JPH0626340A - 火花点火式内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 点火プラグを最適流速位置に配置できるよう
にする。 【構成】 スワール流とスキッシュ流によって燃焼室２
内で生ずる渦中心の位置と点火プラグの位置Ｐが一致ま
たはほぼ一致するように燃焼室と点火プラグをピストン
１に対してそれぞれ偏心して配置した。 【効果】 点火プラグがシリンダに対して偏心して設け
られる内燃機関において点火プラグ付近で最適の流速を
得ることができ、点火に要するエネルギーが低下して点
火プラグの寿命が向上し、特に希薄燃焼機関においては
着火性が向上して希薄燃焼限界が広がり、ＮＯｘの低減
と回転数変動の少ない安定した運転が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ピストン頂部に燃焼
室を備えた内燃機関において点火プラグを最適流速位置
に配置するための構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ピストン頂部に燃焼室を凹設した形式の
内燃機関においては、点火時期における流速が最適にな
る位置に点火プラグを配置することが必要であり、流速
が適切でないと点火エネルギーが大きくなって点火に要
する電圧が上昇し、点火ミスの頻度が増えて運転性能が
悪化したり、点火プラグの寿命が短縮されたりする。特
に希薄燃焼機関の場合には、燃焼限界が狭くなって低Ｎ
Ｏｘ運転が困難になるほか、混合気が希薄になるに従っ
て最小点火エネルギーが大きくなり、またスキッシュ流
によって流速が高くなるので点火プラグ付近で最適の流
速を得ることが一層困難になるという問題もある。

【０００３】一般的には燃焼室をピストン頂部の中心に
設け、その燃焼室の中心に点火プラグを配置することで
最適の流速を得ているのであるが、機関が小形になると
比較的大きなスペースを占める吸気弁や排気弁の制約を
受けるようになり、特に２弁式では点火プラグはシリン
ダの中心から偏心した位置に設けられるので、最適流速
を得ることが困難となる。また、これに対応して燃焼室
を偏心配置しようとしても、例えば冷却空胴付きのシリ
ンダの場合には冷却空胴と燃焼室との間に所定の厚みが
必要であり、しかも火花点火式内燃機関は一般に圧縮比
を低くするために燃焼室が比較的大きいので、小形機関
では燃焼室を偏心させることが困難である。また燃焼室
の偏心配置が可能な場合でも、単に点火プラグと燃焼室
の中心を一致させただけでは最適の流速は得られない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この発明はこのような
問題点に着目し、各種の制約下において点火プラグを最
適流速位置に配置できるようにすることを課題としてな
されたものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の課題を達成するた
めに、この出願の第１の発明では、ピストン頂部に燃焼
室が凹設され、点火プラグがシリンダの中心から偏心し
た位置に設けられた内燃機関において、燃焼室をシリン
ダに対して偏心した位置に設けると共に、スワール流と
スキッシュ流によって生ずる燃焼室内での渦中心の位置
と点火プラグの位置を一致またはほぼ一致させるように
燃焼室と点火プラグを配置している。また第２の発明で
は、ピストン頂部の点火プラグに近い部分に切除部を形
成することにより、ピストン頂部に形成されるスキッシ
ュ生成部の面積を点火プラグ側で減少させている。また
スワール流が生ずる機関では、ピストン頂部の切除部を
スワール流の上流側に移動させて形成することが望まし
い。また第３の発明では、燃焼室を点火プラグに近い側
で深くすることにより、燃焼室容積を点火プラグ側で増
大させている。

