JP5003496B2

JP5003496B2 - レシプロエンジン

Info

Publication number: JP5003496B2
Application number: JP2008001622A
Authority: JP
Inventors: 敏朗西本; 正尚山川; 隆養祖; 竜也藤川
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2008-01-08
Filing date: 2008-01-08
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2028-01-08
Also published as: JP2009162153A; US7650872B2; EP2078835B1; US20090173312A1; EP2078835A2; EP2078835A3; CN101482052B; CN101482052A

Description

本発明はレシプロエンジンに関し、幾何学的圧縮比が１３．０以上のレシプロエンジンに関する。

レシプロエンジンにおいては、燃焼室形状により火炎伝播性を向上する技術が提案されている。例えば、特許文献１にはシリンダヘッド上面に球状の窪みを形成することで火炎伝播の均一化を図り、燃焼効率を向上しようとしたものが提案されている。

一方、燃費向上の方法として、幾何学的圧縮比を高く設定することで熱効率を向上することが提案されている。しかし、単に幾何学的圧縮比を高く設定しただけでは燃費が向上しない場合があり、また、ノッキングが発生し易くなる場合があるという問題がある。

特開２００７−１５４８２７号公報

上記問題の原因の１つは火炎伝播性にあるものと考えられる。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ればするほど燃焼室の容積は小さくなり、その結果、火炎がピストン上面等の燃焼室内壁に早期に干渉し、その冷却損失により熱効率が下がったり、異常燃焼が発生するものと考えられる。火炎伝播性の向上のために、特許文献１に記載されるようにシリンダヘッド上面に窪みを設けることも考えられるが、単に窪みを設ければ幾何学的圧縮比が低下し、燃費向上が不十分となる。

従って、本発明の目的は、より確実に燃費向上が図れるレシプロエンジンを提供することにある。

本発明によれば、幾何学的圧縮比が１３．０以上であって、火花点火式のレシプロエンジンにおいて、ピストンの中心軸と直交する方向に、吸気弁、点火プラグ及び排気弁が順に設けられ、前記ピストンの上面は、前記吸気弁側及び前記排気弁側からその中央に向かって隆起していると共に、凹部が設けられ、前記ピストンの上面に相対するシリンダヘッドの天井面は、前記ピストン上面の隆起に対応して、前記吸気弁側及び前記排気弁側のそれぞれから中央に向かって、所定角度をなすように傾斜しており、前記ピストンが上死点にあるときに前記ピストンの上面と前記シリンダヘッドの天井面との間に所定の隙間が形成されることによって燃焼室が形成され、前記ピストンが上死点にある場合の前記燃焼室の容積をＶ１（ｍｍ^３）、前記点火プラグの点火点を中心とする半径ｒの仮想球体のうち、前記ピストンが上死点にある場合において前記燃焼室を画定する燃焼室内壁と干渉しない非干渉部分の容積をＶ２（ｍｍ^３）、前記ピストンが上死点にある場合において前記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（ｍｍ^２）、とした場合であって、前記半径ｒを、Ｖ２＝０．１５×Ｖ１となるように設定した場合に、前記ピストンが前記仮想球体と干渉しないと共に、Ｓ／Ｖ２≦０．１２（ｍｍ^−１）となるように前記燃焼室が形成されたことを特徴とするレシプロエンジンが提供される。

本発明は、上記半径ｒ及び上記容積Ｖ２並びに上記面積Ｓの関係を、燃費向上の評価指標とするものであり、上記式の条件を満たすことで、より確実に燃費向上が図れる。

本発明においては、前記半径ｒを、Ｖ２＝０．１５×Ｖ１となるように設定した場合に、前記ピストンが前記仮想球体と干渉しないようにしている。この構成によれば、ピストンの運動方向である下方向への火炎伝播を促進でき、エンジンの熱効率向上を図れる。

また、本発明においては、前記ピストンの上面に凹部を設けている。この構成によれば、前記ピストンの上面の形状により、火炎伝播性を向上でき、エンジンの熱効率向上を図れる。

また、本発明においては、前記ピストンの中心軸と直交する方向に、吸気弁、前記点火プラグ及び排気弁が順に設けられ、前記ピストンの上面は、前記吸気弁側及び前記排気弁側からその中央に向かって隆起している。この構成によれば、幾何学的圧縮比をより高く設定し易くなる。

