JP7069776B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に関し、詳しくは、圧縮された燃焼室に燃料を直接噴射することにより燃焼を行う圧縮自着火式の内燃機関に関する。

従来、例えば特表２０１７－５３０２９８号公報には、圧縮自着火式の内燃機関において、燃料と充填空気との燃焼室での予混合を促進するための技術が開示されている。この技術では、燃焼室に露出する燃料噴射装置の先端部の開口部に近接して、中空管で構成されたダクトが設けられている。開口部から噴射された燃料は、この中空管を通して燃焼室へと噴射される。中空管の内部では、噴射された燃料が通過する過程で充填空気との予混合が促進される。これにより、燃焼室において過濃な燃料の分布が低減されるので、スモークの発生が低減される。

また、例えば特開２０１３－９２１０３号公報には、燃焼室に露出する燃料噴射ノズルの先端部に整流通路が固定された圧縮自着火式の内燃機関が開示されている。燃料噴射ノズルから噴射された噴霧燃料は、当該整流通路内を通過する。これにより、噴射された燃料の分散が抑制されるので、排気ガス中に含まれるＮＯｘ及び煤の量が低減される。

特表２０１７－５３０２９８号公報 特開２０１３－９２１０３号公報

しかしながら、上記の従来の技術では、ダクトや整流通路といった突起物が燃焼室に宙吊りの状態で配置されている。燃焼室内は高温高圧の環境に晒されている。このため、宙吊りの突起物を燃焼室内に備える構造には、突起物の脱落等の可能性があり、信頼性の面での課題が残る。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、圧縮自着火式の内燃機関において、宙吊りの突起物を燃焼室内に備えることなく、スモークの発生を抑制することのできる信頼性の高い内燃機関を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、圧縮された燃焼室に燃料を噴射することにより燃焼を行う圧縮自着火式の内燃機関に適用される。内燃機関は、燃料を噴射する噴孔を有し、噴孔が燃焼室の天面の中心から燃焼室内へ露出するように設けられた燃料噴射ノズルと、シリンダの内部に配置されたピストンと、ピストンの頂面に形成されているキャビティを構成する面のうち前記ピストンの外径方向に向かって下方に傾斜した円錐面に沿って形成され、シリンダのボア壁面側に露出する入口からボア中心側に露出する出口に向かって連通した整流通路と、を備える。

第２の発明は、第１の発明において、更に以下の特徴を有する。
整流通路は、環状の整流板と、整流板の外縁端から内縁端に向かってピストンの頂面との間の隙間が連通するように整流板をピストンの頂面に固定するための支柱と、を含んで構成される。

第３の発明は、第２の発明において、更に以下の特徴を有する。
整流板は、ピストンの頂面との間の隙間が、外縁端から内縁端に向かうにつれて広くなるように構成される。

第４の発明は、第２又は第３の発明において、更に以下の特徴を有する。
燃料噴射ノズルは、噴孔から噴射された燃料噴霧が整流板の上面に沿って流れるように構成される。そして、整流板は、噴孔から噴射された燃料噴霧の噴孔軸線に沿ってピストンの側に窪んだ谷部を備える。

第５の発明は、第１の発明において、更に以下の特徴を有する。
整流通路は、ピストンの内部をシリンダのボア壁面側に露出する入口からボア中心側に露出する出口に向かって貫通する貫通孔を含んで構成される。

第６の発明は、第１乃至第５の何れか１つの発明において、更に以下の特徴を有する。
燃料噴射ノズルは、噴射方向の異なる複数の前記噴孔を有する。そして、整流通路は、複数の噴孔のそれぞれに対応して複数設けられている。

第１の発明によれば、ピストンの頂面には、シリンダのボア壁面側に露出する入口からボア中心側に露出する出口に向かって連通した整流通路が形成されている。このような構成によれば、比較的低温の新気が高温の既燃ガスと混合するのを抑制し、比較的低温のまま噴霧根元側へと送ることができる。これにより、燃料噴射ノズルから噴射された燃料噴霧は、比較的低温の新気との予混合が進められながら拡散するので、充填空気との予混合が進められる前の過濃な燃料噴霧が自着火することを抑えることができる。これにより、スモークの低減、及び後燃え期間の短縮による熱効率の向上を図ることができる。

第２の発明によれば、ピストンの頂面には、隙間を置いて環状の整流板が固定されている。このような構成によれば、ピストンの頂面と整流板との間の隙間が、整流通路として機能する。これにより、簡易な構成でピストンの頂面に整流通路を形成することが可能となる。

