WO2018180129A1 - 火花点火式内燃機関 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a spark ignition internal combustion engine, and more particularly, to a spark ignition internal combustion engine in which a raised portion is provided on the top surface of a piston and a cavity is provided at a position corresponding to the spark plug in the raised portion.
- the cylinder head 4 is formed with an intake port 15 and an exhaust port 16 that open to the intake-side inclined surface 13 and the exhaust-side inclined surface 14 of the ceiling surface 12, respectively.
- Two intake ports 15 and exhaust ports 16 are provided for each cylinder 2, and the two intake ports 15 and exhaust ports 16 are separated from each other in a direction perpendicular to the central axis 2 a of the cylinder 2 (axial direction of the crankshaft 6). It is provided to do.
- the fuel injection valve 24 is connected to a fuel supply pipe 28 through which fuel pumped from a fuel supply system (not shown) including a fuel tank, a fuel pump, and the like flows.
- the fuel injection valve 24 is disposed between the two intake ports 15 and has a front end surface 27 exposed to the combustion chamber 8.
- the fuel injection valve 24 is disposed such that the front end surface 27 faces obliquely downward, and injects fuel from the front end surface 27 toward the top surface 10 of the piston 5 at a predetermined timing.
- spark ignition by the spark plug 25 is executed in the second half of the compression stroke and in the vicinity of the compression top dead center, and the air-fuel mixture is combusted. Spark ignition is performed, for example, when the crank angle is 340 degrees.
- fuel is injected in two portions, and an air-fuel mixture having a relatively high fuel concentration is formed around the spark plug 25 at the time of spark ignition, so that combustion stability is sufficiently high. It is supposed to be.
- the engine 1 has a geometric compression ratio that is a ratio of the volume of the combustion chamber 8 when the piston 5 is at the top dead center and the volume of the combustion chamber 8 when the piston 5 is at the bottom dead center. Is set to 12 or more.
- the top surface 10 of the piston 5 includes a base surface 30 that is orthogonal to the central axis 2 a of the cylinder 2, and a raised portion 31 that protrudes above the base surface 30 (on the cylinder head 4 side). And have.
- the raised portion 31 is raised so as to be higher toward the center side of the piston 5 along the ceiling surface 12 of the combustion chamber 8.
- a cavity 40 that is recessed downward is formed at a position corresponding to the spark plug 25 in the center of the raised portion 31.
- the raised portion 31 extends between the intake-side inclined surface 34 and the exhaust-side inclined surface 35, and a pair of ring-shaped upper surfaces 36 extending along the peripheral edge of the cavity 40 while being inclined from the upper surface 36 toward the outer peripheral side of the piston 5.
- the upper surface 36 is formed in a flat shape parallel to the base surface 30 in the central portion of the piston 5 (around the cavity 40).
- the pair of side surfaces 37 are formed in a conical surface shape.
- the cavity 40 is formed so as to delay interference with a virtual spherical surface 25c simulating a flame that grows in a spherical shape from the central ignition point 25b between the electrodes 25a of the spark plug 25.
- the cavity 40 has a circular flat bottom surface portion 41 and a substantially cylindrical peripheral surface portion 42 that rises upward from the periphery of the bottom surface portion 41.
- the peripheral surface portion 42 is smoothly connected to the bottom surface portion 41 by forming a lower portion thereof in a curved shape in a sectional view.
- the peripheral surface portion 42 of the cavity 40 can also be formed in a shape that coincides with at least a part of the phantom spherical surface 25c.
- a notch 34 a is provided at the upper end of the intake side inclined surface 34 of the piston 5, in other words, at a part of the peripheral side of the cavity 40 on the intake side.
- the fuel spray F ⁇ b> 1 injected from the first injection port 24 a of the fuel injection valve 24 during the second injection passes through the notch 34 a and collides with the peripheral surface 42 on the exhaust side of the cavity 40.
- the spray F ⁇ b> 1 that has collided with the peripheral surface portion 42 is guided upward by the peripheral surface portion 42 and moves toward the electrode 25 a of the spark plug 25.
- the intake side inclined surface 34 and the exhaust side inclined surface 35 have an angle ⁇ 4 formed by the exhaust side inclined surface 35 and the side surface 37, and an angle ⁇ 3 formed by the intake side inclined surface 34 and the side surface 37, respectively.
- the angle difference ( ⁇ 4 ⁇ 3) between the angle ⁇ 4 formed by the exhaust side inclined surface 35 and the side surface 37 and the angle ⁇ 3 formed by the intake side inclined surface 34 and the side surface 37 is 5 degrees. It is formed as described above. For example, the angle ⁇ 3 formed between the intake side inclined surface 34 and the side surface 37 is set to 162.4 degrees, and the angle ⁇ 4 formed between the exhaust side inclined surface 35 and the side surface 37 is set to 169.8 degrees. The angle difference ( ⁇ 4 ⁇ 3) between the two is set to 7.4 degrees.
- the length L1 of the intake side inclined surface 34 is defined by the boundary edge between the intake side inclined surface 34 and the intake side horizontal surface 32 and the boundary edge between the intake side inclined surface 34 and the upper surface 36. Is the length between.
- the length L2 of the exhaust side inclined surface 35 is the length between the boundary edge between the exhaust side inclined surface 35 and the exhaust side horizontal surface 33 and the boundary edge between the exhaust side inclined surface 35 and the upper surface 36. It is.
- the ratio of the length L2 of the exhaust side inclined surface 35 to the length L1 of the intake side inclined surface 34 (L2 / L1) is excessively increased while the volume of the raised portion 31 is kept equal, the height of the raised portion 31 is increased.
- the depth H1 of the cavity 40 (height of the peripheral surface portion 42) becomes excessively small, and the peripheral surface portion 42 of the cavity 40 guides the fuel during the second injection, that is, the fuel is directed around the spark plug 25. The action of moving upward will be reduced.
- the ratio (L2 / L1) is preferably set to 1.9 or less.
- the raised portion 31 is formed such that the ratio of the height H2 of the raised portion 31 to the inner diameter D2 of the cylinder 2 (H2 / D2) is 0.08 or less.
- the height H ⁇ b> 2 of the raised portion 31 is a height from the base surface 30 (the intake side horizontal surface 32 and the exhaust side horizontal surface 33) of the top surface 10 of the piston 5 to the upper surface 36.
- the ratio (H2 / D2) of the height H2 of the raised portion 31 to the inner diameter D2 of the cylinder 2 is set to 0.066 to 0.078.
- the ratio of the height H2 of the raised portion 31 to the inner diameter D2 of the cylinder 2 (H2 / D2) is excessively reduced while maintaining the volume of the raised portion 31 to be equal, the height of the raised portion 31 and consequently the cavity 40
- the depth H1 (height of the peripheral surface portion 42) becomes excessively small, and the peripheral surface portion 42 of the cavity 40 guides the fuel during the second injection, that is, the effect of moving the fuel upward around the spark plug 25. It will decline.
- the ratio (H2 / D2) is preferably set to 0.056 or more.
- the ratio of the length L3 of the upper surface 36 to the length L4 of the second inclined surface 37b (L3 / L4) is excessively reduced while maintaining the volume of the raised portion 31 to be equal, the height H2 of the raised portion 31 is increased.
- the depth H1 of the cavity 40 (height of the peripheral surface portion 42) becomes excessively small, and the peripheral surface portion 42 guides the fuel during the second injection, that is, the fuel moves upward toward the spark plug 25. The effect of making it fall.
- the raised portion 31 including the intake side inclined surface 34 and the exhaust side inclined surface 35 is provided on the top surface 10 of the piston 5, A cavity 40 is provided at a position corresponding to the spark plug 25 in the raised portion 31, and an intake port 15 capable of generating a tumble flow is provided in the cylinder head 4.
- the intake-side inclined surface 34 and the exhaust-side inclined surface 35 have an inclination angle ⁇ 2 of the exhaust-side inclined surface 35 smaller than the inclination angle ⁇ 1 of the intake-side inclined surface 34, and the intake-side inclined surface 34 and the exhaust-side inclined surface.
- the inclination angle difference ( ⁇ 1 ⁇ 2) with respect to 35 is 4 degrees or more.
- the raised portion 31 is provided on the top surface 10 of the piston 5, the volume of the combustion chamber 8 is narrowed by the raised portion 31, and the geometric compression ratio can be increased. Moreover, since the cavity 40 is provided in the position corresponding to the ignition plug 25 in the protruding part 31, interference with piston 5 and a flame can be delayed and flame propagation property can be improved.
