JPH10339137A - 渦流室式ディーゼルエンジンの燃焼室構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 渦流室式ディーゼルエンジンの主燃焼室に火
炎及び未燃焼燃料を均一に拡散させるようにする。 【解決手段】 ピストン３の頂面に平面視Ｙ字状の案内
凹部１３を設け、この案内凹部１３の始端部１３ａを噴
孔８のほぼ真下に位置させる。案内凹部１３には始端部
１３ａの前方に分岐部１４を設け、分岐部１４から仕切
壁部１７を始端部１３ａに接近する方向へ延ばす。案内
凹部１３の前壁部１６ａを円弧面で形成し、この円弧面
の曲率半径を仕切壁部１４から遠ざかるにしたがって漸
次大きくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、渦流室と主燃焼室
を備えた渦流室式ディーゼルエンジンの燃焼室構造に関
するものであり、特に主燃焼室の室壁の一部を構成する
ピストン頂面の案内凹部形状に係るものである。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、主燃焼室と渦流室とを備
えた渦流室式ディーゼルエンジンでは、圧縮行程中に空
気を渦流室に流入させて強い渦流を起こし、そこに燃料
を噴射して速やかに空気と混合し、着火燃焼させて主燃
焼室に噴出し、一部未燃焼燃料を主燃焼室の新しい空気
と接触させて燃焼するようにしている。この種のディー
ゼルエンジンのピストン頂面には案内凹部が形成されて
おり、この案内凹部の壁面が主燃焼室の室壁の一部を構
成している。

【０００３】ここで、主燃焼室での燃焼には、ボアに対
して均一に燃焼させることが重要であり、それには渦流
室から噴孔を通り主燃焼室に噴出する火炎及び燃料を素
早く均一に拡散させることが必要である。

【０００４】火炎・燃料が主燃焼室に均一に拡散されな
いと、燃料過濃な部分が生じてスート発生を引き起こし
たり、主燃焼室で燃焼されない未燃焼燃料が多くなって
燃費が悪くなると共に排気エミッションが悪化する。

【０００５】前記案内凹部の形状は火炎・燃料の均一拡
散に与える影響が大であり、従来から種々の形状のもの
が開発されている。例えば、特開平６−５８１４９号公
報や実開昭６１−１７１３５号公報には平面視双葉形
状、実開平７−２２０２５号公報には平面視Ｙ字形状を
なす案内凹部が開示されている。これらはいずれも火炎
・燃料を両サイドに振り分けるのに都合の良い形状であ
り、噴孔から主燃焼室に噴出し直進してきた火炎・燃料
は、案内凹部の前壁に突き当たって方向を変え該前壁に
案内されて両サイドに振り分けられて進むこととなる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、火炎・燃料
の均一拡散を達成するためには、火炎・燃料の直進成
分と、直進成分と直交する方向へ振り分ける振り分け
成分、の両成分をいかに制御するかが重要になる。この
直進成分と振り分け成分の制御は、案内凹部の底壁部と
前壁部とを連ねる円弧面の曲率半径（以下、底隅Ｒと称
す）の大きさと、案内凹部の深さに大きく左右される。

【０００７】例えば、案内凹部の深さを深くして底隅Ｒ
を小さくすると振り分け成分を大きくすることができる
が、このようにすると火炎・燃料が案内凹部の前壁部を
乗り越えにくくなって直進成分が小さくなり過ぎてしま
う。その結果、主燃焼室における両サイドでの燃焼は達
成されるが中央部及びその前方での燃焼は不十分にな
り、不均一燃焼になる。

【０００８】一方、案内凹部の深さを前記と同じにして
底隅Ｒを大きくすると、火炎・燃料が案内凹部の前壁を
乗り越え易くなって直進成分は大きくなるが、逆に振り
分け成分が小さくなる。その結果、中央部及びその前方
での燃焼は十分に達成されるが、両サイド部での燃焼が
不十分になり、やはり不均一燃焼になってしまう。

