JP2009191674A - 燃焼室構造 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室構造において、燃焼を改善すると共に使用耐久性を向上する技術を提供する。
【解決手段】キャビティ３１以外のピストン３の頂面を平坦に形成し、上死点にピストン３が位置するときにピストン３の頂面とピストン３側へ最大にリフトした吸気弁９及び排気弁１０の弁下面との間に間隙を設け、キャビティ３１の内底を中心が最もシリンダヘッド４側に隆起した円錐面３２と当該円錐面３２の周縁からシリンダヘッド４とは反対側に凹む周凹面３３とで形成し、上死点にピストン３が位置するときには燃料噴射ノズル１３から噴射された燃料噴霧Ｆが円錐面３２に衝突し、上死点前後にピストン３が移動するときには燃料噴射ノズル１３から噴射された燃料噴霧Ｆの衝突位置が円錐面３２と周凹面３３との境界３４を通過する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃焼室構造に関する。

ピストンの頂面の中央部にキャビティを形成すると共にピストンの頂面の周縁寄りにバルブリセスを形成し、キャビティとバルブリセスとを相互に連通させて、スワール流がバルブリセス内周面の案内でキャビティに導入されるようにした燃焼室において、キャビティの内底中央部からシリンダヘッドに向けて隆起部を形成する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。またキャビティを囲むピストンの頂面が平坦に形成されており、燃料噴射ノズルが主燃料噴射と異なるタイミングで行う副燃料噴射はキャビティの開口端を指向する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
特開平９−１５８７３４号公報 特開２００１−２２７３４５号公報

ところで吸排気弁の開閉タイミングを変化させる可変動弁機構（Variable Valve Timing機構：ＶＶＴ機構）を備える内燃機関の燃焼室構造では、ピストンが上死点等のシリン
ダヘッド側へ上昇したときに吸排気弁が開弁しピストン側へ下降する場合がある。この場合にピストンの頂面と吸排気弁の弁下面とが衝突することを防止するため、ピストンの頂面にバルブリセスを大きく形成する必要があった。しかしバルブリセスを大きく形成すると、外周から中央へ流れるスキッシュ流が弱くなる。特に近年ではキャビティを浅皿広口形状に形成するので、スキッシュエリアが小さくなりスキッシュ流がさらに弱くなる傾向にある。このため噴射された燃料噴霧はスキッシュ流では空気と混合され難くなり、燃焼が悪化するおそれがある。

またバルブリセスの隅部での温度差やピストンの頂面への燃焼圧による不均一な歪みにより、バルブリセスで応力集中が発生し破損に至る場合があり、使用耐久性が悪化するおそれがある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃焼室構造において、燃焼を改善すると共に使用耐久性を向上する技術を提供することにある。

本発明にあっては、以下の構成を採用する。すなわち、本発明は、
シリンダに摺動自在なピストンの頂面にシリンダヘッドとは反対側に凹んだキャビティを形成し、シリンダヘッドに設けられた燃料噴射ノズルからキャビティへ向けて燃料を噴射する燃焼室構造において、
キャビティ以外のピストンの頂面を平坦に形成し、
上死点にピストンが位置するときにピストンの頂面とピストン側へ最大にリフトした吸排気弁の弁下面との間に間隙を設け、
キャビティの内底を中心が最もシリンダヘッド側に隆起した円錐面と当該円錐面の周縁からシリンダヘッドとは反対側に凹む周凹面とで形成し、
上死点にピストンが位置するときには燃料噴射ノズルから噴射された燃料噴霧が円錐面に衝突し、上死点前後にピストンが移動するときには燃料噴射ノズルから噴射された燃料噴霧の衝突位置が円錐面と周凹面との境界を通過することを特徴とする燃焼室構造である。

