JP5979834B2 - エンジン - Google Patents

Description

本発明は、ピストンを摺動自在に収容するシリンダと、そのシリンダ内面と前記ピストンの頂部とで形成される燃焼室と、その燃焼室の混合気を点火する複数の点火プラグとが備えられているエンジンに関する。

上記のようなエンジンでは、例えば、シリンダブロックの内部を摺動自在にピストンが収容されており、シリンダヘッドとシリンダブロックとピストンの頂部とから燃焼室が形成されている。そして、燃焼期間の短縮化を図るために、複数の点火プラグが備えられており、複数の点火プラグにて燃焼室の混合気を点火するようにしている。このように、複数の点火プラグを備えるに当たり、複数の点火プラグの設置箇所として、燃焼室に面するシリンダヘッドが考えられる。しかしながら、シリンダヘッドには、冷却水流路、カム機構やバルブ等を配置する必要があることから、複数の点火プラグを設置できるだけのスペースを確保することが難しいものとなっている。そこで、従来、複数の点火プラグが、燃焼室の側周囲を囲むシリンダブロックとシリンダヘッドとの間に支持されて、ピストンの周方向に間隔を隔てて分散配置されているものがある（例えば、特許文献１参照。）。

ここで、ガスエンジンでは、一般的に、ピストンの頂部の中央に窪み部を備え、その窪み部も燃焼室として、ピストン側に燃焼室を形成するようにしている。したがって、ガスエンジンにおいて、上記特許文献１に記載のように、複数の点火プラグをピストンの周方向に分散配置するものを適用した場合には、その点火プラグからピストンの頂部の中央に備えられた窪み部の内部まで火炎が伝播し難く、燃焼が緩慢になるという問題があった。
そこで、燃焼室の全体に火炎が伝播し易くするために、特許文献２に記載のエンジンのように、ピストンの頂部に窪み部を備えずに、ピストンの頂部を平面状に形成することで、燃焼室の形状を扁平な円柱状の燃焼室とすることが考えられる。

しかしながら、扁平な円柱状の燃焼室を形成した場合には、平面視において、特定の点火プラグで考えると、その燃焼室の一端部から他端部までのピストンの直径に相当する距離だけ火炎が伝播する必要があり、火炎伝播距離が長くなる。また、ピストンが上死点に位置する状態でのシリンダヘッドの下面とピストンの頂部との間の距離が短くて、その間の隙間が小さい。よって、点火プラグにて混合気を点火することで形成される火炎は、点火プラグから直進方向には伝播するものの、ピストンの周方向には、隙間が小さいことに起因してピストンやシリンダブロックで妨げられて、火炎伝播が行い難いものとなる。更に、燃焼室が扁平な形状であるので、ピストンの周囲から中央に向かう渦流、いわゆるスキッシュ流が弱くなるという問題も生じる。

特許第３９８４６３６号 特許第４６９８６６２号

本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、燃焼室の混合気を点火する点火プラグをピストンの周方向に間隔を隔てて複数備え、燃焼室の全体に亘って火炎伝播をいち早く行い、熱効率の向上を図ることができるエンジンを提供する点にある。

この目的を達成するために、本発明に係るエンジンの特徴構成は、ピストンを摺動自在に収容するシリンダと、そのシリンダ内面と前記ピストンの頂部とで形成される燃焼室と、その燃焼室の混合気を点火する複数の点火プラグとが備えられているエンジンにおいて、
複数の前記点火プラグは、前記ピストンの周方向に間隔を隔てて備えられ、前記ピストンの頂部は、その中央にシリンダヘッド側に突出する突出部と、前記ピストンの周方向において前記点火プラグの設置位置に対応して前記突出部の周囲を前記シリンダヘッド側から離れる側に窪めた窪み部とを備えて構成され、
前記窪み部は、前記ピストンの周方向の全周に亘って前記シリンダヘッド側から離れる側に窪めた前記ピストンの軸方向視で円環状に形成され、
複数の前記点火プラグの夫々は、その点火点が前記燃焼室に突出する状態で、且つシリンダブロックの上端部に支持され、
複数の前記点火点の夫々は、前記ピストンの軸方向視において、前記窪み部の円環と同心で、且つ前記窪み部の円環よりも大径の円環上に等間隔で配置され、
前記点火点と当該点火点に対向する前記窪み部の壁部位との距離は、複数の前記点火プラグ同士で、等しく設定され、
前記突出部の中央には、前記シリンダヘッド側から離れる側に窪めた中央窪み部が備えられ、その中央窪み部の混合気を点火する中央点火プラグが前記シリンダヘッドに備えられている点にある。

