JP2019116863A - 内燃機関 - Google Patents

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Abstract

【課題】筒内に発生するタンブル流がスワール流に与える影響の小さい内燃機関を提供する。【解決手段】燃焼室内にスワールを発生させる機構と、吸気側バルブリセスおよび排気側バルブリセスを有するピストンと、を備える内燃機関において、燃焼室内上面を吸気ポート側から排気ポート側に流れる順タンブル流よりも燃焼室内下面を吸気ポート側から排気ポート側に流れる逆タンブル流の方が流量が少ない場合は、吸気側バルブリセスを第一バルブリセス、排気側バルブリセスを第二バルブリセスとし、順タンブル流よりも逆タンブル流の方が流量が多い場合は、排気側バルブリセスを第一バルブリセス、吸気側バルブリセスを第二バルブリセスとし、ピストンを第一バルブリセスとそれと隣り合う第二バルブリセスを通るピストンの中心軸と平行な断面に切った場合に、第一バルブリセスの方が第二バルブリセスよりも断面の内側方向が低くなる傾斜角が大きいことを特徴とする。【選択図】図４

Description

本発明は、燃焼室内にスワール流とタンブル流を発生させる内燃機関に関するものである。
従来より、燃料と空気との混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を発生する内燃機関においては、燃料の燃焼効率を高めて、出力の向上、排気エミッションの改善、燃料消費率の改善等を図るべく、燃焼室内に生成されるスワール流(シリンダの周方向の渦流）を効果的に利用している。つまり、このスワール流による燃焼室内の攪拌によって燃料の気化霧化を促進し、燃焼室内での燃料の燃焼性を良好にしている。
これまで、スワール流を積極的に発生させる手段として種々の構成が提案されている。例えば、タンジェンシャルポートとヘリカルポートの2つの吸気ポートを備える内燃機関において、タンジェンシャルポートにより燃焼室内にスワール流を発生させる内燃機関が知られている(特許文献１参照)。
特開２０１３−０８３１９３号公報
特許文献１において、吸気ポート、特にタンジェンシャルポートから燃焼室内に流入する吸気により、燃焼室内上面を吸気ポート側から排気ポート側に流れるタンブル流である順タンブル流および燃焼室内下面を吸気ポート側から排気ポート側に流れるタンブル流である逆タンブル流が発生する。この順タンブル流および逆タンブル流によりスワール流の渦中心軸が気筒中心軸に対して傾き、空気と燃料との混合度合いが低下する。結果、スモークの発生等、エミッションが悪化する虞がある。
本発明は上記課題に鑑み、タンブル流によるスワール流への影響を低減し、エミッションの向上を図ることを目的としている。
第１の発明は、燃焼室内にスワールを発生させる機構と、吸気弁との干渉を避けるために凹設された面である吸気側バルブリセスおよび排気弁との干渉を避けるために凹設された面である排気側バルブリセスを有するピストンと、を備える内燃機関において、前記燃焼室内上面を吸気ポート側から排気ポート側に流れるタンブル流である順タンブル流よりも前記燃焼室内下面を吸気ポート側から排気ポート側に流れるタンブル流である逆タンブル流の方が流量が少ない場合は、前記吸気側バルブリセスを第一バルブリセス、前記排気側バルブリセスを第二バルブリセスとし、前記順タンブル流よりも前記逆タンブル流の方が流量が多い場合は、前記排気側バルブリセスを第一バルブリセス、前記吸気側バルブリセスを第二バルブリセスとし、前記ピストンを前記第一バルブリセスとそれと隣り合う前記第二バルブリセスを通るピストンの中心軸と平行な断面に切った場合に、前記第一バルブリセスの方が前記第二バルブリセスよりも前記断面の内側方向が低くなる傾斜角が大きいことを特徴とする内燃機関である。
第２の発明は、２つの吸気ポートを備え、前記吸気ポートはタンジェンシャルポートとヘリカルポートであり、前記タンジェンシャルポートとヘリカルポートは、順タンブル流よりも逆タンブル流の方が流量が少なくなる形状となっており、前記タンジェンシャルポートに対応するバルブリセスの方が前記ヘリカルポートに対応するバルブリセスよりも、前記断面の中心方向に傾斜していることを特徴とする、第１の発明に記載の内燃機関である。
