JP2007278095A - ４ストロークサイクル内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】強力なスワール流を発生させて、混合気を点火栓に導き、耐ノッキング性を向上させることができる４ストロークサイクル火花点火式内燃機関を提供する。
【解決手段】４ストロークサイクル火花点火式内燃機関において、ピストン頂面８の外周部に、周方向に沿って燃焼室の天井壁に向かって隆起した、緩傾斜面と急傾斜面とで構成される鋸歯状面９を形成させることにより、スワールポートで導かれた吸気に、強力なスワール流を発生させ、混合気を点火栓に導き、耐ノッキング性を向上させると共に、燃焼ガスの流動によって燃焼を促進させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼室の形状、特に燃焼室の一部を構成するピストン頂面の形状に工夫を凝らした４ストロークサイクル内燃機関に関するものである。

４ストロークサイクル内燃機関において、燃費向上を図るために、圧縮比を増大させると、圧縮行程終期に点火栓による燃焼室内の混合気の着火で燃焼を始めた高圧の燃焼ガスにより、点火栓から離れた個所の混合気が高圧高温に加圧加熱され、火炎伝播によらず自己着火するノッキングが発生し易い。

このノッキングの発生を抑制するために、燃焼室の下面を構成するピストン頂面の外周部がピストン中心軸方向に向いて上方へ緩やかに傾斜した外周隆起部を形成し、ピストンが上死点付近に接近した場合に、外周部から中心に向い上方へ緩やかに傾斜した円錐面状または半球状に形成された燃焼室の上面を構成するシリンダヘッド内面と、前記ピストン頂面の外周部とで形成された上下幅の薄いスキッシュエリアから燃焼室中心に向いスキッシュ流を発生させるようにした４ストロークサイクル内燃機関が、特許文献１に開示されている。

特開２０００−８８６０号公報

しかし、スキッシュ流は点火栓に向けて直線的な指向性となるように発生させることを前提としているため、スワール（横渦）の発生は考慮されていなかった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、請求項１ないし６記載の発明は、強力なスワール流を発生させて、前記電極に導き、耐ノッキング性を向上させるとともに、燃焼ガスの流動によって燃焼を促進させることができる４ストロークサイクル内燃機関を提供することを目的としている。

請求項１記載の発明は、燃焼室の天井壁が形成されたシリンダヘッドと、該燃焼室に向って電極が突出するように該天井壁に設けられた点火栓と、シリンダに往復動可能に嵌合されて前記天井壁に向かってピストン頂面に上方へ隆起する隆起部が形成されたピストンと、前記燃焼室に吸気を所要のタイミングで供給する吸気弁と、該燃焼室内の排気を所要のタイミングで排出する排気弁とを備えた４ストロークサイクル内燃機関において、前記ピストン頂面の外周部には、該ピストン頂面の周方向に沿って緩傾斜面と急傾斜面とよりなる鋸歯状面が形成されたことを特徴とする４ストロークサイクル内燃機関である。

請求項２記載の発明は、前記吸気弁に吸気を導く吸気ポートは、ピストン頂面視で、前記鋸歯状面の緩傾斜面部の傾斜方向に沿って渦巻状に形成されたことを特徴とする請求項１記載の４ストロークサイクル内燃機関である。

請求項３記載の発明は、前記鋸歯状面の緩傾斜面は、外周縁より内周縁の方が低く傾斜した形状に形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の４ストロークサイクル内燃機関である。

請求項４記載の発明は、前記鋸歯状面の緩傾斜面下部と急傾斜面下部とが交わる底縁が、ピストン頂面視で、ピストン中心線位置に指向したことを特徴とする請求項１ないし請求項３いずれか記載の４ストロークサイクル内燃機関である。

請求項５記載の発明は、前記鋸歯状面の緩傾斜面下部と急傾斜面下部とが交わる底縁が、ピストン頂面視で、ピストン中心線位置と該緩傾斜面位置との中間位置に指向したことを特徴とする請求項１ないし請求項３いずれか記載の４ストロークサイクル内燃機関である。

請求項６記載の発明は、前記緩傾斜面より外周側の外周縁部が、前記シリンダヘッド天井壁面周縁部と略平行な面に形成されたことを特徴とする請求項１ないし請求項５いずれか記載の４ストロークサイクル内燃機関である。

