JP5956784B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に関する。特に、燃料を燃焼室に直接噴射供給する内燃機関の燃焼室の構造に関する。

これまで、例えば、直接噴射式ディーゼルエンジン（燃料を直接燃焼室に噴射供給して燃焼させるディーゼルエンジン）においては、燃料噴霧の貫徹力（ペネトレーション）を上げるだけでなく、スワール（旋回流）やスキッシュ（縦方向流れ）といった空気流動を利用して、燃焼室内における燃料と空気の混合気の空間分布を制御して、空気利用率の改善延いては燃焼改善を図ってきた。

より詳細には、これまでのディーゼル燃焼機関におけるリエントラント型燃焼室（図７参照）においては、燃料噴射圧力を高圧化して燃料噴霧の微粒化や貫徹力を増加させると共に、スワールにより燃料噴霧への空気導入を促進し、スキッシュによって混合気を燃焼室外にも導いて空気利用率を向上していた。しかしながら、エンジン回転速度や負荷などの運転条件によっては気流の強さが変わるため、燃焼室壁面に衝突した噴霧が滞留し、ススの生成や熱損失の増大があった。

ここで、例えば、特許文献１には、図８に示すように、ピストン９の頂面に燃焼室の大半を成すように窪むキャビティ１０を備え、該キャビティ１０の内周面に気筒天井部の中心から燃料を放射状に噴射して自己着火せしめる直噴式ディーゼルエンジンの燃焼室構造に関し、キャビティ１０の開口の外周部にピストン９の頂面に対し所要深さだけ窪んで段差を成す抉り部（えぐり部）２４を設け、該抉り部２４の底面の外周部が半径方向外側へ向かうにつれ緩やかな曲面を描くように上昇してピストン９の頂面に到り且つ前記抉り部２４の底面の内周部とキャビティ１０の底面から立ち上がる燃焼室壁面部１２とによりピストン９の頂面から一段下がった位置に入口リップ部１１が形成されるように構成した燃焼室（２段リップ構造）を有するピストンが記載されている。

特開２００７−２１１６４４号公報

かかる特許文献１に記載される燃焼室を備えたピストンによれば、燃焼室内において燃料噴霧と空気とのミキシングが改善され、より良好な燃焼を行わせることができ、直噴型ディーゼルエンジンの排ガスの改善を図ることができる。

このように、ディーゼルエンジンにおける燃焼改善を考えるうえで、燃料噴霧とシリンダ内空気（筒内空気）の混合気形成は重要であるが、燃料噴霧への効率的な空気の導入を考えた場合に、特に、燃料噴射弁からの燃料噴射が終了した後の運動量（運動エネルギ）を殆ど持たない燃料噴霧の混合促進を図ることが今後の課題の一つである。

しかし、特許文献１に記載される燃焼室を備えたピストンであっても、燃料噴射弁からの噴射中における比較的大きな運動量（運動エネルギ）を有する燃料噴霧における混合促進は期待できるものの、燃料噴射が終了した後の運動量を殆ど持たない燃料噴霧の混合促進を図ることはできない。

このような燃料噴射終了における燃料噴霧の混合促進を図るための従来技術の一例としては、アフター噴射と呼ばれる多段燃料噴射（メイン噴射後に燃料噴射を行うといった多段階の燃料噴射）があるが、かかる手法は、燃料を同じ燃料噴射弁から複数回噴射するものであり、アフター噴射における後半部分やアフター噴射後の燃料噴霧については、上述したと同様に、運動量を殆ど持たない燃料噴霧の混合促進を図ることができず混合が悪化する、といった課題が残るものである。このため、燃焼期間の短縮は難しく、熱効率の向上の効果は期待できないものである。

燃料噴射期間の後半部分の噴射（後期噴射）や燃料噴射終了後における燃料と空気の混合気形成の改善に着目した技術は少なく、燃焼過程において生成される黒煙（スス）全体のうち、燃料噴射終了後において後期噴射された燃料から生じる割合が高いことが解っているにも関わらず、効果的な解決策がこれまで見出されていないのが実情であった。

