JP4248521B2 - 筒内直接噴射式内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、筒内直接噴射式内燃機関、特に過給式の筒内直接噴射式内燃機関に関する。

従来、筒内直接噴射式内燃機関は、特許文献１または特許文献２に記載されているような、キャビティを有するピストンを備えるものであった。

特許文献１では、キャビティ内面に、燃料噴射弁から噴射された燃料が最初に到達する部位に、噴射燃料が当たってこれを横方向に広げるようにした当たり面を有する突起部を設けたピストンを備える筒内直接噴射式内燃機関が開示されている。これにより、噴射された燃料がキャビティ内面に付着して燃焼に悪影響を及ぼし排気ガス中のＨＣの増大を招く、という問題が解決されたとしている。

特許文献２では、着火性および燃料の成層化による燃費性能に優れているとされる筒内直接噴射式内燃機関が開示されている。該内燃機関は、ピストンの頂面に形成されたキャビティ内であって点火プラグに対応する部分の気筒列方向の両側に、吸気口からの吸気により燃焼室内に形成される順タンブル流に沿うように互いに対向する一対のリブを設置している。これにより、該リブの互いに対向する側面により吸気誘導壁が構成され、燃焼室内の順タンブル流をこれらの吸気誘導壁により案内誘導して、順タンブル流の横転破壊を抑制し、燃料噴射弁から噴射された燃料を点火プラグの近傍へ誘導している。

特開２００２−１８０８３８号公報 特開２０００−８７７５０号公報

ところが、このようなキャビティを有するピストンは、必然的にコンプレッション・ハイト（ピストンピン軸中心からピストン頂面までの高さ）が大きくなり、結果的に内燃機関全高が高くなり、ピストン重量が大きくなる欠点があった。さらには、前記ピストンは、燃焼室表面積が大きいため、熱伝達損失が増加し、結果的に燃費が悪くなる欠点もあった。反対に、コンプレッション・ハイトを小さくすると、ピストン頂面の肉厚が薄くなり強度上の問題が生じる。実際、コンプレッション・ハイトを小さくしたフラットピストンでは、運転時にピストン頂面に亀裂が入る不具合も生じている。

さらには、キャビティ内面に燃料が付着することによる燃焼への悪影響を避けるため、特許文献１では噴射燃料が当たる面を有する突起部を採用しているが、その効果は不完全であった。また、いずれの特許文献においても燃料がシリンダ内周壁に付着することによる悪影響は何ら触れられていない。ちなみに、シリンダ内周壁に付着した燃料は、ピストンリングにより掻き落されオイルパン内に貯留しているオイルを希釈し、最悪時には、オイル潤滑しているベアリング類を焼き付かせる原因となる。

本発明の目的は、ピストン頂面のかなりの部分およびシリンダ内周壁に燃料を付着させずコンプレッション・ハイトの小さくかつ十分な強度を有するピストンを備える直接噴射式内燃機関を提供することにある。

請求項１に記載の発明によれば、
燃焼室内へ直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、頂面に実質的にキャビティを有しないフラットピストンと、を備える筒内直接噴射式内燃機関において、
前記フラットピストンの頂面に位置し前記ピストンの外周部から略中央部を経由して反対側の外周部まで伸びる一対の第１リブと、
該一対の第１リブの間に位置しかつ該一対の第１リブを架橋的に連結する一対の第２リブと、を有し、
前記ピストンの頂面において前記第１リブと前記第２リブにより区画形成されるピストン頂面区画に向けて前記燃料噴射弁により燃料噴射することを特徴とする、筒内直接噴射式内燃機関が提供される。

このように請求項１に記載の内燃機関によれば、頂面に実質的にキャビティを有しないフラットピストンを採用するので、コンプレッション・ハイトの小さいピストンを使用することとなり、結果的に内燃機関全高が低くなり、ピストン重量が小さくなる。そしてピストンの頂面に第１リブおよび第２リブを配設するので、ピストン頂面の剛性が増し、ピストン頂面の肉厚を薄くすることもできる。さらに、リブにより区画形成されるピストン頂面区画に向けて燃料噴射するため、該区画にのみ燃料が付着し、ピストン頂面の他の領域やシリンダ内周壁には燃料が付着することは少なくなるので、不完全燃焼やオイル希釈を防止できる。

