JP2018087506A - Structure of engine combustion chamber - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、シリンダ及びピストンを含むエンジンの燃焼室構造に関する。 The present invention relates to an engine combustion chamber structure including a cylinder and a piston.
エンジンの熱効率を向上させるための技術として、特許文献1には、ピストンの冠面に複数のディンプル(半球面状の凹部)が形成されたエンジンの燃焼室構造が開示されている。特許文献1に係る燃焼室構造によれば、燃料燃焼時にディンプル内に空気が留まることにより、この空気が断熱層の役割を果たす。このため、ピストンを介した熱損失が低減され、熱効率の向上を図ることができるとされている。しかし、上記ディンプル内に空気を留めるためには、ディンプルは、燃料噴射弁からの噴射燃料が直接当たらない位置に設けられる必要がある。このため、特許文献1の図2に示されるように、ディンプルが形成される領域は狭い領域に限定されており、熱効率の向上が十分とは言えない。
As a technique for improving the thermal efficiency of the engine,
そこで、熱損失低減の異なるアプローチとして、燃焼室を区画する燃焼室壁面に、筒内ガスの主流(スキッシュ流等)方向に沿って延びる複数の微細溝を形成することが考えられる。前記主流は、主流方向を回転方向とする縦渦(副流)を伴うが、この縦渦(以下、渦流と称す)が前記微細溝の頂部に留まるようになる。これにより、前記渦流が燃焼室壁面から離間され、燃焼室壁面を通した放熱(冷却損失)が抑制される。しかしながら、例えばスキッシュ方向に単に微細溝を形成しただけでは、十分に冷却損失を抑制できない場合がある。 Thus, as a different approach for reducing heat loss, it is conceivable to form a plurality of fine grooves extending along the main flow (squish flow, etc.) direction of the in-cylinder gas on the combustion chamber wall surface that defines the combustion chamber. The main flow is accompanied by a vertical vortex (secondary flow) whose main flow direction is the rotation direction, and this vertical vortex (hereinafter referred to as a vortex flow) remains at the top of the fine groove. As a result, the vortex is separated from the combustion chamber wall surface, and heat radiation (cooling loss) through the combustion chamber wall surface is suppressed. However, for example, simply forming the fine grooves in the squish direction may not sufficiently suppress the cooling loss.
本発明の目的は、燃焼室壁面に形成する微細溝構造をより適正化することで、冷却損失の一層の低減を図ることが可能なエンジンの燃焼室構造を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an engine combustion chamber structure capable of further reducing cooling loss by optimizing the fine groove structure formed on the combustion chamber wall surface.
本発明の一局面に係るエンジンの燃焼室構造は、シリンダ及びピストンを含むエンジンの燃焼室であって、当該燃焼室内にスキッシュ方向の筒内ガス主流が生じる燃焼室を区画する燃焼室壁面を有する燃焼室構成部材と、前記燃焼室壁面に形成され、前記燃焼室の径方向へ放射状に延びる複数の微細溝と、を備え、前記燃焼室壁面が、少なくとも前記燃焼室の径方向内側の第1環状領域と、前記第1環状領域に隣接し前記第1環状領域よりも径方向外側の第2環状領域とを含み、前記第1環状領域において前記複数の微細溝の各々は、第1の溝幅を有し、前記第2環状領域において前記複数の微細溝の各々は、前記第1の溝幅よりも広い第2の溝幅を有することを特徴とする。 An engine combustion chamber structure according to an aspect of the present invention includes an engine combustion chamber including a cylinder and a piston, and includes a combustion chamber wall surface that defines a combustion chamber in which a cylinder main gas flow in a squish direction is generated in the combustion chamber. A combustion chamber constituent member and a plurality of fine grooves formed radially on the combustion chamber wall surface and extending radially in the radial direction of the combustion chamber, wherein the combustion chamber wall surface is at least a first radially inner side of the combustion chamber. An annular region, and a second annular region adjacent to the first annular region and radially outward from the first annular region, wherein each of the plurality of fine grooves is a first groove. In the second annular region, each of the plurality of fine grooves has a second groove width wider than the first groove width.
本発明者らの知見によれば、エンジンの圧縮/膨張工程時において燃焼室内で発生するスキッシュ方向の筒内ガス主流(スキッシュ流)の流速は、燃焼室の径方向内側へ向かうほど大きくなる傾向がある。また、スキッシュ流の流速が大きいほど、その副流である渦流の径(スケール)が小さくなる傾向がある。つまり、燃焼室の径方向内側の方が前記渦流の径が小さくなる。さらに、微細溝は、燃焼室壁面の表面積を徒に増加させることなく、前記渦流を溝内に入り込ませずに溝頂部付近に留め、前記渦流からの前記燃焼室壁面に対する熱伝達を抑制することが可能な溝幅を有することが望ましい。 According to the knowledge of the present inventors, the flow velocity of the in-cylinder gas main flow in the squish direction (squish flow) generated in the combustion chamber during the compression / expansion process of the engine tends to increase toward the radially inner side of the combustion chamber. There is. In addition, as the flow velocity of the squish flow increases, the diameter (scale) of the vortex that is the secondary flow tends to decrease. That is, the diameter of the eddy current is smaller on the radially inner side of the combustion chamber. Furthermore, the fine groove suppresses heat transfer from the eddy current to the combustion chamber wall surface without increasing the surface area of the combustion chamber wall without stopping the vortex from entering the groove. It is desirable to have a groove width that can be
かかる知見に基づき、上記燃焼室構造では、燃焼室の径方向内側の第1環状領域には所定の第1の溝幅を有する微細溝を配置する一方で、径方向外側の第2環状領域には前記第1の溝幅よりも広い第2の溝幅を有する微細溝を配置する。これにより、燃焼室の径方向におけるスキッシュ流の流速変化に応じた微細溝を、燃焼室壁面に設定することができる。つまり、前記微細溝が、径方向における渦流の径変化に応じた溝幅を具備するようになり、前記第1、第2環状領域の各々において、渦流を適正に燃焼室壁面から離間させることができる。従って、冷却損失を一層低減させることができ、エンジンの熱効率を高めることができる。 Based on this knowledge, in the combustion chamber structure described above, fine grooves having a predetermined first groove width are arranged in the first annular region radially inward of the combustion chamber, while in the second annular region radially outside. Arranges a fine groove having a second groove width wider than the first groove width. Thereby, the fine groove | channel according to the flow velocity change of the squish flow in the radial direction of a combustion chamber can be set to a combustion chamber wall surface. That is, the fine groove has a groove width corresponding to the diameter change of the vortex in the radial direction, and the vortex can be appropriately separated from the combustion chamber wall surface in each of the first and second annular regions. it can. Therefore, the cooling loss can be further reduced, and the thermal efficiency of the engine can be increased.
上記のエンジンの燃焼室構造において、前記第1の溝幅及び前記第2の溝幅は、2μm〜250μmの範囲から選ばれることが望ましい。 In the engine combustion chamber structure, the first groove width and the second groove width are preferably selected from a range of 2 μm to 250 μm.
この燃焼室構造によれば、前記第1、第2の溝幅のサイズが適正化される。溝幅が2μmよりも小さいと、燃焼室壁面が平面に近くなり、前記スキッシュ流の前記渦流を前記燃焼室壁面から離間させ難くなる。一方、溝幅が250μmを超過すると、前記渦流が溝内に入り込み易くなり、やはり前記渦流を前記燃焼室壁面から離間させ難くなる。 According to this combustion chamber structure, the size of the first and second groove widths is optimized. If the groove width is smaller than 2 μm, the combustion chamber wall surface becomes close to a flat surface, and the vortex of the squish flow becomes difficult to be separated from the combustion chamber wall surface. On the other hand, when the groove width exceeds 250 μm, the eddy current easily enters the groove, and it is difficult to separate the vortex from the combustion chamber wall surface.
上記のエンジンの燃焼室構造において、前記微細溝の溝幅をSとし、溝高さをhとするとき、S≧hの関係を満たすことが望ましい。この場合、h/Sが、0.5〜1.0の範囲に設定されていることが特に望ましい。 In the engine combustion chamber structure described above, it is desirable that the relationship of S ≧ h is satisfied, where S is the groove width of the fine groove and h is the groove height. In this case, it is particularly desirable that h / S is set in the range of 0.5 to 1.0.
前記渦流を燃焼室壁面からなるべく離間させるには、溝高さを高くすれば良いことになるが、過度にこれを高くすると燃焼室壁面の表面積が大きくなりすぎる。この場合、表面積の増加に伴う放熱性向上が、前記渦流を燃焼室壁面から離間させる効果に勝ってしまう。しかし、上記の燃焼室構造によれば、微細溝の形成による燃焼室壁面の表面積増加と、前記渦流を前記燃焼室壁面から離間させることによる熱伝導抑制の効果とのバランスを取ることができる。 In order to make the vortex flow away from the combustion chamber wall surface as much as possible, it is sufficient to increase the groove height. However, if this is excessively increased, the surface area of the combustion chamber wall surface becomes too large. In this case, the heat dissipation improvement accompanying the increase in the surface area is superior to the effect of separating the vortex from the combustion chamber wall surface. However, according to the combustion chamber structure described above, it is possible to balance the increase in the surface area of the combustion chamber wall surface due to the formation of the fine grooves and the effect of suppressing heat conduction by separating the vortex from the combustion chamber wall surface.
