JP2023160253A - 内燃機関の燃焼室構造 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室を構成する壁面を鏡面加工して冷却損失を低減するとともに、スキッシュエリアでのガスの乱れの減少による未燃燃料の増加や耐ノック性能の悪化を抑制する。【解決手段】内燃機関は、シリンダヘッド側の燃焼室壁面とピストン３の冠面４との間に燃焼室が構成されており、シリンダ軸方向に見て燃焼室の略中央部に点火プラグが位置し、かつ燃焼室の周縁部にスキッシュエリアを備えている。燃焼空間を構成する冠面４中央部の凹部１５の表面は、Ｒａ０．３以下の鏡面性状を有し、スキッシュエリアを構成するスキッシュエリア面１６の表面は、Ｒａ０．４～Ｒａ０．７の鏡面性状を有する。【選択図】図５

Description

この発明は、火花点火式内燃機関の燃焼室構造の改良に関する。

特許文献１には、吸気行程におけるピストンから吸気への対流熱伝達を抑制するためにピストン冠面中央部を鏡面に形成する一方、圧縮行程における吸気からピストンへの対流熱伝達を促進するためにピストン冠面外周部を粗面に形成した構成が開示されている。

特開２０１８－８７５６２号公報

火花点火式内燃機関においては、点火プラグによって混合気に点火がなされ、周囲へと火炎伝播することで燃焼が進行していく。ここで、燃焼により生じた熱の一部は、燃焼ガスから燃焼室壁面へと伝達され、いわゆる冷却損失として失われる。ピストン冠面を鏡面とすることで冷却損失を抑制することができるが、上記の従来技術ではピストン冠面外周部を粗面としてあるので、冷却損失抑制効果が限定的なものとなっている。

一方、スキッシュエリアを有する燃焼室構造では、スキッシュエリアを構成する面が過度に滑らかな鏡面であると、上死点近傍で狭小な隙間となるスキッシュエリアにおけるガス流動の乱れが少なくなり、火炎伝播が阻害される結果、エンドガスの消炎による未燃ＨＣの増加や耐ノック性能の低下が生じる。

この発明は、シリンダヘッド側の燃焼室壁面とピストン冠面との間に燃焼室が構成されており、シリンダ軸方向に見て上記燃焼室の略中央部に点火プラグが位置し、かつ上記燃焼室の周縁部にスキッシュエリアを備えてなる内燃機関の燃焼室構造であって、
上記ピストン冠面の中央部分の表面が鏡面性状を有し、
上記ピストン冠面の上記スキッシュエリアを構成する部分の表面は、上記中央部分の表面よりも相対的に粗い面粗度の鏡面性状を有する。

このように、スキッシュエリアを含めてピストン冠面を鏡面とすることで、冷却損失が抑制され、内燃機関の図示熱効率の向上ひいては燃費向上が図れる。また、スキッシュエリアを構成する部分の鏡面性状は、比較的に粗い面粗度であるので、スキッシュエリアにおけるガス流動の乱れを適切に確保することができ、鏡面化に伴う未燃燃料の増加や耐ノック性能の悪化を抑制できる。

一実施例の燃焼室の断面図。 シリンダヘッド側の燃焼室壁面の構成を示すとともに、第１の鏡面の領域を斜線で示した平面図。 シリンダヘッド側の燃焼室壁面におけるスキッシュエリアを構成する第２の鏡面の領域を示す説明図。 ピストン冠面の構成を示すとともに、第１の鏡面の領域を斜線で示した平面図。 ピストン冠面におけるスキッシュエリアを構成する第２の鏡面の領域を示す説明図。 燃焼の進行に伴う既燃ガスの分布の変化を示す説明図。 ２つの異なる鏡面の面粗度の説明図。 面粗度Ｒａに対する冷却損失低減効果、未燃燃料、耐ノック性能の特性を示した説明図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、一実施例の火花点火式内燃機関の燃焼室構造を示す断面図、詳しくはシリンダ中心軸線を含みかつ気筒列方向に直交する平面に沿った断面図、である。図示するように、シリンダヘッド１下面に凹んだ形に設けられるシリンダヘッド１側の燃焼室壁面２と、シリンダ内で上下に運動するピストン３の冠面４と、の間に燃焼室５が構成される。図１は、ピストン３が上死点位置にあり、燃焼室５の容積が最小となっている。シリンダ軸方向に見て燃焼室５の略中央部に点火プラグ６が位置している。燃焼室５は、点火プラグ６の先端電極部を中心としてできるだけ球体に近い形状をなすように構成される燃焼空間５Ａ（この部分が「燃焼室」と呼ばれることもある）と、周縁部における狭小な隙間からなるスキッシュエリア５Ｂと、を含んでいる。

