JP3799974B2 - Piston for direct-injection spark ignition internal combustion engine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直噴火花点火式内燃機関のピストン、特にその冠面形状に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の直噴火花点火式内燃機関のピストンとして、ピストン冠面に、最外周側に最小限の幅の環状の平面部を残して、上面視で円形の外形を有し、中央部に向かって例えば円錐状に隆起する隆起部を形成し、この隆起部の吸気弁寄りに凹状のキャビティを形成するようにしたものがあり、シリンダ内にスワール(横渦)成分を付与した状態で、吸気弁側に配置された燃料噴射弁から、圧縮行程にて燃料噴射を行うことにより、点火プラグ回りに集中的に層状の混合気を形成して、成層燃焼を実現する一方、シリンダ内にタンブル(縦渦)成分を付与した状態で、吸気行程にて燃料噴射を行うことにより、燃焼室全体に燃料を拡散させ均質な混合気を形成して、均質燃焼を実現するようにしている(特開平10−331644号、特開平11−210470号参照)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、例えば、現行エンジンのピストンストロークを延長して行程容積(排気量)を増大する際に所定の圧縮比を維持するために、又は、現行エンジンの圧縮比を低圧縮比化するために、燃焼室容積を大きくする場合に、キャビティ径を大きくすると、成層燃焼時のシリンダ内スワールの流速は変わらないものの、シリンダ内スワールによって誘起されるキャビティ内スワールの流速が低下(同じ誘起エネルギーであれば、キャビティ径が大きい分、流速が低下)し、両スワールのバランスが崩れて、点火プラグへの燃料輸送がうまくいかなくなるなどの不都合を生じ、成層燃焼性能が悪化することがある。
【0004】
このような場合に、上死点付近でのシリンダ内スワールの流路を見直すなどして、シリンダ内スワールの流速を調整(例えば低下)する必要を生じるが、均質燃焼性能への影響も考慮する必要があり、従来技術のように、ピストン冠面の隆起部の外形が単純な円形であると、各種要求に対し、設計上の自由度が少ないという問題点があった。
【0005】
本発明は、このような従来の問題点に鑑み、各種仕様のエンジンへの適合を考え、ピストン冠面の隆起部の形状を見直すことにより、成層燃焼性能及び均質燃焼性能の向上を図ることができるようにすることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項1に係る発明では、シリンダヘッドに凹設された燃焼室の壁面の略中央に点火プラグを有し、この点火プラグを挟んで吸気弁及び排気弁を有し、かつ、吸気弁側にシリンダ内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を有し、シリンダ内にスワール成分を付与した状態で圧縮行程付近で燃料噴射を行うことにより成層燃焼を実現し、シリンダ内にタンブル成分を付与した状態で吸気行程付近で燃料噴射を行うことにより均質燃焼を実現するようにした直噴火花点火式内燃機関のピストンにおいて、ピストン冠面に、最外周側に平面部を残して、上面視で吸気弁側と排気弁側とを結ぶ直線方向に長い略楕円状の外形を有し、中央部に向かって山型に隆起する隆起部を形成し、かつ、この隆起部を、上面視で前記直線方向と直角方向の幅が、吸気弁側に対し、排気弁側において、狭くなるように形成し、この隆起部の吸気弁寄りに凹状のキャビティを形成したことを特徴とする。
【0007】
請求項2に係る発明では、前記隆起部の前記直線方向で排気弁側の部分に、前記隆起部の山型の傾斜より緩傾斜の傾斜面を形成したことを特徴とする。
