JP2024071070A - 副燃焼室付きエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】中間電極の上下にスパークギャップが形成されている副燃焼室構造において、副燃焼室の熱変形が中間電極に波及しない技術を開示する。
【解決手段】中間電極２４は、セラミック製の第１保持体２９とコバール製の第２保持体３０とを介して副燃焼室１５に取り付けられている。中間電極２４は第１保持体２９にろう付けされており、第１保持体２９と第２保持体３０とは上下に重なってろう付けされている。第２保持体３０は副燃焼室１５の内向きフランジ２１に溶接によって固定されている。コバール製の第２保持体３０は熱膨張率が副燃焼室１５よりも低いため、副燃焼室１５の熱変形が第２保持体３０によって吸収されて、第１保持体２９の破損を防止できる。
【選択図】図２

Description

本願発明は、シリンダヘッドに副燃焼室を備えたエンジンに関するものである。

ガソリン機関やガス機関のようなエンジンにおいて、シリンダヘッドに副燃焼室（副室）を設けることが提案されている。副燃焼室は点火プラグと併用されており、副燃焼室で生成された火炎を主燃焼室に噴出させて主燃料に着火させる。副燃焼室で生成した火炎は燃料の着火性に優れているため、混合気の燃料がリーン気味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、燃費の向上や排気ガスクリーン化促進のための有望な技術として注目されている。

副燃焼室内の混合気への着火手段には、吸気ポートから噴出した混合気を副燃焼室に取り込んで、副燃焼室の内部に露出した点火プラグで着火するパッシブ方式と、副燃焼室に専用の経路から燃料を取り込んで、この燃料に点火プラグで着火させるアクティブ方式とがあり、前者のパッシブ方式は構造が簡単で、コスト面及び制御の容易性の点で優れている。

しかし、パッシブ方式では、点火タイミングが遅角されていると副燃焼室から燃料が吸い出される傾向を呈して、失火するおそれがある問題があった。他方、例えば特許文献１に開示されているように、副燃焼室の内部と外部とにスパークギャップを設けた方式の副燃焼室構造が提案されており、この方式を採用すると、点火タイミングが遅角制御されても外部のスパークギャップによって主燃焼室の燃料に点火できるため、失火を防止して安定した着火を実現できる。

特開２０２２－２６２３８号公報

副燃焼室の内外にスパークギャップを設けた方式では、副燃焼室の内部と外部とに露出した中間電極（特許文献１の名称は浮遊電極）が必要であり、この中間電極は副燃焼室に対して電気的に絶縁された状態に保持されている必要がある。そこで、中間電極の保持手段としてセラミック製の保持部材が採用されており、中間電極を保持部材に接合（固定）すると共に、保持部材を副燃焼室に固定している。

中間電極の保持手段としてセラミック製の保持部材を使用した場合に解消すべき課題は、熱膨張の違いによる破損の問題である。すなわち、副燃焼室は、一般に耐熱性と強度に優れた金属（特殊鋼）で作られており、外部電極のアースとして機能しているが、保持部材を構成するセラミックと金属製の副燃焼室とは熱膨張率が大きく異なるため、副燃焼室の熱変形に起因した外力が保持部材に作用して、保持部材が破損してしまうことが懸念される。

従って、中間電極を設ける場合は、副燃焼室が熱変形（熱膨張・熱収縮）してもセラミック製の保持部材が破損しない配慮が要請されるが、特許文献１を初めとした公知例はこの要請に応えているとは云い難い。

本願発明はこのような現状を背景に成されたものであり、中間電極を有して副燃焼室の内外にスパークギャップを設けた方式のエンジンに関し、絶縁体製の部材の破損を防止した状態で中間電極を保持できる技術を開示せんとするものである。

本願発明のエンジンは、
「シリンダヘッドに設けられた主燃焼室と、少なくとも一部を前記主燃焼室に露出させた副燃焼室と、前記副燃焼室の内部に露出した内端部と前記主燃焼室に露出した外端部を備えた中間電極と、前記副燃焼室の内部に配置されて前記中間電極の内端部との間に内部スパークギャップを形成している内部電極と、前記主燃焼室の側に配置されて前記中間電極の外端部との間に外部スパークギャップを形成している外部電極と、前記中間電極を前記副燃焼室に取り付ける保持部と、を有している」
という基本構成である。

そして、上記の基本構成において、特徴として、
「前記保持部は、前記中間電極に固定された絶縁体製の第１保持体と、前記第１保持体と前記副燃焼室との両方に接合された第２保持体とを有して、前記第２保持体は前記副燃焼室よりも熱膨張率が低い素材から成っている」
という構成を備えている。

