JP6515943B2 - 火花点火式内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、火花点火式内燃機関に関し、特にピストンの頂面に隆起部が設けられると共に隆起部に点火プラグに対応してキャビティが設けられた火花点火式内燃機関に関する。

自動車等の車両に搭載されるペントルーフ型の燃焼室を有する火花点火式内燃機関において、ピストンの頂面に隆起部を設けて幾何学的圧縮比を高めると共に、隆起部の中央部に点火プラグに対応して下方に窪むキャビティを設けて点火プラグによって点火された初期火炎面がピストンの頂面と干渉することを遅らせて火炎伝播性を高め、燃費を低減するようにしたものが知られている。

例えば特許文献１には、このような火花点火式内燃機関が開示されている。図１３に示すように、この火花点火式内燃機関１００は、ペントルーフ型の燃焼室１０１を形成するシリンダヘッドの天井面１０２の中央部に吸気ポート１０３及び排気ポート１０４間に点火プラグ１０５が配設されると共に、シリンダヘッドの天井面１０２の周縁部の吸気側に燃料噴射弁１０６が配設されている。

前記火花点火式内燃機関１００では、燃焼室１０１を形成するピストン１０７の頂面１０８に、ベース面１１５から隆起した隆起部１１１を形成するとともに、隆起部１１１の中央部に点火プラグ１０５に対応して下方に窪むキャビティ１１２を設けることで、幾何学的圧縮比を１３以上としながら火炎伝播性を高めて燃費を低減できるようになっている。隆起部１１１は、シリンダヘッドの天井面１０２に沿って延びる、吸気側傾斜面１０９及び排気側傾斜面１１０を有している。

隆起部１１１は、吸気側傾斜面１０９と排気側傾斜面１１０間に設けられて、キャビティ１１２の周囲から外周側に傾斜する両側の側面１１４をさらに有している。側面１１４は、ピストン１０７の中央部分から外周側部分に向かって、ベース面１１５に略平行に延びる中央側部分１１４ａと、この外周側部分においてベース面１１５に向かって円錐状に延びる外周側部分１１４ｂとを有している。

特開２０１０−１４０８１号公報

火花点火式内燃機関では、燃焼室内に層流としてのタンブル（縦渦）流を生成するように吸気ポートを形成し、ピストンが圧縮上死点に近づくにつれて縮小する燃焼室に伴って崩壊するタンブル流から生じる乱流によって、燃焼を促進させて燃費性能を向上させることが知られている。図１３の矢印１１３で示すように、タンブル流は、吸気ポートからの吸気によって排気側においてシリンダの内周面に沿うように下方に流れ、ピストンの頂面に沿うように排気側から吸気側に流れ、吸気側においてシリンダの内周面に沿うように上方に流れ、シリンダヘッドの天井面に沿うように吸気側から排気側に流れるようになっている。

しかしながら、ピストンの頂面に吸気側傾斜面及び排気側傾斜面を有する隆起部が設けられると共に隆起部に点火プラグに対応してキャビティが設けられた火花点火式内燃機関では、タンブル流は、ピストンの頂面に沿うように排気側から吸気側に流れる際に、隆起部によって阻害されて、減速しやすい。

ここで、ピストンの頂面に沿って排気側傾斜面から吸気側傾斜面へ向かうタンブル流は、ピストンの中央部分において相対的に流量が多く、ピストンの外周側部分において相対的に流量が少ない。すなわち、タンブル流の流量が相対的に多い領域に、側面のうち、ベース面からの突出高さが高い中央側部分が位置する一方で、タンブル流の流量が相対的に少ない領域に、側面のうちベース面からの突出高さが低い外周側部分が位置することになる。この結果、タンブル流は、流量の多い中央部分が、側面のうち突出高さの高い中央側部分によって阻害されてしまうため、減速しやすい。

したがって、隆起部によるタンブル流の阻害を抑制することによって、タンブル流の減速を抑制し、タンブル流の崩壊により生じる乱流を増大させる観点で、燃費性能の向上を図る余地がある。

そこで、本発明は、ピストンの頂面に隆起部が設けられると共に隆起部に点火プラグに対応してキャビティが設けられた火花点火式内燃機関において、ピストンの頂面におけるタンブル流の減速を抑制することによって燃費性能を向上できる火花点火式内燃機関を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、次のように構成したことを特徴とする。

