JP2022017967A - 副燃焼室付き内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】副燃焼室付き内燃機関において、コストを抑制しつつ、副燃焼室への燃料の供給を確実化する。【解決手段】副燃焼室２５は主燃焼室６に露出しており、内部には点火プラグ２６の電極２７，２８が露出し、中空ドーム状部２５ａには複数の噴孔３３が形成されている。シリンダヘッド３のうち吸気ポート８を挟んで下部に、吸気ポート８の出口部を介して燃料を副燃焼室２５に向けて噴出する補助インジェクタ３４が配置されている。補助インジェクタ３４は副燃焼室２５や主燃焼室６には露出していないため、安価なものを使用できる。従って、コストを抑制できる。補助インジェクタ３４による燃料噴射は、ピストンが下死点付近にあって吸気の流れがほぼ停止しているときに行うのが好ましい。【選択図】図４

Description

本発明は、副燃焼室（プレ燃焼室）を備えた内燃機関に関するものである。

副燃焼室を備えた内燃機関は広く知られている。副燃焼室は主燃焼室の燃料（混合気）に対する点火プラグの役割を果たすものであり、副燃焼室で発生した火炎を噴孔から主燃焼室に噴出させて主燃料に着火させている。副燃焼室で生成した火炎は主燃焼室での燃料の着火性に優れているため、主燃焼室での燃焼速度を速めたり、空燃比がリーン状態であっても確実に燃焼させることができる利点がある。そこで、リーンバーンによる燃費向上と排気ガスクリーン化向上とを両立させる有望な技術として注目されている。

副燃焼室付き内燃機関では、副燃焼室の内部に点火プラグが配置されており、副燃焼室の内部に充満した燃料に点火プラグで着火しているが、副燃焼室への燃料の供給手段としては、特許文献１に開示されているように、副燃焼室用の専用インジェクタを設けるアクティブ方式と、特許文献２に開示されているように、主燃料室に噴出した混合気を副燃焼室に取り込むパッシブ方式とがある。

特公昭５９－３６０８９号公報 特公昭５８－５５３２７号公報

副室用の専用のインジェクタを設けると、副室に必要な量の燃料を確実に供給できる ため、主燃焼室での燃料がリーン状態であっても着火・燃焼を確実化できる利点があるが、インジェクタはノズルが副燃焼室の内部に露出しているため、直噴エンジン用インジェクタのような高圧噴射で高い耐圧性・耐熱性を備えている必要があり、かつ、専用のインジェクタは、シリンダヘッドの狭い部位に動弁機構を避けながら配置せねばならないため、シリンダヘッドの構造も著しく複雑化することになり、これらが相まってコストが大幅にアップするという問題がある。

他方、主燃焼室に供給された燃料を副燃焼室に取り込んで燃焼させるパッシブ方式は、専用のインジェクタは不要であるためコスト面では有利であるが、副燃焼室内への燃料供給の安定性に欠けるという問題がある。

更に述べると、主燃焼室の混合気は小径の噴孔から副燃焼室に取り込むことになるため、副燃焼室への吸気の流入性が元々悪いという特性があることに加えて、副室内の混合気は主室に供給される混合気の空燃比と同じであることから、主燃焼室に供給される混合気がリーン状態であると副室内でもリーン状態になって着火性が低下するということになり、従って、主燃焼室でのリーンバーンを確実化するという副燃焼室の目的が没却されてしまいかねない。

本願発明は、このような現状を改善しようとするものである。

本願発明の内燃機関は、
「シリンダヘッドとシリンダブロックとピストンとによって形成された主燃焼室と、前記シリンダヘッドに設けた副燃焼室とを備えており、
前記シリンダヘッドに、吸気バルブで開閉される吸気ポートが形成されている一方、
前記副燃焼室に、点火プラグと火炎の噴孔とを設けている」
という基本構成である。

そして、請求項１の発明では、上記基本構成において、
「前記シリンダヘッド又は吸気マニホールドに、前記吸気ポートを流れる吸気に霧化燃料を添加する主インジェクタが配置され、前記シリンダヘッドに、前記吸気バルブが開いた状態で前記吸気ポートを介して燃料を前記副燃焼室に向けて噴出させる補助インジェクタが配置されている」
という構成が付加されている。

