(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッドに１対の吸気弁と排気弁をそれぞれ備えたペントルーフ型燃焼室構造において、
ピストン頂面の環状外周端面全周がピストン中心軸に対し直交する平面に形成されるとともに、該ピストン頂面の環状外周端面から中心寄り端面全周にシリンダヘッド方向へ突出する隆起部が形成され、かつ該隆起部にそれぞれ１対のバルブリセスが形成され、
前記各隆起部における１対のバルブリセス間の頂面には、平面状傾斜面が形成されるとともに、該隆起部における各バルブリセス付近の頂面には、該平面状傾斜面に滑らかに接続するとともに、前記ピストン頂面の環状外周端面に滑らかに接続する円錐状傾斜面が形成され、
前記１対のバルブリセス間における平面状傾斜面と環状外周端面で第１スキッシュエリアが形成されるとともに、円錐状傾斜面に第２スキッシュエリアが形成され、前記第１スキッシュエリアで生成されたスキッシュ流の少なくとも一部を前記第２スキッシュエリアに導くことを特徴とする内燃機関の燃焼室構造。
【請求項２】
請求項１記載の内燃機関の燃焼室構造において、前記排気側のスキッシュエリアが、前記吸気側のスキッシュエリアより広く形成されたことを特徴とする内燃機関の燃焼室構造。
【請求項３】
請求項１記載の内燃機関の燃焼室構造において、前記吸気弁および排気弁におけるそれぞれのバルブリセス間の隆起部の高さは、前記吸気弁および排気弁間の隆起部高さよりも高く形成されたことを特徴とする内燃機関の燃焼室構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属す技術分野】
本発明は、４ストロークサイクル火花点火式内燃機関の燃焼室の構造に関するものである。
【０００２】
【従来技術および解決しようとする課題】
１対の吸気弁と１対の排気弁を備えた４ストロークサイクル火花点火式内燃機関において、圧縮比を増大させると、圧縮行程終期に点火栓による燃焼室内の混合気の着火で燃焼を始めた高圧の燃焼ガスにより、点火栓から離れた個所の混合気が高圧高温に加圧加熱され、火炎伝播によらず自己着火するノッキングが発生し易い。
【０００３】
このノッキングの発生を抑制するために燃焼室の下面を構成するピストン頂面の外周部がピストン中心軸方向に向いた上方へ緩やかに傾斜した外周隆起部を形成するとともに、燃焼室の上面を構成するシリンダヘッド内面を、外周部から中心に向い上方へ緩やかに傾斜した円錐面状に形成し、ピストンが上死点付近に接近した場合に、燃焼室の外周縁に上下巾の薄いスキッシュエリアから燃焼室中心に向いスキッシュ流を発生させるようにした燃焼室構造（特公平８−３０４１４号公報）があった。
【０００４】
しかし、燃焼室内の吸気弁付近は、新気や混合気の流入によって低温に冷却され、かつ排気弁より大径の吸気弁が存在して、充分なスキッシュエリアが確保されにくいため、圧縮行程終期における吸気弁付近の混合気では、他の部分の混合気よりも低温で火炎伝播速度が遅く、ノッキング発生の抑制効果が低かった。
【０００５】
これを改善するために、ピストン頂面の外周部における吸気弁付近に凹部となる切欠き部を形成し、ピストン頂面の外周部に隣接したスキッシュエリアで生成されたスキッシュ流がこの切り欠き部に流れ込み、この切り欠き部にてスキッシュ流を互いに衝突させることによって乱れを生成し、吸気弁付近での燃焼を促進した燃焼室構造（特開平１０−１８４３６６号公報）があった。
【０００６】
しかし、１対の吸気弁と１対の排気弁を備えた内燃機関では、充填効率を高水準に維持するために燃焼室外周縁と、燃焼室中心から最も離れた吸気弁外周縁部分との間隔が極めて狭くなっており、ピストン頂面の外周部における吸気弁近傍に隣接して形成された切り欠き部のシリンダ径方向の巾が著しく狭くなり、燃焼室内に局部的な過熱をもたらし、燃焼室内に部分的な切り欠き部を形成することでしかスキッシュ流の衝突効果を期待することができなかった。
【０００７】
【課題を解決するための手段および効果】
