(57)【要約】      （修正有）【課題】副室内で火花点火を行い燃焼を開始する内燃機関において、ＥＧＲを利用する際の着火性を向上させる。【解決手段】主燃焼室１０と、主燃焼室内に配置され、連通孔５１を通して主燃焼室とつながる副室５０と、副室内で点火を行うように設けられた点火プラグ５２と、第１吸気開口部３１−１において主燃焼室につながり、空気を含みＥＧＲガスを含まない吸気ガスを主燃焼室に導く第１吸気ポート３０−１と、第２吸気開口部３１−２において主燃焼室につながり、ＥＧＲガスを含む吸気ガスを主燃焼室に導く第２吸気ポート３０−２と、を備える。副室と第１吸気開口部との間の距離は、副室と第２吸気開口部との間の距離より小さい。【選択図】図２
2018115588.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主燃焼室と、
前記主燃焼室内に配置され、連通孔を通して前記主燃焼室とつながる副室と、
前記副室内で点火を行うように設けられた点火プラグと、
第１吸気開口部において前記主燃焼室につながり、空気を含みＥＧＲガスを含まない吸気ガスを前記主燃焼室に導く第１吸気ポートと、
第２吸気開口部において前記主燃焼室につながり、ＥＧＲガスを含む吸気ガスを前記主燃焼室に導く第２吸気ポートと、
を備え、
前記副室と前記第１吸気開口部との間の距離は、前記副室と前記第２吸気開口部との間の距離より小さい
内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主燃焼室内に設けられた副室内で火花点火を行い燃焼を開始する内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、主燃焼室と主燃焼室内に設けられた副室とを有する内燃機関を開示している。副室は、連通孔を通して主燃焼室につながっている。副室内には点火プラグが設けられており、副室内で火花点火を行うことにより燃焼が開始する。副室内で発生した火炎は、連通孔を通して主燃焼室に噴き出す。
【０００３】
特許文献２も、副室を有する内燃機関を開示している。但し、副室と点火プラグは、別々に設けられている。具体的には、点火プラグは主燃焼室の中央に設けられており、副室は主燃焼室の外周部近傍に設けられている。点火プラグによる着火が行われると、主燃焼室の中央において燃焼が開始する。その後、副室内にはラジカルを大量に含む高温の混合ガスが流入し、副室内で混合ガスが“自己着火”する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２６４８１５号公報
【特許文献２】特開平７−２５９５６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
排気ガスの一部を吸気側に戻すＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）が知られている。ＥＧＲが実施される場合、主燃焼室内に供給される吸気ガスには、排気ガスの一部であるＥＧＲガスが含まれることになる。副室内に多くのＥＧＲガスが入り込むと、上記の特許文献１のように副室内で火花点火を行う際に着火しにくくなる。
【０００６】
本発明の１つの目的は、副室内で火花点火を行い燃焼を開始する内燃機関において、ＥＧＲを利用する際の着火性を向上させることができる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る内燃機関は、
主燃焼室と、
主燃焼室内に配置され、連通孔を通して主燃焼室とつながる副室と、
副室内で点火を行うように設けられた点火プラグと、
第１吸気開口部において主燃焼室につながり、空気を含みＥＧＲガスを含まない吸気ガスを主燃焼室に導く第１吸気ポートと、
第２吸気開口部において主燃焼室につながり、ＥＧＲガスを含む吸気ガスを主燃焼室に導く第２吸気ポートと、
を備える。
