JP2007100612A - 副室式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却損失の過度な増大および未燃ＨＣの発生量増加を回避しつつ、従来は冷却が困難であった副室先端部の温度上昇を抑制することで、副室温度が上昇しやすい高負荷時においても混合気の早期着火をより確実に回避し、運転領域の限界をより高負荷の領域まで拡大できるコンパクトな構成の副室式内燃機関を提供する。
【解決手段】主たる燃焼室である主室２と、連通路１２を介して該主室２と連通し前記主室２よりも小さい容積の副室４と、該副室４内の混合気に点火する点火プラグ３０と、を備えた副室式内燃機関において、前記副室４壁内に空洞状の容積部３２を形成し、該容積部３２内に伝熱媒体３４を封入する。
【選択図】図１

Description

本発明は、副室式内燃機関、特に、副室壁の過熱による異常燃焼を防止する技術に関する。

希薄燃焼の不安定化を解決する副室式内燃機関として、特許文献１，２に開示されたものは、主燃焼室と連通する副燃焼室を有し、副燃焼室にて混合気の一部を燃焼させ、副燃焼室と主燃焼室との間の連通路から、強力なトーチを噴出せしめ、主燃焼室において安定した希薄燃焼を実現している。これにより、熱効率の向上、および排気の低減を可能とするとともに、希薄混合気下における着火性を向上させている。
特開２００２−８１３２１号公報 特開２００４−３０８６５６号公報

上記副室式内燃機関では、副燃焼室がシリンダヘッド側にあるような場合など、内燃機関の構造上、副燃焼室での燃焼に伴い連通路よりトーチを噴出せしめることで、副燃焼室内部および連通路は高温となる。
しかし、特許文献１には、副燃焼室内部および連通路の冷却に関して特に記載がなく、何らかの冷却を行わない場合は、機関負荷をより高負荷へ移行させようとすると、混合気の一部が高温となって早期着火（圧縮行程で熱面着火）する恐れがあり、また、早期着火（熱面着火）すれば燃焼騒音が発生するという問題点があった。

また、特許文献２では、主燃焼室と副燃焼室との間の仕切り（副室壁）の熱伝導性を高くして副室（副室壁）の温度を低下させ、混合気の早期着火の防止を図っているが、副室全体が常時冷却されるので冷却損失が増大し、かえって高負荷化が制限される懸念がある。
さらに、特許文献２では、燃料噴霧を直接副室先端部に当て、その気化熱により副室壁の温度を低下させているが、これにより冷間始動時における未燃ＨＣの発生量が増加する懸念がある。

本発明は、以上のような従来の問題点に鑑みてなされたものであり、冷却損失の過度な増大および未燃ＨＣの発生量増加を回避しつつ、従来は冷却が困難であった副室先端部の温度上昇を抑制することで、副室温度が上昇しやすい高負荷時においても混合気の早期着火をより確実に回避し、運転領域の限界をより高負荷の領域まで拡大できるコンパクトな構成の副室式内燃機関を提供することを目的とする。

このため本発明は、主たる燃焼室である主室と、連通路を介して該主室と連通し前記主室よりも小さい容積の副室と、該副室内の混合気に点火する点火プラグと、を備えた副室式内燃機関において、前記副室壁内に空洞状の容積部を形成し、該容積部内に伝熱媒体を封入する構成とした。

以上の構成によって、燃焼によって加熱された前記副室壁と、前記容積部に封入された前記伝熱媒体と、の間で熱交換が行われる。
したがって、コンパクトな構成によって、前記副室壁周辺の温度上昇が効果的に抑制され、高負荷時においても前記副室壁周辺における混合気の早期着火を確実に回避でき、以て運転領域の限界がより高負荷域まで拡大される。

また、前記副室壁の温度を低下させるために、前記副室壁の熱伝導性を高くしたり、燃料噴霧を前記副室先端部に当てたりする必要もなくなり、冷却損失の過度な増大や未燃ＨＣの発生量増加の懸念も解消される。

