JPH07150944A - 直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造におい
て、噴射タイミングの違いによらず噴射燃料をより一層
有効に拡散させ、燃料の燃焼性を向上させる。 【構成】ピストン４の頂部に窪み５を形成し、その窪み
５の内周面へ向かって燃料を高圧で噴射する噴射ノズル
７を設ける。窪み５の開口近傍には、その窪み５を二段
に区分してなる狭窄部８を形成する。窪み５の内周面に
は、外方へ湾曲した凸曲面９，１０を、周方向に沿って
連続して形成すると共に狭窄部８から窪み５の底部１１
へ向かって二段に形成する。窪み５の底部中央には、円
錐台形形状をなす凸部１３を形成する。従って、噴射ノ
ズル７からの噴射燃料は、各凸曲面９，１０に衝突して
窪み５の内部へ向かって積極的に反射される。又、各凸
曲面９，１０に付着する燃料は少なくなる。更に、凸部
１３を中心とする空気の旋回流が強められ、反射燃料に
その旋回流が作用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、直接噴射式の燃焼室
を備えてなる直噴式ディーゼルエンジンに係り、詳しく
は、その燃焼室構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、直噴式ディーゼルエンジンでは、
シリンダヘッドとピストンとの間に形成される単一の燃
焼室に燃料が直接噴射される。この種の燃焼室では、空
気と燃料とを良く混ぜ合わせるために、ピストンの頂部
に窪みが形成されている。そして、ピストンの圧縮行程
中に、その窪みで空気の乱流をおこさせると共に、その
窪みへ向かって噴射ノズルより燃料が噴射される。従っ
て、窪みの形状が、空気と燃料との混合具合を左右する
大きな要因となっている。

【０００３】この種の窪み形状を工夫した従来技術とし
ては、例えば、実開昭６２−９７２２４号公報に開示さ
れた「直接噴射式ディーゼル機関の燃焼室構造」が挙げ
られる。図１３に示すように、この従来技術では、ピス
トン２１の頂部に形成された窪み２２に、その窪み２２
を上下に区分する狭窄部２３が形成されている。この狭
窄部２３より下側における窪み２２の内周面は、異なっ
た形状により二段に形成されている。その一段目と二段
目との接合領域において、一段目の部分が内方へ湾曲し
た凹曲面２４となっており、二段目の部分は一段目に対
して非連続的に内側へ湾曲した別の凹曲面２５となって
いる。従って、噴射ノズル２６より噴射される燃料の一
部を一段目の凹曲面２４にて付着させ、その付着燃料を
気流や熱によって蒸発、剥離させることにより、空気と
燃料との混合が促進され、燃料の燃焼性の改善が図られ
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来技術では、窪み２２において、狭窄部２３より下側の
内面形状が単に凹曲面２４，２５であることから、噴射
ノズル２６を高圧噴射型とした場合に、不具合の出るお
それがあった。即ち、噴射ノズル２６で燃料の噴射圧力
を高くした場合には、粒径の小さい燃料が噴霧されるこ
とになる。そのため、特に凹曲面２４では、粒径の小さ
い燃料が付着することにより、却って粒径の大きな付着
燃料に成長してしまう。その結果、その付着燃料を蒸
発、剥離させることが却って難しくなり、空気と燃料と
の混合が不充分となり、燃料の燃焼性を悪化させるおそ
れがあった。又、高圧で噴射された燃料を空気と良好に
混合させるためには、窪み２２の内面で燃料を好適に反
射させて拡散させる必要がある。しかし、前記従来技術
では、窪み２２の内面が単に凹曲面２４，２５であるこ
とから、それら凹曲面２４，２５で反射される燃料の拡
散性が良くない傾向にあり、燃料の着火性の点で問題が
あった。一方、ピストン２１の圧縮行程を終える前後で
燃料の噴射タイミングが任意に変えられた場合には、凹
曲面２４，２５で反射される燃料の拡散性が良くない傾
向にある。そのため、噴射タイミングの違いによって
は、燃料の着火性が変化して同様に燃焼性を悪化させる
おそれがあった。

