(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ上方のシリンダヘッドのヘッド下面側に、２つの吸気ポートが開口する吸気側の傾斜面と、２つの排気ポートが開口する排気側の傾斜面と、を有するペントルーフ型の燃焼室が凹設されるとともに、上記燃焼室の中央に点火プラグが配設され、かつ、上記シリンダ内にスワールを生成するスワール生成手段を備えた火花点火式内燃機関の燃焼室構造において、
上記スワール生成手段が、上記２つの吸気ポートを開閉する２つの吸気弁の一方の作動を停止する弁停止機構を備え、
各傾斜面の両側に、上記ヘッド下面から立ち上がる第１側壁面及び第２側壁面がそれぞれ設けられ、上記第１側壁面が上記第２側壁面に対してスワール上流側に位置し、
２つの第１側壁面のそれぞれが、これら２つの第１側壁面に案内される一対のスワール流れが点火プラグ近傍で互いに衝突するように、近接する吸気ポート又は排気ポートの開口部の外周に沿うようにシリンダ外径線よりも内側へ湾曲しており、
２つの第２側壁面は、それぞれ直線状の平坦面をなしていることを特徴とする火花点火式内燃機関の燃焼室構造。
【請求項２】
上記第１，第２側壁面がヘッド下面から略垂直に起立しており、これら第１，第２側壁面とシリンダ外径線との間に、上記ヘッド下面と同一面をなす平面部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の火花点火式内燃機関の燃焼室構造。
【請求項３】
上記シリンダ内に往復動可能に嵌合するピストンの冠面がほぼ平坦な面であることを特徴とする請求項１又は２に記載の火花点火式内燃機関の燃焼室構造。
【請求項４】
上記第１側壁面が、上記点火プラグへ向かうほど曲率が大きくなるように湾曲していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の火花点火式内燃機関の燃焼室構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガソリンエンジンに代表される火花点火式内燃機関の燃焼室構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ガソリンエンジンに代表される火花点火式内燃機関では、燃費向上を目的として大量のＥＧＲ（排気還流ガス）を供給する傾向にあるが、ＥＧＲ量の増加とともに燃焼安定性が悪化するため、タンブルやスワールの流動成分を利用した燃焼改善が従来より提案されている。例えば特許文献１には、ペントルーフ型の燃焼室を形成する吸気側の傾斜面と排気側の傾斜面に合計４つの吸・排気ポートを開口形成し、隣り合うポート開口部の間のうち、スワール生成用のプライマリ吸気ポートの直ぐスワール下流側のポート開口部間を除く三箇所に、開口部の周縁に沿ってシリンダ中心側へ張り出した縦方向の壁面を有する第１〜第３マスクを設けている。これらマスクの縦方向の壁面により、圧縮上死点付近でスワールを点火プラグの近傍へ偏向させるとともに、圧縮上死点付近でマスク下面とピストン冠面との隙間（スキッシュエリア）からシリンダ中心へ向かうスキッシュ流によって燃焼改善を図る技術が記載されている。
【特許文献１】特開平５−１６３９５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述した特許文献１のように、単にスワールの流れ全体を点火プラグの近傍へ向けて偏向させるものでは、後述するような燃焼を活性化させる『乱れ』を有効に生成することはできず、逆に点火プラグ付近で大きなスワールの流れによる流速が増して失火を招くおそれがある。