JP2018150905A

JP2018150905A - 圧縮着火式内燃機関

Info

Publication number: JP2018150905A
Application number: JP2017048940A
Authority: JP
Inventors: 孝小川; Takashi Ogawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-03-14
Filing date: 2017-03-14
Publication date: 2018-09-27

Abstract

【課題】熱損失をより低減する。【解決手段】圧縮着火式内燃機関１は、シリンダボアの内壁面２ｓと、シリンダヘッドの内壁面３ｓと、ピストンの頂面４ｓとにより画定される燃焼室５の径方向ほぼ中央に配置された燃料噴射弁１２を備える。燃料噴射弁は、燃料噴射弁からシリンダボアの内壁面に到る燃料噴射軸線ＦＩＡに沿って燃料を噴射する。ピストンの頂面４ｓに中心軸がシリンダ軸線Ｃ上にありかつシリンダヘッドに向けて突出する円錐状面４ｃを形成し、それにより、ピストンが燃料噴射軸線を横切ることなく、燃焼室が径方向外向きに見てシリンダ軸線方向に拡開するようにした。【選択図】図１

Description

本発明は圧縮着火式内燃機関に関する。

シリンダボアの内壁面と、シリンダヘッドの内壁面と、ピストンの頂面とにより画定される燃焼室の径方向ほぼ中央に配置された燃料噴射弁を備え、ピストンの頂面にキャビティが形成され、燃料噴射弁から噴射された燃料がキャビティの内壁面に衝突する、圧縮着火式内燃機関が公知である（例えば、特許文献１参照）。

特開平４−２９８６２６号公報

しかしながら、特許文献１では、熱損失が大きいという問題点がある。すなわち、まず、燃料噴射弁から噴射された燃料はキャビティの内壁面に衝突する。この場合、キャビティの内径は例えばシリンダボアの内径よりも小さいので、燃料が噴射されてから衝突するまでに進行する距離は比較的短い。その結果、燃料は比較的高速度でもってキャビティ内壁面に衝突する。ここで、流体と壁面との間の熱伝達率は流体の速度が大きくなると大きくなるので、流体から壁面への熱流束は流体の速度が大きくなると大きくなる。したがって、特許文献１では、燃料からピストンへの放熱量、すなわち熱損失が比較的大きい、ということになる。

また、特許文献１では、燃料は主として、衝突したキャビティの内壁面付近で燃焼する。ここで、流体から壁面への熱流束は流体の温度が高くなると大きくなる。したがって、特許文献１では、この観点からも、熱損失が比較的大きい、ということになる。

更に、特許文献１では、キャビティ内に、吸入空気又は筒内ガスによってシリンダ軸線回りの旋回流、すなわちスワールが形成される。その結果、燃料はスワールによってシリンダ軸線周りに旋回しながら、キャビティの内壁面に沿って進行し、燃焼する。この場合、キャビティの内径は例えばシリンダボアの内径よりも小さいので、スワールの回転慣性モーメントは比較的小さい。言い換えると、燃料は比較的高速度でもってキャビティの内壁面に沿いつつ進行する。したがって、特許文献１は、この観点からも、熱損失が比較的大きい、ということになる。

本発明によれば、シリンダボアの内壁面と、シリンダヘッドの内壁面と、ピストンの頂面とにより画定される燃焼室の径方向ほぼ中央に配置された燃料噴射弁を備え、前記燃料噴射弁は、前記燃料噴射弁から前記シリンダボアの内壁面に到る燃料噴射軸線に沿って燃料を噴射する、圧縮着火式内燃機関において、前記ピストンの頂面に中心軸がシリンダ軸線上にありかつ前記シリンダヘッドに向けて突出する円錐状面を形成し、それにより、前記ピストンが前記燃料噴射軸線を横切ることなく、前記燃焼室が径方向外向きに見て前記シリンダ軸線方向に拡開するようにした、圧縮着火式内燃機関が提供される。

熱損失をより低減することができる。

内燃機関の概略縦断面図である。シリンダヘッドの内壁面の平面図である。ピストン頂面の一実施例を示す、内燃機関の部分縦断面図である。ピストン頂面の別の実施例を示す、内燃機関の部分縦断面図である。ピストン頂面の更に別の実施例を示す、内燃機関の部分縦断面図である。ピストン頂面の更に別の実施例を示す、内燃機関の部分縦断面図である。

