(57)【要約】【課題】エンジンの大型化や重量増加、コストの上昇を抑制しながらエンジン出力の向上とともに排出ガス特性の改善を実現することができるエンジンを提供する。【解決手段】シリンダボア３と、シリンダボア３内で上死点と下死点との間を往復運動するピストン９のピストン頂面２４とにより囲まれて形成された燃焼室４を有するエンジン１において、ピストン頂面２４に対向するシリンダボア３の傾斜面２２に複数の突起６を一体に形成することを特徴とするエンジン。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダと、前記シリンダ内で上死点と下死点との間を往復運動するピストンの頂面とにより囲まれて形成された燃焼室を有するエンジンにおいて、
前記ピストンの頂面に対向する前記シリンダの壁面に複数の段差を一体に設ける、
ことを特徴とするエンジン。
【請求項２】
前記シリンダには、前記ピストンの頂面に対向する前記シリンダの壁面から前記燃焼室内に電極部が突出するように点火プラグが設けられ、
前記段差は前記電極部を基準に配列される、
ことを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】
上死点における前記ピストンの頂面と前記ピストンの頂面に対向する前記シリンダの壁面との間に、前記シリンダの軸線方向に所定寸法を有するスキッシュ部が形成される、
ことを特徴とする請求項１または２に記載のエンジン。
【請求項４】
前記段差は、前記スキッシュ部の近傍に位置する、
ことを特徴とする請求項３に記載のエンジン。
【請求項５】
前記段差は、前記ピストンの頂面に対向する前記シリンダの壁面と前記壁面から突出する突起により構成される、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のエンジン。
【請求項６】
前記ピストンの頂面の前記突起と対向する位置に、前記ピストンが上死点近傍に位置する時に、前記突起の端部が前記凹部内に位置することが可能な凹部を形成する、
ことを特徴とする請求項５に記載のエンジン。
【請求項７】
前記突起は、前記ピストンの頂面に対向する前記シリンダの壁面の法線方向に突出する、
ことを特徴とする請求項５または６に記載のエンジン。
【請求項８】
前記突起は、前記シリンダの軸線方向に突出する、
ことを特徴とする請求項５または６に記載のエンジン。
【請求項９】
前記段差は、前記ピストンの頂面に対向する前記シリンダの壁面と前記壁面に形成された溝により構成される、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のエンジン。
【請求項１０】
前記溝は、前記シリンダの軸線方向視において、前記シリンダの外縁近傍から前記電極部に向かって延びる、
ことを特徴とする請求項９に記載のエンジン。
【請求項１１】
前記溝は、前記シリンダの軸線方向視において、前記電極部の近傍まで延びる、
ことを特徴とする請求項１０に記載のエンジン。
【請求項１２】
前記溝は、前記シリンダの軸線方向視において、円弧回転対称に設けられた弧状の溝である、
ことを特徴とする請求項１０または１１に記載のエンジン。
【請求項１３】
前記溝は、前記シリンダの軸線方向と平行な断面において、前記シリンダの壁面に対して凹状に形成される、
ことを特徴とする請求項１１または１２に記載のエンジン。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の前記エンジンを備える、
