JP2022063921A - 内燃機関およびプレチャンバー - Google Patents

Abstract

【課題】副室での混合気の着火性と、主燃焼室での混合気の燃焼速度とを、共に向上させることができる内燃機関を提供する。【解決手段】内燃機関１０は、主燃焼室１７を形成する主室形成部と、副室１８を形成する副室形成部３５と、副室に点火部２２を配置してなる点火プラグ２１と、を備える。副室形成部は、主燃焼室と副室とを連通させる複数の噴孔３０を備える。複数の噴孔の各々は、主燃焼室側に近い主室側噴孔部３０１と副室側に近い副室側噴孔部３０２とを有し、主室側噴孔部と副室側噴孔部とが互いに異なる向きで形成されている。また、複数の噴孔のうち、一の噴孔と他の噴孔とは、副室の中心軸Ｋに対して非対称に形成されている。【選択図】図６

Description

本発明は、内燃機関およびプレチャンバーに関する。

近年、自動車のガソリンエンジンにおいては、燃費改善要求の高まりにともない、内燃機関に対して超高ＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation)や超希薄燃焼の採用が検討されている。その場合、混合気への着火性を確保するためには点火制御などが必要になるほか、薄い混合気に対しても安定して着火できるようにリーン耐性を向上させることが必要になる。リーン耐性を向上させる手段の一つとして、副室式の内燃機関が開発されている。副室式の内燃機関は、主たる燃焼室である主燃焼室のほかに、主燃焼室よりも容積の小さい副室を備える内燃機関である。この副室は点火室とも呼ばれる。この種の内燃機関に関して、たとえば特許文献１には、プラグが備えるプラグキャップによって副室を形成し、希薄混合気に対する着火性を確保する技術が記載されている。

特許文献１に記載された技術は、予め燃料と空気とを混合して得られる混合気（以下、「予混合気」ともいう。）を主燃焼室から副室へと導入し、副室内で予混合気に点火することにより、副室から主燃焼室へと高温の燃焼ガスを噴出させて主燃焼室内の混合気を高速で燃焼させる技術である。この技術では、主燃焼室で混合気を効率良く燃焼させることができるとともに、リーン耐性を向上させることができるとされている。しかしながら、この技術では、プラグキャップが形成する副室の内部、特に点火プラグの火花放電ギャップの部分にガスが流れ込みにくく、燃焼後のガスも火花放電ギャップ付近に留まりやすい。このため、副室での混合気の着火性に劣るという問題がある。

一方、特許文献２には、副室の点火部に安定したガス流を形成するため、副室内にタンブル流を形成し、このタンブル流によって掃気性の向上を図る技術が記載されている。また、特許文献３には、副室と主燃焼室とを連通させる噴孔の角度（向き）に関して、副室側角度φｓと主燃焼室側角度φｍとが「φｓ＜φｍ」の関係を満たす、副室式ガスエンジンに関する技術が記載されている。

特開２０１９－２０６９６０号公報 特開２０１２－３６９０４号公報 特開２０１８－９６２５０号公報

しかしながら、特許文献２に記載された技術では、副室内のガス流動を適正化するために噴孔の向きが副室用に固定される。このため、副室から噴孔を通して主燃焼室へ噴出する火炎ジェットの向きを制御できない。したがって、主燃焼室内の燃焼速度の低下や冷却損失の増加により、エンジン全体として効率の低下が懸念される。また、特許文献２に記載された技術は、副室での熱損失が大きいため、副室式の内燃機関の目的である高効率化の達成に照らして必ずしも最適とは言えない。

一方、特許文献３に記載された技術では、各々の噴孔を通して主燃焼室から副室へと導入されるガス（予混合気）が、副室の中心軸線上で合流する構成になっている。このため、副室内の点火部に向かうガス流はタンブル流とはならない。したがって、特許文献３に記載された技術では、副室内のガス流動を適正化することができず、結果的に着火性の向上を図ることはできない。

本発明の目的は、副室での混合気の着火性と、主燃焼室での混合気の燃焼速度とを、共に向上させることができる内燃機関およびプレチャンバーを提供することにある。

上記課題を解決するために、たとえば、特許請求の範囲に記載された構成を採用する。
本願は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一つを挙げるならば、主燃焼室を形成する主室形成部と、副室を形成する副室形成部と、副室に点火部を配置してなる点火プラグと、を備える内燃機関である。副室形成部は、主燃焼室と副室とを連通させる複数の噴孔を備える。複数の噴孔の各々は、主燃焼室側に近い主室側噴孔部と副室側に近い副室側噴孔部とを有し、主室側噴孔部と副室側噴孔部とが互いに異なる向きで形成されている。また、複数の噴孔のうち、一の噴孔と他の噴孔とは、副室の中心軸に対して非対称に形成されている。

本発明によれば、副室での混合気の着火性と、主燃焼室での混合気の燃焼速度とを、共に向上させることができる。
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明によって明らかにされる。

内燃機関の構成を模式的に示す縦断面図である。 比較形態に係る内燃機関の一部を拡大した縦断面図である。 比較形態に係る内燃機関において、混合気に点火したときの様子を模式的に示す縦断面図である。 火炎ジェットが噴出する様子を模式的に示す横断面図である。 他の比較形態に係る内燃機関の一部を拡大した縦断面図である。 第１実施形態に係る内燃機関の一部を拡大した縦断面図である。 第１実施形態に係る内燃機関の動作を説明する縦断面図である。 主燃焼室と副室の配置例を示す横断面図である。 図８のＢ－Ｂ位置で断面した拡大図である。 副室をプレチャンバーによって形成した例を示す縦断面図である。 第２実施形態に係る内燃機関の一部を拡大した縦断面図である。 第３実施形態に係る内燃機関の一部を拡大した縦断面図である。 、図１２のＣ－Ｃ位置で副室形成部を断面した図である。 第４実施形態に係る内燃機関の一部を拡大した縦断面図である。 第５実施形態に係る内燃機関の一部を拡大した横断面図である。 第６実施形態に係る内燃機関の一部を拡大した縦断面図である。 第７実施形態に係る内燃機関の一部を拡大した縦断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。本明細書および図面において、実質的に同一の機能または構成を有する要素については、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

