JP2023135713A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】噴霧が均質に拡散しやすい内燃機関を提供する。【解決手段】内燃機関は、シリンダヘッドと、ピストンの頂面に形成され、前記シリンダヘッドとの間に燃焼室を形成するキャビティと、を備える。前記キャビティは、前記ピストンの中央部に配置される第１面と、前記第１面の周囲に配置され、前記第１面よりも前記シリンダヘッド側に配置される第２面と、前記第２面に設けられ前記第１面側に向けて凹んだ溝部と、を有する。【選択図】 図３

Description

本開示は、内燃機関に関する。

従来、ピストンの頂面にキャビティを有する内燃機関が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１の内燃機関は、２段構造のキャビティを開示している。

特開２０２０－２８６６

特許文献１は、上段と下段の間の壁に噴霧を当て、ピストン頂面の中央部分と外周部分に拡散するキャビティを開示している。このようなキャビティの場合、頂面の中央部分の噴霧が多すぎる場合もある。

本開示の課題は、噴霧が均質に拡散しやすい内燃機関を提供することにある。

本開示に係る内燃機関は、シリンダヘッドと、ピストンの頂面に形成され、前記シリンダヘッドとの間に燃焼室を形成するキャビティと、を備える。前記キャビティは、前記ピストンの中央部に配置される第１面と、前記第１面の周囲に配置され、前記第１面よりも前記シリンダヘッド側に配置される第２面と、前記第２面に設けられ前記第１面側に向けて凹んだ溝部と、を有する。

この内燃機関によれば、第２面に配置された溝を介して噴霧がピストンの頂面周囲に広がる。これによって、第１面と、第２面の両方に噴霧が拡散する。この結果、噴霧が均質に拡散する。

本開示によれば、噴霧が均質に拡散しやすい内燃機関を提供できる。

本開示の実施形態による内燃機関の断面図 本開示の実施形態によるピストンの斜視図。 本開示の実施形態によるピストンの上面図。 図３のＡ－Ａ断面図。 本開示の第２実施形態によるピストンの上面図。 本開示の第３実施形態によるピストンの上面図。

＜第１実施形態＞
以下、本開示の第１実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、内燃機関１は、シリンダブロック２と、シリンダヘッド４と、ピストン６と、複数の吸気バルブ８と、複数の排気バルブ１０と、燃料噴射弁１２と、を備える。本実施形態の内燃機関１は、燃料噴射弁１２がシリンダブロック２のシリンダ２１に燃料を直接噴射する直噴型のディーゼルエンジンである。また、本実施形態では１つのシリンダ２１に２つの吸気バルブ８と、２つの排気バルブ１０が配置される。本実施形態の内燃機関１は、シリンダ２１が上下方向に配置される例を用いて説明する。

また、内燃機関１は、スワール流発生手段を備える。本実施形態のスワール流発生手段は、２つの吸気バルブ８である。本実施形態では、２つの吸気バルブ８のリフト高さが異なることによって、ピストン６の摺動方向（本実施形態では上下方向）と直交する面に沿って吸気が旋回するスワール流を発生させる。本実施形態の内燃機関１は、スワール流が反時計回りに旋回する例を用いて説明する（図３のＳ参照）。なお、スワール流発生手段は、このほかシリンダヘッド４の吸気ポートなどの形状をスワール流が発生するように形成したものでもよい。また、スワール流を発生させるバルブなどを設けてもよい。

ピストン６は、頂面にキャビティ６１を有する。キャビティ６１は、ピストン６が上死点の位置にあるときに、シリンダヘッド４との間に燃焼室を形成する。したがって、キャビティ６１に供給される混合気は、極力均質であることが好ましい。本実施形態の直噴型ディーゼルエンジンの場合、キャビティ６１内に噴射する燃料の噴霧を拡散させて、均質な混合気を形成することが好ましい。

図２に示すように、キャビティ６１は、第１面６２と、第２面６３と、溝部６４と、縦面６５と、外周壁６６と、を有する。第１面６２は、ピストン６の頂面中央部に配置される。第２面６３は、第１面６２の周囲に配置される。第２面６３は、第１面６２よりもシリンダヘッド４側に配置される。本実施形態では、第２面６３は、第１面６２よりも上方に配置される。第２面６３の周囲には、シリンダヘッド４に向かって延びる外周壁６６が配置される。外周壁６６には、吸気バルブ８および排気バルブ１０との干渉を回避するために、第２面に向けて凹んだ複数のバルブリセス６６ａが周方向に間隔を隔てて配置される。

溝部６４は、第２面６３に複数設けられる。複数の溝部６４は、第２面６３から第１面６２側に向けて凹んだ部分である。複数の溝部６４の深さは、第１面６２と第２面６３との高さよりも浅く、溝部６４の底面６４ａと、第１面６２の間に縦面６５が延びる。

