JP7260331B2

JP7260331B2 - 副燃焼室付き内燃機関

Info

Publication number: JP7260331B2
Application number: JP2019034493A
Authority: JP
Inventors: 悟嶋崎
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2019-02-27
Filing date: 2019-02-27
Publication date: 2023-04-18
Anticipated expiration: 2039-02-27
Also published as: JP2020139441A

Description

本願発明は、副燃焼室を備えた内燃機関に関するものである。

自動車用の内燃機関を初めてとして、ガソリン機関やガス機関では排気ガスの規制が強化されている。この規制に対応する１つの手段として、混合気の燃料比率を下げて（空気比率を上げて）燃焼させるリーンバーン方式があるが、リーンバーン方式では燃料への着火性が劣るという問題がある。この点については、従来から、シリンダヘッドに副燃焼室を設けて、副燃焼室で発生した火炎によって燃料（混合気）に着火させることが提案されている。

その一例として特許文献１には、トーチ部に火炎が噴出する複数の噴孔を形成するにおいて、噴孔の配置や形状に工夫を加えた技術が開示されている。

副燃焼室を備えた内燃機関では、ピストンが上死点近傍に位置した燃焼行程初期に副燃焼室からトーチ部を介して火炎が混合気に向けて（主燃焼室に向けて）噴射されるものであり、特許文献１では、ピストンの頂面に主燃焼室が形成されていて、この主燃焼室に向けて火炎が噴出するようになっている。

特開２００１－２２７３４４号公報

特許文献１では、火炎が主燃焼室に向かう構造になっているが、この構造では、火炎が主燃焼室の内面にすぐに当たるため、火炎の熱がピストンに奪われて、混合気全体に対する着火性が阻害されることが懸念される。更に述べると、昨今のピストンの頂面は、バルブ用リセスやタンブル流生成用凹所などがあって複雑な形状になっているため、特許文献１のように火炎が単に放射方向に噴出する形態では、上記したような火炎温度の低下が発生して、混合気への着火性が不十分になることが懸念される。

本願発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、ピストンの特徴を利用して混合気への着火性を向上させようとするものである。

本願発明は請求項１と請求項２とを含んでおり、請求項１の発明は、
「シリンダボアにピストンが摺動自在に配置されたシリンダブロックと、前記シリンダブロックの上面に固定されたシリンダヘッドとを備えており、
前記ピストンの頂面に、吸気バルブを逃がす吸気バルブ用リセスと排気バルブを逃がす排気バルブ用リセスとが、前記ピストンの外周に向けて低く傾斜するように形成されて、前記吸気バルブ用リセスの容積が前記排気バルブ用リセスの容積よりも大きくなっている一方、
前記シリンダヘッドには、前記シリンダボアに向けて露出したトーチ部を有する副燃焼室が設けられている」
という基本構成において、
「前記トーチ部に、前記ピストンが上死点にあるときに前記吸気バルブ用リセスに向けて開口した第１火炎噴出穴と前記排気バルブ用リセスに向けて開口する第２火炎噴出穴とが形成されており、前記第１火炎噴出穴の断面積が前記第２火炎噴出穴の断面積よりも大きくなっている」
という構成になっている。

請求項２の発明は、
「シリンダボアにピストンが摺動自在に配置されたシリンダブロックと、前記シリンダブロックの上面に固定されたシリンダヘッドとを備えており、
前記ピストンの頂面に、吸気バルブを逃がす吸気バルブ用リセスが、前記ピストンの外周に向けて低く傾斜するように形成されている一方、
前記シリンダヘッドには、前記シリンダボアに向けて露出したトーチ部を有する副燃焼室が設けられている」
という基本構成において、
「前記トーチ部は前記排気バルブの側に寄せて配置されており、前記トーチ部に、前記ピストンが上死点にあるときに前記吸気バルブ用リセスに向けて開口する火炎噴出穴が形成されている」
という構成になっている。

ピストンの頂面には、一般に、吸気行程において吸気バルブとの衝突を防止するための吸気バルブ用リセスと、排気行程において排気バルブとの衝突を防止するための排気バルブ用リセスとが形成されていることが多い。従って、本願発明では、請求項１のように、トーチ部をシリンダボア軸心位置に配置して、火炎噴出穴を吸気バルブ用リセスと排気バルブ用リセスとに向けることが可能である。他方、排気バルブ用リセスが小さい場合は、請求項２のように、トーチ部を排気バルブの側に寄せて、火炎噴出穴を吸気バルブ用リセスのみに向けて開口させることも可能である。

また、吸気バルブ用リセスは排気バルブ用リセスよりも面積（容積）が大きいことが多いが、この場合は、請求項１のように、混合気は吸気バルブ用リセスの箇所に多く存在しているので、吸気バルブ用リセスに向いた火炎噴出穴の断面積を、排気バルブ用リセスに向いた火炎噴出穴の断面積よりも大きくして、火炎を吸気バルブ用リセスに多く噴出させることができる。

