(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ペントルーフ頂部を境に一方側に形成されかつ吸気ポートを有する吸気側斜面と、
前記ペントルーフ頂部を境に他方側に形成されかつ排気ポートを有する排気側斜面と、
を有する燃焼室を備えたエンジンの燃焼室構造において、
前記吸気ポートと前記排気ポートとの間に吸気流動加工部が形成され、
前記吸気流動加工部は、
前記吸気側斜面の一部が凹んで形成された吸気フロー面と、
一端が前記排気側斜面の排気面に角度をなして連なり、かつ他端が前記吸気フロー面とのなす角度が該吸気フロー面と前記排気面とがなす角度よりも小さな一定の角度を備えて該吸気フロー面に接続される排気側ガイド面とを有したことを特徴とするエンジンの燃焼室構造。
【請求項２】
前記吸気流動加工部の頂部は、前記ペントルーフ頂部よりも前記吸気ポート側に形成され、
前記吸気フロー面が前記吸気流動加工部の頂部よりも前記吸気ポート側に形成され、
前記排気側ガイド面が前記吸気流動加工部の頂部よりも前記排気ポート側に形成されたことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの燃焼室構造。
【請求項３】
前記吸気フロー面と前記排気側ガイド面とのなす角度が前記吸気流動加工部の頂部に沿う各部において一定であることを特徴とする請求項１または２に記載のエンジンの燃焼室構造。
【請求項４】
前記吸気側斜面に一対の前記吸気ポートが形成され、これら吸気ポートが並ぶ方向に沿って前記吸気流動加工部の頂部と前記排気側ガイド面が延びていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のエンジンの燃焼室構造。
【請求項５】
前記排気側ガイド面は、前記一対の吸気ポートが並ぶ方向に沿って延びる直線部と、該直線部の両端に形成された円弧部とを有していることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のエンジンの燃焼室構造。
【請求項６】
前記吸気側斜面の前記吸気フロー面よりも前記排気ポートから遠い側に前記燃焼室内に突き出るシュラウド部が形成され、該シュラウド部と前記吸気フロー面との間に段差部が形成され、該段差部は、前記吸気フロー面の吸気側から排気側にかけての幅中央を対称軸として前記排気側ガイド面と対称形をなしていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のエンジンの燃焼室構造。
【請求項７】
前記段差部は、前記一対の吸気ポートの中心間を結ぶ直線上に形成されていることを特徴とする請求項６に記載のエンジンの燃焼室構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ガソリンエンジン等のシリンダヘッドの燃焼室に適用されるエンジンの燃焼室構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリンエンジン等のエンジンのシリンダヘッドには吸気ポートおよび排気ポートが形成され、各ポートが吸気バルブおよび排気バルブによって所定のタイミングで開閉されるようになっている。またエンジンの運転状態に応じて吸気バルブの開度（リフト量）を変化させることが可能な可変バルブリフト機構を備えたエンジンも知られている。
【０００３】
可変バルブリフト機構を備えたエンジンでは、例えばエンジンの負荷が小さいときに吸気バルブのリフト量を小さくするとともに、燃焼室内に吸気のタンブル流を生じさせるなどして、排ガスの改善あるいは燃費の向上等を図っている。このためリフト量が小さいときに安定したタンブル流と吸気の流動強化を図ることが重要な課題となっている。タンブル流とは、燃焼室内で生じる吸気の流動のうち、ピストンの往復運動方向に対して直交する方向に回転中心を有する渦流であって、縦渦流とも呼ばれる気流である。
