JP4561522B2 - 副室式内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼室が主室および副室から成り、副室から主室へ向けて火炎ジェットを噴出して主室内の燃焼を行う副室式内燃機関に関する。

従来の副室式内燃機関として、特許文献１がある。特許文献１に記載の発明では、副室（副燃焼室）と主室（主燃焼室）とを連通する連通路を複数放射状に配置し、副室における燃焼によって生じたトーチ状の火炎ジェットを、各々の連通路の噴口から主室へ向けてシリンダ軸を中心とした放射状に噴出させている。これにより、主室内の火炎伝播距離の短縮によって安定した希薄燃焼を行っている。
特開２００２−８１３２１号広報

しかしながら、特許文献１においては、各々の連通路の噴口について、シリンダ軸方向を基準とした火炎ジェット噴出角度（噴口指向角度）について、明確な記載はない。このため、燃焼室形状によっては、火炎伝播距離の短縮が十分にできないという問題点があった。
本発明は、以上のような従来の問題点に鑑みてなされたものであり、燃焼室形状に応じた火炎ジェット噴出方向（噴口指向方向）の最適化によって火炎伝播距離を短縮し、安定した希薄燃焼によって熱効率を向上させた副室式内燃機関の構造を提供することを目的とする。

このため本発明は、主燃焼室の上部からピストンに向かって燃料を噴射する燃料噴射弁と、圧縮上死点直前で上記燃料噴射弁から噴射された燃料を受け止めるようにピストン冠面の略中心に設けられたボウルと、主燃焼室より容積が小さくシリンダヘッド側の中心部に配置される副室と、副室と主燃焼室との境界にあってガス交換が可能な噴口と、副室内の混合気に点火する点火栓と、を備え、副室内での着火により前記噴口から主燃焼室内にトーチ状の火炎を噴出させて主燃焼室内の混合気を燃焼させるとともに、低負荷側では成層燃焼を行いかつ高負荷側では均質燃焼を行う副室式内燃機関において、
前記噴口として、シリンダ軸に対し異なる角度で開口する第１の噴口と第２の噴口とをそれぞれ１つ以上備え、
前記第１の噴口は、その中心軸線が、ピストンの圧縮上死点近傍において、ピストン冠面に衝突せずにシリンダボア内壁面を指向するように設けられ、前記第２の噴口は、その中心軸線が、ピストンの圧縮上死点近傍において、ピストン冠面の前記ボウルの底面外周部を指向するように設けられることを特徴とする。

以上の構成によって、燃焼室形状に応じて、前記第１の噴口および前記第２の噴口それぞれの指向方向を最適化すると、火炎伝播距離をより短縮できる。これにより、希薄燃焼はより安定し、熱効率をさらに向上させることができる。

