(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
火炎ジェットを、副燃焼室から主燃焼室へ副室噴口を介して供給する、副室式火花点火機関における燃焼方法において、
「前記副室噴口における噴口断面積／前記副燃焼室の容積」の値に基づき、火炎ジェット噴射時における、前記副室噴口からシリンダヘッドと対向するピストン表面までの距離を、シリンダ内径の所定倍に設定し、
火炎ジェットを前記ピストン表面に吹きあてて火炎ジェットを冷却することにより、初期燃焼を抑制することにより、
主燃焼室内の未燃混合気の温度と圧力の上昇を抑制し未燃混合気の自己着火を防止することを特徴とする副室式火花点火機関における燃焼方法。
【請求項２】
前記ピストン表面に突起を設け、
設定する上記距離を前記副室噴口から前記突起までの距離とし、
火炎ジェットを前記突起に吹きあてる、請求項１記載の副室式火花点火機関における燃焼方法。
【請求項３】
「前記副室噴口における噴口断面積／前記副燃焼室の容積」が、１．１×１０−３ｍｍ−１であり、
前記副室噴口から前記ピストン表面までの距離が、シリンダ内径の０．１１倍〜０．３１倍である、請求項１に記載の副室式火花点火機関における燃焼方法。
【請求項４】
「前記副室噴口における噴口断面積／前記副燃焼室の容積」が、１．１×１０−３ｍｍ−１であり、
前記副室噴口から前記突起までの距離が、シリンダ内径の０．１１倍〜０．３１倍である、請求項２に記載の副室式火花点火機関における燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、副室式火花点火機関においてノッキングの原因となる未燃混合気の自己着火を防ぐことができる燃焼方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４に示すように従来の副室式火花点火機関３００においては、シリンダヘッド１１と対向するピストン３０の表面とシリンダ壁１２及びシリンダヘッド１１により形成された主燃焼室４０内に副燃焼室６０に設けた点火プラグ（図示せず）により点火された副燃焼室６０内の燃料ガスの火炎ジェット７０が噴出される。
【０００３】
この火炎ジェット７０が主燃焼室４０内に噴出されることにより主燃焼室４０内の温度及び圧力が向上し、主燃焼室４０内の未燃混合気に、火炎ジェット７０の火炎が到達する前にシリンダ壁１２近傍にある未燃混合気が自己着火し、主燃焼室４０内における正常燃焼を妨げる恐れがある。未燃混合気が自己着火すると、主燃焼室４０内で圧力振動が発生し（ノッキング）、主燃焼室４０を構成する部材に悪影響を及ぼす恐れがある。
【０００４】
このノッキングを回避するために点火時期を遅らせる（点火遅角）と、熱効率が悪化してしまうため点火遅角は実用的ではなく、逆に点火時期を早める（点火進角）と熱効率は向上するが、逆にノッキングを引き起こす可能性が高くなるため、点火時期のみを制御してノッキングを回避するのは熱効率の観点から有用ではない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、良好な熱効率を維持しつつノッキングを回避することができる副室式火花点火機関における燃焼方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１〜４の発明により上述の目的を達成する。請求項１の発明は、火炎ジェットを、副燃焼室から主燃焼室へ副室噴口を介して供給する、副室式火花点火機関における燃焼方法において、「前記副室噴口における噴口断面積／前記副燃焼室の容積」の値に基づき、火炎ジェット噴射時における、前記副室噴口からシリンダヘッドと対向するピストン表面までの距離を、シリンダ内径の所定倍に設定し、火炎ジェットを前記ピストン表面に吹きあてて火炎ジェットを冷却することにより、初期燃焼を抑制することにより、主燃焼室内の未燃混合気の温度と圧力の上昇を抑制し未燃混合気の自己着火を防止することを特徴とする副室式火花点火機関における燃焼方法である。
【０００７】
請求項２の発明は、前記ピストン表面に突起を設け、設定する上記距離を前記副室噴口から前記突起までの距離とし、火炎ジェットを前記突起に吹きあてる、請求項１記載の副室式火花点火機関における燃焼方法である。
請求項３の発明は、「前記副室噴口における噴口断面積／前記副燃焼室の容積」が、１．１×１０−３ｍｍ−１であり、前記副室噴口から前記ピストン表面までの距離が、シリンダ内径の０．１１倍〜０．３１倍である、請求項１に記載の副室式火花点火機関における燃焼方法である。
請求項４の発明は、「前記副室噴口における噴口断面積／前記副燃焼室の容積」が、１．１×１０−３ｍｍ−１であり、前記副室噴口から前記突起までの距離が、シリンダ内径の０．１１倍〜０．３１倍である、請求項２に記載の副室式火花点火機関における燃焼方法である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）〜（ｃ）は、請求項１又は３の発明を実施することができる副室式火花点火機関１００のシリンダヘッド部付近の一部縦断正面略図である。図１（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は上死点（以下、ＴＤＣと称する。）よりクランク角がそれぞれ５度、１０度及び１４度進んだ状態（すなわち、それぞれクランク角が１８５度、１９０度、１９４度の状態）を示している。
