特開 2024-69995 副燃焼室付き内燃機関

(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】P2024069995

(43)【公開日】2024-05-22

(54)【発明の名称】副燃焼室付き内燃機関

(51)【国際特許分類】

   F02B 23/10 20060101AFI20240515BHJP

   F02B 19/12 20060101ALI20240515BHJP

   F02P 13/00 20060101ALI20240515BHJP

   H01T 13/54 20060101ALI20240515BHJP

【ＦＩ】

F02B23/10 T

F02B19/12 B

F02P13/00 301J

F02P13/00 303A

H01T13/54

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022180318

(22)【出願日】2022-11-10

(71)【出願人】

【識別番号】000002967

【氏名又は名称】ダイハツ工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099966

【弁理士】

【氏名又は名称】西 博幸

(74)【代理人】

【識別番号】100134751

【弁理士】

【氏名又は名称】渡辺 隆一

(72)【発明者】

【氏名】地本 大秀

【テーマコード（参考）】

3G019

3G023

5G059

【Ｆターム（参考）】

3G019AA07

3G019KA01

3G019KA16

3G019KA22

3G023AA07

3G023AB01

3G023AC02

3G023AC03

3G023AC05

3G023AD03

3G023AD25

3G023AD28

3G023AG02

5G059AA01

5G059KK23

(57)【要約】

【課題】主燃焼室での空燃比をリーン化しつつ副燃焼室内での着火の確実性に優れた内燃機関を開示する。
【解決手段】副燃焼室１５は点火プラグ１６と同心に配置されており、燃料噴射インジェクタ１３による燃料噴射方向の中心線２３が平面視（及び底面視）で副燃焼室１５を通るように設定している。吸気行程においてシリンダヘッド３の下向き凹所５に流入した霧化燃料の一部は副燃焼室１５の外面１５ｃに付着して、圧縮行程において噴孔２１，２２から副燃焼室１５の内部に入り込む。点火プラグ１６における接地電極２０の先端面２０ａは、クランク軸線方向から見て、中心電極１９の中心線Ｏと平行に形成されて、かつ先端面２０ａと中心線Ｏとの間に間隔Ｅが空いている。このため、中心噴孔２１から流入した燃料は、接地電極２０に阻害されることなくスパークギャップ２７にスムースに向かう。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

シリンダヘッドに、１つのシリンダボアに対応して一対ずつの吸気ポートと排気ポートとが開口していると共に、前記吸気ポートの吸気出口穴と前記排気ポートの排気入り口穴とで囲われた部位に、点火部を囲うと共に噴孔を設けた副燃焼室が前記シリンダボアに向けて突設されており、
かつ、前記各吸気ポートに対応して燃料噴射インジェクタを備えている内燃機関であって、
前記シリンダボアの軸心方向から見て前記燃料噴射インジェクタの燃料噴射の中心線が前記副燃焼室に向いており、このため、前記シリンダボアの軸心方向から見て前記燃料噴射の中心線が前記吸気ポートの長手中心線に対して傾斜している、
副燃焼室付き内燃機関。

【請求項2】

前記点火部は、点火プラグの軸心部に配置された中心電極と、先端が前記中心電極とスパークギャップを介して離反している接地電極とを有しており、
前記中心電極は、特定の１つの噴孔と同心に配置されて、前記接地電極の先端面が、前記特定の１つの噴孔の軸心と平行で、かつ、前記１つの噴孔の軸心との間に間隔が空いている、
請求項１に記載した副燃焼室付き内燃機関。

【請求項3】

前記副燃焼室は半球状の曲面を有するドーム状に形成されており、前記副燃焼室のうち前記シリンダボアに向いた底部に、前記特定の１つの噴孔である中心噴孔が開口している、
請求項２に記載した副燃焼室付き内燃機関。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本願発明は、副燃焼室付き内燃機関に関するものである。

【背景技術】

【0002】

ガソリン機関やガス機関のような内燃機関において、シリンダヘッドに副燃焼室（副室）を設けることが提案されている。副燃焼室は点火プラグと併用されており、副燃焼室で生成された火炎を主燃焼室に噴出させて主燃料に着火させる。副燃焼室で生成した火炎は燃料の着火性に優れているため、混合気の燃料がリーン気味であっても確実に燃焼させることができる利点がある。そこで、燃費の向上や排気ガスクリーン化促進のための有望な技術として注目されている。

