特許 7610450 エンジンシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-24

(45)【発行日】2025-01-08

(54)【発明の名称】エンジンシステム

(51)【国際特許分類】

   F02B 23/08 20060101AFI20241225BHJP

   F02B 23/10 20060101ALI20241225BHJP

   F02F 1/24 20060101ALI20241225BHJP

   F02F 3/26 20060101ALI20241225BHJP

   F02P 5/15 20060101ALI20241225BHJP

【ＦＩ】

F02B23/08 D

F02B23/08 V

F02B23/08 E

F02B23/10 N

F02B23/10 V

F02F1/24 D

F02F3/26 A

F02P5/15 E

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021054915

(22)【出願日】2021-03-29

(65)【公開番号】P2022152223

(43)【公開日】2022-10-12

【審査請求日】2024-02-27

(73)【特許権者】

【識別番号】000005348

【氏名又は名称】株式会社ＳＵＢＡＲＵ

(74)【代理人】

【識別番号】110000936

【氏名又は名称】弁理士法人青海国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】津田 雄史

(72)【発明者】

【氏名】藤間 浩平

(72)【発明者】

【氏名】安達 龍

【審査官】鶴江 陽介

(56)【参考文献】

【文献】特開昭６３－１０５２２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５６－０８８９１７（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｂ ２３／０８－２３／１０

Ｆ０２Ｆ １／２４

Ｆ０２Ｆ ３／２６

Ｆ０２Ｐ ５／１５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

シリンダ内に収容されるピストンと、
前記シリンダ上に配置されるシリンダヘッドと、
点火制御部と、
を備え、
前記ピストンが上死点に位置するとき、前記ピストンの冠面のうち中央エリアと、前記シリンダヘッドの内面のうち点火プラグが配置される中央エリアとの間に、前記シリンダの内半径よりも半径が小さい燃焼室である小径燃焼室が形成され、
前記ピストンの冠面のうち中央エリアの周辺の周辺エリアと、前記シリンダヘッドの内面のうち中央エリアの周辺の周辺エリアとの間隔であるスキッシュが、前記ピストンが上死点に位置するとき消炎距離より短くなり、
前記小径燃焼室の半径は、前記ピストンの往復運動に応じて変動する前記スキッシュが前記消炎距離以下である時間に、前記点火プラグの点火による火炎伝播速度を乗算した値以下であり、
前記点火制御部は、
前記スキッシュが前記消炎距離以下である時間内に、前記小径燃焼室における混合ガスの燃焼を終了させるように、前記点火プラグの点火タイミングを制御し、
かつ、前記点火プラグの点火により発生した火炎の膨張により圧縮される未燃の混合ガスが自着火の条件を満たす前に、火炎が前記小径燃焼室の内面に到達するように、前記点火プラグの点火タイミングを制御する、
エンジンシステム。

【請求項2】

前記ピストンの冠面のうち前記スキッシュを形成する周辺エリアは、
吸気バルブに対向する第１平面と、
排気バルブに対向する第２平面と、
を有し、
前記第１平面および前記第２平面によりペントルーフ型の冠面が形成される、請求項１に記載のエンジンシステム。

【請求項3】

前記ピストンの冠面のうち前記スキッシュを形成する周辺エリアは、
前記第１平面および前記第２平面で形成される前記ペントルーフ型の冠面の稜線の長手方向の一側に配置され、前記第１平面および前記第２平面に交差する第３平面と、
前記稜線の長手方向の他側に配置され、前記第１平面および前記第２平面に交差する第４平面と、
をさらに有し、
前記第１平面、前記第２平面、前記第３平面および前記第４平面により、４方向に傾斜する角錐型の冠面が形成される、請求項２に記載のエンジンシステム。

【請求項4】

前記第３平面の面積は、前記第１平面および前記第２平面の面積よりも小さく、
前記第４平面の面積は、前記第１平面および前記第２平面の面積よりも小さい、
請求項３に記載のエンジンシステム。

【請求項5】

前記シリンダヘッドの内面のうち中央エリアには、窪み部が形成され、
前記小径燃焼室は、前記窪み部を含む、
請求項１に記載のエンジンシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エンジンを有するエンジンシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、特許文献１には、エンジンの冷却損失の低減を図るために、ピストンの冠面に放射状に延びる複数の微細溝を形成したエンジンの燃焼室構造が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１８－０８７５０６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、エンジンでは、ノックが生じることがある。エンジンのノックを抑制する一例として、シリンダの内径を小さくして、代わりにピストンのストロークを長くすることが考えられる。しかし、エンジンの実装スペースの制約などによって、ピストンのストロークを長くすることが困難なことがある。このため、シリンダの内径を小さくすることなく、エンジンのノックを抑制することが望まれている。

