JP4004176B2

JP4004176B2 - Piston for in-cylinder injection engine and in-cylinder injection engine using this piston

Info

Publication number: JP4004176B2
Application number: JP07553599A
Authority: JP
Inventors: 裕一鈴木
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 1998-03-23
Filing date: 1999-03-19
Publication date: 2007-11-07
Anticipated expiration: 2019-03-19
Also published as: JPH11336551A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料を燃焼室に燃料噴射装置から直接噴射して燃焼させる筒内噴射エンジンに用いられるピストン及びこのピストンを使用した筒内噴射エンジンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種のものとしては、例えば図１２及び図１３に示すようなものがある。図１２，図１３の（ａ）は筒内噴射エンジンのピストン１の平面図、図１２，図１３の（ｂ）はピストン１の断面図で、これらの図に示すように、ピストン１の頂部２には、凹所であるキャビティ３が形成されている。
【０００３】
そして、筒内噴射エンジンの圧縮行程において、燃料噴射装置４から燃料を、キャビティ３の図中右側端部（基端部３ａ）から斜めに底面３ｂに向けて直接噴射する。これにより、噴霧Ｇがキャビティ３の先端部３ｃの縦壁部３ｄにて上方に持ち上げられ、この燃料が点火プラグ５にて着火されて燃焼される。
【０００４】
このようにキャビティ３を設けて、ここに燃料を噴射することで、空気との混合性を向上させると共に、上方に持ち上げて着火性を確保するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来のものにあっては、図１２に示すように、噴霧Ｇの噴射角度α１が大きいと、空気との混合は良好で、ＨＣ，スモークの発生は低く抑えられるが、キャビティ先端部３ｃで噴霧Ｇが分散し、成層化が得られず、又、貫徹力も弱く、点火プラグ５への移送も不十分となり、点火プラグ５の突出し量Ｌ１を大きくして対処せざるを得ない。その場合、均一混合気の全開出力時には、点火プラグ５の過度の温度上昇によるプレイグニッションが発生する。
【０００６】
一方、図１３に示すように、噴射角度α２が狭い噴霧Ｇで、成層化を図ろうとすると、点火プラグ５への噴霧Ｇの移送は十分で、点火プラグ５の突出し量Ｌ２は小さく抑えられるが、空気との混合が不十分で、スモーク，ＨＣが発生し易くなる、という問題がある。
【０００７】
そこで、この発明は、微粒化の良い広い噴霧角を使いながらも成層化を図り、点火プラグへの移送性が良好で、且つ、空気との混合を十分に行え、スモーク，ＨＣの発生を抑制できるピストン及び筒内噴射エンジンを提供することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を達成するために、請求項１に記載の発明は、燃料を燃焼室に燃料噴射装置から直接噴射して燃焼させる筒内噴射エンジンに用いられるピストンにおいて、頂部の周囲に平面部が形成され、前記平面部の内側に該平面部から上方に突出する凸部と該凸部及び前記平面部に渡って凹所形状のキャビティとが形成され、前記凸部はピストン頂部中央に位置して径方向に延在する平面状の天面と該天面の両側で下端が前記平面部に至る平面状の吸気側の傾斜面と排気側の傾斜面とを有し、前記キャビティは、平面視で鶏卵形状を呈し、当該鶏卵形状の細い方の先端部側を、前記天面内に配置させ、当該鶏卵形状の太い方の基端部側を、前記吸気側の傾斜面を横切って前記平面部内に配置させ、かつ、前記燃料噴射装置の噴射口近傍に配置させると共に、前記キャビティ底面には、前記先端部側が高くなるように傾斜する平坦部が、基端を前記吸気側の傾斜面の下端を越えて前記平面部下方に位置するように形成され、燃料が前記基端部側から先端部側に向けて噴射するようにした筒内噴射エンジン用ピストンとしたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の構成に加え、前記キャビティの先端部側の縦壁は、鉛直であるか又は上方に向かうに従って開くように形成されると共に、該縦壁と前記底面との間のＲ形状部の曲率半径より、前記底面と側壁とのＲ形状部の曲率半径を小さくしたことを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、シリンダブロックにシリンダヘッドが取り付けられ、前記シリンダブロックに請求項１又は２に記載のピストンが配設されると共に、前記キャビティの先端部側上方の混合気が上昇される位置にある前記シリンダヘッドに点火プラグが配設された筒内噴射エンジンとしたことを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項３記載の構成に加え、前記シリンダブロックと前記シリンダヘッドとの合い面から燃焼室最高位置までの略半分の高さより上側に前記点火プラグの先端部が位置していることを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項３又は４記載の構成に加え、前記燃料噴射装置側に吸気ポートを配置し、該吸気ポートの吸気口から前記燃焼室内に流入する空気が、前記キャビティの先端部を左側、基端部を右側として燃焼室内を見た場合に、反時計回りのタンブルを生じるように構成したことを特徴とする。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項３乃至５の何れか一つに記載の構成に加え、前記ピストンの頂部に形成された傾斜面と前記燃焼室天井面との間に、スキッシュエリアが設けられたことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について説明する。
