JP4074367B2 - ３つのバルブとその中央に配置されたスパークプラグとを有する燃焼チャンバを備えたスパークイグニッション式内燃機関 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スパークイグニッション式の内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明の開示】
本発明の内燃機関は、少なくとも１つのシリンダを規定するエンジンブロックと、エンジンブロック上に配置されその下面にキャビティが形成されたシリンダヘッドと、キャビティ上に開口し給気バルブおよび排気バルブの座(シート)を形成する少なくとも１つの給気ポートおよび少なくとも１つの排気ポートと、各燃焼チャンバに関連するスパークプラグと、を備える。シリンダヘッドの下面に形成されたキャビティは、各シリンダに関連する燃焼チャンバを規定する。
【０００３】
本発明の目的は、小型化および効率的作動の両方の観点において有利な特定の燃焼チャンバ構成を提供することである。
【０００４】
本発明の主題を構成する思想によれば、エンジンは、以下の特徴部を組み合わせてなる。
【０００５】
-各燃焼チャンバに対して関連する３つのバルブがあり、これらのバルブの軸は、シリンダの軸の周囲に配置されている。
【０００６】
-各燃焼チャンバのスパークプラグは上記３つのバルブの中央に配置されている。
【０００７】
-スパークプラグは、ネジの切られた部分を有しており、シリンダヘッド内に形成された対応するネジの切られた座にネジ係合している。スパークプラグのネジの切られた部分は、長さが19mm以上で直径が12mm以下である。シリンダヘッドは、スパークプラグの座を少なくとも部分的に囲う冷却ジャケットを備えている。
【０００８】
以下の説明から明らかになるように、本発明の思想は有利である。それは、小型化されているからであり、また、エンジンの作動中において、スパークプラグの点火領域近傍に燃料/空気混合体が集中し易いからである。この結果、ホットスポットの発生を確実に防ぎ、燃焼効率を高めて、異常燃焼の起こりにくい特性を与える。同時に、高圧縮比を実現し、エンジンの熱力学的効率を改善し、燃料消費が低減される。
【０００９】
上述の非標準的な寸法のスパークプラグを使用することにより、多くの利益が得られる。従来の標準的な長さよりも長い範囲にわたってネジの切られた部分を有するスパークプラグを採用することにより、該スパークプラグの座のための冷却ジャケットを設けるのに必要なスペースを残すことができる。したがって、高圧縮比においても異常爆発およびプレイグニッションを確実に防止するとともに、燃焼チャンバの良好な冷却を達成することができる。
【００１０】
従来より、３つのバルブを備えた燃焼チャンバ(給気バルブが２つと排気バルブが１つであるものが一般的である)は既に提案されているということを留意すべきである。通常この解決策は、各バルブの軸をシリンダ軸と実質的に平行に保ちつつ、シリンダヘッド内に配置された単一のカムシャフトでバルブを駆動するために採用されてきた。しかしながら、これらの公知の解決策においては、各燃焼チャンバに対して、１つまたは２つのスパークプラグがシリンダ軸の周囲に配置されており、排気バルブと各給気バルブとの間のスペースを利用したものである。各燃焼チャンバに対して２つの排気バルブと１つの給気バルブとを備えたエンジンも製造されている。しかしながら、出願人の知る限り、バルブが３つだけでその中央にスパークプラグを１つ備えた燃焼チャンバは、過去に誰も提案していない。それは、単に、バルブ直径を適切にし、かつ燃焼チャンバを十分に冷却しなければならないということについて、このような形態に関連する問題を誰も解決することができなかったからにすぎない。これらの問題は、本発明の上述の特徴によって解決された。
【００１１】
直径方向に対向して設けられたバルブを２つだけ備えた燃焼チャンバ、または互いに90°の間隔をおいて配置された４つのバルブとその中央に配置されたスパークプラグとを備えた燃焼チャンバは、過去において既に提案されていることに留意すべきである。しかしながら、これらの解決策は、製造コストという点において満足できるものではなく、燃焼チャンバの表面形状が比較的不規則となってしまうという問題を含んでいる。
【００１２】
