JP2009215973A - 副室式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】トーチ火炎がピストン冠面やシリンダヘッド等へ衝突するのを抑制して、冷却損失を低減することができる副室式内燃機関を提供する。
【解決手段】副室１２は、シリンダ軸方向と直交する面内の一方向に長く延びて形成され、連通路１３ａ，１３ｂは、トーチ状の火炎をシリンダヘッド１とピストン３との間に噴出させるような状態で、副室１２の長手方向に複数並んで形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、主たる燃焼室である主室と、該主室と連通路を介して相互にガス交換可能な副室と、で燃焼室を構成し、副室内での着火により連通路から主室へトーチ火炎を噴出させて、主室の混合気を燃焼させる副室式内燃機関に関し、特に、冷却損失を低減する技術に関する。

副室式内燃機関として特許文献１に記載のものでは、主室と副室とで燃焼室を構成し、副室内での点火栓による混合気への着火により、副室から連通路を介して主室へトーチ火炎を噴出させて、主室の混合気を燃焼させている。

これにより、燃焼速度を増大させて機関負荷の増大を図ると共に、リーン限界を拡大させて燃費の向上を図っている。
特開平７−２５９５６３号公報

しかしながら、特許文献１に記載のものでは、トーチ火炎がピストン冠面やシリンダヘッド等に強く衝突するため、冷却損失が増大し、燃費を十分に向上できない。
本発明は、以上のような従来の問題点に鑑みてなされたものであり、トーチ火炎がピストン冠面やシリンダヘッド等へ衝突するのを抑制して、冷却損失を低減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。

このため本発明では、副室は、シリンダ軸方向と直交する面内の一方向に長く延びて形成され、連通路は、トーチ状の火炎を前記シリンダヘッドとピストンとの間に噴出させるような状態で、副室の長手方向に複数並んで形成されている。

以上の構成によって、トーチ火炎を、シリンダヘッドと平行、又はピストン冠面と平行、或いはシリンダヘッド及びピストン冠面の双方と平行、に連通路から噴出可能となるため、トーチ火炎がシリンダヘッド及びピストン冠面へ衝突するのを抑制でき、シリンダヘッド及びピストンからの冷却損失を低減することができる。

以下、本発明の第１実施形態について説明する。
図１（ａ），（ｂ）に示すように、シリンダヘッド１と、シリンダブロック２と、ピストン３と、によって燃焼室４が形成されている。

燃焼室４は、主たる燃焼室である主室４ａと、主室４ａより容積が小さい副室１２と、で構成されている。
主室４ａは、吸排方向の略中央部で傾斜面が交わるペントルーフ形状で、吸気弁５を介して吸気ポート６と連通し、排気弁７を介して排気ポート８と連通している。

副室１２は、車両のフロント-リヤ方向（シリンダ軸方向及び吸排方向に対して直交する方向）に長く延びた状態で、シリンダヘッド１側の略中央に主室４ａと隣接して設けられている。即ち、副室１２は、ペントルーフの傾斜面の交線に沿って配設されている。

吸気弁５，排気弁７は、夫々、吸気弁用カム９，排気弁用カム１０によって開閉駆動される。
なお、吸気弁５は、リフト量を変更可能な可変動弁機構（図示せず）を備えている。

吸気ポート６には、吸気ポート６内へ燃料（ガソリン）を噴射して混合気を形成する燃料噴射弁１６が設けられている。なお、燃料噴射弁１６は、主室４ａ内へ直接燃料を噴射するように構成することもできる。

主室４ａと副室１２との間の隔壁１４には、吸気ポート６側に複数の連通路１３ａが設けられ、排気ポート８側に複数の連通路１３ｂが設けられている。
これら連通路１３ａ，１３ｂは、主室４ａと副室１２とをガス交換可能に連通しており、副室１２の長手方向に並びつつ、シリンダ軸方向から見て吸排方向を指向して形成されている。

