JP6197750B2 - ディーゼルエンジンの燃焼室構造 - Google Patents

Description

本発明は、ディーゼルエンジンに設けられて、所定の中心軸に沿って延びるシリンダの内側面と、当該シリンダ内を往復動するピストンの冠面と、当該ピストン冠面と対向するシリンダヘッドの底面とにより区画されるとともに内側に燃料が噴射される燃焼室に関する。

従来より、燃焼室内に燃料を直接噴射する直接噴射式のディーゼルエンジンでは、燃料と空気との混合を促進することを目的として、ピストンの冠面にシリンダヘッドから離間する方向に凹むキャビティを設け、燃料噴射によりキャビティ壁面に沿った縦方向の噴霧の流れすなわち縦渦を形成することが行われている。

例えば、特許文献１には、ピストン冠面の中央にキャビティが形成された燃焼室構造であって、キャビティが、いわゆるリエントラント型、つまり、中央隆起部が隆起するとともに開口部が上窄まり状に絞られた構造とされるとともに、燃料噴霧が当該キャビティの壁面のうち開口縁よりも反シリンダヘッド側の部分を指向するように燃料噴射装置が取り付けられたものが開示されている。

この特許文献１の燃焼室構造では、燃料噴霧を、キャビティの壁面のうち開口縁よりも反シリンダヘッド側の部分に衝突させ、キャビティの壁面に沿って外周側から下方に向かった後中央に向かわせ、その後燃料噴射装置側に向かわせることで、燃料と空気とを効果的に混合することができる。

特開平９−６９０６３号公報

ここで、上記のように、リエントラント型のキャビティを設ければ、燃料と空気との混合を促進して、有害燃焼生成物（NOx、スート（煤、いわゆるスモーク））を低減することができ、燃費性能を高めることができる。具体的には、リエントラント型のキャビティがピストンに設けられたディーゼルエンジンでは、エンジンの中負荷域または高負荷域で燃料噴射弁から比較的多量の燃料が噴射されたときに、キャビティの周縁部に到達した燃料の噴霧がキャビティの壁面に沿って反転する（中心側に向けて方向転換する）ような流れ（縦渦）が起き、これによって燃料と空気とのミキシングが促進され、これによって、燃費性能を高めつつ有害燃焼生成物（ＮＯｘ、スート）が低減する。

ここで、この有害燃焼生成物の低減効果すなわち燃料と空気とのミキシング効果は、キャビティが大きい程、キャビティ内で発生する縦渦が大きくなることに伴い、大きくなる。

一方、ピストンが上死点を通過した後では、ピストンの下降に伴い燃焼室容積が増加する。このとき、燃焼室内では、燃焼室容積の増加率の大きいキャビティの径方向外側へ燃焼ガスの流れが発生し、燃焼ガスの熱がリップ部周辺に伝達し冷却損失となる。そして、この冷却損失は、上死点におけるキャビティ径方向外側の燃焼室容積が小さい程、すなわちキャビティが大きい程大きくなる。具体的には、キャビティが大きい程キャビティ径方向外側の燃焼室容積を小さくせざるを得ないため、キャビティ径方向外側の燃焼室容積の増加率が大きくなり、この部分でのガスの流れが強くなって、冷却損失が大きくなる。

したがって、有害燃焼生成物の発生を抑制しつつ、冷却損失を低減するためひいては燃費性能を高めるためには、燃焼室のキャビティとその外側の燃焼室容積をより適切に設定することが課題となる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、有害燃焼生成物の発生を抑制しつつ燃費性能をより高めることのできるディーゼルエンジンの燃焼室構造を提供する。

上記課題を解決するために、本発明は、ディーゼルエンジンに設けられて、円筒状のシリンダの内側面と、当該シリンダ内を往復動するピストンの冠面と、当該ピストン冠面と対向するシリンダヘッドの底面とにより区画されるとともに内側に燃料が噴射される燃焼室の構造において、上記シリンダヘッドには、圧縮上死点付近を含むタイミングで燃焼室に燃料を噴射するインジェクタが設けられ、上記ピストン冠面の中央には、上記シリンダヘッド底面から離間する方向に凹むキャビティが形成されており、上記キャビティを形成する壁面が、キャビティの中心側ほど上記シリンダヘッド底面に近づくように隆起した中央隆起部と、当該中央隆起部よりもピストンの径方向外側に形成されかつ断面視で径方向外側に凹入する周辺凹部と、当該周辺凹部と上記キャビティの開口縁との間に形成されかつ断面視でピストンの径方向内側に凸となるリップ部とを有し、上記インジェクタは、圧縮上死点付近に噴射された燃料が上記リップ部と周辺凹部との境界付近を指向し、かつ噴射された燃料が当該境界部分に液滴の状態で当たらないような位置に配置され、上記ピストン冠面のうち上記キャビティのリップ部よりもピストンの径方向外側の部分である外周部が、当該リップ部と連続する第１部分と、この第１部分よりもピストンの径方向外側に位置する第２部分とを有し、上記第１部分が上記第２部分よりも上記シリンダヘッド底面から離間する方向に位置することにより、上記第１部分と上記第２部分との間に段部が設けられており、上記リップ部、第１部分および段部にわたるピストンの壁面と、上記リップ部の径方向内側縁を通って上記シリンダの中心軸と平行に延びる面と、上記段部と第２部分との接続部を通って上記シリンダの中心軸と直交する方向に延びる面とにより区画された容積を段部容積Ｖ＿ＳＴＥＰとし、上死点における上記燃焼室の容積を上死点容積Ｖ＿ＴＤＣとしたときに、Ｖ＿ＳＴＥＰ/Ｖ＿ＴＤＣで規定される段部容積比ＶＲが、０．１以下に設定されていることを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼室構造を提供する。

