JP2015124659A

JP2015124659A - 火花点火式内燃機関の燃焼室構造

Info

Publication number: JP2015124659A
Application number: JP2013268703A
Authority: JP
Inventors: 洋志坂井; Hiroshi Sakai
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-12-26
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2015-07-06
Also published as: CN105849381A; EP3090157A1; WO2015097514A1; US20160319729A1

Abstract

【課題】燃焼室内にタンブル流を生成する火花点火式内燃機関において、該タンブル流から互いに反対方向に回るように流れる双気流の生成を抑制する。【解決手段】圧縮上死点の近傍において、燃焼室１８のＩＮ側では領域３８ａ側から燃焼室１８の中央部に向かうスキッシュ流Ａを生じる。同様に、燃焼室１８のＦｒ側の外周部では領域３８ｂ側から領域３６ａ側に向かうスキッシュ流Ｂが生じ、燃焼室１８のＲｅ側の外周部では領域３８ｃ側から領域３６ｂ側に向かうスキッシュ流Ｃが生じる。燃焼室１８の中央部から領域４０側に向かう気流Ｄも生じる。スキッシュ流Ａ〜Ｃと気流Ｄは、双気流（ωタンブル流）を打ち消すように生じる。【選択図】図９

Description

本発明は火花点火式内燃機関の燃焼室構造に関する。

従来、例えば特許文献１には、２つの吸気ポートから吸入された気流がシリンダ軸方向に旋回しながら２つの排気ポート側に向かうタンブル流を形成する火花点火式内燃機関において、該タンブル流から互いに反対方向に回るように流れる双気流（双子渦）が生成されることが開示されている。双気流が生成されると、点火後の火炎伝播が燃焼室の吸排気方向の一方に偏る。この点、特許文献１の燃焼室構造においては、吸気側と排気側の両方に設ける２つのスキッシュエリアの幅を異ならしめ、伝播火炎が偏る方のスキッシュエリアの幅をもう一方の幅に比べて大きくしている。従って、火炎伝播の偏りに起因するノッキングの発生を未然に防止できる。

特開２００９−４１３９７号公報特開２０１２−２４６９０４号公報

特許文献１の燃焼室構造は、ピストンの上死点近傍における燃焼室の断面形状を、双気流生成時の伝播火炎の形状に合うように設計したものである。そのため、この燃焼室構造では、双気流の生成そのものを抑制することはできない。

本発明は、上述のような課題に鑑みなされたものである。即ち、燃焼室内に形成されたタンブル流から互いに反対方向に回るように流れる双気流の生成を抑制することを目的とする。

第１の発明は、燃焼室内において、シリンダ軸方向の旋回流であって、該燃焼室の上壁面付近では吸気側から排気側に気流が流れるタンブル流が形成される火花点火式内燃機関の燃焼室構造であって、
前記燃焼室の外周部であって吸気ポート開口部とシリンダボア壁面とで囲まれる領域には、ピストンの上死点におけるシリンダ軸方向の高さが前記燃焼室の外周部における他の領域のシリンダ軸方向の高さの何れよりも小さい領域であるスキッシュエリアが形成され、尚且つ、前記燃焼室の外周部であって排気ポート開口部とシリンダボア壁面とで囲まれる領域には、前記上死点におけるシリンダ軸方向の高さが前記燃焼室の外周部における他の領域のシリンダ軸方向の高さの何れよりも大きい領域である逆スキッシュエリアが形成されることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、
前記燃焼室の外周部であって、前記吸気ポート開口部と前記排気ポート開口部とシリンダボア壁面とで囲まれる領域には、前記上死点におけるシリンダ軸方向の高さが前記スキッシュエリアと前記逆スキッシュエリアの間となる領域である中間エリアと、前記中間エリアと前記逆スキッシュエリアの間に形成され、前記上死点におけるシリンダ軸方向の高さが前記スキッシュエリアと等しい領域であるサブスキッシュエリアと、が形成されることを特徴とする。

双気流は、燃焼室の排気側から吸気側に向かう気流成分を有している。この点、第１の発明によれば、圧縮上死点の近傍において、該気流成分の向きとは反対の向きに流れる気流をスキッシュエリアから生じさせつつ逆スキッシュエリアに引き込んで強めることができる。これにより、上記気流成分を打ち消すことができるので、双気流そのものの生成を抑制することができる。

双気流は、燃焼室の吸排気方向の外周部に吸気側から排気側に向かう気流成分をも有している。この点、第２の発明によれば、圧縮上死点の近傍において、該外周部の気流成分の向きとは反対の向きに流れる気流をサブスキッシュエリアから生じさせることができる。これにより、上記外周部の気流成分をも打ち消すことができるので、双気流の生成を良好に抑制することができる。