ポート噴射方式の内燃機関では、一般に、インジェクタは吸気ポートのうちシリンダブロックと反対側（縦型内燃機関であると吸気ポートの上側）に配置していることが多いが、本願請求項１のように主インジェクタと補助インジェクタとを設ける場合、補助インジェクタは、吸気ポートを挟んでシリンダブロックの側に配置することが好ましい。

また、補助インジェクタは、混合気が副室に集中的に向かうように指向性（直進性）が高い（噴霧角度が小さい）タイプが好適であるが、補助インジェクタから噴出した混合気の一部が主燃焼室に拡散することは差し支えない。

請求項２の発明は、上記基本構成において、
「前記シリンダヘッドに、前記吸気バルブが開いた状態で前記吸気ポートを介して燃料を前記副燃焼室に向けて噴出させ得るインジェクタが配置されており、前記インジェクタは、前記ピストンが下死点近傍に位置しているときに燃料を噴射するように設定されている」
という構成が付加されている。

請求項１の発明は主インジェクタと補助インジェクタとを併用しているが、請求項２の発明では、請求項１と同様に主インジェクタと補助インジェクタとを併用することもできるし、１つのインジェクタを使用して、燃料噴射タイミングを変えることによって副室への燃料供給を確実化することもできる。従って、請求項１と請求項２とは相反するものではなく、補完し合うことができる。

本願発明は、請求項１，２とも副燃焼室に混合気を強制的に供給できるが、副燃焼室の空燃比をストイキ化したりリッチ化したりすることができる。従って、主燃焼室での混合気の空燃比がリーン状態であっても、副燃焼室での着火・燃焼を確実化して主燃焼室でのリーンバーンを実現できる。これにより、燃費の向上と排ガスクリーン化向上とに大きく貢献できる。

しかも、副燃焼室への燃料（混合気）の供給は、吸気バルブが開いているときに吸気ポートを介して行うものであるため、副燃焼室に混合気を供給するインジェクタが高圧・高温の燃焼ガスに晒されることはない。従って、副燃焼室用のインジェクタは、従来のポート噴射用インジェクタを使用することが可能であり、これにより、コストが嵩むことを回避できる。

従って、本願各発明では、コストを抑制しつつ、燃費向上と排ガスクリーン化向上とに大きく貢献できる。

請求項１のように副燃焼室専用の補助インジェクタを設けると、補助インジェクタは、混合気が副燃焼室の噴孔に集中的に向かうように、配置位置や噴射圧力、噴霧角度（広がり角度）などを設定できるため、副燃焼室への混合気の流入性を高めて副燃焼室での燃焼性・着火性を一層向上できる利点がある。

さて、副燃焼室での燃焼によって発生した燃焼ガスは燃焼行程（爆発行程）ではそのまま副燃焼室に残っており、排気行程で掃気されてから、吸気行程において混合気が流入するが、吸気行程の初期においては、気筒内にはタンブル流の強い流れが生成されるなどしており、副燃焼室も吸気の強い流れに晒されることになる。従って、吸気行程の初期において副燃焼室に向けて燃料（混合気）を噴射しても、燃料が副燃焼室の内部に流入せずに（或いは、流入しても留まらずに排出されて）気筒内に拡散してしまい、副燃焼室に必要な量の燃料を保持できないおそれがある。

他方、ピストンが下死点に近づくに連れて（吸気行程が終期に向かうに連れて）、シリンダボア内での吸気（混合気）の流れは低下し、ピストンが下死点を超えて圧縮行程に移行すると、タンブル流の潰れ現象のような加圧に伴う流れは生じるものの、シリンダボア内での吸気の強い流れはなくなって、副燃焼室が強い流れに晒される状態もなくなる。

そして、請求項２のように、ピストンが下死点近くにあるときに副燃焼室に向けて燃料を噴射すると、吸気の流れによる燃料の拡散を防止して燃料を副燃焼室に向かわせることができることと、吸気が加圧されておらずに燃料の貫通性が高いこと（副燃焼室への到達性が高いこと点）、及び、圧縮行程での加圧によって燃料を副燃焼室に押し込みできることの三者が相まって、副燃焼室の内部に必要な燃料を保持できる。

