JP6547406B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、インジェクタによって燃焼室に燃料を噴射する内燃機関に関する。

シリンダヘッドの内壁面とピストンの頂面で形成された燃焼室にインジェクタから燃料を噴射させて燃焼を行わせる内燃機関が知られている。この内燃機関では、スート、一酸化炭素、未燃燃料の生成を抑制することが求められている。スート等の生成は、複数方向に噴霧された燃料同士の干渉による過剰燃料領域によって促進される。

そこで、過剰燃料領域の発生を抑制すべく、噴霧された燃料の衝突によって燃料を分散させる構造をピストンの頂面に形成した内燃機関がある（例えば、特許文献１〜３を参照）。また、ピストンの頂面に、この頂面に沿って流れるスキッシュガスの流速を低下させる複数の凹部を形成した内燃機関もある（例えば、特許文献４を参照）。

さらに、主燃焼室をピストン上面に形成せず、シリンダの上端においてシリンダの内周側と外周側にまたがるように形成し、主燃焼室にインジェクタ（燃料噴射弁）を設け、シリンダヘッドの下面とピストン頂面の間にスキッシュエリアを設けることで、燃料ガスの拡散性を向上させる内燃機関もある（例えば、特許文献５を参照）。

特開２０１１−１８５２４１号公報 特開２０１１−１８５２４２号公報 特開２０１２−９２７７８号公報 特開２０１０−１５６２３０号公報 特開平８−１２８３２４号公報

前述した特許文献１〜４の内燃機関では何れも、燃焼室を、上死点におけるピストンの頂面と穴部の内壁面とで形成している。このため、燃焼室の周方向の形状は、ピストンや穴部の形状によって定められる。それ故、過剰燃料領域の発生を、ピストン頂面の加工によって抑制している。文献５の内燃機関では、燃焼室の一部をピストンの外周側に設けてはいるが、シリンダヘッドの下面とピストン頂面の間にスキッシュエリアを設けているので、燃焼室の形状に自由度を持たせることは難しい。

開示の内燃機関は、燃焼室の形状に対する自由度を高めることで噴射された燃料同士の干渉を抑制し、スート等の生成を抑制することを目的とする。

開示の内燃機関は、ピストンと、前記ピストンが往復移動される穴部、及び、前記穴部における前記ピストンの上死点側端部に連通され、前記穴部よりも外周方向に拡大された形状の凹部を備えるシリンダと、前記ピストン及び前記凹部によって形成される燃焼室と、前記燃焼室に噴射孔が臨み、前記噴射孔から前記燃焼室内に燃料を噴射させるインジェクタとを備える。

開示の内燃機関によれば、噴射された燃料同士の干渉を抑制でき、スート等の生成を抑制できる。

エンジンの模式的な断面図である。 燃焼室周辺の模式的な部分拡大断面図である。 燃焼室の模式的な平面図である。 燃料の噴射方向を模式的に説明する平面図である。 燃料の噴射を模式的に説明する断面図である。 第２実施形態における燃焼室周辺の模式的な部分拡大断面図である。 第２実施形態における燃料の噴射を模式的に説明する断面図である。 第３実施形態における燃焼室の形状及び燃料の噴射方向を説明する模式的な平面図である。 第３実施形態における燃料の噴射を模式的に説明する断面図である。 第４実施形態における燃焼室の形状及び燃料の噴射を模式的に説明する平面図である。 第４実施形態における燃料の噴射を模式的に説明する断面図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジン１（内燃機関の一例，以下単にエンジン１という）について説明する。

図１に示すように、エンジン１は、シリンダブロック２とシリンダヘッド３を備えている。シリンダブロック２の上側半部はシリンダ部１０に相当し、上下方向に延びる円形状の穴部１１が形成されている。この穴部１１には、ピストン１２が往復移動可能な状態で収納される。穴部１１の下端（すなわちピストン１２の下死点側の端）はクランクケース部２０に接続されている。一方、穴部１１の上端（すなわちピストン１２の上死点側の端）に連通して凹部１３が形成されている。凹部１３は、ピストン１２の頂面１２ａやシリンダヘッド３の下面３ａと共に燃焼室Ｘを形成する。なお、凹部１３については、燃焼室Ｘと共に後で説明する。

