JP2009013915A - エンジンの燃焼室構造 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室内の吸気バルブの直下に小径のタンブル流及び逆タンブル流の両方を同時に生成する。
【解決手段】各吸気バルブ３のそれぞれに近接するシリンダヘッド２の内壁の所定範囲に、各吸気バルブ３の傘部３ａの外周縁との間に所定隙間が形成されるように燃焼室１の中心軸Ｎに対し対称をなし、且つ、互いに独立をなして突条壁８ａ，８ｂがそれぞれ突設される。そして、例えば突条壁８ａは、上記外周縁に対向する側面８ａ_１が円弧状に形成されるとともに、この側面８ａ_１と上記外周縁との間に所定隙間が形成され、この円弧の両端点を結ぶ当該円弧の弦線の二等分線が当該突条壁８ａの挟角Ｋの二等分線とほぼ一致する一方、この突条壁８ａの上面８ａ_２は、シリンダヘッド２のシリンダブロック９との重ね合わせ面近傍にまで達し、この突条壁８ａの端部の少なくとも一方の高さ長の、Ｚ軸方向の長さＬは、吸気バルブ３のバルブ径Ｄの０．１倍以上をなす。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼室全体にわたるタンブルの生成に加えて吸気バルブ直下にタンブル流と逆タンブル流との同時生成も可能なエンジンの燃焼室構造に関するものである。

従来の燃焼室構造として、例えば図８に示すような、充填効率の低下を阻止しつつタンブル流を発生させる、とされた構造のものがある（特許文献１）。
この構造のものにおいては、吸気弁１００の周縁部と弁座１０１間に形成される開口に対面配置されてこの開口からの吸入空気又は燃料を含んだ吸入空気の流入を抑制する流入抑制壁１０２がシリンダヘッド内壁１０３ａ上に形成され、この流入抑制壁１０２は、図８（Ａ）に示すように各吸気弁１００の周縁部に沿って両吸気弁１００の軸線を含む平面Ｋ−Ｋに対して排気弁１０４と反対側から平面Ｋ−Ｋより最も離れた吸気弁１００の周縁部まで角度ａに亘って延びて、両吸気弁１００の間で端部壁１０５により互いに連結され、この端部壁１０５は、平面Ｋ−Ｋに対して排気弁１０４と反対側に位置している。
そして、吸気弁１００が開弁すると当該吸気弁１００と流入抑制壁１０２間からは吸入空気又は燃料を含んだ吸入空気はあまり流入せず、大部分は流入抑制壁１０２が設けられていない吸気弁１００の開口部分から燃焼室１０６内に流入する。このとき平面Ｋ−Ｋに対して流入抑制壁１０２と反対側の吸気弁１００の開口部分から流入した吸入空気又は燃料を含んだ吸入空気は、図８（Ｂ）において矢印Ｓ_１で示すように排気弁１０４の下方に向かい、次いで矢印Ｓ_２で示すように向きを変えてピストン１０７の頂面に沿って流れる。このため燃焼室１０６内には水平軸線周りの旋回流、即ちタンブル流が発生する。

しかしながら、この燃焼室構造のように、流入抑制壁１０２が上述のように吸気弁１００の周縁部まで角度ａに亘って延びて、両吸気弁１００の間で端部壁１０５により互いに連結されるように形成されたものでは、タンブル流を強化させる場合には効果的かもしれないが、単一方向の流速の増加によるタンブル流の強化は、乱流生成の不均一性が高いためか、サイクル間での燃焼が安定せず燃焼変動の改善に繋がらない場合もある。したがって、燃焼室全体にわたるタンブル流の強化は、言い換えれば単一方向の吸入空気の流速の増加に繋がり、燃焼室内の吸入空気又は燃料を含んだ吸入空気の流速を上げずにその乱れを助長して燃焼速度を速め、良好な燃焼を得るには適していない構造となっている。
特開平８−２０００７５号公報（第３〜４頁、図１，２）

解決しようとする課題は、燃焼室内の吸入空気又は燃料を含んだ吸入空気の流速を大きく上げることなくその乱れを助長して燃焼速度を速め、良好な燃焼を得るようにする点である。