詳細には、吸気側の各連通路１３ａと排気側の各連通路１３ｂとは、図２（ａ）に示すように、副室１２の長手方向について互いに異なる位置に配設されている。
また、副室１２の長手方向の略中央部（連通路１３ａ，１３ｂの位置と干渉しない部分とする）は、該長手方向と直交する平面で切断した際の断面積が他の部分よりも大きい容積部１２ａで形成され、この容積部１２ａ内には点火栓１１の電極が臨んでいる。このように、副室１２における前記電極の配設位置付近のみを、容積部１２ａとして膨らませればよい。

このような構成により、副室１２は、容積部１２ａとして膨らませる箇所が各吸気弁５のバルブヘッド中心から遠い長手方向の略中央部に限定され、容積部１２ａを挟んだ両側部分は小型化できるため、吸気弁５のバルブヘッドの径を十分に大きく構成可能となり、吸入空気量を十分に確保して機関負荷を十分に確保することが可能となっている。

なお、副室１２の長手方向両端部の位置は、例えば図２（ａ）では、フロント-リヤ方向について、２つの吸気弁５のバルブヘッドの各中心位置より内方に位置させれば、吸気弁５のバルブヘッドと隔壁１４との干渉は確実に回避可能となる。

燃料噴射弁１６の燃料噴射制御、点火栓１１の点火時期制御、及び前記可変動弁機構による吸気弁のリフト量の制御などは、エンジンコントロールユニット（図示せず）からの信号に基づいて行われる。

かかる構成において、吸気行程では、吸気弁５の開弁により、吸気が、吸気ポート６から主室４ａへ、燃料噴射弁１６から噴射された燃料と共に吸入され、主室４ａ内に混合気が形成される。

圧縮行程では、ピストン３によって主室４ａ内のガスが圧縮され、主室４ａ内の混合気の一部が、連通路１３ａ，１３ｂを介して副室１２へ流入する。
膨張行程では、点火栓１１の点火により副室１２内の混合気が燃焼し、副室１２内の圧力上昇によって、トーチ火炎が連通路１３ａ，１３ｂを介して主室４ａへ噴出し、主室４ａ内の混合気が燃焼する。

そして、排気行程では、主室４ａ及び副室１２内の排気ガスが、排気弁７の開弁により排気ポート８へ排出される。
本実施形態によれば、図３に示すように、連通路１３ａ，１３ｂを、トーチ火炎をシリンダヘッド１とピストン３との間に噴出するように形成し、シリンダヘッド１及びピストン３へのトーチ火炎Ｆ１〜Ｆ６の衝突を抑制しているため、シリンダヘッド１及びピストン３からの冷却損失を低減することができる。

シリンダヘッド１（ピストン３）へのトーチ火炎の衝突を防止するには、例えば、少なくとも、シリンダヘッド１（ピストン３）と平行にトーチ火炎が噴出するように各連通路１３ａ，１３ｂを構成すればよい。

なお、図４に示すように、ピストン３の冠面における吸排方向の両端部及び中央部を、シリンダヘッド１側に凸状とし、これら凸状部間の各凹部を、吸排方向に並んだキャビティ３ａとすれば、該冠面を凸状とした分だけ圧縮比が増大し、良好な燃費を確保しつつ、トーチ火炎のピストン３への衝突を回避することもできる。

また、本実施形態によれば、副室１２をフロント-リヤ方向に長い形状としたことで、燃焼室４の中心から離れた位置にも連通路１３ａ，１４ｂを形成できる。したがって、燃焼室４の中心から離れた位置からもトーチ火炎を噴出可能となり、主室４ａ全体への効果的な火炎伝播が確保され、未燃燃料の排出を抑制し、リーン限界を拡大させることができる。

さらに、本実施形態によれば、連通路１３ａ，１３ｂを、副室１２の長手方向に並びつつシリンダ軸方向から見て吸排方向を指向して形成し、さらに、連通路１３ａを、図２（ａ）にＡで示す吸気弁５を通過してシリンダヘッド１に沿って進む吸気と衝突する位置に設けたため、吸気は、容易に連通路１３ａへ流入する。

