13                ピストン
23                フュエルインジェ� �タ
25                キャビティ
25a               周壁部
25c               底壁部
25A~25F        キャビティ区分
26                リップ部
26A~26F        リップ部区分
Li1               燃料噴射軸
Li2               燃料噴射軸
Lp                ピストン中心軸
X1~X6      半平面

 図1~図11は本発明の実施の形態を示すもの である。

 図1~図3に示すように、燃料直噴型のディ� ��ゼルエンジンは、シリンダブロック11に形� �されたシリンダ12に摺動自在に嵌合するピス トン13を備えており、ピストン13はピストン� �ン14およびコネクティングロッド15を介して� ��示せぬクランクシャフトに接続される。シ� ��ンダブロック11の上面に結合されるシリン� �ヘッド16の下面に、ピストン13の頂面に対向� ��る2個の吸気バルブ孔17,17と、2個の排気バル ブ孔18,18とが開口しており、吸気バルブ孔17,1 7に吸気ポ-ト19が連通し、排気バルブ孔18,18に 排気ポート20が連通する。吸気バルブ孔17,17� �吸気バルブ21,21で開閉され、排気バルブ孔18, 18は排気バルブ22,22で開閉される。ピストン� �心軸Lp上に位置するようにフュエルインジェ クタ23が設けられるとともに、フュエルイン� ��ェクタ23に隣接するようにグロープラグ24が 設けられる。

 図1および図4から明らかなように、ピス� �ン13の頂面と、そこに対向するシリンダヘッ ド16の下面とは平坦ではなく断面三角形のペ� ��トルーフ状に傾斜しており、この形状によ� ��、吸気ポ-ト19および排気ポート20の湾曲度� �小さくするとともに吸気バルブ孔17,17および 排気バルブ孔18,18の直径を確保し、吸気効率� ��よび排気効率を高めることができる。

 ピストン13の頂面には、ピストン中心軸Lp を中心とするキャビティ25が凹設される。キ� ��ビティ25の径方向外側には、ピストンピン14 と平行に直線状に延びる頂部13a,13aから吸気� �および排気側に向かって下向きに傾斜する� �対の傾斜面13b,13bと、傾斜面13b,13bの下端近傍 に形成されてピストン中心軸Lpに直交する一� ��の平坦面13c,13cと、頂部13a,13aの両端を平坦� �切り欠いた一対の切欠き部13d,13dとが形成さ� ��る。

 ピストン中心軸Lpに沿って配置されたフ� �エルインジェクタ23は、ピストン中心軸Lp上� ��仮想的な点である燃料噴射点Oinjを中心とし て円周方向に60°間隔で離間する6つの方向に� ��料を噴射する。6本の燃料噴射軸のうちの2� �の第1燃料噴射軸Li1は、ピストン中心軸Lp方� �に見てピストンピン14と重なっており、他の 4本の第2燃料噴射軸Li2は、ピストンピン14の� �向に対して60°の角度で交差している。また� ��ストン中心軸Lpに直交する方向に見て、6本� ��第1、第2燃料噴射軸Li1,Li2は斜め下向きに傾� ��しており、その下向きの度合いは第1燃料噴 射軸Li1については小さく、第2燃料噴射軸Li1� �ついては大きくなっている(図6および図7参� �)。

 尚、フュエルインジェクタ23が実際に燃� �を噴射する噴射点はピストン中心軸Lpから径 方向外側に僅かにずれているが、前記燃料噴 射点Oinjは前記第1、第2燃料噴射軸Li1,Li2がピ� �トン中心軸Lpと交差する点として定義される 。

 次に、図5~図7を参照して、本出願人の出� ��に係る先願発明(日本特開2008-002443号公報参� ��)のキャビティ25の断面形状を詳述する。先� ��発明のキャビティ25の断面形状を説明する� �由は、先願発明のキャビティ25の断面形状を 補正した上で、キャビティ25の開口縁にリッ� ��部26を突設して本願発明のキャビティ25の断 面形状を得るからである。図5はピストンピ� �14に対して直交する方向の断面であり、図6� �ピストンピン14に対して60°で交差する方向� �断面(第2燃料噴射軸Li2を含む断面)であり、� �7はピストンピン14に沿う方向の断面(第1燃料 噴射軸Li1を含む断面)である。