ことを特徴とするエンジン工具。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジン、特に刈払機、チェンソーおよびブロア等の手持ちエンジン工具に好適なエンジン及びそれを備えたエンジン工具に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジン性能を向上するために、例えば特許文献１には、３つの掃気通路が設けられたエンジンが開示されている。このエンジンの掃気通路はそれぞれの中心がシリンダ軸線を中心とする円に対して接線を成す方向に形成され、掃気通路には通路面積を変更するバルブが設けられている。そして、バルブの制御により通路面積を制御してシリンダ内に流入する掃気がシリンダ軸線を中心に同一回転方向のスワールを発生させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２９１８２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、エンジン工具用のエンジンは小型で軽量なものが求められるのに対し、性能向上のために上述のようなスワールを発生させる機構を設けるとエンジンが大型化するうえ重量も増加し、さらにコストも上昇する。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、エンジンの大型化や重量増加、コストの上昇を抑制しながらエンジン出力の向上とともに排出ガス特性の改善を実現することができるエンジンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の第１の観点に係るエンジンは、シリンダと、前記シリンダ内で上死点と下死点との間を往復運動するピストンの頂面とにより囲まれて形成された燃焼室を有するエンジンにおいて、前記ピストンの頂面に対向する前記シリンダの壁面に複数の段差を一体に設けることを特徴とする。
【０００７】
また、前記シリンダには、前記ピストンの頂面に対向する前記シリンダの壁面から前記燃焼室内に電極部が突出するように点火プラグが設けられ、前記段差は前記電極部を基準に配列されることが好ましい。
【０００８】
さらに、上死点における前記ピストンの頂面と前記ピストンの頂面に対向する前記シリンダの壁面との間に、前記シリンダの軸線方向に所定寸法を有するスキッシュ部が形成されてもよい。
【０００９】
また、前記段差は、前記スキッシュ部の近傍に位置してもよい。
【００１０】
さらに、前記段差は、前記ピストンの頂面に対向する前記シリンダの壁面と前記壁面から突出する突起により構成されてもよい。
【００１１】
また、前記ピストンの頂面の前記突起と対向する位置に、前記ピストンが上死点近傍に位置する時に、前記突起の端部が前記凹部内に位置することが可能な凹部を形成してもよい。
【００１２】
さらに、前記突起は、前記ピストンの頂面に対向する前記シリンダの壁面の法線方向に突出してもよい。
【００１３】
また、前記突起は、前記シリンダの軸線方向に突出してもよい。
【００１４】
さらに、前記段差は、前記ピストンの頂面に対向する前記シリンダの壁面と前記壁面に形成された溝により構成されてもよい。
【００１５】
また、前記溝は、前記シリンダの軸線方向視において、前記シリンダの外縁近傍から前記電極部に向かって延びることが好ましい。
【００１６】
さらに、前記溝は、前記シリンダの軸線方向視において、前記電極部の近傍まで延びることが好ましい。
【００１７】
また、前記溝は、前記シリンダの軸線方向視において、円弧回転対称に設けられた弧状の溝であることが好ましい。
【００１８】
さらに、前記溝は、前記シリンダの軸線方向と平行な断面において、前記シリンダの壁面に対して凹状に形成されてもよい。
【００１９】
また、本発明の第２の観点に係るエンジン工具は、前記エンジンを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
以上のように本発明によれば、ピストンの頂面に対向するシリンダの壁面に複数の段差を一体に設けたので、ピストンが上昇する際、ピストンの頂面に対向するシリンダの壁面に沿って流れる混合気は段差により圧縮・膨張方向とは異なる混合気の流れを作ることで、乱流となる。このため、点火プラグにより点火されて混合気が燃焼し火炎が伝播する際、乱流により火炎の伝播が促進され燃焼速度が向上する。さらに、燃焼に伴って燃焼室の外縁に向かって膨張する混合気は再び段差により圧縮・膨張方向とは異なる混合気の流れを作ることで、乱流となり、より火炎の伝播が促進され燃焼速度が向上する。このため、燃焼室の圧力が上昇して高出力を得ることができるうえ、未燃焼のまま排気ポートから排出される混合気の量を低減して低排出ガス特性を実現でき、エンジンの大型化や重量増、コストの上昇を抑えながらエンジン性能を向上することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る２サイクルエンジンの断面図を示す。
