JP2007002797A - 内燃機関の燃焼室構造 - Google Patents

Abstract

【課題】残留する未燃混合気を効率よく燃焼させて、ノッキングの発生を抑制する内燃機関の燃焼室構造を提供する。
【解決手段】ピストン１２と、燃焼室１１を臨んで設けられる点火プラグ１６と、ピストン１２の冠面１２ａに形成され、点火プラグ１６が点火した火炎をピストン１２の外周と吸気ポート２２とが近接する領域に誘導する火炎誘導溝１３とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室構造に関する。

ノッキングは、エンジンの燃焼室内に残留した未燃混合気が急激に燃焼するために発生する異常燃焼である。ノッキングの発生を抑制するために、複数の点火プラグを配置する方法や燃焼室内にガス流動を発生させることが提案されている。これらの方法は残留した未燃混合気を低減させてノッキングの発生を抑制する効果を有する。

点火プラグの複数配置は、第１点火プラグを燃焼室の中央近傍に配置し、第２点火プラグを排気弁又は吸気弁の近傍に配置する２点点火方式などが提案されている。ガス流動には、スキッシュ生成部を冠面に形成したピストンとシリンダとの相対運動によって発生するスキッシュなどが挙げられる。

しかし、点火プラグを燃焼室の外周側に設ける構造では、スキッシュ生成部が火炎の成長を妨げてしまうことがあった。そこで、火炎成長を阻害させないために点火プラグの近傍にはスキッシュ生成部を形成しない構造が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００２−２６６７３９号公報

しかし、スキッシュ生成部を形成しないと燃焼室内のガス流動が減少するため、火炎の燃焼速度が緩慢になる。そのため、吸入された混合気を十分に燃焼させられずに未燃混合気が燃焼室内に滞留してしまい、ノッキングの発生を十分に抑制できなかった。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、スキッシュによるガス流動を発生させなくとも残留する未燃混合気を効率よく燃焼させて、ノッキングの発生を抑制する内燃機関の燃焼室構造を提供することを目的としている。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、ピストン（１２）と、燃焼室（１１）を臨んで設けられる点火プラグ（１６）と、前記ピストン（１２）の冠面（１２ａ）に形成され、前記点火プラグ（１６）が点火した火炎をピストン（１２）の外周と吸気ポート（２２）とが近接する領域に誘導する火炎誘導溝（１３）とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、ピストン冠面に設けられた火炎誘導溝が点火された火炎を誘導して残留した未燃混合気を燃焼させる。したがって、燃焼室内に残留する未燃混合気を減少させることによってノッキングの発生を抑制することができる。

以下では図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明による燃焼室構造を有するエンジンの全体断面図である。

エンジン１０は、内部に燃焼室１１を有する。エンジン１０は、外気を燃焼室１１に導く吸気ポート２１と、混合気に点火する点火プラグ１５と、燃焼後の排気を排出する排気ポート２２とを備える。

エンジン１０は、シリンダ１４と、シリンダ１４の内部を摺動するピストン１２を備える。燃焼室１１は、シリンダ１４の内部をピストン１２の冠面によって区切られて形成される。燃焼室１１は、内部で混合気が燃焼する。ピストン１２は、連結されているクランクシャフトを通じて混合気の燃焼によって発生したエネルギーを外部に伝達する。ピストン１２には、冠面１２ａに火炎誘導溝１３が形成される。火炎誘導溝１３の形状及び配置については、詳細を後述する。

エンジン１０は、燃焼室１１と吸気ポート２１との間に吸気弁１８を備える。吸気弁１８及び吸気ポート２１は、後述するようにそれぞれ手前側と奥側の２箇所に設けられている。吸気ポート２１は、それぞれ吸気マニホールド２５と連結する。吸気弁１８は、吸気ポート２１と燃焼室１１との間を開閉して燃焼室１１への吸気量を調節する。吸気ポート２１は、燃料噴射弁２４を備える。燃料噴射弁２４は、図示しない燃料タンクと連結して燃焼室１１に燃料を供給する。燃料噴射弁２４は、燃料を霧状に噴射して吸気マニホールド２５から導かれる吸気と混ぜ合わせて混合気を生成する。

