JP7397664B2 - 副燃焼室付き内燃機関 - Google Patents

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促進の有望な技術として注目されている。

副燃焼室は筒状の形態になっていることが多く、例えば特許文献１の図１，２に開示されているように、上端部に点火プラグの電極を露出させて、下端部に、複数の火炎噴孔（トーチ孔）が周方向に並ぶように形成されていることが多い。そして、火炎噴孔は、シリンダボア軸心に対して傾斜した方向に開口していることが多い。

特開２００７－１１３５３６号公報

火炎噴孔をシリンダボア軸心に対して傾斜させているのは、シリンダヘッドにペントルーフ型の凹所が形成されていることと関連しており、シリンダヘッドとピストンとの間に形成された主燃焼室の上下中間部に火炎噴孔を向けることにより、主燃焼室に充満している混合気に対して火炎を効率良く当てることを企図している。

しかし、本願発明者が解析したところ、副燃焼室で発生した火炎は火炎噴孔の軸心方向には噴出しておらず、ピストンの側に偏る（下側に振れる）傾向があることが分かった。そして、火炎がピストンの側に振れると、燃料への着火にむらができて完全燃焼を阻害するおそれが発生したり、火炎がピストンに当たりやすくなることにより、熱損失が増大すると共に、ピストンが局部的に過剰昇温してノッキングが発生しやすくなったりする不具合が懸念される。

この点については、火炎噴孔の高さを高くしたり、火炎噴孔の軸心と実際の火炎の噴射姿勢との角度差を予め見込んで、火炎噴孔の軸心を上側に起こした姿勢に設定しておくことが考えられる。

しかし、火炎噴孔の高さを高くする前者の方法では、火炎がシリンダヘッドに当たりやすくなるため、熱がシリンダヘッドに奪われて熱損失が増大すると共に混合気への着火性が悪くなるおそれがある。他方、火炎噴孔の軸心を上側に起こしておく後者の方法では、火炎の流れ抵抗が増大するため、火炎が上向きに噴出するか否か疑問である。

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、
「主燃焼室の略中央部に露出するようにシリンダヘッドに設けられた副燃焼室と、シリンダボア軸心と略同心状に配置された中心電極及び接地電極並びに両者の間に位置した放電ギャップを前記副燃焼室内に露出させた点火プラグとを備えており、
前記副燃焼室は、前記点火プラグが装着された筒体の下端に設けられていて、上端部を除いて前記放電ギャップを中心にした球状に形成されており、従って、前記副燃焼室の内面はその上端部を除いて凹曲面に形成されており、
前記副燃焼室に、前記シリンダボア軸心に対して交叉した姿勢で前記主燃焼室の方向に開口した火炎噴孔を設けている」
という基本構成において、
「前記副燃焼室は、前記放電ギャップの高さを境にして重なり合った上カップ部と下カップ部とで構成されて、前記上カップ部と下カップ部とは溶接によって接合されており、
前記上カップ部の上部は前記シリンダヘッドの内部に下方から入り込んでいる一方、
前記下カップ部はその全体が前記主燃焼室に露出していて、前記下カップ部に、前記火炎噴孔が前記放電ギャップを通る軸線方向に向いて開口している」
という特徴を有している。

さて、副燃焼室内で点火プラグによって混合気に点火されると、火炎は、点火プラグの放電ギャップから放射状に広がって火炎噴孔に向かう。従って、副燃焼室内で、火炎は、点火プラグの放電ギャップを中心として放射方向に直進（拡散）しようとする傾向を呈する。

しかるに、従来の筒型副燃焼室では、放電ギャップから火炎噴孔までの距離が長いことにより、放電ギャップから火炎噴孔に向かう線と火炎噴孔の軸線とが交叉しており、このため、火炎噴孔の入り口部で圧力差が生じて（或いは、火炎が火炎噴孔の軸心方向に向かうことに対して抵抗が発生して）、火炎噴孔から噴出した火炎がピストンの側に向かうように下振れしていると云える。

これに対して本願発明では、火炎噴孔の軸心が点火プラグの放電ギャップを通っているため、副燃焼室内で発生した火炎の直進方向と火炎噴孔の軸心とが一致しており、その結果、火炎を火炎噴孔の軸心方向にスムースに噴出させることができる。従って、主燃焼室に充満している混合気に効率良く着火させて完全燃焼を実現できると共に、火炎がピストンやシリンダヘッドに当たることを抑制して熱損失も大幅に抑制できる。

