JP2014185525A

JP2014185525A - 圧縮着火式内燃機関

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Publication number: JP2014185525A
Application number: JP2013058976A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Nishida; 秀之西田; Tetsuya Sakuma; 哲哉佐久間
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-03-21
Filing date: 2013-03-21
Publication date: 2014-10-02
Anticipated expiration: 2033-03-21
Also published as: JP5920262B2

Abstract

【課題】スキッシュ部の形状を考慮することで、空気利用率の均一性向上を図ることが可能な圧縮着火式内燃機関を提供する。
【解決手段】底壁面３１１はペントルーフ形状を有し、底壁面７１２は上記ペントルーフ形状に合わせて隆起した形状を有している。キャビティ７１は断面形状Ｆが片断面Ｍそれぞれの間で同一の形状になるように形成されている。ピストン７はスキッシュ部Ｓにテーパ壁面ＴＰを備えている。テーパ壁面ＴＰは片断面Ｍにおいて底壁面３１１となす角度θが全周に亘って同一になるように設定されている。また、片断面Ｍにおける下端部ＴＰＢおよび底壁面３１１間の距離であって、底壁面３１１に直交する方向に沿った距離ａが全周に亘って同一になるように設定されている。
【選択図】図１１

Description

本発明は圧縮着火式内燃機関に関する。

シリンダヘッドの中央部が備えるヘッド底壁面がペントルーフ形状を有するとともに、ピストンのキャビティが備えるキャビティ底壁面が当該ペントルーフ形状に合わせて隆起した形状を有する圧縮着火式内燃機関が知られている。かかる圧縮着火式内燃機関は例えば特許文献１で開示されている。

特許文献１が開示する燃料直噴ディーゼルエンジンでは、燃料噴射断面上で特定点により規定されるキャビティの断面形状が各燃料噴射断面において略等しくなるように設定されている。特許文献１が開示する燃料直噴ディーゼルエンジンは、これによりキャビティの円周方向の全ての方向で燃料および空気を均一に混合できるようにしている。

特開２００８−２４４３号公報

上記圧縮着火式内燃機関では、例えば特許文献１が開示する技術のようにキャビティの断面形状を設定した場合でも、スキッシュ部の形状によっては、キャビティ壁面に衝突した後の挙動が燃料噴霧同士の間で異なってくる。このためこの場合には、かかる挙動が異なる分、空気利用率の均一性が低くなる虞がある。またこの場合には、スキッシュ領域の空気が十分に利用されない分、空気利用率が低くなる虞もある。

本発明は上記課題に鑑み、スキッシュ部の形状を考慮することで、空気利用率の均一性向上を図ることが可能な圧縮着火式内燃機関を提供することを目的とする。

本発明は燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃焼室を形成する部分である中央部を有するシリンダヘッドと、前記燃焼室に曝されるキャビティが設けられているピストンとを備え、前記中央部がペントルーフ形状を有するヘッド底壁面を備えるとともに、前記キャビティが前記ペントルーフ形状に合わせて隆起した形状を有するキャビティ底壁面を備え、前記燃料噴射弁が前記ペントルーフ形状の頂部に設けられるとともに、前記ペントルーフ形状の頂部の中心が吸排気方向において前記ピストンの中心軸線からオフセットした位置に設けられており、前記ピストンが前記燃焼室にスキッシュ領域を形成するスキッシュ部にテーパ壁面を備え、前記テーパ壁面が前記キャビティの側壁面との合流部分に下端部を有し、前記燃料噴射弁の中心軸線を含む断面が有する片断面において前記ヘッド底壁面となす角度が全周に亘って同一になるように設けられ、且つ、前記片断面における前記下端部および前記ヘッド底壁面間の距離であって、前記ヘッド底壁面に直交する方向に沿った距離が全周に亘って同一になるように設けられている圧縮着火式内燃機関である。

本発明によれば、スキッシュ部の形状を考慮することで、空気利用率の均一性向上を図ることができる。

内燃機関の概略構成図である。図１に示すＡ−Ａ断面で内燃機関を見た図である。噴孔部を示す図である。ピストンの外観図である。ピストンの上面図である。図５に示すＢ−Ｂ断面でピストンを見た図である。図５に示すＣ−Ｃ断面でピストンを見た図である。キャビティが有する断面形状の第１の説明図である。キャビティが有する断面形状の第２の説明図である。テーパ壁面の第１の説明図である。テーパ壁面の第２の説明図である。

図面を用いて本発明の実施例について説明する。

図１は内燃機関１の概略構成図である。図２は図１に示すＡ−Ａ断面で内燃機関１を見た図である。図１では内燃機関１のうちシリンダブロック２およびシリンダヘッド３を燃焼室Ｅの中心軸線である中心軸線Ｐ１を含む断面で示す。内燃機関１における上下方向については図１に示す通り、中心軸線Ｐ１に沿った方向を上下方向とし、シリンダヘッド３がシリンダブロック２よりも上に位置しているものとする。図１、図２に示す方向Ｘは内燃機関１の吸排気方向を示す。図２に示す方向Ｙは内燃機関１のフロントリア方向を示す。図１、図２では各構成を簡略化して示している。

