特開 2024-128247 内燃機関

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024128247

(43)【公開日】2024-09-24

(54)【発明の名称】内燃機関

(51)【国際特許分類】

   F02B 23/06 20060101AFI20240913BHJP

   F02F 3/26 20060101ALI20240913BHJP

   F16J 1/00 20060101ALI20240913BHJP

【ＦＩ】

F02B23/06 R

F02B23/06 L

F02B23/06 T

F02F3/26 B

F02F3/26 C

F02B23/06 D

F16J1/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023037120

(22)【出願日】2023-03-10

(71)【出願人】

【識別番号】000006286

【氏名又は名称】三菱自動車工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002424

【氏名又は名称】ケー・ティー・アンド・エス弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】口田 征人

【テーマコード（参考）】

3G023

3J044

【Ｆターム（参考）】

3G023AA07

3G023AB05

3G023AC05

3G023AD02

3G023AD05

3G023AD07

3G023AD09

3G023AD14

3J044AA20

3J044CA03

3J044CA40

3J044DA09

(57)【要約】

【課題】噴霧が均質に拡散しやすい内燃機関を提供する。
【解決手段】本開示に係る内燃機関は、シリンダヘッドと、ピストンの頂面に形成され、前記シリンダヘッドとの間に燃焼室を形成するキャビティと、を備え、前記キャビティは、前記ピストンの頂面中央部に配置される第１面と、前記第１面の周囲に配置され、前記第１面よりも前記シリンダヘッド側に配置される第２面と、前記第２面に設けられ前記第１面側に向けて凹んだ第１溝部と、前記第１溝部に隣接し、前記第１溝部よりも前記ピストンの周縁に向けて長く伸びる第２溝部と、を有する。
【選択図】 図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

シリンダヘッドと、
ピストンの頂面に形成され、前記シリンダヘッドとの間に燃焼室を形成するキャビティと、
を備え、
前記キャビティは、
前記ピストンの頂面中央部に配置される第１面と、
前記第１面の周囲に配置され、前記第１面よりも前記シリンダヘッド側に配置される第２面と、
前記第２面に設けられ前記第１面側に向けて凹んだ第１溝部と、
前記第１溝部に隣接し、前記第１溝部よりも前記ピストンの周縁に向けて長く伸びる第２溝部と、
を有する、
内燃機関。

【請求項2】

第１溝部および前記第２溝部の前記ピストンの周縁側に位置する内面に曲面が形成されている、
請求項１に記載の内燃機関。

【請求項3】

前記第２面から前記第１溝部の底面までの深さは、前記第２面から前記第２溝部までの深さよりも浅い、
請求項１に記載の内燃機関。

【請求項4】

燃料噴射弁をさらに備え、
前記燃料噴射弁は、第１溝部に向けた噴射する第１噴射孔と、
前記第２溝部に向けて噴射する第２噴射孔と、
を有する、
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】

燃料噴射弁をさらに備え、
前記キャビティは、前記第１溝部と、前記第２溝部と、を隔てる隔壁を有し、
前記燃料噴射弁は、前記隔壁に向けて噴射する第３噴射孔を有する、
請求項１から３のいずれか１項に記載の内燃機関。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、内燃機関に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、ピストンの頂面にキャビティを有する内燃機関が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１は、星形のキャビティを有する内燃機関を開示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１５―１０５５７０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１は、星形のキャビティの壁に噴霧を当て、噴霧を拡散する点を開示している。このようなキャビティの場合、頂面の中央部分の噴霧が少なすぎる場合もある。

【0005】

本開示の課題は、噴霧が均質に拡散しやすい内燃機関を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示に係る内燃機関は、シリンダヘッドと、ピストンの頂面に形成され、前記シリンダヘッドとの間に燃焼室を形成するキャビティと、を備え、前記キャビティは、前記ピストンの頂面中央部に配置される第１面と、前記第１面の周囲に配置され、前記第１面よりも前記シリンダヘッド側に配置される第２面と、前記第２面に設けられ前記第１面側に向けて凹んだ第１溝部と、前記第１溝部に隣接し、前記第１溝部よりも前記ピストンの周縁に向けて長く伸びる第２溝部と、を有する。

