JP4428325B2 - 火花点火式エンジンの燃焼室構造 - Google Patents

Description

本発明は、火花点火式エンジンの燃焼室の構造に関し、より詳しくは、シリンダヘッド下面とピストン頂面との間に形成され、上記シリンダヘッド下面を天井壁とする燃焼室の構造に関するものである。

近年、経済面のみならず、地球の温暖化防止という環境面においてもエンジンの燃費向上要求が一段と高まりつつある。火花点火式エンジンにおいて燃費を向上するには燃焼効率を高めれば良く、その有力な手段として圧縮比の増大が挙げられる。

圧縮比を高めるには、シリンダー容積に対して燃焼室容積を小さくすれば良い。そのような高圧縮比化に好適な燃焼室構造として、たとえばペントルーフ型の燃焼室構造が多く用いられている。この燃焼室構造は、吸気側の天井壁と排気側の天井壁とが屋根形をなすように形成されたものであって、比較的大きな吸排気バルブ径を確保しつつ、燃焼室容積を小さくすることができるという特徴がある。またスワール（ピストン摺動軸まわりの旋回流。横渦。）、タンブル（ピストン摺動軸に平行な面内の旋回流。縦渦。）、或いはスキッシュ（ピストン上昇時にピストンボア周縁部から中央部に押し出すような流れ）といった筒内流動を生成するうえでも有利な構造である。

例えば特許文献１乃至３には、各種の筒内流動を生成させて燃焼効率向上を図った燃焼室の構造が示されているが、その図示された断面構造から、何れもペントルーフ型燃焼室であると解される。

図９に、従来の一般的なペントルーフ型燃焼室の断面構造を示す。図９は、ピストン９３が上死点にある状態を示している。燃焼室９４は、シリンダブロック５０のシリンダボア１２と、ピストン頂面９７と、燃焼室９４に臨むシリンダヘッド１０の下面である天井壁９１とに囲まれた空間である。天井壁９１は、吸気側天井壁９１ａと排気側天井壁９１ｂとが屋根形をなすように形成されている。

シリンダボア１２の径方向中央付近には、天井壁９１から燃焼室９４に先端が臨設された点火プラグ１５が設けられている。

吸気側天井壁９１ａには、これに開口する２箇所の吸気ポート２１が設けられており、各吸気ポート２１には所定の吸気タイミングで開く吸気バルブ１９が設けられている。また排気側天井壁９１ｂには、これに開口する２箇所の排気ポート２２が設けられており、各排気ポート２２には所定の排気タイミングで開く排気バルブ２０が設けられている。吸気バルブ１９および排気バルブ２０の、燃焼室９４に臨む面は、それぞれ吸気側天井壁９１ａおよび排気側天井壁９１ｂの一部を形成している。

なお、吸気バルブ１９、排気バルブ２０、吸気ポート２１及び排気ポート２２は、実際には図示の断面位置から紙面前後方向にオフセットして設けられているが、説明のために同図において同一断面に示している。

天井壁９１の周縁部９１ｄは、シリンダブロック５０との合わせ面（詳しくは、シリンダヘッド１０とシリンダブロック５０との間に設けられた図略のヘッドガスケットとの合わせ面）と略同一面となっている。この天井壁周縁部９１ｄは一般的にスキッシュエリアと呼ばれる。
特開平０８−２５４１２６号公報 特開平０８−０４９５４６号公報 特開２００３−１８４５５９号公報

しかしながら、上記のように燃焼室構造を工夫する等して高圧縮比を実現したとしても、それで直ちに実用上有効な燃焼を行わせることができるとは限らない。良く知られているように、圧縮比を高めるとノッキング等の異常燃焼（以下ノッキング等という）が起こり易くなるからである。つまり実用上は、ノッキング等の発生しない範囲でしか圧縮比を高めることができない。

しかしそれは、ノッキング等の発生を抑制することができれば、つまり耐ノッキング性能を向上させることができれば、より圧縮比を高めることができることをも意味する。

本発明は、上記のような事情に鑑み、耐ノッキング性能を向上させることにより、実用上有効に圧縮比を高めることができる火花点火式エンジンの燃焼室構造を提供することを目的とする。

本願発明者は、前期主燃焼期間（燃焼質量の１０％から９０％が燃焼する主燃焼期間のうち、１０％以上５０％未満が燃焼する期間）では低速で燃焼させることによって筒内圧力や温度の上昇が抑制され、未燃燃料の過早着火が効果的に抑制されるので、高い耐ノッキング性能を得ることができ、後期主燃焼期間（主燃焼期間のうち、燃焼質量の５０％以上９０％未満が燃焼する期間）では未燃燃料を高速燃焼させて速やかに燃焼を完了させることにより、燃え残りを核とする自着火を抑制することができ、やはり耐ノッキング性能を高めることができ、燃焼全体としての主燃焼期間を殆ど延ばすことなく、効果的にノッキングを抑制することができる燃焼形態（以下当明細書において、後期重心型燃焼と称する）に着目し、鋭意研究を重ね、このような後期重心型燃焼を容易に行わせることのできる次のような火花点火式エンジンの燃焼室構造を見出した。

