JP5962835B1

JP5962835B1 - エンジンのピストン

Info

Publication number: JP5962835B1
Application number: JP2015214478A
Authority: JP
Inventors: 朋彦俊野; 功橘川
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2016-08-03
Anticipated expiration: 2035-10-30
Also published as: JP2017082735A; WO2017073235A1

Abstract

【課題】燃焼室底部の形状を滑らかにすることで、キャビティ内における燃料噴霧のエネルギの減衰を効果的に防止する。【解決手段】ピストン２０頂部にキャビティ２１が凹設され、キャビティ２１の開口部周縁に径方向内側に突出する環状のリップ部２２が設けられ、キャビティ２１の底部に上方に向けて突出する隆起部２５が設けられ、キャビティ２１のリップ部２２と隆起部２５との間に、リップ部２２下端と隆起部２５下端とを接続すると共に、径方向外側且つ下側に向けて縦断面曲線状に突出する湾曲部２４が設けられ、湾曲部２４の縦断面形状が、ピストン中心側に向かうに従い曲率が大きくなる曲線で形成された。【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンのピストンに関し、特に、直噴式エンジンのピストンに関する。

一般的に、ディーゼルエンジン等の直噴式エンジンにおいては、ピストンの頂部中央に凹設されたキャビティ内にインジェクタから燃料を噴射して燃焼させている。

この種のピストンとして、例えば、特許文献１には、キャビティの開口部周縁にリップ部を形成し、圧縮上死点近傍で噴射した燃料をリップ部に衝突させることで、燃料噴霧をキャビティ内とスキッシュエリアとに分散させる構造が開示されている。

また、この種のピストンとして、例えば、特許文献２には、リップ部に段差部を設けることで、キャビティ内とスキッシュエリアとに分散される燃料噴霧の割合の最適化を図る構造も開示されている。

特開２００８−１５１０８９号公報特開２０１４−２２２０４１号公報

ところで、図５に示すように、ピストン２００がリップ部２２０に段差部を有しない構造では、燃料噴霧（図中矢印参照）がスキッシュエリアＳよりもキャビティ２１０内に多く分配される傾向がある。このため、燃焼室Ａの中央付近における燃料噴霧の分配を考慮すると、キャビティ２１０の底部に行くほど燃料噴霧の量が多くなり、噴霧のエネルギを利用し易くなるが、スキッシュエリアＳの空気（酸素）の利用効率は低下する課題がある。

一方、図６に示すように、ピストン３００がリップ部３２０に段差部３３０を有する構造では、スキッシュエリアＳへの燃料噴霧Ｆ_Ｕの量が確保されることで、スキッシュエリアＳの空気利用率を向上させることができる。しかしながら、キャビティ３１０内の燃料噴霧Ｆ_Ｌのエネルギは、段差部を有しない構造（図５参照）に比べて弱くなり、そのエネルギはキャビティ３２０内の角度が急な部分や直線部と曲線部との接続部分で減衰し易くなる傾向がある。このため、燃焼圧や多段噴射による燃焼制御が難しくなる課題がある。

開示の技術は、燃焼室底部の形状を滑らかにすることで、キャビティ内における燃料噴霧のエネルギの減衰を効果的に防止することを目的とする。

開示の技術は、ピストン頂部にキャビティが凹設され、前記キャビティの開口部周縁に径方向内側に突出する環状のリップ部が設けられ、前記キャビティの底部に上方に向けて突出する隆起部が設けられ、前記キャビティの前記リップ部と前記隆起部との間に、前記リップ部下端と前記隆起部下端とを接続すると共に、径方向外側且つ下側に向けて縦断面曲線状に突出する湾曲部が設けられ、前記湾曲部の縦断面形状がピストン中心側に向かうに従い曲率が大きくなる曲線で形成されたものである。

前記湾曲部の、前記リップ部の径方向内側に最も突出する最突出端からピストン軸方向に下した鉛直線が交差するリップ直下方部と、前記湾曲部の下方に最も窪む最下端部との間の縦断面形状がピストン中心側に向かうに従い曲率が大きくなる曲線で形成されてもよい。