【０００４】
望ましいタンブル流を燃焼室内に生じさせるために、例えば特許文献１に開示されているように、燃焼室の一部（排気ポートから遠い側）にシュラウドと称される流動促進部を形成し、タンブル流の生成を促進することが提案されている。また特許文献２に開示されているように、シュラウドとは反対側（排気ポートに近い側）に凹部からなるガイド部を形成することにより、吸気の流動を促進させることも提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３２９１３１号公報
【特許文献２】特開２００８−２７４７８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図１１は、前記ガイド部を有する従来のペントルーフ形燃焼室１００の一例を示している。この燃焼室１００は、ペントルーフ頂部Ａ０を境に、一方側に吸気側斜面１０１を有し、他方側に排気側斜面１０２を有している。吸気側斜面１０１に吸気ポート１１０が形成され、排気側斜面１０２に排気ポート１１１が形成されている。さらに吸気の流れを改善するために、吸気ポート１１０の近傍にガイド部１１２が形成されている。ガイド部１１２は、吸気側斜面１０１の一部を加工することにより形成されている。ガイド部１１２の形状と位置等が高精度であれば、吸気ポート１１０から燃焼室１００内に流入する吸気は、ガイド部１１２と排気面１２１に沿って矢印Ｑ１で示すように流れることにより、タンブル流が生成される。
【０００７】
しかし鋳物製のシリンダヘッドは、製造上の精度の限界から、燃焼室の素材表面の高さがずれることが避けられない。例えば図１１において、素材表面１２０の高さが基準位置から線分Ｌ１で示すように上方にずれたり、線分Ｌ２で示すように下方にずれたりすることがある。素材表面１２０の高さが線分Ｌ２のように低い方向にずれた場合には、ガイド部１１２の流入端から流出端までの距離が大きくなるとともに、排気面１２１に対するガイド部１１２の流出端の位置や向きが変化する。
【０００８】
その結果、吸気バルブ１３０のリフト量が小さいときに吸気の流れる方向が矢印Ｑ２で示すように変化し、所望のタンブル流を生成できなかったり、タンブル流の流動強化を図れなかったりする原因となる。このため従来は燃焼が安定できないために、吸気量を多めに設定し燃費を犠牲にして燃焼を安定化するなどの対策が検討されていた。
【０００９】
従ってこの発明は、吸気ポートから燃焼室内に流入する吸気の流れを改善することができるエンジンの燃焼室構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、ペントルーフ頂部を境に一方側に形成されかつ吸気ポートを有する吸気側斜面と、前記ペントルーフ頂部を境に他方側に形成されかつ排気ポートを有する排気側斜面とを有する燃焼室を備えたエンジンの燃焼室構造において、前記吸気ポートと前記排気ポートとの間に吸気流動加工部が形成されている。この吸気流動加工部は、前記吸気側斜面の一部が凹んで形成された吸気フロー面と、一端が前記排気側斜面の排気面に角度をなして連なり、かつ他端が前記吸気フロー面とのなす角度が該吸気フロー面と前記排気面とがなす角度よりも小さな一定の角度を備えて該吸気フロー面に接続される排気側ガイド面とを有している。  
前記吸気流動加工部の頂部は、前記ペントルーフ頂部よりも前記吸気ポート側に形成され、前記吸気フロー面が前記吸気流動加工部の頂部よりも前記吸気ポート側に形成され、前記排気側ガイド面が前記吸気流動加工部の頂部よりも前記排気ポート側に形成されていてもよい。
【００１１】
本発明の好ましい形態では、前記吸気フロー面と前記排気側ガイド面とのなす角度が前記吸気流動加工部の頂部に沿う各部において一定である。また前記吸気側斜面に一対の前記吸気ポートが形成され、これら吸気ポートが並ぶ方向に沿って前記吸気流動加工部の頂部と前記排気側ガイド面が延びている。