【0003】

副燃焼室内の混合気への着火手段には、吸気ポートから噴出した混合気を副燃焼室に取り込んで、副燃焼室の内部に露出した点火プラグで着火するパッシブ方式と、副燃焼室に専用の経路から燃料を取り込んで、この燃料に点火プラグで着火させるアクティブ方式（例えば特許文献１）とがあり、前者の方式は構造が簡単である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２０－１７３４１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

副燃焼室を設けることは上記のとおりリーンバーン化や高ＥＧＲ化を促進できる技術として期待されており、特に、パッシブ型の副燃焼室は構造が簡単でコストを抑制できる利点があるため、普及すると社会的利益も大きいと云える。

【0006】

しかし、パッシブ型の副燃焼室は主燃焼室に流入した霧化燃料を取り込んで燃焼させるものであるため、着火が不安定で失火が発生しやすい点が問題であった。この問題について、本願発明者が検討したところ、副燃焼室の周辺の混合気がリーン過ぎることによって副燃焼室内に必要な燃料を取り込めない現象と、必要な燃料が副燃焼室に取り込まれても着火に至らない現象とに分けられることが判明した。

【0007】

本願発明はこのような知見を背景に成されたもので、リーン化しても着火性に優れた副燃焼室付き内燃機関を開示せんとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本願発明の内燃機関は、
「シリンダヘッドに、１つのシリンダボアに対応して一対ずつの吸気ポートと排気ポートとが開口していると共に、前記吸気ポートの吸気出口穴と前記排気ポートの排気入り口穴とで囲われた部位に、点火部を囲うと共に噴孔を設けた副燃焼室が前記シリンダボアに向けて突設されており、
かつ、前記各吸気ポートに対応して燃料噴射インジェクタを備えている」
という基本構成において、
「前記シリンダボアの軸心方向から見て前記燃料噴射インジェクタの燃料噴射の中心線が前記副燃焼室に向いており、このため、前記シリンダボアの軸心方向から見て前記燃料噴射の中心線が前記吸気ポートの長手中心線に対して傾斜している」
という特徴を備えている。

【0009】

本願発明は様々に展開できるが、請求項２では、
「前記点火部は、点火プラグの軸心部に配置された中心電極と、先端が前記中心電極とスパークギャップを介して離反している接地電極とを有しており、
前記中心電極は、特定の１つの噴孔と同心に配置されて、前記接地電極の先端面が、前記特定の１つの噴孔の軸心と平行で、かつ、前記１つの噴孔の軸心との間に間隔が空いている」
という構成を採用した。この構成では、点火部は点火プラグの電極によって構成されている。

【0010】

更に、請求項２の発明の好適な具体例として、請求項３では、
「前記副燃焼室は半球状の曲面を有するドーム状に形成されており、前記副燃焼室のうち前記シリンダボアに向いた底部に、前記特定の１つの噴孔である中心噴孔が開口している」
という構成になっている。

【発明の効果】

【0011】

本願発明では、燃料噴射方向の中心線が副燃焼室に向いているため、吸気ポートから噴出した霧化燃料の一部が副燃焼室の外面に付着し、この付着した燃料が圧縮行程において噴孔から副燃焼室の内部に入り込んで、副燃焼室での燃料の濃度を燃焼に必要な値（例えばストイキ値）に保持できる。従って、主燃焼室では全体としてリーンバーン状態であっても、失火を招くことなく副燃焼室での燃料を確実化して、副燃焼室からの火炎の噴出を確実化できる。

【0012】

そして、新たな部材を導入するものではないため、構造が複雑化することはない。従って、簡単な構造のパッシブ型の副燃焼室でありながら、リーンバーン化や高ＥＧＲガス化を促進して、燃費の向上効果や排気ガスの浄化促進に貢献できる。

【0013】

さて、副燃焼室の内部にリッチ状態で燃料が取り込まれても着火しない現象があり、この点を本願発明者が研究したところ、１つの噴孔からスパークギャップに向かう霧化燃料の流れが接地電極に衝突して拡散したり方向変換したりして、スパークギャップに必要な燃料が届いていないことが判明した。すなわち、霧化燃料の流れが接地電極によって阻害されて、着火に至っていないことが判明した。