まず、本願の請求項１に記載の発明は、シリンダと、前記シリンダ内に往復動可能に配置されたピストンと、前記シリンダ上に配設されると共に前記シリンダの内周面及び前記ピストンの頂面と共にペントルーフ型の燃焼室を形成する天井面を有するシリンダヘッドと、前記燃焼室に臨むように前記シリンダヘッドに配設された点火プラグとを備え、前記ピストンの頂面に前記シリンダヘッドの天井面に沿った吸気側傾斜面及び排気側傾斜面を有する隆起部が設けられると共に、前記隆起部に前記点火プラグに対応して下方に窪むキャビティが設けられた火花点火式内燃機関であって、前記シリンダヘッドに、前記燃焼室内にタンブル流を生成するように吸気ポートが設けられ、前記隆起部は、前記吸気側傾斜面及び前記排気側傾斜面間に設けられて前記ピストンの中央側から外周側に傾斜する両側の側面を有し、前記側面は、前記ピストンの中央側に配置されて前記ピストンの外周側に向けて下方に傾斜する第１傾斜面と、前記ピストンの外周側に配置されて前記ピストンの外周側に向けて前記第１傾斜面より傾斜角度が大きく下方に傾斜する第２傾斜面とを有し、前記第１傾斜面及び前記第２傾斜面はそれぞれ、円錐面状に形成され、前記側面の第１傾斜面は、前記ピストンの中央側における前記ピストンの軸方向と直交する直交面に対して傾斜角度が１０度以下であるように形成されていることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、前記請求項１に記載の発明において、前記吸気側傾斜面及び前記排気側傾斜面は、平面状に形成されていることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、前記請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記吸気側傾斜面及び前記排気側傾斜面は、前記排気側傾斜面の傾斜角度が前記吸気側傾斜面の傾斜角度よりも小さくなるように形成されていることを特徴とする。

本願の請求項１に記載の発明によれば、ピストンの頂面に吸気側傾斜面及び排気側傾斜面を有する隆起部が設けられると共に隆起部に点火プラグに対応してキャビティが設けられた火花点火式内燃機関において、シリンダヘッドに、タンブル流を生成するように吸気ポートが設けられている。そして、隆起部は、吸気側傾斜面及び排気側傾斜面間に設けられてピストンの中央側から外周側に傾斜する両側の側面を有し、側面は、ピストンの中央側に配置されて下方に傾斜する第１傾斜面と、ピストンの外周側に配置されて第１傾斜面より傾斜角度が大きく下方に傾斜する第２傾斜面とを有し、第１傾斜面及び第２傾斜面はそれぞれ、円錐面状に形成され、第１傾斜面は、ピストンの軸方向と直交する直交面に対して傾斜角度が１０度以下であるように形成されている。

これにより、側面を、ピストンの中央側において低く構成しながらも、外周側に所定高さを有するように構成することができるので、隆起部の容積を確保できる。この結果、流量の多い中央側においてタンブル流の阻害が抑制されるので、全体的に見て隆起部によるタンブル流の減速が抑制される。よって、タンブル流の崩壊により生じる乱流が増大し、これにより、燃焼期間を短縮させ、燃費性能を向上できる。

したがって、ピストンの頂面に隆起部が設けられると共に隆起部に点火プラグに対応してキャビティが設けられた火花点火式内燃機関において、隆起部によって幾何学的圧縮比が高く設定された燃焼室容積を確保しつつキャビティによってピストンと火炎との干渉を遅らせて火炎伝播性を高めると共に、これに加えて、側面のピストンの中央側における傾斜角度を小さくすることで隆起部によるタンブル流の減速を抑制することによって、燃費性能をさらに向上できる。

また、請求項２に記載の発明によれば、吸気側傾斜面及び排気側傾斜面は、平面状に形成されることにより、隆起部が平面状に形成された吸気側傾斜面及び排気側傾斜面と円錐面状に形成された両側の側面とを有するピストンを備えた火花点火式内燃機関において燃費性能を有効に向上できる。

また、請求項３に記載の発明によれば、吸気側傾斜面及び排気側傾斜面は、排気側傾斜面の傾斜角度が吸気側傾斜面の傾斜角度よりも小さくなるように形成されている。この結果、タンブル流がピストンの頂面に沿うように排気側から吸気側に流れる際に、吸気側傾斜面の傾斜角度と排気側傾斜面の傾斜角度とがほぼ等しく形成される場合に比して、排気側傾斜面の傾斜角度を小さくすることで隆起部によるタンブル流の減速が抑制されるので、燃費性能をさらに向上できる。

本発明の実施形態に係る火花点火式内燃機関の構成を示す概略図である。 前記内燃機関のピストン、燃料噴射弁及び点火プラグを示す斜視図である。 燃料噴射弁の噴射面を示す斜視図である。 燃料噴射を示すタイムチャートである。 燃料噴射弁から噴射される燃料の噴霧を説明するための説明図である。 ピストンの斜視図である。 ピストンの平面図である。 図７におけるＹ８−Ｙ８線に沿ったピストンの断面図である。 図７におけるＹ９−Ｙ９線に沿ったピストンの断面図である。 図７におけるＹ１０−Ｙ１０線に沿ったピストンの断面図である。 隆起部に設けられたキャビティを説明するための説明図である。 隆起部の側面のピストンの中央側における傾斜角度と乱流エネルギとの関係を示すグラフである。 従来の火花点火式内燃機関を示す図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る火花点火式内燃機関の構成を示す概略図である。図２は、前記内燃機関のピストン、燃料噴射弁及び点火プラグを示す斜視図である。図１及び図２に示すように、本発明の第１実施形態に係る火花点火式内燃機関としてのエンジン１は、複数のシリンダ２が列状に配置された多気筒のガソリンエンジンであり、自動車等の車両に搭載され、シリンダ２が形成されたシリンダブロック３と、シリンダ２上に配設されるシリンダヘッド４とを備えている。

シリンダ２内には、ピストン５が往復動可能に配置されている。ピストン５は、シリンダブロック３の下部に回転自在に支持されたクランクシャフト６にコンロッド７を介して連結され、ピストン５の往復運動がクランクシャフト６の回転運動に変換されるようになっている。

