JP5971321B2 - Combustion chamber structure of direct injection engine - Google Patents
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Description
ここに開示する技術は、直噴エンジンの燃焼室構造に関する。 The technology disclosed herein relates to a combustion chamber structure of a direct injection engine.
特許文献1には、冷却損失を低減することによってエンジンの熱効率を高める技術が開示されている。具体的には、吸気にオゾンを添加することによって燃焼を早め、それにより、燃焼室を区画する壁面まで到達する火炎を抑制している。壁面まで到達する火炎が抑制されることによって壁面に伝達する熱が低減されるので、冷却損失が低減される。
特許文献2には、ペントルーフ型の燃焼室構造が開示されている。このペントルーフ型の燃焼室構造では、シリンダヘッドの天井部が稜線で連結された2つの斜面を有するように形成されており、一方の斜面に吸気ポートの開口部が設けられ、他方の斜面に排気ポートの開口部が設けられている。これにより、比較的大きな吸排気バルブ径を確保しつつ、燃焼室容積を小さくしている。 Patent Document 2 discloses a pent roof type combustion chamber structure. In this pent roof type combustion chamber structure, the ceiling of the cylinder head is formed so as to have two slopes connected by a ridge line, an opening of an intake port is provided on one slope, and an exhaust is provided on the other slope. A port opening is provided. As a result, the combustion chamber volume is reduced while ensuring a relatively large intake and exhaust valve diameter.
特許文献2に開示されたようなペントルーフ型の燃焼室構造においては、吸気ポートから燃焼室内へ流入した吸気が、排気側で下降し、ピストン頂面に沿って吸気側へ方向を変え、吸気側では上昇し、シリンダヘッドの天井部近傍で排気側へ方向を変えるような縦渦の旋回流、即ち、タンブル流となる。ここで、天井部の近傍のタンブル流は、吸気側から排気側へ向かう流れとなっているので、天井部に配置された燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧がタンブル流に乗って、排気側へ飛びやすくなっている。その結果、燃料噴霧及び混合気が、燃焼室を区画する壁面のうち排気側の壁面に到達しやすくなり、冷却損失が増大する虞がある。 In the pent roof type combustion chamber structure as disclosed in Patent Document 2, the intake air that flows into the combustion chamber from the intake port descends on the exhaust side, changes direction toward the intake side along the piston top surface, and the intake side Then, it becomes a swirling flow of a vertical vortex that rises and changes its direction toward the exhaust side in the vicinity of the ceiling of the cylinder head, that is, a tumble flow. Here, since the tumble flow in the vicinity of the ceiling portion is a flow from the intake side to the exhaust side, the fuel spray injected from the fuel injection valve arranged on the ceiling portion rides on the tumble flow, and the exhaust side It is easy to fly to. As a result, the fuel spray and the air-fuel mixture easily reach the exhaust-side wall surface among the wall surfaces that define the combustion chamber, which may increase cooling loss.
ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、タンブル流による冷却損失の増大を防止することにある。 The technology disclosed herein has been made in view of such a point, and an object thereof is to prevent an increase in cooling loss due to the tumble flow.
ここに開示された直噴エンジンの燃焼室構造は、谷部で連結された2つのヘッド側斜面を含む天井部を有し、ペントルーフ型の燃焼室の一部を区画するシリンダヘッドと、稜部で連結され、2つの前記ヘッド側斜面と対向する2つのピストン側斜面を含む頂面を有し、シリンダに内挿されるピストンと、前記谷部に設けられた燃料噴射弁とを備え、一方の前記ヘッド側斜面には、吸気ポートが開口し、他方の前記ヘッド側斜面には、排気ポートが開口しており、前記各ヘッド側斜面の、前記谷部と反対側の端部には、該ヘッド側斜面から山折り状に屈曲して拡がるヘッド側裾面が設けられ、前記頂面には、凹陥するキャビティが前記稜部を横切って形成され、前記各ピストン側斜面の、前記稜部と反対側の端部には、該ピストン側斜面から谷折り状に屈曲して拡がるピストン側裾面が設けられ、前記各ヘッド側斜面と前記各ピストン側斜面との間から前記各ヘッド側裾面と前記各ピストン側裾面との間に亘って、屈曲したスキッシュエリアが形成され、前記排気ポート側における、前記ヘッド側斜面と前記ピストン側斜面との間のスキッシュエリアと前記ヘッド側裾面と前記ピストン側裾面との間のスキッシュエリアとのなす角は、前記吸気ポート側における、前記ヘッド側斜面と前記ピストン側斜面との間のスキッシュエリアと前記ヘッド側裾面と前記ピストン側裾面との間のスキッシュエリアとのなす角よりも大きい。 A combustion chamber structure of a direct injection engine disclosed herein has a ceiling portion including two head side slopes connected at a valley portion, and a ridge portion that defines a part of a pent roof type combustion chamber. And includes a piston inserted into the cylinder, and a fuel injection valve provided in the trough, and has a top surface including two piston-side inclined surfaces facing the two head-side inclined surfaces. An intake port is opened on the head-side slope, an exhaust port is opened on the other head-side slope, and the end of each head-side slope opposite to the trough is A head side hem surface that is bent and expanded in a mountain fold shape from the head side inclined surface is provided, and a concave cavity is formed across the ridge portion on the top surface, and the ridge portion of each piston side inclined surface and The opposite end has a trough from the piston side slope. A piston-side hem surface that bends and expands like a ring is provided, spanning between each head-side flank and each piston-side hem surface between each head-side flank and each piston-side flank, A bent squish area is formed, and on the exhaust port side, a squish area between the head-side inclined surface and the piston-side inclined surface and a squish area between the head-side skirt surface and the piston-side skirt surface are formed. The angle is larger than the angle formed by the squish area between the head-side slope and the piston-side slope and the squish area between the head-side bottom face and the piston-side bottom face on the intake port side.
この構成によれば、吸気ポート側と排気ポート側とのそれぞれにおいて、各ヘッド側斜面と各ピストン側斜面との間から各ヘッド側裾面と各ピストン側裾面との間に亘ってスキッシュエリアが形成される。ヘッド側斜面とヘッド側裾面とは屈曲し、ピストン側斜面とピストン側裾面とは屈曲しているので、スキッシュエリアも屈曲している。このスキッシュエリアにおいて発生したスキッシュ流は、ピストンの頂面に形成されたキャビティ内に流入する。 According to this configuration, on each of the intake port side and the exhaust port side, a squish area extends from between each head side inclined surface and each piston side inclined surface to between each head side bottom surface and each piston side bottom surface. Is formed. Since the head-side inclined surface and the head-side skirt surface are bent, and the piston-side inclined surface and the piston-side skirt surface are bent, the squish area is also bent. The squish flow generated in the squish area flows into a cavity formed on the top surface of the piston.
ここで、排気ポート側におけるヘッド側斜面とピストン側斜面との間のスキッシュエリア(以下、「斜面エリア」という)とヘッド側裾面とピストン側裾面との間のスキッシュエリア(以下、「裾エリア」という)とのなす角は、吸気ポート側における斜面エリアと裾エリアとのなす角よりも大きい。これにより、排気ポート側では、スキッシュ流が裾エリアから斜面エリアに流入する際の減衰が小さくなり、吸気ポート側では、スキッシュ流が裾エリアから斜面エリアに流入する際の減衰が大きくなる。その結果、排気側の裾エリア及び斜面エリアを通ってキャビティへ流入するスキッシュ流の方が、吸気側の裾エリア及び斜面エリアを通ってキャビティへ流入するスキッシュ流よりも強くなる。 Here, a squish area between the head-side slope and the piston-side slope on the exhaust port side (hereinafter referred to as “slope area”) and a squish area between the head-side bottom face and the piston-side bottom face (hereinafter referred to as “hem”). The angle formed by “area”) is larger than the angle formed by the slope area and the skirt area on the intake port side. Thereby, on the exhaust port side, the attenuation when the squish flow flows from the skirt area to the slope area becomes small, and on the intake port side, the attenuation when the squish flow flows from the skirt area to the slope area becomes large. As a result, the squish flow that flows into the cavity through the skirt area and the slope area on the exhaust side is stronger than the squish flow that flows into the cavity through the skirt area and the slope area on the intake side.
一方、キャビティにおいては、吸気ポートからの吸気流に起因するタンブル流が残留しており、シリンダヘッドの天井部近傍におけるタンブル流は、吸気側から排気側へ流れている。つまり、前述の排気側からのスキッシュ流は、シリンダヘッドの天井部近傍におけるタンブル流と打ち消し合う方向に流れ、吸気側からのスキッシュ流は、該タンブル流を助長する向きに流れる。前述のように、排気側からのスキッシュ流を強く、吸気側からのスキッシュ流を弱くすることによって、スキッシュ流によりタンブル流を弱めることができる。その結果、キャビティの内面のうち排気側の部分に到達する燃料噴霧及び混合気を低減することができる。 On the other hand, in the cavity, the tumble flow due to the intake flow from the intake port remains, and the tumble flow near the ceiling of the cylinder head flows from the intake side to the exhaust side. That is, the squish flow from the exhaust side flows in a direction that cancels out the tumble flow in the vicinity of the ceiling of the cylinder head, and the squish flow from the intake side flows in a direction that promotes the tumble flow. As described above, by increasing the squish flow from the exhaust side and weakening the squish flow from the intake side, the tumble flow can be weakened by the squish flow. As a result, the fuel spray and the air-fuel mixture that reach the exhaust side portion of the inner surface of the cavity can be reduced.