本発明によれば、冷却損失を小さく抑えて燃費性能を高めることができる。

具体的には、ピストン冠面の外周部に段部が形成されて、キャビティのリップ部から径方向外側に延びる第１部分とシリンダヘッド底面との距離が比較的大きく確保されているため、ピストンの下降に伴う燃焼室容積の増大時に、キャビティの径方向外側部分に位置するこの第１部分の容積の増加率を小さく抑えることができる。そのため、ピストンの下降時に、キャビティからこの第１部分に入り込むガスから燃焼室壁面への熱伝達率を小さく抑えて冷却損失を小さく抑えることができる。

さらに、本発明では、キャビティを形成する壁面が、キャビティの中心側ほどシリンダヘッド底面に近づくように隆起した中央隆起部と、中央隆起部よりもピストンの径方向外側に形成されかつ断面視で径方向外側に凹入する周辺凹部と、周辺凹部と上記キャビティの開口縁との間に形成されかつ断面視でピストンの径方向内側に凸となるリップ部とで構成されているため、燃料噴射時に、燃焼室内に、リップ部と周辺凹部に沿って反シリンダヘッド側に向かった後シリンダの中心軸に向かいながらシリンダヘッド側に向かう縦渦を発生させることができ、この縦渦によって燃料と空気との混合を促進して有害燃焼生成物の発生を抑制することができる。

しかも、本発明では、上記段部容積比ＶＲが０．１以下に設定されており、燃焼室のうちキャビティの径方向外側に位置しキャビティに連続する部分の容積が過度に大きくなるのが回避され、キャビティの容積が確保されている。そのため、上記のように冷却損失を小さく抑えて燃費性能を高めつつ、上記縦渦の強度を確保してより確実にスートの発生を抑制することができる。

具体的には、ピストンの低下に伴ってキャビティから径方向外側に向かうガス流れ（いわゆる逆スキッシュ流）に乗ってキャビティから径方向外側に移動するガスが通過するリップおよび第１部分上の容積である段部容積Ｖ＿ＳＴＥＰをより大きくすれば、キャビティからこの第１部分に引き込まれるガスの流速が小さくなること等により燃焼室壁面への伝熱量を小さく抑えて冷却損失を小さく抑えることができる。しかしながら、必要な排気量および圧縮比から燃焼室全体の容積は限定される。そのため、この段部容積Ｖ＿ＳＴＥＰを大きくするとキャビティの容積が小さくなりキャビティ内で縦渦を十分に発生させることができずスートが悪化する。この点について、鋭意研究の結果、本発明者らは、上記段部容積Ｖ＿ＳＴＥＰと、上死点における燃焼室の容積Ｖ＿ＴＤＣの比である段部容積比ＶＲ＝Ｖ＿ＳＴＥＰ/Ｖ＿ＴＤＣを、０．１を超えて大きくすると、スートが急増することを突き止めた。従って、上記段部を設けつつ、この段部容積比ＶＲを０．１以下としていることで、本発明では、上記のように冷却損失を抑えて燃費性能を高めつつスートの悪化を抑制することができる。

本発明において、上記段部の高さが０．５ｍｍ以上に設定されているのが好ましい（請求項２）。

このようにすれば、上記第１部分上にすす等が堆積した場合であっても、この第１部分上の容積ひいては上記段部とリップ部との間の部分の容積を確保することができるため、この部分におけるガスから燃焼室壁面への伝熱量をより確実に小さく抑えることができる。

ここで、本発明者らは、冷却損失およびスートと上記段部容積比ＶＲとの関係について、さらに、この段部容積比ＶＲを０．０４未満にした場合には、この段部容積比ＶＲの低下に伴ってスートの発生量はあまり変化しないものの冷却損失は増大することを突き止めた。そのため、スートをある程度低減しつつ、冷却損失の低減効果を効果的に得るためには、本発明において、上記段部容積比ＶＲを、０．０４以上に設定するのが好ましい（請求項３）。

また、本発明者らは、より安定して冷却損失の低減効果すなわち燃費性能の向上効果とスート低減効果とを両立させることができる上記段部容積比ＶＲが、０．０６以上０．０８以下であることを突き止めた。従って、本発明において、上記段部容積比ＶＲは、０．０６以上０．０８以下に設定されているのが好ましい（請求項４）。

以上のように、本発明によれば、スートの発生を抑制しつつ燃費性能をより一層高めることができる。

本発明の実施形態に係るディーゼルエンジンシステムの概要を示す図である。 図１に示すディーゼルエンジンの燃焼室付近の概略断面図である。 燃焼室の構造を示す概略断面図である。 燃焼室の概略上面図である。 上死点における燃焼室容積を説明するための図である。 段部容積部の容積を説明するための図である。 （ａ）燃焼初期のガスの流れを示した図である。（ｂ）燃焼中期のガスの流れを示した図である。（ｃ）燃焼後期のガスの流れを示した図である。 （ａ）段部容積部が設けられていない燃焼室におけるガスの流れを示した図である。（ｂ）本実施形態に係る燃焼室におけるガスの流れを示した図である。 （ａ）段部容積部が設けられていない燃焼室におけるガスの流速を示した図である。（ｂ）本実施形態に係る燃焼室におけるガスの流速を示した図である。 （ａ）段部容積部が設けられていない燃焼室における温度分布を示した図である。（ｂ）本実施形態に係る燃焼室における温度分布を示した図である。 段部容積比と冷却損失およびスート発生量との関係を示したグラフである。 段部容積比の変更手順を説明するための図である。 段部容積比と伝熱量の変化率との関係を示したグラフである。

