JP2020139452A - 副燃焼室付き内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】副燃焼室を備えたリーンバーン方式内燃機関において、トーチ部の熱負荷を落成しつつ、混合気への着火性を向上させる。【解決手段】シリンダヘッド３に、副燃焼室ユニット１４が配置されている。副燃焼室ユニット１４のトーチ部１６に、吸気側と排気側とに向いた一対の火炎噴出穴２１，２２が形成されている。火炎噴出穴２１，２２は、周方向に長い長穴に形成されていると共に、トーチ部１６の軸心方向から見た平断面視では、幅を狭めた絞り部２５を有している。火炎噴出穴２１，２２は長穴であるため、火炎を抵抗なく広い範囲で噴出させることができる。また、絞り部２５を有するため、火炎の広がりを助長したり、火炎を収束させて遠くまで飛ばしたりすることができる。【選択図】図２

Description

本願発明は、副燃焼室を備えた内燃機関に関するものである。

自動車用の内燃機関を初めてとして、ガソリン機関やガス機関では排気ガスの規制が強化されている。この規制に対応する１つの手段として、混合気の燃料比率を下げて（空気比率を上げて）燃焼させるリーンバーン方式があるが、リーンバーン方式では燃料への着火性が劣るという問題がある。この点については、従来から、シリンダヘッドに副燃焼室を設けて、副燃焼室で発生した火炎によって燃料（混合気）に着火させることが提案されている。

その一例として特許文献１には、トーチ部に火炎が噴出する複数の火炎噴出穴（噴孔）を形成するにおいて、火炎噴出穴を、内径が大きい大径噴孔と内径が小さい小径噴孔との２種類と成して、これら大径噴孔と小径噴孔とを周方向に交互に配置すると共に、トーチ部の軸心に対する噴孔の傾斜角度を、大径噴孔の傾斜角度が小径噴孔の傾斜角度よりも小さい角度になるように設定することが開示されている。

また、特許文献１には、トーチ部の軸心方向（下向き）に開口した１つの噴孔に、末広がりの拡開部を形成することも開示されている（請求項５）。

特開２００１−２２７３４４号公報

特許文献１は、大径噴孔から噴出した火炎はトーチ部の近くに存在する混合気に晒す一方、小径噴孔から噴出した火炎は遠くに飛ばしてトーチ部から遠い部位の混合気に着火させようとするものであり、主燃焼室に充満した混合気の全体に満遍なく火炎を当てて、均一かつ速やかな燃焼を実現しようとするものであると云える。

しかし、特許文献１の構造では、噴孔の数が多くなるためトーチ部の熱負荷が相当に大きくなっていることは否めず、すると、溶損防止のためには特殊の材料を使用せざるを得ずに、コストが嵩むおそれがある。また、火炎が噴孔を通過するに際して抵抗が発生するため、小径噴孔において火炎が遠くまで飛ばないことも有り得るのではないかと懸念される。

本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。

本願発明は、
「シリンダボアにピストンが摺動自在に配置されたシリンダブロックと、前記シリンダブロックの上面に固定されたシリンダヘッドとを備えており、
前記シリンダヘッドには、主燃焼室に向けて露出したトーチ部を有する副燃焼室が設けられており、前記トーチ部に、前記主燃焼室に向けて開口した火炎噴出穴が形成されている」
という構成において、
」前記トーチ部の火炎噴出穴は、前記トーチ部の周方向に長い長穴に形成されていると共に、前記トーチ部の軸心方向から見た平断面視において絞り部を備えた非等幅に形成されている」
という特徴を有している。

本願発明において、絞り部は様々な態様を採用できる。例えば、平断面視で全体を先広がりの扇形に形成して入口部を絞り部と成したり、逆に、平断面視で全体を先窄まりの扇形に形成して出口部を絞り部と成すことができる。そして、絞り部の位置により、火炎の噴射態様を異ならせることができる（火炎の噴射範囲を大きく広がらせたり、逆に収束させたりすることができる。）。

また、火炎噴出穴の向きは任意に設定できるが、ピストンの頂面には、吸気行程の終期において吸気バルブとの衝突を回避するための吸気バルブリセスと、排気行程の終期において排気バルブとの衝突を回避するための排気バルブリセスとが形成されていることが多く、この場合、混合気はバルブリセスの箇所に多く充満するため、火炎噴出穴を、吸気バルブリセスの対の方向と、排気バルブリセスの対の方向とに向けて開口させると、混合気への着火性を向上させることができて好適である。

