JP2016132992A - Compression ignition type internal combustion engine - Google Patents

Compression ignition type internal combustion engine Download PDF

Info

Publication number
JP2016132992A
JP2016132992A JP2015006011A JP2015006011A JP2016132992A JP 2016132992 A JP2016132992 A JP 2016132992A JP 2015006011 A JP2015006011 A JP 2015006011A JP 2015006011 A JP2015006011 A JP 2015006011A JP 2016132992 A JP2016132992 A JP 2016132992A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
heat insulating
internal combustion
combustion engine
piston
top surface
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2015006011A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
寿記 伊藤
Hisanori Ito
寿記 伊藤
倫行 高田
Tomoyuki Takada
倫行 高田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2015006011A priority Critical patent/JP2016132992A/en
Publication of JP2016132992A publication Critical patent/JP2016132992A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To suppress the overlap of flames derived from injection holes from an initial stage of combustion, in a compression ignition type internal combustion engine having a piston which has a top face at which a heat insulation film is formed, and an in-cylinder injector which radially injects fuel toward the top face from the plurality of injection holes.SOLUTION: A top face of a piston 14 is divided into eight regions to which injected fuel is spread. The adjacent two regions of the eight regions are partitioned by a line which passes through an intermediate part of axial lines of the adjacent two injection holes. A heat insulation film 24a is formed at one of the adjacent two regions, and a heat insulation film 24b is formed at the other. The surface roughness Ra of the heat insulation film 24a 2 μm or less, and the surface roughness Ra of the heat insulation film 24b is 4 μm or more.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

この発明は圧縮着火式内燃機関に関し、より詳細には、ピストンの頂面に断熱膜が形成される圧縮着火式内燃機関に関する。   The present invention relates to a compression ignition type internal combustion engine, and more particularly to a compression ignition type internal combustion engine in which a heat insulating film is formed on the top surface of a piston.

従来、例えば特開2009−243355号公報には、圧縮着火式内燃機関のピストンの頂面に、当該ピストンの母材よりも低い伝導率を有し、且つ、当該母材よりも低いまたは当該母材と略同等の単位体積当たりの熱容量を有する断熱材を含む断熱膜を形成する技術が開示されている。この断熱膜は、上述の特性を有する断熱材を含んでいるので、ピストンの頂面の温度を内燃機関のサイクルにおいて刻々と変化する燃焼室内のガス温度に追従させることができ、これにより燃焼室内における熱損失を低減できる。   Conventionally, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-243355 discloses that the top surface of a piston of a compression ignition internal combustion engine has a lower conductivity than the base material of the piston and is lower than the base material or the base material. A technique for forming a heat insulating film including a heat insulating material having a heat capacity per unit volume substantially equal to that of the material is disclosed. Since this heat insulating film includes the heat insulating material having the above-described characteristics, the temperature of the top surface of the piston can be made to follow the gas temperature in the combustion chamber which changes every moment in the cycle of the internal combustion engine, thereby The heat loss in can be reduced.

特開2009−243355号公報JP 2009-243355 A 特開2012−047134号公報JP 2012-047134 A 実開昭63−31242号公報Japanese Utility Model Publication No. 63-31242

ところで、上述の内燃機関をはじめとする一般的な圧縮着火式内燃機関は、複数の噴孔を有する筒内インジェクタを備えており、圧縮上死点の近傍において各噴孔からピストンの頂面に向かって燃料が噴射される。ここで、各噴孔から噴射された燃料は、筒内の空気を巻き込みながらピストンの頂面の中央部から外周部に向かって放射状に拡散していく。そして、この拡散過程において燃料が圧縮により高温化することで複数の火炎核を生じ、これらの火炎核が周囲を高温化することで成長火炎となり、燃焼が広範囲に拡大していく。これが圧縮着火式内燃機関の燃焼メカニズムである。   By the way, a general compression ignition type internal combustion engine such as the above-mentioned internal combustion engine includes an in-cylinder injector having a plurality of injection holes, and from each injection hole to the top surface of the piston in the vicinity of the compression top dead center. The fuel is injected towards. Here, the fuel injected from each injection hole diffuses radially from the central portion of the top surface of the piston toward the outer peripheral portion while entraining the air in the cylinder. In this diffusion process, the fuel is heated to a high temperature due to compression, thereby generating a plurality of flame nuclei. These flame nuclei are heated to a surrounding temperature to become a growth flame, and the combustion spreads over a wide range. This is the combustion mechanism of a compression ignition type internal combustion engine.

但し、これらの火炎核が生じるのは、各噴孔の軸線上、尚且つ、各噴孔からの距離が略等しい箇所においてである。何故なら、各噴孔から噴射される燃料の速度は略等しく、また、ピストンの頂面は同心円方向に均一な形状とされているためである。従って、上述した複数の火炎核は、ピストンの頂面上に同心円状に分布することになる。   However, these flame nuclei are generated on the axis of each nozzle hole and at a location where the distance from each nozzle hole is substantially equal. This is because the speed of the fuel injected from each nozzle hole is substantially equal, and the top surface of the piston has a uniform shape in the concentric direction. Accordingly, the plurality of flame nuclei described above are concentrically distributed on the top surface of the piston.

複数の火炎核がピストンの頂面上に同心円状に生じると、各火炎核由来の成長火炎が、ある同心円の円周上で互いに重なり合うことになる。勿論、燃焼中期から後期にかけては、各火炎核由来の成長火炎の重なり合いが起こる。しかし、燃焼初期の早い段階からこの重なり合いが起これば、それだけ長い時間、重なり合いが続くことになる。そうすると、成長火炎の重複箇所の直下に位置する断熱膜の表面温度が、非重複箇所の直下に位置する断熱膜の表面温度に比べて高くなることになる。   When a plurality of flame nuclei are concentrically formed on the top surface of the piston, the growth flames derived from the respective flame nuclei overlap each other on a certain concentric circle. Of course, from the middle stage of combustion to the latter stage, overlapping of the growth flames derived from each flame kernel occurs. However, if this overlap occurs from the early stage of combustion, the overlap will continue for such a long time. If it does so, the surface temperature of the heat insulation film located directly under the overlapping part of a growth flame will become high compared with the surface temperature of the heat insulation film located directly under a non-overlapping part.