本願発明では、トーチ部の火炎噴出穴はバルブ用リセスに向いているため、火炎をピストンの外周に向けて（シリンダボアの内周に向けて）遠くまで飛ばすことができる。従って、吸気バルブ用リセスに充満している混合気に火炎を晒すことができると共に、火炎がピストンに当たることを抑制して熱損失を低減できる（温度低下を抑制できる）。

従って、本願発明では、火炎の熱損失を低減できることと、火炎を混合気に広い範囲で晒すことができることとの相乗作用により、混合気の燃焼性を格段に向上できる。従って、リーンバーン方式の内燃機関であっても、安定した運転を実現できる。その結果、排気ガスの無害化に大きく貢献できる。また、火炎噴出穴の向きをピストンのバルブ用リセスに適合するように改良するだけの構成であるため、コストアップの問題は生じない。

既述のように、火炎噴出穴を吸気バルブ用リセスと排気バルブ用リセスとの両方に向ける場合、請求項１では、吸気バルブ用リセスと排気バルブ用リセスとの大きさ（容積）に応じて火炎噴出穴の大きさを異ならせておけるため、混合気の量に応じて適切な量の火炎を噴出させて、混合気の燃焼の均一化・燃焼速度アップを促進できる。
請求項２の構成は、火炎は、ピストンの上方を横切ってから吸気バルブ用リセスに向かうため、排気バルブ用リセスの箇所に充満した混合気に対しても速やかに着火できる。従って、混合気の全体を同じタイミングで速やかに燃焼させることができる。

第１実施形態の縦断正面図である。（Ａ）は図１のIIA-IIA 視断面図、（Ｂ）はトーチ部の拡大図である。第２実施形態を示す図で、（Ａ）は平断面図、（Ｂ）はトーチ部の拡大図である。

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、自動車用内燃機関に適用している。以下では、方向を特定するため前後・左右の文言を使用するが、前後方向はクランク軸線方向であり、左右方向は、クランク軸線及びシリンダボア軸線と直交した方向である。上下方向は、シリンダボア軸線方向である。正面視は、前後方向から見た状態としている。

(1).第１実施形態の構造
図１に示すように、内燃機関は、クランク軸線方向に並んだ複数のシリンダボア１を有するシリンダブロック２と、その頂面に固定されたシリンダヘッド３とを有している。シリンダボア１には、ピストン４が摺動自在に配置されている。

シリンダヘッド３には、各シリンダボア１と対向して山形の燃焼室５が形成されており、燃焼室５には、吸気バルブ６で開閉される前後一対ずつの吸気ポート７と、排気バルブ８で開閉される排気ポート９とが、左右に振り分けて形成されている。

図２（Ａ）に示すように、ピストン４の頂面には、吸気行程の終期において吸気バルブ６の衝突を防止するための前後一対の吸気バルブ用リセス１０と、排気行程の終期において排気バルブ８との衝突を防止するための前後一対の排気バルブ用リセス１１とが形成されている。図１から理解できるように、吸気バルブ用リセス１０と排気バルブ用リセス１１とは、ピストン４の外周に向けて低くなるように傾斜している（吸気バルブ６及び排気バルブ８が、シリンダボア軸心に対して傾斜しているためである。）。

また、ピストン４の頂面のうち吸気バルブ用リセス１０と排気バルブ用リセス１１との間の部位には、タンブル流の生成を助長するための凹面１２が形成されている。また、ピストン４の外周部には、傾斜面（スキッシャエリア）１３が断続的に形成されている。

シリンダヘッド３のうちシリンダボア軸心が通る中央部には、副燃焼室ユニット１４が装着されている。副燃焼室ユニット１４は円筒状のボデーを有しており、ボデーに、副燃焼室１５とその下方に位置したトーチ部１６とが形成されている。副燃焼室１５の上部は仕切り壁１７で区画されており、仕切り壁１７に燃料噴射穴１８が空いている。燃料噴射穴１８は、クランク軸と同期して作動する燃料噴射弁１９によって開閉される。また、副燃焼室１５には、点火プラグ２０の先端が露出している。

トーチ部１６の下端は燃焼室５に突出しており、この突出部に、ピストン４の吸気バルブ用リセス１０に向けて開口した第１火炎噴出穴２１と、ピストン４の排気バルブ用リセス１１に向けて開口した第２火炎噴出穴２２とが、前後一対ずつ左右に振り分けて形成されている。また、図１のとおり、縦断正面視では、火炎噴出穴２１，２２は、概ねリセス１０，１１の傾斜姿勢と略同じ角度で傾斜している。

図２から推測できるが、吸気バルブ用リセス１０は、排気バルブ用リセス１１よりも大きい容積になっている。そこで、第１火炎噴出穴２１の内径Ｄ１を、第２火炎噴出穴２２の内径Ｄ２よりも大径に設定している。

(2).まとめ
以上の構成において、燃料噴射弁１９及び点火プラグ２０がクランク軸と同期して作動することにより、燃焼行程の初期においてトーチ部１６の火炎噴出穴２１，２２から火炎が噴出して混合気に着火する。

