JP2007297942A - Ignition device for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、副燃焼室を備える内燃機関に関する。 The present invention relates to an internal combustion engine including a sub-combustion chamber.
内燃機関の燃焼性を改善するために、燃焼室(主燃焼室)の他に、前記主燃焼室と噴孔を介して連通する副燃焼室を設け、前記副燃焼室内に点火栓を備えるものが知られている。 In order to improve the combustibility of an internal combustion engine, in addition to a combustion chamber (main combustion chamber), a sub-combustion chamber communicating with the main combustion chamber via an injection hole is provided, and an ignition plug is provided in the sub-combustion chamber It has been known.
例えば、特許文献1に記載の副燃焼室付きの内燃機関では、圧縮行程において、主燃焼室内の混合気が副燃焼室内に導入されて、圧縮上死点近傍で火花点火する。燃焼が開始すると副燃焼室内は急激に圧力が上昇して主燃焼室と副燃焼室とのあいだに圧力差が生じ、副燃焼室内の燃焼ガスが噴孔から主燃焼室内に向けてトーチ状火炎となって噴出する。 For example, in an internal combustion engine with a sub-combustion chamber described in Patent Document 1, an air-fuel mixture in the main combustion chamber is introduced into the sub-combustion chamber and sparks are ignited near the compression top dead center in the compression stroke. When combustion starts, the pressure in the sub-combustion chamber suddenly increases, creating a pressure difference between the main combustion chamber and the sub-combustion chamber, and the combustion gas in the sub-combustion chamber is directed to the main combustion chamber from the nozzle hole. And erupts.
このトーチ状火炎により主燃焼室内の混合気に点火することで、主燃焼室全体として火炎伝播速度は速まり、燃焼性が改善される。また、トーチ状火炎が燃焼室外周付近まで到達すれば、シリンダ壁面での冷却損失等により消炎するおそれのある燃焼室外周付近の混合気を確実に燃焼させることができるので、排気性能の向上やノッキング防止等の効果も得られる。
ところが、特許文献1に記載されている副燃焼室の構成では、主燃焼室と副燃焼室とを連通する噴孔は、主燃焼室側開口部から副燃焼室側開口部まで流路断面が略一定である。このため、燃焼性をより向上させるためには、噴孔の開口面積を小さくすることで燃焼開始時に副燃焼室内の圧力をより上昇させて、トーチ状火炎をより勢いよくかつ遠くまで到達するように噴出させる必要がある。ところが、噴孔の開口面積を小さくすると、圧縮行程時に主燃焼室から副燃焼室へガスが流入しにくくなるため、燃焼開始時の副燃焼室内の圧力が上昇しにくくなり、燃焼性向上の効果が低減されてしまう。また、排気行程においても主燃焼室内のガスによる掃気がされにくくなるので、ガス交換性が悪化して副燃焼室内に既燃ガスが滞留しやすくなり、副燃焼室内の燃焼性が悪化するおそれがある。一方、噴孔の開口面積を大きくすると、副燃焼室内の既燃ガスは排出され易くなるが、燃焼時には副燃焼室内が十分に圧力上昇する前に燃焼ガスが主燃焼室に噴出してしまうので、副燃焼室内の圧力の上昇代が小さくなる。このためトーチ状火炎の到達距離が短くなり燃焼性向上の効果が小さくなる。 However, in the configuration of the sub-combustion chamber described in Patent Document 1, the nozzle hole communicating the main combustion chamber and the sub-combustion chamber has a flow passage cross section from the main combustion chamber side opening to the sub combustion chamber side opening. It is almost constant. For this reason, in order to further improve the combustibility, the pressure in the auxiliary combustion chamber is increased at the start of combustion by reducing the opening area of the nozzle hole so that the torch-like flame reaches more vigorously and far away. It is necessary to erupt. However, if the opening area of the nozzle hole is made smaller, it becomes difficult for gas to flow from the main combustion chamber to the sub-combustion chamber during the compression stroke. Will be reduced. In addition, since it is difficult for the gas in the main combustion chamber to be scavenged in the exhaust stroke, the gas exchange property is deteriorated, and the burned gas tends to stay in the sub-combustion chamber, which may deteriorate the combustibility in the sub-combustion chamber. is there. On the other hand, when the opening area of the nozzle hole is increased, the burned gas in the auxiliary combustion chamber is easily discharged, but during combustion, the combustion gas is injected into the main combustion chamber before the pressure in the auxiliary combustion chamber is sufficiently increased. The increase in the pressure in the auxiliary combustion chamber is reduced. For this reason, the reach distance of the torch-like flame is shortened, and the effect of improving the combustibility is reduced.