尚、「ヘッド側斜面とピストン側斜面との間のスキッシュエリア(斜面エリア)とヘッド側裾面とピストン側裾面との間のスキッシュエリア(裾エリア)とのなす角」とは、ヘッド側斜面とピストン側斜面との間の中間面とヘッド側裾面とピストン側裾面との間の中間面とのなす角であって、180度よりも小さい方のなす角を意味する。 The “angle between the squish area (slope area) between the head-side slope and the piston-side slope and the squish area (hem area) between the head-side skirt and the piston-side skirt” refers to the head side. An angle formed by an intermediate surface between the inclined surface and the piston-side inclined surface, and an intermediate surface between the head-side skirt surface and the piston-side skirt surface, which is an angle formed by a smaller angle than 180 degrees.
また、前記ヘッド側裾面及びピストン側裾面は、前記シリンダの軸心に直交していてもよい。 Further, the head side skirt surface and the piston side skirt surface may be orthogonal to the axis of the cylinder.
この構成によれば、裾エリアはシリンダの軸心に直交し且つ、排気ポート側の斜面エリアと裾エリアとのなす角が相対的に大きいので、シリンダの軸心に対する排気側の斜面エリアの傾斜角は、相対的に大きくなる。そのため、排気側からのスキッシュ流は、シリンダの軸心に対して直交する方向の成分、すなわち、燃焼噴射弁から噴射された燃料噴霧の側方に当たる成分が多くなる。これにより、燃料噴射弁から噴射され且つタンブル流に乗って排気側の斜め下方へ流れてくる燃料噴霧及び混合気を排気側の斜め下方へ、即ち、キャビティの底壁の方へ押し戻すことができる。その結果、排気側に広がりやすい燃料噴霧をコンパクトにまとめることができる。 According to this configuration, the skirt area is perpendicular to the cylinder axis and the angle between the exhaust port side slope area and the skirt area is relatively large. The corner is relatively large. Therefore, the squish flow from the exhaust side has a larger component in the direction orthogonal to the cylinder axis, that is, a component corresponding to the side of the fuel spray injected from the combustion injection valve. As a result, fuel spray and air-fuel mixture injected from the fuel injection valve and flowing on the tumble flow and flowing obliquely downward on the exhaust side can be pushed back obliquely downward on the exhaust side, that is, toward the bottom wall of the cavity. . As a result, the fuel spray that tends to spread to the exhaust side can be compactly collected.
一方、シリンダの軸心に対する吸気側の斜面エリアの傾斜角は、相対的に大きくなる。これにより、吸気側からのスキッシュ流は、キャビティ内に流入する際に、燃料噴射弁の噴口に向かう成分が多くなる。その結果、燃料噴霧の飛散距離を抑制し、キャビティの内周面に到達する燃料噴霧を低減することができる。 On the other hand, the inclination angle of the inclined area on the intake side with respect to the axial center of the cylinder is relatively large. Thereby, when the squish flow from the intake side flows into the cavity, a component toward the injection port of the fuel injection valve increases. As a result, the scattering distance of the fuel spray can be suppressed, and the fuel spray reaching the inner peripheral surface of the cavity can be reduced.
また、前記排気ポート側の前記ヘッド側裾面は、前記吸気ポート側の前記ヘッド側裾面よりも、前記シリンダの軸心の方向において前記谷部側に配置され、前記排気ポート側の前記ピストン側裾面は、前記吸気ポート側の前記ピストン側裾面よりも、前記シリンダの軸心の方向において前記稜部側に配置されていてもよい。 Further, the head-side hem surface on the exhaust port side is disposed closer to the valley side in the axial direction of the cylinder than the head-side hem surface on the intake port side, and the piston on the exhaust port side The side hem surface may be arranged closer to the ridge portion in the axial direction of the cylinder than the piston side hem surface on the intake port side.
前記の構成によれば、シリンダの軸心に対する吸気ポート側のヘッド側斜面の傾斜角が排気ポート側のヘッド側斜面よりも小さいので、谷部はシリンダの軸心よりも吸気ポート側にずれる傾向にある。それに対し、排気ポート側のヘッド側裾面の、シリンダの軸心方向の位置を、吸気ポート側のヘッド側裾面よりも谷部側に配置することによって、谷部をシリンダの軸心に近づけることができる。谷部には燃料噴射弁が設けられているので、谷部をシリンダの軸心に近づけることによって、燃料噴射弁をシリンダの軸心に近づけることができる。 According to the above configuration, the inclination angle of the head-side slope on the intake port side with respect to the axis of the cylinder is smaller than the head-side slope on the exhaust port side, so that the valley portion tends to shift to the intake port side with respect to the cylinder axis. It is in. On the other hand, by arranging the position of the head side hem surface on the exhaust port side in the axial direction of the cylinder closer to the valley side than the head side hem surface on the intake port side, the valley portion is brought closer to the axis of the cylinder. be able to. Since the fuel injection valve is provided in the valley, the fuel injection valve can be brought close to the axis of the cylinder by bringing the valley close to the axis of the cylinder.
同様に、シリンダの軸心に対する吸気ポート側のピストン側斜面の傾斜角が排気ポート側のピストン側斜面よりも小さいので、稜部はシリンダの軸心よりも吸気ポート側にずれる傾向にある。それに対し、排気ポート側のピストン側裾面の、シリンダの軸心方向の位置を、吸気ポート側のピストン側裾面よりも稜部側に配置することによって、稜部をシリンダの軸心に近づけることができる。稜部を横切るようにしてキャビティが形成されているので、稜部をシリンダの軸心に近づけることによって、キャビティをシリンダの軸心に近づけることができる。 Similarly, since the inclination angle of the piston side inclined surface on the intake port side with respect to the cylinder axis is smaller than that on the exhaust port side, the ridge portion tends to be shifted to the intake port side from the cylinder axis. On the other hand, the position of the piston side hem surface on the exhaust port side in the axial direction of the cylinder is arranged closer to the ridge side than the piston side hem surface on the intake port side, thereby bringing the ridge portion closer to the axis of the cylinder. be able to. Since the cavity is formed so as to cross the ridge, the cavity can be brought closer to the cylinder center by bringing the ridge closer to the cylinder axis.
それに加えて、前記谷部には、前記燃料噴射弁を配設するための凹部が形成され、前記燃料噴射弁の噴口は、前記凹部内に設けられていてもよい。 In addition, a recess for arranging the fuel injection valve may be formed in the trough, and a nozzle hole of the fuel injection valve may be provided in the recess.
この構成によれば、燃料噴射弁の噴口は、凹部内に設けられている。噴口は凹部の内周壁に囲まれた状態となっているので、噴口から噴射された燃料噴霧は、凹部の内周壁にガイドされながら燃焼室内に拡がっていく。このとき、凹部の内周壁の有無及び大きさに応じて、燃焼噴霧の広がり及び飛散距離は変わる。詳しくは、燃料噴霧は、周辺の空気を巻き込むことによって、巻き込んだ空気に助長され、飛散距離が長くなる性質がある。それに対し、燃料噴霧の周囲に凹部の内周壁が存在すると、燃料噴霧に巻き込まれる空気が少ないので、燃料噴霧の飛散距離が低減される。ここで、谷部がシリンダの軸心から大きくずれた構成において、燃料噴射弁をシリンダの軸心の近くに配置しようとすると、燃料噴射弁を谷部ではなく、一方のヘッド側斜面に凹部を形成し、その凹部内に燃料噴射弁を配置することになる。その場合、ヘッド側斜面は傾斜しているので、凹部の内周壁は、燃料噴射弁の噴口の全周囲に亘って均一ではなく、谷部に近い側では内周壁が短く、谷部から離れた側では内周壁が長くなる。その結果、谷部に近い側では燃料噴霧の飛散距離が長くなり、谷部から離れた側では燃料噴霧の飛散距離が短くなり、燃料噴霧の形状が不均一になる。それに対し、前述のように、排気ポート側のヘッド側裾面の、シリンダの軸心方向の位置を、吸気ポート側のヘッド側裾面よりも谷部側に配置することによって、谷部をシリンダの軸心に近づけることができる。谷部がシリンダの軸心に近ければ、谷部に凹部を形成し、該凹部に燃料噴射弁を配設することができる。その結果、凹部の内周壁を、吸気側と排気側とで同様の形状とすることができ、燃料噴霧の飛散条件を吸気側と排気側とで同様にすることができる。 According to this configuration, the nozzle hole of the fuel injection valve is provided in the recess. Since the nozzle hole is surrounded by the inner peripheral wall of the recess, the fuel spray injected from the nozzle port spreads into the combustion chamber while being guided by the inner peripheral wall of the recess. At this time, the spread and scattering distance of the combustion spray vary depending on the presence and size of the inner peripheral wall of the recess. Specifically, fuel spray has the property of entraining surrounding air and being encouraged by the entrained air, thereby increasing the scattering distance. On the other hand, if the inner peripheral wall of the recess exists around the fuel spray, the amount of air entrained in the fuel spray is small, so that the scattering distance of the fuel spray is reduced. Here, in a configuration in which the valley portion is largely deviated from the axis of the cylinder, if the fuel injection valve is arranged near the axis of the cylinder, the recess is not formed on the valley portion but on one of the head side slopes. The fuel injection valve is formed in the recess. In that case, since the slope on the head side is inclined, the inner peripheral wall of the recess is not uniform over the entire periphery of the injection port of the fuel injection valve, and the inner peripheral wall is short on the side close to the valley part and separated from the valley part. On the side, the inner wall becomes longer. As a result, the scattering distance of the fuel spray becomes longer on the side closer to the valley, and the scattering distance of the fuel spray becomes shorter on the side away from the valley, resulting in a non-uniform fuel spray shape. On the other hand, as described above, the position of the head-side hem surface on the exhaust port side in the axial direction of the cylinder is arranged closer to the valley side than the head-side hem surface on the intake port side. It can be close to the axis. If the valley is close to the axis of the cylinder, a recess can be formed in the valley and a fuel injection valve can be provided in the recess. As a result, the inner peripheral wall of the recess can have the same shape on the intake side and the exhaust side, and the spraying condition of the fuel spray can be the same on the intake side and the exhaust side.