ピストン５の上方には、シリンダ２の内周面９とピストン５の頂面１０とシリンダヘッド４の下面１１に設けられた天井面１２とによってペントルーフ型の燃焼室８が形成されている。シリンダヘッド４の天井面１２は、ペントルーフ状に形成され、吸気側及び排気側においてそれぞれ傾斜する吸気側傾斜面１３及び排気側傾斜面１４を有して三角屋根状に形成されている。エンジン１では、天井面１２の吸気側傾斜面１３及び排気側傾斜面１４はそれぞれ、シリンダ２の中心軸２ａと直交する直交面とのなす角度が２３度及び１７度に設定されている。

シリンダヘッド４には、天井面１２の吸気側傾斜面１３及び排気側傾斜面１４にそれぞれ開口する吸気ポート１５及び排気ポート１６が形成されている。各シリンダ２に２つの吸気ポート１５及び排気ポート１６が設けられ、２つの吸気ポート１５及び排気ポート１６はそれぞれ、シリンダ２の中心軸２ａと直交するクランク軸６ａの軸方向に離間して設けられている。

吸気ポート１５には、空気を燃焼室８に供給する吸気通路１７が接続され、排気ポート１６には、燃焼室８から燃焼ガス（排気ガス）を排出する排気通路１８が接続されている。排気通路１８には、排気ガスを浄化する触媒を備えた触媒装置（不図示）が介設されている。

吸気ポート１５は、燃焼室８内にタンブル流を生成するようにシリンダヘッド４の天井面１２に開口し、燃焼室８から斜め上方に直線状に延びている。吸気ポート１５からの吸気によって、燃焼室８内に、図２の矢印１９で示すように、排気側においてシリンダ２の内周面９に沿うように下方に流れ、ピストン５の頂面１０に沿うように排気側から吸気側に流れ、吸気側においてシリンダ２の内周面９に沿うように上方に流れ、シリンダヘッド４の天井面１２に沿うように吸気側から排気側に流れるタンブル流が生成される。

シリンダヘッド４には、吸気ポート１５及び排気ポート１６をそれぞれ開閉する吸気弁２０及び排気弁２１が配設されている。吸気弁２０は、クランクシャフト６に駆動連結された吸気カムシャフト２２によって所定のタイミングで吸気ポート１５を開閉し、吸気行程において空気を燃焼室８に供給するようになっている。排気弁２１は、クランクシャフト６に駆動連結された排気カムシャフト２３によって所定のタイミングで排気ポート１６を開閉し、排気行程において燃焼室８から排気ガスを排出するようになっている。

吸気弁２０及び排気弁２１はまた、図示しない可変バルブ機構によって吸気ポート１５及び排気ポート１６を開閉するタイミングを変更できるようになっている。エンジン１では、排気行程において吸気弁２０と排気弁２１とを同時に開弁させて吸気ポート１５からの吸気を利用して残留排気ガスを排出するようになっている。

吸気弁２０及び排気弁２１はそれぞれ、弁軸部２０ａ、２１ａと傘部２０ｂ、２１ｂとを有し、傘部底面２０ｃ、２１ｃが弁軸部２０ａ、２０ａの中心軸であるバルブ軸線２０ｄ、２１ｄと直交して天井面１２の吸気側傾斜面１３及び排気側傾斜面１４と平行に設けられている。エンジン１では、吸気弁２０及び排気弁２１はそれぞれ、傘部底面２０ｃ、２１ｃがシリンダ２の中心軸２ａと直交する直交面とのなす角度が２３度及び１７度になるように設定されている。

シリンダヘッド４にはまた、燃焼室８に臨むように天井面１２の周縁部の吸気側に配設されて燃焼室８内に燃料を噴射する燃料噴射弁２４と、燃焼室８に臨むように天井面１２の中央部に配設されて燃焼室８内の燃料と空気を含む混合気に点火する点火プラグ２５とが備えられている。

点火プラグ２５は、先端部に設けられた電極２５ａが燃焼室８内に臨むようにシリンダヘッド４に配設されると共にシリンダヘッド４の上部に設けられた点火コイルユニット２６に接続され、所定のタイミングで電極２５ａ間に火花を生じさせて燃焼室８内の混合気に点火するようになっている。

燃料噴射弁２４は、燃料供給システム（不図示）に接続されると共に燃焼室８に臨むように２つの吸気ポート１５間に配置されている。燃料噴射弁２４は、噴射面２７が斜め下方に向くように配置され、ピストン５の頂面１０に向けて所定のタイミングで燃焼室８内に燃料を噴射するようになっている。

図３は、燃料噴射弁の噴射面を示す斜視図である。図３に示すように、燃料噴射弁２４として、噴射面２７に複数の噴口を有するマルチホール型燃料噴射弁が用いられている。噴射面２７には、上下方向に延びる中心軸２７ａに対して噴口が左右対称に配置され、上段中央に１つの第１噴口２４ａが設けられ、第２段左右両側に２つの第２噴口２４ｂが設けられ、第３段左右両側に第２噴口２４ｂより外側に２つの第３噴口２４ｃが設けられ、下段中央に１つの第４噴口２４ｄが設けられている。燃料噴射弁２４の各噴口２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄからそれぞれ円錐状の燃料の噴霧が噴射され、燃焼室８内に燃料が均等に噴射されるようになっている。

