特開 2024-47734 内燃機関の燃焼室構造

(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】P2024047734

(43)【公開日】2024-04-08

(54)【発明の名称】内燃機関の燃焼室構造

(51)【国際特許分類】

   F02B 23/06 20060101AFI20240401BHJP

   F02M 61/14 20060101ALI20240401BHJP

   F02F 3/26 20060101ALI20240401BHJP

【ＦＩ】

F02B23/06 D

F02M61/14 310A

F02B23/06 F

F02B23/06 R

F02F3/26 C

F02F3/26 B

F02B23/06 W

F02B23/06 L

【審査請求】有

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022153393

(22)【出願日】2022-09-27

(71)【出願人】

【識別番号】000000170

【氏名又は名称】いすゞ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002952

【氏名又は名称】弁理士法人鷲田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】日比 大雅

【テーマコード（参考）】

3G023

3G066

【Ｆターム（参考）】

3G023AA07

3G023AB05

3G023AC05

3G023AD02

3G023AD09

3G066AA07

3G066AB02

3G066AD12

3G066BA02

3G066CC34

(57)【要約】

【課題】段差部を設けた燃焼室構造において、噴霧の広がりとシリンダヘッドとの干渉度合いを低減させ、空気と燃料の混合を促進させる。
【解決手段】内燃機関の燃焼室構造は、ピストン中心軸Ａ１に対して所定の角度に傾斜してシリンダヘッドに設けられた燃料噴射弁と、ピストン６の頂面６ａに、ピストン中心軸Ａ１に対してオフセットして凹設されたキャビティ１０と、キャビティ１０の底面から立ち上がる側壁の周方向に沿って環状に設けられ、キャビティ１０の中心に向かって突起したリップ部２３ａ，２３ｂと、リップ部２３ａ，２３ｂからキャビティ１０の外周方向に向けて設けられ、頂面６ａから所定の深さ窪んでいる段差部２１ａ，２１ｂと、を備える。段差部中心軸Ｃ１は、キャビティ中心軸Ｄ１に対してピストン中心軸Ａ１側にオフセットされている。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ピストン、シリンダ、及びシリンダヘッドにより画成される燃焼室を備えた内燃機関の燃焼室構造であって、
ピストン中心軸に対して所定の角度に傾斜して前記シリンダヘッドに設けられた燃料噴射弁と、
前記ピストンの頂面に、ピストン中心軸に対してオフセットして凹設されたキャビティと、
前記キャビティの底面から立ち上がる側壁の周方向に沿って環状に設けられ、キャビティの中心に向かって突起したリップ部と、
前記リップ部から前記キャビティの外周方向に向けて設けられ、前記頂面から所定の深さ窪んでいる段差部と、を備え、
段差部中心軸は、キャビティ中心軸に対して前記ピストン中心軸側にオフセットされている、
内燃機関の燃焼室構造。

【請求項2】

前記段差部中心軸がオフセットされる距離は、前記キャビティ中心軸と前記ピストン中心軸の距離の２倍以下である
請求項１に記載の内燃機関の燃焼室構造。

【請求項3】

前記段差部中心軸は、前記ピストン中心軸に位置するようオフセットされている、
請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の燃焼室構造。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、内燃機関の燃焼室構造に関する。

【背景技術】

【0002】

燃料をキャビティに向けて直接噴射する直噴型の内燃機関のうち、１気筒当たりの吸気バルブと排気バルブの数が１つずつの内燃機関では、ポンピングロス増加を避けるため、できるだけバルブ径を大きくすることが望ましい。このような内燃機関として、特許文献１には、キャビティの中心をシリンダの中心からオフセットし、燃料噴射弁をキャビティ中央からオフセットしてピストン軸に対して所定の角度ずらして取り付けた直噴ディーゼルエンジンが記載されている。

