JP2007198343A

JP2007198343A - 火花点火式内燃機関

Info

Publication number: JP2007198343A
Application number: JP2006020539A
Authority: JP
Inventors: Keiji Shiraishi; 啓司白石
Original assignee: UD Trucks Corp
Current assignee: UD Trucks Corp
Priority date: 2006-01-30
Filing date: 2006-01-30
Publication date: 2007-08-09

Abstract

【課題】燃焼室の略中央部に点火栓を配置した火花点火式内燃機関において、点火栓近傍に混合気を輸送するタンブルを吸気ポート形状に依存することなく燃焼室内に生起する。
【解決手段】燃焼室９の縦断面形状を、シリンダヘッド１の吸気ポート開口部３Ａがシリンダヘッド基準面１Ａよりも奥部に開口するように凹形状に、かつ前記基準面から測った燃焼室高さが、吸気ポート開口部からシリンダボア中央域に向かって次第に減少するように形成する。燃焼室の平面形状は、吸気ポート開口部とシリンダボア中央域とを包囲する形状とし、ピストン８には前記燃焼室に対応する平面形状を有するキャビティ１０を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、火花点火式内燃機関に関し、詳しくはその燃焼室構造の改良に関する。

火花点火式内燃機関の着火性および燃焼性を改善する手法として、特許文献１または２に見られるように、シリンダ内に縦方向の旋回流であるタンブルを生起するようにしたものが知られている。タンブルを生起するには、吸気をシリンダ軸線方向に沿って燃焼室内に導入するための工夫が必要であり、そのためには特許文献２に見られるように吸気ポートの形状または向きそのものをタンブルの流入方向に対応させて縦方向に設定した、いわゆるタンブルポートとするのが一般的である。
特開2004-245171号公報特開平5-240044号公報

ところで、点火栓をシリンダボアの中央域に設け、その周囲に吸排気弁を配置したレイアウトの内燃機関では、動弁系統との干渉を避けるために吸気ポート形状に制約が生じやすい。例えば、大型車両用の機関ではディーゼルエンジンのシリンダヘッドを火花点火式のガスエンジン用に改造することが行われているが、前記の制約からタンブルポートを形成するのが難しく、このため水平面内での旋回流であるスワールを生起することで混合気の撹拌を促すようにしている。しかしながら、点火栓をシリンダボアの中央域に配置した場合、スワールの流動が少ない部分で着火することになるため必ずしも良好な着火性が得られないという問題が生じる。

本発明はこのような問題点に着目してなされたもので、吸気ポート形状にかかわらず燃焼室内に十分なタンブルを発生させることが可能な燃焼室を有する火花点火式内燃機関を提供するものである。

本発明は、シリンダヘッドの燃焼室に、シリンダボアの中央域に位置するように点火栓を設けた火花点火式内燃機関において、前記燃焼室の縦断面形状を、シリンダヘッドの吸気ポート開口部がシリンダヘッドの基準面よりも奥部に開口するように凹形状に、かつ前記基準面から測った燃焼室の高さが、前記吸気ポート開口部から前記シリンダボア中央域に向かって次第に減少するように形成する。また、前記燃焼室の平面形状を、前記吸気ポート開口部とシリンダボア中央域とを包囲する形状とし、ピストン頂面には前記燃焼室に対応する平面形状を有するキャビティを形成する。

本発明によれば、吸気ポート形状に依存することなく、シリンダヘッドに形成した燃焼室とピストンキャビティの形状に基づいて燃焼室内にタンブルを生起することができ、点火栓近傍を通過するタンブルにより良好な着火性および燃焼性を発揮させられる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１ないし図３において、１は火花点火式内燃機関のシリンダヘッド、２は点火栓、３は吸気ポート、４は弁シート、５は吸気弁、６は排気ポート、７はシリンダブロック、８はピストンを表している。

