JP2011074836A

JP2011074836A - 内燃機関

Info

Publication number: JP2011074836A
Application number: JP2009227192A
Authority: JP
Inventors: Yasuhisa Ono; 泰久小野; Kazuyoshi Sato; 和能佐藤; Katsumasa Kurachi; 克昌倉地; Emiko Mori; 恵美子森; Mitsuhiro Ryu; 光弘龍
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2011-04-14
Anticipated expiration: 2029-09-30
Also published as: JP5537110B2

Abstract

【課題】タンブル流を効果的に生成・持続させて出力を向上させると共にノッキングも防止した内燃機関を提供する。
【解決手段】内燃機関はシリンダボア１とピストン３とシリンダヘッド４とを有しており、シリンダヘッド４の燃焼室８は傾斜ルーフ面９を有する台錘状になっている。シリンダヘッド４の冠面には、スキッシュ面１５で囲われたメイン凹所１８が形成されている。メイン凹所１８は排気口１３に近い側の第１エリア２２と、吸気口１１に近い側の第２エリア２３と、これらの間に位置した第３エリア２４とからなっている。第１エリア２２の最大曲率半径Ｒ１はシリンダボア１の半径Ｒ０の１〜０．８５場合に設定され、第２エリア２３の最大曲率半径Ｒ２はＲ１の２・５〜４倍程度に設定され、第３エリア２４の最大曲率半径Ｒ３はＲ２の数倍に設定されている。
【選択図】図１

Description

本願発明は内燃機関に関するものであり、特に、ガソリンエンジンのような火花点火式内燃機関に関するものである。

火花着火式の内燃機関において、混合気に旋回流を付与することで空気と燃料との混合性を高めることが行われており、多くの提案が成されている。この旋回流には、ピストン及びシリンダボアの軸心回りに旋回するスワール流と、ピストン及びシリンダボアの軸心と直交した仮想線の回りに旋回するタンブル流（縦渦）とがあり、タンブル流を生成する手段としてはピストンの冠面（頂面）にガイド用の凹所を形成することで対処している。

その例が例えば特許文献１〜４に記載されている。このうち特許文献１〜３では、メイン凹所は排気口に近いエリアの曲率が小さくて吸気口に寄ったエリアの曲率が大きくなるように非対称形になっており、かつ、特許文献１ではピストンの冠面の周縁に傾斜状のスキッシュ面を設けている。他方、特許文献４では凹所は対称形状になっており、冠面の周縁には等深・等巾のスキッシュ面を環状に設けている。

吸気口から直進性を持った状態で噴出した混合気は、シリンダボアに衝突してからピストンの冠面に向けて流れを変え、更に、シリンダヘッドのルーフ面に向かって流れるという挙動を成すもので、この混合気の流れを持続的させることでタンブル流と成すものであり、混合気の方向変換がスムースになるよう、ピストンの冠面に凹所を形成して混合気の流れをガイドしている。また、混合気がシリンダヘッドのルーフ面でもガイドされるように、シリンダヘッドのルーフ面はシリンダボアの軸線に対して傾斜させている。

特開２００１−９８９４７号公報特開平０２−２１５９２２号公報特開平１１−０３６９７７号公報特開平１０−３３９２１９号公報

既述のとおり、吸気口から噴出した混合気はシリンダボアに衝突して急激に方向が変わり、そして流速を低下させてメイン凹所でガイドされながらシリンダヘッドに向かうので、特許文献１〜３のように凹所のプロフィールを排気口に寄った箇所で曲率が小さくなるように非対称に形成することは、混合気の流れをスムースにガイドする上で合理的であると言える。

さて、タンブル流を付与された混合気はピストンで圧縮されてやがて点火されるが、ピストンが点火タイミングに到るまで混合気はタンブル流を保持し続けているのが好ましい。しかし、この点について各特許文献は十分な検討が成されているとは言い難い。また、ノッキング防止のためにピストンにスキッシュ面を形成することは従来から行われているが、従来、ノッキング防止用スキッシュ面とタンブル流生成用メイン凹所との関係も十分に検討されているとは言い難い。

