JP4389777B2 - 副室式内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、副室式内燃機関に関する。

従来から、主燃焼室及びその主燃焼室に隣接して設けられる副燃焼室を備えた副室式内燃機関が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開昭６０−４５７１６（第１−５頁、第１−１２図）

しかし、従来の技術では、副燃焼室に残留ガスが滞留し、副燃焼室における点火が不安定になることがある。

本発明の課題は、副燃焼室における点火を安定化することができる副室式内燃機関を提供することにある。

本発明に係る副室式内燃機関は、主燃焼室と、副燃焼室と、第１連通路と、点火部とを備える。副燃焼室は、主燃焼室に隣接する。第１連通路は、主燃焼室と副燃焼室とを連通している。点火部は、副燃焼室に設けられている。点火部は、第１連通路を介して主燃焼室から副燃焼室に導入された新気混合気を点火する。副燃焼室は、第１副燃焼室と、第２副燃焼室と、第２連通路とを有する。第１副燃焼室は、第１連通路を介して主燃焼室に連通されている。第２副燃焼室は、第１副燃焼室よりも主燃焼室から遠い位置に配置されている。第２副燃焼室は、第１副燃焼室に隣接する。第２連通路は、第１副燃焼室と第２副燃焼室とを連通している。点火部は、第１副燃焼室及び第２連通路のいずれかに設けられる。第１副燃焼室の容積は、第２副燃焼室の容積よりも大きく、第１副燃焼室の容積と第２副燃焼室の容積との合計を第２副燃焼室の容積で割った値である副室容積比は、有効圧縮比と略同じ値である。

この副室式内燃機関では、圧縮行程において新気混合気が主燃焼室から第１連通路を介して第１副燃焼室に導入された際に、第１副燃焼室の残留ガスを第２副燃焼室に移して滞留させることができ、新気混合気を第１副燃焼室及び第２連通路にもしくは第１副燃焼室に分布させることができる。このため、副燃焼室における気体を残留ガスと新気混合気との２層に成層化することができる。

また、点火部は、第１副燃焼室及び第２連通路のいずれかに設けられているので、新気混合気を点火することができる。

本発明に係る副室式内燃機関では、副燃焼室における気体を残留ガスと新気混合気との２層に成層化することができ、新気混合気を点火部が点火することができるので、副燃焼室における点火を安定化することができる。

＜本発明の前提となる副室式内燃機関の構成及び動作＞
本発明の前提となる副室式内燃機関１の構成及び動作について、図１〜図６を参照しながら説明する。

（副室式内燃機関の概略構成）
図１に、副室式内燃機関１の断面図を示す。

副室式内燃機関１は、主として、主燃焼室６３，副燃焼室６１，点火栓２９，第１連通路６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄ（以下、６２ａ〜６２ｄとする），シリンダブロック１０，シリンダヘッド２０，ピストン３，燃料噴射弁２７，吸気ポート２３，排気ポート２４，吸気バルブ２１，排気バルブ２２，吸気用カム２５及び排気用カム２６を備える。

主燃焼室６３は、シリンダブロック１０，シリンダヘッド２０及びピストン３に囲まれた室である。副燃焼室６１は、主燃焼室６３に隣接して設けられており、副燃焼室壁６４に囲まれた室である。副燃焼室６１は、軸ＣＡを中心軸とする略円筒形状である。点火栓２９の先端部分（点火部）２９ａは、副燃焼室６１に突出している。第１連通路６２ａ〜６２ｄは、主燃焼室６３と副燃焼室６１とを連通している。

吸気ポート２３及び排気ポート２４は、それぞれ、シリンダヘッド２０に形成されている。吸気バルブ２１は、吸気ポート２３の下流部分であって主燃焼室６３の入口に位置している。排気バルブ２２は、排気ポート２４の上流部分であって主燃焼室６３の出口に位置している。吸気用カム２５及び排気用カム２６は、それぞれ、吸気バルブ２１及び排気バルブ２２の上部に位置しており、クランク軸の回転に従って回転することで吸気バルブ２１及び排気バルブ２２を開閉させる。燃料噴射弁２７は、吸気ポート２３を貫通するように設けられている。燃料噴射弁２７の先端は、吸気ポート２３に突出している。

