WO2007032206A1 - 火花点火機関 - Google Patents

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WO2007032206A1
WO2007032206A1 PCT/JP2006/317070 JP2006317070W WO2007032206A1 WO 2007032206 A1 WO2007032206 A1 WO 2007032206A1 JP 2006317070 W JP2006317070 W JP 2006317070W WO 2007032206 A1 WO2007032206 A1 WO 2007032206A1
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chamber
ignition
sub
combustion
sub chamber
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PCT/JP2006/317070
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French (fr)
Inventor
Kunihiko Inoue
Toru Takemoto
Original Assignee
Yanmar Co., Ltd.
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P13/00—Sparking plugs structurally combined with other parts of internal-combustion engines
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01T—SPARK GAPS; OVERVOLTAGE ARRESTERS USING SPARK GAPS; SPARKING PLUGS; CORONA DEVICES; GENERATING IONS TO BE INTRODUCED INTO NON-ENCLOSED GASES
    • H01T13/00—Sparking plugs
    • H01T13/54—Sparking plugs having electrodes arranged in a partly-enclosed ignition chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/08—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a spark ignition engine including a single chamber combustion chamber.
  • a spark ignition engine having a single-chamber combustion chamber has a sub-chamber ignition bras provided with a sub-chamber without fuel supply in order to stabilize the ignition performance even when a lean air-fuel mixture is used.
  • a spark ignition engine for example, as shown in FIGS. 15 and 16, a combustion chamber 25 is formed between the cylinder head 21 and the top surface of the piston 23 in the cylinder 22, and the combustion chamber 25 is formed above the combustion chamber 25.
  • a spark plug 27 is provided on the cylinder head 21 so that the ignition electrode 27a is positioned.
  • a subchamber 30 communicating with the combustion chamber 25 was formed.
  • the air-fuel mixture flowing from the cylinder 22 into the sub chamber 30 is ignited by the ignition electrode 27a of the ignition plug 27, the flame ejected from the nozzle 28a '28a' ⁇ 'becomes a flame jet.
  • the air-fuel mixture in the combustion chamber 25 was surely burned by propagating into the combustion chamber 25 while producing a large turbulence. At this time, rapid combustion can be realized by the disturbance of the flame jet.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 4-287826
  • the diameter of the sub chamber depends on the diameter of the spark plug.
  • the sub chamber has an elongated shape with a large aspect ratio, and the distance from the ignition position of the air-fuel mixture by the ignition electrode provided on the upper side of the sub chamber to the injection port provided on the lower side of the sub chamber becomes longer, and the vicinity of the ignition position is increased. Residual gas tends to accumulate. Therefore, at the ignition timing Ignition and flame growth in the subchamber were hindered by the effects of residual gas, and it was not possible to obtain stable ignition and combustion performance for lean mixtures.
  • an object of the present invention is to provide a spark ignition engine that can be operated even with a leaner air-fuel mixture than the conventional one and has stable ignition and combustion performance.
  • a spark plug is provided with a spark plug through a sleeve in a cylinder head, and an ignition electrode of the spark plug is disposed at a position facing a single chamber combustion chamber in the cylinder.
  • the sleeve is formed in a cylindrical shape with a bottom, and a sub chamber for accommodating the ignition electrode of the ignition plug is formed at the bottom of the sleeve, and a nozzle for communicating the sub chamber with the combustion chamber is provided.
  • the bottom of the sleeve protrudes from the explosion surface into the combustion chamber, and the ignition position by the ignition electrode is set near the explosion surface.
  • the sub-chamber is a cylindrical space surrounded by the sleeve and the spark plug, and the sub-chamber aspect ratio calculated by dividing the height of the sub-chamber by the diameter is in the range of 0.5 to 1.0. Is set inside.
  • the ignition position of the air-fuel mixture by the ignition electrode of the ignition plug is arranged on the nozzle side below the residual gas remaining in the sub chamber at the ignition timing before the compression top dead center. It is.
  • the calculated value calculated by dividing the sub-chamber upper surface force by dividing the distance to the ignition position by the height of the sub-chamber is set in the range of 0.5 to 0.8. .
  • the sub chamber volume ratio calculated by dividing the volume of the sub chamber by the volume of the combustion chamber at the time of compression top dead center is set within a range of 0.010-0.015. It is.
  • the nozzle hole communicating the sub chamber and the combustion chamber is a pair of nozzle holes symmetrical about the ignition position, and the nozzle hole angle formed by the pair of nozzle holes in the vertical direction is set. 80 ⁇ : It is set within the range of LOO degree.
  • the direction of the nozzle hole communicating the sub chamber and the combustion chamber is defined as the ignition position.
  • the straight direction connecting the center of the valve recess provided on the outer periphery of the combustion chamber or between adjacent valve recesses, and the tolerance of the deviation of the direction of the nozzle hole from the linear direction is set within a range of 10 to 10 degrees in the horizontal direction. Is.
  • a commercially available spark plug can be used as it is, and cost reduction can be achieved.
  • a flame jetted from a sub chamber to a combustion chamber through a nozzle provided in a sleeve becomes a flame jet. Due to the turbulence generated by the flame jet, rapid combustion can be performed without using a conventional sub-chamber spark plug.
  • the nozzle can be located at a position away from the explosion surface force, and it is possible to prevent Taenti near the explosion surface of the flame jet.
  • the shape of the sub chamber is simple, the degree of freedom in designing the shape of the sub chamber and the ignition position is increased, and the sub chamber can be easily configured so that the influence of residual gas can be avoided.
  • the sub chamber can be configured with an appropriate aspect ratio, it is possible to operate the engine using a leaner air-fuel mixture than in the past.
  • the ignition position by the spark plug is disposed at an appropriate position in the sub chamber, and the instability of ignition and combustion performance due to the residual gas in the sub chamber can be suppressed. Therefore, stable ignition and combustion can be performed even in the lean region, and the operating range of the engine can be expanded to the lean side.