尚、「吸気弁側と排気弁側とを結ぶ直線方向」を本明細書では以下「クロスフロー方向」という。
【0008】
【発明の効果】
請求項1に係る発明によれば、ピストン冠面の隆起部を上面視でクロスフロー方向に長い略楕円状の外形を有する形状とすることで、ピストン冠面の吸気弁側に成層燃焼のためのキャビティの壁を確保し、かつ、ピストン冠面の排気弁側に均質燃焼のためのタンブル保持用の隆起を確保した上で、隆起部のクロスフロー方向と直角方向の幅を減少させることにより、上死点付近でのシリンダ内スワールの流路面積を増大させることができ、これにより、成層燃焼時のシリンダ内スワールの流速を調整することが可能となり、設計自由度が向上するという効果が得られる。
【0009】
従って、例えばキャビティ径の拡大により、キャビティ内スワールの流速が低下する場合に、これに合わせてシリンダ内スワールの流速を低下させることができ、両スワールのバランスを適切に維持することが可能となる。
また、隆起部の吸気弁側は成層燃焼のためにキャビティの壁を確実に確保する必要があるのに対し、排気弁側は均質燃焼時のタンブルを保持するために必要な幅があればよいことから、吸気弁側の幅に対し、排気弁側の幅をより狭くすることで、性能上必須なキャビティ容積を確保した上で、シリンダ内スワールの流路面積を最大限増大し、上記の効果を最大限発揮させることができる。
【0010】
請求項2に係る発明によれば、隆起部において均質燃焼時のタンブルを保持する部分を緩傾斜の傾斜面とすることで、タンブルの整流効果を高めることができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は本発明の一実施形態を示すピストン冠面の平面図、図2は図1のA−A断面に相当するピストンを含むエンジンの断面図である。
これらの図において、1はシリンダヘッド、2はシリンダブロック、3はピストンである。
【0012】
シリンダヘッド1には、ペントルーフ型燃焼室4が凹設され、その燃焼室4壁面の略中央(僅かに排気弁9寄り)に点火プラグ5が配置されている。
また、シリンダヘッド1には、点火プラグ5を挟んで、各2本の吸気ポート6及び排気ポート7が対向配置され、燃焼室4への各開口部には吸気弁8及び排気弁9が配置されている。ここで、スワール生成手段として、2本の吸気ポート6のうち一方に、その少なくとも一部を閉止し得るスワール制御弁10が設けられている。
【0013】
また、シリンダヘッド1には、2本の吸気ポート6間で、かつ吸気ポート6より周縁部側に位置させて、燃料噴射弁11が吸気弁8側から排気弁9側に斜め下向きに取付けられ、シリンダ内に直接燃料を噴射するようにしてある。
次にピストン3の冠面形状について説明する。
ピストン3の冠面には、最外周側に環状の平面部12を残して、上面視でクロスフロー方向(吸気弁8−排気弁9方向)に長い略楕円状の外形13aを有し、中央部に向かって山型に隆起する隆起部13を形成してある。
【0014】
また、隆起部13の略楕円状の外形13aのクロスフロー方向と直角方向の幅について、図3を参照し、吸気弁8側の幅W1より、排気弁9側の幅W2を狭くしてあり、言い換えれば、吸気弁8側の平面部12の幅より、排気弁9側の平面部12の幅を広くしてある。
尚、ここでは、隆起部13の外形を「略楕円状」と表現しているが、吸気弁8側と排気弁9側とで幅が異なることからわかるように、完全な楕円ではなく、卵型に近く、実際には、図3を参照し、片側は、点aを中心とする半径r1の円弧と、点bを中心とする半径r2の円弧と、点cを中心とする半径r3の円弧とを、つないだ形状をしており、反対側はこれと対称になっている。
【0015】
そして、この隆起部13には、吸気弁8寄りに、凹状で底面14aが前記平面部12より低いキャビティ14を形成してある。すなわち、このキャビティ14は、ピストン3の中心から吸気弁8側にオフセットした位置に中心を有し、上面視で略円形の外形を有している。従って、キャビティ14の周縁部の稜線14bは吸気弁8側が低く、排気弁9側(ピストン3中心側)が高くなっており、キャビティ14内のピストン3中心側の周縁部の上方に点火プラグ5が位置するようにしてある。