エンジン１では、吸気ポート１５によって燃焼室８内にタンブル流を生成するようになっており、タンブル流によって燃料と空気との混合が促進されると共に、ピストン５が圧縮上死点に近づくにつれて縮小する燃焼室に伴って崩壊するタンブル流から生じる乱流を増大させることによって、燃料と空気とを含む混合気の燃焼が促進されるようになっている。ここで、本明細書において、乱流を増大させるとは、燃焼室８に生じる乱流の流速を増大させ、または乱流の数を増大させることを意味し、さらに、乱流が有する運動エネルギを増大させることを意味するものとする。

図４は、燃料噴射を示すタイムチャートである。図４に示すように、エンジン１の通常運転時、燃料噴射弁２４からの燃料噴射は、吸気行程と圧縮行程とに２回に分けて行われる。吸気行程の前半において、例えばクランク角度が８０度であるときに燃料噴射を終了する第１噴射が行われると共に、圧縮行程の後半において、例えばクランク角度が３２５度であるときに燃料噴射を終了するように第２噴射が行われる。

第１噴射は、吸気行程の前半においてピストン５が下降して燃焼室８の容積が相対的に大きいときに行われ、燃料と空気とを含む混合気を均一化する。第２噴射は、圧縮行程の後半においてピストン５が上昇して燃焼室８の容積が相対的に小さいときに行われ、ピストン５の頂面１０に噴射されて点火プラグ２５周りにその周囲の混合気よりも燃料の濃度が濃い混合気を形成して燃えやすくする。

図５は、燃料噴射弁から噴射される燃料の噴霧を説明するための説明図である。図５では、第２噴射時に燃料噴射弁２４から噴射される燃料の噴霧を示している。図５に示すように、第２噴射では、第１噴口２４ａから噴射される燃料の噴霧Ｆ１は、後述するピストン５の頂面１０に設けられる隆起部３１に形成されたキャビティ４０に噴射され、第２噴口２４ｂ及び第３噴口２４ｃから噴射される燃料の噴霧Ｆ２、Ｆ３は、隆起部３１の吸気側傾斜面３４に噴射されるようになっている。

第２噴射では、第１噴口２４ａからの燃料Ｆ１が、キャビティ４０の周面部４２にガイドされて上方へ点火プラグ２５周りに移動されると共に、第２噴口２４ｂ及び第３噴口２４ｃからの燃料Ｆ２、Ｆ３が、吸気側傾斜面３４に衝突した後に点火プラグ２５周りに移動され、点火プラグ２５周りにその周囲の混合気よりも燃料の濃度が濃い混合気を形成する。

そして、第２噴射後に、点火プラグ２５による点火が、圧縮行程の後半に、例えばクランク角度が３４０度であるときに行われ、混合気が燃焼される。エンジン１では、燃料を２回に分けて噴射することで混合気の均一性を高めると共に、点火プラグ２５周りに燃料の濃度が濃い混合気を形成して燃焼安定性を向上させている。

通常運転時には、点火プラグ２５による点火が、圧縮行程の後半に、例えばクランク角度が３４０度であるときに行われるが、冷間始動時には、触媒の温度を上昇させて触媒を活性化させるため、点火プラグ２５による点火時期を遅らせて排気ガス温度を上昇させることが行われる。具体的には、点火時期を遅らせることによって、有効膨張比を低下させて排気ガスの温度低下を抑制しつつ、触媒側に排出される排気ガスを高温に維持することが行われる。かかる場合においても、点火プラグ２５周りに燃料の濃度が濃い混合気を形成することによって、燃焼安定性を向上させている。

エンジン１には、図示されていないが、エンジン１及びそれに関係する構成を制御する制御ユニットが備えられ、制御ユニットは、各種制御情報に基づいて燃料噴射弁２４、点火プラグ２５、可変バルブ機構等の各種制御を行うようになっている。

次に、本実施形態に係るエンジン１のピストン５について説明する。
図６は、ピストンの斜視図、図７は、ピストンの平面図、図８は、図７におけるＹ８−Ｙ８線に沿ったピストンの断面図、図９は、図７におけるＹ９−Ｙ９線に沿ったピストンの断面図、図１０は、図７におけるＹ１０−Ｙ１０線に沿ったピストンの断面図である。

本実施形態に係るエンジン１は、幾何学的圧縮比が１２以上に設定されており、図６から図１０に示すように、ピストン５は、ピストン５の頂面１０に、シリンダ２の中心軸２ａと直交するベース面３０に対してシリンダヘッド４の天井面１２に沿ってピストン５の中央側に向けて隆起する隆起部３１が設けられると共に、隆起部３１の中央に点火プラグ２５に対応して下方に窪むキャビティ４０が設けられている。

ピストン５の頂面１０には、隆起部３１の吸気側及び排気側にそれぞれベース面３０である吸気側水平面３２及び排気側水平面３３が設けられ、吸気側水平面３２及び排気側水平面３３は、ピストン５の軸方向と直交するように設けられている。吸気側水平面３２には、吸気弁２０との接触を回避するように吸気弁２０に対応して下方に窪む吸気弁リセス３２ａが設けられている。