第１実施形態を示す図で、（Ａ）はクランク軸線方向から見た縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）の要部拡大図である。 （Ａ）は燃焼行程での縦断面図、（Ｂ）は比較例の縦断面図である。 （Ａ）（Ｂ）とも他の実施形態を示す要部縦断面図である。

(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１，２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に向けて凹んだ円錐状の凹所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７が摺動自在に嵌まっている。なお、ピストン７の頂面には凹部７ａが形成されている。

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８と一対ずつの排気ポート９とが、クランク軸線を挟んだ両側に形成されている。吸気ポート８は吸気バルブ１０で開閉され、排気ポート９は排気バルブ１１で開閉される。各吸気ポート８は、それぞれシリンダヘッド３の吸気側面に開口している。

他方、各対の排気ポート９は、シリンダヘッド３に形成された集合通路に集まっており、集合通路には１つの排気出口穴が形成されて、排気出口穴はシリンダヘッド３の排気側面に開口している。

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１３を配置している。副燃焼室１３は、内面を上向きに凹んだ半球面状に形成した上カップ部１３ａと、内面を下向きに凹んだ半球面状の下向き凹局面と成した下カップ部１３ｂとを溶接することによって形成されている。従って、副燃焼室１３の内面は、上端部を除いて球面状に形成されている。

下カップ部１３ｂは等厚に形成されている。従って、下カップ部１３ｂの外面は半球状になっている。上カップ部１３ａも大まかには等厚になっている。このため、副燃焼室１３の外面も球状になっている。上カップ部１３ａには、シリンダヘッド３に下方から入り込む筒体（本体部）１４が一体に形成されており、本体部１４をねじ込み又は圧入若しくは溶接によってシリンダヘッド３に固定している。上カップ部１３ａは、シリンダヘッド３の内部に下方から部分的に入り込んでいる。

副燃焼室１３に連続した筒体１４に、点火プラグ１５が上方からねじ込みによって締結されている。副燃焼室１３の筒体１４及び点火プラグ１５はシリンダボア軸心Ｏ１と略同心に配置されており、点火プラグ１５の下端（先端）には、副燃焼室１３の内部に露出した中心電極１６と接地電極１７とを設けている。中心電極１６は、台座１６ａに中心極芯１６ｂを設けた構成である一方、接地電極１７は、プラグ本体から延出した略Ｌ型のアーム部１７ａと、アーム部１７ａの下端部から上向きに突設した接地極芯１７ｂとを備えており、中心極芯１６ｂと接地極芯１７ｂとの間が放電ギャップ１８になっている。

放電ギャップ１８の上下中間点は、副燃焼室１３の球状内面の中心Ｏ２に位置している。そして、副燃焼室１３の下カップ部１３ｂに、複数（例えば３～８個）の火炎噴孔１９が周方向に並んで形成されているが、各火炎噴孔１９は、副燃焼室１３の（放電ギャップ１８の）中心Ｏ２を通る軸心Ｏ３の方向に向くように形成している。具体的には、火炎噴孔１９はドリル加工によって形成されているが、ドリルを副燃焼室１３の中心Ｏ２に向けて前進させることにより、副燃焼室１３の中心Ｏ２から放射方向に向かう姿勢の火炎噴孔１９が形成されている。

なお、実施形態では、火炎噴孔１９は一列だけ形成しているが、高さを変えて複数列形成することも可能である。この場合も、各火炎噴孔１９の軸心Ｏ３は副燃焼室１３（放電ギャップ１８の）の中心Ｏ２を通るようになっている。

(2).まとめ
さて、図２（Ｂ）では従来の筒型副燃焼室１３を表示している。この従来構造では、点火プラグ１５の放電ギャップ１８と火炎噴孔１９′との間に大きな間隔が空いている。そして、放電ギャップ１８に発生した火花によって副燃焼室１３の内部に発生した火炎は、放電ギャップ１８から放射方向に伝播していくため、火炎は、放電ギャップ１８から直進性をもって進行する性質を持っている。

他方、火炎噴孔１９′は、ピストン７が上死点付近にあるときに、主燃焼室６に充満した混合気に効率よく火炎を晒すことができる角度に設定しているが、副燃焼室１３での火炎の直進方向と火炎噴孔１９′の軸心Ｏ３とが交叉しているため、火炎は、副燃焼室１３の内部で付与された直進性を保持しつつ火炎噴孔１９′に流入することになり、火炎噴孔１９の入り口で方向変換することとなる。

従って、火炎噴孔１９′から噴出する火炎の方向Ｏ４は火炎噴孔１９′の軸心Ｏ３よりも下に振れてしまい、結果として、火炎がピストンに当たる割合が増大して熱損失が増大すると共に、混合気への着火性が低下して完全燃焼を阻害するおそれが懸念される。

