JP2018131912A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】主燃焼室内に設けられた副室内で火花点火を行う内燃機関において、主燃焼室における燃焼性を更に向上させる。【解決手段】内燃機関は、主燃焼室と、吸気開口部において主燃焼室につながる吸気ポートと、排気開口部において主燃焼室につながる排気ポートと、副室と、副室内で点火を行うように設けられた点火プラグと、を備える。副室は、吸気開口部と排気開口部との間に設けられ、複数の連通孔を通して主燃焼室とつながる。複数の連通孔のうち少なくとも１つは、副室の内側から外側に向かうにつれて狭くなる。【選択図】図４

Description

本発明は、主燃焼室内に設けられた副室内で火花点火を行う内燃機関に関する。

特許文献１は、主燃焼室と主燃焼室内に設けられた副室とを有する内燃機関を開示している。副室は、連通孔を通して主燃焼室につながっている。圧縮工程において、主燃焼室内の混合ガスの一部が、連通孔を通して副室内に入る。副室内には点火プラグが設けられており、副室内で火花点火を行うことにより燃焼が開始する。副室内で発生した火炎は、連通孔を通して主燃焼室に噴き出す。

特開平８−２８４６６５号公報

本発明の１つの目的は、主燃焼室内に設けられた副室内で火花点火を行う内燃機関において、主燃焼室における燃焼性を更に向上させることができる技術を提供することにある。

本発明に係る内燃機関は、
シリンダヘッドとシリンダヘッドに対向するピストンとの間に挟まれた主燃焼室と、
シリンダヘッド内に形成され、吸気開口部において主燃焼室につながる吸気ポートと、
シリンダヘッド内に形成され、排気開口部において主燃焼室につながる排気ポートと、
吸気開口部と排気開口部との間のシリンダヘッド上に設けられ、複数の連通孔を通して主燃焼室とつながる副室と、
副室内で点火を行うように設けられた点火プラグと
を備える。
複数の連通孔のうち少なくとも１つは、副室の内側から外側に向かうにつれて狭くなる。

本発明によれば、少なくとも１つの連通孔は、副室の内側から外側に向かうにつれて狭くなるように形成されている。そのような形状の連通孔の場合、ガスは、副室の内側から外側に出やすい一方で、副室の外側から内側に入りにくい。よって、燃焼時のジェットは、当該連通孔から噴き出しやすい。更に、ジェットは、そのような先細りの連通孔を通ることにより、より高速、強力になる。このような強力なジェットは、燃焼時に主燃焼室内に発生するタンブル流をより強くする。燃焼時のタンブル流が強化されるため、主燃焼室における燃焼性が向上する。

本発明の実施の形態に係る内燃機関の構成例を概略的に示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る内燃機関の構成例を概略的に示す平面図である。 本発明の実施の形態に係る内燃機関の副室の構成例を示す模式図である。 本発明の実施の形態における燃焼時のタンブル流の強化を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態に係る内燃機関の副室の連通孔の第１の例を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係る内燃機関の副室の連通孔の第２の例を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係る内燃機関の副室の連通孔の第３の例を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係る内燃機関の副室の連通孔の第４の例を示す模式図である。 本発明の実施の形態に係る内燃機関の副室内の掃気を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態に係る内燃機関の副室内の掃気を説明するための模式図である。 比較例を示す模式図である。

添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

１．基本構成
図１は、本発明の実施の形態に係る内燃機関１の構成例を概略的に示す断面図である。内燃機関１は、主な構成として、主燃焼室１０、吸気ポート３０、排気ポート４０、副室５０、及び点火プラグ６０を備えている。

