JP2016089651A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構造で、内燃機関のノッキングを抑制する。【解決手段】ピストン３の周縁部に、周方向に延在する細長の凹部１１を設ける。凹部１１は、排気側ＥＸ及び吸気側ＩＮのいずれか一方の１箇所または両方となる２箇所に設ける。あるいは、隣接するシリンダ側となる気筒列方向のいずれか一方の１箇所または両方となる２箇所に設ける。高温になり易い排気側、またはタンブルにより高温ガスが流れてくる吸気側や、ウォータジャケットのレイアウトにより冷却性が低下する側となる隣接するシリンダ側に凹部を設け、表面積を増大することにより冷却性を向上し、火炎が到達する前に高温化してノッキングが生じることを抑制する。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関に関するものである。

シリンダブロックに形成されたシリンダ内にピストンが往復動し、シリンダブロックの上面に配設されたシリンダヘッドとピストンとの間に燃焼室が画成された火花点火式内燃機関では、燃焼室内で圧縮された混合気が点火プラグの火花放電により点火されると火炎核が生じ、その火炎核から火炎が燃焼室内を伝わっていく。

一方、圧縮工程における圧縮や燃焼ガスの膨脹による圧縮によって混合気の温度は上昇するため、点火プラグから遠い場所にある未燃焼の混合気（エンドガス）は火炎が到達する前に自己着火して、ノッキングが生じる場合がある。ノッキングを抑制するためには、火炎が到達する前にエンドガスが自己着火しないようにするとよく、ノッキングを抑制するための種々の技術が提案されている。

例えば、圧縮行程における混合気の温度上昇を抑制するべく、ピストンに冷却構造を設けたものがある（特許文献１参照）。また、火炎帯の前方に生成する未燃混合気の膨脹流に乱れを生じさせることにより火炎伝播速度（火炎が未燃混合気の中を伝わる速度）を増大させるべく、ピストンの頂面の周縁部に円環形状の突起を設けたものがある（特許文献２参照）。また、燃焼早期に燃焼室外周縁部で十分な燃焼を行わせるべく、燃焼室の周縁部の対称位置に周方向に開口する噴孔を備えた副室をそれぞれ設け、噴孔を介することにより副室内に向かう強い流れを生じさせることにより、副室内に流入する高温の混合気を自己着火させ、それにより噴孔から燃焼室内へ火炎が噴出されるようにしたものがある（特許文献３参照）。

一方、ノッキングを生じさせる原因として燃焼室の周縁部に付着したカーボンが火種となることがある。燃焼室の周縁部へのカーボンの付着は、シリンダ内周面に付着した潤滑油がピストンによりかき上げられることにより生じることから、シリンダ内周面に付着した潤滑油がかき上げられるのを抑制するべく、ピストンのトップランド部に溝とランドとを設け、ピストンの傾きをランドで抑え、潤滑油のかき上げを溝により抑制するようにしたものがある（特許文献４参照）。

特開２００６−１５２８７９号公報 特開平１０−３０６７２６号公報 特開平７−２６９３４９号公報 実開昭６２−１２２１５４号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、ピストンに設けた冷却通路に冷媒を封入するという複雑な構造であり、製造コストが高騰化するという問題がある。また、特許文献２のものでは、ピストンの頂面に突起を設けることから、突起の突出量が大きい場合には対向する燃焼室の上面側（シリンダヘッド側）に逃げを形成する必要が生じる等、個々の内燃機関に応じて大幅な設計変更を行うという煩雑さが増大するという問題がある。また、特許文献３のものにおいても、燃焼室に副室を設け、副室と燃焼室とを連通する噴孔を設けるという複雑な構造であり、製造コストが高騰化するという問題がある。また、特許文献４のものでは、溝とランドとがピストンの全周に亘って交互に配置されているため、溝の大きさによっては圧縮比の低下を招き、その場合には別途対策を施す必要がある等、設計が煩雑化するという問題がある。

