JP2017106350A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンの製造コストが増大するのを防止して、圧縮行程中に生じる正スキッシュ流を正タンブル流に変換することができる内燃機関を提供すること。【解決手段】エンジン１のシリンダヘッド３およびピストン５は、スキッシュ面２３の上り傾斜方向の端部２３ａが、スキッシュ面２１の上り傾斜方向の端部２１ａよりも燃焼室６の中心軸Ｏ側に位置し、スキッシュ面２２の上り傾斜方向の端部２２ａが、スキッシュ面２４の上り傾斜方向の端部２４ａよりも燃焼室６の中心軸Ｏ側に位置している。【選択図】図６

Description

本発明は、車両用の内燃機関に関する。

車両に搭載される内燃機関にあっては、希薄混合気の燃焼改善のために、ピストンが圧縮上死点に移動するときに、吸気側および排気側のスキッシュエリアからそれぞれ燃焼室の中央に向かって流れるスキッシュ流を発生させ、混合気を燃焼室中央部に集合させるようにしている。

従来、スキッシュ流を発生させることができる内燃機関としては、例えば、特許文献１に記載されている内燃機関の燃焼室構造が知られている。この内燃機関の燃焼室構造は、燃焼室の上端の吸気ポート側の一側周縁部と他側周縁部とにそれぞれスキッシュエリアが設けられている。

一側のスキッシュエリアからのスキッシュ流は、燃焼室の上壁面に沿って噴出し、他側のスキッシュエリアからのスキッシュ流は、ピストンの頂面に沿って噴出するように構成されており、圧縮行程の末期においてスキッシュ流にて燃焼室内に縦型の旋回流を残している。

そして、この旋回流に乗って燃料が燃焼室の中央に集まるようにし、この中央部に配置した点火プラグにて点火することにより着火性を良くし、全体としては薄い混合気での燃焼を可能にしている。

実開平５−８３３２８号公報

上記従来の内燃機関の燃焼室構造にあっては、吸気側のスキッシュエリアにおいて、ピストンの頂面がピストンの外周端から燃焼室の中心軸に向かって傾斜し、排気側のスキッシュエリアにおいて、ピストンの頂面がピストンの外周端から燃焼室の中心軸に向かって下り傾斜している。

これにより、ピストンの頂面の形状が、燃焼室の中心軸を挟んで異なる形状になってしまい、ピストンの頂面を旋盤で加工（ピストンの頂面の形状が、燃焼室の中心軸を挟んで対称であればワークを回転させることでピストンの頂面は、簡単に加工可）できないことから、ピストンの加工に多くの時間やコストが必要となる他の加工方法を選択せざるを得ず、ピストンの製造が長時間化し、製造コストが増大してしまう。

また、ピストンの頂面に合わせて燃焼室を構成するシリンダヘッドの天井面の加工を行う必要があるので、シリンダヘッドの加工も複雑になり、シリンダヘッドの製造が長時間化し、製造コストが増大してしまうおそれがある。

本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、ピストンの製造コストが増大するのを防止して、圧縮行程中に生じる正スキッシュ流を正タンブル流に変換することができる。

本発明は、燃焼室を形成するシリンダヘッドの天井面の半径方向外周端から前記燃焼室の中心軸に向かって傾斜するヘッド側スキッシュ面と、前記ヘッド側スキッシュ面に対向して前記燃焼室を形成するピストンの頂面の半径方向外周端から前記燃焼室の中心軸に向かって傾斜するピストン側スキッシュ面とを備え、前記ヘッド側スキッシュ面および前記ピストン側スキッシュ面が、前記燃焼室の中心軸を挟んで吸気弁口側と排気弁口側とにそれぞれ形成された内燃機関であって、前記吸気弁口側に位置する前記ピストン側スキッシュ面の傾斜方向の端部は、前記吸気弁口側に位置する前記ヘッド側スキッシュ面の傾斜方向の端部よりも前記燃焼室の中心軸側に位置し、前記排気弁口側に位置する前記ヘッド側スキッシュ面の傾斜方向の端部は、前記排気弁口側に位置する前記ピストン側スキッシュ面の傾斜方向の端部よりも前記燃焼室の中心軸側に位置している。