本発明の請求項１に係るエンジンの燃焼室構造は、シリンダヘッドに２つの吸気バルブと１つ又は２つの排気バルブとが配されるエンジンの燃焼室構造において、当該燃焼室の前記吸気バルブ直下にタンブル流と逆タンブル流とを同時に生成すべく、これら各吸気バルブに近接する前記シリンダヘッドの内壁に、前記各吸気バルブの傘部の外周縁との間に所定隙間が形成されるように、これら吸気バルブの対称軸をも兼ねる前記燃焼室の中心軸に対し対称をなし、且つ、互いに独立をなして突条壁がそれぞれ突設されるようにしたもので、これにより、吸気バルブ外周のうち、突条壁を避けて、燃焼室略中央側と、外周縁との間の所定隙間からそれぞれ流入した吸入空気の流れが、吸気バルブの傘部の中央に向かって巻き戻り、強く小径のタンブル、逆ダンブル状の循環流を生成することができ、その強く小径のタンブル、逆ダンブル状の循環流は渦径が小さく比較的強いために圧縮行程中も維持残存する結果、燃焼室内の吸入空気又は燃料を含んだ吸入空気の流速を大きく上げることなく、燃焼室内に安定的に適度な乱れを生成させることによりサイクル間の安定性を高め、複数サイクル間にわたる平均した燃焼速度の高い、すなわち一般的に言われる燃焼速度の高い、より良好な燃焼を得ることができる。

本発明の請求項２に係るエンジンの燃焼室構造においては、前記吸気バルブが配される吸気ポートの中心軸をＹ軸とし、このＹ軸に垂直で前記シリンダヘッドの内壁に向かう方向軸をＸ軸とし、前記吸気バルブのバルブリフトの方向軸をＺ軸とし、前記吸気バルブを往復動させるカムシャフト軸に平行な方向軸をＭ軸とするときに、前記突条壁の一方は、前記吸気バルブの傘部と前記シリンダヘッドの内壁との隙間が最短となる当該内壁の位置と、前記Ｚ軸上の点を始点とし前記Ｘ軸に対し反時計回り方向に６０゜をなす半直線が交わる前記内壁の位置とのうちで前記Ｙ軸により近い方の当該内壁の位置から、前記Ｚ軸上の点を始点とし前記Ｍ軸に対し時計回り方向に４５゜をなす半直線が交わる前記内壁の位置と、前記Ｚ軸上の点を始点とし前記Ｘ軸に対し時計回り方向に４５゜をなす半直線が交わる前記内壁の位置とのうちで前記Ｘ軸により遠い方の当該内壁の位置までの範囲内にあって、前記Ｚ軸上の点と当該突条壁の両端部とをそれぞれ結んで形成される視角Ｋが１０゜以上をなし、少なくとも一方の前記端部の高さ長が前記Ｚ軸方向に平行な長さに換算して前記吸気バルブのバルブ径の０．１倍以上となるようにしたもので、より具体的な突条壁の形態の一態様である。
尚、突条壁の他方は、一方の突条壁と燃焼室の中心軸に対し対称をなすものであることは言うまでもない。

本発明のエンジンの燃焼室構造は、シリンダヘッドの内壁の適宜位置に突条壁を設けることにより、燃焼室内にタンブル流に加えて吸気バルブ直下に小径のタンブル流と逆タンブル流とを生成させ、燃焼室内に安定的に適度な乱れを生成させることによりサイクル間の安定性を高め、複数サイクル間にわたる平均した燃焼速度の高い、より良好な燃焼を得ることができる利点がある。