【0016】
また、隆起部13のクロスフロー方向で排気弁9側の部分(キャビティ14のピストン3中心側の周縁部の稜線14bの外側)を斜めに削り落として、ピストン3の最高部の高さを抑えると共に、均質燃焼時のタンブルをより良好に保持する目的で、隆起部13の山形の傾斜より緩傾斜の傾斜面(タンブル保持面)15を形成してある。また、この傾斜面15をより長くすると共に、排気弁9側の平面部12を確保すべく、傾斜面15より急傾斜の傾斜面16で、平面部12と傾斜面15とをつないでいる。
【0017】
更に、キャビティ14内の底面14aと側面(内周面)とは基本的にはアール14cによってつなぐが、本実施形態では、キャビティ14内の燃料噴射弁11側の側面については、肉盛りして、ピストン3中心線を中心軸とする円錐面からなり、成層燃焼時に燃料噴射弁11からの燃料噴霧をスムーズに点火プラグ5側へ輸送すべく案内する傾斜面(噴霧案内面)17を形成してある。ここで、図8を参照し、この傾斜面17の傾斜角θ2は、燃料噴射弁11の噴射方向線の傾斜角θ1より緩傾斜としてある(θ2<θ1)。
【0018】
次に作用を説明する。
主に低負荷領域での成層燃焼時には、2本の吸気ポート6のうち一方をスワール制御弁10により閉止して、1本の吸気ポート6から吸気することにより、図4に示すように、シリンダ内にスワールS1を形成し、また、このシリンダ内スワールS1により、キャビティ14内にスワールS2を誘起する。そして、これらのスワールS1,S2を圧縮行程以降も維持して、圧縮行程後期に燃料噴射弁11よりキャビティ14内に燃料を噴射し、噴射燃料をキャビティ14内のスワールS2に乗せて、点火プラグ5近傍に輸送することで、点火プラグ5回りに燃料を集めて、成層燃焼を行わせる。
【0019】
ここにおいて、ピストン3冠面の隆起部13を上面視でクロスフロー方向に長い略楕円状の外形13aを有する形状とすることで、ピストン3冠面の吸気弁8側にキャビティ14の十分な容積とその壁を確保し、かつ、ピストン3冠面の排気弁9側に後述する均質燃焼時のタンブルを保持するための隆起(傾斜面15)を確保した上で、隆起部13のクロスフロー方向と直角方向の幅を減少させることにより、また特に、隆起部13の吸気弁8側はキャビティ14の壁を確実に確保する必要があるのに対し、排気弁9側は均質燃焼時のタンブルを保持するために必要な幅があればよいことから、隆起部13の吸気弁8側の幅W1に対し、排気弁9側の幅W2をより狭くすることにより、性能上必須な形状を確保した上で、上死点付近でのシリンダ内スワールS1の流路面積を最大限増大させ、もって、シリンダ内スワールS1の流速を低下させることが可能となる。
【0020】
従って、キャビティ14の径の拡大により、キャビティ内スワールS2の流速が低下する場合にも、これに合わせてシリンダ内スワールS1の流速を十分に低下させることができ、両スワールS1,S2のバランスを適切に維持することが可能となり、成層燃焼性能を向上させることができる。
一方、主に高負荷領域での均質燃焼時には、前記スワール制御弁10を開いて、2本の吸気ポート6から吸気することにより、図5に示すように、タンブルを生成する一方、吸気行程にて燃料噴射弁11よりシリンダ内に燃料を噴射し、噴射燃料をタンブルに乗せて、燃焼室4全体に拡散させ、均質な混合気を形成することで、均質燃焼を行わせる。
【0021】
ここにおいて、隆起部13の排気弁9側の部分、特に傾斜面15は、図5に示すように、タンブルを整流・保持する働きをもち、これにより均質燃焼性能を向上させることができる。
