JP2005147067A - Cylinder direct injection internal combustion engine - Google Patents

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俊一 青山
Katsuya Mogi
克也 茂木
Kenji Ushijima
研史 牛嶋
Shinichi Takemura
信一 竹村
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To make the compression ratio in a cylinder direct injection internal combustion engine such as a diesel engine changeable. <P>SOLUTION: In the cylinder direct injection diesel engine equipped with a fuel injection valve 29 at a central position of a cylinder 19, a variable compression ratio mechanism using a double link piston-crank mechanism to change a top dead center of a piston 8 is provided. A cavity 25 in a crown side of a piston 8 is formed to a shallow pan shape of the diameter which is near the outside diameter of the piston 8 so that a fundamental shape of a combustion chamber does not change even when the top dead center changes corresponding to the change in the compression ratio. In the diesel engine, at the top dead center in the condition in which the compression ratio is the lowest, the relationship of a cavity angle θp with a spray angle θi is set to be θi<θp. This makes piston-stroke characteristics be near a simple harmonic vibration with the double piston-crank mechanism without directly spraying on a cylinder 19 inner wall surface, and although a squish is not obtained, a combustion time can be fully obtained. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

この発明は、ディーゼル機関などの筒内直接噴射式内燃機関、特に、ピストン上死点位置を変化させて機関の機械的圧縮比を可変制御する可変圧縮比機構と組み合わせた筒内直接噴射式内燃機関に関する。   The present invention relates to an in-cylinder direct injection internal combustion engine such as a diesel engine, and more particularly to an in-cylinder direct injection internal combustion engine combined with a variable compression ratio mechanism that variably controls the mechanical compression ratio of the engine by changing the piston top dead center position. Related to institutions.

ディーゼル機関の場合、圧縮比は始動性の要求でほぼ決まっており、暖機後の通常運転時の圧縮比は、基本的に始動時よりは大幅に下げることが可能である。しかしながら、これまでは実用的な圧縮比可変手段が存在せず、またピストン上死点位置の変化に対応した燃焼制御が困難であったため、ディーゼル機関の圧縮比可変制御は実用に至っていない。   In the case of a diesel engine, the compression ratio is almost determined by the demand for startability, and the compression ratio during normal operation after warm-up can basically be significantly lower than at the start. However, until now, there has been no practical compression ratio variable means, and combustion control corresponding to changes in the piston top dead center position has been difficult, so variable compression ratio control of diesel engines has not been put into practical use.

特許文献1は、本出願人が先に提案したものであり、複リンク式ピストン−クランク機構を用いた内燃機関の可変圧縮比機構を開示している。これは、一端がピストンにピストンピンを介して連結されたアッパリンクと、このアッパリンクの他端が第1連結ピンを介して連結されるとともに、クランクシャフトのクランクピンに回転可能に取り付けられるロアリンクと、によって、ピストンとクランクピンとが連係されているとともに、上記ロアリンクの運動を拘束するように、ロアリンクに第2連結ピンを介してコントロールリンクの一端が連結された構成となっており、コントロールリンクの他端が、例えばシリンダブロック下部に支持されている。そして、このコントロールリンクの他端の揺動中心をカム機構により変位させることで、ピストン上死点位置ひいては機関の圧縮比を変化させることができる。   Patent Document 1 has been previously proposed by the present applicant, and discloses a variable compression ratio mechanism of an internal combustion engine using a multi-link type piston-crank mechanism. The upper link has one end connected to the piston via a piston pin, and the other end of the upper link is connected to the piston via a first connection pin and is rotatably attached to the crank pin of the crankshaft. The piston and the crank pin are linked by the link, and one end of the control link is connected to the lower link via the second connecting pin so as to restrain the movement of the lower link. The other end of the control link is supported, for example, at the bottom of the cylinder block. Then, by displacing the swing center of the other end of the control link by the cam mechanism, the piston top dead center position and thus the compression ratio of the engine can be changed.

一方、ディーゼル機関は、ガソリン機関とは異なり、点火栓を用いずに、圧縮による吸気の温度上昇を利用して、これに高圧の燃料噴霧を供給することにより、セタン価の高い軽油が自着火し、周囲の圧縮空気と反応して燃焼を行なう方式である。このディーゼル機関では、高圧で適度な貫徹力を有する燃料供給を行い、かつ、スワールやスキッシュなどの筒内ガス流動を積極的に利用することにより、空気利用率を高め、高負荷時のスモークなどの発生を回避している。従って、できるだけ多くの空気を吸入することが、スモーク発生を回避しながら出力を高める上で重要となる。そのため、ディーゼル機関は過給機と組み合わされることが多いが、高過給時に、圧縮比を適正値まで下げて最大燃焼圧力(Pmax)を低減できる可変圧縮比システムは、重要な技術であり、機関の耐久信頼性を維持しながら、出力、排気性能を向上させるポテンシャルを有している。
特開2001−227367号公報
On the other hand, unlike a gasoline engine, a diesel engine uses a rise in the intake air temperature due to compression without supplying a spark plug, and supplies high pressure fuel spray to it, so that light oil with a high cetane number is self-ignited. In this system, it reacts with the surrounding compressed air and burns. In this diesel engine, fuel supply with moderate penetration at high pressure is performed, and by utilizing the in-cylinder gas flow such as swirl and squish, the air utilization rate is increased, smoke at high loads, etc. Is avoided. Therefore, inhaling as much air as possible is important for increasing the output while avoiding the generation of smoke. Therefore, a diesel engine is often combined with a supercharger, but a variable compression ratio system that can reduce the maximum combustion pressure (Pmax) by reducing the compression ratio to an appropriate value during high supercharging is an important technology. It has the potential to improve output and exhaust performance while maintaining the durability and reliability of the engine.
JP 2001-227367 A