そして、本願実施形態では、火炎噴出穴２１，２２は、凹面１２の箇所の箇所を通過してからバルブ用リセス１０，１１の中心部に向けて吹き出すため、凹面１２の箇所に充満した混合気と、吸気バルブ用リセス１０，１１に充満している混合気とが火炎に満遍なく晒される。このため、混合気の空燃比が理論空燃比のように通常よりリーン状態であっても、混合気に速やかに着火する（なお、理論空燃比は１４．７：１であり、一般には、空燃比は１２：１程度に設定されている。）。

また、吸気バルブ用リセス１０，１１はピストン４の外周近傍まで広がっているため、火炎噴出穴２１，２２から噴出した火炎は、ピストン４の外周近くまで速やかに到達する。従って、火炎がピストン４の壁などに衝突することはなくて、熱の損失を防止できる。この面でも、混合気への着火性を向上できる。

従って、混合気が理論空燃比のようにリーン気味であっても、混合気に確実に着火させて安定した運転を実現できる。そして、火炎噴出穴２１，２２の姿勢を吸気バルブ用リセス１０，１１の配置に適合させるだけの構成であるため、コストが嵩むことはないし、既存のピストン４に対しても簡単に適用できる。

実施形態のように、第１火炎噴出穴２１の内径Ｄ１を第２火炎噴出穴２２の内径Ｄ２よりも大径に設定すると、面積（容積）が大きい吸気バルブ用リセス１０に対して火炎が多く噴出するため、ピストン４と燃焼室５との間に充満した混合気の全体に対する着火タイミングを均一に揃えることができる。従って、混合気の全体を瞬時に燃焼させることができる。これにより、大きな爆発エネルギを確保して、熱効率の向上に貢献できる。

(3).他の実施形態
図３に示す第２実施形態では、副燃焼室ユニット１４を排気バルブの側に寄せて配置しており、トーチ部１６には、吸気バルブ用リセス１０に向けて開口した第１火炎噴出穴２１だけが開口している。

この実施形態では、火炎は、ピストン４の上方を横切ってから吸気バルブ用リセス１０に向かうため、排気バルブ用リセス１１の箇所に充満した混合気に対しても速やかに着火できる。つまり、火炎が吸気バルブ用リセス１０の端まで届くのにある程度の時間を要するが、排気バルブ用リセス１１はトーチ部１６の近くに位置しているため、火炎が吸気バルブ用リセス１０の端まで届く間に、燃焼は排気バルブ用リセス１１に充満した混合気にも及んでいる。従って、混合気の全体を同じタイミングで速やかに燃焼させることができる。

実施形態ではトーチ部１６の先端部（下端部）を燃焼室５に突出させているが、この実施形態のように火炎噴出穴２１を吸気バルブ用リセス１０のみに向けて開口させる場合は、トーチ部１６の突出量を少なくしたり、燃焼室５に突出しない状態に形成したりすることも可能になる。

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は、他にも様々に具体化できる。例えば、ピストンは、平坦な面に４つのバルブ用リセスが形成された単純な形態であってもよい。

本願発明は、副燃焼室付き内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１シリンダボア
３シリンダヘッド
４ピストン
５燃焼室
６吸気バルブ
７吸気ポート
８排気バルブ
９排気ポート
１０吸気バルブ用リセス
１１排気バルブ用リセス
１４副燃焼室ユニット
１５副燃焼室
１６トーチ部
１９燃料噴射弁
２０点火プラグ
２１吸気バルブ用リセスに向けて開口した第１火炎噴出穴
２２排気バルブ用リセスに向けて開口した第２火炎噴出穴

Claims

シリンダボアにピストンが摺動自在に配置されたシリンダブロックと、前記シリンダブロックの上面に固定されたシリンダヘッドとを備えており、
前記ピストンの頂面に、吸気バルブを逃がす吸気バルブ用リセスと排気バルブを逃がす排気バルブ用リセスとが、前記ピストンの外周に向けて低く傾斜するように形成されて、前記吸気バルブ用リセスの容積が前記排気バルブ用リセスの容積よりも大きくなっている一方、
前記シリンダヘッドには、前記シリンダボアに向けて露出したトーチ部を有する副燃焼室が設けられている構成であって、
前記トーチ部に、前記ピストンが上死点にあるときに前記吸気バルブ用リセスに向けて開口した第１火炎噴出穴と前記排気バルブ用リセスに向けて開口する第２火炎噴出穴とが形成されており、前記第１火炎噴出穴の断面積が前記第２火炎噴出穴の断面積よりも大きくなっている、
副燃焼室付き内燃機関。
シリンダボアにピストンが摺動自在に配置されたシリンダブロックと、前記シリンダブロックの上面に固定されたシリンダヘッドとを備えており、
前記ピストンの頂面に、吸気バルブを逃がす吸気バルブ用リセスが、前記ピストンの外周に向けて低く傾斜するように形成されている一方、
前記シリンダヘッドには、前記シリンダボアに向けて露出したトーチ部を有する副燃焼室が設けられている構成であって、
前記トーチ部は前記排気バルブの側に寄せて配置されており、前記トーチ部に、前記ピストンが上死点にあるときに前記吸気バルブ用リセスに向けて開口する火炎噴出穴が形成されている、
副燃焼室付き内燃機関。