特許 7518663 ディーゼルエンジン用のピストン及びディーゼルエンジン

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-09

(45)【発行日】2024-07-18

(54)【発明の名称】ディーゼルエンジン用のピストン及びディーゼルエンジン

(51)【国際特許分類】

   F02B 23/06 20060101AFI20240710BHJP

   F02F 3/26 20060101ALI20240710BHJP

【ＦＩ】

F02B23/06 R

F02B23/06 D

F02B23/06 L

F02B23/06 W

F02B23/06 S

F02F3/26 C

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020087389

(22)【出願日】2020-05-19

(65)【公開番号】P2021181765

(43)【公開日】2021-11-25

【審査請求日】2023-04-14

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000001236

【氏名又は名称】株式会社小松製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110001634

【氏名又は名称】弁理士法人志賀国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小野田 直樹

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 章

(72)【発明者】

【氏名】嶋津 有宏

(72)【発明者】

【氏名】三村 智

(72)【発明者】

【氏名】栗原 崇至

【審査官】永石 哲也

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１９－５０７８４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／０２３４２８５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２０１６－５０２０３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／０１３２２１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１５／１７７８９７（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｂ ２３／０６

Ｆ０２Ｆ ３／２６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料噴射ノズルから燃料が直接噴射される燃焼室を有するディーゼルエンジン用のピストンにおいて、
前記燃焼室において最も深い燃焼室底を有する底部と、
前記ピストンの径方向中央に設けられ、前記底部の側から前記燃料噴射ノズルに向かって突出する中央凸部と、
前記底部と前記中央凸部とをつなぎ、断面視で全長にわたって連続的に湾曲する内底湾曲部と、
前記底部から前記ピストンの頂面までの間の周壁の全周にわたって設けられ、前記ピストンの中心線を含む断面視で前記中心線と前記頂面との交点Ｐ０に向かって突出する周囲凸部と、
前記底部と前記周囲凸部とをつなぎ、前記断面視で前記交点Ｐ０に対し前記燃焼室の外側に向かって湾曲する外底湾曲部と、
前記周囲凸部から径方向外側に向かうに従って前記頂面に近づくように傾斜する傾斜部と、
前記傾斜部から前記頂面に向かって立ち上がる立ち上がり部と、を備え、
前記燃料噴射ノズルからの燃料噴射は、前記ピストンの下降により、前記傾斜部の前記周囲凸部寄りの部位に行われ、
前記燃料噴射ノズルからの燃料噴射は、前記ピストンが上死点にあるとき、前記外底湾曲部の前記周囲凸部寄りの部位に行われ、
前記断面視で、前記中心線と前記立ち上がり部との最短距離をＬ０、前記傾斜部の延長線及び前記立ち上がり部の延長線の交点と前記頂面との距離をＨ１、前記交点Ｐ０と前記周囲凸部との最短距離をＬ１、前記中心線と直交する直線と前記傾斜部の延長線とのなす角度をＡ１としたとき、下記の条件（１）及び（２）を満たし、
前記断面視で、前記交点Ｐ０と前記外底湾曲部との最長距離をＬ２、前記頂面と前記燃焼室底との距離をＨ０としたとき、
Ｌ０：Ｌ２：Ｈ０＝１００：９０±５：４８±５を満たす
ディーゼルエンジン用のピストン。
（１）Ｌ０を１００としたとき、Ｌ０：Ｈ１：Ｌ１＝１００：９±５：８３±５
（２）２０度≦Ａ１≦４０度

【請求項2】

前記断面視で、前記中心線と平行な直線と前記立ち上がり部の延長線とのなす角度をＡ２とし、前記中心線と平行な直線に対して時計回りを正の角度、反時計回りを負の角度としたとき、
－１０度≦Ａ２≦１０度を満たす
請求項１に記載のディーゼルエンジン用のピストン。

【請求項3】

前記断面視で、前記内底湾曲部の曲率半径は、前記外底湾曲部の曲率半径よりも大きい
請求項１又は２に記載のディーゼルエンジン用のピストン。

【請求項4】

前記断面視で、前記頂面と前記中央凸部との最短距離をＨ２としたとき、
Ｌ０：Ｈ２＝１００：１０±８を満たす
請求項３に記載のディーゼルエンジン用のピストン。

【請求項5】

前記断面視で、前記交点Ｐ０と前記傾斜部の延長線及び前記立ち上がり部の延長線の交点との距離をＬ３としたとき、
Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３を満たす
請求項１から４の何れか一項に記載のディーゼルエンジン用のピストン。

【請求項6】

前記断面視で前記交点Ｐ０と前記周囲凸部の頂点とを結ぶ線で前記燃焼室を分割し、分割した前記燃焼室のうち前記頂面の側を第一燃焼室、前記底部の側を第二燃焼室としたとき、
前記燃料噴射ノズルからの燃料噴射は、上死点後－１５～５度のとき前記第二燃焼室に向けて行われ、上死点後０～１５度のとき前記周囲凸部に向けて行われ、上死点後５～３０度のとき前記第一燃焼室に向けて行われる
請求項１から５の何れか一項に記載のディーゼルエンジン用のピストン。

【請求項7】

前記第一燃焼室の容積を第一容積Ｖ１、前記第二燃焼室の容積を第二容積Ｖ２としたとき、
４５／５５≦Ｖ２／Ｖ１≦５５／４５を満たす
請求項６に記載のディーゼルエンジン用のピストン。