【０００６】

【作用】第１の発明では、単に点火プラグと燃焼室の中
心を一致させるのではなく、スワール流とスキッシュ流
で生ずる渦中心の位置に点火プラグを配置することによ
り、点火プラグ付近で最適の流速を得ることができる。
第２の発明では、スキッシュ生成部の面積を点火プラグ
側で減少させているので、燃焼室を偏心配置できない場
合でも切除部を設けた側からのスキッシュ流が弱くな
り、流速が最低になる位置が点火プラグ側に移動して点
火プラグ付近での流速が低下し、最適の流速を得ること
が可能となる。また、切除部をスワール流の上流側に移
動させることにより、スキッシュ流とスワール流の合成
された流速を点火プラグ付近で低下させて最適な流速と
することができる。

【０００７】第３の発明では、渦運動している流体はそ
の慣性モーメントが最小になる位置に渦中心が移動する
という法則を応用しており、燃焼室容積を点火プラグ側
で増大させることによりスワール流の中心位置が点火プ
ラグ側に移動するので、点火プラグ付近での流速を低下
させて最適の流速を得ることができる。

【０００８】

【実施例】次に図示の各実施例について説明する。図１
及び図２は第１の発明の実施例の説明図である。図にお
いて、１はピストン、２はピストン１の頂部に凹設され
ている燃焼室、Ｐは点火プラグ位置、３及び４はシリン
ダ側に設けられている吸気弁及び排気弁である。シリン
ダ径が小さい場合は吸気弁３や排気弁４が比較的大きな
スペースを占めるために点火プラグはシリンダの中心に
設けることができず、図２の(a)に示すようにＰの位置
に設けられる。

【０００９】図２は燃焼室の位置とスワール流の流速分
布の関係を示しており、燃焼室２がピストン１の中央に
設けられた場合を(a)、偏心して設けられた場合を(b)に
示している。Ｏはピストン１の中心、Ｏ´は燃焼室２の
中心である。なお、これらの図はスワール流が時計方向
に生じている場合の図である。燃焼室２がピストン１の
中央に設けられている場合は、流速は(a)図のように中
心Ｏで最低となるが、偏心配置された場合は(b)図のよ
うに分布が変化し、スキッシュ流とスワール流の影響が
合成されて流速が最低となる渦中心の位置Ｃはピストン
中心Ｏから偏心し、しかもスワール流の影響で燃焼室２
の偏心方向に対して角度θだけスワール流の下流側に旋
回する。この渦中心の移動は燃焼室２の偏心量が大きい
ほど大きくなる。

【００１０】従って、この移動量に見合って図１のよう
に燃焼室２の中心Ｏ´を点火プラグ方向に偏心させ、更
に点火プラグ位置Ｐの偏心方向に対して角度θだけスワ
ール流の上流側に相対的に旋回させた位置に設ければ、
流速が最低となる位置Ｃと点火プラグ位置Ｐとを一致さ
せることができる。

【００１１】希薄燃焼機関における最小点火エネルギー
はある流速で最小になることが知られているが、上記の
ような配置により点火プラグ付近での流速を最適化させ
て点火エネルギーが最小となる最適の流速を得ることが
可能となる。従って、燃料が希薄なために着火が不安定
になりやすく、またスキッシュ流を利用して燃焼室内の
混合気の流れに乱れを起こして急速燃焼させる方式の希
薄燃焼機関においても、着火が安定して回転数の変動を
少なくすることができると共に、高い効率で低ＮＯｘ運
転を行うことが容易となる。また点火プラグに対する要
求電圧が低下して点火プラグの寿命も向上されるのであ
る。

【００１２】図３乃至図６は第２の発明の実施例の説明
図である。図において５は点火プラグ、６は点火プラグ
５が取り付けられているシリンダヘッドであり、点火プ
ラグ５の位置Ｐは吸気弁や排気弁があるために偏心して
いる。この実施例では、燃焼室２はピストン１の中央に
設けられており、その外周に連設してピストン１の頂部
の点火プラグ５に近い部分に切除部７を形成してある。
この切除部７は例えば位置Ｐを中心とした円状に浅く形
成される。ピストン１の上面の他の部分、すなわち切除
部７と燃焼室２が形成されていない部分はスキッシュ生
成部８となるが、切除部７のためにスキッシュ生成部８
の面積は点火プラグ５側が他の部分に対して減少した状
態となっている。