本発明によると、燃料噴射ノズルから噴射された燃料噴霧が円錐面又は周凹面に衝突し、燃料噴霧衝突角が急変しないので、キャビティ衝突後の燃料噴霧はキャビティ内で常に渦を巻く。そしてこの渦を巻いた燃料噴霧が円錐面で生じるキャビティ中央から外側へ向かい外側で上昇するスキッシュ流に乗る。ここで上死点にピストンが位置するときにピストンの頂面とピストン側へ最大にリフトした吸排気弁の弁下面との間に間隙を設けたことにより、ピストンの頂面とシリンダヘッドとの間には十分な隙間が存在するので、円錐面で生じるスキッシュ流は強い。これによって強いスキッシュ流に乗って燃料噴霧を拡散でき燃料が空気とより良く混合されるので、燃焼が改善できる。また上死点前後にピストンが移動するときには燃料噴射ノズルから噴射された燃料噴霧の衝突位置が円錐面と周凹面との境界を通過し、キャビティ衝突後の燃料噴霧に乱れが生じて燃料が空気とより良く混合されるので、これによっても燃焼が改善できる。

本発明によると、ピストンの頂面にバルブリセスを形成する必要がなく、ピストンの頂面が平坦であり、ピストンの頂面に応力集中が発生しなくなり破損し難くなるので、使用耐久性を向上できる。

本発明によると、燃料噴射ノズルから噴射された燃料噴霧が円錐面又は周凹面に衝突するように燃料噴射ノズルからの燃料噴射角が小さく設定されるので、燃料噴射ノズルから燃料がキャビティの外に噴射され難くなり、シリンダ内壁に燃料が付着することを抑制でき、付着燃料によるオイル希釈を抑制できると共に付着燃料がシリンダ内壁のオイルを洗い流すボアフラッシングを抑制できる。

本発明によると、キャビティが浅皿広口形状となるので、ＶＶＴ機構を備える内燃機関の場合に吸排気弁を同時に開弁するバルブオーバーラップ期間中の吸排気弁の有効開口面積が広がり、吸排気脈動によって燃焼室から既燃焼ガスを排気通路へ排出させる掃気効果が向上できる。また上死点にピストンが位置するときにピストンの頂面とピストン側へ最大にリフトした吸排気弁の弁下面との間に間隙を設けたことにより、ピストンの頂面とシリンダヘッドとの間には十分な隙間が存在するので、バルブオーバーラップ期間中の吸排気弁間の通気抵抗が低下し、これによっても掃気効果が向上できる。

本発明によると、燃焼室構造において、燃焼を改善できると共に使用耐久性を向上できる。

以下に本発明の具体的な実施例を説明する。

＜実施例１＞
図１は、本実施例に係る燃焼室構造を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、４つのシリンダ２を有する水冷式の４ストロークサイクル・ディーゼルエンジンである。内燃機関１は、車両に搭載されている。

内燃機関１の各シリンダ２内にはピストン３が摺動自在に配置されている。シリンダ２の上部にはシリンダヘッド４が形成されている。シリンダブロックに形成されたシリンダ２、ピストン３及びシリンダヘッド４で囲まれた領域が燃焼室になっている。燃焼室には、内燃機関１に吸気を供給する吸気通路５へつながる吸気ポート６と、内燃機関１からの排気を排出する排気通路７へつながる排気ポート８と、が接続されている。

吸気ポート６及び排気ポート８の燃焼室への開口部は、それぞれ吸気弁９及び排気弁１
０によって開閉される。吸気弁９には、該吸気弁９のバルブタイミングを制御する吸気側ＶＶＴ機構１１が設けられている。排気弁１０には、該排気弁１０のバルブタイミングを制御する排気側ＶＶＴ機構１２が設けられている。

吸気側ＶＶＴ機構１１及び排気側ＶＶＴ機構１２に指令を出し、排気弁１０の閉弁時期を遅角させると共に吸気弁９の開弁時期を進角させる。この結果、吸気弁９及び排気弁１０が同時に開弁するバルブオーバーラップ期間を設けることができる。バルブオーバーラップ期間には吸排気脈動によって吸気及び排気が吸気流れ方向及び排気流れ方向に最大速度となる場合があり、この場合に燃焼室において燃焼した既燃焼ガスを排気通路７へ一気に排出させる掃気が行える。

