JP2014234740A - 圧縮着火式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料噴射量を増量した場合でも、気筒内の温度上昇による吸気の充填効率低下を抑制しつつ、スキッシュエリア内壁面における冷却損失を抑制し、スモークの排出も抑制する圧縮着火式内燃機関を提供する。【解決手段】燃料が噴射されるキャビティ１２がピストン頂面１０ａの一部に、ピストン頂面外周部１３がキャビティ１２の周囲にそれぞれ形成されたピストン１０を有し、ピストン頂面外周部１３とシリンダヘッド内壁面４ａとの間にスキッシュエリア１５が形成される圧縮着火式内燃機関１Ａにおいて、シリンダヘッド内壁面４ａのうちピストン頂面外周部１３に対向する部分に、シリンダヘッド内壁面４ａから後退するヘッド側凹部２６が形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、ピストン頂面にキャビティが形成された圧縮着火式内燃機関に関する。

燃料が噴射されるキャビティがピストン頂面の中央部に形成された圧縮着火式内燃機関において、燃費を向上させるため、スキッシュエリアの内壁面を熱伝導性が低い断熱材で構成することにより、スキッシュエリアにおける冷却損失を低減する内燃機関が知られている（特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２が存在する。

特開平０４−１９１４１３号 特開２０１２−２２９６９１号

ピストン頂面に形成されたキャビティの内部に噴射された燃料は、キャビティとシリンダヘッド内壁面との間に形成される燃焼室で燃焼し、発生した熱量の一部は燃焼室内壁面から放熱されて、冷却損失が発生する。更に、高負荷の条件では、燃料噴射量の増量によりスキッシュエリアまで燃料が拡散し、スキッシュエリアでも燃料が燃焼する。そのため、燃焼室内壁面に加えてスキッシュエリア内壁面でも冷却損失が発生し、燃費が悪化する。また、燃料が噴射される上死点近傍においてスキッシュエリアの体積は小さいため、狭いスキッシュエリアに多量の燃料が入り込むと、スキッシュエリアに燃料の過濃域が形成され、スモークが発生する。

特許文献１のように、スキッシュエリアの内壁面を断熱材で構成しても、スキッシュエリアに燃料の過濃域が形成されることを抑制できないため、スモークの発生を抑制できない。また、燃焼で発生した熱の一部は断熱材に蓄熱されスキッシュエリア内壁面が高温を維持するため、気筒内の雰囲気が高温の断熱部材で温められて吸気の充填効率が低下するおそれがある。

そこで、本発明は、スキッシュエリア内壁面における冷却損失を抑制するとともに、スモークの排出を抑制できる圧縮着火式内燃機関を提供することを目的とする。

本発明の第１の圧縮着火式内燃機関は、燃料が噴射されるキャビティがピストン頂面の一部に、ピストン頂面外周部が前記キャビティの周囲にそれぞれ形成されたピストンを有し、前記ピストン頂面外周部とシリンダヘッド内壁面との間にスキッシュエリアが形成される圧縮着火式内燃機関において、前記シリンダヘッド内壁面のうち前記ピストン頂面外周部に対向する部分に、前記シリンダヘッド内壁面から後退するヘッド側凹部が形成されているものである（請求項１）。

この圧縮着火式内燃機関によれば、キャビティ内部に噴射された燃料がスキッシュエリアまで到達しても、スキッシュエリア入口からヘッド側凹部の底までの距離が長くなるため、火炎がヘッド側凹部の底まで到達しづらくなる。また、キャビティ内部からスキッシュエリアへの燃料の流入が継続して火炎がヘッド側凹部の底まで到達した場合でも、その到達時期が遅れるため、ヘッド側凹部の底に到達した火炎の温度が低下する。したがって、スキッシュエリア内壁面においてシリンダヘッド壁面における冷却損失を抑制することができる。

また、ヘッド側凹部が形成されてスキッシュエリアの体積が拡大することによって、スキッシュエリアに燃料の過濃域が形成されることが抑制されてスモーク生成が低減する。更に、スキッシュエリアの体積が拡大することによって、スキッシュエリア内の残酸素量が増加し、スモークが生成されてもスモークの再燃焼が促進される。したがって、スモークの排出を抑制することができる。

本発明の第１の圧縮着火式内燃機関の一態様において、前記シリンダヘッド内壁面に吸気弁又は排気弁との干渉を回避する干渉回避部が形成されており、前記ヘッド側凹部は前記干渉回避部を避ける位置に形成されていてもよい（請求項２）。この態様によれば、干渉回避部が形成されていない位置にヘッド側凹部が形成されることにより、スキッシュエリア内壁面においてヘッド側凹部が形成された部分における冷却損失を抑制することができる。