内燃機関１は圧縮着火式内燃機関である。内燃機関１はシリンダブロック２とシリンダヘッド３と吸気弁４と排気弁５と燃料噴射弁６とピストン７とを備えている。シリンダブロック２にはシリンダ２１が形成されている。シリンダ２１は中心軸線Ｐ１を有している。換言すれば、シリンダ２１が中心軸線Ｐ１を決定している。シリンダ２１内にはピストン７が収容されている。シリンダブロック２の上部にはシリンダヘッド３が固定されている。

シリンダヘッド３はシリンダブロック２およびピストン７とともに燃焼室Ｅを形成している。シリンダヘッド３の底壁部のうち燃焼室Ｅを形成する部分である中央部３１はペントルーフ形状を有している。当該ペントルーフ形状は具体的には中央部３１が備える底壁面３１１が有している。底壁面３１１はヘッド底壁面に相当する。上記ペントルーフ形状は具体的には方向Ｘにおいて中心軸線Ｐ１から排気側にオフセットした位置に頂部を有する構成となっている。中央部３１（具体的には底壁面３１１）は例えば中心軸線Ｐ１から吸気側にオフセットした位置に頂部が設けられたペントルーフ形状を有していてもよい。

シリンダヘッド３には吸気ポート３２および排気ポート３３が形成されている。また、吸気弁４および排気弁５が設けられている。吸気ポート３２と排気ポート３３とはともに燃焼室Ｅに開口している。吸気ポート３２は燃焼室Ｅに吸気を導き、排気ポート３３は燃焼室Ｅのガスを排気する。吸気弁４は吸気ポート３２を開閉し、排気弁５は排気ポート３３を開閉する。

吸気ポート３２は具体的には吸気弁４とともに燃焼室Ｅに対して複数（ここでは２つ）設けられている。排気ポート３３も排気弁５とともに燃焼室Ｅに対して複数（ここでは２つ）設けられている。各吸気ポート３２は互いに独立した独立ポートであってもよく、燃焼室Ｅに対して途中で複数に分岐して開口するサイアミーズポートの一部であってもよい。各吸気ポート３２の具体的な形状は互いに異なっていてよい。これらのことは各排気ポート３３についても同様である。

シリンダヘッド３にはさらに燃料噴射弁６が設けられている。燃料噴射弁６は燃焼室Ｅに燃料を噴射する。燃料噴射弁６は噴孔部６１を備えている。噴孔部６１は燃焼室Ｅ上部のうち中央の部分に露出している。燃料噴射弁６はペントルーフ形状の頂部に設けられている。したがって、燃料噴射弁６の方向Ｘに沿った位置は中央部３１が有するペントルーフ形状の頂部に合わせて設定されている。このため、燃料噴射弁６は具体的には方向Ｘにおいて中心軸線Ｐ１から排気側にオフセットした位置に設けられている。

図３は噴孔部６１を示す図である。噴孔部６１には噴孔６１１が設けられている。噴孔部６１は燃料噴射弁６のうち噴孔６１１が設けられている部分であり、中心軸線Ｐ２を有している。中心軸線Ｐ２は燃料噴射弁６の中心軸線に相当する。噴孔部６１は具体的には燃料噴射弁６が備えるノズルボディの先端部となっている。噴孔６１１は噴孔部６１の周方向に沿って複数設けられている。

図４はピストン７の外観図である。図５はピストン７の上面図である。図６は図５に示すＢ−Ｂ断面でピストン７を見た図である。図７は図５に示すＣ−Ｃ断面でピストン７を見た図である。図４から図７では前述した内燃機関１における上下方向や方向Ｘや方向Ｙのほか、吸気側、排気側、フロント側およびリア側の表示によって内燃機関１におけるピストン７の向きを示す。以下に示す説明においては、内燃機関１における状態についても考慮しながらピストン７について説明する。このため、以下に示す説明においても必要に応じてこれらの表示に従ってピストン７について説明する。

ピストン７はキャビティ７１を備えている。キャビティ７１はピストン７の頂部に設けられている。このため、キャビティ７１は内燃機関１において燃焼室Ｅに曝される。キャビティ７１は燃料噴射弁６に合わせて設けられている。具体的にはキャビティ７１の方向Ｘに沿った位置は燃料噴射弁６に合わせて設定されている。このため、キャビティ７１はピストン７の中心軸線である中心軸線Ｐ３から方向Ｘにおいて排気側にオフセットした位置に設けられている。

