JP7352699B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、シリンダー軸線に沿って往復運動自在にシリンダーに案内されて、シリンダーヘッドに向き合う冠面で燃焼室を形成するピストンと、燃焼室に臨む噴射口を有し、燃焼室内に形成される順タンブル流に燃料を噴射する燃料噴射弁とを備える内燃機関に関する。

特許文献１は、筒内噴射式火花点火内燃機関（いわゆる直噴内燃機関）を開示する。内燃機関は、シリンダー軸線に沿って往復運動自在にシリンダーに案内されて、シリンダーヘッドに向き合う冠面で燃焼室を形成するピストンを備える。ピストンの冠面には、クランクシャフトの軸方向に長軸を有する楕円形状の輪郭の凹み部が形成される。凹み部は、燃焼室内で生成される順タンブル流の崩壊を遅らせることができる。その結果、高圧縮比運転を行わせる場合においても混合気の着火性の低下を抑制することができる。

特開２０１６－１１３９９０号公報

高圧縮比運転を前提とした内燃機関では、ピストンの冠面に形成できる凹み部の容積に制限がある。凹み部の形成は燃焼室容積の増大を引き起こす。燃焼室容積が増大すると、内燃機関の圧縮比は低下してしまう。圧縮比の低下は熱効率の低下を招く。圧縮比が高められれば、熱効率は高められることができる。高圧縮比による容積の制限によりピストンの冠面形状の設計自由度は大きく制限される。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたもので、順タンブル流の強化にあたって燃焼室容積の縮小に基づく圧縮比の向上に貢献することができる内燃機関を提供することを目的とする。

本発明の第１側面によれば、シリンダー軸線に沿って往復運動自在にシリンダーに案内されて、シリンダーヘッドに向き合う冠面で燃焼室を形成するピストンと、前記燃焼室に臨む噴射口を有し、前記燃焼室内に形成される順タンブル流に燃料を噴射する燃料噴射弁とを備える内燃機関において、前記冠面には、前記シリンダー軸線に直交して前記冠面の外周縁を含む基準面よりも燃焼室天井面側に隆起して、湾曲面で形成される稜線を有して途切れなく凹部を囲む隆起部が形成され、前記凹部は、前記シリンダー軸線を含みクランクシャフトの回転軸線に平行な仮想平面に直交する方向に、前記冠面の中央に向かうにつれて窪むとともに、前記クランクシャフトの軸方向に、前記冠面の中央に向かうにつれて窪み、前記仮想平面よりも排気弁側にオフセットした位置で前記燃焼室内に臨む電極を有する点火プラグをさらに備え、前記凹部は前記仮想平面内に最深部を有し、前記最深部から排気弁側の曲率半径は前記最深部から吸気弁側の曲率半径よりも大きく、前記隆起部は、前記クランクシャフトの軸方向に並列に延びる１対の第１隆起部と、前記仮想平面に直交する方向に並列に延びて、前記第１隆起部の端同士を結ぶ１対の第２隆起部とを含み、前記第２隆起部は、前記第１隆起部に近づくほど前記基準面からの隆起量を増加させる。

第１側面によれば、吸気ポートから流入する気流は、仮想平面に直交する方向に冠面の中央に向かって深まる窪み面で案内されるとともに、クランクシャフトの軸方向に冠面の中央に向かって深まる窪み面で案内される。窪み面の案内によりタンブル流が圧縮上死点近くまで保持されるので、順タンブル流は強化されることができる。タンブル流の崩壊は遅れる。噴霧される燃料はタンブル流に巻き込まれることから、ピストンの冠面に向かって噴霧燃料の拡散は抑制されることができる。燃焼室内に対して噴霧燃料の付着は抑制されることができる。タンブル流ができるだけ長く維持されるので、熱効率は向上する。しかも、隆起部の稜線が湾曲面で形成されるので、同じ隆起高さの線形の稜線に比べて、ピストンの上死点で燃焼室容積の縮小は実現されることができる。燃焼室容積の縮小は熱効率の向上に貢献することができる。また、点火プラグの電極が排気弁側にオフセットしても、タンブル流は点火プラグの電極に集中するので、燃焼室内で良好な着火は実現されることができる。

また、第２隆起部は第１隆起部に近づくほど基準面からの隆起量を増加させるので、第１隆起部の端で隆起量が確保されることができる。また、第２隆起部は中央に向かって窪むので、タンブル流の形成は強化されることができる。また、タンブル流は保持されることができる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関であって、シリンダー軸線を含みクランクシャフトの回転軸線に直交する仮想平面の切断面で観察される内燃機関の構造を概略的に示す部分断面図である。 吸気弁および排気弁の軸心を含む断面の構造を概略的に示す部分断面図である。 ピストンの冠面の構造を概略的に示す図である。 燃焼室内に形成される順タンブル流を概略的に示す内燃機関の部分断面図である。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。

