JP2018188978A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】均質燃焼と成層燃焼の両方を適切に行なうことができる内燃機関を提供する。【解決手段】シリンダヘッド５のルーフ面５０とピストン２の頂面２０との間に形成される燃焼室１０の一部にスキッシュエリアが形成される内燃機関１である。ピストン２の頂面２０は、スキッシュエリアを形成する凸部と、凸部よりも低くなった低部と、を備える。この内燃機関１は、所定のタイミングでピストン２の往復運動を利用してピストン２を回転させることで、ルーフ面５０の特定領域と凸部とが対向することでスキッシュエリアが形成される高負荷モードと、特定領域と低部とが対向することでスキッシュエリアが形成されないか、または前記高負荷モードよりも前記スキッシュエリアが小さい低負荷モードと、を切り替えるモード切替機構３を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼室にスキッシュエリアを形成することができる内燃機関に関する。

シリンダブロックとシリンダヘッドとで構成される内部空間にピストンが配置される内燃機関では、シリンダブロックのシリンダボアと、シリンダヘッドのルーフ面と、ピストンの頂面とで囲まれる燃焼室が形成される。燃焼室における燃焼によってピストンが往復運動し、コンロッドを介してピストンに連結されるクランクシャフトが回転することで、回転動力を得ることができる。

このような内燃機関において、燃料の燃焼効率を向上させるため、燃焼室にスキッシュエリアを形成することが行なわれている（例えば、特許文献１参照）。スキッシュエリアは、燃焼室の外周縁部に形成されるエリアであって、シリンダヘッドのルーフ面と、ピストンの頂面とのクリアランスが狭くなったエリアである。スキッシュエリアを形成することで、燃焼室の外周縁部から中央に向うスキッシュ流を生じさせ、燃焼室における混合気の乱流運動エネルギーを増加させることができ、均質燃焼を行なうことができる。

特開２０１６−９８７９０号公報

近年の環境負荷に対する配慮から、排気ガスの一部を吸気系に再循環させるＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）などでリーンバーン（Ｌｅａｎ−ｂｕｒｎ）を実現することが行なわれている。ＥＧＲを行なう場合、排気ガスは殆ど酸素を含まないため、燃焼室内に導入した排気ガスを点火プラグから離隔した位置に配置し、燃料を含む新気を点火プラグに近い位置に配置した状態で燃焼を行なう成層燃焼を行なうことが好ましい。しかし、燃焼室にスキッシュエリアが形成されていると、排気ガスと新気とが混合し易く、失火の恐れがある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的の一つは、均質燃焼と成層燃焼の両方を適切に行なうことができる内燃機関を提供することにある。

本発明の一形態に係る内燃機関は、
シリンダヘッドと、コンロッドを介してクランクシャフトに連結されるピストンと、前記ピストンが往復されるシリンダブロックと、を備え、
前記シリンダヘッドのルーフ面と前記ピストンの頂面との間に形成される燃焼室の一部にスキッシュエリアが形成される内燃機関であって、
前記ピストンは、
前記コンロッドの端部に取り付けられるピストン基部と、
前記ピストン基部の外周を覆い、前記ピストン基部に対して前記ピストン基部の軸線を中心に回動可能に連結されるピストン外装部と、を備え、
前記ピストンの前記頂面は、
前記スキッシュエリアを形成する凸部と、
前記凸部よりも低くなった低部と、を備え、
所定のタイミングで前記ピストンの往復運動を利用して前記ピストン外装部を回転させることで、前記ルーフ面の特定領域と前記凸部とが対向することで前記スキッシュエリアが形成される高負荷モードと、前記特定領域と前記低部とが対向することで前記スキッシュエリアが形成されないか、または前記高負荷モードよりも前記スキッシュエリアが小さい低負荷モードと、を切り替えるモード切替機構を備える。