【0005】

そこで、本発明は、エンジンのノックを抑制することが可能なエンジンシステムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、本発明のエンジンシステムは、シリンダ内に収容されるピストンと、シリンダ上に配置されるシリンダヘッドと、点火制御部と、を備え、ピストンが上死点に位置するとき、ピストンの冠面のうち中央エリアと、シリンダヘッドの内面のうち点火プラグが配置される中央エリアとの間に、シリンダの内半径よりも半径が小さい燃焼室である小径燃焼室が形成され、ピストンの冠面のうち中央エリアの周辺の周辺エリアと、シリンダヘッドの内面のうち中央エリアの周辺の周辺エリアとの間隔であるスキッシュが、ピストンが上死点に位置するとき消炎距離より短くなり、小径燃焼室の半径は、ピストンの往復運動に応じて変動するスキッシュが消炎距離以下である時間に、点火プラグの点火による火炎伝播速度を乗算した値以下であり、点火制御部は、スキッシュが消炎距離以下である時間内に、小径燃焼室における混合ガスの燃焼を終了させるように、点火プラグの点火タイミングを制御し、かつ、点火プラグの点火により発生した火炎の膨張により圧縮される未燃の混合ガスが自着火の条件を満たす前に、火炎が小径燃焼室の内面に到達するように、点火プラグの点火タイミングを制御する。

【0007】

また、ピストンの冠面のうちスキッシュを形成する周辺エリアは、吸気バルブに対向する第１平面と、排気バルブに対向する第２平面と、を有し、第１平面および第２平面によりペントルーフ型の冠面が形成されるとしてもよい。

【0008】

また、ピストンの冠面のうちスキッシュを形成する周辺エリアは、第１平面および第２平面で形成されるペントルーフ型の冠面の稜線の長手方向の一側に配置され、第１平面および第２平面に交差する第３平面と、稜線の長手方向の他側に配置され、第１平面および第２平面に交差する第４平面と、をさらに有し、第１平面、第２平面、第３平面および第４平面により、４方向に傾斜する角錐型の冠面が形成されるとしてもよい。

【0009】

また、第３平面の面積は、第１平面および第２平面の面積よりも小さく、第４平面の面積は、第１平面および第２平面の面積よりも小さいとしてもよい。

【0010】

また、シリンダヘッドの内面のうち中央エリアには、窪み部が形成され、小径燃焼室は、窪み部を含むとしてもよい。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、エンジンのノックを抑制することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、第１実施形態にかかるエンジンシステムの構成を示す概略図である。

【図2】図２は、エンジンの透視斜視図である。

【図3】図３は、エンジンをシリンダヘッド側から見た透視平面図である。

【図4】図４は、シリンダヘッドの内面の位置とピストンの冠面の位置との相対関係を示す図である。

【図5】図５は、点火タイミングを説明する図である。

【図6】図６は、第２実施形態にかかるエンジンシステムのエンジンのピストンを示す斜視図である。

【図7】図７は、第２実施形態のエンジンをシリンダヘッド側から見た透視平面図である。

【図8】図８は、第２実施形態にかかるエンジンの作用の一例を説明する概略透視平面図である。

【図9】図９は、第２実施形態にかかるエンジンの作用の他の例を説明する概略透視平面図である。

【図10】図１０は、第３実施形態にかかるエンジンシステムの構成を示す概略図である。

【図11】図１１は、第４実施形態にかかるエンジンシステムの構成を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下に添付図面を参照しながら、本発明の実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

【0014】

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態にかかるエンジンシステム１の構成を示す概略図である。エンジンシステム１は、例えば、ハイブリッド車またはエンジン車に適用される。エンジンシステム１は、エンジン１０およびエンジン制御部１２を含む。エンジン１０は、シリンダブロック２０、ピストン２２、シリンダヘッド２４、吸気バルブ２６および排気バルブ２８を含む。

【0015】

シリンダブロック２０には、複数のシリンダ３０が形成されている。ピストン２２は、シリンダ３０内に摺動可能に収容される。ピストン２２は、コネクティングロッド３２を通じて不図示のクランクシャフトに連結される。クランクシャフトは、ピストン２２の往復運動に従って回転する。