本願発明は、様々に展開できる。その例として請求項２では、
「前記第１保持体と第２保持体とはろう付けによって接合されており、前記第１保持体と第２保持体との接合面にろう溜まりとなる凹所が形成されている」
という構成になっている。

請求項３の発明は請求項２を具体化したもので、
「前記副燃焼室の下端に内向きフランジが形成されて、前記第２保持体には、前記副燃焼室の内向きフランジに上から重なるリング状部と内周に入り込む筒部とを有して逆凸形に形成されており、
かつ、前記第１保持体の下面には、前記第２保持体が下方から入り込む下向き凹所が形成されて、前記第２保持体の上面に、ろう溜まりとなる前記凹所が環状に形成されている」
という構成になっている。

本願発明では、保持部が第１保持体と第２保持体とで構成されて、第２保持体は副燃焼室よりも熱膨張率が低いため、第２保持体が緩衝材の役割を果たして、副燃焼室の熱膨張・熱収縮が第１保持体に及ぶことを著しく抑制できる。その結果、第１保持体がセラミック製のように熱膨張率が低い素材で作られていても、エンジンの運転や運転停止に伴う副燃焼室の膨張・収縮によって第１保持体が破損することを防止できる。従って、副燃焼室の内外にスパークギャップを設けた方式のエンジンの信頼性を向上できる。

第１保持体と第２保持体との接合手段としては、強度や耐熱性、作業性、信頼性等の点からろう付けが好適であるが、請求項２の構成を採用すると、凹所にろうを保持できるため、ろう付けに際してのろうの漏洩を防止して、ろう付けを確実化できる。従って、第１保持体と第２保持体との一体性を高めて中間電極の固定強度を向上できる。

請求項３の構成を採用すると、第２保持体は副燃焼室の下部に嵌まり込んでいるため、第２保持体と第１保持体と中間電極とが副燃焼室に対して正確に位置決めされる。従って、内部電極と中間電極と外部電極とを正確に位置決めして、所望の強い火花を得ることができる。

第１保持体は、耐熱性や絶縁性、強度の点から、アルミナ系やジルコニア系等のセラミックを材料にした焼成品が好適である。他方、第２保持体としては、現状ではコバールが好適である。コバールは耐熱性・耐衝撃性に優れているのみならず熱膨張率が低い合金（特殊鋼）であるが、様々な装置で使用されていて信頼性が高いため、現実性にも優れている。

第１実施形態に係るエンジンの部分的な縦断正面図である。 （Ａ）は要部を示す断面図、（Ｂ）は（Ａ）の部分拡大図、（Ｃ）は分離図である。 第２実施形態を示す図で、（Ａ）は要部の縦断正面図、（Ｂ）は分離断面図である。

(1).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。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方向及びシリンダボア軸線方向と直交した方向である。前と後ろについては、タイミングチェーンが配置されている側を前として、トランスミッションが配置される側を後ろとしている。

本実施形態は自動車用エンジンに適用しており、エンジンは、図１に示すように、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とを有しており、シリンダブロック１には、クランク軸線方向に並んだ複数のシリンダボア４が形成されている。

他方、シリンダヘッド３には、シリンダボア４に向いたペントルーフ型の燃焼室用凹所５が形成されており、シリンダブロック１のシリンダボア４とシリンダヘッド３の燃焼室用凹所５とによって主燃焼室が形成されている。シリンダボア４にはピストンが摺動可能に嵌まっているが、図示は省略している。なお、ピストンの冠面に形成した凹所が主燃焼室の一部を構成することもある。

シリンダヘッド３には、各燃焼室用凹所５に対応して、一対ずつの吸気ポート６と一対ずつの排気ポート７とが、クランク軸線を挟んだ左右両側に振り分けて形成されている。吸気ポート６の吸気出口穴は吸気バルブ８で開閉されて、排気ポート７の排気入口穴は排気バルブ９で開閉される。各バルブ８，９はばね１０，１１によって閉じ方向に付勢されている。

一対の吸気ポート６は全長に亙って独立しており、シリンダヘッド３の吸気側面３ａに開口している。シリンダヘッド３の吸気側面３ａには、吸気マニホールド１２が固定されている。吸気マニホールド１２には（又はシリンダヘッド３に）、各吸気ポート６に対応して燃料噴射インジェクタ１３が装着されている。なお、燃料噴射インジェクタ１３はシリンダヘッド３に装着することも可能である。