前記曲線がクロソイド曲線で形成されてもよい。

前記隆起部が、前記キャビティの底部から上方に向けて縦断面曲線状に突出して設けられると共に、当該隆起部の縦断面形状を規定する曲線の少なくとも一部がクロソイド曲線で形成されてもよい。

前記リップ部に、当該リップ部の内周側上面から所定の深さで窪む環状の段差部が設けられてもよい。

前記段差部が、前記リップ部の内周縁から径方向外方に延びる環状の平坦部と、当該平坦部の外周縁から上方に向かって斜めに傾斜する環状の傾斜部とを含むものでもよい。

開示の技術によれば、燃焼室底部の形状を滑らかにすることで、キャビティ内における燃料噴霧のエネルギの減衰を効果的に防止することができる。

本発明の一実施形態に係るエンジンの一部を示す模式的な縦断面図である。本実施形態において、ピストンの圧縮上死点近傍で燃料を噴射した際の燃料噴霧の分配を説明する模式的な図である。本実施形態の燃焼の前半を説明する模式的な図である。本実施形態の燃焼の後半を説明する模式的な図である。リップ部に段差部を有しない従来構造の燃料噴霧の流れを説明する図である。リップ部に段差部を有する従来構造の燃料噴霧の流れを説明する図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係るエンジンのピストンを説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１は、本実施形態に係るエンジンの一部を示す模式的な縦断面図である。本実施形態のエンジン１０は、好ましくは直噴式ディーゼルエンジンであって、シリンダブロック１１と、シリンダブロック１１の上部に配置されたシリンダヘッド１２とを備えている。

シリンダヘッド１２には、吸気バルブ１３の開閉動作により燃焼室Ａに新気を導入する吸気ポート１４及び、排気バルブ１５の開閉動作により燃焼室Ａから排気を導出する排気ポート１６が形成されている。また、シリンダヘッド１２の各ポート１４，１６間には、燃焼室Ａ内に燃料を直接噴射するインジェクタ１７が設けられている。

インジェクタ１７のノズル部１７Ａには、複数の微細な図示しない噴孔が形成されており、これら噴孔から燃焼室Ａ内に燃料が放射状に噴射されるようになっている。

シリンダブロック１１には、円筒状のシリンダボア１１Ａが形成されている。このシリンダボア１１Ａ内には、ピストン２０が上下方向に往復移動自在に収容されている。

ピストン２０の頂部には、ピストン２０の頂面２０Ａから所定の深さで窪むキャビティ２１が凹設されている。また、キャビティ２１の開口部周縁には、径方向内側に突出する環状のリップ部２２が設けられている。ピストン２０が圧縮上死点近傍に達した際にインジェクタ１７から燃料が噴射されると、燃料の噴霧Ｆは、リップ部２２に衝突して、リップ部２２よりも上方のスキッシュエリアＳに流れ込む燃料噴霧Ｆ_Ｕと、リップ部２２よりも下方のキャビティ２１内に流れ込む燃料噴霧Ｆ_Ｌとに分散されるようになっている。
２の上面には、リップ部２２の上側角部を所定の深さで断面略Ｌ字状に切り欠いて形成した段差部２３が設けられている。より詳しくは、段差部２３は、リップ部２２の内周縁部（突出端）から径方向外方に向かって平坦に延びる環状の平坦面部２３Ａと、平坦面部２３Ａの外周縁からピストン２０の頂面２０Ａに向かって斜めに傾斜して延びる環状の傾斜面部２３Ｂとを備えて構成されている。このように、リップ部２２の上面に段差部２３を設けたことで、スキッシュエリアＳに分散される燃料噴霧Ｆ_Ｕと、キャビティ２１内に分散される燃料噴霧Ｆ_Ｌとの噴霧分配の最適化が図られるようになる。

キャビティ２１は、キャビティ２１の底部中央から上側に凸となるように縦断面曲線状に隆起して形成された隆起部２５と、リップ部２２の下端２２Ａと隆起部２５の下端２５Ａとに接続されて、径方向外側且つ下側に凸となるように縦断面曲線状に湾曲して形成された湾曲部２４とを備えて構成されている。