本発明の好ましい実施形態においては、各燃焼チャンバに関連する３つのバルブは、２つの給気バルブと１つの排気バルブで構成される。燃焼チャンバを規定するシリンダヘッド内のキャビティの表面の形状は、平坦状であるか、または傾斜した２つの面部分からなるルーフ状である。ルーフ状の場合、傾斜した２つの面部分の一方には２つの給気ポートが配置され、他方の面部分には排気ポートが配置される。シリンダ軸に垂直な横断面においては、３つのバルブポートの各輪郭がシリンダの円形輪郭に内接しており、スパークプラグが３つの輪郭の中央に配置され、これらに接している。この横断面において、燃焼チャンバの輪郭は、略三角形であって、給気ポートおよび排気ポートの輪郭と局所的に接触する丸められた頂点を有している。
【００１３】
したがって、燃焼チャンバの形状が非常にシンプルかつ均一となり、火炎前面(flame front)が到達する表面部が非常にコンパクトかつ均一となる。スパークプラグを中央に配置しているので、火炎前面は、燃焼チャンバの中央から始まり、燃焼周辺域へと対称に拡がる。この間、火炎前面は、非常に均一な表面にしか出会わない。
【００１４】
上記のようなチャンバの特定の形状により、圧縮段階の最後に、燃焼チャンバの中央領域に向かうガスのスキッシュ(squish)がより広い領域において生じる。燃焼チャンバの面形状をシリンダの円形の面形状と適合させることによって、それぞれが円弧部分と弦部分とで構成される３つの領域が規定される。この３つの領域においては、ピストンがシリンダ内の混合気体を圧縮し、圧力の低い領域(すなわち、チャンバの中央)に向かって移動する混合気体のスキッシュを生じさせる。この結果、燃焼の開始および進展に都合のよい微細な乱流が発生する。
【００１５】
本発明による幾何学的形状は、インジェクタを配置を適切に選択することによって、燃料が給気バルブの上流側に噴射されるエンジンにも、ガソリンが燃焼チャンバ内に直接噴射されるエンジンにも、適用可能である。後者の場合には、本発明にしたがってスパークプラグを中央に配置することにより、２つの給気バルブの間にインジェクタのためのスペースを確保することができる。このような構成は、３つのバルブと２つの側方スパークプラグとを有する公知の形態においては不可能である。また、有効な空間のすべてを占領してしまう４つのバルブを有する場合にも不可能である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付の図面を参照して以下に説明する。各実施形態は、本発明を限定するものではない。図において、参照数字１は、スパークイグニッション式内燃機関のブロックを概略的に示している。この内燃機関は、シリンダを少なくとも１つ備えてなるものであって、シリンダ内にはピストン(図示せず)が摺動可能に配置されている。ブロック１の上方には、シリンダヘッド３が配置されている。シリンダヘッド３の底面にはキャビティ４が形成されており、このキャビティ４がシリンダ２に係る燃焼チャンバを規定している。
【００１７】
図１〜５に示した実施形態においては、キャビティ４の表面は、ルーフ状であって、頂端縁７において連結される実質的に平坦な２つの面部分５、６(図３参照)を有している。
【００１８】
面５の中央部には排気ポート８が１つ開口しており、この排気ポート８は、排気バルブ９のための座(シート)を形成する。排気ポート８は、シリンダヘッド３内に形成された排気管10の終端縁を規定する。
【００１９】
添付の図面は、内燃機関を模式的に示したものであって、シリンダヘッド内の中空空間を中実のように図示している。さらに、図面には、シリンダに関連するバルブを駆動するタイミングシステムの構造は詳しく示していない。何故なら、それらの構造上の特徴は公知であって、本発明を構成するものではないからである。さらに、これらの詳細の図示を省略することによって、図面が簡単になり、理解が容易になる。
【００２０】
面部分６上には２つの給気ポート11、12が開口しており、各ポートが給気バルブ13、14のための座を形成している。給気ポート11、12は、シリンダヘッド３内に形成された給気管15、16の終端縁を規定する。
【００２１】
図３から分かるように、シリンダ軸に垂直な面においては、排気ポート８および給気ポート11、12の輪郭はシリンダ２の輪郭に内接しており、キャビティ４によって規定される燃焼チャンバの輪郭はその頂点が丸められ局所的に上記３つのポートに沿う略三角形である。本発明によれば、スパークプラグ18が各チャンバ４に対して設けられており、３つのポート８、11、12の中央に配置される。スパークプラグ18は、図３に示した例では、平面図におけるその輪郭が実質的に上記３つのポートの輪郭に接している。添付の図面に示した構成においては、スパークプラグ18の軸は、シリンダの軸と平行にされている。さらに、図３を参照すると、２つの給気ポート11、12は、前述の面部分６上において４-４線断面の両側に対称に配置されている。これに対してポート８は、面部分５上において、４-４線断面上に中央に配置されている。スパークプラグ18の軸は、４-４線断面内において、燃焼チャンバの頂端縁に非常に近接した位置に配置されている(図３参照)。
