JP4265434B2

JP4265434B2 - 内燃機関の燃焼室

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Publication number: JP4265434B2
Application number: JP2004034015A
Authority: JP
Inventors: 幹城有松
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-02-10
Filing date: 2004-02-10
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2024-02-10
Also published as: US6945212B2; JP2005226495A; US20050172932A1; CN100357576C; CN1654793A

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室、特に、燃料と空気との混合気を吸い込んで燃焼させる内燃機関の燃焼室に関する。

往復動エンジン（内燃機関）の燃焼室は、シリンダヘッド下面、ピストン冠面、およびシリンダボア壁面により構成され、シリンダヘッド下面に吸気開口および排気開口が形成されている。吸気通路にインジェクタ（燃料噴射部）を設けた一般的なエンジンにおいては、吸気開口を開閉する吸気バルブが開くと、燃料と空気との混合気が燃焼室内に流入する。そして、燃焼後に、既燃の排気が、排気バルブにより開けられた排気開口から排気ポートへと排出される。

このようなエンジンの燃焼室において、吸気開口が形成される面と他のシリンダヘッド下面との間に段差を設けて吸気開口の周りに段差面（壁面）を形成する構造が、例えば特許文献１に開示されている。このような段差を設けると、リフト量を変えることができる可変リフト機構を持つ内燃機関において、吸気バルブのリフト量を小さくして燃焼室に吸入させる混合気の量を絞っているときにも、燃焼室に流入してきた混合気が段差面に当たってシリンダヘッド下面から離れるように向きを変える。これにより、低回転・低負荷時に吸気バルブのリフト量を小さくした場合においても、燃焼状態が安定するようになる。

なお、特許文献１では、開状態の吸気バルブの外周縁と段差面との間の隙間が、点火プラグ側で広く、その反対側で狭くなるように、段差面が形成されている。このようにすることで燃焼室内におけるスワールやタンブルが強化されることが、特許文献１に開示されている。
特開平７−１５０９４５号公報

吸気通路にインジェクターを設けたエンジンでは、吸気ポートや吸気バルブの温度が低い始動直後においては、特に混合気の液状燃料の微粒化が望まれる。粒径の大きい液状燃料を含む混合気が燃焼室内に流入してくると、燃焼室内における燃焼の安定性が阻害されるからである。また、粒径の大きい液状燃料が燃焼室の排気開口周辺の壁面に付着してしまうと、排気行程において濃度の高い未燃燃料成分が排気開口から排出されることになり、排気素質が悪化する。

本発明の課題は、燃料と空気との混合気を吸い込んで燃焼させる内燃機関の燃焼室であって、混合気の燃料の微粒化を促進させることができる燃焼室の構造を提供することにある。

本発明に係る内燃機関の燃焼室は、燃料と空気との混合気を吸い込んで燃焼させる内燃機関の燃焼室であって、吸気開口形成面と、壁面とを備えている。吸気開口形成面には、第１吸気開口および第２吸気開口が形成されている。これらの第１吸気開口および第２吸気開口は、それぞれ吸気バルブにより開閉される開口であり、互いに隣接している。壁面は、吸気開口形成面から燃焼室の内側に立ち上がっており、吸気開口形成面に沿った混合気の流れの向きを変える所定の高さの段差を形成する。そして、この燃焼室において、壁面は前記第１吸気開口および前記第２吸気開口の全体を連続して囲い、さらに前記第１吸気開口と前記第２吸気開口との間に、前記壁面による段差の高さよりも低い開口間壁面を形成するか、または開口間壁面を存在させないようにして、第１吸気開口と第２吸気開口とを連通させる連通空間を形成している。

ここでは、第１吸気開口と第２吸気開口との間に連通空間を形成しているため、吸気開口から燃焼室の内部に吸い込まれた混合気は、隣接する吸気開口のサイド（側）に流れやすくなる。これにより、ここでは、従来のように同じ高さの段差を形成する壁面によって吸気開口それぞれが囲まれている構造に較べ、より多くの混合気が隣接する吸気開口側に流れるようになる。