＜比較形態＞
図１は、内燃機関の構成を模式的に示す縦断面図である。また、図２は、比較形態に係る内燃機関の一部を拡大した縦断面図である。
図１に示すように、内燃機関１０は、ピストン１１と、シリンダ１２と、シリンダヘッド１３とを備えている。ピストン１１は、シリンダ１２に案内されて往復運動する。ピストン１１は、コネクティングロッド１４の一端に接続されている。コネクティングロッド１４は、ピストン１１の動きをクランクシャフト１５に伝える部品である。シリンダヘッド１３は、ピストン１１の冠面１１ａおよびシリンダ１２の内壁１６と共に、主燃焼室１７を形成している。主燃焼室１７は、主室と言い換えることができる。主燃焼室１７を形成する主室形成部は、ピストン１１、シリンダ１２およびシリンダヘッド１３によって構成される。

主燃焼室１７の直上には副室１８が設けられている。副室１８は、主燃焼室１７よりも容積が小さい点火室である。副室１８は、副燃焼室と言い換えることができる。副室１８は、副室形成部としてのプレチャンバー２０によって形成されている。プレチャンバー２０は、シリンダヘッド１３に固定されている。プレチャンバー２０には点火プラグ２１が取り付けられている。点火プラグ２１は、混合気Ｍ（図２参照）に点火するための部品である。点火プラグ２１は点火部２２を有している。点火部２２は、点火プラグ２１の下端部に設けられている。点火部２２は、点火プラグ２１が備える中心電極と側方電極とによって形成される。点火部２２は、副室１８の内部に配置されている。

シリンダヘッド１３は、吸気ポート２５および排気ポート２６を有している。吸気ポート２５および排気ポート２６は、それぞれ、主燃焼室１７に連通するように形成されている。連通とは、空間的につながる状態をいう。吸気ポート２５は主燃焼室１７に向かって開口しており、この開口部分に吸気バルブ２７が設けられている。吸気バルブ２７は、吸気ポート２５を開閉するバルブである。一方、排気ポート２６は、吸気ポート２５と異なる位置で主燃焼室１７に向かって開口しており、この開口部分に排気バルブ２８が設けられている。排気バルブ２８は、排気ポート２６を開閉するバルブである。

混合気Ｍは、吸気行程において吸気バルブ２７が開くことにより、吸気ポート２５を通して主燃焼室１７に流れ込む。吸気行程で主燃焼室１７に流れ込んだ混合気Ｍは、その後、ピストン１１によって圧縮される。主燃焼室１７で圧縮された混合気Ｍは、噴孔３０（図２参照）を通して副室１８に流れ込む。噴孔３０は、主燃焼室１７と副室１８とを連通する孔である。噴孔３０は、プレチャンバー２０の下端部に形成されている。プレチャンバー２０には複数の噴孔３０が形成されている。

図３は、比較形態に係る内燃機関において、混合気に点火したときの様子を模式的に示す縦断面図である。
図３において、副室１８の内部および点火部２２は、噴孔３０を通して副室１８に導入される混合気Ｍによって掃気される。その後、点火プラグ２１は、点火部２２において副室１８内の混合気Ｍに点火する。これにより、副室１８内の混合気Ｍが燃焼して燃焼火炎２９が発生する。燃焼火炎２９は、噴孔３０を通して主燃焼室１７内へと移動する。このとき、燃焼火炎２９は、混合気Ｍの燃焼による副室１８内の圧力上昇により、噴孔３０から主燃焼室１７内へと勢い良く飛び出す。これにより、各々の噴孔３０から火炎ジェットＪが噴出する。

副室１８内で混合気Ｍに点火する場合は、これに先立って副室１８内を混合気Ｍで充分に掃気し、かつ点火部２２に混合気Ｍを誘導する必要がある。また、点火部２２を良好に掃気するためには、点火部２２に向かうガスの流れが一方向で、かつ時間的に変化しないことが望ましい。一方で、火炎ジェットＪには、主燃焼室１７内の混合気Ｍに素早く着火し、その混合気Ｍを高速に燃焼させる性質が求められる。この性質のために、火炎ジェットＪは、主燃焼室１７内に均一に噴出することが望ましい。火炎ジェットＪが均一に噴出すると、主燃焼室１７の混合気Ｍに均一に着火することができる。このため、主燃焼室１７内の場所による混合気Ｍの燃焼ムラを低減することができる。また、一度の火炎ジェットＪの噴出で、より多くの混合気Ｍに着火することができる。このため、主燃焼室１７内の燃焼速度を向上させることができる。また、ピストン１１やシリンダ１２は図示しないウォータジャケットなどによって冷却されるため、噴孔３０から噴出した火炎ジェットＪがピストン１１やシリンダ１２の内壁１６に直接触れると、大きな冷却損失が発生する。この冷却損失を低減するためには、火炎ジェットＪの向きや噴孔３０の位置をどのように設定するかが重要になる。

図４は、火炎ジェットが噴出する様子を模式的に示す横断面図である。
図４に示すように、主燃焼室１７および副室１８は、同心状（同軸）に配置されている。この場合、主燃焼室１７内の混合気Ｍを均一に着火し、かつ冷却損失を抑えるためには、主燃焼室１７に対して火炎ジェットＪを放射状に噴出することが望ましい。このため、プレチャンバー２０に形成された噴孔３０（図３参照）の中心軸Ｘは、主燃焼室１７に対して放射状に配置する必要がある。

