JP4552773B2 - エンジンの燃焼室構造 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの燃焼室構造に関する。

ノッキングは、エンジンの燃焼室内に残留した未燃混合気が急激に燃焼するために発生する異常燃焼である。ノッキングの発生を抑制するために、燃焼室内にガス流動を発生させることや複数の点火プラグを配置する方法が提案されている。これらの方法は残留した未燃混合気を低減させてノッキングの発生を抑制する効果を有する。

ガス流動には、スワールやスキッシュなどが挙げられる。スワールは、シリンダ軸の周りに混合気を旋回させるガス流動である。スキッシュは、スキッシュ生成部を冠面に形成したピストンとシリンダとの相対運動によって発生する。また、点火プラグの複数配置は、第１点火プラグを燃焼室の中央近傍に配置し、第２点火プラグを排気弁又は吸気弁の近傍に配置する２点点火方式などが提案されている。

しかし、上述のスキッシュと２点点火方式を併用すると、燃焼室の外周側に設けられた第２点火プラグはスキッシュ生成部と近接する。そのため、第２点火プラグが点火した火炎はスキッシュ生成部に成長を妨げられて十分に燃焼することができない。

そこで、スキッシュ生成部による火炎成長の阻害を防ぐために、第２点火プラグと近接する部分には、スキッシュ生成部を設けない構造が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００２−２６６７３９号公報

しかし、第２点火プラグ近傍にスキッシュ生成部を形成しなければ、燃焼室内のガス流動の大きさが減少する。そのため、点火プラグによって点火された火炎の燃焼速度が緩慢になってしまう。したがって、混合気を十分に燃焼させることができずに未燃混合気が燃焼室内に滞留してしまい、ノッキングの発生を十分に抑制することができなかった。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、火炎の成長を阻害せずに燃焼室内のガス流動を十分に発生させることのできるエンジンの燃焼室構造を提供することを目的としている。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、エンジン（１０）の燃焼室構造であって、燃焼室ルーフ面（１１ａ）に近接して上死点付近でスキッシュを生成するスキッシュ生成部（１３）を冠面に備えるピストン（１２）と、前記燃焼室のルーフ面に設けられた複数の吸気ポートの間であって、燃焼室ルーフ面（１１ａ）とスキッシュ生成部（１３）とで形成されるスキッシュエリア（１７）よりもシリンダ径方向ボア壁面側に設けられる点火プラグ（１６）と、前記スキッシュエリア（１７）に隣接して設けられ、前記スキッシュ生成部（１３）が燃焼室ルーフ面（１１ａ）に近接したときに、前記点火プラグが点火して生じた燃焼火炎を、前記吸気ポートと前記燃焼室の外周とが近接する位置まで伝播させる断面拡大部（２０）とを有することを特徴とする。

本発明によれば、燃焼室内に断面拡大部を形成することによって、スキッシュエリアのシリンダ径方向ボア壁面側に設けられた点火プラグの点火した火炎の成長を阻害しない。さらに、この点火プラグ付近でもガス流動を発生させて燃焼速度を増進させることができるため、残留する未燃混合気を減少させてノッキングの発生を抑制することができる。

以下では図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明による燃焼室構造を有するエンジン１０の全体図である。

エンジン１０は、内部に燃焼室１１を有する。エンジン１０は、外気を燃焼室１１に導く吸気ポート２１と、混合気に点火する点火プラグ１５と、燃焼後の排気を排出する排気ポート２２とを備える。

エンジン１０は、シリンダ１４と、シリンダ１４の内部を摺動するピストン１２を備える。燃焼室１１は、シリンダ１４の内部をピストン１２の冠面によって区切られて形成される。燃焼室１１は、内部で混合気が燃焼する。ピストン１２は、連結されているクランクシャフトを通じて混合気の燃焼によって発生したエネルギーを外部に伝達する。ピストン１２には、冠面にスキッシュ生成部１３が形成されている。スキッシュ生成部１３は、ピストン１２の摺動によって、スキッシュと呼ばれるガス流動を燃焼室１１の内部に発生させる。また、ピストン１２の冠面側には、スキッシュ生成部１３と隣接して断面拡大部２０が形成されている。スキッシュ生成部１３及び断面拡大部２０の形状については、詳細を後述する。

エンジン１０は、燃焼室１１と吸気ポート２１との間に吸気弁１８を備える。吸気弁１８及び吸気ポート２１は、後述するようにそれぞれ手前側と奥側の２箇所に設けられている。吸気ポート２１は、それぞれ吸気マニホールド２５と連結する。吸気弁１８は、吸気ポート２１と燃焼室１１との間を開閉して燃焼室１１への吸気量を調節する。吸気ポート２１は、燃料噴射弁２４を備える。燃料噴射弁２４は、図示しない燃料タンクと連結して燃焼室１１に燃料を供給する。燃料噴射弁２４は、燃料を霧状に噴射して吸気マニホールド２５から導かれる吸気と混ぜ合わせて混合気を生成する。