【００２２】
上記特徴により、本発明のエンジンは、小型化および高性能化を達成できる。
【００２３】
スパークプラグが中央に配置されているので、火炎前面は、燃焼チャンバの中央から始まり、チャンバ周辺域へと対称に拡がる。この間、火炎前面は、非常に均一な表面にしか出会わない。
【００２４】
上記のようなチャンバの特定の形状により、圧縮段階の最後に、燃焼チャンバの中央領域に向かうガスのスキッシュがより広い領域において生じる。その理由は、「燃焼チャンバの略三角形の平面形状」と「シリンダの円形の平面形状」とがオーバーラップし、これにより、それぞれが円弧部分と弦部分とで構成される３つの領域を規定していることである。この３つの領域においては、ピストンがシリンダ内の混合気体を圧縮し、該混合気体を圧力の低い領域(すなわち、チャンバの中央)に向かって移動させる。この結果、燃焼の開始および進展に都合のよい微細な乱流が発生する。
【００２５】
スパークプラグ18は、ネジの切られた部分18ａを有している。この部分の寸法は、従来の標準的な寸法とは異なる。部分18ａは、ヘッド内に形成された協働するネジの切られた座内に係合している。ネジの切られた部分18ａの長さＬ(図５参照)は、例えば19mmであって、いかなる場合にもそれより小さくはない。また、この部分18ａの直径Ｄは12mmであって、いかなる場合にもそれより大きくはない。これによって、冷却ジャケット18ｂ(図４参照)のための空間を確保する。
【００２６】
インジェクタを適切に配置することによって、本発明による幾何学的形状は、燃料が給気バルブの上流側に噴射されるエンジンにも、ガソリンが燃焼チャンバ内に直接噴射されるエンジンにも、適用可能である。図４は、後者のタイプのエンジンに適用されたインジェクタ40を示している。
【００２７】
図６は、燃焼チャンバを平坦とした変形例を示している。図４および６の両方の例において、好ましいケースは、３つのバルブのうちの２つが給気バルブであって、残りの１つが排気バルブである場合である。勿論、逆の場合もあり得る。２つのツインバルブは、その軸がクランクシャフトの軸に平行な面上に位置することが好ましい。これにより、単一のカムシャフトで両バルブを駆動することが可能となる。
【００２８】
当然に、本発明の原理はそのままとして、ここまで図示して説明したものに対して、本発明の範囲から逸脱することなく細かな構成および実施形態を大幅に変更することができる。
【００２９】
例えば、燃焼チャンバは、完全にピストンの上壁内に形成することもできる。このケースは、図６の例において、キャビティ４の高さをゼロとした場合に対応する。
【００３０】
図７および８は、給気管および排気管の両方がシリンダヘッドの同じ側に向けて配置された変形例を示している。給気管および排気管は、当該同じ側において開口し、給気および排気マニフォルドと接続される。両給気管は、スパークプラグの近傍においては、他の位置においてよりも互いに大きな間隔をあけられており、該スパークプラグを配置するのに十分な空間を確保している。両給気管は、バルブの座の近傍においては、互いの間隔が狭くなっている(図８参照)。スパークプラグは、各給気バルブおよび排気バルブの座の中央に配置されている。２つの給気バルブの座の中心を結ぶ線は、クランクシャフトの軸線と平行であり、２つの給気バルブのステムは、クランクシャフトに平行な面内に位置している。燃焼チャンバは、ハート形状かまたは単純なルーフ形状である。さらに、給気バルブの座は、クランクシャフトに平行な面上に位置している。図７および８に示したものと異なり、図６に示した例においては、これらの座を含む上述の面はシリンダの軸線に対して直角である。
【００３１】