【0016】

シリンダヘッド２４は、シリンダブロック２０におけるクランクシャフトとは反対側に設けられる。シリンダヘッド２４は、シリンダ３０を塞ぐようにシリンダ３０上に配置され、シリンダブロック２０に連結される。シリンダヘッド２４には、吸気ポート３４および排気ポート３６が形成される。吸気ポート３４および排気ポート３６は、シリンダ３０の内面、シリンダヘッド２４の内面３８およびピストン２２の冠面４０で囲まれる空間と連通する。以後、シリンダ３０の内面、シリンダヘッド２４の内面３８およびピストン２２の冠面４０で囲まれる空間を、便宜的にガス収容空間と呼ぶ場合がある。

【0017】

吸気バルブ２６は、吸気ポート３４に設けられ、吸気ポート３４を開閉する。吸気バルブ２６によって吸気ポート３４が開かれると、ガス収容空間に吸気ポート３４を通じて空気が送入される。排気バルブ２８は、排気ポート３６に設けられ、排気ポート３６を開閉する。排気バルブ２８によって排気ポート３６が開かれると、ガス収容空間内のガスが排気ポート３６を通じて送出される。

【0018】

シリンダヘッド２４には、インジェクタ４２および点火プラグ４４が設けられる。インジェクタ４２および点火プラグ４４は、シリンダ３０の中心軸付近に位置する。インジェクタ４２は、噴射口をガス収容空間に向けて配置される。インジェクタ４２は、ガソリンなどの燃料を所定のタイミングでガス収容空間に噴射する。点火プラグ４４は、電極をガス収容空間に向けて配置される。点火プラグ４４は、空気と燃料との混合ガスを所定のタイミングで点火して燃焼させる。かかる燃焼により、ピストン２２がシリンダ３０内で往復運動する。

【0019】

エンジン制御部１２は、中央処理装置、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む半導体集積回路から構成される。エンジン制御部１２は、プログラムを実行することで点火制御部４６として機能する。点火制御部４６は、点火プラグ４４の点火タイミングを制御する。点火制御部４６については、後に詳述する。

【0020】

図１は、ピストン２２が上死点に位置するときを示している。ピストン２２の冠面４０のうち中央エリアには、半球状の窪み部５０が形成されている。また、シリンダヘッド２４の内面３８のうち中央エリアには、点火プラグ４４が配置される。エンジン１０では、ピストン２２が上死点に位置するとき、ピストン２２の冠面４０のうち中央エリアと、シリンダヘッド２４の内面３８のうち点火プラグ４４が配置される中央エリアとの間に、小径燃焼室５２が形成される。小径燃焼室５２は、シリンダ３０の内半径より半径が小さい燃焼室である。つまり、窪み部５０の内面が小径燃焼室５２の内面となる。

【0021】

また、ピストン２２の冠面４０のうち中央エリアの周辺の周辺エリアには、第１平面５４および第２平面５６が形成される。つまり、第１平面５４および第２平面５６は、冠面４０における窪み部５０の周囲の領域を示す。第１平面５４は、吸気バルブ２６に対向する。第２平面５６は、排気バルブ２８に対向する。

【0022】

図２は、エンジンの透視斜視図である。図２に示すように、第１平面５４および第２平面５６は、所謂ペントルーフ型の冠面４０を形成する。また、第１平面５４および第２平面５６は、一様に平らとなっており、バルブリセスが形成されていない。

【0023】

図１に戻って、エンジン１０では、ピストン２２が上死点に位置するとき、吸気バルブ２６および排気バルブ２８が共に閉じている。吸気バルブ２６が閉じているとき、吸気バルブ２６における第１平面５４に対向する面は、シリンダヘッド２４の内面３８と大凡面一に位置する。また、排気バルブ２８が閉じているとき、排気バルブ２８における第２平面５６に対向する面は、シリンダヘッド２４の内面３８と大凡面一に位置する。

【0024】

また、図１で示すように、ピストン２２の冠面４０のうち中央エリアの周辺の周辺エリアと、シリンダヘッド２４の内面３８のうち中央エリアの周辺の周辺エリアとの間隔を、スキッシュ６０と呼ぶ場合がある。スキッシュ６０は、ピストン２２が上死点付近に位置するときの、ピストン２２とシリンダヘッド２４との間の比較的狭い間隔を示す。

【0025】

具体的には、冠面４０における第１平面５４と、第１平面５４に対抗するシリンダヘッド２４の内面３８および吸気バルブ２６の第１平面５４側の面との間にスキッシュ６０が形成される。また、冠面４０における第２平面５６と、第２平面５６に対抗するシリンダヘッド２４の内面３８および排気バルブ２８の第２平面５６側の面との間にスキッシュ６０が形成される。換言すると、ピストン２２の冠面４０のうちスキッシュ６０を形成する周辺エリアは、第１平面５４および第２平面５６を有する。

