JP4702409B2 - Spark ignition internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は火花点火式内燃機関に関し、特にシリンダの幾何学的圧縮比が13.0以上の高圧縮比仕様のものに係る。 The present invention relates to a spark ignition internal combustion engine, and more particularly to a high compression ratio specification in which a cylinder has a geometric compression ratio of 13.0 or more.
従来より火花点火式内燃機関においては、点火プラグの点火点から周囲に広がる火炎の伝播を阻害しないよう、燃焼室の形状に種々の工夫がなされており、例えば特許文献1には、燃焼室の床部となるピストンの頂部において前記点火プラグに対応する位置に球面状のキャビティ(凹部)を形成することが開示されている。 Conventionally, in a spark ignition type internal combustion engine, various ideas have been made in the shape of the combustion chamber so as not to inhibit the propagation of the flame spreading from the ignition point of the spark plug to the surroundings. It is disclosed that a spherical cavity (concave portion) is formed at a position corresponding to the spark plug at the top of a piston serving as a floor.
また、シリンダの幾何学的な圧縮比・膨張比を高く設定すれば、熱効率が高くなって、燃費の低減が図れることも従来より知られているが、単に幾何学的圧縮比を高く設定しただけでは燃費を低減できない場合があり、ノッキングが発生し易くなることもある。
そうした不具合を引き起こす原因の1つは火炎伝播性にあると考えられる。すなわち、排気量が同じであれば幾何学的圧縮比を高く設定するほど、上死点近傍での燃焼室容積は小さくなるので、火炎面がピストンの頂面等、燃焼室内面に早期に干渉するようになり、冷却損失によって熱効率が低下するとともに、燃焼期間の増大によって自着火のような異常燃焼が発生しやすくなるからである。 One of the causes of such trouble is considered to be flame propagation. In other words, if the displacement is the same, the higher the geometric compression ratio is set, the smaller the combustion chamber volume near top dead center, so the flame surface interferes quickly with the combustion chamber surface such as the top surface of the piston. This is because the thermal efficiency decreases due to the cooling loss, and abnormal combustion such as self-ignition is likely to occur due to the increase in the combustion period.
この点、特許文献1に開示されるようにピストンの頂部にキャビティを形成すれば、このピストンとの火炎の干渉は遅らせることができるものの、そのキャビティの容積分は燃焼室が大きくなってしまうから、高圧縮比の実現には不利になる。
In this regard, if a cavity is formed at the top of the piston as disclosed in
斯かる点に鑑みて本発明の目的は、シリンダの幾何学的圧縮比を13以上としながら、燃焼室の火炎伝播性を十分に高めて、機関効率を向上し燃費を低減することにある。 In view of such a point, an object of the present invention is to sufficiently improve the flame propagation property of the combustion chamber, to improve the engine efficiency and to reduce the fuel consumption, while setting the geometric compression ratio of the cylinder to 13 or more.
前記の目的を達成するために本発明では、ピストンの頂部に形成する凹部の位置、形状及び容積を最適化することによって、火炎との干渉をできるだけ遅らせながら、凹部の形成に伴う燃焼室容積の増大を抑えるようにしたものである。 In order to achieve the above-mentioned object, the present invention optimizes the position, shape and volume of the recess formed at the top of the piston, thereby delaying the interference with the flame as much as possible and reducing the combustion chamber volume associated with the formation of the recess. The increase is suppressed.
具体的に、請求項1の発明は、シリンダの単室容積が0.3リットル以上で、その幾何学的な圧縮比が13.0以上の火花点火式内燃機関を対象として、シリンダ内の燃焼室の天井部に臨んで点火プラグが配設される一方、その燃焼室の床部となるピストンの頂部に、前記点火プラグに対応して凹部を形成する場合に、この凹部の内面の少なくとも一部を、ピストンが上死点にあるときに、前記点火プラグの点火点を中心とする球面状とした上で、前記シリンダ内でピストンが上死点にあるときの燃焼室容積をV1とし、また、前記点火プラグの点火点を中心とする仮想球体について、その半径を、前記シリンダ内でピストンが上死点にあるときに、該仮想球体が前記凹部の球面状内面に接するように設定した場合において、ピストンが上死点にあるときに燃焼室の床部及び天井部のいずれにも干渉しない、当該仮想球体の非干渉部分の容積をV21として、0.31≦V21/V1≦0.37となるように前記凹部を形成し、前記点火プラグの点火点を中心とする仮想球体について、その半径を、前記ピストンが上死点にあるときに前記燃焼室を画定する燃焼室内壁と干渉しない、該仮想球体の非干渉部分の容積V22が、V22=0.15×V1となるように設定した場合において、当該仮想球体が前記燃焼室内壁と干渉する干渉面の面積をS(単位:mm 2 )とし、V22の単位をmm 3 として、S/V22≦0.12mm −1 となるように前記燃焼室を形成したものである。
Specifically, the invention of
すなわち、まず、点火プラグの点火点から周囲に広がる火炎を模して、その点火点を中心とする球体を想定する。そして、ピストンの頂部には、それが上死点にあるときに前記仮想の球体が概略的に接するように、少なくとも一部が球面状の凹部を形成することによって、その仮想球体により模擬される火炎との干渉を遅らせることができる。この凹部の容積が大きいほど火炎との干渉は遅くなる一方で、燃焼室の容積は増大することになり、高圧縮比の実現には不利になる。 That is, first, a sphere centered on the ignition point is assumed, simulating a flame spreading around from the ignition point of the ignition plug. Then, the top of the piston is simulated by the virtual sphere by forming a spherical recess at least partially so that the virtual sphere is in general contact with the top dead center. Interference with the flame can be delayed. The larger the volume of the recess, the slower the interference with the flame, while the volume of the combustion chamber increases, which is disadvantageous for realizing a high compression ratio.
