JP2018204506A - Combustion chamber structure for engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、火花点火式のエンジンの燃焼室構造に関する。 The present invention relates to a combustion chamber structure of a spark ignition type engine.
自動車などの車両用のガソリンエンジンでは、点火プラグを用いて燃焼室内の混合気に着火させる火花点火方式が広く採用されている。一般に前記燃焼室は、気筒の内壁面、シリンダヘッドの底面(燃焼室天井面)及びピストンの冠面によって区画され、前記点火プラグの着火部は前記燃焼室天井面に配置される。特許文献1には、前記着火部と対向する位置において、前記冠面にキャビティを配置してなる燃焼室構造が開示されている。
In gasoline engines for vehicles such as automobiles, a spark ignition system is widely employed in which an air-fuel mixture in a combustion chamber is ignited using an ignition plug. Generally, the combustion chamber is defined by an inner wall surface of a cylinder, a bottom surface of the cylinder head (combustion chamber ceiling surface), and a crown surface of a piston, and an ignition portion of the ignition plug is disposed on the ceiling surface of the combustion chamber.
上記のエンジンにおいてNOxやCOの排出量を低減するためには、前記燃焼室内での混合気の燃焼の際に、局所的に高温となる部分や酸素が不足する部分が生成されないようにすることが肝要となる。この場合、燃料分布が均質で燃料濃度の薄い混合気を、燃焼室空間を広く利用して燃焼させることが理想的である。しかし、上記のような薄い混合気を用いると、前記点火プラグの着火部周辺の燃料濃度も薄くなってしまうことに起因して、当該混合気への着火性が悪化する。また、薄い混合気であると、所期のエンジントルクが得られ難くなるという問題も生じる。 In order to reduce NOx and CO emissions in the above-mentioned engine, it is necessary to prevent the generation of locally high-temperature parts or oxygen-deficient parts during combustion of the air-fuel mixture in the combustion chamber. Is essential. In this case, it is ideal that an air-fuel mixture having a uniform fuel distribution and a low fuel concentration is burned using a wide space in the combustion chamber. However, when such a thin air-fuel mixture is used, the ignitability of the air-fuel mixture deteriorates because the fuel concentration in the vicinity of the ignition part of the spark plug is also reduced. In addition, if the air-fuel mixture is thin, there is a problem that it is difficult to obtain the desired engine torque.
本発明は上記の点に鑑みて為されたものであって、火花点火式のエンジンにおいて、燃焼室空間の全体を利用した均質燃焼が可能であり、しかも大きいエンジントルクを得ることが可能なエンジンの燃焼室構造を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and in a spark ignition type engine, it is possible to perform homogeneous combustion utilizing the entire combustion chamber space and obtain a large engine torque. An object of the present invention is to provide a combustion chamber structure.
本発明の一局面に係るエンジンの燃焼室構造は、火花点火式のエンジンの燃焼室構造であって、気筒及びピストンを含むエンジンの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、前記燃焼室内に着火部が配置された点火プラグと、を備え、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、前記冠面は、前記着火部に対応する位置に凹設された第1キャビティと、前記第1キャビティに隣接する位置に凹設され、前記第1キャビティよりも気筒軸方向の投影面積が大きい第2キャビティと、を含むことを特徴とする。 A combustion chamber structure of an engine according to an aspect of the present invention is a combustion chamber structure of a spark ignition type engine, and includes a combustion chamber structural member having a combustion chamber wall surface that defines a combustion chamber of the engine including a cylinder and a piston, An ignition plug having an ignition part disposed in the combustion chamber, wherein a part of the wall surface of the combustion chamber is formed by a crown surface of the piston, and the crown surface is recessed at a position corresponding to the ignition part. And a second cavity that is recessed at a position adjacent to the first cavity and has a larger projected area in the cylinder axis direction than the first cavity.
この燃焼室構造によれば、着火部に対応する位置に第1キャビティが配置されているので、前記着火部の周囲に燃料を含む混合気の乱流が集約されるようになる。このため、前記着火部による着火性が良好となり、また、前記第1キャビティ内において火炎を高速で拡げることができる。この第1キャビティに隣接して、投影面積が大きい第2キャビティが配置されている。当該第2キャビティにも前記混合気の乱流が集約されるため、前記第1キャビティで発生した火炎が前記第2キャビティ内へ火炎伝播する、或いは高温化により自己着火することによって、急速に前記第2キャビティ内の混合気が燃焼する。従って、燃焼室全体に火炎を高速で拡大させ、燃焼室空間の全体を利用した均質燃焼を実現させることができる。また、ピストン上死点付近で混合気を高速燃焼させることが可能となり、大きなエンジントルクを発生させることが可能となる。 According to this combustion chamber structure, since the first cavity is disposed at a position corresponding to the ignition part, the turbulent flow of the air-fuel mixture including the fuel is concentrated around the ignition part. For this reason, the ignitability by the said ignition part becomes favorable, and a flame can be spread in the said 1st cavity at high speed. A second cavity having a large projected area is disposed adjacent to the first cavity. Since the turbulent flow of the air-fuel mixture is also concentrated in the second cavity, the flame generated in the first cavity propagates into the second cavity or is self-ignited due to high temperature, thereby rapidly The air-fuel mixture in the second cavity burns. Therefore, the flame can be expanded at high speed in the entire combustion chamber, and homogeneous combustion utilizing the entire combustion chamber space can be realized. Further, the air-fuel mixture can be burned at high speed near the top dead center of the piston, and a large engine torque can be generated.
上記の燃焼室構造において、前記第1キャビティは、当該第1キャビティの外周縁である第1周縁を含み、前記第2キャビティは、当該第2キャビティの外周縁である第2周縁を含み、前記第1周縁の一部は、前記第2周縁の一部を兼ねる共通周縁部であり、該共通周縁部は稜線であることが望ましい。 In the combustion chamber structure, the first cavity includes a first peripheral edge that is an outer peripheral edge of the first cavity, and the second cavity includes a second peripheral edge that is an outer peripheral edge of the second cavity, It is desirable that a part of the first peripheral edge is a common peripheral edge part also serving as a part of the second peripheral edge, and the common peripheral edge is a ridge line.
この燃焼室構造によれば、前記稜線を間に介して第1、第2キャビティが隣り合う態様となる。従って、前記第1キャビティで発生した火炎が前記第2キャビティ内の混合気にスムースに燃え移り、燃焼室全体としてより高速な燃焼を行わせることができる。 According to this combustion chamber structure, the first and second cavities are adjacent to each other with the ridge line therebetween. Therefore, the flame generated in the first cavity is smoothly burned into the air-fuel mixture in the second cavity, and the combustion chamber as a whole can be burned at higher speed.
上記の燃焼室構造において、前記燃焼室壁面の一部は、前記冠面と対向する燃焼室天井面で形成され、前記燃焼室天井面に、前記燃焼室に燃料を噴射するための燃料噴射弁が配置されていることが望ましい。 In the above combustion chamber structure, a part of the wall surface of the combustion chamber is formed of a ceiling surface of the combustion chamber facing the crown surface, and a fuel injection valve for injecting fuel into the combustion chamber on the ceiling surface of the combustion chamber It is desirable to be arranged.