【0026】

図３は、エンジン１０をシリンダヘッド２４側から見た透視平面図である。図３で示すように、エンジン１０では、１個のシリンダ３０に対して、吸気ポート３４の開口面および排気ポート３６の開口面が、それぞれ２個形成されている。図示を省略するが、吸気バルブ２６は、吸気ポート３４の開口面ごとに設けられ、排気バルブ２８は、排気ポート３６の開口面ごとに設けられる。第１平面５４は、２個の吸気バルブ２６の双方に対向しており、第２平面５６は、２個の排気バルブ２８の双方に対向している。

【0027】

ピストン２２が上死点に向かうとき、ガス収容空間内の混合ガスが圧縮される。このとき、第１平面５４とシリンダヘッド２４の内面３８との間隔、すなわち、スキッシュ６０によって、第１平面５４上に存在する混合ガスには、第１平面５４を下死点側から上死点側に登るような流れが発生する。つまり、第１平面５４上の混合ガスは、矢印Ａ１０で示すように、第１平面５４から小径燃焼室５２に向かう方向に流れる。

【0028】

また、第２平面５６とシリンダヘッド２４の内面３８との間隔、すなわち、スキッシュ６０によって、第２平面５６上に存在する混合ガスには、第２平面５６を下死点側から上死点側に登るような流れが発生する。つまり、第２平面５６上の混合ガスは、矢印Ａ１２で示すように、第２平面５６から小径燃焼室５２に向かう方向に流れる。矢印Ａ１０および矢印Ａ１２で示すような混合ガスの流れは、スキッシュ６０によって発生するため、スキッシュ流と呼ぶ場合がある。

【0029】

エンジン１０では、このスキッシュ流によって、窪み部５０で形成される小径燃焼室５２に混合ガスが集約される。また、エンジン１０では、バルブリセスが設けられていないため、スキッシュ流がバルブリセスで阻害されることがなく、混合ガスを適切に小径燃焼室５２に集約することができる。

【0030】

図４は、シリンダヘッド２４の内面３８の位置とピストン２２の冠面４０の位置との相対関係を示す図である。図４において、横軸は、ピストン２２が移動するときの時間を示し、縦軸は、ピストン２２の冠面４０の位置を示す。この冠面４０の位置は、より詳細には、シリンダヘッド２４の内面３８を基準とした第１平面５４および第２平面５６の相対位置を示す。

【0031】

ピストン２２が上死点側に移動するとき、第１平面５４および第２平面５６がシリンダヘッド２４の内面３８に近づいていき、スキッシュ６０が形成される。スキッシュ６０は、ピストン２２が上死点側に進むに従って短くなる。つまり、スキッシュ６０は、ピストン２２の往復運動に応じて変動する。

【0032】

そして、ピストン２２が上死点に位置するとき、スキッシュ６０は、消炎距離より短くなる。消炎距離は、火炎が伝播できずに消える間隔を示す。消炎距離は、例えば、２ｍｍとされるが、実験またはシミュレーションなどによって適切に設定されてもよい。消炎距離が２ｍｍの場合、ピストン２２が上死点に位置するときのスキッシュ６０は、例えば、０．５ｍｍ～１ｍｍの間で設定される。なお、具体的な数値は、この例に限らず、適宜設定されてもよい。

【0033】

図４で示すように、タイミングＴ１は、ピストン２２が上死点に向かって移動する際、消炎距離より長い値のスキッシュ６０が消炎距離以下に変化する境界のタイミングを示す。また、タイミングＴ２は、ピストン２２が下死点に向かって移動する際、消炎距離以下のスキッシュ６０が消炎距離より長い値に変化する境界のタイミングを示す。したがって、タイミングＴ１からタイミングＴ２までの時間Ｔｑｄは、ピストン２２の往復運動に応じて変動するスキッシュ６０が消炎距離以下である時間を示す。換言すると、時間Ｔｑｄは、スキッシュ６０が消炎距離以下に維持されている時間を示す。

【0034】

エンジン１０では、小径燃焼室５２の半径が、ピストン２２の往復運動に応じて変動するスキッシュ６０が消炎距離以下である時間Ｔｑｄに、点火プラグ４４の点火による火炎伝播速度を乗算した値以下となっている。すなわち、小径燃焼室５２の半径をＲ、火炎伝播速度をＶｆとすると、以下の式（１）を満たす。火炎伝播速度は、点火によって発生した火炎が小径燃焼室５２内を伝播する速度を示す。
Ｒ≦Ｔｑｄ×Ｖｆ ・・・（１）

