JP5920262B2 - 圧縮着火式内燃機関 - Google Patents
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Description
本発明は圧縮着火式内燃機関に関する。
シリンダヘッドの中央部が備えるヘッド底壁面がペントルーフ形状を有するとともに、ピストンのキャビティが備えるキャビティ底壁面が当該ペントルーフ形状に合わせて***した形状を有する圧縮着火式内燃機関が知られている。かかる圧縮着火式内燃機関は例えば特許文献1で開示されている。
特許文献1が開示する燃料直噴ディーゼルエンジンでは、燃料噴射断面上で特定点により規定されるキャビティの断面形状が各燃料噴射断面において略等しくなるように設定されている。特許文献1が開示する燃料直噴ディーゼルエンジンは、これによりキャビティの円周方向の全ての方向で燃料および空気を均一に混合できるようにしている。
上記圧縮着火式内燃機関では、例えば特許文献1が開示する技術のようにキャビティの断面形状を設定した場合でも、スキッシュ部の形状によっては、キャビティ壁面に衝突した後の挙動が燃料噴霧同士の間で異なってくる。このためこの場合には、かかる挙動が異なる分、空気利用率の均一性が低くなる虞がある。またこの場合には、スキッシュ領域の空気が十分に利用されない分、空気利用率が低くなる虞もある。
本発明は上記課題に鑑み、スキッシュ部の形状を考慮することで、空気利用率の均一性向上を図ることが可能な圧縮着火式内燃機関を提供することを目的とする。
本発明は燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃焼室を形成する部分である中央部を有するシリンダヘッドと、前記燃焼室に曝されるキャビティが設けられているピストンとを備え、前記中央部がペントルーフ形状を有するヘッド底壁面を備えるとともに、前記キャビティが前記ペントルーフ形状に合わせて***した形状を有するキャビティ底壁面を備え、前記燃料噴射弁が前記ペントルーフ形状の頂部に設けられるとともに、前記ペントルーフ形状の頂部の中心が吸排気方向において前記ピストンの中心軸線からオフセットした位置に設けられており、前記ピストンが前記燃焼室にスキッシュ領域を形成するスキッシュ部にテーパ壁面を備え、前記テーパ壁面が前記キャビティの側壁面との合流部分に下端部を有し、前記燃料噴射弁の中心軸線を含む断面が有する片断面において前記ヘッド底壁面となす角度が全周に亘って同一になるように設けられ、且つ、前記片断面における前記下端部および前記ヘッド底壁面間の距離であって、前記ヘッド底壁面に直交する方向に沿った距離が全周に亘って同一になるように設けられている圧縮着火式内燃機関である。
本発明によれば、スキッシュ部の形状を考慮することで、空気利用率の均一性向上を図ることができる。
図面を用いて本発明の実施例について説明する。
図1は内燃機関1の概略構成図である。図2は図1に示すA−A断面で内燃機関1を見た図である。図1では内燃機関1のうちシリンダブロック2およびシリンダヘッド3を燃焼室Eの中心軸線である中心軸線P1を含む断面で示す。内燃機関1における上下方向については図1に示す通り、中心軸線P1に沿った方向を上下方向とし、シリンダヘッド3がシリンダブロック2よりも上に位置しているものとする。図1、図2に示す方向Xは内燃機関1の吸排気方向を示す。図2に示す方向Yは内燃機関1のフロントリア方向を示す。図1、図2では各構成を簡略化して示している。
内燃機関1は圧縮着火式内燃機関である。内燃機関1はシリンダブロック2とシリンダヘッド3と吸気弁4と排気弁5と燃料噴射弁6とピストン7とを備えている。シリンダブロック2にはシリンダ21が形成されている。シリンダ21は中心軸線P1を有している。換言すれば、シリンダ21が中心軸線P1を決定している。シリンダ21内にはピストン7が収容されている。シリンダブロック2の上部にはシリンダヘッド3が固定されている。