クランクケース部２０には、クランクシャフト２１が回転可能な状態で配置されている。クランクシャフト２１が備えるクランクピン２２には、コンロッド２３の下端が回転可能な状態で取り付けられている。コンロッド２３の上端は、ピストン１２が備えるピストンピン１２ｂに回転可能な状態で取り付けられている。クランクケース部２０の上端には、オイル流路２４から供給されたオイルを上方に向けて噴射するオイルジェット２５が設けられている。オイルジェット２５から噴射されたオイルは、ピストン１２の内部に形成されたクーリングチャンネル１２ｃ（図２を参照）に流入され、ピストン１２の冷却に使用される。また、シリンダ部１０における凹部１３の周囲には、冷却水等の冷媒が流れる冷媒流路１４が設けられている。

シリンダヘッド３には、吸気ポート３１と排気ポート３２が形成されている。吸気ポート３１は新気を導入する流路であり、排気ポート３２は排気を排出する流路である。吸気ポート３１の出口は、シリンダヘッド３の下面３ａにおけるピストン１２の直上位置に開口されている。排気ポート３２の入口は、吸気ポート３１の出口と同様に、シリンダヘッド３の下面３ａにおけるピストン１２の直上位置に開口されている。

吸気ポート３１には吸気バルブ３３が配置され、排気ポート３２には排気バルブ３４が配置されている。具体的には、吸気バルブ３３の傘部が吸気ポート３１の出口に配置され、排気バルブ３４の傘部が排気ポート３２の入口に配置されている。吸気バルブ３３及び排気バルブ３４には、それぞれの軸部に設けられたバルブスプリング３５によって上向きの力が加えられている。吸気カム３６及び排気カム３７のカムプロフィールに従ってロッカーアーム３８が揺動すると、吸気バルブ３３や吸気バルブ３３は、ロッカーアーム３８の揺動に応じて上下方向に移動する。すなわち、吸気バルブ３３や吸気バルブ３３は、ピストン１２の上下方向の往復移動に連動して開閉される。

吸気バルブ３３と排気バルブ３４の間にはインジェクタ４１が配置されている。インジェクタ４１は、燃料を燃焼室Ｘ内に噴射する部材であり、燃焼室Ｘ内に配置された先端部には噴射孔４２が形成されている。本実施形態では、５個の噴射孔４２が周方向に等角度間隔（７２度間隔）で形成されている。これにより、インジェクタ４１からは５方向に向けて燃料が噴射される（図４を参照）。なお、噴射孔４２の形成数は、５個に限らず任意の数に設定できる。例えば、７個の噴射孔４２を設けて７方向に燃料を噴射させてもよいし、１０個の噴射孔４２を設けて１０方向に燃料を噴射させてもよい。

次に、燃焼室Ｘについて詳細に説明する。図２に示すように、第１実施形態の燃焼室Ｘは、シリンダブロック２に形成された凹部１３と、ピストン１２と、シリンダヘッド３によって形成されている。この燃焼室Ｘの容積は、凹部１３を備えずに穴部１１の上端部に形成された一般的な燃焼室の容積と同じである。言い換えれば、第１実施形態の燃焼室Ｘと一般的な燃焼室は同じ圧縮比である。

凹部１３は、ピストン１２が往復移動する穴部１１の縁よりも外周方向（穴部１１の半径方向）に拡大された形状とされ、底面１３ａと側面（周面）１３ｂによって形成されている。

底面１３ａは、平面方向から見て穴部１１を中心とするリング形状に設けられている。図示の例において、底面１３ａは、内周縁から外周縁へ下る傾斜面によって形成されている。第１実施形態では、ピストン１２の頂面１２ａが高さの低い円錐形状に形成されており、凹部１３の底面１３ａもピストン１２の頂面１２ａと同じ傾斜角度の傾斜面とされている。これにより、ピストン１２が上死点に位置した際に、ピストン１２の頂面１２ａと凹部１３の底面１３ａが一連の傾斜面（円錐面）を形成する。