【０００５】この発明は前述した事情に鑑みてなされた
ものであって、その目的は、噴射タイミングの違いによ
らず、噴射ノズルより噴射される燃料をより一層有効に
拡散させることが可能で、燃料の燃焼性を向上させるこ
とを可能にした直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造
を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１に記載の第１の発明においては、ディー
ゼルエンジンのシリンダヘッドとピストンとの間に形成
され、ピストンの頂部に形成された窪みを含んでなる燃
焼室と、窪みの開口近傍にて窪みを二段に区分してなる
狭窄部と、その窪みの内周面へ向かって燃料を直接噴射
するための噴射ノズルとを備えた直噴式ディーゼルエン
ジンの燃焼室構造であって、窪みの内周面には、外方へ
湾曲した凸曲面を、周方向に沿って連続して形成すると
共に、狭窄部から窪みの底部へ向かって多段に形成した
ことを趣旨としている。

【０００７】請求項２に記載の第２の発明では、第１の
発明の構成において、窪みの底部中央に、円錐台形形状
をなす凸部を設けたことを趣旨としている。

【０００８】

【作用】上記第１の発明の構成によれば、噴射ノズルよ
り燃料が噴射されることにより、その燃料が、凸曲面に
衝突して、窪みの内部へ向かって積極的に反射される。
又、燃料が凸曲面で積極的に反射されることから、その
凸曲面に付着する燃料も少なくなる。更に、凸曲面が多
段に形成されていることから、ピストンの移動に対して
燃料の噴射タイミングが多少変わったとしても、各凸曲
面で同様に燃料が好適に反射される。

【０００９】第２の発明の構成によれば、第１の発明の
作用に加えて、凸部を中心とする空気の旋回流が強めら
れることになり、内周面で反射された燃料にその旋回流
が作用する。又、凸部の頂面が平坦であることから、窪
み中央に燃料拡散のための空間が確保される。

【００１０】

【実施例】以下、第１及び第２の発明における直噴式デ
ィーゼルエンジンの燃焼室構造を具体化した一実施例を
図１〜図１２に基づいて詳細に説明する。

【００１１】図１はこの実施例におけるディーゼルエン
ジンの燃焼室１を示す断面図である。エンジン本体を構
成するシリンダブロック２には、シリンダボア３が形成
されている。シリンダボア３にはピストン４が摺動可能
に配置されている。このピストン４の頂部中央には、窪
み５が形成されている。シリンダブロック２の上側に
は、シリンダボア３を閉塞するシリンダヘッド６が配置
されている。シリンダヘッド６の中央には、燃料を高圧
で噴射する高圧噴射型の噴射ノズル７が設けられ、その
先端が燃焼室１に臨んで配置されている。この噴射ノズ
ル７からは、窪み５の内周面へ向かって燃料が霧状に直
接噴射される。そして、窪み５を含み、ピストン４と、
シリンダボア３と、シリンダヘッド６とで囲まれる空間
により燃焼室１が形成されている。周知のようにピスト
ン４は、図示しないクランクシャフト及びコンロッドの
動きに連動してシリンダボア３を上下動することから、
その動きに伴い燃焼室１は拡大・収縮を繰り返して変化
する。但し、図１にはピストン４が上死点に達した状態
が示されている。周知のように、シリンダヘッド６に
は、図示しない吸気ポート及び排気ポートがそれぞれ形
成されている。これらのポートには、図示しない吸気バ
ルブ及び排気バルブがそれぞれ配設されている。この実
施例では、吸気ポートより燃焼室１に流入する空気に旋
回流（スワール）を付与するために、吸気ポートとして
ヘリカルタイプのポートが採用されている。