本願発明では、火炎噴出穴はトーチ部の周方向に長い長穴になっているため、火炎を広い範囲に拡散させて噴出させることができる。すなわち、火炎は、トーチ部の軸心方向から見て扇形に広がりながら主燃焼室に飛んでいく。これにより、混合気の広い範囲に火炎を晒して、混合気全体の均一かつ速やかな燃焼を実現できる。その結果、リーンバーン方式であっても、着火不良や着火遅れを無くして安定した運転を実現できる。

そして、本願発明では、火炎噴出穴は、トーチ部の軸心方向から見て絞り部を有しているが、絞り部を出口に設けて火炎噴出穴を先窄まりに形成すると、火炎は流速を速めて遠くまで噴出する。従って、主燃焼室がピストンの外周部まで広がっている場合は、このような先窄まり形態を採用することにより、混合気の全体を均一に燃焼させることができる。

他方、絞り部を入口に設けて火炎噴出穴を先広がりに形成すると、火炎はトーチ部から速やかに広がっていく。従って、主燃焼室がピストンの外周部まで広がっていない場合は、このような先広がり形態を採用することにより、混合気の全体を均一に燃焼させることができる。

このように、絞り部の位置や程度を異ならせることにより、火炎の広がり範囲や届く範囲を調節することができる。従って、主燃焼室の形態に応じた最適な火炎伝播状態を実現できる。その結果、ピストンの頂面の形態などが相違する各種の内燃機関について、希薄混合気であっても着火性を向上させて安定した運転を実現できる。従って、排気ガスの無害化を促進して環境負荷が小さい内燃機関の実現に貢献できる。

また、火炎噴出穴は周方向に長い長穴であるため、火炎の流れ抵抗を抑制して、火炎の通過を確実化できると共に、遠くまで飛ばすことができる。この面でも、混合気に対する着火性に優れている。また、火炎噴出穴が周方向に長くて開口面積が大きいことから、火炎噴出穴の数は少なくてよいため、トーチ部の熱負荷も低減できる。このため、高価な材料を使用することなく製造可能となって、コストアップも抑制可能となる。

実施形態の縦断正面図である。 （Ａ）は副燃焼室ユニット１４の拡大図，（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ視図、（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ視断面図である。 いずれも別例図である。

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、自動車用内燃機関に適用している。以下では、方向を特定するため前後・左右の文言を使用するが、前後方向はクランク軸線方向であり、左右方向は、クランク軸線及びシリンダボア軸線と直交した方向である。上下方向は、シリンダボア軸線方向である。正面視は、前後方向から見た状態としている。

(1).実施形態の基本構造
図１に示すように、内燃機関は、クランク軸線方向に並んだ複数のシリンダボア１を有するシリンダブロック２と、その頂面に固定されたシリンダヘッド３とを有している。シリンダボア１には、ピストン４が摺動自在に配置されている。

シリンダヘッド３には、各シリンダボア１と対向して山形の凹所（燃焼室）５が形成されており、凹所５には、吸気バルブ６で開閉される前後一対ずつの吸気ポート７と、排気バルブ８で開閉される排気ポート９とが、左右に振り分けて形成されている。

ピストン４の頂面には、吸気行程の終期において吸気バルブ６の衝突を防止するための前後一対の吸気バルブ用リセス１０と、排気行程の終期において排気バルブ８との衝突を防止するための前後一対の排気バルブ用リセス１１とが形成されている。吸気バルブ用リセス１０と排気バルブ用リセス１１とは、ピストン４の外周に向けて低くなるように傾斜している（吸気バルブ６及び排気バルブ８が、シリンダボア軸心に対して傾斜しているためである。）。

また、ピストン４の頂面のうち吸気バルブ用リセス１０と排気バルブ用リセス１１との間の部位には、タンブル流の生成を助長するための凹面１２が形成されている。また、ピストン４の外周部には、傾斜面（スキッシャエリア）１３が断続的に形成されている。ピストン４とシリンダヘッド３との間の空間が主燃焼室になっており、この空間に混合気が充満する。従って、本実施形態では、バルブリセス１０，１１の箇所も主燃焼室の一部になっている。

シリンダヘッド３のうちシリンダボア軸心が通る中央部には、副燃焼室ユニット１４が装着されている。副燃焼室ユニット１４は円筒状のボデーを有しており、ボデーに、副燃焼室１５とその下方に位置したトーチ部１６とが形成されている。副燃焼室１５の上部は仕切り壁１７で区画されており、仕切り壁１７に燃料噴射穴１８が空いている。燃料噴射穴１８は、カム軸によって作動する燃料噴射弁１９によって開閉される。また、副燃焼室１５には、点火プラグ２０の先端が露出している。