また、スキッシュ流によるシリンダ中心方向への流れにより圧縮上死点付近での『乱れ』はある程度強化されるものの、十分とはいえず、また、このスキッシュ流は圧縮上死点付近のみで作用するものであり、例えば点火時期の進角を伴うＥＧＲ量の増加時における燃焼安定性を十分に確保することが困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、スワールを利用して圧縮上死点近傍における燃焼室内に燃焼を活性化させる『乱れ』を強化し、着火性・燃焼安定性を大幅に改善し得る新規な火花点火式内燃機関の燃焼室構造を提供することを目的としている。すなわち、本発明は、シリンダ（ボア）上方のシリンダヘッドのヘッド下面側に、吸気ポートが開口する吸気側の傾斜面と、排気ポートが開口する排気側の傾斜面と、を有するペントルーフ型の燃焼室が凹設されるとともに、上記燃焼室の中央に点火プラグが配設され、かつ、上記シリンダ内にスワールを生成するスワール生成手段を備えた火花点火式内燃機関の燃焼室構造において、各傾斜面の両側に、上記ヘッド下面から立ち上がる一対の第１側壁面及び第２側壁面が設けられ、これら第１側壁面及び第２側壁面のうち、上記スワールの流れ方向に沿ってヘッド下面から立ち上がる第１側壁面を、シリンダ外径線よりも内側へ湾曲させたことを特徴としている。
【０００５】
圧縮行程では、ピストンの上昇に伴って燃焼室内の混合気がスワールの流動成分を維持しつつシリンダ上方のシリンダヘッド側へ移動し、ピストン上死点近傍において、スワールの流れがヘッド下面側に形成された一対の第１側壁面によってそれぞれ燃焼室中央側へと向きを変え、点火プラグの近傍で互いに衝突することとなり、この衝突によって、スワールの比較的大きな流れのエネルギーは、その流れの崩壊に伴って、燃焼を活性化させる微小な『乱れ』へと遷移する。このような『乱れ』の強化・増大により、燃焼速度が短縮され、着火性，燃焼安定性が向上する。
【発明の効果】
【０００６】
このように本発明によれば、スワールを利用して燃焼室内の乱れを増大することで、着火性・燃焼安定性を向上することができる。このため、例えば燃焼安定性を損ねることなくＥＧＲ量を十分に確保することが可能となり、燃費向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、本発明を火花点火式のガソリン内燃機関に適用した一実施例について、図面を参照して説明する。なお、図１及び図３〜５は燃焼室の形状を模式的に示す斜視図で、図２はシリンダヘッドのヘッド下面を示す下面図である。
【０００８】
内燃機関のシリンダブロック１０上にはガスケットを介してシリンダヘッド１１が複数のヘッドボルトにより共締め固定されている。シリンダブロック１０には、ピストン１２が往復動可能に嵌合する複数のシリンダ（ボア）１３が設けられている。各ピストン１２の冠面１２Ａは、この実施例ではほぼ平坦な面をなし、要求・仕様に応じてバルブリセスや成層燃焼用のボウル（図示省略）等が適宜凹設されている。
、各ピストン１２の上方には、ペントルーフ型の燃焼室１４がシリンダヘッド１１の平坦なヘッド下面１１Ａ側に凹設されている。このペントルーフ型をなす燃焼室１４の天井面には、２つの吸気ポート１５，１６が開口する吸気側の傾斜面３１と、２つの排気ポート１７，１８が開口する排気側の傾斜面３２と、が設けられ、その中央の頂部に点火プラグ１９が取り付けられている。つまり点火プラグ１９はシリンダ中心位置付近において燃焼室１４内へ臨むようにシリンダヘッド１１に取り付けられている。
【０００９】
両吸気ポート１５，１６はシリンダヘッド１１の一側面から燃焼室１４にわたって形成され、また両排気ポート１７，１８はシリンダヘッド１１の他側面から燃焼室１４にわたって形成されており、これらに図外の吸気マニホールドおよび排気マニホールドが接続される。また、シリンダヘッド１１には、燃焼室１４に対する各吸気ポート１５，１６の開口部１５Ａ，１６Ａおよび各排気ポート１７，１８の開口部１７Ａ，１８Ａをそれぞれ開閉する吸気弁２１，２２および排気弁２３，２４が配設されている。
