KR100655365B1 - 내연기관의 연소실 구조 - Google Patents

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호시바요시우끼
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호소노기요따까
미야모또히데끼
요꼬야마유우
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Abstract

본 발명의 과제는 실린더 헤드 하부면과 피스톤 상부면과의 간극을 흡기와 흡기 사이 및 배기와 배기 사이에서 작고, 흡기와 배기 사이를 향해 서서히 크게 설정한 내연기관의 연소실 구조를 제공하는 것이다. 이러한 구조로 함으로써 피스톤이 상승될 때에, 연소실 주연부의 혼합기를 실린더의 주위면에 따라 흡기와 흡기 사이 및 배기와 배기 사이로부터 흡기와 배기 사이로 원활하게 유동시키고, 이들 흡기와 흡기 사이로부터의 혼합 기류와 배기와 배기 사이로부터의 혼합 기류를 흡기와 배기 사이의 중앙에서 서로 충돌시킴으로써, 피스톤 상부면의 원뿔 형상의 테이퍼부를 넘어 중앙의 오목부에 기세 좋게 유동시킬 수 있어, 간단한 구성으로 혼합기를 양호하게 교반시켜 연소 효율을 향상시키는 것이 가능해진다.
실린더 헤드, 실린더 블록, 원통형의 실린더, 피스톤, 연소실

Description

내연기관의 연소실 구조 {COMBUSTION CHAMBER STRUCTURE OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
도1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 내연기관의 연소실 구조를 실린더 헤드측으로부터 본 평면도.
도2는 도1의 A-A선에 따른 단면도.
도3은 도1의 B-B선에 따른 단면도.
도4는 제1 실시 형태에 관한 연소실 구조의 사시도.
도5는 도1의 화살표 C 방향으로부터 연소실 공간을 본 개략도.
도6은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 연소실 구조에 있어서의 피스톤의 상부면 형상을 도시한 개략도.
도7은 도6에 도시한 피스톤과 함께 흡기 밸브 및 배기 밸브를 도시하는 개략 평면도.
도8은 도7의 D-D선에 따른 피스톤의 단면도.
도9는 도7의 E-E선에 따른 피스톤의 단면도.
도10은 도7의 화살표 F 방향으로부터 본 피스톤의 측면도.
도11은 흡기 밸브측으로부터 본 피스톤의 사시도.
도12는 도11의 화살표 H 방향으로부터 본 피스톤의 사시도.
도13은 도12로부터 배기 밸브를 생략하여 도시한 피스톤의 사시도.
도14는 피스톤을 한 쪽의 흡기 밸브 및 한 쪽의 배기 밸브와 함께 도시하는 도12와 같은 사시도.
도15는 피스톤을 연소실 내의 스퀴시류와 함께 도시하는 사시도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1, 108 : 실린더 헤드
2 : 실린더 블록
3 : 원통형의 실린더
4, 101 : 피스톤
10, 120 : 실린더 헤드 하부면
11 : 포트
12 : 배기 포트
13a, 13b, 113a, 113b : 흡기 밸브
14a, 14b, 114a, 114b : 배기 밸브
21, 103 : 테이퍼부
22, 102 : 오목부
23a, 23b, 107 : 흡기 밸브 리세스
24a, 24b, 106 : 배기 밸브 리세스
30, 110 : 연소실
104b, 105b : 연장부
104c, 105c : 사면
본 발명은 내연기관의 연소실 구조에 관한 것으로, 상세하게는 연소실 내에 있어서 혼합기의 유동을 촉진하는 기술에 관한 것이다.
일반적으로, 내연기관의 연소실 내에서는 점화시에 혼합기가 교반되어 난류로 되어 있으면 연소 속도가 빨라져 연소 효율이 향상되는 것이 알려져 있다. 그래서, 실린더 헤드 하부면과 피스톤 상부면의 주연부에 상하의 돌출부를 설치하고, 압축 행정 말기에 피스톤의 상승에 수반하여 이들 상하의 돌출부가 서로 근접하도록 하고, 이에 의해 좁은 간극, 소위 스퀴시 영역을 형성하고, 상기 스퀴시 영역으로부터 혼합기를 스퀴시로서 압출함으로써 연소실 내의 혼합기를 교반하는 기술이 있다(일본 특허 공개 제2001-59422호 공보 등 참조).
그런데, 스퀴시 영역은 혼합기를 교반한다는 목적에 있어서는 연소실의 전체 주위에 균등하게 형성되는 것이 이상적이다. 그러나, 안정적인 성능을 얻도록 전체 주위에 스퀴시 영역을 설치하기 위해서는, 실린더 헤드와 피스톤의 치수 공차의 관리를 엄격하게 해야만 한다는 문제가 있다.