主燃焼室１０は、シリンダブロック２０、ピストン２２、及びシリンダヘッド２３によって囲まれた空間である。より詳細には、シリンダブロック２０は、主燃焼室１０の側壁を形成する円筒状のシリンダライナ２１（シリンダボア）を備えている。図中、円筒状のシリンダライナ２１の中心軸は、符号“Ｃ”で示されている。ピストン２２は、シリンダライナ２１の軸方向に沿って往復移動可能なように配置されている。このピストン２２の上面が、主燃焼室１０の底面を形成している。シリンダヘッド２３は、ピストン２２と対向するようにシリンダブロック２０上に設置されている。シリンダヘッド２３の底面であるヘッド底面２４が、主燃焼室１０の上面を形成している。このように、ピストン２２とシリンダヘッド２３（ヘッド底面２４）とは対向しており、主燃焼室１０は、それらピストン２２とシリンダヘッド２３との間に挟まれている。

ここで、以下の説明において用いる座標系を定義する。「Ｕ方向」及び「Ｄ方向」は、それぞれ、ピストン２２の上昇方向及び下降方向である。Ｕ方向とＤ方向は、中心軸Ｃと平行であり、且つ、互いに逆向きである。主燃焼室１０の中から見た場合、Ｕ方向は、ピストン２２から離れ、ヘッド底面２４に近づく方向である。一方、Ｄ方向は、ピストン２２に近づき、ヘッド底面２４から離れる方向である。また、Ｕ方向及びＤ方向と直交する平面は、「ＸＹ平面」である。

吸気ポート３０は、主燃焼室１０に吸気ガスを供給する。より詳細には、吸気ポート３０は、シリンダヘッド２３内に形成されており、且つ、主燃焼室１０につながっている。吸気ポート３０の主燃焼室１０に対する開口部は、吸気開口部３１である。つまり、吸気ポート３０は、吸気開口部３１において主燃焼室１０につながっている。吸気開口部３１には、吸気バルブ３２が開閉可能に設けられている。

更に、吸気ポート３０には燃料噴射弁３３が設けられている。燃料噴射弁３３は、吸気ポート３０の内部に燃料を供給する。空気と燃料の混合ガスは、吸気ガスとして主燃焼室１０に供給される。尚、燃料供給方式として、ポート噴射方式の代わりに、筒内噴射方式が用いられてもよい。筒内噴射方式の場合、吸気ポート３０から主燃焼室１０には空気が供給され、燃料は筒内噴射弁によって主燃焼室１０に直接噴射される。

排気ポート４０は、主燃焼室１０から排気ガスを排出する。より詳細には、排気ポート４０は、シリンダヘッド２３内に形成されており、且つ、主燃焼室１０につながっている。排気ポート４０の主燃焼室１０に対する開口部は、排気開口部４１である。つまり、排気ポート４０は、排気開口部４１において主燃焼室１０につながっている。排気開口部４１には、排気バルブ４２が開閉可能に設けられている。

副室５０は、主燃焼室１０内に配置されている。より詳細には、図１に示されるように、副室５０は、吸気開口部３１と排気開口部４１との間のシリンダヘッド２３（ヘッド底面２４）上に設けられている。副室５０は、シリンダヘッド２３から主燃焼室１０の方に向けて突出しているが、上死点におけるピストン２２とは干渉しない。更に、副室５０は、主燃焼室１０とつながる複数の連通孔５１を有している。つまり、副室５０は、複数の連通孔５１を通して主燃焼室１０とつながっている。

点火プラグ６０は、副室５０内で火花点火を行うことができるように、副室５０の上部（Ｕ方向側）に設けられている。すなわち、本実施の形態に係る内燃機関１は、副室５０内で火花点火を行い燃焼を開始する方式を採用している。

図２は、Ｕ方向から見たときの、つまり、ＸＹ面における、吸気開口部３１、排気開口部４１、及び副室５０の配置例を示している。

図２に示される配置例では、単一の主燃焼室１０に対して、複数の吸気開口部３１−１、３１−２と複数の排気開口部４１−１、４１−２が設けられている。それら吸気開口部３１−１、３１−２及び排気開口部４１−１、４１−２は、主燃焼室１０の中心軸Ｃの周りを囲むように配置されている。そして、副室５０は、主燃焼室１０の中心軸Ｃの近傍に配置されている。つまり、副室５０は、吸気開口部３１−１、３１−２及び排気開口部４１−１、４１−２によって囲まれている。

