特開 2024-115771 内燃機関

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024115771

(43)【公開日】2024-08-27

(54)【発明の名称】内燃機関

(51)【国際特許分類】

   F02B 19/16 20060101AFI20240820BHJP

   F02B 19/00 20060101ALI20240820BHJP

   F02B 19/18 20060101ALI20240820BHJP

   F02F 1/24 20060101ALI20240820BHJP

【ＦＩ】

F02B19/16 A

F02B19/00 Z

F02B19/16 B

F02B19/18 A

F02B19/16 Z

F02F1/24 E

F02F1/24 G

F02F1/24 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023021600

(22)【出願日】2023-02-15

(71)【出願人】

【識別番号】000006286

【氏名又は名称】三菱自動車工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100130513

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 直也

(74)【代理人】

【識別番号】100074206

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 文二

(74)【代理人】

【識別番号】100130177

【弁理士】

【氏名又は名称】中谷 弥一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100167380

【弁理士】

【氏名又は名称】清水 隆

(74)【代理人】

【識別番号】100187827

【弁理士】

【氏名又は名称】赤塚 雅則

(72)【発明者】

【氏名】柳川 健介

(72)【発明者】

【氏名】廣江 健太

(72)【発明者】

【氏名】細野 清隆

(72)【発明者】

【氏名】村上 隆

(72)【発明者】

【氏名】川辺 敬

【テーマコード（参考）】

3G023

3G024

【Ｆターム（参考）】

3G023AA01

3G023AB03

3G023AC03

3G023AD12

3G023AD21

3G023AD25

3G023AD27

3G023AD28

3G023AD30

3G024AA02

3G024AA03

3G024BA21

3G024BA23

3G024DA01

3G024HA01

(57)【要約】

【課題】主燃焼室の安定的な燃焼状態を得ることが可能な副室式の内燃機関を提供する。
【解決手段】シリンダヘッド２およびピストン４を備えた主燃焼室５と、主燃焼室５内に設けられた副室６と、を有し、副室６が、ピストン４の移動方向に沿って延びる軸の軸周りに回転可能にシリンダヘッド２によって支持されている構成とする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

シリンダヘッドおよびピストンを備えた主燃焼室と、
前記主燃焼室内に設けられた副室と、
を有し、前記副室が、前記シリンダヘッドによって、前記ピストンの移動方向に沿って延びる軸の軸周りに回転可能に支持されている内燃機関。

【請求項2】

前記副室は、前記主燃焼室に面する外面と前記外面とは反対側を向く内面とを有する本体部を有し、前記本体部の前記軸の中心から径方向外側に離れた位置に、前記本体部の前記内外面を貫通し、径方向に対して少なくとも周方向に傾斜した噴孔が形成されており、前記噴孔からの外向きの噴射圧力によって前記副室が回転するように構成されている請求項１に記載の内燃機関。

【請求項3】

前記副室は、径方向外向きに延びるフランジ部を有し、前記シリンダヘッドは、前記フランジ部を回転可能に支持する挟持部と、前記フランジ部の一部が浸漬されるオイルが貯められたオイル貯留部と、を有する請求項１または２に記載の内燃機関。

【請求項4】

前記フランジ部の周縁部に、軸方向に起立してオイルの径方向外向きの流れの障壁となる突出部が周方向にわたって形成されている請求項３に記載の内燃機関。

【請求項5】

前記オイル貯留部にオイルを供給する供給部と、前記オイル貯留部からオイルを排出する排出部が設けられており、前記フランジ部に、軸方向に起立するフィンが周方向に間隔をおいて複数設けられている請求項３に記載の内燃機関。

【請求項6】

前記副室に設けられた永久磁石と、前記シリンダヘッドに設けられた電磁石と、を備え、当該電磁石への通電によって前記副室に回転力を与えるように構成されている請求項１に記載の内燃機関。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、内燃機関に関する。

【背景技術】

【0002】

主燃焼室内に副室を設けた副室式の内燃機関においては、燃料と吸気の混合気が副室内に供給され、点火プラグによって混合気が副室内で点火される。副室内で火炎が形成されると、この火炎が副室に形成された複数の噴孔を通って主燃焼室内に噴射される。そして、噴射された複数の火炎によって主燃焼室内の混合気が着火する。これにより、主燃焼室内での良好な燃焼状態が実現される（例えば、下記特許文献１を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２０－１９７２０３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