この点につき本発明者は、前記のように概略的には球面状とした凹部の容積と、これを含めた燃焼室の総容積との比率(以下、凹部/燃焼室容積比ともいう)には適切な範囲があり、そうなるように凹部の容積を設定すれば、所要の高圧縮比を実現しながら火炎面との干渉を十分に遅らせることができ、これにより所期の燃費低減効果が得られることを見出した。 In this regard, the present inventor has set the ratio of the volume of the concave portion, which is roughly spherical as described above, to the total volume of the combustion chamber including this (hereinafter also referred to as the concave portion / combustion chamber volume ratio). There is an appropriate range, and if the volume of the recess is set to be so, the interference with the flame surface can be sufficiently delayed while realizing the required high compression ratio, thereby achieving the expected fuel consumption reduction effect It was found that it can be obtained.
より具体的に、本発明者が前記凹部の容積を種々、変更しながら、同一の運転条件における燃焼速度や燃費率の変化について鋭意、研究したところ、この燃焼速度と燃費率との間には図6(a)のグラフに示すように確かな相関のあることが分かった。このグラフによればクランク角で52〜55°の範囲に所謂変曲点があり、それ以下の燃焼期間であれば燃費率を効果的に低減できると言える。 More specifically, the present inventor diligently researched changes in the combustion speed and fuel consumption rate under the same operating conditions while changing the volume of the recesses variously. As shown in the graph of FIG. 6 (a), it was found that there was a certain correlation. According to this graph, the crank angle has a so-called inflection point in the range of 52 to 55 °, and it can be said that the fuel consumption rate can be effectively reduced if the combustion period is shorter than that.
そこで、次に燃焼期間と前記凹部/燃焼室容積比との関係を調べると、両者の間には同図(b)のグラフ(当該グラフでは、V21を「V2」と記載)のような関係があり、燃焼期間をクランク角で52〜55°以下にするためには、凹部燃焼室容積比V21/V1を0.31〜0.35以上に設定すればよいことが分かった。ここで、凹部については、要するに火炎との干渉を遅らせることが重要なので、前記のように火炎を模擬する仮想球体のうち、上死点にあるピストンを含めた燃焼室の床部及び天井部のいずれにも干渉しない非干渉部分の容積V21を便宜上、凹部の容積として用いている。 Then, when the relationship between the combustion period and the recess / combustion chamber volume ratio is examined next, the relationship between them is as shown in the graph of FIG. 5B (in the graph , V21 is described as “V2”). In order to make the combustion period 52 to 55 ° or less in terms of crank angle, it has been found that the concave combustion chamber volume ratio V 21 / V1 should be set to 0.31 to 0.35 or more. Here, since it is important to delay the interference with the flame for the concave portion, among the virtual spheres that simulate the flame as described above, the floor portion and the ceiling portion of the combustion chamber including the piston at the top dead center are included. in any convenience the volume V 21 of the non-interference portion which does not interfere is also used as the volume of the recess.
以上より、シリンダの幾何学的圧縮比が13以上になるようにその燃焼室の総容積を設定しながら、前記凹部/燃焼室容積比V21/V1≧0.31となるように凹部を形成すれば、燃焼室における火炎面の伝播性を十分に高めて燃焼期間を短縮し、火花点火式内燃機関の燃費を低減することができる。 As described above, the concave portion is formed so that the concave portion / combustion chamber volume ratio V 21 /V1≧0.31 while setting the total volume of the combustion chamber so that the geometric compression ratio of the cylinder becomes 13 or more. By doing so, the propagation property of the flame surface in the combustion chamber can be sufficiently increased to shorten the combustion period, and the fuel consumption of the spark ignition internal combustion engine can be reduced.
但し、前記図6(a)のグラフから分かるようにクランク角で52〜53°のときを境にして、それよりも更に燃焼期間が短くなってもこれに伴う燃費率の低下幅は急速に小さくなってしまう。よって、凹部の容積が大きくなるほど高圧縮比の実現には不利になることを考慮すれば、凹部/燃焼室容積比V21/V1をあまり大きくしないほうがよい。前記のグラフからはV21/V1≦0.37となる。
However, as can be seen from the graph of FIG. 6 (a), even when the crank angle is 52 to 53 ° as a boundary, even if the combustion period becomes shorter than that, the rate of decrease in the fuel consumption rate accompanying this is rapidly increasing. It gets smaller. Therefore, it is better not to make the recess / combustion chamber volume ratio V 21 /
そして、仮想球体の半径を、ピストンが上死点にあるときに燃焼室を画定する燃焼室内壁と干渉しない、該仮想球体の非干渉部分の容積V22が、V22=0.15×V1となるように設定した場合においては、図5(b)のグラフ(当該グラフでは、V22を「V2」と記載)から分かるように、S/V22の値が0.12mmThe volume V22 of the non-interfering portion of the virtual sphere that does not interfere with the radius of the virtual sphere with the combustion chamber wall that defines the combustion chamber when the piston is at the top dead center is V22 = 0.15 × V1. In such a case, the value of S / V22 is 0.12 mm, as can be seen from the graph of FIG. 5B (in the graph, V22 is described as “V2”). −1-1 のあたりから、この値が小さくなるに連れて燃費改善率が急上昇することが分かった。これより、仮想球体の半径をV22=0.15×V1となるように設定した場合に、S/V22≦0.12mmFrom this point, it was found that the fuel efficiency improvement rate increased rapidly as this value decreased. Thus, when the radius of the virtual sphere is set to be V22 = 0.15 × V1, S / V22 ≦ 0.12 mm −1-1 となるように燃焼室の形状を設計することで、燃費低減が図れる。The fuel consumption can be reduced by designing the shape of the combustion chamber so that
また、前記のようにピストンの頂部に凹部を形成しながらも燃焼室の総容積を小さくして、幾何学的な圧縮比を高くするためには、そのピストンの頂部に、燃焼室の天井部の形状に対応するように隆起部を形成することが好ましい(請求項2)。 In order to reduce the total volume of the combustion chamber and increase the geometric compression ratio while forming the recess at the top of the piston as described above, the top of the piston is connected to the top of the piston. It is preferable to form a raised portion so as to correspond to the shape of the above (claim 2).