ピストン７は内燃機関１において中心軸線Ｐ３が中心軸線Ｐ１と同一の位置に配置されるように設けられる。同一であることは製造誤差の範囲内で互いに異なる場合を含む。同一であることはさらに本発明の作用効果を奏することが可能な範囲内で異なる場合を含むことができる。これは以下でも同様である。

ピストン７は上記のように設けられることで、内燃機関１において中心軸線Ｐ３が中心軸線Ｐ２と異なる位置に配置されるように設けられる。したがって、内燃機関１において中心軸線Ｐ２は中心軸線Ｐ３と異なる位置に設定されている。ピストン７が上記のように設けられる内燃機関１では、ペントルーフ形状の頂部の中心が方向Ｘにおいて中心軸線Ｐ３からオフセットした位置に設けられている。

キャビティ７１は周縁部７１１と底壁面７１２と中間部７１３とを備えている。周縁部７１１はキャビティ７１の側壁面を有している。底壁面７１２は中央部３１が有するペントルーフ形状に合わせて隆起した形状を有している。底壁面７１２はキャビティ底壁面に相当する。中間部７１３は周縁部７１１、底壁面７１２間に設けられ、周縁部７１１と底壁面７１２とを接続している。

底壁面７１２は具体的には傾斜部７１２ａと中央頂部７１２ｂとを備えている。傾斜部７１２ａは中心軸線Ｐ２を含む断面における傾斜度合いがキャビティ７１の周方向に沿って変化する傾斜面を有している。当該傾斜度合いは中心軸線Ｐ２を含む各断面において、中央部３１が有するペントルーフ形状の傾斜度合いに応じて設定されている。中央頂部７１２ｂは平坦な面を有している。中央頂部７１２ｂはキャビティ７１の中央に位置する部分であり、傾斜部７１２ａに上方から隣接して設けられている。中央頂部７１２ｂは必ずしも平坦な面を有していなくてもよい。

ピストン７はさらにスキッシュ部Ｓを備えている。スキッシュ部Ｓは燃焼室Ｅにスキッシュ領域を形成する。スキッシュ部Ｓはテーパ壁面ＴＰを備えている。テーパ壁面ＴＰは一周に亘って設けられている。テーパ壁面ＴＰは周縁部７１１が有するキャビティ７１の側壁面との合流部分に下端部ＴＰＢを有している。

図８は断面形状Ｆの第１の説明図である。図９は断面形状Ｆの第２の説明図である。図８では図５に示すＢ−Ｂ断面と同様の断面で内燃機関１の要部を示す。図９では図６に示すＣ−Ｃ断面と同様の断面で内燃機関１の要部を示す。

キャビティ７１は断面形状Ｆを有している。断面形状Ｆは中心軸線Ｐ２を含む内燃機関１の断面が有する片断面Ｍに含まれる断面形状であり、全周に亘って同一の形状になるように形成されている。片断面Ｍは中心軸線Ｐ２を含む内燃機関１の断面のうち中心軸線Ｐ２を間に挟んで一方または他方の側の断面である。断面形状Ｆは具体的には中心軸線Ｐ２を中心とする周方向において、全周に亘って同一の形状になるように形成されている。かかる断面形状Ｆは具体的には次のように設定されている。

すなわち、まず片断面Ｍにおいて、周縁部７１１が有するキャビティ７１の側壁面と底壁面３１１とのなす角度αが、全周に亘って同一（ここでは９０°）になるように設けられている。また、片断面Ｍにおける部分Ｂと底壁面３１１との間の距離であって、底壁面３１１に直交する方向に沿った距離ｈが、全周に亘って同一になるように設けられている。部分Ｂはキャビティ７１の底部のうち底壁面３１１に沿って延伸する直線に正接する部分である。

また、片断面Ｍにおける噴孔中心Ｏおよび周縁部７１１間の距離であって、周縁部７１１が有するキャビティ７１の側壁面に直交する方向に沿った距離Ｌが、全周に亘って同一になるように設けられている。また、片断面Ｍにおける底壁面３１１に直交する方向に沿った距離であって、底壁面３１１と傾斜部７１２ａのうち所定の部分との間の距離ｄが、全周に亘って同一になるように設けられている。

当該所定の部分は片断面Ｍにおいて、底壁面３１１のうち噴孔中心Ｏから底壁面３１１に沿って距離ｒだけ離れた部分から、底壁面３１１に直交する方向に沿って延伸する直線が、傾斜部７１２ａと交わる部分となっている。噴孔中心Ｏは噴孔部６１および中心軸線Ｐ２に含まれる点とすることができる。

