(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気弁及び排気弁が同時に開弁するバルブオーバーラップ期間が設定され、当該吸気弁及び排気弁と、シリンダヘッドと、シリンダと、当該シリンダ内に配置されたピストンとによって形成される燃焼室についての幾何学的圧縮比が１３．０以上であって、火花点火式のレシプロエンジンにおいて、
前記吸気弁及び前記排気弁は、前記シリンダの中心軸を挟んだ一側及び他側とにそれぞれ配置されると共に、前記吸気弁は、前記シリンダの中心軸に対して前記排気弁とは逆方向に所定角度だけ傾斜した往復直線運動方向に、往復直線運動するよう配置され、
前記吸気弁のバルブシートが形成された前記シリンダヘッドの天井面は、傾斜配置された前記吸気弁のヘッド部に沿うように傾斜しており、
前記ピストンの冠面は、前記シリンダヘッドの傾斜した天井面に対応するように、前記吸気弁側から前記燃焼室の中央に向かって隆起する隆起部を有し、
前記吸気弁の前記往復直線運動方向と平行であり、かつ、前記吸気弁の前記ヘッド部を通過する、任意の仮想切断面における前記燃焼室の断面積をＳｉ１、
前記仮想切断面よりも前記排気弁とは逆側である前記燃焼室の外方側における前記ヘッド部と前記バルブシートとの有効開口面積をＳｉ２とした場合に、
前記バルブオーバーラップ期間の中央時点において、
Ｓｉ１≧Ｓｉ２
であることを特徴とするレシプロエンジン。
【請求項２】
吸気弁及び排気弁が同時に開弁するバルブオーバーラップ期間が設定され、当該吸気弁及び排気弁と、シリンダヘッドと、シリンダと、当該シリンダ内に配置されたピストンとによって形成される燃焼室についての幾何学的圧縮比が１３．０以上であって、火花点火式のレシプロエンジンにおいて、
前記吸気弁及び前記排気弁は、前記シリンダの中心軸を挟んだ一側及び他側とにそれぞれ配置されると共に、前記排気弁は、前記シリンダの中心軸に対して前記吸気弁とは逆方向に所定角度だけ傾斜した往復直線運動方向に、往復直線運動するよう配置され、
前記排気弁のバルブシートが形成された前記シリンダヘッドの天井面は、傾斜配置された前記排気弁のヘッド部に沿うように傾斜しており、
前記ピストンの冠面は、前記シリンダヘッドの傾斜した天井面に対応するように、前記排気弁側から前記燃焼室の中央に向かって隆起する隆起部を有し、
前記排気弁の前記往復直線運動方向と平行であり、かつ、前記排気弁の前記ヘッド部を通過する、任意の仮想切断面における前記燃焼室の断面積をＳｅ１、
前記仮想切断面よりも前記吸気弁とは逆側である前記燃焼室の外方側における前記ヘッド部と前記バルブシートとの有効開口面積をＳｅ２とした場合に、
前記バルブオーバーラップ期間の中央時点において、
Ｓｅ１≧Ｓｅ２
であることを特徴とするレシプロエンジン。
【請求項３】
前記吸気弁を１気筒あたり２つ設け、
前記仮想切断面は２つの前記吸気弁の配列方向と平行であることを特徴とする請求項１又は２に記載のレシプロエンジン。
【請求項４】
前記排気弁を１気筒あたり２つ設け、
前記仮想切断面は２つの前記排気弁の配列方向と平行であることを特徴とする請求項３に記載のレシプロエンジン。
【請求項５】
前記吸気弁と前記排気弁とがクランク軸の軸方向と直交する方向に離間して配置され、
前記吸気弁と前記排気弁との間に点火プラグが配置され、
前記仮想切断面は前記クランク軸の前記軸方向と平行であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレシプロエンジン。
【請求項６】
前記中央時点が、ピストンが上死点に位置するタイミングとずれていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレシプロエンジン。
