JP2022078374A - 副室式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも大幅に副燃焼室の掃気を促進させることのできる副室式内燃機関を提供する。
【解決手段】副室式内燃機関１は、排気行程において、副燃焼室２０の端部壁２３を側壁２１とともに側壁２１の末端側に変位させて、その変位前後で副燃焼室２０の容積を小さくし、副燃焼室２０内の圧力を高めて内外方向の気流を発生させることによって、直接的に掃気を促進することができる。こうして、副燃焼室２０周辺で発生する気流により間接的に副燃焼室２０内の掃気を促進する構成と比べ、大幅に掃気を促進させることができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、主燃焼室およびその主燃焼室に隣接して設けられる副燃焼室を備えた副室式の副室式内燃機関に関する。

従来から、主燃焼室およびその主燃焼室に隣接して設けられる副燃焼室を備えた副室式内燃機関が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような副室式内燃機関では、主燃焼室に噴射された燃料から混合気が形成される。形成された混合気は、連通路を介して副燃焼室内に供給され、副燃焼室内で点火プラグによって点火され火炎が形成される。副燃焼室内で形成された火炎は、連通路を介して主燃焼室に噴射され、主燃焼室の混合気に着火する。このように、副燃焼室で形成された火炎を主燃焼室に噴射することで、主燃焼室の燃焼速度を高めることができる。これによって、より希薄な空燃比での運転が可能となり、燃費の向上が可能となる。

また、特許文献１の副室式内燃機関では、副燃焼室と吸気ポートとを連通する掃気通路を別途形成し、これにより副燃焼室内の掃気を促進させるように構成されている。

特開２００４－２０４８３５号公報

しかし、特許文献１を含む従来の副室式内燃機関では、副燃焼室周辺で発生する気流によって間接的に副燃焼室内の掃気を促進しているため、掃気の促進という観点では限界がある。

本発明は、この課題を解決するためになされたものであり、その目的は、従来よりも大幅に副燃焼室の掃気を促進させることのできる副室式内燃機関を提供することである。

上記課題を解決するため第１の副室式内燃機関は、吸気、圧縮、膨張および排気の各行程を繰り返す副室式内燃機関であって、筒状に延びる燃焼空間を取り囲む構造体からなる主燃焼室と、前記燃焼空間に向けて筒状に延びる側壁、および、前記側壁の先端を閉鎖する端部壁からなる副燃焼室と、前記副燃焼室の内壁から突出する点火用の電極対と、前記側壁のうち、前記端部壁よりも末端側の領域を内外に貫通して前記副燃焼室と前記主燃焼室とを連通する１以上の連通路と、排気行程において、前記副燃焼室内の圧力を上昇させる圧力変化手段と、を備える。

また、この副室式内燃機関は、以下に示す第２の副室式内燃機関のようにしてもよい。

第２副室式内燃機関において、前記副燃焼室は、少なくとも前記端部壁が前記側壁の先端側から末端側に変位可能に取り付けられてなり、前記圧力変化手段は、排気行程において、少なくとも前記端部壁を前記側壁の末端側へ変位させることにより前記副燃焼室内の圧力を上昇させる。

これら副室式内燃機関では、排気行程において、副燃焼室内の圧力を高めて内外方向の気流を発生させることによって直接的に掃気を促進することができる。特に、第２の副室式内燃機関であれば、排気行程において、副燃焼室の端部壁を側壁の末端側に変位させることで、その変位前後で副燃焼室の容積を小さくし、副燃焼室内の圧力を高めて内外方向の気流を発生させることによって直接的に掃気を促進することができる。こうして、副燃焼室周辺で発生する気流により間接的に副燃焼室内の掃気を促進する構成と比べ、大幅に掃気を促進させることができる。

この副室式内燃機関において、端部壁を側壁の末端側へ変位させるための具体的な構成は特に限定されないが、例えば、以下に示す第３の副室式内燃機関のようにしてもよい。

第３の副室式内燃機関において、前記副燃焼室は、前記側壁における前記主燃焼室の構造体への埋設量が最小となる突出位置、および、前記埋設量が最大となる埋設位置へと変位可能に取り付けられてなり、前記圧力変化手段は、排気行程において、前記側壁および前記端部壁を前記埋設位置へと変位させ、前記端部壁を前記側壁とともに前記側壁の末端側へ変位させることにより、前記副燃焼室内の圧力を上昇させる。

この副室式内燃機関では、副燃焼室そのものを突出位置から埋設位置へと変位させ、主燃焼室の構造体に埋設された状態とすることで、その変位前後で副燃焼室の容積を小さくすることができる。