【図２】本発明の第１実施形態に係るエンジンのピストンが上死点近傍にある場合の燃焼室部分の拡大図を示す。
【図３】本発明の第１実施形態に係るエンジンの点火プラグを取り付けた状態のシリンダブロックの底面図を示す。
【図４】本発明の第２実施形態に係るエンジンのピストンが上死点近傍にある場合の燃焼室部分の拡大図を示す。
【図５】本発明の第２実施形態に係るエンジンの点火プラグを取り付けた状態のシリンダブロックの底面図を示す。
【図６】本発明の第２実施形態の変形実施形態に係るエンジンの燃焼室部分の要部拡大図を示す。
【図７】本発明の第３実施形態に係る２サイクルエンジンの断面図を示す。
【図８】本発明の第３実施形態に係るエンジンのピストンが上死点近傍にある場合の燃焼室部分の拡大図を示す。
【図９】本発明の第３実施形態に係るエンジンの点火プラグを取り付けた状態のシリンダブロックの底面図を示す。
【図１０】本発明に係るエンジンを搭載した刈払機の斜視図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための第１の実施形態を添付図面に沿って説明する。図１は本発明を層状掃気２サイクルエンジンに適用した場合の層状掃気２サイクルエンジン（以下エンジン）１のシリンダ軸線７を含み排気ポート８を２分割する位置での断面図である。図２は燃焼室４部分を拡大した断面図、図３は点火プラグ２を取り付けた状態のシリンダブロック１０の底面図である。また、図１０は図１のエンジン１を搭載した刈払機１００１を示す図である。
【００２３】
図１０に示すように、刈払機１００１は、操作桿１００２の先端に回転刃１００３、後端にエンジン１を備えている。エンジン１の出力は、操作桿１００２内に挿通させたドライブシャフトを介して回転刃１００３に供給される。操作者は操作桿１００２に取り付けられたハンドル１００４を把持して操作する。
【００２４】
図１に示すように、エンジン１はシリンダブロック１０とクランクケース１３を備えている。シリンダブロック１０にはシリンダボア３が形成される。シリンダボア３の内部には、ピストン９がシリンダ軸線７方向に上死点と下死点の間で往復運動可能に、つまり、図１において上下動可能に収容される。なお、特に断わらない限り、下死点から上死点に向かう方向を上方、その逆を下方とする。図１では、ピストン９が下死点にある状態を示している。また、図１に示すように、シリンダボア３の内周面には排気ポート８と、吸気ポート１５と、４つの掃気ポート１６（図３に示すように、２つの掃気ポート１６がシリンダ径方向に対向して配置される）が開口し、ピストン９によって開閉する。掃気ポート１６はシリンダブロック１０に形成された掃気通路２６を介してクランク室１９に接続する。
【００２５】
シリンダブロック１０の下方の端部にはクランクケース１３が取り付けられ、シリンダボア３とクランクケース１３内のクランク室１９とは連通する。ピストン９はコンロッド１２を介してクランクケース１３内に回転可能に支持されたクランク軸１４に連結される。クランク軸１４にはクランクウエイト１１が取り付けられている。略平坦に形成されたピストン９の頂面（ピストン頂面）２４と、シリンダボア３の内周壁２０と、シリンダボア３のピストン頂面２４と対向する上部壁面５とによって、ドーム部２１とスキッシュ部１７を備えたスキッシュドーム型の燃焼室４が形成される。点火プラグ２はシリンダブロック１０の上方の端部に取り付けられ、点火プラグ２の電極部１８は燃焼室４のドーム部２１の上端部でシリンダ軸線７上に位置する。
【００２６】