断熱膜の表面温度が高くなるほど、断熱膜とピストン母材との温度差が大きくなるので、断熱膜の表面側からピストン母材側に逃げる熱量が多くなる。よって、燃焼初期の早い段階から成長火炎の重なり合いが起こると、上述した断熱材による断熱効果、即ち、燃焼室内のガス温度に対する追従効果(断熱膜が燃焼室内のガス温度に従って上昇し、ガス温度と断熱膜の温度差を縮小して熱逃げ量を抑える効果)が低下してしまう。また、成長火炎の重なり合いが起こることで、煤が生成され易くなるという問題もある。   As the surface temperature of the heat insulating film increases, the temperature difference between the heat insulating film and the piston base material increases, so that the amount of heat escaping from the surface side of the heat insulating film to the piston base material side increases. Therefore, if the growth flame overlaps at an early stage in the early stage of combustion, the heat insulating effect by the heat insulating material described above, that is, the effect of following the gas temperature in the combustion chamber (the heat insulating film rises according to the gas temperature in the combustion chamber, The effect of reducing the temperature difference of the heat insulating film and suppressing the amount of heat escape decreases. In addition, there is a problem that soot is easily generated due to the overlapping of growth flames.

この発明は、上述した課題を解決するためになされたものである。即ち、断熱膜が形成された頂面を有するピストンと、複数の噴孔から頂面に向かって放射状に燃料を噴射する筒内インジェクタとを備える圧縮着火式内燃機関において、各噴孔由来の火炎が燃焼初期の早い段階から重なり合うのを抑制することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems. That is, in a compression ignition type internal combustion engine including a piston having a top surface on which a heat insulating film is formed and an in-cylinder injector that injects fuel radially from the plurality of injection holes toward the top surface, flames derived from the injection holes The purpose is to suppress the overlap of the fuel from an early stage of combustion.

上述した課題を解決するため、第1の発明は、断熱膜が形成された頂面を有するピストンと、複数の噴孔から前記頂面に向かって放射状に燃料を噴射する筒内インジェクタと、を備える圧縮着火式内燃機関であって、
前記頂面は、前記噴孔のうちの隣り合う2つの噴孔の軸線の間を通る中間線によって、前記噴孔の個数に対応する複数の領域に分割されており、
前記領域のうちの隣り合う2つの領域の表面粗さが異なることを特徴とする。
In order to solve the above-described problem, a first invention includes a piston having a top surface on which a heat insulating film is formed, and an in-cylinder injector that injects fuel radially from the plurality of injection holes toward the top surface. A compression ignition internal combustion engine comprising:
The top surface is divided into a plurality of regions corresponding to the number of the nozzle holes by an intermediate line passing between the axes of two adjacent nozzle holes among the nozzle holes,
Two adjacent regions of the regions are different in surface roughness.

また、第2の発明は、第1の発明において、
前記噴孔の個数は2以上の偶数であり、
前記領域は、表面粗さを2μm以下とした滑面領域と、表面粗さを4μm以上とした粗面領域とを、前記頂面の円周方向に1つおきに形成してなることを特徴とする。
The second invention is the first invention, wherein
The number of the nozzle holes is an even number of 2 or more,
The region is formed by forming a smooth surface region having a surface roughness of 2 μm or less and a rough surface region having a surface roughness of 4 μm or more every other circumferential direction of the top surface. And

また、第3の発明は、第2の発明において、
前記頂面には、円錐台形状の底面部を備えるキャビティが形成されており、
前記底面部の円錐台上面に相当する面に、前記粗面領域を形成したことを特徴とする。
The third invention is the second invention, wherein
The top surface is formed with a cavity having a frustoconical bottom portion,
The rough surface region is formed on a surface corresponding to the upper surface of the truncated cone of the bottom surface portion.

第1の発明によれば、断熱膜が形成された頂面の隣り合う2つの領域の表面粗さが異なるので、隣り合う噴孔からの噴射燃料の同心円方向の移動性に差を生じさせて、各火炎核由来の成長火炎が重なり合う時期を遅らせることができる。従って、各噴孔由来の火炎が燃焼初期の早い段階から重なり合うのを抑制できる。   According to the first invention, the surface roughness of two adjacent regions on the top surface on which the heat insulating film is formed is different, so that a difference is caused in the concentric mobility of the injected fuel from the adjacent injection holes. The time when the growth flames derived from each flame kernel overlap can be delayed. Therefore, it can suppress that the flame derived from each nozzle hole overlaps from the early stage of the combustion initial stage.

第2の発明によれば、表面粗さが4μm以上の粗面領域においては噴射燃料の同心円方向の移動性を低下させ、その一方で、表面粗さが2μm以下の滑面領域においては噴射燃料の同心円方向の移動性を高めることができる。   According to the second invention, in the rough surface region where the surface roughness is 4 μm or more, the mobility of the injected fuel in the concentric direction is lowered, while in the smooth surface region where the surface roughness is 2 μm or less, the injected fuel is reduced. The mobility in the concentric direction can be improved.