【００１２】そして、ピストン４の圧縮行程中に、窪み
５で空気の乱流が起こると共に、噴射ノズル７より窪み
５へ向けて燃料が噴射されることにより、窪み５にて空
気と燃料とが適度に混合される。又、その混合気が自己
着火することにより、燃料が爆発・燃焼される。以上は
直接噴射式の燃焼室１に関する一般的な構造及び機能で
ある。

【００１３】この実施例では、窪み５における空気と燃
料との混合具合を改善するために、窪み５の形状が特定
されている。即ち、図２は窪み５の一部を拡大して示す
断面図である。図１，２に示すように、窪み５の開口近
傍には、その窪み５を上下二段に区分してなる狭窄部８
が形成されている。この狭窄部８は、ピストン４の頂面
４ａに滑らかに連なる外方へ湾曲した曲面をなしてい
る。又、狭窄部８より下側において、窪み５の内周面に
は、外方へ湾曲すると共に周方向へ連続する異なる二つ
の凸曲面９，１０が形成されている。これら凸曲面９，
１０は、狭窄部８から窪み５の底部１１へかけて非連続
的に二段に形成されており、上段の凸曲面９と下段の凸
曲面１０との間が括部１２となっている。上段の凸曲面
９は狭窄部８に対して、滑らかに連続して形成されてい
る。下段の凸曲面１０は底部１１に対して、滑らかに連
続して形成されている。更に、窪み５の底部１１の周囲
は内方へ湾曲した曲面をなしており、その底部１１の中
央には円錐台形形状をなす凸部１３が形成されている。
この凸部１３の頂面１３ａは平坦をなしている。

【００１４】尚、この実施例では、ピストン４が上死点
（ＴＤＣ）に近づいたときに噴射ノズル７より燃料が噴
射されることにより、その噴霧は、括部１２を中心とし
てある幅をもって各凸曲面９，１０に衝突するように噴
射点Ｐの位置が設定されている。

【００１５】この実施例において、各凸曲面９，１０の
曲率はそれぞれ「１００ｍｍ」程度に設定されている。
又、図２に示すように、上段の凸曲面９のなす弦とピス
トン４の軸方向の線とのなす角度θ１は、この実施例に
おいて「１９．５°」前後に設定されている。同じく、
下段の凸曲面１０がなす弦と軸方向の線とのなす角度θ
２は、この実施例において、「３５．０°」程度に設定
されている。

【００１６】図３は窪み５に関するその他の寸法を示す
断面図である。凸部１３の外周面のなす角度θ３は、こ
の実施例において「９０°」に設定されている。この角
度θ３は、「８５〜９５°」の範囲で設定されるのが好
ましい。又、窪み５の最大内径Ｄ１は、この実施例にお
いて「５０．６±０．０５ｍｍ」に設定されている。括
部１２の内径Ｄ２は、この実施例において「４４．６ｍ
ｍ」に設定されている。狭窄部８の最小内径Ｄ３は、こ
の実施例において「４１．９±０．１ｍｍ」に設定され
ている。ピストン４の頂面４ａから括部１２までの深さ
Ｈ１は、この実施例において「５．５±０．０５ｍｍ」
に設定されている。又、ピストン４の頂面４ａから凸部
１３の頂面１３ａまでの深さＨ２は、この実施例におい
て「１２．５±０．０５ｍｍ」に設定されている。更
に、ピストン４の頂面４ａから窪み５の最下位までの深
さＨ３は、この実施例において「１８．５±０．０５ｍ
ｍ」に設定されている。尚、シリンダボア３の内径Ｄ
は、この実施例では「９４ｍｍ」に設定されている。

【００１７】次に、上記のように構成した燃焼室１の作
用及び効果について説明する。ピストン４の圧縮行程に
先立って吸入行程では、ピストン４の下降に伴って吸入
ポートから燃焼室１へ空気が導入される。このとき、窪
み５には空気の流れにスワールが生じる。