シリンダヘッド3はシリンダブロック2およびピストン7とともに燃焼室Eを形成している。シリンダヘッド3の底壁部のうち燃焼室Eを形成する部分である中央部31はペントルーフ形状を有している。当該ペントルーフ形状は具体的には中央部31が備える底壁面311が有している。底壁面311はヘッド底壁面に相当する。上記ペントルーフ形状は具体的には方向Xにおいて中心軸線P1から排気側にオフセットした位置に頂部を有する構成となっている。中央部31(具体的には底壁面311)は例えば中心軸線P1から吸気側にオフセットした位置に頂部が設けられたペントルーフ形状を有していてもよい。
シリンダヘッド3には吸気ポート32および排気ポート33が形成されている。また、吸気弁4および排気弁5が設けられている。吸気ポート32と排気ポート33とはともに燃焼室Eに開口している。吸気ポート32は燃焼室Eに吸気を導き、排気ポート33は燃焼室Eのガスを排気する。吸気弁4は吸気ポート32を開閉し、排気弁5は排気ポート33を開閉する。
吸気ポート32は具体的には吸気弁4とともに燃焼室Eに対して複数(ここでは2つ)設けられている。排気ポート33も排気弁5とともに燃焼室Eに対して複数(ここでは2つ)設けられている。各吸気ポート32は互いに独立した独立ポートであってもよく、燃焼室Eに対して途中で複数に分岐して開口するサイアミーズポートの一部であってもよい。各吸気ポート32の具体的な形状は互いに異なっていてよい。これらのことは各排気ポート33についても同様である。
シリンダヘッド3にはさらに燃料噴射弁6が設けられている。燃料噴射弁6は燃焼室Eに燃料を噴射する。燃料噴射弁6は噴孔部61を備えている。噴孔部61は燃焼室E上部のうち中央の部分に露出している。燃料噴射弁6はペントルーフ形状の頂部に設けられている。したがって、燃料噴射弁6の方向Xに沿った位置は中央部31が有するペントルーフ形状の頂部に合わせて設定されている。このため、燃料噴射弁6は具体的には方向Xにおいて中心軸線P1から排気側にオフセットした位置に設けられている。
図3は噴孔部61を示す図である。噴孔部61には噴孔611が設けられている。噴孔部61は燃料噴射弁6のうち噴孔611が設けられている部分であり、中心軸線P2を有している。中心軸線P2は燃料噴射弁6の中心軸線に相当する。噴孔部61は具体的には燃料噴射弁6が備えるノズルボディの先端部となっている。噴孔611は噴孔部61の周方向に沿って複数設けられている。
図4はピストン7の外観図である。図5はピストン7の上面図である。図6は図5に示すB−B断面でピストン7を見た図である。図7は図5に示すC−C断面でピストン7を見た図である。図4から図7では前述した内燃機関1における上下方向や方向Xや方向Yのほか、吸気側、排気側、フロント側およびリア側の表示によって内燃機関1におけるピストン7の向きを示す。以下に示す説明においては、内燃機関1における状態についても考慮しながらピストン7について説明する。このため、以下に示す説明においても必要に応じてこれらの表示に従ってピストン7について説明する。
ピストン7はキャビティ71を備えている。キャビティ71はピストン7の頂部に設けられている。このため、キャビティ71は内燃機関1において燃焼室Eに曝される。キャビティ71は燃料噴射弁6に合わせて設けられている。具体的にはキャビティ71の方向Xに沿った位置は燃料噴射弁6に合わせて設定されている。このため、キャビティ71はピストン7の中心軸線である中心軸線P3から方向Xにおいて排気側にオフセットした位置に設けられている。
ピストン7は内燃機関1において中心軸線P3が中心軸線P1と同一の位置に配置されるように設けられる。同一であることは製造誤差の範囲内で互いに異なる場合を含む。同一であることはさらに本発明の作用効果を奏することが可能な範囲内で異なる場合を含むことができる。これは以下でも同様である。
ピストン7は上記のように設けられることで、内燃機関1において中心軸線P3が中心軸線P2と異なる位置に配置されるように設けられる。したがって、内燃機関1において中心軸線P2は中心軸線P3と異なる位置に設定されている。ピストン7が上記のように設けられる内燃機関1では、ペントルーフ形状の頂部の中心が方向Xにおいて中心軸線P3からオフセットした位置に設けられている。
