JP2007270749A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンキャビティ内のスワール流に乱れを発生し難くして燃焼を改善することが可能な内燃機関を提供する。
【解決手段】頂面１ａにピストンキャビティ２とバルブリセス３とが互いに連通するように形成されたピストン１を備え、ピストン１が設けられる気筒内にスワール流Ｓを形成可能な内燃機関において、バルブリセス３は、バルブリセス３の中心ＣＰｒとバルブリセス３の底面の外周とに基づいて定義される仮想円Ｃｖに対してバルブリセス３の側面３ａがスワール流Ｓの流れ方向に広がる拡大部４を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、頂面にバルブリセスとピストンキャビティとが互いに連通するように形成されたピストンを備えた内燃機関に関する。

ピストンキャビティとバルブリセスとを相互に連通させてスワール流をバルブリセスからピストンキャビティに導入する内燃機関において、スワール流がバルブリセスからピストンキャビティに導入され易いようにバルブリセスの内周面とピストンキャビティの内周面とをスワール流案内面で接続した内燃機関が知られている（特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２〜４が存在する。

特開平９−１５８７３４号公報 特開平１０−２０５４１３号公報 特開２０００−１８０４１号公報 特開平１０−２２７２１７号公報

このような内燃機関では、吸気行程に気筒内に形成されたスワール流が圧縮行程においてピストンが上死点付近に移動するとピストンキャビティ内に押し込まれ、このピストンキャビティ内に押し込まれたスワール流によってピストンキャビティ内の流れを強めて燃焼を促進させている。特許文献１の内燃機関ではピストンキャビティ内のスワール流の流速を高めるべくバルブリセスからピストンキャビティにスワール流を導入し易くしているが、バルブリセスから導入したガスはピストンキャビティ内に押し込まれたスワール流とは異なる方向のガス流れをピストンキャビティ内に形成する。例えば、バルブリセスからピストンキャビティの中心方向に向かうガス流れを形成する。また、ピストンが上死点付近に移動することによってピストンキャビティ内に押し込まれたスワール流はピストンキャビティ内を下降しようとするが、バルブリセスから導入されたガスはピストンキャビティの中心方向に向かうので、ピストンキャビティの中心付近からピストンキャビティの外周方向にピストンキャビティ内を上昇するガス流れを形成する。この場合、バルブリセスから導入されたガスによってピストンキャビティ内のスワール流が乱されるので、このスワール流が弱まり、燃焼が悪化するおそれがある。

そこで、本発明は、ピストンキャビティ内のスワール流に乱れを発生し難くして燃焼を改善することが可能な内燃機関を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関は、頂面にピストンキャビティとバルブリセスとが互いに連通するように形成されたピストンを備え、前記ピストンが設けられる気筒内にスワール流を形成可能な内燃機関において、前記バルブリセスは、前記バルブリセスの中心と前記バルブリセスの底面の外周とに基づいて定義される仮想円に対して前記バルブリセスの側面が前記スワール流の流れ方向に広がる拡大部を備えていることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

本発明の内燃機関によれば、バルブリセス内のガスを拡大部によってスワール流の流れ方向に流れ易くすることができる。そのため、バルブリセスからピストンキャビティ内にガスを流れ込みに難くしてピストンキャビティ内のスワール流に乱れを発生し難くすることができる。従って、燃焼を改善することができる。

本発明の内燃機関の一形態において、前記拡大部は、前記仮想円の接線のうち前記バルブリセスの中心と前記ピストンキャビティの中心とを通る仮想基準線に対して平行な接線よりも前記バルブリセスの側面が外側に広がることによって形成されていてもよい（請求項２）。この場合、ピストンキャビティ内のスワール流に対してバルブリセスから流入するガスをスワール流の旋回方向に導き、ピストンキャビティの中心方向に向かうガス流れの形成を抑制できる。そのため、ピストンキャビティ内のスワール流の乱れを抑制して燃焼を改善できる。