【００１８】その後、ピストン４が上昇して圧縮行程に
入ると、燃焼室１内の空気は徐々に圧縮され、図４，５
に示すように、ピストン４とシリンダヘッド６との間
で、窪み５へ向かう空気の流れ、即ちスキッシュ流Ｓが
生じる。この際、狭窄部８がピストン４の頂面４ａに滑
らかに連続していることから、スキッシュ流Ｓは窪み５
へと滑らかに導入される。しかも、窪み５に凸部１３が
形成されていることから、凸部１３と底部１１との間の
空間では、スキッシュ流ＳとスワールＭとが混合されて
凸部１３を中心とする空気のスワールＭが強められる。
又、図５に矢印ｍで示すように、スワールＭの一部は凸
部１３の外周に沿って頂面１３ａへ向かい、その頂面１
３ａのエッジ近傍には空気に乱れが生じる。

【００１９】図７には、本実施例と従来技術とを圧縮行
程を中心とした同一条件下で比較した、クランク角度に
対する燃焼室内スワール比の関係が示され、図８にはク
ランク角度に対する筒内スワール比の関係が示されてい
る。両図からも明らかなように、本実施例では、特に上
死点（ＴＤＣ）付近の各スワール比において有利である
ことが分かる。

【００２０】そして、圧縮行程の終期で、ピストン４が
上死点（ＴＤＣ）に近づいたときに噴射ノズル７が作動
し、図４に破線で示すように、噴射点Ｐから燃料が高圧
で噴射される。このとき、噴霧となった燃料は括部１２
を中心にある幅をもって各凸曲面９，１０に衝突して積
極的に反射される。この場合、上段の凸曲面９に衝突し
た燃料は、主に窪み５の中央の凸部１３へ向かって反射
され、下段の凸曲面１０に衝突した燃料は、主に窪み５
の底部１１へ向かって反射される。しかも、高圧で噴射
された微流な噴霧が各凸曲面９，１０にて積極的に反射
されることから、各凸曲面９，１０に燃料が付着して蒸
発・剥離されずに残ることが少なくなる。ここでは、底
部１１と凸部１３との間の空間で強められたスワールＭ
が反射燃料に作用することから、その反射燃料が本来の
反射方向よりもやや底部１１へ下がる方向へ流される。
その結果、噴射ノズル７より高圧で噴射される燃料をよ
り一層有効に拡散させることができ、もって燃料の着火
性を改善することができ、燃焼室１での燃料の燃焼性を
一層向上させることができる。

【００２１】又、凸部１３の頂面１３ａが平坦であるこ
とから、その頂面１３ａの上方に適度な空間が確保され
る。従って、凸部１３へ向かって反射された燃料は、そ
の上方の空間へ拡散させることができる。よって、反射
燃料全体を窪み５の広範囲にわたって拡散させることが
できる。しかも、凸部１３へ向けて反射された燃料は、
その頂面１３ａで生じる空気の乱れ等によって有効に拡
散させることができる。その意味から、燃焼室１におけ
る燃料の燃焼性を更に向上させることができる。

【００２２】図９には、本実施例において、上死点（Ｔ
ＤＣ）のタイミングで得られる燃料の拡散分布等の様子
が破線等で示されている。又、図１０には、それと対比
されるべき従来技術における燃料の拡散分布等の様子が
破線等で示されている。両図はそれぞれ同一条件下で実
験的にシミュレートされた結果である。両図の対比から
も明らかなように、本実施例における燃料の拡散分布
は、窪み５において、その凸部１３の上方から底部１１
の間の広範囲にわたって大きく広がっていることが分か
る。つまり、燃料の乱れエネルギーが大きいのである。
このことから、燃料の燃焼性が有利であることは容易に
推測される。

【００２３】加えて、この実施例では、窪み５の内周面
に、各凸曲面９，１０が二段に形成されていることか
ら、ピストン４の移動に対して燃料の噴射タイミングが
多少変わっても、各凸曲面９，１０で同様に燃料が反射
される。