【０００９】本発明はこのような従来の技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、本発明は、案内凹部の前壁
部の傾斜を中央から左右終端部に向かって緩やかにする
ことにより、主燃焼室での均一燃焼を図ることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するために、以下の手段を採用した。本発明は、渦流室
から噴孔を介して主燃焼室に噴出される噴流が、ピスト
ン頂面に設けられた案内凹部に案内されて主燃焼室に拡
散される渦流室式ディーゼルエンジンの燃焼室構造にお
いて、前記案内凹部は、その始端部を前記噴孔の近傍に
配置し、始端部よりも噴流の流れ方向前方に噴流を左右
に分ける分岐部を備え、案内凹部の底壁部からピストン
頂面に連なる前壁部は傾斜面を有し、この傾斜面の傾斜
が分岐部から左右終端部に接近するにしたがって漸次緩
やかにされていることを特徴とする。

【００１１】噴孔から噴出された火炎及び未燃焼燃料の
噴流はピストンの案内凹部に流れ込み、一塊になって前
進しようとするが、前方に設けられた分岐部で左右二手
に流れを分けられる。左右に分かれた噴流は案内凹部の
前壁部にぶつかりこれを乗り越えようとする。分岐部の
近傍では前壁部の傾斜がきついが、分岐部近くの噴流は
直進力が強いためその一部は乗り越えて直進する。但
し、乗り越える時にその直進力は弱められる。前壁部を
乗り越えられなかった噴流は前壁部に沿って案内凹部を
流れる。噴流は案内凹部の左右終端部に接近するにした
がって直進力が弱まっていくが、分岐部から遠ざかるに
したがって前壁部の傾斜が緩やかになるので、噴流は前
壁部を乗り越え易くなる。その結果、噴流はボアに対し
て均一に流れるようになり、火炎・燃料が主燃焼室の空
気と均一に混合し、未燃焼燃料は火炎により着火されて
主燃焼室で均一燃焼する。

【００１２】本発明において、案内凹部の底壁部からピ
ストン頂面に連なる前壁部を構成する傾斜面は、直線的
な傾斜面だけでなく円弧面をも含む概念であり、前壁部
を円弧面で構成する場合には、円弧面の曲率半径を分岐
部から左右終端部に接近するにしたがって漸次大きくす
ることによって本発明は達成される。

【００１３】本発明において、案内凹部の平面視形状と
してＹ字型や双葉型等を例示することができるが、特に
これに限定されるものではなく、これ以外の平面視形状
であっても本発明は成立する。

【００１４】案内凹部の底壁部とピストン頂面との高さ
である案内凹部の深さは一定であってもよいが、案内凹
部の深さを分岐部から左右終端部に接近するにしたがっ
て漸次浅くしても本発明は成立する。

【００１５】本発明は、前記構成に加えて、案内凹部に
分岐部から始端部に接近する方向に延びる仕切壁部を形
成し、この仕切壁部を噴孔近傍まで延ばしても構わな
い。このようにすると、ピストンが上死点より若干下方
に位置している時にも噴孔から噴射される噴流を案内凹
部に沿って流すことができるようになり、機関回転数の
高回転域においても噴流を常に安定して均一拡散させる
ことができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図１
から図８の図面に基いて説明する。 〔第１の実施の形態〕図２はディーゼルエンジン（以
下、エンジンと略す）の燃焼室周りの断面図であり、図
１は同エンジンのピストン頂面の平面図である。

【００１７】エンジンのシリンダブロック１に設けられ
たシリンダ２にはピストン３が往復摺動可能に収容され
ている。このシリンダ２の上部はシリンダブロック１の
上部に固定されたシリンダヘッド４によって閉塞されて
おり、ピストン３が上死点に達したときにピストン３と
シリンダヘッド４との間に主燃焼室５が形成される。

