JP2022081705A - 副室式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】充分なリーン限界の拡大を実現可能とする副室式内燃機関を提供する。【解決手段】副室式内燃機関１は、筒状に延びる燃焼空間１００を取り囲む構造体からなる主燃焼室１０と、燃焼空間１００に向けて筒状に延びる側壁２１および側壁２１の先端を閉鎖する端部壁２３からなる副燃焼室２０と、副燃焼室２０の内壁から突出する点火用の電極３１、３３からなる電極対と、側壁２１を内外に貫通して副燃焼室２０と主燃焼室１０とを連通する１以上の連通路４０と、端部壁２３における副燃焼室２０側から電極対に向けて直径が小さくなるように突出する錐台状の傾斜面を形成する凸状部５０と、を備える。【選択図】 図２

Description

本発明は、主燃焼室およびその主燃焼室に隣接して設けられる副燃焼室を備えた副室式内燃機関に関する。

従来から、主燃焼室およびその主燃焼室に隣接して設けられる副燃焼室を備えた副室式内燃機関が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような副室式内燃機関では、主燃焼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、連通路を介して副燃焼室内に供給され、副燃焼室内で点火プラグによって点火され火炎が形成される。副燃焼室内で形成された火炎は、連通路を介して主燃焼室に噴射され、主燃焼室の混合気に着火する。このように、副燃焼室で形成された火炎を主燃焼室に噴射することで、主燃焼室の燃焼速度を高めることができる。これによって、より希薄な空燃比での運転が可能となり、燃費の向上が可能となる。

また、特許文献１の副室式内燃機関では、副燃焼室において点火プラグを取り囲む内壁に板状障壁を設け、これにより混合気の旋回流を減衰させることで点火プラグ近傍に混合気を導き、その結果としてリーン限界を拡大しようとしている。

特開２００６－１４４６４８号公報

しかし、特許文献１の副室式内燃機関では、副燃焼室内での混合気の旋回流が乱されやすいため、必ずしも点火プラグにまで安定的に混合気が到達するとはいえず、充分にリーン限界を拡大できるとはいえない。

本願発明は、この課題を解決するためになされたものであり、その目的は、充分なリーン限界の拡大を実現可能とする副室式の副室式内燃機関を提供することである。

上記課題を解決するため第１の副室式内燃機関は、筒状に延びる燃焼空間を取り囲む構造体からなる主燃焼室と、前記燃焼空間に向けて筒状に延びる側壁、および、前記側壁の先端を閉鎖する端部壁からなる副燃焼室と、前記副燃焼室の内壁から突出する点火用の電極対と、前記側壁を内外に貫通して前記副燃焼室と前記主燃焼室とを連通する１以上の連通路と、前記端部壁における前記副燃焼室側から前記電極対に向けて直径が小さくなるように突出する錐台状の傾斜面を形成する凸状部と、を備える。

この副室式内燃機関は、凸状部によって、端部壁から電極対に向けて直径が小さくなるように突出する錐台状の傾斜面が形成されている。これにより、連通路を介して主燃焼室から副燃焼室に導入される混合気を、傾斜面に沿って電極対に導くことができる。そのため、電極対付近にまで安定的に混合気を到達させることができ、充分なリーン限界の拡大が可能となる。

上記副室式内燃機関は、以下に示す第２の副室式内燃機関のようにしてもよい。

第２の副室式内燃機関において、前記凸状部は、前記電極対に近づくほど、前記側壁の延びる方向と直交する平面に対する錐台状の傾斜面における傾斜角が大きくなるように形成されている。

より具体的には、この副室式内燃機関を以下に示す第３の副室式内燃機関のようにしてもよい。

第３の副室式内燃機関において、前記凸状部は、前記電極対に近づくほど、前記側壁の延びる方向と直交する平面に対する錐台状の傾斜面における傾斜角が段階的に大きくなるように形成されており、前記連通路は、前記連通路を前記側壁の貫通方向に沿って前記副燃焼室内へと延長した場合の延長領域が、前記凸状部において最も傾斜角の小さい領域に到達する位置に設けられている。

これら副室式内燃機関では、凸状部における傾斜面の傾斜角が、電極対に近づくほど大きくなっている。これにより、連通路を介して主燃焼室から副燃焼室に導入される混合気の導入方向と、凸状部における傾斜面の傾斜角との角度差を小さくして無用な乱流を抑えつつ、それ以降の傾斜角を大きくしていくことで、この混合気を確実に電極対にまで導くことができる。また、連通路の貫通方向に沿って延長した延長線が、凸状部において最も傾斜角の小さい領域と線接触するように連通路を設けた場合、副燃焼室から主燃焼室へと噴出されるジェット火炎の連通路における縮流損失を抑制できるため、ジェット火炎の貫徹力が強まり、主室での燃焼が促進される。

