JP2648589B2 - 火花点火内燃機関 - Google Patents
火花点火内燃機関Info
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- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
- F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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- F02B23/08—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
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- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、火花点火内燃機関に係り、特にシリンダの
燃焼室形状に関する。
燃焼室形状に関する。
（従来の技術） 現代では、低燃費でしかも排気ガス放出量の少ない高
出力の火花点火内燃機関が求められている。そのため、
火花点火内燃機関の設計者は、困難な問題に直面してい
る。
出力の火花点火内燃機関が求められている。そのため、
火花点火内燃機関の設計者は、困難な問題に直面してい
る。
一方、機関摩擦抵抗や、その他の付随する損失を低減
するために多くの事がなされ、火花点火内燃機関のブレ
ーキ制動性能を向上させたが、依然として十分ではな
い。そのため特に、一酸化炭素や窒素酸化物（NOx）や
非燃焼炭化水素等の排気ガス放出量をさらに低減すると
共に、燃料効率を向上させることが求められている。
するために多くの事がなされ、火花点火内燃機関のブレ
ーキ制動性能を向上させたが、依然として十分ではな
い。そのため特に、一酸化炭素や窒素酸化物（NOx）や
非燃焼炭化水素等の排気ガス放出量をさらに低減すると
共に、燃料効率を向上させることが求められている。
理論的考察および実際上の観察の双方からよく知られ
ているように、サイクル効率および燃焼効率の改善は、
圧縮比を大きくして燃焼速度を増加させ、定量燃焼をす
るための推定値に近づけることにより行える。
ているように、サイクル効率および燃焼効率の改善は、
圧縮比を大きくして燃焼速度を増加させ、定量燃焼をす
るための推定値に近づけることにより行える。
最大動力を得るために最希薄混合気体を使用して最大
絞りに設定する場合、すなわち最大負荷状態の場合、使
用する燃料の質によって設定可能な圧縮比は、ノッキン
グ現象と圧力上昇速度とによって制限される。これら
は、燃焼室の詳細な形状と燃焼室内へ供給される空気と
燃料の動きによって影響を受ける。実際上は、圧縮比と
圧力上昇速度とは、過度の騒音の発生や高い爆発圧力を
避けるために制限される。
絞りに設定する場合、すなわち最大負荷状態の場合、使
用する燃料の質によって設定可能な圧縮比は、ノッキン
グ現象と圧力上昇速度とによって制限される。これら
は、燃焼室の詳細な形状と燃焼室内へ供給される空気と
燃料の動きによって影響を受ける。実際上は、圧縮比と
圧力上昇速度とは、過度の騒音の発生や高い爆発圧力を
避けるために制限される。
火花点火内燃機関の剛性と、その外面から漏れる騒音
の低減化技術との進歩によって、現在では数年前の従来
のものに比例して、高い圧力上昇速度を使用することが
可能となっている。
の低減化技術との進歩によって、現在では数年前の従来
のものに比例して、高い圧力上昇速度を使用することが
可能となっている。
有害な排出生成物の水準を低下させる方法として、よ
り希薄な混合濃度を使用する手段がある。
り希薄な混合濃度を使用する手段がある。
最大動力を得るために最希薄混合気体を使用する場
合、排気ガス中に存在する一酸化炭素量は、比較的に低
い値まで次第に減少し、その後は、混合気濃度に対応し
た値で残存する。比燃焼炭化水素の量は、混合気濃度を
希薄するにつれて減少するが、レギュラー燃焼限界に近
づくにつれて、再び増加する傾向にある。窒素酸化物
（NOx）の場合は、燃焼の高温サイクルの間に素早く生
成され、非常に安定した化合物として残存する。
合、排気ガス中に存在する一酸化炭素量は、比較的に低
い値まで次第に減少し、その後は、混合気濃度に対応し
た値で残存する。比燃焼炭化水素の量は、混合気濃度を
希薄するにつれて減少するが、レギュラー燃焼限界に近
づくにつれて、再び増加する傾向にある。窒素酸化物
（NOx）の場合は、燃焼の高温サイクルの間に素早く生
成され、非常に安定した化合物として残存する。
次に、実際の空気／燃料混合比に対する化学量論的な
空気／燃料混合比の割合を示す当量比（すなわち当量比
か１以下の場合には使用されている混合気濃度が稀薄な
ことを示す）を使用して、説明する。
空気／燃料混合比の割合を示す当量比（すなわち当量比
か１以下の場合には使用されている混合気濃度が稀薄な
ことを示す）を使用して、説明する。
窒素酸化物の量は、当量比が約0.9（10％希薄）の場
合に、最大値まで増加する。そして、当量比がレギュラ
ー燃焼限界にまで低下するにつれて、漸進的に減少す
る。また、制動動力の最大値を得る混合気濃度より低い
濃度にする場合、定格燃費は最小限にまで減少し、その
当量比は通常は約0.8である。
合に、最大値まで増加する。そして、当量比がレギュラ
ー燃焼限界にまで低下するにつれて、漸進的に減少す
る。また、制動動力の最大値を得る混合気濃度より低い
