JP4520113B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室内で筒内流動を生成する内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、排出ガスの有害成分の低減や燃費の向上等を図るため、燃焼室内で筒内流動を生成する内燃機関が数多く提案されている。例えば、燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内噴射型内燃機関は、圧縮行程で燃料噴射を行い、理論空燃比より大きな空燃比（リーン状態）で燃焼を行なう成層リーン燃焼を有しており、成層リーン燃焼時には、点火プラグの周りに着火可能な混合気を形成するため、燃焼室内にタンブル流を発生させている。具体的には、吸気ポートを直立に配置すると共に、ピストンの吸気ポート側の頂面に半球状に窪めたキャビティを形成して、逆タンブル流を発生させている。
【０００３】
又、従来の内燃機関においては、良好な着火状態を得るため、キャビティ（凹溝）の壁面の配置位置により、噴射された燃料の噴霧が横方向に拡散するのを阻止して、点火プラグ（点火栓）の下方に混合気を集める技術が開示されている（特許文献１参照）。又、タンブル流の強弱を変えるタンブル流強弱可変手段を吸気ポートに設け、成層リーン燃焼時にはタンブル流を弱めることで、適切な混合気を点火プラグへ導く技術も開示されている（特許文献２）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平４−２２４２３１号公報（第２−３頁、第１−５図）
【特許文献２】
特開２０００−３３７１８０号公報（第３−１１頁、第１−２２図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように、燃焼室内にタンブル流などの筒内流動を生成することにより、有害物質の低減や燃費の向上が図られるが、筒内流動を生成するために、吸気の燃焼室内への流入が主に吸気ポートの一側面側で行われるように構成される。
このように、吸気の流入が吸気ポートの一側面側で主となると、吸気ポートの他側面側で流れ剥離が生じるなどして吸気ポートの有効断面積が小さくなり、全負荷時の吸入空気量が減少し、エンジン出力が低下するといった問題が生じる。
そこで、この有効断面積の減少による出力低下を抑制するために、吸気ポートの他側面側での流入を増大させて、燃焼室内に吸気ポートの一側面側での吸気流入による第１筒内流動と他側面側での吸気流入による第２筒内流動とを生成するように構成することが考えられる。例えば、第１筒内流動を順タンブル流と逆タンブル流とのいずれか一方とし、第２筒内流動を順タンブル流と逆タンブル流とのいずれか他方となるように構成すればよい。そして、主となる吸気ポートの一側面側での吸気流入により生成される第１筒内流動が、シリンダ内を下方へ流動した後に燃焼室上方に配設される点火プラグへ向けて上方へ流動して、混合気を点火プラグ近傍へ輸送する。
しかし、この第１筒内流動が、上方へ流動する際に、吸気ポートの他側面側での吸気流入によって生成されて下方へ流動する第２筒内流動と衝突して、第１筒内流動が減衰してしまい混合気の点火プラグへの輸送力が低下して、安定燃焼領域や排ガス、燃費などの特性の悪化を招くおそれがあった。
【０００６】
そこで、従来の内燃機関では、吸気ポートの形状を工夫したり、吸気ポートにタンブル流の強弱を変えるタンブル流強弱可変手段等を設けたりすることで、第１筒内流動を強くするようにしていた。しかしながら、これらの方法は吸気ポートの有効断面積の縮小をともなうため、特に、高負荷時の吸気流量が不足して、出力の低下を招くという問題があった。
【０００７】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、吸気流量を制限することなく、適切な強度の筒内流動を形成する内燃機関を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明に係る内燃機関は、