請求項１記載の発明によれば、前記ピストン頂面の外周部には、該ピストン頂面の周方向に沿って緩傾斜面と急傾斜面とよりなる鋸歯状面が形成されているため、圧縮行程時に、ピストン頂面の外周部に形成された鋸歯状面の緩傾斜面に沿って燃焼室内の混合気が該鋸歯状面の頂部から谷部に向って流れ、スワール流が発生する。

そして、圧縮行程終期の上死点近傍で前記鋸歯状面の頂部から谷部に到達したスワール流は、該鋸歯状面の急傾斜面に沿いシリンダ頂部に向うため、燃焼室の天井壁に設けられた点火栓の電極に前記スワール流が接近することができる結果、点火栓による混合気の着火が促進され、ノッキングの発生が抑制される。

請求項２記載の発明によれば、前記吸気弁に吸気を導く吸気ポートは、ピストン頂面視で、前記鋸歯状面の緩傾斜面部の傾斜方向に沿って渦巻状に形成されているため、吸気行程において前記渦巻状吸気ポートによりスワール流が発生し、前記圧縮行程において前記鋸歯状面により発生するスワール流とその流れ方向が一致する結果、スワール流がより一層強化され、ノッキング発生の抑制効果がさらに向上する。

請求項３記載の発明によれば、前記鋸歯状面の緩傾斜面を下り傾斜方向へ流れるスワール流中に、該緩傾斜面におけるピストン中心側に向う傾斜により旋回流が発生し、燃焼室内の混合気が立体的に攪拌され、ノッキングの発生が一段と抑制される。

請求項４記載の発明においては、圧縮行程で緩傾斜面を下方に向って流れるスワール流が、該緩傾斜面の下端から起立した急傾斜面に衝突した際に、該スワール流は、該緩傾斜面の左右幅方向へは向きを変えずに、天井壁に向って流れを変えられ、混合気が急速に点火栓に接近することができて、ノッキングの発生が抑制される。

請求項５記載の発明においては、圧縮行程で緩傾斜面を下方に向って流れるスワール流が、該緩傾斜面の下端から起立した急傾斜面に衝突した際に、ピストン中心線位置と該緩斜面位置との中間位置に指向した該急傾斜面によって、前記スワール流がさらにピストン中心線に向って向きを変えられる結果、スワール流がさらに強化され、ノッキング抑制効果が促進される。

請求項６記載の発明においては、ピストン頂面の緩傾斜面より外周側の外周縁部が、前記シリンダヘッド天井壁面周縁部と略平行な面が形成されているので、該ピストン頂面の外周縁部と前記シリンダヘッド天井壁面周縁部とでスキッシュ領域が構成され、このスキッシュ領域によるスキッシュ流と前記スワール流の合流でもって、混合気が点火栓の電極に接近することができ、点火栓による混合気の着火が促進され、ノッキングの発生が一段と抑制される。

以下、図１ないし図５に図示された請求項１ないし請求項４および請求項６記載の発明の実施形態について説明する。

図３に図示の４ストロークサイクル火花点火式内燃機関の燃焼室１は、シリンダブロック２のシリンダスリーブ３の内周面４と、シリンダブロック２の頂部（本実施形態では上部）に一体に結合されたシリンダヘッド５のペントルーフ状凹面６と、シリンダスリーブ３の内周面４に摺動自在に嵌装されたピストン７の頂面８とで構成されており、前記シリンダヘッド５のペントルーフ状凹面６でもって燃焼室１の天井壁が形成されている。

図１に図示されるように、前記ピストン７の頂面８の外周部には、頂面８の周方向に沿って４個の鋸歯状面９が形成され、ピストン７の頂部から見た図２の平面図において、該鋸歯状面９の緩傾斜面部９aと受傾斜面部９bとが底部で交わる底縁９cから、前記緩傾斜面部９aは、図１に図示されるように、反時計方向に沿い上方へ緩やかに傾斜し、前記急傾斜面部９bは、前記緩傾斜面部９aと急傾斜面部９bとが頂部で交わる頂縁９dから、前記急傾斜面部９bは反時計方向に沿い下方へ急激に傾斜している（請求項１）。

また、図２に図示されるように、底縁９cはピストン中心線位置に指向し（請求項４）、前記緩傾斜面部９aは、図４の頂縁９dに図示されるように、該緩傾斜面部９aの内周縁９eの高さよりも外周縁９fの高さの方が高くなるように、ピストン中心に向って下方へ傾斜した形状に形成されている（請求項３）。
なお、底縁９cは、ピストン中心線に対し直交する平面に沿っている。

