JP2007327473A - 内燃機関の燃焼室 - Google Patents

Abstract

【課題】多点点火式内燃機関におけるノッキングの発生を抑制する。
【解決手段】吸、排気弁３、５をそれぞれ複数有し、吸気弁３および排気弁５に包囲された燃焼室中央領域に第１の点火栓１１を、第１の点火栓１１に関して略対称位置となるクランク軸方向の燃焼室周辺領域にそれぞれ第２、第３の点火栓１２、１３をそれぞれ配置し、第１から第３の点火栓１１〜１３を略同時期に点火させるよう構成した内燃機関において、燃焼室８の吸気側の領域に、燃焼室天井面８ａもしくはピストン７の冠面に設けたスキッシュ部６とこれに対向するピストン冠面もしくは燃焼室天井面８ａとで形成されるスキッシュエリア６ｃを備え、スキッシュ部６ｃは、燃焼室中央側の端部に、隣り合う点火栓から発した火炎同士が合体するのと略同時または合体する以前に各点火栓１１〜１３から発した火炎と衝突する部分６ｂを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、火花点火式内燃機関の燃焼室形状に関し、特に、ノッキングの発生を抑制するための形状に関する。

従来から、燃焼室内のガス流動を強めることで燃焼速度を高めて、燃焼効率の向上を図る技術が知られている。

ところが、燃焼速度を高めると、比較的低温となる吸気側の燃焼室周縁部において、未燃混合気が火炎伝播前に圧縮自己着火してノッキングを発生するおそれがある。

この問題を解決するために、特許文献１では、燃焼室内にタンブル流動を生成することで燃焼室全体の燃焼速度を高めるとともに、膨張行程初期に速やかに逆スキッシュ流を生成させてエンドガスゾーンの燃焼速度を高め、エンドガスゾーンの未燃混合気の圧縮自己着火を防止している。
特開２００１−１５９３１５号公報

ところで、燃焼速度を高める手段としては、複数の点火栓を設ける、いわゆる多点点火が知られている。

特許文献１では、点火栓を２つ備えるエンジンにも適用可能である旨記載されているが、出願人らの研究によれば、点火栓の数を増やして燃焼速度を高めると燃焼室内の圧力上昇が急峻になるため、エンドガスゾーンでの未燃混合気の圧縮も早くなって圧縮自己着火しやすくなり、ノック限界が低くなることがわかった。

そこで、本発明では、多点点火式の内燃機関において、燃焼速度を高めながらもノッキングの発生を抑制することを目的とする。

本発明の内燃機関の燃焼室は、燃焼室に吸気弁と排気弁とをそれぞれ複数配置し、前記吸気弁および排気弁に包囲された燃焼室中央領域に第１の点火栓を設けると共に、前記第１の点火栓に関して略対称位置となるクランク軸方向の燃焼室周辺領域にそれぞれ第２、第３の点火栓を配置し、前記第１から第３の点火栓を略同時期に点火させるよう構成した内燃機関において、前記３つの点火栓の中心電極を通る線に対して吸気弁を配置した側を吸気側、と定義したときに、前記吸気側の領域に、前記燃焼室もしくはピストンに設けたスキッシュ部とこれに対向するピストン冠面もしくは燃焼室天井面とで形成されるスキッシュエリアを備え、前記スキッシュ部は、燃焼室中央側の端部に、隣り合う点火栓から発した火炎同士が合体するのと略同時または合体する以前に各点火栓から発した火炎と衝突する部分を有する。

本発明によれば、吸気側のエンドガスゾーンにある未燃混合気は、ピストンが上死点に近づいたときにスキッシュ流によって燃焼室中央方向に押し出される。また、各点火栓から発した火炎が隣り合う点火栓から発した火炎と合体するのと略同時またはそれ以前にスキッシュ部の中央側端部と衝突する程度の広範囲にわたってスキッシュエリアを設けたので、隣り合う点火栓から発した火炎同士が合体することによって燃焼圧が急激に増大したときに、エンドガスゾーンに未燃混合気はほとんど存在しない。したがって、局所的に圧縮されて自己着火することもない。また、３つの点火栓を略同時に点火することによって燃焼速度が高くなるので、ピストンが下降してスキッシュエリアがピストン軸方向に拡がり、エンドガスゾーンに未燃混合気が流入する前に燃焼期間を終了させることができる。

