JP2018172974A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 副室を備えた内燃機関において、主燃焼室の混合気を効率良く燃焼させる。【解決手段】 内燃機関１は、主燃焼室１２と、主燃焼室の中央に配置された副室２４と、副室と主燃焼室とを連通する複数の連通孔３４と、主燃焼室に燃料を噴射するインジェクタ４６と、副室に配置された発火部を備えた点火プラグ４２とを有する。インジェクタの燃料噴射によって、点火時期に主燃焼室の周方向に燃料の濃度が相対的に高い高濃度領域と燃料の濃度が相対的に低い低濃度領域とが形成され、複数の連通孔は、高濃度領域を向く流路面積の総和が、低濃度領域を向く流路面積の総和よりも大きく設定されている。【選択図】 図２

Description

本発明は、副室を備えた内燃機関に関する。

主燃焼室及び副室に区画された燃焼室を有する副室式内燃機関が公知である。副室式内燃機関は、副室において混合気を点火し、副室から連通孔を介して主燃焼室に噴出するトーチ状の火炎によって主燃焼室内の混合気を点火させる。このような副室式内燃機関において、副室を主燃焼室の中央に配置し、連通孔を放射状かつ周方向に等間隔に配置することによって、連通孔から噴出する火炎を主燃焼室に均質に行き渡らせるようにしたものがある（例えば、特許文献１）。

特開２００９−２１５９７３号公報

副室式内燃機関では、タンブル流及びスワール流を促進させると、連通孔を介して副室内に流入する混合気量が変動し、副室内の既燃ガスの残留量及び混合気濃度が変動し易くなる。その結果、副室における発熱量が変動し、連通孔から噴出する火炎量が変動して主燃焼室における燃焼安定性が低下するという問題がある。この問題に対して、タンブル流及びスワール流を低下させると、直噴内燃機関の場合、燃料の拡散が抑制され、主燃焼室において燃料が偏在することになる。この場合、連通孔から主燃焼室に向けて均等に火炎を噴射する方法では、主燃焼室内の混合気を効率良く燃焼させることができないという問題が発生する。

本発明は、以上の背景を鑑み、副室を備えた内燃機関において、主燃焼室の混合気を効率良く燃焼させることを課題とする。

上記課題を解決するために本発明の一態様は、主燃焼室（１２）と、前記主燃焼室の中央に配置された副室（２４）と、前記副室と前記主燃焼室とを連通する複数の連通孔（３４）と、前記主燃焼室に燃料を噴射するインジェクタ（４６）と、前記副室に配置された発火部を備えた点火プラグ（４２）とを有し、前記インジェクタの燃料噴射によって、点火時期に前記主燃焼室の周方向に燃料の濃度が相対的に高い高濃度領域（５１、５３）と燃料の濃度が相対的に低い低濃度領域（５２、５４）とが形成され、複数の前記連通孔は、前記高濃度領域を向く流路面積の総和が、前記低濃度領域を向く流路面積の総和よりも大きく設定されていることを特徴とする内燃機関（１）を提供する。

この態様によれば、連通孔の高濃度領域を向く流路面積の総和が低濃度領域を向く流路面積の総和よりも大きいため、副室から連通孔を通過して主燃焼室に噴出する火炎は低濃度領域よりも高濃度領域の方が多くなる。これにより、副室で発生した火炎を低濃度領域よりも高濃度領域に多く分配することができ、主燃焼室内の混合気を効率良く着火させることができる。

また、上記の態様において、前記インジェクタは、シリンダ軸線（Ｚ）に沿った方向から見て、前記主燃焼室の周縁からシリンダ軸線と直交する第１軸線（Ｘ）に沿って燃焼を噴射し、前記高濃度領域は前記主燃焼室の周方向において前記第１軸線に沿った２つの領域に形成され、前記低濃度領域は前記主燃焼室の周方向において前記第１軸線に直交する第２軸線（Ｙ）に沿った他の２つの領域に形成されるとよい。

この態様によれば、高濃度領域及び低濃度領域がインジェクタの燃料噴射方向によって定まるため、インジェクタの燃料噴射方向に対して連通孔の流路面積を設定することで、連通孔から噴出する火炎を高濃度領域に効率良く供給することができる。

