JP6115197B2

JP6115197B2 - 内燃機関の燃焼室構造

Info

Publication number: JP6115197B2
Application number: JP2013047041A
Authority: JP
Inventors: 大介福井; 至成二宮
Original assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Current assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2013-03-08
Publication date: 2017-04-19
Anticipated expiration: 2033-03-08
Also published as: JP2014173498A; CN104033233A; CN104033233B

Description

本発明は、自動二輪車等の車両に搭載されるエンジン、即ち内燃機関の燃焼室構造に関するものである。

この種のエンジンにおいて燃焼室内の吸気あるいは排気ポート周辺にスキッシュエリアを設けることは従来から取り入れられてきた技術である。スキッシュエリアを設けることで４サイクル中の圧縮行程の終盤において、燃焼室の周辺部に有った混合気の新気が、燃焼室の中央に押し出される効果がある。そして、かかるスキッシュエリアを設けると、混合気に過流がより強く発生して、燃焼行程における火炎伝播の速度を高めて、燃焼時間の短縮を図ることにより最高燃焼ガス温度の上昇を防ぐ役割も持っている。このようにスキッシュは結果的に燃焼効率を向上する等の利点を有している。

特許第３８４２９３８号公報特開２０００‐１４５４６２号公報

しかしながら、従来のスキッシュ形状では、スキッシュを持たない標準的な形状のものに比べてエンジン回転数の高負荷領域での出力向上には効果があるものの、低負荷領域での燃焼効率の改善効果が小さいことが課題となっている。
特に低燃費化に有効な手段である希薄燃焼状態では、エンジン回転数のどの領域においても、従来のスキッシュ形状では標準的な形状に対して燃費率が向上する領域がないことが実験結果で確認されている。

なお、特許文献１あるいは特許文献２等に開示されるように、スキッシュに関連して燃焼効率を向上さるために燃焼室の構成を工夫したものが知られている。

本発明はかかる実情に鑑み、広いエンジン回転数域で燃焼効率や出力特性を改善向上する内燃機関の燃焼室構造を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の燃焼室構造は、ピストン上面に対向するシリンダヘッド内壁に窪みを設け、この窪みからなる主燃焼室とスキッシュエリアとで燃焼室を構成すると共に、前記主燃焼室の内面に吸気バルブ口と排気バルブ口と点火プラグ取付口とを三方に配置した内燃機関の燃焼室構造であって、点火プラグに対して、吸気バルブ軸線及び排気バルブ軸線の２軸を含む平面を挟んでその反対側にスキッシュエリアを設け、前記スキッシュエリアにおいて鈍角形状を持つスキッシュエッジをシリンダ内側に向けて突設し、前記スキッシュエリアの前記スキッシュエッジは前記稜線状をなす連接部を介して前記主燃焼室の窪み面と連接され、この連接部がシリンダ中心軸線に向けて直線的に内向傾斜し、前記連接部の両側に凹曲面で構成された連接面が形成されることを特徴とする。

また、本発明の内燃機関の燃焼室構造において、前記連接面は、前記スキッシュエッジの連接部に沿った延長線方向で、前記連接部のシリンダ中心軸線側の先端部を起点にして該延長線の両側端部が前記点火プラグから離間する方向に後退するように形成されたことを特徴とする。

また、本発明の内燃機関の燃焼室構造において、前記スキッシュエッジの連接部に沿った延長線は、前記点火プラグの電極よりも吸気バルブ側に偏倚して設定されることを特徴とする。

また、本発明の内燃機関の燃焼室構造において、前記点火プラグ側に第２のスキッシュエリアを設け、この第２のスキッシュエリアにおける前記延長線に対して吸気側の領域に鈍角形状のスキッシュエッジを設けたことを特徴とする。

本発明によれば、スキッシュエッジにより混合気の流れの偏向及び剥離による渦流が発生し、混合気の乱れを促進させる。燃焼室内の混合気に対して、効果的に渦流を発生させることでハイタンブルポート等の吸気ポート形状によって生じる吸気流量係数の低下を抑えることができ、高負荷領域での出力低下も生じることなく低負荷燃焼を改善させることができる。つまり、エンジンの広い回転数域で燃焼効率や出力を改善向上することができる。