【0035】

小径燃焼室５２の半径が上記式（１）を満たす値であるため、エンジン１０では、スキッシュ６０が消炎距離より長くなる前に、点火による火炎を小径燃焼室５２の内面に到達させることができる。そして、火炎が小径燃焼室５２の内面に到達したときに、スキッシュ６０が消炎距離以下となっているため、スキッシュ６０には火炎が伝播されない。これにより、エンジン１０では、ガス収容空間全体で燃焼が行われるのではなく、窪み部５０で形成される小さな小径燃焼室５２で燃焼が行われる。

【0036】

したがって、第１実施形態のエンジンシステム１では、シリンダ３０の内径を小さくすることなく、エンジン１０のノックを抑制することが可能となる。

【0037】

また、第１実施形態のエンジン１０は、ガス収容空間全体を燃焼室とする従来のエンジンと比べ、小径燃焼室５２の容積が小さいため、エンジン１０のノックを抑制しつつ、高圧縮比とすることができる。その結果、第１実施形態のエンジンシステム１では、燃焼効率をより向上させることができる。

【0038】

また、第１実施形態のエンジンシステム１では、小径燃焼室５２の半径に加え、点火タイミングを制御することで、エンジン１０のノックをより抑制することができる。

【0039】

図５は、点火タイミングを説明する図である。図５では、スキッシュ６０の時間推移と点火タイミングの例を共通の時間軸上に併記している。

【0040】

点火例Ａでは、黒丸ＰＡ１のタイミングで点火が開始され、発生した火炎が伝播していき、スキッシュ６０が消炎距離以下であるタイミングＴ２以前の黒四角ＰＡ２のタイミングで火炎の先頭が小径燃焼室５２の内面に到達している。しかし、点火例Ａでは、火炎が小径燃焼室５２の内面に到達した後も混合ガスの燃焼が継続され、スキッシュ６０が消炎距離より長くなってから、白丸ＰＡ３のタイミングで混合ガスの燃焼が終了している。

【0041】

点火例Ａの場合、スキッシュ６０が消炎距離より長くなることで、燃焼中の火炎がスキッシュ６０内に存在する混合ガスに伝播するおそれがある。そうすると、タイミングＴ２より後において、スキッシュ６０に伝播された火炎の膨張によってスキッシュ６０内の未燃の混合ガスが圧縮されて、スキッシュ６０内の未燃の混合ガスが自着火するおそれがある。その結果、エンジン１０のノックが生じるおそれがある。

【0042】

これに対し、点火例Ｂでは、黒丸ＰＢ１のタイミングで点火が開始され、黒四角ＰＢ２のタイミングで火炎の先頭が燃焼室の内面に到達し、スキッシュ６０が消炎距離以下であるタイミングＴ２以前の白丸ＰＢ３のタイミングで混合ガスの燃焼が終了している。

【0043】

点火例Ｂの場合、スキッシュ６０が消炎距離より長くなる前に小径燃焼室５２の燃焼が終了されるため、タイミングＴ２より後において、スキッシュ６０内の混合ガスに火炎が伝播することがない。これにより、スキッシュ６０内の未燃の混合ガスの自着火を抑制することができる。

【0044】

この点を踏まえ、点火制御部４６は、スキッシュ６０が消炎距離以下である時間内に、小径燃焼室５２における混合ガスの燃焼を終了させるように、点火プラグ４４の点火タイミングを制御する。換言すると、点火制御部４６は、小径燃焼室５２における混合ガスの燃焼の終了タイミングが、スキッシュ６０が消炎距離以下から消炎距離より長くなる境界のタイミングＴ２となるような点火タイミング以前に、点火プラグ４４の点火を開始させる。この点火開始条件は、点火タイミングの適正範囲Ｔｓにおける遅い側の閾値に対応する。

【0045】

また、点火例Ｃでは、ピストン２２が上死点に到達するタイミングを基準として比較的早いタイミングである黒丸ＰＣ１のタイミングで点火が開始されている。そして、点火例Ｃでは、発生した火炎が伝播していき、黒四角ＰＣ２のタイミングで火炎の先頭が小径燃焼室５２の内面に到達し、白丸ＰＣ３のタイミングで混合ガスの燃焼が終了している。しかし、点火例Ｃでは、発生した火炎の膨張によって小径燃焼室５２内の未燃の混合ガスが圧縮されて、発生した火炎の先頭が小径燃焼室５２の内面に到達するよりも前に、小径燃焼室５２内で圧縮された未燃の混合ガスが自着火の条件を満たして自着火が生じたとする。自着火の条件は、例えば、未燃の混合ガスの圧力が所定圧力以上であり、未燃の混合ガスの温度が所定温度以上である。自着火が生じてしまうと、その結果、エンジン１０のノックが生じる可能性が高い。