シリンダヘッド３における各燃焼室用凹所５の頂面部のうち、吸気出口穴と排気入口穴とで囲われた部位にプラグホール１４が開口しており、プラグホール１４に、副燃焼室１５を備えた点火プラグ１６がねじ込み装着されている。副燃焼室１５の大部分は、主燃焼室を構成する燃焼室用凹所５に露出している。プラグホール１４の軸心は、シリンダボア４の軸心から若干の寸法だけ排気側にずれているが、シリンダボア４と同心に配置してもよい。なお、図１において符号１７で示すのは、冷却水が流れるウォータジャケットである。

(2).第１実施形態の副燃焼室装置
図２に明示するように、副燃焼室１５は、円筒部１９とその下端に連続した下窄まりのテーパ部２０、及び、テーパ部２０の下端に連続した円板状の内向きフランジ２１とを有している。円筒部１９の上部が点火プラグ１６における本体１６ａの下部に嵌着して、点火プラグ１６の本体１６ａに溶接で固定されている。副燃焼室１５は（正確には、副燃焼室を構成するハウジングは）、インコネル（登録商標）のような合金鋼やステンレス鋼で作られている。テーパ部２０に、複数（例えば３～８個）の噴孔２２が周方向に断続的に並べて形成されている。

点火プラグ１６における本体１６ａの下端面から金属製の内部電極（中心電極）２３が下向きに露出しており、その下方に金属製の中間電極２４が配置されている。中間電極２４は円柱状の形態を成しており、上端部２４ａと下端部２４ｂとは小径のスパーク部に形成されて、上端部２４ａは副燃焼室１５の内部に露出した内端部になっていて内部電極２３に下方から対向している。従って、中間電極２４の上端部２４ａと内部電極２３との間が内部スパークギャップ２５になっている。

中間電極２４の下端部２４ｂは副燃焼室１５の下方に露出した外端部になっており、その下方に外部電極（接地電極）２６が配置されている。言い換えると、中間電極２４の下端部２４ｂ及び外部電極（接地電極）２６は、燃焼室用凹所５（主燃焼室）に露出した状態に配置されている。外部電極２６は、副燃焼室１５に溶接された金属製の電極アーム２７に設けている。すなわち、電極アーム２７をＬ形に曲げて、その先端に外部電極２６を上向き突設している。従って、外部電極２６と中間電極２４の下端部２４ｂとの間が外部スパークギャップ２８になっている。なお、中間電極２４の上端部２４ａ、端部２４ｂは、それぞれ請求項に記載した「内端部」、「外端部」に相当する。

中間電極２４は、第１保持体２９と第２保持体３０とからなる保持部を介して副燃焼室１５に取り付けられている。第１保持体２９は、アルミナ系やジルコニア系のセラミック製の絶縁体であり、リング状に形成されていて、その内周面に中間電極２４がろう付けで固定されている。ろう付け部を符号３１で表示している。

第２保持体３０は副燃焼室１５よりも熱膨張率が低い素材であるコバールで作られており、第１保持体と副燃焼室１５との両方に接合されている。なお、第２保持体３０は副燃焼室１５よりも熱膨張率が低ければよく、コバール以外の素材で作られていてもよい。第２保持体３０は、副燃焼室１５における内向きフランジ２１の上面に重なるリング状部３０ａと、内向きフランジ２１に内側から嵌まる筒部３０ｂとを有しており、逆凸形の形態を成している。そして、リング状部３０ａが第１保持体２９の下面にろう付けされている。第１保持体２９と第２保持体３０とのろう付け部を符号３２で示している。

この場合、第１保持体２９の下面に第２保持体３０が下方から入り込む下向き凹所３３を形成して、下向き凹所３３の上底面と第２保持体３０とをろう付けで接合している。また、第２保持体３０におけるリング状部３０ａの上面に、ろう溜まりとなる環状の上向き凹所３４を形成している。第２保持体３０における筒部３０ｂの下端面と副燃焼室１５の内向きフランジ２１は、レーザー溶接などの溶接によって接合されている（溶接部を符号３７で示している。）。

第２保持体３０の筒部３０ｂと第１保持体２９における下向き凹所３３の内側内周面３３ａとの間には、第１保持体２９と第２保持体３０との熱膨張差を吸収する内側空間３５が形成されている。第２保持体３０におけるリンク状部３０ａの外周と第１保持体２９における下向き凹所３３の外側内周面３３ｂとの間にも、第１保持体２９と第２保持体３０との熱膨張差を吸収する外側空間３６が形成されている。第１保持体２９の外周部と副燃焼室１５の内面との間には、第１保持体２９は副燃焼室１５との熱膨張の違いを吸収するための間隔が空いている。

