JP6036360B2 - 圧縮着火式内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は圧縮着火式内燃機関に関する。

圧縮着火式内燃機関と火花点火式内燃機関との間でシリンダヘッドの共通性向上や共用化が図られることがある。特許文献１ではシリンダヘッドをガソリン機関用のシリンダヘッドと共通のシリンダヘッドとした直噴式ディーゼル機関が開示されている。

特開平１１−２５７０８９号公報

火花点火式内燃機関との間でシリンダヘッドの共通性向上や共用化が図られる場合、圧縮着火式内燃機関が備えるシリンダヘッドの底壁部のうち燃焼室に曝される中央部には、次の凹部が設けられることがある。すなわち、少なくとも予成形品の段階で火花点火式内燃機関との間で共通に設けられる部分として、シリンダヘッドに設けられるとともに、燃焼室の容積を増加させる凹部が設けられることがある。そして、かかる凹部による燃焼室の容積増加は圧縮比の低下を招くことになる。

これに対しては、例えばかかる凹部によって燃焼室の容積が増加する分、ピストンが備えるキャビティの容積を減少させることができる。これにより、排気量を維持しつつ圧縮比の低下を防止できる。

ところがこの場合には、キャビティの壁面が燃料噴射弁に近づくことで、燃料がキャビティに付着し易くなる虞がある。結果、未燃ＨＣの増加を招く虞がある。またこの場合には、キャビティ内で燃料と混合される空気の量が低下することになる。結果、スモークの発生量が増加する虞もある。

本発明は上記課題に鑑み、キャビティの容積を確保しつつ、火花点火式内燃機関との間で共通に設けられる凹部による燃焼室の容積増加を抑制可能な圧縮着火式内燃機関を提供することを目的とする。

本発明は火花点火式内燃機関と共用可能なシリンダヘッドと、前記シリンダヘッドとの間に燃焼室を形成するピストンとを備え、前記シリンダヘッドが底壁部に前記燃焼室に曝される中央部を備えるとともに、前記ピストンが前記燃焼室に曝される頂部を備え、前記中央部が凹部を備えるとともに、前記頂部が前記凹部に対応する凸部を備え、前記凹部が火花点火式内燃機関との間で共通に設けられる部分として、前記シリンダヘッドに設けられ、前記ピストンが上死点に位置する場合に、前記凸部が前記凹部に挿入され、前記凹部が前記火花点火式内燃機関において燃料噴射弁が配置される部分である圧縮着火式内燃機関である。

本発明によれば、キャビティの容積を確保しつつ、火花点火式内燃機関との間で共通に設けられる凹部による燃焼室の容積増加を抑制できる。

シリンダヘッドの予成形品を示す図である。 圧縮着火式内燃機関の要部を示す第１の図である。 火花点火式内燃機関の要部を示す図である。 ピストンの外観図である。 圧縮着火式内燃機関の要部を示す第２の図である。 圧縮着火式内燃機関の要部を示す第３の図である。 ピストンの比較例の外観図である。 圧縮着火式内燃機関の比較例を示す第１の図である。 圧縮着火式内燃機関の比較例を示す第２の図である。

図面を用いて本発明の実施例について説明する。

図１（ａ）および図１（ｂ）は予成形品１０を示す図である。図１（ａ）は予成形品１０の断面図であり、図１（ｂ）は予成形品１０の底面図である。予成形品１０の上下方向については図１（ａ）に示す通り、底面に垂直な方向を上下方向とし、底面が最も下に位置しているものとする。

図２（ａ）および図２（ｂ）は内燃機関１の要部を示す第１の図である。図２（ａ）はシリンダヘッド部の断面図であり、図２（ｂ）はシリンダヘッド部の底面図である。図３（ａ）および図３（ｂ）は内燃機関１´の要部を示す図である。図３（ａ）はシリンダヘッド部の断面図であり、図３（ｂ）はシリンダヘッド部の底面図である。内燃機関１および内燃機関１´の上下方向については、予成形品１０と同様である。

予成形品１０は内燃機関１と内燃機関１´とに共通のシリンダヘッドの予成形品となっている。内燃機関１は圧縮着火式内燃機関であり、内燃機関１´は火花点火式内燃機関である。したがって、シリンダヘッド２は少なくとも予成形品１０の段階で内燃機関１´と共用可能なシリンダヘッドとなっている。換言すれば、シリンダヘッド２は鋳造工程においてシリンダヘッド２´と金型を共通とするシリンダヘッドである。少なくとも予成形品１０の段階であることは、完成品の段階であることを含む。

