JP2017194047A - ５弁式燃焼室を持つエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】 排気弁に面した混合気部分の燃焼がノッキングを発生させ難い４サイクルエンジンの燃焼室を提供する。【解決手段】 第１排気弁９と３個の吸気弁１１と１２と１３と第２排気弁１０が、記載された順に、シリンダー１の内周に沿って設置される。第１排気弁９と第２排気弁１０の間に第１点火プラグ４の放電部が設置される。第１吸気弁と第３吸気弁の２個の底面と上死点時のビストンの上面部分の間に、２個のスキッシュエリア空間５と６が形成される。２つのスキッシュエリア空間に移動された混合気の一部分の温度上昇が、燃焼行程中のビストンの下降による温度低下作用によって制限される。【選択図】 図１

Description

本発明は、火花点火式４サイクルエンジンの耐ノッキング性の向上に関する。

火花点火式４サイクルエンジンの燃焼室の多くは、二つの排気弁と二つの吸気弁を持つ。これ以後、二つの排気弁と二つの吸気弁を持つ燃焼室を４弁式燃焼室と言う。
前記の４弁式燃焼室は、中央に点火プラグが設置され、シリンダーの内周に隣接して排気弁が２個設置される。
排気弁は、負荷の増加に応じて高熱化する。排気弁に接して高熱化した混合気は、燃焼速度が増加する。この為、過負荷時に、高熱化した排気弁に接した多量の混合気部分が急速に燃焼する事により、ノッキングを誘発させる危険性を持っていた。この為、前記４弁式燃焼室の圧縮比と耐ノッキング性は、制限されていた。

図６に示す特許文献１の５バルブエンジンの燃焼室は、３個の排気弁がシリンダーの内周に隣接して設置され、燃焼室の中央に点火プラグが設置される。
図６の符号４９で示される点火プラグの中心電極から排気弁の底面の中心に至る直線の延長部とシリンダーの内周との交点の付近に、大変に小さいスキッシュエリアが設置されている。この大変に小さいスキッシュエリアは、符号６２ｂで示されるスキッシュエリアの一部です。
図７に示すＭａｓｅｒａｔｉの６バルブエンジンと特許文献２のＦＥＲＲＡＲＩのエンジンの燃焼室は、３個の排気弁がシリンダーの内周に隣接して設置され、燃焼室の中央に点火プラグが設置される。
この為、前記４弁式燃焼室と同様に、上記の５バルブと６バルブの燃焼室の圧縮比と耐ノッキング性は、制限されていた。
特開２００８−１３８６０５（Ｐ２００８−１３８６０５Ａ） ４サイクルエンジン ヤマハモーターエンジニアリング株式会社 特開平６−０５０１１１ ＪＰＡ−１９９４０５０１１１ シリンダに多数のバルブを具備した特に内燃機関用タイミング機構 ＦＥＲＲＡＲＩ ＳＯＣＩＥＴＡ ＰＥＲ ＡＺＩＯＮＩ

本発明の課題は、排気弁に面した混合気部分の燃焼がノッキングを発生させ難い４サイクルエンジンの提供です。

本出願のエンジンは、火花点火ピストン式４サイクルエンジンであり、５弁式燃焼室を持つ。本出願のエンジンの一つの燃焼室は、以下の特徴を持つ。
第１点火プラグが、シリンダーブロックの上部に設置される。
前記第１点火プラグの放電部が、前記燃焼室の拡張部分に位置する。
前記拡張部分は、シリンダーの内周の外側に位置する。
前記放電部の近くに、第１排気弁が設置される。
前記第１排気弁と第１吸気弁と第２吸気弁と第３吸気弁と第２排気弁が、記載された順に前記シリンダーの前記内周に沿って、前記燃焼室の固定壁面に設置される。
前記第２排気弁の近くに、前記放電部が位置する。
前記第２吸気弁から最も遠い位置に、前記放電部が位置する。
上死点時のピストンの第１上面と前記第１吸気弁の底面の間に、第１スキッシュエリア空間が形成される。
上死点時の前記ピストンの第２上面と前記第３吸気弁の底面の間に、第２スキッシュエリア空間が形成される。
前記第１吸気弁の排気上死点時のリフト量と前記第３吸気弁の排気上死点時のリフト量が、ゼロ近くの値に設定される。