本特徴構成によれば、ピストンの頂部では、その中央に突出部が備えられ、その突出部の周囲に窪み部が備えられるので、ピストンの中央の周囲に燃焼室を形成することができる。そして、複数の点火プラグが、ピストンの周方向に間隔を隔てて備えられているので、ピストンの中央の周囲に形成される燃焼室にだけ火炎伝播すればよく、その火炎伝播距離を短くすることができる。しかも、窪み部では、ピストンが上死点に位置する状態でのシリンダヘッドの下面とピストンの頂部との間の距離を大きくすることができ、点火プラグからの火炎伝播を、直進方向だけでなく、ピストンの周方向にも行い易いものとなる。更に、ピストンが上死点近傍に上昇する際に、シリンダヘッドの下面に対して、突出部と窪み部とで密度差が生じるので、その密度差によってピストンの中央から周囲に向かう渦流、いわゆるスキッシュ流を発生させて火炎伝播の促進を図ることができる。一方で、ピストンが上死点近傍から下降する場合も同様の効果がある。
更に、本特徴構成によれば、窪み部は、ピストンの周方向の全周に亘って窪めた形状に形成されているので、燃焼室として十分な容積を確保しながら、複数の点火プラグからのピストンの周方向への火炎伝播をいち早く且つ的確に行うことができる。
また、本特徴構成を有するエンジンにあっては、複数の点火プラグの夫々は、その点火点が燃焼室に突出する状態で、且つシリンダブロックの上端部に支持され、複数の点火点の夫々は、ピストンの軸方向視において、窪み部の円環と同心で、且つ窪み部の円環よりも大径の円環上に等間隔で配置され、点火点と当該点火点に対向する窪み部の壁部位との距離は、複数の点火プラグ同士で、等しく設定されている。
更に、本特徴構成によれば、中央窪み部をも燃焼室とすることができながら、その中央窪み部の混合気を中央点火プラグにて点火することができる。これにより、窪み部では、複数の点火プラグからの火炎伝播をいち早く行うことができながら、中央窪み部においても、中央点火プラグからの火炎伝播をいち早く行うことができ、燃焼室全体に亘って火炎伝播をいち早く且つ的確に行うことができる。
このようにして、本特徴構成によれば、燃焼室の混合気を点火する点火プラグをピストンの周方向に間隔を隔てて複数備え、燃焼室の全体に亘って火炎伝播をいち早く行い、熱効率の向上を図ることができるエンジンを実現できる。

更に、本特徴構成によれば、例えば、窪み部の壁部位を、点火プラグの設置箇所に対して傾斜する直線状に形成する、或いは、点火プラグの設置箇所を中心とする円弧状に形成する等によって、窪み部を、点火プラグの設置箇所から窪み部の壁部位までの距離を等しくする形状に形成することができる。これにより、点火プラグからの火炎伝播を、窪み部の全体に亘って均等に行うことができ、窪み部全体に対する火炎伝播をいち早く且つ的確に行うことができる。

本発明に係るエンジンの更なる特徴構成は、前記突出部は、平面状に形成されており、前記シリンダヘッドの下部は、平面状に形成されている点にある。

本特徴構成によれば、シリンダヘッドの下部が平面状に形成されており、そのシリンダヘッドの下面と対向するピストンの頂部の突出部も平面状に形成されているので、ピストンが上死点に上昇する際や上死点から下降する際に平面状のシリンダヘッドの下部に対して、突出部と窪み部とで密度差が生じて、ピストンの中央から周囲に向かう渦流、いわゆるスキッシュ流を的確に発生させることができる。よって、このスキッシュ流により点火プラグからの火炎伝播速度を増加させて、燃焼室全体に亘っていち早く火炎伝播させることができる。

