JP4432867B2 - Spark ignition engine - Google Patents
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Description
本発明は、火花点火式エンジンに関し、より詳しくは、タンブル流を生成する吸気ポートを備えた火花点火式エンジンに関するものである。 The present invention relates to a spark ignition engine, and more particularly, to a spark ignition engine having an intake port that generates a tumble flow.
近年、経済面のみならず、地球の温暖化防止という環境面においてもエンジンの燃費向上要求が一段と高まりつつある。火花点火式エンジンにおいて燃費を向上するには燃焼効率を高めれば良く、その有力な手段として圧縮比の増大が挙げられる。 In recent years, not only economic aspects but also environmental aspects of preventing global warming, the demand for improving fuel efficiency of engines has been increasing. In order to improve fuel efficiency in a spark ignition type engine, it is only necessary to increase the combustion efficiency, and an effective means is to increase the compression ratio.
圧縮比を高めるには、シリンダー容積に対して燃焼室容積を小さくすれば良い。そのような高圧縮比化に好適な燃焼室構造として、たとえばペントルーフ型の燃焼室構造が多く用いられている。この燃焼室構造は、吸気側の天井壁と排気側の天井壁とが屋根形をなすように形成されたものであって、比較的大きな吸排気バルブ径を確保しつつ、燃焼室容積を小さくすることができるという特徴がある。またスワール(ピストン摺動軸まわりの旋回流。横渦。)、タンブル(ピストン摺動軸に平行な面内の旋回流。縦渦。)、或いはスキッシュ(ピストン上昇時にピストンボア周縁部から中央部に押し出すような流れ)といった筒内流動をコントロールするうえでも有利な構造である。 In order to increase the compression ratio, the combustion chamber volume may be reduced with respect to the cylinder volume. As such a combustion chamber structure suitable for increasing the compression ratio, for example, a pent roof type combustion chamber structure is often used. This combustion chamber structure is formed so that the ceiling wall on the intake side and the ceiling wall on the exhaust side form a roof shape, and the combustion chamber volume is reduced while ensuring a relatively large intake and exhaust valve diameter. There is a feature that can be. Also, swirl (swirl flow around the piston slide axis, horizontal vortex), tumble (swirl flow in the plane parallel to the piston slide axis, vertical vortex), or squish (when the piston is raised, the piston bore periphery to the center This is an advantageous structure for controlling the in-cylinder flow such as a flow that extrudes into a cylinder).
例えば特許文献1乃至3には、ペントルーフ型と見られる燃焼室構造を採用し、各種の筒内流動を生成させたものが示されている。 For example, Patent Documents 1 to 3 show a structure in which a combustion chamber structure that is regarded as a pent roof type is employed and various in-cylinder flows are generated.
一般的に、圧縮比を高めるとノッキングやデトネーション等の異常燃焼(以下ノッキング等という)が起こり易くなるので、高圧縮比化を図るためには、ノッキング等を如何に抑制するかということが重要なポイントとなる。 In general, when the compression ratio is increased, abnormal combustion such as knocking and detonation (hereinafter referred to as knocking) is likely to occur. Therefore, in order to achieve a high compression ratio, it is important how to suppress knocking and the like. It becomes a point.
そのような観点から、いわゆるタンブル生成ポートを有するものは、そのタンブル比を低減し、タンブル生成力を弱めると、特に高負荷域での耐ノッキング性能の向上に効果的であると従来考えられてきた。
しかしながら、吸気ポートのタンブル比を低減し、タンブル生成力を弱めても、必ずしも高負荷域での耐ノッキング性能向上につながるものではないことがわかってきた。図9は、その原因を探求すべく本願発明者が行った数値解析の結果を示す図である。 However, it has been found that reducing the tumble ratio of the intake port and weakening the tumble generating force does not necessarily lead to improved anti-knocking performance in a high load range. FIG. 9 is a diagram showing the results of numerical analysis performed by the present inventor to search for the cause.
図9(a)〜(f)は、何れも燃焼室の縦断面図であり、吸気行程から圧縮行程にかけての筒内流動、特にタンブルの態様を示している。図9(a)、(b)、(c)はタンブル比0.7の吸気ポート121aの場合、図9(d)、(e)、(f)はタンブル比0.2の吸気ポート121aの場合を示している。また、(a)、(d)はBTDC(圧縮上死点前)270度(吸気行程中盤)を示し、(b)、(e)はBTDC130度(圧縮行程前半)を示し、(c)、(f)はBTDC60度(圧縮行程後半)を示している。 FIGS. 9A to 9F are longitudinal sectional views of the combustion chamber, and show the in-cylinder flow from the intake stroke to the compression stroke, particularly the tumble mode. 9A, 9B, and 9C show the intake port 121a having a tumble ratio of 0.7. FIGS. 9D, 9E, and 9F show the intake port 121a having a tumble ratio of 0.2. Shows the case. (A) and (d) show BTDC (before compression top dead center) 270 degrees (mid-intake stroke), (b) and (e) show BTDC 130 degrees (first half of compression stroke), (c), (F) shows BTDC 60 degrees (the second half of the compression stroke).
まずタンブル比0.7の場合から説明すると、図9(a)に示すように、吸気行程で吸気バルブ119aが開き、ピストン113が降下することにより、吸気バルブ119aと吸気ポート121aとの隙間(スロート部)から燃焼室14内に混合気が流入する。そして流速の速い側(図の左側)から正タンブルTA11が生成し、流速の遅い側から逆タンブルTA12が生成する。 First, in the case of a tumble ratio of 0.7, as shown in FIG. 9A, the intake valve 119a is opened in the intake stroke, and the piston 113 is lowered so that the gap (the gap between the intake valve 119a and the intake port 121a ( The air-fuel mixture flows into the combustion chamber 14 from the throat portion. Then, the forward tumble TA11 is generated from the fast flow rate side (left side in the figure), and the reverse tumble TA12 is generated from the slow flow rate side.
続く圧縮行程前半では、図9(b)に示すように、正タンブルが逆タンブルに打ち勝ち、ひとつの強い正タンブルTA21となる。 In the first half of the subsequent compression stroke, as shown in FIG. 9B, the normal tumble overcomes the reverse tumble and becomes one strong positive tumble TA21.
続く圧縮行程後半では、図9(c)に示すようにタンブルの崩壊が見られ、弱い正タンブルTA31が残っている。 In the latter half of the subsequent compression stroke, as shown in FIG. 9C, tumble collapse is observed, and a weak positive tumble TA31 remains.
次にタンブル比0.2の場合について説明する。図9(d)に示すように、吸気行程で吸気バルブ119bが開き、ピストン113が降下することにより、吸気バルブ119bと吸気ポート121bとの隙間(スロート部)から燃焼室14内に混合気が流入する。流速の速い側(図の左側)から正タンブルTA41が生成し、流速の遅い側から逆タンブルTA42が生成する。 Next, the case where the tumble ratio is 0.2 will be described. As shown in FIG. 9D, when the intake valve 119b opens and the piston 113 descends during the intake stroke, the air-fuel mixture enters the combustion chamber 14 from the gap (throat portion) between the intake valve 119b and the intake port 121b. Inflow. The forward tumble TA41 is generated from the side with the higher flow rate (left side in the figure), and the reverse tumble TA42 is generated from the side with the lower flow rate.
続く圧縮行程前半では、図9(e)に示すように、個々のタンブルとしてはあまり強くない正タンブルTA51と逆タンブルTA52とが燃焼室14の中央付近で合流するように流れている。 In the first half of the subsequent compression stroke, as shown in FIG. 9 (e), the normal tumble TA 51 and the reverse tumble TA 52 that are not so strong as individual tumbles flow so as to merge near the center of the combustion chamber 14.
続く圧縮行程後半では、図9(f)に示すようにタンブルの崩壊が見られるものの、比較的強い正タンブルTA61が残っている。 In the latter half of the subsequent compression stroke, although a tumble collapse is observed as shown in FIG. 9 (f), a relatively strong positive tumble TA61 remains.
以上のように、タンブル比が小さく、タンブル生成力が弱いはずの方(d)〜(f)に強いタンブルが残るという結果になった。これは、図9(e)に示すような正タンブルと逆タンブルとの相互作用によるものであると考えられる。 As described above, the result was that strong tumble remained in the direction (d) to (f) where the tumble ratio was small and the tumble generating power should be weak. This is considered to be due to the interaction between the forward tumble and the reverse tumble as shown in FIG.
