JP7147962B2 - 副室式内燃機関 - Google Patents

Description

本開示は、副室式内燃機関に関する。

従来から、主室およびその主室に連通路を介して連結された副室を備えた副室式内燃機関が提案されている（例えば、日本国特許第４３８９７７７号公報参照）。このような副室式内燃機関では、主室に噴射された燃料から混合気が形成される。形成された混合気は、連通路を介して副室内に供給され、副室内で点火プラグによって点火される。これにより、火炎が形成される。副室内で形成された火炎は、連通路を介して主室に噴射され、主室の混合気を着火する。このように、副室で形成された火炎を主室に噴射することによって、主室の燃焼速度が高まる。これにより、より希薄な空燃比での運転が可能となり、燃費が向上する。

日本国特許第４３８９７７７号公報には、１つの副室を有する副室式内燃機関と、２つの副室を有する副室式内燃機関が開示されている。１つの副室を有する副室式内燃機関では、気筒の中心に副室が設けられ、副室の中心に点火プラグが設けられている。また、４つの連通路が、斜め上方に傾き、かつ周方向に傾いて形成されている。これによって、副室内で、混合気が、上昇する旋回流となる。

しかし、日本国特許第４３８９７７７号公報に開示された１つの副室を有する副室式内燃機関では、混合気が、副室の内壁に沿って上昇する旋回流になる。このため、副室の中心部の混合気の流速が遅くなる。したがって、点火プラグが副室の中心に配置されると、初期燃焼が促進されにくい。この結果、副室から主室に向かう火炎の伝搬速度が遅くなる。

本開示の実施形態は、副室内の初期燃焼を促進する副室式内燃機関に関する。

本開示の実施形態によれば、副室式内燃機関は、主室と、副室と、連通路と、点火部と、を備える。主室は、シリンダと、シリンダヘッドと、ピストンと、で画定される。副室は、主室と隔てられ、シリンダの軸方向から見た断面が円形に形成される。連通路は、主室と副室とを連通する。連通路は、シリンダの軸方向からみて、副室の径方向に対して斜めに傾いて形成される。点火部は、副室に設けられた第１電極を有する。第１電極は、主室から連通路を介して副室に導入された混合気に点火する。シリンダの軸方向からみて、第１電極の中心は、副室の中心と異なる位置に配置される。

この副室式内燃機関では、連通路は、副室の径方向に対して斜めに傾いて形成されるため、副室の内周に沿って旋回する混合気の旋回流が副室内に発生する。また、第１電極の中心が副室の中心と異なる位置に配置される。これによって、副室内の内周に沿って発生する旋回流の流速が速い位置で、混合気が点火部によって点火される。このため、移流および保炎によって初期燃焼が促進される。

副室式内燃機関は、主室に燃料を噴射する燃料噴射弁をさらに備えてもよい。第１電極の中心は、副室の中心よりも燃料噴射弁側に配置されてもよい。

この構成によれば、第１電極が燃料噴射弁側に配置されるので、副室の空間の中で、混合気が燃料噴射弁側から点火される。これによって、主室の混合気の空燃比がリーンとなりやすい燃料噴射弁側から先に火炎が放出される。このため、主室の燃焼が均質になる。

副室式内燃機関は、第１電極から放出された電子が流入する第２電極を有してもよい。連通路は、副室の内周に沿って旋回する混合気の旋回流を副室内に発生させてもよい。そして、第１電極及び第２電極は、旋回流の回転方向に沿って、第２電極、第１電極の順に隣接して配置されてもよい。

第２電極が旋回流の下流側に配置されると、着火後に熱が第２電極に逃げる。この構成によれば、点火の始点となる第１電極よりも旋回流の上流側に第２電極が配置されるので、着火後に熱が逃げない。これにより副室内の燃焼が促進される。また、第２電極の下流では混合気の乱れが大きくなるので、副室内の燃焼がさらに促進される。

連通路は、混合気を副室に導入する導入口を有し、副室の内周に沿って旋回しながらシリンダヘッド側へ向かう混合気の旋回流を副室内に発生させてもよい。そして、第１電極の先端位置は、連通路の導入口の中心線が副室の内周の部位に交わる位置よりも高い位置に配置されてもよい。

