JP2021179175A - 火花点火式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンの冠面に鏡面加工された領域が形成される場合において、当該冠面での火炎の進行速度が低下するのを抑える。【解決手段】火花点火式内燃機関は、シリンダヘッドと、ピストンとを備える。ピストンの冠面は、中央部と、中央部の外側に位置する第１および第２外側部と、を備える。中央部および第１外側部は、所定値よりも高い燃焼室高さを有する。燃焼室高さは、圧縮上死点における冠面とシリンダヘッドの下面の間の距離を示す。第２外側部の燃焼室高さは、所定値以下である。冠面は、鏡面領域と、粗面領域とに区別される。鏡面領域は、０．０５μｍ未満の表面粗さを有する。粗面領域は、０．０５μｍ以上、かつ、２．５μｍ以下の表面粗さを有する。中央部および第１外側部の全ては、鏡面領域に含まれる。第２外側部の少なくとも一部は、粗面領域に含まれる。【選択図】図６

Description

本発明は、火花点火式の内燃機関（以下、単に「エンジン」とも称す。）に関する。

特開２０１８−８７５６２号公報は、火花点火式のエンジンのピストンを開示する。この従来のピストンの冠面は、鏡面加工された領域と、粗面加工された領域と、を備えている。鏡面加工された領域は、冠面の中央部に形成されている。この領域の算術平均粗さは０．３μｍ未満である。粗面加工された領域は、中央部の外周に沿って形成されている。この領域の算術平均粗さは０．３μｍ以上である。

特開２０１８−８７５６２号公報 特開２０１１−１９６２３７号公報

冠面が鏡面加工されると、燃焼室内のガスから当該冠面への熱伝導を抑えることが可能となる。そのため、エンジンの冷却損失を抑えて燃費を改善することが可能となる。冠面が鏡面加工されると、また、冠面上での火炎の進行速度が向上することが期待される。そのため、燃焼期間を短縮して燃焼効率を高め、これにより、燃費を更に改善することが期待される。

しかしながら、本発明者の解析によれば、冠面が鏡面加工されていると、そうでないときに比べて、当該冠面上の火炎の進行速度が遅くなる現象が確認された。更には、この現象が、火炎の発生直後の狭小空間において顕著となることも確認された。進行速度が遅くなれば燃焼期間が延びるので、上述した効果が不十分となるおそれがある。そこで、本発明者は、この新たな知見に基づいて更なる検討を行い、本発明を完成させるに至った。

本発明の１つの目的は、ピストンの冠面に鏡面加工された領域が形成される場合において、当該冠面での火炎の進行速度が低下するのを抑えることのできる技術を提供することにある。

本発明は、火花点火式内燃機関であり、次の特徴を有する。
前記内燃機関は、シリンダヘッドと、ピストンとを備える。
前記ピストンの冠面は、中央部と、前記中央部の外側に位置する第１および第２外側部と、を備える。
前記中央部および前記第１外側部は、所定値よりも高い燃焼室高さを有する。前記燃焼室高さは、圧縮上死点における前記冠面と前記シリンダヘッドの下面の間の距離を示す。前記第２外側部は、前記所定値以下の燃焼室高さを有する。
前記冠面は、鏡面領域と、粗面領域とに区別される。前記鏡面領域は、０．０５μｍ未満の表面粗さを有する。前記粗面領域は、０．０５μｍ以上、かつ、２．５μｍ以下の表面粗さを有する。
前記中央部および前記第１外側部の全ては、前記鏡面領域に含まれる。
前記第２外側部の少なくとも一部は、前記粗面領域に含まれる。

本発明において、前記シリンダヘッドは、吸気ポートと、排気ポートとを備えていてもよい。
前記第２外側部は、前記吸気ポートから前記排気ポートに向かう方向を示す吸排気方向における前記中央部の両側に位置していてもよい。
前記第１外側部は、前記吸排気方向に対して直交する方向において前記中央部の両側に位置していてもよい。
前記第２外側部の全ては、前記粗面領域に含まれていてもよい。

本発明において、前記シリンダヘッドは、吸気ポートと、排気ポートとを備えていてもよい。
前記第２外側部は、前記吸気ポートから前記排気ポートに向かう方向を示す吸排気方向における前記中央部の両側に位置していてもよい。
前記第１外側部は、前記吸排気方向に対して直交する方向において前記中央部の両側に位置していてもよい。
前記吸気ポート側に位置する前記第２外側部は、前記粗面領域に含まれていてもよい。
前記排気ポート側に位置する前記第２外側部は、前記鏡面領域に含まれていてもよい。

