JP2021127706A - プレチャンバを備える内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】プレチャンバ内の混合気の燃焼を急速にする。【解決手段】内燃機関１は、主燃焼室（燃焼室２５）内に設けられたプレチャンバ５０を備える。プレチャンバは、点火部（点火プラグ５）と、点火部を覆うように天井部に設けられたケーシング５２であって、その内部に形成された空間を主燃焼室から隔離するケーシングと、を備える。主燃焼室内には、混合気のタンブル流２５１が形成され、ケーシングには、複数の連通孔が形成されている。複数の連通孔には、吸気ポート２３１側を向いて開口する第１連通孔５２１と、排気ポート２３２側を向いて開口する第２連通孔５２２と、が含まれ、タンブル流が、第１連通孔を通じてプレチャンバ内に流入することにより、プレチャンバ内には、タンブル流とは逆向きの縦渦２５２が形成される。主燃焼室には、第２連通孔を通じて、縦渦に対向する流れがプレチャンバ内へ流入することを抑制する構造が設けられている。【選択図】図１

Description

ここに開示する技術は、プレチャンバを備える内燃機関に関する。

特許文献１には、プレチャンバを備える内燃機関が記載されている。この内燃機関のプレチャンバは、シリンダヘッドの内部において、主燃焼室に対向するように設けられている。副燃料噴射弁が、プレチャンバ内に燃料を噴射すると共に、点火プラグがプレチャンバ内の混合気に点火を行う。複数の噴射孔を通じてプレチャンバ内から主燃焼室内に、火炎ジェットが噴射される。火炎ジェットが主燃焼室内において迅速に拡散することにより、内燃機関の熱効率が向上する。

特許文献２にもプレチャンバを備える内燃機関が記載されている。この内燃機関は、プレチャンバを主燃焼室から隔離する隔壁部材が、主燃焼室の天井部に取り付けられている。隔壁部材の一部は、主燃焼室内に突出している。特許文献２の内燃機関は、特許文献１の内燃機関とは異なり、副燃料噴射弁を備えていない。主燃焼室内に形成された混合気の一部が、圧縮行程中に、隔壁部材に設けた連通孔を通じてプレチャンバ内に流入する。点火プラグがプレチャンバ内の混合気に点火を行うことにより、火炎が、連通孔を通過して、主燃焼室内にトーチ状に噴出する。

特開２０１５−０９４３０３号公報 特開２０１８−１７２９７４号公報

特許文献２に記載されている内燃機関のようなプレチャンバの構成は、主燃焼室内の急速燃焼が損なわれる恐れがある。つまり、特許文献２に記載されているプレチャンバは、プレチャンバの上端部に点火プラグが設けられ、プレチャンバの下端部に連通孔が形成されている。点火プラグと連通孔との間の距離は、比較的長い。プレチャンバ内の混合気の燃焼が遅いと、点火プラグ側において発生した火炎が、連通孔側に残った未燃の混合気を主燃焼室内に押し出してしまう恐れがある。この場合、未燃の混合気が主燃焼室内に押し出されると、主燃焼室内の急速燃焼が損なわれる。

本願発明者らは、プレチャンバ内における混合気の急速燃焼を可能にすべく、プレチャンバ内の混合気の流動を強くすることを考えた。そのために、主燃焼室内にタンブル流を発生させ、連通孔を通じてタンブル流をプレチャンバ内に流入させるようにした。具体的には、一部の連通孔の孔軸を、吸気ポート側を向くように指向させることで、当該連通孔がタンブル流に対向し、プレチャンバ内にタンブル流が流入する。プレチャンバ内にタンブル流が流入すれば、プレチャンバ内にタンブル流とは逆向きの縦渦が発生する。縦渦は、プレチャンバ内の流れを乱さないため、点火プラグの着火性を低下させず、かつ、着火後の火炎伝播を促進させるから、プレチャンバ内の混合気が、急速に燃焼する。

ところが、本願発明者らの検討によると、前述した対策を施しても、プレチャンバ内の混合気の燃焼が、想定したほど急速にならない場合があることに気づいた。

ここに開示する技術は、プレチャンバ内の混合気の燃焼を急速にする。

本願発明者らの検討によると、圧縮行程の終盤に主燃焼室内において発生するスキッシュ流が、排気ポート側を向くように開口した連通孔を通じてプレチャンバ内に流入することがわかった。吸気行程及び圧縮行程中に、主燃焼室内のタンブル流をプレチャンバ内に流入させることによってプレチャンバ内にタンブル流とは逆向きの縦渦を発生させても、圧縮行程の終盤に、プレチャンバ内に流入したスキッシュ流が縦渦と対向することで、縦渦を弱めてしまう。プレチャンバ内に形成した縦渦が弱まることが、混合気の燃焼を遅くする。

そこで、本願発明者らは、縦渦に対向する流れがプレチャンバ内に流入することを抑制する構造を、主燃焼室内に設けることにより、ここに開示する技術を完成するに至った。

具体的にここに開示する技術は、主燃焼室内に設けられたプレチャンバを備える内燃機関に係る。

前記プレチャンバは、前記主燃焼室の天井部に取り付けられかつ、燃料成分と空気を含む混合気に点火する点火部と、前記点火部を覆うように前記天井部に設けられたケーシングであって、その内部に形成された空間を前記主燃焼室から隔離するケーシングと、を備え、
前記主燃焼室には、吸気ポートと排気ポートとがそれぞれ接続され、前記吸気ポートを通じて流入する吸気によって、前記主燃焼室内には、前記混合気のタンブル流が形成され、
前記ケーシングには、当該ケーシング内部の空間と前記主燃焼室とを連通させる複数の連通孔が形成されていると共に、前記複数の連通孔には、前記主燃焼室の径方向において前記吸気ポートの側を向いて開口する第１連通孔と、前記排気ポートの側を向いて開口する第２連通孔と、が含まれ、
前記タンブル流が、前記第１連通孔を通じて前記プレチャンバ内に流入することにより、前記プレチャンバ内には、前記タンブル流とは逆向きの縦渦が形成され、
前記主燃焼室には、前記第２連通孔を通じて、前記プレチャンバ内の縦渦に対向する流れが、前記プレチャンバ内へ流入することを抑制する構造が設けられている。

