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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-01-05
(45)【発行日】2022-01-20
(54)【発明の名称】エンジン
(51)【国際特許分類】
   F02B 23/06 20060101AFI20220113BHJP
   F02B 23/10 20060101ALI20220113BHJP
   F02F 3/26 20060101ALI20220113BHJP
【FI】
F02B23/06 V
F02B23/10 A
F02B23/10 V
F02F3/26 B
【請求項の数】 5
(21)【出願番号】P 2017214578
(22)【出願日】2017-11-07
(65)【公開番号】P2019085922
(43)【公開日】2019-06-06
【審査請求日】2020-10-07
(73)【特許権者】
【識別番号】000005348
【氏名又は名称】株式会社SUBARU
(74)【代理人】
【識別番号】110002066
【氏名又は名称】特許業務法人筒井国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】津田 雄史
(72)【発明者】
【氏名】秋山 博志
【審査官】稲村 正義
(56)【参考文献】
【文献】特開2014-043777(JP,A)
【文献】特開2004-270476(JP,A)
【文献】特開2001-289048(JP,A)
【文献】特開平10-212987(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F02B 23/00-23/10
F02F 3/26
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
シリンダ本体とこれに組み付けられるシリンダヘッドとを備えるエンジンであって、
前記シリンダ本体のシリンダボアに収容されるピストンと、
前記シリンダヘッドに設けられ、燃焼室の混合気に点火する点火プラグと、
前記シリンダヘッドに設けられ、前記燃焼室のポートを開閉する吸気バルブおよび排気バルブと、
を有し、
前記ピストンの頂面には、
前記点火プラグに対向するプラグ凹部と、
一対の前記吸気バルブに対向する一対の吸気側凹部と、
一対の前記排気バルブに対向する一対の排気側凹部と、
前記プラグ凹部と前記吸気側凹部とを互いに連通させる第1通路凹部と、
前記プラグ凹部と前記排気側凹部とを互いに連通させる第2通路凹部と、
前記一対の吸気側凹部を互いに連通させる第3通路凹部と、
前記一対の排気側凹部を互いに連通させる第4通路凹部と、
前記吸気側凹部と前記排気側凹部とを互いに連通させる第5通路凹部と、
が形成される、
エンジン。
【請求項2】
請求項1に記載のエンジンにおいて、
前記吸気側凹部は、前記吸気バルブの傘部に対向する円形状の凹部であ
前記排気側凹部は、前記排気バルブの傘部に対向する円形状の凹部である、
エンジン。
【請求項3】
請求項1または2に記載のエンジンにおいて、
前記ピストンが上死点に移動したときに、前記点火プラグの先端は前記プラグ凹部に入る、
エンジン。
【請求項4】
請求項1~3のいずれか1項に記載のエンジンにおいて、
前記シリンダボアに燃料を噴射するインジェクタと、
前記インジェクタを制御するインジェクタ制御部と、
を有し、
前記インジェクタ制御部は、燃料を噴射する燃料噴射期間として、少なくとも吸気行程を含む行程で燃料を噴射する第1噴射期間と、圧縮行程で燃料を噴射する第2噴射期間と、を備え、
前記第1噴射期間に噴射される燃料噴射量は、前記第2噴射期間に噴射される燃料噴射量よりも多い、
エンジン。
【請求項5】
請求項4に記載のエンジンにおいて、
前記第1噴射期間と前記第2噴射期間との間には、前記インジェクタの燃料噴射を停止する噴射停止期間が設けられる、
エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、混合気を燃焼させるエンジンに関する。
【背景技術】
【0002】
