JP2019002289A - Combustion chamber of engine - Google Patents

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Abstract

To reduce the cooling loss of an engine.SOLUTION: In a combustion chamber 50 of an engine 1, at least one of a piston top surface 51 and a bottom surface of a cylinder head 11 is a groove-formed surface 56 having a plurality of microscopic grooves 55 formed thereon. A width s of the groove 55 is set in a range of 2-250 μm, and an interfacial flow generation device 60 is extended and installed on the groove-formed surface 56. The interfacial flow generation device 60 is activated at least before a start of combustion of air-fuel mixture to deflect a main flow of gas flowing along the groove-formed surface 56 to a direction of the extension of the groove 55.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

ここで開示する技術は、エンジンの冷却損失を低減する技術に関する。   The technology disclosed herein relates to a technology for reducing engine cooling loss.

エンジンの冷却損失を低減するため、燃焼室の中に形成されるガスの主流(スワール流、タンブル流、スキッシュ流等)に沿って延びるように、放射状や同心円状等の複数の微細な溝を、燃焼室を区画している壁面(ピストンの上面、ピストンの上面と対向するシリンダヘッドの下面等)に形成することは、特許文献1に開示されている。   In order to reduce engine cooling loss, multiple fine grooves, such as radial and concentric circles, extend along the main flow of gas (swirl flow, tumble flow, squish flow, etc.) formed in the combustion chamber. It is disclosed in Patent Document 1 that it is formed on a wall surface defining a combustion chamber (an upper surface of a piston, a lower surface of a cylinder head facing the upper surface of the piston, etc.).

ガスの主流は、通常、その流れの周りに旋回する微細な渦(直径がμmレベル)を伴う。この渦は、微視的なレベルの乱流を引き起こす。そのため、ガスの主流が燃焼室の壁面の近くを通過する際には、その界面領域で発生する微視的な乱流により、壁面を通じて燃焼室外への放熱が促進される。その結果、高温のガスが冷却されてエネルギーロスとなる(冷却損失)。それに対し、燃焼室の壁面に、特許文献1のような微細な溝を形成することで、渦が、溝の縁に妨げられて溝の底に近づき難くなるため、放熱が抑制され、冷却損失を低減できる。   The main flow of gas is usually accompanied by fine vortices (diameter of μm level) swirling around the flow. This vortex causes microscopic turbulence. For this reason, when the main flow of gas passes near the wall surface of the combustion chamber, heat dissipation to the outside of the combustion chamber is promoted through the wall surface due to microscopic turbulence generated in the interface region. As a result, the high-temperature gas is cooled, resulting in energy loss (cooling loss). On the other hand, by forming a fine groove as in Patent Document 1 on the wall surface of the combustion chamber, the vortex is obstructed by the edge of the groove so that it is difficult to approach the bottom of the groove. Can be reduced.

開示する技術に関し、特許文献2には、プラズマアクチュエータを利用したエンジンが開示されている。そのエンジンでは、吸気ポートの内周面に、4つの円弧状のプラズマアクチュエータを全周にわたって設置している。燃焼室にガスを導入する際、これらプラズマアクチュエータの作動を制御して、ガスの流れを強弱させる。   Regarding the technology to be disclosed, Patent Document 2 discloses an engine using a plasma actuator. In the engine, four arc-shaped plasma actuators are installed over the entire circumference on the inner peripheral surface of the intake port. When gas is introduced into the combustion chamber, the operation of these plasma actuators is controlled to make the gas flow strong or weak.

特開2017−40216号公報JP 2017-40216 A 特開2016−200019号公報JP 2006-200019 A

特許文献1のような微細な溝を燃焼室の壁面に形成しても、これら溝の有る壁面に沿って流れるガスの流動方向が、溝が延びる方向と一致せず、これらの間でずれが生じると、放熱抑制効果が低下することが判明した。   Even if the fine grooves as in Patent Document 1 are formed on the wall surface of the combustion chamber, the flow direction of the gas flowing along the wall surface having these grooves does not coincide with the direction in which the grooves extend, and there is a deviation between them. When it occurs, it has been found that the effect of suppressing heat dissipation decreases.

そこで、ここで開示する技術の目的は、燃焼室の壁面に形成された特定の微細な溝が、放熱を効率よく抑制できるようにし、エンジンの冷却損失の低減効果を向上させることにある。   Therefore, an object of the technology disclosed herein is to improve the effect of reducing engine cooling loss by allowing specific fine grooves formed on the wall surface of the combustion chamber to efficiently suppress heat dissipation.

開示する技術は、ピストンの上面と、当該ピストンを往復摺動可能に収容するシリンダの周面と、前記ピストンの上面と対向するシリンダヘッドの下面と、によって区画され、前記ピストンの上面及び前記シリンダヘッドの下面の少なくとも一方が、複数の微細な溝が形成されている溝形成面となっているエンジンの燃焼室に関する。   The disclosed technique is defined by an upper surface of a piston, a peripheral surface of a cylinder that accommodates the piston in a reciprocable manner, and a lower surface of a cylinder head that faces the upper surface of the piston, and the upper surface of the piston and the cylinder The present invention relates to a combustion chamber of an engine in which at least one of the lower surfaces of the head is a groove forming surface on which a plurality of fine grooves are formed.

前記溝の幅が、2〜250μmの範囲に設定されると共に、前記溝形成面に沿って流れる界面流動を発生させる界面流動発生デバイスが、前記溝形成面に拡がるように設置されている。そして、少なくとも混合気の燃焼が始まる前に、前記界面流動発生デバイスが作動して、前記溝形成面に沿って流れるガスの主流を、前記溝が延びる方向に偏向させる。   The width of the groove is set in a range of 2 to 250 μm, and an interfacial flow generation device that generates an interfacial flow that flows along the groove forming surface is installed so as to spread on the groove forming surface. At least before the combustion of the air-fuel mixture starts, the interface flow generation device operates to deflect the main flow of the gas flowing along the groove forming surface in the direction in which the groove extends.

すなわち、このエンジンの燃焼室では、燃焼室を区画している壁面のうち、ピストンの上面及びシリンダヘッドの下面の少なくとも一方に、放熱抑制効果が得られる、複数の微細な溝(マイクロ溝)が形成されている。従って、冷却損失の低減効果が得られる。   That is, in the combustion chamber of this engine, among the wall surfaces that define the combustion chamber, at least one of the upper surface of the piston and the lower surface of the cylinder head has a plurality of fine grooves (micro grooves) that can provide a heat radiation suppressing effect. Is formed. Accordingly, an effect of reducing the cooling loss can be obtained.

更に、これらマイクロ溝が形成されている溝形成面には、それに沿って流れる界面流動を発生させる界面流動発生デバイスが拡がるように設置されていて、少なくとも混合気の燃焼が始まる前に、界面流動発生デバイスが作動し、溝形成面に沿って流れるガスの主流を、マイクロ溝が延びる方向に偏向させる。   Further, an interfacial flow generating device for generating interfacial flow flowing along the microgrooves is installed on the groove forming surface so that the interfacial flow is generated at least before the combustion of the air-fuel mixture starts. The generating device is activated to deflect the main flow of gas flowing along the groove forming surface in the direction in which the microgroove extends.

従って、溝形成面に沿って流れるガスの主流の流動方向が、マイクロ溝が延びる方向と一致せず、これらの間で大きなずれが生じる場合であっても、界面流動発生デバイスが作動することで、そのずれを修正し、小さくすることができる。その結果、放熱抑制効果の低下が抑制でき、エンジンの冷却損失の低減効果が向上する。   Therefore, even if the flow direction of the main flow of the gas flowing along the groove forming surface does not coincide with the direction in which the micro grooves extend and a large deviation occurs between them, the interface flow generation device is activated. The deviation can be corrected and reduced. As a result, a decrease in the heat dissipation suppression effect can be suppressed, and the effect of reducing the engine cooling loss is improved.

前記溝の幅は、当該溝の深さ以上の大きさに設定するのが好ましい。このように溝幅を設定することによって、上記の効果をより高めることができる。   The width of the groove is preferably set to a size equal to or greater than the depth of the groove. By setting the groove width in this way, the above effect can be further enhanced.

混合気の燃焼が始まると、燃焼室の中は最高温に達し、燃焼室のガスと溝形成面との温度差が大きくなる。従って、少なくとも混合気の燃焼が始まる前に、界面流動発生デバイスが作動すれば、最も放熱し易いタイミングで、マイクロ溝の放熱抑制効果を適切に発揮させることができるので、効果的である。   When combustion of the air-fuel mixture begins, the maximum temperature is reached in the combustion chamber, and the temperature difference between the gas in the combustion chamber and the groove forming surface increases. Therefore, if the interfacial flow generating device is operated at least before the combustion of the air-fuel mixture starts, it is effective because the effect of suppressing the heat dissipation of the microgroove can be appropriately exhibited at the timing at which heat is most easily released.

具体的には、前記界面流動発生デバイスを、圧縮行程の後半に作動させるとよい。そうすれば、混合気の燃焼が始まる前には、溝形成面に沿って流れるガスの主流の流動方向を安定して修正でき、適正化できる。界面流動発生デバイスの作動時間を必要最小限にできるので、電力の浪費が防げて、燃費の向上が図れる。   Specifically, the interface flow generation device may be operated in the second half of the compression stroke. Then, before the combustion of the air-fuel mixture starts, the flow direction of the main flow of the gas flowing along the groove forming surface can be stably corrected and optimized. Since the operation time of the interfacial flow generation device can be minimized, power consumption can be prevented and fuel consumption can be improved.

より具体的には、前記燃焼室の周辺部分に、スキッシュ流を発生させるスキッシュエリアが形成され、前記スキッシュエリアに臨む前記溝形成面に、前記スキッシュ流の流動方向に延びるように形成された前記溝と、前記界面流動発生デバイスと、が配置され、前記界面流動発生デバイスが、前記シリンダの径方向内側に向かう前記スキッシュ流と同じ向きの前記界面流動を発生させる、としてもよい。   More specifically, a squish area for generating a squish flow is formed in a peripheral portion of the combustion chamber, and the groove forming surface facing the squish area is formed to extend in the flow direction of the squish flow. A groove and the interfacial flow generation device may be arranged, and the interfacial flow generation device may generate the interfacial flow in the same direction as the squish flow toward the radially inner side of the cylinder.

この場合、燃焼室の周辺部分に、スキッシュ流を発生させるスキッシュエリアが形成されているので、燃焼室の中が最も高温になる時のガスの流動は、通常、スキッシュ流が支配的になる。そのスキッシュエリアに臨む溝形成面に、スキッシュ流の流動方向に延びるようにマイクロ溝が形成されているので、高い放熱抑制効果が得られる。   In this case, since a squish area for generating a squish flow is formed in the peripheral portion of the combustion chamber, the squish flow is usually dominant in the gas flow when the temperature in the combustion chamber becomes the highest. Since the micro groove is formed on the groove forming surface facing the squish area so as to extend in the flow direction of the squish flow, a high heat radiation suppressing effect can be obtained.

更に、界面流動発生デバイスが、シリンダの径方向内側に向かうスキッシュ流(順スキッシュ流)と同じ向きの界面流動を発生させる。混合気の燃焼が始まる前の圧縮行程では、スキッシュエリアに順スキッシュ流が形成される。界面流動発生デバイスが、それと同じ向きの界面流動を発生させることで、例えば、燃焼室にスワール流やタンブル流の影響が強く残っていても、順スキッシュ流と相俟って、円滑かつ効率的に、界面領域を流れるガスの流動方向を、マイクロ溝が延びる方向に偏向できる。従って、よりいっそう高い放熱抑制効果が得られる。   Further, the interfacial flow generation device generates interfacial flow in the same direction as the squish flow (forward squish flow) directed radially inward of the cylinder. In the compression stroke before the combustion of the air-fuel mixture begins, a forward squish flow is formed in the squish area. The interfacial flow generation device generates interfacial flow in the same direction. For example, even if the influence of swirl flow or tumble flow remains strongly in the combustion chamber, it is smooth and efficient in combination with forward squish flow. In addition, the flow direction of the gas flowing through the interface region can be deflected in the direction in which the microgroove extends. Therefore, an even higher heat dissipation suppression effect can be obtained.