本発明の第１の圧縮着火式内燃機関の一態様において、前記ヘッド側凹部は前記ピストンの周方向に複数個並ぶように形成されていてもよい（請求項３）。この態様によれば、複数個のヘッド側凹部が形成されることにより、冷却損失の抑制効果の周方向の偏りが低減する。

本発明の第１の圧縮着火式内燃機関の一態様において、前記ヘッド側凹部が、前記キャビティの一部と前記ピストン頂面外周部との両方に跨って対向する位置に形成されていてもよい（請求項４）。ピストンが下死点側へ移行する燃焼行程時には、キャビティからスキッシュエリアへガスが流入する逆スキッシュ流が生じ、スキッシュエリア内のガスが逆スキッシュ流に煽られてガス流動が生じる。この態様によれば、シリンダヘッド内壁面に形成されたヘッド側凹部が、キャビティの一部とピストン頂面外周部との両方に跨って対向する位置に形成されることにより、スキッシュエリア入口の断面積が拡大し、逆スキッシュ流の流速が低減する。そのため、スキッシュエリアにおけるガス流動が抑制され、スキッシュエリアにおいて、シリンダヘッド内壁面のみならず、ピストン頂面外周部及び気筒内壁面でも熱流束が減少し、スキッシュエリアにおける冷却損失を更に抑制することができる。

本発明の第１の圧縮着火式内燃機関の一態様において、前記ヘッド側凹部の深さが一定であってもよい（請求項５）。この態様によれば、ヘッド側凹部の底がスキッシュエリア入口から遠くなるため、深さの最大値がこの態様と同一でかつ深さが変化する他の形状のヘッド側凹部よりもスキッシュエリア内壁面における冷却損失を更に抑制することができる。なお、深さが一定であるピストン側凹部をピストン頂面外周部に形成した場合や、深さが一定であるヘッド側凹部及びピストン側凹部を形成した場合でも、同様の効果が得られる。

本発明の第１の圧縮着火式内燃機関の一態様において、前記ヘッド側凹部は、ボア径方向の外側に至るほど深さが浅くなる形状を有していてもよい（請求項６）。ピストンが上死点側に移行する圧縮行程の末期にはスキッシュエリアからキャビティにガスが流入するスキッシュ流が生じる。しかし、シリンダヘッド内壁面のうちピストン頂面外周部に対向する部分にヘッド側凹部を形成すると、ヘッド側凹部がない場合と比較して、スキッシュ流が抑制される。そのため、キャビティ内部で燃料と空気との混合が悪化するおそれがある。この態様によれば、ヘッド側凹部のうちキャビティに近い内側の部分は深さを深くすることによって冷却損失を抑制しつつ、キャビティから遠い外側の部分は深さを浅くすることによってスキッシュエリアの体積を縮小し、スキッシュ流の抑制を小さくできる。そのため、キャビティ内部における燃料と空気との混合の悪化を抑制し、スモークの排出を抑制することができる。なお、ボア径方向の外側に至るほど浅くなる形状のピストン側凹部をピストン頂面外周部に形成した場合や、ボア径方向の外側に至るほど浅くなる形状のヘッド側凹部及びピストン側凹部を形成した場合でも、同様の効果が得られる。

本発明の第１の圧縮着火式内燃機関の一態様において、前記シリンダヘッド内壁面と前記ヘッド側凹部との境界に位置する角部及び前記ヘッド側凹部の底面と壁面との境界に位置する隅部の少なくとも１つが曲面状に形成されていてもよい（請求項７）。この態様によれば、深さが一定のヘッド側凹部を形成した場合よりも、シリンダヘッド内壁面のうちスキッシュエリアに面する部分の表面積が小さくなる。すると、放熱量は放熱部の表面積に比例するため、スキッシュエリアにおいてシリンダヘッド内壁面への放熱量が減少し、更に冷却損失を抑制することができる。なお、上記角部及び上記隅部の少なくとも１つが曲面状のピストン側凹部をピストン頂面外周部に形成した場合でも、同様の効果が得られる。また、上記角部及び上記隅部の少なくとも１つが曲面状のヘッド側凹部及びピストン側凹部を形成した場合でも、同様の効果が得られる。