実施の形態の内燃機関の燃焼室の断面模式図である。燃焼室１８をシリンダヘッド１６側から見た平面図である。図２のＡ−Ａ断面図、Ｂ−Ｂ断面図およびＣ−Ｃ断面図である。燃焼室１８の構造に基づく作用を説明するための図である。圧縮上死点前後におけるガス流速の変化を示した図である。比較用の燃焼室内の圧縮上死点における気流分布を示した図である。比較用の燃焼室内の圧縮上死点における気流の速度分布を示した図である。比較用の燃焼室内の火炎伝播の時間経過を示した図である。燃焼室１８の構造に基づく効果を説明するための図である。実施の形態の変形例を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態の内燃機関の燃焼室構造について図を用いながら説明する。

本実施形態の内燃機関は、車両等の移動体の駆動源として搭載される。図１は、本発明の実施の形態の内燃機関の燃焼室の断面模式図である。図１に示すように、内燃機関１０のシリンダ１２には、シリンダ１２内を摺動するピストン１４が設けられている。シリンダ１２の上方には、シリンダヘッド１６が配置されている。シリンダ１２のボア壁面、ピストン１４の頂面およびシリンダヘッド１６の底面により燃焼室１８が画定される。

シリンダヘッド１６には、燃焼室１８内に燃料を直接噴射するための燃料噴射弁２０が設けられている。シリンダヘッド１６には、燃焼室１８内の混合気に点火するための点火プラグ（点火栓）２２も設けられている。つまり、内燃機関１０は、筒内噴射式の火花点火エンジンである。なお、内燃機関１０はポート噴射式の火花点火エンジンでもよい。

シリンダヘッド１６の下面には、吸気ポート２４と排気ポート２６が形成されている。燃焼室１８は、吸気ポート２４を介して吸気通路２８と連通し、排気ポート２６を介して排気通路３０と連通している。吸気ポート２４は、図１中に「タンブル方向」と示す方向の縦旋回流である吸気のタンブル流の生成を促せるような形状で形成されている。なお、吸気通路２８内に、タンブル流を効果的に生成するための気流制御弁を設けてもよい。吸気ポート２４には、吸気バルブ３２が設けられている。排気ポート２６には、排気バルブ３４が設けられている。

図２は、燃焼室１８をシリンダヘッド１６側から見た平面図である。図２に示す「ＩＮ」は燃焼室１８の吸気側を意味し、「ＥＸ」は燃焼室１８の排気側を意味している。「Ｆｒ」は内燃機関１０を搭載した移動体の前方を意味し、「Ｒｅ」は該移動体の後方を意味している。

図２に示すように、燃焼室１８の外周部は、３種類の領域３６，３８，４０から構成される。領域３６は、燃焼室１８の外周部に２箇所形成される（３６ａ，３６ｂ）。具体的に、領域３６ａは、燃焼室１８のＦｒ側の吸気ポート２４の開口部の外側かつシリンダ１２のボア壁面よりも内側に形成される。領域３６ｂは、燃焼室１８のＲｅ側の吸気ポート２４開口部の外側かつ同ボア壁面よりも内側に形成される。領域３８は、燃焼室１８の外周部に３箇所形成される（領域３８ａ〜３８ｃ）。具体的に、領域３８ａは、燃焼室１８のＩＮ側の２つの吸気ポート２４開口部の外側かつ同ボア壁面よりも内側に形成される。領域３８ｂは、燃焼室１８のＦｒ側の排気ポート２６開口部の外側かつ同ボア壁面よりも内側に形成される。領域３８ｃは、燃焼室１８の排気ポート２６開口部の外側かつ同ボア壁面よりも内側に形成される。領域３８ａ〜３８ｃは、ピストン１４が上死点にあるときに、その頂面に対向するシリンダヘッド１６の底面との間にスキッシュエリアを形成する。領域４０は、燃焼室１８のＲｅ側の外周部に形成される。具体的に、領域４０は、燃焼室１８のＥｘ側の２つの排気ポート２６開口部の外側かつ同ボア壁面よりも内側に形成される。

図３は、図２の各断面図である。図３（ａ）が図２のＡ−Ａ断面図に対応し、図３（ｂ）が図２のＢ−Ｂ断面図に対応し、図３（ｃ）が図２のＣ−Ｃ断面図に対応している。図３中に示すＨ_３６ｂは、シリンダ１２のボア壁面に沿って測定した領域３６ｂの高さである。Ｈ_３８ａは同ボア壁面に沿って測定した領域３８ａの高さであり、Ｈ_３８ｂは同ボア壁面に沿って測定した領域３８ｂの高さであり、Ｈ_３８ｃは同ボア壁面に沿って測定した領域３８ｃの高さである。Ｈ_４０は同ボア壁面に沿って測定した領域４０の高さである。