本出願発明は、このような難点を克服した内燃機関の燃焼室構造の改良に係り、請求項１の発明は、シリンダヘッドに１対の吸気弁と排気弁をそれぞれ備えたペントルーフ型燃焼室構造において、ピストン頂面の環状外周端面全周がピストン中心軸に対し直交する平面に形成されるとともに、該ピストン頂面の環状外周端面から中心寄り端面全周にシリンダヘッド方向へ突出する隆起部が形成され、かつ該隆起部にそれぞれ１対のバルブリセスが形成され、前記各隆起部における１対のバルブリセス間の頂面には、平面状傾斜面が形成されるとともに、該隆起部における各バルブリセス付近の頂面には、該平面状傾斜面に滑らかに接続するとともに、前記ピストン頂面の環状外周端面に滑らかに接続する円錐状傾斜面が形成され、前記１対のバルブリセス間における平面状傾斜面と環状外周端面で第１スキッシュエリアが形成されるとともに、円錐状傾斜面に第２スキッシュエリアが形成され、前記第１スキッシュエリアで生成されたスキッシュ流の少なくとも一部を前記第２スキッシュエリアに導くことを特徴とするものである。
【０００８】
請求項１の発明は、前述したように構成されているため、圧縮行程終期に、ピストンが上死点付近迄上昇し、ピストン頂面の環状外周端面と１対のバルブリセス間の平面状傾斜面とで第１スキッシュエリアが形成され、該第１スキッシュエリアから燃焼室中心に向ってスキッシュが流れ、燃焼室内の混合気が著しく撹乱され、また、前記第１スキッシュエリアの少なくとも一部のスキッシュ流が前記円錐状傾斜面に沿う第２スキッシュエリアを介して吸排気弁間の燃焼室外周部に噴射し、この吸気弁と排気弁の両方から噴射されるスキッシュ流の衝突で、燃焼室内の混合気に乱流が発生する。
【０００９】
第１スキッシュエリアと第２スキッシュエリアとで、このようにスキッシュエリアが広く構成されるため、燃焼室のコンパクト化が可能となり、また点火栓による着火火炎の伝播距離が短縮され、点火栓により着火された火炎が急速に燃焼室の外周円付近の未然混合気迄到着しうるので、自己着火する前に火炎によって着火され、ノッキングの発生が著しく抑制される。
【００１０】
また、第１スキッシュエリアから第２スキッシュエリアを介して吸排気弁間の燃焼室外周部にスキッシュ流をそれぞれ噴射して、相互に衝突させ、ノッキングを起し易い燃焼室外周部、特にバルブリセス近傍の混合気を充分に撹乱するため、ノッキングの発生をより一層確実に抑制できる。
【００１１】
さらに、請求項２のように発明を構成することにより、排気弁側のスキッシュエリアが吸気弁側のスキッシュエリアよりも広いため、排気弁側の第１スキッシュエリアから第２スキッシュエリアを介して吸排気弁間に噴射するスキッシュ流の方が、吸気弁側の第１スキッシュエリアから第２スキッシュエリアを介して吸排気弁間に噴射するスキッシュ流よりも強くなり、両者の衝突個所が吸気弁側に位置する結果、低温でノッキングを起し易い吸気弁近くの混合気が強く撹拌され、燃焼が促進されて、ノッキングの防止効果がさらに向上する。
【００１２】
さらにまた、請求項３のように発明を構成することにより、燃焼室中央の点火栓で着火された火炎が高さの低い吸排気弁間の隆起部を越えて燃焼室外周の吸排気弁間部に容易に到達でき、その火炎を相互に衝突させた吸排気弁間のスキッシュ流に着火させることで燃焼が促進され、燃焼室の外周における自己着火が未然に阻止される。
【００１３】
以下、図１ないし図７に図示された本発明の一実施形態について説明する。
４ストロークサイクル火花点火式内燃機関の燃焼室１は、シリンダブロック２のシリンダスリーブ３の内周面４と、シリンダブロック２の上方に一体に結合されたシリンダヘッド５の内面６と、シリンダスリーブ３の内周面４に摺動自在に嵌装されたピストン７の頂面８とで構成され、図１に図示されるように、前記シリンダヘッド５の内面６は、シリンダスリーブ３の中心軸の近くを通る稜線９を境にして左右上方へ緩やかに傾斜したペントルーフ形状に形成され、図３に図示されるように、一方の傾斜面に１対の吸気開口10が稜線９に沿って配設されるとともに他方の傾斜面に１対の排気開口11が同様に配設され、シリンダヘッド５では、これら吸気開口10および排気開口11にそれぞれ通ずる吸気ポート12および排気ポート13が形成されている。
【００１４】
また、前記シリンダヘッド５には、前記1対の吸気開口10および1対の排気開口11を開閉自在に密閉しうる吸気弁14および排気弁15が嵌装され、図示されないクランク軸に連結されたカムシャフトおよびロッカーアームなどの動弁機構により、前記吸気弁14および排気弁15はピストン７の昇降に連動して開閉駆動されるようになっている。
【００１５】