また、上記の態様において、前記インジェクタは、前記主燃焼室の周縁において吸気側に配置され、前記第１軸線は、吸気側から排気側に延びているとよい。

この態様によれば、吸気ポートから主燃焼室に流入する吸気の流れと、インジェクタからの燃料噴射方向とが一致するため、燃料が吸気側又は排気側に偏在し易くなり、高濃度領域の位置が定まり易くなる。

また、上記の態様において、前記主燃焼室に吸気を供給する吸気ポートは、タンブル流及びスワール流を低減する低流動ポートであるとよい。

この態様によれば、主燃焼室の混合気の流動が抑制されることによって、副室の混合気濃度の変動が抑制され、副室で発生する発熱量の変動が抑制される。これにより、副室から主燃焼室に噴出する火炎量の変動が抑制され、主燃焼室の混合気の燃焼安定性が向上する。

また、上記の態様において、前記高濃度領域を向く前記連通孔の直径は、前記低濃度領域を向く前記連通孔の直径よりも大きいとよい。また、上記の態様において、前記高濃度領域を向く前記連通孔の数は、前記低濃度領域を向く前記連通孔の数よりも多いとよい。

これらの態様によれば、簡単な構成で高濃度領域に低濃度領域よりも多くの火炎を供給することができる。

以上の構成によれば、副室を備えた内燃機関において、主燃焼室の混合気を効率良く燃焼させることができる。

第１実施形態に係る内燃機関の断面図（図２のI−I断面図） 第１実施形態に係る燃焼室壁面を示すシリンダヘッドの底面図 第２実施形態に係る燃焼室壁面を示すシリンダヘッドの底面図 第３実施形態に係る燃焼室壁面を示すシリンダヘッドの底面図 変形実施形態に係る内燃機関の断面図

以下、図面を参照して、本発明を内燃機関に適用した実施形態について説明する。

（第１実施形態）
内燃機関１は、４ストローク機関であり、図１に示すように、シリンダブロック２と、シリンダブロック２の上端面に締結されたシリンダヘッド３とを含むエンジン本体４を有する。シリンダブロック２には、シリンダブロック２の上端面に開口する断面円形のシリンダ５が形成されている。シリンダ５の軸線をシリンダ軸線Ｚとする。シリンダヘッド３の下端面においてシリンダ５の上端と対向する部分は、上方に向けて凹み、シリンダ５の上端をなす燃焼室壁面７を形成している。燃焼室壁面７は、いわゆるペントルーフ形に形成されている。

シリンダ５には、ピストン１１がシリンダ軸線Ｚに沿って往復動可能に受容されている。燃焼室壁面７と、ピストン１１の冠面とは協働して主燃焼室１２を形成する。ピストン１１は、コンロッドを介してクランクシャフト（不図示）に接続されている。クランクシャフトの延在方向をクランク軸線方向とする。

図１及び図２に示すように、燃焼室壁面７には、２つの吸気ポート１５と、２つの排気ポート１６とが開口している。クランク軸線及びシリンダ軸線Ｚに直交する方向を吸排気方向とすると、燃焼室壁面７において、吸排気方向の一側である吸気側に２つの吸気ポート１５が配置され、他側である排気側に２つの排気ポート１６が配置されている。吸気ポート１５及び排気ポート１６の燃焼室壁面７側の開口端は、ポペットバルブである吸気バルブ１７及び排気バルブ１８によって開閉される。

吸気ポート１５は、主燃焼室１２におけるタンブル流及びスワール流を低減する低流動ポートであることが好ましい。吸気ポート１５の流路の屈曲が小さいほど（流路が直線に近づくほど）、主燃焼室１２におけるタンブル流及びスワール流が低減される。

燃焼室壁面７の中央には、上方に向けて凹んだ受容孔２０が凹設されている。受容孔２０は、シリンダ軸線Ｚと同軸に配置され、内周面に雌ねじ２０Ａを有する。受容孔２０は、上端に底面２０Ｂを有し、下端において開口している。