【請求項8】

前記ピストンの外径は、９０ｍｍ以上である
請求項１から７の何れか一項に記載のディーゼルエンジン用のピストン。

【請求項9】

シリンダと、
前記シリンダの軸方向に移動可能に設けられた請求項１から６の何れか一項に記載のピストンと、
を備える
ディーゼルエンジン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ディーゼルエンジン用のピストン及びディーゼルエンジンに関する。

【背景技術】

【0002】

ディーゼルエンジンとして、排出ガス規制適応のため、排出ガス中の粒子状物質を捕集するディーゼル微粒子捕集フィルター（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter）を装着した構成がある。このような構成においては、エンジンから排出される黒煙によるＤＰＦの閉塞を回避するために、エンジンから排出される黒煙を低減する必要がある。
一方、地球温暖化防止に向けたＣＯ_２低減に対する社会的要求は年々増加しており、ディーゼルエンジンの燃料消費率の低減によるＣＯ_２排出の低減が要求されている。

【0003】

例えば、下記特許文献１には、燃焼室の底壁を形成し燃料噴射ノズルに向かって突出する中央突部と、底壁から頂部までの間の周壁の全周にわたって燃料噴射ノズルに向かう凸状に形成された周囲突部と、周囲突部よりも頂部側で周囲突部よりも径大となった部分から頂部までの範囲の周壁にリエントラント角が設けられた縁部と、を備えた構成が開示されている。
例えば、下記特許文献２には、リエントラント型キャビティを冠面に有するピストンと、キャビティの中心線上に配置された燃料噴射ノズルと、を備えたディーゼルエンジンにおいて、キャビティの入口部において最小径となるリップ部が開口縁よりも下方に位置し、リップ部の上方に、ピストンの外周側に拡大した空間からなるポケット部が形成された構成が開示されている。
例えば、下記特許文献３には、ピストンの冠面に形成されるキャビティが、冠面の径方向中心領域の第１キャビティ部と、第１キャビティ部よりもシリンダ軸方向の深さが浅く径方向外周側に配置される第２キャビティ部との２段構造とされた構成が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１０－１０１２４４号公報

【文献】特許第６２４１４７９号公報

【文献】特許第６５１９６３３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１の場合、縁部のリエントラント角が大きすぎると、燃料噴霧が燃焼室の中央部へ大きく折り返される。この場合、燃料噴霧が液柱（直接噴霧）と干渉し、空気不足による黒煙の増大や燃料消費率の悪化を招く可能性がある。
特許文献２の場合、ピストン冠面におけるポケット部の開口縁の径が、リップ部の径よりも大きすぎると、シリンダ方向（シリンダの径方向外方向）に多量の噴霧が進行する。この場合、燃料の未燃焼や熱エネルギーの損失を招き、燃料消費率の悪化を招く可能性がある。
特許文献３の場合、第２キャビティ部の深さが浅すぎると、第２キャビティ部の面形状に沿って流動する混合気同士が互いに干渉し、空気不足による黒煙の増大や燃料消費率の悪化を招く可能性がある。

【0006】

そこで本発明は、黒煙の発生を少なくし、かつ、燃料消費率を低減することができるディーゼルエンジン用のピストン及びディーゼルエンジンを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様に係るディーゼルエンジン用のピストンは、燃料噴射ノズルから燃料が直接噴射される燃焼室を有するディーゼルエンジン用のピストンにおいて、前記燃焼室において最も深い燃焼室底を有する底部と、前記底部から前記ピストンの頂面までの間の周壁の全周にわたって設けられ、前記ピストンの中心線を含む断面視で前記中心線と前記頂面との交点Ｐ０に向かって突出する周囲凸部と、前記周囲凸部から径方向外側に向かうに従って前記頂面に近づくように傾斜する傾斜部と、前記傾斜部から前記頂面に向かって立ち上がる立ち上がり部と、を備え、前記燃料噴射ノズルからの燃料噴射は、前記ピストンの下降により、前記傾斜部の前記周囲凸部寄りの部位に行われ、前記断面視で、前記中心線と前記立ち上がり部との最短距離をＬ０、前記傾斜部の延長線及び前記立ち上がり部の延長線の交点と前記頂面との距離をＨ１、前記交点Ｐ０と前記周囲凸部との最短距離をＬ１、前記中心線と直交する直線と前記傾斜部の延長線とのなす角度をＡ１としたとき、下記の条件（１）及び（２）を満たす。
（１）Ｌ０を１００としたとき、Ｌ０：Ｈ１：Ｌ１＝１００：９±５：８３±５
（２）２０度≦Ａ１≦４０度

【発明の効果】

【0008】

上記態様によれば、黒煙の発生を少なくし、かつ、燃料消費率を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施形態に係るディーゼルエンジンの一部断面図。

