(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、燃焼室内に強い空気流動で撹乱を起こして燃料と空気の混合を促進し、燃焼期間の短縮延いては燃費改善を促進すると共に、黒煙（スス）の排出量の低減を図ることができる内燃機関を提供する。【解決手段】  本発明は、ピストン１２０の頂面と、シリンダヘッド１１０の下面と、ピストン１２０が摺動自在に収容されるシリンダライナ１４０の内壁と、により囲まれた燃焼室１５０を備えた内燃機関１００であって、シリンダヘッド１１０の下面から燃焼室１５０に臨んで燃料を噴射する燃料噴射ノズル１６１を備え、燃料噴射ノズル１６１の外周側のシリンダヘッド１１０に設けられる空気室２００と、空気室２００と燃焼室１５０とを連通する連通部２１０と、を含んで構成されると共に、連通部２１０が複数の溝２１１により形成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のピストン頂面と、シリンダヘッド下面と、ピストンが摺動自在に収容されるシリンダの内壁と、により囲まれた燃焼室を備えた内燃機関であって、
シリンダヘッドに取り付けられ、シリンダヘッド下面から燃焼室に臨んで燃料を噴射する燃料噴射ノズルを備え、
燃料噴射ノズルの外周側に設けられる空気室と、
当該空気室と、前記燃焼室と、を連通する連通部と、
を含んで構成されると共に、
前記連通部が複数の溝或いは穴により形成されていることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記空気室が、燃料噴射ノズルの外周側に複数設けられることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記複数の空気室のそれぞれに対して、連通部が少なくも１つ連通してい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。
【請求項４】
前記連通部が燃料噴射ノズルの周囲に螺旋状に形成されてい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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に関する。特に、燃料を燃焼室に直接噴射供給する内燃機関の燃焼室の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで、例えば、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８参照）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９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２００７−２１１６４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
かかる特許文献１に記載され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】
このように、ディーゼルエンジンにおける燃焼改善を考えるうえで、燃料噴霧とシリンダ内空気（筒内空気）の混合気形成は重要であるが、燃料噴霧への効率的な空気の導入を考えた場合に、特に、燃料噴射弁からの燃料噴射が終了した後の運動量（運動エネルギ）を殆ど持たない燃料噴霧の混合促進を図ることが今後の課題の一つである。
【０００８】
しかし、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、燃料噴射弁からの噴射中における比較的大きな運動量（運動エネルギ）を有する燃料噴霧における混合促進は期待できるものの、燃料噴射が終了した後の運動量を殆ど持たない燃料噴霧の混合促進を図ることはできない。
【０００９】
このような燃料噴射終了における燃料噴霧の混合促進を図るための従来技術の一例としては、アフター噴射と呼ばれる多段燃料噴射（メイン噴射後に燃料噴射を行うといった多段階の燃料噴射）があるが、かかる手法は、燃料を同じ燃料噴射弁から複数回噴射するものであり、アフター噴射における後半部分やアフター噴射後の燃料噴霧については、上述したと同様に、運動量を殆ど持たない燃料噴霧の混合促進を図ることができず混合が悪化する、といった課題が残るものである。このため、燃焼期間の短縮は難しく、熱効率の向上の効果は期待できないものである。
【００１０】