上記構成によれば、必要に応じてスキッシュエリアの有無を切り替えることができるので、均質燃焼と成層燃焼の両方を適切に行なうことができる。燃焼室にスキッシュエリアが形成されれば、混合気の撹拌が促進され、均質燃焼を効果的に行なうことができる。また、燃焼室にスキッシュエリアが形成されなければ、混合気の撹拌が抑制され、成層燃焼を効果的に行なうことができる。

実施形態に係る内燃機関の概略構成図である。 実施形態に係る内燃機関に備わるピストンの概略斜視図である。 実施形態に示すピストンを排気側から見た側面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ断面図である。 図３のＶ−Ｖ断面図である。 （Ａ）は、燃焼室にスキッシュエリアが形成される高負荷モード時のシリンダ内部の状態を示す説明図、（Ｂ）は、高負荷モード時のピストンの上面図である。 （Ａ）は、燃焼室にスキッシュエリアが形成されない低負荷モード時のシリンダ内部の状態を示す説明図、（Ｂ）は、低負荷モード時のピストンの上面図である。

以下、本発明の内燃機関の実施形態を図面に基づいて説明する。図中の矢印で示す『ＩＮ』は吸気側、『ＥＸ』は排気側を示す。なお、本発明は、これらの例示に限定されず、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

＜実施形態１＞
≪全体構成≫
図１の内燃機関１は、シリンダを構成するシリンダブロック６とシリンダヘッド５、およびシリンダブロック６の下部でエンジンオイルを貯留するオイルパン７を備える。シリンダヘッド５には、吸気バルブ５１ｂで開閉される吸気ポート５１、排気バルブ５２ｂで開閉される排気ポート５２、および点火プラグ５３などが設けられている。シリンダブロック６には、ピストン２が摺接されるシリンダボア６０が形成されている。ピストン２は、コンロッド８を介してクランクシャフト９に繋がっており、ピストン２の往復運動がクランクシャフト９の回転運動に変換される。

このような内燃機関１では、シリンダボア６０と、シリンダヘッド５のルーフ面５０と、ピストン２の頂面２０と、で囲まれる燃焼室１０が形成される。燃焼室１０における燃料の燃焼には、均質燃焼と成層燃焼とを挙げることができる。ここで、内燃機関１は、図示しない燃料噴射ノズルから吸気ポート５１内に燃料を噴射するポート噴射型の内燃機関１としても良いが、燃焼室１０に直接燃料を噴射する筒内噴射型の内燃機関１とすることが好ましい。筒内噴射型の内燃機関１は、燃料の噴射時期を変更することができるので、均質燃焼と成層燃焼の切り換えを行い易い。

均質燃焼が求められるのは、内燃機関１の高い出力が求められる高負荷時（例えば、３０００回転以上での運転時）などが挙げられる。均質燃焼を行なうには、燃焼室１０では混合気の混合が十分に行なわれる必要がある。そのためには、燃焼室１０の外周縁部でルーフ面５０と頂面２０との距離が小さくなったスキッシュエリアが形成されていることが好ましい。スキッシュエリアが形成されることで、燃焼室１０の外周縁部から中央に向うスキッシュ流が形成され易くなり、燃焼室１０における乱流運動エネルギーが増大するからである。一方、成層燃焼を行なう例として、排気ガスの一部を吸気ポート５１に還流するＥＧＲを挙げることができる。排気ガスは殆ど酸素を含まないため、燃焼室１０内で排気ガスが点火プラグ５３から離隔した位置に多く存在することが好ましい。そのためには、燃焼室１０内にスキッシュエリアが形成されないことが好ましい。

上述した均質燃焼と成層燃焼の両方を実現するために、本実施形態の内燃機関１は、必要に応じて内燃機関１の燃焼室１０にスキッシュエリアを形成できる構成を備える。本例では、ピストン２の構成を従来から変更すると共に、従来には無いモード切替機構３を用いることで、スキッシュエリアの形成・非形成を切り替えている。以下、ピストン２とモード切替機構３の構成の詳細を主として図２〜７に基づいて説明する。ここで、図３における丸印の中心に点を付した矢羽マークは紙面手前側に向う方向（排気側に向う方向）とし、丸印にバツを付した矢羽マークは紙面奥側に向う方向（吸気側に向う方向）示している