上記のエンジンの燃焼室構造において、前記第1環状領域には、前記第1の溝幅を有する複数の第1微細溝が、円周方向に第1配列ピッチで配置され、前記第2環状領域には、前記第2の溝幅を有する複数の第2微細溝が、円周方向に第2配列ピッチで配置され、前記第1環状領域と前記第2環状領域との境界には、前記第1の溝幅と前記第2の溝幅との溝幅差に基づき、前記第1配列ピッチと前記第2配列ピッチとが前記円周方向にオフセットした断層部が形成されていることが望ましい。 In the combustion chamber structure of the engine, a plurality of first fine grooves having the first groove width are arranged in the first annular region at a first arrangement pitch in a circumferential direction, and the second annular region is provided. A plurality of second fine grooves having the second groove width are arranged at a second arrangement pitch in a circumferential direction, and the boundary between the first annular region and the second annular region is the first It is desirable that a tomographic part in which the first arrangement pitch and the second arrangement pitch are offset in the circumferential direction is formed based on a groove width difference between one groove width and the second groove width.
この燃焼室構造によれば、複数の微細溝の各々が、燃焼室の径方向中心から外側に向けて直線状に延びるのではなく、前記断層部においてオフセットすることになる。つまり、上記燃焼室構造では、少なくとも一部の第1微細溝と第2微細溝との、径方向における直線的な連続性が失われることを許容する。従って、前記第1、第2環状領域の各々において、前記第1、第2微細溝を、スキッシュ流の流速変化に応じた適正な溝幅にて自在に設定することができる。 According to this combustion chamber structure, each of the plurality of fine grooves does not extend linearly from the radial center of the combustion chamber toward the outside, but is offset at the tomographic portion. That is, in the combustion chamber structure, the linear continuity in the radial direction between at least some of the first fine grooves and the second fine grooves is allowed to be lost. Accordingly, in each of the first and second annular regions, the first and second fine grooves can be freely set with an appropriate groove width corresponding to a change in the flow velocity of the squish flow.
上記のエンジンの燃焼室構造において、前記第1配列ピッチと前記第1の溝幅とが実質的に同じであり、前記第2配列ピッチと前記第2の溝幅とが実質的に同じであることが望ましい。 In the engine combustion chamber structure, the first arrangement pitch and the first groove width are substantially the same, and the second arrangement pitch and the second groove width are substantially the same. It is desirable.
この燃焼室構造によれば、微細溝の配列ピッチと溝幅とが実質的に同じであるので、隣り合う第1微細溝同士、及び隣り合う第2微細溝同士は、その上部開口縁同士が隣接するようになる。このため、微細溝の延伸方向と直交する断面視において、微細溝間に尖った山部が存在する構造、つまり、微細溝間には平面部が実質的に存在しない構造となる。従って、前記スキッシュ流の前記渦流が平面部と対峙する部分が存在しなくなり、前記渦流と前記燃焼室壁面との間における熱エネルギーの授受を効果的に抑制することができる。 According to this combustion chamber structure, since the arrangement pitch and the groove width of the fine grooves are substantially the same, the upper opening edges of the adjacent first fine grooves and the adjacent second fine grooves are the same. It becomes adjacent. For this reason, in a cross-sectional view orthogonal to the extending direction of the fine grooves, a structure in which sharp peaks are present between the fine grooves, that is, a structure in which no flat portion is substantially present between the fine grooves is obtained. Accordingly, there is no portion where the vortex of the squish flow is opposed to the flat portion, and transfer of thermal energy between the vortex and the combustion chamber wall surface can be effectively suppressed.
上記のエンジンの燃焼室構造において、前記燃焼室壁面の一部は、前記ピストンの冠面で形成され、前記冠面の径方向中央部分には、凹没したキャビティが備えられ、前記第1及び第2環状領域は、前記キャビティの開口縁と前記ピストンの外周縁との間において前記冠面に配置されていることが望ましい。 In the combustion chamber structure of the engine, a part of the wall surface of the combustion chamber is formed by a crown surface of the piston, and a concave cavity is provided at a radial center portion of the crown surface. The second annular region is preferably disposed on the crown surface between the opening edge of the cavity and the outer peripheral edge of the piston.
ピストンの冠面は、燃焼室の径方向に延びる面であるため、燃焼室の径方向へ放射状に延びる複数の微細溝を形成するには適した面である。また、キャビティが備えられている場合、スキッシュ流の流速はキャビティに隣接する箇所、つまり径方向内側部分において顕著に大きくなる。例えば正スキッシュ流は、キャビティに流入する箇所において圧力が急激に開放されることに伴い噴流的な流れとなり、流速が特に大きくなる。従って、本発明に係る微細溝の形成箇所として、ピストンの冠面は好適である。 Since the crown surface of the piston is a surface extending in the radial direction of the combustion chamber, it is suitable for forming a plurality of fine grooves extending radially in the radial direction of the combustion chamber. Further, when the cavity is provided, the flow velocity of the squish flow is significantly increased at a location adjacent to the cavity, that is, a radially inner portion. For example, the normal squish flow becomes a jet-like flow as the pressure is suddenly released at the portion flowing into the cavity, and the flow velocity becomes particularly large. Therefore, the crown surface of the piston is suitable as a location for forming the fine groove according to the present invention.
上記のエンジンの燃焼室構造において、前記燃焼室壁面が、径方向に3以上の環状領域に区分され、前記環状領域の各々に、前記スキッシュ方向の筒内ガス主流の流速に応じて設定された溝幅を有する微細溝が配置されていることが望ましい。 In the combustion chamber structure of the engine, the wall surface of the combustion chamber is divided into three or more annular regions in the radial direction, and each of the annular regions is set according to the flow velocity of the in-cylinder gas main flow in the squish direction. Desirably, fine grooves having a groove width are arranged.
この燃焼室構造によれば、スキッシュ流の流速に応じて径方向に多段階に微細溝の溝幅を変更することが可能となる。従って、冷却損失を一層低減させることができる。 According to this combustion chamber structure, the groove width of the fine groove can be changed in multiple stages in the radial direction according to the flow velocity of the squish flow. Therefore, the cooling loss can be further reduced.
本発明の燃焼室構造によれば、燃焼室壁面に形成する微細溝構造を適正化し、エンジンの冷却損失の一層の低減を図ることができる。 According to the combustion chamber structure of the present invention, the fine groove structure formed on the combustion chamber wall surface can be optimized to further reduce the cooling loss of the engine.
