JP7381176B2

JP7381176B2 - 副燃焼室付き内燃機関

Info

Publication number: JP7381176B2
Application number: JP2019236429A
Authority: JP
Inventors: 亮村上; 悟嶋崎
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2019-12-26
Filing date: 2019-12-26
Publication date: 2023-11-15
Anticipated expiration: 2039-12-26
Also published as: JP2021105355A

Description

本願発明は、副燃焼室付き内燃機関に関するものである。

内燃機関において、シリンダヘッドに副燃焼室（副室）を設けることが提案されている。副燃焼室は点火プラグの代わりに設けられており、副燃焼室で発生した火炎を主燃焼室に噴出させて主燃料（混合気）に着火させる。副燃焼室で生成した火炎は燃料の着火性に優れているため、吸気の燃料がリーン気味であっても確実に燃焼させることができる利点がある。そこで、排気ガスクリーン化を促進する有望な技術として注目されている。

副燃焼室と点火プラグとの関係を見ると、例えば特許文献１に開示されているように、副燃焼室に形成された本体部に点火プラグを装着している構造や、特許文献２に開示されているように、点火プラグの電極を副燃焼室で覆った構造がある。

特開２００７－１１３５３６号公報特開２０１３－１３３７１７号公報

いずれにしても、点火プラグは、電極を設けた先端部が副燃焼室の内部に露出しているため、先端部は副燃焼室内で過酷な熱環境に晒されており、このため、溶損の危険性があった。この点については、点火プラグのボデーを耐熱性の高い特殊合金で製造することが考えられるが、これではコストが大幅に嵩むという問題がある。

本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。

本願発明の内燃機関は、
「主燃焼室に露出するようにシリンダヘッドに配置された副燃焼室と、放電電極を前記副燃焼室の内部に露出させた状態でプラグホールに配置された点火プラグと、前記点火プラグと部分的に嵌合した状態で前記プラグホールに配置されたイグナイタとを備えており、
前記点火プラグは、前記シリンダヘッド又は副燃焼室にねじ込まれた螺着部と、前記イグナイタの内部に入り込んだ上重合部と、前記螺着部と上重合部との間に位置した露出部とを有しており、前記露出部とプラグホールとの間は環状空間になっている」
という基本構成になっている。

そして、前記基本構成において、
「前記プラグホールの内面と前記イグナイタの外面との間に、前記イグナイタの軸心を挟んで両側に配置された一対の縦長リブによって二分されて下端は前記環状空間に連通した通気路を形成しており、前記二分された２つの通気路のうち一方の通気路から前記環状空間に空気が送られて他方の通気路から排気されるように空気の流れを付与することにより、前記点火プラグの露出部を冷却する送気手段が形成されている」
という構成が付加されている。

本願発明は請求項２の発明も含んでいる。この発明は、請求項１において、
「前記通気路の内径は、前記プラグホールの開口部側が大径で前記点火プラグの側が小径となるように異径に形成されている」
という構成になっている。

本願発明では、点火プラグの露出部が空気の流れに晒されることにより、点火プラグの先端部に副燃焼室から受けた熱を空気流に放熱できる。すなわち、点火プラグが空冷式になっているのであり、これにより、点火プラグの先端部が過剰昇温することを防止できる。従って、点火プラグのボデーを従来と同様の素材で構成することが可能になって、コストを抑制することができる。

換言すると、点火プラグが耐熱特殊合金で製造されていなくても溶損が発生しない信頼性に優れた副燃焼室付き内燃機関を、コストを抑制した状態で実現することが可能になる。また、基本構造に大きな変更を加える必要はないため、例えば、イグナイタや点火プラグは従来のものをそのまま使用することが可能であり、変更箇所を少なくできるため、融通性にも優れている。

本願発明では、プラグホールの内面とイグナイタとの間に隙間が空いている態様に適用して、この隙間を通気路として利用しているため、加工の手間を抑制してコストを抑制できると共に、空気の流量を大きくできるため、冷却性能の向上にも貢献できる。

本願発明は、副燃焼室に専用のインジェクタによって燃料を供給するタイプにも適用できる。この場合は、空気流によってインジェクタを冷却することもできるため、熱に弱いインジェクタを保護して信頼性の向上に貢献できる。

第１実施形態をクランク軸線方向から見た縦断面図である。（Ａ）は図１のＡ－Ａ視断面図、（Ｂ）～（Ｅ）は他の実施形態及び参考例の平断面図である。

(1).第１実施形態
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１及び図２（Ａ）に示す第１実施形態を説明する。内燃機関は、基本的要素としてシリンダブロック１とその上面にガスケット２を介して固定されたシリンダヘッド３とを有しており、シリンダブロック１には、クランク軸線方向に並んだ複数のシリンダボア４が形成されている。

他方、シリンダヘッド３には、シリンダボア４に対応して円錐状の凹所５が形成されており、シリンダブロック１のシリンダボア４とシリンダヘッド３の凹所５とによって主燃焼室６が形成されている。従って、シリンダヘッド３はペントルーフ型になっている。当然ながら、シリンダボア４にはピストン（図示せず）が摺動自在に嵌まっている。