本発明は、以上の背景に鑑み、簡単な構造で、内燃機関のノッキングを抑制することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、シリンダブロック（１）に形成されたシリンダ（４）内を往復動するピストン（３）とシリンダヘッド（２）との間に燃焼室（５）が画成された内燃機関であって、前記ピストンの頂面（３ａ）の周縁部の１または２箇所に、周方向に延在する細長の凹部（１１）が設けられていることを特徴とする。

この構成によれば、ピストン周縁部において凹部を設けた部分の表面積が増大するため、その部分の冷却性が向上し、ノッキングを抑制することができる。その凹部を設ける箇所を１または２箇所に限定することにより、凹部を設けたことによる圧縮比の低下および熱損失の増加を抑制することができる。

また、前記燃焼室（５）が、前記ピストンの頂面の周縁部との間にスキッシュを生じさせるスキッシュ部（９）を有する形状に形成され、前記凹部（１１）が、前記スキッシュ部に対応する部分に設けられているとよい。

これによれば、ノッキングが生じ易いピストン周縁部から燃焼室中央側へ向かうスキッシュ流が生じ、火炎が到達する前に高温になる虞のあるピストン周縁部に対してスキッシュ流により冷却することができると共に、スキッシュ部に凹部を設けることから、より一層ノッキングが生じることを抑制することができる。

また、前記凹部（１１）が、隣接するシリンダ（４）側に設けられているとよい。これによれば、複数の気筒が直列に配設された内燃機関において、コンパクト化のために気筒間を狭め、気筒間のウォータジャケットが省略された場合には、燃焼室のクランク軸の軸線方向における冷却性が低下するため、その部分に凹部を設けて冷却性が向上することにより、ノッキングを抑制することができる。

また、前記凹部の前記ピストンの頂面に至る部分（３ｃ・３ｄ）が、前記ピストンの軸線方向に向けて拡開しているとよい。これによれば、凹部内で圧縮されたガスが凹部から流出し易くなり、凹部内に高圧ガスが生じることを抑制でき、ノッキングを抑制し得る。

このように本発明によれば、簡単な構造で、凹部を設けたことによる圧縮比の低下および熱損失の増加を抑制し、内燃機関のノッキングを抑制することができる。

本発明が適用された内燃機関の要部を示す側断面図 図１のII−II線に沿う面で矢印方向に見たピストンの上面図 凹部の断面形状を示す要部拡大側断面図 ノック頻度を示す図 凹部の他の配置例を示すシリンダブロックの上面図 凹部の他の断面形状を示す図３に対応する図

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明が適用された内燃機関の要部を示す側断面図であり、図２は図１のII−II線に沿う面で矢印方向に見たピストンの上面図である。図１において、シリンダブロック１の上面にシリンダヘッド２が固設されている。シリンダブロック１には、ピストン３を図における上下方向に往復動自在に受容する円筒状のシリンダ４が形成されており、シリンダヘッド２には、シリンダ４の内周面及びピストン３の頂面３ａとの間にペントルーフ型の燃焼室５を画成する２つの傾斜面４ａ・４ｂが形成されている。一方の傾斜面４ａには吸気ポート６が開口し、他方の傾斜面４ｂには排気ポート７が開口しており、両ポート６・７は吸気及び排気バルブ（図示省略）によりそれぞれ開閉される。また、シリンダヘッド２には、両傾斜面４ａ・４ｂの間であって燃焼室５の中央となる位置に点火プラグ８が配設されている。なお、ピストン３の頂面３ａは、部分的に例えば吸気及び排気バルブに対する逃げ等が設けられていてよいが、全体として平坦面に形成されている。

点火プラグ８の点火により燃焼室５内の混合気が点火され、それにより点火プラグ８を中心に拡がる火炎伝播が発生するが、点火プラグ８から遠い場所にある未燃焼の混合気（エンドガス）が火炎の到達前に自己着火することによりノッキングが生じる。エンドガスが自己着火する１つの要因としては、火炎伝播により膨脹した燃焼ガスにより、点火プラグ８から遠い所にあるエンドガスが、ピストン３やシリンダ４の内周面に押し付けられて圧縮されると高温・高圧になり、その高温・高圧が限界を超えた場合がある。また、シリンダ４の内周面に付着した潤滑油がピストン３によりかき上げられ、かき上げられた潤滑油が燃焼によりカーボン化し、カーボンが堆積することにより火種となり、その火種によりエンドガスが高温になって自己着火する場合がある。

