JP2012026424A - シリンダーヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼の急速化と冷却損失の低減とを実現するシリンダーヘッドを提供する。
【解決手段】燃焼室２を画成する壁面３と、壁面３に開口する第１開口部４を有する吸気ポート５と、壁面３に開口する第２開口部６を有する排気ポート７と、壁面３に開口する第３開口部７を有する２つの点火プラグ取付部８とが形成されたシリンダーヘッド１であって、第１開口部４の中心軸と、第２開口部６の中心軸と、第３開口部８の中心軸とが点Ｐで交わり、壁面３は、点Ｐを中心とした球殻の一部である。
【選択図】図２

Description

本発明はシリンダーヘッドに関するものである。特に急速燃焼を実現し、リーン化の限界を拡大し、かつ燃焼室の表面積を小さくして冷却損失を低減するシリンダーヘッドに関するものである。

従来の２点点火用のシリンダーヘッドについては、例えば特許文献１に開示されている。従来の２点点火用のシリンダーヘッドの特徴を図６を用いて説明する。図６はシリンダー側から見た底面図である。

従来の２点点火用のシリンダーヘッド３０は、図６のようにシリンダー列の中心線３１をはさんで両側に各１個ずつの吸排気バルブシート３２と点火プラグ取り付けネジ孔３３とが配設されている。

特開２００２−３３９８００号公報

上記従来発明におけるシリンダーヘッド３０の燃焼室の基本形状は図７に示すように球殻の一部である。図７は図６における各断面の特徴を示す図である。球殻の径が最大となる位置はシリンダーの中心軸３６を通る断面Ｘ１−Ｘ１や断面Ｙ１−Ｙ１である。

しかし、上記従来発明では、吸排気バルブシート３２を通る断面（図６中のＸ２−Ｘ２における断面）に現れる円弧の径や点火プラグ取り付けネジ孔３３を通る断面（図６中のＸ３−Ｘ３における断面）に現れる円弧の径は、シリンダーの中心軸３６を通らないので最大径とはならない。

従来の燃焼室３４においては吸排気バルブシート３２や点火プラグ取り付けネジ孔３３は燃焼室３４の壁面に対して放射状（吸排気バルブシート３２や点火プラグ取り付けネジ孔３３の中心軸が壁面の法線）になるように配設することはできない。シリンダーヘッド３０には２個の点火プラグが取り付けられるため、シリンダーの中心軸３６を通り、シリンダー列に沿って延びる面に対して、吸排気バルブシート３２の中心軸３５は平行となるが、シリンダーの中心軸３６からオフセットしている。従って、吸排気バルブシート３２の中心軸３５を、円弧の径が最大となるシリンダーの中心軸３６を通るＸ１−Ｘ１断面やＹ１−Ｙ１断面上に位置させることはできない。

断面Ｘ２−Ｘ２に現れる円弧の径は断面Ｘ１−Ｘ１に現れる円弧の径より小さくなるため、吸排気バルブシート３２の内側を、燃焼室３４の壁面に接するようにすれば、吸排気バルブシート３２の外側は燃焼室３４の壁面に食い込むようになる。そのため図７の断面Ｘ２−Ｘ２においてハッチングで示すようなポケット３７が生じてしまう。これによって燃焼室３４の壁面を球殻状に形成できなくなる。

また、点火プラグ取り付けネジ孔３３の中心軸３８を燃焼室３４の壁面の中心点を通すことが難しい。そのため例えば、図７の断面Ｘ３−Ｘ３のように点火プラグ取り付けネジ孔３３の先端の中心点を壁面に一致させるようにすると、燃焼室３４の壁面の一部を窪ませてポケット３９を形成し、反対側を肉盛りして突部４０を形成し、点火プラグの先端の一部が燃焼室３４内に露出しないようにしなければならない。このようにポケット３７、３９や突部４０を形成することで、本来は球殻が理想である燃焼室３４の壁面を変形させて、点火プラグの先端の周囲が燃焼室３４の壁面と一致するようにしていた。従って、燃焼室３４の壁面は球殻ではなくなるので、このような燃焼室３４は改良型半球形燃焼室と呼ばれていた。