シリンダヘッド４には燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射ノズル１３が設けられている。燃料噴射ノズル１３はピストン３の頂面に形成されたキャビティ３１に向けて燃料を噴射する。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１４が併設されている。このＥＣＵ１４は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。

ＥＣＵ１４には、各種センサが電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がＥＣＵ１４に入力されるようになっている。一方、ＥＣＵ１４には、吸気側ＶＶＴ機構１１、排気側ＶＶＴ機構１２、及び燃料噴射ノズル１３が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ１４によりこれらの機器が制御される。

次に図２を用いて燃焼室構造について説明する。図２は、本実施例に係る燃焼室の概略構成を示す半断面図である。燃焼室は、円筒形のシリンダ２の内周面、ピストン３の頂面及びシリンダヘッド４の下面で囲まれた空間である。図２では上死点にピストン３が位置する場合を示している。

ピストン３の頂面には、シリンダヘッド４とは反対側（図示下方）に凹んだキャビティ３１が形成されている。キャビティ３１は開口が大きく深さが浅い浅皿広口形状をなしている。

一方、キャビティ３１以外のキャビティ３１周りの環状のピストン３の頂面は、バルブリセスを持たない平坦面に形成されている。このようにピストン３の頂面が平坦であっても、ピストン３が上死点に到達したときに吸気弁９や排気弁１０の下面と衝突（バルブスタンプ）しないように、上死点にピストン３が位置するときにピストン３の頂面とピストン３側（図示下方）へ最大にリフト（最大リフト量Ｌ）した図示破線の吸気弁９及び排気弁１０の弁下面との間に間隙を設けている。この間隙はピストン３の頂面と吸気弁９及び排気弁１０の弁下面との衝突を回避できればよいので、微小な隙間となる。

ピストン３の頂面に形成されるキャビティ３１の内底は、中心が最もシリンダヘッド４側（図示上方）に隆起した円錐面３２と、当該円錐面３２の周縁からシリンダヘッド４とは反対側（図示下方）に凹み外周側がシリンダヘッド４側（図示上方）にかけあがって平坦なピストン３の頂面に至る周凹面３３と、で形成されている。円錐面３２は、キャビティ３１が浅皿広口形状であり、内底の主たる領域を占めるため、隆起した中心の円錐面３２の頂角が広角に設定されている。周凹面３３は、円錐面３２の周りに環状に形成されており、円錐面３２の周縁からさらに一段凹んでいる。このため円錐面３２と周凹面３３との境界３４には、周凹面３３側が下方への傾斜角が大きくなる段差が存在する。周凹面３３の断面は、ほぼ円弧状のカーブを描いている。

燃料噴射ノズル１３は、シリンダヘッド４における燃焼室中心に配置されており、燃料噴射ノズル１３から噴射される燃料噴霧Ｆは斜め下方向を指向し、上死点にピストン３が位置するときには燃料噴射ノズル１３から噴射された燃料噴霧Ｆはキャビティ３１の図示実線の円錐面３２に衝突する。そして上死点前後にピストン３が移動するときにはキャビティ３１が図示実線と図示破線との間を動くので、燃料噴射ノズル１３から噴射された燃料噴霧Ｆの衝突位置が円錐面３２と周凹面３３との境界３４を通過する。図示破線のキャビティ３１では燃料噴霧Ｆが周凹面３３に衝突する。このように上死点前後にピストン３が存在するときに燃料噴射ノズル１３から噴射された燃料噴霧Ｆをキャビティ３１の円錐面３２又は周凹面３３に衝突させるため、燃料噴射ノズル１３からの燃料噴射角θが小さく設定されている。

ここで従来技術では、ＶＶＴ機構を備える内燃機関の燃焼室構造では、ピストンが上死点等のシリンダヘッド側へ上昇したときに吸気弁及び／又は排気弁が開弁しピストン側へ下降する場合がある。この場合にピストンの頂面と吸排気弁の弁下面とが衝突することを防止するため、ピストンの頂面にバルブリセスを大きく形成する必要があった。