本発明の第２の圧縮着火式内燃機関は、燃料が噴射されるキャビティがピストン頂面の一部に、ピストン頂面外周部が前記キャビティの周囲にそれぞれ形成されたピストンを有し、前記ピストン頂面外周部とシリンダヘッド内壁面との間にスキッシュエリアが形成される圧縮着火式内燃機関において、前記ピストン頂面外周部に前記ピストン頂面外周部から後退するピストン側凹部が形成されており、前記ピストン側凹部は、前記キャビティの外周縁よりも外側かつ前記ピストン頂面外周部の外周縁よりも内側の範囲内に収まるように配置されているものである（請求項８）。

この圧縮着火式内燃機関によれば、キャビティ内部に噴射された燃料がスキッシュエリアまで到達しても、スキッシュエリア入口からピストン側凹部の底までの距離が長くなるため、火炎がピストン側凹部の底まで到達しづらくなる。また、キャビティ内部からスキッシュエリアへの燃料の流入が継続して火炎がピストン側凹部の底まで到達した場合でも、その到達時期が遅れるため、ピストン側凹部の底に到達した火炎の温度が低下する。したがって、スキッシュエリア内壁面においてピストン頂面外周部における冷却損失を抑制することができる。

また、ピストン側凹部が形成されてスキッシュエリアの体積が拡大することによって、スキッシュエリアに燃料の過濃域が形成されることが抑制されてスモーク生成が低減する。更に、スキッシュエリアの体積が拡大することによって、スキッシュエリア内の残酸素量が増加し、スモークが生成されてもスモークの再燃焼が促進される。したがって、スモークの排出を抑制することができる。

本発明の第２の圧縮着火式内燃機関の一態様において、前記ピストン頂面外周部に吸気弁又は排気弁との干渉を回避するバルブリセスが形成されており、前記ピストン側凹部は前記バルブリセスを避ける位置に形成されていてもよい（請求項９）。この態様によれば、バルブリセスが形成されていない位置にピストン側凹部が形成されることにより、スキッシュエリア内壁面においてピストン側凹部が形成された部分における冷却損失を抑制することができる。

本発明の第２の圧縮着火式内燃機関の一態様において、前記ピストン側凹部は前記ピストンの周方向に複数個並ぶように形成されていてもよい（請求項１０）。この態様によれば、複数個のピストン側凹部が形成されることにより、冷却損失の抑制効果の周方向の偏りが低減する。

本発明の第１の圧縮着火式内燃機関の一態様において、前記ピストン頂面外周部に前記ピストン頂面外周部から後退するピストン側凹部が形成されており、前記ピストン側凹部は、前記キャビティの外周縁よりも外側かつ前記ピストン頂面外周部の外周縁よりも内側の範囲内に収まるように配置されていてもよい（請求項１１）。この態様によれば、ヘッド側凹部及びピストン側凹部を両方とも形成することにより、シリンダヘッド内壁面とピストン頂面外周部との両方でスキッシュエリア内壁面における冷却損失を抑制することができる。

以上に説明したように、本発明の第１又は第２の圧縮着火式内燃機関によれば、キャビティ内部に噴射された燃料がスキッシュエリアまで到達しても、スキッシュエリア入口からヘッド側凹部又はピストン側凹部の底までの距離が長くなるため、火炎がヘッド側凹部又はピストン側凹部の底まで到達しづらくなる。また、火炎がヘッド側凹部又はピストン側凹部の底まで到達した場合でも、その到達時期が遅れるため、ヘッド側凹部又はピストン側凹部の底に到達した火炎の温度が低下する。したがって、スキッシュエリア内壁面における冷却損失を抑制することができる。また、スキッシュエリアの体積が拡大することにより、スキッシュエリアに燃料の過濃域が形成されることが抑制されてスモーク生成が低減する上、スモークが生成されてもスモークの再燃焼が促進されるため、スモークの排出も抑制することができる。

本発明の一形態に係る圧縮着火式内燃機関の気筒の中心線に沿った平面で切断しヘッド側凹部等の断面の形状を示した図。 本発明の一形態に係る圧縮着火式内燃機関の気筒の中心線に沿った平面で切断し吸気ポート等の断面の形状を示した図。 本発明の一形態に係る圧縮着火式内燃機関のシリンダヘッドの下面視の図。 本発明の一形態に係る圧縮着火式内燃機関の気筒の中心線に沿った平面で切断した断面の要部を拡大した図。 第２の形態に係る圧縮着火式内燃機関の気筒の中心線に沿った平面で切断した断面の要部を拡大した図。 ヘッド側凹部の内径がキャビティ外径と等しい形態の圧縮着火式内燃機関の気筒の中心線に沿った平面で切断した断面の要部を拡大した図。 第３の形態に係る圧縮着火式内燃機関の気筒の中心線に沿った平面で切断した断面の要部を拡大した図。 第４の形態に係る圧縮着火式内燃機関の気筒の中心線に沿った平面で切断した断面の要部を拡大した図。 第５の形態に係る圧縮着火式内燃機関の気筒の中心線に沿った平面で切断した断面の要部を拡大した図。 第６の形態に係る圧縮着火式内燃機関の気筒の中心線に沿った平面で切断した断面の要部を拡大した図。 第７の形態に係る圧縮着火式内燃機関のピストンの上面視の図及びピストンの中心線に沿った平面で切断した断面図。 第８の形態に係る圧縮着火式内燃機関の気筒の中心線に沿った平面で切断した断面の要部を拡大した図。

