JP4785540B2 - Internal combustion engine and its piston - Google Patents
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Description
この発明は、タンブル流を利用した筒内直接噴射式内燃機関に用いられるピストンに関する。 The present invention relates to a piston used in a direct injection type internal combustion engine using a tumble flow.
シリンダ内のガス流動としてタンブル流を利用した内燃機関において、吸気行程において生じたタンブル流が圧縮行程においても良好に保存されるように、ピストン冠面に、ピストンピン中心軸線と平行な円筒面を凹設したピストンが、例えば特許文献1に開示されている。このような構成によれば、シリンダヘッド側に凹設された燃焼室凹部との間で、ピストンピン軸方向から見て、円形ないしは楕円形の空間が形成され、シリンダの上下方向に沿ったタンブル流が円滑に旋回するようになる。
筒内直接噴射式内燃機関では、一般に、圧縮行程後期に燃料を噴射することで成層希薄燃焼を実現するのであるが、上記のようなピストンを用いた構成では、シリンダ側方に配置した燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧を点火プラグの電極部へ安定的に案内することが難しく、燃焼が安定しない。従って、例えば始動直後のHC低減のために点火時期をリタードしようとしても、燃焼安定限界の制約によって大幅なリタードが困難となる。 In a direct injection internal combustion engine, in general, stratified lean combustion is realized by injecting fuel in the latter half of the compression stroke. However, in the configuration using the piston as described above, the fuel injection disposed on the side of the cylinder is performed. It is difficult to stably guide the fuel spray injected from the valve to the electrode part of the spark plug, and the combustion is not stable. Therefore, for example, even if an attempt is made to retard the ignition timing in order to reduce HC immediately after start-up, significant retarding becomes difficult due to restrictions on the combustion stability limit.
また、燃料噴霧を点火プラグ近傍へ供給するために、燃料噴霧をピストン冠面に衝突させて点火プラグ側へ反射させるような構成とすると、燃料の一部がピストン冠面に付着し、HC増加の要因となる。 In addition, in order to supply the fuel spray to the vicinity of the spark plug, if the fuel spray is collided with the piston crown surface and reflected to the spark plug side, a part of the fuel adheres to the piston crown surface and the HC increases. It becomes a factor of.
この発明は、シリンダ頂面の略中心部に点火プラグが配置されるとともに、吸気弁側の燃焼室側方に燃料噴射弁が配置され、相対的に負荷が高い領域では吸気行程中に燃料を噴射してシリンダ内のタンブル流を用いた均質燃焼を行うとともに、相対的に負荷が低い領域では圧縮行程中に燃料を噴射して成層希薄燃焼を行う筒内直接噴射式内燃機関に用いられるピストンであって、ピストン冠面に、該冠面上を排気弁側から吸気弁側へ向かう方向に流れるシリンダ内のタンブル流に沿うように、ピストンピン中心軸線と略平行な湾曲面が凹設されてなる内燃機関のピストンにおいて、上記湾曲面は、上記冠面周囲の基準面よりも深く窪んだ凹部として形成され、上記点火プラグの直下となる上記湾曲面の略中央部に、ピストンピン中心軸線と平行に延びた突条部が形成されている。そして、上記湾曲面から該突条部へと立ち上がる吸気弁側の立ち上がり部および排気弁側の立ち上がり部が、それぞれ円弧面をなし、かつ、上記タンブル流が該突条部を乗り越えて上記湾曲面上を排気弁側から吸気弁側へと流れるように排気弁側の立ち上がり部の曲率半径が吸気弁側の立ち上がり部の曲率半径よりも大きく設定されている。 The invention, together with a spark plug is disposed substantially at the center portion of the cylinder top face, the fuel injection valve is disposed in the combustion chamber side of the intake valve side, with a relatively high load region of the fuel during the intake stroke A piston used in a direct injection internal combustion engine that performs stratified lean combustion by injecting and performing homogeneous combustion using the tumble flow in the cylinder and injecting fuel during the compression stroke in a region where the load is relatively low In addition, a curved surface substantially parallel to the piston pin central axis is recessed in the piston crown surface so as to follow the tumble flow in the cylinder flowing in the direction from the exhaust valve side to the intake valve side on the crown surface. In the piston of the internal combustion engine, the curved surface is formed as a concave portion that is deeper than the reference surface around the crown surface , and a piston pin central axis is provided at a substantially central portion of the curved surface directly below the spark plug. And flat Ridge which extends is formed. The rising portion on the intake valve side and the rising portion on the exhaust valve side rising from the curved surface to the ridge portion each form an arc surface, and the tumble flow gets over the ridge portion and the curved surface The curvature radius of the rising portion on the exhaust valve side is set to be larger than the curvature radius of the rising portion on the intake valve side so as to flow upward from the exhaust valve side to the intake valve side .