【0014】

この点について、請求項２の構成を採用すると、特定の噴孔からスパークギャップに向かう霧化燃料の流れが接地電極によって阻害されることはないため、スパークギャップにおける燃料濃度を燃焼に必要な状態に保持して、着火を確実化できる。従って、主燃焼室では全体としてリーン状態であっても、失火を招くことなく副燃焼室での燃料を確実化して、副燃焼室からの火炎の噴出を確実化できる。

【0015】

さて、副燃焼室は半球状の湾曲面を有するドーム状に形成されているのが一般的であり、シリンダボアに向いた底に中心噴孔が空いていると、圧縮行程での霧化燃料の流入性に優れると共に、ジェット火炎を主燃焼室に拡散させる上でも有利である。

【0016】

そして、点火プラグの中心電極は副燃焼室の軸心箇所に位置しているのが一般的であるため、圧縮行程において中心噴孔から流入した霧化燃料は中心電極に向かうが、請求項３の構成では、接地電極の先端面が中心噴孔と平行でかつ軸心からずれていることにより、燃料がスパークギャップにスムースに到達する。従って、請求項３では、副燃焼室への霧化燃料の取り込みをスムース化しつつス、燃料への着火を確実化できる（失火を防止できる。）。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】シリンダヘッドの底面図である。

【図2】図１のII-II 視断面図である。

【図3】図１のIII-III 視断面図である。

【図4】（Ａ）は要部の拡大図、（Ｂ）は（Ａ）の底面図である。

【図5】比較例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

(1).基本構造
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下では、方向を特定するため前後・左右の文言を使用するが、前後方向はクランク軸線方向であり、左右方向はクランク軸線方向及びシリンダボア軸線方向と直交した方向である。前と後ろについては、タイミングチェーンが配置されている側を前として、トランスミッションが配置される側を後ろとしている。

【0019】

本実施形態は自動車用内燃機関に適用しており、内燃機関は、図２，３に示すように、基本的要素としてシリンダブロック１とその上面にガスケット２を介して固定されたシリンダヘッド３とを有しており、シリンダブロック１には、クランク軸線方向に並んだ複数のシリンダボア４が形成されている。

【0020】

他方、シリンダヘッド３には、シリンダボア４に向いたペントルーフ型の下向き凹所５が形成されており、シリンダブロック１のシリンダボア４とシリンダヘッド３の凹所５とによって主燃焼室が形成されている。シリンダボア４にはピストンが摺動自在に嵌まっているが、図示は省略している。

【0021】

シリンダヘッド３には、各凹所５に対応して、一対ずつの吸気ポート６と一対ずつの排気ポート７とが、クランク軸線を挟んだ左右両側に振り分けて形成されている。吸気ポート６の吸気出口穴６ａは吸気バルブ８で開閉されて、排気ポート７の排気入口穴７ａは排気バルブ９で開閉される。各バルブ８，９はばね１０，１１によって閉じ方向に付勢されている。吸気出口穴６ａ及び排気入口穴７ａにはバルブシートを嵌着している。

【0022】

一対の吸気ポート６はそれぞれ全長に亙って独立しており、シリンダヘッド３の吸気側面３ａに開口している。シリンダヘッド３の吸気側面３ａには、吸気マニホールド１２が固定されている。吸気マニホールド１２には、各吸気ポート６に対応して燃料噴射インジェクタ１３が装着されている。なお、燃料噴射インジェクタ１３はシリンダヘッド３に装着することも可能である。

【0023】

シリンダヘッド３における各凹所５の頂面部のうち、吸気出口穴６ａと排気入口穴７ａとで囲われた部位にプラグホール１４が開口しており、プラグホール１４に、副燃焼室１５を備えた点火プラグ１６がねじ込み装着されている。プラグホール１４の軸心は、シリンダボア４の軸心から若干の寸法だけ排気側にずれているが、シリンダボア４と同心に配置してもよい。なお、図１，３，４において符号１７で示すのは、冷却水が流れるウォータジャケットである。

【0024】

(2).点火プラグ・燃料噴射インジェクタ
副燃焼室１５は、下向き凹所５に露出した半球状の部分を有してドーム状に形成されている。他方、点火プラグ１６は、外周に雄ねじが形成された金属製の本体１８を有しており、図１～４の本実施形態では、副燃焼室１５は点火プラグ１６の本体１８に溶接によって固定されている。