[エンジンの全体構成]
以下、図面に基づいて、本発明の実施形態に係るエンジンの燃焼室構造を詳細に説明する。図1は、本発明の実施形態に係るエンジンの燃焼室構造が適用されるエンジンを示す概略断面図、図2は、図1に示す燃焼室付近を拡大して示す断面図、図3は、図1に前記燃焼室をシリンダヘッド側から見た平面図である。ここに示されるエンジンは、自動車等の車両の走行駆動用の動力源として、前記車両に搭載される往復ピストン型の多気筒ガソリンエンジンである。エンジンは、エンジン本体1と、これに組付けられた図外の吸排気マニホールド及び各種ポンプ等の補機とを含む。エンジン本体1に供給される燃料は、本実施形態では、ガソリンを主成分とするものである。
[Entire engine configuration]
Hereinafter, a combustion chamber structure of an engine according to an embodiment of the present invention will be described in detail based on the drawings. 1 is a schematic sectional view showing an engine to which a combustion chamber structure of an engine according to an embodiment of the present invention is applied. FIG. 2 is an enlarged sectional view showing the vicinity of the combustion chamber shown in FIG. FIG. 1 is a plan view of the combustion chamber as viewed from the cylinder head side. The engine shown here is a reciprocating piston type multi-cylinder gasoline engine mounted on the vehicle as a power source for driving the vehicle such as an automobile. The engine includes an
エンジン本体1は、シリンダブロック3、シリンダヘッド4及びピストン5(これらは、本発明における「燃焼室構成部材」の一例である)を備える。シリンダブロック3は、図1の紙面に垂直な方向に並ぶ複数の気筒2(図中ではそのうちの1つのみを示す)を有している。シリンダヘッド4は、シリンダブロック3の上面に取り付けられ、気筒2の上部開口を塞いでいる。ピストン5は、各気筒2に往復摺動可能に収容されており、コネクティングロッド8を介してクランク軸7と連結されている。ピストン5の往復運動に応じて、クランク軸7はその中心軸回りに回転する。
The
ピストン5の上方には燃焼室6が形成されている。シリンダヘッド4には、燃焼室6と連通する吸気ポート9及び排気ポート10が形成されている。シリンダヘッド4の底面4aには、吸気ポート9の下流端である吸気側開口部41と、排気ポート10の上流端である排気側開口部42とが形成されている。シリンダヘッド4には、吸気側開口部41を開閉する吸気バルブ11と、排気側開口部42を開閉する排気バルブ12とが組み付けられている。図3に示す通り、本実施形態のエンジンは、ダブルオーバーヘッドカムシャフト式(DOHC)エンジンである。吸気側開口部41と排気側開口部42とは、各気筒2につき2つずつ設けられるとともに、吸気バルブ11および排気バルブ12も2つずつ設けられている。
A
図2に示されるように、吸気バルブ11及び排気バルブ12は、いわゆるポペットバルブである。吸気バルブ11は、吸気側開口部41を開閉する傘状の弁体11aと、この弁体11aから垂直に延びるステム11bとを含む。同様に、排気バルブ12は、排気側開口部42を開閉する傘状の弁体12aと、この弁体12aから垂直に延びるステム12bとを含む。吸気バルブ11の弁体11aは、燃焼室6に臨むバルブ面11cを有する。排気バルブ12の弁体12aは、燃焼室6に臨むバルブ面12cを有する。
As shown in FIG. 2, the
吸気バルブ11及び排気バルブ12も、上記の「燃焼室構成部材」に相当する。本実施形態において、燃焼室6を区画する燃焼室壁面は、気筒2の内壁面、ピストン5の上面である冠面50、シリンダヘッド4の底面4a、吸気バルブ11のバルブ面11c及び排気バルブ12のバルブ面12cからなる。
The
シリンダヘッド4には、吸気バルブ11、排気バルブ12を各々駆動する吸気側動弁機構13、排気側動弁機構14が配設されている。これら動弁機構13、14によりクランク軸7の回転に連動して、各ステム11b、12bが駆動される。これらステム11b、12bの駆動により、吸気バルブ11の弁体11aが吸気側開口部41を開閉し、排気バルブ12の弁体12aが排気側開口部42を開閉する。
The
吸気側動弁機構13には、吸気側可変バルブタイミング機構(吸気側VVT)15が組み込まれている。吸気側VVT15は、吸気カム軸に設けられた電動式のVVTであり、クランク軸7に対する吸気カム軸の回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更することにより、吸気バルブ11の開閉タイミングを変更する。同様に、排気側動弁機構14には、排気側可変バルブタイミング機構(排気側VVT)16が組み込まれている。排気側VVT16は、排気カム軸に設けられた電動式のVVTであり、クランク軸7に対する排気カム軸の回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更することにより、排気バルブ12の開閉タイミングを変更する。
An intake side variable valve timing mechanism (intake side VVT) 15 is incorporated in the intake
シリンダヘッド4には、燃焼室6内の混合気に点火エネルギーを供給する点火プラグ17が各気筒2につき1つずつ取り付けられている。点火プラグ17は、その点火点が燃焼室6内に臨む姿勢でシリンダヘッド4に取り付けられている。点火プラグ17は、図外の点火回路からの給電に応じてその先端から火花を放電して、燃焼室6内の混合気に点火する。
One ignition plug 17 for supplying ignition energy to the air-fuel mixture in the
シリンダヘッド4には、先端部から燃焼室6内にガソリンを主成分とする燃料を噴射するインジェクタ18が、各気筒2につき1つずつ取り付けられている。インジェクタ18には燃料供給管19が接続されている。インジェクタ18は、燃料供給管19を通じて供給された燃料を噴射する。燃料供給管19の上流側には、クランク軸7と連動連結されたプランジャー式のポンプ等からなる高圧燃料ポンプ(図示せず)が接続されている。この高圧燃料ポンプと燃料供給管19との間には、全気筒2に共通の蓄圧用のコモンレール(図示せず)が設けられている。このコモンレール内で蓄圧された燃料が各気筒2のインジェクタ18に供給されることにより、各インジェクタ18からは、高い圧力の燃料が燃焼室6内に噴射される。
The
[燃焼室の詳細構造]
図2を参照して、燃焼室6の底面はピストン5の冠面50であり、燃焼室6の上面は燃焼室天井面60である。燃焼室天井面60は、シリンダヘッド4の底面4a、2つの吸気バルブ11のバルブ面11c及び2つの排気バルブ12のバルブ面12cによって構成されている。燃焼室天井面60は、上向きに凸の緩やかな曲面形状を有している。
[Detailed structure of combustion chamber]
Referring to FIG. 2, the bottom surface of
詳述すると、シリンダヘッド4の底面4aは、その径方向中心、すなわち気筒2の軸線u1上の点を頂部として、径方向外側に向かうに従って高さが低くなる略円錐面状に形成されている。吸気バルブ11のバルブ面11c及び排気バルブ12のバルブ面12cは、シリンダヘッド4の底面4aと同じ曲率で湾曲する湾曲面に形成されている。インジェクタ18は、その先端部が燃焼室天井面60の頂部近傍に位置し、その軸線が軸線u1と一致するように配設されている。
More specifically, the
図3に示されるように、弁体11aが開閉する吸気側開口部41と弁体12aが開閉する排気側開口部42とは、燃焼室天井面60に、その周方向に並んで開口している。2つの吸気側開口部41と2つの排気側開口部42とは、燃焼室6の天井面60の中心を通る直線u2を挟んで両側に設けられている。図3の例では、2つの吸気側開口部41(弁体11a)は、燃焼室天井面60の直線u2の左側に設けられており、2つの排気側開口部42(弁体12a)は、燃焼室天井面60の直線u2の右側に設けられている。
As shown in FIG. 3, an
冠面50は、燃焼室天井面60と上下方向に対向する面であり、その径方向中央部分に配置されたキャビティ5Cと、キャビティ5Cの外周に同心円状に配置された基準面51とを備えている。キャビティ5Cは、冠面50の径方向中央領域が下方に凹没湾曲された部分であり、インジェクタ18から燃料の噴射を受ける部分である。基準面51は、燃焼室天井面60の湾曲形状に沿う、上向きに凸の緩やかな曲面形状を有している。すなわち、基準面51は、キャビティ5Cとの境界となる開口縁52から、径方向外側に向かうにつれて下方に傾斜する緩い凸曲面である。基準面51と燃焼室天井面60との間においては、燃焼室6の上下方向の間隔は略一定である。
The
冠面50は、上述のキャビティ5Cと基準面51とが径方向に連なった凹凸面である。冠面50の径方向中心付近には、キャビティ5Cの最深部である底面部53が位置している。キャビティ5Cの開口縁52には、基準面51の内周縁が連設されている。基準面51の外周縁54は、気筒2の壁面に近接している。
The
エンジン本体1における吸気工程、圧縮工程、膨張工程及び排気工程において、燃焼室6内には筒内ガスの流れが発生する。筒内ガスの流れの向きや形態は、燃焼室6の形状、燃焼室6内の圧力や温度等により様々に変化するが、モデル化すると、スキッシュ方向、スワール方向及びタンブル方向の筒内ガス主流に区分することができる。本実施形態に係る燃焼室6は、圧縮/膨張工程時において、少なくともスキッシュ方向の筒内ガス主流(スキッシュ流)が生じる燃焼室である。
In the intake process, compression process, expansion process, and exhaust process in the engine
図4(A)は、燃焼室6内においてピストン5の冠面50上で発生するスキッシュ流30を説明するための模式的な平面図である。燃焼室6内には、スキッシュ流30として、正スキッシュ流SQと逆スキッシュ流RSQとが生じる。圧縮工程においては、冠面50の外周縁54から径方向内側に向かい、キャビティ5Cに至る正スキッシュ流SQが生じる。一方、膨張工程では、キャビティ5Cから径方向外側に向かい、外周縁54に至る逆スキッシュ流RSQが生じる。
FIG. 4A is a schematic plan view for explaining the
図4(B)は、スキッシュ流30の態様を示す模式図である。スキッシュ流30は、主流31と、この主流31に伴う副流である渦流32とを含む。主流31は、スキッシュ方向に向かうガス流である。渦流32は、主流31の進行軸の軸回りに旋回する縦渦である。この渦流32には、熱を輸送する性質が強いという特徴がある。他の筒内ガス主流(スワール流及びタンブル流)についても同様である。
FIG. 4B is a schematic diagram illustrating an aspect of the
[微細溝の利点及び問題点]
上述の通り、渦流32が熱輸送の性質を有することから、スキッシュ流30が燃焼室壁面、つまりピストン5の冠面50に近接する位置を通過すると、渦流32と冠面50との間における熱エネルギーの授受(熱伝達)が活発となってしまう。このような熱伝達は、燃焼室6内の熱が燃焼室壁面を通して放熱されてしまう冷却損失に繋がり、エンジンの熱効率を低下させる。