≪ピストン≫
本例のピストン２の頂面２０は、図２に示すように、スキッシュエリアを形成する一対の凸部２１と、凸部２１よりも低くなった一対の低部２２と、頂面２０の中心部に形成されるキャビティ部２３と、を備える。凸部２１は、頂面２０の外周縁部に設けられており、一方の凸部２１と他方の凸部２１とは、頂面２０の中心を挟んで対称に設けられている。凸部２１における頂面２０の内周縁側の部分は外周縁部に向って抉れたようになっている。その抉れたようになっている部分は、バルブリセスである。一方、低部２２は、頂面２０の外周縁部のうち、一対の凸部２１の間に配置されている。つまり、凸部２１と低部２２とが、外周縁部の周方向に交互に並んだ状態になっている。

図３に示すように、本例のピストン２はその周面に、後述するモード切替機構３の一部であるカム溝３２が形成されており、回転可能に構成されている。より具体的には、図４の縦断面図に示すように、本例のピストン２は、コンロッド８に連結されるピストン基部２Ａと、ピストン基部２Ａの外周を覆うように配置されるピストン外装部２Ｂとを備える。

ピストン基部２Ａは、頂部と側壁部とを有する筒状部材であって、その内部にコンロッド８の先端を収納できるようになっている。ピストン基部２Ａの側壁部にはピン孔２４が形成されており、そのピン孔２４に貫通されるピストンピン８０を介してピストン基部２Ａがコンロッド８に連結される。その結果、ピストン基部２Ａは、ピストンピン８０を中心に、コンロッド８に対して回転可能に構成される。また、ピストン基部２Ａの頂部の中心部には、貫通孔２５が形成されている。

ピストン外装部２Ｂは、頂部と側壁部とを有する筒状部材であって、その内部に上述したピストン基部２Ａを収納できる大きさになっている。ピストン外装部２Ｂの頂部の外周面は、図２，３に示す頂面２０を構成する。ピストン外装部２Ｂの頂部の内周面における中心部には、下方に突出する回転軸２６が形成されている。回転軸２６の外周面にはネジ溝が形成されており、ナット２７が螺合されている。ナット２７の外形は、貫通孔２５の内径よりも大きくなっている。そのため、ピストン外装部２Ｂは、回転軸２６を中心に、ピストン基部２Ａに対して回転可能になっている。

上記構成によれば、ピストン外装部２Ｂをピストン基部２Ａに対して回転させることで、頂面２０を回転させることができる。頂面２０が回転することで、頂面２０に形成される凸部２１と低部２２のルーフ面５０（図１）に対する配置が変わり、スキッシュエリアの形成の有無を切り替えることができる。ここで、ピストン外装部２Ｂは、人力は勿論、膨張行程の混合気の圧力によっても容易に回転させることはできないようになっている。そこで本例では、以下に示すモード切替機構３によって、ピストン外装部２Ｂを回転させる構成を採用している。

≪モード切替機構≫
モード切替機構３は、燃焼室１０内にスキッシュエリアが形成される高負荷モードと、燃焼室１０内にスキッシュエリアが形成されないか、または高負荷モードよりもスキッシュエリアが小さい低負荷モードと、を切り替える構成である。本例のモード切替機構３は、図３に示すようにカム機構によって構成されている。具体的には、ピストン外装部２Ｂの外周に形成されるカム溝３２と、シリンダブロック６のシリンダボア６０の内周面から出没自在に構成される出没カム３６と、出没カム３６を駆動する駆動装置（図示せず）と、を備える。

カム溝３２は、図３に示すように、概略螺旋状に延びている。具体的には、カム溝３２は、鉛直上方側の直線部と、直線部の下端に繋がる螺旋部とで構成されている。直線部はピストン２の往復方向に沿って延びており、螺旋部は、直線部から鉛直下方に向うに従い、ピストン外装部２Ｂの外周面の周方向に延びている。螺旋部の下端は広幅に形成されている。カム溝３２の周方向の形成範囲は約９０°である。

