JPS591329B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、内燃機関に係り、特に新しい形状の燃焼室を
有するオーバーヘッドバルブ型の火花点火式内燃機関に
係る。

自動車等の車輌用の内燃機関としては排気ガス中の有害
成分が少なく、又燃料消費量も少なく、且つ安定した燃
焼が得られることを要求される。

燃料消費量を減少させる為には、内燃機関の圧縮比を高
めることが効果的であることが知られているが、従来か
ら用いられている燃焼室形状の内燃機関では圧縮比を高
めるとノッキング等の異常燃焼が発生する為に充分に高
い圧縮比にすることが出来なかった。

安定した燃焼を得る為には、燃焼室形状をコンパクトに
すると同時に燃焼室内での混合気の乱イｔを適当に強く
することが効果的である。

従来から知られているウェッジ型の燃焼室は、安定した
燃焼を得る為には力筒り好都合ではあつたが、排気ガス
中の有害成分を減少させる為に希薄混合記を用いたり、
排気ガス再循環を行ったりすると、燃焼が乱れ、特に車
輌用の内燃機関としては運転性の悪化が激しくなり、極
めて使用しにくくなるのが実状である。

本発明は上述した如き問題に鑑みて提案されたものであ
り、従来の内燃機関より圧縮比を高めることが可能であ
り、又燃焼室内にもたらされる混合気の特徴内乱れによ
り排気ガス中のＨＣ’？ ＮＯｘの増加を押えつつ安定
した燃焼を得ることが出来る、改良された形状の燃焼室
を有する内燃機関を提供することを目的としている。

かかる目的は、本発明によれば、シリンダボアを有する
シリンダブロックと、前記シリンダボアの一端を閉じる
シリンダヘッドと、前記シリンダボア内に配設されたピ
ストンとを有し、前記シリンダヘッドは前記シリンダボ
アの端部を閉じる平面部と燃焼室窪みとを有し、前記ピ
ストンは前記シリンダヘッドに面したその頂部に平面部
とピストン窪みとを有し、前記シリンダヘッドと前記ピ
ストンのそれぞれの前記平面部は前記シリンダボアの一
つの直径に沿う方向にそれぞれ前記燃焼室窪み及び前記
ピストン窪みを挟んで互いに対向する部分に位置する第
一の平面部と第二の平面部とを含み、前記ピストンが上
死点位置にある時前記シリンダヘッドの第一の平面部と
前記ピストンの第一の平面部とは互いに近接して重なり
合って第一のスキッシュエリアを郭定しまた前記シリン
ダヘッドの第二の平面部と前記ピストンの第二の平面部
は互いに近接して重なり合って第二のスキッシュエリア
を郭定するようになっており、前記第一のスキッシュエ
リアの面積は第二のスキッシュエリアのそれに比して約
４倍相度により大きくされており、前記燃焼室窪み内に
あって前記シリンダヘッドの前記第−及び第二の平面部
と同一の平面に近い位置にあり且前記第−及び第二のス
キッシュエリアより発せられたスキッシュ流が互いに衝
突する位置の近傍に位置すべく該第−の平面部より該第
二の平面部に近い位置に大きく偏倚した位置に発火部を
有する点火プラグを備えていることを特徴とする内燃機
関によって達成される。

かかる構成によれば、ピストンが圧縮行程の終りに上死
点位置に達した時、第−及び第二のスキッシュエリアに
て発生されたスキッシュ流はその時燃焼室窪み及びピス
トン窪みによって形成された燃焼室の中間領域を横切る
平面流をなして流れ、これによって燃焼室中にはその中
心部に延在する細かい混合気の乱れ、即ち所謂マイクロ
タービュレンスの層が発生し、更にこれら第−及び第二
のスキッシュ流は燃焼室内にて互いに衝突するが、この
時第−のスキッシュエリアにより発生されるスキッシュ
流の強さは第二のスキッシュエリアにより発生されるス
キッシュ流の強さに比して約４倍相度に強くされている
ので、両スキッシュ流の衝突は第一のスキッシュエリア
の側より第二のスキッシュエリアの側に大きく偏倚した
位置にて生じ、このスキッシュ流の衝突による混合気の
大きな乱れの発生中心の近傍に点火プラグの発火部が位
置していることにより、火炎はこの乱れの中心カラマイ
クロクービュレンスの層を伝わって燃焼室の全域に向け
て速やかに伝播し、これによって混合気全体の速やかで
且安定した燃焼が生じ、熱効率の向上と共にノッキング
の発生が回避される。