濃度にする場合、定格燃費は最小限にまで減少し、その
当量比は通常は約0.8である。
自動車用内燃機関は、寿命が切れるまでの間に、最大
出力で稼働することが、極めて希であることは知られて
いる。つまり、運転時間の大部分は、その速度範囲より
下限にあり、部分絞り操作状態にある。一方、部分絞り
操作での吸排気損失の増加は、結果的に定格燃費を増大
させる。
出力で稼働することが、極めて希であることは知られて
いる。つまり、運転時間の大部分は、その速度範囲より
下限にあり、部分絞り操作状態にある。一方、部分絞り
操作での吸排気損失の増加は、結果的に定格燃費を増大
させる。
各サイクルにおいて、前サイクルからの残存排気ガス
は、新規の供給より大きな容積割合を占めているため、
燃焼が遅延しサイクル温度が低下する傾向がある。その
結果、窒素酸化物の放出量は、最大絞り時よりも低下す
る。
は、新規の供給より大きな容積割合を占めているため、
燃焼が遅延しサイクル温度が低下する傾向がある。その
結果、窒素酸化物の放出量は、最大絞り時よりも低下す
る。
（発明が解決しようとする問題点） 最近の経験では、シリンダ内へ供給される空気および
燃料の動きを注意深く調整することによって、部分負荷
での燃料経済、希薄燃焼限界および排気ガス放出を、改
善可能であることが分っている。
燃料の動きを注意深く調整することによって、部分負荷
での燃料経済、希薄燃焼限界および排気ガス放出を、改
善可能であることが分っている。
空気の流れは、火花点火期や燃焼期では、乱流である
のが望ましい。そして、吸気工程で乱流が生じた場合、
この乱流は圧縮工程で衰退することになる。
のが望ましい。そして、吸気工程で乱流が生じた場合、
この乱流は圧縮工程で衰退することになる。
一方、「スカッシュ」により生成された乱流、つま
り、ピストンとシリンダヘッドの平面部との間に存在す
る供給物の一部が、圧縮工程の最後の段階で、ピストン
とシリンダヘッドとが相互に近傍することにより置換さ
れて生成される乱流は、生成されるのが遅いため、燃焼
初期段階に影響を与えない。
り、ピストンとシリンダヘッドの平面部との間に存在す
る供給物の一部が、圧縮工程の最後の段階で、ピストン
とシリンダヘッドとが相互に近傍することにより置換さ
れて生成される乱流は、生成されるのが遅いため、燃焼
初期段階に影響を与えない。
本発明は、空気および燃料を供給する際に発生させた
渦を適当な時期に解消して、強い乱流を生じさせ、部分
負荷状態化での燃焼を改善できる燃焼室を有する火花点
火内燃機関を提供することを目的とする。
渦を適当な時期に解消して、強い乱流を生じさせ、部分
負荷状態化での燃焼を改善できる燃焼室を有する火花点
火内燃機関を提供することを目的とする。
（問題点を解決するための手段） 本発明に係る火花点火内燃機関は、ピストンを収容す
ると共にシリダヘッドにより閉塞されるシリンダから形
成されるシリンダブロックと、前記ピストンの吸気行程
の間に空気および燃料の単一吸気供給渦を形成する吸気
ポートと、前記ピストンと前記シリンダヘッドとの対向
面の一方に設けられた凹所により構成される燃焼室とを
有する火花点火内燃機関であって、前記凹所は、側壁部
と床部とを有し、前記側壁部の外側の境界を定める外側
エッジ部は、平面的に見た場合に、回転対称である２個
の外周円弧を形成しており、これらの外周円弧は、前記
ピストンの平面部の面積1/2より小さい面積を取り囲む
と共に、180゜を越える中心角を有しており、少なくと
も外周円弧の一部において曲率半径が変化することによ
り、曲率半径が最大となる端部である始点と曲率半径が
小さい端部である終点とを有し、前記側壁部は、前記始
点から外周円弧長さの1/3から1/2に至る範囲において、
前記外周円弧から下方向の伸延深さが逐次的に増加する
略垂直的に伸延している部分と、当該部分の端から伸延
して半径方向内方の深さが次第に増加して前記床部と交
わる部分とを有し、前記ピストンの圧縮行程の間に、前
記吸気ポートから供給される空気および燃料の単一吸気
供給渦から、前記燃焼室内の別々の部分において、少な
くとも２個の、シリンダ軸に対して平行な渦パターンを
略同程度に生成することを特徴とする。
ると共にシリダヘッドにより閉塞されるシリンダから形
成されるシリンダブロックと、前記ピストンの吸気行程
の間に空気および燃料の単一吸気供給渦を形成する吸気
ポートと、前記ピストンと前記シリンダヘッドとの対向
面の一方に設けられた凹所により構成される燃焼室とを
有する火花点火内燃機関であって、前記凹所は、側壁部
と床部とを有し、前記側壁部の外側の境界を定める外側
エッジ部は、平面的に見た場合に、回転対称である２個
の外周円弧を形成しており、これらの外周円弧は、前記
ピストンの平面部の面積1/2より小さい面積を取り囲む
と共に、180゜を越える中心角を有しており、少なくと
も外周円弧の一部において曲率半径が変化することによ
り、曲率半径が最大となる端部である始点と曲率半径が
小さい端部である終点とを有し、前記側壁部は、前記始
点から外周円弧長さの1/3から1/2に至る範囲において、
前記外周円弧から下方向の伸延深さが逐次的に増加する
略垂直的に伸延している部分と、当該部分の端から伸延
して半径方向内方の深さが次第に増加して前記床部と交
わる部分とを有し、前記ピストンの圧縮行程の間に、前
記吸気ポートから供給される空気および燃料の単一吸気
供給渦から、前記燃焼室内の別々の部分において、少な
くとも２個の、シリンダ軸に対して平行な渦パターンを