出没カム３６は、ピストン２が下死点側にあるときに、カム溝３２に作用する位置に設けられている。より具体的には、本例の出没カム３６は、図１に示すように、ピストン２が下死点にあるときにカム溝３２の直線部の上端位置に配置されるように、シリンダボア６０に形成されている。出没カム３６は、常時はシリンダボア６０から突出しない没状態にあり、ピストン２を回転させるときにのみ出状態になる。図１では、出没カム３６の位置を明らかにするために便宜上、出状態の出没カム３６を記載している。

図１の状態からピストン２を回転させる場合を説明する。ピストン２が下降するとき、出没カム３６は、図１とは異なり没状態にある。図１の状態からピストン２が下がって下死点に配置されたときに、出没カム３６がシリンダボア６０の内方に向って突出する。そうなると、図５の横断面図に示すように、出没カム３６がカム溝３２に係合する。この状態からピストン２が上昇すると、シリンダボア６０の所定位置で不動の出没カム３６にガイドされてピストン外装部２Ｂが図３に示す向きに回転する。カム溝３２の下端は、ピストン２の下端面に繋がる開放端となっているため、出没カム３６を出状態としたままでも、出没カム３６にカム溝３２の下端にぶつかって損傷することは無い。

図３に示す向きから図１に示す向きにピストン外装部２Ｂを戻す場合、ピストン２が出没カム３６の高さにまで下降する前に出没カム３６を出状態にする。そうすることで、出没カム３６が、図３のカム溝３２の下端部に案内され、ピストン外装部２Ｂが回転する。ピストン２が下死点にきたときに、出没カム３６はカム溝３２の直線部の上端からクリアランスを持って配置されるため、出没カム３６を出状態としたままでも、出没カム３６が折れる恐れは無い。出没カム３６は、ピストン２が上昇する前に没状態として、ピストン外装部２Ｂが逆回転しないようにする。

出没カム３６を動作させる駆動装置は、ソレノイドなどの電磁的な手段で構成することもできるし、油圧機構で構成することもできる。また、モード切替機構３の動作、即ち出没カム３６の出没動作の制御は、制御部によって行なうことができる。制御部は、例えば車載コンピュータ（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）で構成することができる。制御部は、運転者のアクセル開度やクランクシャフト９（図１）の回転数など、内燃機関１が高負荷状態か低負荷状態かを判断できる情報に基づいてモード切替機構３を動作させると良い。出没カム３６の出没動作のタイミングは、クランクシャフト９の回転角や図示しないカムシャフトの回転角などに基づいて決定すると良い。

≪モードの切り替え≫
モード切替機構３で切り替えるモードの説明を図６，７に基づいて説明する。図６（Ａ）、図７（Ａ）は、上死点にあるピストン２を図１と同じ方向から見た部分断面図、図６（Ｂ）、図７（Ｂ）は、ピストン２の頂面２０を上面視した図である。なお、図６（Ａ）、図７（Ａ）では、ピストン２の外周面にピストンリングを嵌め込むリング溝の図示を省略している。

図６に示すピストン外装部２Ｂの向きは、図１と同じである。この状態では、シリンダヘッド５のルーフ面５０の傾斜面（特定領域）と、ピストン２の頂面２０の凸部２１とが対向する。ルーフ面５０と凸部２１の傾斜面とがほぼ平行になっているため、ピストン２が上死点にあるとき、ルーフ面５０と傾斜面との隙間が非常に狭くなったスキッシュエリアが形成される。つまり、ピストン外装部２Ｂの向きが図６に示す状態にあるときが、ピストン２が高負荷モードにある状態である。スキッシュエリアが形成されることで、頂面２０の中心に向うスキッシュ流（塗り潰し矢印参照）が形成され、燃焼室１０内の乱流運動エネルギーが増加して混合気が均一的に撹拌されるため、点火プラグ５３で着火したときに均質燃焼を行なうことができる。均質燃焼が求められる内燃機関１の運転状態は、燃焼室１０における燃料の濃度が高い運転状態、即ち高負荷の運転状態である。

