JP2006125225A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン回転数毎にスキッシュの発生時期や強さを可変に設定することが可能な内燃機関を提供する。
【解決手段】ピストン２の上面から上方に向けて突出するように設けられた突起５と、シリンダヘッド６側において前記突起に対応するように設けられた凹部７とを備えた内燃機関１であって、前記突起の突出量は、前記内燃機関の回転数によって、可変になるように構成されている。前記内燃機関の回転数が高いときには、相対的に、前記突起の突出量が小さくされることを特徴としている。
【選択図】 図７

Description

本発明は、内燃機関に関し、特に、エンジン回転数毎にスキッシュの発生時期や強さを可変に設定できる内燃機関に関する。

従来より、ノッキングの発生を抑制すべく、燃焼室のエンドゾーンを狭い空間にして混合気の流れを良くするスキッシュエリアが設けられている。ピストン頂面とペントルーフ間のクリアランスを狭くしたスキッシュエリアを設けることで、ＴＤＣ前後のクランク角において、気流の流動（正スキッシュ流、逆スキッシュ流）を発生させ、筒内流動を強化することでノック性能を改善している。

図８において、符号１０１はスキッシュエリアを示し、符号１０２は正スキッシュ流を示し、符号１０３は逆スキッシュ流を示している。同図に示すように、従来技術では、その構成上の制限から、スキッシュ流の発生時期がＴＤＣを挟んで例えば前後２０ＣＡと比較的狭い範囲に限定されてしまっており、スキッシュ流の発生時期に関して自由度を持たせることができなかった。

特に、正スキッシュは、筒内全体の気流の乱れを増加することで効果を発揮するが、正スキッシュにおいて、シリンダ壁周辺から発生した気流の筒内全体における乱れを増加させるためには、正スキッシュの発生時期をある程度早期に設定することが望ましい。ところが、上記のように、スキッシュ流の発生時期が比較的狭い範囲に限定され、正スキッシュ流を早い時期から発生させることができないため、従来技術によるノック改善効果は、逆スキッシュ流による後期燃焼速度の増加によって実現されるものがほとんどであるとされている。

ここで、特に、正スキッシュの発生時期に自由度が必要な理由について説明する。
図１０に示すように、逆スキッシュ１０３は、ノックが発生するといわれている、燃焼後期のシリンダ壁周辺の限られた範囲の気流の乱れのみを増加させればよい。スキッシュエリア１０１とノック発生範囲１０５が概ね一致しているという点において、逆スキッシュの発生時期に関しては、それほど大きな問題とはならない。

これに対して、正スキッシュは、点火直前の筒内全体の気流の乱れを増加させなければならない。図９に示すように、特にスキッシュエリア１０１から最も離れている、点火プラグ付近１０６の気流の乱れを増加させ初期の燃焼速度も改善するためには、点火時期に対してスキッシュ流１０２がシリンダ壁付近からシリンダ中心に達するために必要な時間を加えた分だけ早期に、正スキッシュ流１０２を発生することが少なくも必要であると考えられる。

一方、近年、高い吸排気効率の実現のため、一気筒４バルブが一般化し、スキッシュエリア１０１を設定可能な場所が制限され（図１１参照）、効果的に筒内の気流の乱れを増加させることが困難になってきている。このことから、スキッシュエリア１０１を拡大することにより、スキッシュ流の強さを強めることも困難である。

なお、実開昭６２−３８４２６号公報（特許文献１）には、図１２及び図１３に示すディーゼルエンジンが開示されている。同公報に記載の内燃機関は、ピストン５２の上面に設けたキャビティ６０の内壁部に強力なスキッシュ７０を発生させるとともに、キャビティ６０のエッジの強度・耐熱性低下を抑制するために、キャビティ６０のエッジ部に突起６２を形成してエッジ部の肉厚を確保するとともにシリンダヘッド５３側にもこの突起６２に対応する溝６３を形成して、ピストン５２の圧縮行程の上死点付近においてピストン５２上面からキャビティ６０に流入しようとする空気の流路を構成するようにしている。

実開昭６２−３８４２６号公報 特開平５−９８９６５号公報

エンジン回転数毎にスキッシュの発生時期や強さを可変に設定できることが望まれている。

また、吸気側は、排気側に比べて温度が低く、火炎の伝播速度が遅いので、吸気側において、ノッキングが発生し易いことが問題となっている。ノッキングを効果的に抑制することが望まれている。

