JP6919558B2

JP6919558B2 - 内燃機関

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Publication number: JP6919558B2
Application number: JP2017251238A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　久雄; 久雄鈴木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-12-27
Filing date: 2017-12-27
Publication date: 2021-08-18
Anticipated expiration: 2037-12-27
Also published as: CN109973203A; US10961899B2; CN109973203B; US20190195120A1; JP2019116865A

Description

本発明は、点火プラグが露出した点火室において火炎を生成し、その火炎を点火室から主燃焼室へと噴出させる内燃機関に関する。

従来から知られる内燃機関の一つ（以下、「従来機関」とも称呼する。）は、点火プラグの点火点（火花発生部）を覆うプラグカバーによって、点火プラグにより発生する火花により混合気を燃焼させ始める点火室を燃焼室内に形成している。燃焼室の点火室以外の部分は便宜上「主燃焼室」とも称呼される。

従来機関は、吸気行程において燃料噴射弁から燃料が点火室に噴射され、噴射された燃料の一部が、吸気工程において空気とともにプラグカバーに形成された貫通孔を通って主燃焼室に排出される。その結果、混合気が点火室及び主燃焼室に供給され、圧縮行程においてその混合気が圧縮される。圧縮行程の際に、主燃焼室内の混合気の一部が貫通孔を通って再度点火室内に流入する。その後、圧縮上死点近傍において点火プラグから発生させられる点火用火花によって点火室内の混合気が点火され、混合気の燃焼が開始することで火炎が発生する。この火炎が点火室から貫通孔を通って主燃焼室に噴出する。この噴出された火炎により主燃焼室内に大きな気流の乱れが生成され、主燃焼室内に残存する混合気が、噴出した火炎により一気に点火されて短時間で燃焼する。

点火室を有する内燃機関の従来技術として、点火室において燃焼を開始した混合気を点火室から主燃焼室へとプラグカバーに放射状に形成された複数の貫通孔を通して噴出させる従来機関が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２００９−１９７７０４号公報

しかしながら、従来機関においては、複数の貫通孔が放射状に設けられているため、各貫通孔を通り点火室に流入するガスに対向成分が生じ、点火室内での気流の流速が減衰してしまう事が考えられる。その結果、点火室内での着火性が低下する虞がある。

本発明は係る問題に対処するためになされたものである。即ち、本発明の目的の一つは、点火室内の気流の流速の減衰を抑制し、点火室内での着火性の低下を抑制できる内燃機関を提供することにある。

本発明の内燃機関（以下、「本発明機関」とも称呼する。）は、
シリンダボア壁（２１）とピストン冠面部（３１）とシリンダヘッド壁（４１）とにより囲まれる燃焼室（ＣＣ）と、
前記シリンダヘッド壁に配置され、火花発生部（８１）を有する点火プラグ（８０）と、
前記燃焼室を、前記ピストン冠面部が露出する主燃焼室（ＣＭ）と、前記火花発生部が露出する点火室（ＣＩ）と、に区画するとともに、前記主燃焼室と前記点火室とを連通させる複数の貫通孔（９１〜９６）が形成された区画壁部（９０）と、
を備えた内燃機関である。

前記複数の貫通孔の軸線（９１Ｙ〜９６Ｙ）は点火室側開口部（９１ａ〜９６ｂ）から所定領域（９０ｘ）において点火室側開口部に向かう方向が全て略同一となるように形成されている。

従って、本発明機関によれば、主燃焼室から各貫通孔を通り点火室に流入する混合気の気流の流速の減衰を抑制できるため、点火室内での着火性が向上する。

本発明機関の一態様において、
前記複数の貫通孔の軸線は、前記所定領域において前記火花発生部方向を向くように形成されている。

従って、上記の一態様によれば、点火プラグ周りの混合気の流速が早まり、点火室内での着火性の低下を抑制できる。

本発明機関の他の態様において、
前記複数の貫通孔は、途中で屈曲するように形成されている。

従って、上記の他の態様によれば、主燃焼室内の多方向に火炎を噴射可能である。

本発明機関の他の態様において、
前記点火室側開口部は同心円状に位置し、
前記複数の貫通孔は、前記点火室の中心軸線から離れる方向に略同一の角度で屈曲するように形成されている。

従って、上記の他の態様によれば、主燃焼室内に放射状に火炎を噴射可能である。

本発明機関の他の態様において、
前記複数の貫通孔の長さは略同一であるように形成されている。

従って、上記の他の態様によれば、各貫通孔から噴射される火炎の偏りを抑制できる。

上記説明においては、本発明の理解を助けるために、後述する実施形態に対応する発明の構成に対し、その実施形態で用いた名称及び／又は符号を括弧書きで添えている。しかしながら、本発明の各構成要素は、前記名称及び／又は前記符号によって規定される実施形態に限定されるものではない。本発明の他の目的、他の特徴及び付随する利点は、以下の図面を参照しつつ記述される本発明の実施形態についての説明から容易に理解されるであろう。