この構成によると、プレチャンバ内（つまり、ケーシング内部の空間）には、主燃焼室に形成されたタンブル流が流入する。より詳細に、ケーシングは、主燃焼室の天井部に設けられている。ケーシングは、点火部を覆うように設けられることにより、天井部から主燃焼室内に突出する。ケーシングには、複数の連通孔が形成されている。複数の連通孔は、主燃焼室の径方向において吸気ポート側を向いて開口する第１連通孔、及び、排気ポート側を向いて開口する第２連通孔を含んでいる。

タンブル流は、吸気ポートから排気ポート側へ向かって主燃焼室内に流入した吸気が、ピストンの上面に沿って排気ポート側から吸気ポート側へ戻った後に、シリンダの内周面に沿って巻き上がるように流れる。タンブル流は、巻き上がりながら、吸気ポート側から排気ポート側へと向かうように流れる。タンブル流の一部は、吸気ボート側を向いて開口する第１連通孔を通って、プレチャンバ内に流入する。ケーシングが天井部から主燃焼室内に突出するため、タンブル流が、プレチャンバ内に流入しやすい。

第１連通孔を通ってプレチャンバ内に流入した混合気は、ケーシングの内壁に沿って流れる。その結果、プレチャンバ内には、タンブル流とは逆向きの縦渦が形成される。

主燃焼室には、プレチャンバ内の縦渦に対向する流れ、例えば排気ポート側からケーシングに向かって流れるスキッシュ流が、第２連通孔を通じて、プレチャンバ内に流入することを抑制する構造が設けられている。プレチャンバ内の縦渦が弱くなることが抑制される。プレチャンバ内の強い縦渦が維持されるため、点火プラグが、プレチャンバ内の混合気に点火をすると、混合気が急速に燃焼する。

その結果、未燃の混合気が、プレチャンバ内から主燃焼室へ押し出されることが抑制される。プレチャンバ内で発生した火炎が、複数の連通孔を通じて、プレチャンバ内から主燃焼室内へ噴出する。主燃焼室内においても、混合気が急速燃焼する。主燃焼室内の急速燃焼は、内燃機関の熱効率を向上させる。内燃機関の燃費性能が向上する。

前記主燃焼室を形成するピストンの上面には、前記ケーシングよりも前記排気ポートに近い位置に設けられかつ、前記排気ポートの側から前記ケーシングに向かうスキッシュ流を阻害するバッフル壁が設けられている、としてもよい。

ピストンの上面に設けられたバッフル壁は、ケーシングよりも排気ポート側に位置し、排気ポート側からケーシングに向かうスキッシュ流を阻害する。スキッシュ流は、バッフル壁に当たって向きを変えることにより、スキッシュ流が、第２連通孔を通じてプレチャンバ内に流入することが抑制される。プレチャンバ内の縦渦が弱くなることが抑制される。

また、ピストンの上面にバッフル壁を設けても、燃焼室の幾何学的圧縮比は、大きく変化しない。ピストンの上面にバッフル壁を設ける構成は、燃焼室の幾何学的圧縮比を高くすることと、プレチャンバ内の縦渦が弱くなることを抑制することとを両立させる場合に、有利な構成である。

前記主燃焼室を形成するピストンの上面には、前記ピストンが上死点に到達した際に、前記ケーシングのうち少なくとも前記複数の連通孔が形成された部分が挿入される凹部が設けられている、としてもよい。

ピストンの上面に設けられた凹部内にケーシングの少なくとも一部分が挿入されることにより、連通孔は、凹部の内表面に囲まれる。排気ポート側からケーシングに向かうスキッシュ流が、第２連通孔を通じて、プレチャンバ内に流入することが抑制される。また、この構成においては、ケーシングが凹部内に挿入された後は、主燃焼室内の混合気が、あらゆる方向から連通孔を通じてプレチャンバ内に流入することも抑制される。プレチャンバ内の縦渦が弱まることが、より効果的に抑制される。

前記主燃焼室を形成するピストンの上面には、キャビティが形成されており、
前記主燃焼室の軸方向視において、前記プレチャンバは、前記キャビティの外縁よりも内側に位置しており、
前記ピストンには、前記外縁の周囲を囲むように形成された傾斜面であって、吸気ポート側の部位と排気ポート側の部位とのそれぞれにおいて、前記天井部に対向しかつ、主燃焼室の中央へ向かうスキッシュ流を発生させるスキッシュ領域が設けられ、
前記スキッシュ領域は、前記主燃焼室の中心よりも前記排気ポートの側の部分の幅が、前記主燃焼室の中心よりも前記吸気ポートの側の部分の幅よりも小さい、としてもよい。

ピストンの上面における排気ポート側の部位に設けたスキッシュ領域の面積を、吸気ボート側の部位に設けたスキッシュ領域の面積よりも小さくすれば、排気ポート側のスキッシュ領域において発生するスキッシュ流は、吸気ポート側のスキッシュ領域において発生するスキッシュ領域よりも弱くなる。排気ポート側からケーシングに向かうスキッシュ流が相対的に弱いため、第２連通孔を通じてプレチャンバ内にスキッシュ流が流入することが抑制される。