本願発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、ピストンのメイン凹所を排気口に近い部位の曲率が小さくなるように非対称に形成する点は特許文献１〜３を踏襲しつつ、より改良された内燃機関を提供することを目的とするものである。

請求項１の発明に係る内燃機関は、シリンダボアに往復動自在に配置されたピストンと、前記シリンダボアを塞ぐシリンダヘッドとを備えており、前記シリンダヘッドには、前記シリンダボアの軸心に対して傾斜したルーフ面を有する断面略台錘形の燃焼室が形成されており、前記燃焼室の傾斜状ルーフ面に、吸気バルブで開閉される吸気口と排気バルブで開閉される排気口とが軸心を挟んで反対側に位置するように開口していると共に、燃焼室の略中央部には点火プラグが配置されている一方、前記排気口と吸気口との並び方向に直交しかつ前記ピストンの軸心と直交した方向から見た方向を正面視として、前記ピストンの冠面に、前記吸気口から噴出した混合気に正面視で旋回流を付与するメイン凹所が形成されている。

前記ピストンの冠面のうち外周縁には軸線に対して傾斜したスキッシュ面が環状に形成されていて、このスキッシュ面で前記メイン凹所が囲われている。そして、前記メイン凹所は、前記排気口に近い側に位置した第１エリアと、前記吸気口に近い側に位置した第２エリアと、これら第１エリアと第２エリアとの間に位置した第３エリアとの３つのエリアから成っており、少なくとも前記第１エリアと第２エリアとの内面は縦断正面視において湾曲していると共に、縦断正面視において第１エリアの内面の曲率が第２エリアの内面の曲率よりも小さくなっており、かつ、第３エリアの内面は縦断正面視で前記第２エリアの内面の曲率の数倍以上の大きい曲率の曲面であるか又は略直線状になっており、第１エリアと第３エリアとの境界部が最も深くて、第１エリアと第３エリア、及び第２エリアと第３エリアとは滑らかに連続している。

前記第３エリアの曲率の中心はピストンの軸心よりも排気口の方に寄っている。かつ、前記各エリアは正面視と直交した側面視においてシリンダヘッドに向けて凹となるように湾曲している。

請求項２の発明は請求項１を好適に具体化したもので、この発明では、前記スキッシュ面をピストンの軸線方向で測った寸法と前記メイン凹所の最も深い箇所の深さ寸法とを略同じに設定している。

本願発明では、メイン凹所を３つのエリアで構成したことにより、タンブル流の生成がより確実になると共に、ピストンが点火タイミングに到るまでタンブル流を残すことができ、その結果、混合気の均一化を促進して出力向上に貢献できる。

すなわち、混合気は第１エリア、第３エリア、第２エリアの順でガイドされるが、第１エリアの曲率が最も小さいことによって混合気の急激な方向変換が確実化されると共に、第３エリアは曲率が非常に大きいか又は直線状であることで流速低下が抑制され、更に、第２エリアは第３エリアよりも曲率が小さいため、混合気はこの第２エリアでシリンダヘッドに向かうようにスムースに方向変換させられるのであり、このような混合気のスムースな流れによってタンブル流の付与が確実なものになる。

また、タンブル流の生成が確実化することで混合気に大きな運動エネルギが付与されるため、点火タイミング近くまでタンブル流が維持され続けて燃料と空気の混合が促進され続け、しかも、第３エリアの曲率が非常に大きいか又は直線状であることにより、混合気は点火タイミング直前に強い潰し作用を受けることになり、この潰し作用によって一層の混合が促進されると共に火炎の素早い広がりも助長される。

このように、タンブル流の生成・持続・潰れという一連の挙動が効率的に行われて、燃料と空気との混合性が高まると共に火炎伝播の均一化・高速化が促進され、その結果、出力向上に貢献できるのである。

また、ピストンの周縁にはスキッシュ面が環状に形成されているが、メイン凹所の第３エリアの曲率の中心が排気口の側に寄っていることにより、第３エリア及び第２エリアにら必要な長さを確保しつつスキッシュ面は必要な巾を確保できるのであり、このためノッキングを効果的に抑制できる。