【００１２】
本発明の好ましい形態では、前記排気側ガイド面は、前記一対の吸気ポートが並ぶ方向に沿って延びる直線部と、該直線部の両端に形成された円弧部とを有している。さらに前記吸気側斜面の前記吸気フロー面よりも前記排気ポートから遠い側にシュラウド部が形成され、該シュラウド部と前記吸気フロー面との間に段差部が形成され、該段差部は、前記吸気フロー面の吸気側から排気側へかけての幅中央を対称軸として前記排気側ガイド面と対称形をなしていてもよい。前記段差部は、前記一対の吸気ポートの中心間を結ぶ直線上に形成されているとよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のエンジンの燃焼室構造によれば、吸気バルブのリフト量が小さいときに吸気ポートから燃焼室内に流入する吸気の流れを、吸気フロー面と排気側ガイド面とを有する吸気流動加工部によって改善することができ、吸気の良好な筒内流動と流動強化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の１つの実施形態に係る燃焼室を内側から見た斜視図。
【図２】図１中のＦ２−Ｆ２線に沿う燃焼室の断面図。
【図３】図１中のＦ３−Ｆ３線に沿う燃焼室の断面を吸排気バルブと共に示す図。
【図４】図１中のＦ４−Ｆ４線に沿う燃焼室の断面図。
【図５】図１中のＦ５−Ｆ５線に沿う燃焼室の断面図。
【図６】図１に示された燃焼室の吸気流動加工部を加工する前の状態を回転切削工具と共に示す図。
【図７】図６に示された燃焼室の一部を回転切削工具と共に示す断面図。
【図８】図１に示された燃焼室を有するエンジンのクランク角とタンブル比との関係を示す図。
【図９】比較例１の燃焼室を有するエンジンのクランク角とタンブル比との関係を示す図。
【図１０】比較例２の燃焼室を有するエンジンのクランク角とタンブル比との関係を示す図。
【図１１】従来の燃焼室の一部を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に本発明の１つの実施形態に係るエンジンの燃焼室構造について、図１から図７を参照して説明する。  
図１は、エンジンのシリンダヘッド１０に形成されたペントルーフ形燃焼室(pent roof type combustion chamber)１１を内側から吸気バルブ軸方向に見た斜視図である。図２は、図１中のＦ２−Ｆ２線に沿う燃焼室１１の一部の断面を示している。シリンダヘッド１０は、エンジンのシリンダブロック（図示せず）に固定されている。シリンダヘッド１０はアルミニウム合金等の金属の鋳造品である。
【００１６】
ペントルーフ形燃焼室１１（これ以降、単に燃焼室１１と称す）は、ペントルーフ頂部Ａ０を境に、一方側（図１と図２において右側）に形成された吸気側斜面１５と、他方側（図１と図２において左側）に形成された排気側斜面１６とを有している。ペントルーフ頂部Ａ０は、燃焼室１１の径方向（ピストン１７の径方向）に稜線のように延びている。言い換えると、吸気側斜面１５と排気側斜面１６とが互いに交わる箇所がペントルーフ頂部となっている。図２に示すように吸気側斜面１５と排気側斜面１６とのなす角度αは、９０度以上（例えば１２０〜１５０度）である。
【００１７】
吸気側斜面１５に一対の吸気ポート２０ａ，２０ｂが形成されている。これら吸気ポート２０ａ，２０ｂはペントルーフ頂部に沿って並んでいる。排気側斜面１６には一対の排気ポート２１ａ，２１ｂが形成されている。排気ポート２１ａ，２１ｂもペントルーフ頂部に沿って並んでいる。吸気ポート２０ａ，２０ｂと排気ポート２１ａ，２１ｂのそれぞれの内周面に、バルブシート部材２２，２３（図２に示す）が鋳込まれている。吸気ポート２０ａ，２０ｂの近傍にプラグ孔２５が形成されている。プラグ孔２５には点火プラグ（図示せず）が挿入される。
【００１８】
