CN105275584A - 柴油发动机的燃烧室结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种柴油发动机的燃烧室结构。在活塞冠面（4a）的中央形成有向远离汽缸盖底面（5a）的方向凹入的腔（70），活塞冠面（4a）中的与腔（70）相比靠近径向外侧的外周部（72）上设置有阶梯部（73），该阶梯部（73）是位于径向内侧的第一部分（74）与位于径向外侧的第二部分（75）相比远离汽缸盖底面（5a）的位置而形成，将唇部（71d）和第一部分（74）上方的容积即阶梯部容积V_STEP、与在上死点处的燃烧室（9）的容积V_TDC的比值V_STEP/V_TDC设定为0.1以下。根据本发明，可以在抑制黑烟的产生的同时进一步改善燃料消耗性能。

Description

柴油发动机的燃烧室结构

技术领域

本发明涉及设置于柴油发动机，并且由沿着规定的中心轴延伸的汽缸的内侧面、在该汽缸内往复运动的活塞的冠面、和与该活塞的冠面相向的汽缸盖的底面划定，且内侧被喷射燃料的燃烧室。

背景技术

以往，在向燃烧室内直接喷射燃料的直接喷射式柴油发动机中，以促进燃料与空气的混合为目的，而在活塞的冠面上设置向远离汽缸盖的方向凹入的腔，并且通过燃料喷射沿着腔壁面形成纵方向的喷雾的流动、即形成纵向涡。

例如，专利文献1公开了一种在活塞的冠面的中央形成有腔的燃烧室结构，腔是所谓的凹型、即、中央***部***且开口部以向上变窄的形状缩小的结构，并且以使燃料喷雾朝向在该腔的壁面中与开口缘相比靠近汽缸盖相反侧的部分流动的形式安装有燃料喷射装置。

在该专利文献1的燃烧室结构中，燃料喷雾与在腔的壁面中与开口缘相比靠近汽缸盖相反侧的部分冲撞，而沿着腔的壁面从外周侧向下方流动后朝向中央流去，之后流向燃料喷射装置侧，以此可以有效地混合燃料与空气。

专利文献1：日本特开平9-69063号公报。

发明内容

在这里，如上所述，如果设置凹型的腔，则可以促进燃料与空气的混合，并且可以减少有害燃烧生成物（NOx、黑烟（soot，烟、所谓烟雾）），可以改善燃料消耗性能。具体而言，在凹型的腔设置于活塞的柴油发动机中，在发动机的中负荷域或高负荷域中从燃料喷射阀喷射较大量的燃料时，引起到达腔周缘部的燃料的喷雾沿着腔的壁面反转（向中心侧方向转换方向）那样的流动（纵向涡），由此促进燃料与空气的混合，借助于此改善燃料消耗性能且减少有害燃烧生成物（NOx、黑烟）。

在这里，腔越大，腔内产生的纵向涡越强，伴随于此该有害燃烧生成物的减少效果、即燃料与空气的混合效果越强。

另一方面，在活塞通过上死点后，随着活塞的下降而燃烧室容积增加。此时，在燃烧室内，产生燃烧气体向燃烧室容积增加率较大的腔的径向外侧的流动，并且燃烧气体的热传递至唇部附近而变成冷却损失。而且，在上死点处的腔径向外侧的燃烧室容积越小，即腔越大，该冷却损失越大。具体而言，腔越大时，不得不减小腔径向外侧的燃烧室容积，因此腔径向外侧的燃烧室容积的增加率增大，并且在该部分上的气体的流动增强，冷却损失增大。

因此，成为课题的是为了抑制有害燃烧生成物的产生且减少冷却损失乃至改善燃料消耗性能，而将燃烧室的腔和其外侧的燃烧室容积设定为更合适。

本发明是鉴于上述点而形成，提供能够抑制有害燃烧生成物的产生且能够进一步改善燃料消耗性能的柴油发动机的燃烧室结构。

为了解决上述问题，本发明提供柴油发动机的燃烧室结构，所述燃烧室结构是设置于柴油发动机，且由圆筒状的汽缸的内侧面、在该汽缸内往复运动的活塞的冠面、和与该活塞的冠面相向的汽缸盖底面划定，且内侧被喷射燃料的燃烧室的结构，在上述活塞的冠面的中央形成有向远离上述汽缸盖底面的方向凹入的腔；形成上述腔的壁面具有以越靠近腔的中心侧而离上述汽缸盖底面越近的形式***的中央***部、形成在与该中央***部相比靠近活塞径向外侧的位置且在剖视时向径向外侧凹入的周边凹部、和形成于该周边凹部和上述腔的开口缘之间且在剖视时向活塞径向内侧凸出的唇部；上述活塞的冠面中的与上述腔的唇部相比靠近活塞径向外侧的部分、即外周部具有与该唇部连续形成的第一部分、和位于与该第一部分相比靠近活塞径向外侧的位置的第二部分；上述第一部分位于与上述第二部分相比远离上述汽缸盖底面的位置，以此在上述第一部分与上述第二部分之间设有阶梯部；将由如下各面划定的容积设为阶梯部容积V_STEP：即，横跨上述唇部、第一部分以及阶梯部的活塞的壁面、通过上述唇部的径向内侧缘且与上述汽缸的中心轴平行地延伸的面、和通过上述阶梯部和第二部分的连接部且在与上述汽缸的中心轴正交的方向上延伸的面，并且将在上死点处的上述燃烧室的容积设为上死点容积V_TDC，此时，将由V_STEP/V_TDC规定的阶梯部容积比VR设定为0.1以下。