請求項２に記載の発明によれば、
前記第１リブは、燃料噴霧を受け止める面を有することを特徴とする、請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関が提供される。
このように請求項２に記載の内燃機関によれば、燃料噴霧を受け止める面を有するので、燃料噴霧は該受け止め面で反射されて燃焼室内の空気と効率的に撹拌混合され混合気形成が良好となる。

請求項３に記載の発明によれば、
前記第１リブは、ピストンピン軸方向に伸びることを特徴とする、請求項１または２に記載の筒内直接噴射式内燃機関が提供される。
このように請求項３に記載の内燃機関によれば、第１リブは、ピストン頂面の排気側高温部には配設されないため、ヒートスポット部（内燃機関運転時に高温となる熱溜まり部）は形成されず、ノッキングの発生を抑制することが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、
前記燃焼室の略中央に点火プラグを備え、前記ピストン頂面区画は前記燃焼室の略中央に位置し、燃料噴霧を受け止める前記面は前記ピストン頂面に対して略垂直であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の筒内直接噴射式内燃機関が提供される。
このように請求項４に記載の内燃機関によれば、区画を形成するリブ壁内側で燃料噴霧を受け止める面は前記ピストン頂面に対して略垂直であるため、燃料噴霧受け止め面に衝突し反射した燃料噴霧は、前記区画上方へ向かう。前記区画も点火プラグも燃焼室の略中央に位置しているので、前記区画上方には点火プラグが存在し、反射した燃料噴霧により点火プラグ近傍に濃い混合気が形成されることとなる。このため燃料着火の安定性が確保される。また、点火プラグ近傍に濃い混合気が形成されることにより成層燃焼が可能となり、燃費を低減することもできる。

請求項５に記載の発明によれば、
過給をする請求項１から４のいずれか１項に記載の筒内直接噴射式内燃機関が提供される。
このように請求項５に記載の内燃機関によれば、過給式内燃機関は、燃料噴射量が多いため、ピストン頂面のかなりの部分およびシリンダ内周壁に燃料を付着させないことによる効果がより大きくなる。

本発明によれば、ピストン頂面のかなりの部分およびシリンダ内周壁に燃料を付着させずコンプレッション・ハイトの小さくかつ十分な強度を有するピストンを備える直接噴射式内燃機関を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係る筒内直接噴射式内燃機関の概略構成を示す断面図であり、燃焼室内における燃料噴霧の流動を実測に基づいて模式的に示したものである。そして図１は、図２に示す本発明に係るピストンの平面図においてＸＸ軸で切断した断面図でもある。

内燃機関１０は、例えば自動車に搭載される直列式４気筒過給ガソリン内燃機関として構成されている。この内燃機関１０の燃焼室１０ａは、シリンダボア１１とシリンダヘッド１３とシリンダボア１１内に往復自在に配設されたフラットピストン１２とによって構成されている。また、ピストン１２には、燃焼室１０ａ内のガスをシールするためのピストンリング２１が装着されている。さらに、ピストン１２には、ピストンピン１７を介してコネクティングロッド１９が揺動自在に連接されており、燃焼室１０ａ内のガス圧をコネクティングロッド１９がクランク軸（図示せず）に伝達しエンジン出力を発生させる。

図２は、左側に本発明に係るピストンの断面図を、右側に本発明に係るピストンの平面図を示している。図２左側の断面図は、図２右側の平面図のＹＹ軸で切断した断面図である。一方、図２右側の平面図は、図２左側の断面図あるいは図１の断面図において、Ｚ方向から見た平面図である。なお、ＹＹ軸は、ピストンピン軸中心線と重なっている。