この燃焼室構造によれば、直噴方式で燃料が燃焼室に供給される。このため、上死点の直前で燃料噴射が可能となる、つまり第1、第2キャビティにおいて乱流が多く生成されるタイミングでの燃料噴射が可能となり、ノッキングを防止しつつ、前記高速燃焼をより有利に実現させることができる。 According to this combustion chamber structure, fuel is supplied to the combustion chamber by a direct injection method. For this reason, fuel injection is possible immediately before top dead center, that is, fuel injection can be performed at a timing when many turbulent flows are generated in the first and second cavities, and the high-speed combustion is performed while preventing knocking. It can be realized more advantageously.
上記の燃焼室構造において、前記燃料噴射弁は、前記ピストンが上死点位置又はその近傍にあるときに、前記第1キャビティの方向及び前記第2キャビティの方向の双方へ燃料を噴射可能であり、前記燃焼室天井面には、吸気ポートと排気ポートとが配置され、前記燃焼室において前記吸気ポートが配置される側を吸気側、前記排気ポートが配置される側を排気側とするとき、前記点火プラグの前記着火部は、前記燃料噴射弁よりも前記吸気側寄りに配置され、前記第2キャビティの少なくとも一部は、前記燃料噴射弁よりも前記排気側寄りに配置されていることが望ましい。 In the above combustion chamber structure, the fuel injection valve can inject fuel in both the direction of the first cavity and the direction of the second cavity when the piston is at or near the top dead center position. When the intake port and the exhaust port are disposed on the combustion chamber ceiling surface, the side on which the intake port is disposed in the combustion chamber is the intake side, and the side on which the exhaust port is disposed is the exhaust side. The ignition part of the spark plug is disposed closer to the intake side than the fuel injection valve, and at least a part of the second cavity is disposed closer to the exhaust side than the fuel injection valve. desirable.
燃料が上死点付近で噴射される場合、燃料を早く霧化することが求められる。燃料の高速霧化は、高温環境を宛がうことで達成できる。一般に、燃焼室においては、吸気側よりも排気側の方が高温となる。上記の燃焼室構造によれば、前記第1キャビティよりも投影面積の大きい前記第2キャビティの少なくとも一部が、比較的高温となる排気側寄りに配置される。従って、前記第2キャビティ内において短時間で良質な混合気を形成させることが可能となる。 When fuel is injected near top dead center, it is required to atomize the fuel quickly. High-speed atomization of fuel can be achieved by applying a high temperature environment. Generally, in the combustion chamber, the exhaust side is hotter than the intake side. According to the combustion chamber structure, at least a part of the second cavity having a larger projected area than the first cavity is disposed closer to the exhaust side where the temperature is relatively high. Therefore, it is possible to form a high-quality air-fuel mixture in the second cavity in a short time.
上記の燃焼室構造において、前記着火部は、L字型に折曲された接地電極を含み、前記燃料噴射弁は、前記第1キャビティを指向した噴射孔を含み、前記着火部は、前記燃料噴射弁と前記第1キャビティとの間に配置され、且つ、前記接地電極の前記L字型の先端部分が前記燃料噴射弁の配置位置から離間する方向を指向するように、前記燃焼室に配置されていることが望ましい。 In the combustion chamber structure, the ignition part includes a ground electrode bent in an L shape, the fuel injection valve includes an injection hole directed to the first cavity, and the ignition part includes the fuel Arranged in the combustion chamber so as to be disposed between the injection valve and the first cavity, and so that the L-shaped tip portion of the ground electrode is oriented away from the arrangement position of the fuel injection valve. It is desirable that
この燃焼室構造によれば、前記接地電極によって作られる前記着火部の放電空間に、前記燃料噴射弁から噴射された燃料が、充分に霧化しない状態で入り込まないようにすることができる。つまり、前記L字型の先端部分に連なる基端部分で、噴射される燃料がブロックされるので、前記放電空間を挟んだ電極に霧化不足の燃料が直接付着して炭化するプラグ被りを防止できる。従って、前記第1キャビティ内の乱流と噴射燃料とが充分にミキシングされた混合気が、前記着火部に到達するようにすることができる。 According to this combustion chamber structure, it is possible to prevent the fuel injected from the fuel injection valve from entering the discharge space of the ignition part formed by the ground electrode without being sufficiently atomized. In other words, since the injected fuel is blocked at the base end portion that is continuous with the L-shaped tip portion, the plug covering that carbonized by insufficiently atomized fuel directly adheres to the electrodes sandwiching the discharge space is prevented. it can. Accordingly, the air-fuel mixture in which the turbulent flow in the first cavity and the injected fuel are sufficiently mixed can reach the ignition portion.
上記の燃焼室構造において、前記第1キャビティの底面は、前記第2キャビティの底面よりも気筒軸方向において高い位置に形成されていることが望ましい。 In the above combustion chamber structure, it is desirable that the bottom surface of the first cavity is formed at a position higher in the cylinder axial direction than the bottom surface of the second cavity.
この燃焼室構造によれば、ピストンが上死点付近にあるときに前記燃焼室内で生成されるスワール流を、前記第2キャビティから前記第1キャビティへ向けて斜め上方へせり上がる斜めスワール流とすることができる。このため、前記第1キャビティに対応する位置に配置されている着火部に存在する残留ガスを、前記斜めスワール流によって除去することが可能となる。従って、前記着火部に新鮮な混合気を与え、前記第1キャビティ内において火炎をより高速で拡げることができる。 According to this combustion chamber structure, the swirl flow generated in the combustion chamber when the piston is near the top dead center is an oblique swirl flow that rises obliquely upward from the second cavity toward the first cavity. can do. For this reason, it becomes possible to remove the residual gas which exists in the ignition part arrange | positioned in the position corresponding to a said 1st cavity by the said diagonal swirl flow. Therefore, a fresh air-fuel mixture can be given to the ignition part, and the flame can be expanded at a higher speed in the first cavity.
上記の燃焼室構造において、前記第2キャビティは、前記冠面の気筒軸方向視において、前記燃料噴射弁を取り囲むような略C字形状を有し、前記第1キャビティは、前記C字形状の開放部分に挟まれる位置に形成されていることが望ましい。 In the above combustion chamber structure, the second cavity has a substantially C-shape surrounding the fuel injection valve as viewed in the cylinder axial direction of the crown surface, and the first cavity has the C-shape. It is desirable to be formed at a position sandwiched between the open portions.
この燃焼室構造によれば、比較的高温の排気側で充分に霧化された混合気が、ピストンが上死点付近に到達した際に、前記第2キャビティのC字形状に沿って、前記第1キャビティに集約される。これにより、前記着火部による着火性を一層高めることができる。 According to this combustion chamber structure, when the air-fuel mixture sufficiently atomized on the relatively hot exhaust side reaches the top dead center, along the C-shape of the second cavity, Centralized in the first cavity. Thereby, the ignitability by the said ignition part can be improved further.
