JP2006316730A - Cylinder direct injection type internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、筒内直接噴射式内燃機関、特に過給式の筒内直接噴射式内燃機関に関する。 The present invention relates to a direct injection type internal combustion engine, and more particularly to a supercharged direct injection type internal combustion engine.
従来、筒内直接噴射式内燃機関は、特許文献1または特許文献2に記載されているような、キャビティを有するピストンを備えるものであった。
Conventionally, the direct injection type internal combustion engine includes a piston having a cavity as described in Patent Document 1 or
特許文献1では、キャビティ内面に、燃料噴射弁から噴射された燃料が最初に到達する部位に、噴射燃料が当たってこれを横方向に広げるようにした当たり面を有する突起部を設けたピストンを備える筒内直接噴射式内燃機関が開示されている。これにより、噴射された燃料がキャビティ内面に付着して燃焼に悪影響を及ぼし排気ガス中のHCの増大を招く、という問題が解決されたとしている。 In Patent Document 1, a piston provided with a protruding portion having a contact surface on the inner surface of a cavity where a fuel injected from a fuel injection valve first reaches a portion where the injected fuel hits and spreads in the lateral direction. An in-cylinder direct injection internal combustion engine is disclosed. Thereby, the problem that the injected fuel adheres to the inner surface of the cavity and adversely affects combustion, leading to an increase in HC in the exhaust gas, is solved.
特許文献2では、着火性および燃料の成層化による燃費性能に優れているとされる筒内直接噴射式内燃機関が開示されている。該内燃機関は、ピストンの頂面に形成されたキャビティ内であって点火プラグに対応する部分の気筒列方向の両側に、吸気口からの吸気により燃焼室内に形成される順タンブル流に沿うように互いに対向する一対のリブを設置している。これにより、該リブの互いに対向する側面により吸気誘導壁が構成され、燃焼室内の順タンブル流をこれらの吸気誘導壁により案内誘導して、順タンブル流の横転破壊を抑制し、燃料噴射弁から噴射された燃料を点火プラグの近傍へ誘導している。
ところが、このようなキャビティを有するピストンは、必然的にコンプレッション・ハイト(ピストンピン軸中心からピストン頂面までの高さ)が大きくなり、結果的に内燃機関全高が高くなり、ピストン重量が大きくなる欠点があった。さらには、前記ピストンは、燃焼室表面積が大きいため、熱伝達損失が増加し、結果的に燃費が悪くなる欠点もあった。反対に、コンプレッション・ハイトを小さくすると、ピストン頂面の肉厚が薄くなり強度上の問題が生じる。実際、コンプレッション・ハイトを小さくしたフラットピストンでは、運転時にピストン頂面に亀裂が入る不具合も生じている。 However, a piston having such a cavity inevitably increases the compression height (height from the center of the piston pin shaft to the piston top surface), resulting in an increase in the overall height of the internal combustion engine and an increase in piston weight. There were drawbacks. Furthermore, since the piston has a large combustion chamber surface area, heat transfer loss increases, and as a result, there is a drawback that fuel consumption is deteriorated. On the other hand, when the compression height is reduced, the thickness of the piston top surface is reduced, causing a problem in strength. In fact, with a flat piston with a reduced compression height, there is a problem that the top surface of the piston cracks during operation.
さらには、キャビティ内面に燃料が付着することによる燃焼への悪影響を避けるため、特許文献1では噴射燃料が当たる面を有する突起部を採用しているが、その効果は不完全であった。また、いずれの特許文献においても燃料がシリンダ内周壁に付着することによる悪影響は何ら触れられていない。ちなみに、シリンダ内周壁に付着した燃料は、ピストンリングにより掻き落されオイルパン内に貯留しているオイルを希釈し、最悪時には、オイル潤滑しているベアリング類を焼き付かせる原因となる。 Furthermore, in order to avoid an adverse effect on combustion due to fuel adhering to the inner surface of the cavity, Patent Document 1 employs a protrusion having a surface against which the injected fuel strikes, but the effect is incomplete. In any of the patent documents, there is no mention of an adverse effect caused by the fuel adhering to the inner peripheral wall of the cylinder. Incidentally, the fuel adhering to the inner peripheral wall of the cylinder is scraped off by the piston ring to dilute the oil stored in the oil pan, and at the worst, causes the oil-lubricated bearings to be burned.
