JP2016094925A - Internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は内燃機関に関し、より詳細には、燃焼室内に燃料を直接噴射するインジェクタを備える直噴火花点火式内燃機関に関する。 The present invention relates to an internal combustion engine, and more particularly to a direct injection spark ignition internal combustion engine including an injector that directly injects fuel into a combustion chamber.
従来、例えば特開2000−104550号公報には、燃焼室内に燃料を直接噴射するインジェクタを備える直噴火花点火式内燃機関が開示されている。この内燃機関は吸気ポートと排気ポートを2つずつ備えており、2つの吸気ポートの開口部間の近傍に設けたインジェクタから圧縮行程の後期にピストンの頂面の中央部に向けて燃料を噴射するように構成されている。また、この内燃機関は、吸気行程において2つの吸気ポートから燃焼室に流入させた吸気によって、点火プラグの下側を通って排気側からピストンの頂面に向かい、尚且つ、この頂面で反転して吸気側から点火プラグ方向に向かう正タンブル流を発生させるように構成されている。また、この内燃機関のピストンの頂面の中央部には、排気側から吸気側に延びる側面山形の立壁が2つ設けられている。このように構成された従来の内燃機関によれば、インジェクタからの燃料を、タンブル流と正面衝突させて微粒化できる。また、2つの立壁によって、タンブル流と正面衝突させた燃料の横方向(つまり、吸排気方向に直交する方向)への拡散を抑制できる。 Conventionally, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-104550 discloses a direct injection spark ignition type internal combustion engine including an injector that directly injects fuel into a combustion chamber. This internal combustion engine has two intake ports and two exhaust ports, and fuel is injected from the injector provided in the vicinity between the openings of the two intake ports toward the center of the top surface of the piston in the latter half of the compression stroke. Is configured to do. In addition, this internal combustion engine is directed toward the top surface of the piston from the exhaust side through the lower side of the spark plug by the intake air flowing into the combustion chamber from the two intake ports during the intake stroke, and is inverted at this top surface. Thus, a positive tumble flow from the intake side toward the spark plug is generated. Further, at the center of the top surface of the piston of the internal combustion engine, there are provided two side wall-shaped standing walls extending from the exhaust side to the intake side. According to the conventional internal combustion engine configured as described above, the fuel from the injector can be atomized by causing a frontal collision with the tumble flow. Further, the two standing walls can suppress the diffusion of the fuel collided with the tumble flow in the front direction (that is, the direction orthogonal to the intake / exhaust direction).
ところで、内燃機関の熱効率向上に寄与するリーンバーン燃焼では、燃料と吸気の混合気の濃度のリーン化に伴う燃焼速度の緩慢化を補うために上述したような正タンブル流を用いてシリンダ内の吸気の流動を強化して火炎伝播速度を向上させている。一方、内燃機関の始動直後の冷間運転時においては、排気触媒を早期に暖機すべく膨張行程において混合気を緩慢燃焼させて排気温度を上昇させることが望ましい。しかし、冷間運転時の膨張行程では混合気の着火性が低いことから、冷間運転時の燃焼を安定化させるためには、点火時期の近傍において点火プラグに混合気をより一層集中させる必要がある。この点、上述した従来の内燃機関では、点火時期の近傍において混合気を点火プラグに導くことはできるものの、タンブル流と燃料を正面衝突させたことで混合気中の燃料濃度が均一化されるが故に、冷間運転時に着火性が低下する可能性がある。 By the way, in lean burn combustion, which contributes to improving the thermal efficiency of an internal combustion engine, the above-described normal tumble flow is used to compensate for the slowing of the combustion speed accompanying the leaning of the concentration of the mixture of fuel and intake air. The flow of the intake air is strengthened to improve the flame propagation speed. On the other hand, during the cold operation immediately after the start of the internal combustion engine, it is desirable to raise the exhaust gas temperature by slowly burning the air-fuel mixture in the expansion stroke in order to warm up the exhaust catalyst early. However, since the ignitability of the air-fuel mixture is low in the expansion stroke during cold operation, it is necessary to concentrate the air-fuel mixture more closely on the spark plug near the ignition timing in order to stabilize the combustion during cold operation. There is. In this regard, in the above-described conventional internal combustion engine, the air-fuel mixture can be guided to the spark plug in the vicinity of the ignition timing, but the fuel concentration in the air-fuel mixture is made uniform by causing the tumble flow and the fuel to collide head-on. Therefore, the ignitability may be reduced during cold operation.