【請求項７】
前記中央時点が、前記ピストンが上死点に位置するタイミングよりも進角方向にずれていることを特徴とする請求項６に記載のレシプロエンジン。
【請求項８】
幾何学的圧縮比が１４．０以上であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のレシプロエンジン。
【請求項９】
幾何学的圧縮比が１４．５以上であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のレシプロエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレシプロエンジンに関し、幾何学的圧縮比が１３．０以上のレシプロエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
吸気弁及び排気弁のバルブタイミングとして、ピストンが上死点付近のタイミングで吸気弁及び排気弁が同時に開弁するバルブオーバーラップ期間を設定したレシプロエンジンが提案されている（例えば、特許文献１）。バルブオーバーラップ期間を設定することで、既燃ガスの掃気性と吸気の充填効率とを向上することができる。
【特許文献１】特開２００６−２８３６３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ここで、燃費向上の方法として、幾何学的圧縮比を例えば１３．０以上となるように、高く設定することで熱効率を向上することが提案されている。しかし、排気量が同じであれば幾何学的圧縮比を高く設定すればするほど燃焼室の容積は小さくなり、燃焼室内での吸排気方向での気体の流動に抵抗が生じる。このため、幾何学的圧縮比を高く設定したレシプロエンジンにおいてバルブオーバーラップ期間を設けた場合、バルブのリフト量に応じて吸気、排気が促進されず、既燃ガスの掃気性と吸気の充填効率との向上が図れない場合がある。これを改善するために燃焼室の容積を拡大すれば幾何学的圧縮比が低くなるため、燃焼室内での吸排気方向での気体の流動の抵抗を抑えながら幾何学的圧縮比が高くなる燃焼室形状が要求される。
【０００４】
本発明の目的は、幾何学的圧縮比を１３．０以上に設定したレシプロエンジンについて、バルブオーバーラップ期間の設定による既燃ガスの掃気性及び吸気の充填効率の向上をより確実に図れるレシプロエンジンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の本発明によれば、吸気弁及び排気弁が同時に開弁するバルブオーバーラップ期間が設定され、当該吸気弁及び排気弁と、シリンダヘッドと、シリンダと、当該シリンダ内に配置されたピストンとによって形成される燃焼室についての幾何学的圧縮比が１３．０以上であって、火花点火式のレシプロエンジンにおいて、前記吸気弁及び前記排気弁は、前記シリンダの中心軸を挟んだ一側及び他側とにそれぞれ配置されると共に、前記吸気弁は、前記シリンダの中心軸に対して前記排気弁とは逆方向に所定角度だけ傾斜した往復直線運動方向に、往復直線運動するよう配置され、前記吸気弁のバルブシートが形成された前記シリンダヘッドの天井面は、傾斜配置された前記吸気弁のヘッド部に沿うように傾斜しており、前記ピストンの冠面は、前記シリンダヘッドの天井面に対応するように、前記吸気弁側から前記燃焼室の中央に向かって隆起する隆起部を有し、前記吸気弁の前記往復直線運動方向と平行であり、かつ、前記吸気弁の前記ヘッド部を通過する、任意の仮想切断面における前記燃焼室の各断面積をＳｉ１、前記仮想切断面よりも前記排気弁とは逆側である前記燃焼室の外方側における前記ヘッド部と前記バルブシートとの有効開口面積をＳｉ２とした場合に、前記バルブオーバーラップ期間の中央時点において、Ｓｉ１≧Ｓｉ２であることを特徴とするレシプロエンジンが提供される。