  • the ignition position in the sub chamber can be set to an appropriate position, and instability of ignition and combustion performance due to residual gas in the sub chamber can be suppressed. Therefore, it is possible to perform stable ignition and combustion even in a lean region, thereby expanding the engine operating range to the lean side.
  • the engine can be operated in a lean region while maintaining combustion stability.
  • the nozzle angle with respect to the sub chamber can be set to an appropriate angle, so that the engine can be operated in a lean region while reliably maintaining the combustion stability by ejecting the flame jet from the nozzle. It can be carried out.
  • the direction of the nozzle hole with respect to the sub chamber can be set to an appropriate direction.
  • the engine can be operated in a lean region while maintaining combustion stability.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a combustion chamber including a spark plug and a sleeve according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a sectional view of a sub chamber provided in the spark plug and the sleeve.
  • FIG. 3 is a sectional plan view of the sleeve.
  • A The figure which shows the case where the direction of a nozzle is the linear direction Ol.
  • B The figure which shows the case where the direction of a nozzle is the linear direction 02.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the sub-chamber aspect ratio and the combustion stability.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the sub chamber with residual gas.
  • FIG. 7 Sub-chamber upper surface force Distance to ignition position Z A diagram showing the relationship between the height of the sub-chamber and the mixture concentration at the misfire limit.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the sub-chamber volume ratio and the mixture concentration at the misfire limit.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the sub chamber volume ratio and the combustion stability.
  • FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the nozzle angle and the mixture concentration at the misfire limit.
  • FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the nozzle angle and the combustion stability.
  • FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the direction of the nozzle and the mixture concentration at the misfire limit.
  • FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the nozzle direction and the combustion stability.
  • FIG. 15 is a sectional view of a combustion chamber provided with a conventional sub-chamber type ignition plug.
  • FIG. 16 is a partial cross-sectional view of a sub chamber provided in a conventional sub chamber type spark plug.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a combustion chamber provided with a spark plug and a sleeve according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a sub chamber provided in the spark plug and the sleeve
  • FIG. 3 is a cross-sectional plan view of the sleeve.
  • Fig. 4 shows the relationship between the sub-chamber aspect ratio and the mixture concentration at the misfire limit
  • Fig. 5 shows the relationship between the sub-chamber aspect ratio and combustion stability
  • Fig. 6 shows the state with residual gas.
  • FIG. 7 shows the distance between the sub-chamber top surface force ignition position Z and the relationship between the sub-chamber height and the mixture concentration at the misfire limit.
  • Fig. 9 shows the relationship between sub chamber height and combustion stability
  • Fig. 9 shows the relationship between sub chamber volume ratio and mixture concentration at the misfire limit
  • Fig. 10 shows the relationship between sub chamber volume ratio and combustion stability.
  • Fig. 11 shows the relationship between the nozzle angle and the mixture concentration at the misfire limit
  • Fig. 12 shows the relationship between the nozzle angle and combustion stability.
  • Fig. 13 is a diagram showing the relationship between the nozzle orientation and the mixture concentration at the misfire limit
  • Fig. 14 is a diagram showing the relationship between the nozzle orientation and combustion stability
  • Fig. 15 is equipped with a conventional sub-chamber spark plug.
  • FIG. 16 is a partial sectional view of a sub chamber provided in a conventional sub chamber type spark plug.
  • a cylinder 2 is continuously arranged below the cylinder head 1, and a piston 3 is provided in the cylinder 2 so as to be slidable up and down. ing.
  • a concave portion 3 a is provided at the upper end of the piston 3 so as to face the cylinder head 1, and the concave portion 3 a, the cylinder head 1 and the cylinder 2 form a combustion chamber 5.
  • an intake valve and an exhaust valve are arranged on the cylinder head 1 so as to face the valve recesses 3b, 3b---(see Fig. 3) provided on the top of the piston 3, and the intake valve and the exhaust valve are appropriately connected. By opening and closing, the intake and exhaust of the combustion chamber 5 are performed.
  • a cylindrical sleeve 6 with a bottom is fitted in the vertical direction at a substantially central position of the combustion chamber 5 of the cylinder head 1, and a spark plug 7 is provided in the sleeve 6.
  • Ignition electrodes 7a and 7b are placed at the lower end of the spark plug 7 so that it is located at the upper part of the combustion chamber 5. I have.
  • the ignition electrode 7a '7b of the spark plug 7 is covered with the bottom of the sleeve 6 protruding into the combustion chamber 5, and the sub chamber 10 is placed in the lower portion of the sleeve 6 that accommodates the ignition electrode 7a' 7b. Is forming.
  • the sub chamber 10 is disposed substantially in the center of the combustion chamber 5 in plan view, and as shown in FIG. 3, there is a valve recess 3b'3b '... formed on the piston 3 around the sub chamber 10. It is supposed to be located.
  • the valve recesses 3b'3b ' are used as valve recesses for intake valves or exhaust valves, and in this embodiment, there are two intake and exhaust valve recesses, each symmetrically about the sub chamber 10. Arranged every 90 degrees.
  • a plurality of nozzle holes 6a'6a ' are provided around the bottom of the sleeve 6 at equal intervals, and the sub chamber 10 and the combustion chamber are provided via the nozzles 6a'6a. 5 is communicated.
  • the combustion mixture sucked into the cylinder 2 by opening the intake valve flows into the sub chamber 10 through the nozzles 6a'6a ', and the spark plug 7 sparks at the ignition electrodes 7a'7b.
  • the nozzle 6a ⁇ 6a ⁇ ⁇ ⁇ force also causes the flame to spout and propagate in the combustion chamber 5!
  • the bottom portion of the sleeve 6 provided with the nozzle holes 6a'6a ' is projected into the combustion chamber 5 from the explosion surface la (the lower surface facing the cylinder 2 of the cylinder head 1), and the sleeve 6 Inside, the ignition electrode 7a '7b of the spark plug 7 is projected to the vicinity of the explosion surface.