【００１０】
また、シリンダ１３及びその上方の燃焼室１４内にシリンダ円周方向の渦流であるスワールＳを生成するためのスワール生成手段として、この実施例では、一方の吸気弁２２の開作動を停止する弁停止機構２５が設けられている。このように一方の吸気弁２２の作動を停止して閉弁状態に維持することで、他方の吸気弁２１のみを介して吸気がシリンダ１３内に流入するために、図２〜図４に示すようなシリンダ外周に沿うスワールＳが生成される。このような弁停止機構２５として、この実施例では吸気弁２２のバルブリフト量及び作動角を連続的に変化させる周知のリフト作動角可変機構を用いており、その動作は制御部２６によって機関運転状態に応じて制御される。あるいは、スワール制御弁により一方の吸気ポートを閉じることによりスワールを生成するようにしてもよい。あるいは、吸気ポートの形状やレイアウトを適宜に設定することでスワールを定常的に付与するようにしても良い。
【００１１】
吸気側の傾斜面３１のピストンピン方向（クランクシャフト軸方向）Ｌ１の両側には、ヘッド下面１１Ａからシリンダ軸方向Ｌ０へ略垂直に立ち上がる一対の第１側壁面３３及び第２側壁面３４が形成され、同じく排気側の傾斜面３２のピストンピン方向Ｌ１の両側には、ヘッド下面１１Ａからシリンダ軸方向Ｌ０へ略垂直に立ち上がる一対の第１側壁面３５及び第２側壁面３６が形成されている。図２にも示すように、これらの側壁面３３〜３６はシリンダ外径線１３Ａよりも内側でヘッド下面１１Ａと接続・交差しており、従って、側壁面３３〜３６の付け根部分とシリンダ外径線１３Ａとの間には、ヘッド下面１１Ａと同一面をなす、つまりヘッド下面１１Ａの一部をなす第１平面部３７，３８が残存している。また、各傾斜面３１，３２はシリンダ外径線１３Ａよりも内側でヘッド下面１１Ａから立ち上がるものとなっており、従って、各傾斜面３１，３２の立ち上がり部分とシリンダ外径線１３Ａとの間には、ヘッド下面１１Ａと同一面をなす、つまりヘッド下面１１Ａの一部をなす第２平面部３９，４０が残存している。
【００１２】
そして本実施例では、吸気側傾斜面３１の一対の側壁面３３，３４のうち、スワールＳの流れ方向に沿ってヘッド下面１１Ａから立ち上がる第１側壁面３３を、シリンダ外径線１３Ａよりも大きな曲率で内側へ湾曲させている。同様に、排気側傾斜面３２の一対の側壁面３５，３６のうち、スワールＳの流れ方向に沿ってヘッド下面１１Ａから立ち上がる第１側壁面３５を、シリンダ外径線１３Ａよりも大きな曲率で内側へ湾曲させている。これらの第１側壁面３３，３５は、近接するポート開口部１５Ａ，１７Ａの外周に沿うように湾曲しつつ、スワールＳの流れ方向に沿って点火プラグ１９へ向かうほど曲率が大きくなるように、渦巻き状，インボリュート曲線状に湾曲しており、スワール上流側ではシリンダ外径線１３Ａと滑らかに接続し、スワール下流側では両傾斜面３１，３２が接続する稜線４１へと滑らかに接続し、つまり接線方向が稜線４１と一致するものとなっている。これらの第１側壁面３３，３５は、シリンダ外周に沿って流れるスワールの流れをそれぞれ内側へと大きく偏向させて、燃焼室中央の点火プラグ１９の近傍へ向かうように案内する、いわゆるスワールガイドとして機能している。
【００１３】
一方、他方の第２側壁面３４，３６は、上記第１側壁面３３，３５のような湾曲面とはなっておらず、この実施例では対応する第１側壁面３３，３５と稜線４１の位置で接続する平坦な垂直面となっている。つまり、両傾斜面３１，３２のピストンピン方向Ｌ１で一方の側に形成される一連の側壁面３３，３６のうち、スワール上流側の側壁面のみを湾曲する第１傾斜面３３としており、同じく両傾斜面３１，３２のピストンピン方向Ｌ１で他方の側に形成される一連の側壁面３５，３４のうち、スワール上流側の側壁面のみを湾曲する第１傾斜面３５としている。言い換えるならば、本実施例では、傾斜面３１，３２の両側に、縦方向の側壁面３３〜３６及びヘッド下面１１Ａに沿う平面部３８，３９を持った一対のマスクを設けており、各マスクのスワールの流れ方向で上流側の第１側壁面３３，３５を、燃焼室中央側へ向けて内側へ大きく湾曲させている。