図１及び図２を参照すると、圧縮着火式内燃機関１は、シリンダブロック２と、シリンダブロック２の頂部に固定されたシリンダヘッド３と、ピストン４とを備える。シリンダブロック２はシリンダ軸線Ｃを中心軸とする円筒状のシリンダボア２ａを備え、ピストン４はシリンダボア２ａ内をシリンダ軸線Ｃ方向に往復動可能になっている。また、シリンダボア２ａ内には、シリンダボア２ａの内壁面２ｓと、シリンダヘッド３の内壁面３ｓと、ピストン４の頂面４ｓとにより燃焼室５が画定される。本発明による実施例では、シリンダヘッド内壁面３ｓはシリンダ軸線Ｃにほぼ垂直に拡がる平面状をなしている。一方、シリンダヘッド３内には吸気ポート６及び排気ポート７が形成され、吸気ポート６内及び排気ポート７内にはそれぞれ吸気弁８及び排気弁９が配置される。また、吸気ポート６及び排気ポート７はそれぞれ吸気マニホルド１０及び排気マニホルド１１に連結される。

燃焼室５の径方向ほぼ中央には燃料噴射弁１２が配置される。本発明による実施例では、燃料噴射弁１２はシリンダ軸線Ｃ上において、すなわち燃焼室５の径方向中心において、シリンダヘッド３に固定される。燃料噴射弁１２はその先端に、周方向に等間隔で配置された複数の噴孔を備えており、これらの噴口から燃料が燃焼室５内に噴射される。この場合、燃料噴射弁１２は、噴口の中心軸線である燃料噴射軸線ＦＩＡに沿って燃料を噴射する。なお、この燃料噴射軸線ＦＩＡは燃料噴射弁１２からシリンダボア内壁面２ｓに到っている。本発明による実施例では、圧縮上死点周りにおいて燃料が噴射される。また、本発明による実施例では、燃料として軽油が用いられる。

本発明による実施例では、燃焼室５内に、吸入空気又は筒内ガスによってシリンダ軸線Ｃ回りに旋回流、すなわちスワールが形成される。図２に示される矢印ＳＷはこのスワールを模式的に表している。

さて、本発明による実施例では、ピストン頂面４ｓに中心軸がシリンダ軸線Ｃ上にありかつシリンダヘッド３に向けて突出する円錐状面４ｃを形成し、それにより、ピストン４が燃料噴射軸線ＦＩＡを横切ることなく、燃焼室５が径方向外向きに見てシリンダ軸線Ｃ方向に拡開するようにしている。

すなわち、図３に示される例では、ピストン頂面４ｓの径方向中央部に円錐状面４ｃが形成されるとともに、ピストン頂面４ｓの径方向周辺部にシリンダ軸線Ｃに略垂直に拡がる平坦面４ｆが形成される。その結果、ピストン４が燃料噴射軸線ＦＩＡを横切ることなく、燃焼室５が径方向外向きに見てシリンダ軸線Ｃ方向に拡開する。言い換えると、ピストン頂面４ｓとシリンダヘッド内壁面３ｓとの間のシリンダ軸線Ｃ方向の距離、すなわち燃焼室深さＬＣは、シリンダ軸線Ｃから径方向外向きに大きくなる。更に言い換えると、燃焼室５の径方向周辺部５ｐにおける燃焼室深さＬＣは、燃焼室５の径方向中央部５ｃにおける燃焼室深さＬＣよりも大きい。なお、円錐状面４ｃの中心角θＣは例えば１２０から１４０度である。また、円錐状面４ｃの半径ｒＣは例えばボア径ｒＢの０．７倍である。

図３において、ピストン４は上死点にある。したがって、ピストン４の位置に関わらず、ピストン４は燃料噴射軸線ＦＩＡを横切ることがない。その結果、燃料噴射弁１２から噴射された燃料Ｆはピストン４に衝突することなく進行する。このため、燃料Ｆからピストン４への放熱が生じない。

この点、燃料Ｆの一部がシリンダボア内壁面２ｓに衝突するおそれがあり、燃料Ｆからシリンダボア内壁面２ｓへの放熱が生ずるおそれがある。しかしながら、燃料Ｆがシリンダボア内壁面２ｓに衝突する際の速度は、燃料Ｆがピストンのキャビティに衝突する際の速度よりも低い。したがって、燃料Ｆがピストン４のキャビティに衝突する場合に比べて、燃料Ｆからシリンダボア内壁面２ｓへの放熱量が低減される。

また、燃料Ｆがピストン４に衝突することなくシリンダボア内壁面２ｓまで進行するので、燃料Ｆがピストン４のキャビティに衝突する場合に比べて、燃料Ｆが進行する距離又は時間が長くされる。その結果、燃焼室５内で燃焼する燃料Ｆの量が多くなる。したがって、シリンダボア内壁面２ｓに衝突するおそれのある燃料Ｆの量が低減され、燃料Ｆからシリンダボア内壁面２ｓへの放熱量が低減される。

