JP5564538B2 - エンジンの燃焼室構造 - Google Patents

Description

この発明は、エンジンの燃焼室構造に関する。

エンジンの燃焼室に関して従来から種々の構造が提案されている。たとえば特許文献１には副燃焼室を有する燃焼室構造が開示されている。

特開平６−４２４１１号公報

しかし、前述した従来構造では、副燃焼室での燃焼が主燃焼室の外部で燃焼する外燃機関となってしまう。そのため冷却による損失エネルギーが大きく、熱効率が低いという問題があった。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、高い熱効率を得ることができるエンジンの燃焼室構造を提供することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、燃焼室内に燃焼室と同径上に設けられる複数の点火部（２５）と、それら複数の点火部のうち隣り合う点火部のどちらかひとつに偏倚して配置され、着火された混合気の火炎が伝播してくる位置に形成された開口（１１ａ）と、その開口の反対端を閉塞する底(１１ｃ)と、を含む開口と筒径が同一の筒穴部(１１)を備え、この筒穴部(１１)は、偏倚した側の点火部からの火炎伝播による圧力波が底で跳ね返ることで開口から高速のガスが噴出することを特徴とする。

本発明によれば、着火された混合気の火炎が筒穴部の開口に伝播し通り過ぎると、開口から高速ガスが噴出し燃焼室内の未燃ガスの拡散を促進する。さらに燃焼室内に燃焼室と同径上に複数の点火部を設けるので、燃焼室内において未燃ガスが溜まりやすい外周領域の燃焼が促進される。また複数の点火部から火炎が伝播されるので筒穴部からの噴出ガスが発生しやすくなり、燃焼促進と未燃ガスの拡散との相乗効果が得られる。また、筒穴部は偏倚する側の点火部からの火炎伝播によって確実に高速のガスを噴射する。これらによって筒内での燃焼速度が速くなり燃焼期間が短縮され、熱効率が高くなる。

本発明によるエンジンの燃焼室構造の第１実施形態を示す図である。 環状点火プラグを示す斜視図である。 基礎的な燃焼室構造を示す図である。 図３に示した燃焼室構造による実験結果を示す図である。 筒穴部から非常に高速のガスが噴出する現象について説明する図である。 本発明によるエンジンの燃焼室構造の第１実施形態の作用効果を説明する図である。 本発明によるエンジンの燃焼室構造の第２実施形態を示す図である。

以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明によるエンジンの燃焼室構造の第１実施形態を示す図であり、図１（Ａ）は上方から燃焼室を透視した図、図１（Ｂ）は側方から燃焼室を透視した図である。

エンジンの燃焼室１０は、本実施形態ではいわゆるペントルーフタイプが例示されている。ペントルーフ稜線には天井点火プラグ３０が設けられる。ペントルーフ稜線を挟んで一方のルーフ(図１では右側のルーフ)には吸気バルブ３１が設けられる。ペントルーフ稜線を挟んで他方のルーフ(図１では左側のルーフ)には排気バルブ３２が設けられる。なおエンジンの当業者においては重力方向とは別に上死点／下死点という表現が使用される。水平対向エンジン等においては、必ずしも上死点が重力方向の上、下死点が重力方向の下になるとは限らないし、また仮にエンジンを倒立した場合には、上死点が重力方向の下、下死点が重力方向の上になる。本明細書においては、慣習にしたがい、上死点側を上、下死点側を下、とし、燃焼室の上方をルーフと表現する。

エンジンの燃焼室１０の外周には点火部２５が設けられる。この外周点火部２５は、本実施形態では、図２に示す環状点火プラグ２０に形成された放電ギャップである。なお図１では、点火部分のイメージにしたがって通常の点火プラグに模して点火部を図示するが、詳細は図２を参照して後述する。

点火部２５は、本実施形態では４つ設けられる。そしてひとつの点火部２５と、もうひとつの点火部２５と、の間に筒穴部１１が形成される。

筒穴部１１は、ひとつの点火部２５と、もうひとつの点火部２５と、の真ん中ではなく、一方の点火部２５に偏倚して形成される。筒穴部１１は、着火された混合気の火炎が伝播してくる位置に形成された開口１１ａと、その開口１１ａの反対端を閉塞する底１１ｃと、を含む。筒穴部１１の軸線Ａの方向は、燃焼室１０の半径方向である。このような配置になっているので、筒穴部１１の軸線Ａは、開口１１ａの中心１１ｂと点火部２５とを結んだ直線Ｂと交叉し、直線Ｂに一致しない。また筒穴部１１の直径ｄに対する深さＬの比Ｌ／ｄが６よりも大きくなるように、筒穴部１１の開口１１ａの穴径(直径)ｄ及び筒穴部１１の深さＬが設定される。たとえば筒穴部１１の開口１１ａの穴径(直径)ｄが１ｍｍであり、深さＬが１０ｍｍである。