本発明によれば、火花点火式のエンジンにおいて、燃焼室空間の全体を利用した均質燃焼が可能であり、しかも大きいエンジントルクを得ることが可能なエンジンの燃焼室構造を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in a spark ignition type engine, the homogeneous combustion using the whole combustion chamber space is possible, and the combustion chamber structure of the engine which can obtain a big engine torque can be provided.
[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火花点火式の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に示されたシリンダヘッドの要部の断面図である。図1及び図2、これら以降の図において、XYZの方向表示を付している。Z方向は気筒軸方向、Y方向はクランク軸の延伸方向、X方向はZ方向及びY方向の双方と直交する方向である。
[Entire engine configuration]
Hereinafter, a combustion chamber structure of a spark ignition type engine according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an engine to which a combustion chamber structure of an engine according to an embodiment of the present invention is applied, and FIG. 2 is a cross-sectional view of a main part of the cylinder head shown in FIG. In FIG. 1 and FIG. 2 and subsequent figures, XYZ direction indications are given. The Z direction is the cylinder axis direction, the Y direction is the extending direction of the crankshaft, and the X direction is a direction orthogonal to both the Z direction and the Y direction.
本実施形態に係るエンジンは、シリンダ及びピストンを含み、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多気筒エンジンである。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、ガソリンを主成分とするものである。
The engine according to this embodiment includes a cylinder and a piston, and is a multi-cylinder engine mounted on the vehicle as a power source for driving the vehicle such as an automobile. The engine includes an
本実施形態のエンジン本体1は、点火プラグにて燃焼室内の混合気に強制点火する通常のSI(Spark Ignition)燃焼と、SI燃焼において燃料噴射のタイミングを圧縮上死点(TDC)付近とするリタードSI燃焼と、SI燃焼とCI(Compression Ignition)燃焼とを組み合わせたSICI燃焼と、を実行することが可能とされている。SI燃焼では、吸気行程の中期に燃料が噴射され、圧縮行程のTDC付近で混合気に強制点火されるが、リタードSI燃焼では、圧縮行程のTDC前後で燃料が噴射され、その後の膨張行程初期に混合気に強制点火される。SICI燃焼では、燃焼室の混合気に強制点火して火炎伝播により燃焼させると共に、燃焼室内の未燃混合気を自己着火により燃焼させる。なお、SICI燃焼において、自己着火を発生させず、火炎伝播により燃焼を完了させる場合もある。これらの燃焼態様は、運転領域に応じて選択される。例えば、SI燃焼は、エンジンの高回転・高負荷領域で、リタードSI燃焼は低回転・高負荷領域で、SICI燃焼は回転数に依らず低負荷領域で、各々選択される。
The engine
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。ピストン5の構造については、図3〜図8に基づき後記で詳述する。
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は燃焼室天井面6Uであり、この燃焼室天井面6Uは、上向きに僅かに凸のペントルーフ型の形状を有している。燃焼室天井面6U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。燃焼室天井面6Uの平面図である図9を参照して、本実施形態のエンジン本体1は、ダブルオーバーヘッドカムシャフト式(DOHC)エンジンであり、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共に、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(+Z側の面)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、各吸気バルブ11及び排気バルブ12が駆動される。これら吸気バルブ11及び排気バルブ12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、その先端に着火部17Aを備え、この着火部17A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。点火プラグ17の配置、着火部17Aの構造などについては、後記で詳述する。
One ignition plug 17 for supplying ignition energy to the air-fuel mixture in the
シリンダヘッド4(燃焼室天井面6U)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(燃料噴射弁)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を通して供給された燃料を燃焼室6に噴射する。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 cylinder head 4 (
[ピストンの詳細構造]
図3〜図8を参照して、ピストン5の構造、とりわけ冠面50の構造について詳細に説明する。図3は、ピストン5の斜視図、図4は、ピストン5に対する点火プラグ17及びインジェクタ18の配置関係を示す斜視図、図5は、冠面50の平面図である。また、図6、図7、図8は、それぞれ図5のVI−VI線、VII−VII線、VIII−VIII線断面図である。
[Detailed structure of piston]
With reference to FIGS. 3 to 8, the structure of the
ピストン5は、ピストンヘッド5Aと、ピストンヘッド5Aの下方(−Z側)に連設されたスカート部5Sとを含む。ピストンヘッド5Aは円柱体からなり、上記の通り燃焼室6の壁面の一部(底面)を形成する冠面50を上面に備えると共に、気筒2の内壁面と摺接する側周面とを備える。前記側周面には、ピストンリングが嵌め込まれるリング溝が複数備えられている。スカート部5Sは、ピストンヘッド5Aの+X側及び−X側に配置され、ピストン5の往復運動の際の首振り揺動を抑制する。ピストンヘッド5Aの下方には、Y方向に延びるピン孔を区画するピストンボス5Bが設けられている。ピストンボス5Bの前記ピン孔には、ピストンピン81が挿通される(図6)。ピストンピン81は、コネクティングロッド8の小端部8Sと、ピストン5とを連結するピンである。
