JP2013053529A

JP2013053529A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2013053529A
Application number: JP2011190366A
Authority: JP
Inventors: Hirotaka Suzuki; 浩高鈴木
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2011-09-01
Filing date: 2011-09-01
Publication date: 2013-03-21

Abstract

【課題】
ディーゼルエンジン及びガソリンエンジン等の内燃機関において、エンジン筒内で発生する熱損失を低減し、燃費の向上を実現した内燃機関を提供する。
【解決手段】
燃料噴射ノズル３と、冠面６に凹状のキャビティ５を形成したピストン２と、キャビティ５内に形成した溝部１０を有する内燃機関１において、溝部１０が、キャビティ５の底面１２又は側面１１の少なくとも一方に形成した円周状の溝部１０であり、且つ燃料噴霧が到達する燃料到達部位Ｐ１に設けないように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼室に燃料を直接噴射する内燃機関に関するものである。

近年、燃焼効率の向上及び低燃費化の要求から、燃焼室内に燃料を直接噴射する直接噴射式の内燃機関の開発が進められている。この直接噴射式の内燃機関は、具体的には、ピストンとシリンダヘッドで形成した空間（以下、燃焼室という）に、燃料を噴霧する構成を有している（例えば特許文献１参照）。この内燃機関には、ディーゼルエンジンや、ガソリンエンジン等がある。以下、ディーゼルエンジンを例に説明する。

図５に、ディーゼルエンジン１Ｘのピストン２Ｘ周辺の断面を示す。ディーゼルエンジン１Ｘは、円筒形のピストン２Ｘと、燃料を霧状に噴射する燃料噴射ノズル３を有している。ピストン２Ｘは、ピストン２Ｘの冠面（上面）６を刳り貫いて形成したキャビティ５Ｘ（例えばリエントラント型）を有している。このキャビティ５Ｘは、側面１１と底面１２を有している。

なお、一点鎖線Ｃはピストン２Ｘの中心軸Ｃを示し、破線Ｌは燃料噴射ノズル３から噴射される燃料の噴射方向（以下、燃料噴射軸Ｌという）を示している。また、破線で囲まれた領域７は、ピストン２Ｘの冠面６の上方のスキッシュエリア７を示している。このスキッシュエリア７とキャビティ５Ｘをあわせた空間を、燃焼室と呼ぶ。更に、ｘ軸及びｚ軸は、図面における三次元座標の一部を示している。

次に、ディーゼルエンジン１Ｘにおける燃料噴射について説明する。ディーゼルエンジン１Ｘは、ピストン２Ｘが上死点に対して接近又は離間する際に、燃料噴射ノズル３から燃料をエンジン筒内（キャビティ５Ｘ内）に直接噴射する。噴射された燃料は、キャビティ５Ｘ内の空気と混合され、圧縮されて着火に至る。そのため、直噴ディーゼル燃焼においては、火炎の発生位置及び挙動が、燃焼室の形状や燃料の噴射方向に依存する。ディーゼルエンジン１Ｘにおいて、燃料と空気の混合を促進することは、燃料の燃焼効率を高め、燃費を向上し、排気ガスの清浄化（排ガス性能の向上）にも大きく貢献する。特に、近年では噴射圧力の高圧化（例えば２００ＭＰａ以上）によって、燃料の蒸発及び空気との混合の促進を図っている。なお、噴射圧力の高圧化により、燃料噴射速度も増加している。

特許文献１では、ディーゼルエンジンの燃焼状態を向上するために、キャビティに溝を形成している。この溝により、噴射された燃料同士が干渉し、燃料濃度の高い領域を形成することを抑制できるため、スモークの生成を抑制することができる。

しかしながら、特許文献１に記載のディーゼルエンジンは、燃料の燃焼により発生した熱が、キャビティ等のエンジン筒内の壁面を介して、エンジンブロックを流れる冷却水へと捨てられてしまうために、燃費を更に向上することが困難であるという問題を有している。つまり、エネルギーである熱を捨てているため、熱損失が発生し、燃費の向上が困難となっている。