前記エンジンは、前記燃焼室の中にスワール流を発生させるスワール流発生機構を備え、前記スワール流のうち、前記溝形成面に沿って流れる流動が、前記界面流動発生デバイスによって偏向される、としてもよい。   The engine includes a swirl flow generation mechanism that generates a swirl flow in the combustion chamber, and a flow of the swirl flow that flows along the groove forming surface is deflected by the interface flow generation device. Also good.

この場合、スワール流発生機構が作動することで、燃焼室の中が最も高温になる時のスキッシュエリアでは、ガスの流動方向が周方向に偏り、スキッシュ流ではなく、スワール流が支配的にもなり得る。そのような場合、マイクロ溝がその機能を十分に発揮できずに、放熱抑制効果の低下を招く。それに対し、スワール流における界面流動を、界面流動発生デバイスによって偏向すれば、マイクロ溝本来の機能を発揮させることができ、放熱抑制効果の低下を抑制できる。   In this case, the swirl flow generation mechanism is activated, and in the squish area when the combustion chamber reaches the highest temperature, the gas flow direction is biased in the circumferential direction, and the swirl flow is dominant instead of the squish flow. Can be. In such a case, the microgroove cannot sufficiently perform its function, resulting in a decrease in the heat dissipation suppression effect. On the other hand, if the interfacial flow in the swirl flow is deflected by the interfacial flow generation device, the original function of the microgroove can be exhibited, and the decrease in the heat dissipation suppression effect can be suppressed.

前記界面流動発生デバイスにプラズマアクチュエータを用い、前記プラズマアクチュエータが、前記溝と交差する方向に延びるように配置するのが好ましい。   Preferably, a plasma actuator is used for the interface flow generation device, and the plasma actuator is disposed so as to extend in a direction intersecting the groove.

界面流動発生デバイスにプラズマアクチュエータを用いれば、比較的容易に、高精度な界面流動を発生させることができる。そして、そのプラズマアクチュエータを、マイクロ溝と交差する方向に延びるように配置すれば、マイクロ溝が延びる方向に流れる界面流動が発生して、マイクロ溝本来の機能を発揮させることができる。従って、放熱抑制効果の低下が抑制できる。   If a plasma actuator is used for the interfacial flow generation device, highly accurate interfacial flow can be generated relatively easily. If the plasma actuator is arranged so as to extend in a direction crossing the microgroove, an interfacial flow that flows in the direction in which the microgroove extends is generated, and the original function of the microgroove can be exhibited. Accordingly, it is possible to suppress a decrease in the heat dissipation suppression effect.

前記ピストンの上面が前記溝形成面となっている場合には、前記ピストンに、前記界面流動発生デバイスに電力を供給する蓄電可能なデバイス電源部と、前記界面流動発生デバイスを制御するデバイス制御部と、を設置し、前記デバイス電源部及び前記デバイス制御部に対し、無線による給電及び通信を行うようにするとよい。   When the upper surface of the piston is the groove forming surface, a device power supply unit capable of storing power to supply power to the interface flow generation device to the piston, and a device control unit for controlling the interface flow generation device And wirelessly feed and communicate with the device power supply unit and the device control unit.

そうすれば、往復動するピストンに対して、複雑な配線を施す必要が無くなる。ピストンに、蓄電可能なデバイス電源部が設けられているので、無線による給電であっても、界面流動発生デバイスやデバイス制御部に安定して電力を供給することができる。そして、デバイス制御部により、ピストンの外部から独立して界面流動発生デバイスの制御が行えるので、無線による通信であっても界面流動発生デバイスを安定して作動させることができる。   This eliminates the need for complicated wiring for the reciprocating piston. Since the piston is provided with a device power supply unit capable of storing electricity, even when wireless power feeding is performed, power can be stably supplied to the interface flow generation device and the device control unit. In addition, since the device control unit can control the interface flow generation device independently from the outside of the piston, the interface flow generation device can be stably operated even by wireless communication.

開示した技術によれば、放熱が抑制できる特定構造の微細な溝が、燃焼室の壁面の広い範囲に形成されているので、エンジンの冷却損失の低減効果が得られる。壁面近くを流れるガスの主流の流動方向が、溝の延長方向に対して大きくずれると、エンジンの冷却損失の低減効果が低下するが、界面流動発生デバイスにより、その流動方向を偏向して適正化できるので、エンジンの冷却損失低減効果の低下を抑制できる。   According to the disclosed technique, since the fine groove having a specific structure capable of suppressing heat dissipation is formed in a wide range of the wall surface of the combustion chamber, an effect of reducing the cooling loss of the engine can be obtained. If the flow direction of the main flow of gas flowing near the wall is greatly deviated from the groove extension direction, the effect of reducing the engine cooling loss will be reduced. As a result, it is possible to suppress a reduction in the cooling loss reduction effect of the engine.

図1は、本発明の燃焼室を適用したエンジンの一例を示す概略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of an engine to which a combustion chamber of the present invention is applied. 図2は、燃焼室の断面構造を拡大して示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing an enlarged cross-sectional structure of the combustion chamber. 図3は、図2の矢印Iの方向から見たときのピストン上面を示す図である。FIG. 3 is a view showing the upper surface of the piston when viewed from the direction of arrow I in FIG. 図4は、図2の矢印IIの方向から見たときの燃焼室天井面を示す図である。FIG. 4 is a view showing the combustion chamber ceiling when viewed from the direction of arrow II in FIG. 図5は、マイクロ溝の構造を説明する図であり、図3の拡大図において矢印X−Xで示す概略断面図である。FIG. 5 is a diagram illustrating the structure of the microgroove, and is a schematic cross-sectional view indicated by arrows XX in the enlarged view of FIG. 図6は、マイクロ溝の溝延長方向に対する、界面領域を流れるガスの流動方向のずれ角と、溝形成面の熱伝達率の低減率との関係を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the relationship between the deviation angle of the flow direction of the gas flowing in the interface region with respect to the groove extending direction of the micro groove and the reduction rate of the heat transfer coefficient of the groove forming surface. 図7は、界面流動発生デバイスの構造を説明する図であり、図3の拡大図において矢印Y−Yで示す概略断面図である。FIG. 7 is a diagram illustrating the structure of the interfacial flow generation device, and is a schematic cross-sectional view indicated by arrows YY in the enlarged view of FIG. 図8は、界面流動発生デバイスによる界面流動の偏向作用を説明する図である。FIG. 8 is a diagram illustrating the deflection action of the interfacial flow by the interfacial flow generation device. 図9は、マイクロ溝と界面流動発生デバイスとの交わり部分の一例を示す概略斜視図である。FIG. 9 is a schematic perspective view showing an example of a crossing portion between the microgroove and the interface flow generation device. 図10は、界面流動発生デバイスを作動するタイミングを説明する図である。FIG. 10 is a diagram illustrating the timing for operating the interface flow generation device. 図11Aは、マイクロ溝の形成パターンの変形例を示す概略平面図である。FIG. 11A is a schematic plan view illustrating a modified example of the microgroove formation pattern. 図11Bは、マイクロ溝の形成パターンの変形例を示す概略平面図である。FIG. 11B is a schematic plan view showing a modified example of the microgroove formation pattern. 図11Cは、マイクロ溝の形成パターンの変形例を示す概略平面図である。FIG. 11C is a schematic plan view showing a modified example of the microgroove formation pattern.

以下、開示する技術の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。ただし、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物あるいはその用途を制限するものではない。   Hereinafter, embodiments of the disclosed technology will be described in detail based on the drawings. However, the following description is merely illustrative in nature and does not limit the present invention, its application, or its use.

<エンジンの構成>
図1に、本発明の燃焼室を適用したエンジンの一例を示す。このエンジン1は、往復ピストンエンジンであり、主に自動車の動力源として用いられる。エンジン1は、エンジン本体2や、エンジン本体2に対して吸気及び排気を行う吸排気系システム3、エンジン1の運転を制御するPCM4(パワートレイン・コントロール・モジュール)などで構成されている。
<Engine configuration>
FIG. 1 shows an example of an engine to which the combustion chamber of the present invention is applied. The engine 1 is a reciprocating piston engine, and is mainly used as a power source for automobiles. The engine 1 includes an engine main body 2, an intake / exhaust system 3 that performs intake and exhaust with respect to the engine main body 2, and a PCM 4 (powertrain control module) that controls the operation of the engine 1.

エンジン1の燃料は、ガソリンである。ただし、バイオエタノール等を含むガソリンでよい。すなわち、ガソリンを主成分とする液体燃料であれば、どのような燃料であってもよい。   The fuel of the engine 1 is gasoline. However, gasoline containing bioethanol or the like may be used. That is, any fuel may be used as long as it is a liquid fuel mainly composed of gasoline.

エンジン本体2は、シリンダブロック10と、その上に載置されるシリンダヘッド11とを備える。シリンダブロック10の内部には、上下方向に延びるように、複数の円筒状のシリンダ12が形成されている。すなわち、このエンジン1は、多気筒エンジンである(図1では、1つのシリンダ12のみを示す)。シリンダ12の上側の開口は、シリンダヘッド11によって塞がれている。   The engine body 2 includes a cylinder block 10 and a cylinder head 11 placed thereon. A plurality of cylindrical cylinders 12 are formed in the cylinder block 10 so as to extend in the vertical direction. That is, the engine 1 is a multi-cylinder engine (only one cylinder 12 is shown in FIG. 1). The upper opening of the cylinder 12 is blocked by the cylinder head 11.

各シリンダ12には、ピストン13が、往復摺動可能に収容されている。シリンダ12の下側の開口は、ピストン13によって塞がれている。ピストン13は、コネクティングロッド14を介して、クランクシャフト15と連結されている。ピストン13がシリンダ12の内部を往復運動することによってクランクシャフト15が回転し、その回転動力が、自動車の駆動力として出力される。   Each cylinder 12 accommodates a piston 13 so as to be slidable back and forth. The lower opening of the cylinder 12 is blocked by the piston 13. The piston 13 is connected to the crankshaft 15 via a connecting rod 14. As the piston 13 reciprocates inside the cylinder 12, the crankshaft 15 rotates, and the rotational power is output as the driving force of the automobile.

シリンダ12の上部には、燃焼室50(混合気が燃焼する空間)が形成されている。具体的には、シリンダ12の周面、ピストン13の上面、及びこのピストン13の上面と対向するシリンダヘッド11の下面により、シリンダ12の上部の空間の、側面、下面、及び上面の各々が区画され、それによって燃焼室50が形成されている(燃焼室50の下面を構成しているピストン13の上面は、ピストン上面51ともいい、燃焼室50の上面を構成しているシリンダヘッド11の下面は、燃焼室天井面52ともいう)。なお、燃焼室50の詳細については、別途後述する。   A combustion chamber 50 (a space in which the air-fuel mixture burns) is formed in the upper part of the cylinder 12. Specifically, each of the side surface, the lower surface, and the upper surface of the upper space of the cylinder 12 is defined by the peripheral surface of the cylinder 12, the upper surface of the piston 13, and the lower surface of the cylinder head 11 facing the upper surface of the piston 13. Thus, the combustion chamber 50 is formed (the upper surface of the piston 13 constituting the lower surface of the combustion chamber 50 is also referred to as the piston upper surface 51, and the lower surface of the cylinder head 11 constituting the upper surface of the combustion chamber 50. Is also referred to as the combustion chamber ceiling surface 52). The details of the combustion chamber 50 will be described later.

シリンダヘッド11には、燃焼室50と連通する吸気ポート17及び排気ポート18が形成されている。燃焼室天井面52には、吸気ポート17の下流端である吸気開口19と、排気ポート18の上流端である排気開口20とが形成されている。吸気ポート17の上流端は、シリンダヘッド11の一方の側面に開口し、燃焼室50に導入する新気やEGRガスが流れる吸気通路21(吸排気系システム3の吸気系システムを構成)に接続されている。排気ポート18の上流端は、シリンダヘッド11の他方の側面に開口し、燃焼室50から導出される既燃ガスが流れる排気通路22(吸排気系システム3の排気系システムを構成)に接続されている。   An intake port 17 and an exhaust port 18 that communicate with the combustion chamber 50 are formed in the cylinder head 11. The combustion chamber ceiling surface 52 is formed with an intake opening 19 that is a downstream end of the intake port 17 and an exhaust opening 20 that is an upstream end of the exhaust port 18. The upstream end of the intake port 17 opens to one side surface of the cylinder head 11 and is connected to an intake passage 21 (which constitutes the intake system of the intake / exhaust system 3) through which fresh air or EGR gas introduced into the combustion chamber 50 flows. Has been. The upstream end of the exhaust port 18 opens to the other side surface of the cylinder head 11 and is connected to an exhaust passage 22 (which constitutes the exhaust system of the intake / exhaust system 3) through which burned gas led out from the combustion chamber 50 flows. ing.

