JP2005264768A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却損失の増加を回避しつつ空燃比の非常に大きな希薄燃焼を可能にする。
【解決手段】シリンダヘッド３下面とピストン５との間に主燃焼室２が画成され、シリンダヘッド３側の主燃焼室着火装置１３内に副燃焼室１５が形成される。主燃焼室着火装置１３は、有底円筒状の本体１６と点火プラグ１７とを有し、副燃焼室１５は、本体１６底部の連通孔１８によって主燃焼室２と連通する。ピストン５冠面には、キャビティ１４が凹設され、圧縮行程中に燃料噴射弁１２から噴射された燃料がキャビティ１４およびその上方に巻き上がって、成層混合気となる。ピストン５の上昇に伴って副燃焼室１５内に押し込まれた混合気が点火プラグ１７で着火され、トーチ状の火炎となって主燃焼室２に噴出して、混合気全体に火炎伝播する。副燃焼室１５の容積は小さいので、点火プラグ１７の放電により希薄混合気でも安定して着火する。
【選択図】図１

Description

この発明は、副燃焼室を備えた往復動型内燃機関に関する。

副燃焼室を備えた直接噴射式火花点火内燃機関が、例えば特許文献１等に開示されている。これは、シリンダヘッド側に窪んだ副燃焼室が形成されているとともに、該副燃焼室内に、燃料を噴射する燃料噴射弁またはそれに相当する補助燃料ガス供給口が点火プラグとともに設けられており、副燃焼室内にて混合気を成層化し、この混合気に点火プラグで点火することで、主燃焼室へ火炎伝播させ、全体として希薄な混合気の燃焼を可能にして、燃料消費量の低減を図っている。
特開平６−１７７１０号公報

しかしながら、この従来例においては、燃料を副燃焼室に直接に導入するため、比較的大きな副燃焼室を設ける必要があり、その結果、冷却損失が大きくなり、内燃機関の熱効率としては高くならないという問題点がある。また、一般に、内燃機関の負荷が高い条件では、均質に混合気を形成する必要があるが、上記の従来例の構造では、基本的に混合が良くなく、全開時の出力性能が悪化するという問題点がある。

本発明は、燃料の噴射を主燃焼室にするようにして、冷却損失を大きくすることなく、高効率で希薄な混合気の燃焼を可能にすることを目的としている。

この発明に係る内燃機関は、ピストンの上下動により容積が変化する主燃焼室と、連通孔を通じて上記主燃焼室と連通する副燃焼室と、上記副燃焼室内の混合気に着火する副燃焼室用着火装置と、を備えており、成層燃焼運転を行うときに、上記主燃焼室内の上記連通孔近傍に成層化された混合気を形成し、上記ピストンの上昇により上記連通孔から上記副燃焼室内に導入された混合気を上記副燃焼室用着火装置により着火燃焼させ、この燃焼火炎を上記連通孔から上記主燃焼室内の成層混合気に向けて噴出させることにより上記成層混合気を燃焼させるように構成されている。

すなわち、主燃焼室内に形成された混合気の一部が圧縮に伴って副燃焼室内に押し込まれ、ここで着火燃焼することにより、連通孔を通して、トーチ状の火炎となって主燃焼室に噴出する。これによって、主燃焼室内の成層混合気全体に火炎が伝播する。副燃焼室の容積は比較的小さく、かつ主燃焼室に対し完全に開放された空間ではないので、副燃焼室内の混合気が希薄なものであっても、副燃焼室用着火装置により安定した着火燃焼が可能となる。

この発明によれば、全体として非常に希薄な混合気を安定して燃焼させることができ、ＮＯｘ発生量の低減と燃費の向上とを高いレベルで両立させることができる。特に、副燃焼室が比較的小型のものとなり、冷却損失の増加を最小限にできるとともに、混合気の形成は基本的に主燃焼室内で行われるので、高負荷時の均質燃焼に対する悪影響が少ない。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明を適用した内燃機関１の第１実施例を示す。

内燃機関１の主燃焼室２は、シリンダヘッド３の下面と、シリンダブロック４に形成されたシリンダボアのボア壁面と、シリンダボア内を往復動するピストン５の冠面、とで画成されており、ピストン５の上下動に応じてその容積が変化する。主燃焼室２を画成するシリンダヘッド３下面には、ペントルーフ形状の凹部が形成されており、その吸気側傾斜面に２つの吸気ポート６が開口し、排気側傾斜面に２つの排気ポート７が開口している。吸気ポート６の開口部には吸気弁８が配設され、排気ポート７の開口部には排気弁９が配設されている。吸気弁８は吸気カムシャフト１０に設けられた吸気カムにより駆動され、排気弁９は排気カムシャフト１１に設けられた排気カムにより駆動される。