【0046】

これに対し、点火例Ｄでは、点火例Ｃの黒丸ＰＣ１で示す点火タイミングと比べ、遅いタイミングである黒丸ＰＤ１のタイミングで点火が開始されている。そして、点火例Ｄでは、発生した火炎が伝播し、小径燃焼室５２内の未燃の混合ガスが自着火の条件を満たす前に、黒四角ＰＤ２のタイミングで火炎の先頭が小径燃焼室５２の内面に到達し、白丸ＰＤ３のタイミングで混合ガスの燃焼が終了している。

【0047】

この点を踏まえ、点火制御部４６は、点火により発生した火炎の膨張により圧縮される未燃の混合ガスが自着火の条件を満たすよりも前に、火炎が小径燃焼室５２の内面に到達するように、点火プラグ４４の点火タイミングを制御する。換言すると、点火制御部４６は、火炎の先頭が小径燃焼室５２の内面に到達した時点で未燃の混合ガスが自着火の条件を満たすような点火タイミングより遅くに、点火プラグ４４の点火を開始させる。この点火開始条件は、点火タイミングの適正範囲Ｔｓにおける早い側の閾値に対応する。

【0048】

点火制御部４６は、上述の遅い側の点火開始条件、および、上述の早い側の点火開始条件のいずれか一方または双方を満たすように制御する。これにより、エンジンシステム１では、エンジン１０のノックをより抑制することができる。

【0049】

また、例えば、吸気温度などのような運転条件によっては、火炎伝播速度が変動することがある。そこで、エンジンシステム１の導入時には、標準的あるいは一般的な運転条件を示す基準運転条件が設定され、その基準運転条件のときの火炎伝播速度を用いて小径燃焼室５２の半径が設計される。

【0050】

そして、エンジンシステム１の運用時には、小径燃焼室５２の半径が固定値であることから、点火制御部４６は、実際の運転条件の変動に従って、点火タイミングを上述の点火タイミングの適正範囲Ｔｓ内で調整する。これにより、より確実にエンジン１０のノックを抑制することができる。

【0051】

例えば、基準運転条件を元に設計された小径燃焼室５２の半径に対応する点火タイミングを示す基準点火タイミングが予め設定される。点火制御部４６は、現在の運転条件を取得し、現在の運転条件に基づいて基準点火タイミングからの点火タイミングのシフト量を導出する。点火制御部４６は、基準点火タイミングと点火タイミングのシフト量とから、現在の運転条件に対応する点火タイミングを決定する。そして、点火制御部４６は、決定した点火タイミングとなると、点火プラグ４４の点火を開始させる。

【0052】

（第２実施形態）
図６は、第２実施形態にかかるエンジンシステム１００のエンジン１１０のピストン１２２を示す斜視図である。第２実施形態のピストン１２２は、第１実施形態のピストン２２と同様に、冠面４０のうち中央エリアに窪み部５０が形成されている。そして、エンジン１１０では、ピストン１２２が上死点に位置するとき、ピストン１２２の冠面４０のうち中央エリアと、シリンダヘッド２４の内面３８のうち点火プラグ４４が配置される中央エリアとの間に、小径燃焼室５２が形成される。

【0053】

ピストン１２２の冠面４０のうち中央エリアの周辺の周辺エリアには、第１平面１５４、第２平面１５６、第３平面１７０および第４平面１７２が形成される。第１平面１５４は、第１実施形態の第１平面５４に相当し、吸気バルブ２６に対向する。第２平面１５６は、第１実施形態の第２平面５６に相当し、排気バルブ２８に対向する。第１平面１５４を延長した平面と、第２平面１５６を延長した平面とは、所謂ペントルーフを形成する。また、第１平面１５４および第２平面１５６は、一様に平らとなっており、バルブリセスが形成されていない。

【0054】

図７は、第２実施形態のエンジン１１０をシリンダヘッド２４側から見た透視平面図である。図７の一点鎖線は、第１平面１５４を延長した平面と第２平面１５６を延長した平面とで形成されるペントルーフの稜線１７４を示している。

【0055】

図７で示すように、第３平面１７０は、第１平面１５４および第２平面１５６で形成されるペントルーフ型の冠面４０の稜線１７４の長手方向の一側に配置される。一方、第４平面１７２は、その稜線１７４の長手方向の他側に配置される。第３平面１７０および第４平面１７２は、吸気ポート３４の開口面および排気ポート３６の開口面の冠面４０への投影面に重ならないように形成される。