【００１８】シリンダヘッド４には、渦流室６が設けら
れるとともに、吸気口と排気口をそれぞれ開閉する吸気
弁７と排気弁（図示せず）が取り付けられている。渦流
室６は噴孔８を介して主燃焼室５に連通可能であり、噴
孔８は図２に示すようにピストン３の直径方向の一端側
上方に位置している。そして、渦流室６から噴出される
噴流が噴孔８からピストン３の直径方向他端側に向かっ
て噴出されるようになっている。さらに、シリンダヘッ
ド４には渦流室６に臨んで燃料噴射ノズル９とグロープ
ラグ１０が設けられている。

【００１９】ピストン３の頂面には、吸気弁リセス１１
と排気弁リセス１２と案内凹部１３とが凹設されてい
る。吸気弁リセス１１は吸気弁７がピストン３と干渉し
ないようにするための凹部であり、排気弁リセス１２は
排気弁がピストン３と干渉しないようにするための凹部
であり、いずれも平面視円形をなしている。

【００２０】案内凹部１３は平面視略Ｙ字形に形成され
ており、その始端部１３ａを噴孔８の真下に位置させ、
ピストン３の直径方向に対して線対称をなすように二股
に分かれ、始端部１３ａの前方に分岐部１４を備えてい
る。二股に分かれた案内凹部１３の一方は分岐部１４か
ら排気弁リセス１２の中央部に向かって延び、他方は分
岐部１４から吸気弁リセス１１の周縁部に向かって延び
ている。

【００２１】案内凹部１３は、中央部分を占める平坦な
底壁部１５と、案内凹部１３の全周に形成され底壁部１
５とピストン３の頂面平坦部３ａとを接続する円弧面
（傾斜面）からなる周壁部１６とを備えている。

【００２２】また、案内凹部１３には、ピストン３の頂
面平坦部３ａと同一高さの分岐部１４から直径方向に沿
って始端部１３ａに向かって延び底壁部１５に連なる仕
切壁部１７が形成されている。仕切壁部１７の端部は図
２に示すように噴孔８におけるシリンダ２の中心寄り端
部のほぼ真下に位置している。

【００２３】図３（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ），
（Ｅ）はそれぞれ図１のＡ−Ａ，Ｂ−Ｂ，Ｃ−Ｃ，Ｄ−
Ｄ，Ｅ−Ｅにおける断面図であり、これらの図から明ら
かなように、周壁部１６の曲率半径は仕切壁部１７から
遠ざかるにしたがって大きくされていて、Ｒ₁＞Ｒ₂＞Ｒ
₃になっている。

【００２４】次に、このディーゼルエンジンにおける主
燃焼室の作用を説明する。圧縮行程中にシリンダ２内の
空気が渦流室６内に流入して強い渦流が発生し、そこに
燃料噴射ノズル９から燃料を噴射して空気と混合し、着
火燃焼させる。この渦流室６において燃料の多くは燃焼
して火炎となるが、一部の燃料は燃焼されずに未燃焼燃
料として火炎と共に渦流室６から噴孔８を通って主燃焼
室５に噴出される。

【００２５】噴孔８から噴出した火炎・燃料はピストン
３の案内凹部１３に流れ込み、ピストン３の直径方向に
沿い一塊になって直進しようとするが、火炎・燃料の進
行方向前方に仕切壁部１７及び分岐部１４があり、この
仕切壁部１７によって火炎・燃料は左右二つの流れに分
けられる。

【００２６】左右二つに分けられた火炎・燃料はそれぞ
れピストン３の直径方向に沿って直進しようとするが、
その前方には案内凹部１３の周壁部１６（以下、案内凹
部１３において噴流の直進方向前方側に位置する部分の
周壁部１６を前壁部１６ａという）が存在するので、一
部は前壁部１６ａを乗り越えて直進するが、残りは前壁
部１６ａに案内されて案内凹部１３の左右終端部１３
ｂ，１３ｃに向かって流れる。

【００２７】このように火炎・燃料が前壁部１６ａを乗
り越えて直進する流れと前壁部１６ａに沿って方向を変
える流れは、前壁部１６ａの全長に亘って連続的に生じ
ることとなる。