【００２４】即ち、噴射ノズル７からの燃料の噴射タイ
ミングが遅角され、ピストン４の上死点後（ＡＴＤＣ）
に噴射ノズル７が作動して、図６に破線で示すように、
噴射点Ｐから燃料が高圧で噴射される。このとき、噴射
燃料は上段の凸曲面９を中心に各凸曲面９，１０に衝突
して、凸部１３や底部１１へ向かって積極的に反射さ
れ、各凸曲面９，１０に付着して残る燃料は少なくな
る。但し、この場合には、ピストン４が既に下降し始め
ていることから、ピストン４とシリンダヘッド６との間
で、窪み５から外へ向かう空気の流れ、即ち逆スキッシ
ュ流Ｓａが生じる。ここでは、その逆スキッシュ流Ｓａ
により、反射燃料が本来の反射方向よりも上方へ向かっ
て流れる。その結果、反射燃料をより一層有効に拡散さ
せることができ、燃焼室１での燃料の燃焼性をより一層
向上させることができる。

【００２５】又、ピストン４の上死点後（ＡＴＤＣ）に
おいても、凸部１３の頂面１３ａが平坦であることか
ら、その頂面１３ａの上方に適度な空間が確保される。
従って、凸部１３へ向かって反射された燃料は、その上
方の空間へ拡散させることができ、反射燃料全体を窪み
５の広範囲にわたって拡散させることができる。併せ
て、凸部１３へ向けて反射された燃料は、その頂面１３
ａで生じる空気の乱れ等により、有効に拡散させること
ができ、燃焼室１における燃料の燃焼性を向上させるこ
とができる。

【００２６】図１１には、本実施例において、上死点後
（ＡＴＤＣ）のタイミングで得られる燃料の拡散分布等
の様子が破線等で示されている。又、図１２には、それ
と対比されるべき従来技術における燃料の拡散分布等の
様子が破線等で示されている。両図はそれぞれ同一条件
下で実験的にシミュレートされた結果である。両図の対
比からも明らかなように、本実施例における燃料の拡散
分布は、窪み５の狭窄部８からピストン４の頂面４ａへ
向かって大きく広がっていることが分かる。つまり、上
死点後（ＡＴＤＣ）にも、燃料の乱れエネルギーが残る
ことが分かる。このことから、上死点後の燃料の燃焼性
が良くなることが分かる。

【００２７】つまり、この実施例では、凸曲面９，１０
が二段に形成されていることから、ピストン４の移動に
対して、噴射ノズル７からの燃料の噴射タイミングが多
少変わっても、各凸曲面９，１０にて広範囲に良好な燃
料の反射が確保される。その結果、噴射タイミングの違
いによらず、噴射ノズル７より噴射される燃料をより一
層有効に拡散させることができ、もって燃料の燃焼性を
向上させることができるのである。

【００２８】又、この実施例では、各凸曲面９，１０に
おける付着燃料を少なくできることから、付着燃料の気
化に起因して窪み５の壁面温度が低下することを抑制す
ることができる。併せて、同様の理由により、圧縮行程
の終了前後における圧縮空気の温度低下を抑えることが
でき、燃料の着火性を改善することができ、もって低温
始動性や、白煙の発生を改善することができる。

【００２９】更に、この実施例では、各凸曲面９，１０
が比較的大きい曲率で形成されていることから、それら
が窪み５へ出っ張ることがない。従って、各凸曲面９，
１０での熱負荷（熱応力）を低減させることができ、そ
れらの信頼性を向上させることができる。

【００３０】尚、この発明は前記実施例に限定されるも
のではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で構成の一部
を適宜に変更して次のように実施することもできる。 （１）前記実施例では、窪み５の内周面に二段に凸曲面
９，１０を形成したが、三段や四段に凸曲面を形成する
こともできる。

【００３１】（２）前記実施例では、窪み５の底部１１
の中央に円錐台形形状の凸部１３を設けたものに具体化
したが、窪みの底部中央から円錐台形形状の凸部を省略
したり、窪みの底部中央に円錐形状の凸部を設けたりし
たものに具体化することもできる。この場合、吸気ポー
トから窪みに導入されるスワールそのものを吸入ポート
の形状等の手段により強めることにより、反射燃料の拡
散に関して、円錐台形形状の凸部を有する場合と同等の
効果を得ることが可能となる。