以下に、本発明における第１実施形態について説明する。
なお、「上」および「下」とは、シリンダ軸方向について、シリンダヘッド側を「上」、ピストン側を「下」とした方向を意味する。
まず、燃焼室２２は、主室２（主燃焼室）、および主室２の中心部上方に設けられた副室４から成る。
主室２は、図１に示すように、シリンダヘッド２４と、シリンダブロック２６と、ピストン１０とによって形成され、その上方または下方から見た断面は大略円形であり、吸気ポート２８、排気ポート３０とそれぞれ連通している。
副室４は、主室２より容積は小さく、シリンダヘッド２４側の略中心部において大略上下方向に延びた円筒状であり、大略半球の球面上に主室２へ向けて突出した副室境界壁６によって主室２と仕切られている。
噴口６ａ，６ｂは、円形もしくは楕円形の断面形状をした孔で、副室境界壁６を貫通し、主室２と副室４との間のガス交換を可能としている。
吸気弁３２および排気弁３４は、カム３６，３８の駆動によって、吸気ポート２８、排気ポート３０を開閉する。
燃料噴射弁４０は、燃焼室２２上部において副室４と近接して配設され、筒内（主室２内）へ直接燃料を噴射する。
ボウル１０ｂは、ピストン１０の冠面１０ａの中心付近に対して略円形状かつ凹状に形成され、燃料噴射弁４０から大略下方に向けてピストン１０の圧縮上死点の直前に噴射された燃料を受け止め、混合気を成層化する。
点火栓１２は、副室４の上部に配置され、副室４内の混合気に火花点火を行う。
上記構成の圧縮行程では、主室２から副室４へ向けて、噴口６ａ，６ｂを通じて混合気が流入する。一方、燃焼膨張行程では、副室４内の燃焼に伴い、副室４から主室２へ向けて、噴口６ａ，６ｂを通じて、それぞれトーチ状の火炎ジェット８ａ，８ｂ（図２参照）が、噴口６ａ，６ｂそれぞれの指向方向（噴口６ａ，６ｂそれぞれの中心軸線が主室２へ向けて延びた方向、という意味）へ噴出し、主室２内の混合気を燃焼させる。
次に、噴口６ａ，６ｂおよび火炎ジェット８ａ，８ｂについて、詳細に説明する。なお、「噴口群」と記した場合は、複数の噴口の集合体を指し、「火炎ジェット群」と記した場合は、複数の火炎ジェットの集合体を指す。
噴口６ａ，６ｂそれぞれの指向方向は、シリンダ軸４２に対して互いに異なる角度であり、噴口６ａは、燃焼室周壁１８（シリンダボア）の方向を指向し、冠面１０ａと衝突せず、一方、噴口６ｂは、ボウル１０ｂの底面外周部１０ｃ付近を指向している（図２参照）。このため、火炎ジェット８ａは燃焼室周壁１８へ向けて、火炎ジェット８ｂは底面外周部１０ｃへ向けて、噴出する。
噴口６ａ，６ｂそれぞれの配置は、図３のＴｙｐｅ１に示すように、噴口群６ａは円１４の円周上であり、噴口群６ｂは円１６の円周上であり、各円周上に６個ずつ略等間隔の配置となっている。円１４および円１６は、それぞれ副室中心軸（副室４の円筒中心軸）を中心に形成されているが、円１４は円１６より大径であり、燃焼室外方に噴口群６ａが、燃焼室内方に噴口群６ｂが配置されている(図３のＴｙｐｅ１参照)。
仮に、噴口群６ａ，６ｂを同一円周上に形成した場合、噴口間距離が小さくなり、以下のような懸念が生ずる。まず、副室境界壁６は低強度となり、副室４内の燃焼によって副室４内が圧力上昇すると副室境界壁６は損壊し、あるいは、副室境界壁６の熱移動経路が狭まり、放熱を妨げる。しかし、上記懸念は、円１４，１６による構成によって解消される。なお、円１４，１６の半径値の差や、円１４，１６の円周上の噴口間隔は、隣り合う噴口が過度に接近しないように設定するとよい。