隆起部３１は、シリンダヘッド４の天井面１２に沿ってペントルーフ状に形成され、天井面１２の吸気側傾斜面１３及び排気側傾斜面１４に沿って吸気側及び排気側においてそれぞれ傾斜する吸気側傾斜面３４及び排気側傾斜面３５を有している。隆起部３１の吸気側傾斜面３４及び排気側傾斜面３５はそれぞれ、平面状に形成され、吸気弁２０及び排気弁２１のバルブ軸線２０ｄ、２１ｄと直交するように設けられている。

隆起部３１はまた、吸気側傾斜面３４及び排気側傾斜面３５間に、ピストン５の中央側にベース面３０と平行にキャビティ４０の周縁部に設けられた上面３６と、上面３６からピストン５の外周側に傾斜する両側の側面３７とを有している。上面３６は平面状に形成され、両側の側面３７は円錐面状に形成されている。

両側の側面３７はそれぞれ、ピストン５の中央側に配置されて上面３６からピストン５の外周側に下方に傾斜する第１傾斜面３７ａと、ピストン５の外周側に配置されて第１傾斜面３７ａからピストン５の外周側に第１傾斜面３７ａよりも傾斜角度が大きく下方に傾斜する第２傾斜面３７ｂとを有している。第１傾斜面３７ａ及び第２傾斜面３７ｂはそれぞれ円錐面状に形成されている。

図１１は、隆起部３１に設けられたキャビティを説明するための説明図である。エンジン１では、ピストン５の頂面１０に隆起部３１が設けられているため、点火プラグ２５によって点火された初期火炎面がピストン５の頂面１０と干渉しやすくなることから、隆起部３１に点火プラグ２５に対応してキャビティ４０を設けて初期火炎面とピストン５との干渉を遅らせるようになっている。

図１１に示すように、キャビティ４０は、点火プラグ２５の電極２５ａ間の中央の点火点２５ｂから球状に成長する火炎を模擬した仮想球面２５ｃとの干渉を遅らせるように形成され、平面状に形成された円形状の底面部４１と、底面部４１から上方に略円筒状に延びる周面部４２とを有し、周面部４２の底面部４１側が曲面状に形成されて底面部４１に接続されている。キャビティ４０の周面部４２は、点火プラグ２５の点火点２５ｂを中心とする球面の少なくとも一部を形成するように形成することも可能である。

ピストン５はまた、吸気側傾斜面３４の上端部に切欠部３４ａが設けられ、燃料噴射弁２４の第１噴口２４ａから第２噴射時に噴射された燃料Ｆ１が、切欠部３４ａを通過して、キャビティ４０の排気側の周面部４２に衝突するようになっている。前述したように、第１噴口２４ａからの燃料Ｆ１は、キャビティ４０の周面部４２にガイドされて点火プラグ２５周りに上方へ移動される。

エンジン１では、ピストン５の頂面１０に隆起部３１を設けることで幾何学的圧縮比を高めると共に、ピストン５の隆起部３１に点火プラグ２５に対応してキャビティ４０を設けることで点火プラグ２５によって点火された初期火炎面とピストン５との干渉を遅らせて火炎伝播性を高めるようになっている。

本実施形態では、隆起部３１の吸気側傾斜面３４及び排気側傾斜面３５は、図８に示すように、ピストン５の頂面１０のベース面３０に対して排気側傾斜面３５の傾斜角度θ２が吸気側傾斜面３４の傾斜角度θ１よりも小さく形成されると共に、吸気側傾斜面３４と排気側傾斜面３５との傾斜角度差（θ１−θ２）が４度以上であるように形成されている。例えば、吸気側傾斜面３４の傾斜角度θ１と排気側傾斜面３５の傾斜角度θ２とは２３度と１７度とに設定され、傾斜角度差（θ１−θ２）が６度に設定される。

これにより、隆起部３１の容積を、高圧縮比を実現するように確保しつつ、タンブル流の上流側に位置する排気側傾斜面３５の傾斜角度θ２を緩やかに構成することができるので、タンブル流がピストン５の頂面１０に沿うように排気側から吸気側に流れる際の、隆起部３１によるタンブル流の減速を抑制できる。

なお、隆起部３１の容積を確保しつつ吸気側傾斜面３４と排気側傾斜面３５の傾斜角度差を大きくすると、隆起部３１が相対的に低くなる。この結果、キャビティ４０の周面部４２の高さが低くなることから、第２噴射時にキャビティ４０の周面部４２による点火プラグ２５周りに燃料を移動させるガイド効果が小さくなる。したがって、キャビティ４０の周面部４２による燃料のガイド効果を十分に発揮させるため、周面部４２の高さを確保するべく、吸気側傾斜面３４と排気側傾斜面３５の傾斜角度差を１１度以下とすることが好ましい。

エンジン１ではまた、隆起部３１の吸気側傾斜面３４及び排気側傾斜面３５と両側の側面３７とは、図１０に示すように、排気側傾斜面３５と側面３７とのなす角度θ４が吸気側傾斜面３４と側面３７とのなす角度θ３よりも大きくなるように形成されると共に、吸気側傾斜面３４と側面３７とのなす角度θ３との角度差（θ４−θ３）が５度以上であるように形成されている。例えば、吸気側傾斜面３４と側面３７とのなす角度θ３と排気側傾斜面３５と側面３７とのなす角度θ４とは１６２．４度と１６９．８度とに設定され、角度差が７．４度に設定される。