本発明は、かかる実情に鑑みなされたものであり、比較的簡単かつ低コストな構成でありながら、内燃機関の運転状態に応じて燃焼室内に強い空気流動で撹乱を起こして燃料と空気の混合を促進することができ、以って燃焼期間の短縮延いては燃費改善を促進すると共に、黒煙（スス）の排出量の低減を図ることができる内燃機関を提供することを目的とする。

このため、本発明に係る内燃機関は、
内燃機関のピストン頂面と、シリンダヘッド下面と、ピストンが摺動自在に収容されるシリンダの内壁と、により囲まれた燃焼室を備えた内燃機関であって、
シリンダヘッドに取り付けられ、シリンダヘッド下面から燃焼室に臨んで燃料を噴射する燃料噴射ノズルを備え、
燃料噴射ノズルの外周に設けられる空気室と、
当該空気室と、前記燃焼室と、を連通する連通部と、
を含んで構成されると共に、
前記空気室に他の空気室が接続されると共に、前記他の空気室の容積が可変に構成されたことを特徴とする

本発明において、前記他の空気室の容積は、内燃機関の運転状態に応じて可変に構成されることを特徴とすることができる。

本発明において、内燃機関の負荷が高負荷の場合に、前記他の空気室の容積が大きくなるように制御され、内燃機関の負荷が低負荷の場合に、前記他の空気室の容積が小さくなるように制御されることを特徴とすることができる。

本発明によれば、比較的簡単かつ低コストな構成でありながら、内燃機関の運転状態に応じて燃焼室内に強い空気流動で撹乱を起こして燃料と空気の混合を促進することができ、以って燃焼期間の短縮延いては燃費改善を促進すると共に、黒煙（スス）の排出量の低減を図ることができる内燃機関を提供することができる。

本発明の一実施の形態に係る内燃機関の燃焼室付近の断面図（クランク軸に略直交する平面で切断した断面図）である。 同上実施の形態に係る内燃機関の空気室付近を拡大して示した断面図（図１のＡ部付近の拡大断面）である。 同上実施の形態に係る内燃機関の空気室付近を図２のＢ方向から見た図である。 同上実施の形態に係る内燃機関の空気室及び連通部付近の一例を抜き出して斜め上方から見た斜視図である。 同上実施の形態に係る内燃機関の空気室、連通部、可変容量式空気室付近を拡大して示した断面図（可変容量式空気室の容積が大きい状態）である。 同上実施の形態に係る内燃機関の空気室、連通部、可変容量式空気室付近を拡大して示した断面図（可変容量式空気室の容積が小さい状態）である。 従来の内燃機関の燃焼室（リエントラント型）の一例を示す断面図である。 従来の内燃機関の燃焼室（２段リップ構造）の一例を示す断面図である。

以下、本発明に係る一実施の形態を、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

本発明の一実施の形態に係る内燃機関１００は、図１に示すように、シリンダヘッド１１０の下面と、ピストン１２０の頂面（上面）と、シリンダブロック１３０に嵌挿されるシリンダライナ１４０の内周壁面と、により画成される燃焼室１５０に、その先端の燃料噴射ノズル１６１が臨むように、燃料インジェクタ１６０がシリンダヘッド１１０に取り付けられている。

この燃料インジェクタ１６０は、気筒毎にシリンダヘッド１１０に設けられ、その先端の燃料噴射ノズル１６１が、ピストン１２０の往復運動方向から見たときに燃焼室１５０の略中心となるように配設される。

燃焼室１５０に臨む燃料噴射ノズル１６１の先端には、例えば６〜１０個の複数の噴孔が周方向に所定間隔で設けられていて、該複数の噴孔からピストン１２０の頂面に凹状に設けられたピストン燃焼室（キャビティ）１２１へ向けて、内燃機関１００の運転状態（回転速度や負荷等）に応じて設定された燃料噴射量にて、所定タイミングで燃料が噴射供給されるようになっている（図２参照）。

