JP2019157726A - 火花点火式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】副燃焼室と常時連通する主燃焼室にスワールが発生する内燃機関において、スワールを利用した副燃焼室内の掃気を積極的に行うことが可能な構成を提供する。【解決手段】シリンダ１２には、点火プラグ１４が設けられている。点火プラグ１４は、プラグカバー１６に収容されている。プラグカバー１６によって、シリンダ１２は主燃焼室１８と副燃焼室２０とに区切られている。プラグカバー１６は、主燃焼室１８の天井面の外周部に設けられている。主燃焼室１８と副燃焼室２０は、第１連通孔２２および第２連通孔２４を介して連通している。第１連通孔２２の開口方向は、プラグカバー１６に衝突する直前のスワールＳＷの流れ方向と概ね一致している。第２連通孔２４の開口方向は、シリンダ１２の中央部の方向である。【選択図】図１

Description

本発明は、主燃焼室と副燃焼室を備える火花点火式内燃機関に関する。

特開２００７−１９８１３６号公報には、火花点火式内燃機関が開示されている。この従来の内燃機関は、点火プラグが取り付けられた主燃焼室と、主燃焼室に連通する副室と、を備えている。主燃焼室と副室の連通部には、両者の連通を遮断する遮断弁が設けられている。遮断弁を開閉すると、燃焼室の容積が変わるので、内燃機関の圧縮比が変わる。

この従来の内燃機関では、主燃焼室にスワールが発生する。このスワールの副室への導入を容易にするため、遮断弁の傘部には、フィンが形成されている。このフィンによれば、副室に導入したガスの流動性を高めることもできる。

特開２０１５−０５５１８５号公報にも、火花点火式内燃機関が開示されている。この従来の内燃機関は、主燃焼室と、点火プラグが取り付けられた副室と、を備えている。主燃焼室と副室とは、点火プラグを覆うプラグカバーの連通孔を介して常時連通している。そのため、この従来の内燃機関では、連通孔を介して副室に流入したガスから火炎が発生し、この火炎が連通孔を介して主燃焼室に伝播する。以下、主燃焼室と常時連通する構成の副室を、「副燃焼室」ともいう。

特開２００７−１９８１３６号公報 特開２０１５−０５５１８５号公報

副燃焼室と常時連通する主燃焼室にスワールが発生する場合を考える。この場合は、副燃焼室の設置箇所と、副燃焼室と主燃焼室を連通する連通孔の位置と、が重要になる。この点、上記プラグカバーは、主燃焼室の天井面の中央部に取り付けられており、また、連通孔は、プラグカバーの先端に放射状に３〜６個形成されている。従って、このようなプラグカバーの位置と連通孔の位置との組み合わせでは、副燃焼室内にガスを導入できないおそれがあり、また、副燃焼室内の掃気が不十分となるおそれもある。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであり、副燃焼室と常時連通する主燃焼室にスワールが発生する内燃機関において、スワールを利用した副燃焼室内の掃気を積極的に行うことが可能な構成を提供することを目的とする。

本発明は、上述した課題を解決するための火花点火式内燃機関であり、次の特徴を有する。
前記火花点火式内燃機関は、スワールが発生する主燃焼室と、前記主燃焼室と連通する副燃焼室と、を備える。
前記副燃焼室は、第１連通孔および第２連通孔を介して前記主燃焼室と連通する。前記第１連通孔および前記第２連通孔は、点火プラグを収容するプラグカバーに形成されている。
前記プラグカバーは、前記主燃焼室の天井面の外周部に設置されている。
前記第１連通孔の開口位置は、前記プラグカバーの設置箇所におけるスワールの流れ方向の上流側である。
前記第２連通孔の開口位置は、前記スワールの流れ方向の下流側、かつ、前記主燃焼室の中央部側である。

本発明によれば、第１連通孔の開口位置が、プラグカバーの設置箇所におけるスワールの流れ方向の上流側とされる。そのため、プラグカバーの設置箇所に到達したスワールを、第１連通孔を介して副燃焼室に導入される。また、本発明によれば、第２連通孔の開口位置が、スワールの流れ方向の下流側とされる。スワールの流れ方向には圧力分布が生じるため、高圧側の第１連通孔から副燃焼室にスワールが導入されると、低圧側の第２連通孔から副燃焼室内のガスが押し出される。従って、本発明によれば、スワールを利用した副燃焼室内の積極的な掃気を行うことができる。