図１は、本発明の第１実施形態に係る内燃機関の燃焼室近傍部位の縦断面図である。図２は、本発明の第１実施形態における点火室の縦断面図である。図３は、本発明の第１実施形態に係る内燃機関のＡＡ縦断面図である。図４は、本発明の第２実施形態における点火室の縦断面図である。図５は、本発明の第２実施形態に係る内燃機関のＢＢ縦断面図である。図６は、本発明の変形例における点火室及び区画壁部の断面図である。

以下、本発明の各実施形態に係る内燃機関（以下、「機関」と称呼する。）について図面を参照しながら説明する。これらの機関は、多気筒・ピストン往復動型・４サイクル・ガソリン燃料・火花点火式の内燃機関である。

＜第１実施形態＞
（構成）
図１に示したように、本発明の第１実施形態に係る機関１０は、シリンダブロック２０、ピストン３０、シリンダヘッド４０、吸気ポート４２、排気ポート４３、吸気弁５０、排気弁６０、燃料噴射弁７０、点火プラグ８０及び区画壁部９０を備えている。なお、図１は特定の気筒の縦断面図であり、他の気筒も図１に示した構造と同様の構造を有している。

シリンダブロック２０は、シリンダボアを備えている。シリンダボアは円筒形のシリンダボア壁２１を形成している。なお、シリンダボアにはシリンダライナーが組み付けられる場合がある。その場合、シリンダライナーもシリンダボア壁の一部を構成する。

ピストン３０は、略円柱形状を有していて、シリンダボア内に収容されており、ピストン３０の上面は、ピストン冠面部３１を形成している。更に、ピストン冠面部３１の側部には３つのピストンリング３２、３３及び３４が組み付けられている。ピストンリング３２、３３及び３４は、ピストン３０がシリンダボア内を往復動するとき、シリンダボア壁２１に対して摺動する。

シリンダヘッド４０は、シリンダブロック２０の上端に設置される。シリンダヘッド４０は、シリンダボアの上部開口部を閉塞する壁（以下、「シリンダヘッド壁４１」と称呼する。）を備える。シリンダヘッド壁４１は、ピストン冠面部３１及びシリンダボア壁２１とともに燃焼室ＣＣを画成している。更に、シリンダヘッド４０には吸気ポート４２と排気ポート４３とが形成されており、それぞれ後述する主燃焼室ＣＭに連通している。

吸気弁５０は、図示しない吸気カムシャフトに配設された吸気カムにより駆動されることで開閉するようになっている。同様に、排気弁６０は、図示しない排気カムシャフトに配設された排気カムにより駆動されることで開閉するようになっている。

図２は、本実施形態における区画壁部９０周辺の拡大図である。燃料噴射弁７０は、シリンダヘッド４０に配設されている。燃料噴射弁７０は、その略先端に燃料が噴射される噴孔７１を備えている。燃料噴射弁７０は、噴孔７１が後述する点火室ＣＩに露出するように配設されている。燃料噴射弁７０は、図示しない電気制御装置（ＥＣＵ）からの指示に基づいて燃料を噴射する。

点火プラグ８０は、シリンダヘッド４０に配設されている。点火プラグ８０は、その略先端に火花を発生させる火花発生部（中心電極及び接地電極）８１を備えている。点火プラグ８０は、火花発生部８１が後述する点火室ＣＩに露出するように配設されている。点火プラグ８０は、電気制御装置からの指示に基づいて点火用火花を発生する。

区画壁部９０は、点火プラグ８０の火花発生部８１と燃料噴射弁７０の噴孔７１を覆うように且つ燃焼室ＣＣの上壁部（即ち、シリンダヘッド壁４１）から燃焼室ＣＣに突出するように、シリンダヘッド壁４１に設けられている。換言すると、区画壁部９０は、燃焼室ＣＣを、シリンダボア壁２１及びピストン冠面部３１が露出する主燃焼室ＣＭと、火花発生部８１が露出する点火室ＣＩとに区画している。

図３は、区画壁部９０のＡＡ縦断面図である。区画壁部９０は、６つ（複数）の貫通孔（第１貫通孔９１乃至第６貫通孔９６）を備えており、それぞれ点火室ＣＩと主燃焼室ＣＭとを連通している。これらの第１貫通孔９１乃至第６貫通孔９６の形状は円筒形状である。更に、第１貫通孔９１乃至第６貫通孔９６の長さは全て略同一である。

