JP2024089278A - 副燃焼室付内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼時の衝撃を抑制する副燃焼室内燃機関を提供することを目的とする。
【解決手段】シリンダヘッド３４とシリンダブロック３６とピストン３７とによって形成される主燃焼室４１と、シリンダヘッド３４に設けられ区画壁４２によって主燃焼室４１と区画される副燃焼室４３と、を有し、区画壁４２に設けられ副燃焼室４３と主燃焼室４１とを連通する吸気側連通孔４４ａ及び排気側連通孔４４ｂが周方向に並んで設けられた副燃焼室付内燃機関であって、吸気側連通孔４４ａ及び排気側連通孔４４ｂの周方向の幅は、吸気側連通孔４４ａと排気側連通孔４４ｂとの間の区画壁４２の部位４２ａの幅より大きく形成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、主燃焼室内に副燃焼室を有する内燃機関に関する。

自動車に使用されるガソリンエンジン等の内燃機関の多くは、吸気通路や燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射弁）と、筒内の燃焼室に臨んで配置される点火装置（点火プラグ）を有している。
更に特許文献１には、燃焼室（主燃焼室）内に、副燃焼室を備えた内燃機関が開示されている。特許文献１に記載された内燃機関では、副燃焼室内に比較的燃料濃度の高い混合気を供給し、点火装置によって副燃焼室内の混合気に着火することで、副燃焼室から火炎が主燃焼室に噴射（噴出）して主燃焼室内の混合気を燃焼させる構成になっている。これにより、主燃焼室内の混合気の着火性を向上させて内燃機関の出力を向上させることができ、あるいは主燃焼室内の燃料濃度を低くして燃費を向上させることが可能である。

更に、特許文献１には、副燃焼室から火炎を噴射させる噴孔を複数備え、火炎がシリンダ壁面に向かって放射状に噴射されるように構成されている内燃機関が開示されている。

特開２０２２－１０５６２０号公報

しかしながら、上記特許文献１のように副燃焼室から火炎を噴射させる噴孔を複数備えると、各噴孔から噴射した複数の火炎が互いに衝突し、ノッキングのような振動を発生する可能性がある。
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、副燃焼室から複数の噴射孔より火炎を主燃焼室に噴射して主燃焼室内の混合気を燃焼させる内燃機関において、燃焼時の衝撃を抑制する副燃焼室内燃機関を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の副燃焼室付内燃機関は、
シリンダヘッドとシリンダブロックとピストンとによって形成される主燃焼室と、前記シリンダヘッドに設けられ区画壁によって前記主燃焼室と区画される副燃焼室と、を有し、前記区画壁に設けられ、前記副燃焼室と前記主燃焼室とを連通する複数の第１噴射孔が当該区画壁の周方向に並んで設けられた副燃焼室付内燃機関であって、前記第１噴射孔の前記周方向の幅は、隣り合う前記第１噴射孔の間の前記区画壁の幅より大きく形成されることを特徴とする。

これにより、副燃焼室と主燃焼室とを連通する第１噴射孔の周方向幅を大きくし、隣り合う第１噴射孔の間の区画壁の幅を小さくすることができるので、複数の第１噴射孔から噴射する火炎同士の衝突までの距離を小さくして、火炎同士の衝突により発生する衝撃を減少させることができる。また、第１噴射孔の周方向幅を大きくすることで主燃焼室に火炎を広く噴射するとともに、第１噴射孔の数を減らし、第１噴射孔から噴射する火炎の衝突数を減少させることができる。

好ましくは、隣り合う前記第１噴射孔の間の前記区画壁の少なくとも１つは、前記主燃焼室における吸排気方向と直交する方向に位置するとよい。
これにより、主燃焼室において、隣り合う第１噴射孔の間の区画壁によって火炎の噴射が抑制される方向と吸気（混合気）が滞留しにくい方向とを一致させて火炎同士の衝突により発生する衝撃を減少させる一方、混合気が滞留し易い方向に火炎を多く噴射させることで主燃焼室での燃焼を促すことができる。

