ディーゼルエンジン
【課題】
ＥＧＲ率を高め排気ガス性能を向上させながら、燃焼効率を向上することのできるディーゼルエンジンを提供する。また、小型化及び高Ｐｍｅ化を施したディーゼルエンジンを提供する。
【解決手段】
ディーゼルエンジン１において、キャビティ３が、平面視において、直交する長軸ｘ１、ｘ２と短軸ｙ１、ｙ２を有する略楕円形であり、長軸ｘ１の一端側で、且つ下降するタンブラ流Ｓが衝突する部位の第１側壁１１と、長軸ｘ２の他端側で、且つ第１側壁１１に衝突してキャビティ底面１３に沿って流れるタンブラ流Ｓが上昇に転じる部位の第２側壁１２を有しており、第１側壁１１のピストン２の軸方向ｚと垂直な面に対する傾きが、第２側壁１２のピストン２の軸方向ｚと垂直な面に対する傾きよりも大きくなるように形成した。
ＥＧＲ率を高め排気ガス性能を向上させながら、燃焼効率を向上することのできるディーゼルエンジンを提供する。また、小型化及び高Ｐｍｅ化を施したディーゼルエンジンを提供する。
【解決手段】
ディーゼルエンジン１において、キャビティ３が、平面視において、直交する長軸ｘ１、ｘ２と短軸ｙ１、ｙ２を有する略楕円形であり、長軸ｘ１の一端側で、且つ下降するタンブラ流Ｓが衝突する部位の第１側壁１１と、長軸ｘ２の他端側で、且つ第１側壁１１に衝突してキャビティ底面１３に沿って流れるタンブラ流Ｓが上昇に転じる部位の第２側壁１２を有しており、第１側壁１１のピストン２の軸方向ｚと垂直な面に対する傾きが、第２側壁１２のピストン２の軸方向ｚと垂直な面に対する傾きよりも大きくなるように形成した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャビティに燃料を直接噴射するディーゼルエンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、内燃機関を使用する自動車エンジンや産業エンジンなどの排気ガス規制は年々厳しくなっている。これに加えて近年は世界的な地球温暖化対策の一つとして、厳しい燃費規制の導入も検討されている。各自動車メーカはこれらに対応するため、エンジン性能であるエンジン排ガス及び燃費改善の様々なデバイス研究及び開発が進められている。
【０００３】
内燃機関には大きく使用する燃料の違いによりガソリンエンジンとディーゼルエンジンがある。近年、ディーゼルエンジンは高圧噴射や高過給などのアイテムの研究及び開発は急速に進んだが、エンジン筒内における燃費改善についてはガソリンエンジンに比べ研究が遅れている。この遅れの背景としては、ガソリンエンジンに対しディーゼルエンジンは、エンジンベースの熱効率が高かったということがある。しかし、近年ガソリンエンジンにおけるハイブリッドの導入や、上記で述べた厳しい燃費規制の導入などにより、ディーゼルエンジンに対して更に高い燃焼効率が求められている。
【０００４】
これまでディーゼルエンジンには大きく分けると二つの燃焼構造があった。一つは直接噴射式と呼ばれ、もう一つは予燃焼室式と呼ばれ、それぞれ研究及び開発が進められてきた。直接噴射式（DI）と呼ばれているディーゼルエンジンは主室に直接高圧の燃料を噴射する構造である。予燃焼室（IDI）と呼ばれているディーゼルエンジンは主室と別に副室
を設け、その副室に高圧の燃料を噴射する構造である。それぞれに長所短所があるが、近年高い燃焼効率の追求、すなわち近年更なる低燃費の要求により熱効率の高い直接噴射式が主流となっている。
【０００５】
直接噴射式ディーゼルエンジンのピストンには大きく分けると二種類のキャビティ形状があり、一つはリエントラントと呼ばれる形状（例えば特許文献１参照）で、もう一つはトロイダル（例えば特許文献２参照）と呼ばれる形状である。なお、これらの特許文献に記載のエンジンは、ともに点火プラグを有するガソリンエンジンである。
【０００６】
図６及び図７にリエントラント型のキャビティ３Ｘを有するディーゼルエンジン１Ｘの概略を示す。図６は吸排気ポートの平面における配置を示しており、図７はピストン２Ｘ周辺の断面の概略を示している。このディーゼルエンジン１Ｘは、２つの吸気ポート４Ｘと、２つの排気ポート５Ｘと、燃料噴射ノズル１０を有している（図６参照）。また、ディーゼルエンジン１Ｘは、キャビティ３Ｘを有するピストン２Ｘと、吸気バルブ６Ｘ及び排気バルブ７Ｘを有している（図７参照）。ここで、参照番号８は混合気が形成され燃焼が行われるエンジン筒内を、図７の矢印は、吸気エアーの流れる方向を示している。
【０００７】
このリエントラント型のキャビティ３Ｘは、キャビティ３Ｘ上部の口元をリップ部２１で絞り込まれ、キャビティ３Ｘの側面や底面は湾曲に形成されている。また、底面中央部には円錐状の突起部２２を設置した形状が一般的である。
【０００８】
また、このリエントラント型のディーゼルエンジン１Ｘは、エンジン筒内８、特にキャビティ３Ｘ内に吸気エアーのスワール流（周方向に旋回する旋回流）を形成し、その残存性を高く保持させるため、キャビティ３Ｘの形状を平面視（ｘｙ平面）において真円形状とすることが一般的である。
【０００９】
更に、リエントラント型のディーゼルエンジン１Ｘは、スワール流を効率的に形成するため、図６に示す様に、エンジンに対して吸気ポート４Ｘ及び排気ポート５Ｘの配置をオフセット（周方向に回転）させることで、吸気エアーを旋回させている例が多い。
【００１０】
上記の構成により、リエントラント型のキャビティ３Ｘを有するディーゼルエンジン１Ｘは、キャビティ上部のリップ部２１により、ピストン圧縮上死点近傍では高いスキッシュ効果を得ることができる。また、リップ部２１、キャビティ３Ｘ内の湾曲部、及び底面に設けた円錐状の突起部２２等により、キャビティ３Ｘ内に強いスワール流を形成し燃焼改善を図っている。
【００１１】
現在、エンジン筒内（シリンダ筒内）８の燃焼改善に注目が集まっている。エンジン筒内８に残された少ない酸素量を有効利用するためエンジン筒内８の空気流動を高める、即ち筒内空気利用度を高める研究及び開発が進められている。よって、今日では、直接噴射式のディーゼルエンジンのキャビティ形状は、エンジン筒内８の空気流動を積極的に利用しているリエントラント型が主流となっている。
【００１２】
図８及び図９にトロイダル型のキャビティ３Ｙを有するディーゼルエンジン１Ｙの概略を示す。図８は吸排気ポートの平面における配置を示しており、図９はピストン２Ｙ周辺の断面の概略を示している。このディーゼルエンジン１Ｙは、２つの吸気ポート４と、２つの排気ポート５と、燃料噴射ノズル１０を有している（図８参照）。また、ディーゼルエンジン１Ｙは、キャビティ３Ｙを有するピストン２Ｙと、吸気バルブ６及び排気バルブ７を有している（図９参照）。ここで、参照番号８はエンジン筒内を、図９の矢印は吸気エアーの流れる方向を示している。