本発明の第１の実施の形態に係るエンジンの燃焼室構造を図１，２を参照して説明する。
本燃焼室構造は、図１，２に示すように、燃焼室１を構成するシリンダヘッド２に２つの吸気バルブ３と２つの排気バルブ（図示せず）とが配され、これらバルブで囲まれる上記シリンダヘッド２の上壁中央に点火プラグ（図示せず）が配される構造をなし、シリンダヘッド２に成形された吸気ポート４ａ，４ｂの一方端部で、燃焼室１に臨むシリンダヘッド２の開口口にバルブシート５ａ，５ｂがそれぞれ取着され、また、排気ポート６ａ，６ｂの一方端部で、燃焼室１に臨むシリンダヘッド２の開口口にバルブシート７ａ，７ｂがそれぞれ取着され、例えば図２に示すように、吸気ポート４ａに配される吸気バルブ３は同図中の矢印方向に上下動し、吸気バルブ３の閉成時には当該吸気バルブ３の傘部３ａがバルブシート５ａに当接する一方、吸気バルブ３の開成時（同図は最大開成時を示す）には、吸気バルブ３の傘部３ａとバルブシート５ａとの間に隙間（この隙間をカーテンエリアとも言う。）が生じて、かかる隙間を通過する吸入空気又は燃料を含んだ吸入空気が燃焼室１内に流入するようになっている。
そして、本燃焼室構造においては、各吸気バルブ３のそれぞれに近接するシリンダヘッド２の内壁に、図１に示すように、各吸気バルブ３の傘部３ａの外周縁（尚、図１において、この外周縁は、バルブシート５ａ，５ｂの外周縁とほぼ一致するとみなしてよい。）との間に所定隙間が形成されるように、本実施の形態ではこれら吸気バルブ３の対称軸をも兼ねる燃焼室１の垂直方向の中心軸Ｎに対し対称をなし、且つ、互いに独立をなして突条壁８ａ，８ｂがそれぞれ突設されている。ところで、燃焼室１の中心軸Ｎは、当該燃焼室１の水平方向の中心軸（＝吸気バルブを往復動させるカムシャフト軸に平行な方向軸）Ｍに垂直をなすものである。
尚、図２において、９はシリンダヘッド２とともに燃焼室１を構成するシリンダブロックであり、１０は、シリンダブロック９内を摺動するピストンである。

このような突条壁８ａ，８ｂについては以下の条件を満たす範囲内に突設させることが、燃焼室内全体にわたるタンブル流に加え、吸気バルブ外周のうち、突条壁を避けて、燃焼室略中央側と、外周縁との間の所定隙間からそれぞれ流入した吸入空気の流れが、吸気バルブの傘部の中央に向かって巻き戻り、強く小径のタンブル、逆ダンブル状の循環流を生成するためには必要になる。尚、突条壁８ａ，８ｂは、上述のように中心軸Ｎについて対称となる形状をなしており、ここでは突条壁８ａについて説明する。
今、吸気バルブ３が配される吸気ポート４ａの中心軸をＹ軸とし、このＹ軸に垂直でシリンダヘッド３の内壁に向かう方向軸をＸ軸とし、吸気バルブ３のバルブリフトの方向軸をＺ軸（図２参照）とし、更に、上述のように吸気バルブを往復動させるカムシャフト軸に平行な方向軸、即ち、燃焼室１の水平方向の中心軸をＭ軸とすると、
まず、突条壁８ａが、シリンダヘッド２の内壁に沿って、吸気バルブ３の傘部３ａとシリンダヘッド２の内壁との隙間が最短となる当該内壁の位置（図１ではＡで示す）と、Ｚ軸上の点を始点としＸ軸に対し反時計回り方向に６０゜をなす半直線が交わる当該内壁の位置（図１ではＢで示す）とのうちでＹ軸により近い方の当該内壁の位置から、Ｚ軸上の点を始点としＭ軸に対し時計回り方向に４５゜をなす半直線が交わる当該内壁の位置（図１ではＣで示す）と、Ｚ軸上の点を始点としＸ軸に対し時計回り方向に４５゜をなす半直線が交わる当該内壁の位置（図１ではＤで示す）とのうちでＸ軸により遠い方の当該内壁の位置までの範囲内にあること、そして、Ｚ軸上の点と当該突条壁８ａの両端部とをそれぞれ結んで形成される挟角Ｋが１０゜以上をなし、少なくとも一方の上記端部の高さ長がＺ軸方向に平行な長さＬに換算して吸気バルブ３のバルブ径Ｄの０．１倍以上となるようにすることである（図２参照）。
尚、突条壁８ｂについては説明を割愛するが、突条壁８ｂについても突条壁８ａに準ずることはもちろんである。

