JP7155917B2 - エンジンの燃焼室構造 - Google Patents
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Description
先ず、図1に示すシステム図を参照して、本発明に係る燃焼室構造が適用された部分圧縮着火式エンジン(以下、単にエンジンという)の全体構成を説明する。
図3に示すように、第1,第2吸気ポート9A,9Bのうち、第2吸気ポート9Bには、当該第2吸気ポート9Bを開閉可能なスワール弁17が設けられている。スワール弁17が閉方向に駆動されると、スワール弁17が設けられていない第1吸気ポート9Aから燃焼室6に流入する吸気の割合が増大する。このため、気筒軸AX(燃焼室6の中心軸)の周りを旋回する旋回流、つまりスワール流を強化することができる。逆に、スワール弁17を開方向に駆動すればスワール流を弱めることができる。なお、本実施形態の吸気ポート9は、タンブル流(縦渦)を形成可能なタンブルポートである。このため、スワール弁17の閉時に形成されるスワール流は、タンブル流とミックスされた斜めスワール流となる。
続いて、上述したエンジンの制御系統について説明する。図4は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。制御系統は、ECU20を備える。ECU20は、エンジンを統括的に制御するためのマイクロプロセッサであり、周知のCPU、ROM、RAM等から構成されている。
図5は、本実施形態のエンジンの温間時に使用される運転マップであり、エンジンの回転速度/負荷に応じた制御の相違を示す図である。なお、以下の説明において、エンジンの負荷が高い(低い)とは、エンジンの要求トルクが高い(低い)ことと等価である。
低・中速/低負荷の第1運転領域A1では、SI燃焼とCI燃焼とを組み合わせた部分圧縮着火燃焼(以下、これをSPCCI燃焼という)が実行される。SI燃焼とは、点火プラグ16から発生する火花により混合気に点火し、その点火点からその周囲へと燃焼領域を拡げて行く火炎伝播により混合気を強制的に燃焼させる燃焼形態のことである。CI燃焼とは、ピストン5の圧縮により高温・高圧化された環境下で、混合気を自着火により燃焼させる燃焼形態のことである。これらSI燃焼とCI燃焼とを組み合わせたSPCCI燃焼とは、混合気が自着火する寸前の環境下で行われる火花点火により燃焼室6内の混合気の一部をSI燃焼させ、このSI燃焼の後に(当該SI燃焼に伴うさらなる高温。高圧化によって)、燃焼室6内の他の混合気を自着火によりCI燃焼させる燃焼形態である。なお、「SPCCI」は、「Spark Controlled Compression Ignition」の略である。
低・中速/高負荷の第2運転領域A2では、1回の火花点火によって混合気をSPCCI燃焼させる制御が実行される。言い換えると、第2運転領域A2では、上述した第1運転領域A1における先行点火が省略されて、主点火のみが実行される。このような1回点火によるSPCCI燃焼を実現するため、第2運転領域A2では、ECU20の全体制御部27によってエンジンの各部が次のように制御される。
上記第1・第2運転領域A1,A2よりも高速側の第3運転領域A3では、SI燃焼が実行される。このSI燃焼の実現のために、第3運転領域A3では、全体制御部27によってエンジンの各部が次のように制御される。
本実施形態の燃焼室6内では、筒内流動として、少なくともタンブル流とスワール流とが発生する。即ち、上記で説明した通り、本実施形態の吸気ポート9(9A,9B)は、タンブル流を形成可能なタンブルポートである。また、スワール弁17の開閉により、スワール流を形成することができる。本実施形態にエンジンは、SI燃焼とSPCCI燃焼とが併用されるが、前者の燃焼態様ではタンブル流が肝要となり、後者の燃焼態様ではスワール流が肝要となる。
続いて、図8~図11を参照して、ピストン5の構造、とりわけ冠面50の構造について詳細に説明する。本実施形態では、冠面50に、上述したタンブル流およびスワール流の双方を圧縮上死点付近まで維持させることを可能とする形状的工夫が施されている。図8は、図1および図2に示されたピストン5の斜視図、図9は、冠面50の平面図、図10は、図9のX-X線断面図、図11は、図9のXI-XI線断面図である。図8~図11では、説明の明確性を担保するため、XYZの方向表示を付している。Z方向は気筒軸AX方向、X方向はクランク軸7の延伸方向であるエンジン本体1の前後方向、Y方向はZ方向およびX方向の双方と直交する方向であって、吸気口と排気口との配列方向に各々相当する。各図には、エンジン本体1の設置方向におけるフロント側、リヤ側という意味においてF側(+X側)、R側(-X側)と、吸気ポート9および排気ポート10と各々対向する側であるという意味においてIN側(+Y側)、EX側(-Y側)との表記が付されている。