図７に示すピストン外装部２Ｂの向きは、図３と同じである。この状態では、シリンダヘッド５のルーフ面５０の傾斜面（特定領域）と、ピストン２の頂面２０の低部２２とが対向する。ルーフ面５０は傾斜面で、低部２２はほぼ水平面となっているため、ピストン２が上死点にあるとき、ルーフ面５０と低部２２との間に大きな隙間ができ、スキッシュエリアが形成されない。つまり、ピストン外装部２Ｂの向きが図７に示す状態にあるときが、ピストン２が低負荷モードにある状態である。スキッシュ流が形成され難くいことで、乱流運動エネルギーが増加し難く、点火プラグ５３で着火したときに成層燃焼を行なうことができる。成層燃焼が求められる内燃機関１の運転状態は、燃焼室１０における燃料の絶対量が少なく、燃料の濃度に偏りがある状態（例えばＥＧＲなどのリーンバーン状態）、即ち低負荷の運転状態である。

≪効果≫
以上説明した実施形態の内燃機関１によれば、均質燃焼と成層燃焼の両方を適切に行なうことができる。具体的には、内燃機関１の出力が求められるときには、モード切替機構３によってピストン２を図６に示す高負荷モードの状態に切り替え、燃焼室１０にスキッシュエリアを形成する。スキッシュエリアを形成することで、圧縮行程時に燃焼室１０の外周縁部から中央に向うスキッシュ流が形成されるようにする。スキッシュ流によって、燃焼室１０の乱流運動エネルギーを増加させ、均質燃焼を適切に行なうことができる。また、燃費の向上などが求められるときには、モード切替機構３によってピストン２を図７に示す低負荷モードの状態に切り替え、燃焼室１０にスキッシュエリアが形成されないようにする。そうすることで、燃焼室１０の乱流運動エネルギーの増加を抑制し、成層燃焼を適切に行なうことができる。

１ 内燃機関
２ ピストン
２Ａ ピストン基部 ２Ｂ ピストン外装部
２０ 頂面 ２１ 凸部 ２２ 低部 ２３ キャビティ部
２４ ピン孔 ２５ 貫通孔 ２６ 回転軸 ２７ ナット
３ モード切替機構
３２ カム溝 ３６ 出没カム
５ シリンダヘッド
５０ ルーフ面 ５１ 吸気ポート ５２ 排気ポート ５３ 点火プラグ
５１ｂ 吸気バルブ ５２ｂ 排気バルブ
６ シリンダブロック ６０ シリンダボア
７ オイルパン
８ コンロッド ８０ ピストンピン
９ クランクシャフト
１０ 燃焼室

Claims (1)

1. シリンダヘッドと、コンロッドを介してクランクシャフトに連結されるピストンと、前記ピストンが往復されるシリンダブロックと、を備え、
   前記シリンダヘッドのルーフ面と前記ピストンの頂面との間に形成される燃焼室の一部にスキッシュエリアが形成される内燃機関であって、
   前記ピストンは、
   前記コンロッドの端部に取り付けられるピストン基部と、
   前記ピストン基部の外周を覆い、前記ピストン基部に対して前記ピストン基部の軸線を中心に回動可能に連結されるピストン外装部と、を備え、
   前記ピストンの前記頂面は、
   前記スキッシュエリアを形成する凸部と、
   前記凸部よりも低くなった低部と、を備え、
   所定のタイミングで前記ピストンの往復運動を利用して前記ピストン外装部を回転させることで、前記ルーフ面の特定領域と前記凸部とが対向することで前記スキッシュエリアが形成される高負荷モードと、前記特定領域と前記低部とが対向することで前記スキッシュエリアが形成されないか、または前記高負荷モードよりも前記スキッシュエリアが小さい低負荷モードと、を切り替えるモード切替機構を備える内燃機関。

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