また、前記ヘッド側裾面は、前記シリンダヘッドのうちシリンダブロックとの合わせ面よりも没入した位置に設けられていてもよい。 Further, the head side hem surface may be provided at a position where the head is immersed more than a mating surface with the cylinder block in the cylinder head.
それに加えて、前記ヘッド側裾面と前記シリンダヘッドの合わせ面との間には、該合わせ面に向かうにつれて前記シリンダの軸心から離れるように傾斜しながら該ヘッド側裾面と該合わせ面と繋ぐヘッド側テーパ面が設けられ、前記ピストン側裾面と前記ピストンの側周面との間には、該側周面に向かうにつれて前記シリンダの軸心から離れるように傾斜しながら該ピストン側裾面と該側周面と繋ぐピストン側テーパ面が設けられ、前記ヘッド側テーパ面と前記ピストン側テーパ面との間にスキッシュエリアが形成されてもよい。 In addition, the head-side hem surface and the mating surface are inclined between the head-side hem surface and the mating surface of the cylinder head while being inclined away from the axis of the cylinder toward the mating surface. A connecting head side taper surface is provided, and the piston side hem is inclined between the piston side hem surface and the side circumferential surface of the piston while being inclined away from the axial center of the cylinder toward the side circumferential surface. A piston-side taper surface connecting the surface and the side peripheral surface may be provided, and a squish area may be formed between the head-side taper surface and the piston-side taper surface.
この構成によれば、ヘッド側裾面及びピストン側裾面よりも外周側のヘッド側テーパ面とピストン側テーパ面との間でもスキッシュ流が発生する。このヘッド側テーパ面とピストン側テーパ面との間で発生したスキッシュ流も、裾エリア及び斜面エリアを通ってキャビティへ流入する。 According to this configuration, a squish flow is also generated between the head-side tapered surface and the piston-side tapered surface on the outer peripheral side of the head-side skirt surface and the piston-side skirt surface. The squish flow generated between the head-side tapered surface and the piston-side tapered surface also flows into the cavity through the skirt area and the slope area.
さらに、幾何学的圧縮比は、15以上に設定されていてもよい。 Furthermore, the geometric compression ratio may be set to 15 or more.
このように幾何学的圧縮比が大きなエンジンにおいては、スキッシュエリアが比較的大きく、キャビティが比較的小さくなるので、スキッシュ流が比較的強くなる。このスキッシュ流を有効に活用することによって、タンブル流に起因する冷却損失の増大を抑制することができる。 In an engine having such a large geometric compression ratio, the squish area is relatively large and the cavity is relatively small, so that the squish flow is relatively strong. By effectively using this squish flow, an increase in cooling loss due to the tumble flow can be suppressed.
前記の直噴エンジンの燃焼室構造によると、タンブル流による冷却損失の増大を防止することができる。 According to the combustion chamber structure of the direct injection engine, an increase in cooling loss due to the tumble flow can be prevented.
以下、実施形態を図面に基づいて説明する。以下の説明は例示である。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. The following description is exemplary.
図1は、実施形態に係るエンジン1の構成を示している。エンジン1のクランクシャフト15は、図示しないが、変速機を介して駆動輪に連結されている。エンジン1の出力が駆動輪に伝達されることによって、車両が推進する。ここで、エンジン1の燃料は、本実施形態ではガソリンであるが、バイオエタノール等を含むガソリンであってもよく、少なくともガソリンを含む液体燃料であれば、どのような燃料であってもよい。
FIG. 1 shows a configuration of an
エンジン1は、シリンダブロック12と、その上に載置されるシリンダヘッド13とを備えており、シリンダブロック12の内部に複数のシリンダ11が形成されている(図1では、1つのみ示す)。エンジン1は、多気筒エンジンである。シリンダブロック12及びシリンダヘッド13の内部には、図示は省略するが冷却水が流れるウォータージャケットが形成されている。各シリンダ11内には、コネクティングロッド14を介してクランクシャフト15に連結されたピストン16が摺動自在に嵌挿されている。ピストン16は、シリンダ11及びシリンダヘッド13と共に燃焼室17を区画している。
The
本実施形態では、燃焼室17の天井部130(シリンダヘッド13の下面)は、吸気ポート18の開口部180が設けられかつ、シリンダ11の中央に向かって登り勾配となった吸気側斜面131と、排気ポート19の開口部190が設けられかつ、シリンダ11の中央に向かって登り勾配となった排気側斜面132と、吸気側斜面131と排気側斜面132とを連結する谷部133とを備えている。燃焼室17は、ペントルーフ型の燃焼室である。尚、谷部133は、ペントルーフの稜部であり、シリンダ11のボア中心(軸心)を通る場合、及び通らない場合の両方があり得る。吸気側斜面131及び排気側斜面132は、ヘッド側斜面の一例である。
In the present embodiment, the ceiling portion 130 (the lower surface of the cylinder head 13) of the
また、ピストン16の頂面160は、天井部130の吸気側斜面131及び排気側斜面132に対応するように三角屋根状に隆起している。具体的には、頂面160は、吸気側においてピストン16の中央に向かって登り勾配となった吸気側斜面161と、排気側においてピストン16の中央に向かって登り勾配となった排気側斜面162と、吸気側斜面161と排気側斜面162とを連結する稜部163(図3参照)とを有する。吸気側斜面161は、吸気側斜面131と対向し、排気側斜面162は、排気側斜面132と対向する。稜部163は、谷部133と対向している。これにより、このエンジン1の幾何学的圧縮比は、15以上の高い圧縮比に設定されている。また、ピストン16の頂面160には、凹状のキャビティ164が形成されている。ピストン16の頂面160の形状については、後で詳述する。吸気側斜面161及び排気側斜面162は、ピストン側斜面の一例である。
Further, the
図1には1つのみ示すが、シリンダ11毎に2つの吸気ポート18がシリンダヘッド13に形成されている。吸気ポート18の開口部180は、シリンダヘッド13の吸気側斜面131に、エンジン出力軸(つまり、クランクシャフト15)の方向に並んで設けられ、吸気ポート18は、この開口部180を通じて燃焼室17に連通している。2つの吸気ポート18の開口部180は、シリンダ11のボア中心に対して対称に配設されていると共に、吸気ポート18のスロート部の軸線は、シリンダ11のボア中心に対して対称となるように設けられている。同様に、シリンダ11毎に2つの排気ポート19がシリンダヘッド13に形成されている。排気ポート19の開口部190は、シリンダヘッド13の排気側斜面132に、エンジン出力軸の方向に並んで設けられ、排気ポート19は、この開口部190を通じて燃焼室17に連通している。2つの排気ポート19の開口部190は、シリンダ11のボア中心に対して対称に配設されている。
Although only one is shown in FIG. 1, two
吸気ポート18は、吸気通路181に接続されている。吸気通路181には、図示は省略するが、吸気流量を調節するスロットル弁が介設されている。排気ポート19は、排気通路191に接続されている。排気通路191には、図示は省略するが、1つ以上の触媒コンバータを有する排気ガス浄化システムが配設されている。触媒コンバータは、三元触媒を含む。
The
シリンダヘッド13には、吸気弁21及び排気弁22が、それぞれ吸気ポート18及び排気ポート19を燃焼室17から遮断(閉)することができるように配設されている。吸気弁21は吸気弁駆動機構により、排気弁22は排気弁駆動機構により、それぞれ駆動される。吸気弁21及び排気弁22は所定のタイミングで往復動して、それぞれ吸気ポート18及び排気ポート19を開閉し、シリンダ11内のガス交換を行う。吸気弁駆動機構及び排気弁駆動機構は、図示は省略するが、それぞれ、クランクシャフト15に駆動連結された吸気カムシャフト及び排気カムシャフトを有し、これらのカムシャフトはクランクシャフト15の回転と同期して回転する。吸気弁駆動機構及び排気弁駆動機構は、この例では、吸気カムシャフトの位相を所定の角度範囲内で連続的に変更可能な、液圧式又は電動式の位相可変機構(Variable Valve Timing:VVT)23、24を、少なくとも含んで構成されている。尚、吸気弁駆動機構及び/又は排気弁駆動機構は、VVT23、24と共に、弁リフト量を変更可能なリフト可変機構を備えるようにしてもよい。リフト可変機構は、リフト量を連続的に変更可能なCVVL(Continuous Variable Valve Lift)としてもよい。尚、吸気弁21及び排気弁22を駆動する動弁機構は、どのようなものであってもよく、例えば油圧式や電磁式の駆動機構を採用してもよい。
