JP6040641B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関に関する。

火花点火方式のレシプロエンジンにおいて、燃焼室における火炎伝播性の向上を図る技術が提案されている（特許文献１参照）。
この技術では、ピストンが上死点にある場合の燃焼室の容積Ｖ１と、点火プラグの点火点を中心とする半径ｒの仮想球体のうち、ピストンが上死点にある場合において燃焼室を画定する燃焼室内壁と干渉しない非干渉部分の容積Ｖ２と、ピストンが上死点にある場合において仮想球体が燃焼室内壁と干渉する干渉面の面積Ｓとが所定条件を満たすように燃焼室を形成し、ピストンの頂面に凹部を設けている。
そして、上記の条件を満たし凹部を形成することで火炎伝搬に伴う火炎と燃焼室内壁との干渉度合いを穏やかなものとすることで、火炎伝播性の促進を図っている。

特開２００９−１６２１５３号公報

しかしながら、上記従来技術では、火炎と燃焼室内壁との干渉度合いを穏やかなものとすることに留まっており、混合気の燃焼を促進する点については特に考慮されておらず、燃費の向上を図る上で改善の余地がある。
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、混合気の燃焼を促進することにより燃費の向上を図る上で有利な内燃機関を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、シリンダブロックに形成されたシリンダとシリンダヘッドの下面とピストン頂面とにより形成される燃焼室と、前記シリンダヘッドに設けられた吸気ポート、排気ポート、点火プラグと、を備える内燃機関であって、前記ピストンの頂面は、前記ピストンが上死点近傍に位置した状態で、前記点火プラグの点火点を囲むように前記頂面の中央に形成された凹部と、前記凹部よりも前記吸気ポート側の前記頂面の外周部を含んだ部分に形成され前記ピストンの軸線と直交する平面上を延在するスキッシュ気流作成用の吸気側スキッシュ部とを備え、前記シリンダヘッドは、前記吸気側スキッシュ部に対向する前記シリンダヘッドの箇所に形成され前記吸気側スキッシュ部と協働して前記スキッシュ気流を生成するシリンダヘッド下面を備え、前記ピストン頂面には、前記凹部と該凹部の周囲に位置する前記頂面の部分との境をなす縁部のうち、前記吸気ポート側と前記排気ポート側とを結ぶ方向に沿って延在する縁部に沿って第１の平坦部が形成され、前記凹部と該凹部の周囲に位置する前記頂面の部分との境をなす縁部のうち、前記吸気ポート側に位置する部分を吸気側縁部とし、前記排気ポート側に位置する部分を排気側縁部としたとき、前記吸気側縁部は前記排気側縁部よりも低く形成されていることを特徴とする。
請求項２記載の発明は、前記シリンダヘッドは前記吸気ポートに配設される吸気バルブと、前記排気ポートに配設される排気バルブとを備え、前記ピストンの頂面には前記吸気バルブと対応して設けられた吸気バルブリセスと、前記排気バルブと対応して設けられた排気バルブリセスとが形成されるとともに、前記第１の平坦部は前記吸気バルブリセスと前記排気バルブリセスとの間に設けられることを特徴とする。
請求項３記載の発明は、前記ピストン頂面には外周に沿って第３の平坦部が形成され、前記第１の平坦部と前記第３の平坦部との間は曲面部で接続されることを特徴とする。
請求項４記載の発明は、前記排気側縁部よりも前記排気ポート側に位置する前記頂面の部分に、前記排気バルブとの干渉を避ける２つの前記排気バルブリセスが形成され、前記２つの排気バルブリセスの間に前記ピストンの軸線方向において前記排気バルブリセスよりも前記シリンダヘッド側に突出する突起部が形成されていることを特徴とする。
請求項５記載の発明は、前記ピストンの頂面を平面視した場合に、前記凹部の縁部は、前記吸気ポート側と前記排気ポート側とを結ぶ方向における寸法よりも、前記吸気ポート側と前記排気ポート側とを結ぶ直線と直交する方向における寸法が大きい長形に形成されていることを特徴とする。