略同程度に生成することを特徴とする。
つまり、側壁部の深さが、円周方向および半径方向内
側の双方に向けて増加している結果、吸気供給の速度
が、最初から円周方向要素と半径方向要素とを有する。
そのため、吸気工程時に２個の渦パターンを生成する。
この渦パターンは、圧縮工程の最後（上死点位置）に接
近するにつれて、燃焼室形状の影響を受けて、変形して
いく。そして、燃焼サイクルの正確な時点に、渦パター
ンが衝突して干渉し合い、相互に他方を破壊して高水準
の乱流を引き起こし、急速な燃焼を増進し、有害な排気
生成物を最小限にする。
側の双方に向けて増加している結果、吸気供給の速度
が、最初から円周方向要素と半径方向要素とを有する。
そのため、吸気工程時に２個の渦パターンを生成する。
この渦パターンは、圧縮工程の最後（上死点位置）に接
近するにつれて、燃焼室形状の影響を受けて、変形して
いく。そして、燃焼サイクルの正確な時点に、渦パター
ンが衝突して干渉し合い、相互に他方を破壊して高水準
の乱流を引き起こし、急速な燃焼を増進し、有害な排気
生成物を最小限にする。
好ましくは、前記外周円弧の曲率半径は、前記始点か
ら90゜に至る範囲において、前記ピストンの半径と略等
しくする。更に好ましくは、前記外周円弧は、前記始点
から90゜に至る範囲において、前記シリンダの壁部に対
して実質的に位置合わせする。
ら90゜に至る範囲において、前記ピストンの半径と略等
しくする。更に好ましくは、前記外周円弧は、前記始点
から90゜に至る範囲において、前記シリンダの壁部に対
して実質的に位置合わせする。
つまり、シリンダヘッドの平面部分に、ピストンが非
常に近接可能となるため、圧縮工程の終点で、吸気供給
の乱流に影響を与える、いわゆるスカッシュ効果を作り
出すことになる。
常に近接可能となるため、圧縮工程の終点で、吸気供給
の乱流に影響を与える、いわゆるスカッシュ効果を作り
出すことになる。
好ましくは、前記側壁部は、当該側壁部の深さが最大
となる部分に位置する外周円弧部分から前記終点に至る
範囲において、略垂直に伸延している部分と、当該部分
の端から伸延して前記床部と交わる部分とを有し、前記
シリンダヘッドと前記シリンダブロックとが略直角にか
み合う部分である平面図から、前記床部まで伸延して当
該床部と交わっており、かつ、略垂直に伸延している前
記部分の伸延深さは、外周円弧長さのすくなくとも一部
分において次第に減少する。
となる部分に位置する外周円弧部分から前記終点に至る
範囲において、略垂直に伸延している部分と、当該部分
の端から伸延して前記床部と交わる部分とを有し、前記
シリンダヘッドと前記シリンダブロックとが略直角にか
み合う部分である平面図から、前記床部まで伸延して当
該床部と交わっており、かつ、略垂直に伸延している前
記部分の伸延深さは、外周円弧長さのすくなくとも一部
分において次第に減少する。
更に好ましくは、前記外周円弧の外周円弧長さの最後
の約1/3の範囲において、前記外周円弧の曲率半径は、
前記終点に向かい減少すると共に、前記床部と交わる前
記部分は、円弧状の断面を有し、その曲率半径は、前記
外周円弧長さに沿って次第に増加する。
の約1/3の範囲において、前記外周円弧の曲率半径は、
前記終点に向かい減少すると共に、前記床部と交わる前
記部分は、円弧状の断面を有し、その曲率半径は、前記
外周円弧長さに沿って次第に増加する。
これによって、燃焼室を構成する二個の凹所は、全体
に渡り、らせん形状つまり渦形状をなす一方、その床部
もまた、その長さ方向の一部に渡り、異なったら渦形状
をなす。
に渡り、らせん形状つまり渦形状をなす一方、その床部
もまた、その長さ方向の一部に渡り、異なったら渦形状
をなす。
好ましくは、前記シリンダヘッドは、単一の前記吸気
ポートと単一の排気ポートとを有し、内部に前記燃焼室
を形成しており、前記床部は、前記吸気ポートと前記排
気ポートとの間と、当該ポートの周囲とに伸延している
略平面部を有する。
ポートと単一の排気ポートとを有し、内部に前記燃焼室
を形成しており、前記床部は、前記吸気ポートと前記排
気ポートとの間と、当該ポートの周囲とに伸延している
略平面部を有する。
好ましくは、前記吸気ポートは、前記ピストンの吸気
工程時に、空気および燃料の吸気供給渦を形成するよう
に配置する。
工程時に、空気および燃料の吸気供給渦を形成するよう
に配置する。
なお、上述の渦パターンは、実際上はほとんどあり得
ない、同種で均等な空気および燃料の回転体からなる必
要はない。むしろ、激しくそして広範囲に不規則の乱流
域からなる場合が多い。つまり、渦パターンという語句
は、流れが重なり合って全体として構成されたものを意
味している。さらに、本発明では、吸気工程時に、全体
的に渦を引き起こされた空気と燃料の混合物から、二個
の渦パターンを形成しているが、実際には、これらの渦
パターン内の正確な運動挙動は、十分に解明されていな
い。
ない、同種で均等な空気および燃料の回転体からなる必
要はない。むしろ、激しくそして広範囲に不規則の乱流
域からなる場合が多い。つまり、渦パターンという語句
は、流れが重なり合って全体として構成されたものを意
味している。さらに、本発明では、吸気工程時に、全体
的に渦を引き起こされた空気と燃料の混合物から、二個
の渦パターンを形成しているが、実際には、これらの渦
パターン内の正確な運動挙動は、十分に解明されていな
い。
したがって、「渦」および「渦パターン」に対する言
及は、便宜上のものである。一方、燃焼室の形状は、生
成させた二個の独立した（空気と燃料の混合物からな
