(57)【要約】【課題】  仕事効率の向上を図り、ＮＯｘ排出量の低減を図った直接噴射方式の内燃機関を提供する。【解決手段】  副燃焼室Ｒ２は、ピストン２０の内部に設けられ、主燃焼室Ｒ１と副燃焼室Ｒ２を連絡する連絡口Ｓの主燃焼室Ｒ１側への開口部Ｓ１は、燃料噴射弁４０から点火プラグ５０に向かって流れる燃料を副燃焼室Ｒ２内に導きいれるように、この流れの経路に臨んで開口される。また、連絡口Ｓは、副燃焼室Ｒ２から主燃焼室Ｒ１に向かう方向が、略円形であるピストンキャビティ２１の外周方向に向かうように２箇所設けられる。更に、この連絡口Ｓはピストンキャビティ２１の底面に対して略平行（ピストン２０の往復移動方向に対して略垂直）となるように設けられる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室が主燃焼室と副燃焼室に分かれ、その間を連絡口で連絡された形式の副室式燃焼室を備え、
主燃焼室へ燃料が噴射される噴射方式を用いた直接噴射方式の内燃機関において、
副燃焼室がピストンの内部に設けられると共に、
前記連絡口の主燃焼室側への開口部が、燃料噴射弁から点火プラグに向かって流れる燃料を副燃焼室内に導き入れるように、この流れの経路に臨んで開口されていることを特徴とする直接噴射方式の内燃機関。
【請求項２】
副燃焼室側から主燃焼室に向かって噴出する火炎が、主燃焼室内における副燃焼室を介さない火炎伝播経路の末端領域に向かうように、前記連絡口の方向が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の直接噴射方式の内燃機関。
【請求項３】
副燃焼室側から主燃焼室に向かって噴出する火炎が、主燃焼室内における副燃焼室を介さない火炎伝播経路の末端領域に向かうように、かつ、ピストンの往復移動方向に対して略垂直方向に向かうように、前記連絡口の方向が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の直接噴射方式の内燃機関。
【請求項４】
ピストン頂面に、燃料噴射弁から噴射された燃料を点火プラグに向かわせるピストンキャビティが設けられていることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の直接噴射方式の内燃機関。
【請求項５】
前記ピストンキャビティの側面側の内部に、副燃焼室が設けられており、
該ピストンキャビティの側面に前記開口部が開口されていることを特徴とする請求項４に記載の直接噴射方式の内燃機関。
【請求項６】
点火プラグは副室式燃焼室の中央上部に配設されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の直接噴射方式の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、副室式燃焼室を備えた、直接噴射方式の内燃機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、筒内噴射を行う内燃機関において、機関負荷に応じて、成層燃焼と均質燃焼を使い分ける技術が知られている。すなわち、低負荷の場合には成層燃焼を行い、高負荷の場合には均質燃焼を行うことで、大幅な低燃費を実現している。ところで、一般的に、燃焼１サイクルのうち燃焼後期においては、燃焼が緩慢になり、燃焼速度は遅くなる（図６中Ｘ部参照）。なお、図６は燃焼１サイクルにおける、経過時間と最大熱発生量に対する熱発生量の割合（％）を示している。そして、混合気の燃料濃度が低ければ低いほど、燃焼が緩慢になる時間が長くなり、熱発生量が１００％に到達するまでの時間は長くなってしまう。
【０００３】
ここで、上述の成層燃焼を行う場合には、ＥＧＲガス量を多くするほど、ＮＯｘの排出量を低減できる。しかし、ＥＧＲガス量を多くすればするほど、混合気の燃料濃度は低くなる。従って、熱発生量が１００％に到達するまでの時間は長くなってしまう。また、ＥＧＲガス量を増加しすぎると、失火が発生してしまう原因になる。従って、ＥＧＲガス量を増加させるためには、燃料濃度の低い混合気を効率良く燃焼させる必要がある。
【０００４】
一般的に、燃料濃度が低い混合気を効率良く燃焼させるために、燃焼室を副室式にすると有効である。これによれば、燃焼後期において、副燃焼室から主燃焼室に火炎を噴出させることができる。従って、この火炎によって、燃料濃度の低い混合気を燃焼させることができる。
