JP2010190166A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室内の気流を強化した内燃機関を提供する。
【解決手段】シリンダ１０と、ピストン２０と、ヘッド３０と、ピストン２０とヘッド３０との間に設けられる燃焼室１００と、シリンダに対して傾斜して配置され燃焼室内に燃焼用空気を導入する吸気ポート４０と、動弁駆動機構によって駆動され吸気ポートの燃焼室側の端部を開閉する吸気バルブ５０とを有する内燃機関であって、吸気ポートは流路断面をシリンダ側及び動弁駆動機構側に分割する隔壁部４１、及び、運転状態に応じて隔壁部よりも動弁駆動機構側の流路を閉塞する流路制御弁４２とを備え、燃焼室の対称面付近における外周縁部に、シリンダの外径側よりも内径側がシリンダ軸線方向においてクランクシャフト側となるように傾斜したスキッシュ部２４，２５，３１，３２を設けた構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、往復動型の内燃機関に関し、特に燃焼室内の気流を強化したものに関する。

例えば自動車用ガソリンエンジン等の往復動型内燃機関では、空気と燃料とのミキシングを促進して、より均質な混合気を得ることが求められる。また、このような往復動型内燃機関では、等容度を向上して熱効率を向上し、また、未燃部の自己着火によるノッキングを抑制するために火炎伝播速度を向上することが求められている。
燃料と吸気との混合促進及び火炎伝播速度の向上を図るためには、燃焼室の内部にスワール、タンブル等の気流を形成するのが有効であることが知られている。スワールとは、シリンダの軸線回りの旋回流（横渦）であり、タンブルとは、エンジンの回転軸と略平行な軸回りの旋回流（縦渦）である。
また、燃焼室の外周縁部とピストンが圧縮上死点付近にあるときの冠面端部との間に小間隔の隙間（スキッシュ）を設けて、このスキッシュから吹き出されるスキッシュ流を利用することも知られている。

タンブル流を強化する従来技術として、例えば特許文献１には、吸気ポートを上下２分割する隔壁を設け、隔壁の下側（シリンダブロック側）の流路を閉塞するコントロールバルブを備えたエンジンの吸気装置が記載されている。
このような構成によれば、エンジン低負荷時にはコントロールバルブで吸気ポートの下側部分を閉塞し、吸気ポートの上側部分を吸気が高速で流れるようにし、シリンダ内部でタンブル流を発生させることができる。しかし、この場合、吸気ポートの燃焼室側端部における湾曲部において、排気ポート側の壁面に吸気流が衝突し、流れが拡散することによってタンブル流が減衰してしまう。

これに対し、例えば特許文献２には、吸気ポート内部を上下に隔てる隔壁とこの隔壁の上流側に気流制御弁を有する吸気ポート構造において、エンジン低負荷時には気流制御弁で吸気ポート内部の上側を閉塞する技術が開示されている。
このような構成によれば、吸気ポートの排気側壁面への吸気流の衝突を防止し、吸気流の強度を高めてシリンダ内での順タンブル流の保存性を高めることができる。

また、スキッシュを利用する従来技術として、例えば、非特許文献１には、充填効率の向上とノッキングの防止を図るため、スキッシュ部の燃焼室中央側が端部側よりもヘッド寄りとなるように傾斜させたいわゆる斜めスキッシュ形状とする技術が開示されている。