副室に複数の噴孔が形成された内燃機関においては、各噴孔から噴射された火炎伝搬同士が衝突し、ノッキングに類似したショックを伴う燃焼（以下、ジェットショックと記載する。）が生じることがある。このジェットショックは、混合気の空燃比がリーンのときよりもストイキのときに、燃え広がる燃料の量が多いため特に顕著となりやすい。また、このジェットショックとノッキングは混同しやすく、ノックセンシング性の点で問題となるおそれがある。また、特に吸気通路や主燃焼室内で混合した混合気を副室内に導入するパッシブ方式の副室式内燃機関においては、各噴孔から噴射される火炎の大きさが燃焼サイクルごとに変動するサイクル変動が生じやすく、主燃焼室内の混合気の均一な着火の点で問題となるおそれがある。

【0005】

そこで、この発明は、副室式の内燃機関において、主燃焼室の安定的な燃焼状態を得ることを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記の課題を解決するために、この発明においては、
シリンダヘッドおよびピストンを備えた主燃焼室と、
前記主燃焼室内に設けられた副室と、
を有し、前記副室が、前記シリンダヘッドによって、前記ピストンの移動方向に沿って延びる軸の軸周りに回転可能に支持されている内燃機関を構成した。

【0007】

前記の構成においては、
前記副室は、前記主燃焼室に面する外面と前記外面とは反対側を向く内面とを有する本体部を有し、前記本体部の前記軸の中心から径方向外側に離れた位置に、前記本体部の前記内外面を貫通し、径方向に対して少なくとも周方向に傾斜した噴孔が形成されており、前記噴孔からの外向きの噴射圧力によって前記副室が回転するように構成されているのが好ましい。

【0008】

前記のすべての構成においては、
前記副室は、径方向外向きに延びるフランジ部を有し、前記シリンダヘッドは、前記フランジ部を回転可能に支持する挟持部と、前記フランジ部の一部が浸漬されるオイルが貯められたオイル貯留部と、を有するのが好ましい。

【0009】

前記フランジ部を有する構成においては、
前記フランジ部の周縁部に、軸方向に起立してオイルの径方向外向きの流れの障壁となる突出部が周方向にわたって形成されているのが好ましい。

【0010】

前記フランジ部を有する構成においては、
前記オイル貯留部にオイルを供給する供給部と、前記オイル貯留部からオイルを排出する排出部が設けられており、前記フランジ部に、軸方向に起立するフィンが周方向に間隔をおいて複数設けられているのが好ましい。

【0011】

前記のすべての構成においては、
前記副室に設けられた永久磁石と、前記シリンダヘッドに設けられた電磁石と、を備え、当該電磁石への通電によって前記副室に回転力を与えるように構成するのが好ましい。

【発明の効果】

【0012】

この発明では、副室式の内燃機関において、ピストンの移動方向に沿って延びる軸の軸周りに副室を回転可能とし、回転させながら火炎を噴射するようにしたので、火炎伝搬同士が衝突することに起因するショックを伴う異常燃焼を抑制するとともに、各噴孔から噴射される火炎の大きさのサイクル変動を均一化することができ、主燃焼室の安定的な燃焼状態を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】この発明に係る内燃機関の第一実施形態の要部を示す断面図である。