したがって、図２（ｂ）や図５に示す連通路１３’が環状に配置された従来の構成（本実施形態と共通する構成要素には、本実施形態と同一の符号に「’」を付している）と比べて、吸気が容易に副室１２内へ流入し、副室１２内の前サイクルの残留ガスが効果的に掃気され、リーン限界を拡大できる。

前記副室１２内の残留ガスの掃気は、以下のようにすれば、より効果的に行うことができる。
まず、前記残留ガスの掃気要求に応じて、前記可変動弁機構により、吸気弁５のリフト量を所定値以下とすることで、図２（ａ）にＡで示す吸気弁５を通過してシリンダヘッド１に沿って進む吸気は、絞りよって流速が大きくなる。

これにより、吸気を、より効果的に連通路１３ａを介して副室１２内へ流入させ、前記残留ガスの掃気を促進することができる。
したがって、前記所定値は、例えば、吸気を十分に連通路１３ａへ流入させて残留ガスの掃気を行える範囲で、最大限の値に設定するのが好ましい。

また、吸気行程の下死点近傍から圧縮行程に至っては、吸気の流れとして図６に示すようなタンブル流Ｃが支配的になるが、連通路１３ａをタンブル流Ｃが衝突する位置に形成することで、吸気の副室１２内への流入を促進させ、前記残留ガスの掃気を促進することができる。

さらに、本実施形態によれば、連通路１３ａと連通路１３ｂとが、図２（ａ）に示すように、副室１２の長手方向について互いに異なる位置に設けられているため、連通路１３ａから副室１２内へ流入した吸気は、連通路１３ｂから直ちに排出されにくく、Ｂで示す旋回流を副室１２内で形成する。

これにより、副室１２内の混合気の燃焼速度が向上し、連通路１３ａ，１３ｂからのトーチ火炎の勢いを維持したまま副室１２を小型化することができ、隔壁１４からの冷却損失を低減することができる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。
本実施形態では、図７（ａ）に示すように、連通路１３ａ，１３ｂは、シリンダ軸と直交する面に沿った方向と比べて、シリンダ軸と平行な方向に長い断面形状をしている。

これにより、図７（ｂ）に示すように、連通路１３ａ，１３ｂから噴出するトーチ火炎Ｆは、シリンダ軸方向に薄い扁平形状となり、連通路の断面を円形とする場合と比べて表面積が大きくなっている。

以下、トーチ火炎がシリンダ軸方向に薄い扁平形状となる理由について説明する。
連通路１３ａ，１３ｂから噴射されるトーチ火炎は、該噴射によって発生した負圧によって引っ張られる。

即ち、連通路１３ａ，１３ｂから噴射直後のトーチ火炎の表面において、シリンダ軸に平行な部分の表面積の方が、シリンダ軸に垂直な部分の表面積に比して大きいため、噴射によって発生した負圧は、シリンダ軸に垂直な部分の近傍領域に比べて、図７（ｂ）のＥで示すシリンダ軸に平行な部分の近傍領域においてより大きくなる。

これにより、そのトーチ火炎は、シリンダ軸方向に比べて、シリンダ軸に垂直な方向により大きく引っ張られ、その結果、該トーチ火炎は、シリンダ軸に垂直な面に沿った方向に比べて、シリンダ軸方向に薄い扁平形状になるのである。

図８は、本実施形態の連通路１３ａ，１３ｂによるトーチ火炎噴出形態を示し、図９は、従来の円形断面の連通路によるトーチ火炎噴出形態を示す。なお、図９において、本実施形態と共通する構成要素には、本実施形態と同一の符号に「’」を付している。

本実施形態のトーチ火炎は、シリンダ軸方向に薄い扁平形状であるため、従来の構成と比べて、主室４ａの広範囲へ到達する。これにより、火炎伝播が促進し、リーン限界の拡大と、未燃燃料の排出量の低減と、が可能となる。