すなわち、請求項２の発明では、副燃焼室への燃料の流入性を高めつつ、流入した燃料を留め置いて空燃比をストイキ状態やリッチ状態に保持できるのであり、これにより、副燃焼室での着火・燃焼を確実化して、主燃焼室でのリーンバーンを確実化できる。

第１実施形態の模式的な平面図である。 図１のII-II 視断面図である。 図１のIII-III 視断面図である。 （Ａ）は図３を開弁状態にした状態の部分拡大図、（Ｂ）は（Ａ）の副燃焼室の拡大図、（Ｃ）は（Ｂ）のＣ－Ｃ視断面図である。 補助インジェクタの噴射タイミングを示す縦断正面図である。 他の実施形態を示す要部縦断正面図である。

(1).第１実施形態の基本構造
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。まず、図１～５に示す第１実施形態を説明する。

例えば図２に示すように、内燃機関は、基本的要素としてシリンダブロック１とその上面にガスケット２を介して固定されたシリンダヘッド３とを有している。シリンダブロック１には、クランク軸線Ｏ１（図１参照）の方向に並んだ複数のシリンダボア４が形成されており、シリンダボア４にピストン５が摺動自在に嵌まっている。

他方、シリンダヘッド３のうちシリンダボア４に対向したルーフ面はフラットになっており、シリンダブロック１とシリンダヘッド３とピストン５とによって主燃焼室６が形成されている（シリンダヘッド３はフラットルーフタイプであるため、主燃焼室６は実質的にはシリンダボア４で形成されている。）。ピストン５は、ピストンピン７（図７参照）によってコンロッド（図示せず）の小端部に連結されている。敢えて述べるまでもないが、コンロッドの大端部はクランクピンに連結されている。

シリンダヘッド３には、各シリンダボア４に対応して、一対ずつの吸気ポート８と一対ずつの排気ポート９とが、クランク軸線Ｏ１を挟んだ両側に形成されている。吸気ポート８の終端は吸気バルブ１０で開閉され、排気ポート９の始端は排気バルブ１１で開閉される。吸気ポート８の終端及び排気ポート９の始端にはバルブシート１２が装着されている。なお、本実施形態では、シリンダヘッド３がフラットルーフタイプであることから、バルブ１０，１１は気筒軸心Ｏ２（図１参照）と平行な姿勢になっている。

一対ずつの吸気ポート８はそれぞれシリンダヘッド３の吸気側面１３に開口している一方、図２に部分的に示するように、シリンダヘッド３の吸気側面１３には、サージタンクを備えた吸気マニホールド１４がフランジ１４ａを介して固定されており、吸気マニホールド１４の枝管が吸気ポート８に連通している。

図２に示すように、本実施形態の吸気ポート８は、シリンダボア４に近づくに従ってシリンダブロック１に近づくように傾斜した本体部８ａと、シリンダボア４と同心状の先端部８ｂとから成っており、シリンダヘッド３のうち吸気ポート８を挟んでシリンダブロック１と反対側（上側）に、吸気ポート８の本体部８ａに向けて燃料を噴射する主インジェクタ１５を配置している。

主インジェクタ１５は、筒部１６とその基端から分岐した制御部１７とを備えており、筒部１６の基端に、燃料デリバリ管（図示せず）に接続される流入口１８が開口している。また、筒部１６のうち前半部は、シリンダヘッド３に形成された取り付け孔１９に嵌まる大小異径の挿入部１６ａになっており、挿入部１６ａはＯリング２０を介して取り付け孔１９に保持されている。挿入部１６ａの先端にノズルを設けており、燃料は、例えば３０～６０°程度の噴霧角度で噴射されている。制御部１７は、加圧手段として電磁ソレノイドを備えている。

なお一対の吸気ポート８を一つに集合させて吸気側面１３に開口させる場合もあり、この場合は、主インジェクタ１５は集合部に配置される。また、主インジェクタ１５を吸気マニホールド１４に取り付けることも可能である。