また、従来周知の如く良好な火炎伝播性のために、点火プラグは燃焼室天井部の中央付近に臨ませるのが好ましく、これに対応して凹部はピストン頂部の中央付近に開口させるのがよい(請求項3)。 In addition, as is well known in the art, for good flame propagation, it is preferable that the spark plug face the center of the combustion chamber ceiling, and correspondingly, the recess should open near the center of the piston top. (Claim 3).
更に、前記燃焼室に燃料を直接、噴射するように燃料噴射弁を設ければ、こうして噴射する燃料の気化熱によって吸気が冷却されることから、混合気の自着火等による異常燃焼が抑制されるようになり、その分、シリンダの圧縮比を高く設定することができる(請求項4)。 Further, if a fuel injection valve is provided so that fuel is directly injected into the combustion chamber, the intake air is cooled by the heat of vaporization of the fuel thus injected, so that abnormal combustion due to self-ignition of the air-fuel mixture is suppressed. Accordingly, the compression ratio of the cylinder can be set higher accordingly.
その場合に前記燃料噴射弁は、燃焼室の周縁部から中央寄りに向かって燃料を噴射するように配置することで、シリンダの吸気行程における前半から中盤にかけて噴射した燃料をピストン頂部の凹部によって補足し、シリンダ内周面への付着を抑制する効果も期待できる(請求項5)。 In that case, the fuel injection valve is arranged so as to inject fuel from the peripheral edge of the combustion chamber toward the center, so that the fuel injected from the first half to the middle of the intake stroke of the cylinder is supplemented by a recess at the top of the piston. And the effect which suppresses adhesion to a cylinder internal peripheral surface is also expectable (Claim 5).
加えて、前記シリンダのストロークはボアよりも長いことが好ましい(請求項6)。これは、シリンダのボアが大きいほど燃焼室形状は扁平化し、火炎伝播には不利になる傾向があるので、高圧縮比化のために燃焼室容積を小さくしても、それが扁平になりすぎないようにするためである。 In addition, the stroke of the cylinder is preferably longer than the bore. This is because the larger the bore of the cylinder, the flatter the combustion chamber shape, and this tends to be disadvantageous for flame propagation. Therefore, even if the combustion chamber volume is reduced for higher compression ratio, it becomes too flat. This is to prevent it from occurring.
以上、説明したように本発明によれば、燃焼室の天井部に臨む点火プラグに対応づけてピストンの頂部に凹部を形成し、その内面の少なくとも一部を、ピストンが上死点にあるときに点火プラグの点火点を中心とする球面状とし、更に、前記点火プラグの点火点を中心とする仮想球体について、その半径を、シリンダ内でピストンが上死点にあるときに、該仮想球体が前記凹部の球面状内面に接するように設定した場合において、当該仮想球体の非干渉部分の容積V21の燃焼室容積V1に対する比率V21/V1が0.31以上0.37以下になるように、前記凹部を形成し、前記点火プラグの点火点を中心とする仮想球体について、その半径を、該仮想球体の非干渉部分の容積V22が、V22=0.15×V1となるように設定した場合において、当該仮想球体が前記燃焼室内壁と干渉する干渉面の面積をS(単位:mm 2 )とし、V22の単位をmm 3 として、S/V22≦0.12mm −1 となるように燃焼室を形成することによって、幾何学的に13以上の高圧縮比を実現しながら、ピストンと火炎との干渉をできるだけ遅らせて、火炎伝播性を十分に高めることができる。よって、機関効率が向上し、燃費の低減が図られる。
As described above, according to the present invention, the concave portion is formed in the top portion of the piston in association with the spark plug facing the ceiling portion of the combustion chamber, and at least a part of the inner surface of the piston is at the top dead center. the ignition point of the spark plug and the to that spherical surface shape centered on, further, the virtual sphere centered at the ignition point of the spark plug, the radius, when the piston is at the top dead center in the cylinder, the When the virtual sphere is set so as to contact the spherical inner surface of the concave portion, the ratio V 21 / V1 of the volume V 21 of the non-interfering portion of the virtual sphere to the combustion
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, the following description of preferable embodiment is only an illustration essentially, and is not intending restrict | limiting this invention, its application thing, or its use.
