特開 2023-141548 エンジン

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023141548

(43)【公開日】2023-10-05

(54)【発明の名称】エンジン

(51)【国際特許分類】

   F02B 23/08 20060101AFI20230928BHJP

   F02F 3/26 20060101ALI20230928BHJP

【ＦＩ】

F02B23/08 S

F02F3/26 C

F02B23/08 E

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022047923

(22)【出願日】2022-03-24

(71)【出願人】

【識別番号】000002967

【氏名又は名称】ダイハツ工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099966

【弁理士】

【氏名又は名称】西 博幸

(74)【代理人】

【識別番号】100134751

【弁理士】

【氏名又は名称】渡辺 隆一

(72)【発明者】

【氏名】山下 翔平

【テーマコード（参考）】

3G023

【Ｆターム（参考）】

3G023AA02

3G023AA05

3G023AB03

3G023AC02

3G023AD03

3G023AD05

3G023AD07

3G023AG02

3G023AG03

(57)【要約】

【課題】高リーンバーン化、高ＥＧＲ化に簡単な構造で対応できるエンジンを提供する。
【解決手段】シリンダヘッド４に形成されたペントルーフ型の下向き凹所８に、点火プラグ１７がシリンダボア１の軸心から排気側に寄った部位に配置されている。点火プラグ１７を挟んで吸気側に位置したエリアに、タンブル流の余流を点火プラグ１７に向けてガイドするガイド溝２１が形成されている。ガイド溝２１は、シリンダボア１の軸心Ｏ１よりも排気側に位置した下向き傾斜面２１ｂを有している。燃焼室の中央部に乱流強度が高い初期火炎２３を生成できるため、空燃比が低くても全体に火炎を伝播させて燃焼を確実化できる。その結果、高リーンバーン化、高ＥＧＲ化、ＮＯｘ低減を促進できる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

シリンダボアにピストンが摺動自在に嵌挿されたシリンダブロックと、前記シリンダブロックに固定されたシリンダヘッドとを有し、
前記シリンダヘッドには、前記ピストンに向けて拡径したテーパ面を有するペントルーフ型の燃焼室用下向き凹所が形成されており、前記下向き凹所に、一対ずつの吸気ポートと排気ポートとが前記シリンダボアの軸心を挟んだ反対側から開口しているエンジンであって、
前記下向き凹所の内面のうち前記シリンダボアの軸心よりも排気側に寄った部位でかつ一対の排気ポートの間のエリアに点火プラグが配置されて、
前記下向き凹所の内面に、吸気側と排気側との両方に跨がるように下向き傾斜部が配置され、前記下向き傾斜部の少なくとも一部が前記シリンダボアの軸心よりも排気側にずれるようにして形成されている、
エンジン。

【請求項2】

前記下向き凹所の内面のうち前記点火プラグよりも吸気側のエリアに、圧縮工程において混合気を前記点火プラグに向かわせるガイド溝が配置されて、前記ガイド溝部に前記下向き傾斜部を設けている、
請求項１に記載したエンジン。

【請求項3】

前記点火プラグは、前記下向き凹所のテーパ面と略直交した姿勢に配置されている一方、
前記下向き傾斜部は、前記点火プラグの軸心と略直交した方向に向かうように形成されている、
請求項１又は２に記載したエンジン。

【請求項4】

前記ピストンの頂面に、吸気側が浅くて排気側が深くなった上向き凹所が形成されている、
請求項１～３のうちのいずれか１項に記載したエンジン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願発明は、ピストンを有するレシプロエンジンに関するものである。

【背景技術】

【0002】

ガソリンエンジンにおいては、燃費の向上やＮＯｘの低減のためにリーンバーン化や高ＥＧＲ化が進んでいるが、リーンバーン化すると燃料への着火性が低下しやすい。従って、空燃比を高めつつ燃焼を確実化できる技術が要請されている。

【0003】

他方、特許文献１，２には、タンブル流に着目し、シリンダヘッドに形成されているペントルーフ型の下向き凹所（燃焼室）の内面のうち吸気側の部位に、圧縮工程においてタンブル流を点火プラグのスパークギャップに誘導する凹部や溝を形成することが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】ＷＯ２０１９／１９７８６０号公報

