(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、広い運転領域に亘って、燃焼室内の空気利用率を向上させて燃焼改善を促進することで黒煙（スス）の排出量の低減を図ることができるピストン燃焼室構造を提供する。【解決手段】  このため、本発明は、内燃機関のピストンの頂面に形成されるピストンの燃焼室構造であって、ピストン１００の頂面１００Ａの略中央付近に凹状に形成されるピストン燃焼室（中央部燃焼室）１１０と、前記ピストン燃焼室（中央部燃焼室）１１０の外側に凹状に形成される円環状の外周側燃焼室１２０と、前記ピストン燃焼室（中央部燃焼室）１１０と前記外周側燃焼室１２０とを接続するように半径方向に凹状に延在される溝部１３０と、を含んで構成されることを特徴とする。【選択図】図３
2013160186.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のピストンの頂面に形成されるピストン燃焼室構造であって、
ピストンの頂面の略中央付近に凹状に形成される中央部燃焼室と、
前記中央部燃焼室の外側に凹状に形成される円環状の外周側燃焼室と、
前記中央部燃焼室と前記外周側燃焼室とを接続するように凹状に延在される溝部と、
を含んで構成されることを特徴とする内燃機関のピストン燃焼室構造。
【請求項２】
前記外周側燃焼室のピストン往復動方向に沿った断面形状が、半円形状であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関のピストン燃焼室構造。
【請求項３】
前記中央部燃焼室と前記外周側燃焼室とを接続するように凹状に延在される溝部が、半径方向に凹状に延在されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関のピストン燃焼室構造。
【請求項４】
前記溝部は、燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の数及び配置に応じて設けられることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１つに記載の内燃機関のピストン燃焼室構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のピストン燃焼室の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまでの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９参照）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１０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】特開平７−２３８８３７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、特許文献１に記載される燃焼室を備えたピストンであっても、エンジン回転速度が低い運転領域（低速域）では、適度なスワールの補助がなければスキッシュエリア（ピストン上死点付近におけるピストン頂面とシリンダヘッド下面との間の領域：図１の符号Ｓ参照）での空気利用率が不十分であった。
【０００８】
なお、低速域で十分なスワールを得ようとすると、高速域においてスワールが大きくなり過ぎて、隣接する噴霧が干渉し合って燃焼が悪化してしまうことになる。
【０００９】
このため、特許文献１に記載の燃焼室においても、広い運転領域に亘って狙いの燃焼状態を実現することは難しいといった実情がある。
【００１０】
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、広い運転領域に亘って、燃焼室内の空気利用率を向上させて燃焼改善を促進することで黒煙（スス）の排出量の低減を図ることができるピストン燃焼室構造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】
【００１１】
このため、本発明に係る内燃機関のピストン燃焼室構造は、
内燃機関のピストンの頂面に形成されるピストンの燃焼室構造であって、
ピストンの頂面の略中央付近に凹状に形成される中央部燃焼室と、
前記中央部燃焼室の外側に凹状に形成される円環状の外周側燃焼室と、
前記中央部燃焼室と前記外周側燃焼室とを接続するように凹状に延在される溝部と、
を含んで構成されることを特徴とする。
【００１２】
本発明において、前記外周側燃焼室のピストン往復動方向に沿った断面形状が、半円形状であることを特徴とすることができる。
【００１３】
本発明において、前記中央部燃焼室と前記外周側燃焼室とを接続するように凹状に延在される溝部が、半径方向に凹状に延在されることを特徴とすることができる。
【００１４】
本発明において、前記溝部は、燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の数及び配置に応じて設けられることを特徴とすることができる。
【発明の効果】
【００１５】
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、広い運転領域に亘って、よりロバストな（外乱の影響を受け難い）燃料と空気との混合延いては燃焼を実現することができ、以って燃焼室内の空気利用率を向上させて燃焼改善を促進することで黒煙（スス）の排出量の低減を図ることができると共に、燃焼室を画成する壁面からの熱損失を低減することで熱効率の改善を図ることができるピストン燃焼室構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態に係る実施例１に係るエンジンの断面図（ピストン往復運動方向に沿って切断した断面図；図２のＡ−Ａ断面）である。