本発明の目的は、エンジン回転数毎にスキッシュの発生時期や強さを可変に設定することが可能な内燃機関を提供することである。
本発明の他の目的は、ノッキングを効果的に抑制可能な内燃機関を提供することである。

本発明の内燃機関は、ピストンの上面から上方に向けて突出するように設けられた突起と、シリンダヘッド側において前記突起に対応するように設けられた凹部とを備えた内燃機関であって、前記突起の突出量は、前記内燃機関の回転数によって、可変になるように構成されていることを特徴としている。

本発明の内燃機関において、前記内燃機関の回転数が高いときには、相対的に、前記突起の突出量が小さくされることを特徴としている。

本発明の内燃機関は、ピストンの上面から上方に向けて突出するように設けられた突起と、シリンダヘッド側において前記突起に対応するように設けられた凹部とを備え、前記突起は、排気側に比べて吸気側の方が大きく構成されていることを特徴としている。

本発明の内燃機関において、前記吸気側の突起は、前記排気側の突起に比べて、高さ又は断面積において大きく構成されていることを特徴としている。

本発明によれば、エンジン回転数毎にスキッシュの発生時期や強さを可変に設定することが可能となる。

以下、本発明の内燃機関の一実施形態につき図面を参照しつつ詳細に説明する。

（第１実施形態）
本実施形態の目的は、ノッキングを効果的に抑制可能な内燃機関を提供することである。

図１及び図３は、本実施形態の内燃機関の特徴部分を示す側面図であり、図１は圧縮行程時を示し、図３は膨張行程時を示している。図２及び図４は、それぞれ図１及び図３の上面図を示している。

図１に示すように、本実施形態の内燃機関１０では、ピストン１１の頂面の周縁部（エンドゾーンに対応する位置）に上方（シリンダヘッド２１側）に向けて突出する突起１２ａ、１２ｂが設けられている。また、シリンダヘッド２１側には、それらの突起１２ａ、１２ｂに対応した穴（凹部）２２ａ、２２ｂが設けられている。

本実施形態では、ピストン１１の頂面に突起１２ａ、１２ｂが設けられ、シリンダヘッド２１側に、それらの突起１２ａ、１２ｂに対応した穴２２ａ、２２ｂが設けられているため、従来に比べて、スキッシュ流の発生時期を拡大することができる。例えば、スキッシュ流の発生時期をＴＤＣを挟んで例えば前後２０＋αＣＡの範囲に拡大することができ、スキッシュ流の発生時期に関して自由度を持たせることができる。従来に比べて、ピストン１１に突起１２ａ、１２ｂが設けられる分だけ、圧縮行程において、ピストン１１が下がった位置にあるとき（早期）から、正スキッシュ流３１（３１ａ、３１ｂ）を発生させることができる。突起１２ａ、１２ｂの長さにより、スキッシュ範囲を拡大することが可能である。

また、本実施形態によれば、突起１２ａ、１２ｂがそれぞれ穴２２ａ、２２ｂに入ることによって、突起１２ａ、１２ｂと穴２２ａ、２２ｂとの間の流路が狭くなり、正スキッシュ流３１（３１ａ、３１ｂ）の流速・強さ（圧力）を増大させることができる。同様に、従来に比べて、逆スキッシュ流３３（３３ａ、３３ｂ）の流速・強さも増大させることができる。突起１２ａ、１２ｂと穴２２ａ、２２ｂのクリアランスでスキッシュ流速を調節することが可能である。

本実施形態では、上記のように、正スキッシュ流３１（３１ａ、３１ｂ）の発生時期を早期にすることができるとともに、その流速・強さを増大させることができるため、スキッシュエリア３２（３２ａ、３２ｂ、図２参照）から最も遠い点火プラグ付近の気流の乱れを増加させ、点火直前の筒内全体の気流の乱れを増加させることができ、初期からの燃焼速度を増加させることができる。なお、図２において、符号４０は初期火炎を示している。

図３及び図４に示すように、本実施形態において、強化された逆スキッシュ流３３（３３ａ、３３ｂ）によって、ノックが発生する未燃混合気付近（未燃混合気領域４２）の気流の乱れを増加させることができ、ノックの発生を効果的に抑制することができる。なお、図４において、符号４１は燃焼火炎を示している。

