JP2021105353A - Internal combustion engine with auxiliary combustion chamber - Google Patents
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Abstract
Description
本願発明は、副燃焼室付き内燃機関に関するものである。 The present invention relates to an internal combustion engine with an auxiliary combustion chamber.
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の代わりに設けられており、副燃焼室で発生し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、排気ガスクリーン化促進の有望な技術として注目されている。 In an internal combustion engine, it has been proposed to provide a sub-combustion chamber (sub-chamber) in the cylinder head. The sub-combustion chamber is provided in place of the spark plug, and the flame generated in the sub-combustion chamber is ejected into the main combustion chamber to ignite the main fuel. Since the flame generated in the sub-combustion chamber is excellent in ignitability of the fuel, there is an advantage that the fuel of the air-fuel mixture can be reliably burned even if it is lean. Therefore, it is attracting attention as a promising technology for promoting exhaust gas screen.
副燃焼室には火炎噴孔(トーチ孔)が形成されており、通常は、火炎噴孔は、例えば特許文献1の図1〜3に開示されているように、シリンダボア軸心に対して傾斜した方向に開口しているが、特許文献1の図4に開示されているように、シリンダボア軸心に対して傾斜した方向に開口した火炎噴孔に加えて、シリンダボア軸心方向に開口した火炎噴孔を設けることも提案されている。 A flame injection hole (torch hole) is formed in the sub-combustion chamber, and the flame injection hole is usually inclined with respect to the cylinder bore axis as disclosed in FIGS. 1 to 3 of Patent Document 1, for example. However, as disclosed in FIG. 4 of Patent Document 1, in addition to the flame injection hole opened in the direction inclined with respect to the cylinder bore axis, the flame opened in the cylinder bore axis direction. It has also been proposed to provide a fountain.
副燃焼室内の燃焼ガスは排気行程において火炎噴孔から排出され(掃気され)、吸気行程において混合気が副燃焼室内に火炎噴孔から入り込むが、副燃焼室の火炎噴孔がシリンダボア軸心に対して傾斜したものだけであると、副燃焼室内で燃焼ガスに淀みが発生しやすくて掃気性が悪いという問題がある。 The combustion gas in the sub-combustion chamber is discharged (scavenged) from the flame injection hole in the exhaust stroke, and the air-fuel mixture enters the sub-combustion chamber through the flame injection hole in the intake stroke. On the other hand, if only the one is inclined, there is a problem that stagnation is likely to occur in the combustion gas in the sub-combustion chamber and the scavenging property is poor.
他方、特許文献1の図4のようにシリンダボア軸心方向に開口した火炎噴孔を設けると、副燃焼室内で燃焼ガスの流れが発生することにより、燃焼ガスの掃気性を向上できると共に、吸気行程でも流れの発生によって混合気の流入性を向上できる利点がある。 On the other hand, if a flame injection hole opened in the axial direction of the cylinder bore is provided as shown in FIG. 4 of Patent Document 1, the flow of combustion gas is generated in the sub-combustion chamber, so that the scavenging property of the combustion gas can be improved and the intake air is taken. There is an advantage that the inflow of the air-fuel mixture can be improved by generating a flow even in the process.
このように、副燃焼室にシリンダボア軸心方向に開口した火炎噴孔を設けることは、燃焼ガスの掃気性向上と混合気の流入性向上との利点を有するが、シリンダボア軸心方向に開口した火炎噴孔から噴出した燃焼ガスはピストンの頂面に向かうため、ピストンに奪われる熱量が大きくて熱損失が大きいという問題がある。また、ピストンの特定部位が火炎に集中的に晒されることによるピストンの局部昇温により、ノッキングが発生しやすくなることも懸念される。 In this way, providing a flame injection hole that opens in the direction of the axis of the cylinder bore in the auxiliary combustion chamber has the advantages of improving the scavenging property of the combustion gas and improving the inflow of the air-fuel mixture, but it opens in the direction of the axis of the cylinder bore. Since the combustion gas ejected from the flame injection hole goes to the top surface of the piston, there is a problem that the amount of heat taken by the piston is large and the heat loss is large. In addition, there is a concern that knocking is likely to occur due to the local temperature rise of the piston due to the concentrated exposure of a specific portion of the piston to the flame.
本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。 The present invention has been made to improve such a situation.