【図２】同上実施例に係るピストンのピストン燃焼室を示した斜視図である。
【図３】同上実施例に係るピストンのピストン燃焼室を示した断面図（ピストン往復運動方向に沿って切断した断面図；図２のＢ−Ｂ断面）である。
【図４】図２のピストンをピストン往復運動方向上方から見た上面図である。
【図５】同上実施例のピストン燃焼室における燃焼（燃料噴霧の動き）を説明するための断面図である。
【図６】同上実施例の溝部のスワールに合わせて傾斜させた場合の一例を説明するためのピストン上面図である。
【図７】同上実施例の溝部の底部を傾斜させた場合の一例（中心側が高く、外周側が低い例）を説明するための断面図である。
【図８】同上実施例の溝部の底部を傾斜させた場合の一例（中心側が低く、外周側が高い例）を説明するための断面図である。
【図９】従来のピストン頂面に凹設されたリエントラント型燃焼室の一例を示す断面図である。
【図１０】特許文献１の内燃機関のピストン頂面に凹設されたピストン燃焼室形状（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】
【００１７】
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。
【実施例１】
【００１８】
本実施の形態の実施例１に係る内燃機関に用いられるピストン１００は、図１に示すように、図示しないシリンダブロックに嵌挿されるシリンダライナに摺動自在に収容されて往復動されると共に、当該ピストン１００とシリンダヘッド２００の下面２０１とにより内燃機関（例えばディーゼルエンジン）の燃焼室が画成されるようになっている。
【００１９】
本実施例に係るピストン１００は、図２から図４に示すように、ピストン１００のピストン頂面（上面）１００Ａの略中央に凹状に形成されるピストン燃焼室（中央部燃焼室；キャビティ）１１０と、ピストン頂面１００Ａのピストン燃焼室１１０の外側に凹状に形成される円環状の外周側燃焼室１２０と、中心部のピストン燃焼室１１０と外周側燃焼室１２０とを接続するように延在される溝部１３０と、を含んで構成されている。
【００２０】
本実施例に係るピストン１００のピストン燃焼室１１０は、図３に示したように、従来のリエントラント型燃焼室（ピストン燃焼室の入口径が底部側より狭められている形状）を基調に構成されており、ピストン中央部に隆起して形成されるセンターコーン１１０Ａと、その外周に設けられピストン頂面１００Ａに向かって内向きに立ち上がる外側曲面部１１０Ｂと、この外側曲面部１１０Ｂに接続される燃焼室壁面部１１０Ｃとピストン頂面１００Ａとを接続するリップ部１１０Ｄと、を含んで構成されている。
【００２１】
本実施例に係るピストン１００の外周側燃焼室１２０は、ピストン燃焼室１１０の外周側においてピストン燃焼室１１０と略同心的にピストン頂面１００Ａに凹状の円環溝状に刻設される。
【００２２】
なお、外周側燃焼室１２０のピストン往復動方向に沿った断面形状は、図３等に示すように、半円形状とすることができる。
【００２３】
そして、この外周側燃焼室１２０と、前記ピストン燃焼室１１０と、は、ピストン頂面１００Ａに凹状に刻設されている溝部１３０を介して、ピストン頂面１００Ａに形成される凹部として連続するように接続されている。
【００２４】
なお、溝部１３０は、図４に示したように、ピストン燃焼室１１０の中心から半径方向（放射方向）に延在され、溝部１３０の深さは、前記外周側燃焼室１２０の深さと同程度に構成することができる。
【００２５】
溝部１３０の数や配置は、燃料噴射弁の噴孔数及び燃料噴霧方向に合わせて設定されることができる。
【００２６】
ここで、ピストン１００の壁面（リップ部１１０Ｄ、燃焼室壁面部１１０Ｃ、外側曲面部１１０Ｂなど）へ衝突する燃料噴霧の混合を促進するためには、全ての燃料噴霧が同一面に当たって壁面に沿った方向に発達（拡散）するだけではなく、燃料噴霧の一部の流動を強いベクトルを維持したまま複数の方向に分割することで、分割位置に強いせん断力延いては渦を発生させて混合の促進が可能であると考えられる。
【００２７】
このことは、特許文献１に記載されているピストン燃焼室形状（２段リップ構造）を採用した実験により確認されている。
【００２８】
しかしながら、特許文献１に記載されている２段リップ構造のピストン燃焼室は、図１０に示したように、抉り部（えぐり部）２４を有するため、その抉り部２４分の容積増大により、同一圧縮比を維持するためには、ピストン燃焼室（キャビティ）容積（径）を減少させてしまうことになるため、図１０に示した抉り部（えぐり部）２４を、半径方向に大きく拡大することは難しかった。
【００２９】
このため、抉り部（えぐり部）２４の外周側壁に衝突した燃料噴霧の一部は、シリンダヘッド２００のシリンダヘッド下面２０１（図１等参照）側に向かって発達（進行）するものの、そこで滞留してしまうため、燃料噴霧の一部をスキッシュエリアＳへ良好に拡散させるには不十分で、スス生成及びシリンダヘッド下面２０１からの熱損失が増大するといった実情があった。
【００３０】
このようなことから、本実施例に係るピストン１００では、まず、ピストン１００の往復動によるスキッシュ流動を特に高速時に抑制することで、低スワール化と組み合わせた場合に強調されるスキッシュ流の影響を排除する。
【００３１】