望ましくは、上記突条部の吸気弁側の立ち上がり部が上記点火プラグの直下に位置している。 Desirably, the rising portion of the intake valve side of the ridge is located immediately below said spark plug.
具体的な一つの態様では、上記ピストン冠面の略全面に、シリンダヘッド側へ膨らんだ凸部が設けられ、この凸部のピストンピン軸方向の端部寄りの部分を残すように上記湾曲面が矩形状に凹設されている。 In one specific aspect, a convex portion that swells toward the cylinder head is provided on substantially the entire surface of the piston crown surface, and the curved surface is left so as to leave a portion of the convex portion close to the end in the piston pin axial direction. Is recessed in a rectangular shape.
すなわち、上記のように突条部を備えた構成では、成層希薄燃焼のために圧縮行程後期に燃料を噴射したときに、突条部の上方を噴霧が通過することによって該突条部に沿って上方へ向かう上昇流が局部的に発生し、これに乗って、一部の噴霧が上方の点火プラグ側へ向かう。特に、噴霧の噴射方向に対向する突条部の吸気弁側の立ち上がり部が滑らかな円弧面をなすので、より円滑に上昇流が生じる。従って、点火プラグ近傍に適宜な混合気を安定的に形成でき、安定した燃焼が得られる。 That is, in the configuration provided with the ridges as described above, when fuel is injected in the latter stage of the compression stroke for stratified lean combustion, the spray passes along the ridges as the spray passes above the ridges. Ascending flow is generated locally, and a part of the spray travels upward toward the spark plug. In particular, since the rising portion on the intake valve side of the ridge facing the spraying direction forms a smooth arc surface, the upward flow is generated more smoothly. Accordingly, an appropriate air-fuel mixture can be stably formed in the vicinity of the spark plug, and stable combustion can be obtained.
一方、例えば多量の排気還流を行いつつ均質燃焼する場合などに、シリンダ内にタンブル流が生成されると、このタンブル流は、ピストン冠面の湾曲面に沿って旋回することになるが、突条部の排気弁側の立ち上がり部が曲率半径の大きな円弧面をなすので、タンブル流が円滑に突条部を乗り越えることができ、突条部を設けたことによるタンブル流の低下が最小限のものとなる。 On the other hand, when a tumble flow is generated in the cylinder, for example, when homogeneous combustion is performed with a large amount of exhaust gas recirculation, the tumble flow swirls along the curved surface of the piston crown surface. Since the rising part of the strip on the exhaust valve side forms a circular arc surface with a large radius of curvature, the tumble flow can easily get over the ridge, and the decrease in tumble flow due to the provision of the ridge is minimal. It will be a thing.