環状の整流板とピストンの頂面との間の隙間が均等であると仮定すると、入口の開口面積が出口の開口面積よりも大きくなる。この場合、整流通路が入口から出口に向かって絞られることとなるため、新気の流通が妨げられてしまう。第３の発明によれば、整流板は、ピストンの頂面との間の隙間が、ボア壁面側からボア中心側に向かうにつれて広くなるように構成されている。このような構成によれば、整流通路の絞り度合が緩和されるため、整流通路内への新気の流通を円滑に行うことが可能となる。

第４の発明によれば、燃料噴射ノズルは、噴孔から噴射された燃料噴霧が整流板の上面に沿って流れるように構成されている。そして、整流板は、噴孔から噴射された燃料噴霧の噴孔軸線に沿ってピストンの側に窪んだ谷部を備えている。このような構成によれば、噴孔から噴射された燃料噴霧が整流板の上面に形成された谷部に沿って流れるので、燃料噴霧の整流板への付着が抑制される。

第５の発明によれば、整流通路は、ピストンの内部を貫通して設けられている。このような構成によれば、簡易な加工によって整流通路を形成することができる。また、ピストンに別部品を固定する必要がないため、信頼性の向上にも寄与することができる。

第６の発明によれば、燃料噴射ノズルは、噴射方向の異なる複数の噴孔を有し、整流通路は、複数の噴孔のそれぞれに対応して複数設けられている。このような構成によれば、複数の噴孔を有している場合であっても、それぞれの噴孔から噴射される燃料の予混合を促進することができる。

実施の形態１の内燃機関の断面を模式的に示す図である。 整流板が固定された実施の形態１のピストンの上面図である。 整流板が固定された実施の形態１のピストンの斜視図である。 整流板が固定された実施の形態１のピストンを、シリンダ中心軸線を含む面で切断した断面を示す斜視断面図である。 整流板が固定された実施の形態１のピストンを、シリンダ中心軸線を含む面で切断して、その断面の一部を拡大して示す側面断面図である。 整流板を備えていない比較例のピストンを用いたエンジンの燃焼室内の空気の流れを説明するための模式図である。 整流板が固定された実施の形態１のピストンを用いたエンジンの燃焼室内の空気の流れを説明するための模式図である。 実施の形態１のエンジンの変形例を説明するための図である。 実施の形態２のエンジンが備えるピストンを、シリンダ中心軸線を含む面で切断し、その断面の一部を拡大して示す側面断面図である。 整流板が固定された実施の形態３のピストンの斜視図である。 実施の形態３のピストン単体の斜視図である。 整流板が固定された実施の形態３のピストンを、シリンダ中心軸線を含む面で切断した断面を示す斜視断面図である。 整流板が固定された実施の形態３のピストンを、噴孔軸線に垂直な面で切断し、その断面の一部を拡大して示す断面図である。 実施の形態４のエンジンが備えるピストンの斜視図である。 実施の形態４のエンジンが備えるピストンを、シリンダ中心軸線を含む面で切断した断面を示す斜視断面図である。 実施の形態４のエンジンが備えるピストンの上面図である。 実施の形態４のエンジンが備えるピストンを、噴孔軸線を含む鉛直面で切断し、その断面の一部を拡大して示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

実施の形態１．
実施の形態１について図を参照して説明する。

［実施の形態１の構成］
図１は、実施の形態１の内燃機関の断面を模式的に示す図である。実施の形態１の内燃機関は、車両等の移動体に搭載される圧縮自着火式の内燃機関（以下、単に「エンジン」とも称する）である。なお、図１では、エンジン２が備える複数の気筒のうちの１つの気筒の内部構造を示している。

図１に示すように、エンジン２は、シリンダヘッド４とシリンダブロック６とを備えている。シリンダブロック６にはシリンダ６２が形成されている。シリンダ６２の内部には、ピストン１０が配置されている。シリンダヘッド４、シリンダ６２及びピストン１０の頂面で囲まれた空間には、燃焼室８が形成されている。ピストン１０の中央部にはキャビティ１２が形成されている。キャビティ１２も燃焼室８の一部を構成する。