この構成によれば、連通路の導入口の中心線が副室の内周の部位に交わる位置よりも高い位置では、整った旋回流が副室内に形成されるので、点火の際に、火炎が効率よく伝搬する。

第１電極の中心は、副室の円形の断面における半径の半分以上、副室の中心から離れて配置されてもよい。

この構成によれば、混合気の旋回流の速度が速い位置で混合気が点火されるので、移流および保炎によって初期燃焼がさらに促進され、１つの副室から主室に向けて火炎がさらに迅速に送り出される。

本開示の一実施形態による副室式内燃機関の概略構成を示す縦断面図。 図１の副室式内燃機関の連通路の形成部を示す横断面図。 図１の副室式内燃機関の連通路の形成部を示す縦断面図。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下明細書において、シリンダ軸方向Ｑとは、シリンダに沿ってピストンの摺動する方向を示す。上下方向と記す場合は、シリンダ軸方向Ｑを示し、シリンダヘッド側を「上」、ピストン側を「下」とする。また、左右方向Ｌとは、シリンダ軸方向Ｑに直交し、吸気ポートおよび排気ポートが配置される方向を示す。また、クランク軸方向Ｐとは、シリンダ軸方向Ｑに直交し、気筒Ｎが配置される方向を示す。

図１に示すように、副室式内燃機関１は、主室４と、主室４と隣接する副室６と、主室４と副室６を連通する複数の連通路８と、点火プラグ（点火部の一例）１０と、第２電極１０ｂと、燃料噴射弁１２と、を備える。本実施形態では、副室式内燃機関１は、主室４および副室６を含む気筒Ｎが、直列に複数配列された直列型内燃機関である。すなわち、主室４、副室６、複数の連通路８、点火プラグ１０、第２電極１０ｂ、および、燃料噴射弁１２は、各気筒Ｎに備えられる。しかし、気筒Ｎの配列についてはこれに限定されず、Ｖ型であっても水平対向型であってもよい。また、各気筒Ｎに複数の副室６が設けられてもよい。

主室４は、シリンダブロック１０１のシリンダ１０１ａ、シリンダヘッド１０２、およびピストン１０３で画定された空間である。本実施形態では、主室４は、ペントルーフ形状であり、シリンダヘッド１０２の吸気ポート１０５側および排気ポート１１０側に向けて２つの斜面を有する。主室４は、吸気カム（図示せず）によって駆動される吸気バルブ１０４を介して吸気ポート１０５に接続される。吸気ポート１０５は、図示しない吸気通路、スロットルバルブ、および、エアクリーナに接続される。また、主室４は、排気カム（図示せず）によって駆動される排気バルブ１０９を介して、排気ポート１１０、排気通路（図示せず）、および、排気浄化触媒（図示せず）に接続される。

副室６は、ペントルーフ形状の頂上部に設けられ、主室４と隣接する。副室６は、副室壁６１の底部６１ａおよび側壁６１ｂで画定された空間である。より具体的には、副室壁６１は、シリンダ軸方向Ｑから見た水平断面（副室６の突出方向と垂直な断面）が円形に形成され、底部６１ａが半球状に形成される。副室６は、シリンダヘッド１０２から主室４に向かって突出し、副室壁６１を介して主室４と隔てられる。本実施形態では、副室６は、主室４のペントルーフ形状の２つの斜面の交線（稜線）の略中央に設けられる。また、本実施形態では副室６の中心Ｘ１は、主室４と同じである。しかし、副室６は、主室４の略中央からシリンダ１０１ａの内壁面に向けてオフセットして設けられもよい。副室６の容積は、主室４よりも小さく、点火プラグ１０で点火した混合気の火炎が副室６内に素早く伝播する。