上記各副室式内燃機関においては、以下に示す第４の副室式内燃機関のようにしてもよい。

第４の副室式内燃機関において、前記圧力変化手段は、吸気行程に先立ち、前記副燃焼室内の圧力を低下させる。

この副室式内燃機関では、吸気行程に先立ち、副燃焼室内の圧力を下げて副燃焼室外内への気流を発生させることができる。これにより、主燃焼室に存在する混合気の副燃焼室への導入を促進することができる。

この副室式内燃機関において、副燃焼室内の圧力を下げるための具体的な構成は特に限定されないが、例えば、以下に示す第５の副室式内燃機関のようにしてもよい。

第５の副室式内燃機関において、前記副燃焼室は、前記側壁および前記端部壁を、前記側壁における前記主燃焼室の構造体への埋設量が最小となる突出位置、および、前記埋設量が最大となる埋設位置へと変位可能に取り付けられてなり、前記圧力変化手段は、吸気行程に先立って、前記側壁および前記端部壁を前記突出位置へと変位させることにより、前記副燃焼室内の圧力を低下させる。

この副室式内燃機関では、副燃焼室そのものを埋設位置から突出位置へと変位させ、主燃焼室の構造体から突出した状態とすることで、その変位前後で副燃焼室の容積を大きくして副燃焼室内の圧力を下げることができる。

また、上記各副室式内燃機関において、圧力変化手段の具体的な構成は特に限定されないが、例えば、以下に示す第６の副室式内燃機関のようにしてもよい。

第６の副室式内燃機関において、前記圧力変化手段は、吸気、圧縮、膨張および排気の各行程に応じた回転位置で回転し、吸気および圧縮の行程においてリフト量が最大および最小のいずれか一方となり、また、膨張および排気の各行程においてリフト量が最小および最大のいずれか一方となる変位カムと、前記変位カムに従動して前記副燃焼室の延びる方向に沿って最大のリフト量から最小のリフト量までの距離を往復運動する従節と、を有し、前記従節による往復運動を直接的または間接的に前記端部壁に伝達させる。

この副室式内燃機関では、変位カムおよび従節により、端部壁を変位させることができる。

本発明によれば、排気行程において副燃焼室の容積を小さくすることにより、副燃焼室内の圧力を高めて直接的に掃気を促進することができる。こうして、副燃焼室周辺で発生する気流により間接的に副燃焼室内の掃気を促進する構成と比べ、大幅に掃気を促進させることができる。

本発明における副室式内燃機関の概略構成を示す図 本発明における副燃焼室近傍の拡大図 本発明における副燃焼室の容積変化とそれにより発生する気流の様子を示す図

（１）全体構成

副室式内燃機関１は、図１に示すように、筒状に延びる燃焼空間１００を取り囲む構造体からなる主燃焼室１０と、燃焼空間１００に向けて筒状に延びる副燃焼室２０と、副燃焼室２０の内壁から突出する点火プラグ３０と、を備えており、吸気、圧縮、膨張および排気の各行程を繰り返すように構成されている。

主燃焼室１０は、所定方向（同図の上下方向）に延びるシリンダ１１、シリンダ１１における一端（同図の上端）側を閉塞するシリンダヘッド１３、および、シリンダ１１内側をその延びる方向に沿って往復移動するピストン１５により構成されており、これら構造体により燃焼空間１００が取り囲まれている。この燃焼空間１００には、吸気バルブ１１０により開閉される吸気ポート１２０、排気バルブ１３０により開閉される排気ポート１４０それぞれが接続されている。これら吸気バルブ１１０および排気バルブ１３０は、後述する吸気カム２１０および排気カム２２０により駆動される。

また、この主燃焼室１０には、シリンダ１１における吸気ポート１２０近傍において、燃焼空間１００内に燃料を噴射する噴射弁１５０が配置されている。この噴射弁１５０は、燃料を噴霧して供給することで燃焼空間１００内に混合気を形成する。

なお、本実施形態における主燃焼室１０は、シリンダヘッド１３が吸気ポート１２０および排気ポート１４０それぞれに向けて傾斜面をなすペントルーフ形状となっている。

副燃焼室２０は、図２に示すように、吸気ポート１２０と排気ポート１４０との間の位置から燃焼空間１００に向けて筒状に延びる側壁２１と、側壁２１の先端（同図の下端）を閉鎖する端部壁２３からなる。すなわち、副燃焼室２０は、側壁２１と、端部壁２３により、この筒状に延びる空間を包囲している。本実施形態において、副燃焼室２０は、主燃焼室１０におけるペントルーフ形状の斜面の交線（稜線）を跨ぐ位置に設けられる。