しかしながら、ピストン上死点位置を変更する形式の圧縮比可変機構をディーゼル機関に適用した場合、いくつかの大きな課題が生じる。   However, when a variable compression ratio mechanism that changes the piston top dead center position is applied to a diesel engine, several major problems arise.

図1,図2は、従来のディーゼル機関に圧縮比可変機構を組み合わせた場合の構成例を示し、ピストン101が圧縮上死点位置にある時の状態を描いている。図の(a)は、高圧縮比制御状態、(b)は低圧縮比制御状態を示す。これまでのディーゼル機関では、ピストン101に比較的深いキャビティ102を設け、周囲のスキッシュエリアから入り込んでくる圧縮空気の流動により吸気の乱れを効果的に高め、ここに燃料噴射弁103から高圧の燃料を噴射して効率よく燃焼させる(図1(a)、図2(a))。   1 and 2 show a configuration example when a compression ratio variable mechanism is combined with a conventional diesel engine, and depicts a state when the piston 101 is at the compression top dead center position. (A) of a figure shows a high compression ratio control state, (b) shows a low compression ratio control state. In conventional diesel engines, the piston 101 is provided with a relatively deep cavity 102, and the turbulence of intake air is effectively increased by the flow of compressed air entering from the surrounding squish area. Is injected and burned efficiently (FIGS. 1 (a) and 2 (a)).

しかし、可変圧縮比機構により図1(b)のように低圧縮比に制御されると(一般に高負荷で大量の燃料を噴射する必要のある場合に空気量増大のために低圧縮比状態に制御されることになる)、上死点位置においても、ピストン101とシリンダヘッド上壁面との間のクリアランスが拡大するため、スキッシュの効果は著しく低下する。また、燃料噴霧についても、図2(b)のように、キャビティ102の位置が下方となるために、従来のような比較的深くかつ開口径の小さなキャビティ102では、多くの燃料噴霧がキャビティ102の外側に向かってしまう。これは燃焼面でも影響が大きいが、比較的温度の低いシリンダ壁を直撃する燃料が増加するため、未燃のままパーティキュレートとなって排出されたり、シリンダ壁のオイルを希釈し、潤滑上の問題も発生する。また、このようにキャビティ102の外側に多くの燃料が向かう状況では、高負荷時の大量の噴射燃料が効率よく空気と出会って、空気利用率を高レベルに維持することは不可能である。   However, when the low compression ratio is controlled as shown in FIG. 1B by the variable compression ratio mechanism (generally, when it is necessary to inject a large amount of fuel at a high load, the low compression ratio state is set to increase the air amount. Since the clearance between the piston 101 and the cylinder head upper wall surface is enlarged even at the top dead center position, the effect of the squish is remarkably reduced. In addition, as for fuel spraying, as shown in FIG. 2B, the position of the cavity 102 is downward, so that in the cavity 102 having a relatively deep and small opening diameter as in the prior art, many fuel sprays are formed in the cavity 102. End up outside. Although this has a large impact on the combustion surface, the fuel that hits the cylinder wall at a relatively low temperature increases, so it is discharged as particulates without being burned, or the oil on the cylinder wall is diluted to improve lubrication. Problems also arise. Further, in such a situation where a large amount of fuel is directed to the outside of the cavity 102, it is impossible to efficiently meet a large amount of injected fuel at high load and maintain the air utilization rate at a high level.

この発明に係る筒内直接噴射式内燃機関は、シリンダ内を往復動するピストンの冠面にキャビティを有するとともに、このキャビティを指向して燃焼室内に直接燃料を噴射するように燃料噴射弁を備えたものであって、上記ピストンの上死点における位置を上下に変化させる可変圧縮比機構を備えている。従って、機関運転条件に応じて、機械的圧縮比が可変制御される。   A direct injection type internal combustion engine according to the present invention has a cavity in a crown surface of a piston that reciprocates in a cylinder, and includes a fuel injection valve so as to inject fuel directly into the combustion chamber. And a variable compression ratio mechanism that changes the position at the top dead center of the piston up and down. Therefore, the mechanical compression ratio is variably controlled according to the engine operating conditions.