エンジンの燃費性能を向上させる方法の1つとして、薄い混合気を燃焼させるリーン燃焼方式がある。しかしながら、薄い混合気を良好に燃焼させることは困難であることから、リーン燃焼方式を採用することは、燃焼速度を低下させてエンジンの耐ノッキング性能を低下させる要因となっていた。そこで、点火プラグを囲むように副燃焼室を形成することにより、副燃焼室から主燃焼室に火炎を噴射させるようにしたエンジンが提案されている(特許文献1参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開2007-285273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、特許文献1に記載されるエンジンにおいては、点火プラグを囲む円筒部材をシリンダヘッドに組み付けることにより、円筒部材とピストンとの間に副燃焼室を形成している。しかしながら、シリンダヘッドに対して副燃焼室を形成するための部材を新たに追加することは、エンジンの開発コストや製造コストを増大させる要因となっていた。このため、簡単な構成によって混合気を良好に燃焼させることが求められている。
【0005】
本発明の目的は、簡単な構成によって混合気を良好に燃焼させることにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明のエンジンは、シリンダ本体とこれに組み付けられるシリンダヘッドとを備えるエンジンであって、前記シリンダ本体のシリンダボアに収容されるピストンと、前記シリンダヘッドに設けられ、燃焼室の混合気に点火する点火プラグと、前記シリンダヘッドに設けられ、前記燃焼室のポートを開閉する吸気バルブおよび排気バルブと、を有し、前記ピストンの頂面には、前記点火プラグに対向するプラグ凹部と、一対の前記吸気バルブに対向する一対の吸気側凹部と、一対の前記排気バルブに対向する一対の排気側凹部と、前記プラグ凹部と前記吸気側凹部とを互いに連通させる第1通路凹部と、前記プラグ凹部と前記排気側凹部とを互いに連通させる第2通路凹部と、前記一対の吸気側凹部を互いに連通させる第3通路凹部と、前記一対の排気側凹部を互いに連通させる第4通路凹部と、前記吸気側凹部と前記排気側凹部とを互いに連通させる第5通路凹部と、が形成される。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、ピストンの頂面にプラグ凹部、吸気側凹部および排気側凹部を互いに連通させる通路凹部を形成したので、簡単な構成によって混合気を良好に燃焼させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
図1】本発明の一実施の形態であるエンジンを示す概略図である。
図2】エンジンの一部を簡単に示した断面図である。
図3】ピストン、点火プラグおよびインジェクタの位置関係の一例を示す斜視図である。
図4】ピストンの一部を示す斜視図である。
図5】ピストンの頂面を示す平面図である。
図6】エンジンの制御系の一部を示すブロック図である。
図7】インジェクタによる燃料噴射タイミングの一例を示す図である。
図8】(a)および(b)は、エンジンの動作過程を簡単に示した図である。
図9】(a)および(b)は、エンジンの動作過程を簡単に示した図である。
図10】(a)および(b)は、燃焼過程と共にピストン頂面を簡単に示した図である。
図11】(a)および(b)は、燃焼過程と共にピストン頂面を簡単に示した図である。
図12】本発明の他の実施の形態であるエンジンが備えるピストンの頂面を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
[エンジン構造]
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図1は本発明の一実施の形態であるエンジン10を示す概略図である。図1に示すように、内燃機関であるエンジン10は、一方のシリンダバンクに設けられるシリンダブロック(シリンダ本体)11と、他方のシリンダバンクに設けられるシリンダブロック(シリンダ本体)12と、一対のシリンダブロック11,12に支持されるクランク軸13と、を有している。各シリンダブロック11,12に形成されるシリンダボア14にはピストン15が収容されており、このピストン15にはコネクティングロッド16を介してクランク軸13が連結されている。