本実施形態において、湾曲部２４の縦断面形状を規定する第１曲線部ＣＬ１及び、隆起部２５の下端から頂部近傍に至る縦断面形状を規定する第２曲線部ＣＬ２は、それぞれクロソイド曲線で形成されている。より詳しくは、湾曲部２４の第１曲線部ＣＬ１は、径方向外側且つ下側に凸となり、ピストン中心側に向かうに従い曲率が大きく設定された第１クロソイド曲線で規定され、隆起部２５の第２曲線部ＣＬ２は上側に凸となる第２クロソイド曲線で規定されている。第１曲線部ＣＬ１は、少なくとも、リップ部２２の径方向内側に最も突出する最突出端からピストン軸方向に下した鉛直線ＶＬが第１曲線部ＣＬ１と交差するリップ直下方部２４Ａから、第１曲線部ＣＬ１が下方に最も窪む最下端部２４Ｂまでの範囲を第１クロソイド曲線で形成されている。

すなわち、キャビティ２１の縦断面形状を直線部分が含まれない第１及び第２クロソイド曲線によって略Ｓ字状に形成し、第１曲線部ＣＬ１の曲率をピストン中心側に向かうに従い大きく設定したことで、キャビティ２１内に流れ込む燃料噴霧Ｆ_Ｌが燃焼室Ａの中央に位置する隆起部２５に向かって円滑に流されるようになる。

次に、図２〜４に基づいて、本実施形態のピストン２０による作用について説明する。

図２に示すように、ピストン２０の圧縮上死点近傍でインジェクタ１７から燃料が噴射されると、燃料の噴霧Ｆは、キャビティ２１のリップ部２２に衝突することで、リップ部２２よりも上方のスキッシュエリアＳに流れ込む燃料噴霧Ｆ_Ｕと、リップ部２２よりも下方のキャビティ２１内に流れ込む燃料噴霧Ｆ_Ｌとに分散される。本実施形態では、リップ部２２に段差部２３が設けられているので、スキッシュエリアＳに分散される燃料噴霧Ｆ_Ｕと、キャビティ２１内に分散される燃料噴霧Ｆ_Ｌとの噴霧分配の最適化が図られるようになっている。

すなわち、図３に示すように、燃焼の前半は、燃料噴霧Ｆ_ＵがスキッシュエリアＳ内に効果的に拡散されることで、スキッシュエリアＳ内の空気（酸素）を有効に利用した燃焼が実現される。

再び図２に戻って、リップ部２２からキャビティ２１内に流れ込んだ燃料噴霧Ｆ_Ｌの流れを説明する。図２中に破線で示す従来構造のキャビティ断面形状では、隆起部の急な傾斜角や、直線部と曲線部とのつながりの悪さによって、燃料噴霧Ｆ_Ｌはエネルギの減衰が大きくなり、早期に巻き上げられることで、燃焼室Ａの中心部の空気を利用した燃焼を効果的に行えない課題があった。これに対し、本実施形態では、燃料噴霧Ｆ_Ｌがキャビティ２１の縦断面形状を規定する二つの第１及び第２クロソイド曲線ＣＬ１，２に沿って移動し、特に第１クロソイド曲線ＣＬ１は、ピストン中心側に向かうに従い曲率が大きく設定されているため、燃料噴霧Ｆ_Ｌは、そのエネルギを大きく減衰されることなく、燃焼室Ａの中央に位置する隆起部２５に向かって円滑に流されるようになる。

すなわち、図４に示すように、燃焼の後半は、クロソイド曲線に沿って流される燃料噴霧Ｆ_Ｌが燃焼室Ａの中央付近まで円滑に達することで、燃料噴霧Ｆ_Ｌのエネルギを最大限に使用し、且つ、燃焼室Ａの中央付近の空気（酸素）を有効に利用した燃焼が実現される。

以上詳述したように、本実施形態によれば、リップ部２２に段差部２３を設けたことで、スキッシュエリアＳに分散される燃料噴霧Ｆ_Ｕと、キャビティ２１内に分散される燃料噴霧Ｆ_Ｌとの噴霧分配の最適化が図られるようになる。これにより、燃焼の前半は、燃料噴霧Ｆ_ＵがスキッシュエリアＳ内に効果的に拡散され、スキッシュエリアＳ内の空気（酸素）を有効に利用した燃焼を実現することができる。