【0056】

図６および図７で示すように、第３平面１７０は、稜線１７４の長手方向の一側の端部から冠面４０の周縁に向かってクランクシャフト側に進むように、稜線１７４に対して傾斜している。第３平面１７０は、第１平面１５４および第２平面１５６に各々交差するように形成される。また、第４平面１７２は、稜線１７４の長手方向の他側の端部から冠面４０の周縁に向かってクランクシャフト側に進むように、稜線１７４に対して傾斜している。第４平面１７２は、第１平面１５４および第２平面１５６に各々交差するように形成される。

【0057】

このように、ピストン１２２では、第１平面１５４、第２平面１５６、第３平面１７０および第４平面１７２により、４方向に傾斜する角錐型の冠面４０が形成される。換言すると、第１平面１５４、第２平面１５６、第３平面１７０および第４平面１７２は、頂部が欠けた角錐の各側面に大凡対応する。

【0058】

図示を省略するが、シリンダヘッド２４の内面３８は、第１平面１５４、第２平面１５６、第３平面１７０および第４平面１７２にそれぞれ対向するように形成されている。第１平面１５４、第２平面１５６、第３平面１７０および第４平面１７２は、シリンダヘッド２４の内面３８との間で、スキッシュ６０を形成する。ピストン１２２が上死点に位置するとき、スキッシュ６０は、消炎距離より短くなる。

【0059】

図７で示すように、第１平面１５４上の混合ガスには、スキッシュ６０によって、矢印Ａ２０で示すような第１平面１５４から小径燃焼室５２に向かう方向のスキッシュ流が発生する。第２平面１５６上の混合ガスには、スキッシュ６０によって、矢印Ａ２２で示すような第２平面１５６から小径燃焼室５２に向かう方向のスキッシュ流が発生する。第３平面１７０上の混合ガスには、スキッシュ６０によって、矢印Ａ２４で示すような第３平面１７０から小径燃焼室５２に向かう方向のスキッシュ流が発生する。第４平面１７２上の混合ガスには、スキッシュ６０によって、矢印Ａ２６で示すような第４平面１７２から小径燃焼室５２に向かう方向のスキッシュ流が発生する。このように、第２実施形態のエンジン１１０では、小径燃焼室５２の四方からスキッシュ流が流れ込むため、より適切に混合ガスを小径燃焼室５２に集約することができる。

【0060】

また、エンジン１１０の小径燃焼室５２の半径は、第１実施形態と同様に、ピストン１２２の往復運動に応じて変動するスキッシュ６０が消炎距離以下である時間Ｔｑｄに、点火プラグ４４の点火による火炎伝播速度を乗算した値以下となっている。したがって、第２実施形態のエンジンシステム１００では、第１実施形態と同様に、シリンダ３０の内径を小さくすることなく、エンジン１１０のノックを抑制することが可能となる。

【0061】

また、第２実施形態のエンジンシステム１００では、第１実施形態と同様にして点火制御部４６が点火タイミングを制御ことで、第１実施形態と同様にエンジン１１０のノックをより抑制することができる。

【0062】

図８は、第２実施形態にかかるエンジン１１０の作用の一例を説明する概略透視平面図である。図８において、矢印Ａ２４および矢印Ａ２６は、第３平面１７０上のスキッシュ流および第４平面１７２上のスキッシュ流を示す。また、矢印Ａ３０は、吸気ポート３４を通じてガス収容空間に導入される吸気の流れの一例を示す。

【0063】

吸気は、ガス収容空間で縦渦のタンブル流となるように導入される。しかし、場合によっては、矢印Ａ３０で示すように、縦渦が横に広がって崩れるおそれがある。

【0064】

これに対し、エンジン１１０では、第３平面１７０上のスキッシュ流および第４平面１７２上のスキッシュ流が、吸気の縦渦をシリンダ３０の中心軸に向かう方向に押すように流れる。これにより、縦渦の横方向の崩れが抑制される。

【0065】

したがって、第２実施形態のエンジンシステム１００では、吸気のタンブル流を適正な縦渦に維持させることができ、その結果、燃焼効率を向上させることが可能となる。

【0066】

図９は、第２実施形態にかかるエンジン１１０の作用の他の例を説明する概略透視平面図である。図９において、矢印Ａ２４および矢印Ａ２６は、第３平面１７０上のスキッシュ流および第４平面１７２上のスキッシュ流を示す。また、矢印Ａ４０は、吸気ポート３４を通じてガス収容空間に導入される吸気の流れの他の例を示す。