第３の発明は、吸気ポート側の前記バルブリセスの少なくとも一つと、排気ポート側の前記バルブリセスの少なくとも一つが平行に設置されていることを特徴とする、第１の発明または第２の発明に記載の内燃機関である。
第１の発明によると、順タンブル流と逆タンブル流とを弱め合わせることができるためタンブル流によるスワール流への影響を低減することができ、エミッションの向上を図ることができる。
第２の発明によると、タンジェンシャルポートとヘリカルポート、を備える内燃機関においては、タンジェンシャルポートにより生成されるタンブル流の方が流量が多いため、よりタンブル流によるスワール流への影響を低減することができ、エミッションの向上を図ることができる。
第３の発明によると、製造時に切削のための治具等の傾きを個別に調整する工程を減らすことができるため、製造が容易となる。
内燃機関の全体構成 吸気ポートの具体的な構成 実施の形態１におけるピストンの上面視 実施の形態１におけるピストンの断面視 順タンブル流と逆タンブル流のイメージ図 実施の形態２におけるピストンの上面視 実施の形態２におけるピストンの断面視
本発明を実施するための形態
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。
実施の形態１
図１は、本発明の実施の形態１における内燃機関１０の全体構成を模式的に表した図である。内燃機関１０は、圧縮上死点付近で各気筒内に位置する燃料噴射弁１８から燃料を噴射し、圧縮自着火により燃焼させる圧縮自着火式エンジン（一例として、ディーゼルエンジン）である。内燃機関１０の各気筒の燃焼室１２には、吸気通路１４と排気通路１６とが連通している。
燃料噴射弁１８等の内燃機関１０を制御するためのアクチュエータは、ＥＣＵ（電子制御ユニット）２０に電気的に接続されており、ＥＣＵ２０からの指令に従って駆動される。
図２は、図１に示す吸気通路１４が備える吸気ポートの具体的な構成を説明するための斜視図である。吸気通路１４は、共通の燃焼室１２に接続される吸気ポートとして、図２に示すように、タンジェンシャルポート２２とヘリカルポート２４とを備えている。
タンジェンシャルポート２２は、シリンダ内周面２６に沿う方向で吸気が燃焼室１２内に流入するように吸気を案内可能に形成されている。このように形成されたタンジェンシャルポート２２によれば、当該タンジェンシャルポート２２から供給される吸気の流量が多くなるほど、燃焼室１２内に生成されるスワール流を強くすることができる。また、タンジェンシャルポート２２はスワール流と同時にタンブル流も生成する。
内燃機関１０におけるスワール流の生成は、主にタンジェンシャルポート２２が担っており、もう一方のヘリカルポート２４は、生成されたスワール流と同じ回転方向の渦状の吸気を燃焼室１２内に供給する構成となっている。
また、排気通路１６は、共通の燃焼室１２に接続される2つの排気ポートを備えている。
次に、図３および図４を参照して、ピストン頂面の構成について説明する。
図３は、ピストンを気筒の軸線方向において上方側から見た図である。ピストンの頂面には、２つの吸気バルブとの干渉を回避するための２つの吸気側バルブリセス３１と、２つの排気バルブとの干渉を回避するための２つの排気側バルブリセス３２とが設けられている。
図４は、ピストンを吸気側バルブリセスとそれと隣り合う排気側バルブリセス３２を通るピストンの中心軸と平行な断面(図３のAA’断面)で見た図である。本実施例のピストン頂面にはさらに、凹部であるキャビティと、外周部にスキッシュが設けられている。
従来の内燃機関におけるピストンの各バルブリセスは、各吸排気バルブの傾きに合わせて、ピストンの外側に傾斜するように設けられていた。
一方、本実施形態における吸気側バルブリセス３１は、AA’断面の中心方向に傾斜するように設けられている。排気側バルブリセス３２はピストンの外側に傾斜するように設けられている。
図５は、筒内に発生するタンブル流のイメージ図である。吸気バルブが開いた状態でピストンが下降することにより、タンジェンシャルポートとヘリカルポートのそれぞれから吸気が気筒内に取り込まれる。この際取り込まれた吸気により筒内にはスワール流が発生しているが、各吸気ポートは気筒上部から吸気を取り込むためタンブル流も同時に発生させてしまう。さらにこのタンブル流は燃焼室内上面を吸気ポート側から排気ポート側に流れるタンブル流である順タンブル流と、燃焼室内下面を吸気ポート側から排気ポート側に流れるタンブル流である逆タンブル流に分けることができる。本実施形態では逆タンブル流よりも順タンブル流の方が流量が多くなるような構成となっている。