本発明において、前記内燃機関は、燃焼室内にタンブルを発生させるタンブル発生部を更に備えていてもよい。

本発明において、前記所定値としては、０．９〜１．５ｍｍの範囲の値が例示される。

本発明者は、圧縮上死点における燃焼室高さが冠面上の火炎の進行速度に影響を与えることを突き止めた。本発明は、この知見に基づいてなされたものである。本発明によれば、所定値よりも高い燃焼室高さを有する中央部および第１外側部の全てが、０．０５μｍ未満の表面粗さ鏡面領域に含まれる。そのため、所定値よりも高い燃焼室高さを有する冠面においては、エンジンの冷却損失を抑えることが可能となる。また、本発明によれば、所定値以下の燃焼室高さを有する第２外側部の少なくとも一部が、０．０５μｍ以上、かつ、２．５μｍ以下の表面粗さを有する粗面領域に含まれる。そのため、所定値以下の燃焼室高さを有する冠面においては、火炎の進行速度の低下を抑えることが可能となる。以上のことから、本発明によれば、燃費を改善することが可能となる。

実施の形態に係るエンジンの構成例を示す模式図である。 実施の形態に係るエンジンの構成例を示す模式図である。 図１および２に示したピストンの冠面の構成例を示す模式図である。 火炎の発生直後における当該火炎の挙動を示す模式図である。 燃焼室高さを説明する図である。 冠面の第１の加工例を示す模式図である。 タンブルが発生する燃焼室の模式図である。 冠面の第２の加工例を示す模式図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。

１．エンジンの構成例
実施の形態に係るエンジンは、好ましくは車両に搭載される。図１および２は、実施の形態に係るエンジンの構成例を示す模式図である。図１は、車両の前方向ＦＲから後方向ＲＲに向かう方向（以下、「ＦＲ−ＲＲ」方向とも称す。）における切断面を、排気方向ＥＸから見た図に相当する。図２は、吸気方向ＩＮから排気方向ＥＸに向かう方向（以下、「ＩＮ−ＥＸ」方向とも称す。）における切断面を、後方向ＲＲから見た図に相当する。なお、ＦＲ−ＲＲ方向は、ＩＮ−ＥＸ方向と直交している。

図１および２に示されるエンジン１は、典型的なペントルーフ型のエンジンである。エンジン１は、シリンダブロック２と、シリンダヘッド３と、ピストン４と、を備えている。シリンダヘッド３は、シリンダブロック２の上方に設けられる。ピストン４は、シリンダブロック２に収容される。シリンダブロック２の側面、シリンダヘッド３の下面およびピストン４の冠面は、エンジン１の燃焼室ＣＨを構成する。

図１に示されるように、エンジン１は、吸気ポート５ａおよび５ｂを備えている。これらの吸気ポートは、シリンダブロック２に形成される。吸気ポート５ａには、吸気バルブ６ａが設けられる。吸気ポート５ｂには、吸気バルブ６ｂが設けられる。なお、図示は省略するが、シリンダブロック２には、２つの排気ポートが形成される。そして、これらの排気ポートには、２本の排気バルブがそれぞれ設けられる。

図１および２に示されるように、エンジン１は、点火装置７を備えている。点火装置７は、シリンダブロック２に取り付けられている。点火装置７の取り付け箇所は、燃焼室ＣＨの天井面の中央である。

２．ピストンの冠面の構成例
図３は、図１および２に示したピストン４の冠面４０の構成例を示す模式図である。図３に示されるように、冠面４０は、中央部４１を備えている。中央部４１の外側には、第１外側部４２および４３と、第２外側部４４および４５と、第３外側部４６ａ、４６ｂ、４７ａおよび４７ｂと、が位置している。これらの外側部の更に外側には、外縁部４８が位置している。

中央部４１は、皿状に窪んでいる。第１外側部４２は、前方向ＦＲにおいて中央部４１と接している。第１外側部４３は、後方向ＲＲにおいて中央部４１と接している。第１外側部４２および４３は平坦である。ただし、第１外側部４２および４３は、中央部４１から離れるほど下方に傾斜している。第１外側部４２および４３と、シリンダヘッド３の下面との間の空間は、スキッシュとも呼ばれる。

第２外側部４４は、吸気方向ＩＮにおいて中央部４１と接している。第２外側部４５は、排気方向ＥＸにおいて中央部４１と接している。第２外側部４４および４５は平坦である。第２外側部４４および４５は、水平面と並行である。第２外側部４４および４５と、シリンダヘッド３の下面との間の空間は、スキッシュとも呼ばれる。