図1は、本発明に係るエンジンE(火花点火式内燃機関)の概略図である。このエンジンEは、シリンダブロック1とその上部に組み付けられるシリンダヘッド2とを備えており、図2にも示すように、シリンダCには、その軸心c1に沿って図の上下に往復動するようにピストン3が収容されている。ピストン3は、シリンダブロック1の下部に回転自在に支持されたクランク軸4にコネクティングロッドによって連結されており、これによりピストン3の往復運動がクランク軸4の回転運動に変換されるようになる。
FIG. 1 is a schematic view of an engine E (spark ignition internal combustion engine) according to the present invention. The engine E includes a
図示のように、シリンダC内のピストン3上方には燃焼室5が形成され、その天井部5aは、シリンダヘッド2の下面に各シリンダC毎に形成された窪みによって構成される。本実施形態では燃焼室5は所謂ペントルーフ型であり、その天井部5aは吸気側及び排気側の2つの傾斜面からなる三角屋根状をなしていて、それぞれの傾斜面には吸気ポート6,6と排気ポート7,7とが2つずつ開口している。
As shown in the figure, a combustion chamber 5 is formed above the
図1にのみ示すが、各吸気ポート6の開口部には吸気弁8が、また、各排気ポート7の開口部には排気弁9が、それぞれ配設されて、不図示の動弁機構により所定のタイミングで開閉されるようになっている。
Although only shown in FIG. 1, an
また、それら吸気ポート6,6の下方にはその開口部間に噴口を臨ませて、燃焼室5の周縁部から中央寄りに向かい燃料を噴射するように、インジェクタ10(燃料噴射弁)が配設されている。このインジェクタ10は、図示しない燃料分配管を介して高圧燃料ポンプ等を有する燃料供給系に接続されている。本実施形態では直噴方式を想定しているが、本発明はポート噴射方式のものにも適用できる。
In addition, an injector 10 (fuel injection valve) is arranged below the
更にシリンダヘッド2には、シリンダ軸心c1に沿って延びるように点火プラグ11が配設されていて、その先端(下端)の電極が天井部5aの中央付近から燃焼室5に臨んでいる。この点火プラグ11の基端(上端)側には、図1にのみ示すが点火コイルユニット12が接続されており、所定のタイミングで電極間に火花を生じさせて、燃焼室5内の混合気に点火するようになっている。こうして燃焼室5の中央付近で点火することは従来周知の如く良好な火炎伝播性のために好ましい。
Further, a
図2に示すように、燃焼室5の床部であるピストン3の頂部には天井部5aの三角屋根形状に対応するように、吸気側及び排気側からそれぞれ中央寄りに向かい隆起する隆起部31が形成されている。このことは、燃焼室5の容積を調整しシリンダCの幾何学的圧縮比を高く設定する上で有用であり、しかも、燃焼室5全体でその高さが概ね同じくらいになるので、火炎伝播性にも好ましいと言える。
As shown in FIG. 2, a protruding
更にピストン3の頂部には、隆起部31において開口するよう、中央付近にお椀型の凹部32が形成されている。本発明の主たる特徴部分として詳しくは後述するが、凹部32が点火プラグ11の電極間における点火点(電極間の中央と仮定。図3(a)の点CPを参照)に対応づけて設けられ、しかも、その形状及び容積が適切に設定されていることで、火炎伝播性が向上し、エンジンEの熱効率が向上する。
Further, a bowl-shaped
(燃焼室の構成)
ところで、本実施形態では、そうしてピストン3の頂部に隆起部31を形成する等して燃焼室5の容積を調整し、シリンダCの幾何学的圧縮比を13.0以上に設定している。これは、熱効率を向上し燃費低減を図るためである。幾何学的圧縮比とは、周知の通り、ピストン3が上死点(TDC)にあるときの燃焼室5の容積(凹部32の容積を含めた総容積)をV1、排気量(行程容積)をV0として、(V0+V1)/V1と表される。
(Combustion chamber configuration)
By the way, in the present embodiment, the volume of the combustion chamber 5 is adjusted by forming a raised
容積V1は、所謂隙間容積であり、ピストン3が上死点にあるときに吸気弁8及び排気弁9がそれぞれ閉じているものとして、これらやインジェクタ10、点火プラグ11、即ち燃焼室5に臨むシリンダヘッド2の窪みに取り付けられた部品の表面、シリンダCの内周面、凹部32の内面を含めたピストン3の頂面、更にはシリンダヘッド10とシリンダブロック20との隙間によって画定されるものである。
The volume V <b> 1 is a so-called gap volume, and the
さて、一般にエンジンにおいてはシリンダの圧縮比・膨張比を高く設定することにより熱効率が向上し、燃費低減が図れるはずであるが、単に幾何学的圧縮比を高く設定するだけでは燃費は向上しない。これは、幾何学的圧縮比を高く設定すると、同じ排気量であれば容積V1が相対的に小さくなり、火炎が早期に燃焼室の天井部や床部(ピストン頂面)と干渉し易くなって、その伝播性が悪化するからである。そこで、燃費低減と火炎伝播性との因果関係が分かれば、効率のよいエンジン設計が可能になると考えられる。 Generally, in an engine, setting a high compression ratio / expansion ratio of a cylinder should improve thermal efficiency and reduce fuel consumption, but simply setting a high geometric compression ratio does not improve fuel efficiency. This is because if the geometric compression ratio is set high, the volume V1 becomes relatively small if the displacement is the same, and the flame easily interferes with the ceiling or floor (piston top surface) of the combustion chamber at an early stage. This is because the propagation property deteriorates. Therefore, if the causal relationship between fuel consumption reduction and flame propagation is known, it is considered that efficient engine design is possible.