[Advantages and problems of fine grooves]
As described above, since the
この問題の解決手段として、燃焼室6を区画する燃焼室壁面に、筒内ガスの主流方向に沿って延びる複数の微細溝を形成する方法がある。図5は、スキッシュ方向に延びる微細溝200が形成された、ピストン5の冠面50を示す平面図である。冠面50の、キャビティ5Cを除くスキッシュエリア(基準面51)には、ピストン5の径方向中心から放射状に延びる複数の微細溝200が設けられている。図5では、図示簡略化のため複数の微細溝200が粗に配列されているが、実際は溝同士が隣接する程度に密に配列される。
As a means for solving this problem, there is a method of forming a plurality of fine grooves extending along the main flow direction of the in-cylinder gas on the combustion chamber wall surface defining the
このような微細溝200を形成することの利点を図6(A)、(B)に基づき説明する。図6(A)は比較例であり、燃焼室壁面(例えば冠面50)が平坦な場合における、スキッシュ流30の渦流32と当該燃焼室壁面との位置関係を示す図である。燃焼室壁面が平坦であると、渦流32は燃焼室壁面に接近することが可能となり、これに伴い両者間で熱伝達が行われ易くなる。このため、燃焼室6内の熱が前記燃焼室壁面を通して外部に放熱され易くなる。
The advantage of forming such a
一方、図6(B)は、燃焼室壁面(冠面50)に微細溝200が形成されている場合における、渦流32と冠面50との位置関係を示す図である。微細溝200は、断面U字状の溝であり、その溝幅Sは、スキッシュ流30の渦流32の渦スケールD(直径)よりも小さく設定されている。このような微細溝200が冠面50に設けられていることで、渦流32(乱流)は微細溝200に入り込むことができず、微細溝200の頂部に留まるようになる。つまり、図6(A)のように平坦な燃焼室壁面の場合に比べて、渦流32が燃焼室壁面(冠面50)から離間されるようになる。従って、渦流32と冠面50との間において熱伝達は行われ難くなり、冠面50を通した放熱が抑制される。
On the other hand, FIG. 6B is a diagram showing the positional relationship between the
しかしながら、本発明者らの検討によれば、冠面50にスキッシュ方向へ放射状に延びる微細溝200を単に形成しただけでは、十分に冷却損失を抑制できない場合があることが判明した。換言すると、微細溝の形成パターンを工夫することで、より熱効率を向上させる余地があることが判明した。
However, according to the study by the present inventors, it has been found that simply forming the
図5に示すように、キャビティ5Cの開口縁52から外周縁54にかけて、直線的に、放射状に延びる複数の微細溝200であると、微細溝200同士の間隔が、冠面50の径方向外側に向かうほど広くなってしまう。すなわち、微細溝200の溝幅が径方向に一定である場合、冠面50の径方向内側の領域では隣り合う微細溝200同士が近接するが、径方向外側の領域では隣り合う微細溝200同士の間隔が開いてしまう。従って、前記径方向外側の領域では、微細溝200間に平面部が形成されてしまう。この場合、図6(A)に基づき説明した通り、前記平面部にスキッシュ流30の渦流32が接近し得るようになるので、冷却損失を十分に抑制できなくなる。
As shown in FIG. 5, when the plurality of
各々の微細溝200の溝幅を、径方向外側に向かうほど幅広とし、隣り合う微細溝200同士を径方向全長に亘って近接させることも考えられる。しかし、この場合、径方向外側に向かうに従って溝幅が大きくなり過ぎ、平面に近い状態となるため、径方向外側の領域において、熱伝達抑制効果が小さくなる。
It is also conceivable that the groove width of each
[微細溝パターンの実施形態]
図7は、本実施形態に係る微細溝パターンが採用された、ピストン5の冠面50を示す平面図である。図7では、燃焼室6(冠面50)の径方向を矢印A、円周方向を矢印Bで示している。冠面50(燃焼室壁面)には、基準面51の領域において、燃焼室6の径方向Aの中心Oから径方向Aの外側へ放射状に延びる複数の微細溝20が設けられている。
[Embodiment of fine groove pattern]
FIG. 7 is a plan view showing a
冠面50は、径方向Aの内側から外側に向けて、5つの円環状の領域、第1環状領域R1、第2環状領域R2、第3環状領域R3、第4環状領域R4及び第5環状領域R5に区分されている。この領域区分は一例であり、後述する通り、スキッシュ流30の流速分布に応じて適宜区分することができる。第1環状領域R1は、最も径方向内側に位置する領域である。第2環状領域R2は、第1環状領域R1に隣接し当該第1環状領域R1よりも径方向外側に位置している。以下同様に、第3環状領域R3、第4環状領域R4及び第5環状領域R5が径方向外側に向けて順次配置されている。
The
第1環状領域R1には、径方向A(スキッシュ方向)に延びる多数の第1微細溝21が配置されている。多数の第1微細溝21は、第1環状領域R1の内周縁から外周縁にかけて、中心Oを基準として放射線状に延びている。同様に、第2環状領域R2には多数の第2微細溝22が、第3環状領域R3には多数の第3微細溝23が、第4環状領域R4には多数の第4微細溝24が、第5環状領域R5には多数の第5微細溝25が各々配置されている。図7では、第1〜第5微細溝21〜25が第1〜第5環状領域R1〜R5の一部に刻設されているように描かれているが、これは図示簡略化のためであり、実際は微細溝21〜25が環状領域R1〜R5の全域に刻設されている。
A number of first
図8は、本実施形態に係る微細溝パターンを説明するための模式図であり、第1〜第5微細溝21〜25からなる微細溝20を平面的に示した図である。図8には、図7に示した径方向A及び円周方向Bに各々対応する矢印A、Bが記載されている。図9は、微細溝20の断面形状を示している。
FIG. 8 is a schematic diagram for explaining the fine groove pattern according to the present embodiment, and is a view showing the
第1微細溝21は、所定長の溝幅からなる第1の溝幅S1を有する、断面V字型の溝である。第1微細溝21は、V字溝の開口縁である一対の頂部201と、V字溝の最深部である谷部202と、一対の頂部201と谷部202との間に存在する一対の傾斜面203とからなる(第2〜第5微細溝22〜25も同様)。一対の傾斜面203がなす角度θは、例えば60°に設定することができる。図8では、頂部201を太線で、谷部202を細線で描いている。これは、両者の識別を容易にするためであり、頂部201及び谷部202の実際の幅を示すものではない。なお、微細溝20の形状は適宜選択することができ、図6(B)に示したような断面U字型の溝、或いは断面矩形型の溝等であっても良い。
The first
複数の第1微細溝21は、円周方向Bに第1配列ピッチで配置されている。本実施形態では、図9に示すように、微細溝20の溝幅Sと微細溝20の配列ピッチPとが実質的に同じとされている。すなわち、隣り合う微細溝20は、その頂部201同士が隣接(接合)するように、円周方向Bに配列されている。このため、微細溝20の延伸方向と直交する断面視(図9)において、隣り合う微細溝20間に頂部201同士の接合部からなる尖った山部が存在する構造、つまり、微細溝20間には平面部が実質的に存在しない構造とされている。ここで、溝幅Sと配列ピッチPとが「実質的に」同じとしているのは、隣り合う微細溝20の頂部201間に、加工上において不可避的に生じる微細幅の平面部や、前記山部が尖りすぎないように僅かな幅の平面部を積極的に形成するケースが想定されているからである。
The plurality of first
第2微細溝22は、第1の溝幅S1よりも広い第2の溝幅S2を有している。また、複数の第2微細溝22は、第2の溝幅S2と実質的に同一の第2配列ピッチで円周方向Bに配列されている。第1環状領域R1と第2環状領域R2とは仮想的に区画された領域であるが、第1微細溝21と第2微細溝22との溝幅差(S1<S2)に起因して、第1環状領域R1と第2環状領域R2との境界には、断層部C1が形成されている。
The second
断層部C1では、第1の溝幅S1と第2の溝幅S1との溝幅差に基づき、前記第1配列ピッチ(≒S1)と前記第2配列ピッチ(≒S2)とが前記円周方向にオフセットしている。つまり、第1微細溝21及び第2微細溝22の各配列ピッチが相互に異なるため、断層部C1において第1微細溝21と第2微細溝22との径方向Aにおける連続性が途絶えている。このことは、第1、第2環状領域R1、R2間における微細溝の連続性を考慮から外し、各環状領域R1、R2において最適な溝幅S1、S2を有する第1、第2微細溝21、22を配置可能とすることを意味する。
In the tomographic section C1, the first arrangement pitch (≈S1) and the second arrangement pitch (≈S2) are determined based on the groove width difference between the first groove width S1 and the second groove width S1. It is offset in the direction. That is, since the arrangement pitches of the first
第3微細溝23は、第2の溝幅S2よりも広い第3の溝幅S3を有している。複数の第3微細溝23は、第3の溝幅S3と実質的に同一の第3配列ピッチで円周方向Bに配列されている。同様に、複数の第4微細溝24は、各々第3の溝幅S3よりも広い第4の溝幅S4を有し、第4の溝幅S4と実質的に同一の第4配列ピッチで円周方向Bに配列されている。複数の第5微細溝25は、各々第4の溝幅S4よりも広い第5の溝幅S5を有し、第5の溝幅S5と実質的に同一の第5配列ピッチで円周方向Bに配列されている。
The third
上記と同様に、第2微細溝22と第3微細溝との溝幅差(S2<S3)に起因して、第2環状領域R2と第3環状領域R3との境界には、断層部C2が形成されている。また、第3、第4微細溝23、24の溝幅差(S3<S4)に起因して、第3、第4環状領域R3、R4の境界には断層部C3が、第4、第5微細溝24、25の溝幅差(S4<S5)に起因して、第4、第5環状領域R4、R5の境界には断層部C4が形成されている。
Similarly to the above, due to the groove width difference (S2 <S3) between the second
以上の通り、第1〜第5の溝幅S1〜S5の相互の関係は、
S1<S2<S3<S4<S5
とされている。つまり、冠面50の径方向Aの外側の環状領域ほど、当該領域に形成される微細溝の溝幅が広く設定されている。このような溝幅設定が行われるのは、スキッシュ流30の流速と渦流32との関係を考慮してのことである。エンジンの圧縮/膨張工程時において燃焼室6内で発生するスキッシュ流30の流速は、燃焼室6の径方向内側へ向かうほど大きくなる傾向がある。本実施形態のように、ペントルーフ型の燃焼室6であって冠面50の径方向中央部分にキャビティ5Cが備えられている場合、一層その傾向は強くなる。例えば正スキッシュ流SQは、キャビティ5Cに流入する箇所において圧力が急激に開放されることに伴い噴流的な流れとなり、流速が特に大きくなる。
As described above, the mutual relationship between the first to fifth groove widths S1 to S5 is as follows.