また、本発明においては、前記凹部を前記点火点の下方に設けてもい。この構成によれば、前記ピストンの上面の形状により、火炎伝播性を更に向上でき、エンジンの熱効率向上を図れる。

また、本発明においては、前記半径ｒを、Ｖ２＝０．１５×Ｖ１となるように設定した場合に、Ｓ／Ｖ２≦０．１０（ｍｍ^-1）となるように前記燃焼室が形成されてもよい。この構成によれば、燃費向上を更に図れる。

また、本発明においては、幾何学的圧縮比が１４．０以上であってもよく、また、１４．５以上であってもよい。幾何学的圧縮比を高めることで更に燃費向上を更に図れる。

以上述べた通り、本発明によれば、より確実に燃費向上が図れるレシプロエンジンを提供することができる。

図１（ａ）は本発明の一実施形態に係るレシプロエンジンＡの燃焼室４近傍の構成を示す図、（ｂ）はピストン３０の斜視図である。エンジンＡは４サイクルの直列多気筒ガソリンエンジンを想定したものであるが、他の形式のレシプロエンジンにも本発明は適用可能である。図中、Ｚはピストン３０の往復直線運動方向を、Ｙは気筒列方向を、Ｘは気筒列方向と直交する方向を示し、これらは互いに直交する。ＣＬはピストン３０の中心軸線を示し、Ｚ方向と同方向である。

エンジンＡは、シリンダヘッド１０を備える。シリンダヘッド１０は１気筒あたり２つの吸気ポート１１及び排気ポート１２を有しており、吸気ポート１１には吸気弁１が、排気ポート１２には排気弁２がそれぞれ設けられており、シリンダヘッド１０に設けた不図示の動弁機構の作用によりこれらを開閉する。また、シリンダヘッド１０は、燃焼室４を形成する部位においてＺ方向に窪んでおり、その窪みの中央付近に点火プラグ３を有している。点火プラグ３は燃焼室４内の混合気に火花点火してその燃焼を開始させる。本実施形態では、ピストン３０の中心軸ＣＬと直交する方向（Ｘ方向）に、吸気弁１、点火プラグ３及び排気弁２が順に設けられている。

シリンダヘッド１０には、また、燃料を燃焼室４内に噴射するインジェクタ５が設けられている。本実施形態ではいわゆる直噴方式を想定しているが、本発明はポート噴射方式のレシプロエンジンにも適用できる。

エンジンＡは、シリンダブロック２０を備える。シリンダブロック２０のシリンダ内にはピストン３０が配置され、燃焼室４内の混合気の燃焼によりＺ方向に往復直線運動を行う。ピストン３０の往復直線運動は不図示のクランク軸の回転運動に変換されることになる。

ピストン３０の上面３１はＺ方向に隆起した隆起部３２を有する。隆起部３２を設けることでレシプロエンジンＡの幾何学的圧縮比をピストン３０の形状によって、より高く設定することができる。ここで、本実施形態では、上記の通り、シリンダヘッド１０が燃焼室４を形成する部位においてＺ方向に窪んでおり、吸気弁１側及び排気弁２側から燃焼室４の中央に向かって窪むようにしている。そこで、隆起部３２を吸気弁１側及び排気弁２側からその中央に向かって隆起した形状としている。このように隆起部３２を形成することで、燃焼室４のＺ方向の厚さを、より均一とすることができ、火炎伝播性が大きく悪化することを防止できる。

ピストン３０の上面３１は、また、凹部３３を有している。凹部３３を設けたことで、ピストン３０の運動方向であるＺ方向で下方向への火炎伝播を促進でき、エンジンの熱効率向上を図れる。本実施形態の場合、凹部３３は点火プラグ３による火花点火の点火点（点火プラグ３の先端の電極間の中央。図２の点ＣＰ。）の下方に設けられている。このようなピストン３０の上面３１の形状により、火炎伝播性を更に向上でき、エンジンＡの熱効率向上を図れる。本実施形態では、凹部３３はお椀型に形成されているが凹部３３の形状は問われない。

本実施形態では幾何学的圧縮比を１３．０以上に設定する。幾何学的圧縮比を高く設定することで熱効率を向上し、燃費向上を図れる。ここで、幾何学的圧縮比とは、周知の通り、ピストン３０が上死点にあるときの燃焼室の容積をＶ１、排気量（行程容積）をＶ０とすると、（Ｖ０＋Ｖ１）／Ｖ１で示される。