シリンダヘッド11には、吸気開口19を開閉する吸気バルブ23と、排気開口20を開閉する排気バルブ24とが組み付けられている。吸気バルブ23は、軸状のバルブステム23aと、バルブステム23aの下端に設けられた傘状のバルブヘッド23bとを有している。同様に、排気バルブ24も、バルブステム24aとバルブヘッド24bとを有している。吸気開口19及び排気開口20は、これらバルブヘッド23b,24bによって開閉され、各バルブヘッド23b,24bは、燃焼室50に臨むバルブ面23c,24cを有している。吸気開口19及び吸気バルブ23、並びに、排気開口20及び排気バルブ24は、各シリンダ12に2つずつ設けられている。   An intake valve 23 that opens and closes the intake opening 19 and an exhaust valve 24 that opens and closes the exhaust opening 20 are assembled to the cylinder head 11. The intake valve 23 has an axial valve stem 23a and an umbrella-shaped valve head 23b provided at the lower end of the valve stem 23a. Similarly, the exhaust valve 24 also has a valve stem 24a and a valve head 24b. The intake opening 19 and the exhaust opening 20 are opened and closed by these valve heads 23 b and 24 b, and each valve head 23 b and 24 b has valve surfaces 23 c and 24 c facing the combustion chamber 50. Two intake openings 19 and two intake valves 23 and two exhaust openings 20 and exhaust valves 24 are provided in each cylinder 12.

このエンジン1の吸気通路21(詳細には一方の吸気ポート17に接続された給気通路)には、燃焼室50に導入される吸気の流動を制御する吸気流動制御弁25(スワール流発生機構の一例)が設置されている。吸気流動制御弁25は、その開度によって、燃焼室50の中でのスワール流の強さを調整する。すなわち、吸気流動制御弁25の開度が大きいと、スワール流の強さが弱くなり、吸気流動制御弁25の開度が小さいと、吸気の流れが制限されることによって、スワール流の強さが強くなる。   An intake flow control valve 25 (swirl flow generating mechanism) that controls the flow of intake air introduced into the combustion chamber 50 is provided in the intake passage 21 (specifically, the supply passage connected to one intake port 17) of the engine 1. Example) is installed. The intake flow control valve 25 adjusts the strength of the swirl flow in the combustion chamber 50 according to the opening. That is, when the opening degree of the intake flow control valve 25 is large, the strength of the swirl flow becomes weak, and when the opening degree of the intake flow control valve 25 is small, the flow of the intake air is restricted, thereby increasing the strength of the swirl flow. Becomes stronger.

シリンダヘッド11にはまた、吸気バルブ23を駆動する吸気動弁機構26と、排気バルブ24を駆動する排気動弁機構27とが設置されている。吸気動弁機構26は、クランクシャフト15の回転に連動して吸気バルブ23を駆動し、吸気開口19を開閉する。排気動弁機構27は、クランクシャフト15の回転に連動して排気バルブ24を駆動し、排気開口20を開閉する。   The cylinder head 11 is also provided with an intake valve mechanism 26 that drives the intake valve 23 and an exhaust valve mechanism 27 that drives the exhaust valve 24. The intake valve mechanism 26 drives the intake valve 23 in conjunction with the rotation of the crankshaft 15 to open and close the intake opening 19. The exhaust valve mechanism 27 drives the exhaust valve 24 in conjunction with the rotation of the crankshaft 15 to open and close the exhaust opening 20.

吸気動弁機構26には、可変バルブタイミング機構が組み込まれている(吸気VVT)。吸気側VVTは、電動式や液圧式のVVTであり、クランクシャフト15に対する吸気カムシャフト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23の開閉タイミングを変更する。同様に、排気動弁機構27には、排気側VVTが組み込まれている。排気側VVTも、電動式や液圧式のVVTであり、クランクシャフト15に対する排気カムシャフト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24の開閉タイミングを変更する。   The intake valve mechanism 26 incorporates a variable valve timing mechanism (intake VVT). The intake side VVT is an electric or hydraulic VVT, and changes the opening / closing timing of the intake valve 23 by continuously changing the rotation phase of the intake camshaft with respect to the crankshaft 15 within a predetermined angle range. Similarly, the exhaust valve mechanism 27 incorporates an exhaust side VVT. The exhaust-side VVT is also an electric or hydraulic VVT, and the opening / closing timing of the exhaust valve 24 is changed by continuously changing the rotation phase of the exhaust camshaft with respect to the crankshaft 15 within a predetermined angle range.

シリンダヘッド11にはまた、燃焼室50の中で混合気に点火する点火プラグ28が設置されている。点火プラグ28は、各シリンダに1つずつ配置されている。点火プラグ28は、その先端に、火花を発生させる電極28aを有し、その電極28aが燃焼室50に臨んで位置するように、シリンダヘッド11に組み付けられている。   The cylinder head 11 is also provided with a spark plug 28 that ignites the air-fuel mixture in the combustion chamber 50. One spark plug 28 is arranged for each cylinder. The spark plug 28 has an electrode 28 a that generates a spark at its tip, and is assembled to the cylinder head 11 so that the electrode 28 a is positioned facing the combustion chamber 50.

シリンダヘッド11には、燃料を噴射するインジェクタ29が設置されている。インジェクタ29も、各シリンダに1つずつ配置されている。インジェクタ29は、その先端に、燃料を噴射する多噴口型等のノズル29aを有し、そのノズル29aが燃焼室50に臨んで位置するように、シリンダヘッド11に組み付けられている。各シリンダのインジェクタ29は、燃料供給管30を通じて、高圧の燃料を蓄える共通のコモンレール(図示せず)に接続されている。このコモンレールで蓄圧された燃料が、各インジェクタ29に供給される。それにより、各インジェクタ29から同じ圧力で高圧の燃料が噴射可能となっている。   The cylinder head 11 is provided with an injector 29 for injecting fuel. One injector 29 is also arranged for each cylinder. The injector 29 has a nozzle 29a of a multi-injection type or the like that injects fuel at the tip, and is assembled to the cylinder head 11 so that the nozzle 29a faces the combustion chamber 50. The injector 29 of each cylinder is connected through a fuel supply pipe 30 to a common common rail (not shown) that stores high-pressure fuel. The fuel accumulated in the common rail is supplied to each injector 29. Thereby, high pressure fuel can be injected from each injector 29 at the same pressure.

エンジン1の運転状態を検知するために、エンジン1には、図示しないが、温度センサや角度センサ、流量センサ等の、各種センサが取り付けられている。PCM4は、これらセンサから入力される信号と、マップなどの予め実装されている各種制御データとに基づいて、エンジン1を構成している各装置を制御する。例えば、吸気流動制御弁25の開度や、吸気動弁機構26及び排気動弁機構27の作動、点火プラグ28の点火タイミング、インジェクタ29による燃料の噴射タイミングや噴射時間などは、エンジン1の運転状態に応じてPCM4により制御される。   In order to detect the operating state of the engine 1, various sensors such as a temperature sensor, an angle sensor, and a flow rate sensor are attached to the engine 1, although not shown. The PCM 4 controls each device constituting the engine 1 based on signals input from these sensors and various control data such as a map that is mounted in advance. For example, the opening degree of the intake flow control valve 25, the operation of the intake valve mechanism 26 and the exhaust valve mechanism 27, the ignition timing of the spark plug 28, the fuel injection timing and injection time by the injector 29, etc. It is controlled by the PCM 4 according to the state.

<燃焼室50の構成>
図2に、燃焼室50の断面構造を拡大して示す。また、図3に、図2の矢印Iの方向から見たときのピストン上面51を示し、図4に、図2の矢印IIの方向から見たときの燃焼室天井面52を示す。符号Jは、シリンダの中心を通る軸線である。尚、ピストン上面51や燃焼室天井面52には、複数のマイクロ溝55や、複数の界面流動発生デバイス60が設けられているが、これらについては別途詳述する。
<Composition of combustion chamber 50>
FIG. 2 shows an enlarged cross-sectional structure of the combustion chamber 50. 3 shows the piston upper surface 51 when viewed from the direction of arrow I in FIG. 2, and FIG. 4 shows the combustion chamber ceiling surface 52 when viewed from the direction of arrow II in FIG. Reference symbol J is an axis passing through the center of the cylinder. The piston upper surface 51 and the combustion chamber ceiling surface 52 are provided with a plurality of micro grooves 55 and a plurality of interfacial flow generation devices 60, which will be described in detail separately.

このエンジン1の燃焼室天井面52は、軸線Jを間に挟んだ両側に、対称状に位置する二つの傾斜面を有している(いわゆるペントルーフ形状)。図2、図4に示すように、燃焼室天井面52は、2つの吸気開口19が配置された吸気側傾斜面52aと、2つの排気開口20が配置された排気側傾斜面52bと、を有している。これら吸気側傾斜面52a及び排気側傾斜面52bの間には、これら吸気側傾斜面52a及び排気側傾斜面52bの上端縁に沿って延びる棟面52cが形成されている。   The combustion chamber ceiling surface 52 of the engine 1 has two inclined surfaces symmetrically positioned on both sides of the axis J (so-called pent roof shape). As shown in FIGS. 2 and 4, the combustion chamber ceiling surface 52 includes an intake side inclined surface 52a in which two intake openings 19 are arranged and an exhaust side inclined surface 52b in which two exhaust openings 20 are arranged. Have. Between the intake side inclined surface 52a and the exhaust side inclined surface 52b, a ridge surface 52c extending along the upper end edges of the intake side inclined surface 52a and the exhaust side inclined surface 52b is formed.

吸気側傾斜面52a及び排気側傾斜面52bの各々は、軸線Jを中心として上向きに凹んだカップ状の微曲面で構成されており、互いの逆方向に向かって、緩やかに下り傾斜している。2つの吸気開口19及び2つの排気開口20は、各々、棟面52cに沿って並ぶように配置されている。各バルブ面23c,24cも、吸気側傾斜面52a及び排気側傾斜面52bと同様に、微曲面で構成されている。   Each of the intake-side inclined surface 52a and the exhaust-side inclined surface 52b is configured by a cup-shaped fine curved surface that is recessed upward with the axis J as the center, and gently inclines downward in the opposite directions. . The two intake openings 19 and the two exhaust openings 20 are arranged so as to be aligned along the ridge surface 52c. Each valve surface 23c, 24c is also formed of a fine curved surface, like the intake side inclined surface 52a and the exhaust side inclined surface 52b.

それにより、吸気バルブ23が閉じられたときには、そのバルブ面23cは燃焼室天井面52と段差無く連なり、排気バルブ24が閉じられたときには、そのバルブ面24cも燃焼室天井面52と段差無く連なるようになっている。   Thereby, when the intake valve 23 is closed, the valve surface 23c is connected to the combustion chamber ceiling surface 52 without a step, and when the exhaust valve 24 is closed, the valve surface 24c is also connected to the combustion chamber ceiling surface 52 without a step. It is like that.

棟面52cの中央に軸線Jが位置しており、インジェクタ29は、その中心線が軸線Jの近傍に平行して位置するように、シリンダヘッド11に配置されている。ノズル29aは、棟面52cの略中央から燃焼室50に臨んでいる。点火プラグ28は、傾斜した状態で、シリンダヘッド11のインジェクタ29に隣接した位置に配置されている。電極28aは、棟面52cの長手方向にノズル29aと近接して配置されており、棟面52cの略中央から燃焼室50に臨んでいる。   The axis line J is located at the center of the ridge surface 52c, and the injector 29 is arranged on the cylinder head 11 so that the center line is located in parallel with the vicinity of the axis line J. The nozzle 29a faces the combustion chamber 50 from the approximate center of the ridge surface 52c. The spark plug 28 is disposed at a position adjacent to the injector 29 of the cylinder head 11 in an inclined state. The electrode 28a is disposed close to the nozzle 29a in the longitudinal direction of the ridge surface 52c, and faces the combustion chamber 50 from substantially the center of the ridge surface 52c.