さらに、図２および図４に図示されるように、前記緩傾斜面部９aの内周縁９eから下方へ向いピストン７の頂面８の中心寄りに傾斜する内周側面部９gが形成されるとともに、該緩傾斜面部９aの外周縁９fから下方へ向いピストン７の外周面７aに傾斜する外周側面部９hが形成されている。

さらにまた、図２に図示されるように、４個の鋸歯状面９の内、ピストン７の直径方向に位置した２個の鋸歯状面９における底縁９cより、略25°反時計方向へ位置した個所において、シリンダヘッド５の凹面６にそれぞれ吸気開口11と排気開口12が配設され、該吸気開口11および排気開口12にそれぞれ通ずる吸気ポート13および排気ポート14がシリンダヘッド５に設けられている。

そして、図２に図示されるように、吸気ポート13は、ピストン頂面視で、吸気開口11からピストン中心軸の半径方向へ向い反時計方向へ渦巻状に弯曲した形状に形成され、排気ポート14も、同様に排気開口から半径方向に向い反時計方向へ渦巻状に弯曲した形状に形成されている（請求項２）。

前記シリンダヘッド５には、前記各吸気開口11および排気開口12を開閉自在に密閉しうる吸気弁15および吸気弁15がシリンダスリーブの中心軸線に対して斜に傾斜して摺動自在に嵌装され、図示されないクランク軸に連結されたカムシャフトおよびロッカーアームなどの動弁機構により、前記吸気弁15および排気弁16はピストン７の昇降に連動して所要のタイミングで開閉駆動されるようになっている。

また、図３に図示されるように、ピストン７が上死点近くに位置した状態において、鋸歯状面９の外周側面部９hに対し、所要の狭い間隙を存して、前記シリンダヘッド５の凹面６には一部が略円錐面をなした周縁凹面部６aが形成されている。このピストン７の鋸歯状面９における外周側面部９hと、シリンダヘッド５の凹面６における周縁凹面部６aとでスキッシュ領域10が構成されるようになっている（請求項６）。

さらに、凹面６の中心に位置して、燃焼室１に電極部17aが露出するように、シリンダヘッド５に点火栓17が設けられており、吸気行程において吸気弁15が開弁された状態で吸気ポート13より吸気開口11を介して燃焼室１内に混合気が吸入され、圧縮行程の終期に点火栓17の電極部17aから火花が飛ばされて、混合気が着火され、排気行程において、排気弁16が開弁された状態で、燃焼室１より排気開口12を介して排気ポート14に燃焼ガスが排出されるようになっている。

図１ないし図５に図示された実施形態は、前述したように構成されているので、吸気弁15が開弁した吸気行程においては、ピストン７の頂面視で鋸歯状面９の緩傾斜面部の下り方向に沿った渦巻の一部を構成する吸気ポート13により、図２の白抜き矢印方向に流れる吸気流により時計方向のスワール流が発生する。

そして、吸気行程終期に吸気弁15が開弁し、次の圧縮行程でピストン７が上昇を始めると、燃焼室１内に吸入された混合気は、ピストン７の頂面８の外周部に形成された鋸歯状面９の緩傾斜面部９aに沿い鋸歯状面９の頂縁９dから底縁９cに向って図２に図示されるように時計方向へ流れ、前述した吸気行程のスワール流と合流し、スワール流がより一層強化される。

さらに、圧縮行程で前記緩傾斜面部９aが、鋸歯状面９の頂縁９dから底縁９cに進むにつれてピストン７の頂面８の中心寄りに下方へ傾斜しているため、鋸歯状面９の緩傾斜面部９aに沿って流れるスワール流に、スワール流上流部から下流部に向って時計方向の捩れ流が生ずるため、混合気は立体的に攪拌される。

さらにまた、前記鋸歯状面９の緩傾斜面部９aにおいて、ピストン７の半径方向に向いた図２のIＶ−IＶ線に沿って裁断された断面形状は、図４に図示されるように、内周縁９eよりも外周縁９fの方が高く形成された変則梯形状に形成され、図３に図示されるように、外周側面部９hが、シリンダヘッド５の凹面６における周縁凹面部６aと略平行に形成されているため、該外周側面部９hと周縁凹面部６aとの間にスキッシュ流が発生し、このスキッシュ流によって燃焼室１の外周部の混合気が向い、前述したスワール流と共に混合気が導かれる結果、混合気の着火がさらに促進され、ノッキングの発生がさらに抑制される。