- the exhaust-side inclined surface 35 is a surface with which the tumble flow comes into contact when the tumble flow flows from the exhaust side to the intake side along the top surface 10 of the piston 5.
- the small angle ⁇ ⁇ b> 2 leads to a reduction in the effect that the tumble flow is decelerated (inhibited) by the raised portion 31. Thereby, since the tumble flow is maintained at a high speed, the energy of the turbulent flow generated by the collapse of the tumble flow can be increased, and the fuel consumption performance can be improved by shortening the combustion period.
- the intake side inclined surface 34 is provided to be orthogonal to the valve axis 20 d of the intake valve 20, and the exhaust side inclined surface 35 is provided to be orthogonal to the valve axis 21 d of the exhaust valve 21.
- the intake side inclined surface 34 is parallel to the umbrella bottom surface 20c of the intake valve 20 and the exhaust side inclined surface 35 is parallel to the umbrella bottom surface 21c of the exhaust valve 21.
- the flow path of the blow-through flow flowing into the can be secured at a substantially constant height.
- both the intake valve 20 and the exhaust valve 21 are opened in the exhaust stroke, and the intake port 15 A blow-through flow that flows from the exhaust port 16 to the exhaust port 16 may be formed.
- the inclined surfaces 34 and 35 and the umbrella bottom surfaces 20c and 21c are parallel to each other as described above, the flow passage height of the blow-through flow becomes substantially constant, so that the growth of the blow-through flow is hardly hindered. Become.
- the scavenging performance of the residual exhaust gas is improved and the temperature of the combustion chamber 8 is lowered, so that the occurrence of abnormal combustion due to the high compression ratio can be prevented, and the fuel efficiency can be improved.
- the engine 51 according to the second embodiment also includes the cylinder 2, the piston 55 disposed so as to be reciprocable in the cylinder 2, and the ceiling surface 12 of the combustion chamber 8.
- An intake port 15 capable of generating a tumble flow in the combustion chamber 8 is provided in the cylinder head 4.
- the engine 51 has a geometric compression ratio set to 12 or more.
- the top surface 60 of the piston 55 has a base surface 30 orthogonal to the central axis 2 a of the cylinder 2, and And a raised portion 61 that is raised above the base surface 30 (on the cylinder head 4 side).
- the raised portion 61 is raised so as to be higher toward the center side of the piston 55 along the ceiling surface 12 of the combustion chamber 8.
- a cavity 40 that is recessed downward is formed at a position corresponding to the spark plug 25 in the center of the raised portion 61.
- the base surface 30 has an intake side horizontal surface 62 and an exhaust side horizontal surface 63.
- An intake valve recess 62 a that is recessed downward is provided at a position corresponding to the intake valve 20 on the intake side horizontal surface 62 in order to avoid contact with the intake valve 20.
- the raised portion 61 has an intake-side inclined surface 64 that is inclined along the intake-side inclined surface 13 of the ceiling surface 12, and an exhaust-side inclined surface 65 that is inclined along the exhaust-side inclined surface 14 of the ceiling surface 12. Yes.
- the intake side inclined surface 64 and the exhaust side inclined surface 65 are each formed in a planar shape.
- An exhaust valve recess 65 a that is recessed downward is provided at a position corresponding to the exhaust valve 21 on the exhaust-side inclined surface 65 of the raised portion 61 in order to avoid contact with the exhaust valve 21.
- the exhaust valve recess 65 a is formed so that the bottom surface thereof is parallel to the umbrella bottom surface 21 c of the exhaust valve 21.
- the raised portion 61 includes a ring-shaped upper surface 66 along the peripheral edge of the cavity 40 between the intake-side inclined surface 64 and the exhaust-side inclined surface 65, and a pair of side surfaces extending while being inclined from the upper surface 66 to the outer peripheral side of the piston 55. 67.
- the pair of side surfaces 67 are not divided by the cavity 40 and are continuous with each other on the exhaust side of the cavity 40.
- the upper surface 66 is formed in a planar shape parallel to the base surface 30 in the central portion of the piston 55 (around the cavity 40).
- the pair of side surfaces 67 are formed in a conical surface shape.
- the geometric compression ratio is increased by providing the raised portion 61 on the top surface 60 of the piston 55, and the cavity 40 is positioned at the position corresponding to the spark plug 25 in the raised portion 61. Is provided so that the interference between the initial flame surface and the piston 55 is delayed to improve the flame propagation property.
- the intake-side inclined surface 64 and the exhaust-side inclined surface 65 of the raised portion 61 have an inclination angle ⁇ 2 of the exhaust-side inclined surface 65 with respect to the base surface 30 as shown in FIG.
- the inclination surface 64 is formed to be smaller than the inclination angle ⁇ 1, and the inclination angle difference ( ⁇ 1 ⁇ 2) between the intake side inclination surface 64 and the exhaust side inclination surface 65 is 4 degrees or more.
- the inclination angle ⁇ 1 of the intake side inclined surface 64 is set to 23 degrees and the inclination angle ⁇ 2 of the exhaust side inclined surface 65 is set to 15.1 degrees
- the difference in inclination angle between both ( ⁇ 1 ⁇ 2) is set.
- the raised portion 61 including the intake side inclined surface 64 and the exhaust side inclined surface 65 is provided on the top surface 60 of the piston 55.
- a cavity 40 is provided at a position corresponding to the spark plug 25 in the raised portion 61, and an intake port 15 capable of generating a tumble flow is provided in the cylinder head 4.
- the intake-side inclined surface 64 and the exhaust-side inclined surface 65 have an inclination angle ⁇ 2 of the exhaust-side inclined surface 65 smaller than the inclination angle ⁇ 1 of the intake-side inclined surface 64, and the intake-side inclined surface 64 and the exhaust-side inclined surface.
- the inclination angle difference ( ⁇ 1 ⁇ 2) with respect to 65 is 4 degrees or more.
- the simulation analysis was performed on the engine 1 including the piston 5 in which the inclination angle between the intake side inclined surface 34 and the exhaust side inclined surface 35 of the raised portion 31 of the first embodiment was variously changed. Specifically, the engine 1 having the piston 5 in which the difference in inclination angle ( ⁇ 1 ⁇ 2) between the intake side inclined surface 34 and the exhaust side inclined surface 35 is variously maintained while maintaining the volume of the raised portion 31 to be equal.
- the simulation analysis was performed under the operating conditions of the above, and the turbulent energy of the mixture in the combustion chamber 8 at the top dead center of the piston 5 was examined.
- FIG. 16 is a graph obtained by the above-described simulation analysis. The difference in inclination angle ( ⁇ 2 ⁇ 1) between the intake side inclined surface 34 and the exhaust side inclined surface 35 and the inside of the combustion chamber 8 at the top dead center of the piston 5 are shown. The relationship with the turbulent energy of the air-fuel mixture is shown.
- An engine provided with a conventional piston in which the intake side inclined surface 34 and the exhaust side inclined surface 35 have substantially the same inclination angle is used as a conventional example, and an inclination angle difference between the intake side inclined surface 34 and the exhaust side inclined surface 35 (
- An engine including the piston 5 according to this embodiment in which ⁇ 2 ⁇ 1) is set to 4 degrees or more is taken as an example.
- the results obtained when the tilt angle ⁇ 1 is set to 23 degrees and the tilt angle ⁇ 2 is set to 22 degrees are displayed as black square plots.
- a spark ignition internal combustion engine includes a cylinder, a piston disposed in the cylinder so as to be capable of reciprocating, and a pent roof type combustion disposed on the cylinder and together with an inner peripheral surface of the cylinder and a top surface of the piston.
- a cylinder head that forms a chamber; and a spark plug disposed on the cylinder head so as to face the combustion chamber.
- the top surface of the piston is provided with a raised portion having an intake side inclined surface and an exhaust side inclined surface along the ceiling surface of the combustion chamber.
- a cavity recessed downward is provided at a position corresponding to the spark plug in the raised portion.
- the cylinder head is provided with an intake port capable of generating a tumble flow in the combustion chamber.
- the exhaust side inclined surface is a surface that comes into contact with the tumble flow when the tumble flow flows from the exhaust side to the intake side along the top surface of the piston. This reduces the effect of the tumbling portion decelerating (inhibiting) the tumble flow. Thereby, since the tumble flow is maintained at a high speed, the energy of the turbulent flow generated by the collapse of the tumble flow can be increased, and the fuel consumption performance can be improved by shortening the combustion period.
