JP2012229698A - エンジンの燃焼室構造 - Google Patents

Abstract

【課題】高い熱効率を得ることができるエンジンの燃焼室構造を提供する。
【解決手段】混合気を燃焼するエンジンの燃焼室構造であって、着火された混合気の火炎が伝播してくる位置に形成された開口１１ａと、その開口１１ａの反対端を閉塞する底１１ｃと、を含む筒穴部１１を有する。着火された混合気の火炎が開口１１ａに伝播し通り過ぎると、開口１１ａから高速ガスが噴出し燃焼室内の未燃ガスの拡散を促進する。これによって筒内での燃焼速度が速くなり熱効率が高くなる。
【選択図】図２

Description

この発明は、エンジンの燃焼室の構造に関する。

エンジンの燃焼室に関して従来から種々の構造が提案されている。たとえば特許文献１には副燃焼室を有する燃焼室構造が開示されている。

特開平６−４２４１１号公報

しかし、前述した従来構造では、副燃焼室での燃焼が主燃焼室の外部で燃焼する外燃機関となってしまう。そのため冷却による損失エネルギーが大きく、熱効率が低いという問題があった。

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、高い熱効率を得ることができるエンジンの燃焼室構造を提供することを目的とする。

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、混合気を燃焼するエンジンの燃焼室構造であって、着火された混合気の火炎が伝播してくる位置に形成された開口(１１ａ)と、その開口(１１ａ)の反対端を閉塞する底(１１ｃ)と、を含む筒穴部(１１)を有する、ことを特徴とする。

本発明によれば、着火された混合気の火炎が開口に伝播し通り過ぎると、開口から高速ガスが噴出し燃焼室内の未燃ガスの拡散を促進する。これによって筒内での燃焼速度が速くなり熱効率が高くなる。

本発明によるエンジンの燃焼室構造の第１実施形態を示す図である。 基礎的な燃焼室構造を示す図である。 図２に示した燃焼室構造による実験結果を示す図である。 筒穴部から非常に高速のガスが噴出する現象について説明する図である。 本発明によるエンジンの燃焼室構造の第２実施形態を示す図である。

以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明によるエンジンの燃焼室構造の第１実施形態を示す図であり、図１(Ａ)は上方から燃焼室を透視した図、図１(Ｂ)は側方から燃焼室を透視した図である。

エンジンの燃焼室１０は、本実施形態ではいわゆるペントルーフタイプが例示されている。ペントルーフ稜線には天井点火プラグ３０が設けられる。ペントルーフ稜線を挟んで一方のルーフ(図１では右側のルーフ)には吸気バルブ３１が設けられる。ペントルーフ稜線を挟んで他方のルーフ(図１では左側のルーフ)には排気バルブ３２が設けられる。なおエンジンの当業者においては重力方向とは別に上死点／下死点という表現が使用される。水平対向エンジン等においては、必ずしも上死点が重力方向の上／下死点が重力方向の下になるとは限らないし、また仮にエンジンを倒立した場合には、上死点が重力方向の下／下死点が重力方向の上になるが、本明細書においては、慣習にしたがい、上死点側を上、下死点側を下、とし、燃焼室の上方をルーフと表現する。

またエンジンの燃焼室１０の外周にはピストン冠面に平行に４つの筒穴部１１が形成される。筒穴部１１は、着火された混合気の火炎が伝播してくる位置に形成された開口１１ａと、その開口１１ａの反対端を閉塞する底１１ｃと、を含む。筒穴部１１の軸線Ａの方向は、燃焼室１０の半径方向である。このような配置になっているので、筒穴部１１の軸線Ａは、開口１１ａの中心１１ｂと点火部２５とを結んだ直線Ｂと交叉し、直線Ｂに一致しない。また筒穴部１１の直径ｄに対する深さＬの比Ｌ／ｄが６よりも大になるように、筒穴部１１の開口１１ａの穴径(直径)ｄ及び筒穴部１１の深さＬが設定される。たとえば筒穴部１１の開口１１ａの穴径(直径)ｄが１ｍｍであり、深さＬが１０ｍｍである。

