JP7095570B2 - 副室付内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は副室付内燃機関に関する。

シリンダヘッドの内壁面とピストンの頂面間に主燃焼室が形成されており、シリンダヘッドに取付けられた点火栓の先端部と、シリンダヘッドの内壁面から主燃焼室内に突出する半球形状の薄肉副室壁との間に副室が形成されており、副室内と主燃焼室内とを連通する連通孔が半球形状の薄肉副室壁内に形成されており、副室内に点火栓が配置されており、点火栓により副室内の混合気を燃焼させたときに連通孔からジェット火炎が主燃焼室に噴出する副室付内燃機関が公知である（例えば特許文献１を参照）。

特開２０１６－３５８５４号公報

しかしながら、この副室付内燃機関におけるように、薄肉副室壁が半球形状に形成されていると、主燃焼室に面する薄肉副室壁の表面積が大きいために、薄肉副室壁の温度上昇に使用される主燃焼室内の燃焼熱および薄肉副室壁を通ってシリンダヘッドに逃げる主燃焼室内の燃焼熱が増大する。その結果、冷却損出が増大し、高い熱効率が得られないという問題がある。

上記問題を解決するために、本発明によれば、シリンダヘッドの内壁面とピストンの頂面間に主燃焼室が形成されており、シリンダヘッドに取付けられた点火栓の先端部と、シリンダヘッドの内壁面から主燃焼室内に突出する薄肉副室壁との間に副室が形成されており、副室内と主燃焼室内とを連通する連通孔が薄肉副室壁内に形成されており、点火栓の先端部が、中空円筒状の外筒と、外筒内において外筒の中心軸線に沿って延びる柱状の中心電極絶縁碍子と、外筒および中心電極絶縁碍子間に形成されかつ副室内に連通する環状のガスポケットを具備しており、点火栓により副室内の混合気を燃焼させたときに連通孔からジェット火炎が主燃焼室に噴出する副室付内燃機関において、薄肉副室壁が、シリンダヘッドの内壁面から主燃焼室内に向けて横断面積が次第に減少する円錐形、円錐台形、多角錐形、又は多角錐台形に形成されており、点火栓の接地側電極部をガスポケット内の最奥部に位置させて、点火時に中心電極絶縁碍子の先端部から突出する中心電極と接地側電極部間で放電が行われる副室付内燃機関が提供される。

薄肉副室壁の形状を円錐形、円錐台形、多角錐形、又は多角錐台形とすることにより主燃焼室に面する薄肉副室壁の表面積が小さくなり、従って、冷却損出を低減することができる。また、主燃焼室に面する薄肉副室壁の表面積を小さくすると、副室内のガス温が高くならないために、特に冷間運転時には点火栓による副室内の混合気の着火が不安定となるが、副室内でも温度の高いガスポケット内の混合気を着火させることによって安定した着火を確保することができる。

図１は副室付内燃機関の側面図である。 図２は副室周りの拡大側面断面図である。 図３Ａは図２に示される薄肉副室壁図の底面図であり、図３Ｂは、図２のＡ－Ａ断面に沿ってみた断面図である。 図４は、図２の副室周りを更に拡大した側面断面図である。 図４は、別の実施例を示す副室周りの拡大側面断面図である。 図６Ａは、更に別の実施例を示す副室周りの拡大側面断面図であり、図６Ｂは図６Ａに示される薄肉副室壁図の底面図である。 図７は、更に別の実施例を示す副室周りの拡大側面断面図である。 図８Ａ、図８Ｂおよび図８Ｃは、種々の実験結果を示す図である。

図１にガソリンを燃料とする副室付内燃機関の全体図を示す。図１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダブロック２上に取り付けられたシリンダヘッド、４はシリンダブロック２内で往復動するピストン、５はシリンダヘッド３の内壁面とピストン４の頂面間に形成された主燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は吸気ポート７内に配置された燃料噴射弁、９は排気弁、１０は排気ポートを夫々示す。

図１および図２に示されるように、シリンダヘッド３には、シリンダヘッド３の内壁面から主燃焼室５内に突出する薄肉副室壁１１により包囲された副室１２が形成されている。図１および図２に示される実施例では、この薄肉副室壁１１は、シリンダヘッド３の内壁面から主燃焼室５内に向けて横断面積が次第に減少する円錐形に形成されている。薄肉副室壁１１内には、副室１２内と主燃焼室５内とを連通する複数個の連通孔１３が形成されており、図１および図２に示される実施例では、図３Ｂに示されるように、これら連通孔１３は、副室１２内から主燃焼室５内に向けて放射状に延びている。