連通路８は、副室壁６１の底部６１ａに複数個設けられる。連通路８は、主室４と副室６とを連通し、主室４の混合気を副室６に導く。また、連通路８は、副室６内で生じた火炎を主室４に送り出す。連通路８は、主室４に臨む噴射口８ａと、副室６に臨む導入口８ｂとを有する。本実施形態では、連通路８は、例えば、６つ設けられる。図２は、連通路８が形成された底部６１ａにおける副室６の横断面をピストン１０３側からみた図である。連通路８は、図１に示すように、主室４から上下方向（シリンダ軸方向Ｑと同じ）に斜めに傾き、かつ図２に示すように、シリンダ軸方向Ｑに垂直な副室６の横断面内において、円筒形の副室６の径方向に対して斜めに傾いている。また、圧縮行程の際は、主室４の混合気は、連通路８を通過して副室６へ導入される。これによって、副室壁６１の側壁６１ｂ（副室６の内周）に沿って、らせん状に旋回しながらシリンダヘッド１０２側へ向かう混合気の旋回流ＳＦが形成される。旋回流ＳＦの流速は副室６の中心側よりも副室６の側壁６１ｂ側の方が速い。

図１に拡大して示すように、点火プラグ１０は、シリンダ軸方向に沿って設けられる。また、点火プラグ１０は、第１電極１０ａと、第１電極１０ａに対向して配置され、第１電極１０ａから放出される電子が流入する第２電極１０ｂと、を有する。本実施形態では、第２電極１０ｂは、点火プラグ１０に設けられる。また、本実施形態では、第２電極１０ｂは、Ｌ字型に折り曲げられた形状であり、棒状の第１電極１０ａの下方に隙間をあけて配置される。点火プラグ１０は、第１電極１０ａから第２電極１０ｂに向けて電気エネルギを放電し、火花を発生させる。発生した火花によって、副室６の混合気が点火される。すなわち、本実施形態では、第１電極１０ａと、第２電極１０ｂは一対の電極対となり、副室６の混合気に点火する。図１に示すように、第１電極１０ａの中心Ｘ２は、副室６の中心Ｘ１と異なる位置に配置され、副室６に突出する。より具体的には、図２に示すように、第１電極１０ａの中心Ｘ２は、副室６の中心Ｘ１よりも燃料噴射弁１２側に配置される。また、第１電極１０ａの中心Ｘ２は、副室６の側壁６１ｂの半径Ｒの半分Ｒ／２以上、副室６の中心Ｘ１から側壁６１ｂ側に離れている。

図２に示すように、第２電極１０ｂは、第１電極１０ａの中心Ｘ２よりも混合気の旋回流ＳＦの上流側に配置される。換言すれば、第１電極１０ａ及び第２電極１０ｂは、混合気の旋回流ＳＦの回転方向に沿って、第２電極１０ｂ、第１電極１０ａの順に隣接して配置される。図３は副室６の左右方向Ｌに垂直な縦断面図である。すなわち、図１の副室６を、副室６の中心Ｘ１から第１電極１０ａの中心Ｘ２方向にみた断面図である。図３に示すように、第１電極１０ａの先端位置１０ｃは、連通路８の導入口８ｂの中心線Ｃ（中心線Ｃの延長線を含む）が副室６の副室壁６１の側壁６１ｂに交わる位置Ｈよりも高い位置に配置される。

燃料噴射弁１２は、主室４に向けられる。また、燃料噴射弁１２は、副室６の外に設けられる。本実施形態では、燃料噴射弁１２は、主室４に直接燃料を噴射する。すなわち、副室式内燃機関１は、直噴型の内燃機関である。燃料噴射弁１２の噴射量と噴射時期は、図示しない制御部によって制御される。また、燃料噴射弁１２は、図示しない燃料噴射ポンプ、および、燃料タンクに接続される。燃料噴射弁１２は、シリンダヘッド１０２の吸気バルブ１０４側に配置される。本実施形態では、副室式内燃機関１の空燃比は、理論空燃比よりもリーンな値に設定される。すなわち、副室式内燃機関１は、希薄燃焼で運転される。これにより、燃費性能が向上する。