受容孔２０には隔壁部材２３が受容されている。隔壁部材２３は受容孔２０と協働して主燃焼室１２と区画された副室２４を画定する。隔壁部材２３は、円筒形の筒部２３Ａと、筒部２３Ａの下端を閉塞する下壁部２３Ｂとを有し、上方に向けて開口した凹部２３Ｃを形成する。筒部２３Ａの外周面には、受容孔２０の雌ねじ２０Ａと螺合する雄ねじ２３Ｄが形成されている。

下壁部２３Ｂは、中央部が下方に向けて凸となるように湾曲している。下壁部２３Ｂの主燃焼室１２側に露出した外面の外周部には、隔壁部材２３の軸線を中心とした環状の工具係合部２６が形成されている。工具係合部２６は、隔壁部材２３の外周面から径方向内方に凹んだ複数の凹部２７を含む。各凹部２７は、隔壁部材２３の軸線を中心とした回転対称形に形成され、周方向に連続して配列されている。なお、凹部２７の数は任意に設定することでき、例えば１２個や６個等であってよい。工具係合部２６に対応した工具を係合させ、工具を回転させることによって隔壁部材２３に締め付けトルクを与えることができる。

下壁部２３Ｂには、厚み方向に貫通し、主燃焼室１２と副室２４とを連通する複数の連通孔３４が形成されている。各連通孔３４は、直線状に延び、それぞれの軸線が副室２４内のシリンダ軸線Ｚ上における１つの交点において互いに交差している。すなわち、シリンダ軸線Ｚに沿った方向から見て、各連通孔３４は連通孔３４の軸線の交点を中心とした放射状に延びている。各連通孔３４の主燃焼室１２側の開口端は下壁部２３Ｂの下面における工具係合部２６の内側に開口している。

図１に示すように、シリンダヘッド３には、受容孔２０の底面２０Ｂの中央からシリンダ軸線Ｚに沿って上方に延びる点火プラグ孔３７が形成されている。点火プラグ孔３７は、上端においてシリンダヘッド３の上面に開口しており、下端において副室２４に接続している。

点火プラグ孔３７には、スパークプラグである点火プラグ４２が挿入されている。点火プラグ４２は、軸状に延びる本体部４２Ａと、本体部４２Ａの先端中央に設けられた中心電極４２Ｂと、本体部４２Ａの先端周縁から突出した接地電極４２Ｃとを有する。本体部４２Ａの外周面には、雄ねじが形成されており、点火プラグ孔３７の下部に形成された雌ねじに螺合している。中心電極４２Ｂと接地電極４２Ｃの先端部との間は、発火部となり、点火時に中心電極４２Ｂに電圧が印加されることによって火花が発生する。中心電極４２Ｂ及び接地電極４２Ｃは、副室２４に配置されている。

燃焼室壁面７における２つの吸気ポート１５の間の部分には上方に凹んだ凹部４５が形成されている。シリンダヘッド３には、吸気側の外側面から凹部４５の側面に延びるインジェクタ孔４６が形成されている。インジェクタ孔４６には、インジェクタ４７が挿入されている。インジェクタ４７は、先端の噴孔が主燃焼室１２に配置され、主燃焼室１２に向けて燃料を噴射する。

図２に示すように、インジェクタ４７の燃料噴射軸線Ａは、シリンダ軸線Ｚに沿った方向から見て、シリンダ軸線Ｚと直交する第１軸線Ｘに沿って延在する。すなわち、インジェクタ４７は、シリンダ軸線Ｚに沿った方向から見て、主燃焼室１２の周縁から第１軸線Ｘに沿って主燃焼室１２の中央側に燃料を噴射する。本実施形態では、シリンダ軸線Ｚに沿った方向から見て、第１軸線Ｘは吸気ポート１５側から排気ポート１６側に延びている。すなわち、シリンダ軸線Ｚに沿った方向から見て、第１軸線Ｘは内燃機関１のクランク軸線と直交する方向である吸排気方向に沿って延びている。シリンダ軸線Ｚ及び第１軸線Ｘに直交する軸線を第２軸線Ｙとする。第２軸線Ｙはクランク軸線と平行に延在している。

図１に示すように、第２軸線Ｙに沿った方向から見て、インジェクタ４７の燃料噴射軸線Ａは、シリンダ軸線Ｚに直交する平面に対して傾斜している。インジェクタ４７から噴射される燃料は、燃料噴射軸線Ａを中心として噴射角θの円錐形に広がる。