【０００６】
Ｓｉ１≧Ｓｉ２の関係が満たされている場合、前記吸気弁のヘッド部と前記バルブシートとの隙間から前記燃焼室内に流れ込む気体の通過面積と、少なくとも同じ通過面積が前記燃焼室内に確保される。よって、前記燃焼室内での吸気側から排気側への気体の流動の抵抗を抑えることができる。
【０００７】
一方、前記バルブオーバーラップ期間の中間時点においては、既燃ガスの掃気性と吸気の充填効率との向上効果が最も高まると考えられる。そこで、本発明では、少なくともこの中間時点において、Ｓｉ１≧Ｓｉ２となるようにすることで、幾何学的圧縮比を高めるための燃焼室形状の設計自由度をある程度確保した上で、既燃ガスの掃気性及び吸気の充填効率の向上をより確実に図れる。
【０００８】
また、第２の本発明によれば、吸気弁及び排気弁が同時に開弁するバルブオーバーラップ期間が設定され、当該吸気弁及び排気弁と、シリンダヘッドと、シリンダと、当該シリンダ内に配置されたピストンとによって形成される燃焼室についての幾何学的圧縮比が１３．０以上であって、火花点火式のレシプロエンジンにおいて、前記吸気弁及び前記排気弁は、前記シリンダの中心軸を挟んだ一側及び他側とにそれぞれ配置されると共に、前記排気弁は、前記シリンダの中心軸に対して前記吸気弁とは逆方向に所定角度だけ傾斜した往復直線運動方向に、往復直線運動するよう配置され、前記排気弁のバルブシートが形成された前記シリンダヘッドの天井面は、傾斜配置された前記排気弁のヘッド部に沿うように傾斜しており、前記ピストンの冠面は、前記シリンダヘッドの傾斜した天井面に対応するように、前記排気弁側から前記燃焼室の中央に向かって隆起する隆起部を有し、前記排気弁の前記往復直線運動方向と平行であり、かつ、前記排気弁の前記ヘッド部を通過する、任意の仮想切断面における前記燃焼室の断面積をＳｅ１、前記仮想切断面よりも前記吸気弁とは逆側である前記燃焼室の外方側における前記ヘッド部と前記バルブシートとの有効開口面積をＳｅ２とした場合に、前記バルブオーバーラップ期間の中央時点において、Ｓｅ１≧Ｓｅ２であることを特徴とするレシプロエンジンが提供される。
【０００９】
Ｓｅ１≧Ｓｅ２の関係が満たされている場合、前記燃焼室から前記排気弁のヘッド部と前記バルブシートとの隙間を通って流出する気体の通過面積と、少なくとも同じ通過面積が前記燃焼室内に確保される。よって、前記燃焼室内での吸気側から排気側への気体の流動の抵抗を抑えることができる。
【００１０】
一方、前記バルブオーバーラップ期間の中間時点においては、既燃ガスの掃気性と吸気の充填効率との向上効果が最も高まると考えられる。そこで、本発明では、少なくともこの中間時点において、Ｓｅ１≧Ｓｅ２となるようにすることで、幾何学的圧縮比を高めるための燃焼室形状の設計自由度をある程度確保した上で、既燃ガスの掃気性及び吸気の充填効率の向上をより確実に図れる。
【００１１】
本発明においては、前記吸気弁を１気筒あたり２つ設け、前記仮想切断面は２つの前記吸気弁の配列方向と平行であってもよい。また、第２の本発明においては、前記排気弁を１気筒あたり２つ設け、前記仮想切断面は２つの前記排気弁の配列方向と平行であってもよい。
【００１２】
この構成によれば、前記仮想切断面と気体の流動方向とが略直交することから、吸排気される気体量に見合った前記燃焼室内の気体の通過面積をより現実的に確保できる。
【００１３】