すなわち請求項１に係る発明は、シリンダヘッド下面とピストン頂面との間に形成され、上記シリンダヘッド下面を天井壁とする燃焼室と、上記天井壁から上記燃焼室内に先端が臨設された点火プラグとを含む火花点火式エンジンの燃焼室構造であって、ピストンが上死点にある状態で、上記燃焼室内空間の主要部が上記点火プラグ周辺の第１燃焼空間とシリンダボア周縁部の第２燃焼空間とによって形成され、上記ピストン頂面と上記天井壁との間隙が狭められた小間隙部を介して上記第１燃焼空間と上記第２燃焼空間とが連通されており、上記ピストンの冠部には、上記天井壁に向けて突出した凸部と、該凸部に対して相対的に没入した凹部とが形成されており、上記小間隙部は上記凸部の頂面と上記天井壁との間に形成され、上記第１燃焼空間および上記第２燃焼空間は上記凹部と上記天井壁との間に形成されており、上記点火プラグが上記シリンダボアの径方向中央付近に設けられ、上記凸部が上記ピストンの周縁と略同心円の環状に形成され、上記凸部の突出量は、吸気側よりも排気側の方が相対的に大であることを特徴とする。

また請求項２に係る発明は、請求項１記載の火花点火式エンジンの燃焼室構造において、上記小間隙部は、上記シリンダボアの径方向における、上記点火プラグから上記シリンダボア周縁との中間点よりも上記シリンダボア周縁寄りに形成されていることを特徴とする。

また請求項３に係る発明は、請求項１または２記載の火花点火式エンジンの燃焼室構造において、上記点火プラグが上記シリンダボアの径方向中央付近に設けられ、上記小間隙部が、上記点火プラグと上記シリンダボア周縁との間で環状に形成され、上記第２燃焼空間が、上記小間隙部の外周側に環状に形成されていることを特徴とする。

また請求項４に係る発明は、請求項１乃至３の何れか１項に記載の火花点火式エンジンの燃焼室構造において、上記点火プラグが上記シリンダボアの径方向中央付近に設けられ、上記小間隙部のうち、その間隙が最も狭い最小間隙部が、上記点火プラグから少なくとも排気側の上記シリンダボア周縁部にかけての途中に形成されていることを特徴とする。

また請求項５に係る発明は、請求項１乃至４の何れか１項に記載の火花点火式エンジンの燃焼室構造において、上記燃焼室は、吸気側天井壁と排気側天井壁とが屋根形をなすペントルーフ型であり、上記ペントルーフの稜線部と上記ピストン頂面との間隙が、周囲の上記天井壁と上記ピストン頂面との間隙に比べて大きく、上記第２燃焼空間かつ上記ペントルーフの稜線部に先端が臨設された第２点火プラグが付加的に設けられていることを特徴とする。

また請求項６に係る発明は、請求項１乃至５記載の火花点火式エンジンの燃焼室構造において、上記燃焼室は、上記吸気側天井壁と上記排気側天井壁とが屋根形をなすペントルーフ型であり、上記シリンダボア周縁部における上記天井壁が、上記シリンダヘッドのシリンダブロックとの合わせ面よりも上記シリンダブロックから離間する側にオフセットして形成されていることを特徴とする。

請求項１の発明によると、以下に述べるように、上述の後期重心型燃焼を容易に行わせることができる。そして上述のように、後期重心型燃焼によって耐ノッキング性能を向上させ、実用上有効に圧縮比を高めることができる。またそれを利用して燃費の向上を図ることができる。

本発明の構成によれば、前期主燃焼期間では主として点火プラグに近い第１燃焼空間で燃焼が行われ、後期主燃焼期間では主としてシリンダボア周縁部の第２燃焼空間で燃焼が行われる。一般的に、燃焼は火炎伝播によって進行し、その火炎面（火炎伝播の最前線）は、未燃ガスを押し出すようにして、点火プラグの電極付近に形成された火炎核を中心とする略同心球状に拡がって行く。

ところが本発明の構成では、第１燃焼空間と第２燃焼空間との間に、ピストン頂面と燃焼室天井壁との間隙が狭められた小間隙部が設けられている。火炎面に押し出された未燃ガスがこの小間隙部を通過する際、一種の絞り作用を受ける。その影響を受けて第１燃焼空間での燃焼の火炎伝播が抑制される。このため前期主燃焼期間における燃焼速度が比較的低く抑えられる。

そして火炎面が小間隙部を経て第２燃焼空間に達すると、もはや小間隙部による絞り作用の影響を受けないので、速やかに火炎伝播が進行する。つまり後期主燃焼期間における燃焼速度が比較的高くなる。

結局、全体として、前期主燃焼期間では比較的低速の燃焼が行われ、後期主燃焼期間では比較的高速の燃焼が行われるという、上述の後期重心型燃焼が行われることになるのである。

また、本発明によれば、ピストン冠部に凹凸を設けるという簡単な構造で第１燃焼空間、小間隙部および第２燃焼空間を形成することができる。

さらに、本発明によると、以下に述べるように、全体的により均等な火炎伝播速度を得ることができ、円滑な燃焼を図ることができる。

上述したように、火炎面は点火プラグの電極付近に形成された火炎核を中心とする略同心球状に拡がって行くが、より厳密には、排気側（排気バルブ側）への伝播速度が吸気側（吸気バルブ側）への伝播速度よりもやや高くなっている。高温の排気側では、より燃焼反応が促進されるからである。