好ましくは、前記シリンダヘッドは、吸気バルブ及び排気バルブを有し、複数の前記第１噴射孔の１つは当該第１噴射孔から噴射された火炎が前記吸気バルブを覆うような幅で形成され、複数の前記第１噴射孔のその他の１つは当該第１噴射孔から噴射された火炎が前記排気バルブを覆うような幅で形成されるとよい。
これにより、主燃焼室において混合気の滞留し易い吸気バルブ付近及び排気バルブ付近で火炎が分割されないので、火炎同士の衝突により発生する衝撃を抑制することができる。

好ましくは、前記第１噴射孔は、前記ピストンの頂面の端部を向くように設けられているとよい。
これにより、主燃焼室において混合気の滞留し易いピストンの頂面の端部付近に向けて第１噴射孔から火炎が噴射され、未燃ガスの燃焼を促すことができる。
好ましくは、前記区画壁に、前記第１噴射孔から前記ピストン側に延びる第２噴射孔が、前記第１噴射孔と連結して形成されているとよい。

これにより、第２噴射孔からピストン側に向けても火炎を広範囲に噴射し主燃焼室における燃焼を促すことができる。また、第１噴射孔と第２噴射孔とが連結しているので、第１噴射孔からの火炎と第２噴射孔からの火炎との衝突を抑え衝撃を抑制することができる。
好ましくは、前記第２噴射孔の開口面積は、前記第１噴射孔の開口面積より小さいとよい。

これにより、第２噴射孔からピストンに向かって噴射される火炎の量を抑え、ピストンの保護を図ることができる。
好ましくは、前記第２噴射孔は、前記ピストンに向かうにつれて前記周方向の幅が小さくなるように形成されているとよい。
これにより、第２噴射孔からピストンに向かって噴射される火炎が、ピストンに近くなるにしたがって小さくなるので、効果的にピストンの保護を図ることができる。

本発明の副燃焼室付内燃機関によれば、区画壁に設けられた第１噴射孔より火炎を周方向に広がるように噴射して主燃焼室内での燃焼を促すとともに、第１噴射孔から噴射する火炎の衝突を抑えて衝撃を抑制することができる。

本発明の一実施形態の内燃機関の給排気系の構成図である。 本実施形態の内燃機関における気筒の上面図である。 本実施形態における気筒内の縦断面図である。 他の実施形態の連通孔の形状を示す側面図である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態の内燃機関１（副燃焼室付内燃機関）の給排気系の構成図である。
図１に示すように、本実施形態の内燃機関１は、吸気ポート２に燃料であるガソリンを噴射するインジェクタ３を有するポート噴射式のガソリンエンジンである。

本実施形態の内燃機関１の吸気通路５には、吸気の流れに沿って、エアクリーナー６、インタークーラー７、スロットルバルブ８が吸気ポート２の上流に備えられている。内燃機関１の排気通路１１には、排気ポート３１から排気の流れに沿って、上流側排気浄化触媒１２及び下流側排気浄化触媒１３が備えられている。
また、内燃機関１には、過給機（ターボチャージャ）１５、ＥＧＲシステム１６が備えられている。

ＥＧＲシステム１６は、内燃機関１の排気通路１１と吸気通路５とを連通するＥＧＲ通路２０と、ＥＧＲ通路２０の流路面積を変更するＥＧＲバルブ２１と、ＥＧＲ通路２０を通過する排気を冷却するＥＧＲクーラー２２を備えている。ＥＧＲ通路２０は、上流側排気浄化触媒１２と下流側排気浄化触媒１３との間の排気通路１１と、エアクリーナー６と過給機１５のコンプレッサとの間の吸気通路５とを連結している。

図２は、本形態の内燃機関１における気筒３０内の上面図である。図３は、本実施形態における気筒３０内の縦断面図である。
図２に示すように、内燃機関１は、１つの気筒３０について吸気ポート２が２個及び排気ポート３１が２個備えられている。また、２個の吸気ポート２に吸気バルブ３２が夫々備えられるとともに、２個の排気ポート３１に夫々排気バルブ３３が夫々備えられている。

インジェクタ３は、各吸気ポート２に１個ずつ、即ち１つの気筒３０毎に２個ずつ備えられている。
内燃機関１の気筒３０の上部（シリンダヘッド３４）には、その中央部を挟んで一方側に２個の吸気ポート２が並んで配置され、他方側に２個の排気ポート３１が並んで配置されている。