なお、符号１７０は吸気弁、符号１７１は吸気ポート、符号１８０は排気弁、符号１８１は排気ポートである。

ここで、一般的に、ディーゼルエンジンでは、ピストンが圧縮上死点に近づくに従い、燃焼室内に吸入された空気が高温・高圧となり、その雰囲気に高圧の燃料を噴射することで、自己着火によって燃焼が開始され、その後は燃料噴霧の持つ運動エネルギ等で燃料と空気の混合気を形成しながら拡散燃焼が行われる。

近年の研究では、燃料噴霧構造が次第に解明され、燃料噴霧は周囲空気と運動量交換によって燃料噴霧内に空気を取り込むこと、燃焼が開始されると空気の取り込みは主に燃料噴霧の最上流の火炎に覆われない部分（燃料噴射ノズルから噴射された比較的直後の部分）で起こること、燃料噴射の終了と共に燃料噴霧の運動量は急速に減少し、燃料と空気の混合が緩慢なまま高温の既燃ガスと干渉して、多くの黒煙（スス）を生成することなどが解ってきた。

このような燃料噴射期間の後期に噴射され運動量が減少している状態で燃料噴射終了後に燃焼に供される燃料噴霧の空気との混合を促進することができれば、燃焼期間の後期における燃焼（後期燃焼）を活発化させることができるため、燃費改善と黒煙（スス）の大幅低減に貢献することが期待できる。

このため、本実施の形態では、図１〜図４に示すように、燃料インジェクタ１６０の燃料噴射ノズル１６１の周囲に所定量の空気を収容可能な空気室２００を設けるようにした。

この空気室２００は、燃料インジェクタ１６０の燃料噴射ノズル１６１の周囲に円筒状に設けられ、燃料インジェクタ１６０の本体側とは気密性を持って外部に対して密閉される一方で、燃料噴射ノズル１６１の周囲との所定隙間の連通部（絞り部）２１０を持って燃焼室１５０と連通するように構成されている。

連通部（絞り部）２１０は、図３や図４に示すように、燃料インジェクタ１６０の燃料噴射ノズル１６１の先端付近の外周と、シリンダヘッド１１０と、の間に、円環状に設けられている。

このような空気室２００及び連通部（絞り部）２１０を備えた本実施の形態に係る内燃機関１００によれば、往復直線運動するピストン１２０が圧縮上死点に近づくに従い、燃焼室１５０内に吸入された空気が圧縮され、吸入空気の一部が前記連通部（絞り部）２１０を介して空気室２００に導かれる。

一方、ピストン１２０が圧縮上死点に近づくに従い、燃焼室１５０内に吸入された空気が高温・高圧となり、その雰囲気に高圧の燃料を燃料インジェクタ１６０の燃料噴射ノズル１６１から噴射することで、自己着火によって燃焼が開始される。

そして、燃焼が開始された後、ピストン１２０が下降を開始して（膨張行程へ移行して）、燃焼室１５０の圧力が急激に低下すると、これまで、連通部（絞り部）２１０を介して空気室２００に導入され蓄えられていた空気が、一瞬だが、燃料噴射ノズル１６１の周囲との比較的狭い連通部（絞り部）２１０を通過することで空気噴流３００となって燃焼室１５０内に吹き返すように流入する。

この空気室２００内に蓄えられていた空気（燃焼に供されていなかった新気）の燃焼室１５０への吹き返しタイミング（供給タイミング）は、黒煙（スス）生成の多い高負荷時のほぼ燃料噴射終了直後に相当することから、最も混合気形成が難しい時期（後期燃焼）に、燃料噴霧に対して高い撹乱と新気（空気）の供給を効果的に行うことができる。