そして、上記燃料噴射弁の噴霧角度θiと、ピストン上死点位置における上記燃料噴射弁の噴孔位置を中心とした上記キャビティの最外径に対する角度θpと、の関係が、圧縮比が最も低い条件、つまりピストン上死点位置が最も低くなる場合において、θi<θpとなる。従って、可変圧縮比機構によりピストン上死点位置がどのように変化しても、噴霧はキャビティ内に衝突し、シリンダ壁に直接に噴霧が付着することはない。   The relationship between the spray angle θi of the fuel injection valve and the angle θp with respect to the outermost diameter of the cavity around the injection hole position of the fuel injection valve at the piston top dead center position is the lowest in the compression ratio. In the condition, that is, when the piston top dead center position is the lowest, θi <θp. Therefore, no matter how the piston top dead center position is changed by the variable compression ratio mechanism, the spray collides into the cavity and the spray does not directly adhere to the cylinder wall.

本発明では、上記キャビティは、最外径がピストン径に近い浅皿形状をなすことが好ましい。また、ピストン外周部のスキッシュエリアが実質的に存在しないようにすることができる。スキッシュエリアは、可変圧縮比機構によりピストン上死点位置を変化させる場合には、圧縮比変化に伴って燃焼室の基本形状が変化することとなるので、むしろ有害である。   In the present invention, the cavity preferably has a shallow dish shape whose outermost diameter is close to the piston diameter. Further, the squish area on the outer periphery of the piston can be substantially absent. The squish area is rather harmful when the piston top dead center position is changed by the variable compression ratio mechanism, because the basic shape of the combustion chamber changes with the change of the compression ratio.

また本発明に好適な可変圧縮比機構としては、一端がピストンにピストンピンを介して連結されるアッパリンクと、このアッパリンクの他端が第1連結ピンを介して連結されるとともに、クランクシャフトのクランクピンに回転可能に取り付けられるロアリンクと、このロアリンクに第2連結ピンを介して一端が連結されるとともに、他端が内燃機関本体に対して揺動可能に支持されるコントロールリンクと、このコントロールリンク他端の内燃機関本体に対する揺動支持位置を変位させる支持位置可変手段と、を備えている。   A variable compression ratio mechanism suitable for the present invention includes an upper link having one end connected to the piston via a piston pin, the other end of the upper link being connected via a first connection pin, and a crankshaft. A lower link rotatably attached to the crank pin of the engine, and a control link having one end connected to the lower link via a second connecting pin and the other end supported to be swingable with respect to the internal combustion engine body. And a support position varying means for displacing the swing support position of the other end of the control link relative to the internal combustion engine body.

このような可変圧縮比機構では、クランクシャフトの回転に対する上記ピストンのピストンストローク特性が、単リンクのピストン−クランク機構における特性よりも単振動に近い特性となるように、そのリンク構成を設定することが可能である。   In such a variable compression ratio mechanism, the link configuration is set so that the piston stroke characteristic of the piston with respect to the rotation of the crankshaft becomes a characteristic closer to the single vibration than the characteristic in the single link piston-crank mechanism. Is possible.

このようにピストンストローク特性を単振動に近付けることで、上死点付近のピストン速度が相対的に遅くなる。つまり、スキッシュエリアをなくした浅皿形キャビティのピストンのように、スキッシュ効果が得られない燃焼室構造において、燃焼速度が遅くても、時間的な余裕がより大きく与えられることになる。   By bringing the piston stroke characteristic close to simple vibration in this way, the piston speed near the top dead center becomes relatively slow. In other words, in a combustion chamber structure in which a squish effect cannot be obtained, such as a shallow dish-shaped cavity piston without a squish area, even if the combustion speed is slow, a larger time margin is given.

また上記ピストンが最大燃焼荷重を受ける位置にあるときに、上記アッパリンクのシリンダ軸線に対する傾きが、単リンクのピストン−クランク機構の場合よりも小さくなるように、上記可変圧縮比機構のリンク構成を設定することも容易である。このようにアッパリンクの姿勢が垂直に近付くことで、ピストンに作用するサイドスラスト荷重が相対的に低減する。例えばキャビティを浅皿形状とすると、深皿形キャビティに比べて燃料噴霧がシリンダ壁に到達する頻度は大となり、かつピストン外周部が高温燃焼ガスに晒されるため、ピストンスカート部の潤滑が厳しくなるが、上記のようにサイドスラスト荷重が低減することで、このスカート部の潤滑の問題が解消され得る。   Further, the link configuration of the variable compression ratio mechanism is set so that the inclination of the upper link with respect to the cylinder axis is smaller than that of a single-link piston-crank mechanism when the piston is at a position where the maximum combustion load is received. It is also easy to set. Thus, the side thrust load acting on the piston is relatively reduced by the posture of the upper link approaching the vertical. For example, if the cavity has a shallow dish shape, the frequency of the fuel spray reaching the cylinder wall is higher than that of the deep dish cavity, and the piston outer periphery is exposed to high-temperature combustion gas, so that the piston skirt is more difficult to lubricate. However, since the side thrust load is reduced as described above, the problem of lubrication of the skirt portion can be solved.

この発明によれば、可変圧縮比機構によりピストン上死点位置が変化しても、シリンダ壁に燃料噴霧が直接に衝突することがなく、これによる未燃成分の増加やシリンダ壁のオイルの希釈等を回避することができる。   According to this invention, even if the piston top dead center position is changed by the variable compression ratio mechanism, the fuel spray does not directly collide with the cylinder wall, thereby increasing the unburned components and diluting the oil on the cylinder wall. Etc. can be avoided.