以下の第１と第２の作用によって、耐ノッキング性が向上する。
第１の作用が説明される。
第１点火ブラグの放電部と第１スキッシュエリア空間の間に、第１排気弁の底面が位置する。
この為、第１点火ブラグから第１排気弁の底面に向かって火炎が伝播する時、膨張した既燃焼ガスが混合気を押す。すると、第１排気弁の底面に面した混合気の大部分は、第１スキッシュエリア空間に移動され、第１スキッシュエリア空間で圧縮される。
第１点火ブラグの放電部と第２スキッシュエリア空間の間に、第２排気弁の底面が位置する。
この為、第１点火ブラグから第２排気弁の底面に向かって火炎が伝播する時、膨張した既燃焼ガスが混合気を押す。すると、第２排気弁の底面に面した混合気の大部分は、第２スキッシュエリア空間に移動され、第２スキッシュエリア空間で圧縮される。
第１スキッシュエリア空間と第２スキッシュエリア空間に移動された混合気部分は、排気弁よりも低温度の壁面に触れて冷却される。その壁面は、ピストンの第１上面とピストンの第２上面と第１吸気弁の底面と第３吸気弁の底面です。
また、燃焼行程中のピストンの下降量は、２つのスキッシュエリア空間のシリンダー中心軸方向の上死点時の間隔に近い値です。この為、燃焼行程中のピストンの下降によって、燃焼行程中の２つのスキッシュエリア空間は、容積が急激に増加する。
その結果、スキッシュエリア空間の容積の増加による大きな温度低下作用によって、二つの排気弁の底面を経て二つのスキッシュエリア空間に移動された混合気部分の圧縮による温度上昇が制限される。
また、２つのスキッシュエリア空間内の容積は小さい。
従って、燃焼行程中に圧力の急激な上昇が発生し難い。

第２の作用が説明される。
第１点火ブラグの放電部の近くに、第１排気弁が位置する。第１排気弁の隣に第１吸気弁が位置し、第１吸気弁の隣に第２吸気弁が位置する。
第１点火ブラグの放電部の近くに、第２排気弁が位置する。第２排気弁の隣に第３吸気弁が位置し、第３吸気弁の隣に第２吸気弁が位置する。
第１点火ブラグの放電部から最も離れて、第２吸気弁が位置する。
この為、２つの排気弁の底面に面した混合気は、燃焼行程の前期から中期までに燃焼する。この期間の燃焼圧力値は、燃焼行程の後期の燃焼圧力値よりも低い。
この為、排気弁の底面に面した混合気の燃焼中に、燃焼圧力の急激な上昇は発生しない。

特許文献１と特許文献２のエンジンの点火ブラグは、燃焼室の中心付近に位置し、排気弁の底面の外周はシリンダーの内周に隣接する。
従って、これらのエンジンでは、火炎が点火ブラグから排気弁の底面に向かって伝播する時、既燃焼ガスの膨張によって、排気弁の底面に面した混合気の大部分は、排気弁の底面に面した領域の内のシリンダー内壁側の領域で圧縮される。
シリンダー内壁側の領域で圧縮される混合気部分は、排気弁に触れて加熱される。
従って、特許文献２のエンジンは、第１と第２の作用を行えない。
また、特許文献１のエンジンには、排気弁の底面とシリンダーの内周の間に小さなスキッシュエリアが存在する。しかし、点火プラグの中心電極から排気弁の底面の中心に至る直線の延長部とシリンダーの内周との交点の付近に位置するスキッシュエリアは、本発明のスキッシュエリアよりも、大変に小さい。
従って、この大変に小さなスキッシュエリアを持つ特許文献１のエンジンは、第１の作用をほとんど行えない。