【0007】

この内燃機関によれば、第１溝部に供給された噴霧は、折り返して中央部に供給され中央部に拡散する。第２溝部に供給された噴霧は、ピストンの周縁側に残り周縁側に拡散する。この結果、噴霧が均質に拡散する。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、噴霧が均質に拡散しやすい内燃機関を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本開示の実施形態による内燃機関の断面図。

【図2】本開示の第１実施形態によるピストンの上面図

【図3】図１のＡ－Ａ断面図およびＢ－Ｂ断面図。

【図4】本開示の第１実施形態による噴霧状態を示す図。

【図5】本開示の第１実施形態による噴霧の貫徹力を示す図。

【図6】本開示の第２実施形態による噴霧状態を示す図。

【図7】本開示の第２実施形態による噴霧状態を示す部分拡大図。

【図8】本開示の第３実施形態によるピストンの上面図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

＜第１実施形態＞
以下、本開示の第１実施形態について、図面を参照しながら説明する。

【0011】

図１に示すように、内燃機関１は、シリンダブロック２と、シリンダヘッド４と、ピストン６と、複数の吸気バルブ８と、複数の排気バルブ１０と、燃料噴射弁１２と、を備える。本実施形態の内燃機関１は、燃料噴射弁１２がシリンダブロック２のシリンダ２１に燃料を直接噴射する直噴型のディーゼルエンジンである。また、本実施形態では１つのシリンダ２１に２つの吸気バルブ８と、２つの排気バルブ１０が配置される。本実施形態の内燃機関１は、シリンダ２１が上下方向に配置される例を用いて説明する。

【0012】

また、内燃機関１は、スワール流発生手段を備える。本実施形態のスワール流発生手段は、２つの吸気バルブ８である。本実施形態では、２つの吸気バルブ８のリフト高さが異なることによって、ピストン６の摺動方向（本実施形態では上下方向）と直交する面に沿って吸気が旋回するスワール流を発生させる。本実施形態の内燃機関１は、スワール流が反時計回りに旋回する例を用いて説明する。なお、スワール流発生手段は、このほかシリンダヘッド４の吸気ポートなどの形状をスワール流が発生するように形成したものでもよい。また、スワール流を発生させるバルブなどを設けてもよい。

【0013】

ピストン６は、頂面にキャビティ６１を有する。キャビティ６１は、ピストン６が上死点の位置にあるときに、シリンダヘッド４との間に燃焼室を形成する。したがって、キャビティ６１に供給される混合気は、極力均質であることが好ましい。本実施形態の直噴型ディーゼルエンジンの場合、キャビティ６１内に噴射する燃料の噴霧を拡散させて、均質な混合気を形成することが好ましい。

【0014】

キャビティ６１は、第１面６２と、第２面６３と、第３面６４と、第１溝部６５と、第２溝部６６と、曲面６７と、を有する。

【0015】

第１面６２は、ピストン６の頂面中央部に配置される。

【0016】

第１空間６２ａ（図２を参照）は、第１面６２上に形成される。本実施形態の第１空間６２ａは、ピストン６が上死点に位置する際に、シリンダヘッド４、第１面６２および第３面６４とで区画される空間である。

【0017】

第２面６３は、第１面６２の周囲に配置される。第２面６３は、第１面６２よりもシリンダヘッド４側に配置される。本実施形態では、第２面６３は、第１面６２よりも上方に配置される。

【0018】

第２空間６３ａ（図３を参照）は、第２面６３上に形成される。また、第２空間６３ａは、第１溝部６５および第２溝部６６の上部の空間である。本実施形態の第２空間６３ａは、ピストン６が上死点に位置する際に、シリンダヘッド４とキャビティ６１の第２面６３に挟まれた空間である。