請求項１−３記載の発明によれば、圧縮行程において、吸気側スキッシュ部とシリンダヘッドの下面との間の混合気がスキッシュ気流によって吸気側縁部を通って凹部に流入しやすくなり、混合気を点火点の周囲に確実に集める上で有利となる。さらに、排気側縁部が吸気側縁部よりも高いので、凹部に集められた混合気は排気側縁部から流出しにくく、混合気を点火点の周囲に保持する上でも有利となる。そのため、混合気が点火点により着火しやすくなり、混合気の燃焼を促進でき燃費の向上を図る上で有利となる。
請求項４記載の発明によれば、突起部が凹部から排気ポート側への混合気の流出を抑制することに加えて、突起部によって排気ポート側における燃焼室の容積を縮小することができるため、燃焼室内の混合気を凹部により多く流入させることができ、混合気を点火点の周囲に集める上でもより有利となる。
請求項５記載の発明によれば、混合気が凹部に流入する部分である吸気側縁部を大きく確保できるため、吸気側縁部を通って凹部に流入する混合気の流れを促進することにより混合気を点火点の周囲に確実に集める上でより有利となる。

本実施の形態に係るエンジン１０の燃焼室２０近傍の構造を示す断面図である。 図１の要部拡大断面図である。 本実施の形態に係るエンジン１０のピストン１８を一方向から見た斜視図である。 本実施の形態に係るエンジン１０のピストン１８を他の方向から見た斜視図である。 図３のＸ１矢視図である。 図３のＸ２矢視図である。 図４のＸ３矢視図である。 図４のＸ４矢視図である。 本実施の形態に係るエンジン１０のピストン１８の平面図である。 図９のＡＡ線断面図である。 図９のＢＢ線断面図である。 図９のＣＣ線断面図である。 図９のＤＤ線断面図である。 図９のＥＥ線断面図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１に示すように、内燃機関（以下エンジンという）１０は、シリンダ１２が形成されたシリンダブロック１４と、シリンダブロック１４の上部に設けられたシリンダヘッド１６と、シリンダ１２に配設されたピストン１８とを含んで構成されている。
燃焼室２０は、ピストン１８の上死点近傍で、シリンダ１２の内周面１２Ａとシリンダヘッド１６の下面１６Ａとピストン１８の頂面１８Ａとによって構成される。

シリンダヘッド１６には、吸気ポート２２と、吸気バルブ２４と、排気ポート２６と、排気バルブ２８と、点火プラグＰＬとが設けられている。

吸気ポート２２は、２つ設けられており、不図示の吸気通路に接続されている。吸気通路内に導入された吸入空気は、吸気通路に設けられた不図示の燃料噴射弁からの噴射燃料と混合されて混合気となり、吸気ポート２２に供給される。したがって、本実施の形態では、エンジン１０は、吸気管噴射型エンジンである。
吸気バルブ２４は２つ設けられ、各吸気ポート２２に配設されている。吸気バルブ２４が開くことにより吸気ポート２２と燃焼室２０とが連通し、混合気が吸気ポート２２から燃焼室２０に流入する。

排気ポート２６は、２つ設けられており、不図示の排気通路に接続されている。
排気バルブ２８は２つ設けられ、各排気ポート２６に配設されている。排気バルブ２８が開くことにより排気ポート２６と燃焼室２０とが連通し、燃焼室２０の排気が排気ポート２６から排気通路に排出される。

点火プラグＰＬは、点火点Ｐ１が燃焼室２０のほぼ中央に位置するようにシリンダヘッド１６に設けられている。

図１、図３、図４に示すように、ピストン１８は、ピストンヘッド部１８０２と、一対のスカート部１８０４と、一対のサイドウォール部１８０６とを含んで構成されている。
ピストンヘッド部１８０２は、シリンダ１２の内周面１２Ａに対向する円筒面状の外周面１８Ｂと、外周面１８Ｂの上端全周を接続する頂面１８Ａとを有している。
図１、図５に示すように、外周面１８Ｂは、ピストン１８の中心軸Ｏｐ方向に間隔をおいて複数のリング溝１８１０が形成されている。本実施の形態では、３つのリング溝１８１０が形成され、これらリング溝１８１０には、不図示のピストンリングが嵌合される。