また、本実施形態では、トーチ火炎をシリンダ軸方向に薄い扁平形状とする分だけ、主室４ａのシリンダ周方向の燃焼速度を確保できるため、連通路１３ａ，１３ｂの指向方向の燃焼速度を抑えることができる。これにより、シリンダヘッド１及びピストン３へのトーチ火炎の衝突をより確実に回避し、冷却損失を低減することができる。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。
本実施形態では、図１０に示すように、前記第２実施形態と同様、連通路１３ａ，１３ｂは、シリンダ軸と直交する面に沿った方向と比べて、シリンダ軸と平行な方向に長い断面形状をしている。

しかし、複数の連通路１３ａのうち、指向方向に沿ったシリンダブロック２（シリンダ周壁）までの距離が長いものほど、即ち燃焼室４の中央に近いものほど、シリンダ軸と直交する面に沿った方向の長さに対するシリンダ軸と平行な方向の長さの比が大きい断面形状をしている。

これにより、燃焼室４の中央に位置する連通路１３ａほど、前記トーチ火炎を扁平形状とする作用が強くはたらき、燃焼室４の中央から周縁部へ向けて幅広いトーチ火炎を噴出させ、主室４ａ全体への火炎伝播を確保して未燃燃料の排出を抑制することができる。

また、本実施形態では、複数の連通路１３ａのうち、指向方向に沿ったシリンダブロック２（シリンダ周壁）までの距離が短いものほど、即ち燃焼室４の中央から遠いものほど、断面積が小さく形成されているため、トーチ火炎が小さく形成される。

これにより、連通路１３ａの指向方向に沿ったシリンダブロック２までの距離に応じて、シリンダブロック２への衝突を回避しつつ主室４ａ全体への火炎伝播を確保するのに適切な大きさのトーチ火炎を形成することができる。

なお、連通路１３ｂの断面形状及び断面積についても、同様となっている。
次に、本発明の第４実施形態について説明する。
本実施形態では、図１１に示すように、副室燃料供給手段１５が、シリンダヘッド１に取り付けられている。

副室燃料供給手段１５は、機関の要求負荷に応じて（例えば図１２を参照）、燃料噴射弁１６の噴射する燃料と比べて燃焼速度の大きい燃料（図１１のＨで示す水素）を、容積部１２ａへ噴射し、点火栓１１の電極近傍に混合気を形成させる。

したがって、燃料噴射弁１６は、ガソリンや、ガソリン及び水素の混合燃料など、水素より燃焼速度の小さい燃料を、吸気ポート６へ噴射するようになっている（主室４ａ内へ直接噴射してもよい）。

本実施形態によれば、水素は、ガソリンや前記混合燃料よりも燃焼速度が大きいため、容積部１２ａへの噴射量が少量であっても十分に点火栓１１の着火性を向上させることができる。

このように、副室１２内の燃焼速度や着火性が向上する分だけ、副室１２を小さい容積で構成可能となり、Ｓ／Ｖ比が低下し、隔壁１４からの冷却損失が低減し、これによりリーン限界を拡大可能となる。

なお、図１２に示すように、機関の要求負荷が低いほど、容積部１２ａ内への水素の噴射量を増加させることで、特に低負荷域（希薄域）での着火性を確保できる。

（ａ）は、本発明の第１実施形態の構成をフロント-リヤ方向から見た図、（ｂ）は、（ａ）を吸排方向から見た図 （ａ）は、本発明の第１実施形態に係る吸気行程での吸気の流れを示す図、（ｂ）は、従来の構成に係る吸気行程での吸気の流れを示す図 （ａ）は、本発明の第１実施形態に係る副室構成およびトーチ火炎噴出形態をシリンダ軸方向から見た図、（ｂ）は、（ａ）をフロント-リヤ方向から見た図 （ａ）は、図１（ａ）に係るピストン冠面にキャビティを設けた図 （ａ）は、従来の構成に係る副室およびトーチ火炎噴出形態をシリンダ軸方向から見た図、（ｂ）は、（ａ）をフロント-リヤ方向から見た図 本発明の第１実施形態に係る吸気行程の下死点近傍から圧縮行程に至る吸気流動を示す図 （ａ）は、本発明の第２実施形態の構成を吸排方向から見た図、（ｂ）は、（ａ）に係るトーチ火炎の形成メカニズムの説明図 （ａ）は、本発明の第２実施形態に係る連通路によるトーチ火炎噴出形態を示す図、（ｂ）は、（ａ）の連通路を吸排方向から見た図 （ａ）は、従来の構成に係る連通路によるトーチ火炎噴出形態をシリンダ軸方向から見た図、（ｂ）は、（ａ）の連通路を吸排方向から見た図 （ａ）は、本発明の第３実施形態に係る連通路を吸排方向から見た図、（ｂ）は、（ａ）に係る連通路によるトーチ火炎噴出形態をシリンダ軸方向から見た図 本発明の第４実施形態の構成を吸排方向から見た図 本発明の第４実施形態に係る機関の要求負荷と水素の噴射量との関係を示す図