見方を変えて述べると、放電ギャップ１８から火炎噴孔１９′の入り口の上端までの距離Ｌ１と、放電ギャップ１８から火炎噴孔１９′の入り口の下端までの距離Ｌ２とが相違することにより、火炎噴孔１９の入り口部で圧力差が発生して、火炎が下方に押されるような状態で火炎噴孔１９′を通過してしまい、結果として、火炎の噴出方向が火炎噴孔１９の軸心Ｏ３に対して下方に振れてしまうと云える。

これに対して、本実施形態では、火炎噴孔１９の軸心は放電ギャップ１８を通っていることにより、副燃焼室１３の内部で発生した火炎の直進方向と火炎噴孔１９の軸心Ｏ３とが一致しているため、火炎は方向変換することなく火炎噴孔１９にスムースに流入して、主燃焼室６において火炎噴孔１９の軸心Ｏの方向に噴出する。従って、混合気にまんべんなく着火させることができて完全燃焼を実現できると共に、シリンダヘッド３やピストン７への放熱を抑制して熱損失を低減できる。

更に述べると、副燃焼室１３で発生した火炎が方向変換することなく火炎噴孔１９を通過するため、火炎の飛散速度を高める効果もあり、これにより、燃料の（混合気の）瞬間的な燃焼を促進して出力向上に貢献できる。

放電ギャップ１８で発生した火花によって副燃焼室１３の内部で混合気が燃焼すると、火炎は放電ギャップ１８を中心にして全方位に広がるが、本実施形態のように副燃焼室１３の内面の略全体を凹球面状に形成すると、副燃焼室１３の内部での圧力が均等化するため、火炎が副燃焼室１３の中心Ｏ２から等速で広がることを確実化できる。

(3).参考例
図３（Ａ）に示す第１参考例では、底部（下部）の内面を半球状の下向き凹局面と成した副燃焼室１３において、点火プラグ１５を、底部の球面の曲率半径の中心位置に放電ギャップ１８の中心Ｏ２が来るように配置している。この実施形態でも、火炎噴孔１９の軸心Ｏ３は放電ギャップ１８の中心Ｏ２を通っているため、火炎を最適な方向に噴出させることができる。

図３（Ｂ）に示す第２参考例は第１参考例の変形例であり、点火プラグ１５を構成する本体（ボデー）の下面に上向きに凹んだ凹局面２０を形成することにより、副燃焼室１３の内面の略全体を球状凹面と成している。

本願発明は、他にも様々に具体化できる。例えば、副燃焼室１３の下部を軸心に近づくほど肉厚が増大するように不等厚に形成することができる。多数の火炎噴孔を、異なる内径のもので構成することも可能である。

本願発明は、実際に内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。

３ シリンダヘッド
４ シリンダボア
７ ピストン
１３ 副燃焼室
１３ａ 上カップ部
１３ｂ 下カップ部
１４ 筒体（本体部）
１５ 点火プラグ
１６ 中心電極
１６ａ 台座
１６ｂ 中心極芯
１７ 接地電極
１７ａ アーム部
１７ｂ 接地極芯
１８ 放電ギャップ
１９ 火炎噴孔
Ｏ１ シリンダボア軸心
Ｏ２ 放電ギャップの中心
Ｏ３ 火炎噴孔の軸心

Claims (1)

1. 主燃焼室の略中央部に露出するようにシリンダヘッドに設けられた副燃焼室と、シリンダボア軸心と略同心状に配置された中心電極及び接地電極並びに両者の間に位置した放電ギャップを前記副燃焼室内に露出させた点火プラグとを備えており、
   前記副燃焼室は、前記点火プラグが装着された筒体の下端に設けられていて、上端部を除いて前記放電ギャップを中心にした球状に形成されており、従って、前記副燃焼室の内面はその上端部を除いて凹曲面に形成されており、
   前記副燃焼室に、前記シリンダボア軸心に対して交叉した姿勢で前記主燃焼室の方向に開口した火炎噴孔を設けている構成であって、
   前記副燃焼室は、前記放電ギャップの高さを境にして重なり合った上カップ部と下カップ部とで構成されて、前記上カップ部と下カップ部とは溶接によって接合されており、
   前記上カップ部の上部は前記シリンダヘッドの内部に下方から入り込んでいる一方、
   前記下カップ部はその全体が前記主燃焼室に露出していて、前記下カップ部に、前記火炎噴孔が前記放電ギャップを通る軸線方向に向いて開口している、
   副燃焼室付き内燃機関。

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