前記燃焼室窪みの空間容積と前記ピストン窪みとの比は
２：３乃至３：２程度であって良く、又前記燃焼室窪み
と前記ピストン窪みとは前記シリンダヘッドと上死点位
置にある前記ピストンとの仮想境界面を対称面として対
称に形成されていて良い。

この場合には点火プラグの発火部より広がっていく火炎
面が前記燃焼室窪みと前記ピストン窪みとに互いに均一
に漸次拡大するようになり、より一層安定した燃焼が行
なわれようになる。

前記燃焼室窪みの周縁と前記ピストン窪みの周縁とは少
くとも前記スキッシュエリアの側にては互いに実質的に
係合する輪郭を有していることが好ましい。

この場合、スキッシュエリアにて生成されたスキッシュ
流はピストンの上面に沿って流れをことなく、直接的に
主要な燃焼室空間内に噴出されるので、スキッシュ流が
壁面との粘性抵抗により減衰されることがない。

又、スキッシュにより生じた混合気のマイクロタービュ
レンスは排気弁の下方領域にも存在するようになり、こ
れによりその下方領域にある混合気にも乱れが生じ、そ
の混合気の温度上昇が抑制され、又点火プラグからの火
炎が排気弁の下方領域に伝播しやすくなり、ノッキング
の発生が防止される。

又、前記スキッシュエリアよりスキッシュを前記燃焼室
内の中央部に勢い良く噴出させる為に、前記ピストン窪
みの周壁は前記スキッシュエリアを郭定する辺部にて切
立っていることが好ましい。

この場合には燃焼室窪みの緩やかな緩斜面部に沿って流
れるスキッシュの量が増大され、排気弁下方に流れるス
キッシュの量が多くなり、排気弁下方に存在する混合気
の温度上昇がより一層効果的に抑制されるようになる。

以下に添付の図を用いて本発明を実施例について詳細に
説明する。

添付の第１図は本発明による内燃機関の一つの実施例を
その要部について示す断面図であり、特に第２図の線Ｉ
−Ｉに沿う断面図であり、第２図は第１図に示された内
燃機関のシリンダヘッドの底面図であり、第３図は同じ
く第１図に示された内燃機関のピストンの平面図である
。

図に於いて、１はシリンダブロックを示しており、この
シリンダブロック１はシリンダボア２を有している。

前記シリンダブロック１の上面にはガスケット３が配設
されており、その上に前記シリンダボア２の上端を閉じ
るべくシリンダヘッド４が取付けられている。

シリンダヘッド４は前記シリンダボア２の中心軸線を含
む仮想平面より一方の側、即ち図にて左側に偏った位置
にウェッジ型の燃焼室窪み５を有している。

前記燃焼室窪み５は図にて右側に比較的緩やかな緩斜面
部５ａを、又図にて左側に比較的切立った急斜面部５ｂ
を有しており、前記緩斜面部５ａには吸気ポート６と排
気ポート７とが開口しており、これらポートは吸気弁８
及び排気弁９によって開閉されるようになっている。

また燃焼室窪み５の前記急斜面部５ｂには点火プラグホ
ール１０がシリンダボア２の中心軸線に向けて開口して
おり、この点火プラグホール１０に点火プラグ１１がね
じ込まれ、その発火部１１′は前記燃焼室窪み５内に位
置している。