【００１６】
［発明の実施の形態１］
図１乃至図５には、この発明の実施の形態１を示す。
【００１７】
まず構成を説明すると、図１中符号２１はシリンダブロックで、このシリンダブロック２１の上側には、シリンダヘッド２２が配設される一方、そのシリンダブロック２１にはピストン２３が上下動自在に配設されている。
【００１８】
また、シリンダヘッド２２には、図１，図２等に示すように、２つづつの吸気ポート２４及び排気ポート２５をそれぞれ開閉する吸気バルブ２６及び排気バルブ２７が配設されている。これら、吸気バルブ２６及び排気バルブ２７は吸気側カムシャフト２８及び排気側カムシャフト２９により所定のタイミングで開閉されるようになっている。
【００１９】
さらに、そのシリンダヘッド２２には、燃料噴射装置３１及び点火プラグ３２が配設され、その燃料噴射装置３１の噴射口３１ａ及び点火プラグ３２の先端部３２ａが燃焼室３３に臨んでいる。その燃料噴射装置３１は、吸気ポート２４の下側近傍で、斜めに配置される一方、点火プラグ３２は、燃焼室３３の平面視において中央で、燃焼室３３の最高位置に上下方向に沿って配置されている。この点火プラグ３２の先端部３２ａの位置は、シリンダブロック２１とシリンダヘッド２２との合い面Ｐから燃焼室３３の最高位置Ｍまでの略半分の高さより上側に位置している。この実施の形態では、図２中、最高位置Ｍから５ｍｍ下方に突出している。
【００２０】
一方、前記ピストン２３の頂部３６の形状は、以下のように形成されている。
【００２１】
すなわち、周囲に平面部３７が形成され、この平面部３７の内側に、上方に突出する凸部３８及び凹所形状であるキャビティ３９が形成されている。
【００２２】
図１，図２に示すように、凸部３８は、天面３８ａが平面形状に形成されると共に、その天面３８ａまで至る傾斜面３８ｂが形成されている。天面３８ａは、ピストン頂部中央に位置して径方向に延在する。傾斜面３８ｂは、天面３８ａの両側で下端が平面部３７に至る平面状の吸気側の傾斜面３８ｂ１と排気側の傾斜面３８ｂ２とを有している。
【００２３】
また、キャビティ３９は、平面視で鶏卵形状を呈しており、当該鶏卵形状の細い方の先端部３９ａが、ピストン２３頂面部の中央部（点火プラグ３２の下方）に配置され、又、当該鶏卵形状の太い方の基端部３９ｂが、燃料噴射装置３１の噴射口３１ａ近傍に配置されている。さらに、このキャビティ３９の底面３９ｃは、図４の（ｂ）等に示すように、先端部３９ａ側が高くなるように傾斜する平坦部（底面）が、基端を吸気側の傾斜面３８ｂ１の下端を越えて平面部３７下方に位置するように形成され、ここでは角度α°（５°〜７°）に設定されている。さらにまた、先端部３９ａ側の底面３９ｃから縦壁３９ｄに渡るＲ形状部３９ｅは、ここでは曲率半径Ｒが１３ｍｍに設定されている。
【００２４】
なお、前記キャビティ底面３９ｃの傾斜角度α°とそのＲ形状部３９ｅの曲率半径Ｒとの関係は、その傾斜角度が０°の場合、つまり傾斜していない場合には、曲率半径Ｒが１５ｍｍ乃至３０ｍｍに設定されており、又、底面３９ｃが傾斜している場合には、曲率半径Ｒが８ｍｍ乃至１５ｍｍに設定するのが良い。
【００２５】
また、図４の（ｃ）に示すように、キャビティ底面３９ｃと側壁３９ｆとの間のＲ形状部３９ｇは、ここでは８ｍｍ乃至１０ｍｍに設定されており、前記Ｒ形状部３９ｅより小さく形成されている。勿論、両者を同じに形成することもできる。この場合には、一つの工具で両Ｒ形状部３９ｇ，３９ｅを連続して形成できる。
【００２６】
次に、作用について説明する。
【００２７】
エンジンの圧縮行程において、ピストン２３が、図２中実線で示す位置に達した時に、燃料噴射装置３１の噴射口３１ａから燃料が、図４の（ａ）中、噴射角度θが６０°〜８０°の範囲で噴射されると、この噴霧の形に対してキャビティ３９の基端部３９ｂ側の幅Ｈが広くなっているため、図４の（ａ）中矢印Ａに示すように、その基端部３９ｂ側に筒内スワール流による空気が入り噴霧Ｇに空気が混入し易いと共に、前記のように噴射角度θがある程度大きいため、この点でも空気が混入し易い。
【００２８】
そして、その噴霧Ｇは、キャビティ３９の底面３９ｃに当たり、この底面３９ｃにて先端部３９ａ側に向けて案内されると共に、前記のように片側から流入する筒内スワール流により側壁３９ｆに押し付けられながら、この側壁３９ｆにて先端部３９ａ側に向けて案内される。この側壁３９ｆは、従来の図１２の（ｂ）等に示すものより高いと同時に、Ｒ形状部３９ｇの曲率半径Ｒが小さいため、噴霧Ｇの横漏れを防止することができる。
【００２９】
次いで、この噴霧Ｇは、キャビティ先端部３９ａのＲ形状部３９ｅ及び縦壁３９ｄに案内されて噴霧Ｇが上方に持ち上がる。この場合には、底面３９ｃをスロープ形状とすることにより、噴霧Ｇを持ち上げ易く、又、Ｒ形状部３９ｅを大きくすることにより、この部分での噴霧Ｇの溜まりを抑制できる。
【００３０】
そして、図５の（ａ），（ｂ）に示すように、鶏卵形状の細い方の先端部３９ａにて、噴霧Ｇの一旦広がった前方部が狭められて集中されることにより、成層化が図られ、点火プラグ３２へと移送される。
【００３１】
なお、図２中、二点鎖線に示すピストン２３の位置が上死点である。
【００３２】