副室と第１吸気開口部との間の距離は、副室と第２吸気開口部との間の距離より小さい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、第１吸気開口部から主燃焼室には、空気を含みＥＧＲガスを含まない吸気ガスが導入される。一方、第２吸気開口部から主燃焼室には、ＥＧＲガスを含む吸気ガスが導入される。点火が行われる副室は、第１吸気開口部に近く、第２吸気開口部から遠い位置に配置されている。よって、副室にはＥＧＲガスが入りにくくなり、副室における着火性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る内燃機関の構成例を示す概略図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る内燃機関の各要素の配置を説明するための概略図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る内燃機関の主燃焼室内のＥＧＲガスの分布を示す模式図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る内燃機関における燃焼を説明するための概略図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る内燃機関における燃焼を説明するための概略図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る内燃機関の副室の連通孔の配置を説明するための概略図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係る内燃機関における燃焼を説明するための概略図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態に係る内燃機関の副室の連通孔の配置を説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００１１】
１．第１の実施の形態
１−１．基本構成
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る内燃機関１の構成例を示す概略図である。内燃機関１は、主な構成として、主燃焼室１０、吸気ポート３０、排気ポート４０、及び副室５０を備えている。
【００１２】
主燃焼室１０は、シリンダブロック２０、ピストン２２、及びシリンダヘッド２３によって囲まれた空間である。より詳細には、シリンダブロック２０は、主燃焼室１０の側壁を形成する円筒状のシリンダライナ２１（シリンダボア）を備えている。ピストン２２は、シリンダライナ２１の軸方向に往復移動するように配置されており、主燃焼室１０の底面を形成している。シリンダヘッド２３は、ピストン２２と対向するようにシリンダブロック２０上に設置されており、主燃焼室１０の上面を形成している。
【００１３】
以下の説明において、Ｚ方向は、円筒状のシリンダライナ２１の軸方向を表す。言い換えれば、Ｚ方向は、主燃焼室１０においてピストン２２が往復移動する方向である。ＸＹ面は、Ｚ方向に直交する面である。
【００１４】
吸気ポート３０は、主燃焼室１０に吸気ガスを供給する。より詳細には、吸気ポート３０は、シリンダヘッド２３内に形成されており、且つ、主燃焼室１０につながっている。吸気ポート３０の主燃焼室１０に対する開口部は、吸気開口部３１である。つまり、吸気ポート３０は、吸気開口部３１において主燃焼室１０につながっている。吸気開口部３１には、吸気バルブ３２が開閉可能に設けられている。
【００１５】
更に、吸気ポート３０には燃料噴射弁３３が設けられている。燃料噴射弁３３は、吸気ポート３０の内部に燃料を供給する。空気と燃料の混合ガスは、吸気ガスとして主燃焼室１０に供給される。尚、燃料供給方式として、ポート噴射方式の代わりに、筒内噴射方式が用いられてもよい。筒内噴射方式の場合、吸気ポート３０から主燃焼室１０には空気が供給され、燃料は筒内噴射弁によって主燃焼室１０に直接噴射される。
【００１６】