또한, 스퀴시 영역을 전체 주위에 설치하고자 하면 실린더 헤드측에 있어서 흡기 밸브 및 배기 밸브의 주위에 보호판이 부착되게 되고, 흡입 공기량을 충분히 확보할 수 없다는 문제도 있다.
또한, 일본 특허 공개 제2001-59422호 공보에 기재된 바와 같이, 일반적으로 피스톤 상부면에는 흡기 밸브 및 배기 밸브와의 접촉을 방지하기 위해 밸브 리세스라는 오목부를 설치하는 것이 많고, 이와 같이 밸브 리세스를 설치하는 경우에는 스퀴시 영역을 깎아야만 하여, 전체 주위에 스퀴시 영역을 설치하는 것은 더욱 곤란하다.
본 발명의 목적은, 간단한 구성으로 혼합기를 양호하게 교반하여 연소 효율을 향상시키는 것이 가능한 내연기관의 연소실 구조를 제공하는 데 있다.
본 발명에 따르면, 실린더 헤드의 대략 평면시 원형을 이루는 하부면과 실린더에 끼워 삽입된 피스톤의 상부면으로 상하가 구획된 연소실을 갖는 내연기관의 연소실 구조가 제공된다. 이 연소실 구조는 실린더 헤드 하부면의 평면시 형상을 규정하는 곡선과 교차하는 양단부를 갖는 소정의 현을 중심으로 나뉘어지는 실린더 헤드 하부면의 두 면 중 어느 한 쪽에 설치된 적어도 하나의 흡기 밸브와, 상기 실린더 헤드 하부면 나머지 한 쪽에 설치된 적어도 하나의 배기 밸브와, 피스톤 상부면의 주연부에 대략 원뿔형으로 형성된 테이퍼부와, 피스톤 상부면의 대략 중앙에 형성된 오목부를 구비하고, 상기 피스톤 상부면의 테이퍼부와 상기 테이퍼부에 대향하는 실린더 헤드 하부면의 주연부와의 간극이, 상기 현의 근방 위치를 향해 커지도록 형성되어 있다.
본 발명은, 이하에 예시로서 기재하는 상세한 설명 및 첨부 도면으로부터 명백해질 것이다.
이하, 도1 내지 도5를 참조하여 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 내연기관의 연소실 구조를 설명한다.
도1 내지 도3에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태의 연소실 구조는 4 밸브 가솔린에 적용되는 것이고, 실린더 헤드(1)가 실린더 블록(2)에 적재되고, 실린더 블록(2) 내의 원통형의 실린더(3)에 피스톤(4)이 상하 미끄럼 이동 가능하게 끼워 삽입되어 있다. 그리고, 실린더 헤드(1)의 하부면(10), 피스톤(4)의 상부면, 실린더(3)의 주위면에 의해 연소실(30)이 상하 및 주위 방향으로 구획되어 있다.
또한, 상세하게는 도4에 도시한 바와 같이, 실린더 헤드(1)의 하부면은 실린더(3)의 바로 위에 중앙 영역을 갖고, 이 실린더 헤드 하부면의 중앙 영역(10)[이하, 단순히 실린더 헤드 하부면(10)이라 함]은, 평면시 대략 원형상을 이루는 동시에 종단면시 역 V자형(펜트루프 형상)으로 형성되어 있다. 즉, 실린더 헤드 하부면(10)은 그 평면 형상을 규정하는 폐쇄 곡선에 양단부가 교차하는 현(G)[본 실시 형태에서는, 현(G)은 실린더 헤드 하부면의 원형 평면 형상을 규정하는 원의 중심을 통해 원의 직경에 따라서 연장됨]을 정상 변으로 하고, 현(G)에 관해서 흡기측의 한 면과 배기측의 다른 면을 갖고, 이들 2개의 면은 각각 평면을 이루어 서로 대치하고 있다.
실린더 헤드 하부면(10)에는, 흡기 포트(11)와 연소실(30)과의 연통과 차단을 행하는 한 쌍의 흡기 밸브(13a, 13b)와, 배기 포트(12)와 연소실(30)과의 연통과 차단을 행하는 한 쌍의 배기 밸브(14a, 14b)가 설치되어 있다. 또한 실린더 헤드 하부면(10)의 중심부에는 점화 플러그(15)가 배치되어 있다.