特開平７−１１９４７２号公報 特開２００７−１２０４２８号公報

小島晋爾「燃焼シミュレーションによるノック抑制機構の解明」豊田中央研究所Ｒ＆ＤレビューＶｏｌ．３３ Ｎｏ．３（１９９８．９）

特許文献２に記載されたように、吸気ポートの動弁駆動機構側を閉塞した場合、吸気流はストレートにバルブカーテン部（吸気バルブの外周縁部の移動軌跡）に導入され、シリンダ内に強いタンブル流を形成できることがわかっている。
しかし、このようにしてシリンダ内に流入した吸気流は、その主流が排気ポート側のスキッシュ部から噴出するスキッシュ流と燃焼室のルーフ側対称面付近で略正対することになり、吸気流がスキッシュ流との衝突によって拡散し、減衰してしまう。
特に、非特許文献１に記載されたような斜めスキッシュ形状を用いた場合、排気側のスキッシュ流と吸気流との干渉がより顕著となり、燃焼室内の気流が弱くなってしまう。
本発明の課題は、燃焼室内の気流を強化した内燃機関を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１の発明は、シリンダと、前記シリンダ内に挿入されたピストンと、前記シリンダの端部に設けられたヘッドと、前記ピストンと前記ヘッドとの間に設けられた燃焼室と、前記シリンダに対して傾斜して配置され前記燃焼室内に燃焼用空気を導入する吸気ポートと、動弁駆動機構によって駆動され前記吸気ポートの前記燃焼室側の端部を開閉する吸気バルブとを有する内燃機関であって、前記吸気ポートは前記動弁駆動機構側の流路を閉塞する流路制御弁を備え、前記燃焼室の対称面付近における外周縁部に、前記シリンダの外径側よりも内径側がシリンダ軸線方向においてクランクシャフト側となるように傾斜したスキッシュ部を設けたことを特徴とする内燃機関である。

請求項２の発明は、前記スキッシュ部の傾斜角は、前記ピストンが圧縮上死点近傍にあるときに、前記スキッシュ部から吹き出されるスキッシュ流と前記燃焼室内のタンブル流におけるヘッド側流とが実質的に干渉しないように設定されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関である。
請求項３の発明は、前記吸気ポートは流路面を前記シリンダ側及び前記動弁駆動機構側に分割する隔壁部を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関である。

本発明によれば、シリンダの外径側よりも内径側がシリンダ軸線方向においてクランクシャフト側となるように傾斜したスキッシュ部を設けていることから、スキッシュ部から噴出するスキッシュ流は、燃焼室のルーフ側ではなくピストンの冠面に沿って流れる。このため、バルブカーテン部から燃焼室のルーフ（排気バルブ付近）に沿ってシリンダ内に流入する吸気流の主流との衝突が軽減され、燃焼室内に形成されるタンブル流の強さを維持することができ、燃焼室内の気流を効果的に強化することができる。

本発明を適用した内燃機関の実施例であるエンジンのシリンダ及び吸気ポート等の内面形状を対称面で切って見た断面図である。 図１のシリンダ及び吸気ポート等の透視斜視図である。 図１のエンジンにおけるピストン冠部の模式的二面図である。 実施例のエンジンにおける吸気ポート及びシリンダ内の気流を示す模式図である。 実施例のエンジンにおけるスキッシュ流による効果を示す模式図である。

本発明は、燃焼室内の気流を強化した内燃機関を提供する課題を、吸気ポートの動弁駆動機構側を閉塞するコントロールバルブを設けるとともに、燃焼室の対称面付近におけるボア外径側の端部に、外径側よりも内径側がシリンダ軸線方向におけるクランクシャフト側となるように傾斜したスキッシュ部を設けることによって解決した。

以下、本発明を適用した内燃機関の実施例について説明する。実施例の内燃機関は、例えば、乗用車等の自動車の走行用動力源として用いられる４ストロークのガソリンエンジンであって、吸気２弁及び排気２弁を備えたペントルーフ型燃焼室を有するものである。
図１は、実施例のエンジンのシリンダ及び吸気ポート等の内面形状を対称面で切って見た断面図である。対称面とは、クランクシャフトの回転軸方向と直交しかつシリンダの中心軸を含む平面を指す。
図２は、図１のシリンダ及び吸気ポート等の内面形状の透視斜視図である。

図１等に示すように、内燃機関は、シリンダ１０、ピストン２０、ヘッド３０、吸気ポート４０、吸気バルブ５０、排気バルブ６０等を有し、シリンダ１０、ピストン２０、ヘッド３０等によって形成される燃焼室１００を備えている。
シリンダ１０は、略円筒状に形成され、例えば、アルミニウム系合金製のシリンダブロック内に挿入される鋳鉄製スリーブの内周面によって形成されている。