この場合、点火プラグ１１は、その発火部１１′が燃焼
室内にて前記シリンダヘッド４と上死点位置にあるピス
トン１２との境界部に可及的に近づくように配設されて
いる。

前記シリンダボア２内にはピストン１２が設けられてお
り、このピストン１２の側周部には２つのコンプレッシ
ョンリング１３．１４と一つのオイルリング１５とが取
付けられている。

ピストン１２は一部の頂面を残して皿型のピストン窪み
１６を形成されている。

このピストン窪み１６は前記燃焼室窪み５と同様に前記
シリンダボア２の中心軸線を含む仮想平面より図にて左
方に偏った位置に設けられ、その周縁は全てに於いて前
記燃焼室窪み５の周縁に実質的に整合するようになって
いる。

即ち、ピストン窪み１６の平面形状と前記燃焼室窪み５
の平面形状とは実質的に同一になっており、且互に向か
い合い、ピストン１２が上死点位置にあるとき前記シリ
ンダブロック１と前記シリンダヘッド４との接合面部分
を境として前記シリンダボア２の軸線方向の両側に主要
な燃焼室空間を郭定するようになっている。

前記燃焼室窪み５の空間容積と前記ピストン窪み１６の
空間容積とは互に実質的に等しくされている。

この空間容積比は２：３乃至３：２の範囲内であれば良
い。

また前記ピストン窪み１６の側壁１７は、図示されてい
る如く、切立った壁面になっている。

前記ピストン窪み１６の一方の側に残されたピストン１
２の比較的大きい面積の頂面部１８は前記シリンダヘッ
ド４の残された下面部１９と対向し、前記点火プラグ１
１が設けられている側とは反対側、即ち前記燃焼室窪み
５の緩斜面部５ａの側に主要な第一のスキッシュエリア
２０を郭定している。

また前記ピストン窪み１６の他方の側に残されたピスト
ン１２の比較的小さい面積の頂面部２１はその面に対向
する前記シリンダヘッド４の下面部２２と共働して前記
第一のスキッシュエリア２０より小さい第二のスキッシ
ュエリア２３を郭定している。

前記第一のスキッシュエリア２０と前記第二のスキッシ
ュエリア２３との面積比は各スキッシュエリアによって
発生するスキッシュ流の強さの比が４二１になるよう設
定されている。

スキッシュ流の強さはスキッシュエリアより押し出され
る混合気の量にほぼ比例すると考えられ、スキッシュエ
リアより押し出される混合気の量はスキッシュエリアの
面積にほぼ比例すると考えられるので、この場合前記面
積比はほぼ４：１程度とされれば良い。

内燃機関の圧縮行程に於いて、ピストン１２が下死点位
置より上死点位置に向けて上昇すると、それに伴い燃焼
室内の混合気は圧縮される。

ピストン１２が上死点位置近くにまで上昇すると、ピス
トン１２の頂面部１８とシリンダヘッド４の下面′部１
９との間のスキッシュエリア２０及び前記ピストン１２
の頂面部２１と前記シリンダヘッド４の下面部２２との
間の第二のスキッシュエリア２３の間隙が挟まり、この
部分に存在する混合気が他の部分に存在するものよりも
強く圧縮され、これにより前記スキランユニリア内の混
合気は燃焼室窪み５とピストン窪み１６とによる主要な
燃焼室空間内に押出される。

即ち、スキッシュ流が発生する。

この混合気の動きにより前記主要な燃焼室空間内に混合
気の乱れが発生する。

この場合、点火プラグ１１の発火部力’ｇ［Ｍ己シリン
ダヘッドと上死点位置にある前記ピストンとの境界付近
に位置していることにより、その発火部付近にスキッシ
ュの主流が与えられ、その部分に混合気のマイクロクー
ビュレンスが効果的に生じ、これにより良好な着火と燃
焼が行なわれるようになる。