従来技術のようにバルブリセスを大きく形成すると、燃焼室の外周から中央へ流れるスキッシュ流が弱くなる。特に近年ではキャビティを浅皿広口形状に形成するので、ピストンの頂面とシリンダヘッドとの間のスキッシュエリアが小さくなりスキッシュ流がさらに弱くなる傾向にある。また浅皿広口形状のキャビティでは、キャビティ開口部のリップが薄くなりピストン上下動に対して、燃料噴射ノズルから噴射された燃料噴霧の当たり方が大きく変化し燃焼が悪影響を受ける。また浅皿広口形状のキャビティの底面のカーブが小さくなり、キャビティ内でスキッシュ流がうまく旋回しなくなってしまう。このため噴射された燃料噴霧はスキッシュ流では空気と混合され難くなり、燃焼が悪化するおそれがある。

従来技術のようにバルブリセスを有すると、バルブリセスに燃焼ガスが流れ出るため、バルブリセスの温度が上昇し易い。これに対し、バルブリセスのない部分のピストンの頂面では、燃焼ガスの流動が少ないため、この部分の温度が上昇し難い。したがって境界部分であるバルブリセスの隅部では温度差が生じする。またバルブリセスが存在すると、ピストンの頂面とシリンダヘッドとの間のスキッシュエリアが平坦に形成できない。このスキッシュエリアが平坦でない場合に、燃焼圧がピストンの頂面にかかるとピストンの頂面への歪みが不均一となる。バルブリセスの隅部での温度差やピストンの頂面への燃焼圧による不均一な歪みにより、バルブリセスで応力集中が発生し破損に至る場合があり、使用耐久性が悪化するおそれがある。

従来技術のようにバルブリセスを有すると、バルブリセスの部分は、シリンダの頂面からトップリングまでのトップランドの長さが短くなるので、燃焼圧により燃焼ガスがトップリングを吹き抜ける場合がある。これに対し、バルブリセスの部分で十分なトップランドの長さを設けると、バルブリセスのない部分のトップランドが過剰に長くなってしまうため、ピストンの熱膨張が不均一となり、ピストンとシリンダとの隙間が不安定になってしまう。

従来技術のようにバルブリセスを有すると、上死点付近にピストンが位置するときに吸気弁及び排気弁を同時に開弁してバルブオーバーラップ期間を設けても、ピストンの頂面がシリンダヘッドに接近しており、吸気弁と排気弁との間を通過可能な面積が限られてしまい通気抵抗が高く、掃気が十分に行えない。

それに対して、本実施例によると、燃料噴射ノズル１３から噴射された燃料噴霧Ｆがキ
ャビティ３１の円錐面３２又は周凹面３３に衝突し、燃料噴霧衝突角が急変しないので、キャビティ３１衝突後の燃料噴霧はキャビティ３１内で常に渦を巻く。そしてこの渦を巻いた燃料噴霧が円錐面３２で生じるキャビティ３１中央から外側へ向かい外側で上昇する図２に示すスキッシュ流Ｃに乗る。ここで上死点にピストン３が位置するときにピストン３の頂面とピストン３側へ最大にリフト（リフト量Ｌ）した吸気弁９及び排気弁１０の弁下面との間に間隙を設けたことにより、ピストン３の頂面とシリンダヘッド４との間には図２に示す十分な隙間（トップクリアランス）Ｔが存在するので、円錐面３２で生じるスキッシュ流Ｃは強い。これによって強いスキッシュ流Ｃに乗って燃料噴霧を拡散でき燃料が空気とより良く混合されるので、燃焼が改善できる。また上死点前後にピストン３が移動するときには燃料噴射ノズル１３から噴射された燃料噴霧Ｆの衝突位置が円錐面３２と周凹面３３との境界３４を通過し、キャビティ３１衝突後の燃料噴霧に乱れが生じて燃料が空気とより良く混合されるので、これによっても燃焼が改善できる。

本実施例によると、ピストン３の頂面にバルブリセスを形成する必要がなく、ピストン３の頂面が平坦であり、バルブリセスの隅部での温度差がなく、またピストン３の頂面への燃焼圧による不均一な歪みがないので、ピストン３の頂面に応力集中が発生しなくなり破損し難くなるので、使用耐久性を向上できる。

