軽減部を備えた場合と備えていない場合とで比較して示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関について、図面を参照しながら説明する。図１に示すように、この内燃機関（以下、エンジン）１は、シリンダ（気筒）１０にピストン１１が挿入され、このピストン１１の頂部に凹部形状の燃焼室１２を備えている。
【００１５】
なお、図１では、この燃焼室１２を凹部の周囲の壁面１２ａの上部が内側に傾斜したリエントランス型の燃焼室として示しているが、他の形状の燃焼室でもよい。また、本実施形態では、エンジン１として、ディーゼルエンジンを例示しているが、本発明は、これに限定されることなく、直噴式の圧縮着火内燃機関等に適用することができる。
【００１６】
この燃焼室１２の中央に対向する位置に燃料を噴射する燃料噴射装置１３を配設する。また、この燃料噴射装置１３の各噴射孔１３ａから噴射される燃料の量をエンジン１の運転状態に応じて設定する制御装置４０を配設する。なお、燃料噴射装置１３の噴射孔１３ａの設置個数は、通常７個から１０個程度である。
【００１７】
本発明に係る実施の形態のエンジン１は、エンジン１のシリンダ１０内の燃焼室１２に燃料噴射装置１３を備えるとともに、この燃料噴射装置１３より噴射される燃料を圧縮自己着火させることでエンジン１の動力を発生させる内燃機関である。
【００１８】
そして、図１、図２、図３に示すように、この燃焼室１２において、予め設定された設計用の噴射タイミングで、燃料噴射装置１３の各噴射孔１３ａより噴射される燃料噴霧Ｆｍの中心が燃焼室の壁面１２ａと衝突する地点である噴霧衝突点ＣＰの周囲の壁面１２ａに、壁面１２ａに沿って燃料噴霧Ｆｍが拡散する方向と交差する方向に設けられた凸部と凹部のいずれか又は両方の集合体で構成される拡散軽減部２０を備えているように構成される。
【００１９】
この拡散軽減部２０は、噴霧衝突点ＣＰを中心にして、噴霧衝突点ＣＰを囲う、円、楕円、または円弧の突条等の凸部（図示しない）、又は溝２０ａ等の凹部の集合体で構成される。なお、本実施形態では、図１、図２に示すように、この拡散軽減部２０を円の溝２０ａの集合体で構成されるもので示している。
【００２０】
この噴霧衝突点ＣＰを囲う溝２０ａは、周方向に関して連続状態で全周囲を囲っても良く、不連続状態で囲ってもよい。また、噴霧衝突点ＣＰに対して、ひとつの環状溝だけでなく、複数の環状溝で、幾重にも囲うことが好ましい。
【００２１】
拡散軽減部２０の溝２０ａの幅を、０．５ｍｍ以上で、１．５ｍｍ以下とし、拡散軽減部の溝の深さを、０．５ｍｍ以上で、１．５ｍｍ以下として構成していると、燃料噴霧Ｆｍが燃焼室１２の壁面１２ａと衝突してこの壁面１２ａに沿って拡散しているときに、この拡散している燃料噴霧Ｆｍが、各溝２０ａによる抵抗を受けて拡散の度合いを適度に制限できる。仮に、溝２０ａが小さ過ぎると燃料噴霧Ｆｍがこの溝２０ａの抵抗を受けずに拡散してしまい、溝２０ａが大きすぎると燃料噴霧Ｆｍがこの溝２０ａに入り込んで拡散しなくなってしまうので、溝２０ａの大きさに適した範囲が存在することになる。
【００２２】
また、上記の燃焼室１２において、予め設定された設計用の噴射タイミングで、図２、図３に示すように、燃料噴射装置１３の各噴射孔１３ａより噴射された燃料噴霧Ｆｍが壁面１２ａに沿って拡散する壁面１２ａ上の領域である噴霧拡散領域Ｄｒが、隣接する噴射孔１３ａより噴射される燃料噴霧Ｆｍの噴霧拡散領域Ｄｒと重ならないように、拡散軽減部２０によって燃料噴霧Ｆｍの拡散を制限しているように構成する。
【００２３】
つまり、燃料噴射装置１３の各噴射孔１３ａより噴射される燃料が、燃焼室１２に吸引された新気と混合燃焼して形成される燃料噴霧Ｆｍが、壁面１２ａと噴霧衝突点ＣＰで衝突した後に、燃料噴霧Ｆｍが拡散する領域である噴霧拡散領域Ｄｒが、他の噴射孔１３ａより噴射されて形成される燃料噴霧Ｆｍによる噴霧拡散領域Ｄｒと干渉しないように、拡散軽減部２０を備えて構成する。
【００２４】
この構成によれば、隣接する燃料噴霧Ｆｍの燃焼による火炎も重なり合わず、干渉しなくなるので、より燃料噴霧Ｆｍの燃焼状態を良くすることができる。また、隣接する燃料噴霧Ｆｍによる噴霧拡散領域Ｄｒ同士の相互干渉を考慮する必要がなくなるので、拡散軽減部２０の構成を容易に設定することができる。なお、この拡散軽減部２０の構成とは、この拡散軽減部２０を構成する溝２０ａの個数と、各溝２０ａの形状（円、楕円、または円弧）、位置、幅及び深さのことをいう。