他方、各対の排気ポート９は、シリンダヘッド３に形成された集合通路に集まっており、集合通路には１つの排気出口穴が形成されて、排気出口穴はシリンダヘッド３の排気側面に開口している。バルブ１０，１１はバルブステム１０ａ，１１ａと傘部１０ｂ，１１ｂを備えており、バルブステム１０ａ，１１ａはスリーブ（ガイド筒）２１ａに摺動自在に嵌まっている。バルブ１０，１１はばね２１ｂで閉じ方向に付勢されている。なお、シリンダブロック１及びシリンダヘッド３にはウォータジャケット２２，２３を形成している。

(2).副燃焼室・補助インジェクタ
図４に明瞭に示すように、シリンダヘッド３のうち各フラットルーフの略中央部に、ユニット式の副燃焼室２５を配置し、副燃焼室２５の内部に、点火プラグ２６の中心電極２７及び接地電極２８を露出させている。副燃焼室２５はシリンダボア４と同心に配置しているが、副燃焼室２５の軸心Ｏ４と気筒軸心Ｏ２（図１参照）とがエンジンの幅方向に少しずれることもある。

図４に明示するように、副燃焼室２５は、シリンダボア４に向けて突出した半球状の中空ドーム状部２５ａと、その基端に一体に設けた筒部２５ｂとを備えており、筒部２５ｂが点火プラグ２６に一体に固定されている。従って、本実施形態では、副燃焼室２５と点火プラグ２６とは一体にユニット化されている。なお、副燃焼室２５と点火プラグ２６とは分離可能に構成して、副燃焼室２５をシリンダヘッド３にねじ止めや溶接、強制嵌合等で固着することも可能である。更に、耐熱性等の条件が許せば、副燃焼室２５をシリンダヘッド３に一体成形することも可能である。

点火プラグ２６は、シリンダヘッド３に形成されたプラグホール２９に配置されており、プラグホール２９に形成したタップ孔にねじ込まれる雄ねじ部３０とその上方に位置した六角部３１とを有しており、雄ねじ部３０の下端（先端）に小径のボス部３０ａを設けて、ボス部３０ａに副燃焼室２５を固定している。六角部３１の上方には、電極キャップが装着される電極部３２を設けている。

副燃焼室２５の中空ドーム状部２５ａには、火炎を斜め下方に向けて噴出させる複数の噴孔３３が周方向に沿って等間隔で形成されている。図示の例では、噴孔３３は９０°間隔で４つ形成されているが、３つ又は５つ以上であってもよい。

そして、１つの噴孔３３は、一対の吸気ポート８のうち一方の吸気ポート８の下方に向けて開口しており、シリンダヘッド３のうち吸気ポート８を挟んだシリンダブロック１の側に位置した部位（吸気ポート８の下方部）に、副燃焼室２５の１つの噴孔３３に向けて燃料を噴射する補助インジェクタ３４が配置されている。

図１に示すように、補助インジェクタ３４は、気筒軸心Ｏ１の方向から見た平面視では、当該補助インジェクタ３４の軸心Ｏ３が吸気ポート８の出口を通って副燃焼室２５の軸心Ｏ４に向かう姿勢で配置されている。従って、補助インジェクタ３４は、平面視では、気筒軸心Ｏ２を通る横長中心線Ｏ５に対してある程度の角度θ１だけ傾斜した姿勢になっている。かつ、補助インジェクタ３４は、その軸心Ｏ３が吸気バルブ１０のバルブステム１０ａを避けるように配置されている。

本実施形態のシリンダヘッド３はフラットルーフタイプであるため、副燃焼室２５は吸気ポート８の出口よりも下方に位置している。そこで、補助インジェクタ３４は、図３及び図４（Ａ）の縦断正面視では、吸気ポート８に近づくほど低くなるように、軸心Ｏ３がシリンダヘッド３の下面に対してある程度の角度θ２だけ傾斜している。

