JP6958490B2

JP6958490B2 - 内燃機関

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Publication number: JP6958490B2
Application number: JP2018114891A
Authority: JP
Inventors: 慎太郎堀田; 晋橋本; 伸治定金; 博多田; 二三郎高宮; 明北條
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-06-15
Filing date: 2018-06-15
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2038-06-15
Also published as: CN110608089B; EP3581776A1; RU2701929C1; BR102019012108A2; EP3581776B1; JP2019218874A; KR20190142231A; KR102198096B1; US20190383230A1; CN110608089A; US10920712B2

Description

本発明は、内燃機関に関する。

従来から、内燃機関の運転中に発生する騒音を低減させる様々な手法が検討されている（例えば、特許文献１、２）。内燃機関の運転中に発生する騒音の一つとして、フライホイールに最も近いシリンダでの燃焼加振力が大きいことによってフライホイールに大きな面振れ振動が生じ、これに伴って生じる大きな振動騒音が挙げられる。特許文献１では、斯かる振動騒音を低減させることを目的として、フライホイールに最も近いシリンダについて点火時期を遅角して燃焼加振力を小さくし、その結果、振動騒音を低減させることが提案されている。

特公平７−０５８０５９号公報特開２０１７−０９６２４５号公報

ところで、特許文献１では、フライホイール側のシリンダでの燃焼加振力を低減して振動騒音を低減させるべく、フライホイール側のシリンダにおける点火時期を遅角している。点火時期を遅角させると、フライホイール側のシリンダでの燃焼加振力を低減することはできるが、燃焼エネルギから運動エネルギへの変換効率が低下するため燃費の悪化を招く。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、燃費の悪化を抑制しつつ内燃機関の運転中に発生する騒音を低減することができる内燃機関を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その要旨は以下のとおりである。

（１）複数のシリンダを有すると共にパワートレーン構成部品が隣接して配置される内燃機関であって、吸気弁の弁体の中心を通って各シリンダの周方向に延びる仮想円筒面よりも内側の領域におけるピストンが上死点にあるときの燃焼室の高さの平均を中央高さ、前記仮想円筒面よりも外側の領域における前記ピストンが上死点にあるときの前記燃焼室の高さの平均を周辺高さとすると、前記燃焼室は、前記複数のシリンダのうち最も前記パワートレーン構成部品側に位置する構成部品側シリンダにおける中央高さが、前記構成部品側シリンダ以外の少なくとも一つのシリンダである通常シリンダにおける中央高さよりも高くなり且つ前記構成部品側シリンダにおける周辺高さが、前記通常シリンダにおける周辺高さよりも低くなるように形成される、内燃機関。

（２）前記通常シリンダは、前記パワートレーン構成部品から最も離れて位置するシリンダを含む、上記（１）に記載の内燃機関。

（３）前記燃焼室は、隣合う二つのシリンダのうち前記パワートレーン構成部品側のシリンダにおける中央高さが前記パワートレーン構成部品側とは反対側のシリンダにおける中央高さ以上となり且つ前記隣合う二つのシリンダのうち前記パワートレーン構成部品側のシリンダにおける周辺高さが前記パワートレーン構成部品側とは反対側のシリンダにおける周辺高さ以下となるように形成される、上記（２）に記載の内燃機関。

（４）前記燃焼室は、シリンダヘッド及びピストンによって少なくとも部分的に画定され、各燃焼室を画定する前記シリンダヘッドの形状は前記中央高さ及び前記周辺高さに関わらず同一であり、各燃焼室を画定する前記ピストンの形状は前記中央高さ及び前記周辺高さに応じて異なるような形状とされる、上記（１）〜（３）のいずれか１つに記載の内燃機関。

（５）前記ピストンは、該ピストンの中心を通って前記複数のシリンダが並んで配置される方向に延びる断面において、その上面中央に溝を備え、前記ピストンは、前記中央高さが相対的に高いシリンダでは該中央高さが相対的に低いシリンダに対して前記ピストンの溝の平均的な深さが深くなるように、形成される、上記（４）に記載の内燃機関。

（６）前記ピストンの溝は、該ピストンの中心において最も深くなると共に該ピストンの径方向外側に向かって徐々に浅くなるように形成され、前記中央高さが相対的に高いシリンダでは該中央高さが相対的に低いシリンダに対して前記ピストンの中心における溝の深さが深くなるように形成される、上記（５）に記載の内燃機関。

（７）前記ピストンは、前記溝の外側においてその上面が径方向外側に向かってクランクシャフト側に傾斜する傾斜部を備える、上記（５）又は（６）に記載の内燃機関。

本発明によれば、燃費の悪化を抑制しつつ内燃機関の運転中に発生する騒音を低減することができる内燃機関が提供される。

図１は、内燃機関の概略的な構成図である。図２は、内燃機関の機関本体の一つのシリンダ周りにおける概略的な断面図である。図３は、機関本体及び機関本体に隣接して配置された変速機の部分断面側面図である。図４は、変速機ケースの側面図である。図５は、熱発生率のクランク角推移を示す図である。図６は、燃焼室側から見たピストンの平面図である。図７は、通常シリンダにおけるシリンダ上部（シリンダヘッド近傍）の断面図である。図８は、変速機側シリンダにおけるシリンダ上部（シリンダヘッド近傍）の断面図である。図９は、変速機側シリンダの燃焼室内における混合気の燃焼の様子を概略的に示す断面図である。図１０は、火炎の広がっている状態と火炎外周面の面積との関係を示す図である。図１１は、熱発生率のクランク角推移を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。なお、本明細書では、クランクシャフトからシリンダヘッドへ向かう方向を上向きとし、その逆方向を下向きとして説明している。しかしながら、機関本体の設置方向は必ずしもその方向に限られるものではなない。