噴口６ａ，６ｂは、それぞれ、前記副室中心軸回り（おおよそシリンダ軸回り）にわたって交互の順列で同数（６個ずつ）配置されている（図３参照）。つまり、前記副室中心軸の指向方向（おおよそシリンダ軸４２の指向方向）から見て、前記副室中心軸回りを一周する間に、副室境界壁中心６ｃ（副室境界壁６と前記副室中心軸との交点）から噴口６ａへ向けて延びる直線と、副室境界壁中心６ｃから噴口６ｂへ向けて延びる直線とが、交互に出現する。
前記副室中心軸の指向方向から見た場合、副室境界壁中心６ｃから各噴口へ向けて延びる直線上には、他の噴口（噴口６ａか噴口６ｂは問わない）を配置しないのがよい。同時に、噴口６ａの指向方向は、副室境界壁中心６ｃから当該噴口６ａへ向かう方向と一致し、噴口６ｂの指向方向は、副室境界壁中心６ｃから当該噴口６ｂへ向かう方向と一致させるとよい。これにより、シリンダ軸方向に見て（燃焼室上方または下方から見て）、火炎ジェット群８ａ，８ｂは、主室２内で互いに重ならないように分散して噴出する。したがって、火炎ジェット群８ｂが、主室２内における火炎ジェット群８ａから比較的遠い領域の火炎伝播を補充し、シリンダ軸４２回りにわたって、大略一様に満遍なく火炎伝播距離を短縮できる。
また、スキッシュエリアを備えるペントルーフ型燃焼室などでは、シリンダ軸方向に見たときに、噴口６ａの指向方向（火炎ジェット群８ａの噴出方向）は、燃焼室円周方向について、吸気−排気方向（吸気ポート２８から排気ポート３０へ吸気または排気が進行する方向）に対して所定角度だけ傾斜させるとよい（図４参照）。ここで、前記「所定角度」とは、火炎ジェット群８ａが前記スキッシュエリアを避けて噴出できる角度である。前記スキッシュエリアは、燃焼室２２上部のうち吸気ポートおよび排気ポートそれぞれに寄った領域であり、燃焼室２２内の他の領域と比べて上下高さが相対的に小さくなっている。このため、前記スキッシュエリアへ向けて噴出した火炎ジェット８ａは、その進行が堰き止められる懸念がある。そこで、上記構成によって、火炎ジェット群８ａが前記スキッシュエリアを避けて噴出するようにし、火炎ジェット群８ａの有効到達距離を増大させ、火炎伝播距離をより確実に短縮させるとよい。
噴口群６ａから燃焼室周壁１８までの距離が、噴口群６ｂから冠面１０ａまでの距離と比べて大きい場合、噴口径が小さいほど火炎ジェットの噴出長さが大きいと考えられるため、噴口群６ａを噴口群６ｂと比べて小径にし、火炎ジェットの長さを調整するとよい。過小な噴出長さの火炎ジェットでは、その未到達領域に未燃焼燃料が残存する懸念があり、一方、過剰な噴出長さの火炎ジェットでは、これが燃焼室内壁に衝突し、冷却損失が増大する懸念があるが、上記構成における調整により、上記懸念を解消できる。
そのほか、本実施形態の燃焼形態は、所定の機関負荷以下では図５（Ａ）に示すような成層燃焼とし、所定の機関負荷以上では図５（Ｂ）に示すような均質燃焼へ切り替えるとよい。成層燃焼では、ボウル１０ｂ内およびその上空に混合気が形成され、該混合気へ火炎ジェット群８ｂを噴出し、希薄空燃比下でも急速かつ安定した燃焼が可能である。ここで、火炎ジェット群８ａの同時噴出によって燃焼室周壁方向へ燃料の一部が輸送されるが、この燃料は微量なうえ、火炎ジェット群８ａによって燃焼可能なため、実質的に火炎ジェット群８ａによる弊害はない。