図２に示されるように、シリンダヘッド３内には、金属製中空スリーブ１４が螺着されており、この中空スリーブ１４内には点火栓１５の本体が取付けられている。図２および図４を参照すると、点火栓１５の先端部１５ａは、中空円筒状の金属製外筒１６と、外筒１６内において外筒１６の中心軸線に沿って延びる柱状の中心電極絶縁碍子１７とを具備しており、外筒１６が中空スリーブ１４内に螺着されている。この点火栓１５の先端部１５ａと薄肉副室壁１１との間に副室１２が形成される。外筒１６および中心電極絶縁碍子１７間には環状のガスポケット１８が形成され、このガスポケット１８は副室１２内に連通している。なお、この実施例では、薄肉副室壁１１の環状端面１１ｃは、中空スリーブ１４の先端面に、溶着により結合されている。

図２および図４に示されるように、中心電極絶縁碍子１７の先端部からは中心電極１９が突出しており、ガスポケット１８内には接地側電極部２０が設けられている。図２および図４に示される実施例では、この接地側電極部２０は、ガスポケット１８内において外筒１６の内周面上に形成された接地側電極からなる。副室１２内の混合気を点火する際には、図４においてＦで示されるように、中心電極絶縁碍子１７の先端部から突出する中心電極１９と接地側電極２０間で放電が行われる。

図１に示される副室付内燃機関では、吸気弁６が開弁すると、燃料噴射弁８から噴射された燃料が吸入空気と共に主燃焼室５内に供給され、それによって主燃焼室５内には混合気が形成される。次いで圧縮行程が開始されると、主燃焼室５内の混合気が連通孔１３から副室１２内に流入する。次いで圧縮行程末期になると、点火栓１５により副室１２内の混合気が着火され、それにより副室１２の各連通孔１３から主燃焼室５内に向けてジェット火炎が噴出する。主燃焼室５内の混合気は、これらのジェット火炎により急速に燃焼せしめられる。

さて、主燃焼室５内において燃焼が行われると、主燃焼室５内の燃焼熱の一部が、一方では薄肉副室壁１１の温度上昇に使用されると共に他方では薄肉副室壁１１を通ってシリンダヘッド３に逃げ、その結果、冷却損出が発生する。この場合、主燃焼室５に面する薄肉副室壁１１の表面積が大きいほど、薄肉副室壁１１の温度上昇に使用される燃焼熱および薄肉副室壁１１を通ってシリンダヘッド３に逃げる燃焼熱が増大し、その結果、冷却損出が増大する。しかしながら、図１から図４に示される実施例では、薄肉副室壁１１が、主燃焼室５に面する表面積の小さい円錐形に形成されている。従って、薄肉副室壁１１の温度上昇に使用される燃焼熱および薄肉副室壁１１を通ってシリンダヘッド３に逃げる燃焼熱が減少し、それにより、冷却損出が減少せしめられる。

一方、主燃焼室５に面する薄肉副室壁１１の表面積が小さくされると、上述したように薄肉副室壁１１の温度上昇に使用される燃焼熱が減少するために、薄肉副室壁１１の温度が低下する。薄肉副室壁１１の温度が低下すると、連通孔１３から副室１２内に流入する混合気の温度の上昇が抑制される。従って、特に、機関冷間時には、副室１２内の混合気の温度が十分に高くならず、その結果、点火栓１５による混合気の着火が不安定となる。ところが、機関冷間時であっても、点火栓１５のガスポケット１８内には高温のガスが残留しており、連通孔１３から副室１２内に流入した混合気の一部はガスポケット１８内に流入するために、ガスポケット１８内の混合気の温度は高くなっている。

従って、図４においてＦで示されるように、中心電極絶縁碍子１７の先端部から突出する中心電極１９と接地側電極２０間で放電が行われると、周囲の混合気の温度が十分に高いために、混合気は容易に着火される。その結果、機関冷間時であっても、安定した混合気の着火を確保することができる。

図８Ａ、図８Ｂおよび図８Ｃに実験結果を示す。図８Ａの縦軸は主燃焼室５内の圧力変化に基づき求められた冷却損出を示しており、横軸は、５０％燃焼が進んだときの上死点後クランク角（ＡＴＤＣ）を示している。なお、図８Ａにおいて、○印は、従来の半球形状の薄肉副室壁を用いた場合を示しており、●印は、図２および図４に示される本発明による薄肉副室壁を用いた場合を示している。図８Ａから、本発明による薄肉副室壁を用いた場合の方が、従来の薄肉副室壁を用いた場合に比べて、冷却損出が低下することがわかる。

図８Ｃの縦軸は１０％燃焼が進むまでのクランク角度、即ち、初期燃焼時間を示しており、横軸は、上死点前クランク角（ＢＴＤＣ）で表した点火時期を示している。一方、図８Ｂの縦軸は燃焼変動を示しており、横軸は、上死点前クランク角（ＢＴＤＣ）で表した点火時期を示している。なお、図８Ｂおよび図８Ｃにおいて、○印は、中心電極に対面して接地側電極が配置されている従来の点火栓を用いた場合を示しており、●印は、図２および図４に示される本発明による点火栓を用いた場合を示している。図８Ｂおよび図８Ｃから、本発明による点火栓を用いた場合の方が、従来の点火栓を用いた場合に比べて、初期燃焼時間が短くなり、燃焼変動が低下することがわかる。