本発明は、上記のような事情に鑑み、圧縮行程後半まで残るタンブルを可及的に弱くし、点火によって発生する火炎核が排気側に流れて吸気側と排気側とで火炎伝播の均等性が崩れ、耐ノッキング性能が低下することを防いで、高圧縮比化に有利な火花点火式エンジンを提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, the present invention makes the tumble remaining until the latter half of the compression stroke as weak as possible, flame nuclei generated by ignition flow to the exhaust side, and uniformity of flame propagation between the intake side and the exhaust side An object of the present invention is to provide a spark ignition engine that is advantageous in achieving a high compression ratio by preventing the deterioration of the knocking resistance and the knocking resistance.
本発明に係る請求項1の発明は、ピストン冠面と山形のシリンダヘッド下面との間に形成され、上記シリンダヘッド下面を天井壁とする燃焼室と、上記天井壁の中央付近から上記燃焼室内に先端が臨設された点火プラグと、上記天井壁の一側に開口し、タンブル流を生成する吸気ポートとを備えた往復動ピストン型の火花点火式エンジンにおいて、ピストンが上死点にある状態で、上記燃焼室内空間の主要部が上記点火プラグ周辺の第1燃焼空間とシリンダボア周縁部の第2燃焼空間とによって形成され、上記ピストン冠面の、平面視で上記第1燃焼空間と上記第2燃焼空間との間、かつ平面視で上記吸気ポート開口部の中央から見て該吸気ポートのスロート部の吸気流速が速い側に、該ピストン冠面から、平面視でシリンダボア中央を挟む反対側の該ピストン冠面より高く突出する第1凸部が設けられ、上記スロート部から生成したタンブル流が上記第1凸部に衝突するように構成され、上記ピストン冠面の中央部には、上記第1凸部に衝突しなかった一部のタンブル流と、上記スロート部の流速が遅い側から出た逆タンブル流とを対向させる中央側凹部が形成されていることを特徴とする。
According to the first aspect of the present invention, there is provided a combustion chamber formed between a piston crown surface and an angled cylinder head lower surface, wherein the cylinder head lower surface is a ceiling wall, and the combustion chamber from near the center of the ceiling wall. In a reciprocating piston type spark ignition engine having a spark plug with a tip attached to the top and an intake port that opens on one side of the ceiling wall and generates a tumble flow, the piston is at top dead center Thus, a main part of the combustion chamber space is formed by a first combustion space around the spark plug and a second combustion space around the periphery of the cylinder bore, and the piston combustion surface and the first combustion space in the plan view. Between the two combustion spaces and when viewed from the center of the intake port opening in the plan view, the center of the cylinder bore is sandwiched from the piston crown surface to the side where the intake flow velocity at the throat of the intake port is fast. First protrusion protruding higher than the contralateral of the piston crown surface is provided, the tumble flow generated from the throat portion is configured to collide with the first projecting portion, the central portion of the piston crown surface is A central concave portion is formed to oppose a part of the tumble flow that has not collided with the first convex portion and a reverse tumble flow that has come out from the slow flow rate side of the throat portion .
請求項2の発明は、請求項1記載の火花点火式エンジンにおいて、上記吸気ポートは、上記スロート部の吸気流速が速い側が排気ポート開口側となるような正タンブル流生成ポートであり、上記第1凸部は、平面視で上記点火プラグよりも排気側寄りに形成されていることを特徴とする。
請求項3の発明は、請求項1または2に記載の火花点火式エンジンにおいて、上記天井壁がペントルーフ形状であり、上記第1凸部は上記ピストン冠面の外周縁から所定量中央側に入った位置から***し、該第1凸部の頂面は、傾斜した上記天井壁と略平行になるように形成されていることを特徴とする。
According to a second aspect of the invention, the spark-ignition engine according to claim 1 Symbol placement, the intake port is a normal tumble flow generating ports, such as side air intake flow rate of the throat portion is high becomes exhaust port opening side, the The first convex portion is formed closer to the exhaust side than the ignition plug in a plan view.
According to a third aspect of the present invention, in the spark ignition type engine according to the first or second aspect, the ceiling wall has a pent roof shape, and the first convex portion enters the center side by a predetermined amount from the outer peripheral edge of the piston crown surface. The top surface of the first convex portion is formed so as to be substantially parallel to the inclined ceiling wall.
請求項4の発明は、ピストン冠面と山形のシリンダヘッド下面との間に形成され、上記シリンダヘッド下面を天井壁とする燃焼室と、上記天井壁の中央付近から上記燃焼室内に先端が臨設された点火プラグと、上記天井壁の一側に開口し、タンブル流を生成する吸気ポートとを備えた往復動ピストン型の火花点火式エンジンにおいて、ピストンが上死点にある状態で、上記燃焼室内空間の主要部が上記点火プラグ周辺の第1燃焼空間とシリンダボア周縁部の第2燃焼空間とによって形成され、上記ピストン冠面の、平面視で上記第1燃焼空間と上記第2燃焼空間との間、かつ平面視で上記吸気ポート開口部の中央から見て該吸気ポートのスロート部の吸気流速が速い側に、該ピストン冠面から、平面視でシリンダボア中央を挟む反対側の該ピストン冠面より高く突出する第1凸部が設けられ、上記スロート部から生成したタンブル流が上記第1凸部に衝突するように構成され、上記ピストン冠面には、平面視で環状に突出し、上記第1凸部を含む環状凸部が形成され、上記環状凸部の、上記ピストン中央部を挟んだ上記第1凸部の反対側に、該第1凸部よりも上記ピストン冠面からの突出量が小なる第2凸部が形成され、ピストンが上死点にある状態で、上記環状凸部の外周からピストン外周縁にかけて上記第2燃焼空間が形成されていることを特徴とする。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a combustion chamber formed between the piston crown and the bottom surface of the angled cylinder head, with the cylinder head lower surface serving as a ceiling wall, and a front end adjacent to the center of the ceiling wall in the combustion chamber In a reciprocating piston-type spark ignition engine having a spark plug and an intake port that opens to one side of the ceiling wall and generates a tumble flow, the combustion is performed with the piston at top dead center. A main portion of the indoor space is formed by a first combustion space around the spark plug and a second combustion space around the cylinder bore, and the first combustion space and the second combustion space in a plan view of the piston crown surface. Between the piston port surface and the piston bore surface in plan view, on the opposite side of the cylinder bore center, as viewed from the center of the intake port opening in plan view. First convex portions protrude higher than tons crown surface is provided, the tumble flow generated from the throat portion is configured to collide with the first projecting portion, the said piston crown surface, projecting annularly in plan view An annular convex portion including the first convex portion is formed, and on the opposite side of the annular convex portion to the first convex portion sandwiching the piston central portion, the piston crown surface is more than the first convex portion. The second combustion space is formed from the outer periphery of the annular protrusion to the outer periphery of the piston in a state where the second protrusion having a small protrusion amount is formed and the piston is at the top dead center. .
請求項1の発明によると、以下説明するように、圧縮行程後半まで残るタンブルを可及的に弱くし、点火によって発生する火炎核が排気側に流れて吸気側と排気側とで火炎伝播の均等性が崩れ、耐ノッキング性能が低下することを防いで、高圧縮比化に有利な火花点火式エンジンとなすことができる。 According to the first aspect of the present invention, as will be described below, the tumble remaining until the latter half of the compression stroke is made as weak as possible, flame nuclei generated by ignition flow to the exhaust side, and flame propagation occurs between the intake side and the exhaust side. It is possible to obtain a spark ignition type engine that is advantageous in achieving a high compression ratio by preventing the uniformity from being lost and the anti-knocking performance from being lowered.
本発明の構成によれば、まず吸気ポートのスロート部から生成されたタンブル流が、第1凸部に衝突することによって弱められる。また反対側から来るタンブル流と合流することが妨げられる。従って、圧縮行程後半まで残るタンブルを効果的に弱めることができる。また吸気ポートを低タンブル比タイプとしたとき、実際のタンブルの強さを的確に低減することができる。 According to the configuration of the present invention, the tumble flow generated from the throat portion of the intake port is first weakened by colliding with the first convex portion. Moreover, it is prevented from joining the tumble flow coming from the opposite side. Therefore, the tumble remaining until the latter half of the compression stroke can be effectively weakened. Moreover, when the intake port is of a low tumble ratio type, the actual tumble strength can be accurately reduced.