＜内燃機関の構成＞
まず、図１から図３を参照して、第一実施形態に係る内燃機関１の構成について説明する。図１は、内燃機関１の概略的な構成図である。図２は、内燃機関１の機関本体１０の一つのシリンダ周りにおける概略的な断面図である。図１に示したように、内燃機関１は、機関本体１０、燃料供給装置３０、吸気系４０、排気系５０及び制御装置６０を備える。

本実施形態では、内燃機関１はＶ型６気筒であり、機関本体１０は、複数のバンク１１ａ、１１ｂが形成されたシリンダブロック１１と、各バンク１１ａ、１１ｂに設けられたシリンダヘッド１２とを備える。各バンク１１ａには３つのシリンダ１３が形成され、各シリンダ１３内にはシリンダ１３内を往復運動するピストン１４が配置される。ピストン１４とシリンダヘッド１２との間のシリンダ１３内には混合気が燃焼する燃焼室１５が形成されている。したがって、燃焼室１５は、ピストン１４とシリンダヘッド１２とシリンダ１３とによって画定される。シリンダヘッド１２には、各シリンダ１３の中央付近に、燃焼室１５内の混合気に点火するための点火プラグ１６が設けられている。

なお、本実施形態の内燃機関１はＶ型６気筒であるが、直列型や水平対向型の内燃機関でもよいし、３気筒、４気筒、８気筒、１０気筒等、６気筒以外の他の気筒数の内燃機関であってもよい。

シリンダヘッド１２には、吸気ポート１７及び排気ポート１８が形成されている。これら吸気ポート１７及び排気ポート１８は各シリンダ１３の燃焼室１５に連通している。燃焼室１５と吸気ポート１７との間には吸気弁２１が配置されて、この吸気弁２１が吸気ポート１７を開閉する。同様に、燃焼室１５と排気ポート１８との間には排気弁２２が配置されて、この排気弁２２が排気ポート１８を開閉する。吸気弁２１の弁体及び排気弁２２の弁体も、燃焼室１５を画定する。

燃料供給装置３０は、燃料噴射弁３１、デリバリパイプ３２、燃料供給管３３、燃料ポンプ３４及び燃料タンク３５を備える。燃料噴射弁３１は、各シリンダ１３内に燃料を直接噴射するようにシリンダヘッド１２に配置されている。燃料ポンプ３４によって圧送された燃料は、燃料供給管３３を介してデリバリパイプ３２に供給され、燃料噴射弁３１から各シリンダ１３内に噴射される。

吸気系４０は、吸気マニホルド４１、吸気管４２、エアクリーナ４３及びスロットル弁４４を備える。各シリンダ１３の吸気ポート１７は、吸気マニホルド４１及び吸気管４２を介してエアクリーナ４３に連通している。スロットル弁４４は、吸気管４２内に設けられ、スロットル弁駆動アクチュエータ４５によって開閉駆動される。吸気ポート１７、吸気マニホルド４１、吸気管４２は吸気通路を形成する。

排気系５０は、排気マニホルド５１、排気管５２、排気浄化触媒５３を備える。各シリンダ１３の排気ポート１８は、排気マニホルド５１及び排気管５２を介して排気浄化触媒５３に連通している。排気浄化触媒５３は、例えば、三元触媒やＮＯｘ吸蔵還元触媒であり、排気ガス中のＮＯｘや未燃ＨＣ等の排気ガス中の成分を浄化する。排気ポート１８、排気マニホルド５１、排気管５２及び排気浄化触媒５３は排気通路を形成する。

制御装置６０は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）６１を備える。ＥＣＵ６１は、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）６３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）６４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）６５、入力ポート６６、及び出力ポート６７を備え、これらは双方向性バス６２を介して相互に接続される。

吸気管４２には吸気管４２内を流れる吸気ガスの流量を検出する流量センサ（例えば、エアフロメータ）７１が設けられる。流量センサ７１の出力は、対応するＡＤ変換器６８を介して入力ポート６６に入力される。また、アクセルペダル７２の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ７３が接続され、負荷センサ７３の出力電圧は対応するＡＤ変換器６８を介して入力ポート６６に入力される。クランク角センサ７４は機関本体１０のクランクシャフト２３が例えば１０°回転する毎に出力パルスを発生する。この出力パルスは入力ポート６６に入力され、ＣＰＵ６５ではこの出力パルスに基づいて機関回転速度が算出される。