【0003】

また、特許文献２には、低速運転時におけるスキッシュエリアへの燃料噴霧の拡散状況を改善すること等を目的とした提案がなされている。特許文献２にて提案されている燃焼室構造は、キャビティの開口の外周部にピストン頂面に対し所要深さ窪んで段差を成し且つ半径方向外側へ向かうにつれ徐々に上昇して凹面状に立ち上がるガイド面を備えた抉り部と、該抉り部の底面の内周部とキャビティの底面から立ち上がる燃焼室壁面部とによりピストン頂面から一段下がった位置に形成されたリップ部とを、含んでいる。

【0004】

図５は、特許文献１及び２に記載されているような構造を備えた、従来例の内燃機関の燃焼室構造の一例を示す模式図である。図５の例では、ピストン１０６の頂面６ａから下方向に窪むキャビティ１１０が設けられている。キャビティ１１０の中心は、ピストン中心軸Ａ１から紙面右方向にオフセットされている。

【0005】

また、キャビティ１１０には、キャビティの開口の外周部に頂面６ａに対し所定の深さ窪んで段差を成し且つ半径方向外側へ向かうにつれ徐々に上昇して凹面状に立ち上がるガイド面１２２を備えた段差部１２１と、段差部１２１の底面の内周部とキャビティ１１０の底面から立ち上がる燃焼室壁面部とにより頂面６ａから一段下がった位置に形成されたリップ部１２３が形成されている。また、リップ部１２３とキャビティ１１０の底面との間の燃焼室壁面には、断面が円弧状になるボール部１１１が形成されている。

【0006】

図５には、吸気弁３と燃料噴射弁５も示されている。燃料噴射弁５の噴霧口は、キャビティ中心軸から紙面右方向にオフセットされた軸Ｂ１上にある。また、燃料噴射弁５の軸Ｂ２は、ピストン中心軸Ａ１に平行な軸Ｂ１に対して斜めに傾いている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０００－１９９４３１号公報

【特許文献1】特開２０１４－２３８０１１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

図６は、従来例に係る燃焼室構造における燃料噴霧の一例を示す模式図である。図６に示した従来例のように、リップ部１２３及び段差部１２１を有する形状の燃焼室では、燃料と空気が混ざりやすくするために、リップ部１２３を狙って燃料を噴霧することが一般的である。リップ部１２３に衝突した燃料は、段差部１２１に沿ってピストン６の頂面６ａへ向かうものと、ボール部１１１へ向かうものに分断されて広がっていき、空気と混合され、燃焼する。

【0009】

ここで、キャビティ中心軸からオフセットされ、さらに斜めに傾いて配置されている燃料噴射弁５では、ノズルの角度と噴霧の角度が緩やかな方向Ｆ１側において、ノズルの角度と噴霧の角度が直角に近くなる方向Ｆ２側よりも多くの燃料が噴霧される。よって、方向Ｆ１側では、方向Ｆ２側と比べて、空気との混合を果たせない燃料が生じやすくなる。例えば、方向Ｆ１側において段差部１２１に沿ってピストン１０６の頂面６ａへ向かった燃料は、シリンダヘッド２の下面２ａとの干渉により拡散がせき止められ、噴霧の広がりと空気との混合が阻害されやすくなる。

【0010】

図７は、従来例に係る燃焼室構造に向けて噴霧された燃料の拡散状況を示す模式図である。図７に示すように、図６で方向Ｆ１側に噴霧され、シリンダヘッド２の下面２ａとの干渉により拡散がせき止められた燃料は、領域Ｘ１１で局所的に過濃となる。そして、スート（煤）を多く排出する原因となるおそれがある。一方で、ピストン１０６の頂面６ａとシリンダヘッド２の下面２ａとの間のスキッシュエリアには、燃料との混合を果たせなかった空気が残ってしまう。