根据本发明，能够将冷却损失抑制为较小且能够改善燃料消耗性能。

具体而言，在活塞的冠面的外周部上形成有阶梯部，并且将从腔的唇部向径向外侧延伸的第一部分与汽缸盖底面之间的距离确保为较大，因此在随着活塞的下降而燃烧室容积增大时，可以将位于腔径向外侧部分上的该第一部分的容积增加率抑制为较小。因此，在活塞下降时，可以将从腔向该第一部分流入的气体向燃烧室壁面的传热系数抑制为较小而将冷却损失抑制为较小。

此外，在本发明中，形成腔的壁面由如下部分构成：以越靠近腔的中心侧而离汽缸盖底面越近的形式***的中央***部、形成在与中央***部相比靠近活塞径向外侧的位置且在剖视时向径向外侧凹入的周边凹部、和形成于该周边凹部和上述腔的开口缘之间且在剖视时向活塞径向内侧凸出的唇部，因此在喷射燃料时在燃烧室内可以产生沿着唇部和周边凹部流向汽缸盖相反侧后向汽缸的中心轴且向汽缸盖侧流去的纵向涡，从而可以通过该纵向涡促进燃料与空气的混合而抑制有害燃烧生成物的产生。

此外，在本发明中，上述阶梯部容积比VR设定为0.1以下。即，避免在燃烧室中位于腔的径向外侧且与腔连续形成的部分的容积过度增大，确保腔的容积。因此，如上所述将冷却损失抑制为较小，改善燃料消耗性能，并且确保上述纵向涡的强度，从而可以确实地抑制黑烟的产生。

具体而言，伴随在活塞下降时从腔向径向外侧流动的气体流动（所谓逆挤流（squishflow））而从腔向径向外侧移动的气体通过唇部以及第一部分上方，如果进一步增大该唇部以及第一部分上方的容积、即阶梯部容积V_STEP，则由于从腔向该第一部分引入的气体流速减小等，因此能够将向燃烧室壁面的传热量抑制为较小且将冷却损失抑制为较小。然而，燃烧室整体的容积由所需的排气量以及压缩比限定。因此，在使该阶梯部容积V_STEP增大时腔的容积减小，在腔内无法充分产生纵向涡而导致黑烟恶化。关于这一点，本发明人等经过深刻研究后查明了在阶梯部容积比VR=V_STEP/V_TDC超过0.1并增大时，黑烟会急增，其中上述阶梯部容积比是上述阶梯部容积V_STEP与在上死点处的燃烧室容积V_TDC的比值。因此，通过设置上述阶梯部、且使该阶梯部容积比VR为0.1以下，以此在本发明中，如上所述可以抑制冷却损失而提高燃料消耗性能，且可以抑制黑烟的恶化。

在本发明中，优选的是上述阶梯部的高度设定为0.5mm以上。

这样一来，即使在上述第一部分上堆积烟尘等，也可以确保该第一部分上方的容积乃至上述阶梯部和唇部之间的部分的容积，因此可以将该部分上的从气体向燃烧室壁面的传热量进一步确实地抑制为较小。

在这里，本发明人等查明了关于冷却损失以及黑烟与上述阶梯部容积比VR之间的关系，在进一步使该阶梯部容积比VR小于0.04时，随着该阶梯部容积比VR的降低而黑烟的产生量几乎不变，但是冷却损失会增大。因此，为了将黑烟减少一定程度且有效地得到冷却损失的减少效果，在本发明中，优选的是将上述阶梯部容积比VR设定为0.04以上。

又，本发明人等查明了能够更稳定地同时获得冷却损失的减少效果、即燃料消耗性能的改善效果和黑烟减少效果这两者的上述阶梯部容积比VR为0.06以上0.08以下。因此，在本发明中，优选的是将上述阶梯部容积比VR设定为0.06以上0.08以下。

