JP2019007446A - 直噴式内燃機関の燃焼室構造 - Google Patents

Abstract

【課題】スモークを効果的に抑制する。【解決手段】直噴式内燃機関の燃焼室構造は、ピストン頂面８の中央部に凹設されたキャビティ１１と、キャビティの半径方向外側に位置するピストン頂面の外周部２０に凹設された窪み部２１とを備える。窪み部は、浅皿円弧状の断面形状を有すると共に、ピストンの下降時に縦方向の渦流を生成するように形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は直噴式内燃機関の燃焼室構造に係り、特に、ディーゼルエンジンに好適な燃焼室構造に関する。

例えばディーゼルエンジンである直噴式内燃機関の燃焼室構造は一般的に、ピストン頂面の中央部に凹設されたキャビティを備える。そしてこのキャビティに向かって圧縮上死点付近で燃料を噴射することにより筒内で燃料を自着火させるようにしている。

特開平２−１４９７１９号公報 特開平３−２７９６１７号公報 特開２００６−１２５３８８号公報

多くの場合、キャビティの半径方向外側に位置するピストン頂面の外周部は単純な平面すなわち平坦面である。しかし本発明者の鋭意研究の結果に依れば、こうした平面であるとその上方の空間の空気を効率的に利用できず、スモーク抑制に不利であることが判明した。

そこで本発明は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、スモークを効果的に抑制できる直噴式内燃機関の燃焼室構造を提供することにある。

本発明の一の態様によれば、
ピストン頂面の中央部に凹設されたキャビティと、
前記キャビティの半径方向外側に位置する前記ピストン頂面の外周部に凹設された窪み部と、
を備え、
前記窪み部は、浅皿円弧状の断面形状を有すると共に、ピストンの下降時に縦方向の渦流を生成するように形成されている
ことを特徴とする直噴式内燃機関の燃焼室構造が提供される。

好ましくは、前記窪み部は、その半径方向内側と半径方向外側に前記ピストン頂面の外周部の一部を残すよう、前記ピストン頂面の外周部の中央部に形成される。

好ましくは、前記窪み部の半径方向内側に位置する前記ピストン頂面の外周部の一部に沿って半径方向外側に向かう流れが前記窪み部に流入するとき、剥離が生じないよう、前記窪み部が形成されている。

好ましくは、前記窪み部は、前記ピストン頂面の外周部の全周に延びる溝状に形成される。

好ましくは、前記キャビティは、リエントラント型キャビティである。

好ましくは、前記ピストン頂面の外周部の少なくとも一部は、ピストン中心軸に垂直な平面である。

好ましくは、前記ピストン頂面の外周部の少なくとも一部は、ピストン中心軸に垂直な平面に対し傾斜された傾斜面である。

本発明によれば、スモークを効果的に抑制できる。

第１実施形態のピストンを示す縦断面図である。 第１実施形態の燃焼室構造を示す縦断面図である。 比較例の燃焼室構造を示す縦断面図である。 窪み部付近の流れを示す縦断面図である。 試験結果を示すグラフである。 第２実施形態のピストンを示す部分縦断面図である。 第３実施形態のピストンを示す部分縦断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお本発明は以下の実施形態に限定されない点に留意されたい。

［第１実施形態］
第１実施形態に係る燃焼室構造は、直噴式内燃機関の代表例であるディーゼルエンジンに適用される。エンジンは車両用であり、特にトラック等の大型車両の車両動力源として使用される。しかしながら、内燃機関および車両の種類、用途等はこれらに限定されない。例えば車両は乗用車等の小型車両であってもよいし、エンジンはガソリンエンジンであってもよい。

図２に示すように、本実施形態の燃焼室構造１は、ピストン２と、ピストン２が昇降可能かつ同軸に収容されたシリンダ３と、シリンダ３の上端開口を閉じるシリンダヘッド４と、ピストン２の外周面に装着された複数（本実施形態では三つ、一つのみ図示）のピストンリング５と、これらにより画成された閉空間である燃焼室６とを備える。また図１に示すように、燃焼室構造１は、シリンダヘッド４に取り付けられ燃焼室６内に燃料を噴射するインジェクタ７を備える。