【0019】

第３面６４は、第１面６２のピストン６の外周側（図２の矢印О方向）の端縁と、第２面６３のピストン６の中央側（図２の矢印Ｉ方向）の端縁とを接続する。本実施形態の第３面６４は、ピストン６の高さ方向（図１の矢印Ｚ方向）に沿って延びる立壁である。

【0020】

図２に示すように、第１溝部６５は、第２面６３に複数設けられる。複数の第１溝部６５は、第２面６３に放射状に形成される。本実施形態の複数の第１溝部６５は、ピストン６の周方向に沿って、所定の間隔を空けて４つ配置される。従って、第１溝部６５は、９０度ごとに配置される。

【0021】

図３（ａ）に示すように、第１溝部６５は、第２面６３から第１面６２側に向けて凹んだ部分である。本実施形態の第１溝部６５は、ピストン６の中央部側から周縁側に向かう奥行方向に沿って奥行ｄ１だけ延びる。

【0022】

図３（ａ）は、図１のＡ－Ａ断面を示した断面図である。図２および図３（ａ）に示すように、第１溝部６５は、底面６５ａと、縦面６５ｂと、一対の側面６５ｃと、を含む。

【0023】

図３（ａ）に示すように、底面６５ａは、第２面６３と略平行に拡がる。底面６５ａは、第２面６３から深さｈ１だけ離間して配置される。

【0024】

縦面６５ｂは、底面６５ａからピストン６の高さ方向（図３（ａ）の矢印Ｚ方向）に沿って延びる。本実施形態の縦面６５ｂは、第３面６４と概ね平行に拡がる。

【0025】

図２に示すように、側面６５ｃは、底面６５ａからピストン６の高さ方向に沿って延びる。一対の側面６５ｃは、互いに第１溝部６５の幅ｗ１だけ離間して設けられる。

【0026】

第２溝部６６は、第１溝部６５と同様に、第２面６３に複数設けられる。複数の第２溝部６６は、第２面６３に放射状に形成される。本実施形態の第２溝部６６は、ピストン６の周方向に沿って、所定の間隔を空けて４つ配置される。従って、第２溝部６６は、９０度ごとに配置される。

【0027】

第２溝部６６は、第１溝部６５に隣接して配置される。本実施形態の第１溝部６５と第２溝部６６は、ピストン６の周方向に沿って、４５度ごとに交互に配置される。

【0028】

図３（ｂ）は、図１のＢ－Ｂ断面を示した断面図である。図３（ｂ）に示すように、第２溝部６６は、第２面６３から第１面６２側に向けて凹んだ部分である。本実施形態の第２溝部６６は、ピストン６の中央部側から周縁側に向かう奥行方向に沿って奥行ｄ２だけ延びる。

【0029】

第２溝部６６の奥行ｄ２は、第１溝部６５の奥行ｄ１より長い。また、第２溝部６６の奥行ｄ２は、第１溝部６５の奥行ｄ１の２倍から５倍程度の長さで形成されてもよい。本実施形態の第２溝部６６の奥行ｄ２は、第１溝部６５の奥行ｄ１の２倍程度の長さで形成される。

【0030】

図２および図３（ｂ）に示すように、第２溝部６６は、底面６６ａと、縦面６６ｂと、一対の側面６６ｃと、を含む。

【0031】

図３（ｂ）に示すように、底面６６ａは、第２面６３と略平行に拡がる。底面６６ａは、第２面６３から深さｈ２だけ離間して配置される。

【0032】

図３に示すように、第２溝部６６の深さｈ２は、第１溝部６５の深さｈ１よりも深い。すなわち、第２溝部６６の底面６６ａは、第１溝部６５の底面６５ａよりも、第１面６２側に配置される。第２溝部６６の深さｈ２は、第１溝部６５の深さｈ１の２倍から４倍程度であってもよい。本実施形態の第２溝部６６の深さｈ１は、第１溝部６５の深さｈ１の２倍程度に形成される。