る）渦パターン若しくは運動を、衝突させて干渉させ合
い、最終的には、相互に他方を破壊させる効果を有する
ものと、単純に考えることができる。
及は、便宜上のものである。一方、燃焼室の形状は、生
成させた二個の独立した（空気と燃料の混合物からな
る）渦パターン若しくは運動を、衝突させて干渉させ合
い、最終的には、相互に他方を破壊させる効果を有する
ものと、単純に考えることができる。
（実施例） 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。
第１図は、単一若しくは複数のシリンダを有する自動
車用の火花点火内燃機関のシリンダヘッドに形成された
燃焼室の概略図、第２図は、第１図の線Ｚ−Ｚ（クラン
クシャフト軸）に関する垂直断面図であり、シリンダヘ
ッドとシリンダブロックの一部および単一のピストンを
示しており、第３図は、第１図の線Ｙ−Ｙ（垂直中心
線）に関する垂直破断面図、第４図から第９図は、それ
ぞれ、第１図の線Ｏ−Ｘ、線Ｏ−Ｗ、線Ｏ−Ｖ、線Ｏ−
Ｕ、線Ｏ−Ｔ、および線Ｏ−Ｓに関する垂直破断面図、
第10図は、第１図の弧状の線Ｐ−Ｐに沿い、半径方向に
向かっての垂直断面図、第11図は、シリンダヘッドの垂
直断面図であり、明瞭にするために吸込バルブを省略し
ている。
車用の火花点火内燃機関のシリンダヘッドに形成された
燃焼室の概略図、第２図は、第１図の線Ｚ−Ｚ（クラン
クシャフト軸）に関する垂直断面図であり、シリンダヘ
ッドとシリンダブロックの一部および単一のピストンを
示しており、第３図は、第１図の線Ｙ−Ｙ（垂直中心
線）に関する垂直破断面図、第４図から第９図は、それ
ぞれ、第１図の線Ｏ−Ｘ、線Ｏ−Ｗ、線Ｏ−Ｖ、線Ｏ−
Ｕ、線Ｏ−Ｔ、および線Ｏ−Ｓに関する垂直破断面図、
第10図は、第１図の弧状の線Ｐ−Ｐに沿い、半径方向に
向かっての垂直断面図、第11図は、シリンダヘッドの垂
直断面図であり、明瞭にするために吸込バルブを省略し
ている。
本発明に係る火花点火内燃機関は、ピストン４を在来
式に収容しシリンダヘッド６で閉塞されるシリンダ２を
形成するシリンダブロックを有している。
式に収容しシリンダヘッド６で閉塞されるシリンダ２を
形成するシリンダブロックを有している。
シリンダヘッド６は、燃焼室８を構成する凹所が形成
された（ピストン４との対向面）頂部を有している。こ
の頂部には、単一の吸気ポート10と単一の排気ポート12
が形成されている。具体的な吸気ポート10としては、公
知の「直接」型若しくは「らせん」型が挙げられる。な
お、本実施例は直接型である。
された（ピストン４との対向面）頂部を有している。こ
の頂部には、単一の吸気ポート10と単一の排気ポート12
が形成されている。具体的な吸気ポート10としては、公
知の「直接」型若しくは「らせん」型が挙げられる。な
お、本実施例は直接型である。
直接型吸気ポートの場合は、空気および燃料が、可能
な限り大きな運動半径かつ鋭角度を有して、接線方向か
らシリンダ内に供給されるように配置する。その結果、
浅い吸気供給渦が、シリンダ内に形成されることにな
る。
な限り大きな運動半径かつ鋭角度を有して、接線方向か
らシリンダ内に供給されるように配置する。その結果、
浅い吸気供給渦が、シリンダ内に形成されることにな
る。
らせん型吸気ポートの場合は、空気および燃料が、燃
料空間に向けて移動する際に、吸込バルブの後端直後に
形成されている渦巻室内で回転するように配置する。こ
のような配置では、空気は、ポート内のらせん形状通路
を通って移動し、当該ポートからシリンダへ向けて、シ
リンダ軸に対して所定の半径で噴出される。その結果、
実質的に接線方向の空気速度がシリダ内で生成され、渦
巻室によって生成された渦運動と二重重ねになって、シ
リンダ軸のまわりの渦を引き起こすことになる。
料空間に向けて移動する際に、吸込バルブの後端直後に
形成されている渦巻室内で回転するように配置する。こ
のような配置では、空気は、ポート内のらせん形状通路
を通って移動し、当該ポートからシリンダへ向けて、シ
リンダ軸に対して所定の半径で噴出される。その結果、
実質的に接線方向の空気速度がシリダ内で生成され、渦
巻室によって生成された渦運動と二重重ねになって、シ
リンダ軸のまわりの渦を引き起こすことになる。
吸気ポート10および排気ポート12は、従来式のポペッ
トバルブからなる排気バルブ14および吸気バルブ16によ
って制御される。排気バルブ14および吸気バルブ16の周
囲は、略平面の形状からなり、シリンダヘッド６の頂部
に位置している。なお、当該排気バルブ14および吸気バ
ルブ16は、直結された単一の頭上カム軸（図示せず）に
より操作される。
トバルブからなる排気バルブ14および吸気バルブ16によ
って制御される。排気バルブ14および吸気バルブ16の周
囲は、略平面の形状からなり、シリンダヘッド６の頂部
に位置している。なお、当該排気バルブ14および吸気バ
ルブ16は、直結された単一の頭上カム軸（図示せず）に
より操作される。
シリンダヘッド６の頂部は、前記吸気ポート10および
排気ポート12に加え、シリンダ内径に対して0.25から0.
35倍の範囲にある半径を有する内部円弧19（図中では0.
3倍）が形成されている。内部円弧19は、先端15で互い
に交差する一方、シリンダヘッドがシリンダブロックに
当接する際に、シリング外周と部分に一致するように、
中心が位置決めされている。
排気ポート12に加え、シリンダ内径に対して0.25から0.
35倍の範囲にある半径を有する内部円弧19（図中では0.