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図3は、この発明に係る筒内直接噴射式内燃機関に用いられる可変圧縮比機構の構成を示す構成説明図である。この機構は、ロアリンク4とアッパリンク5とコントロールリンク10とを主体とした複リンク式ピストン−クランク機構から構成されている。   FIG. 3 is an explanatory diagram showing the configuration of the variable compression ratio mechanism used in the direct injection type internal combustion engine according to the present invention. This mechanism is composed of a multi-link type piston-crank mechanism mainly composed of a lower link 4, an upper link 5 and a control link 10.

クランクシャフト1は、複数のジャーナル部2とクランクピン3とを備えており、シリンダブロック18の主軸受に、ジャーナル部2が回転自在に支持されている。上記クランクピン3は、ジャーナル部2から所定量偏心しており、ここにロアリンク4が回転自在に連結されている。カウンタウェイト15は、ジャーナル部2とクランクピン3とを接続するクランクウェブ16からクランクピン3とは反対側へ延びている。このカウンタウェイト15は、クランクピン3を挟んで両側に互いに対向するように設けられており、その外周部は、ジャーナル部2を中心とした円弧形に形成されている。   The crankshaft 1 includes a plurality of journal portions 2 and a crankpin 3, and the journal portion 2 is rotatably supported by a main bearing of the cylinder block 18. The crank pin 3 is eccentric from the journal portion 2 by a predetermined amount, and a lower link 4 is rotatably connected thereto. The counterweight 15 extends from the crank web 16 connecting the journal portion 2 and the crankpin 3 to the opposite side of the crankpin 3. The counter weight 15 is provided on both sides of the crank pin 3 so as to face each other, and an outer peripheral portion thereof is formed in an arc shape centering on the journal portion 2.

上記ロアリンク4は、左右の2部材に分割可能に構成されているとともに、略中央の連結孔に上記クランクピン3が嵌合している。   The lower link 4 is configured to be split into two left and right members, and the crank pin 3 is fitted in a substantially central connecting hole.

アッパリンク5は、下端側が第1連結ピン6によりロアリンク4の一端に回動可能に連結され、上端側がピストンピン7によりピストン8に回動可能に連結されている。上記ピストン8は、燃焼圧力を受け、シリンダブロック18のシリンダ19内を往復動する。   The upper link 5 has a lower end side rotatably connected to one end of the lower link 4 by a first connecting pin 6, and an upper end side rotatably connected to a piston 8 by a piston pin 7. The piston 8 receives combustion pressure and reciprocates in the cylinder 19 of the cylinder block 18.

ロアリンク4の運動を拘束するコントロールリンク10は、上端側が第2連結ピン11によりロアリンク4の他端に回動可能に連結され、下端側が制御軸12を介して機関本体の一部となるシリンダブロック18の下部に回動可能に連結されている。詳しくは、制御軸12は、回転可能に機関本体に支持されているとともに、その回転中心から偏心している偏心カム部12aを有し、この偏心カム部12aに上記コントロールリンク10下端部が回転可能に嵌合している。   The control link 10 that constrains the movement of the lower link 4 is pivotally connected to the other end of the lower link 4 at the upper end side by the second connecting pin 11, and the lower end side becomes a part of the engine body via the control shaft 12. The lower part of the cylinder block 18 is rotatably connected. Specifically, the control shaft 12 is rotatably supported by the engine body and has an eccentric cam portion 12a that is eccentric from the center of rotation, and the lower end portion of the control link 10 is rotatable on the eccentric cam portion 12a. Is fitted.

上記制御軸12は、図示せぬエンジンコントロールユニットからの制御信号に基づいて作動する図示せぬ圧縮比制御アクチュエータによって回動位置が制御される。   The rotation position of the control shaft 12 is controlled by a compression ratio control actuator (not shown) that operates based on a control signal from an engine control unit (not shown).

上記のような複リンク式ピストン−クランク機構を用いた可変圧縮比機構においては、上記制御軸12が圧縮比制御アクチュエータによって回動されると、偏心カム部12aの中心位置、特に、機関本体に対する相対位置が変化する。これにより、コントロールリンク10の下端の揺動支持位置が変化する。そして、上記コントロールリンク10の揺動支持位置が変化すると、ピストン8の行程が変化し、ピストン上死点(TDC)におけるピストン8の位置が高くなったり低くなったりする。これにより、機関圧縮比を変えることが可能となる。   In the variable compression ratio mechanism using the multi-link type piston-crank mechanism as described above, when the control shaft 12 is rotated by the compression ratio control actuator, the center position of the eccentric cam portion 12a, particularly with respect to the engine main body. The relative position changes. Thereby, the rocking | fluctuation support position of the lower end of the control link 10 changes. When the swing support position of the control link 10 changes, the stroke of the piston 8 changes, and the position of the piston 8 at the piston top dead center (TDC) becomes higher or lower. This makes it possible to change the engine compression ratio.