図12は、キャビティ51に関連する各種パラメータを示す図である。図中には、FR周壁高さH1(隆起部の高さ)、IN側周壁高さH2、キャビティ径D、FR間周壁長さL、ボア径B、およびストロークSが示されている。FR周壁高さH1は、F側凸部52FまたはR側凸部52Rの高さ、言い換えるとF側周壁512FまたはR側周壁512Rの高さである。IN側周壁高さH2は、IN側斜面部55のせり上がり高さ、言い換えるとIN側周壁513の高さである。これらの高さH1,H2は、キャビティ51の最深部51B(所定の基準高さ位置)からの高さである。
〈H1/D〉
FR周壁高さH1とキャビティ径Dとの関係については、次の2つの形態に分けて範囲が設定される。
上記高さH1と直径Dとの比であるH1/Dが、専らSPCCI燃焼においてスワール流を圧縮行程の後期まで維持させるという観点からは、
H1/D=0.05~0.36
の範囲に設定される。
次に、SI燃焼とSPCCI燃焼とを併用し、SPCCI燃焼においてスワール流を圧縮行程の後期まで維持させるとともに、高回転のSI燃焼においてタンブル流を圧縮行程の後期まで維持させるという観点からは、
H1/D=0.050~0.235
の範囲に設定される。
FR周壁高さH1とIN側周壁高さH2とは、次の2つの形態に分けて範囲が設定される。
専らSPCCI燃焼におけるスワール流の維持を考慮する場合には、
H1/H2=1.79~3.29
の範囲に設定される。
また、SI燃焼とSPCCI燃焼との併用においてスワール流およびタンブル流の維持を考慮する場合には
H1/H2=1.92~2.75
の範囲に設定される。
キャビティ径Dとボア径Bとの関係については、次の2つの形態に分けて範囲が設定される。
専らSPCCI燃焼におけるスワール流の維持を考慮する場合には
B/D=1.19~2.94
の範囲に設定される。
また、SI燃焼とSPCCI燃焼との併用においてスワール流およびタンブル流の維持を考慮する場合には、
B/D=1.19~2.20
の範囲に設定される。
FR間周壁長さLとボア径Bとの関係についても、次の2つの形態に分けて範囲が設定される。
専らSPCCI燃焼におけるスワール流の維持を考慮する場合には、
B/L=1.0より大きい~2.86
の範囲に設定される。
また、SI燃焼とSPCCI燃焼との併用においてスワール流およびタンブル流の維持を考慮する場合には、
B/L=1.0より大きい~1.52
の範囲に設定される。
キャビティ51の底部511の曲率半径Rと、IN側周壁513の曲率半径Rinとの関係については、次の2つの形態に分けて範囲が設定される。
専らSPCCI燃焼におけるスワール流の維持を考慮する場合には、
R/Rin=1.0より大きい~78.0
の範囲に設定される。
また、SI燃焼とSPCCI燃焼との併用においてスワール流およびタンブル流の維持を考慮する場合には、
R/Rin=1.0より大きい~14.5
の範囲に設定される。
キャビティ51の底部511の曲率半径Rと、F側周壁512FおよびR側周壁512Rの曲率半径Rf,Rrとの関係については、次の2つの形態に分けて範囲が設定される。
専らSPCCI燃焼におけるスワール流の維持を考慮する場合には、
R/Rf=1.0より大きい~64.0
R/Rr=1.0より大きい~64.0
の範囲に設定される。
また、SI燃焼とSPCCI燃焼との併用においてスワール流およびタンブル流の維持を考慮する場合には、
R/Rf=1.0より大きい~12.0
R/Rr=1.0より大きい~12.0
の範囲に設定される。
キャビティ51の底部511の半径Rと、ボア径Bの関係については、次の2つの形態に分けて範囲が設定される。
専らSPCCI燃焼におけるスワール流の維持を考慮する場合には、
R/B=0.0より大きい~2.42
の範囲に設定される。
また、SI燃焼とSPCCI燃焼との併用においてスワール流およびタンブル流の維持を考慮する場合には、
R/B=1.06~2.42
の範囲に設定される。
以下、本実施形態に係るキャビティ51を有するピストン5が用いられた場合の筒内流動について、図13~図18を参照して説明する。図13~図15では、図5の第3運転領域(SI燃焼)において慣用となるタンブル流が維持される状況が示されている。図16~図18では、第1・第2運転領域(SPCCI燃焼)において慣用となるスワール流が維持される状況が示されている。図13、図14、図16、図17では、気筒2が簡略的に示されているとともに、ピストン5、インジェクタ15、および点火プラグ16の位置関係が示されている。
図13(A)~(D)は、SI燃焼の吸気行程におけるタンブル流の流動を模式的に示す図である。ここでは、タンブル比=2(排気TDC~圧縮TDCの間にタンブル流が2回転する)である例を示す。図13(A)は、ピストン5が排気TDCの位置にある状態を示している。この状態では、吸気弁11は開いておらず、吸気ポート9から新気は気筒2(燃焼室6)に流入していない。
図16(A)~(D)は、吸気行程におけるスワール流の流動を模式的に示す図である。図16(A)は、ピストン5が排気TDCの位置にある状態を示している。この状態では、吸気弁11は開いておらず、吸気ポート9から新気は気筒2(燃焼室6)に流入していない。既述の通り、SPCCI燃焼においてスワール流の形成が必要とされる際、スワール弁17の開度が制限され、新気は専ら吸気ポート9Aから導入される(図3)。