【0033】

図３（ｂ）に示すように、縦面６６ｂは、底面６６ａからピストン６の高さ方向（矢印Ｚ方向）に沿って延びる。本実施形態の縦面６６ｂは、第３面６４と概ね平行に拡がる。

【0034】

図２に示すように、側面６６ｃは、底面６６ａからピストン６の高さ方向に沿って延びる。一対の側面６６ｃは、互いに第２溝部６６の幅ｗ２だけ離間して設けられる。

【0035】

第２溝部６６の幅ｗ２は、第１溝部６５の幅ｗ１と概ね同じである。これに限らず、第２溝部６６の幅ｗ２は、第１溝部６５の幅ｗ１と異なる大きさに形成されてもよい。

【0036】

曲面６７は、第１溝部６５および第２溝部６６のピストン６の周縁側に位置する内面に形成される。曲面６７は、ピストン６の中央側に曲率の中心が配置されるＲ曲面である。曲面６７は、第１曲面６７ａと、第２曲面６７ｂと、を含む。

【0037】

第１曲面６７ａは、第１溝部６５に設けられる。第１曲面６７ａは、第１溝部６５の縦面６５ｂの一部または全部として形成される。第１曲面６７ａの曲率半径ｒ１は、第１溝部６５の幅ｗ１の２分の１の大きさである。第１曲面６７ａは、その両端が第１溝部６５の一対の側面６５ｃに滑らかに接続する。

【0038】

第２曲面６７ｂは、第２溝部６６に設けられる。第２曲面６７ｂは、第２溝部６６の縦面６６ｂの一部または全部として形成される。第２曲面６７ｂの曲率半径ｒ２は、第２溝部６６の幅ｗ２の２分の１の大きさである。第２曲面６７ｂは、その両端が第２溝部６６の一対の側面６６ｃに滑らかに接続する。

【0039】

次に図４および図５を用いて、キャビティ６１における混合気の流動について説明する。図４および図５に示すように、燃料噴射弁１２は、主に第１溝部６５および第２溝部６６に向けて燃料を噴射する。本実施形態の燃料噴射弁１２は、８つの方向に燃料を噴射する。

【0040】

燃料噴射弁１２は、第１噴射孔１２ａと、第２噴射孔１２ｂと、を有する。第１噴射孔１２ａと第２噴射孔１２ｂは、燃料噴射弁１２に４つずつ形成される。燃料噴射弁１２は、４５度の間隔を空けて交互に第１噴射孔１２ａと第２噴射孔１２ｂが設けられる。

【0041】

第１噴射孔１２ａからは、第１溝部６５に向けた燃料が噴射される。図５（ａ）に示すように、第１噴射孔１２ａから噴射された噴霧（図４および図５（ａ）の点描部分を参照）は、第１溝部６５の縦面６５ｂおよび第１溝部６５に配置された第１曲面６７ａに向かう。さらに、当該噴霧は、第１曲面６７ａによって押し返されて、その進路がピストン６の中央部に向かう方向に変更される。これにより、第１溝部６５の内部で噴霧が拡散しながら中央部に戻る。中央部に戻った噴霧はさらに拡散され、中央部の混合気の均質化が促進される。また、第１噴射孔１２ａから噴射される噴霧は、第２噴射孔１２ｂから噴射される噴霧よりも噴霧角を小さくし、貫徹力を強くしてもよい。これによって、第１溝部６５からピストン６の中央部に戻る噴霧の量が多くなる。

【0042】

第２噴射孔１２ｂからは、第２溝部６６に向けた燃料が噴射される。図５（ｂ）に示すように、第２噴射孔１２ｂから噴射された噴霧（図４および図５（ｂ）の点描部分を参照）は、第２溝部６６の縦面６６ｂおよび第２溝部６６に配置された第２曲面６７ｂに向かう。さらに、当該噴霧は、第２曲面６７ｂによって押し返されて、その進路がピストン６の中央部に向かう方向に変更される。これにより、第２溝部６６の内部で噴霧が拡散され、混合気の均質化が促進される。また、第２噴射孔１２ｂから噴射される噴霧は、第１噴射孔１２ａから噴射される噴霧よりも噴霧角を大きくし、貫徹力を弱めてもよい。これによって、第２溝部６６に拡散する噴霧の量が多くなる。