図９は、図７の変形例を示しており、給気バルブ13、14および排気バルブ９が単一のカムシャフト20で制御される。排気バルブ９は、ロッカーアーム21および油圧タペット22によって駆動される。給気バルブ13、14は、ロッカーアーム23および電子制御式油圧装置24によって駆動される。この油圧装置24は、同じ出願人によるヨーロッパ特許出願第97830123.2号の主題をなすものであって、ロッカーアーム23によって駆動されるピストン26に油圧接続されたピストン25を備える。ピストン 26 は、ソレノイドバルブ 27 で排液可能な圧力チャンバを介して、ピストン 25 と油圧接続されている。図10は、ソレノイドバルブを省略して簡単化した変形例を示している。２つのピストン25、26間は常に油圧接続されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の内燃機関のシリンダヘッド内に存在する中空空間を概略的に示す斜視図であって、燃焼チャンバ、給気管、排気管、スパークプラグ、およびバルブステムを示している。
【図２】 図１の内燃機関の側面図である。
【図３】 シリンダ軸に直交する面で見た平面図である。
【図４】 図３の４-４線断面図である。
【図５】 図２の５-５線断面図である。
【図６】 図４に示した例に対する変形例である。
【図７】 さらなる変形例の側面図である。
【図８】 図７の例の平面図である。
【図９】 さらに別の例の部分断面概略図である。
【図１０】 図９に示した例に対する変形例である。
【符号の説明】
１ ブロック
２ シリンダ
３ シリンダヘッド
４ キャビティ
５、６ 面部分
７ 頂端縁
８ 排気ポート
９ 排気バルブ
10 排気管
11、12 給気ポート
13、14 給気バルブ
15、16 給気管
18 スパークプラグ
18ａ ネジの切られた部分
18ｂ 冷却ジャケット
20 カムシャフト
22 油圧タペット
23 ロッカーアーム
24 油圧装置
25、26 ピストン
27 ソレノイドバルブ
40 インジェクタ

Claims (3)

1. 少なくとも１つのシリンダ(２)を含むエンジンブロック(１)と、
   エンジンブロック(１)上に配置されており、上記シリンダ(２)に関連する燃焼チャンバを規定するキャビティ(４)がその下面に形成されているシリンダヘッド(３)と、
   キャビティ(４)上に開口し、給気バルブ(13、14)および排気バルブ(９)のための座を形成する、２つの給気ポート(11、12)および１つの排気ポート(８)と、
   各燃焼チャンバに関連するスパークプラグ(18)と、を備えたスパークイグニッション式の内燃機関であって、
   各燃焼チャンバ(４)に対して関連する３つのバルブ(９、13、14)があり、これらのバルブの軸は、シリンダの軸の周囲に配置されており、
   各燃焼チャンバ(４)のスパークプラグ(18)は上記３つのバルブ(９、13、14)の中央に配置されており、
   スパークプラグ(18)がネジの切られた部分(18ａ)を有しており、該部分(18ａ)は、シリンダヘッド(３)内に形成された対応するネジの切られた座にネジ係合しており、該部分(18ａ)は、長さが 19mm に等しく、直径が 12mm に等しく、
   シリンダヘッド(３)は、スパークプラグの座を少なくとも部分的に囲う冷却ジャケット(18ｂ)を備え、
   上記各燃焼チャンバに対して、２つの給気バルブ(13、14)および１つの排気バルブ(９)が設けられていて、
   燃焼チャンバを規定するシリンダヘッド(３)内の上記キャビティ(４)の表面がシリンダ軸に直交する平坦形状で、
   上記シリンダ(２)の軸に直交する横断面において、上記３つのポート(８、11、12)の輪郭は、シリンダの円形の輪郭に実質的に内接しており、
   上記スパークプラグ(18)は、３つのポートの内側に位置し、かつスパークプラグ(18)の輪郭が、３つのポートの輪郭に実質的に外接しており、
   上記シリンダ(２)の軸に直交する面において、上記燃焼チャンバ(４)は、頂点の丸められた略三角形の輪郭を有しており、該丸められた頂点は、上記３つのポート(８、11、12)の輪郭に局所的に沿っていて、
   上記略三角形の輪郭は、スパークプラグ(18)と排気ポート(８)の中心を通る直線線について線対称に配置されていて、２つの吸気ポート(11、12)も当該直線に関して線対称に配置されている、ことを特徴とする内燃機関。
2. 上記２つの給気バルブの軸が、クランクシャフトの軸に平行な面上に位置しており、単一のカムシャフトによって駆動されることを特徴とする、請求項１記載の内燃機関。
3. 上記カムシャフトが電子制御の油圧装置によって給気バルブを駆動することを特徴とする、請求項２記載の内燃機関。

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