これにより、排気側傾斜面３５と側面３７との間の角度変化が緩やかになるので、タンブル流がピストン５の頂面に沿ってこの外周側部分を流れる場合に、タンブル流を、排気側傾斜面３５から両側の側面３７へ向けて、剥離を抑制しつつピストン５の頂面１０に沿って案内させやすい。

吸気側傾斜面３４と側面３７とのなす角度θ３は、図７に示すように、ピストン５の上死点における吸気弁２０のバルブ軸線２０ｄと吸気側傾斜面３４との交点Ｐ１を通ってクランク軸６ａの軸方向と直交する直交面６ｂと、吸気側傾斜面３４及び側面３７間の稜線Ｓ１との交点Ｐ２における吸気側傾斜面３４と側面３７とのなす角度θ３である。具体的には、角度θ３は、図１０に示すように、交点Ｐ２におけるクランク軸６ａの軸方向と直交する方向について吸気側傾斜面３４と側面３７の接線Ｔ１とのなす角度とする。

排気側傾斜面３５と側面３７とのなす角度θ４は、図７に示すように、ピストン５の上死点における排気弁２１のバルブ軸線２１ｄと排気側傾斜面３５との交点Ｐ３を通ってクランク軸６ａの軸方向と直交する直交面６ｃと、排気側傾斜面３５及び側面３７間の稜線Ｓ２との交点Ｐ４における排気側傾斜面３５と側面３７とのなす角度θ４である。具体的には、角度θ４は、図１０に示すように、交点Ｐ４におけるクランク軸６ａの軸方向と直交する方向について排気側傾斜面３５と側面３７の接線Ｔ２とのなす角度とする。

また、隆起部３１に設けられるキャビティ４０は、図７及び図８に示すように、キャビティ４０の直径Ｄ１に対するキャビティ４０の深さＨ１の割合（Ｈ１／Ｄ１）が０．３以下であるように形成されている。例えば、キャビティ４０の直径Ｄ１に対するキャビティ４０の深さＨ１の割合（Ｈ１／Ｄ１）は０．２５や０．２９に設定される。なお、キャビティ４０の直径Ｄ１は、周面部４２の上端部におけるフィレットを除くキャビティ４０の直径とする。

これにより、キャビティ４０が扁平浅底に構成されるため、キャビティ４０における流動の低下が抑制される。この結果、キャビティ４０による底面部４１側への引き込み作用が低減される。よって、タンブル流がピストン５の頂面１０に沿ってこの中央部分を流れる場合に、タンブル流を、排気側傾斜面３５から吸気側傾斜面３４に向けて、キャビティ４０の底面部４１側への流動を抑制しつつ案内させやすい。

なお、隆起部３１の容積を確保しつつキャビティ４０の直径に対するキャビティ４０の深さの割合を小さくするとキャビティ４０の深さが小さくなることから、第２噴射時にキャビティ４０の周面部４２によって点火プラグ２５周りに燃料を移動するようにガイドするためにはキャビティ４０の直径に対するキャビティ４０の深さの割合を０．１６以上とすることが好ましい。

また、隆起部３１の側面３７は、図９に示すように、ピストン５の中央側における傾斜角度θ５が１０度以下であるように形成され、具体的には側面３７の第１傾斜面３７ａの傾斜角度θ５が１０度以下であるように形成されている。例えば、側面３７の第１傾斜面３７ａは、傾斜角度θ５が８度や９．２度に設定される。

これにより、側面３７を、ピストン５の中央側に位置する第１傾斜面３７ａを低く構成しながらも、外周側に所定高さを有するように第２傾斜面３７ｂを構成することができるので、隆起部３１の容積を、高圧縮比を実現できるように確保できる。この結果、流量の多い中央側においてタンブル流の阻害が抑制されるので、全体的に見て隆起部３１によるタンブル流の減速が抑制される。

また、隆起部３１の吸気側傾斜面３４及び排気側傾斜面３５は、図７及び図８に示すように、ピストン５の中心軸を通ってクランク軸６ａの軸方向と直交する直交面において吸気側傾斜面３４の長さＬ１に対する排気側傾斜面３５の長さＬ２の割合（Ｌ２／Ｌ１）が１．２５以上であるように形成されている。例えば、吸気側傾斜面３４の長さＬ１に対する排気側傾斜面３５の長さＬ２の割合（Ｌ２／Ｌ１）は１．３３に設定される。なお、図７に示すように、吸気側傾斜面３４及び排気側傾斜面３５の長さＬ１、Ｌ２は、これらの傾斜面３４、３５と吸気側水平面３２及び排気側水平面３３との境界縁部と、これらの傾斜面３４、３５と上面３６との境界縁部との間の長さである。

これにより、排気側傾斜面３５におけるタンブル流の流路が長く構成されるので、排気側傾斜面３５によるタンブル流の案内効果を有効に発揮させることができる。この結果、隆起部３１によるタンブル流の阻害が抑制されるので、タンブル流の減速が抑制される。

