WO2019197860A1 - 内燃機関の燃焼室構造 - Google Patents

Abstract

内燃機関の燃焼室構造は、点火栓に対してタンブル流の上流側において、シリンダヘッドのペントルーフ面に形成された凹部を有する。

Description

内燃機関の燃焼室構造

　本発明は、内燃機関の燃焼室構造に関する。

　ＪＰ２００８−３０３７９８Ａには、２つの点火栓の一方をタンブル流の流速が速い位置に設け、他方をタンブル流の渦中心に近い位置に設けることで、希釈燃焼を行う場合に高い点火エネルギーを要することなく点火を行うことができるようにした内燃機関が開示されている。

　しかしながら、上記の内燃機関はタンブル流の特性に基づいた構造にはなっておらず、タンブル流の流動速度や流動方向のばらつきにより希釈燃焼耐力が低下するという問題がある。

　本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたもので、タンブル流の流動ばらつきを抑制することができる内燃機関の燃焼室構造を提供することを目的とする。

　本発明のある態様によれば、点火栓に対してタンブル流の上流側において、シリンダヘッドのペントルーフ面に形成された凹部を有する、内燃機関の燃焼室構造が提供される。

図１は、本発明の第１実施形態に係る内燃機関のシリンダヘッドを燃焼室側から見た模式図である。 図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う燃焼室の模式断面図である。 図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う燃焼室の模式断面図である。 図４は、凹部について説明するための模式断面図である。 図５は、燃焼室の最大高さの位置について説明するための模式断面図である。 図６は、本発明の第２実施形態に係る内燃機関の燃焼室の模式断面図である。 図７は、本発明の第３実施形態に係る内燃機関の燃焼室の模式断面図である。

　＜第１実施形態＞
　以下、添付図面を参照しながら、本発明の第１実施形態に係る内燃機関１００の燃焼室１０１の構造について説明する。

　図１は、本発明の第１実施形態に係る内燃機関１００のシリンダヘッド３０を燃焼室１０１側から見た模式図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う燃焼室１０１の模式断面図である。図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う燃焼室１０１の模式断面図である。

　内燃機関１００は、図２に示すように、シリンダブロック１０と、シリンダブロック１０に形成されたシリンダ１１内に設けられるピストン２０と、シリンダブロック１０の上方に設けられてシリンダ１１を塞ぐシリンダヘッド３０と、シリンダヘッド３０に設けられる点火栓４０及びインジェクタ５０と、を備える。内燃機関１００は、単気筒であってもよいし、多気筒であってもよい。

　シリンダヘッド３０は、燃焼室１０１の上面を構成するペントルーフ面３１を有する。ペントルーフ面３１は、図１に示すように、２つの吸気ポート３２が形成された吸気側のルーフ面３１ａと、２つの排気ポート３３が形成された排気側のルーフ面３１ｂと、で構成される。なお、図１では、吸気バルブ及び排気バルブは記載を省略している。

　ルーフ面３１ａにおける２つの吸気ポート３２の間には、図２に示すように、ルーフ面３１ａを基準面（点線）として上方に窪む凹部３４が形成される。本実施形態では、凹部３４にインジェクタ５０が設けられる。

　図３に示すように、点火栓４０と凹部３４とは、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面と直交する方向に並んで配置される。図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面と直交する方向は、言い換えると、エンジンクランク軸及びシリンダ軸と直交する方向と平行な方向である。なお、図３では、インジェクタ５０は記載を省略している。

　本実施形態では、点火栓４０は、燃焼室１０１の中央部よりもわずかにルーフ面３１ｂ側に設けられる。

　内燃機関１００の作動時には、図２に破線の矢印で示すように、燃焼室１０１内にタンブル流が生成される。本実施形態のタンブル流は、燃焼室１０１に吸気ポート３２から流入した吸気が排気側のシリンダ１１の壁面、ピストン２０の頂面、吸気側のシリンダ１１の壁面に順に沿う方向の流れ（順タンブル流）である。

　内燃機関１００は、上記のように、ペントルーフ面３１に形成された凹部３４を有する。よって、ペントルーフ面３１に沿って流れるタンブル流は、凹部３４に集約して整流され、整流された流れが点火栓４０に向かう。これにより、点火栓４０に向かうタンブル流の流動速度や流動方向が安定する。