한편, 피스톤(4)의 상부면의 주연 부분은 원뿔형으로 돌출하여 테이퍼부(21)를 이루고 있고, 피스톤(4) 상부면의 상기 테이퍼부(21)에 둘러싸이는 중앙부는 우묵하게 들어간 오목부(22)를 이루고 있다. 또한 테이퍼부(21) 중 흡기 밸브(13a, 13b), 배기 밸브(14a, 14b)에 대응하는 부분은 깎아서 상기 부분에는 흡기 밸브 리세스(23a, 23b), 배기 밸브 리세스(24a, 24b)가 형성되어 있다.
즉, 도5에 도시한 바와 같이 피스톤(4)의 상부면의 테이퍼부(21)와 상기 테이퍼부(21)와 대향하는 실린더 헤드 하부면(10)의 주연부 사이의 공간, 즉 연소실(30)의 주연부, 특히 그물선으로 표시된 연소실(30)의 주위면(X)에 대해 주목해 보면, 실린더 헤드 하부면(10)과 피스톤(4)의 상부면 사이에는 간극이 있다. 그리고, 이 연소실 주위면(X)에서 평면을 이루는 실린더 헤드 하부면(10)이 원통면을 이루는 실린더(3)의 주위면에 교차하기 때문에, 실린더 헤드 하부면(10)과 피스톤(4) 상부면과의 간극은 실린더 헤드 하부면(10)의 흡기측에 설치된 흡기 밸브(13a, 13b) 사이 영역(이하, 흡기와 흡기 사이 영역이라 함)의 중앙에서 가장 작아진다. 바꿔 말하면, 간극은 현(G)의 수직 이등분선 상에서 가장 작아지도록 형성되어 있다. 그리고, 이 간극은 실린더(3)의 주위면에 따라 양방향으로 서서히 순조롭게 커지고, 흡기 밸브(13a, 13b)와 배기 밸브(14a, 14b) 사이의 영역(이하, 흡기와 배기 사이 영역이라 함)의 중앙에서 가장 커진다. 바꿔 말하면, 간극은 현(G)의 근방 위치에서 가장 간극이 커지도록 구성되어 있다.
또, 도5에는 도시되어 있지 않지만, 배기측도 흡기측과 같이 실린더 헤드 하부면(10)과 피스톤(4) 상부면 사이에 간극이 있다. 이 간극은, 실린더 헤드 하부 면(10)의 배기측에 설치된 배기 밸브(14a, 14b) 사이의 영역(이하, 배기와 배기 사이 영역이라 함)의 중심에서 가장 작고, 거기로부터 실린더(3)의 내주에 따라서 양방향으로 서서히 순조롭게 커져 흡기와 배기 사이 영역에서 가장 커지도록 구성되어 있다.
이하, 이와 같이 구성된 본 실시 형태에 관한 내연기관의 연소실 구조의 작용에 대해 설명한다.
흡기 행정에 있어서 흡기 밸브(13a, 13b)가 개방 흡기 포트(11)로부터 혼합기가 연소실(30) 내에 흡입될 때, 흡기와 흡기 사이에 비해 흡기와 배기 사이의 간극이 크므로, 흡기 주류를 원활히 연소실 내로 유도할 수 있어 흡입 공기량을 충분히 확보할 수 있다. 계속해서 압축 행정으로 피스톤(4)이 상승되어 혼합기가 압축된다. 상술한 바와 같이, 연소실(30)의 주연부에서는 실린더 헤드 하부면(10)과 피스톤(4) 상부면과의 간극이 흡기와 흡기 사이 및 배기와 배기 사이에서 작고, 흡기와 배기 사이를 향해 서서히 커지고 있으므로, 압축 행정에 있어서 피스톤(4)이 도4에 일점 쇄선으로 나타내는 상사점까지 상승할 때에는, 연소실(30) 주연부의 혼합기는 도4 중에 화살표로 나타내고 있는 바와 같이, 실린더(3)의 주위면에 따라 흡기와 흡기 사이 및 배기와 배기 사이로부터 흡기와 배기 사이로 원활하게 유동해 간다. 그리고, 흡기와 흡기 사이로부터의 혼합 기류와 배기와 배기 사이로부터의 혼합 기류가 흡기와 배기 사이의 중앙[현(G)의 근방 위치]에서 서로 충돌하면, 혼합 기류는 원뿔 형상의 테이퍼부(21)를 넘어 중앙의 오목부(22)에 기세 좋게 효과적으로 유동해 간다. 이에 의해 연소실(30) 내의 혼합기가 양호하게 교반된다.