図３は、図１中のＦ３−Ｆ３線に沿うシリンダヘッド１０の断面であり、吸気バルブ３０ａ，３０ｂと、排気バルブ３１ａ，３１ｂが示されている。吸気バルブ３０ａ，３０ｂは、図示しない連続可変バルブリフト機構によって駆動される。吸気バルブ３０ａ，３０ｂは吸気ポート２０ａ，２０ｂを開閉するとともに、エンジンの運転状況に応じて開度（リフト量）を変化させることができる。排気バルブ３１ａ，３１ｂは排気ポート２１ａ，２１ｂを開閉する。
【００１９】
吸気側斜面１５には、排気ポート２１ａ，２１ｂから遠い側にシュラウド部４０が形成されている。シュラウド部４０は吸気ポート２０ａ，２０ｂの間に形成され、燃焼室１１の内側に向かって土手のように突き出ている。シュラウド部４０の表面４０ａは平坦であり、吸気側斜面１５の一部をなしている。
【００２０】
またこの燃焼室１１には、シュラウド部４０とは反対側（排気ポート２０ａ，２０ｂに近い側）に、吸気ポート２０ａ，２０ｂと排気ポート２１ａ，２１ｂとの間に吸気流動加工部５０が形成されている。この吸気流動加工部５０は、以下に説明するように、燃焼室１１に臨んで吸気側斜面１５から始まり、排気側斜面１６の一部をなす排気面５３にわたって形成された浅い凹部である。
【００２１】
図４は、図１中のＦ４−Ｆ４線に沿う吸気流動加工部５０付近の拡大断面図である。図５は、図１中のＦ５−Ｆ５線に沿う吸気流動加工部５０付近の拡大断面図である。吸気流動加工部５０は、吸気流動加工部５０の頂部Ａ１を境に吸気側斜面１５と同じ側に形成された吸気フロー面５１と、吸気流動加工部５０の頂部Ａ１を境に吸気フロー面５１とは反対側（排気側斜面１６と同じ側）に形成された排気側ガイド面５２とを有している。
【００２２】
吸気フロー面５１は、吸気側斜面１５の一部が凹んで形成され、平坦な形状（平面）をなしている。吸気フロー面５１に連なる排気側ガイド面５２は、吸気流動加工部５０の頂部Ａ１に沿って、吸気ポート２０ａ，２０ｂが並ぶ方向に一定の幅Ｗ（図１と図２に示す）で延びている。そしてこの排気側ガイド面５２は、排気面５３よりも前記吸気フロー面５１とのなす角度が小さな角度となるように形成されている。よって、排気側ガイド面５２は、排気面５３に対して僅かな角度θ１（例えば０〜１０度）をなして連なっている。
【００２３】
図４と図５において、吸気フロー面５１と排気側ガイド面５２とのなす角度がθ２で表されている。この角度θ２は、吸気流動加工部５０の頂部Ａ１に沿う吸気流動加工部５０の各部において一定である。吸気フロー面５１と前記シュラウド部４０との間であって、吸気ポート２０ａ，２０ｂの中心間を結ぶ直線上に段差部５５が形成されている。この段差部５５は吸気フロー面５１に対して角度θ３をなして傾斜している。
【００２４】
吸気流動加工部５０は、図６と図７に示した回転切削工具６０によって機械加工される。この機械加工により、素材表面（鋳物肌）から少し窪んだ形状の吸気流動加工部５０が形成される。
【００２５】
回転切削工具６０は、図示しない工作機械（マシニングセンタ）によって、軸線Ｘを中心に矢印Ｒ方向に回転する。回転切削工具６０の一例は、端面刃６１と周面刃６２とを有する総形フライスである。端面刃６１と周面刃６２とのなす角度θ４（図７に示す）は、排気側ガイド面５２の前記角度θ２および段差部５５の前記角度θ３と同等である。
【００２６】
この回転切削工具６０の端面刃６１によって吸気側斜面１５が切削されて吸気フロー面５１が形成されるとともに、排気側ガイド面５２と、段差部５５とが、周面刃６２によって切削される。図７中に示す２点鎖線Ｇは加工前の素材表面（鋳物肌）の位置を示している。
【００２７】
図６に示すように回転切削工具６０を回転させ、一方の吸気ポート２０ａ側から研削を開始し、この回転切削工具６０を他方の吸気ポート２０ｂに向けて、矢印Ｍで示す方向に平行移動させる。こうすることにより、回転切削工具６０の端面刃６１によって吸気側斜面１５に吸気フロー面５１が形成されるとともに、周面刃６２によって排気側ガイド面５２と段差部５５が同時に切削される。さらに端面刃６１と周面刃６２との交点において吸気流動加工部５０の頂部Ａ１が切削される。