排気ポート４０は、主燃焼室１０から排気ガスを排出する。より詳細には、排気ポート４０は、シリンダヘッド２３内に形成されており、且つ、主燃焼室１０につながっている。排気ポート４０の主燃焼室１０に対する開口部は、排気開口部４１である。つまり、排気ポート４０は、排気開口部４１において主燃焼室１０につながっている。排気開口部４１には、排気バルブ４２が開閉可能に設けられている。
【００１７】
副室５０は、主燃焼室１０内に配置されている。この副室５０は、主燃焼室１０とつながる連通孔５１を有している。つまり、副室５０は、連通孔５１を通して主燃焼室１０とつながっている。更に、副室５０内で火花点火を行うことができるように、副室５０には点火プラグ５２が設けられている。すなわち、本実施の形態に係る内燃機関１は、副室５０内で火花点火を行い燃焼を開始する方式を採用している。
【００１８】
より詳細には、吸気工程において、吸気ポート３０から主燃焼室１０に混合ガスが供給される。筒内噴射方式の場合は、主燃焼室１０内において、空気と燃料の混合ガスが形成される。圧縮工程において、主燃焼室１０内の混合ガスの一部が、連通孔５１を通して副室５０内に入る。そして、所定の点火タイミングにおいて、点火プラグ５２が副室５０内で火花点火を行う。これにより、副室５０内で燃焼が開始する。副室５０内で発生した火炎は、連通孔５１を通して主燃焼室１０に勢いよく噴き出す。副室５０から連通孔５１を通して主燃焼室１０に噴き出す火炎は、「ジェット」とも呼ばれる。ジェットは主燃焼室１０内で成長し、それにより主燃焼室１０内で燃焼が進行する。副室５０の連通孔５１は、混合ガスを主燃焼室１０から副室５０内に導入する導入孔としての役割と、ジェットを副室５０から主燃焼室１０に向けて噴き出す噴孔としての役割を果たす。
【００１９】
１−２．各要素の配置の詳細
図２は、本実施の形態に係る内燃機関１の各要素の配置を説明するための概略図である。図２には、Ｚ方向から見たときの、つまり、ＸＹ面における、各要素の配置が示されている。本実施の形態では、単一の主燃焼室１０に対して、複数の吸気ポート３０と複数の排気ポート４０が設けられている。
【００２０】
複数の吸気ポート３０は、第１吸気ポート３０−１と第２吸気ポート３０−２を含んでいる。第１吸気ポート３０−１の主燃焼室１０に対する開口部は、第１吸気開口部３１−１である。第２吸気ポート３０−２の主燃焼室１０に対する開口部は、第２吸気開口部３１−２である。
【００２１】
複数の排気ポート４０は、第１排気ポート４０−１と第２排気ポート４０−２を含んでいる。第１排気ポート４０−１の主燃焼室１０に対する開口部は、第１排気開口部４１−１である。第２排気ポート４０−２の主燃焼室１０に対する開口部は、第２排気開口部４１−２である。
【００２２】
Ｚ方向から見たとき、第１吸気開口部３１−１と第２吸気開口部３１−２は、Ｙ方向において隣り合って配置されている。また、第１排気開口部４１−１と第２排気開口部４１−２は、Ｙ方向において隣り合って配置されている。第１吸気開口部３１−１と第１排気開口部４１−１は、Ｘ方向において隣り合って配置されている。第２吸気開口部３１−２と第２排気開口部４１−２は、Ｘ方向において隣り合って配置されている。
【００２３】
また、Ｚ方向から見たとき、主燃焼室１０の外周部１０ｐの形状は、円形状である。その円形状の中心Ｃは、円筒状のシリンダライナ２１の中心軸に相当する。そのような中心Ｃを通るＸ方向の線Ａ−Ａを考える。この線Ａ−Ａによって、主燃焼室１０は２つの領域１０−１、１０−２に区分けされる。第１領域１０−１は、第１吸気開口部３１−１と第１排気開口部４１−１が配置されている領域である。一方、第２領域１０−２は、第２吸気開口部３１−２と第２排気開口部４１−２が配置されている領域である。第１吸気開口部３１−１及び第１排気開口部４１−１の組と第２吸気開口部３１−２及び第２排気開口部４１−２は、線Ａ−Ａを挟んで対称的に配置されている。
【００２４】
