JP7005974B2 - 直噴式内燃機関の燃焼室構造 - Google Patents

Description

本発明は直噴式内燃機関の燃焼室構造に係り、特に、ディーゼルエンジンに好適な燃焼室構造に関する。

例えばディーゼルエンジンである直噴式内燃機関の燃焼室構造は一般的に、ピストン頂面の中央部に凹設されたキャビティを備える。そしてこのキャビティに向かって圧縮上死点付近で燃料を噴射することにより筒内で燃料を自着火させるようにしている。

特開平２－１４９７１９号公報 特開平３－２７９６１７号公報 特開２００６－１２５３８８号公報

多くの場合、キャビティの半径方向外側に位置するピストン頂面の外周部は単純な平面すなわち平坦面である。しかし本発明者の鋭意研究の結果に依れば、こうした平面であるとその上方の空間の空気を効率的に利用できず、スモーク抑制に不利であることが判明した。

そこで本発明は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、スモークを効果的に抑制できる直噴式内燃機関の燃焼室構造を提供することにある。

本発明の一の態様によれば、
ピストン頂面の中央部に凹設されたキャビティと、
前記キャビティの半径方向外側に位置された前記ピストン頂面の外周部と、
を備え、
前記ピストン頂面の外周部は、
前記キャビティを画成するキャビティ内壁に接続され、その半径方向外側に位置された第１テーパ面部と、
前記第１テーパ面部に接続されると共にその半径方向外側に位置され、ピストン中心軸に垂直な仮想平面に対し、前記第１テーパ面部より大きい傾斜角を有する第２テーパ面部と、
を備え、
ピストンの下降中にリッチ領域が前記第１テーパ面部および前記第２テーパ面部に順に沿って半径方向外側に移動するとき、前記リッチ領域の移動に合わせて縦方向の渦流を移動させるよう、前記第１テーパ面部および前記第２テーパ面部が形成されている
ことを特徴とする直噴式内燃機関の燃焼室構造が提供される。

好ましくは、前記ピストン頂面の外周部は、前記第２テーパ面部に接続されると共にその半径方向外側に位置され、ピストン中心軸に垂直な平面部をさらに備える。

好ましくは、前記キャビティ内壁は底壁部を有し、前記底壁部は、ピストン中心軸に近づくにつれ徐々に高くなる斜面部を有し、
前記斜面部は、
その半径方向外側に位置され、前記底壁部の上方に第１曲率半径の中心を有する断面円弧状に形成された第１湾曲面部と、
前記第１湾曲面部に接続されると共にその半径方向内側に位置され、前記底壁部の下方に第２曲率半径の中心を有する断面円弧状に形成された第２湾曲面部と、
を備える。

好ましくは、前記第２曲率半径は、前記第１曲率半径より大きい。

好ましくは、前記キャビティは、リエントラント型キャビティである。

本発明によれば、スモークを効果的に抑制できる。

本発明の実施形態のピストンを示す縦断面図である。 第１特定タイミングにおける燃焼室の内部の様子を示す縦断面図である。 第２特定タイミングにおける燃焼室の内部の様子を示す縦断面図である。 第３特定タイミングにおける燃焼室の内部の様子を示す縦断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお本発明は以下の実施形態に限定されない点に留意されたい。

本実施形態に係る燃焼室構造は、直噴式内燃機関の代表例であるディーゼルエンジンに適用される。エンジンは車両用であり、特にトラック等の大型車両の車両動力源として使用される。しかしながら、内燃機関および車両の種類、用途等はこれらに限定されない。例えば車両は乗用車等の小型車両であってもよいし、エンジンはガソリンエンジンであってもよい。

図２に示すように、本実施形態の燃焼室構造１は、ピストン２と、ピストン２が昇降可能かつ同軸に収容されたシリンダ３と、シリンダ３の上端開口を閉じるシリンダヘッド４と、ピストン２の外周面に装着された複数（本実施形態では三つ、一つのみ図示）のピストンリング５と、これらにより画成された閉空間である燃焼室６とを備える。また図１に示すように、燃焼室構造１は、シリンダヘッド４に取り付けられ燃焼室６内に燃料を噴射するインジェクタ７を備える。