図２は、環状点火プラグを示す斜視図である。

環状点火プラグ２０は、環状ボディ２１と、中心電極２２と、導電部２３と、アース２４と、を含む。

環状ボディ２１は、セラミックなどの絶縁性の材料で構成される。

中心電極２２は、たとえば白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）などのように耐熱性及び導電性のある材料で構成された細長い棒状電極である。中心電極２２の先端は、環状ボディ２１の内周面２１ａに位置する。図示を省略するが中心電極２２は、点火コイルに接続される。

導電部２３は、たとえば白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）などのように耐熱性及び導電性のある材料が環状ボディ２１の内周面２１ａに蒸着処理されて長方形に形成される。本実施形態では４つの導電部２３ａ〜２３ｄが設けられる。この４つの導電部２３ａ〜２３ｄが中心電極２２の先端を先頭として、環状ボディ２１の内周面２１ａに所定間隔を開けて一列に設けられる。中心電極２２の両側に位置する導電部２３ａ，２３ｄのうち一方の導電部２３ａは中心電極２２に近接して放電ギャップ２５ａを構成する。他方の導電部２３ｄは、一方の導電部２３ａよりも中心電極２２から十分に離間している。このため中心電極２２に電圧が印加されても、中心電極２２と導電部２３ｄとの間では放電しない。中心電極２２の先端２２ａと環状ボディ２１の上面２１ｂ及び下面２１ｃとの距離は、中心電極２２の先端２２ａと導電部２３ａとの距離に比べて十分大きい。互いに隣接する導電部２３の間には、３つの放電ギャップ２５ｂ〜２５ｄが形成される。３つの放電ギャップ２５ｂ〜２５ｄのギャップ量は全て等しい。またそのギャップ量と略等しくなるように放電ギャップ２５ａが形成される。

環状点火プラグ２０においては、放電ギャップ２５ａ〜２５ｄのギャップ量の和、すなわちギャップ量の総和によってエネルギー量が決定される。そして導電部２３の所定位置に筒穴部１１が形成される。

アース２４は、中心電極２２に印加された電圧をシリンダヘッドに逃がす。アース２４は、中心電極２２の両側に位置する導電部２３ａ，２３ｄのうち中心電極２２から離間した導電部２３ｄに連続するように形成される。アース２４は、導電部２３と同様にたとえば白金(Ｐｔ)、イリジウム(Ｉｒ)などのように耐熱性及び導電性のある材料を蒸着処理することによって環状ボディ２１の内周面２１ａから上面２１ｂにかけて形成される。環状ボディ２１の上面２１ｂに貼り付けられた部分がシリンダヘッドに接触することで、中心電極２２に印加された電圧をシリンダヘッドに逃がす。

このような構造の環状点火プラグ２０を使用すれば、点火コイルのエネルギーを受けて各放電ギャップ２５ａ〜２５ｄで飛火し、多点点火することができる。

次に本実施形態の作用効果を図３〜図５を参照して説明する。なお図３は本実施形態の作用効果を理解しやすくするための基礎的な燃焼室構造を示す図である。

図３に示した燃焼室１０では、外周にひとつの点火部２５を設けた。図３では、ボア径８０ｍｍの燃焼室１０の左端に、点火部２５を設けた。また燃焼室１０には、着火された混合気の火炎が伝播してくる位置の燃焼室内に開口し、反対端は閉塞する筒穴部１１を形成した。筒穴部１１の大きさは、穴径(直径)ｄが１ｍｍ、深さＬが１０ｍｍである。筒穴部１１の軸線Ａの方向は、燃焼室１０の半径方向である。このような配置になっているので、筒穴部１１の軸線Ａは、開口１１ａの中心１１ｂと点火部２５とを結んだ直線Ｂと交叉し、直線Ｂに一致しない。

