(57)【要約】【課題】ピストン頂面を平面で構成した副室式内燃機関と同程度の高い燃焼効率を維持しつつ、バルククエンチを低減して未燃炭化水素（ＵＨＣ）の排出量を低減させることが出来る様な副室式内燃機関の提供。【解決手段】ピストン頂面に溝（４ａ）を有し、該溝（４ａ）の位置はシリンダヘッド（３）の吸排気バルブ（Ｖｉ、Ｖｏ）位置と整合しており、前記溝（４ａ）の深さは吸排気バルブ（Ｖｉ、Ｖｏ）及び副室突き出し部（５）と衝突しない様に設定されていることを特徴としている。【選択図】図１
2005113806.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン頂面に溝を有し、該溝の位置はシリンダヘッドの吸排気バルブ位置と整合しており、前記溝の深さは吸排気バルブ及び副室突き出し部と衝突しない様に設定されていることを特徴とする副室式内燃機関。
【請求項２】
副室突き出し部から噴射される火炎ジェットは、前記溝に沿って半径方向外方へ噴射される請求項１の副室式内燃機関。
【請求項３】
副室突き出し部から噴射される火炎ジェットは、前記溝間に形成された領域の半径方向内方部分に衝突する方向へ噴射される請求項１の副室式内燃機関。
【請求項４】
副室突き出し部から噴射される火炎ジェットの数は、シリンダヘッドに設けられた吸排気バルブの数以下である請求項１〜３の何れか１項の副室式内燃機関。
【請求項５】
ピストン頂面の溝以外の部分における周縁部の隅部は曲面で形成されている請求項１〜４の何れか１項の副室式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、副室式内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
副室式内燃機関では、深皿型トロイダル形状（断面「ω」字状）やバスタブ形状のキャビティーを有する主燃焼室に希薄混合気を供給し、その混合気の燃焼を促進させる。
そのために主燃焼室と連通する副燃焼室（副室）を設け、その副室に燃料濃度が比較的高い混合気を形成させて、急速燃焼させ、発生した高温の既燃ガスを主燃焼室内にノズルを介して火炎ジェットとして噴出させる構造を有している（例えば、特許文献1参照）。
【０００３】
しかし、上述したように、主燃焼室のキャビティーに火炎ジェットを衝突させる燃焼方式では、キャビティー内の乱れやスワールによって内部の主室希薄混合気が急速に燃焼して燃焼温度が上がり過ぎ、ＮＯｘを発生し易くなる。
【０００４】
一方、主室キャビティーから外側のトップクリアランス部やクレビス部（シリンダの内壁とピストンの外周上方に形成される隙間）には、火炎ジェットや希薄混合気の火炎が伝播し難いため、希薄混合気が燃焼し難く、このような領域の希薄混合気は未燃燃料、未燃炭化水素（ＵＨＣ）の主要な排出原因となっている。
【０００５】
又、副室火炎ジェットがキャビティー中央に噴射されない噴孔の向きでは、副室真下にある主室キャビティー領域の火炎伝播が他の領域に比べて遅れるため、未燃燃料が発生し易いという問題を抱えている。
【０００６】
この様な問題に対処するべく、本出願人は、ピストン頂面を平面で構成した副室式内燃機関を提案した（特願２００３−４３０２３号）。
係る構成を有する副室式内燃機関は、主燃焼室の形状が均一の厚みの燃焼室形状となっているため、深皿型トロイダル形状（断面「ω」字状）或いはバスタブ形状をした主燃焼室の場合の様に、局所で一気に燃焼してしまうような偏った燃焼による局部の高温化が避けられ、したがって均一で安定した燃焼が得られる。そして燃焼温度の高温化が回避されることでＮＯｘの発生が抑制される。
【０００７】