【０００９】
図１（ａ）において主燃焼室４は、シリンダヘッド１、シリンダヘッド１と連続した円筒形のシリンダ壁２及びシリンダヘッド１と対向するピストン３の表面で仕切られて形成されている。
【００１０】
図示していないがシリンダヘッド１には、吸気弁と排気弁が設けてあり、この吸気弁と排気弁を適宜開閉することにより主燃焼室４に対する吸気及び排気が行われる。
【００１１】
副燃焼室６には点火プラグ（図示せず）が設けてあり、この点火プラグにより副燃焼室６内の燃料ガスが点火され、副燃焼室６内から副室噴口５を介して主燃焼室４内に高温高圧の火炎ジェット７が噴出される。
【００１２】
図１（ａ）〜（ｃ）に記載の副室噴口５は噴口断面積／副燃焼室容積＝１．１×１０−３ｍｍ−１であり、図１（ａ）に示すように副室噴口５の火炎ジェット噴出方向における副室噴口５からピストン３の表面までの距離はＬ１である。また、ボア径（シリンダ内径）はＬＳである。
このＬ１とＬＳの間には、式（１）の関係がある。
０．１１≦Ｌ１／ＬＳ≦０．３１・・・・・（１）
【００１３】
式（１）において、副室噴口５からピストン３までの距離が図２（ａ）に示すようにＬ２であれば式（１）のＬ１の部分にはＬ２を代入する。図１（ａ）〜（ｃ）は、Ｌ１／ＬＳ＝０．１１の状態を示しており、図２（ａ）〜（ｃ）は、Ｌ２／ＬＳ＝０．３１の状態を示している。また、図２（ａ）〜（ｃ）において火炎ジェット７の噴出方向における副室噴口５からピストン３の表面までの距離はＬ２である。
【００１４】
副室噴口５の向きを変更することにより、火炎ジェット７の噴出方向における副室噴口５からピストン３の表面までの距離をＬ１（図１）からＬ２（図２）の間に設定する。このように設定することにより火炎ジェット７は、燃焼初期においてピストン３の表面に当たってピストン３へ熱を伝達して冷却される。図６のグラフに示すようにクランク角１８０度であるＴＤＣより前の燃焼期間においてＬ２／ＬＳ＝０．３１（すなわち距離Ｌ２）の場合よりもＬ１／ＬＳ＝０．１１（すなわち距離Ｌ１）の場合の方が熱発生量が低く抑えられている。
【００１５】
これは、火炎ジェット７が副室噴口５から噴射されてからピストン３の表面に当たるまでの時間が短いほど早期に冷却され、主燃焼室４内の温度と圧力の上昇が抑制されるためである。ちなみに、Ｌ１／ＬＳが０．１１より小さければクエンチング（消炎）が発生し、未燃ＨＣを排出してしまうので、Ｌ１／ＬＳは上記の式（１）の関係を満たす必要がある。
【００１６】
図６において、Ｌ１／ＬＳ＝０．３１の際のグラフは実線で示しており、Ｌ１／ＬＳ＝０．１１の際のグラフは破線で示している。図６に示すように、ＴＤＣより前の燃焼期間において、Ｌ１／ＬＳが小さい方がピストン３に早く当たるので主燃焼室４内の熱発生量が少なく、温度と圧力の上昇を抑えることができる。火炎ジェット７の温度は、約２０００〜３０００Ｋ（ケルビン）位であり、ピストン３の表面（キャビティ部）の温度は５００Ｋ（ケルビン）位である。
【００１７】
初期燃焼の抑制及び後期燃焼の活発化（例えば、スキッシュ流（乱流）の活用、火炎ジェットの衝突による乱れの増加）により、単に点火時期を遅角してノッキングを回避した場合より等容度の高い燃焼形態となる。
【００１８】
図６のグラフの右端の縦軸にノッキングナンバーなる指標を刻んであるが、このノッキングナンバーとは、実験により予め求められた指標であり、クランク角度１９４度付近のノッキングナンバーと実際のノッキング発生とは相関関係がある。クランク角度が（１８０＋１４）度、つまりＴＤＣよりクランク角が１４度進んだときのノッキングナンバーを観察すると、ノッキングの発生のし易さがわかる。
【００１９】
図５の１番下のグラフに示すように、ボア径（シリンダ内径）に対する副室噴口５からピストン３の表面までの距離のパーセンテージが１１〜３１％付近でノッキングナンバーが最も低くなっている。図５の下から２番目のグラフでは、１番下のグラフのノッキングナンバーの低い部分に対応してノッキング限界が高くなっており、ノッキングナンバーが小さいほどノッキングが起こりにくいことを裏付けている。図５の上から３番目のグラフは熱効率を示しているが、熱効率はボア径に対する副室噴口５からピストン３の表面までの距離のパーセンテージが１１〜３１％付近で向上している。
【００２０】
また、図５の１番上のグラフと上から２番目のグラフでは、ボア径に対する副室噴口５からピストン３の表面までの距離のパーセンテージが１１〜３１％付近において、排出されるＴＨＣ、ＣＯ及びＮＯＸの濃度が比較的低くなっていることを示している。
【００２１】