【0011】

本開示は、上記の課題に鑑みてなされたものである。すなわち、本開示は、段差部を設けた燃焼室構造において、噴霧の広がりとシリンダヘッドとの干渉度合いを低減させ、空気と燃料の混合を促進させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本開示の一実施形態に係る内燃機関の燃焼室構造は、
ピストン、シリンダ、及びシリンダヘッドにより画成される燃焼室を備えた内燃機関の燃焼室構造であって、
ピストン中心軸に対して所定の角度に傾斜して前記シリンダヘッドに設けられた燃料噴射弁と、
前記ピストンの頂面に、ピストン中心軸に対してオフセットして凹設されたキャビティと、
前記キャビティの底面から立ち上がる側壁の周方向に沿って環状に設けられ、キャビティの中心に向かって突起したリップ部と、
前記リップ部から前記キャビティの外周方向に向けて設けられ、前記頂面から所定の深さ窪んでいる段差部と、を備え、
段差部中心軸は、キャビティ中心軸に対して前記ピストン中心軸側にオフセットされている。

【発明の効果】

【0013】

本開示によれば、段差部を設けた燃焼室構造において、噴霧の広がりとシリンダヘッドとの干渉度合いを低減させ、空気と燃料の混合を促進させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は、本開示の一実施形態に係るシリンダヘッドの上面図である。

【図2】図２は、本開示の一実施形態に係るピストンと従来例に係るピストンの上面図及び断面図である。

【図3】図３は、本開示の一実施形態に係る燃焼室構造における燃料噴霧の一例を示す模式図である。

【図4】図４は、本開示の一実施形態に係る燃焼室構造において噴霧された燃料の拡散状況を示す模式図である。

【図5】図５は、従来例に係る燃焼室構造の一例を示す模式図である。

【図6】図６は、従来例に係る燃焼室構造における燃料噴霧の一例を示す模式図である。

【図7】図７は、従来例に係る燃焼室構造において噴霧された燃料の拡散状況を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本開示の一実施形態に係る内燃機関の燃焼室構造について図面を参照しながら説明する。各図面において、同一又は同等の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。また、各図面に示された各構成要素の寸法は、説明の便宜上のものであって、実際の寸法とは異なる場合がある。

【0016】

まず、図１から図３を用いて、本開示の一実施形態に係る燃焼室構造について説明する。図１は、本開示の一実施形態に係るシリンダヘッド２の上面図である。図２は、本開示の一実施形態に係るピストン６と従来例に係るピストン１０６の上面図及び断面図である。図３は、本開示の一実施形態に係る燃焼室構造における燃料噴霧の一例を示す模式図である。

【0017】

以下では、本開示の一実施形態に係る内燃機関として、直噴ディーゼルエンジンを例に挙げて説明するが、本開示に係る内燃機関はこれに限定されない。また、本開示に係る内燃機関は、ディーゼル燃料を燃料とするものに限定されず、例えば、ＣＮＧ（Compressed Natural Gas）やＬＮＧ（Liquefied Natural Gas）等の液化ガス燃料を用いるものであってもよい。

【0018】

図３に示すように、本実施形態に係る直噴ディーゼルエンジンの燃焼室１は、ピストン６、シリンダ７、及びシリンダヘッド２により画成される空間である。図１に示すように、シリンダヘッド２は、吸気弁３と、排気弁４と、燃料噴射弁５と、をそれぞれ１つずつ備える。

【0019】

図２に示すように、ピストン６の頂面６ａには、ピストン中心軸Ａ１に対してオフセットしてキャビティ１０が凹設されている。ピストン６におけるキャビティ中心軸Ｄ１は、ピストン中心軸Ａ１から紙面右方向にオフセットされている。なお、キャビティ中心軸Ｄ１がピストン中心軸Ａ１から紙面右方向にオフセットされた構造を有する点は、従来例のピストン１０６でも同じである。

【0020】

キャビティ１０の底面は断面形状が山形となっており、底面中央に突起部が設けられている。この突起部から外周方向に向かうにつれて、キャビティ１０の底面は緩やかに傾斜していき、キャビティ１０の底面から立ち上がる側壁に接続されている。キャビティ１０の底面と側壁の接続部分には、断面が円弧状になるボール部１１が形成されている。