【0067】

吸気は、ガス収容空間で縦渦を形成するために、シリンダ３０の中心軸に近いほど流速が早くなるように導入される。しかし、場合によっては、シリンダ３０の内面に近い吸気の流速が早くなってしまうことがある。

【0068】

これに対し、エンジン１１０では、第３平面１７０上のスキッシュ流および第４平面１７２上のスキッシュ流が、シリンダ３０の内面に近い吸気の流れを妨げ、シリンダ３０の内面に近い吸気の流速が抑制される。これにより、吸気の流速は、シリンダ３０の中心軸に近いほど相対的に早くなる。なお、図９では、矢印Ａ４０の太さが太いほど流速が早いことを示す。

【0069】

したがって、第２実施形態のエンジンシステム１００では、吸気の流速の分布を適切にすることができ、その結果、縦渦を適切に形成させることが可能となる。

【0070】

（第３実施形態）
図１０は、第３実施形態にかかるエンジンシステム２００の構成を示す概略図である。エンジンシステム２００のエンジン２１０において、ピストン２２の冠面４０のうち中央エリアには、第１実施形態のような窪み部５０が形成されておらず、平面２５０ａとなっている。また、シリンダヘッド２４の内面３８のうち中央エリアには、窪み部２５０ｂが形成されている。エンジン２１０では、ピストン２２が上死点に位置するとき、ピストン２２の冠面４０の平面２５０ａと、シリンダヘッド２４の内面３８の窪み部２５０ｂとにより、小径燃焼室５２が形成される。なお、ピストン２２の冠面４０のうち中央エリアの周辺の周辺エリアは、第１実施形態のようなペントルーフ型であってもよいし、第２実施形態のような角錐型であってもよい。

【0071】

そして、エンジン２１０の小径燃焼室５２の半径は、第１実施形態と同様に、ピストン２２の往復運動に応じて変動するスキッシュ６０が消炎距離以下である時間Ｔｑｄに、点火プラグ４４の点火による火炎伝播速度を乗算した値以下となっている。したがって、第３実施形態のエンジンシステム２００では、第１実施形態と同様に、シリンダ３０の内径を小さくすることなく、エンジン２１０のノックを抑制することが可能となる。

【0072】

（第４実施形態）
図１１は、第４実施形態にかかるエンジンシステム３００の構成を示す概略図である。エンジンシステム３００のエンジン３１０において、ピストン２２の冠面４０のうち中央エリアには、窪み部３５０ａが形成されている。また、シリンダヘッド２４の内面３８のうち中央エリアには、窪み部３５０ｂが形成されている。エンジン３１０では、ピストン２２が上死点に位置するとき、ピストン２２の冠面４０の窪み部３５０ａと、シリンダヘッド２４の内面３８の窪み部３５０ｂとにより、小径燃焼室５２が形成される。なお、ピストン２２の冠面４０のうち中央エリアの周辺の周辺エリアは、第１実施形態のようなペントルーフ型であってもよいし、第２実施形態のような角錐型であってもよい。

【0073】

そして、エンジン３１０の小径燃焼室５２の半径は、第１実施形態と同様に、ピストン２２の往復運動に応じて変動するスキッシュ６０が消炎距離以下である時間Ｔｑｄに、点火プラグ４４の点火による火炎伝播速度を乗算した値以下となっている。したがって、第３実施形態のエンジンシステム３００では、第１実施形態と同様に、シリンダ３０の内径を小さくすることなく、エンジン３１０のノックを抑制することが可能となる。

【0074】

以上、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

【0075】

例えば、ピストン２２、１２２の冠面４０のうち中央エリアの周辺の周辺エリアの形状は、第１実施形態のペントルーフ型、または、第２実施形態の角錐型に限らない。例えば、ピストン２２、１２２の冠面４０のうち中央エリアの周辺の周辺エリアは、半球面のようなドーム型の冠面４０が形成されてもよい。

【符号の説明】

【0076】

１、１００、２００、３００ エンジンシステム
１０、１１０、２１０、３１０ エンジン
２２、１２２ ピストン
２４ シリンダヘッド
２６ 吸気バルブ
２８ 排気バルブ
３８ 内面
４０ 冠面
４４ 点火プラグ
４６ 点火制御部
５２ 小径燃焼室
５４、１５４ 第１平面
５６、１５６ 第２平面
６０ スキッシュ
１７０ 第３平面
１７２ 第４平面
１７４ 稜線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】