符号の説明

１ シリンダヘッド
３ ピストン
３ａ キャビティ
４ 燃焼室
４ａ 主室
５ 吸気弁
６ 吸気ポート
１１ 点火栓
１２ 副室
１２ａ 容積部
１３ａ 連通路
１３ｂ 連通路
１５ 副室燃料供給手段
１６ 燃料噴射弁

Claims (11)

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、シリンダヘッド側の略中央に該主室と隣接して設けられた副室と、
   前記主室と副室との隔壁に設けられ、該主室と副室とをガス交換可能に連通する連通路と、
   前記主室に燃料を供給する燃料供給手段と、
   前記連通路を介して副室へ導かれた混合気に点火する点火手段と、
   を含んで構成され、
   前記副室内での着火により、前記連通路から主室内にトーチ状の火炎を噴出させて、該主室内の混合気を燃焼させる副室式内燃機関において、
   前記副室は、シリンダ軸方向と直交する面内の一方向に長く延びて形成され、
   前記連通路は、トーチ状の火炎を前記シリンダヘッドとピストンとの間に噴出させるような状態で、前記副室の長手方向に複数並んで形成されていることを特徴とする副室式内燃機関。
2. 前記副室は、吸排方向と直交する方向を長手方向とし、
   前記連通路は、シリンダ軸方向から見て吸排方向を指向し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. 前記主室は、吸排方向の略中央部で傾斜面が交わるペントルーフ形状であ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. 前記複数の連通路のうち少なくとも１つは、吸気弁を通過してシリンダヘッドに沿って進む吸気、又は、吸気旋回流、の少なくとも一方と衝突する位置に形成されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の副室式内燃機関。
5. 前記ピストンの冠面には、シリンダ軸を挟んで吸気側及び排気側に、夫々キャビティが形成されていることを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１つに記載の副室式内燃機関。
6. 前記複数の連通路のうち少なくとも１つは、シリンダ軸と直交する面に沿った方向と比べて、シリンダ軸と平行な方向に長い断面形状をしていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の副室式内燃機関。
7. 前記複数の連通路のうち、指向方向に沿ったシリンダ周壁までの距離が長い連通路ほど、シリンダ軸と直交する面に沿った方向の長さに対するシリンダ軸と平行な方向の長さの比が大きい断面形状をしてい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. 前記複数の連通路のうち、指向方向に沿ったシリンダ周壁までの距離が短い連通路ほど、断面積を小さくしたことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の副室式内燃機関。
9. 前記副室の長手方向の略中央部は、該長手方向と直交する平面で切断した際の断面積が他の部分よりも大きい容積部で形成され、該容積部に前記点火手段の電極を臨ませたことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の副室式内燃機関。
10. 前記燃料供給手段により主室へ供給される燃料と比べて燃焼速度の大きい燃料を、運転条件に応じて、前記容積部へ供給する副室燃料供給手段を備えたことを特徴とする請求項９に記載の副室式内燃機関。
11. 少なくとも吸気バルブのリフト量を変更可能な可変動弁機構を備え、
    該可変動弁機構は、副室内の掃気要求に応じて、吸気弁のリフト量を所定値以下とすることを特徴とする請求項１〜請求項１０に記載の副室式内燃機関。

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