【0021】

また、キャビティ１０には、段差部２１が設けられている。段差部中心軸Ｃ１は、キャビティ中心軸Ｄ１に対してピストン中心軸Ａ１側にオフセットされている。この点が、本実施形態に係るピストン６と、従来例に係るピストン１０６との大きな違いである。

【0022】

ここで、「ピストン中心軸」とは、例えば、ピストンが往復運動する方向に平行な軸であって、ピストンの頂面（又はピストンが往復運動する方向に垂直な断面）における中心を通る軸である。「キャビティ中心軸」とは、例えば、ピストン中心軸に平行な軸であって、キャビティの底面の中心を通る軸である。図２の例では、キャビティ中心軸Ｄ１は、ピストン中心軸Ａ１に平行、かつ、キャビティ１０の底面中央に設けられた突起部の中心を通る軸である。「段差部中心軸」とは、例えば、ピストン中心軸に平行な軸であって、段差部の中心を通る軸である。図２の例では、段差部中心軸Ｃ１は、ピストン中心軸Ａ１に平行、かつ、段差部２１の外周（ガイド面２２ａ，２２ｂと頂面６ａの境界）を形成する円の中心を通る軸である。

【0023】

図２の例では、段差部中心軸Ｃ１は、ピストン中心軸Ａ１と同じ位置になるようオフセットされているが、これに限定されず、段差部中心軸Ｃ１はキャビティ中心軸Ｄ１に対してピストン中心軸Ａ１側にオフセットされていればよい。段差部中心軸Ｃ１がオフセットされる距離ｄは、例えば、キャビティ中心軸Ｄ１とピストン中心軸Ａ１距離の２倍以下であることが好ましい。

【0024】

以下の説明において、段差部２１ａ、ガイド面２２ａ、リップ部２３ａは、キャビティ中心軸Ｄ１から段差部中心軸Ｃ１側に向かう方向（紙面左方向）に位置する部分である。段差部２１ｂ、ガイド面２２ｂ、リップ部２３ｂは、キャビティ中心軸Ｄ１から段差部中心軸Ｃ１の反対に向かう方向（紙面右方向）位置する部分である。

【0025】

なお、これらの呼称は説明の便宜上のものであり、本開示を限定するものではない。段差部２１ａ及び２１ｂは、段差部中心軸Ｃ１を中心に周状に形成され、互いに接続されている一つの構成要素である。同様に、ガイド面２２ａ及び２２ｂのそれぞれは、段差部中心軸Ｃ１を中心に周状に形成され、互いに接続されている一つの構成要素である。同様に、リップ部２３ａ及び２３ｂは、キャビティ中心軸Ｄ１を中心に周状に形成され、互いに接続されている一つの構成要素である。

【0026】

リップ部２３ａ，２３ｂは、キャビティ１０の底面から立ち上がる側壁の周方向に沿って環状に設けられている。リップ部２３ａ，２３ｂは、キャビティ１０の中心に向かって突起している。燃料噴射弁５は、燃料を拡散させるため、リップ部２３ａ，２３ｂに向けて燃料を噴霧する。

【0027】

段差部２１ａ及び２１ｂは、リップ部２３ａ，２３ｂからキャビティ１０の外周方向に向けて設けられ、頂面６ａから所定の深さ窪んでいる。また、段差部２１ａ及び２１ｂは、段差部２１ａ及び２１ｂと頂面６ａを緩やかに接続するガイド面２２ａ，２２ｂを有する。図２から分かるように、段差部中心軸Ｃ１が上述のようにオフセットされているため、段差部２１ａの方が、段差部２１ｂよりも広くなる。

【0028】

燃料噴射弁５の先端位置は、図３に示すように、ピストン中心軸Ａ１から所定の距離オフセットされた軸Ｂ１上にある。また、燃料噴射弁５は、ピストン中心軸Ａ１に平行な軸Ｂ１から所定の角度θだけ傾斜してシリンダヘッド２に設けられている。この場合、通常、ノズルの角度と噴霧の角度が緩やかな方向Ｆ１側において、ノズルの角度と噴霧の角度が直角に近くなる方向Ｆ２側よりも多くの燃料が噴霧される。