本発明は、上述のような課題に鑑みなされたものである。即ち、燃焼室内に正タンブル流を発生させる直噴火花点火式内燃機関において、冷間運転時の燃焼を安定化させることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems. That is, an object of the present invention is to stabilize combustion during cold operation in a direct-injection spark-ignition internal combustion engine that generates a normal tumble flow in the combustion chamber.
本発明は、内燃機関であって、
少なくともシリンダボアの壁面とシリンダヘッドの底面とピストンの頂面とにより構成される燃焼室と、
前記燃焼室を構成する前記底面の略中央から前記燃焼室を臨む点火プラグと、
前記燃焼室を構成する前記底面に形成された第1吸気ポートおよび第2吸気ポートと、
前記燃焼室を構成する前記底面において、前記点火プラグの設置箇所を中心として前記第1吸気ポートおよび前記第2吸気ポートと略対称の箇所に形成された第1排気ポートおよび第2排気ポートと、
前記燃焼室内に燃料を直接噴射するインジェクタであって、前記第1吸気ポートと前記第2吸気ポートが形成された吸気側から、前記第1排気ポートおよび前記第2排気ポートが形成された排気側に向けて燃料を噴射するインジェクタと、
前記第1吸気ポートと前記第2吸気ポートから前記燃焼室に流入させた吸気を、前記点火プラグの下側経由で排気側から前記頂面に向かわせ、前記頂面で反転させて吸気側から前記点火プラグに向かわせるタンブル流発生手段と、
前記頂面の前記点火プラグと対向する箇所に形成された断面略U字形状の中央溝部と、
前記頂面の前記中央溝部の形成箇所よりも外側において前記第1排気ポート側から前記第1吸気ポート側に向かって形成される断面略U字形状の第1外溝部であって、前記第1外溝部の吸気側の端部が前記インジェクタの設置箇所に向かって湾曲する第1外溝部と、
前記頂面の前記中央溝部の形成箇所よりも外側において前記第2排気ポート側から前記第2吸気ポート側に向かって形成される断面略U字形状の第2外溝部であって、前記第2外溝部の吸気側の端部が前記インジェクタの設置箇所に向かって湾曲する第2外溝部と、
を備えることを特徴とする。
The present invention is an internal combustion engine,
A combustion chamber constituted by at least the wall surface of the cylinder bore, the bottom surface of the cylinder head, and the top surface of the piston;
A spark plug that faces the combustion chamber from substantially the center of the bottom surface constituting the combustion chamber;
A first intake port and a second intake port formed on the bottom surface constituting the combustion chamber;
A first exhaust port and a second exhaust port formed in a substantially symmetric place with respect to the first intake port and the second intake port on the bottom surface constituting the combustion chamber, with the installation location of the ignition plug as a center;
An injector for directly injecting fuel into the combustion chamber, from an intake side where the first intake port and the second intake port are formed, to an exhaust side where the first exhaust port and the second exhaust port are formed An injector for injecting fuel toward
The intake air that has flowed into the combustion chamber from the first intake port and the second intake port is directed from the exhaust side to the top surface via the lower side of the spark plug, and reversed from the top surface to be reversed from the intake side. A tumble flow generating means directed toward the spark plug;
A central groove having a substantially U-shaped cross section formed at a location facing the spark plug on the top surface;
A first outer groove portion having a substantially U-shaped cross section formed from the first exhaust port side toward the first intake port side outside the formation position of the central groove portion on the top surface, A first outer groove portion in which an end portion on the intake side of the outer groove portion curves toward an installation location of the injector;
A second outer groove portion having a substantially U-shaped cross section formed from the second exhaust port side toward the second intake port side outside the formation position of the central groove portion on the top surface; A second outer groove portion in which an end portion on the intake side of the outer groove portion curves toward an installation location of the injector;
It is characterized by providing.