本発明による効果が説明される。
耐ノッキング性が向上する事によって、本発明は、高圧縮比化が可能になる。
また、本発明は、圧縮比を下げる事なく、過給によって混合気量を増加できる。過給を行う時、本発明は、自然吸気式の４弁式燃焼室よりもトルクを増加できる。

１図と２図を使って、第１実施例を説明する。
第１実施例のエンジンは、５弁式燃焼室を持つ火花点火式４サイクルエンジンです。
このエンジンの一つの燃焼室には、第１点火プラグと３個の吸気弁と２個の排気弁が設置される。
第１点火プラグ４が第１排気弁９と第２排気弁１０の間のシリンダーヘッド側の固定壁面に設置される場合は、第１排気弁９と第２排気弁１０の二つの排気ポートの間に第１点火プラグ４が位置し、第１点火プラグ４の熱負荷が増加する。
この為、第１点火プラグ４が、シリンダーブロックの上部に設置される。従って、第１実施例の第１点火プラグ４の熱負荷は増加しない。
第１点火プラグ４の放電部が、燃焼室３の拡張部分１４に位置する。
拡張部分１４は、シリンダー１の内周の外側に位置する。
第１点火プラグ４の放電部の近くに、第１排気弁９が設置される。
そして、第１排気弁９と第１吸気弁１１と第２吸気弁１２と第３吸気弁１３と第２排気弁１０が、記載された順に、シリンダー１の内周に沿って、燃焼室３の固定壁面に設置される。
第２排気弁１０の近くに、第１点火プラグ４の放電部が位置する。
第２吸気弁１２から最も遠い位置に、第１点火プラグ４が位置する。
シリンダー１は、シリンダーブロックに位置する。

そして、第１実施例は以下の特徴を持つ。
２図は、第２吸気弁１２の底面の中心と第１点火プラグ４の放電部が位置する垂直断面で切断した断面図です。
２図に示す様に、第１点火プラグ４の放電部と第１スキッシュエリア空間５の間に、第１排気弁９が位置する。この事が、第１の特徴です。
第１点火プラグ４の放電部と第２スキッシュエリア空間の間に、第２排気弁１０が位置する。この事が、第２の特徴です。
第１スキッシュエリア空間５が、第１吸気弁１１の底面と上死点時のビストン２の第１上面６の間に形成される。第１上面６は、第１吸気弁１１の底面と上死点時に対面する。
第２スキッシュエリア空間が、第３吸気弁１３の底面と上死点時のビストン２の第２上面７の間に形成される。第２上面７は、第３吸気弁１３の底面と上死点時に対面する。
２図の斜線で示す断面に垂直な方向における奥側に、第１吸気弁１１とその吸気ポートと第１排気弁９とその排気ポートが点線で示されている。そして、ビストン２の第１上面６と第１スキッシュエリア空間５が、断面よりも奥側に示されている。
また、２図の断面に垂直な方向における手前側に、第３吸気弁１３とビストン２の第２上面と第２スキッシュエリア空間が存在する。しかし、第３吸気弁１３とビストン２の第２上面と第２スキッシュエリア空間は、２図に示されない。
そして、第１吸気弁１１と第３吸気弁１３の２つの吸気弁の排気上死点時のリフト量が、ゼロ近くの値に設定される。この設定によって、第１と第２のスキッシュエリア空間の間隔を狭く設定できる。

第１と第２のスキッシュエリア空間に関して、更に説明する。
燃焼室３の壁面にカーボンが堆積した時に、ピストン２の上面と排気弁の底面の衝突を防止しなくてはならない。しかし、２つのスキッシュエリア空間のシリンダー中心軸方向の上死点時の間隔が狭く設定される程、前記第１の作用の効果が増加する。この為に、２つのスキッシュエリア空間のシリンダー中心軸方向の上死点時の間隔は、最小限に近い間隔に設定される。
上記の間隔の一例を示す。ピストンのストロークが８０ｍｍ未満に設定される時は、１ｍｍ前後の狭い間隔です。しかし、ピストンのストロークが８０ｍｍ以上に設定される時は、１．５ｍｍ前後の間隔に設定できる。前記の間隔は、上記の一例に限定されない。