この条件を満たす突条壁として、典型例を示したものが本実施の形態に係る図１，２に示した突条壁８ａ，８ｂである。
このうち突条壁８ａは、図１に示すように、吸気バルブ３の傘部３ａの外周縁に対向する側面８ａ_１が円弧状に形成され、この側面８ａ_１と上記外周縁との間に所定隙間が形成される構造をなし、この円弧の両端部（突条壁の両端部）を結ぶ当該円弧の弦線の二等分線が当該突条壁８ａの挟角Ｋの二等分線とほぼ一致するような構造とした場合のもので、当然のことながら、当該円弧状をなす突条壁８ａは上記範囲内に形成されていることは言うまでもない。そして、本実施の形態では、この突条壁８ａの上面８ａ_２（図１参照）は、図２に示すように、シリンダヘッド２のシリンダブロック９との重ね合わせ面（以下、デッキ面という。）近傍にまで達しており、この突条壁８ａの上述した高さ長の、Ｚ軸方向に換算された長さＬは、上記条件下で、本実施の形態ではデッキ面から吸気バルブ３の最大開成時の下降量に略等しい長さとなっている。

このような突条壁８ａ，８ｂが突設された燃焼室１内では、例えば吸気バルブ３の開成時に吸気ポート４ａから燃焼室１内に流入した吸入空気又は燃料を含んだ吸入空気の流れは、図１中の矢印で示すような流れとなって、吸気バルブ側及び排気バルブ側の両方に分かれて流入される。この流れの様子を燃焼室１の側断面方向から視ると、図２中の矢印で示すような流れを生じ、このうち符号イの流れは吸気バルブ側に生成される小径の逆タンブル流を、また、符号ロの流れは排気バルブ側に生成される小径のタンブル流を示し（以下、符号イと符号ロとを合わせて双子渦と称する。）、符号ハ及び符号ホの流れは燃焼室１内全体にわたり生成されるタンブル流を、符号ニの流れは燃焼室１内全体にわたり生成される逆タンブル流を示している。このような流れの生成により、燃焼室１内の吸入空気又は燃料を含んだ吸入空気の流速を大きく上げずにその乱れを助長して燃焼速度を速め、良好な燃焼を得ることができる。

ところで、本実施の形態に係る突条壁８ａ及び突条壁８ｂのうち、例えば突条壁８ａは、吸気バルブ３の傘部３ａの外周縁に対向する側面８ａ_１が円弧状に形成されたものであったが、図３に示すように、突条壁８ａ，８ｂに代えて突条壁１５ａ，１５ｂとしてもよい。かかる突条壁１５ａ，１５ｂのうち、例えば突条壁１５ａは、突条壁８ａの円弧状側面８ａ_１を直線状側面１５ａ_１としたものであり、この側面１５ａ_１の両端部（突条壁の両端部）の略中央で吸気バルブ３の傘部３ａの外周縁との間に所定隙間が形成されるような構造とした場合のものであり、このような場合のものにあっても、燃焼室１内にタンブル流に加えて吸気バルブ直下に双子渦を生成することができることはもちろんである。尚、図３において、図１，２の構成要素と同一のものには同一番号を付し、その説明は割愛する。

次に、本発明の第２の実施の形態に係る燃焼室構造を図４を参照して説明する。尚、これら図４において、図１〜３の構成部材と同一のものには同一番号を付し、その説明は割愛する。
本燃焼室構造においては、燃焼室２０に当該燃焼室２０の垂直方向の中心軸Ｎに対し対称をなし、且つ、互いに独立をなして突条壁２１ａ，２１ｂを突設させた構造をなすものである。尚、突条壁２１ａ，２１ｂは、上述のように中心軸Ｎについて対称となる形状をなしており、ここでは突条壁２１ａについて説明する。
この突条壁２１ａは、本燃焼室構造のように吸気バルブ３等のバルブと燃焼室２０の内壁との間隔が大きい場合に効果的である。
このような突条壁２１ａは、上記条件を満たす範囲内で、吸気バルブ３が配される近傍の、燃焼室２０の内壁の隅Ｒ部の一つに突設され、吸気バルブ３の傘部３ａの外周縁に対向する側面２１ａ_１が円弧状に形成されてこの側面２１ａ_１と上記外周縁との間に所定隙間が形成されるが、この突条壁２１ａの上面２１ａ_２の面積が小さくなること等から突条壁２１ａのマスが小さくなる。このため、圧縮比をあまり上げたくないような場合に好適である。