次に、燃焼室４の詳細について説明する。図２、３に示すように、燃焼室４のドーム部２１は、シリンダボア３の上部壁面５の傾斜面２２により、下死点に向かって内径が大きくなる略円錐台形状を有する。また、傾斜面２２の縁部は周縁面２３に連なり、周縁面２３はシリンダ軸線７と垂直でピストン頂面２４と略平行に対向する。燃焼室４のスキッシュ部１７は、周縁面２３とシリンダボア３の内周壁２０とピストン頂面２４とにより、ドーム部２１の下方に環状に形成される。また、ピストン９が上死点にある場合、スキッシュ部１７のピストン頂面２４と周縁面２３とはシリンダ軸線７方向に所定のスキッシュクリアランスを有して対向する。そして、傾斜面２２には、複数の段差を構成する突起６がシリンダブロック１０と一体に形成されている。突起６は、シリンダ軸線７方向視において電極部１８を中心に同心円状に等間隔に配置される。また、突起６は略円柱状で、傾斜面２２の法線方向に突出する。なお、突起６の下端は、上死点におけるピストン頂面２４に対して十分なクリアランスを有している。また、突起６は電極部１８と傾斜面２２の外縁（周縁面２３との境界）との中間よりも傾斜面２２の外縁側に偏移して配置され、突起６の下端部はスキッシュ部１７の近傍に位置する。なお、図２において、突起６の下端は、シリンダ軸線７方向において、周縁面２３と上死点におけるピストン頂面２４との間に位置しているが、突起６の下端はシリンダ軸線７方向において周縁面２３よりも上方に位置していてもよい。
【００２７】
次に、上述のエンジン１の作動について説明する。ピストン９が下死点から上死点に向かって上昇する際には、混合気が吸気ポート１５からクランク室１９内に吸入される一方、燃焼室４で混合気が圧縮される。ピストン９が上死点近傍に達すると、燃焼室４内の混合気は点火プラグ２により着火されて燃焼し、上死点に達したピストン９を下死点に向かって押し下げる。ピストン９が上死点から下死点に向かって下降する際には、まず排気ポート８が燃焼室４と連通し、燃焼ガスが燃焼室４から排出される。続いて、掃気ポート１６が燃焼室４と連通し、ピストン９により圧縮されたクランク室１９内の混合気が燃焼室４に流入する。そして、流入した混合気は、燃焼室４に残った燃焼ガスを排出する。
【００２８】
ピストン９が上死点に向かって移動すると、燃焼室４の混合気には上方に向かう流れが生じる。エンジン１にはスキッシュ部１７が設けられているため、ピストン９が上死点直前にくると、図２、図３に矢印で示すように、スキッシュ部１７内の混合気はシリンダボア３の中心（シリンダ軸線７）に向かって押し出され、傾斜面２２に沿って上方に向かって流れる。傾斜面２２には突起６が形成されているため、傾斜面２２に沿ってシリンダボア３の中心に向かって流れる混合気は突起６に衝突し、突起を避けて圧縮・膨張方向と異なる混合気の流れを作り出すことで、混合気の流れは乱流となる。点火プラグ２により電極部１８周辺の混合気に点火されると混合気が燃焼し、火炎が伝播する。この時、突起６により生じた乱流により、火炎の伝播が促進され燃焼速度が向上する。そして、燃焼に伴って燃焼室４の外縁に向かって膨張する混合気は再び突起６に衝突し、突起を避けて圧縮・膨張方向と異なる混合気の流れを作り出すことで、乱流が生じる。このため、より火炎の伝播が促進され燃焼速度が向上する。この結果、燃焼室４の圧力が上昇し、高出力を得ることができる。また、燃焼速度の向上により未燃焼のまま排気ポート８から排出される混合気の量を低減することができ低排出ガス特性を実現することもできる。さらに、突起６の下端はスキッシュ部１７の近傍に位置するので、スキッシュ部１７近傍の流速の早い混合気が突起６に衝突することになり、効果的に乱流を発生させることもできる。また、突起６が点火プラグ２の電極部１８を中心にシリンダ軸線７方向視において同心円状に配置されているので、点火プラグ２周辺に均等な強さの乱流を発生させることができ、偏った燃焼によるピストン９やシリンダブロック１０の変形等を防止することができる。
【００２９】