第３外側部４６ａおよび４６ｂは、吸気方向ＩＮにおいて中央部４１および第２外側部４４と接している。第３外側部４６ａは、前方向ＦＲにおいて第１外側部４２と接している。第３外側部４６ａは、吸気バルブ６ａとの干渉を避けるために設けられる。第３外側部４６ｂは、後方向ＲＲにおいて第１外側部４３と接している。第３外側部４６ｂは、吸気バルブ６ｂとの干渉を避けるために設けられる。第３外側部４６ａおよび４６ｂは、バルブリセスとも呼ばれる。第３外側部４６ａおよび４６ｂは、第１外側部４２および４３と同様に傾斜している。

第３外側部４７ａおよび４７ｂは、排気方向ＥＸにおいて中央部４１および第２外側部４５と接している。第３外側部４７ａは、前方向ＦＲにおいて第１外側部４２と接している。第３外側部４７ｂは、後方向ＲＲにおいて第１外側部４３と接している。第３外側部４７ａおよび４７ｂは、上述した２本の排気バルブとの干渉を避けるために設けられる。第３外側部４７ａおよび４７ｂは、バルブリセスとも呼ばれる。第３外側部４７ａおよび４７ｂは、第１外側部４２および４３と同様に傾斜している。

外縁部４８は、冠面４０の外縁を構成する。上述した第３外側部は、冠面４０の外縁までに延びていてもよい。この場合、冠面４０の外縁の一部は、第３外側部により構成されてもよい。外縁部４８は、上述した第１〜第３外側部の全てと接している。外縁部４８は、第１外側部４２および４３と同様に傾斜している。ただし、外縁部４８の傾斜度は、第１外側部４２および４３のそれと異なる。実施の形態において、「傾斜度」とは、水平面を基準とした冠面４０の構成部（例えば、第１外側部４２および４３、外縁部４８）の傾きと定義される。

３．実施の形態の特徴
３−１．新たな知見
燃焼室の構成面の表面粗さを極小化する、いわゆる鏡面加工を行うことで、燃焼室内のガスから当該構成面が受け取る熱量を減らすことが可能となる。そのため、燃焼室の構成面の全域が鏡面加工されれば、エンジンの冷却損失を抑えて燃費を改善することが可能となる。実施の形態において、「鏡面」とは、０．０５μｍ未満の表面粗さを有する表面と定義される。また、「表面粗さ」とは、算術平均粗さＲａを意味する。算術平均粗さＲａは、ＪＩＳ Ｂ０６０１：２０１３に準じて測定される。

また、燃焼室の構成面のうち、当該燃焼室に供給された燃料噴霧が付着する領域が鏡面加工されれば、この領域における燃料の付着量を減らすことも可能となる。そのため、燃料噴霧の付着領域が鏡面加工されれば、いわゆる未燃ＨＣの発生を抑えることも可能となる。

しかしながら、本発明者によれば、ピストンの冠面の構成部での鏡面加工が別の問題に繋がることが明らかとなった。この問題について、図４を参照しながら説明する。図４は、火炎の発生直後における当該火炎の挙動を示す模式図である。図４には、２種類のエンジンのスキッシュの周辺での火炎の挙動が、縦方向に並べられている。縦方向における時間間隔は０．３秒である。

図４の左側に示す例ＥＸ１では、ピストン８の冠面の構成部の全てが鏡面加工されている。一方、図４の右側に示す例ＥＸ２では、ピストン９の冠面の中央部のみが鏡面加工されている。つまり、例ＥＸ２では、中央部を除いた冠面の構成部は鏡面加工されていない。この構成部における表面粗さは２００μｍである。

例ＥＸ１での火炎の挙動を例ＥＸ２のそれと比較すると、次のことが理解される。すなわち、例ＥＸ２では、ピストン９の下降に伴い生じた狭小空間に火炎が素早く入り込む。これに対し、例ＥＸ１では、このような火炎の挙動が見られない。つまり、例ＥＸ１での火炎の進行速度は、例ＥＸ２でのそれに比べて遅くなる。この理由について、本発明者は、ピストン８の冠面の外側部が鏡面加工されることで、当該外側部とシリンダヘッドの空間における乱れが減衰したためであると推察している。