【００２８】
前記回転切削工具６０を用いた機械加工により、排気側ガイド面５２と段差部５５とは、吸気フロー面５１の幅方向中央Ｃ（図２に示す）を対称軸として左右対称形となり、しかも吸気フロー面５１に対する排気側ガイド面５２のなす角度θ２と、吸気フロー面５１に対する段差部５５のなす角度θ３が一致することになる。
【００２９】
吸気流動加工部５０の一部である排気側ガイド面５２は、燃焼室１１の内側から見た図１において、吸気流動加工部５０の頂部Ａ１に沿う直線部５２ａと、直線部５２ａの両端に形成された円弧部５２ｂ，５２ｃとを有している。直線部５２ａは、一対の吸気ポート２０ａ，２０ｂが並ぶ方向に延びている。
【００３０】
排気側ガイド面５２の一方の円弧部５２ｂは、一方の吸気ポート２０ａと排気ポート２１ａとの間に位置している。他方の円弧部５２ｃは、他方の吸気ポート２０ｂと排気ポート２１ｂとの間に位置している。これら円弧部５２ｂ，５２ｃは、回転切削工具６０の周面刃６２によって加工されるため、円弧部５２ｂ，５２ｃの曲率半径は周面刃６２の半径に対応している。
【００３１】
なお、シュラウド部４０の表面４０ａは平坦であるため、端面刃のみを有する通常のエンドミル等によって加工することができる。シュラウド部４０の表面４０ａの加工は、吸気流動加工部５０を加工する前でも後でもよいが、いずれにしても機械加工によって発生するバリを除去しやすいように、シュラウド部４０の加工と吸気流動加工部５０の加工の順序が選定される。
【００３２】
この実施形態の燃焼室１１によれば、吸気ポート２０ａ，２０ｂと排気ポート２１ａ，２１ｂとの間に、吸気フロー面５１と排気側ガイド面５２とを有する吸気流動加工部５０が形成され、その吸気フロー面５１に対して排気側ガイド面５２が一定の角度θ２をなして連なるとともに、排気側ガイド面５２に対して排気面５３が僅かな角度θ１（０度も有り得る）をなして連続する。このため吸気ポート２０ａ，２０ｂから燃焼室１１に流入する吸気の流れが吸気フロー面５１と排気側ガイド面５２および排気面５３に沿って燃焼室１１内を安定して流動することができる。
【００３３】
この実施形態では回転切削工具６０によって吸気流動加工部５０が機械加工されるため、シリンダヘッド１０の素材表面（鋳物肌）の高さにばらつきがあっても、吸気フロー面５１と排気側ガイド面５２とのなす角度θ２を、吸気流動加工部５０の頂部Ａ１に沿う方向（回転切削工具６０が移動する方向）の各部において一定とすることができる。しかも排気側ガイド面５２の角度θ２と、段差部５５の角度θ３が、それぞれ回転切削工具６０の端面刃６１と周面刃６２とのなす角度θ４と一致する。また排気側ガイド面５２と排気面５３とのなす角度θ１も、吸気流動加工部５０の頂部Ａ１に沿う各部においてほぼ一定となる。
【００３４】
このように構成された本実施形態の燃焼室構造によれば、従来の燃焼室（例えば図１１に示したガイド部１２１を有する燃焼室）のような素材表面の高さのばらつきに起因する吸気の流れ方向のばらつきを回避できる。
【００３５】
図８は、本実施形態の燃焼室構造（図１）を有するエンジンのクランク角とタンブル比との関係を示している。「ＡＴＤＣ」は、アフタトップデッドセンタ（after top dead center)の略語である。図８中の実線Ｔ１は、素材表面が基準位置にある場合のタンブル比を示している。破線Ｔ２は、素材表面が下方にずれた場合のタンブル比を示している。１点鎖線Ｔ３は、素材表面が上方にずれた場合のタンブル比である。素材表面の位置がずれても、タンブル比のずれが小さい範囲に収まっている。
【００３６】