図４は、図３に示した燃焼室構造による実験結果を示す図であり、火炎の伝播状態を時間ごとに示してある。なお時間の経過につれて図４(Ａ)→図４(Ｌ)と進む。

図４(Ａ)で燃焼室内の混合気が点火部２５によって着火されると、着火点から火炎が急激に進行する。そして図４(Ｆ)で火炎の進行波が筒穴部１１の開口１１ａに到達し、筒穴部１１の開口１１ａを過ぎると、図４(Ｇ)から分かるように筒穴部１１の開口１１ａからガスが噴出する。次の瞬間である図４(Ｈ)を見ると、点火部２５から始まる火炎の進行に比べて、筒穴部１１からのガスの噴出が非常に速いことが分かる。このガスによって燃焼室内の未燃ガスの拡散が促進され未燃ガスの火炎に対する接触面積が拡大する。そのため筒内での燃焼速度が速くなり熱効率を高くする作用効果が得られたのである。

図５は、筒穴部１１から非常に高速のガスが噴出する現象について説明する図である。

ガスの噴出現象の生じる理由について本件発明者らは以下のように考察した。混合気が燃焼室内に存在する状態で点火部２５が点火すると、図５(Ａ)に示すように火炎が進行する。なお火炎の進行波をＷ１〜Ｗ６で示す。そして火炎が筒穴部１１の開口１１ａに到達すると、開口近傍の混合気が燃焼する。混合気は燃焼すると熱膨張する。そして図５(Ｂ)に示すように熱膨張による圧力波が、筒穴部１１に存在する混合気(未燃ガス)を筒穴部１１の底１１ｃのほうへ押し込めるように作用する。すると筒穴部１１の底１１ｃにおいてガス圧力が非常に高圧になる。するとその圧力波の跳ね返りによって、筒穴部１１から非常に高速のガスが噴出することで、ガスの噴出現象が生じると考えられる。

なお詳細は省略するが、本件発明者らは、筒穴部１１の穴径ｄを変えても実験した。すると穴径ｄが１〜３ｍｍのときは高速ガスの噴出現象を確認できたが、穴径ｄが５ｍｍのときはガスの噴出現象が弱かった。これは穴径ｄが大きすぎたために、開口近傍で燃焼した混合気による圧力閉じ込め現象が生じにくかったためと考えられる。また穴径ｄが１ｍｍよりも小径であると火炎が筒穴部１１の内部に進行しにくく、この場合もガスの噴出現象が弱かった。したがってガスの噴出現象を得るには、適度な穴径にする必要があるということが本件発明者らによって知見された。

また本件発明者らは、筒穴部１１の深さＬを変えても実験した。すると筒穴部１１の直径ｄに対する深さＬの比Ｌ／ｄが６よりも大であるときは高速ガスの噴出現象を確認できた。これに対して比Ｌ／ｄが６よりも小さいとガスの噴出現象が弱かった。これは深さＬが小さいと筒穴部１１に閉じ込められる圧力が小さいためであると考えられる。したがってガスの噴出現象を得るには、適度な深さＬにする必要があるということが本件発明者らによって知見された。

さらに本件発明者らは、筒穴部１１の位置を変えても実験した。すると筒穴部１１の軸線Ａが、開口１１ａの中心１１ｂと点火部２５の着火部分２１とを結んだ直線Ｂに一致する位置、たとえば筒穴部１１が点火部２５に対向する位置では、ガスの噴出現象が弱まった。軸線Ａが直線Ｂに一致しては、点火部２５からの進行波と、筒穴部１１からの噴出ガスと、がエネルギーをお互いに相殺するためであると考えられる。したがって高速ガスの噴出現象を得るには、筒穴部１１を適切な位置にする必要があるということが本件発明者らによって知見された。

上記において燃焼室１０にひとつの外周点火部２５とひとつの筒穴部１１を設けた場合を例示して説明したが、複数設けても同様の現象が生じる。そこで本実施形態では図１に示したように、燃焼室１０の外周に４つの外周点火部２５を設けるとともに、４つの筒穴部１１を設けたのである。このようにすることで４つの筒穴部１１から高速ガスが噴出する。このガスによって燃焼室内の未燃ガスの拡散作用が促進され未燃ガスの火炎に対する接触面積が拡大する。そのため筒内での燃焼速度が速くなり熱効率を高くできたのである。

図６は、本実施形態における点火部２５と筒穴部１１との配置による作用効果を説明する図である。上述したように、点火部２５が点火すると火炎が進行する。なお火炎の進行波をＷ１〜Ｗ３で示す。そして火炎が筒穴部１１の開口１１ａに到達すると図５で説明した理由によって筒穴部１１から高速のガスが噴出する。

このとき筒穴部１１が、ひとつの点火部２５と別のもうひとつの点火部２５との真ん中に形成されるとすると、各点火部２５からの火炎の進行波Ｗ１は同時に筒穴部１１の開口１１ａに到達する。双方の火炎の進行波Ｗ１が同時に到達しては、筒穴部１１の開口１１ａにおける各火炎の熱膨張をお互いに相殺してしまい圧力波が弱まってしまうと考えられる。