従来の副室式内燃機関では、火炎ジェットにより大幅な希薄限界拡大をし、かつ、高負荷運転条件においても燃焼速度増大によってノッキング開始以前に燃焼を完結することでトルク向上を図っている。
また、特許文献１では、噴口（連通路）を、副室から主室へ向けてその断面積が増加するように形成し、火炎ジェットを主室内で扇状に広がるように噴出させ、主室内における火炎ジェットの局所的な偏在を防止し、火炎伝播距離を短縮させている。
しかし、それでもなお、燃焼室周壁およびピストン冠面の構造上、シリンダ軸に対する噴口指向角度の大きさによって、噴口から燃焼室内壁までの噴口指向方向距離が異なり、噴口指向角度が１つに特定されると、必ずしも火炎伝播距離を十分に短縮できない。
さらに、低い機関負荷の希薄燃焼では、成層混合気の形成が望ましく、ペントルーフ型の燃焼室とするほか、ピストン冠面にボウルを形成すると、燃焼室は単純な形状ではなくなる。したがって、ボウル上空の火炎伝播距離の短縮のため、ボウルに対する火炎ジェット指向およびその方向の最適化が望まれる。
そこで、ピストン冠面にボウルを形成する場合、ボウルを適切に指向した噴口を設け、ボウル上空の成層混合気に対する有効な火炎伝播を可能とし、これを確実に燃焼させるとよい。これにより、燃焼室円周方向のみならず、シリンダ軸に対する指向角度（火炎ジェット噴出角度）について、燃焼室中央付近も含めた燃焼室全体に渡って火炎伝播距離の短縮が可能となる。また、複雑な燃焼室構造に対しては、最適な指向方向を割り出して、噴口を設ければよい。
以下、本発明における第２実施形態について説明する。
本実施形態と第１実施形態との相違点は、噴口群６ａの噴口数（６個）を、噴口群６ｂの噴口数（４個）と比べて多くしたことである（図６，７参照）。これは、主室２はボウル１０ｂよりも大径であり、燃焼室全体で火炎伝播距離を短縮するためには、火炎ジェット群８ａは火炎ジェット群８ｂと比べてより広い領域へ火炎伝播を行う必要があるためである。特に、圧縮行程で主室２から副室４へ入る燃料量（火炎ジェットの総運動量）のほか火炎ジェット８ａ，８ｂの噴出長さが、噴口６ａ，６ｂの断面積に依存する場合、噴口６ａ，６ｂの断面積を変更したくなければ、噴口数の調整を行ってもよい。また、噴口数（すべての噴口の断面積の合計）に制限がある場合、噴口６ｂが噴口６ａと比べて大径（大きな断面積）であれば、噴口６ａの数よりも噴口６ｂの数を少なくすると効果的である。
以下、本発明における第３実施形態について説明する。
本実施形態と第１実施形態との相違点は、噴口群６ａ，６ｂの配置を相互に交換したことで、噴口群６ｂが燃焼室外方の円１４の円周上に配置され、噴口群６ａが燃焼室内方の円１６の円周上に配置されたことである（図３のＴｙｐｅ２参照）。
鋳造によってシリンダヘッド２４内に副室４を形成した後で、燃焼室２２上面と略平行な噴口６ａを加工する場合、シリンダヘッド２４と噴口６ａとが接近し、加工が困難となる懸念があるが、このような場合は本実施形態への変更が有効である。
あるいは、第１実施形態において、燃焼室２２上面と略平行な噴口６ａをより容易に加工したい場合、シリンダヘッド２４と副室４とを独立に製造し、噴口６ａ，６ｂの加工後、副室４をシリンダヘッド２４に対して螺合等により取り付けてもよい。