このフラットピストン１２の頂面は、実質的にキャビティを有しておらず、バルブリセス（上死点においてバルブとの干渉を避けるための凹部）１２ｖ及び本発明に係るリブ１２ｂ、１２ｃ等を有するが全体的に見れば（従来型キャビティと比較すれば）おおよそ平坦なフラット頂面１２ａとして形成されている。このため、コンプレッション・ハイトＣＨをキャビティ付きピストン（図３参照）よりも小さくすることが可能となる。これにより、結果的にエンジン全高が低くなり、ピストン重量が小さくなる。なお、図２左側の断面図において、ＣＨはコンプレッション・ハイトを表している。

ピストン１２の頂面には、ピストンの外周部から略中央部を経由して反対側の外周部まで、ピストンピン軸方向に伸びる一対の第１リブ１２ｂと、該一対の第１リブの間に位置しかつ該一対の第１リブを架橋的に連結する一対の第２リブ１２ｃと、が配設されている。第１リブ１２ｂは、直線状に伸びても曲線状に伸びても良い。そして、前記第１リブ１２ｂは、図１に示すように、断面が三角形形状をしており、その内側壁に燃料噴霧２３ａを受け止める面１２ｂｘを有している。第１リブの燃料噴霧を受け止める前記面１２ｂｘは、ピストン頂面１２ａに対して略垂直となっている。前記第１リブ１２ｂの断面が三角形形状をしているのは、重量軽減を図るためである。そして、燃料噴霧は前記受け止め面１２ｂｘで反射されて燃焼室内の空気と効率的に撹拌混合されるため、混合気形成が良好となり、完全燃焼を助長することとなる。

この一対の第１リブ１２ｂと、該一対の第１リブを架橋的に連結する一対の第２リブ１２ｃとによりピストン頂面は剛性が増し、強度が向上する。ひいては、ピストン頂面肉厚ＴＨ（図１参照）を薄くすることが可能となる。なお、ピストン頂面には、燃焼室内爆発力、スラスト力、熱応力等の複合した応力が生じる。
本内燃機関の実験において、当初は、第１リブのみ設置し第２リブの無いピストンを採用したところ、一対の第１リブの間でかつ第１リブの付け根部において第１リブに沿って亀裂が生じた。この対策として第１リブに加えて第２リブも設置した本発明に係るピストンを使い、同一運転条件で実験したところ亀裂は生じなかった。これにより、本発明による実際の効果を確認することができた。

また、第１リブは、ピストンピン軸方向に伸び、ピストン頂面の排気側高温部１２ｇ近傍には、配設されないため、リブ配置によるヒートスポット部は形成されず、ノッキングの発生を抑制することが可能となる。

図１にもどって、燃焼室１０ａのほぼ中央には、混合気に点火するための点火プラグ１４が配設されている。また、燃焼室１０ａを臨む吸気ポート１５には吸気弁１６が配設され、燃焼室１０ａを臨む排気ポート１８には排気弁２０が配設されている。また、燃焼室１０ａの吸気弁１６近傍には、燃料を燃焼室１０ａに直接噴射するインジェクタ２３が配設されている。このインジェクタ２３の噴孔２３ｂの向きは、リブ１２ｂ、１２ｃにより区画形成されるピストン頂面区画１２ｄに向けられており、該噴孔２３ｂから噴射される燃料の噴霧が該区画１２ｄに衝突するように設定されている。なお、該区画１２ｄは、ピストン頂面１２ａのほぼ中央に位置している。

すなわち、インジェクタ２３の噴孔２３ｂから噴射される燃料の噴霧２３ａは、前記区画１２ｄに衝突すると、ピストン頂面１２ａに対して略垂直となっている、第１リブの燃料噴霧２３ａを受け止める前記面１２ｂｘに案内されながら、反射してピストン頂面１２ａの上方へ向かう。その上方には、燃焼室１０ａのほぼ中央に点火プラグ１４が配設されているので、反射された噴霧により点火プラグ近傍に濃い混合気が形成されることとなる。このため燃料着火の安定性が確保される。また、反射した燃料噴霧により点火プラグ近傍に濃い混合気が形成されることにより成層燃焼が可能となり、燃費を低減することもできる。