【０００５】
しかし、一般的な副室式燃焼室を用いた技術の考え方によると、筒内噴射を行う内燃機関における成層燃焼において、火炎伝播末端の燃料濃度が低い混合気を広範囲にわたって効率良く燃焼することは困難である。この理由は、次の通りである。
【０００６】
副室式燃焼室における副燃焼室は、シリンダヘッド側に設けられるのが一般的である。そして、筒内噴射を行う内燃機関において、燃料（混合気）を副燃焼室に入りやすくするためには、副燃焼室と主燃焼室を連絡する連絡口の主燃焼室側への開口部を、ピストンキャビティで跳ね上げられた燃料に対向する位置に設ける必要がある。従って、副燃焼室をシリンダヘッド側に設ける場合には、連絡口の開口部は、ピストン頂面に向かって設ける必要があると考えられる。
【０００７】
この場合、副燃焼室には十分な燃料が入り、副燃焼室から十分な火炎を噴出させることができるものの、燃料濃度の低い混合気の一部にしか、この火炎を行きわたらせることができない。何故ならば、主燃焼室内における火炎は、おおよそ水平方向に拡がっていくのに対して、連絡口の開口部をピストン頂面に向けた場合、副燃焼室からは、細長い火炎が、鉛直下向き方向に向かって噴出するからである。また、連絡口の開口部をピストン頂面に向かって設けると、副燃焼室から噴出された火炎は、直ぐにピストン頂面に当たってしまう。従って、冷却損失が増えてしまうという不具合もある。
【０００８】
これに対して、連絡口の開口部を水平方向に向けた場合には、副燃焼室から所望の方向に火炎を噴出させることができると考えられる。しかし、連絡口の開口部を水平方向に向けると、噴射された燃料が直接副燃焼室に入らないため、副燃焼室から噴出する火炎を安定して形成させるのが困難である。なお、特許文献１には、連絡口の開口部を水平に向け
た技術が開示されている。しかし、この技術によれば、噴射された燃料を直接副燃焼室に入れるのではなく、主燃焼室と副燃焼室との圧力差によって、燃料（混合気）を副燃焼室に入れる技術である。この場合、十分な燃料を安定して副燃焼室に入れることは、技術的に困難であると考えられる。従って、副燃焼室での着火性が不安定であるという問題がある。また、副燃焼室から、十分な火炎を安定して噴出させることも困難であると考えられる。その他の関連技術としては、特許文献２〜５に開示された技術がある。
【特許文献１】特開平７−２６９３４９号公報
【特許文献２】特開平７−２６９３４８号公報
【特許文献３】特開平７−２６９３５１号公報
【特許文献４】特開平１０−５４２４４号公報
【特許文献５】実開昭５５−６４８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的の一つとして、安定した燃焼を維持しつつ、ＥＧＲガス量を増加させることが挙げられる。また、これに伴い、ＮＯｘ排出量の低減を図ることが挙げられる。
【００１０】
また、本発明の目的の一つとして、燃焼期間の短縮を図ることが挙げられる。また、これに伴い、仕事効率の向上を図ることが挙げられる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
【００１２】
すなわち、本発明は、主燃焼室と副燃焼室を連絡する連絡口の向きを、次ぎの条件を満足するように設定した。（１）燃料噴射弁から噴射された燃料が、副燃焼室に直接入るようにする。（２）副燃焼室側から主燃焼室に向かって噴出する火炎が、直ぐにピストン頂面に当たることなく、主燃焼室内における火炎伝播経路の末端領域を広範囲に行きわたるようにする。
【００１３】
（１）の条件を満たす構成にすれば、副燃焼室側から噴出させる火炎を、毎回安定して形成させることができる。また、（２）の条件を満たす構成にすれば、燃料濃度の低い混合気を広範囲にわたって効率良く燃焼させることができる。
【００１４】
より具体的な、本発明の直接噴射方式の内燃機関としては、
燃焼室が主燃焼室と副燃焼室に分かれ、その間を連絡口で連絡された形式の副室式燃焼室を備え、
主燃焼室へ燃料が噴射される噴射方式を用いた直接噴射方式の内燃機関において、
副燃焼室がピストンの内部に設けられると共に、
前記連絡口の主燃焼室側への開口部が、燃料噴射弁から点火プラグに向かって流れる燃料を副燃焼室内に導き入れるように、この流れの経路に臨んで開口されていることを特徴とするものが挙げられる。
【００１５】
本発明の構成によれば、燃料噴射弁から噴射された燃料は、直接副燃焼室内に入っていく。これにより、副燃焼室内に充満する混合気の燃料の濃度は十分高くなる。従って、副燃焼室側から噴出させる火炎を、毎回安定して形成させることができる。