【0010】
各シリンダブロック11,12には、動弁機構20を備えたシリンダヘッド21,22が組み付けられている。また、各シリンダヘッド21,22には、燃焼室23に連通する吸気ポート(ポート)24が形成されており、この吸気ポート24を開閉する吸気バルブ(開閉バルブ)25が組み付けられている。さらに、各シリンダヘッド21,22には、燃焼室23に連通する排気ポート(ポート)26が形成されており、この排気ポート26を開閉する排気バルブ(開閉バルブ)27が組み付けられている。なお、燃焼室23とは、シリンダヘッド21,22、シリンダボア14およびピストン15によって区画される空間である。また、図示するエンジン10においては、燃焼室23毎に、2つの吸気バルブ25が設けられるとともに、2つの排気バルブ27が設けられている。
【0011】
[ピストン構造]
図2はエンジン10の一部を簡単に示した断面図である。図2にはピストン15およびその近傍が示されている。図3は、ピストン15、点火プラグ30およびインジェクタ31の位置関係の一例を示す斜視図である。また、図4はピストン15の一部を示す斜視図であり、図5はピストン15の頂面を示す平面図である。なお、図2に示されるピストン15の断面は、図5のA-A線に沿うピストン15の断面である。また、図2および図3には、上死点に位置したピストン15が示されている。
【0012】
図2に示すように、エンジン10のシリンダヘッド21,22には、燃焼室23内の混合気に点火する点火プラグ30が設けられており、シリンダボア14内に燃料を噴射するインジェクタ31が設けられている。図2および図3に示すように、点火プラグ30およびインジェクタ31は、燃焼室23のほぼ中央に位置するように、シリンダヘッド21,22に対して組み付けられている。
【0013】
図2図5に示すように、ピストン15の冠面つまり頂面40(以下、ピストン頂面と記載する。)の中央部には、点火プラグ30に対向するキャビティ(プラグ凹部)41が形成されている。図2および図3に示すように、ピストン15が上死点に移動したときには、点火プラグ30の先端30aがキャビティ41に入る構成となっている。また、ピストン頂面40の外周部には、各吸気バルブ25に対向する一対の吸気側バルブリセス(バルブ凹部,吸気側凹部)42が形成されている。この吸気側バルブリセス42は、吸気バルブ25の傘部25aに対向する円形状の凹部である。さらに、ピストン頂面40の外周部には、各排気バルブ27に対向する一対の排気側バルブリセス(バルブ凹部,排気側凹部)43が形成されている。この排気側バルブリセス43は、排気バルブ27の傘部27aに対向する円形状の凹部である。
【0014】
また、ピストン頂面40には、キャビティ41と吸気側バルブリセス42とを互いに連通させる吸気側連通路(通路凹部,第1通路凹部)44が形成されている。さらに、ピストン頂面40には、キャビティ41と排気側バルブリセス43とを互いに連通させる排気側連通路(通路凹部,第2通路凹部)45が形成されている。このように、キャビティ41とこれの周囲に配置される各バルブリセス42,43とは、キャビティ41から放射状に伸びる各連通路44,45を介して互いに接続されている。また、図4および図5に示すように、ピストン頂面40には、キャビティ41を囲むとともに各バルブリセス42,43を仕切る壁部46が形成されている。このように、ピストン頂面40は壁部46によって盛り上げられており、図示するエンジン10の圧縮比は所定値(例えば14)以上に設計されている。
【0015】
[制御系]