【図2】図１に示す内燃機関に用いられる副室の断面図である。

【図3】図１に示す内燃機関に用いられる副室の斜視図である。

【図4】この発明に係る内燃機関の第二実施形態の要部を示す断面図である。

【図5】図４に示す内燃機関に用いられる副室の断面図である。

【図6】図４に示す内燃機関に用いられる副室の斜視図である。

【図7】この発明に係る内燃機関の第三実施形態の要部を模式的に示す断面図である。

【図8】図７に示す内燃機関に用いられる副室の断面図である。

【図9】図７に示す内燃機関に用いられる副室の斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

この発明に係る内燃機関１の第一実施形態を図面に基づいて説明する。この内燃機関１は、図１に示すように、シリンダヘッド２およびシリンダブロック３内を往復動するピストン４を備えた主燃焼室５と、主燃焼室５内に設けられた副室６と、を主要な構成要素とした副室式の内燃機関１（ガソリンエンジン）である。なお、本図は、内燃機関１の複数の気筒のうちの一つの気筒の要部を示したものである。また、本図では、この発明に直接関係する部材のみを示し、主燃焼室５内に空気を送り込む吸気通路、主燃焼室５から燃焼ガスを排気する排気通路、主燃焼室５に燃料を供給する噴射装置などの一般的な構成の記載を省略している。本実施形態では、吸気通路に噴射装置を有し、吸気通路および主燃焼室５内で吸気と燃料を混合する内燃機関１とするが、この構成に限定されるものではない。

【0015】

シリンダヘッド２は、下部ヘッド７と、各気筒の位置に対応して配置される上部ヘッド８から構成される。下部ヘッド７の上面側には、各気筒の位置に対応して、内面に雌ねじ部を有する円柱状の凹部９が形成されている。この凹部９の底面には、主燃焼室５側に連通する貫通孔１０が形成されている。上部ヘッド８の外周には雄ねじ部が形成されており、この上部ヘッド８を下部ヘッド７にねじ込むことで、下部ヘッド７と上部ヘッド８は一体化される。下部ヘッド７と上部ヘッド８の間には、シール部材１１として、例えば銅製のワッシャが設けられている。

【0016】

上部ヘッド８の軸心には、その底面から上に向かって空洞部が形成されており、この空洞部内に臨むように点火プラグ１２が設けられている。下部ヘッド７に形成された凹部９の底面、および、上部ヘッド８の下面には、それぞれ一本の環状溝１３、１４と二本のシール溝１５、１６が外径側から内径側に向かって順に同心状に形成されている。なお、上部ヘッド８と点火プラグ１２は一体に形成してもよい。

【0017】

副室６は、図１から図３に示すように、主燃焼室５に面する外面と外面とは反対側を向く内面とを有する本体部１７と、本体部１７の上端外縁から径方向外向きに延びるフランジ部１８と、を有している。本体部１７は上向きに開口する有底円筒状であり、本体部１７の軸（本体部１７の中心を通りシリンダヘッド２およびピストン４へ向かい（上下方向へ）延びる線）から径方向外側に離れた位置には、本体部１７の内外面を貫通し、径方向（軸が延びる方向（以下「軸方向」）に直交する方向）に対して周方向（軸周りに回転する方向）の一方側かつ軸方向下向きに傾斜した複数の噴孔１９が形成されている。噴孔１９が径方向に対して周方向の一方側に傾斜しているため、噴孔１９からの外向きの火炎噴射圧力によって、副室６が回転するように構成されている。本体部１７の下端および噴孔１９は、下部ヘッド７に形成された貫通孔１０を通って主燃焼室５側に突出している。本体部１７の外面には、鏡面加工が施されている。

【0018】

なお、この実施形態においては、噴孔１９が径方向に対して周方向の一方側かつ軸方向下向きに傾斜した構成としたが、少なくとも周方向の一方側に傾斜していれば、噴孔１９からの火炎噴射圧力による副室６の回転作用が発揮される。

【0019】

フランジ部１８の上面と下面には、下部ヘッド７および上部ヘッド８にそれぞれ形成されたシール溝１５、１６に臨むようにシール溝２０が形成されている。フランジ部１８の周縁部には、このフランジ部１８の軸方向幅（本実施形態では上下方向の幅）を拡大することによって形成された複数のフィン２１が周方向に一定間隔で設けられている。また、フランジ部１８には、その上下面を貫通する複数のオイル孔２２が周方向に一定間隔で設けられている。

【0020】

フランジ部１８は、シリンダヘッド２に形成された挟持部２３によって回転可能に上下から支持される。挟持部２３は、下部ヘッド７に形成された凹部９の底面と上部ヘッド８の下面との間に形成される。このとき、副室６の本体部１７の内部空間と上部ヘッド８に形成された空洞部によって副室燃焼室２４が構成される。