これらポケット３７、３９、突部４０が形成されることによって点火点（点火プラグの中心電極と側方電極の２つの電極の中間）から伝播する火炎の進行が阻害されると同時に、燃焼室３４の表面積が増大するため冷却損失も大きくなる。結果的に２つの点火プラグを装着したにもかかわらず、十分に速い燃焼を実現することができない、といった問題点があった。

本発明はこのような問題点を解決するために発明されたもので、２つの点火プラグを設け、壁面が球殻の一部を形成する燃焼室を実現し、急速燃焼と冷却損失の低減を図ることを目的とする。

本発明のある態様に係るシリンダーヘッドは、燃焼室を画成する壁面と、壁面に開口する第１開口部を有する吸気ポートと、壁面に開口し、第１開口部と略同一径である第２開口部を有する排気ポートと、壁面に開口する第３開口部を有する２つの点火プラグ取付部とが形成されたシリンダーヘッドであって、第１開口部の中心軸と、第２開口部の中心軸と、第３開口部の中心軸とが第１点で交わり、壁面は、第１点を中心とした球殻の一部であり、第１開口部の中心点と第２開口部の中心点とを結ぶ第１線と、２つの第３開口部の中心点を結ぶ第２線とは、壁面をシリンダー側から見た場合に壁面の中心で直交し、壁面をシリンダー側から見た場合に、２つの第３開口部の中心間距離は、シリンダー径の略１／２である。

本発明によると、燃料の急速燃焼を実現し、冷却損失の低下を低減することができる。

本実施形態のシリンダーヘッドのシリンダー側から見た場合の底面図である。 図１におけるＩＩ−ＩＩ断面図である。 シリンダーヘッドに設けられる吸排気バルブと点火プラグの配置状況を示す図である。 図２におけるＩＶ−ＩＶ断面図の一部を示す図である。 図１におけるＶ−Ｖ断面図である。 従来のシリンダーヘッドの構成を示す図である。 図６における各断面の特徴を示す図である。

本発明の実施形態について図１、２を用いて説明する。図１は本実施形態の２点点火エンジンのシリンダーヘッドをシリンダー側から見た底面図である。図２は図１におけるＩＩ−ＩＩ断面図である。

シリンダーヘッド１は、アルミ合金製であり、燃焼室２を画成する内壁面３が形成される。内壁面３はシリンダーの中心点である点Ｐ（第１点）を中心とする半径Ｒの球殻の一部で形成され、浅い半球形に形成された面である。なお、内壁面３は、スキッシュ域を有していない。

また、シリンダーヘッド１には、内壁面３に開口する第１開口部４を有する吸気ポート５と、内壁面３に開口する第２開口部６を有する排気ポート７と、内壁面３に開口する第３開口部８を有する２つの点火プラグ取付部９とが形成される。

吸気ポート５の第１開口部４、および排気ポート７の第２開口部６には、耐熱合金製の吸排気バルブシート１１が焼き嵌めや圧入により取り付けられている。また、シリンダーヘッド１には、耐摩耗性のバルブガイド１２が焼き嵌めや圧入により取り付けられている。第１開口部４とバルブガイド１２、および第２開口部６とバルブガイド１２は、それぞれ同軸に加工されている。つまり、吸排気バルブシート１１とバルブガイド１２とは、同軸に加工されている。バルブガイド１２の上部には吸排気バルブ１３を駆動するためのカムシャフトを支持するカムブラケット１４が取り付けられている。

シリンダーの中心点である点Ｐを通るシリンダー軸と内壁面３とが交差する点を図１における底面図に投影した点である点Ｏ（第２点）に対して、吸気ポート５の第１開口部４と排気ポート７の第２開口部６は図１に示す底面図において点対称となるように設けられている。つまり、吸排気バルブシート１１は図１に示す底面図において、点Ｏを中心に点対称となるように設けられている。