このように構成された副室式内燃機関１では、吸気行程では、吸気バルブ１０４が開弁するとともに、ピストン１０３が下降し、吸気が主室４および副室６に流入する。本実施形態では、吸気は、図示しない過給機によって加圧される。これによって、主室４および副室６の圧力は、吸気の圧力と同じになる。吸気行程では、主として主室４に燃料を供給するための燃料噴射を行うように、燃料噴射弁１２が制御される。噴射された燃料は、主室４内で吸気と混じり混合気を形成する。混合気は、ピストン１０３が下がるとともに主室４全体に供給される。

圧縮行程では、吸気バルブ１０４が閉弁するとともにピストン１０３が上昇し、主室４の混合気が圧縮される。このとき、主室４の圧力は上昇する。圧縮行程で、ピストン１０３が上昇すると、主室４から連通路８を介して混合気が副室６に導入される。このとき、混合気は、連通路８によって上昇する旋回流となって副室６に導入される。旋回流の流速は、前述したように、副室６の中心Ｘ１側よりも副室６の側壁６１ｂ側（外周側）の方が速い。

本実施形態では、点火プラグ１０の第１電極１０ａの中心Ｘ２が、副室６の中心Ｘ１よりも側壁６１ｂ側に配置される。これによって、副室６内の側壁６１ｂに沿って発生する旋回流の流速が速い位置で、混合気が点火プラグ１０で点火される。このため、移流および保炎によって初期燃焼が促進され、副室６から主室４に向けて火炎が迅速に送り出される。

また、第１電極１０ａの中心Ｘ２が中心Ｘ１よりも燃料噴射弁１２側に配置されるので、空燃比がよりリッチな混合気が点火プラグ１０によって点火される。この結果、副室６から主室４に向かう火炎がさらに強くなり、副室６から主室４に向けて強力な火炎が迅速に送り出される。

以上説明した通り、本実施形態の副室式内燃機関１では、点火プラグ１０の第１電極１０ａの中心Ｘ２が、副室６の中心Ｘ１と異なる位置に配置される。これによって、副室６内の側壁６１ｂに沿って発生する旋回流の流速が速い位置で、混合気が点火プラグ１０で点火される。このため、移流および保炎によって初期燃焼が促進され、副室６から主室４に向けて火炎が迅速に送り出される。

＜他の実施形態＞
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。特に、本明細書に書かれた複数の変形例は必要に応じて任意に組合せ可能である。

上記実施形態では、副室式内燃機関１は、直噴型の内燃機関であるが、本開示はこれに限定されるものではない。例えば、吸気ポート１０５に設けられる吸気ポートインジェクタを備える副室式内燃機関であってもよい。

上記実施形態では、点火プラグ１０全体が副室６の中心Ｘ１よりも側壁６１ｂ側に配置されるが、本開示はこれに限定されない。例えば、第１電極１０ａは偏心した点火プラグでもよい。また、第２電極１０ｂを有さない点火プラグでもよく、第２電極１０ｂは副室６の側壁６１ｂに設けられてもよい。さらに、第２電極１０ｂは、例えば沿面点火プラグなどであり、複数設けられてもよい。また、沿面点火プラグの第１電極の中心が副室６の中心Ｘ１よりも側壁６１ｂ側に配置されてもよい。

本開示の実施形態によれば、副室式内燃機関（１）は、
シリンダ（１０１ａ）と、シリンダヘッド（１０２）と、ピストン（１０３）と、で画定される主室（４）と、
前記主室（４）と隔てられ、前記シリンダ（１０１ａ）の軸方向から見た断面が円形に形成される副室（６）と、
前記主室（４）と前記副室（６）とを連通する連通路（８）と、
前記副室（６）に設けられ、前記主室（４）から前記連通路（８）を介して前記副室（６）に導入された混合気に点火する第１電極（１０ａ）を有する点火部（１０）と、
を備え、
前記連通路（８）は、前記シリンダ（１０１ａ）の軸方向からみて、前記副室（６）の径方向に対して斜めに傾いて形成され、
前記シリンダ（１０１ａ）の軸方向からみて、前記第１電極（１０ａ）の中心（Ｘ２）は、前記副室（６）の中心（Ｘ１）と異なる位置に配置される。