また本発明の構成によれば、容易に後期重心型燃焼を行わせることができる。後期重心型燃焼とは、燃焼質量の10%から90%が燃焼する主燃焼期間のうち、10%以上50%未満が燃焼する前期主燃焼期間では比較的低速で燃焼させ、同50%以上90%未満が燃焼する後期主燃焼期間では比較的高速で燃焼させる燃焼形態である。後期重心型燃焼を行うと、前期主燃焼期間では低速で燃焼させることによって筒内圧力や温度の上昇が抑制され、未燃燃料(未燃ガスまたは混合気)の過早着火が効果的に抑制されるので、高い耐ノッキング性能を得ることができる。また後期主燃焼期間では未燃燃料を高速燃焼させて速やかに燃焼を完了させることにより、燃え残りを核とする自着火を抑制することができ、やはり耐ノッキング性能を高めることができる。こうして燃焼全体としての主燃焼期間を殆ど延ばすことなく、効果的にノッキングを抑制することができる。 Further, according to the configuration of the present invention, it is possible to easily perform the late center of gravity combustion. Late center-of-gravity combustion means that the main combustion period in which 10% to 90% of the combustion mass burns is burned at a relatively low speed in the main combustion period in which 10% or more and less than 50% is burned, and 50% to 90%. This is a combustion mode in which combustion is performed at a relatively high speed in the late main combustion period in which less than% is burned. When the late-stage center-of-gravity combustion is performed, the increase in in-cylinder pressure and temperature is suppressed by burning at a low speed during the first main combustion period, and premature ignition of unburned fuel (unburned gas or mixture) is effectively suppressed. Therefore, high knocking resistance can be obtained. Further, in the late main combustion period, unburnt fuel is burned at high speed and combustion is completed quickly, so that self-ignition with unburned residue as a core can be suppressed, and anti-knocking performance can also be improved. Thus, knocking can be effectively suppressed without substantially extending the main combustion period of the entire combustion.
本発明の構成によれば、点火によって発生する火炎核が排気側に流れて排気側とで火炎伝播の均等性が崩れてノッキングが悪化するのを防ぐのみならず、前期主燃焼期間では主として点火プラグに近い第1燃焼空間で燃焼が行われ、後期主燃焼期間では主としてシリンダボア周縁部の第2燃焼空間で燃焼が行われる。一般的に、燃焼は火炎伝播によって進行し、その火炎面(火炎伝播の最前線)は、未燃ガスを押し出すようにして、点火プラグの電極付近に形成された火炎核を中心とする略同心球状に拡がって行く。 According to the configuration of the present invention, not only the flame nuclei generated by ignition flow to the exhaust side and the uniformity of flame propagation on the exhaust side is lost and knocking is not deteriorated, but the ignition is mainly performed in the main combustion period of the previous period. Combustion is performed in the first combustion space close to the plug, and in the second main combustion period, combustion is performed mainly in the second combustion space at the periphery of the cylinder bore. In general, combustion proceeds by flame propagation, and the flame surface (the front line of flame propagation) is substantially concentric, centering on the flame core formed near the electrode of the spark plug, pushing out unburned gas. It expands into a spherical shape.
ところが本発明の構成では、第1燃焼空間と第2燃焼空間との間に、ピストン冠面から突出する第1凸部が設けられ、この部分に天井壁との隙間が狭い小間隙部が形成される。火炎面に押し出された未燃ガスが、この小間隙部を通過する際、一種の絞り作用を受ける。その影響を受けて第1燃焼空間での燃焼の火炎伝播が抑制される。このため前期主燃焼期間における燃焼速度が比較的低く抑えられる。 However, in the configuration of the present invention, a first convex portion protruding from the piston crown surface is provided between the first combustion space and the second combustion space, and a small gap portion having a narrow gap with the ceiling wall is formed in this portion. Is done. When the unburned gas pushed out to the flame surface passes through this small gap, it undergoes a kind of squeezing action. Under the influence, the flame propagation of combustion in the first combustion space is suppressed. For this reason, the combustion rate in the first main combustion period can be kept relatively low.
そして火炎面が小間隙部を経て第2燃焼空間に達すると、もはや小間隙部による絞り作用の影響を受けないので、速やかに火炎伝播が進行する。つまり後期主燃焼期間における燃焼速度が比較的高くなる。 When the flame surface reaches the second combustion space via the small gap portion, the flame propagation proceeds promptly because it is no longer affected by the throttling action by the small gap portion. That is, the combustion speed in the late main combustion period becomes relatively high.
結局、全体として、前期主燃焼期間では比較的低速の燃焼が行われ、後期主燃焼期間では比較的高速の燃焼が行われるという、上述の後期重心型燃焼が行われることになるのである。 Eventually, the above-mentioned late center-of-gravity combustion is performed, in which relatively low-speed combustion is performed in the first main combustion period and relatively high-speed combustion is performed in the second main combustion period.
以上説明したように、本願発明によると、ピストン冠面に第1凸部を設けるという簡単な構造で、圧縮行程後期のタンブルを弱めるとともに後期重心型燃焼を行わせることができるので、特に高負荷域における耐ノッキング性能が向上し、高圧縮比化に有利となる。 As described above, according to the present invention, the simple structure of providing the first convex portion on the piston crown surface can weaken the tumble in the late stage of the compression stroke and cause the late center-of-gravity type combustion to occur. The anti-knocking performance in the region is improved, which is advantageous for increasing the compression ratio.
なお本願発明者は、本発明によって、耐ノッキング性能を悪化させることなく圧縮比を従来比で0.5以上高めることができることを確認している。
更に、本願発明によると、第1凸部に衝突しなかった一部のタンブル流と、スロート部の流速が遅い側から出た逆タンブル流とを中央側凹部で対向させ、相殺することができる。従って、より顕著にタンブルを弱めることができる。
The inventor of the present application has confirmed that the present invention can increase the compression ratio by 0.5 or more compared with the conventional one without deteriorating the anti-knocking performance.
Furthermore, according to the present invention, a part of the tumble flow that has not collided with the first convex portion and the reverse tumble flow that has come out from the side where the flow velocity of the throat portion is slow can be made to oppose each other at the central concave portion to cancel each other. . Therefore, the tumble can be weakened more remarkably.
請求項2の発明によると、火炎伝播速度の速い排気側に第1凸部が設けられるので、小間隙部による絞り効果がより顕著となる。つまりより顕著な後期重心型燃焼を行わせることができる。また、請求項3の発明によると、天井壁と第1凸部との間の小間隙部を、平行な狭路となすことができるので、より強い絞り効果を得ることができる。また、タンブル流が第1凸部の頂面に略垂直に衝突することになるので、高いタンブル流調整効果を得ることができる。
According to the second aspect of the present invention, since the first convex portion is provided on the exhaust side where the flame propagation speed is high, the throttling effect by the small gap portion becomes more remarkable. In other words, more conspicuous late center-of-gravity combustion can be performed. According to the invention of claim 3, since the small gap portion between the ceiling wall and the first convex portion can be formed as a parallel narrow path, a stronger squeezing effect can be obtained. Further, since the tumble flow collides with the top surface of the first convex portion substantially perpendicularly, a high tumble flow adjustment effect can be obtained.
請求項4の発明によると、上述した請求項1の発明による効果に加え、以下の効果を得ることができる。即ち、第1燃焼空間および第2燃焼空間以外の空間を環状凸部で埋めることにより、容易に高圧縮比構造を形成することができる。また点火プラグの下方に充分な容積の第1燃焼空間を確保することができ、より顕著な後期重心型燃焼をおこなわせることができる。
According to invention of Claim 4, in addition to the effect by invention of Claim 1 mentioned above, the following effects can be acquired. That is, a high compression ratio structure can be easily formed by filling the space other than the first combustion space and the second combustion space with the annular convex portion. In addition, a sufficiently large first combustion space can be secured below the spark plug, and more remarkable late center-of-gravity combustion can be performed.
図1は本発明の第1実施形態に係る火花点火式エンジンの燃焼室構造を示す縦断面図である。また図2は、その主要部の拡大図である。さらに図3は、図1のIII−III線断面図である。 FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a combustion chamber structure of a spark ignition engine according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 is an enlarged view of the main part. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG.
当実施形態の燃焼室14はペントルーフ型であり、図1ないし図3には、ピストン13が上死点にある状態を示している。燃焼室14は、シリンダブロック50のシリンダボア12と、ピストン冠面4と、燃焼室14に臨むシリンダヘッド10の下面である天井壁11とに囲まれた空間である。天井壁11は、吸気側天井壁11aと排気側天井壁11bとが屋根形をなすように形成されている。 The combustion chamber 14 of this embodiment is a pent roof type, and FIGS. 1 to 3 show a state in which the piston 13 is at the top dead center. The combustion chamber 14 is a space surrounded by the cylinder bore 12 of the cylinder block 50, the piston crown surface 4, and the ceiling wall 11 that is the lower surface of the cylinder head 10 facing the combustion chamber 14. The ceiling wall 11 is formed such that the intake-side ceiling wall 11a and the exhaust-side ceiling wall 11b form a roof shape.