図９は、比較例１の燃焼室構造を有するエンジンのクランク角とタンブル比との関係を示している。比較例１の燃焼室構造は、燃焼室の一部（排気ポートから遠い側）にシュラウド（凸形の流動促進部）が形成されている。図９中の実線Ｔ４は素材表面が基準位置にある場合のタンブル比を示し、破線Ｔ５は素材表面が下方にずれた場合のタンブル比を示し、１点鎖線Ｔ６は素材表面が上方にずれた場合のタンブル比を示している。比較例１では、素材表面が上方にずれた場合のタンブル比のばらつきが大きくなっている。
【００３７】
図１０は、比較例２の燃焼室構造を有するエンジンのクランク角とタンブル比との関係を示している。比較例２の燃焼室構造は、燃焼室の一部に前記シュラウドが形成され、かつ、シュラウドとは反対側（排気ポートに近い側）に、凹部からなるガイド部が形成されている。図１０中の実線Ｔ７は素材表面が基準位置にある場合のタンブル比を示し、破線Ｔ８は素材表面が下方にずれた場合のタンブル比を示し、１点鎖線Ｔ９は素材表面が上方にずれた場合のタンブル比を示している。比較例２では、素材表面が上方と下方にずれた場合のタンブル比のばらつきが大きくなっている。
【００３８】
すなわち本実施形態の燃焼室は、シリンダヘッド１０の鋳造ばらつきに影響されることなく、吸気フロー面５１と排気側ガイド面５２とが一定の角度θ２をなして連なり、しかもこの排気側ガイド面５２が排気面５３に対して小さな角度θ１で連なることができる。このため吸気ポート２０ａ，２０ｂから燃焼室１１に流入する吸気の流れが吸気フロー面５１と排気側ガイド面５２および排気面５３に沿って燃焼室１１内を安定して流動し、吸気のタンブル流にとって望ましい流れを生じさせることができる。
【００３９】
特に、吸気バルブ３０ａ，３０ｂのリフト量が小さいときに、吸気ポート２０ａ，２０ｂから燃焼室１１内に流入する吸気を吸気フロー面５１と排気側ガイド面５２と排気面５３に沿って安定して流動させることができ、しかも吸気ポート２０ａ，２０ｂから流入する吸気をシュラウド部４０の抑制作用によって吸気フロー面５１に向かわせることができる。さらに、吸気フロー面５１とシュラウド部４０との間に設けられる段差部５５が、吸気ポート２０ａ，２０ｂの中心間を結ぶ直線上に形成されているため、吸気フロー面５１よりも排気ポートから遠い側へ向かう吸気のみを抑制することができ、吸気効率を低下させることなく筒内流動を強化することができる。よって、強力なタンブル流（筒内流動）を燃焼室１１内に生成させることが可能となり、燃焼の安定化が容易となり、点火時期や空気量等を綿密に制御して、排ガスの改善と燃費の向上を安定して提供できる。
【００４０】
また、燃焼室壁面を加工によって形成するため、鋳物で形成される燃焼室形状よりも高い精度でできる。よって、燃焼室容積が安定し、圧縮比のばらつきが抑制できるので、その点でも燃焼の安定化が容易となる。さらには、吸入抵抗も小さくなるため、エンジン性能の向上や性能の品質を安定化することもできる。
【００４１】
なお本発明を実施するに当たり、燃焼室の具体的な形状や吸気ポートおよび排気ポートの配置をはじめとして、吸気流動加工部の吸気フロー面や排気側ガイド面など、燃焼室を構成する各部の形状や位置等の具体的な態様を種々に変更して実施できることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００４２】
Ａ０…ペントルーフ頂部
Ａ１…吸気流動加工部の頂部
１０…シリンダヘッド
１１…燃焼室
１５…吸気側斜面
１６…排気側斜面
２０ａ，２０ｂ…吸気ポート
２１ａ，２１ｂ…排気ポート
３０ａ，３０ｂ…吸気バルブ
３１ａ，３１ｂ…排気バルブ
５０…吸気流動加工部
５１…吸気フロー面
５２…排気側ガイド面
【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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【図１１】
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