【００１３】図４の矢印はピストン１の圧縮上死点で発
生するスキッシュ流を示すものでその長さは流速を表わ
しており、(a)に示すように点火プラグ５側ではスキッ
シュ生成部８の面積が他に比べて小さいために流速が小
さくなる。そのため、切除部７が形成されない場合には
(b)のようにスキッシュ流がピストン１の中心に集まっ
てここで流速が最低になるのに対して、この実施例では
流速最低の位置が点火プラグ５側に移動し、切除部７の
深さや大きさを適正に選定することにより、点火プラグ
５の位置Ｐに流速最低の位置を移動させることが可能と
なる。

【００１４】従って、点火プラグ５に対応させて燃焼室
２を偏心して配置できないような場合でも、点火プラグ
付近で最適の流速を得ることができ、上述したような希
薄燃焼機関の諸問題を解決することが可能となる。図５
は他の実施例であり、切除部７を燃焼室２からピストン
１の外周まで一定の幅で形成した例である。このように
しても、スキッシュ生成部８の面積を点火プラグ５側で
他の部分に対して減少させることができ、図３の実施例
と同様に点火プラグ付近での流速を低下させて最適の流
速を得ることができる。

【００１５】以上はスキッシュ流のみを考慮したもので
あるが、比較的小形で点火プラグが偏心配置される２弁
式機関の場合にはスワール流が発生しやすい。図６はこ
のようにスキッシュ流にスワール流が加わる場合の実施
例である。すなわち、(c)図は図３において反時計方向
のスワール流が存在する場合を例示したものであり、燃
焼室２に向かう流れがスキッシュ流とスワール流の合成
された渦流となり、流速が最低となる渦中心の位置Ｃは
点火プラグ５の偏心方向に対してスワール流の下流側に
移動する。

【００１６】従って、渦中心の位置Ｃの移動に対応して
切除部７をスワール流の上流側、すなわち、図の例では
時計方向側に旋回させた位置に形成しておけば、流速最
低位置Ｃを点火プラグ５の位置Ｐと一致させて点火プラ
グ５の付近で最適な流速とすることができるのであり、
比較的小形な２弁式機関の場合などには特に有効であ
る。図６の(a)は図３と同様に切除部７が浅い円状の場
合、(b)は図５と同様に切除部７を燃焼室２からピスト
ン１の外周まで一定の幅で形成した場合をそれぞれ例示
したものである。

【００１７】ところで、希薄燃焼機関ではスキッシュ流
による気流の乱れを利用して急速燃焼させており、上述
のように切除部７を設けてスキッシュ生成部８の面積を
狭くすることはスキッシュ流を弱くするので避けた方が
よい場合がある。第３の発明はこのような場合に適して
いる。図７はその一実施例であり、ピストン１に設けら
れた燃焼室２の底面を傾斜させて点火プラグ５に近い側
を深くしている。渦運動している流体は、慣性モーメン
トが最小になる位置、すなわち図８のように仮想中心Ｋ
からの距離をＬとして図の(1)式で表わされる量Ｓが最
小になる位置に渦中心が移動するという法則があるの
で、燃焼室２が点火プラグ５側で深くなるとその渦の中
心軸が点火プラグ５の近くに自動的に移動する。

【００１８】従って、この移動後の軸Ｘ−Ｘが点火プラ
グ５の位置と一致するように燃焼室２の底面形状を選定
しておくことにより、点火プラグ付近での流速を低下さ
せて最適の流速を得ることが可能となるのである。この
渦の中心の移動量は比較的正確に計算で求めることがで
きるので設計は容易であり、また実施例のような燃焼室
は簡単な形状であって鋳造で形成できるのでコスト的に
も有利である。このように、第３の発明はスキッシュ流
を弱くせず、しかも燃焼室の容積のアンバランスにより
渦中心を移動させて燃焼室を偏心させた場合と同等な効
果が得られるので、燃焼室が比較的大きい火花点火式内
燃機関において、図７のように冷却空胴９があるために
燃焼室２を偏心させることが困難な場合などの対策とし
て特に適していると考えられる。なお、燃焼室２の底面
の形状は例えば曲面や不連続的に深さが変化する段付き
形状のものなど、図７のような傾斜した平面以外のもの
とすることもできる。