シリンダボア12の径方向中央付近には、天井壁11から燃焼室14に先端が臨設された点火プラグ15が設けられている。 Near the center of the cylinder bore 12 in the radial direction, there is provided a spark plug 15 having a tip erected from the ceiling wall 11 to the combustion chamber 14.
吸気側天井壁11aには、これに開口する2箇所の吸気ポート21が設けられており、各吸気ポート21には所定の吸気タイミングで開く吸気バルブ19が設けられている。吸気ポート21はいわゆるタンブル生成ポートであって、そのスロート部から生成するタンブル流の流速は、排気側(排気ポート22側)がシリンダボア12壁面側よりも速くなる(正タンブル流)ように構成されている。 The intake-side ceiling wall 11a is provided with two intake ports 21 that open to the intake-side ceiling wall 11a. Each intake port 21 is provided with an intake valve 19 that opens at a predetermined intake timing. The intake port 21 is a so-called tumble generating port, and the flow rate of the tumble flow generated from the throat portion is configured so that the exhaust side (exhaust port 22 side) is faster than the cylinder bore 12 wall surface side (normal tumble flow). ing.
また排気側天井壁11bには、これに開口する2箇所の排気ポート22が設けられており、各排気ポート22には所定の排気タイミングで開く排気バルブ20が設けられている。吸気バルブ19および排気バルブ20の、燃焼室14に臨む面は、それぞれ吸気側天井壁11aおよび排気側天井壁11bの一部を形成している。 The exhaust-side ceiling wall 11b is provided with two exhaust ports 22 that open to the exhaust-side ceiling wall 11b. Each exhaust port 22 is provided with an exhaust valve 20 that opens at a predetermined exhaust timing. The surfaces of the intake valve 19 and the exhaust valve 20 facing the combustion chamber 14 form part of the intake-side ceiling wall 11a and the exhaust-side ceiling wall 11b, respectively.
なお、図1及び図2に示す吸気バルブ19、排気バルブ20、吸気ポート21及び排気ポート22は、実際には図示の断面位置から紙面前後方向にオフセットして設けられているが、説明のために同図において同一断面に示している(図3参照)。 The intake valve 19, exhaust valve 20, intake port 21, and exhaust port 22 shown in FIGS. 1 and 2 are actually offset from the cross-sectional position shown in the drawing in the front-rear direction of the drawing. In FIG. 3, the same cross section is shown (see FIG. 3).
図2に示すように、天井壁11の周縁部である天井壁周縁部11dは、シリンダブロック50との合わせ面(詳しくは、シリンダヘッド10とシリンダブロック50との間に設けられた図略のヘッドガスケットとの合わせ面)よりもシリンダブロック50から離間する側にオフセットして形成されている。 As shown in FIG. 2, the ceiling wall peripheral part 11 d which is the peripheral part of the ceiling wall 11 is a mating surface with the cylinder block 50 (specifically, an unillustrated illustration provided between the cylinder head 10 and the cylinder block 50). It is offset from the mating surface with the head gasket) on the side away from the cylinder block 50.
燃焼室14は、ピストン13が上死点にある状態で、燃焼室14内空間の主要部が点火プラグ15周辺の第1燃焼空間14aとシリンダボア12周縁部の第2燃焼空間14bとによって形成されている。そして第1燃焼空間14aと第2燃焼空間14bとは、ピストン冠面4と天井壁11との間隙が狭められた小間隙部5を介して連通されている。 The combustion chamber 14 is formed by the first combustion space 14a around the spark plug 15 and the second combustion space 14b around the cylinder bore 12 with the piston 13 at the top dead center. ing. The first combustion space 14a and the second combustion space 14b are communicated with each other via a small gap portion 5 in which a gap between the piston crown surface 4 and the ceiling wall 11 is narrowed.
ここで、ピストン13の形状、特に冠部の形状について説明する。図4はピストン13の斜視図である。以下の説明で、ピストン13の上下方向は図示状態での上下方向とする。つまり組立状態で天井壁11に近い方を上とする。 Here, the shape of the piston 13, particularly the shape of the crown portion will be described. FIG. 4 is a perspective view of the piston 13. In the following description, the vertical direction of the piston 13 is the vertical direction in the illustrated state. That is, the side closer to the ceiling wall 11 in the assembled state is the upper side.
ピストン冠部13aには、ピストン13の外周と略同心円の環状をなして上方に突出する環状凸部6が設けられている。そして環状凸部6の内周側および外周側には、環状凸部6に対して相対的に没入した凹部が形成されている。すなわち環状凸部6の内周側には中央側凹部7、外周側には周縁側凹部8が形成されている。 The piston crown portion 13 a is provided with an annular convex portion 6 that protrudes upward while forming an annular shape that is substantially concentric with the outer periphery of the piston 13. And the recessed part which was immersed relatively with respect to the annular convex part 6 is formed in the inner peripheral side and outer peripheral side of the annular convex part 6. FIG. That is, a central concave portion 7 is formed on the inner peripheral side of the annular convex portion 6, and a peripheral concave portion 8 is formed on the outer peripheral side.
環状凸部6は、所定の高さ及び幅をもって上方に突出する環状体であって、排気側の第1凸部6bと、吸気側の第2凸部6aと、これらを繋ぐ部分とからなる。第1凸部6bおよび第2凸部6aの頂部は、それぞれ内周側上方から外周側下方に向けて平斜面で削ぎ落としたような形状となっている。その削ぎ落としの切り口に相当する各面が第1凸部頂面9bおよび第2凸部頂面9aを形成している。第1凸部6bおよび第2凸部6aの断面形状をそれぞれハッチングで示す。 The annular protrusion 6 is an annular body that protrudes upward with a predetermined height and width, and includes an exhaust-side first protrusion 6b, an intake-side second protrusion 6a, and a portion connecting them. . The tops of the first convex portion 6b and the second convex portion 6a have shapes that are scraped off by a flat slope from the inner peripheral side upper side to the outer peripheral side lower side, respectively. Each surface corresponding to the cut-off face forms the first convex portion top surface 9b and the second convex portion top surface 9a. The cross-sectional shapes of the first convex portion 6b and the second convex portion 6a are indicated by hatching.
第1凸部頂面9bと第2凸部頂面9aの断面形状を比較して明らかなように、環状凸部6は吸気側が排気側よりも大きく削ぎ落とされたような形状となっている。従って、ピストン冠部13aの中心から、図2の左右方向に同一距離離反した位置で比較すると、第1凸部頂面9bの高さは第2凸部頂面9aの高さより高くなっている。 As is clear by comparing the cross-sectional shapes of the first convex portion top surface 9b and the second convex portion top surface 9a, the annular convex portion 6 has a shape such that the intake side is scraped off more than the exhaust side. . Therefore, when compared at a position separated from the center of the piston crown portion 13a by the same distance in the left-right direction in FIG. 2, the height of the first convex portion top surface 9b is higher than the height of the second convex portion top surface 9a. .
環状凸部6の上端面である凸部頂面9の、第2凸部頂面9a或いは第1凸部頂面9b以外の部分は、略水平で平坦な平坦頂面9cとなっている。平坦頂面9cの平均半径はピストン13の平均半径の半分よりもやや大きくなっている。 A portion other than the second convex portion top surface 9a or the first convex portion top surface 9b of the convex top surface 9 which is the upper end surface of the annular convex portion 6 is a substantially horizontal and flat flat top surface 9c. The average radius of the flat top surface 9 c is slightly larger than half of the average radius of the piston 13.
中央側凹部7は、環状凸部6の内周側で、環状凸部6に対して相対的に没入した部分である。中央側凹部7は、中央の平坦部まで緩やかに湾曲した椀状の壁面を有している。 The central concave portion 7 is a portion that is relatively immersed with respect to the annular convex portion 6 on the inner peripheral side of the annular convex portion 6. The central concave portion 7 has a bowl-shaped wall surface that is gently curved to the central flat portion.
周縁側凹部8は、環状凸部6の外周側で、環状凸部6に対して相対的に没入した部分である。周縁側凹部8は略水平な円環形状となっている。 The peripheral-side concave portion 8 is a portion that is relatively immersed with respect to the annular convex portion 6 on the outer peripheral side of the annular convex portion 6. The peripheral side concave portion 8 has a substantially horizontal annular shape.