本実施形態では図１にも示したように、筒穴部１１は、ひとつの点火部２５と、もうひとつの点火部２５と、の真ん中ではなく、一方の点火部２５に偏倚して形成される。これにより偏倚する側の点火部２５からの火炎伝播によって筒穴部１１から高速のガスが噴出する。さらに筒穴部１１の軸線Ａの方向は、燃焼室１０の半径方向であるので、筒穴部１１から噴出するガスは燃焼室１０の中心に向かって噴出する。また燃焼室１０においてピストン冠面の中心領域は、火炎伝播が遅く、未燃混合気が多く溜まる。筒穴部１１から噴出する高速のガスは、この未燃領域に向かって噴出することとなる。そのため筒内での燃焼期間を短縮でき熱効率を高くできたのである。

（第２実施形態）
図７は、本発明によるエンジンの燃焼室構造の第２実施形態を示す図である。

第１実施形態においては、筒穴部１１を燃焼室１０の側壁面に形成したが、他の場所に形成してもよい。たとえば、シリンダヘッドの天井点火プラグ３０の近傍、すなわち天井点火プラグ３０と、吸気バルブ３１や排気バルブ３２と、の間に形成してもよい。点火プラグ３０の近傍であれば火炎進行波が早めに筒穴部１１を通過するので早期に高速ガスが噴出する。これによって燃焼室内の拡散が早期に生じ燃焼が促進されて熱効率が高くなる。また吸気バルブ３１や排気バルブ３２の傘表面に形成してもよい。さらにピストン冠面に形成してもよい。いずれにせよ燃焼室の火炎が伝播してくる位置に形成すればよい。そして筒穴部１１の軸方向が火炎の伝播方向に一致しない向きに形成すればよい。このように構成することで、筒穴部１１から高速ガスが噴出することとなり、筒内での燃焼を促進することができ熱効率を高くできる。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。たとえば、筒穴部は上記例示した個数に限らず適宜設定すればよい。図３〜図５を参照して説明したように、ひとつであっても効果を十分得ることができる。また上記では環状点火プラグとして４つの点火部を持つタイプを例示したが、点火部点数は適宜変更すればよい。さらに上記では点火プラグとしてひとつの環状ボディに複数の点火部を有する環状点火プラグを例示したが、天井点火プラグのような通常の点火プラグを複数使用してもよい。点火機能を有するものであれば、いずれでもよい。さらにまた上記説明においては天井点火プラグを有するエンジンを例示して説明したが、ディーゼルエンジンであってもよい。

１０ 燃焼室
１１ 筒穴部
１１ａ 開口
１１ｂ 中心
１１ｃ 底
２０ 環状点火プラグ
２５ 点火部
２５ａ〜２５ｄ 放電ギャップ(点火部)
３０ 天井点火プラグ

Claims (7)

1. 燃焼室内に燃焼室と同径上に設けられる複数の点火部と、
   前記複数の点火部のうち隣り合う点火部のどちらかひとつに偏倚して配置され、
   着火された混合気の火炎が伝播してくる位置に形成された開口と、
   前記開口の反対端を閉塞する底と、
   を含む前記開口と筒径が同一の筒穴部と、
   を備え、
   前記筒穴部は、偏倚した側の前記点火部からの火炎伝播による圧力波が前記底で跳ね返ることで前記開口から高速のガスが噴出する、
   ことを特徴とするエンジンの燃焼室構造。
2. 前記点火部は、内径が前記燃焼室と同径であって燃焼室壁面に沿って環状に形成される絶縁性の環状ボディを含む環状点火プラグの点火部分であって、その環状ボディの内周面に臨んで設けられる、
   ことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの燃焼室構造。
3. 前記筒穴部の軸線は、前記点火部から伝播する火炎の進行方向と交叉する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジンの燃焼室構造。
4. 前記筒穴部の軸線は、開口中心と前記点火部の点火部とを結んだ直線と交叉する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジンの燃焼室構造。
5. 前記筒穴部の開口径は、１ｍｍ以上３ｍｍ以下である、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のエンジンの燃焼室構造。
6. 前記筒穴部は、その直径に対する深さの比が６よりも大である、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のエンジンの燃焼室構造。
7. 前記筒穴部は、前記開口から噴出するガスが前記燃焼室の中心に向かって噴出するように配置される、
   ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のエンジンの燃焼室構造。