また、本発明者は、進行速度の遅延のレベルが外側部の領域で異なることを確認した。具体的に、ＦＲ−ＲＲ方向における外側部では遅延レベルが殆ど無く、故に、鏡面加工による影響は小さいと判断された。一方、ＩＮ−ＥＸ方向における外側部では遅延レベルが顕著であり、故に、燃焼期間の延長により燃焼効率が低下する問題が危惧された。また、ＩＮ−ＥＸ方向における外側部の周辺において未燃ＨＣの発生が危惧された。この理由について、本発明者は、圧縮上死点における外側部とシリンダヘッドの空間の高さ（以下、「燃焼室高さＨＣＨ」とも称す。）の違いにあると推察している。

以上の知見に基づき、実施の形態では、冠面４０において鏡面加工しない構成部が、当該構成部の燃焼室高さＨＣＨを考慮して設定されている。図５は、燃焼室高さＨＣＨを説明する図である。燃焼室高さＨＣＨは、シリンダ軸線ＬＣＹと平行な方向における、冠面４０の構成部からシリンダヘッド３の下面までの距離と定義される。進行速度の遅延レベルに影響を及ぼすのが圧縮上死点における燃焼室高さＨＣＨであることから、燃焼室高さＨＣＨは、圧縮上死点でのピストン４の位置を基準として計測される。

実施の形態では、所定値よりも大きい燃焼室高さＨＣＨを有する冠面４０の構成部が、鏡面加工の対象の候補に設定される。また、所定値以下の燃焼室高さＨＣＨを有する冠面４０の構成部が、粗面加工の対象の候補に設定される。「所定値」とは、１．２±０．３ｍｍ（すなわち、０．９〜１．５ｍｍ）の範囲の値を意味する。また、「粗面」とは、０．０５μｍ以上、かつ、２．５μｍ以下の表面粗さを有する表面と定義される。以下、実施の形態おける冠面４０の加工例を説明する。

３−２．冠面の加工例
３−２−１．第１の加工例とその効果
図６は、冠面４０の第１の加工例を示す模式図である。第１の加工例では、第２外側部４４および４５が粗面加工されている。第２外側部４４および４５は、所定値以下の燃焼室高さＨＣＨを有する。第２外側部４４および４５は、冠面４０における「粗面領域」を構成する。第２外側部４４および４５を除いた構成部は、鏡面加工されている。これらの構成部により、冠面４０における「鏡面領域」が構成される。具体的に、鏡面領域は、中央部４１と、外縁部４８と、第１外側部４２および４３と、第３外側部４６ａ、４６ｂ、４７ａおよび４７ｂと、から構成される。

第１の加工例によれば、第２外側部４４および４５が粗面加工されているので、鏡面加工に伴う問題点を解消することが期待される。また、第２外側部４４および４５を除いた構成部が鏡面加工されていることで、次の効果が期待される。この効果について、図７を参照しながら説明する。

図７は、タンブルが発生する燃焼室の模式図である。図７に示されるタンブルＴＦは、シリンダ軸線ＬＣＹの方向に上昇または下降しながら旋回する、いわゆる順タンブルである。タンブルＴＦは、例えば、吸気ポート５ａおよび５ｂに設けた気流制御弁の制御により発生する。別の例では、タンブルＴＦは、これらの吸気ポートの少なくとも一方がタンブルの生成を促す形状（例えば、ストレート形状）を有することにより発生する。なお、このようなタンブル発生部の構成については公知であることから詳細な説明は省略する。

タンブルＴＦが発生する燃焼室ＣＨにおいては、粗面領域が当該タンブルＴＦに乱れを生じさせる可能性がある。この点、第１の加工例では、粗面領域が第２外側部４４および４５のみに限定されている。そのため、タンブルＴＦの乱れの発生を最小限に留めながら、第２外側部４４および４５を除いた構成部の鏡面加工による効果を得ることが可能となる。なお、タンブルＴＦは、図７に示した方向とは逆の方向に旋回してもよい。つまり、燃焼室ＣＨにいわゆる逆タンブルが発生してもよい。

３−２−２．第２の加工例とその効果
図８は、冠面４０の第２の加工例を示す模式図である。第２の加工例では、第２外側部４４のみが粗面加工されている。第２の加工例において、第２外側部４４は、粗面領域を構成する。既に説明したとおり、第２外側部４４および４５は、所定値以下の燃焼室高さＨＣＨを有する。ただし、第２外側部４５は鏡面領域に含まれる。すなわち、第２の加工例において、鏡面領域は、中央部４１と、外縁部４８と、第１外側部４２および４３と、第２外側部４５と、第３外側部４６ａ、４６ｂ、４７ａ、および４７ｂと、から構成される。