【００１３】
このトロイダル型のキャビティ３Ｙは、キャビティ上部の口元をリップ部で絞ってはおらず、キャビティ３Ｙの側面や底面も湾曲度が小さい。また、キャビティ３Ｙの底面中央に円錐状の突起部を有さない、又は有していてもリエントラント型ほど高く形成しないのが一般的な形状である。
【００１４】
このディーゼルエンジン１Ｙは、エンジンに対して吸気ポート４及び排気ポート５を平行に配置し、エンジン筒内８に吸気エアーのタンブラ流（エンジンの鉛直方向ｚに旋回する気流）を形成している。同時に、吸排気ポート４、５の効率低下を招くことなく低スワール流も発生させている例が多い。そのため、トロイダル型のキャビティ３Ｙは、リエントラント型のキャビティ３Ｘと同様、平面視（ｘｙ平面）において真円形状とすることが一般的である。
【００１５】
上記の構成により、トロイダル型のキャビティ３Ｙを有するディーゼルエンジン１Ｙは、熱損失を低減させエンジン熱効率の向上を実現している。これは、浅皿型とも呼ばれるキャビティ３Ｙが、キャビティ３Ｙの表面積を絞り、ピストン２Ｙへの熱流を抑制することのできる形状を有しているためである。また、エンジン筒内８の空気流動形成としては、高スワール流を利用せず、ピストン２Ｙ上死点近傍でスキッシュ効果が得られるように構成している。この高スワール流を利用しない構成により、シリンダヘッド内にある吸気ポート４に連結する吸気管（図示しない）に無理な曲がりを形成しないため、吸気エアーの流れに抵抗を与えず、高い吸気効率を得ることができていた。
【００１６】
以上より、ディーゼルエンジンは、リエントラント型のキャビティを有するエンジン（図７参照）やトロイダル型のキャビティを有するエンジン（図９参照）の開発により、エンジンの燃費や熱効率の向上が進められている。
【００１７】
一方、ディーゼルエンジンは、排気ガス性能を向上するために、ＥＧＲシステムを搭載
している。このＥＧＲシステムは、ディーゼルエンジンから排出された排気ガスを、再循環させ、再びディーゼルエンジンに吸気エアーとともに供給する構成を有している。このＥＧＲシステムにより、排気ガス中のＮＯｘを低減している。
【００１８】
また、ディーゼルエンジンの燃費向上に寄与する開発として、ディーゼルエンジンのダウンサイジング化が検討されている。これはエンジンの高性能高出力化を実現し、従来の大きいエンジンに代えて、小型エンジンを車両に搭載し、低燃費化を狙ったシステムである。このエンジンの小型化によりエンジン全体のフリクションの低減、及び高Ｐｍｅ化により高い熱効率の使用領域の拡大を実現し、その結果燃費改善できると考えられている。
【００１９】
上記のように、ディーゼルエンジンの燃費向上、燃焼効率向上、熱効率向上、排気ガス性能向上を実現するため種々の開発がなされている。しかしながら、上記のディーゼルエンジンはいくつかの問題点を有している。
【００２０】
第１に、排気ガス性能を向上するためにＥＧＲ率（再循環する排ガス量）を高めると、エンジン筒内の空気量が低下し、燃費の悪化を招くという問題を有している。つまり、ＥＧＲ率を高めると、エンジン筒内に供給される新規の空気流量は低下し、酸素量も低下し、結果としてエンジンの燃焼状態が悪化する。これは、ディーゼルエンジンの場合、ガソリンエンジンとは異なり、エンジン筒内に噴射する燃料量に対して空気量が多いほど、つまり空気過剰率が高いほど燃焼状態が良好となるためである。現在は、この対策として高過給を行い、排気ガス及び空気を高い圧力でエンジン筒内に供給することを行っている。しかしながら、高過給高ＥＧＲ化を進めるとエンジン筒内の圧縮端圧力が高まり、エンジン構造上の限界領域を超える状態に達する等の問題が多発している。以上より、排気ガス性能の向上（ＮＯｘの低減）と、燃焼効率の向上を同時に実現することは困難である。
【００２１】
第２に、燃費改善のためにディーゼルエンジンの小型化を目指すと、リエントラント型のキャビティを採用することが困難となるという問題を有している。これは、高Ｐｍｅ化によりエンジン負荷率が上昇し、エンジン筒内の温度も上昇した小型エンジンにおいて、リエントラント型のキャビティのリップ部が、この温度上昇に耐えられないからである。
【００２２】
第３に、小型エンジンにトロイダル型のキャビティを採用すると、排気ガス性能及び燃費性能が悪化するという問題を有している。これは、エンジン筒内の空気流動が、一般的にはスワール流、スキッシュ、タンブラ流の順に弱くなるためである。従って、トロイダル型のキャビティの採用により、エンジン筒内の空気利用度が低下し、燃焼効率が低減し、これに伴い排気ガス性能及び燃費性能が悪化してしまう。なお、トロイダル型のキャビティは、リップ部がない又は小さく、キャビティ全体が浅皿形状であるため、キャビティ側壁が燃料噴射ノズルから遠く、キャビティ側壁の温度上昇を抑制することはできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】特開昭６２−７５０１９号公報
【特許文献２】特開２００９−４７０７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、ＥＧＲ率を高め排気ガス性能を向上させながら、燃焼効率を向上することのできるディーゼルエンジンを提供することである。また、小型化及び高Ｐｍｅ化を施したディーゼルエンジンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上記の目的を達成するための本発明に係るディーゼルエンジンは、冠面に凹状のキャビティを形成したピストンと、前記キャビティに鉛直方向に旋回するタンブラ流を形成する吸気ポートと、排気ガスを再循環するＥＧＲシステムを有するディーゼルエンジンにおいて、前記キャビティが、平面視において、直交する長軸と短軸を有する略楕円形であり、前記長軸の一端側で、且つ下降する前記タンブラ流が衝突する部位の第１側壁と、前記長軸の他端側で、且つ前記第１側壁に衝突してキャビティ底面に沿って流れる前記タンブラ流が上昇に転じる部位の第２側壁を有しており、前記第１側壁のピストンの軸方向と垂直な面に対する傾きが、前記第２側壁のピストンの軸方向と垂直な面に対する傾きよりも大きいことを特徴とする。
【００２６】
この構成により、ＥＧＲ率を高めた領域で、燃焼効率を向上することができる。これは、効率的なタンブラ流の発生に特化したキャビティ形状により、エンジンの燃焼効率を向上できるからである。また、小型化及び高Ｐｍｅ化を施したディーゼルエンジンを提供することができる。これは、タンブラ流の採用により、熱損失の低減、及び高吸気効率を実現することができるからである。特にスワール流を利用しない形状としたため、キャビティの表面積を低減することができる。