本発明の目的は、ピストン頂面のかなりの部分およびシリンダ内周壁に燃料を付着させずコンプレッション・ハイトの小さくかつ十分な強度を有するピストンを備える直接噴射式内燃機関を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a direct injection internal combustion engine including a piston having a small compression height and sufficient strength without causing fuel to adhere to a substantial portion of the piston top surface and a cylinder inner peripheral wall.
請求項1に記載の発明によれば、
燃焼室内へ直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、頂面に実質的にキャビティを有しないフラットピストンと、を備える筒内直接噴射式内燃機関において、
前記フラットピストンの頂面に位置し前記ピストンの外周部から略中央部を経由して反対側の外周部まで伸びる一対の第1リブと、
該一対の第1リブの間に位置しかつ該一対の第1リブを架橋的に連結する一対の第2リブと、を有し、
前記ピストンの頂面において前記第1リブと前記第2リブにより区画形成されるピストン頂面区画に向けて前記燃料噴射弁により燃料噴射することを特徴とする、筒内直接噴射式内燃機関が提供される。
According to the invention of claim 1,
In a cylinder direct injection internal combustion engine comprising a fuel injection valve that directly injects fuel into a combustion chamber and a flat piston that has substantially no cavity on the top surface,
A pair of first ribs located on the top surface of the flat piston and extending from the outer peripheral portion of the piston to the outer peripheral portion on the opposite side via a substantially central portion;
A pair of second ribs that are located between the pair of first ribs and that bridge-couple the pair of first ribs;
In-cylinder direct injection internal combustion engine, wherein fuel injection is performed by the fuel injection valve toward a piston top surface section defined by the first rib and the second rib on the top surface of the piston. Is done.
このように請求項1に記載の内燃機関によれば、頂面に実質的にキャビティを有しないフラットピストンを採用するので、コンプレッション・ハイトの小さいピストンを使用することとなり、結果的に内燃機関全高が低くなり、ピストン重量が小さくなる。そしてピストンの頂面に第1リブおよび第2リブを配設するので、ピストン頂面の剛性が増し、ピストン頂面の肉厚を薄くすることもできる。さらに、リブにより区画形成されるピストン頂面区画に向けて燃料噴射するため、該区画にのみ燃料が付着し、ピストン頂面の他の領域やシリンダ内周壁には燃料が付着することは少なくなるので、不完全燃焼やオイル希釈を防止できる。 As described above, according to the internal combustion engine of the first aspect, since the flat piston having substantially no cavity is adopted on the top surface, a piston having a small compression height is used, and as a result, the total height of the internal combustion engine is increased. Decreases, and the piston weight decreases. Since the first rib and the second rib are disposed on the top surface of the piston, the rigidity of the piston top surface is increased and the thickness of the piston top surface can be reduced. Further, since fuel is injected toward the piston top surface section formed by the ribs, the fuel adheres only to the section, and the fuel is less likely to adhere to other areas of the piston top surface and the cylinder inner peripheral wall. Therefore, incomplete combustion and oil dilution can be prevented.
請求項2に記載の発明によれば、
前記第1リブは、燃料噴霧を受け止める面を有することを特徴とする、請求項1に記載の筒内直接噴射式内燃機関が提供される。
このように請求項2に記載の内燃機関によれば、燃料噴霧を受け止める面を有するので、燃料噴霧は該受け止め面で反射されて燃焼室内の空気と効率的に撹拌混合され混合気形成が良好となる。
According to invention of
2. The direct injection type internal combustion engine according to claim 1, wherein the first rib has a surface for receiving fuel spray. 3.
Thus, according to the internal combustion engine of the second aspect, since the fuel spray has a surface for receiving the fuel spray, the fuel spray is reflected by the support surface and efficiently stirred and mixed with the air in the combustion chamber, so that the mixture formation is good. It becomes.
請求項3に記載の発明によれば、
前記第1リブは、ピストンピン軸方向に伸びることを特徴とする、請求項1または2に記載の筒内直接噴射式内燃機関が提供される。
このように請求項3に記載の内燃機関によれば、第1リブは、ピストン頂面の排気側高温部には配設されないため、ヒートスポット部(内燃機関運転時に高温となる熱溜まり部)は形成されず、ノッキングの発生を抑制することが可能となる。
According to invention of
The in-cylinder direct injection internal combustion engine according to claim 1 or 2, wherein the first rib extends in a piston pin axial direction.