次に、図2を参照して再び燃焼室14の詳細構造について説明する。第1燃焼空間14aは、ピストン13の中央側凹部7と天井壁11との間に形成されている。また第2燃焼空間14bは、ピストン13の周縁側凹部8と天井壁11(詳しくは天井壁周縁部11d)との間に環状に形成されている。 Next, the detailed structure of the combustion chamber 14 will be described again with reference to FIG. The first combustion space 14 a is formed between the central recess 7 of the piston 13 and the ceiling wall 11. The second combustion space 14b is formed in an annular shape between the peripheral recess 8 of the piston 13 and the ceiling wall 11 (specifically, the ceiling wall peripheral part 11d).
そして第1燃焼空間14aと第2燃焼空間14bとを連通する小間隙部5は、ピストン13の凸部頂面9と天井壁11との間に環状に形成されている。上述のように、平坦頂面9cの平均半径がピストン13の平均半径の半分よりもやや大きいので、小間隙部5は、シリンダボア12の径方向における、点火プラグ15からシリンダボア周縁との中間点よりもシリンダボア周縁寄りに形成されている。その最適位置は、エンジンの特性等によって異なるが、概ね点火プラグ15からシリンダボア周縁までの距離の60〜85%の範囲内にある。 The small gap portion 5 that communicates the first combustion space 14 a and the second combustion space 14 b is formed in an annular shape between the convex top surface 9 of the piston 13 and the ceiling wall 11. As described above, since the average radius of the flat top surface 9 c is slightly larger than half of the average radius of the piston 13, the small gap portion 5 is located at a midpoint between the spark plug 15 and the cylinder bore periphery in the radial direction of the cylinder bore 12. Is also formed near the cylinder bore periphery. The optimum position varies depending on engine characteristics and the like, but is generally in the range of 60 to 85% of the distance from the spark plug 15 to the cylinder bore periphery.
小間隙部5は、詳細には小間隙部5a、最小間隙部5b、小間隙部5cおよび小間隙部5d(図3参照)からなる。 Specifically, the small gap portion 5 includes a small gap portion 5a, a minimum gap portion 5b, a small gap portion 5c, and a small gap portion 5d (see FIG. 3).
小間隙部5aは、ピストン13の第2凸部頂面9aと、これに対向する天井壁11との間の間隙である。最小間隙部5bは、ピストン13の第1凸部頂面9bと、これに対向する天井壁11との間の間隙である。上述のように第1凸部頂面9bが第2凸部頂面9aより高い位置にある(比較のため、図2の第2凸部頂面9a近傍に、第1凸部頂面9bに対応する形状を二点差線で示す)ので、最小間隙部5bは小間隙部5aより狭い。また最小間隙部5bは他の小間隙部5cや小間隙部5dよりも狭く、小間隙部5のなかで最小の間隙となっている。 The small gap portion 5a is a gap between the second convex portion top surface 9a of the piston 13 and the ceiling wall 11 facing the second convex portion top surface 9a. The minimum gap portion 5b is a gap between the first convex portion top surface 9b of the piston 13 and the ceiling wall 11 facing the first convex portion top surface 9b. As described above, the first convex top surface 9b is higher than the second convex top surface 9a (for comparison, in the vicinity of the second convex top surface 9a in FIG. Therefore, the minimum gap 5b is narrower than the small gap 5a. The minimum gap 5b is narrower than the other small gaps 5c and 5d, and is the smallest gap among the small gaps 5.
小間隙部5cは、ピストン13の平坦頂面9cと、これに対向する天井壁11との間の間隙である。小間隙部5cは、天井壁11が低い箇所ほど狭く、天井壁11が高くなるほど、つまり稜線部11c(図3参照)に近づくほど広くなる。小間隙部5dは、その稜線部11cと平坦頂面9cとの間隙であって、小間隙部5のうちで最も広い間隙となっている。
次に、当実施形態の燃焼室構造を有する火花点火式エンジンの動作について説明する。
The small gap portion 5c is a gap between the flat top surface 9c of the piston 13 and the ceiling wall 11 facing the same. The small gap portion 5c is narrower as the ceiling wall 11 is lower, and becomes wider as the ceiling wall 11 is higher, that is, closer to the ridgeline portion 11c (see FIG. 3). The small gap portion 5 d is a gap between the ridge line portion 11 c and the flat top surface 9 c and is the widest gap among the small gap portions 5.
Next, the operation of the spark ignition engine having the combustion chamber structure of this embodiment will be described.
まず吸気行程において吸気バルブ19が開くとともに、ピストン13が降下する。それに伴って吸気ポート21から燃焼室14内に混合気が負圧吸引される。このとき、スロート部では正タンブル流と逆タンブル流とが生成されるが、これについては後に詳述する。 First, in the intake stroke, the intake valve 19 is opened and the piston 13 is lowered. Accordingly, the air-fuel mixture is sucked into the combustion chamber 14 from the intake port 21 by negative pressure. At this time, a normal tumble flow and a reverse tumble flow are generated in the throat portion, which will be described in detail later.
続く圧縮行程において吸気バルブ19が閉じるとともに、ピストン13が上昇する。それに伴って、燃焼室14内の混合気が圧縮され、温度と圧力が上昇する。圧縮行程の終盤、つまりピストン13が図2に示す上死点付近まで上昇したとき、点火プラグ15の電極から火花が飛ばされる。その火花によって点火プラグ15の電極付近の混合気が着火し、火炎核が形成される。 In the subsequent compression stroke, the intake valve 19 is closed and the piston 13 is raised. Along with this, the air-fuel mixture in the combustion chamber 14 is compressed, and the temperature and pressure rise. At the end of the compression stroke, that is, when the piston 13 rises to near the top dead center shown in FIG. 2, a spark is blown from the electrode of the spark plug 15. The spark ignites the air-fuel mixture near the electrode of the spark plug 15 to form a flame kernel.
続く膨張行程では、火炎核の火炎面が略球状に拡がりながら燃焼が進行する。燃焼によって急速に高められた筒内圧力によってピストン13が押し下げられる。ピストン13を押し下げる力が図外のコンロッド等を介して図外の出力軸(クランクシャフト)の回転駆動力となる。 In the subsequent expansion stroke, the combustion proceeds while the flame surface of the flame kernel expands into a substantially spherical shape. The piston 13 is pushed down by the in-cylinder pressure rapidly increased by the combustion. The force that pushes down the piston 13 becomes the rotational driving force of the output shaft (crankshaft) not shown through a connecting rod etc. not shown.
続く排気行程では排気バルブ20が開くとともにピストン13が上昇に転じる。ピストン13の上昇によって既燃ガス(排ガス)が排気ポート22から押し出され、排出される。 In the subsequent exhaust stroke, the exhaust valve 20 opens and the piston 13 starts to rise. Burned gas (exhaust gas) is pushed out from the exhaust port 22 by the rise of the piston 13 and is discharged.
以上の吸気、圧縮、膨張および排気からなる4行程を繰り返すことによってエンジンが連続運転される(4サイクルエンジン)。また多気筒エンジンの場合は、気筒ごとに上記の各行程をずらした設定とすることにより、より滑らかで振動や騒音の少ないエンジンとすることができる。 The engine is continuously operated by repeating the above four strokes including intake, compression, expansion, and exhaust (four-cycle engine). In the case of a multi-cylinder engine, by setting each stroke to be shifted for each cylinder, the engine can be made smoother and less susceptible to vibration and noise.
次に、上記吸気行程で生成されたタンブル流について説明する。図5は、ピストン13がBTDC130度(圧縮行程前半)にあるときの燃焼室14の縦断面図である。吸気ポート21のスロート部の吸気流速が速い側(排気側)からは、図示の状態で左回で比較的強い正タンブル流TA1と、右回りで比較的弱い逆タンブル流TA3が生成されている。 Next, the tumble flow generated in the intake stroke will be described. FIG. 5 is a longitudinal sectional view of the combustion chamber 14 when the piston 13 is at BTDC 130 degrees (first half of the compression stroke). From the side where the intake air flow velocity at the throat portion of the intake port 21 is fast (exhaust side), a relatively strong forward tumble flow TA1 in the counterclockwise direction and a relatively weak reverse tumble flow TA3 in the clockwise direction are generated. .
ピストン13の上昇によって、正タンブル流TA1は、第1凸部6bの第1凸部頂面9bと略垂直にポイントP1で衝突し、その勢いが弱められている。また正タンブル流TA1の、第1凸部6bと衝突しなかった成分(正タンブル流TA2とする)は、中央側凹部7で流れの方向が上向きに変えられる。そして、逆タンブル流TA3とポイントP2で対向し、互いに勢いを弱めあう。 As the piston 13 rises, the positive tumble flow TA1 collides with the first convex portion top surface 9b of the first convex portion 6b substantially perpendicularly at the point P1, and the momentum is weakened. Further, the component of the positive tumble flow TA1 that does not collide with the first convex portion 6b (referred to as the positive tumble flow TA2) is changed upward in the central concave portion 7. And it opposes reverse tumble flow TA3 at the point P2, and weakens each other's momentum.