3倍）が形成されている。内部円弧19は、先端15で互い
に交差する一方、シリンダヘッドがシリンダブロックに
当接する際に、シリング外周と部分に一致するように、
中心が位置決めされている。
また、吸気ポート10と排気ポート12とは、直径が異な
る（吸気ポート10が排気ポート12よりも大きい）一方、
非対称に配置されている。そのため、両ポート10,12の
周囲にある符号20で示される平面部は、当然、異なった
領域（形状）を有している。
る（吸気ポート10が排気ポート12よりも大きい）一方、
非対称に配置されている。そのため、両ポート10,12の
周囲にある符号20で示される平面部は、当然、異なった
領域（形状）を有している。
シリンダヘッド６の頂部の残りの領域は、対応するポ
ートの周囲を半周以上伸延する、二つの連続する渦形状
の凹所で構成されていると考えることができる。つま
り、各凹所は、第１図に示す垂直中心線Ｙ−Ｙの位置か
ら始まり、内部円弧19の交差点である先端15で終了して
いる。
ートの周囲を半周以上伸延する、二つの連続する渦形状
の凹所で構成されていると考えることができる。つま
り、各凹所は、第１図に示す垂直中心線Ｙ−Ｙの位置か
ら始まり、内部円弧19の交差点である先端15で終了して
いる。
したがって、燃焼室８を構成する凹所は、側壁部と床
部とを有し、平面的に見た場合、第１図に示すように、
垂直中心線Ｙ−Ｙに関し回転対称である二個の部分から
成っていると考えることができる。つまり、側壁部の外
側の境界を定める外側エッジ部は、第１図に示すよう
に、渦形状の輪郭からなる回転対称である２個の外周円
弧22から構成されている。
部とを有し、平面的に見た場合、第１図に示すように、
垂直中心線Ｙ−Ｙに関し回転対称である二個の部分から
成っていると考えることができる。つまり、側壁部の外
側の境界を定める外側エッジ部は、第１図に示すよう
に、渦形状の輪郭からなる回転対称である２個の外周円
弧22から構成されている。
これらの外周円弧22は、ピストン４の平面部の面積の
1/2より小さい面積を取り囲むと共に、180゜を越える中
心角を有しており、少なくとも外周円弧22の一部分にお
いて曲率半径が変化することにより、曲率半径が最大と
なる端部である始点と曲率半径が小さい端部である終点
とを有している。側壁部は、始点から外周円弧長さの約
1/3から1/2に至る範囲において、外周円弧22から下方の
伸延深さが逐次的に増加する略垂直に伸延している部分
と、当該部分の端から伸延して半径方向の深さが次第に
増加して前記床部と交わる部分とを有している。つま
り、側壁部の深さは、円周方向および半径方向内側の双
方に向けて増加している。
1/2より小さい面積を取り囲むと共に、180゜を越える中
心角を有しており、少なくとも外周円弧22の一部分にお
いて曲率半径が変化することにより、曲率半径が最大と
なる端部である始点と曲率半径が小さい端部である終点
とを有している。側壁部は、始点から外周円弧長さの約
1/3から1/2に至る範囲において、外周円弧22から下方の
伸延深さが逐次的に増加する略垂直に伸延している部分
と、当該部分の端から伸延して半径方向の深さが次第に
増加して前記床部と交わる部分とを有している。つま
り、側壁部の深さは、円周方向および半径方向内側の双
方に向けて増加している。
これを燃焼室８の左回りの半部に当てはめると、第１
図に示すように、垂直中心線Ｙ−Ｙの図面上部に示され
る位置から、側壁部の形成が始まることになる。側壁部
の略垂直に伸延している部分は、約80゜までの範囲で
は、初期値の０から次第に増加し、当該円弧の長さを越
えからは、平面部20と等しい深さとなる。側壁部の床部
と交わる部分もまた、半径方向の内側に向いて増大（傾
斜）し、当該円弧の長さを越えからは、平面部20と等し
い深さとなる。
図に示すように、垂直中心線Ｙ−Ｙの図面上部に示され
る位置から、側壁部の形成が始まることになる。側壁部
の略垂直に伸延している部分は、約80゜までの範囲で
は、初期値の０から次第に増加し、当該円弧の長さを越
えからは、平面部20と等しい深さとなる。側壁部の床部
と交わる部分もまた、半径方向の内側に向いて増大（傾
斜）し、当該円弧の長さを越えからは、平面部20と等し
い深さとなる。
つまり、側壁部は、約80゜乃至100゜の間で、最大深
さを有し、平面部20に直接交わることになる。なお、第
４図においては、側壁部の床部と交わる部分は凸形状を
有している。
さを有し、平面部20に直接交わることになる。なお、第
４図においては、側壁部の床部と交わる部分は凸形状を
有している。
その後、側壁部は、当該側壁部の深さが最大となる部
分に位置する外周円弧部分から終点に至る範囲におい
て、略垂直に伸延している部分と、当該部分の端から伸
延して床部と交わる部分とを有している。さらに、側壁
部は、シリンダヘッド６とシリンダブロックとが略直角
にかみ合う部分である平面部から、床部まで伸延して当
該床部と交わっており、かつ、略垂直に伸延している部
分の伸延深さは、外周円弧長さのすくなくとも一部分に
おいて次第に減少している。
分に位置する外周円弧部分から終点に至る範囲におい
て、略垂直に伸延している部分と、当該部分の端から伸
延して床部と交わる部分とを有している。さらに、側壁
部は、シリンダヘッド６とシリンダブロックとが略直角
にかみ合う部分である平面部から、床部まで伸延して当
該床部と交わっており、かつ、略垂直に伸延している部
分の伸延深さは、外周円弧長さのすくなくとも一部分に
おいて次第に減少している。
さらに、側壁部の床部と交わる部分は、外周円弧22の
外周円弧長さの最後の約1/3の範囲において、円弧状の
断面を有し、その曲率半径は、外周円弧長さに沿って次
第に増加している。一方、外周円弧22の曲率半径は、終
点に向かい減少している。
外周円弧長さの最後の約1/3の範囲において、円弧状の
断面を有し、その曲率半径は、外周円弧長さに沿って次
第に増加している。一方、外周円弧22の曲率半径は、終
点に向かい減少している。
これによって、燃焼室を構成する二個の凹所は、全体
に渡り、らせん状形状つまり渦形状をなす一方、その床
部もまた、その長さ方向の一部に渡り、異なった渦形状
をなす。
に渡り、らせん状形状つまり渦形状をなす一方、その床
部もまた、その長さ方向の一部に渡り、異なった渦形状
をなす。
上記のような次第に形状が変化する凹所の複雑な構造
は、第２図から第10図に明白に示されている。
は、第２図から第10図に明白に示されている。
さらに、本実施例では、外周円弧22の曲率半径は、一
端（始点）を基準として約90゜に至る範囲において、シ
リンダ内径の半径と等しく、その後、他のポートの周囲
に配置される平面部を形成する内部円弧19に交わってい
る他端に近づくにつれ減少している。さらに、外周円弧