第２の加工例によれば、第１の加工例で説明したタンブルＴＦの乱れの発生を最小限に留める効果を得ることが可能となる。第２の加工例によれば、また、次の効果が期待される。すなわち、排気ポートからは高温のガスが排出される。そのため、排気ポートの温度は、吸気ポートのそれに比べて高くなり易い。故に、排気ポートに近い冠面４０の構成部の温度は、吸気ポートに近い冠面４０の構成部のそれに比べて高くなり易い。この点、第２の加工例では、粗面領域が第２外側部４４のみに限定されている。そのため、第２外側部４４の粗面加工による効果を確保しながら、第２外側部４５の鏡面加工による効果を得ることも可能となる。

３−２−３．外縁部４８の加工例
外縁部４８には、所定値よりも大きい燃焼室高さＨＣＨを有する箇所と、所定値以下のそれを有する箇所とが含まれる。そのため、外縁部４８については粗面加工の対象と考えることもできる。しかしながら、第１および第２の加工例において、外縁部４８は、鏡面加工の対象とされることが望ましい。

この理由は、第１に、外縁部４８において燃焼室高さＨＣＨが最大となる箇所が粗面加工されると、この箇所において燃焼室ＣＨの壁面（ボア壁面）に向かう火炎の進行が妨げられる可能性があるからである。第２の理由として、外縁部４８では未燃ＨＣが発生し易いことが挙げられる。すなわち、外縁部４８は、中央部４１の温度よりも低いボア壁面に近い。そのため、外縁部４８では未燃ＨＣが発生し易い。そして、表面粗さが大きい場合は、凹凸面に燃料が入り込んだときに未燃ＨＣが発生し易い。以上の理由から、外縁部４８は、鏡面加工の対象とされることが望ましい。

１ エンジン
２ シリンダブロック
３ シリンダヘッド
４ ピストン
４１ 中央部
４２，４３ 第１外側部
４４，４５ 第２外側部
４６ａ，４６ｂ，４７ａ，４７ｂ 第３外側部
４８ 外縁部
５ａ，５ｂ 吸気ポート
ＣＨ 燃焼室
ＴＦ タンブル

Claims (5)

1. シリンダヘッドと、ピストンとを備える火花点火式内燃機関であって、
   前記ピストンの冠面は、中央部と、前記中央部の外側に位置する第１および第２外側部と、を備え、
   圧縮上死点における前記冠面と前記シリンダヘッドの下面の間の距離を示す燃焼室高さは、前記中央部および前記第１外側部では所定値よりも高く、前記第２外側部では前記所定値以下であり、
   前記冠面は、０．０５μｍ未満の表面粗さを有する鏡面領域と、０．０５μｍ以上、かつ、２．５μｍ以下の表面粗さを有する粗面領域とに区別され、
   前記中央部および前記第１外側部の全てが前記鏡面領域に含まれ、
   前記第２外側部の少なくとも一部が前記粗面領域に含まれる
   ことを特徴とする火花点火式内燃機関。
2. 請求項１に記載の火花点火式内燃機関であって、
   前記シリンダヘッドは、吸気ポートと、排気ポートと、を備え、
   前記第２外側部は、前記吸気ポートから前記排気ポートに向かう方向を示す吸排気方向における前記中央部の両側に位置し、
   前記第１外側部は、前記吸排気方向に対して直交する方向において前記中央部の両側に位置し、
   前記第２外側部の全てが前記粗面領域に含まれる
   ことを特徴とする火花点火式内燃機関。
3. 請求項１に記載の火花点火式内燃機関であって、
   前記シリンダヘッドは、吸気ポートと、排気ポートと、を備え、
   前記第２外側部は、前記吸気ポートから前記排気ポートに向かう方向を示す吸排気方向における前記中央部の両側に位置し、
   前記第１外側部は、前記吸排気方向に対して直交する方向において前記中央部の両側に位置し、
   前記吸気ポート側に位置する前記第２外側部が前記粗面領域に含まれ、
   前記排気ポート側に位置する前記第２外側部が前記鏡面領域に含まれる
   ことを特徴とする火花点火式内燃機関。
4. 請求項２または３に記載の火花点火式内燃機関であって、
   燃焼室内にタンブルを発生させるタンブル発生部を更に備える
   ことを特徴とする火花点火式内燃機関。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の火花点火式内燃機関であって、
   前記所定値が０．９〜１．５ｍｍの範囲の値である
   ことを特徴とする火花点火式内燃機関。

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