（第１の形態）
図１に示した圧縮着火式内燃機関（以下、内燃機関という。）１Ａは不図示の車両に走行用動力源として搭載される。内燃機関１Ａは、気筒２が形成されたシリンダブロック３と、気筒２の開口部を塞ぐシリンダヘッド４とを備える。シリンダブロック３とシリンダヘッド４との間には気筒２内の気密を維持するためシリンダヘッドガスケット５が設けられている。気筒２にはピストン１０が挿入され、ピストン１０は気筒２内を中心線の方向に往復動できる。ピストン１０はコネクティングロッド１１を介して不図示のクランクシャフトに連結されている。気筒２内に面するピストン頂面１０ａには、中央部にオープントロイダル形状の窪みとしてのキャビティ１２が形成されており、キャビティ１２の周囲にピストン頂面外周部１３が設けられている。キャビティ１２とシリンダヘッド内壁面４ａとの間には、図１の破線で囲まれた空間の燃焼室１４が形成される。また、ピストン頂面外周部１３とシリンダヘッド内壁面４ａとの間には、スキッシュエリア１５が形成される。燃料噴射弁２０は、その先端部がキャビティ１２の中央に臨む状態でシリンダヘッド４に設けられている。ピストン１０が上死点付近に位置するときに燃料噴射弁２０はキャビティ１２内へ向けて燃料を噴射する。

図１及び図２は、いずれも本形態の内燃機関１Ａの気筒２の中心線に沿った平面で切断した断面図であるが、図１は図３のＡ−Ａ方向に切断した断面図であり、図２は図３のＢ−Ｂ方向に切断した断面図である。図２及び図３に示すように、シリンダヘッド４には、燃焼室１４及びスキッシュエリア１５に向かって開口する吸気ポート２１及び排気ポート２２がそれぞれ２つずつ形成されている。吸気ポート２１には吸気弁２３が設けられ、排気ポート２２には排気弁２４が設けられている。内燃機関１Ａは、吸気ポート２１から燃焼室１４に吸入しピストン１０で圧縮して高温となった空気に燃料噴射弁２０から燃料を噴射することによって燃料を着火させて燃料を燃焼する。そして、燃焼後のガスは燃焼室１４から排気ポート２２へ排出される。

図３に示すように、気筒２内に面するシリンダヘッド内壁面４ａにおいて、吸気ポート２１及び排気ポート２２の開口部の周囲には、吸気弁２３又は排気弁２４との干渉を回避するための干渉回避部２５が形成されている。そして、シリンダヘッド内壁面４ａのうちピストン頂面外周部１３に対向する部分には、干渉回避部２５を避けるように、図３の斜線部分にシリンダヘッド内壁面４ａから後退するヘッド側凹部２６が４つ形成されている。図１に示すように、これらのヘッド側凹部２６の深さは一定であり、ヘッド側凹部２６を気筒２の中心線に沿った平面で切断した断面は四角形となっている。

一般に、気体から壁面への放熱（冷却損失）を低減するためには、壁面近傍の熱流束を小さくするか、放熱部の表面積を小さくするか、又は放熱期間を短くすることのいずれかが必要である。また、熱流束は熱伝達率と温度差との積で表わされるため、スキッシュエリア１５における熱流束を減少するためには、スキッシュエリア１５の内壁面に接するガス温度と壁面温度との差を小さくするか、スキッシュエリア１５内のガス流動を抑制して熱伝達率を小さくすることが必要である。