本発明に係るエンジンのシリンダヘッドまわりの上面図、排気ポートまわりの側面図、左側面図及び吸気ポートまわりの側面図である。図１（Ａ）のＩ−Ｉ線に沿う断面図及びII−II線に沿う断面図である。本発明に係るエンジンのシリンダヘッドにおける燃焼室まわりの斜視図である。本発明に係るエンジンの燃焼室のそれぞれ構成例及び作用を示す図である。図４（Ｂ）のIII−III線に沿う断面図である。

以下、図面に基づき、本発明による内燃機関の燃焼室構造における好適な実施の形態を説明する。
本発明に係る内燃機関の燃焼室構造は典型的には、自動二輪車等の車両に搭載されるエンジンに適用されるが、その適用対象はこれに限定されるものではない。本実施形態では例えば図１に示すような空冷式４サイクル単気筒エンジン１０の例とする。なお、以下の説明では必要に応じて構成部材の図示等を適宜省略する。本例のエンジン１０について、先ず全体構成を説明すると、例えば左右方向に水平配置されるクランクシャフトを回転自在に支持・収容するクランクケースに対して順次、シリンダ１１、シリンダヘッド１２及びシリンダヘッドカバー１３が結合する。シリンダヘッド１２には、エンジン１０に混合気を供給するための吸気系が接続される吸気ポート１４とエンジン１０からの排気ガスを排気する排気系が接続される排気ポート１５とが設けられる。

吸気系において図示を省略するが、エアクリーナとシリンダヘッド１２との間に形成される吸気通路の途中にスロットルボディが配置される。スロットルボディにはその内部に形成される吸気通路を開閉するスロットルバルブを有する。スロットルボディはインテークパイプ（吸気管）を介して、吸気ポート１４と接続される。インテークパイプにはインジェクタが装着され、インテークパイプから送給される吸気に対してインジェクタから燃料が噴射供給されることにより、エンジン１０に対して混合気が供給される。

また、排気系において、排気ポート１５にエキゾーストパイプ（排気管）が結合する。エンジン１０内で生成された燃焼ガスが排気ガスとして、排気ポート１５からエキゾーストパイプを通り、最終的にマフラから排気される。

エンジン１０について更に説明する。図２（Ａ）は点火プラグ１６を通ってシリンダ軸線もしくは中心軸線Ｚ方向に沿う断面図、図２（Ｂ）は排気バルブ軸線及び吸気バルブ軸線を通ってシリンダ軸線Ｚ方向に沿う断面図である。シリンダ１１にはシリンダライナ１７が内挿され、シリンダライナ１７内にはピストン１８が往復動可能に収容される。図示しないクランクケース内に軸支されているクランクシャフトのクランクピンとピストン１８のピストンピン１９とはコンロッドを介して相互に連結される。ピストン１８がシリンダ軸線Ｚ方向に往復動することで、クランクシャフトが回転する。また、シリンダヘッド１２においてカムハウジング２０内に、カム及びカムシャフト等を含んでなる動弁装置もしくは動弁機構が組み込まれる。シリンダボアの側近で略シリンダ軸線Ｚと平行方向に沿ってカムチェーン室２１が設けられ、カムチェーン室２１内でカムチェーンが走行する。このカムチェーンは、動弁装置のカムシャフトの一端に取り付けたスプロケットと、クランクシャフトに取り付けたドライブスプロケットとの間に巻回装架され、これによりクランクシャフトの回転に同期して動弁装置が作動するようになっている。

シリンダヘッド１２の底部には、上死点にあるピストン１９の上面との間で燃焼室２２が形成され、燃焼室２２には吸気ポート１４と排気ポート１５がそれぞれ連通する。燃焼室２２及び吸気ポート１４間は吸気バルブ２３によって開閉され、また、燃焼室２２及び排気ポート１５間は排気バルブ２４によって開閉される。これら吸気バルブ２３及び排気バルブ２４は動弁装置により駆動制御される。

吸気バルブ２３のバルブステム２３ａ及び排気バルブ２４のバルブステム２４ａに挟まれるように、カムハウジング２０内にカムシャフト２５が回転自在に支持される。更に、本例ではカムシャフト２５は図２（Ｂ）の紙面直交方向に延設されるが、その軸線方向に相互に所定間隔あけて吸気カム及び排気カムが一体的に形成され、これらのカムと吸気バルブ２３のバルブステム２３ａ及び排気バルブ２４のバルブステム２４ａとの間にそれぞれロッカーアームが架け渡される。これらのロッカーアームはロッカーアームシャフト２６，２７（共に図２（Ｂ）の紙面直交方向に延設される）上に揺動可能に支持される。