【図2】実施形態に係るピストンの中心線を含む断面図。

【図3】実施形態に係る燃焼室の説明図。

【図4】実施形態に係るピストンの説明図。

【図5】実施形態に係るピストンの頂面の説明図。

【図6】実施形態に係る燃料噴射ノズルの噴射角度の説明図。

【図7】実施形態に係る燃料噴射ノズルの噴孔数の説明図。

【図8】実施形態に係る燃料噴射ノズルからの燃料噴射制御（上死点後－１５～５度のときの燃料噴射）の説明図。

【図9】図８に続く、燃料噴射ノズルからの燃料噴射制御（上死点後０～１５度のときの燃料噴射）の説明図。

【図10】図９に続く、燃料噴射ノズルからの燃料噴射制御（上死点後５～３０度のときの燃料噴射）の説明図。

【図11】実施形態に係るピストンの周囲凸部、傾斜部及び立ち上がり部による作用説明図。

【図12】実施形態に係るピストンの傾斜部の長さによる作用説明図。

【図13】実施形態に係るピストンの外底湾曲部による作用説明図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。実施形態においては、エンジンの一例として燃料直線噴射式のディーゼルエンジンを挙げて説明する。例えば、ディーゼルエンジンは、ダンプトラック、ブルドーザ、油圧ショベル、ホイルローダ等の各種建設機械や、大型発電機の駆動装置に用いられる。

【0011】

＜ディーゼルエンジン＞
図１に示すように、ディーゼルエンジン１は、エンジン本体２と、エンジン本体２に燃料を供給する燃料噴射装置３と、を備える。燃料噴射装置３を含むディーゼルエンジン１の各要素は、制御装置４によって制御される。

【0012】

エンジン本体２は、シリンダブロック１０、シリンダヘッド１１、ピストン１２及びクランクシャフト１３を備える。
シリンダブロック１０の内部には、複数のシリンダ１４が設けられる。
シリンダヘッド１１は、シリンダブロック１０の上部にボルト等の締結部材で固定されている。
ピストン１２は、シリンダ１４の内部で燃焼した燃焼ガスの圧力を受けてシリンダ１４内を往復運動する。ピストン１２は、各シリンダ１４に対応して複数設けられる。
クランクシャフト１３は、ピストン１２の往復運動を回転運動に変換する。

【0013】

燃料噴射装置３は、ポンプ２０、コモンレール２１及び燃料噴射ノズル２２を備える。
ポンプ２０及びコモンレール２１は、シリンダブロック１０の外壁に取り付けられている。
ポンプ２０は、ディーゼルエンジン１の燃焼室３１内に噴射する燃料を高圧で送り出す。ポンプ２０には、ポンプ２０からの燃料の吐出量を制御する吐出量制御弁２３が設けられている。

【0014】

コモンレール２１は、ポンプ２０で発生した圧力（燃圧）で燃料を蓄積する。コモンレール２１には、コモンレール２１に蓄積された燃料の圧力を検出する圧力センサ２４が設けられている。圧力センサ２４の検出信号は、制御装置４に送られる。
燃料噴射ノズル２２は、シリンダヘッド１１内に配置されている。燃料噴射ノズル２２は、コモンレール２１からの燃料を各シリンダ内に噴射する。燃料噴射ノズル２２には、燃料噴射ノズル２２からの燃料噴射を制御する燃料噴射制御弁２５が設けられている。

【0015】

燃料噴射ノズル２２は、ピストン１２の中心線Ｏ上に配置されている。本実施形態では、図６に示すように、燃料噴射ノズル２２からの燃料の噴射角度Ｂは、１３９度≦Ｂ≦１５４度の範囲に設定されている。噴射角度Ｂは、ピストン１２の中心線Ｏと直交する方向から見て、燃料噴射ノズル２２から一側方に噴射される燃料の噴霧幅中心（一方の燃料噴霧の中心線）と、燃料噴射ノズル２２から他側方に噴射される燃料の噴霧幅中心（他方の燃料噴霧の中心線）とのなす角度に相当する。

【0016】

燃料噴射ノズル２２の端部には、燃料を噴射する噴孔が複数設けられている。例えば、図７に示すように、噴孔の数は、８～１２個の範囲に設定される。本実施形態では、噴孔の数は、１０個である。燃料噴射ノズル２２は、１０個の噴孔から燃料を放射状に噴射する。
なお、噴孔の数は、上記に限らず、シリンダ１４及びピストン１２の口径、噴射される燃料の広がり角等に応じて変更してもよい。

【0017】

制御装置４は、例えばマイクロプロセッサ（ＭＰＵ：Micro-processing unit）等を備える。図１に示すように、制御装置４には、ディーゼルエンジン１の回転速度を検出するために、回転センサ２６からの回転速度信号Ｎ１が入力される。また、制御装置４には、ディーゼルエンジン１の負荷検出のために、アクセルペダルや燃料噴射量設定ダイヤル等からの開度信号Ｎ２が入力される。

【0018】

制御装置４は、圧力センサ２４の検知信号（コモンレール２１に蓄圧された燃料の実圧力Ｐａ）がディーゼルエンジン１の回転速度と負荷に応じて設定された最適なレール圧となるように、吐出量制御弁２３に開閉信号Ｓ１を出力して吐出量制御弁２３の開閉時期を制御する。
また、制御装置４は、ディーゼルエンジン１の回転速度と負荷に応じて設定された燃料噴射時期（噴射開始のタイミング）及び燃料噴射期間（燃料噴射量）に基づいて、燃料噴射制御弁２５に制御パルスＳ２を出力して燃料噴射ノズル２２からの燃料噴射を制御する。

【0019】

＜ピストン＞
図２に示すように、ピストン１２は、ピストン１２の頂面３０においてシリンダヘッド１１（図３参照）に向けて開口する燃焼室３１を有する。ピストン１２の頂面３０は、吸気バルブ及び排気バルブ（不図示）との干渉防止のためのざぐり３２を有しない面を意味する。図５に示すように、ざぐり３２は、ピストン１２においてシリンダヘッド１１（図３参照）と対向する面に複数（例えば４つ）設けられている。