前記副室式内燃機関（１）は、前記主室（４）に燃料を噴射する噴射弁（１２）をさらに備えてもよい。そして、前記第１電極（１０ａ）の中心（Ｘ２）は、前記副室（６）の中心（Ｘ１）よりも前記噴射弁（１２）側に配置されてもよい。

前記副室式内燃機関（１）は、前記第１電極（１０ａ）から放出された電子が流入する第２電極（１０ｂ）をさらに備えてもよい。前記連通路（８）は、前記副室（６）の内周に沿って旋回する前記混合気の旋回流（ＳＦ）を前記副室（６）内に発生させてもよい。そして、前記第１電極（１０ａ）及び前記第２電極（１０ｂ）は、前記旋回流（ＳＦ）の回転方向に沿って、前記第２電極（１０ｂ）、前記第１電極（１０ａ）の順に隣接して配置されてもよい。

前記連通路（８）は、前記混合気を前記副室（６）に導入する導入口（８ｂ）を有し、前記副室（６）の内周に沿って旋回しながら前記シリンダヘッド（１０２）側へ向かう前記混合気の旋回流（ＳＦ）を前記副室内に発生させてもよい。そして、前記第１電極（１０ａ）の先端位置は、前記導入口（８ｂ）の中心線（Ｃ）が前記副室（６）の前記内周の部位と交わる位置（Ｈ）よりも高い位置に配置されてもよい。

前記第１電極（１０ａ）は、前記副室（６）の円形断面における半径の半分以上、前記副室（６）の中心（Ｘ１）から離れて配置されてもよい。

本出願は、２０１９年３月２７日出願の日本特許出願特願２０１９－０６１１２７に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

１：副室式内燃機関
４：主室
６：副室
８：連通路
１０：点火プラグ（点火部）
１０ａ：第１電極
１０ｂ：第２電極
１０ｃ：先端位置
１２：燃料噴射弁
６１：副室壁，
６１ｂ：側壁
１０１ａ：シリンダ
１０２：シリンダヘッド
１０３：ピストン
Ｃ：中心線
Ｒ：半径
Ｒ／２：半径の半分
ＳＦ：旋回流
Ｘ１：副室の中心
Ｘ２：第１電極の中心

Claims (4)

1. シリンダと、シリンダヘッドと、ピストンと、で画定される主室と、
   前記主室と隔てられ、前記シリンダの軸方向から見た断面が円形に形成される副室と、
   前記主室と前記副室とを連通する連通路と、
   前記副室に設けられ、前記主室から前記連通路を介して前記副室に導入された混合気に点火する第１電極と、前記第１電極から放出された電子が流入する第２電極と、を有する点火部と、
   を備え、
   前記連通路は、前記シリンダの軸方向からみて、前記副室の径方向に対して斜めに傾いて形成されて、前記副室の内周に沿って旋回する前記混合気の旋回流を前記副室内に発生させ、
   前記点火部は、前記シリンダの軸方向に沿って設けられ、
   前記シリンダの軸方向からみて、前記第１電極の中心は、前記副室の中心と異なる位置に配置され、
   前記第１電極及び前記第２電極は、前記旋回流の回転方向に沿って、前記第２電極、前記第１電極の順に隣接して配置される、
   副室式内燃機関。
2. 前記副室式内燃機関は、前記主室に燃料を噴射する噴射弁をさらに備え、
   前記第１電極の中心は、前記副室の中心よりも前記噴射弁側に配置される、
   請求項１に記載の副室式内燃機関。
3. 前記連通路は、前記混合気を前記副室に導入する導入口を有し、前記副室の内周に沿って旋回しながら前記シリンダヘッド側へ向かう前記混合気の旋回流を前記副室内に発生させ、
   前記第１電極の先端位置は、前記導入口の中心線が前記副室の前記内周の部位と交わる位置よりも高い位置に配置される、請求項１または２に記載の副室式内燃機関。
4. 前記第１電極は、前記円形の半径の半分以上、前記副室の中心から離れて配置される、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の副室式内燃機関。

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