由上所述，根据本发明，可以在抑制黑烟的产生的同时进一步改善燃料消耗性能。

附图说明

图1是示出根据本发明的实施形态的柴油发动机***的概要的图；

图2是图1所示的柴油发动机的燃烧室附近的概略剖视图；

图3是示出燃烧室的结构的概略剖视图；

图4是燃烧室的概略俯视图；

图5是用于说明在上死点的燃烧室容积的图；

图6是用于说明阶梯部容积部的容积的图；

图7中的（a）是示出燃烧初期的气体的流动的图；

图7中的（b）是示出燃烧中期的气体的流动的图；

图7中的（c）是示出燃烧后期的气体的流动的图；

图8中的（a）是示出未设置有阶梯部容积部的燃烧室中的气体流动的图；

图8中的（b）是示出根据本实施形态的燃烧室中的气体流动的图；

图9中的（a）是示出未设置有阶梯部容积部的燃烧室中的气体流速的图；

图9中的（b）是示出根据本实施形态的燃烧室中的气体流速的图；

图10中的（a）是示出未设置有阶梯部容积部的燃烧室中的温度分布的图；

图10中的（b）是示出根据本实施形态的燃烧室中的温度分布的图；

图11是示出阶梯部容积比与冷却损失及黑烟产生量之间的关系的图表；

图12是用于说明阶梯部容积比的变更顺序的图；

图13是示出阶梯部容积比与传热量的变化率之间的关系的图表；

符号说明：

9燃烧室；

5汽缸盖；

4a活塞冠面；

70腔；

72外周部；

73阶梯部；

74第一部分；

75第二部分。

具体实施方式

以下，基于附图说明根据本发明的实施形态的柴油发动机的燃烧室结构。

（1）整体结构

首先，说明应用根据本实施形态的柴油发动机燃烧室结构的柴油发动机***100的概要。

图1是柴油发动机***100的概略图。该图示出的柴油发动机是搭载于车辆以作为行驶用动力源的四冲程柴油发动机。具体而言，该柴油发动机***100具备：接收以轻油作为主成分的燃料的供给而被驱动的柴油发动机主体（以下简称为发动机主体）1；用于向发动机主体1导入燃烧用空气的进气通路30；用于排出在发动机主体1中生成的排气（燃烧气体）的排气通路40；用于使通过排气通路40的排气的一部分回流至进气通路30的EGR装置50；和借助于通过排气通路40的排气进行驱动的涡轮增压器60。

图2是放大示出发动机主体1的一部分的剖视图。如该图2以及前面的图1所示，发动机主体1具有：内部形成有圆筒状的汽缸2的汽缸体3；在汽缸2内沿着汽缸2的中心轴X1可滑动地被容纳的活塞4；与汽缸体3通过垫片连接的汽缸盖5；和为了贮留润滑油而配设在汽缸体3的下侧的油底壳6。以下，将与汽缸2的中心轴X1平行的方向称为上下方向，将汽缸盖5侧称为上侧，将汽缸体3侧称为下侧。

活塞4借助于连杆8与作为发动机主体1的输出轴的曲轴7连接。又，在活塞4的上方形成有燃烧室9，在该燃烧室9中，从后述的喷射器20喷射的燃料与空气混合且进行扩散燃烧。而且，借助于随着该燃烧而产生的膨胀能量使活塞4进行往复运动且使曲轴7绕着中心轴旋转。关于燃烧室9后文详述。

在这里，发动机主体1的几何压缩比、即、活塞4位于下死点时的燃烧室容积与活塞4位于上死点时的燃烧室容积的比值设定为12以上15以下（例如14）。该12以上15以下的几何压缩比是作为柴油发动机来说相当低的值。其目的是通过燃烧温度的抑制来改善排放性能和改善热效率等。

在汽缸盖5中设置有：用于向燃烧室9内导入从进气通路30供给的空气的进气道16；用于使在燃烧室9中生成的排气导出至排气通路40的排气道17；将进气道16的燃烧室9侧的开口进行开闭的进气门18；和将排气道17的燃烧室9侧的开口进行开闭的排气门19。又，在汽缸盖5中安装有向燃烧室9喷射燃料的喷射器20。将该喷射器20以其梢端部21a面向燃烧室9内部的姿势进行安装。

EGR装置50具有将排气通路40与进气通路30进行相互连接的EGR通路51、和设置于EGR通路51的EGR冷却器52以及EGR阀53。EGR阀53是为了调节通过EGR通路51从排气通路40回流至进气通路30的排气、即、EGR气体的流量而进行开闭的阀，EGR冷却器52是用于冷却EGR气体的热交换器。EGR阀53例如在发动机的负荷较低的条件下较大地开阀，从而将足够的量的EGR气体导入至发动机主体1。借助于此，抑制燃烧温度而改善排放性能。