図6はエンジン10の制御系50の一部を示すブロック図である。図6に示すように、エンジン10の制御系50には、インジェクタ31や点火プラグ30を制御するため、マイコン等からなるエンジンコントローラ51が設けられている。エンジンコントローラ51には、インジェクタ31の燃料噴射を制御するインジェクタ制御部52や、点火プラグ30の点火時期を制御する点火制御部53等の各機能部が設けられている。エンジンコントローラ51のインジェクタ制御部52は、他のコントローラや各種センサからの情報に基づき、インジェクタ31の燃料噴射量や燃料噴射タイミングを制御する。また、エンジンコントローラ51の点火制御部53は、他のコントローラや各種センサからの情報に基づき、点火プラグ30の点火タイミングを制御する。なお、エンジンコントローラ51と点火プラグ30との間には、イグニッションコイルやイグナイターからなる点火装置54が設けられている。点火装置54は、インジェクタ制御部52からの点火信号に基づき、イグナイターやイグニッションコイルによって生成される高圧電流を点火プラグ30に出力する。なお、エンジンコントローラ51に接続されるセンサとして、クランク軸の回転角度を検出するクランク角センサ55、図示しない吸気管を通過する吸入空気量を検出するエアフローメータ56、図示しない吸気管の圧力を検出する吸気圧センサ57、およびエンジン10の冷却水温を検出する水温センサ58等がある。
【0016】
[燃料噴射制御]
図7はインジェクタ31による燃料噴射タイミングの一例を示す図である。なお、図7に示したクランク角のTDC(Top Dead Center)とは上死点であり、BDC(Bottom Dead Center)とは下死点である。また、図8および図9はエンジン10の動作過程を簡単に示した図である。図8(a)にはエンジン10の吸気行程が示されており、図8(b)にはエンジン10の圧縮行程が示されている。なお、図8(a)および(b)に示される白抜きの矢印はピストン15の移動方向を示している。また、図9(a)および(b)には圧縮行程から燃焼行程に移行した直後の状況が示されている。
【0017】
図7に示すように、インジェクタ制御部52は、燃料を噴射する燃料噴射期間として、吸気行程で燃料を噴射する第1噴射期間T1と、圧縮行程で燃料を噴射する第2噴射期間T2と、を有している。また、第1噴射期間T1は第2噴射期間T2よりも長く設定されており、第1噴射期間T1に噴射される燃料噴射量は、第2噴射期間T2に噴射される燃料噴射量よりも多くなっている。また、第1噴射期間T1と第2噴射期間T2との間には、燃料噴射を停止する噴射停止期間T3が設けられている。なお、第1噴射期間T1としては、少なくとも吸気行程を含む行程で燃料を噴射する噴射期間であれば良く、吸気行程から圧縮行程にかけて第1噴射期間T1を設定しても良い。
【0018】
このように、第1噴射期間T1と第2噴射期間T2とに分けて燃料を噴射することにより、燃焼室23内を、燃料の薄い混合気が存在するリーン領域と、燃料の濃い混合気が存在するリッチ領域とに分けることができる。図7および図8(a)に示すように、吸気行程で燃料を噴射する第1噴射期間T1においては、燃焼室23内の混合気をリーン状態(空燃比が14.7よりも大きな状態)にする量の燃料が噴射される。このように、吸気行程から燃料を噴射しておくことにより、シリンダボア14内の空気に燃料をよく混ぜることができ、燃焼室23全体の混合気を均質なリーン状態にすることができる。続いて、図7および図8(b)に示すように、圧縮行程の終盤で燃料を噴射する第2噴射期間T2においては、ピストン頂面40のキャビティ41に向けて僅かな燃料が噴射される。このように、ピストン15がシリンダヘッド21,22に接近する圧縮行程の終盤において、キャビティ41に向けて僅かな燃料を噴射することにより、キャビティ41内の混合気をリッチ状態(空燃比が14.7よりも小さな状態)に調整することができる。つまり、図8(b)に示すように、ピストン頂面40のキャビティ41内やその近傍を、燃料の比率が高いリッチ領域A1に制御することができ、ピストン頂面40のバルブリセス42,43内やその近傍を、燃料の比率が小さいリーン領域A2に制御することができる。
【0019】
続いて、図9(a)に示すように、ピストン15が上死点近傍に到達すると、点火プラグ30によってキャビティ41内の混合気に点火される。燃焼室23全体としては混合気がリーン状態であるが、キャビティ41内の混合気はリッチ状態であることから、キャビティ41内の混合気は良好に着火されることになる。そして、キャビティ41内の混合気が燃焼すると、図9(b)に矢印αで示すように、キャビティ41から連通路44,45を通じてバルブリセス42,43に火炎が噴出する。このように、キャビティ41からバルブリセス42,43に火炎を噴出させることにより、リーン状態であるバルブリセス42,43内の混合気を、高エネルギーの火炎によって良好に燃焼させることができる。すなわち、図示するエンジン10においては、キャビティ41がいわゆる副燃焼室として機能しており、バルブリセス42,43がいわゆる主燃焼室として機能している。