このようにすれば、燃料と空気と混合が十分に行われることにより、スモークの発生を抑制できると同時に、成層化が図られて点火プラグ３２への移送が良好に行われることにより燃焼が安定する。
【００３３】
しかも、成層化が図られるため、点火プラグ３２の燃焼室３３内への突出量を短くしても着火性を確保できることから、点火プラグ３２の加熱を抑制できる。特に、シリンダブロック２１とシリンダヘッド２２との合い面から燃焼室最高位置Ｍまでの略半分の高さより上側に、前記点火プラグ３２の先端部３２ａを位置させることにより、点火プラグ３２の冷却性を確保できる。点火プラグ３２の突出量が大きい（例えば１１ｍｍ程度）と過熱し易いため、冷え型のプラグを使用する必要があるが、このプラグを使用すると、いわゆるくすぶりが発生し易い。これに対して、この実施の形態のように突出量が小さい（例えば５ｍ程度）とノーマル型のプラグを使用でき、くすぶりを抑制することが出来る。
【００３４】
［発明の実施の形態２］
図６乃至図１１には、この発明の実施の形態２を示す。
【００３５】
この実施の形態は、図６に示すように、点火プラグ４２が実施の形態１と異なっていると共に、図８に示すように、一対の吸気ポート２４のそれぞれに連続する吸気通路４３の一方の内部に開閉弁４５が配設されている点でも相違している。
【００３６】
その点火プラグ４２は、中心部に中心電極４２ａが設けられ、この中心電極４２ａの周囲に側方電極４２ｂが３片、１２０°間隔で、半径方向に沿って配設されている。これら側方電極４２ｂは、略直角に折曲され、先端部４２ｃが中心電極４２ａの側方に対向し、この中心電極４２ａ側面と側方電極先端部４２ｃとの間が火花ギャップとなっている。この中心電極４２ａ等がキャビティ先端部３９ａの上方に位置している。
【００３７】
また、吸気ポート２４は、燃料噴射装置３１側に斜めに形成され、この吸気ポート２４の吸気口２４ａの下縁部２４ｂには、図９の（ａ）に示すように、マスキング４６が設けられ、同図に示すように、吸気バルブ２６を開いた状態では、吸気口２４ａの上縁部２４ｃ側の方が、下縁部２４ｂ側よりも流入空気量が多くなるように構成されている。これにより、図９の（ａ）に示すように、前記ピストンキャビティ３９の先端部３９ａを左側、基端部３９ｂを右側として燃焼室３３内を見た場合に、吸気ポート２４の吸気口２４ａから燃焼室３３内に流入する空気が、図中矢印Ｘに示すように、反時計回りのタンブルを生じるように構成されている。
【００３８】
さらに、ピストン２３の頂部３６には、実施の形態１も同様であるが、中央部が上方に突出するような凸部３８が形成され、この凸部３８の傾斜面３８ｂと燃焼室天井傾斜面３３ａとの間に、スキッシュエリアが設けられている。
【００３９】
なお、ピストン２３の形状等は、実施の形態１と同様である。
【００４０】
このようなものにあっては、図９の（ａ）に示すＢＤＣ（下死点）では、開かれた吸気バルブ２６から、燃焼室３３内に外気が導入され、図中矢印Ｘに示すような反時計回りのタンブルが生じる。これは、吸気口２４ａの上縁部２４ｃ側からの空気の吸入量が多いため、反時計回りのタンブルが生じるものである。
【００４１】
次に、図９の（ｂ）に示すＢＴＤＣ６０°では、ピストン２３が上昇し、空気が押し上げられることから、矢印Ｓに示す流れを生じる。これと共に、図１０に示すようにＢＴＤＣ６３°乃至５８°で、燃料噴射装置３１から燃料が実施の形態１と同様に、キャビティ３９内に燃料が噴射され、キャビティ底面３９ｃに付着した燃料が気化されて上昇する。
【００４２】
また、その矢印Ｓに示す流れにより、図９の（ａ）に示すタンブルの流れＸが図９の（ｂ）中、矢印Ｘ１に示すように徐々に変化して行く。
【００４３】
このようにタンブルはピストン２３が上昇するにつれて全体的なタンブルの流れは失われて（タンブルが崩壊して）、細かい乱れの流れ成分になる。
【００４４】
これにより、空気への燃料の混合が良好に行われることとなる。
【００４５】
そして、図９の（ｃ）に示すＢＴＤＣ３０°では、ピストン凸部３８の傾斜面３８ｂと、燃焼室３３の天井傾斜面３３ａとの間にスキッシュエリアが形成されているため、図９の（ｂ）の流れＳは、図９の（ｃ）中矢印Ｓ１のような流れに変化して行く。この際のいわゆるスキッシュ効果により、混合気の攪拌がより良好に行われると共に、ピストンキャビティ３９内の先端部３９ａにおいて、上向きの流れＹが生じることとなる。さらに、ＢＴＤＣ２０°における気液混合気の流れは図９の（ｄ）に示すようになる。
【００４６】
上記のようなタンブル，スキッシュの効果により、燃料と空気とが良好に混合されると共に、キャビティ３９の形状により、先端部３９ａに集められて他の部分より燃料の濃い気液混合気が持ち上げられて、図１０に示すように、ＢＴＤＣ２０°付近で、点火プラグ４２により着火される。
【００４７】
この点火プラグ４２は、図６及び図７に示すように、中心電極４２ａに対して側方電極４２ｂの先端部４２ｃが側方で対向しているため、側方に火花が飛ぶこととなる。従って、上昇してきた混合気が側方電極４２ｂで遮られることなく、直接火花が飛んでいる部分に上昇してくるため、着火性能が良好となる。
【００４８】
一方、一対の吸気通路４３の一方の内部に開閉弁４５が配設され、低回転域では、その開閉弁４５が閉じられているため、燃焼室３３内へは、他方の吸気通路４３から、つまり、燃焼室３３に対して偏った位置から空気が流入してくることから、燃焼室３３内においては、スワールが発生することとなる。従って、ここでは、上記のようなタンブルとスワールが合わさった流れとなり、より気液混合性能が向上することとなる。この開閉弁４５は、成層燃焼又は均一希薄燃焼時の要求に応じて筒内のスワール流をコントロールするために電子制御される。
【００４９】
ちなみに、図１１には、空燃比を変えたときの吸入空気量と回転数との関係のグラフ図を示すが、上記のような燃焼が行われるのは、図中斜線部、つまり、空燃比（Ａ／Ｆ）が３０〜７０の範囲である。