尚、既出の図１は、図２中の線Ａ−Ａに沿った断面図に相当する。また、図２中の線Ｂ−Ｂは、吸気側と排気側とを区分する線である。線Ｂ−Ｂは、Ｙ方向と平行であり、且つ、副室５０の位置を通っている。この線Ｂ−Ｂ（副室５０）から見て吸気開口部３１−１、３１−２が存在する側が、「吸気側」である。一方、線Ｂ−Ｂ（副室５０）から見て排気開口部４１−１、４１−２が存在する側が、「排気側」である。

図３は、本実施の形態における副室５０の構成をより詳細に示している。副室５０の側壁５０ｓは、Ｕ方向及びＤ方向と平行であり、ＸＹ平面と直交している。この側壁５０ｓに、複数の連通孔５１が形成されている。より詳細には、複数の連通孔５１は、「吸気側の第１連通孔５１ｉ」と「排気側の第２連通孔５１ｅ」とを含んでいる。第１連通孔５１ｉは、吸気側の側壁５０ｓに形成されている。一方、第２連通孔５１ｅは、排気側の側壁５０ｓに形成されている。尚、第１連通孔５１ｉ及び第２連通孔５１ｅの各々の数は任意である。

以上に説明された本実施の形態に係る内燃機関１における燃焼プロセスは、次の通りである。

吸気工程において、吸気ポート３０から主燃焼室１０に混合ガスが供給される。筒内噴射方式の場合は、主燃焼室１０内において、空気と燃料の混合ガスが形成される。圧縮工程において、主燃焼室１０内の混合ガスの一部が、連通孔５１を通して副室５０内に入る。そして、所定の点火タイミングにおいて、点火プラグ６０が副室５０内で火花点火を行う。これにより、副室５０内で燃焼が開始する。副室５０内で発生した火炎は、連通孔５１を通して主燃焼室１０に勢いよく噴き出す（図２参照）。副室５０から連通孔５１を通して主燃焼室１０に噴き出す火炎は、ジェット７０とも呼ばれる。ジェット７０は主燃焼室１０内で成長し、それにより主燃焼室１０内で燃焼が進行する。副室５０の連通孔５１は、混合ガスを主燃焼室１０から副室５０内に導入する導入孔としての役割と、ジェット７０を副室５０から主燃焼室１０に向けて噴き出す噴孔としての役割を果たす。

２．燃焼時のタンブル流の強化
本実施の形態によれば、副室５０の複数の連通孔５１のうち少なくとも１つは、副室５０の内側から外側に向かうにつれて狭くなるように形成される。そのような形状の連通孔５１の場合、ガスは、副室５０の内側から外側に出やすい一方で、副室５０の外側から内側に入りにくい。燃焼時のジェット７０についても同様である。連通孔５１が副室５０の内側から外側に向かうにつれて狭くなっている場合、燃焼時のジェット７０は、当該連通孔５１から噴き出しやすい。更に、ジェット７０は、そのような先細りの連通孔５１を通ることにより、より高速、強力になる。

図４は、本実施の形態における燃焼時のタンブル流の強化を説明するための模式図である。図４に示される例では、第２連通孔５１ｅから強力なジェット７０が噴射される。そのような強力なジェット７０は、燃焼時に主燃焼室１０内に発生するタンブル流ＦＴをより強くする。燃焼時のタンブル流ＦＴが強化されるため、主燃焼室１０における燃焼性が向上する。

２−１．第１の例
図５は、本実施の形態に係る副室５０の連通孔５１の第１の例を示す模式図である。第１の例では、排気側の第２連通孔５１ｅの径（断面積）が一様ではない。

より詳細には、第２連通孔５１ｅは、副室５０の外側に向く開口部である外側口５２ｅと、副室５０の内側に向く開口部である内側口５３ｅを有している。そして、第２連通孔５１ｅの外側口５２ｅの径が内側口５３ｅの径よりも小さい。すなわち、第２連通孔５１ｅは、副室５０の内側から外側に向かうにつれてより狭くなるように形成されている。このような第２連通孔５１ｅの形状の場合、ガスは、副室５０の内側から外側に出やすい一方で、副室５０の外側から内側に入りにくい。