本形態の場合、キャビティ内部に噴射された燃料がスキッシュエリア１５まで到達しても、シリンダヘッド内壁面４ａのうちピストン頂面外周部１３に対向する部分にヘッド側凹部２６を形成することにより、スキッシュエリア入口１６からヘッド側凹部２６の底２６ａまでの距離が長くなるため、火炎がヘッド側凹部２６の底２６ａまで到達しづらくなる。また、キャビティ１２内部からスキッシュエリア１５への燃料の流入が継続して火炎がヘッド側凹部２６の底２６ａまで到達した場合でも、その到達時期が遅れるため、ヘッド側凹部２６の底２６ａに到達した火炎の温度が低下する。したがって、ヘッド側凹部２６を形成することによって、スキッシュエリア１５の内壁面においてシリンダヘッド内壁面４ａにおける冷却損失を抑制することができる。

また、ヘッド側凹部２６を形成しスキッシュエリア１５の体積が拡大することによって、スキッシュエリア１５に燃料の過濃域が形成されることが抑制されてスモーク生成が低減する。更に、スキッシュエリア１５の体積が拡大することによって、スキッシュエリア１５内の残酸素量が増加し、スモークが生成されてもスモークの再燃焼が促進される。したがって、スモークの排出を抑制することができる。

なお、スキッシュエリア１５における冷却損失の低減効果を大きくするためにヘッド側凹部２６の体積を大きくすると、圧縮比の低下を招く。本形態のようにピストン頂面１０ａにオープントロイダル形状のキャビティ１２が形成されており、ヘッド側凹部２６の深さが一定の場合は、上死点におけるスキッシュエリア１５の体積を燃焼室１４の体積の７〜１０パーセント程度に設定し、ヘッド側凹部２６の深さを２〜３ｍｍ程度とすると、冷却損失の低減効果が高くなる。そこで、図４に示すように、上死点におけるシリンダヘッド４の下面とピストン頂面外周部１３との間のクリアランスｈｔをシリンダヘッドガスケット５などで変更するか、キャビティ１２の体積を変更することによって、ヘッド側凹部２６の形状が上記の寸法を満たすようにしつつ、圧縮比を理想的な値に調整する。

（第２の形態）
次に、本発明の第２の形態を図５を参照して説明する。この形態の内燃機関１Ｂは、第１の形態よりもヘッド側凹部の幅がボア径方向の内側へ広がっており、この点を除き第１の形態と同一構成を有している。以下、第２の形態の特徴部分を説明し第１の形態との共通部分については図面に同一符号を付して説明を省略する。

本形態では、図５に示すように、シリンダヘッド内壁面３０ａにヘッド側凹部３１が形成されている。ヘッド側凹部３１の内径φＤｇは、キャビティ１２の外径φＤｃよりも小さい。つまり、ヘッド側凹部３１は、キャビティ１２の一部とピストン頂面外周部１３との両方に跨って対向する位置に形成されている。ヘッド側凹部３１の深さは一定であり、ヘッド側凹部３１を気筒２の中心線に沿った平面で切断した断面は四角形となっている。

一方、図６は、本形態と比較するために、シリンダヘッド内壁面４ａに形成されたヘッド側凹部２６の内径φＤｇがキャビティ１２の外径φＤｃと等しい形態の気筒の断面を示した図である。図５及び図６に示すように、スキッシュエリア入口１６の断面積Ａは、本形態の方が図６の形態よりも大きくなる。

ピストン１０が下降する燃焼行程時には、スキッシュエリア１５の体積増加に伴い、キャビティ１２からスキッシュエリア１５へガスが流入する逆スキッシュ流３２が生じる。そのため、スキッシュエリア１５内のガスが逆スキッシュ流３２に煽られてガス流動が生じる。この逆スキッシュ流３２の流速は、スキッシュエリア１５の体積変化に比例し、逆スキッシュ流３２の通路断面積Ａに反比例する。そして、スキッシュエリア１５の体積変化は、ピストン１０の下降速度によって定まる。したがって、ピストン１０の下降速度が同じであれば、通路断面積Ａが拡大すると、逆スキッシュ流３２の流速が低減する。

本形態の場合、逆スキッシュ流３２の通路断面積Ａが図６の形態よりも拡大するため、図６の形態よりも逆スキッシュ流３２の流速が低減する。そのため、スキッシュエリア１５におけるガス流動が抑制され、キャビティ１２側壁面のみならず、ピストン頂面外周部１３及び気筒２内壁面でも熱流束が減少し、スキッシュエリア１５における冷却損失を更に抑制することができる。

（第３の形態）
次に、本発明の第３の形態を図７を参照して説明する。この形態の内燃機関１Ｃは、ヘッド側凹部の形状を除き第１の形態と同一構成を有している。以下、第３の形態の特徴部分を説明し第１の形態との共通部分については図面に同一符号を付して説明を省略する。