【００５０】
この実施の形態２のピストン２３のキャビティ３９等の構成は、実施の形態１と同様であるので、重複した作用効果の説明を省略する。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明してきたように、請求項１に記載された発明によれば、ピストンの頂部に、平面視で鶏卵形状を呈する凹所であるキャビティを形成し、当該鶏卵形状の細い方の先端部側を、ピストン上面部の中央部に配置し、当該鶏卵形状の太い方の基端部側を、燃料噴射装置の噴射口近傍に配置したことにより、微粒化の良い広い噴霧角を持った噴霧が十分に空気を含みながら、キャビティ先端部に向けて進行するため、スモーク，ＨＣの発生が少ないと共に、先細りとなったキャビティ先端部にて、噴霧が集められ、点火プラグへと移送されるため、成層化を実現することができる。そして、キャビティの底面は、先端部側が高くなるように傾斜しているため、この傾斜に沿って噴霧が進行することから、噴霧を持ち上げ易く、より成層化を実現し易い。
【００５３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の効果に加え、キャビティの先端部側の縦壁は、鉛直であるか又は上方に向かうに従って開くように形成されると共に、縦壁と底面との間のＲ形状部の曲率半径より、底面と側壁とのＲ形状部の曲率半径を小さくしたため、噴霧は、キャビティ先端部のＲ形状部及び縦壁に案内されて噴霧が上方に持ち上がり、鶏卵形状の細い方の先端部にて、噴霧の一旦広がった前方部が狭められて集中されることにより、成層化が図られ、点火プラグへと移送される。燃料と空気と混合が十分に行われることにより、スモークの発生を抑制できると同時に、縦壁と底面との間のＲ形状部での噴霧の溜まりを防止でき成層化が得られ易いと共に、底面と側壁とのＲ形状部の曲率半径が小さいことから噴霧の横漏れを防止でき、こうして図られて点火プラグへの移送が良好に行われることにより燃焼が安定する。
【００５４】
請求項４に記載された発明によれば、請求項３に記載の筒内噴射エンジンにおいて、シリンダブロックとシリンダヘッドとの合い面から燃焼室最高位置までの略半分の高さより上側に点火プラグの先端部を位置させることにより、点火プラグの冷却性を確保でき、いわゆるくすぶりを抑制することができる。
【００５５】
請求項５に記載された発明によれば、請求項３又は４に記載の筒内噴射エンジンにおいて、燃料噴射装置側に吸気ポートを配置し、吸気ポートの吸気口から燃焼室内に流入する空気が、ピストンキャビティの先端部を左側、基端部を右側として燃焼室内を見た場合に、反時計回りのタンブルを生じるように構成したため、成層化を実現した上で、気液混合性能をより向上させることができる。
【００５６】
請求項６に記載された発明によれば、請求項３乃至５の何れか一つに記載の筒内噴射エンジンにおいて、ピストンの凸部の傾斜面と燃焼室天井面との間に、スキッシュエリアを設けたため、スキッシュ効果により、成層化を実現した上で、混合気の攪拌をより良好に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る筒内噴射エンジンの縦断面図である。
【図２】同実施の形態１に係る筒内噴射エンジンの図１とは異なる位置の縦断面図である。
【図３】同実施の形態１に係るシリンダヘッドの裏面図である。
【図４】同実施の形態１に係るピストンを示す図で、（ａ）は同ピストンの平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図、（ｃ）は（ａ）のＢーＢ線に沿う断面図である。
【図５】同実施の形態１に係るピストンを示す図で、（ａ）は図４の（ａ）に相当する平面図、（ｂ）は図４の（ｂ）に相当する断面図である。
【図６】この発明の実施の形態２に係る筒内噴射エンジンの縦断面図である。
【図７】同実施の形態２に係るピストンの平面図である。
【図８】同実施の形態２に係るシリンダヘッドの裏面図である。
【図９】同実施の形態２に係るピストンの位置と混合気等の流れとの関係を示す説明図で、（ａ）は同ピストンがＢＤＣ、（ｂ）はＢＴＤＣ６０°、（ｃ）はＢＴＤＣ３０°、（ｄ）はＢＴＤＣ２０°の状態における説明図である。
【図１０】同実施の形態２に係る噴射タイミング等を示すダイヤグラム図である。
【図１１】同実施の形態２に係る空燃比を変えたときの吸入空気量と回転数との関係を示すグラフ図である。
【図１２】従来のピストン等を示す図で、（ａ）はピストンの平面図、（ｂ）はピストンの断面図である。
【図１３】同従来のピストン等を示す図で、（ａ）は図１２の（ａ）に相当する平面図、（ｂ）は図１２の（ｂ）に相当する断面図である。
【符号の説明】
21 シリンダブロック
22 シリンダヘッド
23 ピストン
31 燃料噴射装置
31a 噴射口
32 点火プラグ
32a 先端部
33 燃焼室
33a 天井傾斜面
36 頂部
39 キャビティ
39a 先端部
39b 基端部
39c 底面
39d 縦壁
39e Ｒ形状部
39f 側壁
42 点火プラグ
42a 中心電極
42b 側方電極
42c 先端部
Ｇ噴霧
Ｐ合い面
Ｍ最高位置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a piston used in an in-cylinder injection engine in which fuel is directly injected into a combustion chamber from a fuel injection device and burned, and an in-cylinder injection engine using the piston.