このように正タンブル流TA1および逆タンブル流TA3は、それぞれ勢いが弱められ、圧縮行程後半にはごく弱いタンブル流となる。こうして、次に述べる後期重心型燃焼の効果と相俟って高い耐ノッキング性能を得ることができるのである。 In this way, the forward tumble flow TA1 and the reverse tumble flow TA3 are each weakened in momentum, and become a very weak tumble flow in the latter half of the compression stroke. In this way, a high knocking resistance can be obtained in combination with the effect of the later center of gravity type combustion described below.
次に、上記膨張行程で行われる燃焼について詳細に説明する。この燃焼は、後期重心型燃焼となる。後期重心型燃焼は、端的に表現すれば前期主燃焼期間(燃焼質量の10%以上50%未満が燃焼する期間)での燃焼速度が比較的低く、後期主燃焼期間(燃焼質量の50%以上90%未満が燃焼する期間)での燃焼速度が比較的高い燃焼形態である。後期重心型燃焼は、当実施形態の燃焼室構造と密接な関係があり、この燃焼室構造によってなし得る燃焼形態である。 Next, the combustion performed in the expansion stroke will be described in detail. This combustion is the late center of gravity combustion. In short, the late center-of-gravity combustion has a relatively low combustion rate in the first main combustion period (a period in which 10% or more and less than 50% of the combustion mass burns), and the latter main combustion period (50% or more of the combustion mass). This is a combustion mode having a relatively high combustion rate in a period during which less than 90% is burned). The late center-of-gravity type combustion is closely related to the combustion chamber structure of this embodiment, and is a combustion mode that can be achieved by this combustion chamber structure.
後期重心型燃焼について、燃焼室構造と関連付けながら説明する。まず、点火プラグ15の電極から火花が飛ばされると、その周囲の混合気が着火し、火炎核が形成される。そしてその火炎面(火炎伝播の最前線)が略同心球状に拡がりながら伝播する。つまり第1燃焼空間14aにおいて燃焼が行われる。その際、火炎面は未燃ガスを押し出すようにして拡がって行く。 The late center of gravity combustion will be described in relation to the combustion chamber structure. First, when a spark is blown from the electrode of the spark plug 15, the surrounding air-fuel mixture is ignited and a flame kernel is formed. Then, the flame surface (the forefront of flame propagation) spreads in a substantially concentric spherical shape. That is, combustion is performed in the first combustion space 14a. At that time, the flame surface expands by pushing out unburned gas.
ところが、第1燃焼空間14aの外側には小間隙部5が設けられている。従って、火炎面に押し出された未燃ガスが小間隙部5を通過する際、一種の絞り作用を受ける。その影響を受けて火炎伝播が抑制される。このため第1燃焼空間14aにおける燃焼速度が比較的低く抑えられる。 However, a small gap portion 5 is provided outside the first combustion space 14a. Therefore, when the unburned gas pushed out to the flame surface passes through the small gap part 5, it receives a kind of squeezing action. Under the influence, flame propagation is suppressed. For this reason, the combustion speed in the 1st combustion space 14a is restrained comparatively low.
そして火炎面が小間隙部5を経て第2燃焼空間14bに達すると、もはや小間隙部5による絞り作用の影響を受けないので、速やかに火炎伝播が進行する。つまり第2燃焼空間14bにおける燃焼速度が比較的高くなる。 When the flame surface reaches the second combustion space 14b via the small gap portion 5, flame propagation proceeds promptly because it is no longer affected by the throttling action by the small gap portion 5. That is, the combustion speed in the second combustion space 14b is relatively high.
こうして、主として第1燃焼空間14aでの前期主燃焼期間には比較的低速の燃焼が行われ、主として第2燃焼空間14bでの後期主燃焼期間には比較的高速の燃焼が行われるという、後期重心型燃焼が行われることになる。 In this way, relatively late combustion is performed mainly in the first main combustion period in the first combustion space 14a, and relatively high speed combustion is performed mainly in the second main combustion period in the second combustion space 14b. Center-of-gravity combustion is performed.
また当実施形態では、点火プラグ15をシリンダボア12の径方向中央付近に設け、小間隙部5を、点火プラグ15とシリンダボア周縁との間で環状に形成し、第2燃焼空間14bを、小間隙部5の外周側に環状に形成しているので、小間隙部5の絞り作用がより均等に第1燃焼空間14aでの燃焼に及び、その燃焼速度低減効果を一層高めている。 In this embodiment, the ignition plug 15 is provided near the center of the cylinder bore 12 in the radial direction, the small gap portion 5 is formed in an annular shape between the ignition plug 15 and the cylinder bore periphery, and the second combustion space 14b is formed in the small gap. Since it is formed in an annular shape on the outer peripheral side of the part 5, the narrowing action of the small gap part 5 extends to the combustion in the first combustion space 14a more evenly, and the combustion speed reduction effect is further enhanced.
さらに第2燃焼空間14bが小間隙部5の外周側に環状に形成されているので、より均等に火炎面が第2燃焼空間14bに到達する。このため、第2燃焼空間14bでの燃焼を一層速やかに行うことができる。 Furthermore, since the second combustion space 14b is formed in an annular shape on the outer peripheral side of the small gap portion 5, the flame surface reaches the second combustion space 14b more evenly. For this reason, the combustion in the second combustion space 14b can be performed more rapidly.
結局、前期主燃焼期間においてはより低速の燃焼が行われ、後期主燃焼期間においてはより高速の燃焼が行われるという、メリハリの利いた顕著な後期重心型燃焼を実現している。 As a result, a sharp late-stage center-of-gravity type combustion is realized in which lower-speed combustion is performed in the first main combustion period and higher-speed combustion is performed in the second main combustion period.
ところで、上述したように、火炎面は点火プラグ15の電極付近に形成された火炎核を中心とする略同心球状に拡がって行くが、より厳密には、排気側への伝播速度が吸気側への伝播速度よりもやや高くなっている。高温の排気側では、より燃焼反応が促進されるからである。当実施形態では、最小間隙部5bによって、排気側へのガス流を他よりも強く絞っているので、高くなりがちな排気側への火炎伝播速度が比較的強く抑制される。これにより、全体的にはより均等な火炎伝播速度を得ることができ、円滑な燃焼を図ることができる。また火炎面の第1燃焼空間14aから第2燃焼空間14bへの移行を、より均等に行わせることができる。 By the way, as described above, the flame surface spreads in a substantially concentric sphere centered on the flame core formed in the vicinity of the electrode of the spark plug 15, but more strictly, the propagation speed to the exhaust side is directed to the intake side. It is slightly higher than the propagation speed. This is because the combustion reaction is further promoted on the high temperature exhaust side. In this embodiment, the gas flow to the exhaust side is more tightly constricted than the others by the minimum gap 5b, so that the flame propagation speed to the exhaust side, which tends to be high, is relatively strongly suppressed. As a result, a more uniform flame propagation speed can be obtained as a whole, and smooth combustion can be achieved. Further, the transition from the first combustion space 14a to the second combustion space 14b on the flame surface can be performed more evenly.
図6は、当実施形態の後期重心型燃焼における燃焼特性を示す特性図である。横軸にクランク角(°CA)、縦軸に燃焼質量割合(%)を示す。燃焼質量割合とは、燃焼した燃料の質量全体を100%とし(無次元化)、当該クランク角時点までに燃焼した燃料の積算値を示したものである。 FIG. 6 is a characteristic diagram showing the combustion characteristics in the latter-stage center-of-gravity combustion according to the present embodiment. The horizontal axis shows the crank angle (° CA), and the vertical axis shows the combustion mass ratio (%). The combustion mass ratio is an integrated value of the fuel burned up to the crank angle point when the entire mass of the burned fuel is 100% (non-dimensional).
図示のように、燃焼質量割合が10%未満の領域を初期燃焼領域81といい、その期間を初期燃焼期間θ0という。また燃焼質量割合が10%以上90%未満の領域を主燃焼領域80という。主燃焼領域80は50%を境にして前期と後期に分けられ、燃焼質量割合が10%以上50%未満の領域を前期主燃焼領域80aといい、50%以上90%未満の領域を後期主燃焼領域80bという。そして前期主燃焼領域80aの期間を前期主燃焼期間θ1といい、後期主燃焼領域80bの期間を後期主燃焼期間θ2という。 As shown, the combustion mass proportion refers to the area of less than 10% and the initial combustion region 81, the period of the initial combustion period theta 0. A region where the combustion mass ratio is 10% or more and less than 90% is referred to as a main combustion region 80. The main combustion region 80 is divided into the first and second periods with 50% as a boundary. The region where the combustion mass ratio is 10% or more and less than 50% is called the first-term main combustion region 80a, and the region where 50% or more and less than 90% is the latter main component. This is referred to as a combustion region 80b. The period of the first main combustion region 80a is referred to as the first main combustion period θ1, and the period of the second main combustion region 80b is referred to as the second main combustion period θ2.