尚、本発明は、キャビティ14の径を拡大する場合に特にその効果を発揮するものであり、図6に示すキャビティ面積Acとボア面積Abとの比率Ra=Ac/Ab、図7に示すキャビティ容積Vcと隆起部(凸部)容積Vtとの比率Rv=Vc/Vtでみれば、従来一般的には、Ra=0.28〜0.33程度、Rv=0.7〜1.6程度であり、本発明は、Ra≧0.35、Rv≧2.0の場合に特にその効果を発揮する。
【0022】
次にキャビティ14内の燃料噴射弁11側に傾斜面17(図8参照)を形成する理由について説明する。
キャビティ14内の燃料噴射弁11側の側面と底面14aとを参考例である図10に示すようにアール20によってつなぐと、燃料噴射弁11直下のキャビティ14隅部に燃料噴霧が溜まりやすく、未燃HCの増加を招くという問題点がある。
【0023】
また、キャビティ14の径を拡大する場合、主に燃料噴射弁11側にキャビティ14の径を拡大するため、キャビティ14とピストンリング溝18との間の肉厚が不足して、ピストンリング溝18部の温度が上昇し、異常摩耗などの不具合を起こしたり、肉厚不足を解消するために、ピストンリング溝18の位置を下げると、クレビス容積が増大して、未燃HCの増加を招いたりするという問題点がある。
【0024】
そこで、燃料噴射弁11直下のキャビティ14隅部に燃料噴霧が溜まることを防止でき、キャビティ14の径が大きい場合でも、ピストンリング溝18の位置を下げることなく、キャビティ14とピストンリング溝18との間の肉厚を確保できるようにする必要がある。
このため、キャビティ14内の燃料噴射弁11側に傾斜面(噴霧案内面)17を設け、特にその傾斜面17を燃料噴射弁1の噴射方向線と平行(θ2=θ1)ないし噴射方向線よりも緩傾斜(θ2<θ1)とすることで、図9に示すように、燃料噴霧が燃料噴射弁11直下のキャビティ14隅部に溜まることを防止できるのみならず、燃料噴霧がスムーズに点火プラグ5側に進行することを助け、良好な成層化を実現している。この場合、傾斜面17を燃料噴射弁1の噴射方向線よりも緩傾斜(θ2<θ1)とすることで、より効果を上げる得る。
【0025】
また、前記傾斜面17により、肉盛りできるので、図9(H1)と図10(H2)との比較から明らかなように、ピストンリング溝18の位置を下げることなく、キャビティ14とピストンリング溝18との肉厚を確保できる。
更に、前記傾斜面17を円錐面とすることにより、平面とする場合に比べ、キャビティ内スワールS2の流れを阻害することをより防止できると共に、ピストンリング溝18との間の肉厚を効率的に確保できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態を示すピストン冠面の平面図
【図2】 図1のA−A断面に相当するピストンを含むエンジンの断面図
【図3】 隆起部外形の説明図
【図4】 シリンダ内及びキャビティ内スワールの説明図
【図5】 タンブル生成時の説明図
【図6】 キャビティ面積及びボア面積の説明図
【図7】 キャビティ容積及び隆起部容積の説明図
【図8】 燃料噴射弁及び噴霧案内面の説明図
【図9】 燃料噴霧の案内効果を示す図
【図10】 参考例での問題点を示す図
【符号の説明】
1 シリンダヘッド
2 シリンダブロック
3 ピストン
4 ペントルーフ型燃焼室
5 点火プラグ
6 吸気ポート
7 排気ポート
8 吸気弁
9 排気弁
10 スワール制御弁
11 燃料噴射弁
12 平面部
13 隆起部
13a 略楕円状の外形
14 キャビティ
14a 底面
14b 稜線
14c アール
15 傾斜面(タンブル保持面)
16 傾斜面
17 傾斜面(噴霧案内面)
18 ピストンリング溝[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a piston of a direct-injection spark-ignition internal combustion engine, and particularly to the crown shape of the piston.