図３に示す高さＨ_３８ａ、高さＨ_３８ｂおよび高さＨ_３８ｃの大小関係は、Ｈ_３８ａ＝Ｈ_３８ｂ＝Ｈ_３８ｃとなる。この理由は、領域３８ａ，領域３８ｂおよび領域３８ｃがスキッシュエリアを形成することから明らかである。また、高さＨ_３６ｂと高さＨ_４０の大小関係は、Ｈ_３６ｂ＜Ｈ_４０となる。

図４は、燃焼室１８の構造に基づく作用を説明するための図である。領域３８ａ〜３８ｃが形成されていることで、圧縮上死点の近傍においてスキッシュ流が生じる。具体的に、燃焼室１８のＩＮ側においては領域３８ａ側から燃焼室１８の中央部に向かうスキッシュ流Ａが生じる。同様に、燃焼室１８のＦｒ側の外周部においては、領域３８ｂ側から領域３６ａ側に向かうスキッシュ流Ｂが生じ、燃焼室１８のＲｅ側の外周部においては、領域３８ｃ側から領域３６ｂ側に向かうスキッシュ流Ｃが生じる。また、領域４０が形成されていることで、圧縮上死点の近傍において燃焼室１８の中央部から領域４０側に向かう気流Ｄが生じる。気流Ｄが生じると、燃焼室１８の中央部に生じたスキッシュ流Ａは領域４０側に引き込まれるように移動する。

ここで、領域３８ａ〜３８ｃと領域４０の違いは、領域３８ａ〜３８ｃが燃焼室１８の外周側から中央側に向かう気流（つまり、スキッシュ流Ａ〜Ｃ）を生じさせるのに対し、領域４０は燃焼室１８の中央側から外周側に向かう気流（つまり、気流Ｄ）を生じさせる点にある。そこで、本明細書においては領域４０を「逆スキッシュエリア」とも称する。

図５乃至図９を参照しながら、燃焼室１８の構造に基づく効果を説明する。図５は、圧縮上死点前後におけるガス流速の変化を示した図である。本図は、プラグ穴に挿入した計測器を用いて燃焼室内のガス流速（プラグ部流速）を測定することで作成したものである。同図の縦軸はガス流速の測定値を示している。具体的に、吸気側から排気側へ向かう流速が増すほど正（＋）の値を示し、排気側から吸気側へ向かう流速が増すほど負（−）の値を示している。

図５の「ベース」は、スキッシュエリアや逆スキッシュエリアを有していない比較用の燃焼室内で測定したプラグ部流速に対応している。具体的に、プラグ部流速は、圧縮上死点前には正の値を示しているものの、圧縮上死点に近づくほど低下して負の値を示すようになる。つまり、比較用の燃焼室内においては、圧縮上死点よりも前にガスの流れ方向が反転している。同図の「スキッシュあり」は、燃焼室１８内でのプラグ部流速に対応している。具体的に、プラグ部流速は、圧縮上死点に近づくほど低下するものの、圧縮上死点の近傍においても依然として正の値を示す。つまり、燃焼室１８内においては、比較用の燃焼室内において観察されたガスの反転が抑制されている。

比較用の燃焼室内においてガスの流れ方向が反転した理由は、タンブル流から双気流が生成されたためである。この双気流に関し、図６乃至図８を参照しながら説明する。図６は、比較用の燃焼室内の圧縮上死点における気流分布を示している。図６に示すように、比較用の燃焼室４２内には、２つの旋回中心を有する旋回流が形成される。この気流の中心（タンブル中心）は、同図下方のＡ−Ａ断面図に示すように、点火プラグの近傍に形成される。

このような気流が形成される理由は次のとおりである。即ち、吸気行程において２つの吸気ポートから流入した吸気は、流入直後に合流して１つの大きなタンブル流となって燃焼室４２内をシリンダ軸方向（縦方向）に旋回する。エンジン回転数が低ければ、この縦旋回流の形状が保たれる。ところが、エンジン回転数が高くなると、この縦旋回流の高速化に伴い燃焼室４４中心付近の吸排気方向の気流が強くなる。そうすると、縦旋回流が圧縮行程において崩壊し、２つの旋回中心を有する旋回流に変化する。燃焼室４４の上方から見ると、変化後の旋回流の軌跡がω（オメガ）形状を呈しているので、本明細書においてはこの旋回流をωタンブル流と称している。

図７は、燃焼室４２内の圧縮上死点における気流の速度分布を示している。図７に示すように、燃焼室４２の中心部においては、気流速度Ｖの分布の間隔が吸排気方向に広がっている。一方、燃焼室４２の周辺部においては、気流速度Ｖの分布の間隔が狭くなる。この理由は、燃焼室４２の中心部近傍に気流が集中して干渉し合い、吸排気方向に垂直な方向の気流成分が生じたためである。