図１に示すように、ピストン２は、概ねピストン中心軸Ｃに対し軸対称となるよう構成されている。特に断らない限り、ピストン中心軸Ｃを基準とした軸方向、半径方向および周方向を単に軸方向、半径方向および周方向という。ピストン２は、頂面（ピストン頂面）８と外周面９とを有する。外周面９にはピストンリング５を嵌合させるための複数（本実施形態では三つ）のリング溝１０が形成される。

ピストン２は、頂面８の中央部に凹設されたキャビティ１１を有する。本実施形態のキャビティ１１はリエントラント型キャビティであり、下方の底部側に対し上方の入口側が絞られた形状となっている。キャビティ１１は、その入口部を形成すると共に頂面８に連なって半径方向内側に突出するリップ部１２と、リップ部１２に連なってその下方でアンダーカット状に拡径する側壁部１３と、側壁部１３に連なる底壁部１４とにより画成される。各々の接続位置ないし境界位置をａ，ｂ，ｃで示す。

リップ部１２の断面形状は曲率半径Ｒ１を有する円弧状とされ、側壁部１３の断面形状も曲率半径Ｒ２を有する円弧状とされる。Ｒ１＜Ｒ２である。底壁部１４の断面形状は山形とされる。底壁部１４は、ピストン中心軸Ｃ付近に形成された底壁部頂面１５と、底壁部頂面１５から側壁部１３まで断面直線状に下降する斜面部１６とを有する。

なお、リップ部１２の断面形状は、円弧と円弧の間に直線を挟んだ形状であってもよい。また側壁部１３の断面形状は、リップ部１２に接続する直線と、直線に接続する円弧とを有する形状であってもよい。斜面部１６の断面形状は、円弧や緩和曲線を含む形状であってもよい。

側壁部１３の半径方向外側に位置するピストン２の内部には、ピストン２を冷却するためのオイルが流される冷却通路１７が形成される。冷却通路１７はキャビティ１１を囲繞するリング状とされる。冷却通路１７には、ピストン２の下側からピストン２に向けて上向きに吹き出されたオイルジェット（図示せず）が導入される。このため、オイルジェットの導入を行うオイル入口穴１８が、冷却通路１７とピストン２の下面１９との間を貫通して形成される。なお２Ａはピストンピンを挿入させるためのピストンピン穴である。

キャビティ１１の半径方向外側に位置する頂面８は、頂面８の外周部２０をなす。具体的には、頂面外周部２０は、頂面８とリップ部１２の境界位置ａより半径方向外側に位置された頂面８の部分である。この頂面外周部２０には、窪み部２１が凹設される。

窪み部２１は、浅皿円弧状の断面形状を有する。具体的には、窪み部２１は、図１に示すような断面視において、浅皿状に形成されると共に、曲率半径Ｒ３を有する円弧状に形成される。本実施形態において窪み部２１の曲率半径Ｒ３は側壁部１３の曲率半径Ｒ２より大きい。また窪み部２１は一定の幅Ｗと深さＨを有するが、深さＨは幅Ｗより小さく、これらの比Ｈ／Ｗは１未満である。比Ｈ／Ｗは例えば０．５未満、あるいは０．３未満、あるいは０．２未満、あるいは０．１未満とすることができる。本実施形態において、比Ｈ／Ｗは約０．２とされている。なお窪み部２１の曲率半径は一定でなくてもよく、例えばサイクロイド曲線の如く変化してもよい。

本実施形態において、窪み部２１は、頂面外周部２０の全周に連続的に延びる溝状に形成されている。しかしながら、必ずしもそうでなくてもよく、例えば窪み部２１は、頂面外周部２０の全周に間欠的に複数形成されていてもよい。