スキッシュエリアが浅すぎるとノッキング防止効果が期待できず、逆にスキッシュエリアが深すぎると混合気の流れが阻害されるおそれがある。この点、請求項２のようにスキッシュエリアの深さとメイン凹所の深さとを略同じ程度に設定すると、大きなタンブル流を確保しつつ必要なスキッシュエリアを確保できて、燃焼効率アップとノッキング防止とを有効に達成できる利点がある。

ところで、タンブル流生成の確実性はメイン凹所の深さにも密接に関連しており、メイン凹所の深さが深くなるとタンブル流の流速は速くなって混合気の乱れエネルギは増大し、火炎伝播速度も速くなる傾向がある。ところが、本願発明者たちが実験したところ、メイン凹所が例えばスキッシュエリアの深さ寸法の２倍というような深さになると、混合気の乱れ促進効果は顕著に顕れているのに燃費が却って悪化する現象が見られた。これは、メイン凹所が深くなることでピストンの冠面の表面積が大きくなって、燃焼による熱がピストンの表面から逃げてしまうためと推測される。

つまり、メイン凹所の深さが深くなることは、タンブル流促進という利点がある反面で熱損失増大という問題も有していると言える。この点、本願請求項２の構成を採用すると、ピストンの冠面の表面積を過度に大きくすることなく高い流速のタンブル流を生成できると推測されるが、燃費の悪化は回避しつつ出力を増大を図ることができた。

また、ピストンの冠面のうち排気口に寄った箇所には排気バルブを逃がすためのサブ凹所を形成せねばならない場合があり、仮にメイン凹所をスキッシュ面の内周縁まで寄せるとメイン凹所とサブ凹所とが重なってしまうことがあるが、請求項３のように平坦部を設けると、メイン凹所はサブ凹所と殆ど重ならない状態で形成できるため、メイン凹所の効果をしっかりと享受することができる。

実施形態を示す縦断正面図で、図２（Ａ）のＩ−Ｉ視方向から見た全体の断面図である。（Ａ）はピストンの平面図、（Ｂ）は吸気口と排気口との位置を点線で付加した状態でのピストンの平面図である。作用を示す縦断正面図である。

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

(1).構造
本実施形態は４サイクル内燃機関に適用しており、内燃機関は、シリンダボア１を有するシリンダブロック２と、シリンダボア１に往復動自在に嵌め込まれたピストン３と、シリンダボア１を覆うようにシリンダブロック２に固定されたシリンダヘッド４とを有している。ピストン３にピストンリング５及びオイルリング６が嵌まっていると共に、連接棒７が連結されている。

シリンダヘッド４はシリンダボア１に向いて開口した燃焼室８を有している。燃焼室８はシリンダボア１に向いて凹状の断面台錘状になっており、従って、燃焼室８は（或いはシリンダヘッド４は）シリンダボア１の軸心Ｏ１に対して傾斜した傾斜ルーフ面９を有しており、この傾斜ルーフ面９に、吸気バルブ１０で開閉される吸気口１１と排気バルブ１２で開閉される排気口１３とが、２個ずつ軸心Ｏ１を挟んだ両側に振り分けて配置されている。燃焼室８の中央部には着火手段の一例としての点火プラグ１４を取り付けている。

図２で吸気口１１と排気口１３との並び方向を符号Ｘで示しており、このＸ方向と直交すると共にシリンダボア１及びピストン３の軸心Ｏ１と直交した方向をＹ方向として、Ｙ方向から見た方向を正面視方向としている。従って、図１及び図３は軸心Ｏ１を含む正断面を表示しており、これを縦断正面図として定義する。Ｘ方向から見た方向は側面視方向として定義される。便宜的に、Ｘ方向を左右方向と称し、Ｙ方向を前後方向と称する。

ピストン３の周縁には当該ピストン３及びシリンダボア１の軸心Ｏ１に対して傾斜したスキッシュ面１５が形成されている。従って、スキッシュ面１５の外側には断面三角形のスキッシュエリア１６が環状に形成されている。スキッシュ面１５の傾斜角度はシリンダヘッド４における傾斜ルーフ面９の傾斜角度と略同じに設定している。また、スキッシュ面１５は、その巾寸法Ｌが高さ寸法Ｈ１のおおよそ２倍程度になっており、従って、スキッシュ面１５の傾斜角度は３０°程度（３０°弱）になっている。また、スキッシュ面１５の巾寸法Ｌはピストン３の半径の０．２８倍程度、スキッシュ面１５の高さ寸法（スキッシュエリア１６の深さ寸法）Ｈ１はピストン３の半径の約０．０９倍程度に設定されてる。