一方で、副室１８内を混合気Ｍによって掃気し、かつ点火部２２に混合気Ｍを誘導するためには、副室１８の内部に、一方向に向かう混合気Ｍの流れを作り出す必要がある。このような混合気Ｍの流れを実現するため、上記図２～図４に示す比較形態と異なる他の比較形態として、図５に示す構成が考えられる。
図５においては、プレチャンバー２０に形成された複数の噴孔３０ａ，３０ｂのうち、噴孔３０ａの中心軸Ｘａと噴孔３０ｂの中心軸Ｘｂが、プレチャンバー２０および副室１８の中心軸Ｘｃに対して互いに異なる角度で配置されている。具体的には、プレチャンバー２０および副室１８の中心軸Ｘｃに対して、噴孔３０ｂの中心軸Ｘｂは噴孔３０ａの中心軸Ｘａよりも大きく傾いている。このように噴孔３０ａ，３０ｂを形成した場合は、各々の噴孔３０ａ，３０ｂから副室１８内に流れ込む混合気Ｍがタンブル流Ｔを形成する。タンブル流Ｔは、縦渦状のガスの流れである。

このように、混合気Ｍによるタンブル流Ｔを副室１８内に形成すると、副室１８の内部で燃焼済みのガスが良好に掃気され、かつ点火部２２に燃焼前の混合気Ｍが流れ込む。このため、副室１８内で混合気Ｍの着火性を向上させることができるとともに、副室１８内で燃焼火炎の伝播速度を高速化させることができる。

しかしながら、噴孔３０ａの中心軸Ｘａと噴孔３０ｂの中心軸Ｘｂとを互いに異なる角度で配置すると、各々の噴孔３０ａ，３０ｂを通して主燃焼室１７に噴出する火炎ジェットが放射状に広がらなくなる。このため、主燃焼室１７内の混合気Ｍを均一に着火できなくなる。

ここで本発明者は、内燃機関１０において混合気Ｍに着火する際に重要な事柄として、副室１８の掃気性を高めるうえで適切とされる噴孔の向きと、主燃焼室１７の燃焼性を高めるうえで適切とされる噴孔の向きとが異なるという点に着目した。つまり、本発明者は、主燃焼室１７および副室１８のうち、どちらか一方にとって適切となるように噴孔の向きを設定すると、もう一方に対しては噴孔の向きが不適切となり、内燃機関１０全体の熱効率や燃焼安定性の最大化を図ることができないという点に着目し、以下の各実施形態に係る内燃機関１０の構成に想到した。

＜第１実施形態＞
図６は、第１実施形態に係る内燃機関の一部を拡大した縦断面図である。
図６において、副室１８は、副室形成部３５によって形成されている。副室形成部３５は、シリンダヘッド１３と一体構造をなす部分である。副室形成部３５には点火プラグ２１が装着されている。点火プラグ２１はネジ止めによって副室形成部３５に固定されている。点火プラグ２１は、副室１８および副室形成部３５と同軸に配置されている。図６においては、副室１８、点火プラグ２１および副室形成部３５の中心軸（中心軸線）を符号Ｋで示している。以降の説明では、特に区別する必要がある場合を除いて、副室１８の中心軸Ｋ、または単に中心軸Ｋという。この中心軸Ｋは、複数の噴孔３０が形成されている副室形成部３５の底部（断面Ｕ字形の部分）の中心を通る軸線であることから、副室１８の噴孔形成部の中心軸と言い換えることができる。また、中心軸Ｋは、内燃機関１０を自動車に搭載した場合に鉛直軸と平行に配置されることが望ましい。

副室形成部３５は、複数の噴孔３０を備えている。複数の噴孔３０は、主燃焼室１７と副室１８とを隔てる隔壁部分３６に形成されている。隔壁部分３６は、副室形成部３５の底部に相当する。図６においては、シリンダヘッド１３と一体に隔壁部分３６が形成され、この隔壁部分３６を利用して副室１８が形成されているが、これ以外にも、シリンダヘッド１３と別体で隔壁部分３６を作製し、この隔壁部分３６を溶接、ネジ止め、圧入などによってシリンダヘッド１３に装着することにより、副室１８を形成してもよい。

各々の噴孔３０は、主燃焼室１７と副室１８とを連通させる孔である。噴孔３０の深さ方向の一端は主燃焼室１７に向かって開口し、噴孔３０の深さ方向の他端は副室１８に向かって開口している。各々の噴孔３０は、噴孔３０の深さ方向において主燃焼室１７側に近い主室側噴孔部３０１と、副室１８側に近い副室側噴孔部３０２とを有している。主室側噴孔部３０１と副室側噴孔部３０２とは、１つの噴孔３０を形成するように噴孔３０の深さ方向でつながっている。また、主室側噴孔部３０１と副室側噴孔部３０２とは、一直線上とならないように、互いに異なる向きで形成されている。

複数の噴孔３０のうち、一の噴孔３０と他の噴孔３０とは、副室１８の中心軸Ｋに対して非対称に形成されている。この非対称性を実現する具体的な構成の一例を以下に述べる。
まず、複数の噴孔３０における副室側噴孔部３０２の中心軸ベルトをＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４とすると、各々の中心軸ベクトルＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４は、互いに異なる方向を向いている。噴孔３０の中心軸ベクトルは、噴孔３０の中心軸に直交する方向における断面積と、噴孔３０の中心軸に平行な単位ベクトルとの積として定義される。したがって、噴孔３０の中心軸ベクトルは、噴孔３０の中心軸が延在する方向を向くベクトルとなる。また、各々の噴孔３０の径が同一であれば、各々の噴孔３０の中心軸ベクトルは同じ大きさを持つベクトルとなる。なお、噴孔３０の中心軸に直交する方向は、噴孔３０の径方向（直径方向）に相当する。

本実施形態において、１つの噴孔３０を形成する主室側噴孔部３０１と副室側噴孔部３０２とは互いに向きが異なる。このため、１つの噴孔３０を形成する主室側噴孔部３０１および副室側噴孔部３０２のうち、主室側噴孔部３０１の中心軸ベクトルと副室側噴孔部３０２の中心軸ベクトルも、互いに異なる向きを持つ。主室側噴孔部３０１の中心軸ベクトルは、主室側噴孔部３０１の中心軸Ｘ（図７参照）と平行に、主室側噴孔部３０１の開口から主燃焼室１７に向かうベクトルである。副室側噴孔部３０２の中心軸ベクトルＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４は、副室側噴孔部３０２の中心軸Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４（図７参照）と平行に、副室側噴孔部３０２の開口から副室１８に向かうベクトルである。なお、図６において、各々の中心軸ベクトルＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４の大きさは、後述する合成ベクトルＶｃを含めて、すべて同じ大きさで表している。