上記シリンダヘッド３には、燃料噴射弁１２と主燃焼室用着火装置１３とが取り付けられており、これらの先端は、主燃焼室２の略中央、すなわち、２つの吸気弁８と２つの排気弁９とで囲まれた領域に位置している。より詳細に説明すると、略円筒状をなす主燃焼室用着火装置１３は、ほぼシリンダボアの中心軸線Ｃ上に位置しているが、燃料噴射弁１２の取付スペースを確保するために、僅かに排気弁側へオフセットした位置に配置されている。また、主燃焼室用着火装置１３の中心軸線はシリンダボア中心軸線Ｃと略平行である。燃料噴射弁１２はシリンダボアの中心軸線Ｃから吸気弁側にオフセットした位置に配置されており、その中心軸線は、シリンダボア中心寄りを指向するようにシリンダボア中心軸線Ｃに対し僅かに傾いたものとなっている。

上記燃料噴射弁１２は、主燃焼室２内に直接燃料を噴射するものであって、この燃料噴射弁１２の先端には、円周上に並んだ複数の噴孔（図示略）が形成されており、各噴孔から噴射される噴霧が全体として中空円錐状の噴霧を形成する。中空円錐状噴霧の中心軸線は燃料噴射弁１２の中心軸線と同軸であり、従って中空円錐状噴霧の中心軸線は、シリンダボア中心軸線Ｃに対し僅かに傾いたものとなる。

上記主燃焼室用着火装置１３は、主燃焼室２よりも容積の小さい副燃焼室１５を形成する本体１６と、この本体１６の基端部に取り付けられた副燃焼室用着火装置に相当する火花放電式点火プラグ１７と、から構成されている。上記副燃焼室１５は、複数の連通孔１８を通じて主燃焼室２と連通している。後述するように、副燃焼室１５内の混合気を点火プラグ１７の火花により着火燃焼させ、この燃焼火炎を連通孔１８から主燃焼室２内へ噴出させることにより、主燃焼室２内の混合気を着火燃焼させる。

上記主燃焼室用着火装置１３の本体１６は有底円筒形状の部材であり、その底部つまり主燃焼室２側の先端部が、シリンダヘッド３下面から僅かに主燃焼室２内へ突出している。この本体１６の底部つまり先端部に、上記連通孔１８が開口形成されている。上記連通孔１８は、本体１６の中心軸線と平行な方向に形成されており、従ってシリンダ中心軸線Ｃとも略平行になっている。また点火プラグ１７は、先端部を副燃焼室１５内へ突出させた状態で本体１６の基端部に取り付けられており、先端部の先端に放電ギャップが設けられている。

一方、上記ピストン５の冠面には、シリンダヘッド３下面のペントルーフ形の凹部形状に合わせた凸部が形成されており、さらに、平面上で見て円形をなすキャビティ１４が凹設されている。このキャビティ１４は、ピストン５の冠面の略中央に位置している。上記キャビティ１４の周壁面は、円筒面に近い円錐面（上方が小径となった円錐面）となっており、底面は、中心が盛り上がった高さの低い円錐面となっている。上記の周壁面と底面とは、曲面によって滑らかに接続されている。なお、上記周壁面を円筒面あるいは逆円錐面（上方が大径となった円錐面）としてもよく、また上記底面を単純な平面としてもよい。

