(57)【要約】【課題】汚染物質の生成を抑制すると共に、ピストンの耐久性を向上させる内燃機関を提供する。【解決手段】シリンダー１０内で往復運動するピストン２０と、ピストン２０が形成する燃焼室２１内に燃料を噴射する噴射ノズル５２と、を備えるエンジン１において、ピストン２０は、燃焼室２１を形成しているキャビティ２２と、燃料の噴射方向に位置するキャビティ２２のリップ部２２１に、燃料の円周方向への移動を促すために、円周方向に沿って形成された内周面２３１ａ〜２３１ｈ及び凹部２３２ａ〜２３２ｈと、を有する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダー内で往復運動するピストンと、
前記ピストンが形成する燃焼室内に燃料を噴射する噴射ノズルと、
を備える内燃機関であって、
前記ピストンは、
燃焼室を形成しているキャビティと、
前記燃料の噴射方向に位置する前記キャビティの内周壁面に、円周方向への前記燃料の移動を促すために、前記円周方向に沿って形成された複数の凹凸部と、
を有する、内燃機関。
【請求項２】
前記噴射ノズルは、それぞれ異なる方向に前記燃料を噴射する複数の噴射孔を有し、
前記複数の噴射孔の各々によって噴射された燃料が当たる部分に、前記凹凸部のうちの凸部がそれぞれ位置する、
請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記凹凸部の凹部は、所定の曲率で湾曲するように形成された溝部である、
請求項１又２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記凹凸部の凸部の頂面は、前記キャビティの中心を中心点とする仮想円上に位置するように形成されている、
請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関。
【請求項５】
燃料が直接噴射される内燃機関のピストンであって、
燃焼室を形成しているキャビティと、
前記燃料の噴射方向に位置する前記キャビティの内周壁面に、円周方向への前記燃料の移動を促すために、前記円周方向に沿って形成された複数の凹凸部と、
を備える、ピストン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室に燃料を直接噴射する直噴式の内燃機関、及びピストンに関する。
【背景技術】
【０００２】
トラック等の車両においては、燃焼室内に燃料を直接噴射することで空気と混合させて、混合気を燃焼させる内燃機関が設けられている。
例えば、下記の特許文献１に記載の内燃機関は、シリンダー内を往復運動するピストンと、ピストンによって形成される燃焼室内に燃料を噴射する噴射ノズルとを有する。噴射ノズルは、燃焼室の中心側に位置しており、半径方向に燃料を噴射して、空気と混合させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１２１５７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、内燃機関が排出する汚染物質を減少させるためには、燃焼室内での混合気の燃焼効率を高めることが望ましい。しかし、特許文献１の内燃機関では、半径方向に噴射された燃料がピストンの内周壁面に衝突してしまい、その後の空気との混合が促進されないため、燃焼効率を高めることができない。
【０００５】
また、ピストンの耐久性の更なる改善が要請されている。例えば、ピストンにおいては、燃焼に伴う熱膨張により圧縮応力が発生するが、耐久性の向上のためには圧縮応力を緩和することが望ましい。
【０００６】
そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、燃焼効率、及び耐久性の高いピストンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様においては、シリンダー内で往復運動するピストンと、前記ピストンが形成する燃焼室内に燃料を噴射する噴射ノズルと、を備える内燃機関であって、前記ピストンは、燃焼室を形成しているキャビティと、前記燃料の噴射方向に位置する前記キャビティの内周壁面に、円周方向への前記燃料の移動を促すために、前記円周方向に沿って形成された複数の凹凸部と、を有する、内燃機関を提供する。
かかる内燃機関によれば、噴射ノズルからキャビティの内周壁面に噴射された燃料が、互いに滑らかに繋がっている凹凸部によって、円周方向に沿って流速を維持しつつ流れる。このように燃料が流速を低下しない状態で流れることによって、燃焼室（特に、凹凸部の凹部）における燃料と空気との混合が促進される。この結果、燃焼効率が向上し、内燃機関における汚染物質の生成を抑制できる。また、凹部が、燃焼室での燃焼による熱膨張に起因して発生する圧縮応力の逃げ場となるので、圧縮応力を緩和できる。この結果、ピストンの耐久性を向上できる。
【０００８】
また、前記噴射ノズルは、それぞれ異なる方向に前記燃料を噴射する複数の噴射孔を有し、前記複数の噴射孔の各々によって噴射された燃料が当たる部分に、前記凹凸部のうちの凸部がそれぞれ位置することとしてもよい。
【０００９】
また、前記凹凸部の凹部は、所定の曲率で湾曲するように形成された溝部であることとしてもよい。
【００１０】
また、前記凹凸部の凸部の頂面は、前記キャビティの中心を中心点とする仮想円上に位置するように形成されていることとしてもよい。
【００１１】
本発明の第２の態様においては、燃料が直接噴射される内燃機関のピストンであって、燃焼室を形成しているキャビティと、前記燃料の噴射方向に位置する前記キャビティの内周壁面に、円周方向への前記燃料の移動を促すために、前記円周方向に沿って形成された複数の凹凸部と、を備える、ピストンを提供する。
かかるピストンによれば、内周壁面に噴射された燃料が、互いに滑らかに繋がっている凹凸部によって、円周方向に流れが分割され、円周方向に沿って流速を維持しつつ流れる。このように燃料が流速を低下しない状態で流れることによって、燃焼室（特に、凹凸部の凹部）における燃料と空気との混合が促進される。この結果、燃焼効率が向上し、排気ガス中の汚染物質を抑制できる。また、凹部が、燃焼室での燃焼による熱膨張に起因して発生する圧縮応力の逃げ場となるので、圧縮応力を緩和できる。この結果、ピストンの耐久性を向上できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、内燃機関における汚染物質の生成を抑制すると共に、ピストンの耐久性を向上できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一の実施形態に係るエンジン１の内部構成の一部を示す模式図である。
【図２】ピストン２０の上面図である。
【図３】ピストン２０のキャビティ２２及び周辺部の断面斜視図である。
【図４】噴射ノズル５２の噴射孔５３ａ〜５３ｈと、内周面２３１ａ〜２３１ｈ及び凹部２３２ａ〜２３２ｈとの位置関係を説明するための模式図である。
【図５】内周面２３１ａと凹部２３２ａ、２３２ｈとにおける燃料の流れを説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
＜内燃機関の構成＞
図１を参照しながら、本発明の一の実施形態に係る内燃機関であるエンジン１の内部構成について説明する。
【００１５】
図１は、一の実施形態に係るエンジン１の内部構成の一部を示す模式図である。エンジン１は、一例としてトラックに搭載されており、気筒内に燃料を直接噴射する直噴式のディーゼルエンジンである。エンジン１は、気筒内で燃料と空気（吸気）との混合気を燃焼、膨張させて、動力を発生させる。また、エンジン１は、燃焼後の排気ガスを排出する。このため、エンジン１は、吸入行程、圧縮行程、燃焼・膨張行程、排気行程から成るサイクルを繰り返す。図１に示すように、エンジン１は、シリンダー１０と、ピストン２０と、吸気弁３０と、排気弁４０と、インジェクタ５０とを有する。