The
シリンダヘッド13には、燃焼室17内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁6が取り付けられている。つまり、エンジン1は、直噴エンジンである。燃料噴射弁6は、天井部130の谷部133に設けられ、図2に示すように、シリンダ11の軸心(ボア中心)Xに対して、エンジン出力軸方向の一側(図2における紙面左側であり、これは、この実施形態ではエンジン1において反トランスミッション側の、いわゆるエンジン前側に相当する)に、ずれて配設されている。谷部133には、燃料噴射弁6を配設するための凹部133aが形成されている(図4も参照)。燃料噴射弁6の噴口は、凹部133a内に配置され、燃焼室17内に臨んでいる。燃料噴射弁6はまた、その噴射軸心が、シリンダ11の軸心に沿うように配設されている。燃料噴射弁6は、キャビティ164に対向するように設けられている。燃料噴射弁6は、このキャビティ164内に向かって、燃料を噴射する。
A
燃料噴射弁6は、詳細は後述するが、図2に概念的に示すように、燃焼室17内(つまり、キャビティ164内)に、(可燃)混合気層と、その周囲の断熱ガス層とが形成可能に構成されている。燃料噴射弁6は、例えば外開弁式の燃料噴射弁としてもよい。外開弁式の燃料噴射弁は、リフト量を調整することにより、噴射する燃料噴霧の粒径を変更することが可能である。本願出願人が先に出願した特願2013−242597号に開示しているように、この外開弁式の燃料噴射弁の特性を利用して、多段噴射を基本とした燃料噴射態様を、適宜制御することにより、燃料噴霧の進行方向への飛散距離及び燃料噴霧の噴射軸心に対する広がりを調整することができるため、圧縮上死点付近のタイミングで燃料を噴射することにより、キャビティ164の中央部に混合気層を、その外周囲に断熱ガス層を形成することが可能である。また、外開弁式の燃料噴射弁に限らず、VOC(Valve Covered Orifice)ノズルタイプのインジェクタも、ノズル口に発生するキャビテーションの度合い調整することにより、噴口の有効断面積を変更して、噴射する燃料噴霧の粒径を変更することが可能である。従って、外開弁式の燃料噴射弁と同様に、圧縮上死点付近のタイミングで噴射する燃料噴霧の進行方向への飛散距離及び燃料噴霧の噴射軸心に対する広がりを調整することにより、キャビティ164内の中央部に混合気層を、その外周囲に断熱ガス層を形成することが可能である。
As will be described in detail later, the
また、ヒータによって所定の温度まで加熱した燃料を、高圧雰囲気の燃焼室17内に噴射することにより、燃料を超臨界状態とすることによっても、キャビティ164内の中央部に混合気層を、その外周囲に断熱ガス層を形成することが可能である。この技術は、燃焼室17内に噴射した燃料を瞬時に気化させることによって燃料噴霧のペネトレーションが短くなり、図2に示すように、キャビティ164内における燃料噴射弁6の近傍に、混合気層を形成するものである。尚、燃料噴射弁は、例えば複数の噴口を有するマルチホールタイプの燃料噴射弁において、燃料を加熱するヒータを備えて構成される。また、この構成以外の燃料噴射弁であってもよい。こうした燃料噴射弁の構成は、公知であるため、ここでの詳細な説明は省略する。
In addition, by injecting the fuel heated to a predetermined temperature by the heater into the
シリンダヘッド13には、点火プラグ7が取り付けられている。点火プラグ7は、図2に示すように、天井部130の谷部133に設けられ、シリンダ11のボア中心Xに対してエンジン出力軸方向の他側(つまり、エンジン後側)にずれて配設されている。点火プラグ7は、先端が燃料噴射弁6に近づく方向に、シリンダ11の軸線に対し傾いて配設されている。これにより、燃料噴射弁6と点火プラグ7とは、シリンダ11のボア中心X近傍に、互いに近接して配設される。
A spark plug 7 is attached to the
このエンジン1は、前述したように、幾何学的圧縮比εが15以上に設定されている。幾何学的圧縮比は、40以下とすればよく、特に20以上35以下が好ましい。エンジン1は圧縮比が高いほど膨張比も高くなる構成から、高圧縮比と同時に、比較的高い膨張比を有するエンジン1でもある。このエンジン1は、基本的には全運転領域でシリンダ11内に噴射した燃料を圧縮着火により燃焼させるよう構成されており、高い幾何学的圧縮比は、圧縮着火燃焼を安定化する。
As described above, the
燃焼室17は、シリンダ11の内周面と、ピストン16の頂面160と、シリンダヘッド13の下面(天井部130)と、吸気弁21及び排気弁22それぞれのバルブヘッドの面と、によって区画形成されている。冷却損失を低減すべく、これらの区画面に、遮熱層を設けることによって、燃焼室17が遮熱化されている。遮熱層は、これらの区画面の全てに設けてもよいし、これらの区画面の一部に設けてもよい。また、燃焼室17を直接区画する壁面ではないが、吸気ポート18や排気ポート19における、燃焼室17の天井部130側の開口近傍のポート壁面に遮熱層を設けてもよい。
The
これらの遮熱層は、燃焼室17内の燃焼ガスの熱が、区画面を通じて放出されることを抑制するため、燃焼室17を構成する金属製の母材よりも熱伝導率が低く設定される。
These thermal barrier layers are set to have a lower thermal conductivity than the metal base material constituting the
また、遮熱層は、冷却損失を低減する上で、母材よりも容積比熱が小さいことが好ましい。つまり、遮熱層の熱容量を小さくして、燃焼室17の区画面の温度が、燃焼室17内のガス温度の変動に追従して変化するようにすることが好ましい。
Further, the heat shielding layer preferably has a volumetric specific heat smaller than that of the base material in order to reduce cooling loss. That is, it is preferable to reduce the heat capacity of the heat shield layer so that the temperature of the section screen of the
前記遮熱層は、例えば、母材上にZrO2等のセラミック材料をプラズマ溶射によってコーティングして形成すればよい。このセラミック材料の中には、多数の気孔を含んでいてもよい。このようにすれば、遮熱層の熱伝導率及び容積比熱をより低くすることができる。 The thermal barrier layer may be formed, for example, by coating a ceramic material such as ZrO 2 on the base material by plasma spraying. The ceramic material may contain a number of pores. If it does in this way, the thermal conductivity and volume specific heat of a thermal insulation layer can be made lower.
本実施形態では、前記の燃焼室の遮熱構造に加えて、シリンダ11内(つまり、燃焼室17内)においてガス層による断熱層を形成することで、冷却損失を大幅に低減するようにしている。 In the present embodiment, in addition to the heat shield structure of the combustion chamber, a heat insulation layer is formed by a gas layer in the cylinder 11 (that is, in the combustion chamber 17), so that the cooling loss is greatly reduced. Yes.
具体的には、燃焼室17内の外周部に新気を含むガス層が形成されかつ中心部に混合気層が形成されるように、圧縮行程以降において燃料噴射弁6の噴射先端からキャビティ164内に燃料を噴射させることにより、図2に示すように、燃料噴射弁6の近傍の、キャビティ164内の中心部に混合気層が形成されかつ、その周囲に新気を含むガス層が形成されるという、成層化が実現する。尚、ここでいう混合気層は、可燃混合気によって構成及び形成される層であり、可燃混合気は、例えば当量比φ=0.1以上の混合気としてもよい。ガス層は、新気のみであってもよく、新気に加えて、既燃ガス(EGRガス)を含んでいてもよい。尚、ガス層に少量の燃料が混じっても問題はなく、ガス層が断熱層の役割を果たせるように混合気層よりも燃料リーンであればよい。
Specifically, the
前記のようにガス層と混合気層とが形成された状態で燃料が圧縮着火燃焼すれば、混合気層とシリンダ11の壁面との間のガス層により、混合気層の火炎のシリンダ11の壁面への接触が抑制され、そのガス層が断熱層となって、シリンダ11の壁面からの熱の放出を抑えることができるようになる。この結果、冷却損失を大幅に低減することができる。 If the fuel is compressed and ignited and burned in the state where the gas layer and the mixture layer are formed as described above, the gas layer between the mixture layer and the wall surface of the cylinder 11 causes the flame of the mixture layer flame cylinder 11. The contact with the wall surface is suppressed, and the gas layer becomes a heat insulating layer, so that release of heat from the wall surface of the cylinder 11 can be suppressed. As a result, the cooling loss can be greatly reduced.