[0002]
[Prior art]
Examples of this type include those shown in FIGS. 12 and 13. FIGS. 12 and 13A are plan views of the piston 1 of the direct injection engine, and FIGS. 12B and 13B are cross-sectional views of the piston 1. As shown in these drawings, the top of the piston 1 is shown. 2 is formed with a cavity 3 which is a recess.
[0003]
In the compression stroke of the in-cylinder injection engine, fuel is directly injected from the fuel injection device 4 obliquely from the right end (base end 3a) of the cavity 3 toward the bottom surface 3b. As a result, the spray G is lifted upward by the vertical wall portion 3d of the tip 3c of the cavity 3, and this fuel is ignited by the spark plug 5 and burned.
[0004]
Thus, by providing the cavity 3 and injecting the fuel therein, the mixing property with the air is improved, and it is lifted upward to ensure the ignitability.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in such a conventional apparatus, as shown in FIG. 12, when the spray angle α1 of the spray G is large, the mixing with the air is good and the generation of HC and smoke is kept low. The spray G is dispersed at the tip 3c, stratification cannot be obtained, the penetration force is weak, the transfer to the spark plug 5 is insufficient, and the protruding amount L1 of the spark plug 5 must be increased to cope with it. Absent. In that case, pre-ignition occurs due to an excessive temperature rise of the spark plug 5 when the uniform air-fuel mixture is fully opened.
[0006]
On the other hand, as shown in FIG. 13, when the spray G has a narrow injection angle α2 and an attempt is made to achieve stratification, the spray G is sufficiently transferred to the spark plug 5 and the protruding amount L2 of the spark plug 5 can be kept small. However, there is a problem that smoke and HC are easily generated due to insufficient mixing with air.
[0007]
Therefore, the present invention achieves stratification while using a wide spray angle with good atomization, good transportability to the spark plug, and sufficient mixing with air, suppressing the generation of smoke and HC An object of the present invention is to provide a piston and an in-cylinder injection engine that can be used.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve such an object, the invention according to claim 1 is a piston used in a direct injection engine in which fuel is directly injected from a fuel injection device into a combustion chamber and burned, and a flat portion is formed around the top. A convex portion projecting upward from the planar portion and a concave cavity is formed across the convex portion and the planar portion, and the convex portion is located at the center of the piston top. A flat top surface extending in the radial direction, a flat intake side inclined surface and an exhaust side inclined surface whose lower ends reach the flat part on both sides of the top surface, and the cavity is a plan view. The egg-shaped thin egg-shaped tip end side is arranged in the top surface, and the egg-shaped thick base end side is crossed over the inclined surface on the intake side and the plane. It is disposed on portion, and, arranged in the injection port near the fuel injector Causes, the cavity bottom surface, a flat portion which is inclined such that the distal end side becomes higher is formed a base end so as to be located in the plane portion downwardly beyond the lower end of the inclined surface of the intake side, the fuel Is characterized in that it is a cylinder injection engine piston that is injected from the base end side toward the tip end side.
[0010]
According to a second aspect of the present invention, in addition to the configuration of the first aspect , the vertical wall on the tip end side of the cavity is vertical or formed so as to open upward, and the vertical wall The radius of curvature of the R-shaped portion between the bottom surface and the side wall is made smaller than the radius of curvature of the R-shaped portion between the bottom surface and the bottom surface.
[0011]
According to a third aspect of the present invention, a cylinder head is attached to the cylinder block, the piston according to the first or second aspect is disposed on the cylinder block, and the air-fuel mixture on the upper end side of the cavity rises. In the cylinder injection engine, a spark plug is provided in the cylinder head at a position where the cylinder is located .
[0012]
The invention according to claim 4, in addition to the configuration of claim 3, wherein the tip portion of the spark plug on the upper side than the height of the substantially half to the combustion chamber the highest position from the mating surface between the cylinder block and the cylinder head It is located.
[0013]
According to a fifth aspect of the invention, in addition to the configuration of the third or fourth aspect , an intake port is disposed on the fuel injection device side, and air flowing into the combustion chamber from an intake port of the intake port is provided in the cavity. When the combustion chamber is viewed with the tip end portion on the left side and the base end portion on the right side, a counterclockwise tumble is generated.
[0014]
According to a sixth aspect of the present invention, in addition to the configuration according to any one of the third to fifth aspects, a squish area is provided between the inclined surface formed on the top of the piston and the ceiling surface of the combustion chamber. It is provided.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below.
[0016]
Embodiment 1 of the Invention
1 to 5 show a first embodiment of the present invention.
[0017]
First, the configuration will be described. Reference numeral 21 in FIG. 1 denotes a cylinder block. A cylinder head 22 is disposed above the cylinder block 21, and a piston 23 is disposed on the cylinder block 21 so as to be movable up and down. Has been.
[0018]
Further, as shown in FIGS. 1 and 2, etc., the cylinder head 22 is provided with an intake valve 26 and an exhaust valve 27 for opening and closing the intake port 24 and the exhaust port 25 respectively. The intake valve 26 and the exhaust valve 27 are opened and closed by the intake side camshaft 28 and the exhaust side camshaft 29 at a predetermined timing.
[0019]
Further, the cylinder head 22 is provided with a fuel injection device 31 and a spark plug 32, and an injection port 31 a of the fuel injection device 31 and a tip end portion 32 a of the spark plug 32 face the combustion chamber 33. The fuel injection device 31 is disposed obliquely in the vicinity of the lower side of the intake port 24, while the spark plug 32 is centered in the plan view of the combustion chamber 33, and vertically along the highest position of the combustion chamber 33. Has been placed. The position of the tip end portion 32 a of the spark plug 32 is located above a half height from the mating surface P between the cylinder block 21 and the cylinder head 22 to the highest position M of the combustion chamber 33. In this embodiment, it protrudes 5 mm downward from the highest position M in FIG.