すなわち、特許文献1に記載されている副燃焼室の構成では、燃焼性向上の効果が小さい。そこで、本発明では燃焼性をより向上させることを目的とする。 That is, in the structure of the auxiliary combustion chamber described in Patent Document 1, the effect of improving combustibility is small. Accordingly, an object of the present invention is to further improve the combustibility.
本発明の内燃機関の点火装置は、主燃焼室の天井面からシリンダ軸方向下方に向けて突出し、少なくとも一以上の噴孔を介して前記燃焼室と連通する副燃焼室と、中心電極が前記副燃焼室に臨み、かつ前記中心電極と前記副燃焼室の内壁面のいずれかの部分との間で放電する点火栓と、を備え、前記噴孔の燃焼室側開口部を副燃焼室側開口部より開口面積を大きく形成する。 The ignition device for an internal combustion engine of the present invention projects from the ceiling surface of the main combustion chamber downward in the cylinder axial direction, communicates with the combustion chamber through at least one or more injection holes, and a center electrode includes the center electrode. An ignition plug that faces the sub-combustion chamber and discharges between the central electrode and any part of the inner wall surface of the sub-combustion chamber, and the combustion chamber side opening of the nozzle hole is on the side of the sub-combustion chamber The opening area is formed larger than the opening.
本発明によれば、主燃焼室側の方が副燃焼室側よりも開口面積が大きいので、主燃焼室から副燃焼室へガスが流入し易く、かつ、燃焼開始後は副燃焼室内の圧力が上昇するまで燃焼ガスが噴出しにくくなる。これにより、副燃焼室内の圧力上昇代が大きくなり、トーチ状の火炎の到達距離が長くなるので、燃焼性をより向上させることができる。 According to the present invention, since the opening area on the main combustion chamber side is larger than that on the sub-combustion chamber side, gas easily flows from the main combustion chamber to the sub-combustion chamber, and the pressure in the sub-combustion chamber after starting combustion It becomes difficult for the combustion gas to be ejected until the temperature rises. Thereby, the pressure increase margin in the sub-combustion chamber is increased, and the reach distance of the torch-like flame is increased, so that the combustibility can be further improved.
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は本実施形態を適用する内燃機関の概略構成図である。1はエンジン本体(以下、単に「エンジン」という)、2は吸気通路、3は排気通路、4は吸気バルブ、5は排気バルブ、6は吸気カムシャフト、7は排気カムシャフト、8は点火栓、9は燃焼噴射弁、10はピストン、11はドーム部、12は燃焼室(主燃焼室)、13はスワールコントロールバルブ(以下、SCVという)、15はドーム部11の内部に形成される副燃焼室である。なお、エンジン1は気筒当り吸気バルブ4、排気バルブ5をそれぞれ2つ備えるものとする。したがって、吸気通路2、排気通路3は、それぞれ途中で分岐、合流している。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an internal combustion engine to which the present embodiment is applied. 