図4は、上記の複リンク式ピストン−クランク機構の基本的な動作説明図であって、クランクシャフト1が1回転(360°CA)する間の各部の動作を、90°CA毎に示している。図の(b)がピストン上死点位置に相当し、この図(b)から明らかなように、コントロールリンク10の下端の位置が変化すれば、ピストン8が上下に変位して、圧縮比が変化することになる。   FIG. 4 is a basic operation explanatory view of the above-mentioned multi-link type piston-crank mechanism, showing the operation of each part during one rotation (360 ° CA) of the crankshaft 1 every 90 ° CA. Yes. (B) in the figure corresponds to the piston top dead center position, and as is clear from this figure (b), if the position of the lower end of the control link 10 changes, the piston 8 is displaced vertically, and the compression ratio is increased. Will change.

また、上記の複リンク式可変圧縮比機構においては、リンクディメンジョンを適切に選定することにより、単振動に近いピストンストローク特性が得られる。特に、図5に示すように、一般的な単リンク式ピストン−クランク機構のピストンストローク特性に比べて、より単振動に近い特性とすることが可能である。この単振動に近いピストンストローク特性により、上死点付近でのピストン8の速度が、単リンク式ピストン−クランク機構のものに比べて、20%近く遅くなる。また、図6にピストン加速度の特性を示すように、慣性2次振動を小さくすることができ、内燃機関の振動騒音の上で有利となる。   Further, in the above-described multi-link variable compression ratio mechanism, a piston stroke characteristic close to simple vibration can be obtained by appropriately selecting a link dimension. In particular, as shown in FIG. 5, it is possible to make the characteristics closer to simple vibrations compared to the piston stroke characteristics of a general single link type piston-crank mechanism. Due to the piston stroke characteristic close to simple vibration, the speed of the piston 8 near the top dead center is reduced by nearly 20% compared to that of the single link type piston-crank mechanism. Further, as shown in FIG. 6 showing the characteristics of piston acceleration, the secondary inertia vibration can be reduced, which is advantageous in terms of vibration noise of the internal combustion engine.

次に、本発明の要部であるピストン8および燃焼室の構成について説明する。なお、この例は、過給機付ディーゼル機関の例である。   Next, the structure of the piston 8 and the combustion chamber, which are the main parts of the present invention, will be described. This example is an example of a turbocharged diesel engine.

図7は、本発明に係るピストン8の構造を示している。このピストン8は、アルミニウム合金を用いて一体に鋳造されたものであって、比較的厚肉な円盤状をなすピストン頭部21の外周面に、複数本、例えば3本のピストンリング溝22が形成されているとともに、ピストン8のスラスト−反スラスト方向となる周方向の一部に、上記外周面から円筒面に沿って延びるように、スカート部23が形成されている。   FIG. 7 shows the structure of the piston 8 according to the present invention. The piston 8 is integrally cast using an aluminum alloy, and a plurality of, for example, three piston ring grooves 22 are formed on the outer peripheral surface of a piston head 21 having a relatively thick disk shape. A skirt portion 23 is formed on a part of the piston 8 in the circumferential direction that is the thrust-anti-thrust direction so as to extend from the outer circumferential surface along the cylindrical surface.

また、上記ピストン8の中心部つまり円盤状をなすピストン頭部21の裏面に、一対のピンボス部24が形成されており、該ピンボス部24に回転自在に支持されたピストンピン7を介してアッパリンク5が連結されている。   A pair of pin bosses 24 are formed in the center of the piston 8, that is, on the back surface of the piston head 21 having a disc shape, and the piston boss 7 is rotatably supported by the pin boss 24. Link 5 is connected.

そして、上記ピストン8の冠面には、最外径がピストン8の外径に殆ど等しい浅皿形状のキャビティ25が同心状に凹設されている。上記キャビティ25の外周には、面取りのための平面部分26が非常に細い円環状に残っているに過ぎず、ガス流動を得るためのスキッシュエリアは、実質的に存在しない。   A shallow dish-shaped cavity 25 is concentrically recessed on the crown surface of the piston 8 so that the outermost diameter is almost equal to the outer diameter of the piston 8. On the outer periphery of the cavity 25, the flat portion 26 for chamfering remains only in a very thin annular shape, and there is substantially no squish area for obtaining gas flow.