すなわち、本実施の形態によれば、燃焼期間の後期における燃焼（後期燃焼）を活発化させることができるため、燃費改善と黒煙（スス）の大幅低減に貢献することができる。

このように、本実施の形態では、ピストン１２０の頂面に凹設されたピストン燃焼室１２１と、ピストン１２０の頂面とシリンダヘッド１１０の下面との隙間と、により構成される燃焼室１５０だけでなく、シリンダヘッド１１０側にも空気室２００を設け、この空気室２００を、燃料噴射ノズル１６１の近傍に設けられた連通部（絞り部）２１０を介して燃焼１５０に連通させるようにしたので、燃料噴射ノズル１６１から噴射された直後の燃料噴霧と、連通部（絞り部）２１０を介して空気室２００から噴出する空気噴流３００と、の相対的な衝突位置を、内燃機関１００の運転状態（回転速度や負荷等）に拘らず、ほぼ一定とすることができるので、外乱などの影響の受け難いロバストな燃料と空気との混合延いては燃焼を実現することができる。

また、本実施の形態に係る内燃機関１００では、特に、燃料噴射量の多い高負荷運転において、燃焼期間の後期における燃焼（後期燃焼或いは後燃え）において問題となるピストン下降加速度が増すのと同時に、連通部（絞り部）２１０を介して空気室２００から噴出する空気噴流３００が、燃焼室１５０の図２における中心付近（周辺空気を取り込み難い燃料噴霧）に対して新気導入と撹乱をもたらすことができるので、燃焼期間の後期における燃焼（後期燃焼或いは後燃え）を効果的に改善することができ、以って燃焼期間の短縮を図ることができ、燃費改善と黒煙（スス）の大幅低減等に貢献することができる。

このように、本実施の形態によれば、比較的簡単かつ低コストな構成でありながら、燃焼室内に強い空気流動で撹乱を起こして燃料と空気の混合を促進し、燃焼期間の短縮延いては燃費改善を促進すると共に、黒煙（スス）の排出量の低減を図ることができる内燃機関を提供することができる。

ここにおいて、効果的な空気噴流３００を得るためには、空気室としてある程度の体積が必要であるが、その体積分だけ圧縮比は低下することになる。

高負荷時においては、圧縮比の低下は、着火遅れ期間を延ばして予混合期間を確保することに繋がるため、予混合気形成を促進してスス生成を抑制すると共に、筒内の燃焼最大圧力を抑え、ピストン・ライナー間あるいは軸受け部における摩擦損失を低減することができるといった利点があるものの、低負荷時においては、圧縮比低下に伴う筒内温度の低下は燃焼が緩慢になり熱効率の悪化などを招いてしまうおそれがある。

従って、高負荷時には空気室の容積を比較的大きく、低負荷時には空気室の容積を極力小さくすることができれば有効である。

このため、本実施の形態では、図５に示すように、空気室２００に、空気通路２５１を介して、可変容量式空気室２５０を接続する構成とした。なお、空気室２００は、本発明に係る他の空気室の一例に相当する。

可変容量式空気室２５０は、空気通路２５１に接続される空間２５２を有し、この空間２５２は、シリンダ（例えば、円筒状空間）内壁２５３と、当該シリンダ内壁２５３に摺動自在に気密性を持って嵌挿されているピストン２５４により構成されている。

このピストン２５４は、空間２５２の背面側の油圧室２５６内に延在されるピストンロッド２５５を有して構成されている。このピストンロッド２５５は、ピストンロッドスリーブ等により摺動自在に支持されていると共に、ピストンロッド２５５の外周には弾性部材（例えば、コイルスプリング）２５７が挿通されている。

弾性部材２５７は、ピストン２５４を、空間２５２側から油圧室２５６側へ引き寄せる方向の復元力（弾性力）を作用させるように取り付けられている。弾性部材２５７は、板バネなどにより構成することもできる。