【特許文献2】特開２０１５－２１８６２１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１は直噴方式であり、凹部にインジェクタを臨ませているが、燃料と空気やＥＧＲガスとの混合性を高められるか否か不明であり、従って、高リーンバーン化や高ＥＧＲ化には対応し難いのではないかと推測される。

【0006】

他方、特許文献２は失火防止を主眼としており、着火後の火炎がシリンダヘッドのペントルーフ面に当たることを防止すべく、ペントルーフ面に形成した溝により、タンブル流を、スパークギャップに当てつつ燃焼室の中央部に向かうようにガイドしている。しかし、特許文献２では、溝は点火プラグに近接しているため、混合気は点火プラグの電極に対して斜め上から当たっており、このため、点火プラグの火花を混合気に対してまんべんなく曝すことができるとは云い難く、従って、着火の確実性が疑問である。従って、特許文献２においても、高リーンバーン化や高ＥＧＲ化には対応し難いのではないかと推測される。

【0007】

本願発明はこのような現状を背景に成されたものであり、高リーンバーン化や高ＥＧＲ化に簡単な構造で対応できる技術を提供せんとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本願発明は多くの構成を備えており、その典型を各請求項で特定している。このうち請求項１の発明は、
「シリンダボアにピストンが摺動自在に嵌挿されたシリンダブロックと、前記シリンダブロックに固定されたシリンダヘッドとを有し、
前記シリンダヘッドには、前記ピストンに向けて拡径したテーパ面を有するペントルーフ型の燃焼室用下向き凹所が形成されており、前記下向き凹所に、一対ずつの吸気ポートと排気ポートとが前記シリンダボアの軸心を挟んだ反対側から開口している」
という基本構成になっている。

【0009】

そして、請求項１の発明は、上記基本構成において、
「前記下向き凹所の内面のうち前記シリンダボアの軸心よりも排気側に寄った部位でかつ一対の排気ポートの間のエリアに点火プラグが配置されて、
前記下向き凹所の内面に、吸気側と排気側との両方に跨がるように下向き傾斜部が配置され、前記下向き傾斜部の少なくとも一部が前記シリンダボアの軸心よりも排気側にずれるようにして形成されている」
という特徴を有している。

【0010】

請求項２の発明は、請求項１において、
「前記下向き凹所の内面のうち前記点火プラグよりも吸気側のエリアに、圧縮工程において混合気を前記点火プラグに向かわせるガイド溝が配置されて、前記ガイド溝部に前記下向き傾斜部を設けている」
という構成になっている。

【0011】

請求項３の発明は、請求項１又は２において、
「前記点火プラグは、前記下向き凹所のテーパ面と略直交した姿勢に配置されている一方、
前記下向き傾斜部は、前記点火プラグの軸心と略直交した方向に向かうように形成されている」
という構成になっている。ここに、「略直交」には、例えば交差角度が８０度以上程度が含まれる。

【0012】

請求項４の発明は、請求項１～３のうちのいずれか１項において、
「前記ピストンの頂面に、吸気側が浅くて排気側が深くなった上向き凹所が形成されている」
という構成になっている。

【発明の効果】

【0013】

本願発明では、テーパ面を有するペントルーフ構造の燃焼室を前提としつつ、下向き傾斜部の少なくとも一部がシリンダボアの軸心よりも排気側に位置しているため、タンブル流を、点火プラグの電極（スパークギャップ）を通過させつつ燃焼室の中央部に案内できる。従って、初期火炎を燃焼室の中央部に生成させて、強い火炎を燃焼室の全体にまんべんなく伝播できる。

【0014】

すなわち、下向き傾斜部に沿ってタンブル流の余流が流れるが、タンブル流は多数の乱流に分離しているため、点火プラグによる着火によって生成した初期火炎は乱流強度が高くなっており、しかも、初期火炎を燃焼室の内面に当てることなく燃焼室の中央部に生成できるのであり、これにより、燃焼室の全体に強い火炎を速やかに伝播できる。従って、安定した燃焼を保持できる希釈限界（空燃比の限界）を低下させて、高リーンバーン化や高ＥＧＲ化に対応できる。その結果、熱効率（燃費）の向上やＮＯｘの低減に貢献できる。

【0015】

下向き傾斜部は、例えばリブによって形成することも可能であるが、請求項２のようにガイド溝によって形成すると、混合気のガイド機能を確実化できて好適である。しかも、シリンダヘッドのガイド溝を工夫するだけの簡単な構造であるため、コストを抑制できる。