容積Ｖ１は、いわゆる隙間容積であり、ピストン３０上死点にあるときに、燃焼室４に面するシリンダヘッド１０の内壁及びシリンダヘッド１０に取り付けられた部品（吸気弁１及び排気弁２（閉弁時）、点火プラグ３、インジェクタ５）の表面、シリンダブロック２０のシリンダ内壁、ピストン３０の表面、シリンダヘッド１０とシリンダブロック２０との隙間により画定される燃焼室４の容積であり、本実施形態ではその単位はｍｍ³とする。また、このような燃焼室４を画定する部分を総称して燃焼室内壁という。

幾何学的圧縮比を高く設定することで熱効率が向上し、燃費向上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が向上しない。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は相対的に小さくなり、火炎が早期に燃焼室内壁と干渉し易くなり、火炎伝播が悪化すると考えられる。そこで、燃費向上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実現される。

本実施形態では、まず、図２に示す仮想球体ＩＳを想定する。図２は仮想球体ＩＳの説明図である。仮想球体ＩＳは点火点ＣＰを中心とした半径ｒの球体である。火炎は放射状に伝播するから仮想球体ＩＳは火炎の伝播範囲を形式的にモデル化したものである。また、半径ｒは火炎の進行程度を示すことになる。つまり、半径ｒを相対的に小さく設定した場合、仮想球体ＩＳは相対的に点火後の初期を、半径ｒを相対的に大きく設定した場合、仮想球体ＩＳは相対的に点火後の後期を示すことになる。

半径ｒを徐々に大きくしていくと、仮想球体ＩＳと燃焼室内壁との干渉部分が増加する。本実施形態では、ピストン３０が上死点にある場合において仮想球体ＩＳのうち、燃焼室内壁と干渉しない非干渉部分の容積をＶ２（単位：ｍｍ³）とする。また、ピストン３０が上死点にある場合において仮想球体ＩＳが燃焼室内壁と干渉する干渉面の面積を干渉面積Ｓ（単位：ｍｍ²）とする。

図３は、容積Ｖ２と干渉面積Ｓの説明図である。同図の例は、ある半径ｒが設定された場合の仮想球体ＩＳ、容積Ｖ２、干渉面積Ｓを模式的に示しており、仮想球体ＩＳがシリンダヘッド１０、吸気弁１、排気弁２及び点火プラグ３と干渉し、ピストン３０には干渉しない場合を示している。容積Ｖ２は仮想球体ＩＳから燃焼室内壁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は干渉部分の面積である。

しかして、本実施形態は、半径ｒ及び容積Ｖ２並びに面積Ｓの関係を、燃費向上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４の形状を設計することで燃費向上を図るものである。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く。

当該実験においては、ボア：８７．５ｍｍ、ストローク：８３．１ｍｍのレシプロエンジンについて、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で計測した。図４（ａ）は、実験に用いた一部のピストンの、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を複数種類設定することにより得たものである。

容積Ｖ２／容積Ｖ１の値は、半径ｒに関連する。容積Ｖ２／容積Ｖ１の値が相対的に小さいことは相対的に火炎伝播の初期を示すことになり、相対的に大きいことは相対的に火炎伝播の後期を示すことになる。容積Ｖ２は仮想的に火炎伝播範囲の容積に相当するから、干渉面積Ｓ／容積Ｖ２は、火炎伝播範囲がある容積である場合の、当該容積に対する干渉面積の割合となる。

線Ｌ０は、図５（ａ）に示すように上面が略平坦なピストンに関する演算結果であり、幾何学的圧縮比は１１．２である。線Ｌ１は図５（ａ）に示すように上面が略平坦なピストンに関する演算結果であり、幾何学的圧縮比は１５．０である。線Ｌ０と比較すると、火炎伝播の初期に火炎と燃焼室内壁との干渉が始まっていることになる。

線Ｌ３１〜線Ｌ３４は、図１（ｂ）に示したような、上面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上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には、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となる。そして、凹部を設けたことにより、容積Ｖ２／容積Ｖ１の値が１０％〜２０％の範囲で、干渉面積Ｓ／容積Ｖ２の値が小さい。

線Ｌ４は、図５（ｂ）に示すように、上面に隆起部３２’及び角型の凹部３３’を設けたピストンに関する演算結果である。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となる。しかし、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干渉面積Ｓ／容積Ｖ２の値の影響は少ない。これは、火炎と凹部内壁との干渉が線Ｌ３１〜線Ｌ３４のピストンよりも早く生じることを意味する。