また、上記各副室式内燃機関は、以下に示す第４の副室式内燃機関のようにしてもよい。

第４の副室式内燃機関において、前記端部壁は、前記側壁の延びる方向と交差する平面状または前記平面から前記主燃焼室に向けて凸状に拡がるように設けられている。

この副室式内燃機関では、端部壁が、側壁の延びる方向と交差する平面状または主燃焼室に向けて凸状に拡がるように設けられている。副燃焼室における主燃焼室側の端部は、副室式内燃機関としての構造上、電極対に点火されて連通路から噴射される火炎が回り込みにくいところ、上記のように端部壁が設けられていることで、火炎の回り込みにくい領域をなくし、混合気の未燃による損失をなくすことができる。

また、上記各副室式内燃機関は、以下に示す第５の副室式内燃機関のようにしてもよい。

第５の副室式内燃機関において、前記電極対は、一対の電極のうち、一方の電極が前記副燃焼室の内壁から突出するように配置され、前記一方の電極から離間した位置に他方の電極が配置されており、前記凸状部は、錐台状に突出する頂点領域に前記他方の電極が取り付けられている。

この副室式内燃機関では、電極対における他方の電極が凸状部に取り付けられているため、各電極の周囲に導通経路を配置することなく、副燃焼室の内壁から凸状部に向けて一直線上に各電極が配置された状態となり、その結果、火炎が適切に拡がるようにすることができる。

本発明によれば、連通路を介して主燃焼室から副燃焼室に導入される混合気を、凸状部の傾斜面に沿って電極対に導くことができ、これにより、電極対付近にまで安定的に混合気を到達させることができる結果、充分なリーン限界の拡大が可能となる。

本発明における副室式内燃機関の概略構成を示す要部断面図 本発明における副燃焼室近傍の要部断面拡大図（１／４） 本発明における副燃焼室近傍の要部断面拡大図（２／４） 本発明における副燃焼室近傍の要部断面拡大図（３／４） 本発明における副燃焼室近傍の要部断面拡大図（４／４）

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（１）全体構成

副室式内燃機関１は、図１に示すように、筒状に延びる燃焼空間１００を取り囲む構造体からなる主燃焼室１０と、燃焼空間１００に向けて筒状に延びる副燃焼室２０と、副燃焼室２０の内壁から突出する点火プラグ３０と、を備えており、吸気、圧縮、膨張および排気の各行程を繰り返すように構成されている。

主燃焼室１０は、所定方向（同図の上下方向）に延びるシリンダ１１、シリンダ１１における一端（同図の上端）側を閉塞するシリンダヘッド１３、および、シリンダ１１内側をその延びる方向に沿って往復移動するピストン１５により構成されており、これら構造体により燃焼空間１００が取り囲まれている。この燃焼空間１００には、吸気バルブ１１０により開閉される吸気ポート１２０、排気バルブ１３０により開閉される排気ポート１４０それぞれが接続されている。これら吸気バルブ１１０および排気バルブ１３０は、図示されない吸気カムおよび排気カムにより駆動される。

また、この主燃焼室１０には、シリンダ１１における吸気ポート１２０近傍において、燃焼空間１００内に燃料を噴射する噴射弁１５０が配置されている。この噴射弁１５０は、燃料を噴霧して供給することで燃焼空間１００内に混合気を形成する。

なお、本実施形態における主燃焼室１０は、シリンダヘッド１３が吸気ポート１２０および排気ポート１４０それぞれに向けて傾斜面をなすペントルーフ形状となっている。

副燃焼室２０は、図２に示すように、シリンダヘッド１３における吸気ポート１２０と排気ポート１４０との間の位置から燃焼空間１００に向けて筒状に延びる側壁２１と、側壁２１の先端（同図の下端）を閉鎖する端部壁２３からなる。すなわち、副燃焼室２０は、側壁２１と、端部壁２３により、この筒状に延びる空間を包囲している。本実施形態において、副燃焼室２０は、主燃焼室１０におけるペントルーフ形状の斜面の交線（稜線）を跨ぐ位置に設けられる。