この形態においては、前記拡大部が、前記バルブリセスの側面のうち前記スワール流と対向する側の側面にのみ設けられていてもよい（請求項３）。このように拡大部を設けても、ピストンキャビティの中心方向に向かうガス流れの形成を抑制できるので、スワール流の乱れを抑制して燃焼の悪化を抑制できる。また、拡大部の数を低減できるので、ピストンと気筒の壁面とシリンダヘッドとによって形成され、ピストンキャビティ及びバルブリセスが含まれる燃焼室の容積の増加を抑えることができる。そのため、内燃機関の圧縮比の低下を抑制できる。

本発明の内燃機関の一形態においては、前記ピストンキャビティの周囲に前記バルブリセスが複数設けられるとともに、隣り合うバルブリセスが互いに繋がるように前記頂面に開口している前記ピストンキャビティの入口部の縁にこの入口部の径よりも大きい径を有するザグリ部が前記拡大部として設けられていてもよい（請求項４）。この場合、ザグリ部によって各バルブリセスが繋げられるので、バルブリセス内のガスをザグリ部に流入させてバルブリセスからピストンキャビティ内へのガスの流れ込みをさらに抑制できる。そのため、ピストンキャビティ内のスワール流の乱れをさらに抑制して燃焼を改善できる。

本発明の内燃機関の一形態において、前記拡大部は、前記バルブリセスの側面が前記バルブリセスの底面から前記頂面に向かって漸次拡大しつつ傾斜することによって形成されていてもよい（請求項５）。この場合、拡大部によってバルブリセスからピストンの頂面にガスを導くことができるので、バルブリセスからピストンキャビティへのガスの流入を抑制できる。そのため、ピストンキャビティ内のスワール流の乱れを抑制して燃焼の悪化を抑制できる。

この形態においては、前記拡大部が前記バルブリセスの側面のうち前記スワール流と対向する部分のみに設けられていてもよい（請求項６）。この場合、バルブリセスの側面のうちスワール流と対向する部分に設けられた拡大部によってバルブリセスからピストンの頂面にガスを導くことができる。また、拡大部が設けられる部分を低減できるので、燃焼室の容積の増加を抑えて圧縮比を低下を抑制できる。

また、この形態において、前記スワール流と対向する部分の前記バルブリセスの側面に設けられた前記拡大部には、前記バルブリセスの側面の傾斜角度が、前記スワール流が前記バルブリセスの側面に衝突した位置において前記スワール流の流れ方向が前記ピストンキャビティ側に変更される角度よりも大きく設定される部分が設けられていてもよい（請求項７）。この場合、バルブリセスの側壁に沿ってスワール流が案内されても、バルブリセスの側面の傾斜角度の方が前記スワール流の流れ方向が前記ピストンキャビティ側に変更される角度よりも大きく設定された部分によってスワール流をバルブリセスから頂面に導くことができるので、バルブリセスからピストンキャビティへのガスの流入をより確実に抑制できる。そのため、ピストンキャビティ内のスワール流の乱れを抑制して燃焼を改善できる。

以上に説明したように、本発明によれば、バルブリセスからピストンキャビティにガスを流れ込み難くすることができるので、バルブリセスからピストンキャビティに流入したガスに起因するスワール流の乱れを抑制できる。そのため、燃焼を改善することができる。

（第１の形態）
図１は、本発明の第１の形態に係る内燃機関に設けられるピストンを示している。なお、図１は、ピストン１を頂面１ａ側から見た図である。この内燃機関（以下、エンジンと呼ぶこともある。）は、車両に走行用動力源として搭載されるものであり、図１に示したようにピストン１が設けられる気筒に形成されるスワール流Ｓによって燃料混合気の燃焼を促進させる。ピストン１の頂面１ａには、ピストンキャビティ２と４つのバルブリセス３とが互いに連通するように形成されている。ピストンキャビティ２及びバルブリセス３は周知のエンジンに設けられるものと同様でよいため、詳細な説明は省略する。各バルブリセス３は、ピストンキャビティ２の周囲にそれぞれ配置され、ピストンキャビティ２と繋がる箇所に拡大部４をそれぞれ備えている。図２に拡大して示したようにバルブリセス３の拡大部４では、バルブリセス３の中心ＣＰｒとバルブリセス３の底面の外周とによって定義される仮想円Ｃｖの接線のうちバルブリセス３の中心ＣＰｒとピストンキャビティ２の中心ＣＰｃとを通る仮想基準線Ｌｖと平行な接線Ｌｔよりもバルブリセス３の側面３ａが外側に広がっている。この場合、各バルブリセス３の拡大部４のうちスワール流Ｓの流れ方向前方に位置する拡大部４においては、バルブリセス３の側面３ａが仮想円Ｃｖよりもスワール流Ｓの流れ方向に広がる。