燃料噴射期間の後半部分の噴射（後期噴射）や燃料噴射終了後における燃料と空気の混合気形成の改善に着目した技術は少なく、燃焼過程において生成される黒煙（スス）全体のうち、燃料噴射終了後において後期噴射された燃料から生じる割合が高いことが解っているにも関わらず、効果的な解決策がこれまで見出されていないのが実情であった。
【００１１】
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、燃焼室内に強い空気流動で撹乱を起こして燃料と空気の混合を促進し、燃焼期間の短縮延いては燃費改善を促進すると共に、黒煙（スス）の排出量の低減を図ることができる内燃機関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】
【００１２】
このため、本発明に係る内燃機関は、
内燃機関のピストン頂面と、シリンダヘッド下面と、ピストンが摺動自在に収容されるシリンダの内壁と、により囲まれた燃焼室を備えた内燃機関であって、
シリンダヘッドに取り付けられ、シリンダヘッド下面から燃焼室に臨んで燃料を噴射する燃料噴射ノズルを備え、
燃料噴射ノズルの外周側に設けられる空気室と、
当該空気室と、前記燃焼室と、を連通する連通部と、
を含んで構成されると共に、
前記連通部が複数の溝或いは穴により形成されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明において、前記空気室が、燃料噴射ノズルの外周側に複数設けられることを特徴とすることができる。
【００１４】
本発明において、前記複数の空気室のそれぞれに対して、連通部が少なくも１つ連通していることを特徴とすることができる。
【００１５】
本発明において、前記連通部が燃料噴射ノズルの周囲に螺旋状に形成されていることを特徴とすることができる。
【発明の効果】
【００１６】
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、燃焼室内に強い空気流動で撹乱を起こして燃料と空気の混合を促進し、燃焼期間の短縮延いては燃費改善を促進すると共に、黒煙（スス）の排出量の低減を図ることができる内燃機関を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施の形態に係る内燃機関の燃焼室付近の断面図（クランク軸に略直交する平面で切断した断面図）である。
【図２】同上実施の形態に係る内燃機関の空気室付近を拡大して示した断面図（図１のＡ部付近の拡大断面）である。
【図３】同上実施の形態に係る内燃機関の空気室及び連通部付近を抜き出して示す斜視図である。
【図４】同上実施の形態に係る内燃機関の空気室及び連通部付近の他の一例を示す斜視図である。
【図５】同上実施の形態に係る内燃機関の空気室及び連通部付近の他の一例（複数の空気室の一例）を示す斜視図である。
【図６】同上実施の形態に係る内燃機関の空気室及び連通部付近の他の一例（複数の空気室の他の一例）を示す斜視図である。
【図７】同上実施の形態に係る内燃機関の空気室及び連通部付近の他の一例（複数の空気室の他の一例）を示す斜視図である。
【図８】従来の内燃機関の燃焼室（リエントラント型）の一例を示す断面図である。
【図９】従来の内燃機関の燃焼室（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】
【００１８】
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。
【００１９】
本発明の一実施の形態に係る内燃機関１００は、図１に示すように、シリンダヘッド１１０の下面と、ピストン１２０の頂面（上面）と、シリンダブロック１３０に嵌挿されるシリンダライナ１４０の内周壁面と、により画成される燃焼室１５０に、その先端の燃料噴射ノズル１６１が臨むように、燃料インジェクタ１６０がシリンダヘッド１１０に取り付けられている。
【００２０】
この燃料インジェクタ１６０は、気筒毎にシリンダヘッド１１０に設けられ、その先端の燃料噴射ノズル１６１が、ピストン１２０の往復運動方向から見たときに燃焼室１５０の略中心となるように配設される。
【００２１】
燃焼室１５０に臨む燃料噴射ノズル１６１の先端には、例えば６〜１０個の複数の噴孔が周方向に所定間隔で設けられていて、該複数の噴孔からピストン１２０の頂面に凹状に設けられたピストン燃焼室（キャビティ）１２１へ向けて、内燃機関１００の運転状態（回転速度や負荷等）に応じて設定された燃料噴射量にて、所定タイミングで燃料が噴射供給されるようになっている（図２参照）。