一方、ＥＣＵ６１の出力ポート６７は、対応する駆動回路６９を介して、内燃機関１の運転を制御する各アクチュエータに接続される。図１に示した例では、出力ポート６７は、燃料噴射弁３１、燃料ポンプ３４及びスロットル弁駆動アクチュエータ４５に接続されている。ＥＣＵ６１は、これらアクチュエータを制御する制御信号を出力ポート６７から出力して、内燃機関１の運転を制御する。

図３は、機関本体１０及び機関本体１０に隣接して配置された変速機の部分断面側面図である。図３に示したように、機関本体１０は、各バンク１１ａ、１１ｂのシリンダ１３の整列方向に延びるクランクシャフト２３を備える。

クランクシャフト２３は、複数のクランクジャーナル２４を備え、これらクランクジャーナル２４はシリンダブロック１１に配置されたクランクベアリング２５によって回転可能に支持される。また、クランクシャフト２３は、コンロッド（図示せず）を介して各シリンダのピストン１４に連結されるコンロッドジャーナル２６を備える。クランクシャフト２３にはシリンダ１３の数と同数のコンロッドジャーナル２６が設けられる。クランクシャフト２３の一方の端部側のコンロッドジャーナル２６は１番シリンダ１３＃１のピストン１４に連結される。一方、クランクシャフト２３の他方の端部側のコンロッドジャーナル２６は６番シリンダ１３＃６のピストン１４に連結される。図３中のコンロッドジャーナル２６を示す参照番号中のカッコは、そのコンロッドジャーナル２６が連結されるピストン１４が配置されるシリンダ１３の番号を示している。また、コンロッドジャーナル２６は、その軸線がクランクジャーナル２４の軸線（クランクシャフト２３の軸線）から偏心するように構成される。

内燃機関１の機関本体１０には変速機８０が隣接して配置される。変速機８０は、５番シリンダ１３＃５及び６番シリンダ＃６側の側面上において機関本体１０に隣接して配置される。クランクシャフト２３の６番シリンダ側の端部は、フライホイール８１を介して変速機８０に連結される。図示した例では、変速機８０は、トルクコンバータ８２を備えるオートマチックトランスミッションであるが、マニュアルトランスミッションや、ＣＶＴ等の他のオートマチックトランスミッションであってもよい。変速機８０はボルト等によって機関本体１０に固定されている。

＜振動騒音の発生メカニズム＞
上述したように構成された内燃機関１及び変速機８０を含むパワートレーンでは、内燃機関１の運転状態（例えば加速時）によっては、ゴロゴロという不快な騒音及び振動（以下、「振動騒音」ともいう）が発生する。このような振動騒音の発生するメカニズムは主に以下の通りであると考えられている。

内燃機関１の各燃焼室１５での混合気の燃焼により、ピストン１４及びコンロッドを介して、クランクシャフト２３には下向き（すなわち、燃焼室１５からクランクシャフト２３へ向かう向き）の力が加わる。この結果、クランクシャフト２３には曲げ応力が加わる。クランクシャフト２３に曲げ応力が加わると、クランクシャフト２３を支持するクランクベアリング２５には下向きの力が加わる。

複数のクランクベアリング２５のうち変速機側のクランクベアリング２５ａに下向きの力が加わると、変速機側のシリンダブロック１１が変形する。具体的には、シリンダブロック１１は、変速機８０側の側面において、クランクシャフト２３の上側（シリンダヘッド１２側）と下側（オイルパン側）とが互いから離れるように変形する。

図４は、変速機８０のケース（以下、「変速機ケース」ともいう）８３の側面図である。図４に示した側面は、変速機８０の側面のうち、シリンダブロック１１に連結される側の側面である。図４に実線で示した状態は、シリンダブロック１１が変形していないとき、例えば内燃機関１が停止しているときにおける変速機ケース８３の形状を示している。

一方、図４中の破線は、混合気の燃焼の伴う加振力が作用してシリンダブロック１１が変形しているときの変速機ケース８３の形状を示している。シリンダブロック１１は上述したようにクランクシャフト２３の上側と下側と互いから離れるように変形し、これに伴ってシリンダブロック１１に連結された変速機ケース８３の機関本体１０側の領域が上下に伸縮するように変形する。このように変速機ケース８３が機関本体１０側の領域において上下に伸縮するように変形することによって、上述したゴロゴロという振動騒音が発生する。

＜振動騒音対策＞
上述したように振動騒音は、変速機側のシリンダにおける混合気の燃焼に伴う加振力が大きいことにより発生する。換言すると、変速機側のシリンダにおける混合気の燃焼に伴う加振力が小さければ、振動騒音を低減することができる。本実施形態では、例えば、５番シリンダ１３＃５及び６番シリンダ１３＃６における混合気の燃焼に伴って生じる加振力を小さくすれば、振動騒音を低減することができる。

特定のシリンダ１３における燃焼に伴う加振力を低減する方法としては、そのシリンダにおける点火プラグ１６による点火時期を他のシリンダよりも遅角させることが考えられる。点火時期を遅角させると、燃焼に伴って発生した熱エネルギのうち運動エネルギ（クランクシャフト２３の回転エネルギ）に変換される割合が低くなるため、クランクシャフト２３に加わる加振力が小さくなる。したがって、５番シリンダ１３＃５及び６番シリンダ１３＃６における点火時期を、他のシリンダにおける点火時期よりも遅角させることで、振動騒音を低減させることができる。

