JP2022118759A - 内燃機関の構造 - Google Patents

Abstract

【課題】火花点火により圧縮着火をアシストする際のＣＩ燃焼の生起するタイミング、またはＳＩ燃焼とＣＩ燃焼との割合を安定させる。【解決手段】気筒の燃焼室の天井部２に点火プラグ４が設置され、燃焼室の天井部２に面するピストン１の頂面における外周部と点火プラグ４に臨む中央部との間の部位に、同部位に隣接する部位よりも燃焼室の天井部２に接近するように突出した凸部１１が成形され、ピストン１が上死点近傍に位置するとき、燃焼室の天井部２とピストン１の凸部１１の先端との離間距離αが、燃焼室の天井部２とピストン１の外周部との離間距離γに比してより狭小になっている内燃機関を構成した。【選択図】図１

Description

本発明は、車両等に搭載される内燃機関の構造に関する。

現状、車両の動力源として採用されているガソリンエンジンの多くは、気筒に充填した混合気に対して点火プラグにより火花点火（Ｓｐａｒｋ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）しこれを燃焼させるものである。ＳＩ燃焼は、火炎伝播燃焼である。

これに対し、近時、気筒内で混合気を圧縮して自己着火させる予混合圧縮着火（Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ－Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）燃焼を行うことのできるＨＣＣＩエンジンが開発されている（例えば、下記特許文献を参照）。ＣＩ燃焼は、気筒内のあちこちに多くの火炎核が発生し、混合気全体が一気に燃焼するバルク燃焼である。混合気を高圧縮比で圧縮して自着火を誘起するＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼よりも熱効率が高くなる傾向にある。

特開２０１９－１７３５９４号公報

この種の内燃機関においては、火花点火で圧縮着火をアシストする、いわばＳＩ燃焼とＣＩ燃焼との中間的、折衷的な燃焼形態を実現することが可能である。即ち、点火プラグによる火花点火を実行し、燃焼の開始当初は点火プラグ周辺でＳＩ燃焼を得るが、その後火炎が広がりシリンダボア近傍まで到達するよりも早く、未燃焼のエンドガスをＣＩ燃焼させるのである。

しかしながら、現実には、ＣＩ燃焼が起こるタイミングやそれにより発生する熱量のピーク、あるいはＳＩ燃焼とＣＩ燃焼との割合を安定的に制御することが難しい。サイクルの度に、または各気筒毎に、ＣＩ燃焼の生起するタイミング等がばらつくと、熱効率が目論見よりも低下したり、内燃機関の回転速度の変動が大きくなったり、ＮＶ（Ｎｏｉｓｅ ａｎｄ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ）性能が悪化したりする。つまりは、火花点火アシスト圧縮着火の効用を十分に享受できない。

以上の点に着目してなされた本発明は、火花点火により圧縮着火をアシストする際のＣＩ燃焼の生起するタイミング、またはＳＩ燃焼とＣＩ燃焼との割合を安定させることを所期の目的としている。

本発明では、気筒の燃焼室の天井部に点火プラグが設置され、燃焼室の天井部に面するピストンの頂面における外周部と点火プラグに臨む中央部との間の部位に、同部位に隣接する部位よりも燃焼室の天井部に接近するように突出した凸部が成形され、ピストンが上死点近傍に位置するとき、燃焼室の天井部とピストンの凸部の先端との離間距離が、燃焼室の天井部とピストンの外周部との離間距離に比してより狭小になっている内燃機関を構成した。

本発明によれば、火花点火により圧縮着火をアシストする際のＣＩ燃焼の生起するタイミング、またはＳＩ燃焼とＣＩ燃焼との割合を安定させることができる。

本発明の一実施形態の内燃機関の気筒の燃焼室の天井部及びピストンを示す縦断面図。 同実施形態の内燃機関における燃焼の際の熱発生率の推移を例示する図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。本実施形態の内燃機関は、複数の気筒を包有する４ストロークレシプロエンジンであり、気筒内で燃料を燃焼させるにあたり、点火プラグ４による火花点火を実行し火炎伝播燃焼を惹起するＳＩ燃焼と、火花点火を実行せず高温高圧下で自着火させてバルク燃焼を惹起するＣＩ燃焼とを選択することができる。加えて、火花点火による圧縮着火のアシスト、即ち点火プラグ４により火花点火して点火プラグ４周辺でＳＩ燃焼を得、その後広がる火炎に隣接する未燃焼のエンドガスをＣＩ燃焼させる、という燃焼形態を実現することもできる。