図２は、シリンダヘッド１側の燃焼室壁面２の構成を示す平面図（詳しくは、図１のシリンダヘッド１を下面側から見た平面図）、図４は、この燃焼室壁面２と組み合わされることで燃焼室５を構成するピストン３の冠面４の構成を示す平面図である。

図２に示すように、燃焼室５は、一対の吸気弁７が配置された吸気弁側傾斜面８と、一対の排気弁９が配置された排気弁側傾斜面１０と、を有するペントルーフ型燃焼室であり、４つの弁に囲まれた中央の領域に点火プラグ６が配置されている。吸気弁７および排気弁９は、円形の弁頭部を有するポペット弁であり、それぞれ、中心軸線が吸気弁側傾斜面８および排気弁側傾斜面１０と直交するように傾斜した姿勢で配置されている。また図示例は、筒内直接噴射式内燃機関であり、４つの弁に囲まれた中央の領域において、点火プラグ６と並んで燃料噴射弁１１が配置されている。なお、本発明は、吸気弁７が開閉する吸気ポート（図示せず）等において燃料を噴射供給する形式の内燃機関であってもよい。

図２に示すように、燃焼室壁面２は、吸気弁側傾斜面８よりも外周側および排気弁側傾斜面１０よりも外周側に、それぞれ、スキッシュエリア５Ｂを構成するスキッシュエリア面１２を備えている。これらのスキッシュエリア面１２は、それぞれシリンダヘッド１下面に対して傾斜した平面に沿って形成されており、それぞれ、吸気弁側傾斜面８および排気弁側傾斜面１０の傾斜角度よりも緩い傾斜角度を有している。平面視においては、各々のスキッシュエリア面１２は、円の円弧と弦とで囲まれた略三日月形をなしている。

ピストン３の冠面４は、図４に示すように、燃焼空間５Ａをできるだけ球体に近い形状とするために、中央部に平面視で楕円状をなす比較的浅い凹部１５を備えている。この凹部１５の底面は、図１に示すように、滑らかに連続した湾曲面をなしている。

またピストン３の冠面４の周縁部には、スキッシュエリア５Ｂを構成するスキッシュエリア面１６を備えている。図示例では、このスキッシュエリア面１６は、凹部１５を囲むように全周に連続しており、シリンダ中心軸線を中心とした円錐面に沿って形成されている。この円錐面からなるスキッシュエリア面１６の傾斜角度（シリンダ中心軸線と直交する平面に対する角度）は比較的小さく、シリンダヘッド１側のスキッシュエリア面１２の傾斜角度に等しい。従って、図１に示すように、ピストン３が上死点に達すると、シリンダヘッド１側のスキッシュエリア面１２とピストン３側のスキッシュエリア面１６とで、略一定の隙間寸法を有する狭小なスキッシュエリア５Ｂが構成され、ここで、いわゆるスキッシュ流が生成される。