一般的に、断熱膜の表面粗さは大きく、研磨加工して調整される。そのため、断熱膜の表面粗さを研磨加工により小さくする場合には、加工後の表面粗さに比例して研磨加工に要する時間が増加する。第3の発明によれば、底面部の円錐台上面に粗面領域を形成するので、当該粗面領域の断熱膜の研磨加工に要する時間を短くできる。   Generally, the surface roughness of the heat insulation film is large and is adjusted by polishing. For this reason, when the surface roughness of the heat insulating film is reduced by polishing, the time required for polishing increases in proportion to the surface roughness after processing. According to the third invention, since the rough surface region is formed on the upper surface of the truncated cone of the bottom surface portion, the time required for polishing the heat insulating film in the rough surface region can be shortened.

実施の形態1の内燃機関10の断面模式図である。1 is a schematic cross-sectional view of an internal combustion engine 10 of a first embodiment. 図1のピストン14の頂面をシリンダヘッド16側から見た平面図である。It is the top view which looked at the top face of piston 14 of Drawing 1 from the cylinder head 16 side. 図2のA−A断面図である。It is AA sectional drawing of FIG. 噴射燃料から火炎核が生じている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the flame kernel produced from the injected fuel. 図4のA−A断面図である。It is AA sectional drawing of FIG. 比較用の内燃機関のピストン26の頂面をシリンダヘッド16側から見た平面図である。FIG. 3 is a plan view of a top surface of a piston 26 of a comparative internal combustion engine as viewed from the cylinder head 16 side. 図6のA−A断面図である。It is AA sectional drawing of FIG. 噴射燃料から火炎核が生じている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the flame kernel produced from the injected fuel. 図8のA−A断面図である。It is AA sectional drawing of FIG. 実施の形態1の変形例を説明するための図である。FIG. 10 is a diagram for illustrating a modification of the first embodiment. 実施の形態2の内燃機関のピストン32の頂面をシリンダヘッド16側から見た平面図である。FIG. 6 is a plan view of a top surface of a piston 32 of an internal combustion engine according to a second embodiment as viewed from the cylinder head 16 side. 図11のA−A断面図である。It is AA sectional drawing of FIG. 噴射燃料から火炎核が生じている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the flame kernel produced from the injected fuel. 図13のA−A断面図である。It is AA sectional drawing of FIG. 実施の形態2の内燃機関のピストン34の頂面をシリンダヘッド16側から見た平面図である。FIG. 6 is a plan view of a top surface of a piston 34 of an internal combustion engine according to a second embodiment when viewed from the cylinder head 16 side. 噴射燃料から火炎核が生じている様子を示した図である。It is the figure which showed a mode that the flame kernel produced from the injected fuel.

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the element which is common in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted. The present invention is not limited to the following embodiments.

実施の形態1.
先ず、本発明の実施の形態1について図1乃至図10を参照しながら説明する。
Embodiment 1 FIG.
First, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

実施の形態1の内燃機関は、車両等の移動体に搭載される圧縮着火式内燃機関(具体的にはディーゼルエンジン)である。図1は、実施の形態1の内燃機関10の断面模式図である。図1に示すように、内燃機関10は、シリンダブロック(不図示)内に形成されたシリンダボア12と、シリンダボア12内を上下方向に移動可能に収納されたピストン14と、シリンダブロックの上方に取り付けられたシリンダヘッド16と、を備えている。少なくともシリンダボア12の壁面とピストン14の頂面とシリンダヘッド16の底面とにより燃焼室18が画定される。   The internal combustion engine of the first embodiment is a compression ignition type internal combustion engine (specifically, a diesel engine) mounted on a moving body such as a vehicle. FIG. 1 is a schematic sectional view of an internal combustion engine 10 according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, an internal combustion engine 10 is mounted on a cylinder bore 12 formed in a cylinder block (not shown), a piston 14 accommodated in the cylinder bore 12 so as to be movable in the vertical direction, and mounted above the cylinder block. The cylinder head 16 is provided. A combustion chamber 18 is defined by at least the wall surface of the cylinder bore 12, the top surface of the piston 14, and the bottom surface of the cylinder head 16.

ピストン14の頂面の中央部には、キャビティ20が形成されている。このキャビティ20も燃焼室18の一部を構成する。キャビティ20は、略円錐台形状の底面部20aと、略円筒状の側面部20bと、底面部20aと側面部20bを接続する中間部20cと、から構成されている。また、シリンダヘッド16におけるピストン中心軸Lp上には、燃焼室18内に燃料を直接噴射するためのインジェクタ22が取り付けられている。インジェクタ22の先端部には、ピストン中心軸Lp上の一点を中心とした45°間隔で8つの噴孔(図示しない)が形成されている。インジェクタ22の燃料噴射タイミングは圧縮上死点の近傍とされ、このタイミングで8つの噴孔からキャビティ20(具体的には側面部20b)に向かって燃料が放射状に噴射される。   A cavity 20 is formed at the center of the top surface of the piston 14. This cavity 20 also constitutes a part of the combustion chamber 18. The cavity 20 includes a substantially truncated cone-shaped bottom surface portion 20a, a substantially cylindrical side surface portion 20b, and an intermediate portion 20c that connects the bottom surface portion 20a and the side surface portion 20b. An injector 22 for directly injecting fuel into the combustion chamber 18 is attached on the piston central axis Lp in the cylinder head 16. At the tip of the injector 22, eight nozzle holes (not shown) are formed at 45 ° intervals centered on one point on the piston central axis Lp. The fuel injection timing of the injector 22 is set near the compression top dead center, and at this timing, fuel is injected radially from the eight injection holes toward the cavity 20 (specifically, the side surface portion 20b).