図２に示されるように、副室５０は、中心Ｃからずれて配置されている。より詳細には、副室５０は、主燃焼室１０の第２領域１０−２には配置されておらず、第１領域１０−１だけに配置されている。すなわち、副室５０は、第１吸気開口部３１−１から近く、第２吸気開口部３１−２から遠い位置に配置されている。言い換えれば、副室５０と第１吸気開口部３１−１との間の距離は、副室５０と第２吸気開口部３１−２との間の距離よりも小さい。好ましくは、図２に示されるように、副室５０は、第１領域１０−１において、主燃焼室１０の外周部１０ｐ、第１吸気開口部３１−１、及び第１排気開口部４１−１に囲まれるように配置される。
【００２５】
１−３．ＥＧＲガスの成層化
本実施の形態に係る内燃機関１は、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）を利用する。そのために、図２に示されるように、内燃機関１はＥＧＲ装置１００を備えている。ＥＧＲ装置１００は、排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気側に戻す。
【００２６】
本実施の形態によれば、ＥＧＲガスは、複数の吸気ポート３０のうち一部だけに供給される。より詳細には、図２に示されるように、ＥＧＲガスは、第１吸気ポート３０−１には供給されず、第２吸気ポート３０−２だけに供給される。よって、第１吸気ポート３０−１から主燃焼室１０の第１領域１０−１に供給される吸気ガスには、空気は含まれるが、ＥＧＲガスは含まれない。一方、第２吸気ポート３０−２から主燃焼室１０の第２領域１０−２に供給される吸気ガスには、ＥＧＲガスが含まれる。
【００２７】
言い換えれば、本実施の形態では、第１吸気ポート３０−１と第２吸気ポート３０−２は、それぞれ別の役割を果たすように設計されている。第１吸気ポート３０−１は、副室５０に近い第１吸気開口部３１−１を通して、空気を含みＥＧＲガスを含まない吸気ガスを主燃焼室１０の第１領域１０−１に導く。一方、第２吸気ポート３０−２は、副室５０から遠い第２吸気開口部３１−２を通して、ＥＧＲガスを含む吸気ガスを主燃焼室１０の第２領域１０−２に導く。
【００２８】
このように、第１領域１０−１にはＥＧＲガスが導入されず、第２領域１０−２にＥＧＲガスが導入される結果、主燃焼室１０の中にはガス組成の異なる２つの層が形成されることになる。具体的には、第１領域１０−１には、ＥＧＲガスをほとんど含まない混合ガスの層が形成される。一方、第２領域１０−２には、多量のＥＧＲガスを含む混合ガスの層が形成される。
【００２９】
図３は、主燃焼室１０内のＥＧＲガスの分布を模式的に示している。図３に示されるように、主燃焼室１０において、多量のＥＧＲガスが存在する層とＥＧＲガスが存在しない層との間には、明確な境界面が形成される。第１吸気ポート３０−１につながる第１領域１０−１は、ＥＧＲガスが存在しない層に対応している。一方、第２吸気ポート３０−２につながる第２領域１０−２は、多量のＥＧＲガスが存在する層に対応している。
【００３０】
１−４．副室における着火性の向上
図４は、本実施の形態に係る内燃機関１における燃焼を説明するための概略図である。図４のフォーマットは、既出の図２のフォーマットと同じである。
【００３１】
吸気工程において、主燃焼室１０内で混合ガスが形成される。このとき、上述の通り、ガス組成の異なる２つの層が形成される（図３参照）。具体的には、第１領域１０−１には、ＥＧＲガスをほとんど含まない混合ガスの層が形成される。一方、第２領域１０−２には、多量のＥＧＲガスを含む混合ガスの層が形成される。２つの層の境界は、図４では線Ｂで示されている。
【００３２】
圧縮工程において、主燃焼室１０内の混合ガスの一部が、連通孔５１を通して副室５０内に入る。ここで、本実施の形態に係る副室５０は、第１領域１０−１に形成されており、第１吸気開口部３１−１から近く、第２吸気開口部３１−２から遠いことに留意されたい。このような副室５０の配置の結果、副室５０に入る混合ガスにはＥＧＲガスがほとんど含まれなくなる。そして、所定の点火タイミングにおいて、点火プラグ５２が副室５０内で火花点火を行う。このとき、副室５０内の混合ガスにはＥＧＲガスがほとんど含まれないため、着火しやすい。すなわち、本実施の形態によれば、副室５０における着火性が向上する。
【００３３】