前記シリンダヘッド１は、図２に示したように吸排気各２弁のいわゆる４バルブ形式である。ただし図２には吸気ポート３および排気ポート６のそれぞれの開口部３Ａ，６Ａのみを示し、吸排気弁は図示省略してある。点火栓２は、前記４弁に包囲されたシリンダボア中央域に位置している。

シリンダヘッド１には、弁シート４を嵌合した吸気ポート開口部３Ａが基準面１Ａよりも奥部に開口するように凹形状の燃焼室９を形成してある。基準面１Ａは、シリンダブロック７に対する接合面である。

燃焼室９は、前記基準面１Ａから測った燃焼室高さが、前記吸気ポート開口部３Ａからシリンダボア中央域に向かって次第に減少するように形成して傾斜面９Ａを設けてある。吸気ポート開口部３Ａまたは該開口部に嵌合した弁シート４の部分は基準面１Ａに対して略並行である。また、この燃焼室９の平面形状は、図２に示したように、前記吸気ポート開口部３Ａと、点火栓２が位置するシリンダボア中央域とを包囲する形状である。
一方、ピストン８の頂面には前記燃焼室９に対応する平面形状を有するキャビティ１０を形成してある。キャビティ１０は、詳しくは後述するが、燃焼室９からの吸気の流れを反転させてタンブルを生起する機能を担っている。したがってその縦断面形状としては、縦方向の気流を損なわないように滑らかな曲線を主体とした形状であればどのようなものであってもよい。この実施形態では、前記燃焼室傾斜面９Ａと対向する底部領域がほぼ水平面１０Ａからなり、該水平面１０Ａから吸気ポート開口部３Ａと対向する底部領域において上向きの傾斜面１０Ｂとなっており、すなわちキャビティ１０は、その深さがシリンダボア中央域から吸気ポート開口部３Ａの方向に向かって次第に小さくなる部分を有する縦断面形状となっている。

一方、吸気弁５は、その最大リフト量をシリンダヘッド基準面１Ａを基準として設定してあり、この場合、図１に示したように、その傘部５Ａが前記基準面１Ａよりもピストン側に突出しない限度内で設定してある。この実施形態では吸気弁５はほぼシリンダ軸線方向に開閉作動する構成であるが、吸気ポート開口部３Ａを燃焼室９の奥部に設けうる限り、弁軸をシリンダ軸線に対して傾斜したレイアウトとしてもよい。

次に、前記構成に基づく作用効果について説明する。図１は、吸気弁５が最大にリフトをした吸気行程・中〜後期の燃焼室およびシリンダ内の様子を示しており、図中の矢印はこのときの吸気の流れを表している。

吸気行程でのピストン８の下降に伴い、吸気ポート３からの新気がシリンダ内に導入される。このとき、燃焼室９はその平面形状が吸気弁５のシリンダ壁面側領域を包囲するように形成してあり、加えて吸気弁傘部５Ａが基準面１Ａよりも下降しないように最大リフト量を設定してあることから、吸気弁傘部５Ａとそのシリンダ壁面側の燃焼室壁面９Ｂとの間の隙間は弁リフトの期間全体を通じて小さく保たれる。このため、吸気ポート３からの吸気はその大部分が燃焼室傾斜面９Ａに沿って点火栓３が位置するシリンダボア中央域へと向かう。

燃焼室９の傾斜面９Ａに沿った流れは、次いで前方のシリンダ壁面に沿って下降し、ピストンキャビティ１０に流入する。キャビティ１０に流入した吸気流は、その底面（水平面１０Ａおよび傾斜面１０Ｂ）に案内されて向きを転じ、吸気弁傘部５Ａが位置する燃焼室領域に向かって上昇し、吸気ポート３からの吸気流と合流する。このようにしてシリンダ内には縦方向の吸気流すなわちタンブルが生起される。