【００１６】
シリンダー１０は、内部でピストン２０が往復する筒である。シリンダー１０内に、空気が吸入される。なお、エンジン１は、シリンダー１０を複数有する多気筒エンジンである。
【００１７】
ピストン２０は、シリンダー１０内で上下に往復運動する。ピストン２０は、コンロッド２５を介して、ピストン２０の往復運動を回転運動に変換するクランク軸（不図示）に連結されている。ピストン２０の頂面の中央部には、燃焼室２１を形成しているキャビティ２２が設けられている。なお、キャビティ２２の詳細構成については後述する。
【００１８】
吸気弁３０及び排気弁４０は、それぞれ開閉可能な弁である。吸気弁３０は、開放時に、吸気管３２からの空気をシリンダー１０内に導入させる。排気弁４０は、開放時に、シリンダー１０内の燃焼後の排気ガスを排気管４２へ排出させる。なお、排気ガス中には汚染物質が含まれうるが、エンジン１内の混合気の燃焼効率を高めることで、内燃機関における汚染物質の生成を抑制できる。
【００１９】
インジェクタ５０は、所定の噴射タイミングで、燃焼室２１内に燃料を所定の噴射量だけ噴射する。燃料が燃焼室２１内の圧縮された空気中に直噴されることで、燃焼・膨張が発生してピストン２０を押し下げる。インジェクタ５０は、先端に設けられた燃料を噴射する噴射ノズル５２を有する。インジェクタ５０は、ピストン２０が圧縮上死点付近に達したときに、キャビティ２２の内側の側壁に向かって燃料を噴射する。すなわち、インジェクタ５０は、斜め下方に向かって燃料を噴射する。
【００２０】
吸気弁３０、排気弁４０、インジェクタ５０は、エンジン１の動作を制御する制御装置１００によって制御されている。例えば、制御装置１００は、インジェクタ５０による燃料の噴射タイミングや噴射量を制御する。
【００２１】
＜ピストンのキャビティの詳細構成＞
図２及び図３を参照しながら、ピストン２０のキャビティ２２の詳細構成について説明する。
【００２２】
図２は、ピストン２０の上面図である。図３は、ピストン２０のキャビティ２２及び周辺部の断面斜視図である。
キャビティ２２は、吸入された空気とインジェクタ５０から噴射された燃料とを混合、燃焼させる燃焼室２１（図１）を形成している。キャビティ２２は、円筒形状に凹んでいる。具体的には、キャビティ２２は、図３に示すように、リップ部（口元部）２２１と、窪み部２２２と、中央隆起部２２３とを有する。
【００２３】
リップ部２２１は、図３に示すようにピストン２０の頂面２０ａと繋がっており、鉛直方向に対して曲率を持たせた内周壁面である。インジェクタ５０は、リップ部２２１近傍に燃料が衝突するように、燃料を噴射する。リップ部２２１には、詳細は後述するが、燃料のリップ部２２１に沿った円周方向への移動を促すために、図２に示すように、内周面２３１ａ〜２３１ｈ及び凹部２３２ａ〜２３２ｈが形成されている。本実施形態では、内周面２３１ａ〜２３１ｈ及び凹部２３２ａ〜２３２ｈが、円周方向に沿って形成された凹凸部に該当する。
【００２４】
窪み部２２２は、リップ部２２１と繋がっており、リップ部２２１の下方に設けられている。窪み部２２２は、所定の曲率、または曲率の異なるものをつなげた形状、または緩和曲線を用いて湾曲するように形成されている。
【００２５】
中央隆起部２２３は、窪み部２２２と繋がっており、キャビティ２２の中央に突出するように設けられている。中央隆起部２２３は、円錐台状、またはある曲率で形成されている。リップ部２２１、窪み部２２２、及び中央隆起部２２３が連続して形成されていることで、キャビティ２２内での空気や燃料の流れを円滑にさせている。
【００２６】