【００１４】
次に、図３〜図５を参照して、スワールＳを生成する運転条件における筒内流動について説明する。図３に示すように吸気行程ではピストン１２の下降に伴って吸気が一方の吸気ポート１５より流入し、斜め下方向へ向けて旋回するスワールＳが生成される。図４に示すように、圧縮行程前半では、スワールＳがほぼ平面的なものとなり、ピストン上昇に伴って上方のシリンダヘッド側へと近づいていく。ここで本実施例では、スワールガイドとしての第１側壁面３３，３５がシリンダヘッド１１の下面側に形成され、ピストン冠面１２Ａはほぼ平坦面となっているために、スワールＳの流動成分が乱されることなく良好に維持される。そして、図５に示すように圧縮行程後半になると、ピストン１２上方の空間の大部分をシリンダヘッド１１に凹設された燃焼室１４、つまりシリンダヘッド１１側の容積が占める状態となり、このように燃焼室１４内に入り込んだ混合気が、上記の湾曲する一対の第１側壁面３３，３５によって点火プラグ１９へ向けてそれぞれ向きを変えられ、これらの流れＳ１，Ｓ２が点火プラグ１９の付近Ｓ３で互いに衝突することで、燃焼を活発化させる『乱れ』へと遷移し、この乱れによって燃焼速度を速め、着火性、燃焼安定性を大幅に向上させることができる。
【００１５】
更に本実施例では、これらの側壁面３３〜３６の根本部分とシリンダ外径線１３Ａとの間にシリンダヘッド１１と同一面をなす第１平面部３７，３８が形成されており、ピストン上死点近傍における第１平面部３７，３８とピストン冠面１２Ａとの僅かな隙間であるスキッシュエリアからのスキッシュ流によって、ピストン上死点近傍における『乱れ』を更に強化することができる。すなわち、側壁面３３〜３６の根本部分に形成される第１平面部３７，３８を用いて燃焼室内の『乱れ』を更に強化することができる。
【００１６】
加えて、各傾斜面３１，３２の立ち上がり部分からシリンダ外径線１３Ａへかけてヘッド下面１１Ａと同一面をなす第２平面部３９，４０が形成されており、ピストン上死点近傍における第２平面部３９，４０とピストン冠面１２Ａとの僅かな隙間であるスキッシュエリアからのスキッシュ流によって、ピストン上死点近傍における『乱れ』を更に強化することができる。
【００１７】
図６は、クランク角に対する燃焼室内の『乱れ』の強さを示す特性図であり、実線Ａはシリンダヘッド側にスワールガイドとしての上記の第１側壁面３３，３５を設けた本実施例、破線Ｂはピストン冠面側にスワールガイドを設けた参考例１、破線Ｃは上述した特開平５−１６３９５０号公報に記載のようにスワール偏向とスキッシュ流を利用した参考例２にそれぞれ対応している。
【００１８】
参考例１のようにピストン冠面側にスワールガイドを設けた場合、ピストンが下降する吸気下死点前の吸気行程でスワールガイドがスワール流と衝突し易く、この吸気行程で早期に乱れを生成してしまい、点火時期付近である圧縮上死点より少し前での乱れへの変換は減少する。また、近年の高圧縮比化に伴いピストン冠面に燃焼室側のペントルーフ形状に応じた凸部を設ける傾向にあり、このようなものではピストン冠面側にスワールガイドを設けることは困難である。更に、圧縮行程後半では隙間容積のうちでシリンダヘッド下面に凹設された燃焼室の占める割合が大きくなる傾向にあることからも、本実施例のようにシリンダヘッドの下面側にスワールガイドとしての第１側壁面３３，３５を設ける方が、参考例１のようにピストン冠面側にスワールガイドを設けるものに比して、より効果的に圧縮上死点付近での乱れを強化することができる。
【００１９】