涡轮增压器60具有配设于进气通路30的压缩机61；在同一轴上与压缩机61连接，且配设在排气通路40的涡轮62；为了绕过涡轮而设置于排气通路40的旁通通路64；和可开闭地设置于旁通通路64的排气旁通阀（waste-gatevalve）65。涡轮62接收排气通路40中流动的排气的能量而旋转，压缩机61与涡轮62联动地旋转，以此将在进气通路30中流通的空气进行压缩（增压）。排气旁通阀65在由涡轮增压器60实现的增压压力超过上限值时开阀，从而防止增压压力的过度上升。

在进气通路30中的与压缩机61相比靠近下游侧（吸入空气的流动方向下游侧）的位置上设置有：用于冷却通过压缩机61进行压缩的空气的中间冷却器35；和可开闭的节气门36。另外，节气门36在发动机运行时维持基本上全开或者接近全开的高开度，并且仅在发动机停止时等的必要时闭阀而切断进气通路30。

在排气通路40中的与涡轮62相比靠近下游侧（排气的流动方向下游侧）的位置上设置有用于净化排气中的有害成分的排气净化装置41。该排气净化装置41包括：使排气中的CO以及HC（hydrocarbon；碳氢化合物）氧化的氧化催化器41a；和捕集排气中的黑烟的DPF（DieselParticulateFilter；柴油微粒过滤器）41b。

（2）燃烧室结构

接着说明燃烧室9的详细结构。

（2-1）整体结构

图3是活塞4位于上死点的状态下的燃烧室9的剖视图。图4是燃烧室9的概略俯视图。

如图2所示，燃烧室9由汽缸盖5的底面5a、活塞4的冠面4a、和汽缸2的内侧面2a划定。

上述喷射器20以如下形式配置：其中心轴与汽缸2的中心轴X1一致，其梢端部21a位于在燃烧室9的顶部部分、即汽缸盖5的底面5a中与活塞冠面4a相向的部分的中央。喷射器20是多喷口式，并且形成为从形成于梢端部21a的多个喷射口21b向燃烧室9内以辐射状喷射燃料的结构。在本实施形态中，如图4所示，喷射器20具有10个喷射口21b。

（2-2）腔的结构

在活塞4的冠面4a的中央（径向中央）形成有向下方凹入的腔70。腔70具有在包括活塞4的中心轴X1的各截面上以中心轴X1为中心轴对称的形状。

腔70是所谓的凹型，并且具有中央***部71b***且开口部向上变窄地缩小的形状。

具体而言，腔70的内侧面70a、即形成腔70的壁面70a由如下结构构成：以越靠近腔70的中心侧、即汽缸2的中心轴X1侧，离汽缸盖底面5a越近的形式***的中央***部71b；形成在与中央***部71b相比靠近径向外侧的位置且在剖视时向径向外侧凹入的周边凹部71c；和形成于周边凹部71c和腔70的开口缘71a之间且在剖视时向径向内侧凸出的唇部71d。在本实施形态中，唇部71d以及周边凹部71c形成为分别弯曲且随着从唇部71d向周边凹部71c行进而其曲率连续变化的结构。

如上所述，喷射器20配置为向燃烧室9内以辐射状喷射燃料，而在本实施形态中，喷射器20特别地配置为如图3的Q1所示在活塞4位于压缩上死点附近时，燃料向唇部71d与周边凹部71c之间的边界附近喷射。而且，该边界部分与活塞4的中心轴X1之间的距离设定为喷射的燃料不直接（以液滴的状态）到达该边界部分的长度。

另外，作为这样的腔70，例如可以应用日本特开2010-121483号公报中公开的结构。

（2-3）活塞冠面的外周部的结构

在活塞的冠面4a中的位于与腔70开口缘71a相比靠近径向外侧的位置的外周部72上形成有阶梯部73。具体而言，从腔70的开口缘71a向径向外侧延伸的第一部分74位于与该第一部分74相比靠近径向外侧的第二部分75的下方，以此在活塞冠面4a的外周部72上形成阶梯部73，所述第一部分74是活塞冠面4a的外周部72的径向内侧部分，所述第二部分75是活塞冠面4a的外周部72的径向外侧部分。

上述阶梯部73以如下形式设置：在将图6所示的阶梯部容积作为V_STEP，将图5所示的在活塞4位于上死点的状态下的燃烧室9容积、即上死点容积作为V_TDC时，使由V_STEP/V_TDC规定的阶梯部容积比VR达到0.07左右。具体而言，阶梯部容积V_STEP是在燃烧室9中由以下各面划定的部分的容积：横跨唇部71d、第一部分74以及阶梯部73的活塞4的壁面S1；通过唇部71d的径向内侧缘且与汽缸3的中心轴X1平行地延伸的面S2；和通过阶梯部73和第二部分75的连接部且在与汽缸3中心轴X1正交的方向上延伸的面S3。以下，将该部分称为阶梯部容积部74a。又，上死点容积V_TDC是在活塞4位于上死点的状态下形成于活塞冠面4a与汽缸盖底面5a之间的容积。在本实施形态中，阶梯部容积比VR设定为0.07。