ここで、図６に示すように、複数の噴孔３０は、後述する合成ベクトルＶｃが点火プラグ２１の点火部２２からずれた方向を向くように形成されている。合成ベクトルＶｃは、複数の噴孔３０における副室側噴孔部３０２の中心軸ベクトルＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４を合成したベクトルであって、副室１８の中心軸Ｋ上の点３７を起点に描かれる。合成ベクトルＶｃの起点となる点３７は、点火部２２よりも下方に位置する。図６においては、副室１８の中心軸Ｋが交差する副室１８の底面に点３７が存在している。この点３７を起点とする合成ベクトルＶｃは、点火部２２を向かないように、点火部２２とは異なる方向、具体的には図６において点火部２２よりも右側にずれた方向を向いている。

上記構成を備える内燃機関１０においては、圧縮行程で主燃焼室１７内の圧力が上昇することにより、図７に示すように、主燃焼室１７内の混合気Ｍ１が複数の噴孔３０を通して副室１８内に流れ込む。このとき、各々の噴孔３０において、混合気Ｍ１は、主室側噴孔部３０１および副室側噴孔部３０２を順に通過する。このため、噴孔３０の内部において、混合気Ｍ１は、はじめに主室側噴孔部３０１の向きに沿って流れ、その後、副室側噴孔部３０２の向きに沿って流れる。また、各々の噴孔３０から副室１８内に流れ込む混合気Ｍ１の方向は、上述した中心軸ベクトルＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４の向きに沿う方向となる。また、副室１８内に流れ込んだ混合気Ｍ１は、点火部２２よりも下方の領域Ｅ１で互いに干渉し合うことにより、全体の流動方向が変わる。具体的には、副室１８内における混合気Ｍ１の流動方向は、上述した合成ベクトルＶｃの向きに沿う方向となる。

このため、領域Ｅ１で干渉し合った混合気Ｍ１は、副室１８の中心軸Ｋよりも一方側（図７の右側）に偏って流れる。そして、この混合気Ｍ１の流れは、副室１８の側面３８に向かって流れるガス流を形成する。このガス流は側面３８に当たって偏向される。これにより、副室１８内にタンブル流Ｔが形成される。タンブル流Ｔは点火プラグ２１の点火部２２に流れ込む。これにより、点火部２２において燃焼済みのガスを効率良く掃気することができる。また、混合気Ｍ１からなるタンブル流Ｔを点火部２２に誘導することができる。このため、副室１８において良好な着火性を確保することができる。また、副室１８におけるガスの流れは側面３８によって整流される。このため、点火部２２におけるガス流動は非常に強く安定したものとなる。また、このガス流は、燃焼サイクルごとのばらつき、あるいは時間変化によるばらつきが小さいものとなる。つまり、本実施形態の構成を採用すれば、副室１８内のガス流動は、点火プラグ２１の点火部２２に対して一方向に整流され、流動強度も強化される。よって、副室１８での掃気性能を高めて混合気Ｍ１の着火性を向上させることができる。

一方、主燃焼室１７においては、図７に示すように、副室１８等の中心軸Ｋを中心に、各々の噴孔３０における主室側噴孔部３０１の中心軸Ｘを放射状に配置している。このため、副室１８内の混合気Ｍ１を燃焼させた場合に、主燃焼室１７に対して複数の噴孔３０から放射状に火炎ジェットＪが噴出する。これにより、上記図４に示すように主燃焼室１７および副室１８が同心状（同軸）に配置されている場合、主燃焼室１７内の混合気Ｍ１を素早く均一に着火することができる。したがって、主燃焼室１７での混合気Ｍ１の燃焼速度を向上させることができる。

また、図８に示すように、主燃焼室１７の中心軸の位置Ｐ１と、副室１８の中心軸の位置Ｐ２とが、シリンダ１２の径方向にずれている場合は、副室１８の位置を基準に主燃焼室１７内の空間を見たときに、スペースの広い部分４１とスペースの狭い部分４２とが存在する。このような場合は、副室１８の円周方向における噴孔３０の配置、および／または、各々の噴孔３０における主室側噴孔部３０１の向きに偏りを持たせるとよい。

具体的には、スペースの広い部分４１に対しては副室１８の円周方向における噴孔３０の配置を密にし、スペースの狭い部分４２に対しては副室１８の円周方向における噴孔３０の配置を疎にする。すなわち、主燃焼室１７内のスペースの広狭に応じて、副室１８の円周方向における噴孔３０の疎密度合いを変える。また、スペースの広い部分４１に対しては、より多くの噴孔３０の主室側噴孔部３０１が向くように配置し、スペースの狭い部分４２に対しては、より少ない噴孔３０の主室側噴孔部３０１が向くように配置する。すなわち、主燃焼室１７内のスペースの広狭に応じて、複数の噴孔３０における主室側噴孔部３０１の向きを変える。これにより、スペースの広い部分４１には、より多くの火炎ジェットＪを噴出させ、スペースの狭い部分４２には、より少ない火炎ジェットＪを噴出させることができる。その結果、主燃焼室１７内の混合気Ｍ１の燃焼ムラを低減することができる。また、主燃焼室１７内の混合気Ｍ１を高速に燃焼させることができる。

図９は、図８のＢ－Ｂ位置で断面した拡大図である。
図９においては、一の噴孔３０の主室側噴孔部３０１と他の噴孔３０の主室側噴孔部３０１とが、副室１８の中心軸Ｋに対して非対称に形成されている。また、一の噴孔３０の副室側噴孔部３０２と他の噴孔３０の副室側噴孔部３０２とが、副室１８の中心軸Ｋに対して非対称に形成されている。具体的には、図９の左側に配置された噴孔３０における主室側噴孔部３０１の向きは、副室１８の中心軸Ｋに対して直角に近い角度になっているのに対し、図９の右側に配置された噴孔３０における主室側噴孔部３０１の向きは、副室１８の中心軸Ｋに対して略３０度の角度で傾いている。また、図９の左側に配置された噴孔３０における副室側噴孔部３０２の向きは、副室１８の中心軸Ｋに対して平行に近い向きとなっているのに対し、図９の右側に配置された噴孔３０における副室側噴孔部３０２の向きは、副室１８の中心軸Ｋに対して大きく傾いている。