図５は、単位クランク角当たりの熱発生量の変化量（ｄＱ／ｄθ。以下、「熱発生率」ともいう）のクランク角推移を示す図である。図中の線は、異なる点火時期における熱発生率の推移を表している。線ＭＢＴは、ＭＢＴにおいて点火プラグ１６による点火が行われた場合の熱発生率の推移を示しており、線ＭＢＴ−２は、ＭＢＴよりも２度遅角された時期に点火が行われた場合の熱発生率の推移を示している。その他、線ＭＢＴ−４から線ＭＢＴ−１２は、ＭＢＴよりも４度遅角された時期から１２度遅角された時期に点火が行われた場合の推移をそれぞれ示している。

燃焼に伴う加振力は熱発生率の最大値が大きくなるほど大きくなる。したがって、振動騒音も、熱発生率の最大値が大きくなるほど大きくなる。図５からわかるように、点火時期が遅角されるほど熱発生率の最大値は小さくなり、よって振動騒音も小さくなる。

ところが、点火時期を遅角させると、上述したよう燃焼に伴って発生した熱エネルギのうち運動エネルギに変換される割合が低くなるため、熱効率が悪くなる。したがって、
５番シリンダ１３＃５及び６番シリンダ１３＃６における点火時期を遅角させると、振動騒音を低減させることはできるものの、結果的に燃費の悪化を招くことになる。

＜燃焼室の形状＞
そこで、本実施形態に係る内燃機関では、複数のシリンダ１３のうち最も変速機側に位置する変速機側シリンダにおける中央高さが、変速機側シリンダ以外の少なくとも一つのシリンダである通常シリンダにおける中央高さよりも高くなり且つ変速機側シリンダにおける周辺高さが通常シリンダにおける周辺高さよりも低くなるように燃焼室１５が形成される。ここで、中央高さは、吸気弁２１の弁体２１ａの中心を通って各シリンダ１３の周方向に延びる仮想円筒面ＶＣよりも内側の領域におけるピストン１４が上死点にあるときの燃焼室１５の高さの平均値を意味する。また、周辺高さは、仮想円筒面ＶＣよりも外側の領域におけるピストン１４が上死点にあるときの燃焼室１５の高さの平均値を意味する。

図６は、燃焼室１５側から見たピストン１４の平面図である。また、図７は、１番シリンダ１３＃１から４番シリンダ１３＃４（以下、本実施形態においては「通常シリンダ」ともいう）におけるシリンダ１３上部（シリンダヘッド近傍）の断面図である。図７（Ａ）は、ピストン１４の軸線ＸＰを通って同一バンクのシリンダ１３の整列方向に延びる断面（以下、「整列方向断面」ともいう）における断面図であり、図６の線Ａ−Ａに沿って見た断面図である。図７（Ｂ）は、ピストン１４の軸線ＸＰを通ってシリンダ１３の整列方向に対して垂直に延びる断面（以下、「垂直方向断面」ともいう）における断面図であり、図６の線Ｂ−Ｂ及び図７（Ａ）の線Ｂ−Ｂに沿って見た断面図である。図７（Ｃ）は、一方の吸気弁２１の弁体２１ａの中心を通ってシリンダ１３の整列方向に対して垂直に延びる断面における断面図であり、図６の線Ｃ−Ｃ及び図７（Ａ）の線Ｃ−Ｃに沿って見た断面図である。

図６及び図７からわかるように、１番シリンダ１３＃１から４番シリンダ１３＃４のピストン（以下、「通常ピストン」ともいう）１４の頂面には、平坦部９１と、中央溝９２と、隆起部９３と、傾斜部９４と、吸気弁用リセス９５と、排気弁用リセス９６とが設けられる。

平坦部９１は、ピストン１４の頂面に形成されると共にピストン１４の軸線ＸＰに対して垂直に延びる。平坦部９１は、ピストン１４の外周近傍に設けられる。

中央溝９２は、ピストン１４の頂面の中心に設けられる。図６及び図７に示したように、中央溝９２は、シリンダ１３の整列方向の幅の方が、シリンダ１３の整列方向に対して垂直な方向（以下、「整列垂直方向」ともいう）の幅よりも大きくなるように形成される。また、中央溝９２は、平坦部９１の位置する平面から下方の高さを深さと称すると、ピストン１４の中心において最も深く、ピストン１４の中心から径方向外側に向かって離れるにつれて徐々に浅くなるように形成される。

特に、本実施形態では、図７（Ａ）に示したように、中央溝９２は、その底面が整列方向断面において全体的に湾曲するように形成される。中央溝９２は、その底面が、整列方向断面において、全体に亘って同一の曲率半径で湾曲するように形成されてもよいし、中心から径方向外側に向かって曲率半径が徐々に変化（例えば大きくなる）ように形成されてもよい。しかしながら、中央溝９２は、その底面が整列方向断面において中心から両縁に向かって直線的に延びるように形成されてもよいし、部分的に湾曲するように形成されてもよい。

また、本実施形態では、中央溝９２は、その底面が垂直方向断面において中心から両縁に向かって直線的に延びるように形成される。しかしながら、中央溝９２は、その底面が垂直方向断面において全体的に又は部分的に湾曲するように形成されてもよい。