さらに、前記ピストン７の頂面８の環状外周端面16が、全周に亘り、ピストン７の中心軸に対し直交する平面すなわちシリンダブロック２とシリンダヘッド５との合せ面と平行な平面に形成されるとともに、該頂面８の環状外周端面16からピストン７の中心寄りに、シリンダヘッド５の方向へ緩やかな曲面で突出する隆起部17が形成され、該隆起部17に吸気弁14および排気弁15にそれぞれ対応した１対の吸気弁バルブリセス18、排気弁バルブリセス19が形成され、ピストン７の頂面８の中心部には、隆起部17により凹部20が形成されている。
【００１６】
そして、前記ピストン７の頂面８に形成された隆起部17では、１対の排気弁バルブリセス19の間の隆起部17Eの方が、１対の吸気弁バルブリセス18の間の隆起部17Iよりも高く形成され、両吸気弁バルブリセス18排気弁バルブリセス19の間の隆起部17Mが、前記隆起部17E、隆起部17Iよりも低く形成されている。
【００１７】
また、ピストン７の頂面８において、環状外周端面16から１対の吸気弁バルブリセス18の間の隆起部17Iの頂部隆起部17ITに亘り平面状傾斜面21Iが形成されるとともに、環状外周端面16から１対の排気弁バルブリセス19の間の隆起部17Eの頂部隆起部17ETに亘り平面状傾斜面21Eが形成されている。
【００１８】
さらに、ピストン７の頂面８において、環状外周端面16と吸気弁バルブリセス18と平面状傾斜面21Iとで囲まれた部分に円錐状傾斜面22Iが形成されるとともに、環状外周端面16と排気弁バルブリセス19と平面状傾斜面21Eとで囲まれた部分に円錐状傾斜面22Eが形成され、環状外周端面16と吸気弁バルブリセス18、排気弁バルブリセス19と隆起部17Mの頂部隆起部17MTとで囲まれた円周部分にも傾斜面23が形成されている。
【００１９】
さらにまた、シリンダヘッド５の内面６の略中央寄り燃焼室１内に点火栓24の電極部25が露出するように設けられ、しかも吸気ポート12に図示されない燃料噴射弁が設けられており、吸気行程で燃料噴射弁から燃料が噴射され、圧縮行程の終期に点火栓24の電極部25から火花が飛ばされるようになっている。
【００２０】
しかも、円錐状傾斜面22は、シリンダヘッド５の内面６に対し、平面状傾斜面21から傾斜面23に向けて除々に間隔が大きくなって、シリンダヘッド５の内面６に対する円錐状傾斜面22上の空間が広く形成され、平面状傾斜面21で生成されたスキッシュ流に指向性を持たせるようになっている。
【００２１】
そして、吸排気弁14，15とこれに対面するバルブリセ18，19の表面は平行なるように、バルブリセス18，19は形成されている。
【００２２】
図１ないし図７に図示の実施形態は前述したように構成されているので、圧縮行程終期において、ピストン７が上死点に接近すると、燃焼室１の周辺部の環状外周端面16、平面状傾斜面21I、平面状傾斜面21Eと、これに相対したシリンダヘッド５の内面６とで挟まれた空間が、図４に図示されるように狭くなって、この空間から燃焼室１の中央に向って図７の白抜き矢印のようにスキッシュ流が生ずるとともに、この空間から周方向に向う図７の点線白抜き矢印のようなスキッシュ流が生ずる。
【００２３】
また、これと同時に燃焼室１の周辺部の環状外周端面16、円錐状傾斜面22I、円錐状傾斜面22E、とこれに相対したシリンダヘッド５の内面６とで挟まれた空間も、図３に図示されるように狭くなり、この空間から周方向に向う図７の１点鎖線白抜き矢印のようなスキッシュ流が生じ、前記燃焼室１の周辺部環状外周端面16、平面状傾斜面21I、平面状傾斜面21Eとこれに相対したシリンダヘッド５の内面６とで挟まれて発生した周方向スキッシュ流と合流し、環状外周端面16と吸気弁バルブリセス18、排気弁バルブリセス19と隆起部17Mの頂部隆起部17MTとで囲まれた傾斜面23に沿い周方向へ流れる。この傾斜面23に沿い吸気弁バルブリセス18から流れた周方向スキッシュ流と、傾斜面23に沿い、排気弁バルブリセス19から流れた周方向スキッシュ流は、傾斜面23の周方向中央部で衝突を起し、乱れる。そして、これらの周方向スキッシュ流は、上方へ盛った傾斜面23によって燃焼室１の中心に向きを変えずに環状外周端面16上を進行するため、前記衝突による乱れは激しいものである。
【００２４】
