JP2014227848A - エンジンの燃焼室構造 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの燃焼室構造に関しエンジンの音色に影響を与える高周波成分の発生を効果的に抑制する。【解決手段】頂部にボウル部２３が形成されたピストン２２をシリンダボア２１内に往復移動可能に収容したエンジンの燃焼室構造であって、シリンダボア２１の内径をＤ１、ボウル部２３の内径をＤ２とした場合に、Ｄ１とＤ２との比Ｄ２／Ｄ１が０．５５よりも小さくなる範囲、又は、比Ｄ２／Ｄ１が０．６７よりも大きくなる範囲の何れか一方に設定した。【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンの燃焼室構造に関する。

一般的に、エンジンの燃焼室構造は、頂部にボウル部が形成されたピストンをシリンダボア内に往復移動可能に収容して構成されている（例えば、特許文献１，２参照）。

ディーゼルエンジン等において、騒音はその大きさだけでなく、例えば、「甲高い」や「耳障り」等と表現される音色の悪さが問題となっている。このような音色の発生は、圧縮着火による急激なシリンダ内圧力の上昇によって高周波成分を含む加振入力がエンジン構造に作用すると共に、エンジン構造の振動によって騒音が放射されることが要因と考えられている。

特開平０６−１０１４８１号公報 特開平１０−１８４３６５号公報

ディーゼルエンジンの音色に関する実験を行ったところ、８ｋＨｚ程の非常に高い周波数成分が音色に大きな影響を及ぼしていることが判明した。また、８ｋＨｚの高周波成分は、燃焼室空間の共鳴現象による圧力波によってエンジン構造が加振されて引き起こされることも判明した。

本発明の目的は、エンジンの音色（音質）に影響を与える高周波成分の発生を効果的に抑制することにある。

上述の目的を達成するため、本発明のエンジンの燃焼室構造は、頂部にボウル部が形成されたピストンをシリンダボア内に往復移動可能に収容したエンジンの燃焼室構造であって、前記シリンダボアの内径をＤ１、前記ボウル部の内径をＤ２とした場合に、Ｄ１とＤ２との比Ｄ２／Ｄ１が０．５５よりも小さくなる範囲、又は、比Ｄ２／Ｄ１が０．６７よりも大きくなる範囲の何れか一方に設定されることを特徴とする。

本発明のエンジンの燃焼室構造によれば、エンジンの音色（音質）に影響を与える高周波成分の発生を効果的に抑制することができる。

本発明の一実施形態に係るエンジンの燃焼室構造を示す模式的な断面図である。 本発明の一実施形態に係るエンジンの燃焼室構造において、燃焼室を構成するシリンダボア及びボウル部の両空間で生じる共鳴モードを示す概念図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係るエンジンの燃焼室構造を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１に示す本実施形態の燃焼室構造は、例えば、直列４気筒のディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１０に適用される。なお、図示の関係上、図１中では１個の気筒のみを示し、他の気筒については図示を省略している。また、エンジン１０の気筒数は直列４気筒に限定されず、４気筒以外の複数気筒や単気筒であってもよい。

シリンダヘッド１１には、燃焼室内に燃料を直接噴射するインジェクタ１２が設けられている。また、シリンダヘッド１１には、吸気バルブ１３の開閉により燃焼室内に吸気を導入する吸気ポート１４、及び、排気バルブ１５の開閉により燃焼室内から排気を導出する排気ポート１６とが形成されている。

シリンダブロック２０には、略円筒状のシリンダボア２１が形成されている。このシリンダボア２１内には、ピストン２２が上下方向に往復移動可能に収容されている。

ピストン２２は、略円柱状の頂部２２ａと、頂部２２ａから下方に延設された略円筒状のスカート部２２ｂとを備えている。頂部２２ａの外周部には、図示しないピストンリングを収装させるリング溝２４が形成されている。また、インジェクタ１２の先端（噴射孔）に臨むピストン２２の頂部には、略半球状のボウル部（キャビティ）２３が凹設されている。なお、符号２５は、図示しないピストンピンが挿入されるピン孔を示している。

ボウル部２３の底部中心には、上方に向けて突出する中央突起部２３ａが形成されている。また、ボウル部２３の内壁面には、径方向に突出する円環状突起部２３ｂが形成されている。この円環状突起部２３ｂには、インジェクタ１２から噴霧される燃料が衝突する。これにより、噴霧された燃料はボウル部２３内とスキッシュエリアとに分割され、燃焼室内に燃料と吸気との混合気が生成される。