前記タンブルは、シリンダボア中央域に位置する点火栓３を通過する流れを形成するので、点火栓３に確実に混合気が輸送されて良好な着火性能および燃焼性能がもたらされる。

また、前述のように、タンブルは吸気ポート３の形状如何に関わらず、燃焼室９の形状に基づいて生起されるので、吸気ポート３の形状自由度が高く、必ずしもタンブルポートを設ける必要がない。したがって、例えばタンブルポートを持たないディーゼル機関用のシリンダヘッドであっても、これを小変更するだけで火花点火式内燃機関用に転用することが可能である。

この実施形態では、吸気ポート３からの吸気の大部分がシリンダボア中央域に流れるように、吸気弁傘部５Ａと燃焼室９のシリンダ壁側の壁面９Ｂとの間の隙間を小とし、かつ吸気弁５の最大リフトを基準面１Ａを超過しないように設定してあるが、前記隙間の設定次第でタンブルの強さを加減することが可能である。すなわち、吸気弁傘部５Ａと燃焼室壁９Ｂとの間の隙間を大きくするほど、または吸気弁傘部５Ａが基準面１Ａを超えて開くようにリフト量を大きく設定するほど、前記隙間を流れる吸気割合が増えると共にシリンダボア中央域へと向かう吸気割合が減少することから、タンブルの強さは減少する。タンブルの強さを制御するには、可変動弁装置を適用して、吸気弁５の開閉タイミングまたはリフト量を調節するようにしてもよい。

図４と図５に本発明の他の実施形態を示す。前記第１の実施形態は吸排気各２弁の４バルブ形式の内燃機関への適用例であるが、本発明はこれに限られず、図４または図５に示したように、吸気２弁・排気１弁の３バルブ形式または吸排気各１弁の２バルブ形式の内燃機関にも適用可能であり、これらの場合においても前記と同様の作用・効果を期待することができる。なお、図４または図５において、第１の実施形態と共通する部分にはそれぞれに同一の符号を付して示してある。

本発明の一実施形態の一部切欠き縦断面図。前記実施形態のシリンダ下面から見た燃焼室構造の概略を示す底面図。前記実施形態のピストン上面の概略形状を示す平面図。本発明の第２の実施形態のシリンダ下面から見た燃焼室構造の概略を示す底面図。本発明の第３の実施形態のシリンダ下面から見た燃焼室構造の概略を示す底面図。

符号の説明

１シリンダヘッド
１Ａシリンダヘッドの基準面
２点火栓
３吸気ポート
３Ａ吸気ポートの開口部
４弁シート
５吸気弁
５Ａ吸気弁の傘部
６排気ポート
７シリンダブロック
８ピストン
９燃焼室
１０キャビティ

Claims

シリンダヘッドの燃焼室に、シリンダボアの中央域に位置するように点火栓を設けた火花点火式内燃機関において、
前記燃焼室の縦断面形状を、シリンダヘッドの吸気ポート開口部がシリンダヘッドの基準面よりも奥部に開口するように凹形状に、かつ前記基準面から測った燃焼室の高さが、前記吸気ポート開口部から前記シリンダボア中央域に向かって次第に減少するように形成すると共に、
該燃焼室の平面形状を、前記吸気ポート開口部とシリンダボア中央域とを包囲する形状とし、
ピストン頂面には前記燃焼室に対応する平面形状を有するキャビティを形成したこと
を特徴とする火花点火式内燃機関。
前記キャビティは、その深さが、前記シリンダボア中央域から吸気ポート開口部の方向に向かって次第に小さくなる部分を有する縦断面形状である請求項１に記載の火花点火式内燃機関。
前記吸気ポート開口部には、前記シリンダヘッド基準面と略並行に弁シートが設けられている請求項１または請求項２の何れかに記載の火花点火式内燃機関。
吸気弁のリフト量を、その傘部が前記シリンダヘッド基準面よりもピストン側に突出しない限度内で設定した請求項３に記載の火花点火式内燃機関。