図2、図3に示すように、ピストン上面51は、燃焼室天井面52に対応した形状に形成されている。すなわち、ピストン上面51には、吸気側傾斜面52a及び排気側傾斜面52bの各々と対向する吸気側対向傾斜面51a及び排気側対向傾斜面51bが形成されている。これら吸気側対向傾斜面51a及び排気側対向傾斜面51bの各々は、吸気側傾斜面52a及び排気側傾斜面52bの各々と同等の曲率を有する、軸線Jを中心として上向きに僅かに膨らんだカップ状の微曲面で構成されている。従って、吸気側対向傾斜面51aと吸気側傾斜面52aとの間の間隔、及び、排気側対向傾斜面51bと排気側傾斜面52bとの間の間隔(軸線J方向の間隔)は、ピストン13の位置によって大小に変化するが、径方向においては略一定である。   As shown in FIGS. 2 and 3, the piston upper surface 51 is formed in a shape corresponding to the combustion chamber ceiling surface 52. In other words, the piston upper surface 51 is formed with an intake side facing inclined surface 51a and an exhaust side facing inclined surface 51b facing the intake side inclined surface 52a and the exhaust side inclined surface 52b, respectively. Each of the intake side facing inclined surface 51a and the exhaust side facing inclined surface 51b has a curvature equivalent to that of each of the intake side inclined surface 52a and the exhaust side inclined surface 52b and is slightly swelled upward about the axis J. It is composed of a fine curved surface. Accordingly, the interval between the intake-side opposing inclined surface 51a and the intake-side inclined surface 52a and the interval between the exhaust-side opposing inclined surface 51b and the exhaust-side inclined surface 52b (interval in the axis J direction) are determined by the piston 13. Although it varies depending on the position, it is substantially constant in the radial direction.

ピストン上面51にはまた、キャビティ53(窪み)が形成されている。キャビティ53は、ピストン上面51の中央部分に位置し、長軸が棟面52cと平行なオーバル形状の開口縁を有している。キャビティ53の壁面は、その開口縁に連なる曲面で構成されており、その底部中心を軸線Jが通っている。   A cavity 53 (depression) is also formed in the piston upper surface 51. The cavity 53 is located in the center portion of the piston upper surface 51 and has an oval-shaped opening edge whose major axis is parallel to the ridge surface 52c. The wall surface of the cavity 53 is formed by a curved surface that continues to the opening edge, and the axis J passes through the center of the bottom.

エンジン1の運転時には、ピストン13が往復動し、排気バルブ24や吸気バルブ23が所定のタイミングで開閉される。そうして、インジェクタ29から所定のタイミングで燃焼が噴射され、所定のタイミングで点火プラグ28により点火が行われる。それにより、燃焼室50では、吸気、圧縮、膨張、及び排気の各行程からなる燃焼サイクルが行われる。このエンジン1は、圧縮比(幾何学的圧縮比)が比較的高いエンジンであり、ピストン13が上死点に位置したときには、図2に示すように、ピストン上面51は燃焼室天井面52に近接する。   During operation of the engine 1, the piston 13 reciprocates, and the exhaust valve 24 and the intake valve 23 are opened and closed at a predetermined timing. Thus, combustion is injected from the injector 29 at a predetermined timing, and ignition is performed by the spark plug 28 at a predetermined timing. Thereby, in the combustion chamber 50, the combustion cycle which consists of each process of intake, compression, expansion, and exhaust_gas | exhaustion is performed. The engine 1 is an engine having a relatively high compression ratio (geometric compression ratio). When the piston 13 is located at the top dead center, the piston upper surface 51 is placed on the combustion chamber ceiling surface 52 as shown in FIG. Proximity.

(ガスの流動)
燃焼サイクルが行われている燃焼室50の中では、様々なガスの流れが形成される。これらガスの主な流れ(主流)は、その向きや形態に基づいてモデル化すると、スワール流、タンブル流、及びスキッシュ流に大別できる。スワール流は、軸線Jの周りに旋回するガスの流れ(横渦)であり、タンブル流は、軸線Jと直交する軸の周りに旋回するガスの流れ(縦渦)である。いずれも燃焼室50の中を大きく旋回する流れである。
(Gas flow)
In the combustion chamber 50 where the combustion cycle is performed, various gas flows are formed. The main flow (main flow) of these gases can be roughly classified into a swirl flow, a tumble flow, and a squish flow when modeled based on the direction and form. The swirl flow is a gas flow swirling around an axis J (lateral vortex), and the tumble flow is a gas flow swirling around an axis orthogonal to the axis J (longitudinal vortex). Both are flows that swirl in the combustion chamber 50 greatly.

このエンジン1では、吸気流動制御弁25により、スワール流を発生させ、その強さの調整ができる。また、吸気流動制御弁25が無くても、吸気VVTを備えた吸気動弁機構26により、吸気バルブ23の開閉タイミングを変更することで、スワール流を発生させ、その強さの調整ができる。従って、吸気動弁機構26も、スワール流発生機構を構成し得る。   In the engine 1, a swirl flow can be generated by the intake flow control valve 25 and the strength thereof can be adjusted. Even if the intake flow control valve 25 is not provided, a swirl flow can be generated and its strength can be adjusted by changing the opening / closing timing of the intake valve 23 by the intake valve mechanism 26 having the intake VVT. Therefore, the intake valve mechanism 26 can also constitute a swirl flow generating mechanism.

一方、スキッシュ流は、燃焼室50の周辺部分に設けられるスキッシュエリア54で形成されるガスの流れである。この燃焼室50では、吸気側対向傾斜面51aと吸気側傾斜面52aとの間の空間、及び排気側対向傾斜面51bと排気側傾斜面52bとの間の空間により、スキッシュエリア54が構成される。スキッシュエリア54は、ピストン13が圧縮上死点の近くに位置する、圧縮行程から膨張行程に移行する過程で形成される。   On the other hand, the squish flow is a gas flow formed in the squish area 54 provided in the peripheral portion of the combustion chamber 50. In the combustion chamber 50, a squish area 54 is constituted by a space between the intake-side opposing inclined surface 51a and the intake-side inclined surface 52a and a space between the exhaust-side opposing inclined surface 51b and the exhaust-side inclined surface 52b. The The squish area 54 is formed in the process of moving from the compression stroke to the expansion stroke, where the piston 13 is located near the compression top dead center.

図2に矢印で示すように、スキッシュ流は、シリンダ12の径方向に向かうガスの流れである。スキッシュ流には、ピストン13が上昇する圧縮行程でガスが押し出されて、径方向内側に向かう流れ(順スキッシュ流)と、ピストン13が下降する膨張行程でガスが引き込まれて、径方向外側に向かう流れ(逆スキッシュ流)とがある。   As shown by arrows in FIG. 2, the squish flow is a gas flow directed in the radial direction of the cylinder 12. In the squish flow, gas is pushed out in the compression stroke in which the piston 13 rises, and the gas is drawn in in the radially inward flow (forward squish flow), and in the expansion stroke in which the piston 13 descends, and radially outward. There is a heading flow (reverse squish flow).

これらガスの主流は、二次的な流れ(副流)として、その流れの周りに旋回する、直径がμmレベルの微細な渦(マイクロ渦ms)を伴うことが知られている。このマイクロ渦msは、微視的なレベルの乱流を引き起こす。そのため、ガスの主流が燃焼室50の壁面の近くを通過する際には、その界面領域で発生する微視的な乱流により、壁面を通じて燃焼室50外への放熱が促進される。その結果、高温のガスが冷却されてエネルギーロスとなる(冷却損失)。   It is known that the main flow of these gases is accompanied by a fine vortex (micro vortex ms) having a diameter of μm and swirling around the flow as a secondary flow (secondary flow). The micro vortex ms causes microscopic turbulence. Therefore, when the main flow of gas passes near the wall surface of the combustion chamber 50, heat dissipation to the outside of the combustion chamber 50 is promoted through the wall surface due to microscopic turbulence generated in the interface region. As a result, the high-temperature gas is cooled, resulting in energy loss (cooling loss).

このようなマイクロ渦msに起因した放熱の促進に対し、燃焼室50の壁面に、所定の大きさに設定された微細な溝を形成することで、放熱が抑制できることが知られている(特許文献1参照)。このエンジン1の燃焼室50の壁面、すなわち、図3、図4に示すように、ピストン上面51及び燃焼室天井面52の双方には、冷却損失を抑制するために、そのような微細な溝(マイクロ溝55)が形成されている。   It is known that heat dissipation can be suppressed by forming fine grooves set to a predetermined size on the wall surface of the combustion chamber 50 against the promotion of heat dissipation due to such microvortex ms (patent) Reference 1). As shown in FIGS. 3 and 4, both the piston upper surface 51 and the combustion chamber ceiling surface 52 have such fine grooves on the wall surface of the combustion chamber 50 of the engine 1 in order to suppress cooling loss. (Micro groove 55) is formed.

(マイクロ溝55)
マイクロ溝55は、そのマイクロ溝55が形成される壁面に沿って流れるガスの主流の流動方向に延びるように形成される。ガスと壁面との間の温度差が大きいほど、それだけ高い放熱抑制効果が得られる。従って、マイクロ溝55は、燃焼室50の中が最も高温になるときの主流の流動方向に合わせて形成するのが好ましいが、その形成パターンは、エンジン1の仕様に応じて適宜選択できる。
(Micro groove 55)
The micro groove 55 is formed so as to extend in the flow direction of the main flow of the gas flowing along the wall surface on which the micro groove 55 is formed. The greater the temperature difference between the gas and the wall surface, the higher the heat dissipation suppression effect. Therefore, the micro grooves 55 are preferably formed in accordance with the flow direction of the main stream when the temperature in the combustion chamber 50 becomes the highest temperature, but the formation pattern can be appropriately selected according to the specifications of the engine 1.

図3、図4に示すように、この構成例では、スキッシュ流に合わせてマイクロ溝55が形成されており、スキッシュエリア54を構成している、ピストン上面51及び燃焼室天井面52の双方に、マイクロ溝55が形成されている(マイクロ溝55が形成されている面を「溝形成面56」ともいう)。具体的には、ピストン上面51の吸気側対向傾斜面51a及び排気側対向傾斜面51bの各々のほぼ全域、キャビティ53の周縁部からこれら傾斜面の外縁部に至る範囲に、複数のマイクロ溝55が形成されている。また、燃焼室天井面52では、吸気バルブ23及び排気バルブ24の各バルブ面23c,24cを含む、吸気側傾斜面52a及び排気側傾斜面52bの各々のほぼ全域、棟面52cの周縁部からこれら傾斜面の外縁部に至る範囲に、複数のマイクロ溝55が形成されている。   As shown in FIGS. 3 and 4, in this configuration example, micro grooves 55 are formed in accordance with the squish flow, and both the piston upper surface 51 and the combustion chamber ceiling surface 52 constituting the squish area 54 are formed. The micro-groove 55 is formed (the surface on which the micro-groove 55 is formed is also referred to as “groove forming surface 56”). Specifically, a plurality of microgrooves 55 are provided in substantially the entire area of each of the intake-side opposed inclined surface 51a and the exhaust-side opposed inclined surface 51b of the piston upper surface 51, and in the range from the peripheral edge of the cavity 53 to the outer edge of these inclined surfaces. Is formed. In addition, on the combustion chamber ceiling surface 52, the entire area of each of the intake side inclined surface 52a and the exhaust side inclined surface 52b including the valve surfaces 23c and 24c of the intake valve 23 and the exhaust valve 24, from the peripheral portion of the ridge surface 52c. A plurality of microgrooves 55 are formed in a range reaching the outer edge of these inclined surfaces.

これらマイクロ溝55は、スキッシュエリア54を径方向に流れるスキッシュ流の流動方向に合わせ、シリンダ12の径方向の中心から放射状に延びるように配列されている。なお、マイクロ溝55は、隣接するマイクロ溝55が互いに接する程度に密に配列されているが、便宜上、図示のマイクロ溝55は簡略化して表示している。   These micro grooves 55 are arranged so as to extend radially from the radial center of the cylinder 12 in accordance with the flow direction of the squish flow flowing in the squish area 54 in the radial direction. The microgrooves 55 are arranged so densely that adjacent microgrooves 55 are in contact with each other. However, for convenience, the illustrated microgrooves 55 are shown in a simplified manner.