【0020】
[混合気燃焼過程]
図10および図11は燃焼過程と共にピストン頂面40を簡単に示した図である。図10(a)、図10(b)、図11(a)、図11(b)の順に混合気の燃焼過程が示されている。図10(a)に示すように、点火プラグ30による混合気の点火直前においては、キャビティ41内やその近傍が、燃料比率の高いリッチ領域A1に制御され、バルブリセス42,43内やその近傍が、燃料比率の低いリーン領域A2に制御される。なお、キャビティ41内の混合気はリッチ状態であるものの、燃焼室23全体としては混合気がリーン状態に制御されている。続いて、図10(b)に符号X1で示すように、キャビティ41内の混合気に点火されて混合気が燃焼すると、図11(a)に符号X2で示すように、キャビティ41から連通路44,45を通じて各バルブリセス42,43に火炎が噴出する。このように、キャビティ41からバルブリセス42,43に火炎を噴出させることにより、図11(b)に符号X3で示すように、リーン状態であるバルブリセス42,43内の混合気を、高エネルギーの火炎によって良好に燃焼させることができる。
【0021】
これまで説明したように、ピストン頂面40に、キャビティ41、吸気側バルブリセス42、排気側バルブリセス43、吸気側連通路44、および排気側連通路45を形成したので、キャビティ41から各バルブリセス42,43に向けて火炎を噴射することができる。これにより、燃焼室23の大部分を構成するバルブリセス42,43内の混合気を薄くした場合であっても(例えば空燃比30)、燃料の薄い混合気を良好に燃焼させることができる。しかも、シリンダヘッド21,22に副燃焼室等を設けることなく、ピストン頂面40にキャビティ41等を形成することで、火炎噴射による混合気燃焼が可能になるため、簡単な構成によって混合気を良好に燃焼させることができる。これにより、エンジン10の開発コストや製造コストを抑制しつつ、混合気の燃焼速度を高めてエンジン10の耐ノッキング性能等を高めることができる。
【0022】
また、キャビティ41からバルブリセス42,43に火炎が噴射される構造であるため、エンジン10の圧縮比を高めるためにバルブリセス42,43を深く形成する場合であっても、バルブリセス42,43内の混合気を良好に燃焼させることができる。つまり、高圧縮比型のエンジン10においては、バルブリセス42,43が深く形成されて燃焼室23の容積が減少するため、燃焼時の冷却損失が増加して燃焼速度の低下を招き易くなる。しかしながら、図示するエンジン10においては、燃焼室23の大部分を占めるバルブリセス42,43に対し、キャビティ41から高エネルギーの火炎が供給されるため、燃焼速度を低下させずに混合気を良好に燃焼させることができる。また、キャビティ41からバルブリセス42,43に火炎を噴射する構造を採用することにより、燃焼速度を高めて耐ノッキング性能を向上させることができるため、エンジン10の圧縮比を高めて熱効率を高めることができる。このように、キャビティ41とバルブリセス42,43とを連通させる構造を採用することにより、エンジン10の圧縮比を14以上に高めることが可能である。更には、各種条件にもよるが、エンジン10の圧縮比を17以上に高めることも可能である。
【0023】
[他の実施の形態]
本発明の他の実施の形態であるエンジンが備えるピストン60について説明する。図12は、本発明の他の実施の形態であるエンジンが備えるピストン60の頂面61(以下、ピストン頂面と記載する。)を示す平面図である。なお、図12において、図5に示した部位と同様の部位については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【0024】
