JP6481968B2

JP6481968B2 - ディーゼルエンジン

Info

Publication number: JP6481968B2
Application number: JP2017052233A
Authority: JP
Inventors: 淳神崎; 片岡　一司; 一司片岡; 尚奎金; 修治詫間
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2017-03-17
Filing date: 2017-03-17
Publication date: 2019-03-13
Anticipated expiration: 2037-03-17
Also published as: JP2018155160A

Description

本発明は、ディーゼルエンジンに係わり、特に、シリンダの一端を覆うシリンダヘッドと、シリンダヘッドに対向する冠面を備えシリンダ内を往復動するピストンと、シリンダヘッドに取り付けられた燃料噴射弁とを有するディーゼルエンジンに関する。

ディーゼルエンジン、特に、乗用車等に用いられる比較的小型のディーゼルエンジンにおいては、ピストンの冠面にリエントラント型のキャビティ、つまり、中央部が***するとともに開口部が上窄まり状に絞られたキャビティが形成することが知られている（例えば下記特許文献１参照）。

リエントラント型のキャビティをピストンに形成し特許文献１のようなディーゼルエンジンでは、例えばエンジンの中負荷域または高負荷域において燃料噴射弁が比較的多量の燃料を噴射したときに、キャビティの周縁部に到達した燃料噴霧がキャビティの壁面に沿って反転する（即ちピストンの径方向中心側に向けて方向転換する）ような流れが起き、これによって燃料噴霧と空気との混合が促進される。これにより、燃料がリッチな領域において局所燃焼による高温と酸素不足に起因して発生するＮＯｘやスート（煤）の発生量を低減することができる。

特開２０１５−２３２２８８号公報

上記のような中・高負荷域での燃料噴霧と空気の混合の促進効果をより高めるには、燃料噴射弁から噴射される燃料のペネトレーション（貫徹力）を強めることが考えられる。噴霧のペネトレーションが強いと、燃料噴射弁から十分に離れた位置でも噴霧の速度が高速に保たれるので、燃焼室内でより広範囲に噴霧を行き渡らせることが可能だからである。

しかしながら、低負荷域では燃料噴射量が少ないので、燃料噴霧がキャビティの壁面に沿って反転するような流れはほとんど起きない。この場合、燃焼ガスはキャビティの周縁部近傍からあまり移動せずにキャビティの壁面に接触する。したがって、中・高負荷域での燃料噴霧と空気の混合性向上のために噴霧のペネトレーションを強くし過ぎると、低負荷域において燃焼ガスがキャビティの壁面に接触する面積が大きくなり、冷却損失が増大するので、エンジンの燃費性能が低下する。