この副燃焼室２０は、端部壁２３よりも末端側の領域において、側壁２１を内外に貫通して副燃焼室２０と主燃焼室１０とを連通する１以上（本実施形態では６箇所）の連通路２５を備える。

さらに、この副燃焼室２０は、少なくとも端部壁２３が側壁２１の先端（図２の下端）側から末端（図２の上端）側に変位可能に取り付けられてなる。本実施形態では、側壁２１および端部壁２３を、側壁２１における主燃焼室１０の構造体への埋設量が最小となる突出位置、および、埋設量が最大となる埋設位置へと変位可能に取り付けられている。

この側壁２１および端部壁２３の変位は、圧力変化機構（本発明における圧力変化手段）５０により実現される。

圧力変化機構５０は、副室式内燃機関１の各行程（吸気、圧縮、膨張および排気）に応じた回転位置で回転する変位カム５１と、変位カム５１に従動して副燃焼室２０の延びる方向に沿って最大のリフト量から最小のリフト量までの距離を往復運動する従節５３と、従節５３による往復運動を直接的または間接的に側壁２１に伝達させる伝達部５５と、を備える。

これらのうち、変位カム５１は、吸気カム２１０および排気カム２２０とともに、図示されないクランクシャフトの回転がタイミングベルト２３０経由で伝達されることにより、吸気および圧縮の行程においてリフト量が最大となり（図２（Ａ）参照）、また、膨張および排気の行程においてリフト量が最小となる（同図（Ｂ）参照）。

この圧力変化機構５０は、上述した構成要素によって、まず、排気行程から吸気行程に移行するまでのタイミングにおいて、図２（Ａ）に示すように、側壁２１および端部壁２３を側壁２１の先端側へ変位させることで、その変位前後で副燃焼室２０の容積を大きくする。一方、排気行程において、図２（Ｂ）に示すように、側壁２１および端部壁２３を側壁２１の末端側へ変位させることで、その変位に伴って副燃焼室２０の容積を小さくする。

点火プラグ３０は、副燃焼室２０における末端（図２における上端）側の内壁から突出した位置に配置された電極対を備えており、この電極対をなす各電極３１、３３間への通電により副燃焼室２０内の混合気に着火する。本実施形態において、点火プラグ３０は、各電極３１、３３が副燃焼室２０における円筒の軸線と重なる位置関係で設けられているが、この軸線から離れた位置関係で設けられていてもよい。

このように構成された副室式内燃機関１において、副燃焼室２０の容積は、主燃焼室１０よりも小さく、点火プラグ３０で点火した混合気の火炎が、副燃焼室２０内に素早く伝播する。副燃焼室２０は、副燃焼室２０で発生した火炎を、連通路を介して主燃焼室１０に噴射する。主燃焼室１０内に噴射された火炎は、主燃焼室１０の混合気に着火して燃焼させる。こうして、主燃焼室１０および副燃焼室２０が一体的な燃焼室を形成することになる。

（２）作用効果

上記実施形態における副室式内燃機関１では、排気行程において、副燃焼室２０の端部壁２３を側壁２１の末端側に変位させて（図３（Ａ）の矢印ａ参照）、その変位前後で副燃焼室２０の容積を小さくする。これにより、副燃焼室２０内の圧力が高められて内外方向の気流が発生することによって直接的に掃気を促進することができる（図３（Ａ）の矢印ｂ参照）。こうして、副燃焼室２０周辺で発生する気流により間接的に副燃焼室２０内の掃気を促進する構成と比べ、大幅に掃気を促進させることができる。

また、上記副室式内燃機関１では、副燃焼室２０そのものを突出位置から埋設位置へと変位させ、主燃焼室１０の構造体に埋設された状態とすることで、その変位前後で副燃焼室２０の容積を小さくすることができる。

また、上記副室式内燃機関１では、吸気行程に先立ち、副燃焼室２０の端部壁２３を側壁２１とともに側壁２１の先端側に変位させ（図３（Ｂ）の矢印ｃ）、副燃焼室２０の容積を大きくしておくことにより、副燃焼室２０内の圧力を下げて副燃焼室２０外内への気流を発生させることができる（図３（Ｂ）の矢印ｄ）。これにより、主燃焼室１０に存在する混合気の副燃焼室２０への導入を促進することができる。

また、上記副室式内燃機関１では、副燃焼室２０そのものを埋設位置から突出位置へと変位させ、主燃焼室１０の構造体から突出した状態とすることで、その変位前後で副燃焼室２０の容積を大きくして副燃焼室２０内の圧力を下げることができる。