気筒への燃料供給の方式は、インジェクタから気筒の吸気ポートに向けて燃料を噴射し吸気と混合した上で気筒に吸入させるポート噴射式であってもよく、インジェクタから気筒内に直接燃料を噴射し気筒内で吸気と混合する筒内直接噴射（直噴）式であってもよい。何れにせよ、ＳＩ燃焼を行うときには、気筒内における混合気の空燃比が理論空燃比またはその近傍となるように燃料噴射を制御し、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯ_x、ＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ）等の有害物質の排出増を抑制する。対して、ＣＩ燃焼を行うときには、混合気を高い圧縮比で圧縮する都合上、気筒への吸入空気量が多く、（点火プラグ４周辺の雰囲気を除き）混合気の空燃比が理論空燃比よりも大きくリーンとなる。

図１に、本実施形態の内燃機関が具備する一つの気筒の燃焼室の天井部２及びピストン１の形状を示す。図１は、気筒内でピストン１が上死点またはその近傍に到達した状態を表している。一般に、ピストン１が摺動進退する気筒のシリンダボア３はシリンダブロックに形成され、燃焼室の天井部２はこれを閉塞する蓋体となるシリンダヘッドに形成される。燃焼室の天井部２は、いわゆるペントルーフ型をなす。点火プラグ４は、燃焼室の天井部２における中央部位、気筒の中心軸Ａに近い箇所に設置される。

燃焼室の天井部２に面するピストン１の頂面には、凸部１１が成形されている。凸部１１は、当該凸部１１に隣接する部位よりも燃焼室の天井部２に近づくように、ピストン１の表面から突出している。凸部１１は、気筒の中心軸Ａの方向からみた平面視において、中心軸Ａを取り囲むように一周している。但し、凸部１１が完全に一周連続しているとは限られず、一箇所ないし複数箇所が断裂しまたは欠損していても構わない。また、凸部１１の平面視形状は、真円状であるとは限られず、楕円状や長円状等であってもよく、ポペット弁である気筒の吸気バルブや排気バルブの弁体との干渉を避けるべく一部が内側方に凹んでいてもよい。

この凸部１１の存在により、図１に示しているように、ピストン１が上死点またはその近傍にあるときに、気筒の燃焼室が複数の室５、６に区画されることになる。ピストン１が上死点に到達した状態で、凸部１１の先端と燃焼室の天井部２との間の、ピストン１が進退する軸Ａ方向に沿った離間距離（クリアランス）αは、限りなく０に近づくことが望ましい。が、内燃機関の構成部材の寸法公差や熱による膨脹収縮等を考慮して、その離間距離αは約１ｍｍないし２ｍｍの狭小な大きさに設定する。

ピストン１の凸部１１よりも気筒の中心軸Ａに近い内側方に所在する室５は、点火プラグ４に臨んでいる。この室５は、火花点火により生じる火炎核から火炎伝播してＳＩ燃焼が起こる主燃焼室５となる。ピストン１の頂面における、主燃焼室５に対面する中央部は、燃焼室の天井部２から離反するようにボール状に窪んでいる。ピストン１の中央部の底と燃焼室の天井部２との間の軸Ａ方向に沿った離間距離βは、凸部１１の先端と燃焼室の中央部との間の軸Ａ方向に沿った離間距離αに比して明らかに大きい。

ピストン１の凸部１１よりも気筒の中心軸Ａから離れた外側方に所在する室６は、凸部１１によって点火プラグ４から隔てられる。この室６は、エンドガスが火炎伝播ではなく自着火してＣＩ燃焼する副燃焼室６となる。ピストン１の凸部１１の外周部、燃焼室の天井部２に臨む上向面は、気筒の中心軸Ａと直交する径方向に沿って外方に向かうにつれて、燃焼室の天井部２から漸次離反するように傾斜している。その外周部の傾斜面と燃焼室の天井部２との間の軸Ａ方向に沿った離間距離γは、凸部１１と燃焼室の中央部との間の離間距離αに比して大きいが、ピストン１の中央部の底と燃焼室の天井部２との間の離間距離βよりは小さく、約３ｍｍないし５ｍｍ程度である。これは、既製の内燃機関のピストンと燃焼室の天井部との間に形成されるスキッシュエリア（離間距離が約２．５ｍｍ以下）よりも幾分広いと言える。