The
冠面50は、燃焼室天井面6UとZ方向に対向する面である。冠面50は、その径方向(X方向及びY方向)の概ね中央部分に配置されたキャビティ5Cを含む。キャビティ5Cは、冠面50が下方(−Z側)に凹没された部分であり、例えば上述のリタードSI燃焼を行うモードにおいて、インジェクタ18から燃料の噴射を受ける部分である。冠面50においてキャビティ5Cの外周には、吸気側平面部55、排気側平面部56及び一対の側方上面57が配置されている。吸気側平面部55は、キャビティ5Cの−X側に隣接する平面、排気側平面部56は、キャビティ5Cの+X側に隣接する平面、一対の側方上面57はキャビティ5Cの+Y側及び−Y側に各々隣接する、概ね平坦な面である。
The
キャビティ5Cは、小キャビティ51(第1キャビティ)、大キャビティ52(第2キャビティ)及び凸部53を含む。小キャビティ51は、図4に示すように、点火プラグ17の着火部17Aに対応する位置、つまり着火部17Aの直下の位置に凹設されている。大キャビティ52は、小キャビティ51に隣接する位置に凹設され、気筒軸方向の上面視(図5)において、小キャビティ51よりも大きい投影面積を有している。小キャビティ51の大きさは、後述する燃料噴射期間PF1のタイミングで、後述するインジェクタ18に設けられた複数の噴射孔のうち隣接する2つの噴射孔の中心軸線(燃料噴射の指向軸)が収まる程度の大きさに設定している。大キャビティ52は、後述する燃料噴射期間PF2で燃料を噴射するタイミングで、残りの噴射孔の中心軸線が収まるように設定されている。その結果、本実施形態では、大キャビティ52の気筒軸方向の投影面積が、小キャビティ51よりも8倍程度大きい態様となっている。凸部53は、冠面50のXY方向の中央付近に配置されている。凸部53は、インジェクタ18のノズルヘッド18Nの直下の位置に凸設されている。
The
後記で詳述するが、小キャビティ51は、着火部17A周辺の比較的狭い領域に混合気の乱流を集約し、着火部17Aによる強制点火によって火種となる燃焼領域を作る役目を果たす。従って、小キャビティ51の気筒軸方向の投影面積は、着火部17Aの周囲を取り囲む程度の小面積で足りる。また、小キャビティ51のキャビティ形状は、特に限定されものではないが、例えば着火部17Aの鉛直下方を中心とするパラボラ形状は、好ましい形状の一つである。
As will be described in detail later, the
一方、大キャビティ52は、同様に混合気の乱流を集約する役目を果たすが、小キャビティ51で発生した火炎を火種として、燃焼室6の全体に速やかにその火炎を拡張させることも企図されたキャビティである。また、火炎を燃焼室6の全体に均等に拡張させるためには、図5に例示しているように大キャビティ52は、上面視において冠面50と大略的に同心円となる外形形状を備えていることが望ましい。
On the other hand, the
小キャビティ51は、当該小キャビティ51を区画する外周縁である第1周縁511を含む。大キャビティ52は、当該大キャビティ52を区画する外周縁である第2周縁521を含む。第1周縁511は、上面視で略扇型の形状であり、凸部53、吸気側平面部55及び大キャビティ52との境界線となる。第2周縁521は、上面視で略C字型の形状を有している。つまり、大キャビティ52は、冠面50の気筒軸方向視において略C字形状を有している。第2周縁521は、凸部53、吸気側平面部55、排気側平面部56、側方上面57及び小キャビティ51との境界線となる。
The
第1周縁511の一部は、第2周縁521の一部を兼ねる共通周縁部である。具体的には、第1周縁511における、凸部53及び吸気側平面部55と各々境界をなす円弧状部分を除いた部分は、第2周縁521の一部と共通である。この第2周縁521の一部は、前記C字形状の開放部分(開放端縁)に相当する。前記共通周縁部は、図3、図7、図8に示されているように、上方へ突出した稜線54である。すなわち、本実施形態では、稜線54だけを間に介して小キャビティ51と大キャビティ52とが隣り合っている。
A part of the first
図5を参照して、大キャビティ52は、略円形の凸部53を取り囲むC字形状を有している。小キャビティ51は、このような大キャビティ52の、C字形状の開放部分に挟まれる位置に形成されている。これにより、稜線54で区切られてはいるが、小、大キャビティ51、52によって、凸部53と略同心の環状凹部が冠面50に形成されている。
Referring to FIG. 5, the
凸部53はインジェクタ18(ノズルヘッド18N)の直下に位置しているので、小キャビティ51及び大キャビティ52はノズルヘッド18Nを取り囲む形状を有しているとも言える。ノズルヘッド18Nは、放射状に燃料を噴射可能なマルチホールタイプのヘッドであり、ノズルヘッド18Nからピストン5のTDC又はその近傍付近で燃料が噴射される場合には、当該燃料は小、大キャビティ51、52(上記の環状凹部)に向かうことになる。つまり、ノズルヘッド18Nは、小、大キャビティ51、52の双方へ燃料噴射が可能である。
Since the
吸気側平面部55は、小キャビティ51の−X側に隣接する平面であり、平面視で概ね扇型の形状を有している。排気側平面部56は、大キャビティ52の+X側に隣接する平面であり、吸気側平面部55よりも小さいが、同様に平面視で概ね扇型の形状を有している。吸気側平面部55及び排気側平面部56は同じ高さ位置にある平面であり、冠面50において最も高い位置にある。一対の側方上面57は、大キャビティ52の+Y側及び−Y側に各々隣接し、大キャビティ52の外側において吸気側平面部55と排気側平面部56とを繋ぐ面である。側方上面57は、吸気側及び排気側平面部55、56よりもやや高さ位置が低い部分であり、燃焼室天井面6Uの緩いペントルーフ形状に応じた緩い凸形状を有している。側方上面57は、吸気、排気バルブ11、12と冠面50との干渉を回避するバルブリセスでもある。
The intake
図6を参照して、キャビティ5Cの深さに関し、小キャビティ51の底面512は、大キャビティ52の底面522よりも気筒軸方向(Z方向)において高い位置に形成されている。底面512、522は、それぞれ小、大キャビティ51、52において、吸気側及び排気側平面部55、56に対する窪み深さが最も深い部分である。凸部53は、底面512、522よりも高い位置にあるが、吸気側及び排気側平面部55、56に対しては窪んだ位置にある。
Referring to FIG. 6, regarding the depth of
小キャビティの底面512のZ方向における高さ位置をh1、大キャビティ52の底面522のZ方向における高さ位置をh2とするとき、h1はh2よりも高い位置(+Z側)にあり、両者間には所定の高低差dが与えられている。これによりキャビティ5Cの小、大キャビティ51、52からなる環状凹部は、その底面が−X側が+X側よりも高くなるように傾斜する傾向を有している。
When the height position in the Z direction of the
[燃焼室構造の詳細]
続いて、冠面50を含む燃焼室6の各部の構造について説明する。図9は、燃焼室天井面6Uの平面図である。燃焼室天井面6Uは、シリンダヘッド4の底面4aと、吸気ポート9の2つの吸気側開口部41を開閉する2つの吸気バルブ11のバルブ面11cと、排気ポート10の2つの排気側開口部42を開閉する2つの排気バルブ12のバルブ面12cとによって構成されている。2つの吸気側開口部41(吸気ポート9)は、−X側においてY方向に2つが並ぶように配置されている。排気側開口部42(排気ポート10)は、+X側においてY方向に2つが並ぶように配置されている。以下、燃焼室6において、吸気ポート9が配置される側を吸気側、排気ポート10が配置される側を排気側という。
[Details of combustion chamber structure]
Next, the structure of each part of the
燃焼室天井面6Uの吸気側には吸気側天面43が、排気側には排気側天面44が備えられている。吸気側天面43は、2つの吸気側開口部41の間の−X側領域において延びる平坦な面である。排気側天面44は、2つの排気側開口部42の間の+X側領域において延びる平坦な面である。吸気側天面43は、冠面50の吸気側平面部55と対向する面、排気側天面44は、排気側平面部56と対向する面である。バルブ面11c、12cは、概ね半分が側方上面57と対向し、残りの半分が大キャビティ52と対向する。