燃焼室８を形成するシリンダヘッド４の天面部５には、図示しない吸気バルブ及び排気バルブが、それぞれ配置されている。天面部５の中央には、燃料噴射ノズル１４が配置されている。より詳しくは、燃料噴射ノズル１４は、先端に設けられた噴孔１８が燃焼室８内へ露出するようにシリンダ中心軸線Ｌ１を中心軸としてシリンダヘッド４に固定される。なお、以下の説明では、シリンダ中心軸線Ｌ１に沿ってピストン１０がシリンダヘッド４に近づく方向を上方向とし、ピストン１０がシリンダヘッド４から離れる方向を下方向と定義する。

実施の形態１の燃料噴射ノズル１４は、シリンダ６２のボア壁面側に向かって均等に放射状に噴射される８つの噴孔１８が設けられている。また、それぞれの噴孔１８は、燃料噴霧Ｆの噴射方向を示す噴孔軸線Ｌ２とシリンダ中心軸線Ｌ１との成す角θ１が、４５°から９０°の範囲になるように構成されている。

実施の形態１のエンジン２は、その特徴的な構成として、整流板２０を備えている。整流板２０は、ピストン１０の頂面に構成されたキャビティ１２との間に所定の隙間を置いてピストン１０に固定される。以下、図２乃至図５も参照して、整流板２０が固定されたピストン１０の構成について、さらに詳しく説明する。

図２は、整流板が固定された実施の形態１のピストンの上面図である。図３は、整流板が固定された実施の形態１のピストンの斜視図である。図４は、整流板が固定された実施の形態１のピストンを、シリンダ中心軸線を含む面で切断した断面を示す斜視断面図である。そして、図５は、整流板が固定された実施の形態１のピストンを、シリンダ中心軸線を含む面で切断し、その断面の一部を拡大して示す側面断面図である。

これらの図に示すように、整流板２０は、キャビティ１２を構成する面のうち、ピストン１０の外径方向に向かって下方に傾斜した円錐面１２２を覆うように、円錐面で構成された円環形状を有している。整流板２０は、円錐面１２２との隙間が一定となるように構成され、支柱２２を介してピストン１０に固定されている。

支柱２２は、隣り合う燃料噴霧Ｆの間の位置において、円環形状の整流板２０の内縁端から外縁端に向かって放射状に延びている。このような構成によれば、それぞれの燃料噴霧Ｆの下方には、整流板２０と円錐面１２２との隙間に、外縁端側（つまりシリンダ６２のボア壁面側）の入口２０２から内縁端側（つまりシリンダ６２のボア中心側）の出口２０４へと連通する整流通路２０６が形成される。

［実施の形態１の特徴］
次に、図６及び図７を参照して、実施の形態１の特徴である整流板２０の作用効果について説明する。図６は、整流板を備えていない比較例のピストンを用いたエンジンの燃焼室内の空気の流れを説明するための模式図である。また、図７は、整流板が固定された実施の形態１のピストンを用いたエンジンの燃焼室内の空気の流れを説明するための模式図である。

先ず、比較例として、整流板２０を備えていないピストン１０を用いたエンジン２の燃焼室内の空気の流れを説明する。図６に示すように、整流板２０を備えていないエンジン２では、燃焼室８内の新気が高温の既燃ガスと混ざりながら燃料噴霧Ｆの根元部分に取り込まれる。このような構成によれば、着火後の高温の既燃ガスが燃料噴霧Ｆに混ざることとなるため、噴射された燃料が逸早く自着火してしまうおそれがある。この場合、過濃燃料が燃焼することによるスモークの発生や、後燃え期間が長期化することによる熱効率の低下が問題となる。

これに対して、実施の形態１のエンジン２では、上記の問題を解決する手段として、ピストン１０に整流板２０を設けることとしている。図７に示すように、ピストン１０の円錐面１２２と整流板２０との間の隙間には、整流通路２０６が形成されている。燃料噴射ノズル１４から噴射された燃料噴霧Ｆは、整流板２０の上面に沿ってキャビティ１２内へと拡散する。この際、燃焼室８内の新気は、入口２０２から整流通路２０６の内部へと導入される。整流通路２０６は、整流板２０によって燃料噴霧Ｆと隔絶されている。このため、入口２０２から整流通路２０６の内部へと導入された新気は、高温の既燃ガスと混ざることが抑制されながら出口２０４から導出される。これにより、低温を維持した新気が燃料噴霧Ｆの根元部分へと取り込まれるため、噴射された燃料が着火するまでの時間が確保される。これにより、過濃燃料が燃焼することを防ぐことができるので、スモークの発生や、後燃え期間が長期化することによる熱効率の低下を抑制することが可能となる。