本発明では、まず図3のように点火プラグ10の点火点CPから周囲に広がる火炎を模して、その点火点CPを中心とする球体ISを想定する。火炎は放射状に広がるから仮想球体ISは火炎面の伝播した範囲をモデル化したものであり、その半径rは火炎面の進行程度を示す。すなわち、半径rが相対的に小さいときの仮想球体ISは点火後の相対的に早い時期を表し、半径rが相対的に大きいときには相対的に遅い時期を表すのである。
In the present invention, as shown in FIG. 3, firstly, a sphere IS centered on the ignition point CP is assumed by imitating a flame spreading from the ignition point CP of the
同図3の(a)から(b)のように半径rが大きくなると、仮想球体ISの燃焼室天井部5a等との干渉部分が増加する。このことを定量的に考慮するために、ピストン3が上死点にある場合において仮想球体ISのうち、燃焼室天井部5aやピストン3と干渉しない非干渉部分の容積をV2(単位:mm3)とし、また、その場合において仮想球体ISが燃焼室天井部5aやピストン3と干渉する干渉面の面積を、干渉面積S(単位:mm2)として以下、説明する。
As the radius r increases as shown in FIGS. 3A to 3B, the interference with the
図4には、非干渉容積V2と干渉面積Sの説明図を示す。同図は一例として、仮想球体ISが燃焼室5の天井部5a、即ちシリンダヘッド2、吸気弁8、排気弁9及び点火プラグ11と干渉する一方、ピストン3とは干渉しないような半径rの小さな状態について、(a)仮想球体IS、(b)容積V2、(c)干渉面積Sをそれぞれ模式的に示している。容積V2は、仮想球体ISから燃焼室天井部5aやピストン3との干渉部分が取り去られた立体の容積であり、干渉面積Sはそれらと干渉する部分の面積である。
FIG. 4 is an explanatory diagram of the non-interference volume V2 and the interference area S. As an example, the virtual sphere IS interferes with the
−第1の評価指標:r、V2、Sの関係−
そして、本実施形態では、前記の半径r、容積V2(第1の評価指標では、請求項1のV22に相当する)及び面積Sの関係を、燃費低減の第1の評価指標とするものであり、半径rをV2=0.15×V1となるように設定した場合に、S/V2≦0.12(mm-1)となるように燃焼室5の形状を設定することによって、燃費の低減を図っている。このような結論に至ったのは以下に述べる実験結果に基づいている。
-First evaluation index: relationship between r, V2 and S-
In this embodiment, the relationship between the radius r, the volume V2 (in the first evaluation index, which corresponds to V22 of claim 1), and the area S is used as the first evaluation index for reducing fuel consumption. Yes, when the radius r is set to satisfy V2 = 0.15 × V1, the shape of the combustion chamber 5 is set so that S / V2 ≦ 0.12 (mm −1 ). We are trying to reduce it. This conclusion is based on the experimental results described below.
すなわち、以下に述べる第1の実験においてはボア:87.5mm、ストローク:83.1mmの火花点火式エンジンについて、形状が異なる複数種類のピストンを作成し、付け替えてそれぞれの燃費を同一条件(機関速度= 1500rpm、平均有効圧力Pe=262kPa、空燃比A/F=14.7、EGR率=20%)で計測した。図5(a)は、実験に用いた一部のピストンについての、容積V2/容積V1と、干渉面積S/容積V2と、の演算結果を示す図であり、仮想球体ISの半径rを複数、設定することにより得たものである。 That is, in the first experiment described below, for a spark ignition engine with a bore of 87.5 mm and a stroke of 83.1 mm, a plurality of types of pistons having different shapes are created and replaced to have the same fuel economy under the same conditions (engine Measurement was performed at a speed of 1500 rpm, an average effective pressure Pe = 262 kPa, an air-fuel ratio A / F = 14.7, and an EGR rate = 20%). FIG. 5 (a) is a diagram showing the calculation results of the volume V2 / volume V1 and the interference area S / volume V2 for some pistons used in the experiment, and a plurality of radii r of the virtual sphere IS. , Obtained by setting.
前記容積V2/容積V1の値は半径rに関連し、V2/V1の値が相対的に小さいことは、半径rが相対的に小さいときに相当し火炎伝播の相対的に初期を示す。一方、V2/V1の値が相対的に大きいことは、半径rが相対的に大きいときに相当し火炎伝播の相対的に後期を示す。仮想球体ISの非干渉部分の容積V2は火炎の大きさを表す指標であり、干渉面積S/容積V2は、火炎が伝播する過程で時々刻々と変化する火炎の大きさに対する干渉面積の割合となる。 The value of the volume V2 / volume V1 is related to the radius r, and a relatively small value of V2 / V1 corresponds to a case where the radius r is relatively small and indicates a relatively early stage of flame propagation. On the other hand, a relatively large value of V2 / V1 corresponds to a relatively large radius r and indicates a relatively late period of flame propagation. The volume V2 of the non-interference portion of the virtual sphere IS is an index representing the size of the flame, and the interference area S / volume V2 is the ratio of the interference area to the flame size that changes moment by moment in the course of propagation of the flame. Become.
線L0、L1は、それぞれ、図示は省略するが、頂面が略平坦なピストンに関する演算結果であり、L0は幾何学的圧縮比が11.2のものに、また、L1は幾何学的圧縮比が15.0のものに、それぞれ、対応している。線L1を線L0と比較すると、フラット・ピストンの場合、ハイトが高いほど火炎伝播の比較的早い時期に火炎との干渉が始まることが分かる。 Lines L0 and L1 are not shown in the figure, but are the calculation results for a piston with a substantially flat top surface, L0 is a geometric compression ratio of 11.2, and L1 is a geometric compression. Each corresponds to a ratio of 15.0. Comparing the line L1 with the line L0, it can be seen that, in the case of a flat piston, the higher the height, the more early the flame propagation, the more the flame starts to interfere.
線L31〜線L34は、図2のように頂部にお椀型の凹部を設けたピストンに関する演算結果であり、これらは凹部の大きさや、凹部以外のピストン頂面の形状を変えたものである。幾何学的圧縮比は14.0〜15.0の範囲内である。これらのピストンを用いた場合、凹部を設けたことにより火炎との干渉の始まりが遅くなっており、容積V2/容積V1の比率が10%〜20%の範囲において、S/V2の値があまり上昇しなくなっている。 Lines L31 to L34 are the calculation results related to the piston having a bowl-shaped recess at the top as shown in FIG. 2, and these are obtained by changing the size of the recess and the shape of the piston top surface other than the recess. The geometric compression ratio is in the range of 14.0 to 15.0. When these pistons are used, the start of interference with the flame is delayed due to the provision of the recess, and the value of S / V2 is too small when the ratio of volume V2 / volume V1 is in the range of 10% to 20%. It is no longer rising.