（副室式内燃機関の概略動作）
副室式内燃機関１では、吸気ポート２３に導入された新気空気に、燃料噴射弁２７から燃料が噴射され、新気混合気が形成される。そして、吸気行程において、吸気用カム２５により吸気バルブ２１は開状態とされ、新気混合気は吸気ポート２３から主燃焼室６３へ導入される。吸気ポート２３から導入された新気混合気は、主燃焼室６３において概ね均質になる。

圧縮行程において、主燃焼室６３で新気混合気が圧縮されるとともに、主燃焼室６３の均質な新気混合気の一部は、第１連通路６２ａ〜６２ｄを介して主燃焼室６３から副燃焼室６１へ導入される。

副燃焼室６１では、点火栓２９の先端部分２９ａにより新気混合気が所定のタイミングで火花点火され、火花点火された燃焼ガス（以下、火炎とする）が、第１連通路６２ａ〜６２ｄを介して副燃焼室６１から主燃焼室６３へトーチ状に放射される。主燃焼室６３の均質な新気混合気は、火炎によりトーチ点火され、燃焼する。

膨張行程において、均質な新気混合気が燃焼して発生した燃焼圧力によって、ピストン３が押し下げられる。

排気行程において、排気用カム２６により排気バルブ２２は開状態とされ、主燃焼室６３で燃焼された後のガス（以下、既燃ガスとする）は、主燃焼室６３から排気ポート２４へ排出される。

（副燃焼室の詳細構成）
図２，図４及び図６に、副燃焼室６１の拡大断面図を示す。図２，図４及び図６に示す断面図は、副燃焼室６１の中心軸ＣＡ方向における断面図である。図３は、図２に示す III−III断面図である。図５は、図４におけるV−V断面図である。なお、図４，図６に示す断面図において、点火栓２９は省略されている。

副燃焼室６１は、図２に示すように、副燃焼室壁６４に囲まれた室である。副燃焼室６１は、略円筒形状である。副燃焼室６１には、第１連通路６２ａ〜６２ｄと対向する位置であって上部の位置に点火栓２９が設けられている。点火栓２９の先端部分２９ａは、副燃焼室６１の内部において副燃焼室６１の中心軸ＣＡの近傍で且つ主燃焼室６３から離れた位置に配置されている。点火栓２９の先端部分２９ａは、副燃焼室６１に突出している。

また、図３に示すように、副燃焼室壁６４には、第１連通路６２ａ〜６２ｄが形成されている。第１連通路６２ａ〜６２ｄは、シリンダ軸（図示せず）に垂直な断面視において、副燃焼室６１の中心軸ＣＡに対してオフセットされている。第１連通路６２ａ〜６２ｄは、副燃焼室６１の半径方向Ｒに対して傾斜している。ここで、半径方向Ｒは、シリンダ軸（図示せず）に垂直な断面視において、副燃焼室６１の中心軸ＣＡから放射状に延びる方向である。

（副燃焼室の詳細動作）
図２及び図３に示すように、圧縮行程において、均質な新気混合気は、第１連通路６２ａ〜６２ｄを介して主燃焼室６３から副燃焼室６１へ導入される。第１連通路６２ａ〜６２ｄは、シリンダ軸（図示せず）に垂直な断面視において、副燃焼室６１の中心軸ＣＡに対してオフセットされており、副燃焼室６１の半径方向Ｒに対して傾斜している。また、副燃焼室６１は、略円筒形状である。このため、新気混合気の流れＡ８１ａ，Ａ８１ｂ，Ａ８１ｃ，Ａ８１ｄ（以下、Ａ８１ａ〜Ａ８１ｄとする）は、図２の点線の矢印に示すように、副燃焼室６１の内周面７３ｊに沿って旋回流Ａ８１ｅを形成する。

図４に示すように、新気混合気は、旋回流Ａ８１ｅを形成しながら、第１連通路６２ａ〜６２ｄから点火栓２９の先端部分２９ａがある上方へと上昇していく（流れＡ８１ｆ，Ａ８１ｕ参照）。この旋回流Ａ８１ｅは、副燃焼室壁６４の上部近傍において、中心軸ＣＡの方向へと導かれる。そして、旋回流Ａ８１ｅは、中心軸ＣＡの近傍を旋回しながら下方へと降下していく（流れＡ８１ｆ，Ａ８１ｕ参照）。これにより、副燃焼室６１に導入された新気混合気と副燃焼室６１内の残留ガスとの混合が促進されるので、第１連通路６２ａ〜６２ｄの近傍以外の領域６１ａと第１連通路６２ａ〜６２ｄの近傍の領域６１ｂとは、空燃比においてほとんど差がなくなっている。このため、副燃焼室６１の空燃比が新気混合気の空燃比よりも実質的にリーンになるので、副燃焼室６１における点火は不安定になり、副燃焼室６１における燃焼も不安定になる。なお、図４では、色の濃さにより残留ガスの濃度が示されている。