又，阶梯部73的高度h、即第一部分74与第二部分75在上下方向上的间隔距离h（参照图6）设定为0.5mm以上。在本实施形态中，该阶梯部73的高度h设定为1.0mm。另外，活塞冠面4a的上端面、即第二部分75的上表面与汽缸盖底面5a向下方相隔开，在它们之间确保规定的间隙。在压缩上死点处的该间隔量例如为0.8mm左右。

（3）燃烧室内的气体的流动和作用效果

（3-1）概要

将在如上述构成的燃烧室9内的气体流动使用图7（a）～图7（c）进行说明。图7（a）示出在活塞4位于压缩上死点附近且燃烧开始时、即燃烧初期时的状态。图7（b）、图7（c）以该顺序示出从图7（a）开始随着时间所显示出的状态，图7（b）是燃烧中期的状态，图7（c）是燃烧后期的状态。

如图7（a）的箭头Y1所示，在压缩上死点附近，随着在压缩上死点前活塞4上升，而气体（空气）从燃烧室9中的腔70的外周部72和汽缸盖底面5a之间的部分向腔70侧流入，从而发生挤流（squishflow）。而且，随着燃料喷射，在腔70内，如箭头Y2所示产生沿着腔70的内侧面从腔70的外周侧向中央侧流动的纵向涡。即，随着燃料喷雾与腔70的壁面、尤其是与唇部71d的下侧部分碰撞，而在腔70内产生上述纵向涡。具体而言，在腔70内产生如下的纵向涡：沿着唇部71d向下方流动后，沿着周边凹部71c流向汽缸3的中心轴侧，之后沿着中央***部71b向汽缸3的中心轴侧、且向上方流去。尤其是，在本实施形态中，唇部71d以及周边凹部71c形成为分别弯曲，且其曲率从唇部71d向周边凹部71c连续变化的结构，因此腔70内的气体更加确实地沿着腔70的壁面移动，生成稳定的纵向涡。

像这样在向腔70内喷射燃料时，在腔70内生成纵向涡，如Q11所示，燃料喷雾伴随该纵向涡向下方移动。此时，一部分燃料开始燃烧，并且燃料喷雾和燃烧气体向下方移动。

如上所述，在本实施形态中，向腔70的唇部71d与周边凹部71c之间的边界附近喷射燃料，该边界部分向下方向径向外侧弯曲，借助于此，将燃料喷雾向该边界部分的冲击角度抑制为较小。因此，燃料喷雾在被抑制在腔70壁面上的附着的状态下，又，在被抑制向周边分散的状态下顺利地沿着腔70的壁面向下方移动。又，在本实施形态中，如上所述，上述边界部分与活塞4的中心轴X1之间的距离设定为被喷射的燃料不直接（以液滴的状态）到达该边界部分的长度，借助于此，抑制燃料在腔70壁面上的附着。

如图7（b）所示，沿着腔70的周边凹部71c向下方移动的燃料喷雾以及燃烧气体如Q12所示沿着周边凹部71c移动而被加速，从而在吹起附着在腔70的壁面上的燃料、且与到达腔70的壁面之前的燃料喷雾之间不发生干扰的情况下移动至腔70的中央***部71b，与位于腔70的中央的空气A12混合。

之后，如图7（c）的Q13所示，在活塞4下降的同时燃烧气体在整个燃烧室9内均匀地扩散，整个燃烧室9的空气高效地燃烧。

像这样，在本实施形态中，燃料喷雾伴随沿腔70的壁面流动的纵向涡移动，以此避免因燃料滞留或干扰等而引起局部变浓的状态，并且促进空气与燃料的混合而产生均匀且稀薄的燃烧气体。

（3-2）冷却损失

在这里，如图7（b）所示，在压缩上死点后，随着因活塞4的下降而燃烧室9中与腔70相比靠近径向外侧的部分的容积增大，而该部分的压力降低。因此，如箭头Y3所示，在燃烧室9内产生从腔70向腔70的径向外侧的逆挤流。

如上所述，当喷射燃料时，紧随其后一部分燃料开始燃烧且产生高温的燃烧气体。因此，该高温的燃烧气体的一部分伴随逆挤流被引入到与腔70相比靠近径向外侧的部分，以此在该部分中热从高温的燃烧气体向燃烧室9的壁面逃离而产生冷却损失。尤其是，在伴随逆挤流移动的燃烧气体所通过的腔70的唇部71d和与该唇部71d连接的第一部分74上产生冷却损失。