このように上記の本発明によれば、ピストンの製造コストが増大するのを防止して、圧縮行程中に生じる正スキッシュ流を正タンブル流に変換することができる。

図１は、本発明の一実施の形態に係る内燃機関を備えた内燃機関の断面図である。 図２は、本発明の一実施の形態に係る内燃機関のシリンダヘッドの燃焼室付近を下方から見た図である。 図３は、本発明の一実施の形態に係る内燃機関のピストンの斜視図である。 図４は、本発明の一実施の形態に係る内燃機関のヘッド側から見た燃焼室形状の斜視図である。 図５は、本発明の一実施の形態に係る内燃機関のピストンの天井面の平面図である。 図６は、本発明の一実施の形態に係る内燃機関のシリンダヘッドとピストンの燃焼室付近の断面図である。 図７は、本発明の一実施の形態に係る内燃機関の吸気側のスキッシュ流の流れを示す図である。 図８は、本発明の一実施の形態に係る内燃機関の排気側のスキッシュ流の流れを示す図である。

以下、本発明の一実施の形態に係る内燃機関について、図面を用いて説明する。
図１〜図８は、本発明に係る一実施の形態の内燃機関を示す図である。
まず、構成を説明する。図１において、自動車等の車両に取付けられた内燃機関としてのエンジン１は、シリンダブロック２と、シリンダブロック２の上部に取付けられたシリンダヘッド３とを備えている。

シリンダブロック２にはシリンダ４が形成されており、シリンダ４にはピストン５が昇降自在に設けられている。ピストン５は、コンロッド１１を介して図示しないクランクシャフトに連結されており、ピストン５の昇降運動は、コンロッド１１を介してクランクシャフトの回転運動に変換される。

シリンダ４の上方には燃焼室６が形成されており、燃焼室６は、ピストン５の圧縮上死点近傍において、シリンダ４とシリンダヘッド３の天井面３Ａとピストン５の頂面５Ａとによって構成される。

シリンダヘッド３にはそれぞれ一対の吸気ポート７および排気ポート８が形成されている。吸気ポート７の一端部には燃焼室６に開口する吸気弁口７Ａが形成されている（図２参照）。吸気ポート７は、他端部に形成された図示しない吸気導入口から導入された空気と燃料とが混合された混合気を燃焼室６に導く。

排気ポート８の一端部には燃焼室６に開口する排気弁口８Ａが形成されている。排気ポート８は、燃焼室で燃焼された排気ガスを他端部に形成された図示しない排気ガス排出口から図示しない排気マニホールドに排出する。

図１において、シリンダヘッド３には吸気バルブ９および排気バルブ１０が設けられている。吸気バルブ９は、バルブステム９Ａと、バルブステム９Ａの先端に形成された傘状のバルブヘッド９Ｂとを備えている。吸気バルブ９は、バルブヘッド９Ｂが吸気弁口７Ａを閉止するようにバルブスプリング９Ｃによって上方に付勢されている。

排気バルブ１０は、バルブステム１０Ａと、バルブステム１０Ａの先端に形成された傘状のバルブヘッド１０Ｂとを備えている。排気バルブ１０は、バルブヘッド１０Ｂが排気弁口８Ａを閉止するようにバルブスプリング１０Ｃによって上方に付勢されている。

吸気バルブ９は、バルブステム９Ａの中心軸Ｏ１が燃焼室６の中心軸Ｏに指向するようにシリンダヘッド３に取付けられている。なお、燃焼室６の中心軸Ｏと燃焼室６の中心軸とは同軸である。吸気弁口７Ａは、燃焼室６の中心軸Ｏに対して傾斜して形成されており、吸気弁口７Ａの中心軸Ｏ１は、燃焼室６の中心軸Ｏに向かって延びている。ここで、バルブステム９Ａの中心軸Ｏ１と吸気弁口７Ａの中心軸Ｏ１とは同軸である。

これにより、吸入行程において、吸気バルブ９がリフトされて吸気ポート７と燃焼室６とが連通すると、バルブヘッド９Ｂと吸気弁口７Ａとの間を通って燃焼室６に混合気が流入する。