【0021】

一体化された下部ヘッド７と上部ヘッド８にそれぞれ形成された環状溝１３、１４により、環状のオイル貯留部２５が形成されており、このオイル貯留部２５に潤滑用のオイルが導入されている。フランジ部１８の周縁部に形成されたフィン２１は、オイル貯留部２５内に位置しオイルに浸漬されている。

【0022】

オイル貯留部２５には、オイルギャラリ（図示せず）からオイル貯留部２５にオイルを供給する供給部２６と、オイル貯留部２５からオイルギャラリにオイルを戻す排出部２７が接続されている。オイル貯留部２５内のオイルは、オイルポンプ（図示せず）の駆動によって圧送される。

【0023】

下部ヘッド７の凹部の底面とフランジ部１８の下面に形成されたシール溝１５、２０の間、および、上部ヘッド８の下面とフランジ部１８の上面に形成されたシール溝１６、２０の間には、それぞれ二本のシールリング２８が同心状に設けられている。このシールリング２８を設けることにより、シリンダヘッド２（下部ヘッド７、上部ヘッド８）とフランジ部１８との間の隙間を通って、オイル貯留部２５のオイルが本体部１７側に漏れ出るのを防止するとともに、主燃焼室５および副室６での混合気の燃焼に伴う圧力がオイル貯留部２５側に作用するのを防止している。なお、シールリング２８の機能が十分発揮される限りにおいて、その本数を適宜増減することができる。

【0024】

シリンダヘッド２の挟持部２３におけるフランジ部１８に対する上下方向の抑え込み力は、シールリング２８によるシール性を確保しつつ、副室６のスムーズな回転を妨げない程度の大きさに適切に設定されている。

【0025】

噴孔１９からの火炎の噴射の反作用による副室６の回転の角速度ωは、次式（１）によって算出することができる。ここで、Ｑは副室燃焼室２４内着火時の燃焼圧力噴射量、Ｒは中心軸から噴孔１９先端までの径方向距離、Ａは各噴孔１９の断面積、θは噴射方向が径方向となす角度、ａは回転時に副室６に作用する摩擦力などによって決まる係数である。燃焼圧力噴射量Ｑは、各気筒の容積などに基づいて適宜検討される。なお、この式（１）は、噴孔１９が副室６の周方向対向位置に２か所形成されている場合に適用される。この式を用いることにより、所望の角速度ωを得るための中心軸から噴孔１９先端までの径方向距離Ｒ、各噴孔１９の断面積Ａ、噴射方向が径方向となす角度θなどの副室６の各仕様を決定することができる。
ω＝（ａＱ／２ＲＡ）×ｓｉｎθ （１）

【0026】

上記の内燃機関１は、副室６が、シリンダヘッド２によって、ピストン４の移動方向に沿って延びる軸の軸周りに回転可能に支持されており、噴孔１９からの外向きの火炎噴射圧力によって副室６を回転するように構成したので、燃焼行程において、１つの噴孔１９から噴射される火炎が主燃焼室５の周方向全体に広がるため、各噴孔１９から噴射される火炎の大きさに差が生じたとしても、主燃焼室５内の燃料の偏った燃焼を抑制することができる。また、この回転によって、各噴孔１９から噴射された火炎伝搬同士が衝突することに起因するジェットショックを抑制することができる。

【0027】

また、吸気圧縮工程においては、火炎の噴射に伴う慣性回転によって、吸気通路および主燃焼室５内で吸気と燃料が混合した混合気が副室６内に押し込まれる際に、副室６内に乱流を生じさせ、副室６内の予混合性と掃気性を向上させることができる。

【0028】

上記の内燃機関１に用いられる副室６は、フランジ部１８の周縁部にフィン２１を形成したので、フィン２１の回転によって排出部２７からのオイル排出を補助することができる。また、火炎の噴射に伴う副室６の回転が過剰となったときに、オイル圧送力を増加させることでフィン２１に回転抵抗を付与することにより、副室６の回転を弱めることができる。