このように本実施形態においては、各々の噴孔３０における主室側噴孔部３０１および副室側噴孔部３０２の向きを三次元的に自由に設定することができる。このため、主燃焼室１７に対しては主室側噴孔部３０１の向きを適切に設定し、副室１８に対しては副室側噴孔部３０２の向きを適切に設定することにより、主燃焼室１７側の燃焼速度や冷却損失に悪影響を与えることなく、副室１８内の掃気性および着火性を向上させることができる。

また、副室１８においては、各々の噴孔３０の副室側噴孔部３０２から流れ込む混合気によってタンブル流Ｔを形成することができる。また、主燃焼室１７においては、図９の左側に形成されるスペースの広い部分４１に対し、一の噴孔３０の主室側噴孔部３０１から水平に近い向きで火炎ジェットＪを噴出させ、図９の右側に形成されるスペースの狭い部分４２に対して、他の噴孔３０の主室側噴孔部３０１から斜め下向きに火炎ジェットＪを噴出させることができる。すなわち、主燃焼室１７に噴出する火炎ジェットＪの分布を自在に変えることができる。したがって、副室１８内にタンブル流Ｔを形成して掃気性および着火性を高めることと、主燃焼室１７内のスペースの大小に応じて火炎ジェットＪの分布を最適化することを、両立させることができる。

なお、上記第１実施形態においては、シリンダヘッド１３と一体構造をなす副室形成部３５によって副室１８を形成した例を示したが、これ以外にも、たとえば図１０に示すように、シリンダヘッド１３と別体のプレチャンバー２０によって副室１８を形成するとともに、そのプレチャンバー２０をシリンダヘッド１３に装着した構成を採用してもよい。この構成を採用した場合は、プレチャンバー２０が副室形成部に相当する。

図１０においては、プレチャンバー２０の底部に複数の噴孔３０が形成されている。複数の噴孔３０の詳細については前述したとおりである。プレチャンバー２０には点火プラグ２１が装着されている。この点火プラグ２１を装着するために、プレチャンバー２０にはネジ孔２３がもうけられている。ネジ孔２３は、プレチャンバー２０の中心軸に設けられた孔である。ネジ孔２３は副室１８に通じている。一方、点火プラグ２１には雄ネジ部２４が設けられている。点火プラグ２１は、プレチャンバー２０のネジ孔２３に点火プラグ２１の雄ネジ部２４を噛み合わせて両者（２０，２１）を締め付けることにより、プレチャンバー２０に固定される。

シリンダヘッド１３には取り付け孔１９が形成されている。取り付け孔１９は、プレチャンバー２０を取り付けるための孔である。取り付け孔１９は、主燃焼室１７に通じる貫通孔である。取り付け孔１９の内径Ｄ１は、プレチャンバー２０の周壁部２０ａの外径Ｄ２に対応して設定されている。プレチャンバー２０を取り付け孔１９に取り付けるために、たとえばプレチャンバー２０の周壁部２０ａの外周面には、雄ネジを構成するネジ山（図示せず）が形成され、これに対応して取り付け孔１９の内周面１９ａには、雌ネジを構成するネジ山（図示せず）が形成されている。これにより、シリンダヘッド１３の取り付け孔１９に対して、プレチャンバー２０をネジ止めによって固定することができる。

このように、シリンダヘッド１３と別体のプレチャンバー２０によって副室１８を形成する場合は、副室を持たない現行の内燃機関を簡易に副室式に変更することができる。以下、具体的に説明する。
副室を持たない現行の内燃機関においては、シリンダヘッドの取り付け孔に点火プラグをネジ止めによって装着している。そこで、現行の内燃機関で使用されている点火プラグの雄ネジ部と同じ径になるように、プレチャンバー２０の周壁部２０ａの外径Ｄ２を設定する。これにより、現行の内燃機関のシリンダヘッドにプレチャンバー２０を装着することができる。このため、プレチャンバー２０および点火プラグ２１の部分を除いて、現行の内燃機関を何ら変更することなく副室式に変更することができる。

なお、シリンダヘッド１３に対するプレチャンバー２０の固定は、ネジ止めに限らず、たとえば圧入であってもよい。

＜第２実施形態＞
図１１は、第２実施形態に係る内燃機関の一部を拡大した縦断面図である。
第２実施形態に係る内燃機関１０は、前述した第１実施形態に係る内燃機関１０の構成（図６参照）と比較して、複数の噴孔３０における副室側噴孔部３０２の中心軸Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４が、副室１８側の一点Ｑで交わるように、複数の噴孔３０が形成されている点が異なる。点Ｑは、副室１８の中心軸Ｋ上ではなく、この中心軸Ｋから水平方向の一方側（図１１の右側）にずれた位置に存在する。点Ｑは、副室１８内に存在していてもよいし、副室１８内に存在していなくてもよい。図１１においては、好ましい例として、点Ｑが副室１８内に存在する例を示している。

第２実施形態に係る内燃機関１０においては、主燃焼室１７の混合気をピストン１１により圧縮し、これによって主燃焼室１７から複数の噴孔３０を通して副室１８に混合気が流れ込んだ場合に、副室１８内の点Ｑで混合気が合流する。合流した混合気は、副室形成部３５の側面３８によって向きを変えられることにより、タンブル流Ｔ１を形成する。また、図示はしないが、点Ｑが副室１８内に存在しない場合でも、各々の噴孔３０の副室側噴孔部３０２から副室１８内に流れ込んだ混合気は、副室形成部３５の側面３８によって向きを変えられることにより、タンブル流Ｔ１を形成する。

特に、副室１８内の点Ｑで合流した混合気によって生成されるタンブル流Ｔ１は、流動範囲が狭く流動強度が強いという特徴を有する。したがって、このタンブル流Ｔ１に乗せて混合気を点火部２２へと送り込むことにより、点火部２２のような極狭い領域に対する掃気性と、副室１８における着火性とを、より一層向上させることができる。また、副室１８内で点Ｑの位置を変えることにより、タンブル流Ｔ１の流動範囲と流動強度を調整することができる。