図１は本発明の実施形態に係る内燃機関を概略的に示す概念図である。内燃機関１１は、シリンダー軸線Ｃに同軸の円筒空間を区画するシリンダーボア（シリンダー）１２を有するシリンダーブロック１３と、シリンダーブロック１３の上端に結合されて、動弁機構１４を支持するシリンダーヘッド１５とを備える。シリンダーブロック１３には、シリンダー軸線Ｃに沿って往復運動自在にシリンダーボア１２に案内されるピストン１６が収容される。ピストン１６は、シリンダーヘッド１５に向き合う冠面１７でシリンダーヘッド１５との間に燃焼室１８を形成する。シリンダーボア１２の開口はシリンダーヘッド１５を受け止める座面１９で囲まれる。座面１９はシリンダー軸線Ｃに直交する平面内で広がる。内燃機関１１は、後述されるように、筒内噴射式内燃機関（いわゆる直噴内燃機関）に構成される。

ピストン１６には回転軸線Ｒｘ回りで回転自在にクランクケースに支持されるクランクシャフト２１が接続される。コネクティングロッド２２は、ピストン１６とクランクシャフト２１のクランクピンとを連結する。ピストン１６の線形運動はコネクティングロッド２２の働きでクランクシャフト２１の回転運動に変換される。

図２に示されるように、シリンダーヘッド１５には、天井面２３で並んで開口する２つの吸気ポート２４と、天井面２３で並んで開口する２つの排気ポート２５とが形成される。吸気ポート２４は、燃焼室１８内に順タンブル流を生み出す形状に形成される。吸気ポート２４の開口および排気ポート２５の開口にはそれぞれバルブシート２６が固定される。

動弁機構１４は、軸方向に変位自在にシリンダーヘッド１５に支持されて、燃焼室１８に臨んで吸気ポート２４の開口を開閉する吸気弁２７と、軸方向に変位自在にシリンダーヘッド１５に支持されて、燃焼室１８に臨んで排気ポート２５の開口を開閉する排気弁２８とを備える。吸気弁２７および排気弁２８はそれぞれ吸気ポート２４および排気ポート２５の閉鎖時にバルブシート２６に着座する。

動弁機構１４は、クランクシャフト２１の回転軸線Ｒｘに平行な軸心回りで回転自在にシリンダーヘッド１５に支持されるカムシャフト（図示されず）の働きで、吸気弁２７および排気弁２８の軸方向変位を引き起こす。吸気弁２７および排気弁２８の軸方向変位にあたって吸気弁２７および排気弁２８とカムシャフトとの間にはロッカーアーム（図示されず）が介在することができる。

図１に示されるように、シリンダーヘッド１５には、燃焼室１８に臨む噴射口２９ａを有し、燃焼室１８内に形成される順タンブル流に燃料を噴射する燃料噴射弁２９と、シリンダー軸線Ｃを含んでクランクシャフト２１の回転軸線Ｒｘに平行な仮想平面ＦＰよりも排気弁２８側にオフセットした位置で燃焼室１８内に臨む電極３１ａを有する点火プラグ３１とが支持される。ここでは、燃料噴射弁２９の噴射口２９ａは、シリンダー軸線Ｃに直交しシリンダーブロック１３およびシリンダーヘッド１５の合わせ面を含む仮想平面ＳＰと２つの吸気ポート２４の開口とに挟まれる領域で天井面２３に配置される。燃料噴射弁２９は、燃焼室１８内で順タンブル流に燃料を噴霧し混合気を生成する。噴射口２９ａの位置は、シリンダー軸線Ｃを含みクランクシャフト２１の回転軸線Ｒｘに直交する仮想平面ＴＰに合わせ込まれる。点火プラグ３１の電極３１ａは、吸気ポート２４の開口および排気ポート２５の開口で囲まれる領域で天井面２３に配置される。点火プラグ３１が混合気に着火することで燃焼室１８内で燃焼が実現される。電極３１ａの位置は、シリンダー軸線Ｃを含みクランクシャフト２１の回転軸線Ｒｘに直交する仮想平面ＴＰに合わせ込まれる。