また、湾曲部２４の縦断面形状を規定する第１曲線部ＣＬ１及び、隆起部２５の下端から頂部近傍に至る縦断面形状を規定する第２曲線部ＣＬ２を第１及び第２クロソイド曲線ＣＬ１，２で形成し、特に第１クロソイド曲線ＣＬ１は、ピストン中心側に向かうに従い曲率を大きく設定したことで、燃料噴霧Ｆ_Ｌは、そのエネルギを大きく減衰させることなく、燃焼室Ａの中央に位置する隆起部２５に向かって流されるようになる。これにより、燃焼の後半は、燃料噴霧Ｆ_Ｌが燃焼室Ａの中央付近まで円滑に達することで、燃料噴霧Ｆ_Ｌのエネルギを最大限に使用し、且つ、燃焼室Ａの中央付近の空気（酸素）を有効に利用した燃焼を実現することが可能になる。

すなわち、本実施形態によれば、燃焼の前半は燃焼室Ａ内の外周側（スキッシュエリアＳ側）を利用した燃焼が行われ、さらに、燃焼の後半は燃焼室Ａ内の中央付近を利用した燃焼が行われることで、燃焼室Ａ内の空気を有効利用した燃焼が可能になり、燃焼効率を確実に向上することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、第１曲線部ＣＬ１は、その径方向外側に最も突出した最側端部２４Ｃから下方に最も窪んだ最下端部２４Ｂまでをクロソイド曲線で形成してもよい。

また、第１曲線部ＣＬ１は、その径方向外側に最も突出した最側端部２４Ｃから隆起部の下端２５Ａまでをクロソイド曲線で形成してもよい。

また、第１曲線部ＣＬ１は、リップ部の下端から隆起部の下端２５Ａまでをクロソイド曲線で形成してもよい。

また、第１曲線部ＣＬ１は、リップ部の下端から下方に最も窪んだ最下端部２４Ｂまでをクロソイド曲線で形成してもよい。

また、キャビティ２１の縦断面形状を規定する曲線はクロソイド曲線に限定されず、燃料噴霧の流れを妨げないものであれば、三次放物線（三次曲線）又はサインカーブ（サイン半波長逓減曲線）等の他の曲線であってもよい。また、エンジン１０は直噴式ディーゼルエンジンに限定されず、直噴式ガソリンエンジン等の他の直噴式エンジンであってもよい。

１０エンジン
１１シリンダブロック
１２シリンダヘッド
１３吸気バルブ
１４吸気ポート
１５排気バルブ
１６排気ポート
１７インジェクタ
２０ピストン
２１キャビティ
２２リップ部
２３段差部
２３Ａ平坦面部
２３Ｂ傾斜面部
２４湾曲部
２５隆起部

Claims

ピストン頂部にキャビティが凹設され、前記キャビティの開口部周縁に径方向内側に突出する環状のリップ部が設けられ、前記キャビティの底部に上方に向けて突出する隆起部が設けられ、前記キャビティの前記リップ部と前記隆起部との間に、前記リップ部下端と前記隆起部下端とを接続すると共に、径方向外側且つ下側に向けて縦断面曲線状に突出する湾曲部が設けられ、前記湾曲部の、前記リップ部の径方向内側に最も突出する最突出端からピストン軸方向に下した鉛直線が交差するリップ直下方部と、前記湾曲部の下方に最も窪む最下端部との間の縦断面形状がピストン中心側に向かうに従い曲率が大きくなる曲線で形成された
エンジンのピストン。
前記曲線がクロソイド曲線で形成された
請求項１に記載のエンジンのピストン。
前記隆起部が、前記キャビティの底部から上方に向けて縦断面曲線状に突出して設けられると共に、当該隆起部の縦断面形状を規定する曲線の少なくとも一部がクロソイド曲線で形成された
請求項１又は２に記載のエンジンのピストン。
前記リップ部に、当該リップ部の内周側上面から所定の深さで窪む環状の段差部が設けられた
請求項１から３の何れか一項に記載のエンジンのピストン。
前記段差部が、前記リップ部の内周縁から径方向外方に延びる環状の平坦部と、当該平坦部の外周縁から上方に向かって斜めに傾斜する環状の傾斜部とを含む
請求項４に記載のエンジンのピストン。