本発明においては、前記吸気弁と前記排気弁とがクランク軸の軸方向と直交する方向に離間して配置され、前記吸気弁と前記排気弁との間に点火プラグが配置され、前記仮想切断面は前記クランク軸の前記軸方向と平行であってもよい。この構成によれば、前記仮想切断面と気体の流動方向とが略直交することから、吸排気される気体量に見合った前記燃焼室内の気体の通過面積をより現実的に確保できる。
【００１４】
また、本発明においては、前記中央時点が、ピストンが上死点に位置するタイミングとずれていてもよい。この構成によれば、前記燃焼室内の気体の通過面積を確保し易くなり、また、既燃ガスの掃気性及び吸気の充填効率の向上を図れる。
【００１５】
また、本発明においては、前記中央時点が、前記ピストンが上死点に位置するタイミングよりも進角方向にずれていてもよい。この構成によれば、既燃ガスの掃気性及び吸気の充填効率の向上を図れる。
【００１６】
また、第１及び第２の本発明においては、幾何学的圧縮比が１４．０以上であってもよく、また、１４．５以上であってもよい。幾何学的圧縮比を高めることで熱効率を向上できる。
【発明の効果】
【００１７】
以上述べた通り、本発明によれば、幾何学的圧縮比を１３．０以上に設定したレシプロエンジンについて、バルブオーバーラップ期間の設定による既燃ガスの掃気性及び吸気の充填効率の向上をより確実に図れるレシプロエンジンを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１（ａ）は本発明の一実施形態に係るレシプロエンジンＡの燃焼室４近傍の構成を示す図、（ｂ）はピストン３０の斜視図である。エンジンＡは４サイクルの直列多気筒ガソリンエンジンを想定したものであるが、他の形式のレシプロエンジンにも本発明は適用可能である。図中、Ｚはピストン３０の往復直線運動方向を、Ｙは気筒列方向（不図示のクランク軸方向）を、Ｘは気筒列方向と直交する方向を示し、これらは互いに直交する。
【００１９】
エンジンＡは、シリンダヘッド１０を備える。シリンダヘッド１０は１気筒あたり２つの吸気ポート１１及び排気ポート１２を有している。吸気ポート１１、排気ポート１２の各端部にはバルブシート部１１ａ、１２ａが設けられている。
【００２０】
各吸気ポート１１には吸気弁１が、各排気ポート１２には排気弁２がそれぞれ設けられており、したがって、吸気弁１及び排気弁２も１気筒あたり２つである。２つの吸気弁１はＹ方向に配列されており、また、２つの排気弁２もＹ方向に配列されている。吸気弁１と排気弁２とはＸ方向に離間して配置されている。
【００２１】
吸気弁１及び排気弁２は、それぞれ、ヘッド部１ａ、２ａ及びステム部１ｂ、２ｂを有しており、シリンダヘッド１０に設けた不図示の動弁機構の作用により矢印ｄ１、ｄ２で示すその中心軸方向に往復直線運動を行って、吸気ポート１１、排気ポート１２を開閉する。
【００２２】
シリンダヘッド１０は、燃焼室４を形成する部位においてＺ方向に窪んでおり、その窪みの中央付近（燃焼室４の略中央）に点火プラグ３を有している。点火プラグ３は燃焼室４内の混合気に火花点火してその燃焼を開始させる。点火プラグ３は、吸気弁１と排気弁２との間に位置している。
【００２３】
シリンダヘッド１０には、また、燃料を燃焼室４内に噴射するインジェクタ５が設けられている。本実施形態ではいわゆる直噴方式を想定しているが、本発明はポート噴射方式のレシプロエンジンにも適用できる。
【００２４】
エンジンＡは、シリンダブロック２０を備える。シリンダブロック２０のシリンダ内にはピストン３０が配置され、燃焼室４内の混合気の燃焼によりＺ方向に往復直線運動を行う。ピストン３０の往復直線運動は不図示のクランク軸の回転運動に変換されることになる。
【００２５】