ここで、旋回流Ａ８１ｅを中心軸ＣＡに垂直な方向から見ると図５のようになる。すなわち、旋回流Ａ８１ｅは、内周面７３ｊに沿った旋回流Ａ８１ｅａと、中心軸ＣＡの近傍を旋回する旋回流Ａ８１ｅｂとを有することになる。このように、上昇する旋回流Ａ８１ｅａと下降する旋回流Ａ８１ｅｂとは、それぞれ、中心軸ＣＡに対して対称に形成されているので、安定している。ただし、図６に示す第１連通路６２ａ〜６２ｄの近傍の領域６１ｄでは、乱れが強くなっている。一方、第１連通路６２ａ〜６２ｄの近傍以外の領域６１ｃでは、乱れが小さくなっている。なお、図６では、色の濃さにより乱れの強さが示されている。

点火栓２９の先端部分２９ａは、スパークを発生させて新気混合気を火花点火する。火花点火された新気混合気は、火炎として、旋回流Ａ８１ｅにより迅速に第１連通路６２ａ〜６２ｄへ到達する。すなわち、火花点火された火炎が迅速に第１連通路６２ａ〜６２ｄへ到達するので、副燃焼室６１において新気混合気が点火されてから主燃焼室６３へ火炎が放射されるまでの期間は短縮される。

第１連通路６２ａ〜６２ｄへ到達した火炎は、第１連通路６２ａ〜６２ｄを介して、副燃焼室６１から主燃焼室６３へとトーチ状に放射される。ここで、第１連通路６２ａ〜６２ｄが点火栓２９に対して主燃焼室６３側に設けられているので、火炎は副燃焼室６１から主燃焼室６３へと向かう方向（図１における斜め下方向）へ放射される。すなわち、火炎は、副燃焼室６１から主燃焼室６３へ効率よく放射される。

＜本発明の第１実施形態に係る副室式内燃機関の構成及び動作＞
本発明の第１実施形態に係る副室式内燃機関１００について、図７及び図８を参照しながら、本発明の前提となる上記の副室式内燃機関１と異なる点を中心に説明する。

（副燃焼室の詳細構成）
図７及び図８に、副燃焼室１６１の拡大断面図を示す。図７及び図８に示す断面図は、第１中心軸ＣＡ１方向における断面図である。なお、前提となる上記の副室式内燃機関１と同様の構成要素は、同じ番号で示している。

副燃焼室１６１は、第１副燃焼室１６１ｅと第２連通路１６１ｆと第２副燃焼室１６１ｇとを有している。第１副燃焼室１６１ｅは、主燃焼室６３に隣接して設けられており、副燃焼室壁１６４で囲まれた室である。第１副燃焼室１６１ｅは、第１中心軸ＣＡ１を中心軸とする略円筒形状の部分と膨出した半球状の底面とを有している。第１副燃焼室１６１ｅは、第１中心軸ＣＡ１に垂直な断面が略円形である。膨出した半球状の底面には、主燃焼室６３と副燃焼室１６１とを連通する複数の第１連通路６２ａ〜６２ｄが形成されている。第２副燃焼室１６１ｇは、第１副燃焼室１６１ｅよりも主燃焼室６３から遠い位置であって第１副燃焼室１６１ｅに隣接した位置に設けられており、副燃焼室壁１６４で囲まれた室である。第２副燃焼室１６１ｇは、第２中心軸ＣＡ２を中心軸とする略円筒形状である。

ここで、第２中心軸ＣＡ２は、第１中心軸ＣＡ１と異なる直線上にある。また、第１副燃焼室１６１ｅの容積は、第２副燃焼室１６１ｇの容積よりも大きい。副室容積比は、有効圧縮比と略同じ値である。副室容積比は、第１副燃焼室１６１ｅの容積と第２副燃焼室１６１ｇの容積との合計を第２副燃焼室１６１ｇの容積で割った値である。圧縮行程において、副燃焼室１６１における残留ガスは、有効圧縮比の割合で圧縮されると考えられるからである。なお、第１副燃焼室１６１ｅの容積は、点火栓２９に占められている部分の容積を含まない。