図２に示すように、シリンダ軸線Ｚに沿った方向から見て、主燃焼室１２は周方向に順に第１〜第４領域５１〜５４を有する。第１領域５１及び第３領域５３は第１軸線Ｘに沿って配置された領域であり、第２領域５２及び第４領域５４は、第２軸線Ｙに沿って配置された領域である。第１〜第４領域５１〜５４のそれぞれは、９０度の角度幅を有する。第１領域５１及び第３領域５３はシリンダ軸線Ｚを中心として第１軸線Ｘから両側に４５度の角度幅を有し、第２領域５２及び第４領域５４はシリンダ軸線Ｚを中心として第２軸線Ｙから両側に４５度の角度幅を有する。

複数の連通孔３４は、第１領域５１及び第３領域５３を向く流路面積の総和が、第２領域５２及び第４領域５４を向く流路面積の総和よりも大きく設定されている。ここで、各領域５１〜５４を向く連通孔３４の流路面積の総和は、各領域５１〜５４を向く連通孔３４の数と、それぞれの連通孔３４の直径との積によって定まる。例えば、各領域５１〜５４を向く連通孔３４の数が同じである場合、第１領域５１及び第３領域５３を向く連通孔３４の直径を第２領域５２及び第４領域５４を向く連通孔３４の直径よりも大きくすることで、第１領域５１及び第３領域５３を向く流路面積の総和を第２領域５２及び第４領域５４を向く流路面積の総和よりも大きくすることができる。また、各連通孔３４の直径が同一である場合、第１領域５１及び第３領域５３を向く連通孔３４の数を第２領域５２及び第４領域５４を向く連通孔３４の数よりも多くすることで、第１領域５１及び第３領域５３を向く流路面積の総和を第２領域５２及び第４領域５４を向く流路面積の総和よりも大きくすることができる。また、第１領域５１及び第３領域５３を向く連通孔３４の直径を第２領域５２及び第４領域５４を向く連通孔３４の直径よりも大きくし、かつ第１領域５１及び第３領域５３を向く連通孔３４の数を第２領域５２及び第４領域５４を向く連通孔３４の数よりも多くすることで、第１領域５１及び第３領域５３を向く流路面積の総和を第２領域５２及び第４領域５４を向く流路面積の総和よりも大きくしてもよい。

図４に示すように、第１実施形態では、連通孔３４は、４つ設けられ、周方向に等間隔（９０°間隔）に配置されている。シリンダ軸線Ｚに沿った方向から見て、２つの連通孔３４Ａは、第１軸線Ｘに沿って配置されて主燃焼室１２側の開口端が第１領域５１及び第３領域５３を向き、他の２つの連通孔３４Ｂは第２軸線Ｙに沿って配置されて主燃焼室１２側の開口端が第２領域５２及び第４領域５４を向いている。各連通孔３４Ａ、３４Ｂは断面円形の孔であり、第１領域５１及び第３領域５３を向く連通孔３４Ａの直径は、第２領域５２及び第４領域５４を向く連通孔３４Ｂの直径よりも大きく設定されている。各連通孔３４Ａ、３４Ｂのシリンダ軸線Ｚに対する傾きは同一の値に設定されている。

次に、内燃機関１の作用及び効果について説明する。本実施形態では、内燃機関１の圧縮行程においてインジェクタから噴射された燃料は、平面視において第１軸線Ｘに沿って第１領域５１側に流れ、その後上方又は下方に旋回して第３領域５３側に流れる。第１軸線は吸排気方向と一致しているため、吸気ポート１５から主燃焼室１２に流入する吸気の流れと、インジェクタ４７の燃料噴射方向とが一致するため、燃料は、第１領域５１及び第３領域５３の少なくとも一方に偏在し易くなる。このため、第１領域５１及び第３領域５３は、第２領域５２及び第４領域５４に対して燃料の濃度が相対的に高くなる。そのため、第１領域５１及び第３領域５３は燃料の濃度が相対的に高い高濃度領域、第２領域５２及び第４領域５４は燃料の濃度が相対的に低い低濃度領域となる。第１領域５１及び第３領域５３のうちでいずれの濃度が高くなるかは、内燃機関の負荷及び回転数に応じて変化する。