又、この実施例の場合第一のスキランユニリア２０は第
二のスキッシュエリア２３より広くなっているので、混
合気のスキッシュエリアよりの吹出しは、前記第二のス
キッシュエリア２３より前記主要な燃焼室空間に向かう
ものより第一のスキッシュエリア２０より前記主要な燃
焼室空間に向かうものの方が強くなり、着火時期に於い
て点火プラグ１１の発火部１１′の付近にて前記第一の
スキッシュエリア２０によるスキッシュ流と前記第二の
スキッシュエリア２３によるスキッシュ流とがちょうど
衝突し、その発火部１丁の付近に、火炎伝播方向に直角
な仮想平面に沿ってマイクロクービュレンスが多く発生
するようになり、これによりより一層良好な混合気の着
火及び燃焼が行われるようになる。

この場合の点火時期はクランク角にて上死点前４０〜１
０°、中でも２５〜１５°程度が良い。

又、前記燃焼室窪み５の空間容積とピストン窪み１６の
空間容積とが互いに実質的に等しくなっていることから
、点火プラグ１１の発火部から広がってゆく炭量は前記
燃焼室窪み５と前記ピストン窪み１６とに互いに均一に
漸次拡大するようになる。

これによりより一層安定した混合気の燃焼が行われるよ
うになる。

又、この実施例の場合、前記燃焼室窪み５の周縁と前記
ピストン窪み１６の周縁とはスキッシュエリアを郭定す
る辺部にて互いに実質的に整合していることにより、混
合気がスキッシュエリアより主要な燃焼室空間に押出さ
れる際にピストンの頂面に沿うことがなく、直接的に前
記主要な燃焼室空間内に噴出されるので、そのスキッシ
ュ流が壁面との粘性抵抗により減衰されることがない。

この場合、スキッシュにより生じた混合気のマイクロタ
ービュレンスは排気弁の下方領域にも拡散し、これによ
りその領域の混合気にも乱れや流れが生じることにより
この混合気の温度上昇が抑制され、又この混合気に点火
プラグからの火炎が伝播しやすくなり、ノッキングの発
生が防止される。

又、前記ピストン窪み１６の側壁１７が、図示されてい
る如く、前記スキッシュエリアを郭定する辺部にて切立
っていれば、スキッシュ流がコアンダ効果によりその側
壁に沿うことがないから、スキッシュ流は前記主要な燃
焼室空間の中央部乃至燃焼室窪み側（こ向けて噴出され
、排気弁下方領域を含むその主要な燃焼室空間に良好な
混合気の乱れを発生する。

これにより一層速やかで安定した燃焼が行なわれ、又前
記混合気の温度上昇がより一層抑制される。

点火プラグ１１により混合気が着火され、その後、ピス
トン１２が降下する際には、前記ピストン１２が上昇す
る際とは逆の現象で前記主要な燃焼室空間内の混合気、
或は燃焼ガスは前記第−及び第二のスキッシュエリア２
０゜２３内に吸込まれるようになる。

この際の混合気の動きも安定した急速燃焼を行う上で役
立つ。

即ち、この場合、点火プラグの発火部の位置が上述の如
くシリンダフ七ツクとシリンダヘッドとの境界面部分に
あることにより、その位置と逆スキッシュ流の主流の位
置とが整合し、発火部からの火炎の伝播方向と逆スキッ
シュの流れの方向が一致するので、その流れに乗って火
炎伝播が行なわれ、この結果として見かけの火炎伝播速
度が高くなり、急速燃焼が行なわれる。

ピストンの上昇及び降下に伴って生じる上述した如き混
合気、或は燃焼ガスの渦動は混合気の燃焼を良好なもの
とし、−サイクル当りの燃焼時間を大幅に短縮し、又各
サイクル毎の燃焼の変動が小さくなる。