複数の溝部６４は、第２面６３に放射状に形成される。図３に示すように、本実施形態では、複数の溝部６４が放射状に４つ形成される。したがって、４つの溝部６４は、９０度ごとに配置される。本実施形態では、溝部６４の幅がピストン６の頂面周囲に向かうほど広くなる。言い換えると、溝部６４は、第１面６２側の入口が狭く頂面周囲に向かうほど広い。これによって、第１面６２に残す噴霧と頂面周囲まで飛ばす噴霧の量を調整しやすい。

図４に示すように、第２面６３は、スワール流の旋回方向下流側よりもスワール流の旋回方向の上流側がシリンダヘッド４に向けて高く形成される。これによって、スワール流が溝部６４の側壁６４ｂに押し当てられ乱れる。この結果、溝部６４に供給された噴霧がスワール流によって拡散しやすくなり、吸気との混合が促進され、燃焼が良くなる。さらにスワール流が乱れることで、溝部６４に供給された噴霧を含む混合気の流速が下がり、熱伝達率が低減する。このため、冷却損失が低減できる。また、溝部６４に供給された噴霧がスワール流によって拡散しやすくなり、吸気との混合が促進される。このため、この内燃機関１は、ピストン６の頂面に付着する燃料を減らすことができる。

さらに、本実施形態の溝部６４の深さは、ピストン６の外周側の方が、第１面６２側よりも浅い。これによって、溝部６４を通過した噴霧が溝部６４との外周側と外周壁６６との間に形成されたスワール流によって拡散されやすい。

縦面６５は、第１面６２からシリンダヘッド４に向かって延び、上記の溝部６４の底面６４ａ、または第２面６３に接続される。

図１に示すように、燃料噴射弁１２は、燃焼室に向けて燃料を噴射する。本実施形態では、燃料噴射弁１２は、キャビティ６１の内部に燃料を噴射する。また、本実施形態の燃料噴射弁１２は、例えば高圧ポンプ、コモンレールなどの燃料噴射装置に接続され、高圧の燃料を噴射しキャビティ６１内に噴霧を形成する。

燃料噴射弁１２は、縦面６５に向けて燃料を噴射する。図３に示すように、本実施形態では、燃料噴射弁１２は、８つの方向に燃料を噴射する。燃料噴射弁１２は、８つのうち４つは、溝部６４がある方向（第１方向の一例）に向けて燃料を噴射する。燃料噴射弁１２は、８つのうち４つは、第２面６３がある方向（第２方向の一例）に向けて燃料を噴射する。言い換えると、燃料噴射弁１２は、溝部６４がある方向と、溝部６４がある方向と異なる第２面６３がある方向と、に噴霧（図３のＦ参照）を形成する。溝部６４がある方向の噴霧と、第２面６３がある方向の噴霧とは、互いに隣接する。すなわち、本実施形態の燃料噴射弁１２は、８つの噴射口を有し、８つの噴射口を、溝部６４を狙う噴射口と、第２面６３を狙う噴射口と、が交互に配置される。なお、燃料噴射弁１２の噴射口に合わせて、第２面６３および溝部６４を形成してもよい。

このように形成された内燃機関１は、燃料噴射弁１２から燃料が噴射されると、８つのうち４つの噴霧が溝部６４に入り、外周壁６６まで噴霧が供給される。外周壁６６まで供給された噴霧は、スワール流によって拡散される。一方、８つのうち４つは、第２面６３と第１面６２を結ぶ縦面６５にあたり、噴霧が縦面６５によって分割され、分割された一方が第１面６２の方に押し戻され、もう一方のみが第２面６３に沿って外周壁６６まで供給される。これによって、ピストン６の頂面中央部に噴霧が拡散される。このように、この内燃機関１のキャビティ６１の形状であれば、燃料を頂面中央部と頂面周囲の両方に均質に拡散させることができる。この結果、混合気も均質となり、燃焼がよくなる。

＜第２実施形態＞
次に本開示の第２実施形態について、図５を用いて説明する。なお、第２実施形態においても、第１実施形態と異なる点のみ説明する。

図５に示すように、第２実施形態におけるキャビティ２６１は、第１面２６２と、第２面２６３と、溝部２６４と、縦面２６５と、外周壁２６６と、を有する。第２実施形態ではキャビティ２６１の溝部２６４の数が第１実施形態と異なる。その他の構成は、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

第２実施形態では、溝部２６４が８つ形成される。８つの噴霧は８つの溝部２６４のすべてに供給される。これによって、第１面２６２がある頂面中央部付近は燃料噴射弁１２から噴射された噴霧の流動が残る。一方、溝部２６４が増加することによって、頂面外周の凹凸が増え頂面外周の混合気の流動が乱れる。噴霧混合気の流動が乱れると、混合気の流速が下がり、熱伝達率が低減する。この結果、この内燃機関１では、冷却損失が低減できる。

＜第３実施形態＞
次に本開示の第３実施形態について、図６を用いて説明する。なお、第３実施形態においても、第１実施形態と異なる点のみ説明する。

図６に示すように、第３実施形態におけるキャビティ３６１は、第１面３６２と、第２面３６３と、溝部３６４と、縦面３６５と、外周壁３６６と、を有する。第３実施形態ではキャビティ３６１の溝部３６４の幅がピストン６の頂面周囲に向かうほど狭くなる点で、第１実施形態と異なる。その他の構成は、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。