図5に示すように、マイクロ溝55の幅s(両側縁間の最大幅s)は、マイクロ渦msの直径dよりも小さく設定されている。それにより、マイクロ渦msがマイクロ溝55に入り込むことができなくなり、溝形成面56が平坦である場合と比べて、微視的な乱流が壁面から離れた位置で発生する。その結果、ガスと溝形成面56との間で熱伝達が行われ難くなり、放熱が抑制される。なお、マイクロ溝55の幅sは小さ過ぎると、平滑面に近づいてマイクロ溝55としての機能が損なわれるため、小さ過ぎないようにも設定される。   As shown in FIG. 5, the width s (maximum width s between both side edges) of the microgroove 55 is set to be smaller than the diameter d of the microvortex ms. As a result, the micro vortex ms cannot enter the micro groove 55, and a microscopic turbulence is generated at a position away from the wall surface as compared with the case where the groove forming surface 56 is flat. As a result, heat transfer between the gas and the groove forming surface 56 becomes difficult, and heat dissipation is suppressed. If the width s of the microgroove 55 is too small, the function as the microgroove 55 is impaired by approaching a smooth surface, so that it is set not to be too small.

このような適切なマイクロ溝55の幅sは、ガスの主流の流速等に基づいて設定される。例えば、マイクロ渦msの直径dは、ガスの主流の流速が高くなるほど小さくなる。従って、マイクロ溝55の幅sもそれに合わせて設定される。エンジン1の主たる運転領域での、異なる回転数及び負荷に対する、マイクロ溝55の幅sの適切な設定値の一例を次に示す。   Such an appropriate width s of the microgroove 55 is set based on the flow velocity of the main flow of the gas. For example, the diameter d of the microvortex ms decreases as the flow velocity of the main gas flow increases. Accordingly, the width s of the microgroove 55 is also set accordingly. An example of an appropriate set value of the width s of the micro groove 55 for different rotational speeds and loads in the main operating region of the engine 1 will be shown below.

[回転数] [負荷] [マイクロ溝55の幅s]
・1000rpm/250kPa: 10〜200μm
・1000rpm/550kPa: 7〜250μm
・2500rpm/900kPa: 2.5〜80μm
・3250rpm/530kPa: 2〜70μm
すなわち、マイクロ溝55の幅sは、2μm〜250μmの範囲で設定するのが好ましい。幅sが2μmよりも小さいと燃焼室50の壁面が平滑面に近くなり、幅sが250μmを超過するとマイクロ渦msがマイクロ溝55に入り込み易くなる。いずれも冷却損失の低減効果が期待できない。
[Number of rotations] [Load] [Width s of micro-groove 55]
・ 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
That is, the width s of the microgroove 55 is preferably set in the range of 2 μm to 250 μm. When the width s is smaller than 2 μm, the wall surface of the combustion chamber 50 becomes close to a smooth surface, and when the width s exceeds 250 μm, the microvortex ms easily enters the microgroove 55. None of them can be expected to reduce the cooling loss.

マイクロ溝55の深さhも幅sに応じて適切に設定するのが好ましい。マイクロ溝55を深くするほど、微視的な乱流を溝形成面56から遠ざけることができるが、マイクロ溝55を深くすると、溝形成面56の表面積が大きくなる。表面積が大きくなると放熱し易くなるため、溝形成面56の表面積が大きくなり過ぎると、反って放熱を促進させてしまう。   It is preferable that the depth h of the microgroove 55 is also set appropriately according to the width s. The deeper the microgroove 55, the farther the microscopic turbulence can be moved away from the groove forming surface 56. However, when the microgroove 55 is deepened, the surface area of the groove forming surface 56 increases. When the surface area becomes large, it becomes easy to dissipate heat. Therefore, if the surface area of the groove forming surface 56 becomes too large, the heat dissipation is warped and promoted.

従って、マイクロ溝55の幅sは、その深さh以上の大きさに設定するのが好ましい。具体的には、マイクロ溝55の幅sに対する深さhの割合(h/s)が0.5〜1.0の範囲となるように設定すればよい。これらのことから、2μm〜250μmの範囲で、深さh以上の大きさの幅sに設定することで、冷却損失の低減効果に優れたマイクロ溝55を形成することができる。これらの範囲内であれば、マイクロ溝55の幅sや深さhは、その全長にわたって一様でなくてもよい。すなわち、一端から他端にわたって次第に幅sや深さhが大きくなったり、部分的に幅sや深さhが異なったりしてもよい。尤も、幅sや深さhが一様なマイクロ溝55は、加工が容易な点で有利である。   Therefore, the width s of the microgroove 55 is preferably set to a size equal to or greater than the depth h. Specifically, the ratio (h / s) of the depth h to the width s of the microgroove 55 may be set in the range of 0.5 to 1.0. From these facts, by setting the width s in the range of 2 μm to 250 μm to a depth s greater than or equal to the depth h, it is possible to form the microgroove 55 excellent in the cooling loss reduction effect. Within these ranges, the width s and the depth h of the microgroove 55 may not be uniform over the entire length. That is, the width s and the depth h may gradually increase from one end to the other end, or the width s and the depth h may partially differ. However, the micro groove 55 having a uniform width s and depth h is advantageous in that it can be easily processed.

マイクロ溝55の断面形状は、V字状、U字状、円弧状、矩形状等、仕様に応じて適宜設定できる(この構成例では、V字状の断面形状を例示)。単位面積当たりのマイクロ溝55の数は多い方が冷却損失の低減効果が高まる。そのため、隣接するマイクロ溝55の間は狭い方が好ましい。従って、マイクロ溝55の側縁部が隣接するマイクロ溝55の側縁部と一致するのが特に好ましいが、図5に示すように、隣接するマイクロ溝55の間に、平らな領域が存在していてもよい。   The cross-sectional shape of the micro-groove 55 can be set as appropriate according to specifications such as a V shape, a U shape, an arc shape, a rectangular shape, etc. (in this configuration example, a V-shaped cross-sectional shape is illustrated). As the number of the micro grooves 55 per unit area is larger, the effect of reducing the cooling loss is enhanced. Therefore, it is preferable that the space between adjacent micro grooves 55 is narrow. Therefore, it is particularly preferable that the side edge of the micro groove 55 coincides with the side edge of the adjacent micro groove 55, but there is a flat region between the adjacent micro grooves 55 as shown in FIG. It may be.

(界面流動発生デバイス60)
スキッシュエリア54が設けられているこのエンジン1では、燃焼室50の中が最も高温になる時のガスの流動は、スキッシュ流が支配的である。そのため、スキッシュエリア54に臨む溝形成面56でのマイクロ溝55の形成パターンは、スキッシュ流に合わせてある。
(Interface flow generation device 60)
In the engine 1 in which the squish area 54 is provided, the squish flow is dominant in the gas flow when the temperature in the combustion chamber 50 becomes the highest. Therefore, the formation pattern of the micro grooves 55 on the groove forming surface 56 facing the squish area 54 is adapted to the squish flow.

ところが、前述したように、燃焼室50の内部では、効率的な燃焼を実現するために、様々なタイミングで様々なガスの流動が形成される場合がある。例えば、吸気流動制御弁25によってスワール流が強化されたり、吸気バルブ23の開閉タイミングの変更やエンジン回転数の高低によって支配的なガスの主流の割合が変化したりする。そのため、エンジン1の運転状態によっては、燃焼室50の中が最も高温になる時のスキッシュエリア54で、スワール流やタンブル流が支配的になる場合もあり得る。また、燃焼室50の中が最も高温になる周辺の温度帯で、スキッシュエリア54におけるガスの流動が変化する場合もあり得る。   However, as described above, in the combustion chamber 50, various gas flows may be formed at various timings in order to achieve efficient combustion. For example, the swirl flow is strengthened by the intake flow control valve 25, or the ratio of the dominant gas main flow is changed by changing the opening / closing timing of the intake valve 23 or by the level of the engine speed. Therefore, depending on the operating state of the engine 1, the swirl flow or the tumble flow may be dominant in the squish area 54 when the temperature in the combustion chamber 50 is the highest. In addition, the gas flow in the squish area 54 may change in a temperature range around the combustion chamber 50 where the temperature is highest.

それに対し、溝形成面56に沿って流れるガスの流動方向が、マイクロ溝55が延びる方向(溝延長方向ともいう)と一致せず、これらの間でずれが生じると、放熱抑制効果が低下することが判明した。   On the other hand, if the flow direction of the gas flowing along the groove forming surface 56 does not coincide with the direction in which the micro groove 55 extends (also referred to as the groove extending direction) and a deviation occurs between them, the heat dissipation suppressing effect is reduced. It has been found.

図6に、溝延長方向に対して、溝形成面56に沿って流れるガスの流動方向が偏っている角度(ずれ角:deg)と、所定の条件下での溝形成面56における熱伝達率低減率(%)との関係を示す。熱伝達率低減率が高いほど、放熱の抑制効果が高い。なお、黒丸印を含む実線は、前述したマイクロ溝55の幅sに対する深さhの割合(h/s)が0.5の場合、白四角印を含む実線は、h/sが1.0の場合、をそれぞれ表している。   FIG. 6 shows an angle (deviation angle: deg) in which the flow direction of the gas flowing along the groove forming surface 56 is deviated with respect to the groove extending direction, and the heat transfer coefficient in the groove forming surface 56 under a predetermined condition. The relationship with the reduction rate (%) is shown. The higher the heat transfer rate reduction rate, the higher the effect of suppressing heat dissipation. When the ratio of the depth h to the width s of the micro groove 55 (h / s) is 0.5, the solid line including the black circle mark indicates that the solid line including the white square mark has an h / s of 1.0. In the case of.

いずれの場合においても、ずれ角が、約15degを超えると、ずれ角が大きくなるほど、放熱の抑制効果が低下する傾向が認められた。従って、ずれ角は、小さくするのが好ましく、15deg以内にするのがより好ましい。   In any case, when the deviation angle exceeds about 15 deg, a tendency that the effect of suppressing heat dissipation decreases as the deviation angle increases. Therefore, the deviation angle is preferably small and more preferably within 15 deg.

従って、燃焼室50の壁面にマイクロ溝55を形成しても、放熱抑制効果を効率的に得るためには、溝形成面56に沿って流れるガスの流動方向を、溝延長方向とできるだけ一致させる必要がある。しかし、マイクロ溝55を形成するだけでは、多様なガスの流動方向に対応できない。そこで、このエンジン1の燃焼室50では、溝形成面56に沿って流れるガスの流動(界面流動)を発生させる界面流動発生デバイス60が、マイクロ溝55と共に設置されている。   Therefore, even if the micro groove 55 is formed on the wall surface of the combustion chamber 50, the flow direction of the gas flowing along the groove forming surface 56 is made to coincide with the groove extending direction as much as possible in order to efficiently obtain the heat radiation suppressing effect. There is a need. However, simply forming the microgroove 55 cannot cope with various gas flow directions. Therefore, in the combustion chamber 50 of the engine 1, an interface flow generation device 60 that generates a flow of gas (interface flow) flowing along the groove forming surface 56 is installed together with the micro groove 55.

図3,図4に示すように、界面流動発生デバイス60は、外観が線状に見える微細な構造体であり、溝形成面56に拡がるように設置されている。この構成例では、ピストン上面51の吸気側対向傾斜面51a及び排気側対向傾斜面51bの各々、すなわちスキッシュエリア54を構成している領域の外縁部に沿って延びるように、界面流動発生デバイス60が設置されている。また、燃焼室50天井面52でも、吸気側傾斜面52a及び排気側傾斜面52bの各々の、スキッシュエリア54を構成している領域の外縁部に沿って延びるように、界面流動発生デバイス60が設置されている。これら界面流動発生デバイス60は、放射状に延びる複数のマイクロ溝55と交差する方向(好ましくは直交する方向)に延びるように配置されている。   As shown in FIGS. 3 and 4, the interfacial flow generating device 60 is a fine structure that looks like a linear appearance, and is installed so as to spread on the groove forming surface 56. In this configuration example, the interfacial flow generating device 60 extends so as to extend along each of the intake-side opposed inclined surface 51a and the exhaust-side opposed inclined surface 51b of the piston upper surface 51, that is, along the outer edge portion of the region constituting the squish area 54. Is installed. In addition, the interfacial flow generation device 60 extends along the outer edge portion of the region constituting the squish area 54 of each of the intake side inclined surface 52a and the exhaust side inclined surface 52b also on the ceiling surface 52 of the combustion chamber 50. is set up. These interfacial flow generation devices 60 are arranged so as to extend in a direction (preferably, a direction orthogonal) intersecting with the plurality of radially extending micro grooves 55.

