JP2007100612A - Auxiliary chamber type internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、副室式内燃機関、特に、副室壁の過熱による異常燃焼を防止する技術に関する。 The present invention relates to a sub-chamber internal combustion engine, and more particularly to a technique for preventing abnormal combustion due to overheating of a sub-chamber wall.
希薄燃焼の不安定化を解決する副室式内燃機関として、特許文献1,2に開示されたものは、主燃焼室と連通する副燃焼室を有し、副燃焼室にて混合気の一部を燃焼させ、副燃焼室と主燃焼室との間の連通路から、強力なトーチを噴出せしめ、主燃焼室において安定した希薄燃焼を実現している。これにより、熱効率の向上、および排気の低減を可能とするとともに、希薄混合気下における着火性を向上させている。
上記副室式内燃機関では、副燃焼室がシリンダヘッド側にあるような場合など、内燃機関の構造上、副燃焼室での燃焼に伴い連通路よりトーチを噴出せしめることで、副燃焼室内部および連通路は高温となる。
しかし、特許文献1には、副燃焼室内部および連通路の冷却に関して特に記載がなく、何らかの冷却を行わない場合は、機関負荷をより高負荷へ移行させようとすると、混合気の一部が高温となって早期着火(圧縮行程で熱面着火)する恐れがあり、また、早期着火(熱面着火)すれば燃焼騒音が発生するという問題点があった。
In the sub-chamber internal combustion engine, when the sub-combustion chamber is on the cylinder head side, the torch is ejected from the communication passage along with the combustion in the sub-combustion chamber due to the structure of the internal combustion engine. And the communication path becomes hot.
However, in Patent Document 1, there is no particular description regarding the cooling of the inside of the auxiliary combustion chamber and the communication passage. If some cooling is not performed, a part of the air-fuel mixture will be generated if the engine load is shifted to a higher load. There is a risk of early ignition (hot surface ignition in the compression stroke) due to high temperature, and there is a problem that combustion noise is generated if early ignition (hot surface ignition) is performed.
また、特許文献2では、主燃焼室と副燃焼室との間の仕切り(副室壁)の熱伝導性を高くして副室(副室壁)の温度を低下させ、混合気の早期着火の防止を図っているが、副室全体が常時冷却されるので冷却損失が増大し、かえって高負荷化が制限される懸念がある。
さらに、特許文献2では、燃料噴霧を直接副室先端部に当て、その気化熱により副室壁の温度を低下させているが、これにより冷間始動時における未燃HCの発生量が増加する懸念がある。
Further, in Patent Document 2, the thermal conductivity of the partition (subchamber wall) between the main combustion chamber and the subcombustion chamber is increased to lower the temperature of the subchamber (subchamber wall), and early ignition of the air-fuel mixture is performed. However, since the entire sub chamber is constantly cooled, there is a concern that the cooling loss increases and the high load is limited.
Furthermore, in Patent Document 2, the fuel spray is directly applied to the tip of the sub chamber, and the temperature of the sub chamber wall is lowered by the heat of vaporization. This increases the amount of unburned HC generated during cold start. There are concerns.
本発明は、以上のような従来の問題点に鑑みてなされたものであり、冷却損失の過度な増大および未燃HCの発生量増加を回避しつつ、従来は冷却が困難であった副室先端部の温度上昇を抑制することで、副室温度が上昇しやすい高負荷時においても混合気の早期着火をより確実に回避し、運転領域の限界をより高負荷の領域まで拡大できるコンパクトな構成の副室式内燃機関を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the conventional problems as described above, and avoids an excessive increase in cooling loss and an increase in the amount of unburned HC, while the sub-chamber has conventionally been difficult to cool. By suppressing the temperature rise at the tip, it is possible to more reliably avoid early ignition of the air-fuel mixture even at high loads, where the subchamber temperature tends to rise, and to expand the operating range limit to a higher load range. It is an object of the present invention to provide a sub-chamber internal combustion engine having a configuration.
このため本発明は、主たる燃焼室である主室と、連通路を介して該主室と連通し前記主室よりも小さい容積の副室と、該副室内の混合気に点火する点火プラグと、を備えた副室式内燃機関において、前記副室壁内に空洞状の容積部を形成し、該容積部内に伝熱媒体を封入する構成とした。 For this reason, the present invention provides a main chamber that is a main combustion chamber, a sub chamber that communicates with the main chamber via a communication passage, and has a smaller volume than the main chamber, and an ignition plug that ignites an air-fuel mixture in the sub chamber. In the sub-chamber internal combustion engine including the above, a hollow volume portion is formed in the sub-chamber wall, and a heat transfer medium is sealed in the volume portion.