上述のロッカーアームはそれぞれの先端部に取り付けたタペットを介して、バルブステム２３ａ及びバルブステム２４ａの頂部に当接する。吸気バルブ２３のバルブステム２３ａ及び排気バルブ２４のバルブステム２４ａの周囲にはそれぞれバルブスプリングが装着され、これらのバルブスプリングの弾力によってバルブステム２３ａあるいはバルブステム２４ａは常時バルブ閉じ方向へ付勢される。クランクシャフトを駆動源として回転するカムシャフト２５の回転により、ロッカーアームを介して、バルブスプリングの弾力に抗してバルブステム２３ａ及びバルブステム２４ａを下方へ押動する。これにより吸気バルブ２３及び排気バルブ２４が所定タイミングで開く、即ち吸気ポート１４あるいは排気ポート１５が燃焼室２２にそれぞれ連通するようになっている。

本発明による内燃機関の燃焼室構造において、燃焼室２２は主にピストン１８の上面に対向して、図３のようにシリンダヘッド１２の内壁に形成された窪み２８により構成される。窪み２８は概略ドーム状をなし、燃焼室２２の主燃焼室を形成する。本発明では更にスキッシュエリア２９を有し、即ち燃焼室２２は、窪み２８でなる主燃焼室とスキッシュエリア２９によりで構成される。また、窪み２８で構成される主燃焼室の内面には、吸気バルブ２３が装着される吸気バルブ口３０と排気バルブ２４が装着される排気バルブ口３１と点火プラグ１６が装着される点火プラグ取付口３２とが三方、つまりこの例ではこれら３箇所でＴ字を形成するように配置される。特に、点火プラグ１６はＴ字の下端部に対応位置し、即ち燃焼室２２の外周寄りに配置され、そのドーム状の中心には位置していない。

本実施形態において、図３に示されるようにスキッシュエリア２９は点火プラグ１６に対して、吸気バルブ２３の軸線Ｘ及び排気バルブ２４の軸線Ｙを含んで形成される平面Ｓを挟んでその反対側に設けられる。
本発明では特に図４（Ａ）に示されるようにスキッシュエリア２９において、全体として鈍角形状（その鈍角θとする）を持つスキッシュエッジ３３がシリンダ内側に向けて突設される。

スキッシュエリア２９は図４（Ａ）等に示されるようにＭ字状を呈し、該Ｍ字の中央にスキッシュエッジ３３が対応位置する。この場合、スキッシュエッジ３３は、吸気バルブ口３０及び排気バルブ口３１の略中間に対応するように配置される。

また、スキッシュエリア２９は図４（Ａ）に示されるように吸気バルブ口３０及び排気バルブ口３１に対応して、スキッシュエッジ３３を挟んで両側に振り分けられた吸気側エリア２９Ａ及び排気側エリア２９Ｂを有している。スキッシュエッジ３３の鈍角形状（鈍角θ）は、吸気側エリア２９Ａ及び排気側エリア２９Ｂにおけるシリンダボア内方側のそれぞれ周端縁２９ａ（図４（Ｂ）参照）によって形成される。各周端縁２９ａはシリンダボア外方側へ凹状に湾曲する曲線状をなすが、その曲率半径Ｒ（アール）はスキッシュエッジ３３側程小さくなり、即ち複数の曲率半径Ｒを有する。つまりスキッシュエッジ３３の鈍角形状は、それらの周端縁２９ａが収斂する鈍角頂部の近傍でその傾斜勾配αが急増する。別言すれば、スキッシュエッジ３３は全体としては鈍角であるが、吸気側エリア２９Ａ及び排気側エリア２９Ｂのそれぞれ周端縁２９ａは互いにせり上がるように突き合わさり、スキッシュエッジ３３の尖端側程、突き合わさる周端縁２９ａ同士で形成される挟角は小さくなる。