この発明によれば、シリンダ側方の燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧を点火プラグの電極部へ安定的に案内することができ、安定した成層希薄燃焼が得られる。従って、例えば始動直後のHC低減のために点火時期をリタードするに際して、点火時期の燃焼安定限界がより遅角側となり、大幅な点火時期リタードが可能となる。また同時に、タンブル流の低下を最小限にできる。 According to this invention, the fuel spray injected from the fuel injection valve on the cylinder side can be stably guided to the electrode portion of the spark plug, and stable stratified lean combustion can be obtained. Therefore, for example, when the ignition timing is retarded to reduce HC immediately after starting, the combustion stability limit of the ignition timing becomes more retarded, and a large ignition timing retard is possible. At the same time, the tumble flow can be minimized.
以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
始めに、この発明のピストン4が用いられる筒内直接噴射式内燃機関の構成を図1に基づいて説明する。図示するように、シリンダブロック1には、複数のシリンダ3が直列に配置されており、その上面を覆うように、シリンダヘッド2が固定されている。上記シリンダ3内には、ピストン4が摺動可能に嵌合している。また、上記シリンダヘッド2に凹設された燃焼室11は、いわゆるペントルーフ型に構成されており、その一方の傾斜面に一対の吸気弁5が、他方の傾斜面に一対の排気弁6がそれぞれ配置されている。そして、これらの一対の吸気弁5および一対の排気弁6によって囲まれたシリンダ3の略中心位置に、点火プラグ7が配置されている。
First, the configuration of a direct injection type internal combustion engine in which the piston 4 of the present invention is used will be described with reference to FIG. As illustrated, a plurality of cylinders 3 are arranged in series on the cylinder block 1, and a cylinder head 2 is fixed so as to cover the upper surface thereof. A piston 4 is slidably fitted in the cylinder 3. The
上記シリンダヘッド2には、一対の吸気弁5にそれぞれ対応する一対の吸気ポート8が形成されているとともに、一対の排気弁6に対応して排気ポート9が形成されている。
The cylinder head 2 is formed with a pair of intake ports 8 corresponding to the pair of
筒内へ直接に燃料を噴射する電磁式燃料噴射弁10は、吸気弁5側のシリンダ3側壁寄りのシリンダヘッド2下面部に配置されており、その中心軸が斜め下方へ向かった姿勢で取り付けられている。特に、上記燃料噴射弁10は、2つの吸気弁5の間に配置され、点火プラグ7が位置するシリンダ3中心ヘ向かって、水平に近い傾斜角度でもって燃料を噴射するように構成されている。
The electromagnetic
なお、上記吸気ポート8は、シリンダ3内にいわゆる順方向のタンブル流を生成するのに適した形状を有しているが、さらに、ポート内を上下の流路に仕切る隔壁やその一方の流路を開閉するタンブル制御弁などのタンブル生成手段を必要に応じて設けることもできる。 The intake port 8 has a shape suitable for generating a so-called forward tumble flow in the cylinder 3, but further, a partition partitioning the inside of the port into upper and lower flow paths and one of the flow paths. Tumble generating means such as a tumble control valve for opening and closing the path can be provided as necessary.
上記の内燃機関の基本的な作用について簡単に説明すると、先ず、機関の全負荷時あるいは希薄燃焼域の中でも比較的空燃比が小さな領域では、シリンダ3内に均質な混合気を形成して点火する均質燃焼が行われる。この均質燃焼時には、燃料は、吸気行程中にシリンダ3内に噴射供給され、シリンダ3内に生成されるタンブル流によって積極的に拡散される。 The basic operation of the internal combustion engine will be briefly described. First, a homogeneous air-fuel mixture is formed in the cylinder 3 at the time of full load of the engine or in a region where the air-fuel ratio is relatively small in the lean combustion region. Homogeneous combustion is performed. During the homogeneous combustion, fuel is injected and supplied into the cylinder 3 during the intake stroke, and is actively diffused by the tumble flow generated in the cylinder 3.