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Abstract
吸気側傾斜面(34)及び排気側傾斜面(35)を含む***部(31)がピストン(5)の頂面(10)に設けられると共に、***部(31)における点火プラグに対応する位置にキャビティ(40)が設けられた火花点火式内燃機関において、吸気側傾斜面(34)及び排気側傾斜面(35)は、排気側傾斜面(35)の傾斜角度が吸気側傾斜面(34)の傾斜角度よりも小さくなり、且つ吸気側傾斜面(34)と排気側傾斜面(35)との傾斜角度差が4度以上であるように形成される。
Description
本発明は、火花点火式内燃機関に関し、特に、ピストンの頂面に***部が設けられると共に当該***部における点火プラグに対応する位置にキャビティが設けられた火花点火式内燃機関に関する。
自動車等の車両に搭載されるペントルーフ型の燃焼室を有する火花点火式内燃機関において、ピストンの頂面に***部を設けて幾何学的圧縮比を高めると共に、***部の中央であって点火プラグに対応する位置に下方に窪むキャビティを設けることが知られている。この種の内燃機関では、点火プラグによる点火後に初期火炎面がピストンの頂面と干渉する時期を遅らせることができる。これにより、火炎伝播性が高まり、燃費性能が向上する。
例えば特許文献1には、図17に示すような火花点火式内燃機関が開示されている。この図17に示される内燃機関100は、ペントルーフ型の燃焼室101と、燃焼室101の天井面102を規定するシリンダヘッドに形成された吸気ポート103及び排気ポート104と、シリンダヘッドに取り付けられた点火プラグ105及び燃料噴射弁106とを有している。点火プラグ105は、天井面102の中央部(吸気ポート103及び排気ポート104の間)に配設されている。燃料噴射弁106は、天井面102の中央部よりも吸気側にオフセットした位置に配設されている。
特許文献1の内燃機関100では、燃焼室101の底面を規定するピストン107の頂面108に、燃焼室101の天井面102に沿った吸気側傾斜面109及び排気側傾斜面110を有する***部111が形成されている。***部111の中央であって点火プラグ105に対応する位置には、下方に窪むキャビティ112が形成されている。これにより、幾何学的圧縮比を13以上としながら、火炎伝播性を高めて燃費性能を向上できるとされている。
火花点火式内燃機関では、吸気ポートとして、燃焼室内にタンブル流(縦渦)を生成可能な所謂タンブルポートが採用されることがある。タンブルポートが採用された火花点火式内燃機関では、ピストンが圧縮上死点に近づくにつれて(つまり燃焼室が縮小するにつれて)崩壊するタンブル流から生じる乱流によって燃焼が促進され、燃費性能の向上が図られる。図17に矢印113で示すように、タンブル流は、吸気ポート103から下方且つ排気側に向かって流れた後、シリンダの内周面に沿って方向転換し、ピストン107の頂面108に沿って排気側から吸気側へと流れる。さらに、タンブル流は、吸気側においてシリンダの内周面に沿って上方に方向転換した後、燃焼室の天井面102に沿って吸気側から排気側へと流れる。
しかしながら、上記特許文献1のような***部及びキャビティを有するピストンを採用した火花点火式内燃機関では、タンブル流がピストンの頂面に沿って排気側から吸気側に流れる際に、***部によってタンブル流が阻害されて、タンブル流が減速されやすいという問題があった。タンブル流の減速は、タンブル流の崩壊により生じる乱流のエネルギを減少させ、燃焼促進効果を低減するので、燃費性能の面で好ましくない。
そこで、本発明は、ピストンの頂面に***部が設けられると共に当該***部における点火プラグに対応する位置にキャビティが設けられた火花点火式内燃機関において、ピストンの頂面におけるタンブル流の減速作用を軽減し、もって燃費性能を向上させることを課題とする。
前記課題を解決するための本発明の火花点火式内燃機関は、シリンダと、前記シリンダ内に往復動可能に配置されたピストンと、前記シリンダ上に配設されると共に前記シリンダの内周面及び前記ピストンの頂面と共にペントルーフ型の燃焼室を形成するシリンダヘッドと、前記燃焼室に臨むように前記シリンダヘッドに配設された点火プラグとを備える。前記ピストンの頂面には、前記燃焼室の天井面に沿った吸気側傾斜面及び排気側傾斜面を有する***部が設けられる。前記***部における前記点火プラグに対応する位置には、下方に窪むキャビティが設けられる。前記シリンダヘッドには、前記燃焼室内にタンブル流を生成可能な吸気ポートが設けられる。前記吸気側傾斜面及び前記排気側傾斜面は、前記排気側傾斜面の傾斜角度が前記吸気側傾斜面の傾斜角度よりも小さくなり、且つ前記吸気側傾斜面と前記排気側傾斜面との傾斜角度差が4度以上となるように形成される。
以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。
[第1実施形態]
図1は、本発明の第1実施形態に係る火花点火式内燃機関の構成を示す概略図である。図2は、前記内燃機関のピストン、燃料噴射弁及び点火プラグを示す斜視図である。図1及び図2に示すように、本発明の第1実施形態に係る火花点火式内燃機関としてのエンジン1は、複数のシリンダ2が列状に配置された多気筒のガソリンエンジンであり、自動車等の車両に搭載される。エンジン1は、内部にシリンダ2が形成されたシリンダブロック3と、シリンダ2を上から閉塞するようにシリンダブロック3上に配設されたシリンダヘッド4とを備えている。なお、図1及び図2において、「IN」は吸気側を示し、「EX」は排気側を示す(他図でも同様)。
図1は、本発明の第1実施形態に係る火花点火式内燃機関の構成を示す概略図である。図2は、前記内燃機関のピストン、燃料噴射弁及び点火プラグを示す斜視図である。図1及び図2に示すように、本発明の第1実施形態に係る火花点火式内燃機関としてのエンジン1は、複数のシリンダ2が列状に配置された多気筒のガソリンエンジンであり、自動車等の車両に搭載される。エンジン1は、内部にシリンダ2が形成されたシリンダブロック3と、シリンダ2を上から閉塞するようにシリンダブロック3上に配設されたシリンダヘッド4とを備えている。なお、図1及び図2において、「IN」は吸気側を示し、「EX」は排気側を示す(他図でも同様)。
シリンダ2内には、ピストン5が往復動可能に配置されている。ピストン5は、シリンダブロック3の下部に回転自在に支持されたクランクシャフト6にコンロッド7を介して連結され、ピストン5の往復運動がクランクシャフト6の回転運動に変換されるようになっている。
ピストン5の上方には、シリンダ2の内周面9とピストン5の頂面10とシリンダヘッド4の下面11とに囲まれたペントルーフ型の燃焼室8が形成されている。シリンダヘッド4の下面11のうち燃焼室8を覆う部分である天井面12は、ペントルーフ状(三角屋根状)に形成され、吸気側及び排気側においてそれぞれ傾斜する吸気側傾斜面13及び排気側傾斜面14を有している。吸気側傾斜面13は、シリンダ2の中心軸2aと直交する直交面とのなす角度が23度になるように形成され、排気側傾斜面14は、シリンダ2の中心軸2aと直交する直交面とのなす角度が17度になるように形成されている。
シリンダヘッド4には、天井面12の吸気側傾斜面13及び排気側傾斜面14にそれぞれ開口する吸気ポート15及び排気ポート16が形成されている。各シリンダ2につき2つの吸気ポート15及び排気ポート16が設けられ、2つの吸気ポート15及び排気ポート16は、それぞれ、シリンダ2の中心軸2aと直交する方向(クランクシャフト6の軸方向)に離間するように設けられている。
吸気ポート15には、燃焼室8に空気を供給する吸気通路17が接続され、排気ポート16には、燃焼室8から燃焼ガス(排気ガス)を排出する排気通路18が接続されている。排気通路18には、排気ガスを浄化する触媒を備えた触媒装置(不図示)が介設されている。
吸気ポート15は、燃焼室8内にタンブル流が生成されるように、燃焼室8から斜め上方に直線状に延びる状態で燃焼室8の天井面12に開口している。吸気ポート15からの吸気の導入に伴い、燃焼室8内には、図2の矢印19で示すタンブル流が生成される。タンブル流は、吸気ポート15から下方且つ排気側に向かって流れた後、シリンダ2の内周面9に沿って方向転換し、ピストン5の頂面10に沿って排気側から吸気側へと流れる。さらに、タンブル流は、吸気側においてシリンダ2の内周面9に沿って上方に方向転換した後、燃焼室8の天井面12に沿って吸気側から排気側へと流れる。