S1 <S2 <S3 <S4 <S5
It is said that. That is, the groove width of the fine groove formed in the annular region on the outer side in the radial direction A of the
また、スキッシュ流30の流速が大きいほど、渦流32の渦スケールD(径)が小さくなる傾向がある。つまり、径方向Aの外側ではスキッシュ流30のレイノルズ数は低く、渦流32の渦スケールDは比較的大きいが、径方向Aの内側ではスキッシュ流30のレイノルズ数は高く、渦スケールDは比較的小さくなる。後記で詳述するが、燃焼室壁面と渦流32との間の熱伝達を低減させるために、渦流32の渦スケールDに適した溝幅Sが存在する。すなわち、スキッシュ流30の径方向Aにおける流速分布に応じた最適な溝幅Sが存在する。従って、第1〜第5の溝幅S1〜S5を、S1<S2<S3<S4<S5という関係とすることで、径方向Aにおける渦流32の渦スケール変化に応じた溝幅を有する微細溝21〜25を各環状領域R1〜R5に設けることが可能となる。
Further, the vortex scale D (diameter) of the
このように本実施形態では、第1〜第5環状領域R1〜R5の各々に、スキッシュ流30の流速に基づいて設定される最適な溝幅S1〜S5を有する微細溝21〜25が配置される。結果的に、断層部C1〜C4において隣接する微細溝間の配列ピッチにオフセットが生じるが、各環状領域R1〜R5においては実質的に平面部が生じないように微細溝21〜25を形成し易くなる。
Thus, in the present embodiment, the
図10は、比較例の微細溝パターンを説明するための模式図である。ここでは、図5に示したような、冠面50の径方向中心Oから単純に放射状に延びる複数の微細溝200の一部を拡大して示している。この比較例では、隣接する一対の微細溝200A、200B間の間隔は、円周長の漸増に従って、径方向Aの内側では小さいが、径方向Aの外側に向かうにつれ大きくなっている。つまり、微細溝200Aの頂部201Aと微細溝200Bの頂部201Bとは、径方向Aの内側では隣接しているが、径方向Aの外側では大きく離間している。この結果、一対の微細溝200A、200B間には、径方向Aの外側に向かうほど幅広となる平面部204が形成されるようになる。このような平面部204は、冷却損失の抑制を阻害する。これに対し、本実施形態では図8に示したように、第1〜第5環状領域R1〜R5の各々において、第1〜第5微細溝21〜25を密に形成し、微細溝間に平面部が生じないようにすることができる。
FIG. 10 is a schematic diagram for explaining a fine groove pattern of a comparative example. Here, as shown in FIG. 5, a part of the plurality of
微細溝20は、様々な加工方法にて冠面50のスキッシュエリア(基準面51)に形成することができる。例えば、スキッシュエリアにレーザー加工を施して微細溝20を刻設する方法、微細溝構造を表面に備えたローラーをスキッシュエリアに押圧、転動させることによって微細溝20を刻設する方法、あるいは、ピストン5を成型する鋳型の内面に微細溝構造を設けておく方法、等を挙げることができる。
The
ピストン5の表面に遮熱層が設けられる場合がある。例えば、アルミニウム合金AC8Aなどの金属製母材にて鋳造されたピストン5の冠面50に、遮熱層として耐熱性シリコーン樹脂が施工される。この遮熱層により、燃焼室6の熱損失が抑制される。この場合、前記遮熱層に微細溝20が形成される。前記金属製母材に遮熱層が施工された後、上述のレーザー加工或いは微細溝構造付きローラーによって前記遮熱層に微細溝20が刻設される。あるいは、前記遮熱層の形成用として内面に微細溝構造を有する鋳型を準備し、当該鋳型に前記金属製母材を収容して前記遮熱層材料を注型することによって、微細溝20付きの遮熱層が施工される。
A heat shield layer may be provided on the surface of the
[溝幅の決定方法]
続いて、燃焼室6の冷却損失の低減効果を得ることができる微細溝20の溝幅Sの決定方法の一例について、具体的に説明する。微細溝20による冷却損失の低減効果は、溝幅Sを無次元化したS+(無次元溝幅)によって変化する。S+は、溝幅をS[m]、摩擦速度をUτ[m/s]、動粘性係数をν[m2/s]とするとき、次の式(1)で定義される。
[Determination method of groove width]
Next, an example of a method for determining the groove width S of the
式(1)における摩擦速度Uτは、スキッシュ流30の平均流速をUm[m/s]、摩擦係数をCfとするとき、次の式(2)で定義される。
The friction velocity Uτ in the equation (1) is defined by the following equation (2), where the average flow velocity of the
上記式(1)及び式(2)より、溝幅Sは次の式(3)で与えられる。 From the above formulas (1) and (2), the groove width S is given by the following formula (3).
ここで、摩擦係数Cfは、レイノルズ数Reを用いて、次の式(4)で表すことができる。また、レイノルズ数Reは、次の式(5)で定義される。式(5)において、Dhは水力相当直径[mm]である。 Here, the friction coefficient Cf can be expressed by the following equation (4) using the Reynolds number Re. The Reynolds number Re is defined by the following equation (5). In Formula (5), Dh is a hydraulic equivalent diameter [mm].
以上の式(1)〜式(5)より、溝幅Sは、次の式(6)にて求めることができる。 From the above formulas (1) to (5), the groove width S can be obtained by the following formula (6).