本願発明の内燃機関は、
「主燃焼室の略中央部に露出するようにシリンダヘッドに設けられた副燃焼室と、シリンダボア軸心と略同心状に配置されて中心電極と接地電極とを前記副燃焼室内に露出させた状態で前記シリンダヘッドに取り付けられた点火プラグとを備えており、
前記副燃焼室に、シリンダボア軸心に対して交叉した方向に開口したメイン火炎噴孔と、シリンダボア軸心方向に開口したサブ火炎噴孔とが形成されている」
という基本構成において、
「前記点火プラグの接地電極に、副燃焼室の内部を前記メイン火炎噴孔に連通した上部空間と前記サブ火炎噴孔に連通した下部空間とに分ける仕切り部が設けられており、前記上部空間と下部空間とを互いに連通させている」
という特徴を有している。
The internal combustion engine of the present invention is
"The sub-combustion chamber provided in the cylinder head so as to be exposed in the substantially central portion of the main combustion chamber and the center electrode and the ground electrode arranged substantially concentrically with the cylinder bore axis were exposed in the sub-combustion chamber. It is equipped with a spark plug attached to the cylinder head in the state.
In the sub-combustion chamber, a main flame injection hole opened in the direction intersecting the cylinder bore axis and a sub flame injection hole opened in the direction of the cylinder bore axis are formed. "
In the basic configuration
"The ground electrode of the spark plug is provided with a partition portion that divides the inside of the sub-combustion chamber into an upper space communicating with the main flame injection hole and a lower space communicating with the sub flame injection hole. And the lower space communicate with each other. "
It has the feature.
本願発明において、副燃焼室に充満した混合気に点火プラグで発生した火花によって点火されるが、点火プラグの中心電極と接地電極とは上部空間に配置されているため、混合気は主として上部空間において燃焼して、高圧の燃焼ガスがメイン火炎噴孔から噴出する。 In the present invention, the air-fuel mixture filled in the sub-combustion chamber is ignited by sparks generated by the spark plug, but since the center electrode and the ground electrode of the spark plug are arranged in the upper space, the air-fuel mixture is mainly in the upper space. Combustion in, high-pressure combustion gas is ejected from the main flame outlet.
他方、サブ火炎噴孔に溜まっていた混合気にも上部空間の火炎が伝播して燃焼するが、上下の空間は仕切り部によって分けられていて上部空間の火炎が下部空間に向かうことが抑制されるため、下部空間での燃焼量と燃焼圧は上部空間でのそれに比べて低くなっている。従って、ピストンに向かう火炎は大幅に弱くなる。従って、ピストンに奪われる熱量を抑制して熱損失を低減できると共に、ピストンの局部的昇温を防止してノッキング防止に貢献できる。 On the other hand, the flame in the upper space propagates to the air-fuel mixture accumulated in the sub-flame injection hole and burns, but the upper and lower spaces are separated by a partition, and the flame in the upper space is suppressed from going toward the lower space. Therefore, the amount of combustion and the combustion pressure in the lower space are lower than those in the upper space. Therefore, the flame towards the piston is significantly weakened. Therefore, the amount of heat taken by the piston can be suppressed to reduce heat loss, and the local temperature rise of the piston can be prevented to contribute to the prevention of knocking.
また、副燃焼室の上部空間と下部空間とは互いに連通しているため、排気行程においては燃焼ガス流れを形成できて掃気性に優れている一方、吸気行程では混合気の流れを形成できて混合気流入性に優れている。 Further, since the upper space and the lower space of the sub-combustion chamber communicate with each other, a combustion gas flow can be formed in the exhaust stroke and excellent scavenging property, while an air-fuel mixture flow can be formed in the intake stroke. Excellent air-fuel mixture inflow.
従って、本願発明では、副燃焼室内での燃焼ガスと混合気との入れ換え性を向上させて安定した燃焼を実現させつつ、ピストンに放熱されることによる熱損失を大幅に抑制して燃費の向上とノッキング防止とに貢献できる。 Therefore, in the present invention, the interchangeability of the combustion gas and the air-fuel mixture in the sub-combustion chamber is improved to realize stable combustion, and the heat loss due to heat dissipated to the piston is significantly suppressed to improve fuel efficiency. And can contribute to knocking prevention.