然而，在本实施形态中，如上所述，在活塞冠面4a的外周部72上形成有阶梯部73，与唇部71d连接的第一部分74配置在与第二部分75相比靠近下方的位置，从而将第一部分74以及与它连接的唇部71d的上方的容积确保为较大。因此，将这些部分、即腔70的径向外侧部分的容积增大速度抑制为较小，借助于此将冷却损失抑制为较小。即，通过将该容积的增大速度抑制为较小，以此将通过唇部71d以及第一部分74的燃烧气体的流速抑制为较小，借助于此在唇部71d以及第一部分74上气体与壁面之间的传热系数减小，其结果是，将从气体向壁面的传热量抑制为较小。又，唇部71d以及第一部分74的上方的容积较大，从而在高温燃烧气体与燃烧室9的壁面之间确保距离，以此也可以将从燃烧气体向壁面的传热量抑制为较小。

对于这一点，使用图8（a）、图8（b）、图9（a）、图9（b）、图10（a）、图10（b）进行具体的说明。各图（a）是未设置有阶梯部73、且活塞冠面4a中位于腔70径向外侧的外周部72在靠近汽缸盖底面5a的位置上平行地延伸的情况的图，各图（b）是根据本实施形态的图。图8（a）、图8（b）示出对燃烧室9内的气体流进行CFD（ComputationalFluidDynamics，计算流体动力学）计算的结果，在这些图中箭头的方向表示气体的流动方向，箭头的长度表示流速。图9（a）、图9（b）同样地示出CFD计算结果，将燃烧室9内的气体的流速用颜色区分，并且颜色越深表示流速越快。图10（a）、图10（b）示出与图8（a）、图8（b）对应的燃烧室9内的气体温度的计算结果，颜色越深表示温度越高。另外，在各图（a）和图（b）中，燃烧室整体的容积相同。又，这些图示出压缩比设定为14.8左右的1500cc四汽缸发动机中的结果，各图（b）示出如上所述阶梯部容积比VR为0.07、阶梯部容积部的高度h设定为1.0mm的情况的结果。

比较图8（a）和图8（b）可知，设有阶梯部73的本实施形态（图8（b））相比于未设有阶梯部73的情况（图8（a）），唇部71d周边（各图的Z1所示的部分）的速度较低。又，比较图9（a）和图9（b）可知，在唇部71d周边（各图的Z1所示的部分），设有阶梯部73的本实施形态（图9（b））相比于未设有阶梯部73的情况（图9（a）），高速气体的扩散（高速气体的存在区域）被抑制为较小。

又，比较图10（a）和图10（b）可知，在设有阶梯部73的本实施形态（图10（b））中，在唇部71d周边（Z1所示的区域），高温气体与燃烧室9的壁面（形成腔70的唇部71d周边的壁面）相隔开，在与壁面接触的部分存在温度较低的气体，然而在未设置有阶梯部73的情况（图10（a））下，在唇部71d周边（Z1所示的区域），高温气体与壁面大致直接接触。

在这里，在将气体与壁面之间的传热系数设为αg、壁面面积设为Fg、气体温度设为Tg、壁面温度设为Twi时，从气体向壁面的传热量Qh简单地由下式（1）表示。

[数学式1]

Qh＝∫αg×Fg×（Tg－Twi）dt…（1）。

而且，在将气体的流速设为Vg、气体的压力设为P、气体的温度设为Tg、汽缸2的孔径设为D时，传热系数αg由下式（2）近似地表示。另外，C是系数。

[数学式2]

αg＝C×D^－0.214（vg×P）^0.783×Tg^－0.525…（2）。

因此，如上所述，设有阶梯部73的本实施形态相比于未设有阶梯部73的情况，唇部71d周边的气体流速Vg抑制为较小，并且高速气体的扩散抑制为较小，以此唇部71d周边的传热系数αg平均值减小。除此以外，在唇部71d周边，设有阶梯部73的本实施形态相比于未设有阶梯部73的情况，与壁面接触的气体的温度Tg抑制为较小。因此，设有阶梯部73的本实施形态相比于未设有阶梯部73的情况，向壁面的传热量Qh较小。

像这样，设置有阶梯部73且与唇部71d连接的第一部分74配置在与第二部分75相比靠近下方的位置，借助于此，将唇部71d和第一部分74上方的容积确保为较大，以此在本实施形态中，从燃烧气体向唇部71d以及第一部分74周边的传热量减小而将冷却损失抑制为较小。

（3-3）黑烟

在这里，像这样，在设置阶梯部73而将唇部71d和第一部分74上方的容积确保为较大时，可以将冷却损失抑制为较小。因此，可以认为在使该容积进一步增大时，能够进一步提高冷却损失的减少效果。

然而，本发明人经过深刻研究后的结果是查明了如果使与该唇部71d和第一部分74上方的容积相对应的上述阶梯部容积部74a的容积增大时，能够减少冷却损失且改善燃料消耗性能，但是在该容积过度增大时导致黑烟恶化。