As described above, according to the internal combustion engine of the third aspect, since the first rib is not disposed in the high temperature portion on the exhaust side of the piston top surface, the heat spot portion (the heat reservoir portion that becomes high temperature during operation of the internal combustion engine). Is not formed, and the occurrence of knocking can be suppressed.
請求項4に記載の発明によれば、
前記燃焼室の略中央に点火プラグを備え、前記ピストン頂面区画は前記燃焼室の略中央に位置し、燃料噴霧を受け止める前記面は前記ピストン頂面に対して略垂直であることを特徴とする、請求項1から3のいずれか1項に記載の筒内直接噴射式内燃機関が提供される。
このように請求項4に記載の内燃機関によれば、区画を形成するリブ壁内側で燃料噴霧を受け止める面は前記ピストン頂面に対して略垂直であるため、燃料噴霧受け止め面に衝突し反射した燃料噴霧は、前記区画上方へ向かう。前記区画も点火プラグも燃焼室の略中央に位置しているので、前記区画上方には点火プラグが存在し、反射した燃料噴霧により点火プラグ近傍に濃い混合気が形成されることとなる。このため燃料着火の安定性が確保される。また、点火プラグ近傍に濃い混合気が形成されることにより成層燃焼が可能となり、燃費を低減することもできる。
According to invention of Claim 4,
An ignition plug is provided at substantially the center of the combustion chamber, the piston top surface section is located at substantially the center of the combustion chamber, and the surface for receiving fuel spray is substantially perpendicular to the piston top surface. An in-cylinder direct injection internal combustion engine according to any one of claims 1 to 3 is provided.
As described above, according to the internal combustion engine of the fourth aspect, the surface that receives the fuel spray inside the rib wall that forms the section is substantially perpendicular to the top surface of the piston, and therefore collides with and reflects the fuel spray receiving surface. The fuel spray is directed upward in the compartment. Since both the compartment and the spark plug are located in the approximate center of the combustion chamber, the spark plug exists above the compartment, and a rich air-fuel mixture is formed in the vicinity of the spark plug due to the reflected fuel spray. For this reason, the stability of fuel ignition is ensured. Further, since a rich air-fuel mixture is formed in the vicinity of the spark plug, stratified combustion becomes possible, and fuel consumption can be reduced.
請求項5に記載の発明によれば、
過給をする請求項1から4のいずれか1項に記載の筒内直接噴射式内燃機関が提供される。
このように請求項5に記載の内燃機関によれば、過給式内燃機関は、燃料噴射量が多いため、ピストン頂面のかなりの部分およびシリンダ内周壁に燃料を付着させないことによる効果がより大きくなる。
According to the invention of claim 5,
The direct injection type internal combustion engine according to any one of claims 1 to 4, which performs supercharging.
As described above, according to the internal combustion engine of the fifth aspect, since the supercharged internal combustion engine has a large amount of fuel injection, the effect obtained by preventing the fuel from adhering to a substantial portion of the piston top surface and the cylinder inner peripheral wall is further improved. growing.
本発明によれば、ピストン頂面のかなりの部分およびシリンダ内周壁に燃料を付着させずコンプレッション・ハイトの小さくかつ十分な強度を有するピストンを備える直接噴射式内燃機関を得ることができる。 According to the present invention, it is possible to obtain a direct injection type internal combustion engine having a piston with a small compression height and sufficient strength without attaching fuel to a substantial portion of the piston top surface and the cylinder inner peripheral wall.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図1は、本発明に係る筒内直接噴射式内燃機関の概略構成を示す断面図であり、燃焼室内における燃料噴霧の流動を実測に基づいて模式的に示したものである。そして図1は、図2に示す本発明に係るピストンの平面図においてXX軸で切断した断面図でもある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a sectional view showing a schematic configuration of a direct injection type internal combustion engine according to the present invention, and schematically shows the flow of fuel spray in a combustion chamber based on actual measurements. 1 is a cross-sectional view taken along the XX axis in the plan view of the piston according to the present invention shown in FIG.