キャビティ71は周縁部711と底壁面712と中間部713とを備えている。周縁部711はキャビティ71の側壁面を有している。底壁面712は中央部31が有するペントルーフ形状に合わせて***した形状を有している。底壁面712はキャビティ底壁面に相当する。中間部713は周縁部711、底壁面712間に設けられ、周縁部711と底壁面712とを接続している。
底壁面712は具体的には傾斜部712aと中央頂部712bとを備えている。傾斜部712aは中心軸線P2を含む断面における傾斜度合いがキャビティ71の周方向に沿って変化する傾斜面を有している。当該傾斜度合いは中心軸線P2を含む各断面において、中央部31が有するペントルーフ形状の傾斜度合いに応じて設定されている。中央頂部712bは平坦な面を有している。中央頂部712bはキャビティ71の中央に位置する部分であり、傾斜部712aに上方から隣接して設けられている。中央頂部712bは必ずしも平坦な面を有していなくてもよい。
ピストン7はさらにスキッシュ部Sを備えている。スキッシュ部Sは燃焼室Eにスキッシュ領域を形成する。スキッシュ部Sはテーパ壁面TPを備えている。テーパ壁面TPは一周に亘って設けられている。テーパ壁面TPは周縁部711が有するキャビティ71の側壁面との合流部分に下端部TPBを有している。
図8は断面形状Fの第1の説明図である。図9は断面形状Fの第2の説明図である。図8では図5に示すB−B断面と同様の断面で内燃機関1の要部を示す。図9では図6に示すC−C断面と同様の断面で内燃機関1の要部を示す。
キャビティ71は断面形状Fを有している。断面形状Fは中心軸線P2を含む内燃機関1の断面が有する片断面Mに含まれる断面形状であり、全周に亘って同一の形状になるように形成されている。片断面Mは中心軸線P2を含む内燃機関1の断面のうち中心軸線P2を間に挟んで一方または他方の側の断面である。断面形状Fは具体的には中心軸線P2を中心とする周方向において、全周に亘って同一の形状になるように形成されている。かかる断面形状Fは具体的には次のように設定されている。
すなわち、まず片断面Mにおいて、周縁部711が有するキャビティ71の側壁面と底壁面311とのなす角度αが、全周に亘って同一(ここでは90°)になるように設けられている。また、片断面Mにおける部分Bと底壁面311との間の距離であって、底壁面311に直交する方向に沿った距離hが、全周に亘って同一になるように設けられている。部分Bはキャビティ71の底部のうち底壁面311に沿って延伸する直線に正接する部分である。
また、片断面Mにおける噴孔中心Oおよび周縁部711間の距離であって、周縁部711が有するキャビティ71の側壁面に直交する方向に沿った距離Lが、全周に亘って同一になるように設けられている。また、片断面Mにおける底壁面311に直交する方向に沿った距離であって、底壁面311と傾斜部712aのうち所定の部分との間の距離dが、全周に亘って同一になるように設けられている。
当該所定の部分は片断面Mにおいて、底壁面311のうち噴孔中心Oから底壁面311に沿って距離rだけ離れた部分から、底壁面311に直交する方向に沿って延伸する直線が、傾斜部712aと交わる部分となっている。噴孔中心Oは噴孔部61および中心軸線P2に含まれる点とすることができる。
このように設定される断面形状Fは、キャビティ71のうち中央頂部712bを除く部分の断面形状となっている。断面形状Fはさらにキャビティ71のうち中央頂部712bに隣接する部分を除く部分の断面形状であってよい。換言すれば、断面形状Fはキャビティ71のうち中央頂部を除く部分の断面形状であって、当該中央頂部を中央頂部712bおよび中央頂部712bに隣接する部分とする断面形状であってよい。断面形状Fは所定の断面形状に相当する。
図10はテーパ壁面TPの第1の説明図である。図11はテーパ壁面TPの第2の説明図である。図10では図8と同様に内燃機関1の要部を示す。図11では図9と同様に内燃機関1の要部を示す。テーパ壁面TPは片断面Mにおいて底壁面311となす角度θが全周に亘って同一になるように設けられている。また、テーパ壁面TPは片断面Mにおける下端部TPBおよび底壁面311間の距離であって、底壁面311に直交する方向に沿った距離aが全周に亘って同一になるように設けられている。
次に内燃機関1の主な作用効果について説明する。内燃機関1では、スキッシュ部の形状を考慮して上述のようにテーパ壁面TPを設定している。そして、かかる構成の内燃機関1は燃料噴霧同士の間で周縁部711に衝突した後の挙動の同一性向上を図ることで、空気利用率の均一性向上を図ることができる。同時に内燃機関1は、テーパ壁面TPによってスキッシュ領域の空気利用が促進される分、空気利用率の向上を図ることもできる。
内燃機関1は具体的にはさらに断面形状Fを有する構成であることで、片断面Mそれぞれの間において、テーパ壁面TPの断面形状に連なる断面形状Fを同一にすることができる。結果、燃料噴霧同士の間で周縁部711に衝突した後の挙動の同一性向上を好適に図ることができる。
内燃機関1は具体的には図8、図9を用いて前述したように断面形状Fを設定することで、燃料噴射弁6がペントルーフ形状の頂部に設けられるとともに、ペントルーフ形状の頂部の中心が方向Xにおいて中心軸線P3からオフセットした位置に設けられている場合であっても、片断面Mそれぞれの間において断面形状Fが同一の形状になるようにキャビティ71を形成することができる。
すなわち、ここで上記のような場合には、例えば図8に示す断面において中央部31が有するペントルーフ形状の傾斜度合いが吸気側と排気側とで異なってくる。これに対し、内燃機関1は図8、図9を用いて前述したように断面形状Fを設定することで、上記のような場合であっても片断面Mそれぞれの間において断面形状Fが同一の形状になるようにキャビティ71を形成することができる。この点、前述した特許文献1ではかかる場合に適切な断面形状Fの具体的な設定方法については特に開示されていない。
内燃機関1は火花点火式内燃機関との間でシリンダヘッド3の共通性向上や共用化を図ることで、製造コストの低減を図ることができる。一方、火花点火式内燃機関では一般に吸気弁のほうが排気弁よりもバルブ径が大きく設定される結果、ペントルーフ形状の傾きが吸気側と排気側とで異なってくる。このため、燃料噴射弁6がペントルーフ形状の頂部に設けられるとともに、ペントルーフ形状の頂部の中心が方向Xにおいて中心軸線P3からオフセットした位置に設けられている内燃機関1は、火花点火式内燃機関との間でのシリンダヘッド3の共通性向上や共用化による製造コストの低減を図るのに適している。
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
内燃機関 1
シリンダヘッド 3
中央部 31
底壁面(ヘッド底壁面) 311
燃料噴射弁 6
噴孔部 61
ピストン 7
キャビティ 71
底壁面(キャビティ底壁面) 712
シリンダヘッド 3
中央部 31
底壁面(ヘッド底壁面) 311
燃料噴射弁 6
噴孔部 61
ピストン 7
キャビティ 71
底壁面(キャビティ底壁面) 712
Claims (1)
- 燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記燃焼室を形成する部分である中央部を有するシリンダヘッドと、
前記燃焼室に曝されるキャビティが設けられているピストンとを備え、
前記中央部がペントルーフ形状を有するヘッド底壁面を備えるとともに、前記キャビティが前記ペントルーフ形状に合わせて***した形状を有するキャビティ底壁面を備え、
前記燃料噴射弁が前記ペントルーフ形状の頂部に設けられるとともに、前記ペントルーフ形状の頂部の中心が吸排気方向において前記ピストンの中心軸線からオフセットした位置に設けられており、
前記ピストンが前記燃焼室にスキッシュ領域を形成するスキッシュ部にテーパ壁面を備え、
前記テーパ壁面が前記キャビティの側壁面との合流部分に下端部を有し、前記燃料噴射弁の中心軸線を含む断面が有する片断面において前記ヘッド底壁面となす角度が全周に亘って同一になるように設けられ、且つ、前記片断面における前記下端部および前記ヘッド底壁面間の距離であって、前記ヘッド底壁面に直交する方向に沿った距離が全周に亘って同一になるように設けられている圧縮着火式内燃機関。
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