JP6467972B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に関する。

従来の内燃機関としては、例えば特許文献１に記載されているようなディーゼルエンジンが知られている。特許文献１に記載のディーゼルエンジンは、シリンダと、このシリンダ内に配置されると共に、頂面の中央部にキャビティ部が形成されたピストンと、シリンダの上部に配置されたシリンダヘッドと、このシリンダヘッドに配置され、キャビティ部の外周部へ向けて燃料を噴射するインジェクタとを備えている。キャビティ部のリップ部には、ピストンの頂面の外周部に対してシリンダ下側へ窪んで段差を成す段付部がシリンダ周方向の全周に渡って形成されている。

特開２０１２−１８９０４１号公報

しかしながら、上記従来技術においては、以下の問題点が存在する。即ち、ピストンが圧縮上死点付近に達したときにインジェクタから燃料を噴射する場合には、スキッシュエリアの空気が十分に利用されず、スモークの発生の要因となる。また、シリンダのボア壁付近の低温エリアに燃料が到達し、燃料が燃焼しないクエンチ現象が発生し、結果的に未燃分の燃料が増加してしまう。

本発明の目的は、スモーク及び未燃分の燃料を低減することができる内燃機関を提供することである。

本発明の一態様は、燃料を燃焼させて動力を発生する内燃機関において、シリンダと、シリンダ内に往復昇降自在に配置されたピストンと、ピストンの上方に配置され、シリンダ及びピストンと協働して燃焼室を形成するシリンダヘッドと、シリンダヘッドに取り付けられ、燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁とを備え、ピストンの上端縁部には、ピストンの外側に向かって高くなるような段付部が設けられており、ピストンにおける段付部よりも内側には、燃焼室の少なくとも一部を構成する凹状のキャビティ部が設けられており、シリンダヘッドの下部には、段付部の形状に対応する形状を有する凸部が設けられていることを特徴とする。

このような内燃機関においては、ピストンの上端縁部に、ピストンの外側に向かって高くなるような段付部を設け、シリンダヘッドの下部に、段付部の形状に対応する形状を有する凸部を設けることにより、燃焼室のスキッシュエリアが凸部によって減少する。このため、ピストンが圧縮上死点または圧縮上死点付近に達した状態では、燃焼室に存在する空気の大部分がキャビティ部に入り込む。従って、燃料噴射弁から噴射される燃料の燃焼に利用される空気が増加する。これにより、スモークを低減することができる。また、燃料が噴射されたときにシリンダのボア壁付近の低温エリアに到達する燃料が減少するため、燃料が燃焼しないクエンチ現象が発生しにくくなる。これにより、未燃分の燃料を低減することができる。

凸部の先端面は、平面状を呈していてもよい。この場合には、燃料噴射の貫徹力を確保しつつ、燃料を流動させることができる。

また、ピストンの昇降位置を検出する位置検出部と、位置検出部によりピストンが圧縮上死点または圧縮上死点付近に達したことが検出されたときに、燃料のメイン噴射を実施するように燃料噴射弁を制御する制御部とを更に備えてもよい。この場合には、燃料のメイン噴射が実施される際に、スモーク及び未燃分の燃料を低減することができる。

本発明によれば、スモーク及び未燃分の燃料を低減することができる内燃機関が提供される。

一実施形態の内燃機関としてディーゼルエンジンを示す概略構成図である。 図１に示されたエンジン本体の構造及び動作を示す断面図である。 図１に示されたＥＣＵにより実行されるインジェクタ制御の処理手順を示すフローチャートである。 図１に示されたインジェクタによる燃料の噴射パターンと熱発生率波形とを示すグラフである。 比較例として、従来のエンジン本体の一つの構造及び動作を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面において、同一または同等の要素には同じ符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、一実施形態の内燃機関としてディーゼルエンジンを示す概略構成図である。図１において、本実施形態のディーゼルエンジン（以下、単にエンジン）１は、燃料を燃焼させて動力を発生する直噴式の４気筒直列ディーゼルエンジンである。

エンジン１は、エンジン本体２を備えている。エンジン本体２は、４つのシリンダ３と、各シリンダ３に対応して設けられた各燃焼室４（後述）に燃料を噴射する４つのインジェクタ（燃料噴射弁）５とを有している。エンジン本体２については、後で詳述する。

エンジン１は、各インジェクタ５と接続されたコモンレール６を更に備えている。コモンレール６は、高圧燃料を貯留すると共に、高圧燃料を各インジェクタ５に供給する。

エンジン１は、エンジン本体２にインテークマニホールド７を介して接続され、燃焼室４に空気を吸入するための吸気通路８と、エンジン本体２にエキゾーストマニホールド９を介して接続され、燃焼室４において燃焼された後の排気ガスを排出するための排気通路１０とを更に備えている。