次に、本発明の第３の実施の形態に係る燃焼室構造を図５を参照して説明する。尚、これら図５において、図１〜４の構成部材と同一のものには同一番号を付し、その説明は割愛する。
本燃焼室構造においては、燃焼室３０に当該燃焼室３０の垂直方向の中心軸Ｎに対し対称をなし、且つ、互いに独立をなして突条壁３１ａ，３１ｂを突設させた構造をなすものである。尚、突条壁３１ａ，３１ｂは、上述のように中心軸Ｎについて対称となる形状をなしており、ここでは突条壁３１ａについて説明する。
この突条壁３１ａは、本燃焼室構造のように燃焼室３０の中心軸Ｍ付近の内壁（図中の矢印で示すところ）が大きくえぐられた形状をなすものの場合に効果的である。
このような突条壁３１ａは、上記条件を満たす範囲内で、燃焼室３０の中心軸Ｍ付近の内壁に突設され、吸気バルブ３の傘部３ａの外周縁に対向する側面３１ａ_１が円弧状に形成されてこの側面３１ａ_１と上記外周縁との間に所定隙間が形成されるが、この突条壁３１ａの上面３１ａ_２の面積が大きくなること等から突条壁３１ａのマスが大きくなる。このため、圧縮比を大きく高めても問題がないような場合に好適である。

次に、本発明の第４の実施の形態に係る燃焼室構造を図６を参照して説明する。尚、これら図６において、図１〜５の構成部材と同一のものには同一番号を付し、その説明は割愛する。
本燃焼室構造においては、上記燃焼室１の内壁の、上記突条壁１５ａ，１５ｂが突設されたところとほぼ同一のところに当該燃焼室１の中心軸Ｎに対し対称をなし、且つ、互いに独立をなして突条壁４０ａ，４０ｂを突設させた構造をなすものであるが、突条壁４０ａ，４０ｂの形状が上記突条壁１５ａ，１５ｂのそれと一部異なっている。尚、突条壁４０ａ，４０ｂは、上述のように中心軸Ｎについて対称となる形状をなしており、ここでは突条壁４０ａについて説明する。
かかる突条壁４０ａは、突条壁１５ａと比較すると、この突条壁１５ａの上面１５ａ_２がデッキ面近傍にまで達していたが、当該突条壁４０ａの上面４０ａ_２はデッキ面より低くなるように形成され、また、当該突条壁４０ａの直線状側面４０ａ_１の両端部からシリンダヘッド２の内壁にそれぞれ至る稜面４０ａ_３は当該内壁に対し６０゜ぐらい傾斜する傾斜面で形成されており、そのため、当該突条壁４０ａに角張った部分が少なくなっている。このため、本燃焼室構造のものは、ノッキングが発生し易いエンジンに好適である。但し、燃焼室１内にタンブル流に加えて吸気バルブ直下に双子渦を生成させる能力は若干劣る。

ところで、上述した第１〜４の実施の形態に係る燃焼室構造において、例えば第１の実施の形態の突条壁８ａ，８ｂは、各吸気バルブ３のそれぞれに近接するシリンダヘッド２の内壁に、燃焼室１の中心軸Ｎに対し対称をなし、且つ、互いに独立をなしてそれぞれ突設されるものであったが、例えば図７に示すように、両吸気バルブ３に挟まれたところで、且つ、シリンダヘッド２の内壁寄りのところに一つの突条壁５０を設け、この突条壁５０の、両吸気バルブ３の傘部３ａの外周縁にそれぞれ対向する円弧状の側面５０ａ，５０ｂと当該外周縁との間に所定隙間が形成されるようにしたものであってもよく、吸気ポートの主流がシリンダ内側を向いているような場合に有効である。
尚、場合によっては、例えば突条壁８ａ，８ｂなどと突条壁５０とが組み合わせて設けられた燃焼室構造としてもよいことはもちろんである。