隆起部９３は、シリンダ１３の整列方向において中央溝９２の両側に設けられる。隆起部９３は、平坦部９１よりも上方に突出するように形成される。したがって、中央溝９２の底面は、その一部が平坦部９１よりも上方に位置する。

傾斜部９４は、シリンダ１３の整列方向において隆起部９３の径方向外側に設けられる。傾斜部９４は、隆起部９３から径方向外側に向かって下向き（クランクシャフト２３側）に傾斜するように構成される。傾斜部９４は、その外周における高さが平坦部９１の高さと同一の高さになるように形成される。

吸気弁用リセス９５は、平坦部９１から下方に凹むように形成される。また、吸気弁用リセス９５は、ピストン１４が上死点にあるときに吸気弁２１の弁体２１ａの一部と対向する位置に形成される。本実施形態では、一つのシリンダ１３当たり二つの吸気弁２１が設けられることから、各ピストン１４には二つの吸気弁用リセス９５が設けられる。吸気弁用リセス９５は、吸気弁２１の軸線ＸＩに対してほぼ垂直に延びる傾斜面を有し、この傾斜面は中央溝９２の整列垂直方向側の縁部まで延びるように構成される。したがって、吸気弁用リセス９５は、ピストン１４が吸気上死点にあるときに吸気弁２１とピストン１４とが干渉しないようにピストン１４の頂面に設けられる。

排気弁用リセス９６は、平坦部９１から下方に凹むように形成される。また、排気弁用リセス９６は、ピストン１４が上死点にあるときに排気弁２２の弁体２２ａの一部と対向する位置に形成される。本実施形態では、一つのシリンダ１３当たり二つの排気弁２２が設けられることから、各ピストン１４には二つの排気弁用リセス９６が設けられる。排気弁用リセス９６は、排気弁２２の軸線ＸＥに対してほぼ垂直に延びる傾斜面を有し、この傾斜面は中央溝９２の整列垂直方向側の縁部まで延びるように構成される。したがって、排気弁用リセス９６は、ピストン１４が吸気上死点にあるときに排気弁２２とピストン１４とが干渉しないようにピストン１４の頂面に設けられる。

図８は、５番シリンダ１３＃５及び６番シリンダ１３＃６（以下、本実施形態においては「変速機側シリンダ」ともいう）におけるシリンダ１３上部（シリンダヘッド近傍）の断面図である。図８（Ａ）は、整列方向断面における図７（Ａ）と同様な断面図である。図８（Ｂ）は、垂直方向断面における図７（Ｂ）と同様な断面図であり、図８（Ａ）の線Ｂ−Ｂに沿って見た断面図である。図８（Ｃ）は、一方の吸気弁２１の弁体の中心を通ってシリンダ１３の整列方向に対して垂直に延びる断面における、図７（Ｃ）と同様な断面図であり、図８（Ａ）の線Ｃ−Ｃに沿って見た断面図である。

図８からわかるように、変速機側シリンダのピストン（以下、「変速機側ピストン」ともいう）１４’も、基本的には図６及び図７に示した１番シリンダ１３＃１から４番シリンダ１３＃４のピストン（通常ピストン）１４と同様に形成される。したがって、変速機側ピストン１４’の頂面には、平坦部９１と、中央溝９２と、隆起部９３と、傾斜部９４と、吸気弁用リセス９５と、排気弁用リセス９６とが設けられる。

図８に示したように、変速機側ピストン１４’でも、中央溝９２は、ピストン１４の中心において最も深く、ピストン１４の中心から径方向外側に向かって離れるにつれて徐々に浅くなるように形成される。しかしながら、図７と図８とを比較するとわかるように、変速機側ピストン１４’の中央溝９２は、通常ピストン１４の中央溝９２に対して、ピストン１４の中心において平坦部９１の位置する平面からの深さが深くなるように形成される。加えて、変速機側ピストン１４’の中央溝９２は、通常ピストン１４の中央溝９２に対して、平均的な深さが深くなるように形成される。

また、変速機側ピストン１４’でも、中央溝９２は、整列方向断面において全体的に湾曲するように形成される。中央溝９２は、整列方向断面において、全体に亘って同一の曲率半径で湾曲するように形成されてもよいし、中心から径方向外側に向かって曲率半径が徐々に変化（例えば大きくなる）ように形成されてもよい。

また、変速機側ピストン１４’でも、シリンダ１３の整列方向において中央溝９２の両側に隆起部９３が設けられる。変速機側ピストン１４’の隆起部９３は、通常ピストン１４の隆起部９３に比べて、平坦部９１からの上方への突出量が大きくなるように形成される。加えて、本実施形態では、変速機側ピストン１４’の隆起部９３は、通常ピストン１４の隆起部９３に比べて、径方向内側に位置するように形成される。したがって、変速機側ピストン１４’の中央溝９２の曲率半径は、通常ピストン１４の中央溝９２の曲率半径に比べて平均的に小さい。特に、本実施形態では、変速機側ピストン１４’の中央溝９２の或る部分の曲率半径は、通常ピストン１４の中央溝９２の対応する部分の曲率半径に比べて小さい。