尚、線L4は、凹部を断面矩形状にした場合の演算結果で、この場合も幾何学的圧縮比は14.0〜15.0の範囲内である。線L1で示したピストンに比べると、火炎伝播に伴う火炎と燃焼室内壁との干渉度合いが緩やかになるが、線L31〜線L34のピストンと比べると、凹部を設けたことによるS/V2の値の影響は小さい。これは、火炎と凹部内面との干渉が線L31〜線L34のピストンよりも早く生じることを意味する。 Note that the line L4 is a calculation result when the recess has a rectangular cross section, and in this case, the geometric compression ratio is in the range of 14.0 to 15.0. Compared with the piston indicated by the line L1, the degree of interference between the flame accompanying the flame propagation and the inner wall of the combustion chamber is moderate, but compared with the pistons of the lines L31 to L34, the S / V2 of The effect of the value is small. This means that the interference between the flame and the inner surface of the recess occurs earlier than the pistons of the lines L31 to L34.
そして、前記複数種類のピストンによる燃費の計測を行い、その結果を燃費改善率と干渉面積S/容積V2との関係にまとめたところ、容積V2/容積V1の値が0〜40%の範囲で燃費改善率と干渉面積S/容積V2との間に確かな相関が見られたのは容積V2/容積V1の値が15%の場合であった。尚、燃費改善率は、いずれかのピストンをベースモデルとし、その燃費を基準として算出した。幾何学的圧縮比がベースモデルと異なる場合は、その幾何学的圧縮比に応じて燃費改善率を補正演算し、幾何学的圧縮比が同じ場合の燃費改善率(推定値)とした。 Then, the fuel consumption is measured by the plurality of types of pistons, and the results are summarized in the relationship between the fuel consumption improvement rate and the interference area S / volume V2, and the volume V2 / volume V1 is in the range of 0 to 40%. A certain correlation was observed between the fuel efficiency improvement rate and the interference area S / volume V2 when the value of volume V2 / volume V1 was 15%. The fuel efficiency improvement rate was calculated based on the fuel efficiency of any piston as a base model. When the geometric compression ratio is different from that of the base model, the fuel efficiency improvement rate is corrected according to the geometric compression ratio to obtain the fuel efficiency improvement rate (estimated value) when the geometric compression ratio is the same.
図5(b)は、前記のように確かな相関が見られた容積V2/容積V1の値が15%の場合、即ち、仮想球体ISの半径rをV2=0.15×V1となるように設定した場合の、燃費改善率と干渉面積S/容積V2との相関を示す。この図によれば、S/V2の値が0.12のあたりから、この値が小さくなるに連れて燃費改善率が急上昇し、特に、0.10以下になると顕著である。つまり、S/V2の値が0,10〜0.12の範囲に所謂変曲点があると言える。 FIG. 5B shows the case where the value of volume V2 / volume V1 where a positive correlation is found as described above is 15%, that is, the radius r of the virtual sphere IS is V2 = 0.15 × V1. The correlation between the fuel efficiency improvement rate and the interference area S / volume V2 when set to. According to this figure, since the value of S / V2 is around 0.12, as this value becomes smaller, the fuel efficiency improvement rate rises rapidly, particularly when it becomes 0.10 or less. That is, it can be said that there is a so-called inflection point in the range of S / V2 values of 0, 10 to 0.12.
よって、半径rをV2=0.15×V1となるように設定した場合に、S/V2≦0.12となるように燃焼室5の形状を設計することで、燃費低減が図れ、特にS/V2≦0.10とすることが好ましい。ここで、容積V2が容積V1の15%のときの干渉面積Sを小さくするには、このときまでに火炎がピストン3と干渉しないよう、該ピストン3の頂部に前記のようなお椀状の凹部32を形成すればよいが、単に凹部32を形成しただけでは燃焼室5の容積が大きくなってしまい、高圧縮比の実現には不利になる。
Therefore, when the radius r is set to be V2 = 0.15 × V1, the fuel consumption can be reduced by designing the shape of the combustion chamber 5 so that S / V2 ≦ 0.12. It is preferable to satisfy /V2≦0.10. Here, in order to reduce the interference area S when the volume V2 is 15% of the volume V1, the bowl-shaped recess as described above is formed at the top of the
−第2の評価指標:V2/V1−
そこで、前記のように燃焼室5の容積が大きくなることに注意しながら、火炎との干渉ができるだけ遅くなるように凹部32の位置、形状及び容積を最適化した。火炎との干渉を遅らせるには、ピストン3の頂部に仮想球体ISが接するような球面状の凹部を形成すればよいが、ピストン3の耐久性等の観点から凹部の底面までも球面状とすることは困難な場合があるので、凹部32の内面の一部を仮想球体ISが接する球面状とする。
-Second evaluation index: V2 / V1-
Therefore, the position, shape and volume of the
その上で、そうして球面状とした凹部32の一部の面に仮想球体ISが接するように、その半径rを設定した場合に、この仮想球体ISの前記非干渉部分の容積V2(第2の評価指標では、請求項1のV21に相当する)を概略的に凹部32の容積とみなし、この容積V2の前記燃焼室容積V1に対する比率V2/V1を、本実施形態における燃費低減のための第2の評価指標とする。この容積V2/容積V1、即ち凹部/燃焼室容積比が大きいほど、火炎のピストンとの干渉が遅れることになり、火炎伝播性が向上する。
In addition, when the radius r is set so that the virtual sphere IS is in contact with a part of the surface of the
そして、本発明者は、前記容積V2/容積V1の値が変化するように、ピストン3の隆起部31や凹部32の形状を種々変更して実験を行い、エンジンEの燃費率や燃焼期間を調べたところ、容積V2/容積V1の値が所定の範囲内(0.31≦V2/V1≦0.37)に収まるようにすることで、燃費率を効果的に低減できることが分かった。このことについて以下に述べる。
And this inventor experimented by changing various shapes of the protruding
すなわち、前記第1の実験と同様にボア:87.5mm、ストローク:83.1mmの火花点火式エンジンについて複数種類のピストンを用意し、更にシリンダボアを83.0mm、72.0mm等々、変更した複数種類のエンジンについても同様に複数種類のピストンを用意して、同一の運転条件(機関速度= 1500rpm、平均有効圧力Pe=262kPa、空燃比A/F=14.7、EGR率=20%)における燃費や燃焼速度を計測する第2の実験を行った。この実験の結果を燃費率と燃焼期間との関係でまとめたものが図6(a)のグラフであり、この図からはボア・ストローク比やピストンの形状等々によらず、燃費率と燃焼期間との間には確かな相関があることが分かる。 That is, as in the first experiment, a plurality of types of pistons were prepared for a spark ignition engine having a bore of 87.5 mm and a stroke of 83.1 mm, and the cylinder bore was changed to 83.0 mm, 72.0 mm, etc. Similarly, multiple types of pistons are prepared for each type of engine, and the fuel consumption and fuel efficiency under the same operating conditions (engine speed = 1500 rpm, average effective pressure Pe = 262 kPa, air-fuel ratio A / F = 14.7, EGR rate = 20%) A second experiment was conducted to measure the burning rate. The result of this experiment is summarized in relation to the fuel consumption rate and the combustion period in the graph of FIG. 6 (a). From this figure, the fuel consumption rate and the combustion period are independent of the bore / stroke ratio, piston shape, etc. It can be seen that there is a certain correlation with.