また、吸気ポート側からケーシングに向かうスキッシュ流が、第１連通孔を通じてプレチャンバ内に流入する場合、当該スキッシュ流は、プレチャンバ内の縦渦を強くするように作用する。吸気ポート側からケーシングに向かうスキッシュ流を相対的に強くすれば、プレチャンバ内の混合気の急速燃焼に有利になる。

この構成は、排気ポート側からケーシングに向かうスキッシュ流を弱めるため、前述したバッフル壁、又は、凹部が不要になるという利点がある。

前記主燃焼室を形成するピストンの上面には、キャビティが形成されており、
前記主燃焼室の軸方向視において、前記プレチャンバは、前記キャビティの外縁よりも内側に位置しており、
前記ピストンには、前記外縁の周囲を囲むように形成された傾斜面であって、吸気ポート側の部位と排気ポート側の部位とのそれぞれにおいて、前記天井部に対向しかつ、主燃焼室の中央へ向かうスキッシュ流を発生させるスキッシュ領域が設けられ、
前記排気ポート側のスキッシュ領域は、前記主燃焼室の径方向における排気ポート側部分の一部が抉れることで、前記主燃焼室の軸方向における前記天井部との距離が、前記吸気ポート側のスキッシュ領域と該天井部との距離よりも大きくなるように構成されている、としてもよい。

この構成により、排気ポート側のスキッシュ領域において発生するスキッシュ流は、吸気ポート側のスキッシュ領域において発生するスキッシュ領域よりも弱くなる。排気ポート側からケーシングに向かうスキッシュ流が相対的に弱いため、第２連通孔を通じてプレチャンバ内にスキッシュ流が流入することが抑制される。

この構成も、排気ポート側からケーシングに向かうスキッシュ流を弱めるため、前述したバッフル壁、又は、凹部が不要になるという利点がある。

以上説明したように、前記の内燃機関によると、プレチャンバ内の混合気の燃焼を急速にできる。

図１は、プレチャンバを備えた燃焼室の構成を例示する断面図である。 図２は、プレチャンバを拡大して示す図である。 図３はそれぞれ、バッフル壁の構成例を示すピストン上面の平面図である。 図４は、図１とは異なる構成の燃焼室を例示する図１対応図である。 図５は、図１及び図４とは異なる構成の燃焼室を例示する図１対応図である。 図６は、図５とは異なる構成の燃焼室を例示する図１対応図である。 図７は、図６の燃焼室におけるピストン上面を示す平面図である。

以下、プレチャンバを備える内燃機関について、図面を参照しながら説明をする。尚、以下の説明は、例示である。図１は、内燃機関１の燃焼室２５の構造を示している。この内燃機関１は、火花点火式の４ストローク機関である。燃料は、ガソリン、又は、ガソリンを含む液体燃料である。内燃機関１は、４輪の車両に搭載されている。内燃機関１の出力を駆動輪に伝達することによって車両が走行する。

尚、説明の便宜上、以下において、紙面の上を「上」と呼び、紙面の下を「下」と呼ぶ。以下の説明における「上」及び「下」は、車両に搭載された内燃機関１における「上」及び「下」と一致するとは限らない。

（燃焼室の全体構成）
内燃機関１は、シリンダブロック２１と、シリンダブロック２１の上に載置されるシリンダヘッド２２と、を備えている。シリンダブロック２１の内部には、複数のシリンダ２３が設けられている。複数のシリンダ２３は、円筒状の壁の内側に形成された空間であり、図示は省略するクランクシャフトの方向に並んで配置されている。クランクシャフトの方向は、図１における紙面に垂直な方向である。尚、内燃機関１のシリンダ数、及び、シリンダの配列は、特定の数及び配列に限定されない。

各シリンダ２３内には、クランクシャフトに対しコネクティングロッドを介して連結されるピストン２４が内挿されている。ピストン２４は、シリンダ２３内を往復する。ピストン２４の上面２４１と、シリンダヘッド２２の天井部２２１と、シリンダ２３の内周面２３０とは、燃焼室２５を形成する。

シリンダヘッド２２には、シリンダ２３毎に、吸気ポート２３１が形成されている。図示は省略するが、吸気ポート２３１は、一つのシリンダ２３につき、二つ形成される。二つの吸気ポート２３１は、クランクシャフトの方向に並ぶ。

吸気ポート２３１は、シリンダ２３の中心軸Ｘ１を挟んだ第１側に設けられている。つまり、図１において、吸気ポート２３１は、シリンダ２３の中心軸Ｘ１よりも右側に設けられている。

吸気ポート２３１は、燃焼室２５に連通する。図示を省略する吸気弁が、吸気ポート２３１を開閉する。吸気弁が開くと、吸気が、吸気ポート２３１から燃焼室２５内へ流入する。図示を省略する吸気動弁機構は、所定のタイミングで吸気弁を開閉する。

シリンダヘッド２２には、シリンダ２３毎に、排気ポート２３２が形成されている。排気ポート２３２は、一つのシリンダ２３につき、二つ形成される。二つの排気ポート２３２は、クランクシャフトの方向に並ぶ。

排気ポート２３２は、シリンダ２３の中心軸Ｘ１を挟んだ第２側に設けられている。つまり、図１において排気ポート２３２は、シリンダ２３の中心軸Ｘ１よりも左側に設けられている。この内燃機関１は、いわゆるクロスフロー型である。