[0020]
On the other hand, the shape of the top portion 36 of the piston 23 is formed as follows.
[0021]
That is, the flat part 37 is formed in the circumference | surroundings, The convex part 38 which protrudes upwards, and the cavity 39 which is a recessed shape are formed inside this flat part 37.
[0022]
As shown in FIGS. 1 and 2, the convex portion 38 has a top surface 38a formed in a planar shape and an inclined surface 38b reaching the top surface 38a. The top surface 38a is located at the center of the piston top and extends in the radial direction. The inclined surface 38b has a flat intake-side inclined surface 38b1 and an exhaust-side inclined surface 38b2 whose lower ends reach the flat portion 37 on both sides of the top surface 38a.
[0023]
The cavity 39 has an egg shape in plan view, and the tip end 39a of the egg shape is arranged at the center of the top surface of the piston 23 (below the ignition plug 32). The thicker base end 39 b is disposed in the vicinity of the injection port 31 a of the fuel injection device 31. Further, as shown in FIG. 4B and the like, the bottom surface 39c of the cavity 39 is a flat portion (bottom surface) that is inclined so that the tip end portion 39a side is raised, and the bottom end of the inclined surface 38b1 on the intake side. Is formed so as to be positioned below the flat portion 37, and is set to an angle α ° (5 ° to 7 °) here. Furthermore, the radius of curvature R of the R-shaped portion 39e extending from the bottom surface 39c on the tip end portion 39a side to the vertical wall 39d is set to 13 mm here.
[0024]
The relationship between the inclination angle α ° of the cavity bottom surface 39c and the curvature radius R of the R-shaped portion 39e is such that when the inclination angle is 0 °, that is, when the inclination is not inclined, the curvature radius R is 15 mm or more. When the bottom surface 39c is inclined, the radius of curvature R is preferably set to 8 mm to 15 mm.
[0025]
Further, as shown in FIG. 4C, the R-shaped portion 39g between the cavity bottom surface 39c and the side wall 39f is set to 8 mm to 10 mm here, and is formed smaller than the R-shaped portion 39e. Yes. Of course, both can be formed the same. In this case, both R-shaped portions 39g and 39e can be formed continuously with one tool.
[0026]
Next, the operation will be described.
[0027]
In the compression stroke of the engine, when the piston 23 reaches the position shown by the solid line in FIG. 2, the fuel is injected from the injection port 31a of the fuel injection device 31, and the injection angle θ in FIG. When sprayed in the range of °, the width H on the base end 39b side of the cavity 39 becomes wider with respect to the shape of the spray, so that as shown by the arrow A in FIG. Air due to the in-cylinder swirl flow enters the end 39b side and air is likely to be mixed into the spray G. Also, since the injection angle θ is somewhat large as described above, air is also likely to be mixed at this point.
[0028]
The spray G hits the bottom surface 39c of the cavity 39, is guided toward the tip 39a side by the bottom surface 39c, and is pressed against the side wall 39f by the in-cylinder swirl flow flowing from one side as described above. The side wall 39f guides the tip 39a. The side wall 39f is higher than the conventional one shown in FIG. 12B and the like, and at the same time, since the radius of curvature R of the R-shaped portion 39g is small, the side leakage of the spray G can be prevented.
[0029]
Next, the spray G is guided by the R-shaped portion 39e and the vertical wall 39d of the cavity tip portion 39a, and the spray G is lifted upward. In this case, it is easy to lift the spray G by making the bottom surface 39c into a slope shape, and the accumulation of the spray G in this portion can be suppressed by increasing the R-shaped portion 39e.
[0030]
And as shown to (a), (b) of FIG. 5, at the front-end | tip part 39a of the egg-shaped thin one, the front part which spray G once spread is narrowed and concentrated, and stratification is carried out. And transferred to the spark plug 32.
[0031]
In FIG. 2, the position of the piston 23 indicated by the two-dot chain line is the top dead center.
[0032]
In this case, the fuel and air are sufficiently mixed to suppress the generation of smoke, and at the same time, the stratification is achieved and the transfer to the spark plug 32 is favorably performed, thereby stabilizing the combustion. To do.
[0033]
In addition, since stratification is achieved, the ignition plug 32 can be prevented from being heated since the ignitability can be ensured even if the amount of projection of the spark plug 32 into the combustion chamber 33 is shortened. In particular, the cooling performance of the spark plug 32 is improved by positioning the tip end portion 32a of the spark plug 32 above the almost half height from the mating surface of the cylinder block 21 and the cylinder head 22 to the combustion chamber highest position M. It can be secured. If the amount of protrusion of the spark plug 32 is large (for example, about 11 mm), it is easy to overheat, so it is necessary to use a cold plug, but if this plug is used, so-called smoldering is likely to occur. On the other hand, a normal type plug can be used when the protruding amount is small (for example, about 5 m) as in this embodiment, and smoldering can be suppressed.
[0034]
[Embodiment 2 of the Invention]
6 to 11 show a second embodiment of the present invention.
[0035]
In this embodiment, as shown in FIG. 6, the spark plug 42 is different from that in the first embodiment, and as shown in FIG. 8, one of the intake passages 43 connected to each of the pair of intake ports 24 is provided. It is also different in that an on-off valve 45 is provided inside.
[0036]
The spark plug 42 is provided with a center electrode 42a at the center, and three side electrodes 42b are arranged around the center electrode 42a at intervals of 120 ° along the radial direction. These side electrodes 42b are bent at a substantially right angle, the tip portion 42c faces the side of the center electrode 42a, and a spark gap is formed between the side surface of the center electrode 42a and the side electrode tip portion 42c. . The center electrode 42a and the like are located above the cavity tip 39a.