上記のように構成された内燃機関１は、機関運転条件に応じて成層燃焼運転あるいは均質燃焼運転を行う。

機関負荷が低く燃料噴射量が少ない場合は、図１に示すように、圧縮行程中にキャビティ１４へ向けて燃料を噴射し、キャビティ１４内およびその上空領域に成層混合気Ｆを形成して成層燃焼運転を行う。より詳細に説明すると、燃料噴射弁１２からの燃料噴霧をキャビティ１４の底面に衝突させ、曲面に沿って燃料の進行方向を曲げることにより燃料を上方に巻き上げて、キャビティ１４内およびその上空領域に燃料の循環流（図中の矢印）を形成する。この循環流に周囲の空気が巻き込まれ、燃料と空気とが良好に混合される。キャビティ１４がピストン５の冠面略中央に位置しているので、この成層混合気Ｆも主燃焼室２の中央に形成されることとなり、同じく主燃焼室２の中央に位置する主燃焼室用着火装置１３の先端部近傍に混合気が存在する状態となる。この状態で圧縮が進む（ピストン５が上昇する）と、混合気の一部が連通孔１８を介して副燃焼室１５に導入される。この際、もともと副燃焼室１５内を満たしていた既燃ガス（前回燃焼サイクルからの残留ガス）は副燃焼室１５の上部に押しやられて圧縮される。混合気はピストン５の上昇に伴って徐々に副燃焼室１５を満たし、やがて点火プラグ１７の放電ギャップ位置に達する。この状態で点火プラグ１７を放電駆動すると、副燃焼室１５内の混合気が着火燃焼し、副燃焼室１５内の温度・圧力が急上昇して燃焼火炎が連通孔１８から主燃焼室２内へ噴出する。主燃焼室２内の成層混合気Ｆは、火炎噴出時点においても主燃焼室用着火装置１３の先端部近傍（連通孔１８近傍）に存在しており、連通孔１８から成層混合気Ｆに向かって噴出するトーチ状の火炎から成層混合気Ｆ全体に火炎が伝播する。

以上のような着火形態によれば、希薄な混合気を安定して燃焼させることが可能となり、例えば、成層混合気Ｆの平均空燃比が３０程度（当量比で０．５程度）であっても安定燃焼が得られる。成層混合気Ｆの空燃比を希薄化すれば、燃焼温度が低くなってＮＯｘの発生量が少なくなる。また、主燃焼室２内の平均空燃比を非常に大きくすることが可能となり、成層燃焼運転による燃費向上効果をより大きくすることができる。

一般的な火花点火式成層燃焼機関では、成層混合気の空燃比を理論空燃比程度にして燃焼の安定化を図っていたため、ＮＯｘの発生量が比較的多く、また、平均空燃比をあまり大きくすることができなかった。これに対し本発明を適用した内燃機関１では、成層混合気の空燃比を希薄化することができるので、ＮＯｘ発生量の低減と燃費の向上とを高いレベルで両立させることが可能となる。

なお、本実施例では、連通孔１８をシリンダ中心軸線Ｃと略平行にしており、シリンダ中心軸線Ｃに沿って真下に火炎が噴出するため、主燃焼室用着火装置１３の真下に存在する成層混合気Ｆをより良好に燃焼させることができる。

ところで、副燃焼室１５に導入される混合気は、主燃焼室２内に形成される成層混合気Ｆの一部であるから、副燃焼室１５内の混合気の空燃比は、基本的に成層混合気Ｆの空燃比と等しくなる。従って、成層混合気Ｆの空燃比を過剰に大きくすると、副燃焼室１５内の混合気の着火燃焼安定性が悪化する恐れがある。しかしながら、副燃焼室１５の容積は主燃焼室２の容積よりはるかに小さく、また、副燃焼室１５は主燃焼室２に対して完全に開放された空間ではないので、副燃焼室１５内の温度圧力は点火プラグ１７の放電（放電による微少燃料の燃焼）により速やかに上昇することになり、着火燃焼安定性を確保し易い。従って、成層混合気Ｆの空燃比（副燃焼室１５に導入される混合気の空燃比）を一般的な火炎伝播限界空燃比（当量比で０．６程度）より希薄側にすることが可能である。

さらに、副燃焼室１５に導入される混合気の空燃比を、主燃焼室２側の成層混合気Ｆの空燃比よりも小さくすることも可能であり、そのようにすれば成層混合気Ｆの空燃比をより大きく設定することができる。具体的な一例としては、圧縮行程中に実施する燃料噴射を２回に分割し、１回目の噴射で前述した循環流を形成するとともに、２回目の噴射で成層混合気Ｆの中央上部の燃料濃度を高めるようにすれば、燃料濃度の高い混合気が副燃焼室１５に導入されるようになる。副燃焼室１５の容積は小さいので、ここに導入される混合気の空燃比を多少小さくしても、全体的なＮＯｘの発生に対する影響は小さい。なお、副燃焼室１５への混合気導入が開始される直前の状態において連通孔１８近傍の燃料濃度が高くなっていれば良いのであり、その方法は上記の分割噴射に限られない。

また、負荷が低くなるほど成層混合気Ｆの空燃比が大きくなるので、成層燃焼運転を行う機関運転条件の中で相対的に低負荷側の領域においては、上記の分割噴射のような混合気分布制御を行ない、成層燃焼運転を行う機関運転条件の中で相対的に高負荷側の領域では、成層混合気Ｆの空燃比をある程度均一にするようにしてもよい。

あるいは、機関の圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構を利用して、低負荷側ほど高圧縮比に制御することで着火燃焼安定性を確保することもできる。