一方、低負荷域で、かつ空燃比を非常に大きくする希薄燃焼域では、混合気の成層化により確実な着火を可能とする成層希薄燃焼を行う。この成層希薄燃焼時には、燃料は、圧縮行程の後半において、燃料噴射弁10から燃焼室11壁面とピストン4との間の空間へ向けて噴射される。この噴射された燃料は、後述するように点火プラグ7周辺に着火可能な混合気を形成するので、適宜なタイミングで点火することにより、着火燃焼が可能となる。なお、タンブル制御弁のようなタンブル流を可変制御する手段を有する場合には、成層希薄燃焼時には、タンブル流を抑制することが望ましい。
On the other hand, in a lean combustion region where the air-fuel ratio is very large in a low load region, stratified lean combustion is performed that enables reliable ignition by stratification of the air-fuel mixture. During this stratified lean combustion, fuel is injected from the
次に、図2は、本発明に係るピストン4の構成、特にその頂部の構成を示している。図示するように、このピストン4は、冠面の略全面に、周囲の基準面20からシリンダヘッド1側へ膨らんだ凸部21を有しているとともに、この凸部21の中央部に、上面から見て矩形状をなす凹部22が設けられている。上記凸部21は、上死点位置においてシリンダヘッド1側の燃焼室11内に入り込み、その容積の一部を占めるように、ドーム型に膨らんでいるが、上記凹部22が大きく設けられていることから、実際には、ピストンピン軸方向の両端部に、それぞれ冠面の中の三日月型の領域を占める凸部21a,21bが部分的に残った形となっている。そして、ピストンピンと直交する方向の両端(つまり吸気弁側および排気弁側の端部)の2箇所には、三日月形のスキッシュエリア23,24が、基準面20と同一の平面として形成されている。
Next, FIG. 2 shows the configuration of the piston 4 according to the present invention, particularly the configuration of its top. As shown in the figure, the piston 4 has a
上記凹部22は、ピストンピン中心軸線と略平行な湾曲面からなる底面22aと、ピストンピンと直交する方向に沿って延びた一対の側壁面22b,22cと、から形成されている。上記底面22aは、一定の曲率半径を有する単純な円筒面であってもよく、曲率半径が部分的に異なる湾曲面であってもよいが、全体として、シリンダ3内のタンブル流の流れに沿うように湾曲している。
The
そして、この湾曲面からなる底面22aの長手方向の略中央部には、ピストンピン中心軸線と平行に直線状に延びた突条部25が設けられている。この突条部25は、図3に示すように、断面が略台形状をなし、かつ、底面22aから該突条部25へと立ち上がる吸気弁側の立ち上がり部25aおよび排気弁側の立ち上がり部25bが、それぞれ滑らかに連続する円弧面をなしている。ここで、排気弁側の立ち上がり部25bの曲率半径は、吸気弁側の立ち上がり部25aの曲率半径よりも大きく設定されている。また、吸気弁側の立ち上がり部25aが、上記点火プラグ7の電極部の直下に位置している。なお、吸気弁側の立ち上がり部25aの上方部分つまり突条部25の先端側の部分は、点火プラグ7へ向かって略垂直に直立している。
Further, a
上記のような実施例の構成においては、図4の説明図に示すように、成層希薄燃焼のために圧縮行程後期に燃料を噴射したときに、噴霧Fは、その進行方向が突条部25の吸気弁側の立ち上がり部25aに沿って点火プラグ7へ向けられ、あるいは、突条部25の上方を噴霧Fが通過することによって、該突条部25の吸気弁側の立ち上がり部25aに沿って矢印で示すような上方へ向かう上昇流が局部的に発生し、これに乗って、一部の噴霧Fが上方の点火プラグ7側へ案内される。特に、噴霧の噴射方向に対向する突条部25の吸気弁側の立ち上がり部25aが滑らかな円弧面をなすので、より円滑に上昇流が生じる。従って、点火プラグ7近傍に適宜な混合気を安定的に形成でき、安定した燃焼が得られる。
In the configuration of the embodiment as described above, as shown in the explanatory diagram of FIG. 4, when fuel is injected at the latter stage of the compression stroke for stratified lean combustion, the traveling direction of the spray F is the
一方、均質燃焼の際には、前述したように、シリンダ内のタンブル流を利用して燃焼が行われるが、図5および図6の説明図に示すように、矢印Tで示すタンブル流は、湾曲面からなる凹部22の底面22aの上を、排気弁側から吸気弁側へと流れ、シリンダ3内で旋回する。ここで、突条部25の排気弁側の立ち上がり部25bが曲率半径の大きな円弧面をなすので、タンブル流が円滑に突条部25を乗り越えることができ、突条部25を設けたことによるタンブル流の低下が最小限のものとなる。