本実施形態では、吸気ポート１５が低流動ポートであるため、主燃焼室１２内のタンブル流及びスワール流が抑制され、燃料の撹拌が低減されている。そのため、インジェクタ４７から噴射された燃料の偏在が一層助長され、高濃度領域及び低濃度領域の濃度差が顕著になる。

圧縮行程において、ピストン１１が上昇すると、主燃焼室１２内の混合気の一部は、連通孔３４を通過して副室２４内に流入する。そして、圧縮上死点付近において点火プラグ４２が火花を発生することによって、副室２４内の混合気が着火し、火炎が発生する。副室２４に発生した火炎は、連通孔３４を通過してトーチ状に主燃焼室１２内に噴出し、主燃焼室１２の混合気を着火させる。

本実施形態では、高濃度領域を向く連通孔の直径が低濃度領域を向く連通孔の直径よりも大きく、連通孔３４の高濃度領域を向く流路面積の総和が低濃度領域を向く流路面積の総和よりも大きいため、副室２４から連通孔３４を通過して主燃焼室１２に噴出する火炎量は低濃度領域よりも高濃度領域の方が多くなる。これにより、副室２４で発生した火炎を低濃度領域よりも高濃度領域に多く分配することができ、主燃焼室１２内の混合気を効率良く着火させることができる。これにより、主燃焼室１２における燃焼が安定する。

（第２実施形態）
第２実施形態では、連通孔３４の数、位置、直径が第１実施形態と異なり、他の構成は第１実施形態と同様である。図３に示すように、第２実施形態では、連通孔３４は、６つ設けられ、第１領域５１及び第３領域にはそれぞれ２つの連通孔３４Ｃの主燃焼室１２側の開口端が向き、第２領域５２及び第４領域にはそれぞれ１つの連通孔３４Ｄの主燃焼室１２側の開口端が向いている。第１領域５１及び第３領域のそれぞれにおける２つの連通孔３４Ｃは、各領域５１、５３の中央側、すなわち、第１軸線Ｘ側に偏倚して配置されている。これにより、隣り合う２つの連通孔３４Ｃの間の角度は、隣り合う２つの連通孔３４Ｃ及び３４Ｄの間の角度よりも小さく設定されている。各連通孔３４Ｃ、３４Ｄは直径が同一の断面円形の孔である。各連通孔３４Ｃ、３４Ｄのシリンダ軸線Ｚに対する傾きは同一の値に設定されている。第２実施形態では、高濃度領域を向く各連通孔３４Ｃの流路面積の総和が低濃度領域を向く各連通孔３４Ｄの流路面積の総和よりも大きいため、副室２４から連通孔３４を通過して主燃焼室１２に噴出する火炎量は低濃度領域よりも高濃度領域の方が多くなり、主燃焼室１２内の混合気を効率良く着火させることができる。

（第３実施形態）
第３実施形態では、連通孔３４の数、位置、直径が第１実施形態と異なり、他の構成は第１実施形態と同様である。図４に示すように、第３実施形態では、連通孔３４は、６つ設けられ、第１領域５１及び第３領域にはそれぞれ２つの連通孔３４Ｅの主燃焼室１２側の開口端が向き、第２領域５２及び第４領域にはそれぞれ１つの連通孔３４Ｆの主燃焼室１２側の開口端が向いている。第１領域５１及び第３領域のそれぞれにおける２つの連通孔３４Ｅは、各領域５１、５３の中央側、すなわち、第１軸線Ｘ側に偏倚して配置されている。これにより、隣り合う２つの連通孔３４Ｅの間の角度は、隣り合う２つの連通孔３４Ｅ及び３４Ｆの間の角度よりも小さく設定されている。各連通孔３４Ｅ、３４Ｆは断面円形の孔であり、第１領域５１及び第３領域５３を向く連通孔３４Ｅの直径は、第２領域５２及び第４領域５４を向く連通孔３４Ｆの直径よりも大きく設定されている。各連通孔３４Ｅ、３４Ｆのシリンダ軸線Ｚに対する傾きは同一の値に設定されている。第３実施形態では、高濃度領域を向く連通孔３４Ｅの流路面積の総和が低濃度領域を向く連通孔３４Ｆの流路面積の総和よりも大きいため、副室２４から連通孔３４を通過して主燃焼室１２に噴出する火炎量は低濃度領域よりも高濃度領域の方が多くなり、主燃焼室１２内の混合気を効率良く着火させることができる。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、本実施形態では第１軸線Ｘは吸排気方向と一致するように配置されているが、他の実施形態では第１軸線Ｘは吸排気方向と角度をなすように配置されていてもよい。