図１～３に示すように、シリンダヘッド３４の中心部には、点火プラグ３５が備えられている。
気筒３０内には、シリンダブロック３６、シリンダヘッド３４及びピストン３７に囲まれた略円柱状の空間である主燃焼室４１が設けられ、更に主燃焼室４１の上部中心部には副燃焼室４３が設けられている。具体的には、シリンダヘッド３４には、点火プラグ３５の中心電極を囲むように区画壁４２が備えられており、主燃焼室４１内の区画壁４２に囲まれた部分が副燃焼室となる。区画壁４２は、下方（ピストン３７側）に突出した略半球状であり、ピストン３７の移動方向に対して直交する面による断面が略円筒形になっている。区画壁４２には、複数の連通孔４４ａ、４４ｂ（噴射孔）が開いており、主燃焼室４１と副燃焼室４３とが連通孔４４ａ、４４ｂ(第１噴射孔)を介して連通している。

内燃機関１は、コントロールユニット５０（制御部）によって作動制御される。コントロールユニット５０は、出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央演算処理装置（ＣＰＵ）等から構成されている。コントロールユニット５０は、クランク角、吸気量、排気温度、ＥＧＲガス量等を取得し、インジェクタ３、点火プラグ３５、スロットルバルブ８、ＥＧＲバルブ２１等を作動制御する。

図２、３に示すように、本実施形態では、連通孔４４ａ、４４ｂがピストン３７の移動方向から見た区画壁４２の円周方向に延びている。連通孔４４ａ、４４ｂとして、吸気バルブ３２側に設けられた吸気側連通孔４４ａと排気バルブ３３側に設けられた排気側連通孔４４ｂとの２個が、区画壁４２に周方向に並ぶように備えられている。
連通孔４４ａ、４４ｂは区画壁４２の下端部（ピストン３７側端部）ではなく、区画壁４２のピストン３７の移動方向に対して直交する面による断面における最も径方向外側に位置する部分付近（下方に突出した略半球状部分の上端（ピストン３７と反対側端部）付近）に備えられている。

吸気側連通孔４４ａと排気側連通孔４４ｂとは、吸気バルブ３２と排気バルブ３３との間の周方向範囲内で隔てられている。すなわち、吸気側連通孔４４ａと排気側連通孔４４ｂとの間の区画壁４２の部位４２ａは、ピストン３７の移動方向から見た主燃焼室における吸排気方向と直交する方向に夫々位置する。なお、吸排気方向とは、吸気バルブ３２と排気バルブ３３とを結ぶ方向である。

後述するように、吸気側連通孔４４ａ及び排気側連通孔４４ｂからは、副燃焼室４３より火炎が主燃焼室４１に噴射される。ピストン３７の移動方向から見た吸気側連通孔４４ａから噴射する火炎の範囲４７ａが主燃焼室４１の周方向において２個の吸気バルブ３２を覆うように、吸気側連通孔４４ａの周方向幅等が設定されている。また、ピストン３７の移動方向から見た排気側連通孔４４ｂから噴射する火炎の範囲４７ｂが主燃焼室４１の周方向において２個の排気バルブ３３を覆うように、排気側連通孔４４ｂの周方向幅等が設定されている。具体的には、吸気側連通孔４４ａのピストン３７の移動方向と直交する方向の２つの壁面（側壁）の延長線の間に２個の吸気バルブ３２が位置するように、吸気側連通孔４４ａの幅を決定すればよい。排気側連通孔４４ｂも同様である。

更に、吸気側連通孔４４ａ及び排気側連通孔４４ｂから噴射する火炎が、上死点付近でのピストン３７の頂面４８（主燃焼室４１側の面）の端部、すなわちピストン３７の頂面４８とシリンダブロック３６のシリンダ壁面との間付近を向くように、吸気側連通孔４４ａ及び排気側連通孔４４ｂの開口方向（ピストン３７の移動方向の壁面（上下面）の角度）が設定されている。

以上のように、本実施形態の内燃機関１は、主燃焼室４１の上部中心部に区画壁４２によって区画された副燃焼室４３が備えられている。区画壁４２には、主燃焼室４１と副燃焼室４３とを連通する連通孔４４ａ、４４ｂが設けられ、点火プラグ３５によって、副燃焼室４３内の混合気に点火する。これにより、副燃焼室４３内で着火して発生した火炎が連通孔４４ａ、４４ｂを通過して主燃焼室４１に噴射され、主燃焼室４１内の混合気を燃焼させる。