1 is an engine body (hereinafter simply referred to as “engine”), 2 is an intake passage, 3 is an exhaust passage, 4 is an intake valve, 5 is an exhaust valve, 6 is an intake camshaft, 7 is an exhaust camshaft, and 8 is a spark plug , 9 is a combustion injection valve, 10 is a piston, 11 is a dome portion, 12 is a combustion chamber (main combustion chamber), 13 is a swirl control valve (hereinafter referred to as SCV), and 15 is a sub-portion formed inside the
上述したような構成のエンジン1では、例えば、排気行程中に燃焼噴射弁9から吸気通路2に向けて燃焼が噴射され、この燃料は吸気行程中に空気と混合しながら燃焼室12内に導入され、混合気を形成する。燃焼室12の混合気は、圧縮行程中に噴孔11aを介してドーム部11の内部の副燃焼室15に導入される。そして、ピストン10が圧縮上死点近傍に到達したときに点火栓8によって火花点火されて燃焼を開始する。燃焼開始とともに、燃焼ガスの膨張によって副燃焼室15は圧力が上昇し、燃焼ガスが噴孔11aから主燃焼室12に向けてトーチ状の火炎となって噴出する。排気行程では、一般的なエンジンと同様にピストン10が上昇がすることによって排気通路へ排気が排出される。このとき、ドーム部11内部の既燃ガスも噴孔11aを介して排出される。ここで、ドーム部11内の副燃焼室15での燃焼を初期燃焼、主燃焼室12内での燃焼を主燃焼と呼ぶこととする。
In the engine 1 configured as described above, for example, combustion is injected from the combustion injection valve 9 toward the
SCV13は、分岐した吸気通路2のいずれか一方に設けられ、流路断面積を調整することができるよう構成されている。その作動は図示しないコントロールユニットによって運転条件に応じて制御される。例えば、冷機始動時のように燃焼が安定しない運転条件や、低負荷運転時のように燃焼速度が低い運転条件下において、吸気通路2の流路断面積を絞ることでSCV13を設けない吸気通路2と流量差を設け、これにより主燃焼室12内部にスワール流動を生成させる。
The
なお、SCV13に替えて、タンブル流動を生成させるためのタンブルコントロールバルブを備えるようにしてもよい。
Note that a tumble control valve for generating a tumble flow may be provided instead of the
次に、ドーム部11について説明する。
Next, the
図2は図1のドーム部11周辺を拡大した図である。図に示すように、ドーム部11は点火栓8の燃焼室天井面14からの突出部分を覆うように形成されており、主燃焼室12とドーム部11内部の副燃焼室15とを連通する噴孔11aを複数備える。また、ドーム部11は接地電極としての役割も果たす。噴孔11aは、トーチ状の火炎が図中に矢印で示したように燃焼室12内へ放射状に広がるように、かつ点火栓8の中心電極8aからの距離が略同等となるように配置する。なお、各噴孔11aの開口面積はすべて略同等とする。なお、点火栓8はいわゆる側方電極を備えず、後述するようにドーム部11内壁との間で放電を行うものである。
FIG. 2 is an enlarged view of the periphery of the
このように点火栓8を覆うようにドーム部11を形成することによって、スワール流動を生成した場合にも、点火栓8の中心電極8a近傍はスワール流動の影響を受けにくくなる。これにより、点火時に火炎がスワール流動によって吹き消されることを防止し、主燃焼の安定化を図ることができる。なお、噴孔11aは必ずしも複数設ける必要はない。
By forming the
図3はドーム部11の別の例を示す図である。基本的には図2と同様の構成であるが、ドーム部11内壁の、中心電極8aの軸方向延長線上の部分に突起部16を設ける。突起部16はドーム部11内壁から突出しているので、中心電極8aから放電した場合に接地電極となる。このように接地電極として突起部16を設けることで、火花をより安定して発生させることが可能となり、主燃焼のさらなる安定化を図ることができる。
FIG. 3 is a diagram showing another example of the
図4はドーム部11のさらに別の例を示す図である。噴孔11aの配置は図2、図3と同様であるが、複数の噴孔11aのうちの一部を、開口面積の異なる噴孔11aとする点が異なる。例えば、ドーム部11の下端側に配置する噴孔11aの開口面積を、それより上部に配置する噴孔11aの開口面積よりも大きくする。
FIG. 4 is a view showing still another example of the