ピストン２０は、シリンダ１０内に挿入され、シリンダ１０の中心軸方向に沿って往復運動する部材である。ピストン２０は、図示しないクランクシャフトと図示しないコネクティングロッドによって連結されている。
図３は、ピストン冠部の模式的二面図であって、図３（ａ）はシリンダの中心軸方向におけるヘッド側から見た外観図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のｂ−ｂ部矢視断面図である。
図３等に示すように、ピストン２０におけるヘッド３０と対向する冠面には、キャビティ２１、吸気バルブリセス２２、排気バルブリセス２３、吸気側スキッシュ部２４、排気側スキッシュ部２５等が形成されている。

キャビティ２１は、冠面の中央部を球面状に凹ませて形成されている。
吸気バルブリセス２２及び排気バルブリセス２３は、動弁駆動機構の故障によって吸気バルブ５０、排気バルブ６０が開いた状態で停止した場合に、バルブとピストン２０との衝突を防止するために設けられている凹部である。

吸気側スキッシュ部２４は、ピストン２０の冠面の対称面付近における吸気側の端部を、ヘッド３０側に張り出させて形成した斜面部である。吸気側スキッシュ部２４は、ピストン２０の内径側から外径側にかけて連続的に張り出し量が多くなるような平面状に形成されている。
排気側スキッシュ部２５は、ピストン２０の冠面の対称面付近における排気側の端部を、ヘッド３０側に張り出させて形成した斜面部である。排気側スキッシュ部２５は、ピストン２０の内径側から外径側にかけて連続的に張り出し量が多くなるような平面状に形成されている。

ヘッド３０は、シリンダ１０の反クランクシャフト側の端部に設けられ、ピストン２０の冠面等と協働して燃焼室１００を形成するものである。また、ヘッド３０には、吸気ポート４０、図示しない排気ポート、動弁駆動機構等が設けられている。
ヘッド３０の対称面付近における吸気側、排気側の端部には、ピストン２０が上死点付近にあるときに、ピストン２０の吸気側スキッシュ部２４及び排気側スキッシュ部２５と、微小な間隔を隔ててそれぞれ対向する吸気側スキッシュ部３１及び排気側スキッシュ部３２が形成されている。
上述した構成とすることによって、本実施例のエンジンにおいては、上述した非特許文献１に記載された斜めスキッシュとは傾斜方向が反対側となる逆斜めスキッシュ形状が設けられている。この逆斜めスキッシュ形状による効果については、後に詳しく説明する。

吸気ポート４０は、燃焼室１００内に燃焼用の空気（吸気）を導入する流路である。吸気ポート４０は、シリンダ１０の中心軸に対して傾斜して配置され、燃焼室側の端部は、二又に分岐するとともに、図示しない動弁駆動機構側が凸となるように湾曲して形成されている。この湾曲部における外側の壁面部は、図示しない排気ポートと隣接して配置されている。
吸気ポート４０には、隔壁４１、コントロールバルブ４２が設けられている。
隔壁４１は、吸気ポート４０の中間部分における流路を、クランクシャフト側（図１における下側・デッキ側）と、動弁駆動機構側（図１における上側）とに二分するものである。
コントロールバルブ４２は、隔壁４１の上流側の端部付近に設けられ、エンジンの低負荷時に隔壁４１よりも動弁駆動機構側の流路を実質的に閉塞するものである。コントロールバルブ４２は、図示しないエンジン制御装置によって制御される図示しないアクチュエータによって駆動され、クランクシャフトの中心軸と略平行に配置された回転軸回りに揺動することによって流路を開閉する。