他の実施形態では、図５に示すように、副室２４に向けて燃料を噴射する第２インジェクタ６０を設けてもよい。この場合、シリンダヘッド３に副室２４に接続する接続通路６２を形成し、接続通路６２に点火プラグ孔３７及び第２インジェクタ６０を受容する第２インジェクタ孔６３を接続するとよい。この第２インジェクタ６０が副室２４に向けて燃料を噴射することによって副室２４の燃料の濃度が一層安定する。これにより、副室２４及び主燃焼室１２における燃焼安定性が向上する。

他の実施形態では、シリンダ軸線Ｚに対する各連通孔３４の角度は、互いに相違していてもよい。また、各連通孔３４の軸線は、共通の交点を通過しなくてもよい。例えば、ペントルーフ形の燃焼室壁面７に沿うように、第１領域５１及び第３領域５３を向く連通孔３４はシリンダ軸線Ｚに対して下向きの傾斜角を有し、第２領域５２及び第４領域５４を向く連通孔３４はシリンダ軸線Ｚに対して直交していてもよい。

他の実施形態では、低濃度領域を向く連通孔３４の数は、０であってもよい。

１ ：内燃機関
３ ：シリンダヘッド
５ ：シリンダ
７ ：燃焼室壁面
１１ ：ピストン
１２ ：主燃焼室
１５ ：吸気ポート
２３ ：隔壁部材
２４ ：副室
３４ ：連通孔
４２ ：点火プラグ
４７ ：インジェクタ
７１ ：第１領域（高濃度領域）
７２ ：第２領域（低濃度領域）
７３ ：第３領域（高濃度領域）
７４ ：第４領域（低濃度領域）
Ａ ：燃料噴射軸線
Ｘ ：第１軸線
Ｙ ：第２軸線
Ｚ ：シリンダ軸線

Claims (6)

1. 主燃焼室と、
   前記主燃焼室の中央に配置された副室と、
   前記副室と前記主燃焼室とを連通する複数の連通孔と、
   前記主燃焼室に燃料を噴射するインジェクタと、
   前記副室に配置された発火部を備えた点火プラグとを有し、
   前記インジェクタの燃料噴射によって、点火時期に前記主燃焼室の周方向に燃料の濃度が相対的に高い高濃度領域と燃料の濃度が相対的に低い低濃度領域とが形成され、
   複数の前記連通孔は、前記高濃度領域を向く流路面積の総和が、前記低濃度領域を向く流路面積の総和よりも大きく設定されていることを特徴とする内燃機関。
2. 前記インジェクタは、シリンダ軸線に沿った方向から見て、前記主燃焼室の周縁からシリンダ軸線と直交する第１軸線に沿って燃焼を噴射し、
   前記高濃度領域は前記主燃焼室の周方向において前記第１軸線に沿った２つの領域に形成され、前記低濃度領域は前記主燃焼室の周方向において前記第１軸線に直交する第２軸線に沿った他の２つの領域に形成されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記インジェクタは、前記主燃焼室の周縁において吸気側に配置され、
   前記第１軸線は、吸気側から排気側に延びていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記主燃焼室に吸気を供給する吸気ポートは、タンブル流及びスワール流を低減する低流動ポートであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つの項に記載の内燃機関。
5. 前記高濃度領域を向く前記連通孔の直径は、前記低濃度領域を向く前記連通孔の直径よりも大きいことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つの項に記載の内燃機関。
6. 前記高濃度領域を向く前記連通孔の数は、前記低濃度領域を向く前記連通孔の数よりも多いことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つの項に記載の内燃機関。

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