以下、本発明の実施形態に係るディーゼルエンジンの燃焼室構造を図面に基づいて説明する。

（１）全体構成
まず、本実施形態に係るディーゼルエンジンの燃焼室構造が適用されるディーゼルエンジンシステム１００の概要について説明する。

図１は、ディーゼルエンジンシステム１００の概略図である。本図に示されるディーゼルエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載される４サイクルのディーゼルエンジンである。具体的に、このディーゼルエンジンシステム１００は、軽油を主成分とする燃料の供給を受けて駆動されるディーゼルエンジン本体（以下、単にエンジン本体という）１と、エンジン本体１に燃焼用の空気を導入するための吸気通路３０と、エンジン本体１で生成された排ガス（燃焼ガス）を排出するための排気通路４０と、排気通路４０を通過する排ガスの一部を吸気通路３０に還流するためのＥＧＲ装置５０と、排気通路４０を通過する排ガスにより駆動されるターボ過給機６０とを備えている。

図２は、エンジン本体１の一部を拡大して示す断面図である。この図２および先の図１に示すように、エンジン本体１は、円筒状のシリンダ２が内部に形成されたシリンダブロック３と、シリンダ２内にシリンダ２の中心軸Ｘ１に沿って摺動可能に収容されたピストン４と、シリンダブロック３にガスケットを介して連結されるシリンダヘッド５と、潤滑油を貯溜するためにシリンダブロック３の下側に配設されたオイルパン６とを有している。以下、シリンダ２の中心軸Ｘ１と平行な方向を上下方向といい、シリンダヘッド５側を上、シリンダブロック３側を下という場合がある。

ピストン４は、エンジン本体１の出力軸であるクランク軸７とコネクティングロッド８を介して連結されている。また、ピストン４の上方には燃焼室９が形成されており、この燃焼室９では、後述するインジェクタ２０から噴射された燃料が空気と混合されつつ拡散燃焼する。そして、当該燃焼に伴う膨張エネルギーにより、ピストン４が往復運動するとともにクランク軸７が中心軸回りに回転するようになっている。燃焼室９の詳細については後述する。

ここで、エンジン本体１の幾何学的圧縮比、つまり、ピストン４が下死点にあるときの燃焼室容積とピストン４が上死点にあるときの燃焼室容積との比は、１２以上１５以下（例えば１４）に設定されている。この１２以上１５以下という幾何学的圧縮比は、ディーゼルエンジンとしてはかなり低い値である。これは、燃焼温度の抑制によるエミッション性能の向上や熱効率の向上を狙ってのことである。

シリンダヘッド５には、吸気通路３０から供給される空気を燃焼室９に導入するための吸気ポート１６と、燃焼室９で生成された排ガスを排気通路４０に導出するための排気ポート１７と、吸気ポート１６の燃焼室９側の開口を開閉する吸気弁１８と、排気ポート１７の燃焼室９側の開口を開閉する排気弁１９とが設けられている。また、シリンダヘッド５には、燃焼室９に燃料を噴射するインジェクタ２０が取り付けられている。このインジェクタ２０は、その先端部２１ａが燃焼室９内に臨むような姿勢で取り付けられている。

ＥＧＲ装置５０は、排気通路４０と吸気通路３０とを互いに連結するＥＧＲ通路５１と、ＥＧＲ通路５１に設けられたＥＧＲクーラ５２およびＥＧＲ弁５３とを有している。ＥＧＲ弁５３は、ＥＧＲ通路５１を通じて排気通路４０から吸気通路３０に還流される排ガス、つまりＥＧＲガスの流量を調節するために開閉される弁であり、ＥＧＲクーラ５２はＥＧＲガスを冷却するための熱交換器である。ＥＧＲ弁５３は、例えばエンジンの負荷が比較的低い条件のときに大きく開弁されて、十分な量のＥＧＲガスをエンジン本体１に導入する。これにより、燃焼温度が抑制されてエミッション性能が向上する。

ターボ過給機６０は、吸気通路３０に配設されたコンプレッサ６１と、コンプレッサ６１と同軸に連結され、かつ排気通路４０に配設されたタービン６２と、タービンをバイパスするために排気通路４０に設けられたバイパス通路６４と、バイパス通路６４に開閉可能に設けられたウェストゲート弁６５とを有している。タービン６２は、排気通路４０を流れる排ガスのエネルギーを受けて回転し、コンプレッサ６１は、タービン６２と連動して回転することにより、吸気通路３０を流通する空気を圧縮（過給）する。ウェストゲート弁６５は、ターボ過給機６０による過給圧が上限値を超えたときに開弁され、過給圧の過上昇を防止する。

吸気通路３０におけるコンプレッサ６１よりも下流側（吸入空気の流れ方向下流側）には、コンプレッサ６１により圧縮された空気を冷却するためのインタークーラ３５と、開閉可能なスロットル弁３６とが設けられている。なお、スロットル弁３６は、エンジンの運転中は基本的に全開もしくはこれに近い高開度に維持されており、エンジンの停止時等の必要時にのみ閉弁されて吸気通路３０を遮断する。