順タンブル流と逆タンブル流は互いに反対方向の渦流のため、お互いに弱めあう。しかし従来技術では順タンブル流と逆タンブル流の流量に差があるため、十分に弱め合うことができず、順タンブル成分が強いまま残った状態で圧縮工程へと移行する。順タンブル成分が強いまま残った状態でピストンが上昇すると、順タンブル流の影響を受けスワール流が傾いた状態で燃料を噴射することとなる。この場合燃料の分布が不均一となり、燃焼性が悪化し、スモークが発生するおそれがある。
本実施形態では、吸気側バルブリセス３１は、AA’断面の中心方向に傾斜するように設けられている。そのため逆タンブル流は、吸気側バルブリセス３１から受ける抵抗を減らすことができ、減衰することを抑制できる。一方排気側バルブリセス３２はピストンの外側に傾斜するように設けられている。そのため、順タンブル流が排気側バルブリセス３２から受ける抵抗が、逆タンブル流が吸気側バルブリセス３１から受ける抵抗よりも大きくなり、順タンブル流の減衰量を、逆タンブル流の減衰量よりも大きくすることができる。
よって、もともと流量の多かった順タンブル流は減衰され、流量の少なかった逆タンブル流は減衰を抑制できるため、順タンブル流と逆タンブル流の流量を均一、あるいは差を小さくすることができる。その結果、順タンブル流と逆タンブル流が打ち消し合い、タンブル流によるスワール流への影響を低減することができるため、燃焼室１２内に噴射される燃料がより攪拌され、燃焼性がよくなる。
より好ましくは、吸気ポート側バルブリセス３１の内、タンジェンシャルポート２２に対応するバルブリセスが、AA’断面の中心方向に傾斜するように設けられていることが望ましい。吸気ポートの内、ヘリカルポートにより発生するタンブル流よりも、タンジェンシャルポートにより発生するタンブル流の方が流量が多いため、タンジェンシャルポート２２に対応するバルブリセスをAA’断面の中心方向に傾斜させることにより、より逆タンブル流が減衰することを抑制することができ、順タンブル流と逆タンブル流の流量を均一、あるいは差を小さくすることができる。
より好ましくは、吸気ポート側バルブリセス３１の少なくとも一つと、排気ポート側バルブリセス３２の少なくとも一つが平行に設置されていることが望ましい。
より好ましくは、タンジェンシャルポート２２に対応するバルブリセスと、排気ポート側バルブリセス３２の少なくとも一つが平行に設けられていることが望ましい。傾きが同じバルブリセスは、製造時に切削のための治具等の傾きを個別に調整する必要がないため、製造が容易となる。ここでタンジェンシャルポート２２に対応するバルブリセスと平行に設けられる排気ポート側のバルブリセスは一つであってもよいし、複数でもよい。
実施の形態２
本実施の形態においては、実施の形態１と共通する部分の説明は省略する。
本実施形態では順タンブル流よりも逆タンブル流の方が流量が多くなるような構成となっている。
図６および図７を参照して、ピストン頂面の構成について説明する。
図６は、ピストンを気筒の軸線方向において上方側から見た図である。ピストンの頂面には、２つの吸気バルブとの干渉を回避するための２つの吸気側バルブリセスと、２つの排気バルブとの干渉を回避するための２つの排気側バルブリセスとが設けられている。
図７は、ピストンを吸気側バルブリセスとそれと隣り合う排気側バルブリセスを通るピストンの中心軸と平行な断面(図６のBB’)断面で見た図である。本実施例のピストン頂面にはさらに、凹部であるキャビティと、外周部にスキッシュが設けられている。
本実施形態では、排気側のバルブリセスは、BB’断面の中心方向に傾斜するように設けられており、吸気側のバルブリセスはピストンの外側に傾斜するように設けられている。そのため順タンブル流は、排気側バルブリセスから受ける抵抗を減らすことができ、減衰することを抑制できる。一方吸気側のバルブリセスはピストンの外側に傾斜するように設けられている。そのため、逆タンブル流は吸気側バルブリセスから受ける抵抗が大きくなり、減衰させることができる。