【0020】

図２に示すように、燃焼室３１は、ピストン１２の頂面３０側からピンボス３３側に向けて窪んでいる。燃焼室３１は、ピストン１２の中心線Ｏを中心とした回転体形状を有する。

【0021】

図４は、実施形態のピストン１２の一部を示す、ピストン１２の中心線Ｏを含む断面図である。図４においては、断面ハッチを省略している。
ピストン１２は、底部４０、周囲凸部４２、傾斜部４３、立ち上がり部４４、外底湾曲部４５、中央凸部４６及び内底湾曲部４７を備える。
以下、ピストン１２の中心線Ｏに沿う方向を「軸方向」、中心線Ｏに直交する方向を「径方向」、中心線Ｏ周りの方向を「周方向」とする。図３に示すように、軸方向は、シリンダ１４の軸方向に相当する。

【0022】

図４に示すように、底部４０は、燃焼室３１において最も深い燃焼室底４０ａを有する。言い換えると、燃焼室底４０ａは、底部４０のうち軸方向においてピストン１２の頂面３０から最も離れた部位である。

【0023】

周囲凸部４２は、底部４０からピストン１２の頂面３０までの間の周壁４１の全周にわたって設けられている。周囲凸部４２は、ピストン１２の中心線Ｏを含む断面視（以下単に「断面視」という。）で中心線Ｏと頂面３０との交点Ｐ０に向かって突出する。周囲凸部４２は、断面視で交点Ｐ０に向かって弧状に湾曲している。

【0024】

周囲凸部４２の頂点４２ａは、軸方向において中央凸部４６の頂点４６ａと燃焼室底４０ａとの間に配置されている。ここで、周囲凸部４２の頂点４２ａは、断面視で周囲凸部４２において交点Ｐ０に最も近い部位（突出端）を意味する。周囲凸部４２の頂点４２ａは、軸方向（図４の上下方向）において燃焼室底４０ａよりも中央凸部４６の頂点４６ａの近くに配置されている。

【0025】

傾斜部４３は、断面視で周囲凸部４２の頂面３０側の部位から径方向外側に向かうに従って頂面３０に近づくように直線状に傾斜している。

【0026】

立ち上がり部４４は、傾斜部４３の径方向外側部から頂面３０に向かって立ち上がっている。立ち上がり部４４は、断面視で傾斜部４３よりも急峻に傾斜して延びる延在部４４ａと、延在部４４ａと頂面３０とをつなぎ断面視で交点Ｐ０に向かって弧状に湾曲する縁部４４ｂと、を有する。
図中符号４８は、延在部４４ａと傾斜部４３とをつなぐ連結部を示す。連結部４８は、断面視で交点Ｐ０に対し燃焼室３１の外側に向かって弧状に湾曲している。

【0027】

外底湾曲部４５は、底部４０の径方向外側部と周囲凸部４２の底部４０側の部位とをつなぐ部分である。外底湾曲部４５は、断面視で交点Ｐ０に対し燃焼室３１の外側に向かって弧状に湾曲している。

【0028】

中央凸部４６は、ピストン１２の径方向中央に設けられている。中央凸部４６は、底部４０の側から燃料噴射ノズル２２に向かって突出している。中央凸部４６は、断面視で、交点Ｐ０に向かって弧状に湾曲している。中央凸部４６の頂点４６ａは、中心線Ｏ上に配置されている。

【0029】

内底湾曲部４７は、底部４０の径方向内側部と中央凸部４６の径方向外側部とをつなぐ部分である。内底湾曲部４７は、断面視で軸方向において頂面３０とは反対側（図４の下側）であって径方向において外底湾曲部４５とは反対側（図４の中心線Ｏの側）に向かって弧状に湾曲している。断面視で、内底湾曲部４７の曲率半径Ｒ１は、外底湾曲部４５の曲率半径Ｒ２よりも大きい（Ｒ１＞Ｒ２）。

【0030】

＜ピストンの寸法等＞
図２に示すように、例えば、ピストン１２の外径Ｄは、９０ｍｍ以上である。本実施形態では、ピストン１２の外径Ｄは、１２０ｍｍ以上１３０ｍｍ以下の範囲（例えば１２５ｍｍ程度）に設定されている。

【0031】

断面視で、交点Ｐ０と周囲凸部４２の頂点４２ａとを結ぶ線で燃焼室３１を分割し、分割した燃焼室３１のうち頂面３０の側を第一燃焼室３１Ａ、底部４０の側を第二燃焼室３１Ｂとする。
第一燃焼室３１Ａの容積を第一容積Ｖ１、第二燃焼室３１Ｂの容積を第二容積Ｖ２とする。第一容積Ｖ１に対する第二容積Ｖ２の比は、４５／５５≦Ｖ２／Ｖ１≦５５／４５を満たす。なお、Ｖ２／Ｖ１は、４８／５２≦Ｖ２／Ｖ１≦５２／４８を満たすことがより好ましい。

【0032】

図４に示すように、断面視で、中心線Ｏと直交する直線と傾斜部４３の延長線とのなす角度をＡ１（傾斜部４３の角度）とする。このとき、角度Ａ１は、２０度≦Ａ１≦４０度を満たす。なお、角度Ａ１は、２５度≦Ａ１≦３５度を満たすことがより好ましい。