したがって、冷却損失の低減と、燃料噴霧と空気の混合性向上とを両立するためには、燃料噴霧のペネトレーションを強めることなくキャビティ内の空気の流動性を高めることが求められる。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、燃料噴霧のペネトレーションを強めることなくキャビティ内の空気の流動性を高めることにより、冷却損失の低減と、燃料噴霧と空気の混合性向上とを両立することが可能なディーゼルエンジンを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明によるディーゼルエンジンは、シリンダが形成されたシリンダブロックと、シリンダの一端を覆うようにシリンダブロック上に配設されるシリンダヘッドと、シリンダヘッドに対向する冠面を備えシリンダ内を往復動するピストンと、シリンダヘッドに取り付けられた燃料噴射弁とを有するディーゼルエンジンであって、このディーゼルエンジンは、その吸気行程および圧縮行程において、シリンダ内でその周方向に指向する吸気スワール流が生成されるよう構成され、ピストンの冠面には、シリンダヘッドとは反対側に凹んだ平面視円形のキャビティが形成され、このキャビティは、断面視でそのキャビティの中心側ほど燃料噴射弁に近づくように***した中央***部と、この中央***部と連続しており、断面視でピストンの径方向外側に凹となる円弧状に形成されると共に平面視で円形状に形成された周辺凹部と、この周辺凹部と連続しており、断面視でピストンの径方向内側に凸となる円弧状に形成されると共に平面視で円形状に形成され、ピストンの冠面と連続するリップ部と、を備えるリエントラント型のキャビティであり、ピストンの冠面には、さらに、ピストンの径方向外側を流れる吸気スワール流が流入してキャビティの径方向内側に進む空気流動が発生するように、キャビティのリップ部からピストンの径方向外側に凹んだ複数の切欠き部が形成され、燃料噴射弁には、キャビティ内に燃料を噴射する複数の噴孔が形成され、この燃料噴射弁の複数の噴孔は、キャビティ内に平面視で複数の指向方向に放射状に燃料を噴霧するよう形成され、複数の指向方向は、複数の切欠き部の間に向く方向であり、燃料噴射弁の複数の噴孔は、噴射された燃料噴霧が、複数の切欠き部の間において、キャビティのリップ部と周辺凹部との接続部付近に到達するよう指向され、ディーゼルエンジンは、その圧縮行程において、リップ部と周辺凹部との接続部付近に到達した燃料噴霧が、キャビティの周辺凹部の円弧状の形状、および、ピストンの冠面の切欠き部により発生したキャビティの径方向内側に進む空気流動との合流によって、キャビティの周辺凹部に沿って径方向内側に反転するよう構成され、切欠き部は、平面視において、ピストンの周方向に延びる底面と、ピストンの周方向における底面の両端からそれぞれピストンの径方向内側に延びる２つの側面とにより形成され、切欠き部の底面及び側面とピストンの冠面とを接続する角部、及び、切欠き部の２つの側面とこれらの２つの側面のピストン径方向内側の周縁部においてキャビティのリップ部とを接続する角部のそれぞれの丸み径は１ｍｍ以下であることを特徴とする。
このように構成された本発明においては、ピストンの冠面には、ピストンの冠面と連続するキャビティのリップ部からピストンの径方向外側に凹んだ切欠き部が形成されているので、ピストン冠面の上方においてキャビティよりもピストンの径方向外側を流れるスワール流が切欠き部からキャビティ内へ流入し、キャビティの壁面に沿ってピストンの径方向内側へ進む空気流動が発生する。このように、スワール流によるシリンダの中心軸線まわりに流れる横渦に加えて、ピストンの径方向の速度成分を持つ空気流動を発生させることにより、燃料噴霧のペネトレーションを強めることなくキャビティ内における空気の流動性を高めることができ、冷却損失の低減と、燃料噴霧と空気の混合性向上とを両立することができる。
また、切欠き部の底面及び側面とピストンの冠面とを接続する角部、及び、切欠き部の２つの側面とこれらの２つの側面のピストン径方向内側の周縁部におけるキャビティのリップ部とを接続する角部のそれぞれの丸み径は１ｍｍ以下であるので、角部の丸み径が１ｍｍより大きい場合と比較して、ピストン冠面の上方から切込み部に流入したスワール流をより確実にキャビティの中央方向へ方向付けることができ、これにより、ピストン冠面の上方から切欠き部を通ってキャビティの中央方向へ進む空気の流量を増大させ、燃料噴霧のペネトレーションを強めることなくキャビティ内における空気の流動性を確実に高めることができる。
また、本発明においては、複数の切欠き部は、複数の噴孔の各指向方向の間に形成されている。このように構成された本発明においては、キャビティ内に平面視で放射状に噴霧され、キャビティの壁面に沿ってピストンの径方向内側に反転する燃料の流れと、スワール流が切欠き部からキャビティ内に流入することにより発生したピストンの径方向の速度成分を持つ空気流動とを合流させ、キャビティ内における燃料と空気との混合を促進することができ、これにより、燃料噴霧のペネトレーションを強めることなく燃料噴霧と空気の混合性を一層向上することができる。
また、本発明において、好ましくは、切欠き部は、ピストンの冠面に複数形成されている。このように構成された本発明においては、キャビティ内のより広い範囲においてピストンの径方向の速度成分を持つ空気流動を発生させることができ、これにより、キャビティ内における空気の流動性を一層高めることができる。
また、本発明において、好ましくは、燃料噴射弁の噴孔は、キャビティ内に平面視で複数の指向方向に放射状に燃料を噴霧するよう複数形成されている。このように構成された本発明においては、キャビティ内に平面視で放射状に噴霧された燃料の流動を、ピストンの径方向の速度成分を持つ空気流動により促進することができ、燃料噴霧のペネトレーションを強めることなく燃料噴霧と空気の混合性を一層向上することができる。

本発明のディーゼルエンジンによれば、燃料噴霧のペネトレーションを強めることなくキャビティ内の空気の流動性を高めることにより、冷却損失の低減と、燃料噴霧と空気の混合性向上とを両立することができる。

本発明の実施形態によるディーゼルエンジンの構成を示す概略図である。本発明の実施形態によるディーゼルエンジンにおける吸気ポート及び排気ポートの配置を概略的に示す平面図である。本発明の実施形態による燃料噴射弁の先端部の部分断面図である。本発明の実施形態によるディーゼルエンジンの運転状態に応じて異なるように設定された燃料の噴射形態の一例を示す図である。本発明の実施形態によるピストンの斜視図である。本発明の実施形態によるピストンの平面図である。図５中のVII−VIIに沿って見た、本発明の実施形態によるピストン及びシリンダヘッドなどの部分断面図である。図6中のVIII−VIIIに沿って見た、本発明の実施形態によるピストン及びシリンダヘッドなどの部分断面図である。本発明の実施形態による燃焼室内の空気流動を概念的に示す斜視図である。本発明の実施形態による燃焼室内の燃料噴霧と空気の流動を概念的に示す斜視図である。本発明の実施形態によるピストンの切欠き部の隅部の丸み径Ｒとキャビティ内の空気流動のピストン径方向における最大速度との関係を示すグラフである。本発明の実施形態によるピストンの切欠き部の角部の丸み径ｒとキャビティ内の空気流動のピストン径方向における最大速度との関係を示すグラフである。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態によるディーゼルエンジンを説明する。

まず、図１乃至図４を参照して、本発明の実施形態によるディーゼルエンジンの構成を説明する。
図１は、本発明の実施形態によるディーゼルエンジンの構成を示す概略図であり、図２は、本発明の実施形態によるディーゼルエンジンにおける吸気ポート及び排気ポートの配置を概略的に示す平面図であり、図３は、本発明の実施形態による燃料噴射弁の先端部の部分断面図であり、図４は、本発明の実施形態によるディーゼルエンジンの運転状態に応じて異なるように設定された燃料の噴射形態の一例を示す図である。