第１貫通孔９１乃至第６貫通孔９６の中心軸線（９１Ｙ〜９６Ｙ）は、各貫通孔の所定領域９０ｘにおいてシリンダボアの中心軸線Ｙと平行に配設されている。本実施形態においては、第１貫通孔９１の点火室ＣＩ側の端部である第１開口部９１ａから第１開口部９１ａと対向する第１火炎噴出口９１ｂまでが所定領域９０ｘであり、第２貫通孔９２乃至第６貫通孔９６も同様である。さらに各貫通孔の中心軸線（９１Ｙ〜９６Ｙ）は火花発生部８１方向を向くように配設されている。また、第１開口部９１ａ乃至第６開口部９６ａはそれぞれが同心円状になるように配置される。

（作動）
機関１０においては、吸気行程において燃料噴射弁７０から燃料が点火室ＣＩに噴射される。噴射された燃料の一部は、ピストン３０が下降する事による負圧によって、点火室ＣＩ内のガスとともに第１貫通孔９１乃至第６貫通孔９６を通って主燃焼室ＣＭ内に排出される。その結果、混合気（ガソリン混合気）が点火室ＣＩ及び主燃焼室ＣＭ内に供給され、圧縮行程においてその混合気が圧縮される。圧縮行程の際に、主燃焼室ＣＭ内の混合気の一部が第１貫通孔９１乃至第６貫通孔９６を通って再度点火室ＣＩ内に流入する。その後、圧縮上死点近傍において火花発生部８１から点火用火花が発生させられる。この点火用火花によって点火室ＣＩ内の混合気が点火され混合気の燃焼が開始する。即ち、火炎が発生する。この混合気の燃焼により点火室ＣＩ内の圧力が高圧となるので、火炎（燃焼中の混合気、即ち、高温のガス）が点火室ＣＩから第１貫通孔９１乃至第６貫通孔９６を通って主燃焼室ＣＭに噴出する。この噴出された火炎により主燃焼室ＣＭ内に大きな気流の乱れが生成される。そして、主燃焼室ＣＭ内に残存する混合気が、噴出した火炎により一気に点火されて短時間で燃焼する。

以上、説明したように、本実施形態における機関１０では、第１貫通孔９１乃至第６貫通孔９６の軸線は、それぞれの貫通孔の所定領域９０ｘにおいてシリンダボアの中心軸線Ｙと平行に配設されているため、圧縮工程において各貫通孔を通り点火室に流入する混合気が点火室内でお互いを減衰し合う事を抑制でき、点火室内での気流の流速が減衰することを抑制できる。更に、それぞれの貫通孔の軸線は火花発生部８１方向を向いているため、火花発生部８１周りの混合気の流速を高めることができる。したがって、点火室内での着火性が向上する。

＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態に係る機関は、図４及び図５に示したように、第１貫通孔９１乃至第６貫通孔９６の形状が異なる点のみにおいて、第１実施形態に係る機関１０と相違している。より具体的に述べると、第１実施形態においては各貫通孔が直線形状であったが、本実施形態における各貫通孔は、途中で屈曲している。以下、これらの相違点を中心に説明を加える。

（構成）
図４は、本実施形態における区画壁部９０周辺の拡大図である。図５は、区画壁部９０のＢＢ縦断面図である。第１実施形態と同様に区画壁部９０は、６つ（複数）の貫通孔（第１乃至第６貫通孔）９１乃至９６を備えており、それぞれ点火室ＣＩと主燃焼室ＣＭとを連通している。

第１貫通孔９１乃至第６貫通孔９６の軸線（中心軸線）は、それぞれの貫通孔の所定領域９０ｘにおいてシリンダボアの中心軸線Ｙと平行に配設されている。本実施形態においては、第１貫通孔９１の点火室ＣＩ側の端部である第１開口部９１ａから、後述する第一屈曲部９１ｃまでが所定領域９０ｘであり、他の貫通孔も同様である。さらに各貫通孔の所定領域９０ｘにおいて、それぞれの貫通孔の軸線は火花発生部８１方向を向くように配設されている。また、第１開口部９１ａ乃至第６開口部９６ａはそれぞれが同心円状になるように配置される。

第１貫通孔９１乃至第６貫通孔９６はそれぞれの途中に、第１屈曲部９１ｃ乃至第６屈曲部９６ｃを有する。各貫通孔は第１屈曲部９１ｃ乃至第６屈曲部９６ｃにおいて点火室ＣＩの中心軸線と対向する方向に略同一の角度だけ屈曲している。更に、貫通孔９１乃至９６の長さは略同一である。