  • the ignition position 12 by the ignition electrode 7a'7b in the sub chamber 10 is configured to be positioned near the explosion surface la in the vertical direction.
  • the nozzle 6a'6a 'of the sleeve 6 from the sub chamber 10 is sparked. •
  • the flame ejected through the combustion chamber 5 through the flame becomes a flame jet and generates turbulence, which enables rapid combustion without using a sub-chamber plug.
  • the nozzle hole 6a'6a '... Of the sleeve 6 is located away from the explosion surface la, so that it is possible to prevent the flame jet near the explosion surface.
  • the sub chamber 10 is a space formed between the sleeve 6 and the spark plug 7, its shape is naturally determined. Therefore, the subchamber 10 can be easily configured so that the shape of the subchamber becomes simple and the influence of residual gas can be avoided.
  • the sub chamber 10 has a substantially cylindrical shape, and the diameter of the sub chamber 10 is a spark plug 7.
  • the outer diameter is substantially the same.
  • the height (vertical width) of the sub chamber 10 is the distance L1 from the inner bottom surface of the sleeve 6 to the bottom surface of the spark plug 7, and the diameter (horizontal width) of the sub chamber 10 is the sleeve 6
  • the sub chamber 10 is configured so as to satisfy the relationship of the formula (1) between the distance L1 and the distance L2.
  • the aspect ratio L1ZL2 of the subchamber 10 is calculated, and the subchamber aspect ratio L1ZL2 is set to 0. It is set within the range of 5 to 1.0. That is, the sub chamber 10 has a shape that is horizontally long when viewed in cross section.
  • the sub chamber 10 By configuring the sub chamber 10 in this way, as shown in FIG. 4, it is possible to reduce the concentration of the air-fuel mixture at the misfire limit as compared with the case where the sub chamber aspect ratio L1ZL2 is small. it can. In other words, the excess air ratio at the misfire limit increases. Therefore, by configuring the subchamber 10 with the aspect ratio of the subchamber 10 being an appropriate value within the set range, it is possible to operate the engine by burning the leanest air-fuel mixture as much as possible.
  • the ignition position by the ignition electrode in the sub chamber is on the upper side of the sub chamber, that is, on the side opposite to the injection port communicating with the combustion chamber as in the prior art, before the ignition at which the piston reaches the compression top dead center. Because a large amount of residual gas exists near the ignition position in the sub chamber, even if a new lean air-fuel mixture flows into the sub chamber from the nozzle, it is sufficiently affected by the residual gas to reach the ignition position. However, even if it was ignited with sparks, it was unable to perform combustion stably.
  • the ignition position 12 is set to an appropriate position in the sub chamber 10 so as not to be affected by the residual gas. ! / That is, as shown in FIG. 6, in the sub chamber 10 set to the above-described proper aspect ratio, the ignition electrodes 7a and 7b of the ignition plug 7 extend downward in the sub chamber 10, and the ignition electrode The ignition position 12 of the air-fuel mixture by 7a ⁇ 7b is arranged near the explosion surface la near the nozzle 6a'6a ' ⁇ ⁇ of the sleeve 6.
  • the ignition position 12 of the air-fuel mixture by the ignition electrodes 7a '7b is specifically the compression of the piston 3
  • the amount of residual gas remaining in the sub chamber 10 at the ignition timing before the top dead center in the process is calculated, and the amount of the calculated residual gas occupied in the sub chamber 10 is set to a predetermined amount or less.
  • the residual gas amount in the sub chamber 10 at the ignition timing before the compression top dead center is obtained from the equation (2).
  • the volume above the ignition position 12 of the sub chamber 10 is set to be larger than the residual gas amount calculated by the equation (2), and the volume force also determines the ignition position 12. That is, the combustion exhaust gas remaining in the sub chamber 10 when the piston 3 is raised is compressed upward so that its volume is smaller than the volume in the sub chamber 10 above the ignition position 12. At the time of ignition, the residual combustion exhaust gas is positioned above the ignition position so as not to interfere with combustion.
  • the volume above the ignition position 12 of the sub chamber 10 can be calculated based on the distance L3 from the upper surface of the sub chamber (the bottom surface of the spark plug 7) to the ignition position 12 and the sub chamber diameter L2. Accordingly, since the bottom area is the same, the value obtained by dividing the residual gas amount by the bottom area is set to be shorter than the distance L3.
  • the distance L3 from the upper surface of the sub chamber 10 to the ignition position 12 when the proper ignition position is set is from the upper end of the sub chamber 10 to the upper side of the sub chamber 10. If L4 is the distance to the lower end position of the residual gas that is present, set L3> L4.
  • the ignition position 12 of the air-fuel mixture by the ignition electrode 7a ′ 7b of the ignition plug 7 is arranged on the side of the nozzle hole 6a below the residual gas remaining in the sub chamber 10. Therefore, the ignition position 12 by the spark plug 7 is arranged at an appropriate position in the sub chamber 10, and the instability of ignition and combustion performance due to the residual gas in the sub chamber 10 can be suppressed. Therefore, stable ignition and combustion can be performed even in the lean region, and the operating range of the engine can be expanded to the lean side.
  • the sub chamber 10 is ignited so that the upper surface force of the sub chamber 10 also satisfies the relationship of the formula (3) between the distance L3 to the ignition position 12 and the height L1 of the sub chamber 10.
  • Position 12 is set. 0. 5 ⁇ L3 / L1 ⁇ 0. 8 (3)
  • the upper surface force of the sub chamber 10 is also divided by the distance L3 to the ignition position 12 by the height LI of the sub chamber 10, and the calculated value L3ZL1 is set within the range of 0.5 to 0.8.
  • the volume ratio V1ZV2 of the subchamber 10 is calculated by dividing the subchamber volume VI by the combustion chamber volume V2, and the subchamber volume ratio V1ZV2 is set within a range of 0.010-0.015. .
  • the sub chamber volume ratio V1ZV2 is the set value 0.