しかし、先願に係る技術では、火炎ジェット間の領域が燃え難く、いわゆる「バルククエンチ」（燃焼室やキャビティーの一部分が、混合気の塊として、燃えないでそのまま残ってしまうこと）によりＵＨＣが発生する、という問題を有している。
【特許文献１】特開平１０−１４１０６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、ピストン頂面を平面で構成した副室式内燃機関と同程度の高い燃焼効率を維持しつつ、バルククエンチを低減して未燃炭化水素（ＵＨＣ）の排出量を低減させることが出来る様な副室式内燃機関を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の副室式内燃機関は、ピストン頂面に溝（４ａ）を有し、該溝（４ａ）の位置はシリンダヘッド（３）の吸排気バルブ（Ｖｉ、Ｖｏ）位置と整合しており、前記溝（４ａ）の深さは吸排気バルブ（Ｖｉ、Ｖｏ）及び副室突き出し部（５）と衝突しない様に設定されていることを特徴としている（請求項１）。
ここで、前記溝（４ａ）の深さ寸法は可及的に小さいことが好ましい。
【００１０】
本発明において、副室突き出し部（５）から噴射される火炎ジェット（Ｊ）は、前記溝（４ａ）に沿って半径方向外方へ噴射されるのが好ましい（請求項２）。
【００１１】
或いは、副室突き出し部（５）から噴射される火炎ジェット（Ｊ）は、前記溝（４ａ）間に形成された領域（凹んでいない領域、凸部４ｔ、ランド部分）の半径方向内方部分（半径方向内方の先端部４ｃ）に衝突する方向へ噴射されるのが好ましい（請求項３）。
【００１２】
本発明の実施に際して、副室突き出し部（５）から噴射される火炎ジェット（Ｊ）の数は、シリンダヘッド（３）に設けられた吸排気バルブ（Ｖｉ、Ｖｏ）の数以下であるのが好ましい（請求項４）。
【００１３】
また、本発明において、ピストン頂面の溝以外の部分（凸部４ｔ）における周縁部の隅部（凸部４ｔの頂面のコーナの稜線４ｋおよび溝４ａとの隅部４ｍ）は曲面で形成されている（Ｒ加工が施されている）のが好ましい（請求項５）。
【発明の効果】
【００１４】
上述した構成を具備する本発明（請求項１の副室式内燃機関）によれば、ピストン頂面の溝（４ａ）によりキャビティー（６）が構成されているので、ピストン頂面の全体の形状は、概略平坦面状である。そのため、深皿型トロイダル形状（断面「ω」字状）やバスタブ形状のキャビティーを有する従来のピストンとは異なり、偏った燃焼による局部の高温化が避けられ、したがって均一で安定した燃焼が得られる。そして燃焼温度の高温化が回避されることでＮＯｘの発生が抑制される。
【００１５】
また、本発明（請求項１の副室式内燃機関）によれば、トップクリアランス部（Ｃｔ）やクレビス部（７）に火炎ジェット（Ｊ）が到達し易くなるため、当該箇所における未燃炭化水素（ＵＨＣ）の発生を抑制することが出来る。
これに加えて、バルククエンチの発生が抑制されて、未燃炭化水素（ＵＨＣ）をさらに減少させることが出来る。
【００１６】
本発明では、前記溝の位置はシリンダヘッド（３）の吸排気バルブ（Ｖｉ、Ｖｏ）位置と整合しており、前記溝（４ａ）の深さは吸排気バルブ（Ｖｉ、Ｖｏ）及び副室突き出し部（５）と衝突しない様に設定されているので、ピストン頂部がシリンダヘッド（３）の吸排気バルブ（Ｖｉ、Ｖｏ）や副室突き出し部（５）と干渉しない。
【００１７】
これに加えて、本発明において、副室突き出し部（５）から噴射される火炎ジェット（Ｊ）の数を、シリンダヘッド（３）に設けられた吸排気バルブ（Ｖｉ、Ｖｏ）の数以下とすれば（請求項４）、前記溝（４ａ）間の幅寸法を一定値以上に確保することが出来るので、吸排気バルブ（Ｖｉ、Ｖｏ）の数が増加しても、シリンダヘッド（３）の形状が複雑化せず、且つ、熱による破損する恐れも少なくなる。
【００１８】