이와 같이, 본 실시 형태에 관한 내연기관의 연소실 구조에서는, 치수 공차 관리가 엄격해지는 스퀴시 영역을 형성한다는 방법이 아니라, 실린더 헤드 하부면(10)을 펜트루프 형상으로 형성하는 동시에 피스톤(4) 상부면에 테이퍼부(21) 및 오목부(22)를 형성한다는 간단한 구성에 의해 혼합기의 유동을 제어하고, 연소실(30) 내의 혼합기를 양호하게 교반시켜 혼합기에 충분한 혼란을 줄 수 있다. 또 이 구성에 따르면 실린더 헤드의 밸브 주위에 보호판을 설치할 필요가 없으므로, 밸브 주위의 보호판에 의한 흡입 공기량의 감소도 일어날 수 없다. 이들에 의해, 비용을 낭비하는 일 없이, 연소를 촉진시켜 연소 효율을 향상시킬 수 있다.
이상으로 제1 실시 형태에 대한 설명을 끝내지만, 상기 제1 실시 형태는 여러 가지로 변형 가능하다.
예를 들어, 상기 제1 실시 형태에서는 실린더 헤드 하부면(10)과 피스톤(4) 상부면과의 간극이 흡기와 흡기 사이 및 배기와 배기 사이에서 작고 또한 흡기와 배기 사이에서 커지도록 하였지만, 상기 간극을 흡기와 흡기 사이에서만 작고 또한 흡기와 배기 사이에서 커지도록 해도 좋다.
또한, 상기 제1 실시 형태에서는 실린더 헤드 하부면의 흡기측 및 배기측의 영역의 쌍방을 평면으로 하였지만, 실린더 헤드 하부면(10)과 피스톤(4) 상부면과의 간극이 흡기와 흡기 사이 및 배기와 배기 사이에서 작고 또한 흡기와 배기 사이에서 커지는 구성이면, 반드시 평면이 아니라도 좋다.
또한, 상기 제1 실시 형태에서는 한 쌍의 흡기 밸브(13a, 13b)와 한 쌍의 배기 밸브(14a, 14b)로 이루어지는 4밸브 가솔린에 대해 설명하였지만, 본 발명을 하 나의 흡기 밸브와 하나의 배기 밸브로 이루어지는 2밸브 가솔린에 적용하는 것도 가능하다.
또한, 상기 제1 실시 형태에서는 실린더 헤드 하부면의 원형 평면 형상을 규정하는 원의 중심을 통하는 현(G)으로 하였지만 이에 한정되는 것이 아니라, 원의 중심을 벗어나는 현이라도 좋다.
다음에, 도6 내지 도15를 참조하여 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 내연기관의 연소실 구조를 설명한다.
도6에 도시한 피스톤(101)은, 4밸브ㆍ가솔린에 적용되는 연소실 구조의 주요 요소를 이룬 것이며, 외형이 원통형으로 그 상부면에는 오목부(102), 테이퍼부(103), 제1 스퀴시 테이퍼부(104), 제2 스퀴시 테이퍼부(105), 배기 밸브 리세스(106) 및 흡기 밸브 리세스(107)가 형성되어 있다.
또한, 이 피스톤(101)이 적용되는 엔진의 연소실(110)은, 도8 및 도9에 도시한 바와 같이, 실린더 헤드(108)의 하부면(120)과 피스톤(101)의 상부면으로 상하를 구획함으로써 형성되어 있다.
또한, 이 실린더 헤드(108)의 하부면(120)은 한 쪽 111에 경사지게 형성된 제1 하부면(120a)과, 다른 쪽 112에 경사지게 형성된 제2 하부면(120b)으로 이루어지는 펜트루프 형상으로 형성되어 있다. 또한, 이 실린더 헤드(108)의 하부면의 중심 근방[즉, 연소실(110)의 중앙]에는 스파크 플러그(115)가 배치되어 있다.
그리고, 이 연소실(110)의 상부면을 형성하는 실린더 헤드(108)의 하부면(120)의 한 쪽 120a에는 2개의 흡기 밸브(113)가 배치되어 흡기 포트(118)를 개폐 할 수 있게 되어 있고, 실린더 헤드 하부면(120)의 다른 쪽 120b에는 2개의 배기 밸브(114)가 배치되어 배기 포트(119)를 개폐할 수 있게 되어 있다.
이 흡기 밸브(113)는, 도11 내지 도14에 도시한 바와 같이 축부(113a)와 베벨부(113b)로 형성된 포핏 밸브이며, 마찬가지로, 배기 밸브(114)도 축부(114a)와 베벨부(114b)로 형성된 포핏 밸브이다. 또, 흡기 밸브(113)의 베벨부(113b) 쪽이 배기 밸브(114)의 베벨부(114b)보다도 커지도록 형성되어 있다.
또한, 도9에 도시한 바와 같이 실린더 헤드(108)가 적재된 실린더 블록(116) 내에는 원통형의 실린더(117)가 형성되고, 이 실린더(117) 내에는 상술의 피스톤(101)이 미끄럼 이동 가능하게 배치되어 있다.