スカート部１８０４は、ピストンヘッド部１８０２の直径方向において対向するピストンヘッド部１８０２の下部の箇所からそれぞれ下方に垂設されている。

サイドウォール部１８０６は、一対のスカート部１８０４が対向する方向と直交する方向において、互いに対向してピストンヘッド部１８０２の下部から下方に垂設され、一対のスカート部１８０４を接続している。
サイドウォール部１８０６は、外周面１８Ｂよりも半径方向内側に偏位した箇所に位置し、各サイドウォール部１８０６には、ピストンピンを支持するピン孔１８１２が設けられている。

図２〜図１４に示すように、ピストン１８の頂面１８Ａは、凹部２９と、吸気側スキッシュ部３０と、２つの吸気バルブリセス３２と、２つの排気バルブリセス３４と、突起部３６とを含んで構成されている。

図２に示すように、凹部２９は、ピストン１８が上死点近傍に位置した状態で、点火プラグＰＬの点火点Ｐ１を囲むように頂面１８Ａの中央で上方に開放状に形成され、凹部２９は、ピストン１８の中心軸Ｏｐ近傍に位置する点を中心とする球面上を延在している。
図９に示すように、ピストン１８の頂面１８Ａを平面視した場合に、凹部２９の縁部３８は、吸気ポート２２側と排気ポート２６側とを結ぶ方向における寸法よりも、吸気ポート２２側と排気ポート２６側とを結ぶ直線と直交する方向における寸法が大きい長形に形成されている。本実施の形態では、凹部２９は長円形状あるいは楕円形状を呈している。

図２に示すように、凹部２９の底面は吸気側スキッシュ部３０よりも高く形成されている。
図９に示すように、凹部２９と該凹部２９の周囲に位置するピストン１８の頂面１８Ａとの境をなす縁部３８のうち、吸気ポート２２側に位置する部分を吸気側縁部３８Ａとし、排気ポート２６側に位置する部分を排気側縁部３８Ｂとしたとき、図２に示すように、吸気側縁部３８Ａは排気側縁部３８Ｂよりも低く形成されている。

図３、図４、図９に示すように、吸気バルブリセス３２は、吸気バルブ２４が開いた際に吸気バルブ２４との干渉を避ける箇所であり、吸気バルブ２４に対応して２つ設けられている。
吸気バルブリセス３２は、吸気バルブ２４に対応する頂面１８Ａの部分が切り欠かれることで形成され、吸気側縁部３８Ａに隣接した箇所に設けられている。
図９に示すように、２つの吸気バルブリセス３２の外周面１８Ｂ側の端部の箇所は、円弧状に延在する円弧部３２０２となっており、２つの円弧部３２０２が近接する箇所は直線部３２０４で接続されている。
図９〜図１１に示すように、直線部３２０４と吸気側縁部３８Ａとの間および２つの吸気バルブリセス３２とは、単一の平面４０で形成され、この平面４０は、頂面１８Ａの中央が頂面１８Ａの外周部よりも上位となるように傾斜している。
なお、図２、図９に示すように、２つの吸気バルブリセス３２と、直線部と吸気側縁部３８Ａとの間の平面４０の箇所は、圧縮行程において、シリンダヘッド１６の下面１６Ａと協働してスキッシュ気流Ｓを凹部２９に導く誘導部として機能する。

図２に示すように、吸気側スキッシュ部３０は、圧縮行程において、吸気側スキッシュ部３０と該吸気側スキッシュ部３０に対向するシリンダヘッド１６の下面１６Ａとの間の容積が小さくなることで、それらの間の混合気を凹部２９に向けて流入するスキッシュ気流Ｓを生成するものである。
スキッシュ気流作成用のスキッシュ部は、この吸気側スキッシュ部３０のみである、
図３、図４、図９に斜線で示すように、吸気側スキッシュ部３０は、凹部２９よりも吸気ポート２２側の頂面１８Ａの外周部を含んだ部分に形成されている。より詳細には、吸気側スキッシュ部３０は、外周縁部から２つの円弧部３２０２と直線部３２０４とにわたって形成されている。
吸気側スキッシュ部３０は、ピストン１８の中心軸Ｏｐ（ピストン１８の軸線）と直交する平面で形成されている。