なお、隆起部３１の容積を確保しつつ吸気側傾斜面３４の長さＬ１に対する排気側傾斜面３５の長さＬ２の割合（Ｌ２／Ｌ１）を過度に大きくすると、隆起部３１の高さが小さくなると共にキャビティ４０の深さ（周面部４２の高さ）が小さくなるため、第２噴射時におけるキャビティ４０による燃料の点火プラグ２５周りへのガイド作用が小さくなってしまう。したがって、キャビティ４０の周面部４２の高さを確保するためには、上記割合（Ｌ２／Ｌ１）を１．９以下とすることが好ましい。

また、隆起部３１は、図８に示すように、シリンダ２の内径Ｄ２に対する隆起部３１の高さＨ２の割合（Ｈ２／Ｄ２）が０．０８以下であるように形成されている。隆起部３１の高さＨ２は、ピストン５の頂面１０のベース面３０である吸気側水平面３２及び排気側水平面３３から上面３６までの高さＨ２とする。例えば、シリンダ２の内径Ｄ２に対する隆起部３１の高さＨ２の割合（Ｈ２／Ｄ２）は０．０６６や０．０７８に設定される。

これにより、隆起部３１を、高圧縮比を実現するように形成しながらも、高さＨ２の増大を抑制することができる。この結果、タンブル流がピストン５の頂面１０に沿うように排気側から吸気側に流れる際の隆起部３１によるタンブル流の減速を抑制できる。

なお、隆起部３１の容積を確保しつつシリンダ２の内径Ｄ２に対する隆起部３１の高さＨ２の割合（Ｈ２／Ｄ２）を過度に小さくすると、隆起部３１の高さが小さくなると共にキャビティ４０の深さ（周面部４２の高さ）が小さくなるため、第２噴射時におけるキャビティ４０による燃料の点火プラグ２５周りへのガイド作用が小さくなってしまう。したがって、キャビティ４０の周面部４２の高さを確保するためには、上記割合（Ｈ２／Ｄ２）を０．５６以上とすることが好ましい。

また、図９に示すように、ピストン５の径方向断面において第２傾斜面３７ｂの長さＬ４に対する上面３６の長さＬ３の割合（Ｌ３／Ｌ４）が０．８以下であるように形成されている。例えば、第２傾斜面３７ｂの長さＬ４に対する上面３６の長さＬ３の割合（Ｌ３／Ｌ４）は０．３４や０．５７に設定される。

すなわち、ピストンの外周側に位置する第２傾斜面３７ｂを、ピストンの中央側に位置する上面３６よりも長く構成することによって、これらの間を延びる第１傾斜面３７ａの傾斜角度が小さくなる。これにより、側面３７を、ピストン５の中央側において第１傾斜面３７ａにより低く構成しながらも、外周側に所定高さを有するように第２傾斜面３７ｂを構成できるので、隆起部３１の容積を、高圧縮比を実現するように確保できる。この結果、流量の多い中央側においてタンブル流の阻害が抑制されるので、全体的に見て隆起部３１によるタンブル流の減速が抑制される。

なお、隆起部３１の容積を確保しつつ第２傾斜面３７ｂの長さＬ４に対する上面３６の長さＬ３の割合（Ｌ３／Ｌ４）を過度に小さくすると、隆起部３１の高さが小さくなると共にキャビティ４０の深さ（周面部４２の高さ）が小さくなるため、第２噴射時におけるキャビティ４０による燃料の点火プラグ２５周りへのガイド作用が小さくなってしまう。

このように、本実施形態に係る火花点火式内燃機関１では、ピストン５の頂面１０に吸気側傾斜面３４及び排気側傾斜面３５を有する隆起部３１が設けられると共に隆起部３１に点火プラグ２５に対応してキャビティ４０が設けられ、シリンダヘッド４に、タンブル流を生成するように吸気ポート１５が設けられている。そして、隆起部３１は、吸気側傾斜面３４及び排気側傾斜面３５間に設けられてピストン５の中央側から外周側に傾斜する両側の側面３７を有し、側面３７は、ピストン５の中央側における傾斜角度θ５が１０度以下であるように形成されている。

これにより、側面３７を、ピストン５の中央側において低く構成しながらも、外周側に所定高さを有するように構成することができるので、隆起部３１の容積を確保できる。この結果、流量の多い中央側においてタンブル流の阻害が抑制されるので、全体的に見て隆起部３１によるタンブル流の減速が抑制される。よって、タンブル流の崩壊により生じる乱流が増大し、これにより、燃焼期間を短縮させ、燃費性能を向上できる。

したがって、ピストン５の頂面１０に隆起部３１が設けられると共に隆起部３１に点火プラグ２５に対応してキャビティ４０が設けられた火花点火式内燃機関１において、隆起部３１によって幾何学的圧縮比が高く設定された燃焼室容積を確保しつつキャビティ４０によってピストン５と火炎との干渉を遅らせて火炎伝播性を高めると共に、これに加えて、側面３７のピストン５の中央側における傾斜角度θ５を小さくすることで隆起部３１によるタンブル流の減速を抑制することによって、燃費性能をさらに向上できる。