本実施形態において、窪み部２１は、その半径方向内側と半径方向外側に頂面外周部２０の一部を残すよう、頂面外周部２０の中央部に形成される。すなわち、窪み部２１の半径方向内側には、頂面外周部２０の一部である内側部分２２が形成され、窪み部２１の半径方向外側には、頂面外周部２０の一部である外側部分２３が形成される。これら内側部分２２と外側部分２３の間の中央部に窪み部２１が形成される。

頂面外周部２０の少なくとも一部は、ピストン中心軸Ｃに垂直な平面すなわち平坦面とされる。本実施形態では、頂面外周部２０の全部が、ピストン中心軸Ｃに垂直な平面とされる。

インジェクタ７は、図１に示すように、ピストン中心軸Ｃすなわちシリンダ中心軸に同軸になるよう配置される。またインジェクタ７は、矢印ｄで示すように、ピストン２が圧縮上死点またはその近傍に位置するときに、リップ部１２の頂部、すなわち最も半径方向内側に位置する部分（厳密にはその若干下側）に向かって燃料を噴射するよう配置および指向されている。

次に、本実施形態の作用効果を説明する。

図２は、インジェクタ７からの燃料噴射後で且つピストン２が下降中であるときの特定タイミングにおける燃焼室６の内部の様子を示す。線ｅは、ガスの当量比が第１値以上となっている第１領域Ａの外縁を示し、線ｆは、ガスの当量比が第２値以上となっている第２領域Ｂの外縁を示す。当量比とは燃料と空気の混合割合もしくは混合比をいい、当該混合比が理論空燃比のとき当量比は１で、当該混合比が燃料増加側（リッチ側）になるほど当量比の値は大きくなる。図示例の場合、第１値は約１、第２値は約２であり、第２領域は第１領域よりリッチな領域である。

図から理解されるように、インジェクタ７から半径方向外側且つ斜め下向きに噴射された燃料は、リップ部１２の頂部に衝突して上方と下方に分岐ないし分流される。下方に分岐した燃料は、側壁部１３および底壁部１４に順に沿って流れ、その過程で周囲の空気と混合しながら混合気を形成する。他方、上方に分岐した燃料は、頂面外周部２０に沿って半径方向外側に向かって流れ、その過程で周囲の空気と混合しながら混合気を形成する。図示のタイミングでは、比較的リッチな第２領域Ｂがリップ部１２の周辺に存在し、第２領域Ｂの周辺に比較的リーンな第１領域Ａが存在する。なお図示のタイミングで着火が生じていることもあるが、ここでは説明の便宜上、着火は生じていないものとする。

頂面外周部２０とシリンダヘッド４の間の隙間において、燃料および空気の混合気が半径方向外側に向かって流れる。そして頂面外周部２０の近傍に着目すると、図４にも示すように、頂面外周部２０の内側部分２２に沿って半径方向外側に向かう流れｈは、窪み部２１に差し掛かったとき、窪み部２１内に流入すると共にそれによって案内され、縦方向（もしくは上下方向）の渦流ｇを発生させる。

この渦流ｇにより、燃料と空気の攪拌混合を促進し、当該隙間、すなわち頂面外周部２０の上方の空間における空気の利用率を高め、スモークを効果的に抑制することができる。また渦流ｇにより、燃料がシリンダ３の内壁（ライナー壁面）付近の消炎領域まで拡散することを抑制することができる。

このように窪み部２１は、ピストン２の下降時に縦方向の渦流ｇを生成するように形成されている。

また、内側部分２２に沿って半径方向外側に向かうガスの流れｈが窪み部２１に流入するとき、剥離が生じないよう、窪み部２１が形成されている。具体的には、窪み部２１の半径方向内側の開始位置２１Ａにおける接線（向き）と内側部分２２とがなす角度θは、かかる剥離が生じないような角度に設定されている。

これにより、窪み部２１への流入直後の流れｈの剥離を回避し、流れｈを窪み部２１によって積極的に案内し、効率的に渦流ｇを生成することができる。

図３は、図２と同一タイミングにおける比較例の場合の燃焼室内部の様子を示す。比較例は本実施形態のベースとなったもので、窪み部２１が無いことを除き、本実施形態と同様である。従って同一部分には同一符号を付してある。