【００２８】ところで、前述したように前壁部１６ａを
構成する円弧面は分岐部１４に近いほど曲率半径が小さ
いので、分岐部１４に近いほど左右への振り分け作用が
大きい。しかしながら、分岐部１４に近いほど火炎・燃
料の直進力が強いので、振り分け作用の大きい分岐部１
４近傍においても火炎・燃料の一部は前壁部１６ａを乗
り越えて直進する。ただし、前壁部１６ａを乗り越える
際に火炎・燃料の直進力は弱められる。

【００２９】一方、案内凹部１３の左右終端部１３ｂ，
１３ｃに向かって流れる火炎・燃料は左右終端部１３
ｂ，１３ｃに接近するにしたがって直進力が弱くなる
が、分岐部１４から遠ざかるにしたがって前壁部１６ａ
を構成する円弧面の曲率半径が大きくなるので、分岐部
１４から遠ざかるにしたがって火炎・燃料は前壁部１６
ａを乗り越え易くなり、前壁部１６ａの振り分け作用は
弱まる。

【００３０】このように、前壁部１６ａの曲率半径を分
岐部１４から遠ざかるにしたがって漸次大きくした結
果、火炎・燃料は案内凹部１３によって左右に振り分け
られながらも、前壁部１６ａのほぼ全域部を乗り越えて
直径方向に沿ってほぼ同速度で直進するようになる。図
４はこの火炎・燃料の流れをイメージした模式図であ
る。

【００３１】このように火炎・燃料は主燃焼室５を均一
拡散するようになり、噴孔８から火炎とともに噴出され
た未燃焼燃料は主燃焼室５内の空気と均一に混合され、
火炎により着火されて主燃焼室５において均一な燃焼が
行われるようになる。

【００３２】主燃焼室５での均一燃焼は、エンジンの出
力を向上し、燃費を向上させる。また、火炎・燃料の均
一拡散は、燃料の過濃な部分をなくすとともに、主燃焼
室５における燃焼を早くするので、燃料の蒸し焼きがな
くなりパテキュレートや未燃ガスの発生を低減し、さら
に、ＨＣやＣＯの発生を低減して、排気エミッションを
向上させる。

【００３３】さらに、火炎・燃料の均一拡散により燃焼
が早くなるので、燃料噴射ノズル９からの燃料噴射のタ
イミングを遅らせることができ、その結果、燃焼騒音
（ノッキング）が低減する。

【００３４】また、従来は噴孔から噴出された火炎・燃
料が均一拡散されず直進性が強かったため、主燃焼室の
中央部で燃焼が集中し易く、シリンダのほぼ中央部に位
置する吸排気弁間で局部的に高い熱負荷が加わっていた
が、この実施の形態の場合には、主燃焼室５で均一燃焼
が行われることによりシリンダヘッド４及びピストン３
の局部的熱負荷を緩和することができ、特に、シリンダ
２のほぼ中央部に位置する吸排気弁間のシリンダヘッド
４における温度を従来よりも１６〜２０度程度低く抑え
ることができる。その結果、シリンダヘッド４に亀裂、
変形等が生じなくなり、信頼性が向上する。

【００３５】尚、図２において二点鎖線で示すピストン
３は燃料噴射終了時における位置を示しており、この時
に噴孔８から噴出された火炎・燃料が仕切壁部１７に噴
出するようになっている。このように寸法設定しておく
と、燃料噴射終了の時点まで均一拡散、均一燃焼の作用
・効果を得ることができ、非常に好ましい。これは、燃
料噴射期間がクランク角で大きくなる高回転高負荷時に
特に有効であり、エンジンのほぼ全運転域で均一な拡散
燃焼を得ることができる。