【００１６】
ここで、副燃焼室側から主燃焼室に向かって噴出する火炎が、主燃焼室内における副燃焼室を介さない火炎伝播経路の末端領域に向かうように、前記連絡口の方向が設定されているとよい。
【００１７】
このようにすれば、主燃焼室内における火炎伝播経路末端の燃料濃度の低い混合気を効率良く燃焼させることができる。
【００１８】
また、副燃焼室側から主燃焼室に向かって噴出する火炎が、主燃焼室内における副燃焼室を介さない火炎伝播経路の末端領域に向かうように、かつ、ピストンの往復移動方向に対して略垂直方向に向かうように、前記連絡口の方向が設定されていると好適である。
【００１９】
このようにすれば、副燃焼室側から噴出された火炎は、ピストン頂面に直ぐに当たることはない。従って、主燃焼室内における火炎伝播経路末端の燃料濃度の低い混合気を、広範囲にわたって、効率良く燃焼させることができる。また、冷却損失を抑制できる。
【００２０】
また、ピストン頂面に、燃料噴射弁から噴射された燃料を点火プラグに向かわせるピストンキャビティが設けられているとよい。そして、前記ピストンキャビティの側面側の内部に、副燃焼室が設けられており、該ピストンキャビティの側面に前記開口部が開口されているとよい。
【００２１】
このような構成を採用することで、連絡口の主燃焼室側への開口部が、燃料噴射弁から点火プラグに向かって流れる燃料を副燃焼室内に導き入れるように、この流れの経路に臨んで開口させることができる。しかも、副燃焼室側から主燃焼室に向かって噴出する火炎が、主燃焼室内における副燃焼室を介さない火炎伝播経路の末端領域に向かうように、かつ、ピストンの往復移動方向に対して略垂直方向に向かうように、連絡口の方向を設定できる。
【００２２】
点火プラグは副室式燃焼室の中央上部に配設されているとよい。
【００２３】
なお、上記各構成は、可能な限り組み合わせて採用し得る。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように、本発明によれば、副燃焼室側から噴出する火炎によって、燃料濃度の低い混合気を効率的に燃焼させることができる。従って、燃焼期間を短縮し、仕事効率を向上させることができる。また、燃料濃度の低い混合気を効率的に燃焼できるので、成層燃焼時におけるＥＧＲガス量を増加させることができる。従って、ＮＯｘの排出量を低減することが可能となる。更に、冷却損失を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて、例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【実施例】
【００２６】
図１〜図５を参照して、本発明の実施例に係る直接噴射方式の内燃機関について説明する。図１は本発明の実施例に係る直接噴射方式の内燃機関の主要部を示す模式的断面図である。図２は本発明の実施例に係る直接噴射方式の内燃機関におけるピストン頂面の平面図である。図３は本発明の実施例に係る直接噴射方式の内燃機関における燃料噴射時の様子を示す模式的断面図である。図４は本発明の実施例に係る直接噴射方式の内燃機関における燃焼初期時の火炎伝播の様子を示す平面図である。図５は本発明の実施例に係る直接噴射方式の内燃機関における燃焼後期時の火炎伝播の様子を示す平面図である。
【００２７】
＜直接噴射方式の内燃機関の概略＞
図示のように、本実施例に係る直接噴射方式の内燃機関１０は、作動ガス圧力を受けて往復動するピストン２０と、ピストン２０を往復動できるように構成されたシリンダ３１と、燃焼室を覆うシリンダヘッド３２と、不図示の燃料噴射ポンプからの燃料を噴射霧化させる燃料噴射弁４０と、電極間の放電によって混合気に点火する点火プラグ５０と、を備えている。
【００２８】
ここで、本実施例に係る内燃機関１０は、燃料噴射弁４０によって、燃料を燃焼室内に直接噴射する筒内噴射方式を採用している。また、内燃機関１０における燃焼室は、燃焼室が主燃焼室Ｒ１と副燃焼室Ｒ２の２室に分かれ、その間を連絡口Ｓで連絡された形式の副室式燃焼室である。そして、本実施例に係る内燃機関１０は、これら２室のうち、燃料噴射弁４０によって、主燃焼室Ｒ１へ燃料を噴射する直接噴射方式を採用している。
【００２９】