本発明のエンジンの燃焼室構造は、燃焼室を構成するシリンダヘッド内壁の適宜な位置に突条壁を設けるだけで、燃焼室内にタンブル流に加えて双子渦を吸気バルブ直下に生成することができるようになるので、広範囲での利用価値が高いと言える。

本発明の第１の実施の形態に係る燃焼室構造を構成するシリンダヘッドの底面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る燃焼室内の吸入空気等の流れを示す側断面図である。 図１のシリンダヘッド内壁の突条壁とは形状の異なる突条壁が突設されたシリンダヘッドの底面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る燃焼室構造を構成するシリンダヘッドの底面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る燃焼室構造を構成するシリンダヘッドの底面図である。 本発明の第４の実施の形態に係る燃焼室構造を構成するシリンダヘッドの底面図である。 本発明の第１〜４の実施の形態に係る突条壁とは異質の突条壁が突設されたシリンダヘッドの底面図である。 従来の燃焼室の構造図である。

符号の説明

１，２０，３０ 燃焼室
２ シリンダヘッド
３ 吸気バルブ
３ａ 傘部
８ａ，８ｂ 突条壁
１５ａ，１５ｂ 突条壁
２１ａ，２１ｂ 突条壁
３１ａ，３１ｂ 突条壁
４０ａ，４０ｂ 突条壁
５０ 突条壁
Ｋ 挟角
Ｙ軸 吸気バルブが配される吸気ポートの中心軸
Ｘ軸 Ｙ軸に垂直でシリンダヘッドの内壁に向かう方向軸
Ｚ軸 吸気バルブのバルブリフトの方向軸
Ｍ軸 燃焼室の水平方向の中心軸（＝吸気バルブを往復動させるカムシャフト軸に平行な方向軸）
Ｎ軸 燃焼室の垂直方向の中心軸

Claims (2)

1. 燃焼室を形成するシリンダヘッドに２つの吸気バルブと１つ又は２つの排気バルブとが配されるエンジンの燃焼室構造において、当該燃焼室の前記吸気バルブ直下にタンブル流と逆タンブル流とを同時に生成すべく、これら各吸気バルブに近接する前記シリンダヘッドの内壁に、前記各吸気バルブの傘部の外周縁との間に所定隙間が形成されるように、これら吸気バルブの対称軸をも兼ねる前記燃焼室の中心軸に対し対称をなし、且つ、互いに独立をなして突条壁がそれぞれ突設されてなることを特徴とするエンジンの燃焼室構造。
2. 前記吸気バルブが配される吸気ポートの中心軸をＹ軸とし、このＹ軸に垂直で前記シリンダヘッドの内壁に向かう方向軸をＸ軸とし、前記吸気バルブのバルブリフトの方向軸をＺ軸とし、前記吸気バルブを往復動させるカムシャフト軸に平行な方向軸をＭ軸とするときに、
   前記突条壁の一方は、前記吸気バルブの傘部と前記シリンダヘッドの内壁との隙間が最短となる当該内壁の位置と、前記Ｚ軸上の点を始点とし前記Ｘ軸に対し反時計回り方向に６０゜をなす半直線が交わる前記内壁の位置とのうちで前記Ｙ軸により近い方の当該内壁の位置から、前記Ｚ軸上の点を始点とし前記Ｍ軸に対し時計回り方向に４５゜をなす半直線が交わる前記内壁の位置と、前記Ｚ軸上の点を始点とし前記Ｘ軸に対し時計回り方向に４５゜をなす半直線が交わる前記内壁の位置とのうちで前記Ｘ軸により遠い方の当該内壁の位置までの範囲内にあって、前記Ｚ軸上の点と当該突条壁の両端部とをそれぞれ結んで形成される挟角Ｋが１０゜以上をなし、少なくとも一方の前記端部の高さ長が前記Ｚ軸方向に平行な長さに換算して前記吸気バルブのバルブ径の０．１倍以上となることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの燃焼室構造。

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