An intake side
2つの吸気側開口部41の中間にはプラグ凹部45が凹設されている。プラグ凹部45は、点火プラグ17の着火部17Aを燃焼室6内に露出させるための円柱型の凹部である。インジェクタ18のノズルヘッド18Nは、燃焼室天井面6Uにおいて、X方向及びY方向の略中心位置に配置されている。着火部17Aは、このノズルヘッド18Nよりも吸気側寄りに配置されている。
A
小、大キャビティ51、52の燃焼室6内の配置に関し、大略的には、小キャビティ51は吸気側、大キャビティ52は排気側に配置されている。図5を参照して、ノズルヘッド18Nと対向する位置にある凸部53よりも−X側が吸気側、+X側が排気側となる。着火部17Aと対向する小キャビティ51は、全体が吸気側に位置している。一方、大キャビティ52は、大部分(少なくとも一部)が排気側に位置している。
Regarding the arrangement of the small and
大キャビティ52は、凸部53よりも+X側の排気側領域52Aと、凸部53の+Y側及び−Y側に位置する側方領域52Bと、小キャビティ51の+Y側及び−Y側に隣接する隣接領域52Cとを含む。排気側領域52Aは、投影面積及び容積が最も大きい領域であって、排気側(燃料噴射弁よりも排気側寄り)に位置している。側方領域52Bは、吸気側と排気側とのボーダー上に位置している。一方、隣接領域52Cは吸気側に位置している。隣接領域52C及び側方領域52Bは、排気側領域52Aに比べて投影面積が小さい領域であり、排気側領域52Aと小キャビティ51とを繋ぐ領域である。
The
大キャビティ52の底面522の高さ位置は、排気側領域52Aから隣接領域52Cにかけて同じ高さとしても良いし、異なる高さとしても良い。なお、後述する斜めスワール流FS(図16)の良好な形成のために、排気側領域52Aが最も深く、側方領域52Bから隣接領域52Cに向けて徐々に浅くなるように、底面522の高さ位置を設定しても良い。
The height position of the
次に、図2を主に参照して、点火プラグ17の着火部17Aの構造を説明する。着火部17Aは、中心電極171と、L字型に折曲された角棒からなる接地電極172とを含む。接地電極172は、放電空間となるギャップGを隔てて中心電極171と対向する対向部173(先端部分)と、対向部173に連なる基部174とを含む。基部174は、点火プラグ17の軸心方向に延びている。対向部173は、L字型に突出する接地電極172の先端部であって、基部174と直交する方向に延びている。
Next, the structure of the
着火部17Aは、インジェクタ18のノズルヘッド18Nと小キャビティ51との間に配置され(図4)、且つ、対向部173がノズルヘッド18Nの配置位置から離間する方向を指向するように、燃焼室6に配置されている。つまり、中心電極171と対向部173との間に形成されているギャップGとノズルヘッド18Nとの間に、基部174(接地電極172)が介在するように、着火部17Aがシリンダヘッド4に対して組み付けられている。
The
既述の通り、ノズルヘッド18Nはマルチホールタイプのヘッドであり、環状に配置された複数の噴射孔181を備える。複数の噴射孔181は、小キャビティ51を指向した噴射孔181を含む。上記の通りの着火部17Aの組み付けにより、当該噴射孔181から噴き出される噴射燃料18Eは、接地電極172にブロックされて放電空間であるギャップGに直接入り込むことができない。つまり、噴射燃料18Eが、充分に霧化しない状態でギャップGに入り込まないように工夫されている。
As described above, the
[燃焼室内の吸気フローと点火タイミング]
図10は、圧縮行程初期(ピストン5がBDC付近)の燃焼室6の状態を、図11は、圧縮行程終盤(ピストン5がTDC付近)の燃焼室6の状態を、各々示す断面図である。圧縮行程初期においては、吸気行程で吸気側開口部41を通して吸気ポート9から燃焼室6に導入された吸気は、燃焼室6内でタンブル流FT乃至は図略のスワール流を形成する。タンブル流FTは、気筒軸と直交する方向を回転軸とする筒内渦流動、前記スワール流は気筒軸方向を回転軸とする筒内渦流動である。これらの筒内渦流動は、燃料と吸気とを混合し、混合気の生成に寄与する。
[Intake flow and ignition timing in combustion chamber]
FIG. 10 is a sectional view showing the state of the
圧縮行程が進行し、ピストン5がTDCに近づくに連れて、一定の規則性を持ったタンブル流FTは徐々に潰され、乱流FRに変換されてゆく。圧縮行程終盤では、スワール流が少々残存するものの、乱流FRが支配的となる。冠面50にはキャビティ5C(小、大キャビティ51、52)が形成されているので、乱流FRはキャビティ5Cに集約されるようになる。
As the compression stroke proceeds and the
図12は、燃料噴射期間及び点火タイミングとクランク角との関係を示すタイムチャートである。本実施形態のエンジン本体1は、図12に示す、少なくともモードI及びモードIIの燃料噴射期間及び点火タイミングで、運転を成立させる。
FIG. 12 is a time chart showing the relationship between the fuel injection period, the ignition timing, and the crank angle. The
モードIは、上掲のリタードSI燃焼の実行の際に採用されるもので、燃料噴射期間PF1は圧縮行程のTDC前後、点火タイミングは膨張行程初期である。すなわち、TDCよりも前の圧縮行程終盤のクランク角−CA11のタイミングT11からインジェクタ18による燃料噴射が開始され、TDC後の膨張行程開始期のクランク角+CA12のタイミングT12まで燃料噴射が実行される。このタイミングT11〜T12が燃料噴射期間PF1である。その後、膨張行程初期の所定のクランク角+CA13のタイミングT13において、点火プラグ17によって混合気に点火される。一例を挙げると、−CA11は圧縮TDC前10°、+CA12は圧縮TDC後2°、+CA13は圧縮TDC後9°である。このモードIによれば、圧縮TDC前後で燃料が噴射されるので、ノッキングを防止することができる。
Mode I is employed when performing the above retarded SI combustion. The fuel injection period PF1 is before and after the TDC of the compression stroke, and the ignition timing is at the beginning of the expansion stroke. That is, the fuel injection by the
モードIIは、上掲のSI燃焼及びSICI燃焼の際に採用されるもので、燃料噴射期間PF2は吸気行程の中期、点火タイミングは圧縮TDC付近である。すなわち、排気TDCからピストン5が半分程度下降するクランク角CA2を挟んだタイミングT21〜T22が、燃料噴射期間PF2とされる。点火タイミングは、圧縮TDCに至るタイミングT23である。一例を挙げると、CA2は排気TDC後70°である。なお、ノッキング防止のため、圧縮TDC前のクランク角CA3で、CA2に加えて追加的に燃料噴射を行わせても良い。
Mode II is employed in the above-described SI combustion and SICI combustion. The fuel injection period PF2 is in the middle of the intake stroke, and the ignition timing is in the vicinity of the compression TDC. That is, the timings T21 to T22 sandwiching the crank angle CA2 at which the
[燃焼動作]