  • the concentration of the air-fuel mixture at the misfire limit is the thinnest. That is, the excess air ratio at the misfire limit increases. Therefore, by configuring the subchamber 10 so that the volume ratio of the subchamber 10 is an appropriate value within the set range, it is possible to burn the lean air-fuel mixture as much as possible and operate the engine.
  • a plurality of nozzle holes 6a'6a ' ⁇ provided at the bottom of the sleeve 6 are arranged in the diameter direction as a set of two, and a plurality of sets Provided. In other words, the pair of nozzle holes 6a′6a are arranged symmetrically about the ignition position 12 by the spark plug 7.
  • Each nozzle 6a is formed so as to incline downward toward the outer peripheral portion of the combustion chamber 5, so that a flame jet can be injected radially from the sub chamber 10 toward the combustion chamber 5 through the nozzle 6a. I have to. Then, as shown in FIG. 6, the nozzle angle ⁇ formed by the pair of nozzle holes 6a ⁇ 6a in the vertical direction is set within a range of 80 to: LOO degrees! /
  • the concentration of the air-fuel mixture at the misfire limit in the sub chamber 10 becomes thin when the nozzle angle ⁇ is in the range of the set value 80 to L00 degrees. .
  • the excess air ratio at the misfire limit increases. Therefore, by setting the nozzle angle ⁇ to an appropriate value within the set range with respect to the sub chamber 10, it is possible to burn the lean air-fuel mixture as much as possible and operate the engine.
  • the pair of nozzle holes 6a '6a are arranged at equal intervals around the ignition position 12 by the ignition plug 7 in plan view.
  • two pairs of nozzle holes 6a ′ 6a are provided, and they are arranged 90 degrees apart. In other words, four nozzle holes are arranged around the sub chamber 10 every 90 degrees.
  • the jet direction force of the flame jet from the nozzle holes 6a '6a "' As shown in Fig. 3 (a), the direction of each nozzle hole 6a is set so as to be directed toward the center of each valve recess 3b ( A straight direction connecting the ignition position 12 and the center of the valve recess 3b 01), or as shown in Fig. 3 (b), the direction of each nozzle 6a is set so as to have a counter force between the valve recess 3b and the valve recess 3b. (Linear direction 02 connecting the ignition position 12 and the adjacent valve recess 02).
  • 8 is set in the horizontal direction.
  • the deviation tolerance j8 is set to 10 ⁇ : LO degree
  • the concentration of the mixture at the misfire limit in the subchamber 10 is the thinnest. In other words, the excess air ratio at the misfire limit increases. Therefore, by setting the direction of the nozzle hole 6a to an appropriate direction within the set range with respect to the sub chamber 10, it is possible to burn the lean air-fuel mixture as much as possible and operate the engine.
  • the present invention is applicable to a spark ignition engine having a single chamber combustion chamber.