本発明によれば、周囲よりも相対的に燃料濃度の高い混合気を中央溝部に集め、ピストンの上昇に伴って点火プラグに導くことができるので、混合気の着火性を高めることができる。従って、冷間運転時の燃焼を安定化させることができる。また、第1外溝部と第2外溝部によって燃焼室に発生させたタンブル流の排気側から吸気側へ向かう方向の流れ強度を増加させることができるので、燃料との衝突によるタンブル流の減衰を抑えて、点火後の燃焼に必要な乱れ強度を確保することもできる。従って、冷間運転時の膨張行程において混合気を緩慢燃焼させて排気触媒を早期に暖機することが可能となる。 According to the present invention, the air-fuel mixture having a relatively higher fuel concentration than the surroundings can be collected in the central groove and guided to the spark plug as the piston rises, so that the ignitability of the air-fuel mixture can be improved. Therefore, combustion during cold operation can be stabilized. In addition, since the flow strength of the tumble flow generated in the combustion chamber in the direction from the exhaust side to the intake side can be increased by the first outer groove portion and the second outer groove portion, the tumble flow is attenuated by the collision with the fuel. It is also possible to suppress the turbulence intensity necessary for the combustion after ignition. Therefore, it is possible to warm up the exhaust catalyst early by causing the air-fuel mixture to burn slowly during the expansion stroke during the cold operation.
本発明の実施形態の内燃機関は、車両等の移動体の駆動源として搭載される直噴火花点火式エンジンである。図1は、本発明の実施の形態のエンジンの燃焼室の断面模式図である。図1に示すように、エンジン10のシリンダ12には、シリンダ12内を往復動するピストン14が設けられている。シリンダ12の上方には、シリンダヘッド16が配置されている。少なくともシリンダ12のボア壁面(シリンダボアの壁面)とピストン14の頂面とシリンダヘッド16の底面とにより燃焼室18が画定される。
An internal combustion engine according to an embodiment of the present invention is a direct-injection spark ignition engine that is mounted as a drive source for a moving body such as a vehicle. FIG. 1 is a schematic sectional view of a combustion chamber of an engine according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the
シリンダヘッド16には、燃焼室18内に燃料を直接噴射するためのインジェクタ20が設けられている。シリンダヘッド16には、燃焼室18内の混合気に点火するための点火プラグ(点火栓)22も設けられている。シリンダヘッド16の下面には、吸気ポート24と排気ポート26が2つずつ形成されている。燃焼室18は、吸気ポート24を介して吸気通路28と連通し、排気ポート26を介して排気通路30と連通している。吸気ポート24には、図1中に「タンブル方向」と示す方向、即ち、点火プラグ22の下側を通って排気側からピストン14の頂面に向かい、尚且つ、この頂面で反転して吸気側から点火プラグ22方向に向かう正タンブル流を発生させるための気流制御弁(図示しない)が設けられている。
The
図2は、図1の燃焼室18をシリンダヘッド16側から見た平面図である。なお、図2に示す「フロント側」はエンジン10を搭載した移動体の前方を意味し、「リア側」は同移動体の後方を意味している。図2に示すように、ピストン14の頂面のフロント側およびリア側には溝14a,14bが形成されている。溝14a,14bは断面略U字形状である。溝14aの中心線C14aは、排気側および中央部において排気ポート26aから吸気ポート24aに向かって延び、吸気側の端部においてはインジェクタ20の噴射孔側に向かって湾曲している。溝14bの中心線C14bは、排気側および中央部において排気ポート26bから吸気ポート24bに向かって延び、吸気側においてインジェクタ20の噴射孔側に向かって湾曲している。
FIG. 2 is a plan view of the
また、溝14a,14bよりも内側には、小容積の窪み14cが形成されている。窪み14cは、ピストン14の頂面の中央部に形成されている。ピストン14の頂面の中央部に形成したのは、溝14a,14bとの干渉を避けて窪み14c内に滞留させた混合気の分散を抑制するためである。また、窪み14cは、吸−排気方向の幅よりもフロント−リア方向の幅が狭くなるように形成されている。この理由は、窪み14cへのタンブル流の侵入を抑制するためである。窪み14cのフロント−リア方向の幅は、点火プラグ22のプラグ径程度とされている。また、図3に示すように、窪み14cの断面は略U字形状であり、窪み14cの表面は、タンブル流の剥離、減衰を防ぐために鋭角な反り返しを設けないように加工されている。
A small volume recess 14c is formed inside the