特開２０１０−２８５９０７号公報

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、ディーゼルエンジン及びガソリンエンジン等の内燃機関において、エンジン筒内で発生する熱損失を低減し、燃費の向上を実現した内燃機関を提供することである。

上記の目的を達成するための本発明に係る内燃機関は、燃料噴射ノズルと、冠面に凹状のキャビティを形成したピストンと、前記キャビティ内に形成した溝部を有する内燃機関において、前記溝部が、前記キャビティの底面又は側面の少なくとも一方に形成した円周状の溝部であり、且つ燃料噴霧が到達する燃料到達部位に設けないように構成したことを特徴とする。

この構成により、キャビティの側面及び底面と、燃焼した燃料が接触する面積を小さくし、熱損失を低減し、熱効率を向上することができる。つまり、エンジン筒内における熱損失を低減し、内燃機関の燃費を向上することができる。

上記の内燃機関において、前記ピストンが、平面視において前記溝部を形成する円周と燃料噴射軸の交わる領域の少なくとも一部に、前記溝部を形成しない破断領域を有していることを特徴とする。

この構成により、燃料噴射のタイミングに関わらず、燃料噴霧が溝部の内部に入り込むことを抑制することができる。そのため、キャビティの側面及び底面において、燃焼した燃料が接触する面積を小さくすることができる。また、燃料の多段噴射を行う内燃機関においても、燃費を向上することができる。

本発明に係る内燃機関によれば、ディーゼルエンジン及びガソリンエンジン等の内燃機関において、エンジン筒内で発生する熱損失を低減し、燃費の向上を実現した内燃機関を提供することができる。

本発明に係る実施の形態の内燃機関のピストンの平面及び端面の概略を示した図である。本発明に係る異なる実施の形態の内燃機関のピストンの端面を示した図である。本発明に係る異なる実施の形態の内燃機関のピストンの平面を示した図である。本発明に係る異なる実施の形態の内燃機関のピストンの端面を示した図である。従来の内燃機関のピストンの端面を示した図である。

以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関について説明する。図１に、この内燃機関１のピストン２の平面及びＱＱ端面図を示す。ピストン２は、ピストン２の冠面６を刳り貫いて形成したキャビティ５と、キャビティ５の内面に形成した複数の溝部１０を有している。ここで、Ｐ１は、図示しない燃料噴射ノズルから噴射された噴霧燃料が到達する燃料到達部位Ｐ１を示しており、ｄは溝部１０の幅を示している。

図２に、本発明に係る異なる実施の形態の内燃機関１ａを示す。図２は、内燃機関１ａ
のピストン２ａの端面図を示している。このピストン２ａに形成したキャビティ５ａは、底面１２の中心近くまで形成した溝部１０ａを有している。

次に、内燃機関１ａの動作について説明する。内燃機関１ａを駆動する場合、まず、ピストン２ａが上昇する。ピストン２ａの上昇とともに、燃料噴射ノズル３から燃料が噴射される。この燃料は、燃料噴射軸Ｌに沿って進み、キャビティ５ａの側面１１（燃料到達部位Ｐ１）に衝突する。燃料は、キャビティ５ａ内に形成された空気流動（スワール流、又はタンブラ流等）により拡散し、その後圧縮され燃焼を開始する。

上記の構成により、以下の作用効果を得ることができる。第１に、内燃機関１ａのキャビティ５ａにおける熱損失を抑制することができる。これは、キャビティ５ａの側面１１及び底面１２と、燃焼した燃料が接触する面積が、従来よりも小さくなり、燃料からピストン２ａに移動する熱の量を抑制することができるためである。

第２に、燃料到達部位Ｐ１に溝部１０ａを形成しない構成により、内燃機関１ａの熱損失を抑制することができる。これは、噴射された燃料が溝部１０ａの内部に入り込み、内部で燃焼が発生することを防止できるからである。

第３に、キャビティ５ａの底面１２の中心近くまで溝部１０ａを形成する構成により、キャビティ５ａの底面１２と、燃焼が起こっている燃料の接触面積を更に低減することができるため、内燃機関の熱損失を抑制することができる。以上より、内燃機関の燃費を向上することができる。