図によれば、ピストンの凹部の形状等が変わったことによって燃焼期間が変化すると、クランク角で52°のあたりから燃焼期間が長くなるに連れて燃費率が急に上昇しており、特に55°CAを越えてこの傾向が顕著になっている。つまり、燃焼期間が52〜55°CAの範囲に所謂変曲点があり、それよりも短い燃焼期間であれば燃費率を効果的に低減できると言える。 According to the figure, when the combustion period changes due to a change in the shape of the recess of the piston, etc., the fuel consumption rate suddenly increases as the combustion period increases from around 52 ° in crank angle. This tendency is remarkable beyond CA. In other words, there is a so-called inflection point in the range of the combustion period of 52 to 55 ° CA, and it can be said that the fuel efficiency can be effectively reduced if the combustion period is shorter than that.
一方で同図(b)に示すように、容積V2/容積V1と燃焼期間との間には、V2/V1が大きいほど燃焼期間が短くなるという単純な関係がある。これは、凹部32の容積が大きくなることによってピストン3の火炎との干渉が遅くなり、火炎の伝播性が向上することによると考えられる。そして、燃焼期間が55°CAになるのはV2/V1の値が0.31を越えたくらいなので、前記図(a)の結果と読み合わせれば、燃費率の低減のためには容積V2/容積V1を0.31以上に設定すればよいと言える。
On the other hand, as shown in FIG. 5B, there is a simple relationship between the volume V2 / volume V1 and the combustion period, in which the combustion period is shortened as V2 / V1 is increased. This is considered to be because the interference with the flame of the
但し、同図(a)のグラフから分かるように、燃焼期間が50〜52°CAよりも更に短くなっても、これに伴う燃費率の低下幅は急速に小さくなっている。そして、燃焼期間を縮めるために凹部32の容積を大きくすれば、するほど燃焼室5の容積が大きくなって、高圧縮比の実現には不利になることを考慮すれば、容積V2/容積V1の値はあまり大きくしないほうがよく、前記グラフから、V2/V1≦0.37とする。
However, as can be seen from the graph in FIG. 5A, even when the combustion period is further shortened from 50 to 52 ° CA, the rate of decrease in the fuel consumption rate accompanying this is rapidly decreasing. Then, if the volume of the
尚、上述した第1、第2の実験は、いずれも、シリンダC単室の行程容積(単室容積)、即ち排気量V0が0.3リットル以上で、その幾何学的圧縮比が14.0乃至15.0のものについて行ったもので、幾何学的圧縮比が14.0以上、或いは14.5以上のエンジンEにおいて前記の相関関係が認められ、そのような高圧縮比エンジンにおける燃費の低減に有効であると言える。 In both the first and second experiments described above, the stroke volume (single chamber volume) of the cylinder C single chamber, that is, the displacement V0 is 0.3 liters or more, and the geometric compression ratio is 14. The above correlation was observed in the engine E having a geometric compression ratio of 14.0 or more, or 14.5 or more, and the fuel consumption in such a high compression ratio engine. It can be said that it is effective in reducing the above.
この点、幾何学的圧縮比が低くなれば燃焼室5の容積が相対的に大きくなって火炎伝播性が良くなることから、圧縮比が14.0未満のエンジンにも上記の相関関係は存在すると言えるが、高圧縮比による熱効率向上との兼ね合いも考慮すれば、幾何学的圧縮比が13.0以上のものにおける燃費低減に少なくとも有効であると考えられる。 In this regard, the lower the geometric compression ratio, the larger the volume of the combustion chamber 5 and the better the flame propagation, so the above correlation also exists in engines with a compression ratio of less than 14.0 However, considering the balance with the improvement in thermal efficiency due to the high compression ratio, it can be considered that this is at least effective in reducing fuel consumption when the geometric compression ratio is 13.0 or higher.