シリンダヘッド4には、吸気ポート15及び排気ポート16をそれぞれ開閉する吸気弁20及び排気弁21が配設されている。吸気弁20は、クランクシャフト6に連動連結された吸気カムシャフト22によって駆動され、吸気行程中に燃焼室8に空気が導入されるように所定のタイミングで吸気ポート15を開閉する。排気弁21は、クランクシャフト6に連動連結された排気カムシャフト23によって駆動され、排気行程中に燃焼室8から排気ガスが排出されるように所定のタイミングで排気ポート16を開閉する。
シリンダヘッド4には、図示しない可変バルブ機構が設けられる。可変バルブ機構は、吸気弁20及び排気弁21が吸気ポート15及び排気ポート16を開閉するタイミングを変更する。可変バルブ機構は、排気行程において吸気弁20及び排気弁21の双方を開弁させることがある。これは、吸気ポート15からの吸気を利用して残留排気ガスを排出するためである。
吸気弁20は、弁軸部20aと、その下端部に形成された傘部20bとを有している。傘部20bの底面である傘部底面20cは、弁軸部20aの中心軸であるバルブ軸線20dと直交し且つ天井面12の吸気側傾斜面13と平行になるように形成されている。すなわち、吸気弁20の傘部底面20cは、シリンダ2の中心軸2aと直交する直交面とのなす角度が23度になるように形成されている。
排気弁21は、弁軸部21aと、その下端部に形成された傘部21bとを有している。傘部21bの底面である傘部底面21cは、弁軸部21aの中心軸であるバルブ軸線21dと直交し且つ天井面12の排気側傾斜面14と平行になるように形成されている。すなわち、排気弁21の傘部底面21cは、シリンダ2の中心軸2aと直交する直交面とのなす角度が17度になるように形成されている。
シリンダヘッド4には、燃焼室8内に燃料を噴射する燃料噴射弁24と、当該噴射によって燃焼室8内に形成される燃料と空気とを含む混合気に点火する点火プラグ25とが備えられている。燃料噴射弁24は、天井面12の吸気側の周縁部において燃焼室8を臨むように配設されている。点火プラグ25は、天井面12の中央部において燃焼室8を臨むように配設されている。
点火プラグ25は、その先端部の電極25aが燃焼室8内に露出するようにシリンダヘッド4に取り付けられている。点火プラグ25には、シリンダヘッド4の上部に設けられた点火コイルユニット26が接続されている。点火コイルユニット26は、所定のタイミングで点火プラグ25の電極25aから火花を生じさせ、燃焼室8内の混合気に点火する。
燃料噴射弁24には、燃料タンクや燃料ポンプ等を含む燃料供給システム(不図示)から圧送される燃料が流通する燃料供給管28が接続されている。燃料噴射弁24は、2つの吸気ポート15の間に配置されると共に、燃焼室8に露出する先端面27を有している。燃料噴射弁24は、先端面27が斜め下方を向くように配置され、当該先端面27からピストン5の頂面10に向けて所定のタイミングで燃料を噴射する。
図3は、燃料噴射弁24の詳細を示す斜視図である。図3に示すように、燃料噴射弁24は、その先端面27に複数の噴口を有するマルチホール型の噴射弁である。先端面27は、上下方向に延びる中心軸27aに対して左右対称に配置された複数の噴口24a,24b,24c,24dを有している。具体的に、先端面27は、上段中央に位置する1つの第1噴口24aと、中段上寄りに位置する2つの第2噴口24bと、中段下寄りに位置する2つの第3噴口24cと、下段中央に位置する1つの第4噴口24dとを有している。第1噴口24a及び第4噴口24dは、ともに中心軸27a上に配置されている。第2噴口24bは、中心軸27aを挟んだ左右2カ所に配置されている。第3噴口24cは、中心軸27aを挟んだ左右2カ所であって、第2噴口24bよりも中心軸27aから離れた位置に配置されている。各噴口24a,24b,24c,24dから噴射された燃料は、それぞれ円錐状の噴霧を形成しつつ燃焼室8内を飛翔し、燃焼室8内に均等に分散する。
上述したように、本実施形態のエンジン1では、吸気ポート15として、燃焼室8内にタンブル流を生成可能な吸気ポート(タンブルポート)が採用されている。タンブル流は、燃料と空気との混合を促進するだけでなく、燃料と空気とを含む混合気の燃焼を促進する役割を果たす。すなわち、ピストン5が圧縮上死点に近づくにつれて(つまり燃焼室8が縮小するにつれて)タンブル流が崩壊すると、当該崩壊によって燃焼室8に乱流が生成され、生成された乱流によって混合気の燃焼が促進される。タンブル流の流速が速いほど乱流のエネルギが増大し、混合気の燃焼が促進される。ここで、本明細書において、乱流のエネルギが増大するとは、乱流が有する運動エネルギが増大することを意味する。乱流のエネルギは、例えば、乱流の流速が増大するか、または乱流の数が増大したときに、増大する。
図4は、燃料噴射のタイミングを示すタイムチャートである。図4に示すように、エンジン1の通常運転時、燃料噴射弁24からの燃料噴射は、吸気行程と圧縮行程との2回に分けて行われる。すなわち、燃料噴射弁24は、吸気行程の前半に第1噴射を実行すると共に、圧縮行程の後半に第2噴射を実行する。第1噴射は、例えばクランク角度が80度であるときに終了され、第2噴射は、例えばクランク角度が325度であるときに終了される。なお、ここでいうクランク角度は、吸気上死点を0度とした場合のクランク角度である(以下同じ)。
吸気行程の前半に実行される第1噴射は、圧縮上死点の近傍において燃焼室8内に均一な混合気(燃料と混合気とが均一に混ざった混合気)を形成する。圧縮行程の後半に実行される第2噴射は、圧縮上死点の近傍において点火プラグ25の周りに相対的に燃料の濃度が濃い(つまり燃焼しやすい)混合気を形成する。第2噴射は、ピストン5が比較的上死点に近づいてから実行される。このため、第2噴射の実行時における燃焼室8の容積は、第1噴射の実行時における燃焼室8の容積よりも小さい。
図5は、燃料噴射弁24から噴射される燃料の噴霧を説明するための説明図である。具体的に、図5では、燃料噴射弁24が上述した第2噴射を実行したときの燃料の噴霧を示している。図5に示すように、第2噴射によって第1噴口24aから噴射された燃料の噴霧F1は、ピストン5の頂面10に設けられるキャビティ40(詳細は後述する)に向けて飛翔する。また、第2噴射によって第2噴口24b及び第3噴口24cから噴射された燃料の噴霧F2、F3は、ピストン5の頂面10に設けられる***部31の吸気側傾斜面34(詳細は後述する)に向けて飛翔する。
第2噴射が実行されるのに伴い、第1噴口24aからの噴霧F1は、キャビティ40の周面部42によって上方にガイドされて点火プラグ25に向けて移動し、第2噴口24b及び第3噴口24cからの噴霧F2、F3は、吸気側傾斜面34に衝突した後に点火プラグ25に向けて移動する。これにより、点火プラグ25の周り(燃焼室8の中心部)に、それ以外の部分(燃焼室8の外周部)の混合気よりも燃料の濃度が濃い混合気が形成される。
第2噴射の後、圧縮行程の後半且つ圧縮上死点の近傍で、点火プラグ25による点火(火花点火)が実行され、混合気が燃焼させられる。火花点火は、例えばクランク角度が340度であるときに実行される。本実施形態のエンジン1では、燃料が2回に分けて噴射され、火花点火の時点で点火プラグ25周りに相対的に燃料濃度の濃い混合気が形成されるので、燃焼安定性は十分に高いものとされる。
上記のように火花点火が圧縮行程の後半(例えばクランク角度が340度のとき)に行われるのは、暖機が完了した後の通常運転時である。一方、冷間始動時には、触媒の温度を上昇させて触媒を活性化させるため、火花点火の時期(点火時期)を遅らせて排気ガス温度を上昇させることが行われる。点火時期が遅くされると、有効膨張比が低下して排気ガスの温度低下が抑制されるので、触媒に排出される排気ガスが高温に維持される。このように点火時期が遅くされる冷間運転時においても、点火プラグ25周りに相対的に濃い混合気を形成する上述した噴射パターンを採用することにより、良好な燃焼安定性を確保することができる。
エンジン1には、図示されていないが、エンジン1及びそれに関係する構成を制御する制御ユニットが備えられる。制御ユニットは、センサ等から得られる各種情報に基づいて、燃料噴射弁24、点火プラグ25、可変バルブ機構等の各部を制御する。
次に、本実施形態に係るエンジン1のピストン5について説明する。
図6は、ピストン5の斜視図、図7は、ピストン5の平面図、図8は、図7におけるY8-Y8線に沿ったピストン5の断面図、図9は、図7におけるY9-Y9線に沿ったピストン5の断面図、図10は、図7におけるY10-Y10線に沿ったピストン5の断面図である。
