JP2007113534A - 副室式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】副室式内燃機関の利点を維持しつつ、プレイグニッション等による異常燃焼を防止することができる副室式内燃機関を提供することを目的とする。
【解決手段】主たる燃焼室である主室５上方に位置する副室６と、主室５と副室６との隔壁に主室と副室とを連通する複数の連通路７からなる連通路群とを有する副室式内燃機関において、連通路群を、副室中心軸方向から見て、隔壁中央部を含み隔壁を横断する所定幅の連通路領域に形成し、隔壁のうち連通路領域以外の領域である冷却領域へ隔壁中央部の熱を伝熱するようにした。この構成によれば、高温になりやすい隔壁中央部から冷却領域へは連通路７が存在しないため、隔壁中央部から冷却領域への伝熱が妨げられることがなく、良好に行われる。その結果、プレイグニッション等による異常燃焼を抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は副室式内燃機関に関し、特にプレイグニッション(早期着火)の防止を実現する技術に関する。

従来の副室式内燃機関においては、燃焼室内の温度レベルが上がることによりノッキングが発生し、燃焼制御不能な状態に陥りやすく、高出力化や高効率化に限界があるという問題点があった。

その問題点を解決するために特許文献１のような技術が開示されている。この従来技術では、シリンダヘッドに凹部を設けて燃焼室内の燃焼ガス濃度や温度分布を均一化することで、ノッキングを防止し、高効率化や高出力化を達成することができるとしている。
特開２００２−３４９２６５号公報

しかしながら上記従来技術では、噴孔が半径方向外向きに放射状に設けられている(すなわち副室中心軸方向で見て、円周上に設けられている)ため、伝熱経路が噴孔によって断たれている。より具体的には図９に示す副室８の断面図において、噴孔８ａにより副室の隔壁は断たれることになるが、噴孔８ａは副室８中心軸方向で見て、円周上に設けられており、副室中心を囲むように円周上に伝熱経路が断たれた部分が存在することになる。そのため、主室と副室との隔壁のうち熱が集中しやすい隔壁中央部から冷却水通路が存在する副室外周方向へ熱を放熱しようとする際に、噴孔８ａが妨げとなり十分な放熱を行うことができない。その結果、特に高負荷運転時において隔壁中央部が高温となり、熱面着火によるプレイグニッション(早期着火)等により、異常燃焼が発生するおそれがあった。

そこで本発明では、副室式内燃機関の利点を維持しつつ、プレイグニッション等による異常燃焼を防止することができる副室式内燃機関を提供することを目的とする。

主たる燃焼室である主室上方に位置する副室と、主室と副室との隔壁に主室と副室とを連通する複数の連通路からなる連通路群とを有する副室式内燃機関において、連通路群を、副室中心軸方向から見て、隔壁中央部を含み隔壁を横断する所定幅の連通路領域に形成し、隔壁のうち連通路領域以外の領域である冷却領域へ隔壁中央部の熱を伝熱するようにした。

本発明によれば、高温になりやすい隔壁中央部から冷却領域へは連通路が存在しないため、隔壁中央部から冷却領域への伝熱が妨げられることなく、良好に行われる。その結果、プレイグニッション等による異常燃焼を抑制することができる。

本発明の第１の実施形態を図１ないし４に基づいて説明する。

図１は、第１の実施形態における内燃機関の構成図である。内燃機関１(ここではガソリンを燃料とするガソリンエンジンとする)において、５は主たる燃焼室である主室であり、シリンダヘッド２、シリンブロック３およびピストン４により形成される。主室５の上方、略中央部には副室６が形成されている。この副室６は主室５に比べて容積が小さく形成されている。また、主室５と副室６とを隔てる隔壁６ａには連通路７が形成されており、主室５と副室６とを連通している。

吸気バルブ８は吸気カム９によって駆動され、同様に排気バルブ１０は排気カム１１によって駆動される。１２は吸気ポート、１３は排気ポートであり、新気は吸気ポート１２から主室５に供給され、燃焼後の排気は排気ポート１３から排出される。