次に本実施形態の作用効果を図２〜図４を参照して説明する。なお図２は本実施形態の作用効果を理解しやすくするための基礎的な燃焼室構造を示す図である。

図２に示した燃焼室１０では、外周にひとつの点火プラグ３０を設けた。図２では、ボア径８０ｍｍの燃焼室１０の左端に、点火プラグ３０を設けた。また燃焼室１０には、着火された混合気の火炎が伝播してくる位置の燃焼室内に開口し、反対端は閉塞する筒穴部１１を形成した。筒穴部１１の大きさは、穴径(直径)ｄが１ｍｍ、深さＬが１０ｍｍである。筒穴部１１の軸線Ａの方向は、燃焼室１０の半径方向である。このような配置になっているので、筒穴部１１の軸線Ａは、開口１１ａの中心１１ｂと点火プラグ３０とを結んだ直線Ｂと交叉し、直線Ｂに一致しない。

図３は、図２に示した燃焼室構造による実験結果を示す図であり、火炎の伝播状態を時間ごとに示してある。なお時間の経過につれて図３(Ａ)→図３(Ｌ)と進む。

図３(Ａ)で燃焼室内の混合気が点火プラグ３０によって着火されると、着火点から火炎が急激に進行する。そして図３(Ｆ)で火炎の進行波が筒穴部１１の開口１１ａに到達し、筒穴部１１の開口１１ａを過ぎると、図３(Ｇ)から分かるように筒穴部１１の開口１１ａからガスが噴出する。次の瞬間である図３(Ｈ)を見ると、点火プラグ３０から始まる火炎の進行に比べて、筒穴部１１からのガスの噴出が非常に速いことが分かる。このガスによって燃焼室内の未燃ガスの拡散が促進され未燃ガスの火炎に対する接触面積が拡大する。そのため筒内での燃焼速度が速くなり熱効率を高くする作用効果が得られたのである。

図４は、筒穴部１１から非常に高速のガスが噴出する現象について説明する図である。

ガスの噴出現象の生じる理由について本件発明者らは以下のように考察した。

混合気が燃焼室内に存在する状態で点火プラグ３０が点火すると、図４(Ａ)に示すように火炎が進行する。なお火炎の進行波をＷ１〜Ｗ６で示す。そして火炎が筒穴部１１の開口１１ａに到達すると、開口近傍の混合気が燃焼する。混合気は燃焼すると熱膨張する。そして図４(Ｂ)に示すように熱膨張による圧力波が、筒穴部１１に存在する混合気(未燃ガス)を筒穴部１１の底１１ｃのほうへ押し込めるように作用する。すると筒穴部１１の底１１ｃにおいてガス圧力が非常に高圧になる。するとその圧力波の跳ね返りによって、筒穴部１１から非常に高速のガスが噴出することで、ガスの噴出現象が生じると考えられる。

なお詳細は省略するが、本件発明者らは、筒穴部１１の穴径ｄを変えても実験した。すると穴径ｄが１〜３ｍｍのときは高速ガスの噴出現象を確認できたが、穴径ｄが５ｍｍのときはガスの噴出現象が弱かった。これは穴径ｄが大きすぎたために、開口近傍で燃焼した混合気による圧力閉じ込め現象が生じにくかったためと考えられる。また穴径ｄが１ｍｍよりも小径であると火炎が筒穴部１１の内部に進行しにくく、この場合もガスの噴出現象が弱かった。したがってガスの噴出現象を得るには、適度な穴径にする必要があるということが本件発明者らによって知見された。

また本件発明者らは、筒穴部１１の深さＬを変えても実験した。すると筒穴部１１の直径ｄに対する深さＬの比Ｌ／ｄが６よりも大であるときは高速ガスの噴出現象を確認できた。これに対して比Ｌ／ｄが６よりも小さいとガスの噴出現象が弱かった。これは深さＬが小さいと筒穴部１１に閉じ込められる圧力が小さいためであると考えられる。したがってガスの噴出現象を得るには、適度な深さＬにする必要があるということが本件発明者らによって知見された。

さらに本件発明者らは、筒穴部１１の位置を変えても実験した。すると筒穴部１１の軸線Ａが、開口１１ａの中心１１ｂと点火プラグ３０の飛火部分とを結んだ直線Ｂに一致する位置、たとえば筒穴部１１が点火プラグ３０に対向する位置では、ガスの噴出現象が弱まった。軸線Ａが直線Ｂに一致しては、点火プラグ３０からの進行波と、筒穴部１１からの噴出ガスと、がエネルギをお互いに相殺するためであると考えられる。したがって高速ガスの噴出現象を得るには、筒穴部１１を適切な位置にする必要があるということが本件発明者らによって知見された。