続いて、燃焼室6における混合気の燃焼動作を説明する。先ず、図12のモードI(リタードSI燃焼)が採用された場合における燃焼動作を説明する。図13(A)、(B)及び図14(A)、(B)は、燃焼室6における混合気の燃焼状況を経時的に説明するための、冠面50の平面図である。
[Combustion operation]
Subsequently, the combustion operation of the air-fuel mixture in the
図13(A)は、図12のタイミングT12の直後の状態を示している。つまり、圧縮TDCの後、膨張行程においてピストン5が下降を開始している共に、圧縮TDCを跨いだ燃料噴射期間PF1が終了した状態である。このとき、冠面50の吸気側平面部55上に、逆スキッシュ流RSが発生する。逆スキッシュ流RSは、冠面50の径方向中心から径方向外側に向かうフローである。
FIG. 13A shows a state immediately after the timing T12 in FIG. That is, after the compression TDC, the
吸気側平面部55は冠面50において最も高い位置にある平面であって、燃焼室天井面6Uの吸気側天面43(図2)と対向している。吸気側天面43は、吸気側平面部55と略平行な面であり、吸気側平面部55はピストン5がTDCにあるとき、冠面50において燃焼室天井面6Uに最も接近する領域となる。このため、ピストン5の下降によって吸気側平面部55と吸気側天面43との間が拡開することにより、両者間の空間には負圧が発生する。前記負圧によって燃焼室6内の流体が引き寄せられ、逆スキッシュ流RSを形成する。この意味で、吸気側平面部55は逆スキッシュ流生成部ということができる。
The intake side
なお、排気側平面部56も排気側天面44に同様に接近するが、吸気側平面部55は排気側平面部56に比べて投影面積が充分大きい。従って、前記逆スキッシュ流RSは、排気側平面部56の存在によって妨げられない。因みに、排気側平面部56が存在することにより、TDC付近において燃焼室天井面6Uと冠面50との間隔が狭くなり、TDC付近での燃料噴射された場合に、当該燃料が気筒2の内壁面(シリンダライナ)に直接付着することが防止される。
The exhaust
燃料は、インジェクタ18のノズルヘッド18Nによって、小キャビティ51及び大キャビティ52に噴射される。ここで、大キャビティ52の大部分(排気側領域52A)は、排気側に配置されている。排気側は、燃焼後の高温ガスを排出する排気ポート10を有するので、吸気側よりも高温化している。従って、大キャビティ52に向けて噴射された燃料は、吸気側の熱によって比較的早く霧化し易くなり、短時間で充分に吸気と混合された混合気を得ることができる。
The fuel is injected into the
そして、この大キャビティ52の混合気は、逆スキッシュ流RSによって吸気側に引き寄せられ、混合気フローF1が形成される。混合気フローF1は、大キャビティ52のC字形状に沿って吸気側へ流れ、当該C字形状の開放部分に位置する小キャビティ51に向かうフローである。なお、混合気フローF1の形成には、図15に基づき後述するように、吸気側と排気側との混合気の温度差も貢献している。
Then, the air-fuel mixture in the
図13(B)は、図12のタイミングT13の直前の状態を示している。つまり、混合気に強制点火される直前の状態であり、特に小キャビティ51の状態に着目している。点火直前の燃焼室6内においては、タンブル流などの筒内主流がほとんど存在せず(スワール流が僅かに残る)、乱流が支配的となる。この燃焼室6内のうちの一部の乱流FR1が、図13(B)に示されているように、小キャビティ51に集約される。つまり、点火プラグ17の着火部17Aの周囲に乱流FR1が集約される。
FIG. 13B shows a state immediately before the timing T13 in FIG. That is, it is a state immediately before the air-fuel mixture is forcibly ignited, and the state of the
この集約は、小キャビティ51という凹部自体が乱流FR1を閉じ込める作用を有すること、上記の逆スキッシュ流RSに伴う混合気フローF1によって、大キャビティ52内の乱流が小キャビティ51へ導かれること、等によって達成される。また、大キャビティ52とは別個に独立して小キャビティ51が設けられていることも、前記集約に貢献している。すなわち、小キャビティ51が存在せず、単に一つの大きなキャビティが冠面50の径方向中央付近に凹設されているだけでは、乱流を当該キャビティに閉じ込めることはできるとしても、着火部17Aの周囲に乱流を集約することはできない。
This aggregation is because the
図14(A)は、図12のタイミングT13の状態を示している。つまり、混合気への強制点火が行われた状態であり、図中に着火部17Aによる着火点IPを示している。この強制点火によって、小キャビティ51内において火炎が高速で拡がる。つまり、小キャビティ51に集約された混合気の乱流FR1が一気に燃焼し、燃焼領域B1を作る。これは、高温の排気側に配置された大キャビティ52で吸気と燃料が混合された混合気が、小キャビティ51に集約されることによって、小キャビティ51内の混合気(乱流FR1)の着火性が良好となっていることによる。なお、図13(B)では記載を省いたが、図14(A)に示す通り、大キャビティ52にも混合気の乱流FR2が閉じ込められている。但し、着火性は小キャビティ51内の乱流FR1に劣るので、この時点では燃焼していない。
FIG. 14A shows the state at timing T13 in FIG. That is, the ignition is performed on the air-fuel mixture, and the ignition point IP by the
図14(B)は、図12のタイミングT13の直後の状態を示している。つまり、燃焼が投影面積の大きい大キャビティ52、ひいては燃焼室6全体に拡がりつつある状態を示している。着火部17Aの周囲に形成された燃焼領域B1は、燃焼室6内の残りの混合気を燃焼させるための火種となる。すなわち、小キャビティ51で発生した火炎が、大キャビティ52に集約された混合気(乱流FR2)へ火炎伝播して、大キャビティ52内に燃焼領域B2を作り、これを拡張させてゆく。また、吸気側平面部55上では、ピストン5の下降に伴う負圧力の作用も相俟って火炎伝播し、燃焼領域B3を作る。
FIG. 14B shows a state immediately after the timing T13 in FIG. That is, the combustion is spreading to the
さらに、燃焼領域B1の発生、或いは燃焼領域B1〜B3の発生による、燃焼室6内の高温高圧化によって、大キャビティ52及びその他の残部領域において自己着火B4による燃焼も発生する。これら火炎伝播及び自己着火によって、大キャビティ52内の混合気及びその他の残部領域において燃焼が急速に拡がる。従って、燃焼室6全体に火炎を高速で拡大させ、燃焼室6の空間全体を利用した均質燃焼を実現させることができる。なお、自己着火B4による燃焼が発生せず、火炎伝播のみで燃焼が完遂される場合もある。
Furthermore, combustion by self-ignition B4 also occurs in the
次に、上述のモードIだけでなく、モードII(SI燃焼及びSICI燃焼)においても生じる燃焼動作について説明する。図15は、燃焼室6において発生する混合気フローF2を説明するための斜視図である。上述の通り、小キャビティ51は比較的低温の吸気側に、大キャビティ52は比較的高温の排気側寄りに、各々形成されている。燃焼室6の燃焼室壁面は、排気側の壁面の方が吸気側よりも高温となることから、燃焼室6内の混合気の温度も排気側がより高温となる。従って、大キャビティ52(排気側領域52A)に存在する混合気FAも高温となり、当該混合気FAは燃料の霧化が良好に進んだものとなる。