図8は、上記のような浅皿形状のキャビティ25を有するピストン8を用いた燃焼室の構成を示しており、シリンダ19の上端を覆うシリンダヘッド28側に、図示せぬ吸気弁および排気弁が配置されているとともに、燃焼室の中心つまりシリンダ19の中心位置に、燃料噴射弁29が配置されている。この燃料噴射弁29は、噴霧の中心軸がシリンダ中心線と一致しており、上記キャビティ25を指向して、燃料を噴射する。なお、本実施例のディーゼル機関は、公知のコモンレール式燃料噴射装置を備えており、コントロールユニットからの制御信号により燃料噴射弁29から高圧燃料を噴射する。ここで、図示するように、上記燃料噴射弁29の噴霧の拡がりを噴霧角度θiとし、ピストン8の上死点位置における燃料噴射弁29の噴孔位置を中心とした上記キャビティ25の最外径(本実施例ではピストン8の外径にほぼ等しい)に対する角度をキャビティ角度θp(これは圧縮比の可変制御に伴って変化する)としたときに、圧縮比が最も低い条件(つまりピストン8の上死点位置が最も低い条件)において、θi<θpとなるように、種々の寸法関係等が設定されている。   FIG. 8 shows the structure of the combustion chamber using the piston 8 having the shallow dish-shaped cavity 25 as described above, and an intake valve and an exhaust valve (not shown) are provided on the cylinder head 28 side covering the upper end of the cylinder 19. And a fuel injection valve 29 at the center of the combustion chamber, that is, at the center of the cylinder 19. In the fuel injection valve 29, the central axis of the spray coincides with the cylinder center line, and the fuel is injected toward the cavity 25. The diesel engine of this embodiment includes a known common rail fuel injection device, and injects high-pressure fuel from the fuel injection valve 29 according to a control signal from the control unit. Here, as shown in the figure, the spray spread of the fuel injection valve 29 is defined as a spray angle θi, and the outermost diameter of the cavity 25 centered on the injection hole position of the fuel injection valve 29 at the top dead center position of the piston 8. When the angle with respect to (in the present embodiment, substantially equal to the outer diameter of the piston 8) is the cavity angle θp (which changes with variable control of the compression ratio), the condition with the lowest compression ratio (that is, the piston 8 Under the condition that the top dead center position is the lowest), various dimensional relationships and the like are set so that θi <θp.

従って、上記構成では、図9に示すように、高圧縮比状態(a)と低圧縮比状態(b)とで、それぞれピストン8の上死点位置が変化しても、燃焼室の基本形状の変化は少なく、また常にθi<θpの関係にあるから、燃料噴霧はキャビティ25内に噴射され、温度の低いシリンダ19内壁壁に直接噴霧が付着することがない。   Therefore, in the above configuration, as shown in FIG. 9, even if the top dead center position of the piston 8 changes between the high compression ratio state (a) and the low compression ratio state (b), the basic shape of the combustion chamber. The fuel spray is injected into the cavity 25 and the spray does not directly adhere to the inner wall of the cylinder 19 having a low temperature.

一方、上記のようにスキッシュエリアを具備しない浅皿形状のキャビティ25とした場合、スキッシュに代わる燃焼促進手段がないと、空気との混合や燃焼が良好に行えず、せっかくの可変圧縮比の効果が発揮できないことになる。しかしながら、前述したように、上記の可変圧縮比機構を構成する複リンク式ピストン−クランク機構では、単振動に近いピストンストローク特性が得られ、上死点付近でのピストン8の速度が、単リンク式ピストン−クランク機構のものに比べて、20%近く遅くなる。従って、燃焼速度が遅くても、十分に時間的な余裕が与えられることになり、良好な燃焼を確保できる。なお、一般に圧縮比を高くすれば燃焼速度は速まるので、部分負荷のような高圧縮比とする運転条件ではスキッシュがないことによる問題はより少ない。   On the other hand, in the case of the shallow dish-shaped cavity 25 having no squish area as described above, if there is no combustion accelerating means instead of the squish, mixing with air and combustion cannot be performed well, and the effect of the variable compression ratio is very high. Cannot be demonstrated. However, as described above, in the multi-link type piston-crank mechanism constituting the variable compression ratio mechanism, a piston stroke characteristic close to simple vibration is obtained, and the speed of the piston 8 near the top dead center is Compared to that of a piston-crank mechanism, it is nearly 20% slower. Therefore, even if the combustion speed is slow, a sufficient time margin is provided, and good combustion can be ensured. In general, if the compression ratio is increased, the combustion speed is increased, so that there are fewer problems due to the absence of squish under the operating conditions of a high compression ratio such as partial load.