그리고, 이 피스톤(101)의 테이퍼부(103)는 도6 및 도9에 도시한 바와 같이, 피스톤(101)의 주연부로부터 소정 폭(도6 중 부호 W1 참조)을 갖고 형성되고, 테이퍼부(103)의 외주연으로부터 피스톤 중심(C1)[연소실(110)의 중심]으로 근접함에 따라 서서히 실린더 헤드(108) 측으로 융기하도록 형성되어 있다.
또한, 피스톤(101)의 상부면의 테이퍼부(103)의 내주연(103a)보다도 피스톤 중심(C1) 측에는 오목부(102)가 형성되고, 이 오목부(102)는 테이퍼부(103)의 내부 모서리(103a)로부터 느슨한 원호형으로 오목하고, 또한 그 바닥부(102a)가 대략 수평하게 되도록 형성되어 있다.
또한, 도6에 도시한 바와 같이 배기 밸브(114) 측의 피스톤(101)의 상부면에 형성된 제1 스퀴시 테이퍼부(104)는, 제1 테이퍼 본체부(104a)와 제1 테이퍼 연장 부(104b)로 구성되고, 또한 흡기 밸브(113) 측의 피스톤(101)의 상부면에 형성된 제2 스퀴시 테이퍼부(105)는 제2 테이퍼 본체부(105a)와 제2 테이퍼 연장부(105b)로 구성되어 있다.
제1 스퀴시 테이퍼부(104)의 제1 테이퍼 본체부(104a) 및 제2 스퀴시 테이퍼부(105)의 제2 테이퍼 본체부(105b)는, 그 높이가 피스톤(101)의 주연부로부터 피스톤 중심(C1) 측으로 근접함에 따라 서서히 실린더 헤드(108) 측으로 융기하도록 형성되고, 이에 의해 피스톤(101)이 상사점 근방까지 상승되면, 제1 스퀴시 테이퍼부(104)의 제1 테이퍼 본체부(104a) 및 제2 스퀴시 테이퍼부(105)의 제2 테이퍼 본체부(105a)와 실린더 헤드(108)의 하부면(108a, 108b) 사이에 국소적인 스퀴시 영역이 형성되어 연소실(110) 내에 스퀴시류가 생성되도록 되어 있다. 또, 이 제1 스퀴시 테이퍼부(104)의 제1 테이퍼 연장부(104b) 및 제2 스퀴시 테이퍼부(105)의 제2 테이퍼 연장부(105b)에 대해서는 후술한다.
배기 밸브 리세스(106)는, 피스톤(101)이 상사점 근방까지 상승되었을 때에 배기 밸브(114)가 밸브 개방된 경우라도, 제1 스퀴시 테이퍼부(104)의 상부면과 배기 밸브(114)가 간섭하지 않도록 하기 위해 형성된 절결이며, 2개의 배기 밸브(114)에 대응하는 제1 스퀴시 테이퍼부(104)의 부위에 2개 형성되어 있다.
마찬가지로, 흡기 밸브 리세스(107)는 피스톤(101)이 상사점 근방까지 상승되었을 때에, 밸브 개방된 흡기 밸브(113)와 제2 스퀴시 테이퍼부(105)의 상부면이 간섭하지 않도록 하기 위한 절결이며, 2개의 흡기 밸브(113)에 대응하는 제2 스퀴 시 테이퍼부(105)의 부위에 2개 형성되어 있다.
그리고, 도10 중 그물선으로 나타낸 바와 같이, 연소실(110)의 주위면(X)에 있어서, 피스톤(101)의 상부면과 이 피스톤(101)의 상부면과 대향하는 실린더 헤드(108)의 하부면(120) 사이의 간극은, 2개의 흡기 밸브(113) 사이의 중앙(C2)에 있어서 도면 중 부호 SMIN으로 나타낸 바와 같이, 가장 작아지도록 형성되어 있다.
또한, 연소실(110)의 주위 방향으로 보아 2개의 흡기 밸브(113) 사이의 중심(C2)으로부터 떨어짐에 따라서, 피스톤(101)의 상부면과 실린더 헤드 하부면(120) 사이의 간극은 서서히 커지고, 실린더 헤드(108)의 하부면(120)의 펜트루프 형상의 정상 변(현)(G)의 근방에 있어서 간극이 최대(도면 중 부호 SMAX 참조)가 되도록 연소실(110)이 형성되어 있다.