Next, the combustion operation that occurs not only in the above-described mode I but also in mode II (SI combustion and SICI combustion) will be described. FIG. 15 is a perspective view for explaining the air-fuel mixture flow F <b> 2 generated in the
圧縮行程においてピストン5が上昇しTDCに近づくにつれ、燃焼室6内の吸気側空間と排気側空間との間における混合気の温度差によって、図15に示すような混合気フローF2が発生する。すなわち、排気側の混合気FAの方が吸気側よりも高温であることから、当該温度差に基づき、混合気FAが大キャビティ52の有するC字形状に沿って流れる混合気フローF2が形成される。この混合気フローF2によって、高温で良好に燃料が霧化された混合気FAが、小キャビティ51に供給されることになる。つまり、着火部17Aの周囲に着火性に優れる混合気FAが供給される。従って、良好な着火性を得ることができる。
As the
[作用効果]
以上説明した本実施形態に係る火花点火式のエンジンの燃焼室構造によれば、次のような作用効果を奏する。本実施形態のエンジン本体1において、燃焼室6の底面を区画するピストン5の冠面50は、点火プラグ17の着火部17Aに対応する位置に凹設された小キャビティ51と、小キャビティ51に隣接する位置に凹設され、小キャビティ51よりも気筒軸方向の投影面積が大きい大キャビティ52とを備える。
[Function and effect]
According to the combustion chamber structure of the spark ignition engine according to the present embodiment described above, the following operational effects are obtained. In the
着火部17Aに対応する位置、つまり着火部17Aの直下位置に小キャビティ51が配置されているので、図13(B)に示したように、当該着火部17Aの周囲に混合気の乱流FR1が集約されるようになる。とりわけ、大キャビティ52は気筒軸方向視において、インジェクタ18を取り囲むようなC字形状を有し、小キャビティ51は、前記C字形状の開放部分に挟まれる位置に形成されている。従って、比較的高温の排気側で充分に霧化された混合気が、ピストン5がTDC付近に到達した際に、大キャビティ52のC字形状に沿って、小キャビティ51に集約される。
Since the
このため、着火部17Aによる前記混合気への着火性が良好となり、また、小キャビティ51内において火炎を高速に拡げることができる。この小キャビティ51に隣接して、投影面積が大きい大キャビティ52が配置されている。当該大キャビティ52にも混合気の乱流FR2が集約されるため、小キャビティ51で発生した火炎が大キャビティ52内へ火炎伝播する、或いは前記火炎の発生に伴う高温化により自己着火が発生することによって、急速に大キャビティ52内の混合気、燃焼室6内の他の領域の混合気が燃焼する。従って、燃焼室6全体に火炎を高速で拡大させ、燃焼室6空間の全体を利用した均質燃焼を実現させることができる。また、ピストン5のTDE付近で混合気を高速燃焼させることができ、結果としてエンジン本体1に大きなエンジントルクを発生させることが可能となる。
For this reason, the ignitability to the air-fuel mixture by the igniting
また、小キャビティ51と大キャビティ52とが、稜線54を間に介して隣り合うように配置されている。従って、小キャビティ51と大キャビティ52との間にプラトー部が存在するような態様に比較して、図14(A)に例示したステップにおいて、小キャビティ51で発生した火炎が大キャビティ52内の混合気にスムースに燃え移るようにすることができる。これにより、燃焼室6全体としてより高速な燃焼を行わせることができる。
Moreover, the
本実施形態では、燃焼室天井面6Uにインジェクタ18が配置され、直噴方式で燃料が燃焼室6に供給される。このため、TDCの直前で燃料噴射が可能となる。つまりキャビティ5Cにおいて乱流が多く発生するタイミングでの燃料噴射が可能となり、霧化する燃料と吸気とを前記乱流で良好に混合させることができる。また、TDC直前での燃料噴射によって、ノッキングを防止することができる。
In the present embodiment, an
上記のモードIのように、燃料がTDC付近で噴射される場合、燃料を早く霧化することが求められる。燃料の高速霧化は、高温環境を宛がうことで達成できる。この点に鑑み、本実施形態では、小キャビティ51を比較的低温となる吸気側に配置し、投影面積の大きい大キャビティ52を、比較的高温となる排気側寄りに配置している。これにより、大キャビティ52に向けて噴射された燃料は霧化し易くなる。従って、大キャビティ52内において短時間で良質な混合気を形成させることが可能となる。
When the fuel is injected in the vicinity of TDC as in the above mode I, it is required to atomize the fuel quickly. High-speed atomization of fuel can be achieved by applying a high temperature environment. In view of this point, in this embodiment, the
また、点火プラグ17の着火部17Aは、L字型の接地電極172の先端部分(対向部173)が、インジェクタ18の配置位置から離間する方向を指向するように、燃焼室6に配置されている。これにより、着火部17Aの放電空間となるギャップGに、ノズルヘッド18Nから噴射された燃料が、充分に霧化しない状態で入り込まないようにすることができる。つまり、図2に示すように、接地電極172自身で噴射された燃料がブロックされるので、ギャップGを挟んだ中心電極171及び対向部173に霧化不足の燃料が直接付着して炭化する、いわゆるプラグ被りを防止できる。従って、小キャビティ51内の乱流と噴射燃料とが充分にミキシングされた混合気を、着火部17Aに到達させることができる。
The
図6に示したように、小キャビティ51の底面512は、大キャビティ52の底面522よりも気筒軸方向において高い位置に形成されている。このため、ピストン5がTDC付近にあるときに燃焼室6内で残存するスワール流を、図16に示すように、大キャビティ52から小キャビティ51へ向けて斜め上方へせり上がる斜めスワール流FSとすることができる。斜めスワール流FSは、小キャビティ51の上方領域において燃焼室天井面6Uに到達し得る。
As shown in FIG. 6, the
着火部17Aは、燃焼室天井面6Uのプラグ凹部45に収容されている。プラグ凹部45の近傍には、着火時に発生するガス(残留ガス)が滞留しがちとなる。本実施形態では、着火部17Aは、小キャビティ51に対応する位置に配置されている。そして、斜めスワール流FSは、プラグ凹部45を通過する。このため、着火部17Aに存在する残量ガスを、斜めスワール流FSによって除去することができる。従って、着火部17Aに新鮮な混合気を与え、小キャビティ51内において火炎をより高速で拡げることができる。
The
なお、より良好な斜めスワール流FSの形成のため、大キャビティ52の底面522の高さを、排気側が最も深く、C字形状の開放部分付近(稜線54付近)に向けて徐々に浅くなるように設定することが望ましい。このように、底面522が排気側領域52A(図5)から隣接領域52Cにかけてせり上がる底面522とすることで、より確実に着火部17Aを経由する斜めスワール流FSを発生させ易くすることができる。
In order to form a better oblique swirl flow FS, the height of the
[変形実施形態]
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、次のような変形実施形態を取り得る。
[Modified Embodiment]
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to this, The following modified embodiment can be taken.