そして、本実施例に係る内燃機関１０においては、機関負荷に応じて、成層燃焼と均質燃焼を使い分けている。すなわち、低負荷の場合には成層燃焼を行い、高負荷の場合には均質燃焼を行っている。なお、成層燃焼とは、燃焼室内全体では、超希薄な空燃比とし、点火プラグ５０の近傍にのみ可燃な混合気を形成させた状態で行われる燃焼をいう。また、本実施例に係る内燃機関１０においては、燃焼室内に吸入する空気の中には、ＥＧＲガスが含まれている。通常、排気循環装置（ＥＧＲ装置）によって、吸気に排気の一部を還流させることで、吸気にＥＧＲガスを含ませている。これら排気循環装置やＥＧＲガスに関する技術は公知であるので、これらの詳細説明は省略する。
【００３０】
＜各部材の配置構成等＞
ピストン２０の頂面には、皿形状のピストンキャビティ２１が設けられている。このピストンキャビティ２１の部分を含み、ピストン２０の頂面とシリンダ３１及びシリンダヘッド３２によって囲まれた領域によって主燃焼室Ｒ１を形成している。そして、燃料噴射弁４０は、ピストンキャビティ２１の一端付近から、ピストンキャビティ２１の底面に沿う方向に燃料が噴射されるように配置されている。また、点火プラグ５０は、燃焼室（副室式燃焼室）全体の略中央の上部（ピストンキャビティ２１の他端付近の上部）に配置されている。このような配置構成としたことで、燃料噴射弁４０から噴射された燃料は、ピストンキャビティ２１の底面に沿って、点火プラグ５０に向かって流れていく。これにより、点火プラグ５０の近傍にのみ可燃な混合気を形成することができ、機関負荷が低負荷の場合には、上述した成層燃焼が可能となる。
【００３１】
＜成層燃焼の特性＞
背景技術でも説明したように、成層燃焼を行う場合には、ＥＧＲガス量を多くするほど、ＮＯｘの排出量を低減できる。しかし、ＥＧＲガス量を多くすればするほど燃焼期間が長くなり、仕事効率が低下してしまう。また、ＥＧＲガス量を増加しすぎると、失火が発生してしまう原因になる。ここで、成層燃焼時における火炎は点火部を中心に、おおよそ水平方向に略円形に拡がっていく。そして、火炎伝播末端部分は燃料濃度が低くなっており、この部分での燃焼が緩慢になる。従って、この燃料濃度が低い混合気を効率的に燃やすことができれば、燃焼期間を短縮し、ＥＧＲガス量を増加させることが可能となる。そこで、本実施例においては、燃焼室を副室式燃焼室とすることによって、この燃料濃度が低い混合気を効率的に燃焼させるようにした。
【００３２】
＜副燃焼室の詳細＞
各図に示すように、副燃焼室Ｒ２はピストン２０の内部に設けられている。より具体的には、ピストンキャビティ２１の側面のうち、燃料噴射弁４０に対向する部分の内部に、副燃焼室Ｒ２は設けられている。そして、主燃焼室Ｒ１と副燃焼室Ｒ２を連絡する連絡口Ｓの主燃焼室Ｒ１側への開口部Ｓ１は、燃料噴射弁４０に向かって開口されている。つまり、この開口部Ｓ１は、燃料噴射弁４０から点火プラグ５０に向かって流れる燃料を副燃
焼室Ｒ２内に導きいれるように、この流れの経路に臨んで開口されている（図３参照）。また、連絡口Ｓは、副燃焼室Ｒ２から主燃焼室Ｒ１に向かう方向が、略円形であるピストンキャビティ２１の外周方向に向かうように２箇所設けられている。更に、この連絡口Ｓはピストンキャビティ２１の底面に対して略平行（ピストン２０の往復移動方向に対して略垂直）となるように設けられている。
【００３３】
＜成層燃焼時の様子＞
上記のように構成された内燃機関１０によれば、燃料噴射弁４０から噴射された燃料は、周囲の空気を取り込みながら、ピストンキャビティ２１に沿って点火プラグ５０へと向かっていく。そして、この過程で、一部の燃料濃度の高い混合気は、開口部Ｓ１から連絡口Ｓを介して、副燃焼室Ｒ２に入っていく（図３参照）。その後、点火プラグ５０の近傍にのみ可燃な混合気が形成された所定のタイミングで、混合気は点火プラグ５０によって点火される。すると、点火部から発生した火炎は、点火部を中心に、おおよそ水平方向に略円形に拡がっていく。つまり、この火炎の一部は、ピストンキャビティ２１の外周に向かって拡がっていく。そして、この火炎は、開口部Ｓ１から連絡口Ｓに入り、副燃焼室Ｒ２内へと向かっていく（図４参照）。従って、副燃焼室Ｒ２内の混合気は、高温かつ高圧となる。なお、この時点においては、主燃焼室Ｒ１における燃焼は、未だ初期状態である。ここで、初期状態とは、燃焼１サイクルにおいて燃焼が緩慢になる前の状態を意味する。
【００３４】