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Abstract

　従来に比べてより希薄な混合気でも運転を可能にし、安定した点火及び燃焼性能を有する火花点火機関を提供することを課題とし、点火プラグ７をシリンダヘッド１にスリーブ６を介して設け、該点火プラグ７の点火電極７ａをシリンダ２内の単室式燃焼室５に臨む位置に配置した火花点火機関において、前記スリーブ６を有底円筒状に形成し、該スリーブ６の底部に点火プラグ７の点火電極７ａ・７ｂを収容する副室１０を形成するとともに、該副室１０と前記燃焼室５とを連通する噴口６ａを設け、該スリーブ６の底部を爆面１ａよりも燃焼室５内に突出し、点火電極７ａによる点火位置１２を爆面１ａ付近とした。

Description

火花点火機関
技術分野
[0001] 本発明は、単室式燃焼室を備える火花点火機関に関する。
背景技術
[0002] 従来から、単室式燃焼室を備える火花点火機関には、希薄混合気を使用した場合 でも、点火性能を安定させるために、燃料供給のない副室を設けた副室型点火ブラ グを備えたものがある (例えば、特許文献 1参照)。このような火花点火機関において は、例えば図 15、図 16に示すように、シリンダヘッド 21とシリンダ 22内のピストン 23 頂面との間に燃焼室 25を形成し、該燃焼室 25の上部に点火電極 27aが位置するよ うに点火プラグ 27をシリンダヘッド 21に設けている。そして、点火プラグ 27の先端に 複数の噴口 28a ' 28a' · ·を有するキャップ 28を点火電極 27aを覆うように一体的に 設けて、該キャップ 28内に噴口 28a ' 28a' · ·を介して燃焼室 25と連通する副室 30を 形成していた。これにより、シリンダ 22内から副室 30内に流入した混合気を点火ブラ グ 27の点火電極 27aにて火花点火した際に、噴口 28a ' 28a ' · 'から噴出する火炎 は火炎ジェットとなって、大きな乱れを生みながら燃焼室 25内に伝播して当該燃焼 室 25内の混合気を確実に燃焼させていた。このとき、前記火炎ジェットの乱れにより 急速燃焼が実現可能となって 、た。
特許文献 1：特開平 4— 287826号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0003] 従来のような火花点火機関においては、点火プラグの下部先端に有底円筒状のキ ヤップを一体的に設けて副室を形成するため、副室の直径は点火プラグの直径によ り制限されることになり、副室に有効な容積を確保するためには、高さを高くする必要 があった。これにより、副室が縦横比の大きな縦長状となり、副室上側に設けられた 点火電極による混合気の点火位置から副室下側に設けられる噴口までの距離が長く なって、点火位置付近に残留ガスが溜まりやすくなつていた。そのため、点火時期に 副室内での点火や火炎の成長が残留ガスの影響を受けて妨げられ、希薄混合気に 対して安定した点火及び燃焼性能を得ることができな力つた。
[0004] そこで本発明においては、従来に比べてより希薄な混合気でも運転を可能にし、安 定した点火及び燃焼性能を有する火花点火機関を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0005] 本発明の解決しょうとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するため の手段を説明する。
[0006] 即ち、本発明にお 、ては、点火プラグをシリンダヘッドにスリーブを介して設け、該 点火プラグの点火電極をシリンダ内の単室式燃焼室に臨む位置に配置した火花点 火機関において、前記スリーブを有底円筒状に形成し、該スリーブの底部に点火プ ラグの点火電極を収容する副室を形成するとともに、該副室と前記燃焼室とを連通す る噴口を設け、該スリーブの底部を爆面よりも燃焼室内に突出し、点火電極による点 火位置を爆面付近としたものである。
[0007] 前記副室を前記スリーブと前記点火プラグで囲まれる円柱状空間とし、該副室の高さ を直径で除算することにより算出する副室縦横比を 0. 5〜1. 0の範囲内に設定した ものである。
[0008] 本発明にお 、ては、前記点火プラグの点火電極による混合気の点火位置を、圧縮 上死点より前の点火時期に副室内に残留する残留ガスよりも下方の噴口側に配置し たものである。
[0009] 本発明においては、前記副室上面力も点火位置までの距離を副室の高さで除算 することにより算出する算出値を 0. 5〜0. 8の範囲内に設定したものである。
[0010] 本発明においては、前記副室の容積を圧縮上死点時における前記燃焼室の容積 で除算することにより算出する副室容積比を 0. 010-0. 015の範囲内に設定したも のである。
[0011] 本発明にお 、ては、前記副室と前記燃焼室とを連通する噴口を点火位置を中心と して対称な一対の噴口とし、該一対の噴口が鉛直方向でなす噴口角度を 80〜： LOO 度の範囲内に設定したものである。
[0012] 本発明においては、前記副室と前記燃焼室とを連通する噴口の向きを点火位置と 燃焼室の外周部に設けたバルブリセスの中心又は隣り合うバルブリセスの間とを結ぶ 直線方向とし、該噴口の向きの直線方向に対するずれの許容度を水平方向で 10 〜 10度の範囲内に設定したものである。
発明の効果
[0013] 本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。
[0014] 本発明により、一般に市販されている点火プラグをそのまま使用できてコスト低減ィ匕 が図れ、スリーブに設けた噴口を通じて副室から燃焼室に噴出する火炎が火炎ジヱ ットとなり、該火炎ジェットが生成する乱れにより、従来の副室型点火プラグを用いるこ となく急速燃焼を行うことができる。さらに、噴口を爆面力 離れた位置に配置するこ とができ、火炎ジェットの爆面付近でのタエンチを防ぐことができる。また、副室形状 が単純なものとなるため、副室形状及び点火位置の設計自由度が高くなり、残留ガ スの影響を避けることができるように副室を容易に構成することができる。
[0015] 本発明により、副室を適正な縦横比で構成することができるので、従来に比べてより 希薄な混合気を用いて機関の運転を行うことが可能となる。
[0016] 本発明により、点火プラグによる点火位置を副室の適正な位置に配置することとな り、副室内の残留ガスによる点火及び燃焼性能の不安定ィ匕を抑えることができる。よ つて、希薄領域でも安定した点火及び燃焼を行うことが可能となり、これにより機関の 運転範囲を希薄側に拡大することができる。