図１に示すように、ピストン２は、概ねピストン中心軸Ｃに対し軸対称となるよう構成されている。特に断らない限り、ピストン中心軸Ｃを基準とした軸方向、半径方向および周方向を単に軸方向、半径方向および周方向という。ピストン２は、頂面（ピストン頂面）８と外周面９とを有する。外周面９にはピストンリング５を嵌合させるための複数（本実施形態では三つ）のリング溝１０が形成される。

ピストン２は、頂面８の中央部に凹設されたキャビティ１１を有する。本実施形態のキャビティ１１はリエントラント型キャビティであり、下方の底部側に対し上方の入口側が絞られた形状となっている。キャビティ１１はキャビティ内壁３０によって画成される。キャビティ内壁３０は、キャビティ１１の入口部を画成すると共に頂面８に連続して接続され、半径方向内側に突出するリップ部１２と、リップ部１２に連続して接続され、リップ部１２の下方でアンダーカット状に拡径する側壁部１３と、側壁部１３に連続して接続された底壁部１４とを備える。頂面８とリップ部１２の接続位置（もしくは境界位置）をａで示し、リップ部１２と側壁部１３の接続位置をｂで示し、側壁部１３と底壁部１４の接続位置をｃで示す。

リップ部１２の断面形状は曲率半径Ｒ１を有する円弧状とされ、側壁部１３の断面形状も曲率半径Ｒ２を有する円弧状とされる。Ｒ１＜Ｒ２である。なおリップ部１２の断面形状は、円弧と円弧の間に直線を挟んだ形状であってもよい。底壁部１４の断面形状は山形とされる。底壁部１４は、ピストン中心軸Ｃに近づくにつれ徐々に高くなる斜面部１６を有する。斜面部１６は、側壁部１３と底壁部１４の接続位置ｃから、ピストン中心軸Ｃ上に位置する底壁部１４の頂点位置ｄまで延びている。

斜面部１６は、その半径方向外側に位置された第１湾曲面部３１と、第１湾曲面部３１に連続して接続されると共に第１湾曲面部３１の半径方向内側に位置された第２湾曲面部３２とを備える。第１湾曲面部３１と第２湾曲面部３２の接続位置をｅで示す。第１湾曲面部３１は、底壁部１４もしくは斜面部１６の上方に第１曲率半径Ｒ３の中心もしくは基点Ｓ３を有する断面円弧状に形成されている。他方、第２湾曲面部３２は、底壁部１４もしくは斜面部１６の下方に第２曲率半径Ｒ４の中心もしくは基点Ｓ４を有する断面円弧状に形成されている。従って、第１湾曲面部３１と第２湾曲面部３２は、巨視的に見れば全体でＳ字状の断面形状を有し、端的に言えば、互いに逆方向のアールを接続位置ｅで繋いだ断面形状となっている。

なお、図示する曲率半径の長さおよび向き、ならびに曲率半径の中心の位置は、概略的に示されたものであり、正確でない点に留意されたい。

本実施形態の場合、第２曲率半径Ｒ４は第１曲率半径Ｒ３より大きい。第１湾曲面部３１は斜面部１６の最も半径方向外側に位置され、接続位置ｃにおいて側壁部１３に直接かつ連続して接続されている。第２湾曲面部３２は、第１湾曲面部３１との接続位置ｅから底壁部１４の頂点位置ｄまで延びており、つまり第１湾曲面部３１の部分を除く斜面部１６もしくは底壁部１４の全体が第２湾曲面部３２となっている。

なお「連続して接続」とは、接続位置にできるだけ段差や凹凸が生じないような滑らかな接続態様をいう。こうした滑らかな接続を行うことにより、燃焼室内ガスの接続位置における滞留を抑制し、流動を活発化させ、燃焼を良好に行うことができる。