図３、図４、図９に示すように、排気バルブリセス３４は、排気バルブ２８が開いた際に排気バルブ２８との干渉を避ける箇所であり、排気バルブ２８に対応して２つ設けられている。
排気バルブリセス３４は、排気バルブ２８に対応する頂面１８Ａの部分が切り欠かれることで形成され、排気側縁部３８Ｂに隣接した箇所に設けられている。

図９に示すように、吸気バルブリセス３２と２つの排気バルブリセス３４の間の凹部２９の縁部３８に沿って第１の平坦部４２が設けられ、また、２つの排気バルブリセス３４の間の凹部２９の縁部３８に沿って第２の平坦部４４が設けられている。
それら平坦部４２、４４は、ピストン１８の中心軸Ｏｐと直交する平面で形成され、それらの平坦部４２、４４は、同一平面上を延在している。

図２〜図４、図９に示すように、突起部３６は、第２の平坦部４４に隣接して２つの排気バルブリセス３４の間で外周面１８Ｂ側に向かって延在している。
突起部３６は、ピストン１８の軸線方向において排気バルブリセス３４よりもシリンダヘッド１６側に突出し、排気側縁部３８Ｂから外周面１８Ｂに向かって次第に高さが低下するように傾斜している。

図３、図４、図９に示すように、頂面１８Ａの外周に沿って第３の平坦部４６が設けられ、この第３の平坦部４６の延在方向の両端は２つの吸気バルブリセス３２の端部に位置している。
第３の平坦部４６は、ピストン１８の中心軸Ｏｐと直交する平面で形成され、吸気側スキッシュ部３０と同一平面上を延在している。

図３、図４、図９に示すように、各第１の平坦部４２と第３の平坦部４６との間は、それぞれ第１の曲面部４８で接続され、突起部３６と第３の平坦部４６との間は、第２の曲面部５０で接続され、それら第１の曲面部４８および第２の曲面部５０は、単一の円錐面上を延在している。

次に作用効果について説明する。
ピストン１８が上死点近傍に位置した状態で、凹部２９は、点火プラグＰＬの点火点Ｐ１を囲むように形成されており、凹部２９の底面は吸気側スキッシュ部３０よりも高く形成され、凹部２９の吸気側縁部３８Ａは排気側縁部３８Ｂよりも低く形成されている。
したがって、図２に示すように、圧縮行程において、吸気側スキッシュ部３０とシリンダヘッド１６の下面１６Ａとの間の混合気がスキッシュ気流Ｓによって吸気側縁部３８Ａを通って凹部２９に流入しやすくなり、混合気を点火点Ｐ１の周囲に確実に集める上で有利となる。
さらに、排気側縁部３８Ｂが吸気側縁部３８Ａよりも高いので、矢印Ａで示すように、凹部２９に集められた混合気は排気側縁部３８Ｂから流出しにくく、混合気を点火点Ｐ１の周囲に保持する上でも有利となる。
そのため、混合気が点火点Ｐ１により着火しやすくなり、混合気の燃焼を促進でき燃費の向上を図る上で有利となる。

また、スキッシュ気流作成用のスキッシュ部は、吸気側スキッシュ部３０のみであるため、圧縮行程において、吸気側スキッシュ部３０によるスキッシュ気流によって凹部２９に集められた混合気が、他のスキッシュ部によるスキッシュ気流の影響を受けないため、混合気を点火点Ｐ１の周囲に確実に集める上でより有利となる。

また、２つの排気バルブリセス３４の間に排気バルブリセス３４よりも上方に突出する突起部３６が形成されている。
したがって、この突起部３６が凹部２９から排気ポート２６側への混合気の流出を抑制することに加えて、突起部３６が頂面１８Ａの排気ポート２６側の箇所に形成されていることから、排気ポート２６側における燃焼室２０の容積を縮小することができるため、燃焼室２０内の混合気を凹部２９により多く流入させることができ、混合気を点火点Ｐ１の周囲に集める上でもより有利となる。