また、この副燃焼室２０は、側壁２１を内外に貫通して副燃焼室２０と主燃焼室１０とを連通する１以上の連通路４０と、端部壁２３における副燃焼室２０側から点火プラグ３０の電極対（後述する電極３１、３３）に向けて直径が小さくなるように突出する錐台状（本実施形態では円錐台状）の傾斜面を形成する凸状部５０と、を備える。

この凸状部５０は、側壁２１の延びる方向と直交する平面に対する錐台状の傾斜面における傾斜角が、電極対に近づくほど大きくなるように形成されたものとしてもよい。具体的には、図３に示すように、電極対に近づくほど、側壁２１の延びる方向と直交する平面に対する錐台状の傾斜面における傾斜角が段階的（図３は２段階）に大きくなるように形成することが考えられる。また、傾斜角が連続的に大きくなるように形成してもよい。

また、連通路４０は、側壁２１における複数の個所に設けられており、主燃焼室１０から副燃焼室２０への吸気または副燃焼室２０から主燃焼室１０への掃気を行う。また、この連通路４０は、連通路４０を側壁２１の貫通方向に沿って副燃焼室２０内へと延長した場合の延長領域が、凸状部５０の傾斜面に到達する位置関係で設けられている。

ここで、連通路４０は、錐台状の傾斜面における傾斜角を段階的に大きく形成されている凸状部５０であれば、図３に示すように、上記延長領域が凸状部５０において最も傾斜角の小さい領域に到達する位置に設けられている。つまり、連通路４０の延長領域は、錐台状における最外周に位置する傾斜面に到達する。

なお、本実施形態において、連通路４０は主燃焼室１０内に位置する側壁２１部分を内外に貫通しているが、主燃焼室１０の構造体（具体的にはシリンダヘッド１３）側に埋設されている領域に位置する側壁２１を構造体とともに内外に貫通して副燃焼室２０と主燃焼室１０とを連通するように形成されていてもよい。

また、端部壁２３は、図４に示すように、主燃焼室１０側が側壁２１の延びる方向と交差する平面状に設けられた構成としてもよく、また、この平面から主燃焼室１０に向けて凸状に拡がるように構成してもよい。このとき、端部壁２３の主燃焼室１０側と、凸状部５０の副燃焼室２０側とは、両者を同一の部材により形成することで両者の間に空間が存在しないようにしてもよく、それぞれ別の板状部材により形成することで両者の間に空間が存在するようにしてもよい。

点火プラグ３０は、副燃焼室２０における末端（図１における上端）側の内壁から突出した位置に配置された電極対を備えており、この電極対をなす各電極３１、３３間への通電により副燃焼室２０内の混合気に着火する。

この電極対をなす各電極３１、３３は、副燃焼室２０の内壁から凸状部５０に向けて延びる一直線上に間隔を空けて配置されている。これらのうち、一方の電極３１は、点火プラグ３０の軸線と重なる位置に設けられた図示されない導通経路に接続されており、他方の電極３３は、一方の電極３１と離間した位置から点火プラグ３０の軸線に沿って延びる経路とこの経路における先端側から点火プラグ３０の軸線に向かう方向へ延びる経路とからなる導通経路３５に接続されている。

なお、ここでは、図５に示すように、凸状部５０の一部または全体を導通経路３７として形成し、この凸状部５０において錐台状に突出する頂点領域に、他方の電極３３を接続した構成としてもよい。

このように構成された副室式内燃機関１において、副燃焼室２０の容積は、主燃焼室１０よりも小さく、点火プラグ３０で点火した混合気の火炎が、副燃焼室２０内に素早く伝播する。副燃焼室２０は、副燃焼室２０で発生した火炎を、連通路４０を介して主燃焼室１０に噴射する。主燃焼室１０内に噴射された火炎は、主燃焼室１０の混合気に着火して燃焼させる。こうして、主燃焼室１０および副燃焼室２０が一体的な燃焼室を形成することになる。

（２）作用効果

上記の副室式内燃機関１は、凸状部５０によって、端部壁２３から点火プラグ３０の電極対に向けて直径が小さくなるように突出する錐台状の傾斜面が形成されている。これにより、連通路４０を介して主燃焼室１０から副燃焼室２０に導入される混合気を、傾斜面に沿って電極対に導くことができる（図２～５における破線矢印参照）。そのため、電極３１、３３付近にまで安定的に混合気を到達させることができ、充分なリーン限界の拡大が可能となる。