側面１３ｂは、底面１３ａから上方へ離隔する程に底面１３ａの外周縁から内周側に立ち上がる傾斜面として構成されている。すなわち、側面１３ｂは、シリンダヘッド３へ近づくほどに縮径するテーパー面（折り返し面）になっている。

穴部１１よりも外周方向に拡大された凹部１３を形成したことから、図３に示すように、インジェクタ４１の中心から底面１３ａの外周縁までの距離Ｌ２が、インジェクタ４１から穴部１１の内壁面までの距離Ｌ１よりも長くなり、インジェクタ４１の中心から側面１３ｂの内周縁までの距離Ｌ３も距離Ｌ１より長くなる。これにより、図４に示すように、５方向に噴射された燃料Ｆ同士が衝突するまでの距離を確保でき、燃料Ｆを十分に拡散させることができる。また、凹部１３の側面１３ｂへ直接衝突する燃料Ｆの量を抑えることもできる。

さらに図５に示すように、ピストン１２が上死点に位置した場合に、ピストン１２の面方向中心から凹部１３の外周縁に至る燃焼室Ｘの底面（ピストン１２の頂面１２ａ，凹部１３の底面１３ａ）が下り傾斜面となる。このため、燃焼室Ｘは、外周側に向かうほどに深くなる空間となる。そして、インジェクタ４１は、側面１３ｂにおける高さ方向の中央に向けて燃料Ｆを噴射させる。従って、噴射孔４２から噴射された燃料Ｆが上下方向へ拡がっても、燃焼室Ｘの底面や燃焼室Ｘの天井面（シリンダヘッド３の下面３ａ）へ直接衝突する燃料Ｆの量を抑えることができる。加えて、側面１３ｂが底面１３ａに対する折り返し面となっていることから、噴射された燃料Ｆは側面１３ｂや底面１３ａに沿って流れ、円滑に向きを変える。その結果、燃料Ｆと空気を均一に混合させ易くなり、過剰燃料領域の発生を抑制できる。

以上説明したように、第１実施形態のエンジン１では、シリンダブロック２に、ピストン１２が往復移動される穴部１１と、穴部１１におけるピストン１２の上端部（上死点側端部）でこの穴部１１と連通され、穴部１１よりも外周方向に拡大された形状の凹部１３を形成している。そして、シリンダヘッド３の下面３ａと、ピストン１２の頂面１２ａと、凹部１３の底面１３ａ及び側面１３ｂとによって燃焼室Ｘを形成している。さらに、インジェクタ４１は、燃焼室Ｘに噴射孔４２が臨むように配置されており、噴射孔４２から燃焼室Ｘに燃料Ｆを噴射している。

このため、燃焼室Ｘの形状に対する自由度が高められ、噴射された燃料Ｆを燃焼室Ｘで十分に拡散させることができ、かつ、燃焼室Ｘの側面１３ｂ、底面１３ａ、及び天井面（下面３ａ）へ直接衝突する燃料Ｆの量を抑えることができる。その結果、燃焼室Ｘ内における燃料濃度を均等化でき、スート、一酸化炭素、未燃燃料の生成を抑制できる。また、燃焼室Ｘを、一般的な形状の燃焼室よりも浅く、面方向に拡がった形状にできるため、拡散途中の燃料Ｆに火炎が接触し難くなり、効率よく燃料Ｆを燃焼させることができる。

また、第１実施形態における燃焼室Ｘに関し、平面方向に見て円形であり、外周側に向かうにつれて深くなる形状であるため、噴射孔４２から噴射された燃料Ｆが外周側に向かうにつれて上下方向に拡がっても、天井面や底面１３ａに直接衝突する燃料Ｆの量を抑えることができ、燃焼室Ｘ内に噴射された燃料Ｆの濃度を均等化できる。