第２副燃焼室１６１ｇの底面には、第２中心軸ＣＡ２近傍に第２連通路１６１ｆが形成されている。第２連通路１６１ｆは、第１副燃焼室１６１ｅと第２副燃焼室１６１ｇとを連通しており、副燃焼室壁１６４で囲まれている。

点火栓２９の先端部分２９ａは、第１副燃焼室１６１ｅの内部において第１副燃焼室１６１ｅの第１中心軸ＣＡ１及び略円筒形状の部分の内周面７３ｂから離れた位置で且つ主燃焼室６３から離れた位置に配置されている。点火栓２９の先端部分２９ａは、第１副燃焼室１６１ｅに突出している。

（副燃焼室の詳細動作）
圧縮行程において、新気混合気の流れＡ８１ａ〜Ａ８１ｄは、点線の矢印で示すように、第１副燃焼室１６１ｅの内周面７３ａに沿って旋回流Ａ８１ｇを形成する。そして、新気混合気は、旋回流Ａ８１ｇを形成しながら、第１連通路６２ａ〜６２ｄから点火栓２９の先端部分２９ａがある上方へと上昇していく（流れＡ８１ｈ，Ａ８１ｉ参照）。このとき、第１副燃焼室１６１ｅの残留ガスは、上方へと上昇していく新気混合気に押されて、第２連通路１６１ｆを介して第２副燃焼室１６１ｇに押し込まれる。これにより、第１副燃焼室１６１ｅの残留ガスは、第２副燃焼室１６１ｇに滞留する。

新気混合気の旋回流Ａ８１ｇは、残留ガスが滞留している第２副燃焼室１６１ｇを通らない。これにより、副燃焼室１６１に導入された新気混合気と副燃焼室１６１内の残留ガスとの混合が行われにくく、副燃焼室１６１における気体は残留ガスと新気混合気との２層に成層化している。このため、第１副燃焼室１６１ｅの空燃比が新気混合気の空燃比と略同一になるので、副燃焼室１６１における点火は安定化し、副燃焼室１６１における燃焼も安定化する。なお、図７及び図８では、色の濃さにより残留ガスの濃度が示されている。

点火栓２９の先端部分２９ａは、第１副燃焼室１６１ｅに設けられているので、新気混合気を火花点火する。火花点火された新気混合気は、火炎として、旋回流Ａ８１ｇにより迅速に連通路６２ａ〜６２ｄへ到達する。すなわち、火花点火された新気混合気が迅速に連通路６２ａ〜６２ｄへ到達するので、副燃焼室１６１において新気混合気が着火されてから主燃焼室６３へ火炎が放射されるまでの期間は短縮される。すなわち、第１副燃焼室１６１ｅにおける燃焼速度は向上する。

（副室式内燃機関に関する特徴）
（１）
ここでは、圧縮行程において新気混合気が主燃焼室６３から第１連通路６２ａ〜６２ｄを介して副燃焼室１６１に導入された際に、第１副燃焼室１６１ｅの残留ガスは第２副燃焼室１６１ｇに滞留し、新気混合気は第１副燃焼室１６１ｅ及び第２連通路１６１ｆに分布する。このため、副燃焼室１６１における気体は残留ガスと新気混合気との２層に成層化する。

また、点火栓２９の先端部分２９ａは、第１副燃焼室１６１ｅに設けられているので、新気混合気を点火する。

このように、副燃焼室１６１における気体が残留ガスと新気混合気との２層に成層化され、新気混合気を点火栓２９の先端部分２９ａが点火するので、副燃焼室１６１における点火は安定化する。

（２）
ここでは、第１連通路６２ａ〜６２ｄは、主燃焼室６３と第１副燃焼室１６１ｅとを連通している。第１連通路６２ａ〜６２ｄは、シリンダ軸（図示せず）に垂直な断面視において、第１副燃焼室１６１ｅの第１中心軸ＣＡ１に対してオフセットされ、第１副燃焼室１６１ｅの半径方向Ｒに対して傾斜している（図３参照）。また、第１副燃焼室１６１ｅは、第１中心軸ＣＡ１に垂直な断面が略円形である。これにより、第１連通路６２ａ〜６２ｄは、主燃焼室６３から副燃焼室１６１に導入された新気混合気を、第１副燃焼室１６１ｅの内周面７３ａ（図７参照）に沿って旋回させ、副燃焼室１６１に新気混合気の旋回流Ａ８１ｇ（図７参照）を形成させる。