以下に、本発明における第１実施形態について説明する。
本実施形態では、図１に示すように、燃焼室は主室２（主燃焼室）および副室４から構成されている。
主室２は、シリンダヘッド６、シリンダブロック８、およびピストン１０から構成されている。

副室４は、主室２より容積は小さく、主室２の上方（シリンダヘッド６側）の略中心部において略鉛直方向に延び、主室２側の先端部４ａが半球状に形成され、この副室壁の先端部４ａに開口した複数の連通路１２を介して主室２と連通し、ガス交換を可能としている。
吸気ポート１４は、吸気弁１６を介して主室２へ新気を導入し、排気ポート１８は、排気弁２０を介して主室２から排気を排出する。

吸気弁１６、排気弁２０は、それぞれ、吸気弁駆動カム２２、排気弁駆動カム２４によって駆動される。なお、吸気弁１６、排気弁２０は、それぞれ、吸気弁スプリング２６、排気弁スプリング２８を備える。
燃料噴射弁（図示せず）は、吸気ポート１４、主室２、副室４内の中の少なくとも１つに対して燃料噴霧を噴射するように、配置されている。

点火プラグ３０は、その中心軸が副室４の中心軸と略一致するように、副室４内にその電極を臨ませて配置され、副室４内の混合気に点火を行う。
先端部４ａから、複数に分岐して、連通路１２を避けるように、隣接する連通路１２との間を通って、反対側（副室壁の周壁４ｂ上部）に至る空洞状の容積部３２が形成されている。

容積部３２の内部には、伝熱媒体３４が封入されている。
伝熱媒体３４としては、水の沸点より高温域の約６００Ｋから１０００Ｋにて、固相から液相へ相変化を生じる物質を用いるのがよいが、常温においても液体である物質でも構わない。このような物質としては例えばナトリウムが公知であるが、単体の金属では、タリウムやマグネシウム等も類似の性質を有する。その他、テルル、過酸化ナトリウムなども、伝熱媒体３４として利用可能である。また、伝熱媒体３４は、単体、複合材のいずれでも構わない。

仮に、伝熱媒体３４を水と同等の沸点を有する物質とした場合、伝熱媒体３４は主室２内および副室４内の燃焼によって容易に沸騰し、気泡発生（気化）により伝熱媒体３４の熱伝達率が低下したり、容積部３２内の大幅な圧力増大により副室壁が損傷したりする懸念がある。このため、伝熱媒体３４は、水の沸点より高温域にて相変化を生じる物質とした。

周壁４ｂの容積部３２が形成された部分に近接し、周壁４ｂを囲むように、冷却水通路３６が配設されている。
上記構成の圧縮行程では、主室２から副室４へ向けて、連通路１２を通じて混合気が流入する。一方、燃焼膨張行程では、副室４内の燃焼に伴い、副室４から主室２へ向けて、連通路１２を通じて、トーチ状の火炎ジェットが噴出し、主室２内の混合気を燃焼させる。なお、副室４内の圧力は、図４に示すように変動する。

このような副室内の燃焼によって、副室壁、特に主室側の先端部４ａは高温となり、吸排気におけるガス交換によっても冷却が困難なため、圧縮行程に熱面着火する懸念があり、安定した燃焼が可能な運転領域が限定されてしまうという問題点があった。
そこで、本実施形態では、伝熱媒体３４による副室４の熱交換（放熱）の促進により、副室４における冷却が困難な部位を冷却することによって、上記問題点を解決する。

すなわち、図５に示すように、副室４内の温度が上昇する圧縮行程から燃焼行程において、伝熱媒体３４は、相変化の温度（融点）に達した時点より、固体から液体への相変化の潜熱により先端部４ａから一層熱を吸収し、先端部４ａの急激な温度上昇を効果的に抑制する。
一方、燃焼期間（燃焼後期）から次サイクルの吸気行程前までは、冷却水通路３６を流れる冷却水により、周壁４ｂ付近の伝熱媒体３４が冷却され、先端部４ａ付近の伝熱媒体３４との間に温度差が生じるとともに、主室２内の燃焼にともなう圧力変動による振動が、先端部４ａを介して融解した伝熱媒体３４に伝播する。これにより、容積部３２の先端部４ａ付近と、反対側（周壁４ｂ上部）と、の間で伝熱媒体３４の対流が促進され、より高温な先端部４ａから相対的に温度の低い周壁４ｂ上部へと熱を移動させ、先端部４ａを冷却するような熱交換を活発にする。