本実施例によると、ピストン３の頂面にバルブリセスを形成する必要がなく、ピストン３の頂面からトップリング１５までのトップランドの長さが一定になるので、トップランドの長さが短いために燃焼圧により燃焼ガスがトップリング１５を吹き抜けることがない。またピストン３の熱膨張が均一となり、ピストン３とシリンダ２との隙間が安定しピストン３がシリンダ２に良好に摺動できる。

本実施例によると、燃料噴射ノズル１３から噴射された燃料噴霧Ｆが円錐面３２又は周凹面３３に衝突するように燃料噴射ノズル１３からの燃料噴射角θが小さく設定されるので、ピストン３が下降しているときに燃料噴射ノズル１３から燃料噴射を行うポスト噴射等の副噴射を行っても、燃料噴射ノズル１３から燃料がキャビティ３１の外に噴射され難くなり、シリンダ２内壁に燃料が付着することを抑制でき、付着燃料によるオイル希釈を抑制できると共に付着燃料がシリンダ２内壁のオイルを洗い流すボアフラッシングを抑制できる。

本実施例によると、キャビティ３１が浅皿広口形状であるので、図３に示すように吸気弁９及び排気弁１０を同時に開弁するバルブオーバーラップ期間中の吸気ポート６及び排気ポート８の開口とキャビティ開口３５との関係で定まる吸気弁９の有効開口面積ＩＮＡ及び排気弁１０の有効開口面積ＥＸＡが広がり、吸排気脈動によって燃焼室から既燃焼ガスを排気通路７へ排出させる掃気効果が向上できる。また上死点にピストン３が位置するときにピストン３の頂面とピストン３側へ最大にリフト（最大リフト量Ｌ）した吸気弁９及び排気弁１０の弁下面との間に間隙を設けたことにより、ピストン３の頂面とシリンダヘッド４との間には十分な隙間（トップクリアランス）Ｔが存在するので、上死点付近にピストン３が位置するときでもバルブオーバーラップ期間中の吸気弁９と排気弁１０との間の通気抵抗が低下し図３に示す掃気の流れＳが滞らず、これによっても掃気効果が向上できる。

本発明に係る燃焼室構造は、上述の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えてもよい。

実施例１に係る内燃機関の概略構成を示す図。 実施例１に係る燃焼室構造の概略構成を示す図。 実施例１に係るピストンの頂面を示す図。

符号の説明

１ 内燃機関
２ シリンダ
３ ピストン
４ シリンダヘッド
５ 吸気通路
６ 吸気ポート
７ 排気通路
８ 排気ポート
９ 吸気弁
１０ 排気弁
１１ 吸気側ＶＶＴ機構
１２ 排気側ＶＶＴ機構
１３ 燃料噴射ノズル
１４ ＥＣＵ
１５ トップリング
３１ キャビティ
３２ 円錐面
３３ 周凹面
３４ 境界
３５ キャビティ開口

Claims (1)

1. シリンダに摺動自在なピストンの頂面にシリンダヘッドとは反対側に凹んだキャビティを形成し、シリンダヘッドに設けられた燃料噴射ノズルからキャビティへ向けて燃料を噴射する燃焼室構造において、
   キャビティ以外のピストンの頂面を平坦に形成し、
   上死点にピストンが位置するときにピストンの頂面とピストン側へ最大にリフトした吸排気弁の弁下面との間に間隙を設け、
   キャビティの内底を中心が最もシリンダヘッド側に隆起した円錐面と当該円錐面の周縁からシリンダヘッドとは反対側に凹む周凹面とで形成し、
   上死点にピストンが位置するときには燃料噴射ノズルから噴射された燃料噴霧が円錐面に衝突し、上死点前後にピストンが移動するときには燃料噴射ノズルから噴射された燃料噴霧の衝突位置が円錐面と周凹面との境界を通過することを特徴とする燃焼室構造。

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