排気ポート２３２は、燃焼室２５に連通する。図示を省略する排気弁が、排気ポート２３２を開閉する。排気弁が開くと、排気が、燃焼室２５から排気ポート２３２へ流出する。図示を省略する排気動弁機構は、所定のタイミングで排気弁を開閉する。

吸気ポート２３１は、燃焼室２５内にタンブル流２５１を発生させるタンブルポートである。タンブル流２５１は、図１に矢印で示すように、吸気ポート２３１から排気ポート２３２側へ向かって燃焼室２５内に流入した吸気が、ピストン２４の上面に沿って排気ポート２３２側から吸気ポート２３１側へ戻った後に、シリンダ２３の内周面２３０に沿って巻き上がるように流れる。タンブル流は、巻き上がりながら、吸気ポート２３１側から排気ポート２３２側へと向かうように流れる。

シリンダヘッド２２の天井部２２１は、吸気ポート２３１側からシリンダ２３の中心軸Ｘ１に向かって上り勾配となった傾斜面２２１１と、排気ポート２３２側からシリンダ２３の中心軸Ｘ１に向かって上り勾配となった傾斜面２２１２とを含んでいる。シリンダヘッド２２の天井部２２１は、いわゆるペントルーフ形状である。

ピストン２４の上面２４１には、その上面２４１から上方に隆起する隆起部２４２が設けられている。ピストン２４の上面２４１に隆起部２４２を設けると、内燃機関１の幾何学的圧縮比を高くできる。高い幾何学的圧縮比は、内燃機関１の熱効率を向上させる。

隆起部２４２は、この構成例においては、上面２４１における径方向の周辺部に設けられた対向部２４２１と、上面２４１における径方向の中央部に設けられた平坦部２４２２とを有している。対向部２４２１は、傾斜面２２１１及び傾斜面２２１２に対向する。対向部２４２１は、傾斜面２２１１及び傾斜面２２１２に対して平行又はほぼ平行である。平坦部２４２２は、シリンダ２３の中心軸Ｘ１に対して直交する方向に広がる。

尚、詳細は後述するが、ピストン２４の上面２４１には、バッフル壁２６が設けられている。

シリンダヘッド２２には、シリンダ２３毎にインジェクタ４１が取り付けられている。インジェクタ４１は、シリンダ２３の中心軸Ｘ１上に配設されている。インジェクタ４１の軸は、シリンダ２３の中心軸Ｘ１と一致する。

インジェクタ４１は、シリンダ２３内に直接、燃料を噴射する。インジェクタ４１の構成は、どのようなものであってもよい。インジェクタ４１は、例えば多噴口型のインジェクタとしてもよい。

インジェクタ４１は、図示を省略する制御部からの制御信号を受け、所定の量の燃料を、所定のタイミングで、シリンダ２３内に噴射する。インジェクタ４１は、例えば吸気行程の期間内、及び／又は、圧縮行程の前半の期間内に、シリンダ２３内に噴射する。ここで、圧縮行程の前半の期間は、圧縮行程を、前半の期間と後半の期間とに二等分した場合の、前半の期間を意味する。インジェクタ４１が噴射した燃料の噴霧は、燃焼室２５内に形成されたタンブル流２５１によって、燃焼室２５内において拡散する。インジェクタ４１が燃料を噴射した後、燃焼室２５内には、混合気のタンブル流２５１が形成される。

尚、シリンダ２３内に燃料を噴射するインジェクタ４１に代えて、又は、当該インジェクタ４１と共に、内燃機関１は、吸気ポート２３１内に燃料を噴射するポートインジェクタを有してもよい。ポートインジェクタは、例えば吸気行程の期間内に、吸気ポート２３１、及び／又は、燃焼室２５内に燃料を噴射する。

シリンダヘッド２２にはまた、シリンダ２３毎に、点火プラグ５が取り付けられている。点火プラグ５は、点火部の一例である。点火プラグ５は、シリンダ２３の中心軸Ｘ１よりも、吸気ポート２３１側に配設されている。図１の構成例において、点火プラグ５は、シリンダ２３の中心軸Ｘ１に対して傾いている。点火プラグ５は、例えば二つの吸気ポート２３１の間に配設される。点火プラグ５は、制御部からの制御信号を受け、所定のタイミングで混合気に点火する。

（プレチャンバの構成）
内燃機関１は、プレチャンバ５０、つまり、副燃焼室を有している。プレチャンバ５０は、プレチャンバ５０内で点火した混合気の火炎を、複数の連通孔を通じて、燃焼室２５内に一斉に噴出させることにより、混合気の急速燃焼を実現し、内燃機関１の熱効率を向上させる。

図２は、点火プラグ５の取り付け箇所を拡大して示している。点火プラグ５の電極５１は、天井部２２１の傾斜面２２１１よりも燃焼室２５の内方に位置している。点火プラグ５には、ケーシング５２が設けられている。ケーシング５２は、点火プラグ５の電極５１を覆うように、天井部２２１に設けられている。ケーシング５２は、天井部２２１の傾斜面２２１１から、燃焼室２５の内方に向かって突出している。プレチャンバ５０は、点火プラグ５とケーシング５２とを備えて構成されている。ケーシング５２は、その内部に空間を形成している。プレチャンバ５０は、燃焼室２５の内部に設けられている。ケーシング５２は、内部の空間（つまり、プレチャンバ５０内）を、燃焼室２５から隔離する。