図6には、当実施形態の燃焼特性T1を示すとともに、比較のために従来の一般的な燃焼特性T1’を併記している。なお図6は、エンジン回転速度が1500rpmで、高負荷運転状態での燃焼特性を示す。 FIG. 6 shows the combustion characteristic T1 of this embodiment, and also shows a conventional general combustion characteristic T1 'for comparison. FIG. 6 shows the combustion characteristics when the engine rotation speed is 1500 rpm and the high load operation state.
当実施形態の燃焼特性T1では、初期燃焼期間θ0は点火時期〜約3°CA、前期主燃焼期間θ1は約3〜約13°CA、後期主燃焼期間θ2は約13〜約20°CAとなっている。一方、従来の燃焼特性T1’では、初期燃焼期間θ0’は点火時期〜約4°CA、前期主燃焼期間θ1’は約4〜約13°CA、後期主燃焼期間θ2’は約13〜約21°CAとなっている。 In the combustion characteristic T1 of the present embodiment, the initial combustion period θ 0 is ignition timing to about 3 ° CA, the first main combustion period θ 1 is about 3 to about 13 ° CA, and the second main combustion period θ 2 is about 13 to about 20. ° CA. On the other hand, in the conventional combustion characteristic T1 ′, the initial combustion period θ 0 ′ is about ignition timing to about 4 ° CA, the first main combustion period θ 1 ′ is about 4 to about 13 ° CA, and the second main combustion period θ 2 ′ is about 13 to about 21 ° CA.
つまり当実施形態の燃焼特性T1は、従来の燃焼特性T1’に比べ、初期燃焼期間θ0が約1°CA短縮され、前期主燃焼期間θ1が約1°CA延ばされ、後期主燃焼期間θ2が約1°CA短縮されている。これは、主として第1燃焼空間14aで燃焼が行われる前期主燃焼期間θ1では燃焼速度が相対的に低く、主として第2燃焼空間14bで燃焼が行われる後期主燃焼期間θ2では燃焼速度が相対的に高くなっていることを示している。つまり後期重心型燃焼となっていることがわかる。 That is, in the combustion characteristic T1 of this embodiment, compared with the conventional combustion characteristic T1 ′, the initial combustion period θ 0 is shortened by about 1 ° CA, the first main combustion period θ 1 is extended by about 1 ° CA, and the second main combustion period. The period θ 2 is shortened by about 1 ° CA. This is mainly the first combustion space 14a Combustion year main combustion period theta 1 in burn rate relatively low place, the late main combustion period theta 2 in combustion rate mainly combusted in the second combustion space 14b is performed It shows that it is relatively high. That is, it turns out that it is the latter term center of gravity type combustion.
また初期燃焼期間θ0及び前期主燃焼期間θ1での燃焼は、ともに主として第1燃焼空間14aでの燃焼であるが、初期燃焼期間θ0はむしろ短縮されている。これは、小間隙部5が、点火プラグ15に近すぎない適所(詳しくは点火プラグ15からシリンダボア周縁までの距離の60〜85%の範囲内の適所)に設けられていることによって、小間隙部5による絞り作用の影響が初期燃焼期間θ0にまでは及んでいないことを示している。 Further, both the combustion in the initial combustion period θ 0 and the first main combustion period θ 1 are mainly combustion in the first combustion space 14a, but the initial combustion period θ 0 is rather shortened. This is because the small gap portion 5 is provided at an appropriate position that is not too close to the spark plug 15 (specifically, an appropriate position within the range of 60 to 85% of the distance from the spark plug 15 to the periphery of the cylinder bore). effect of throttling by section 5 indicates that does not extend up to the initial combustion period theta 0.
図7は、図6に示す燃焼特性を別の視点から表した特性図である。横軸にクランク角(°CA)、縦軸に熱発生率(%)を示す。ここで熱発生率とは、図6の熱発生割合の微分値であり、燃焼による全体の熱発生量を100%とし(無次元化)、当該クランク角時点における熱発生量の割合を示したものである。 FIG. 7 is a characteristic diagram showing the combustion characteristics shown in FIG. 6 from another viewpoint. The horizontal axis shows the crank angle (° CA), and the vertical axis shows the heat generation rate (%). Here, the heat generation rate is a differential value of the heat generation rate in FIG. 6, where the total heat generation amount due to combustion is assumed to be 100% (non-dimensional), and the ratio of the heat generation amount at the time of the crank angle is shown. Is.
図7には、当実施形態の燃焼特性T2を示すとともに、比較のために従来の一般的な燃焼特性T2’を併記している。特性T2’と比較して、特性T2の顕著な特徴として、前期主燃焼期間θ1において傾きの緩やかな棚部T2aを有している点、および後期主燃焼期間θ2において最大熱発生率の極大値が大きくなっている点である。この二点が後期重心型燃焼を特徴付けるものとなっている。 FIG. 7 shows the combustion characteristic T2 of the present embodiment and also shows a conventional general combustion characteristic T2 ′ for comparison. Compared with the characteristic T2 ', as hallmark characteristic T2, that it has a moderate shelf T2a of inclination in the previous year main combustion period theta 1, and in the later main combustion period theta 2 of the maximum heat generation rate This is the point where the maximum value is large. These two points characterize the late center of gravity combustion.
棚部T2aについて説明すると、これは、初期燃焼期間θ0から前期主燃焼期間θ1に移行後、熱発生率の増大率が一時的に低下していることを示している。これは小間隙部5による絞り効果によって、前期主燃焼期間θ1での燃焼速度が比較的低くなったからであると考えられる。 Referring to ledge T2a, which shows that after transition from the initial combustion period theta 0 in previous period main combustion period theta 1, increase of the heat generation rate is temporarily reduced. This is considered to by an aperture effect due to the small gap 5, because the combustion speed in the previous period main combustion period theta 1 is relatively low.
その後、後期主燃焼期間θ2において最大熱発生率の極大値が大きくなっている点については、比較的多く残留した未燃燃料が、充分な容積が確保された第2燃焼空間14bで高速で燃焼したためであると考えられる。 Then, the point at which the maximum value of the maximum heat generation rate in the later main combustion period theta 2 is increased, relatively large residual unburned fuel in the high-speed in the second combustion space 14b that sufficient volume is ensured This is thought to be due to combustion.
以上のように、当実施形態のエンジンは、簡単な構造で後期重心型燃焼を容易に行わせることができる。そして上述のように、後期重心型燃焼を行わせることにより、上記タンブル流の調整効果と相俟って、耐ノッキング性能を向上させ、実用上有効に圧縮比を高めることができる。本願発明者は、例えば従来構造と同程度の耐ノッキング性能を確保した場合、圧縮比を0.5以上高めることができることを確認した。そして圧縮比を高めることにより燃焼効率を高め、燃費を向上させることができる。 As described above, the engine of this embodiment can easily perform the late center-of-gravity type combustion with a simple structure. As described above, by causing the late-stage center-of-gravity combustion, combined with the effect of adjusting the tumble flow, the anti-knocking performance can be improved and the compression ratio can be effectively increased practically. The inventor of the present application has confirmed that the compression ratio can be increased by 0.5 or more when, for example, the same level of anti-knocking performance as that of the conventional structure is secured. And by raising a compression ratio, combustion efficiency can be improved and a fuel consumption can be improved.
図8は、当実施形態の筒内圧力上昇率dP/dθを示す図である。筒内圧力上昇率dP/dθは、大きいほどノッキングが発生しやすく、またNVH(騒音や振動)も悪化することを示す指標である。横軸にエンジン回転速度Ne(rpm)、縦軸に筒内圧力上昇率dP/dθ(bar/°CA)を示す。基本諸元は、圧縮比=10.6、吸気ポート21のタンブル比=1.1である。特性85が当実施形態の特性であり、比較のため従来構造の特性88(図9に示すピストン113の場合)を示す。 FIG. 8 is a diagram showing the in-cylinder pressure increase rate dP / dθ of the present embodiment. The in-cylinder pressure increase rate dP / dθ is an index indicating that knocking is more likely to occur and NVH (noise and vibration) deteriorates as the value increases. The horizontal axis indicates the engine rotational speed Ne (rpm), and the vertical axis indicates the cylinder pressure increase rate dP / dθ (bar / ° CA). The basic specifications are compression ratio = 10.6 and tumble ratio of intake port 21 = 1.1. A characteristic 85 is the characteristic of the present embodiment, and a characteristic 88 of the conventional structure (in the case of the piston 113 shown in FIG. 9) is shown for comparison.