上記したようなノッキングを抑制するためには、火炎が到達する前に燃焼室５内のエンドガスが自己着火することを防止するとよい。そのための対策の一つとして、エンドガスが自己着火する前に火炎がエンドガスに到達するように、火炎伝播の距離を短くするために燃焼室５の形状をペントルーフ型にする。ペントルーフ型の場合には点火プラグ８は燃焼室５の略中央に配置される。

また、エンドガスの自己着火を防止するには、その自己着火温度に達するまでの時間を長引かせるために、エンドガスの温度上昇を抑えるとよい。そのための対策の一つとして、点火プラグ８から遠い部分となる燃焼室５の周縁部にスキッシュを生じさせるスキッシュ部９を設ける。スキッシュ部９は公知の構造であってよい。本実施形態では、燃焼室５の周縁部分であって吸気ポート６側及び排気ポート７側のそれぞれにおいて、シリンダヘッド２側に、ピストン３の頂面３ａの周縁部に対して平行な面が形成されている。それにより、ピストン３が上死点に達するときに頂面３ａとシリンダヘッド２の平行面との間に狭い隙間が生じ、燃焼室５の周縁部から中央側に向けて流れるスキッシュが生じる。そのようなスキッシュの流れが、混合気を撹拌し、火炎伝播速度を高めるように作用する上、燃焼室５の周縁部におけるエンドガスの温度上昇を抑制することができる。

さらに、ピストン３には、その頂面３ａの周縁部に開口し、上面視で周方向に延在する細長の凹部１１が設けられている。図示例の凹部１１は、ピストン３のトップランド３ｂに対しても開口しており、図３に示されるように、ピストン３の径方向を幅Ｗとし、ピストン３の軸線方向を深さＤとした場合に、幅Ｗと深さＤとが略同一長さの矩形断面形状に形成されていてよい。なお、幅Ｗは、スキッシュ部９のピストン３の径方向の最大長さの範囲内であるとよい。深さＤは、トップランド３ｂのピストン３の軸線方向長さの範囲内となる。

このように凹部１１を設けることにより、凹部１１により表面積が増大するため、ピストン３の周縁部における凹部１１を設けた部分の冷却性を向上することができ、凹部１１近傍のエンドガスの温度上昇が抑制される。凹部１１は、ピストン３の頂面３ａが平坦面であるとした場合にエンドガスが自己着火する虞のある部分のみに設けるとよく、ピストン３の全周に亘って設ける必要はない。これにより、凹部１１を設けることにより圧縮比が低減する影響を抑制することができ、従来の内燃機関に対しても、ピストン３以外の設計変更を特にすることなく本発明を適用し得る。

次に、凹部１１を設ける箇所の好適例を説明する。

燃焼室５の周縁部においてエンドガスの温度が高い部分として、排気ポート７の近傍がある。したがって、凹部１１を排気ポート７側に設けるとよい。また、排気行程において燃焼室５内で生じるタンブルにより、高温ガスが排気ポート７の反対側の吸気ポート６側にも流れてくる。その場合には、吸気ポート６側に凹部１１を設けるとよい。

また、図１及び図２は、吸気ポート６が設けられている吸気側ＩＮと、排気ポート７が設けられている排気側ＥＸとの２箇所に凹部１１を設けた例である。図２において吸気側ＩＮと排気側ＥＸとに二点鎖線で示される領域はスキッシュ部９である。凹部１１は、ピストン３の軸芯周りに所定の角度範囲に亘って円弧状に設けられている。なお、凹部１１の周方向に延在する角度範囲は、上限を９０度とするとよいが、上記圧縮比に対する影響をできるだけ低減するべく、ノッキングを抑制し得る最少角度範囲にするとよい。

このように、凹部１１を設ける箇所としては、吸気側ＩＮ及び排気側ＥＸのいずれか一方となる１箇所、または両方となる２箇所に設けるとよい。凹部１１を設ける箇所の数及び大きさを限定することにより、凹部１１を設けたことによる圧縮比の低減を最小限とすることができる。