上述したように、リーンバーン燃焼では、混合気の濃度のリーン化に伴う燃焼速度の緩慢化を補うために正タンブル流を用いてシリンダ内の吸気の流動を強化して火炎伝播速度を向上させている。また、リーンバーン燃焼を行うエンジンの始動直後の冷間運転時においては、排気触媒を早期に暖機すべく膨張行程において混合気を緩慢燃焼させて排気温度を上昇させることが望ましい。 As described above, in lean burn combustion, the flow of the intake air in the cylinder is strengthened using a positive tumble flow in order to compensate for the slowing of the combustion speed accompanying the lean concentration of the mixture, thereby improving the flame propagation speed. ing. Further, during cold operation immediately after the start of the engine that performs lean burn combustion, it is desirable to raise the exhaust gas temperature by slowly burning the air-fuel mixture in the expansion stroke in order to warm up the exhaust catalyst early.
圧縮行程においてインジェクタ20から噴射された燃料は排気側へと向かうが、対向するタンブル流との衝突により貫徹力が弱められるので、燃料の排気側への進行はある程度抑えられる。よって、インジェクタ20の噴射時期を適切に設定することで、ピストン14の上死点近くにおいて点火プラグ22の近傍に膨張行程でも着火可能な混合気濃度を確保できる。しかし、タンブル流は燃料との衝突により減衰するので排気側から吸気側へ向かう方向の流れ強度が小さくなり、点火後の燃焼に必要な乱れ強度が小さくなり易い。また、混合気もタンブル流により分散し、点火時の成層度が低くなり易い。従って、冷間運転時の燃焼を安定化させるためには、タンブル流の減衰を抑えつつ、点火時の成層度をある程度確保する必要がある。
Although the fuel injected from the
この点、図2に示したピストン14の頂面構造によれば、周囲よりも相対的に燃料濃度の高い混合気を窪み14cに集め、ピストン14の上昇に伴って点火プラグ22に導くことができるので、混合気の着火性を高めることができる。従って、冷間運転時の燃焼を安定化させることができる。また、溝14a,14bによって燃焼室18に発生させたタンブル流の排気側から吸気側へ向かう方向の流れ強度を増加させることができるので、燃料との衝突によるタンブル流の減衰を抑えて、点火後の燃焼に必要な乱れ強度を確保することもできる。従って、冷間運転時の膨張行程において混合気を緩慢燃焼させて排気触媒を早期に暖機することが可能となる。
In this regard, according to the top surface structure of the
図4は、タンブル流の流れ強度(タンブル強さ)の測定結果を示す図である。図4に示す「本発明」は、図2に示した頂面構造のピストン14を用いたときの流れ強度を示している。また、同図に示す「キャビティ付形状」および「通常形状」は、それぞれ、図5および図6に示す比較用の断面構造のピストンを用いたときの流れ強度を示している。また、図4に示したデータは、PIV(Particle Image Velocimetry)によって計測した下死点前90°におけるタンブル流の流れ強度である。図4から、図2に示した頂面構造のピストン14を用いることで、通常形状、即ち、突起等のない平滑な形状と同等の流れ強度を確保できることが分かる。従って、本発明によれば、燃料との衝突によるタンブル流の減衰を抑えることができる。
FIG. 4 is a diagram showing measurement results of the flow strength (tumble strength) of the tumble flow. The “present invention” shown in FIG. 4 shows the flow strength when the
なお、上記実施の形態においては、吸気ポート24a,24bが本発明の「第1吸気ポート」および「第2吸気ポート」に、排気ポート26a,26bが本発明の「第1排気ポート」および「第2排気ポート」に、気流制御弁が本発明の「タンブル流発生手段」に、窪み14cが本発明の「中央溝部」に、溝14a,14bが本発明の「第1外構部」および「第2外構部」に、それぞれ相当している。
In the above embodiment, the
10 エンジン
12 シリンダ
14 ピストン
14a,14b 溝
14c 窪み
16 シリンダヘッド
18 燃焼室
22 点火プラグ
24 吸気ポート
26 排気ポート
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記燃焼室を構成する前記底面の略中央から前記燃焼室を臨む点火プラグと、
前記燃焼室を構成する前記底面に形成された第1吸気ポートおよび第2吸気ポートと、
前記燃焼室を構成する前記底面において、前記点火プラグの設置箇所を中心として前記第1吸気ポートおよび前記第2吸気ポートと略対称の箇所に形成された第1排気ポートおよび第2排気ポートと、
前記燃焼室内に燃料を直接噴射するインジェクタであって、前記第1吸気ポートと前記第2吸気ポートが形成された吸気側から、前記第1排気ポートおよび前記第2排気ポートが形成された排気側に向けて燃料を噴射するインジェクタと、
前記第1吸気ポートと前記第2吸気ポートから前記燃焼室に流入させた吸気を、前記点火プラグの下側経由で排気側から前記頂面に向かわせ、前記頂面で反転させて吸気側から前記点火プラグに向かわせるタンブル流発生手段と、
前記頂面の前記点火プラグと対向する箇所に形成された断面略U字形状の中央溝部と、
前記頂面の前記中央溝部の形成箇所よりも外側において前記第1排気ポート側から前記第1吸気ポート側に向かって形成される断面略U字形状の第1外溝部であって、前記第1外溝部の吸気側の端部が前記インジェクタの設置箇所に向かって湾曲する第1外溝部と、