22は、前記範囲において、シリンダ４の壁部に対して実
質的に位置合わせされている。したがって、シリンダヘ
ッドの平面部分に、ピストンが非常に近接可能となる。
端（始点）を基準として約90゜に至る範囲において、シ
リンダ内径の半径と等しく、その後、他のポートの周囲
に配置される平面部を形成する内部円弧19に交わってい
る他端に近づくにつれ減少している。さらに、外周円弧
22は、前記範囲において、シリンダ４の壁部に対して実
質的に位置合わせされている。したがって、シリンダヘ
ッドの平面部分に、ピストンが非常に近接可能となる。
つまり、燃焼室８の各半部（凹所）が、シリンダ内径
面積の半分よりもわずかに小さい面積を有するよう設計
されているため、シリンダヘッドは、圧縮工程の終点に
おいて、非常に近接する二つの平面部18を、ピストンの
冠部により形成する。その結果、燃焼室８に急激で不規
則な乱流を生じさせるいわゆる「スカッシュ」効果を作
り出し、吸気供給の一定の割合が、急激に側壁から燃焼
室８の中に置換される。
面積の半分よりもわずかに小さい面積を有するよう設計
されているため、シリンダヘッドは、圧縮工程の終点に
おいて、非常に近接する二つの平面部18を、ピストンの
冠部により形成する。その結果、燃焼室８に急激で不規
則な乱流を生じさせるいわゆる「スカッシュ」効果を作
り出し、吸気供給の一定の割合が、急激に側壁から燃焼
室８の中に置換される。
また、本実施例では、凹所の一方に、スパークプラグ
28（第11図にのみ示す）の受入れ部である、ねじ孔26が
設けられている。なお、ねじ孔26は、凹所の最深部、つ
まり円弧の曲率半径が最小になっている部分に、隣接し
て配置されている。また、１個ではなく２個のスパーク
プラグを鏡対称位置に設けてもよい。
28（第11図にのみ示す）の受入れ部である、ねじ孔26が
設けられている。なお、ねじ孔26は、凹所の最深部、つ
まり円弧の曲率半径が最小になっている部分に、隣接し
て配置されている。また、１個ではなく２個のスパーク
プラグを鏡対称位置に設けてもよい。
また、本発明に係る内燃機関の圧縮比は、7.0から11.
0対１が好ましい。この場合、いわゆる高比率コンパク
トチャンバー（HRCC）内燃機関による摩擦損失よりも、
低い摩擦損失となっている。つまり、低圧縮比ながら、
空気および燃料の吸気供給における導入運動が高い度合
で行われる内燃機関は、HRCC内燃機関の経済的な部分負
荷状態に相当し、最大負荷時には、より低品質の燃料で
稼働することになる。なお、このことは、実験的に確立
されている。
0対１が好ましい。この場合、いわゆる高比率コンパク
トチャンバー（HRCC）内燃機関による摩擦損失よりも、
低い摩擦損失となっている。つまり、低圧縮比ながら、
空気および燃料の吸気供給における導入運動が高い度合
で行われる内燃機関は、HRCC内燃機関の経済的な部分負
荷状態に相当し、最大負荷時には、より低品質の燃料で
稼働することになる。なお、このことは、実験的に確立
されている。
さらに、渦比は、0.5から３の範囲が好ましい。この
渦比とは、内燃機関のクランクシャフトの角速度に対す
る、吸気工程終端におけるシリンダ内に渦を巻いて供給
される空気および燃料の角速度の比率である。
渦比とは、内燃機関のクランクシャフトの角速度に対す
る、吸気工程終端におけるシリンダ内に渦を巻いて供給
される空気および燃料の角速度の比率である。
次に、ピストンの圧縮行程における、本発明の作用お
よび効果について説明する。
よび効果について説明する。
吸気ポート10は、本実施例では直接型であり、吸気工
程時における空気と燃料の吸気供給の際に、単一吸気供
給渦がシリンダ内に形成（誘発）される。この吸気供給
渦は、ピストンが上死点位置に接近するにつれて、燃焼
室形状の影響を受けて、変形していく。
程時における空気と燃料の吸気供給の際に、単一吸気供
給渦がシリンダ内に形成（誘発）される。この吸気供給
渦は、ピストンが上死点位置に接近するにつれて、燃焼
室形状の影響を受けて、変形していく。
つまり、外周円弧22のスタート部分に隣接する側壁部
の深さの広範囲に渡る円周方向および半径方向の形状の
変化は、燃焼室８の各半部に、それぞれ別個の渦パター
ンを発生させることになる。なお、各渦パターンは等価
であり、第１図に示すように、いわゆる反時計回りにな
っている。
の深さの広範囲に渡る円周方向および半径方向の形状の
変化は、燃焼室８の各半部に、それぞれ別個の渦パター
ンを発生させることになる。なお、各渦パターンは等価
であり、第１図に示すように、いわゆる反時計回りにな
っている。
圧縮工程が終るにつれて、渦はもはや活発には生成さ
れなくなり、二つの渦（運動）パターンは、お互いに接
近して燃焼室８の中心領域で衝突する一方、前述したス
カッシュ効果により引き起される乱流のために、素早く
消滅する。したがって、気体運動である渦パターンは、
燃焼サイクルの正確な最適時点に誘発（生成）され、そ
して終結（消滅）する。その結果、急速な燃焼を増進
し、有害な排気生成物を最小限にする。
れなくなり、二つの渦（運動）パターンは、お互いに接
近して燃焼室８の中心領域で衝突する一方、前述したス
カッシュ効果により引き起される乱流のために、素早く
消滅する。したがって、気体運動である渦パターンは、
燃焼サイクルの正確な最適時点に誘発（生成）され、そ
して終結（消滅）する。その結果、急速な燃焼を増進
し、有害な排気生成物を最小限にする。
これまで、燃焼室をシリンダヘッドに形成したものに
関し説明してきた。しかし、当該燃料室は、吸気および
排気ポートを有しておれば略平面にできるため、ピスト
ンの冠部に形成することもできることは容易に理解され
る。
関し説明してきた。しかし、当該燃料室は、吸気および
排気ポートを有しておれば略平面にできるため、ピスト
ンの冠部に形成することもできることは容易に理解され
る。
（発明の効果） 以上のように、本発明に係る火花点火内燃機関によれ
ば、吸気工程時に生成される２個の渦パターンは、圧縮
工程の最後（上死点位置）に接近するにつれて変形し、
燃焼サイクルの正確な時点に、渦パターンが衝突して干
渉し合い、相互に他方を破壊して高水準の乱流を引き起
こし、急速な燃焼を増進する。つまり、部分負荷状態下
での燃焼が改善（増大）するという効果を奏する。
ば、吸気工程時に生成される２個の渦パターンは、圧縮
工程の最後（上死点位置）に接近するにつれて変形し、
燃焼サイクルの正確な時点に、渦パターンが衝突して干
渉し合い、相互に他方を破壊して高水準の乱流を引き起
こし、急速な燃焼を増進する。つまり、部分負荷状態下
での燃焼が改善（増大）するという効果を奏する。
第１図は、火花点火内燃機関のシリンダヘッドに形成さ
れた燃焼室の概略図、第２図は、第１図の線Ｚ−Ｚに関
する垂直断面図、第３図は、第１図の線Ｙ−Ｙに関する