吸気行程において主室５に導かれた混合気は、圧縮行程において連通路７を通り、副室６へと導かれる。ここで、副室６は点火プラグ１７を有しており、副室６へ導かれた混合気は後述するＥＣＵ１８の信号に基づき点火プラグ１７によって点火される。この点火によって燃焼した混合気はトーチ状の火炎(以下、トーチ)となって、連通路７を介して主室５へと噴出され、主室５の混合気を着火・燃焼させる。なお、隔壁６ａ上における連通路７の詳細な配置については後述する。

燃料ポンプ１４は吸気カム９軸端に、燃料噴射弁１６は吸気ポート１２内に、それぞれ配設されている。そして燃料は、吸気カム９の回転により燃料ポンプ１４内で加圧され、燃料配管１５を介して燃料噴射弁１６に供給され、後述するＥＣＵ１８の信号に基づき吸気ポート１２内に噴射される。

１８はエンジンコントロールユニット(以下、ＥＣＵ)である。このＥＣＵ１８には、クランク角センサによって検知されたクランク角センサ信号、水温センサによって検知された水温センサ信号、およびアクセル開度センサによって検知されたアクセル開度信号がそれぞれ入力される(センサについてはいずれも図示せず)。これらの信号に基づき内燃機関１はＥＣＵ１８によって統合的に制御される。

次に主室５と副室６との隔壁６ａに形成される連通路７の配置について図２に基づいて説明する。図２は隔壁６aを副室中心軸方向下向き(主室側)から見た図であり、各連通路において、主室５側の開口部を実線で、副室６側の開口部は破線でそれぞれ示している。また、各連通路からの一点鎖線は、連通路中心軸(すなわちトーチ噴出方向)を副室６の中心軸方向で見た様子を示している。

図２に示すように、隔壁６ａのうち連通路群が形成されている領域を連通路領域(図２において二点鎖線で挟まれた領域)と呼び、それ以外の領域を冷却領域と呼ぶことにする。本実施形態においては、主室５側開口部の略中心が隔壁６ａの中央部を通る同一直線上になるように連通路７が６つ、略等間隔に形成されており、比較的幅の狭い連通路領域に全ての連通路が形成される構成となっている。なお本実施形態において、各連通路は略円筒形状であり、その開口部の面積はいずれも等しい。

次に図３に副室と冷却水通路との関係を示す。図３(a)は副室６と冷却水通路の横断面図である。図が示すように、副室６のフロントリア方向(クランクシャフトに平行で吸排方向に垂直な方向)を囲むように冷却水通路が形成されている。一方、吸気排気方向(以下、吸排方向)には近接した冷却水通路が存在していない。

この様子を縦断面図で表したものが図３(b)および(c)である。冷却水通路は吸気ポート１２、排気ポート１３等の配設の都合上、吸排方向については副室６に比較的近接した部分には一部しか冷却水通路を形成できない。よって、冷却水通路はフロントリア方向から副室６を囲むように近接した形状となっている。

本実施形態では、冷却水通路に隔壁６ａの冷却領域を近接させるように連通路領域を設定している。より具体的には各連通路の略中心を通る直線を吸排方向に一致させた(図３(a)参照)。そのため、隔壁６ａのうち連通路領域以外の領域である冷却領域は、隔壁のうちフロントリア方向に位置し、副室６を囲んでいる冷却水通路に近接することになる。

また、図２において各連通路の開口部が実線と破線とでずれていることからも分かるように、主室５側の開口部と副室６側の開口部の位置が、副室中心軸方向で見て、異なるように形成されている。このことにより、各連通路のトーチ噴出方向に角度をつけており、それぞれのトーチが互いに重ならないように設定されている。

図４には連通路から噴出されるトーチの形状を示す。図４(a)に示すように、各連通路のトーチ噴出方向が異なるために、それぞれ異なる方向にトーチを噴出することになり、互いに重なり合うことがない。