【００２７】
上記のディーゼルエンジンにおいて、前記キャビティの側壁にキャビティリップを形成しないことを特徴とする。この構成により、小型化及び高Ｐｍｅ化を施した耐久性の高いディーゼルエンジンを提供することができる。
【００２８】
上記のディーゼルエンジンにおいて、前記垂直な面に対する前記第１側壁の傾きが、４５度以上９０度以下であり、前記垂直な面に対する前記第２側壁の傾きが、５度以上４５度より小さいことを特徴とする。この構成により、前述と同様の作用効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明に係るディーゼルエンジンによれば、ＥＧＲ率を高め排気ガス性能を向上させながら、燃焼効率を向上することのできるディーゼルエンジンを提供することができる。また、小型化及び高Ｐｍｅ化を施したディーゼルエンジンを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る実施の形態のディーゼルエンジンの吸排気ポートを示した図である。
【図２】本発明に係る実施の形態のディーゼルエンジンの概略を示した図である。
【図３】本発明に係る実施の形態のディーゼルエンジンのキャビティの平面を示した図である。
【図４】本発明に係る実施の形態のディーゼルエンジンのキャビティの断面を示した図である。
【図５】本発明に係る実施の形態のディーゼルエンジンの性能の概略を示した図である。
【図６】従来のディーゼルエンジンの吸排気ポートを示した図である。
【図７】従来のディーゼルエンジンの概略を示した図である。
【図８】従来のディーゼルエンジンの吸排気ポートを示した図である。
【図９】従来のディーゼルエンジンの概略を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明に係る実施の形態のディーゼルエンジンについて、図面を参照しながら説明する。図１及び図２に本発明に係る実施の形態のディーゼルエンジン１の概略を示す。
図１に吸排気ポートの平面（ｘｙ平面）における配置を示し、図２にピストン２周辺の断面の概略を示している。このディーゼルエンジン１は、２つの吸気ポート４と、２つの排気ポート５と、燃料噴射ノズル１０を有している（図１参照）。また、ディーゼルエンジン１は、キャビティ３を有するピストン２と、吸気バルブ６及び排気バルブ７を有している（図２参照）。ここで、８はエンジン筒内８、図２の矢印は、吸気エアーの流れる方向を示している。
【００３２】
このディーゼルエンジン１は、従来のキャビティ形状の変更により、これまでのエンジン筒内の燃焼コンセプトと異なる狙いの燃焼改善を確立し、エンジン性能である排気ガス性能及びエンジン燃費の改善を可能としたシステムである。主なコンセプトとしては、従来型ディーゼルエンジンに見られた筒内空気流動が高いスワールを利用したリエントラント型燃焼室形状や、逆に低スワール状態で適合したトロイダル型燃焼室形状に対し、エンジン筒内では低いとされていたタンブラ流の空気流動を最大限に引き出すことが可能な新キャビティ形状である。つまり、キャビティ３は、エンジン筒内の空気流動として、エンジン縦方向（鉛直方向ｚ）のタンブラ流が発生しやすい形状を有している。
【００３３】
また、ディーゼルエンジン１は、吸排気効率を高めるため、１シリンダ当り４バルブ（２つの吸気ポート４と２つの排気ポート５に対応）を有し、且つ吸排気ポートの径も最大まで大きく形成している。更に、ディーゼルエンジン１は、直接噴射式であり、且つ、燃料を均等に噴射し良好な混合気を形成するために、エンジンシリンダーヘッドの中央部に配置された燃料噴射ノズル１０を有している。
【００３４】
図３及び図４に、ディーゼルエンジン１のキャビティ３の形状の概略を示す。図３に平面視におけるキャビティ３の形状を示し、図４にキャビティ３の側方断面の概略を示す。図３に示す様に、平面視におけるキャビティ３は、真円形状ではなく略楕円形（例えば卵形等）に形成している。ここで、Ｇは、平面視におけるキャビティ３の重心Ｇを示している。また、長軸における重心Ｇからキャビティ側壁までの長さをｘ１及びｘ２、短軸における重心Ｇから側壁までの距離をｙ１及びｙ２で示している。ここで、キャビティ３は、ｘ１に比べｘ２が長くなるように形成している。
【００３５】
また、図４に示す様に、キャビティ３は、第１側壁１１と、第２側壁１２と、キャビティ底面１３を有している。このキャビティ底面１３は、平面又は湾曲面（Ｒを形成した面）で形成されており、エンジン１に対して水平又は若干の勾配角度を有するように形成される。
【００３６】
ここで、θ１及びθ２は、ピストンの軸方向ｚと垂直な面（水平面）に対する第１側壁１１及び第２側壁１２のそれぞれの傾きを示している。このキャビティ３は、θ１がθ２よりも大きくなるように形成されている。また、Ｓはタンブラ流の流れを示している。更に、キャビティ３は、リップ部（鋭角となる部分、突出する部分）と、従来底面に形成される突起部を有していない。
【００３７】
次に、図２及び図４を参照しながら、ディーゼルエンジン１における燃焼時の様子を説明する。ディーゼルエンジン１は、まず吸気バルブ６の開放によりエンジン筒内８に吸気を行う。吸気エアーは、エンジン筒内８を下降し、キャビティ３の第１側壁１１に衝突する。第１側壁に衝突した吸気エアーは、進行方向が変わり、キャビティ底面１３に沿って流れる。キャビティ底面１３に沿って流れる吸気エアーは、第２側壁１２に衝突し、鉛直上方に流れるように制御される。吸気エアーは、以上の流れにより効率的なタンブラ流を形成する。
【００３８】
次に、キャビティ３の形状の設計方法を説明する。まず、対象となるディーゼルエンジ
ンの実機において、リグ試験装置を用いて、タンブラ流の計測（流れ方向、拡散の様子等の計測）を行う。この計測結果をもとに、キャビティの新形状、及びこのキャビティにおけるタンブラ流のシミュレーションを行い、最終的なキャビティ３の形状を決定する。
【００３９】
そのため、吸気ポート４やエンジン筒内８の形状等により、タンブラ流の状態が異なり、キャビティ３の形状も変化する。具体的には、第１側壁１１の傾きθ１が、例えば４５度以上９０度以下、望ましくは６０度以上９０度以下、更に望ましくは７５度以上９０度以下の範囲となり、第２側壁１２の傾きθ２は、例えば５度以上４５度より小さい角度、望ましくは１０度以上４５度より小さい角度、更に望ましくは１５度以上４５度より小さい角度の範囲とする。ここで、θ１は少なくともθ２よりも大きくなり、且つ９０度を超えない範囲とする。また、図３に示すｘ１とｘ２の長さが異なる場合や、ｙ１とｙ２の長さが異なる場合もある。
