JP2017020349A - エンジンの燃焼室構造 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼効率を向上させることができる。【解決手段】燃焼室構造は、シリンダボア１０８が形成されたシリンダブロック１０２と、シリンダボア１０８内を摺動するピストン１０６と、吸気ポート１１２が開口する吸気側傾斜面１３２と、排気ポート１１６が開口する排気側傾斜面１３４とが突き合わされた部分に形成される稜線１３６が、シリンダボア１０８の中心軸に対して変位しているペントルーフ型のシリンダヘッド１０４と、を備え、シリンダボア１０８、ピストン１０６の冠面１４０、および、シリンダヘッド１０４により囲まれた空間により燃焼室１１０を形成し、ピストン１０６は、稜線１３６の中心軸に対する変位に合わせるように変位した凹部１４６が冠面１４０に形成されている。【選択図】図４

Description

本発明は、タンブル渦を発生させるエンジンの燃焼室構造に関する。

従来、燃焼室に流入される燃料の燃焼効率を向上させるために、ピストンの冠面に凹部を設け、燃料と空気との混合気を燃焼室内で凹部に沿って流れるようにすることで、タンブル渦を効率よく発生させるようになされた燃焼室構造が提案されている（例えば、特許文献１、２）

特開平７―１１９４７２号公報 特開平８−３１２３５４号公報

ところで、ペントルーフ型のシリンダヘッドにおいては、吸気ポートから吸気される空気の量を多くするために、吸気ポートの開口面積が排気ポートの開口面積よりも大きく形成されていることが一般的である。

このような場合には、吸気ポートが開口する吸気側傾斜面を、排気ポートが開口する排気側傾斜面よりも大きくするために、シリンダの中心軸に対して、吸気側傾斜面と排気側傾斜面とが突き合わされる稜線が排気ポート側に変位されていることがある。

しかしながら、稜線が変位されているシリンダヘッドを備える燃焼室構造に、従来のピストンを適応しようとすると、シリンダボアの中心軸に直交する平面上において、稜線と凹部との位置がずれてしまうため、エンジンの圧縮行程において、燃焼室の高さを大きくとることができない。

その結果、混合気のタンブル渦が点火前になくなったり、混合気のタンブル渦が弱くなってしまったりし、火炎の伝播速度が低下することで、燃焼効率が悪化してしまうといった問題があった。

そこで、本発明は、燃焼効率を向上させることが可能となるエンジンの燃焼室構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の燃焼室構造は、シリンダボアが形成されたシリンダブロックと、前記シリンダボア内を摺動するピストンと、吸気ポートに連通する開口が形成された吸気側傾斜面と、排気ポートに連通する開口が形成された排気側傾斜面とが突き合わされた稜線が、前記シリンダボアの中心軸に対して変位しているペントルーフ型のシリンダヘッドと、を備え、前記シリンダボアと、前記ピストンの冠面と、前記シリンダヘッドの前記吸気側傾斜面および前記排気側傾斜面とにより囲まれた空間が燃焼室として形成され、前記ピストンの冠面には、前記中心軸に直交する平面上において前記稜線と対向するように、該中心軸に対して変位した凹部が形成されている。

また、前記凹部は、最も深く凹んだ最深部が前記中心軸に直交する平面上において前記稜線と同一位置となるように、前記冠面に形成されているとよい。

また、前記凹部は、前記最深部が前記平面上において前記稜線に沿って延在するように、前記冠面に形成されているとよい。

本発明によれば、燃焼効率を向上させることができる。

エンジンの概略的な説明図である。 燃焼室に望むシリンダヘッドの上面を説明するための説明図である。 ピストンの概略的な説明図である。 燃焼室内で発生するタンブル渦を説明するための図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、エンジン（燃焼室構造）１００の概略的な説明図であり、エンジン１００におけるピストン１０６の中心軸を通る、シリンダブロック１０２、シリンダヘッド１０４およびピストン１０６が断面の概略図を示す。エンジン１００は、吸気行程、圧縮行程、燃焼行程、排気行程が繰り返し行われる４スロトークエンジンであり、図１に示すように、シリンダブロック１０２、シリンダヘッド１０４およびピストン１０６を含んで構成されている。

シリンダブロック１０２には、ピストン１０２が摺動自在に収容されるシリンダボア１０８が形成されている。なお、シリンダブロック１０２には、シリンダボア１０８が１つのみ形成されていてもよく、また、複数形成されていてもよい。

シリンダヘッド１０４は、シリンダブロック１０２の上方に設けられている。エンジン１００では、シリンダブロック１０２に形成されたシリンダボア１０８と、ピストン１０６の冠面１４０と、シリンダヘッド１０４の上面１３０（吸気側傾斜面１３２および排気側傾斜面１３４、図２参照）とにより囲まれた空間が燃焼室１１０として形成されている。

シリンダヘッド１０４には、吸気ポート１１２および排気ポート１１６が燃焼室１１０に連通するようにそれぞれ２つずつ形成されている。またシリンダヘッド１０４には、吸気ポート１１２を開閉する吸気バルブ１１４と、排気ポート１１６を開閉する排気バルブ１１８とが設けられている。