内燃機関10は、例えば自動車に搭載される直列式4気筒過給ガソリン内燃機関として構成されている。この内燃機関10の燃焼室10aは、シリンダボア11とシリンダヘッド13とシリンダボア11内に往復自在に配設されたフラットピストン12とによって構成されている。また、ピストン12には、燃焼室10a内のガスをシールするためのピストンリング21が装着されている。さらに、ピストン12には、ピストンピン17を介してコネクティングロッド19が揺動自在に連接されており、燃焼室10a内のガス圧をコネクティングロッド19がクランク軸(図示せず)に伝達しエンジン出力を発生させる。
The
図2は、左側に本発明に係るピストンの断面図を、右側に本発明に係るピストンの平面図を示している。図2左側の断面図は、図2右側の平面図のYY軸で切断した断面図である。一方、図2右側の平面図は、図2左側の断面図あるいは図1の断面図において、Z方向から見た平面図である。なお、YY軸は、ピストンピン軸中心線と重なっている。 FIG. 2 shows a cross-sectional view of the piston according to the present invention on the left side, and a plan view of the piston according to the present invention on the right side. 2 is a cross-sectional view taken along the YY axis of the plan view on the right side of FIG. On the other hand, the plan view on the right side of FIG. 2 is a plan view seen from the Z direction in the cross-sectional view on the left side of FIG. 2 or the cross-sectional view of FIG. Note that the YY axis overlaps the piston pin axis center line.
このフラットピストン12の頂面は、実質的にキャビティを有しておらず、バルブリセス(上死点においてバルブとの干渉を避けるための凹部)12v及び本発明に係るリブ12b、12c等を有するが全体的に見れば(従来型キャビティと比較すれば)おおよそ平坦なフラット頂面12aとして形成されている。このため、コンプレッション・ハイトCHをキャビティ付きピストン(図3参照)よりも小さくすることが可能となる。これにより、結果的にエンジン全高が低くなり、ピストン重量が小さくなる。なお、図2左側の断面図において、CHはコンプレッション・ハイトを表している。
The top surface of the
ピストン12の頂面には、ピストンの外周部から略中央部を経由して反対側の外周部まで、ピストンピン軸方向に伸びる一対の第1リブ12bと、該一対の第1リブの間に位置しかつ該一対の第1リブを架橋的に連結する一対の第2リブ12cと、が配設されている。第1リブ12bは、直線状に伸びても曲線状に伸びても良い。そして、前記第1リブ12bは、図1に示すように、断面が三角形形状をしており、その内側壁に燃料噴霧23aを受け止める面12bxを有している。第1リブの燃料噴霧を受け止める前記面12bxは、ピストン頂面12aに対して略垂直となっている。前記第1リブ12bの断面が三角形形状をしているのは、重量軽減を図るためである。そして、燃料噴霧は前記受け止め面12bxで反射されて燃焼室内の空気と効率的に撹拌混合されるため、混合気形成が良好となり、完全燃焼を助長することとなる。
On the top surface of the
この一対の第1リブ12bと、該一対の第1リブを架橋的に連結する一対の第2リブ12cとによりピストン頂面は剛性が増し、強度が向上する。ひいては、ピストン頂面肉厚TH(図1参照)を薄くすることが可能となる。なお、ピストン頂面には、燃焼室内爆発力、スラスト力、熱応力等の複合した応力が生じる。
本内燃機関の実験において、当初は、第1リブのみ設置し第2リブの無いピストンを採用したところ、一対の第1リブの間でかつ第1リブの付け根部において第1リブに沿って亀裂が生じた。この対策として第1リブに加えて第2リブも設置した本発明に係るピストンを使い、同一運転条件で実験したところ亀裂は生じなかった。これにより、本発明による実際の効果を確認することができた。
The pair of
In the experiment of the internal combustion engine, at first, when a piston having only the first rib and having no second rib was adopted, a crack was formed between the pair of first ribs and along the first rib at the base portion of the first rib. Occurred. As a countermeasure, when the piston according to the present invention in which the second rib was installed in addition to the first rib was used and the experiment was performed under the same operating condition, no crack was generated. Thereby, the actual effect by this invention was able to be confirmed.