【００４０】
図５に、本発明のディーゼルエンジン１と従来のディーゼルエンジン１Ｘのエンジン性能を比較したグラフを示す。実線が本発明のディーゼルエンジンの性能を示しており、破線が従来のディーゼルエンジンの性能を示している。このグラフの横軸はＬａｍｄａ ｒａｔｉｏ（λ）、ＥＧＲ ｒａｔｉｏ（ＥＧＲ率）、及び排気ガス中に含まれるＮＯｘの量を示している。また、縦軸は燃焼効率、排気ガス中に含まれるＰＭ（粒子状物質）の量、及び燃費（燃料消費率、ＳＦＣ）を示している。
【００４１】
ここで、λ（空気過剰率）はディーゼルエンジンに投入した燃料に対して、理論上必要な空気量を１．０とした場合の空気過剰率を示している。つまり、λが低いとは、エンジン筒内に供給される新規空気の量が少ないことを意味している。また、同一のエンジンで且つ同一のエンジンキャリブレーションで、このλが変化することは、主にＥＧＲのバルブ開度を変化させてＥＧＲ率を変えたことを意味する。つまり例えば、λが低いことは、同時に、ＥＧＲによりエンジン筒内に供給される排気ガスの量が多い（ＥＧＲ率が高い）ことを意味する。
【００４２】
なお、ＥＧＲは、排気ガス中の主にＮＯｘを低減するために行う一般的な手法である。そのため、ＥＧＲ率が高いと排気ガス中に含まれるＮＯｘの量は少なくなる。また、ディーゼルエンジンにおいて、λが低いと燃焼効率が悪化する。この燃焼効率の悪化は、同時に排気ガス中に含まれるＰＭの量の増加を意味する（ＰＭの状態の悪化）。これは、エンジン筒内の酸素が不足し、燃焼が不完全になるためである。更に、燃焼効率が低いことは、燃費性能が悪いことを意味する（燃費の悪化）。以上より、図５のグラフの横軸及び縦軸は、エンジンにおける複数のパラメータを同時に表すことができる。
【００４３】
次に、従来のディーゼルエンジンのエンジン性能（図５破線参照）について説明する。図５の左側は、ＥＧＲ率が高い場合、燃焼効率が低く、排気ガス中のＰＭの状況及び燃費が悪化することを示している。近年、エンジン後処理システムの開発により、エンジンアウトの排気ガス成分の低減を大幅に達成しなくても、後処理システムを含めた車両トータルにおいて、厳しい排気ガス規制に適合することが可能となっていた。しかし、これらの後処理には高い貴金属を大量に使用しており、コストが増大する問題を有していた。従って、これらの高い貴金属の使用を中止するか、又は使用量を削減するためにエンジンアウトの排気ガス成分を極力低減させることが求められていた。つまり、エンジン性能を向上することと、コストを低減することは、同時に実現することが困難であった。
【００４４】
次に、本発明のディーゼルエンジンのエンジン性能（図５実線参照）について説明する。図５の左側は、λが低い場合であっても、燃焼効率、排気ガス性能及び燃費性能を従来（図５破線参照）に比べ向上していることを示している。これは、本発明のディーゼルエンジンのエンジン筒内の空気流動が高いため、λが低くても（エンジン筒内の酸素量が少なくても）、少ない酸素と燃料を効率的に混合し、効率のよい燃焼を実現することができる。
【００４５】
そのため、ＥＧＲ率を高め排気ガス性能を向上させながら、燃焼効率を向上することができる。また、リップ部等の構造的に弱い部分を有さないキャビティ形状の採用により、ディーゼルエンジンの小型化及び高Ｐｍｅ化を実現することができる。
【００４６】
上記の構成により、以下の作用効果を得ることができる。第１に、ＥＧＲ率を高めた領域で、燃焼効率を向上することができる。これは、効率的なタンブラ流の発生に特化したキャビティ形状（異形）により、エンジンの燃焼効率を向上することができるためである。
【００４７】
第２に、ディーゼルエンジンの小型化及び高Ｐｍｅ化を実現することができる。これは、キャビティの形状が、リップ部や突起部など燃焼の熱に対して構造的に弱い部分を有していないためである。また、キャビティの表面積が従来に比べ小さくなるため、燃焼の熱がピストンに伝わりにくくなり、熱損失を低減することができる。
【００４８】
ここで、単純にエンジン筒内の空気流動を高めても図５のグラフに示す様な作用効果を得ることはできない。本発明は、ＥＧＲ率が高くλが低い領域（図５左方）では、エンジン筒内の酸素を有効に活用し、エンジン筒内に噴射した燃料を完全に燃焼させることができる。しかしながら、エンジン筒内において、燃焼に影響を及ぼさない領域に空気（酸素）を流動させても、エンジンの燃焼効率の改善には影響を与えることはできない。つまり、エンジン筒内の空気流動とは、エンジン筒内に噴射した燃料の混合気の形成方法や場所、着火以降の燃焼が十分且つ効率よく行われるように、燃焼ガスと空気（酸素）の混合を促進させるための手法である。
【００４９】
従って、図５のグラフで示した本発明（実線）と従来（破線）の燃焼効率の差は、燃焼改善の狙いに対して最適化させた空気流動と燃焼室形状においての効果の差である。つまり、本発明のディーゼルエンジンは、エンジン筒内にタンブラ流の空気流動を形成し、この空気流動を最適に利用可能なキャビティ形状を採用する構成により、ディーゼルエンジンの燃焼改善を実現し、結果としてエンジン排気ガス性能及び燃費性能を向上することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１ ディーゼルエンジン
２ ピストン
３ キャビティ
４ 吸気ポート
５ 排気ポート
８ エンジン筒内
１１ 第１側壁
１２ 第２側壁
１３ キャビティ底面
２１ リップ部
２２ 突起部
θ１ 第１側壁の傾き
θ２ 第２側壁の傾き
Ｓ タンブラ流
Ｇ 重心
ｘ１、ｘ２ 長軸
ｙ１、ｙ２ 短軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャビティに燃料を直接噴射するディーゼルエンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、内燃機関を使用する自動車エンジンや産業エンジンなどの排気ガス規制は年々厳しくなっている。これに加えて近年は世界的な地球温暖化対策の一つとして、厳しい燃費規制の導入も検討されている。各自動車メーカはこれらに対応するため、エンジン性能であるエンジン排ガス及び燃費改善の様々なデバイス研究及び開発が進められている。
【０００３】
