(57)【要約】【課題】スワール生成ガイドが形成されたピストンが上死点に到達した際におけるシリンダヘッドとピストンとの間に隙間が生じないようにした内燃機関を提供する。【解決手段】  ピストン１には、シリンダに供給された空気の流れをスワール流に変換させ、ピストン１の上面に開口して形成された燃焼室３に案内するスワール生成ガイド４Ａ〜４Ｄがピストンの上面１に対して段差をもって形成されている。また、シリンダヘッド２における１ピストンに対向する位置に、ピストン１のシリンダヘッド２側への移動時に、スワール生成ガイド４Ａ〜４Ｄにおける段差によって生じる隙間を充填する隙間充填部材５Ａ〜５Ｄが設けられている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッドとピストンとを備え、前記シリンダヘッドと前記ピストンとの間に空気が供給される内燃機関において、
供給された前記空気の流れをスワール流に変換させ、前記ピストンの上面に開口して形成された燃焼室に案内するスワール生成ガイドが前記ピストンの上面に対して段差をもって形成されており、
前記シリンダヘッドにおける前記ピストンに対向する位置に、前記ピストンの前記シリンダヘッド側への移動時に、前記スワール生成ガイドにおける段差によって生じる隙間を充填する隙間充填部材が設けられていることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記シリンダヘッドと前記ピストンとの間に向けて往復動するバルブが設けられており、
前記バルブには、前記バルブが前記シリンダヘッドに納まる状態のときに、前記スワール生成ガイドにおける段差によって生じる隙間を充填する補助隙間充填部材が設けられている請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記バルブに、前記バルブの回転を防止する回転止め部材が設けられている請求項２に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に係り、特に、スワール流を好適に供給するとともに、圧縮比が小さくならないようにした内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、直接噴射式のディーゼルエンジンは、シリンダヘッドとピストンとを備えており、シリンダヘッドのピストンとの間には空気が供給される。このエンジンには燃料噴射ノズルが設けられており、燃料噴射ノズルは、燃焼室の開口部近傍周壁に燃料を噴射している。燃焼室では、燃料噴射ノズルから噴射された燃料が、圧縮工程で生じるスワールにより、燃焼室内に噴霧分布させられて燃焼させられている。このようなスワールを好適に形成する直接噴射式のディーゼルエンジンの燃焼室として、たとえば特開平９−３０３１４９号公報に開示されたものがある。この燃焼室は、ピストンの上面から燃焼室の開口部にかけて深さが徐々に増大するとともに、増大するに伴いその外縁がスワール流方向に沿って絞られ開口部に開口して連通する溝を設け、溝の開口部に噴射ノズルから燃料が噴射されるように溝を配置したものである。
【特許文献１】特開平９−３０３１４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、上記特許文献１に記載された内燃機関では、スワール流を燃焼室に流入させるために、ピストンの上面に溝を形成している。このため、ピストンが上死点に到達した際に、シリンダヘッドとピストンの上面との間における隙間が大きくなってしまい、無駄な容積が増えて空気利用率の低下を招く問題があった。また、この隙間が生じることから、圧縮比を上げることが難しくなり、その結果熱効率の悪化を招くという問題があった。
【０００４】