また、機関負荷が高く燃料噴射量が多い場合は、吸気行程中に燃料を噴射し、主燃焼室２内に均質な混合気を形成して均質燃焼運転を行う。この際、燃費向上のために、主燃焼室２内の平均空燃比を理論空燃比より希薄にしてもよいし、平均空燃比を理論空燃比に制御しつつ大量の排気還流（ＥＧＲ）を行うようにしてもよい。

次に、図２は、本発明の第２実施例を示す。

この実施例は、図１の第１実施例と比較して、燃料噴射弁１２の配置とピストン５の冠面形状が異なっている。第２実施例においては、燃料噴射弁１２は、各気筒の２つの吸気ポート６の間の下方に配設されており、主燃焼室２の周縁から燃料を噴射する。またピストン５冠面のキャビティ２０は、ピストン５の中心から吸気弁側へ偏った位置に形成されており、圧縮行程中に燃料噴射弁１２から噴射された噴霧を主燃焼室用着火装置１３の近傍へ導くようになっている。この実施例では、主燃焼室用着火装置１３のみが主燃焼室２の中央に配置され、燃料噴射弁１２の取付スペースを主燃焼室２中央に確保する必要がないので、主燃焼室用着火装置１３の中心軸線とシリンダボア中心軸線Ｃとが完全に一致した配置となっている。

なお、この実施例においても、成層混合気Ｆを主燃焼室用着火装置１３の真下に形成するので、連通孔１８をシリンダ中心軸線Ｃと略平行に形成しているが、吸気弁側に燃料噴射弁１２を配置する本実施例の構成では、成層混合気Ｆが若干吸気弁側に偏ることになるので、これに合わせて、連通孔１８を若干吸気弁側へ傾けるようにしても良い。

以上の実施例では、副燃焼室用着火装置として点火プラグ１７を使用したが、燃料の酸化反応を助ける触媒を用いて副燃焼室１５内の混合気を着火燃焼させるようにすることもできる。例えば、ヒータあるいは燃焼ガスの熱を受けて活性化する酸化触媒を主燃焼室用着火装置１３の本体基端部に取り付け、ピストン５の上昇に伴って徐々に副燃焼室１５を満たす混合気が触媒に接触したとき接触面から燃焼が始まるようにすればよい。このような副燃焼室用着火装置を使用すれば、主燃焼室に形成する成層混合気の空燃比をさらに大きくできる可能性がある。

この発明に係る内燃機関の第１実施例を示す断面図。 第２実施例を示す断面図。

符号の説明

２…主燃焼室
５…ピストン
１５…副燃焼室
１７…点火プラグ
１８…連通孔

Claims (10)

1. ピストンの上下動により容積が変化する主燃焼室と、
   連通孔を通じて上記主燃焼室と連通する副燃焼室と、
   上記副燃焼室内の混合気に着火する副燃焼室用着火装置と、
   を備え、
   成層燃焼運転を行うときに、上記主燃焼室内の上記連通孔近傍に成層化された混合気を形成し、上記ピストンの上昇により上記連通孔から上記副燃焼室内に導入された混合気を上記副燃焼室用着火装置により着火燃焼させ、この燃焼火炎を上記連通孔から上記主燃焼室内の成層混合気に向けて噴出させることにより上記成層混合気を燃焼させることを特徴とする内燃機関。
2. 上記連通孔は、上記主燃焼室の略中央に開口していることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 上記主燃焼室の略中央に配設され、上記主燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、
   上記燃料噴射弁から圧縮行程中に燃料を噴射することで上記成層混合気を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
4. 上記ピストンの冠面略中央に円形のキャビティが凹設されており、上記キャビティの底面へ向けて燃料を噴射することにより上記成層混合気を形成することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
5. 上記副燃焼室内に導入される混合気の燃料濃度を上記主燃焼室内の成層混合気の燃料濃度よりも高くすることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関。
6. 上記副燃焼室用着火装置は、火花放電式の点火プラグを含んで構成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関。
7. 上記副燃焼室用着火装置は、燃料の酸化反応を促進する触媒を含んで構成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関。
8. 上記主燃焼室内の成層混合気の空燃比を理論空燃比よりも希薄な空燃比とすることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関。
9. 主燃焼室内の成層混合気の当量比が略０．６以下であることを特徴とする請求項８に記載の内燃機関。
10. 圧縮比を変更する可変圧縮比機構をさらに備え、低負荷時には圧縮比を高くし、高負荷時には圧縮比を低く制御することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の内燃機関。
    

Images