吸気ポートから燃焼室内に流入する吸気が燃焼室内を流動して筒内流動を生成し、この筒内流動が、吸気ポートと排気ポートとの一方で下方へ流動する第１流動と、吸気ポートと排気ポートとの他方側で下方へ流動する第２流動とが同時に生成されるものである。更に、燃焼室の下方を区画するピストンは、吸気ポートと排気ポートとの一方側の頂面に凹部状に形成され、第１流動をシリンダ軸中心側で上方へ流動させるキャビティと、吸気ポートと排気ポートとの他方側の頂面に形成されて、第２流動をシリンダ軸中心側で上方へ流動させる第２キャビティとを有しており、このキャビティは、第１流動の上方への流動が燃焼室の上方に設けられる点火プラグに向けて略鉛直方向に流動するように形成され、第２キャビティは、上記第２流動の上方への流動が上記第１流動との衝突を抑制すべく上記点火プラグに向けて流動するように形成されている。
【０００９】
上記課題を解決する本発明に係る内燃機関は、
上記内燃機関において、
ピストンのキャビティを形成する頂面の壁部が、吸気ポートと排気ポートとの他方側で、鉛直方向に又は鉛直方向よりも吸気ポートと排気ポートとの一方側に傾斜して形成される。
【００１０】
上記課題を解決する本発明に係る内燃機関は、
上記内燃機関において、
吸気ポートと排気ポートとの一方側からシリンダ軸中心側に向けて幅が徐々に狭くなるように、キャビティが形成されている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１、図２は、本発明に係る内燃機関を示す概略図である。
【００１４】
図１、図２に示すように、本発明に係る内燃機関は、シリンダブロック１と、その上部に固定されたシリンダヘッド２と、シリンダブロック１の内部に設けられ、燃料の燃焼により往復運動をするピストン３とを有する。シリンダブロック１の内壁面、シリンダヘッド２の内壁面、ピストン３の頂面とにより形成された空間が、燃料を燃焼する燃焼室４となる。
【００１５】
シリンダヘッド２には、吸気ポート５と、排気ポート６が設けられ、吸気ポート５、排気ポート６は、各々燃焼室４への開口部７、８に設けられた吸気弁７ａ、排気弁８ａを介して燃焼室４に連通している。吸気弁７ａ、排気弁８ａは、内燃機関の回転運動に同期して、適切なタイミングで開閉されて、空気の吸入、燃焼ガスの排出を行なっている。又、シリンダヘッド２の内壁面周縁部には、燃焼室４に燃料を直接噴射する燃料噴射弁９が設けられ（燃料噴射弁９は、吸気ポート５内には存在しないように配設されている。）、燃焼室４の上部となるシリンダヘッド２の上部内壁面の中心部近傍には点火プラグ１０が設けられており、燃料噴射弁９から噴射された燃料が、点火プラグ１０により点火されて燃焼される。
【００１６】
ピストン３の頂面には、シリンダヘッド２の下壁面の形状に相似した凸部が設けられており、ピストン３上の凸部の吸気ポート５側に窪みを設けることでキャビティ１１が形成されている。
そして、吸気ポート５から燃焼室４内に流入する吸気は、吸気ポート５の開口部７で吸気弁７ａに対して燃料噴射弁９側へ流れて、吸気ポート５側で下方へ流動する第１流動（図２におけるＦ１）を生成するとともに、吸気ポート５の開口部７で吸気弁７ａに対して点火プラグ１０側へ流れて、排気ポート６側で下方へ流動する第２流動（図２におけるＦ２）を生成する。
吸気ポート５側を下方へ向かって流動した第１流動Ｆ１は、キャビティ１１によって燃焼室４の上方へ向けて流動されて逆タンブル流を生成するとともに、燃料噴射弁９から噴射された燃料を点火プラグ１０近傍へ導く。
又、排気ポート６側を下方へ向かって流動した第２流動Ｆ２は、ピストン３の頂面形状に沿って燃焼室４の上方へ向けて流動されて順タンブル流を生成する。
【００１７】