図３に示されるように、ピストン１６の冠面１７には、シリンダー軸線Ｃに直交して冠面１７の外周縁を含む基準面（コンプハイト）ＳＤよりも燃焼室天井面側に隆起して、湾曲面で形成される稜線３２ａを有して途切れなく凹部３３を囲む隆起部３２が形成される。隆起部３２は、クランクシャフト２１の軸方向に並列に延びる１対の第１隆起部３４と、仮想平面ＦＰに直交する方向に並列に延びて、第１隆起部３４の端同士を結ぶ１対の第２隆起部３５とを含む。第２隆起部３５は、第１隆起部３４に近づくほど基準面ＳＤからの隆起量を増加させる。すなわち、第２隆起部３５の稜線３２ａは特定の曲率半径の円筒面に接するように湾曲する。第２隆起部３５は冠面１７の外周縁に沿って延びることから、凹部３３は冠面１７の上面視でクランクシャフト２１の軸方向に延びる帯形状に仕切られる。

冠面１７には、隆起部３２の一部で凹部３３から分離される吸気弁リセス３６と、隆起部３２の一部で凹部３３から分離される排気弁リセス３７とが形成される。吸気弁リセス３６は、ピストン１６の上死点近くで個別に吸気弁２７を受け入れる空間を区画する。排気弁リセス３７は、ピストン１６の上死点近くで個別に排気弁２８を受け入れる空間を区画する。ピストン１６の上死点近くでピストン１６と吸気弁２７および排気弁２８との干渉は回避される。

凹部３３は、シリンダー軸線Ｃを含みクランクシャフト２１の回転軸線Ｒｘに平行な仮想平面ＦＰに直交する方向に、冠面１７の中央に向かうにつれて深く窪み、クランクシャフト２１の軸方向に、冠面１７の中央に向かうにつれて深く窪む。凹部３３は、仮想平面ＦＰに直交する方向では仮想平面ＦＰ内に最深部３８を有する。凹部３３は、クランクシャフト２１の回転軸線Ｒｘに直交する平面内で、仮想平面ＦＰ内に曲率中心３９を有して吸気弁２７側に広がる第１湾曲面４１と、仮想平面ＦＰ内で曲率中心４２を有して排気弁２８側に広がる第２湾曲面４３とを有する。第２湾曲面４３の曲率半径Ｒｂは第１湾曲面４１の曲率半径Ｒａよりも大きい。その結果、凹部３３の広がりは仮想平面ＦＰよりも排気弁２８側にオフセットする。したがって、吸気弁２７側で凹部３３の広がりを示すパラメーターＥａは排気弁２８側で凹部３３の広がりを示すパラメーターＥｂよりも小さい。ここでは、クランクシャフト２１の回転軸線Ｒｘに直交する平面内で、隆起部３２は吸気弁２７側および排気弁２８側で等しい形状を有する。

凹部３３は、クランクシャフト２１の軸方向では仮想平面ＴＰ内に最深部４４を有する。凹部３３は、仮想平面ＦＰおよびそれに平行な平面内で、仮想平面ＴＰ内に曲率中心４５を有して一律な曲率半径Ｒｃで広がる湾曲面４６を有する。

次に本実施形態に係る内燃機関１１の動作を説明する。図４に示されるように、内燃機関１１の吸気行程ではピストン１６は上死点から下死点に向かって下降する。吸気弁２７はカムシャフトの働きでバルブシート２６から離れる。吸気ポート２４は燃焼室１８に接続される。ピストン１６の下降に伴って吸気ポート２４から燃焼室１８内に空気は導入される。燃焼室１８内では順タンブル流Ｔｒが形成される。吸気ポート２４から流入する気流は、仮想平面ＦＰに直交する方向に冠面１７の中央に向かって深まる窪み面で案内されるとともに、クランクシャフト２１の軸方向に冠面１７の中央に向かって深まる窪み面で案内される。こうして順タンブル流Ｔｒは強化される。順タンブル流Ｔｒの崩壊は遅れる。

燃料噴射弁２９は燃焼室１８に燃料を噴霧する。噴霧された燃料は順タンブル流Ｔｒに巻き込まれることから、ピストン１６の冠面１７に向かって噴霧燃料の拡散は抑制されることができる。燃焼室１８内に対して噴霧燃料の付着は抑制されることができる。また、噴霧された燃料は、流動の弱い順タンブル流の中心を狙うことで、燃料が順タンブル流の中心に留まり、燃焼室１８内に対して噴霧燃料の付着をさらに抑制することができる。

圧縮行程でピストン１６は下死点から上死点に向かって上昇する。順タンブル流Ｔｒはピストン１６の上昇に伴って縮小しながらできるだけ長く維持される。ピストン１６が下降し始めると、点火プラグ３１は混合気に着火する。燃焼室１８内で混合気は燃焼する。燃焼室１８は膨張する。順タンブル流Ｔｒができるだけ長く維持されることから、吸気ポート２４から燃焼室１８内に流入した順タンブル流Ｔｒが圧縮上死点近くで崩壊し、乱流運動エネルギーとして変換される。こうして均質燃焼が促進され、熱効率は向上する。