【0029】

ここで、本実施形態に係る燃焼室構造では、方向Ｆ１側に位置する段差部２１ａが方向Ｆ２側の段差部２１ｂよりも広くなっている。すなわち、本実施形態に係る燃焼室構造は、段差部２１ａ側において、シリンダヘッド２の下面２ａとの干渉せずに燃料を拡散できる十分なスペースを有している。そのため、方向Ｆ１側において多くの燃料が噴霧された場合であっても、段差部２１ａに沿ってピストン６の頂面６ａへ向かった燃料は、シリンダヘッド２の下面２ａとの干渉を受けずに噴霧を広げやすく、空気との混合を阻害されにくくなる。なお、段差部２１ｂ側では、噴霧される燃料が段差部２１ａ側よりも少ないため、シリンダヘッドの２の干渉等の問題は起こりにくい。

【0030】

図４は、本開示の一実施形態に係る燃焼室構造において噴霧された燃料の拡散状況を示す模式図である。図４に示すように、本実施形態に係る燃焼室構造では、段差部２１ａ側が十分に広い。そのため、領域Ｘ１等のスキッシュエリアにおいて、空気と燃料を十分に混合することができ、局所的な過濃な混合気の形成を抑制可能である。これにより、スートの低減と熱効率の向上も望める。

【0031】

以上、本開示に係る一実施形態について詳述したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。本発明には、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれる。

【0032】

［付記］
以上のとおり、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） ピストン、シリンダ、及びシリンダヘッドにより画成される燃焼室を備えた内燃機関の燃焼室構造であって、
ピストン中心軸に対して所定の角度に傾斜して前記シリンダヘッドに設けられた燃料噴射弁と、
前記ピストンの頂面に、ピストン中心軸に対してオフセットして凹設されたキャビティと、
前記キャビティの底面から立ち上がる側壁の周方向に沿って環状に設けられ、キャビティの中心に向かって突起したリップ部と、
前記リップ部から前記キャビティの外周方向に向けて設けられ、前記頂面から所定の深さ窪んでいる段差部と、を備え、
段差部中心軸は、キャビティ中心軸に対して前記ピストン中心軸側にオフセットされている、
内燃機関の燃焼室構造。
この燃焼室構造によれば、段差部を設けた燃焼室構造において、噴霧の広がりとシリンダヘッドとの干渉度合いを低減させ、空気と燃料の混合を促進させることができる。
具体的には、段差部中心軸をキャビティ中心軸に対してピストン中心軸側にオフセットしたことにより、オフセットした方向において、段差部を広くすることができる。そのため、オフセットした方向のスキッシュエリアにおいて、空気と燃料を十分に混合することができ、局所的な過濃な混合気の形成を抑制可能である。また、これによって、スートの低減と熱効率の向上を見込むこともできる。

【0033】

（２） 前記段差部中心軸がオフセットされる距離は、前記キャビティ中心軸と前記ピストン中心軸の距離の２倍以下である、
上記（１）に記載の内燃機関の燃焼室構造。
この燃焼室構造によれば、適切な燃焼室構造を実現できる。具体的には、オフセットした方向のピストンの頂面が狭くなりすぎて機械的強度に問題が生じたり、オフセットした方向の反対側の段差部が狭くなりすぎて、該反対側の段差部で燃料と空気の混合の問題が生じたりするおそれを低減できる。

【0034】

（３） 前記段差部中心軸は、前記ピストン中心軸に位置するようオフセットされている、
上記（１）又は（２）に記載の内燃機関の燃焼室構造。
この燃焼室構造によれば、オフセットした方向の段差部においても、オフセットした方向と反対側の段差部においても、それぞれも噴霧される燃料の量に適したスペースを確保でき、空気と燃料の混合をさらに促進させることができる。