【0033】

断面視で、中心線Ｏと平行な直線と延在部４４ａ（立ち上がり部４４）の延長線とのなす角度をＡ２（立ち上がり部４４の角度）とする。断面視で、中心線Ｏと平行な直線に対して時計回り（右回り）を正の角度、反時計回り（左回り）を負の角度としたとき、角度Ａ２は、－１０度≦Ａ２≦１０度を満たす。なお、角度Ａ２は、－５度≦Ａ２≦５度を満たすことがより好ましい。本実施形態では、角度Ａ２は、０度≦Ａ２≦５度を満たす。

【0034】

断面視で、中心線Ｏと立ち上がり部４４との最短距離をＬ０とする。本実施形態では、角度Ａ２が０度≦Ａ２≦５度であるため、距離Ｌ０は、立ち上がり部４４の傾斜部４３寄りの部位と中心線Ｏとを結ぶ直線の長さに相当する。言い換えると、距離Ｌ０は、径方向における中心線Ｏと立ち上がり部４４との最短距離を意味する。

【0035】

断面視で、頂面３０と燃焼室底４０ａとの距離をＨ０とする。距離Ｈ０は、燃焼室３１において最も深い部位の深さに相当する。距離Ｌ０，Ｈ０の比は、Ｌ０：Ｈ０＝１００：４８±５を満たす。なお、距離Ｌ０，Ｈ０の比は、Ｌ０：Ｈ０＝４８±２を満たすことがより好ましい。

【0036】

断面視で、傾斜部４３の延長線及び延在部４４ａの延長線の交点Ｐ１と頂面３０との距離をＨ１とする。距離Ｈ１は、軸方向における交点Ｐ１と頂面３０との間の長さを意味する。距離Ｌ０，Ｈ１の比は、Ｌ０：Ｈ１＝１００：９±５を満たす。なお、距離Ｌ０，Ｈ１の比は、Ｌ０：Ｈ１＝１００：９±２を満たすことがより好ましい。

【0037】

断面視で、交点Ｐ０と周囲凸部４２との最短距離をＬ１とする。距離Ｌ１は、断面視で周囲凸部４２の頂点４２ａと交点Ｐ０とを結ぶ直線の長さを意味する。距離Ｌ０，Ｌ１の比は、Ｌ０：Ｌ１＝１００：８３±５を満たす。なお、距離Ｌ０，Ｌ１の比は、Ｌ０：Ｌ１＝１００：８３±２を満たすことがより好ましい。

【0038】

断面視で、頂面３０と中央凸部４６との最短距離をＨ２とする。距離Ｈ２は、断面視で中心線Ｏ上において中央凸部４６の頂点４６ａと頂面３０とを結ぶ直線の長さを意味する。距離Ｌ０，Ｈ２の比は、Ｌ０：Ｈ２＝１００：１０±８を満たす。なお、距離Ｌ０，Ｈ２の比は、Ｌ０：Ｈ２＝１００：１０±２を満たすことがより好ましい。

【0039】

断面視で、交点Ｐ０と外底湾曲部４５との最長距離をＬ２とする。距離Ｌ２は、断面視で外底湾曲部４５において交点Ｐ０から最も遠い部位（外底湾曲部４５の頂点４５ａ）と交点Ｐ０とを結ぶ直線の長さを意味する。距離Ｌ０，Ｌ２の比は、Ｌ０：Ｌ２＝１００：９０±５を満たす。なお、距離Ｌ０，Ｌ２の比は、Ｌ０：Ｌ２＝１００：９０±２を満たすことがより好ましい。

【0040】

断面視で、交点Ｐ０と傾斜部４３の延長線及び立ち上がり部４４の延長線の交点Ｐ１との距離をＬ３とする。距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の関係は、Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３を満たす。

【0041】

＜燃料噴射ノズルからの燃料噴射＞
燃料噴射ノズル２２からの燃料噴射は、ピストン圧縮工程の末期に開始される。燃料噴射ノズル２２からの燃料噴射は、ピストン１２が上死点にあるとき、外底湾曲部４５の周囲凸部４２寄りの部位に行われる。燃料噴射ノズル２２からの燃料噴射は、ピストン１２の下降により、傾斜部４３の周囲凸部４２寄りの部位に行われる。

【0042】

図８に示すように、燃料噴射ノズル２２からの燃料噴射は、上死点後－１５～５度のとき第二燃焼室３１Ｂに向けて行われる。
図９に示すように、燃料噴射ノズル２２からの燃料噴射は、上死点後０～１５度のとき周囲凸部４２に向けて行われる。本実施形態では、燃料噴射ノズル２２からの燃料噴射は、上死点後８度のとき周囲凸部４２の頂点４２ａに向けて行われる。
図１０に示すように、燃料噴射ノズル２２からの燃料噴射は、上死点後５～３０度のとき第一燃焼室３１Ａに向けて行われる。

【0043】

ここで、最初に第二燃焼室３１Ｂに噴射を開始してから燃料噴霧の中心が周囲凸部４２の頂点４２ａに到達するまでを「燃料噴射前期」、燃料噴霧の中心が周囲凸部４２の頂点４２ａに達してから噴射終了までを「燃料噴射後期」とする。
図８に示すように、燃料噴射前期においては、燃料噴射ノズル２２から噴射される燃料の噴霧は、外底湾曲部４５の周囲凸部４２寄りの部位に向かって噴射される。すると、燃料の噴霧は、外底湾曲部４５及び底部４０に沿って矢印方向に流れる。したがって、燃料噴射前期においては、殆どの燃料は第二燃焼室３１Ｂ内に供給され、燃焼する。