また、ピストン１２に関し、頂面１２ａが高さの低い円錐形状とされているので、高温や高圧下においても十分な強度を確保できる。加えて、シリンダブロック２における凹部１３の周囲に、冷媒が流れる冷媒流路１４が設けられている。シリンダブロック２は、エンジン１を構成する部品群の中で体積の大きな部品であることから、エンジン１の強度を損なうことなく必要な冷却能力が容易に得られる。

次に、本発明の第２実施形態に係るエンジン１について説明する。第２実施形態のエンジン１では、凹部１３における側面１３ｂの形状が第１実施形態のエンジン１と相違している。このため以下では、相違点に関する部分について説明し、共通部分についての説明を省略する。

図６に示すように、第２実施形態の燃焼室Ｘもまた、シリンダブロック２に形成された凹部１３と、ピストン１２と、シリンダヘッド３によって形成されている。第２実施形態においても、燃焼室Ｘの容積は、一般的な燃焼室の容積と同じである。

凹部１３は、ピストン１２が往復移動する穴部１１よりも外周方向に拡大された形状とされ、底面１３ａと側面１３ｂによって形成されている。

底面１３ａは、平面方向から見て穴部１１を中心とするリング形状であり、内周縁から外周縁へ下る傾斜面によって形成されている。第２実施形態でも、ピストン１２の頂面１２ａが高さの低い円錐形状に形成されており、凹部１３の下面３ａもピストン１２の頂面１２ａと同じ傾斜角度の傾斜面とされている。

側面１３ｂは、底面１３ａから上方へ離隔する程に底面１３ａの外周縁から外周側に立ち上がる傾斜面として構成されている。すなわち、側面１３ｂは、シリンダヘッド３へ近づくほどに拡径するテーパー面になっている。

上記の凹部１３を形成したことから、図７に示すように、インジェクタ４１の中心から側面１３ｂの外周縁までの距離Ｌ５が、インジェクタ４１から穴部１１の内壁面までの距離Ｌ１よりも長くなる。これにより、噴射された燃料Ｆを十分に拡散させることができ、凹部１３の側面１３ｂへ直接衝突する燃料Ｆの量を抑えることもできる。

さらに、ピストン１２が上死点に位置した場合に、燃焼室Ｘは、外周側に向かうほどに深くなる空間となる。第２実施形態でも、インジェクタ４１は、凹部１３の側面１３ｂにおける高さ方向の中央に向けて燃料Ｆを噴射させている。このため、噴射孔４２から噴射された燃料Ｆが上下方向へ拡がっても、燃焼室Ｘの底面や燃焼室Ｘの天井面へ直接衝突する燃料Ｆの量を抑えることができる。

このように、第２実施形態のエンジン１では、凹部１３の側面１３ｂがシリンダヘッド３へ近づくほどに拡径するテーパー面になっているため、噴射された燃料同士が衝突するまでの距離を確保でき、燃料Ｆを十分に拡散させることができる。また、凹部１３の側面１３ｂへ直接衝突する燃料Ｆの量を抑えることもできる。

次に、本発明の第３実施形態に係るエンジン１について説明する。図８に示すように、第３実施形態のエンジン１では、凹部１３Ａの形状が第１，２実施形態のエンジン１と相違している。このため以下では、相違点に関する部分について説明し、共通部分についての説明を省略する。

インジェクタ４１は、平面方向に見てピストン１２の中心点の上方から燃焼室Ｘにおける周方向の所定角度範囲に燃料Ｆを噴射させる。図８に示す例では、符号α１〜α５で示す５方向の噴射角度範囲に燃料Ｆを噴射させている。なお、第１実施形態で説明した通り、燃料噴射方向の数は任意に設定できる。

凹部１３Ａは、第１，２実施形態と同様に穴部１１の上端から上方に設けられている。そして、凹部１３Ａを平面方向から見た場合に、噴射角度範囲に属する第１部分１５は、噴射角度範囲に属さない第２部分１６よりも外周方向に膨出されている。このため、凹部１３の側面１３ｂを、外周方向に向けて凸状に湾曲している第１湾曲側面１３ｃと、内周方向に向けて凸状に湾曲している第２湾曲側面１３ｄによって構成している。すなわち、これらの第１湾曲側面１３ｃと第２湾曲側面１３ｄを交互に配置することで、第１部分１５を第２部分１６よりも外周方向に膨出させている。