On the other hand, as described above, in the homogeneous combustion, combustion is performed using the tumble flow in the cylinder. As shown in the explanatory diagrams of FIGS. 5 and 6, the tumble flow indicated by the arrow T is It flows on the
なお、仮に、吸気弁側の立ち上がり部25aのみが生じるように凹部22底面22aに段差部を設けるように構成した場合には、ピストン冠部の肉厚が、吸気弁側で薄く、排気弁側で厚くなり、ピストン鋳造時に熱歪を生じやすいものとなるが、上記構成では、相対的に小さな体積の突条部25が存在するだけなので、ピストンを鋳造で製造した場合に熱歪を生じることがない。またピストン冠部の肉厚の増加により機関の圧縮比を低下させることもない。
If the step portion is provided on the
図7は、上記の突条部25を設けたことによる成層希薄燃焼時の安定性向上についての実験結果を示したものであり、特に、冷間始動直後の触媒早期活性化のために点火時期をリタードしたときの特性を、突条部25を具備しない比較例と突条部25を備えた実施例とで対比して示している。なお、実験条件としては、1250rpmのファストアイドル状態、空燃比16、水温20℃、である。
FIG. 7 shows an experimental result on the stability improvement at the time of stratified lean combustion by providing the above-mentioned
図の(c)は、燃焼変動を示す筒内圧のばらつきσPiと点火時期との関係を示しており、一般に、点火時期の遅角に伴って燃焼変動が大となる。ここで、L1が燃焼安定限界である。比較例では、点火時期が上死点後10°CA付近で燃焼安定限界L1を越えてしまい、これよりも遅角することはできない。これに対し、突条部25を備えた実施例では、筒内圧のばらつきσPiが相対的に小さくなり、上死点後18°CA付近まで遅角することが可能である。
(C) of the figure shows the relationship between the variation σPi of the in-cylinder pressure indicating the combustion fluctuation and the ignition timing. In general, the combustion fluctuation increases as the ignition timing is retarded. Here, L1 is the combustion stability limit. In the comparative example, the ignition timing exceeds the combustion stability limit L1 in the vicinity of 10 ° CA after the top dead center, and cannot be delayed more than this. On the other hand, in the embodiment provided with the
図の(a)は、機関で発生するHCの特性を示しており、一般に、点火時期の遅角に伴ってHCが減少する。同一の点火時期で比較すると、実施例の方が比較例よりもHC発生量が大となるが、燃焼安定限界まで遅角することを前提とすると、上死点後10°CA付近の点火時期の下での比較例のHC発生量(点A1で示す)に比較して、上死点後18°CA付近の点火時期の下での実施例のHC発生量(点A2で示す)の方が、40%程度低くなる。 (A) of the figure shows the characteristics of HC generated in the engine, and in general, HC decreases as the ignition timing is retarded. When compared at the same ignition timing, the amount of HC generated in the example is larger than that in the comparative example, but assuming that the combustion is retarded to the combustion stability limit, the ignition timing near 10 ° CA after top dead center Compared to the amount of HC generated in the comparative example (indicated by point A1) under the above, the amount of HC generated in the example (indicated by point A2) under the ignition timing near 18 ° CA after top dead center However, it is about 40% lower.