また、本発明によれば、第２連通孔の開口位置が、主燃焼室の中央部側とされる。そのため、点火プラグによる点火動作に伴って発生させた火炎が、主燃焼室の中央部側に拡大する。また、プラグカバーの設置箇所は、燃焼室の天井面の外周部であり、この設置箇所におけるスワールの流れ方向の上流側に第１連通孔の開口位置がある。つまり、第１連通孔の開口位置は、少なくとも主燃焼室の外周部側となる。従って、本発明によれば、副燃焼室内で発生させた火炎を、主燃焼室内に均一に拡大させることもできる。

本発明の実施の形態に係る内燃機関のシリンダの横断面図である。 図１のII−II線に沿ってシリンダを切断した縦断面図である。 内燃機関の吸気行程および圧縮行程での混合ガスの流動状況を模式的に示した図である。 図３に示した副燃焼室の周囲の混合ガスの流動状況を模式的に示した図である。 燃焼初期での混合ガスの流動状況を模式的に示した図である。 第１連通孔の別の構成を説明する図である。 第２連通孔の別の構成を説明する図である。 第１連通孔および第２連通孔のまた別の構成を説明する図である。 プラグカバーの別の設置位置を説明する図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

１．内燃機関の構成の説明
本発明の実施の形態に係る内燃機関は、車両に搭載される４ストローク１サイクルエンジンである。図１は、本発明の実施の形態に係る内燃機関のシリンダの横断面図である。図１に示すように、内燃機関１０は、シリンダ１２を備えている。シリンダ１２には、点火プラグ１４が設けられている。点火プラグ１４は、シリンダヘッド（図示しない）に取り付けられており、点火プラグ１４の取り付け位置は、シリンダ１２の外周部である。例えば、点火プラグ１４はシリンダ１２の軸中心よりも吸気側（ＩＮ側）に取り付けられる。点火プラグ１４は、点火プラグ１４に高電圧を印加する点火コイル（図示しない）に接続されている。点火コイルを駆動すると、点火プラグ１４に放電火花が生じる。

点火プラグ１４は、プラグカバー１６に収容されている。プラグカバー１６によって、シリンダ１２は主燃焼室１８と副燃焼室２０とに区切られている。主燃焼室１８は、シリンダ１２の主たる空間を占めている。副燃焼室２０は、プラグカバー１６によって囲まれた空間を占めている。プラグカバー１６は、主燃焼室１８の天井面の外周部に設けられている。そのため、副燃焼室２０は、この外周部の一部の空間のみを占めていると言うことができる。主燃焼室１８と副燃焼室２０は、第１連通孔２２および第２連通孔２４を介して連通している。第１連通孔２２および第２連通孔２４は、プラグカバー１６に形成されている。第１連通孔２２は、シリンダ１２の外周部の方向に開口している。第２連通孔２４は、シリンダ１２の中央部の方向に開口している。

内燃機関１０は、主燃焼室１８にスワールＳＷを発生するように構成されている。スワールＳＷは、例えば、内燃機関１０の吸気行程において吸気ポート２６から主燃焼室１８に流入する吸気によって発生する。図１に示すように、スワールＳＷは、主燃焼室１８を反時計回りに旋回する。主燃焼室１８の天井面付近を旋回するスワールＳＷの一部は、プラグカバー１６に衝突する。第１連通孔２２の開口方向は、プラグカバー１６に衝突する直前のスワールＳＷの流れ方向と概ね一致している。そのため、プラグカバー１６に衝突したスワールＳＷの一部は、第１連通孔２２から副燃焼室２０に流入する。

なお、図示は省略するが、内燃機関１０は、主燃焼室１８に燃料を噴射するインジェクタを備えている。インジェクタは、吸気ポート２６および２８の壁面に取り付けられるポートインジェクタである。インジェクタからの噴射燃料は、吸気と混ざりあって混合ガスを形成する。ただし、内燃機関１０に適用されるインジェクタは、主燃焼室１８の天井面に取り付けられる直噴インジェクタでもよい。ポートインジェクタと直噴インジェクタの両方を内燃機関１０に適用してもよい。

図２は、図１のII−II線に沿ってシリンダ１２を切断した縦断面図である。図２に示すように、プラグカバー１６は、断面四角状の筐体から構成される。ただし、プラグカバー１６の形状は特に限定されず、例えば、主燃焼室１８側の端部が面取り加工されていてもよい。副燃焼室２０は、点火プラグ１４の周囲に形成される狭い空間である。第２連通孔２４は、プラグカバー１６の側面に形成されている。図示は省略するが、第２連通孔２４と同様、第１連通孔２２もプラグカバー１６の側面に形成されている。