 先願発明は、ピストン中心軸Lpを通る任� �の断面において、キャビティ25の形状を可及 的に一致させることを狙ったものである。キ ャビティ25の断面形状はピストン中心軸Lpを� �んで左右二つの部分に分かれており、その� �つの部分は図7のピストンピン14方向の断面� �は概ね直線状に繋がっているが、図5のピス� ��ンピン14直交方向の断面と、図6のピストン� ��ン14に対して60°で交差する方向の断面とで� ��、ピストン13のペントルーフ形状に応じて� �型に繋がっている。但し、キャビティ25の断 面形状の主要部、つまり図5~図7に網かけをし て示す部分の形状は完全に一致している。

 図5~図7から明らかなように、ピストン中� ��軸Lpを中心として形成されたキャビティ25は 、ピストン13の頂面から下向きに直線状に延� ��る周壁部25aと、周壁部25aの下端からピスト� ��中心軸Lpに向かってコンケーブ状に湾曲す� �曲壁部25bと、曲壁部25bの径方向内端からピ� �トン中心軸Lpに向かって斜め上方に直線状に 延びる底壁部25cと、ピストン中心軸Lp上で底� ��部25cの径方向内端に連なる頂部25dとで構成� ��れる。

 キャビティ25に対向するシリンダヘッド16 の下面を示す線L-R1,L-R2から下方に距離Haだけ� ��れて平行に延びるラインをピストン頂面基� ��線L-a1,L-a2とする。同様にシリンダヘッド16� �下面を示す線L-R1,L-R2から下方に距離Hbcだけ� �れて平行に延びる線をキャビティ底面基本� �L-bc1,L-bc2とし、シリンダヘッド16の下面を示� ��線L-R1,L-R2から下方に距離Hdだけ離れて平行� �延びる線をキャビティ頂部基本線L-d1,L-d2と� �る。

 燃料噴射点Oinjを中心とする半径Raの円弧� ��前記ピストン頂面基本線L-a1,L-a2との交点をa 1,a2とする。同様に燃料噴射点Oinjを中心とす� ��半径Rbの円弧と前記キャビティ底面基本線L- bc1,L-bc2との交点をb1,b2とし、燃料噴射点Oinjを 中心とする半径Rcの円弧と前記キャビティ底� ��基本線L-bc1,L-bc2との交点をc1,c2とし、燃料噴 射点Oinjを中心とする半径Rdの円弧と前記キャ ビティ頂部基本線L-d1,L-d2との交点をd1,d2とす� ��。交点e1,e2は、前記交点d1,d2からピストン頂 面基本線L-a1,L-a2に下ろした垂線が該ピストン 頂面基本線L-a1,L-a2に交差する点である。

 キャビティ25の周壁部25aは直線a1b1,a2b2の� �にあり、キャビティ25の底壁部25cは直線c1d1,c 2d2に一致し、キャビティ25の曲壁部25bは直線a 1b1,a2b2および直線c1d1,c2d2を滑らかに接続する� ��

 しかして、交点a1,c1,d1,e1あるいは交点a2,c2 ,d2,e2によって決まる網かけした断面形状が,� �ストン中心軸Lpを通る任意の断面において等 しくなるように、キャビティ25の形状が設定� ��れる。

 前記交点a1,a2は本発明の第1特定点Anに対� �し、前記交点e1,e2は本発明の第2特定点Bnに対 応し、前記交点d1,d2は本発明の第3特定点Cnに� ��応するものである。

 図6および図7に示す第1、第2燃料噴射軸Li1 ,Li2を通る断面については、図7に示すピスト� ��ピン14方向の断面(燃料噴射断面S1)における� ��かけ部分と、図6に示すピストンピン14に対� ��て60°で交差する方向の断面(燃料噴射断面S2 )における網かけ部分とは同形になる。

 図7に示すピストンピン14方向の断面にお� ��て、第1燃料噴射軸Li1がキャビティ25と交差� ��る点を燃料衝突点P1とし、図6に示すピスト� ��ピン14に対して60°で交差する方向の断面に� ��いて、第2燃料噴射軸Li2がキャビティ25と交� ��する点を燃料衝突点P2とする。二つの燃料� �突点P1,P2は、網かけした同一形状の断面上の 同じ位置に存在している。従って、燃料衝突 点P2の位置は燃料衝突点P1の位置よりも低く� �り、燃料噴射点Oinjから延びる第2燃料噴射軸 Li2は第1燃料噴射軸Li1よりも更に下向きに燃� �を噴射することになる。