しかも、隆起部３２の稜線３２ａが湾曲面で形成されるので、同じ隆起高さの線形の稜線に比べて、ピストン１６の上死点で燃焼室容積の縮小は実現されることができる。したがって、できるだけ冠面１７に対して吸気弁２７および排気弁２８の干渉を抑制しながら、燃焼室容積の縮小は実現されることができる。燃焼室容積の縮小は圧縮比の向上に貢献することができる。

本実施形態では冠面１７の吸気弁リセス３６および排気弁リセス３７は隆起部３２の一部で凹部３３から分離される。リセスが凹部３３に連続する場合に比べて、凹部３３の整流効果は良好に維持されることができる。こうした吸気弁リセス３６および排気弁リセス３７は熱効率の向上に寄与することができる。

本実施形態に係るピストン１６では、第２隆起部３５は、第１隆起部３４に近づくほど基準面ＳＤからの隆起量を増加させる。第１隆起部３４の端で隆起量が確保されることができ、その結果、凹部３３から吸気弁リセス３６および排気弁リセス３７の分離が良好に実現されることができる。第２隆起部３５は中央に向かって窪むので、順タンブル流Ｔｒの形成は強化されることができる。

本実施形態に係る内燃機関１１では、凹部３３の最深部３８から排気弁２８側の曲率半径Ｒｂは最深部３８から吸気弁２７側の曲率半径Ｒａよりも大きい。したがって、点火プラグ３１の電極３１ａが排気弁２８側にオフセットしても、順タンブル流Ｔｒは点火プラグ３１の電極３１ａに集中するので、燃焼室１８内で良好な着火は実現されることができる。

１１…内燃機関、１２…シリンダー（シリンダーボア）、１５…シリンダーヘッド、１６…ピストン、１７…冠面、１８…燃焼室、２１…クランクシャフト、２７…吸気弁、２８…排気弁、２９…燃料噴射弁、２９ａ…噴射口、３１…点火プラグ、３１ａ…電極、３２…隆起部、３２ａ…稜線、３３…凹部、３４…第１隆起部、３５…第２隆起部、３８…（凹部の）最深部、Ｃ…シリンダー軸線、ＦＰ…（クランクシャフトの回転軸線に平行な）仮想平面、Ｒａ…（吸気弁側の）曲率半径、Ｒｂ…（排気弁側の）曲率半径、Ｒｘ…（クランクシャフトの）回転軸線。

Claims (1)

1. シリンダー軸線（Ｃ）に沿って往復運動自在にシリンダー（１２）に案内されて、シリンダーヘッド（１５）に向き合う冠面（１７）で燃焼室（１８）を形成するピストン（１６）と、
   前記燃焼室（１８）に臨む噴射口（２９ａ）を有し、前記燃焼室（１８）内に形成される順タンブル流（Ｔｒ）に燃料を噴射する燃料噴射弁（２９）とを備える内燃機関（１１）において、
   前記冠面（１７）には、前記シリンダー軸線（Ｃ）に直交して前記冠面（１７）の外周縁を含む基準面（ＳＤ）よりも燃焼室天井面側に隆起して、湾曲面で形成される稜線（３２ａ）を有して途切れなく凹部（３３）を囲む隆起部（３２）が形成され、
   前記凹部（３３）は、前記シリンダー軸線（Ｃ）を含みクランクシャフト（２１）の回転軸線（Ｒｘ）に平行な仮想平面（ＦＰ）に直交する方向に、前記冠面（１７）の中央に向かうにつれて窪むとともに、前記クランクシャフト（２１）の軸方向に、前記冠面（１７）の中央に向かうにつれて窪み、
   前記仮想平面（ＦＰ）よりも排気弁（２８）側にオフセットした位置で前記燃焼室（１８）内に臨む電極（３１ａ）を有する点火プラグ（３１）をさらに備え、前記凹部（３３）は前記仮想平面（ＦＰ）内に最深部（３８）を有し、前記最深部（３８）から排気弁（２８）側の曲率半径（Ｒｂ）は前記最深部（３９）から吸気弁（２７）側の曲率半径（Ｒａ）よりも大きく、
   前記隆起部（３２）は、前記クランクシャフト（２１）の軸方向に並列に延びる１対の第１隆起部（３４）と、前記仮想平面（ＦＰ）に直交する方向に並列に延びて、前記第１隆起部（３４）の端同士を結ぶ１対の第２隆起部（３５）とを含み、前記第２隆起部（３５）は、前記第１隆起部（３４）に近づくほど前記基準面（ＳＤ）からの隆起量を増加させることを特徴とする内燃機関。

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