ピストン14の頂面の全域には、断熱膜24が形成されている。断熱膜24はアルマイト皮膜から構成されている。アルマイト皮膜は、ピストン14の母材(アルミニウム合金)の陽極酸化処理により得られるものであり、陽極酸化処理の過程で形成された無数の細孔を有している。このような多孔質構造を有することで、アルマイト皮膜は、ピストン母材に比べて熱伝導率が低く、尚且つ、単位体積当たりの熱容量が低い断熱膜として機能する。アルマイト皮膜によれば、ピストン14の頂面の温度を内燃機関10のサイクルにおいて刻々と変化する燃焼室18内のガス温度に追従させることができ、これにより燃焼室18内における熱損失を低減できる。   A heat insulating film 24 is formed on the entire top surface of the piston 14. The heat insulating film 24 is composed of an alumite film. The alumite film is obtained by anodizing the base material (aluminum alloy) of the piston 14, and has innumerable pores formed in the course of the anodizing process. By having such a porous structure, the alumite film functions as a heat insulating film having a low thermal conductivity and a low heat capacity per unit volume compared to the piston base material. According to the alumite film, the temperature of the top surface of the piston 14 can be made to follow the gas temperature in the combustion chamber 18 that changes every cycle in the cycle of the internal combustion engine 10, thereby reducing heat loss in the combustion chamber 18. .

また、実施の形態1の内燃機関10では、燃焼室18内にスワール流が生成される。ここで、スワール流のスワール比SR(スワール流の回転速度とエンジン回転速度の比をいう。以下同じ。)は、エンジン運転状態に応じて変動するものであるが、実施の形態1では、低スワール比のスワール流、即ち、スワール比SRが最大1.0のスワール流が生成される。スワール流を生成させる方法は、従来公知の方法によることができる。例えば、シリンダヘッド16に形成する吸気ポート(図示しない)をシリンダボア12の周方向に沿わせることで、この吸気ポートから燃焼室18内に流入させる吸気によって、燃焼室18内にスワール流を生成できる。   In the internal combustion engine 10 of the first embodiment, a swirl flow is generated in the combustion chamber 18. Here, the swirl ratio SR of the swirl flow (referred to as the ratio between the rotational speed of the swirl flow and the engine rotational speed; the same shall apply hereinafter) varies depending on the engine operating state. A swirl flow having a swirl ratio, that is, a swirl flow having a maximum swirl ratio SR of 1.0 is generated. The method for generating the swirl flow can be a conventionally known method. For example, a swirl flow can be generated in the combustion chamber 18 by the intake air flowing into the combustion chamber 18 from the intake port by arranging an intake port (not shown) formed in the cylinder head 16 along the circumferential direction of the cylinder bore 12. .

図2は、図1のピストン14の頂面をシリンダヘッド16側から見た平面図であり、この図をはじめとする本願の幾つかの図面では、インジェクタ22の各噴孔からの噴射燃料を「噴霧」として示している。図2に示すように、ピストン14の頂面は、噴射燃料の拡散する8つの領域に分割されている。8つの領域のうちの隣り合う2つの領域は、隣り合う2つの噴孔の軸線の中間を通る線で隔てられており、各領域の中心角は45°であり、噴孔の軸線から中間線までの角度はその半分、即ち、22.5°である。この理由は、燃焼室18内に生成するスワール流が低スワール比であり、スワール流によって噴射燃料が殆ど流されることが無いためである。   FIG. 2 is a plan view of the top surface of the piston 14 of FIG. 1 as viewed from the cylinder head 16 side. In several drawings of this application including this figure, the injected fuel from each injection hole of the injector 22 is shown. Shown as “spray”. As shown in FIG. 2, the top surface of the piston 14 is divided into eight regions where the injected fuel diffuses. Two adjacent regions of the eight regions are separated by a line passing through the middle of the axis of two adjacent nozzle holes, the central angle of each region is 45 °, and the intermediate line from the axis of the nozzle hole The angle up to half of that is 22.5 °. This is because the swirl flow generated in the combustion chamber 18 has a low swirl ratio, and the injected fuel is hardly flowed by the swirl flow.

また、図2に示すように、隣り合う2つの領域の一方には断熱膜24aが形成され、他方には断熱膜24bが形成されている。つまり、断熱膜24aと断熱膜24bは、ピストン14の頂面の円周方向に1つおきに形成されている。但し、インジェクタ22の直下領域には、断熱膜24aは形成されておらず、断熱膜24bのみが形成されている。図3は、ピストン14の頂面近傍の縦断面模式図であり、図2のA−A断面に相当している。図3に示すように、断熱膜24bは、インジェクタ22の直下領域、つまり、底面部20aの円錐台上面に相当する面と、円錐台側面に相当する面の一部とに形成されている。   Further, as shown in FIG. 2, a heat insulating film 24a is formed in one of two adjacent regions, and a heat insulating film 24b is formed in the other. That is, every two heat insulating films 24 a and 24 b are formed in the circumferential direction of the top surface of the piston 14. However, the heat insulating film 24a is not formed in the region immediately below the injector 22, and only the heat insulating film 24b is formed. FIG. 3 is a schematic vertical cross-sectional view of the vicinity of the top surface of the piston 14, and corresponds to the AA cross section of FIG. 2. As shown in FIG. 3, the heat insulating film 24b is formed in a region immediately below the injector 22, that is, a surface corresponding to the top surface of the truncated cone of the bottom surface portion 20a and a part of the surface corresponding to the side surface of the truncated cone.

ここで、断熱膜24aの表面粗さRa(JIS B601(2001)に準拠して測定した算術平均粗さをいう。以下同じ。)は2μm以下であり(好ましくは平均0.5〜2μm)、断熱膜24bの表面粗さRaは4μm以上である(好ましくは平均4〜8μm)。断熱膜24a,24bの表面粗さRaは、次のように調整されている。即ち、(i)ピストン14の頂面の全域に上述したアルマイト皮膜を(表面粗さRaの平均4〜8μm)を形成する。(ii)断熱膜24bに相当する領域は研磨加工せずに、断熱膜24aに相当する領域のみを研磨加工して当該領域の表面粗さRaを平均2μm以下にする。   Here, the surface roughness Ra (referring to the arithmetic average roughness measured in accordance with JIS B601 (2001). The same shall apply hereinafter) of the heat insulating film 24a is 2 μm or less (preferably an average of 0.5 to 2 μm). The surface roughness Ra of the heat insulating film 24b is 4 μm or more (preferably 4 to 8 μm on average). The surface roughness Ra of the heat insulating films 24a and 24b is adjusted as follows. That is, (i) the above-described alumite film (average surface roughness Ra: 4 to 8 μm) is formed on the entire top surface of the piston 14. (ii) The region corresponding to the heat insulating film 24b is not polished, and only the region corresponding to the heat insulating film 24a is polished to reduce the surface roughness Ra of the region to an average of 2 μm or less.