本発明に係る内燃機関の燃焼室では、第１吸気開口から吸い込まれた混合気と第２吸気開口から吸い込まれた混合気との衝突が多くなり、混合気に含まれる多くの燃料が微粒化するため、燃焼状態が改善され、また未燃燃料成分が排気されて排気素質が悪化する不具合が抑えられるようになる。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態に係るエンジン（内燃機関）の燃焼室およびその周辺構造を、図１に示す。
燃焼室は、ピストン３４の冠面３４ａ、シリンダブロック１０の内面でピストン３４と摺動するシリンダボア壁面１１、およびピストン３４の冠面３４ａと対向するシリンダヘッド２０の下面２１（以下、シリンダヘッド下面２１という。）により構成される。シリンダヘッド下面２１には、吸気バルブ３３により開閉される２つの吸気開口２５ａ，２５ｂと、排気バルブ３６により開閉される２つの排気開口２２ａ，２２ｂとが形成されている（図２参照）。吸気開口２５ａ，２５ｂについては、後に詳述する。ピストン３４は、シリンダブロック１０の内部に往復運動可能に配置されている。

この燃焼室の内部には、吸気バルブ３３が開いたときに、エアクリーナや電制スロットルを通って吸気マニホルド３１へと流れてくる空気とインジェクター３２から噴射された燃料との混合気が、吸気ポート２０ａを通って吸気開口２５ａ，２５ｂから吸い込まれてくる。また、燃焼後は、排気バルブ３６が開いたときに、既燃の排気が排気開口２２ａ，２２ｂから排気ポート２０ｂを通って排気マニホルド３７へと排出される。リフト量を変えて吸気バルブ３３および排気バルブ３６を開閉することができる可変リフト機構については、後に詳述する。

また、図１および図２に示すように、燃焼室の上部の略中央部分には、点火プラグ３５の点火部が配置されている。この点火プラグ３５による点火のタイミング、吸気バルブ３３や排気バルブ３６のリフト量、電制スロットルの開度、インジェクター３２による燃料噴射量などは、エンジンの運転状態や要求トルクなどに応じてコントロールユニット（図示せず）によって制御される。

＜吸気開口周囲の詳細構造＞
次に、シリンダヘッド下面２１に形成される吸気開口２５ａ，２５ｂ（第１吸気開口２５ａおよび第２吸気開口２５ｂ）について詳述する。
図２、図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示すように、第１吸気開口２５ａおよび第２吸気開口２５ｂは、シリンダヘッド下面２１のうち凹状に削り取られた凹部２４の吸気開口形成面としての底面２４ａ，２４ｂに設けられている開口である。凹部２４は、図２に示すような平面形状を有しており、１つの凹部２４の底面２４ａ，２４ｂに第１吸気開口２５ａおよび第２吸気開口２５ｂが形成されている。凹部２４の連続する内側面は、底面２４ａ，２４ｂから燃焼室の内側に向けて立ち上がる壁面２４ｃとなっており、平面的に第１吸気開口２５ａおよび第２吸気開口２５ｂを囲う。図３（Ａ），図３（Ｂ）に示すように、壁面２４ｃは、第１吸気開口２５ａおよび第２吸気開口２５ｂを開閉する吸気バルブ３３の外周縁に近接している。

後述するように、吸気バルブ３３は、低速用カム１１０によりリフトするときには低リフト量で、高速用カム１１１によってリフトするときには高リフト量で開けられることになる。このうち、吸気バルブ３３の低リフト量（低速用カム１１０による吸気バルブ３３の最大リフト量）は、凹部２４の深さ、すなわちシリンダヘッド下面２１と凹部２４の底面２４ａ，２４ｂとの段差の高さＨ１（図３（Ａ），図３（Ｂ）参照）と同等あるいはそれ以下に設定されている。具体的には、吸気バルブ３３の低リフト量が約１．５〜２ｍｍであり、凹部２４の壁面２４ｃの下端が、低速用カム１１０による最大リフト量で開状態にある吸気バルブ３３のバルブフェーズ（シリンダヘッド２０の吸気開口２５ａ，２５ｂ周りに形成されるバルブシート部分への当たり面）の下端位置から０ｍｍ〜約１ｍｍだけ下方にある。このため、低リフト量で吸気バルブ３３が開く場合には、燃焼室の内部に吸い込まれてくる混合気は、底面２４ａ，２４ｂに沿って流れて壁面２４ｃによって流れ方向を下向きに変えられる割合が特に大きくなる。