側壁部１３の半径方向外側に位置するピストン２の内部には、ピストン２を冷却するためのオイルが流される冷却通路１７が形成される。冷却通路１７はキャビティ１１を囲繞するリング状とされる。冷却通路１７には、ピストン２の下側からピストン２に向けてオイルジェット（図示せず）により上向きに吹き出されたオイルが導入され、導入されたオイルの排出を行うオイル出口穴１８が、冷却通路１７とピストン２の下面１９との間を貫通して形成される。

キャビティ１１の半径方向外側に位置する頂面８は、頂面８の外周部２０をなす。具体的には、頂面外周部２０は、頂面８とリップ部１２の境界位置ａより半径方向外側に位置された頂面８の部分である。

この頂面外周部２０は、リップ部１２に連続して接続され、リップ部１２の半径方向外側に位置された第１テーパ面部２１と、第１テーパ面部２１に接続されると共にその半径方向外側に位置された第２テーパ面部２２とを備える。また本実施形態の頂面外周部２０は、第２テーパ面部２２に接続されると共にその半径方向外側に位置された平面部２３をさらに備える。

第１テーパ面部２１は、ピストン中心軸Ｃに垂直な仮想平面ｆに対して第１傾斜角θ１だけ傾斜されたテーパ面により形成される。同様に第２テーパ面部２２は、ピストン中心軸Ｃに垂直な仮想平面ｆに対して第２傾斜角θ２だけ傾斜されたテーパ面により形成される。第２傾斜角θ２は第１傾斜角θ１より大きく、従って第２テーパ面部２２は第１テーパ面部２１より大きい傾斜角θ２を有する。第１テーパ面部２１および第２テーパ面部２２は、半径方向外側に向かうにつれ高さが高くなるテーパ面とされる。従って半径方向外側に向かうにつれ、テーパ面部の傾斜角は段階的にきつくなり、第１テーパ面部２１および第２テーパ面部２２は二段テーパを形成する。

第１傾斜角θ１は、ゼロより若干大きい値を有し、例えば約１０°である。第２傾斜角θ１は、９０°より小さい値を有し、例えば約３０°である。

他方、平面部２３は、ピストン中心軸Ｃに垂直な平面もしくは平坦面により形成される。平面部２３は外周面９の位置まで半径方向外側に延びている。半径方向における平面部２３の幅は、第１テーパ面部２１および第２テーパ面部２２の合計幅と同程度とされている。

インジェクタ７は、図１に示すように、ピストン中心軸Ｃすなわちシリンダ中心軸に同軸になるよう配置される。またインジェクタ７は、矢印ｇで示すように、ピストン２が圧縮上死点またはその近傍に位置するときに、リップ部１２の頂部、すなわち最も半径方向内側に位置する部分に向かって燃料を噴射するよう配置および指向されている。なおリップ部１２の頂部の若干下側に向かって燃料を噴射してもよい。

次に、本実施形態の作用効果を説明する。

図２は、インジェクタ７からの燃料噴射後で且つピストン２が下降中であるときの第１特定タイミング（例えば圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）１５°ＣＡ）における燃焼室６の内部の様子を示す。線ｈは、燃焼室６内におけるガスの当量比が第１値以上となっている第１領域Ａの外縁を示し、線ｉは、ガスの当量比が第２値以上となっている第２領域Ｂの外縁を示す。ここでガスとは、空気と燃料の混合気、または空気を指す総称である。当量比とは燃料と空気の混合割合もしくは混合比をいい、当該混合比が理論空燃比のとき当量比は１で、当該混合比が燃料増加側（リッチ側）になるほど当量比の値は大きくなる。図示例の場合、第１値は約１、第２値は約２であり、第２領域Ｂは第１領域Ａより相対的にリッチな領域である。また第２領域Ｂは燃焼室６内全体で見ても最もリッチな領域である。従ってここでは第２領域Ｂをリッチ領域と称する。

図から理解されるように、インジェクタ７から半径方向外側且つ斜め下向きに噴射された燃料は、リップ部１２に衝突して上方と下方に分岐ないし分流される。下方に分岐した燃料は、側壁部１３へと流れ、その過程で周囲の空気と混合しながら混合気を形成する。他方、上方に分岐した燃料は、頂面外周部２０に沿って半径方向外側に向かって流れ、その過程で周囲の空気と混合しながら混合気を形成する。図示のタイミングでは、リッチ領域Ｂが、リップ部１２と、リップ部１２付近に位置する第１テーパ面部２１および側壁部１３とを覆って、それらの周辺に存在する。なお図示のタイミングで着火が生じていることもあるが、ここでは説明の便宜上、着火は生じていないものとする。

リップ部１２の上方に分岐する燃料の流れに駆動されて、頂面外周部２０上を半径方向外側に向かうガスの流れが発生する。このガスは、リップ部１２から第１テーパ面部２１に移動する際に剥離し、縦方向（もしくは上下方向）の渦流ｊを発生させる。リッチ領域Ｂと渦流ｊの位置が合っているので、リッチ領域Ｂ内の濃い混合気が、その上方に位置する薄い混合気または空気と、渦流ｊにより積極的に攪拌混合される。これにより燃料と空気の攪拌混合を促進し、頂面外周部２０とシリンダヘッド４の隙間、すなわち頂面外周部２０の上方の空間における空気の利用率を高めることができる。

次いで、ピストン２がさらに下降すると図３に示すような状態となる。図３は、第１特定タイミングより後の第２特定タイミング（例えばＡＴＤＣ２５°ＣＡ）における燃焼室６の内部の様子を示す。先のリップ部１２周辺のリッチ領域Ｂはさらに拡がり、リップ部１２の上方では、第２テーパ面部２２まで到達している。

その一方で、先の渦流ｊも、リッチ領域Ｂの移動に合わせて半径方向外側に移動し、リッチ領域Ｂと同様に第２テーパ面部２２まで到達している。リッチ領域Ｂの移動中、渦流ｊの少なくとも一部はリッチ領域Ｂ内に位置される。従って、リッチ領域Ｂが第１テーパ面部２１から第２テーパ面部２２に移動するのに合わせて、或いはそれと連動して、渦流ｊを移動させることができ、その移動中に渦流ｊを利用して、リッチ領域Ｂ内の濃い混合気と、その上方の薄い混合気または空気とを積極的に攪拌混合できる。

それ故、頂面外周部２０とシリンダヘッド４の隙間、すなわち頂面外周部２０の上方の空間における空気の利用率を高めることができ、スモークを効果的に抑制できる。

このように本実施形態では、ピストン２の下降中にリッチ領域Ｂが第１テーパ面部２１および第２テーパ面部２２に順に沿って半径方向外側に移動するとき、リッチ領域Ｂの移動に合わせて縦方向の渦流ｊを移動させるよう、第１テーパ面部２１および第２テーパ面部２２が形成されている。このため、頂面外周部２０の上方の空間における空気の利用率を高めることができ、スモークを効果的に抑制できる。また併せて、燃焼を改善し、燃費を向上できる。

リッチ領域Ｂおよび渦流ｊが第２テーパ面部２２に到達すると、第２テーパ面部２２の傾斜がきついため、リッチ領域Ｂおよび渦流ｊの半径方向外側への移動が少なからず阻害され、それらが停滞気味となる。よってそれらがシリンダ３の内壁まで到達してその付近に滞留するのを抑制できる。すなわちそれらがシリンダ内壁付近に滞留すると、攪拌混合しづらくなり、利用できる空気が限定的となるが、それらが第２テーパ面部２２付近に停滞すれば、頂面外周部２０の半径方向中央部付近で攪拌混合できるので、その周りの空気を有効利用し、空気利用率を高められる。よってスモーク抑制に有利である。

平面部２３を設けたことにより、第２テーパ面部２２をシリンダ３の内壁から一定距離離間させ、こうした中央部付近での攪拌混合を促進し、空気利用率を向上してスモークを抑制できる。