　すなわち、本実施形態によれば、点火栓４０に向かうタンブル流の流動ばらつきを抑制できるので、リーン燃焼領域やＥＧＲ（Ｅｘｈａｕｓｔ　Ｇａｓ　Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）制御の実行中といった希釈燃焼下においても安定した点火及び燃焼を実現できる。これにより、希釈燃焼下における燃焼耐力が向上する。その結果、燃費が向上し、環境負荷物質（ＮＯｘ）の発生も抑制される。

　また、本実施形態では、インジェクタ５０が凹部３４に設けられるので、凹部３４が、インジェクタ５０から噴霧された燃料の逃げ部としても機能する。よって、ペントルーフ面３１に凹部３４を設けても、インジェクタ５０を容易に配置できる。なお、インジェクタ５０は、凹部３４以外の位置に設けてもよい。

　続いて、図４を参照しながら凹部３４についてより詳しく説明する。

　凹部３４は、図４に示すように、点火栓４０側に、凹部３４の底部３４ａから点火栓４０に向かって傾斜する傾斜面３４ｂを有する。

　これによれば、凹部３４に集約されたタンブル流が、傾斜面３４ｂに沿うように整流されて点火栓４０に向かう流れとなる。よって、点火栓４０に向かうタンブル流の一様性が向上する。

　また、傾斜面３４ｂから延びる二点鎖線で示すように、傾斜面３４ｂの延長線上に、点火栓４０の点火部が位置する。

　これによれば、整流されたタンブル流が向かう先に点火部があるので、点火部で生成された放電チャネルを安定して伸長させることができる。

　また、角度θで示すように、傾斜面３４ｂは、点火栓４０の軸と直交する面（以下、直交面という。）よりも、点火栓４０の先端側に向かって下方に傾斜している。

　これによれば、点火栓４０に対してタンブル流の下流側で、放電チャネルが燃焼室１０１の上面（ルーフ面３１ｂ）に接することを抑制でき、安定した点火を実現できる。

　続いて、図５を参照しながら燃焼室１０１の最大高さの位置について説明する。

　本実施形態では、図５に示すように、燃焼室１０１の最大高さの位置が、点火栓４０に対してタンブル流の上流側に位置する。また、タンブル流の中心は、点火栓４０に対してタンブル流の上流側に位置する。

　燃焼室１０１の最大高さの位置が点火栓４０に対してタンブル流の上流側に位置することで、タンブル流中心が点火栓４０よりも吸気側となる。点火栓４０よりもタンブル流の上流側にタンブル流中心が存在する場合に、点火栓４０に対するタンブル流の流れ方向を水平よりも下向きにすることができ、且つ、凹部３４で整流された流れが点火栓４０に向かう。よって、点火栓４０に向かう流れを安定させることができる。

　以上述べたように、本実施形態の燃焼室１０１の構造は、点火栓４０に対してタンブル流の上流側において、シリンダヘッド３０のペントルーフ面３１に形成された凹部３４を有する。

　また、凹部３４と点火栓４０とは、エンジンクランク軸及びシリンダ軸と直交する方向と平行な方向に並んで設けられる。

　これによれば、ペントルーフ面３１に沿って流れるタンブル流が凹部３４に集約して整流され、整流された流れが点火栓４０に向かう。よって、点火栓４０に向かうタンブル流の流動ばらつきを抑制できる。

　また、凹部３４にインジェクタ５０が設けられる。

　これによれば、凹部３４が、インジェクタ５０から噴霧された燃料の逃げ部として機能する。よって、ペントルーフ面３１に凹部３４を設けても、インジェクタ５０を容易に配置できる。

　また、タンブル流は、燃焼室１０１に流入した吸気が排気側のシリンダ１１の壁面、ピストン２０の頂面、吸気側のシリンダ１１の壁面に順に沿う方向の流れである。

　また、凹部３４は、ペントルーフ面３１における吸気側のルーフ面３１ａに形成される。

　これによれば、効率よくタンブル流を整流することができる。

　また、凹部３４は、点火栓４０側に、点火栓４０に向かって傾斜する傾斜面３４ｂを有する。

　これによれば、凹部３４に集約されたタンブル流は、傾斜面３４ｂに沿うように整流されて点火栓４０に向かう流れとなるので、点火栓４０に向かうタンブル流の一様性が向上する。