なお、変速機側ピストン１４’においても、中央溝９２は、その底面が整列方向断面において中心から両縁に向かって直線的に延びるように形成されてもよいし、部分的に湾曲するように形成されてもよい。この場合、変速機側ピストン１４’における中央溝９２の傾斜面の平坦部９１の平面に対する角度は、通常ピストン１４における中央溝９２の傾斜面の平坦部９１の平面に対する角度よりも大きい。

変速機側ピストン１４’の傾斜部９４も、隆起部９３から径方向外側に向かって下向きに傾斜するように構成される。本実施形態では、平坦部９１の位置する平面に対する変速機側ピストン１４’の隆起部９３の傾斜角度は、通常ピストン１４の隆起部９３の傾斜角度よりも大きい。

一方、本実施形態では、シリンダヘッド１２は、シリンダ１３を覆うように位置する部分はシリンダ１３間で同一の形状となるように形成される。したがって、変速機側シリンダでも通常シリンダでも、各燃焼室１５を画定するシリンダヘッド１２の形状は同一である。このため、本実施形態では、燃焼室１５を画定するピストン１４の頂面の形状のみが、変速機側シリンダでも通常シリンダとで異なることになる。

ここで、上述したように、ピストン１４が上死点にあるときに吸気弁２１の弁体２１ａの中心ＣＩを通って各シリンダの周方向に延びる仮想的な円周面を仮想円周面ＶＣとする。加えて、仮想円筒面ＶＣよりも径方向内側の領域におけるピストン１４が上死点にあるときの燃焼室１５の高さ（上下方向の長さ）の平均を中央高さと称し、仮想円筒面ＶＣよりも径方向外側の領域におけるピストン１４が上死点にあるときの燃焼室１５内の高さの平均を周辺高さと称する。さらに、仮想円筒面ＶＣよりも径方向内側の領域におけるピストン１４が上死点にあるときの燃焼室１５の容積を中央容積と称し、仮想円筒面ＶＣよりも径方向外側の領域におけるピストン１４が上死点にあるときの燃焼室１５内の容積を周辺容積と称する。

本実施形態では、ピストン１４の上面が上述したように構成されていることにより、ピストン１４が上死点にあるときの燃焼室１５の中央高さは、通常シリンダに比べて変速機側シリンダの方が高い。また、ピストン１４が上死点にあるときの燃焼室１５の周辺高さは、通常シリンダに比べて変速機側シリンダの方が低い。

加えて、ピストン１４が上死点にあるときの燃焼室１５の容積は、全ての気筒でほぼ同一である。しかしながら、ピストン１４の上面が上述したように構成されていることにより、変速機側シリンダにおける中央容積は、通常シリンダにおける中央容積よりも大きい。また、変速機側シリンダにおける周辺容積は、通常シリンダにおける周辺容積よりも小さい。

＜作用・効果＞
次に、図９から図１１を参照して、本実施形態に係る内燃機関１における作用・効果について説明する。図９は、変速機側シリンダの燃焼室１５内における混合気の燃焼の様子を概略的に示す断面図である。また、図１０は、火炎の広がっている状態と火炎外周面の面積との関係を示す図である。加えて、図１１は、熱発生率のクランク角推移を示す図である。図１０及び図１１において、実線は、変速機側シリンダにおける関係及び推移を示し、破線は通常シリンダにおける関係及び推移を示している。

図９（Ａ）は、点火プラグ１６による混合気への点火が行われた直後の燃焼室１５内の様子を示している。図９に示したように、混合気への点火直後は、点火によって発生した火炎Ｆが同心円状に広がっている。特に、変速機側シリンダではピストン１４の中央溝９２が深く、仮想円筒面ＶＣ内において燃焼室１５の高さが高いため、火炎Ｆの進行面（燃え広がっていく火炎の外周面）ＦＳがピストン１４の壁面に接触するのを遅らせることができる。このため、図１０に示したように、ボア径に対する火炎半径の比率が０．２から０．５の領域では、通常シリンダに比べて、変速機側シリンダの方が火炎進行面ＦＳの面積が大きい。この結果、図１１に示したように、クランク角が０度から５度程度の熱発生率が上昇している領域における熱発生率（ｄＱ／ｄθ）の最大上昇速度は、変速機側シリンダの方が通常シリンダに比べて速い。

図９（Ｂ）は、燃焼室１５内における混合気の燃焼が或る程度進んだ後における燃焼室１５内の様子を示している。火炎の下面はピストン１４の上面（中央溝９２の上面）と接触しているため、火炎の進行面ＦＳは図中に矢印で示したように燃焼室１５の径方向に進んでいる。ここで、上述したように、変速機側シリンダでは仮想円筒面ＶＣよりも外側の領域では燃焼室１５の高さが低い。このため、図９（Ｂ）からわかるように、混合気の燃焼が或る程度進むと、通常シリンダに比べて、変速機側シリンダの方が火炎進行面ＦＳの面積が小さくなる。このことは、図１０において、ボア径に対する火炎半径の比率が０．６以上の領域では、通常シリンダに比べて、変速機側シリンダの方が火炎進行面ＦＳの面積が小さいことからもわかる。