ピストン３０の上面３１はＺ方向に隆起した隆起部３２を有する。隆起部３２を設けることでレシプロエンジンＡの幾何学的圧縮比をピストン３０の形状によって、より高く設定することができる。ここで、本実施形態では、上記の通り、シリンダヘッド１０が燃焼室４を形成する部位においてＺ方向に窪んでおり、吸気弁１側及び排気弁２側から燃焼室４の中央に向かって窪むようにしている。そこで、隆起部３２を吸気弁１側及び排気弁２側からその中央に向かって隆起した形状としている。このように隆起部３２を形成することで、燃焼室４のＺ方向の厚さを、より小さくすることができ、幾何学的圧縮比を大きくすることができる。
【００２６】
ピストン３０の上面３１は、また、凹部３３を有している。凹部３３を設けたことで、ピストン３０の運動方向であるＺ方向で下方向への火炎伝播を促進でき、エンジンの熱効率向上を図れる。本実施形態の場合、凹部３３は点火プラグ３の下方に設けられている。このようなピストン３０の上面３１の形状により、火炎伝播性を更に向上でき、エンジンＡの熱効率向上を図れる。本実施形態では、凹部３３はお椀型に形成されているが凹部３３の形状は問われない。
【００２７】
本実施形態では幾何学的圧縮比を１３．０以上に設定する。幾何学的圧縮比を高く設定することで熱効率を向上し、燃費向上を図れる。ここで、幾何学的圧縮比とは、周知の通り、ピストン３０が上死点にあるときの燃焼室の容積をＶ１、排気量（行程容積）をＶ０とすると、（Ｖ０＋Ｖ１）／Ｖ１で示される。容積Ｖ１は、いわゆる隙間容積であり、ピストン３０上死点にあるときに、燃焼室４に面するシリンダヘッド１０の内壁及びシリンダヘッド１０に取り付けられた部品（吸気弁１及び排気弁２（閉弁時）、点火プラグ３、インジェクタ５）の表面、シリンダブロック２０のシリンダ内壁、ピストン３０の表面、シリンダヘッド１０とシリンダブロック２０との隙間により画定される燃焼室４の容積である。
【００２８】
次に、吸気弁１、排気弁２のバルブタイミングについて説明する。本実施形態は、ピストン３０が上死点付近にあるときに吸気弁１、排気弁２が同時に開弁するバルブオーバーラップ期間が設定されている。なお、吸気弁１又は排気弁２若しくはその両方に可変バルブタイミング装置を設けてバルブタイミングを可変としてもよい。
【００２９】
図２はバルブオーバーラップ期間の説明図である。期間Ｔがバルブオーバーラップ期間である。図中、上死点とはピストン３０が上死点に位置するクランク角の位相である。Ｔｃは、クランク角の位相でみて、バルブオーバーラップ期間の中央時点を示す。本実施形態では中央時点Ｔｃがピストン３０の上死点の位相とずれており、特に進角方向にずれている。
【００３０】
バルブオーバーラップ期間では、主として、排気の脈動により排気ポート１２から燃焼室４内の既燃ガスが吸い出され、これにより吸気ポート１１から吸気が燃焼室４内に吸い込まれることで、既燃ガスの掃気性及び吸気の充填効率の向上を狙ったものである。したがって、燃焼室４内の気体の、図１の矢印ｄ３の方向への流動が促進されることが望ましい。
【００３１】
しかし、幾何学的圧縮比を相対的に高く設定すると、燃焼室４の容積は相対的に小さくなり、燃焼室４内の気体の流動性が悪くなる。特に、本実施形態のように、ピストン３０の上面３１に隆起部３２を設けた場合、矢印ｄ３方向の気体の流動性が悪くなる場合がある。よって、バルブオーバーラップ期間を設けても、既燃ガスの掃気性及び吸気の充填効率の向上が図れない事態が生じ得る。そして、気体の流動性の評価の基準となるものがなければ、幾何学的圧縮比を高圧縮比とすることと、既燃ガスの掃気性及び吸気の充填効率の向上とを両立するためには、燃焼室４の形状、特に、ピストン３０の上面３１の形状を試行錯誤により設計することになり、設計効率が著しく劣る。
【００３２】