【００２２】
なお、符号１７０は吸気弁、符号１７１は吸気ポート、符号１８０は排気弁、符号１８１は排気ポートである。
【００２３】
ここで、一般的に、ディーゼルエンジンでは、ピストンが圧縮上死点に近づくに従い、燃焼室内に吸入された空気が高温・高圧となり、その雰囲気に高圧の燃料を噴射することで、自己着火によって燃焼が開始され、その後は燃料噴霧の持つ運動エネルギ等で燃料と空気の混合気を形成しながら拡散燃焼が行われる。
【００２４】
近年の研究では、燃料噴霧構造が次第に解明され、燃料噴霧は周囲空気と運動量交換によって燃料噴霧内に空気を取り込むこと、燃焼が開始されると空気の取り込みは主に燃料噴霧の最上流の火炎に覆われない部分（燃料噴射ノズルから噴射された比較的直後の部分）で起こること、燃料噴射の終了と共に燃料噴霧の運動量は急速に減少し、燃料と空気の混合が緩慢なまま高温の既燃ガスと干渉して、多くの黒煙（スス）を生成することなどが解ってきた。
【００２５】
このような燃料噴射期間の後期に噴射され運動量が減少している状態で燃料噴射終了後に燃焼に供される燃料噴霧の空気との混合を促進することができれば、燃焼期間の後期における燃焼（後期燃焼）を活発化させることができるため、燃費改善と黒煙（スス）の大幅低減に貢献することが期待できる。
【００２６】
このため、本実施の形態では、図１〜図３等に示したように、燃料インジェクタ１６０の燃料噴射ノズル１６１の周囲に所定量の空気を収容可能な空気室２００を設けるようにした。
【００２７】
この空気室２００は、燃料インジェクタ１６０の燃料噴射ノズル１６１を略中心としてその周囲に円筒状に設けられ、燃料インジェクタ１６０の本体側とは気密性を持って外部に対して密閉される一方で、燃料噴射ノズル１６１の周囲との所定隙間の連通部（絞り部）２１０を持って燃焼室１５０と連通するように構成されている。
【００２８】
連通部（絞り部）２１０は、図３に示すように、燃料インジェクタ１６０の燃料噴射ノズル１６１の先端付近の外周と面する複数条の溝２１１としてシリンダヘッド１１０に凹設される。
【００２９】
このような空気室２００及び連通部（絞り部）２１０を備えた本実施の形態に係る内燃機関１００によれば、往復直線運動するピストン１２０が圧縮上死点に近づくに従い、燃焼室１５０内に吸入された空気が圧縮され、吸入空気の一部が前記連通部（絞り部）２１０を介して空気室２００に導かれる。
【００３０】
一方、ピストン１２０が圧縮上死点に近づくに従い、燃焼室１５０内に吸入された空気が高温・高圧となり、その雰囲気に高圧の燃料を燃料インジェクタ１６０の燃料噴射ノズル１６１から噴射することで、自己着火によって燃焼が開始される。
【００３１】
そして、燃焼が開始された後、ピストン１２０が下降を開始して（膨張行程へ移行して）、燃焼室１５０の圧力が急激に低下すると、これまで、連通部（絞り部）２１０を介して空気室２００に導入され蓄えられていた空気が、一瞬だが、燃料噴射ノズル１６１の周囲との比較的狭い連通部（絞り部）２１０を通過することで空気噴流３００となって燃焼室１５０内に吹き返すように流入する。
【００３２】
この空気室２００内に蓄えられていた空気（燃焼に供されていなかった新気）の燃焼室１５０への吹き返しタイミング（供給タイミング）は、黒煙（スス）生成の多い高負荷時のほぼ燃料噴射終了直後に相当することから、最も混合気形成が難しい時期（後期燃焼）に、燃料噴霧に対して高い撹乱と新気（空気）の供給を効果的に行うことができる。
【００３３】
すなわち、本実施の形態によれば、燃焼期間の後期における燃焼（後期燃焼）を活発化させることができるため、燃費改善と黒煙（スス）の大幅低減に貢献することができる。
【００３４】
このように、本実施の形態では、ピストン１２０の頂面に凹設されたピストン燃焼室１２１と、ピストン１２０の頂面とシリンダヘッド１１０の下面との隙間と、により構成される燃焼室１５０だけでなく、シリンダヘッド１１０側にも空気室２００を設け、この空気室２００を、燃料噴射ノズル１６１の近傍に設けられた連通部（絞り部）２１０を介して燃焼１５０に連通させるようにしたので、燃料噴射ノズル１６１から噴射された直後の燃料噴霧と、連通部（絞り部）２１０を介して空気室２００から噴出する空気噴流３００と、の相対的な衝突位置を、内燃機関１００の運転状態（回転速度や負荷等）に拘らず、ほぼ一定とすることができるので、外乱などの影響の受け難いロバストな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。
【００３５】