또, 도10에서는 도시를 생략하지만, 배기 밸브(114) 측도 흡기 밸브(113) 측과 같이, 연소실(110)의 주위면(X)에 있어서 배기 밸브(114) 사이의 중앙에서 피스톤(101)의 상부면과 실린더 헤드(108)의 하부면 사이의 간극이 가장 작고, 또한 배기 밸브(114) 사이의 중심으로부터 연소실(110)의 주위 방향으로 떨어짐에 따라서, 피스톤(101)의 상부면과 실린더 헤드(108)의 하부면(120) 사이의 간극은 서서히 커지고, 실린더 헤드(108)의 하부면(120)의 펜트루프 형상의 정상 변(G)의 근방에서 그 간극이 최대가 되도록 연소실(110)이 형성되어 있다.
그런데, 상기 제1 스퀴시 테이퍼부(104)의 제1 테이퍼 연장부(104b)는, 2개 의 배기 밸브 리세스(106) 사이에서 피스톤 중심(C1)을 향해 오목부(102)에까지 연장되어 형성되고, 또한 제2 스퀴시 테이퍼부(105)의 제2 테이퍼 연장부(105b)도 2개의 흡기 밸브 리세스(107) 사이에서 피스톤 중심(C1)을 향해 오목부(102)에까지 연장되어 형성되어 있다.
이 중, 제1 테이퍼 연장부(104b)는 도7 및 도9에 도시한 바와 같이, 그 선단부가 평면시 밸브 폐쇄 상태의 배기 밸브(114)의 중심 위치(C3)보다도 피스톤 중심(C1) 측(즉, 도7 중 하방측)에 위치하도록 형성되어 있다. 또, 여기서 배기 밸브(114)의 중심 위치(C3)는, 배기 밸브(114)의 축부(114a)의 축선(도시 생략)과 베벨부(114b)의 하부면이 교차되는 위치를 말한다.
또한, 제2 테이퍼 연장부(105b)는 도7에 도시한 평면시에 있어서, 그 선단부가 밸브 폐쇄 상태의 흡기 밸브(113)의 중심 위치(C4)보다도 피스톤 중심(C1) 측에 위치하도록 형성되어 있다. 또, 흡기 밸브(113)의 중심 위치(C4)는 흡기 밸브(113)의 축부(113a)의 축선과 베벨부(113b)의 하부면이 교차되는 위치를 말한다.
또한, 도13 및 도14의 사시도에 도시한 바와 같이 제1 테이퍼 연장부(104b)는, 그 상단부로부터 오목부(102)의 바닥부(102a)에 걸쳐 완만하게 하방으로 경사져 형성된 사면(104c)을 갖고 있다. 마찬가지로, 제2 테이퍼 연장부(105b)도 그 상단부로부터 오목부(102)의 바닥부(102a)에 걸쳐 완만하게 하방으로 경사져 형성된 사면(105c)을 갖고 형성되어 있다.
본 실시 형태에 관한 연소실 구조는 상술한 바와 같이 구성되어 있기 때문에, 이하와 같은 작용 및 효과를 발휘한다.
우선, 흡기 행정에 있어서, 흡기 밸브(113)가 밸브 개방되어 흡기 포트(118)로부터 혼합기가 연소실(110) 내에 흡입된다.
계속해서 도15에 도시한 바와 같이, 압축 행정에 있어서 피스톤(101)이 상사점까지 상승하면(도15 중, 일점 쇄선 참조), 배기 밸브(114) 사이에서 연소실(110)의 주위면에 따라서 연소실(110)의 상단부[즉, 펜트루프 형상의 정상변(G) 근방]를 향해 분출하는 혼합 기류(스퀴시류, 도15 중, 화살표 F1 참조)와, 흡기 밸브(113) 사이에서 연소실(110)의 주위면에 따라서 연소실(110)의 상단부를 향해 흐르는 혼합 기류(스퀴시류, 도15 중 화살표 F2 참조)가 연소실(110)의 중앙에서 서로 충돌하고, 이에 의해 연소실(110) 내의 혼합기가 양호하게 교반된다.
이는, 도9 및 도10을 기초로 하여 상술한 바와 같이, 실린더 헤드(108)의 하부면(120)이 펜트루프 형상으로 형성되는 동시에, 피스톤(101)의 상부면에 제1 스퀴시 테이퍼부(104) 및 제2 스퀴시 테이퍼부(105)가 형성됨으로써 연소실(110)의 주위면에 있어서의 실린더 헤드(108)의 하부면(120)과 피스톤(101)의 상부면과의 간극이 흡기 밸브(113) 사이 및 배기 밸브(114) 사이에서 작고(도10 중 부호 SMIN 참조), 또한 연소실(110)의 상단부[즉, 펜트루프 형상의 정상 변(G)]에 있어서 최대(도10 중 부호 SMAX 참조)가 되도록 연소실(110)이 형성되어 있음에 따른 것이다.