図１において、符号１は本発明の実施形態によるディーゼルエンジンを示し、ディーゼルエンジン１は、気筒２（シリンダ）が設けられたシリンダブロック４と、このシリンダブロック４上に配設されたシリンダヘッド６と、シリンダブロック４の下側に配設され、潤滑油が貯溜されたオイルパン８とを有している。気筒２内には、ピストン１０が往復動可能に嵌挿されていて、シリンダヘッド６に対向するピストン１０の冠面１０ａには、シリンダヘッド６と反対側に凹んだキャビティ１２が形成されている。ピストン１０は、コンロッド１４を介してクランク軸１６と連結されている。

シリンダヘッド６には、第１及び第２の吸気ポート１８、２０並びに第１及び第２の排気ポート２２、２４が形成されている。これら第１及び第２の吸気ポート１８、２０は、シリンダヘッド６のピストン１０側の面（下面）と、シリンダヘッド６の一方の側面（吸気側の側面）とに開口し、第１及び第２の排気ポート２２、２４は、シリンダヘッド６のピストン１０側の面と、シリンダヘッド６の他方の側面（排気側の側面）とに開口している。

また、シリンダヘッド６には、第１及び第２の吸気ポート１８、２０のピストン側開口１８ａ、２０ａをそれぞれ開閉する第１及び第２の吸気弁２６、２８と、第１及び第２の排気ポート２２、２４のピストン側開口２２ａ、２４ａをそれぞれ開閉する第１及び第２の排気弁３０、３２とが配設されている。

さらに、シリンダヘッド６には、燃料を噴射する燃料噴射弁３４と、ディーゼルエンジン１の冷間時に吸入空気を暖めて燃料の着火性を高めるためのグロープラグ３６とが設けられている。燃料噴射弁３４は、ピストン１０側の端部がキャビティ１２の中心部を臨むような姿勢で取り付けられている。なお、燃料噴射弁３４は、燃料供給管３８を介して図外のコモンレールに連結されていて、燃料供給管３８及びコモンレールを介して図外の燃料タンクから燃料が供給される。余剰燃料は、リターン管４０を通じて燃料タンクへ戻される。

シリンダヘッド６の吸気側の側面には、第１及び第２の吸気ポート１８、２０に連通するように吸気通路４２が接続されている。この吸気通路４２の上流端部には、吸入空気を濾過する図外のエアクリーナが配設されており、このエアクリーナで濾過した吸入空気が吸気通路４２及び吸気ポート１８、２０を介して気筒２内に供給される。吸気通路４２における下流端近傍には、サージタンク４４が配設されている。このサージタンク４４よりも下流側の吸気通路４２は、第１及び第２の吸気ポート１８、２０にそれぞれ対応して分岐する独立通路４２ａ、４２ｂとされ、これら各独立通路４２ａ、４２ｂの下流端が気筒２の吸気ポート１８、２０にそれぞれ接続されている。

シリンダヘッド６の排気側の側面には、気筒２内から既燃ガス（排気ガス）を排出するための排気通路４６が接続されている。この排気通路４６の上流側の部分は、第１及び第２の排気ポート２２、２４にそれぞれ対応して分岐する独立通路４６ａ、４６ｂとされ、これら各独立通路４６ａ、４６ｂの上流端が排気ポート２２、２４にそれぞれ接続されている。

図２に示すように、第１及び第２の吸気ポート１８、２０のピストン側開口１８ａ、２０ａ並びに第１及び第２の排気ポート２２、２４のピストン側開口２２ａ、２４ａは、気筒２の中心軸線方向のシリンダヘッド６側（上側）から見て、時計回りに、第２の吸気ポート２０のピストン側開口２０ａ、第１の吸気ポート１８のピストン側開口１８ａ、第２の排気ポート２４のピストン側開口２４ａ、第１の排気ポート２２のピストン側開口２２ａの順に配置されている。

気筒２内には、吸気行程において上側から見て時計回りの吸気スワール流Ｓ（気筒２の中心軸線まわりに流れる横渦）が生成される。本実施形態において、第１の吸気ポート１８は、ピストン側開口１８ａから気筒２内に流入する吸気の流れを気筒２の周方向（第１の吸気ポート１８のピストン側開口１８ａの近傍を流れる吸気スワール流Ｓの進行方向）に指向させるいわゆるタンジェンシャルポートとして形成されている。また、第２の吸気ポート２０は、ピストン側開口２０ａから気筒２内に吸気を螺旋状に流入させるいわゆるヘリカルポートとして形成されている。これらの第１及び第２の吸気ポート１８、２０により、気筒２内の吸気スワール流Ｓが強化される。

図３に示すように、燃料噴射弁３４は、コモンレールから燃料が導入される燃料流路４８が内部に形成された筒状のバルブボディ５０と、バルブボディ５０の燃料流路４８内に進退可能に配設されたニードル弁５２とを有している。バルブボディ５０は半球状の先端部５０ａを有しており、この先端部５０ａに対応する燃料流路４８の終端は半球状の副室４８ａとされている。さらに、副室４８ａの周囲のバルブボディ５０の内面には、ニードル弁５２の前進時にその先端部が着座されるシート部５４が形成されている。