(2).火炎噴出穴
トーチ部１６の下端はシリンダヘッド３の凹所５に突出しており、この突出部に、ピストン４の吸気バルブ用リセス１０の側に開口した第１火炎噴出穴２１と、ピストン４の排気バルブ用リセス１１の側に開口した第２火炎噴出穴２２とが、左右に振り分けて形成されている。図１のとおり、縦断正面視では、火炎噴出穴２１，２２は、概ねリセス１０，１１の傾斜姿勢と略同じ角度で傾斜している。

図２（Ｂ）に示すように、火炎噴出穴２１，２２は、トーチ部１６の軸心回り方向（周方向）に長い長穴になっており、かつ、図２（Ｃ）に示すように、入口２３が幅狭で出口２４が幅広となるように先広がりの形態になっている。従って、図２（Ｃ）の形態では、入口２３が絞り部２５になっている。

火炎噴出穴２１，２２は周方向に細長い長穴であるため、火炎を広い範囲に亙って飛ばすことができる。従って、火炎噴出穴２１，２２が左右１つずつしか形成されていなくても、混合気の全体に満遍なく着火できる。

そして、本願実施形態では、火炎噴出穴２１，２２は平断面視において末広がりになっているため、火炎は火炎噴出穴２１，２２から広がりながら主燃焼室に噴出する。このため、前後一対ずつのバルブリセス１０，１１に充満した混合気に火炎を行き届かせて、混合気の全体を一気に燃焼させることができる。

図３では、火炎噴出穴２１，２２の形態のバリエーションを示している。このうち（Ａ）の実施形態では、火炎噴出穴２１，２２のうち入口２３と出口２４との間の中途部に絞り部２５を形成している。従って、火炎噴出穴２１，２２は、入口側の部位では先窄まりになって、出口側では先広がりになっている。この実施形態では、先広がり部が出口側に寄っているため、火炎の拡散性が高くなっている。

図３（Ｂ）に示す例では、入口側に等幅の絞り部２５を形成して、出口側を周方向に広がった長穴に形成している。この実施形態から理解できるように、火炎噴出穴２１，２２は、その一部が周方向に長い長穴になっていてもよい。

図３（Ｃ）に示す例では、絞り部２５を出口２４に形成して、火炎噴出穴２１，２２を先窄まりに形成している。この図３（Ｃ）の実施形態では、火炎の収束性が高くなるため、火炎を遠くまで飛ばすことができる。

図３（Ｄ）（Ｅ）では、第１火炎噴出穴２１と第２火炎噴出穴２２の形態を異ならせている。このうち図３（Ｄ）の実施形態では、両火炎噴出穴２１，２２の広がり角度は同じにしつつ、第１火炎噴出穴２１の溝幅を第２火炎噴出穴２２の溝幅よりも大きくしている。吸気バルブリセス１０の箇所に排気バルブリセス１１の箇所よりも多くの混合気が充満している場合は、このように第１火炎噴出穴２１の開口面積を大きくすると、吸気側と排気側とで燃焼速度を同じにできる。

図３（Ｅ）に示す例では、第１火炎噴出穴２１の広がり角度を第２火炎噴出穴２２の広がり角度よりも大きくしている。また、図３（Ｆ）に示す実施形態では、第１火炎噴出穴２１は先広がりに形成して、第１火炎噴出穴２１は等幅のストレートに形成している。この図３（Ｆ）から理解できるように、本願発明では、少なくとも１つの火炎噴出穴２１が絞り部を有していたらよい。（Ｅ）（Ｆ）とも、（Ｄ）と同じ効果が発揮される。

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。例えば、火炎噴出穴を先広がり又は先窄まりに形成する場合、平断面視で内面が曲面を成したラッパ状に形成することも可能である。一対の火炎噴出穴は、前後方向に向けて開口させることも可能である。

本願発明は、副燃焼室付き内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ シリンダボア
３ シリンダヘッド
４ ピストン
５ 主燃焼室を構成する凹所
１０，１１ 主燃焼室を構成するバルブリセス
１４ 副燃焼室ユニット
１５ 副燃焼室
１６ トーチ部
１９ 燃料噴射弁
２０ 点火プラグ
２１，２２ 火炎噴出穴

Claims (1)

1. シリンダボアにピストンが摺動自在に配置されたシリンダブロックと、前記シリンダブロックの上面に固定されたシリンダヘッドとを備えており、
   前記シリンダヘッドには、主燃焼室に向けて露出したトーチ部を有する副燃焼室が設けられており、前記トーチ部に、前記主燃焼室に向けて開口した火炎噴出穴が形成されている構成であって、
   前記トーチ部の火炎噴出穴は、前記トーチ部の周方向に長い長穴に形成されていると共に、前記トーチ部の軸心方向から見た平断面視において絞り部を備えた非等幅に形成されている、
   副燃焼室付き内燃機関。

Images