このように、排気側の第２連通孔５１ｅは、副室５０の内側から外側にガスが出やすい形状を有している。よって、燃焼時のジェット７０も、第２連通孔５１ｅから噴き出しやすい。更に、ジェット７０は、先細りの第２連通孔５１ｅを通ることにより、より高速、強力になる。従って、図４で示されたように、強力なジェット７０が、燃焼時に主燃焼室１０内に発生するタンブル流ＦＴをより強くする。燃焼時のタンブル流ＦＴが強化されるため、主燃焼室１０における燃焼性が向上する。

２−２．第２の例
図６は、本実施の形態に係る副室５０の連通孔５１の第２の例を示す模式図である。第２の例では、上記の第１の例の構成に加えて、吸気側の第１連通孔５１ｉの径（断面積）も一様ではない。

より詳細には、第１連通孔５１ｉは、副室５０の外側に向く開口部である外側口５２ｉと、副室５０の内側に向く開口部である内側口５３ｉを有している。そして、第１連通孔５１ｉの内側口５３ｉの径が外側口５２ｉの径よりも小さい。すなわち、第１連通孔５１ｉは、副室５０の外側から内側に向かうにつれてより狭くなるように形成されている。このような第１連通孔５１ｉの形状の場合、ガスは、副室５０の外側から内側に入りやすい一方で、副室５０の内側から外側に出にくい。

このように、第１連通孔５１ｉは、副室５０の内側から外側にガスが出にくい形状を有している。一方、第２連通孔５１ｅは、副室５０の内側から外側にガスが出やすい形状を有している。つまり、燃焼時のジェット７０は、第１連通孔５１ｉから噴き出しにくく、第２連通孔５１ｅから噴き出しやすい。言い換えれば、燃焼時のジェット７０は、排気側の第２連通孔５１ｅから優先的に噴射される。これにより、排気側に噴き出すジェット７０は更に強化され、主燃焼室１０内のタンブル流ＦＴが更に強化される。燃焼時のタンブル流ＦＴが強化されるため、主燃焼室１０における燃焼性が向上する。

２−３．第３の例
図７は、本実施の形態に係る副室５０の連通孔５１の第３の例を示す模式図である。第３の例では、排気側に複数の第２連通孔５１ｅが形成されている。例えば、２つの第２連通孔５１ｅ−１、５１ｅ−２が形成されている。これらのうち第２連通孔５１ｅ−１がよりＵ方向側に配置されており、第２連通孔５１ｅ−２がよりＤ方向側に配置されている。言い換えれば、第２連通孔５１ｅ−１はヘッド底面２４により近く、第２連通孔５１ｅ−２はヘッド底面２４からより離れている。

第２連通孔５１ｅ−１、５１ｅ−２は共に、上記第１の例と同じ形状を有している。つまり、第２連通孔５１ｅ−１、５１ｅ−２は共に、副室５０の内側から外側に向かうにつれてより狭くなるように形成されている。但し、本例では、第２連通孔５１ｅ−１の径の方が、第２連通孔５１ｅ−２の径よりも大きい。従って、図７に示されるように、第２連通孔５１ｅ−１から噴き出すジェット７０−１の運動量の方が、第２連通孔５１ｅ−２から噴き出すジェット７０−２の運動量よりも大きくなる。

このように、本例の場合、ヘッド底面２４により近い第２連通孔５１ｅ−１から、より運動量の大きいジェット７０−１が噴き出す。言い換えれば、主燃焼室１０の中心から遠く、周縁部に近い位置において、運動量の大きいジェット７０−１が噴き出す。これにより、主燃焼室１０の周縁部におけるタンブル流ＦＴが効率的に強化される。主燃焼室１０の周縁部においても強いタンブル流ＦＴが確保されるために、燃焼性が向上する。