さらに、円錐状傾斜面22は、シリンダヘッド５の内面６に対し、平面状傾斜21から傾斜面23に向けて除々に空間が広がるように形成されているため、平面状傾斜面21で生成されたスキッシュ流の内、周方向に流れるスキッシュ流に周方向の指向性を持たせている結果、前記衝突がさらに強化される。
【００２５】
このように、図示の実施形態では、燃焼室１の周辺部全周に亘りスキッシュ流が生じて、スキッシュエリアが広く形成されるため、燃焼室１の燃焼領域がコンパクト化され、点火栓24による着火火炎の伝播距離が短縮され、また、点火栓24により着火された火炎が急速に燃焼室１の周縁部の未然混合気迄伝播するので、自己着火する前に、火炎によって着火され、ノッキングの発生が抑制される。この結果、圧縮比の増大が可能となって、燃費の改善を促進することができる。
【００２６】
また、１対の吸気弁14の内の一方を休止させることにより、吸気行程における燃焼室１内のスワールを強化でき、逆スキッシュおよびスキッシュとの組合せの相乗効果を増強して、燃焼室１内の混合気を強く乱すことができる。
同様に、吸気ポート12を螺旋状に形成してスワールを発生してもよい。
【００２７】
さらに、ピストン７の頂面８はおよびシリンダヘッド５の内面６は、滑らかな曲面に形成されているため、膨張行程で得られる燃焼室内のスワール流を圧縮行程で減衰させることなくスキッシュと組合せて燃焼室１内の混合気を強く乱すことができ、また燃焼室１内の局部的な過熱による自己着火をも抑制することができる。
【００２８】
さらにまた、ピストン７の頂面８における傾斜面23と、シリンダヘッド５の内面６におけるこの部位に対応した部分との間のスキッシュエリアが存在しない領域でも、図７に図示される1点鎖線白抜き矢印に図示されるような周方向スキッシュ流を導き、この領域で、相互に衝突させて、大きな乱れを発生することができ、また、シリンダヘッド５の内面６とピストン７の頂面８における環状外周端面16は、自己着火および火炎伝播の減衰を招く断面鋭角部分が存在しないことより、ノッキングの抑制効果を著しく向上させることができる。
【００２９】
しかも、前記ピストン７の頂面８に形成された隆起部17において、１対の排気弁バルブリセス19間の隆起部17Eの方を、１対の吸気弁バルブリセス18間の隆起部17Iよりも高く形成しているため、１対の排気弁バルブリセス19間の隆起部17Eにおける平面状傾斜面21Eに接したスキッシュエリアを、１対の吸気弁バルブリセス18間の隆起部17Iにおける平面状傾斜面21Iに接したスキッシュエリアよりも広く形成し、平面状傾斜面21Eに接したスキッシュエリアからのスキッシュ流を隆起部17Iの方へ強く導くことができる。
【００３０】
また、吸排気弁14，15とこれに対面するバルブリセス18，19の表面は互いに平行にすることにより、特にピストン上死点における吸気弁14周り（周辺）の容積を少なく形成でき、これによって吸入行程、ピストン下降に伴なう吸気弁14周りの圧力を低く設定でき、吸気ポートからの吸気が入りやすい状態とされる。よって吸気における体積効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃焼室構造におけるシリンダヘッド内面の形状を図示した概略斜視図である。
【図２】図１に図示の燃焼室構造のピストン頂面の形状を図示した概略斜視図である。
【図３】点火栓を除去した状態で図２のIII−III線に沿って裁断した縦断面図である。
【図４】図２のIV−IV線に沿って裁断した縦断面図である。
【図５】図２のＶ−Ｖ線に沿って裁断した縦断面図である。
【図６】シリンダヘッド内面とピストン頂面を合わせた平面図である。
【図７】ピストン頂面の平面図である。
【符号の説明】
１…燃焼室、２…シリンダブロック、３…シリンダスリーブ、４…内周面、５…シリンダヘッド、６…内面、７…ピストン、８…頂面、９…稜線、10…吸気開口、11…排気開口、12…吸気ポート、13…排気ポート、14…吸気弁、15…排気弁、16…環状外周端面、17…隆起部、18…吸気弁バルブリセス、19…排気弁、20…凹部、21…平面状傾斜面、22…円錐状傾斜面、23…傾斜面、24…点火栓、25…電極部。
【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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