第３実施形態でも、燃焼室Ｘの容積は、第１，２実施形態の燃焼室Ｘと同様に、一般的な燃焼室の容積と同じである。このため、図９に示すように、第１部分１５についてはインジェクタ４１の中心から側面１３ｂの外周縁までの距離Ｌ６を確保でき、噴射された燃料Ｆを十分に拡散させることができる。一方、第２部分１６については、必要な容積を小さく抑えることができるため、燃焼室Ｘの深さ（具体的にはピストン１２が上死点に位置した場合における、ピストン１２の頂面１２ａとシリンダヘッド３の下面３ａとの間隔Ｈ１）を、第１，２実施形態における燃焼室Ｘの深さよりも広げることができる。その結果、吸気バルブ３３や排気バルブ３４のリフト範囲を拡げることができ、バルブ制御についての自由度が増す。

次に、本発明の第４実施形態に係るエンジン１について説明する。第４実施形態のエンジン１では、インジェクタ４１の配置が第１〜３実施形態のエンジン１と相違している。このため以下では、相違点に関する部分について説明し、共通部分についての説明を省略する。

図１０及び図１１に示すように、第４実施形態のインジェクタ４１は横向きで用いられており、一対の噴射孔４２が形成された先端部が、燃焼室Ｘにおける一側部に配置されている。これらの図に示す例において、インジェクタ４１の先端部は、燃焼室Ｘにおける図中左側部に配置されており、各噴射孔４２から燃焼室Ｘにおける図中右側部（穴部１１を挟んだ他側部）へ向け、凹部１３の底面１３ａ、及び、上死点に位置するピストン１２の頂面１２ａに沿って燃料Ｆを噴射させている。

燃焼室Ｘを形成する凹部１３Ｂは、直径方向における他側部の幅が一側部の幅よりも広くなるように形状が定められている。図１０に示すように、穴部１１の右側半部において最も広い幅Ｗ２が、インジェクタ４１が備える各噴射孔４２の位置における凹部１３の幅Ｗ１（インジェクタ４１の軸方向と直交する方向の幅Ｗ１）よりも広くなるように、凹部１３における平面方向の形状（底部の形状）が定められている。

図１１に示すように、凹部１３Ｂの深さは、インジェクタ４１の先端が配置される一側部から穴部１１を挟んだ他側部に向かうにつれて深くなっている。すなわち、凹部１３Ｂの下面１３ａ及びピストン１２の頂面１２ａは、一側部から他側部へ向けて下る傾斜面となっている。これに伴い、凹部１３の側面１３ｂも、一側部から他側部へ向かうほど下方向の距離が大きくなっている。

インジェクタ４１は、燃焼室Ｘにおける他側部の側面（凹部１３の側面１３ｂ）に向けて燃料Ｆを噴射させる。燃焼室Ｘは、他側部に向かって横方向の幅が拡がっているので、噴射された燃料Ｆが横方向に拡がっても燃焼室Ｘの側面へ直接衝突する量を抑えることができる。同様に、燃焼室Ｘは、他側部に向かって深くなっているので、噴射された燃料Ｆが下方向に拡がっても、燃焼室Ｘの底面（凹部１３の下面３ａ及びピストン１２の頂面１２ａ）へ直接衝突する量を抑えることができる。これにより、燃料Ｆと空気を均一に混合させ易くなる。

従って、第４実施形態のエンジン１でも、噴射された燃料Ｆを燃焼室Ｘで十分に拡散させることができ、かつ、燃焼室Ｘの側面、底面、及び天井面へ直接衝突する燃料Ｆの量を抑えることができる。その結果、燃焼室Ｘ内における燃料濃度を均等化でき、スート、一酸化炭素、未燃燃料の生成を抑制できる。

以上の実施形態の説明は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれる。

例えば、或る実施形態に記載された技術要素を他の実施形態に適用してもよい。例えば、第３実施形態や第４実施形態における凹部１３の側面１３ｂを、第１実施形態のように折り返してもよいし、第２実施形態のように上方へ向けて拡開させてもよい。