排気通路４０におけるタービン６２よりも下流側（排ガスの流れ方向下流側）には、排ガス中の有害成分を浄化するための排気浄化装置４１が設けられている。この排気浄化装置４１には、排ガス中のＣＯおよびＨＣを酸化する酸化触媒４１ａと、排ガス中のスート（煤）を捕集するＤＰＦ４１ｂとが含まれる。

（２）燃焼室構造
次に、燃焼室９の詳細構造について説明する。

（２−１）全体構造
図３は、ピストン４が上死点にある状態での燃焼室９の断面図である。図４は、燃焼室９の概略上面図である。

図２に示すように、燃焼室９は、シリンダヘッド５の底面５ａと、ピストン４の冠面４ａと、シリンダ２の内側面２ａとにより区画されている。

上記インジェクタ２０は、その中心軸がシリンダ２の中心軸Ｘ１と一致し、その先端部２１ａが、燃焼室９の天井部分すなわちシリンダヘッド５の底面５ａのうちピストン冠面４ａと対向する部分の中央に位置するように配置されている。インジェクタ２０は、多噴口式であって、先端部２１ａに形成された複数の噴射口２１ｂから、燃焼室９内に放射状に燃料を噴射するよう構成されている。本実施形態では、図４に示すように、インジェクタ２０は、１０個の噴射口２１ｂを有する。

（２−２）キャビティの構造
ピストン４の冠面４ａの中央（径方向中央）には、下方に凹むキャビティ７０が形成されている。キャビティ７０は、ピストン４の中心軸Ｘ１を含む各断面において、中心軸Ｘ１を中心として線対称な形状を有している。

キャビティ７０は、いわゆるリエントラント型であり、中央隆起部７１ｂが隆起するとともに開口部が上窄まり状に絞られた形状を有している。

具体的には、キャビティ７０の内側面７０ａすなわちキャビティ７０を形成する壁面７０ａは、キャビティ７０の中心側すなわちシリンダ２の中心軸Ｘ１側ほどシリンダヘッド底面５ａに近づくように隆起した中央隆起部７１ｂと、中央隆起部７１ｂよりも径方向外側に形成されかつ断面視で径方向外側に凹入する周辺凹部７１ｃと、周辺凹部７１ｃとキャビティ７０の開口縁７１ａとの間に形成されかつ断面視で径方向内側に凸となるリップ部７１ｄとで構成されている。本実施形態では、リップ部７１ｄおよび周辺凹部７１ｃはそれぞれ湾曲しているとともに、リップ部７１ｄから周辺凹部７１ｃに向かってその曲率が連続して変化するよう構成されている。

上述のように、インジェクタ２０は、燃焼室９内に放射状に燃料を噴射するよう配置されているが、本実施形態では、特に、インジェクタ２０は、図３のＱ１で示すように、ピストン４が圧縮上死点付近に位置する場合において、燃料が、リップ部７１ｄと周辺凹部７１ｃとの境界付近に向かって噴射されるように配置されている。そして、この境界部分とピストン４の中心軸Ｘ１との距離は、噴射された燃料が直接（液滴の状態で）この境界部分に当たらない長さに設定されている。

なお、このようなキャビティ７０としては、例えば、特開２０１０−１２１４８３号公報に開示されているものが適用可能である。

（２−３）ピストン冠面の外周部の構造
ピストン冠面４ａのうちキャビティ７０の開口縁７１ａよりも径方向外側に位置する外周部７２には、段部７３が形成されている。具体的には、キャビティ７０の開口縁７１ａから径方向外側に延びる第１部分７４、すなわち、ピストン冠面４ａの外周部７２の径方向内側部分である第１部分７４が、この第１部分７４よりも径方向外側に位置する第２部分７５、すなわち、ピストン冠面４ａの外周部７２の径方向外側部分である第２部分７５、よりも下方に位置することで、ピストン冠面４ａの外周部７２に段部７３が形成されている。

上記段部７３は、図６に示す段部容積をＶ＿ＳＴＥＰとし、図５に示すピストン４が上死点にある状態での燃焼室９の容積である上死点容積をＶ＿ＴＤＣとしたときにＶ＿ＳＴＥＰ／Ｖ＿ＴＤＣで規定される段部容積比ＶＲが、０．０７程度になるように設けられている。具体的には、段部容積Ｖ＿ＳＴＥＰは、燃焼室９のうち、リップ部７１ｄ、第１部分７４および段部７３にわたるピストン４の壁面Ｓ１と、リップ部７１ｄの径方向内側縁を通ってシリンダ３の中心軸Ｘ１と平行に延びる面Ｓ２と、段部７３と第２部分７５との接続部を通ってシリンダ３の中心軸Ｘ１と直交する方向に延びる面Ｓ３とにより区画された部分の容積である。以下、この部分を段部容積部７４ａという場合がある。また、上死点容積Ｖ＿ＴＤＣは、ピストン４が上死点にある状態でピストン冠面４ａとシリンダヘッド底面５ａとの間の容積である。本実施形態では、段部容積比ＶＲは、０．０７に設定されている。

また、段部７３の高さｈ、すなわち、第１部分７４と第２部分７５との上下方向の離間距離ｈ（図６参照）は、０．５ｍｍ以上に設定されている。本実施形態では、この段部７３の高さｈは１．０ｍｍに設定されている。なお、ピストン冠面４ａの上端面すなわち第２部分７５の上面は、シリンダヘッド底面５ａから下方に離間しており、これらの間には、所定のクリアランスが確保されている。圧縮上死点におけるこの離間量は、例えば、０．８ｍｍ程度である。