バルブボディ５０の先端部５０ａには複数の噴孔５６が設けられている。各噴孔５６は先端部５０ａを貫通するように設けられ、バルブボディ５０の先端部５０ａの表面と副室４８ａとを連通している。なお、本実施形態では、合計１０個の噴孔５６が先端部５０ａに設けられており、各噴孔５６は周方向にほぼ等間隔に並ぶように配設されている。このような噴孔５６を通過することにより、燃料は平面視で放射状に噴射される。

バルブボディ５０には、図外のソレノイドが設けられており、このソレノイドの吸引力によってニードル弁５２が進退駆動される。ニードル弁５２が前進駆動されてシート部５４に着座すると、副室４８ａへの燃料の導入が遮断され、各噴孔５６からの燃料の噴射が停止される。一方、その状態からニードル弁５２が後退駆動されると（図３はこの状態を図示）、副室４８ａに燃料が導入されて、各噴孔５６からの燃料の噴射が開始される。ニードル弁５２を後退駆動する時間を制御することにより、燃料の噴射量を調節することができる。

燃料噴射弁３４は、気筒２と同軸に取り付けられている。即ち、バルブボディ５０の先端部５０ａの中心を通って上下方向に延びる直線を燃料噴射弁３４の中心軸線とすると、この中心軸線が気筒２の中心軸線と一致するような姿勢で燃料噴射弁３４が取り付けられている。

図４に示すように、本実施形態のディーゼルエンジン１では、例えばエンジンの負荷が極めて低い運転領域Ａ１において、３回のプレ噴射Ｑｐ１と１回のメイン噴射Ｑｍ１とに分けて燃料噴射弁３４から燃料が噴射される。メイン噴射Ｑｍ１では、圧縮上死点（圧縮行程終了時の上死点）付近で燃料噴射が開始され、その噴射量は１〜５ｍｍ³程度に設定される。プレ噴射Ｑｐ１では、メイン噴射Ｑｍ１よりも少ない量の燃料が圧縮上死点よりも前に噴射される。

一方、運転領域Ａ１よりも負荷が高く加速時に多用される中負荷の運転領域Ａ２では、２回のプレ噴射Ｑｐ２と、１回のメイン噴射Ｑｍ２と、さらに１回のアフター噴射Ｑａ２とに分けて燃料噴射弁３４から燃料が噴射される。メイン噴射Ｑｍ２では、圧縮上死点付近で燃料噴射が開始され、その噴射量は１０〜３０ｍｍ³程度に設定される。プレ噴射Ｑｐ２では、メイン噴射Ｑｍ２よりも少ない量の燃料が圧縮上死点よりも前に噴射される。アフター噴射Ｑａ２では、メイン噴射Ｑｍ２よりも少ない量の燃料が、メイン噴射Ｑｍ２が終了した後（膨張行程の途中）で噴射される。

なお、図示されていないＡ１、Ａ２以外の運転領域での燃料噴射の形態（噴射回数、噴射タイミング、噴射量）としては種々のパターンが採用され得るが、総じていえば、メイン噴射（圧縮上死点付近で開始される燃料噴射）の噴射量は負荷が高くなるほど増大される傾向にある。このため、例えば運転領域Ａ２よりもさらに高負荷側では、メイン噴射の噴射量が運転領域Ａ２の場合（１０〜３０ｍｍ³）よりもさらに増やされることになる。

以上のような各運転領域での燃料噴射の形態は、図外のＰＣＭ（Powertrain Control Module）の制御によって実現される。即ち、ＰＣＭは、エアフローセンサ、エンジン回転速度センサ、アクセル開度センサ等（何れも不図示）の各種センサから入力された信号によりエンジンの運転状態を逐次判断し、運転状態ごとに予め設定された目標の噴射形態に適合するように燃料噴射弁３４を制御する。

次に、図５乃至図８を参照して、本発明の実施形態によるピストン１０の形状を説明する。
図５は、本発明の実施形態によるピストン１０の斜視図であり、図６は、図５に示したピストン１０の平面図であり、図７は、図５中のVII−VIIに沿って見たピストン１０及びシリンダヘッド６などの部分断面図であり、図８は、図５中のVIII−VIIIに沿って見たピストン１０及びシリンダヘッド６などの部分断面図である。
なお、図７及び図８では、上死点まで上昇したときのピストン１０を示すとともに、図６及び図７では、燃料噴射弁３４の噴孔５６から噴射された燃料の噴霧を符号Ｆとして示している。これらの図から理解されるように、キャビティ１２は、少なくともピストン１０が上死点にあるときに燃料噴射弁３４から噴射された燃料（噴霧Ｆ）を受け入れ可能な形状および大きさに形成されている。

図５乃至図７に示すように、キャビティ１２は、いわゆるリエントラント型のキャビティとされている。即ち、キャビティ１２を形成する壁面は、ほぼ山型の中央***部５８と、中央***部５８よりもピストン１０の径方向外側に形成された平面視円形の周辺凹部６０と、周辺凹部６０とピストン１０の冠面１０ａとの間（即ちキャビティ１２の周縁）に形成された平面視円形のリップ部６２とを有している。