ケーシング５２の先端部は、半球状である。ケーシング５２の先端部には、連通孔５２１、５２２が形成されている。連通孔５２１、５２２は、燃焼室２５と内部の空間とを連通させる。ケーシング５２は、複数の連通孔５２１、５２２を有している。図示は省略するが、複数の連通孔５２１、５２２は、ケーシング５２の先端部に、均等に配置されている。連通孔５２１、５２２は、後述するように、燃焼室２５内の混合気をプレチャンバ５０内へ流入させると共に、プレチャンバ５０内で発生した火炎を、燃焼室２５内へ噴出させる機能を有している。

複数の連通孔５２１、５２２には、燃焼室２５の径方向において吸気ポート２３１側を向いて開口する第１連通孔５２１と、排気ポート２３２側を向いて開口する第２連通孔５２２と、が含まれる。第１連通孔５２１の孔軸は、半球状のケーシング５２の先端部において、点火プラグ５の軸Ｘ２に対し傾いていると共に、第２連通孔５２２の孔軸は、半球状のケーシング５２の先端部において、点火プラグ５の軸Ｘ２に対し、第１連通孔５２１とは逆方向に傾いている。

前述したように、吸気行程、及び／又は、圧縮行程の期間に、燃焼室２５内には、混合気のタンブル流２５１が形成される。混合気のタンブル流２５１は、図２に白抜きの矢印で示すように、ケーシング５２に対して吸気ポート２３１側から排気ポート２３２側へと向かう流れとなる。混合気の一部は、第１連通孔５２１を通じて、燃焼室２５からプレチャンバ５０内へ流入する。

プレチャンバ５０内に流入した混合気は、ケーシング５２の内壁に沿って流れる。これにより、プレチャンバ５０内において、タンブル流２５１とは逆向きの縦渦２５２が形成される（図２の黒い矢印参照）。図２の例において、燃焼室２５内のタンブル流２５１は、反時計回り方向であり、プレチャンバ５０内の縦渦２５２は、時計回り方向である。ここで、プレチャンバ５０内に流入した混合気が、ケーシング５２の半球状の内壁に沿って流れることにより、縦渦２５２の形成が促進される。

ケーシング５２内に形成されたプレチャンバ５０において、点火プラグ５の電極５１は、プレチャンバ５０の上端部に設けられ、連通孔５２１、５２２は、プレチャンバ５０の下端部に設けられている。点火プラグ５と連通孔５２１、５２２との間の距離が比較的長い。プレチャンバ５０内の混合気の燃焼が遅いと、点火プラグ５側において発生した火炎が、連通孔５２１、５２２側に残った未燃の混合気を燃焼室２５内に押し出してしまう恐れがある。この場合、燃焼室２５内の急速燃焼が損なわれる。

これに対し、前記の構成は、燃焼室２５内のタンブル流２５１を、第１連通孔５２１を通じてプレチャンバ５０内に流入させ、それによって、プレチャンバ５０内に、混合気の縦渦２５２を形成している。縦渦２５２は、プレチャンバ５０内の流れを乱さないため、点火プラグ５の着火性を低下させない。点火プラグ５は、プレチャンバ５０内の混合気に速やかに着火できる。縦渦２５２はまた、着火後の火炎伝播を促進させる。プレチャンバ５０内の混合気は急速燃焼をする。混合気が急速燃焼をするから、未燃の混合気が、プレチャンバ５０内から燃焼室２５内に押し出されることが抑制される。プレチャンバ５０内の燃焼の急速化を図ることによって、燃焼室２５内においても混合気が急速燃焼し、内燃機関１の熱効率が向上する。

ここで、本願発明者らの検討によると、前述のように、プレチャンバ５０内に縦渦２５２を生成しても、プレチャンバ５０内の混合気の燃焼が、想定したほど急速にならない場合があることに気づいた。混合気の燃焼が急速燃焼にならない理由は、図２に破線の矢印で示すように、圧縮行程の終盤に燃焼室２５内において発生するスキッシュ流２５３が、排気ポート２３２側を向くように開口した第２連通孔５２２を通じてプレチャンバ５０内に流入することに起因することがわかった。ここで、圧縮行程の終盤とは、圧縮行程の期間を、序盤、中盤、及び、終盤に三等分した場合の、終盤の期間を意味する。スキッシュ流２５３は、ピストン２４の上昇に伴い、燃焼室２５の周縁部の体積が、燃焼室２５の中央部の体積よりも縮小することに伴い発生する流れであり、スキッシュ流は、燃焼室２５の周縁部から中央部へと向かう方向に流れる。

圧縮行程の終盤に、第２連通孔５２２を通じてプレチャンバ５０内にスキッシュ流が流入すると、当該流れがプレチャンバ５０内の縦渦２５２と対向することになり、その結果、縦渦２５２を弱めることになる。プレチャンバ５０内の縦渦２５２が弱まると、前述した混合気の燃焼の急速化が阻害される。

そこで、この内燃機関１の燃焼室２５には、第２連通孔５２２を通じて、プレチャンバ５０内の縦渦２５２に対向する流れが、プレチャンバ５０内へ流入することを抑制する構造を設けている。

（スキッシュ流の流入抑制構造の第１例）
第１の構造例において、内燃機関１は、ピストン２４の上面２４１に設けたバッフル壁２６を有している。バッフル壁２６は、図１に例示するように、平坦部２４２２において、上方に突出するように設けられている。バッフル壁２６は、図１に二点鎖線で示すように、ピストン２４が圧縮上死点付近に位置した場合に、ケーシング５２の第１連通孔５２１及び第２連通孔５２２に対して、上下方向に重なるように設けられている。