また、凹部２４は、第１吸気開口２５ａおよび第２吸気開口２５ｂの周囲に位置する底面２４ａに加え、第１吸気開口２５ａと第２吸気開口２５ｂとの間に位置する底面２４ｂを有している。これにより、図２および図４に示すように、第１吸気開口２５ａと第２吸気開口２５ｂとの間には、壁面２４ｃが存在せず第１吸気開口２５ａと第２吸気開口２５ｂとを凹部２４の底面２４ａ，２４ｂに沿って連通させる連通空間Ｓ１が形成されることになる。この連通空間Ｓ１は、シリンダヘッド下面２１の凹部２４の周りの面よりも外側において、第１吸気開口２５ａと第２吸気開口２５ｂとを連通する空間である。低リフト量で吸気バルブ３３が開く場合には、第１吸気開口２５ａから燃焼室の内部に吸い込まれてくる混合気のうち底面２４ａ，２４ｂに沿って連通空間Ｓ１の方向に流れる混合気と、第２吸気開口２５ｂから燃焼室の内部に吸い込まれてくる混合気のうち底面２４ａ，２４ｂに沿って連通空間Ｓ１の方向に流れる混合気とは、連通空間Ｓ１およびその周辺空間において衝突し、混合気に含まれる液状燃料が微粒化する。

＜可変リフト機構の詳細構造＞
吸気バルブ３３および排気バルブ３６は、吸気開口２５ａ，２５ｂや排気開口２２ａ，２２ｂに対するバルブ軸に沿った開状態におけるリフト量が変わる。このリフト量を可変とする可変リフト機構を、図５から図７に示す。ここでは、吸気バルブ３３のリフト量を可変とする可変リフト機構について説明するが、排気バルブ３６の可変リフト機構も同様の構造となっている。

可変リフト機構は、主として、ロッカシャフト１０３、主ロッカアーム１０４、副ロッカアーム１０５、副ロッカシャフト１０６、カムシャフト１０９、および主ロッカアーム１０４と副ロッカアーム１０５とを選択的に連結させる連結機構から構成されている。
ロッカシャフト１０３には、一対の主ロッカアーム１０４が揺動可能に支持されている。主ロッカアーム１０４は、その上面にカムフォロアローラ１０７を有している。また、主ロッカアーム１０４は、その揺動端１０４ａが吸気バルブ３３のバルブ軸３３ａの上端（ステムエンド）を押圧するようになっている。なお、一対の主ロッカアーム１０４は、下部において互いに一体となっている。

副ロッカアーム１０５は、一対の主ロッカアーム１０４に挟まれるように配置されており、副ロッカシャフト１０６に揺動可能に支持されている。副ロッカシャフト１０６は、一対の主ロッカアーム１０４の間に設けられている。副ロッカアーム１０５は、主ロッカアーム１０４に較べて短く形成されており、その先端部上面にカムフォロア部１０８が設けられている。

ロッカシャフト１０３の上方に配置されるカムシャフト１０９には、低速用カム１１０と高速用カム１１１とが並んで形成されている。一対の低速用カム１１０は、リフト量の小さなカムであり、一対の主ロッカアーム１０４のカムフォロアローラ１０７に当接する。高速用カム１１１は、リフト量の大きなカムであり、副ロッカアーム１０５のカムフォロア部１０８に摺接する。なお、副ロッカアーム１０５は、図７に示すように、ロストモーションスプリング１１２によって上方へ回動付勢されており、主ロッカアーム１０４から離脱した状態であっても高速用カム１１１との摺接状態が保たれるようになっている。

主ロッカアーム１０４と副ロッカアーム１０５とを選択的に連結させる連結機構は、連結レバー１１３、油圧プランジャ１１７、油圧シリンダ１１８、油圧供給通路１２０などから構成されている。連結レバー１１３は、副ロッカアーム１０５の下方に設けられている。この連結レバー１１３は、主ロッカアーム１０４に設けたピン１１４によって回動可能に支持されている。連結レバー１１３の上端部１１３ａは、副ロッカアーム１０５下面の係合段部１１５に係合可能となっている。そして、この連結レバー１１３は、突起部１１３ｃ（図６参照）にスプリングシート１１６ａを介して圧接するリターンスプリング（図示せず）により、係合解除方向へ常時付勢されている。また、連結レバー１１３の下端部１１３ｂに対向するように、油圧プランジャ１１７が配置されている。油圧プランジャ１１７が突出すると、連結レバー１１３が係合方向へ回動する。油圧プランジャ１１７が摺動可能に配置されている油圧シリンダ１１８には、主ロッカアーム１０４内の油孔１１９およびロッカシャフト１０３内の油圧供給通路１２０（図７参照）を介して、油圧が供給される。油圧供給通路１２０を介して油圧シリンダ１１８へ油圧が供給されると、連結レバー１１３が係合方向へ回動して副ロッカアーム１０５の係合段部１１５に係合する。これにより、副ロッカアーム１０５が高速用カム１１１により下方へ押圧された際に、主ロッカアーム１０４と副ロッカアーム１０５とが一体に作動するようになり、吸気バルブ３３が高速用カム１１１のカムプロフィールに沿って開閉するようになる。また油圧シリンダ１１８への油圧が解放されると、連結レバー１１３がリターンスプリングによって係合解除方向へ回動し、連結レバー１１３の上端部１１３ａが係合段部１１５から離れる。すると、副ロッカアーム１０５が主ロッカアーム１０４から切り離された状態となり、吸気バルブ３３は、主ロッカアーム１０４を介して低速用カム１１０のカムプロフィールに沿って開閉するようになる。