尚、冷却損失を低減させるだけでは、その冷却損失の低減分が排気損失に転換されて図示熱効率の向上にはあまり寄与しないところ、このエンジン1では、高圧縮比化に伴う高膨張比化によって、冷却損失の低減分に相当する燃焼ガスのエネルギを、機械仕事に効率よく変換している。すなわち、エンジン1は、冷却損失及び排気損失を共に低減させる構成を採用することによって、図示熱効率を大幅に向上させているということができる。
It should be noted that if the cooling loss is simply reduced, the reduced cooling loss is converted into exhaust loss and does not contribute much to the improvement in the illustrated thermal efficiency. The energy of the combustion gas corresponding to the reduced cooling loss is efficiently converted into mechanical work. That is, it can be said that the illustrated thermal efficiency is greatly improved in the
このような混合気層とガス層とを燃焼室17内に形成するために、燃料を噴射するタイミングにおいては、燃焼室17内のガス流動は弱いことが望ましい。そのため、吸気ポートは、燃焼室17内でスワールが生じない、又は、生じ難いようなストレート形状を有していると共に、タンブル流もできるだけ弱くなるように、構成されている。
In order to form such an air-fuel mixture layer and a gas layer in the
次に、燃焼室を構成するピストン16の頂面160の形状について、図を参照しながらさらに詳細に説明をする。図3は、ピストン16の頂面160の形状を示す斜視図である。図3における紙面右手前が吸気側、紙面左奥が排気側であり、紙面左手前がエンジン出力軸方向の一側(つまり、エンジン前側)、紙面右奥がエンジン出力軸方向の他側(つまり、エンジン後側)である。
Next, the shape of the
前述したように、ピストン16の頂面160は、図3に示すように、吸気側斜面161と排気側斜面162とがそれぞれ、ピストン16の中央に向かって登り勾配となって構成されており、これにより、ピストン16の頂面160は、エンジン出力軸における一方の側から、エンジン出力軸に沿う方向にピストン16を見たときに、両側それぞれから中央部に向かって次第に隆起した三角屋根状を成している。
As described above, the
吸気側斜面161は、相対的に凹んだバルブリセス161aと、相対的に突出した島状部161bとを有している。バルブリセス161aの表面及び島状部161bの表面は、実質的に平坦な面である。バルブリセス161aは、開動作を行うときの吸気弁21との干渉を避けるための部分である。バルブリセス161aは、平面視で吸気弁21の外形よりも少し大きい形状をしている。天井部130の吸気側斜面131には2つの吸気弁21が近接して設けられ且つ吸気弁21のバルブヘッドの外形は円形状であるので、バルブリセス161aは、2つの円が部分的に重なり合ったような形状をしている。バルブリセス161aがこのような形状に形成された結果、吸気側斜面161のうち稜部163とは反対側の部分であって2つの吸気弁21のバルブヘッドの間に相当する部分に略三角形状の島状部161bが形成される。
The intake-side
排気側斜面162は、相対的に凹んだバルブリセス162aと、相対的に突出した島状部162bとを有している。バルブリセス162aの表面及び島状部162bの表面は、実質的に平坦な面である。バルブリセス162aは、開動作を行うときの排気弁22との干渉を避けるための部分である。バルブリセス162aは、平面視で排気弁22の外形よりも少し大きい形状をしている。天井部130の排気側斜面132には2つの排気弁22が近接して設けられ且つ排気弁22のバルブヘッドの外形は円形状であるので、バルブリセス162aは、2つの円が部分的に重なり合ったような形状をしている。バルブリセス162aがこのような形状に形成された結果、排気側斜面162のうち稜部163とは反対側の部分であって2つの排気弁22のバルブヘッドの間に相当する部分に略三角形状の島状部162bが形成される。
The
稜部163は、尖鋭な形状ではなく、湾曲したR面となっており、吸気側斜面161と排気側斜面162とを滑らかに連結している。稜部163は、エンジン出力軸方向に延びている。
The
また、ピストン16の頂面160は、ピストン16の側周面16aと稜部163との間に設けられ、稜部163に向かうにつれてキャビティ164に近づくように傾斜しながら側周面16aと稜部163とを繋ぐテーパ面165をさらに有する。テーパ面165のうち側周面16a側の部分165aは、円錐の側面で形成されており、頂面160の外周部の全域に亘って設けられている。テーパ面165のうち稜部163側の部分165bは、側周面16a側の部分165aよりもシリンダ11の軸心に対する傾斜角が大きくなっており、頂面160の外周部の全域ではなく、稜部163よりも半径方向外側だけに設けられている。このテーパ面165は、シリンダヘッド13の天井部130の湾曲形状に対応して設けられている。これは、エンジン1の幾何学的圧縮比を高くする上で有利な構成である。
Further, the
前述したように、ピストン16の頂面160にはキャビティ164が凹陥している。キャビティ164は、図2に示すように、開口縁から凹陥するに従い、その大きさが次第に縮小するように設けられており、キャビティ164は、ピストン16の頂面160に連続する側壁1641と、側壁1641に連続する底壁1642とから構成されている。図2に示すように、ピストン16の中心を通る縦断面において、キャビティ164は、バスタブのような形状を有している。側壁1641は、ピストン16の頂面160及び底壁1642とは異なる角度を有しており、ピストン16の頂面160と側壁1641との間、及び、側壁1641と底壁1642との間には、それぞれR面が設けられている。
As described above, the
キャビティ164は、図3に示すように、略楕円形状の開口縁164aを有する。この楕円は、広義の楕円であり、オーバル形状や長円形状も含む。キャビティ164はまた、図2に示すように、その中心位置(より正確には、キャビティ164の最大幅に相当する箇所において吸気側の端縁と排気側との端縁との中点でかつ、エンジン出力軸方向の一側の端縁と他側の端点との中点である中心位置)が、燃料噴射弁6の噴射軸心に一致するように設けられている。これは、前述したように、キャビティ164内の中心部に混合気層を形成する上で有利な構成である。前述したように、燃料噴射弁6の噴射軸心は、エンジン出力軸方向の一側にずれているため、キャビティ164もまた、ピストン16の頂面160において、ピストン16の中心に対し、エンジン出力軸方向の一側にずれて位置することになる。
As shown in FIG. 3, the
キャビティ164は、稜部163を横切って吸気側斜面161及び排気側斜面162に亘って形成されている。これにより、稜部163は、キャビティ164を挟んで2つに分割される。また、キャビティ164の開口縁164aが略楕円形状であり且つ、吸気側斜面161及び排気側斜面162は下り勾配なので、吸気側斜面161及び排気側斜面162の一部はそれぞれ、キャビティ164によって抉られる。吸気側斜面161及び排気側斜面162におけるキャビティ164の開口縁164aは、両側の稜部163から次第に下方に窪むように湾曲した形状となっている。さらに、キャビティ164が前述のようにシリンダ11のボア中心からずれて設けられることに伴い、吸気側斜面161及び排気側斜面162におけるキャビティ164の開口縁164aもまた、図2に示すように、ボア中心に対称となるのではなく、エンジン出力軸方向の一側にずれることになる。それに加え、エンジン出力軸方向の一側の稜部163が相対的に短くかつ、エンジン出力軸方向の他側の稜部163が相対的に長くなる。
The
このように、シリンダヘッド13の天井部130に対応させて、ピストン16の頂面160を隆起させた構成においては、スキッシュエリアが大きくなる。詳しくは、燃焼室17は、図2に示すように、シリンダヘッド13の天井部130とピストン16のキャビティ164とで囲まれた主燃焼室171と、シリンダヘッド13の天井部130とピストン16の頂面160とで挟まれたスキッシュエリアとを有している。スキッシュエリアにおいては、圧縮行程の終盤(上死点近傍)に、キャビティ164の方へ向かうスキッシュ流が発生する。スキッシュ流は、キャビティ164の開口縁164aからキャビティ164内へ流入する。
Thus, in the configuration in which the
スキッシュエリアには、シリンダヘッド13の谷部133とピストン16の稜部163との間の稜部スキッシュエリア172(図2参照)と、主にシリンダヘッド13の吸気側斜面131とピストン16の吸気側斜面161との間に形成された吸気側スキッシュエリア173(図4参照)と、主にシリンダヘッド13の排気側斜面132とピストン16の排気側斜面162との間に形成された排気側スキッシュエリア174(図4参照)とが含まれる。稜部スキッシュエリア172は、図2に示すように、キャビティ164を挟んで2箇所に形成される。また、吸気側スキッシュエリア173と排気側スキッシュエリア174とは、図4に示すように、キャビティ164を挟んで対向する位置に配置されている。
The squish area includes a ridge squish area 172 (see FIG. 2) between the
ここで、吸気側スキッシュエリア173及び排気側スキッシュエリア174について詳細に説明する。図5は、図4における吸気側スキッシュエリア173の拡大図であり、図6は、図4における排気側スキッシュエリア174の拡大図である。
Here, the intake