続いて、燃費の計測結果について説明する。上記の通り、燃費の計測は実験に使用した複数種類のピストンを順次付け替えて同一条件下で行った。そして、計測結果を、複数種類の容積Ｖ２／容積Ｖ１毎に、燃費改善率と、干渉面積Ｓ／容積Ｖ２との関係でまとめた。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。

図４（ｂ）は、計測結果を燃費改善率と干渉面積Ｓ／容積Ｖ２との関係でまとめたデータの一部を示す図であり、容積Ｖ２／容積Ｖ１の値がある値の場合のデータである。点Ｐ１及び点Ｐ２はベースモデルと幾何学的圧縮比が同じとなったピストンの燃費改善率である。点Ｐ３は、幾何学的圧縮比がベースモデルと異なるもので、その燃費改善率は点Ｐ３’であるが、これを補正演算したものである。

さて、図４（ｂ）に示す燃費改善率と干渉面積Ｓ／容積Ｖ２との関係を示すデータを、容積Ｖ２／容積Ｖ１の値が０〜４０％の範囲で複数種類まとめたところ、燃費改善率と干渉面積Ｓ／容積Ｖ２との間に相関関係がみられたのは容積Ｖ２／容積Ｖ１の値が１５％の場合であった。図６は、容積Ｖ２／容積Ｖ１の値が１５％の場合における燃費改善率と干渉面積Ｓ／容積Ｖ２との関係を示す図である。

図６に示すように、干渉面積Ｓ／容積Ｖ２の値が０．１２（ｍｍ^-1）のあたりから値が小さくなるにしたがって、燃費改善率が急上昇しており、特に、０．１０（ｍｍ^-1）以下となると顕著である。したがって、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（ｍｍ^-1）となるように燃焼室４の形状を設計することで、より確実に燃費向上が図れ、特にＳ／Ｖ２≦０．１０（ｍｍ^-1）とすることで、更により確実に燃費向上が図れる。

上記実験は幾何学的圧縮比が１４．０乃至１５．０の下で行ったので、幾何学的圧縮比が１４．０以上、或いは、１４．５以上のレシプロエンジンにおいて、上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向上に有効である。また、幾何学的圧縮比が下がれば、燃焼室容積が相対的に大きくなって火炎伝播性がよくなることから、幾何学的圧縮比が１４．０未満のレシプロエンジンにも上記の相関関係が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で幾何学的圧縮比が１３．０以上のレシプロエンジンにおける燃費向上に少なくとも有効である。

また、容積Ｖ２／容積Ｖ１の値が１５％の場合に干渉面積Ｓを小さくする方法としては、火炎がピストン３０と干渉しないことが挙げられ、したがって、半径ｒを、Ｖ２＝０．１５×Ｖ１となるように設定した場合に、ピストン３０が仮想球体ＩＳと干渉しないように形成することが望ましく、これによりピストン３０の運動方向であるＺ方向の下方向への火炎伝播を促進でき、エンジンの熱効率向上を図れる。また、これは例えば上記の凹部３３の形成によりなしえる。

次に、半径ｒ及び容積Ｖ２並びに面積Ｓの関係を、燃費向上の評価指標としてエンジンをコンピュータ上で設計する場合の手順の例を説明する。図７は、半径ｒ及び容積Ｖ２並びに面積Ｓの関係を燃費向上の評価指標とした場合のコンピュータが実行する処理の例を示すフローチャートである。

Ｓ１では、燃焼室４を規定するエンジン構成部品の設計データを読み込む。各構成部品は例えば３次元のソリッドモデルで定義される。Ｓ２ではＳ１で読み込んだ設計データに基づいて容積Ｖ１を演算する。Ｓ３では仮想球体ＩＳの半径ｒに初期値を設定する。初期値は予めプログラム上で定めておいてもよいし、ユーザが設定するようにしてもよい。Ｓ４ではＳ３で設定した半径ｒに基づいて仮想球体ＩＳの容積を演算する。Ｓ５では、仮想球体ＩＳと、燃焼室４を構成する構成部品との干渉部分を割り出し、その容積を算出する。