次いで、ピストン２がさらに下降すると図４に示すような状態となる。図４は、第２特定タイミングより後の第３特定タイミング（例えばＡＴＤＣ４５°ＣＡ）における燃焼室６の内部の様子を示す。

この段階では、燃焼室６内における混合気の希薄化が進み、もはやリッチ領域Ｂは消失し、より当量比の小さい（リーンな）第１領域Ａのみが存在する。

リップ部１２から下方に分岐した燃料は、側壁部１３を経て斜面部１６に流れ、その過程で周囲の空気と混合して混合気を形成する。混合気は、徐々に周囲の空気と混合して希薄化しながら、斜面部１６上を半径方向内側に向かって流れる。この流れは、概ね、符号ｍで示すような斜面部１６に沿う流れである。

混合気は、第１湾曲面部３１および第２湾曲面部３２を順次通過する。しかし、これらが全体でＳ字断面形状を有することから、混合気が第１湾曲面部３１から第２湾曲面部３２に移動し、あるいは乗り移る際、符号ｋで示すような剥離流が発生する。すなわち第１湾曲面部３１に沿って流れていた混合気が、第２湾曲面部３２に乗り移る時に、第２湾曲面部３２の湾曲形状が逆であるために、第２湾曲面部３２に一部追従できず、剥離する。これによって接続位置ｅの直後の下流側に上向きの剥離流ｋが発生する。

この混合気の剥離流ｋは、接続位置ｅの上方の空間ｎにある空気と良好に混合する。従って当該空間ｎの空気を有効利用し、空気利用率を高めることができる。また剥離流ｋは、斜面部１６上に付着する燃料を引き剥がして空気と混合させる効果もある。よって燃料と空気の混合を促進し、スモークを抑制できる。

第２曲率半径Ｒ４が第１曲率半径Ｒ３より大きいため、第１湾曲面部３１の湾曲の方が第２湾曲面部３２の湾曲よりきつくなる。このため、これらの接続位置ｅにおける剥離を促進し、剥離流ｋを効果的に発生させて空気利用率を高めることができる。

以上、本発明の実施形態を詳細に述べたが、本発明は以下のような他の実施形態も可能である。

（１）例えばキャビティはリエントラント型以外の形状であってもよく、浅皿型、トロイダル型等であってもよい。

（２）上記実施形態では、第１湾曲面部３１を側壁部１３に直接的に接続している。しかしながら、第１湾曲面部３１と側壁部１３の間に、両者の円弧状断面を滑らかに繋ぐ緩和曲線部を設け、第１湾曲面部３１を間接的に側壁部１３に接続してもよい。緩和曲線部は、断面視において、第１湾曲面部３１との接続位置で第１湾曲面部３１と同じ曲率半径Ｒ３を有し、側壁部１３との接続位置で側壁部１３と同じ曲率半径Ｒ２を有し、第１湾曲面部３１との接続位置から側壁部１３との接続位置にかけてＲ３からＲ２に連続的に変化する曲率半径を有する。こうすると、混合気が側壁部１３から第１湾曲面部３１に移動する際の移動をスムーズに行える可能性がある。

（３）上記実施形態では、第２湾曲面部３２が、第１湾曲面部３１との接続位置ｅから底壁部１４の頂点位置ｄまで延びており、第１湾曲面部３１の部分を除く斜面部１６全体もしくは底壁部１４全体が第２湾曲面部３２となっている。しかしながら、第２湾曲面部３２は少なくとも第１湾曲面部３１との接続位置ｅ付近にあればよく、接続位置ｅからピストン中心軸Ｃ側に比較的離れた部位に、必ずしも第２湾曲面部３２を設ける必要はない。従ってその部位の底壁部１４、すなわち底壁部１４の中心側の頂部の形状を変更することが可能である。例えば当該頂部を、ピストン中心軸Ｃに垂直な平面状にしてもよい。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１ 燃焼室構造
２ ピストン
８ 頂面
１１ キャビティ
２０ 外周部
２１ 第１テーパ面部
２２ 第２テーパ面部
３０ キャビティ内壁
Ｂ リッチ領域
Ｃ ピストン中心軸
ｆ 仮想平面
ｊ 渦流
θ１、θ２ 傾斜角