以上より、上述のエンジン１では、大型化や重量増、コスト上昇を伴う複雑な構造を必要とすること無しに、燃焼室４に突起６を形成するという比較的単純な構造により、小型、軽量を維持したまま、低コストで高出力かつ低排出ガス特性を得ることができる。なお、突起６の数、突出量、および傾斜面２２における位置は、エンジン１の所望の出力や排出ガス特性が得られるように、実験やシミュレーション等を用いて適宜決定することができる。また、エンジン１はスキッシュ部１７を有することによりスキッシュ部１７からの流速の速い混合気を突起６と衝突させて乱流を発生させることで燃焼速度を向上させているが、必ずしもスキッシュ部１７を設ける必要は無く、周縁面２３が無いエンジンにも本発明は適用可能である。
【００３０】
次に、本発明の第２実施形態に係るエンジンについて図４、図５に基づいて説明する。上述の実施形態では、突起６は傾斜面２２の法線方向に突出しているが、突起６の突出方向はこれに限られるものでは無い。例えば、図４、図５に示すように、突起１０６はシリンダ軸線７方向に突出するようにしてもよい。この場合、突起１０６は電極部１８と傾斜面２２の外縁（周縁面２３との境界）との中間よりも傾斜面２２の外縁側に偏移して配置され、突起６の下部はスキッシュ部１７の近傍に位置する。なお、図４において、突起１０６の下端は、シリンダ軸線７方向において、周縁面２３と上死点におけるピストン頂面２４との間に位置しているが、突起１０６の下端はシリンダ軸線７方向において周縁面２３より上方に位置していてもよい。この場合、突起１０６は第１実施形態における突起６よりもスキッシュ部１７の近くに位置する。このため、スキッシュ部１７からの流速の早い流れが突起１０６に衝突することになり、より効果的に乱流を発生させることができる。したがって、火炎の伝播が促進されて燃焼速度が向上し、第１実施形態と同様に高出力で低排出ガス特性のエンジン１を実現することができる。また、突起１０６はシリンダ軸線７方向に突出しているので、シリンダブロック１０の鋳造を容易に行なうことができ、製造コストをより抑えることもできる。
【００３１】
また、上述の第１および第２の実施形態では、ピストン頂面２４は略平坦であったが、ピストン頂面２４の形状はこれに限られるものでは無い。例えば、図６に示すように、突起１０６に対向するピストン頂面２２４の部分に複数の凹部２２５を形成し、ピストン９が上死点に位置する際に、突起１０６の下端が、ピストン頂面２２４に形成された凹部２２５に入り込むようにしても良い。この場合には、ピストン頂面２４が平坦な場合と比べて、スキッシュクリアランスを小さくすることができるため、スキッシュ流が強くなり、燃焼室４により強い乱流が発生する。したがって、火炎の伝播が促進されて燃焼効率が向上する。なお、突起１０６はシリンダ軸線７方向に突出するものに限られるものでは無い。例えば、第１実施形態のように突起１０６は傾斜面２２の法線方向に突出するものでもよく、この場合にはピストン頂面２２４の凹部を突起１０６下端の形状に応じて加工すればよい。
【００３２】
なお、突起６、１０６の形状は円柱形状に限られるものでは無く、例えば、半球状、円錐台状、三角柱状、四角柱状等であっても良い。また、燃焼室４の形状はスキッシュドーム型に限られるものでは無く、半球型、くさび型等様々な形状の燃焼室４であっても良く、スキッシュ部１７が無い型のものでも良い。さらに、上述の実施形態ではシリンダブロック１０とシリンダヘッドが一体に構成されていたが、シリンダブロック１０とシリンダヘッドとが別部品として構成されていても良い。さらに、エンジン１は２サイクルエンジンに限られるものでは無く、４サイクルエンジン等であっても良い。また、突起６、１０６の配置は電極部１８に対して同心円状に等間隔の配置に限られるものでは無く、例えば各突起６、１０６が電極部１８に対してほぼ同一の間隔を有するものの等間隔に並んでいないものであってもよい。
【００３３】
次に、本願発明の第３実施形態に係るエンジンについて、図７乃至図９に基づいて説明する。このエンジン１では、上述のシリンダボア３の上部壁面５の傾斜面２２に設けられていた突起６、１０６に代わって、溝２０６を設けたものである。図７はエンジン１のシリンダ軸線７を含み排気ポート８を２分割する位置での断面図、図８は燃焼室４部分を拡大した断面図、図９は点火プラグ２を取り付けた状態のシリンダブロック１０の底面図である。なお、図１乃至図６と同一の部材には同一の符号を付して、説明は省略する。
【００３４】