これらにより、燃焼速度を高めつつノッキングの発生を抑制することができる。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は第１実施形態を適用可能なエンジンの概略構成図であり、図２は図１のＡ−Ａ矢視図である。１は複数の気筒を主軸方向に配設した気筒列を有する多気筒内燃機関の本体、２はその吸気通路、２ａおよび２ｂは吸入ポート部、３は吸気弁、４は排気通路、４ａ及び４ｂは排気ポート部、５は排気弁、６はスキッシュ部、７はピストン、８は燃焼室、９〜１１は点火栓である。

エンジン１は、吸気弁３、排気弁５を気筒ごとにそれぞれ２本ずつ備える４弁式であり、吸気通路４は２つの吸入ポート部２ａ、２ｂに分岐し、それぞれ吸気弁３により開閉される。また、２つの排気ポート部４ａ、４ｂが合流して排気通路４となっており、排気ポート部４ａ、４ｂはそれぞれ排気弁５により開閉される。

図２に前記３個の点火栓９〜１１の配置の詳細を示す。３個の点火栓のうち、中央に位置する第１の点火栓９は、前記都合４個の吸気弁３又は排気弁５に包囲された燃焼室８の中央領域に位置する。これに対して、第２、第３の点火栓１０、１１は、前記第１の点火栓９に関し略対称位置となる吸気弁３及び排気弁５の両側方の燃焼室８の周辺領域に位置する。すなわち、第２、第３の点火栓１０、１１は第１の点火栓９に関して略対称位置となるクランク軸方向の燃焼室周辺領域に配置される（クランク軸は線Ｇと略平行になっている）。ここで、第１の点火栓９の中心電極９ｇと第２の点火栓１０の中心電極１０ｇとの間隔及び第１の点火栓９の中心電極９ｇと第３の点火栓１１の中心電極１１ｇとの間隔は略同等であり、その距離をｄとする。なお、シリンダヘッド１ａ側の燃焼室形状は、各点火栓９〜１１のそれぞれの中心電極部９ｇ〜１１ｇを通る線の付近を稜線とするいわゆるペントルーフ形である。

スキッシュ部６は、詳細については後述するが、ピストン７が上死点に位置するときに、その下面６ａがピストン７の頂部の対応する領域と所定のほぼ均等な間隔をもって近接することによってスキッシュエリア６ｃを形成するように、燃焼室天井面８ａから突出するように形成する。

上記のような構成において、排気行程中に、吸気通路２に臨むように設けた図示しない燃料噴射弁から吸入ポート２ａ、２ｂに向けて燃料噴射し、圧縮行程においてピストン７が上死点付近まで上昇したときに３つの点火栓９〜１１を略同時に点火させるものとする。

ここで、スキッシュ部６の形状について詳細に説明する。図１中の破線で示した円は燃焼火炎が隣り合う点火栓から発した火炎同士が合体するまで、すなわち半径がｄ／２になるまで発達したときの火炎面を表している。また、図２中の実線Ｇは、３つの中心電極９ｇ〜１１ｇを通る直線を表している。

スキッシュ部６は、吸入ポート部２ａ、２ｂの開口部分を除き、直線Ｇに最も近い部分である傾斜面６ｂと中心電極９ｇ〜１１ｇとの最短距離が略ｄ／２以下となるように形成する。なお、傾斜面６ｂは、図１に示した断面図において、中心電極９ｇ〜１１ｇを中心として描いた半径ｄ／２の円と重なるように円弧状に形成してもよい。

次に、中心電極９ｇ〜１１ｇと傾斜面６ｂとの間隔を略ｄ／２としたことについて説明する。点火開始とともに、３つの中心電極９ｇ〜１１ｇから発した燃焼火炎は放射状に拡がる。そして所定時間経過後には、隣り合う中心電極から発した燃焼火炎の火炎面が合体する。隣り合う火炎面が合体することにより燃焼圧は高まり、燃焼圧の高まった燃焼火炎が燃焼室８周縁部に向けて拡がることで未燃混合気をより強く圧縮し始める。このときエンドガスゾーンに未燃混合気が存在すると、局所的に圧縮されることによって自己着火し易くなる。