参考形態におけるエンジンの全体構成を示す断面図 参考形態におけるエンジンのピストンの軸方向視における断面図 ピストンの形状を示す図 クランクアングルと熱発生率との関係を示すグラフ 実施形態におけるエンジンの全体構成を示す断面図 実施形態におけるエンジンのピストンの軸方向視における断面図

本発明に係るエンジンの実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下では、実施形態の説明に先立ち、参考形態について説明する。
〔参考形態〕
（エンジンの構成）
このエンジン１００は、図１に示すように、シリンダブロック１とそのシリンダブロック１の上部に連結されたシリンダヘッド２とを有するシリンダ３を備え、そのシリンダ３には、ピストン４がシリンダブロック１の内部を摺動自在に収容されている。ちなみに、ピストン４は、シリンダブロック１の内部に備えられた円筒形状のシリンダライナ（図示省略）に摺動するように備えられている。そして、エンジン１００は、図示は省略するが、ピストン４の往復作動力をクランク機構から出力軸に伝えて回転動力として出力する出力系と、その出力軸からの動力を吸気バルブ５と排気バルブ６とを開閉作動させるカムシャフト等に伝える駆動系とを備えている。

燃焼室７は、ピストン４の頂部とシリンダブロック１の内面とシリンダヘッド２の下面とによって形成されている。燃焼室７には、吸気路８及び排気路９が連通接続されており、吸気路８を開閉する吸気バルブ５と排気路９を開閉する排気バルブ６とが備えられている。吸気路８には、吸気路８に吸気される空気Ａに、燃料Ｇ（例えば都市ガス）を混合する燃料供給部１０が備えられており、空気Ａと燃料Ｇとの混合気Ｍ（例えば、希薄混合気）を生成するように構成されている。ちなみに、燃料供給部１０は、空気Ａの流れに伴ってベンチュリーによる吸引作用にて吸引力を発生させ、その吸引力により空気Ａへ燃料Ｇを引き込んで、空気Ａと燃料Ｇとの混合気Ｍを生成するベンチュリー式にて構成されている。そして、燃料供給部１０への燃料供給量を調整自在な燃料供給量調整弁１１が備えられており、この燃料供給量調整弁１１の開度を調整して、エンジン１００の運転状況（例えばエンジン負荷）に応じて空気Ａと燃料Ｇとの混合割合を変更自在に構成されている。また、図示は省略するが、吸気路８には、エンジン１００の運転状況に応じて燃焼室７への混合気Ｍの吸気量を調整するスロットルバルブ等も備えられている。

燃焼室７の混合気Ｍを点火する複数の点火プラグ１２が備えられている。複数の点火プ
ラグ１２は、図１及び図２に示すように、例えば、その点火点を有する先端部が燃焼室７に突出する状態で燃焼室７の径方向に沿う姿勢でシリンダブロック１の上端部に支持されている。この参考形態では、８つの点火プラグ１２が、燃焼室７の周方向（ピストン４の周方向）に等間隔に間隔を隔てる状態で備えられており、燃焼室７の周方向（ピストン４の周方向）に間隔を隔てて分散配置されている。

上述の如く、燃焼室７は、ピストン４の頂部とシリンダブロック１の内面とシリンダヘッド２の下面とによって形成されている。燃焼室７の上面を形成するシリンダヘッド２の下面は平面状に形成されている。燃焼室７の下面を形成するピストン４の頂部は、図３に示すように、その中央にシリンダヘッド２側に突出する突出部１３とその突出部１３の周囲をシリンダヘッド２側から離れる側に窪めた窪み部１４とを備えて構成されている。このように、ピストン４の頂部が山型形状に形成されている。突出部１３は、平面状に形成されている。窪み部１４は、燃焼室７の周方向の全周に亘ってシリンダヘッド２側から離れる側に窪めた燃焼室７の軸方向で環状に形成されている。また、窪み部１４は、点火プラグ１２の設置箇所から窪み部１４の壁部位１４ａまでの距離を等しくする形状に形成されている。つまり、窪み部１４の壁部位１４ａは、点火プラグ１２の設置箇所に対して、傾斜する直線状に形成されている。