[0017] 本発明により、副室での点火位置を適正な位置に設定することができ、副室内の残 留ガスによる点火及び燃焼性能の不安定ィ匕を抑えることができる。よって、希薄領域 でも安定した点火及び燃焼を行うことが可能となり、これにより機関の運転範囲を希 薄側に拡大することができる。
[0018] 本発明により、副室を適正な副室容積比で構成することができるので、燃焼安定性 を保持しつつ、希薄領域での機関の運転を行うことができる。
[0019] 本発明により、副室に対する噴口角度を適正な角度に設定することができるので、 確実に火炎ジェットを噴口より噴出させて燃焼安定性を保持しつつ、希薄領域での 機関の運転を行うことができる。
[0020] 本発明により、副室に対する噴口の向きを適正な方向に設定することができるので 、燃焼安定性を保持しつつ、希薄領域での機関の運転を行うことができる。
図面の簡単な説明
[0021] [図 1]本発明の一実施例に係る点火プラグ及びスリーブを備える燃焼室の断面図。
[図 2]点火プラグ及びスリーブに備える副室の断面図。
[図 3]スリーブの断面平面図。（a)噴口の向きが直線方向 Olの場合を示す図。（b)噴 口の向きが直線方向 02の場合を示す図。
圆 4]副室縦横比と失火限界での混合気濃度との関係を示す図。
[図 5]副室縦横比と燃焼安定性との関係を示す図。
[図 6]残留ガスを有する状態の副室の断面図。
[図 7]副室上面力 点火位置までの距離 Z副室高さと失火限界での混合気濃度との 関係を示す図。
[図 8]副室上面力 点火位置までの距離 Z副室高さと燃焼安定性との関係を示す図
[図 9]副室容積比と失火限界での混合気濃度との関係を示す図。
[図 10]副室容積比と燃焼安定性との関係を示す図。
[図 11]噴口角度と失火限界での混合気濃度との関係を示す図。
[図 12]噴口角度と燃焼安定性との関係を示す図。
[図 13]噴口の向きと失火限界での混合気濃度との関係を示す図。
[図 14]噴口の向きと燃焼安定性との関係を示す図。
[図 15]従来の副室型点火プラグを備える燃焼室の断面図。
[図 16]従来の副室型点火プラグに備える副室の一部断面図。
符号の説明
[0022] 1 シリンダヘッド
2 シリンダ
5 燃焼室
6 スリーブ
7 点火プラグ
7a 点火電極 (接地電極） 7b 点火電極（中心電極）
10 副室
12 点火位置
発明を実施するための最良の形態
[0023] 次に、発明の実施の形態を説明する。
[0024] 図 1は本発明の一実施例に係る点火プラグ及びスリーブを備える燃焼室の断面図 、図 2は点火プラグ及びスリーブに備える副室の断面図、図 3はスリーブの断面平面 図、図 4は副室縦横比と失火限界での混合気濃度との関係を示す図、図 5は副室縦 横比と燃焼安定性との関係を示す図、図 6は残留ガスを有する状態の副室の断面図 、図 7は副室上面力 点火位置までの距離 Z副室高さと失火限界での混合気濃度と の関係を示す図、図 8は副室上面力 点火位置までの距離 Z副室高さと燃焼安定性 との関係を示す図、図 9は副室容積比と失火限界での混合気濃度との関係を示す図 、図 10は副室容積比と燃焼安定性との関係を示す図、図 11は噴口角度と失火限界 での混合気濃度との関係を示す図、図 12は噴口角度と燃焼安定性との関係を示す 図、図 13は噴口の向きと失火限界での混合気濃度との関係を示す図、図 14は噴口 の向きと燃焼安定性との関係を示す図、図 15は従来の副室型点火プラグを備える燃 焼室の断面図、図 16は従来の副室型点火プラグに備える副室の一部断面図である
[0025] 火花点火機関においては、図 1、図 2に示すように、シリンダヘッド 1の下方にシリン ダ 2を連続して配置し、該シリンダ 2内にピストン 3を上下に摺動自在に設けている。 該ピストン 3の上部先端にはシリンダヘッド 1と対向して凹部 3aを設け、該凹部 3aとシ リンダヘッド 1とシリンダ 2で燃焼室 5を形成している。また、シリンダヘッド 1には図示 しない吸気バルブと排気バルブそれぞれをピストン 3の上部に設けたバルブリセス 3b •3b - - - (図 3参照）に臨ませて配置し、該吸気弁と排気弁を適宜開閉することにより 燃焼室 5に対して吸気や排気を行うようにして 、る。
[0026] 前記シリンダヘッド 1の燃焼室 5の略中心位置には有底円筒状のスリーブ 6を上下 方向に嵌合し、該スリーブ 6内に点火プラグ 7を設けている。点火プラグ 7の下部先端 には燃焼室 5上部に位置するように点火電極 7a · 7b (接地電極 7a '中心電極 7b)を 備えている。そして、該点火プラグ 7の点火電極 7a' 7bは燃焼室 5内に突出したスリ ーブ 6の底部で覆うようにして、当該点火電極 7a' 7bを収容するスリーブ 6の下部内 に副室 10を形成している。
[0027] 前記副室 10は平面視で燃焼室 5の略中央に配置し、図 3に示すように、該副室 10 の周囲に前記ピストン 3上に形成したバルブリセス 3b'3b' ··が位置するようにしてい る。バルブリセス 3b'3b' ··は吸気バルブ用のバルブリセス又は排気バルブ用のバル ブリセスとして用い、本実施例では、それぞれ吸気用及び排気用バルブリセスを二つ ずつ備え、副室 10を中心として左右対称に 90度毎に配置している。
[0028] また、前記スリーブ 6の底部周囲には複数の噴口 6a'6a' ··を等間隔毎に貫通して 設け、該噴ロ 6a '6a · ··を介して副室 10と燃焼室 5とを連通している。こうして、吸気 バルブが開いてシリンダ 2内に吸入された燃焼用混合気が副室 10に噴口 6a'6a' · · を通じて流入し、該混合気を点火プラグ 7が点火電極 7a' 7bにて火花点火することで 、噴口 6a · 6a · · ·力も火炎が燃焼室 5内に噴出して伝播するようにして!/、る。
[0029] そして、前記スリーブ 6の噴口 6a'6a' ··を設けた底部を爆面 la (シリンダヘッド 1の シリンダ 2に対向する下面)よりも燃焼室 5内へ突出させるとともに、前記スリーブ 6内 において点火プラグ 7の点火電極 7a' 7bを爆面付近まで突出させている。こうして、 副室 10内の点火電極 7a'7bによる点火位置 12を上下方向で爆面 la付近に位置す るように構成している。
[0030] したがって、燃料を別途供給することなく希薄燃焼を行うために、点火プラグ 7で副 室 10内の混合気に対し火花点火する際、前記副室 10からスリーブ 6の噴口 6a'6a' • ·を通じて燃焼室 5に噴出する火炎が火炎ジェットとなって乱れを生成し、該乱れに より副室型プラグを用いることなく急速燃焼を行うことが可能となる。そしてまた、このと きには前記スリーブ 6の噴口 6a'6a' ··が爆面 laから離れた位置となるため、火炎ジ エツトの爆面付近でのタエンチを防ぐことができる。