また、燃焼室１１は、第１点火プラグ１５と、第２点火プラグ１６とを備える。第１点火プラグ１５は、燃焼室１１の中心頂上部に備えられる。第１点火プラグ１５は、電極が燃焼室１１の中心を臨むように配置される。第１点火プラグ１５は、吸気ポート２１から吸入された混合気に点火する。

第２点火プラグ１６は、２箇所に設けられた吸気ポート２１の間に配置される。第２点火プラグ１６は、燃焼室１１のルーフ面１１ａの外周に設けられる。第２点火プラグ１６は、第１点火プラグ１５と同様に混合気に点火する。第２点火プラグ１６は、第１点火プラグ１５よりも小型の点火プラグを用いる。第２点火プラグ１６は、第１点火プラグ１５による燃焼を補助する。

エンジン１０は、燃焼室１１と排気ポート２２との間に排気弁１９を備える。排気弁１９及び排気ポート２２も、吸気側と同様にそれぞれ手前側と奥側の２箇所に設けられる。これらの排気ポート２２は、それぞれ排気マニホールド２６と連結する。排気弁１９は、排気ポート２２と燃焼室１１との間を開閉して排ガスを排出する。排ガスは、排気マニホールド２６から触媒によって浄化された後に外部に排出される。

図２は、本発明による燃焼室構造の第１実施形態を示すエンジン１０の燃焼室１１の上部拡大図であり、図２（Ａ）は側面図、図２（Ｂ）は平面図である。

ピストン１２に形成されたスキッシュ生成部１３の形状は、ピストン１２が上死点に近づくと燃焼室１１のルーフ面１１ａとスキッシュ生成部１３の間隙が狭くなるように形成される。この間隙がスキッシュエリア１７である。図２（Ａ）に示すように、スキッシュ生成部１３の形状は燃焼室１１のルーフ面１１ａと略平行に形成される。

以上のようにして形成されたスキッシュ生成部１３は、シリンダ１４とピストン１２との相対運動を利用してガス流動を発生させる。スキッシュには、正スキッシュと逆スキッシュの２種類のガス流動がある。正スキッシュは、ピストン１２が上昇してスキッシュエリア１７から混合気を押出すことによって生じる。したがって、正スキッシュはシリンダ１４の側面から頂上部に向かって流れるガス流動となる。逆スキッシュは、反対にピストン１２が下降してスキッシュエリア１７に混合気が吸い込まれることによって生じる。逆スキッシュは、燃焼室１１の中心部からシリンダ１４の側面に向かって流れるガス流動となる。

スキッシュなどによって燃焼室１１の内部のガス流動を強化すると、火炎表面の面積は増加する。火炎前面の面積が増加すると、火炎が広範囲で混合気に接触して火炎の伝播速度を速くすることができる。したがって、スキッシュは混合気の燃焼を短期間で完了させることができる。

第１点火プラグ１５は、燃焼室１１の中心頂上部に設けられる。第１点火プラグ１５は、先端に中心電極１５ａと、接地電極１５ｂとを備える。第１点火プラグ１５は、中心電極１５ａと接地電極１５ｂとの間に高電圧を加えられると、電極間の絶縁が破れて電流が流れる放電現象が起こって電気火花を発生させる。この電気火花は、圧縮混合気に着火燃焼を起こさせる。

このように着火した火炎は、燃焼室内で遮られることなくほぼ球状に伝播することが望ましい。したがって、燃焼室の形状は球状に形成され、その中心で点火されることが理想となる。しかし、燃焼室形状は種々の制約条件が加えられるため、実際には球形に形成することはできない。そのため、火炎伝播はその方向及び火炎前面の面積を制限されたり、途中で火炎の一部が壁面と接触して冷却を受けるなどして阻害されてしまう。

そこで、第１点火プラグ１５を燃焼室１１の中心頂上部に設置すると、外周部に設置するよりも比較的火炎が球状に伝播する期間が長く火炎伝播距離が短くなる。したがって、燃焼の立ち上がりも早く、より速やかに燃焼することができる。

また、第２点火プラグ１６は、図２（Ｂ）に示すようにルーフ面１１ａの燃焼室外周近傍の中でも吸気バルブ１８が近接する領域に配置される。第２点火プラグ１６は、図２（Ａ）に示すように先端に中心電極１６ａと、接地電極１６ｂとを備える。第２点火プラグ１６は、吸気によって比較的低温となり未燃混合気が残留しやすい領域で点火して燃焼を補助する。