更に、２個の連通孔４４ａ、４４ｂの周方向の幅は、隣り合う連通孔４４ａ、４４ｂの間の区画壁４２の部位４２ａの幅より大きく形成されている。
これにより、連通孔４４ａ、４４ｂの周方向幅を大きくし、吸気側連通孔４４ａと排気側連通孔４４ｂとの間の区画壁の部位４２ａの幅を小さくすることができるので、吸気側連通孔４４ａから噴射される火炎と排気側連通孔４４ｂから噴射される火炎との衝突までの距離を小さくして、火炎同士の衝突により発生する衝撃を減少させることができる。また、吸気側連通孔４４ａ及び排気側連通孔４４ｂの周方向幅を夫々大きくすることで、これらの連通孔４４ａ、４４ｂの数を減らし、連通孔４４ａ、４４ｂから噴射する火炎の衝突数を減少させることができる。これにより、内燃機関１の燃焼時の衝撃を抑制することができる。

なお、吸気側連通孔４４ａ及び排気側連通孔４４ｂは、区画壁４２の最も径方向外側に位置する部分付近に備えられているので、吸気側連通孔４４ａ及び排気側連通孔４４ｂの幅を広く確保することができる。
また、吸気側連通孔４４ａと排気側連通孔４４ｂとの間の区画壁４２の部位４２ａは、主燃焼室４１における吸排気方向と直交する方向に位置する。

これにより、主燃焼室４１において、火炎が直接噴射されない方向と、吸気（混合気）が滞留しにくい方向とを一致させ、火炎同士の衝突により発生する衝撃を減少させるとともに、混合気が滞留し易い方向（吸排気方向）に火炎を重点的に噴射させることができる。
また、吸気側連通孔４４ａから噴射する火炎が吸気バルブ３２を覆うような幅で噴射され、排気側連通孔４４ｂから噴射する火炎が排気バルブ３３を覆うような幅で噴射されるように、吸気側連通孔４４ａ及び排気側連通孔４４ｂの周方向幅が設定されている。

これにより、主燃焼室４１において混合気の滞留し易い吸気バルブ３２付近及び排気バルブ３３付近を覆うように火炎が噴射され、混合気の滞留し易い箇所で火炎が分割されないので、火炎同士の衝突により発生する衝撃をより減少させることができる。
また、吸気側連通孔４４ａはピストン３７の頂面４８の吸気側端部４８ａを向くように、排気側連通孔４４ｂはピストン３７の頂面４８の排気側端部４８ｂを向くように設けられている。

これにより、主燃焼室４１において混合気の滞留し易い、ピストン３７の頂面４８の端部４８ａ、４８ｂ付近に向けて火炎が噴射され、主燃焼室４１の角部（上死点付近でのピストン３７の頂面４８とシリンダブロック３６のシリンダ壁面との間）付近に滞留する未燃ガスの燃焼を促すことができる。
図４は、本発明の他の実施形態の噴射孔の形状を示す図である。

図４に示すように、本発明の他の実施形態では、区画壁４２に、吸気側連通孔４４ａの幅方向略中央部から下方（ピストン３７側）に向かって伸びる吸気側縦連通孔４５ａ（第２噴射孔）を有している。
吸気側連通孔４４ａと吸気側縦連通孔４５ａとは連結して、Ｔ字状に一体化している。
更に、吸気側縦連通孔４５ａの開口面積は、吸気側連通孔４４ａの開口面積より小さく形成されている。また、吸気側縦連通孔４５ａは、ピストン３７に向かうにつれて幅が小さくなるように形成されている。

排気側連通孔４４ｂについても、吸気側縦連通孔４５ａと同様の形状の排気側縦連通孔４５ｂ（第２噴射孔）が備えられている。
以上のように、本実施形態の内燃機関１では、区画壁４２に、吸気側連通孔４４ａからピストン３７側に延びる吸気側縦連通孔４５ａが設けられるとともに、排気側連通孔４４ｂからピストン３７側に延びる排気側縦連通孔４５ｂが設けられている。これにより、各連通孔４４ａ、４４ｂ、４５ａ、４５ｃから噴射される火炎をピストン３７側にも広げ主燃焼室４１における燃焼を促すことができる。