２．副燃焼室による作用・効果
図３は、内燃機関１０の吸気行程および圧縮行程での混合ガスの流動状況を模式的に示した図である。主燃焼室１８の天井面付近を旋回するスワールＳＷの強度は、主燃焼室１８の中央部では比較的小さく、主燃焼室１８の外周部では比較的大きくなる。また、既に説明したように、第１連通孔２２の開口方向は、プラグカバー１６に衝突する直前のスワールＳＷの流れ方向と概ね一致している。従って、プラグカバー１６に衝突した混合ガスの一部は、第１連通孔２２から副燃焼室２０に流入する。副燃焼室２０に流入した混合ガスは、副燃焼室２０内のガスを第２連通孔２４から押し出す。押し出されたガスは、第２連通孔２４の周囲にガスの乱れを生じさせる。

図４は、図３に示した副燃焼室２０の周囲の混合ガスの流動状況を模式的に示した図である。図４に示すように、主燃焼室１８の天井面付近を旋回するスワールＳＷの一部は、プラグカバー１６に衝突する。この衝突に際し、混合ガスの一部は、プラグカバー１６の外周に沿って流れる。この混合ガスの流れにより、プラグカバー１６の外周にはガスの圧力分布が発生する。すなわち、第１連通孔２２に近づくほどガスの圧力は相対的に高くなり、第２連通孔２４に近づくほどガスの圧力は相対的に低くなる。副燃焼室２０内のガスが第２連通孔２４から排出されるのは、このような圧力分布に起因している。

このように、内燃機関１０では、第１連通孔２２を介した副燃焼室２０への混合ガスの流入と、第２連通孔２４を介した副燃焼室２０内のガスの流出とが、吸気行程および圧縮行程において行われる。従って、内燃機関１０によれば、点火プラグ１４の駆動（例えば、圧縮上死点付近のクランク角）よりも前に、主燃焼室１８から導入した混合ガスによって副燃焼室２０内を積極的に掃気できる。

図５は、燃焼初期での混合ガスの流動状況を模式的に示した図である。点火プラグ１４の駆動に伴い副燃焼室２０内で火炎が生じる。生じた火炎は、副燃焼室２０内のガスの圧力を高めるので、第１連通孔２２および第２連通孔２４から混合ガスが噴出する。第１連通孔２２からの混合ガスの噴流は、第１連通孔２２に向かうスワールＳＷと衝突する。そうすると、この噴流は、その先端が吸排気方向に拡張されながらも、スワールＳＷの流れ方向とは逆の方向に進んでいく（図５（Ａ））。

第２連通孔２４からの混合ガスの噴流は、プラグカバー１６の外周に沿って流れる混合ガスによってスワールＳＷの下流側に押されながらも、主燃焼室１８の中央部の方向に進んでいく（図５（Ｂ））。そして、この噴流が主燃焼室１８の中央部を通り過ぎると、スワールＳＷの流れ方向に進んでいく（図５（Ｃ））。

副燃焼室２０内で生じた火炎は、周囲の混合ガスを巻き込みながら拡大する。第１連通孔２２から出た火炎は、第１連通孔２２の周囲の混合ガスや、第１連通孔２２から噴出した混合ガスを消費しながら、主燃焼室１８の外周部の方向に拡大する。第２連通孔２４から出た火炎は、第２連通孔２４の周囲の混合ガスや、第２連通孔２４から噴出した混合ガスを消費しながら主燃焼室１８の中央部の方向に拡大する。既に説明したように、第２連通孔２４の周囲には、吸気行程および圧縮行程において生じたガスの乱れが存在する。そのため、第２連通孔２４から出た火炎は、主燃焼室１８の外周部の方向にも拡大する（図５（Ｄ））。

このように、内燃機関１０では、第１連通孔２２や第２連通孔２４から出た火炎が、これらの連通孔から噴出した混合ガスの進行方向に拡大する。特に、第２連通孔２４から出た火炎は、吸気行程および圧縮行程において生じたガスの乱れを利用して主燃焼室１８の外周方向にも拡大する。従って、内燃機関１０によれば、副燃焼室２０から出た火炎を、主燃焼室１８内に均一に拡大させることができる。よって、実質的な燃焼期間の短縮を実現することができる。