吸気バルブ５０は、吸気ポート４０の二又に分岐した燃焼室１００側端部をそれぞれ開閉するものである。
吸気バルブ５０は、一体に形成された弁体５１及びステム５２を備えている。
弁体５１は、傘状又は円盤状に形成され、吸気ポート４０の端部を開閉するものである。また、弁体５１のシリンダ１０内側の面部は、燃焼室１００の壁部の一部を構成する。
ステム５２は、弁体５１から突き出して形成された円柱状の軸部であって、吸気ポート４０に設けられたステムガイドに挿入されている。
吸気バルブ５０は、ステム５２の端部を図示しないカムシャフト等の動弁駆動機構によって駆動され、クランクシャフトの回転と同期してステム５２の軸方向に往復し、吸気ポート４０を開閉する。

排気バルブ６０は、動弁駆動機構によって開閉駆動され、図示しない排気ポートを開閉するものである。排気バルブ６０のシリンダ１０内側の面部は、燃焼室１００の壁部の一部を構成する。
吸気バルブ５０及び排気バルブ６０は、それぞれ２本ずつ設けられている。対称面を挟んで隣接する１対の吸気バルブ５０、及び、対称面を挟んで隣接する１対の排気バルブ６０は、それぞれステムの方向が平行とされた状態で隣接して配置されている。また、吸気バルブ５０と排気バルブ６０とは、ステムの方向が所定のバルブ開き角だけ開いた状態で配置されている。

燃焼室１００は、ピストン２０の冠面と、ヘッド３０のこれと対向する部分との間に形成される空間部であって、圧縮された混合気が例えば火花着火され燃焼する部分である。
燃焼室１００は、ヘッド３０側が凸となるいわゆる三角屋根形状に形成され、一方の斜面に吸気バルブ５０が設けられ、他方の斜面に排気バルブ６０が設けられたペントルーフ型燃焼室となっている。

図４は、実施例のエンジンにおける吸気ポート及びシリンダ内の気流を示す模式図である。
実施例の吸気ポート４０においては、吸気ポート内流Ｆｐは、コントロールバルブ４２が閉じられた状態では吸気ポート４０のクランクシャフト側（デッキ側）の壁部に沿って流れることから、図４（ａ）に示すように、バルブカーテン部へストレートに流入し、比較例に対して比較的狭くかつ流速の高い流れとしてシリンダ１０内へ流入する。

図４（ｂ）等に示すように、実施例においては、ルーフ側タンブル流Ｆｔｒは対称面付近の比較的狭い領域を比較的高速で流れ、排気側から折り返すピストン側タンブル流Ｆｔｐは、スペースが空いている燃焼室１００内の両サイド部（対称面から離れた部分）においてピストン２０の冠面に沿って流れる。このため、ルーフ側タンブル流Ｆｔｒとピストン側タンブル流Ｆｔｐとの干渉が生じにくく、燃焼室１００内に強度が強くかつ強い指向性を持ったタンブル流を形成することができる。

次に、本実施例におけるスキッシュ部の効果について比較例と対比して説明する。比較例は、実施例の逆斜めスキッシュ形状に代えて、傾斜方向を逆としたいわゆる斜めスキッシュ形状を有するものであり、これ以外の箇所については実施例と実質的に同様の構成を備えている。
図５（ａ）は、燃焼室１００をシリンダ１０の中心軸方向に沿ったヘッド側から見た模式的透視図である。図５（ｂ）は、比較例の燃焼室を対称面で切って見た模式的断面図である。図５（ｃ）は、実施例の燃焼室を対称面で切って見た模式的断面図である。
比較例のような斜めスキッシュ形状を有するスキッシュ部から噴出するスキッシュ流は、排気側において、ルーフ側タンブル流Ｆｔｒの主流を略正対し、相互に干渉して燃焼室１００内のタンブル流を減衰させてしまう。