【００３６】尚、第１の実施の形態では、案内凹部１３
の底壁部１５の深さ（換言すれば、底壁部１５からピス
トン３の頂面平坦部３ａまでの高さ寸法）を底壁部１５
の全域に亘って一定としているが、振り分け部１４から
案内凹部１３の左右両終端部１３ｂ，１３ｃに進むにし
たがって底壁部１５の深さを漸次浅くなるように設定し
てもよい。このようにすると、火炎・燃料の直進成分と
振り分け成分の制御を更に細かく設定することが可能で
ある。

【００３７】〔第２の実施の形態〕次に、本発明の第２
の実施の形態について図５から図８の図面に基づいて説
明する。

【００３８】図５は第２の実施の形態におけるピストン
頂面の平面図、図６はエンジンの燃焼室周りの断面図で
あり、それぞれ第１の実施の形態における図１、図２に
相当する図である。以下、第１の実施の形態と同一態様
部分には図中同一符号を付して説明を省略し、第２の実
施の形態が第１の実施の形態と相違する点についてだけ
説明する。

【００３９】第２の実施の形態は、ピストン３の頂面に
設けられた案内凹部２０が双葉型と称されるものに適用
した例である。図５に示すように、案内凹部２０は平面
視が双葉形に形成されており、平面視略矩形をなす始端
部２１が噴孔８のほぼ真下に配置され、始端部２１の前
方に分岐部２２を備え、分岐部２２から仕切壁部２３が
直径方向に沿って始端部２１側へ延びている。

【００４０】案内凹部２０は、分岐部２２及び仕切壁部
２３を含む直径方向に対して線対称に形成されていて、
仕切壁部２３を境にして左右の葉部２４，２５に分けら
れており、左右の葉部２４，２５はそれぞれ吸気弁リセ
ス３１、排気弁リセス３２の周縁部に向かって延びてい
る。但し、第２の実施の形態では吸気弁リセス３１及び
排気弁リセス３２はピストン３の頂面に設けられておら
ず、シリンダヘッド４に設けられている。

【００４１】図８（Ａ），（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ），
（Ｆ），（Ｇ），（Ｈ）はそれぞれ図７のＡ−Ａ、Ｃ−
Ｃ、Ｄ−Ｄ、Ｅ−Ｅ、Ｆ−Ｆ、Ｇ−Ｇ、Ｈ−Ｈにおける
断面図であり、図８（Ｂ）は図８（Ａ）のＢ−Ｂ断面図
である。

【００４２】始端部２１の底壁部２１ａは、仕切壁部２
３に接近するにしたがって深さが浅くなる傾斜面で形成
されている。葉部２４，２５は、中央部分を占める平坦
な底壁部２４ａ，２５ａと、底壁部２４ａ，２５ａとピ
ストン３の頂面平坦部３ａとを接続する円弧面からなる
周壁部２４ｂ，２５ｂを備えている。

【００４３】この第２の実施の形態においても、周壁部
２４ｂ，２５ｂにおいて噴流の流れ方向前方側に位置す
る部分、即ち前壁部２６の曲率半径Ｒは仕切壁部２３か
ら遠ざかるにしたがって大きくされており、Ｒ₄＜Ｒ₅＜
Ｒ₆になっている。尚、周壁部２４ｂ，２５ｂの曲率半
径はＦ−Ｆ近傍で最大となり、それ以降は始端部２１に
接近するにしたがって小さくなり、Ｒ₆＞Ｒ₇＞Ｒ₈にな
っている。

【００４４】また、この第２の実施の形態においても、
図６において二点鎖線で示すように、燃料噴射終了時に
噴孔８から噴出された火炎・燃料がピストン３の仕切壁
部２３に噴出するように、寸法設定されている。