【００３２】

【発明の効果】以上詳述したように、上記第１の発明に
よれば、ピストンの頂部に形成された窪みの開口近傍に
狭窄部を形成すると共に、窪みの内周面には、外方へ湾
曲した凸曲面を狭窄部から底部へ向かって多段に形成し
ている。従って、噴射ノズルより燃料が噴射されること
により、その燃料が、凸曲面に衝突して、窪みの内部へ
向かって積極的に反射され、凸曲面に付着する燃料が少
なくなる。又、噴射タイミングが多少変わっても、各凸
曲面で同様に好適な燃料の反射が得られる。その結果、
噴射タイミングの違いによらず、噴射ノズルより噴射さ
れる燃料をより一層有効に拡散させることができ、もっ
て、燃料の燃焼性を向上させることができるという優れ
た効果を発揮する。

【００３３】第２の発明によれば、第１の発明の構成に
おいて、窪みの底部中央に円錐台形形状をなす凸部を設
けたので、第１の発明の作用及び効果に加えて、凸部を
中心とする空気の旋回流が強められて、反射燃料にその
旋回流が作用する。又、凸部の上方に燃料拡散のための
空間が確保される。その結果、燃料の拡散効果を更に向
上させることができるという優れた効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１及び第２の発明を具体化した一実施例にお
ける燃焼室を示す断面図である。

【図２】一実施例において、窪みの一部を拡大して示す
断面図である。

【図３】一実施例において、窪みに関する寸法を示す断
面図である。

【図４】一実施例において、ピストンの上死点タイミン
グにおける窪みの作用を示す断面図である。

【図５】一実施例において、同じく上死点タイミングに
おける窪みの作用を部分的に示す断面図である。

【図６】一実施例において、ピストンの上死点後タイミ
ングにおける窪みの作用を示す断面図である。

【図７】本実施例と従来技術とを比較した、クランク角
度に対する燃焼室内スワール比の関係を示すグラフであ
る。

【図８】本実施例と従来技術とを比較した、クランク角
度に対する筒内スワール比の関係を示すグラフである。

【図９】一実施例において、上死点タイミングで得られ
る燃料の拡散分布等を示す窪みの一部拡大断面図であ
る。

【図１０】一実施例において、図９と対比されるべき従
来技術における燃料の拡散分布等を示す窪みの一部拡大
断面図である。

【図１１】一実施例において、上死点後タイミングで得
られる燃料の拡散分布等を示す窪みの一部拡大断面図で
ある。

【図１２】一実施例において、図１１と対比されるべき
従来技術における燃料の拡散分布等を示す窪みの一部拡
大断面図である。

【図１３】従来技術における燃焼室構造を示す断面図で
ある。

【符号の説明】

１…燃焼室、４…ピストン、５…窪み、６…シリンダヘ
ッド、７…噴射ノズル、８…狭窄部、９，１０…凸曲
面、１３…凸部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ディーゼルエンジンのシリンダヘッドと
   ピストンとの間に形成され、ピストンの頂部に形成され
   た窪みを含んでなる燃焼室と、 前記窪みの開口近傍にて前記窪みを二段に区分してなる
   狭窄部と、 前記窪みの内周面へ向かって燃料を直接噴射するための
   噴射ノズルとを備えた直噴式ディーゼルエンジンの燃焼
   室構造であって、 前記窪みの内周面には、外方へ湾曲した凸曲面を、周方
   向に沿って連続して形成すると共に、前記狭窄部から前
   記窪みの底部へ向かって多段に形成したことを特徴とす
   る直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の直噴式ディーゼルエン
   ジンの燃焼室構造において、前記窪みの底部中央に、円
   錐台形形状をなす凸部を設けたことを特徴とする直噴式
   ディーゼルエンジンの燃焼室構造。