【0029】

また、副室６には、副室燃焼室２４内での燃焼に伴って下向きに圧力が作用する一方で、主燃焼室５内での燃焼に伴って上向きに圧力が作用し、これらの圧力が作用した際に副室６が上下方向に移動したり、軸方向から傾斜したりするおそれがあるが、フランジ部１８の周縁部（フィン２１）がオイルに浸漬されていることによりダンパとしての機能が発揮され、副室６の移動や傾斜を抑制することができる。また、フィン２１がオイルに浸漬されていることにより、副室６の熱を速やかにオイルに逃がすことができる。また、副室６のフランジ部１８にその上下面を貫通する複数のオイル孔２２を形成したので、その上下面間のオイルの行き来を促進することができる。また、副室６の回転に伴って生じた削りかすなどの異物をオイルの流動によってスムーズに除去することができる。

【0030】

この発明に係る内燃機関１の第二実施形態を図４に示す。第二実施形態に係る内燃機関１は、その基本的な構成は第一実施形態に係る内燃機関１と共通するが、副室６の構成が異なっている。すなわち、図４から図６に示すように、副室６のフランジ部１８の上面に、周縁部にフィン２１を形成する代わりに、軸方向に起立してオイルの径方向外向きの流れの障壁となる環状の突出部２９が周方向の全周に亘って形成されている点で異なる。

【0031】

このように突出部２９を形成することにより、副室６が回転した際に、この突出部２９の内側にオイルを留まらせ、その遠心力によってオイルがオイル貯留部２５内の側壁（末端壁）に滞留して、オイルによる潤滑性や流動性が損なわれるのを防止することができる。このため、副室６の回転のスムーズ性を確保することができる。なお、本実施形態では、フランジ部１８の下面にはフィン２１を形成している。供給部２６および排出部２７は、フランジ部１８より下側でオイル貯留部２５に接続されているので、フランジ部１８の下面にフィン２１を設けておき、オイルの循環を促すことが好ましい。

【0032】

なお、この実施形態においては、突出部２９はフランジ部１８上面の周縁部から上部ヘッド８に向かうように起立しているが、その方向は限定されず、上部ヘッド８とは反対側に向かうように起立させたり、上部ヘッド８に向かう方向とその反対側の両方に起立させたりしてもよい。

【0033】

この発明に係る内燃機関１の第三実施形態を図７に示す。第三実施形態に係る内燃機関１は、第一実施形態および第二実施形態に係る内燃機関１のように噴孔１９からの火炎の噴射による反作用によって回転力を与える代わりに、または、反作用による回転力とともに、電磁石の作用によって副室６に回転力を与えるように構成されている。なお、図７にはオイル貯留部２５を記載していないが、本実施形態においてもオイル貯留部２５を設けてもよい。

【0034】

図７から図９に示すように、フランジ部１８には、複数の回転子３０（例えば永久磁石）が周方向に一定間隔で設けられるとともに、シリンダヘッド２には、回転子３０と径方向に対向するように固定子３１（例えば電磁石）が設けられている。そして、固定子３１への通電によって副室６に回転力が与えられる。また、シリンダヘッド２にはフランジ部１８に臨むようにホールセンサ３２が設けられており、このホールセンサ３２で回転子３０の回転を検知することで、副室６の角速度ω’を実測できるように構成されている。

【0035】

このように、電磁石の作用によって副室６に回転力を与えることができるようにしたことにより、第一実施形態および第二実施形態に比べ、より正確に副室６の回転を制御することができる。

【0036】

なお、この実施形態においては、第一実施形態および第二実施形態と同様に、噴孔１９が径方向に対して周方向に傾斜した構成としたが、電磁石単体でも副室６に回転力を与えることができるため、噴孔１９が周方向に傾斜していない構成とすることもできる。

【0037】

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。したがって、本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0038】

１ 内燃機関
２ シリンダヘッド
３ シリンダブロック
４ ピストン
５ 主燃焼室
６ 副室
７ 下部ヘッド
８ 上部ヘッド
９ 凹部
１０ 貫通孔
１１ シール部材
１２ 点火プラグ
１３、１４ 環状溝
１５、１６ シール溝
１７ 本体部
１８ フランジ部
１９ 噴孔
２０ シール溝
２１ フィン
２２ オイル孔
２３ 挟持部
２４ 副室燃焼室
２５ オイル貯留部
２６ 供給部
２７ 排出部
２８ シールリング
２９ 突出部
３０ 回転子
３１ 固定子
３２ ホールセンサ
ω （算出された）角速度
ω’ 実測角速度

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】