よって、もともと流量の多かった逆タンブル流は減衰され、流量の少なかった順タンブル流は減衰を抑制できるため、順タンブル流と逆タンブル流の流量を均一、あるいは差を小さくすることができる。その結果、順タンブル流と逆タンブル流が打ち消し合い、タンブル流によるスワール流への影響を低減することができるため、燃焼室１２内に噴射される燃料がより攪拌され、燃焼性がよくなる。
より好ましくは、排気ポート側のバルブリセスの内、タンジェンシャルポート２２と隣り合う排気ポートに対応するバルブリセスが、BB’断面の中心方向に傾斜するように設けられていることが望ましい。吸気ポートの内、ヘリカルポートにより発生するタンブル流よりも、タンジェンシャルポートにより発生するタンブル流の方が流量が多いため、タンジェンシャルポート２２と隣り合う排気ポートに対応するバルブリセスをBB’断面の中心方向に傾斜させることにより、より順タンブル流が減衰することを抑制することができ、順タンブル流と逆タンブル流の流量を均一、あるいは差を小さくすることができる。
より好ましくは、タンジェンシャルポート２２と隣り合う排気ポートに対応するバルブリセスと、吸気ポート側のバルブリセスの面が平行に設けられていることが望ましい。傾きが同じバルブリセスは、製造時に切削のための治具等の傾きを個別に調整する必要がないため、製造が容易となる。ここで平行に設けられる吸気ポート側のバルブリセスは一つであってもよいし、複数でもよい。
また、燃焼室１２内にスワールを発生させる機構は、タンジェンシャルポート２２だけでなく、吸気ポート内に設置されるスワールコントロールバルブであってもよい。
また、ここまでディーゼルエンジンについて説明してきたが、これに限られるものではなく、ガソリンエンジンであってもよい。
本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
内燃機関 １０
燃焼室 １２
吸気通路 １４
吸気ポート １５
排気通路 １６
排気棄 ３２場合に、第一バルブリセスの方が前ポート １７
燃料噴射弁 １８
ECU ２０
タンジェンシャルポート ２２
ヘリカルポート ２４
吸気弁 ２５
排気弁 ２７
吸気側バルブリセス ３１
排気側バルブリセス ３２

Claims (3)

  1. 燃焼室内にスワールを発生させる機構と、
    吸気弁との干渉を避けるために凹設された面である吸気側バルブリセスおよび排気弁との干渉を避けるために凹設された面である排気側バルブリセスを有するピストンと、
    を備える内燃機関において、
    前記燃焼室内上面を吸気ポート側から排気ポート側に流れるタンブル流である順タンブル流よりも前記燃焼室内下面を吸気ポート側から排気ポート側に流れるタンブル流である逆タンブル流の方が流量が少ない場合は、前記吸気側バルブリセスを第一バルブリセス、前記排気側バルブリセスを第二バルブリセスとし、
    前記順タンブル流よりも前記逆タンブル流の方が流量が多い場合は、前記排気側バルブリセスを第一バルブリセス、前記吸気側バルブリセスを第二バルブリセスとし、
    前記ピストンを前記第一バルブリセスとそれと隣り合う前記第二バルブリセスを通るピストンの中心軸と平行な断面に切った場合に、前記第一バルブリセスの方が前記第二バルブリセスよりも前記断面の内側方向が低くなる傾斜角が大きいことを特徴とする内燃機関。
  2. ２つの吸気ポートを備え、前記吸気ポートはタンジェンシャルポートとヘリカルポートであり、
    前記タンジェンシャルポートとヘリカルポートは、順タンブル流よりも逆タンブル流の方が流量が少なくなる形状となっており、
    前記タンジェンシャルポートに対応するバルブリセスの方が前記ヘリカルポートに対応するバルブリセスよりも、前記断面の中心方向に傾斜していることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
  3. 吸気ポート側の前記バルブリセスの少なくとも一つと、排気ポート側の前記バルブリセスの少なくとも一つが平行に設置されていることを特徴とする、請求項１または請求項２の何れかに記載の内燃機関。
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