这可能是由如下的原因造成。

在各车辆中，排气量、即汽缸2的容积是已定的。此外，在各车辆中，根据输出、燃料消耗量、排气性能等限定压缩比。因此，整个燃烧室9的容积在各车辆中已被限定。例如，在排气量为1500cc的四汽缸发动机且压缩比为14.8左右的情况下，在上死点时的燃烧室9的容积被限定为30cc左右。因此，在使阶梯部容积部74a增大时，不得不与此相应地减小腔70的容积。而且，当减小腔70的容积时，在腔70内无法稳定地产生足够的纵向涡，燃料与空气的混合不太充分而导致黑烟恶化。

例如，比较图8（a）与图8（b）可知，在由Z2表示的部分中，伴随着设置阶梯部73、即阶梯部容积部74a而腔70的容积减小的本实施形态（图8（b））与未设置有阶梯部73、即阶梯部容积部74a而将腔70的容积确保为较大的情况（图8（a））相比，气体的流速（箭头的长度）较小，纵向涡的强度较弱。

（4）容积的比率与性能之间的关系

根据上述结果，本发明人等考虑阶梯部容积部74a的大小是否有合适的范围，而对这一点进行了进一步的研究。其结果是，发现阶梯部容积比VR=V_STEP/V_TDC与黑烟以及冷却损失之间的关系满足如图11所示的关系，其中所述阶梯部容积比VR=V_STEP/V_TDC是阶梯部容积部74a的容积即阶梯部容积V_STEP与活塞4位于上死点的状态下的燃烧室9的容积V_TDC之比。而且，查明了在设置阶梯部73、即阶梯部容积部74a且使该阶梯部容积比VR位于规定的范围内时，能够减少冷却损失、改善燃料消耗性能，且能够将黑烟的产生量抑制为合适的范围内。

图11是示出相对于阶梯部容积比VR的黑烟产生量以及冷却损失的变化的图表，实线表示冷却损失、虚线表示黑烟的产生量。在该图11中，越靠近上侧，冷却损失越大，黑烟的产生量增大。

在这里，图11是如图12所示在将从汽缸中心轴X1至唇部71d和周边凹部71c之间的边界部分为止的距离设为相同、且通过改变阶梯部73的高度h和腔70的深度以此改变阶梯部容积比VR时的结果。即，如上所述，为了抑制燃料在腔70壁面上的附着乃至黑烟的增加，而需要一定程度地确保从该汽缸中心轴X1至唇部71d和周边凹部71c之间的边界部分为止的距离，因此在这里将该距离固定为能够避免燃料的附着的最小限度距离，并且使阶梯部73的高度h和腔70的深度变化。另外，图12示出在压缩比设定为14.8左右的1500cc四汽缸发动机中，使阶梯部73的高度h从0（无阶梯部容积部）变化为0.5、1.0、1.3mm时的燃烧室形状。又，图13示出在使阶梯部容积比VR如图12所示变化时每1曲轴角的向燃烧室9壁面的传热量的变化。图13中，横轴为曲轴角、纵轴为每1曲轴角的传热量，传热量在进行燃烧的TDC（topdeadcenter，上死点）以后增大。

如图13所示，在使阶梯部容积比VR增大时，从燃烧气体向燃烧室9的壁面的传热量减小。而且，如图11所示，在使阶梯部容积比VR增大时冷却损失降低。另一方面，如图11所示，如果使阶梯部容积比VR增大，则导致黑烟恶化。

然而，冷却损失与阶梯部容积比VR大致成比例地变化，相对于此，黑烟在阶梯部容积比VR超过0.1时急剧恶化。因此，即使在设置阶梯部73以及阶梯部容积部74a而降低冷却损失的情况下，也需要将阶梯部容积比VR抑制为0.1以下。换而言之，如果设置阶梯部73以及阶梯部容积部74a且使阶梯部容积比VR达到0.1以下，则可以降低冷却损失且避免黑烟的急增。

然而，如图11所示，在使阶梯部容积比VR小于0.04时，即使改变阶梯部容积比VR，黑烟的产生量也大致不变，相对于此，冷却损失随着阶梯部容积比VR的降低而增大。因此，为了将黑烟的产生抑制为较小且有效地减少冷却损失，而优选的是使阶梯部容积比VR达到0.04以上。