第１の形態のエンジンによれば、図１に矢印Ａで示したようにスワール流の旋回方向の流れを維持した状態でバルブリセス３からピストンキャビティ２にガスを導くことができるので、ピストンキャビティ２の中心ＣＰｃ方向へのガス流れを発生し難くすることができる。本発明のエンジンでは、吸気行程時に形成されたスワール流Ｓが圧縮行程時にピストンキャビティ２内に押し込まれるが、このようにバルブリセス３からピストンキャビティ２の中心ＣＰｃ方向へのガス流れの発生を抑制することにより、ピストンキャビティ２内のスワール流に乱れを発生し難くすることができる。そのため、燃焼の悪化を抑制できる。

図３は、第１の形態に係るエンジンの変形例を示している。なお、図３において図１と共通の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。図３に示したように、この変形例では、拡大部４が、バルブリセス３とピストンキャビティ２とが繋がる部分のうちスワール流Ｓの流れ方向前方に位置する側にのみ設けられている。言い換えると拡大部４は、バルブリセス３の側面３ａのうちスワール流Ｓと対向する側の側面にのみ設けられている。

図３の変形例においても図１と同様に、ピストンキャビティ２の中心ＣＰｃ方向へのガス流れの発生を抑制してピストンキャビティ２内のスワール流に乱れを発生し難くすることができる。また、拡大部４の数を低減することによって、ピストン１とエンジンのシリンダヘッドと気筒の壁面とによって形成され、ピストンキャビティ２及びバルブリセス３が含まれる燃焼室の容積の増加を抑制できる。そのため、エンジン１の圧縮比の低下を抑制できる。

（第２の形態）
次に、図４及び図５を参照して本発明の第２の形態に係る内燃機関を説明する。図４は、本発明の第２の形態に係る内燃機関に設けられるピストン１を示している。すなわち、図４は、第１の形態の図１に相当する。図５は、図４のＶ−Ｖ線におけるピストン１の断面図である。なお、図４及び図５において図１と共通の部分には同一の符号を付し、説明を省略する。図４に示したように、第２の形態では、ピストン１の頂面１ａに開口しているピストンキャビティ２の入口部２ａの縁にザグリ部１０が設けられている点が第１の形態と異なる。図４に示したように、ザグリ部１０は、その径φｚがピストンキャビティ２の入口部２ａの径φｃよりも大きく、隣り合うバルブリセス３が互いに繋がるように設けられる。図５に示したように、ザグリ部１０は、バルブリセス２と深さが同一になるように設けられている。

第２の形態のエンジンによれば、図４に矢印Ｂで示したようにバルブリセス３からザグリ部１０にガスを導くことができるので、ピストンキャビティ２の中心ＣＰｃ方向へのガス流れを発生し難くすることができる。そのため、ピストンキャビティ２内のスワール流に乱れを発生し難くして燃焼の悪化を抑制できる。

図６〜図９は、第２の形態に係るエンジンの変形例を示している。図６〜図９は、図５に相当する図であり、各変形例のピストン１の断面図を示している。なお、図６〜図９において図５と共通の部分には同一の参照符号を付して説明を省略する。

図６に示した第１の変形例では、ザグリ部１０の深さＤｚがバルブリセス２の深さＤｒよりも深い点が図５と異なっている。ピストン１の頂面１ａに形成されるバルブリセス２は、吸気弁側に設けられるものと排気弁側に設けられるものとで深さが互いに異なる場合がある。このような場合は、図６に示したようにザグリ部１０をバルブリセス２よりも深くすることによって、各バルブリセス２の深さの違いに干渉されることなく各バルブリセス２からザグリ部１０にガスを導入することができる。