本実施形態に係るエンジン1は、ピストン5が上死点にあるときの燃焼室8の容積とピストン5が下死点にあるときの燃焼室8の容積との比である幾何学的圧縮比が12以上に設定されている。図6から図10に示すように、ピストン5の頂面10は、シリンダ2の中心軸2aと直交するベース面30と、ベース面30よりも上方(シリンダヘッド4側)に***する***部31とを有している。***部31は、燃焼室8の天井面12に沿うように、ピストン5の中央側ほど高さが高くなるように***している。***部31の中央であって点火プラグ25に対応する位置には、下方に窪むキャビティ40が形成されている。
ベース面30は、***部31よりも吸気側に位置する吸気側水平面32と、***部31よりも排気側に位置する排気側水平面33とを有している。吸気側水平面32及び排気側水平面33は、ピストン5の中心軸(シリンダ2の中心軸2a)と直交するように設けられている。吸気側水平面32における吸気弁20に対応する位置には、吸気弁20との接触を回避するために下方に窪む吸気弁リセス32aが設けられている。
***部31は、燃焼室8の天井面12に沿ってペントルーフ状に形成されている。すなわち、***部31は、天井面12の吸気側傾斜面13に沿って(吸気側に至るほど高さが低くなるように)傾斜する吸気側傾斜面34と、天井面12の排気側傾斜面14に沿って(排気側に至るほど高さが低くなるように)傾斜する排気側傾斜面35とを有している。吸気側傾斜面34は、吸気弁20のバルブ軸線20dと直交する平面状に形成され、排気側傾斜面35は、排気弁21のバルブ軸線21dと直交する平面状に形成されている。
***部31は、吸気側傾斜面34及び排気側傾斜面35の間に、キャビティ40の周縁に沿ったリング状の上面36と、上面36からピストン5の外周側に向かって傾斜しつつ延びる一対の側面37とを有している。上面36は、ピストン5の中央部(キャビティ40の周囲)において、ベース面30と平行な平面状に形成されている。一対の側面37は、円錐面状に形成されている。
一対の側面37はそれぞれ、ピストン5の中央側に配置されて上面36からピストン5の外周側に向けて下方に傾斜しつつ延びる第1傾斜面37aと、第1傾斜面37aよりもピストン5の外周側に配置され、第1傾斜面37aよりも大きい傾斜角度をもって下方に傾斜する第2傾斜面37bとを有している。第1傾斜面37a及び第2傾斜面37bはそれぞれ円錐面状に形成されている。
図11は、***部31に設けられたキャビティ40の形状を説明するための説明図である。本実施形態のエンジン1では、ピストン5の頂面10に***部31が設けられるため、仮に***部31にキャビティ40が形成されなかった場合には、点火プラグ25による点火をきっかけに燃え広がる初期火炎の外周面である初期火炎面がピストン5の頂面10と早期に干渉してしまう。これに対し、本実施形態では、***部31における点火プラグ25に対応する位置にキャビティ40が設けられているため、初期火炎面とピストン5との干渉を遅らせることができる。
図11に示すように、キャビティ40は、点火プラグ25の電極25a間の中央の点火点25bから球状に成長する火炎を模擬した仮想球面25cとの干渉を遅らせるように形成されている。具体的に、キャビティ40は、円形平面状の底面部41と、底面部41の周縁から上方に立ち上がる略円筒状の周面部42とを有している。周面部42は、その下部が断面視で曲面状に形成されることにより、滑らかに底面部41に接続される。なお、キャビティ40の周面部42は、仮想球面25cの少なくとも一部と一致するような形状に形成することも可能である。
図5~図8に示すように、ピストン5の吸気側傾斜面34の上端部、言い換えるとキャビティ40の周縁部における吸気側の一部には、切欠部34aが設けられている。燃料噴射弁24の第1噴口24aから第2噴射時に噴射された燃料の噴霧F1は、切欠部34aを通過して、キャビティ40の排気側の周面部42に衝突する。周面部42に衝突した噴霧F1は、周面部42により上方にガイドされて点火プラグ25の電極25aに向けて移動する。
以上のように、本実施形態のエンジン1では、ピストン5の頂面10に***部31を設けることで幾何学的圧縮比を高めると共に、***部31における点火プラグ25に対応する位置にキャビティ40を設けることで初期火炎面とピストン5との干渉を遅らせ、火炎伝播性を高めるようにしている。
本実施形態では、***部31の吸気側傾斜面34及び排気側傾斜面35は、図8に示すように、ベース面30に対する排気側傾斜面35の傾斜角度θ2が、ベース面30に対する吸気側傾斜面34の傾斜角度θ1よりも小さくなるように形成されると共に、吸気側傾斜面34と排気側傾斜面35との傾斜角度差(θ1-θ2)が4度以上となるように形成されている。例えば、吸気側傾斜面34の傾斜角度θ1が23度に設定されると共に、排気側傾斜面35の傾斜角度θ2が17度に設定されることにより、両者の傾斜角度差(θ1-θ2)が6度に設定されている。
これにより、排気側傾斜面35の傾斜角度θ2を小さくしつつ、高圧縮比を実現するのに十分な体積の***部31を形成することができる。排気側傾斜面35は、吸気ポート15から排気側へと流れたタンブル流(図2の矢印19参照)がピストン5の頂面10に沿って排気側から吸気側に戻るときに、当該タンブル流が接触する面である。このため、排気側傾斜面35の傾斜角度θ2が小さいことは、タンブル流が***部31によって減速(阻害)される作用を軽減することにつながる。
なお、***部31の体積を同等に維持しつつ吸気側傾斜面34と排気側傾斜面35との傾斜角度差(θ1-θ2)を過度に大きくすると、***部31の高さ、ひいてはキャビティ40の深さH1(周面部42の高さ)が過度に小さくなり、第2噴射時にキャビティ40の周面部42が燃料をガイドする作用、つまり燃料を点火プラグ25周りに向けて上方に移動させる作用が低下してしまう。この燃料のガイド作用を十分に発揮させるには、周面部42の高さを十分に確保する必要があり、そのためには、吸気側傾斜面34と排気側傾斜面35の傾斜角度差を11度以下とすることが好ましい。
また、吸気側傾斜面34及び排気側傾斜面35は、図10に示すように、排気側傾斜面35と側面37とのなす角度θ4が、吸気側傾斜面34と側面37とのなす角度θ3よりも大きくなるように形成されると共に、排気側傾斜面35と側面37とのなす角度θ4と吸気側傾斜面34と側面37とのなす角度θ3との角度差(θ4-θ3)が5度以上となるように形成されている。例えば、吸気側傾斜面34と側面37とのなす角度θ3が162.4度に設定されると共に、排気側傾斜面35と側面37とのなす角度θ4が169.8度に設定されることにより、両者の角度差(θ4-θ3)が7.4度に設定されている。
これにより、排気側傾斜面35と側面37との間の角度変化が緩やかになるので、タンブル流がピストン5の頂面10における外周側部分を流れるときに、当該タンブル流を排気側傾斜面35から一対の側面37に向けて円滑に案内できると共に、当該タンブル流が頂面10から剥離するのを抑制することができる。
図7に示すように、ピストン5が上死点にあるときに、吸気弁20のバルブ軸線20dと吸気側傾斜面34との交点P1を通り且つクランク軸線6a(クランクシャフト6の軸方向)と直交する直交面6bと、吸気側傾斜面34及び側面37の間の稜線S1との交点をP2とする。上述した吸気側傾斜面34と側面37とのなす角度θ3は、この交点P2において吸気側傾斜面34と側面37とが交差する角度である。より具体的に、角度θ3は、図10に示すように、交点P2において側面37と接し且つ直交面6b(クランク軸線6aと直交する面)と平行な接線T1と吸気側傾斜面34とのなす角度である。
同様に、ピストン5が上死点にあるときに、排気弁21のバルブ軸線21dと排気側傾斜面35との交点P3を通り且つクランク軸線6a(クランクシャフト6の軸方向)と直交する直交面6cと、排気側傾斜面35及び側面37の間の稜線S2との交点をP4とする。上述した排気側傾斜面35と側面37とのなす角度θ4は、この交点P4において排気側傾斜面35と側面37とが交差する角度である。より具体的に、角度θ4は、図10に示すように、交点P4において側面37と接し且つ直交面6b(クランク軸線6aと直交する面)と平行な接線T2と排気側傾斜面35とのなす角度である。