【0025】

但し、図４に一点鎖線で部分的に示すように、副燃焼室１５に、上端にフランジ１５ａが形成された筒部１５ｂを設けて、副燃焼室１５をプラグホール１４に上から嵌め込み、副燃焼室１５を点火プラグ１６で押さえ固定することも可能である。また、副燃焼室１５を点火プラグ１６とは別体構造とした場合、副燃焼室１５をシリンダヘッド３に溶接したり、下方からねじ込んでシリンダヘッド３に固定したりすることも可能である。

【0026】

点火プラグ１６は、本体１８の軸心位置において下向きに突出した中心電極１９と、本体１８の外周寄り部位から下向きに突出した接地電極２０とを備えており、両者は本体１８に対して電気的に絶縁されている。接地電極２０は、先端に向けて低くなるように（本体１８から遠ざかるように）傾斜しているが、本体１８の軸心Ｏと平行な部分と直交した部分とを有するＬ形に形成することも可能である。

【0027】

他方、副燃焼室１５の半球状部に、その底の中央に位置した１つの中心噴孔２１と、湾曲面のうち下寄り部位において周方向に点在した複数の周囲噴孔２２とが開口している。周囲噴孔２２は図では６個形成しているが、個数は任意に設定できる。高さを変えて形成することも可能である。

【0028】

そして、中心電極１９と中心噴孔２１とは本体１７の軸心Ｏ上に位置して同心になっている一方、接地電極２０の先端面２０ａは、クランク軸心方向から見た状態で、本体１８の軸心Ｏと平行の姿勢になっており、かつ、本体１８の軸心Ｏまで至っていない（先端面２０ａと軸心Ｏとの間に若干の間隔Ｅが空いている。）。接地電極２０の先端面２０ａと中心電極１９とは、シリンダボア４の軸心方向から見た底面視で部分的に重なっているが、底面視で重ならないように設定することも可能である。

【0029】

燃料噴射インジェクタ１３から燃料が噴射されて、燃料はテーパ状に広がっていくが、噴射方向の中心線（噴射の広がりの中心線）２３は、図３に示すように、クランク軸線方向から見た縦断正面視では概ね吸気ポート６の吸気出口穴６ａの中心を通って、図１に示すように、シリンダボア４の軸心方向から見た平面視（底面視）では、副燃焼室１５に向かうように設定している。

【0030】

従って、図１のとおり、燃料の噴射方向の中心線２３と吸気ポート６の長手中心線（軸線）２４とは、シリンダボア４の軸心方向から見た平面視（及び底面視）で、ある程度の角度θだけ交差している。なお、図１において、噴射方向の中心線２３が副燃焼室１５の中心を通るように描いているが、中心線２３は副燃焼室１５のどこかと重なっていたらよい。

【0031】

(3).まとめ
以上の構成において、燃料噴射インジェクタ１３から噴射された霧化燃料は、吸気ポート６を流れる吸気と混合して吸気出口穴６ａから下向き凹所５及びシリンダボア４に流入する。そして、燃料噴射方向の中心線２３が副燃焼室１５に向いているため、下向き凹所５に流入した燃料は副燃焼室１５の外面に接触して、図４（Ａ）に誇張して示すように、燃料の微細粒２５が僅かながら副燃焼室１５のうち吸気側の外面１５ｃに付着する。

【0032】

この場合、吸気出口穴６ａから下向き凹所５に流入した霧化燃料の一部は、吸気バルブ８における傘部の上面で反射して副燃焼室１５に向かうため、副燃焼室１５への燃料の微細粒２５の付着を促進できる。

【0033】

次いで、圧縮行程において、副燃焼室１５に充満した霧化燃料の一部が噴孔２１，２２から流入するが、圧縮行程において混合気がシリンダヘッド３に向けて押されることにより、副燃焼室１５の外面に付着していた燃料の微細粒２５が噴孔２１，２２から副燃焼室１５の内部に押し込まれる。

【0034】

特に、圧縮行程の終期では、タンブル流が微細な乱流に崩壊して、図４（Ａ）に矢印２６で示すように、余流として下向き凹所５を吸気側から排気側に流れる現象が生じるが、燃料の微細粒２５が副燃焼室１５の外面のうち吸気側の外面１５ｃに付着していることにより、微細粒２５がタンブル流の余流２６によって噴孔２１，２２（特に周囲噴孔２２）に押し込まれる現象が生じやすい。