この比較例においても、縦方向の渦流ｇ’が発生するが、その渦流ｇ’の縦方向の成分は弱く、本実施形態の渦流ｇと比較して横長の渦流となっている。従って、頂面外周部２０から比較的上方に離れた位置の空気を利用し難く、その意味で空気利用率が低下し、スモーク抑制に不利であることが判明した。

これに対し本実施形態では、比較例よりも縦長の渦流を生成できるので、頂面外周部２０から比較的上方に離れた位置の空気をも有効に利用し、比較例よりも空気利用率を向上し、スモークを抑制できる。

図５は本実施形態と比較例の試験結果を示す。図示するように、本実施形態（線ｊ）は比較例（線ｋ）よりもスモーク（煤）の排出量を低減できることを確認できた。

また図示しないが、本実施形態は比較例と比べて殆どのエンジン運転状態でスモーク排出量を低減でき、特に燃料噴射量が多い高負荷または高回転の運転状態では、１０〜２０（％）以上もスモーク排出量を低減できることを確認できた。また併せて、殆どのエンジン運転状態で燃費も改善できることを確認できた。

本実施形態では、窪み部２１を、頂面外周部２０の全周に延びる溝状に形成したので、頂面外周部２０の全周で縦方向の渦流ｇを発生させ、燃料と空気を攪拌混合し、スモークを最大限に抑制できる。また窪み部２１の加工も容易である。しかしながら前述したように、十分なメリットが得られるのであれば、窪み部２１は必ずしも全周に延びていなくてもよい。周方向の必要な箇所に必要な大きさで形成することも可能である。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態を説明する。なお前記第１実施形態と同様の部分には図中同一符号を付して説明を割愛し、以下、第１実施形態との相違点を主に説明する。

図６に第２実施形態のピストン２Ａを示す。このピストン２Ａは、リップ部付近の形状が第１実施形態と異なるのが主な相違点である。

第２実施形態において、リップ部３１の上半部３２、すなわちリップ部３１の頂部３３から、頂面外周部２０の内側部分２２に至るまでの部分は、段付き形状となっている。上半部３２は、頂部３３に連なる下段面３４と、下段面３４に下段縦壁３５を介して連なり、内側部分２２に上段縦壁３６を介して連なる上段面３７とを有する上下二段の形状とされている。下段面３４は半径方向外側に向かうほど高くなる平坦な傾斜面とされる。下段縦壁３５はより傾斜のきつい傾斜面とされる。上段面３７は下段面３４に比べ半径方向の幅が極めて短い。上段縦壁３６は円弧状の断面形状を有する。

窪み部２１の形成部位の構成は第１実施形態と同様である。従って本実施形態も第１実施形態と同様の作用効果を発揮できる。

なおリップ部３１の上半部３２は３段以上の段付き形状とされてもよく、その形状も変更可能である。

［第３実施形態］
図７に第３実施形態のピストン２Ｂを示す。このピストン２Ｂは、頂面外周部の形状が第１実施形態と異なるのが主な相違点である。仮想線ｍは、窪み部２１を形成しない場合（あるいは形成する前）の頂面外周部４１の形状を示す。

本実施形態の頂面外周部４１は、リップ部１２との境界位置ａから半径方向外側に延びる傾斜面４２と、この傾斜面４２の終端位置ｎから外周面９の位置まで半径方向外側に延びる水平面４３とを有する。傾斜面４２は、ピストン中心軸Ｃに垂直な平面に対し傾斜された傾斜面であり、より具体的には、半径方向外側に向かうほど高くなる平坦な傾斜面とされる。水平面４３は、ピストン中心軸Ｃに垂直な平面もしくは平坦面である。傾斜面４２は水平面４３よりも半径方向の幅が大きくされる。