なお、実施形態では第１保持体２９及び第２保持体３０に凹所（下向き凹所３３、上向き凹所３４）を形成したが、第１保持体２９のみに下向きの凹所を形成して第２保持体３０には凹所を形成しない構成や、第１保持体２９に凹所を形成せずに第２保持体３０のみに凹所を形成する構成も採用できる。

(2).第１実施形態のまとめ
以上の構成において、副燃焼室１５の内部には圧縮行程において混合気が吸い込まれる。そして、点火プラグ１６に通電されると、内部スパークギャップ２５と外部スパークギャップ２８とに火花が発生して、内部スパークギャップ２５に発生した火花が副燃焼室１５の内部に充満した霧化燃料に着火して、ジェット火炎が噴孔２２から噴出して、主燃焼室に充満した混合気が燃焼すると共に、主燃焼室に充満した霧化燃料は、外部スパークギャップ２８に発生した火花によっても燃焼する。

この場合、通電速度の関係で、内部スパークギャップ２５での火花の発生が外部スパークギャップ２８での火花の発生よりも僅かに早いため、副燃焼室１５の内部で燃焼すると、主燃焼室の燃料は、主として副燃焼室１５の噴孔２２から噴出した火炎ジェットによって燃焼すると云える。

点火プラグ１６の点火タイミングが進角制御されたり上死点での点火であったりする場合は、点火したときに副燃焼室１５の内部に霧化燃料が充満しているため、空燃比がリーン気味であっても、副燃焼室１５から火炎ジェットが噴出して主燃焼室での高速かつ均等な燃焼を実現できる。

他方、点火プラグ１６の点火タイミングが遅角制御されている状態では、副燃焼室１５から霧化燃料が吸い出されることがあるため、副燃焼室１５の内部での燃焼が不完全になることが有り得るが、この場合は、外部スパークギャップ２８で発生した火花によって主燃焼室の燃料を燃焼させることができる。従って、遅角制御状態でも失火は生じない。

そして、中間電極２４は副燃焼室１５に対して電気的に絶縁されている必要があるため、第１保持体２９は絶縁体であるセラミック製になっており、このため、第１保持体２９と副燃焼室１５との間の熱膨張が大きくなるが、本実施形態では、第１保持体２９と第２保持体３０との間に、副燃焼室１５よりも熱膨張率が低いコバール製の第２保持体３０が介在しているため、副燃焼室１５の膨張や収縮が第１保持体２９に作用することを著しく抑制できる。従って、熱膨張率の違いに起因して第１保持体２９が破損することを防止して、高い信頼性を確保できる。

実施形態のように、第２保持体３０にろう溜まりとなる環状の上向き凹所３４を形成すると、第１保持体２９と第２保持体３０との接合作業に際してろうの漏洩を防止して、両者の接合を確実に行える。第２保持体３０の内外両側に空間３５，３６を形成すると、第１保持体２９と第２保持体３０との自由な熱膨張・収縮を許容して第１保持体２９の破損防止に更に貢献できるが、第２保持体３０に上向き凹所３４を形成すると、ろうが内側空間３５に流れ込むことを防止できるため、内側空間３５を完全な空間の状態に維持して、第１保持体２９の破損防止を確実化できる利点がある。

また、実施形態のように、第１保持体２９の下面に下向き凹所３３を形成してこれに第１保持体２９を入り込ませると、副燃焼室１５をコンパクト化できる利点がある。更に、第２保持体３０を逆凸型に形成したこれを副燃焼室１５の内向きフランジ２１に上から嵌め込むと、中間電極２４と第１保持体２９と第２保持体３０とからなるユニットを内部電極２３及び外部電極２６と同心の状態に正確に位置決めできて好適である。

(3).第２実施形態
次に、図３に示す第２実施形態を説明する。この実施形態では、中間電極２４の上寄り部位に外向きフランジ３９が形成されている一方、第１保持体２９は２つ割りされた２つのパーツ４０からなっており、２つのパーツ４０の内周面に、中間電極２４の外向きフランジ３９と嵌合する内向き環状溝４１が形成されている。従って、第１保持体２９と中間電極２４とは、ろう付けすることなく上下方向に相対動不能に保持されている。

また、２つのパーツ４０からなる第１保持体２９の外周面に外向き環状溝４２が形成されている一方、第２保持体３０も２つ割りされた２つのパーツ４３で構成されており、２つのパーツ４３が第１保持体２９の外向き環状溝４２に外側から嵌まり込んでいる。但し、第２保持体３０の内周面と外向き環状溝４２との間には、熱変形を逃がすための環状空間４４が空いている。