２−４．第４の例
図８は、本実施の形態に係る副室５０の連通孔５１の第４の例を示す模式図である。第４の例では、上記の第３の例の場合と同様に、２つの第２連通孔５１ｅ−１、５１ｅ−２が形成されている。但し、本例では、第２連通孔５１ｅ−２の径の方が、第２連通孔５１ｅ−１の径よりも大きい。従って、図８に示されるように、第２連通孔５１ｅ−２から噴き出すジェット７０−２の運動量の方が、第２連通孔５１ｅ−１から噴き出すジェット７０−１の運動量よりも大きくなる。

ヘッド底面２４により近い第２連通孔５１ｅ−１から噴き出すジェット７０−１は、主燃焼室１０の壁面と衝突しやすく、それは冷却損失の増加を招く。本例によれば、そのようなジェット７０−１の運動量が抑えられるため、主燃焼室１０全体としての冷却損失が低減される。

３．副室内の掃気
前サイクルからの残留ガスが副室５０内に多く残っていると、副室５０における着火性及び燃焼性が悪化する。副室５０における着火性及び燃焼性を向上させるためには、副室５０内の“掃気”が重要である。

図９は、本実施の形態に係る副室５０内の掃気を説明するための模式図である。図９のフォーマットは既出の図１のものと同じであるが、吸気バルブ３２及び排気バルブ４２の図示は省略されている。

吸気工程において、吸気ポート３０から主燃焼室１０に吸気ガスが吸い込まれ、主燃焼室１０内にはタンブル流ＦＴが発生する。図９において、吸気開口部３１付近の吸気流（吸気ガスの流れ）は、特に符号“ＦＩ”で示されている。吸気ポート３０はＸＹ平面に対して傾いているため、吸気開口部３１付近の吸気流ＦＩの方向は、Ｄ方向成分を含む斜め方向となる。

本実施の形態によれば、上記の吸気流ＦＩが、副室５０内の掃気に利用される。つまり、吸気流ＦＩの一部を副室５０内に取り込むことによって、副室５０内の掃気が行われる。より詳細には、吸気流ＦＩの一部は、吸気側の第１連通孔５１ｉを通して副室５０内に導入される。そして、副室５０内の掃気ガスは、排気側の第２連通孔５１ｅを通して副室５０の外に排出される。これにより、副室５０内の掃気が実現される。

更に、第１連通孔５１ｉと第２連通孔５１ｅの配置に関し、次のような配置が好適である。すなわち、図９に示されるように、第１連通孔５１ｉと第２連通孔５１ｅとを比較したとき、第１連通孔５１ｉは比較的Ｄ方向側に配置されており、第２連通孔５１ｅは比較的Ｕ方向側に配置されている。言い換えれば、第１連通孔５１ｉはピストン２２に比較的近く、第２連通孔５１ｅはシリンダヘッド２３（ヘッド底面２４）に比較的近くなるように配置されている。

図１０を参照して、本実施の形態に係る副室５０内の掃気を更に詳しく説明する。上述の通り、吸気流ＦＩの方向は、Ｄ方向成分を含む斜め方向である。この吸気流ＦＩが、Ｄ方向側に配置された第１連通孔５１ｉを通して副室５０内に導入される。そして、副室５０内の掃気ガスは、Ｕ方向側に配置された第２連通孔５１ｅを通して副室５０の外に排出される。従って、図１０に示されるように、副室５０の内部では、Ｕ方向の掃気ガスの流れが発生することになる。言い換えれば、副室５０の内部では、副室５０の底壁５０ｂ付近から点火プラグ６０付近まで掃気ガスが全体的に行き渡ることになる。つまり、副室５０において掃気が効果的に行われる。これにより、残留ガスが減り、結果として、副室５０における着火性及び燃焼性が向上する。