なお、溝部１０ａは、以下の３つを条件として設計することが望ましい。第１に、内部に燃料が入り込まないこと。第２に、キャビティ底面及び側面と、燃焼が起こっている燃料の接触面積を十分減らせること。第３に、溝部が高温により溶けないこと（耐久性が高いこと）。具体的には、自動車用の内燃機関等であれば、溝部の幅ｄを１〜３ｍｍ程度とすることが望ましい。

図３及び図４に、本発明に係る異なる実施の形態の内燃機関１ｂを示す。図３は、内燃機関１ｂのピストン２ｂの平面図を示しており、図４は、図３のＲＲ端面図を示している。このピストン２ｂは、キャビティの底面及び側面に溝部１０ｂを有している。ただし、このピストン２ｂは、平面視において溝部１０ｂを形成する円周と燃料噴射軸Ｌの交わる領域の少なくとも一部に、溝部１０ｂを形成しない破断領域２０を有している。特に、溝部１０ｂが、少なくとも燃料到達部位Ｐ１と重なる部分を、破断領域２０としている。

ここで、平面視において溝部１０ｂを形成する円周と燃料噴射軸Ｌの交わる領域の全部に、破断領域２０を形成してもよい。この場合、キャビティの表面積は増加するが、噴射された燃料が溝部１０ｂに入り込み燃焼する事態を防止することができる。

また、図３は、４つの開口部（４方向の燃料噴射軸Ｌ）を有する燃料噴射ノズル３を採用した状態を示しているが、燃料噴射ノズル３の開口部の数は、上記に限定されない。例えば５つ、又は８つ等の開口部を有する燃料噴射ノズル３に対しては、その数に応じて破断領域２０を５箇所、又は８箇所等と形成することができる。

この構成により、以下の作用効果を得ることができる。第１に、内燃機関１ｂの熱損失を更に抑制することができる。これは、キャビティ５ｂの側面１１にも積極的に溝部１０ｂを形成し、燃焼した燃料と接触するキャビティ５ｂの表面積を小さくすることができるためである。

第２に、燃料の多段噴射を行う内燃機関の熱損失を抑制することができる。図４に示す様に、燃料の多段噴射を行う内燃機関は、噴射された燃料がキャビティ５ｂの側面１１上端から下端にかけて広範囲となる。つまり、多段噴射を行う場合、燃料到達部位Ｐ１は、キャビティの中心から外周方向にかけて複数の領域となる。そのため、破断領域２０の採用により、この燃料到達部位Ｐ１がキャビティ内に広く分布する場合であっても、燃料噴射軸Ｌと重ならない領域に溝部１０ｂを形成することができる。

なお、溝部１０、１０ａ、１０ｂは、燃料噴霧が内部に入り込まない限りにおいて、キャビティ５、５ａ、５ｂの同心円上のみならず、中心から外周に向かう半径方向に形成してもよい。この構成により、キャビティの表面積を更に小さくすることができる。

また、本発明は、例えば、リエントラント型、浅皿型、トロイダル型など、あらゆる形状のキャビティに採用することができる。

１、１ａ、１ｂ内燃機関（ディーゼルエンジン）
２、２ａ、２ｂピストン
３燃料噴射ノズル
５、５ａ、５ｂキャビティ
１０、１０ａ、１０ｂ溝部
１１側面
１２底面
２０破断領域
Ｌ燃料噴射軸
Ｐ１燃料到達部位

Claims

燃料噴射ノズルと、冠面に凹状のキャビティを形成したピストンと、前記キャビティ内に形成した溝部を有する内燃機関において、
前記溝部が、前記キャビティの底面又は側面の少なくとも一方に形成した円周状の溝部であり、且つ燃料噴霧が到達する燃料到達部位に設けないように構成したことを特徴とする内燃機関。
前記ピストンが、平面視において前記溝部を形成する円周と燃料噴射軸の交わる領域の少なくとも一部に、前記溝部を形成しない破断領域を有していることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。