したがって、この実施形態に係る火花点火式エンジンEによると、シリンダCの単室容積が0.3リットル以上で、その幾何学的な圧縮比が13.0以上であり、燃焼室天井部5aに臨む点火プラグ11に対応づけてピストン3の頂部に凹部32が形成されている場合に、この凹部32の内面の少なくとも一部を、ピストン3が上死点にあるときに点火プラグ11の点火点CPを中心とする仮想球体ISが接する球面状とした上で、更に、その仮想球体ISの非干渉部分の容積V2の燃焼室容積V1に対する比率V2/V1が所定範囲内(0.31〜0.37)になるようにしたことで、13以上の高圧縮比を実現しながらピストン3と火炎との干渉を最大限に遅らせて、火炎伝播性を十分に高めることができる。これにより機関効率が向上し、燃費の低減が図られる。
Therefore, according to the spark ignition engine E according to this embodiment, the single chamber volume of the cylinder C is 0.3 liters or more, the geometric compression ratio is 13.0 or more, and the
また、この実施形態のエンジンEは、燃焼室5に臨むインジェクタ10から燃料を直接、噴射する所謂直噴方式としており、こうして噴射する燃料の気化熱によって吸気が冷却されることから、混合気の自着火等による異常燃焼が抑制されるようになり、シリンダCの圧縮比を高く設定する上で有利な構成である。
The engine E of this embodiment employs a so-called direct injection system in which fuel is directly injected from the
しかも、インジェクタ10は、燃焼室5の周縁部から中央寄りに向かって燃料を噴射するように配置されており、シリンダCの吸気行程前半から中盤にかけて噴射した燃料をピストン3の凹部32によって補足し、シリンダC内周面への付着を抑制するという効果も期待できる。
Moreover, the
尚、本発明に係る火花点火式内燃機関の構成は前記実施形態に限定されず、それ以外の種々の構成をも包含する。例えばエンジンEは、前記実施形態のような4バルブのタイプに限らず、シリンダC毎の排気ポートが1つの3バルブエンジンであってもよい。 In addition, the structure of the spark ignition type internal combustion engine which concerns on this invention is not limited to the said embodiment, Various structures other than that are included. For example, the engine E is not limited to the four-valve type as in the above embodiment, and may be a three-valve engine with one exhaust port for each cylinder C.
また、前記実施形態では特に言及していないが、シリンダCは、ボアよりもストロークの長い方が好ましい。シリンダCのボアが大きいほど燃焼室5の形状が扁平化し、火炎伝播には不利になる傾向があるので、13以上の高圧縮比を実現するためには、よりストロークの長い方が好ましいからである。 Further, although not particularly mentioned in the embodiment, the cylinder C preferably has a longer stroke than the bore. The larger the bore of the cylinder C, the flatter the shape of the combustion chamber 5 tends to be disadvantageous for flame propagation. Therefore, in order to achieve a high compression ratio of 13 or more, a longer stroke is preferable. is there.
更に、前記実施形態では、一例として4サイクルの多気筒ガソリンエンジンEを想定しているが、他の形式の火花点火式内燃機関にも本発明は適用可能である。 Furthermore, in the above embodiment, a four-cycle multi-cylinder gasoline engine E is assumed as an example, but the present invention can also be applied to other types of spark ignition type internal combustion engines.
E 火花点火式エンジン(火花点火式内燃機関)
IS 仮想球体
CP 点火点
C シリンダ
2 シリンダヘッド
3 ピストン
31 隆起部
32 凹部
5 燃焼室
5a 天井部
10 インジェクタ(燃料噴射弁)
11 点火プラグ
E Spark ignition engine (spark ignition internal combustion engine)
IS Virtual sphere CP Ignition
11 Spark plug
Claims (6)
前記シリンダ内の燃焼室の天井部に臨んで点火プラグが配設される一方、その燃焼室の床部となるピストンの頂部には前記点火プラグに対応して凹部が形成され、
その凹部の内面の少なくとも一部は、前記シリンダ内でピストンが上死点にあるときに前記点火プラグの点火点を中心とする球面状をなし、
前記ピストンが上死点にあるときの燃焼室容積をV1とし、
前記点火プラグの点火点を中心とする仮想球体について、その半径を、前記シリンダ内でピストンが上死点にあるときに、該仮想球体が前記凹部の球面状内面に接するように設定した場合において、前記ピストンが上死点にあるときに燃焼室の床部及び天井部のいずれにも干渉しない、当該仮想球体の非干渉部分の容積をV21として、
0.31≦V21/V1≦0.37
となるように前記凹部を形成し、
前記点火プラグの点火点を中心とする仮想球体について、その半径を、前記ピストンが上死点にあるときに前記燃焼室を画定する燃焼室内壁と干渉しない、該仮想球体の非干渉部分の容積V22が、V22=0.15×V1となるように設定した場合において、当該仮想球体が前記燃焼室内壁と干渉する干渉面の面積をS(単位:mm 2 )とし、V22の単位をmm 3 として、
S/V22≦0.12mm −1
となるように前記燃焼室を形成したことを特徴とする火花点火式内燃機関。 A spark ignition internal combustion engine having a single chamber volume of 0.3 liters or more and a geometric compression ratio of 13.0 or more,
While a spark plug is disposed facing the ceiling of the combustion chamber in the cylinder, a concave portion is formed on the top of the piston that becomes the floor of the combustion chamber, corresponding to the spark plug,
At least a portion of the inner surface of the recess, forms a spherical surface shape you around the ignition point of the spark plug when the piston within the cylinder is at the top dead center,
The combustion chamber volume when the piston is at top dead center is V1,
When the virtual sphere centered on the ignition point of the spark plug is set so that the radius of the virtual sphere is in contact with the spherical inner surface of the recess when the piston is at top dead center in the cylinder , the piston does not interfere with any of the floor and the ceiling of the combustion chamber when in the top dead center, the volume of the non-interference portion of the virtual sphere as V 21,
0.31 ≦ V21 / V1 ≦ 0.37
Wherein a recess so that,
The volume of a non-interfering portion of the virtual sphere that does not interfere with the combustion chamber wall defining the combustion chamber when the piston is at top dead center with respect to the virtual sphere centered on the ignition point of the spark plug When V22 is set to be V22 = 0.15 × V1, the area of the interference surface where the virtual sphere interferes with the combustion chamber wall is S (unit: mm 2 ), and the unit of V22 is mm 3 As
S / V22 ≦ 0.12 mm −1
A spark ignition type internal combustion engine characterized in that the combustion chamber is formed to be
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