[0037]
The intake port 24 is formed obliquely on the fuel injection device 31 side, and a masking 46 is provided on the lower edge 24b of the intake port 24a of the intake port 24 as shown in FIG. As shown in the figure, when the intake valve 26 is opened, the amount of inflow air is larger on the upper edge portion 24c side of the intake port 24a than on the lower edge portion 24b side. As a result, as shown in FIG. 9A, when the inside of the combustion chamber 33 is viewed with the front end 39a of the piston cavity 39 on the left side and the base end 39b on the right side, the intake port 24 has an intake port 24a. As shown by an arrow X in the figure, the air flowing into the combustion chamber 33 is configured to generate a counterclockwise tumble.
[0038]
Further, the top portion 36 of the piston 23 is the same as in the first embodiment, but a convex portion 38 whose central portion protrudes upward is formed, and the inclined surface 38b of this convex portion 38 and the combustion chamber ceiling inclined surface. A squish area is provided between 33a and 33a.
[0039]
The shape and the like of the piston 23 are the same as those in the first embodiment.
[0040]
In such a case, in the BDC (bottom dead center) shown in FIG. 9A, outside air is introduced into the combustion chamber 33 from the opened intake valve 26, as indicated by an arrow X in the figure. Counterclockwise tumble occurs. This is because a large amount of air is sucked in from the upper edge 24c side of the intake port 24a, and thus counterclockwise tumble occurs.
[0041]
Next, at BTDC 60 ° shown in FIG. 9B, the piston 23 rises and the air is pushed up, so that the flow shown by the arrow S is generated. At the same time, as shown in FIG. 10, at BTDC 63 ° to 58 °, fuel is injected from the fuel injection device 31 into the cavity 39 as in the first embodiment, and the fuel adhering to the cavity bottom surface 39c is vaporized. Rise.
[0042]
Further, due to the flow shown by the arrow S, the tumble flow X shown in FIG. 9A gradually changes as shown by the arrow X1 in FIG. 9B.
[0043]
In this way, the tumble is lost as the piston 23 ascends, so that the entire tumble flow is lost (the tumble collapses) and becomes a fine turbulent flow component.
[0044]
As a result, the fuel is mixed well with the air.
[0045]
9B, because a squish area is formed between the inclined surface 38b of the piston convex portion 38 and the ceiling inclined surface 33a of the combustion chamber 33, the BTDC 30 ° shown in FIG. ) Flow S changes to a flow as indicated by an arrow S1 in FIG. 9C. Due to the so-called squish effect at this time, the air-fuel mixture is stirred more favorably, and an upward flow Y is generated at the tip 39 a in the piston cavity 39. Furthermore, the flow of the gas-liquid mixture at BTDC 20 ° is as shown in FIG.
[0046]
Due to the effects of the tumble and squish as described above, the fuel and air are mixed well, and the shape of the cavity 39 lifts the gas-liquid mixture rich in fuel from the other parts, collected at the tip 39a. Thus, as shown in FIG. 10, the spark plug 42 ignites at around BTDC 20 °.
[0047]
As shown in FIGS. 6 and 7, in the spark plug 42, since the front end portion 42c of the side electrode 42b faces the side with respect to the center electrode 42a, sparks fly to the side. Therefore, the air-fuel mixture that has risen is not blocked by the side electrodes 42b, but rises directly to the part where the spark is flying, so that the ignition performance is good.
[0048]
On the other hand, an opening / closing valve 45 is disposed inside one of the pair of intake passages 43. Since the opening / closing valve 45 is closed in the low rotation speed range, the other intake passage 43 enters the combustion chamber 33 from the other intake passage 43. That is, since air flows in from a position biased with respect to the combustion chamber 33, swirl is generated in the combustion chamber 33. Accordingly, here, the flow of tumble and swirl is combined, and the gas-liquid mixing performance is further improved. The on-off valve 45 is electronically controlled in order to control the swirl flow in the cylinder according to the demand at the time of stratified combustion or uniform lean combustion.
[0049]
Incidentally, FIG. 11 shows a graph of the relationship between the intake air amount and the rotation speed when the air-fuel ratio is changed. The combustion as described above is performed in the shaded area in FIG. 11, that is, the air-fuel ratio. (A / F) is in the range of 30-70.
[0050]
Since the configuration of the cavity 39 and the like of the piston 23 of the second embodiment is the same as that of the first embodiment, the description of the overlapping effects is omitted.
[0051]
【The invention's effect】
As described above, according to the invention described in claim 1, a cavity, which is a recess that exhibits an egg shape in plan view, is formed at the top of the piston, and the tip end side of the egg-shaped narrower side is formed. Is placed in the center of the upper surface of the piston, and the base end side of the thicker egg-shaped portion is arranged in the vicinity of the injection port of the fuel injection device. Because it progresses toward the cavity tip while containing sufficient air, the generation of smoke and HC is small, and the spray is collected at the tapered tip of the cavity and transferred to the spark plug. Stratification can be realized. And since the bottom face of the cavity is inclined so that the tip end side becomes higher, the spray proceeds along this inclination, so that it is easy to lift the spray and to realize stratification more easily.
[0053]
In addition to the effect of the first aspect , the invention described in claim 2 is such that the vertical wall on the tip end side of the cavity is vertical or formed to open upward, and the vertical wall and bottom surface Since the radius of curvature of the R-shaped portion between the bottom surface and the side wall is made smaller than the radius of curvature of the R-shaped portion between and the spray, the spray is guided to the R-shaped portion and the vertical wall at the tip of the cavity , and the spray is lifted upward, At the front end of the egg-shaped thin part, the front part of the spray that has spread once is narrowed and concentrated, so that stratification is achieved and it is transferred to the spark plug. By sufficiently mixing the fuel and air, the generation of smoke can be suppressed, and at the same time, the accumulation of spray at the R-shaped portion between the vertical wall and the bottom surface can be prevented, and stratification can be easily obtained. Since the radius of curvature of the R-shaped portion between the side wall and the side wall is small, side leakage of the spray can be prevented, and the combustion is stabilized by achieving the transfer to the spark plug in this way.