（３）燃焼室内のガスの流れと作用効果
（３−１）概要
上記のように構成された燃焼室９内でのガス流れを図７（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。図７（ａ）は、ピストン４が圧縮上死点付近にあり燃焼が開始されたときすなわち燃焼初期での様子を示したものである。図７（ｂ）、（ｃ）はこの順で、図７（ａ）から時間が経過したときの様子を示しており、図７（ｂ）は燃焼中期、図７（ｃ）は燃焼後期での様子である。

図７（ａ）の矢印Ｙ１で示すように、圧縮上死点付近では、圧縮上死点前にピストン４が上昇するのに伴って燃焼室９のうちキャビティ７０の外周部７２とシリンダヘッド底面５ａとの間の部分から、ガス（空気）がキャビティ７０側に向かって流入して、スキッシュ流が発生する。そして、燃料噴射に伴い、キャビティ７０内には、矢印Ｙ２で示すように、キャビティ７０の内側面に沿ってキャビティ７０の外周側から中央側に向かう縦渦が発生する。すなわち、燃料噴霧がキャビティ７０の壁面、特にリップ部７１ｄの下側部分に衝突するのに伴って、キャビティ７０内に、上記縦渦が発生する。具体的には、キャビティ７０内には、リップ部７１ｄに沿って下方に向かった後、周辺凹部７１ｃに沿ってシリンダ３の中心軸側に向かい、その後、中央隆起部７１ｂに沿って、シリンダ３の中心軸側、かつ上方に向かう縦渦が発生する。特に、本実施形態では、リップ部７１ｄおよび周辺凹部７１ｃがそれぞれ湾曲しているとともに、リップ部７１ｄから周辺凹部７１ｃに向かってその曲率が連続して変化するように構成されているため、キャビティ７０内のガスはより確実にキャビティ７０の壁面に沿って移動し、安定した縦渦が生成される。

このようにキャビティ７０内に燃料を噴射すると、キャビティ７０内に縦渦が生成され、Ｑ１１に示すように燃料噴霧はこの縦渦に乗って下方に移動する。このとき、一部の燃料の燃焼は開始しており、燃料噴霧と燃焼ガスとが下方に移動する。

上述のように、本実施形態では、キャビティ７０のリップ部７１ｄと周辺凹部７１ｃとの境界付近に向かって燃料が噴射され、この境界部分は下方に向かって径方向外側に湾曲しており、これによって、燃料噴霧のこの境界部分への衝突角度が小さく抑えられている。そのため、燃料噴霧は、キャビティ７０の壁面に付着するのが抑制された状態で、また、周辺に散乱するのが抑制された状態で、円滑にキャビティ７０の壁面に沿って下方に移動する。また、本実施形態では、上述のように、上記境界部分とピストン４の中心軸Ｘ１との距離が、噴射された燃料が直接（液滴の状態で）この境界部分に当たらない長さに設定されており、これによっても、燃料のキャビティ７０の壁面への付着が抑制されている。

図７（ｂ）に示すように、キャビティ７０の周辺凹部７１ｃに沿って下方に移動した燃料噴霧および燃焼ガスは、Ｑ１２で示すように、周辺凹部７１ｃに沿って移動することで加速され、キャビティ７０の壁面に付着した燃料を吹き飛ばしつつ、かつ、キャビティ７０の壁面に到達する前の燃料噴霧と干渉することなく、キャビティ７０の中央隆起部７１ｂに移動して、キャビティ７０の中央に存在する空気Ａ１２と混合する。

その後は、図７（ｃ）のＱ１３に示すように、ピストン４の下降とともに、燃焼室９全体に燃焼ガスが均一に拡散して、燃焼室９全体の空気が効率よく燃焼する。

このように、本実施形態では、燃料噴霧が、キャビティ７０の壁面に沿う縦渦にのって移動することで、燃料の滞留や干渉によって局所的にリッチな状態が生じるのが回避され、空気と燃料との混合が促進されて均一でリーンな燃焼ガスが生成される。

（３−２）冷却損失
ここで、図７（ｂ）に示すように、圧縮上死点後は、ピストン４の下降によって燃焼室９のうちキャビティ７０よりも径方向外側部分の容積が増大するのに伴って、この部分の圧力は低下する。そのため、矢印Ｙ３に示すように、燃焼室９内には、キャビティ７０からキャビティ７０の径方向外側に向かう逆スキッシュ流が生じる。

上述のように、燃料が噴射されると、その直後から一部の燃料は燃焼を開始し高温の燃焼ガスが生成される。そのため、この高温の燃焼ガスの一部が逆スキッシュ流に乗ってキャビティ７０よりも径方向外側の部分に引き込まれることで、この部分では高温の燃焼ガスから燃焼室９の壁面に熱が逃げてしまい冷却損失が生じる。特に、逆スキッシュ流に乗って移動する燃焼ガスが通過するキャビティ７０のリップ部７１ｄとこのリップ部７１ｄに連続する第1部分７４にて冷却損失が生じる。

しかしながら、本実施形態では、上述のように、ピストン冠面４ａの外周部７２に段部７３が形成されて、リップ部７１ｄに連続する第１部分７４がより下方に配置されて、第１部分７４およびこれに連続するリップ部７１ｄの上方の容積が大きく確保されている。そのため、これらの部分すなわちキャビティ７０の径方向外側部分の容積の増大速度が小さく抑えられ、これによって冷却損失が小さく抑えられている。すなわち、この容積の増大速度が小さく抑えられることで、リップ部７１ｄおよび第１部分７４を通過する燃焼ガスの流速が小さく抑えられ、これによりリップ部７１ｄおよび第１部分７４でのガスと壁面との間の熱伝達率が小さくなる結果、ガスから壁面への伝熱量が小さく抑えられる。また、リップ部７１ｄおよび第１部分７４の上方の容積が大きいことで、高温の燃焼ガスと燃焼室９の壁面との間に距離が確保されることによっても、燃焼ガスから壁面への伝熱量が小さく抑えられる。