油圧室２５６には、油圧供給通路２５８を介して、所定圧力の油が供給されるように構成されていると共に、油圧室２５６内の油圧は、油圧リリーフ通路２５９に介装されている電磁式リリーフ弁（図示せず）の開閉により、油圧維持状態と油圧解放状態とを切り換え可能に構成されている。ここで、油圧室２５６に供給される油としては、例えば、内燃機関１００の潤滑油（エンジンオイル）を利用することができる。

このような構成の可変容量式空気室２５０を備えた本実施の形態では、内燃機関１００の低負荷時には、油圧リリーフ通路２５９に介装されている電磁式リリーフ弁（図示せず）を閉弁しておくことで、油圧供給通路２５８を介して供給される油圧を油圧室２５６内に維持可能な状態として、油圧室２５６内の油圧を昇圧させることで、ピストン２５４を、弾性部材２５７の弾性力（復元力）に抗して、空間２５２側へ移動させて空間２５２を小さくする（図６参照）。

これにより、本実施の形態では、内燃機関１００の低負荷時は、可変容量式空気室２５０の空間２５２の容積を小さくすることができるため、該空間２５２と空気室２００との総和（空気室２００及びこれに接続される空間容積の総和）が小さくなるので、圧縮比を高く維持して燃焼速度の低下（燃焼の緩慢化）を抑制することができ、熱効率延いては燃費等の低下を抑制することができる。

この一方で、本実施の形態では、内燃機関１００の高負荷時には、油圧リリーフ通路２５９に介装されている電磁式リリーフ弁（図示せず）を開弁しおくことで、油圧供給通路２５８を介して供給される油圧を油圧室２５６から解放可能な状態として、油圧室２５６内の油圧を低く維持することで、ピストン２５４を、弾性部材２５７の復元力（弾性力）により油圧室２５６側へ移動させて空間２５２を大きくする（図５参照）。

これにより、本実施の形態では、内燃機関１００の高負荷時は、可変容量式空気室２５０の空間２５２の容積を大きくすることができるため、該空間２５２と空気室２００との総和（空気室２００及びこれに接続される空間容積の総和）を大きくできるので、圧縮比を低く維持して燃焼最大圧力を低く抑えることができると共に、圧縮端温度（圧縮上死点での燃焼室内温度）の低減による予混合燃焼の促進を図ることができる。

なお、本実施の形態では、内燃機関１００の負荷に応じて、可変容量式空気室２５０の空間２５２の容積を変更する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、他の運転状態、例えば、内燃機関１００の回転速度、機関温度（水温、油温など）、吸気温度、外気温度などに応じて、可変容量式空気室２５０の空間２５２の容積を変更する構成とすることもできる。

このように、本実施の形態によれば、比較的簡単かつ低コストな構成でありながら、燃焼室内に強い空気流動で撹乱を起こして燃料と空気の混合を促進し、燃焼期間の短縮延いては燃費改善を促進すると共に、黒煙（スス）の排出量の低減を図ることができる内燃機関を提供することができることに加え、可変容量式空気室２５０を備え空気室（空間２５２）の容積を内燃機関の運転状態（例えば、負荷、回転速度、機関温度など）に応じて変更可能な構成としたので、内燃機関の運転状態に適した空気室（空間２５２）の容積（すなわち、運転状態に適した圧縮比）を実現することができ、以って内燃機関の出力性能、燃費性能、排気性能、耐久性などを運転状態に応じて一層改善することに貢献することなどができる。

なお、上記実施の形態では、内燃機関の低負荷時と高負荷時の２つの負荷の大きさに応じて、可変容量式空気室２５０の空間２５２の容積（ピストン２５４のストローク位置）を変更するようにした例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、よりきめ細かく負荷を分割し、それぞれの負荷に応じて、可変容量式空気室２５０の空間２５２の容積（ピストン２５４のストローク位置）をきめ細かく変更するようにすることができる（負荷に限らず、他の運転状態についても同様である）。