垂直破断面図、第４図から第９図は、それぞれ、第１図
の線Ｏ−Ｘ、線Ｏ−Ｗ、線Ｏ−Ｖ、線Ｏ−Ｕ、線Ｏ−
Ｔ、および線Ｏ−Ｓに関する垂直破断面図、第10図は、
第１図の弧状の線Ｐ−Ｐに関する垂直断面図、第11図
は、シリンダヘッドの垂直断面図である。 ２……シリンダ、６……シリンダヘッド、 ８……燃焼室、10……吸気ポート、 12……排気ポート、20……平面部、 22……外周円弧。
れた燃焼室の概略図、第２図は、第１図の線Ｚ−Ｚに関
する垂直断面図、第３図は、第１図の線Ｙ−Ｙに関する
垂直破断面図、第４図から第９図は、それぞれ、第１図
の線Ｏ−Ｘ、線Ｏ−Ｗ、線Ｏ−Ｖ、線Ｏ−Ｕ、線Ｏ−
Ｔ、および線Ｏ−Ｓに関する垂直破断面図、第10図は、
第１図の弧状の線Ｐ−Ｐに関する垂直断面図、第11図
は、シリンダヘッドの垂直断面図である。 ２……シリンダ、６……シリンダヘッド、 ８……燃焼室、10……吸気ポート、 12……排気ポート、20……平面部、 22……外周円弧。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デビツト ウイリアム グリツグ イギリス国、ビーエヌ16 １アールジー サセツクス、イースト プレストン、 ヒルビユークレセント 32 (56)参考文献 特開 昭57−165627（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−93812（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−7728（ＪＰ，Ａ) 実開 昭55−135123（ＪＰ，Ｕ)
Claims (7)
- 【請求項１】ピストン（４）を収容すると共にシリンダ
ヘッド（６）により閉塞されるシリンダ（２）から形成
されるシリンダブロックと、前記ピストン（４）の吸気
行程の間に空気および燃料の単一吸気供給渦を形成する
吸気ポート（10）と、前記ピストン（４）と前記シリン
ダヘッド（６）との対向面の一方に設けられた凹所によ
り構成される燃焼室（８）とを有する火花点火内燃機関
であって、 前記凹所は、側壁部と床部とを有し、前記側壁部の外側
の境界を定める外側エッジ部は、平面的に見た場合に、
回転対称である２個の外周円弧（22）を形成しており、 これらの外周円弧（22）は、前記ピストン（４）の平面
部の面積の1/2より小さい面積を取り囲むと共に、180゜
を越える中心角を有しており、少なくとも外周円弧の一
部分において曲率半径が変化することにより、曲率半径
が最大となる端部である始点と曲率半径が小さい端部で
ある終点とを有し、 前記側壁部は、前記始点から外周円弧長さの約1/3から1
/2に至る範囲において、前記外周円弧（22）から下方向
の伸延深さが逐次的に増加する略垂直に伸延している部
分と、当該部分の端から伸延して半径方向内方の深さが
次第に増加して前記床部の交わる部分とを有し、 前記ピストン（４）の圧縮行程の間に、 前記吸気ポート（10）から供給される空気および燃料の
単一吸気供給渦から、前記燃焼室（８）内の別々の部分
において、少なくとも２個の、シリンダ軸に対して平行
な渦パターンを略同程度に生成することを特徴とする火
花点火内燃機関。 - 【請求項２】前記外周円弧（22）の曲率半径は、 前記始点から90゜に至る範囲において、前記ピストン
（４）の半径と略等しいことを特徴とする特許請求の範
囲第１項に記載の火花点火内燃機関。 - 【請求項３】前記外周円弧（22）は、 前記始点から90゜に至る範囲において、前記シリンダ
（４）の壁部に対して実質的に位置合わせされているこ
とを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の火花点火
内燃機関。 - 【請求項４】前記側壁部は、当該側壁部の深さが最大と
なる部分に位置する外周円弧部分から前記終点に至る範
囲において、略垂直に伸延している部分と、当該部分の
端から伸延して前記床部と交わる部分とを有し、前記シ
リンダヘッド（６）と前記シリンダブロックとが略直角
にかみ合う部分である平面部から、前記床部まで伸延し
て当該床部と交わっており、かつ、 略垂直に伸延している前記部分の伸延深さは、外周円弧
長さのすくなくとも一部分において次第に減少すること
を特徴とする特許請求の範囲第１項から第３項のいずれ
か１項に記載の火花点火内燃機関。 - 【請求項５】前記外周円弧（22）の外周円弧長さの最後
の約1/3の範囲において、前記外周円弧（22）の曲率半
径は、前記終点に向かい減少すると共に、前記床部と交
わる前記部分は、円弧状の断面を有し、その曲率半径
は、前記外周円弧長さに沿って次第に増加することを特
徴とする特許請求の範囲第４項に記載の火花点火内燃機
関。 - 【請求項６】前記シリンダヘッド（６）は、 単一の前記吸気ポート（10）と単一の排気ポート（12）
とを有し、内部に前記燃焼室（８）を形成しており、 前記床部は、前記吸気ポート（10）と前記排気ポート
（12）との間と、当該ポート（10,12）の周囲とに伸延
している略平面部（20）を有することを特徴とする特許
請求の範囲第１項から第５項のいずれか１項に記載の火
花点火内燃機関。 - 【請求項７】前記吸気ポート（10）は、 前記ピストン（４）の吸気工程時に、空気および燃料の
吸気供給渦を形成するように配置することを特徴とする
特許請求の範囲第６項に記載の火花点火内燃機関。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB08401928A GB2153428B (en) | 1984-01-25 | 1984-01-25 | Spark ignited i c engine combustion chambers |
| GB8401928 | 1984-01-25 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60159330A JPS60159330A (ja) | 1985-08-20 |
| JP2648589B2 true JP2648589B2 (ja) | 1997-09-03 |
Family
ID=10555503
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP60010000A Expired - Fee Related JP2648589B2 (ja) | 1984-01-25 | 1985-01-24 | 火花点火内燃機関 |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
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| EP (1) | EP0150989B1 (ja) |