【００２５】
そして、噴霧衝突点ＣＰは、ディーゼルエンジンの燃焼計算用のプログラム（例えば、ＣＯＮＶＥＲＧＥ（Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｔ  Ｓｃｉｅｎｃｅ社製））等を用いて、多くのエンジン１の運転状態から、最も熱効率を改善したい運転状態などの特定の運転状態を選定して計算し、その運転状態における燃料の噴射タイミング（例えば、シリンダ１０内のピストン１１が圧縮上死点の位置にあるときに噴射されるような噴射タイミング等）を「予め設定された設計用の噴射タイミング」とし、この噴射タイミングで、燃料噴射装置１３の各噴射孔１３ａより噴射される燃料噴霧Ｆｍの中心が燃焼室１２の壁面１２ａと衝突する地点を燃焼室１２の壁面１２ａ上に特定して、噴霧衝突点ＣＰとする。
【００２６】
あるいは、噴霧衝突点ＣＰの位置を、より精度よく特定するためには、燃料の圧縮着火燃焼により、局所的に高熱流束が発生している壁面の領域を算出し、この算出された壁面の領域の中心を噴霧衝突点ＣＰの位置として設定することができる。しかし、より簡易的には、燃料噴霧Ｆｍが壁面１２ａと衝突する地点で、最も大きな高い熱流束が発生すると考えられるので、衝突する地点を噴霧衝突点ＣＰの位置とする。
【００２７】
つまり、噴霧衝突点ＣＰの位置や、噴霧拡散領域Ｄｒの位置及び大きさや、拡散軽減部２０の仕様（構成）による効果等は、ディーゼルエンジンの燃焼計算用のプログラム等を用いたり、実験結果を分析したりすることで、算出または設定することができる。
【００２８】
この噴霧衝突点ＣＰの数は、燃料噴射装置１３の噴射孔１３ａと同じ数となる。この噴霧衝突点ＣＰが、燃料が自己着火燃焼して局所的に高温度となり、この火炎が触れている壁面１２ａが高温となって、大きな熱流束が発生して外部へ熱移動している領域の略中心になっていると考えられるからである。
【００２９】
なお、この噴霧衝突点ＣＰは、燃料噴霧Ｆｍが初めて燃焼室１２の壁面１２ａと衝突するときの衝突地点だけでなく、燃焼室１２の壁面１２ａと衝突後の燃料噴霧Ｆｍが再度燃焼室１２の壁面１２ａと衝突するときの２回目の衝突地点があるときには、この２回目の衝突地点に対しても拡散軽減部２０を設けることが、より好ましい。
【００３０】
また、図４には、燃料噴霧Ｆｍが燃焼室の壁面１２ａに衝突後の経過時間ｔと、燃料噴霧Ｆｍから燃焼室の壁面１２ａを経由して外部へ流出する流出熱量ＯＨとの関係を、燃焼室１２の壁面１２ａに拡散軽減部２０を備えた場合と備えていない場合とで比較して示している。この図４も、上記のディーゼルエンジンの燃焼計算用のプログラムによる数値計算を基に作成されている。この図４に示すように、燃焼室１２ａに拡散軽減部２０を備えていない場合よりも、燃焼室の壁面１２ａに拡散軽減部２０を備えた場合においては、燃料噴霧Ｆｍが各溝２０ａによって拡散しづらくなり、燃料噴霧（噴霧火炎）Ｆｍと壁面１２ａとの接触領域が軽減されるので、燃料噴霧Ｆｍから燃焼室１２の壁面１２ａを経由して外部へ流出する流出熱量ＯＨも低減されることがわかる。
【００３１】
以上より、上記のエンジン（内燃機関）１によれば、燃料噴霧Ｆｍが燃焼室１２の壁面１２ａに衝突した後でこの壁面１２ａに沿って拡散しているときに、拡散軽減部２０でその拡散度合いを軽減して、燃料噴霧Ｆｍの拡散範囲を、言い換えれば、この拡散した燃料噴霧Ｆｍが圧縮着火して燃焼したときの火炎と壁面１２ａが接触している領域を低減させることにより、高温になって熱移動が多くなる壁面１２ａの領域を狭めることで、熱移動を低減させることができるので、熱損失を低減でき、その結果、エンジン１の熱効率を向上させて燃費を向上させることができる。
【符号の説明】
【００３２】
１  エンジン（ディーゼルエンジン、内燃機関）
１０  シリンダ（気筒）
１１  ピストン
１２  燃焼室
１２ａ  燃焼室の壁面
１３  燃料噴射装置
１３ａ  噴射孔
２０  拡散軽減部
２０ａ  溝
４０  制御装置
Ｆｍ  燃料噴霧（噴霧火炎）
ＣＰ  噴霧衝突点
Ｄｒ  噴霧拡散領域
ｔ  経過時間
ＯＨ  流出熱量
【図１】
0006699247.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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