　また、傾斜面３４ｂは、直交面よりも、点火栓４０の先端側に向かって下方に傾斜する。

　これによれば、点火栓４０に対してタンブル流の下流側で、放電チャネルが燃焼室１０１の上面（ルーフ面３１ｂ）に接することを抑制でき、安定した点火を実現できる。

　また、傾斜面３４ｂの延長線上に、点火栓４０の点火部が位置する。

　これによれば、整流されたタンブル流が向かう先に点火部があるので、点火部で生成された放電チャネルを安定して伸長させることができる。

　また、燃焼室１０１の最大高さの位置は、点火栓４０に対してタンブル流の上流側に位置する。

　また、タンブル流の中心は、点火栓４０に対してタンブル流の上流側に位置する。

　燃焼室１０１の最大高さの位置が点火栓４０に対してタンブル流の上流側に位置することで、タンブル流中心が点火栓４０よりも吸気側となる。点火栓４０よりもタンブル流の上流側にタンブル流中心が存在する場合に、点火栓４０に対するタンブル流の流れ方向を水平よりも下向きにすることができ、且つ、凹部３４で整流された流れが点火栓４０に向かうので、点火栓４０に向かう流れを安定させることができる。

　＜第２実施形態＞
　続いて、図６を参照しながら、本発明の第２実施形態に係る内燃機関２００の燃焼室２０１の構造について説明する。図６は、内燃機関２００の燃焼室２０１の模式断面図であって、第１実施形態の図２に相当する。以下、第１実施形態との相違点を中心に説明し、第１実施形態と同様の構成については説明を省略する。

　内燃機関２００は、シリンダブロック１０と、シリンダブロック１０に形成されたシリンダ１１内に設けられるピストン２０と、シリンダブロック１０の上方に設けられてシリンダ１１を塞ぐシリンダヘッド６０と、シリンダヘッド６０に設けられる点火栓４０及びインジェクタ（図示せず）と、を備える。

　シリンダヘッド６０は、燃焼室２０１の上面を構成するペントルーフ面６１を有する。ペントルーフ面６１は、２つの吸気ポート（図示せず）が形成された吸気側のルーフ面６１ａと、２つの排気ポート（図示せず）が形成された排気側のルーフ面６１ｂと、で構成される。

　ルーフ面６１ａにおける２つの吸気ポート３２の間には、ルーフ面６１ａを基準面（点線）として上方に窪む凹部６４が形成される。

　本実施形態では、点火栓４０は、シリンダ１１の径方向において、燃焼室２０１の中央部に位置する。

　よって、内燃機関２００の燃焼室２０１の構造として、サイド直噴インジェクタ、或いはポート噴射を採用することが可能である。

　また、内燃機関２００は、上記のように、ペントルーフ面６１に形成された凹部６４を有する。よって、ペントルーフ面６１に沿って流れるタンブル流が凹部６４に集約して整流され、整流された流れが点火栓４０に向かう。これにより、点火栓４０に向かうタンブル流の流動速度や流動方向が安定する。

　以上述べたように、本実施形態の燃焼室２０１の構造によれば、点火栓４０に向かうタンブル流の流動ばらつきを抑制でき、且つ、サイド直噴インジェクタ、或いはポート噴射を採用できる。

　＜第３実施形態＞
　続いて、図７を参照しながら、本発明の第３実施形態に係る内燃機関３００の燃焼室３０１の構造について説明する。図７は、内燃機関３００の燃焼室３０１の模式断面図であって、第１実施形態の図２に相当する。以下、第１実施形態との相違点を中心に説明し、第１実施形態と同様の構成については説明を省略する。

　内燃機関３００は、シリンダブロック１０と、シリンダブロック１０に形成されたシリンダ１１内に設けられるピストン２０と、シリンダブロック１０の上方に設けられてシリンダ１１を塞ぐシリンダヘッド７０と、シリンダヘッド７０に設けられる点火栓４０及びインジェクタ（図示せず）と、を備える。

　シリンダヘッド７０は、燃焼室３０１の上面を構成するペントルーフ面７１を有する。ペントルーフ面７１は、２つの吸気ポート（図示せず）が形成された吸気側のルーフ面７１ａと、２つの排気ポート（図示せず）が形成された排気側のルーフ面７１ｂと、で構成される。

　ルーフ面７１ａにおける２つの吸気ポートの間には、ルーフ面７１ａを基準面（点線）として上方に窪む凹部７４が形成される。

　本実施形態では、凹部７４は、断面形状の一部が円弧７４ａで構成される。円弧７４ａの曲率半径Ｒは、円弧７４ａを含む円の直径２Ｒが、最圧縮状態の燃焼室３０１の高さＨよりも大きく、燃焼室３０１のボア径Ｄよりも小さくなるように設定される。なお、凹部７４は、断面形状の全部が円弧で構成されてもよい。