また、燃焼室１１は、第１点火プラグ１５と、第２点火プラグ１６とを備える。第１点火プラグ１５は、燃焼室１１の中心頂上部に備えられる。第１点火プラグ１５は、先端に中心電極と、接地電極とを備える。第１点火プラグ１５は、電極が燃焼室１１の中心を臨むように配置される。第１点火プラグ１５は、吸気ポート２１から吸入された混合気に点火する。

第２点火プラグ１６は、燃焼室１１の周辺部であって、２箇所に設けられた吸気ポート２１の間に配置される。第２点火プラグ１６は、燃焼室１１のルーフ面１１ａの外周に設けられる。第２点火プラグ１６は、第１点火プラグ１５と同様に混合気に点火する。第２点火プラグ１６は、第１点火プラグ１５よりも小型の点火プラグを用いる。第２点火プラグ１６は、第１点火プラグ１５による燃焼を補助する。

エンジン１０は、燃焼室１１と排気ポート２２との間に排気弁１９を備える。排気弁１９及び排気ポート２２も、吸気側と同様にそれぞれ手前側と奥側の２箇所に設けられる。これらの排気ポート２２は、それぞれ排気マニホールド２６と連結する。排気弁１９は、排気ポート２２と燃焼室１１との間を開閉して排ガスを排出する。排ガスは、排気マニホールド２６から触媒によって浄化された後に外部に排出される。

図２は、本発明による燃焼室構造の第１実施形態を示す図であり、図２（Ａ）は燃焼室１１のルーフ面１１ａからピストン冠面１２ａを見た図、図２（Ｂ）〜（Ｅ）は図２（Ａ）に示す火炎誘導溝１３のＢ−Ｂ断面、Ｃ−Ｃ断面、Ｄ−Ｄ断面、Ｅ−Ｅ断面を示す断面図である。

燃焼室ルーフ面１１ａは、中心に第１点火プラグ１５を備える。また、燃焼室ルーフ面１１ａには、図２（Ａ）に点線で示す位置に吸気ポート２１（吸気バルブ１８）を備えている。排気ポート２２は、吸気ポート２１と同様に２箇所設けられている。排気ポート２２は、図示されていないが、ルーフ面１１ａの中心を通過する鉛直方向の直線を軸として吸気ポート２１と対称に配置される。排気ポート２２は、吸気ポート２１よりも小さい径を有する。第２点火プラグ１６は、２つの吸気ポート２１の間でルーフ面１１ａの外周側に設けられる。

火炎誘導溝１３は、図２（Ａ）に示すように第２点火プラグ１６を備える位置の近傍からピストン冠面１２ａの外周に沿って形成される。火炎誘導溝１３は、吸気ポート２１と、ピストン冠面１２ａとが近接する位置に向かって溝状に形成される。火炎誘導溝１３は、第２点火プラグ１６からの距離が離れるほど溝幅が広くなるように形成される。火炎誘導溝１３は、図２（Ｂ）〜（Ｅ）に示すように第２点火プラグ１６からの距離が離れるほど深さを増すように形成される。また、火炎誘導溝１３の底面は、図２（Ｂ）〜（Ｄ）に示すように曲面に形成される。さらに、図２（Ｅ）に示すように火炎誘導溝１３の先端部も曲面に形成される。

第１点火プラグ１５は、中心電極と接地電極との間に高電圧を加えられると、電極間の絶縁が破れて電流が流れる放電現象が起こって電気火花を発生させる。この電気火花は、圧縮混合気に着火爆発を起こさせる。このように着火した火炎は、燃焼室内で遮られることなくほぼ球状に伝播することが望ましい。したがって、燃焼室の形状は球状に形成され、その中心で点火されることが理想となる。しかし、燃焼室形状は種々の制約条件が加えられるため、実際には球形に形成することはできない。そのため、火炎伝播はその方向及び火炎前面の面積を制限されたり、途中で火炎の一部が壁面と接触して冷却を受けるなどして阻害されてしまう。