従来においても、半円球状の窪みに形成されたキャビティにより、逆タンブル流が形成されて、混合気が点火プラグへ導かれていた。ところが、従来のキャビティ形状では、混合気を点火プラグへ適切に導くことができなかった。つまり、逆タンブル流とともに生成される排気ポート側の順タンブル流の影響を考慮しなければならず、逆タンブル流、順タンブル流の流れを適切に制御する流動制御手段が必要であった。そこで本発明に係る流動制御手段を、図面を用いて以下に詳細に説明する。
【００１８】
図３、図４は、本発明に係る内燃機関の参考図であり、ピストンのキャビティの形状を示す図面である。図３（ａ）はピストンの上面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ’線矢視断面図、図４（ａ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ’線矢視断面図、図４（ｂ）は図３（ａ）のＣ−Ｃ’線矢視断面図、図４（ｃ）は図３（ａ）のＤ−Ｄ’線矢視断面図である。
【００１９】
図３、図４では、流動制御手段として、第１流動となる逆タンブル流Ｆ１の流れを制御する構造を説明する。具体的には、ピストン３の頂面に形成されたキャビティ１１の形状、特に、シリンダ軸中心側のエッジ部分の形状を工夫することにより、適切な逆タンブル流を形成して、混合気を点火プラグ１０へ導くようにしている。
【００２０】
図２及び図３（ｂ）からわかるように、流動制御手段となるキャビティ１１の排気ポート側の頂面壁部のエッジ１１ａは、点火プラグ１０の方向へ、鉛直に立つように形成されている。エッジ１１ａを上記形状に形成することにより、吸気ポート側に形成された逆タンブル流Ｆ１の流れが、エッジ１１ａに沿って、シリンダ軸中心側で鉛直方向の上方の流れとなり、排気ポート側で生成された順タンブル流Ｆ２との衝突が抑制され、逆タンブル流Ｆ１と順タンブル流Ｆ２の流れが減衰せず、各流動が確保される。このことにより、逆タンブル流Ｆ１では、吸気の流れが制御されて（エアガイド効果）、点火プラグ１０側への上昇気流の強さが強化され、この上昇気流に輸送される混合気が、点火プラグ１０直下で適切に形成されることとなる。又、点火プラグ１０への混合気の到達を早くすると共に（図５のグラフ参照）、排気ポート側への混合気の漏れを抑制することができ、燃料噴射時期進角側及び点火時期進角側の安定領域を拡大することができる。なお、キャビティ１１のエッジ全周に渡って、エッジを鉛直近くまで立ててもよく、このことにより、キャビティ１１内の逆タンブル流の流動を確保し、混合気のキャビティ１１外への漏れを抑制することもできる。
なお、キャビティ１１の排気ポート側のエッジ１１ａを、図２に点線で示すように、鉛直方向よりも吸気ポート側に傾斜するように形成すれば、逆タンブル流Ｆ１と順タンブル流Ｆ２との衝突をより抑制できる。
【００２１】
又、他の流動制御手段となるキャビティ１１のシリンダ軸中心側のエッジ１１ｂでは、燃料噴射弁９（吸気ポート５）側からシリンダ軸中心側の方向に向かって、キャビティ１１の幅が狭められて形成されており、キャビティ１１の側壁部も略鉛直に形成されている（図３（ａ）及び図４（ａ）、（ｂ）参照）。このようにキャビティ１１の幅を狭めた形状にすることで、逆タンブル流の上方への流動がより強化されて、逆タンブル流にともなって運搬される燃料が点火プラグ１０近傍に集中するので、混合気の拡散、扁平化を抑制し、適切な混合気を点火プラグ１０直下に供給することができる。
【００２２】
又、キャビティ１１により、逆タンブル流の上昇気流が強化されて、混合気が点火プラグ近傍に効率よく導かれるため、吸気側エンドガス近傍の混合気を低減することができる。よって、燃料噴射弁９近傍の混合気が減少して、燃料噴射弁９の先端温度を低下することができ、燃料噴射弁９の目詰まり等を抑制することができる。
【００２３】
キャビティ１１の燃料噴射弁９側の両端部のエッジ１１ｄは、キャビティ１１の幅が広くなるように形成されている。つまり、キャビティ１１の間口を広くすることになり、吸気ポート５から下方へ流動してくる吸気をより広い範囲でキャビティ１１内へ導くようにして、逆タンブル流Ｆ１をより強化し、噴射された燃料を点火プラグ１０へ効率的に運搬するようにしている。