特に、熱発生率がピークとなる時期の火炎進行面ＦＳは、通常、仮想円筒面ＶＣよりも外側まで到達している。したがって、変速機側シリンダでは、熱発生率がピークとなる時期の前後では、燃焼室１５の高さが低く、よって火炎進行面ＦＳの面積が小さい。この結果、図１１に示したように、熱発生率がピークとなる領域近傍においては、変速機側シリンダでは熱発生率はほとんど上昇せず、結果的に変速機側シリンダにおける熱発生率の最大値は通常シリンダにおける熱発生率の最大値よりも低くなる。

上述したように、燃焼に伴う加振力は熱発生率の最大値が大きくなるほど大きくなる。本実施形態では、変速機側シリンダにおいて熱発生率の最大値を低くすることができるため、変速機側シリンダにおいて燃焼に伴う加振力を小さくすることができ、結果的に振動騒音を低減することができる。

また、図１１からわかるように、変速機側シリンダでは通常シリンダに比べて熱発生率の最大値が低くなるものの、熱発生率が大きくなっている期間は変速機側シリンダと通常シリンダとで同様である。このため、点火時期を遅角した場合のように熱発生率が大きくなっている期間が全体的に遅角側にシフトすることがなく、よって変速機側シリンダと通常シリンダとで熱効率はほとんど変わらない。したがって、本実施形態では、点火時期を遅角した場合のよう燃費が悪化してしまうことが抑制される。以上より、本実施形態によれば、燃費の悪化を抑制しつつ、内燃機関の運転中に発生する振動騒音を低減することができる。

＜変形例＞
上記実施形態では、５番シリンダ１３＃５と６番シリンダ１３＃６との二つのシリンダ１３の燃焼室１５が、中央高さが相対的に高く且つ周辺高さが相対的に低い同一形状に形成され、それ以外のシリンダの燃焼室１５が、中央高さが相対的に低く且つ周辺高さが相対的に高い同一形状に形成されている。

しかしながら、６番シリンダ１３＃６の燃焼室１５のみが、変速機側シリンダとして、中央高さが相対的に高く且つ周辺高さが相対的に低くなるように形成され、それ以外のシリンダの燃焼室１５が、通常シリンダとして、中央高さが相対的に低く且つ周辺高さが相対的に高い同一形状に形成されてもよい。或いは、４番シリンダ１３＃４から６番シリンダ１３＃６の三つのシリンダ１３の燃焼室１５が、変速機側シリンダとして、中央高さが相対的に高く且つ周辺高さが相対的に低い同一形状に形成され、それ以外のシリンダの燃焼室１５が、中央高さが相対的に低く且つ周辺高さが相対的に高い同一形状に形成されてもよい。

また、上記実施形態では内燃機関１はＶ型６気筒であるが、上述したように内燃機関１は、直列型や水平対向型の内燃機関でもよいし、３気筒、４気筒、８気筒、１０気筒等、６気筒以外の他の気筒数の内燃機関であってもよい。例えば、直列４気筒の内燃機関では、最も変速機側の４番シリンダ１３＃４の燃焼室１５が、変速機側シリンダとして、中央高さが相対的に高く且つ周辺高さが相対的に低い同一形状に形成され、それ以外のシリンダの燃焼室１５が、通常シリンダとして、中央高さが相対的に低く且つ周辺高さが相対的に高い同一形状に形成される。或いは、変速機側の３番シリンダ１３＃３及び４番シリンダ＃４の燃焼室１５が、変速機側シリンダとして、中央高さが相対的に高く且つ周辺高さが相対的に低い同一形状に形成され、それ以外のシリンダの燃焼室１５が、通常シリンダとして、中央高さが相対的に低く且つ周辺高さが相対的に高い同一形状に形成されてもよい。

いずれにせよ、内燃機関１は、複数のシリンダのうち最も変速機側に位置する変速機側シリンダの燃焼室１５が、中央高さが相対的に高く且つ周辺高さが相対的に低くなるように形成され、複数のシリンダのうち変速機から最も離れて位置するシリンダを含む通常シリンダの燃焼室１５が、中央高さが相対的に低く且つ周辺高さが相対的に高くなるように形成されれば、どのように形成されてもよい。

また、上記実施形態では、中央高さ及び周辺高さは２段階に変化している（１番シリンダ１３＃１から４番シリンダ１３＃４と、５番シリンダ１３＃５及び６番シリンダ１３＃６との２段階）。しかしながら、中央高さ及び周辺高さは多段階に変化するように構成されてもよい。例えば、３番シリンダ１３＃３及び４番シリンダ１３＃４の燃焼室１５は５番シリンダ１３＃５及び６番シリンダ１３＃６の燃焼室１５よりも中央高さが低く且つ周辺高さが高くなるように形成され、且つ、１番シリンダ１３＃１及び２番シリンダ１３＃２の燃焼室１５は３番シリンダ１３＃３及び４番シリンダ１３＃４の燃焼室１５よりも中央高さが低く且つ周辺高さが高くなるように形成されてもよい。