前記頂面の前記中央溝部の形成箇所よりも外側において前記第2排気ポート側から前記第2吸気ポート側に向かって形成される断面略U字形状の第2外溝部であって、前記第2外溝部の吸気側の端部が前記インジェクタの設置箇所に向かって湾曲する第2外溝部と、
を備えることを特徴とする内燃機関。 A combustion chamber constituted by at least the wall surface of the cylinder bore, the bottom surface of the cylinder head, and the top surface of the piston;
A spark plug that faces the combustion chamber from substantially the center of the bottom surface constituting the combustion chamber;
A first intake port and a second intake port formed on the bottom surface constituting the combustion chamber;
A first exhaust port and a second exhaust port formed in a substantially symmetric place with respect to the first intake port and the second intake port on the bottom surface constituting the combustion chamber, with the installation location of the ignition plug as a center;
An injector for directly injecting fuel into the combustion chamber, from an intake side where the first intake port and the second intake port are formed, to an exhaust side where the first exhaust port and the second exhaust port are formed An injector for injecting fuel toward
The intake air that has flowed into the combustion chamber from the first intake port and the second intake port is directed from the exhaust side to the top surface via the lower side of the spark plug, and reversed from the top surface to be reversed from the intake side. A tumble flow generating means directed toward the spark plug;
A central groove having a substantially U-shaped cross section formed at a location facing the spark plug on the top surface;
A first outer groove portion having a substantially U-shaped cross section formed from the first exhaust port side toward the first intake port side outside the formation position of the central groove portion on the top surface, A first outer groove portion in which an end portion on the intake side of the outer groove portion curves toward an installation location of the injector;
A second outer groove portion having a substantially U-shaped cross section formed from the second exhaust port side toward the second intake port side outside the formation position of the central groove portion on the top surface; A second outer groove portion in which an end portion on the intake side of the outer groove portion curves toward an installation location of the injector;
An internal combustion engine comprising:
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Publications (1)
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2017195803A1 (en) | 2016-05-10 | 2017-11-16 | 株式会社神戸製鋼所 | Aqueous solution for metal surface treatment, treatment method for metal surface, and joined body |
WO2018221306A1 (en) | 2017-06-02 | 2018-12-06 | マツダ株式会社 | Combustion chamber structure for engines |
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2014
- 2014-11-17 JP JP2014232935A patent/JP2016094925A/en active Pending
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