３．その他の構成
上述した実施の形態に係る内燃機関は、以下のように変形することもできる。

３．１ 連通孔の他の構成
図６は、第１連通孔の別の構成を説明する図である。図６に示す例では、第１連通孔２２が、２つの第１連通孔２２ａおよび２２ｂで構成されている。第１連通孔２２ａおよび２２ｂの合計容積は、図１で説明した第１連通孔２２の容積と等しくされている。このような孔２２ａおよび２２ｂによれば、プラグカバー１６に衝突したスワールＳＷの副燃焼室２０への流入を促進することが可能になる。また、火炎の生成に伴ってこれらの孔２２ａおよび２２ｂから噴出する混合ガスの拡散範囲を拡大することが可能になる。従って、これらの孔２２ａおよび２２ｂから出た火炎を、主燃焼室１８に広がり易くすることが可能になる。

図７は、第２連通孔の別の構成を説明する図である。図７に示す例では、第２連通孔２４が、上下方向に分割された２つの第２連通孔２４ａおよび２４ｂから構成されている。第２連通孔２４ａおよび２４ｂの合計容積は、図１で説明した第２連通孔２４の容積と等しくされている。このような孔２４ａおよび２４ｂによれば、火炎の生成に伴ってこれらの孔２４ａおよび２４ｂから噴出する混合ガスの拡散範囲を拡大することが可能になる。従って、これらの孔２４ａおよび２４ｂから出た火炎を、主燃焼室１８に広がり易くすることが可能になる。

図８は、第１連通孔および第２連通孔のまた別の構成を説明する図である。図５に示す例では、第１連通孔２２の開口面積がプラグカバー１６の外周に向かうほど拡大し、第２連通孔２４の開口面積が当該外周に向かうほど縮小している。このような第１連通孔２２によれば、プラグカバー１６に衝突したスワールＳＷの副燃焼室２０への流入を促進することが可能になる。また、火炎の生成に伴って第１連通孔２２から噴出する混合ガスの拡散範囲を拡大することが可能になる。また、このような第２連通孔２４によれば、火炎の生成に伴って第２連通孔２４から噴出する混合ガスの主燃焼室１８の中央部の方向への移動距離を延ばすことが可能になる。従って、副燃焼室２０で生じた火炎を、主燃焼室１８に広がり易くすることが可能になる。

なお、図８で説明した第１連通孔２２と第２連通孔２４は、そのうちの一方のみを採用することもできる。

３．２ プラグカバーの設置位置の他の構成
図９は、プラグカバーの別の設置位置を説明する図である。図９に示す例では、副燃焼室２０が主燃焼室１８の天井面の外縁と接するようにプラグカバー１６が設けられる。おこのようなプラグカバー１６の設置位置によれば、主燃焼室１８の外周部を旋回する強いスワールＳＷを、第１連通孔２２を介して副燃焼室２０内に流入させることができる。なお、主燃焼室１８の天井面の外縁よりも更に外側（つまり、シリンダヘッドの内部側）まで副燃焼室２０を拡大させてもよい。

３．３ 点火プラグの設置位置の他の構成
点火プラグ１４は、シリンダ１２の軸中心よりも排気側（ＥＸ側）に取り付けられていてもよい。ただし、第１連通孔２２と第２連通孔２４の開口位置は、上述した実施の形態と同様にする必要がある。

１０ 内燃機関
１２ シリンダ
１４ 点火プラグ
１６ プラグカバー
１８ 主燃焼室
２０ 副燃焼室
２２、２２ａ、２２ｂ 第１連通孔
２４、２４ａ、２４ｂ 第２連通孔
２６、２８ 吸気ポート
ＳＷ スワール

Claims (1)

1. スワールが発生する主燃焼室と、前記主燃焼室と連通する副燃焼室と、を備える火花点火式内燃機関であって、
   前記副燃焼室は、点火プラグを収容するプラグカバーに形成された第１連通孔および第２連通孔を介して前記主燃焼室と連通し、
   前記プラグカバーは、前記主燃焼室の天井面の外周部に設置され、
   前記第１連通孔の開口位置は、前記プラグカバーの設置箇所におけるスワールの流れ方向の上流側であり、
   前記第２連通孔の開口位置は、前記スワールの流れ方向の下流側、かつ、前記主燃焼室の中央部側である
   ことを特徴とする火花点火式内燃機関。

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