　円弧７４ａの曲率半径Ｒの大きさとタンブル流の曲率半径の大きさとが近いほど、圧力損失を抑制しつつタンブル流を整流することができる。ここで、タンブル流の曲率半径は、幾何学的に、Ｈ／２とＤ／２との間の大きさとなる。

　よって、円弧７４ａを含む円の直径２Ｒが、高さＨよりも大きくボア径Ｄよりも小さくなるように円弧７４ａの曲率半径Ｒを設定することで、圧力損失を抑制しつつタンブル流を整流できる。

　以上述べたように、本実施形態の燃焼室３０１の構造によれば、圧力損失を抑制しつつ点火栓４０に向かうタンブル流の流動ばらつきを抑制できる。

　以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一つを示したものに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

　例えば、上記各実施形態では、凹部３４、６４、７４が、吸気側のルーフ面３１ａ、６１ａ、７１ａに形成されている。しかしながら、点火栓４０の位置によっては、点火栓４０に対するタンブル流の上流側において、排気側のルーフ面に凹部を形成してもよい。この場合も、シリンダヘッドのペントルーフ面に沿って流れるタンブル流が凹部に集約して整流され、整流された流れが点火栓４０に向かうという効果を得ることができる。

　上記各実施形態の構成は、適宜組み合わせて用いることができる。

Claims (12)

1. 　内燃機関の燃焼室構造であって、
   　点火栓に対してタンブル流の上流側において、シリンダヘッドのペントルーフ面に形成された凹部を有する、
   内燃機関の燃焼室構造。
2. 　請求項１に記載の内燃機関の燃焼室構造であって、
   　前記凹部にインジェクタが設けられる、
   内燃機関の燃焼室構造。
3. 　請求項１又は２に記載の内燃機関の燃焼室構造であって、
   　前記タンブル流は、前記燃焼室に流入した吸気が排気側のシリンダの壁面、ピストンの頂面、吸気側のシリンダの壁面に順に沿う方向の流れである、
   内燃機関の燃焼室構造。
4. 　請求項１から３のいずれか１つに記載の内燃機関の燃焼室構造であって、
   　前記凹部は、前記ペントルーフ面における吸気側のルーフ面に形成される、
   内燃機関の燃焼室構造。
5. 　請求項１から４のいずれか１つに記載の内燃機関の燃焼室構造であって、
   　前記凹部は、前記点火栓側に、前記点火栓に向かって傾斜する傾斜面を有する、
   内燃機関の燃焼室構造。
6. 　請求項５に記載の内燃機関の燃焼室構造であって、
   　前記傾斜面は、前記点火栓の軸と直交する面よりも、前記点火栓の先端側に向かって下方に傾斜する、
   内燃機関の燃焼室構造。
7. 　請求項５又は６に記載の内燃機関の燃焼室構造であって、
   　前記傾斜面の延長線上に、前記点火栓の点火部が位置する、
   内燃機関の燃焼室構造。
8. 　請求項１から７のいずれか１つに記載の内燃機関の燃焼室構造であって、
   　前記燃焼室の最大高さの位置は、前記点火栓に対して前記タンブル流の上流側に位置する、
   内燃機関の燃焼室構造。
9. 　請求項８に記載の内燃機関の燃焼室構造であって、
   　前記タンブル流の中心は、前記点火栓に対して前記タンブル流の上流側に位置する、
   内燃機関の燃焼室構造。
10. 　請求項１から９のいずれか１つに記載の内燃機関の燃焼室構造であって、
    　前記点火栓は、前記燃焼室の中央部に位置する、
    内燃機関の燃焼室構造。
11. 　請求項１から１０のいずれか１つに記載の内燃機関の燃焼室構造であって、
    　前記凹部と前記点火栓とは、エンジンクランク軸及びシリンダ軸と直交する方向と平行な方向に並んで設けられる、
    内燃機関の燃焼室構造。
12. 　請求項１から１０のいずれか１つに記載の内燃機関の燃焼室構造であって、
    　前記凹部は、エンジンクランク軸と直交する断面の形状の少なくとも一部が円弧で構成され、
    　前記円弧を含む円の直径は、最圧縮状態の前記燃焼室の高さよりも大きく、前記燃焼室のボア径よりも小さい、
    内燃機関の燃焼室構造。

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