図3に戻り説明を続ける。図3に示すように、噴射燃料は側面部20bに衝突し、キャビティ20の内側(つまり中間部20cおよび底面部20a側)と外側の両方に拡散していく。そして、この拡散過程において燃料が圧縮により高温化することで火炎核を生じ、更に、この火炎核が周囲を高温化することで成長火炎となる。図4は、噴射燃料から火炎核が生じている様子を示した図である。図4に示すように、火炎核は各噴孔の軸線上に2箇所ずつ生じている。但し、同心円方向で見た場合、断熱膜24aが形成された領域で生じる火炎核の位置と、断熱膜24bが形成された領域で生じる火炎核の位置は異なっている。   Returning to FIG. 3, the description will be continued. As shown in FIG. 3, the injected fuel collides with the side surface portion 20 b and diffuses both inside (that is, the intermediate portion 20 c and the bottom surface portion 20 a side) and outside of the cavity 20. In this diffusion process, the fuel is heated to a high temperature by compression to generate a flame nucleus, and further, the flame nucleus is heated to a surrounding temperature to become a growth flame. FIG. 4 is a diagram showing how flame nuclei are generated from the injected fuel. As shown in FIG. 4, two flame nuclei are generated on the axis of each nozzle hole. However, when viewed in the concentric direction, the positions of the flame nuclei generated in the region where the heat insulating film 24a is formed are different from the positions of the flame nuclei generated in the region where the heat insulating film 24b is formed.

図5は、図4のA−A断面に相当している。図5に示すように、断熱膜24aが形成された領域では、同一噴孔の軸線上の2つの火炎核fk,fkの間隔が大きい。これに対し、断熱膜24bが形成された領域では、2つの火炎核fk,fkの間隔が小さい。この理由は、断熱膜24aと断熱膜24bの表面粗さRaが異なるので、側面部20bへの衝突後から火炎核fk〜fkの発生までの間における噴射燃料の同心円方向の移動性に差が生じるためである。換言すると、断熱膜24aが形成された領域では、断熱膜24bが形成された領域に比べて噴射燃料の同心円方向の移動性が高くなるためである。 FIG. 5 corresponds to the AA cross section of FIG. As shown in FIG. 5, in the region where the heat insulating film 24a is formed, the distance between the two flame nuclei fk 1 and fk 2 on the axis of the same nozzle hole is large. In contrast, in the region where the heat insulating film 24b is formed, the distance between the two flame nuclei fk 3 and fk 4 is small. The reason for this is that the surface roughness Ra of the heat insulating film 24a and the heat insulating film 24b is different, and thus the concentric mobility of the injected fuel after the collision with the side surface portion 20b until the generation of the flame nuclei fk 1 to fk 4 occurs This is because a difference occurs. In other words, in the region where the heat insulating film 24a is formed, the mobility of the injected fuel in the concentric direction is higher than in the region where the heat insulating film 24b is formed.

図6乃至図9は、比較用の内燃機関のピストンの頂面を説明するための図である。図6乃至図9に示すピストン26の頂面の平面図および断面図は、図2乃至図5に示したピストン14の頂面の平面図および断面図と基本的に同じである。但し、比較用の内燃機関は、ピストン26の頂面に形成する断熱膜28(図6参照)の表面粗さRaが均一(4μm以上)である点で、内燃機関10と異なる。   6 to 9 are views for explaining the top surface of a piston of a comparative internal combustion engine. The top view and cross-sectional view of the top surface of the piston 26 shown in FIGS. 6 to 9 are basically the same as the top view and cross-sectional view of the top surface of the piston 14 shown in FIGS. However, the internal combustion engine for comparison is different from the internal combustion engine 10 in that the surface roughness Ra of the heat insulating film 28 (see FIG. 6) formed on the top surface of the piston 26 is uniform (4 μm or more).

断熱膜28の表面粗さRaが均一の場合、各噴孔からの噴射燃料の移動性に殆ど差が生じない(図7参照)。そのため、各噴孔の軸線上に2つずつ生じる火炎核が同心円状に分布することになる(図8参照)。この理由は、ある噴孔の軸線上の2つの火炎核fk,fkの間隔が、別の噴孔の軸線上の2つの火炎核fk,fkの間隔と等しくなるためである(図9参照)。火炎核が同心円状に分布すると、各火炎核由来の成長火炎が、ある同心円の円周上で互いに重なり合い、上述した問題、即ち、燃焼室18内のガス温度に対する追従効果が低下し、或いは、煤が生成され易くなるという問題が起こってしまう。 When the surface roughness Ra of the heat insulating film 28 is uniform, there is almost no difference in the mobility of the injected fuel from each nozzle hole (see FIG. 7). Therefore, two flame nuclei generated on the axis of each nozzle hole are distributed concentrically (see FIG. 8). This is because the interval between two flame nuclei fk 5 and fk 6 on the axis of one nozzle hole becomes equal to the interval between two flame nuclei fk 7 and fk 8 on the axis of another nozzle hole ( (See FIG. 9). When the flame nuclei are distributed concentrically, the growth flames derived from the respective flame nuclei overlap each other on the circumference of a certain concentric circle, and the above-described problem, that is, the effect of following the gas temperature in the combustion chamber 18 is reduced, or There arises a problem that cocoons are easily generated.