本発明の構成によれば、点火プラグからシリンダボア周縁部にかけての途中に環状の凸部が設けられ、この凸部の突出量が、吸気側よりも排気側の方が大きくなるように設定されているため、排気側への火炎伝播が特に抑制される。

そして、高くなりがちな排気側への火炎伝播速度が比較的強く抑制されることにより、全体的にはより均等な火炎伝播速度を得ることができ、円滑な燃焼を図ることができる。

なお本願発明者は、本発明の燃焼室構造によって、耐ノッキング性能を悪化させることなく圧縮比を従来比で０．５以上高めることができることを確認している。

請求項２の発明によると、以下に述べるように初期燃焼期間（主燃焼期間より前の、燃焼質量の１０％が燃焼するまでの期間）を早期に完了させ、主燃焼期間への移行遅れを効果的に防止することができる。

上記のように、前期主燃焼期間では主として第１燃焼空間で燃焼が行われる。従って、その前段階の初期燃焼期間も主として第１燃焼空間で燃焼が行われる。ここで、点火プラグと小間隙部との距離が近すぎると、初期燃焼期間での燃焼が小間隙部による絞り作用の影響を強く受けてしまい、燃焼速度が低下してしまう。初期燃焼期間での燃焼速度が低下すると、主燃焼期間への移行が遅れてしまい、燃焼全体の遅れに繋がるので好ましくない。

そこで本発明の構成によれば、小間隙部が、シリンダボアの径方向における、点火プラグからシリンダボア周縁との中間点よりもシリンダボア周縁寄りに形成されている。つまり点火プラグと小間隙部とが適度に離間しているので、初期燃焼期間での燃焼に小間隙部による絞り作用の影響が殆ど及ばないようにすることができる。

但し、小間隙部をシリンダボア周縁に寄せ過ぎると、第２燃焼空間を充分確保することが困難となる。従って小間隙部は、点火プラグからシリンダボア周縁との中間点よりはシリンダボア周縁寄りであり、かつシリンダボア周縁からもある程度離間した適所に形成させるのが好ましい。その適所はエンジンの特性等によって異なるが、概ね点火プラグからシリンダボア周縁までの距離の６０〜８５％の範囲内にある。

請求項３の発明によると、以下に述べるように、より顕著な後期重心型燃焼を実現することができ、耐ノッキング性能向上効果を一層高めることができる。

本発明の構成によれば、小間隙部が点火プラグとシリンダボア周縁との間で環状に形成されている。つまり第１燃焼空間を取り囲むように小間隙部が設けられている。従って小間隙部の絞り作用がより均等に第１燃焼空間での燃焼に及び、前期主燃焼期間における燃焼速度低減効果を一層高めることができる。

また本発明の構成によれば、第２燃焼空間が小間隙部の外周側に環状に形成されているので、より均等に火炎面が第２燃焼空間に到達する。このため、後期主燃焼期間における燃焼を一層速やかに行うことができる。

結局、前期主燃焼期間においてはより低速の燃焼が行われ、後期主燃焼期間においてはより高速の燃焼が行われるという、メリハリの利いた顕著な後期重心型燃焼を実現することができるのである。

請求項４の発明によると、排気側に形成された最小間隙部による強い絞り作用によって、排気側への火炎伝播が特に抑制され、全体的により均等な火炎伝播速度を得ることができ、円滑な燃焼を図ることができる。

また請求項３に従属させた場合は、火炎面の第１燃焼空間から第２燃焼空間への移行を、より均等に行わせることができるので、耐ノッキング性能向上効果を一層高めることができる。

請求項５の発明によると、比較的大きな吸排気バルブ径を確保しつつ、燃焼室容積を小さくすることができるというペントルーフ型燃焼室の特徴を利用して、より容易に高圧縮比化を図ることができる。

またペントルーフ型燃焼室には、その天井稜線部におけるピストン頂部との間隙が比較的広いという特徴がある。本発明の構成ではその間隙の広い箇所に第２点火プラグを設けているので、レイアウトを容易に行うことができる。そして第２燃焼空間への火炎伝播の遅れが懸念されるような場合でも、第２点火プラグによって、適時に第２燃焼空間での燃焼を行わせることができる。

請求項６の発明によると、第２燃焼空間をより広くとることができる。従来のペントルーフ型燃焼室構造において、シリンダボア周縁部に対応するシリンダヘッド（燃焼室の周縁天井部）は、シリンダブロックとの合わせ面と略同一面となっている（図９の天井壁周縁部９１ｄ参照）。これに対し本発明の構成では、燃焼室の天井壁を、シリンダブロックから離間する側にオフセットして形成しているので、その分、第２燃焼空間を広くとることができるのである。

図１は本発明の第１実施形態に係る火花点火式エンジンの燃焼室構造を示す縦断面図である。また図２は、その主要部の拡大図である。さらに図３は、図１のIII−III線断面図である。

当実施形態の燃焼室１４はペントルーフ型であり、図１ないし図３には、ピストン１３が上死点にある状態を示している。燃焼室１４は、シリンダブロック５０のシリンダボア１２と、ピストン頂面４と、燃焼室１４に臨むシリンダヘッド１０の下面である天井壁１１とに囲まれた空間である。天井壁１１は、吸気側天井壁１１ａと排気側天井壁１１ｂとが屋根形をなすように形成されている。