また、上記副室式内燃機関１では、変位カム５１および従節５３により、側壁２１および端部壁２３を変位させることができる。

（３）他の実施形態

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた各構成は必要に応じて任意に組合せ可能である。

例えば、上記実施形態では、端部壁２３を側壁２１の末端側へ変位させることにより副燃焼室２０内の圧力を上昇させるように構成されたものを例示した。しかし、本発明では、副燃焼室２０内の圧力を上昇させることができれば、その具体的な構成については特に限定されない。

また、上記実施形態では、端部壁２３を側壁２１とともに変位させる、つまり副燃焼室２０自体を変位させることで、端部壁２３と主燃焼室１０の構造体との間の空間を狭めるまたは拡げるように構成されたものを例示した。しかし、本発明では、端部壁２３を側壁２１の末端側へ変位させることができればよく、端部壁２３のみが側壁２１の末端側へ変位するように構成してもよい。

また、上記実施形態では圧力変化機構５０が変位カム５１および従節５３からなる構成を例示したが、これ以外の構成要素により圧力変化機構５０を構成できることはいうまでもない。

１…副室式内燃機関、１０…主燃焼室、１１…シリンダ、１３…シリンダヘッド、１５…ピストン、２０…副燃焼室、２１…側壁、２３…端部壁、２５…連通路、３０…点火プラグ、３１…電極、３３…電極、５０…圧力変化機構、５１…変位カム、５３…従節、５５…伝達部、１００…燃焼空間、１１０…吸気バルブ、１２０…吸気ポート、１３０…排気バルブ、１４０…排気ポート、１５０…噴射弁、２１０…吸気カム、２２０…排気カム、２３０…タイミングベルト。

Claims (6)

1. 吸気、圧縮、膨張および排気の各行程を繰り返す副室式内燃機関であって、
   筒状に延びる燃焼空間を取り囲む構造体からなる主燃焼室と、
   前記燃焼空間に向けて筒状に延びる側壁、および、前記側壁の先端を閉鎖する端部壁からなる副燃焼室と、
   前記副燃焼室の内壁から突出する点火用の電極対と、
   前記側壁のうち、前記端部壁よりも末端側の領域を内外に貫通して前記副燃焼室と前記主燃焼室とを連通する１以上の連通路と、
   排気行程において、前記副燃焼室内の圧力を上昇させる圧力変化手段と、を備える、
   副室式内燃機関。
2. 前記副燃焼室は、少なくとも前記端部壁が前記側壁の先端側から末端側に変位可能に取り付けられてなり、
   前記圧力変化手段は、排気行程において、少なくとも前記端部壁を前記側壁の末端側へ変位させることにより前記副燃焼室内の圧力を上昇させる、
   請求項１に記載の副室式内燃機関。
3. 前記副燃焼室は、前記側壁における前記主燃焼室の構造体への埋設量が最小となる突出位置、および、前記埋設量が最大となる埋設位置へと変位可能に取り付けられてなり、
   前記圧力変化手段は、排気行程において、前記側壁および前記端部壁を前記埋設位置へと変位させ、前記端部壁を前記側壁とともに前記側壁の末端側へ変位させることにより、前記副燃焼室内の圧力を上昇させる、
   請求項２に記載の副室式内燃機関。
4. 前記圧力変化手段は、吸気行程に先立ち、前記副燃焼室内の圧力を低下させる、
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の副室式内燃機関。
5. 前記副燃焼室は、前記側壁および前記端部壁を、前記側壁における前記主燃焼室の構造体への埋設量が最小となる突出位置、および、前記埋設量が最大となる埋設位置へと変位可能に取り付けられ、
   前記圧力変化手段は、吸気行程に先立って、前記側壁および前記端部壁を前記突出位置へと変位させることにより、前記副燃焼室内の圧力を低下させる、
   請求項４に記載の副室式内燃機関。
6. 前記圧力変化手段は、
   吸気、圧縮、膨張および排気の各行程に応じた回転位置で回転し、吸気および圧縮の行程においてリフト量が最大および最小のいずれか一方となり、また、膨張および排気の行程においてリフト量が最小および最大のいずれか一方となる変位カムと、
   前記変位カムに従動して前記副燃焼室の延びる方向に沿って最大のリフト量から最小のリフト量までの距離を往復運動する従節と、を有し、
   前記従節による往復運動を直接的または間接的に前記端部壁に伝達させる、
   請求項１から３および請求項５のいずれか１項に記載の副室式内燃機関。

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