副室５０内で着火が行われ、燃焼が開始する。副室５０内で発生した火炎は、連通孔５１を通して主燃焼室１０に勢いよく噴き出す。副室５０から連通孔５１を通して主燃焼室１０に噴き出す火炎は、ジェット６０と呼ばれる。ジェット６０は主燃焼室１０内で成長し、それにより主燃焼室１０内で燃焼が進行する。
【００３４】
以上に説明されたように、本実施の形態によれば、第１吸気開口部３１−１から主燃焼室１０には、空気を含みＥＧＲガスを含まない吸気ガスが導入される。一方、第２吸気開口部３１−２から主燃焼室１０には、ＥＧＲガスを含む吸気ガスが導入される。火花点火が行われる副室５０は、第１吸気開口部３１−１に近く、第２吸気開口部３１−２から遠い位置に配置されている。よって、副室５０にはＥＧＲガスが入りにくくなり、副室５０における着火性が向上する。
【００３５】
尚、副室５０において火花点火を行う場合は、上述の通り、副室５０内のガスの組成が重要である。一方、副室５０内でガスを自己着火させる場合（特許文献２参照）は、ガスの組成よりも、ガスの温度の方が重要である。副室５０内のガスの温度が高い方が、自己着火しやすい。従って、特許文献２に開示されているような自己着火方式の場合は、高温のＥＧＲガスをむしろ副室に導入した方が望ましい。この技術思想は、本実施の形態の技術思想とは正反対である。
【００３６】
２．第２の実施の形態
上記の第１の実施の形態で説明されたように、燃焼は、第２領域１０−２から遠い副室５０で開始する。よって、第２領域１０−２における燃焼は、比較的遅い期間に行われる。その第２領域１０−２には、多量のＥＧＲガスが存在する。特に、主燃焼室１０の外周部１０ｐの温度は低く、外周部１０ｐの近傍には、多量のＥＧＲガスを含む低温のガスが存在する。よって、第２領域１０−２の外周部１０ｐの近傍では、ガスが特に燃えにくい。従って、燃焼期間の後半において、燃焼状態が悪化し、未燃損失が増大する可能性がある。本発明の第２の実施の形態は、そのような未燃損失を低減するための技術を提案する。尚、第１の実施の形態と重複する説明は適宜省略される。
【００３７】
図５は、第２の実施の形態に係る内燃機関１における燃焼を説明するための概略図である。図５のフォーマットは、既出の図２、図４のフォーマットと同様である。図６は、第２の実施の形態における副室５０の連通孔５１の配置を説明するための概略図である。ここで、新たな座標系として、円筒座標系を導入する。Ｚ方向から見たとき、主燃焼室１０の外周部１０ｐの形状は、円形状である。その円形状の半径方向及び周方向は、それぞれ、ｒ方向及びφ方向である。
【００３８】
本実施の形態によれば、副室５０から噴き出すジェット６０がなるべく主燃焼室１０の外周部１０ｐに沿って進むように、副室５０の連通孔５１が設計される。より詳細には、連通孔５１の向きの主成分がφ方向（周方向）となるように、連通孔５１が形成される。これにより、連通孔５１から噴き出すジェット６０の向きの主成分もφ方向となる。その結果、ジェット６０が、φ方向に、すなわち、外周部１０ｐに沿って進みやすくなる。
【００３９】
図５に示される例では、副室５０は、第１領域１０−１において、主燃焼室１０の外周部１０ｐ、第１吸気開口部３１−１、及び第１排気開口部４１−１に囲まれるように配置されている。副室５０の連通孔５１は、第１連通孔５１ｉと第２連通孔５１ｅを含んでいる。第１連通孔５１ｉは、副室５０から見て第１吸気開口部３１−１の側に形成されている。第２連通孔５１ｅは、副室５０から見て第１排気開口部４１−１の側に形成されている。第１連通孔５１ｉからは吸気側方向にジェット６０ｉが噴き出し、第２連通孔５１ｅからは排気側方向にジェット６０ｅが噴き出す。
【００４０】
図６に示されるように、第１連通孔５１ｉ及び第２連通孔５１ｅの各々の向きの主成分は、φ方向（周方向）である。これにより、第１連通孔５１ｉから噴き出すジェット６０ｉの向きの主成分もφ方向となる。また、第２連通孔５１ｅから噴き出すジェット６０ｅの向きの主成分もφ方向となる。
【００４１】