シリンダボア１２の径方向中央付近には、天井壁１１から燃焼室１４に先端が臨設された点火プラグ１５が設けられている。

吸気側天井壁１１ａには、これに開口する２箇所の吸気ポート２１が設けられており、各吸気ポート２１には所定の吸気タイミングで開く吸気バルブ１９が設けられている。また排気側天井壁１１ｂには、これに開口する２箇所の排気ポート２２が設けられており、各排気ポート２２には所定の排気タイミングで開く排気バルブ２０が設けられている。吸気バルブ１９および排気バルブ２０の、燃焼室１４に臨む面は、それぞれ吸気側天井壁１１ａおよび排気側天井壁１１ｂの一部を形成している。

なお、図１及び図２に示す吸気バルブ１９、排気バルブ２０、吸気ポート２１及び排気ポート２２は、実際には図示の断面位置から紙面前後方向にオフセットして設けられているが、説明のために同図において同一断面に示している（図３参照）。

図２に示すように、天井壁１１の周縁部である天井壁周縁部１１ｄは、シリンダブロック５０との合わせ面（詳しくは、シリンダヘッド１０とシリンダブロック５０との間に設けられた図略のヘッドガスケットとの合わせ面）よりもシリンダブロック５０から離間する側にオフセットして形成されている。

燃焼室１４は、ピストン１３が上死点にある状態で、燃焼室１４内空間の主要部が点火プラグ１５周辺の第１燃焼空間１４ａとシリンダボア１２周縁部の第２燃焼空間１４ｂとによって形成されている。そして第１燃焼空間１４ａと第２燃焼空間１４ｂとは、ピストン頂面４と天井壁１１との間隙が狭められた小間隙部５を介して連通されている。

ここで、ピストン１３の形状、特に冠部の形状について説明する。図４はピストン１３の斜視図である。以下の説明で、ピストン１３の上下方向は図示状態での上下方向とする。つまり組立状態で天井壁１１に近い方を上とする。

ピストン冠部１３ａには、ピストン１３の外周と略同心円の環状をなして上方に突出する凸部６が設けられている。そして凸部６の内周側および外周側には、凸部６に対して相対的に没入した凹部が形成されている。すなわち凸部６の内周側には中央側凹部７、外周側には周縁側凹部８が形成されている。

凸部６の詳細形状は、所定の高さ及び幅をもって上方に突出する環状体の、吸気側および排気側を、それぞれ内周側上方から外周側下方に向けて平斜面で削ぎ落としたような形状となっている。その削ぎ落としの切り口に相当する各面が吸気側凸部頂面９ａおよび排気側凸部頂面９ｂを形成している。

図４には、図２に示す断面位置での凸部６の断面をそれぞれ吸気側凸部断面６ａおよび排気側凸部断面６ｂで示している。これらを比較しても明らかなように、凸部６は吸気側が排気側よりも大きく削ぎ落とされたような形状となっている。従って、ピストン冠部１３ａの中心から、図２の左右方向に同一距離離反した位置で比較すると、排気側凸部頂面９ｂの高さは吸気側凸部頂面９ａの高さより高くなっている。

凸部６の上端面である凸部頂面９の、吸気側凸部頂面９ａ或いは排気側凸部頂面９ｂ以外の部分は、略水平で平坦な凸部平坦頂面９ｃとなっている。凸部平坦頂面９ｃの平均半径はピストン１３の平均半径の半分よりもやや大きくなっている。

中央側凹部７は、凸部６の内周側で、凸部６に対して相対的に没入した部分である。中央側凹部７は、中央の平坦部まで緩やかに湾曲した椀状の壁面を有している。

周縁側凹部８は、凸部６の外周側で、凸部６に対して相対的に没入した部分である。周縁側凹部８は略水平な円環形状となっている。

次に、図２を参照して再び燃焼室１４の詳細構造について説明する。第１燃焼空間１４ａは、ピストン１３の中央側凹部７と天井壁１１との間に形成されている。また第２燃焼空間１４ｂは、ピストン１３の周縁側凹部８と天井壁１１（詳しくは天井壁周縁部１１ｄ）との間に環状に形成されている。

そして第１燃焼空間１４ａと第２燃焼空間１４ｂとを連通する小間隙部５は、ピストン１３の凸部頂面９と天井壁１１との間に環状に形成されている。上述のように、凸部平坦頂面９ｃの平均半径がピストン１３の平均半径の半分よりもやや大きいので、小間隙部５は、シリンダボア１２の径方向における、点火プラグ１５からシリンダボア周縁との中間点よりもシリンダボア周縁寄りに形成されている。その最適位置は、エンジンの特性等によって異なるが、概ね点火プラグ１５からシリンダボア周縁までの距離の６０〜８５％の範囲内にある。

小間隙部５は、詳細には小間隙部５ａ、最小間隙部５ｂ、小間隙部５ｃおよび小間隙部５ｄ（図３参照）からなる。

小間隙部５ａは、ピストン１３の吸気側凸部頂面９ａと、これに対向する天井壁１１との間の間隙である。最小間隙部５ｂは、ピストン１３の排気側凸部頂面９ｂと、これに対向する天井壁１１との間の間隙である。上述のように排気側凸部頂面９ｂが吸気側凸部頂面９ａより高い位置にある（比較のため、図２の吸気側凸部頂面９ａ近傍に、排気側凸部頂面９ｂに対応する形状を二点差線で示す）ので、最小間隙部５ｂは小間隙部５ａより狭い。また最小間隙部５ｂは他の小間隙部５ｃや小間隙部５ｄよりも狭く、小間隙部５のなかで最小の間隙となっている。