燃焼室６に流入する混合気は、バルブヘッド９Ｂと吸気弁口７Ａとの間を通過したときに、排気ポート８の方向を経てピストン５の頂面５Ａの方向に導かれた後に吸気ポート７の方向に導かれる。

すなわち、燃焼室６に流入する混合気は、ピストン５の中心軸Ｏと直交する方向の軸回り（図１の紙面方向の軸回り）において縦方向（時計方向）に回転する、いわゆる、正タンブル流となる。

図２、図６において、シリンダヘッド３の天井面３Ａにはスキッシュ面２１、２２が形成されている。
スキッシュ面２１は、シリンダヘッド３の天井面３Ａの一方の半径方向外周端３ａから燃焼室６の中心軸Ｏ（図１参照）に向かって上り傾斜している。スキッシュ面２２は、シリンダヘッド３の天井面３Ａの他方の半径方向外周端３ｂから燃焼室６の中心軸Ｏに向かって上り傾斜している。

図６において、スキッシュ面２１、２２は、燃焼室６の中心軸Ｏを挟んで吸気弁口７Ａ側と排気弁口８Ａ側とに設けられている。本実施の形態のスキッシュ面２１、２２は、本発明のヘッド側スキッシュ面を構成する。

図３〜図６において、ピストン５の頂面にはスキッシュ面２３、２４が形成されている。

スキッシュ面２３は、燃焼室６の中心軸Ｏの方向に対してスキッシュ面２１に対向し、ピストン５の頂面５Ａの一方の半径方向外周端５ａから燃焼室６の中心軸Ｏに向かって上り傾斜している。

スキッシュ面２４は、燃焼室６の中心軸Ｏの方向に対してスキッシュ面２２に対向し、ピストン５の頂面５Ａの他方の半径方向外周端５ｂから燃焼室６の中心軸Ｏに向かって上り傾斜している。

図６において、スキッシュ面２３、２４は、燃焼室６の中心軸Ｏを挟んで吸気弁口７Ａ側と排気弁口８Ａ側に設けられている。本実施の形態のスキッシュ面２３、２４は、本発明のピストン側スキッシュ面を構成する。

スキッシュ面２３の上り傾斜方向の端部２３ａは、スキッシュ面２１の上り傾斜方向の端部２１ａよりも燃焼室６の中心軸Ｏ側に位置している。スキッシュ面２２の上り傾斜方向の端部２２ａは、スキッシュ面２４の上り傾斜方向の端部２４ａよりも燃焼室６の中心軸Ｏ側に位置している。

ピストン５の頂面５Ａには凹部５Ｂが形成されている。凹部５Ｂは、吸気弁口７Ａ側に位置するスキッシュ面２３の上り傾斜方向の端部２３ａおよび排気弁口８Ａ側に位置するスキッシュ面２４の上り傾斜方向の端部２４ａから燃焼室６の中心軸Ｏに向かって天井面３Ａから離れる方向に窪んでいる。

すなわち、本実施の形態のスキッシュ面２３の上り傾斜方向の端部２３ａおよびスキッシュ面２４の上り傾斜方向の端部２４ａは、ピストン５から天井面３Ａに向かって凸状に形成されている。

シリンダヘッド３の天井面３Ａには凹部３Ｂが形成されている。凹部３Ｂは、吸気弁口７Ａ側に位置するスキッシュ面２１の上り傾斜方向の端部２１ａおよび排気弁口８Ａ側に位置するスキッシュ面２２の上り傾斜方向の端部２２ａから燃焼室６の中心軸Ｏに向かってピストン５の頂面５Ａから離れる方向に窪んでいる。

すなわち、本実施の形態の本実施の形態のスキッシュ面２１の上り傾斜方向の端部２１ａおよびスキッシュ面２２の上り傾斜方向の端部２２ａは、シリンダヘッド３の天井面３Ａからピストン５の頂面５Ａに向かって凸状に形成されている。

図１、図６において、吸気弁口７Ａおよび排気弁口８Ａの間においてシリンダヘッド３の天井面３Ａには点火プラグ１２が設けられており、点火プラグ１２は、燃焼室６の中心軸Ｏ付近に設けられている。点火プラグ１２は、吸気ポート７から燃焼室６に導入された混合気を点火する。