又，如图11所示，黑烟的线在阶梯部容积比VR=0.08处弯曲，黑烟的增加率（黑烟的线的斜率）在阶梯部容积比VR超过0.08而增大时急增。因此，在将阶梯部容积比VR设定为0.08附近的情况下，例如因制造公差和汽缸盖的热膨胀偏差等、或在阶梯部容积部74a上堆积烟尘等而阶梯部容积部74a的容积产生偏差（向增大侧的偏差）时，黑烟的偏差（增大量）增大，存在无法将黑烟抑制在预想的范围内的担忧。又，冷却损失的线在阶梯部容积比VR=0.06处弯曲，并且冷却损失的增加率（冷却损失的线的斜率）在阶梯部容积比VR超过0.06而减小时稍微增加。因此，在将阶梯部容积比VR设定为0.06附近的情况下，例如因上述偏差而冷却损失的偏差（增大量）增大，存在无法将冷却损失乃至燃料消耗性能抑制在预想的范围内的担忧。因此，为了确保稳定的黑烟减少效果以及燃料消耗性能，而优选的是将阶梯部容积比VR抑制为0.06以上0.08以下。

（5）本实施形态的作用效果

相对于上述，在本实施形态中，将阶梯部容积比VR设定为0.07。因此，可以同时实现较高的黑烟减少效果以及较高的燃料消耗性能的两者，且可以稳定地确保这些性能效果。

又，阶梯部73的高度h、即第一部分74与第二部分75之间的上下方向的间隔距离h设定为1.0mm。因此，即使在该第一部分74上堆积烟尘等的情况下，也可以确保阶梯部容积部74a的容积，可以较高地维持燃料消耗性能。即，已知在活塞冠面4a中位于与腔70相比靠近径向外侧的位置上堆积烟尘等，并且其堆积高度最高达到0.4mm左右。因此，假设在第一部分74上堆积有烟尘等的情况下，为了确保阶梯部容积部74a的容积，而优选的是将阶梯部73的高度h设定为0.5mm以上，在本实施形态中，该阶梯部73的高度h设定为1.0mm，因此假设在堆积有黑烟等的情况下，也可以确保阶梯部容积部74a的容积，可以减少冷却损失。另外，该阶梯部73的高度h只要达到0.5mm以上即可，对于其上限只要根据阶梯部容积比VR决定即可。

（6）变形例

在本实施形态中，说明了将阶梯部容积比VR设定为0.07的情况，如上所述，如果将阶梯部容积比VR至少抑制为0.1以下，则可以减少冷却损失且抑制黑烟的过度恶化。因此，阶梯部容积比VR可以在0.1以下的范围内适当变更。然而，如果阶梯部容积比VR设定为0.04以上，则可以有效地减少冷却损失。又，如果将阶梯部容积比VR设定为0.06以上0.08以下，则可以得到稳定且较高的燃料消耗性能和排气性能（黑烟减少效果）。

又，在烟尘等的堆积量被抑制为更少等情况下，也可以将阶梯部容积比VR设定为上述范围，且使阶梯部73的高度h小于0.5mm。

Claims (4)

1.一种柴油发动机的燃烧室结构，其特征在于，

是设置于柴油发动机，且由圆筒状的汽缸的内侧面、在该汽缸内往复运动的活塞的冠面、和与该活塞的冠面相向的汽缸盖底面划定，且内侧被喷射燃料的燃烧室的结构，

在所述活塞的冠面的中央形成有向远离所述汽缸盖底面的方向凹入的腔；

形成所述腔的壁面具有以越靠近腔的中心侧而离所述汽缸盖底面越近的形式***的中央***部、形成在与该中央***部相比靠近活塞径向外侧的位置且在剖视时向径向外侧凹入的周边凹部、和形成于该周边凹部和所述腔的开口缘之间且在剖视时向活塞径向内侧凸出的唇部；

所述活塞的冠面中的与所述腔的唇部相比靠近活塞径向外侧的部分、即外周部具有与该唇部连续形成的第一部分、和位于与该第一部分相比靠近活塞径向外侧的位置的第二部分；

所述第一部分位于与所述第二部分相比远离所述汽缸盖底面的位置，以此在所述第一部分与所述第二部分之间设有阶梯部；

将由如下各面划定的容积设为阶梯部容积V_STEP：横跨所述唇部、第一部分以及阶梯部的活塞的壁面、通过所述唇部的径向内侧缘且与所述汽缸的中心轴平行地延伸的面、和通过所述阶梯部和第二部分的连接部且在与所述汽缸的中心轴正交的方向上延伸的面，并且将在上死点处的所述燃烧室的容积设为上死点容积V_TDC，此时，将由V_STEP/V_TDC规定的阶梯部容积比VR设定为0.1以下。

2.根据权利要求1所述的柴油发动机的燃烧室结构，其特征在于，

所述阶梯部的高度设定为0.5mm以上。

3.根据权利要求2所述的柴油发动机的燃烧室结构，其特征在于，

将所述阶梯部容积比VR设定为0.04以上。

4.根据权利要求3所述的柴油发动机的燃烧室结构，其特征在于，

将所述阶梯部容积比VR设定为0.06以上0.08以下。