エンジン１００は、吸気バルブ１１４を開閉することにより、吸気ポート１１２と燃焼室１１０とを連通させたり、あるいは、その連通を遮断したりする。また、エンジン１００は、排気バルブ１１８を開閉することにより、排気ポート１１６と燃焼室１１０とを連通させたり、あるいは、その連通を遮断したりする。

吸気ポート１１２にはインジェクタ１２０が設けられており、インジェクタ１２０は、不図示の燃料タンクに貯留された燃料を、吸気ポート１１２に供給された空気中に噴射して混合気を生成する。そして、生成された混合気は燃焼室１１０に導かれる。

シリンダヘッド１０４には点火プラグ１２２が設けられており、点火プラグ１２２によって混合気が点火されることで燃焼し、燃焼室１１０において爆発圧力が生じる。こうして爆発圧力が生じることで、ピストン１０６がシリンダボア１０８内を往復動することとなる。

ピストン１０６には、コンロッド１２４の一端が連結されており、また、コンロッド１２４の他端にはクランクシャフト（不図示）が連結されている。これにより、ピストン１０６の直進運動がクランクシャフトの回転運動に変換されることとなる。

図２は、燃焼室に望むシリンダヘッド１０４の上面１３０を説明するための説明図である。図２に示すように、シリンダヘッド１０４の上面１３０は、吸気ポート１１２の開口１１２ａが形成された吸気側傾斜面１３２、および、排気ポート１１６の開口１１６ａが形成された排気側傾斜面１３４を有している。吸気側傾斜面１３２と排気側傾斜面１３４とは、稜線１３６を境にして、稜線１３６から離れるに連れてシリンダブロック１０２側へ近づくように傾斜している。

ここで、エンジン１００では、吸気行程において、ピストン１０６が上死点から下死点に向かって移動することにより、吸気ポート１１２を介して混合気を燃焼室１１０内に吸入させるため、開口１１２ａの面積を大きくする必要がある。一方で、排気行程においては、混合気の燃焼により燃焼室１１０内の圧力が高いため、排気ポート１１６の開口１１６ａの面積が小さくても、混合気の燃焼後の燃焼ガスは排気ポート１１６に導かれる。そこで、混合気の吸入量を確保するために、吸気ポート１１２の開口１１２ａの面積は、排気ポート１１６の開口１１６ａの面積よりも大きく形成されている。

そして、吸気ポート１１２の開口１１２ａの面積を、排気ポート１１６の開口１１６ａの面積よりも大きくするため、吸気側傾斜面１３２の面積は、排気側傾斜面１３４の面積よりも大きく形成されている。より詳しくは、吸気側傾斜面１３２と排気側傾斜面１３４が突き合わされる稜線１３６は、シリンダボア１０８の断面中心を通り稜線１３６に平行な線（図２中、一点鎖線で示す）、つまり、シリンダボア１０８の中心軸に対して排気ポート１１６側に変位している。

また、上面１３０の中央付近には、点火プラグ１２２の先端が燃焼室１１０内に位置するように、点火プラグ用孔１３８が形成されている。

図３は、ピストンの概略的な説明図であり、図３（ａ）は、ピストン１０６の斜視図を示し、図３（ｂ）は、上面図を示す。また、図３（ｃ）は、図３（ｂ）におけるＡ−Ａ断面図を示し、図３（ｄ）は、図３（ｂ）におけるＢ−Ｂ断面図を示す。

図３（ａ）〜（ｄ）に示すように、ピストン１０６の冠面１４０（燃焼室１１０に臨む面）には、ピストン１０６がシリンダボア１０８内で摺動する際に、吸気バルブ１１４に接触しないように、吸気側傾斜面１３２に沿って傾斜した傾斜冠面１４２における吸気バルブ１１４と対向する位置に、円弧状のバルブリセス１４２ａが形成されている。また、冠面１４０には、ピストン１０６がシリンダボア１０８内で摺動する際に、排気バルブ１１８に接触しないように、排気側傾斜面１３４に沿って傾斜した傾斜冠面１４４の吸気バルブ１１８と対向する位置に、円弧状のバルブリセス１４４ａが形成されている。

また、冠面１４０には、傾斜冠面１４２と傾斜冠面１４４との間に凹部１４６が形成されている。凹部１４６は、傾斜冠面１４２から傾斜冠面１４４へ向かう噴出方向（混合気が噴き出される方向）に短く、噴出方向に直交する方向（ピストンピン延在方向）に長い、かまぼこ型に形成されている。

また、凹部１４６は、シリンダボア１０８の中心軸に直交する平面上において、稜線１３６と対向するように、シリンダボア１０８の中心軸に対して変位して配されている。より詳細には、上記した稜線１３６と、凹部１４６の噴出方向の中心を通る最深部である中心線１４６ａとが、シリンダボア１０８の中心軸に直交する平面上において同一位置となるように（一致するように）、シリンダボア１０８の断面中心を通り稜線１３６に平行な線に対してバルブリセス１４４ａ側に変位している。換言すると、中心線１４６ａは、シリンダボア１０８の中心軸に直交する平面上において、稜線１３６に沿って延在するように、冠面１４０に配されている。