この点、上述した内燃機関10によれば、断熱膜24aと断熱膜24bがピストン14の頂面の円周方向に1つおきに形成されているので、隣り合う噴孔からの噴射燃料の同心円方向の移動性に差を生じさせることができる。そのため、上述した成長火炎が重なり合う時期を遅らせることができる。従って、断熱膜24の同心円方向における表面温度の偏りを軽減できるので、燃焼室18内のガス温度に対する追従効果の低下を抑制できる。また、煤の生成量を抑えることもできる。   In this regard, according to the internal combustion engine 10 described above, since the heat insulation films 24a and the heat insulation films 24b are formed every other in the circumferential direction of the top surface of the piston 14, concentric circles of the injected fuel from the adjacent injection holes. Differences in direction mobility can be made. Therefore, the time when the above-mentioned growth flame overlaps can be delayed. Therefore, since the bias of the surface temperature in the concentric direction of the heat insulating film 24 can be reduced, it is possible to suppress a decrease in the effect of following the gas temperature in the combustion chamber 18. Moreover, the production amount of soot can also be suppressed.

ところで、上記実施の形態1では、アルマイト皮膜から断熱膜24を構成した。しかし、アルマイト皮膜の表面に、その細孔を塞ぐ封孔皮膜が形成されていてもよい。また、アルマイト皮膜の代わりに、ピストン母材よりも熱伝導率の低いジルコニア、イットリア、アルミナ、シリカ、チタニアなどのセラミック溶射膜(応力緩和のための金属結合層溶射膜を含む)を設けることもできる。また、アルマイト皮膜の代わりに、ピストン母材よりも熱伝導率が低く、尚且つ、単位体積当たりの熱容量が低い膜(例えば中空構造のセラミック粒子を、セラミックス接着剤をバインダとして焼き固めた中空ビーズ膜)を設けることもできる。   By the way, in the said Embodiment 1, the heat insulation film | membrane 24 was comprised from the alumite film | membrane. However, a sealing film that closes the pores may be formed on the surface of the alumite film. Also, instead of the anodized film, ceramic sprayed film (including metal bond layer sprayed film for stress relaxation) such as zirconia, yttria, alumina, silica, titania, etc., which has lower thermal conductivity than the piston base material may be provided. it can. Also, instead of an anodized film, a film having a lower thermal conductivity than the piston base material and a lower heat capacity per unit volume (for example, hollow beads made by sintering ceramic particles having a hollow structure and baked and hardened with a ceramic adhesive as a binder) A film) can also be provided.

また、上記実施の形態1では、インジェクタ22が8つの噴孔を有し、これらの噴孔に対応するピストン14の頂面の8つの領域に、2種類の表面粗さの断熱膜24(つまり、断熱膜24a,24b)を形成した。しかし、噴孔数は8つに限られず、2つ以上7つ以下でもよく、9つ以上でもよい。また、断熱膜24の表面粗さは3種類以上でもよく、8つの領域のそれぞれで表面粗さを異ならしめてもよい。図10は上記実施の形態1の変形例を説明するための図である。図10に示すピストン30の頂面は3つの領域に分割されており、このうちの2つの領域には、上述した表面粗さの断熱膜24a,24bが形成されている。また、残りの1つの領域には、断熱膜24aと断熱膜24bの中間の表面粗さRaの断熱膜24cが形成されている。このように、複数の噴孔を有するインジェクタの隣り合う噴孔からの噴射燃料の同心円方向の移動性に差を生じさせることのできる断熱膜の表面粗さの組み合わせであれば、上記実施の形態1の変形例とすることができる。なお、本変形例は、後述の実施の形態においても同様に適用できる。   Further, in the first embodiment, the injector 22 has eight injection holes, and the heat insulating film 24 having two types of surface roughness (that is, in the eight regions on the top surface of the piston 14 corresponding to these injection holes). Insulating films 24a and 24b) were formed. However, the number of nozzle holes is not limited to eight, and may be two or more and seven or less, or nine or more. Moreover, the surface roughness of the heat insulating film 24 may be three or more, and the surface roughness may be different in each of the eight regions. FIG. 10 is a diagram for explaining a modification of the first embodiment. The top surface of the piston 30 shown in FIG. 10 is divided into three regions, and the heat insulating films 24a and 24b having the above-described surface roughness are formed in two of these regions. In the remaining one region, a heat insulating film 24c having a surface roughness Ra intermediate between the heat insulating film 24a and the heat insulating film 24b is formed. As described above, if the combination of the surface roughness of the heat insulating film can cause a difference in the concentric mobility of the injected fuel from the adjacent nozzle holes of the injector having the plurality of nozzle holes, the above embodiment One modification can be used. Note that this modification can be similarly applied to embodiments described later.

実施の形態2.
次に、本発明の実施の形態2について図11乃至図14を参照しながら説明する。
Embodiment 2. FIG.
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図11乃至図14は、実施の形態2の内燃機関のピストンの頂面を説明するための図である。図11乃至図14に示すピストン32の頂面の平面図および断面図は、図2乃至図5に示したピストン14の頂面の平面図および断面図と基本的に同じである。但し、実施の形態2の内燃機関は、インジェクタ22の直下領域に形成する断熱膜24aの面積が広い点で、実施の形態1の内燃機関10と異なる。   11 to 14 are views for explaining the top surface of the piston of the internal combustion engine of the second embodiment. The top view and cross-sectional view of the top surface of the piston 32 shown in FIGS. 11 to 14 are basically the same as the top view and cross-sectional view of the top surface of the piston 14 shown in FIGS. However, the internal combustion engine of the second embodiment differs from the internal combustion engine 10 of the first embodiment in that the area of the heat insulating film 24a formed in the region immediately below the injector 22 is large.