【0016】

請求項３の構成を採用すると、ガイド溝から放出された混合気に対する火花の接触性を向上できると共に、燃焼室の内面に対して火炎が接触することを的確に阻止できるため、乱流強度が高い初期火炎の生成を確実化できる。従って、高リーンバーン化や高ＥＧＲ化への対応性を更に向上できる。

【0017】

吸気ポートはシリンダボアの軸心を挟んで片側に位置しているため、混合気は流れの直進性によって排気側に向かう性質があるが、請求項４のように下向き凹所に対応した上向き凹所を形成すると、乱流強度が高い火炎を燃焼室の中央部に生成させることを、混合気の流れの性質を利用して無理無く実現できる。従って、高リーンバーン状況下や高ＥＧＲ状況下でも燃焼をより一層確実化して、熱効率（燃費）の向上やＮＯｘの低減を更に促進できる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】実施形態を示す図で、（Ａ）は縦断正面図で図２（Ａ）の IA-IA視断面図、（Ｂ）は（Ａ）のIIB-IIB 視断面図、（Ｃ）は（Ａ）の部分拡大図である。

【図2】（Ａ）は図１のIIA-IIA 視底面図（シリンダヘッドの部分底面図）、（Ｂ）は図１のIIB-IIB 視平面図（ピストンの平面図）である。

【図3】圧縮工程の途中での縦断正面図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、自動車用の多気筒エンジンに適用している。以下では、方向を特定するため前後・左右の文言を使用するが、前後方向はクランク軸線方向で、左右方向はクランク軸線及びシリンダボア軸線と直交した方向である。

【0020】

(1).基本構造
エンジンの基本構造は従来と同様であり、図１に示すように、シリンダボア１が形成されたシリンダブロック２と、シリンダブロック２の上面にガスケット３を介して固定されたシリンダヘッド４とを有しており、シリンダボア１にはピストン５が摺動自在に嵌挿されている。ピストン５にはコンロッド６がピストンピン７によって連結されており、コンロッド６はクランクピン（図示せず）に連結されている。

【0021】

シリンダヘッド４には、シリンダボア１に向けて開口した燃焼室用下向き凹所８が形成されている。下向き凹所８は、テーパ面８ａを有するペントルーフ型に形成されており、図２（Ａ）に示すように、底面視ではクランク軸線方向に長い形態を成している。

【0022】

そして、シリンダヘッド４には、下向き凹所８に向けて開口した前後一対ずつの吸気ポート９と排気ポート１０とが左右に振り分けて形成されており、かつ、図１（Ａ）に示すように、吸気ポート９を開閉する吸気バルブ１１と、排気ポート１０を開閉する排気バルブ１２とが摺動自在に装着されている。図２（Ａ）に示すように、吸気ポート９の出口と排気ポート１０の入口にはバルブシート１３，１４を嵌着している。

【0023】

シリンダヘッド４の下向き凹所８は、概ねシリンダボア１の軸心Ｏ１を中心にして対称形状になっているが、左右長手の中心線Ｏ２（図２参照）で切断した図１（Ａ）の状態では、僅かに排気側に膨れている。他方、ピストン５について見ると、概ねシリンダヘッド４の下向き凹所８と平面視で重なるように、ピストン５の頂面に上向き凹所１５が形成されている。

【0024】

ピストン５の上向き凹所１５は、排気側に最深部１５ａが位置するように、吸気側が浅くて排気側が深くなるように前後方向視で非対称に形成されている。また、最深部１５ａは、点火プラグ１７よりも排気側にオフセットされている。正確には、上向き凹所１５は、深さが吸気側から排気側に向けて徐々に深くなる緩傾斜部１５ｂと、深さがほぼ一定の最深部１５ａと、最深部１５ａよりも排気側に位置して深さが急激に浅くなった急傾斜部１５ｃとを有して、最深部１５ａは点火プラグ１７よりも排気側にオフセットされている。従って、下向き凹所８と上向き凹所１５とで構成された燃焼室は、排気側に膨れた状態になっている。上向き凹所１５には、バルブ１１，１２を逃がすためのバルブリセス１５ｄ（図２（Ｂ）参照）が連続している。

【0025】

図示していないが、吸気ポート９にはインジェクタを設けている。従って、本実施形態のエンジンは、ポート噴射方式である。なお、図１，３において符号１６で示すのは冷却水ジャケットである。