中央***部５８は、キャビティ１２の中心側ほど燃料噴射弁３４に近づくように***しており、その***の頂部が燃料噴射弁３４の先端部５０ａの直下方に位置するように形成されている。周辺凹部６０は、中央***部５８と連続し、断面視でピストン１０の径方向外側に凹入する円弧状をなすように形成されている。リップ部６２は、周辺凹部６０と連続し、図７に示すように断面視でピストン１０の径方向内側に凸となる円弧状をなすように形成されている。燃料噴射弁３４の各噴孔５６は、リップ部６２と周辺凹部６０との接続部付近を指向している。

図５、図６及び図８に示すように、リップ部６２には、キャビティ１２の周縁からピストン１０の径方向外側に凹んだ複数の切欠き部６４が形成されている。各切欠き部６４は、燃料噴射弁３４の噴孔５６の各指向方向の間に配置される。上述したように、本実施形態では、合計１０個の噴孔５６が周方向にほぼ等間隔に並ぶように配設されており、燃料は平面視で放射状に噴射される。したがって図６に示すように、本実施形態では、合計１０個の切欠き部６４が、燃料噴射弁３４の噴孔５６の各指向方向の間に周方向にほぼ等間隔に並ぶように配置されている。

図６に示すように、切欠き部６４は、平面視でピストン１０の径方向内側に突出するリップ部６２の先端からピストン１０の径方向外側に凹んだほぼＵ字形に形成されている。即ち、切欠き部６４を形成する壁面は、平面視でピストン１０の周方向に沿って延びる底面６４ａと、底面６４ａの両端からピストン１０の径方向内側に延びる２つの側面６４ｂと、底面６４ａと側面６４ｂとを接続する隅部６４ｃを有している。隅部６４ｃは、半径Ｒの丸みを持つように形成される。平面視においてピストン１０の中心と切欠き部６４の底面６４ａの両端とを結ぶ直線が成す中心角α（切欠き部６４の幅に相当する）は、本実施形態では例えば１４°である。
また、底面６４ａ及び側面６４ｂとピストン１０の冠面１０ａとを接続する角部６４ｄ、及び、側面６４ｂとキャビティ１２の壁面とを接続する角部６４ｄは、半径ｒの丸みを持つように形成される。
切欠き部６４の隅部６４ｃの丸み径Ｒ及び角部６４ｄの丸み径ｒの設定については後述する。
また、図８に示すように、切欠き部６４の底面６４ａは、断面視でキャビティ１２の底面６４ａからピストン１０の冠面１０ａに向かってピストン１０の径方向外側に傾斜している。切欠き部６４の底面６４ａとピストン１０の軸線方向とが成す角（すり鉢角）θは、本実施形態では例えば３０°である。切欠き部６４の底面６４ａの周辺凹部６０側の端部は、周辺凹部６０の周縁と連続している。

次に、図９及び図１０を参照して、本発明の実施形態によるディーゼルエンジン１の作用を説明する。図９は、本発明の実施形態による燃焼室内の空気流動を概念的に示す斜視図であり、図１０は、本発明の実施形態による燃焼室内の燃料噴霧と空気の流動を概念的に示す斜視図である。

上述したように、気筒２内には、吸気行程において上側から見て時計回りの吸気スワール流Ｓが生成され、第１及び第２の吸気ポート１８、２０により、気筒２内の吸気スワール流Ｓが強化される。

続く圧縮行程において、ピストン冠面１０ａの上方においてキャビティ１２よりもピストン１０の径方向外側を流れる吸気スワール流Ｓ（気筒２の中心軸線まわりに流れる横渦）は、図９に示すように、切欠き部６４からキャビティ１２の周辺凹部６０へ落ち込み、中央***部５８に沿ってピストン１０の径方向内側へ進む。これにより、キャビティ１２内には、吸気スワール流Ｓによる気筒２の中心軸線まわりに流れる横渦に加えて、ピストン１０の径方向の速度成分を持つ空気流動Ｖが発生する。本実施形態によれば、周辺凹部６０に沿って流れる空気流動Ｖのピストン１０の径方向の速度成分は、切欠き部６４を有しない場合の約３倍に達する。

圧縮行程が進み圧縮上死点付近で燃料噴射弁３４により燃料噴射が行われると、噴孔５６から噴射された燃料はリップ部６２と周辺凹部６０との接続部付近に到達する。
図４における運転領域Ａ１のような低負荷域では、燃料噴射弁３４からの燃料の噴射量が少ないので、燃料の噴霧Ｆはリップ部６２と周辺凹部６０との接続部付近に到達した時点でかなり減速している。したがって、噴霧Ｆがキャビティ１２の壁面に沿って径方向内側に反転するような流れは、噴霧Ｆ自体の運動量によってはほとんど生じない。
しかしながら、吸気スワール流Ｓが切欠き部６４からキャビティ１２の周辺凹部６０へ落ち込むことにより、キャビティ１２内には、ピストン１０の径方向の速度成分を持つ空気流動Ｖが存在している。したがって、図１０に示すように、リップ部６２と周辺凹部６０との接続部付近に到達した噴霧Ｆは空気流動Ｖと合流し、キャビティ１２の壁面に沿って径方向内側に反転しながら空気と混合する。これにより、燃料の噴射量が少ない低負荷域においても燃料噴霧Ｆと空気との混合性を向上することができ、冷却損失を低減することができる。