以上のように、容積部３２に充填された伝熱媒体３４によって、より効果的に先端部４ａの急激な温度上昇を回避できるとともに、より効果的に先端部４ａを冷却できるため、先端部４ａの温度が上昇しやすい高負荷域で、混合気の早期着火を防止できる。したがって、高負荷（高い出力）領域の拡大が可能となる。
なお、低負荷域では、先端部４ａから周壁４ｂ上部へ熱を移動させることで、点火プラグ３０の電極付近の温度を上昇させ、着火性を向上させることもできる。

ここで、副室４の中心軸は、機関の鉛直方向に延び、先端部４ａは、機関の鉛直下向きに主室２へ向けて突出している。また、相変化して液体となった伝熱媒体３４は、先端部４ａ付近では加熱されることで比重が減少し、一方、周壁４ｂ上部付近では比較的低温のため比重は大きいままである。これにより、伝熱媒体３４の鉛直方向の対流はより促進される。

また、冷却水通路３６を、周壁４ｂを囲むように配置したことにより、副室４の周辺部の熱容量を拡大するに等しい効果が得られ、高負荷域にて副室４の周辺部における異常な昇温をより効果的に回避できる。これにより、主室２においても、高負荷域にて混合気の早期着火を確実に回避できるため、運転領域の限界がより高負荷域まで拡大される。
さらに、冷却水通路３６を容積部３２と近接した配置としたため、伝熱媒体３４による熱交換を一層促進できると同時に、冷却水通路３６への放熱量の大部分は先端部４ａから伝熱媒体３４を介して伝達された熱量で占められ、副室４内の混合気からの放熱量の占める割合は抑えられる。また、伝熱媒体３４は、冷却水通路３６を流れる冷却水の沸点より高温域でも液相であるため、副室４（周壁４ｂ）が、該冷却水によって冷却される場合よりも高温に保たれる。このため、副室４における冷却損失を抑制することが可能となり、高負荷域にてより高い熱効率で安定した運転が可能となる。

なお、容積部３２の形成方法としては、例えばロストワックスの製法を用いるとよい。これにより、容積部３２内部の形状によらず、簡易かつ低コストにて製造可能となる。
以下に、本発明における第２実施形態について説明する。
本実施形態は、図６，７に示すように、容積部３２の断面積を周壁４ｂ上部に近い位置ほど拡大した点で、前記第１実施形態と相違する。

これにより、容積部３２内部で、伝熱媒体３４の対流を生じやすくして、副室４周辺における熱交換を一層促進し、また、冷却水によって冷却される伝熱媒体３４の容量を前記第１実施形態の場合と比べて増やすことで、先端部４ａの冷却性能を向上させることが可能となる。
以下に、本発明における第３実施形態について説明する。

本実施形態は、図８，９に示すように、隣り合う連通路１２の間を略鉛直方向に延びた複数の通路を形成する容積部３２が、これら複数の通路を、周壁４ｂ上部の２箇所の集合部３２ａに集合、合流させ、集合部３２ａと近接するように冷却水通路３６を配置した点で、前記第１、第２実施形態と相違する。
これにより、周壁４ｂ上部と伝熱媒体３４とが熱交換する箇所が、集合部３２ａ付近に限定されるため、周壁４ｂ上部の過度な冷却を回避できる。したがって、副室４の冷却損失を抑制できるとともに、混合気の着火性が確保される。

一方、集合部３２ａと近接するように冷却水通路３６を配置したため、先端部４ａの冷却効果も確保される。
以下に、本発明における第４実施形態について説明する。
本実施形態は、図１０，１１に示すように、容積部３２を形成する面（内壁３２ｂ）のうち周壁４ｂに形成された部分に、略鉛直方向に延びる複数のフィン３８を形成した点で、前記第１〜第３実施形態と相違する。