これに対し、実施例の逆斜めスキッシュ形状を有するスキッシュ部から噴出するスキッシュ流Ｆｓは、排気側において、ルーフ側タンブル流Ｆｔｒの主流と干渉しにくく、また、吸気側においてもスキッシュ流Ｆｓは対称面付近が最も強く対称面から離れるのに応じて弱くなるため、燃焼室１００の両サイドを流れてくるピストン側タンブル流れＦｔｐの主流とも干渉しにくい。
このため、実施例においては、スキッシュ流Ｆｓによってタンブル流の減衰が発生しにくく、上述した吸気ポート４０によって形成された強いタンブル流を維持することができる。

以上説明したように、本実施例によれば、シリンダ１０の外径側よりも内径側がシリンダ１０の中心軸方向においてクランクシャフト側となるように傾斜した逆斜めスキッシュ部２４，２５，３１，３２を設けていることから、この逆斜めスキッシュ部から噴出するスキッシュ流Ｆｓは、燃焼室１００のルーフ側ではなくピストン２０の冠面に沿って流れる。このため、吸気バルブ５０のバルブカーテン部から燃焼室１００のルーフ（排気バルブ６０付近）に沿ってシリンダ１０内に流入する吸気流の主流によって形成されるルーフ側タンブル流Ｆｔｒとの干渉が軽減され、吸気ポート４０からの気流によって形成される燃焼室１００内のタンブル流を維持して燃焼室１００内の気流を効果的に強化することができる。
これによって、吸気（空気）と燃料とのミキシングを改善して良質な混合気を形成することができ、また、火炎伝播速度を向上して急速燃焼を可能とし、未燃混合気が自己着火して生じるノッキングを抑制するとともに、等容度を向上してエンジンの熱効率、出力、燃焼消費率等を改善することができる。

（変形例）
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
例えば、吸気ポート、ヘッド、ピストン冠面等の詳細な形状や、バルブ、隔壁の配置等は、上述した実施例の構成に限らず適宜変更することができる。
また、実施例の各図面は、一例としてシリンダの中心軸が直立した状態で図示しているが、本発明は、シリンダ中心軸線が水平又は傾斜して配置される水平対向エンジン、Ｖ型エンジン、傾斜して配置される直列エンジン等にも適用することができる。

１０ シリンダ ２０ ピストン
２１ キャビティ ２２ 吸気バルブリセス
２３ 排気バルブリセス ２４ 吸気側スキッシュ部
２５ 排気側スキッシュ部 ３０ ヘッド
３１ 吸気側スキッシュ部 ３２ 排気側スキッシュ部
４０ 吸気ポート ４１ 隔壁
４２ コントロールバルブ ４３ 隔壁
４４ コントロールバルブ ５０ 吸気バルブ
５１ 弁体 ５２ ステム
６０ 排気バルブ １００ 燃焼室
Ｆｐ 吸気ポート内流 Ｆｔｒ ルーフ側タンブル流
Ｆｒｐ ピストン側タンブル流 Ｆｓ スキッシュ流

Claims (3)

1. シリンダと、
   前記シリンダ内に挿入されたピストンと、
   前記シリンダの端部に設けられたヘッドと、
   前記ピストンと前記ヘッドとの間に設けられた燃焼室と、
   前記シリンダに対して傾斜して配置され前記燃焼室内に燃焼用空気を導入する吸気ポートと、
   動弁駆動機構によって駆動され前記吸気ポートの前記燃焼室側の端部を開閉する吸気バルブと
   を有する内燃機関であって、
   前記吸気ポートは前記動弁駆動機構側の流路を閉塞する流路制御弁を備え、
   前記燃焼室の対称面付近における外周縁部に、前記シリンダの外径側よりも内径側がシリンダ軸線方向においてクランクシャフト側となるように傾斜したスキッシュ部を設けたこと
   を特徴とする内燃機関。
2. 前記スキッシュ部の傾斜角は、前記ピストンが圧縮上死点近傍にあるときに、前記スキッシュ部から吹き出されるスキッシュ流と前記燃焼室内のタンブル流におけるヘッド側流とが実質的に干渉しないように設定されること
   を特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記吸気ポートは流路面を前記シリンダ側及び前記動弁駆動機構側に分割する隔壁部を備えること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関

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