本発明において、ピストン頂面の溝以外の部分（凸部４ｔ）における周辺の隅部（凸部４ｔの頂面のコーナの稜線４ｋおよび溝４ａとの隅部４ｍ）を曲面で形成すれば（Ｒ加工を施せば）、当該隅部（４ｍ）への熱集中を緩和して、部品の耐久性を向上することが出来る。
それに加えて、係るＲ加工(例えばＲ１)を施すことにより、ピストン外周部（４ｄ）にジェットや伝播火炎が進入（Ｆｒ）し易くなる、という効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
先ず、図１〜図６を参照して第１実施形態を説明する。
図１において、シリンダ１の上方にはガスケット２を介してシリンダヘッド３が公知の手段で図示しないシリンダブロックに固着されている。
そのシリンダ１内をピストン４が摺動自在に嵌装されている。当該エンジンは図示の例では１シリンダ当り２個の吸気バルブＶｉと２個の排気バルブＶｏを有している。
【００２０】
前記ピストン４の中心点（Ｃ）の上方には燃料を予め燃焼させる副室５ａを有するホルダ５がシリンダヘッド３の下面よりも突出するようにシリンダヘッド３に装着されている。
【００２１】
前記ピストン４の頂部には、図２に示すように断面が凹型の４本の溝４ａ、４ａが放射状(或いは２本の溝が十字状に交差するよう)に形成され、放射状の４本の凹型溝４ａが主室のキャビティー（６）を構成している。
その放射状の４本の凹型溝４ａの平面上(図２で表すような状態)の投影部分には少なくとも一方の隣側の溝４ａには吸気バルブＶｉ同士、及び排気バルブＶｏ同士が位置するように配置されている。
【００２２】
尚、溝４ａの幅は、吸気バルブＶｉ、排気バルブＶｏの何れの直径よりも広く、十字状に交差した溝４ａ、４ａによって囲まれた凸部４ｔがバルブＶｉ、Ｖｏの開閉時にバルブＶｉ、Ｖｏと干渉しないように構成されている。
【００２３】
図１をも参照して、前記ホルダ５の下端近傍には、図示の例ではホルダ５の円周を４等分するように４箇所に火炎ジェットを噴射するための噴孔５ｂが形成されており、火炎ジェットＪの噴射方向が、前記ピストン４の頂部に形成された溝４ａの長手方向の中心線に沿うように構成されている。尚、火炎ジェットＪの軸線を含む立面図上(図１の状態)では、火炎ジェットＪは緩やかな傾斜を持って溝４ａの底部(凹型溝底面)４ｂに衝突する。火炎ジェットＪの凹型溝４ａ上の衝突地点、即ちピストン中心点Ｃから衝突地点までの距離Ｌは、ピストンの半径をｒとすればＬ＞ｒ／２を満足するように形成されている。
【００２４】
尚、図示の例では４バルブエンジンであるが、吸・排気バルブの数はそれ以上であってもよい。その場合、各バルブとも複数が好ましい。又、図示の例では当該の凹型溝４ａは４本であるが、例えば吸・排気バルブの合計が６本以上となった場合は、吸・排気バルブの合計よりも少なくてもよい。即ち、溝の数を増加させた場合、火炎ジェットの噴出口近傍の位置では、凸部分が細くなり過ぎて、熱で溶融してしまう恐れがある。従って、火炎ジェットの本数を少なくして、火炎ジェット近傍の凸部分の幅寸法をある程度以上大きくして、熱で溶融しないように構成してやる必要があるためである。
【００２５】
前記火炎ジェットＪの衝突地点下方には火炎ジェット衝突による熱集中を緩和するために、冷却用オイル流路（クーリングチャンネル）４ｆが形成されている。
尚、クーリングチャンネル４ｆを形成するに当り、ピストン外周部４ｄとクーリングチャンネル４ｆとの距離Ｌｃを一定に保ちつつクーリングチャンネル４ｆを凹型溝底面４ｂに可及的に接近させることで、トップリング溝４ａの冷却を保障するとともに、ピストン頂部の凸部４ｔのボリュームを可及的に減少させる。
【００２６】