図12に示すように、ピストン頂面61には、前述のピストン15と同様に、キャビティ41、吸気側バルブリセス42、排気側バルブリセス43、吸気側連通路44および排気側連通路45が形成されている。また、ピストン頂面61には、一対の吸気側バルブリセス42を互いに連通させる連通路(第3通路凹部)62と、一対の排気側バルブリセス43を互いに連通させる連通路(第4通路凹部)63と、隣接する吸気側バルブリセス42と排気側バルブリセス43とを互いに連通させる連通路(第5通路凹部)64,65と、が形成されている。このように、各バルブリセス42,43を互いに連通させることにより、燃焼時に生じる火炎を各バルブリセス42,43に行き来させることができ、燃料の薄い混合気を良好に燃焼させることができる。
【0025】
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。例えば、図示するエンジン10は水平対向エンジンであるが、これに限られることはなく、直列エンジン、V型エンジンおよび単気筒エンジン等、他の形式のエンジンに本発明を適用しても良い。また、図示する例では、インジェクタ31の燃焼室23のほぼ中央に配置しているが、これに限られることはなく、インジェクタ31を燃焼室23の端に配置しても良い。このように、インジェクタ31を燃焼室23の端に配置した場合であっても、燃料の噴射タイミング等を調整することにより、キャビティ41内の混合気をリッチ状態に制御することが可能である。また、図示する例では、キャビティ41を球状に形成しているが、これに限られることはなく、円筒形等の他の形状にキャビティ41を形成しても良い。また、図示する例では、吸気側バルブリセス42と排気側バルブリセス43との双方に連通路44,45を接続しているが、これに限られることはなく、吸気側バルブリセス42だけに連通路44を接続しても良く、排気側バルブリセス43だけに連通路45を接続しても良い。
【0026】
図示する例では、ピストン頂面40に、2つの吸気側バルブリセス42を形成し、2つの排気側バルブリセス43を形成しているが、これに限られることはない。例えば、1つの吸気側バルブリセス42を形成しても良く、3つ以上の吸気側バルブリセス42を形成しても良い。また、1つの排気側バルブリセス43を形成しても良く、3つ以上の排気側バルブリセス43を形成しても良い。また、図7に示した例では、吸気行程の全域に渡って第1噴射期間T1を設定しているが、これに限られることはない。例えば、吸気行程の一部において第1噴射期間T1を設定しても良く、吸気行程から圧縮行程にかけて第1噴射期間T1を設定しても良い。また、図7に示した例では、圧縮行程においてピストン15が上死点に到達するまで、第2噴射期間T2を継続しているが、これに限られることはない。例えば、点火時期を進角させる場合には、これに合わせて、第2噴射期間T2も早められることになる。
【0027】
前述の説明では、エンジン10の圧縮比を14以上に設定しているが、これに限られることはなく、圧縮比を14未満に設定しても良いことはいうまでもない。圧縮比が14未満に設定されるエンジンであっても、キャビティ41とバルブリセス42,43とを連通させる構造を採用することにより、様々な状況下においてリーン状態の混合気を良好に燃焼させることが可能である。
【符号の説明】
【0028】
10 エンジン
11,12 シリンダブロック(シリンダ本体)
14 シリンダボア
15 ピストン
21,22 シリンダヘッド
23 燃焼室
24 吸気ポート(ポート)
25 吸気バルブ(開閉バルブ)
25a 傘部
26 排気ポート(ポート)
27 排気バルブ(開閉バルブ)
27a 傘部
30 点火プラグ
30a 先端
31 インジェクタ
40 ピストン頂面(頂面)
41 キャビティ(プラグ凹部)
42 吸気側バルブリセス(バルブ凹部,吸気側凹部)
43 排気側バルブリセス(バルブ凹部,排気側凹部)
44 吸気側連通路(通路凹部,第1通路凹部)
45 排気側連通路(通路凹部,第2通路凹部)
52 インジェクタ制御部
60 ピストン
61 ピストン頂面(頂面)
T1 第1噴射期間
T2 第2噴射期間
T3 噴射停止期間
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12