図７に示した第２の変形例では、ザグリ部１０の径φｚが頂面１ａからピストン１の内部に進みに従って漸次減少するようにテーパ状に設けられている点が図５と異なっている。このような形状においても、各バルブリセス３からピストンキャビティ２の中心ＣＰｃ方向へのガス流れの発生を抑制できる。また、この場合、ザグリ部１０の容積を減少させることができるので、ザグリ部１０を設けたことによる燃焼室の容積の増加を抑制できる。そのため、エンジンの圧縮比の低下を抑制できる。

図８に示した第３の変形例では、ザグリ部１０の径φｚが頂面１ａからピストン１の内部に進みに従って漸次減少する点は第２の変形例と同じだが、ピストンキャビティ２とバルブリセス３とのつながる角度が第２の変形例よりも緩やかに設定される点が異なる。この場合、各バルブリセス３からピストンキャビティ２の中心ＣＰｃ方向へのガス流れの発生を抑制できるとともに、ピストンキャビティ２とバルブリセス３とが繋がる部分の熱負荷に対する強さを改善することができる。

図９に示した第４の変形例では、ピストンキャビティ２とバルブリセス３とのつながる部分の角度を第３の変形例よりもさらに緩やかにするべくザグリ部１０にアールＲが設けられている。この第４の変形例も第３の変形例と同様に、各バルブリセス３からピストンキャビティ２の中心ＣＰｃ方向へのガス流れの発生を抑制できるとともに、ピストンキャビティ２とバルブリセス３とが繋がる部分の熱負荷に対する強さを改善することができる。

（第３の形態）
図１０及び図１１を参照して本発明の第３の形態に係るエンジンを説明する。図１０は、第１の形態の図１に対応する図である。図１１（ａ）は、図１０の線ＸＩａ−ＸＩａにおけるピストン１の断面図であり、図１１（ｂ）は図１０において点線の丸で囲んだ部分の拡大図である。また、図１１（ｃ）は、図１１（ｂ）の線ＸＩｃ−ＸＩｃにおけるピストン１の断面図を示している。なお、図１０及び図１１において図１と共通の部分には同一の符号を付して説明を省略する。

図１１に示したように第３の形態では、各バルブリセス３の側面３ａが各バルブリセス３の底面からピストン１の頂面１ａに向かうに従って拡大して拡大部２０が形成されている点が他の形態と異なる。図１０に示したように、この拡大部２０はバルブリセス３の周囲を縁取るようにして各バルブリセス３にそれぞれ設けられている。この場合、各バルブリセス３の拡大部２０のうちスワール流Ｓの流れ方向前方に位置する部分においては、バルブリセス３の側面３ａが仮想円Ｃｖよりもスワール流Ｓの流れ方向に広がっている。図１１（ｂ）に示したように、拡大部２０は、スワール流Ｓがバルブリセス３の側面３ａに当たった場所におけるスワール流Ｓの接線Ｌｔｓとバルブリセス３の側面３ａの接線Ｌｔｒとによって定義される第１の角度θ１よりも、図１１（ｃ）に示したバルブリセス３の側面３ａの傾斜の第２の角度θ２の方が大きい部分、すなわちθ２＞θ１となる部分を有している。言い換えると、この部分においてはバルブリセス３の側面３ａの傾斜角度θ２が、バルブリセス３の側面３ａによってスワール流Ｓの流れ方向がピストンキャビティ２側に変更される角度θ１よりも大きく設定される。

第３の形態によれば、図１１に矢印Ｃで示したようにバルブリセス３内のガスを拡大部２０によってバルブリセス３からピストン１の頂面１ａに導くことができる。また、拡大部２０は、その一部において第１の角度θ１よりも第２の角度θ２の方が大きくなるように形成されているので、バルブリセス３の側面３ａに沿ったガス流れがバルブリセス３内で発生しても、この部分においてガスをピストン１の頂面１ａに導くことができる。そのため、バルブリセス３からピストンキャビティ２へのガスの流入を抑制し、ピストンキャビティ２内のスワール流に乱れを発生し難くすることができる。従って、燃焼の悪化を抑制できる。

図１２及び図１３は、第３の形態に係るエンジンの変形例を示している。図１２はこの変形例のピストン１を頂面１ａ側から見た図であり、図１３は図１２の線ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩにおけるピストン１の断面図である。すなわち、図１２が図１０に対応し、図１３が図１１（ａ）に対応する。図１２及び図１３において図１０及び図１１（ａ）と共通の部分には同一の符号を付して説明を省略する。