また、吸気側連通孔４４ａと吸気側縦連通孔４５ａが連結しているとともに、排気側連通孔４４ｂと排気側縦連通孔４５ｂとが連結しているので、吸気側連通孔４４ａからの火炎と吸気側縦連通孔４５ａからの火炎との衝突を抑えるとともに、排気側連通孔４４ｂからの火炎と排気側縦連通孔４５ｂからの火炎との衝突を抑えることができる。
また、吸気側縦連通孔４５ａや排気側縦連通孔４５ｂの開口面積は、吸気側連通孔４４ａや排気側連通孔４４ｂの開口面積より小さい。これにより、吸気側縦連通孔４５ａや排気側縦連通孔４５ｂからピストン３７に向かって噴射される火炎の量を抑え、ピストン３７の保護を図ることができる。

また、吸気側縦連通孔４５ａや排気側縦連通孔４５ｂは、ピストン３７に向かうにつれて周方向の幅が小さくなるように形成されている。これにより、吸気側縦連通孔４５ａや排気側縦連通孔４５ｂからピストン３７に向かって噴射される火炎が、ピストン３７に近くなるにしたがって小さくなるので、効果的にピストン３７の保護を図ることができる。
本発明は、上記の実施形態に限定するものではない。

例えば、上記実施形態では、区画壁４２に吸気側連通孔４４ａ及び排気側連通孔４４ｂが備えられているが、区画壁４２に周方向に並んで連通孔を３個以上設けてもよい。
また、各連通孔４４ａ、４４ｂ、４５ａ、４５ｂの位置や詳細な形状については適宜変更してもよい。また、副燃焼室４３は主燃焼室４１の上部中心部に設けられる必要はない。また、本発明の内燃機関は、自動車の走行駆動用等の各種内燃機関に適用することができる。

１ 内燃機関（副燃焼室付内燃機関）
３２ 吸気バルブ
３３ 排気バルブ
３４ シリンダヘッド
３６ シリンダブロック
３７ ピストン
４１ 主燃焼室
４３ 副燃焼室
４２ 区画壁
４４ａ 吸気側連通孔（第１噴射孔）
４４ｂ 排気側連通孔（第１噴射孔）
４５ａ 吸気側縦連通孔（第２噴射孔）
４５ｂ 排気側縦連通孔（第２噴射孔）
４８ 頂面

Claims (7)

1. シリンダヘッドとシリンダブロックとピストンとによって形成される主燃焼室と、前記シリンダヘッドに設けられ区画壁によって前記主燃焼室と区画される副燃焼室と、を有し、前記区画壁に設けられ、前記副燃焼室と前記主燃焼室とを連通する複数の第１噴射孔が当該区画壁の周方向に並んで設けられた副燃焼室付内燃機関であって、
   前記第１噴射孔の前記周方向の幅は、隣り合う前記第１噴射孔の間の前記区画壁の幅より大きく形成される
   ことを特徴とする副燃焼室付内燃機関。
2. 隣り合う前記第１噴射孔の間の前記区画壁の少なくとも１つは、前記主燃焼室における吸排気方向と直交する方向に位置する
   ことを特徴とする請求項１に記載の副燃焼室付内燃機関。
3. 前記シリンダヘッドは、吸気バルブ及び排気バルブを有し、
   複数の前記第１噴射孔の１つは当該第１噴射孔から噴射された火炎が前記吸気バルブを覆うような幅で形成され、
   複数の前記第１噴射孔のその他の１つは当該第１噴射孔から噴射された火炎が前記排気バルブを覆うような幅で形成される
   ことを特徴とする請求項１に記載の副燃焼室付内燃機関。
4. 前記第１噴射孔は、前記ピストンの頂面の端部を向くように設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の副燃焼室付内燃機関。
5. 前記区画壁に、前記第１噴射孔から前記ピストン側に延びる第２噴射孔が、前記第１噴射孔と連結して形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の副燃焼室付内燃機関。
6. 前記第２噴射孔の開口面積は、前記第１噴射孔の開口面積より小さい
   ことを特徴とする請求項５に記載の副燃焼室付内燃機関。
7. 前記第２噴射孔は、前記ピストンに向かうにつれて前記周方向の幅が小さくなるように形成されている
   ことを特徴とする請求項５または６に記載の副燃焼室付内燃機関。

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