上記のように、吸気側は、排気側に比べて温度が低く、火炎の伝播速度が遅いので、吸気側において、ノッキングが発生し易い。そこで、本実施形態では、吸気側の突起１２ａは、排気側の突起１２ｂに比べて、高く（ピストン１１の頂面からの突起量が大きく）形成され、そのことに対応して、シリンダヘッド２１に設けられた穴２２ａ、２２ｂは、吸気側の穴２２ａが排気側の穴２２ｂに比べて、深く形成されている。

これにより、図２及び図４に示すように、吸気（ＩＮ）側の正スキッシュ流３１ａ、逆スキッシュ流３３ａは、排気（ＥＸ）側の正スキッシュ流３１ｂ、逆スキッシュ流３３ｂに比べて、強く、流速が速い上に発生時期が早い。また、吸気側のスキッシュエリア３２ａ、３４ａは、排気側のスキッシュエリア３２ｂ、３４ｂに比べて、大きい。このことから、吸気側に未燃混合気が残ることを有効に抑制することができ、ノックの発生を抑制することができる。

（第１実施形態の変形例）
本変形例の目的は、上記第１実施形態と同様に、ノッキングを効果的に抑制可能な内燃機関を提供することである。

上記第１実施形態では、図１に示したように、吸気側の突起１２ａは、排気側の突起１２ｂに比べて、高く形成され、そのことに対応して、シリンダヘッド２１に設けられた穴２２ａ、２２ｂは、吸気側の穴２２ａが排気側の穴２２ｂに比べて、深く形成されていた。

本変形例では、図５に示すように、吸気側の突起１３ａは、排気側の突起１３ｂに比べて、幅（厚さ、断面積）が大きく形成され、そのことに対応して、シリンダヘッド２１に設けられた穴２３ａ、２３ｂは、吸気側の穴２３ａが排気側の穴２３ｂに比べて、開口部の幅（断面積）が大きく形成されている。図６は、その穴２３ａ、２３ｂの開口部の幅の違いを示している。

本変形例においても、上記第１実施形態と同様に、吸気側の正スキッシュ流、逆スキッシュ流は、排気側の正スキッシュ流、逆スキッシュ流に比べて、強く、流速が速い上に発生時期が早い。また、吸気側のスキッシュエリアは、排気側のスキッシュエリアに比べて、大きい。このことから、吸気側に未燃混合気が残ることを有効に抑制することができ、ノックの発生を抑制することができる。

（第２実施形態）
本実施形態の目的は、エンジン回転数毎にスキッシュの発生時期や強さを可変に設定することが可能な内燃機関を提供することである。

図７は、本実施形態の内燃機関の特徴部分を示す側面図である。
本実施形態の内燃機関１では、油圧によりピストン２側の突起５を可動構造とし、もともと筒内の気流の乱れの少ない低回転側で、ピストン２から突出する突起量を相対的に大きくし、高回転になるにつれて突起量が小さくなるようにし、突起５がシリンダヘッド６に設けられた凹部（穴）７に入る際の抵抗を最適化する。

ピストン２の上部には、突出部材３が設けられている。突出部材３は、その一部が突起５としてピストン２の頂面から突出するとともに、他の一部がピストン２の内部に埋設されている。突出部材３は、ピストン２の内部において、ピストン２の上部に設けられたスプリング（付勢部材）４によって下方に向けて付勢されているとともに、その付勢力を上回る油圧が下方から加えられたときには、上方に移動可能な構成とされている。突起５は、ピストン２の上面の周縁部（エンドゾーンに対応する位置）に位置している。

突出部材３に与えられる油圧を低下させると、スプリング４の付勢力によって、突出部材３がピストン２の内部に押し下げられるようになっている。その突出部材３の上下方向の移動量によって、ピストン２の頂面からの突起５の突出量が決定される。

ピストン２の頂面から突出した突起５及び凹部７の機能は、上記第１実施形態で述べた通りであり、スキッシュ流を強めるとともに、その流速を速め、発生時期も早めることができる。また、その突起５の突出量が大きいほど、そのスキッシュ流の強さは強く、流速が速く、発生時期が早い。

ここで、ピストン２の上昇時に突起５が凹部７に入る動作は、ピストン２の運動にとって抵抗となる。その抵抗はエンジン回転数が高いときほど、大きな問題となる。

また、突起５及び凹部７が用いられない従来一般の内燃機関において、もともと、エンジン回転数が高いときには、気流の乱れが大きくなり、ノックが起こり難い。よって、ノックの抑制のために、スキッシュ流によって付加すべき気流の乱れは、エンジン回転数が高いときには、低回転時に比べて、少なくて済む。