그리고, 이 피스톤(101)은 이러한 스퀴시류(F1, F2)뿐만 아니라, 배기 밸브(114) 사이에서 제1 테이퍼 연장부(104b)를 전달하여 연소실(110)의 중심(C1)을 향해 흐르는 스퀴시류(도15 중 화살표 F3 참조)나 흡기 밸브(113) 사이에서 제2 테이퍼 연장부(105b)를 전달하여 연소실(110)의 중심(C1)을 향해 흐르는 스퀴시류(도15 중 화살표 F4 참조)도 생기게 하는 것이 가능해진다. 이에 의해, 연소실(110) 내의 혼합기의 교반을 더욱 촉진할 수 있다.
특히, 피스톤(101)이 상사점 근방까지 상승되었을 때의 연소실(110)의 중앙에는 스파크 플러그(115)가 배치되어 있고, 제1 테이퍼 연장부(104b) 및 제2 테이퍼 연장부(105b)에 의해 생성된 스퀴시류(F3, F4)를 스파크 플러그(115)의 근방에서 서로 충돌시켜 확실하게 난류를 발생시킬 수 있다.
이에 의해, 스파크 플러그(115)가 착화된 후에 혼합기가 연소를 완료하기까지의 기간(즉, 연소 기간)을 짧게 하는 것이 가능해지고, 엔진의 압축비를 높게 설정한 바와 같은 경우라도 확실하게 노킹의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 배기 가스를 많이 재순환시킨 경우(즉, 혼합기 중 EGR 가스의 비율을 증량한 경우), 일반적으로는 연소 기간이 길어져 연소 변동이 생겨 연소 효율이 저하되는 경향이 있지만, 이에 대해 본 실시 형태에 따르면 연소 기간을 단축할 수 있으므로, 연소 변동의 발생을 억제하여 연소 효율을 대폭 높일 수 있다. 따라서, 혼합기 중 EGR 가스의 비율을 종래부터도 증량시키는 것이 가능하고, 이에 의해 한 층 더 연비 향상에 기여할 수 있다.
이와 같이, 본 실시 형태에 따르면 제1 스퀴시 테이퍼부(104)의 제1 테이퍼 연장부(104b) 및 제2 스퀴시 테이퍼부(105)의 제2 테이퍼 연장부(105b)에 의해, 흡기 밸브 리세스(107)의 사이 또는 배기 밸브 리세스(108) 사이에서 피스톤 중심(C1)[즉, 연소실(110)의 중심] 측을 향한 스퀴시류(F3, F4)를 생성할 수 있으므로, 연소실(110) 내의 혼합기를 양호하게 교반하여 연소 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 테이퍼 연장부(104b, 105b)가 흡기 밸브 리세스(107) 사이와 배기 밸브 리세스(108) 사이와의 양방에 형성되어 있기 때문에, 흡기 밸브 리세스(107) 사이의 테이퍼 연장부(105b)에 의해 생성된 스퀴시류(F4)와, 배기 밸브 리세스(108) 사이의 테이퍼 연장부(104b)에 의해 생성된 스퀴시류(F3)가 연소실(110) 의 중심부에서 충돌하여 혼합함으로써 연소 효율의 또 다른 향상을 도모할 수 있다.
또한, 테이퍼 연장부(104b, 105b)의 선단부가 평면으로부터 보아, 밸브 폐쇄 상태의 흡기 밸브(113)의 중심 위치보다도 피스톤(101)의 중심(C1) 측이 되도록 형성되는 동시에, 밸브 폐쇄 상태의 배기 밸브(114)의 중심 위치(C3)보다도 피스톤(101)의 중심(C1) 측이 되도록 형성되어 있기 때문에, 스퀴시류(F3, F4)를 연소실(110)의 중심부까지 확실하게 도달시켜 연소 효율의 또 다른 향상을 도모할 수 있다.
또한, 연소실(110)의 중앙에는 스파크 플러그(115)가 배치되어 있고, 테이퍼 연장부(104b, 105b)에 의해 생성된 스퀴시류(F3, F4)를 이 스파크 플러그(115)의 주위에서 난류를 생기게 함으로써 연소 기간의 단축을 도모하고, 연소 효율을 높여 연비를 향상시킬 수 있다.
또한, 연소 기간을 단축함으로써 연소 변동의 발생을 억제하므로, 혼합기 중 EGR 가스의 비율을 종래부터도 증량시키는 것도 가능해지고, 이에 의해 또 다른 연비 향상에 기여하는 것도 가능하다.