また、図４における運転領域Ａ２のような中負荷域、あるいはさらに高負荷側の領域では、燃料噴射弁３４からの燃料の噴射量が多いので、噴霧Ｆは、キャビティ１２の壁面に沿って径方向内側に反転し、キャビティ１２の壁面に沿ってピストン１０の中心側に向けて流れるとともに、その過程で空気と反応し、燃焼する。このとき、低負荷域における冷却損失低減のために燃料噴霧Ｆのペネトレーションを弱めていると、キャビティ１２の中心側に向かう噴霧Ｆの流れが弱くなる。
しかしながら、吸気スワール流Ｓが切欠き部６４からキャビティ１２の周辺凹部６０へ落ち込むことにより、キャビティ１２内には、ピストン１０の径方向の速度成分を持つ空気流動Ｖが存在している。したがって、図１０に示すように、リップ部６２と周辺凹部６０との接続部付近に到達した噴霧Ｆは、キャビティ１２の壁面に沿って径方向内側に反転しながら空気流動Ｖと合流し、空気と混合する。これにより、中・高負荷域において燃料噴霧Ｆのペネトレーションを強めることなく燃料噴霧Ｆと空気との混合性を向上することができ、ＮＯｘやスート（煤）の発生量を低減することができる。

次に、図１１及び図１２を参照して、切欠き部６４の隅部６４ｃの丸み径Ｒ及び角部６４ｄの丸み径ｒの設定について具体的に説明する。図１１は本発明の実施形態による切欠き部６４の隅部６４ｃのＲとキャビティ１２内の空気流動Ｖのピストン１０の径方向における最大速度との関係を示すグラフである。また、図１２は、切欠き部６４の隅部６４ｃのＲを５ｍｍとした場合における、本発明の実施形態による切欠き部６４の角部６４ｄのＲとキャビティ１２内の空気流動Ｖのピストン１０の径方向における最大速度との関係を示すグラフである。これらの図１１及び図１２に示したグラフは、圧縮行程上死点付近における気筒２内の空気流動を数値解析することにより得られたものである。

図１１に示すように、切欠き部６４の隅部６４ｃの丸み径Ｒが大きくなるほど、キャビティ１２内における空気流動Ｖのピストン１０の径方向の最大速度は低下する。これは、隅部６４ｃのＲが大きいほど、（１）側面６４ｂのうちピストン１０の径方向と平行な部分（即ち吸気スワール流Ｓの流れ方向に垂直な部分）の面積が小さくなるので、吸気スワール流Ｓがピストン冠面１０ａの上方から切欠き部６４を通ってキャビティ１２の周辺凹部６０へ落ち込むときに、側面６４ｂに衝突してキャビティ１２の中央方向へ向きを変える吸気スワール流Ｓの流量が減少すること、（２）吸気スワール流Ｓがピストン冠面１０ａの上方からキャビティ１２の周辺凹部６０へ落ち込むときに通過する切欠き部６４の流路断面積が小さくなるので、ピストン冠面１０ａの上方から切欠き部６４を通ってキャビティ１２の周辺凹部６０へ落ち込む吸気スワール流Ｓの流量が減少すること、（３）底面６４ａのうち法線が気筒２の中心軸線を向く部分の面積が小さくなるので、ピストン１０の上昇に伴って底面６４ａによりキャビティ１２の中央方向へ押し出される空気の流量が減少すること、等に起因すると考えられる。
したがって、ピストン１０の径方向の速度成分を持つ空気流動を発生させることにより、燃料噴霧Ｆのペネトレーションを強めることなくキャビティ１２内における空気の流動性を高め、燃料噴霧Ｆと空気の混合性を向上させるという観点からは、隅部６４ｃのＲは可能な限り小さい方が好ましい。

しかしながら、隅部６４ｃのＲを小さくすると、それよりもさらに小さい径の工具により隅部６４ｃの切削加工を行わなければならず、生産性が低下してしまう。また、隅部６４ｃのＲを小さくするほど、隅部６４ｃへの応力集中によりクラックが発生し易くなる。したがって、生産性の向上や信頼性の確保の観点からは、隅部６４ｃのＲは大きい方が好ましい。

ここで、燃料噴霧Ｆと空気の混合性を十分向上させるためには、キャビティ１２内における空気流動Ｖのピストン１０の径方向の最大速度が５ｍ／ｓ程度に達している必要がある。したがって、図１１に示した隅部６４ｃのＲとキャビティ１２内の空気流動Ｖのピストン１０の径方向における最大速度との関係によれば、隅部６４ｃのＲを、生産性及び信頼性の確保に必要な大きさとしつつ最大でも５ｍｍ以下とすることにより、要求される生産性及び信頼性を確保しつつ、燃料噴霧Ｆと空気の混合性を十分に向上させることができる。

また、切欠き部６４の隅部６４ｃの丸み径Ｒが切欠き部６４の幅（対向する側面６４ｂ間の距離）の１／２を超えると、切欠き部６４の底面６４ａ又は側面６４ｂと隅部６４ｃとの間に不連続な箇所が生じる。この不連続な箇所においては、隅部６４ｃのＲを小さくした場合と同様に、生産性の低下や応力集中による破損等の問題が起こり得る。したがって、隅部６４ｃのＲは、切欠き部６４の幅の１／２以下とすることが好ましい。