また、本実施の形態に係る内燃機関１００では、特に、燃料噴射量の多い高負荷運転において、燃焼期間の後期における燃焼（後期燃焼或いは後燃え）において問題となるピストン下降加速度が増すのと同時に、連通部（絞り部）２１０を介して空気室２００から噴出する空気噴流３００が、燃焼室１５０の図２における中心付近（周辺空気を取り込み難い燃料噴霧）に対して新気導入と撹乱をもたらすことができるので、燃焼期間の後期における燃焼（後期燃焼或いは後燃え）を効果的に改善することができ、以って燃焼期間の短縮を図ることができ、燃費改善と黒煙（スス）の大幅低減等に貢献することができる。
【００３６】
以上説明したように、本実施の形態によれば、比較的簡単かつ低コストな構成でありながら、燃焼室内に強い空気流動で撹乱を起こして燃料と空気の混合を促進し、燃焼期間の短縮延いては燃費改善を促進すると共に、黒煙（スス）の排出量の低減を図ることができ  る内燃機関を提供することができる。
【００３７】
特に、本実施の形態に係る連通部（絞り部）２１０は、図４に示したような燃料噴射ノズル１６１の外周に円環状に設けた場合に比べて、空気噴流３００を強化することができるため、空気室２００をより少ないボリュームで燃焼期間の短縮延いては燃費改善を促進すると共に、黒煙（スス）の排出量の低減を図ることができるため、空気室２００を設けたことによる圧縮比の低減による低負荷域での燃焼の悪化を抑制することができる。また、圧縮比を合わせるためのピストン燃焼室（キャビティ）１２１の小容積化を抑制することができるため、広い運転領域において良好な燃費性能、出力性能、排気性能、黒煙（スス）の排出量低減を達成することに貢献することができる。
【００３８】
なお、本実施の形態に係る連通部（絞り部）２１０は、複数条の溝２１１により構成されるが、当該溝２１１は、図３に示したように螺旋状に形成することができるが、略ピストン往復移動方向に沿った方向に延在される溝とすることができる。
【００３９】
但し、図３に示したように複数条の溝２１１を螺旋状に構成することで、空気噴流３００に旋回成分を与えて強化することができるため、より一層、空気室２００をより少ないボリュームで燃焼期間の短縮延いては燃費改善を促進すると共に、黒煙（スス）の排出量の低減を図ることができるため、空気室２００を設けたことによる圧縮比の低減による低負荷域での燃焼の悪化を抑制することができる。
【００４０】
なお、複数条の溝２１１の数や間隔（溝ピッチ）は、燃料噴射ノズル１６１から噴射される燃料噴霧の数や配置に対応させて設定することができる。
【００４１】
また、連通部（絞り部）２１０は、図３や図４に例示した場合に限定されるものではなく、例えば、図５に示すように、空気室２００を複数の空気室（例えば、図５の符号２００Ａ〜２００Ｆ）によって構成することができる。空気室の個数については、特に限定されるものではないが、例えば、燃料噴射ノズル１６１の噴孔数（燃料噴霧の数）と同じ数としてその配置を対応させることができる。
【００４２】
なお、複数の空気室２００Ａ〜２００Ｆにより空気室２００を構成した場合には、連通部２１０は、図５に示したように、複数の空気室２００Ａ〜２００Ｆに対応して複数の連通部２１０Ａ〜２１０Ｆにより構成することができる。
【００４３】
このように、空気室２００を複数の空気室２００Ａ〜２００Ｆにより構成し、連通部２１０を複数の連通部２１０Ａ〜２１０Ｆにより構成した場合には、空気噴流３００を強化することができるため、より一層、空気室２００をより少ないボリュームで燃焼期間の短縮延いては燃費改善を促進すると共に、黒煙（スス）の排出量の低減を図ることができるため、空気室２００を設けたことによる圧縮比の低減による低負荷域での燃焼の悪化を抑制することができる。
【００４４】
また、空気室２００を複数の空気室２００Ａ〜２００Ｆにより構成し、連通部２１０を複数の連通部２１０Ａ〜２１０Ｆにより構成した場合には、空気室２００や連通部２１０が形成されるシリンダヘッド１１０の該当部分の放熱を促進して熱負荷を軽減することができる共に、シリンダヘッド１１０の機械的強度を改善することができる。
【００４５】
なお、複数の空気室２００Ａ〜２００Ｆ、複数の連通部２１０Ａ〜２１０Ｆは、燃料噴射ノズル１６１の外周に開口側が臨むシリンダヘッド１１０の溝として凹状に形成することも可能である。
【００４６】
図５に示すように構成した場合には、図４に示した連通部２１０に比べて、空気噴流３００が拡散してしまうことを抑制しながら、燃料噴霧の噴孔に近い位置に効果的に空気噴流３００を強い強度で適切に衝突させることができると共に、構造的な強度の向上にも貢献することができる。