この点について、図８（ａ）、（ｂ）、図９（ａ）、（ｂ）、図１０（ａ）、（ｂ）を用いて具体的に説明する。各図の（ａ）は、段部７３が設けられておらず、ピストン冠面４ａのうちキャビティ７０の径方向外側に位置する外周部７２がシリンダヘッド底面５ａと近接した位置で平行に延びるよう構成された場合の図であり、各図の（ｂ）は、本実施形態に係る図である。図８（ａ）、（ｂ）は、燃焼室９内のガスの流れをＣＦＤ計算した結果を示したものであり、これら図において矢印の向きがガスの流れ方向を表し、矢印の長さが流速を表している。図９（ａ）、（ｂ）は、同様のＣＦＤ計算結果であって、燃焼室９内のガスの流速を色分けしたものであり、色が濃いほど流速が速いことを示している。図１０（ａ）、（ｂ）は、図８（ａ）、（ｂ）に対応する燃焼室９内のガス温度の演算結果を示したものであり、色が濃いほど温度が高いことを示している。なお、各図（ａ）と（ｂ）とにおいて、燃焼室全体の容積は同一である。また、これら図は、圧縮比が１４．８程度に設定された１５００ｃｃの４気筒エンジンにおける結果であり、各図（ａ）は、上記のとおり、段部容積比ＶＲが０．０７、段部容積部の高さｈが１．０ｍｍに設定された場合の結果である。

図８（ａ）と図８（ｂ）とを比較すると、段部７３を設けた本実施形態（図８（ｂ））の方が、段部７３が設けられていない場合（図８（ａ））よりも、リップ部７１ｄ周辺（各図のＺ１で示した部分）の速度が低くなっていることがわかる。また、図９（ａ）と図９（ｂ）とを比較すると、リップ部７１ｄ周辺（各図のＺ１で示した部分）において、段部７３を設けた本実施形態（図９（ｂ））の方が、段部７３が設けられていない場合（図９（ａ））よりも、高速のガスの広がり（高速のガスの存在領域）が小さく抑えられていることがわかる。

また、図１０（ａ）と図１０（ｂ）とを比較すると、段部７３を設けた本実施形態（図１０（ｂ））では、リップ部７１ｄ周辺（Ｚ１で示した領域）において、高温ガスが燃焼室９の壁面との間から離間しており、壁面と接触する部分には比較的低温のガスが存在しているが、段部７３が設けられていない場合（図１０（ａ））では、リップ部７１ｄ周辺（Ｚ１で示した領域）において、高温ガスと壁面とがほぼ直接接触している。

ここで、ガスから壁面への伝熱量Ｑｈは、ガスと壁面との間の熱伝達率をαｇとし、壁面面積をＦｇとし、ガスの温度をＴｇとし壁面温度をＴｗｉとすると、簡易的に、次の式（１）で表される。

[数１]
Ｑｈ＝∫αｇ×Ｆｇ×（Ｔｇ−Ｔｗｉ）ｄｔ・・・（１）

そして、熱伝達率αｇは、ガスの流速をｖｇ、ガスの圧力をＰ、ガスの温度をＴｇ、シリンダ２のボア径をＤとして、次の式（２）で近似される。なお、Ｃは係数である。

[数２]
αｇ＝Ｃ×Ｄ^{−０．２１４}（ｖｇ×ｐ）^{０．７８３}×Ｔg^{−０．５２５}・・・（２）

従って、上記のように、段部７３を設けた本実施形態の方が、段部７３が設けられていない場合よりも、リップ部７１ｄ周辺におけるガスの流速ｖｇが小さく抑えられていることおよび高速のガスの広がりが小さく抑えられていることで、リップ部７１ｄ周辺における熱伝達率αｇの平均値は小さくなる。加えて、リップ部７１ｄ周辺において、段部７３を設けた本実施形態の方が、段部７３が設けられていない場合よりも、壁面と接触するガスの温度Ｔｇが小さく抑えられている。そのため、段部７３を設けた本実施形態の方が、段部７３が設けられていない場合よりも、壁面への伝熱量Ｑｈは小さくなる。

このように、段部７３が設けられてリップ部７１ｄに連続する第１部分７４がより下方に配置され、これにより、リップ部７１ｄと第１部分７４上の容積が大きく確保されていることで、本実施形態では、燃焼ガスからリップ部７１ｄおよび第１部分７４周辺への伝熱量が小さくされて冷却損失が小さく抑えられる。

（３−３）スート
ここで、このように、段部７３を設けてリップ部７１ｄと第１部分７４上の容積を大きく確保すれば、冷却損失を小さく抑えることができる。そのため、この容積をより大きくすれば、冷却損失の低減効果をより一層高めることができると考えられる。

しかしながら、本発明者らは、鋭意研究の結果、このリップ部７１ｄと第１部分７４上の容積に対応する上記段部容積部７４ａの容積を大きくすれば冷却損失を低減して燃費性能を高めることができるものの、この容積を過剰に大きくするとスートが悪化することを突き止めた。