図１１は、比較例を示している。比較例では、第１連通孔５１ｉと第２連通孔５１ｅの位置関係が、図１０の場合と逆である。すなわち、第１連通孔５１ｉは比較的Ｕ方向側に配置されており、第２連通孔５１ｅは比較的Ｄ方向側に配置されている。言い換えれば、第１連通孔５１ｉはヘッド底面２４に近く、第２連通孔５１ｅは副室５０の底壁５０ｂに近い。この場合も、副室５０内に吸気流ＦＩが入れば、掃気ガスが副室５０内に行き渡ることが期待される。

しかしながら、上述の通り、吸気流ＦＩの方向は、Ｄ方向成分を含む斜め方向である。言い換えれば、吸気流ＦＩの方向は、ヘッド底面２４から遠ざかる方向である。従って、ヘッド底面２４の近傍では吸気流ＦＩの量が少なく、ヘッド底面２４に近い第１連通孔５１ｉからは十分な量の吸気流ＦＩを取り込むことができない。

副室５０内に十分な量の吸気流ＦＩを取り込むためには、図９及び図１０に示されるように、第１連通孔５１ｉをＤ方向寄りに配置することが好適である。そして、第２連通孔５１ｅを第１連通孔５１ｉよりもＵ方向に配置することによって、掃気ガスを副室５０内に行き渡らせることが可能となる。以上のことから、副室５０内の掃気性能が向上する。副室５０内の掃気が効果的に行われるため、残留ガスが減り、副室５０における着火性及び燃焼性が向上する。

更に、図１０で示される例では、第１連通孔５１ｉは、副室５０の外側から内側に向かうにつれてより狭くなるように形成されている。このような第１連通孔５１ｉの形状の場合、ガスは、副室５０の外側から内側に入りやすい一方で、副室５０の内側から外側に出にくい。つまり、吸気流ＦＩは、第１連通孔５１ｉを通して副室５０内に入りやすく、且つ、副室５０内の掃気ガスは、第１連通孔５１ｉから外側に流出しにくい。従って、副室５０内の掃気性能が更に向上する。

また、図１０で示される例では、第２連通孔５１ｅは、副室５０の内側から外側に向かうにつれてより狭くなるように形成されている。このような第２連通孔５１ｅの形状の場合、ガスは、副室５０の内側から外側に出やすい一方で、副室５０の外側から内側に入りにくい。つまり、副室５０内の掃気ガスは、第２連通孔５１ｅから外側に排出されやすく、且つ、主燃焼室１０内のガスは、第２連通孔５１ｅを通して副室５０内に入りにくい。従って、副室５０内の掃気性能が更に向上する。

１ 内燃機関
１０ 主燃焼室
２０ シリンダブロック
２１ シリンダライナ
２２ ピストン
２３ シリンダヘッド
２４ ヘッド底面
３０ 吸気ポート
３１、３１−１、３１−２ 吸気開口部
３２ 吸気バルブ
３３ 燃料噴射弁
４０ 排気ポート
４１、４１−１、４１−２ 排気開口部
４２ 排気バルブ
５０ 副室
５０ｓ 側壁
５０ｂ 底壁
５１ 連通孔
５１ｉ 第１連通孔
５１ｅ、５１ｅ−１、５１ｅ−２ 第２連通孔
５２ｉ、５２ｅ 外側口
５３ｉ、５３ｅ 内側口
６０ 点火プラグ
７０、７０−１、７０−２ ジェット
ＦＩ 吸気流
ＦＴ タンブル流

Claims (1)

1. シリンダヘッドと前記シリンダヘッドに対向するピストンとの間に挟まれた主燃焼室と、
   前記シリンダヘッド内に形成され、吸気開口部において前記主燃焼室につながる吸気ポートと、
   前記シリンダヘッド内に形成され、排気開口部において前記主燃焼室につながる排気ポートと、
   前記吸気開口部と前記排気開口部との間の前記シリンダヘッド上に設けられ、複数の連通孔を通して前記主燃焼室とつながる副室と、
   前記副室内で点火を行うように設けられた点火プラグと
   を備え、
   前記複数の連通孔のうち少なくとも１つは、前記副室の内側から外側に向かうにつれて狭くなる
   内燃機関。

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