（作動）
本実施形態における作動は第１実施形態における作動と基本的に同様であるが、火炎の噴出の仕方が異なる。圧縮上死点近傍において火花発生部８１から発生させられる点火用火花によって点火室ＣＩ内の混合気が点火され混合気の燃焼が開始し、火炎が発生する。この混合気の燃焼により点火室ＣＩ内の圧力が高圧となるので、火炎が点火室ＣＩから第１貫通孔９１乃至第６貫通孔９６を通って主燃焼室ＣＭに放射状に噴出する。この噴出された火炎により主燃焼室ＣＭ内に大きな気流の乱れが生成される。そして、主燃焼室ＣＭ内に残存する混合気が、噴出した火炎により一気に点火されて短時間で燃焼する。

以上、説明したように、本実施形態における機関１０では、第１貫通孔９１乃至第６貫通孔９６の軸線は、それぞれの貫通孔の所定領域９０ｘにおいてシリンダボアの中心軸線Ｙと平行に配設されているため、圧縮工程において各貫通孔を通り点火室に流入する混合気が点火室内でお互いを減衰し合う事を抑制でき、点火室内での気流の流速が減衰することを抑制できる。更に、それぞれの貫通孔の軸線は火花発生部８１方向を向いているため、火花発生部８１周りの混合気の流速を高めることができる。従って、点火室ＣＩ内での着火性が向上する。また、各貫通孔が略同一の角度で屈曲しているため、主燃焼室内に放射状に火炎を噴出させることができる。従って、主燃焼室ＣＭ内において、混合気を均一に燃焼させることができる。

＜その他変形例＞
以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。例えば、図６は変形例における点火室ＣＩ及び区画壁部９０の断面図である。上記第１実施形態、第２実施形態においては、区画壁部９０は、６つの貫通孔を備えていたが、これに限られるものではなく、図６のように４つの貫通孔を備えるようにしてもよい。また、第２実施形態においては、各貫通孔は屈曲部において点火室ＣＩの中心軸線と対向する方向に略同一の角度だけ屈曲するように構成されていたが、図６のように対向する方向から所定角度ずれた方向に略同一の角度だけ屈曲していてもよい。また、屈曲する角度は略同一でなくてもよく、お互いが異なる角度で屈曲していてもよい。

また、上記第１実施形態、第２実施形態においては、燃料噴射弁７０は点火室ＣＩ内に燃料噴射弁７０が配設されていたが、燃料噴射弁７０は吸気ポート４２内に配設されてもよい。燃料噴射弁７０が吸気ポート４２内にのみ配設されている場合、吸気工程にて燃料が噴射され、その後の圧縮行程の際に、主燃焼室ＣＭ内の混合気の一部が第１貫通孔９１乃至第６貫通孔９６を通って点火室ＣＩ内に流入する。その結果、混合気が点火室ＣＩ及び主燃焼室ＣＭ内に供給される。

１０内燃機関
２０シリンダブロック
２１シリンダボア壁
３０ピストン
３１ピストン冠面部
４０シリンダヘッド
４１シリンダヘッド壁
７０燃料噴射弁
７１噴孔
８０点火プラグ
８１火花発生部
９０区画壁部
９０ｘ所定領域
９１〜９６第１貫通孔〜第６貫通孔
９１ａ〜９６ａ第１開口部〜第６開口部
９１ｂ〜９６ｂ第１火炎噴出口〜第６火炎噴出口
９１ｃ〜９６ｃ第１屈曲部〜第６屈曲部
ＣＣ燃焼室
ＣＩ点火室
ＣＭ主燃焼室

Claims

シリンダボア壁とピストン冠面部とシリンダヘッド壁とにより囲まれる燃焼室と、
前記シリンダヘッド壁に配置され、火花発生部を有する点火プラグと、
前記燃焼室を、前記ピストン冠面部が露出する主燃焼室と、前記火花発生部が露出する点火室と、に区画するとともに、前記主燃焼室と前記点火室とを連通させる複数の貫通孔が形成された区画壁部と、
を備え、
前記複数の貫通孔は、圧縮行程において、前記主燃焼室内の空気と燃料との混合気が前記複数の貫通孔を通って前記点火室に流入するように形成され、
前記複数の貫通孔の軸線は、前記複数の貫通孔の点火室側開口部から所定領域において前記点火室側開口部に向かう方向が全て互いに略平行となるように形成された、
内燃機関。
請求項１に記載の内燃機関において、
前記複数の貫通孔の軸線は、前記所定領域において前記火花発生部方向を向くように形成された、
内燃機関。
請求項１または請求項２に記載の内燃機関において、
前記複数の貫通孔は、途中で屈曲するように形成された、
内燃機関。
請求項３に記載の内燃機関において、
前記点火室側開口部は同心円状に位置し、
前記複数の貫通孔は、前記点火室の中心軸線から離れる方向に略同一の角度で屈曲するように形成された、
内燃機関。
請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の内燃機関において、
前記複数の貫通孔の長さは略同一であるように形成された、
内燃機関。