この場合において、ピストン２５４のストローク位置を検出可能なストロークセンサを設け目標のピストン２５４のストローク位置が得られるように、油圧室２５６の油圧をフィードバック制御したり、或いは予め定めたピストン２５４の目標ストローク位置が得られるように、油圧室２５６の油圧をフィードフォワード制御したりすることができ、このために、例えば、供給油圧を適宜に制御可能な構成としたり、或いは油圧リリーフ通路２５９に介装されている電磁式リリーフ弁の開度を所定に制御可能な構成とすることができる。

なお、本実施の形態では、空気室２００は、燃料インジェクタ１６０の燃料噴射ノズル１６１の周囲に円筒状に設けられ、連通部（絞り部）２１０は、図３や図４に示したように、燃料インジェクタ１６０の燃料噴射ノズル１６１の先端付近の外周と、シリンダヘッド１１０と、の間に、円環状に設けた場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、多角形形状、楕円形状、花弁形状などその他の形状とすることも可能である。

また、連通部（絞り部）２１０は、図３や図４に示したように、燃料インジェクタ１６０の燃料噴射ノズル１６１の先端付近の外周と、シリンダヘッド１１０と、の間の周方向に連続的に円環状に設けた場合に限定されるものではなく、噴霧位置などに対応させて周方向に所定間隔で点在させた隙間形状とすることできる。

また、本実施の形態では、空気室２００に、空気通路２５１を介して、可変容量式空気室２５０を接続する構成として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、可変容量式空気室２５０を固定的な空気室（他の空気室）として、これを空気室２００と、開閉弁などを介して接続し、運転状態に応じて開閉弁を開閉することで、空気室の容積（空気室２００の容積と前記他の空気室の容積の総和）を可変制御する構成とすることができる。

ところで、本実施の形態では、ピストン燃焼室１２１を、特許文献１に記載されているような２段リップ構造のものとして例示して説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、トロイダル型燃焼室、リエントラント型燃焼室（図７等参照）その他の形状とすることができるものである。

本実施の形態では、ディーゼルエンジンを例として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ガソリン、天然ガス、アルコール、バイオ燃料など軽油以外の燃料であっても、直接的に燃焼室に燃料を噴射供給する内燃機関であれば、本発明は適用可能であり、本発明の技術的範囲に含まれるものである。

本発明は、上述した発明の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得ることは可能である。

１００ 内燃機関（エンジン）
１１０ シリンダヘッド
１２０ ピストン
１２１ ピストン燃焼室（キャビティ）
１５０ 燃焼室
１６０ 燃料インジェクタ
１６１ 燃料噴射ノズル
２００ 空気室
２１０ 連通部（絞り部）
３００ 空気噴流
２５０ 可変容量式空気室（他の空気室の一例）
２５１ 空気通路
２５２ 空間（他の空気室の一例に相当）
２５４ ピストン
２５５ ピストンロッド
２５６ 油圧室
２５７ 弾性部材
２５８ 油圧供給通路
２５９ 油圧リリーフ通路

Claims (3)

1. 内燃機関のピストン頂面と、シリンダヘッド下面と、ピストンが摺動自在に収容されるシリンダの内壁と、により囲まれた燃焼室を備えた内燃機関であって、
   シリンダヘッドに取り付けられ、シリンダヘッド下面から燃焼室に臨んで燃料を噴射する燃料噴射ノズルを備え、
   燃料噴射ノズルの外周に設けられる空気室と、
   当該空気室と、前記燃焼室と、を連通する連通部と、
   を含んで構成されると共に、
   前記空気室に他の空気室が接続されると共に、前記他の空気室の容積が可変に構成されたことを特徴とする内燃機関。
2. 前記他の空気室の容積は、内燃機関の運転状態に応じて可変に構成されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 内燃機関の負荷が高負荷の場合に、前記他の空気室の容積が大きくなるように制御され、内燃機関の負荷が低負荷の場合に、前記他の空気室の容積が小さくなるように制御されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関。