噴孔３３は、シリンダボア４に向けて斜め下向きに開口している一方、補助インジェクタ３４は、１つの噴孔３３に向けて斜め下向きの姿勢になっている。従って、噴孔３３の開口方向と補助インジェクタ３４の軸心Ｏ４とが交叉している。そこで、補助インジェクタ３４から噴出した燃料を噴孔３３に誘い込むべく、１つの噴孔３３の出口部に、当該噴孔３３の開口を上に広げたすり鉢状のテーパ部３５を形成している。従って、１つの噴孔３３は、外側から見ておおよそ銀杏葉形或いは扇形になっており、霧化燃料は、方向変換して副燃焼室２５の内部に進入する。

この場合、テーパ部３５は１つの噴孔３３の内端までは至っておらず、１つの噴孔３３にストレート部３３ａが残っている。このため、火炎は斜め下向きの方向性を持って主燃焼室６に噴出していき、上向きに拡散することを防止又は大幅に抑制できる。従って、副燃焼室２５への燃料流入性を高めつつ、火炎を主燃焼室６に均等に拡散して、安定した燃焼を実現できる。

補助インジェクタ３４の構造は主インジェクタ１５と同じであるので、説明は省略する。また、補助インジェクタ３４の先端は、吸気バルブ１０のバルブシート１２の近接している。なお、補助インジェクタ３４の燃料噴射角はできるだけ小さいのが好ましい。

内燃機関はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）を備えており、インジェクタ１５，３４の燃料噴射タイミングや燃料噴射量、スロットルバルブの開度、ＥＧＲ還流量などは、ＥＣＵに記憶されたマップに基づいて制御される。

(3).作用
図５では、ピストン５が下死点（ＢＤＣ）にある状態を示しており、ピストン５が下死点付近にある状態で、補助インジェクタ３４から燃料を噴射する。具体的には、クランク角度で見て、下死点よりも前５°～下死点より後３０°程度の範囲で補助インジェクタ３４から燃料を噴射する。当然ながら、この状態で吸気バルブ１０は開いておらねばならない。副燃焼室２５の内部の空燃比は、ストイキ状態又はリッチ気味であるのが好ましいが、副燃焼室２５での着火・燃焼に支障がない範囲でリーン気味とすることも可能である。噴射時間は僅かでよい。

ピストン５が下死点近傍にある状態では、主インジェクタ１５による燃料噴射は既に終了しており、筒内の吸気の圧力は最も低い状態（或いはそれに近い状態）になっている。ＥＧＲガスの添加割合にもよるが、下死点付近では、シリンダボア４の内部の圧力は大気圧に近い状態であり、従って、補助インジェクタ３４としてポート噴射用のものを使用しても、燃料は、吸気ポート８の出口を通って副燃焼室２５に的確に到達する。すなわち、燃料の貫徹性が損なわれることはない。

また、吸気行程では、シリンダボア４には吸気の強い流れ（スワール流）か存在しており、このため、補助インジェクタ３４から燃料を噴射しても燃料は吸気に乗せられてシリンダボア４に拡散していく傾向が高いが、ピストン５が下死点付近にあるときには、副燃焼室２５を舐めるような吸気の流れは概ね停止しているため、補助インジェクタ３４から噴射した燃料を副燃焼室２５の噴孔３３に向かわせることができる。すなわち、副燃焼室２５への燃料の指向性が阻害されることがない。

更に、燃料は補助インジェクタ３４からある程度の広がりを持って噴出するため、補助インジェクタ３４から噴出した霧化燃料の相当割合は副燃焼室２５の近くに漂っている可能性が高いが、圧縮行程の加圧作用より、副燃焼室２５の近くに漂っている霧化燃料を副燃焼室２５に押し込むことができる。

このように、吸気ポート８を介しての燃料噴射でありながら、副燃焼室２５への燃料の流入性を向上できるため、補助インジェクタ３４として安価なものを使用しつつ、リーンバーンを実現して燃費向上と排ガスクリーン化とに貢献できる。

(4).他の実施形態
図６に示す第２実施形態は、シリンダヘッド３に主燃焼室６の一部として截頭円錐形の凹所３６を形成したペントルーフ型内燃機関に適用している。この実施形態では、凹所３６がテーパ状であることから、吸気バルブ１０及び排気バルブ１１は気筒軸心に対して傾斜しており、また、副燃焼室２５はシリンダヘッド３の下面よりも上に位置している。