また、図の(b)は、内燃機関の排気マニホルドに取り付けられた触媒装置入口での排気温度を示しており、一般に、点火時期の遅角に伴って排気温度が上昇する傾向となる。同一の点火時期で比較しても、実施例の方が比較例よりも高い排気温度が得られるが、燃焼安定限界まで遅角することを前提とすると、上死点後10°CA付近の点火時期の下での比較例の排気温度(点B1で示す)に比較して、上死点後18°CA付近の点火時期の下での実施例の排気温度(点B2で示す)は、200℃近く高く得られる。 Further, (b) in the figure shows the exhaust temperature at the inlet of the catalytic device attached to the exhaust manifold of the internal combustion engine, and generally the exhaust temperature tends to increase with the retard of the ignition timing. Even when compared at the same ignition timing, the exhaust gas temperature in the example is higher than that in the comparative example. However, if it is assumed that the engine is retarded to the combustion stability limit, ignition at around 10 ° CA after top dead center Compared to the exhaust temperature of the comparative example under time (indicated by point B1), the exhaust temperature of the example (indicated by point B2) under the ignition timing near 18 ° CA after top dead center is 200. Highly obtained near ℃.
このように、本実施例によれば、燃焼安定性が向上する結果、始動直後などに点火時期の大幅な遅角が可能となり、HC発生量を低減するとともに、排気温度が高く得られ、触媒の早期活性化が図れる。 As described above, according to this embodiment, the combustion stability is improved. As a result, ignition timing can be greatly retarded immediately after starting, etc., the amount of HC generated can be reduced, the exhaust gas temperature can be increased, and the catalyst can be obtained. Can be activated early.
4…ピストン
22…凹部
22a…底面(湾曲面)
25…突条部
25a…吸気弁側の立ち上がり部
25b…排気弁側の立ち上がり部
4 ...
25 ...
Claims (4)
上記湾曲面は、上記冠面周囲の基準面よりも深く窪んだ凹部として形成され、
上記点火プラグの直下となる上記湾曲面の略中央部に、ピストンピン中心軸線と平行に延びた突条部が形成されているとともに、上記湾曲面から該突条部へと立ち上がる吸気弁側の立ち上がり部および排気弁側の立ち上がり部が、それぞれ円弧面をなし、かつ、上記タンブル流が該突条部を乗り越えて上記湾曲面上を排気弁側から吸気弁側へと流れるように排気弁側の立ち上がり部の曲率半径が吸気弁側の立ち上がり部の曲率半径よりも大きいことを特徴とする内燃機関のピストン。 A spark plug is arranged at the substantially central portion of the top surface of the cylinder, and a fuel injection valve is arranged at the side of the combustion chamber on the intake valve side. In a relatively high load region, fuel is injected during the intake stroke. A piston used in an in- cylinder direct injection internal combustion engine which performs stratified lean combustion by injecting fuel during a compression stroke in a region where the load is relatively low while performing homogeneous combustion using the tumble flow inside An internal combustion engine in which a curved surface substantially parallel to the piston pin central axis is recessed in the piston crown surface so as to follow the tumble flow in the cylinder flowing in the direction from the exhaust valve side to the intake valve side on the crown surface In the piston of
The curved surface is formed as a recess recessed deeper than a reference surface around the crown surface,
A ridge extending in parallel with the piston pin central axis is formed at a substantially central portion of the curved surface directly below the spark plug, and on the intake valve side rising from the curved surface to the ridge. The rising portion and the rising portion on the exhaust valve side each form a circular arc surface, and the exhaust valve side so that the tumble flow passes over the protrusion and flows on the curved surface from the exhaust valve side to the intake valve side. A piston of an internal combustion engine, wherein a curvature radius of a rising portion of the engine is larger than a curvature radius of a rising portion on the intake valve side.
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