図４は、燃焼室１１０内で発生するタンブル渦を説明するための図であり、図４（ａ）は、吸気行程におけるタンブル渦を説明するための図であり、図４（ｂ）は、圧縮行程におけるタンブル渦を説明する図である。なお、図４において、タンブル渦を矢印線で示す。また、図４において、説明の便宜上、点火プラグ１２２を省略するとともに、点火プラグ１２２が配される点火プラグ用孔１３８を省略している。

上記のような構成でなるエンジン１００では、図４（ａ）に示すように、吸気行程において、吸気バルブ１１４が燃焼室１１０側に移動されて吸気ポート１１２と燃焼室１１０とが連通され、ピストン１０６が上死点から下死点へ移動することにより、インジェクタ１２０から噴射された燃料を含む混合気が燃焼室１１０に吸入される。

このとき、燃焼室１１０に流入した混合気は、シリンダボア１０８における排気ポート１１６側の側面に沿ってピストン１０６へ流れた後、ピストン１０６の凹部１４６に沿って流れる。このようにして、吸気行程において、燃焼室１１０内では、タンブル渦が発生する。

その後、図４（ｂ）に示すように、圧縮行程において、ピストン１０６が下死点から上死点へ移動する際に、燃焼室１１０内では、タンブル渦がピストン１０６の上昇に応じて小さくなる。このとき燃焼室１１０内では、タンブル渦が消滅することなく、タンブル渦の大きさが小さくなりながら、ピストン１０６がシリンダヘッド１０４側に移動する。そして、燃焼行程において、点火プラグ１２２（図１）により圧縮された混合気が点火されると、点火された位置から燃料が燃焼していき、点火された位置から外側へ火炎が伝播して燃焼していく。

ここで、上記したように、エンジン１００では、シリンダヘッド１０４の稜線１３６と、ピストン１０６の凹部１４６の中心線１４６ａが、シリンダボア１０８の中心軸に直交する平面上において同一位置に形成されている。そのため、ピストン１０６が上死点に近い位置であっても、シリンダヘッド１０４の稜線１３６と、ピストン１０６に形成された凹部１４６の中心線１４６ａは、シリンダボア１０８の中心軸方向に離隔しており、燃焼室１１０における中央付近において、燃焼室１１０の高さを大きくすることができる。

一方、ピストン１０６の外縁付近では、シリンダヘッド１０４の吸気側傾斜面１３２および排気側傾斜面１３４と、ピストン１０６の傾斜冠面１４２および傾斜冠面１４４とが近接して対向している。そのため、シリンダヘッド１０４の吸気側傾斜面１３２および排気側傾斜面１３４と、ピストン１０６の傾斜冠面１４２および傾斜冠面１４４との間において混合気のタンブル渦を乱すことを抑制することができる。

したがって、エンジン１００では、圧縮行程において、燃焼室１１０内の中央付近でタンブル渦が残存することにより、点火プラグ１２２の点火時においても混合気に乱れを生じさせ続けることができる。これによりエンジン１００では、混合気が燃焼することによる火炎の伝播面積を大きくすることができ、その分だけ燃焼速度が早くなる。その結果として、燃焼性能を向上することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

なお、上記実施形態では、凹部１４６がかまぼこ型に形成されているようにしたが、これは一例に過ぎず、他の形状をしていてもよい。例えば、最深部が平面に形成されていてもよい。ただし、混合気のタンブル渦を効率よく生成させるため、傾斜冠面１４２および傾斜冠面１４４から最深部に向けては円弧状に形成されている方がよく、また、最深部が平面である場合には、その面積がより小さい方がよい。

本発明は、タンブル渦を発生させるエンジンの燃焼室構造に利用することができる。

１００ エンジン
１０２ シリンダブロック
１０４ シリンダヘッド
１０６ ピストン
１０８ シリンダボア
１１０ 燃焼室
１３２ 吸気側傾斜面
１３４ 排気側傾斜面
１４６ 凹部

Claims (3)

1. シリンダボアが形成されたシリンダブロックと、
   前記シリンダボア内を摺動するピストンと、
   吸気ポートに連通する開口が形成された吸気側傾斜面と、排気ポートに連通する開口が形成された排気側傾斜面とが突き合わされた稜線が、前記シリンダボアの中心軸に対して変位しているペントルーフ型のシリンダヘッドと、
   を備え、
   前記シリンダボアと、前記ピストンの冠面と、前記シリンダヘッドの前記吸気側傾斜面および前記排気側傾斜面とにより囲まれた空間が燃焼室として形成され、
   前記ピストンの冠面には、
   前記中心軸に直交する平面上において前記稜線と対向するように、該中心軸に対して変位した凹部が形成されていることを特徴とするエンジンの燃焼室構造。
2. 前記凹部は、
   最も深く凹んだ最深部が前記中心軸に直交する平面上において前記稜線と同一位置となるように、前記冠面に形成されてい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。
3. 前記凹部は、
   前記最深部が前記平面上において前記稜線に沿って延在するように、前記冠面に形成されていることを特徴とする請求項２に記載のエンジンの燃焼室構造。

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