なお、ピストン３の冠面４には、図４に示すように、吸気弁７および排気弁９との干渉を回避するために、バルブリセス１７が形成されている。

次に、シリンダヘッド１側の燃焼室壁面２およびピストン３の冠面４における各部の表面の鏡面性状について説明する。

シリンダヘッド１側においては、各気筒に一対の吸気弁７と一対の排気弁９とを備えているが、燃焼室５に臨む各々の弁頭部の表面に鏡面加工がなされている。図２に斜線を施して示す領域が、鏡面性状を有する吸気弁７／排気弁９の表面である。この鏡面加工は、できるだけ細かい面粗度となるように行われ、Ｒａ０．３以下の面粗度（算術平均粗さ）の鏡面性状を有している。以下では、このような鏡面性状を「第１の鏡面」と呼ぶ。

また、シリンダヘッド１側の２つのスキッシュエリア面１２は、やはり鏡面加工がなされており、第１の鏡面よりも粗い面粗度、具体的にはＲａ０．４～Ｒａ０．７の面粗度の鏡面性状を有している。以下では、このような鏡面性状を「第２の鏡面」と呼ぶ。図３に斜線を施して示す領域が第２の鏡面の領域である。

好ましい一実施例では、吸気弁７／排気弁９の第１の鏡面はＲａ０．３の面粗度を有し、スキッシュエリア面１２の第２の鏡面はＲａ０．５の鏡面性状を有する。

ピストン３の冠面４においては、燃焼空間５Ａの下半部を構成する凹部１５の表面（底面）に鏡面加工がなされている。図４に斜線を施して示す領域が、鏡面性状を有する凹部１５の表面である。この鏡面加工は、できるだけ細かい面粗度となるように行われ、Ｒａ０．３以下の面粗度の鏡面性状を有している。従って、吸気弁７／排気弁９の表面と同じく「第１の鏡面」と呼ぶこととする。なお、凹部１５の表面の鏡面加工における面粗度と吸気弁７／排気弁９の表面の鏡面加工における面粗度とは、互いに等しいレベルであってもよく、異なるレベルにあってもよい。

また、ピストン３の冠面４において凹部１５の外周側に位置するスキッシュエリア面１６は、やはり鏡面加工がなされている。このスキッシュエリア面１６は、シリンダヘッド１側のスキッシュエリア面１２と同様に、凹部１５の表面つまり第１の鏡面よりも粗い面粗度、具体的にはＲａ０．４～Ｒａ０．７の面粗度の鏡面性状を有している。従って、シリンダヘッド１側のスキッシュエリア面１２と同じく、「第２の鏡面」と呼ぶこととする。図５に斜線を施して示す領域が第２の鏡面の領域である。なお、ピストン３側のスキッシュエリア面１６の鏡面加工における面粗度とシリンダヘッド１側のスキッシュエリア面１２の鏡面加工における面粗度とは、互いに等しいレベルであってもよく、異なるレベルにあってもよい。

好ましい一実施例では、凹部１５の表面の第１の鏡面はＲａ０．３の面粗度を有し、スキッシュエリア面１６の第２の鏡面はＲａ０．５の鏡面性状を有する。

シリンダヘッド１側およびピストン３側の各々の鏡面加工は、例えば、研削加工ないし研磨加工によって行われる。

図７は、ピストン３の冠面４における第１の鏡面および第２の鏡面の面粗度の数値範囲の説明図であり、図示するように、第１の鏡面はＲａ０．３以下の面粗度を有し、第２の鏡面はＲａ０．４～Ｒａ０．７の範囲内の面粗度を有する。一実施例では、シリンダヘッド１側の吸気弁７／排気弁９の表面およびスキッシュエリア面１２もそれぞれ第１の鏡面および第２の鏡面として同様の面粗度を有する。