図8から明らかなように、エンジンの低回転速度から高回転速度まで、全域に渡り特性85の筒内圧力上昇率dP/dθが特性88よりも下回っており、顕著な効果があることが確認できた。特にエンジン回転速度が5000rpm以上の効果が顕著であり、高負荷高速時のノッキングやデトネーションが効果的に抑制され、またNVHの抑制にも効果的である。 As is clear from FIG. 8, the in-cylinder pressure increase rate dP / dθ of the characteristic 85 is lower than the characteristic 88 over the entire region from the low engine speed to the high engine speed, confirming that there is a remarkable effect. did it. In particular, the effect that the engine rotational speed is 5000 rpm or more is remarkable, knocking and detonation at high loads and high speeds are effectively suppressed, and NVH is also effectively suppressed.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこの実施形態に限定するものではなく、特許請求の範囲内で種々の変形を行っても良い。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this embodiment, You may perform a various deformation | transformation within a claim.
例えば上記各実施形態は、排気側のタンブル流が強い正タンブルタイプの吸気ポートを採用しているが、シリンダボア壁面側のタンブル流が強い逆タンブルタイプの吸気ポートを採用しても良い。その場合、吸気側の第2凸部6aを高くし、逆タンブル流を第2凸部6aに衝突させるようにすれば良い。 For example, each of the above embodiments employs a normal tumble type intake port having a strong tumble flow on the exhaust side, but may employ an inverse tumble type intake port having a strong tumble flow on the cylinder bore wall surface side. In that case, the second convex portion 6a on the intake side may be raised so that the reverse tumble flow collides with the second convex portion 6a.
4 ピストン冠面
6 環状凸部
6b 第1凸部
7 中央側凹部
9b 第1凸部頂面(第1凸部6bの頂面)
10 シリンダヘッド
11 天井壁(シリンダヘッド下面)
12 シリンダボア
13 ピストン
13a ピストン冠部
14 燃焼室
14a 第1燃焼空間
14b 第2燃焼空間
15 点火プラグ
15a 第2点火プラグ
19 吸気バルブ
21 吸気ポート
22 排気ポート
TA1,TA2 正タンブル流
TA3 逆タンブル流
4 piston crown surface 6 annular convex part 6b first convex part 7 center side concave part 9b first convex part top surface (top surface of the first convex part 6b)
10 Cylinder head 11 Ceiling wall (bottom surface of cylinder head)
12 Cylinder bore 13 Piston 13a Piston crown 14 Combustion chamber 14a First combustion space 14b Second combustion space 15 Spark plug 15a Second spark plug 19 Intake valve 21 Intake port 22 Exhaust port TA1, TA2 Positive tumble flow TA3 Reverse tumble flow
Claims (4)
上記天井壁の中央付近から上記燃焼室内に先端が臨設された点火プラグと、
上記天井壁の一側に開口し、タンブル流を生成する吸気ポートとを備えた往復動ピストン型の火花点火式エンジンにおいて、
ピストンが上死点にある状態で、上記燃焼室内空間の主要部が上記点火プラグ周辺の第1燃焼空間とシリンダボア周縁部の第2燃焼空間とによって形成され、
上記ピストン冠面の、平面視で上記第1燃焼空間と上記第2燃焼空間との間、かつ平面視で上記吸気ポート開口部の中央から見て該吸気ポートのスロート部の吸気流速が速い側に、該ピストン冠面から、平面視でシリンダボア中央を挟む反対側の該ピストン冠面より高く突出する第1凸部が設けられ、
上記スロート部から生成したタンブル流が上記第1凸部に衝突するように構成され、
上記ピストン冠面の中央部には、上記第1凸部に衝突しなかった一部のタンブル流と、上記スロート部の流速が遅い側から出た逆タンブル流とを対向させる中央側凹部が形成されていることを特徴とする火花点火式エンジン。 A combustion chamber formed between a piston crown surface and an angled cylinder head lower surface, the cylinder head lower surface being a ceiling wall;
A spark plug with a tip erected in the combustion chamber from near the center of the ceiling wall;
In a reciprocating piston type spark ignition engine having an intake port that opens on one side of the ceiling wall and generates a tumble flow,
In a state where the piston is at the top dead center, a main part of the combustion chamber space is formed by a first combustion space around the spark plug and a second combustion space around the cylinder bore,
The side of the piston crown surface on the side where the intake air flow velocity is fast between the first combustion space and the second combustion space in plan view and in the throat portion of the intake port when viewed from the center of the intake port opening in plan view. A first convex portion that protrudes higher than the piston crown surface on the opposite side across the center of the cylinder bore in plan view from the piston crown surface,
The tumble flow generated from the throat portion is configured to collide with the first convex portion ,
A central recess is formed in the central portion of the crown surface of the piston so as to oppose a part of the tumble flow that has not collided with the first convex portion and the reverse tumble flow coming out of the slow flow rate of the throat portion. A spark ignition engine characterized by being made .
上記第1凸部は、平面視で上記点火プラグよりも排気側寄りに形成されていることを特徴とする請求項1記載の火花点火式エンジン。 The spark-ignition engine according to claim 1, wherein the first convex portion is formed closer to the exhaust side than the ignition plug in a plan view.
上記第1凸部は上記ピストン冠面の外周縁から所定量中央側に入った位置から***し、 The first convex portion is raised from a position entering the center side by a predetermined amount from the outer peripheral edge of the piston crown surface,
該第1凸部の頂面は、傾斜した上記天井壁と略平行になるように形成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の火花点火式エンジン。 3. The spark ignition engine according to claim 1, wherein a top surface of the first convex portion is formed so as to be substantially parallel to the inclined ceiling wall.
上記天井壁の中央付近から上記燃焼室内に先端が臨設された点火プラグと、
上記天井壁の一側に開口し、タンブル流を生成する吸気ポートとを備えた往復動ピストン型の火花点火式エンジンにおいて、
ピストンが上死点にある状態で、上記燃焼室内空間の主要部が上記点火プラグ周辺の第1燃焼空間とシリンダボア周縁部の第2燃焼空間とによって形成され、
上記ピストン冠面の、平面視で上記第1燃焼空間と上記第2燃焼空間との間、かつ平面視で上記吸気ポート開口部の中央から見て該吸気ポートのスロート部の吸気流速が速い側に、該ピストン冠面から、平面視でシリンダボア中央を挟む反対側の該ピストン冠面より高く突出する第1凸部が設けられ、
上記スロート部から生成したタンブル流が上記第1凸部に衝突するように構成され、
上記ピストン冠面には、平面視で環状に突出し、上記第1凸部を含む環状凸部が形成され、
上記環状凸部の、上記ピストン中央部を挟んだ上記第1凸部の反対側に、該第1凸部よりも上記ピストン冠面からの突出量が小なる第2凸部が形成され、
ピストンが上死点にある状態で、上記環状凸部の外周からピストン外周縁にかけて上記第2燃焼空間が形成されていることを特徴とする火花点火式エンジン。
A combustion chamber formed between a piston crown surface and an angled cylinder head lower surface, the cylinder head lower surface being a ceiling wall;
A spark plug with a tip erected in the combustion chamber from near the center of the ceiling wall;
In a reciprocating piston type spark ignition engine having an intake port that opens on one side of the ceiling wall and generates a tumble flow,
In a state where the piston is at top dead center, a main part of the combustion chamber space is formed by a first combustion space around the spark plug and a second combustion space around the cylinder bore,
On the side of the piston crown surface, between the first combustion space and the second combustion space in plan view, and on the side where the intake air flow velocity at the throat portion of the intake port is high when viewed from the center of the intake port opening in plan view. A first convex portion that protrudes higher than the piston crown surface on the opposite side sandwiching the center of the cylinder bore in a plan view from the piston crown surface,
The tumble flow generated from the throat portion is configured to collide with the first convex portion,
The piston crown surface is annularly projected in plan view, and an annular convex portion including the first convex portion is formed,
On the opposite side of the first convex portion across the piston central portion of the annular convex portion, a second convex portion having a smaller protrusion amount from the piston crown surface than the first convex portion is formed,
Piston in the state at the top dead center, the annular projection from the outer periphery, wherein the to that sparks ignition engine that toward the piston outer periphery the second combustion space are formed.
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