このようにして、ピストン４の頂部では、その中央に平面状の突出部１３が備えられ、その突出部１３の周囲に窪み部１４が備えられているので、ピストン４の中央の周囲に環状の燃焼室７を形成することができる。そして、複数の点火プラグ１２が、燃焼室７の周方向（ピストン４の周方向）に間隔を隔てて均等に備えられているので、ピストン４の中央の周囲に形成される燃焼室７にだけ火炎伝播すればよく、その火炎伝播距離を短くすることができる。しかも、窪み部１４では、ピストン４が上死点に位置する状態での平面状に形成されているシリンダヘッド２の下面とピストン４の頂部との間の距離を大きくすることができ、点火プラグ１２からの火炎伝播を、直進方向だけでなく、燃焼室７の周方向にも行い易いものとなる。更に、ピストン４の頂部では、平面状に形成されているシリンダヘッド２の下面に対して、ピストンが上死点に上昇する際や上死点から下降する際に、その密度差によってピストン４の中央から周囲に向かう渦流、いわゆるスキッシュ流を発生させて火炎伝播の促進を図ることができる。その結果、燃焼室７の全体に亘って火炎伝播をいち早く行い、熱効率の向上を図ることができる。

（エンジンの動作）
エンジン１００は、吸気バルブ５を開動作させた状態でピストン４が上死点から下降することにより、燃焼室７に混合気Ｍを吸気する吸気行程が行われる。次に、吸気バルブ５を閉動作させた状態でピストン４が上昇することにより、燃焼室７の混合気Ｍを圧縮する圧縮行程が行われる。
エンジン１００は、予め設定された所望の点火時期（例えば、ピストン４が上死点に達する直前）に、複数の点火プラグ１２を作動させて火花点火して燃焼室７の混合気Ｍに点火させる。複数の点火プラグ１２の夫々から火炎が伝播し、燃焼室７の混合気Ｍが燃焼されて膨張行程が行われる。次に、排気バルブ６を開動作させた状態でピストン４が上昇することにより、燃焼室７の排ガスを排気路９に排出する排気行程が行われる。
このようにして、エンジン１００は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の順に各行程を行う一連の動作を繰り返し行うように構成されている。

図４は、参考形態のエンジン１００（図４中実線）と比較例のエンジン（図４中点線）とについて、上死点以降のクランクアングル（°ＡＴＤＣ）と熱発生率（ｄＱ／ｄθ）との関係についての実験結果を示すグラフである。ここで、比較例のエンジンでは、参考形態と同様に、複数の点火プラグ１２を燃焼室７の周方向に間隔を隔てて均等に備えているものの、燃焼室の形状については、特許文献２に記載の如く、シリンダヘッドの下面
及びピストンの頂部の双方を平面状に形成して、扁平な円柱状の燃焼室としている。また、参考形態のエンジンと比較例のエンジンでは、燃焼室の容積は同一としている。ちなみに、複数の点火プラグを作動させる点火タイミングについては、ピストンが上死点に達する前のクランクアングルで−１５度付近の最も出力が出るタイミングとしている。

図４に示すように、参考形態のエンジン１００は、比較例のエンジンに対して、熱発生率の上昇が早く生じていることから、燃焼の立ち上がりが早くなっており、等容度を高めることができる。ここで、等容度とは、等容燃焼（圧縮圧力がピークとなる上死点において容積変化をしないで一気に行われる仮想の燃焼）での熱効率を１００％としたときの、実際の図示熱効率の割合をいう。また、図４に示すように、参考形態のエンジン１００は、比較例のエンジンに対して、熱発生が生じている領域の面積が大きくなっており、熱効率の向上を図ることができる。