バッフル壁２６は、ケーシング５２よりも排気ポート２３２側に位置している。バッフル壁２６は、例えば図３の上図３１に示すように、平面視でＣ字状を有している。バッフル壁２６は、排気ポート２３２側に凸となるように湾曲している。バッフル壁２６は、吸気ポート２３１側には凹となっている。ピストン２４が圧縮上死点付近に位置した場合に、バッフル壁２６は、ケーシング５２の周囲を、排気ポート２３２側から囲む。

バッフル壁２６は、排気ポート２３２側からケーシング５２に向かって流れるスキッシュ流２５３を阻害する。具体的にスキッシュ流２５３は、図３の上図３１に例示するように、湾曲したバッフル壁２６の側面に沿って流れる。これにより、スキッシュ流２５３は、ケーシング５２に対して、クランクシャフトの方向の両側それぞれへ離れていく。バッフル壁２６は、ケーシング５２の第２連通孔５２２を通じてプレチャンバ５０内へスキッシュ流２５３が流入することを抑制する。

ここで、バッフル壁２６の高さは、ピストン２４が圧縮上死点に至った際に、天井部２２１に当たらない限度で、スキッシュ流がバッフル壁２６を乗り越えないような高さとすることが好ましい。こうすることで、バッフル壁２６は、ケーシング５２の第２連通孔５２２を通じてプレチャンバ５０内へスキッシュ流２５３が流入することを、効果的に抑制できる。

バッフル壁２６がプレチャンバ５０内へのスキッシュ流の流入を抑制するため、プレチャンバ５０内においては、圧縮行程の終盤においても強い縦渦２５２が維持される。その結果、点火プラグ５が混合気に点火をした後、プレチャンバ５０内の急速燃焼が実現し、未燃の混合気がプレチャンバ５０から燃焼室２５内へ押し出されることが抑制される。燃焼室２５内の混合気の急速燃焼も実現する。

（変形例１）
図３の中図３２は、バッフル壁２６の配置に関する変形例を示している。バッフル壁２６は、ケーシング５２に対して距離を空けて、ピストン２４の上面２４１に設けてもよい。中図３２において、バッフル壁２６は、上面２４１における、シリンダ２３の中心軸Ｘ１よりも排気ポート２３２側の位置に設けられている。

この配置のバッフル壁２６も、排気ポート２３２側からケーシング５２に向かって流れるスキッシュ流２５３を阻害できる。これにより、スキッシュ流が、ケーシング５２の第２連通孔５２２を通じて、プレチャンバ５０内へ流入することが抑制される。

また、バッフル壁２６とケーシング５２とが離れているため、中図３２に矢印で示すように、吸気ポート２３１側から燃焼室２５の中央部へ向かうスキッシュ流２５４が、第１連通孔５２１を通じてケーシング５２内へ流入しやすくなる。この流れは、ケーシング５２内において、縦渦２５２の流れに沿う流れとなるため、縦渦２５２を強くする。縦渦２５２が強くなれば、プレチャンバ５０内の混合気の急速燃焼に有利になる。

これに対し、上図３１に示すように、バッフル壁２６とケーシング５２とが近いと、バッフル壁２６は、吸気ポート２３１側から燃焼室２５の中央部へ向かうスキッシュ流２５４を受けるため、ケーシング５２の背後の圧力を高くする。吸気ポート２３１側から燃焼室２５の中央部へ向かうスキッシュ流２５４はケーシング５２内へ流入しにくい。但し、バッフル壁２６とケーシング５２とが近いと、排気ポート２３２側からのスキッシュ流２５３が、第２連通孔５２２を通じてケーシング５２内へ流入することを抑制する効果が、より高くなる。

（変形例２）
図３の下図３３は、バッフル壁の形状に関する変形例を示している。バッフル壁２７は、平面視で横向きに倒れたＶ字状を有している。バッフル壁２７は、二つの壁を有している。二つの壁の、排気ポート２３２側の端は、互いにつながっている。二つの壁の、吸気ポート２３１側の端は、離れている。二つの壁の間には、所定の角度が設けられている。

排気ポート２３２側からケーシング５２に向かうスキッシュ流２５３は、バッフル壁２７の側面に沿って流れる。これにより、スキッシュ流は、ケーシング５２に対して、クランクシャフトの方向の両側それぞれへ離れていく。ケーシング５２の第２連通孔５２２を通じて、スキッシュ流２５３が、プレチャンバ５０内へ流入することが抑制される。

尚、図示は省略するが、バッフル壁２７は、ケーシング５２に近づけた位置に設けてもよい。

（スキッシュ流の流入抑制構造の第２例）
図４は、燃焼室２５に設けられた、スキッシュ流の流入抑制構造の第２例を示している。ピストン２４の上面２４１には、バッフル壁２６、２７に代えて、凹部２８が設けられている。凹部２８は、ピストン２４の上面２４１のうち、主燃焼室の径方向における中心よりも吸気ポート側部分に対応する領域且つケーシング５２の先端部の真下の位置に設けられている。凹部２８は、ピストン２４の上面２４１に開口している。凹部２８の開口は、図４に例示するように、円形状、又は、ほぼ円形状である。尚、凹部２８の開口の形状は、特定の形状に限定されない。

図４に二点鎖線で示すように、ピストン２４が上昇して圧縮上死点に到達すると、ケーシング５２の先端部は、凹部２８内に挿入される。凹部２８には、ケーシング５２において少なくとも連通孔５２１、５２２が形成された部分が挿入される。ケーシング５２の先端部が、凹部２８の内表面に囲まれるため、排気ポート２３２側からケーシング５２に向かって流れるスキッシュ流２５３が、第２連通孔５２２を通じてプレチャンバ５０内に流入することが抑制される。