そこで、スキッシュ部６を、吸入ポート部２ａ、２ｂの開口部分を除き、直線Ｇに最も近い部分である傾斜面６ｂと中心電極９ｇ〜１１ｇとの最短距離が略ｄ／２以下となるように形成することによって、隣り合う中心電極から発した燃焼火炎同士が合体した後の燃焼火炎がエンドガスゾーンへ進入し難くし、また、未燃混合気が２つの吸入ポート部２ａ、２ｂの開口部付近の領域に分割されて局所的に圧縮され難くし、結果としてノッキングの発生を抑制する。

上記のようにノッキングの発生を抑制が可能になると、点火時期をより進角させることができる。図５は、本実施形態と従来の３点点火と一点点火についてノック強度と点火時期との関係を表す図である。図中の波線は許容し得るノック強度を表すトレースラインであり、トレースライン上のノック強度となるときの点火時期をノック限界点火時期という。図に示すように、従来の３点点火のノック限界点火時期ＩＴ１は１点点火のノック限界点火時期ＩＴ２に比べて遅角側になる。これは、前述したように燃焼速度が高すぎるためにエンドガスゾーンの未燃混合気が急激に圧縮され、却って自己着火しやすくなるためである。これらに比べて、スキッシュ部６を上記のように形成した本実施形態の３点点火では、ノッキングの発生が抑制されるため、ノック限界点火時期ＩＴ３が一点点火のノック限界点火時期ＩＴ２よりも進角側になる。すなわち、点火時期をより進角させることが可能となる。

点火時期はエンジン１の出力（発生トルク）と図６に示すような関係がある。図６は縦軸にエンジン１の発生トルク、横軸に点火時期をとり、図５と同様に従来の３点点火、１点点火、本実施形態の３点点火について表した図である。図に示すように、点火時期が同等の場合は、３点点火の方が１点点火よりも発生するトルクが高くなる。これは３点点火の方が燃焼速度が高いために等容度の高い燃焼が可能となるからである。しかしながら、従来の３点点火ではノック限界点火時期ＩＴ１が１点点火よりも遅角側であるため、３点点火にすることによる効果が小さかった。ところが、本実施形態ではノック限界点火時期ＩＴ３が１点点火よりもさらに進角側なので、従来の３点点火よりもさらに発生トルクの向上を図ることが可能になる。

以上により本実施形態では、スキッシュ部６の燃焼室中央側の端部である傾斜面６ｂが、隣り合う点火栓から発した火炎同士が合体するのと略同時に、各点火栓１１〜１３から発した火炎と衝突するように、すなわち、吸入ポート部２ａ、２ｂの開口部分を除き、直線Ｇに最も近い部分である傾斜面６ｂと中心電極９ｇ〜１１ｇとの最短距離が略ｄ／２以下となるようにスキッシュ部６を形成したので、隣り合う中心電極から発した燃焼火炎同士が合体した後の燃焼火炎がエンドガスゾーンへ進入し難く、また、未燃混合気が２つの吸入ポート部２ａ、２ｂの開口部付近の領域に分割されて局所的に圧縮され難くなり、結果としてノッキングの発生を抑制することができる。

そして、ノッキングの発生が抑制されることにより点火時期の進角が可能となり、エンジン１の出力向上を図ることができる。また、ノッキングが発生し難くなることにより、エンジン１の圧縮比を高めることが可能となるので、出力を更に向上させ、かつ燃費性能も向上させることができる。

なお、図１ではピストン７の頂部が平坦であるが、スキッシュ部６の下面６ａとの間でスキッシュエリア６ｃを形成するのであればこれに限られるわけではなく、例えば、ペントルーフ形の天井面８ａに合わせて中央部分が盛りあがった形状であっても構わない。

第２実施形態について説明する。

図３及び図４はそれぞれ図１及び図２と同様にエンジンの概略構成図及びＡ−Ａ矢視図を表す。なお、図４の斜線領域は、後述するピストン７頂部の盛り上がった部分を燃焼室天井面８ａに投影したものである。