小間隙部５ｃは、ピストン１３の凸部平坦頂面９ｃと、これに対向する天井壁１１との間の間隙である。小間隙部５ｃは、天井壁１１が低い箇所ほど狭く、天井壁１１が高くなるほど、つまり稜線部１１ｃ（図３参照）に近づくほど広くなる。小間隙部５ｄは、その稜線部１１ｃと凸部平坦頂面９ｃとの間隙であって、小間隙部５のうちで最も広い間隙となっている。

次に、当実施形態の燃焼室構造を有する火花点火式エンジンの動作について説明する。

まず吸気行程において吸気バルブ１９が開くとともに、ピストン１３が降下する。それに伴って吸気ポート２１から燃焼室１４内に混合気が負圧吸引される。

続く圧縮行程において吸気バルブ１９が閉じるとともに、ピストン１３が上昇する。それに伴って、燃焼室１４内の混合気が圧縮され、温度と圧力が上昇する。圧縮行程の終盤、つまりピストン１３が図２に示す上死点付近まで上昇したとき、点火プラグ１５の電極から火花が飛ばされる。その火花によって点火プラグ１５の電極付近の混合気が着火し、火炎核が形成される。

続く膨張行程では、火炎核の火炎面が略球状に拡がりながら燃焼が進行する。燃焼によって急速に高められた筒内圧力によってピストン１３が押し下げられる。ピストン１３を押し下げる力が図外のコンロッド等を介して図外の出力軸（クランクシャフト）の回転駆動力となる。

続く排気行程では排気バルブ２０が開くとともにピストン１３が上昇に転じる。ピストン１３の上昇によって既燃ガス（排ガス）が排気ポート２２から押し出され、排出される。

以上の吸気、圧縮、膨張および排気からなる４行程を繰り返すことによってエンジンが連続運転される（４サイクルエンジン）。また多気筒エンジンの場合は、気筒ごとに上記の各行程をずらした設定とすることにより、より滑らかで振動や騒音の少ないエンジンとすることができる。

次に、上記膨張行程で行われる燃焼について詳細に説明する。この燃焼は、当明細書で後期重心型燃焼と呼ぶ燃焼形態を呈する。後期重心型燃焼は、端的に表現すれば前期主燃焼期間（燃焼質量の１０％以上５０％未満が燃焼する期間）での燃焼速度が比較的低く、後期主燃焼期間（燃焼質量の５０％以上９０％未満が燃焼する期間）での燃焼速度が比較的高い燃焼形態である。後期重心型燃焼は、当実施形態の燃焼室構造と密接な関係があり、この燃焼室構造によってなし得る燃焼形態である。

後期重心型燃焼について、燃焼室構造と関連付けながら説明する。まず、点火プラグ１５の電極から火花が飛ばされると、その周囲の混合気が着火し、火炎核が形成される。そしてその火炎面（火炎伝播の最前線）が略同心球状に拡がりながら伝播する。つまり第１燃焼空間１４ａにおいて燃焼が行われる。その際、火炎面は未燃ガスを押し出すようにして拡がって行く。

ところが、第１燃焼空間１４ａの外側には小間隙部５が設けられている。従って、火炎面に押し出された未燃ガスが小間隙部５を通過する際、一種の絞り作用を受ける。その影響を受けて火炎伝播が抑制される。このため第１燃焼空間１４ａにおける燃焼速度が比較的低く抑えられる。

そして火炎面が小間隙部５を経て第２燃焼空間１４ｂに達すると、もはや小間隙部５による絞り作用の影響を受けないので、速やかに火炎伝播が進行する。つまり第２燃焼空間１４ｂにおける燃焼速度が比較的高くなる。

こうして、主として第１燃焼空間１４ａでの前期主燃焼期間には比較的低速の燃焼が行われ、主として第２燃焼空間１４ｂでの後期主燃焼期間には比較的高速の燃焼が行われるという、後期重心型燃焼が行われることになる。

また当実施形態では、点火プラグ１５をシリンダボア１２の径方向中央付近に設け、小間隙部５を、点火プラグ１５とシリンダボア周縁との間で環状に形成し、第２燃焼空間１４ｂを、小間隙部５の外周側に環状に形成しているので、小間隙部５の絞り作用がより均等に第１燃焼空間１４ａでの燃焼に及び、その燃焼速度低減効果を一層高めている。

さらに第２燃焼空間１４ｂが小間隙部５の外周側に環状に形成されているので、より均等に火炎面が第２燃焼空間１４ｂに到達する。このため、第２燃焼空間１４ｂでの燃焼を一層速やかに行うことができる。

結局、前期主燃焼期間においてはより低速の燃焼が行われ、後期主燃焼期間においてはより高速の燃焼が行われるという、メリハリの利いた顕著な後期重心型燃焼を実現している。