吸気通路８には、上流側から下流側に向けてエアクリーナー１１、ターボ過給機１２のコンプレッサ１３、インタークーラー１４及びスロットルバルブ１５が配設されている。排気通路１０には、上流側から下流側に向けてターボ過給機１２のタービン１６及び触媒付きＤＰＦ１７が配設されている。

エンジン１は、燃焼後の排気ガスの一部を排気再循環ガス（ＥＧＲガス）として燃焼室４に還流する排気再循環（ＥＧＲ）ユニット１８を更に備えている。ＥＧＲユニット１８は、吸気通路８とエキゾーストマニホールド９とを接続するＥＧＲ通路１９を有している。ＥＧＲ通路１９には、エキゾーストマニホールド９側から吸気通路８側に向けてＥＧＲクーラ２０及びＥＧＲバルブ２１が配設されている。ＥＧＲ通路１９には、バイパス通路２２がＥＧＲクーラ２０をバイパスするように接続されている。

図２は、図１に示されたエンジン本体２の構造及び動作を示す断面図である。図２において、エンジン本体２は、上記のシリンダ３と、このシリンダ３内に往復昇降自在に配置されピストン２３と、このピストン２３の上方に配置され、シリンダ３及びピストン２３と協働して上記の燃焼室４を形成するシリンダヘッド２４と、このシリンダヘッド２４に取り付けられ、燃焼室４に燃料を噴射する上記のインジェクタ５とを備えている。

燃焼室４は、シリンダ３のボア壁３ａとシリンダヘッド２４とピストン２３とで囲まれる空間である。ピストン２３は、クランク軸（図示せず）にコンロッド２５を介して連結されている。

ピストン２３の上端縁部には、ピストン２３の全周にわたってピストン２３の径方向外側に向かって高くなるような環状の段付部２６が設けられている。段付部２６は、断面湾曲形状を有している。具体的には、段付部２６は、上段面を構成する頂面２６ａと、この頂面２６ａよりもピストン２３の径方向内側（中心側）に配置され、下段面を構成する底面２６ｂと、頂面２６ａと底面２６ｂとの間に配置された断面湾曲形状の内周面２６ｃとを有している。

ピストン２３における段付部２６よりも径方向内側には、燃焼室４の少なくとも一部を構成する凹状のキャビティ部２７が設けられている。キャビティ部２７は、断面略半円形状の環状溝部２８を有している。環状溝部２８は、キャビティ部２７の外側（段付部２６側）領域に配置されている。キャビティ部２７は、圧縮行程において所定の圧縮比が得られるような容積を有している。段付部２６とキャビティ部２７との境界部は、リップ部２９を構成している。

シリンダヘッド２４の下部には、段付部２６の形状に対応する形状を有する凸部３０が設けられている。凸部３０は、シリンダヘッド２４のベース面２４ａから下側（ピストン２３側）に突出している。凸部３０は、底面視円形状を呈している。

凸部３０の先端面３０ａ（シリンダヘッド２４の下端面）は、平面状を呈している。ここでいう平面とは、外観上の平面であり、肉眼では分からない微小の凹凸を有する面も含まれる。凸部３０の外周面３０ｂは、段付部２６の内周面２６ｃの形状に対応して断面湾曲形状を呈している。

インジェクタ５は、シリンダヘッド２４の凸部３０の中心部に取り付けられている。インジェクタ５は、燃料を燃焼室４に向けて所定の噴射角（図２中の１点鎖線参照）で放射状に噴射する。

図１に戻り、エンジン１は、クランク角センサ３１と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）３２とを更に備えている。クランク角センサ３１は、ピストン２３と連結されるクランク軸（図示せず）の回転角度であるクランク角を検出することにより、シリンダ３に対するピストン２３の昇降位置を検出する位置検出部である。

ＥＣＵ３２は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程という１サイクル毎に、燃焼室４に空気を吸入するようにスロットルバルブ１５を制御すると共に、各インジェクタ５から燃焼室４に燃料を噴射させるように各インジェクタ５を制御する。ＥＣＵ３２は、クランク角センサ３１の検出値に基づいて各インジェクタ５を制御する制御部である。