第１点火プラグ１５と第２点火プラグ１６の点火プラグの点火時期は、通常走行時では燃焼性能を向上させるために同時に着火する。この点火時期は、最大燃焼圧力が上死点をやや過ぎたタイミングで発生するようにあらかじめ定められている。一方、アクセルを全開状態で運転している場合には、第２点火プラグ１６は第１点火プラグ１５に少し遅れて点火される。第２点火プラグ１６は、第１点火プラグ１５の点火後に残留した未燃混合気に点火して急速に燃焼を完了させる。

前述のように、燃焼室１１のルーフ面１１ａには吸気ポート２１及び排気ポート２２がそれぞれ２箇所ずつ備えられている。また、図２（Ｂ）に示すように、吸気ポート２１は排気ポート２２よりも大きな径を有する。

吸気ポート２１の周辺は、燃焼室１１の他の領域と比較して温度が低くなる。火炎の伝播は、低温の領域では伝播速度が遅くなる。そのため、この領域は、火炎が到達する前に火炎前方で未燃混合気が圧縮されて自発火しやすく、ノッキングが発生しやすい領域となる。そこで、ノッキングの発生を抑制するために前述のようにスキッシュなどのガス流動によって火炎の伝播速度を速くすることが考えられる。しかし、吸気ポート２１の周辺は吸気性能を低下させないためにスキッシュ生成部１３を形成することができない。したがって、図２（Ｂ）に黒丸で示した領域３０は温度が低い上にガス流動が発生しにくいため、特に未燃混合気が滞留しやすくノッキングを発生させやすい。この領域３０をノッキング発生領域と定義する。

ピストン１２の冠面側には、前述のようにスキッシュ生成部１３と隣接して断面拡大部２０が形成される。図２（Ａ）に示すように、断面拡大部２０はピストン１２の冠面を外周に沿って連続的に形成される段差部１２ａによって構成される。図２（Ｂ）に斜線で示すように、断面拡大部２０は第２点火プラグ１６を中心に２箇所のノッキング発生領域３０を連結するように連続的に形成される。また、スキッシュ生成部１３は、断面拡大部２０が隣接している部位にもガス流動を発生させる形状を残している。

断面拡大部２０は、燃焼室１１のルーフ面１１ａとの間に形成した空間で第２点火プラグ１６が点火した火炎を成長させることができる。したがって、第２点火プラグ１６が点火した火炎は、スキッシュ生成部１３によって成長を阻害されることなく燃焼することができる。また、断面拡大部２０は第２点火プラグ１６が点火した火炎をノッキング発生領域３０まで導くことによって、残留した未燃混合気を燃焼させることができる。

本実施形態によれば、ピストン１２の冠面にスキッシュ生成部１３を形成し、燃焼室１１のルーフ面１１ａに第２点火プラグ１６を配置した場合であっても、断面拡大部２０が形成されているために火炎の成長する空間を確保することができる。また、断面拡大部２０は、火炎をノッキング発生領域３０に誘導するため、燃焼室内の未燃混合気を効果的に燃焼させることができる。したがって、断面拡大部２０は未燃混合気の残留を防いでノッキングの発生を抑制することができる。

また、本実施形態によれば、スキッシュ生成部１３は第２点火プラグ１６の周囲にも形成されているため、燃焼室１１の全域でガス流動を発生させることができる。したがって、燃焼室１１の内部で点火された火炎は速やかに燃焼が行なわれ、ノッキングの発生を抑制することができる。

さらに、本実施形態によれば、未燃混合気を減少させて効率的な燃焼を行なうことによって、燃費を向上させるとともに排気を改善させることができる。

（第２実施形態）
図３は、本発明によるエンジンの燃焼室構造の第２実施形態を示す燃焼室１１の上部拡大図である。

なお以下に示す各実施形態では前述した実施形態と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

本実施形態では、断面拡大部２０は燃焼室１１のルーフ面１１ａに設けた溝部１１ｂによって形成される。断面拡大部２０は、第２点火プラグ１６を挟んで外周に沿って２箇所設けられた吸気ポート２１と近接するノッキング発生領域３０まで連続的に溝状に形成される。なお、ピストン１２には通常のスキッシュ生成部１３が設けられている。

本実施形態によれば、第２点火プラグ１６の点火した火炎が断面拡大部２０によってノッキング発生領域３０に誘導されて、未燃混合気を燃焼させることができる。したがって、第１実施形態と同様にノッキングの発生を効果的に抑制することができる。