以上の構成によって、燃焼によって加熱された前記副室壁と、前記容積部に封入された前記伝熱媒体と、の間で熱交換が行われる。
したがって、コンパクトな構成によって、前記副室壁周辺の温度上昇が効果的に抑制され、高負荷時においても前記副室壁周辺における混合気の早期着火を確実に回避でき、以て運転領域の限界がより高負荷域まで拡大される。
With the above configuration, heat exchange is performed between the sub chamber wall heated by the combustion and the heat transfer medium sealed in the volume portion.
Therefore, the compact configuration effectively suppresses the temperature increase around the sub chamber wall, and can reliably avoid early ignition of the air-fuel mixture around the sub chamber wall even at high loads, thereby limiting the operating range. Is expanded to a higher load range.
また、前記副室壁の温度を低下させるために、前記副室壁の熱伝導性を高くしたり、燃料噴霧を前記副室先端部に当てたりする必要もなくなり、冷却損失の過度な増大や未燃HCの発生量増加の懸念も解消される。 In addition, in order to reduce the temperature of the sub chamber wall, it is not necessary to increase the thermal conductivity of the sub chamber wall or to apply fuel spray to the tip of the sub chamber, and an excessive increase in cooling loss can be achieved. The concern about an increase in the amount of unburned HC is also eliminated.
以下に、本発明における第1実施形態について説明する。
本実施形態では、図1に示すように、燃焼室は主室2(主燃焼室)および副室4から構成されている。
主室2は、シリンダヘッド6、シリンダブロック8、およびピストン10から構成されている。
Below, 1st Embodiment in this invention is described.
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the combustion chamber is composed of a main chamber 2 (main combustion chamber) and a
The main chamber 2 is composed of a
副室4は、主室2より容積は小さく、主室2の上方(シリンダヘッド6側)の略中心部において略鉛直方向に延び、主室2側の先端部4aが半球状に形成され、この副室壁の先端部4aに開口した複数の連通路12を介して主室2と連通し、ガス交換を可能としている。
吸気ポート14は、吸気弁16を介して主室2へ新気を導入し、排気ポート18は、排気弁20を介して主室2から排気を排出する。
The
The
吸気弁16、排気弁20は、それぞれ、吸気弁駆動カム22、排気弁駆動カム24によって駆動される。なお、吸気弁16、排気弁20は、それぞれ、吸気弁スプリング26、排気弁スプリング28を備える。
燃料噴射弁(図示せず)は、吸気ポート14、主室2、副室4内の中の少なくとも1つに対して燃料噴霧を噴射するように、配置されている。
The
A fuel injection valve (not shown) is arranged to inject fuel spray into at least one of the
点火プラグ30は、その中心軸が副室4の中心軸と略一致するように、副室4内にその電極を臨ませて配置され、副室4内の混合気に点火を行う。
先端部4aから、複数に分岐して、連通路12を避けるように、隣接する連通路12との間を通って、反対側(副室壁の周壁4b上部)に至る空洞状の容積部32が形成されている。
The
A
容積部32の内部には、伝熱媒体34が封入されている。
伝熱媒体34としては、水の沸点より高温域の約600Kから1000Kにて、固相から液相へ相変化を生じる物質を用いるのがよいが、常温においても液体である物質でも構わない。このような物質としては例えばナトリウムが公知であるが、単体の金属では、タリウムやマグネシウム等も類似の性質を有する。その他、テルル、過酸化ナトリウムなども、伝熱媒体34として利用可能である。また、伝熱媒体34は、単体、複合材のいずれでも構わない。
A
As the
仮に、伝熱媒体34を水と同等の沸点を有する物質とした場合、伝熱媒体34は主室2内および副室4内の燃焼によって容易に沸騰し、気泡発生(気化)により伝熱媒体34の熱伝達率が低下したり、容積部32内の大幅な圧力増大により副室壁が損傷したりする懸念がある。このため、伝熱媒体34は、水の沸点より高温域にて相変化を生じる物質とした。
If the
周壁4bの容積部32が形成された部分に近接し、周壁4bを囲むように、冷却水通路36が配設されている。