次に、図６〜図８に基づいて作用を説明する。図６〜図８のいずれかにおいて、符号Ｆ１〜Ｆ３、ｆ１、ｆ２は、燃焼室６を流れる混合気（スキッシュ流、タンブル流）を示す。
吸入行程において、吸気ポート７から燃焼室６に流入する混合気は、燃焼室６で正タンブル流となる。

この混合気は、圧縮行程で上昇するピストン５の頂面に押圧される。ピストン５が圧縮上死点まで上昇すると、対向するスキッシュ面２１、２３およびスキッシュ面２２、２４で混合気が圧縮される。この圧縮された混合気は、スキッシュ面２１、２３の間およびスキッシュ面２２、２４の間から燃焼室６の中心軸Ｏに向かって噴出される。

本実施の形態のエンジン１は、スキッシュ面２３の上り傾斜方向の端部２３ａがスキッシュ面２１の上り傾斜方向の端部２１ａよりも燃焼室６の中心軸Ｏ側に位置している。これにより、図７に示すように、スキッシュ面２１、２３を流れるスキッシュ流Ｆ１は、スキッシュ面２１の傾斜方向の端部２１ａを通過する際にスキッシュ面２１の傾斜方向の端部２１ａ側に指向する。

さらに、シリンダヘッド３の天井面３Ａに、吸気弁口７Ａ側に位置するスキッシュ面２１の上り傾斜方向の端部２１ａから燃焼室６の中心軸Ｏに向かってピストン５の頂面５Ａから離れる方向に窪んだ凹部３Ｂが形成される。

これにより、シリンダヘッド３の天井面３Ａは、端部２１ａを変曲点として凹部３Ｂの上り傾斜角が大きくなる。このため、図７に示すように、スキッシュ面２１、２３に囲まれた高圧部で発生したスキッシュ流Ｆ１が傾斜方向の端部２１ａから凹部３Ｂ側の低圧部に向かって流れる間にスキッシュ流Ｆ１から剥離した流れが巻き込まれる。このため、スキッシュ流Ｆ１には反時計回転回りの渦流ｆ１が形成される。

この結果、図６に示すように、スキッシュ面２１、２３の間から噴出されるスキッシュ流Ｆ１は、燃焼室６の上方のシリンダヘッド３の天井面３Ａに向かって指向し、シリンダヘッド３の天井面３Ａ側において、吸気弁口７Ａから排気弁口８Ａに向かって流れる。

一方、スキッシュ面２２の上り傾斜方向の端部２２ａは、スキッシュ面２４の上り傾斜方向の端部２４ａよりも燃焼室６の中心軸Ｏ側に位置している。これにより、図８に示すように、スキッシュ面２２、２４の間から噴出されるスキッシュ流Ｆ２は、スキッシュ面２４の傾斜方向の端部２４ａを通過する際にスキッシュ面２４の傾斜方向の端部２４ａ側に指向する。

さらに、ピストン５の頂面５Ａに、吸気弁口７Ａ側に位置するスキッシュ面２３の上り傾斜方向の端部２３ａおよび排気弁口８Ａ側に位置するスキッシュ面２４の上り傾斜方向の端部２４ａから燃焼室６の中心軸Ｏに向かって天井面３Ａから離れる方向に窪んだ凹部５Ｂが形成される。

これにより、ピストン５の頂面５Ａは、端部２４ａを変曲点として凹部５Ｂの下り傾斜角が大きくなる。このため、図８に示すように、スキッシュ面２２、２４に囲まれた高圧部で発生したスキッシュ流Ｆ２が傾斜方向の端部２４ａから凹部５Ｂ側の低圧部に向かって流れる間にスキッシュ流Ｆ２から剥離した流れが巻き込まれる。このため、スキッシュ流Ｆ２には反時計回転回りの渦流ｆ２が形成される。

この結果、図６に示すように、スキッシュ面２２、２４の間から噴出されるスキッシュ流Ｆ２は、燃焼室６の下方のピストン５の頂面５Ａに向かって指向し、ピストン５の頂面５Ａ側において、排気弁口８Ａから吸気弁口７Ａに向かって流れる。