[0054]
According to the fourth aspect of the present invention, in the in- cylinder injection engine according to the third aspect, the spark plug is disposed above the substantially half height from the mating surface between the cylinder block and the cylinder head to the highest position of the combustion chamber. By positioning the tip, the cooling performance of the spark plug can be secured and so-called smoldering can be suppressed.
[0055]
According to the invention described in claim 5 , in the in-cylinder injection engine according to claim 3 or 4 , the intake port is disposed on the fuel injection device side, and air flowing into the combustion chamber from the intake port of the intake port is provided. When the combustion chamber is viewed with the tip end of the piston cavity on the left side and the base end on the right side, the counterclockwise tumble is generated, thus achieving stratification and further improving gas-liquid mixing performance Can be made.
[0056]
According to the invention described in claim 6 , in the in-cylinder injection engine according to any one of claims 3 to 5 , the squish area is provided between the inclined surface of the convex portion of the piston and the ceiling surface of the combustion chamber. Therefore, the air-fuel mixture can be stirred more satisfactorily after realizing stratification by the squish effect.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a direct injection engine according to a first embodiment of the present invention.
2 is a longitudinal sectional view of a position different from FIG. 1 of the direct injection engine according to the first embodiment. FIG.
FIG. 3 is a rear view of the cylinder head according to the first embodiment.
4A is a plan view of the piston according to the first embodiment, FIG. 4B is a plan view of the piston, FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. It is sectional drawing which follows the BB line.
5A is a plan view corresponding to FIG. 4A, and FIG. 5B is a cross-sectional view corresponding to FIG. 4B, showing the piston according to the first embodiment. .
FIG. 6 is a longitudinal sectional view of a direct injection engine according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a plan view of the piston according to the second embodiment.
FIG. 8 is a rear view of the cylinder head according to the second embodiment.
FIGS. 9A and 9B are explanatory diagrams showing the relationship between the position of the piston and the flow of the air-fuel mixture and the like according to the second embodiment, where FIG. 9A is the BDC, FIG. 9B is BTDC 60 °, and FIG. 9C is BTDC 30; ° and (d) are explanatory diagrams in the state of BTDC 20 °.
FIG. 10 is a diagram showing injection timing and the like according to the second embodiment.
FIG. 11 is a graph showing the relationship between the intake air amount and the rotation speed when the air-fuel ratio is changed according to the second embodiment.
12A and 12B are views showing a conventional piston and the like, in which FIG. 12A is a plan view of the piston, and FIG. 12B is a sectional view of the piston.
13A and 13B are views showing the conventional piston and the like, in which FIG. 13A is a plan view corresponding to FIG. 12A, and FIG. 13B is a cross-sectional view corresponding to FIG.
[Explanation of symbols]
21 Cylinder block
22 Cylinder head
23 Piston
31 Fuel injector
31a Injection port
32 Spark plug
32a Tip
33 Combustion chamber
33a Inclined ceiling
36 Top
39 cavity
39a Tip
39b Base end
39c Bottom
39d vertical wall
39e R shape part
39f side wall
42 Spark plug
42a Center electrode
42b Side electrode
42c Tip G Spray P Mating surface M Maximum position

Claims

In a piston used in an in-cylinder injection engine that directly injects fuel into a combustion chamber from a fuel injection device and burns it,
A flat part is formed around the top ,
A convex portion protruding upward from the flat portion and a concave cavity are formed across the convex portion and the flat portion inside the flat portion,
The convex portion is a flat top surface extending in the radial direction at the center of the top of the piston, a flat inclined surface on the intake side, and a flat inclined surface on the exhaust side where the lower end reaches the flat portion on both sides of the top surface. And
The cavity is
The egg shape is shown in plan view.
The tip side of the egg-shaped thin one is placed in the top surface,
The egg-shaped thick base end side is arranged in the plane part across the inclined surface on the intake side, and is arranged in the vicinity of the injection port of the fuel injection device ,
On the bottom surface of the cavity, a flat portion that inclines so that the tip end side becomes higher is formed so that a base end is positioned below the flat portion beyond the lower end of the inclined surface on the intake side, and fuel is supplied to the base. An in-cylinder injection engine piston characterized by being injected from the end side toward the tip side.

The vertical wall on the tip end side of the cavity is vertical or formed so as to open upward, and the bottom surface and the side wall are determined by the radius of curvature of the R-shaped portion between the vertical wall and the bottom surface. injection engine piston according to claim 1, characterized in that to reduce the curvature radius of the R-shaped portion with.

A cylinder head is attached to the cylinder block, and the piston according to claim 1 or 2 is disposed on the cylinder block, and the cylinder head at a position where the air-fuel mixture on the tip end side of the cavity is raised is disposed on the cylinder head. An in-cylinder injection engine comprising a spark plug.

Said cylinder block and said substantially fuel injection engine according to claim 3, wherein the tip portion of the spark plug on the upper side than the height of the half and being located from mating surface of the cylinder head to the combustion chamber maximum position .

When the intake port is arranged on the fuel injection device side, and the air flowing into the combustion chamber from the intake port of the intake port looks at the combustion chamber with the distal end portion of the cavity on the left side and the base end portion on the right side, 5. The in-cylinder injection engine according to claim 3 , wherein the cylinder injection engine is configured to generate counterclockwise tumble.

The in-cylinder injection engine according to any one of claims 3 to 5, wherein a squish area is provided between an inclined surface formed at a top portion of the piston and a ceiling surface of the combustion chamber.