ところで、上述したように、火炎面は点火プラグ１５の電極付近に形成された火炎核を中心とする略同心球状に拡がって行くが、より厳密には、排気側への伝播速度が吸気側への伝播速度よりもやや高くなっている。高温の排気側では、より燃焼反応が促進されるからである。当実施形態では、最小間隙部５ｂによって、排気側へのガス流を他よりも強く絞っているので、高くなりがちな排気側への火炎伝播速度が比較的強く抑制される。これにより、全体的にはより均等な火炎伝播速度を得ることができ、円滑な燃焼を図ることができる。また火炎面の第１燃焼空間１４ａから第２燃焼空間１４ｂへの移行を、より均等に行わせることができる。

図５は、当実施形態の後期重心型燃焼における燃焼特性を示す特性図である。横軸にクランク角（°ＣＡ）、縦軸に燃焼質量割合（％）を示す。燃焼質量割合とは、燃焼した燃料の質量全体を１００％とし（無次元化）、当該クランク角時点までに燃焼した燃料の積算値を示したものである。

図示のように、燃焼質量割合が１０％未満の領域を初期燃焼領域８１といい、その期間を初期燃焼期間θ_０という。また燃焼質量割合が１０％以上９０％未満の領域を主燃焼領域８０という。主燃焼領域８０は５０％を境にして前期と後期に分けられ、燃焼質量割合が１０％以上５０％未満の領域を前期主燃焼領域８０ａといい、５０％以上９０％未満の領域を後期主燃焼領域８０ｂという。そして前期主燃焼領域８０ａの期間を前期主燃焼期間θ_１といい、後期主燃焼領域８０ｂの期間を後期主燃焼期間θ_２という。

図５には、当実施形態の燃焼特性Ｔ１を示すとともに、比較のために従来の一般的な燃焼特性Ｔ１’を併記している。なお図５は、エンジン回転速度が１５００ｒｐｍで、高負荷運転状態での燃焼特性を示す。

当実施形態の燃焼特性Ｔ１では、初期燃焼期間θ_０は点火時期〜約３°ＣＡ、前期主燃焼期間θ_１は約３〜約１３°ＣＡ、後期主燃焼期間θ_２は約１３〜約２０°ＣＡとなっている。一方、従来の燃焼特性Ｔ１’では、初期燃焼期間θ_０’は点火時期〜約４°ＣＡ、前期主燃焼期間θ_１’は約４〜約１３°ＣＡ、後期主燃焼期間θ_２’は約１３〜約２１°ＣＡとなっている。

つまり当実施形態の燃焼特性Ｔ１は、従来の燃焼特性Ｔ１’に比べ、初期燃焼期間θ_０が約１°ＣＡ短縮され、前期主燃焼期間θ_１が約１°ＣＡ延ばされ、後期主燃焼期間θ_２が約１°ＣＡ短縮されている。これは、主として第１燃焼空間１４ａで燃焼が行われる前期主燃焼期間θ_１では燃焼速度が相対的に低く、主として第２燃焼空間１４ｂで燃焼が行われる後期主燃焼期間θ_２では燃焼速度が相対的に高くなっていることを示している。つまり後期重心型燃焼となっていることがわかる。

また初期燃焼期間θ_０及び前期主燃焼期間θ_１での燃焼は、ともに主として第１燃焼空間１４ａでの燃焼であるが、初期燃焼期間θ_０はむしろ短縮されている。これは、小間隙部５が、点火プラグ１５に近すぎない適所（詳しくは点火プラグ１５からシリンダボア周縁までの距離の６０〜８５％の範囲内の適所）に設けられていることによって、小間隙部５による絞り作用の影響が初期燃焼期間θ_０にまでは及んでいないことを示している。

図６は、図５に示す燃焼特性を別の視点から表した特性図である。横軸にクランク角（°ＣＡ）、縦軸に熱発生率（％）を示す。ここで熱発生率とは、図５の熱発生割合の微分値であり、燃焼による全体の熱発生量を１００％とし（無次元化）、当該クランク角時点における熱発生量の割合を示したものである。

図６には、当実施形態の燃焼特性Ｔ２を示すとともに、比較のために従来の一般的な燃焼特性Ｔ２’を併記している。特性Ｔ２’と比較して、特性Ｔ２の顕著な特徴として、前期主燃焼期間θ_１において傾きの緩やかな棚部Ｔ２ａを有している点、および後期主燃焼期間θ_２において最大熱発生率の極大値が大きくなっている点である。この二点が後期重心型燃焼を特徴付けるものとなっている。

棚部Ｔ２ａについて説明すると、これは、初期燃焼期間θ_０から前期主燃焼期間θ_１に移行後、熱発生率の増大率が一時的に低下していることを示している。これは小間隙部５による絞り効果によって、前期主燃焼期間θ_１での燃焼速度が比較的低くなったからであると考えられる。

その後、後期主燃焼期間θ_２において最大熱発生率の極大値が大きくなっている点については、比較的多く残留した未燃燃料が、充分な容積が確保された第２燃焼空間１４ｂで高速で燃焼したためであると考えられる。

以上のように、当実施形態の燃焼室構造によれば、簡単な構造で後期重心型燃焼を容易に行わせることができる。そして上述のように、後期重心型燃焼を行わせることにより、耐ノッキング性能を向上させ、実用上有効に圧縮比を高めることができる。本願発明者は、例えば従来構造と同程度の耐ノッキング性能を確保した場合、圧縮比を０．５以上高めることができることを確認した。そして圧縮比を高めることにより燃焼効率を高め、燃費を向上させることができる。