【００２４】
但し、キャビティ１１の燃料噴射弁９側の両端部のエッジ１１ｄを、図３（ａ）に示すエッジ１１ｅのように、滑らかな湾曲面となる丸みを設けてもよい。
【００２５】
なお、図４（ｃ）に示すように、燃料噴射弁９側のキャビティ１１の底部は、滑らかな湾曲面に形成されており、噴射された燃料や吸入された空気の流れを乱すことなく、逆タンブル流Ｆ１を生成することができる。
【００２６】
図５は、点火プラグ近傍での局所的な燃空比を、従来の形状のキャビティが形成されたピストンを有する内燃機関と、本発明に係る形状のキャビティが形成されたピストンを有する内燃機関とで比較したものである。
なお、この比較は、共に同じ回転数、同じ燃料噴射のタイミングで行なったものである。
【００２７】
図５のグラフからわかるように、本発明に係る内燃機関では、点火プラグ近傍の燃空比が、早いクランク角から上昇しており、そして、上死点近傍においてピーク値に到達していることがわかる。つまり、従来の内燃機関に比較して、本発明に係る内燃機関では、同じ燃料噴射量でも、燃料の噴霧が早く点火プラグに到達することになり、広い安定燃焼領域が確保される。又、エンドガス領域の混合気を更に薄くすることが可能となり、より低ＨＣ、低煙の排気ガスを実現することができる。
【００２８】
図６は、本発明に係る内燃機関の実施形態の一例であり、ピストンの形状を示す図面である。又、図７は、図６に示すピストンの形状の他の一例を示す図面である。
【００２９】
図６、図７では、流動制御手段として、第２流動となる排気ポート側の順タンブル流Ｆ２の流れを制御する構造を説明する。具体的には、順タンブル流Ｆ２が形成される排気ポート側のピストン３の頂面に第２キャビティを設け、点火プラグ１０の方向へ傾きを持ち、順タンブル流Ｆ２の上方の流れの案内手段となる湾曲状の湾曲案内面１２Ａを形成している。湾曲案内面１２Ａにより、順タンブル流Ｆ２は、シリンダ軸中心側で上方へ向けて流動されることとなる。又、逆タンブル流Ｆ１との衝突が抑制されている（図６（ｂ）参照）。又、流動制御手段として、湾曲状の湾曲案内面１２Ａではなく、点火プラグ１０の方向へ傾きを持つ平面状の平面案内面１２Ｂを用いてもよく（図７参照）、同様に、順タンブル流Ｆ２を、シリンダ軸中心側で上方へ向けて流動させ、逆タンブル流Ｆ１との衝突を抑制することができる。
【００３０】
この案内手段は、前述のキャビティにおける流動制御手段と組み合わせることで、第１流動である逆タンブル流Ｆ１と第２流動である順タンブル流Ｆ２との衝突を、更に抑制して、より強い上昇気流を点火プラグ近傍で生成することが可能となる。
【００３１】
上述したように、本発明に係る内燃機関では、吸気ポートから逆タンブル流及び順タンブル流の両方を生成するように、燃焼室内に吸気が流入されるので、吸気ポートの有効断面積を大きくして、全負荷運転時の吸入空気量を確保でき、高出力に対応できる。又、ピストンの頂面の形状を工夫した流動制御手段を設けることで、吸気ポート側に形成される逆タンブル流と排気ポート側に形成される順タンブル流との衝突を抑制して、互いの流れを分離するようにし、互いの流れを確保するようにした。そのため、点火プラグ直下の逆タンブル流の上昇気流が強化されて、成層リーン燃焼時の混合気の輸送力が強化されることとなり、十分な混合気が点火プラグに輸送されて、広い安定燃焼領域が確保され、排ガス、燃費等の良好な特性が得られる。
【００３２】
又、本発明に係る内燃機関では、直立ポートやサイドポートなどのポート形状に関係なく、十分強い逆タンブル流を得ることができる。又、逆タンブル流の制御のため、吸気ポートに制御手段等を設ける必要もないため、吸気流量を損なうことがなく、高出力を実現することができ、更に、内燃機関の構成を簡単なものとすることができ、低コスト化を図ることもできる。