図７に示すように、シリンダヘッド内壁面４０ａにヘッド側凹部４１が形成されている。ヘッド側凹部４１には、キャビティ１２に近い内側部分４２とキャビティ１２から遠い外側部分４３とで深さが異なるように段差が設けられており、内側部分４２の深さｈ１よりも外側部分４３の深さｈ２の方が浅くなっている。

ピストン１０が上昇する圧縮行程の末期にはスキッシュエリア１５から燃焼室１４にガスが流入するスキッシュ流が生じる。しかし、第１の形態のようにシリンダヘッド内壁面４ａにヘッド側凹部２６を形成すると、ヘッド側凹部２６がない場合と比較して、スキッシュ流が抑制される。そのため、燃焼室１４で燃料と空気との混合が悪化するおそれがある。

本形態の場合、内側部分４２の深さｈ１を深くすることによりスキッシュエリア１５における冷却損失を抑制しつつ、外側部分４３の深さｈ２は浅くすることによってスキッシュエリア１５の体積を縮小し、スキッシュ流の抑制を小さくできる。そのため、燃焼室１４内の燃料と空気の混合の悪化を抑制することができる。

（第４の形態）
次に、本発明の第４の形態を図８を参照して説明する。この形態の内燃機関１Ｄは、ヘッド側凹部の形状を除き第１の形態と同一構成を有している。以下、第４の形態の特徴部分を説明し第１の形態との共通部分については図面に同一符号を付して説明を省略する。

図８に示すように、シリンダヘッド内壁面５０ａにヘッド側凹部５１が形成されている。ヘッド側凹部５１は、第３の形態におけるヘッド側凹部４１の深さｈ２をゼロとしたものである。つまり、シリンダヘッド内壁面５０ａのスキッシュエリア１５に面する部分のうち、キャビティ１２に近い内側部分５２にヘッド側凹部５１を形成し、キャビティ１２から遠い外側部分５３にはヘッド側凹部５１が形成されていない。

本形態の場合、内側部分５２にヘッド側凹部５１を形成することによりスキッシュエリア１５における冷却損失を抑制しつつ、外側部分５３にはヘッド側凹部５１を形成しないことによってスキッシュエリア１５の体積を縮小し、スキッシュ流の抑制を小さくできる。そのため、燃焼室１４内の燃料と空気の混合の悪化を抑制することができる。

（第５の形態）
次に、本発明の第５の形態を図９を参照して説明する。この形態の内燃機関１Ｅは、ヘッド側凹部の形状を除き第１の形態と同一構成を有している。以下、第５の形態の特徴部分を説明し第１の形態との共通部分については図面に同一符号を付して説明を省略する。

図９に示すように、シリンダヘッド内壁面６０ａにヘッド側凹部６１が形成されている。ヘッド側凹部６１には、ボア径方向の外側に至るほど深さが浅くなるように段差が２つ以上設けられている。

本形態の場合、ヘッド側凹部６１のうちキャビティ１２に近い部分の深さを深くすることによりスキッシュエリア１５における冷却損失を抑制しつつ、キャビティ１２から遠い部分の深さを浅くすることによってスキッシュエリア１５の体積を縮小し、スキッシュ流の抑制を小さくできる。そのため、燃焼室１４内の燃料と空気の混合の悪化を抑制することができる。

（第６の形態）
次に、本発明の第６の形態を図１０を参照して説明する。この形態の内燃機関１Ｆは、ヘッド側凹部の形状を除き第１の形態と同一構成を有している。以下、第６の形態の特徴部分を説明し第１の形態との共通部分については図面に同一符号を付して説明を省略する。

図１０が示すように、シリンダヘッド内壁面７０ａにヘッド側凹部７１が形成されている。ヘッド側凹部７１には、ボア径方向の外側に至るほど深さが浅くなる傾斜面が設けられている。そのため、ヘッド側凹部７１を気筒２の中心線に沿った平面で切断した断面は、三角形となっている。

本形態の場合、ヘッド側凹部７１のうちキャビティ１２に近い部分の深さを深くすることによりスキッシュエリア１５における冷却損失を抑制しつつ、キャビティ１２から遠い部分の深さを浅くすることによってスキッシュエリア１５の体積を縮小し、スキッシュ流の抑制を小さくできる。そのため、燃焼室１４内の燃料と空気の混合の悪化を抑制することができる。

（第７の形態）
次に、本発明の第７の形態を図１１を参照して説明する。この形態の内燃機関１Ｇは、第１の形態と異なり、シリンダヘッド内壁面にヘッド側凹部が形成されておらず、ピストン頂面外周部にピストン側凹部が形成されている。そして、この点を除き第１の形態と同一構成を有している。以下、第７の形態の特徴部分を説明し第１の形態との共通部分については図面に同一符号を付して説明を省略する。