| JP (1) | JP2648589B2 (ja) |
| KR (1) | KR960006010B1 (ja) |
| AU (1) | AU569772B2 (ja) |
| DE (1) | DE3562940D1 (ja) |
| ES (1) | ES8601392A1 (ja) |
| GB (1) | GB2153428B (ja) |
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| US5445135A (en) * | 1994-02-03 | 1995-08-29 | Feuling; James J. | Two-valve combustion chamber system |
Family Cites Families (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB609832A (en) * | 1945-02-21 | 1948-10-07 | Schweizerische Lokomotiv | Improvements in or relating to combustion chambers for internal combustion engines |
| GB833684A (en) * | 1956-12-20 | 1960-04-27 | Ricardo & Co Engineers | Internal combustion engines of the liquid fuel injection compression ignition type |
| GB891738A (en) * | 1959-09-22 | 1962-03-21 | Ricardo & Co Engineers | Internal combustion engine of the liquid fuel injection compression ignition type |
| DE1526338A1 (de) * | 1966-12-10 | 1970-02-05 | Robur Werke Lastkraftwagen Und | Brennraum bei Vergasermotoren,insbesondere Viertaktmotoren |
| US4121544A (en) * | 1975-01-24 | 1978-10-24 | May Michael G | Internal combustion engine |
| GB1547297A (en) * | 1975-07-09 | 1979-06-06 | Bayerische Motoren Werke Ag | Combustion chamber for an internal combustion engine in which the mixture is compressed and then ignited by extraneous ignition means |
| JPS5293812A (en) * | 1976-02-04 | 1977-08-06 | Toyota Motor Corp | Combustion chamber of internal combustion engine |
| JPS5949407B2 (ja) * | 1976-11-15 | 1984-12-03 | トヨタ自動車株式会社 | 内燃機関の燃焼室 |
| DE2912464A1 (de) * | 1978-03-31 | 1979-10-11 | Chrysler France | Brennkraftmaschine mit einer hauptverbrennungskammer und einer turbulenzkammer |
| JPS55135123U (ja) * | 1979-03-20 | 1980-09-25 | ||
| JPS5647230U (ja) * | 1979-09-20 | 1981-04-27 | ||
| GB2093911A (en) * | 1981-02-27 | 1982-09-08 | Ford Motor Co | Ic engine cylinder head combustion chambers |
| JPS5914610B2 (ja) * | 1981-08-10 | 1984-04-05 | トヨタ自動車株式会社 | 内燃機関の燃焼室 |
| DE3138328C2 (de) * | 1981-09-25 | 1986-11-27 | August, Paul, Dipl.-Ing. Dr.h.c., Barcelona | Verfahren zur Gemischbildung in einer Brennkammer einer Hubkolben-Brennkraftmaschine |
| JPS5853630A (ja) * | 1981-09-28 | 1983-03-30 | Toyota Motor Corp | 内燃機関 |
| US4467752A (en) * | 1982-06-21 | 1984-08-28 | Motortech, Inc. | Internal combustion engine |
-
1984
- 1984-01-25 GB GB08401928A patent/GB2153428B/en not_active Expired
-
1985
- 1985-01-24 JP JP60010000A patent/JP2648589B2/ja not_active Expired - Fee Related
- 1985-01-24 KR KR1019850000434A patent/KR960006010B1/ko not_active IP Right Cessation
- 1985-01-24 DE DE8585300467T patent/DE3562940D1/de not_active Expired
- 1985-01-24 ES ES539805A patent/ES8601392A1/es not_active Expired
- 1985-01-24 EP EP85300467A patent/EP0150989B1/en not_active Expired
- 1985-01-25 US US06/695,172 patent/US4686949A/en not_active Expired - Lifetime
- 1985-01-25 AU AU38077/85A patent/AU569772B2/en not_active Ceased
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