後者の参考例２では、スキッシュ流れによって乱れは強化されるものの、スワール偏向によりスワールの流れ全体を点火プラグへ向けることによっては、乱れの強化は期待できず、逆に大きなスワールの流れによって失火の可能性がある。本実施例によれば、上記の第１側壁面３３，３５により圧縮上死点付近でスワールの流れを点火プラグ近傍で衝突させているために、上記参考例２のように大きなスワール流れによる失火を招くことなく乱れを効果的に強化することができる。
【００２０】
図７は、上記の制御部２６により所定期間毎（例えば１０ｍｓ毎）に実行される制御の流れを示すフローチャートである。ステップＳ１１において、機関要求負荷が所定のしきい値（一定値）以下の低負荷域であると判定されると、ステップＳ１２へ進み、上述した弁停止機構２５としてのリフト作動角可変機構を用いた片弁停止運転を行い、シリンダ内にスワールＳを生成させる。続くステップＳ１３において、ＥＧＲ量の増量が行われているかを判定し、ＥＧＲ量増加時には、ステップＳ１４へ進み、ＥＧＲ量が多くなるほど燃焼が緩慢になることから点火時期を進角していく（図８参照）。このようにＥＧＲ量が増加するほど、着火性や燃焼安定性が低下するとともに点火時期が進角していくことになる。本実施例によれば、点火時期近傍の圧縮上死点の少し前から乱れを十分に強化できるので、このように点火時期を進角させるＥＧＲ量増加時の運転条件に特に有効である。
【００２１】
以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。例えば上記実施例ではピストン冠面１２Ａをほぼ平坦面としているが、高圧縮比化を図るために、シリンダヘッド側に凹設されるペントルーフ型の燃焼室形状に応じた凸部を設けたものであっても良い。
【００２２】
また、この実施例では、一方の吸気弁２２の作動を停止して閉弁状態に維持することで、他方の吸気弁２１のみを介して吸気がシリンダ１３内に流入することで、図２〜図４に示すようなシリンダ外周に沿うスワールＳが生成されることを説明した。他の実施例では、シリンダヘッド１１の吸気弁２２が収容される位置にマスクを付けることで他方の吸気弁２１のみを介して吸気をシリンダ１３内に流入させて燃焼室内にスワール流を生成させても良い。これは、例えば、吸気弁２２が通常運転中のリフトに比して小リフトであるときに、シリンダヘッド１１に形成されるマスク（吸気弁２２を覆うような段差）によって、吸気弁２２が閉弁状態を維持するものである。これにより、吸気弁２２に弁停止機構を設けることなく、燃焼室内にスワール流を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施例に係る火花点火式内燃機関の燃焼室構造を示す斜視図。
【図２】上記実施例の燃焼室構造を示すシリンダヘッドの下面図。
【図３】吸気行程におけるシリンダ内の流動成分を簡略的に示す斜視図。
【図４】圧縮行程におけるシリンダ内の流動成分を簡略的に示す斜視図。
【図５】圧縮上死点近傍におけるシリンダ（燃焼室）内の流動成分を簡略的に示す斜視図。
【図６】本実施例（Ａ）．参考例１（Ｂ）及び参考例２（Ｃ）における燃焼室内の乱れ強さを示す特性図。
【図７】本実施例に係る制御の流れを示すフローチャート。
【図８】ＥＧＲ量と点火時期の関係を示す特性図。
【符号の説明】
【００２４】
１１…シリンダヘッド
１２…ピストン
１３…シリンダ（ボア）
１３Ａ…シリンダ外径線
１４…燃焼室
１５，１６…吸気ポート
１７，１８…排気ポート
２１，２２…吸気弁
２３，２４…排気弁
２５…弁停止機構（スワール生成手段）
３１，３２…傾斜面
３３，３５…第１側壁面
３４，３６…第２側壁面
【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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