図１１は、第７の形態におけるピストン８０の上面視の図及び上面視の図のＡ−Ａ方向にピストンの中心線に沿った平面でピストン８０を切断した断面図である。図１１に示すように、気筒２内に面するピストン頂面８０ａには、中央部にキャビティ１２が形成されており、キャビティ１２の周囲にピストン頂面外周部８１が設けられている。ピストン頂面外周部８１には、吸気弁２３又は排気弁２４との干渉を回避するためのバルブリセス８２が４つ形成されている。バルブリセス８２はいずれもピストン頂面８０ａ上でキャビティ１２と連続している。そして、ピストン頂面外周部８１には、バルブリセス８２を避けるように、図１２の斜線部分にピストン側凹部８３が４つ形成されている。ピストン側凹部８３はキャビティ１２の外周縁よりも外側かつピストン頂面外周部８１の外周縁よりも内側の範囲内に収まるように配置されている。つまり、ピストン側凹部８３はいずれもキャビティ１２と連続せず、ピストン側凹部８３と気筒２内壁面との間に境界となる壁８４が設けられている。これらのピストン側凹部８３の深さは一定であり、ピストン側凹部８３をピストン８０の中心線に沿った平面で切断した断面は四角形となっている。

本形態の場合、キャビティ１２内部に噴射された燃料がスキッシュエリア１５まで到達しても、ピストン頂面外周部８１にピストン側凹部８３を形成することにより、スキッシュエリア入口１６からピストン側凹部８３の底８３ａまでの距離が長くなるため、火炎がピストン側凹部８３の底８３ａまで到達しづらくなる。また、キャビティ１２内部からスキッシュエリア１５への燃料の流入が継続して火炎がピストン側凹部８３の底８３ａまで到達した場合でも、その到達時期が遅れるため、ピストン側凹部８３の底８３ａに到達した火炎の温度が低下する。したがって、ピストン側凹部８３を形成することによって、スキッシュエリア１５の内壁面においてピストン頂面外周部８１における冷却損失を抑制することができる。また、ピストン側凹部８３を形成しスキッシュエリア１５の体積が拡大することによって、第１の形態と同様に、スモークの排出を抑制することができる。

（第８の形態）
次に、本発明の第８の形態を図１２を参照して説明する。この形態の内燃機関１Ｈは、第１の形態と異なり、シリンダヘッド内壁面にヘッド側凹部が形成されているだけでなく、ピストン頂面外周部にもピストン側凹部が形成されている。また、ヘッド側凹部の形状が第１の形態とは異なる。そして、これらの点を除き第８の形態は第１の形態と同一構成を有している。以下、第８の形態の特徴部分を説明し第１の形態との共通部分については図面に同一符号を付して説明を省略する。

図１２に示すように、シリンダヘッド内壁面９０ａにヘッド側凹部９１が形成されている。シリンダヘッド内壁面９０ａとヘッド側凹部９１との境界に位置する角部９２ａは、Ｒ加工による面取りがなされた曲面状に形成されている。また、ヘッド側凹部９１の底面と壁面との境界に位置する隅部９２ｂも曲面状に形成されている。

また、気筒２内に面するピストン頂面９３ａには、中央部にキャビティ１２が形成されており、キャビティ１２の周囲にピストン頂面外周部９４が設けられている。ピストン頂面外周部９４には、ピストン側凹部９５が形成されている。ピストン頂面９３ａとピストン側凹部９５との境界に位置する角部９６ａは、Ｒ加工による面取りがなされた曲面状に形成されている。また、ピストン側凹部９５の底面と壁面との境界に位置する隅部９６ｂも曲面状に形成されている。ピストン凹部側９５はキャビティ１２の外周縁よりも外側かつピストン頂面外周部９４の外周縁よりも内側の範囲内に収まるように配置されている。つまり、ピストン側凹部９５はキャビティ１２と連続せず、ピストン側凹部９５と気筒２内壁面との間に境界となる壁９７が設けられている。

本形態の場合、ヘッド側凹部９１の角部９２ａ及び隅部９２ｂが曲面となっているため、深さが一定であるヘッド側凹部を形成した場合と比較して、シリンダヘッド内壁面９０ａのうちスキッシュエリア１５に面する部分の表面積が小さい。また、ピストン側凹部９５における上記の角部９６ａ及び隅部９６ｂが曲面となっているため、深さが一定のピストン側凹部を形成した場合と比較して、ピストン頂面外周部９４の表面積が小さい。すると、放熱量は放熱部の表面積に比例するため、本形態は、深さが一定のヘッド側凹部及びピストン側凹部を形成した場合と比較して、スキッシュエリア１５におけるシリンダヘッド内壁面９０ａ及びピストン頂面外周部９４への放熱量が減少し、スキッシュエリア１５における冷却損失を更に抑制することができる。