[0002]
[Prior art]
As a piston of a conventional direct-injection spark-ignition internal combustion engine, it has a circular outer shape when viewed from above, leaving an annular flat surface portion with a minimum width on the outermost peripheral side on the piston crown surface, toward the center portion For example, a conical bulge is formed, and a concave cavity is formed near the bulge in the intake valve. With the swirl component in the cylinder, the intake valve Fuel injection in the compression stroke is performed from the fuel injection valve arranged on the side to form a stratified mixture intensively around the spark plug, realizing stratified combustion, while tumble (vertical) in the cylinder By injecting fuel during the intake stroke with the vortex component added, the fuel is diffused throughout the combustion chamber to form a homogeneous air-fuel mixture, thereby realizing homogeneous combustion (Japanese Patent Laid-Open No. 10-1999). No. 331644, JP-A-11- See No. 10470).
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, for example, in order to maintain a predetermined compression ratio when extending the piston stroke of the current engine to increase the stroke volume (displacement), or to reduce the compression ratio of the current engine, When increasing the cavity diameter when increasing the combustion chamber volume, the flow speed of the swirl in the cylinder during stratified combustion does not change, but the flow speed of the swirl in the cavity induced by the swirl in the cylinder decreases (if the induced energy is the same) As the cavity diameter increases, the flow velocity decreases), the balance between the two swirls is lost, and inconveniences such as failure to transport the fuel to the spark plug may occur, and the stratified combustion performance may deteriorate.
[0004]
In such a case, it is necessary to adjust (for example, reduce) the flow rate of the swirl in the cylinder by reviewing the flow path of the swirl in the cylinder near the top dead center. However, the influence on the homogeneous combustion performance is also considered. When the external shape of the raised portion of the piston crown surface is a simple circle as in the prior art, there is a problem that the degree of freedom in design is small for various requirements.
[0005]
In view of such conventional problems, the present invention can improve the stratified combustion performance and the homogeneous combustion performance by reviewing the shape of the raised portion of the piston crown surface in consideration of adaptation to engines of various specifications. The purpose is to be able to.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
For this reason, in the invention according to claim 1, the ignition plug is provided at the approximate center of the wall surface of the combustion chamber recessed in the cylinder head, the intake valve and the exhaust valve are sandwiched between the ignition plug, and the intake air It has a fuel injection valve that directly injects fuel into the cylinder on the valve side, and stratified combustion is realized by injecting fuel near the compression stroke with the swirl component applied in the cylinder, and the tumble component is injected into the cylinder. In a piston of a direct-injection spark ignition internal combustion engine that achieves homogeneous combustion by injecting fuel near the intake stroke in the applied state, leaving a flat surface on the outermost circumferential side of the piston crown, top view Has a substantially elliptical outer shape that is long in a straight line connecting the intake valve side and the exhaust valve side , and forms a ridge that rises in a mountain shape toward the center, and this ridge is viewed from above. Width in the direction perpendicular to the linear direction , To the intake valve side, in the exhaust valve side, it is formed to be narrower, and characterized by forming a concave cavity to the intake valve toward the ridge.
[0007]
The invention according to
The “linear direction connecting the intake valve side and the exhaust valve side” is hereinafter referred to as “cross flow direction” in the present specification.
[0008]
【The invention's effect】
According to the first aspect of the present invention, the ridged portion of the piston crown surface has a substantially elliptical shape that is long in the crossflow direction when viewed from above, so that the stratified combustion is performed on the intake valve side of the piston crown surface. By securing the wall of the cavity and securing the tumble-holding ridge for homogeneous combustion on the exhaust valve side of the piston crown, and reducing the width of the ridge in the direction perpendicular to the crossflow direction The flow area of the swirl in the cylinder near the top dead center can be increased, which makes it possible to adjust the flow speed of the swirl in the cylinder during stratified combustion, which improves the design freedom. can get.
[0009]
Therefore, for example, when the flow velocity of the swirl in the cavity decreases due to the enlargement of the cavity diameter, the flow velocity of the swirl in the cylinder can be decreased accordingly, and the balance between both swirls can be appropriately maintained. .
In addition, the intake valve side of the raised portion needs to ensure a cavity wall for stratified combustion, whereas the exhaust valve side only needs to have a width necessary to hold the tumble during homogeneous combustion. Therefore, by narrowing the width on the exhaust valve side relative to the width on the intake valve side, while ensuring the required cavity volume for performance, the flow area of the swirl in the cylinder is maximized, and the above-mentioned The effect can be maximized.