図５は、本発明による別の実施例を示している。この実施例では、薄肉副室壁１１が円錐台形に形成されている。更に、この実施例では、外筒１６の内周面上に、図４に示されるような接地側電極２０が形成されていない。このように外筒１６の内周面上に、図４に示されるような接地側電極２０が形成されていなくても、中心電極１９と外筒１６間に点火電圧が印加されると、図４においてＦで示されるように、中心電極１９とガスポケット１８内の最奥部の外筒１６の内周面間において、中心電極絶縁碍子１７の外周面に沿って放電電流が流れる沿面放電が生じ、この沿面放電によってガスポケット１８内の混合気が着火される。この場合には、ガスポケット１８内の最奥部の外筒１６の内周面上が接地側電極部を構成する。

図６Ａおよび図６Ｂは、本発明による更に別の実施例を示している。この実施例では、薄肉副室壁１１が多角錐形に形成されている。このように薄肉副室壁１１を多角錐形に形成した場合でも、主燃焼室５に面する薄肉副室壁１１の表面積は小さくなる。従って薄肉副室壁１１の温度上昇に使用される主燃焼室５内の燃焼熱および薄肉副室壁１１を通ってシリンダヘッド３に逃げる主燃焼室５内の燃焼熱が減少し、それにより、冷却損出が減少せしめられる。なお、この場合、薄肉副室壁１１を、図５に示される形状に類似した多角錐台形に形成することができる。

図７は、本発明による更に別の実施例を示している。この実施例では、薄肉副室壁１１が円錐台形に近い形状に形成されている。図７に示されるような円錐台形に近い形状の薄肉副室壁１１も、本発明で言うところの円錐台形の薄肉副室壁１１に含まれる。

このように本発明によれば、シリンダヘッド３の内壁面とピストン４の頂面間に主燃焼室５が形成されており、シリンダヘッド３に取付けられた点火栓１５の先端部１５ａと、シリンダヘッド３の内壁面から主燃焼室５内に突出する薄肉副室壁１１との間に副室１２が形成される。副室１２内と主燃焼室５内とを連通する連通孔１３が薄肉副室壁１１内に形成されており、点火栓１５の先端部１５ａが、中空円筒状の外筒１６と、外筒１６内において外筒１６の中心軸線に沿って延びる柱状の中心電極絶縁碍子１７と、外筒１６および中心電極絶縁碍子１７間に形成されかつ副室１２内に連通する環状のガスポケット１８を具備している。点火栓１５により副室１２内の混合気を燃焼させたときに連通孔１３からジェット火炎が主燃焼室５に噴出する。薄肉副室壁１１が、シリンダヘッド３の内壁面から主燃焼室５内に向けて横断面積が次第に減少する円錐形、円錐台形、多角錐形、又は多角錐台形に形成されている。点火栓１５の接地側電極部をガスポケット１８内に位置させて、点火時に中心電極絶縁碍子１７の先端部から突出する中心電極１９と接地側電極部間で放電が行われる。

このように薄肉副室壁１１の形状を円錐形、円錐台形、多角錐形、又は多角錐台形とし、点火栓によりガスポケット内の混合気を着火させることによって、冷却損出を低減させつつ、安定した着火を確保することができる。

３ シリンダヘッド
４ ピストン
５ 主燃焼室
１１ 薄肉副室壁
１２ 副室
１３ 連通孔
１４ 中空スリーブ
１５ 点火栓
１６ 外筒
１７ 中心電極絶縁碍子
１８ ガスポケット
１９ 中心電極
２０ 接地側電極

Claims (3)

1. シリンダヘッドの内壁面とピストンの頂面間に主燃焼室が形成されており、シリンダヘッドに取付けられた点火栓の先端部と、シリンダヘッドの内壁面から主燃焼室内に突出する薄肉副室壁との間に副室が形成されており、副室内と主燃焼室内とを連通する連通孔が薄肉副室壁内に形成されており、該点火栓の先端部が、中空円筒状の外筒と、外筒内において外筒の中心軸線に沿って延びる柱状の中心電極絶縁碍子と、外筒および中心電極絶縁碍子間に形成されかつ副室内に連通する環状のガスポケットを具備しており、点火栓により副室内の混合気を燃焼させたときに連通孔からジェット火炎が主燃焼室に噴出する副室付内燃機関において、該薄肉副室壁が、シリンダヘッドの内壁面から主燃焼室内に向けて横断面積が次第に減少する円錐形、円錐台形、多角錐形、又は多角錐台形に形成されており、点火栓の接地側電極部をガスポケット内の最奥部に位置させて、点火時に中心電極絶縁碍子の先端部から突出する中心電極と接地側電極部間で放電が行われる副室付内燃機関。
2. 該接地側電極部が、該ガスポケット内において該外筒の内壁面上に形成された接地側電極からなる請求項１に記載の副室付内燃機関。
3. 該接地側電極部が、該ガスポケット内に位置する該外筒の内壁面からなる請求項１に記載の副室付内燃機関。

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