さらに、図４(b)および(c)には吸排方向およびフロントリア方向から見たトーチ形状を示す。図からも明らかなように、吸排方向のトーチ噴出方向とシリンダ中心軸のなす角度の最大値Δ１は、吸排方向のシリンダヘッド２壁面とシリンダ中心軸のなす角度よりも小さく設定されている。また、角度Δ１は、フロントリア方向のトーチ噴出方向とシリンダ中心軸とのなす角度の最大値Δ２よりも小さく設定されている。これは、本実施形態の主室５の形状がいわゆるペントルーフ形状であるため、上述のような角度に連通路中心軸を設定することで、シリンダヘッド２およびピストン４の壁面にトーチが衝突することを避けるためである。

第１の実施形態による効果について説明する。

前述の通り、通常主室の上方に副室が位置する構成の場合、複数の連通路によって囲まれた隔壁中央部は、伝熱経路が断たれているため熱がたまりやすく、プレイグニッション等の異常燃焼を起こすおそれがある。

しかし、本実施形態では隔壁６ａの中央部を含む所定幅の連通路領域に全ての連通路７を形成し、その両側の隔壁(連通路領域以外の隔壁)を冷却領域として、冷却領域には連通路７を設けない構成としている。隔壁中央部を連通路７で囲むことがないため、冷却水通路等に伝熱することが可能な冷却領域で高い熱伝導特性が得られ、隔壁中央部の熱を良好に逃がすことができる。このことにより、プレイグニッションを効果的に抑制可能となる。

また、複数の連通路(連通路群)は隔壁６ａに略直線上に配置されている。そのため、連通路領域の端の面積(図２の二点鎖線における隔壁６aの断面積)を大きくすることが可能であり、伝熱することができる面積を大きくすることができる。その結果、隔壁中央部の熱がより逃げやすくなり、より良好な熱伝導特性を得ることが可能となる。

特に本実施形態では、連通路７の主室５側の開口部が略直線上に配置されていることで、主室５側の熱を冷却領域に良好に逃がすことができる。そのため、プレイグニッションの原因と考えられる主室５側の隔壁中央部をより効果的に冷却可能となる。

上述のように、本実施形態では冷却領域が冷却水通路に近接するように、連通路領域が設定されている。そのため、冷却領域から冷却水通路に熱が逃げやすくなり、隔壁中央部からの熱伝導がより良好に行われる。

前述の通り、通常吸気方向および排気方向には副室近傍に冷却水通路が配設されず、フロント方向およびリア方向から副室近傍まで冷却水通路が設けられるが、本実施形態では連通路領域を吸排方向に設定している。このことにより、冷却領域が該冷却水通路により近接することができ、隔壁中央部の良好な熱伝導特性を得ることができる。前記特性は連通路領域の配設方向のみで得ることができ、副室形状や噴孔の形状を変更する必要がないため、製造上・コスト上有利である。

また、本実施形態では連通路中心軸の方向を、それぞれの連通路から噴出されるトーチが互いに重ならないように設定している。そのため、主室５内にむらなくトーチを噴出することが可能となり、プレイグニッションを抑制しつつ、主室５内の混合気の着火・燃焼を良好に行うことができる。

なお、主室５はペントルーフ形状である。そのため本実施形態では、シリンダヘッド２およびピストン４の壁面に衝突しないように、かつ、トーチを主室５内に十分に噴出できるように、トーチ噴出方向を設定している。より具体的には連通路群のうち、吸排方向のトーチ噴出方向とシリンダ中心軸とのなす角度の最大値Δ１よりも、吸排方向のシリンダヘッド２の壁面とシリンダ中心軸とのなす角度の方が大きく設定されている。同様に、吸排方向のトーチ噴出方向とシリンダ中心軸とのなす角度の最大値Δ１よりも、フロントリア方向のトーチ噴出方向とシリンダ中心軸とのなす角度の最大値Δ２の方が大きく設定されている。

このことにより、吸排方向、フロントリア方向とも壁面と衝突することなくトーチを噴出することができる。加えて、十分なトーチ到達距離を得ることができ、主室５内に均一なトーチを噴出することができる。そのため、主室５内でより良好な燃焼が行えるとともに、トーチが壁面に衝突することによる冷却損失を防ぐことができる。