火花点火式内燃機関においては、上死点前に点火プラグ６によって混合気に点火がなされ、周囲へと火炎伝播することで燃焼が進行していく。図６は燃焼の進行に伴う既燃ガスＧの分布の変化を示した説明図であって、上死点位置では図（ａ）に示すように、点火プラグ６の先端電極部を中心としてできるだけ球体に近い形状をなすように構成される燃焼空間５Ａ内に既燃ガスＧがある。その後、ピストン３が僅かに下降した図（ｂ），（ｃ）に示す位置では、既燃ガスＧがスキッシュエリア５Ｂ内に拡がっていく。ここで、燃焼により生じた熱の一部は、燃焼ガスから燃焼室５各部の壁面へと伝達され、いわゆる冷却損失として失われる。上記実施例では、ピストン３の冠面４をスキッシュエリア面１６を含めて鏡面とすることで、表面近傍の乱流成分が減少し、熱伝達量が低減する。従って、膨張行程での冷却損失を抑制することができる。しかも上記実施例では燃焼室５に臨む吸気弁７／排気弁９の表面も第１の鏡面として鏡面性状を有するので、吸気弁７／排気弁９を介した熱伝達も抑制される。さらにシリンダヘッド１側のスキッシュエリア面１２も第２の鏡面として鏡面性状を有するので、冷却損失が低減する。

一方、スキッシュエリア５Ｂを構成するスキッシュエリア面１６は、第２の鏡面として、熱伝達の抑制を図りつつ、Ｒａ０．４～Ｒａ０．７の面粗度の鏡面性状を有することで、スキッシュエリア５Ｂにおけるエンドガスの消炎ないし火炎伝播不良が抑制される。すなわち、スキッシュエリア５Ｂでは、図６（ｂ）に示すように狭い空間であることから、スキッシュエリア面１６を過度に滑らかな鏡面とすると、表面でのガスの微小な乱れが抑制される結果、火炎が進行しづらくなり、未燃ガスが生じやすくなる。上記実施例では、スキッシュエリア５Ｂを構成するピストン３の冠面４におけるスキッシュエリア面１６をＲａ０．４～Ｒａ０．７の面粗度の鏡面性状とすることで、スキッシュエリア５Ｂでの未燃ガスの増加が抑制される。しかも上記実施例ではシリンダヘッド１側のスキッシュエリア面１２も第２の鏡面としてＲａ０．４～Ｒａ０．７の面粗度の鏡面性状を有するので、熱伝達を抑制しつつ適当なガスの乱れによって未燃ガスの増加が抑制される。

図８は、面粗度Ｒａをパラメータとして、（ａ）冷却損失低減効果、（ｂ）未燃燃料、（ｃ）耐ノック性能、の良否を模式的に示した説明図である。（ａ）に示すように、冷却損失低減の観点からは、面粗度Ｒａが小さいほど冷却損失が少なくなり、有利である。この観点から、第１の鏡面については、Ｒａ０．３以下とし、できるだけ面粗度Ｒａが小さい方が好ましい。一方、（ｂ）に示す未燃燃料は、面粗度Ｒａが小さいと上述した乱れの減少によるスキッシュエリア５Ｂでのエンドガスの消炎によって増加し、また面粗度Ｒａが大きいとガスと接する表面積が大きくなることで同じく増加する。従って、スキッシュエリア５Ｂを構成する第２の鏡面については、面粗度Ｒａ０．５付近に未燃燃料が最も少なくなる最適範囲が存在する。さらに（ｃ）に示す耐ノック性能は、面粗度Ｒａが小さいとエンドガスの燃焼が遅れがちとなることから悪化し、また面粗度Ｒａが大きいと表面の凹凸により局所的なヒートスポットが増えることで悪化する。従って、スキッシュエリア５Ｂを構成する第２の鏡面については、面粗度Ｒａ０．５付近に耐ノック性能が最も高くなる最適範囲が存在する。

第２の鏡面の面粗度Ｒａが０．４未満であると、未燃燃料の増加ならびに耐ノック性能の悪化が顕著となり、好ましくない。同様に、第２の鏡面の面粗度Ｒａが０．７を越えると、やはり未燃燃料の増加ならびに耐ノック性能の悪化が顕著となり、好ましくない。