内壁３２ｂの周壁４ｂに形成された部分に対し、鉛直方向に延びる複数のフィン３８を適切な本数、間隔にて配置すること（つまり、内壁３２ｂに凹凸を多数形成すること）で、内壁３２ｂと伝熱媒体３４との接触面積が拡大する。これにより、内壁３２ｂの伝熱量が増大し、伝熱媒体３４と周壁４ｂとの熱交換をより効果的に促進することが可能となる。このように、運転状態に対する冷却の応答性が向上し、高回転または高負荷域において、安定した運転が可能となる。

また、同時に、先端部４ａから周壁４ｂ上部へと向かう比較的高温の伝熱媒体３４と、これとは逆方向に向かう比較的低温の伝熱媒体３４と、の流れ（対流）を、複数のフィン３８で区画された通路によって整流することが可能となり、冷却速度を速め、先端部４ａの冷却性能を一層向上させることが可能となる。
上記実施形態のほか、最も簡易な構成として、高負荷域の先端部４ａの温度で相変化する伝熱媒体３４を、先端部４ａのみに封入する構成とすることもできる。この構成では、融解した伝熱媒体３４の対流による先端部４ａからの放熱効果は得られないが、相変化時の潜熱による先端部４ａの温度上昇抑制のみでも、早期着火による異常燃焼を防止する効果がある。

本発明の第１実施形態の構造図 図１におけるＡ−Ａ断面図 図２におけるＢ−Ｂ断面図およびＣ−Ｃ断面図 本発明の第１実施形態における副室内圧力変動の図 本発明の第１実施形態における熱交換の説明図 本発明の第２実施形態における副室壁の横断面図 図６におけるＡ−Ａ断面図およびＢ−Ｂ断面図 本発明の第３実施形態における副室壁および冷却水通路の横断面図 図８におけるＡ−Ａ断面図 本発明の第４実施形態における副室壁の横断面図 図１０におけるＡ−Ａ断面図およびＢ−Ｂ断面図

符号の説明

２ 主室
４ 副室
４ａ 先端部（副室先端部）
６ シリンダヘッド
８ シリンダブロック
１２ 連通路
３０ 点火プラグ
３２ 容積部
３４ 伝熱媒体
３６ 冷却水通路
３８ フィン

Claims (9)

1. 主たる燃焼室である主室と、連通路を介して該主室と連通し前記主室よりも小さい容積の副室と、該副室内の混合気に点火する点火プラグと、を備えた副室式内燃機関において、
   前記副室壁内に空洞状の容積部を形成し、該容積部内に伝熱媒体を封入したことを特徴とする副室式内燃機関。
2. 前記伝熱媒体は、機関の冷却水の沸点より高い温度域にて、固体と液体との間で相変化を生ずる物質としたことを特徴とする請求項１に記載の副室式内燃機関。
3. 前記副室の中心軸は、機関の略鉛直方向に延び、
   前記副室先端部は、機関の略鉛直下向きに前記主室へ向けて突出したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の副室式内燃機関。
4. 機関の冷却水通路を、前記副室の一部を囲むように配置したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の副室式内燃機関。
5. 前記冷却水通路を、前記容積部と近接した位置に配置したことを特徴とする請求項４に記載の副室式内燃機関。
6. 前記容積部を、前記副室先端部から、前記連通路を避けて、反対側へ至るように配設したことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の副室式内燃機関。
7. 前記容積部の断面積が、前記副室先端部から反対側へ向かうにつれて漸次拡大することを特徴とする請求項６に記載の副室式内燃機関。
8. 前記容積部を形成する面に凹凸を設け、前記伝熱媒体との接触面積を大きくしたことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つ記載の副室式内燃機関。
9. 前記凹凸を、略鉛直方向に延びる複数のフィンによって形成したことを特徴とする請求項８に記載の副室式内燃機関。

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