また、図１１に示す内燃機関１０の構成を採用した場合は、点火部２２周辺のガス流動の乱れが強くなるとともに、点火部２２を通過した後にタンブル流Ｔ１が大きく乱れる。これにより、副室１８でのガス流動の乱れが強くなるため、副室１８内での乱流燃焼速度が向上する。したがって、副室１８内で燃焼火炎の移動が速くなる。また、副室１８の点火部２２で混合気に着火してから、主燃焼室１７に向けて火炎ジェットＪが飛び出すまでの燃焼火炎の安定性が高まる。このように副室１８での燃焼火炎の安定性を高めることにより、主燃焼室１７に噴出する火炎ジェットＪの安定性と、主燃焼室１７内での混合気Ｍの燃焼速度とを向上させることが可能となる。

＜第３実施形態＞
図１２は、第３実施形態に係る内燃機関の一部を拡大した縦断面図であり、図１３は、図１２のＣ－Ｃ位置で副室形成部を断面した図である。なお、図１３においては、説明の便宜上、点火プラグ２１と点火部２２の位置を波線で示している。

図１２および図１３に示すように、副室形成部３５の底部は、副室１８の中心軸Ｋと直交するように平板状に形成され、この底部に複数の噴孔３０が形成されている。また、副室１８の内面は、側面３８、天井面３９および底面４０によって形成されている。そして、副室１８の底面４０は平面状に形成され、天井面３９は凹面状に形成されている。凹面状は、ラウンド形状の一例である。複数の噴孔３０における副室側噴孔部３０２の中心軸Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４は、互いに平行に配置されている。各々の副室側噴孔部３０２の中心軸Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４は、副室１８の中心軸Ｋに対して、同じ方向に同じ角度だけ傾いている。

第３実施形態に係る内燃機関１０においては、複数の噴孔３０における副室側噴孔部３０２の中心軸Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４は、互いに平行であることから、各々の副室側噴孔部３０２の中心軸ベクトルＶは、すべて同じ方向を向くことになる。これにより、複数の噴孔３０を通して副室１８に導入されるガス流の方向は広範囲で同じ方向に揃えられる。また、副室１８に導入されたガス流は、副室形成部３５の側面３８によって向きを変えられることにより、タンブル流Ｔ２を形成する。このタンブル流Ｔ２は、上記第１実施形態で形成されるタンブル流Ｔ（図７参照）および上記第２実施形態で形成されるタンブル流Ｔ１（図１１参照）と比較して、混合気の流動範囲が広いタンブル流となる。したがって、このタンブル流Ｔ２に乗って点火プラグ２１の点火部２２に向かう混合気は、より広範囲に整流されたガス流４５（図１３参照）となる。よって、点火部２２とその周辺に存在するガスを、ガス流４５によって広範囲に掃気することができる。また、副室１８内に一様なガス流動を生じさせることができる。また、副室１８内で燃焼火炎を速く安定的に伝播させることができる。

また、第３実施形態に係る内燃機関１０においては、副室１８の天井面３９を凹面状に形成している。このため、複数の噴孔３０を通して副室１８に流れ込む混合気によってタンブル流Ｔ２を形成する場合、このタンブル流Ｔ２は天井面３９に案内されてスムーズに点火部２２へと導かれる。これにより、タンブル流Ｔ２の崩れを抑制することができる。したがって、副室１８内に強いガス流動を生じさせ、充分な掃気性能を発揮させることができる。また、副室１８内で混合気の着火性と燃焼火炎の伝播速度を高めて、燃焼の安定性を向上させることができる。

＜第４実施形態＞
図１４は、第４実施形態に係る内燃機関の一部を拡大した縦断面図である。
第４実施形態に係る内燃機関１０は、前述した第１実施形態に係る内燃機関１０の構成（図６および図７参照）と比較して、副室１８の内面４７が球面に沿う形状に形成されている点が異なる。球面に沿う形状は、ラウンド形状の一例である。なお、ここで記述する球面は、厳密な意味での球面を含む以外に、球面に近い形状も含む。

第４実施形態に係る内燃機関１０においては、副室１８の内面４７が球面に沿う形状に形成されているため、複数の噴孔３０を通して副室１８に流れ込む混合気Ｍによってタンブル流Ｔを形成する場合、このタンブル流Ｔは内面４７に案内されてスムーズに点火部２２へと導かれる。これにより、タンブル流Ｔの崩れを抑制することができる。したがって、副室１８内に強いガス流動を生じさせ、充分な掃気性能を発揮させることができる。また、副室１８内で混合気の着火性と燃焼火炎の伝播速度を高めて、燃焼の安定性を向上させることができる。

なお、副室１８の内面４７は、球面に沿う形状に限らず、図１４の紙面奥行き方向に同じ断面を持つ円筒面に沿う形状でもよい。その場合、円筒面の両端における端面形状は、どのような形状でもかまわない。また、副室１８の内面は、図１４の紙面奥行き方向の断面が一様に半円形をなす形状、すなわち半円柱面に沿う形状でもよい。その場合は、点火部２２の近傍に位置する天井面の部分に、断面半円形の内面を配置すればよい。

＜第５実施形態＞
図１５は、第５実施形態に係る内燃機関の一部を拡大した横断面図である。
第５実施形態に係る内燃機関１０は、副室形成部３５の底部に形成された複数の噴孔３０が、第１噴孔群５１と第２噴孔群５２とを備えている。第１噴孔群５１は、図１５の波線で囲まれた領域内に存在する６つの噴孔３０－１を有し、第２噴孔群５２は、それ以外の２つの噴孔３０－２を有する。６つの噴孔３０－１は、それぞれ、主室側噴孔部（図示せず）と副室側噴孔部３０２とを有し、２つの噴孔３０－２も、それぞれ、主室側噴孔部（図示せず）と副室側噴孔部３０２とを有する。