上記構成の圧縮行程では、主室2から副室4へ向けて、連通路12を通じて混合気が流入する。一方、燃焼膨張行程では、副室4内の燃焼に伴い、副室4から主室2へ向けて、連通路12を通じて、トーチ状の火炎ジェットが噴出し、主室2内の混合気を燃焼させる。なお、副室4内の圧力は、図4に示すように変動する。
A
In the compression stroke having the above-described configuration, the air-fuel mixture flows from the main chamber 2 toward the
このような副室内の燃焼によって、副室壁、特に主室側の先端部4aは高温となり、吸排気におけるガス交換によっても冷却が困難なため、圧縮行程に熱面着火する懸念があり、安定した燃焼が可能な運転領域が限定されてしまうという問題点があった。
そこで、本実施形態では、伝熱媒体34による副室4の熱交換(放熱)の促進により、副室4における冷却が困難な部位を冷却することによって、上記問題点を解決する。
Due to the combustion in the sub chamber, the sub chamber wall, particularly the
Therefore, in the present embodiment, the above-mentioned problem is solved by cooling a portion of the
すなわち、図5に示すように、副室4内の温度が上昇する圧縮行程から燃焼行程において、伝熱媒体34は、相変化の温度(融点)に達した時点より、固体から液体への相変化の潜熱により先端部4aから一層熱を吸収し、先端部4aの急激な温度上昇を効果的に抑制する。
一方、燃焼期間(燃焼後期)から次サイクルの吸気行程前までは、冷却水通路36を流れる冷却水により、周壁4b付近の伝熱媒体34が冷却され、先端部4a付近の伝熱媒体34との間に温度差が生じるとともに、主室2内の燃焼にともなう圧力変動による振動が、先端部4aを介して融解した伝熱媒体34に伝播する。これにより、容積部32の先端部4a付近と、反対側(周壁4b上部)と、の間で伝熱媒体34の対流が促進され、より高温な先端部4aから相対的に温度の低い周壁4b上部へと熱を移動させ、先端部4aを冷却するような熱交換を活発にする。
That is, as shown in FIG. 5, in the compression stroke to the combustion stroke in which the temperature in the
On the other hand, from the combustion period (late combustion stage) to before the intake stroke of the next cycle, the
以上のように、容積部32に充填された伝熱媒体34によって、より効果的に先端部4aの急激な温度上昇を回避できるとともに、より効果的に先端部4aを冷却できるため、先端部4aの温度が上昇しやすい高負荷域で、混合気の早期着火を防止できる。したがって、高負荷(高い出力)領域の拡大が可能となる。
なお、低負荷域では、先端部4aから周壁4b上部へ熱を移動させることで、点火プラグ30の電極付近の温度を上昇させ、着火性を向上させることもできる。
As described above, since the
In the low load region, the temperature near the electrode of the
ここで、副室4の中心軸は、機関の鉛直方向に延び、先端部4aは、機関の鉛直下向きに主室2へ向けて突出している。また、相変化して液体となった伝熱媒体34は、先端部4a付近では加熱されることで比重が減少し、一方、周壁4b上部付近では比較的低温のため比重は大きいままである。これにより、伝熱媒体34の鉛直方向の対流はより促進される。
Here, the central axis of the
また、冷却水通路36を、周壁4bを囲むように配置したことにより、副室4の周辺部の熱容量を拡大するに等しい効果が得られ、高負荷域にて副室4の周辺部における異常な昇温をより効果的に回避できる。これにより、主室2においても、高負荷域にて混合気の早期着火を確実に回避できるため、運転領域の限界がより高負荷域まで拡大される。
さらに、冷却水通路36を容積部32と近接した配置としたため、伝熱媒体34による熱交換を一層促進できると同時に、冷却水通路36への放熱量の大部分は先端部4aから伝熱媒体34を介して伝達された熱量で占められ、副室4内の混合気からの放熱量の占める割合は抑えられる。また、伝熱媒体34は、冷却水通路36を流れる冷却水の沸点より高温域でも液相であるため、副室4(周壁4b)が、該冷却水によって冷却される場合よりも高温に保たれる。このため、副室4における冷却損失を抑制することが可能となり、高負荷域にてより高い熱効率で安定した運転が可能となる。
Further, by arranging the
Further, since the cooling
なお、容積部32の形成方法としては、例えばロストワックスの製法を用いるとよい。これにより、容積部32内部の形状によらず、簡易かつ低コストにて製造可能となる。
以下に、本発明における第2実施形態について説明する。
本実施形態は、図6,7に示すように、容積部32の断面積を周壁4b上部に近い位置ほど拡大した点で、前記第1実施形態と相違する。
As a method for forming the
Below, 2nd Embodiment in this invention is described.