そこで、本発明の課題は、ピストンが上死点に到達した際におけるシリンダヘッドとピストンとの間に隙間が生じないようにして、空気利用率の低下および熱効率の悪化を防止しながら、燃焼室に好適にスワール流を供給することができる内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決した本発明に係る内燃機関は、シリンダヘッドとピストンとを備え、シリンダヘッドとピストンとの間に空気が供給される内燃機関において、供給された空気の流れをスワール流に変換させ、ピストンの上面に開口して形成された燃焼室に案内するスワール生成ガイドがピストンの上面に対して段差をもって形成されており、シリンダヘッドにおけるピストンに対向する位置に、ピストンのシリンダヘッド側への移動時に、スワール生成ガイドにおける段差によって生じる隙間を充填する隙間充填部材が設けられているものである。
【０００６】
本発明に係る内燃機関においては、ピストンの上面に開口して形成された燃焼室にスワール流を案内するスワール流生成ガイドがピストンの上面に段差を持って形成されている。このため、燃焼室に好適にスワール流を供給することができる。また、本発明に係る内燃機関においては、シリンダヘッドに対向する位置に、ピストンがシリンダヘッド側に移動したときにスワール流生成ガイドにおける段差によって生じる隙間を充填する隙間充填部材が設けられている。このため、ピストンが上死点に達したときでも、スワール流生成ガイドにおける段差によって生じる隙間をこの隙間充填部材で充填することができるので、無駄な容積の発生を防止し、空気利用率の低下を防止することができる。また、その隙間の発生を防止することができるので、圧縮比の低下およびそれに伴う熱効率の悪化を防止することができる。
【０００７】
また、シリンダヘッドとピストンとの間に向けて往復動するバルブが設けられており、バルブには、バルブがシリンダヘッドに納まる状態のときに、スワール生成ガイドにおける段差によって生じる隙間を充填する補助隙間充填部材が設けられている態様とするのが好適である。
【０００８】
内燃機関には、シリンダヘッドとピストンとの間に向けて往復動するバルブが設けられたものがある。このような内燃機関では、ピストンにもスワール流生成ガイドにおける段差によって生じる隙間を生める補助隙間充填部材を設けることにより、ピストンがシリンダヘッド側に移動したときにスワール流生成ガイドにおける段差によって生じる隙間を充填することができる。したがって、ピストンが上死点に達したときにおける無駄な容積の発生による空気利用率の低下および隙間の発生による圧縮比の低下およびそれに伴う熱効率の悪化を好適に防止することができる。
【０００９】
ここで、バルブに、バルブの回転を防止する回転止め部材が設けられている態様とするのが好適である。
【００１０】
バルブに補助隙間充填部材を設けた際に、バルブが回転してしまうと、補助隙間充填部材がスワール生成ガイドにおける段差によって生じる隙間からずれてしまい、補助隙間充填部材が隙間に入らなくなってしまう。そこで、バルブに回転止め部材を設けることにより、バルブの回転を防止することができるので、ピストンが上昇した際に補助隙間充填部材がスワール生成ガイドにおける段差によって生じる隙間を確実に充填することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る内燃機関によれば、ピストンが上死点に到達した際におけるシリンダヘッドとピストンとの間に隙間が生じないようにして、空気利用率の低下および熱効率の悪化を防止しながら、燃焼室に好適にスワール流を供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各実施形態において、同一の機能を有する部分については同一の符号を付し、重複する説明は省略することがある。
【００１３】