Ｓ５では、Ｓ４で演算した仮想球体ＩＳの容積からＳ５で演算した干渉部分の容積を差し引くことで、容積Ｖ２を演算する。Ｓ７ではＳ６で演算した容積Ｖ２が、Ｓ２で演算した容積Ｖ１の１５％か否かを判定する。該当する場合はＳ９へ進み、該当しない場合はＳ８へ進む。Ｓ８では半径ｒの値を変更してＳ４へ戻り、Ｓ７で容積Ｖ２が容積Ｖ１の１５％となるまでＳ４〜Ｓ８の処理を繰り返す。Ｓ８における半径ｒの変更は例えば、規定値分ずつ増加又は減少するようにすることができる。

Ｓ９では、容積Ｖ２が容積Ｖ１の１５％となったときの面積Ｓを演算する。Ｓ１０では、Ｓ／Ｖ２を演算し、演算結果を出力する。設計者は演算結果から構成部品の設計を変更するか、確定するかを判断することができる。設計者は演算結果が例えば０．１２（ｍｍ^-1）を超えていれば、構成部品を再設計することになろう。再設計する構成部品の対象としては、燃焼室４を規定するいずれの構成部品でもよいが、設計自由度の観点からピストン３０が簡便であろう。

このような処理をコンピュータ上で行うことで、設計者は試作品作成→実機試験→再設計という手順を繰り返さずとも、燃費向上についてある程度の見込みを立てることができ、効率的な設計が行える。

（ａ）は本発明の一実施形態に係るレシプロエンジンＡの燃焼室４近傍の構成を示す図、（ｂ）はピストン３０の斜視図である。仮想球体ＩＳの説明図である。容積Ｖ２と干渉面積Ｓの説明図である。（ａ）は実験に用いた一部のピストンの、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、（ｂ）は計測結果を燃費改善率と干渉面積Ｓ／容積Ｖ２との関係でまとめたデータの一部を示す図である。（ａ）及び（ｂ）は実験に使用したピストンの形状例を示す図である。容積Ｖ２／容積Ｖ１の値が１５％の場合における燃費改善率と干渉面積Ｓ／容積Ｖ２との関係を示す図である。半径ｒ及び容積Ｖ２並びに面積Ｓの関係を燃費向上の評価指標とした場合のコンピュータが実行する処理の例を示すフローチャートである。

符号の説明

Ａレシプロエンジン
ＣＰ点火点
１吸気弁
２排気弁
３点火プラグ
４燃焼室
３０ピストン
３２隆起部
３３凹部

Claims

幾何学的圧縮比が１３．０以上であって、火花点火式のレシプロエンジンにおいて、
ピストンの中心軸と直交する方向に、吸気弁、点火プラグ及び排気弁が順に設けられ、
前記ピストンの上面は、前記吸気弁側及び前記排気弁側からその中央に向かって隆起していると共に、凹部が設けられ、
前記ピストンの上面に相対するシリンダヘッドの天井面は、前記ピストン上面の隆起に対応して、前記吸気弁側及び前記排気弁側のそれぞれから中央に向かって、所定角度をなすように傾斜しており、
前記ピストンが上死点にあるときに前記ピストンの上面と前記シリンダヘッドの天井面との間に所定の隙間が形成されることによって燃焼室が形成され、
前記ピストンが上死点にある場合の前記燃焼室の容積をＶ１（ｍｍ^３）、前記点火プラグの点火点を中心とする半径ｒの仮想球体のうち、前記ピストンが上死点にある場合において前記燃焼室を画定する燃焼室内壁と干渉しない非干渉部分の容積をＶ２（ｍｍ^３）、前記ピストンが上死点にある場合において前記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（ｍｍ^２）、とした場合であって、
前記半径ｒを、
Ｖ２＝０．１５×Ｖ１
となるように設定した場合に、
前記ピストンが前記仮想球体と干渉しないと共に、
Ｓ／Ｖ２≦０．１２（ｍｍ^−１）
となるように前記燃焼室が形成されたことを特徴とするレシプロエンジン。
前記凹部を前記点火点の下方に設けたことを特徴とする請求項１に記載のレシプロエンジン。
前記半径ｒを、
Ｖ２＝０．１５×Ｖ１
となるように設定した場合に、
Ｓ／Ｖ２≦０．１０（ｍｍ^−１）
となるように前記燃焼室が形成されたことを特徴とする請求項１又は２に記載のレシプロエンジン。
幾何学的圧縮比が１４．０以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレシプロエンジン。
幾何学的圧縮比が１４．５以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレシプロエンジン。