JP4591192B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に関し、特に内燃機関の燃焼室の構造に関する。

従来、内燃機関においては、燃焼速度向上を目的として燃焼室に吸気を流入する吸気ポートを螺旋状に形成したヘリカルポートやコントロールバルブを備えた可変吸気ポートが提案されている。これらの吸気ポートにより吸気すると、燃焼室内にはスワール（横渦）やタンブル（縦渦）といった気流が発生する。このような気流は、燃焼室内の空気と燃料との混合及び燃焼を促進する。

このような吸気ポートを採用した場合には、燃焼室内に気流を発生させることができるが、その一方で内燃機関の吸気行程で気流を発生させているため、圧縮行程では発生させた気流が相当減衰してしまう。そのため、特許文献１では燃焼室内での燃料と空気との混合及び燃焼の促進を図るために以下の技術を提案している。特許文献１では、燃焼室内に吸気バルブ側からピストン冠面へ向かいピストン冠面で反転して排気バルブ側から点火プラグへ向かう逆タンブル流を生成する吸気ポートを備えるとともに、ピストン冠面の吸気バルブ側に、シリンダへッド側ペントルーフと略同等の傾きを有してスキッシュ流を生成するスキッシュ流生成部を備える内燃機関を提案している。

特許文献１の提案技術によれば、燃焼室内の逆タンブル流に対し、圧縮行程の上死点付近において、吸気バルブ側から点火プラグへ向かうスキッシュ流が生起され、これらの流れが衝突することによって混合気の攪拌効果、乱れ強さの向上を得ることができるので、燃焼機関を短縮し耐ノッキング性の向上、熱効率の改善を図ることが可能である。

また、特許文献２ではタンブル流の維持強化を図るため以下の技術を提案している。特許文献２では、ピストン頂面の周縁部に燃焼室上壁の傾斜面と略平行な対向傾斜面を突出形成し、さらに、この対向傾斜面に近いキャビティ周縁部にキャビティ底面から所定以上の高さに突出するタンブル流剥離面を形成したピストンを備える内燃機関を提案している。特許文献２の提案技術によれば、この両面の間のスキッシュエリアから燃焼室に押し出された正スキッシュ流を燃焼室上壁に沿ってスムースに点火プラグ付近まで到達させることで正スキッシュ流を強化できる。さらに、特許文献２の提案技術によれば、正タンブル流をタンブル流剥離面で剥離して燃焼室周壁ではなく燃焼室上壁に向かうようにすることで、正スキッシュ流が強くなった結果、膨張行程初期に逆スキッシュ流の生成が遅れてノッキングの発生を招くのを抑制することができる。

特開２００３−３２２０２１号公報 特開２００１−１５９３１５号公報

上述のように、燃焼室内での燃料と空気との混合及び燃焼の促進を図るには燃焼室で気流をより強化することにより混合気の乱れ強さを向上させる方法と、燃焼室で気流を衝突させることにより混合気の乱れ強さを向上させる方法とがある。しかしながら、特許文献１の提案技術のように燃焼室で気流を衝突させることによって混合気の乱れ強さを向上させた場合には、気流の衝突によってエネルギーの損失が発生しその分乱れ強さを向上させる効率が低下してしまう。また、特許文献２の提案技術のように燃焼室で気流をより強化することによって混合気の乱れ強さを向上させる場合でも、より気流を強化することが内燃機関において耐ノッキング性の向上、熱効率の改善をより好適に図るためには重要である。

そこで本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、耐ノッキング性の向上、熱効率の改善をより好適に図ることが可能な内燃機関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、本発明に係る第１の内燃機関は、正タンブル流を生成する吸気ポートを形成したシリンダヘッドと、シリンダブロックと、該シリンダブロックに形成したシリンダ内に収容したピストンとを備え、前記シリンダヘッドと、前記シリンダブロックと、前記ピストンとで囲われた燃焼室を有する内燃機関であって、前記シリンダヘッドまたは前記シリンダブロックのいずれか一方が、前記燃焼室の前記燃焼室を吸気弁側と排気弁側とに区分けする中心線よりも前記排気弁側の範囲に、前記シリンダ壁面よりも前記シリンダ中心軸に直交する方向へ突出し、上死点において対向する前記ピストン冠面に沿った形状に形成された面と、前記シリンダ中心軸に対向する円弧状に形成した面と、を有する第１のスキッシュ流生成部を備えることを特徴とする。

本発明に係る第１の内燃機関は、吸気ポートから燃焼室の中心線よりも排気弁側の範囲のシリンダ壁面に向かい、さらにこのシリンダ壁面でピストン冠面へ向かって反転する正タンブル流を、燃焼室の中心線よりも排気弁側の範囲に備えた第１のスキッシュ流生成部とピストン冠面との間のスキッシュエリアで生成されるスキッシュ流によって強化することが可能である。なお、第１のスキッシュ流生成部を形成するにあたっての加工容易性や混合気燃焼に対する第１のスキッシュ流生成部の耐強度などを考慮すると、シリンダヘッドに第１のスキッシュ流生成部を形成したほうがシリンダブロックに第１のスキッシュ流生成部を形成するよりも好ましい。

本発明に係る第２の内燃機関は、逆タンブル流を生成する吸気ポートを形成したシリンダヘッドと、シリンダブロックと、該シリンダブロックに形成したシリンダ内に収容したピストンとを備え、前記シリンダヘッドと、前記シリンダブロックと、前記ピストンとで囲われた燃焼室を有する内燃機関であって、前記シリンダヘッドまたは前記シリンダブロックのいずれか一方が、前記燃焼室の前記燃焼室を吸気弁側と排気弁側とに区分けする中心線よりも前記吸気弁側の範囲に、前記シリンダ壁面よりも前記シリンダ中心軸に直交する方向へ突出し、上死点において対向する前記ピストン冠面に沿った形状に形成された面と、前記シリンダ中心軸に対向する円弧状に形成した面と、を有する第１のスキッシュ流生成部を備えることを特徴とする。

本発明に係る第２の内燃機関は、吸気ポートからピストン冠面に向かいピストン冠面で反転する逆タンブル流を生成する場合に、燃焼室の中心線よりも吸気弁側の範囲に第１のスキッシュ流生成部を備えることでスキッシュ流によって逆タンブル流を強化することが可能である。このようにして強化したタンブル流が圧縮行程上死点近傍で潰されることによって、混合気の攪拌効果、乱れ強さを向上させることが可能であり、これによって内燃機関の耐ノッキンング性の向上、熱効率の改善をより好適に図ることが可能である。なお、第１のスキッシュ流生成部を形成するにあたっての加工容易性や混合気燃焼に対する第１のスキッシュ流生成部の耐強度などを考慮すると、シリンダヘッドに第１のスキッシュ流生成部を形成したほうがシリンダブロックに第１のスキッシュ流生成部を形成するよりも好ましい。

第１の内燃機関は、前記ピストン冠面の前記中心線よりも前記吸気弁側の範囲に、上死点において対向する前記シリンダヘッドの壁面形状に沿った形状に形成された面を有する第２のスキッシュ流生成部を備えていてもよい。第２の内燃機関は、前記ピストン冠面の前記中心線よりも前記排気弁側の範囲に、上死点において対向する前記シリンダヘッドの壁面形状に沿った形状に形成された面を有する第２のスキッシュ流生成部を備えていてもよい。第１の内燃機関によれば、正タンブル流を第２のスキッシュ流生成部と、対向するシリンダヘッドの壁面との間のスキッシュエリアで生成されるスキッシュ流によってさらに強化することが可能である。第２の内燃機関によれば、逆タンブル流を第２のスキッシュ流生成部と、対向するシリンダヘッドの壁面との間のスキッシュエリアで生成されるスキッシュ流によってさらに強化することが可能である。

本発明によれば、耐ノッキング性の向上、熱効率の改善をより好適に図ることが可能な内燃機関を提供可能である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

図１は内燃機関の主要部分の構成を示す図である。また、図１（ａ）は一般的な内燃機関２００の主要部分の構成を示す図であり、図１（ｂ）は本発明に係る内燃機関１００の主要部分の構成を示す図である。本実施例においては、内燃機関１００及び２００は火花点火式内燃機関である。但し、内燃機関１００は自然着火式のディーゼルエンジンであってもよい。また、直噴ガソリン機関における均質燃焼は従来の火花点火式内燃機関とほぼ同様の燃焼態様であるため、内燃機関１００は直噴ガソリン機関であってもよく、所謂リーンバーンエンジンであってもよい。すなわち、混合気を燃焼させるにあたって燃料と空気との混合及び燃焼の促進により耐ノッキング性能の向上、熱効率の改善を図ることができる内燃機関であれば、本発明に係る内燃機関１００として適用可能である。

図１（ａ）に示すように、内燃機関２００はシリンダブロック１、シリンダヘッド２Ａ及びピストン３Ａなどによって構成されている。シリンダブロック１には、略円筒状のシリンダ１ａを形成し、シリンダ１ａの内周面には図示しない略円筒状のシリンダライナを配設している。シリンダ１ａ内には、このシリンダライナを介してピストン３Ａを収容している。ピストン３Ａは冠面をフラットな面に形成したフラットピストンである。但し、ピストン３Ａ冠面には吸気流を点火プラグ９に導くタンブル流を生成するための凹状の窪みであるキャビティが形成してあってもよい。また、ピストン３Ａの周縁部には対向するシリンダヘッド２Ａ壁面と略平行な面３ａ（以下、スキッシュ流生成部３ａという）が形成されている。ピストン３Ａは図示しないコネクティングロッドと連結されており、さらにコネクティングロッドは図示しないクランクシャフトと連結されている。これによって、ピストン３Ａがシリンダ１ａ内で往復運動すると、コネクティングロッドを介してクランクシャフトに動力が伝達され、さらにクランクシャフトによって往復運動が回転運動に変換される。例えば内燃機関を備えた車両では、この回転運動に変換された動力を利用して車両を駆動する。

シリンダブロック１の上面にはシリンダヘッド２Ａが固定されている。燃焼室４はシリンダブロック１、シリンダヘッド２Ａ及びピストン３Ａによって囲われた空間として形成されている。シリンダヘッド２Ａには、吸気行程で吸気を燃焼室４内に導入するための吸気ポート５を形成し、吸気ポート５には流路を開閉するための吸気弁６を配設している。また、シリンダヘッド２Ａには、燃焼したガスを燃焼室４から排気するための排気ポート７を形成し、排気ポート７には流路を開閉するための排気弁８を配設している。シリンダヘッド２Ａには、燃焼室４頂部に先端が突出するように点火プラグ９を配設している。

内燃機関２００の吸気行程では吸気弁６が開いた状態になり、ピストン３Ａが下死点に向かって下降するのに伴って吸気ポート５から燃焼室４に吸気が流入する。吸気ポート５は燃焼室４で正タンブル流を生成するように形成されており、吸気行程で燃焼室４に流入した吸気は吸気ポート５に対向する側のシリンダ壁面１ａａに向かい、さらにピストン３Ａ冠面に向かって反転された後、吸気ポート５側のシリンダ壁面１ａｂに向かい、その後点火プラグ９に向かって反転され、矢印１０Ａに示すような正タンブル流に生成される。矢印１０Ａは上述のようにして生成された正タンブル流を模式的に示すものである。この正タンブル流は吸気弁６が閉じられピストン３Ａが下死点から上死点に向かう圧縮行程においても維持されるがこの間に正タンブル流は減衰する。さらにピストン３Ａが上死点付近まで上昇すると、スキッシュ流生成部３ａと対向するシリンダヘッド２Ａ壁面との間のスキッシュエリア４ａにおいて矢印１１ａで模式的に示すスキッシュ流が生成される。これによって、減衰した正タンブル流のみの場合と比較して燃料と空気との混合及び燃焼の促進をより図ることが可能である。

ところが、ここで燃焼室４の吸気ポート５に対向する側で生成されるスキッシュ流は、図１（ａ）に示すように正タンブル流の流れと衝突する流れとなる。この場合、混合気の乱れ強さは増大するものの、流れの衝突によってエネルギーを損失するのでその分乱れ強さを増大させる効率が低下してしまう。そこで本実施例では、図１（ｂ）に示すようにシリンダヘッド２Ｂに第１のスキッシュ流生成部２ａを形成する。第１のスキッシュ流生成部２ａはシリンダ壁面１ａａよりもシリンダ中心軸１ｂに直交する方向へ突出して形成されており、上死点において対向するピストン３Ｂ冠面３ｂに沿った形状、より具体的には冠面３ｂと略平行に形成された面２ａａ（以下、下面２ａａという）を有している。また、第１のスキッシュ流生成部２ａはシリンダ中心軸１ｂに対向する円弧状に形成した面２ａｂ（以下、円弧面２ａｂという）を有している。また、ピストン３Ｂの冠面は、第１のスキッシュ流生成部２ａが対向する側の冠面３ｂは図１（ｂ）に示すように平面状に形成されている一方で吸気ポート５側の冠面３ｃは冠面３ｂよりも燃焼室４側へ突出して形成されている。さらに冠面３ｃは上死点において対向する吸気ポート５側のシリンダヘッド２Ｂ壁面２ｂに沿った形状、より具体的には壁面２ｂと略平行な面になるようにして形成されている。この冠面３ｃが本実施例において第２のスキッシュ流生成部である。また、図２は図１（ｂ）に示す内燃機関１００のＡ−Ａ断面図である。図２に示すように、第１のスキッシュ流生成部２ａは吸気ポート５に対向する側に半月状に形成されている。なお、本実施例において吸気ポート５側とは図２に示す中心線Ｐよりも吸気弁６側の範囲であり、吸気ポート５に対向する側とは図２に示す中心線Ｐよりも排気弁８側の範囲である。

この構成でピストン３Ｂが圧縮行程において上死点に向かって運動すると、上死点近傍では正タンブル流が円弧面２ａｂに案内されて、矢印１０Ｂａで模式的に示すようにしてピストン３Ｂ冠面に向かって反転する。このように円弧面２ａｂによって正タンブル流を案内することで、正タンブル流がピストン３Ｂ冠面に向かって反転する際に減衰することを抑制できる。また、下面２ａａと冠面３ｂとの間の第１のスキッシュエリア４ｂでは第１のスキッシュ流１１ｂが生成される。第１のスキッシュ流１１ｂは反転してピストン３Ｂ冠面に向かう正タンブル流と同方向の流れを有しているため、第１のスキッシュ流１１ｂによって正タンブル流を強化することができる。さらに本実施例では、冠面３ｃとシリンダヘッド２Ｂの壁面２ｂとの間の第２のスキッシュエリア４ｃで第２のスキッシュ流１１ｃが生成される。第２のスキッシュ流１１ｃもまた、矢印１０Ｂｂで模式的に示す点火プラグ９へ向かう正タンブル流と同方向の流れを有している。そのため、第２のスキッシュ流１１ｃによって正タンブル流を強化することが可能である。なお、図１（ａ）に示す矢印１０Ａ及び図１（ｂ）に示す矢印１０Ｂの太さは正タンブル流の強さを模式的に示したものであり、太い矢印のほうがタンブル流が強いことを示している。また、内燃機関１００によれば、吸気ポート５の流路を絞ることなく正タンブル流の強化を図ることが可能であり、これによって吸気ポート５の流路を絞った場合と比較して熱効率や出力の向上を図ることができる。このようにして強化した正タンブル流は、さらに圧縮行程上死点近傍で潰されることによって混合気の攪拌効果、乱れ強さを向上させる。すなわち、減衰を抑制し、かつスキッシュ流によって強化したタンブル流を利用することによって、より混合気の攪拌効果、乱れ強さを向上させることができるので、内燃機関１００の耐ノッキング性の向上、熱効率の改善をより好適に図ることが可能である。

なお、吸気ポート５を燃焼室４で逆タンブル流を生成するように形成し、第１のスキッシュ流生成部２ａをシリンダヘッド２の吸気ポート５側に形成し、第２のスキッシュ流生成部（冠面３ｃ）をピストン３Ｂ冠面の吸気ポート５に対向する側に形成してもよい。これによって、逆タンブル流を生成した場合でも第１のスキッシュ流１１ｂ及び第２のスキッシュ流１１ｃで逆タンブル流を強化することが可能である。また、第１のスキッシュ流生成部２ａをシリンダブロック１に形成することも可能である。

また、例えば冠面３ｂが緩やかな凹状の窪み形状に形成されている場合には、第１のスキッシュ流生成部２ａの下面２ａａを上死点において対向する凹状の窪み形状に沿った形状に形成すればよい。これによって、第１のスキッシュ流１１ｂを生成してタンブル流を強化することができる。また、下面２ａａはその全面が冠面３ｂに沿った形状でなくてもよく、タンブル流を強化するための第１のスキッシュ流１１ｂを生成することができれば部分的に冠面３ｂに沿った形状でない部分が含まれていても構わない。また、例えば冠面３ｂが部分的に平面的でない形状を含んでいても全体として平面的である場合には、下面２ａａは全体的にこの平面に沿った形状に形成すれば第１のスキッシュ流１１ｂを生成可能である。これら第１のスキッシュ流生成部２ａの形成方法は第２のスキッシュ流生成部（冠面３ｃ）形成においても同様に言えることである。また、円弧面２ａｂは円弧形状に限られず、上死点近傍においてタンブル流をピストン３Ｂ冠面にスムースに案内可能な他の形状であってもよい。また、円弧面２ａｂはその全面が円弧状に形成されてなくてもよく、上死点近傍においてタンブル流をピストン３Ｂ冠面にスムースに案内可能であれば、部分的に円弧状でない形状を含んでいてもよい。以上により、耐ノッキング性の向上、熱効率の改善をより好適に図ることが可能な内燃機関１００を実現可能である。

上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

図１は内燃機関の主要部分の構成を示す図である。また、図１（ａ）は一般的な内燃機関２００の主要部分の構成を示す図であり、図１（ｂ）は本発明に係る内燃機関１００の主要部分の構成を示す図である。 図１（ｂ）に示す内燃機関１００のＡ−Ａ断面図である。

符号の説明

１ シリンダブロック
１ａ シリンダ
１ａａ 吸気ポート５に対向する側のシリンダ壁面
１ａｂ 吸気ポート５側のシリンダ壁面
１ｂ シリンダ中心軸
２Ａ、２Ｂ シリンダヘッド
２ａ 第１のスキッシュ流生成部
２ａａ 下面
２ａｂ 円弧面
２ｂ 吸気ポート５側の壁面
３Ａ、３Ｂ ピストン
３ａ スキッシュ流生成部
３ｂ ピストン冠面
３ｃ ピストン冠面（第２のスキッシュ流生成部）
４ 燃焼室
４ａ スキッシュエリア
４ｂ 第１のスキッシュエリア
４ｃ 第２のスキッシュエリア
５ 吸気ポート
６ 吸気弁
７ 排気ポート
８ 排気弁
９ 点火プラグ
１０Ａ、１０Ｂ タンブル流を模式的に示す矢印
１１ａ スキッシュ流
１１ｂ 第１のスキッシュ流
１１ｃ 第２のスキッシュ流
１００ 本発明に係る内燃機関
２００ 一般的な内燃機関

Claims (4)

1. 正タンブル流を生成する吸気ポートを形成したシリンダヘッドと、シリンダブロックと、該シリンダブロックに形成したシリンダ内に収容したピストンとを備え、前記シリンダヘッドと、前記シリンダブロックと、前記ピストンとで囲われた燃焼室を有する内燃機関であって、
   前記シリンダヘッドまたは前記シリンダブロックのいずれか一方が、前記燃焼室の前記燃焼室を吸気弁側と排気弁側とに区分けする中心線よりも前記排気弁側の範囲に、前記シリンダ壁面よりも前記シリンダ中心軸に直交する方向へ突出し、上死点において対向する前記ピストン冠面に沿った形状に形成された面と、前記シリンダ中心軸に対向する円弧状に形成した面と、を有する第１のスキッシュ流生成部を備えることを特徴とする内燃機関。
2. 逆タンブル流を生成する吸気ポートを形成したシリンダヘッドと、シリンダブロックと、該シリンダブロックに形成したシリンダ内に収容したピストンとを備え、前記シリンダヘッドと、前記シリンダブロックと、前記ピストンとで囲われた燃焼室を有する内燃機関であって、
   前記シリンダヘッドまたは前記シリンダブロックのいずれか一方が、前記燃焼室の前記燃焼室を吸気弁側と排気弁側とに区分けする中心線よりも前記吸気弁側の範囲に、前記シリンダ壁面よりも前記シリンダ中心軸に直交する方向へ突出し、上死点において対向する前記ピストン冠面に沿った形状に形成された面と、前記シリンダ中心軸に対向する円弧状に形成した面と、を有する第１のスキッシュ流生成部を備えることを特徴とする内燃機関。
3. 前記ピストン冠面の前記中心線よりも前記吸気弁側の範囲に、上死点において対向する前記シリンダヘッドの壁面形状に沿った形状に形成された面を有する第２のスキッシュ流生成部を備えることを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
4. 前記ピストン冠面の前記中心線よりも前記排気弁側の範囲に、上死点において対向する前記シリンダヘッドの壁面形状に沿った形状に形成された面を有する第２のスキッシュ流生成部を備えることを特徴とする請求項２記載の内燃機関。

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