 燃料噴射点Oinjから燃料衝突点P1までの距� ��D1は、燃料噴射点Oinjから燃料衝突点P2まで� �距離D2に略一致する。また燃料衝突点P1にお� ��るキャビティ25の接線と第1燃料噴射軸Li1と� ��成す燃料衝突角α1は、燃料衝突点P2におけ� �キャビティ25の接線と第2燃料噴射軸Li2とが� �す燃料衝突角α2に略一致する。

 以上のように先願発明によれば、ピスト� ��中心軸Lpを通る任意の断面において、燃料� �射点Oinjの近傍のごく一部(交点e1,d1,d2,e2で囲� ��れた領域)を除いて、キャビティ25の断面形� ��が同一に形成されている。特に、第1、第2� �料噴射軸Li1,Li2を含む二つの断面(図6および� �7参照)においてもキャビティ25の断面形状が� ��一に形成されており、しかも前記二つの断� ��において燃料噴射点Oinjから燃料衝突点P1,P2� ��での距離D1,D2が略等しく設定され、かつ燃� �衝突点P1,P2における燃料衝突角α1,α2が略等� �く設定されるので、キャビティ25の各部にお ける空気および燃料の混合状態を円周方向に 均一化し、混合気の燃焼状態を改善してエン ジン出力の増加および排気有害物質の低減を 図ることができる。

 また図5および図6に示すピストン13の頂面 が傾斜する断面においても、キャビティ25の� ��口のエッジ(交点a2の部分)が成す角度が、図 7に示すピストン13の頂面が平坦な場合に比べ て鋭角化することがないため、その部分の熱 負荷を軽減して耐熱性を高めることができる 。

 ところで先願発明は、図5~図7におけるキ� ��ビティ25の断面形状が、網かけをして示す� �分では完全に一致しているものの、燃料噴� �点Oinjの近傍の交点e1,d1,d2,e2で囲まれた白抜� �の領域で不一致になっている。その理由は� �キャビティ25の断面形状のピストン中心軸Lp� ��挟む二つの部分が、図7のピストンピン14方� ��の断面では概ね直線状に繋がっているが、� ��5のピストンピン14直交方向の断面と、図6の ピストンピン14に対して60°で交差する方向の 断面とでは、ピストン13のペントルーフ形状� ��応じて山型に繋がっているため、交点e1,d1,d 2,e2で囲まれた白抜きの領域の面積が、図7の� ��ストンピン14方向の断面で最も大きく、図6� ��ピストンピン14に対して60°で交差する方向� ��断面で減少し、図5のピストンピン14直交方� ��の断面で更に減少するためである。

 本実施の形態は、交点e1,d1,d2,e2で囲まれ� �白抜きの領域の面積が最大になるピストン� �ン14方向のキャビティ25の断面形状(図7参照)� ��基準とし、その他の方向の断面形状を拡大� ��る方向(つまり、キャビティ25の深さを増加� ��せる方向)に補正することで、前記交点e1,d1, d2,e2で囲まれた白抜きの領域の面積の差異を� ��償し、キャビティ25の全ての方向の断面で� �気および燃料の混合状態の一層の均一化を� �るものである。

 図8は、図5のピストンピン14直交方向にお けるキャビティ25の断面形状の補正手法を説� ��するものであり、鎖線の形状は先願発明の� ��のを示し、実線の形状は本実施の形態のも� ��を示している。

 本実施の形態によるキャビティ25の断面� �状の補正は、交点b1および交点c1の位置を、� ��れぞれ交点b1″および交点c1″となるように 下方に移動させることで、網かけ部分の面積 を増加させることにより行われる。

 先ずキャビティ底面基本線L-bc1と、直線e1 d1の下方への延長線との交点をf1として決定� �る。続いて交点f1を通るキャビティ底面基本 線L-bc1を、交点f1を中心として所定角度βだけ 下方に回転させ、新たなキャビティ底面基本 線L-bc1″を設定する。続いて燃料噴射点Oinjを 中心とする半径Rbの円弧と新たなキャビティ� ��面基本線L-bc1″との交点を前記b1″として決 定し、燃料噴射点Oinjを中心とする半径Rcの円 弧と新たなキャビティ底面基本線L-bc1″との� ��点を前記c1″として決定する。