次に、リップ部２２１に設けられた内周面２３１ａ〜２３１ｈ及び凹部２３２ａ〜２３２ｈについて説明する。
内周面２３１ａ〜２３１ｈ及び凹部２３２ａ〜２３２ｈは、図２に示すように、リップ部２２１の円周方向において交互に形成されている。また、内周面２３１ａ〜２３１ｈ及び凹部２３２ａ〜２３２ｈは、互いに連続して波状に形成されている。例えば、内周面２３１ａは、凹部２３２ａ及び凹部２３２ｈに連続している。これにより、リップ部２２１は、滑らかに連続した内壁壁面となっている。
【００２７】
内周面２３１ａ〜２３１ｈは、それぞれ、キャビティ２２の中心を中心点とする円（具体的には、図４に示す破線の円）上に位置するように形成されている。このため、内周面２３１ａ〜２３１ｈは、曲面となっている。
【００２８】
凹部２３２ａ〜２３２ｈは、円周方向において、内周面２３１ａ〜２３１ｈと交互に設けられている。すなわち、図２において反時計周りに、内周面２３１ａ、凹部２３２ａ、内周面２３１ｂ、凹部２３２ｂ、・・・、内周面２３１ｈ、凹部２３２ｈの順に設けられている。凹部２３２ａ〜２３２ｈは、それぞれ所定の曲率で湾曲するように形成された溝部である。具体的には、凹部２３２ａ〜２３２ｈは、三日月状に形成されている。
【００２９】
本実施形態では、内周面２３１ａ〜２３１ｈ及び凹部２３２ａ〜２３２ｈの位置は、インジェクタ５０の噴射ノズル５２からの燃料の噴射方向に対応するように、設けられている。具体的には、噴射ノズル５２から噴射された燃料が衝突する位置に、内周面２３１ａ〜２３１ｈが設けられている。
【００３０】
図４は、噴射ノズル５２の噴射孔５３ａ〜５３ｈと、内周面２３１ａ〜２３１ｈ及び凹部２３２ａ〜２３２ｈとの位置関係を説明するための模式図である。図４に示すように、噴射ノズル５２は、キャビティ２２の中心（具体的には、中央隆起部２２３）上に位置している。そして、噴射ノズル５２は、８個の噴射孔５３ａ〜５３ｈを有する。噴射孔５３ａ〜５３ｈは、円周方向において所定間隔で離隔するように、噴射ノズル５２の外周面に配置されている。噴射孔５３ａ〜５３ｈは、それぞれ半径方向（図４に示す矢印の向き）に、燃料を噴射する。以下では、燃料の噴射方向が、半径方向であるものとする。
【００３１】
内周面２３１ａ〜２３１ｈ及び凹部２３２ａ〜２３２ｈのうちの内周面２３１ａ〜２３１ｈが、噴射孔５３ａ〜５３ｈによる燃料の噴射方向の延長上に位置している。例えば、噴射口５３ａから噴射された燃料の衝突点に、内周面２３１ａが設けられている。これにより、噴射孔５３ａ〜５３ｈから噴射された燃料が、内周面２３１ａ〜２３１ｈに衝突することになる。本実施形態では、内周面２３１ａ〜２３１ｈに対して滑らかに繋がるように凹部２３２ａ〜２３２ｈが設けられているため、内周面２３１ａ〜２３１ｈに衝突した燃料が、隣接する凹部２３２ａ〜２３２ｈに向かって流速を低下させずに流れて、空気と混合する。
【００３２】
一例として、図５を参照しながら、内周面２３１ａの近傍における燃料の流れについて説明する。なお、内周面２３１ｂ〜２３１ｈの近傍における燃料の流れは、内周面２３１ａの近傍における燃料の流れと同様であるので、説明を省略する。
【００３３】
図５は、内周面２３１ａと凹部２３２ａ、２３２ｈとにおける燃料の流れを説明するための模式図である。図５では、噴射孔５３ａから噴射された燃料の流れが、一点鎖線の矢印で示されている。
噴射孔５３ａから噴射された燃料は、図５に示すように、半径方向に流れて内周面２３１ａに向かう。そして、燃料は、内周面２３１ａに衝突等することで円周方向へ分岐して、内周面２３１ａの両側に位置する凹部２３２ａ及び凹部２３２ｈへ流れる。この際、凹部２３２ａ、２３２ｈは内周面２３１ａと滑らかに繋がっているので、分岐した燃料が、凹部２３２ａ、２３２ｈを滑り台のように流れるので、凹部２３２ａ、２３２ｈへ向かう燃料の流速が低下することを抑制できる。このように燃料の流速が維持されることで、凹部２３２ａ、２３２ｈにおいて燃料が空気と混合しやすくなり、燃料と空気の混合が促進される。この結果、燃料と空気とが混合した混合気の燃焼効率が向上し、内燃機関における汚染物質の生成を抑制できる。