[0031] さらに、前記副室 10はスリーブ 6と点火プラグ 7との間に形成される空間となるため その形状は自ずと決まってしまう。そのため、副室形状が単純なものとなって、残留ガ スの影響を避けることができるように副室 10を容易に構成することができる。
[0032] 本実施例では、前記副室 10の形状を略円柱形状として、その直径を点火プラグ 7 の外径と略一致させている。そして、図 2に示すように、副室 10の高さ（縦幅）をスリー ブ 6の内側底面から点火プラグ 7の底面までの距離 L1とし、副室 10の直径 (横幅）を スリーブ 6の内径と等しい距離 L2とした場合に、距離 L1と距離 L2との間に式（1)の 関係を満たすように副室 10を構成して 、る。
0. 5≤L1/L2≤1. 0 (1)すなわち、前記副室 10の高さを直径で除算すること によって、副室 10の縦横比 L1ZL2を算出し、該副室縦横比 L1ZL2を 0. 5〜1. 0 の範囲内に設定している。つまり、副室 10は断面視横長となる形状としている。
[0033] このように副室 10を構成することで、図 4に示すように、副室縦横比 L1ZL2が小さ い場合よりも、大きい方が失火限界での混合気の濃度を薄くすることができる。つまり 、失火限界での空気過剰率が大きくなる。よって、副室 10の縦横比を前記設定範囲 内の適正な値として副室 10を構成することで、できるだけ希薄な混合気を燃焼させ て、機関の運転を行うことができる。
[0034] また、図 5に示すように、副室縦横比 L1ZL2が前記設定値 0. 5〜1. 0の範囲内に ある場合に燃焼変動率が最も低く抑えられて、燃焼安定性が増す。これによつて、希 薄混合気を用いて燃焼を安定して行うことができ、該希薄燃焼により燃費の向上を図 ることちでさる。
[0035] また、副室内で点火電極による点火位置が従来のように副室上側、つまり燃焼室に 連通する噴口と反対側にある場合には、ピストンが圧縮上死点に至る点火前におい て、副室内の点火位置付近に残留ガスが多量に存在することになるため、噴口より副 室内に新たに希薄混合気が副室内に流入しても残留ガスの影響を受けて点火位置 まで十分に至らず、火花点火させても燃焼を安定して行うことができな力つた。
[0036] そこで、希薄混合気に対して安定した点火及び燃焼性能を確保するため、副室 10 内にお 、て点火位置 12を残留ガスの影響を受けにく 、適正な位置に設定して!/、る。 つまり、図 6に示すように、前述の適正な縦横比に設定した副室 10内においては、点 火プラグ 7の点火電極 7a · 7bは副室 10内の下方に延出して、該点火電極 7a · 7bに よる混合気の点火位置 12をスリーブ 6の噴口 6a'6a' · ·に近かい爆面 la付近に配置 している。
[0037] 前記点火電極 7a' 7bよる混合気の点火位置 12は、具体的には、ピストン 3の圧縮 工程における上死点手前の点火時期における副室 10内に残留する残留ガス量を算 出し、該算出した残留ガス量が副室 10内で占める量が所定量以下となるように設定 する。つまり、圧縮上死点前の点火時期における副室 10内の残留ガス量は式（2)か ら求める。
副室容積 X点火時期におけるシリンダ容積 (副室容積含む) Z吸気弁閉時期におけ るシリンダ容積 (副室容積含む） (2)
[0038] そして、前記式（2)で算出した残留ガス量よりも、副室 10の点火位置 12上方の容 積が大きくなるように設定し、該容積力も点火位置 12を決定する。つまり、ピストン 3を 上昇させたときに副室 10内に残留する燃焼排ガスは上方に圧縮され、その体積が 点火位置 12よりも上方の副室 10内の体積よりも小さくなるようにすることで、点火時 に残留燃焼排ガスは点火位置よりも上方に位置して燃焼に支障を与えないようにし ている。
[0039] 前記副室 10の点火位置 12上方の容積は、副室上面（点火プラグ 7の底面)から点 火位置 12までの距離 L3と副室直径 L2とに基づいて算出することができる。したがつ て、底面積は同じであるから、前記残留ガス量を底面積で除した値が距離 L3よりも短 くなるように設定する。
[0040] すなわち、圧縮上死点前の点火時期において、適正な点火位置とした際の副室 1 0上面から点火位置 12までの距離 L3が、副室 10上端から副室 10内の上側に存在 する残留ガスの下端位置までの距離を L4とした場合に、 L3 >L4となるよう〖こ設定す る。
[0041] こうして、前記点火プラグ 7の点火電極 7a' 7bによる混合気の点火位置 12が、副室 10内に残留する残留ガスよりも下方の噴口 6a側に配置されることになる。そのため、 点火プラグ 7による点火位置 12が副室 10内の適正位置に配置されることになつて、 副室 10内の残留ガスによる点火及び燃焼性能の不安定ィ匕を抑えることができる。よ つて、希薄領域でも安定した点火及び燃焼を行うことが可能となり、これにより機関の 運転範囲を希薄側に拡大することができる。
[0042] 具体的には、副室 10上面力も点火位置 12までの距離 L3と前記副室 10の高さ L1 との間に式（3)の関係を満たすように、副室 10に対し点火位置 12を設定している。 0. 5≤L3/L1≤0. 8 (3)
すなわち、前記副室 10上面力も点火位置 12までの距離 L3を副室 10の高さ LIで除 算し、該算出値 L3ZL1を 0. 5〜0. 8の範囲内に設定している。
[0043] この場合、図 7に示すように、前記算出値 L3ZL1が小さい場合よりも、大きい方が 副室 10における失火限界での混合気の濃度が薄くなる。つまり、失火限界での空気 過剰率が大きくなる。よって、算出値 L3ZL1を前記設定範囲内の適正な値として副 室 10に対し点火位置 12を設定することで、できるだけ希薄な混合気を燃焼させて、 機関の運転を行うことができる。
[0044] また、図 8に示すように、失火限界での混合気濃度を一定とした際には、前記算出 値 L3ZL1が小さい場合よりも、大きい方が燃焼変動率が低く抑えられて、燃焼安定 性が増す。したがって、希薄混合気を用いて希薄燃焼を安定して行うことができ、該 希薄燃焼により燃費の向上を図ることもできる。
[0045] また、前記副室 10はその容積を VIとし、圧縮上死点時における燃焼室 5の容積を V2とした場合に、副室容積 VIと燃焼室容積 V2との間に式 (4)の関係を満たすよう に構成している。
0. 010≤V1/V2≤0. 015 (4)
すなわち、前記副室容積 VIを燃焼室容積 V2で除算することにより副室 10の容積比 V1ZV2を算出し、該副室容積比 V1ZV2を 0. 010-0. 015の範囲内に設定して いる。
[0046] 前記副室 10においては、図 9に示すように、副室容積比 V1ZV2が前記設定値 0.