複数の噴孔を有する燃料噴射弁から噴射されたそれぞれの燃料噴霧は、図５に示すように、その燃料噴霧の進行方向に対応するように配設されている溝部１３０に向けて進行し、噴射初期において各燃料噴霧の中心が溝部１３０の底部のピストン燃焼室１１０側の端部１３０Ａよりやや下側の燃焼室壁面部１１０Ｃに当たる程度に、燃料噴射弁の噴孔のコーン角をやや狭角に設定する。
【００３２】
これによって、図５に示したように、ピストン燃焼室１１０の燃焼室壁面部１１０Ｃに衝突した燃料噴霧の大半は、ピストン燃焼室１１０の外側曲面部１１０Ｂに沿って進行して縦渦を形成するが、燃料噴霧の一部は溝部１３０へ導かれ、溝部１３０の入口付近（端部１３０Ａ）において強い乱れを生じさせる。
【００３３】
また、燃料噴射弁からの燃料噴射が進むに連れてピストン１００が下降を始めると、溝部１３０側に流れ込む燃料噴霧の強度が高まるため、その強い流れに、リップ部１１０Ｄ付近で滞留していた衝突後の燃料噴霧が引き込まれることで新気が導入され、この滞留していた燃料噴霧にて生じていたススの再燃焼が行われる。
【００３４】
溝部１３０に沿って半径方向に進行する燃料噴霧は、特許文献１に記載されている従来の２段リップ構造のピストン燃焼室（抉り部２４）に比べて、半径方向へ導かれる距離が伸びているため、円環状の外周側燃焼室１２０の内壁面に衝突するまでには貫徹力は減少しているので、外周側燃焼室１２０の内壁面に衝突した後は均等に分散してスキッシュエリアＳの空気利用率が向上される。
【００３５】
このように、本実施例によれば、燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧の噴霧角を若干狭い角度（狭角）に設定し、燃料をピストン燃焼室１１０の溝部１３０の端部１３０Ａの若干下側へ向けて噴射することで、燃料噴霧の大半をピストン燃焼室１１０にて燃焼させる一方で、一部の燃料噴霧を溝部１３０を介して外周側燃焼室１２０へ到達させてスキッシュエリアＳの空気利用率を向上させるようにしたので、燃焼室全体として空気利用率が向上し、その結果、燃焼が改善されスス生成を効果的に抑制することができる。
【００３６】
また、本実施例は、燃料噴霧の貫徹力（ペネトレーション）を利用することで、スワールやスキッシュ等の空気流動に頼らずに噴霧衝突面での乱れを増すことによって、空気利用率の向上延いては燃焼改善を促進するようにしているので、スワールやスキッシュ等の空気流動による影響を受け難い燃焼を実現することができ、以って広い運転領域に亘ってよりロバストな（外乱の影響を受け難い）燃料と空気との混合延いては燃焼を実現することができる。
【００３７】
また、本実施例によれば、燃料噴霧の一部を、溝１３０及び外周側燃焼室１２０を介してスキッシュエリアＳまで拡散させることができるため、ピストン壁近傍に火炎が滞留し、燃焼熱がピストン１００へ伝達されて熱損失が増加し熱効率を低下させるといったことを効果的に抑制することができ、熱効率延いては燃費等を改善することができる。
【００３８】
すなわち、本実施例によれば、比較的簡単かつ低コストな構成でありながら、広い運転領域に亘って、よりロバストな（外乱の影響を受け難い）燃料と空気との混合延いては燃焼を実現することができ、以って燃焼室内の空気利用率を向上させて燃焼改善を促進することで黒煙（スス）の排出量の低減を図ることができると共に、燃焼室を画成する壁面からの熱損失を低減することで熱効率の改善を図ることができるピストン燃焼室構造を提供することができる。
【００３９】
本実施例では、溝部１３０の数や配置は、燃料噴射弁の噴孔数が６の場合に合わせて設定した例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、４噴孔や５噴孔、更には７噴孔や８噴孔など他の噴孔数に対応させることが可能である。
【００４０】
また、溝部１３０の個数は、燃料噴射弁の噴孔数と同じとする場合に限定されるものではなく、噴孔数より少ない個数或いは多い個数とすることなども可能である。
【００４１】
更に、スキッシュエリアＳにおける空気利用率の向上を目的に、図６に示すように、スワール方向に溝部１３０を傾斜させる（或いは所定の曲率で曲げる）ことにより、燃料噴霧の周方向への拡散促進と、燃料噴霧の貫徹力の維持を図るように構成することも可能である。
【００４２】
また、溝部１３０の底部は水平である場合に限定されるものではなく、図７、図８に示すように、溝部１３０の底部を傾斜させて形成することも可能である。
【００４３】
なお、本実施例では、ピストン燃焼室１１０を、リエントラント型燃焼室形状とした場合を代表的に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、中央部のピストン燃焼室と、外周側燃焼室と、これらを接続する溝部と、を備えたものであれば本発明の範囲に含まれるものであり、中央部のピストン燃焼室としては、その形状は特に限定されるものではなく、例えば、従来のトロイダル型燃焼室、２段リップ構造の燃焼室などを採用することが可能であり、更にはセンターコーンの有無などについても限定されないものである。
【００４４】
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】
【００４５】
１００      ピストン
１１０      ピストン燃焼室（中央部燃焼室）
１２０      外周側燃焼室
１３０      溝部
Ｓ          スキッシュエリア
【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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【図１０】
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