上記において燃焼室１０の外周にひとつの点火プラグ３０とひとつの筒穴部１１を設けた場合を例示して説明したが、燃焼室１０の天井に点火プラグ３０を設け、また燃焼室１０の周縁に複数の筒穴部１１を設けても同様の現象が生じる。そこで本実施形態では図１に示したように、燃焼室１０の天井に点火プラグ３０を設け、外周に４つの筒穴部１１を設けたのである。このようにすることで４つの筒穴部１１から高速ガスが噴出する。このガスによって燃焼室内の未燃ガスの拡散作用が促進され未燃ガスの火炎に対する接触面積が拡大する。そのため筒内での燃焼速度が速くなり熱効率を高くできたのである。

（第２実施形態）
図５は、本発明によるエンジンの燃焼室構造の第２実施形態を示す図である。

第１実施形態においては、筒穴部１１を燃焼室１０の側壁面に形成したが、他の場所に形成してもよい。

たとえば、シリンダヘッドの天井点火プラグ３０の近傍、すなわち天井点火プラグ３０と、吸気バルブ３１や排気バルブ３２と、の間に形成してもよい。点火プラグ３０の近傍であれば火炎進行波が早めに筒穴部１１を通過するので早期に高速ガスが噴出する。これによって燃焼室内の拡散が早期に生じ燃焼が促進されて熱効率が高くなる。また吸気バルブ３１や排気バルブ３２の傘表面に形成してもよい。さらにピストン冠面に形成してもよい。いずれにせよ燃焼室の火炎が伝播してくる位置に形成すればよい。そして筒穴部１１の軸方向が火炎の伝播方向に一致しない向きに形成すればよい。このように構成することで、筒穴部１１から高速ガスが噴出することとなり、筒内での燃焼を促進することができ熱効率を高くできる。

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、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。

たとえば、筒穴部は上記例示した個数に限らず適宜設定すればよい。図２〜図４を参照して説明したように、ひとつであっても効果を十分得ることができる。

また上記説明においては点火プラグを有するエンジンを例示して説明したが、ディーゼルエンジンであってもよい。ディーゼルエンジンであっても圧縮混合気が自着火し、その自着火ポイントから火炎が伝播する。この火炎が伝播してくる位置に開口を形成すればよい。

１０ 燃焼室
１１ 筒穴部
１１ａ 開口
１１ｂ 中心
１１ｃ 底
３０ 点火プラグ

本発明は、混合気を燃焼するエンジンの燃焼室構造であって、前記混合気に着火する点火プラグ(３０)と、着火された混合気の火炎が伝播してくる位置に形成された開口(１１ａ)と、その開口(１１ａ)の反対端を閉塞する底(１１ｃ)と、を含み、軸線が、前記点火プラグから伝播する火炎の進行方向と交叉するようにのみ設けられる筒穴部(１１)と、を有する、ことを特徴とする。

Claims (11)

1. 混合気を燃焼するエンジンの燃焼室構造であって、
   着火された混合気の火炎が伝播してくる位置に形成された開口と、その開口の反対端を閉塞する底と、を含む筒穴部を有する、
   ことを特徴とするエンジンの燃焼室構造。
2. 前記混合気に着火する点火プラグを備え、
   前記筒穴部の軸線は、前記点火プラグから伝播する火炎の進行方向と交叉する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの燃焼室構造。
3. 前記混合気に着火する点火プラグを備え、
   前記筒穴部の軸線は、開口中心と前記点火プラグの点火部とを結んだ直線と交叉する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの燃焼室構造。
4. 前記点火プラグは、燃焼室ルーフに設けられる、
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のエンジンの燃焼室構造。
5. 前記筒穴部は、前記点火プラグの近傍に形成される、
   ことを特徴とする請求項２から請求項４までのいずれか１項に記載のエンジンの燃焼室構造。
6. 前記筒穴部の開口径は、１ｍｍ以上３ｍｍ以下である、
   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項に記載のエンジンの燃焼室構造。
7. 前記筒穴部の直径に対する深さの比が６よりも大である、
   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項に記載のエンジンの燃焼室構造。
8. 前記筒穴部は、シリンダブロックの内壁面に形成される、
   ことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のエンジンの燃焼室構造。
9. 前記筒穴部は、シリンダヘッドのルーフ面に形成される、
   ことを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載のエンジンの燃焼室構造。
10. 前記筒穴部は、動弁の傘表面に形成される、
    ことを特徴とする請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載のエンジンの燃焼室構造。
11. 前記筒穴部は、ピストン冠面に形成される、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載のエンジンの燃焼室構造。