＜吸気行程における混合気の燃焼室内部への流入状態＞
次に、吸気バルブ３３が低速用カム１１０のカムプロフィールに沿って開けられるときの、すなわち吸気バルブ３３が低リフト量で開くときの、混合気の燃焼室内部への流入の状態について説明する。
吸気バルブ３３が図３（Ａ）に示す閉状態から図３（Ｂ）に示す開状態に移ると、吸気ポート２０ａ内の混合気が燃焼室の内部へと流入してくる。吸気バルブ３３が低リフト量で開くときには、開状態にある吸気バルブ３３のバルブフェーズよりも凹部２４の壁面２４ｃの下端のほうが０ｍｍ〜約１ｍｍだけ下方に位置することになるため、多くの混合気が凹部２４の底面２４ａ，２４ｂに沿って流れることになる。そして、凹部２４の底面２４ａ，２４ｂに沿って流れる混合気は、連通空間Ｓ１に向かう一部を除き、壁面２４ｃに当たって流れ方向が下向きに変わる。一方、第１吸気開口２５ａから底面２４ａ，２４ｂに沿って連通空間Ｓ１の方向に流れる混合気と、第２吸気開口２５ｂから底面２４ａ，２４ｂに沿って連通空間Ｓ１の方向に流れる混合気とは、連通空間Ｓ１およびその周辺空間において衝突し、混合気に含まれる液状燃料が微粒化するとともに、流れの乱れ強度が増大する。これにより、液状燃料の気化が促進され、燃焼状態の改善や排気素質の改善の効果が得られる。特に、エンジン始動直後の低速・低負荷の条件において、低リフト量での吸気バルブ３３の開閉動作が選択されるときには、ＨＣ排出量を抑えるために燃料の微粒化が望まれるが、ここでは連通空間Ｓ１が形成される燃焼室の構造を採用しているため、燃焼室において燃料の微粒化が促進される。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態に係るエンジン（内燃機関）の燃焼室およびその周辺構造は、上記第１実施形態に係る燃焼室およびその周辺構造において、シリンダヘッド下面２１のうち凹状に削り取られた凹部の平面形状が異なるものである。本実施形態に係る燃焼室では、図２に示す平面形状を有する凹部２４ではなく、図８に示す平面形状を有する凹部４４が、シリンダヘッド下面２１を切削することによって形成されている。

図８に示すように、第１吸気開口２５ａおよび第２吸気開口２５ｂは、シリンダヘッド下面２１のうち凹状に削り取られた凹部４４の底面４４ａ，４４ｂに設けられる。すなわち、１つの凹部４４の底面４４ａ，４４ｂに、第１吸気開口２５ａおよび第２吸気開口２５ｂが形成されている。凹部４４の連続する内側面は、底面４４ａ，４４ｂから燃焼室の内部の側に立ち上がる壁面４４ｃとなっており、平面的に第１吸気開口２５ａおよび第２吸気開口２５ｂを囲う。

吸気バルブ３３の低リフト量が約１．５〜２ｍｍであり、凹部４４の壁面４４ｃの下端は、低速用カム１１０による最大リフト量で開状態にある吸気バルブ３３のバルブフェーズの下端位置から０ｍｍ〜約１ｍｍだけ下方にある。このため、低リフト量で吸気バルブ３３が開く場合には、燃焼室の内部に吸い込まれてくる混合気は、底面４４ａ，４４ｂに沿って流れて壁面４４ｃによって流れ方向を下向きに変えられる割合が特に大きくなっている。