本発明は上記各形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内において、種々の形態にて実施できる。第３の形態から第６の形態はいずれもシリンダヘッド内壁面に凹部を形成しているが、これらの形状の凹部をピストン頂面外周部に形成していてもよいし、シリンダヘッド内壁面及びピストン頂面外周部の両方に形成していてもよい。また、第８の形態は、シリンダヘッド内壁面及びピストン頂面外周部の両方に凹部を形成しているが、この形状の凹部をシリンダヘッド内壁面又はピストン頂面外周部の片方のみに形成していてもよい。

１Ａ〜１Ｈ 内燃機関
４、３０、４０、５０、６０、７０、９０ シリンダヘッド
４ａ、３０ａ、４０ａ、５０ａ、６０ａ、７０ａ、９０ａ シリンダヘッド内壁面
１０、８０，９３ ピストン
１０ａ、８０ａ、９３ａ ピストン頂面
１２ キャビティ
１３、８１、９４ ピストン頂面外周部
１５ スキッシュエリア
２３ 吸気弁
２４ 排気弁
２５ 干渉回避部
２６、３１、４１、５１、６１、７１、９１ ヘッド側凹部
８２ バルブリセス
８３、９５ ピストン側凹部

Claims (11)

1. 燃料が噴射されるキャビティがピストン頂面の一部に、ピストン頂面外周部が前記キャビティの周囲にそれぞれ形成されたピストンを有し、前記ピストン頂面外周部とシリンダヘッド内壁面との間にスキッシュエリアが形成される圧縮着火式内燃機関において、
   前記シリンダヘッド内壁面のうち前記ピストン頂面外周部に対向する部分に、前記シリンダヘッド内壁面から後退するヘッド側凹部が形成されていることを特徴とする圧縮着火式内燃機関。
2. 前記シリンダヘッド内壁面に吸気弁又は排気弁との干渉を回避する干渉回避部が形成されており、前記ヘッド側凹部は前記干渉回避部を避ける位置に形成されている請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関。
3. 前記ヘッド側凹部は前記ピストンの周方向に複数個並ぶように形成されている請求項１又は２に記載の圧縮着火式内燃機関。
4. 前記ヘッド側凹部が、前記キャビティの一部と前記ピストン頂面外周部との両方に跨って対向する位置に形成されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧縮着火式内燃機関。
5. 前記ヘッド側凹部の深さが一定である請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧縮着火式内燃機関。
6. 前記ヘッド側凹部は、ボア径方向の外側に至るほど深さが浅くなる形状を有している請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧縮着火式内燃機関。
7. 前記シリンダヘッド内壁面と前記ヘッド側凹部との境界に位置する角部及び前記ヘッド側凹部の底面と壁面との境界に位置する隅部の少なくとも１つが曲面状に形成されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧縮着火式内燃機関。
8. 燃料が噴射されるキャビティがピストン頂面の一部に、ピストン頂面外周部が前記キャビティの周囲にそれぞれ形成されたピストンを有し、前記ピストン頂面外周部とシリンダヘッド内壁面との間にスキッシュエリアが形成される圧縮着火式内燃機関において、
   前記ピストン頂面外周部に前記ピストン頂面外周部から後退するピストン側凹部が形成されており、前記ピストン側凹部は、前記キャビティの外周縁よりも外側かつ前記ピストン頂面外周部の外周縁よりも内側の範囲内に収まるように配置されていることを特徴とする圧縮着火式内燃機関。
9. 前記ピストン頂面外周部に吸気弁又は排気弁との干渉を回避するバルブリセスが形成されており、前記ピストン側凹部は前記バルブリセスを避ける位置に形成されている請求項８に記載の圧縮着火式内燃機関。
10. 前記ピストン側凹部は前記ピストンの周方向に複数個並ぶように形成されている請求項８又は９に記載の圧縮着火式内燃機関。
11. 前記ピストン頂面外周部に前記ピストン頂面外周部から後退するピストン側凹部が形成されており、前記ピストン側凹部は、前記キャビティの外周縁よりも外側かつ前記ピストン頂面外周部の外周縁よりも内側の範囲内に収まるように配置されている請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関。

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