【0043】

＜第２実施形態＞
次に図６および図７を用いて、本開示の第２実施形態について説明する。なお、第２実施形態においては、第１実施形態と異なる点のみ説明する。

【0044】

第２実施形態では、キャビティ２６１は、さらに壁部２６８を有する。また、燃料噴射弁２１２が４つの噴射孔２１２ｃを有する点が、第１実施形態と異なる。

【0045】

壁部２６８は、第１溝部６５と第２溝部６６とを隔てる壁である。壁部２６８は、第３面６４の一部として設けられる。本実施形態の壁部２６８は、第１溝部６５と第２溝部６６とを滑らかに接続するピストン６の中心側に向けて凸となる曲面である。

【0046】

噴射孔（第３噴射孔の一例）２１２ｃは、９０度ごとに設けられる。噴射孔２１２ｃは、壁部２６８に向けて燃料を噴射する。

【0047】

図７（ａ）の太矢印は、噴射孔２１２ｃから噴射された噴霧の流動経路を示す。また、図中の白矢印は、キャビティ６１内のスワール流の向きを示す。

【0048】

本実施形態では、燃料噴射弁２１２の噴射孔２１２ｃは、壁部２６８の中央（図７（ａ）の一点鎖線）付近に向けて燃料を噴射する。さらに、噴射孔２１２ｃは、スワール流の方向に対して、第１溝部６５が上流側、第２溝部６６が下流側の位置関係となる壁部２６８に向けて燃料を噴射する。噴射された燃料はスワール流の影響を受け、第２溝部６６側へ流される。これにより、第２溝部６６に供給される噴霧の量を、第１溝部６５よりも多くすることができる。この結果、第２溝部６６の内部で、噴霧を拡散させながら、混合を促進させることができる。

【0049】

また、燃料噴射弁２１２は、キャビティ６１内のスワール流の状態に応じて、噴射圧を変更してもよい。

【0050】

キャビティ６１内が低スワール状態の場合は、特にキャビティ６１の中央付近において、燃料の流動性が低下する。このため、燃料噴射弁２１２は、第１溝部６５および第２溝部６６から押し返されてピストン６の中央部へ向かう噴霧の量を増やすために、噴射圧を高圧に調整してもよい。これによって、噴霧の貫徹力が強くなる。

【0051】

一方で、キャビティ６１内が高スワール状態の場合は、特にキャビティ６１の中央付近において、燃料が拡散しやすい。このため、燃料噴射弁２１２は、噴霧が第１溝部６５および第２溝部６６の内部で拡散するように、噴射圧を低圧に調整してもよい。これによって、噴霧の貫徹力が弱まる。

【0052】

図７（ｂ）の太矢印は、噴射孔２１２ｃから噴射された噴霧の流動経路を示す。図７（ｂ）では、噴射孔２１２ｃは、壁部２６８の中央（図７（ｂ）の一点鎖線）から、第２溝部６６側へ距離ｘだけ変位した位置に向けて燃料を噴射する。

【0053】

噴霧は、壁部２６８に衝突すると、第１溝部６５および第２溝部６６に向かう方向に分岐する。第２溝部６６に向けて分岐する噴霧の量は、第１溝部６５側より多くなる。これにより、第２溝部６６に供給される噴霧の量を、第１溝部６５よりも多くすることができる。この結果、第２溝部６６の内部で、噴霧を拡散させながら、混合を促進させることができる。

【0054】

＜第３実施形態＞
次に図８を用いて、本開示の第３実施形態について説明する。なお、第３実施形態においては、第１実施形態および第２実施形態と異なる点のみ説明する。

【0055】

第３実施形態では、キャビティ３６１が、さらに複数の隔壁３６９を有する点が、第１実施形態および第２実施形態と異なる。隔壁３６９は、第１溝部６５の一対の側面６５ｃまたは第２溝部６６の一対の側面６６ｃに設けられる。また、隔壁３６９は、ピストン６の中央部側の端部付近に配置される。