ここで、動粘性係数νは、エンジンの負荷によって決まる物理量であり、その数値範囲は、2.34×10−7〜4.5×10−7[m2/s]である。スキッシュ流30の平均流速Umは、エンジンの回転数によって決まる物理量であり、その数値範囲は、0.3〜50[m/s]である。水力相当直径Dhは、燃焼室6の形状によって定まる物理量であり、その数値範囲は、5.5〜6.4[mm]である。
Here, the kinematic viscosity coefficient ν is a physical quantity determined by the load of the engine, and its numerical range is from 2.34 × 10 −7 to 4.5 × 10 −7 [m 2 / s]. The average flow velocity Um of the
図11は、微細溝20による冷却損失低減効果を示すグラフである。ここでは、筒内ガス主流(スキッシュ流)の流速を所定の値に設定した場合における、微細溝20の無次元溝幅S+と冷却損失低減率との関係を示している。図11のグラフより、冷却損失低減率(燃焼室6の熱損失低減率)は、無次元溝幅S+がゼロを少し超えた辺りから30より少し小さい辺りまでの領域(図11では「低減領域」と表示している)において正の値であり、この低減領域において微細溝による冷却損失低減効果が認められることがわかる。とりわけ、無次元溝幅S+が13〜17である場合に冷却損失低減率が特に大きく、無次元溝幅S+が15である場合に冷却損失低減率が最大になることが分かる。
FIG. 11 is a graph showing the cooling loss reduction effect by the
上記の低減領域で冷却損失低減率が正の値となる理由は、渦流32が微細溝20の溝内に入り込まず、かつ、溝幅Sが渦流32の渦スケールDに対して小さ過ぎないという条件が、無次元溝幅S+が上記低減領域にある場合に満たされるためである。溝幅Sが渦流32の渦スケールDよりも狭広であれば、渦流32は微細溝20内に入り込むことができる。このため、図6(B)に示す状態が形成できず、渦流32を冠面50(燃焼室壁面)から離間させることができない。また、溝幅Sが渦流32の渦スケールDに対して小さ過ぎると、図6(A)に示す「平坦な燃焼室壁面」に近似してしまい、やはり渦流32を冠面50から離間させることができない。
The reason why the cooling loss reduction rate becomes a positive value in the above-described reduction region is that the
無次元溝幅S+が30以上になると、冷却損失低減率が負の値に転じている(図11では「悪化領域」と表示している)。その理由は、渦流32が微細溝20の溝内に入り込むためである。渦流32が微細溝20内に入ってしまうと、渦流32による熱輸送の影響が燃焼室壁面の広範囲に及び、悪化領域を生んでしまうものである。
When the dimensionless groove width S + is 30 or more, the cooling loss reduction rate has turned to a negative value (indicated as “deteriorated region” in FIG. 11). The reason is that the
図11に示したように、無次元溝幅S+=15である場合に冷却損失低減率が最大になるため、溝幅Sの決定に際しては、式(6)のS+=15が代入される。式(6)の動粘性係数ν、平均流速Um及び水力相当直径Dhは、それぞれ、エンジンの負荷[kPa]、回転数[rpm]及び燃焼室6の形状に応じた値が代入される。
As shown in FIG. 11, when the dimensionless groove width S + = 15, the cooling loss reduction rate is maximized. Therefore, when determining the groove width S, S + = 15 in Expression (6) is substituted. The The values corresponding to the engine load [kPa], the rotational speed [rpm], and the shape of the
式(6)を用い、供試ガソリンエンジンについて、異なる運転条件下(負荷及び回転数を変更)において、スキッシュエリアの径方向内側から外側まで(キャビティ5Cの開口縁52から冠面50の外周縁54まで)の望ましい溝幅Sの分布を算出した例を下記に示す。
[回転数] [負荷] [溝幅分布:内側〜外側]
・1000rpm/250kPa: 10〜200μm
・1000rpm/550kPa: 7〜250μm
・2500rpm/900kPa: 2.5〜80μm
・3250rpm/530kPa: 2〜70μm
Using the equation (6), for the test gasoline engine, from the radially inner side to the outer side of the squish area (from the opening
[Rotation speed] [Load] [Groove width distribution: Inside to outside]
・ 1000 rpm / 250 kPa: 10 to 200 μm
・ 1000 rpm / 550 kPa: 7 to 250 μm
-2500 rpm / 900 kPa: 2.5-80 μm
・ 3250 rpm / 530 kPa: 2 to 70 μm
以上の算出結果より、微細溝20の溝幅Sは、2μm〜250μmの範囲から選ばれることが望ましい。上述の通り、溝幅Sが2μmよりも小さいと燃焼室壁面が平面に近くなり、溝幅が250μmを超過すると渦流32が微細溝20内に入り込み易くなり、いずれも冷却損失低減効果が期待できない。そして、この範囲から、スキッシュエリアの径方向位置に応じて、最適な溝幅Sを設定すれば良い。例えば、図7に示した冠面50の場合ならば、最も径方向内側の第1環状領域R1に設ける第1微細溝21の溝幅S1は、上記溝幅分布の下限付近の値(2〜20μm程度)とし、最も径方向外側の第5環状領域R5に設ける第5微細溝25の溝幅S5は、上記溝幅分布の上限付近の値(50〜250μm程度)とし、これらの間の第2〜第4微細溝22〜24の溝幅S2〜S5については、両者間の適宜な値に設定することができる。
From the above calculation results, the groove width S of the
溝幅Sは上記の通り決定するとして、溝高さhも適正に設定することが望ましい。渦流32を燃焼室壁面(冠面50)からなるべく離間させるには、溝高さhを高くすれば良いことになるが、過度にこれを高くすると燃焼室壁面の表面積が大きくなりすぎる。この場合、表面積の増加に伴う放熱性向上が、渦流32を燃焼室壁面から離間させる効果に勝ってしまう。従って、微細溝20の溝幅Sと、溝高さhとは、S≧hを満たす関係とすることが望ましい。
As the groove width S is determined as described above, it is desirable to set the groove height h appropriately. In order to separate the eddy current 32 from the combustion chamber wall surface (crown surface 50) as much as possible, the groove height h should be increased. However, if the groove height h is excessively increased, the surface area of the combustion chamber wall surface becomes too large. In this case, the heat dissipation improvement accompanying the increase in the surface area is superior to the effect of separating the
ここで、溝高さhが低すぎると、渦流32を燃焼室壁面から離間させる効果が比較的小さくなってしまう。従って、h/Sが0.5〜1.0の範囲となるよう、微細溝20の溝幅S及び溝高さhを設定することが特に望ましい。これにより、微細溝20の形成による燃焼室壁面の表面積増加と、渦流32を燃焼室壁面から離間させることによる熱伝導抑制の効果とのバランスを取ることができる。
Here, if the groove height h is too low, the effect of separating the
図7に一例を示した通り、本実施形態では微細溝20は、いわば第1〜第5微細溝21〜25に径方向Aに分割されている。つまり、第1〜第5環状領域R1〜R5の各境界には、微細溝の配列ピッチがオフセットした断層部C1〜C4が存在し、微細溝20の径方向Aにおける直線性が失われている。このため、断層部C1〜C4において、渦流32(乱流)を燃焼室壁面から良好に離間させ得るか、つまり熱伝達を抑制できるのかについて懸念が生じる。
As shown in FIG. 7, in the present embodiment, the
しかし、本発明者らのDNS(直接数値シミュレーション)によれば、第1〜第5微細溝21〜25を、S+=15を満たす溝幅Sとすることで、熱伝達を抑制することが判明した。図12は、微細溝の径方向Aにおける無次元長さと、燃焼室壁面に対する熱伝達率低減率との関係を示すグラフである。図12のグラフにおいて、横軸の無次元長さは、一本の微細溝の径方向長さであり、図7に当て嵌めれば、第1〜第5微細溝21〜25のいずれかの径方向長さに相当する。
However, according to the DNS (direct numerical simulation) of the present inventors, heat transfer can be suppressed by setting the first to fifth
無次元溝幅S+=15の場合、微細溝の無次元長さに関わらず、熱伝達率低減率は一定である。つまり、直線的に延びる一本の微細溝の無次元長さが25程度であっても、360程度であっても、良好な熱伝達率低減率を確保できる。点線e1は、無次元溝幅S+=15の微細溝が無限長に延びている場合の熱伝達率低減率である。このことから、S+=15であれば、短尺の微細溝の複数が、径方向に非直線的に配列されていても、熱伝達率低減率において無限長の微細溝と相違が無いことが分かる。すなわち、図7の例のように、第1〜第5微細溝21〜25の配列ピッチがオフセットしていても、S+=15であれば熱伝達率低減率が良好であることが分かる。
When the dimensionless groove width S + = 15, the heat transfer coefficient reduction rate is constant regardless of the dimensionless length of the fine groove. That is, even if the dimensionless length of one fine groove extending linearly is about 25 or about 360, a good heat transfer coefficient reduction rate can be secured. A dotted line e1 represents a heat transfer rate reduction rate when a fine groove having a dimensionless groove width S + = 15 extends to an infinite length. From this, if S + = 15, even if a plurality of short microgrooves are arranged non-linearly in the radial direction, there is no difference in infinite length microgrooves in the heat transfer coefficient reduction rate. I understand. That is, as in the example of FIG. 7, even when the arrangement pitch of the first to fifth
これに対し、S+=30、45の場合は、微細溝の無次元長さが短いほど、熱伝達率低減率は悪化する。点線e2、e3は、S+=30、45の微細溝が無限長に延びている場合の熱伝達率低減率であるが、これに比較してもS+=30、45の熱伝達率低減率は悪化している。S+=15の微細溝では、そもそも渦流32が微細溝内に入り込まないので、無次元長さが短くても、つまり断層部C1〜C4が存在していても特段影響はない。しかし、S+=30、45クラスの微細溝では、断層部C1〜C4の上流側で燃焼室壁面近傍に渦流32が存在し、無次元長さが短いほど、渦流32による熱輸送の影響が燃焼室壁面の広範囲に及ぶため、熱伝達率低減率を悪化させる。