図１は、本発明の第１の実施形態に係るエンジンにおけるピストンの斜視図、図２は、シリンダヘッドの斜視図である。本実施形態に係るエンジンは、たとえば直接噴射式ディーゼル機関に用いられるものであり、図１に示すように、本実施形態に係る内燃機関であるエンジンにおけるピストン１は、円筒形状をなしており、図２に仮想線で示すシリンダヘッド２の下方に設けられた図示しないシリンダブロックに形成されたシリンダの内壁面に沿って摺動しながら上下動する。このピストン１には、その上面に開口した開口部１Ｂを備える燃焼室３が形成されている。開口部１Ｂは、ピストン１の外周円と同心状に配置されて形成されている。燃焼室３は、だ円体をなす空間によって形成されている。
【００１４】
また、ピストン１における上面１Ａには、上面１Ａの外周円の中心から見てそれぞれ９０度に等間隔で離間して配置された４つのスワール生成ガイド４Ａ〜４Ｄが突設されている。このように、これらのスワール生成ガイド４Ａ〜４Ｄはピストン１における上面１Ａに対して段差を持って形成されている。また、これらのスワール生成ガイド４Ａ〜４Ｄは、いずれも同一の形状をなしており、その形状を、第一スワール生成ガイド４Ａを用いて説明する。
【００１５】
第一スワール生成ガイド４Ａは、平面視した形状が第一辺４１Ａ、第二辺直線部４２Ａ、第二辺円弧部４３Ａ、および第三辺４４Ａによって囲まれる形状をなす柱状体からなる。そのうちの第一辺４１Ａは、ピストン１の上面１Ａにおける外周縁に沿って形成された円弧状をなし、その長さがおよびピストン１の上面１Ａにおける外周縁の長さ全体のおよそ八分の一とされている。また、第二辺のうちの第二辺直線部４２Ａは、その一端部が第一辺４１Ａの一端部に接続され、ピストン１に形成された開口部１Ｂの縁まで伸びて、第二辺直線部４２Ａの他端部が開口部１Ｂ上に位置する直線状をなしている。第二辺直線部４２Ａの他端部は、その一端部から見て、ピストン１の外周円の中心から見ておよそ９０度回転した位置における開口部１Ｂの上に位置している。第二辺円弧部４３Ａは、その一端部が第二辺直線部４２Ａの他端部に接続され、開口部１Ｂの中心から見ておよそ３０度回転した位置にその他端部が配置されている。第三辺４４Ａは、第一辺４１Ａの他端部と第二辺円弧部４３Ａの他端部とを結ぶ直線状をなしている。
【００１６】
また、第二〜第四スワール生成ガイド４Ｂ〜４Ｄも同様に、それぞれ第一辺４１Ｂ〜４１Ｄ、第二辺直線部４２Ｂ〜４２Ｄ、第二辺円弧部４３Ｂ〜４３Ｄ、第三辺４４Ｂ〜４４Ｄによって囲まれた柱状をなしている。
【００１７】
一方、図２に示すように、仮想線で示すシリンダヘッド２におけるピストン１側の面には、ピストン１がシリンダヘッド２側へ移動するように上昇し、たとえば上死点に達したときに、スワール生成ガイド４Ａ〜４Ｄにおける段差によって生じる隙間を充填する４つの隙間充填部材５Ａ〜５Ｄが設けられている。ピストン１が上昇すると、第一スワール生成ガイド４Ａと第二スワール生成ガイド４Ｂとの間の隙を第一隙間充填部材５Ａが充填し、第二スワール生成ガイド４Ｂと第三スワール生成ガイド４Ｃとの間の隙間を、第二隙間充填部材５Ｂが充填する。また、第三スワール生成ガイド４Ｃと第四スワール生成ガイド４Ｄとの間の隙間を、第三隙間充填部材５Ｃが充填し、第四スワール生成ガイド４Ｄと第一スワール生成ガイド４Ａとの間の隙間を、第四隙間充填部材５Ｄが充填する。
【００１８】
これらの隙間充填部材５Ａ〜５Ｄは、いずれも同一の形状をなしており、平面視した形状が、スワール生成ガイド４Ａ〜４Ｄ同士の間に形成された隙間の平面視した形状とほぼ同一形状とされている。その具体的な形状を、第一隙間充填部材５Ａを用いて説明する。
【００１９】
第一隙間充填部材５Ａは、平面視した形状が第一辺５１Ａ、第二辺直線部５２Ａ、第二辺円弧部５３Ａ、および第三辺５４Ａによって囲まれる形状をなす柱状体からなる。そのうちの、第一辺５１Ａは、ピストン１の上面１Ａにおける外周縁に沿って形成された円弧状をなし、その長さがおよびピストン１の上面１Ａにおける外周縁の長さ全体のおよそ八分の一とされている。また、第二辺のうちの第二辺直線部５２Ａは、その一端部が第一辺５１Ａの一端部に接続され、ピストン１に形成された開口部１Ｂの縁に対応する位置まで伸びて、第二辺直線部５２Ａの他端部が開口部１Ｂ上に位置する直線状をなしている。第二辺直線部５２Ａの他端部は、その一端部から見て、ピストン１の外周円の中心から見ておよそ９０度回転した位置における開口部１Ｂの上に対応する点に位置している。第二辺円弧部５３Ａは、その一端部が第二辺直線部５２Ａの他端部に接続され、開口部１Ｂの中心から見ておよそ３０度回転した位置にその他端部が配置されている。第三辺５４Ａは、第一辺５１Ａの他端部と第二辺円弧部５３Ａの他端部とを結ぶ直線状をなしている。