【0056】

隔壁３６９は、いずれも、傾斜面３６９ａと、返し部３６９ｂと、を含む。傾斜面３６９ａは、第１溝部６５または第２溝部６６の内部に向かって傾斜する。返し部３６９ｂは、隔壁３６９のピストン６の周縁側の端部に設けられる。返し部３６９ｂは、第１溝部６５の一対の側面６５ｃまたは第２溝部６６の一対の側面６６ｃから概ね垂直に延びる。

【0057】

図８（ａ）の実施形態では、隔壁３６９は、第２溝部６６の一対の側面６６ｃに設けられる。隔壁３６９は、それぞれの側面６６ｃに１つずつ、１つの第２溝部６６に対して２つずつ配置される。すなわち、隔壁３６９は、全部で８つ設けられる。

【0058】

これにより、燃料噴射弁１２から第２溝部６６に向けて噴射された噴霧の進路（図８（ａ）の太矢印を参照）は、第２溝部６６の入り口付近で、隔壁３６９の傾斜面３６９ａによって、第２溝部６６の内部に向かうように進路が誘導される。さらに、当該噴霧が第２溝部６６の縦面６６ｂまたは第２曲面６７ｂで押し返されると、さらに隔壁３６９の返し部３６９ｂによって、押し返される。この結果、噴霧は、隔壁３６９と第２溝部６６の縦面または第２曲面６７ｂの間で、混合が促進される。

【0059】

図８（ｂ）の実施形態では、隔壁３６９は、第２溝部６６のスワール流（図８（ｂ）の白抜きの矢印を参照）の下流側の側面６６ｃに設けられる。隔壁３６９は、１つの第２溝部６６に対して１つずつ配置される。すなわち、隔壁３６９は、全部で４つ設けられる。

【0060】

さらに、燃料噴射弁３１２の噴射孔３１２ａは、壁部３６８に向けて燃料を噴射してもよい。これにより、第１溝部６５に供給された噴霧は、第１溝部６５の縦面６５ｂに押し返されて、ピストン６の中央部に向かいながら拡散する。また、第２溝部６６に供給された噴霧は、第２溝部６６の縦面６６ｂに押し返された後、隔壁３６９の返し部３６９ｂでさらに進路を変更されて、第２溝部６６の内部で流動する。これにより、混合気の均質化が促進される。

【0061】

以上説明した通り、本開示によれば、噴霧が均質に拡散しやすい内燃機関１を提供できる。

【0062】

＜他の実施形態＞
以上、本実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の変形例は、必要に応じて任意に組み合わせ可能である。

【0063】

（ａ）例えば、上記第１実施形態から第３実施形態では、第１溝部６５と第２溝部６６はそれぞれ４つずつ設けられたが、本開示はこれに限定されない。例えば、内燃機関１は、第１溝部６５と第２溝部６６を８つずつ設けてもよい。また、第１溝部６５と第２溝部６６の数は種々様々な個数に変更可能である。

【0064】

（ｂ）さらに、上記第３実施形態では、隔壁３６９は第２溝部６６に設けられたが、本開示はこれに限定されない。隔壁３６９は、第１溝部６５に設けられてもよいし、第１溝部６５および第２溝部６６の両方に設けられてもよい。

【符号の説明】

【0065】

１ ：内燃機関
２ ：シリンダブロック
４ ：シリンダヘッド
６ ：ピストン
８ ：吸気バルブ
１０ ：排気バルブ
１２，２１２，３１２：燃料噴射弁
１２ａ ：第１噴射孔
１２ｂ ：第２噴射孔
３１２ａ ：第３噴射孔
２１ ：シリンダ
６１，２６１，３６１：キャビティ
６２ ：第１面
６３ ：第２面
６５ ：第１溝部
６６ ：第２溝部
２６９：隔壁

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】