図7及び図8に示すように、***部31に設けられたキャビティ40は、キャビティ40の直径D1に対するキャビティ40の深さH1の割合(H1/D1)が0.3以下となるように形成されている。例えば、キャビティ40の直径D1に対するキャビティ40の深さH1の割合(H1/D1)は、0.25ないし0.29に設定される。なお、キャビティ40の直径D1は、キャビティ40の上端部における直径、より詳しくは、キャビティ40の周面部42のうちその上端のフィレット(面取り部)を除いた部分の上端位置での直径とする。
上記割合(H1/D1)が0.3以下であることは、キャビティ40が比較的扁平(浅底)であることを意味する。キャビティ40が偏平であれば、キャビティ40内での流動が低下しにくくなる。これにより、キャビティ40による下方(底面部41側)への引き込み作用が軽減されるので、タンブル流がピストン5の頂面10の中央部分を流れるときに、当該タンブル流がキャビティ40の底面部41側に移動するのを抑制することができ、当該タンブル流を排気側傾斜面35から吸気側傾斜面34に向けて円滑に移動させることができる。
なお、***部31の体積を同等に維持しつつキャビティ40の直径D1に対するキャビティ40の深さH1の割合(H1/D1)を過度に小さくすると、キャビティ40の深さH1(周面部42の高さ)が過度に小さくなり、第2噴射時にキャビティ40の周面部42が燃料をガイドする作用、つまり燃料を点火プラグ25周りに向けて上方に移動させる作用が低下してしまう。この燃料のガイド作用を十分に発揮させるには、上記割合(H1/D1)を0.16以上とすることが好ましい。
図9に示すように、***部31の側面37は、その傾斜角度θ5、詳しくは、側面37の第1傾斜面37aのベース面30に対する傾斜角度θ5が10度以下となるように形成されている。例えば、第1傾斜面37aの傾斜角度θ5は、8度ないし9.2度に設定される。
これにより、側面37のうちピストン5の中央側に位置する第1傾斜面37aを緩やかに傾斜させながら、この第1傾斜面37aの外周側に傾斜角度の大きい(段差の大きい)第2傾斜面37bを形成することができる。このことは、高圧縮比を実現するのに十分な体積の***部31を形成するのに有利である。また、流量の多いピストン5の中央側においてタンブル流が流動しやすくなるので、***部31によるタンブル流の減速作用を総じて軽減することができる。
図7及び図8に示すように、***部31の吸気側傾斜面34及び排気側傾斜面35は、ピストン5の中心軸を通り且つクランク軸線6aと直交する断面において、吸気側傾斜面34の長さL1に対する排気側傾斜面35の長さL2の割合(L2/L1)が1.25以上となるように形成されている。例えば、吸気側傾斜面34の長さL1に対する排気側傾斜面35の長さL2の割合(L2/L1)は、1.33に設定される。なお、図7に示すように、吸気側傾斜面34の長さL1は、吸気側傾斜面34と吸気側水平面32との境界縁部と、吸気側傾斜面34と上面36との境界縁部との間の長さである。同様に、排気側傾斜面35の長さL2は、排気側傾斜面35と排気側水平面33との境界縁部と、排気側傾斜面35と上面36との境界縁部との間の長さである。
これにより、排気側傾斜面35上を流れるタンブル流の流路が長くなるので、排気側傾斜面35によるタンブル流のガイド作用を有効に発揮させることができる。この結果、***部31によるタンブル流の減速作用が軽減されて、タンブル流が高速に維持される。
なお、***部31の体積を同等に維持しつつ吸気側傾斜面34の長さL1に対する排気側傾斜面35の長さL2の割合(L2/L1)を過度に大きくすると、***部31の高さ、ひいてはキャビティ40の深さH1(周面部42の高さ)が過度に小さくなり、第2噴射時にキャビティ40の周面部42が燃料をガイドする作用、つまり燃料を点火プラグ25周りに向けて上方に移動させる作用が低下してしまう。この燃料のガイド作用を十分に発揮させるには、周面部42の高さを十分に確保する必要があり、そのためには、上記割合(L2/L1)を1.9以下とすることが好ましい。
図8に示すように、***部31は、シリンダ2の内径D2に対する***部31の高さH2の割合(H2/D2)が0.08以下となるように形成されている。なお、***部31の高さH2は、ピストン5の頂面10のベース面30(吸気側水平面32及び排気側水平面33)から上面36までの高さである。例えば、シリンダ2の内径D2に対する***部31の高さH2の割合(H2/D2)は、0.066ないし0.078に設定される。
これにより、高圧縮比を実現するのに十分な体積の***部31を形成しながらも、その高さH2が増大するのを抑制することができる。この結果、タンブル流がピストン5の頂面10に沿って排気側から吸気側に流れる際に、当該タンブル流が***部31によって減速させられるのを抑制することができる。
なお、***部31の体積を同等に維持しつつシリンダ2の内径D2に対する***部31の高さH2の割合(H2/D2)を過度に小さくすると、***部31の高さ、ひいてはキャビティ40の深さH1(周面部42の高さ)が過度に小さくなり、第2噴射時にキャビティ40の周面部42が燃料をガイドする作用、つまり燃料を点火プラグ25周りに向けて上方に移動させる作用が低下してしまう。この燃料のガイド作用を十分に発揮させるには、周面部42の高さを十分に確保する必要があり、そのためには、上記割合(H2/D2)を0.056以上とすることが好ましい。
ピストン5は、図9に示す径方向断面視において、第2傾斜面37bの長さL4に対する上面36の長さL3の割合(L3/L4)が0.8以下となるように形成されている。例えば、第2傾斜面37bの長さL4に対する上面36の長さL3の割合(L3/L4)は、0.34ないし0.57に設定される。
このように、ピストン5の外周側に位置する第2傾斜面37bを、ピストン5の中央部の上面36よりも長くした場合には、これらの間を延びる第1傾斜面37aの傾斜角度が小さくなる。これにより、側面37のうちピストン5の中央側に位置する第1傾斜面37aを緩やかに傾斜させながら、この第1傾斜面37aの外周側に傾斜角度の大きい(段差の大きい)第2傾斜面37bを形成することができる。このことは、高圧縮比を実現するのに十分な体積の***部31を形成するのに有利である。また、流量の多いピストン5の中央側においてタンブル流が流動しやすくなるので、***部31によるタンブル流の減速を総じて抑制することができる。
なお、***部31の体積を同等に維持しつつ第2傾斜面37bの長さL4に対する上面36の長さL3の割合(L3/L4)を過度に小さくすると、***部31の高さH2が小さくなると共にキャビティ40の深さH1(周面部42の高さ)が過度に小さくなり、第2噴射時に周面部42が燃料をガイドする作用、つまり燃料を点火プラグ25周りに向けて上方に移動させる作用が低下してしまう。
以上説明したように、本実施形態に係るエンジン(火花点火式内燃機関)1では、吸気側傾斜面34及び排気側傾斜面35を含む***部31がピストン5の頂面10に設けられると共に、***部31における点火プラグ25に対応する位置にキャビティ40が設けられ、タンブル流を生成可能な吸気ポート15がシリンダヘッド4に設けられている。そして、吸気側傾斜面34及び排気側傾斜面35は、排気側傾斜面35の傾斜角度θ2が吸気側傾斜面34の傾斜角度θ1よりも小さくなり、且つ吸気側傾斜面34と排気側傾斜面35との傾斜角度差(θ1-θ2)が4度以上となるように形成されている。
この構成によれば、ピストン5の頂面10に***部31が設けられるので、この***部31によって燃焼室8の容積が狭められ、幾何学的圧縮比を高めることができる。また、***部31における点火プラグ25に対応する位置にキャビティ40が設けられるので、ピストン5と火炎との干渉を遅らせることができ、火炎伝播性を高めることができる。
また、***部31は、排気側傾斜面35の傾斜角度θ2が吸気側傾斜面34の傾斜角度θ1よりも小さくなるように形成されるので、高圧縮比を実現するのに十分な***部31の体積を確保しながら、当該***部31によるタンブル流の減速作用を軽減することができ、燃費性能を向上させることができる。
すなわち、排気側傾斜面35は、タンブル流がピストン5の頂面10に沿って排気側から吸気側へと流れる際に当該タンブル流が接触する面であるから、この排気側傾斜面35の傾斜角度θ2が小さいことは、***部31によってタンブル流が減速(阻害)される作用を軽減することにつながる。これにより、タンブル流が高速に維持されるので、タンブル流の崩壊により生じる乱流のエネルギを増大させることができると共に、燃焼期間を短縮して燃費性能を向上させることができる。