本実施形態では、以上のことを考慮し、エンジン回転数が高いときには、ピストン２の頂面からの突起５の突出量を相対的に小さくして、突起５が凹部７に入る時の抵抗を小さくし、低回転時には、突起５の突出量を相対的に大きくして、スキッシュ流を増大させる。これにより、エンジン回転数が高い時の抵抗の問題と、低回転時のスキッシュ流不足の問題の両方を解決することができる。

上記第２実施形態では、吸気側と排気側の突起５の突出量は、特に変えていないが、上記第１実施形態と同様に、吸気側の突起５の突出量を排気側に比べて、大きくすることができる。

また、上記第２実施形態では、油圧及びスプリング４によって、突出部材３の突出量を変える構成としているが、これらに代えて、他の構成を用いて突出部材３の突出量を変えてもよい。例えば、スプリング４に代えて（油圧は用いずに）、サーモスタット（図示せず）を用いて、エンジン回転数が高いとき（高温時）に、サーモスタットのワックスが温度に比例して膨張（熱膨張）して、突出部材３を押し下げる構成にすることで、突起５の突出量を小さくすることができる。または、例えば、温度に反比例して縮まる性質を有する形状記憶合金を用いることで、突出部材３の突出量を変えることができる。

本発明の内燃機関の第１実施形態の圧縮行程においてピストンがＴＤＣよりも前にあるときの要部の状態を示す側面図である。 図１の上面図である。 本発明の内燃機関の第１実施形態において、図１の状態の後のピストンがＴＤＣを過ぎた直後の要部の状態を示す側面図である。 図３の上面図である。 本発明の内燃機関の第１実施形態の変形例の要部を示す側面図である。 図５のシリンダヘッド側の穴を示す背面図である。 本発明の内燃機関の第２実施形態の要部を示す側面図である。 従来の内燃機関のスキッシュ流を説明するための図である。 従来の内燃機関の正スキッシュ流とその発生時期を説明するための図である。 従来の内燃機関の逆スキッシュ流とその発生時期を説明するための図である。 従来の内燃機関のスキッシュエリア範囲を説明するための図である。 従来の他の内燃機関の要部を示す側面図である。 図１２の内燃機関のピストンを示す斜視図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ ピストン
３ 突出部材
４ スプリング
５ 突起
６ シリンダヘッド
７ 凹部
１０ 内燃機関
１１ ピストン
１２ａ 吸気側の突起
１２ｂ 排気側の突起
１３ａ 吸気側の突起
１３ｂ 排気側の突起
２１ シリンダヘッド
２２ａ 吸気側の穴
２２ｂ 排気側の穴
２３ａ 吸気側の穴
２３ｂ 排気側の穴
３１ 正スキッシュ流
３１ａ 吸気側の正スキッシュ流
３１ｂ 排気側の正スキッシュ流
３２ スキッシュエリア
３２ａ 吸気側のスキッシュエリア
３２ｂ 排気側のスキッシュエリア
３３ 逆スキッシュ流
３３ａ 吸気側の逆スキッシュ流
３３ｂ 排気側の逆スキッシュ流
３４ スキッシュエリア
３４ａ 吸気側のスキッシュエリア
３４ｂ 排気側のスキッシュエリア
４０ 初期火炎
４１ 燃焼火炎
５２ ピストン
５３ シリンダヘッド
６０ キャビティ
６２ 突起
６３ 溝
７０ スキッシュ
１０１ スキッシュエリア
１０２ 正スキッシュ流
１０３ 逆スキッシュ流
１０５ ノック発生範囲

Claims (4)

1. ピストンの上面から上方に向けて突出するように設けられた突起と、
   シリンダヘッド側において前記突起に対応するように設けられた凹部と
   を備えた内燃機関であって、
   前記突起の突出量は、前記内燃機関の回転数によって、可変になるように構成されている
   ことを特徴とする内燃機関。
2. 請求項１記載の内燃機関において、
   前記内燃機関の回転数が高いときには、相対的に、前記突起の突出量が小さくされる
   ことを特徴とする内燃機関。
3. ピストンの上面から上方に向けて突出するように設けられた突起と、
   シリンダヘッド側において前記突起に対応するように設けられた凹部とを備え、
   前記突起は、排気側に比べて吸気側の方が大きく構成されている
   ことを特徴とする内燃機関。
4. 請求項３記載の内燃機関において、
   前記吸気側の突起は、前記排気側の突起に比べて、高さ又は断面積において大きく構成されている
   ことを特徴とする内燃機関。

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