そこで、第１点火プラグ１５を燃焼室１１の中心頂上部に設置すると、外周部に設置するよりも比較的火炎が球状に伝播する期間が長く火炎伝播距離が短くなる。したがって、燃焼の立ち上がりも早く、より速やかに燃焼することができる。また、第２点火プラグ１６は、吸気によって比較的低温となりやすく未燃混合気が残留しやすい領域で点火されて燃焼を補助する。

火炎の伝播は、低温の領域では伝播速度が遅くなる。そのため、このような領域では火炎が到達する前に火炎前方で未燃混合気が圧縮されて自着火を起こしやすく、ノッキングが発生しやすい領域となる。図２（Ａ）に破線円で示した領域３０は、吸気ポート２１に近接しているため温度が低く、点火プラグからの距離も離れている。したがって、この領域３０は特に未燃混合気が滞留しやすくノッキングを発生させやすい。この領域３０をノッキング発生領域と定義する。火炎誘導溝１３は、第２点火プラグ１６からノッキング発生領域３０に向かって形成される。

前述のように、点火プラグによって点火された火炎は球状に伝播する。ピストン冠面１２ａ上で火炎誘導溝１３が形成されている部位は、他の部位よりも火炎が球状に広がる領域が拡大する。したがって、第２点火プラグ１６が点火した火炎は、図２（Ａ）に示すように火炎誘導溝１３に沿って矢印の方向に伝播しやすくなる。また、火炎誘導溝１３は底面が曲面に形成されているため、火炎が火炎誘導溝１３の底面に到達するまでの伝播距離のばらつきを低減して、第２点火プラグ１６によって点火された火炎が火炎誘導溝の底面にほぼ同時に到達するように形成され、球状に伝播する期間を長くすることができる。さらに、火炎誘導溝１３はノッキング発生領域３０に向かって幅が広く、深さが深くなるように形成されており、より火炎が球状に伝播しやすいように空間が確保される。

図３は、第１点火プラグ１５と第２点火プラグ１６の点火時期及び燃焼室１１の内部の混合気の燃焼率を示すグラフである。縦軸は燃焼室内に吸入された混合気の燃焼率、横軸は第１点火プラグ１５の点火後の経過時間を示す。実線は、第１点火プラグ１５と第２点火プラグ１６を同時に点火する２点同時点火と、第１点火プラグ１５を点火した後に第２点火プラグ１６を点火する２点位相差点火を示す。また、破線は第１点火プラグ１５のみで点火した場合を示す。

２点同時点火は、通常運転時に実行される。２点同時点火は、第１点火プラグ１５と第２点火プラグ１６を同時に点火することによって燃焼性能を向上させる。２点同時点火は、燃焼により発生する力を最大限ピストンに伝達するために、上死点をやや過ぎたタイミングで最大燃焼圧力が発生するように点火時期が定められている。

２点位相差点火は、エンジンの全開運転時に実行される。エンジンの全開運転時には、燃焼室内でピストン１２が高速に稼動している。そのため、燃焼室１１は内部が高温・高圧となって未燃混合気が自着火を起こしやすくなる。２点位相差点火は、第２点火プラグ１６の点火するタイミングを遅らせることによって、残留した未燃混合気の燃焼を急速に完了させる。

吸入された混合気の７０〜９０％の燃焼が完了した状態は、特にノッキングを発生させやすい状態となる。これは、混合気の燃焼の進行にともなって燃焼室の内部が高温・高圧となり、さらに自着火を起こす未燃混合気が残留しているためである。第２点火プラグ１６は、この状態が継続する時間を短縮させるように点火される。第２点火プラグ１６は、混合気の燃焼が全体の７０％に至る前（時刻Ｔ１）に点火され、第１点火プラグ１５によって点火された火炎の燃焼を補助する。第２点火プラグ１６は、前述のようにノッキング発生領域３０に残留する混合気を優先的に燃焼させることから、混合気の燃焼を速やかに完了させることができる。

本実施形態によれば、第２点火プラグによって点火された火炎は、ピストン冠面１２ａに形成された火炎誘導溝１３によってノッキング発生領域３０に誘導される。したがって、火炎誘導溝１３は燃焼室内に残留する未燃混合気の燃焼を速やかに完了させ、ノッキングの発生を抑制することができる。