キャビティ51における、底部511の曲面の曲率半径Rと、ピストン5の直径(ボア径)Dの好適な範囲について、図19および図20を用いて説明する。
上記実施形態では、キャビティ51における底部511について、+Z側からの平面視で略円形の形状を有することとしたが、本発明は、これに限定を受けるものではない。例えば、楕円形や長円形などの形状や、一部に角を有する形状などを採用することもできる。
2 気筒
5 ピストン
5A ピストンヘッド
50 冠面
51 キャビティ
511 底部(中央底面)
6 燃焼室
6U 燃焼室天井面
9 吸気ポート
10 排気ポート
15 インジェクタ
16 点火プラグ
20 ECU
R 底部の曲面の曲率半径
B ピストンの直径(ボア径)
Claims (4)
- ピストンの冠面と、前記ピストンが摺動可能に収容された気筒の内壁面と、ペントルーフ形の天井面とによって区画される燃焼室を有し、当該燃焼室の幾何学的圧縮比が15以上であって、混合気の一部を火花点火によりSI燃焼させるとともにその他の混合気を自着火によりCI燃焼させる部分圧縮着火燃焼を行うエンジンの燃焼室構造であって、
前記天井面は、吸気口と排気口とを備え、
前記冠面は、
椀状に凹設されてなるキャビティと、
前記吸気口と前記排気口との配列方向に対して直交する方向における、前記キャビティと前記冠面の外縁部との間の外周領域に、気筒軸方向に突設され、前記天井面のペントルーフ形状に沿った山形形状を有するとともに、前記気筒軸方向からの平面視でそれぞれが弧形状を有する一対の隆起部と、
を備え、
前記ピストンを、前記キャビティの最深部を含み、前記直交する方向に沿った面で断面視する場合に、前記キャビティの底面は、前記キャビティの前記最深部とその周辺を含む中央底面と、前記中央底面に対して前記直交する方向の一方側に配置された一方側底面と、前記中央底面に対して前記直交する方向の他方側に配置された他方側底面と、を有し、
前記一方側底面は、前記中央底面の外周縁から前記一対の隆起部の内の一方における前記天井面側の尾根部まで延設され、且つ、前記中央底面よりも小さな曲率半径の凹曲面で構成されており、
前記他方側底面は、前記中央底面の前記外周縁から前記一対の隆起部の内の他方における前記天井面側の尾根部まで延設され、且つ、前記中央底面よりも小さな曲率半径の凹曲面で構成されており、
前記中央底面の曲面の曲率半径をR、前記ピストンの直径をBとするとき、
0.70≦R/B≦2.42の関係を満たす、
エンジンの燃焼室構造。 - 請求項1に記載のエンジンの燃焼室構造において、
前記中央底面の前記外周縁は、前記気筒軸方向からの平面視で円形であって、
前記中央底面の外周縁の直径をDとするとき、
1.19≦B/D≦2.94の関係を満たす、
エンジンの燃焼室構造。 - ピストンの冠面と、前記ピストンが摺動可能に収容された気筒の内壁面と、ペントルーフ形の天井面とによって区画される燃焼室を有し、当該燃焼室の幾何学的圧縮比が15以上であって、混合気を火花点火により燃焼させるSI燃焼と、混合気の一部を火花点火によりSI燃焼させるとともにその他の混合気を自着火によりCI燃焼させる部分圧縮着火燃焼と、を併用して行うエンジンの燃焼室構造であって、
前記天井面は、吸気口と排気口とを備え、
前記冠面は、
椀状に凹設されてなるキャビティと、
前記吸気口と前記排気口との配列方向に対して直交する方向における、前記キャビティと前記冠面の外縁部との間の外周領域に、気筒軸方向に突設され、前記天井面のペントルーフ形状に沿った山形形状を有するとともに、前記気筒軸方向からの平面視でそれぞれが弧形状を有する一対の隆起部と、
を備え、
前記ピストンを、前記キャビティの最深部を含み、前記直交する方向に沿った面で断面視する場合に、前記キャビティの底面は、前記キャビティの前記最深部とその周辺を含む中央底面と、前記中央底面に対して前記直交する方向の一方側に配置された一方側底面と、前記中央底面に対して前記直交する方向の他方側に配置された他方側底面と、を有し、
前記一方側底面は、前記中央底面の外周縁から前記一対の隆起部の内の一方における前記天井面側の尾根部まで延設され、且つ、前記中央底面よりも小さな曲率半径の凹曲面で構成されており、
前記他方側底面は、前記中央底面の前記外周縁から前記一対の隆起部の内の他方における前記天井面側の尾根部まで延設され、且つ、前記中央底面よりも小さな曲率半径の凹曲面で構成されており、
前記中央底面の曲面の曲率半径をR、前記ピストンの直径をBとするとき、
1.06≦R/B≦2.42の関係を満たす、
エンジンの燃焼室構造。 - 請求項3に記載のエンジンの燃焼室構造において、
前記中央底面の前記外周縁は、前記気筒軸方向からの平面視で円形であって、
前記中央底面の外周縁の直径をDとするとき、
1.19≦B/D≦2.20の関係を満たす、
エンジンの燃焼室構造。
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