そこで、本実施形態では、吸気弁１の往復直線運動方向ｄ１と平行であり、かつ、吸気弁１のヘッド部１ａを通過する、互いに平行な複数の仮想切断面ＩＰｉにおける燃焼室４の各断面積をＳｉ１、仮想切断面ＩＰｉよりも燃焼室４の外方側におけるヘッド部１ａとバルブシート１１ａとの有効開口面積をＳｉ２とした場合に、バルブオーバーラップ期間Ｔの中央時点Ｔｃにおいて、いずれの仮想切断面ＩＰｉにおいても、Ｓｉ１≧Ｓｉ２とする。
【００３３】
排気側も同様に、排気弁２の往復直線運動方向ｄ２と平行であり、かつ、排気弁２のヘッド部２ａを通過する、互いに平行な複数の仮想切断面ＩＰｅにおける燃焼室４の各断面積をＳｅ１、仮想切断面ＩＰｅよりも燃焼室４の外方側におけるヘッド部２ａとバルブシート１２ａとの有効開口面積をＳｅ２とした場合に、バルブオーバーラップ期間Ｔの中央時点Ｔｃにおいて、いずれの仮想切断面ＩＰｅにおいても、Ｓｅ１≧Ｓｅ２とする。
【００３４】
なお、これらの条件は、吸気側、排気側のいずれか一方のみが成立する場合でも、既燃ガスの掃気性及び吸気の充填効率の向上が見込めるが、本実施形態のように双方が成立することが望ましい。また、仮想切断面ＩＰｉと仮想切断面ＩＰｅとを総称する場合には、仮想切断面ＩＰと、断面積Ｓｉ１と断面積Ｓｅ１とを総称する場合には、断面積Ｓ１と、有効開口面積Ｓｉ２と有効開口面積Ｓｅ２とを総称する場合には、有効開口面積Ｓ２という。
【００３５】
図３は、仮想切断面ＩＰ、断面積Ｓ１、有効開口面積Ｓ２の説明図である。同図において、バルブｖは、吸気バルブ１又は排気バルブ２に相当する。燃焼室空間４’は、バルブオーバーラップ期間Ｔの中央時点Ｔｃにおける燃焼室４の３次元形状を示す。バルブ配列方向とは上記Ｙ方向である。バルブ往復直線運動方向とは上記ｄ１又はｄ２方向である。燃焼室外方及び燃焼室内方とは、仮想切断面ＩＰに対して点火プラグ３側が内方、反対側が外方である。
【００３６】
仮想切断面ＩＰは、バルブ往復直線運動方向と平行で、かつ、バルブｖのヘッド部ｖａを通過する平面である。本実施形態の場合、更に、仮想切断面ＩＰはバルブ配列方向（したがって、不図示のクランク軸の軸方向）と平行である。
【００３７】
断面積Ｓ１は仮想切断面ＩＰにより燃焼室空間４’を切断した場合の、その切断面の面積である。有効開口面積Ｓ２は、いわゆるカーテンエリアのうち、仮想切断面ＩＰよりも燃焼室４の外方側におけるヘッド部ｖａとバルブシート（図３において不図示）との有効開口面積である。図４に示すように、吸気弁１及び排気弁２のヘッド部１ａ、１ｂと、バルブシート１１ａ、１１ｂとの離間幅Ｗが最小になる地点において、幅Ｗとバルブシート１１ａ、１１ｂの内周長及びヘッド部１ａ、１ｂの外周長とにより画定される面積である。これら内周長及び外周長は、仮想切断面ＩＰとの交点を端点とする燃焼室４の外方側の部分の周長である。
【００３８】
図３に戻り、本実施形態のように２つのバルブｖを設けた場合は、一方のバルブｖにおける有効開口面積Ｓ２−１と他方のバルブｖにおける有効開口面積Ｓ２−２の合計の面積を有効開口面積Ｓ２とする。
【００３９】
さて、燃焼室４内の気体の、図１の矢印ｄ３の方向への流動が生じている場合、図３における有効開口面積Ｓ２−１及びＳ２−２で示した部分（ヘッド部ｖａとバルブシートとの隙間）を通過して、燃焼室４と吸気ポート１１及び排気ポート１２との間で流通する気体は、図３における断面積Ｓ１の部分を通過することになる。したがって、断面積Ｓ１＜有効開口面積Ｓの関係にある場合は、断面積Ｓ１の部分が気体の流れを絞っていることになり、燃焼室４内において図１の矢印ｄ３の方向への気体の流動に抵抗していることになる。
【００４０】