(1).第1実施形態
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図1,2に示す第1実施形態を説明する。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、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。
(1). First Embodiment Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. First, the first embodiment shown in FIGS. 1 and 2 will be described. This embodiment is applied to an internal combustion engine for automobiles, and the internal combustion engine has a cylinder block 1 and a
他方、シリンダヘッド3には、シリンダボア4に向いた円錐状の凹所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6が形成されている。当然ながら、シリンダボア4にはピストン7が摺動自在に嵌まっている。なお、ピストン7の頂面には凹部7aが形成されている。
On the other hand, the
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8と一対ずつの排気ポート9とが、クランク軸線を挟んだ両側に形成されている。吸気ポート8は吸気バルブ10で開閉され、排気ポート9は排気バルブ11で開閉される。各吸気ポート8は、それぞれシリンダヘッド3の吸気側面に開口している。
In the
他方、各対の排気ポート9は、シリンダヘッド3に形成された集合通路に集まっており、集合通路には1つの排気出口穴が形成されて、排気出口穴はシリンダヘッド3の排気側面に開口している。
On the other hand, each pair of exhaust ports 9 are gathered in a collecting passage formed in the
そして、シリンダヘッド3のうち凹所5の略中央部に、主燃焼室6に露出した副燃焼室13を配置している。副燃焼室13は筒状で底部(下端)は半球状に湾曲しており、筒状の部分に、シリンダボア軸心Oに対して交叉した方向に開口した複数(例えば3〜8個)のメイン火炎噴孔14が形成されて、下端(底部)には、シリンダボア軸心Oと同心状のサブ火炎噴孔15が形成されている。
A
また、副燃焼室13は、シリンダヘッド3に上からねじ込み又は圧入された筒状で段付きの本体部16を備えており、本体部16に点火プラグ17がねじ込みによって固定されている。
Further, the
点火プラグ17はシリンダボア軸心Oと略同心に配置されており、点火プラグ17の下端には、副燃焼室13の内部に露出した中心電極18と接地電極19とを設けている。中心電極18は、台座18aに中心極芯18bを設けた構成である一方、接地電極19は、プラグ本体から延出したアーム部19aと、アーム部19aの下端に一体に設けた仕切り部(仕切り板)19bと、仕切り部19bから上向きに突設した接地極芯19cとを備えており、仕切り部19bはメイン火炎噴孔14の下方に位置している。
The
従って、副燃焼室13の内部は、仕切り部19bにより、メイン火炎噴孔14と連通した上部空間20と、サブ火炎噴孔15に連通した下部空間21とに区分されており、両空間20,21は、仕切り部19bの外側の環状通路によって連通している。上部空間20の容積は、下部空間21の容積よりも大きくなっている。本実施形態では、仕切り部19bは、アーム部19aと連接した側が幅狭となるように平面視で窄んだ形状になっている(おたまじゃくし状になっている。)。
Therefore, the inside of the
(2).まとめ
図2(A)はピストン7が上死点付近にあって点火プラグ17に通電した状態を示しているが、中心電極18と接地電極19との間のギャップに発生した火花は上部空間20に充満している混合気に着火し、上部空間20の火炎が下部空間21に伝播して、下部空間21での燃焼が行われる。
(2). Summary Fig. 2 (A) shows a state in which the piston 7 is near top dead center and the
そして、下部空間21での燃焼はいわば二次的なものであり、主たる燃焼は上部空間20において行われるため、高圧で太い火炎がメイン火炎噴孔14から噴出して遠くまで飛んでいく。これにより、主燃焼室6に充満していた混合気に一気に着火させることができる。他方、下部空間21で発生した燃焼によって火炎がサブ火炎噴孔15から下方に向かうが、下部空間21での燃焼量は少なくて圧力も低いため、ピストン7に対する伝熱量は僅かであり、大きな熱損失が生じることもない。また、ピストン7の頂面が局部的に過剰昇温することもなくて、ノッキングを防止できる。
The combustion in the
他方、排気行程では、排気ガスは、吸気側のメイン火炎噴孔14から排気側のメイン火炎噴孔14に流れたり、サブ火炎噴孔15から排気側のメイン火炎噴孔14に流れたりして副燃焼室13の内部に排気ガスの流れができるため、燃焼ガスは副燃焼室13に残留することなく掃気される。
On the other hand, in the exhaust stroke, the exhaust gas flows from the main
そして、図2(B)に示すように、吸気行程では、吸気ポート8から噴出した混合気が吸気側のメイン火炎噴孔14から排気側のメイン火炎噴孔14及びサブ火炎噴孔15に向かって流れるため、副燃焼室13の内部に混合気の流れが形成されて、副燃焼室13の内部を新たな混合気で充満させることができる。従って、燃料がリーン気味の混合気であっても安定した燃焼を実現できる。
Then, as shown in FIG. 2B, in the intake stroke, the air-fuel mixture ejected from the intake port 8 goes from the main
(3).他の実施形態
図3では他の実施形態を示している。このうち図3(A)(B)に示す第2実施形態では、仕切り部19bを点火プラグ17とは別体で平面視円形に形成してアーム部19aの下面に溶接等で固定している。このように仕切り部19bを円形に形成すると、上下空間20,21の仕切り機能が向上するため、サブ火炎噴孔15から噴出する火炎の量を更に抑制できる。仕切り部19bは点火プラグ17と別体であるため、大きさや厚さを任意に設定できて融通性に優れている。既存の点火プラグ17に容易に適用できる利点もある。
(3). Other Embodiments Fig. 3 shows other embodiments. Of these, in the second embodiment shown in FIGS. 3A and 3B, the
図3(C)に示す第3実施形態では、アーム部19aの下端に円板状の仕切り部19bを一体に設けている。