なお、凹部１１を吸気側ＩＮに設ける場合には、初期火炎の偏りと、スキッシュ流によりエンドガスの温度上昇が抑制される燃焼遅延箇所の発生とを考慮し、排気側ＥＸに設ける場合には、初期火炎の偏りと、スキッシュ流によるエンドガスの燃焼遅延箇所の発生と、排気バルブの高温化によるエンドガスの温度上昇とを考慮する。それぞれに応じて、凹部１１の幅Ｗ及び深さＤと周方向の延在範囲（角度）とを設定する。

図４は、市販の小型車に搭載されている標準的な内燃機関を対象とし、図１及び図２に示されたように凹部１１を設け、１５００ｒｐｍで運転した場合のノック頻度を示すグラフである。図において、横軸は、燃焼質量割合が５０％となるクランク角度（ＡＴＤＣ）であり、縦軸はノック頻度（％）である。また、凹部１１を設けない場合、すなわちピストン３の頂面３ａが平坦面の場合を二点鎖線で示し、凹部１１の幅Ｗ及び深さＤを変えた２パターンとして、幅Ｗが５ｍｍで深さＤが５ｍｍの場合を実線で、幅Ｗが１０ｍｍで深さＤが５ｍｍの場合を破線でそれぞれ示している。

また、点火時期を遅角させていった場合のノッキング頻度が０％になった点を、頂面３ａが平坦面の場合を丸印で、凹部１１の幅Ｗが５ｍｍで深さＤが５ｍｍの場合を三角印で、凹部１１の幅Ｗが１０ｍｍで深さＤが５ｍｍの場合を四角印でそれぞれ示す。ノッキング頻度が０％になる燃焼質量割合５０％となるクランク角度が、頂面３ａが平坦面の場合には２０．７度であったものが、凹部１１を設けかつその幅Ｗが１０ｍｍで深さＤが５ｍｍの場合には１９．９度と改善され、幅Ｗが５ｍｍで深さＤが５ｍｍの場合には１８．９度と大幅に改善された。このように、凹部１１を設けるという簡単な構造で、ノッキングが生じない点火時期範囲が拡大されるため、ノッキングの発生を容易に抑制することができる。

図５は、複数の気筒が直列に配設されている多気筒内燃機関のシリンダブロック１の上面図である。図では３気筒の例を示す。なお、図の上側がタイミングベト（Ｔ／Ｂ）側であり、下側がフライホイール（Ｆ／Ｗ）側である。また、図示例の内燃機関では、シリンダブロック１の気筒列方向長さを短くするために、シリンダ４間のウォータジャケットＷが省略され、隣り合うシリンダ４間が狭められている。したがって、ウォータジャケットＷは、シリンダ４列を全体として外囲するように設けられている。

このように構成された内燃機関では、気筒列方向両端に位置するシリンダ４の外側部分（クランク軸の軸線Ｃ方向両端側）は、ウォータジャケットＷにより外囲されることにより必要な冷却性が確保され得る。それに対して、シリンダ４が隣接する部分ではウォータジャケットＷによる冷却性が低下する。したがって、クランク軸の軸線Ｃ方向一端となるタイミングベルト（Ｔ／Ｂ）側のピストン３には、隣接するシリンダ４に対する側（図の下側）のみに凹部１１を設け、同様にクランク軸の軸線Ｃ方向他端となるフライホイール（Ｆ／Ｗ）側のピストン３には、隣接するシリンダ４に対する側（図の上側）のみに凹部１１を設けるとよい。また、クランク軸の軸線Ｃ方向の両側にシリンダ４がそれぞれ隣接している図における中央のピストン３には、シリンダ４が隣接している部分の冷却性が低下することになるため、クランク軸の軸線Ｃ方向の両側となる部分にそれぞれ凹部１１を設けるとよい。

このように、凹部１１を設ける箇所としては、クランク軸の軸線Ｃ方向となる両側のいずれか一方となる１箇所、または両側となる２箇所に設けるとよい。この場合も、上記と同様に凹部１１を設ける箇所の数及び大きさを限定することにより、凹部１１を設けたことによる圧縮比の低減を最小限とすることができる。