このように、第１連通路６２ａ〜６２ｄが第１副燃焼室１６１ｅに新気混合気の旋回流Ａ８１ｇを形成させるので、第１副燃焼室１６１ｅにおける乱れが高められ、第１副燃焼室１６１ｅにおける燃焼速度は向上する。このため、副燃焼室１６１における燃焼は安定化する。

（３）
ここでは、第１副燃焼室１６１ｅの容積は、第２副燃焼室１６１ｇの容積よりも大きい。具体的には、副室容積比は、有効圧縮比と略同じ値である。

このように、副室容積比が有効圧縮比と略同じ値であるので、第１副燃焼室１６１ｅから第２連通路１６１ｆを介して第２副燃焼室１６１ｇへ流入する新気混合気の量は必要最小限に抑えられる。また、未燃燃料の排出が抑制される。

（第１実施形態の変形例）
燃料噴射弁２７は、吸気ポート２３に燃料を噴射する代わりに、主燃焼室６３に直接燃料を噴射してもよい。第１副燃焼室１６１ｅは、第１中心軸ＣＡ１を中心軸とする略円筒形状の部分と膨出した半球状の底面とを有している代わりに、第１中心軸ＣＡ１を中心軸とする略円筒形状であってもよいが、それらに限定されるものではない。第２副燃焼室１６１ｇは、第２中心軸ＣＡ２を中心軸とする略円筒形状であることが好ましいが、それに限定されるものではない。

また、圧縮行程において新気混合気が主燃焼室６３から第１連通路６２ａ〜６２ｄを介して副燃焼室１６１に導入された際に、新気混合気は第１副燃焼室１６１ｅのみに分布してもよい。点火栓２９の先端部分２９ａが配置される位置は、図７で示される位置である代わりに、第１副燃焼室１６１ｅにおける他の場所であってもよいし、第２連通路１６１ｆであってもよい。

＜本発明の第２実施形態に係る副室式内燃機関の構成及び動作＞
本発明の第２実施形態に係る副室式内燃機関２００について、図９及び図１０を参照しながら、本発明の前提となる上記の副室式内燃機関１と異なる点を中心に説明する。

（副燃焼室の詳細構成）
図９及び図１０に、副燃焼室２６１の拡大断面図を示す。図９及び図１０に示す断面図は、第１中心軸ＣＡ１方向における断面図である。なお、前提となる上記の副室式内燃機関１と同様の構成要素は、同じ番号で示している。

副燃焼室２６１は、第１副燃焼室２６１ｈと第２連通路２６１ｉと第２副燃焼室２６１ｊとを有している。第１副燃焼室２６１ｈは、第１中心軸ＣＡ１に垂直な断面が略円形である。第１副燃焼室２６１ｈは、主燃焼室６３に隣接して設けられており、副燃焼室壁２６４とバッフル板（分割部）２６５とで囲まれた室である。第１副燃焼室２６１ｈは、第１中心軸ＣＡ１を中心軸とする略円筒形状である。膨出した半球状の底面には、主燃焼室６３と副燃焼室２６１とを連通する複数の第１連通路６２ａ〜６２ｄが形成されている。第２副燃焼室２６１ｊは、第１副燃焼室２６１ｈよりも主燃焼室６３から遠い位置であって第１副燃焼室２６１ｈに隣接した位置に設けられており、副燃焼室壁２６４とバッフル板２６５とで囲まれた室である。第２副燃焼室２６１ｊは、第２中心軸ＣＡ２を中心軸とする略円筒形状である。

ここで、第２中心軸ＣＡ２は、第１中心軸ＣＡ１と同一直線上にある。また、バッフル板２６５は、副燃焼室２６１を第１副燃焼室２６１ｈと第２副燃焼室２６１ｊとに分割している。バッフル板２６５は、板状の形状である。そして、第１副燃焼室２６１ｈの容積は、第２副燃焼室２６１ｊの容積よりも大きい。副室容積比は、有効圧縮比と略同じ値である。副室容積比は、第１副燃焼室２６１ｈの容積と第２副燃焼室２６１ｊの容積との合計を第２副燃焼室２６１ｊの容積で割った値である。圧縮行程において、副燃焼室２６１における残留ガスは、有効圧縮比の割合で圧縮されると考えられるからである。なお、第１副燃焼室２６１ｈの容積や第２副燃焼室２６１ｊの容積は、点火栓２９に占められている部分の容積を含まない。