これは、次のような理由によると考えられる。

各車両において排気量すなわちシリンダ２の容積は決まっている。さらに、各車両において、出力、燃費、排気性能等の点から圧縮比は限定される。そのため、燃焼室９全体の容積は各車両で限定される。例えば、排気量１５００ｃｃの４気筒エンジンで圧縮比が１４．８程度の場合では、上死点における燃焼室９の容積は３０ｃｃ程度に限定される。従って、段部容積部７４ａを大きくするとその分キャビティ７０の容積を小さくせねばならない。そして、キャビティ７０の容積が小さくなると、キャビティ７０内で十分な縦渦を安定して発生させることができず、燃料と空気との混合が不十分となってスートが悪化する。

例えば、図８（ａ）と図８（ｂ）とを比較すると、Ｚ２で示した部分において、段部７３すなわち段部容積部７４ａを設けたことに伴いキャビティ７０の容積が小さくなった本実施形態（図８（ｂ））の方が、段部７３すなわち段部容積部７４ａが設けられておらずキャビティ７０の容積が比較的大きく確保された場合（図８（ａ））よりも、ガスの流速（矢印の長さ）は小さくなっており、縦渦の強度が弱まっていることがわかる。

（４）容積の比率と性能の関係
上記の結果より、本発明者らは、段部容積部７４ａの大きさについて適切な範囲があるのではないかと考え、この点について、さらに研究した。その結果、段部容積部７４ａの容積である段部容積Ｖ＿ＳＴＥＰと、ピストン４が上死点にある状態での燃焼室９の容積Ｖ＿ＴＤＣとの比である段部容積比ＶＲ＝Ｖ＿ＳＴＥＰ／Ｖ＿ＴＤＣと、スートおよび冷却損失との関係が、図１１に示すような関係となることを発見した。そして、段部７３すなわち段部容積部７４ａを設けつつ、この段部容積比ＶＲを所定の範囲にすれば、冷却損失を低減して燃費性能を高めつつスートの発生量を適切な範囲に抑えることができることを突き止めた。

図１１は、段部容積比ＶＲに対するスートの発生量および冷却損失の変化を示したグラフであり、実線が冷却損失、破線がスートの発生量を示している。この図１１では、上側にいくほど冷却損失が増大し、スートの発生量が増大することになる。

ここで、図１１は、図１２に示すように、シリンダ中心軸Ｘ１からリップ部７１ｄと周辺凹部７１ｃとの境界部分までの距離を同一として、段部７３の高さｈとキャビティ７０の深さとを変化させることで段部容積比ＶＲを変化させたときの結果である。すなわち、上述のように、燃料のキャビティ７０の壁面への付着ひいてはスートの増加を抑制するには、このシリンダ中心軸Ｘ１からリップ部７１ｄと周辺凹部７１ｃとの境界部分までの距離をある程度確保する必要があるため、ここでは、この距離を燃料の付着を回避できる最小限の距離に固定して、段部７３の高さｈとキャビティ７０の深さとを変化させた。なお、図１２は、圧縮比が１４.８程度に設定された１５００ｃｃの４気筒エンジンにおいて、段部７３の高さｈを、０（段部容積部なし）から０．５、１．０、１．３ｍｍと変化させたときの燃焼室形状を示している。また、図１３に、段部容積比ＶＲを図１２に示すように変化させた際の、１クランク角あたりの燃焼室９の壁面への伝熱量の変化を示した。図１３は、横軸がクランク角、縦軸が１クランク角あたりの伝熱量であり、伝熱量は燃焼が行われるＴＤＣ以後において大きくなっている。

図１３に示されるように、段部容積比ＶＲを大きくすると、燃焼ガスから燃焼室９の壁面への伝熱量は小さくなる。そして、図１１に示されるように、段部容積比ＶＲを大きくすると冷却損失は低下する。一方、図１１に示されるように、段部容積比ＶＲを大きくすればスートは悪化する。

しかしながら、段部容積比ＶＲに対して冷却損失はほぼ比例して変化するのに対して、スートは段部容積比ＶＲが０．１を超えると急激に悪化する。そのため、段部７３および段部容積部７４ａを設けて、冷却損失を低下させる場合であっても、段部容積比ＶＲは、０．１以下に抑える必要がある。換言すると、段部７３および段部容積部７４ａを設けつつ段部容積比ＶＲを０．１以下にすれば、冷却損失を低下させつつスートの急増を回避することが可能となる。

ただし、図１１に示されているように、段部容積比ＶＲを０．０４未満にすると、段部容積比ＶＲを変化させてもスートの発生量がほぼ変化しないのに対して、冷却損失は段部容積比ＶＲの低下に伴って増大する。そのため、スートの発生を小さく抑えつつ冷却損失を効果的に低減するには、段部容積比ＶＲを０．０４以上とするのがよいといえる。

また、図１１に示されるように、スートのラインは段部容積比ＶＲ＝０．０８において変曲しており、スートの増加率（スートのラインの傾き）は段部容積比ＶＲが０．０８を超えて大きくなると急増する。そのため、段部容積比ＶＲを０．０８付近に設定した場合は、例えば、製造ばらつきやシリンダヘッドの熱膨張ばらつき、また、段部容積部７４ａにすすが堆積すること等により段部容積部７４ａの容積がばらつく（増大側にばらつく）と、スートのばらつき（増大量）が大きくなり、スートを想定した範囲内に抑えることができなくなるおそれがある。また、冷却損失のラインは段部容積比ＶＲ＝０．０６において変曲しており、冷却損失の増加率（冷却損失のラインの傾き）は段部容積比ＶＲが０．０６を超えて小さくなるとわずかながら増加する。そのため、段部容積比ＶＲを０．０６付近に設定した場合は、例えば、上記ばらつきによって冷却損失のばらつき（増大量）が大きくなり、冷却損失ひいては燃費性能を想定した範囲内に抑えることができなくなるおそれがある。従って、安定したスート低減効果および燃費性能を確保するためには、段部容積比ＶＲを０．０６以上０.０８以下に抑えるのが好ましい。