本発明は、上述の実施形態に限られず、以下のような構成でもよい。
まず、副室４内に直接的にガスまたは液体燃料を供給する燃料噴射弁または混合気供給用のバルブを設け、副室４内に微量の燃料を噴射し、副室４内と主室２内との混合気形成、混合気濃度を積極的に異ならせる（副室４内を主室２内と比べてリッチとする）構成でもよい。
また、燃料噴射弁４０の配置位置は、燃焼室上部に限られず、燃焼室側部としてもよい。あるいは、吸気ポート２８の経路途中に燃料噴射弁４０を配置し、負荷の大きさに関わらず均質燃焼としてもよい。
さらに、噴口６ａ，６ｂの数は、少なくともそれぞれ１個ずつでよく、複数の場合でも、上記実施例で開示した数には限られない。
また、円１４，１６の各円周上において噴口６ａ，６ｂが混在する形態も、本発明に含まれる。

さらに、噴口のシリンダ軸４２に対する指向角度の種類数は、噴口６ａ，６ｂの２種類に限られず、合計３種類以上あってもよい。これは、特に冠面１０ａの形状（ボウルの構造など）に応じて設定するとよい。

本発明における第１実施形態の正面図 図１における燃焼室形状および噴口指向方向の説明図 図１および本発明における第３実施形態の副室境界壁の構造説明図 図１における火炎ジェット噴出状態の模式図 図１における成層燃焼および均質燃焼の混合気分布の説明図 本発明における第２実施形態の副室境界壁の構造説明図 図６における火炎ジェット噴出状態の模式図

符号の説明

２ 主室（主燃焼室）
４ 副室
６ 副室境界壁（副室と主燃焼室との境界）
６ａ 噴口（第１の噴口）
６ｂ 噴口（第２の噴口）
１０ ピストン
１０ａ 冠面
１０ｂ ボウル
１０ｃ 底面外周部
１２ 点火栓
１４ 円
１６ 円
１８ 燃焼室周壁（シリンダボア）
２２ 燃焼室
２４ シリンダヘッド
４２ シリンダ軸

Claims (9)

1. 主燃焼室の上部からピストンに向かって燃料を噴射する燃料噴射弁と、圧縮上死点直前で上記燃料噴射弁から噴射された燃料を受け止めるようにピストン冠面の略中心に設けられたボウルと、主燃焼室より容積が小さくシリンダヘッド側の中心部に配置される副室と、副室と主燃焼室との境界にあってガス交換が可能な噴口と、副室内の混合気に点火する点火栓と、を備え、副室内での着火により前記噴口から主燃焼室内にトーチ状の火炎を噴出させて主燃焼室内の混合気を燃焼させるとともに、低負荷側では成層燃焼を行いかつ高負荷側では均質燃焼を行う副室式内燃機関において、
   前記噴口として、シリンダ軸に対し異なる角度で開口する第１の噴口と第２の噴口とをそれぞれ１つ以上備え、
   前記第１の噴口は、その中心軸線が、ピストンの圧縮上死点近傍において、ピストン冠面に衝突せずにシリンダボア内壁面を指向するように設けられ、前記第２の噴口は、その中心軸線が、ピストンの圧縮上死点近傍において、ピストン冠面の前記ボウルの底面外周部を指向するように設けられることを特徴とする副室式内燃機関。
2. 前記第１の噴口の径を、前記第２の噴口の径より小さくすることを特徴とする請求項１に記載の副室式内燃機関。
3. 前記第１の噴口と前記第２の噴口とは、中心位置が大略一致し互いに異なる半径の円周上に、それぞれ開口することを特徴とする請求項１または２に記載の副室式内燃機関。
4. 前記第１の噴口は、前記第２の噴口よりも、外側の円周上に開口することを特徴とする請求項３に記載の副室式内燃機関。
5. 前記第１の噴口は、前記第２の噴口よりも、内側の円周上に開口することを特徴とする請求項３に記載の副室式内燃機関。
6. 前記第１の噴口と前記第２の噴口とは、シリンダ軸回りに円周方向に交互の順列で、それぞれ開口することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の副室式内燃機関。
7. 前記第１の噴口の数を、前記第２の噴口の数より多くすることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の副室式内燃機関。
8. スキッシュエリアを備えるペントルーフ型燃焼室を有し、前記第１の噴口は、その中心軸線が、シリンダ軸方向に見たときに、吸気−排気方向を結ぶ直線に対し、所定の角度をもつように設けられていることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つに記載の副室式内燃機関。
9. シリンダ軸方向に見たときに、
   前記第１の噴口および前記第２の噴口は、副室境界壁中心から他の噴口へ向けて延びる直線から離れて配置され、
   前記第１の噴口の指向方向は、前記副室境界壁中心から該第１の噴口へ向かう方向と大略一致し、
   前記第２の噴口の指向方向は、前記副室境界壁中心から該第２の噴口へ向かう方向と大略一致することを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１つに記載の副室式内燃機関。