図３は、ＥＣＵ３２により実行されるインジェクタ制御の処理手順を示すフローチャートである。

図３において、ＥＣＵ３２は、まずクランク角センサ３１の検出値に基づいて、ピストン２３が圧縮上死点に向かって上昇途中の所定位置に達したかどうかを判断する（手順Ｓ１０１）。ＥＣＵ３２は、ピストン２３が圧縮上死点に向かって上昇途中の所定位置に達したときは、図４に示されるように、燃料のパイロット噴射Ａを実施するようにインジェクタ５を制御する（手順Ｓ１０２）。これにより、図４に示されるように、パイロット噴射Ａによる燃料の燃焼が行われ、燃焼室４の温度が上昇する。

その後、ＥＣＵ３２は、クランク角センサ３１の検出値に基づいて、ピストン２３が圧縮上死点に達したかどうかを判断する（手順Ｓ１０３）。ＥＣＵ３２は、ピストン２３が圧縮上死点に達したときは、図４に示されるように、燃料のメイン噴射Ｂを実施するようにインジェクタ５を制御する（手順Ｓ１０４）。これにより、図４に示されるように、圧縮上死点においてメイン噴射Ｂによる燃料の燃焼が開始される。

このとき、図２（ａ）に示されるように、インジェクタ５からキャビティ部２７の環状溝部２８に向けて燃料が噴射される。シリンダヘッド２４の下部には、段付部２６の形状に対応する形状を有する凸部３０が設けられている。このため、燃焼室４におけるキャビティ部２７の上方に存在する空気の大部分が、凸部３０により環状溝部２８に押し込まれる。従って、メイン噴射による燃料の燃焼で利用される空気量が増加する。また、シリンダ３のボア壁３ａ付近に到達する燃料噴霧が減少する。

その後、ＥＣＵ３２は、クランク角センサ３１の検出値に基づいて、ピストン２３が圧縮上死点から下降途中の所定位置に達したかどうかを判断する（手順Ｓ１０５）。ＥＣＵ３２は、ピストン２３が圧縮上死点から下降途中の所定位置に達したときは、図４に示されるように、燃料のアフター噴射Ｃを実施するようにインジェクタ５を制御する（手順Ｓ１０６）。これにより、図４に示されるように、アフター噴射Ｃによる燃料の燃焼が行われ、メイン噴射Ｂによる燃え残りの燃料が燃焼する。

このとき、図２（ｂ）に示されるように、インジェクタ５からピストン２３の段付部２６部に向けて燃料が噴射される。すると、燃料噴霧は、段付部２６の内周面２６ｃに沿って上方に流れ、ピストン２３の上方に存在する空気と混合して燃焼する。

図５は、比較例として、従来のエンジン本体の一つの構造及び動作を示す断面図である。図５において、エンジン本体５０は、シリンダ３、ピストン２３及びシリンダヘッド５１を備えている。シリンダヘッド５１の下部には、上記の凸部は設けられていない。シリンダヘッド５１の中心部には、インジェクタ５が取り付けられている。なお、ピストン２３が圧縮上死点に達したときの圧縮比が等しくなるように、エンジン本体５０におけるピストン２３の環状溝部２８の容積は、上記のエンジン本体２におけるピストン２３の環状溝部２８の容積よりも小さくなっている。

このようなエンジン本体５０においては、ピストン２３の上端縁部に段付部２６が設けられている。このため、図５（ｂ）に示されるように、燃料のアフター噴射が実施されることで、燃料がピストン２３の段付部２６に向けて噴射されると、燃料噴霧が段付部２６に沿って上方に流れ、燃料噴霧の流動が促進される。

しかし、図５（ａ）に示されるように、燃料のメイン噴射が実施されることで、燃料がピストン２３の環状溝部２８に向けて噴射されたときには、燃焼室４のスキッシュエリアＳに存在する空気が燃料の燃焼に十分に利用されないため、スモークの生成の要因となる。また、シリンダ３のボア壁３ａ付近の低温エリアに燃料が到達しやすくなるため、燃料が燃えないというクエンチ現象が発生し、未燃分の燃料が増加してしまう。

これに対し本実施形態では、シリンダヘッド２４の下部には、ピストン２３の段付部２６の形状に対応する形状を有する凸部３０が設けられている。このため、燃焼室４のスキッシュエリアＳ（図５（ａ）参照）が凸部３０によって減少する。従って、ピストン２３が圧縮上死点に達した状態では、燃焼室４に存在する空気の大部分がキャビティ部２７に入り込むため、インジェクタ５から噴射される燃料の燃焼に利用される空気が増加し、燃焼室４の空気利用率が高くなる。これにより、スモークを低減することができる。また、燃料が噴射されたときにシリンダ３のボア壁３ａ付近の低温エリアに到達する燃料が減少するため、クエンチ現象が発生しにくくなる。これにより、未燃分の燃料を低減することができる。以上の結果、エンジン１の排気性能を向上させ、ひいてはエンジン１の出力性能を向上させることが可能となる。