したがって、圧縮行程においてピストン５が圧縮上死点に上昇したときに、吸入行程において正タンブル方向に流れる吸気流動と同方向の正タンブル流Ｆ３を形成することができる。

このように本実施の形態のエンジン１のシリンダヘッド３およびピストン５は、スキッシュ面２３の上り傾斜方向の端部２３ａが、スキッシュ面２１の上り傾斜方向の端部２１ａよりも燃焼室６の中心軸Ｏ側に位置し、スキッシュ面２２の上り傾斜方向の端部２２ａが、スキッシュ面２４の上り傾斜方向の端部２４ａよりも燃焼室６の中心軸Ｏ側に位置している。

これにより、圧縮行程において正スキッシュ流を正タンブル流に変換して、吸入行程で形成された正タンブル流と同方向のタンブル流を形成することができる。このため、ピストン５が圧縮上死点に上昇した状態において、燃焼室６の内部の流動を強化して混合気の乱れ強度を向上できる。この結果、混合気の燃焼安定性の向上および燃焼速度の向上を図ることができ、燃費を向上できる。

また、本実施の形態のエンジン１は、ピストン５の頂面５Ａのスキッシュ面２３、２４と、シリンダヘッド３の天井面３Ａのスキッシュ面２１、２２とのそれぞれの端部２１ａ〜２４ａの組合せを変更することで、簡素な構成のピストン５によって正スキッシュ流を正タンブル流に変換できる。

このため、ピストン５の頂面５Ａに凹部５Ｂを加工するだけでよく、従来のようにピストンの頂面の形状を大幅に変更することを防止できる。すなわち、ピストン５の頂面５Ａにスキッシュ面２３、２４を加工する場合に、旋盤を用いてピストン５となるワークを回転させながら凹部５Ｂを研削することで、ワークにスキッシュ面２３、２４を容易に加工することができる。

これにより、ピストン５の加工に多くの時間やコストが必要となる他の加工方法を選択することなく、ピストン５を旋盤加工によって容易に加工できる。この結果、ピストン５の製造作業を容易に行うことができ、ピストン５の製造コストが増大することを防止できる。

さらに、ピストン５の頂面に合わせて燃焼室６を構成するシリンダヘッド３の天井面３Ａの加工を容易に行うことができるので、従来のようにシリンダヘッド３の製造が長時間化し、製造コストが増大してしまうことを防止できる。

また、本実施の形態のエンジン１において、排気弁口８Ａの開口面積に対して、吸気弁口７Ａの開口面積が大きく形成されてもよい。

このようにすれば、高流量および高流動の燃焼室６を得ることができる。すなわち、燃焼室６に流入する空気の抵抗を減少できるように吸気ポート７を形成して、燃焼室６に流入する空気量を増大させると、それに背反してタンブル比（タンブル流の角速度／エンジン１の回転速度）に代表される筒内流動の低下が生じる。

これに対して、本実施の形態のエンジン１は、ピストン５の圧縮上死点付近において正スキッシュ流を性タンブル流に変換することで、流動を強化して混合気の乱れ強度を向上することができる。すなわち、吸入行程で形成された正タンブル流を圧縮行程で維持、かつ、強化することができる。
これにより、吸入行程において空気量を増大させたことによる吸気行程での筒内流動の減少を補うことができる。このため、高流量および高流動の燃焼室６を得ることができる。

また、本実施の形態のエンジン１において、ピストン５の頂面５Ａに、吸気弁口７Ａ側に位置するスキッシュ面２３の上り傾斜方向の端部２３ａおよび排気弁口８Ａ側に位置するスキッシュ面２４の上り傾斜方向の端部２４ａから燃焼室６の中心軸Ｏに向かって天井面３Ａから離れる方向に窪んだ凹部５Ｂを形成してもよい。

これに加えて、シリンダヘッド３の天井面３Ａに、吸気弁口７Ａ側に位置するスキッシュ面２１の上り傾斜方向の端部２１ａおよび排気弁口８Ａ側に位置するスキッシュ面２２の上り傾斜方向の端部２２ａから燃焼室６の中心軸Ｏに向かってピストン５の頂面５Ａから離れる方向に窪んだ凹部３Ｂを形成してもよい。