ボア径（シリンダ内径）ＬＳと副室噴口５からピストン３の表面までの距離Ｌ１を式（１）を満たすように設定すると、図７のグラフに示すようにノッキング限界を引き上げることができ、それによりノッキングを起こさずに点火進角させて熱効率を向上させることができる。図７の横軸に示すｂＴＤＣのｂは、ＴＤＣより前（ｂｅｆｏｒｅ）を意味する。
【００２２】
図３は、請求項２又は４の発明を実施することができる副室式火花点火機関２００のシリンダヘッド部付近の一部縦断正面略図である。請求項２又は４の発明においては、ピストン３の表面に副室噴口５に向かって隆起する突起１０が設けてある。この突起１０に向かって副室噴口５から火炎ジェット７が噴射される。副室噴口５から突起１０までの距離はＬ３であり、Ｌ３が０．１１≦Ｌ３／ＬＳ≦０．３１を満たすように（すなわち式（１）を満たすように）突起１０の形状は規定されている。
【００２３】
図４は、従来の副室式火花点火機関３００のシリンダヘッド部付近の一部縦断正面略図である。図４においては、ピストン３０の表面に図３に示すような突起１０は設けられておらず、副室噴口５０からピストン３０の表面までの距離がＬ３より長く、副室噴口５０から火炎ジェット７０を噴射しても図３に示す突起１０がない分だけ火炎ジェット７０の冷却が遅れ、ＴＤＣより前の燃焼期間において主燃焼室４０内の温度と圧力の上昇を効果的に抑制することができない。
【００２４】
しかし図３に示すように、突起１０を設けて式（１）を満たすように距離Ｌ３を規定することにより、初期燃焼期間において主燃焼室４内の温度と圧力の上昇を抑制し、未燃混合気の自己着火を防止しノッキングを回避することができる。
【００２５】
以上の説明では、副室噴口５は噴口断面積／副燃焼室容積＝１．１×１０−３ｍｍ−１としていたが、噴口断面積（孔径）を小さくすることにより火炎ジェット７の噴射速度を速めることができる。噴口断面積をより小さくすると、Ｌ１／ＬＳの値は式（１）に示す範囲よりも広い範囲において規定することができる。火炎ジェット７の噴射速度が速い分だけ火炎ジェット７の冷却も早い段階で行われ、主燃焼室４内の未燃混合気の温度と圧力の上昇を抑制し、未燃混合気の自己着火を防止することができる。
【００２６】
ＴＤＣより後の燃焼期間においては、主燃焼室４内に発生する乱流（スキッシュ）や火炎ジェットの衝突による乱れの増加により、火炎ジェット７の伝播速度が加速され、後期燃焼が活発化するので熱効率が向上する。
【００２７】
【発明の効果】
従来のように、単に点火進角しただけでは主燃焼室４内の温度と圧力が上昇し未燃混合気が自己着火してノッキングを引き起こしてしまうが、請求項１〜４の発明を実施することにより、ＴＤＣより前の燃焼期間においては火炎ジェット７を冷却し、ＴＤＣより後の燃焼期間においてはシリンダ壁２近傍の未燃混合気が自己着火する前に主燃焼室４内に生じる乱流（スキッシュ）や火炎ジェットの衝突による乱れの増加により火炎ジェット７を引き込んで火炎ジェット７の伝播速度を増し、シリンダ壁２へ迅速に到達させることができるので、主燃焼室４の全体において正常な燃焼が行われ、ノッキングの発生を防止することができる。
【００２８】
請求項１〜４の発明を実施すると、ノッキング限界を引き上げることができるので、ノッキングを起こさずに点火進角させることができ、熱効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は、請求項１又は３の発明を実施することができる副室式火花点火機関のシリンダヘッド部付近の一部縦断正面略図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、請求項１又は３の発明を実施することができる別の副室式火花点火機関のシリンダヘッド部付近の一部縦断正面略図である。
【図３】請求項２又は４の発明を実施することができる副室式火花点火機関のシリンダヘッド部付近の一部縦断正面略図である。
【図４】従来の副室式火花点火機関のシリンダヘッド部付近の一部縦断正面略図である。
【図５】ボア径に対する副室噴口からピストン表面までの距離の割合に対するＴＨＣ、ＣＯ、ＮＯＸの排出量と、熱効率、ノッキング限界及びノッキングナンバーを示すグラフである。
【図６】クランク角に対応する熱発生量とノッキングナンバーを示すグラフである。
【図７】点火進角させた際の進角の度合に対するノッキング限界と熱効率を示すグラフである。
【符号の説明】
１    シリンダヘッド
２    シリンダ壁
３    ピストン
４    主燃焼室
５    副室噴口
６    副燃焼室
７    火炎ジェット
１０  突起
【図１】
0004174135.tif 000002
【図２】
0004174135.tif 000003
【図３】
0004174135.tif 000004
【図４】
0004174135.tif 000005
【図５】
0004174135.tif 000006
【図６】
0004174135.tif 000007
【図７】
0004174135.tif 000008