【0026】

(2).点火プラグ及びガイド溝
シリンダヘッド４の下向き凹所８のうち、一対ずつの吸気ポート９及び排気ポート１０で囲われて部位でかつシリンダボア１の軸心Ｏ１よりも排気側に位置したエリア８ｂに、点火プラグ１７が配置されている（点火プラグ１７は、一対の排気ポート１０の間のエリア８ｃに配置することも可能である。）。点火プラグ１７は、エリア８ｂ，８ｃ内のどこに配置されてもよいが、左右長手の中心線Ｏ２上に配置されることが好ましい（火炎を前後方向に均等に拡散して、燃焼を均一化できる。）。

【0027】

点火プラグ１７は、前後方向から見た状態で、その軸心Ｏ３とシリンダボア１の軸心Ｏ１との間隔が上に向けて広がるように、シリンダボアＯ１の軸心に対してある程度の角度θ１だけ傾けた姿勢に配置されている。また、点火プラグ１７の軸心Ｏ３は、下向き凹所８のテーパ面８ａとほぼ直交している。従って、電極１８，１９はシリンダボア１の内周面のうち吸気側に向いている。

【0028】

この場合、中心電極１８及び接地電極１９によって形成されるスパークギャップ２０が左右方向に開口するように設定している。換言すると、接地電極１９の柱が、点火プラグ１７の軸心Ｏ３を挟んで前又は後ろに位置するように設定している。従って、ガイド溝２１を通過した混合気は、スパークギャップ２０をスムースに通過する傾向を呈する。

【0029】

そして、図１（Ａ）及び図２（Ａ）に示すように、シリンダヘッド４における下向き凹所８のうち点火プラグ１７を挟んで吸気側に位置したエリアに、左右長手の中心線Ｏ２上に位置した左右長手のガイド溝２１を形成している。ガイド溝２１は、例えば図１（Ｂ）に示すように断面円弧状（Ｕ形やＶ形でもよい）であり、大半は一対の吸気ポート用バルブシート１３の間に位置しており、終端は点火プラグ１７に近接している。

【0030】

一対の吸気ポート用バルブシート１３の間隔は、その軸心間の箇所が最も狭くて軸心から左右に離れるにしたがって間隔は広がっている。そこで、ガイド溝２１は、両吸気ポート用バルブシート１３の軸心間の部位で最も狭くて左右両端に向けて広くなっている。従って、ガイド溝２１は底面視で鼓形（或いは砂時計状）の形態を成している。

【0031】

そして、下向き凹所８はテーパ面８ａを有するペントルーフ型であることから、ガイド溝２１は、吸気側の始端から排気側の終端に向けて高くなるように傾斜しているが、終端部は点火プラグ１７の電極１８，１９に向かうように傾斜している。すなわち、ガイド溝２１は、その大部分を占める上向き傾斜面２１ａと終端部のみに位置した下向き傾斜面２１ｂとを有して、両者の連接部は最も高いピーク２１ｃになっている。

【0032】

前後方向から見た状態（図１（Ａ）（Ｃ），図３の状態）で、ピーク２１ｃはシリンダボア１の軸心Ｏ１よりも吸気側に寄せられており、下向き傾斜面２１ｂが吸気側と排気側との両方に跨がった状態で形成されている。なお、下向き傾斜面２１ｂは、請求項に記載した下向き傾斜部に相当する。

【0033】

また、図１（Ａ）のとおり、ガイド溝２１の深さは、始端からおおよそ中間部（両吸気ポート用バルブシート１３の軸心間）まで深さが徐々に増大して、略中間部から下向き傾斜面２１ｂまでは概ね深さは一定している。下向き傾斜面２１ｂの箇所では、深さは急激に低下している。図１において、ガイド溝２１における下向き傾斜面２１ｂの延長線を符号２２で表示しているが、この延長線２２は、概ね点火プラグ１７の軸心Ｏ３と直交している（下向き傾斜面２１ｂと点火プラグ１７との交差角度θ２は、８０度以上程度になっている。）。

【0034】

(3).まとめ
以上の構成において、吸気行程において混合気は直進性によってシリンダボア１でタンブル流となり、図３に示すように、圧縮行程では、混合気はタンブル流を残しながら加圧されていく。そして、上死点では、タンブル流は多数の乱流に分離していくが、タンブル流の流れ自体は残っている。