【００１９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、この出
願の第１の発明は、スワール流とスキッシュ流によって
生ずる燃焼室内での渦中心の位置と点火プラグの位置を
一致またはほぼ一致させるように燃焼室と点火プラグを
それぞれ偏心して配置したものである。従って、点火プ
ラグをシリンダの中心から偏心して設けた内燃機関にお
いて点火プラグ付近で最適の流速を得ることができ、点
火に要するエネルギーを低下させて点火プラグの寿命を
向上することができると共に、特に希薄燃焼機関におい
ては着火性が向上して希薄燃焼限界が広がり、ＮＯｘの
低減と回転数変動の少ない安定した運転が可能となる。

【００２０】また第２の発明は、ピストン頂部の点火プ
ラグに近い部分に切除部を形成してスキッシュ生成部の
面積を点火プラグ側で減少させたものである。従って、
流速が最低になる位置を点火プラグ側に移動させて点火
プラグ付近で最適の流速を得ることができ、燃焼室を偏
心配置できない機関の場合でも上述の第１の発明と同様
な作用効果を得ることが可能となる。また第３の発明
は、燃焼室の容積を点火プラグ側で増大させて渦中心が
点火プラグの近くに自動的に移動するようにしたもので
ある。従って、特に希薄燃焼機関においてスキッシュ流
を弱くせずに上述の第１の発明と同様な作用効果を得る
ことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の発明の一実施例のピストンの平面図であ
る。

【図２】同実施例の動作説明図である。

【図３】第２の発明の一実施例の断面図及び平面図であ
る。

【図４】同実施例と従来例の動作説明図である。

【図５】同実施例の変形例の断面図及び平面図である。

【図６】第２の発明の他の実施例の平面図及び動作説明
図である。

【図７】第３の発明の一実施例の断面図及び平面図であ
る。

【図８】同実施例の動作説明のための数式を示した図で
ある。

【符号の説明】

１ ピストン ２ 燃焼室 ５ 点火プラグ ７ 切除部 ８ スキッシュ生成部 Ｐ 点火プラグ位置

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ピストン頂部に燃焼室が凹設され、点火
   プラグがシリンダの中心から偏心した位置に設けられた
   内燃機関において、燃焼室をシリンダに対して偏心した
   位置に設けると共に、スワール流とスキッシュ流によっ
   て生ずる燃焼室内での渦中心の位置と点火プラグの位置
   を一致またはほぼ一致させるように燃焼室と点火プラグ
   を配置したことを特徴とする火花点火式内燃機関。
2. 【請求項２】 ピストン頂部に燃焼室が凹設され、点火
   プラグがシリンダの中心から偏心した位置に設けられた
   内燃機関において、ピストン頂部の点火プラグに近い部
   分に切除部を形成することにより、ピストン頂部に形成
   されるスキッシュ生成部の面積を点火プラグ側で減少さ
   せたことを特徴とする火花点火式内燃機関。
3. 【請求項３】 ピストン頂部の切除部をスワール流の上
   流側に移動させて形成した請求項２記載の火花点火式内
   燃機関。
4. 【請求項４】 ピストン頂部に燃焼室が凹設され、点火
   プラグがシリンダの中心から偏心した位置に設けられた
   内燃機関において、燃焼室を点火プラグに近い側で深く
   することにより、燃焼室容積を点火プラグ側で増大させ
   たことを特徴とする火花点火式内燃機関。