図5に示すように、シリンダヘッド13の吸気側斜面131の、谷部133と反対側の端部には、該吸気側斜面131から山折り状に屈曲して拡がる吸気側裾面134が設けられている。吸気側裾面134は、シリンダヘッド13のうちシリンダブロックとの合わせ面13aよりも没入した位置に設けられ、シリンダ11の軸心Xに直交している。吸気側裾面134とシリンダヘッド13の合わせ面13aとの間には、合わせ面13aに向かうにつれてシリンダ11の軸心Xから離れるように傾斜しながら吸気側裾面134と合わせ面13aと繋ぐ吸気側テーパ面135が設けられている。吸気側裾面134は、ヘッド側裾面の一例であり、吸気側テーパ面135は、ヘッド側テーパ面の一例である。
As shown in FIG. 5, an intake-
一方、ピストン16の吸気側斜面161の、稜部163(図5では図示省略)と反対側の端部には、該吸気側斜面16から谷折り状に屈曲して拡がる吸気側裾面166が設けられている。吸気側裾面166は、シリンダ11の軸心Xに直交している。吸気側裾面166とピストン16の側周面16aとの間には、側周面16aに向かうにつれてシリンダ11の軸心Xから離れるように傾斜しながら吸気側裾面166と側周面16aと繋ぐテーパ面165aが設けられている。このテーパ面165aは、前述の側周面16aと稜部163とを繋ぐテーパ面165の側周面16a側の部分165aであり、円錐の側面で形成されている。吸気側裾面166は、ピストン側裾面の一例であり、テーパ面165aは、ピストン側テーパ面の一例である。
On the other hand, at the end of the
こうして、吸気側斜面131と吸気側斜面161との間から吸気側裾面134と吸気側裾面166との間、さらには、吸気側テーパ面135とテーパ面165aとの間に亘って、屈曲した吸気側スキッシュエリア173が形成されている。吸気側スキッシュエリア173は、吸気側斜面131と吸気側斜面161との間の吸気側斜面エリア173aと、吸気側裾面134と吸気側裾面166との間の吸気側裾エリア173bと、吸気側テーパ面135とテーパ面165aとの間の吸気側テーパエリア173cとを含んでいる。
In this way, it is bent between the intake side inclined
図6に示すように、シリンダヘッド13の排気側斜面132の、谷部133と反対側の端部には、該排気側斜面132から山折り状に屈曲して拡がる排気側裾面136が設けられている。排気側裾面136は、シリンダヘッド13の合わせ面13aよりも没入した位置に設けられ、シリンダ11の軸心Xに直交している。排気側裾面136は、吸気側裾面134よりも、シリンダ11の軸心Xの方向において谷部133側に配置されている。すなわち、排気側裾面136は、吸気側裾面134よりも合わせ面13aから没入している。排気側裾面136とシリンダヘッド13の合わせ面13aとの間には、合わせ面13aに向かうにつれてシリンダ11の軸心Xから離れるように傾斜しながら排気側裾面136と合わせ面13aと繋ぐ排気側テーパ面137が設けられている。排気側裾面136は、ヘッド側裾面の一例であり、排気側テーパ面137は、ヘッド側テーパ面の一例である。
As shown in FIG. 6, an exhaust
一方、ピストン16の排気側斜面162の、稜部163(図6では図示省略)と反対側の端部には、該吸気側斜面161から谷折り状に屈曲して拡がる排気側裾面168が設けられている。排気側裾面168は、シリンダ11の軸心Xに直交している。排気側裾面168は、吸気側裾面166よりも、シリンダ11の軸心Xの方向において稜部163側に配置されている。すなわち、排気側裾面168は、吸気側裾面166よりも隆起している。排気側裾面168とピストン16の側周面16aとの間には、側周面16aに向かうにつれてシリンダ11の軸心Xから離れるように傾斜しながら排気側裾面168と側周面16aと繋ぐテーパ面165aが設けられている。このテーパ面165aは、前述の側周面16aと稜部163とを繋ぐテーパ面165の側周面16a側の部分165aであり、円錐の側面で形成されている。排気側裾面168は、ピストン側裾面の一例であり、テーパ面165aは、ピストン側テーパ面の一例である。
On the other hand, at the end of the
こうして、排気側斜面132と排気側斜面162との間から排気側裾面136と排気側裾面168との間、さらには、排気側テーパ面137とテーパ面165aとの間に亘って、屈曲した排気側スキッシュエリア174が形成されている。排気側スキッシュエリア174は、排気側斜面132と排気側斜面162との間の排気側斜面エリア174aと、排気側裾面136と排気側裾面168との間の排気側裾エリア174bと、排気側テーパ面137とテーパ面165aとの間の排気側テーパエリア174cとを含んでいる。
In this way, it is bent from between the exhaust side inclined
これら吸気側スキッシュエリア173及び排気側スキッシュエリア174で発生したスキッシュ流は、半径方向外側にはシリンダ11の内周面等によって行き場が無いので、半径方向内側のキャビティ164へ流入する。
The squish flow generated in the intake-
ここで、排気側斜面エリア174aと排気側裾エリア174bとのなす角α2は、吸気側斜面エリア173aと吸気側裾エリア173bとのなす角α1よりも大きい。尚、「吸気側斜面エリア173aと吸気側裾エリア173bとのなす角α1」とは、吸気側斜面131と吸気側斜面161との間の中間面と吸気側裾面134と吸気側裾面166との間の中間面とのなす角であって且つ、180度よりも小さい方のなす角を意味する。「排気側斜面エリア174aと排気側裾エリア174bとのなす角α2」とは、排気側斜面132と排気側斜面162との間の中間面と排気側裾面136と排気側裾面168との間の中間面とのなす角であって且つ、180度よりも小さい方のなす角を意味する。つまり、排気側斜面エリア174aと排気側裾エリア174bとの屈曲の程度は、吸気側斜面エリア173aと吸気側裾エリア173bとの屈曲の程度よりも小さい。
Here, the angle α2 formed by the exhaust
こうすることで、吸気側においてスキッシュ流が吸気側裾エリア173bから吸気側斜面エリア173aに流入する際の減衰が大きくなる。一方、排気側においてスキッシュ流が排気側裾エリア174bから排気側斜面エリア174aに流入する際の減衰が小さくなる。その結果、排気側スキッシュエリア174を通ってキャビティ164へ流入するスキッシュ流の方が、吸気側スキッシュエリア173を通ってキャビティ164へ流入するスキッシュ流よりも強くなる。
By doing so, the attenuation when the squish flow flows into the intake
キャビティ164においては、図4に示すように、タンブル流Tが残留している。排気側からのスキッシュ流を相対的に強くすることによって、タンブル流Tを抑制することができる。詳しくは、吸気ポートの開口部180を通じてシリンダ11内に流入する吸気は、排気側においてシリンダ11の内周面に沿うように下降した後、ピストン16の頂面160において吸気側に向かうように流れ、吸気側においてシリンダ11の内周面に沿うように上昇し、天井部130において排気側へ向かうように流れ、タンブル流Tを形成する。このように、天井部130の近傍においては、タンブル流Tが吸気側から排気側へ流れている。天井部130の谷部133には、燃料噴射弁6が設けられており、燃料噴射弁6から噴射された燃料噴霧及び混合気がこのタンブル流Tに乗ると、燃料噴霧及び混合気がキャビティ164の排気側の側壁1641へ到達しやすい。このようなタンブル流Tに対し、排気側からのスキッシュ流S2は、タンブル流Tと打ち消し合う方向に流れ、吸気側からのスキッシュ流S1は、該タンブル流Tを助長する向きに流れる。そして、排気側からのスキッシュ流S2が強く、吸気側からのスキッシュ流S1が弱くなっているので、全体として、スキッシュ流によりタンブル流T1を弱めることができる。その結果、キャビティ164の排気側の側壁1641に到達する燃料噴霧及び混合気を低減することができる。
In the
それに加え、シリンダ11の軸心Xに対する排気側斜面エリア174aの傾斜角β2は、シリンダ11の軸心Xに対する吸気側斜面エリア173aの傾斜角β1よりも大きい。これにより、排気側からのスキッシュ流は、吸気側からのスキッシュ流に比べて、燃料噴射弁6の噴口へ向かう成分が少なく、軸心Xと直交する方向に向かう成分やキャビティ164の底壁1642に向かう成分が多くなる。つまり、燃料噴射弁6から噴射され且つタンブル流Tに乗って排気側の斜め下方へ流れそうになる燃料噴霧を吸気側の斜め下方に押し戻すことができる。これにより、燃料噴霧をコンパクトにまとめ、キャビティ164の排気側の側壁1641に到達する燃料噴霧及び混合気をより一層低減することができる。一方、吸気側からのスキッシュ流は、排気側からのスキッシュ流に比べて、燃料噴射弁6の噴口へ向かう成分が多くなる。これにより、燃料噴霧の飛散距離を抑制し、吸気側においてキャビティ164の側壁1641及び底壁1642に到達する燃料噴霧を低減することができる。
In addition, the inclination angle β2 of the exhaust
また、排気側裾面136は、吸気側裾面134よりも、軸心Xの方向において谷部133側に配置されている。
Further, the exhaust
これにより、吸気側斜面131と排気側斜面132とが交わる部分である谷部133がシリンダ11の軸心Xに近づく。前述のように、吸気側斜面131の傾斜角と排気側斜面132の傾斜角とが異なるので、吸気側裾面134と排気側裾面136との軸心Xの方向の位置が同じであれば、谷部133がシリンダ11の軸心Xからずれる。それに対し、排気側裾面136を軸心Xの方向において谷部133側に配置することによって、軸心Xに対する傾斜角が相対的に大きい排気側斜面132を軸心Xの方向において谷部133側に平行移動させることができる。その結果、谷部133がシリンダ11の軸心Xに近づくようになる。
As a result, a
そして、谷部133には、燃料噴射弁6が設けられているので、谷部133を軸心Xに近づけることによって、燃料噴射弁6を軸心Xに近づけることができる。つまり、燃焼室17内において軸心Xの近傍に混合気を形成できるようになる。
And since the