この構造は、ケーシング５２が凹部２８内に挿入された後は、燃焼室２５内の混合気が、あらゆる方向から連通孔５２１、５２２を通じてプレチャンバ５０内に流入することも抑制される。

その結果、この構造においてもプレチャンバ５０内の縦渦２５２が弱まることが抑制される。プレチャンバ５０内の急速燃焼が実現し、燃焼室２５内における混合気の急速燃焼も実現する。

（スキッシュ流の流入抑制構造の第３例）
図５は、燃焼室２５に設けられた、スキッシュ流の流入抑制構造の第３例を示している。ピストン２４の上面２４１には、キャビティ２４３が設けられている。キャビティ２４３は、ピストン２４の中央部において、上面２４１から凹陥している。より詳細に、キャビティ２４３は、その中心が、シリンダ２３の中心軸Ｘ１よりも排気ポート２３２側にずれている。プレチャンバ５０は、キャビティ２４３の外縁よりも内側に位置している。

キャビティ２４３の外縁の周囲には、外縁を囲むように天井部２２１と対向する吸気側のスキッシュ領域２４４および排気側のスキッシュ領域２４５が形成されている。図５に示すように、シリンダ２３の中心軸Ｘ１よりも吸気ポート２３１側において、スキッシュ領域２４４は、傾斜面２２１１と平行になるよう、吸気ポート２３１側から燃焼室２５の中央部へ向かうに従い登り勾配となっている。シリンダ２３の中心軸Ｘ１よりも排気ポート２３２側において、スキッシュ領域２４５は、傾斜面２２１２と平行になるよう、排気ポート２３２側から燃焼室２５の中央部へ向かうに従い登り勾配となっている。

ピストン２４が上昇するに従い、吸気側のスキッシュ領域２４４と傾斜面２２１１との間隔が狭くなると、図５に矢印で示すように、吸気ポート２３１側から燃焼室２５の中央部へ向かうスキッシュ流２５４が発生する。同様に、排気側のスキッシュ領域２４５と傾斜面２２１２との間隔が狭くなると、排気ポート２３２側から燃焼室２５の中央部へ向かうスキッシュ流２５３が発生する。

ここで、キャビティ２４３の中心が排気ポート２３２側へずれているため、排気側のスキッシュ領域２４５の吸排気方向長さ（又は幅）Ｌ１は、吸気側のスキッシュ領域２４４の吸排気方向長さ（幅）Ｌ２よりも短い。吸排気方向長さは、図５における左右方向の長さに対応する。このように構成することで、排気側のスキッシュ領域２４５の面積が、吸気側のスキッシュ領域２４４の面積よりも小さく形成されている。そのため、排気ポート２３２側から燃焼室２５の中央部へ向かうスキッシュ流２５３の強さは、吸気ポート２３１側から燃焼室２５の中央部へ向かうスキッシュ流２５４の強さよりも弱い。これにより、第２連通孔５２２を通じて、スキッシュ流２５３がプレチャンバ５０内に流入することが抑制される。

また、吸気ポート２３１側からのスキッシュ流２５４と、排気ポート２３２側からのスキッシュ流２５３とは燃焼室２５内において衝突する。二つのスキッシュ流２５３、２５４の強さが異なるため、排気ポート２３２側からのスキッシュ流２５３の強さがさらに弱まる。スキッシュ流２５３がプレチャンバ５０内に流入することが、より一層、抑制される。

また、前述したように、吸気ポート２３１側からのスキッシュ流２５４が、第１連通孔５２１を通じてプレチャンバ５０内に流入すれば、前述したように、プレチャンバ５０内における縦渦２５２がさらに強くなるから、プレチャンバ５０内における混合気の急速燃焼に有利になる。

尚、吸気ポート２３１側からのスキッシュ流２５４は、プレチャンバ５０内に流入しなくても、前述したように、排気ポート２３２側からのスキッシュ流２５３を弱める機能を有しているため、その分、プレチャンバ５０内における縦渦の抑制を低減する効果が得られる。

ここで、図５に二点鎖線で示すように、点火プラグ５及びケーシング５２は、吸気ポート２３１側ではなく、シリンダ２３の中心軸Ｘ１よりも、排気ポート２３２側に取り付けてもよい。この場合、前述したタンブル流２５１の他に、吸気弁が開いた際に発生する強い吸気流が、第１連通孔５２１を通じてプレチャンバ５０内に流入する。プレチャンバ５０内の縦渦２５２を、さらに強くすることができる。

尚、点火プラグ５及びケーシング５２は、吸気ポート２３１側に取り付けると、点火プラグ５及びケーシング５２を、吸気によって冷却できる。ヒートスポットの発生が抑制できる。

（スキッシュ流の流入抑制構造の第４例）
図６及び図７は、燃焼室２５に設けられた、スキッシュ流の流入抑制構造の第４例を示している。ピストン２４の上面２４１には、キャビティ２４６が設けられている。キャビティ２４６は、シリンダ２３の中心軸Ｘ１と同軸に設けられている。プレチャンバ５０は、キャビティ２４６の外縁よりも内側に位置している。キャビティ２４６の外縁の周囲は、上方に隆起している。キャビティ２４６の外縁の周囲に、天井部２２１と対向するスキッシュ領域２４７、２４８が形成されている。