 しかして、補正後のキャビティ25の断面� �状では、キャビティ25の周壁部25aは直線a1b1� �の上にあり、キャビティ25の底壁部25cは直線 c1″d1に一致し、キャビティ25の曲壁部25bは直 線a1b1″および直線c1″d1を滑らかに接続して� ��る。

 尚、キャビティ底面基本線L-bc1とピスト� �中心軸Lpとの交点をfとし、この交点fを中心� ��してキャビティ底面基本線L-bc1を所定角度β だけ下方に回転させることで、新たなキャビ ティ底面基本線L-bc1″を設定しても良い。

 このように、キャビティ25の内壁面にお� �る経路AnCnのうち、経路AnCnの最下部から第3� �定点Cnまでの区間は第2燃料噴射軸Li2と近接� �るが、その区間の形状を変化させることで� �ャビティ25の内壁面への燃料の付着を抑制し て燃焼悪化を防止することができる。

 本実施の形態では、正味平均有効圧力NMEP が、煤が発生しない状態で、先願発明に対し て2%程度向上した。

 図9は、図6のピストンピン14に対して60°� �交差する方向におけるキャビティ25の断面形 状の補正手法を説明するものであり、鎖線の 形状は先願発明のものを示し、実線の形状は 本実施の形態のものを示している。

 図7(ピストンピン14方向)および図5(ピスト ンピン14直交方向)における交点e1,d1,d2,e2で囲� ��れた白抜きの領域の面積の差異に比べ、図7 (ピストンピン14方向)および図6(ピストンピン 14に対して60°で交差する方向)の前記面積の� �異は小さいため、図9(ピストンピン14に対し� ��60°で交差する方向)におけるキャビティ25の 断面形状の拡大量は、図8(ピストンピン14直� �方向)におけるキャビティ25の断面形状の拡� �量よりも小さなものとなる。

 以上、ピストン中心軸Lpの一側のキャビ� �ィ25の断面形状の補正について説明したが、 ピストン中心軸Lpの他側のキャビティ25の断� �形状の補正も全く同様にして行われる。

 更に、本願発明のキャビティ25の開口縁� �は、先願発明にない環状のリップ部26が径方 向内向きに突設され、このリップ部26によっ� ��キャビティ25内に噴射された燃料の吹き零� �を防止することができる。リップ部26の形状 はキャビティ25の円周方向に一定である。つ� ��りピストン中心軸Lpを通る任意の面で切断� �たリップ部26の断面形状は一定になる。

 即ち、図5~図9に示すように、リップ部26� �形状は、ピストン頂面基本線L-a1,L-a2上の第1� ��定点Anから径方向内向きに距離rだけ離れた� ��g1,g2を特定し、更に点g1,g2を通ってピストン 頂面基本線L-a1,L-a2に直交する方向の下側に距 離Heだけ離れた点h1,h2を特定し、更に点h1,h2を 通ってピストン頂面基本線L-a1,L-a2と平行なリ ップ下部基本線L-h1,L-h2を特定する。そして第 1特定点Anおよび点g1,g2を結ぶ線分と、前記点g 1,g2および点h1,h2を結ぶ線分と、リップ下部基 本線L-h1,L-h2およびキャビティ25の周壁部25aを� ��らかに結ぶ曲線とにより、前記リップ部26� �形状が確定する。

 尚、リップ部26を角のない滑らかな断面� �状とするために、点g1,g2および点h1,h2の部分� ��角が丸められている。

 以上のように、本実施の形態によれば、� ��ャビティ25の開口縁に形成したリップ部26の 断面形状は円周方向に一定であるため、リッ プ部26を形成したことでキャビティ25の各断� �形状が不一致になることはなく、しかも混� �気の燃焼により薄肉のリップ部26が受ける熱 負荷を円周方向の全域に亘って一定にし、ピ ストン13の耐久性を高めることができる。更� ��、ピストン13の鋳造時に、リップ部26におけ る溶湯の冷却速度を均一化して鋳造精度を高 めることができる。