ピストン３のううちスキッシュ面１５で囲われた部位にはメイン凹所１８が形成されている。また、ピストン３の冠面には、吸気バルブ１０を逃がすための前後２つの第１サブ凹所１９と、排気バルブ１２を逃がすための前後２つの第２サブ凹所２０とが形成されている。第１サブ凹所１９はメイン凹所１８とかなりの範囲で重なっているが、第２サブ凹所２０はメイン凹所１８とは僅かしか重なっていない。

スキッシュ面１５は第１サブ凹所１９によって２カ所が分断されているが、第２サブ凹所２０はスキッシュ面１５の内側に位置しており、前後の第２サブ凹所２０とスキッシュ面１５とメイン凹所１８とで囲われた僅かの範囲はピストン３の軸心Ｏ１と直交した平坦面２１になっている。

メイン凹所１８は、排気口１３の側に寄った第１エリア２２、吸気口１１の側に寄った第２エリア２３、第１エリア２２と第２エリア２３との間に位置した第３エリア２４の３つのエリアで構成されている。そして、図１や図３の縦断正面視において、第１エリア２２の底面は半径Ｒ１の円弧面となり、第２エリア２３の底面は半径Ｒ２の円弧面となり、第３エリア２４の底面は半径Ｒ３の円弧面になっているが、Ｒ１はシリンダボア１の半径Ｒ０の１．０〜０．８５倍、Ｒ２はＲ１の２．５〜４．０倍、Ｒ３はＲ２の数倍（例えば３〜５倍）に設定している。

第１エリア２２と第３エリア２４とは滑らかに連続しており、第３エリア２４と第２エリア２３とも滑らかに連続している。第３エリアの２４の曲率の中心Ｏ２はピストン３の軸心Ｏ１よりも第１エリア２２に寄っている。第１エリア２２と第３エリア２４とは概ね同じ程度の左右巾寸法になっており、また、第２エリア２３の左右巾寸法は第１エリア２２及び第３エリア２４の左右巾寸法の１．５倍以上になっている。

メイン凹所１８は、第１エリア２２と第３エリア２４との境界部の当たりが最も深くなっており、この深さ寸法Ｈ２はスキッシュ面１５の高さ寸法Ｈ１と殆ど同じ寸法になっている。図面での表示は省略しているが、Ｘ方向から見た断面では各エリア２２，２３，２４は上向き凹状に湾曲している。

(2).まとめ
図３（Ａ）に示すように、シリンダボア１にはピストン３が下降する吸気行程で混合気が吸引され、吸気バルブ口１０が閉じてピストン３が上昇行程に転じることで混合気が圧縮される。吸気口１１から噴出した混合気は直線性を持っているが、まずシリンダボア１の壁面に衝突することで下向きに方向が変えられ、それからピストン３のメイン凹所１８でガイドされることでタンブル流が付与される（旋回エネルギが付与される。）。

そして、本願発明では、第１エリア２２の曲率が小さいことにより、混合気は効率的に方向変換させられ、しかも、第３エリア２４の曲率が非常に大きいため、混合気は速度を落とすことなく第２エリア２３に移行し、この第２エリア２３でスムースに上向きの方向性が付与される。このようなメイン凹所１８でのガイド作用と、シリンダヘッド４の燃焼室８が傾斜ルーフ面９になっていることとにより、混合気は圧縮行程でも図３（Ｂ）に示すようにピストン３の点火タイミング近くまでタンブル流が持続しており、これによって空気と燃料との混合性を向上させることができる。

また、第３エリア２４の曲率が非常に大きいことと、メイン凹所１８が全体として浅いこととにより、上死点近くの点火タイミング付近での混合気の押しつぶし作用がしっかりと行われて、火炎を迅速にしかも均等に伝播させることができる。また、スキッシュ面１５を過不足なく確保できるため、ノッキング防止の効果も高い。