図11に示すように、インジェクタ22の直下領域には、断熱膜24aは形成されておらず、断熱膜24bのみが形成されている。図12は、燃焼室18の縦断面模式図であり、図11のA−A断面に相当している。図12に示すように、断熱膜24bは、インジェクタ22の直下領域、つまり、底面部20aの円錐台上面に相当する面に形成されている。   As shown in FIG. 11, the heat insulating film 24a is not formed in the region immediately below the injector 22, and only the heat insulating film 24b is formed. FIG. 12 is a schematic vertical cross-sectional view of the combustion chamber 18, and corresponds to a cross section AA in FIG. As shown in FIG. 12, the heat insulating film 24b is formed in a region immediately below the injector 22, that is, a surface corresponding to the upper surface of the truncated cone of the bottom surface portion 20a.

上記実施の形態1で説明したように、断熱膜24aの表面粗さRaは2μm以下であり、この表面粗さRaは断熱膜24aに相当する領域の研磨加工により実現されるものである。そのため、インジェクタ22の直下領域の研磨加工面積が広くなるほど、より多くの時間を研磨加工に要することになる。よって、加工時間短縮の観点からは、断熱膜24aの面積が狭い方が望ましい。   As described in the first embodiment, the surface roughness Ra of the heat insulating film 24a is 2 μm or less, and the surface roughness Ra is realized by polishing a region corresponding to the heat insulating film 24a. Therefore, the larger the polishing area in the region directly under the injector 22, the more time is required for the polishing process. Therefore, from the viewpoint of shortening the processing time, it is desirable that the area of the heat insulating film 24a is narrow.

しかし、側面部20b衝突後における噴射燃料のキャビティ20の内側方向への移動性は、この内側に形成される断熱膜24の表面粗さRaが小さくなるほど向上する。この点を考慮し、実施の形態2においては、インジェクタ22の直下領域に形成する断熱膜24aの面積を広くしている。なお、底面部20aの円錐台上面に相当する面の全てを断熱膜24aで形成することも可能ではあるが、この面の表面粗さは噴射燃料の移動性に殆ど影響を与えない。この点を考慮し、実施の形態2においては、この面は研磨加工せず、研磨加工時間の低減を図っている。   However, the mobility of the injected fuel in the inner direction of the cavity 20 after the collision with the side surface portion 20b is improved as the surface roughness Ra of the heat insulating film 24 formed on the inner side becomes smaller. Considering this point, in the second embodiment, the area of the heat insulating film 24a formed in the region immediately below the injector 22 is increased. Although it is possible to form the entire surface corresponding to the top surface of the truncated cone of the bottom surface portion 20a with the heat insulating film 24a, the surface roughness of this surface hardly affects the mobility of the injected fuel. In consideration of this point, in the second embodiment, this surface is not polished and the polishing time is reduced.

図13は、噴射燃料から火炎核が生じている様子を示しており、図14は、図13のA−A断面に相当している。図13と図4、または、図14と図5を比較すると分かるように、実施の形態2によれば、キャビティ20の内側、且つ、断熱膜24aが形成された領域で生じる火炎核を、底面部20aのより中央側に分布させることができる。特に図14と図5の比較から分かるように、図14の2つの火炎核fk,fk10の間隔を、図5の2つの火炎核fk,fkの間隔よりも大きくすることができる。このように、実施の形態2によれば、実施の形態1に比べて、隣り合う噴孔からの噴射燃料の同心円方向の移動性により大きな差を生じさせることができる。従って、上述した成長火炎の重なり合う時期をより遅らせることができる。 FIG. 13 shows how flame nuclei are generated from the injected fuel, and FIG. 14 corresponds to the AA cross section of FIG. As can be seen by comparing FIG. 13 and FIG. 4 or FIG. 14 and FIG. 5, according to the second embodiment, flame nuclei generated inside the cavity 20 and in the region where the heat insulating film 24a is formed are It can be distributed more centrally than the portion 20a. As can be seen from the comparison between FIG. 14 and FIG. 5 in particular, the interval between the two flame nuclei fk 9 and fk 10 in FIG. 14 can be made larger than the interval between the two flame nuclei fk 1 and fk 2 in FIG. . As described above, according to the second embodiment, a larger difference can be caused by the mobility of the injected fuel from the adjacent nozzle holes in the concentric direction as compared with the first embodiment. Accordingly, it is possible to further delay the time when the above-described growth flames overlap.

実施の形態3.
次に、本発明の実施の形態3について図15乃至図16を参照しながら説明する。
Embodiment 3 FIG.
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図15乃至図16は、実施の形態3の内燃機関のピストンの頂面を説明するための図である。図15および図16に示すピストン34の頂面の平面図は、図2および図4に示したピストン14の頂面の平面図と基本的に同じである。但し、実施の形態3では、燃焼室18内に通常スワール比のスワール流、即ち、スワール比SRが最大2.0のスワール流が生成される点、および、断熱膜24a,24bの形成位置を、隣り合う2つの噴孔の軸線の中間を通る線からスワール方向にオフセットさせている点で、実施の形態1の内燃機関10と異なる。   15 to 16 are views for explaining the top surface of the piston of the internal combustion engine of the third embodiment. The plan view of the top surface of the piston 34 shown in FIGS. 15 and 16 is basically the same as the plan view of the top surface of the piston 14 shown in FIGS. 2 and 4. However, in the third embodiment, a swirl flow having a normal swirl ratio, that is, a swirl flow having a maximum swirl ratio SR of 2.0 is generated in the combustion chamber 18 and the positions where the heat insulating films 24a and 24b are formed. The internal combustion engine 10 of the first embodiment is different from the internal combustion engine 10 of the first embodiment in that it is offset in the swirl direction from a line passing through the middle of the axis of two adjacent nozzle holes.