【００２０】
また、第二〜第四隙間充填部材５Ｂ〜５Ｄも同様に、それぞれ第一辺５１Ｂ〜５１Ｄ、第二辺直線部５２Ｂ〜５２Ｄ、第二辺円弧部５３Ｂ〜５３Ｄ、および第三辺５４Ｂ〜５４Ｄによって囲まれた柱状をなしている。
【００２１】
このように、隙間充填部材５Ａ〜５Ｄは、スワール生成ガイド４Ａ〜４Ｄと同一の形状を有している。このため、隙間充填部材５Ａ〜５Ｄも、スワール流の生成に寄与するものである。
【００２２】
他方、シリンダヘッド２には吸気孔が形成されており、シリンダブロックのシリンダ内におけるピストン１とシリンダヘッド２との間に空気を供給する。また、シリンダヘッド２には排気孔が形成されており、シリンダブロックのシリンダ内における空気を排出する。さらに、シリンダヘッド２には、燃料を噴射する燃料噴射ノズルが設けられているとともに、燃料噴射ノズルが燃料を噴射した際に、燃料が通過するインジェクタ穴が形成されている。燃料噴射ノズルから噴出された燃料は、インジェクタ穴を通過してシリンダブロックのシリンダ内におけるピストン１に形成された燃焼室３に噴射される。また、スワール生成ガイド４Ａ〜４Ｄは、燃焼室３の周囲、すなわち燃焼室３から外れた位置に配置されており、インジェクタ穴に対して干渉しない、非干渉位置に配置されている。そのほか、シリンダヘッド２には点火プラグが設けられている。
【００２３】
以上の構成を有する本実施形態に係るエンジンにおける作用について説明する。本実施形態に係るエンジンでは、ピストン１の圧縮工程時に空気が流入する。ここで、ピストン１およびシリンダヘッド２にそれぞれスワール生成ガイド４Ａ〜４Ｄおよび隙間充填部材５Ａ〜５Ｄが設けられていない場合には、図３（ａ）に示すように、流入される空気がスキッシュ流ＳＫとなる。このようなスキッシュ流ＳＫでは、燃焼室３内での空気の噴霧拡散があまり期待できず、燃焼室３内において燃料を良好に燃焼できないことがあった。
【００２４】
これに対して、本実施形態に係るエンジンにおけるピストン１およびシリンダヘッド２には、それぞれスワール生成ガイド４Ａ〜４Ｄおよび隙間充填部材５Ａ〜５Ｄが設けられている。このため、圧縮工程でシリンダに供給された空気は、スワール生成ガイド４Ａ〜４Ｄおよび隙間充填部材５Ａ〜５Ｄによって、図３（ｂ）に示すように、スワール流ＳＷに変換されて燃焼室３に供給される。したがって、爆発工程で燃焼室３に供給される燃料に空気が良好に噴霧拡散することができる。また、ポートで生成するスワールを抑制することができるので、その分流量係数を向上させることができ、ポンプ損を低減することができ、もって燃費改善、出力向上に寄与することができる。
【００２５】
さらに、本実施形態に係るエンジンでは、ピストン１が上死点に達すると、ピストン１がシリンダヘッド２に近づく。このとき、ピストン１に形成されたスワール生成ガイド４Ａ〜４Ｄと、シリンダヘッド２に形成された隙間充填部材５Ａ〜５Ｄは、互いにかみ合い、スワール生成ガイド４Ａ〜４Ｄの間の隙間に、それぞれ隙間充填部材５Ａ〜５Ｄが充填される。このため、ピストン１が上死点に到達したときのピストン１とシリンダヘッド２との間の空間を広くなりすぎないようにすることができる。したがって、無駄な容積の増加に伴う空気利用率の低下および圧縮比を上げることが困難となることによる熱効率の悪化などを好適に防止することができる。