In the third embodiment shown in FIG. 3C, a disk-shaped
図3(D)(E)に示す第4実施形態では、副燃焼室13の内部に円板状の仕切り部19bを溶接などで固定し、仕切り部19bに筒状の接地極芯19cを形成している。従って、第4実施形態では、副燃焼室13が接地電極17の一部を構成している。また、接地極芯19cで囲われた部分が、上部空間20と下部空間21とを連通させる連通路22になっている。
In the fourth embodiment shown in FIGS. 3D and 3E, a disk-shaped
この第4実施形態では、上部空間20と下部空間21との連通路の断面積は僅かであるため、上部空間20から下部空間21への火炎の伝播量は従前の実施形態よりも少なくなっている。従って、下部空間21で発生する燃焼ガスの圧力は低くなっており、結果として、火炎がピストン7に当たることによる熱損失を殆ど無くすことができる。
In this fourth embodiment, since the cross-sectional area of the communication passage between the
図3の(F)(G)に示す第5実施形態は第4実施形態の変形例であり、仕切り部19bの中心部に接地極芯19cを設けて、接地極芯19cの外側に複数の連通路22を形成している。この実施形態では、接地極芯19cは棒状であるため、放電を安定化できる利点がある。また、連通路22の数や大きさ、配置を選択することより、上部空間20から下部空間21への火炎伝播を最適化できる。図の上部空間20では、連通路22を隣り合ったメイン火炎噴孔14の間に配置することにより、下部空間21への火炎の逃げを抑制している。
The fifth embodiment shown in FIGS. 3 (F) and (G) is a modification of the fourth embodiment, in which a
図3のうち(H)(I)に示す第6実施形態では、第3,4実施形態と同様に仕切り部19bは円板状に形成されているが、仕切り部19bは複数本のアーム部19aを介して点火プラグ17に一体化されている。そして、副燃焼室13の内部に、仕切り部19bが重なる段部23を形成している。また、第5実施形態と同様に、仕切り部19bに複数の連通路22を形成している。
In the sixth embodiment shown in FIGS. 3H and 3I, the
本実施形態では、電流はアーム部19aからアースできるため、副燃焼室13と仕切り部19bとを電気的に絶縁できる。従って、電流の拡散はなくて火花形成の安定性に優れている。また、本実施形態のように接地電極19を13とは別体に形成してアーム部19aから電流をアースさせると、接地電極19は電気特性に優れた素材を使用できることによる火花形成機能の向上効果もある。更に、複数のアーム部19aを形成すると、ギャップ寸法の変化を防止できると共に電気抵抗を低減させてアース機能を向上できるため、火花の形成を更に安定化できて好適である。
In the present embodiment, since the current can be grounded from the
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、仕切り部19bは平面視で角形などにも形成できる。副燃焼室は、シリンダヘッドに下方からねじ込んで固定したり、凹部の下面に溶接で固定したりすることも可能である。
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention can be embodied in various ways. For example, the
本願発明は、実際に内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。 The invention of the present application can be actually embodied in an internal combustion engine. Therefore, it can be used industrially.
3 シリンダヘッド
4 シリンダボア
7 ピストン
14 メイン火炎噴孔
15 サブ火炎噴孔
17 点火プラグ
18 中心電極
19 接地電極
19a アーム部
19b 仕切り部
19c 接地極芯
20 上部空間
21 下部空間
O シリンダボア軸心
3
Claims (1)
前記副燃焼室に、シリンダボア軸心に対して交叉した方向に開口したメイン火炎噴孔と、シリンダボア軸心方向に開口したサブ火炎噴孔とが形成されている構成であって、
前記点火プラグの接地電極に、副燃焼室の内部を前記メイン火炎噴孔に連通した上部空間と前記サブ火炎噴孔に連通した下部空間とに分ける仕切り部が設けられており、前記上部空間と下部空間とを互いに連通させている、
副燃焼室付き内燃機関。 A state in which the sub-combustion chamber provided in the cylinder head so as to be exposed in the substantially central portion of the main combustion chamber and the center electrode and the ground electrode are arranged substantially concentrically with the cylinder bore axis so as to be exposed in the sub-combustion chamber. It is equipped with a spark plug attached to the cylinder head.
In the sub-combustion chamber, a main flame injection hole opened in the direction intersecting the cylinder bore axis and a sub flame injection hole opened in the cylinder bore axis direction are formed.
The ground electrode of the spark plug is provided with a partition portion that divides the inside of the sub-combustion chamber into an upper space communicating with the main flame injection hole and a lower space communicating with the sub flame injection hole. Communicating with the lower space,
Internal combustion engine with auxiliary combustion chamber.
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