この変形例では、図１３に示したように、拡大部２０が、各バルブリセス３のスワール流Ｓの流れ方向前方側にのみ設けられている。このように拡大部２０を設けても、バルブリセス３からピストン１の頂面１ａにガスを導くことができる。そのため、ピストンキャビティ２の中心ＣＰｃ方向へのガス流れの発生を抑制してピストンキャビティ２内のスワール流に乱れを発生し難くすることができる。また、拡大部２０を形成する部分を低減することによって燃焼室の容積の増加を抑制できるので、エンジン１の圧縮比の低下を抑制できる。

本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、種々の形態にて実施してよい。例えば、ピストン頂面に形成されるバルブリセスの数は４つに限定されない。頂面にバルブリセスとピストンキャビティとが形成され、これらが互いに連通しているピストンを備えた内燃機関に本発明は適用することができる。

本発明の第１の形態に係る内燃機関に設けられるピストンを示す図。 図１のバルブリセスを拡大して示す図。 第１の形態の変形例を示す図。 本発明の第２の形態に係る内燃機関に設けられるピストンを示す図。 図４のＶ−Ｖ線におけるピストンの断面を示す図。 第２の形態の第１の変形例を示す図。 第２の形態の第２の変形例を示す図。 第２の形態の第３の変形例を示す図。 第２の形態の第４の変形例を示す図。 本発明の第３の形態に係る内燃機関に設けられるピストンを示す図。 図１０のピストンの一部を拡大して示す図であり、（ａ）は図１０の線ＸＩａ−ＸＩａにおけるピストンの断面図を示し、（ｂ）は図１０において点線の丸で囲んだ部分の拡大図を示し、（ｃ）は（ｂ）の線ＸＩｃ−ＸＩｃにおけるピストンの断面図を示す。 第３の形態の変形例を示す図。 図１２の線ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩにおけるピストンの断面を示す図。

符号の説明

１ ピストン
１ａ 頂面
２ ピストンキャビティ
２ａ 入口部
３ バルブリセス
３ａ バルブリセスの側面
４ 拡大部
１０ ザグリ部（拡大部）
２０ 拡大部
Ｓ スワール流
Ｃｖ 仮想円
Ｌｖ 仮想基準線

Claims (7)

1. 頂面にピストンキャビティとバルブリセスとが互いに連通するように形成されたピストンを備え、前記ピストンが設けられる気筒内にスワール流を形成可能な内燃機関において、
   前記バルブリセスは、前記バルブリセスの中心と前記バルブリセスの底面の外周とに基づいて定義される仮想円に対して前記バルブリセスの側面が前記スワール流の流れ方向に広がる拡大部を備えていることを特徴とする内燃機関。
2. 前記拡大部は、前記仮想円の接線のうち前記バルブリセスの中心と前記ピストンキャビティの中心とを通る仮想基準線に対して平行な接線よりも前記バルブリセスの側面が外側に広がることによって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記拡大部が、前記バルブリセスの側面のうち前記スワール流と対向する側の側面にのみ設けられていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記ピストンキャビティの周囲に前記バルブリセスが複数設けられるとともに、隣り合うバルブリセスが互いに繋がるように前記頂面に開口している前記ピストンキャビティの入口部の縁にこの入口部の径よりも大きい径を有するザグリ部が前記拡大部として設けられていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
5. 前記拡大部は、前記バルブリセスの側面が前記バルブリセスの底面から前記頂面に向かって漸次拡大しつつ傾斜することによって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
6. 前記拡大部が前記バルブリセスの側面のうち前記スワール流と対向する部分のみに設けられていることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関。
7. 前記スワール流と対向する部分の前記バルブリセスの側面に設けられた前記拡大部には、前記バルブリセスの側面の傾斜角度が、前記スワール流が前記バルブリセスの側面に衝突した位置において前記スワール流の流れ方向が前記ピストンキャビティ側に変更される角度よりも大きく設定される部分が設けられていることを特徴とする請求項５又は６に記載の内燃機関。

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