また、第1リブは、ピストンピン軸方向に伸び、ピストン頂面の排気側高温部12g近傍には、配設されないため、リブ配置によるヒートスポット部は形成されず、ノッキングの発生を抑制することが可能となる。
In addition, the first rib extends in the piston pin axial direction and is not disposed in the vicinity of the exhaust-side
図1にもどって、燃焼室10aのほぼ中央には、混合気に点火するための点火プラグ14が配設されている。また、燃焼室10aを臨む吸気ポート15には吸気弁16が配設され、燃焼室10aを臨む排気ポート18には排気弁20が配設されている。また、燃焼室10aの吸気弁16近傍には、燃料を燃焼室10aに直接噴射するインジェクタ23が配設されている。このインジェクタ23の噴孔23bの向きは、リブ12b、12cにより区画形成されるピストン頂面区画12dに向けられており、該噴孔23bから噴射される燃料の噴霧が該区画12dに衝突するように設定されている。なお、該区画12dは、ピストン頂面12aのほぼ中央に位置している。
Returning to FIG. 1, a
すなわち、インジェクタ23の噴孔23bから噴射される燃料の噴霧23aは、前記区画12dに衝突すると、ピストン頂面12aに対して略垂直となっている、第1リブの燃料噴霧23aを受け止める前記面12bxに案内されながら、反射してピストン頂面12aの上方へ向かう。その上方には、燃焼室10aのほぼ中央に点火プラグ14が配設されているので、反射された噴霧により点火プラグ近傍に濃い混合気が形成されることとなる。このため燃料着火の安定性が確保される。また、反射した燃料噴霧により点火プラグ近傍に濃い混合気が形成されることにより成層燃焼が可能となり、燃費を低減することもできる。
That is, when the
さらに、前記区画12dは第1リブおよび第2リブにより囲繞されており、いわば盆地のような形状となっている。このため、燃料噴霧23aが区画12dに衝突しても、区画12d以外のピストン頂面の他の領域やシリンダ内周壁11aには燃料が付着することは少なくなるので、不完全燃焼やオイル希釈を防止できる。なお、過給式内燃機関は、燃料噴射量が多いため、ピストン頂面のかなりの部分およびシリンダ内周壁に燃料を付着させないことによる効果がより大きくなる。
そして成層燃焼時には、燃料噴霧はほぼ生成直後に火炎となるので、ピストン頂面で該火炎が直接接触するのは、ほぼ、一部の限られた区画12dのみとなる。このため、本発明に係るフラットピストンは、通常のフラットピストンよりもさらに冷却損失が小さくなる。ちなみに、ピストンは、背面12fにオイルジェットを受けてオイル冷却されている。
Further, the
At the time of stratified combustion, since the fuel spray becomes a flame almost immediately after generation, the flame directly contacts with the top surface of the piston almost only in a
なお、図3に従来型のキャビティ付きピストン12を示す。12hはキャビティであり、23はインジェクタである。
FIG. 3 shows a
このようにして、ピストン頂面のかなりの部分およびシリンダ内周壁に燃料を付着させずコンプレッション・ハイトの小さくかつ十分な強度を有するピストンを備える直接噴射式内燃機関を得ることができる。 In this way, it is possible to obtain a direct injection type internal combustion engine including a piston having a small compression height and sufficient strength without attaching fuel to a substantial portion of the piston top surface and the cylinder inner peripheral wall.
CH コンプレッション・ハイト
TH ピストン頂面肉厚
10 内燃機関
10a 燃焼室
11 シリンダボア
11a シリンダ内周壁
12 ピストン
12a ピストン頂面
12b 第1リブ
12bx 第1リブの燃料噴霧を受け止める面
12c 第2リブ
12d ピストン頂面区画
12f 背面
12g ピストン頂面の排気側高温部
12h キャビティ
12v バルブリセス
13 シリンダヘッド
14 点火プラグ
15 吸気ポート
16 吸気弁
17 ピストンピン
18 排気ポート
19 コネクティングロッド
20 排気弁
21 ピストンリング
23 インジェクタ(燃料噴射弁)
23a 燃料噴霧
23b 噴孔
CH Compression height TH Piston
23a Fuel spray 23b Injection hole
Claims (5)
前記フラットピストンの頂面に位置し前記ピストンの外周部から略中央部を経由して反対側の外周部まで伸びる一対の第1リブと、
該一対の第1リブの間に位置しかつ該一対の第1リブを架橋的に連結する一対の第2リブと、を有し、
前記ピストンの頂面において前記第1リブと前記第2リブにより区画形成されるピストン頂面区画に向けて前記燃料噴射弁により燃料噴射す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 comprising a fuel injection valve that directly injects fuel into a combustion chamber and a flat piston that has substantially no cavity on the top surface,
A pair of first ribs located on the top surface of the flat piston and extending from the outer peripheral portion of the piston to the outer peripheral portion on the opposite side via a substantially central portion;
A pair of second ribs that are located between the pair of first ribs and that bridge-couple the pair of first ribs;
A direct injection type internal combustion engine, wherein fuel is injected by the fuel injection valve toward a piston top surface section defined by the first rib and the second rib on the top surface of the piston.
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