第２保持体３０の上面には、ろう溜まりとなる環状の凹所４５が形成されており、凹所４５の箇所において第１保持体２９（４０）と第２保持体３０（４３）とがろう付けで接合されている。

第２保持体３０は，副燃焼室１５の内向きフランジ２１に形成された段部４６に上からずれ不能に嵌合しており、第２保持体３０と上部外周縁が副燃焼室１５の内向きフランジ２１にレーザー溶接等によって溶接されている。

第１保持体２９の下端面は副燃焼室１５の下端面と略同一面を成すように揃えられており、第１保持体２９のうち外向き環状溝４２の下方の部位と副燃焼室１５の内向きフランジ２１との間には、熱変形を吸収するための空間４７が空いている。この実施形態も第１実施形態と同様の機能を発揮する。この実施形態では、副燃焼室１５はドーム状に近い形態になっており、第１保持体２９に比べて小径化されている。第２保持体３０は、副燃焼室１５の段部４６に圧入（強制嵌合）することも可能である。

また、第２保持体３０の内周面と第１保持体２９（４０）の外向き環状溝４２との間に弾性変形する緩衝材を介挿して、第２保持体３０を構成する２つのパーツ４０を溶接やろう付けで接合することも可能である。この場合は、第１保持体２９と第２保持体３０とのろう付け（接合）は不要である。

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、中間電極を所定状態に保持する保持部は様々な構造を採用できる。第２実施形態では第１保持体を２つのパーツで構成したが、粉末や流体の材料を金型に入れて焼成することによって第１保持体を作るにおいて、中間電極を金型に保持しておくことにより（すなわち、インサート成型と同様の手法により）、中間電極２４が一体に抱持された第１保持体を作ることも可能である。

或いは、材料の不定形セラミック材料を型で固めて乾燥させて中間体を作ってからこれを焼成するにおいて、中間電極を抱持した状態の中間体を製造してこれを焼成することにより、中間電極が一体化された第１保持体を製造することも可能である。

本願発明は、副燃焼室を備えたエンジンに具体化できる。従って、産業上利用できる。

３ シリンダヘッド
５ 燃焼室用凹所
６ 吸気ポート
８ 吸気バルブ
１４ プラグホール
１５ 副燃焼室
１６ 点火プラグ
１９ 円筒部
２０ テーパ部
２１ 内向きフランジ
２２ 噴孔
２３ 内部電極（中心電極）
２４ 中間電極
２４ａ 上端部（請求項の内端部）
２４ｂ 下端部（請求項の外端部）
２５ 内部スパークギャップ
２６ 外部電極（接地電極）
２８ 外部スパークギャップ
２９ 保持部を構成する第１保持体
３０ 保持部を構成する第２保持体
３０ａ リング状部
３０ｂ 筒部
３１，３２ ろう付け部
３３ 下向き凹所
３４ 上向き凹所（請求項の凹所）

Claims (3)

1. シリンダヘッドに設けられた主燃焼室と、少なくとも一部を前記主燃焼室に露出させた副燃焼室と、前記副燃焼室の内部に露出した内端部と前記主燃焼室に露出した外端部を備えた中間電極と、前記副燃焼室の内部に配置されて前記中間電極の内端部との間に内部スパークギャップを形成している内部電極と、前記主燃焼室の側に配置されて前記中間電極の外端部との間に外部スパークギャップを形成している外部電極と、前記中間電極を前記副燃焼室に取り付ける保持部と、を有しており、
   前記保持部は、前記中間電極に固定された絶縁体製の第１保持体と、前記第１保持体と前記副燃焼室との両方に接合された第２保持体とを有して、前記第２保持体は前記副燃焼室よりも熱膨張率が低い素材から成っている、
   副燃焼室付きエンジン。
2. 前記第１保持体と第２保持体とはろう付けによって接合されており、前記第１保持体と第２保持体との接合面にろう溜まりとなる凹所が形成されている、
   請求項１に記載した副燃焼室付きエンジン。
3. 前記副燃焼室の下端に内向きフランジが形成されて、前記第２保持体には、前記副燃焼室の内向きフランジに上から重なるリング状部と内周に入り込む筒部とを有して逆凸形に形成されており、
   かつ、前記第１保持体の下面には、前記第２保持体が下方から入り込む下向き凹所が形成されて、前記第２保持体の上面に、ろう溜まりとなる前記凹所が環状に形成されている、
   請求項２に記載した副燃焼室付きエンジン。

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