さらに、前記区画１２ｄは第１リブおよび第２リブにより囲繞されており、いわば盆地のような形状となっている。このため、燃料噴霧２３ａが区画１２ｄに衝突しても、区画１２ｄ以外のピストン頂面の他の領域やシリンダ内周壁１１ａには燃料が付着することは少なくなるので、不完全燃焼やオイル希釈を防止できる。なお、過給式内燃機関は、燃料噴射量が多いため、ピストン頂面のかなりの部分およびシリンダ内周壁に燃料を付着させないことによる効果がより大きくなる。
そして成層燃焼時には、燃料噴霧はほぼ生成直後に火炎となるので、ピストン頂面で該火炎が直接接触するのは、ほぼ、一部の限られた区画１２ｄのみとなる。このため、本発明に係るフラットピストンは、通常のフラットピストンよりもさらに冷却損失が小さくなる。ちなみに、ピストンは、背面１２ｆにオイルジェットを受けてオイル冷却されている。

なお、図３に従来型のキャビティ付きピストン１２を示す。１２ｈはキャビティであり、２３はインジェクタである。

このようにして、ピストン頂面のかなりの部分およびシリンダ内周壁に燃料を付着させずコンプレッション・ハイトの小さくかつ十分な強度を有するピストンを備える直接噴射式内燃機関を得ることができる。

本発明の筒内直接噴射式内燃機関の概略構成を示す断面図である。 左側に本発明に係るピストンの断面図を、右側に本発明に係るピストンの平面図を示している。 従来型のキャビティ付きピストンである。

符号の説明

ＣＨ コンプレッション・ハイト
ＴＨ ピストン頂面肉厚
１０ 内燃機関
１０ａ 燃焼室
１１ シリンダボア
１１ａ シリンダ内周壁
１２ ピストン
１２ａ ピストン頂面
１２ｂ 第１リブ
１２ｂｘ 第１リブの燃料噴霧を受け止める面
１２ｃ 第２リブ
１２ｄ ピストン頂面区画
１２ｆ 背面
１２ｇ ピストン頂面の排気側高温部
１２ｈ キャビティ
１２ｖ バルブリセス
１３ シリンダヘッド
１４ 点火プラグ
１５ 吸気ポート
１６ 吸気弁
１７ ピストンピン
１８ 排気ポート
１９ コネクティングロッド
２０ 排気弁
２１ ピストンリング
２３ インジェクタ（燃料噴射弁）
２３ａ 燃料噴霧
２３ｂ 噴孔

Claims (5)

1. 燃焼室内へ直接燃料を噴射する燃料噴射弁と、頂面に実質的にキャビティを有しないフラットピストンと、を備える筒内直接噴射式内燃機関において、
   前記フラットピストンの頂面に位置し前記ピストンの外周部から略中央部を経由して反対側の外周部まで伸びる一対の第１リブと、
   該一対の第１リブの間に位置しかつ該一対の第１リブを架橋的に連結する一対の第２リブと、を有し、
   前記ピストンの頂面において前記第１リブと前記第２リブにより区画形成されるピストン頂面区画に向けて前記燃料噴射弁により燃料噴射することを特徴とする、筒内直接噴射式内燃機関。
2. 前記第１リブは、燃料噴霧を受け止める面を有することを特徴とする、請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
3. 前記第１リブは、ピストンピン軸方向に伸びることを特徴とする、請求項１または２に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
4. 前記燃焼室の略中央に点火プラグを備え、前記ピストン頂面区画は前記燃焼室の略中央に位置し、燃料噴霧を受け止める前記面は前記ピストン頂面に対して略垂直であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
5. 過給をする請求項１から４のいずれか１項に記載の筒内直接噴射式内燃機関。

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