また、吸気側傾斜面３４及び排気側傾斜面３５は、排気側傾斜面３５の傾斜角度が吸気側傾斜面３４の傾斜角度よりも小さくなるように形成される。これにより、図６の矢印Ｆ１０で示すようにタンブル流がピストン５の頂面１０に沿うように排気側から吸気側に流れる際に、吸気側傾斜面３４の傾斜角度と排気側傾斜面３５の傾斜角度とがほぼ等しく形成される場合に比して、排気側傾斜面３５の傾斜角度を小さくすることで隆起部３１によるタンブル流の減速が抑制されるので、燃費性能をさらに向上できる。

本発明は、例示された実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計上の変更が可能である。

側面３７のピストン５の中央側における傾斜角度を種々変更したピストン５を備えたエンジン１についてシミュレーション解析を実施した。具体的には、隆起部３１の容積を確保しつつ側面３７のピストン５の中央側における傾斜角度θ５を種々変更したピストン５を備えたエンジン１について同一の運転条件においてピストン５の上死点における燃焼室８内の混合気の乱流エネルギをシミュレーション解析した。

図１２は、隆起部の側面のピストンの中央側における傾斜角度と乱流エネルギとの関係を示すグラフであり、側面３７のピストン５の中央側である第１傾斜面３７ａにおける傾斜角度θ５と、ピストン５の上死点における燃焼室８内の混合気の乱流エネルギとの関係を示している。

図１２では、側面３７のピストン５の中央側における傾斜角度θ５が２４．１度に形成された従来のピストンを備えたエンジンを従来例として黒四角として表示し、傾斜角度θ５が３６度に形成されたピストンを備えたエンジンを比較例として黒丸として表示し、本実施形態に係るピストン５を備えたエンジンを実施例として白四角として表示し、従来例、比較例及び実施例の幾つかについてプロットしている。具体的には、実施例として傾斜角度θ５が８度及び９度に設定されたものがプロットされている。また、解析結果に基づいて側面のピストンの中央側における傾斜角度と乱流エネルギとの関係を示すラインＺを合わせて示している。

隆起部３１の側面３７のピストン５の中央側における傾斜角度と乱流エネルギとは、図１２のラインＺに示すように、側面３７のピストン５の中央側における傾斜角度が小さくなるにつれて乱流エネルギが大きくなり、傾斜角度θ５が２４．１度である従来例の乱流エネルギに対して傾斜角度θ５が１０度付近では乱流エネルギが少なくとも１０％は大きくなっている。従って、側面３７のピストン５の中央側における傾斜角度を１０度以下（図１２の破線参照）とすることで、タンブル流の減速を抑制して、乱流エネルギを効果的に高くすることができる。

以上のように、本発明によれば、ピストンの頂面に隆起部が設けられると共に隆起部に点火プラグに対応してキャビティが設けられた火花点火式内燃機関において、タンブル流の減速を抑制することによって、燃費性能の向上を図ることが可能となるから、この種の火花点火式内燃機関を搭載する車両などの製造技術分野において好適に利用される可能性がある。

１ エンジン
２ シリンダ
４ シリンダヘッド
５ ピストン
８ 燃焼室
１０ ピストンの頂面
１２ 天井面
１５ 吸気ポート
１６ 排気ポート
２０ 吸気弁
２１ 排気弁
２４ 燃料噴射弁
２５ 点火プラグ
３１ 隆起部
３４ 隆起部の吸気側傾斜面
３５ 隆起部の排気側傾斜面
３７ 隆起部の側面
４０ キャビティ

Claims (3)

1. シリンダと、前記シリンダ内に往復動可能に配置されたピストンと、前記シリンダ上に配設されると共に前記シリンダの内周面及び前記ピストンの頂面と共にペントルーフ型の燃焼室を形成する天井面を有するシリンダヘッドと、前記燃焼室に臨むように前記シリンダヘッドに配設された点火プラグとを備え、前記ピストンの頂面に前記シリンダヘッドの天井面に沿った吸気側傾斜面及び排気側傾斜面を有する隆起部が設けられると共に、前記隆起部に前記点火プラグに対応して下方に窪むキャビティが設けられた火花点火式内燃機関であって、
   前記シリンダヘッドに、前記燃焼室内にタンブル流を生成するように吸気ポートが設けられ、
   前記隆起部は、前記吸気側傾斜面及び前記排気側傾斜面間に設けられて前記ピストンの中央側から外周側に傾斜する両側の側面を有し、
   前記側面は、前記ピストンの中央側に配置されて前記ピストンの外周側に向けて下方に傾斜する第１傾斜面と、前記ピストンの外周側に配置されて前記ピストンの外周側に向けて前記第１傾斜面より傾斜角度が大きく下方に傾斜する第２傾斜面とを有し、
   前記第１傾斜面及び前記第２傾斜面はそれぞれ、円錐面状に形成され、
   前記側面の第１傾斜面は、前記ピストンの中央側における前記ピストンの軸方向と直交する直交面に対して傾斜角度が１０度以下であるように形成されている、
   ことを特徴とする火花点火式内燃機関。
2. 前記吸気側傾斜面及び前記排気側傾斜面は、平面状に形成されている、
   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。
3. 前記吸気側傾斜面及び前記排気側傾斜面は、前記排気側傾斜面の傾斜角度が前記吸気側傾斜面の傾斜角度よりも小さくなるように形成されている、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の火花点火式内燃機関。

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