【符号の説明】

【0035】

１：燃焼室
２：シリンダヘッド
２ａ：シリンダヘッドの（下面）
３：吸気弁
４：排気弁
５：燃料噴射弁
６，１０６：ピストン
６ａ：（ピストンの）頂面
７：シリンダ
１１，１１１：ボール部
２１ａ，２１ｂ，１２１：段差部
２２ａ，２２ｂ，１２２：ガイド面
２３ａ，２３ｂ，１２３：リップ部
Ａ１：ピストン中心軸
Ｂ１：軸
Ｃ１：段差部中心軸
Ｄ１：キャビティ中心軸
Ｘ１，Ｘ１１：領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【手続補正書】

【提出日】2024-01-10

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ピストン、シリンダ、及びシリンダヘッドにより画成される燃焼室を備えた内燃機関の燃焼室構造であって、
ピストン中心軸に対して所定の角度に傾斜して前記シリンダヘッドに設けられた燃料噴射弁と、
前記ピストンの頂面に、前記ピストン中心軸に対してオフセットして凹設されたキャビティと、
前記キャビティの底面中央に、断面が山形になるように設けられた突起部と、
前記突起部と前記キャビティの側壁を滑らかに接続し、断面が円弧状になるように設けられたボール部と、
前記キャビティの底面から立ち上がる側壁の周方向に沿って環状に設けられ、前記キャビティの中心に向かって突起したリップ部と、
前記リップ部から前記キャビティの外周方向に向けて設けられ、前記頂面から所定の深さ窪んでいる段差部と、を備え、
前記段差部の中心を通る軸である段差部中心軸は、前記キャビティの前記底面中央を通る軸であるキャビティ中心軸に対して前記ピストン中心軸側にオフセットされており、
燃料は、前記燃料噴射弁から前記リップ部に向けて噴射され、前記リップ部に衝突すると、前記段差部へ向かうものと、前記ボール部へ向かうものに分断され、前記段差部へ向かうものは、前記シリンダヘッドとの干渉を受けることなく、前記頂面と前記シリンダヘッドとの間で前記シリンダの側壁部付近であるスキッシュエリアへと拡散する、
内燃機関の燃焼室構造。

【請求項2】

前記段差部中心軸がオフセットされる距離は、前記キャビティ中心軸と前記ピストン中心軸の距離の２倍以下である
請求項１に記載の内燃機関の燃焼室構造。

【請求項3】

前記段差部中心軸は、前記ピストン中心軸に位置するようオフセットされている、
請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の燃焼室構造。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１２

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0012】

本開示の一実施形態に係る内燃機関の燃焼室構造は、
ピストン、シリンダ、及びシリンダヘッドにより画成される燃焼室を備えた内燃機関の燃焼室構造であって、
ピストン中心軸に対して所定の角度に傾斜して前記シリンダヘッドに設けられた燃料噴射弁と、
前記ピストンの頂面に、前記ピストン中心軸に対してオフセットして凹設されたキャビティと、
前記キャビティの底面中央に、断面が山形になるように設けられた突起部と、
前記突起部と前記キャビティの側壁を滑らかに接続し、断面が円弧状になるように設けられたボール部と、
前記キャビティの底面から立ち上がる側壁の周方向に沿って環状に設けられ、前記キャビティの中心に向かって突起したリップ部と、
前記リップ部から前記キャビティの外周方向に向けて設けられ、前記頂面から所定の深さ窪んでいる段差部と、を備え、
前記段差部の中心を通る軸である段差部中心軸は、前記キャビティの前記底面中央を通る軸であるキャビティ中心軸に対して前記ピストン中心軸側にオフセットされており、
燃料は、前記燃料噴射弁から前記リップ部に向けて噴射され、前記リップ部に衝突すると、前記段差部へ向かうものと、前記ボール部へ向かうものに分断され、前記段差部へ向かうものは、前記シリンダヘッドとの干渉を受けることなく、前記頂面と前記シリンダヘッドとの間で前記シリンダの側壁部付近であるスキッシュエリアへと拡散する。