また、吸気側傾斜面34は吸気弁20のバルブ軸線20dと直交するように設けられ、排気側傾斜面35は排気弁21のバルブ軸線21dと直交するように設けられている。これにより、吸気側傾斜面34が吸気弁20の傘部底面20cと平行になると共に、排気側傾斜面35が排気弁21の傘部底面21cと平行になるので、吸気ポート15から排気ポート16へと流れる吹き抜け流の流路を略一定の高さで確保することができる。すなわち、エンジン1の運転条件によっては、燃焼室8に残留する排気ガス(残留排気ガス)を排出するために、排気行程において吸気弁20及び排気弁21の双方を開弁させて、吸気ポート15から排気ポート16へと流れる吹き抜け流を形成することがある。このとき、上記のように各傾斜面34,35と傘部底面20c,21cとが平行であれば、上記吹き抜け流の流路高さが略一定になるので、吹き抜け流の成長が阻害され難くなる。この結果、残留排気ガスの掃気性が向上し、燃焼室8の温度が低下するので、高圧縮比に起因した異常燃焼の発生を防止でき、燃費性能を向上させることができる。
[第2実施形態]
図12は、本発明の第2実施形態に係る火花点火式内燃機関のピストンの斜視図、図13は、前記内燃機関のピストンの平面図、図14は、図13におけるY14-Y14線に沿ったピストンの断面図、図15は、図13におけるY15-Y15線に沿ったピストンの断面図である。本発明の第2実施形態に係る火花点火式内燃機関としてのエンジン51は、第1実施形態に係るエンジン1とピストンの頂面及び燃焼室の天井面の形状が異なるものであり、エンジン1と同様の構成については同一符号を付して説明を省略する。
図12は、本発明の第2実施形態に係る火花点火式内燃機関のピストンの斜視図、図13は、前記内燃機関のピストンの平面図、図14は、図13におけるY14-Y14線に沿ったピストンの断面図、図15は、図13におけるY15-Y15線に沿ったピストンの断面図である。本発明の第2実施形態に係る火花点火式内燃機関としてのエンジン51は、第1実施形態に係るエンジン1とピストンの頂面及び燃焼室の天井面の形状が異なるものであり、エンジン1と同様の構成については同一符号を付して説明を省略する。
この第2実施形態に係るエンジン51についても、第1実施形態のエンジン1と同様に、シリンダ2と、シリンダ2内に往復動可能に配置されたピストン55と、燃焼室8の天井面12を形成するシリンダヘッド4と、燃焼室8に臨むようにシリンダヘッド4に配設された燃料噴射弁24と、燃焼室8に臨むようにシリンダヘッド4に配設された点火プラグ25とを備え、燃焼室8内にタンブル流を生成可能な吸気ポート15がシリンダヘッド4に設けられている。
エンジン51は、幾何学的圧縮比が12以上に設定されており、図12から図15に示すように、ピストン55の頂面60は、シリンダ2の中心軸2aと直交するベース面30と、ベース面30よりも上方(シリンダヘッド4側)に***する***部61とを有している。***部61は、燃焼室8の天井面12に沿うように、ピストン55の中央側ほど高さが高くなるように***している。***部61の中央であって点火プラグ25に対応する位置には、下方に窪むキャビティ40が形成されている。
ベース面30は吸気側水平面62及び排気側水平面63を有している。吸気側水平面62における吸気弁20に対応する位置には、吸気弁20との接触を回避するために下方に窪む吸気弁リセス62aが設けられている。
***部61は、天井面12の吸気側傾斜面13に沿って傾斜する吸気側傾斜面64と、天井面12の排気側傾斜面14に沿って傾斜する排気側傾斜面65とを有している。吸気側傾斜面64及び排気側傾斜面65はそれぞれ平面状に形成されている。
***部61の吸気側傾斜面64は、天井面12の吸気側傾斜面13と平行に設けられる。一方、***部61の排気側傾斜面65は、天井面12の排気側傾斜面14と非平行とされる。具体的に、***部61の排気側傾斜面65は、シリンダ2の中心軸2aと直交する直交面とのなす角度が、天井面12の排気側傾斜面14のそれよりも小さくなるように形成されている。
吸気弁20は、その傘部底面20cが天井面12の吸気側傾斜面13と平行になるように設けられ、排気弁21は、その傘部底面21cが天井面12の排気側傾斜面14と平行になるように設けられている。具体的に、吸気弁20の傘部底面20cは、シリンダ2の中心軸2aと直交する直交面とのなす角度が23度になるように形成され、排気弁21の傘部底面21cは、シリンダ2の中心軸2aと直交する直交面とのなす角度が22度になるように形成されている。
***部61の排気側傾斜面65における排気弁21に対応する位置には、排気弁21との接触を回避するために下方に窪む排気弁リセス65aが設けられている。排気弁リセス65aは、その底面が排気弁21の傘部底面21cと平行になるように形成されている。
***部61は、吸気側傾斜面64及び排気側傾斜面65の間に、キャビティ40の周縁に沿ったリング状の上面66と、上面66からピストン55の外周側に傾斜しつつ延びる一対の側面67とを有している。ただし、本第2実施形態では、第1実施形態とは異なり、一対の側面67はキャビティ40によって分断されておらず、キャビティ40の排気側において互いに連続している。上面66は、ピストン55の中央部(キャビティ40の周囲)において、ベース面30と平行な平面状に形成されている。一対の側面67は、円錐面状に形成されている。
一対の側面67はそれぞれ、ピストン55の中央側に配置されて上面66からピストン55の外周側に向けて下方に傾斜しつつ延びる第1傾斜面67aと、第1傾斜面67aよりもピストン55の外周側に配置され、第1傾斜面67aよりも大きい傾斜角度をもって下方に傾斜する第2傾斜面67bとを有している。第1傾斜面67a及び第2傾斜面67bはそれぞれ円錐面状に形成されている。
以上のように、本実施形態のエンジン51では、ピストン55の頂面60に***部61を設けることで幾何学的圧縮比を高めると共に、***部61における点火プラグ25に対応する位置にキャビティ40を設けることで初期火炎面とピストン55との干渉を遅らせ、火炎伝播性を高めるようにしている。
本実施形態では、***部61の吸気側傾斜面64及び排気側傾斜面65は、図14に示すように、ベース面30に対する排気側傾斜面65の傾斜角度θ2が、ベース面30に対する吸気側傾斜面64の傾斜角度θ1よりも小さくなるように形成されると共に、吸気側傾斜面64と排気側傾斜面65との傾斜角度差(θ1-θ2)が4度以上となるように形成されている。例えば、吸気側傾斜面64の傾斜角度θ1が23度に設定されると共に、排気側傾斜面65の傾斜角度θ2が15.1度に設定されることにより、両者の傾斜角度差(θ1-θ2)が7.9度に設定されている。
図13及び図14に示すように、***部61に設けられたキャビティ40は、キャビティ40の直径D1に対するキャビティ40の深さH1の割合(H1/D1)が0.3以下となるように形成されている。例えば、キャビティ40の直径D1に対するキャビティ40の深さH1の割合(H1/D1)は、0.26に設定される。
図13及び図14に示すように、***部61の吸気側傾斜面64及び排気側傾斜面65は、ピストン55の中心軸を通り且つクランク軸線6a(クランクシャフト6の軸方向)と直交する断面において、吸気側傾斜面64の長さL1に対する排気側傾斜面65の長さL2の割合(L2/L1)が1.25以上となるように形成されている。例えば、吸気側傾斜面64の長さL1に対する排気側傾斜面65の長さL2の割合(L2/L1)は、1.48に設定される。
図14に示すように、***部61は、シリンダ2の内径D2に対する***部61の高さH2の割合(H2/D2)が0.08以下となるように形成されている。例えば、シリンダ2の内径D2に対する***部61の高さH2の割合(H2/D2)は、0.06に設定される。
ピストン55は、図15に示す径方向断面において、第2傾斜面67bの長さL4に対する上面66の長さL3の割合(L3/L4)が0.8以下となるように形成されている。例えば、第2傾斜面67bの長さL4に対する上面66の長さL3の割合(L3/L4)は、0.24に設定される。
以上説明したように、本実施形態に係るエンジン(火花点火式内燃機関)51においても、吸気側傾斜面64及び排気側傾斜面65を含む***部61がピストン55の頂面60に設けられると共に、***部61における点火プラグ25に対応する位置にキャビティ40が設けられ、タンブル流を生成する可能な吸気ポート15がシリンダヘッド4に設けられている。そして、吸気側傾斜面64及び排気側傾斜面65は、排気側傾斜面65の傾斜角度θ2が吸気側傾斜面64の傾斜角度θ1よりも小さくなり、且つ吸気側傾斜面64と排気側傾斜面65との傾斜角度差(θ1-θ2)が4度以上となるように形成されている。