なお、図８（ｂ）に示す未燃燃料の観点で最良となる面粗度と図８（ｃ）に示す耐ノック性能の観点で最良となる面粗度とが多少異なることがあり得るが、この場合は、両者の中で相対的に粗い面粗度Ｒａに第２の鏡面の鏡面性状を設定してもよく、あるいは、両者の平均的な値の面粗度Ｒａとしてもよい。

以上、この発明の一実施例を説明したが、この発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、上記実施例ではピストン３の冠面４中央部に凹部１５を備えているが、このような凹部１５を具備しないピストン３であってもよい。また、上記実施例ではピストン３の冠面４におけるスキッシュエリア面１６が円錐面となっているが、シリンダヘッド１側のスキッシュエリア面１２にそれぞれ対応した傾斜した平面であってもよい。さらに、上記実施例では、スキッシュエリア５Ｂが図１のように傾斜した構成であることからピストン３の冠面４におけるスキッシュエリア面１６が傾斜面となっているが、スキッシュエリア５Ｂがシリンダヘッド１の下面に沿って構成されるようにピストン３の冠面４におけるスキッシュエリア面１６がシリンダヘッド１側のスキッシュエリア面１２とともにシリンダ中心軸線に直交する平面に沿った平面であってもよい。

１…シリンダヘッド
２…燃焼室壁面
３…ピストン
４…冠面
５…燃焼室
５Ａ…燃焼空間
５Ｂ…スキッシュエリア
６…点火プラグ
７…吸気弁
９…排気弁
１２…スキッシュエリア面
１５…凹部
１６…スキッシュエリア面

Claims (7)

1. シリンダヘッド側の燃焼室壁面とピストン冠面との間に燃焼室が構成されており、シリンダ軸方向に見て上記燃焼室の略中央部に点火プラグが位置し、かつ上記燃焼室の周縁部にスキッシュエリアを備えてなる内燃機関の燃焼室構造であって、
   上記ピストン冠面の中央部分の表面が鏡面性状を有し、
   上記ピストン冠面の上記スキッシュエリアを構成する部分の表面は、上記中央部分の表面よりも相対的に粗い面粗度の鏡面性状を有する、内燃機関の燃焼室構造。
2. 上記中央部分の表面は、Ｒａ０．３以下の面粗度を有する、請求項１に記載の内燃機関の燃焼室構造。
3. 上記のスキッシュエリアを構成する部分の表面は、Ｒａ０．４～Ｒａ０．７の面粗度を有する、請求項１に記載の内燃機関の燃焼室構造。
4. 上記のスキッシュエリアを構成する部分の表面の面粗度は、未燃燃料の観点で最良となる面粗度と耐ノック性能の観点で最良となる面粗度との中で相対的に粗い面粗度に設定されている、請求項３に記載の内燃機関の燃焼室構造。
5. 上記燃焼室は、一対の吸気弁が配置された吸気弁側傾斜面と一対の排気弁が配置された排気弁側傾斜面とを有するペントルーフ型燃焼室であり、
   上記吸気弁側傾斜面よりも外周側および上記排気弁側傾斜面よりも外周側にそれぞれスキッシュエリアを備えている、請求項１に記載の内燃機関の燃焼室構造。
6. 上記燃焼室に臨む吸気弁および排気弁の表面が上記のスキッシュエリアを構成する部分の表面よりも相対的に細かい面粗度の鏡面性状を有し、
   上記燃焼室壁面の中の上記スキッシュエリアを構成する部分の表面が、上記吸気弁および排気弁の表面よりも相対的に粗い面粗度の鏡面性状を有する、請求項１に記載の内燃機関の燃焼室構造。
7. 上記中央部分の表面および上記吸気弁ならびに排気弁の表面は、Ｒａ０．３以下の面粗度を有し、
   上記スキッシュエリアを構成するピストン冠面側の表面および上記燃焼室壁面側の表面は、Ｒａ０．４～Ｒａ０．７の面粗度を有する、請求項６に記載の内燃機関の燃焼室構造。

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