内燃機関には大きく使用する燃料の違いによりガソリンエンジンとディーゼルエンジンがある。近年、ディーゼルエンジンは高圧噴射や高過給などのアイテムの研究及び開発は急速に進んだが、エンジン筒内における燃費改善についてはガソリンエンジンに比べ研究が遅れている。この遅れの背景としては、ガソリンエンジンに対しディーゼルエンジンは、エンジンベースの熱効率が高かったということがある。しかし、近年ガソリンエンジンにおけるハイブリッドの導入や、上記で述べた厳しい燃費規制の導入などにより、ディーゼルエンジンに対して更に高い燃焼効率が求められている。
【０００４】
これまでディーゼルエンジンには大きく分けると二つの燃焼構造があった。一つは直接噴射式と呼ばれ、もう一つは予燃焼室式と呼ばれ、それぞれ研究及び開発が進められてきた。直接噴射式（DI）と呼ばれているディーゼルエンジンは主室に直接高圧の燃料を噴射する構造である。予燃焼室（IDI）と呼ばれているディーゼルエンジンは主室と別に副室
を設け、その副室に高圧の燃料を噴射する構造である。それぞれに長所短所があるが、近年高い燃焼効率の追求、すなわち近年更なる低燃費の要求により熱効率の高い直接噴射式が主流となっている。
【０００５】
直接噴射式ディーゼルエンジンのピストンには大きく分けると二種類のキャビティ形状があり、一つはリエントラントと呼ばれる形状（例えば特許文献１参照）で、もう一つはトロイダル（例えば特許文献２参照）と呼ばれる形状である。なお、これらの特許文献に記載のエンジンは、ともに点火プラグを有するガソリンエンジンである。
【０００６】
図６及び図７にリエントラント型のキャビティ３Ｘを有するディーゼルエンジン１Ｘの概略を示す。図６は吸排気ポートの平面における配置を示しており、図７はピストン２Ｘ周辺の断面の概略を示している。このディーゼルエンジン１Ｘは、２つの吸気ポート４Ｘと、２つの排気ポート５Ｘと、燃料噴射ノズル１０を有している（図６参照）。また、ディーゼルエンジン１Ｘは、キャビティ３Ｘを有するピストン２Ｘと、吸気バルブ６Ｘ及び排気バルブ７Ｘを有している（図７参照）。ここで、参照番号８は混合気が形成され燃焼が行われるエンジン筒内を、図７の矢印は、吸気エアーの流れる方向を示している。
【０００７】
このリエントラント型のキャビティ３Ｘは、キャビティ３Ｘ上部の口元をリップ部２１で絞り込まれ、キャビティ３Ｘの側面や底面は湾曲に形成されている。また、底面中央部には円錐状の突起部２２を設置した形状が一般的である。
【０００８】
また、このリエントラント型のディーゼルエンジン１Ｘは、エンジン筒内８、特にキャビティ３Ｘ内に吸気エアーのスワール流（周方向に旋回する旋回流）を形成し、その残存性を高く保持させるため、キャビティ３Ｘの形状を平面視（ｘｙ平面）において真円形状とすることが一般的である。
【０００９】
更に、リエントラント型のディーゼルエンジン１Ｘは、スワール流を効率的に形成するため、図６に示す様に、エンジンに対して吸気ポート４Ｘ及び排気ポート５Ｘの配置をオフセット（周方向に回転）させることで、吸気エアーを旋回させている例が多い。
【００１０】
上記の構成により、リエントラント型のキャビティ３Ｘを有するディーゼルエンジン１Ｘは、キャビティ上部のリップ部２１により、ピストン圧縮上死点近傍では高いスキッシュ効果を得ることができる。また、リップ部２１、キャビティ３Ｘ内の湾曲部、及び底面に設けた円錐状の突起部２２等により、キャビティ３Ｘ内に強いスワール流を形成し燃焼改善を図っている。
【００１１】
現在、エンジン筒内（シリンダ筒内）８の燃焼改善に注目が集まっている。エンジン筒内８に残された少ない酸素量を有効利用するためエンジン筒内８の空気流動を高める、即ち筒内空気利用度を高める研究及び開発が進められている。よって、今日では、直接噴射式のディーゼルエンジンのキャビティ形状は、エンジン筒内８の空気流動を積極的に利用しているリエントラント型が主流となっている。
【００１２】
図８及び図９にトロイダル型のキャビティ３Ｙを有するディーゼルエンジン１Ｙの概略を示す。図８は吸排気ポートの平面における配置を示しており、図９はピストン２Ｙ周辺の断面の概略を示している。このディーゼルエンジン１Ｙは、２つの吸気ポート４と、２つの排気ポート５と、燃料噴射ノズル１０を有している（図８参照）。また、ディーゼルエンジン１Ｙは、キャビティ３Ｙを有するピストン２Ｙと、吸気バルブ６及び排気バルブ７を有している（図９参照）。ここで、参照番号８はエンジン筒内を、図９の矢印は吸気エアーの流れる方向を示している。
【００１３】
このトロイダル型のキャビティ３Ｙは、キャビティ上部の口元をリップ部で絞ってはおらず、キャビティ３Ｙの側面や底面も湾曲度が小さい。また、キャビティ３Ｙの底面中央に円錐状の突起部を有さない、又は有していてもリエントラント型ほど高く形成しないのが一般的な形状である。
【００１４】
このディーゼルエンジン１Ｙは、エンジンに対して吸気ポート４及び排気ポート５を平行に配置し、エンジン筒内８に吸気エアーのタンブラ流（エンジンの鉛直方向ｚに旋回する気流）を形成している。同時に、吸排気ポート４、５の効率低下を招くことなく低スワール流も発生させている例が多い。そのため、トロイダル型のキャビティ３Ｙは、リエントラント型のキャビティ３Ｘと同様、平面視（ｘｙ平面）において真円形状とすることが一般的である。
【００１５】
上記の構成により、トロイダル型のキャビティ３Ｙを有するディーゼルエンジン１Ｙは、熱損失を低減させエンジン熱効率の向上を実現している。これは、浅皿型とも呼ばれるキャビティ３Ｙが、キャビティ３Ｙの表面積を絞り、ピストン２Ｙへの熱流を抑制することのできる形状を有しているためである。また、エンジン筒内８の空気流動形成としては、高スワール流を利用せず、ピストン２Ｙ上死点近傍でスキッシュ効果が得られるように構成している。この高スワール流を利用しない構成により、シリンダヘッド内にある吸気ポート４に連結する吸気管（図示しない）に無理な曲がりを形成しないため、吸気エアーの流れに抵抗を与えず、高い吸気効率を得ることができていた。
【００１６】
以上より、ディーゼルエンジンは、リエントラント型のキャビティを有するエンジン（図７参照）やトロイダル型のキャビティを有するエンジン（図９参照）の開発により、エンジンの燃費や熱効率の向上が進められている。
【００１７】
一方、ディーゼルエンジンは、排気ガス性能を向上するために、ＥＧＲシステムを搭載
している。このＥＧＲシステムは、ディーゼルエンジンから排出された排気ガスを、再循環させ、再びディーゼルエンジンに吸気エアーとともに供給する構成を有している。このＥＧＲシステムにより、排気ガス中のＮＯｘを低減している。
【００１８】