また、上記のように浅皿形状のキャビティ25とすることで、燃料噴霧がキャビティ25内に噴射されたとしても、ここで跳ね返った燃料噴霧がシリンダ19内壁面に到達する頻度は、深皿形キャビティなどよりも大となる。しかもピストン8外周部が高温燃焼ガスに晒されるため、ピストンスカート部23の潤滑は厳しくなる。圧縮比を低く設定して高過給を行う場合には、膨張行程中の平均的なピストン荷重(燃焼圧によるもの)は大となり、潤滑の要求がさらに増加する。しかし、上記の複リンク式ピストン−クランク機構においては、ピストン8の半径方向に作用するサイドスラスト荷重が、一般の単リンク式ピストン−クランク機構の場合よりも小さくなるので、このようなスカート部23の潤滑の問題を回避できる。具体的には、ピストン8に最大燃焼圧が作用するのは、膨張行程の前半であり、図4の(c)の付近でピストン頭部21が最大荷重を受けることになるが、このとき、図示するように、アッパリンク5は、垂直に近い姿勢であり、シリンダ19の軸線に対する傾きが非常に小さい。特に、単リンク式ピストン−クランク機構の場合のコネクティングロッドの姿勢に比べて、シリンダ19の軸線に対する傾きを、より小さくすることが可能である。従って、サイドスラスト荷重が低減し、スカート部23の潤滑の要求が軽減される。   Moreover, even if the fuel spray is injected into the cavity 25 by using the shallow dish-shaped cavity 25 as described above, the frequency at which the fuel spray bounced here reaches the inner wall surface of the cylinder 19 is a deep dish shape. It is larger than a cavity. Moreover, since the outer peripheral portion of the piston 8 is exposed to the high-temperature combustion gas, the piston skirt portion 23 is hard to be lubricated. When high supercharging is performed with a low compression ratio, the average piston load (due to the combustion pressure) during the expansion stroke becomes large, and the demand for lubrication further increases. However, in the above-described multi-link piston-crank mechanism, the side thrust load acting in the radial direction of the piston 8 is smaller than that in the case of a general single-link piston-crank mechanism. The problem of lubrication can be avoided. Specifically, the maximum combustion pressure acts on the piston 8 in the first half of the expansion stroke, and the piston head 21 receives the maximum load in the vicinity of (c) in FIG. As shown in the drawing, the upper link 5 is in a substantially vertical posture, and the inclination of the cylinder 19 with respect to the axis is very small. In particular, the inclination of the cylinder 19 with respect to the axis can be made smaller than the posture of the connecting rod in the case of a single link type piston-crank mechanism. Accordingly, the side thrust load is reduced, and the demand for lubrication of the skirt portion 23 is reduced.

以上、この発明をディーゼル機関に適用した実施例について説明したが、この発明はこれに限定されず、燃料を直接筒内に噴射して成層燃焼を行う直接噴射式ガソリン機関にも同様に適用することができる。図10の(a)〜(f)は、直接噴射式ガソリン機関に用いられる種々の形式のピストンキャビティ構造を示しており、(a)〜(c)はスワールを利用して成層化を図るもの、(d)〜(f)はタンブルを利用して成層化を図るものであるが、(a)〜(c)、(e)、(f)の構成は、可変圧縮比には不向きである。(d)はスキッシュエリアがないため、このような問題はないが、タンブル流のみで効果的な成層燃焼を行なわせるには無理があり、従来の直噴機関でもあまり採用されていない。しかしながら、前述したように、可変圧縮比機構を構成する複リンク式ピストン−クランク機構によって、単振動に近いピストンストローク特性とすれば、上死点付近でのピストン8の速度が、単リンク式ピストン−クランク機構のものに比べて遅くなることから、燃焼速度が遅くても、十分に時間的な余裕が与えられることになり、良好な燃焼を確保できる。   As mentioned above, although the Example which applied this invention to the diesel engine was described, this invention is not limited to this, It applies similarly to the direct injection type gasoline engine which injects a fuel directly into a cylinder and performs stratified combustion. be able to. FIGS. 10A to 10F show various types of piston cavity structures used in a direct injection gasoline engine, and FIGS. 10A to 10C show stratification using swirl. , (D) to (f) are intended to be stratified using tumble, but the configurations of (a) to (c), (e) and (f) are not suitable for variable compression ratios. . Since (d) does not have a squish area, such a problem does not occur, but it is impossible to cause effective stratified combustion only by a tumble flow, and it is not so often employed in a conventional direct injection engine. However, as described above, if the piston stroke characteristic close to simple vibration is obtained by the multi-link piston-crank mechanism constituting the variable compression ratio mechanism, the speed of the piston 8 near the top dead center is -Since it is slower than that of the crank mechanism, a sufficient time margin is provided even when the combustion speed is slow, and good combustion can be ensured.

従来の直接噴射式ディーゼル機関を可変圧縮比化した場合のスキッシュの説明図。Explanatory drawing of the squish when the conventional direct injection type diesel engine is made into variable compression ratio. 従来の直接噴射式ディーゼル機関を可変圧縮比化した場合の噴霧の説明図。Explanatory drawing of the spray at the time of making variable compression ratio the conventional direct injection type diesel engine. この発明に係る直接噴射式内燃機関の可変圧縮比機構を示す構成説明図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Structure explanatory drawing which shows the variable compression ratio mechanism of the direct injection type internal combustion engine which concerns on this invention. その基本的な動作を示す動作説明図。Operation | movement explanatory drawing which shows the basic operation | movement. そのピストン−ストローク特性を示す特性図。The characteristic view which shows the piston-stroke characteristic. 同じくピストンの加速度特性を示す特性図。The characteristic view which similarly shows the acceleration characteristic of a piston. この発明に係る内燃機関に用いられるピストンの一部を切り欠いて示す斜視図。The perspective view which cuts and shows a part of piston used for the internal combustion engine which concerns on this invention. 噴霧角度θiとキャビティ角度θpとの関係を示す説明図。Explanatory drawing which shows the relationship between spray angle (theta) i and cavity angle (theta) p. 高圧縮比状態(a)と低圧縮比状態(b)とを対比して示す説明図。Explanatory drawing which compares and shows a high compression ratio state (a) and a low compression ratio state (b). 直接噴射式ガソリン機関の燃焼室の種々の構成例を示す説明図。Explanatory drawing which shows the various structural examples of the combustion chamber of a direct injection type gasoline engine.