第１噴孔群５１に属する６つの噴孔３０－１における副室側噴孔部３０２の中心軸（中心軸線）Ｘ１１は、副室１８側の一点Ｑ１で交わっており、第２噴孔群５２に属する２つの噴孔３０－２における副室側噴孔部３０２の中心軸（中心軸線）Ｘ１２は、副室１８側の他の一点Ｑ２で交わっている。これにより、噴孔３０－１の副室側噴孔部３０２の中心軸ベクトルＶ１１は、すべて点Ｑ１に向かうベクトルとなり、噴孔３０－２の副室側噴孔部３０２の中心軸ベクトルＶ１２は、すべて点Ｑ２に向かうベクトルとなる。

点Ｑ１と点Ｑ２は、副室１８の径方向で対向する位置関係となっている。また、点Ｑ１は、副室１８の中心軸Ｋ（図１４などを参照）の位置Ｐｃから見て、一方の側面３８の近傍に存在し、点Ｑ２は、それと反対側となる他方の側面３８の近傍に存在している。このため、噴孔３０－１の副室側噴孔部３０２の中心軸ベクトルＶ１１と、噴孔３０－２の副室側噴孔部３０２の中心軸ベクトルＶ１２とは、互いに逆向きのベクトル成分を有している。具体的には、噴孔３０－１の副室側噴孔部３０２の中心軸ベクトルＶ１１は、図１５の右斜め下向きのベクトル成分を有し、噴孔３０－２の副室側噴孔部３０２の中心軸ベクトルＶ１２は、図１５の左斜め上向きのベクトル成分を有している。

第５実施形態に係る内燃機関１０において、第１噴孔群５１に属する６つの噴孔３０－１から副室１８へと流れ込んだ混合気は、点Ｑ１で合流するとともに、副室形成部３５の側面３８によって向きを変えられることにより、タンブル流Ｔ３を形成する。また、第２噴孔群５２に属する２つの噴孔３０－２から副室１８へと流れ込んだ混合気は、点Ｑ２で合流するとともに、副室形成部３５の側面３８によって向きを変えられることにより、タンブル流Ｔ４を形成する。こうして形成されたタンブル流Ｔ３，Ｔ４は、副室１８の上部で合流する。これにより、副室１８の上部には、混合気が強く乱れた領域Ｅ２が発生する。この領域Ｅ２の発生により、副室１８内での乱流燃焼速度が上昇し、副室１８内の火炎成長が安定する。その結果、副室１８内の掃気性および着火性が向上するとともに、副室１８内での火炎成長の安定化が図られる。

なお、上記第５実施形態においては、第１噴孔群５１および第２噴孔群５２を備えた構成を例に挙げて説明したが、噴孔群の数は３つ以上であってもよい。また、１つの噴孔群に属する噴孔の数は２つ以上であればよい。

＜第６実施形態＞
図１６は、第６実施形態に係る内燃機関の一部を拡大した縦断面図である。
第６実施形態に係る内燃機関１０においては、前述した第１実施形態に係る内燃機関１０の構成（図６参照）と比較して、複数の噴孔３０（３０ａ～３０ｄ）のうち、噴孔３０ａの径（直径）が、これ以外の噴孔３０ｂ，３０ｃ，３０ｄの径よりも大きく設定されている。また、噴孔３０ａにおいて主室側噴孔部３０１の中心軸と副室側噴孔部３０２の中心軸とのなす角度をφ１とし、噴孔３０ｂにおいて主室側噴孔部３０１の中心軸と副室側噴孔部３０２の中心軸とのなす角度をφ２とし、噴孔３０ｃにおいて主室側噴孔部３０１の中心軸と副室側噴孔部３０２の中心軸とのなす角度をφ３とし、噴孔３０ｄにおいて主室側噴孔部３０１の中心軸と副室側噴孔部３０２の中心軸とのなす角度をφ４とすると、角度φ１は、角度φ２，φ３，φ４よりも大きく設定されている。

ここで、１つの噴孔３０に関して、主室側噴孔部３０１の中心軸と副室側噴孔部３０２の中心軸とのなす角度が大きくなると、この噴孔３０を通して混合気Ｍが副室１８に流入するときの圧力損失や、この噴孔３０を通して火炎ジェットＪが主燃焼室１７に噴出するときの圧力損失が大きくなる。このため、各々の噴孔３０ａ～３０ｄの径を同一に設定すると、混合気の流入バランスの偏りや火炎ジェットＪの噴出バランスの偏りが大きくなる。

これに対し、第６実施形態に係る内燃機関１０においては、主室側噴孔部３０１の中心軸と副室側噴孔部３０２の中心軸とのなす角度φ１が大きい噴孔３０ａの径を、他の噴孔３０ｂ，３０ｃ，３０ｄの径よりも大きく設定している。このため、噴孔３０ａにおける圧力損失を低減し、混合気Ｍの流入バランスの偏りや火炎ジェットＪの噴出バランスの偏りを抑制することができる。その結果、主燃焼室１７における燃焼速度の向上および燃焼効率の向上を図ることができる。

なお、上記第６実施形態においては、主室側噴孔部３０１の中心軸と副室側噴孔部３０２の中心軸とのなす角度が最も大きい噴孔３０ａの径を、他の噴孔３０ｂ，３０ｃ，３０ｄの径よりも大きく設定したが、これに限定されない。たとえば、主室側噴孔部３０１の中心軸と副室側噴孔部３０２の中心軸とのなす角度について予め閾値を設定しておき、複数の噴孔３０のうち、主室側噴孔部３０１の中心軸と副室側噴孔部３０２の中心軸とのなす角度が閾値を超える噴孔３０の径を、閾値以下の噴孔３０の径よりも大きく設定してもよい。また、主室側噴孔部３０１の中心軸と副室側噴孔部３０２の中心軸とのなす角度が大きいほど、噴孔３０の径が大きくなるように、各々の噴孔３０の径を設定してもよい。すなわち、上記図１６に示す構成や、ここで例示した構成を含めて、複数の噴孔３０の径は、主室側噴孔部３０１の中心軸と副室側噴孔部３０２の中心軸とのなす角度に応じて設定すればよい。