本実施形態において、シリンダボア２１の内壁径をＤ１、ボウル部２３の内壁径（円環状突起部２３ｂの内径）をＤ２とすると、ボウル内径Ｄ２とボア内径Ｄ１との比Ｄ２／Ｄ１は、Ｄ２／Ｄ１＜０．５５、又は、Ｄ２／Ｄ１＞０．６７の範囲の何れか一方に設定されている。すなわち、ボア内径Ｄ１に対するボウル内径Ｄ２の寸法は、０＜Ｄ２＜０．５５×Ｄ１、又は、０．６７×Ｄ１＜Ｄ２＜ピストン２２の外径の範囲内で設定される。その理由を以下に詳述する。

圧縮着火により筒内圧が急激に上昇すると、高周波成分を含む加振入力がエンジンに作用すると共に、エンジン構造の振動により騒音が放射される。実験の結果、８ｋＨｚ程の非常に高い周波数成分がエンジンの音色に大きな影響を与えることが判明した。さらに、８ｋＨｚの高周波成分は、燃焼室空間の共鳴現象による圧力波によって引き起こされることも判明した。

一般的に、燃焼室を構成するシリンダボア２１及びボウル部２３においては、図２に示すような共鳴モードが所定の周波数帯で交互に発生する。なお、図２中において、符号＋，−は共鳴モードの圧力振幅の位相を示し、破線は圧力振幅の節を示している。特に、８ｋＨｚ程の高周波数帯においては、ボウル内径Ｄ２とボア内径Ｄ１との比Ｄ２／Ｄ１が、Ｄ２／Ｄ１≧０．５８、乃至、Ｄ２／Ｄ１≦０．６５の範囲にある場合に、これらシリンダボア２１及びボウル部２３の両空間で生じる共鳴モードの周波数（以下、共鳴周波数という）は互いに近接することが判明した。

すなわち、ボウル内径Ｄ２が０．５８×Ｄ１≦Ｄ２≦０．６５×Ｄ１の範囲にあると、両空間で生じる共鳴周波数の近接により圧力振幅は増加され、共鳴周波数成分を顕著に含む騒音が引き起こされる。本実施形態の燃焼室構造は、このような共鳴現象に着目し、ボウル内径Ｄ２の寸法をＤ２＜０．５５×Ｄ１、又は、Ｄ２＞０．６７×Ｄ１の何れか一方の範囲に設定することで、シリンダボア２１及びボウル部２３の両空間で生じる共鳴周波数の近接を回避させている。

次に、本実施形態に係るエンジンの燃焼室構造による作用効果を説明する。

一般的に、燃焼室を構成するシリンダボア２１及びボウル部２３の両空間では、ボア内径Ｄ１に対するボウル内径Ｄ２の寸法が、０．５８×Ｄ１≦Ｄ２≦０．６５×Ｄ１の範囲内にある場合に、両空間で発生する共鳴周波数は互いに近接する。その結果、圧力振幅の増加により共鳴周波数成分を含む騒音が生じ、エンジン１０の音色を悪化させる要因になっている。

本実施形態のエンジンの燃焼室構造では、両空間で発生する共鳴周波数の近接を回避すべく、ボア内径Ｄ１に対するボウル内径Ｄ２の寸法は、Ｄ２＜０．５５×Ｄ１、又は、Ｄ２＞０．６７×Ｄ１の何れか一方の範囲内に設定されている。すなわち、ボア内径Ｄ１とボウル内径Ｄ２とを最適な範囲に設定することで、エンジン１０の音色に影響を及ぼす高周波成分の発生要因となる共鳴周波数の近接を確実に回避できるように構成されている。したがって、本実施形態のエンジンの燃焼室構造によれば、エンジン１０の音色に影響を与える高周波成分の発生が確実に防止され、エンジン１０の音質を効果的に向上することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、エンジン１０はディーゼルエンジンに限定されず、ピストンの頂部にボウル部等の凹部が形成されるものであれば、ガソリンエンジン等、他のエンジンにも広く適用することが可能である。また、ボウル部の形状は半球状に限定されず、環状内壁面を有するものであれば、他の形状であってもよい。これら何れの場合も上述の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

１０ エンジン
１１ シリンダヘッド
１２ インジェクタ
１３ 吸気バルブ
１４ 吸気ポート
１５ 排気バルブ
１６ 排気ポート
２０ シリンダブロック
２１ シリンダボア
２２ ピストン
２３ ボウル部

Claims (1)

1. 頂部にボウル部が形成されたピストンをシリンダボア内に往復移動可能に収容したエンジンの燃焼室構造であって、
   前記シリンダボアの内径をＤ１、前記ボウル部の内径をＤ２とした場合に、Ｄ１とＤ２との比Ｄ２／Ｄ１が０．５５よりも小さくなる範囲、又は、比Ｄ２／Ｄ１が０．６７よりも大きくなる範囲の何れか一方に設定される
   ことを特徴とするエンジンの燃焼室構造。

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