（５）本実施形態の作用効果
上記に対して、本実施形態では、段部容積比ＶＲが０．０７に設定されている。そのため、高いスート低減効果および高い燃費性能を両立させ、かつ、これらの性能効果を安定して確保することができる。

また、段部７３の高さｈ、すなわち、第１部分７４と第２部分７５との上下方向の離間距離でｈが、１．０ｍｍに設定されている。そのため、この第１部分７４にすす等が堆積した場合であっても、段部容積部７４ａの容積を確保することができ、燃費性能を高く維持することができる。すなわち、ピストン冠面４ａのうちキャビティ７０よりも径方向外側では、すす等が堆積し、その堆積高さが最大で０．４ｍｍ程度になることが分かっている。そのため、第１部分７４にすす等が仮に堆積した場合であっても、段部容積部７４ａの容積を確保するためには、段部７３の高さｈを０．５ｍｍ以上とするのが望ましく、本実施形態では、この段部７３の高さｈが１．０ｍｍに設定されているため仮にすす等が堆積した場合であっても段部容積部７４ａの容積を確保して、冷却損失を低減することができる。なお、この段部７３の高さｈは、０．５ｍｍ以上であればよく、その上限は、段部容積比ＶＲによって決定されればよい。

（６）変形例
本実施形態では、段部容積比ＶＲを０．０７とした場合について説明したが、上記のように、段部容積比ＶＲが少なくとも０．１以下に抑えられていれば冷却損失を低減しつつスートの過度の悪化を抑制することができる。そのため、段部容積比ＶＲは、０．１以下の範囲内で適宜変更可能である。ただし、段部容積比ＶＲが０．０４以上に設定されていれば、冷却損失を効果的に低減できる。また、段部容積比ＶＲが０．０６以上０．０８以下に設定されていれば、安定して高い燃費性能と排気性能（スート低減効果）を得ることができる。

また、すす等の堆積量がより少なく抑えられる場合等には、段部容積比ＶＲを上記範囲に設定しつつ、段部７３の高さｈを０．５ｍｍより小さくしてもよい。

９ 燃焼室
５ シリンダヘッド
４ａ ピストン冠面
７０ キャビティ
７２ 外周部
７３ 段部
７４ 第１部分
７５ 第２部分

Claims (4)

1. ディーゼルエンジンに設けられて、円筒状のシリンダの内側面と、当該シリンダ内を往復動するピストンの冠面と、当該ピストン冠面と対向するシリンダヘッドの底面とにより区画されるとともに内側に燃料が噴射される燃焼室の構造において、
   上記シリンダヘッドには、圧縮上死点付近を含むタイミングで燃焼室に燃料を噴射するインジェクタが設けられ、
   上記ピストン冠面の中央には、上記シリンダヘッド底面から離間する方向に凹むキャビティが形成されており、
   上記キャビティを形成する壁面が、キャビティの中心側ほど上記シリンダヘッド底面に近づくように隆起した中央隆起部と、当該中央隆起部よりもピストンの径方向外側に形成されかつ断面視で径方向外側に凹入する周辺凹部と、当該周辺凹部と上記キャビティの開口縁との間に形成されかつ断面視でピストンの径方向内側に凸となるリップ部とを有し、
   上記インジェクタは、圧縮上死点付近に噴射された燃料が上記リップ部と周辺凹部との境界付近を指向し、かつ噴射された燃料が当該境界部分に液滴の状態で当たらないような位置に配置され、
   上記ピストン冠面のうち上記キャビティのリップ部よりもピストンの径方向外側の部分である外周部が、当該リップ部と連続する第１部分と、この第１部分よりもピストンの径方向外側に位置する第２部分とを有し、
   上記第１部分が上記第２部分よりも上記シリンダヘッド底面から離間する方向に位置することにより、上記第１部分と上記第２部分との間に段部が設けられており、
   上記リップ部、第１部分および段部にわたるピストンの壁面と、上記リップ部の径方向内側縁を通って上記シリンダの中心軸と平行に延びる面と、上記段部と第２部分との接続部を通って上記シリンダの中心軸と直交する方向に延びる面とにより区画された部分の容積を段部容積Ｖ＿ＳＴＥＰとし、上死点における上記燃焼室の容積を上死点容積Ｖ＿ＴＤＣとしたときに、Ｖ＿ＳＴＥＰ/Ｖ＿ＴＤＣで規定される段部容積比ＶＲが、０．１以下に設定されていることを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼室構造。
2. 請求項１に記載のディーゼルエンジンの燃焼室構造であって、
   上記段部の高さが０．５ｍｍ以上に設定されていることを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼室構造。
3. 請求項２に記載のディーゼルエンジンの燃焼室構造であって、
   上記段部容積比ＶＲが、０．０４以上に設定されていることを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼室構造。
4. 請求項３に記載のディーゼルエンジンの燃焼室構造であって、
   上記段部容積比ＶＲが、０．０６以上０．０８以下に設定されていることを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼室構造。