さらに詳しくは、谷部133には、図2,4に示すように、燃料噴射弁6を配設するための凹部133aが形成されている。燃料噴射弁6の噴口は、凹部133aの内周壁に囲まれた状態となっている。凹部133aの内周壁の有無及び大きさに応じて、燃焼噴霧の広がり及び飛散距離は変わる。詳しくは、燃料噴霧は、周辺の空気を巻き込むことによって、巻き込んだ空気に助長され、飛散距離が長くなる性質がある。それに対し、燃料噴霧の周囲に凹部133aの内周壁が存在すると、燃料噴霧に巻き込まれる空気が少ないので、燃料噴霧の飛散距離が低減される。ここで、谷部133がシリンダ11の軸心Xから大きくずれた構成において、燃料噴射弁6を軸心Xの近くに配置しようとすると、燃料噴射弁6を谷部133ではなく、吸気側斜面131又は排気側斜面132に配置することになり、凹部も吸気側斜面131又は排気側斜面132に形成されることになる。その場合、吸気側斜面131及び排気側斜面132は傾斜しているので、凹部の内周壁は、燃料噴射弁6の噴口の全周囲に亘って均一ではなく、谷部133に近い側では内周壁が短く、谷部133から離れた側では内周壁が長くなる。その結果、谷部133に近い側では燃料噴霧の飛散距離が長くなり、谷部133から離れた側では燃料噴霧の飛散距離が短くなり、燃料噴霧の形状が不均一になる。それに対し、前述のように、排気側裾面136を吸気側裾面134よりも軸心Xの方向において谷部133側に配置することによって、谷部133を軸心Xに近づけることができる。谷部133が軸心Xに近ければ、谷部133に凹部133aを形成し、該凹部133aに燃料噴射弁6を配設することができる。その結果、凹部133aの内周壁を、吸気側と排気側とで同様の形状とすることができ、燃料噴霧の飛散条件を吸気側と排気側とで同様にすることができる。これにより、燃料噴霧の形状を排気側と吸気側とで均一にすることができる。
More specifically, as shown in FIGS. 2 and 4, the
同様に、ピストン16の排気側裾面168は、吸気側裾面166よりも軸心Xの方向において稜部163側に配置されている。
Similarly, the exhaust
軸心Xに対する吸気側斜面161の傾斜角が排気側斜面162よりも小さいので、稜部163は軸心Xよりも吸気側にずれる傾向にある。それに対し、排気側裾面168の軸心X方向の位置を、吸気側裾面166よりも稜部163側に配置することによって、稜部163を軸心Xに近づけることができる。稜部163を横切るようにしてキャビティ164が形成されているので、稜部163を軸心X近づけることによって、キャビティ164を軸心Xに近づけることができる。つまり、軸心Xの近傍において燃焼を行わせることができる。
Since the inclination angle of the intake side inclined
さらに、本実施形態では、吸気側裾エリア173b及び排気側裾エリア174bを形成するために、吸気側裾面134及び排気側裾面136をシリンダヘッド13の合わせ面13aよりも没入させている。これにより、吸気側裾面134及び排気側裾面136、さらには、吸気側テーパ面135及び排気側テーパ面137に形成した遮熱層の剥離の可能性を低減することができる。例えば、吸気側裾面134又は排気側裾面136をシリンダヘッド13の合わせ面13aに形成する構成もあり得る。その場合、吸気側裾面134又は排気側裾面136に遮熱層を形成すると、合わせ面13aに遮熱層が形成されることになる。合わせ面13aは、シリンダヘッド13の外表面を形成し、外部に露出するので、シリンダヘッド13の搬送中等に他の物体と接触する可能性がある。そのため、合わせ面13aに遮熱層を形成すると、遮熱層が他の物体と接触して剥離する虞がある。それに対し、吸気側裾面134及び排気側裾面136は、合わせ面13aから没入した位置に設けられているので、吸気側裾面134及び排気側裾面136に遮熱層を形成しても、遮熱層が外部に露出しない。そのため、遮熱層の剥離の可能性を低減することができる。また、吸気側裾面134及び排気側裾面136を合わせ面13aから没入させた結果、吸気側テーパ面135及び排気側テーパ面137も合わせ面13aから没入させることができる。これにより、吸気側テーパ面135及び排気側テーパ面137に形成された遮熱層の剥離の可能性も低減される。
Further, in the present embodiment, the intake
さらに、吸気側裾面166又は排気側裾面168をシリンダ11の軸心Xに対して直交する面に形成することによって、該吸気側裾面166又は排気側裾面168をピストン16の組付け精度の確認に利用することができる。例えば、ピストン16の組付け後に、ピストン16の上死点位置等を該該吸気側裾面166又は排気側裾面168を利用して確認することができる。
Further, by forming the intake
以上のように、エンジン1の燃焼室構造は、谷部133で連結された吸気側斜面131及び排気側斜面132を含む天井部130を有し、ペントルーフ型の燃焼室17の一部を区画するシリンダヘッド13と、稜部163で連結され、天井部130の吸気側斜面131及び排気側斜面132と対向する吸気側斜面161及び排気側斜面162を含む頂面160を有し、シリンダ11に内挿されるピストン16と、谷部133に設けられた燃料噴射弁6とを備え、吸気側斜面131には、吸気ポート18が開口し、排気側斜面132には、排気ポート19が開口しており、吸気側斜面131及び排気側斜面132のそれぞれの、谷部133と反対側の端部には、吸気側斜面131及び排気側斜面132から山折り状に屈曲して拡がる吸気側裾面134及び排気側裾面136が設けられ、頂面160には、凹陥するキャビティ164が稜部163を横切って形成され、吸気側斜面161及び排気側斜面162のそれぞれの、稜部163と反対側の端部には、吸気側斜面161及び排気側斜面162から谷折り状に屈曲して拡がる吸気側裾面166及び排気側裾面168が設けられ、吸気側斜面131と吸気側斜面161との間から吸気側裾面134と吸気側裾面166との間に亘って、屈曲した吸気側スキッシュエリア173が形成されると共に、排気側斜面132と排気側斜面162との間から排気側裾面136と排気側裾面168との間に亘って、屈曲した排気側スキッシュエリア174が形成され、排気側斜面エリア174aと排気側裾エリア174bとのなす角α2は、吸気側斜面エリア173aと吸気側裾エリア173bとのなす角α1よりも小さくなっている。
As described above, the combustion chamber structure of the
この構成によれば、排気側スキッシュエリア174からキャビティ164に流入するスキッシュ流S2を、吸気側スキッシュエリア173からキャビティ164に流入するスキッシュ流S1よりも強くすることができる。排気側からのスキッシュ流を強くすることによって、天井部130の近傍におけるタンブル流Tを弱めることができる。その結果、キャビティ164の側壁1641に到達する燃料噴霧及び混合気を低減することができ、冷却損失を低減することができる。
According to this configuration, the squish flow S2 flowing into the
また、エンジン1の幾何学的圧縮比は、15以上に設定されている。
The geometric compression ratio of the
このように幾何学的圧縮比が大きなエンジン1においては、スキッシュエリアが比較的大きく、キャビティ164が比較的小さくなるので、スキッシュ流が比較的強くなる。このスキッシュ流を有効に活用することによって、タンブル流に起因する冷却損失の増大を抑制することができる。
In the
《その他の実施形態》
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、前記実施形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。また、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
<< Other Embodiments >>
As described above, the embodiment has been described as an example of the technique disclosed in the present application. However, the technology in the present disclosure is not limited to this, and can also be applied to an embodiment in which changes, replacements, additions, omissions, and the like are appropriately performed. Moreover, it is also possible to combine each component demonstrated by the said embodiment and it can also be set as new embodiment. In addition, among the components described in the accompanying drawings and detailed description, not only the components essential for solving the problem, but also the components not essential for solving the problem in order to exemplify the above technique May also be included. Therefore, it should not be immediately recognized that these non-essential components are essential as those non-essential components are described in the accompanying drawings and detailed description.
前記実施形態について、以下のような構成としてもよい。 About the said embodiment, it is good also as following structures.