次に、本発明に係る第２実施形態について、図７および図８を参照して説明する。

図７は、第２実施形態の燃焼室構造の、図１のIII−III線に相当する位置での断面図である。図８は、スワールと火炎伝播についての説明図であり、（ａ）は吸気側天井壁をピストン側から見た平面図、（ｂ）および（ｃ）は、スワール生成吸気系の吸気ポート形状を示す図である。

当実施形態の第１実施形態に対する主な相違点は、点火プラグ１５に加えて第２点火プラグ１５ａおよび第３点火プラグ１５ｂが設けられている点（図７および図８（ａ）参照）と、スワール生成吸気系２３が設けられている点（図８（ａ）参照）である。

図７に示すように、第２点火プラグ１５ａおよび第３点火プラグ１５ｂは、ペントルーフ型の吸気側天井壁１１ａと排気側天井壁１１ｂとの合わせ部、つまり稜線部１１ｃ上に、それぞれ先端が第２燃焼空間１４ｂに臨むように設けられている。ペントルーフ型の燃焼室１４は、構造上、稜線部１１ｃ付近における天井壁１１とピストン頂面４との間隙が比較的広くなっている。従って、第２，第３点火プラグ１５ａ，１５ｂを比較的容易にレイアウトすることができる。

スワール生成吸気系２３は、強いスワール（ピストン摺動軸まわりの旋回流。横渦。）を起こさせるための公知の吸気系である。当実施形態では吸気バルブ１９が１気筒あたり２箇所に設けられ、それぞれに対応する吸気ポート（プライマリ側およびセカンダリ側）が設けられている。プライマリ側には図８（ｃ）に示すストレートポート２１ａが設けられ、セカンダリ側には図８（ｂ）に示すハイフローポート２１ｂが設けられている。ストレートポート２１ａは、ハイフローポート２１ｂに対し、比較的浅い角度（ピストン摺動軸に対して、より垂直に近い角度）で燃焼室１４に開口している。

次に、当実施形態の燃焼室構造を有する火花点火式エンジンの動作について説明する。但し第１実施形態と重複する部分については適宜省略して記す。

まず吸気行程において、スワール生成吸気系２３によって強いスワールを起こさせるような吸気が行われる。具体的には、プライマリ側のストレートポート２１ａでは、吸気バルブ１９を大きく開き（図８（ｃ）の状態）、セカンダリ側のハイフローポート２１ｂでは、吸気バルブ１９を閉じるか、小さく開く（図８（ｂ）の状態）。こうすることにより、図８（ａ）の状態で右回りの強いスワール７５（図では模式的に示している）が発生する。

そのスワールは、続く圧縮行程でも多くが保存される。そして圧縮行程の終盤で点火プラグ１５、第２点火プラグ１５ａおよび第３点火プラグ１５ｂのそれぞれの電極から火花が飛ばされる。火花は、同時に飛ばしても良いし、適宜時間をずらして飛ばしても良い。その火花によって点火プラグ１５、第２点火プラグ１５ａおよび第３点火プラグ１５ｂの各電極付近の混合気が着火し、火炎核が形成される。

続く膨張行程では、火炎核の火炎面が略球状に拡がりながら燃焼が進行する。図８（ａ）に、その様子を模式的に二点鎖線の火炎伝播等時線７０で示している。但しこの火炎伝播等時線７０は、次に述べるスワール７５の効果を考慮しない場合のものである。この火炎伝播等時線７０は、吸気側が排気側に比べて密になっている。これは排気側へ向かう火炎伝播速度よりも吸気側へ向かう火炎伝播速度の方が低速であることを示している。つまり、このままでは吸気側の第２燃焼空間１４ｂへの火炎伝播遅れが懸念される状態となっている。

ここで、第２点火プラグ１５ａおよび吸気バルブ１９付近のスワール７５に着目すると、吸気バルブ１９のスワール直上流に第２点火プラグ１５ａが設けられている。こうすることにより、第２点火プラグ１５ａからの火炎がスワール７５に乗って吸気側に速やかに伝播される。したがって、吸気側の第２燃焼空間１４ｂへの火炎伝播遅れが効果的に抑制され、適時に吸気側の第２燃焼空間１４ｂでの燃焼がなされる。

このように、当実施形態によれば、吸気側の第２燃焼空間１４ｂへの火炎伝播の遅れが懸念されるような場合でも、適時に吸気側の第２燃焼空間１４ｂでの燃焼を行わせることができる。従って、効果的な後期重心型燃焼を行わせることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこの実施形態に限定するものではなく、特許請求の範囲内で種々の変形を行っても良い。