【００２６】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図４は、本発明の第２の実施形態に係るエンジンのシリンダヘッドを示す斜視図である。本実施形態に係るエンジンは、２バルブ直噴式ディーゼルエンジンであり、図４に示すように、本実施形態に係るエンジンにおけるシリンダヘッド１０には、２本のバルブ１１，１２が設けられている。また、シリンダヘッド１０の下方には、上記第１の実施形態と同様のシリンダブロックが設けられており、シリンダブロックにおけるシリンダには、スワール生成ガイド４Ａ〜４Ｄが上面にされたピストン１が設けられている。また、バルブ１１，１２は、いずれもシリンダヘッド２とピストン１との間に向けて往復動するものである。
【００２７】
シリンダヘッド１０におけるピストン１側の面には、ピストン１がシリンダヘッド２側へ移動するように上昇したときに、スワール生成ガイド４Ａ〜４Ｄにおける段差によって生じる隙間を充填する４つの隙間充填部材６Ａ〜６Ｄが設けられている。４つの隙間充填部材６Ａ〜６Ｄのうち、第二隙間充填部材６Ｂおよび第四隙間充填部材６Ｄは、上記第１の実施形態における隙間充填部材５Ａ〜５Ｄと同一の形状を有している。また、第一隙間充填部材６Ａおよび第三隙間充填部材６Ｃは、上記第１の実施形態における隙間充填部材５Ａ〜５Ｄの形状を、それぞれバルブ１１，１２の外周に対応する線で切り取った形状を切り欠いた形状に形成されている。
【００２８】
また、バルブ１１，１２のタペット下面には、図５にも示すように、補助隙間充填部材７Ａ，７Ｃがそれぞれ設けられている。補助隙間充填部材７Ａ，７Ｃは、同一の形状をなしており、それぞれ第一隙間充填部材６Ａおよび第三隙間充填部材６Ｃの並べられたときに、上記第一の実施形態における隙間充填部材５Ａ〜５Ｄの形状と同一の形状となる形状を有している。その他の点については、上記第１の実施形態と同様の構成を有している。
【００２９】
以上の構成を有する本実施形態に係るエンジンでは、バルブ１１，１２が設けられている。このため、このバルブ１１，１２の直下に燃焼室３がある場合には、シリンダヘッド２の下面側だけではスワール生成ガイド４Ａ〜４Ｄの間の隙間を完全に充填するように隙間充填部材を設けることができる。
【００３０】
そこで、本実施形態では、バルブ１１，１２におけるタペットの下面に補助隙間充填部材７Ａ，７Ｃを設けている。そして、ピストン１が上昇したときに、この補助隙間充填部材７Ａ，７Ｃが、シリンダヘッド２のピストン１側の面に設けられた隙間充填部材６Ａ〜６Ｄとともに、ピストン１に形成されたスワール生成ガイド４Ａ〜４Ｄの段差によって生じた隙間を充填する。したがって、燃焼室３に好適にスワール流を供給することができる。しかも、ピストン１が上死点に到達した際におけるシリンダヘッド２とピストン１との間に隙間が生じないようにして、空気利用率の低下および熱効率の悪化を防止することができる。
【００３１】
また、本実施形態では、図６に示すようなバルブの回転を止める回転止め部材が設けられた態様とすることができる。図６に示すように、回転止め部材が設けられたバルブ１３には、バルブ１３におけるロッド１３Ａ部分にボス１４，１５が設けられている。また、図４に示すシリンダヘッド２には、これらのボス１４，１５がそれぞれ嵌め込まれる案内溝が形成されている。この案内溝は、バルブ１３の移動方向に沿って形成され、ボス１４，１５の移動方向を規制してバルブ１３の移動方向を規制している。
【００３２】
回転止め部材として、このようなボス１４，１５および案内溝を形成することにより、バルブ１３の回転を防止することができる。このように、バルブ１３の回転を防止することにより、ピストンが上昇した際に補助隙間充填部材がスワール生成ガイドにおける段差によって生じる隙間からずれることがなく、その隙間を確実に充填することができる。したがって、より確実にピストンが上死点に達したときにおける無駄な容積の発生による空気利用率の低下および隙間の発生による圧縮比の低下およびそれに伴う熱効率の悪化を好適に防止することができる。
【００３３】