シリンダ２３の中心軸Ｘ１よりも吸気ポート２３１側において、スキッシュ領域２４７は、傾斜面２２１１と平行になるよう、吸気ポート２３１側から燃焼室２５の中央部へ向かうに従い登り勾配となっている。これに対し、シリンダ２３の中心軸Ｘ１よりも排気ポート２３２側において、スキッシュ領域２４８は、キャビティ２４３の外縁の周囲において隆起した部分が抉れている。これにより、ピストン２４が圧縮上死点に至った際でも、スキッシュ領域２４８は、傾斜面２２１２との間隔が相対的に広いから、排気ポート２３２側から燃焼室２５の中央部へ向かうスキッシュ流２５３は、相対的に弱くなる。これにより、前記と同様に、第２連通孔５２２を通じて、スキッシュ流２５３がプレチャンバ５０内に流入することが抑制される。

また、吸気ポート２３１側からのスキッシュ流２５４と、排気ポート２３２側からのスキッシュ流２５３とは燃焼室２５内において衝突すると、排気ポート２３２側からのスキッシュ流２５３の強さがさらに弱まる。スキッシュ流２５３がプレチャンバ５０内に流入することが、より一層、抑制される。

また、前述したように、吸気ポート２３１側からのスキッシュ流２５４が、第１連通孔５２１を通じてプレチャンバ５０内に流入すれば、プレチャンバ５０内における縦渦２５２がさらに強くなるから、プレチャンバ５０内における混合気の急速燃焼に有利になる。

図示は省略するが、図６の構成例においても、点火プラグ５及びケーシング５２は、吸気ポート２３１側ではなく、シリンダ２３の中心軸Ｘ１よりも、排気ポート２３２側に取り付けてもよい。

尚、図示した燃焼室２５の形状は一例である。ここに開示する技術は、様々な形状の燃焼室に適用できる。

１ 内燃機関
２２１ 天井部
２３１ 吸気ポート
２３２ 排気ポート
２４ ピストン
２４１ 上面
２４４ スキッシュ領域
２４５ スキッシュ領域
２４７ スキッシュ領域
２４８ スキッシュ領域
２５ 燃焼室（主燃焼室）
２５１ タンブル流
２５２ 縦渦
２５３ スキッシュ流
２５４ スキッシュ流
２６ バッフル壁
２７ バッフル壁
２８ 凹部
５ 点火プラグ（点火部）
５０ プレチャンバ
５２ ケーシング
５２１ 第１連通孔
５２２ 第２連通孔

Claims (5)

1. 主燃焼室内に設けられたプレチャンバを備える内燃機関であって、
   前記プレチャンバは、前記主燃焼室の天井部に取り付けられかつ、燃料成分と空気を含む混合気に点火する点火部と、前記点火部を覆うように前記天井部に設けられたケーシングであって、その内部に形成された空間を前記主燃焼室から隔離するケーシングと、を備え、
   前記主燃焼室には、吸気ポートと排気ポートとがそれぞれ接続され、前記吸気ポートを通じて流入する吸気によって、前記主燃焼室内には、前記混合気のタンブル流が形成され、
   前記ケーシングには、当該ケーシング内部の空間と前記主燃焼室とを連通させる複数の連通孔が形成されていると共に、前記複数の連通孔には、前記主燃焼室の径方向において前記吸気ポートの側を向いて開口する第１連通孔と、前記排気ポートの側を向いて開口する第２連通孔と、が含まれ、
   前記タンブル流が、前記第１連通孔を通じて前記プレチャンバ内に流入することにより、前記プレチャンバ内には、前記タンブル流とは逆向きの縦渦が形成され、
   前記主燃焼室には、前記第２連通孔を通じて、前記プレチャンバ内の縦渦に対向する流れが、前記プレチャンバ内へ流入することを抑制する構造が設けられている内燃機関。
2. 請求項１に記載の内燃機関において、
   前記主燃焼室を形成するピストンの上面には、前記ケーシングよりも前記排気ポートに近い位置に設けられかつ、前記排気ポートの側から前記ケーシングに向かうスキッシュ流を阻害するバッフル壁が設けられている内燃機関。
3. 請求項１に記載の内燃機関において、
   前記主燃焼室を形成するピストンの上面には、前記ピストンが上死点に到達した際に、前記ケーシングのうち少なくとも前記複数の連通孔が形成された部分が挿入される凹部が設けられている内燃機関。
4. 請求項１に記載の内燃機関において、
   前記主燃焼室を形成するピストンの上面には、キャビティが形成されており、
   前記主燃焼室の軸方向視において、前記プレチャンバは、前記キャビティの外縁よりも内側に位置しており、
   前記ピストンには、前記外縁の周囲を囲むように形成された傾斜面であって、吸気ポート側の部位と排気ポート側の部位とのそれぞれにおいて、前記天井部に対向しかつ、主燃焼室の中央へ向かうスキッシュ流を発生させるスキッシュ領域が設けられ、
   前記スキッシュ領域は、前記主燃焼室の中心よりも前記排気ポートの側の部分の幅が、前記主燃焼室の中心よりも前記吸気ポートの側の部分の幅よりも小さい内燃機関。
5. 請求項１に記載の内燃機関において、
   前記主燃焼室を形成するピストンの上面には、キャビティが形成されており、
   前記主燃焼室の軸方向視において、前記プレチャンバは、前記キャビティの外縁よりも内側に位置しており、
   前記ピストンには、前記外縁の周囲を囲むように形成された傾斜面であって、吸気ポート側の部位と排気ポート側の部位とのそれぞれにおいて、前記天井部に対向しかつ、主燃焼室の中央へ向かうスキッシュ流を発生させるスキッシュ領域が設けられ、
   前記排気ポート側のスキッシュ領域は、前記主燃焼室の径方向における排気ポート側部分の一部が抉れることで、前記主燃焼室の軸方向における前記天井部との距離が、前記吸気ポート側のスキッシュ領域と該天井部との距離よりも大きくなるように構成されている内燃機関。

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