図３を使って、第２実施例を説明する。
第２実施例は、第１実施例に以下の構成を加える。
第１スキッシュエリア空間５が、第１吸気弁１１と第１排気弁９の間の点の集まりで示す第１領域１５まで拡張される。ビストン２の第１上面６が、第１排気弁９の底面の外周付近まで拡張される。第１上面６の拡張部は、第１領域１５に面する。
そして、第２スキッシュエリア空間が、第３吸気弁１３と第２排気弁１０の間の点の集まりで示す第２領域１６まで拡張される。ビストン２の第２上面が、第２排気弁１０の底面の外周付近まで拡張される。ビストン２の第２上面が、第２排気弁１０の底面の外周付近まで拡張される。第２上面の拡張部は、第２領域１６に面する。
これによって、前記の第１の作用が強化される。
第１領域１５と第２領域１６は、シリンダー１の内周に接する。

図４と図５を使って、第３実施例を説明する。
第１実施例と第２実施例のエンジンの第１点火プラグ４の放電部が、燃焼室３の周辺部に位置する。この為、火炎の伝播経路の長さが、従来の４弁式エンジンよりも長い。従って、従来の４弁式エンジンよりも、第１実施例と第２実施例のエンジンの燃焼時間が長くなり、トルクが低下する。
この問題を解決する為に、第３実施例は、第１実施例と第２実施例に以下の構成を加える。
燃焼室３の固定壁面の中心付近に、第２点火プラグ８が増設される。
高負荷時に第１点火プラグ４と第２点火プラグ８を同時に点火する場合は、第２点火プラグ８から伝播する火炎が、第１点火プラグ４から伝播する火炎よりも早く２個のスキッシュエリア空間に到達する。すると、前記の第１の作用と第２の作用が妨害される。
この為、第３実施例では、第１点火プラグ４の点火後に、第２点火プラグ８が点火される。更に、第１点火プラグ４から伝播する火炎が二つの排気弁９と１０の底面に到達する直前に、第２点火プラグ８が点火される。
すると、第２点火プラグ８から伝播する火炎が、第１点火プラグ４から伝播する火炎よりも早く、第２吸気弁１２に到達する。すると、燃焼時間が第１実施例と第２実施例よりも短くなり、トルクの低下が制限できる。
勿論、低負荷時と中負荷時に、第１点火プラグ４と第２点火プラグ８を同時に点火できる。勿論、低負荷時と中負荷時に、第２点火プラグ８だけを使用できる。

第４実施例を説明する。
第４実施例は、第１実施例と第２実施例に以下の構成を加える。
第２吸気弁１２は、排気上死点時前に開弁する。第１排気弁９と第２排気弁１０は、排気上死点時後に閉弁する。
そして、第２吸気弁１２の開弁期間と２つの排気弁９と１０の開弁期間が、排気上死点時付近でオーバーラップする。

第４実施例の作用を説明する。
圧縮上死点時前の第２吸気弁１２の開弁によって、第２吸気弁１２の吸気ポートから燃焼室３内に流入した吸気によって、第１スキッシュエリア空間５と第２スキッシュエリア空間とに挟まれた燃焼室の中心付近の空間に存在する既燃焼ガスが、第１排気弁９と第２排気弁１０の排気ポートへ押し出される。
第１排気弁９と第２排気弁１０の閉弁時に、第１吸気弁１１と第３吸気弁１３は殆ど開弁していない。従って、第１吸気弁１１と第３吸気弁１３から流入する吸気は、第１排気弁９と第２排気弁１０の排気ポートへ流失しない。
また、第２吸気弁１２から２つの排気弁９と１０までの距離が、従来の４弁式燃焼室の吸気弁から排気弁までの距離よりも長い。この為に、従来の４弁式燃焼室よりもオーバーラップ期間を長く設定できる。
これらによって、燃焼室３内の残留ガス量が減少し、更に耐ノッキング性が向上する。
オーバーラップ期間を適切に設定する時、残留ガスの掃気と同時に、排気ポートへ吸気の酸素の流失が防げる。その結果、三元触媒による排気ガスの浄化と掃気量の増加が両立できる。