予成形品１０は底壁部１１を備えている。底壁部１１は中央部１２を備えている。中央部１２は内燃機関１および内燃機関１´を含む内燃機関の燃焼室を形成する部分であり、当該内燃機関の燃焼室に曝される。中央部１２はペントルーフ形状を有している。中央部１２には凹部１３が設けられている。凹部１３は下穴部であり、後述する貫通孔２８の一部となることで貫通孔２８が形成される部分となっている。

図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、内燃機関１はシリンダヘッド２、吸気弁３１および排気弁３２、燃料噴射弁３３およびグロープラグ３４を備えている。内燃機関１において、凹部１３は予成形品１０の段階で内燃機関１´との間で共通に設けられる部分として、シリンダヘッド２に設けられている。したがって、かかる凹部１３は具体的にはシリンダヘッド２およびシリンダヘッド２´を含むシリンダヘッドの鋳造工程において設けられている。凹部１３は中央部１２のうち内燃機関１の燃焼室である燃焼室Ｅのスキッシュ領域を形成する部分に設けられている。凹部１３は凹部１３が設けられている分、燃焼室Ｅの容積を増加させている。

シリンダヘッド２には吸気ポート２１と排気ポート２２とが形成されている。また、吸気弁３１と排気弁３２とが設けられている。吸気ポート２１は燃焼室Ｅに吸気を導き、排気ポート２２は燃焼室Ｅのガスを排気する。吸気弁３１は吸気ポート２１を開閉し、排気弁３２は排気ポート２２を開閉する。吸気ポート２１は吸気弁３１とともに燃焼室Ｅに対して複数（ここでは２つ）設けられている。排気ポート２２および排気弁３２についても同様である。吸気ポート２１は具体的には燃焼室Ｅに対して途中で複数（ここでは２つ）に分岐して開口するサイアミーズポートである吸気ポート２０の一部となっている。

吸気ポート２１と排気ポート２２とは、予成形品１０における吸気ポートと排気ポートとに所定の加工が施されたポートとなっている。当該所定の加工は吸気ポート２１や排気ポート２２の燃焼室Ｅへの開口部の加工を含む。中央部１２には当該所定の加工においてバルブカッタによって形成された凹部２３が設けられている。

凹部２３は凹部１３と異なる凹部であり、完成品の段階で内燃機関１´との間で共通に設けられる部分として、シリンダヘッド２に設けられている。かかる凹部２３は具体的にはシリンダヘッド２の加工工程において設けられている。当該加工工程は鋳造工程後の工程である。凹部２３は凹部２３が設けられている分、燃焼室Ｅの容積を増加させている。凹部２３は吸気ポート２１、排気ポート２２それぞれに対して複数（ここでは４つ）設けられている。凹部２３の具体的な形状は例えば吸気ポート２１、排気ポート２２間で異なっていてよい。

シリンダヘッド２には貫通孔２４と貫通孔２５とが形成されている。貫通孔２４は燃料噴射弁３３を受容可能に形成されている。貫通孔２５はグロープラグ３４を受容可能に形成されている。このため、貫通孔２４には燃料噴射弁３３が、貫通孔２５にはグロープラグ３４がそれぞれ設けられている。燃料噴射弁３３は圧縮着火式内燃機関用の燃料噴射弁である。

なお、シリンダヘッド２における中央部１２は、予成形品１０における中央部１２に対してさらに加工が施された部分であってよい。これは、シリンダヘッド２´においても同様である。シリンダヘッド２が凹部１３および凹部２３を備える場合、凹部１３を第１の凹部とし、凹部２３を第２の凹部とすることができる。

図３に示すように、内燃機関１´はシリンダヘッド２´、吸気弁４１、排気弁４２、点火プラグ４３、燃料噴射弁４４および燃料噴射弁４５を備えている。シリンダヘッド２´には貫通孔２６と貫通孔２７と貫通孔２８とが形成されている。

貫通孔２６は点火プラグ４３を受容可能に形成されている。このため、貫通孔２６には点火プラグ４３が設けられている。貫通孔２６はシリンダヘッド２において貫通孔２４が形成される部分に形成されている。貫通孔２７は燃料噴射弁４４を受容可能に形成されている。このため、貫通孔２７には燃料噴射弁４４が設けられている。貫通孔２７はシリンダヘッド２において貫通孔２５が形成される部分に形成されている。燃料噴射弁４４は吸気ポート２０に燃料を噴射する火花点火式内燃機関用の燃料噴射弁である。