상기 제2 실시 형태는 여러 가지로 변형 가능하다. 예를 들어, 제2 실시 형태에서는 흡기 밸브(113)가 2개이며, 배기 밸브(114)가 2개인 경우를 예로 들어 설명하였지만, 3개 이상의 흡기 밸브나 3개 이상의 배기 밸브가 구비된 엔진에 있어서, 흡기 밸브나 배기ㆍ밸브에 대응한 수의 흡기 밸브 리세스 또는 배기 밸브 리세스 사이에 테이퍼 연장부를 형성 가능하다.
기타, 본 발명은 상기 제1 및 제2 실시 형태로 한정되지 않고, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있다.
본 발명에 의하면, 간단한 구성으로 혼합기를 양호하게 교반하여 연소 효율을 향상시키는 것이 가능한 내연기관의 연소실 구조가 제공된다.

Claims (8)

  1. 실린더 헤드(1, 108)의 대략 평면시 원형을 이루는 하부면(10, 120)과 실린더에 끼워 삽입된 피스톤(4, 101)의 상부면으로 상하가 구획된 연소실(30, 110)을 갖는 내연기관의 연소실 구조이며,
    상기 실린더 헤드 하부면(10, 120)의 평면시 형상을 규정하는 곡선과 교차하는 양단부를 갖는 소정의 현(G)을 중심으로 나뉘어지는 실린더 헤드 하부면의 두 면 중 어느 한 쪽에 설치된 하나 이상의 흡기 밸브(13a, 13b, 113a, 113b)와,
    상기 실린더 헤드 하부면의 나머지 한 쪽에 설치된 하나 이상의 배기 밸브(14a, 14b, 114a, 114b)와,
    상기 피스톤 상부면의 주연부에 대략 원뿔형으로 형성된 테이퍼부(21, 104, 105)와,
    상기 피스톤 상부면의 대략 중앙에 형성된 오목부(22, 102)를 구비하고,
    상기 피스톤 상부면의 테이퍼부와 상기 테이퍼부에 대향하는 상기 실린더 헤드 하부면의 주연부와의 간극은, 상기 현의 근방 위치를 향해 커지도록 형성되어 있는 연소실 구조.
  2. 제1항에 있어서, 상기 간극은 적어도 상기 실린더 헤드의 한 쪽에 있어서의 상기 현의 수직 이등분선의 근방 위치로부터 상기 현의 근방 위치 쪽으로 커지도록 성형되어 있는 연소실 구조.
  3. 제1항에 있어서, 상기 실린더 헤드에는 상기 현에 관해서 한 쪽에 한 쌍의 흡기 밸브가 설치되고, 다른 쪽에 한 쌍의 배기 밸브가 설치되고,
    상기 간극은, 상기 한 쌍의 흡기 밸브 사이의 수직 이등분선 근방으로부터 상기 현의 근방 위치 쪽으로 커지도록 성형되어 있는 연소실 구조.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 간극은 상기 수직 이등분선 상에서 최소가 되고, 상기 현을 향해 상기 실린더의 주위면에 따라 서서히 커지도록 성형되어 있는 연소실 구조.
  5. 제1항에 있어서, 한 쌍의 흡기 밸브에 대응하도록 상기 테이퍼부에 형성된 2개의 흡기 밸브 리세스(107)와,
    한 쌍의 배기 밸브에 대응하도록 상기 테이퍼부에 형성된 2개의 배기 밸브 리세스(106) 및
    상기 2개의 흡기 밸브 리세스 사이 또는 상기 2개의 배기 밸브 리세스 사이에 위치하는 상기 테이퍼부의 일부를 상기 피스톤의 중심을 향해 상기 오목부까지 연장시킨 연장부(104b, 105b)를 구비하는 연소실 구조.
  6. 제5항에 있어서, 상기 연장부는 상기 연장부의 상단부로부터 상기 오목부의 바닥부에 걸쳐 경사지는 사면(104c, 105c)을 갖는 연소실 구조.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 연장부는 상기 2개의 흡기 밸브 리세스 사이 및 상기 2개의 배기 밸브 리세스 사이에 위치하는 상기 테이퍼부의 일부에 형성되는 연소실 구조.
  8. 제7항에 있어서, 상기 연장부는 상기 2개의 흡기 밸브 리세스 사이 및 상기 2개의 배기 밸브 리세스 사이에 위치하는 상기 테이퍼부의 부분에 형성되고, 각각의 상기 연장부의 선단부는 상기 한 쌍의 흡기 밸브 및 상기 한 쌍의 배기 밸브의 중심 위치로부터 상기 피스톤의 중심측에 위치하는 연소실 구조.
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