燃焼室18内に通常スワール比のスワール流が生成される場合は、図15に示すスワール方向に噴射燃料が流される。この点を考慮し、実施の形態3においては、断熱膜24a,24bの形成位置を上述した中間線から2.5°だけオフセットさせている。従って、実施の形態3によれば、スワール方向に噴射燃料が流されるようなエンジン構成においても、上記実施の形態1と同様の効果を得ることができる。   When a swirl flow having a normal swirl ratio is generated in the combustion chamber 18, the injected fuel flows in the swirl direction shown in FIG. Considering this point, in the third embodiment, the formation positions of the heat insulating films 24a and 24b are offset by 2.5 ° from the intermediate line described above. Therefore, according to the third embodiment, an effect similar to that of the first embodiment can be obtained even in an engine configuration in which the injected fuel flows in the swirl direction.

10 内燃機関
14,26,30,32,34 ピストン
18 燃焼室
20 キャビティ
22 インジェクタ
24a,24b,24c,28 断熱膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Internal combustion engine 14, 26, 30, 32, 34 Piston 18 Combustion chamber 20 Cavity 22 Injector 24a, 24b, 24c, 28 Thermal insulation film

Claims (3)

断熱膜が形成された頂面を有するピストンと、複数の噴孔から前記頂面に向かって放射状に燃料を噴射する筒内インジェクタと、を備える圧縮着火式内燃機関であって、
前記頂面は、前記噴孔のうちの隣り合う2つの噴孔の軸線の間を通る中間線によって、前記噴孔の個数に対応する複数の領域に分割されており、
前記領域のうちの隣り合う2つの領域の表面粗さが異なることを特徴とする圧縮着火式内燃機関。
A compression ignition internal combustion engine comprising: a piston having a top surface on which a heat insulating film is formed; and a cylinder injector that injects fuel radially from a plurality of injection holes toward the top surface,
The top surface is divided into a plurality of regions corresponding to the number of the nozzle holes by an intermediate line passing between the axes of two adjacent nozzle holes among the nozzle holes,
2. A compression ignition type internal combustion engine, wherein two adjacent regions of the region have different surface roughness.
前記噴孔の個数は2以上の偶数であり、
前記領域は、表面粗さを2μm以下とした滑面領域と、表面粗さを4μm以上とした粗面領域とを、前記頂面の円周方向に1つおきに形成してなることを特徴とする請求項1に記載の圧縮着火式内燃機関。
The number of the nozzle holes is an even number of 2 or more,
The region is formed by forming a smooth surface region having a surface roughness of 2 μm or less and a rough surface region having a surface roughness of 4 μm or more every other circumferential direction of the top surface. The compression ignition internal combustion engine according to claim 1.
前記頂面には、円錐台形状の底面部を備えるキャビティが形成されており、
前記底面部の円錐台上面に相当する面に、前記粗面領域を形成したことを特徴とする請求項2に記載の圧縮着火式内燃機関。
The top surface is formed with a cavity having a frustoconical bottom portion,
The compression ignition type internal combustion engine according to claim 2, wherein the rough surface region is formed on a surface corresponding to the upper surface of the truncated cone of the bottom surface portion.
JP2015006011A 2015-01-15 2015-01-15 Compression ignition type internal combustion engine Pending JP2016132992A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015006011A JP2016132992A (en) 2015-01-15 2015-01-15 Compression ignition type internal combustion engine

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015006011A JP2016132992A (en) 2015-01-15 2015-01-15 Compression ignition type internal combustion engine

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2016132992A true JP2016132992A (en) 2016-07-25

Family

ID=56437771

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2015006011A Pending JP2016132992A (en) 2015-01-15 2015-01-15 Compression ignition type internal combustion engine

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2016132992A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019157743A (en) * 2018-03-12 2019-09-19 日本特殊陶業株式会社 Engine component
JP2019203450A (en) * 2018-05-23 2019-11-28 三菱重工エンジン&ターボチャージャ株式会社 Heat shielding membrane member

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019157743A (en) * 2018-03-12 2019-09-19 日本特殊陶業株式会社 Engine component
JP7051500B2 (en) 2018-03-12 2022-04-11 日本特殊陶業株式会社 Engine components
JP2019203450A (en) * 2018-05-23 2019-11-28 三菱重工エンジン&ターボチャージャ株式会社 Heat shielding membrane member
JP7082523B2 (en) 2018-05-23 2022-06-08 三菱重工エンジン&ターボチャージャ株式会社 Heat shield film member

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9957916B2 (en) Internal combustion engine
US11300046B2 (en) Compression-ignition internal combustion engine
CN100572770C (en) Be positioned at the firing chamber of diesel motor piston head
JP2011220207A (en) Internal combustion engine, and method for manufacturing piston
JP2013194561A (en) Compression self ignition engine
WO2015115115A1 (en) Control device for direct injection gasoline engine
JP6424851B2 (en) Combustion chamber structure of internal combustion engine
JP2007138779A (en) Cylinder injection internal combustion engine
JP6733811B2 (en) piston
JP2016132992A (en) Compression ignition type internal combustion engine
JP6544378B2 (en) Engine combustion chamber structure
JP2005188305A (en) Direct injection internal combustion engine
JP6446973B2 (en) Internal combustion engine
JP5978677B2 (en) Compression self-ignition engine
JP2019143497A (en) Compression self-ignition type internal combustion engine
JP2016132993A (en) Cylinder head structure
JP5978678B2 (en) Compression self-ignition engine
JP2014132166A (en) Internal combustion engine
JP2013053529A (en) Internal combustion engine
JP2017048732A (en) Piton of internal combustion engine
JP2013015054A (en) Cylinder injection type internal combustion engine
JP2019116878A (en) Internal combustion engine
JP2014015844A (en) Internal combustion engine
JP2019120154A (en) Combustion chamber structure of gas engine
JP2020012432A (en) Internal combustion engine