（第３実施形態）
図４は、本発明によるエンジンの燃焼室構造の第３実施形態を示す燃焼室１１の上部拡大図である。

本実施形態では、断面拡大部２０は第１実施形態と同様にピストン１２の冠面に設けられる。断面拡大部２０は、第２点火プラグ１６からノッキング発生領域３０までピストン１２の冠面の外周に沿って設けた溝部１２ｂによって形成される。溝部１２ｂの底面は、曲面に形成される。断面拡大部２０は、ピストン１２が上死点に到達したときに第２点火プラグ１６の中心電極１６ａの先端から溝部１２ｂの底面までの距離が等しくなるように形成される。

前述のように、点火プラグが混合気に点火した火炎は着火地点から球状に伝播する。そのため、第２点火プラグ１６が点火した火炎は溝部１２ｂの底面に同時に到達する。したがって、第２点火プラグ１６が点火した火炎は、ピストン１２に設けられた溝部１２ｂと燃焼室１１のルーフ面１１ａとが形成する空間を均等に混合気の燃焼をさせることができる。

本実施形態によれば、第２点火プラグ１６の点火した火炎が断面拡大部２０を通過して未燃混合気を燃焼させる。したがって、第１実施形態と同様にノッキングを抑制することができる。さらに、溝部１２ｂの底面は、第２点火プラグ１６の中心電極１６ａから等距離に位置するため均等に火炎を伝播させることができる。したがって、さらに火炎の燃焼速度を向上させ、ノッキングの発生を一層抑制することができる。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。

例えば、点火プラグを排気側にも設けて３点点火方式としてもよい。着火点を増加させることによって残留する未燃混合気をより低減させることができる。

さらに、吸気の際に燃焼室内でスワールを生成してスキッシュと併存させてもよい。燃焼室内のガス流動を増強することによって、ノッキングを抑制する効果を一層向上させることができる。

本発明による燃焼室構造を有するエンジンの断面図を含む全体図である。 本発明によるエンジンの燃焼室構造の第１実施形態を示す燃焼室の上部拡大図である。 本発明によるエンジンの燃焼室構造の第２実施形態を示す燃焼室の上部拡大図である。 本発明によるエンジンの燃焼室構造の第３実施形態を示す燃焼室の上部拡大図である。

符号の説明

１０ エンジン
１１ 燃焼室
１２ ピストン
１３ スキッシュ生成部
１４ シリンダ
１５ 第１点火プラグ
１６ 第２点火プラグ（点火プラグ）
１７ スキッシュエリア
２０ 断面拡大部
２１ 吸気ポート
３０ ノッキング発生領域

Claims (7)

1. エンジンの燃焼室構造であって、
   燃焼室ルーフ面に近接して上死点付近でスキッシュを生成するスキッシュ生成部を冠面に備えるピストンと、
   前記燃焼室のルーフ面に設けられた複数の吸気ポートの間であって、燃焼室ルーフ面とスキッシュ生成部とで形成されるスキッシュエリアよりもシリンダ径方向ボア壁面側に設けられる点火プラグと、
   前記スキッシュエリアに隣接して設けられ、前記スキッシュ生成部が燃焼室ルーフ面に近接したときに、前記点火プラグが点火して生じた燃焼火炎を、前記吸気ポートと前記燃焼室の外周とが近接する位置まで伝播させる断面拡大部と、
   を有することを特徴とするエンジンの燃焼室構造。
2. 前記点火プラグは、吸気ポート側に設けられる、
   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. 前記断面拡大部は、前記ピストンの冠面側のくぼみとして形成される、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のエンジンの燃焼室構造。
4. 前記断面拡大部は、前記燃焼室のルーフ面側のくぼみとして形成される、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のエンジンの燃焼室構造。
5. 前記断面拡大部は、溝状に形成される、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のエンジンの燃焼室構造。
6. 前記断面拡大部は、前記燃焼室の外周に沿って形成される、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のエンジンの燃焼室構造。
7. 燃焼室ルーフ面に近接して上死点付近でスキッシュを生成するスキッシュ生成部を冠面に備えるピストンと、
   前記燃焼室ルーフ面とスキッシュ生成部とで形成されるスキッシュエリアよりもシリンダ径方向ボア壁面側に設けられる点火プラグと、
   を備えるエンジンの燃焼室で前記点火プラグによって点火された火炎を吸気ポートと燃焼室の外周とが近接する位置まで誘導する方法であって、
   前記スキッシュ生成部が燃焼室ルーフ面に近接したときに、スキッシュ生成部と燃焼室ルーフ面の間に形成される断面拡大部の拡大空間に前記点火プラグによって点火された火炎を吸気ポートと燃焼室の外周とが近接する位置まで誘導する、
   ことを特徴とする火炎誘導方法。

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