(1)上記実施形態では、小キャビティ51と大キャビティ52とが、稜線54を間に介して隣り合うように配置されている例を示したが、両者は互いに隣接している限りにおいて、実質的に離間していても良い。図17は、変形例に係る冠面500を備えたピストンの模式的な斜視図である。小キャビティ51と大キャビティ52とは、互いに隣接しているものの、両者間にはプラトー(plateau)部58が介在している。プラトー部58は、小キャビティ51と大キャビティ52との間に存在する平面であり、両者を独立的な凹部としている。このような冠面500であっても、上述の小キャビティ51への乱流(混合気)の集約、小キャビティ51から大キャビティ52への火炎伝播が可能である。
(1) In the above embodiment, an example in which the
(2)上記実施形態では、インジェクタ18のノズルヘッド18Nが燃焼室6内に配置され、直噴方式で燃料が燃焼室6に供給される例を示した。これに代えて、吸気ポート9にインジェクタ18を配置するポート噴射方式を採用しても良い。
(2) In the above embodiment, an example in which the
(3)上記実施形態では、燃焼室天井面6Uに2つの吸気側開口部41が設けられる例を示した。そのうちの一つの吸気側開口部41に連通する吸気ポート9に、スワールコントロールバルブを設け、燃焼室6におけるスワール流を積極的に発生させることが可能な構成としても良い。スワール流を積極的に活用する状況において、前記スワールコントロールバルブによって一方の吸気側開口部41を閉止し、気筒軸回りの渦流であるスワール流を発生させ易くする。例えば、上掲のSI燃焼やSICI燃焼(モードII)の燃焼において、前記スワールコントロールバルブを動作させることが望ましい。
(3) In the said embodiment, the example in which the two intake
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)
51 小キャビティ(第1キャビティ)
511 第1周縁
512 底面
52 大キャビティ(第2キャビティ)
521 第2周縁
522 底面
54 稜線(共通周縁部)
6 燃焼室
6U 燃焼室天井面(燃焼室壁面)
9 吸気ポート
10 排気ポート
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)
17 点火プラグ
17A 着火部
172 接地電極
173 対向部(先端部分)
18 インジェクタ(燃料噴射弁)
181 噴射孔
1
3 Cylinder block (combustion chamber component)
4 Cylinder head (combustion chamber component)
5 Piston (combustion chamber component)
51 Small cavity (first cavity)
511 First
521 Second
6
9
12 Exhaust valve (combustion chamber component)
17
18 Injector (fuel injection valve)
181 injection hole
Claims (7)
気筒及びピストンを含むエンジンの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、
前記燃焼室内に着火部が配置された点火プラグと、を備え、
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、
前記冠面は、
前記着火部に対応する位置に凹設された第1キャビティと、
前記第1キャビティに隣接する位置に凹設され、前記第1キャビティよりも気筒軸方向の投影面積が大きい第2キャビティと、
を含むことを特徴とするエンジンの燃焼室構造。 A combustion chamber structure of a spark ignition type engine,
A combustion chamber component having a combustion chamber wall surface defining a combustion chamber of an engine including a cylinder and a piston;
A spark plug having an ignition part disposed in the combustion chamber,
A part of the combustion chamber wall surface is formed by a crown surface of the piston,
The crown surface is
A first cavity recessed at a position corresponding to the ignition portion;
A second cavity recessed at a position adjacent to the first cavity and having a larger projected area in the cylinder axis direction than the first cavity;
An engine combustion chamber structure characterized by comprising:
前記第1キャビティは、当該第1キャビティの外周縁である第1周縁を含み、
前記第2キャビティは、当該第2キャビティの外周縁である第2周縁を含み、
前記第1周縁の一部は、前記第2周縁の一部を兼ねる共通周縁部であり、該共通周縁部は稜線である、エンジンの燃焼室構造。 The combustion chamber structure of the engine according to claim 1,
The first cavity includes a first peripheral edge that is an outer peripheral edge of the first cavity;
The second cavity includes a second peripheral edge that is an outer peripheral edge of the second cavity;
A part of the first peripheral edge is a common peripheral edge part also serving as a part of the second peripheral edge, and the common peripheral edge part is a ridge line.
前記燃焼室壁面の一部は、前記冠面と対向する燃焼室天井面で形成され、
前記燃焼室天井面に、前記燃焼室に燃料を噴射するための燃料噴射弁が配置されている、エンジンの燃焼室構造。 The engine combustion chamber structure according to claim 1 or 2,
A part of the wall surface of the combustion chamber is formed by a ceiling surface of the combustion chamber facing the crown surface,
A combustion chamber structure for an engine, wherein a fuel injection valve for injecting fuel into the combustion chamber is disposed on the combustion chamber ceiling surface.
前記燃料噴射弁は、前記ピストンが上死点位置又はその近傍にあるときに、前記第1キャビティの方向及び前記第2キャビティの方向の双方へ燃料を噴射可能であり、
前記燃焼室天井面には、吸気ポートと排気ポートとが配置され、前記燃焼室において前記吸気ポートが配置される側を吸気側、前記排気ポートが配置される側を排気側とするとき、
前記点火プラグの前記着火部は、前記燃料噴射弁よりも前記吸気側寄りに配置され、
前記第2キャビティの少なくとも一部は、前記燃料噴射弁よりも前記排気側寄りに配置されている、エンジンの燃焼室構造。 The combustion chamber structure for an engine according to claim 3,
The fuel injection valve is capable of injecting fuel in both the direction of the first cavity and the direction of the second cavity when the piston is at or near the top dead center position,
An intake port and an exhaust port are disposed on the combustion chamber ceiling surface, and when the intake port is disposed in the combustion chamber on the intake side, and the exhaust port is disposed on the exhaust side.
The ignition part of the spark plug is disposed closer to the intake side than the fuel injection valve,
An engine combustion chamber structure in which at least a part of the second cavity is disposed closer to the exhaust side than the fuel injection valve.
前記着火部は、L字型に折曲された接地電極を含み、
前記燃料噴射弁は、前記第1キャビティを指向した噴射孔を含み、
前記着火部は、前記燃料噴射弁と前記第1キャビティとの間に配置され、且つ、前記接地電極の前記L字型の先端部分が前記燃料噴射弁の配置位置から離間する方向を指向するように、前記燃焼室に配置されている、エンジンの燃焼室構造。 The engine combustion chamber structure according to claim 3 or 4,
The ignition part includes a ground electrode bent in an L shape,
The fuel injection valve includes an injection hole directed to the first cavity,
The ignition portion is disposed between the fuel injection valve and the first cavity, and is directed to a direction in which the L-shaped tip portion of the ground electrode is separated from a position where the fuel injection valve is disposed. And an engine combustion chamber structure disposed in the combustion chamber.
前記第1キャビティの底面は、前記第2キャビティの底面よりも気筒軸方向において高い位置に形成されている、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 5,
The combustion chamber structure of an engine, wherein the bottom surface of the first cavity is formed at a position higher in the cylinder axial direction than the bottom surface of the second cavity.
前記第2キャビティは、前記冠面の気筒軸方向視において、前記燃料噴射弁を取り囲むような略C字形状を有し、
前記第1キャビティは、前記C字形状の開放部分に挟まれる位置に形成されている、エンジンの燃焼室構造。 In the combustion chamber structure of the engine according to claim 4 or 5,
The second cavity has a substantially C-shape that surrounds the fuel injection valve as viewed in the cylinder axial direction of the crown surface,
The first cavity is a combustion chamber structure of an engine formed at a position sandwiched between the C-shaped open portions.
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