このように、溝部３６４の幅がピストン６の頂面周囲に向かうほど狭くなることによって、外周壁３６６に向かうほど、噴霧の流速が高くなる。流速の上がった噴霧は、外周壁３６６を伝って上向きに強い流れを形成し上下方向に渦巻く。これによって、吸気と噴霧の混合が促進される。さらに、噴霧が上向きに強い流れを形成するため、壁温の低いシリンダ２１に向かう火炎を抑制できる。これによって、内燃機関１の冷却損失を低減できる。また、頂面外周へ向かう程、噴霧が溝部３６４の側壁３６４ｂに当たり上下に分割され、第２面３６３への噴霧の拡散を促進できる。これによって、溝部３６４の周辺部の広い空間を活用し、噴霧と吸気の混合を促進できる。

以上説明した通り、本開示によれば、噴霧が均質に拡散しやすい内燃機関１を提供できる。

＜他の実施形態＞
以上、本実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の変形例は、必要に応じて任意に組み合わせ可能である。

（ａ）例えば、上記第１実施形態では、溝部６４の深さがピストン６の外周側の方が、第１面６２側よりも浅いキャビティ６１の例を用いて説明したが、本開示はこれに限定されない。溝部６４の深さは、ピストン６の外周側から第１面６２側の噴霧の入り口まで均一であってもよい。ピストン６の頂面外周に向かうほど、第２面６３とシリンダヘッド４との間の燃焼室空間は広い。したがって、溝部６４の深さをピストン６の外周側から第１面６２側の噴霧の入り口まで均一にすることによって、空間が広がる外周ほど、スワール流が側壁６４ｂに当たり乱れやすい。このため、頂面周囲に向かうほど、スワール流による乱流を強く形成できる。この結果、頂面周囲に向かうほど噴霧を拡散することができる。なお、この場合、第１実施形態の溝部６４の幅よりも狭い溝を採用してもよい。このように、溝部６４の幅を調整することによって、スワール流による乱流の影響を調整してもよい。また、溝部６４の深さは、ピストン６の外周側の方を第１面６２側よりも深くしてもよい。このように、溝部６４の深さを、ピストン６の外周側の方を第１面６２側よりも高くすることによって、スワール流による乱流の影響を調整してもよい。

（ｂ）上記第１実施形態では、第２面６３は、スワール流の旋回方向下流側よりもスワール流の旋回方向の上流側がシリンダヘッド４に向けて高く形成される例を用いて説明したが、本開示はこれに限定されない。第２面６３の高さは、スワール流の旋回方向下流側とスワール流の旋回方向上流側とで同じであってもよい。

１ ：内燃機関
２ ：シリンダブロック
４ ：シリンダヘッド
６ ：ピストン
８ ：吸気バルブ
１０ ：排気バルブ
１２ ：燃料噴射弁
２１ ：シリンダ
６１，２６１，３６１：キャビティ
６２，２６２，３６２：第１面
６３，２６３，３６３：第２面
６４，２６４，３６４：溝部
６５，２６５，３６５：縦面

Claims (6)

1. シリンダヘッドと、
   ピストンの頂面に形成され、前記シリンダヘッドとの間に燃焼室を形成するキャビティと、
   を備え、
   前記キャビティは、前記ピストンの頂面中央部に配置される第１面と、前記第１面の周囲に配置され、前記第１面よりも前記シリンダヘッド側に配置される第２面と、前記第２面に設けられ前記第１面側に向けて凹んだ溝部と、を有する、
   内燃機関。
2. 前記燃焼室に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁をさらに備え、
   前記キャビティは、前記第１面から前記シリンダヘッド側に向かって延び、前記溝部または前記第２面に接続される縦面を有し、
   前記燃料噴射弁は、前記縦面に向けて燃料を噴射する、
   請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記燃焼室に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁をさらに備え、
   前記燃料噴射弁は、前記溝部に向けて燃料を噴射する、
   請求項１または２に記載の内燃機関。
4. 前記燃焼室に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁をさらに備え、
   前記燃料噴射弁は、前記燃料を噴射することによって、第１方向と、前記第１方向と異なる方向の第２方向と、に噴霧を形成し、
   前記第１方向の噴霧が前記溝部に向けて形成され、
   前記第２方向の噴霧が前記第２面に向けて形成され、
   前記第１方向の噴霧と、前記第２方向の噴霧と、が隣接して形成される、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関。
5. 前記ピストンの摺動方向と直交する面に沿って旋回するスワール流を、前記燃焼室に発生させるスワール流発生手段をさらに備え、
   前記第２面は、前記スワール流の旋回方向下流側よりも前記スワール流の旋回方向上流側が前記シリンダヘッドに向けて高く形成される、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の内燃機関。
6. 前記溝部の幅が、前記頂面の外周に向けて拡大する、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の内燃機関。