燃焼室内にωタンブル流が形成されると、点火後の火炎伝播に偏りが生じる。図８は、燃焼室４２内の火炎伝播の時間経過を示した図である。なお、点火時期は圧縮上死点に設定した。図８に示すように、燃焼室４２の中心部で発生した火炎は、その大きさを拡大しながら燃焼室４２の側面（つまり、シリンダボア壁面）に向かって伝播する。しかし、ωタンブル流が形成されると排気側から吸気側に向かう気流が生じるので、火炎は真円形とならず歪んだ形のものとなる。そうすると、ノッキングの発生や、燃料の燃焼遅れの原因となってしまう。

この点、燃焼室１８の構造によれば、ωタンブル流の形成を抑制できる。図９は、燃焼室１８の構造に基づく効果を説明するための図である。図９に示すように、スキッシュ流Ａと気流Ｄは、ωタンブル流を構成する気流成分のうち、吸排気方向の中央部の成分を打ち消すように生じ、スキッシュ流Ｂ，Ｃは、吸排気方向の外周部の成分を打ち消すように生じる。従って、燃焼室内での火炎の歪みを是正でき、ノッキングの発生を良好に抑制できる。また、燃料の燃焼速度の低下をも抑制できる。そのため、新気に比べて着火性の低いＥＧＲガスを燃焼室内に導入する場合においても、失火等の不具合が生じるのを抑制できる。よって、内燃機関１０がＥＧＲシステムを備える場合には、より多くのＥＧＲガスを内燃機関１０に導入することも可能となる。

ところで、上述の実施の形態においては、燃焼室１８に３つの領域３８ａ〜３８ｃを形成したが、領域３８ｂ，３８ｃは形成しなくてもよい。図１０は、本実施の形態の変形例を説明するための図である。図１０に示す燃焼室４４の外周部は、燃焼室１８同様、３種類の領域４６，３８ａ，４０から構成される。燃焼室４４は、領域３８ｂ，３８ｃを有しない点においてのみ燃焼室１８と異なる。

領域３８ａ、４０が形成されていることで、圧縮上始点の近傍においてスキッシュ流Ａと気流Ｄを生じさせることができる。従って、ωタンブル流を構成する気流成分のうち、吸排気方向の中央部の成分を打ち消すことができる。ωタンブル流を構成する気流成分のうちの吸排気方向の外周部の成分は、同中央部の成分が燃焼室４４のＩＮ側の側面に沿って流れることで生じる。そのため、該中央部の成分を打ち消すことができれば、該外周部の成分は生成しない。よって、燃焼室４４の構造によってもωタンブル流の形成を抑制できる。

なお、上記実施の形態においては、領域３８ａが上記第１の発明の「スキッシュエリア」に、領域４０が同発明の「逆スキッシュエリア」に、それぞれ相当している。
また、領域３６ａ，３６ｂが上記第２の発明の「中間エリア」に、領域３８ｂ，３８ｃが同発明の「サブスキッシュエリア」に、それぞれ相当している。

１０内燃機関
１２シリンダ
１４ピストン
１６シリンダヘッド
１８，４２，４４燃焼室
２２点火プラグ
２４吸気ポート
２６排気ポート
３６，３８ａ，３８ｂ，３８ｃ，４０領域

Claims

燃焼室内において、シリンダ軸方向の旋回流であって、該燃焼室の上壁面付近では吸気側から排気側に気流が流れるタンブル流が形成される火花点火式内燃機関の燃焼室構造であって、
前記燃焼室の外周部であって吸気ポート開口部とシリンダボア壁面とで囲まれる領域には、ピストンの上死点におけるシリンダ軸方向の高さが前記燃焼室の外周部における他の領域のシリンダ軸方向の高さの何れよりも小さい領域であるスキッシュエリアが形成され、尚且つ、前記燃焼室の外周部であって排気ポート開口部とシリンダボア壁面とで囲まれる領域には、前記上死点におけるシリンダ軸方向の高さが前記燃焼室の外周部における他の領域のシリンダ軸方向の高さの何れよりも大きい領域である逆スキッシュエリアが形成されることを特徴とする火花点火式内燃機関の燃焼室構造。
前記燃焼室の外周部であって、前記吸気ポート開口部と前記排気ポート開口部とシリンダボア壁面とで囲まれる領域には、前記上死点におけるシリンダ軸方向の高さが前記スキッシュエリアと前記逆スキッシュエリアの間となる領域である中間エリアと、前記中間エリアと前記逆スキッシュエリアの間に形成され、前記上死点におけるシリンダ軸方向の高さが前記スキッシュエリアと等しい領域であるサブスキッシュエリアと、が形成されることを特徴とする請求項１に記載の火花点火式内燃機関の燃焼室構造。