また、本実施形態では副室６内に着火手段を有している。そのため、着火時期を制御することが可能となり、燃焼を良好に行うことができるが、本発明では副室６および隔壁に大幅な設計変更が必要ないため、着火手段を副室６内に容易に取付けることができる。ここで、着火手段として火花点火装置を用いれば、設計上・コスト上有利である。このように、副室６内に着火手段を有し、トーチを発生させると主室５および副室６内の温度が上昇し、プレイグが発生しやすい状態になるが、本発明では連通路領域から冷却領域へ熱が逃げるように構成されているため、異常燃焼を抑制することができる。

なお、本実施形態では各連通路の開口部の面積が等しいため、加工上も有利である。

次に第２の実施形態を図５および６に基づいて説明する。但し、内燃機関１の基本的な構成は第１の実施形態と同様であるので、説明は省略する。

図５には本実施形態における連通路を、副室中心軸方向下向き(主室側)から見た様子を示す。本実施形態においても第１の実施形態と同様に、主室５側の開口部の略中心が同一直線上に位置するように、各連通路が形成されている。ここで本実施形態では、排気側に形成された連通路７よりも吸気側に形成された連通路７の方が主室５側の開口部の面積が大きくなっている。

図６には第２の実施形態におけるトーチの形状の概略を示す。上記構成によれば、図６のように連通路の開口部の面積が大きい吸気方向ほど強力なトーチが噴出されることになる。

第２の実施形態による効果について説明する。

高温の排気を排出する排気バルブ１０に比べて、新気との接触・燃料の衝突等により吸気バルブ８は比較的温度が低い。そのため、主室５内で燃焼を行った際に、吸気側は排気側に比べて火炎の進行速度が遅い傾向にある。

しかし本実施形態では、吸気側のトーチの方が排気側のトーチに比べて強力になる。そのため、排気側に比べて火炎の進行速度が遅い吸気側の燃焼を促進することができる。その結果、主室５内の燃焼を均等にすることができ、耐ノック性も向上させることができる。

次に第３の実施形態を図７に基づいて説明する。但し、内燃機関１の基本的な構成は上述の実施形態と同様であるので、説明は省略する。

図７は本実施形態における連通路を、副室中心軸方向下向き(主室側)から見た図である。本実施形態においては、実線で示される主室５側開口部と、破線で示される副室６側開口部との中間部、すなわち各連通路の隔壁厚さ方向における中間部の略中心c１からc６(図７中に黒点で図示)が同一直線上になるように、各連通路が形成されている。各連通路中心軸の方向が、各連通路から噴出されるトーチが重ならないように設定されていることは第１の実施形態と同様である。

第３の実施形態による効果について説明する。

本実施形態では、上述の中間部の略中心c１からc６が同一直線上になるように、各連通路が形成されている。そのため、隔壁６ａの中間部付近の温度を低減することができ、主室５および副室６の温度をバランスよく低下させることができる。そのため、主室５側の隔壁中央部から発生するプレイグニッションはもちろんのこと、副室６側の隔壁中央部から発生するプレイグニッションをも抑制することが可能となる。

また、各連通路の主室５側開口部の位置が、トーチを噴出する方向にずれて形成されることとなるため、各連通路の中心軸の隔壁６ａ厚さ方向への傾きを小さくすることができる。そのため、副室６からのトーチの噴出が隔壁６ａで妨げられることがなく、トーチの噴出をより良好に行うことができる。

なお、本実施形態の連通路群は、上述の第２の実施形態において示したように排気方向に形成された連通路７よりも吸気方向に形成された連通路７の方が主室５側の開口部の面積を大きくする構成であってもよい(図８参照)。

この構成によれば、第３の実施形態の効果に加えて、排気方向に比べて火炎の進行速度が遅い吸気方向の燃焼を促進することができる結果、主室５内の燃焼を均等にすることができ、耐ノック性も向上させることができるという第２の実施形態と同様の効果も得られる。

なお、上述のいずれの実施形態においても燃料噴射弁を吸気ポート内に設ける、いわゆるＭＰＩ方式としているが、筒内に燃料噴射弁を配設する、いわゆる直接噴射方式でも同様の効果を奏することができる。その際、燃料噴射弁は一般的に主室の上方、略中央部に配設されるが、主室の側面に配設してもよい。また、点火手段はグロープラグ等を用いてもよい。