貫通孔２８は燃料噴射弁４５を受容可能に形成されている。このため、貫通孔２８には燃料噴射弁４５が設けられている。燃料噴射弁４５は内燃機関１´の燃焼室である燃焼室Ｅ´に燃料を直接噴射する火花点火式内燃機関用の燃料噴射弁である。燃料噴射弁４５は具体的にはシリンダヘッド２´のうち吸気ポート２０よりも下方の部分に設けられている。なお、燃料噴射弁４５の具体的な配置は必ずしもこれに限られない。

内燃機関１´において、凹部１３は貫通孔２８の一部となっている。凹部１３は燃料噴射弁４５が配置される部分となっている。凹部１３には具体的には燃料噴射弁４５の先端部が配置されている。したがって、凹部１３は内燃機関１´で燃料噴射弁４５の配置に必要となる部分となっている。内燃機関１´における凹部１３は、予成形品１０における凹部１３に対してさらに加工が施された部分となっていてよい。

シリンダヘッド２´にも吸気ポート２１と排気ポート２２とが設けられている。また、シリンダヘッド２´でも中央部１２に凹部２３が設けられている。一方、内燃機関１´では吸気弁３１と排気弁３２とではなく、吸気弁４１と排気弁４２とが設けられている。吸気弁４１は吸気弁３１と異なる吸気弁であり、排気弁４２は排気弁３２と異なる排気弁である。

これに対し、凹部２３は具体的には吸気弁４１や排気弁４２に合わせて設けられている。凹部２３は吸気弁４１や排気弁４２の干渉を回避するために内燃機関１´で必要となる部分、或いは吸気弁４１や排気弁４２に合わせて加工を行う上で不可避的に設けられる点で、内燃機関１´で必要となる部分となっている。

このように設けられた凹部２３は吸気弁３１や排気弁３２を設置可能な凹部となっている。このため、凹部２３は内燃機関１および内燃機関１´間で共通の加工によって設けられている。また、当該共通の加工は共通の加工設備で行われている。一方、凹部２３は吸気弁４１や排気弁４２に合わせて設けられる結果、内燃機関１において燃焼室Ｅの容積を増加させるようになっている。凹部２３は凹部１３とともに少なくとも予成形品１０の段階で内燃機関１´との間で共通に設けられる部分として、シリンダヘッド２に設けられている。

図４はピストン５の外観図である。図５は内燃機関１の要部を示す第２の図である。図６は内燃機関１の要部を示す第３の図である。図４では吸気側、排気側、フロント側およびリア側の表示によって内燃機関１におけるピストン５の向きを示す。図５では図２（ｂ）に示すＡ−Ａ断面で内燃機関１の要部を示す。図６では図２（ｂ）に示すＢ−Ｂ断面で内燃機関１の要部を示す。図５、図６ではピストン５が上死点に位置する場合の内燃機関１の要部を示す。

ピストン５は頂部５１を備えている。頂部５１は燃焼室Ｅに曝される。頂部５１にはキャビティ５１１が設けられている。キャビティ５１１の底壁面は中央部１２が有するペントルーフ形状に合わせて隆起した形状を有している。ピストン５はシリンダヘッド２との間に燃焼室Ｅを形成している。

頂部５１は凸部５１２と凸部５１３とを備えている。凸部５１２は凹部１３に対応する凸部であり、ピストン５が上死点に位置する場合に凹部１３に挿入される。凸部５１３は凹部２３に対応する凸部であり、ピストン５が上死点に位置する場合に凹部２３に挿入される。内燃機関１が凸部５１２と凸部５１３とを備える場合、凸部５１２を第１の凸部とし、凸部５１３を第２の凸部とすることができる。

次に内燃機関１の主な作用効果について説明する。図７はピストン５の比較例であるピストン５´の外観図である。図８は内燃機関１の比較例である内燃機関１´´を示す第１の図である。図９は内燃機関１´´を示す第２の図である。図７では吸気側、排気側、フロント側およびリア側の表示によって内燃機関１´´におけるピストン５´の向きを示す。図８では図５と同様に内燃機関１´´の要部を示す。図９では図６と同様に内燃機関１´´の要部を示す。図８、図９ではピストン５´が上死点に位置する場合の内燃機関１´´の要部を示す。

内燃機関１´´はピストン５の代わりにピストン５´を備える点以外、内燃機関１と実質的に同一となっている。ピストン５´は頂部５１の代わりに頂部５１´を備える点以外、ピストン５と実質的に同一となっている。頂部５１´はキャビティ５１１の代わりにキャビティ５１１´を備える点と、凸部５１２および凸部５１３が設けられていない点以外、頂部５１と実質的に同一となっている。キャビティ５１１´は、凹部１３および凹部２３によって内燃機関１´´の燃焼室である燃焼室Ｅ´´の容積が増加する分、容積が小さく設定されている点以外、キャビティ５１１と実質的に同一となっている。