一方、Ｓ１≧Ｓ２の関係が満たされている場合、ヘッド部ｖａとバルブシートとの隙間を流通する気体の通過面積（Ｓ２）と、少なくとも同じ通過面積（Ｓ１）が燃焼室４内に確保される。よって、燃焼室４内での気体の流動の抵抗を抑えることができる。なお、図３においては、仮想切断面ＩＰを１つのみ図示するが、互いに平行な複数の仮想切断面ＩＰにおいてＳ１≧Ｓ２の関係が満たされるようにすることで、燃焼室４内で広範囲に渡って気体の流動の抵抗を抑えることができる。複数の仮想切断面ＩＰは、当該仮想切断面ＩＰに直交する方向において、ヘッド部ｖａの直径分の任意の位置において設定され、各仮想切断面ＩＰにおいてＳ１≧Ｓ２の関係が満たされれば燃焼室４内全域で気体の流動の抵抗を抑えることができる。
【００４１】
また、本実施形態では仮想切断面ＩＰはバルブ配列方向（したがって、不図示のクランク軸の軸方向）と平行であるため、仮想切断面ＩＰと燃焼室４内の気体の流動方向ｄ３とが略直交することから、吸排気される気体量に見合った燃焼室４内の気体の通過面積をより現実的に確保できる。
【００４２】
次に、バルブオーバーラップ期間Ｔの中間時点Ｔｃにおいては、既燃ガスの掃気性と吸気の充填効率との向上効果が最も高まると考えられる。そこで、少なくともこの中間時点Ｔｃにおいて、Ｓ１≧Ｓ２となるようにすることで、幾何学的圧縮比を高めるための燃焼室形状の設計自由度をある程度確保した上で、既燃ガスの掃気性及び吸気の充填効率の向上をより確実に図れる。
【００４３】
また、本実施形態では中央時点Ｔｃが、ピストン３０が上死点に位置するタイミングとずれているので、燃焼室４内の気体の通過面積を確保し易くなり、また、既燃ガスの掃気性及び吸気の充填効率の向上を図れる。
【００４４】
なお、幾何学的圧縮比が１３．０以上となると燃焼室４内で気体の流動の抵抗が生じ易くなることから、上記条件が成立することは幾何学的圧縮比が１３．０以上のレシプロエンジンにおける既燃ガスの掃気性及び吸気の充填効率の向上に有効であり、また、幾何学的圧縮比が１４．０以上又は１４．５以上とすると、更に燃焼室４内で気体の流動の抵抗が生じ易くなることから、上記条件が成立することは幾何学的圧縮比がこのような数値範囲に該当するレシプロエンジンにおける既燃ガスの掃気性及び吸気の充填効率の向上に特に有効である。
【００４５】
次に、仮想切断面ＩＰ、断面積Ｓ１、有効開口面積Ｓ２を基準としてエンジンをコンピュータ上で設計する場合の手順の例を説明する。図５は、複数の仮想切断面ＩＰにおける断面積Ｓ１及び有効開口面積Ｓ２の関係を演算する、コンピュータが実行する処理の例を示すフローチャートである。
【００４６】
Ｓ１では、燃焼室４を規定するエンジン構成部品の設計データを読み込む。各構成部品及び燃焼室４の形状は例えば３次元のソリッドモデルで定義され、ソリッドモデルの空間座標は、バルブオーバーラップ期間Ｔの中間時点Ｔｃのものとする。
【００４７】
Ｓ２ではＳ１で読み込んだ設計データに基づいて、仮想切断面ＩＰの最初の位置を設定する。Ｓ４ではＳ２で設定した仮想切断面ＩＰの位置において、断面積Ｓ１、有効開口面積Ｓ２を演算し、Ｓ４では演算結果を保存する。Ｓ５では仮想切断面ＩＰの位置として予め設定された複数の位置の全てにおいてＳ３及びＳ４の処理を行ったか否かを判定する該当する場合はＳ７へ進み、該当しない場合はＳ６へ進む。
【００４８】
Ｓ６では、仮想切断面ＩＰの位置を変更し、Ｓ３へ戻る。全ての位置においてＳ３及びＳ４の処理が行われるまでＳ３乃至Ｓ６の処理を繰り返す。また、吸気側及び排気側の双方について行う。
【００４９】