符号の説明Explanation of symbols

4…ロアリンク
5…アッパリンク
7…ピストンピン
8…ピストン
10…コントロールリンク
25…キャビティ
29…燃料噴射弁
4 ... Lower link 5 ... Upper link 7 ... Piston pin 8 ... Piston 10 ... Control link 25 ... Cavity 29 ... Fuel injection valve

Claims (9)

シリンダ内を往復動するピストンの冠面にキャビティを有するとともに、このキャビティを指向して燃焼室内に直接燃料を噴射するように燃料噴射弁を備えた筒内直接噴射式内燃機関において、
上記ピストンの上死点における位置を上下に変化させる可変圧縮比機構を備えるとともに、
上記燃料噴射弁の噴霧角度θiと、ピストン上死点位置における上記燃料噴射弁の噴孔位置を中心とした上記キャビティの最外径に対する角度θpと、の関係が、圧縮比が最も低い条件においてθi<θpとなることを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
In a cylinder direct injection internal combustion engine having a cavity on the crown surface of a piston that reciprocates in a cylinder, and having a fuel injection valve so as to inject fuel directly into the combustion chamber toward the cavity,
With a variable compression ratio mechanism that changes the position at the top dead center of the piston up and down,
The relationship between the spray angle θi of the fuel injection valve and the angle θp with respect to the outermost diameter of the cavity centering on the position of the injection hole of the fuel injection valve at the piston top dead center position is that the compression ratio is the lowest. In-cylinder direct injection internal combustion engine, wherein θi <θp.
上記キャビティは、最外径がピストン径に近い浅皿形状をなすことを特徴とする請求項1に記載の筒内直接噴射式内燃機関。   The in-cylinder direct injection internal combustion engine according to claim 1, wherein the cavity has a shallow dish shape with an outermost diameter close to a piston diameter. ピストン外周部のスキッシュエリアが実質的に存在しないことを特徴とする請求項2に記載の筒内直接噴射式内燃機関。   The in-cylinder direct injection internal combustion engine according to claim 2, wherein a squish area on the outer periphery of the piston does not substantially exist. 上記可変圧縮比機構は、一端がピストンにピストンピンを介して連結されるアッパリンクと、このアッパリンクの他端が第1連結ピンを介して連結されるとともに、クランクシャフトのクランクピンに回転可能に取り付けられるロアリンクと、このロアリンクに第2連結ピンを介して一端が連結されるとともに、他端が内燃機関本体に対して揺動可能に支持されるコントロールリンクと、このコントロールリンク他端の内燃機関本体に対する揺動支持位置を変位させる支持位置可変手段と、を備えていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の筒内直接噴射式内燃機関。   The variable compression ratio mechanism has an upper link whose one end is connected to the piston via a piston pin, and the other end of the upper link is connected via a first connection pin and is rotatable to the crank pin of the crankshaft. A lower link attached to the lower link, a control link whose one end is connected to the lower link via a second connecting pin and whose other end is swingably supported with respect to the internal combustion engine body, and the other end of the control link The cylinder direct injection internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3, further comprising support position changing means for displacing a swing support position of the internal combustion engine with respect to the main body of the internal combustion engine. ディーゼル機関であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の筒内直接噴射式内燃機関。   The direct injection internal combustion engine according to any one of claims 1 to 4, wherein the direct injection internal combustion engine is a diesel engine. 上記燃料噴射弁は燃焼室のほぼ中心に位置し、その噴霧の中心軸がシリンダ中心線と平行であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の筒内直接噴射式内燃機関。   6. The direct injection type internal combustion engine according to claim 1, wherein the fuel injection valve is positioned substantially at the center of the combustion chamber, and the center axis of the spray is parallel to the cylinder center line. . クランクシャフトの回転に対する上記ピストンのピストンストローク特性が、単リンクのピストン−クランク機構における特性よりも単振動に近い特性となるように、上記可変圧縮比機構のリンク構成が設定されていることを特徴とする請求項4に記載の筒内直接噴射式内燃機関。   The link configuration of the variable compression ratio mechanism is set so that the piston stroke characteristic of the piston with respect to the rotation of the crankshaft is a characteristic closer to a single vibration than the characteristic of a single link piston-crank mechanism. The in-cylinder direct injection internal combustion engine according to claim 4. 上記ピストンが最大燃焼荷重を受ける位置にあるときに、上記アッパリンクのシリンダ軸線に対する傾きが、単リンクのピストン−クランク機構の場合よりも小さくなるように、上記可変圧縮比機構のリンク構成が設定されていることを特徴とする請求項4または7に記載の筒内直接噴射式内燃機関。   The link configuration of the variable compression ratio mechanism is set so that the inclination of the upper link with respect to the cylinder axis is smaller than that of a single link piston-crank mechanism when the piston is in a position to receive the maximum combustion load. 8. The direct injection type internal combustion engine according to claim 4, wherein the direct injection type internal combustion engine. 過給機を備えていることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の筒内直接噴射式内燃機関。   The direct injection type internal combustion engine according to any one of claims 1 to 8, further comprising a supercharger.
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