図１ないし図５に図示された実施形態では、図２に図示されるように、ピストン７の頂面８における鋸歯状面９の緩傾斜面部９aの下部と急傾斜面部９bの下部とが交わる底縁９cがピストン７の頂面８の中心に向っているが（請求項４）、この底縁９cの内周端が該底縁９cの外周端よりも鋸歯状面９の周方向下方傾斜面寄りに位置するように、すなわち図６に図示の実施形態で、底縁９cが図１ないし図５に図示の実施形態の底縁９cよりも反時計方向へ向くように鋸歯状面９が形成されたものでもよい（請求項５）。

この実施形態では、鋸歯状面９の吸気ポート13より吸気開口11を介して燃焼室１に吸入された吸気が鋸歯状面９の急傾斜面部９bに衝突して、吸気ポート13による時計方向に向いたスワール流がさらに強化される。

図１ないし図６に図示の実施形態では、シリンダヘッド５の凹面６の中央部は切妻屋根の形状をしたペントルーフ状に形成されていたが、シリンダヘッド５の凹面６の中央部が平面または周縁部に向って緩やかに弯曲した形状に形成された４ストロークサイクル内燃機関では、吸気弁15および排気弁16の弁軸をシリンダスリーブ３の中心軸線と平行に配置し、図７に図示されるように、吸気ポート13および排気ポート14を、ピストン頂面視でシリンダスリーブ３の内周面に接する接線方向に指向させてもよい。

本発明に係る４ストロークサイクル内燃機関の一実施形態におけるピストン頂部の斜視図である。 吸気ポートおよび排気ポートを図示した図１の平面図である。 図２のIII−III線に沿って裁断した前記内燃機関の縦断側面図である。 図２のIＶ−IＶ線に沿って裁断した断面図である。 図２のＶ−Ｖ線に沿って裁断した断面図である。 図１ないし図５に図示された実施形態と異なる実施形態の平面図である。 シリンダヘッドの凹面が平坦な実施形態の平面図である。

符号の説明

１…燃焼室、２…シリンダブロック、３…シリンダスリーブ、４…内周面、５…シリンダヘッド、６…凹面、７…ピストン、８…頂面、９…鋸歯状面、10…スキッシュ領域、11…吸気開口、12…排気開口、13…吸気ポート、14…排気ポート、15…吸気弁、16…排気弁、17…点火栓

Claims (6)

1. 燃焼室の天井壁が形成されたシリンダヘッドと、該燃焼室に向って電極が突出するように該天井壁に設けられた点火栓と、シリンダに往復動可能に嵌合されて前記天井壁に向かってピストン頂面に上方へ隆起する隆起部が形成されたピストンと、前記燃焼室に吸気を所要のタイミングで供給する吸気弁と、該燃焼室内の排気を所要のタイミングで排出する排気弁とを備えた４ストロークサイクル内燃機関において、
   前記ピストン頂面の外周部には、該ピストン頂面の周方向に沿って緩傾斜面と急傾斜面とよりなる鋸歯状面が形成されたことを特徴とする４ストロークサイクル内燃機関。
2. 前記吸気弁に吸気を導く吸気ポートは、ピストン頂面視で、前記鋸歯状面の緩傾斜面部の傾斜方向に沿って渦巻状に形成されたことを特徴とする請求項１記載の４ストロークサイクル内燃機関。
3. 前記鋸歯状面の緩傾斜面は、外周縁より内周縁の方が低く傾斜した形状に形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の４ストロークサイクル内燃機関。
4. 前記鋸歯状面の緩傾斜面下部と急傾斜面下部とが交わる底縁が、ピストン頂面視で、ピストン中心線位置に指向したことを特徴とする請求項１ないし請求項３いずれか記載の４ストロークサイクル内燃機関。
5. 前記鋸歯状面の緩傾斜面下部と急傾斜面下部とが交わる底縁が、ピストン頂面視で、ピストン中心線位置と該緩傾斜面位置との中間位置に指向したことを特徴とする請求項１ないし請求項３いずれか記載の４ストロークサイクル内燃機関。
6. 前記緩傾斜面より外周側の外周縁部が、前記シリンダヘッド天井壁面周縁部と略平行な面に形成されたことを特徴とする請求項１ないし請求項５いずれか記載の４ストロークサイクル内燃機関。
   
   
   

Images