また、凹部４４は、第１吸気開口２５ａおよび第２吸気開口２５ｂの周囲に位置する底面４４ａに加え、第１吸気開口２５ａと第２吸気開口２５ｂとの間に位置する底面４４ｂを有している。これにより、第１吸気開口２５ａと第２吸気開口２５ｂとの間には、壁面４４ｃが存在せず第１吸気開口２５ａと第２吸気開口２５ｂとを凹部４４の底面４４ａ，４４ｂに沿って連通させる連通空間Ｓ２が形成されることになる。この図８に示す三角の平面形状を持つ連通空間Ｓ２は、第１吸気開口２５ａと第２吸気開口２５ｂとの間において、排気開口２２ａ，２２ｂから遠い側に偏っており、第１実施形態の連通空間Ｓ１に較べて平面的に広くなっている。

＜吸気行程における混合気の燃焼室内部への流入状態＞
吸気バルブ３３が低リフト量で開くと、吸気ポート２０ａ内の混合気が燃焼室の内部へと流入し、多くの混合気が凹部４４の底面４４ａ，４４ｂに沿って流れる。そして、凹部４４の底面４４ａ，４４ｂに沿って流れる混合気は、連通空間Ｓ２に向かう一部を除き、壁面４４ｃに当たって流れ方向が下向きに変わる。一方、第１吸気開口２５ａから底面４４ａ，４４ｂに沿って連通空間Ｓ２の方向に流れる混合気と、第２吸気開口２５ｂから底面４４ａ，４４ｂに沿って連通空間Ｓ２の方向に流れる混合気とは、連通空間Ｓ２およびその周辺空間において衝突し、混合気に含まれる液状燃料が微粒化するとともに、流れの乱れ強度が増大する。これにより、液状燃料の気化が促進され、燃焼状態の改善や排気素質の改善の効果が得られる。

また、連通空間Ｓ２が排気開口２２ａ，２２ｂから遠い側に偏っていることから、吸気開口２５ａ，２５ｂから燃焼室の内部へ流入した混合気は、特にバルブリフト初期において、排気開口２２ａ，２２ｂ側よりも排気開口２２ａ，２２ｂ側と反対の側へ多く流れるようになる。すなわち、ここでは、バルブリフト初期（吸気バルブ３３が開き始めたとき）における混合気の流れが逆タンブルとなる。このため、吸気開口２５ａ，２５ｂから燃焼室の内部へ流入した混合気のうち排気バルブ３６側に向かうものの量が少なくなり、混合気中の液状燃料が排気バルブ３６や排気バルブ３６の周囲の面に付着して排気に未燃燃料が多く含まれてしまう現象が抑えられる。なお、図１４に示すように、凹部４４の壁面４４ｃの下端が、低速用カム１１０による最大リフト量で開状態にある吸気バルブ３３のバルブフェーズの下端位置から約１ｍｍだけ下方にくるようにすると、すなわち、最大リフト時における凹部４４の壁面４４ｃの下端と吸気バルブ３３のバルブフェーズの下端とのバルブ軸に沿った高さ寸法Ｈ２を約１ｍｍにすると、燃焼室の内部に強い逆タンブル流を形成することができることが判明している。

＜流体解析結果＞
吸気バルブ３３が低リフト量で開いたときの混合気の燃焼室の内部への流入について、簡易モデルを使用した流体解析によってシミュレーションした。その結果を、図９（Ｂ）、図１０、および図１３に示す。
図９（Ｂ）は、第１吸気開口２５ａから燃焼室内に流入してきた混合気がどの方角に多く流れているかを示す空気質量流量分布である。方角を示すＡ１〜Ａ８は、図９（Ａ）に示すＡ１〜Ａ８と一致する。方角Ａ６，Ａ７は、排気開口２２ａ，２２ｂ側に向かう方角である。方角Ａ４，Ａ５は、隣接する第２吸気開口２５ｂ側に向かう方向である。図９（Ｂ）において、太い実線で示すのが平均値であり、その平均値からの差異割合で空気質量流量分布を作成している。図９（Ｂ）においては、本発明の第２実施形態に係る構造における分布を実線で、連通空間Ｓ２がなく吸気開口２５ａ，２５ｂがそれぞれ壁面で囲われ吸気開口２５ａ，２５ｂ間に壁面が存在する構造における分布を点線で、凹部４４自身が存在せず吸気開口２５ａ，２５ｂの周りに全く壁面４４ｃのような面が存在しない構造における分布を一点鎖線で、それぞれ示している。第２実施形態に係る構造では、Ａ３，Ａ４，Ａ５，Ａ６の方角に混合気の流量が集中しているとともに、排気開口２２ａ，２２ｂ側（方角Ａ６，Ａ７）に流れる混合気の流量よりも、それとは反対側（方角Ａ２，Ａ３）に流れる混合気の流量のほうが多くなっている。これに対し、点線で示す連通空間Ｓ２がない構造の場合には、第２実施形態に係る構造に較べて、隣接する第２吸気開口２５ｂ側（方角Ａ４，Ａ５）に流れる混合気の量が少なく、吸気開口２５ａ，２５ｂ間における混合気の衝突による液状燃料の微粒化の効果があまり期待できないことが判る。また、一点鎖線で示す凹部４４が存在しない構造の場合には、さらに隣接する第２吸気開口２５ｂ側（方角Ａ４，Ａ５）に流れる混合気の量が少なくなり、吸気開口２５ａ，２５ｂ間における混合気の衝突による液状燃料の微粒化の効果が期待できないことが判る。