なお、凹部１１をクランク軸の軸線Ｃ方向側となる部分に設ける場合には、初期火炎の偏りの他に、タイミングベルト（Ｔ／Ｂ）またはフライホイール（Ｆ／Ｗ）方向への燃焼速度の遅れ（タンブルによる影響）と、上記したようなウォータジャケットＷのレイアウトによる冷却性の違いとを考慮して、凹部１１の幅Ｗ及び深さＤと周方向の延在範囲（角度）とを設定する。

なお、凹部１１の断面形状は、図３に示した矩形に限られるものではない。図６に、他の断面形状の例を示す。なお、上記と同様の部分については同一の符号を付してその詳しい説明を省略する。この第２の実施形態の凹部１１は、ピストン３の頂面３ａに至る部分が頂面３ａの中央に向けてピストン３の軸線方向に拡開するように形成されている。図では、凹部１１におけるシリンダ４の内周面に対峙するように円弧状に延在する壁面の高さ方向（ピストン３の軸線方向となる凹部１１の深さ方向）中間部から頂面３ａの中央側に斜めに向かう斜面３ｃが形成されている。なお、凹部１１の底面からピストン３の軸線方向かつ頂面３ａの中央側に向かう斜面３ｄを設けてもよい（図の二点鎖線）。

このように、凹部１１がピストン３の軸線方向かつ頂面３ａの中央に向けて拡開する断面を有する形状に形成されることにより、圧縮行程において凹部１１内に圧縮されたエンドガスが、凹部１１から流出し易くなるため、凹部１１内で高圧・高温になることが抑制される。また、凹部１１を設けた場合の圧縮比の低減を抑制しつつ表面積の増大を向上し得るため、表面積増大による冷却性も向上し得る。なお、凹部１１の頂面３ａ側に拡開する部分の形状としては、斜面に限定されず、曲面であってもよい。

以上、本発明を、その好適実施形態の実施例について説明したが、当業者であれば容易に理解できるように、本発明はこのような実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。また、上記実施形態に示した構成要素は必ずしも全てが必須なものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて適宜取捨選択することが可能である。

ノッキングの発生箇所は、燃焼室５内の混合気の流動による影響が大であり、その流動の変化に影響する主な要因は、バルブタイミング、吸排気ポートの形状、スキッシュ部９の位置がある。それに対して、本発明の対象とする内燃機関は、それらの仕様を変えるものではない。例えば、バルブタイミングに対しては特別に遅閉じ等を行うようにはせず、ポートの形状に対してもスワールに特化したりタンブルに特化したりせず、また、スキッシュ部９に対しても、ペントルーフ型に対応して吸気側ＩＮと排気側ＥＸとの２箇所に設け、特別に配置を変更していない。本発明は、このように特別にノッキング対策を施す仕様とせずに、上述したようにピストン３の頂面３ａを平坦面とした場合にノッキングの発生し易い位置のみに凹部１１を設けるという簡単な構造でノッキングを抑制するものである。

１ シリンダブロック
２ シリンダヘッド
３ ピストン
３ａ 頂面
３ｃ・３ｄ 斜面（凹部のピストンの頂面に至る部分）
４ シリンダヘッド
５ 燃焼室
９ スキッシュ部
１１ 凹部

Claims (4)

1. シリンダブロックに形成されたシリンダ内を往復動するピストンとシリンダヘッドとの間に燃焼室が画成された内燃機関であって、
   前記ピストンの頂面の周縁部の１または２箇所に、周方向に延在する細長の凹部が設けられていることを特徴とする内燃機関。
2. 前記燃焼室が、前記ピストンの頂面の周縁部との間にスキッシュを生じさせるスキッシュ部を有する形状に形成され、
   前記凹部が、前記スキッシュ部に対応する部分に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記凹部が、隣接するシリンダ側に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記凹部の前記ピストンの頂面に至る部分が、前記ピストンの軸線方向に向けて拡開していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の内燃機関。

Images