【0035】

その結果、副燃焼室１５に燃焼に必要な燃料濃度を燃焼に必要な値（ストイキ値）を確保して、点火プラグ１６による着火性を確保できる。換言すると、失火を防止できる。そして、副燃焼室１５の内部発生した火炎は各噴孔２１，２２からジェット火炎として主燃焼室に噴出して、空燃比がリーン状態であっても燃焼させることができる。

【0036】

さて、圧縮行程において主燃焼室の霧化燃料が上向きに押されることにより、霧化燃料の一部が噴孔２１，２２から副燃焼室１５に押し込まれるが、中心噴孔２１の下向き開口面積が最も大きいため、霧化燃料は中心噴孔２１から最も多く流入する傾向を呈し、かつ、中心噴孔２１から流入した燃料は中心電極１９と接地電極２０との間のスパークギャップ２７に向かう。

【0037】

この場合、図５に示すように、接地電極２０の先端面２０ａが点火プラグ１６の軸心Ｏに対して傾斜していると、中心噴孔２１から副燃焼室１５に流入した燃料の流れ方向が接地電極２０の先端面２０ａと下面２０ｂとによって反らされる現象が生じて、燃料をスパークギャップ２７に供給できずに失火してしまうことがあった。すなわち、副燃焼室１５の内部の全体としてみると必要な濃度の燃料が存在しているのに、スパークギャップ２７で発生した火花への接触が悪いことにより、着火せずに失火してしまう現象がみられた。

【0038】

これに対して、実施形態のように、接地電極２０の先端面２０ａを点火プラグ１６の軸心（中心電極１９の軸心）と平行に設定しつつ、接地電極２０の先端面２０ａと点火プラグ１６の軸心Ｏとの間に隙間Ｅを空けると、中心噴孔２１から流入した霧化燃料が、接地電極２０によって反らされることなくスパークギャップ２７に向かうため、スパークギャップ２７で発生した火花によって燃料に的確に着火させて、失火を防止できる。

【0039】

従って、本実施形態では、副燃焼室１５の外面に付着した微細燃料粒２５を取り込んで副燃焼室１５の内部をリッチ化できることと、中心噴孔２１から流入した燃料をスパークギャップ２７のスムースにガイドできることとの相乗作用により、主燃焼室での燃料がリーン状態であっても、燃焼を確実化できる。従って、燃料噴射インジェクタ１３による燃料噴射方向と点火プラグ１６の構造を僅かに改良するだけの簡単な構造でありながら、リーンバーン化や高ＥＧＲガス化を促進して、燃費の向上や排気ガスの浄化促進を実現できる。

【0040】

なお、本実施形態では６個の周囲噴孔２２が形成されているが、各周囲噴孔２２の中心線はスパークギャップ２７に向いている。また、接地電極２０は隣り合った周囲噴孔２２の間に位置しているので、いずれかの周囲噴孔２２から流入した霧化燃料の流れが接地電極２０によって阻害されることはない。周囲噴孔２２と接地電極２０との相対的な位置関係を所定の状態に保持する面では、副燃焼室１５は点火プラグ１６の本体１８に溶接等で固定しておくのが好ましいと云える。

【0041】

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。例えば、図示の実施形態では副燃焼室をドーム状に形成したが、副燃焼室は円筒状や三角錐状などの形態も採用可能である。また、図示の実施形態では、燃料噴射インジェクタは吸気ポートの真上に位置して吸気ポートと平行に配置したが、燃料噴射インジェクタを平面視で吸気ポートの長手中心線に対して傾斜させることも可能である。

【産業上の利用可能性】

【0042】

本願発明は、副燃焼室付きの内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。

【符号の説明】

【0043】

１ シリンダブロック
３ シリンダヘッド
４ シリンダボア
５ 下向き凹所
６ 吸気ポート
６ａ 吸気出口穴
７ 排気ポート
７ａ 排気入口穴
８ 吸気バルブ
１３ 燃料噴射インジェクタ
１５ 副燃焼室
１６ 点火プラグ
１８ 点火プラグの本体
１９ 中心電極
２０ 接地電極
２０ａ 先端面
２１ 中心噴孔
２３ 噴射方向の中心線
２４ 吸気ポートの長手中心線
２５ 燃料の微細粒
２７ スパークギャップ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】