[0010]
According to the invention which concerns on
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a plan view of a piston crown surface showing an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view of an engine including a piston corresponding to the AA section of FIG.
In these drawings, 1 is a cylinder head, 2 is a cylinder block, and 3 is a piston.
[0012]
In the cylinder head 1, a pent roof
The cylinder head 1 has two intake ports 6 and
[0013]
A
Next, the shape of the crown surface of the
The crown surface of the
[0014]
In addition, referring to FIG. 3, the width W2 on the exhaust valve 9 side is made narrower than the width W1 on the intake valve 8 side with respect to the width of the substantially elliptical
Here, the outer shape of the raised
[0015]
The raised
[0016]
Further, the portion on the exhaust valve 9 side in the cross flow direction of the raised portion 13 (outside of the
[0017]
In addition, the
[0018]
Next, the operation will be described.
At the time of stratified combustion mainly in a low load region, one of the two intake ports 6 is closed by the
[0019]
Here, a sufficient volume of the
[0020]
Therefore, even when the flow velocity of the swirl S2 in the cavity decreases due to the enlargement of the diameter of the
On the other hand, at the time of homogeneous combustion mainly in a high load region, the
[0021]
Here, the portion of the raised
The present invention is particularly effective when the diameter of the
[0022]
Next, the reason why the inclined surface 17 (see FIG. 8) is formed on the
When the side surface on the
[0023]
Further, when the diameter of the
[0024]
Therefore, fuel spray can be prevented from accumulating at the corner of the
Therefore, an inclined surface (spray guide surface) 17 is provided on the
[0025]
Further, since the surface can be built up by the
Further, by making the inclined surface 17 a conical surface, it is possible to prevent the flow of the swirl S2 in the cavity from being obstructed more than when the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view of a piston crown surface showing an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view of an engine including a piston corresponding to the AA cross section of FIG. FIG. 4 is an explanatory diagram of swirl in a cylinder and in a cavity. FIG. 5 is an explanatory diagram at the time of tumble generation. FIG. 6 is an explanatory diagram of a cavity area and a bore area. FIG. ] Illustration of fuel injection valve and spray guide surface [FIG. 9] Diagram showing fuel spray guidance effect [FIG. 10] Diagram showing problems in reference example [Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
16
18 Piston ring groove
Claims (2)
ピストン冠面に、最外周側に平面部を残して、上面視で吸気弁側と排気弁側とを結ぶ直線方向に長い略楕円状の外形を有し、中央部に向かって山型に隆起する隆起部を形成し、
かつ、この隆起部を、上面視で前記直線方向と直角方向の幅が、吸気弁側に対し、排気弁側において、狭くなるように形成し、
この隆起部の吸気弁寄りに凹状のキャビティを形成したことを特徴とする直噴火花点火式内燃機関のピストン。An ignition plug is provided at the approximate center of the wall of the combustion chamber recessed in the cylinder head, and an intake valve and an exhaust valve are provided across the ignition plug, and fuel is directly injected into the cylinder on the intake valve side. It has a fuel injection valve and realizes stratified combustion by injecting fuel near the compression stroke with a swirl component in the cylinder, and injecting fuel near the intake stroke with a tumble component in the cylinder In a direct-injection spark-ignition internal combustion engine piston that achieves homogeneous combustion by performing
On the piston crown surface, leaving a flat part on the outermost peripheral side, it has a substantially elliptical shape that is long in the linear direction connecting the intake valve side and the exhaust valve side when viewed from above, and rises in a mountain shape toward the center part Forming a raised ridge,
And this ridge is formed so that the width in the direction perpendicular to the linear direction in the top view is narrower on the exhaust valve side than on the intake valve side,
A piston of a direct-injection spark-ignition internal combustion engine, wherein a concave cavity is formed near the intake valve of the raised portion.
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