【００３４】
また、リップ部２２１に凹部２３２ａ〜２３２ｈを設ける場合には、凹部２３２ａ〜２３２ｈを設けない場合に比べて、燃焼室２１での燃焼による熱膨張に起因して発生するピストン２０における圧縮応力（具体的には、リップ部２２１における圧縮応力）を緩和することができる。これは、凹部２３２ａ〜２３２ｈが、圧縮応力が発生しても、圧縮応力の逃げ場となる（吸収する）ためである。このように圧縮応力が緩和されることで、ピストン２０の耐久性を向上できる。
なお、圧縮応力を緩和するためには、凹部２３２ａ〜２３２ｈを深く形成する方策も検討されうるが、燃料と空気の混合の促進と、ピストン２０の耐久性の向上とを両立させる観点からすると、凹部２３２ａ〜２３２ｈの深さを大きくし過ぎずに、内周面２３１ａ〜２３１ｈ及び凹部２３２ａ〜２３２ｈが波状になっている方が望ましい。
【００３５】
上記では、凹部２３２ａ〜２３２ｈの形状が三日月状であることとしたが、これに限定されない。内周面２３１ａ〜２３１ｈから凹部２３２ａ〜２３２ｈへ燃料が円滑に流れれば、凹部２３２ａ〜２３２ｈは他の形状であってもよい。
【００３６】
＜本実施形態における効果＞
上述した実施形態によれば、噴射ノズル５２から燃料が噴射されるキャビティ２２のリップ部２２１には、燃料のリップ部２２１に沿った円周方向への移動を促すために、円周方向に沿って形成された凹凸部である内周面２３１ａ〜２３１ｈ及び凹部２３２ａ〜２３２ｈが設けられている。
かかる場合には、噴射ノズル５２からリップ部２２１に噴射された燃料が、互いに滑らかに繋がっている内周面２３１ａ〜２３１ｈ及び凹部２３２ａ〜２３２ｈによって、円周方向に沿って流速を維持しつつ流れる。このように燃料が流速を低下しない状態で流れることによって、燃焼室２１（特に、凹部２３２ａ〜２３２ｈ）における燃料と空気との混合が促進される。この結果、燃焼効率が向上し、内燃機関における汚染物質の生成を抑制できる。
また、凹部２３２ａ〜２３２ｈが、燃焼室２１での燃焼による熱膨張に起因して発生する圧縮応力の逃げ場となるので、圧縮応力を緩和できる。この結果、ピストン２０の耐久性を向上できる。
【００３７】
なお、上記では、リップ部２２１には、それぞれ８個の内周面２３１ａ〜２３１ｈ及び凹部２３２ａ〜２３２ｈが設けられていることとしたが、これに限定されない。例えば、噴射ノズル５２の噴射孔が６個である場合には、リップ部２２１の内周面及び凹部も６個であってもよい。
【００３８】
また、上記では、凹部２３２ａ〜２３２ｈが所定の曲率で湾曲するように形成されていることとしたが、これに限定されない。例えば、凹部２３２ａ〜２３２ｈが、所定の曲率で湾曲していなくてもよい。
【００３９】
また、上記では、エンジン１がトラックに搭載されていることとしたが、これに限定されない。例えば、エンジン１は、バスや船舶等に搭載されていてもよい。
【００４０】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【符号の説明】
【００４１】
１    エンジン
１０    シリンダー
２０    ピストン
２１    燃焼室
２２    キャビティ
５２    噴射ノズル
５３ａ〜５３ｈ    噴射孔
２２１    リップ部
２３１ａ〜２３１ｈ    内周面
２３２ａ〜２３２ｈ    凹部
【図１】
2018071474.tif 000003
【図２】
2018071474.tif 000004
【図３】
2018071474.tif 000005
【図４】
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【図５】
2018071474.tif 000007