補助インジェクタ３４は、その軸心Ｏ２がシリンダヘッド３の下面と略平行な姿勢で配置している。このように、副燃焼室２５の高さを高くできることと、補助インジェクタ３４をシリンダヘッド３の下面と平行な姿勢に配置できることとにより、補助インジェクタ３４の軸心Ｏ２と噴孔３３の軸心Ｏ５との交叉角度θ３をできるだけ小さくして、副燃焼室２５への霧化燃料の流入性を向上できる。

更に、本実施形態では、副燃焼室２５における筒部２５ｂの肉厚をドーム状部２５ａの肉厚よりも厚くして、筒部２５ｂの下端に、噴孔３３の上に位置した上広がり傾斜姿勢の拡大傘部３７を形成しており、この拡大傘部３７により、副燃焼室２５への燃料の流入をガイドしている。

なお、この実施形態では、シリンダヘッド３には、補助インジェクタ３４から噴出した燃料が通過する小径のトンネル孔（或いはノズル孔）３８を形成している。従って、燃料の指向性・直進性を向上できる。

以上、本願発明の実施形態を説明しただ、本願発明は他にも様々ち具体化できる。例えば、１つの気筒に対応して２つの吸気ポートを備えている場合、それぞれの吸気ポートに対応して補助インジェクタを設け、２つの補助インジェクタから１つの副燃焼室に燃料を供給することも可能である。

また、主インジェクタから副燃焼室に燃料を供給することも可能である。この場合は、主インジェクタはできるだけシリンダボアに近づけて配置することが好ましい。ピストンが下死点付近にある状態で主インジェクタから燃料を噴出し、吸気バルブの傘部の裏面（上面）で反射させて副燃焼室の噴孔に導くことも可能である。

すなわち、吸気バルブの傘部を副燃焼室への燃料供給ガイド手段に兼用することが可能である。この場合、吸気バルブにおける傘部の裏面に、燃料が副燃焼室に向かうように方向付けるリブ等の整流手段を設けることが好ましい。吸気バルブの傘部を利用して燃料を副燃焼室に向かわせることは、補助インジェクタを備えている場合にも適用できる。

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 シリンダブロック
３ シリンダヘッド
４ シリンダボア
５ ピストン
６ 主燃焼室
８ 吸気ポート
１０ 吸気バルブ
１５ 主インジェクタ
２５ 副燃焼室
２５ａ 中空ドーム状部
２６ 点火プラグ
３３ 噴孔
３４ 補助インジェクタ

Claims (2)

1. シリンダヘッドとシリンダブロックとピストンとによって形成された主燃焼室と、前記シリンダヘッドに設けた副燃焼室とを備えており、
   前記シリンダヘッドに、吸気バルブで開閉される吸気ポートが形成されている一方、
   前記副燃焼室に、点火プラグと火炎の噴孔とを設けている構成であって、
   前記シリンダヘッド又は吸気マニホールドに、前記吸気ポートを流れる吸気に霧化燃料を添加する主インジェクタが配置され、前記シリンダヘッドに、前記吸気バルブが開いた状態で前記吸気ポートを介して燃料を前記副燃焼室に向けて噴出させる補助インジェクタが配置されている、
   副燃焼室付き内燃機関。
2. シリンダヘッドとシリンダブロックとピストンとによって形成された主燃焼室と、前記シリンダヘッドに設けた副燃焼室とを備えており、
   前記シリンダヘッドに、吸気バルブで開閉される吸気ポートが形成されている一方、
   前記副燃焼室に、点火プラグと火炎の噴孔とを設けている構成であって、
   前記シリンダヘッドに、前記吸気バルブが開いた状態で前記吸気ポートを介して燃料を前記副燃焼室に向けて噴出させ得るインジェクタが配置されており、前記インジェクタは、前記ピストンが下死点近傍に位置しているときに燃料を噴射するように設定されている、
   副燃焼室付き内燃機関。

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