また、図３に示される例では、燃料噴射弁１２から噴射された燃料Ｆは中心角θＦをもつ円錐状をなしている。言い換えると、燃料Ｆは燃料噴射弁１２からシリンダボア内壁面２ｓに向けて拡開する。これに対し、燃焼室５もシリンダ軸線Ｃから径方向外向きに拡開するので、燃料Ｆはピストン頂面４ｓ及びシリンダヘッド内壁面３ｓにほとんど接触しない。このため、燃料Ｆからピストン４及びシリンダヘッド３への放熱がほとんど生じない。なお、中心角θＦは例えば２０から３０度である。

更に、燃焼室５の径方向周辺部５ｐにおける燃焼室深さＬＣが燃焼室５の径方向中央部５ｃにおける燃焼室深さＬＣよりも大きいので、ピストン４が上死点周りにあるときにスワールは主として燃焼室５の径方向周辺部５ｐを進行する。その結果、スワールがピストンのキャビティ内に形成される場合に比べて、スワールの旋回半径は大きい。このことは、スワールの回転慣性モーメントが比較的大きく、したがってスワールの速度が比較的低いことを意味している。したがって、この点でも、スワールからシリンダボア内壁面２ｓへの熱損失が低減される。

このように、本発明による実施例では、熱損失をより低減することができる。

なお、ピストン４が下死点に向かって移動し始めると、スワールの回転慣性モーメントが次第に小さくなる。その結果、スワールの速度が比較的高くなる。あるいは、スワール比が高くなる。その結果、燃焼がより促進され、等容度及び熱効率が向上される。なお、ピストン４が下死点に向かって移動しているときには、筒内温度は比較的低いので、スワールの速度が高くなっても、熱損失は比較的小さい。

ところで、ピストンにキャビティが形成される場合に、キャビティの内径を大きくすると、キャビティ周りのピストン頂部に薄肉部が形成されることになる。ところが、このような薄肉部には過度の熱負荷及び応力が作用するおそれがあり、ピストンの耐久性が低下するおそれがある。これに対し、本発明による実施例では、ピストン４にキャビティが形成されず、したがってピストン４に薄肉部が形成されない。その結果、ピストン４の耐久性が高められる。

図４から図６はピストン４の頂面４ｓの別の実施例を示している。図４に示される例では、円錐状面４ｃがピストン頂面４ｓ全体にわたり形成される。その結果、燃焼室５の径方向周辺部に比較的大きな空間が形成される。また、燃焼室５の径方向周辺部における空気割合が高められる。このため、図４に示される例は、シリンダ容積に対し大きいノズルを用いる高出力内燃機関といった、燃焼室５の径方向周辺部における燃焼割合が大きい場合に、適している。

一方、図５及び図６に示される例ではそれぞれ、円錐状面４ｃの周囲のピストン頂面４ｓに、シリンダヘッド３に向けて突出する凸状部４ｐが形成される。図５に示される例では、凸状部４ｐの頂面が平面状である。図６に示される例では、凸状部４ｐの頂面が湾曲している。図５及び図６に示される例では、上死点における燃焼室５の容積を小さくすることができる。したがって、燃料Ｆがピストン４に衝突するのを阻止しつつ、圧縮比をより高めることができる。また、凸状部４ｐによって、燃焼室５の径方向周辺部に位置するガスからシリンダボア内壁面２ｓへの放熱が制限される。したがって、燃焼室５の径方向周辺部における消炎が制限され、燃焼が改善される。図６に示される例では凸状部４ｐの頂面が湾曲しているので、消炎の制限に特に効果的である。

１圧縮着火式内燃機関
２シリンダブロック
２ｓシリンダボア内壁面
３シリンダヘッド
３ｓシリンダヘッド内壁面
４ピストン
４ｓピストン頂面
４ｃ円錐状面
５燃焼室
１２燃料噴射弁
ＦＩＡ燃料噴射軸線
Ｃシリンダ軸線

Claims

シリンダボアの内壁面と、シリンダヘッドの内壁面と、ピストンの頂面とにより画定される燃焼室の径方向ほぼ中央に配置された燃料噴射弁を備え、前記燃料噴射弁は、前記燃料噴射弁から前記シリンダボアの内壁面に到る燃料噴射軸線に沿って燃料を噴射する、圧縮着火式内燃機関において、前記ピストンの頂面に中心軸がシリンダ軸線上にありかつ前記シリンダヘッドに向けて突出する円錐状面を形成し、それにより、前記ピストンが前記燃料噴射軸線を横切ることなく、前記燃焼室が径方向外向きに見て前記シリンダ軸線方向に拡開するようにした、圧縮着火式内燃機関。