本実施形態は、スキッシュ部６をピストン７の頂部の吸気側部分を盛り上げることにより形成する。

ここで、ピストン７頂部の形状について説明する。中心電極９ｇ〜１１ｇを通る線を線Ｇ、線Ｇに平行かつ線Ｇからの距離がｄ／２の線を線Ｄと定義すると、ピストン７の吸気側端部（図３中のピストン７左端）から線Ｄまでの領域は、ピストン７が上死点位置のときにピストン７頂部と燃焼室天井面８ａとの隙間がほとんどなくなる程度に近接するように、燃焼室天井面８ａの傾斜に合わせて盛り上がり、スキッシュ部６を形成する。そして、線Ｄからピストン７の略中央部までの領域は、ピストン７が上死点位置のときに、線Ｇを中心軸とする半径ｄ／２の円筒面を含むような半円筒型の凹形状となっている。ピストン７頂部の略中央部から排気側端部（図３中右端）までは、前記半円筒型の凹形状と滑らかに接続し、かつ前記接続部から排気側端部に向けて徐々に盛り上がっている。なお、略中央部から排気側端部までは、第１実施形態と同様に平坦であっても構わない。

上記のような構成にすることにより、第１実施形態と同様に、各点火栓９〜１１から発した燃焼火炎が、合体した後エンドガスゾーンに侵入し難くなる。また、第１実施形態とは異なり、吸入ポート部２ａ、２ｂの開口部分もスキッシュエリア６ｃとなっているので、圧縮上死点付近ではエンドガスゾーンに未燃混合気がほとんどなくなる。これらにより、ノッキングの発生を抑制することができる。

なお、本実施形態では３つの点火栓９〜１１を略同時に点火させることで燃焼速度が著しく高くなっており、ピストン７が上死点近傍にある間に燃焼期間が終了する。このため、ピストン７が上死点通過後に下降し始めて、燃焼室天井面８ａとピストン７頂部との間隔が拡がったときには、燃焼室内には未燃混合気がほとんどなくなっており、圧縮自己着火が起こりえない。

以上のように、本実施形態では第１実施形態と同様にノッキングを発生し難くすることができるので、点火時期の進角や圧縮比の増大等により、エンジン１の出力向上や燃費性能の向上を図ることができる。

また、ピストン７の頂部に線Ｇを中心軸とする半径ｄ／２の円筒面を含むような半円筒型の凹形状を設けたので、隣り合う点火栓から発した燃焼火炎が合体するまでの、燃焼期間の初期から中期にかけて、燃焼火炎がピストン７頂部に衝突することを防止できる。これによりピストン頂部での冷却損失を低減することができる。

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。

第１実施形態を適用するエンジンの概略構成図である。 図１のＡ−Ａ矢視図である。 第２実施形態を適用するエンジンの概略構成図である。 図３のＡ−Ａ矢視図である。 ノック強度と点火時期との関係を表す図である。 エンジンの発生トルクと点火時期との関係を表す図である。

符号の説明

１ エンジン本体
２ 吸気通路
３ 吸気弁
４ 排気通路
５ 排気弁
６ スキッシュ部
７ ピストン
８ 燃焼室
９ 第１の点火栓
１０ 第２の点火栓
１１ 第３の点火栓

Claims (4)

1. 燃焼室に吸気弁と排気弁とをそれぞれ複数配置し、前記吸気弁および排気弁に包囲された燃焼室中央領域に第１の点火栓を設けると共に、前記第１の点火栓に関して略対称位置となるクランク軸方向の燃焼室周辺領域にそれぞれ第２、第３の点火栓を配置し、前記第１から第３の点火栓を略同時期に点火させるよう構成した内燃機関において、
   前記３つの点火栓の中心電極を通る線に対して吸気弁を配置した側を吸気側、と定義したときに、
   前記吸気側の領域に、前記燃焼室もしくはピストンに設けたスキッシュ部とこれに対向するピストン冠面もしくは燃焼室天井面とで形成されるスキッシュエリアを備え、
   前記スキッシュ部は、燃焼室中央側の端部に、隣り合う点火栓から発した火炎同士が合体するのと略同時または合体する以前に各点火栓から発した火炎と衝突する部分を有することを特徴とする内燃機関。
2. 前記スキッシュエリアは、燃焼室天井面からピストン軸線方向に突出したスキッシュ部と、ピストン冠面の前記スキッシュ部に対向する部分とで形成することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記スキッシュエリアは、ピストン冠面をピストン軸線方向に突出させて形成したスキッシュ部と、燃焼室天井面および吸気弁の前記スキッシュ部に対向する部分とで形成することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
4. 前記第１の点火栓と第２、第３の点火栓との間隔をそれぞれｄと定義したときに、
   前記スキッシュエリアの中央側の端部を結んだ線と前記各点火栓の中心電極部を通る線との距離が略ｄ／２以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の内燃機関。