また、上記副室式内燃機関１においては、凸状部５０における傾斜面の傾斜角を、電極対に近づくほど大きくなるようにした構成であれば、連通路４０を介して主燃焼室１０から副燃焼室２０に導入される混合気の導入方向と、凸状部５０における傾斜面の傾斜角との角度差を小さくして無用な乱流を抑えつつ、それ以降の傾斜角を大きくしていくことで、この混合気を確実に電極対にまで導くことができる。また、連通路４０の貫通方向に沿って延長した延長線が、凸状部５０において最も傾斜角の小さい領域と線接触するように連通路４０を設けた場合(図4、5)、副燃焼室２０から主燃焼室１０へと噴出されるジェット火炎の連通路４０における縮流損失を抑制できるため、ジェット火炎の貫徹力が強まり、主燃焼室１０での燃焼が促進される。

また、上記実施形態において、端部壁２３が、側壁２１の延びる方向と交差する平面状または主燃焼室１０に向けて凸状に拡がるように設けた構成であれば、以下のような作用効果を奏する。すなわち、副燃焼室２０における主燃焼室１０側の端部は、副室式内燃機関１としての構造上、電極対に点火されて連通路４０から噴射される火炎が回り込みにくいところ、上記のように端部壁２３が設けられていることで、火炎の回り込みにくい領域をなくし、混合気の未燃による損失をなくすことができる。

また、上記副室式内燃機関１において、電極対における他方の電極３３を凸状部５０に取り付けた構成であれば、各電極３１、３３の周囲に導通経路３５を配置することなく、副燃焼室２０の内壁から凸状部５０に向けて一直線上に各電極３１、３３が配置された状態となるため、火炎が適切に拡がるようにすることができる。

（３）他の実施形態

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明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各構成は必要に応じて任意に組合せ可能である。

例えば、上記実施形態では、凸状部５０が円錐台状に拡がる傾斜面を有する形状となっている構成を例示したが、この凸状部５０は、端部壁における副燃焼室側から電極対に向けて直径が小さくなるように突出する錐台状であればよく、角錐台状としてもよい。

また、上記実施形態では、凸状部５０が円錐台状に拡がる傾斜面を有する形状となっている構成を例示したが、この傾斜面に沿って、円錐台の底辺から頂点領域に向かう螺旋状の溝または突起が形成された構成としてもよい。

１…副室式内燃機関、１０…主燃焼室、１１…シリンダ、１３…シリンダヘッド、１５…ピストン、２０…副燃焼室、２１…側壁、２３…端部壁、３０…点火プラグ、３１…電極、３３…電極、３５…導通経路、３７…導通経路、４０…連通路、５０…凸状部、１００…燃焼空間、１１０…吸気バルブ、１２０…吸気ポート、１３０…排気バルブ、１４０…排気ポート、１５０…噴射弁。

Claims (5)

1. 筒状に延びる燃焼空間を取り囲む構造体からなる主燃焼室と、
   前記燃焼空間に向けて筒状に延びる側壁、および、前記側壁の先端を閉鎖する端部壁からなる副燃焼室と、
   前記副燃焼室の内壁から突出する点火用の電極対と、
   前記側壁を内外に貫通して前記副燃焼室と前記主燃焼室とを連通する１以上の連通路と、
   前記端部壁における前記副燃焼室側から前記電極対に向けて直径が小さくなるように突出する錐台状の傾斜面を形成する凸状部と、
   を備える、副室式内燃機関。
2. 前記凸状部は、前記電極対に近づくほど、前記側壁の延びる方向と直交する平面に対する錐台状の傾斜面における傾斜角が大きくなるように形成されている、
   請求項１に記載の副室式内燃機関。
3. 前記凸状部は、前記電極対に近づくほど、前記側壁の延びる方向と直交する平面に対する錐台状の傾斜面における傾斜角が段階的に大きくなるように形成されており、
   前記連通路は、前記連通路を前記側壁の貫通方向に沿って前記副燃焼室内へと延長した場合の延長領域が、前記凸状部において最も傾斜角の小さい領域に到達する位置に設けられている、
   請求項１または請求項２に記載の副室式内燃機関。
4. 前記端部壁は、前記側壁の延びる方向と交差する平面状または前記平面から前記主燃焼室に向けて凸状に拡がるように設けられている、
   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。
5. 前記電極対は、一対の電極のうち、一方の電極が前記副燃焼室の内壁から突出するように配置され、前記一方の電極から離間した位置に他方の電極が配置されており、
   前記凸状部は、錐台状に突出する頂点領域に前記他方の電極が取り付けられている、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の副室式内燃機関。

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