図示していないが、シリンダヘッド３には、各凹所５に対応して、一対ずつの吸気ポートと一対ずつの排気ポートとが、クランク軸線を挟んだ両側に形成されている。敢えて述べるまでもないが、吸気ポートは吸気バルブで開閉され、排気ポートは排気バルブで開閉される。

そして、シリンダヘッド３のうち凹所５の略中央部に、主燃焼室６に露出した副燃焼室７を配置している。副燃焼室７は上向きに開口した半球状に形成されており、複数の火炎噴孔８が周方向に並んで形成されている。また、副燃焼室７は、シリンダヘッド３に溶接や圧入等の手段で分離不能に固定されている（上向きの筒部を形成して、シリンダヘッド３にねじ込みで固定することも可能である。）。

シリンダヘッド３には、シリンダボア軸心と同心のプラグホール９が形成されており、プラグホール９に、点火プラグ１０とイグナイタ１１とが配置されている。点火プラグ１０は、シリンダヘッド３に形成された雌ねじ穴に螺合する雄ねじを有する螺着部１２と、イグナイタ１１に下方から嵌まり合った上重合部１３と、上重合部１３と螺着部１２との間に位置した露出部１４とを有しており、露出部１４に、レンチが嵌合する六角部１５が形成されている。螺着部１２の先端に中心電極１０ａと接地電極１０ｂとを設けており、これら電極１０ａ，１０ｂは副燃焼室７で覆われている。

シリンダヘッド３の上面にはヘッドカバー１７が多数本のボルトで固定されており、プラグホール９はヘッドカバー１７にも形成されている。イグナイタ１１は点火補助装置の例であり、イグニッションコイルや制御回路などを内蔵している。ヘッドカバー１７には、プラグホール９を形成するための筒状ボス１８が形成されており、筒状ボス１８の下端はガスケット１９を介してシリンダヘッド３とシールされている。

シリンダヘッド３には、吸気弁用及び排気弁用のカム軸２０，２１が、ボルト２２で固定されたカムキャップ２３を介して回転自在に保持されている。また、シリンダヘッド３には、上下２段の冷却水ジャケット通路２４，２５が形成されている。上下の冷却水ジャケット２４，２５は、プラグホール９が形成されている筒部を囲うように形成されている。

(2).通気構造
プラグホール９とイグナイタ１１との間には筒状隙間２７が空いており、また、プラグホール９と点火プラグ１０の露出部１４との間にも環状空間２８が空いている。図２（Ａ）に明示するように、イグナイタ１１（を構成するケーシング）に、筒状隙間２７を吸気側通路と排気側通路とに二分する縦長リブ２９を略全長に亙って設けることにより、筒状隙間２７を２つの通気路に区分している。

縦長リブ２９は例えばゴム製であり、イグナイタ１１の外周面に接着等の手段で取り付けられているが、イグナイタ１１に一体成型することも可能である。他方、プラグホール９とイグナイタ１１との間には、全周に亙って連続した環状空間２８が空いている。

そして、イグナイタ１１の上端にはプラグホール９よりも大径のヘッド３０が形成されているが、ヘッド３０とヘッドカバー１７との間に、送気手段の一環として、リング状の継手板３１を介在させている。

継手板３１の上面には、空気流入ポート３２と空気排出ポート３３とが軸心を挟んだ両側に位置するように突設されており、更に、継手板３１の下面には、空気流入ポート３２と筒状隙間２７の一方の部分とに連通した流入中継通路３４と、空気排出ポート３３と筒状隙間２７の他方の部分とに連通した排出中継通路３５とが形成されている。実施形態では、空気流入ポート３２を排気側に設けて空気排出ポート３３を吸気側に設けているが、これらは逆の配置であってもよい。

また、筒状隙間２７は、クランク軸線方向に分かれた２つの空間に分けてもよいのであり、この場合は、空気流入ポート３２と空気排出ポート３３とは、クランク軸線方向に並ぶことになる。

継手板３１の空気流入ポート３２には、図示しないブロワーからチューブ等の管路を介して送気される。空気流入ポート３２はブロワーの吸引口に接続してもよいし、大気に開放させたままであってもよい。或いは、空気流入ポート３２を大気に開放させて、空気排出ポート３３をブロワーの吸引口に接続してもよい。

ブロワーも送気手段を構成しているが、送気手段として吸気の流れを利用することも可能である。すなわち、例えば、吸気通路のうちエアクリーナとスロットルバルブとの間に、空気取り出しポートと空気戻しポートとを、空気取り出しポートが下流側に位置するようにして設け、空気取り出しポートを継手板３１の空気流入ポート３２に接続して、空気戻しポートを継手板３１の空気排出ポート３３に接続することができる。

以上の構成において、図１に矢印で示すように、空気は、イグナイタ１１の外側の筒状隙間２７のうち排気側の部分から下方に流れて、環状空間２８を経由して、イグナイタ１１の外側の筒状隙間２７のうち吸気側の部分に流れ、継手板３１の空気排出ポート３３から排出される。すなわち、筒状隙間２７と環状空間２８とに空気の流れができている。