吸気ポート５の第１開口部４の径と排気ポート７の第２開口部６の径とは、略同一の径である。つまり、２つの吸排気バルブシート１１の径は、略同一の径である。一般的に吸気バルブの径は、排気バルブの径よりも１０％以上大きく設定されている。しかし、本実施形態では、吸気バルブの径と排気バルブの径とを略同一の径としている。そのため、第１開口部４と第２開口部６の径も略同一の径となる。これにより、図１に示す底面図において、吸排気バルブシート１１は、点Ｏに対して点対称となる。

また、吸気ポート５および排気ポート７は、図３に示すようにシリンダー列Ｑに直交する方向に吸排気バルブ１３が配置されるように設けられる。図３は、シリンダーヘッド１に設けられる吸排気バルブ１３と点火プラグ１５の配置を示す図である。

吸気ポート５の第１開口部４の中心軸、排気ポート７の第２開口部６の中心軸、つまり吸排気バルブシート１１の中心軸は、図２および図４に示すように点Ｐを通る。図４は図２におけるＩＶ−ＩＶ断面図の一部を示す図である。

点火プラグ取付部９は、図１に示す底面図において点Ｏに対して点対称となるように設けられている。また、点火プラグ取付部９は、２個の点火プラグ１５の先端が燃焼室２に露出するように設けられる。

点火プラグ取付部９は、図３に示すようにシリンダー列Ｑに沿って点火プラグ１５が配置されるように設けられる。

第１開口部４、第２開口部６および第３開口部８との関係をまとめると、吸気ポート５の第１開口部４の中心と排気ポート７の第２開口部６の中心とを結ぶ線分（第１線）と、２つの点火プラグ取付部９の中心を結ぶ線分（第２線）とは、図１に示す底面図において、点Ｏで直交している。つまり、２つの線は図１において内壁面３の中心となる点Ｏで直交している。また、第１開口部４と第２開口部６とは図１において、点Ｏを中心として点対称となり、２つの第８開口部６は図１において、点Ｏを中心として点対称となる。

２つの点火プラグ取付部９の中心軸は、図２および図５に示すように点Ｐを通る。つまり、２つの点火プラグ取付部９の中心軸は、燃焼室２の内壁面３に対して法線となる。図５は図１におけるＶ−Ｖ断面図である。

２つの点火プラグ取付部９の第３開口部８の中心間距離Ｌは、図１に示すようにシリンダーの直径Ｌ１の略１／２である。このように点火プラグ取付部９が配置されることで、点火プラグ１５による点火点から２つの火炎がぶつかり合うシリンダー中心までの距離と、点火点からシリンダー中心とは反対側に位置するシリンダー壁までの距離とをほぼ等しくすることができる。

点火プラグ取付部９の外周は、図２に示すようにウォータージャケット１６で包まれ、ウォータージャケット１６を流れる冷却水によって点火プラグ１５が冷却される。なお、空冷式の場合には、フィンを設けて点火プラグ１５の冷却を促進する。

本実施形態では、吸気ポート５の第１開口部４の中心軸、排気ポート７の第２開口部６の中心軸、および点火プラグ取付部９の第３開口部８の中心軸がシリンダーの中心点である点Ｐを通るように、吸気ポート５、排気ポート７および点火プラグ取付部９は設けられている。

吸気ポート５などをこのように配置することで、各中心軸は点Ｐから放射状に広がることとなる。また、燃焼室２を画成するシリンダーヘッド１の内壁面３は点Ｐを中心とした半径Ｒの球殻状の一部であり、浅い球殻状の一部である。そのため、吸気ポート５の第１開口部４、排気ポート７の第２開口部６、および点火プラグ取付部９の第３開口部８の周囲は、球殻状の内壁面３と一致する。すなわち、第１開口部４などの中心軸は、点Ｐを中心とする半径Ｒの球殻に直交するので、吸気ポート５などがシリンダーヘッド１の内壁面３に内接する部分にポケットや突部を設けずに、吸気ポート５などをシリンダーヘッド１に形成することができる。そのため、シリンダーヘッド１の内壁面３に、ガス流動を促進させるスキッシュ域を設けずに、急速であり、かつ穏やかな燃焼を行うことができる。

また、シリンダーヘッド１の内壁面３は、図１における背面図において、点Ｏを中心として点対称となるように吸気ポート５の第１開口部４などが配置されている。シリンダーヘッド１の内壁面３の球殻化と対称性は、燃焼の急速化と冷却損失の低減の効果が大きい。