前記ピストン頂部の凸部４ｔの周縁部における隅部４ｍ（凸部４ｔの頂面のコーナの稜線４ｋおよび溝４ａとの隅部４ｍ）にはＲ加工が施されている。特に凹型溝４ａとの隅部でピストン外周部４ｄと接する位置には大きなＲ加工(Ｒ１)が施されている。
係るＲ加工Ｒ１は、ピストン外周部４ｄにジェットや伝播火炎が進入（Ｆｒ）し易いように形成されている。
【００２７】
図１の例では、前記凹型溝底面４ｂの形状は、底面４ｂの全域が図３(図２と同じ形状)に示すように平坦であるが、凹型溝底面４ｂを前記ホルダ５との衝突が回避出来る範囲で可及的に狭くする必要がある。
一方、そうすることによって、トップリング溝４ｅと凹型溝底面４ａｂとの距離が狭すぎてピストン冷却用のクーリングチャンネル４ｆを形成し難い場合がある。
そのような場合は、図４に示すように、凹型溝底面４０ｂをピストン外周４ｄ側が高くなるように傾斜を持って形成するか、或いは図５に示すように凹型溝底面４５ｂをピストン外周部側が高くなるように円弧状に形成することも可能である。
【００２８】
図６において、前記ピストン頂部の凸部４ｔとシリンダヘッド３の下面との間のトップクリアランスＣｔは可及的に狭く形成することが好ましい。
トップクリアランスＣｔを可及的に狭める事で、圧縮工程で圧縮されトップクリアランスＣｔに潜り込んだ吸気はトップクリアランスＣｔが狭いため流速を早めて(スッキシュ流Ｆｓが大きくなった状態で)、中央、或いは凸部４ｔ横の凹型溝部４ａに逃れる際のタンブル流Ｆｔも拡大される。
スキッシュＦｓ及びタンブルＦｔの拡大はホルダ５から噴射される火炎ジェットＪと吸気との混合を良好にする。
【００２９】
図１０は、第１実施形態を実施した場合の排気ガス中に含まれる未燃炭化水素「ＵＨＣ」の割合を上死点に対する進角に対して計測した実験結果を示したグラフである。
比較対照(パラメータ)として、従来型の断面「ω」字状キャビティーを有するピストンと、頂面を平面で構成したピストンにおける同条件での実験結果を掲載した。
図１０の実験結果によれば、第１実施形態を使用した場合「Ａ線」は、従来型の断面「ω」字状キャビティーを有するピストン「Ｃ線」に対して未燃炭化物の排出は５５％程度と極めて大きな成果を上げている。また、頂面を平面で構成したピストン「Ｂ線」に対しても減少しており、良好な結果となっている。
【００３０】
上述した構成を具備する本発明の第１実施形態によれば、ピストン頂面の溝４ａによりキャビティー６が構成されているので、ピストン頂面の全体の形状は、概略平坦面状である。そのため、深皿型トロイダル形状（断面「ω」字状）やバスタブ形状のキャビティーを有する従来のピストンとは異なり、偏った燃焼による局部の高温化が避けられ、したがって均一で安定した燃焼が得られる。
そして燃焼温度の高温化が回避されることでＮＯｘの発生が抑制される。
【００３１】
また、トップクリアランス部Ｃｔやクレビス部７に火炎ジェットＪが到達し易くなるため、当該箇所における未燃炭化水素（ＵＨＣ）の発生を抑制することが出来る。
【００３２】
これに加えて、バルククエンチの発生が抑制されて、未燃炭化水素（ＵＨＣ）をさらに減少させることが出来る。
【００３３】
第１実施形態では、前記溝４ａの位置はシリンダヘッドの吸排気バルブ位置と整合しており、前記溝４ａの深さはホルダ５の先端と衝突しない様に設定されているので、ピストン頂部がシリンダヘッド３の吸排気バルブＶｉ、Ｖｏやホルダ５の先端と干渉しない。
【００３４】
これに加えて、本実施形態において、ホルダ５先端から噴射される火炎ジェットＪの数を、シリンダヘッド３に設けられた吸排気バルブＶｉ、Ｖｏの数以下とすれば、前記溝間４ａの幅寸法を一定値以上に確保することが出来るので、吸排気バルブＶｉ、Ｖｏの数が増加しても、シリンダヘッド３の形状が複雑化せず、且つ、熱による破損する恐れも少なくなる。