また、図１２に示すように、切欠き部６４の角部６４ｄの丸み径ｒが大きくなるほど、キャビティ１２内における空気流動Ｖのピストン１０の径方向の最大速度は低下する。これは、角部６４ｄのｒが大きいほど、（１）側面６４ｂのうちピストン１０の径方向と平行な部分（即ち吸気スワール流Ｓの流れ方向に垂直な部分）の面積が小さくなるので、吸気スワール流Ｓがピストン冠面１０ａの上方から切欠き部６４を通ってキャビティ１２の周辺凹部６０へ落ち込むときに、側面６４ｂに衝突してキャビティ１２の中央方向へ向きを変える吸気スワール流Ｓの流量が減少すること、（２）ピストン冠面１０ａの上方から切欠き部６４に流入した空気が、角部６４ｄの丸みに沿って切欠き部６４からピストン１０の周方向に流出し易くなるので、側面６４ｂに沿ってキャビティ１２の中央方向へ向かう空気の流量が減少すること、等に起因すると考えられる。
したがって、ピストン１０の径方向の速度成分を持つ空気流動を発生させることにより、燃料噴霧Ｆのペネトレーションを強めることなくキャビティ１２内における空気の流動性を高め、燃料噴霧Ｆと空気の混合性を向上させるという観点からは、角部６４ｄのｒは可能な限り小さい方が好ましい。

しかしながら、角部６４ｄのｒが小さいほど、燃焼ガスに曝され且つ熱が周辺に伝達しにくい角部６４ｄの先端がヒートスポットとなり、この角部６４ｄの先端近傍において局所燃焼が発生してＮＯｘやスート（煤）の発生量が増加する可能性がある。また、角部６４ｄのｒを小さくするほど、角部６４ｄへの応力集中により破損が発生し易くなる。したがって、エミッション性能の向上や信頼性の確保の観点からは、角部６４ｄのｒは大きい方が好ましい。

ここで、上述したように、燃料噴霧Ｆと空気の混合性を十分向上させるためには、キャビティ１２内における空気流動Ｖのピストン１０の径方向の最大速度が５ｍ／ｓ程度に達している必要がある。したがって、図１２に示した角部６４ｄのＲとキャビティ１２内の空気流動Ｖのピストン１０の径方向における最大速度との関係によれば、角部６４ｄのｒを、エミッション性能の向上や信頼性の確保に必要な大きさとしつつ最大でも１ｍｍ以下とすることにより、要求されるエミッション性能及び信頼性を確保しつつ、燃料噴霧Ｆと空気の混合性を十分に向上させることができる。

次に、本発明の実施形態のさらなる変形例を説明する。
上記した実施形態では、平面視においてピストン１０の中心と切欠き部６４の底面６４ａの両端とを結ぶ直線が成す中心角αが例えば１４°であり、切欠き部６４の底面６４ａとピストン１０の軸線方向とが成す角（すり鉢角）θが例えば３０°であると説明したが、切欠き部６４をこれとは異なる寸法により形成してもよい。

また、上記した実施形態では、１０個の噴口２７を備えた燃料噴射弁３４を示したが、本発明は、これとは異なる複数の噴口２７を備えた燃料噴射弁３４を有するエンジンにも適用可能である。

次に、上述した本発明の実施形態及び本発明の実施形態の変形例によるディーゼルエンジン１の作用効果を説明する。

まず、ピストン１０の冠面１０ａには、キャビティ１２の周縁からピストン１０の径方向外側に凹んだ切欠き部６４が形成されているので、ピストン冠面１０ａの上方においてキャビティ１２よりもピストン１０の径方向外側を流れるスワール流Ｓが切欠き部６４からキャビティ１２内へ流入し、キャビティ１２の壁面に沿ってピストン１０の径方向内側へ進む空気流動が発生する。このように、スワール流Ｓによる気筒２の中心軸線まわりに流れる横渦に加えて、ピストン１０の径方向の速度成分を持つ空気流動を発生させることにより、燃料噴霧Ｆのペネトレーションを強めることなくキャビティ１２内における空気の流動性を高めることができ、冷却損失の低減と、燃料噴霧Ｆと空気の混合性向上とを両立することができる。
また、切欠き部６４の底面６４ａと側面６４ｂとを接続する隅部６４ｃの丸み径Ｄは５ｍｍ以下であるので、隅部６４ｃの丸み径Ｄが５ｍｍより大きい場合と比較して、ピストン冠面の上方から切込み部に流入したスワール流をより確実にキャビティの中央方向へ方向付けることができ、これにより、ピストン冠面１０ａの上方から切欠き部６４を通ってキャビティ１２の中央方向へ進む空気の流量を増大させ、燃料噴霧Ｆのペネトレーションを強めることなくキャビティ１２内における空気の流動性を確実に高めることができる。
また、切欠き部６４の隅部６４ｃの丸み径Ｄは切欠き部６４の幅の１／２以下であるので、切欠き部６４の底面６４ａ又は側面６４ｂと隅部６４ｃとの間に不連続な箇所が生じないようにすることができ、これにより、不連続な箇所の存在に起因する生産性の低下や応力集中による破損等を防止しつつ、燃料噴霧Ｆのペネトレーションを強めることなくキャビティ１２内における空気の流動性を確実に高めることができる。
また、切欠き部６４の底面６４ａ及び側面６４ｂとピストン冠面１０ａとを接続する角部６４ｄ、及び、切欠き部６４の側面６４ｂとキャビティ１２の壁面とを接続する角部６４ｄのそれぞれの丸み径ｒは１ｍｍ以下であるので、角部６４ｄの丸み径ｒが１ｍｍより大きい場合と比較して、ピストン冠面１０ａの上方から切込み部６４に流入したスワール流をより確実にキャビティ１２の中央方向へ方向付けることができ、これにより、ピストン冠面１０ａの上方から切欠き部６４を通ってキャビティ１２の中央方向へ進む空気の流量を増大させ、燃料噴霧Ｆのペネトレーションを強めることなくキャビティ１２内における空気の流動性を確実に高めることができる。