この結果として希薄混合気を用いたり、排気ガス再循環
を行なっても安定した燃焼が得られ、排気ガス中の有害
成分を効果的に減少することができる。

また速やかな燃焼のため、ノッキング等の異常燃焼が発
生しにくくする。

この結果としてエンジンの圧縮比を高めることができ、
出力性能の向上はもとより、燃費の低減に対して特に大
きな効果が期待できる。

第４図は本発明による内燃機関の他の一つの実施例をそ
の要部について示す断面図である。

尚第４図に於いて第１図乃至第３図に対応する部分は第
１図乃至第３図に付した符号と同一の符号により示され
ている。

かかる実施例においては、ピストン１２のピストン窪み
１６が燃焼室窪み５の緩斜面部５ａより急斜面部５ｂに
向かうに従い深くなっている。

即ち、前記燃焼室窪み５と前記ピストン窪み１６とはシ
リンダヘッド４と上死点位置にあるピストン１２との仮
想境界面を対称面として実質的に対称に形成されている
。

かかる実施例の場合には、燃焼室窪み５とピストン窪み
１６とが実質的に同じ形状に形成されていることにより
点火プラグ１１の発火部１１′より広がっていく火炎面
が前記燃焼室窪み５と前記ピストン窪み１６とに互によ
り一層均一に漸次拡大するようになる。

またこの場合には点火プラグ１１の発火部１１′が設け
られている部分に広い空間が与えられることにより点火
後の初期火炎面積が広くなり、これによっても一層安定
した燃焼が行なわれるようになる。

第５図は本発明による内燃機関に用いる更に他の一つの
実施例を示すシリンダヘッドの底面図であり、第６図は
同じくそれのピストンの平面図である。

尚、第５図及び第６図に於いて、第１図乃至第３図に対
応する部分は第１図乃至第３図に付した符号と同一の符
号により示されている。

かかる実施例においては、・燃焼室窪み５の第−及び第
二のスキンシュエリアの側の周縁が互に平行す直線によ
って与えられている。

またピストン１２のピストン窪み１６の周縁は前記燃焼
室窪み５に対応して前記第−及び第二のスキッシュエリ
アを郭定する辺部が互に平行な直線によって与えられて
いる。

この場合も点火プラグはその発火部がシリンダヘッドと
上死点位置にあるピストンとの境界付近に位置すべく設
けられて良い。

従ってかかる実施例に於いても上述した実施例と同様の
効果が得られることを理解されよう。

また、第７図は本発明に用いるピストンの他の実施例を
示している。

尚、第７図に於いて、第１図乃至第３図に対応する部分
は第１図乃至第３図に付した符号と同一の符号により示
されている。

第７図に示されたピストン１２のピストン窪み１６は主
要な第一のスキッシュエリアを郭定する辺部を直線によ
って与えられ、第二のスキッシュエリアを郭定する辺部
をその外周縁と同心の円弧によって与えられている。