図１０は、図８のＸ−Ｘ断面における吸気バルブ３３間の乱れ強さの分布を示す流体解析結果である。図１０〜図１２においては、濃くなっている部分ほど乱れ強さが大きい。図１１に示すシリンダヘッド２２０は、連通空間Ｓ２がなく開状態の２つの吸気バルブ３３の間に壁面４４ｃに相当する壁面が存在するものであり、図１２に示すシリンダヘッド３２０は、凹部４４に相当する部分が存在しないものである。図１１に示す連通空間Ｓ２がない構造の場合の流体解析結果および図１２に示す凹部４４が存在しない構造の場合の流体解析結果と比較すれば判るように、第２実施形態に係る構造の場合には、連通空間Ｓ２において極めて強い混合気の乱れが発生している。これにより、混合気の液状燃料の微粒化が促進されていることが判る。

図１３は、吸気行程における吸気バルブ３３間の乱れ強さの遷移を示すグラフである。このグラフから判るように、第２実施形態に係る構造では、吸気行程の初期において吸気バルブ３３間の連通空間Ｓ２において極めて強い混合気の乱れが生じる。
なお、上記の流体解析結果は、低リフト時の最大のリフト量のときの結果であり、バルブリフト初期の結果ではないため、混合気の流れがバルブリフト初期に逆タンブルとなる第２実施形態の構造の特色が強くは現れていない。しかし、第２実施形態の構造の場合、バルブリフト初期においては、吸気開口２５ａ，２５ｂから燃焼室の内部へ流入した混合気のうち排気バルブ３６側に向かうものの量が少なくなり、混合気中の液状燃料が排気バルブ３６や排気バルブ３６の周囲の面に付着して排気に未燃燃料が多く含まれてしまう現象が抑えられることが判っている。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態に係るエンジン（内燃機関）の燃焼室およびその周辺構造は、上記第２実施形態に係る燃焼室およびその周辺構造において、シリンダヘッド下面２１のうち凹状に削り取られた凹部の平面形状が異なるとともに、２つではなく３つの吸気開口が形成されるものである。本実施形態に係る燃焼室では、図８に示す平面形状を有する凹部４４ではなく、図１５に示す平面形状を有する凹部５４が、シリンダヘッド下面２１を切削することによって形成されている。また、本実施形態に係る燃焼室では、第１吸気開口２５ａおよび第２吸気開口２５ｂの代わりに、第１吸気開口５５ａ、第２吸気開口５５ｂ、および第３吸気開口５５ｃが凹部４４の底面５４ａ，５４ｂに形成されている。

図１５に示すように、第１吸気開口５５ａ、第２吸気開口５５ｂ、および第３吸気開口５５ｃは、シリンダヘッド下面２１のうち凹状に削り取られた１つの凹部５４の底面５４ａ，５４ｂに形成されている。凹部５４の連続する内側面は、底面５４ａ，５４ｂから燃焼室の内側の方向に立ち上がる壁面５４ｃとなっており、平面的に第１吸気開口５５ａ、第２吸気開口５５ｂ、および第３吸気開口５５ｃを囲っている。

また、凹部５４は、第１吸気開口５５ａ、第２吸気開口５５ｂ、および第３吸気開口５５ｃの周囲に位置する底面５４ａに加え、第１吸気開口５５ａと第２吸気開口５５ｂとの間および第２吸気開口５５ｂと第３吸気開口５５ｃとの間に位置する底面５４ｂを有している。これにより、第１吸気開口５５ａと第２吸気開口５５ｂとの間および第２吸気開口５５ｂと第３吸気開口５５ｃとの間には、壁面５４ｃが存在せず第１吸気開口５５ａと第２吸気開口５５ｂおよび第２吸気開口５５ｂと第３吸気開口５５ｃを底面５４ａ，５４ｂに沿って連通させる連通空間Ｓ３が形成されることになる。この図１５に示す２つの連通空間Ｓ３は、第１吸気開口５５ａと第２吸気開口５５ｂとの間および第２吸気開口５５ｂと第３吸気開口５５ｃとの間において、排気開口２２ａ，２２ｂから遠い側に偏っている。