このような構成にすると、例えば排気行程において、ピストン10の上昇に伴って燃焼室12からドーム11内部へ既燃ガスが流入する際に、開口面積の大きな噴孔11aから流入しやすくなる。そして、開口面積の大きな噴孔11aから多くのガスが流入してドーム11内部の圧力が上昇すると、開口面積の小さな噴孔11aからはドーム11内部に流入しにくくなり、ドーム11内部と燃焼室12との圧力差によって、ドーム11内部から燃焼室12へガスが流出することとなる。このように、開口面積の大きな噴孔11aから流入して開口面積の小さい噴孔11aから流出するというガスの流れが生成されることでドーム11内と燃焼室12とのガス交換性が向上するので、ドーム11内に滞留する既燃ガス量を抑制することができ、より安定した初期火炎を得ることができる。
With such a configuration, for example, in the exhaust stroke, when the burned gas flows from the
なお、開口面積の異なる噴孔11aの分布のさせ方は上記のものに限らない。
The method of distributing the
図5はドーム部11の別の例を示す図である。図5において、点火栓8を含み気筒列方向に延びる断面で燃焼室12を二分し、一方を吸気弁6側、他方を排気弁7側とする。噴孔11aは火炎が前記吸気弁6側方向に噴出するように設ける。燃焼室12内の温度は、吸気弁6側の方が排気弁7側よりも相対的に低い。これは、排気弁7が排気通路3から排出される燃焼後の高温のガスによって暖められるのに対して、吸気弁6は膨張行程で高温のガスに曝された後に、吸気行程において吸気通路2から流入する吸入空気によって冷却されるためである。このような燃焼室12内の温度分布により、火炎の伝播速度にも差が生じ、吸気弁6側は排気弁7側と比較して相対的に燃焼速度が遅くなる。そこで、図5に示すようにトーチ状の火炎を吸気弁6側に向けて噴出させることにより、吸気弁6側の燃焼速度が上昇して燃焼室12内の燃焼速度の勾配が低減され、燃焼の安定性が向上する。なお、図5には噴孔11aを一つだけ示したが、トーチ状の火炎が点火栓8よりも吸気弁6側に向けて噴出するのであれば、複数の噴孔11aを設けても構わない。
FIG. 5 is a diagram showing another example of the
図6はドーム部11の別の例を示す図である。ここでは、トーチ状の火炎が燃焼室天井面14付近を燃焼室天井面14の傾斜に沿って噴出するように噴孔11aを設ける。一般的な火花点火によって燃焼室12の中央部から火炎伝播させる場合には、燃焼室天井面14付近での冷却損失により、伝播途中で火炎が消炎するおそれがある。また、ピストン10の冠面でも同様に冷却損失によって火炎が消炎するおそれがある。このように火炎が伝播途中で消炎すると、燃焼室12の外周近傍では混合気が燃焼せず、未燃HCを排出する原因となる。ところが、図6に示すようにトーチ状の火炎を燃焼室天井面14に沿うように噴出させると、燃焼室12の外周近傍まで火炎が到達するので、未燃HCの排出を抑制することができる。
FIG. 6 is a diagram showing another example of the
次に、上述したドーム部11に設ける噴孔11aについて図を用いて説明する。
Next, the
図7は噴孔11aの一例を示す図であり、ドーム部11の噴孔11a部分の断面図である。図7に示すように、噴孔11aはドーム部11内面から外面に向けて流路断面積が徐々に拡大する形状、いわゆるオリフィス状になっている。すなわち、燃焼室12側の開口部11cが副燃焼室15側の開口部11bよりも大きく、両開口部が円錐面でつながっている。
FIG. 7 is a view showing an example of the
なお、本実施形態では、噴孔11aの流路断面形状は略円形とするが、これに限られるわけではない。
In addition, in this embodiment, although the flow-path cross-sectional shape of the
噴孔11aを上記のようなオリフィス状にすると、混合気が燃焼室12側から副燃焼室15方向へ流れる際には、噴孔11a通過時の損失係数が小さくなる。したがって、混合気が副燃焼室15に速やかに流入する。そして、副燃焼室15側から燃焼室12方向へ流れる際にも、より速やかに流れることとなる。したがって、エンジン1の圧縮行程時の燃焼室12と副燃焼室15との間のガス交換性が向上する。
When the
また、副燃焼室15側の開口部11bの開口面積が相対的に小さいので、燃焼開始直後の圧力が十分に高くなっていない状態では、噴孔11aから燃焼ガスが噴出し難い。したがって燃焼室15内部の圧力が上昇し易くなり、圧力が高まったときに燃焼ガスがトーチ状の火炎となって勢い良く噴出することとなる。
Further, since the opening area of the
これらにより、副燃焼室15内の燃焼及び燃焼室12内での主燃焼を安定化させ、かつ燃焼速度を上昇させることができる。また、主燃焼が安定することにより、点火時期を遅角量を大きくすることができるので、エンジン1の燃焼性を確保しつつ、冷機始動時等の後燃え効果によるエミッションの排出を大幅に削減することができる。
Thus, the combustion in the
図8は噴孔11aの別の例を示す図である。図に示すように、燃焼室12側の開口部11c方が副燃焼室15側の開口部11bより開口面積が大きく、かつ、中間に流路断面を燃焼室側の開口部11bよりも絞った絞り部分20を備える。副燃焼室15側の開口部11bから絞り部分20の副燃焼室15側の端部まで、及び燃焼室12側の開口部から絞り部分20の燃焼室12側の端部までは、それぞれ絞り部分20に向けて流路が徐々に絞られている。