仮想切断面ＩＰの位置の設定例、特に座標設定について図４を参照して説明する。まず、吸気弁１、排気弁２の中心軸線ＣＬ１、ＣＬ２を原点（＝０）とする。そして、仮想切断面ＩＰの直交方向で、中心軸線ＣＬ１、ＣＬ２から燃焼室の内方側を＋側、外方側を−側とし、中心軸線ＣＬ１、ＣＬ２からの距離Ｌで仮想切断面ＩＰの各位置を定義する。＋Ｌの最大値及び−Ｌの最大値は、吸気弁１及び排気弁２の各ヘッド部１ａの半径とする（図中の＋ＭａＸ、−Ｍａｘ）。距離Ｌは、０〜＋Ｍａｘ、０〜−Ｍａｘの範囲内での複数の値をとるように設定する。
【００５０】
図４では、吸気側で３箇所（Ｌ＝０、−ｋ１、＋ｋ２）、排気側で３箇所（Ｌ＝０、−ｋ３、＋ｋ４）仮想切断面ＩＰを設定した場合の断面積Ｓ１及び有効開口面積Ｓ２を模式的に示す。有効開口面積Ｓ２は距離Ｌが−側に行くほどが小さく、＋Ｘ側に行くほど大きくなっている。断面積Ｓ１も距離Ｌが−側に行くほどが小さく、＋Ｘ側に行くほど大きくなっている。本実施形態の場合、ピストン３０の上面３１に凹部３３が存在するため、＋Ｘ側に行くほど、この凹部３３の分、断面積Ｓ１が大きくなる。
【００５１】
図５に戻り、Ｓ７では演算結果をディスプレイ等に出力する。図６（ａ）は吸気側の演算結果を、図６（ｂ）は排気側の演算結果を、それぞれ示す。各プロットは仮想切断面ＩＰの位置を示す。無論、総プロット数は仮想切断面ＩＰの数（同図では吸気側で１９、排気側で２１）となる。図６（ａ）の例では、仮想切断面ＩＰの位置がいずれの場合においてもＳｉ１がＳｉ２を上回っている。また、図６（ｂ）の例でも、仮想切断面ＩＰの位置がいずれの場合においてもＳｅ１がＳｅ２を上回っている。したがって、よい結果が出ていることになる。
【００５２】
仮に、断面積Ｓ１が有効開口面積Ｓ２を下回っている位置があれば、設計者は構成部品を再設計することになろう。再設計する構成部品の対象としては、燃焼室４を規定するいずれの構成部品でもよいが、設計自由度の観点からピストン３０が簡便である。この場合、図６（ａ）及び（ｂ）の演算結果からＳ１≧Ｓ２の関係が成立していない部位が分かるので、例えば、その部位においてピストン３０の上面３１の形状を変更、例えば、窪ませて対応できる。窪ませると幾何学的圧縮比が低くなるが、Ｓ１≧Ｓ２の関係が成立している他の位置においてピストン３０の上面３１を隆起させる等の対応により、幾何学的圧縮比が低くなることを回避することができる。
【００５３】
このような処理をコンピュータ上で行うことで、設計者は試作品作成→実機試験→再設計という手順を繰り返さずとも、バルブオーバーラップ期間における掃気性、吸気充填効率についてある程度の見込みを立てることができ、効率的な設計が行える。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】（ａ）は本発明の一実施形態に係るレシプロエンジンＡの燃焼室４近傍の構成を示す図、（ｂ）はピストン３０の斜視図である。
【図２】図２はバルブオーバーラップ期間の説明図である。
【図３】仮想切断面ＩＰ、断面積Ｓ１、有効開口面積Ｓ２の説明図である。
【図４】有効開口面積Ｓ２及び仮想切断面ＩＰの説明図である。
【図５】複数の仮想切断面ＩＰにおける断面積Ｓ１及び有効開口面積Ｓ２の関係を演算する、コンピュータが実行する処理の例を示すフローチャートである。
【図６】複数の仮想切断面ＩＰにおける断面積Ｓ１及び有効開口面積Ｓ２の演算結果の出力例を示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
Ａ レシプロエンジン
ＩＰ 仮想切断面
１ 吸気弁
２ 排気弁
１ａ、２ａ ヘッド部
３ 点火プラグ
４ 燃焼室
１１ａ、１２ａ バルブシート
３０ ピストン
【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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