 図10は、本実施の形態によるキャビティ25 の断面形状の補正を、別の視点で捕らえる説 明図である。

 同図において、キャビティ25の中心を通る� �ストン中心軸Lpから、6個の半平面X1~X6が放射 状に延びている。隣接する2個の半平面X1~X6が 成す角度(挟み角)は全て60°であり、各半平面 X1~X6の間を2等分する6本の2等分線は、ピスト� ��中心軸Lpの方向に見て第1、第2燃料噴射軸Li1 ,Li2と重なっている。キャビティ25は6個の半� �面X1~X6によって6個の仮想的なキャビティ区� �25A~25Fに分割されており、本実施の形態によ� ��ば、上述したキャビティ25の断面形状の補� �により、6個のキャビティ区分25A~25Fの容積を 理論的には同一に設定することが可能である 。またリップ部26も6個の半平面X1~X6によって6 個の仮想的なリップ部区分26A~26Fに分割され� �おり、本実施の形態によれば6個のリップ部� ��分26A~26Fの断面形状を同一に設定することが 可能である
 しかしながら、6個のキャビティ区分25A~25F� �容積を完全に同一に設定する必要はなく、� �れを略同一に設定するだけでも、特許文献1� ��発明あるいは先願発明に比べて燃料の混合� ��態を円周方向により均一化することができ� ��。具体的には、6個のキャビティ区分25A~25F� �容積のばらつき、つまり最大容積のキャビ� �ィ区分と最小容積のキャビティ区分の容積� �の差分を特許文献1の発明あるいは先願発明� ��比べて小さくすれば、燃料の混合状態を円� ��方向により均一化することができる。また6 個の仮想的なリップ部区分26A~26Fの断面形状� �完全に同一にする必要はなく、別の観点か� �見れば、6個の仮想的なリップ部区分26A~26Fの 容積が略等しくなるように、リップ部26の外� ��面の形状を設定すれば、所望の作用効果を� ��成することができる。

 図11は、キャビティ区分の方向(つまり、� ��ャビティ区分の挟み角の2等分線の方向)を� �ストンピン14の方向を基準(0°)としてピスト� ��中心軸Lpまわりに左右に各60°の範囲で移動� ��せたとき、そのキャビティ区分の容積の変� ��率を示すものである。破線は従来例(特許文 献1の発明)に対応し、実線は本実施の形態に� ��応する。

 何れのものも、キャビティ区分の挟み角� ��2等分線の方向がピストンピン14の方向に対� ��て60°で交差するとき(図10のキャビティ区分 25B,25C,25E,25F参照)を基準とし、そのときの変� �率を0%としている。破線で示す従来例では、 キャビティ区分の挟み角の2等分線の方向が� �ストンピン14の方向に一致するとき(図10のキ ャビティ区分25A,25D参照)、変化率は最大にな� ��て7%程度であるが、実線で示す実施の形態� �は、同じ位置で変化率は最大になるが、そ� �値は大幅に減少して僅か0.5%に抑えられてい� ��。

 以上、本発明の実施の形態を説明したが� ��本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々� ��設計変更を行うことが可能である。

 例えば、実施の形態では、仮想的なキャ� ��ティ区分25A~25Fおよびリップ部区分26A~26Fの� �を6個に設定しているが(N=6)、前記キャビテ� �区分25A~25Fおよびリップ部区分26A~26Fの数は2� �以上であれば良い(Nは2以上の自然数)。

 このとき、キャビティ区分25A~25Fの数と燃 料噴射軸の数とは、必ずしも一致させる必要 はないが、それを一致させることで、一つの キャビティ区分25A~25Fに一つの燃料噴射軸が� �応することになり、燃料の混合状態を円周� �向により均一化することができる。尚、キ� �ビティ区分25A~25Fの挟み角の2等分線を燃料噴 射軸に一致させれば、一つのキャビティ区分 25A~25Fの中心に燃料噴射軸が位置することに� �り、燃料の混合状態を更に均一化すること� �できる。

 また実施の形態では、仮想的なキャビテ� ��区分25A~25Fの容積には、上死点にあるピスト ン13の頂面とシリンダヘッド16の下面とに挟� �れた部分の容積を含めず、キャビティ25の開 口端縁までの容積(即ち、ピストン頂面基本� �L-a1,L-a2より下の容積)としたが、それを含め� ��ものを仮想的なキャビティ区分25A~25Fの容積 として定義しても、同様の作用効果を奏する ことができる。

 また実施の形態ではディーゼルエンジン� ��ついて説明したが、本願発明はディーゼル� ��ンジンに限定されず、燃焼室内に燃料を直� ��噴射する任意の形式のエンジンに対して適� ��することができる。