＜第７実施形態＞
図１７は、第７実施形態に係る内燃機関の一部を拡大した縦断面図である。
第７実施形態に係る内燃機関１０においては、前述した第１実施形態に係る内燃機関１０の構成（図６参照）と比較して、副室形成部３５が突出部５５を有する点が異なる。突出部５５は、副室形成部３５と一体に形成されている。また、突出部５５は、副室１８の側面３８から、副室１８の径方向内側に突出するように形成されている。突出部５５は案内面５６を有している。案内面５６は、副室１８の中心軸Ｋに対して傾斜している。図１７においては、一例として、副室１８の中心軸Ｋに対する案内面５６の傾斜角度θが４５度またはそれに近い角度に設定されている。また、案内面５６の始点Ｓと終点Ｅとを結ぶ仮想直線Ｌは、点火プラグ２１に向かって延在している。案内面５６は、複数の噴孔３０を通して主燃焼室１７から副室１８へと流れ込むガス（混合気Ｍ）を点火部２２へと案内する。

第７実施形態に係る内燃機関１０において、複数の噴孔３０から副室１８へと流れ込んだ混合気Ｍは、副室１８の側面３８を伝って突出部５５に到達し、案内面５６によって向きを変えられる。これにより、混合気Ｍは、点火プラグ２１の点火部２２に向かって流れる。このため、突出部５５が形成されていない場合に比べて、点火部２２の掃気性を高めることができる。したがって、副室１８での混合気Ｍの着火性をより一層向上させることができる。

＜変形例等＞
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例を含む。たとえば、上述した実施形態では、本発明の内容を理解しやすいように詳細に説明しているが、本発明は、上述した実施形態で説明したすべての構成を必ずしも備えるものに限定されない。また、ある実施形態の構成の一部を、他の実施形態の構成に置き換えることが可能である。また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、これを削除し、または他の構成を追加し、あるいは他の構成に置換することも可能である。

たとえば、上述した実施形態においては、噴孔３０の縦断面形状を屈曲形状（略Ｖ字形）としているが、これに限らず、噴孔３０の縦断面形状を円弧形状としてもよい。その場合、主室側噴孔部３０１と副室側噴孔部３０２の境界は、噴孔３０の深さ方向の中間位置とすればよい。

また、上述した実施形態においては、１つの噴孔３０が主室側噴孔部３０１と副室側噴孔部３０２とによって構成される例を示したが、これに限らず、たとえば、主室側噴孔部３０１と副室側噴孔部３０２との間に、これらをつなぐ中間噴孔部（図示せず）が存在してもよい。

１０…内燃機関、１１…ピストン（主室形成部）、１２…シリンダ（主室形成部）、１３…シリンダヘッド（主室形成部）、１７…主燃焼室、１８…副室、２０…プレチャンバー（副室形成部）、２１…点火プラグ、２２…点火部、３０，３０－１，３０－２，３０ａ～３０ｄ…噴孔、３５…副室形成部、５５…突出部、５６…案内面、３０１…主室側噴孔部、３０２…副室側噴孔部、Ｋ…副室の中心軸、Ｖ，Ｖ１～Ｖ４…中心軸ベクトル、Ｖｃ…合成ベクトル

Claims (9)

1. 主燃焼室を形成する主室形成部と、
   副室を形成する副室形成部と、
   前記副室に点火部を配置してなる点火プラグと、
   を備え、
   前記副室形成部は、前記主燃焼室と前記副室とを連通させる複数の噴孔を備え、
   前記複数の噴孔の各々は、前記主燃焼室側に近い主室側噴孔部と前記副室側に近い副室側噴孔部とを有し、前記主室側噴孔部と前記副室側噴孔部とが互いに異なる向きで形成され、
   前記複数の噴孔のうち、一の噴孔と他の噴孔とは、前記副室の中心軸に対して非対称に形成されている
   内燃機関。
2. 前記複数の噴孔における前記副室側噴孔部の中心軸ベクトルを合成した合成ベクトルが前記点火部からずれた方向を向くように、前記複数の噴孔が形成されている
   請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記複数の噴孔における前記副室側噴孔部の中心軸が、前記副室側の一点で交わるように、前記複数の噴孔が形成されている
   請求項１または２に記載の内燃機関。
4. 前記複数の噴孔における前記副室側噴孔部の中心軸が互いに平行となるように、前記複数の噴孔が形成されている
   請求項１または２に記載の内燃機関。
5. 前記複数の噴孔は、２以上の噴孔を含む第１噴孔群と、２以上の噴孔を含む第２噴孔群と、を少なくとも有する複数の噴孔群を備え、前記第１噴孔群に属する前記２以上の噴孔における前記副室側噴孔部の中心軸が前記副室側の一点で交わるとともに、前記第２噴孔群に属する前記２以上の噴孔における前記副室側噴孔部の中心軸が前記副室側の他の一点で交わるように、前記複数の噴孔が形成されている
   請求項１または２に記載の内燃機関。
6. 前記副室は、前記副室の少なくとも一部の内面がラウンド形状に形成されている
   請求項１または２に記載の内燃機関。
7. 前記複数の噴孔の径は、前記主室側噴孔部の中心軸と前記副室側噴孔部の中心軸とのなす角度に応じて設定されている
   請求項１または２に記載の内燃機関。
8. 前記副室形成部は、前記副室の径方向内側に突出する突出部を有し、
   前記突出部は、前記複数の噴孔を通して前記主燃焼室から前記副室へと流れ込むガスを前記点火部へと案内する案内面を有する
   請求項１または２に記載の内燃機関。
9. 副室を形成するとともに、主燃焼室と前記副室とを連通させる複数の噴孔を備えるプレチャンバーであって、
   前記複数の噴孔の各々は、前記主燃焼室側に近い主室側噴孔部と前記副室側に近い副室側噴孔部とを有し、前記主室側噴孔部と前記副室側噴孔部とが互いに異なる向きで形成され、
   前記複数の噴孔のうち、一の噴孔と他の噴孔とが、前記副室の中心軸に対して非対称に形成されている
   プレチャンバー。

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