また、実施の形態１のエンジン２では、燃料噴霧Ｆの下側にそれぞれ整流通路２０６が設けられているため、出口２０４から導出された低温の新気を燃料噴霧Ｆの根元部分へと効率よく取り込ませることが可能となる。

また、実施の形態１のエンジン２では、噴孔軸線Ｌ２がシリンダ中心軸線Ｌ１と成す角θ１が４５°から９０°の範囲に設定されている。このような構成によれば、噴霧貫徹力の低下を抑制することが可能となる。

［実施の形態１の変形例］
実施の形態１のエンジン２は、以下のように変形した形態を採用してもよい。

整流板２０を固定する支柱２２は、図５に示す形状に限られない。図８は、実施の形態１のエンジンの変形例を説明するための図である。図８に示す変形例では、整流板２０の内縁端側の一部と外縁端側の一部とに設けられた支柱２４によって、整流板２０がピストン１０に固定されている。このような構成によれば、隣接する整流通路２０６が、中間領域において互いに連通しているため、キャビティ１２内に発生するスワール流が妨げられることを抑制することができる。このことは、後述する他の実施の形態についても同様である。

整流板２０は円環形状に限られない。すなわち、整流板２０は、外縁端に入口２０２が形成され内縁端に出口２０４が形成される環状の形状であれば、多角形（例えば八角形）の環状形状でもよい。このことは、後述する他の実施の形態についても同様である。

実施の形態２．
実施の形態２について図を参照して説明する。

［実施の形態２の特徴］
図９は、実施の形態２のエンジンが備えるピストンを、シリンダ中心軸線Ｌ１を含む面で切断し、その断面の一部を拡大して示す側面断面図である。なお、図９において、図１乃至図８と共有する要素については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

上述した実施の形態１のエンジン２では、整流板２０は、円錐面１２２との隙間が一定の隙間になるように構成されている。このような構成によれば、入口２０２の開口面積が出口２０４の開口面積よりも大きくなる、このため、整流通路２０６は、入口２０２から出口２０４に向かうにつれて通路が絞られてしまい、新気の流通が妨げられてしまう。

これに対して、実施の形態２の整流板３０は、円錐面１２２との隙間が入口３０２から出口３０４に向かって徐々に大きくなるように構成されている。このような構成によれば、整流通路３０６の絞りが緩和されるため、入口３０２から流入した新気を出口３０４から円滑に導出することが可能となる。

実施の形態３．
実施の形態３について図を参照して説明する。

［実施の形態３の特徴］
図１０は、整流板が固定された実施の形態３のピストンの斜視図である。図１１は、実施の形態３のピストン単体の斜視図である。図１２は、整流板が固定された実施の形態３のピストンを、シリンダ中心軸線を含む面で切断した断面を示す斜視断面図である。そして、図１３は、整流板が固定された実施の形態３のピストンを、噴孔軸線に垂直な面で切断し、その断面の一部を拡大して示す断面図である。なお、図１０乃至図１３において、図１乃至図８と共有する要素については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

これらの図に示すように、整流板４０は、整流板の上面側に沿って流れる燃料噴霧Ｆに沿って下方に窪んだ谷部４２を備えている。谷部４２は、例えば噴孔軸線Ｌ２に垂直な断面が、当該噴孔軸線Ｌ２を中心とした同心円弧になるように構成される。また、ピストン１０の円錐面１２２には、谷部４２に沿って下方に窪んだ谷部１２４を備えている。谷部１２４についても、例えば、噴孔軸線Ｌ２に垂直な断面が、当該噴孔軸線Ｌ２を中心とした同心円弧になるように構成される。

上記のように構成された実施の形態３のピストン１０及び整流板４０によれば、整流板４０の谷部４２によって燃料噴霧Ｆが整流板４０に付着することが抑制される。また、ピストン１０の円錐面１２２には谷部１２４が形成されているため、整流板４０の谷部４２と円錐面１２２の谷部１２４との間に、整流通路４０６としての隙間を確保することが可能となる。

［実施の形態３の変形例］
実施の形態３のエンジン２は、以下のように変形した形態を採用してもよい。

整流板４０に設けられた谷部４２の形状は、上記のものに限られない。すなわち、燃料噴霧Ｆとの接触度合が軽減されるように下方に窪んだ形状であれば、他の形状を採用してもよい。また、ピストン１０の円錐面１２２に設けられた谷部１２４は、整流板４０の谷部４２と円錐面１２２の谷部１２４との間に整流通路４０６としての隙間を確保できる形状であればよい。また、整流板４０の谷部４２と円錐面１２２との間に整流通路４０６としての隙間を確保できるのであれば、円錐面１２２の谷部１２４はなくてもよい。