なお、上述した実施形態では、キャビティ１１により、逆タンブル流Ｆ１の上昇流動を強化するように構成したが、順タンブル流Ｆ２の上昇流動を強化させるように構成してもよい。つまり、キャビティをピストン３の排気ポート６側の頂面に形成して、このキャビティを順タンブル流がシリンダ軸中心側で鉛直方向に上昇して流動するように形成すればよい。この場合にも、キャビティのシリンダ軸中心側（吸気ポート側）のエッジ（頂面壁部）を鉛直方向又は鉛直方向よりも排気ポート側に傾斜して形成すればよい。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、キャビティの形状の変更だけで強い筒内流動を得ることができ、点火プラグ近傍の上昇気流を強化して、成層リーン燃焼時の安定燃焼領域を拡大することができる。又、強い筒内流動を得るために従来行われてきた吸気ポートの形状の変更等が不要となるため、高負荷時にも吸気流量を十分確保できて、高出力を得ることができる。更に、吸気の流れを変更する流動制御装置等も不要であるため、低コストにすることができる。加えて、エンドガス領域の混合気を更に薄くすることが可能となり、より低ＨＣ、低煙の排気ガスを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る内燃機関を示す構成図である。
【図２】 本発明に係る内燃機関を示す構成図である。
【図３】 本発明に係る内燃機関の参考例であり、ピストンのキャビティの形状を示す図面である。
【図４】 図３に示すピストンのキャビティの断面図である。
【図５】 本発明に係る内燃機関における点火プラグ近傍の燃空比を比較したグラフである。
【図６】 本発明に係る内燃機関の実施形態の一例であり、ピストンの形状を示す図面である。
【図７】 図６に示すピストンの形状の更なる他の一例を示す図面である。
【符号の説明】
１ シリンダブロック
２ シリンダヘッド
３ ピストン
４ 燃焼室
５ 吸気ポート
６ 排気ポート
７ 開口部
７ａ 吸気弁
８ 開口部
８ａ 排気弁
９ 燃料噴射弁
１０ 点火プラグ
１１ キャビティ
１１ａ エッジ（排気ポート側）
１１ｂ エッジ（点火プラグ近傍）
１１ｃ エッジ（燃料噴射弁側）
１１ｄ エッジ（吸気ポート側角部）
１１ｅ エッジ（吸気ポート側角部）
１２Ａ 湾曲案内面
１２Ｂ 平面案内面

Claims (3)

1. 吸気ポートから燃焼室内に流入する吸気が、該燃焼室内で流動して筒内流動を生成する内燃機関において、
   上記筒内流動は、吸気ポートと排気ポートとの一方側で下方へ流動する第１流動と、上記吸気ポートと上記排気ポートとの他方側で下方へ流動する第２流動とが同時に生成され、
   上記燃焼室の下方を区画するピストンは、上記吸気ポートと上記排気ポートとの上記一方側の頂面に凹部状に形成されて、上記第１流動をシリンダ軸中心側で上方へ流動させるキャビティと、上記吸気ポートと上記排気ポートとの上記他方側の頂面に形成されて、上記第２流動をシリンダ軸中心側で上方へ流動させる第２キャビティとを有し、
   上記キャビティは、上記第１流動の上方への流動が上記燃焼室の上方に設けられる点火プラグに向けて略鉛直方向に流動するように形成され、上記第２キャビティは、上記第２流動の上方への流動が上記第１流動との衝突を抑制すべく上記点火プラグに向けて流動するように形成されることを特徴とする内燃機関。
2. 上記ピストンの上記キャビティを形成する頂面の壁部は、上記吸気ポートと上記排気ポートとの他方側で、鉛直方向に又は該鉛直方向よりも上記吸気ポートと上記排気ポートとの一方側に傾斜して形成されていることを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
3. 上記キャビティは、上記吸気ポートと上記排気ポートとの一方側から上記シリンダ軸中心側に向けて幅が徐々に狭くなるように形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関。

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