実施形態のように、Ｒ１をシリンダボア１の半径Ｒ０の１．０〜０．８５倍、Ｒ２をＲ１の２．５〜４．０倍、Ｒ３をＲ２の数倍（例えば３〜５倍）に設定すると、タンブル流の生成がより確実化されて好適であった。

また、本実施形態のように前後の第２サブ凹所２０とスキッシュ面１５とメイン凹所１８とで囲われた僅かの範囲を平坦面２１となすと、ピストン３をひっくり返した状態で搬送するにおいて、ピストン３を安定良く維持できる利点がある。更に、ピストン３の冠面のうち吸気口１１に寄った箇所に排気バルブ１２を逃がすための第２サブ凹所２０を形成しているが、仮にメイン凹所１８をスキッシュ面１５の内周縁まで寄せるとメイン凹所１８と第２サブ凹所２０とが重なってしまうが、本実施形態のように前後の第２サブ凹所２０とスキッシュ面１５とメイン凹所１８とで囲われた僅かの範囲を平坦面２１に形成すると、メイン凹所１８は第２サブ凹所２０と殆ど重ならない状態に形成できるため、メイン凹所１８によるタンブル流生成効果をしっかりと享受できると考えられる。これらの点も本実施形態の利点の一つである。

(3).その他
本願発明は、上記の実施形態の他にも様々に具体化できる。例えば吸気口１１及び排気口１３はダブル方式なくシングル方式とすることも可能である。シリンダヘッドにおける燃焼室のルーフ面の断面形状を曲面とすること（すなわち燃焼室を椀形に形成すること）も可能である。

本願発明は内燃機関に適用してその有用性を発揮できる。従って産業上利用できる。

１シリンダボア
２シリンダブロック
３ピストン
４シリンダヘッド
８燃焼室
９傾斜ルーフ面
１０吸気口バルブ
１１吸気口
１２排気バルブ
１３排気口
１４点火プラグ
１５スキッシュ面
１６スキッシュエリア
１８メイン凹所
２２第１エリア
２３第２エリア
２４第３エリア

Claims

シリンダボアに往復動自在に配置されたピストンと、前記シリンダボアを塞ぐシリンダヘッドとを備えており、
前記シリンダヘッドには、前記シリンダボアの軸心に対して傾斜したルーフ面を有する断面略台錘形の燃焼室が形成されており、前記燃焼室の傾斜状ルーフ面に、吸気バルブで開閉される吸気口と排気バルブで開閉される排気口とが軸心を挟んで反対側に位置するように開口していると共に、燃焼室の略中央部には点火プラグが配置されている一方、
前記排気口と吸気口との並び方向に直交しかつ前記ピストンの軸心と直交した方向から見た方向を正面視として、前記ピストンの冠面に、前記吸気口から噴出した混合気に正面視で旋回流を付与するメイン凹所が形成されている、
という内燃機関であって、
前記ピストンの冠面のうち外周縁には軸線に対して傾斜したスキッシュ面が環状に形成されていてこのスキッシュ面で前記メイン凹所が囲われており、かつ、前記メイン凹所は、前記排気口に近い側に位置した第１エリアと、前記吸気口に近い側に位置した第２エリアと、これら第１エリアと第２エリアとの間に位置した第３エリアとの３つのエリアから成っており、
少なくとも前記第１エリアと第２エリアとの内面は縦断正面視において湾曲していると共に、縦断正面視において第１エリアの内面の曲率が第２エリアの内面の曲率よりも小さくなっており、かつ、第３エリアの内面は縦断正面視で前記第２エリアの内面の曲率の数倍以上の大きい曲率の曲面であるか又は略直線状になっており、第１エリアと第３エリアとの境界部が最も深くて、第１エリアと第３エリア、及び第２エリアと第３エリアとは滑らかに連続しており、前記第３エリアの曲率の中心はピストンの軸心よりも排気口の方に寄っており、
かつ、前記各エリアは正面視と直交した側面視においてシリンダヘッドに向けて凹となるように湾曲している、
内燃機関。
前記スキッシュ面をピストンの軸線方向で測った寸法と前記メイン凹所の最も深い箇所の深さ寸法とを略同じに設定している、
請求項１に記載した内燃機関。