【００４７】
複数の空気室２００Ａ〜２００Ｆ、複数の連通部２１０Ａ〜２１０Ｆは、図５に示すように、燃料噴射ノズル１６１の長軸方向（ピストン往復直線運動方向）に沿った方向に配設されることができる。これにより、複数の連通部２１０Ａ〜２１０Ｆから噴出する空気噴流３００Ａ〜３００Ｆは、燃料噴霧に対してピストン往復直線運動方向の上側から衝突されることになる。
【００４８】
また、複数の連通部（絞り部）２１０は、図６に示すように、螺旋方向に曲げられた形状に形成されることができる。この場合には、複数の連通部２１０Ａ〜２１０Ｆは、燃料噴射ノズル１６１の外周に開口側が臨むシリンダヘッド１１０の溝として形成することが、製造コスト等の観点から好ましい。
【００４９】
また、複数の空気室２００Ａ〜２００Ｆは、例えば、シリンダヘッド１１０の上方からドリルやエンドミルなどによる切削加工により形成する方法が一例として考えられるが、複数の空気室２００Ａ〜２００Ｆの中心軸がピストン往復直線運動方向に沿っている場合には加工上の制約（例えば、他の部位を削ってしまったり、ウォータージャケットに貫通してしまうなど）があって加工が難しいといった場合には、例えば、図７に示すように、複数の空気室２００Ａ〜２００Ｆの上側を外側に向けて傾斜させて形成したり、或いは周方向に傾斜させて形成することが可能である。
【００５０】
このようにすると、シリンダヘッド１１０の下面側からアクセスして、燃料噴射ノズル１６１の挿入穴に対して斜めにドリルやエンドミルを挿入することで、他と干渉することなく、複数の空気室２００Ａ〜２００Ｆを加工することが可能となる。
【００５１】
その後、シリンダヘッド１１０の下面側から複数の空気室２００Ａ〜２００Ｆのそれぞれに対応して連通する複数の連通部２１０Ａ〜２１０Ｆを溝掘加工或いは穿孔加工することにより形成することができる。
【００５２】
なお、かかる場合に限らず、他の例においても、複数の連通部２１０Ａ〜２１０Ｆは、例えば、シリンダヘッド１１０の下面側から対応する空気室２００Ａ〜２００Ｆに連通するように穿孔或いは溝堀加工により形成することができる。
【００５３】
また、複数の空気室２００Ａ〜２００Ｆの上側を外側に向けて傾斜させて形成する場合において、空気室の容積を増やすために、複数の空気室２００Ａ〜２００Ｆが全周に亘って連続するように繋げた構成とすることも可能である。
【００５４】
なお、１つの空気室に対して１つの連通部が連通する場合に限らず、１つの空気室に対して複数の連通部が連通する場合も、本発明の範囲に含まれるものである。
【００５５】
ところで、本実施の形態では、ピストン燃焼室１２１を、特許文献１に記載されているような２段リップ構造のもの（図９参照）として例示して説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、トロイダル型燃焼室、リエントラント型燃焼室（図８参照）その他の形状とすることができるものである。
【００５６】
本実施の形態では、ディーゼルエンジンを例として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ガソリン、天然ガス、アルコール、バイオ燃料など軽油以外の燃料であっても、直接的に燃焼室に燃料を噴射供給する内燃機関であれば、本発明は適用可能であり、本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００５７】
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】
【００５８】
１００      内燃機関（エンジン）
１１０      シリンダヘッド
１２０      ピストン
１２１      ピストン燃焼室（キャビティ）
１５０      燃焼室
１６０      燃料インジェクタ
１６１      燃料噴射ノズル
２００      空気室
２００Ａ〜２００Ｆ  空気室
２１０      連通部（絞り部）
２１０Ａ〜２１０Ｆ  連通部（絞り部）
２１１      複数条の溝
３００      空気噴流
３００Ａ〜３００Ｆ  空気噴流
【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１】
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【図２】
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