図7に、界面流動発生デバイス60の断面構造を示す。界面流動発生デバイス60には、いわゆるプラズマアクチュエータが用いられており、誘電体61、露出電極62、被覆電極63などで構成されている。   FIG. 7 shows a cross-sectional structure of the interfacial flow generation device 60. A so-called plasma actuator is used for the interfacial flow generation device 60, and is constituted by a dielectric 61, an exposed electrode 62, a covered electrode 63, and the like.

このエンジン1では、溝形成面56の表面(燃焼室50に面する面)が特定構造を有する被覆層で被覆されており、誘電体61は、その被覆層によって構成されている(被覆層61ともいう)。   In the engine 1, the surface of the groove forming surface 56 (surface facing the combustion chamber 50) is covered with a coating layer having a specific structure, and the dielectric 61 is configured by the coating layer (coating layer 61. Also called).

被覆層61は、熱し易くかつ冷め易いように、熱容量の小さい素材で形成されている。例えば、中空粒子を含むシリコーン樹脂で、被覆層61を形成することができる。具体的には、フライアッシュバルーン、シラスバルーン、シリカバルーン、エアロゲルバルーン等の微細なセラミック系の中空粒子を含む、ポリアルキルフェニルシロキサン等のシリコーン樹脂を用いて被覆層61を形成することができる。   The covering layer 61 is formed of a material having a small heat capacity so that it can be easily heated and cooled. For example, the coating layer 61 can be formed of a silicone resin containing hollow particles. Specifically, the coating layer 61 can be formed using a silicone resin such as polyalkylphenylsiloxane containing fine ceramic hollow particles such as fly ash balloon, shirasu balloon, silica balloon, and airgel balloon.

このような被覆層61によって誘電体を構成することで、溝形成面56に遮熱機能を付与することができる。それにより、放熱が抑制されるので、冷却損失の低減効果がより向上する。溝形成面56がより高温になるので、マイクロ溝55でのカーボンデポジットの形成を抑制する効果も期待できる。   By forming a dielectric with such a covering layer 61, a heat shielding function can be imparted to the groove forming surface 56. Thereby, since heat dissipation is suppressed, the effect of reducing the cooling loss is further improved. Since the groove forming surface 56 has a higher temperature, an effect of suppressing the formation of carbon deposits in the micro grooves 55 can be expected.

露出電極62及び被覆電極63は、いずれも薄膜の金属からなる導電体で形成されており、この界面流動発生デバイス60では、線状ないし帯状に形成されている。露出電極62及び被覆電極63の各々の厚みや幅、形状等は、仕様に応じて適宜設定できる。通常、露出電極62及び被覆電極63の厚みは薄く、これらを含む界面流動発生デバイス60としての厚みは数μm〜数100μmに過ぎない。   Both the exposed electrode 62 and the covered electrode 63 are formed of a conductor made of a thin film metal. In the interfacial flow generation device 60, the exposed electrode 62 and the covered electrode 63 are formed in a line shape or a belt shape. The thickness, width, shape, and the like of each of the exposed electrode 62 and the covered electrode 63 can be appropriately set according to specifications. Usually, the exposed electrode 62 and the coated electrode 63 are thin, and the thickness of the interfacial flow generating device 60 including these is only several μm to several hundred μm.

露出電極62は、被覆層61の外面側に配置されている。露出電極62の一部は燃焼室50に露出しているのが好ましい。対して、被覆電極63は、誘電体である被覆層61を露出電極62との間に介在させた状態で、被覆層61の内面側に配置されている。被覆電極63は、溝形成面56に沿って露出電極62から離れた部位が生じるように、露出電極62の設置位置から外れた位置にオフセットして配置されている。   The exposed electrode 62 is disposed on the outer surface side of the coating layer 61. Part of the exposed electrode 62 is preferably exposed to the combustion chamber 50. On the other hand, the covering electrode 63 is disposed on the inner surface side of the covering layer 61 with the covering layer 61 that is a dielectric interposed between the covering electrode 61 and the exposed electrode 62. The covered electrode 63 is arranged offset to a position away from the installation position of the exposed electrode 62 so that a part away from the exposed electrode 62 is generated along the groove forming surface 56.

露出電極62及び被覆電極63の各々は、例えば数KHz以上かつ数10kV以上の、高出力が可能な電源と電気的に接続されていて、電力の供給が可能となっている。   Each of the exposed electrode 62 and the covered electrode 63 is electrically connected to a power source capable of high output, for example, several KHz or more and several tens of kV or more, and can supply power.

具体的には、図1に示すように、シリンダヘッド11には、燃焼室50天井面52に設置されている界面流動発生デバイス60に対応したヘッド側デバイスユニット64が取り付けられている。ピストン13の内部には、その上面51に設置されている界面流動発生デバイス60に対応したピストン側デバイスユニット65が取り付けられている。   Specifically, as shown in FIG. 1, a head side device unit 64 corresponding to the interface flow generation device 60 installed on the ceiling surface 52 of the combustion chamber 50 is attached to the cylinder head 11. A piston-side device unit 65 corresponding to the interfacial flow generation device 60 installed on the upper surface 51 is attached to the inside of the piston 13.

図2に示すように、ヘッド側デバイスユニット64は、電気配線66aを通じ、吸気側傾斜面52a及び排気側傾斜面52bの各々に設置された各界面流動発生デバイス60と接続されている。そして、ピストン側デバイスユニット65は、電気配線66bを通じ、吸気側対向傾斜面51a及び排気側対向傾斜面51bに設置された各界面流動発生デバイス60と接続されている。   As shown in FIG. 2, the head side device unit 64 is connected to each interface flow generation device 60 installed on each of the intake side inclined surface 52a and the exhaust side inclined surface 52b through an electric wiring 66a. The piston-side device unit 65 is connected to each interfacial flow generation device 60 installed on the intake-side opposing inclined surface 51a and the exhaust-side opposing inclined surface 51b through the electrical wiring 66b.

ヘッド側デバイスユニット64は、ケーブル67を通じ、PCM4や主電源であるバッテリー5と接続されている。従って、燃焼室50天井面52に設置されている界面流動発生デバイス60には、ヘッド側デバイスユニット64を通じて、有線による給電及び通信が行われる。   The head-side device unit 64 is connected to the PCM 4 and the battery 5 that is a main power source through a cable 67. Therefore, the interface flow generation device 60 installed on the ceiling surface 52 of the combustion chamber 50 is supplied with power and communicates by wire through the head-side device unit 64.

一方、ピストン側デバイスユニット65には、界面流動発生デバイス60に電力を供給する蓄電可能なデバイス電源部65aと、界面流動発生デバイス60を制御するデバイス制御部65bと、これらデバイス電源部65a及びデバイス制御部65bの各々に電力及び制御信号を供給するデバイス受信部65cと、が内蔵されている。このデバイス受信部65cとの間で無線による給電及び通信を可能にする送信器68が、エンジン本体2の近傍に配置されている。送信器68は、ケーブル67を通じ、PCM4や主電源であるバッテリー5と接続されている。   On the other hand, the piston-side device unit 65 includes a device power supply unit 65a capable of storing power to supply power to the interface flow generation device 60, a device control unit 65b for controlling the interface flow generation device 60, and the device power supply unit 65a and the device. A device receiver 65c that supplies power and a control signal to each of the controllers 65b is incorporated. A transmitter 68 that enables wireless power feeding and communication with the device receiver 65c is disposed in the vicinity of the engine body 2. The transmitter 68 is connected to the PCM 4 and the battery 5 as the main power source through the cable 67.

従って、ピストン上面51に設置されている界面流動発生デバイス60には、送信器68及びピストン側デバイスユニット65を通じて、無線による給電及び通信が行われる。ピストン側デバイスユニット65に、蓄電可能なデバイス電源部65aが設けられているので、無線による給電であっても、界面流動発生デバイス60やデバイス制御部65bに安定して電力を供給することができる。そして、デバイス制御部65bにより、PCM4から独立した界面流動発生デバイス60の制御が行えるので、無線による通信であっても界面流動発生デバイス60を安定して作動させることができる。   Therefore, the interfacial flow generating device 60 installed on the piston upper surface 51 is wirelessly fed and communicated through the transmitter 68 and the piston-side device unit 65. Since the piston-side device unit 65 is provided with a device power supply unit 65a capable of storing electricity, even when wireless power feeding is performed, power can be stably supplied to the interface flow generation device 60 and the device control unit 65b. . Since the device controller 65b can control the interface flow generation device 60 independent of the PCM 4, the interface flow generation device 60 can be stably operated even by wireless communication.

界面流動発生デバイス60は、高電圧を供給することで作動する。すなわち、露出電極62と被覆電極63(GND)との間に高電圧が印加されると、露出電極62と被覆電極63との間に縁面放電が生じる。その結果、露出電極62と被覆電極63との間の、燃焼室50に面する界面領域では、露出電極62の側から被覆電極63の側に向かうガスの流れが誘起される。またこのとき、その界面領域にはプラズマが発生するため、オゾンが生成される。すなわち、界面流動発生デバイス60は、オゾン生成デバイスとしても機能する。   The interfacial flow generation device 60 operates by supplying a high voltage. That is, when a high voltage is applied between the exposed electrode 62 and the covered electrode 63 (GND), edge discharge occurs between the exposed electrode 62 and the covered electrode 63. As a result, in the interface region between the exposed electrode 62 and the coated electrode 63 facing the combustion chamber 50, a gas flow is induced from the exposed electrode 62 side toward the coated electrode 63 side. At this time, since plasma is generated in the interface region, ozone is generated. That is, the interfacial flow generation device 60 also functions as an ozone generation device.

界面流動発生デバイス60を作動させることにより、図7に矢印で示すように、溝形成面56の界面領域に沿って流れるガスの流動(界面流動)を形成することができる。従って、界面流動発生デバイス60により、溝形成面56に沿って流れるガスの主流の流動方向を偏向したり強化したりできる。具体的には、溝形成面56に沿って流れるガスの主流の流動方向が溝延長方向と異なる場合には、その流動方向を、溝延長方向に偏向させることができる。また、溝形成面56に沿って流れるガスの主流の流動方向が溝延長方向と同じ場合には、その流動を強化することができる。   By operating the interfacial flow generation device 60, a gas flow (interfacial flow) flowing along the interface region of the groove forming surface 56 can be formed as indicated by an arrow in FIG. 7. Therefore, the flow direction of the main flow of the gas flowing along the groove forming surface 56 can be deflected or strengthened by the interface flow generation device 60. Specifically, when the flow direction of the main flow of the gas flowing along the groove forming surface 56 is different from the groove extension direction, the flow direction can be deflected in the groove extension direction. Further, when the flow direction of the main flow of the gas flowing along the groove forming surface 56 is the same as the groove extending direction, the flow can be strengthened.

図3や図4に示すように、この構成例では、界面流動発生デバイス60が、スキッシュエリア54を構成する領域の外縁部に沿って延びるように配置されている。そして、露出電極62は、被覆電極63よりも、シリンダ12の径方向外側に位置するように配置されている。   As shown in FIGS. 3 and 4, in this configuration example, the interface flow generation device 60 is disposed so as to extend along the outer edge portion of the region constituting the squish area 54. The exposed electrode 62 is disposed so as to be positioned on the radially outer side of the cylinder 12 with respect to the covered electrode 63.

従って、図8に白抜き矢印で示すように、スワール流の影響により、スキッシュエリア54の界面領域で、流動を周方向に向かわせる外力がガスの主流に作用しても、界面流動発生デバイス60が作動することにより、スキッシュエリア54の外縁部では、細矢印が示すように、マイクロ溝55に沿って、順スキッシュ流と同じ、シリンダの径方向内側に向かう界面流動が形成される。それにより、周方向に偏るガスの流動方向が径方向に偏向され、溝延長方向とのずれ角を小さくできる。その結果、放熱抑制効果の低下が抑制できる。   Therefore, as shown by the white arrow in FIG. 8, even if an external force that directs the flow in the circumferential direction acts on the main flow of the gas in the interface region of the squish area 54 due to the influence of the swirl flow, the interface flow generation device 60. As a result of the operation, at the outer edge of the squish area 54, as indicated by the thin arrows, the same interfacial flow toward the radially inner side of the cylinder as the forward squish flow is formed along the micro grooves 55. Thereby, the flow direction of the gas biased in the circumferential direction is deflected in the radial direction, and the deviation angle from the groove extending direction can be reduced. As a result, it is possible to suppress a decrease in the heat dissipation suppression effect.