バッフル板２６５には、第１中心軸ＣＡ１，第２中心軸ＣＡ２の近傍において開口されて第２連通路２６１ｉが形成されている。第２連通路２６１ｉは、第１副燃焼室２６１ｈと第２副燃焼室２６１ｊとを連通している。

点火栓２９の先端部分２９ａは、第１副燃焼室２６１ｈの内部において第１副燃焼室２６１ｈの第１中心軸ＣＡ１の近傍で且つ主燃焼室６３から離れた位置に配置されている。点火栓２９の先端部分２９ａは、第１副燃焼室２６１ｈに突出している。

（副燃焼室の詳細動作）
圧縮行程において、新気混合気の流れＡ８１ａ〜Ａ８１ｄは、点線の矢印で示すように、第１副燃焼室２６１ｈの内周面７３ｄに沿って旋回流Ａ８１ｊを形成する。そして、新気混合気は、旋回流Ａ８１ｊを形成しながら、第１連通路６２ａ〜６２ｄから点火栓２９の先端部分２９ａがある上方へと上昇していく（流れＡ８１ｋ，Ａ８１ｍ参照）。

このとき、第１副燃焼室２６１ｈの残留ガスは、上方へと上昇していく新気混合気に押されて、第２連通路２６１ｉを介して第２副燃焼室２６１ｊに押し込まれる。第２副燃焼室２６１ｊに押し込まれた残留ガスは、内周面７３ｅに沿って旋回しながら上方へと上昇していく（流れＡ８１ｎ，Ａ８１ｏ参照）。残留ガスの旋回流は、副燃焼室壁２６４の上部近傍において、第２中心軸ＣＡ２の方向へと導かれる。この旋回流は、第２中心軸ＣＡ２の近傍を旋回しながら下方へと降下していく。そして、この旋回流は、バッフル板２６５の近傍において、内周面７３ｅの方向へ導かれた後、内周面７３ｅに沿って旋回しながら上方へと再び上昇していく。これにより、第１副燃焼室２６１ｈの残留ガスは、第２副燃焼室２６１ｊに滞留する。

ここで、残留ガスの旋回流を第２中心軸ＣＡ２に垂直な方向から見ると図５と同様になる。すなわち、残留ガスの旋回流は、内周面７３ｅに沿った旋回流と、第２中心軸ＣＡ２の近傍を旋回する旋回流とを有することになる。このように、上昇する旋回流と下降する旋回流とは、それぞれ、第２中心軸ＣＡ２に対して対称に形成されているので、安定している。

第１副燃焼室２６１ｈの旋回流Ａ８１ｊは、バッフル板２６５の近傍において、第１中心軸ＣＡ１の方向へと導かれる。そして、旋回流Ａ８１ｊは、第１中心軸ＣＡ１の近傍を旋回しながら下方へと降下していく（流れＡ８１ｋ，Ａ８１ｍ参照）。この旋回流Ａ８１ｊは、下方の半球状の底面の近傍において、内周面７３ｄの方向へと導かれ、内周面７３ｄに沿って旋回しながら再び上方へ上昇していく。

このように、新気混合気の旋回流Ａ８１ｊは、残留ガスが滞留している第２副燃焼室２６１ｊを通らない。これにより、副燃焼室２６１に導入された新気混合気と副燃焼室２６１内の残留ガスとの混合が行われにくく、副燃焼室２６１における気体は残留ガスと新気混合気との２層に成層化している。このため、第１副燃焼室２６１ｈの空燃比が新気混合気の空燃比と略同一になるので、副燃焼室２６１における点火は安定化し、副燃焼室２６１における燃焼も安定化する。なお、図９及び図１０では、色の濃さにより残留ガスの濃度が示されている。

点火栓２９の先端部分２９ａは、第１副燃焼室２６１ｈに設けられているので、新気混合気を火花点火する。火花点火された新気混合気は、火炎として、旋回流Ａ８１ｊにより迅速に連通路６２ａ〜６２ｄへ到達する。すなわち、火花点火された新気混合気が迅速に連通路６２ａ〜６２ｄへ到達するので、副燃焼室２６１において新気混合気が着火されてから主燃焼室６３へ火炎が放射されるまでの期間は短縮される。すなわち、第１副燃焼室２６１ｈにおける燃焼速度は向上する。