このように、吸気バルブにより開閉される３つの吸気開口５５ａ，５５ｂ，５５ｃが形成される燃焼室においても、吸気開口５５ａ，５５ｂ，５５ｃの周りに壁面５４ｃを設けつつ連通空間Ｓ３を形成させることによって、連通空間Ｓ３において混合気の衝突が生じ、混合気に含まれる液状燃料が微粒化するため、燃焼状態の改善や排気素質の改善の効果を得ることができる。

［第４実施形態］
上記各実施形態、例えば第１実施形態のエンジンの燃焼室では、図２および図４に示すように、第１吸気開口２５ａと第２吸気開口２５ｂとの間に壁面２４ｃを存在させない構造を採ることによって、第１吸気開口２５ａと第２吸気開口２５ｂとを底面２４ａ，２４ｂに沿って連通させる連通空間Ｓ１を形成している。これにより、低リフト量で吸気バルブ３３が開く場合に、第１吸気開口２５ａから燃焼室の内部に吸い込まれてくる混合気のうち底面２４ａ，２４ｂに沿って連通空間Ｓ１の方向に流れる混合気と、第２吸気開口２５ｂから燃焼室の内部に吸い込まれてくる混合気のうち底面２４ａ，２４ｂに沿って連通空間Ｓ１の方向に流れる混合気とが、連通空間Ｓ１およびその周辺空間において衝突し、混合気に含まれる液状燃料が微粒化することになる。

このように、第１吸気開口２５ａと第２吸気開口２５ｂとの間に壁面２４ｃを形成しないことによって連通空間Ｓ１を確保する代わりに、図１６に示すように、第１実施形態の壁面２４ｃに相当する壁面６４ｃよりも高さの低い壁面６４ｅ（壁面６４ｃにより形成される段差の高さよりも低い段差を形成する壁面であり、以下、第１開口間壁面６４ｅという。）を第１吸気開口２５ａと第２吸気開口２５ｂとの間に形成することで両開口２５ａ，２５ｂを連通する連通空間Ｓ４が確保されるようにすることも可能である。この連通空間Ｓ４は、シリンダヘッド下面２１の凹部６４の周りの面よりも外側において、第１吸気開口２５ａと第２吸気開口２５ｂとを連通する空間である。

ここでは、第１実施形態の凹部２４に相当する凹部６４が、シリンダヘッド下面２１に形成される。凹部６４は、図１６に示すように、第１吸気開口２５ａの周りに位置する第１底面６４ａと、第２吸気開口２５ｂの周りに位置する第２底面６４ｂと、両底面６４ａ，６４ｂ間に形成される第３底面６４ｄと、壁面６４ｃと、第１開口間壁面６４ｅとから構成される。壁面６４ｃは、各底面６４ａ，６４ｂから燃焼室の内側に向けて、シリンダヘッド下面２１の凹部６４の周りの面まで立ち上がっている。第１開口間壁面６４ｅは、各底面６４ａ，６４ｂから燃焼室の内側に向けて、第３底面６４ｄまで立ち上がっている。第３底面６４ｄは、第１底面６４ａおよび第２底面６４ｂよりも浅く削り取られている部分であり、その深さが第１底面６４ａおよび第２底面６４ｂの深さよりも浅い。すなわち、第１開口間壁面６４ｅは壁面６４ｃよりも高さが低く、第１開口間壁面６４ｅにより形成される段差の高さは、壁面６４ｃにより形成される段差の高さよりも低い。

このような図１６に示す凹部６４を第１実施形態の図２に示す凹部２４に代えてシリンダヘッド下面２１に形成した場合にも、第１吸気開口２５ａと第２吸気開口２５ｂとの間に形成される第１開口間壁面６４ｅの高さが壁面６４ｃよりも低いことから連通空間Ｓ４が確保され、第１吸気開口２５ａおよび第２吸気開口２５ｂから吸い込まれた混合気が多く連通空間Ｓ４を通って衝突するようになり、混合気に含まれる液状燃料が微粒化することになる。