Claims (1)

1. ピストン頂面の中央部に凹設されキャビティ内壁によって画成されるリエントラント型キャビティと、
   前記キャビティの半径方向外側に位置された前記ピストン頂面の外周部と、
   を備え、
   前記キャビティ内壁は、前記キャビティの入口部を画成し半径方向内側に突出するリップ部と、前記リップ部に接続され前記リップ部の下方でアンダーカット状に拡径する側壁部と、前記側壁部に接続された底壁部とを備え、
   前記底壁部は、ピストン中心軸に近づくにつれ徐々に高くなる斜面部を有し、
   前記斜面部は、
   その半径方向外側に位置され、前記底壁部の上方に第１曲率半径の中心を有する断面円弧状に形成された第１湾曲面部と、
   前記第１湾曲面部に直接接続されると共にその半径方向内側に位置され、前記底壁部の下方に、前記第１曲率半径より大きい第２曲率半径の中心を有する断面円弧状に形成された第２湾曲面部と、
   を備え、
   前記ピストン頂面の外周部は、
   前記リップ部に接続され、前記リップ部の半径方向外側に位置された平坦な第１テーパ面部と、
   前記第１テーパ面部に接続されると共にその半径方向外側に位置され、ピストン中心軸に垂直な仮想平面に対し、前記第１テーパ面部より大きい傾斜角を有する平坦な第２テーパ面部と、
   前記第２テーパ面部に接続されると共にその半径方向外側に位置され、ピストン中心軸に垂直で、ピストン外周面の位置まで半径方向外側に延びる平面部と、
   を備え、
   ピストンの下降中に、ガスの当量比が２以上のリッチ領域が前記第１テーパ面部および前記第２テーパ面部に順に沿って半径方向外側に移動するとき、前記リッチ領域の移動に合わせて縦方向の渦流を前記第１テーパ面部から前記第２テーパ面部へと移動させ、その移動中に前記渦流を、前記リッチ領域から、前記リッチ領域の上方に位置しガスの当量比が１以上２未満の第１領域へと移動させ、前記渦流を利用して前記リッチ領域内の混合気と前記第１領域内の混合気とを混合するよう、前記第１テーパ面部および前記第２テーパ面部が形成されており、
   燃料噴射後且つピストン下降中の第１特定タイミングにおいて、前記リップ部に衝突した燃料に起因する前記リッチ領域が、前記リップ部と、前記リップ部付近に位置する前記第１テーパ面部および前記側壁部とを覆ってそれらの周辺に形成され、衝突後に上方に分岐した燃料の流れに駆動されて半径方向外側に向かうガスが、前記リップ部から前記第１テーパ面部に移動する際に剥離し、少なくとも一部が前記リッチ領域内に位置される縦方向の渦流が前記第１テーパ面部上に発生し、当該渦流により、前記リッチ領域内の混合気が前記第１領域内の混合気と混合され、
   その後の第２特定タイミングにおいて、前記リッチ領域がさらに拡がって前記第２テーパ面部まで到達し、前記渦流も、前記リッチ領域の移動に合わせて前記第２テーパ面部まで到達し、前記第２テーパ面部上で当該渦流により、前記リッチ領域内の混合気が前記第１領域内の混合気と混合され、
   その後の第３特定タイミングにおいて、前記リッチ領域が消失し、衝突後に下方に分岐した燃料に起因して前記側壁部を経て前記斜面部に流れる混合気が、前記第１湾曲面部から前記第２湾曲面部に移動する際、上向きの剥離流が発生し、当該剥離流により、前記第１湾曲面部と前記第２湾曲面部の接続位置の上方の空間にある空気が混合気と混合される
   ことを特徴とする直噴式内燃機関の燃焼室構造。

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