この構成によれば、ピストン55の頂面60に形成された***部61によって幾何学的圧縮比を高めることができると共に、***部61に形成されたキャビティ40によって火炎伝播性を高めることができる。
また、***部61は、排気側傾斜面65の傾斜角度θ2が吸気側傾斜面64の傾斜角度θ1よりも小さくなるように形成されるので、高圧縮比を実現するのに十分な***部61の体積を確保しながら、当該***部61によるタンブル流の減速作用を軽減することができ、燃費性能を向上させることができる。
すなわち、排気側傾斜面65は、タンブル流がピストン55の頂面60に沿って排気側から吸気側に流れる際に当該タンブル流が接触する面であるから、この排気側傾斜面65の傾斜角度θ2が小さいことは、***部61によってタンブル流が減速(阻害)される作用を軽減することにつながる。これにより、タンブル流が高速に維持されるので、タンブル流の崩壊により生じる乱流のエネルギを増大させることができると共に、燃焼期間を短縮して燃費性能を向上させることができる。
本発明は、例示された実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計上の変更が可能である。
第1実施形態の***部31の吸気側傾斜面34と排気側傾斜面35との傾斜角度を種々変更したピストン5を備えたエンジン1についてシミュレーション解析を実施した。具体的には、***部31の体積を同等に維持しつつ吸気側傾斜面34と排気側傾斜面35との傾斜角度差(θ1-θ2)を種々変更したピストン5を備えたエンジン1について同一の運転条件下でシミュレーション解析を行い、ピストン5の上死点における燃焼室8内の混合気の乱流エネルギを調べた。
図16は、上記シミュレーション解析によって得られたグラフであり、吸気側傾斜面34と排気側傾斜面35との傾斜角度差(θ2-θ1)と、ピストン5の上死点における燃焼室8内の混合気の乱流エネルギとの関係を示している。
吸気側傾斜面34と排気側傾斜面35との傾斜角度がほぼ等しく形成された従来のピストンを備えたエンジンを従来例とし、吸気側傾斜面34と排気側傾斜面35との傾斜角度差(θ2-θ1)が4度以上とされた本実施形態に係るピストン5を備えたエンジンを実施例とする。具体的に、図16では、従来例として、傾斜角度θ1を23度に設定し且つ傾斜角度θ2を22度に設定した場合に得られた結果を黒四角のプロットで表示している。また、実施例として、傾斜角度θ1を23度に設定し且つ傾斜角度θ2を18度に設定した場合に得られた結果と、傾斜角度θ1を23度に設定し且つ傾斜角度θ2を17度に設定した場合に得られた結果とを、それぞれ白四角のプロットで表示している。さらに、これら各プロットに基づいて、吸気側傾斜面と排気側傾斜面との傾斜角度差と乱流エネルギとの関係を示すラインZを併せて表示している。
図16のラインZに示すように、吸気側傾斜面34と排気側傾斜面35との傾斜角度差が大きくなるにつれて、乱流エネルギは大きくなる。また、ラインZは、傾斜角度差が4度付近の位置に変曲点を有しており、この変曲点では、従来例のエンジンに対して、乱流エネルギが少なくとも10%増大している。このことから、吸気側傾斜面34と排気側傾斜面35との傾斜角度差を4度以上(図16の破線参照)に設定することで、タンブル流の減速作用を軽減して乱流エネルギを効果的に増大できることが分かる。
<実施形態のまとめ>
前記実施形態をまとめると以下のとおりである。
前記実施形態をまとめると以下のとおりである。
火花点火式内燃機関は、シリンダと、前記シリンダ内に往復動可能に配置されたピストンと、前記シリンダ上に配設されると共に前記シリンダの内周面及び前記ピストンの頂面と共にペントルーフ型の燃焼室を形成するシリンダヘッドと、前記燃焼室に臨むように前記シリンダヘッドに配設された点火プラグとを備える。前記ピストンの頂面には、前記燃焼室の天井面に沿った吸気側傾斜面及び排気側傾斜面を有する***部が設けられる。前記***部における前記点火プラグに対応する位置には、下方に窪むキャビティが設けられる。前記シリンダヘッドには、前記燃焼室内にタンブル流を生成可能な吸気ポートが設けられる。前記吸気側傾斜面及び前記排気側傾斜面は、前記排気側傾斜面の傾斜角度が前記吸気側傾斜面の傾斜角度よりも小さくなり、且つ前記吸気側傾斜面と前記排気側傾斜面との傾斜角度差が4度以上となるように形成される。
この構成によれば、ピストンの頂面に***部が設けられるので、この***部によって燃焼室の容積が狭められ、幾何学的圧縮比を高めることができる。また、***部における点火プラグに対応する位置にキャビティが設けられるので、ピストンと火炎との干渉を遅らせることができ、火炎伝播性を高めることができる。
また、***部は、排気側傾斜面の傾斜角度が吸気側傾斜面の傾斜角度よりも小さくなるように形成されるので、高圧縮比を実現するのに十分な***部の体積を確保しながら、当該***部によるタンブル流の減速作用を軽減することができ、燃費性能を向上させることができる。
すなわち、排気側傾斜面は、タンブル流がピストンの頂面に沿って排気側から吸気側へと流れる際に当該タンブル流が接触する面であるから、この排気側傾斜面の傾斜角度が小さいことは、***部によってタンブル流が減速(阻害)される作用を軽減することにつながる。これにより、タンブル流が高速に維持されるので、タンブル流の崩壊により生じる乱流のエネルギを増大させることができると共に、燃焼期間を短縮して燃費性能を向上させることができる。
好ましくは、前記吸気側傾斜面は吸気弁のバルブ軸線と直交するように設けられ、前記排気側傾斜面は排気弁のバルブ軸線と直交するように設けられる。
この構成によれば、吸気側傾斜面が吸気弁の傘部底面と平行になると共に、排気側傾斜面が排気弁の傘部底面と平行になるので、吸気ポートから排気ポートへと流れる吹き抜け流の流路を略一定の高さで確保することができる。すなわち、内燃機関の運転条件によっては、燃焼室に残留する排気ガス(残留排気ガス)を排出するために、排気行程において吸気弁及び排気弁の双方を開弁させて、吸気ポートから排気ポートへと流れる吹き抜け流を形成することがある。このとき、前記のように各傾斜面と傘部底面とが平行であれば、上記吹き抜け流の流路高さが略一定になるので、吹き抜け流の成長が阻害され難くなる。この結果、残留排気ガスの掃気性が向上し、燃焼室の温度が低下するので、高圧縮比に起因した異常燃焼の発生を防止でき、燃費性能を向上させることができる。
以上のような効果につながる前記各構成は、シリンダの幾何学的圧縮比を高めることを可能にする。このため、シリンダの幾何学圧縮比は、例えば12以上に設定することが可能である。
以上のように、本発明によれば、ピストンの頂面に***部が設けられると共に***部における点火プラグに対応する位置にキャビティが設けられた火花点火式内燃機関において、***部によるタンブル流の減速作用を軽減して燃費性能の向上を図ることが可能となるから、この種の火花点火式内燃機関を搭載する車両などの製造技術分野において好適に利用される可能性がある。
Claims (3)
- シリンダと、
前記シリンダ内に往復動可能に配置されたピストンと、
前記シリンダ上に配設されると共に前記シリンダの内周面及び前記ピストンの頂面と共にペントルーフ型の燃焼室を形成するシリンダヘッドと、
前記燃焼室に臨むように前記シリンダヘッドに配設された点火プラグとを備え、
前記ピストンの頂面に、前記燃焼室の天井面に沿った吸気側傾斜面及び排気側傾斜面を有する***部が設けられ、
前記***部における前記点火プラグに対応する位置に、下方に窪むキャビティが設けられ、
前記シリンダヘッドに、前記燃焼室内にタンブル流を生成可能な吸気ポートが設けられ、
前記吸気側傾斜面及び前記排気側傾斜面は、前記排気側傾斜面の傾斜角度が前記吸気側傾斜面の傾斜角度よりも小さくなり、且つ前記吸気側傾斜面と前記排気側傾斜面との傾斜角度差が4度以上となるように形成されている、
火花点火式内燃機関。 - 前記吸気側傾斜面は吸気弁のバルブ軸線と直交するように設けられ、前記排気側傾斜面は排気弁のバルブ軸線と直交するように設けられている、
請求項1に記載の火花点火式内燃機関。 - 前記シリンダの幾何学的圧縮比が12以上である、
請求項1または2に記載の火花点火式内燃機関。
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