また、シリンダヘッド２４の凸部３０の先端面３０ａは平面状を呈しているので、燃料噴射の貫徹力を確保しつつ、燃料を流動させることができる。

さらに、ピストン２３が圧縮上死点に達した時点で、燃料のメイン噴射を実施するようにインジェクタ５を制御するので、燃料のメイン噴射が実施される際に、スモーク及び未燃分の燃料を低減することができる。このため、燃料のアフター噴射を実施する際の燃料噴射量を減少させることが可能となる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、ピストン２３が圧縮上死点に達したときに、燃料のメイン噴射を実施しているが、特にその形態には限られない。例えば、ピストン２３が圧縮上死点付近に達したとき、具体的にはピストン２３が圧縮上死点に達する直前またはピストン２３が圧縮上死点に達した直後に、燃料のメイン噴射を実施してもよい。この場合にも、燃料のメイン噴射が実施される際に、スモーク及び未燃分の燃料を低減することができる。

また、上記実施形態では、シリンダヘッド２４の凸部３０の先端面３０ａが平面状を呈しているが、凸部３０の先端面３０ａの形状としては、特にそれには限られず、例えば凹凸状であってもよい。

また、上記実施形態では、シリンダヘッド２４のベース面２４ａがシリンダ３内に配置されているが、特にその構成には限られず、シリンダヘッド２４のベース面２４ａがシリンダ３の上端面と面一になるように構成されていてもよい。

また、上記実施形態では、ピストン２３の段付部２６が断面湾曲形状の内周面２６ｃを有しているが、段付部２６の内周面２６ｃの形状としては、特にそれには限られず、例えば断面直線状であってもよい。この場合には、シリンダヘッド２４の凸部３０の外周面３０ｂは、段付部２６の内周面２６ｃに対応して断面直線状を有する。

さらに、上記実施形態では、燃料のメイン噴射の実施前に燃料のパイロット噴射を実施し、燃料のメイン噴射の実施後に燃料のアフター噴射を実施しているが、特にその形態には限られず、例えばパイロット噴射及びアフター噴射の少なくとも一方を実施しなくてもよい。

また、上記実施形態は、直噴式のディーゼルエンジンであるが、本発明の内燃機関は、直噴式のガソリンエンジン等にも適用可能である。

１…ディーゼルエンジン（内燃機関）、３…シリンダ、４…燃焼室、５…インジェクタ（燃料噴射弁）、２３…ピストン、２４…シリンダヘッド、２６…段付部、２７…キャビティ部、３０…凸部、３０ａ…先端面、３１…クランク角センサ（位置検出部）、３２…ＥＣＵ（制御部）。

Claims (2)

1. 燃料を燃焼させて動力を発生する内燃機関において、
   シリンダと、
   前記シリンダ内に往復昇降自在に配置されたピストンと、
   前記ピストンの上方に配置され、前記シリンダ及び前記ピストンと協働して燃焼室を形成するシリンダヘッドと、
   前記シリンダヘッドに取り付けられ、前記燃焼室に前記燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記ピストンの昇降位置を検出する位置検出部と、
   前記位置検出部により前記ピストンが圧縮上死点または圧縮上死点付近に達したことが検出されたときに、前記燃料のメイン噴射を実施するように前記燃料噴射弁を制御し、その後前記位置検出部により前記ピストンが下降途中の所定位置に達したときに、前記燃料のアフター噴射を実施するように前記燃料噴射弁を制御する制御部とを備え、
   前記ピストンの上端縁部には、前記ピストンの外側に向かって高くなるような段付部が設けられており、
   前記ピストンにおける前記段付部よりも内側には、前記燃焼室の少なくとも一部を構成する凹状のキャビティ部が設けられており、
   前記シリンダヘッドの下部には、前記段付部の形状に対応する形状を有する凸部が設けられており、
   前記制御部は、前記位置検出部により前記ピストンが圧縮上死点または圧縮上死点付近に達したことが検出されたときは、前記キャビティ部に向けて前記燃料のメイン噴射を実施するように前記燃料噴射弁を制御し、前記位置検出部により前記ピストンが下降途中の所定位置に達したときは、前記段付部に向けて前記燃料のアフター噴射を実施するように前記燃料噴射弁を制御することを特徴とする内燃機関。
2. 前記凸部の先端面は、平面状を呈していることを特徴とする請求項１記載の内燃機関。

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