例えば上記各実施形態は、本発明を４サイクルエンジンに適用した場合を示しているが、それ以外の、例えば２サイクルエンジンに適用しても良い。

第１実施形態において、燃焼室１４の形状はペントルーフ型が望ましいが、それ以外、例えば半球形型（ドーム型）、多球形型等であっても良い。

第２実施形態において、第３点火プラグ１５ｂは必ずしも設けなくても良い。第３点火プラグ１５ｂは、排気バルブ２０のスワール直上流に設けられているので、第３点火プラグ１５ｂ付近から排気側に向かうスワール７５に乗せて火炎を伝播させることができる。従って、排気側へもより速やかに火炎伝播させることができるという利点がある。なお、点火プラグ１５に付加的に設ける点火プラグとして、第２点火プラグ１５ａと第３点火プラグ１５ｂの何れか一方を選択する場合には、第２点火プラグ１５ａを選択する方が望ましい。通常、火炎伝播は吸気側に向かう方が排気側に向かうよりも遅いところ、第２点火プラグ１５ａによれば、その火炎伝播遅れを効果的に抑制することができるという大きな効果が期待できるからである。

本発明の第１実施形態に係る火花点火式エンジンの燃焼室構造を示す縦断面図である。 図１の主要部の拡大図である。 図１のIII−III線断面図である。 図１に示すピストンの斜視図である。 第１実施形態の後期重心型燃焼における燃焼特性を示す特性図である。 図５に示す燃焼特性を微分した特性図である。 本発明の第２実施形態に係る燃焼室構造の、図１のIII−III線に相当する位置での断面図である。 第２実施形態におけるスワールと火炎伝播についての説明図であり、（ａ）は吸気側天井壁をピストン側から見た平面図、（ｂ）および（ｃ）は、スワール生成吸気系の吸気ポート形状を示す図である。 従来の一般的なペントルーフ型燃焼室の縦断面図である。

４ ピストン頂面
５ 小間隙部
５ｂ 最小間隙部
６ 凸部
７ 中央側凹部（凹部）
８ 周縁側凹部（凹部）
９ 凸部頂面
１０ シリンダヘッド
１１ 天井壁（シリンダヘッド下面）
１１ａ 吸気側天井壁
１１ｂ 排気側天井壁
１１ｃ 稜線部
１１ｄ 天井壁周縁部（シリンダボア周縁部における天井壁）
１２ シリンダボア
１３ ピストン
１３ａ ピストン冠部
１４ 燃焼室
１４ａ 第１燃焼空間
１４ｂ 第２燃焼空間
１５ 点火プラグ
１５ａ 第２点火プラグ
１９ 吸気バルブ
２３ スワール生成吸気系
５０ シリンダブロック
７５ スワール

Claims (6)

1. シリンダヘッド下面とピストン頂面との間に形成され、上記シリンダヘッド下面を天井壁とする燃焼室と、
   上記天井壁から上記燃焼室内に先端が臨設された点火プラグとを含む火花点火式エンジンの燃焼室構造であって、
   ピストンが上死点にある状態で、上記燃焼室内空間の主要部が上記点火プラグ周辺の第１燃焼空間とシリンダボア周縁部の第２燃焼空間とによって形成され、
   上記ピストン頂面と上記天井壁との間隙が狭められた小間隙部を介して上記第１燃焼空間と上記第２燃焼空間とが連通されており、
   上記ピストンの冠部には、上記天井壁に向けて突出した凸部と、該凸部に対して相対的に没入した凹部とが形成されており、
   上記小間隙部は上記凸部の頂面と上記天井壁との間に形成され、
   上記第１燃焼空間および上記第２燃焼空間は上記凹部と上記天井壁との間に形成されており、
   上記点火プラグが上記シリンダボアの径方向中央付近に設けられ、
   上記凸部が上記ピストンの周縁と略同心円の環状に形成され、
   上記凸部の突出量は、吸気側よりも排気側の方が相対的に大であることを特徴とする火花点火式エンジンの燃焼室構造。
2. 上記小間隙部は、上記シリンダボアの径方向における、上記点火プラグから上記シリンダボア周縁との中間点よりも上記シリンダボア周縁寄りに形成されていることを特徴とする請求項１記載の火花点火式エンジンの燃焼室構造。
3. 上記点火プラグが上記シリンダボアの径方向中央付近に設けられ、
   上記小間隙部が、上記点火プラグと上記シリンダボア周縁との間で環状に形成され、
   上記第２燃焼空間が、上記小間隙部の外周側に環状に形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の火花点火式エンジンの燃焼室構造。
4. 上記点火プラグが上記シリンダボアの径方向中央付近に設けられ、
   上記小間隙部のうち、その間隙が最も狭い最小間隙部が、上記点火プラグから少なくとも排気側の上記シリンダボア周縁部にかけての途中に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の火花点火式エンジンの燃焼室構造。
5. 上記燃焼室は、吸気側天井壁と排気側天井壁とが屋根形をなすペントルーフ型であり、
   上記ペントルーフの稜線部と上記ピストン頂面との間隙が、周囲の上記天井壁と上記ピストン頂面との間隙に比べて大きく、
   上記第２燃焼空間かつ上記ペントルーフの稜線部に先端が臨設された第２点火プラグが付加的に設けられていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の火花点火式エンジンの燃焼室構造。
6. 上記燃焼室は、上記吸気側天井壁と上記排気側天井壁とが屋根形をなすペントルーフ型
   であり、
   上記シリンダボア周縁部における上記天井壁が、上記シリンダヘッドのシリンダブロックとの合わせ面よりも上記シリンダブロックから離間する側にオフセットして形成されていることを特徴とする請求項１乃至５記載の火花点火式エンジンの燃焼室構造。
   

Images