【0044】

図１０に示すように、燃料噴射後期においては、燃料噴射ノズル２２から噴射される燃料の噴霧は、傾斜部４３の周囲凸部４２寄りの部位に向かって噴射される。すると、燃料の噴霧は、傾斜部４３及び立ち上がり部４４に沿って矢印方向に流れる。したがって、燃料噴射後期においては、殆どの燃料は第一燃焼室３１Ａ内に供給され、燃焼する。
なお、この際の噴霧は、第二燃焼室３１Ｂへの供給段階から連続して噴出されている。

【0045】

＜作用効果＞
以上説明したように、本実施形態のピストン１２は、燃料噴射ノズル２２から燃料が直接噴射される燃焼室３１を有するディーゼルエンジン１用のピストン１２において、燃焼室３１において最も深い燃焼室底４０ａを有する底部４０と、底部４０からピストン１２の頂面３０までの間の周壁４１の全周にわたって設けられ、ピストン１２の中心線Ｏを含む断面視で中心線Ｏと頂面３０との交点Ｐ０に向かって突出する周囲凸部４２と、周囲凸部４２から径方向外側に向かうに従って頂面３０に近づくように傾斜する傾斜部４３と、傾斜部４３から頂面３０に向かって立ち上がる立ち上がり部４４と、を備える。燃料噴射ノズル２２からの燃料噴射は、ピストン１２の下降により、傾斜部４３の周囲凸部４２寄りの部位に行われる。断面視で、中心線Ｏと立ち上がり部４４との最短距離をＬ０、傾斜部４３の延長線及び立ち上がり部４４の延長線の交点Ｐ１と頂面３０との距離をＨ１、交点Ｐ０と周囲凸部４２との最短距離をＬ１、中心線Ｏと直交する直線と傾斜部４３の延長線とのなす角度をＡ１としたとき、下記の条件（１）及び（２）を満たす。
（１）Ｌ０を１００としたとき、Ｌ０：Ｈ１：Ｌ１＝１００：９±５：８３±５
（２）２０度≦Ａ１≦４０度
図１１に示すように、本実施形態では、燃料噴射ノズル２２からの燃料噴射は、ピストン１２の下降により、傾斜部４３の周囲凸部４２寄りの部位に行われることで、燃焼室３１内には、傾斜部４３の周囲凸部４２寄りの部位に向かう直接噴霧Ｅ１と、傾斜部４３及び立ち上がり部４４に沿って巻き上がる巻き上がり噴霧Ｅ２とが形成される。上記の条件（１）及び（２）を満たすことで、直接噴霧Ｅ１と巻き上がり噴霧Ｅ２とには、適度な距離が設けられる。すなわち、直接噴霧Ｅ１と巻き上がり噴霧Ｅ２との干渉が抑制される。これにより、空気を好適に取り込むことができるため、燃焼速度が向上する。したがって、黒煙の発生を少なくし、かつ、燃料消費率を低減することができる。
さらに本実施形態では、ディーゼルエンジン１は、シリンダ１４と、シリンダ１４の軸方向に移動可能に設けられた上述のピストン１２と、を備える。ピストン１２は、シリンダヘッド１１下面に対向する頂面３０を有する。この場合、巻き上がり噴霧Ｅ２は、シリンダ１４のシリンダヘッド１１下面に沿って径方向内方向とシリンダ方向（径方向外方向）とに分かれて進行する。すなわち、立ち上がり部４４により、巻き上がり噴霧Ｅ２を広範囲に進行させることができる。したがって、空気を有効に利用することができ、黒煙の発生をより一層少なくし、かつ、燃料消費率を更に低減することができる。
また本実施形態では、Ｌ０：Ｌ１＝１００：８３±５を満たすことで、適度な長さの傾斜部４３が得られる。これにより、図１２に示すように、ピストン１２の下降により傾斜部４３の周囲凸部４２寄りの部位に噴射された噴霧Ｅ１は、頂面３０へ向かう方向（上方）への方向転換を維持する。すなわち、噴霧が底部４０へ向かう方向（下方）へ方向転換することを抑制し、既に酸素の残存量が少ない空間へ燃料が導かれることを抑制することができる。したがって、燃焼効率を向上し、黒煙の発生をより一層少なくすることができる。

【0046】

本実施形態では、断面視で、中心線Ｏと平行な直線と立ち上がり部４４の延長線とのなす角度をＡ２とし、中心線Ｏと平行な直線に対して時計回りを正の角度、反時計回りを負の角度としたとき、－１０度≦Ａ２≦１０度を満たす。
そのため、図１１に示すように、Ａ２＜－１０度の場合と比較して、燃料噴霧が径方向中央方向Ｋ１へ大きく折り返されることを抑制することができる。これにより、燃料噴霧と折り返し噴霧との干渉に起因する空気不足による黒煙の増大や燃料消費率の悪化を抑制することができる。
加えて、Ａ２＞１０度の場合と比較して、シリンダ方向Ｋ２（シリンダ１４の径方向外方向）に多量の噴霧が進行することを抑制することができる。これにより、燃料の未燃焼や熱エネルギーの損失を抑制し、燃料消費率の悪化を抑制することができる。