次に本実施形態の作用について説明する。

シリンダーヘッド１においては、シリンダー径の１／２の間隔となる２つの点火点からの火炎は、ポケットや突部のない滑らかな球殻状の内壁面３と、ピストンの冠面とで画成される空間を同速度で進行し、殆ど同時に燃焼室２の隅々に急速に行き渡る。なお、燃焼室２の内壁面３は対称性が維持されるため、２つの点火プラグ１５は、同時に点火する。

燃焼室２を本実施形態のような立体幾何学的な構成とすることにより、２点点火でありながら、４点点火の場合と同様に急速燃焼を実現することができる。急速燃焼の実現により、最適の点火時期（ＭＢＴ：Ｍｉｎｉｍｕｍ Ａｄｖａｎｃｅ ｆｏｒ Ｂｅｓｔ Ｔｏｒｑｕｅ）を上死点に近づけることができるため、時間損失が小さくなり、熱効率が向上する。また、燃焼が安定するため空燃比の希薄化が可能となり、さらに熱効率が４０％近くまで向上する。また、燃焼室２の内壁面３が球殻状であるので、内壁面３を例えば回転加工のみで高精度に加工することができる。

本発明の実施形態の効果について説明する。

本実施形態では、火炎の伝播距離を短くするとともに、伝播途中に障害となるポケットや突部を燃焼室２から除去できるので、ガス流動を促進するが冷却損失を増大させるスキッシュ域が不要となる。これによって、急速でありながら穏やかな燃焼を実現できる。

また、火炎伝播速度にばらつきがなくなるため、ノッキングを抑制する効果、すなわちアンティノック性が高くなる。

また、燃料を急速に燃焼することができ、燃焼の急速化による希薄燃焼限界を拡大することができる。この相乗効果により熱効率が大幅に向上することができる。

さらに、燃焼室２が単純な形状となるため、加工が容易になる。また、吸気ポート５と排気ポート７とで共通の吸排気バルブシート１１などを使用することができる。これによってコストダウンを図ることができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

１ シリンダーヘッド
２ 燃焼室
３ 内壁面（壁面）
４ 第１開口部
５ 吸気ポート
６ 第２開口部
７ 排気ポート
８ 第３開口部
９ 点火プラグ取付部

Claims (5)

1. 燃焼室を画成する壁面と、
   前記壁面に開口する第１開口部を有する吸気ポートと、
   前記壁面に開口し、前記第１開口部と略同一径である第２開口部を有する排気ポートと、
   前記壁面に開口する第３開口部を有する２つの点火プラグ取付部とが形成されたシリンダーヘッドであって、
   前記第１開口部の中心軸と、前記第２開口部の中心軸と、前記第３開口部の中心軸とが第１点で交わり、
   前記壁面は、前記第１点を中心とした球殻の一部であり、
   前記第１開口部の中心点と前記第２開口部の中心点とを結ぶ第１線と、２つの前記第３開口部の中心点を結ぶ第２線とは、前記壁面をシリンダー側から見た場合に前記壁面の中心で直交し、
   前記壁面をシリンダー側から見た場合に、２つの前記第３開口部の中心間距離は、シリンダー径の略１／２であることを特徴とするシリンダーヘッド。
2. 前記第１開口部の径と前記第２開口部の径とは同一の径であり、前記壁面を前記シリンダー側から見た場合に、前記吸気ポートと前記排気ポート、及び前記２つの点火プラグ取付部は前記第１線と前記第２線とが交差する第２点を中心として点対称となることを特徴とする請求項１に記載のシリンダーヘッド。
3. 前記点火プラグ取付部は、前記第２線がシリンダー列に一致、もしくは前記シリンダー列に対して平行となるように形成されることを特徴とする請求項１または２に記載のシリンダーヘッド。
4. 前記第１点は、シリンダー軸上に設けられることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載のシリンダーヘッド。
5. 前記壁面は、スキッシュ域を有しない、前記第１点を中心とした前記球殻の一部であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載のシリンダーヘッド。

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