ピストン上面からシリンダーヘッド下面を見た第１実施例の燃焼室の平面図。 圧縮上死点時の第１実施形態の燃焼室の断面図。 第２実施例の燃焼室の平面図。 第３実施例の燃焼室の平面図。 第３実施例の燃焼室の断面図。 特許文献１のヤマハの５バルブエンジンの平面図。 非特許文献のＭａｓｅｒａｔｉの６バルブエンジンの平面図

１・・・シリンダー
２・・・ピストン
３・・・燃焼室
４・・・第１点火プラグ
５・・・第１スキッシュエリア空間
６・・・ビストンの第１上面
７・・・ビストンの第２上面
８・・・第２点火プラグ
９・・・第１排気弁
１０・・・第２排気弁
１１・・・第１吸気弁
１２・・・第２吸気弁
１３・・・第３吸気弁
１４・・・燃焼室の拡張部
１５・・・第１吸気弁と第１排気弁の間の第１領域
１６・・・第３吸気弁と第２排気弁の間の第２領域
１７・・・従来例の排気弁
１８・・・従来例の吸気弁

Claims (4)

1. 火花点火式４サイクルエンジンの一つの燃焼室において、
   第１点火プラグがシリンダーブロックの上部に設置され、
   前記第１点火プラグの放電部が前記燃焼室の拡張部分に位置し、
   前記拡張部分はシリンダーの内周の外側に位置し、
   前記放電部の近くに第１排気弁が設置され、
   前記第１排気弁と第１吸気弁と第２吸気弁と第３吸気弁と第２排気弁が、記載された順に前記シリンダーの前記内周に沿って、前記燃焼室の固定壁面に設置され、
   前記第２排気弁の近くに前記放電部が位置し、
   前記第２吸気弁から最も遠い位置に前記放電部が位置し、
   上死点時のピストンの第１上面と前記第１吸気弁の底面の間に第１スキッシュエリア空間が形成され、
   上死点時の前記ピストンの第２上面と前記第３吸気弁の底面の間に第２スキッシュエリア空間が形成され、
   前記第１吸気弁の排気上死点時のリフト量と前記第３吸気弁の排気上死点時のリフト量がゼロ近くの値に設定される事を特徴とする５弁式燃焼室を持つエンジン。
2. 前記第１スキッシュエリア空間が前記第１吸気弁と前記第１排気弁の間の第１領域まで拡張され、
   前記第２スキッシュエリア空間が前記第３吸気弁と前記第２排気弁の間の第２領域まで拡張される事を特徴とする前記請求項１に記載された５弁式燃焼室を持つエンジン。
3. 前記固定壁面の中心付近に第２点火プラグが増設され、
   前記第１点火プラグの点火後に前記第２点火プラグが点火される事を特徴とする前記請求項１と前記請求項２のいずれか一つの請求項に記載された５弁式燃焼室を持つエンジン。
4. 前記第２吸気弁は排気上死点時前に開弁し、
   前記第１排気弁と前記第２排気弁は排気上死点時後に閉弁し、
   前記第１排気弁と前記第２排気弁の２つの排気弁の開弁期間と前記第２吸気弁の開弁期間が排気上死点時付近でオーバーラップする事を特徴とする前記請求項１と前記請求項２のいずれか一つの請求項に記載された５弁式燃焼室を持つエンジン。
   

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