図７、図８に示すように、燃焼室４のシリンダボア３の上部壁面５の傾斜面２２には、複数の溝２０６が形成されて段差を構成する。溝２０６は、図９に示すように、シリンダ軸線７方向視において、スキッシュ部１７を形成するシリンダボア３の傾斜面２２の周縁面２３から点火プラグ２に向かって近傍まで延び、電極部１８を中心に回転対称に等間隔に配置される。それぞれの溝２０６は円弧形状を有し、点火プラグ２の近傍の端部２０６ｂの延長が電極部１８に向かうように配置される。また、図７、８に示すように、それぞれの溝２０６は、傾斜面２２に対する深さが周縁面２３側の端部２０６ａと点火プラグ２側の端部２０６ｂでは浅く、両端部２０６ａ、２０６ｂから離れるに従って徐々に深くなり、シリンダ軸線７と平行な断面視において、傾斜面２２に対して凹形状を成すように形成される。
【００３５】
次に、本実施形態のエンジン１の燃焼室４内の流れについて説明する。ピストン９が上死点に向かって移動すると、燃焼室４内の混合気には上死点方向へ向かう流れが生じる。そして、ピストン９が上死点直前にくると、混合気は、図８、９に太い矢印で示すように、スキッシュ部１７からシリンダボア３の中心（シリンダ軸線７）に向かって押し出され、傾斜面２２に沿って流れる。傾斜面２２には、溝２０６が形成されているので、混合気の一部は溝２０６内に流入する。ここで、溝２０６は、傾斜面２２に対して凹形状を成し、スキッシュ部１７側の端部は浅くなっているので、混合気が流入し易くなっている。溝２０６に流入することで溝２０６の深さ方向に圧縮・膨張方向とは異なる流れを形成した混合気は、図９に点線の矢印で示されるように、円弧状の溝２０６に沿って曲げられた後に点火プラグ２に向かって流出する。溝２０６と傾斜面２２との境界では、溝２０６に流入した混合気と傾斜面２２を通る混合気との速度差によって乱流状態となる。また、傾斜面２２を通る混合気と溝２０６の端部２０６ｂから流出する流れ方向の異なる混合気が衝突することにより点火プラグ２の近傍で乱流が生じる。さらに、円弧状に形成された溝２０６を通過した混合気は溝２０６に沿って渦を生成しながら流れることで、傾斜面２２に沿って流れた混合気を巻き込んで点火プラグ２の近傍で衝突し、点火プラグ２の電極部１８の周辺には乱流が発生する。これにより、点火プラグ２により混合気に点火されると、火炎の伝播が促進され、燃焼速度が向上する。そして、燃焼に伴って燃焼室４の外縁に向かって膨張する混合気の一部は再び溝２０６に流入して溝２０６と傾斜面２２との境界及び端部で乱流状態を生成する。さらに、円弧状の溝２０６に沿って曲げられた後、傾斜面２２に沿って流れた混合気と衝突して乱流が生じる。このため、より火炎の伝播が促進され燃焼速度が向上する。この結果、燃焼室４の圧力が上昇し、高出力を得ることができる。また、燃焼速度の向上により未燃焼のまま排気ポート８から排出される混合気の量を低減することができ低排出ガス特性を実現することもできる。
【００３６】
なお、溝２０６はシリンダ軸線７方向視において円弧状に形成されるものに限られるものでは無く、例えば、点火プラグ２側の端部が電極部１８近傍を向くように直線状の溝を屈曲して組み合わせた形状であってもよい。また、溝２０６の数、溝２０６の傾斜面２２に対する深さ、溝２０６の円弧の曲率等は所望のエンジン性能が得られるように、実験やシミュレーション等により適宜決定することができる。
【符号の説明】
【００３７】
１  エンジン
２  点火プラグ
３  シリンダボア
４  燃焼室
６、１０６  突起
７  シリンダ軸線
８  排気ポート
９  ピストン
１０  シリンダブロック
１２  コンロッド
１３  クランクケース
１５  吸気ポート
１６  掃気ポート
１７  スキッシュ部
１８  電極部
２０６  溝
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010151114.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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