或いは、全てのシリンダ１３の燃焼室１５において中央高さ及び周辺高さが互いに異なるように形成されてもよい。この場合、各燃焼室１５は、隣合う二つのシリンダのうち変速機側のシリンダの燃焼室１５の中央高さが変速機側とは反対側のシリンダ１３の燃焼室１５の中央高さよりも高く且つ隣合う二つのシリンダのうち変速機側のシリンダの燃焼室１５の周辺高さが変速機側とは反対側のシリンダ１３の燃焼室１５の周辺高さよりも低くなるように形成される。

いずれにせよ、燃焼室１５は、隣合う二つのシリンダのうち変速機側のシリンダ１３の燃焼室１５の中央高さが変速機側とは反対側のシリンダの燃焼室の中央高さ以上となり且つ隣合う二つのシリンダのうち変速機側のシリンダの燃焼室の周辺高さが変速機側とは反対側のシリンダ１３の燃焼室１５の周辺高さ以下となるように形成されば、どのように形成されてもよい。

また、上記実施形態では、シリンダヘッド１２は、シリンダ１３を覆うように位置する部分はシリンダ１３間で同一の形状となるように形成される。しかしながら、複数のシリンダのうち最も変速機側に位置する変速機側シリンダの燃焼室１５が、中央高さが相対的に高く且つ周辺高さが相対的に低くなるように形成され、複数のシリンダのうち変速機から最も離れて位置するシリンダを含む通常シリンダの燃焼室１５が、中央高さが相対的に低く且つ周辺高さが相対的に高くなるように形成されれば、シリンダヘッド１２はシリンダ１３間で異なる形状となるように形成されてもよい。

加えて、上記実施形態では、内燃機関１の機関本体１０に変速機８０が隣接して配置された場合を示している。しかしながら、変速機８０の代わりに、内燃機関１を搭載した車両のパワートレーンの一部を構成する変速機８０とは異なるパワートレーン構成部品が機関本体１０に隣接して配置されてもよい。この場合、パワートレーン構成部品は、変速機ケースのようなケースに収容されていることが好ましい。また、このようなパワートレーン構成部品としては、例えば、電動機、発電機、電動発電機、ハイブリッド車両の動力分割機構、減速機等が挙げられる。これらをまとめると、内燃機関１は、内燃機関１以外のパワートレーン構成部品が隣接して配置されている内燃機関であるといえる。

１内燃機関
１０機関本体
１１シリンダブロック
１２シリンダヘッド
１３シリンダ
１４ピストン
１５燃焼室
１７吸気ポート
１８排気ポート
２１吸気弁
２２排気弁

Claims

複数のシリンダを有すると共に内燃機関以外のパワートレーン構成部品が隣接して配置される内燃機関であって、
吸気弁の弁体の中心を通って各シリンダの周方向に延びる仮想円筒面よりも内側の領域におけるピストンが上死点にあるときの燃焼室の高さの平均を中央高さ、前記仮想円筒面よりも外側の領域における前記ピストンが上死点にあるときの前記燃焼室の高さの平均を周辺高さとすると、前記燃焼室は、前記複数のシリンダのうち最も前記パワートレーン構成部品側に位置する構成部品側シリンダにおける中央高さが、前記構成部品側シリンダ以外の少なくとも一つのシリンダである通常シリンダにおける中央高さよりも高くなり且つ前記構成部品側シリンダにおける周辺高さが、前記通常シリンダにおける周辺高さよりも低くなるように形成され、
前記仮想円筒面よりも内側に前記燃焼室内の混合気に点火するための点火プラグが設けられている、内燃機関。
前記通常シリンダは、前記パワートレーン構成部品から最も離れて位置するシリンダを含む、請求項１に記載の内燃機関。
前記燃焼室は、隣合う二つのシリンダのうち前記パワートレーン構成部品側のシリンダにおける中央高さが前記パワートレーン構成部品側とは反対側のシリンダにおける中央高さ以上となり且つ前記隣合う二つのシリンダのうち前記パワートレーン構成部品側のシリンダにおける周辺高さが前記パワートレーン構成部品側とは反対側のシリンダにおける周辺高さ以下となるように形成される、請求項２に記載の内燃機関。
前記燃焼室は、シリンダヘッド及びピストンによって少なくとも部分的に画定され、
各燃焼室を画定する前記シリンダヘッドの形状は前記中央高さ及び前記周辺高さに関わらず同一であり、各燃焼室を画定する前記ピストンの形状は前記中央高さ及び前記周辺高さに応じて異なるような形状とされる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関。
前記ピストンは、該ピストンの中心を通って前記複数のシリンダが並んで配置される方向に延びる断面において、その上面中央に溝を備え、
前記ピストンは、前記中央高さが相対的に高いシリンダでは該中央高さが相対的に低いシリンダに対して前記ピストンの溝の平均的な深さが深くなるように、形成される、請求項４に記載の内燃機関。
前記ピストンの溝は、該ピストンの中心において最も深くなると共に該ピストンの径方向外側に向かって徐々に浅くなるように形成され、前記中央高さが相対的に高いシリンダでは該中央高さが相対的に低いシリンダに対して前記ピストンの中心における溝の深さが深くなるように形成される、請求項５に記載の内燃機関。
前記ピストンは、前記溝の外側においてその上面が径方向外側に向かってクランクシャフト側に傾斜する傾斜部を備える、請求項５又は６に記載の内燃機関。