図５に示されるように、ジェット６０ｉ、６０ｅは、φ方向に、すなわち、主燃焼室１０の外周部１０ｐに沿って進む。従って、温度の低い外周部１０ｐの近傍のガスが最初に燃焼する。特に、第２領域１０−２の外周部１０ｐの近傍には多量のＥＧＲガスを含む低温のガスが存在するが、そのような低温のガスがジェット６０ｉ、６０ｅによって最初に燃焼する。よって、未燃損失が低減される。その後、燃焼は、外周部１０ｐの近傍から、主燃焼室１０の中心Ｃの方に進む。主燃焼室１０の中心Ｃの方は外周部１０ｐから離れているため、温度が比較的高くなっており、燃焼は良好に進む。
【００４２】
このように、本実施の形態によれば、副室５０の連通孔５１の向きの主成分がφ方向である。従って、副室５０から噴き出すジェット６０が主燃焼室１０の外周部１０ｐに沿って進みやすくなる。これにより、温度の低い外周部１０ｐの近傍のガスが最初に燃焼し、未燃損失が低減される。特に、燃焼期間の後半、多量のＥＧＲガスが存在する第２領域１０−２における未燃損失が低減される。
【００４３】
尚、ジェット６０ｉ、６０ｅが外周部１０ｐのなるべく多くの範囲に行き渡るように、第１連通孔５１ｉ及び第２連通孔５１ｅの角度及び離間距離は適切に設計される。
【００４４】
３．第３の実施の形態
図７は、本発明の第３の実施の形態に係る内燃機関１における燃焼を説明するための概略図である。図７のフォーマットは、既出の図５のフォーマットと同じである。図８は、第３の実施の形態における副室５０の連通孔５１の配置を説明するための概略図である。第２の実施の形態と重複する説明は適宜省略される。
【００４５】
図７に示されるように、吸気側には、吸気ポート３０から主燃焼室１０に吸い込まれる吸気ガスによるタンブル流７０が発生する。このタンブル流７０が吸気側のジェット６０ｉと干渉すると、ジェット６０ｉの勢いが弱まる。この場合、吸気側と排気側との間で火炎伝播に偏りが発生するおそれがある。
【００４６】
そこで、第３の実施の形態では、タンブル流７０の影響を考慮して、吸気側のジェット６０ｉが排気側のジェット６０ｅよりも強くなるように、第１連通孔５１ｉ及び第２連通孔５１ｅが設計される。より詳細には、図８に示されるように、吸気側の第１連通孔５１ｉのサイズ（径）は、排気側の第２連通孔５１ｅのサイズよりも大きくなるように設計される。これにより、第１連通孔５１ｉから噴き出すジェット６０ｉは、第２連通孔５１ｅから噴き出すジェット６０ｅよりも強くなる。その結果、吸気側と排気側との間の火炎伝播の偏りが抑制される。火炎伝播の偏りが抑制されることは、燃焼期間の短縮、未燃損失の更なる低減にも寄与する。
【符号の説明】
【００４７】
１      内燃機関
１０      主燃焼室
１０−１  第１領域
１０−２  第２領域
１０ｐ    外周部
２０      シリンダブロック
２１      シリンダライナ
２２      ピストン
２３      シリンダヘッド
３０      吸気ポート
３０−１  第１吸気ポート
３０−２  第２吸気ポート
３１      吸気開口部
３１−１  第１吸気開口部
３１−２  第２吸気開口部
３２      吸気バルブ
３３      燃料噴射弁
４０      排気ポート
４０−１  第１排気ポート
４０−２  第２排気ポート
４１      排気開口部
４１−１  第１排気開口部
４１−２  第２排気開口部
４２      排気バルブ
５０      副室
５１      連通孔
５１ｉ    第１連通孔
５１ｅ    第２連通孔
５２      点火プラグ
６０、６０ｉ、６０ｅ    ジェット
７０      タンブル流
１００    ＥＧＲ装置
【図１】
2018115588.tif 000003
【図２】
2018115588.tif 000004
【図３】
2018115588.tif 000005
【図４】
2018115588.tif 000006
【図５】
2018115588.tif 000007
【図６】
2018115588.tif 000008
【図７】
2018115588.tif 000009
【図８】
2018115588.tif 000010