また、スキッシュエリア２９のスキッシュエッジ３３は、主燃焼室を形成する窪み面２８ａ（図４（Ａ）の斜線部参照）へと稜線状をなす連接部３４を介して連接される。連接部３４の両側には、図４（Ｂ）の斜線により示される連接面３５（３５Ａ，３５Ｂ）が形成され、これらの連接面３５を介してスキッシュエリア２９と窪み面２８ａとが繋がる。この場合、連接面３５Ａ，３５Ｂは共に凹曲面であるが、シリンダ軸線Ｚと直交方向の横断面は、上述した周端縁２９ａと同様に複数の曲率半径を有して構成される。

また、連接部３４の稜線はシリンダ軸線Ｚと平行方向の縦断面において、該シリンダ軸線Ｚに向けて直線的に内向傾斜する。図５に示されるようにスキッシュエリア２９のスキッシュエッジ３３と窪み面２８ａとは連接部３４を介して連接されるが、連接部３４は直線状であって、且つその内側のシリンダ軸線Ｚに対して角度βだけ傾斜する。また、連接面３５Ａ，３５Ｂについてもその断面は、連接部３４と同様に直線状になっている。

また、図４（Ａ）に示されるようにスキッシュエッジ３３の連接部３４に沿った延長線Ｔは、点火プラグ１６の電極１６ａよりも吸気バルブ２３側に偏倚する。この連接部３４と点火プラグ１６の電極１６ａとのオフセット量とする。

更に、図４（Ａ），（Ｂ）に示すように点火プラグ１６側に別のスキッシュエリア３６（第２のスキッシュエリア）を設け、このスキッシュエリア３６における吸気側エリア３６Ａに鈍角形状のスキッシュエッジ３７が設けられる。

上記構成の燃焼室構造において先ず、燃焼室２２においてスキッシュエリア２９に鈍角形状のスキッシュエッジ３３を設ける。圧損の少ないダウンドラフトポートあるいはストレートポート等で構成される吸気ポート１４を通った乱れの弱い混合気の場合でも、吸気ポート１４及び排気ポート１５間に設けられたスキッシュエッジ３３により、図４（Ｂ）に示した混合気Ｆ₁のように流れの偏向及び剥離による渦流が発生し、これにより混合気の乱れを促進させる。なお、従来のスキッシュ形状では穏やかなあるいは緩い曲線形状であるため、混合気の剥離が起こり難く、その乱れが小さい。つまり、本発明では効果的に渦流を発生させることで吸気流量係数を損なわず、低負荷燃焼を改善させることが可能となる。

このように点火プラグ１６とは略反対側にスキッシュエッジ３３を設けることで、点火プラグ１６から離れた領域の燃焼室２２内の未燃混合気を、火炎面方向への乱れを増強させつつ押し出す作用がある。つまり、スキッシュエリア２９及びスキッシュエッジ３３による混合気の流動改善及び燃焼流動の増幅により燃焼室２２における燃焼が促進される。特に本実施形態のように吸気バルブ２３及び排気バルブ２４の２つのバルブを持つ２弁式エンジンにあっては、点火プラグ１６を燃焼室２２の中心に配置できないため、着火位置から燃焼室２２の末端までの距離が不均一になる。このような場合であっても上記のように混合気の流動及び燃焼流動の改善を図ることにより、高い燃焼促進効果を得ることができる。

また、スキッシュエッジ３３は、吸気バルブ口３０及び排気バルブ口３１の略中間に配置される。この場合、特にスキッシュエッジ３３の鈍角形状は、それらの周端縁２９ａが収斂する鈍角頂部の近傍でその傾斜勾配αが急増する。スキッシュエッジ３３の位置及び形状等をこのように設定することで、吸気ポート１４を通過した混合気は、特に吸気側エリア２９Ａの連接面３５Ａにより形成される言わば、縦壁面に沿って流れる。そして、Ｍ字型においてスキッシュエッジ３３に至る近傍で傾斜勾配αを急増させることにより、図４（Ｂ）に示した混合気Ｆ₂のように点火プラグ１６方向への指向性が強くなる。これにより点火プラグ１６方向へ燃焼性の高い混合新気を送り込むことができる。