As shown in FIGS. 6 and 7, the present embodiment is different from the first embodiment in that the cross-sectional area of the
これにより、容積部32内部で、伝熱媒体34の対流を生じやすくして、副室4周辺における熱交換を一層促進し、また、冷却水によって冷却される伝熱媒体34の容量を前記第1実施形態の場合と比べて増やすことで、先端部4aの冷却性能を向上させることが可能となる。
以下に、本発明における第3実施形態について説明する。
Accordingly, convection of the
Below, 3rd Embodiment in this invention is described.
本実施形態は、図8,9に示すように、隣り合う連通路12の間を略鉛直方向に延びた複数の通路を形成する容積部32が、これら複数の通路を、周壁4b上部の2箇所の集合部32aに集合、合流させ、集合部32aと近接するように冷却水通路36を配置した点で、前記第1、第2実施形態と相違する。
これにより、周壁4b上部と伝熱媒体34とが熱交換する箇所が、集合部32a付近に限定されるため、周壁4b上部の過度な冷却を回避できる。したがって、副室4の冷却損失を抑制できるとともに、混合気の着火性が確保される。
In the present embodiment, as shown in FIGS. 8 and 9, the
Thereby, since the location where the upper part of the
一方、集合部32aと近接するように冷却水通路36を配置したため、先端部4aの冷却効果も確保される。
以下に、本発明における第4実施形態について説明する。
本実施形態は、図10,11に示すように、容積部32を形成する面(内壁32b)のうち周壁4bに形成された部分に、略鉛直方向に延びる複数のフィン38を形成した点で、前記第1〜第3実施形態と相違する。
On the other hand, since the cooling
Below, 4th Embodiment in this invention is described.
In this embodiment, as shown in FIGS. 10 and 11, a plurality of
内壁32bの周壁4bに形成された部分に対し、鉛直方向に延びる複数のフィン38を適切な本数、間隔にて配置すること(つまり、内壁32bに凹凸を多数形成すること)で、内壁32bと伝熱媒体34との接触面積が拡大する。これにより、内壁32bの伝熱量が増大し、伝熱媒体34と周壁4bとの熱交換をより効果的に促進することが可能となる。このように、運転状態に対する冷却の応答性が向上し、高回転または高負荷域において、安定した運転が可能となる。
By arranging a plurality of
また、同時に、先端部4aから周壁4b上部へと向かう比較的高温の伝熱媒体34と、これとは逆方向に向かう比較的低温の伝熱媒体34と、の流れ(対流)を、複数のフィン38で区画された通路によって整流することが可能となり、冷却速度を速め、先端部4aの冷却性能を一層向上させることが可能となる。
上記実施形態のほか、最も簡易な構成として、高負荷域の先端部4aの温度で相変化する伝熱媒体34を、先端部4aのみに封入する構成とすることもできる。この構成では、融解した伝熱媒体34の対流による先端部4aからの放熱効果は得られないが、相変化時の潜熱による先端部4aの温度上昇抑制のみでも、早期着火による異常燃焼を防止する効果がある。
At the same time, the flow (convection) of the relatively high-temperature
In addition to the above embodiment, as the simplest configuration, the
2 主室
4 副室
4a 先端部(副室先端部)
6 シリンダヘッド
8 シリンダブロック
12 連通路
30 点火プラグ
32 容積部
34 伝熱媒体
36 冷却水通路
38 フィン
2
6
Claims (9)
前記副室壁内に空洞状の容積部を形成し、該容積部内に伝熱媒体を封入したことを特徴とする副室式内燃機関。 A sub chamber provided with a main chamber which is a main combustion chamber, a sub chamber which communicates with the main chamber via a communication passage and has a volume smaller than that of the main chamber, and an ignition plug which ignites an air-fuel mixture in the sub chamber. In the internal combustion engine,
A sub-chamber internal combustion engine, wherein a hollow volume portion is formed in the sub-chamber wall, and a heat transfer medium is sealed in the volume portion.
前記副室先端部は、機関の略鉛直下向きに前記主室へ向けて突出したことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の副室式内燃機関。 A central axis of the sub chamber extends in a substantially vertical direction of the engine,
3. The sub-chamber internal combustion engine according to claim 1, wherein the tip portion of the sub-chamber protrudes toward the main chamber substantially vertically downward of the engine.
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