【0047】

本実施形態では、底部４０と周囲凸部４２とをつなぎ、断面視で交点Ｐ０に対し燃焼室３１の外側に向かって湾曲する外底湾曲部４５を更に備える。燃料噴射ノズル２２からの燃料噴射は、ピストン１２が上死点にあるとき、外底湾曲部４５の周囲凸部４２寄りの部位に行われる。断面視で、交点Ｐ０と外底湾曲部４５との最長距離をＬ２、頂面３０と燃焼室底４０ａとの距離をＨ０としたとき、Ｌ０：Ｌ２：Ｈ０＝１００：９０±５：４８±５を満たす。
そのため、図１３に示すように、燃焼室３１内には、外底湾曲部４５の周囲凸部４２寄りの部位に向かう直接噴霧Ｅ１と、外底湾曲部４５及び底部４０に沿って折り返される折り返し噴霧Ｅ３とが形成される。本実施形態の場合、Ｌ０：Ｌ２：Ｈ０＝１００：９０±５：４８±５を満たすことで、直接噴霧Ｅ１と折り返し噴霧Ｅ３とには、適度な距離が設けられる。すなわち、直接噴霧Ｅ１と折り返し噴霧Ｅ３との干渉が抑制される。これにより、空気を好適に取り込むことができるため、燃焼速度が向上する。したがって、黒煙の発生をより一層少なくし、かつ、燃料消費率を更に低減することができる。

【0048】

本実施形態では、ピストン１２の径方向中央に設けられ、底部４０の側から燃料噴射ノズル２２に向かって突出する中央凸部４６と、底部４０と中央凸部４６とをつなぎ、断面視で湾曲する内底湾曲部４７と、を更に備える。断面視で、内底湾曲部４７の曲率半径Ｒ１は、外底湾曲部４５の曲率半径Ｒ２よりも大きい（Ｒ１＞Ｒ２）。
そのため、図１３に示すように、内底湾曲部４７の曲率半径Ｒ１が外底湾曲部４５の曲率半径Ｒ２以下の場合（Ｒ１≦Ｒ２）と比較して、直接噴霧Ｅ１と折り返し噴霧Ｅ３との干渉をより効果的に抑制することができる。これにより、空気をより好適に取り込むことができるため、燃焼速度が更に向上する。したがって、黒煙の発生をより一層少なくし、かつ、燃料消費率を更に低減することができる。

【0049】

本実施形態では、断面視で、頂面３０と中央凸部４６との最短距離をＨ２としたとき、Ｌ０：Ｈ２＝１００：１０±８を満たす。
そのため、燃焼にそれほど関与しない領域を適度に低減することができる。したがって、燃焼効率の向上に寄与する。

【0050】

本実施形態では、断面視で、交点Ｐ０と傾斜部４３の延長線及び立ち上がり部４４の延長線の交点Ｐ１との距離をＬ３としたとき、Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３を満たす。
そのため、図１１に示すように、Ｌ１＜Ｌ３＜Ｌ２の場合と比較して、燃料噴霧が径方向中央方向Ｋ１へ大きく折り返されることを抑制することができる。これにより、燃料噴霧と折り返し噴霧との干渉に起因する空気不足による黒煙の増大や燃料消費率の悪化を抑制することができる。

【0051】

本実施形態では、断面視で交点Ｐ０と周囲凸部４２の頂点４２ａとを結ぶ線で燃焼室３１を分割し、分割した燃焼室３１のうち頂面３０の側を第一燃焼室３１Ａ、底部４０の側を第二燃焼室３１Ｂとする。燃料噴射ノズル２２からの燃料噴射は、上死点後－１５～５度のとき第二燃焼室３１Ｂに向けて行われ、上死点後０～１５度のとき周囲凸部４２に向けて行われ、上死点後５～３０度のとき第一燃焼室３１Ａに向けて行われる。
この構成によれば、第二燃焼室３１Ｂと第一燃焼室３１Ａとへ燃料噴霧を噴き分けることにより、既燃ガスの存在しない空間へ燃料を噴射することができる。そのため、燃料と空気との接触機会を増やし、燃焼期間を短縮することができる。したがって、黒煙の発生をより一層少なくし、かつ、燃料消費率を更に低減することができる。

【0052】

本実施形態では、第一燃焼室３１Ａの容積を第一容積Ｖ１、第二燃焼室３１Ｂの容積を第二容積Ｖ２としたとき、４５／５５≦Ｖ２／Ｖ１≦５５／４５を満たす。
そのため、図１３に示すように直接噴霧Ｅ１と折り返し噴霧Ｅ３との干渉を抑制するとともに、図１１に示すように直接噴霧Ｅ１と巻き上がり噴霧Ｅ２との干渉を抑制することができる。これにより、空気を有効に利用することができ、黒煙の発生をより一層少なくし、かつ、燃料消費率を更に低減することができる。

【0053】

本実施形態では、ピストン１２の外径Ｄは、９０ｍｍ以上である。
そのため、ピストン１２の外径Ｄが９０ｍｍ未満の場合と比較して、周囲凸部４２を高精度で形成することができる。したがって、周囲凸部４２の頂点４２ａを境とした各燃焼室３１Ａ，３１Ｂへの燃料噴霧を好適に行うことができる。

【0054】

＜その他の実施形態＞
上述した実施形態では、角度Ａ２が－１０度≦Ａ２≦１０度を満たす例を挙げて説明したが、これに限らない。例えば、角度Ａ２は、－１０度未満であってもよい。例えば、角度Ａ２は、１０度を超えていてもよい。