特に、ピストン１０の冠面１０ａには、複数の切欠き部６４が形成されているので、キャビティ１２内のより広い範囲においてピストン１０の径方向の速度成分を持つ空気流動を発生させることができ、これにより、キャビティ１２内における空気の流動性を一層高めることができる。

また、燃料噴射弁３４には、キャビティ１２内に平面視で放射状に燃料を噴霧するようにキャビティ１２内を指向する複数の噴孔５６が形成されているので、キャビティ１２内に平面視で放射状に噴霧された燃料の流動を、ピストン１０の径方向の速度成分を持つ空気流動により促進することができ、燃料噴霧Ｆのペネトレーションを強めることなく燃料噴霧Ｆと空気の混合性を一層向上することができる。

特に、切欠き部６４は、複数の噴孔５６の各指向方向の間に配置されているので、キャビティ１２内に平面視で放射状に噴霧され、キャビティ１２の壁面に沿ってピストン１０の径方向内側に反転する燃料の流れと、スワール流Ｓが切欠き部６４からキャビティ１２内に流入することにより発生したピストン１０の径方向の速度成分を持つ空気流動とを合流させ、キャビティ１２内における燃料と空気との混合を促進することができ、これにより、燃料噴霧Ｆのペネトレーションを強めることなく燃料噴霧Ｆと空気の混合性を一層向上することができる。

１ディーゼルエンジン
２気筒
６シリンダヘッド
１０ピストン
１０ａ冠面
１２キャビティ
１８第１の吸気ポート
２０第２の吸気ポート
２２第１の排気ポート
２４第２の排気ポート
３４燃料噴射弁
５６噴孔
５８中央***部
６０周辺凹部
６２リップ部
６４切欠き部
６４ａ底面
６４ｂ側面
６４ｃ隅部
６４ｄ角部
Ｓスワール流

Claims

シリンダが形成されたシリンダブロックと、前記シリンダの一端を覆うように前記シリンダブロック上に配設されるシリンダヘッドと、前記シリンダヘッドに対向する冠面を備え前記シリンダ内を往復動するピストンと、前記シリンダヘッドに取り付けられた燃料噴射弁とを有するディーゼルエンジンであって、
このディーゼルエンジンは、その吸気行程および圧縮行程において、前記シリンダ内でその周方向に指向する吸気スワール流が生成されるよう構成され、
前記ピストンの冠面には、前記シリンダヘッドとは反対側に凹んだ平面視円形のキャビティが形成され、このキャビティは、断面視でそのキャビティの中心側ほど前記燃料噴射弁に近づくように***した中央***部と、この中央***部と連続しており、断面視でピストンの径方向外側に凹となる円弧状に形成されると共に平面視で円形状に形成された周辺凹部と、この周辺凹部と連続しており、断面視で前記ピストンの径方向内側に凸となる円弧状に形成されると共に平面視で円形状に形成され、前記ピストンの冠面と連続するリップ部と、を備えるリエントラント型のキャビティであり、
前記ピストンの冠面には、さらに、前記ピストンの径方向外側を流れる吸気スワール流が流入して前記キャビティの径方向内側に進む空気流動が発生するように、前記キャビティのリップ部から前記ピストンの径方向外側に凹んだ複数の切欠き部が形成され、
前記燃料噴射弁には、前記キャビティ内に燃料を噴射する複数の噴孔が形成され、この燃料噴射弁の複数の噴孔は、前記キャビティ内に平面視で複数の指向方向に放射状に燃料を噴霧するよう形成され、前記複数の指向方向は、前記複数の切欠き部の間に向く方向であり、
前記燃料噴射弁の複数の噴孔は、噴射された燃料噴霧が、前記複数の切欠き部の間において、前記キャビティのリップ部と周辺凹部との接続部付近に到達するよう指向され、
前記ディーゼルエンジンは、その圧縮行程において、前記リップ部と前記周辺凹部との接続部付近に到達した燃料噴霧が、前記キャビティの周辺凹部の円弧状の形状、および、前記ピストンの冠面の切欠き部により発生した前記キャビティの径方向内側に進む空気流動との合流によって、前記キャビティの周辺凹部に沿って径方向内側に反転するよう構成され、
前記切欠き部は、平面視において、前記ピストンの周方向に延びる底面と、前記ピストンの周方向における前記底面の両端からそれぞれ前記ピストンの径方向内側に延びる２つの側面とにより形成され、
前記切欠き部の前記底面及び前記側面と前記ピストンの前記冠面とを接続する角部、及び、前記切欠き部の２つの側面とこれらの２つの側面のピストン径方向内側の周縁部において前記キャビティのリップ部とを接続する角部のそれぞれの丸み径は１ｍｍ以下であることを特徴とするディーゼルエンジン。