また、前述の各実施形態では、シリンダブロック２とシリンダヘッド３を備えるエンジン１を例示したが、この構成のエンジン１に限定されるものではない。ピストンと、ピストンが往復移動される穴部と、穴部の上端でこの穴部と連通される凹部を少なくとも備えるエンジンであればよい。

１…ディーゼルエンジン，２…シリンダブロック，３…シリンダヘッド，３ａ…シリンダヘッドの下面，１０…シリンダ部，１１…穴部，１２…ピストン，１２ａ…ピストンの頂面，１２ｂ…ピストンピン，１２ｃ…クーリングチャンネル，１３…凹部（第１，２実施形態），１３Ａ…凹部（第３実施形態），１３Ｂ…凹部（第４実施形態），１３ａ…凹部の底面，１３ｂ…凹部の側面，１３ｃ…第１湾曲側面，１３ｄ…第２湾曲側面，１４…冷媒流路，１５…凹部の第１部分（第３実施形態），１６…凹部の第２部分（第３実施形態），２０…クランクケース部，２１…クランクシャフト，２２…クランクピン，２３…コンロッド，２４…オイル流路，２５…オイルジェット，３１…吸気ポート，３２…排気ポート，３３…吸気バルブ，３４…排気バルブ，３５…バルブスプリング，３６…吸気カム，３７…排気カム，３８…ロッカーアーム，４１…インジェクタ，４２…噴射孔，Ｘ…燃焼室，Ｆ…燃料

Claims (4)

1. ピストンと、
   前記ピストンが往復移動される穴部、及び、前記穴部における前記ピストンの上死点側端部に連通され、前記穴部よりも外周方向に拡大された形状の凹部を備えるシリンダと、
   前記ピストン及び前記凹部によって形成される燃焼室と、
   前記燃焼室に噴射孔が臨み、前記噴射孔から前記燃焼室内に燃料を噴射させるインジェクタと、を備え、
   前記インジェクタは、前記ピストンの上方から前記燃焼室における前記周方向に前記燃料を噴射させ、
   前記凹部の周面を、前記凹部の底面から離隔する程に前記凹部の底面外周縁から内周側に立ち上がる傾斜面とする
   内燃機関。
2. ピストンと、
   前記ピストンが往復移動される穴部、及び、前記穴部における前記ピストンの上死点側端部に連通され、前記穴部よりも外周方向に拡大された形状の凹部を備えるシリンダと、
   前記ピストン及び前記凹部によって形成される燃焼室と、
   前記燃焼室に噴射孔が臨み、前記噴射孔から前記燃焼室内に燃料を噴射させるインジェクタと、を備え、
   前記インジェクタは、前記ピストンの上方から前記燃焼室における前記周方向に前記燃料を噴射させ、
   前記凹部の周面を、前記凹部の底面から離隔する程に前記凹部の底面外周縁から外周側に立ち上がる傾斜面とする
   内燃機関。
3. 前記インジェクタは、前記ピストンの上方から前記燃焼室における前記周方向の所定角度範囲に前記燃料を噴射させ、
   前記凹部は、前記燃料が噴射される前記所定角度範囲の部分を、前記所定角度範囲以外の部分よりも外周方向に膨出させる
   請求項１又は２に記載の内燃機関。
4. ピストンと、
   前記ピストンが往復移動される穴部、及び、前記穴部における前記ピストンの上死点側端部に連通され、前記穴部よりも外周方向に拡大された形状の凹部を備えるシリンダと、
   前記ピストン及び前記凹部によって形成される燃焼室と、
   前記燃焼室に噴射孔が臨み、前記噴射孔から前記燃焼室内に燃料を噴射させるインジェクタと、を備え、
   前記インジェクタは、前記燃焼室における一側部から前記穴部を挟んだ他側部に前記燃料を前記ピストンの頂面に沿って噴射させ、
   前記凹部は、前記燃焼室における前記他側部の幅が前記一側部の幅よりも広い形状とされる
   内燃機関。

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