界面流動発生デバイス60によって形成される界面流動の向きが、順スキッシュ流と同じであるため、順スキッシュ流の形成に合わせて界面流動発生デバイス60を作動させれば、円滑かつ効率的に、界面領域を流れるガスの主流の流動方向を偏向できる。   Since the direction of the interfacial flow formed by the interfacial flow generation device 60 is the same as that of the forward squish flow, if the interfacial flow generation device 60 is operated in accordance with the formation of the forward squish flow, the interface flow is smoothly and efficiently performed. The main flow direction of the gas flowing through the region can be deflected.

順スキッシュ流の上流端である、スキッシュエリア54の外縁部に界面流動発生デバイス60が配置されているので、順スキッシュ流が流れる溝形成面56の広い範囲に、界面流動発生デバイス60が形成した界面流動の影響を及ぼすことができ、効果的である。   Since the interfacial flow generation device 60 is arranged at the outer edge of the squish area 54, which is the upstream end of the forward squish flow, the interfacial flow generation device 60 is formed in a wide range of the groove forming surface 56 through which the forward squish flow flows. It can be influenced by interfacial flow and is effective.

界面流動発生デバイス60を、マイクロ溝55と交差する方向に延びるように配置すれば、溝形成面56に、溝延長方向に流れる界面流動を形成できるので、露出電極62とマイクロ溝55とは、必ずしも交わっていなくてもよい(離れていてもよい)。しかし、露出電極62とマイクロ溝55とが交わっていれば、マイクロ溝55の凹凸との組み合わせにより、溝延長方向に流れる界面流動をより効果的に形成できる。従って、露出電極62の少なくとも一部は、マイクロ溝55と交わった状態で、溝形成面56に拡がるように形成するのが好ましい。   If the interfacial flow generating device 60 is arranged so as to extend in a direction intersecting the microgroove 55, an interfacial flow that flows in the groove extending direction can be formed on the groove forming surface 56. Therefore, the exposed electrode 62 and the microgroove 55 are It is not always necessary to cross (separate). However, if the exposed electrode 62 and the microgroove 55 intersect, the interfacial flow that flows in the groove extending direction can be more effectively formed by the combination with the unevenness of the microgroove 55. Therefore, it is preferable that at least a part of the exposed electrode 62 is formed so as to extend to the groove forming surface 56 in a state of intersecting with the micro groove 55.

マイクロ溝55は、μm単位の微細な構造であるため、界面流動発生デバイス60をマイクロ溝55と交わるように設置すると、マイクロ溝55に段差が生じて界面流動発生デバイス60によってマイクロ溝55の機能が阻害されるおそれがある。そのため、図9に示すように、露出電極62は、界面流動を発生させつつガス流動を阻害させない程度に、被覆層61のマイクロ溝55から極僅かに突出させただけの、実質、段差無く連続するように形成するのが好ましい。   Since the microgroove 55 has a fine structure in units of μm, when the interfacial flow generation device 60 is installed so as to cross the microgroove 55, a step is generated in the microgroove 55, and the function of the microgroove 55 is caused by the interfacial flow generation device 60. May be disturbed. For this reason, as shown in FIG. 9, the exposed electrode 62 is continuously protruded from the micro groove 55 of the coating layer 61 so as not to inhibit the gas flow while generating the interfacial flow. It is preferable to form so as to.

具体的には、ピストン13の上面やシリンダヘッド11の下面の母材表面の所定部位に被覆電極63を設置する。その後、被覆電極63を設置したその母材表面の上に被覆層61を塗布等によって形成する。被覆層61の形成と同時又はその後に、被覆層61の表面の所定部位に露出電極62を設置する。その際、露出電極62の下部は被覆層61に埋設する。そうした後、露出電極62及び被覆層61が形成されたピストン13の上面やシリンダヘッド11の下面の所定部位を、切削加工することによってマイクロ溝55を形成する。   Specifically, the covering electrode 63 is installed at a predetermined portion on the surface of the base material such as the upper surface of the piston 13 or the lower surface of the cylinder head 11. Thereafter, the coating layer 61 is formed by coating or the like on the surface of the base material on which the coating electrode 63 is installed. At the same time as or after the formation of the coating layer 61, the exposed electrode 62 is installed at a predetermined site on the surface of the coating layer 61. At that time, the lower portion of the exposed electrode 62 is embedded in the coating layer 61. After that, the micro groove 55 is formed by cutting a predetermined portion of the upper surface of the piston 13 and the lower surface of the cylinder head 11 on which the exposed electrode 62 and the covering layer 61 are formed.

切削加工であれば、μm単位の多数のマイクロ溝55であっても、高い精度で安価に形成できる。露出電極62及び被覆層61の区別なく、一様なマイクロ溝55が形成できる。マイクロ溝55には実質、段差が生じないので、界面流動発生デバイス60をマイクロ溝55と交わるように設置しても、マイクロ溝55の機能を損なわない。マイクロ溝55が露出電極62の上側部分を通過し、露出電極62の下側部分は連なっているので、露出電極62は、いずれかの部位に通電するだけで、露出電極62全体に電圧が印加できる。すなわち、配線が容易である。   In the case of cutting, even a large number of micro grooves 55 in units of μm can be formed with high accuracy and at low cost. A uniform micro groove 55 can be formed without distinction between the exposed electrode 62 and the covering layer 61. Since there is substantially no step in the microgroove 55, the function of the microgroove 55 is not impaired even if the interface flow generating device 60 is installed so as to intersect the microgroove 55. Since the microgroove 55 passes through the upper part of the exposed electrode 62 and the lower part of the exposed electrode 62 is continuous, the exposed electrode 62 applies a voltage to the entire exposed electrode 62 simply by energizing any part. it can. That is, wiring is easy.

図9に示すように、界面流動発生デバイス60を作動させることで、マイクロ溝55に沿って流れる円滑なガスの流動を形成できる。またこの時、そのガスにはオゾンが含まれるので、マイクロ溝55にカーボン粒子が堆積して、カーボンデポジットが形成されることを効果的に抑制できる。   As shown in FIG. 9, by operating the interfacial flow generation device 60, a smooth gas flow that flows along the microgroove 55 can be formed. At this time, since the gas contains ozone, it is possible to effectively suppress the formation of carbon deposits due to the deposition of carbon particles in the micro grooves 55.

界面流動発生デバイス60は、エンジン1の運転期間中、絶えず作動させてもよいが、電力の消費量が多くなり、燃費に影響する。従って、界面流動発生デバイス60は、適切なタイミング及び期間で作動させるのが好ましい。   The interfacial flow generation device 60 may be continuously operated during the operation period of the engine 1, but the amount of electric power consumption increases and affects fuel consumption. Therefore, the interfacial flow generation device 60 is preferably operated at an appropriate timing and period.

具体的には、図10に示すように、界面流動発生デバイス60は、少なくとも混合気の燃焼が始まる前、すなわち、点火プラグ28の点火により、膨張行程の前半で、燃焼室50の中に形成された混合気の燃焼が開始する前に作動させるのが好ましい。更には、圧縮行程の後半(圧縮行程を二等分したうちの後半)の期間に作動させるのが好ましい。特に、ピストン13が圧縮上死点の近傍に位置するタイミングで作動させるのが好ましい。   Specifically, as shown in FIG. 10, the interfacial flow generation device 60 is formed in the combustion chamber 50 at least before the start of combustion of the air-fuel mixture, that is, by the ignition of the spark plug 28, in the first half of the expansion stroke. It is preferred to operate before the combusted mixture starts to burn. Furthermore, it is preferable to operate during the second half of the compression stroke (the second half of the half of the compression stroke). In particular, it is preferable to operate at a timing when the piston 13 is positioned near the compression top dead center.

この時、燃焼室50は、図2に示すような状態であり、ピストン13は圧縮上死点に向かって上昇している。従って、スキッシュエリア54では、順スキッシュ流が形成されている。マイクロ溝55は、スキッシュ流の流動方向に適したパターンに形成されているため、ずれ角は小さく、放熱を効率よく抑制できる。溝延長方向に対して、界面領域を流れるガスの主流の流動方向が多少ずれていても、界面流動発生デバイス60の作動により、溝延長方向に偏向される。また、界面流動発生デバイス60の作動により、順スキッシュ流が強化される。   At this time, the combustion chamber 50 is in a state as shown in FIG. 2, and the piston 13 is raised toward the compression top dead center. Accordingly, a forward squish flow is formed in the squish area 54. Since the micro grooves 55 are formed in a pattern suitable for the flow direction of the squish flow, the deviation angle is small and heat dissipation can be efficiently suppressed. Even if the flow direction of the main flow of the gas flowing in the interface region is slightly deviated with respect to the groove extension direction, it is deflected in the groove extension direction by the operation of the interface flow generation device 60. Further, the forward squish flow is enhanced by the operation of the interfacial flow generating device 60.

燃焼室50は、圧縮上死点で最大に圧縮されて混合気が高温になる。そして、その後直ぐに、混合気の燃焼が開始する。従って、燃焼室50の中が最も高温になるタイミングで、前述したずれ角を小さくできる。その結果、放熱抑制効果の低下が効率的に抑制できるので、優れた冷却損失の低減効果が得られる。混合気の燃焼が始まる前に、適切な界面流動になっていればよいので、界面流動発生デバイス60は、混合気の燃焼が始まれば、その作動は停止してもよい。   The combustion chamber 50 is compressed to the maximum at the compression top dead center, and the air-fuel mixture becomes hot. Immediately thereafter, combustion of the air-fuel mixture starts. Therefore, the aforementioned deviation angle can be reduced at the timing when the temperature in the combustion chamber 50 becomes the highest. As a result, since the decrease in the heat dissipation suppression effect can be effectively suppressed, an excellent cooling loss reduction effect can be obtained. Since the interfacial flow generation device 60 may be in an appropriate interfacial flow before the combustion of the air-fuel mixture starts, the operation of the interfacial flow generation device 60 may be stopped when the combustion of the air-fuel mixture starts.

尤も、混合気の燃焼が行われる膨張行程の前半にも、圧縮行程の後半に引き続いて界面流動発生デバイス60を作動させてもよい。すなわち、混合気の燃焼中には、カーボン粒子が発生する。カーボン粒子がマイクロ溝55に入り込んで付着し、カーボンデポジットが形成されると、マイクロ溝55が本来の機能を発揮できなくなってしまう。一方、膨張行程の前半は、燃焼室50の中の温度が最も高くなるため、カーボン粒子やオゾンの反応性が高く、カーボン粒子がオゾンによって酸化され易い。従って、膨張行程の前半にも、界面流動発生デバイス60を作動させることで、マイクロ溝55にカーボン粒子が付着するのを効果的に抑制できる。   However, the interfacial flow generation device 60 may be operated in the first half of the expansion stroke in which the combustion of the air-fuel mixture is performed, following the second half of the compression stroke. That is, carbon particles are generated during the combustion of the air-fuel mixture. If the carbon particles enter and adhere to the microgroove 55 to form a carbon deposit, the microgroove 55 cannot exhibit its original function. On the other hand, in the first half of the expansion stroke, the temperature in the combustion chamber 50 is the highest, so the reactivity of carbon particles and ozone is high, and the carbon particles are easily oxidized by ozone. Therefore, by operating the interface flow generation device 60 also in the first half of the expansion stroke, it is possible to effectively suppress the carbon particles from adhering to the microgrooves 55.

このように、開示したエンジン1の燃焼室50によれば、放熱が抑制できるマイクロ溝55が、燃焼室50の壁面の広い範囲に形成されているので、エンジン1の冷却損失の低減効果が得られる。界面領域を流れるガスの主流の流動方向が、溝延長方向に対して大きくずれると、エンジン1の冷却損失の低減効果が低下するが、界面流動発生デバイス60により、その流動方向が偏向できる。従って、界面領域を流れるガスの主流の流動方向が、溝延長方向とは多少異なる場合があっても、適正化できる。   As described above, according to the disclosed combustion chamber 50 of the engine 1, since the micro grooves 55 that can suppress heat dissipation are formed in a wide range of the wall surface of the combustion chamber 50, an effect of reducing the cooling loss of the engine 1 is obtained. It is done. When the flow direction of the main flow of the gas flowing in the interface region is greatly deviated from the groove extending direction, the effect of reducing the cooling loss of the engine 1 is reduced, but the flow direction can be deflected by the interface flow generation device 60. Therefore, even if the flow direction of the main flow of the gas flowing through the interface region may be slightly different from the groove extending direction, it can be optimized.