また、本実施形態では、２バルブ式のエンジンについて説明したが、本実施形態の変形例として、たとえば４バルブ式のエンジンに用いることもできる。図７は、第２の実施形態に係るエンジンの変形例を示す要部底面図である。
【００３４】
図７に示すように、本実施形態に係るエンジンのシリンダヘッド２１には、４つのバルブ２２〜２５が設けられている。シリンダヘッド２１の下面には、隙間充填部材８Ａ〜８Ｄが設けられ、各バルブ２２〜２５のタペットの裏面には、それぞれ補助隙間充填部材９Ａ〜９Ｄが設けられている。シリンダヘッド２１の下側には、上記第１の実施形態と同様のスワール生成ガイド４Ａ〜４Ｄが上面に設けられたピストン１（図１）が配置されている。隙間充填部材８Ａ〜８Ｄおよび補助隙間充填部材９Ａ〜９Ｄは、ピストン１の外周に対応する円２６を境としてそれぞれ互いに並べられており、隙間充填部材８Ａ〜８Ｄおよび補助隙間充填部材９Ａ〜９Ｄがそれぞれ並べられて、上記第１の実施形態に示す隙間充填部材５Ａ〜５Ｄとそれぞれ同一の形状とされる。なお、シリンダヘッドの中心部には、燃料噴射ノズルから噴射される燃料が通過するインジェクタ穴２７が形成されている。
【００３５】
このような４バルブ式エンジンでも、バルブ２２〜２５の直下の位置に燃焼室３があり、シリンダヘッド２１の下面に形成された隙間充填部材８Ａ〜８Ｄのみでは、スワール生成ガイド４Ａ〜４Ｄ間の隙間を完全に充填することができない。しかし、バルブ２２〜２５におけるタペットに、それぞれ補助隙間充填部材９Ａ〜９Ｄを設けることにより、隙間充填部材８Ａ〜８Ｄおよび補助隙間充填部材９Ａ〜９Ｄにより、スワール生成ガイド４Ａ〜４Ｄ間の隙間を完全に充填することができる。したがって、ピストンが上死点に達したときにおける無駄な容積の発生による空気利用率の低下および隙間の発生による圧縮比の低下およびそれに伴う熱効率の悪化を好適に防止することができる。
【００３６】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。たとえば、上記実施形態ではピストンの上面にスワール生成ガイドを突起によって形成しているが、溝などで形成することができる。この場合の隙間補充部材は、溝として切り欠かれた形状と略同一の形状かそれよりも一回り小さい形状の突出部材とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】第１の実施形態に係るエンジンにおけるピストンの斜視図である。
【図２】シリンダヘッドの斜視図である。
【図３】（ａ）は、スキッシュ流による燃焼室への空気の流れを示す模式図、（ｂ）は、スワール流による燃焼室への空気流れを示す模式図である。
【図４】第２の実施形態に係るエンジンのシリンダヘッドを示す斜視図である。
【図５】バルブの斜視図である。
【図６】バルブの変形例の斜視図である。
【図７】第２の実施形態に係るエンジンの変形例を示す要部底面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１…ピストン、１Ａ…上面、１Ｂ…開口部、２，１０，２１…シリンダヘッド、３…燃焼室、４Ａ…第一スワール生成ガイド、４Ｂ…第二スワール生成ガイド、４Ｃ…第三スワール生成ガイド、４Ｄ…第四スワール生成ガイド、５Ａ，６Ａ…第一隙間充填部材、５Ｂ，６Ｂ…第二隙間充填部材、５Ｃ，６Ｃ…第三隙間充填部材、５Ｄ，６Ｄ…第四隙間充填部材、７Ａ，７Ｃ、９Ａ〜９Ｄ…補助隙間充填部材、８Ａ〜８Ｄ…隙間充填部材、１１，１２，１３，２２〜２５…バルブ、１３Ａ…ロッド、１４，１５…ボス、２７…インジェクタ穴、４１Ａ…第一辺、４２Ａ…第二辺直線部、４３Ａ…第二辺円弧部、４４Ａ…第三辺、５１Ａ…第一辺、５２Ａ…第二辺直線部、５３Ａ…第二辺円弧部、５４Ａ…第三辺、ＳＫ…スキッシュ流、ＳＷ…スワール流。
【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】
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