この頂面外周部４１に、傾斜面４２と水平面４３を跨いで窪み部２１が形成される。第１実施形態と同様、窪み部２１の半径方向内側と半径方向外側には頂面外周部４１の内側部分２２と外側部分２３が残され、内側部分２２は傾斜面４２、外側部分２３は水平面４３により形成される。

本実施形態の作用効果も第１実施形態と同様である。本実施形態の変形例として、頂面外周部の全体を傾斜面としたものが考えられる。また傾斜面４２の半径方向の幅を水平面４３より小さくしたものも考えられる。半径方向外側に向かうにつれ傾斜面の傾斜角が段階的もしくは連続的に変化するものも考えられる。傾斜面４２を、複数の段差付き傾斜面から形成することも考えられる。このように頂面外周部の形状は必要に応じて適宜変更可能である。

このように、頂面外周部の少なくとも一部はピストン中心軸Ｃに垂直な平面であってよい。また頂面外周部の少なくとも一部は、ピストン中心軸Ｃに垂直な平面に対し傾斜された傾斜面であってよい。

以上、本発明の実施形態を詳細に述べたが、本発明は以下のような他の実施形態も可能である。

（１）例えばキャビティはリエントラント型以外の形状であってもよく、浅皿型、トロイダル型等であってもよい。

（２）窪み部の幅および深さの少なくとも一方を、周方向の位置に応じて変化させてもよい。

（３）窪み部の半径方向内側および外側の少なくとも一方にピストン頂面の外周部の一部を残さぬよう、窪み部を配置してもよい。つまり窪み部は、ピストン頂面の外周部の半径方向内側または外側の端部に偏って配置してもよいし、ピストン頂面の外周部の全体に配置してもよい。

（４）図６に示した構成は変形可能である。すなわち、リップ部３１の上半部３２は、平面状に形成されると共に頂面外周部２０に対し段差状に凹んでいてもよい。このとき上半部３２は、ピストン中心軸に垂直な平面であってもよいし、それに対し傾斜された傾斜面であってもよい。

前述の各実施形態の構成は、特に矛盾が無い限り、部分的にまたは全体的に組み合わせることが可能である。本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１ 燃焼室構造
２，２Ａ，２Ｂ ピストン
８ 頂面
１１ キャビティ
２０ 外周部
２１ 窪み部
２２ 内側部分
２３ 外側部分
４２ 傾斜面
４３ 水平面
Ｃ ピストン中心軸

Claims (7)

1. ピストン頂面の中央部に凹設されたキャビティと、
   前記キャビティの半径方向外側に位置する前記ピストン頂面の外周部に凹設された窪み部と、
   を備え、
   前記窪み部は、浅皿円弧状の断面形状を有すると共に、ピストンの下降時に縦方向の渦流を生成するように形成されている
   ことを特徴とする直噴式内燃機関の燃焼室構造。
2. 前記窪み部は、その半径方向内側と半径方向外側に前記ピストン頂面の外周部の一部を残すよう、前記ピストン頂面の外周部の中央部に形成される
   請求項１に記載の直噴式内燃機関の燃焼室構造。
3. 前記窪み部の半径方向内側に位置する前記ピストン頂面の外周部の一部に沿って半径方向外側に向かう流れが前記窪み部に流入するとき、剥離が生じないよう、前記窪み部が形成されている
   請求項１または２に記載の直噴式内燃機関の燃焼室構造。
4. 前記窪み部は、前記ピストン頂面の外周部の全周に延びる溝状に形成される
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の直噴式内燃機関の燃焼室構造。
5. 前記キャビティは、リエントラント型キャビティである
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の直噴式内燃機関の燃焼室構造。
6. 前記ピストン頂面の外周部の少なくとも一部は、ピストン中心軸に垂直な平面である
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の直噴式内燃機関の燃焼室構造。
7. 前記ピストン頂面の外周部の少なくとも一部は、ピストン中心軸に垂直な平面に対し傾斜された傾斜面である
   請求項１〜６のいずれか一項に記載の直噴式内燃機関の燃焼室構造。

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