また、ディーゼルエンジンの燃費向上に寄与する開発として、ディーゼルエンジンのダウンサイジング化が検討されている。これはエンジンの高性能高出力化を実現し、従来の大きいエンジンに代えて、小型エンジンを車両に搭載し、低燃費化を狙ったシステムである。このエンジンの小型化によりエンジン全体のフリクションの低減、及び高Ｐｍｅ化により高い熱効率の使用領域の拡大を実現し、その結果燃費改善できると考えられている。
【００１９】
上記のように、ディーゼルエンジンの燃費向上、燃焼効率向上、熱効率向上、排気ガス性能向上を実現するため種々の開発がなされている。しかしながら、上記のディーゼルエンジンはいくつかの問題点を有している。
【００２０】
第１に、排気ガス性能を向上するためにＥＧＲ率（再循環する排ガス量）を高めると、エンジン筒内の空気量が低下し、燃費の悪化を招くという問題を有している。つまり、ＥＧＲ率を高めると、エンジン筒内に供給される新規の空気流量は低下し、酸素量も低下し、結果としてエンジンの燃焼状態が悪化する。これは、ディーゼルエンジンの場合、ガソリンエンジンとは異なり、エンジン筒内に噴射する燃料量に対して空気量が多いほど、つまり空気過剰率が高いほど燃焼状態が良好となるためである。現在は、この対策として高過給を行い、排気ガス及び空気を高い圧力でエンジン筒内に供給することを行っている。しかしながら、高過給高ＥＧＲ化を進めるとエンジン筒内の圧縮端圧力が高まり、エンジン構造上の限界領域を超える状態に達する等の問題が多発している。以上より、排気ガス性能の向上（ＮＯｘの低減）と、燃焼効率の向上を同時に実現することは困難である。
【００２１】
第２に、燃費改善のためにディーゼルエンジンの小型化を目指すと、リエントラント型のキャビティを採用することが困難となるという問題を有している。これは、高Ｐｍｅ化によりエンジン負荷率が上昇し、エンジン筒内の温度も上昇した小型エンジンにおいて、リエントラント型のキャビティのリップ部が、この温度上昇に耐えられないからである。
【００２２】
第３に、小型エンジンにトロイダル型のキャビティを採用すると、排気ガス性能及び燃費性能が悪化するという問題を有している。これは、エンジン筒内の空気流動が、一般的にはスワール流、スキッシュ、タンブラ流の順に弱くなるためである。従って、トロイダル型のキャビティの採用により、エンジン筒内の空気利用度が低下し、燃焼効率が低減し、これに伴い排気ガス性能及び燃費性能が悪化してしまう。なお、トロイダル型のキャビティは、リップ部がない又は小さく、キャビティ全体が浅皿形状であるため、キャビティ側壁が燃料噴射ノズルから遠く、キャビティ側壁の温度上昇を抑制することはできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】特開昭６２−７５０１９号公報
【特許文献２】特開２００９−４７０７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、ＥＧＲ率を高め排気ガス性能を向上させながら、燃焼効率を向上することのできるディーゼルエンジンを提供することである。また、小型化及び高Ｐｍｅ化を施したディーゼルエンジンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上記の目的を達成するための本発明に係るディーゼルエンジンは、冠面に凹状のキャビティを形成したピストンと、前記キャビティに鉛直方向に旋回するタンブラ流を形成する吸気ポートと、排気ガスを再循環するＥＧＲシステムを有するディーゼルエンジンにおいて、前記キャビティが、平面視において、直交する長軸と短軸を有する略楕円形であり、前記長軸の一端側で、且つ下降する前記タンブラ流が衝突する部位の第１側壁と、前記長軸の他端側で、且つ前記第１側壁に衝突してキャビティ底面に沿って流れる前記タンブラ流が上昇に転じる部位の第２側壁を有しており、前記第１側壁のピストンの軸方向と垂直な面に対する傾きが、前記第２側壁のピストンの軸方向と垂直な面に対する傾きよりも大きいことを特徴とする。
【００２６】
この構成により、ＥＧＲ率を高めた領域で、燃焼効率を向上することができる。これは、効率的なタンブラ流の発生に特化したキャビティ形状により、エンジンの燃焼効率を向上できるからである。また、小型化及び高Ｐｍｅ化を施したディーゼルエンジンを提供することができる。これは、タンブラ流の採用により、熱損失の低減、及び高吸気効率を実現することができるからである。特にスワール流を利用しない形状としたため、キャビティの表面積を低減することができる。
【００２７】
上記のディーゼルエンジンにおいて、前記キャビティの側壁にキャビティリップを形成しないことを特徴とする。この構成により、小型化及び高Ｐｍｅ化を施した耐久性の高いディーゼルエンジンを提供することができる。
【００２８】
上記のディーゼルエンジンにおいて、前記垂直な面に対する前記第１側壁の傾きが、４５度以上９０度以下であり、前記垂直な面に対する前記第２側壁の傾きが、５度以上４５度より小さいことを特徴とする。この構成により、前述と同様の作用効果を得ることができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明に係るディーゼルエンジンによれば、ＥＧＲ率を高め排気ガス性能を向上させながら、燃焼効率を向上することのできるディーゼルエンジンを提供することができる。また、小型化及び高Ｐｍｅ化を施したディーゼルエンジンを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る実施の形態のディーゼルエンジンの吸排気ポートを示した図である。
【図２】本発明に係る実施の形態のディーゼルエンジンの概略を示した図である。
【図３】本発明に係る実施の形態のディーゼルエンジンのキャビティの平面を示した図である。
【図４】本発明に係る実施の形態のディーゼルエンジンのキャビティの断面を示した図である。
【図５】本発明に係る実施の形態のディーゼルエンジンの性能の概略を示した図である。
【図６】従来のディーゼルエンジンの吸排気ポートを示した図である。
【図７】従来のディーゼルエンジンの概略を示した図である。
【図８】従来のディーゼルエンジンの吸排気ポートを示した図である。
【図９】従来のディーゼルエンジンの概略を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明に係る実施の形態のディーゼルエンジンについて、図面を参照しながら説明する。図１及び図２に本発明に係る実施の形態のディーゼルエンジン１の概略を示す。