【００４５】この第２の実施の形態によっても、第１の
実施の形態と同様の作用を得ることができ、主燃焼室に
おいて火炎・燃料を均一に拡散させることができ、均一
燃焼を達成することができる。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
渦流室式ディーゼルエンジンにおいて、ピストン頂面に
設けられた案内凹部が、その始端部を噴孔の近傍に配置
し、始端部よりも噴流の流れ方向前方に噴流を左右に分
ける分岐部を備え、案内凹部の底壁部からピストン頂面
に連なる前壁部が傾斜面を有し、この傾斜面の傾斜を分
岐部から左右終端部に接近するにしたがって漸次緩やか
にしたことによって、噴孔から主燃焼室に噴出される火
炎・燃料をピストンのボアに対して均一に拡散させるこ
とができ、未燃焼燃料を主燃焼室の空気と均一に混合さ
せることができ、その結果、主燃焼室で未燃焼燃料を均
一燃焼させることができるという優れた効果が奏され
る。

【００４７】そして、主燃焼室で均一燃焼が行われるこ
とにより、エンジンの出力向上、燃費向上、排気エミッ
ションの向上、燃焼騒音（ノッキング）の低減、ピスト
ン等への局部的熱負荷の緩和による信頼性向上を図るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る渦流室式ディーゼルエンジンの
燃焼室構造の第１の実施の形態に用いられるピストンの
平面図である。

【図２】 第１の実施の形態におけるディーゼルエンジ
ンの燃焼室周りの縦断面図である。

【図３】 第１の実施の形態のピストンの各部における
拡大断面図である。

【図４】 第１の実施の形態において火炎・燃料の流れ
を示す図である。

【図５】 本発明に係る渦流室式ディーゼルエンジンの
燃焼室構造の第２の実施の形態に用いられるピストンの
平面図である。

【図６】 第２の実施の形態におけるディーゼルエンジ
ンの燃焼室周りの縦断面図である。

【図７】 第２の実施の形態におけるピストンの要部拡
大平面図である。

【図８】 第２の実施の形態のピストンの各部における
拡大断面図である。

【符号の説明】

３ ピストン ３ａ ピストン頂面 ５ 主燃焼室 ６ 渦流室 ８ 噴孔 １３ 案内凹部 １３ａ 始端部 １３ｂ，１３ｃ 左右終端部 １４ 分岐部 １５ 底壁部 １６ 周壁部 １６ａ 前壁部 １７ 仕切壁部 ２０ 案内凹部 ２１ 始端部 ２２ 分岐部 ２３ 仕切壁部 ２４ａ，２５ａ 底壁部 ２４ｂ，２５ｂ 周壁部 ２６ 前壁部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 渦流室から噴孔を介して主燃焼室に噴出
   される噴流が、ピストン頂面に設けられた案内凹部に案
   内されて主燃焼室に拡散される渦流室式ディーゼルエン
   ジンの燃焼室構造において、 前記案内凹部は、その始端部を前記噴孔の近傍に配置
   し、始端部よりも噴流の流れ方向前方に噴流を左右に分
   ける分岐部を備え、案内凹部の底壁部からピストン頂面
   に連なる前壁部は傾斜面を有し、この傾斜面の傾斜が分
   岐部から左右終端部に接近するにしたがって漸次緩やか
   にされていることを特徴とする渦流室式ディーゼルエン
   ジンの燃焼室構造。
2. 【請求項２】 前記案内凹部における前壁部の傾斜面は
   円弧面で形成され、この円弧面の曲率半径が前記分岐部
   から左右終端部に接近するにしたがって漸次大きくされ
   ていることを特徴とする請求項１に記載の渦流室式ディ
   ーゼルエンジンの燃焼室構造。
3. 【請求項３】 前記案内凹部の底壁部とピストン頂面と
   の高さである案内凹部の深さが前記分岐部から左右終端
   部に接近するにしたがって漸次浅くされていることを特
   徴とする請求項１に記載の渦流室式ディーゼルエンジン
   の燃焼室構造。
4. 【請求項４】 前記案内凹部には、前記分岐部から始端
   部に接近する方向に延びる仕切壁部が形成され、この仕
   切壁部が噴孔近傍まで延びていることを特徴とする請求
   項１に記載の渦流室式ディーゼルエンジンの燃焼室構
   造。