実施の形態４．
実施の形態４について図を参照して説明する。
［実施の形態４の特徴］
図１４は、実施の形態４のエンジンが備えるピストンの斜視図である。図１５は、実施の形態４のエンジンが備えるピストンを、シリンダ中心軸線を含む面で切断した断面を示す斜視断面図である。図１６は、実施の形態４のエンジンが備えるピストンの上面図である。そして、図１７は、実施の形態４のエンジンが備えるピストンを、噴孔軸線を含む鉛直面で切断し、その断面の一部を拡大して示す断面図である。なお、図１４乃至図１７において、図１乃至図８と共有する要素については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

実施の形態４のエンジン２は、整流通路としての貫通孔１３６がピストン１０のキャビティ１２に直接形成されている構成に特徴を有している。すなわち、これらの図に示すように、実施の形態４のピストン１０は、キャビティ１２の内部において円環形状に突出した整流通路形成部１３を備えている。整流通路形成部１３は、ピストン１０と一体に形成されており、その上面には円錐面１２２が形成されている。

整流通路形成部１３には、外縁端に設けられた入口１３２から内縁端に設けられた出口１３４に向かって、その内部を貫通する貫通孔１３６が機械加工によって形成されている。より詳しくは、貫通孔１３６は、ピストン１０の上面視において燃料噴霧Ｆと重なるように、放射状に複数設けられている。貫通孔１３６は円孔でもよいし、長穴等の他の形状でもよい。

上記のように構成された貫通孔１３６は、低温の新気を燃料噴霧Ｆの根元部分へと送る整流通路として機能する。このため、実施の形態４のピストン１０によれば、出口１３４から導出された低温の新気を燃料噴霧Ｆの根元部分へと効率よく取り込ませることが可能となる。また、貫通孔１３６は、ピストン１０に機械加工を施すことにより形成することができるため、製造の容易性を高めることができる。

２ 内燃機関（エンジン）
４ シリンダヘッド
５ 天面部
６ シリンダブロック
８ 燃焼室
１０ ピストン
１２ キャビティ
１３ 整流通路形成部
１４ 燃料噴射ノズル
１８ 噴孔
２０，３０，４０ 整流板
２２，２４ 支柱
４２ 谷部
６２ シリンダ
１２２ 円錐面
１２４ 谷部
２０２，３０２，１３２ 入口
２０４，３０４，１３４ 出口
２０６，３０６，４０６ 整流通路
１３６ 貫通孔

Claims (6)

1. 圧縮された燃焼室に燃料を噴射することにより燃焼を行う圧縮自着火式の内燃機関において、
   燃料を噴射する噴孔を有し、前記噴孔が前記燃焼室の天面の中心から前記燃焼室内へ露出するように設けられた燃料噴射ノズルと、
   シリンダの内部に配置されたピストンと、
   前記ピストンの頂面に形成されているキャビティを構成する面のうち前記ピストンの外径方向に向かって下方に傾斜した円錐面に沿って形成され、前記シリンダのボア壁面側に露出する入口からボア中心側に露出する出口に向かって連通した整流通路と、
   を備えることを特徴とする内燃機関。
2. 前記整流通路は、
   環状の整流板と、
   前記整流板の外縁端から内縁端に向かって前記ピストンの頂面との間の隙間が連通するように前記整流板を前記ピストンの頂面に固定するための支柱と、
   を含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記整流板は、前記ピストンの頂面との間の隙間が、前記外縁端から前記内縁端に向かうにつれて広くなるように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記燃料噴射ノズルは、前記噴孔から噴射された燃料噴霧が前記整流板の上面に沿って流れるように構成され、
   前記整流板は、前記噴孔から噴射された燃料噴霧の噴孔軸線に沿って前記ピストンの側に窪んだ谷部を備えることを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関。
5. 前記整流通路は、前記ピストンの内部を前記シリンダのボア壁面側に露出する入口からボア中心側に露出する出口に向かって貫通する貫通孔を含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
6. 前記燃料噴射ノズルは、噴射方向の異なる複数の前記噴孔を有し、
   前記整流通路は、前記複数の噴孔のそれぞれに対応して複数設けられていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の内燃機関。

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