また、本実施形態によれば、未燃混合気を減少させることによって、燃費を向上させるとともに排気性能を改善させることができる。

（第２実施形態）
図４は、本発明による燃焼室構造の第２実施形態を示す図である。

なお以下に示す各実施形態では前述した実施形態と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

本実施形態では、火炎誘導溝１３は第１実施形態と同様に第２点火プラグ１６の近傍からノッキング発生領域３０に向かって形成される。火炎誘導溝１３は、第１実施形態と同様にノッキング発生領域３０に近づくほど深さが深くなるように形成される。また、火炎誘導溝１３の先端には火炎滞留部１７が形成される。火炎滞留部１７は、その一部又は全部がノッキング発生領域３０と重なるように形成される。火炎滞留部１７は、半球状に形成され、火炎誘導溝１３の他の部位よりも幅を広く、深さも深く形成される。

第２点火プラグ１６が点火した火炎は、火炎誘導溝１３によってノッキング発生領域３０に誘導される。火炎滞留部１７は半球状に形成されているため、点火された火炎は火炎滞留部１７の内部を図４に示すように矢印の方向に旋回してノッキング発生領域３０に滞留する。

また、第１点火プラグ１５及び第２点火プラグ１６の点火時期は、第１実施形態と同様に制御される。

本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、第２点火プラグによって点火された火炎は、火炎誘導溝１３によってノッキング発生領域３０に誘導される。したがって、燃焼室内の未燃混合気を速やかに燃焼させることができる。また、誘導された火炎は、火炎滞留部１７によってノッキング発生領域３０にとどまって、残留している未燃混合気をより効果的に燃焼させることができる。このように未燃混合気の燃焼を促進することによって、ノッキングの発生を抑制するとともに、燃費を向上させて排気性能を改善することができる。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。

例えば、ピストン冠面の排気ポート側にスキッシュ生成部を形成し、スキッシュによるガス流動を生成させてもよい。これにより、火炎表面の面積を増加させて燃焼速度を速くさせることができ、ノッキング発生の抑制効果を増強することができる。さらにスワールを併用してもよい。

また、第１点火プラグを排気ポート側に配置してもよい。２つの点火プラグが対角に位置することによって、燃焼室内全体の火炎伝播期間を短縮させることができる。

本発明による燃焼室構造を有するエンジンの全体断面図である。 本発明による燃焼室構造の第１実施形態を示す図である。 点火プラグの点火時期及び混合気の燃焼率を示すグラフである。 本発明による燃焼室構造の第２実施形態を示す図である。

符号の説明

１０ エンジン
１１ 燃焼室
１１ａ ルーフ面
１２ ピストン
１２ａ ピストン冠面
１３ 火炎誘導溝
１４ シリンダ
１５ 第１点火プラグ
１６ 第２点火プラグ（点火プラグ）
１７ 火炎滞留部
１８ 吸気弁
１９ 排気弁
２１ 吸気ポート
２２ 排気ポート
３０ ノッキング発生領域

Claims (7)

1. ピストンと、
   燃焼室を臨んで設けられる点火プラグと、
   前記ピストンの冠面に形成され、前記点火プラグが点火した火炎をピストンの外周と吸気ポートとが近接する領域に誘導する火炎誘導溝と、
   を備える内燃機関の燃焼室構造。
2. 前記点火プラグは、吸気ポート側に設けられる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼室構造。
3. 前記火炎誘導溝は、前記燃焼室の外周に沿って形成される、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関の燃焼室構造。
4. 前記火炎誘導溝は、底面が曲面に形成され、前記点火プラグによって点火された火炎が火炎誘導溝の底面に略同時に到達するように形成される、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の内燃機関の燃焼室構造。
5. 前記火炎誘導溝は、前記点火プラグからの距離が離れるほど溝幅が拡大する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の内燃機関の燃焼室構造。
6. 前記火炎誘導溝は、前記点火プラグからの距離が離れるほど溝の深さが増加する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の内燃機関の燃焼室構造。
7. 前記火炎誘導溝は、前記吸気ポートと近接する位置に火炎がとどまる火炎滞留部を備える、
   ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の内燃機関の燃焼室構造。

Images