ピストン16の構成は一例に過ぎず、これに限定されるものではない。例えば、キャビティ164がオフセットして配置されているが、キャビティ164がボア中心に配置されていてもよい。また、バルブリセスや島状部の形状も任意に設定することができる。
The configuration of the
例えば、図7に示すように、稜部163を島状部で構成してもよい。稜部163の島状部は、排気側斜面162のバルブリセス162aから段差状に隆起すると共に、吸気側斜面161のバルブリセス161aから段差状に隆起している。ただし、稜部163の表面は、一様に湾曲したR面となっている。
For example, as shown in FIG. 7, the
また、図7の構成に限らず、吸気側斜面161の島状部161bを削除して、吸気側斜面161を実質的に平坦な面としてもよい。同様に、排気側斜面162の島状部162bを削除して、排気側斜面162を実質的に平坦な面としてもよい。つまり、吸気側斜面161、排気側斜面162及び稜部163における島状部の有無は任意に設定することができる。
Further, the configuration is not limited to the configuration shown in FIG. Similarly, the island-
また、吸気側裾面134、排気側裾面136、吸気側裾面166及び排気側裾面168は、シリンダ11の軸心Xに対して直交していなくてもよい。すなわち、吸気側裾面134、排気側裾面136、吸気側裾面166及び排気側裾面168は、シリンダ11の軸心Xに対して傾斜していてもよい。
Further, the intake-
さらに、スキッシュエリアの間隔は、一定でなくてもよい。例えば、吸気側スキッシュエリア173の間隔がキャビティ164に向かって徐々に拡がっていてもよい。
Further, the interval between the squish areas may not be constant. For example, the interval between the intake-
また、吸気側テーパ面135、排気側テーパ面137及びテーパ面165aを省略して、吸気側テーパエリア173c及び排気側テーパエリア174cを省略してもよい。
Further, the intake
以上説明したように、ここに開示された技術は、直噴エンジンの燃焼室構造について有用である。 As described above, the technology disclosed herein is useful for the combustion chamber structure of a direct injection engine.
1 エンジン
11 シリンダ
12 シリンダブロック
13 シリンダヘッド
130 天井部
131 吸気側斜面(ヘッド側斜面)
132 排気側斜面(ヘッド側斜面)
133 谷部
133a 凹部
134 吸気側裾面(ヘッド側裾面)
135 吸気側テーパ面(ヘッド側テーパ面)
136 排気側裾面(ヘッド側裾面)
137 排気側テーパ面(ヘッド側テーパ面)
16 ピストン
160 頂面
161 吸気側斜面(ピストン側斜面)
162 排気側斜面(ピストン側斜面)
163 稜部
164 キャビティ
165a テーパ面(ピストン側テーパ面)
166 吸気側裾面(ピストン側裾面)
168 排気側裾面(ピストン側裾面)
17 燃焼室
173 吸気側スキッシュエリア
173a 吸気側斜面エリア
173b 吸気側裾エリア
173c 吸気側テーパエリア
174 排気側スキッシュエリア
174a 排気側斜面エリア
174b 排気側裾エリア
174c 排気側テーパエリア
18 吸気ポート
19 排気ポート
6 燃料噴射弁
X 軸心
1 Engine 11
132 Exhaust side slope (head side slope)
133
135 Intake side taper surface (head side taper surface)
136 Exhaust side bottom surface (head side bottom surface)
137 Exhaust side taper surface (head side taper surface)
16
162 Exhaust side slope (piston side slope)
163
166 Inlet side hem surface (piston side hem surface)
168 Exhaust side bottom surface (piston side bottom surface)
17
Claims (7)
稜部で連結され、2つの前記ヘッド側斜面と対向する2つのピストン側斜面を含む頂面を有し、シリンダに内挿されるピストンと、
前記谷部に設けられた燃料噴射弁とを備え、
一方の前記ヘッド側斜面には、吸気ポートが開口し、他方の前記ヘッド側斜面には、排気ポートが開口しており、
前記各ヘッド側斜面の、前記谷部と反対側の端部には、該ヘッド側斜面から山折り状に屈曲して拡がるヘッド側裾面が設けられ、
前記頂面には、凹陥するキャビティが前記稜部を横切って形成され、
前記各ピストン側斜面の、前記稜部と反対側の端部には、該ピストン側斜面から谷折り状に屈曲して拡がるピストン側裾面が設けられ、
前記各ヘッド側斜面と前記各ピストン側斜面との間から前記各ヘッド側裾面と前記各ピストン側裾面との間に亘って、屈曲したスキッシュエリアが形成され、
前記排気ポート側における、前記ヘッド側斜面と前記ピストン側斜面との間のスキッシュエリアと前記ヘッド側裾面と前記ピストン側裾面との間のスキッシュエリアとのなす角は、前記吸気ポート側における、前記ヘッド側斜面と前記ピストン側斜面との間のスキッシュエリアと前記ヘッド側裾面と前記ピストン側裾面との間のスキッシュエリアとのなす角よりも小さい直噴エンジンの燃焼室構造。 A cylinder head having a ceiling part including two head side slopes connected by a valley part and defining a part of a pent roof type combustion chamber;
A piston having a top surface including two piston-side inclined surfaces that are connected at a ridge and are opposed to the two head-side inclined surfaces;
A fuel injection valve provided in the valley,
An intake port is opened on one of the head side slopes, and an exhaust port is opened on the other head side slope,
Each of the head side slopes is provided with a head side hem surface that is bent and expanded in a mountain fold shape from the head side slope on the end opposite to the valley.
On the top surface, a recessed cavity is formed across the ridge,
Each piston-side inclined surface is provided with a piston-side hem surface that is bent and expanded in a valley fold shape from the piston-side inclined surface at the end opposite to the ridge portion,
A bent squish area is formed between each head-side slope and each piston-side slope between each head-side bottom face and each piston-side bottom face,
On the exhaust port side, the angle formed by the squish area between the head side slope and the piston side slope and the squish area between the head side bottom face and the piston side bottom face is on the intake port side. A combustion chamber structure of a direct injection engine smaller than an angle formed by a squish area between the head side slope and the piston side slope and a squish area between the head side bottom face and the piston side bottom face.
前記ヘッド側裾面及びピストン側裾面は、前記シリンダの軸心に直交している直噴エンジンの燃焼室構造。 The combustion chamber structure of a direct injection engine according to claim 1,
The combustion chamber structure of a direct-injection engine in which the head side skirt surface and the piston side skirt surface are orthogonal to the axis of the cylinder.
前記排気ポート側の前記ヘッド側裾面は、前記吸気ポート側の前記ヘッド側裾面よりも、前記シリンダの軸心の方向において前記谷部側に配置され、
前記排気ポート側の前記ピストン側裾面は、前記吸気ポート側の前記ピストン側裾面よりも、前記シリンダの軸心の方向において前記稜部側に配置されている直噴エンジンの燃焼室構造。 The combustion chamber structure of a direct injection engine according to claim 2,
The head-side hem surface on the exhaust port side is disposed closer to the valley side in the axial direction of the cylinder than the head-side hem surface on the intake port side,
The piston chamber bottom surface on the exhaust port side is a combustion chamber structure of a direct injection engine arranged on the ridge side in the axial direction of the cylinder with respect to the piston side bottom surface on the intake port side.
前記谷部には、前記燃料噴射弁を配設するための凹部が形成され、
前記燃料噴射弁の噴口は、前記凹部内に設けられている直噴エンジンの燃焼室構造。 In the combustion chamber structure of the direct injection engine according to claim 3,
The trough is formed with a recess for disposing the fuel injection valve,
The injection port of the fuel injection valve is a combustion chamber structure of a direct injection engine provided in the recess.
前記ヘッド側裾面は、前記シリンダヘッドのうちシリンダブロックとの合わせ面よりも没入した位置に設けられている直噴エンジンの燃焼室構造。 In the combustion chamber structure of a direct injection engine according to any one of claims 1 to 4,
The combustion chamber structure of a direct-injection engine in which the said head side skirt surface is provided in the position where it was immersed rather than the mating surface with a cylinder block among the said cylinder heads.
前記ヘッド側裾面と前記シリンダヘッドの合わせ面との間には、該合わせ面に向かうにつれて前記シリンダの軸心から離れるように傾斜しながら該ヘッド側裾面と該合わせ面と繋ぐヘッド側テーパ面が設けられ、
前記ピストン側裾面と前記ピストンの側周面との間には、該側周面に向かうにつれて前記シリンダの軸心から離れるように傾斜しながら該ピストン側裾面と該側周面と繋ぐピストン側テーパ面が設けられ、
前記ヘッド側テーパ面と前記ピストン側テーパ面との間にスキッシュエリアが形成される直噴エンジンの燃焼室構造。 The combustion chamber structure of a direct injection engine according to claim 5,
A head-side taper between the head-side hem surface and the mating surface of the cylinder head is connected to the head-side hem surface and the mating surface while being inclined away from the axis of the cylinder toward the mating surface. A surface is provided,
Between the piston side hem surface and the side peripheral surface of the piston, a piston connected to the piston side hem surface and the side peripheral surface while being inclined away from the axial center of the cylinder toward the side peripheral surface Side tapered surface is provided,
A combustion chamber structure of a direct injection engine in which a squish area is formed between the head-side tapered surface and the piston-side tapered surface.
幾何学的圧縮比は、15以上に設定されている直噴エンジンの燃焼室構造。 The combustion chamber structure of a direct injection engine according to any one of claims 1 to 6,
A combustion chamber structure of a direct injection engine in which the geometric compression ratio is set to 15 or more.
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