加えて、燃料トーチの勢いを増大させ、主室の燃焼速度をより速めるために、混合気導入以外に別途、副室へ水素等の改質燃料、または、改質ガスを導入する構成であっても同様の効果を奏することができる。

さらに、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなし得る様々な変更、改良が含まれることは言うまでもない。

第１の実施形態における内燃機関の構成図 第１の実施形態における連通路形状を副室中心軸方向下向き(主室側)から見た図 副室と冷却水通路の関係図(a)は副室と冷却水通路の横断面図である。(b)は吸排方向の縦断面図である。(c)はフロントリア方向の縦断面図である。 第１の実施形態におけるトーチ形状の概略図(a)は副室下方から見た副室とトーチの概略図である。(b)は吸排方向から見たトーチ形状の概略図である。(c)はフロントリア方向から見たトーチ形状の概略図である。 第２の実施形態における連通路形状を副室中心軸方向下向き(主室側)から見た図 第２の実施形態におけるトーチ形状の概略図 第３の実施形態における連通路形状を副室中心軸方向下向き(主室側)から見た図 第４の実施形態における連通路形状を副室中心軸方向下向き(主室側)から見た図 従来例の図

符号の説明

１ 内燃機関
２ シリンダヘッド
３ シリンダブロック
４ ピストン
５ 主室
６ 副室
６ａ 隔壁
７ 連通路
８ 吸気バルブ
９ 吸気カム
１０ 排気バルブ
１１ 排気カム
１２ 吸気ポート
１３ 排気ポート
１４ 燃料ポンプ
１５ 燃料配管
１６ 燃料噴射弁
１７ 点火プラグ
１８ ＥＣＵ(エンジンコントロールユニット)

Claims (10)

1. 主たる燃焼室である主室と、該主室と比して容積が小さく前記主室上方に位置する副室と、該副室と前記主室との隔壁に前記主室と前記副室とを連通する複数の連通路からなる連通路群と、を有する副室式内燃機関において、前記連通路群は、前記副室の中心軸方向で見て、前記隔壁中央部を含み隔壁を横断する所定幅の連通路領域内に形成され、前記隔壁の前記連通路領域以外の領域である冷却領域へ前記隔壁中央部の熱を伝熱するようにしたことを特徴とする副室式内燃機関。
2. 前記連通路群は、各連通路の少なくとも一部が、前記副室中心軸方向で見て、同一直線上に位置するように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の副室式内燃機関。
3. 前記連通路群は、各連通路の主室側開口部において、少なくとも該開口部の一部が、前記副室中心軸方向で見て、同一直線上に位置するように設定されていることを特徴とする請求項２に記載の副室式内燃機関。
4. 前記連通路群は、各連通路の隔壁厚さ方向における中間部の少なくとも一部が、前記副室中心軸方向で見て、同一直線上に位置するように設定されていることを特徴とする請求項２に記載の副室式内燃機関。
5. 前記連通路群は、前記冷却領域が冷却水通路に近接するように設定されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の副室式内燃機関。
6. 前記連通路群は、吸排方向に関して略平行となるように設定されていることを特徴とする請求項５に記載の副室式内燃機関。
7. 前記連通路の主室側開口部の面積は、排気側から吸気側に向かって漸次拡大することを特徴とする請求項６に記載の副室式内燃機関。
8. 前記連通路群の各連通路は、噴出されるトーチが互いに重ならないように各連通路の中心軸方向であるトーチ噴出方向が設定されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の副室式内燃機関。
9. 前記主室はペントルーフ形状であり、前記連通路群の連通路のうち、吸排方向の前記トーチ噴出方向と前記シリンダ中心軸とのなす角度の最大値は、吸排方向のシリンダヘッド壁面と前記シリンダ中心軸とのなす角度よりも小さく、かつ、フロントリア方向の前記トーチ噴出角度と前記シリンダ中心軸のなす角度の最大値よりも小さく設定されることを特徴とする請求項８に記載の副室式内燃機関。
10. 前記副室は、混合気に着火する着火手段を有することを特徴とする請求項１から９のいずれか一つに記載の副室式内燃機関。