On the other hand, in the case of S + = 30, 45, the heat transfer coefficient reduction rate deteriorates as the dimensionless length of the fine groove is shorter. Dotted lines e2 and e3 are heat transfer rate reduction rates when the fine grooves of S + = 30, 45 extend to infinite length, but even compared to this, heat transfer rate reductions of S + = 30, 45 The rate is getting worse. In the fine groove of S + = 15, since the
[本実施形態の効果]
本実施形態に係るエンジンの燃焼室構造によれば、冠面50(燃焼室壁面)が径方向Aにおいて複数の環状領域R1〜R5に区分される。そして径方向内側の第1環状領域R1には第1の溝幅S1を有する微細溝21が配置される一方で、第1環状領域R1よりも径方向外側の第2環状領域R2には、第1の溝幅S1よりも広い第2の溝幅S2を有する微細溝22が配置される。このような溝幅の関係が、第2〜第5環状領域R2〜R5の相互間においても成立するよう、第3〜第5の溝幅S3〜S5が設定される。
[Effect of this embodiment]
According to the combustion chamber structure of the engine according to the present embodiment, the crown surface 50 (combustion chamber wall surface) is divided into a plurality of annular regions R1 to R5 in the radial direction A. The
これにより、燃焼室6の径方向におけるスキッシュ流30の流速変化に応じた微細溝21〜25を、冠面50に設定することができる。つまり、冠面50上の微細溝20が、冠面50の径方向Aにおける渦流32の渦スケールDの変化に応じた溝幅S1〜S5を具備するようになり、第1〜第5環状領域R1〜R5の各々において、渦流32を適正に冠面50から離間させることができる。従って、冷却損失を一層低減させることができ、エンジンの熱効率を高めることができる。
Thereby, the
また、複数の第1〜第5微細溝21〜25の配列ピッチが、断層部C1〜C4においてオフセットしている。つまり、第1〜第5微細溝21〜25が燃焼室6の径方向中心Oから外側に向けて直線状に繋がるように延びず、断層部C1〜C4において直線的な連続性が失われることを許容している。従って、第1〜第5環状領域R1〜R5の各々において、第1〜第5微細溝21〜25を、スキッシュ流30の流速変化に応じた適正な溝幅S1〜S5にて自在に設定することができる。
Further, the arrangement pitch of the plurality of first to fifth
さらに、図9に例示したように、微細溝20(21〜25)の配列ピッチPと溝幅Sとが実質的に同じとされている。これにより、隣り合う微細溝20同士は、その上部開口縁である頂部201同士が隣接するようになる。このため、微細溝20間に尖った山部が存在し、両者間には平面部が実質的に存在しない構造となる。従って、スキッシュ流30の渦流32が平面部と対峙する部分が存在しなくなり、渦流32と燃焼室壁面との間における熱エネルギーの授受を効果的に抑制することができる。
Furthermore, as illustrated in FIG. 9, the arrangement pitch P and the groove width S of the fine grooves 20 (21 to 25) are substantially the same. As a result, the adjacent
[変形実施形態の説明]
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば下記のような変形実施形態を取ることができる。
[Description of Modified Embodiment]
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, For example, the following modified embodiment can be taken.
(1)図13は、本実施形態の変形例に係る微細溝パターンを説明するための模式図である。上記実施形態では、燃焼室壁面としてのピストン5の冠面50が、径方向Aに第1〜第5環状領域R1〜R5の5つに区分される例を示した。これに対し、図13では、燃焼室壁面が径方向Aに第1、第2環状領域R1、R2の2つに区分される例を示す。第1環状領域R1には第1の溝幅S1の第1微細溝21が配置され、第2環状領域R2には第2の溝幅S2(S1<S2)の第2微細溝22が配置されている。
(1) FIG. 13 is a schematic diagram for explaining a fine groove pattern according to a modification of the present embodiment. In the said embodiment, the
このように、燃焼室壁面を径方向Aに2つの領域に区分し、各領域に適した溝幅を有する微細溝を配置するだけでも、冷却損失の低減効果を得ることができる。もちろん、燃焼室壁面が、径方向Aに3以上の環状領域に区分され、前記環状領域の各々に、スキッシュ流30の流速に応じて設定された溝幅を有する微細溝が配置されていることがより望ましい。例えば、燃焼室壁面を径方向Aに10〜15程度の領域に区分し、各領域に適した溝幅を有する微細溝を各々配置することが望ましい。
As described above, the effect of reducing the cooling loss can be obtained only by dividing the combustion chamber wall surface into two regions in the radial direction A and arranging the fine grooves having the groove width suitable for each region. Of course, the combustion chamber wall surface is divided into three or more annular regions in the radial direction A, and fine grooves having a groove width set according to the flow velocity of the
(2)図14は、本実施形態の他の変形例に係る微細溝パターンを説明するための模式図である。ここでは、燃焼室壁面が径方向Aに第1〜第4環状領域R1〜R4の4つに区分され、各環状領域R1〜R4には溝幅S1〜S4(S1<S2<S3<S4)を各々有する第1〜第4微細溝21A〜24Aが配置されている。上記実施形態と相違する点は、第1〜第4微細溝21A〜24Aの配列ピッチが相互にオフセットしていない点である。すなわち、第1〜第4微細溝21A〜24Aは、各々独自の頂部201を有するが、谷部202は共通である。このような態様であっても、第1〜第4微細溝21A〜24Aの溝幅S1〜S4がスキッシュ流30の流速に応じた溝幅であれば、冷却損失の低減効果を得ることができる。
(2) FIG. 14 is a schematic diagram for explaining a fine groove pattern according to another modification of the present embodiment. Here, the combustion chamber wall surface is divided into four first to fourth annular regions R1 to R4 in the radial direction A, and each annular region R1 to R4 has a groove width S1 to S4 (S1 <S2 <S3 <S4). First to fourth
(3)上記実施形態では、燃焼室6を形成する燃焼室壁面のうち、径方向Aに拡がりをもつ壁面としてピストン5の冠面50に着目し、この冠面50に微細溝20を形成する例を示した。これに代えて、燃焼室天井面60に図7に示した微細溝パターンを設けるようにしても良い。或いは、燃焼室天井面60の表面に遮熱層を設け、当該遮熱層に微細溝パターンを設けても良い。勿論、冠面50及び燃焼室天井面60の双方に、微細溝パターンを設けても良い。
(3) In the above embodiment, focusing on the
1 エンジン本体
2 気筒(燃焼室壁面)
3 シリンダブロック(燃焼室構成部材)
4 シリンダヘッド(燃焼室構成部材)
5 ピストン(燃焼室構成部材)
5C キャビティ
50 冠面(燃焼室壁面)
6 燃焼室
60 燃焼室天井面(燃焼室壁面)
11 吸気バルブ(燃焼室構成部材)
12 排気バルブ(燃焼室構成部材)
20 微細溝
21〜25 第1〜第5微細溝
30 スキッシュ流
31 主流
32 渦流(主流方向を回転軸とする縦渦)
S 溝幅
S1〜S5 第1〜第5の溝幅
h 溝高さ
A、B 径方向、円周方向
C1〜C4 断層部
O 径方向中心
P 配列ピッチ
R1〜R5 第1〜第5環状領域
1
3 Cylinder block (combustion chamber component)
4 Cylinder head (combustion chamber component)
5 Piston (combustion chamber component)
6
11 Intake valve (combustion chamber component)
12 Exhaust valve (combustion chamber component)
20 fine grooves 21-25 first to fifth
S Groove width S1 to S5 1st to 5th groove width h Groove height A, B Radial direction, circumferential direction C1 to C4 Fault section O Radial center P Arrangement pitch R1 to R5 1st to 5th annular region
本発明の一局面に係るエンジンの燃焼室構造は、シリンダ及びピストンを含むエンジンの燃焼室であって、当該燃焼室内にスキッシュ方向の筒内ガス主流が生じる燃焼室を区画する燃焼室壁面を有する燃焼室構成部材と、前記燃焼室壁面に形成され、前記燃焼室の径方向へ放射状に延びる複数の微細溝と、を備え、前記燃焼室壁面が、少なくとも前記燃焼室の径方向内側の第1環状領域と、前記第1環状領域に隣接し前記第1環状領域よりも径方向外側の第2環状領域とを含み、前記第1環状領域において前記複数の微細溝の各々は、一定の第1の溝幅で径方向に延びており、前記第2環状領域において前記複数の微細溝の各々は、前記第1の溝幅よりも広い一定の第2の溝幅で径方向に延びていることを特徴とする。 An engine combustion chamber structure according to an aspect of the present invention includes an engine combustion chamber including a cylinder and a piston, and includes a combustion chamber wall surface that defines a combustion chamber in which a cylinder main gas flow in a squish direction is generated in the combustion chamber. A combustion chamber constituent member and a plurality of fine grooves formed radially on the combustion chamber wall surface and extending radially in the radial direction of the combustion chamber, wherein the combustion chamber wall surface is at least a first radially inner side of the combustion chamber. An annular region and a second annular region adjacent to the first annular region and radially outward of the first annular region, wherein each of the plurality of microgrooves is a fixed first extends in the groove width in the radial direction, each of said plurality of fine grooves in said second annular region, that extends radially wider constant second groove width than the first groove width It is characterized by.