このようにすれば、スキッシュ面２３の上り傾斜方向の端部２３ａおよびスキッシュ面２４の上り傾斜方向の端部２４ａを変曲点として凹部５Ｂの下り傾斜角を大きくできる。
さらに、スキッシュ面２１の上り傾斜方向の端部２１ａおよびスキッシュ面２２の上り傾斜方向の端部２２ａを変曲点として凹部３Ｂの上り傾斜角を大きくできる。

これにより、スキッシュ面２１、２３の間から噴出されるスキッシュ流Ｆ１がスキッシュ面２１の傾斜方向の端部２１ａを通過する際に、スキッシュ面２１の傾斜方向の端部２１ａ側からシリンダヘッド３の凹部３Ｂに確実に指向させることができる。

これに加えて、スキッシュ面２２、２４の間から噴出されるスキッシュ流Ｆ２がスキッシュ面２４の傾斜方向の端部２４ａを通過する際に、スキッシュ面２４の傾斜方向の端部２４ａ側からピストン５の凹部５Ｂに確実に指向させることができる。

したがって、圧縮行程においてピストン５が圧縮上死点に上昇したときに、正スキッシュ流を正タンブル流に容易に、かつ確実に変換できる。
なお、本実施の形態のスキッシュ面２１〜２４は、上り傾斜しているが、下り傾斜していてもよい。

本発明の実施の形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正および等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

１...エンジン、３...シリンダヘッド、３Ａ...天井面、３Ｂ...凹部（シリンダヘッドの凹部）、３ａ，３ｂ...半径方向外周端（天井面の半径方向外周端）、５...ピストン、５Ａ...頂面、５Ｂ...凹部（ピストンの凹部）、５ａ，５ｂ...半径方向外周端（頂面の半径方向外周端）、６...燃焼室、７Ａ...吸気弁口、８Ａ...排気弁口、２１，２２...スキッシュ面（ヘッド側スキッシュ面、２１ａ，２２ａ...端部（ヘッド側スキッシュ面の傾斜方向の端部）、２３，２４...スキッシュ面（ピストン側スキッシュ面）、２３ａ，２４ａ...端部（ピストン側スキッシュ面の傾斜方向の端部）、Ｏ...中心軸（燃焼室の中心軸）

Claims (3)

1. 燃焼室を形成するシリンダヘッドの天井面の半径方向外周端から前記燃焼室の中心軸に向かって傾斜するヘッド側スキッシュ面と、前記ヘッド側スキッシュ面に対向して前記燃焼室を形成するピストンの頂面の半径方向外周端から前記燃焼室の中心軸に向かって傾斜するピストン側スキッシュ面とを備え、
   前記ヘッド側スキッシュ面および前記ピストン側スキッシュ面が、前記燃焼室の中心軸を挟んで吸気弁口側と排気弁口側とにそれぞれ形成された内燃機関であって、
   前記吸気弁口側に位置する前記ピストン側スキッシュ面の傾斜方向の端部は、前記吸気弁口側に位置する前記ヘッド側スキッシュ面の傾斜方向の端部よりも前記燃焼室の中心軸側に位置し、
   前記排気弁口側に位置する前記ヘッド側スキッシュ面の傾斜方向の端部は、前記排気弁口側に位置する前記ピストン側スキッシュ面の傾斜方向の端部よりも前記燃焼室の中心軸側に位置していることを特徴とする内燃機関。
2. 前記排気弁口の開口面積に対して、前記吸気弁口の開口面積が大きく形成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記ピストンの頂面は、前記吸気弁口側に位置する前記ピストン側スキッシュ面の傾斜方向の端部および前記排気弁口側に位置する前記ピストン側スキッシュ面の傾斜方向の端部から前記燃焼室の中心軸に向かって前記天井面から離れる方向に窪む凹部を有し、
   前記シリンダヘッドの天井面は、前記吸気弁口側に位置する前記ヘッド側スキッシュ面の傾斜方向の端部および前記排気弁口側に位置する前記ヘッド側スキッシュ面の傾斜方向の端部から前記燃焼室の中心軸に向かって前記ピストンの頂面から離れる方向に窪む凹部を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関。