このように設定される断面形状Ｆは、キャビティ７１のうち中央頂部７１２ｂを除く部分の断面形状となっている。断面形状Ｆはさらにキャビティ７１のうち中央頂部７１２ｂに隣接する部分を除く部分の断面形状であってよい。換言すれば、断面形状Ｆはキャビティ７１のうち中央頂部を除く部分の断面形状であって、当該中央頂部を中央頂部７１２ｂおよび中央頂部７１２ｂに隣接する部分とする断面形状であってよい。断面形状Ｆは所定の断面形状に相当する。

図１０はテーパ壁面ＴＰの第１の説明図である。図１１はテーパ壁面ＴＰの第２の説明図である。図１０では図８と同様に内燃機関１の要部を示す。図１１では図９と同様に内燃機関１の要部を示す。テーパ壁面ＴＰは片断面Ｍにおいて底壁面３１１となす角度θが全周に亘って同一になるように設けられている。また、テーパ壁面ＴＰは片断面Ｍにおける下端部ＴＰＢおよび底壁面３１１間の距離であって、底壁面３１１に直交する方向に沿った距離ａが全周に亘って同一になるように設けられている。

次に内燃機関１の主な作用効果について説明する。内燃機関１では、スキッシュ部の形状を考慮して上述のようにテーパ壁面ＴＰを設定している。そして、かかる構成の内燃機関１は燃料噴霧同士の間で周縁部７１１に衝突した後の挙動の同一性向上を図ることで、空気利用率の均一性向上を図ることができる。同時に内燃機関１は、テーパ壁面ＴＰによってスキッシュ領域の空気利用が促進される分、空気利用率の向上を図ることもできる。

内燃機関１は具体的にはさらに断面形状Ｆを有する構成であることで、片断面Ｍそれぞれの間において、テーパ壁面ＴＰの断面形状に連なる断面形状Ｆを同一にすることができる。結果、燃料噴霧同士の間で周縁部７１１に衝突した後の挙動の同一性向上を好適に図ることができる。

内燃機関１は具体的には図８、図９を用いて前述したように断面形状Ｆを設定することで、燃料噴射弁６がペントルーフ形状の頂部に設けられるとともに、ペントルーフ形状の頂部の中心が方向Ｘにおいて中心軸線Ｐ３からオフセットした位置に設けられている場合であっても、片断面Ｍそれぞれの間において断面形状Ｆが同一の形状になるようにキャビティ７１を形成することができる。

すなわち、ここで上記のような場合には、例えば図８に示す断面において中央部３１が有するペントルーフ形状の傾斜度合いが吸気側と排気側とで異なってくる。これに対し、内燃機関１は図８、図９を用いて前述したように断面形状Ｆを設定することで、上記のような場合であっても片断面Ｍそれぞれの間において断面形状Ｆが同一の形状になるようにキャビティ７１を形成することができる。この点、前述した特許文献１ではかかる場合に適切な断面形状Ｆの具体的な設定方法については特に開示されていない。

内燃機関１は火花点火式内燃機関との間でシリンダヘッド３の共通性向上や共用化を図ることで、製造コストの低減を図ることができる。一方、火花点火式内燃機関では一般に吸気弁のほうが排気弁よりもバルブ径が大きく設定される結果、ペントルーフ形状の傾きが吸気側と排気側とで異なってくる。このため、燃料噴射弁６がペントルーフ形状の頂部に設けられるとともに、ペントルーフ形状の頂部の中心が方向Ｘにおいて中心軸線Ｐ３からオフセットした位置に設けられている内燃機関１は、火花点火式内燃機関との間でのシリンダヘッド３の共通性向上や共用化による製造コストの低減を図るのに適している。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

内燃機関１
シリンダヘッド３
中央部３１
底壁面（ヘッド底壁面）３１１
燃料噴射弁６
噴孔部６１
ピストン７
キャビティ７１
底壁面（キャビティ底壁面）７１２

Claims

燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記燃焼室を形成する部分である中央部を有するシリンダヘッドと、
前記燃焼室に曝されるキャビティが設けられているピストンとを備え、
前記中央部がペントルーフ形状を有するヘッド底壁面を備えるとともに、前記キャビティが前記ペントルーフ形状に合わせて隆起した形状を有するキャビティ底壁面を備え、
前記燃料噴射弁が前記ペントルーフ形状の頂部に設けられるとともに、前記ペントルーフ形状の頂部の中心が吸排気方向において前記ピストンの中心軸線からオフセットした位置に設けられており、
前記ピストンが前記燃焼室にスキッシュ領域を形成するスキッシュ部にテーパ壁面を備え、
前記テーパ壁面が前記キャビティの側壁面との合流部分に下端部を有し、前記燃料噴射弁の中心軸線を含む断面が有する片断面において前記ヘッド底壁面となす角度が全周に亘って同一になるように設けられ、且つ、前記片断面における前記下端部および前記ヘッド底壁面間の距離であって、前記ヘッド底壁面に直交する方向に沿った距離が全周に亘って同一になるように設けられている圧縮着火式内燃機関。