【0055】

上述した実施形態では、距離Ｌ０，Ｌ２，Ｈ０の比がＬ０：Ｌ２：Ｈ０＝１００：９０±５：４８±５を満たす例を挙げて説明したが、これに限らない。例えば、距離Ｌ０，Ｌ２，Ｈ０の比は、上記範囲外に設定されていてもよい。

【0056】

上述した実施形態では、断面視で内底湾曲部４７の曲率半径Ｒ１が外底湾曲部４５の曲率半径Ｒ２よりも大きい例（Ｒ１＞Ｒ２）を挙げて説明したが、これに限らない。例えば、内底湾曲部４７の曲率半径Ｒ１は、外底湾曲部４５の曲率半径Ｒ２以下（Ｒ１≦Ｒ２）であってもよい。

【0057】

上述した実施形態では、距離Ｌ０，Ｈ２の比は、Ｌ０：Ｈ２＝１００：１０±８を満たす例を挙げて説明したが、これに限らない。例えば、距離Ｌ０，Ｈ２の比は、上記範囲外に設定されていてもよい。

【0058】

上述した実施形態では、距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の関係は、Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３を満たす例を挙げて説明したが、これに限らない。例えば、距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の関係は、Ｌ１＜Ｌ３＜Ｌ２を満たしてもよい。

【0059】

上述した実施形態では、燃料噴射ノズル２２からの燃料噴射は、上死点後－１５～５度のとき第二燃焼室３１Ｂに向けて行われ、上死点後０～１５度のとき周囲凸部４２に向けて行われ、上死点後５～３０度のとき第一燃焼室３１Ａに向けて行われる例を挙げて説明したが、これに限らない。例えば、燃料噴射ノズル２２からの燃料噴射のタイミングは、要求仕様に応じて変更することができる。

【0060】

上述した実施形態では、第一容積Ｖ１及び第二容積Ｖ２の関係は、４５／５５≦Ｖ２／Ｖ１≦５５／４５を満たす例を挙げて説明したが、これに限らない。例えば、第一容積Ｖ１及び第二容積Ｖ２の関係は、上記範囲外に設定されていてもよい。

【0061】

上述した実施形態では、ピストン１２の外径Ｄが９０ｍｍ以上である例を挙げて説明したが、これに限らない。例えば、ピストン１２の外径Ｄは、９０ｍｍ未満であってもよい。

【0062】

上述した実施形態では、周囲凸部４２の頂点４２ａを境にして行われる燃料噴射前期と燃料噴射後期とにおける燃料噴射が連続している例を挙げて説明したが、これに限らない。例えば、燃料噴射前期を第一回目の燃料噴射とし、燃料噴射後期を第一回目の燃料噴射とは断続的に行われる第二回目の燃料噴射とする、いわゆるパイロット噴射やアフター噴射を行ってもよい。

【0063】

上述した実施形態では、ピストン１２の中心、燃焼室３１の中心及び燃料噴射ノズル２２の噴射位置が一致している例を挙げて説明したが、これに限らない。例えば、ピストン１２の中心に対して、燃焼室３１の中心及び燃料噴射ノズル２２の噴射位置をそれぞれオフセット（偏心）してもよい。

【0064】

上述した実施形態では、燃料噴射時期をエンジン回転速度及びエンジン負荷に応じて制御する例を挙げて説明したが、これに限らない。例えば、エンジン回転速度のみや、エンジン負荷のみに基づいて燃料噴射時期を制御してもよい。

【0065】

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれらに限定されることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能であり、上述した実施形態を適宜組み合わせることも可能である。

【符号の説明】

【0066】

１…ディーゼルエンジン、１２…ピストン、１４…シリンダ、２２…燃料噴射ノズル、３０…頂面、３１…燃焼室、３１Ａ…第一燃焼室、３１Ｂ…第二燃焼室、４０…底部、４０ａ…燃焼室底、４１…周壁、４２…周囲凸部、４２ａ…周囲凸部の頂点、４３…傾斜部、４４…立ち上がり部、４５…外底湾曲部、４６…中央凸部、４７…内底湾曲部、Ａ１…傾斜部の角度（断面視で中心線と直交する直線と傾斜部の延長線とのなす角度）、Ａ２…立ち上がり部の角度（断面視で中心線と平行な直線と立ち上がり部の延長線とのなす角度）、Ｄ…ピストンの外径、Ｈ０…断面視で頂面と燃焼室底との距離、Ｈ１…断面視で交点Ｐ１と頂面との距離（断面視で傾斜部の延長線及び立ち上がり部の延長線の交点と頂面との距離）、Ｈ２…断面視で頂面と中央凸部との最短距離、Ｌ０…断面視で中心線と立ち上がり部の最短距離、Ｌ１…断面視で交点Ｐ０と周囲凸部との最短距離、Ｌ２…断面視で交点Ｐ０と外底湾曲部との最長距離、Ｌ３…断面視で交点Ｐ０と交点Ｐ１との距離、Ｏ…ピストンの中心線、Ｐ０…断面視で中心線と頂面との交点、Ｐ１…断面視で傾斜部の延長線及び立ち上がり部の延長線との交点、Ｒ１…断面視で内底湾曲部の曲率半径、Ｒ２…断面視で外底湾曲部の曲率半径、Ｖ１…第一容積、Ｖ２…第二容積

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】