第８図は本発明による内燃機関に用いるシリンダヘッド
の更に他の一つの実施例を示す底面図である。

尚、第８図に於いても第１図乃至第３図に対応する部分
は第１図乃至第３図に付した符号と同一の符号により示
されている。

かかる実施例の場合、燃焼室窪み５は吸気ポート６の周
りを取り巻くべく拡大されている。

この場合には第二のスキッシュエリア２３は排気ポート
７の側部にしか設けられなくなる。

上述の如く、吸気ポート６の周りに燃焼室窪み５が拡大
されていることにより、燃焼室窪みの周壁によるマスキ
ング効果が低減し、吸入効率が向上するようになる。

また、第９図は本発明による内燃機関の他の一つの実施
例をその要部について示す縦断面図である。

尚、第９図に於いても第１図乃至第３図に対応する部分
は第１図乃至第３図に付した符号と同一の符号により示
されている。

かかる実施例の場合、ピストン１２はそのピストン頂面
が上下二段になっており、周縁が開かれたピストン窪み
１６を有している。

このピストンを用いた内燃機関に於いては、スキランユ
ニリアはその頂面１８が残されている側にのみ郭定され
るようになる。

尚、上述の実施例に於いては、ウェッジ型燃焼室を有す
る内燃機関について述べたが、本発明はバスクブ型燃焼
室を有する内燃機関にも適用され得るものである。

以上に於いては、本発明を特定の実施例について詳細に
説明したが本発明はこれに限られるものではすく、本発
明の範囲内にて種々の実施例が可能であることは当業者
にとって明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による内燃機関の一つの実施例をその要
部について示す縦断面図であり、特に第２図の線Ｉ−Ｉ
に沿う断面図である。 第２図は第１図に示された内燃機関のシリンダヘッドの
底面図、第３図は同じく第１図に示された内燃機関に用
いるピストンの平面図、第４図は本発明による内燃機関
の他の一つの実施例をその要部について示す縦断面図、
第５図は本発明による内燃機関に用いるシリンダヘッド
の更に他の一つの実施例を示す底面図、第６図は第５図
に示されたシリンダヘッドを含む内燃機関に用いるピス
トンの平面図、第７図は本発明による内燃機関に用いる
ピストンの他の一つの実施例を示す平面図、第８図は同
じく本発明による内燃機関に用いるシリンダヘッドの更
に他の一つの実施例を示す底面図、第９図は本発明によ
る内燃機関の一つの実施例をその要部について示す縦断
面図である。 １・・・・・・シリンダブロック、２・・・・・・シリ
ンダボア、３・・・・・・ガスケット、４・・・・・・
シリンダヘッド、５・・・・・・燃焼室窪み、６・・・
・・・吸気ポート、７・・・・・・排気ポート、８・・
・・・・吸気弁、９・・・・・・排気弁、１０・・・・
・・点火プラグホール、１１・・・・・・点火プラグ、
１１′・・・・・・発火部、１２・・・・・・ピストン
、１３．１４・・・・・・コンプレッションリング、１
５・・・・・・オイルリング、１６・・・・・・ピスト
ン窪み、１７・・・・・・ピストン窪みの側壁、１８・
・・・・・ピストンの頂面部、１９・・・・・・シリン
ダヘッドの下面部、２０・・・・・・第一のスキッシュ
エリア、２１・・・・・・ピストンの頂面部、２２・・
・・・シリンダブロックの下面部、２３・・・・・・第
二のスキッシュエリア。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ シリンダボアを有するシリンダブ崩ツクと、前記シ
   リンダボアの一端を閉じるシリンダヘッドと、前記シリ
   ンダボア内に配設されたピストンとを有し、前記シリン
   ダヘッドは前記シリンダボアの端部を閉じる平面部と燃
   焼室窪みとを有し、前記ピストンは前記シリンダヘッド
   に面したその頂部に平面部とピストン窪みとを有し、前
   記シリンダヘッドと前記ピストンのそれぞれの前記平面
   部は前記シリンダボアの一つの直径に沿う方向にそれぞ
   れ前記燃焼室窪み及び前記ピストン窪みを挟んで互いに
   対向する部分に位置する第一の平面部と第二の平面部と
   を含み、前記ピストンが上死点位置にある時前記シリン
   ダヘッドの第一の平面部と前記ピストンの第一の平面部
   とは互いに近接して重なり合って第一のスキッシュエリ
   アを郭定しまた前記シリンダヘッドの第二の平面部と前
   記ピストンの第二の平面部は互いに近接して重なり合っ
   て第二のスキランユニリアを郭定するようになっており
   、前記第一のスキランユニリアの面積は第二のスキッシ
   ュエリアのそれに比して約４程度度により大きくされて
   おり、前記燃焼室窪み内にあって前記シリンダヘッドの
   前記第−及び第二の平面部と同一の平面に近い位置にあ
   り且前記第−及び第二のスキッシュエリアより発せられ
   たスキッシュ流が互いに衝突する位置の近傍に位置すべ
   く該第二の平面部に近い位置に大きく偶奇した位置に発
   火部を有する点火プラグを備えていることを特徴とする
   内燃機関。 ２、特許請求の範囲第１項に記載された内燃機関に於て
   、前記燃焼室窪みの空間容積と前記ピストン窪みの空間
   容積との比は実質的に２：３乃至３：２であることを特
   徴とする内燃機関。