FIG. 8 is a view showing another example of the
このような形状にすると、絞り部分20による整流効果が得られるので、噴孔11aから噴出する火炎を図7に示した形状と比較してさらに安定化させることができる。
With such a shape, a rectifying effect by the
図9(a)は噴孔11aの別の例を示す図である。図に示すように、ドーム部11内面から外面に向けて、所定深さだけ流路断面積一定のザグリ穴21を設け、ザグリ穴21の底面21aとドーム部11外面との間を、図7と同様に徐々に流路断面積が拡がる構成とする。なお、図9(a)では、ザグリ穴21の径と燃焼室12側開口部の径が略同等となっているが、これに限られるわけではない。
Fig.9 (a) is a figure which shows another example of the
このような形状にすると、図9(b)に示すように、着火直後の燃焼ガスの一部はザグリ穴21の底面21aに衝突して、噴孔11aの中心方向に旋回する。この旋回流によって噴孔11aは塞がれ、噴孔11aからの燃焼ガスの噴出が妨げられる。したがって、図7、図8に示した形状と比較してドーム部11内の副燃焼室15の圧力をより上昇させることができ、圧力が高まった状態で噴孔11aから燃焼ガスをトーチ状の火炎として噴出させることができる。これにより、噴孔11aから噴出する火炎をさらに安定化させ、かつ遠くまで飛散させることが可能となるので、主燃焼のさらなる安定化、及び燃焼速度の上昇を図ることができる。
If it makes such a shape, as shown in FIG.9 (b), a part of combustion gas immediately after ignition will collide with the
図10は、噴孔11aの別の例を示す図である。基本的には図9に示した噴孔11aと同様であるが、燃焼室12側からザグリ穴21の底面21aまでの間を漏斗状にしたものである。
FIG. 10 is a diagram illustrating another example of the
このような形状にすると、図9に示した噴孔11aと同様の効果に加え、さらに、火炎が噴出する際に、火炎が噴孔11a壁面から滑らかに剥離するようになり、火炎をより遠くまで飛散させることが可能となるので、主燃焼のさらなる安定化、及び燃焼速度の上昇を図ることができる。
With such a shape, in addition to the same effect as the
図7から図10に示した噴孔11aは、図2から図6に示したドーム部11のいずれと組み合わせてもよい。
The
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and it goes without saying that various modifications can be made within the scope of the technical idea described in the claims.
1 エンジン
2 吸気通路
3 排気通路
4 吸気弁
5 排気弁
6 吸気カムシャフト
7 排気カムシャフト
8 点火栓
9 燃料噴射弁
10 ピストン
11 ドーム部
12 燃焼室
13 スワールコントロールバルブ(SCV)
14 燃焼室天井面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
14 Combustion chamber ceiling
Claims (12)
中心電極が前記副燃焼室に臨み、かつ前記中心電極と前記副燃焼室の内壁面のいずれかの部分との間で放電する点火栓と、
を備え、
前記噴孔の主燃焼室側開口部を副燃焼室側開口部より開口面積を大きく形成することを特徴とする内燃機関の点火装置。 A sub-combustion chamber that projects downward from the ceiling surface of the main combustion chamber in the cylinder axial direction and communicates with the combustion chamber via at least one nozzle hole;
A spark plug that discharges between the center electrode and any part of the inner wall surface of the sub-combustion chamber, with the center electrode facing the sub-combustion chamber;
With
An ignition device for an internal combustion engine, wherein an opening area of a main combustion chamber side opening of the nozzle hole is formed larger than that of an auxiliary combustion chamber side opening.
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