〔実施形態〕
当該実施形態は、上記参考形態において、図５及び図６に示すように、更に、シリンダヘッド２の中央にも中央点火プラグ１５を備えるものである。その他の点については、上記参考形態と同様であるので、中央点火プラグ１５を備える点を中心に説明する。

上記参考形態にて述べた如く、ピストン４の頂部は、突出部１３と窪み部１４とを備えているが、この実施形態では、図５及び図６に示すように、突出部１３の中央に、シリンダヘッド２側から離れる側に窪む中央窪み部１６が備えられ、その中央窪み部１６の混合気Ｍを点火する中央点火プラグ１５がシリンダヘッド２に備えられている。これにより、中央窪み部１６をも燃焼室７とすることができながら、その中央窪み部１６の混合気を中央点火プラグ１５にて点火することができ、中央窪み部１６においても、中央点火プラグ１５からの火炎伝播をいち早く行うことができる。

上記参考形態及び実施形態では、窪み部１４を、燃焼室７の周方向の全周に亘ってシリンダヘッド２側から離れる側に窪めた燃焼室７の軸方向で環状に形成している。

（２）上記参考形態及び実施形態では、窪み部１４の壁部位１４ａを、点火プラグ１２の設置箇所に対して傾斜する直線状に形成することで、窪み部１４を、点火プラグ１２の設置箇所から窪み部１４の壁部位１４ａまでの距離を等しくする形状に形成している。これに代えて、例えば、窪み部１４の壁部位１４ａを、点火プラグ１２の設置箇所を中心としる円弧状に形成することで、窪み部１４を、点火プラグ１２の設置箇所から窪み部１４の壁部位１４ａまでの距離を等しくする形状に形成することもできる。

本発明は、ピストンを摺動自在に収容するシリンダと、そのシリンダ内面と前記ピストンの頂部とで形成される燃焼室と、その燃焼室の混合気を点火する複数の点火プラグとが備えられ、燃焼室の混合気を点火する点火プラグをピストンの周方向に間隔を隔てて複数備え、燃焼室の全体に亘って火炎伝播をいち早く行い、熱効率の向上を図ることができる各種のエンジンに適応することができる。

２ シリンダヘッド
３ シリンダ
４ ピストン
７ 燃焼室
１２ 点火プラグ
１３ 突出部
１４ 窪み部
１４ａ 壁部位
１５ 中央点火プラグ
１６ 中央窪み部

Claims (2)

1. ピストンを摺動自在に収容するシリンダと、そのシリンダ内面と前記ピストンの頂部とで形成される燃焼室と、その燃焼室の混合気を点火する複数の点火プラグとが備えられているエンジンであって、
   複数の前記点火プラグは、前記ピストンの周方向に間隔を隔てて備えられ、前記ピストンの頂部は、その中央にシリンダヘッド側に突出する突出部と、前記ピストンの周方向において前記点火プラグの設置位置に対応して前記突出部の周囲を前記シリンダヘッド側から離れる側に窪めた窪み部とを備えて構成され、
   前記窪み部は、前記ピストンの周方向の全周に亘って前記シリンダヘッド側から離れる側に窪めた前記ピストンの軸方向視で円環状に形成され、
   複数の前記点火プラグの夫々は、その点火点が前記燃焼室に突出する状態で、且つシリンダブロックの上端部に支持され、
   複数の前記点火点の夫々は、前記ピストンの軸方向視において、前記窪み部の円環と同心で、且つ前記窪み部の円環よりも大径の円環上に等間隔で配置され、
   前記点火点と当該点火点に対向する前記窪み部の壁部位との距離は、複数の前記点火プラグ同士で、等しく設定され、
   前記突出部の中央には、前記シリンダヘッド側から離れる側に窪めた中央窪み部が備えられ、その中央窪み部の混合気を点火する中央点火プラグが前記シリンダヘッドに備えられているエンジン。
2. 前記突出部は、平面状に形成されており、前記シリンダヘッドの下部は、平面状に形成されている請求項１に記載のエンジン。

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