内燃機関１´´は燃焼室Ｅ´´の容積を上述のように小さく設定することで、内燃機関１と比較した場合に排気量を維持しつつ圧縮比が低下することを防止した内燃機関となっている。ところが、内燃機関１´´では、キャビティ５１１´の壁面が燃料噴射弁３３に近づくことで、燃料がキャビティ５１１´に付着し易くなる虞がある。結果、未燃ＨＣの増加を招く虞がある。またこの場合には、キャビティ５１１´内で燃料と混合される空気の量が低下することになる。結果、スモークの発生量が増加する虞もある。

これに対し、内燃機関１ではピストン５が上死点に位置する場合に、凸部５１２が凹部１３に挿入される。このため、内燃機関１はキャビティ５１１の容積を確保しつつ、内燃機関１´との間で共通に設けられる凹部１３による燃焼室Ｅの容積増加を抑制できる。

凹部１３は中央部１２のうち燃焼室Ｅのスキッシュ領域を形成する部分に設けられている。このため、凹部１３は燃焼室Ｅの容積を増加させるだけでなく、スキッシュ領域を拡大することでスキッシュ流の強度を低下させる虞もある。これに対し、内燃機関１は上述のように燃焼室Ｅの容積増加を抑制することで、さらにスキッシュ流の強度低下を抑制することもできる。内燃機関１は具体的には凹部１３が内燃機関１´において燃料噴射弁４５が配置される部分である構成とすることができる。

内燃機関１はさらに凹部２３と凸部５１３とを備えるとともに、ピストン５が上死点に位置する場合に、凸部５１３が凹部２３に挿入される構成となっている。このため、内燃機関１はキャビティ５１１の容積を確保しつつ、凹部２３による燃焼室Ｅの容積増加を抑制することもできる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

例えばシリンダヘッドは必ずしも、少なくとも予成形品の段階で火花点火式内燃機関と共用可能なシリンダヘッドでなくてもよい。すなわち、シリンダヘッドは例えば火花点火式内燃機関との間で共通性向上が図られた圧縮着火式内燃機関用のシリンダヘッドの予成形品に基づき製造されたシリンダヘッドであってもよい。

この場合でも、例えばシリンダヘッドの加工工程において設けられる凹部が、火花点火式内燃機関との間で共通に設けられる結果、圧縮着火式内燃機関において燃焼室の容積を増大させるように設けられざるを得ない場合に対し、キャビティの容積を確保しつつ、凹部による燃焼室の容積増加を抑制できる。

例えばシリンダヘッドの加工工程において設けられる凹部は、加工設備の共通化が可能な範囲内で、圧縮着荷式内燃機関および火花点火式内燃機関間で異なる形状に形成されてもよい。すなわち、凹部が火花点火式内燃機関との間で共通に設けられる部分であることは、加工設備の共通化が可能な範囲内で、凹部が圧縮着荷式内燃機関および火花点火式内燃機関間で異なる形状を有することを含む。

この場合でも、共通化された加工設備の制約上、凹部が圧縮着火式内燃機関において燃焼室の容積を増大させるように設けられざるを得ない場合に対し、キャビティの容積を確保しつつ、凹部による燃焼室の容積増加を抑制できる。

内燃機関 １、１´、１´´
シリンダヘッド ２、２´
予成形品 １０
底壁部 １１
中央部 １２
凹部 １３、２３
燃料噴射弁 ３３、４４、４５
ピストン ５、５´
頂部 ５１、５１´
凸部 ５１２、５１３

Claims (1)

1. 火花点火式内燃機関と共用可能なシリンダヘッドと、前記シリンダヘッドとの間に燃焼室を形成するピストンとを備え、
   前記シリンダヘッドが底壁部に前記燃焼室に曝される中央部を備えるとともに、前記ピストンが前記燃焼室に曝される頂部を備え、
   前記中央部が凹部を備えるとともに、前記頂部が前記凹部に対応する凸部を備え、
   前記凹部が火花点火式内燃機関との間で共通に設けられる部分として、前記シリンダヘッドに設けられ、
   前記ピストンが上死点に位置する場合に、前記凸部が前記凹部に挿入され、
   前記凹部が前記火花点火式内燃機関において燃料噴射弁が配置される部分である圧縮着火式内燃機関。

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