なお、ここでは第１開口間壁面６４ｅを壁面６４ｃと同様の角度で立ち上げる構造としているが、第１開口間壁面６４ｅだけを傾斜させて立ち上げさせ、より多くの混合気が連通空間Ｓ４に流れて衝突するように構成することも考えられる。
また、図１５に示す第３実施形態の燃焼室のように３つの吸気開口（第１吸気開口５５ａ、第２吸気開口５５ｂ、および第３吸気開口５５ｃ）を設ける場合にも、第１吸気開口５５ａと第２吸気開口５５ｂとの間に壁面５４ｃよりも高さの低い第１開口間壁面を形成するとともに、第２吸気開口５５ｂと第３吸気開口５５ｃとの間に壁面５４ｃよりも高さの低い第２開口間壁面を形成することで、シリンダヘッド下面２１の凹部５４の周りの面よりも外側において第１吸気開口５５ａと第２吸気開口５５ｂおよび第２吸気開口５５ｂと第３吸気開口５５ｃを連通させる連通空間を確保することが可能である。

本発明に係る内燃機関の燃焼室では、燃焼室の内部に入ったときに混合気中の燃料が微粒化することになるため、燃焼状態が改善され、また未燃燃料成分が排気されて排気素質が悪化する不具合が抑えられる。したがって、本発明に係る内燃機関の燃焼室は、燃料と空気との混合気を吸い込んで燃焼させる内燃機関の燃焼室として有用である。

本発明の第１実施形態に係るエンジンの燃焼室およびその周辺構造の概略図。図１のII-II矢視図。図２のIII-III矢視断面図（吸気バルブが閉状態のとき）。図２のIII-III矢視断面図（吸気バルブが開状態のとき）。図２のIV-IV矢視断面図（吸気バルブが閉状態のとき）。可変リフト機構の要部を示す平面図。可変リフト機構のロッカアームを一部切り欠いた断面図。図６のVII-VII矢視断面図。第２実施形態の燃焼室のシリンダヘッド下面を示す、図２に相当する図。図９（Ｂ）の方角を表す図。第２実施形態の燃焼室の流体解析結果を示す円形チャート。吸気バルブ３３間の乱れ強さの分布を示す流体解析結果を示す図。連通空間がない構造の場合の流体解析結果を示す、図１０に相当する図。凹部がない構造の場合の流体解析結果を示す、図１０に相当する図。吸気行程における連通空間における乱れ強さの遷移を示す図。燃焼室の内部に強い逆タンブル流を形成するために望ましい吸気バルブと壁面との相関関係を示す図。第３実施形態の燃焼室のシリンダヘッド下面を示す、図８に相当する図。第４実施形態の燃焼室のシリンダヘッド下面を示す、図２に相当する図。

符号の説明

２１シリンダヘッド下面
２５ａ第１吸気開口
２５ｂ第２吸気開口
２４，４４，５４，６４凹部
２４ａ，２４ｂ，４４ａ，４４ｂ，５４ａ，５４ｂ，６４ａ，６４ｂ凹部の底面（吸気開口形成面）
２４ｃ，４４ｃ，５４ｃ，６４ｃ，６４ｅ凹部の壁面（凹部の側面）
３３吸気バルブ
３４ａピストンの冠面
３６排気開口
５５ａ第１吸気開口
５５ｂ第２吸気開口
５５ｃ第３吸気開口
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４連通空間

Claims

燃料と空気との混合気を吸い込んで燃焼させる内燃機関の燃焼室であって、
互いに隣接しており吸気バルブにより開閉される第１吸気開口および第２吸気開口が形成されている吸気開口形成面と、
前記吸気開口形成面から燃焼室の内側に立ち上がり、前記吸気開口形成面に沿った混合気の流れの向きを変える所定の高さの段差を形成する壁面と、
を備え、
前記壁面は前記第１吸気開口および前記第２吸気開口の全体を連続して囲い、さらに前記第１吸気開口と前記第２吸気開口との間に、前記壁面による段差の高さよりも低い開口間壁面を形成するか、または開口間壁面を存在させないようにして、前記第１吸気開口と前記第２吸気開口とを連通させる連通空間を形成する、
内燃機関の燃焼室。
前記連通空間は、前記第１吸気開口と前記第２吸気開口との間において、排気開口から遠い側に偏っている、
請求項１に記載の内燃機関の燃焼室。
前記吸気開口形成面は、ピストン冠面と対向するシリンダヘッド下面に形成された凹部の底面であり、
前記壁面は、前記凹部の側面である、
請求項１又は２に記載の内燃機関の燃焼室。
吸気バルブを開けるときのリフト量を変える可変リフト機構を有する内燃機関の燃焼室であって、請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関の燃焼室。