010-0. 015の範囲内にある場合に失火限界での混合気の濃度が最も薄くなる。 つまり、失火限界での空気過剰率が大きくなる。よって、副室 10の容積比を前記設 定範囲内の適正な値として副室 10を構成することで、できるだけ希薄な混合気を燃 焼させて、機関の運転を行うことができる。
[0047] また、図 10に示すように、副室容積比 V1ZV2が前記設定値 0. 010-0. 015の 範囲内にある場合に燃焼変動率が低く抑えられ、燃焼安定性が最も増す。これより、 希薄混合気を用いて燃焼を安定して行うことができ、該希薄燃焼によって燃費の向 上を図ることちでさる。 [0048] また、以上のように構成される副室 10に対し、前記スリーブ 6の底部に設けた複数 の噴口 6a ' 6a' · ·は、二つ一組として直径方向に配置し、複数組設けている。すなわ ち、各一対の噴口 6a ' 6aは点火プラグ 7による点火位置 12を中心として左右対称に 配置している。そして、各噴口 6aは燃焼室 5の外周部に向けて下方に傾斜するように 形成し、該噴口 6aを通じて副室 10から燃焼室 5に向けて火炎ジェットを放射状に噴 射することができるようにしている。そして、図 6に示すように、前記各一対の噴口 6a · 6aが鉛直方向でなす噴口角度 αを 80〜： LOO度の範囲内に設定して！/、る。
[0049] このような構成では、図 11に示すように、噴口角度 αが前記設定値 80〜： L00度の 範囲内にある場合に副室 10における失火限界での混合気の濃度が薄くなる。つまり 、失火限界での空気過剰率が大きくなる。よって、噴口角度 αを副室 10に対し前記 設定範囲内の適正な値に設定することで、できるだけ希薄な混合気を燃焼させて、 機関の運転を行うことができる。
[0050] また、図 12に示すように、噴口角度 αが前記設定値 80〜： L00度の範囲内にある場 合に燃焼変動率が低く抑えられ、燃焼安定性が最も増す。そのため、希薄混合気を 用いて希薄燃焼を安定して行うことができ、該希薄燃焼により燃費の向上を図ること ちでさる。
[0051] さらに、前記一対の噴口 6a' 6aは平面視で点火プラグ 7による点火位置 12を中心 として等間隔毎に配置している。本実施例では、一対の噴口 6a' 6aを二組設け、これ を 90度ずらして配置している。つまり、副室 10の周囲に四つの噴口を 90度毎に配置 している。
[0052] そして、噴口 6a ' 6a" 'からの火炎ジェットの噴出方向力 図 3 (a)に示すように、各 バルブリセス 3bの中心に向力 ように各噴口 6aの向きを設定している（点火位置 12と バルブリセス 3bの中心を結ぶ直線方向 01)。または、図 3 (b)に示すように、バルブリ セス 3bとバルブリセス 3bの間に向力 ように各噴口 6aの向きを設定している（点火位 置 12と隣り合うバルブリセスの間とを結ぶ直線方向 02)。
[0053] さらに、該噴ロ 6aの向きの前記直線方向に対するずれの許容度 |8を水平方向で
10〜： L0度の範囲内に設定している。なお、噴口 6aの適正な向きは燃焼室 5の形 状に応じて前記直線方向 Ol又は 02のどちらか一方の方向に決定する。また、図 3 ( a) · (b)における矢印は噴口 6aから噴出する火炎ジェットの噴出方向を示すものであ る。
[0054] このような構成では、図 13に示すように、噴口 6aの向きを前記直線方向 Ol又は O 2とした場合には、そのずれの許容度 j8の設定値— 10〜： LO度の範囲内で、副室 10 における失火限界での混合気の濃度が最も薄くなる。つまり、失火限界での空気過 剰率が大きくなる。よって、噴口 6aの向きを副室 10に対し前記設定範囲内の適正な 方向に設定することで、できるだけ希薄な混合気を燃焼させて、機関の運転を行うこ とがでさる。
[0055] また、図 14に示すように、前記許容度 j8が前記設定値 10〜： LO度の範囲内にあ る場合に燃焼変動率が低く抑えられ、燃焼安定性が増す。これより、希薄混合気を用 いて燃焼を安定して行うことができ、該希薄燃焼によって燃費の向上を図ることもでき る。
産業上の利用可能性
[0056] 本発明は、単室式燃焼室を備える火花点火機関に利用可能である。

Claims

請求の範囲
[1] 点火プラグをシリンダヘッドにスリーブを介して設け、該点火プラグの点火電極をシ リンダ内の単室式燃焼室に臨む位置に配置した火花点火機関において、前記スリー ブを有底円筒状に形成し、該スリーブの底部に点火プラグの点火電極を収容する副 室を形成するとともに、該副室と前記燃焼室とを連通する噴口を設け、該スリーブの 底部を爆面よりも燃焼室内に突出し、点火電極による点火位置を爆面付近としたこと を特徴とする火花点火機関。
[2] 前記副室を前記スリーブと前記点火プラグで囲まれる円柱状空間とし、該副室の高 さを直径で除算することにより算出する副室縦横比を 0. 5〜1. 0の範囲内に設定し たことを特徴とする請求項 1に記載の火花点火機関。
[3] 前記点火プラグの点火電極による混合気の点火位置を、圧縮上死点より前の点火 時期に副室内に残留する残留ガスよりも下方の噴口側に配置したことを特徴とする 請求項 1に記載の火花点火機関。
[4] 前記副室上面から点火位置までの距離を副室の高さで除算することにより算出す る算出値を 0. 5〜0. 8の範囲内に設定したことを特徴とする請求項 2に記載の火花 点火機関。
[5] 前記副室の容積を圧縮上死点時における前記燃焼室の容積で除算することにより 算出する副室容積比を 0. 010-0. 015の範囲内に設定したことを特徴とする請求 項 3に記載の火花点火機関。
[6] 前記副室と前記燃焼室とを連通する噴口を、点火位置を中心として対称な一対の 噴口とし、該一対の噴口が鉛直方向でなす噴口角度を 80〜： L00度の範囲内に設定 したことを特徴とする請求項 1乃至請求項 5のいずれか一項に記載の火花点火機関
[7] 前記副室と前記燃焼室とを連通する噴口の向きを点火位置と燃焼室の外周部に設 けたバルブリセスの中心又は隣り合うバルブリセスの間とを結ぶ直線方向とし、該噴 口の向きの直線方向に対するずれの許容度を水平方向で—10〜： L0度の範囲内に 設定したことを特徴とする請求項 1乃至請求項 5のいずれか一項に記載の火花点火 機関。
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