副燃焼室６よりも外側方に所在する、気筒のシリンダボア３に近い最外縁部７では、ピストン１の頂面と燃焼室の天井部２とが極近接し、両者の離間距離がさらに狭まる。

ピストン１の頂面の凸部１１の存在は、火花点火により圧縮着火をアシストする際の、ＣＩ燃焼の生起するタイミング、そしてＳＩ燃焼とＣＩ燃焼との割合を安定させるために有効に機能する。ピストン１が上死点近傍にあり、点火プラグ４を介して混合気に対する火花点火を行ったとき、それによる火炎核が点火プラグ４の電極の周囲に発生し、そこからＳＩ燃焼の火炎が主燃焼室５内で外側方に伝搬してゆく。だが、凸部１１により主燃焼室５と副燃焼室６とが殆ど隔絶されているために、火炎伝搬の範囲が物理的に制約され（せき止められ）、直ちに副燃焼室６に火炎が伝播したり副燃焼室６内で自着火が起こったりすることが抑止される。並びに、未着火かつ未燃焼のエンドガスが、一定量副燃焼室６に留まる。

その後、ピストン１が上死点から下死点に向かって運動する過程で、ピストン１の頂面及びその凸部１１が燃焼室の天井部２から遠ざかり、主燃焼室５と副燃焼室６とが連通すると、主燃焼室５内で火炎伝播が拡大し、副燃焼室６内のエンドガスが高温高圧化する。その帰結として、副燃焼室６内でエンドガスが自着火してＣＩ燃焼が起こる。

図２に、火花点火により圧縮着火をアシストする際の熱発生率の推移をＣＡＥ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ－Ａｉｄｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）で解析した結果を例示する。図２中、一点鎖線は、ピストンの頂面が平坦である、換言すればピストンの頂面に本実施形態のような凸部１１を設けていない内燃機関における熱発生率の推移である。火花点火によるＳＩ燃焼の発生タイミングＴ₁の後、ＣＩ燃焼が生起することになるが、ＣＩ燃焼の発生タイミングＴ₂は、サイクル毎に、また気筒間で大きくばらつく（前後する）。のみならず、ＣＩ燃焼に起因して得られる熱量のピークもまた、サイクル毎に、また気筒間で大きくばらつく（増減する）。一点鎖線で描画した例では、ＳＩ燃焼による熱量が小さく、ＣＩ燃焼による熱量が極大になっている。翻って、ＣＩ燃焼の発生タイミングがＴ₂よりも大きく遅れ、ＣＩ燃焼による熱量が極小化するおそれもある。このようなばらつきにより、内燃機関の熱効率が目論見よりも低下したり、回転速度の変動が大きくなったり、ＮＶ性能が悪化したりする。

これに対し、実線は、ピストン１の頂面に凸部１１を設けた本実施形態の内燃機関における熱発生率の推移である。本実施形態の内燃機関では、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼との割合が、主燃焼室５の容積と副燃焼室６の容積との割合に応じて安定する。そして、ＳＩ燃焼の発生タイミングＴ₁の後にＣＩ燃焼が発生するタイミングＴ₂や、ＣＩ燃焼に起因して得られる熱量のピークの、サイクル毎の及び気筒間でのばらつきが小さくなる。従って、内燃機関の熱効率の向上という火花点火アシスト圧縮着火の効用を十分に享受できる上、回転速度の変動やＮＶ性能の悪化といった副作用を招かずに済む。

本実施形態では、気筒の燃焼室の天井部２に点火プラグ４が設置され、燃焼室の天井部２に面するピストン１の頂面における外周部と点火プラグ４に臨む中央部との間の部位に、同部位に隣接する部位よりも燃焼室の天井部２に接近するように突出した凸部１１が成形され、ピストン１が上死点近傍に位置するとき、燃焼室の天井部２とピストン１の凸部１１の先端との離間距離αが、燃焼室の天井部２とピストン１の外周部との離間距離γに比してより狭小になっている内燃機関を構成した。本実施形態によれば、火花点火により圧縮着火をアシストする際のＣＩ燃焼の生起するタイミングＴ₂や、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼との割合を安定させることができる。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。各部の具体的な構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

１…ピストン
１１…凸部
２…燃焼室の天井部
３…気筒のシリンダボア
４…点火プラグ
５…主燃焼室
６…副燃焼室
α…燃焼室の天井部とピストンの凸部の先端との離間距離
γ…燃焼室の天井部とピストンの外周部との離間距離

Claims (1)

1. 気筒の燃焼室の天井部に点火プラグが設置され、
   燃焼室の天井部に面するピストンの頂面における外周部と点火プラグに臨む中央部との間の部位に、同部位に隣接する部位よりも燃焼室の天井部に接近するように突出した凸部が成形され、
   ピストンが上死点近傍に位置するとき、燃焼室の天井部とピストンの凸部の先端との離間距離が、燃焼室の天井部とピストンの外周部との離間距離に比してより狭小になっている内燃機関の構造。

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