また、ピストン１８の頂面１８Ａを平面視した場合に、凹部２９の縁部３８は、吸気ポート２２側と排気ポート２６側とを結ぶ方向における寸法よりも、吸気ポート２２側と排気ポート２６側とを結ぶ直線と直交する方向における寸法が大きい長形に形成されているので、混合気が凹部２９に流入する部分である吸気側縁部３８Ａを大きく確保できるため、吸気側縁部３８Ａを通って凹部２９に流入する混合気の流れを促進することにより混合気を点火点Ｐ１の周囲に確実に集める上でより有利となる。

本実施の形態では、内燃機関が吸気管にインジェクタが設けられた吸気管噴射型エンジンである場合について説明したが、本発明は、自然吸気型エンジンあるいは直噴型エンジンにも無論適用可能である。

１０……内燃機関（エンジン）、１２……シリンダ、１２Ａ……内周面、１４……シリンダブロック、１６……シリンダヘッド、１６Ａ……下面、１８……ピストン、１８Ａ……頂面、２０……燃焼室、２２……吸気ポート、２４……吸気バルブ、２６……排気ポート、２８……排気バルブ、２９……凹部、３０……吸気側スキッシュ部、３２……吸気バルブリセス、３４……排気バルブリセス、３６……突起部、３８……縁部、３８Ａ……吸気側縁部、３８Ｂ……排気側縁部、ＰＬ……点火プラグ、Ｏｐ……中心軸、Ｐ１……点火点、Ｓ……スキッシュ気流。

Claims (5)

1. シリンダブロックに形成されたシリンダとシリンダヘッドの下面とピストン頂面とにより形成される燃焼室と、
   前記シリンダヘッドに設けられた吸気ポート、排気ポート、点火プラグと、
   を備える内燃機関であって、
   前記ピストンの頂面は、前記ピストンが上死点近傍に位置した状態で、前記点火プラグの点火点を囲むように前記頂面の中央に形成された凹部と、前記凹部よりも前記吸気ポート側の前記頂面の外周部を含んだ部分に形成され前記ピストンの軸線と直交する平面上を延在するスキッシュ気流作成用の吸気側スキッシュ部とを備え、
   前記シリンダヘッドは、前記吸気側スキッシュ部に対向する前記シリンダヘッドの箇所に形成され前記吸気側スキッシュ部と協働して前記スキッシュ気流を生成するシリンダヘッド下面を備え、
   前記ピストン頂面には、前記凹部と該凹部の周囲に位置する前記頂面の部分との境をなす縁部のうち、前記吸気ポート側と前記排気ポート側とを結ぶ方向に沿って延在する縁部に沿って第１の平坦部が形成され、
   前記凹部と該凹部の周囲に位置する前記頂面の部分との境をなす縁部のうち、前記吸気ポート側に位置する部分を吸気側縁部とし、前記排気ポート側に位置する部分を排気側縁部としたとき、前記吸気側縁部は前記排気側縁部よりも低く形成されている、
   ことを特徴とする内燃機関。
2. 前記シリンダヘッドは前記吸気ポートに配設される吸気バルブと、前記排気ポートに配設される排気バルブとを備え、
   前記ピストンの頂面には前記吸気バルブと対応して設けられた吸気バルブリセスと、前記排気バルブと対応して設けられた排気バルブリセスとが形成されるとともに、
   前記第１の平坦部は前記吸気バルブリセスと前記排気バルブリセスとの間に設けられる
   ことを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
3. 前記ピストン頂面には外周に沿って第３の平坦部が形成され、前記第１の平坦部と前記第３の平坦部との間は曲面部で接続される
   ことを特徴とする請求項２記載の内燃機関。
4. 前記排気側縁部よりも前記排気ポート側に位置する前記頂面の部分に、前記排気バルブとの干渉を避ける２つの前記排気バルブリセスが形成され、
   前記２つの排気バルブリセスの間に前記ピストンの軸線方向において前記排気バルブリセスよりも前記シリンダヘッド側に突出する突起部が形成されている
   ことを特徴とする請求項２または３記載の内燃機関。
5. 前記ピストンの頂面を平面視した場合に、前記凹部の縁部は、前記吸気ポート側と前記排気ポート側とを結ぶ方向における寸法よりも、前記吸気ポート側と前記排気ポート側とを結ぶ直線と直交する方向における寸法が大きい長形に形成されている、
   ことを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載の内燃機関。

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