その後、高温かつ高圧の混合気（あるいは火炎）は、副燃焼室Ｒ２から連絡口Ｓを通って、主燃焼室Ｒ１に向かって噴出する。これにより、副燃焼室Ｒ２側から主燃焼室Ｒ１に向かって大きな火炎が噴出する。なお、副燃焼室Ｒ２に充満した混合気の着火は、次ぎの何れかにより行われる。（１）主燃焼室Ｒ１から伝播してきた火炎によって、当該混合気が副燃焼室Ｒ２内で直接着火される。（２）副燃焼室Ｒ２内で高温かつ高圧になり、当該混合気が自己着火する。（３）高温かつ高圧の混合気が未着火状態で主燃焼室Ｒ１へと噴出し、開口部Ｓ１付近で着火される。
【００３５】
このように、副燃焼室Ｒ２側から主燃焼室Ｒ１に向かって火炎が噴出する。この火炎は、連絡口Ｓの方向に沿って噴出する。すなわち、この火炎は、ピストンキャビティ２１の外周方向であって、かつ、ピストンキャビティ２１の底面に対して略平行（ピストン２０の往復移動方向に対して略垂直）に噴出する（図５中矢印Ｖ）。ここで、主燃焼室Ｒ１内における火炎は、上記の通り、点火部を中心に略円形に拡がっていく。そして、副燃焼室Ｒ２側から火炎が噴出する時点で、主燃焼室Ｒ１内における火炎伝播経路の末端領域はピストンキャビティ２１の外周付近に到達している。従って、副燃焼室Ｒ２側から主燃焼室Ｒ１に向かって噴出する火炎は、主燃焼室Ｒ１内における副燃焼室Ｒ２を介さない火炎伝播経路の末端領域に向かっていく。しかも、この火炎は、ピストン２０の頂面に直ぐに当たってしまうことなく、主燃焼室Ｒ１内の火炎の拡がり方向と同じ方向（ピストン２０の往復移動方向に対して略垂直方向（水平方向））に噴出する。
【００３６】
＜本実施例に係る内燃機関の長所＞
これにより、副燃焼室Ｒ２側から噴出させる火炎を、主燃焼室Ｒ１内における火炎伝播経路の末端領域に対して広範囲に行きわたらせることが可能となる。よって、燃料濃度の低い混合気を広範囲にわたって短期間に燃焼させることができる。従って、燃焼の後期を極めて短い時間で終了させることができる。つまり、燃焼１サイクルの期間を短縮することができる。しかも、副燃焼室Ｒ２側から噴出する火炎は、ピストン２０の頂面に直ぐには当たらないので、冷却損失を抑制できる。以上のように、本実施例に係る内燃機関１０によれば、成層燃焼時の燃焼期間を短縮できる。従って、これに伴い、仕事効率の向上を図ることができる。また、燃料濃度の低い混合気を広範囲にわたって燃焼できるため、安定した燃焼を維持しつつ、ＥＧＲガス量を増加させることができる。従って、ＮＯｘ排出
量の低減を図ることができる。
【００３７】
＜その他＞
本実施例においては、連絡口Ｓは、副燃焼室Ｒ２から主燃焼室Ｒ１に向かう方向が、略円形であるピストンキャビティ２１の外周方向に向かうように設ける構成を説明した。これは、副燃焼室Ｒ２側から噴出する火炎が、燃焼後期に、主燃焼室Ｒ１内における火炎伝播経路の末端領域に向かっていくようにするためである。ここで、燃焼後期において、主燃焼室内における火炎伝播経路の末端領域は、ピストンキャビティの形状や配置構成，燃料噴射弁の配置構成や燃料噴射量、あるいは、点火プラグの配置構成や点火時期等に応じて異なる。従って、連絡口の向きは、燃焼後期において、主燃焼室内における火炎伝播経路の末端領域に向かうように、適宜設定する必要があり、本実施例の場合と同じ方向になるとは限らない。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施例に係る直接噴射方式の内燃機関の主要部を示す模式的断面図である。
【図２】本発明の実施例に係る直接噴射方式の内燃機関におけるピストン頂面の平面図である。
【図３】本発明の実施例に係る直接噴射方式の内燃機関における燃料噴射時の様子を示す模式的断面図である。
【図４】本発明の実施例に係る直接噴射方式の内燃機関における燃焼初期時の火炎伝播の様子を示す平面図である。
【図５】本発明の実施例に係る直接噴射方式の内燃機関における燃焼後期時の火炎伝播の様子を示す平面図である。
【図６】燃焼１サイクルにおける経過時間と最大熱発生量に対する熱発生量の割合（％）を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３９】
１０  内燃機関
２０  ピストン
２１  ピストンキャビティ
３１  シリンダ
３２  シリンダヘッド
４０  燃料噴射弁
５０  点火プラグ
Ｒ１  主燃焼室
Ｒ２  副燃焼室
Ｓ  連絡口
Ｓ１  開口部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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