【００３５】
次に図７〜図９を参照して、第２実施形態を説明する。
図１〜図６の第１実施形態では、ホルダ５から発射される火炎ジェットＪの噴射方向が、前記ピストン４の頂部に形成された溝４ａの長手方向の中心線に沿うように構成された実施形態であった。それに対して図７及び図８の第２実施形態では、ホルダ５０の噴孔５０ｂから発射される火炎ジェットＪの噴射方向が、ピストン頂部に形成された前記凸部４ｔのピストン中心よりの先端部４ｃに向くようにホルダ５０の噴孔５０ｂが形成されている点が異なる。
【００３６】
図７〜図９の第２実施形態は、ホルダ５０から発射される火炎ジェットＪの噴射方向が異なっている点を除けば、その他の構成は、実質的に図１〜図６の第１実施形態と同様である。
【００３７】
第２実施形態は、図８に示すように、ホルダ５０の噴孔５０ｂから発射された火炎ジェットＪはピストン４頂部に形成された前記凸部４ｔのピストン中心よりの先端部４ｔｃに衝突した後、ジェットＪの一部Ｊｂは前記凹型溝４ａの側壁４ｇに沿ってピストンの外周部４ｄに到達する。
そして、残るジェットＪｃは図９に示すように、一旦凸部４ｔに衝突した後、凸部４ｔの上面に乗り上げ凸部４ｔの上面をピストン外周４ｄ方向に向かって進む。
尚、図１〜図６の第1実施形態同様、噴孔５０ｂの数は凸部の数以下に減じることも出来る。
【００３８】
第２実施形態の場合、トップクリアランスＣｔは前記凸部４ｔ上面を火炎ジェットＪが流れやすいよう(凸部４ｔ上面での燃焼が促進されるように)に第１実施形態より広く形成して、火炎ジェットが入り込み易いように構成している。
即ち、トップクリアランスＣｔが大きくなれば、確かにスキッシュＦｓは弱まるかもしれないが、トップクリアランスＣｔに火炎が回り込む効果が得られるので、燃焼室トータルで考えれば、火炎が良好且つ均一に伝播し、未燃部分が無くなり、燃焼効率が向上する効果が向上する。
【００３９】
図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない。
例えば、図示の実施形態では、給排気バルブが２つずつ、合計４つのバルブを有する場合が示されているが、本発明はそれに限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１実施形態の要部構成を説明する部分断面図。
【図２】本発明の第１実施形態のピストン頂部を示した平面図。
【図３】本発明の第１実施形態のピストン頂部の断面の一例を示す部分断面図。
【図４】本発明の第１実施形態のピストン頂部の断面の他の例を示す部分断面図。
【図５】本発明の第１実施形態のピストン頂部の断面の別の例を示す部分断面図。
【図６】本発明の第１実施形態におけるスキッシュ（流）とタンブル（流）を説明する部分断面図。
【図７】本発明の第２実施形態の要部構成を説明する部分断面図。
【図８】本発明の第２実施形態のピストン頂部を示した平面図。
【図９】本発明の第２実施形態における火炎ジェットの軌跡を立体的に示した斜視図。
【図１０】本発明の効果を従来技術と比較して説明する測定結果のグラフ。
【符号の説明】
【００４１】
１・・・シリンダ
３・・・シリンダヘッド
４・・・ピストン
４ａ・・・溝／凹型溝
４ｄ・・・外周部
４ｃ・・・先端部
４ｆ・・・クーリングチャンネル
４ｔ・・・凸部
５、５０・・・ホルダ
５ａ・・・副室
５ｂ、５０ｂ・・・噴孔
Ｃｔ・・・トップクリアランス
Ｖｉ・・・吸気バルブ
Ｖｏ・・・排気バルブ
Ｊ・・・火炎ジェット
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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