他方、副燃焼室７の内部には熱が籠もるため、点火プラグ１０の先端部は高温に晒され続けるが、本実施形態では、環状空間２８に空気が常に流れるため、点火プラグ１０の先端に受けた熱を、螺着部１２を介して環状空間２８の箇所で空気流に放熱できる。従って、点火プラグ１０を耐熱特殊合金で製造しなくても、点火プラグ１０の先端部が過剰に昇温して溶損することを防止できる。これにより、コストを抑制しつつ、副燃焼室７を備えた内燃機関の信頼性を向上できる。

図示の例では継手板３１を使用したが、ヘッドカバー１７に、筒状隙間２７の一方の側に連通した空気流入穴と、筒状隙間２７の他方の側に連通した空気排出穴とを傾斜状に形成して、これらにブロワー等を接続することも可能である。

(3).他の実施形態
次に、図２（Ｂ）以下に示す他の実施形態を説明する。図２（Ｂ）に示す第２実施形態は、第１実施形態に加えて、筒状隙間２７のうち概ね点火プラグ１０の上重合部１３と重なる部位を、イグナイタ１１に設けた縦長突条１１ａによって周方向に区分している。従って、この実施形態では、筒状隙間２７のうち概ね点火プラグ１０の上重合部１３と重なった部位を周方向に分かれた４つのエリアに区分している。

この第２実施形態では、縦長突条１１ａによってイグナイタ１１からの放熱性も高くなるため、点火プラグ１０のうち上重合部１３の熱がイグナイタ１１を介して放熱される割合を増大できる。従って、点火プラグ１０の冷却性能を向上できる。縦長突条１１ａは４本以上形成してもよい。

図２（Ｃ）に示す第３実施形態では、筒状隙間２７を２つの流路に分ける手段として、プラグホール９の内面に一対の縦長内向きリブ３６を形成している。他方、図２（Ｄ）に示す参考例では、イグナイタ１１の外周面に、軸心を挟んで一対の縦長通気路３７を形成して、一方の縦長通気路３７に送気し、他方の縦長通気路３７から排気するように構成している。一点鎖線で示すように、縦長通気路３７はプラグホール９の内面に形成してもよいし、プラグホール９とイグナイタ１１との両方に形成してもよい。

図２（Ｅ）に示す第４実施形態では、プラグホール９のうち上段の冷却水ジャケット２４の箇所に、筒状隙間２７を２つの流路に分ける一対の縦長内向きリブ３６と、空気との接触面積を増大させる多数本の外向き溝３８とを形成している。また、縦長内向きリブ３６の箇所では、プラグホール９が形成されている肉部の外面に、冷却水ジャケット２４に向けて開口した縦溝３９を形成している。

この実施形態では、筒状隙間２７を通る空気と冷却水ジャケット２４を流れる冷却水との間の熱交換が旺盛に行われるため、点火プラグ１０の冷却性能を向上できると云える。

以上、図面化した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、イグナイタの外周面に多数の縦長リブを形成することにより、イグナイタの冷却性を向上させることも可能である。また、インジェクタを設けている場合は、インジェクタを囲う空間の箇所でも空気の流れが発生するように配慮したらよい。点火補助装置としては、ダイレクトイグニッションなども使用できる。

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シリンダブロック
３シリンダヘッド
６主燃焼室
７副燃焼室
８火炎噴孔
９プラグホール
１０点火プラグ
１１点火補助装置の一例としてのイグナイタ
１２螺着部
１３上重合部
１４露出部
１５六角部
１７ヘッドカバー
２７通気路を構成する筒状隙間
２８環状空間
３７縦長通気路
３０イグナイタのヘッド
３１継手板
３２空気流入口
３３空気排出口
３４流入中継通路
３５排出中継通路

Claims

主燃焼室に露出するようにシリンダヘッドに配置された副燃焼室と、放電電極を前記副燃焼室の内部に露出させた状態でプラグホールに配置された点火プラグと、前記点火プラグと部分的に嵌合した状態で前記プラグホールに配置されたイグナイタとを備えており、
前記点火プラグは、前記シリンダヘッド又は副燃焼室にねじ込まれた螺着部と、前記イグナイタの内部に入り込んだ上重合部と、前記螺着部と上重合部との間に位置した露出部とを有しており、前記露出部とプラグホールとの間は環状空間になっている構成であって、
前記プラグホールの内面と前記イグナイタの外面との間に、前記イグナイタの軸心を挟んで両側に配置された一対の縦長リブによって二分されて下端は前記環状空間に連通した通気路を形成しており、前記二分された２つの通気路のうち一方の通気路から前記環状空間に空気が送られて他方の通気路から排気されるように空気の流れを付与することにより、前記点火プラグの露出部を冷却する送気手段が形成されている、
副燃焼室付き内燃機関。
前記通気路の内径は、前記プラグホールの開口部側が大径で前記点火プラグの側が小径となるように異径に形成されている、
請求項１に記載した副燃焼室付き内燃機関。