図１に吸排気ポートの平面（ｘｙ平面）における配置を示し、図２にピストン２周辺の断面の概略を示している。このディーゼルエンジン１は、２つの吸気ポート４と、２つの排気ポート５と、燃料噴射ノズル１０を有している（図１参照）。また、ディーゼルエンジン１は、キャビティ３を有するピストン２と、吸気バルブ６及び排気バルブ７を有している（図２参照）。ここで、８はエンジン筒内８、図２の矢印は、吸気エアーの流れる方向を示している。
【００３２】
このディーゼルエンジン１は、従来のキャビティ形状の変更により、これまでのエンジン筒内の燃焼コンセプトと異なる狙いの燃焼改善を確立し、エンジン性能である排気ガス性能及びエンジン燃費の改善を可能としたシステムである。主なコンセプトとしては、従来型ディーゼルエンジンに見られた筒内空気流動が高いスワールを利用したリエントラント型燃焼室形状や、逆に低スワール状態で適合したトロイダル型燃焼室形状に対し、エンジン筒内では低いとされていたタンブラ流の空気流動を最大限に引き出すことが可能な新キャビティ形状である。つまり、キャビティ３は、エンジン筒内の空気流動として、エンジン縦方向（鉛直方向ｚ）のタンブラ流が発生しやすい形状を有している。
【００３３】
また、ディーゼルエンジン１は、吸排気効率を高めるため、１シリンダ当り４バルブ（２つの吸気ポート４と２つの排気ポート５に対応）を有し、且つ吸排気ポートの径も最大まで大きく形成している。更に、ディーゼルエンジン１は、直接噴射式であり、且つ、燃料を均等に噴射し良好な混合気を形成するために、エンジンシリンダーヘッドの中央部に配置された燃料噴射ノズル１０を有している。
【００３４】
図３及び図４に、ディーゼルエンジン１のキャビティ３の形状の概略を示す。図３に平面視におけるキャビティ３の形状を示し、図４にキャビティ３の側方断面の概略を示す。図３に示す様に、平面視におけるキャビティ３は、真円形状ではなく略楕円形（例えば卵形等）に形成している。ここで、Ｇは、平面視におけるキャビティ３の重心Ｇを示している。また、長軸における重心Ｇからキャビティ側壁までの長さをｘ１及びｘ２、短軸における重心Ｇから側壁までの距離をｙ１及びｙ２で示している。ここで、キャビティ３は、ｘ１に比べｘ２が長くなるように形成している。
【００３５】
また、図４に示す様に、キャビティ３は、第１側壁１１と、第２側壁１２と、キャビティ底面１３を有している。このキャビティ底面１３は、平面又は湾曲面（Ｒを形成した面）で形成されており、エンジン１に対して水平又は若干の勾配角度を有するように形成される。
【００３６】
ここで、θ１及びθ２は、ピストンの軸方向ｚと垂直な面（水平面）に対する第１側壁１１及び第２側壁１２のそれぞれの傾きを示している。このキャビティ３は、θ１がθ２よりも大きくなるように形成されている。また、Ｓはタンブラ流の流れを示している。更に、キャビティ３は、リップ部（鋭角となる部分、突出する部分）と、従来底面に形成される突起部を有していない。
【００３７】
次に、図２及び図４を参照しながら、ディーゼルエンジン１における燃焼時の様子を説明する。ディーゼルエンジン１は、まず吸気バルブ６の開放によりエンジン筒内８に吸気を行う。吸気エアーは、エンジン筒内８を下降し、キャビティ３の第１側壁１１に衝突する。第１側壁に衝突した吸気エアーは、進行方向が変わり、キャビティ底面１３に沿って流れる。キャビティ底面１３に沿って流れる吸気エアーは、第２側壁１２に衝突し、鉛直上方に流れるように制御される。吸気エアーは、以上の流れにより効率的なタンブラ流を形成する。
【００３８】
次に、キャビティ３の形状の設計方法を説明する。まず、対象となるディーゼルエンジ
ンの実機において、リグ試験装置を用いて、タンブラ流の計測（流れ方向、拡散の様子等の計測）を行う。この計測結果をもとに、キャビティの新形状、及びこのキャビティにおけるタンブラ流のシミュレーションを行い、最終的なキャビティ３の形状を決定する。
【００３９】
そのため、吸気ポート４やエンジン筒内８の形状等により、タンブラ流の状態が異なり、キャビティ３の形状も変化する。具体的には、第１側壁１１の傾きθ１が、例えば４５度以上９０度以下、望ましくは６０度以上９０度以下、更に望ましくは７５度以上９０度以下の範囲となり、第２側壁１２の傾きθ２は、例えば５度以上４５度より小さい角度、望ましくは１０度以上４５度より小さい角度、更に望ましくは１５度以上４５度より小さい角度の範囲とする。ここで、θ１は少なくともθ２よりも大きくなり、且つ９０度を超えない範囲とする。また、図３に示すｘ１とｘ２の長さが異なる場合や、ｙ１とｙ２の長さが異なる場合もある。
【００４０】
図５に、本発明のディーゼルエンジン１と従来のディーゼルエンジン１Ｘのエンジン性能を比較したグラフを示す。実線が本発明のディーゼルエンジンの性能を示しており、破線が従来のディーゼルエンジンの性能を示している。このグラフの横軸はＬａｍｄａ ｒａｔｉｏ（λ）、ＥＧＲ ｒａｔｉｏ（ＥＧＲ率）、及び排気ガス中に含まれるＮＯｘの量を示している。また、縦軸は燃焼効率、排気ガス中に含まれるＰＭ（粒子状物質）の量、及び燃費（燃料消費率、ＳＦＣ）を示している。
【００４１】
ここで、λ（空気過剰率）はディーゼルエンジンに投入した燃料に対して、理論上必要な空気量を１．０とした場合の空気過剰率を示している。つまり、λが低いとは、エンジン筒内に供給される新規空気の量が少ないことを意味している。また、同一のエンジンで且つ同一のエンジンキャリブレーションで、このλが変化することは、主にＥＧＲのバルブ開度を変化させてＥＧＲ率を変えたことを意味する。つまり例えば、λが低いことは、同時に、ＥＧＲによりエンジン筒内に供給される排気ガスの量が多い（ＥＧＲ率が高い）ことを意味する。
【００４２】
なお、ＥＧＲは、排気ガス中の主にＮＯｘを低減するために行う一般的な手法である。そのため、ＥＧＲ率が高いと排気ガス中に含まれるＮＯｘの量は少なくなる。また、ディーゼルエンジンにおいて、λが低いと燃焼効率が悪化する。この燃焼効率の悪化は、同時に排気ガス中に含まれるＰＭの量の増加を意味する（ＰＭの状態の悪化）。これは、エンジン筒内の酸素が不足し、燃焼が不完全になるためである。更に、燃焼効率が低いことは、燃費性能が悪いことを意味する（燃費の悪化）。以上より、図５のグラフの横軸及び縦軸は、エンジンにおける複数のパラメータを同時に表すことができる。
【００４３】
次に、従来のディーゼルエンジンのエンジン性能（図５破線参照）について説明する。図５の左側は、ＥＧＲ率が高い場合、燃焼効率が低く、排気ガス中のＰＭの状況及び燃費が悪化することを示している。近年、エンジン後処理システムの開発により、エンジンアウトの排気ガス成分の低減を大幅に達成しなくても、後処理システムを含めた車両トータルにおいて、厳しい排気ガス規制に適合することが可能となっていた。しかし、これらの後処理には高い貴金属を大量に使用しており、コストが増大する問題を有していた。従って、これらの高い貴金属の使用を中止するか、又は使用量を削減するためにエンジンアウトの排気ガス成分を極力低減させることが求められていた。つまり、エンジン性能を向上することと、コストを低減することは、同時に実現することが困難であった。