【0035】

特に、本実施形態では、燃焼室が排気側に膨れていることから、ピストン５の加圧によって混合気が吸気側から排気側に流れる傾向を呈してタンブル流が余流として強く残っており、このタンブル流の余流がガイド溝２１を伝い流れるが、ガイド溝２１の終端部が下向の傾斜面２１ｂになっているため、タンブル流の余流は、下向き傾斜面２１ｂのガイド作用によって点火プラグ１７のスパークギャップ２０に向かう流れとなり、これにより、図１（Ａ）に網かけで示すように塊状の初期火炎２３が生成される。

【0036】

そして、下向き傾斜面２１ｂが点火プラグ１７の軸心Ｏ３と略直交していることから、混合気に対して火花がまんべんなく接触して混合気に対する着火性に優れている。また、点火プラグ１７のスパークギャップ２０は下向き凹所８におけるテーパ面８ａから離れているため、初期火炎２３がテーパ面８ａに接触することはなくて、火炎の熱が奪われることはない。つまり、初期火炎２３の塊を燃焼室の中央部に生成できる。

【0037】

そして、タンブル流の余流は微細な乱流で構成されていることから、初期火炎２３は乱流強度が高くなっているため、燃焼室の全体に火炎を急速に伝播させることができる。従って、失火をもたらすことなく燃焼できる空燃比の限界（希釈限界）を引き上げて、高リーンバーン化、高ＥＧＲ化を促進できるのであり、その結果、熱効率（燃費）の向上やＮＯｘの低減に大きく貢献できる。ＣＯ２削減にも貢献できる。

【0038】

実施形態のように、点火プラグ１７をシリンダボア１の軸心Ｏ１に対して傾斜させつつ、スパークギャップ２０を左右方向（混合気の流れ方向）に開口させると、混合気に対する火花の接触性を向上できる（混合気を火花に強く曝すことができる）ため、強くて大きい初期火炎２３を生成できる。

【0039】

そして、タンブル流の余流は吸気側から排気側に流れるため、点火プラグ１７を排気側にずらして配置すると、混合気の流れを利用して乱流強度が高い初期火炎２３を無理なく生成できるが、本実施形態では、ガイド溝２１の下向き傾斜面２１ｂがシリンダボア１の軸心Ｏ１よりも排気側に寄っているため、混合気の流れをスパークギャップ２０に対してスムースに案内できる。これにより、乱流強度が高い初期火炎２３の生成を確実化できる利点がある。

【0040】

また、実施形態では、初期火炎２３はシリンダボア１の軸心Ｏ１よりも排気側に少しずれているが、シリンダヘッド４に形成された下向き凹所８とピストン５に形成された上向き凹所１５で構成された燃焼室が排気側に膨れているため、初期火炎２３を燃焼室の中央部に配置できて、火炎を燃焼室の全体に均一にまんべんなく伝播できる利点がある。

【0041】

更に、実施形態のようにガイド溝２１の下向き傾斜面２１ｂを前後方向に広げると、下向き傾斜面２２ｂから離反した混合気は電極１８，１９を包むようにして流れるため、初期火炎２３を前後方向にも広がった状態に生成できる。これにより、燃焼室全体に火炎をまんべんなく伝播させる効果を向上できる。

【0042】

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。例えば、ガイド溝２１のピーク２１ｃをシリンダボア１の軸心Ｏ１上に形成することも可能である。或いは、ピーク２１ｃを軸心Ｏ１よりも排気側にずらすことも可能である。

【産業上の利用可能性】

【0043】

本願発明は、エンジンに具体化できる。従って、産業上利用できる。

【符号の説明】

【0044】

１ シリンダボア
２ シリンダブロック
４ シリンダヘッド
５ ピストン
８ ペントルーフ型の下向き凹所
９ 吸気ポート
１０ 排気ポート
１１ 吸気バルブ
１２ 排気バルブ
１３，１４ バルブシート
１５ ピストンに形成した上向き凹所
１７ 点火プラグ
１８，１９ 電極
２０ スパークギャップ
２１ ガイド溝
２１ａ 上向き傾斜面
２１ｂ 下向き傾斜面
２１ｃ ピーク
２３ 初期火炎

【図1】

【図2】

【図3】