本発明の他の局面に係るエンジンの燃焼室構造は、シリンダ及びピストンを含むエンジンの燃焼室であって、当該燃焼室内にスキッシュ方向の筒内ガス主流が生じる燃焼室を区画する燃焼室壁面を有する燃焼室構成部材と、前記燃焼室壁面に形成され、前記燃焼室の径方向へ放射状に延びる複数の微細溝と、を備え、前記燃焼室壁面が、少なくとも前記燃焼室の径方向内側の第1環状領域と、前記第1環状領域に隣接し前記第1環状領域よりも径方向外側の第2環状領域とを含み、前記第1環状領域において前記複数の微細溝の各々は、第1の溝幅を有し、前記第2環状領域において前記複数の微細溝の各々は、前記第1の溝幅よりも広い第2の溝幅を有し、前記第1環状領域には、前記第1の溝幅を有する複数の第1微細溝が、円周方向に第1配列ピッチで配置され、前記第2環状領域には、前記第2の溝幅を有する複数の第2微細溝が、円周方向に第2配列ピッチで配置され、前記第1環状領域と前記第2環状領域との境界には、前記第1の溝幅と前記第2の溝幅との溝幅差に基づき、前記第1配列ピッチと前記第2配列ピッチとが前記円周方向にオフセットした断層部が形成されている。 A combustion chamber structure of an engine according to another aspect of the present invention is a combustion chamber of an engine including a cylinder and a piston, and includes a combustion chamber wall surface defining a combustion chamber in which a main flow of in-cylinder gas in the squish direction is generated in the combustion chamber. And a plurality of fine grooves formed in the combustion chamber wall surface and extending radially in the radial direction of the combustion chamber, wherein the combustion chamber wall surface is at least radially inward of the combustion chamber. One annular region and a second annular region adjacent to the first annular region and radially outside the first annular region, wherein each of the plurality of microgrooves in the first annular region includes a first annular region Each of the plurality of fine grooves in the second annular region has a second groove width wider than the first groove width, and the first annular region includes the first annular region. A plurality of first fine grooves having a groove width of A plurality of second fine grooves having the second groove width are arranged at a second arrangement pitch in the circumferential direction in the second annular region, and arranged in the second annular region. Based on the groove width difference between the first groove width and the second groove width, the first array pitch and the second array pitch are offset in the circumferential direction at the boundary with the second annular region. A tomographic fault is formed .
本発明のさらに他の局面に係るエンジンの燃焼室構造は、シリンダ及びピストンを含むエンジンの燃焼室であって、当該燃焼室内にスキッシュ方向の筒内ガス主流が生じる燃焼室を区画する燃焼室壁面を有する燃焼室構成部材と、前記燃焼室壁面に形成され、前記燃焼室の径方向へ放射状に延びる複数の微細溝と、を備え、前記燃焼室壁面が、少なくとも前記燃焼室の径方向内側の第1環状領域と、前記第1環状領域に隣接し前記第1環状領域よりも径方向外側の第2環状領域とを含み、前記第1環状領域において前記複数の微細溝の各々は、第1の溝幅を有し、前記第2環状領域において前記複数の微細溝の各々は、前記第1の溝幅よりも広い第2の溝幅を有し、前記燃焼室壁面が、径方向に3以上の環状領域に区分され、前記環状領域の各々に、前記スキッシュ方向の筒内ガス主流の流速に応じて設定された溝幅を有する微細溝が配置されている。 A combustion chamber structure of an engine according to still another aspect of the present invention is a combustion chamber of an engine including a cylinder and a piston, and a combustion chamber wall surface defining a combustion chamber in which a cylinder main gas flow in the squish direction is generated in the combustion chamber. And a plurality of fine grooves formed in the combustion chamber wall surface and extending radially in the radial direction of the combustion chamber, the combustion chamber wall surface at least radially inward of the combustion chamber A first annular region; and a second annular region adjacent to the first annular region and radially outward of the first annular region, wherein each of the plurality of microgrooves in the first annular region is a first annular region. Each of the plurality of fine grooves in the second annular region has a second groove width wider than the first groove width, and the combustion chamber wall surface is 3 in the radial direction. The annular region is divided into the above annular regions. S in, that has said squish direction of the cylinder interior gas main of the fine groove having a set groove width in accordance with the flow rate is disposed.
Claims (8)
前記燃焼室壁面に形成され、前記燃焼室の径方向へ放射状に延びる複数の微細溝と、を備え、
前記燃焼室壁面が、少なくとも前記燃焼室の径方向内側の第1環状領域と、前記第1環状領域に隣接し前記第1環状領域よりも径方向外側の第2環状領域とを含み、
前記第1環状領域において前記複数の微細溝の各々は、第1の溝幅を有し、
前記第2環状領域において前記複数の微細溝の各々は、前記第1の溝幅よりも広い第2の溝幅を有する、エンジンの燃焼室構造。 A combustion chamber constituting member having a combustion chamber wall surface that defines a combustion chamber in which an in-cylinder gas main flow in the squish direction is generated in the combustion chamber of the engine including a cylinder and a piston;
A plurality of fine grooves formed on a wall surface of the combustion chamber and extending radially in a radial direction of the combustion chamber;
The combustion chamber wall surface includes at least a first annular region radially inward of the combustion chamber, and a second annular region adjacent to the first annular region and radially outward of the first annular region;
Each of the plurality of fine grooves in the first annular region has a first groove width;
A combustion chamber structure for an engine, wherein each of the plurality of fine grooves in the second annular region has a second groove width wider than the first groove width.
前記第1の溝幅及び前記第2の溝幅は、2μm〜250μmの範囲から選ばれる、エンジンの燃焼室構造。 The combustion chamber structure of the engine according to claim 1,
The combustion chamber structure of the engine, wherein the first groove width and the second groove width are selected from a range of 2 μm to 250 μm.
前記微細溝の溝幅をSとし、溝高さをhとするとき、S≧hの関係を満たす、エンジンの燃焼室構造。 The engine combustion chamber structure according to claim 1 or 2,
An engine combustion chamber structure satisfying a relationship of S ≧ h, where S is a groove width of the fine groove and h is a groove height.
h/Sが、0.5〜1.0の範囲に設定されている、エンジンの燃焼室構造。 The combustion chamber structure for an engine according to claim 3,
An engine combustion chamber structure in which h / S is set in a range of 0.5 to 1.0.
前記第1環状領域には、前記第1の溝幅を有する複数の第1微細溝が、円周方向に第1配列ピッチで配置され、
前記第2環状領域には、前記第2の溝幅を有する複数の第2微細溝が、円周方向に第2配列ピッチで配置され、
前記第1環状領域と前記第2環状領域との境界には、前記第1の溝幅と前記第2の溝幅との溝幅差に基づき、前記第1配列ピッチと前記第2配列ピッチとが前記円周方向にオフセットした断層部が形成されている、エンジンの燃焼室構造。 In the combustion chamber structure of the engine according to any one of claims 1 to 4,
In the first annular region, a plurality of first fine grooves having the first groove width are arranged at a first arrangement pitch in the circumferential direction,
In the second annular region, a plurality of second fine grooves having the second groove width are arranged at a second arrangement pitch in the circumferential direction,
The boundary between the first annular region and the second annular region is based on a groove width difference between the first groove width and the second groove width. A combustion chamber structure of an engine, in which a tomographic part offset in the circumferential direction is formed.
前記第1配列ピッチと前記第1の溝幅とが実質的に同じであり、前記第2配列ピッチと前記第2の溝幅とが実質的に同じである、エンジンの燃焼室構造。 The combustion chamber structure of the engine according to claim 5,
A combustion chamber structure of an engine, wherein the first arrangement pitch and the first groove width are substantially the same, and the second arrangement pitch and the second groove width are substantially the same.
前記燃焼室壁面の一部は、前記ピストンの冠面で形成され、前記冠面の径方向中央部分には、凹没したキャビティが備えられ、
前記第1及び第2環状領域は、前記キャビティの開口縁と前記ピストンの外周縁との間において前記冠面に配置されている、エンジンの燃焼室構造。 The engine combustion chamber structure according to any one of claims 1 to 6,
A part of the wall surface of the combustion chamber is formed by a crown surface of the piston, and a radially central portion of the crown surface is provided with a recessed cavity,
The combustion chamber structure of an engine, wherein the first and second annular regions are disposed on the crown surface between an opening edge of the cavity and an outer peripheral edge of the piston.
前記燃焼室壁面が、径方向に3以上の環状領域に区分され、
前記環状領域の各々に、前記スキッシュ方向の筒内ガス主流の流速に応じて設定された溝幅を有する微細溝が配置されている、エンジンの燃焼室構造。
In the combustion chamber structure of the engine according to any one of claims 1 to 7,
The combustion chamber wall surface is divided into three or more annular regions in the radial direction;
A combustion chamber structure of an engine, wherein fine grooves having a groove width set in accordance with a flow velocity of the cylinder main gas flow in the squish direction are arranged in each of the annular regions.
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