【００４４】
次に、本発明のディーゼルエンジンのエンジン性能（図５実線参照）について説明する。図５の左側は、λが低い場合であっても、燃焼効率、排気ガス性能及び燃費性能を従来（図５破線参照）に比べ向上していることを示している。これは、本発明のディーゼルエンジンのエンジン筒内の空気流動が高いため、λが低くても（エンジン筒内の酸素量が少なくても）、少ない酸素と燃料を効率的に混合し、効率のよい燃焼を実現することができる。
【００４５】
そのため、ＥＧＲ率を高め排気ガス性能を向上させながら、燃焼効率を向上することができる。また、リップ部等の構造的に弱い部分を有さないキャビティ形状の採用により、ディーゼルエンジンの小型化及び高Ｐｍｅ化を実現することができる。
【００４６】
上記の構成により、以下の作用効果を得ることができる。第１に、ＥＧＲ率を高めた領域で、燃焼効率を向上することができる。これは、効率的なタンブラ流の発生に特化したキャビティ形状（異形）により、エンジンの燃焼効率を向上することができるためである。
【００４７】
第２に、ディーゼルエンジンの小型化及び高Ｐｍｅ化を実現することができる。これは、キャビティの形状が、リップ部や突起部など燃焼の熱に対して構造的に弱い部分を有していないためである。また、キャビティの表面積が従来に比べ小さくなるため、燃焼の熱がピストンに伝わりにくくなり、熱損失を低減することができる。
【００４８】
ここで、単純にエンジン筒内の空気流動を高めても図５のグラフに示す様な作用効果を得ることはできない。本発明は、ＥＧＲ率が高くλが低い領域（図５左方）では、エンジン筒内の酸素を有効に活用し、エンジン筒内に噴射した燃料を完全に燃焼させることができる。しかしながら、エンジン筒内において、燃焼に影響を及ぼさない領域に空気（酸素）を流動させても、エンジンの燃焼効率の改善には影響を与えることはできない。つまり、エンジン筒内の空気流動とは、エンジン筒内に噴射した燃料の混合気の形成方法や場所、着火以降の燃焼が十分且つ効率よく行われるように、燃焼ガスと空気（酸素）の混合を促進させるための手法である。
【００４９】
従って、図５のグラフで示した本発明（実線）と従来（破線）の燃焼効率の差は、燃焼改善の狙いに対して最適化させた空気流動と燃焼室形状においての効果の差である。つまり、本発明のディーゼルエンジンは、エンジン筒内にタンブラ流の空気流動を形成し、この空気流動を最適に利用可能なキャビティ形状を採用する構成により、ディーゼルエンジンの燃焼改善を実現し、結果としてエンジン排気ガス性能及び燃費性能を向上することができる。
【符号の説明】
【００５０】
１ ディーゼルエンジン
２ ピストン
３ キャビティ
４ 吸気ポート
５ 排気ポート
８ エンジン筒内
１１ 第１側壁
１２ 第２側壁
１３ キャビティ底面
２１ リップ部
２２ 突起部
θ１ 第１側壁の傾き
θ２ 第２側壁の傾き
Ｓ タンブラ流
Ｇ 重心
ｘ１、ｘ２ 長軸
ｙ１、ｙ２ 短軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冠面に凹状のキャビティを形成したピストンと、前記キャビティに鉛直方向に旋回するタンブラ流を形成する吸気ポートと、排気ガスを再循環するＥＧＲシステムを有するディーゼルエンジンにおいて、
前記キャビティが、平面視において、直交する長軸と短軸を有する略楕円形であり、
前記長軸の一端側で、且つ下降する前記タンブラ流が衝突する部位の第１側壁と、
前記長軸の他端側で、且つ前記第１側壁に衝突してキャビティ底面に沿って流れる前記タンブラ流が上昇に転じる部位の第２側壁を有しており、
前記第１側壁のピストンの軸方向と垂直な面に対する傾きが、前記第２側壁のピストンの軸方向と垂直な面に対する傾きよりも大きいことを特徴とするディーゼルエンジン。
【請求項２】
前記キャビティの側壁にキャビティリップを形成しないことを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン。
【請求項３】
前記垂直な面に対する前記第１側壁の傾きが、４５度以上９０度以下であり、
前記垂直な面に対する前記第２側壁の傾きが、５度以上４５度より小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載のディーゼルエンジン。
【請求項１】
冠面に凹状のキャビティを形成したピストンと、前記キャビティに鉛直方向に旋回するタンブラ流を形成する吸気ポートと、排気ガスを再循環するＥＧＲシステムを有するディーゼルエンジンにおいて、
前記キャビティが、平面視において、直交する長軸と短軸を有する略楕円形であり、
前記長軸の一端側で、且つ下降する前記タンブラ流が衝突する部位の第１側壁と、
前記長軸の他端側で、且つ前記第１側壁に衝突してキャビティ底面に沿って流れる前記タンブラ流が上昇に転じる部位の第２側壁を有しており、
前記第１側壁のピストンの軸方向と垂直な面に対する傾きが、前記第２側壁のピストンの軸方向と垂直な面に対する傾きよりも大きいことを特徴とするディーゼルエンジン。
【請求項２】
前記キャビティの側壁にキャビティリップを形成しないことを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン。
【請求項３】
前記垂直な面に対する前記第１側壁の傾きが、４５度以上９０度以下であり、
前記垂直な面に対する前記第２側壁の傾きが、５度以上４５度より小さいことを特徴とする請求項１又は２に記載のディーゼルエンジン。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−５７２７０（Ｐ２０１３−５７２７０Ａ）
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９５２８１（Ｐ２０１１−１９５２８１）
【出願日】平成２３年９月７日（２０１１．９．７）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月７日（２０１１．９．７）
【出願人】（００００００１７０）いすゞ自動車株式会社 (1,721)
【Ｆターム（参考）】
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