<変形例>
前述したマイクロ溝55の形成パターンは一例に過ぎない。マイクロ溝55の形成パターンは、燃焼室50の仕様に応じて適宜設定できる。
<Modification>
The formation pattern of the microgroove 55 described above is only an example. The formation pattern of the micro grooves 55 can be appropriately set according to the specifications of the combustion chamber 50.

図11Aに、溝形成面56(ピストン上面51を例示)の変形例を示す。例えば、吸気側対向傾斜面51a、吸気側傾斜面52a、排気側対向傾斜面51b、及び排気側傾斜面52bの各々が、微曲面でなく平坦面となっている場合には、スキッシュ流は、傾斜方向に流れる。従って、その場合には、図11Aに示すように、マイクロ溝55は、傾斜方向に延びるように形成するのが好ましい。   FIG. 11A shows a modification of the groove forming surface 56 (illustrating the piston upper surface 51). For example, when each of the intake-side opposing inclined surface 51a, the intake-side inclined surface 52a, the exhaust-side opposing inclined surface 51b, and the exhaust-side inclined surface 52b is not a fine curved surface but a flat surface, the squish flow is It flows in the tilt direction. Therefore, in that case, as shown in FIG. 11A, the microgroove 55 is preferably formed to extend in the inclined direction.

前述した実施形態では、スキッシュエリア54の外縁部にのみ、界面流動発生デバイス60を設置した場合を示したが、図11Bに示すように、溝形成面56の広範囲に多数の界面流動発生デバイス60を設置してもよい。例えば、図11Bでは、ピストン上面51の吸気側対向傾斜面51a及び排気側対向傾斜面51bの各々のほぼ全域、キャビティ53の周縁部からこれら傾斜面の外縁部に至る範囲に、複数の界面流動発生デバイス60が設置されている。これら界面流動発生デバイス60は、放射状に延びる複数のマイクロ溝55と交差するように、シリンダ12の中心に対して同心円状に配置されている。   In the above-described embodiment, the case where the interface flow generation device 60 is installed only at the outer edge portion of the squish area 54 has been shown. However, as shown in FIG. May be installed. For example, in FIG. 11B, there are a plurality of interfacial flows in almost the entire area of each of the intake-side opposed inclined surface 51a and the exhaust-side opposed inclined surface 51b of the piston upper surface 51, and in the range from the peripheral edge of the cavity 53 to the outer edge of these inclined surfaces. A generation device 60 is installed. These interfacial flow generation devices 60 are arranged concentrically with respect to the center of the cylinder 12 so as to intersect with the plurality of radially extending micro grooves 55.

このように、溝形成面56の広範囲に、多数の界面流動発生デバイス60を、マイクロ溝55と交差するように設置すれば、ガスの流動をより強力に偏向できる、その結果、ガスの主流の流動方向が、溝延長方向と大きく異なっていても、マイクロ溝55の機能を発揮させることができるので、様々なエンジン1の運転状態で放熱を効率よく抑制できるようになり、エンジン1の冷却損失の低減効果を向上させることができる。   In this way, if a large number of interfacial flow generation devices 60 are installed across the groove forming surface 56 so as to intersect with the micro grooves 55, the gas flow can be deflected more strongly. Even if the flow direction is significantly different from the groove extending direction, the function of the micro groove 55 can be exerted, so that heat radiation can be efficiently suppressed in various operating states of the engine 1, and the cooling loss of the engine 1 can be suppressed. Can be reduced.

また、前述した実施形態では、燃焼室50の内部が高温となる期間にスキッシュ流が支配的となる場合を示したが、スワール流が支配的となる場合もある。例えば、吸気流動制御弁25を制御するなどして、スワール流が強化され、前述した期間に、スキッシュ流ではなく、スワール流が主体となるように制御される場合などである。また、燃焼室50の内部が高温となる期間でなく、その周辺の温度帯などでスワール流が主体となる場合もある。   Further, in the above-described embodiment, the case where the squish flow becomes dominant during the period in which the inside of the combustion chamber 50 becomes high temperature is shown, but the swirl flow may become dominant. For example, there is a case where the swirl flow is strengthened by controlling the intake flow control valve 25 and the swirl flow is controlled to be the main in the above-described period instead of the squish flow. Further, the swirl flow may be mainly performed not in a period in which the inside of the combustion chamber 50 becomes high temperature but in a surrounding temperature zone.

そのような場合、溝形成面56の境界領域で作用するマイクロ渦msの向きも、そのスワール流に伴って変化するので、図11Cに示すように、スワール流に対応して、マイクロ溝55を同心円状に配置するとよい。そして、この場合、界面流動発生デバイス60は、マイクロ溝55と直交するように、放射状に配置するのが好ましい。   In such a case, since the direction of the micro vortex ms acting in the boundary region of the groove forming surface 56 also changes with the swirl flow, the micro grooves 55 are formed corresponding to the swirl flow as shown in FIG. 11C. It is good to arrange concentrically. In this case, the interfacial flow generating devices 60 are preferably arranged radially so as to be orthogonal to the micro grooves 55.

そうすれば、例えば、スキッシュ流に起因して、シリンダ12の径方向に偏ったガスの流動が形成されても、界面流動発生デバイス60の作動により、マイクロ溝55が延びる周方向に偏向させることができる。   In this case, for example, even if a gas flow that is biased in the radial direction of the cylinder 12 due to the squish flow is formed, the operation of the interface flow generation device 60 is deflected in the circumferential direction in which the microgroove 55 extends. Can do.

なお、本発明にかかるエンジンの燃焼室50は、前述した実施形態に限定されず、それ以外の種々の構成をも包含する。例えば、前述した燃焼室50では、燃焼室天井面52とピストン上面51の双方が溝形成面56とされているが、いずれか一方だけであってもよい。   The combustion chamber 50 of the engine according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes other various configurations. For example, in the combustion chamber 50 described above, both the combustion chamber ceiling surface 52 and the piston upper surface 51 are the groove forming surfaces 56, but only one of them may be used.

界面流動発生デバイス60として、前述した実施形態ではプラズマアクチュエータを例示したが、界面流動発生デバイス60は、それに限るものではない。例えば、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)の技術を利用すれば、指向性のある界面流動を発生させることができる。   In the above-described embodiment, the plasma actuator is exemplified as the interfacial flow generation device 60. However, the interfacial flow generation device 60 is not limited thereto. For example, if the technology of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) is used, directional interface flow can be generated.

1 エンジン
2 エンジン本体
12 シリンダ
13 ピストン
28 点火プラグ
29 インジェクタ
50 燃焼室
51 ピストン上面
52 燃焼室天井面
53 キャビティ
54 スキッシュエリア
55 マイクロ溝
56 溝形成面
60 界面流動発生デバイス
J 軸線
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Engine 2 Engine main body 12 Cylinder 13 Piston 28 Spark plug 29 Injector 50 Combustion chamber 51 Piston upper surface 52 Combustion chamber ceiling surface 53 Cavity 54 Squish area 55 Micro groove 56 Groove formation surface 60 Interface flow generation device J Axis

Claims (7)

ピストンの上面と、当該ピストンを往復摺動可能に収容するシリンダの周面と、前記ピストンの上面と対向するシリンダヘッドの下面と、によって区画され、前記ピストンの上面及び前記シリンダヘッドの下面の少なくとも一方が、複数の微細な溝が形成されている溝形成面となっているエンジンの燃焼室であって、
前記溝の幅が、2〜250μmの範囲に設定されると共に、前記溝形成面に沿って流れる界面流動を発生させる界面流動発生デバイスが、前記溝形成面に拡がるように設置されていて、
少なくとも混合気の燃焼が始まる前に、前記界面流動発生デバイスが作動して、前記溝形成面に沿って流れるガスの主流を、前記溝が延びる方向に偏向させるエンジンの燃焼室。
An upper surface of the piston, a circumferential surface of a cylinder that accommodates the piston so as to be reciprocally slidable, and a lower surface of the cylinder head that faces the upper surface of the piston, and at least of the upper surface of the piston and the lower surface of the cylinder head One is a combustion chamber of an engine having a groove forming surface on which a plurality of fine grooves are formed,
The groove width is set in a range of 2 to 250 μm, and an interface flow generation device that generates an interface flow that flows along the groove forming surface is installed so as to spread on the groove forming surface,
A combustion chamber of an engine in which the interfacial flow generation device is operated at least before the combustion of the air-fuel mixture starts to deflect the main flow of gas flowing along the groove forming surface in a direction in which the groove extends.
請求項1に記載のエンジンの燃焼室において、
前記溝の幅は、当該溝の深さ以上の大きさに設定されているエンジンの燃焼室。
In the combustion chamber of the engine according to claim 1,
An engine combustion chamber in which the width of the groove is set to be larger than the depth of the groove.
請求項1又は請求項2に記載のエンジンの燃焼室において、
前記界面流動発生デバイスが、圧縮行程の後半に作動するエンジンの燃焼室。
In the combustion chamber of the engine according to claim 1 or 2,
An engine combustion chamber in which the interfacial flow generating device operates in the latter half of the compression stroke.
請求項1〜請求項3のいずれか1つに記載のエンジンの燃焼室において、
前記燃焼室の周辺部分に、スキッシュ流を発生させるスキッシュエリアが形成され、
前記スキッシュエリアに臨む前記溝形成面に、前記スキッシュ流の流動方向に延びるように形成された前記溝と、前記界面流動発生デバイスと、が配置され、
前記界面流動発生デバイスが、前記シリンダの径方向内側に向かう前記スキッシュ流と同じ向きの前記界面流動を発生させるエンジンの燃焼室。
In the combustion chamber of the engine according to any one of claims 1 to 3,
A squish area for generating a squish flow is formed in a peripheral portion of the combustion chamber,
On the groove forming surface facing the squish area, the groove formed to extend in the flow direction of the squish flow, and the interface flow generation device are arranged,
A combustion chamber of an engine in which the interface flow generation device generates the interface flow in the same direction as the squish flow directed radially inward of the cylinder.
請求項1〜請求項4のいずれか1つに記載のエンジンの燃焼室において、
前記エンジンは、前記燃焼室の中にスワール流を発生させるスワール流発生機構を備え、
前記スワール流のうち、前記溝形成面に沿って流れる流動が、前記界面流動発生デバイスによって偏向されるエンジンの燃焼室。
In the combustion chamber of the engine according to any one of claims 1 to 4,
The engine includes a swirl flow generation mechanism that generates a swirl flow in the combustion chamber,
A combustion chamber of an engine in which a flow flowing along the groove forming surface in the swirl flow is deflected by the interface flow generation device.
請求項1〜請求項5のいずれか1つに記載のエンジンの燃焼室において、
前記界面流動発生デバイスにプラズマアクチュエータが用いられ、
前記プラズマアクチュエータが、前記溝と交差する方向に延びるように配置されているエンジンの燃焼室。
In the combustion chamber of the engine according to any one of claims 1 to 5,
A plasma actuator is used in the interface flow generation device,
An engine combustion chamber in which the plasma actuator is disposed so as to extend in a direction intersecting the groove.
請求項1〜請求項6のいずれか1つに記載のエンジンの燃焼室において、
前記ピストンの上面が前記溝形成面となっており、
前記ピストンには、前記界面流動発生デバイスに電力を供給する蓄電可能なデバイス電源部と、前記界面流動発生デバイスを制御するデバイス制御部と、が設置され、
前記デバイス電源部及び前記デバイス制御部に対し、無線による給電及び通信が行われるエンジンの燃焼室。
In the combustion chamber of the engine according to any one of claims 1 to 6,
The upper surface of the piston is the groove forming surface,
The piston is provided with a device power supply that can store electricity to supply power to the interface flow generation device, and a device control unit that controls the interface flow generation device.
An engine combustion chamber in which power supply and communication are performed wirelessly to the device power supply unit and the device control unit.
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