また、スキッシュエリア２９の周端縁２９ａから主燃焼室である窪み面２８ａまで内向傾斜された連接面３５で連接する。この連接面３５によってスキッシュ流を燃焼室２２中の広い範囲で発生させることができ、その間エッジ効果による混合気の乱れを発生されているため、燃焼中の広い範囲で燃焼改善効果がある。なお、従来のスキッシュでは実質的にＴＤＣ（上死点）付近でしかスキッシュ流による効果は得られなかった。

また、スキッシュエッジ３３が点火プラグ１６の対角線上近辺にあるため、上述の効果が相俟って燃焼室２２全体での火炎伝播が促進され燃焼速度が速くなる。この場合特に、点火プラグ１６方向へ指向される混合気は、スキッシュエッジ３３が吸気バルブ２３側に偏倚していることで、排気側へ逃げるもしくは反れることなく点火プラグ１６への指向性がより強められる。この結果、ノッキングの防止、エンジン回転数全域での出力向上等の燃焼改善効果がある。また、特に低燃費化に有効な希薄燃焼状態での燃焼安定性が向上するので燃費が向上する。更に、エンジン回転数の高負荷回転領域から低負荷回転領域まで安定した燃焼を確保できるので、燃費向上と出力向上を図るための技術として有効な手段である。

また、点火プラグ１６側に第２のスキッシュエリア３６と鈍角形状のスキッシュエッジ３７を設けることで、点火プラグ１６側の混合気の燃焼に対しても上述した場合と同様な燃焼改善効果が得られる。

以上、本発明を種々の実施形態と共に説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更等が可能である。
例えば、上記実施形態では吸気バルブ２３及び排気バルブ２４を持つ２弁式エンジンの例を説明したが、吸気バルブ及び排気バルブをそれぞれ２つずつ持つ所謂、４バルブエンジンに対しても本発明を適用可能である。その場合、燃焼室の中央に点火プラグを配置すると共に、吸気側と排気側の中間に位置してシリンダボア直径方向で対向するようにスキッシュエッジを設ける等の配置構成を採用可能である。
また、上記実施形態において自動二輪車のエンジンの例で説明したが、４輪車あるいは所謂、ＡＴＶ等の車両に対しても本発明は有効に適用可能である。

１０エンジン、１１シリンダ、１２シリンダヘッド、１４吸気ポート、１５排気ポート、１６点火プラグ、１６ａ電極、１７シリンダライナ、１８ピストン、１９ピストンピン、２０カムハウジング、２１カムチェーン室、２２燃焼室、２３吸気バルブ、２４排気バルブ、２５カムシャフト、２６，２７ロッカーアームシャフト、２８窪み、２９スキッシュエリア、３０吸気バルブ口、３１排気バルブ口、３２点火プラグ取付口、３３スキッシュエッジ、３４連接部、３５，３５Ａ，３５Ｂ連接面、３６第２のスキッシュエリア、３７スキッシュエッジ。

Claims

ピストン上面に対向するシリンダヘッド内壁に窪みを設け、この窪みからなる主燃焼室とスキッシュエリアとで燃焼室を構成すると共に、前記主燃焼室の内面に吸気バルブ口と排気バルブ口と点火プラグ取付口とを三方に配置した内燃機関の燃焼室構造であって、
点火プラグに対して、吸気バルブ軸線及び排気バルブ軸線の２軸を含む平面を挟んでその反対側にスキッシュエリアを設け、
前記スキッシュエリアにおいて鈍角形状を持つスキッシュエッジをシリンダ内側に向けて突設し、
前記スキッシュエリアの前記スキッシュエッジは前記稜線状をなす連接部を介して前記主燃焼室の窪み面と連接され、この連接部がシリンダ中心軸線に向けて直線的に内向傾斜し、
前記連接部の両側に凹曲面で構成された連接面が形成されることを特徴とする内燃機関の燃焼室構造。
前記連接面は、前記スキッシュエッジの連接部に沿った延長線方向で、前記連接部の前記シリンダ中心軸線側の先端部を起点にして該延長線の両側端部が前記点火プラグから離間する方向に後退するように形成されたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼室構造。
前記スキッシュエッジの連接部に沿った延長線は、前記点火プラグの電極よりも吸気バルブ側に偏倚して設定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の燃焼室構造。
前記点火プラグ側に第２のスキッシュエリアを設け、この第２のスキッシュエリアにおける前記延長線に対して吸気側の領域に鈍角形状のスキッシュエッジを設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の燃焼室構造。