（副室式内燃機関に関する特徴）
（１）
ここでは、圧縮行程において新気混合気が主燃焼室６３から第１連通路６２ａ〜６２ｄを介して副燃焼室２６１に導入された際に、第１副燃焼室２６１ｈの残留ガスは第２副燃焼室２６１ｊに滞留し、新気混合気は第１副燃焼室２６１ｈ及び第２連通路２６１ｉに分布する。このため、副燃焼室２６１における気体は残留ガスと新気混合気との２層に成層化する。

また、点火栓２９の先端部分２９ａは、第１副燃焼室２６１ｈに設けられているので、新気混合気を点火する。

このように、副燃焼室２６１における気体が残留ガスと新気混合気との２層に成層化され、新気混合気を点火栓２９の先端部分２９ａが点火するので、副燃焼室２６１における点火は安定化する。

（２）
ここでは、第１連通路６２ａ〜６２ｄは、主燃焼室６３と第１副燃焼室２６１ｈとを連通している。第１連通路６２ａ〜６２ｄは、シリンダ軸（図示せず）に垂直な断面視において、第１副燃焼室２６１ｈの第１中心軸ＣＡ１に対してオフセットされ、第１副燃焼室２６１ｈの半径方向Ｒに対して傾斜している（図３参照）。また、第１副燃焼室２６１ｈは、第１中心軸ＣＡ１に垂直な断面が略円形である。これにより、第１連通路６２ａ〜６２ｄは、主燃焼室６３から第１副燃焼室２６１ｈに導入される新気混合気を、第１副燃焼室２６１ｈの内周面７３ｄ（図９参照）に沿って旋回させ、第１副燃焼室２６１ｈに新気混合気の旋回流Ａ８１ｊ（図９参照）を形成させる。

このように、第１連通路６２ａ〜６２ｄが第１副燃焼室２６１ｈに新気混合気の旋回流Ａ８１ｊを形成させるので、第１副燃焼室２６１ｈにおける乱れが高められて、第１副燃焼室２６１ｈにおける燃焼速度は向上する。このため、副燃焼室２６１における燃焼は安定化する。

（３）
ここでは、第１副燃焼室２６１ｈの容積は、第２副燃焼室２６１ｊの容積よりも大きい。具体的には、副室容積比は、有効圧縮比と略同じ値である。

このように、副室容積比が有効圧縮比と略同じ値であるので、第１副燃焼室２６１ｈから第２連通路２６１ｉを介して第２副燃焼室２６１ｊへ流入する新気混合気の量は抑えられる。また、未燃燃料の排出が抑制される。

（４）
ここでは、バッフル板２６５は、副燃焼室２６１を第１副燃焼室２６１ｈと第２副燃焼室２６１ｊとに分割している。このため、副燃焼室２６１における冷却損失が低減されるので、副燃焼室２６１における燃焼速度の低下は抑制される。この結果、副燃焼室２６１における点火は安定化する。

（５）
ここでは、バッフル板２６５は、板状の形状である。このため、バッフル板２６５は容易に形成される。

また、第２連通路２６１ｉは、バッフル板２６５において開口されている部分である。このため、第２連通路２６１ｉは容易に形成される。

（６）
ここでは、第１副燃焼室２６１ｈは、第１中心軸ＣＡ１に対して線対称な形状である。また、第２副燃焼室２６１ｊは、第２中心軸ＣＡ２に対して線対称な形状である。そして、第２中心軸ＣＡ２は、第１中心軸ＣＡ１と同一直線上にある。このため、新気混合気及び残留ガスが同一軸に対して線対称に旋回流を形成するので、新気混合気の旋回流Ａ８１ｊ及び残留ガスの旋回流は、それぞれサイクル変動が小さく安定する。

このように、新気混合気の旋回流Ａ８１ｊと残留ガスの旋回流とが別々に安定して形成されるので、新気混合気と残留ガスとが混合することが低減される。このため、副燃焼室２６１における気体は残留ガスと新気混合気との２層に成層化する。

（７）
ここでは、点火栓２９の先端部分２９ａは、第１副燃焼室２６１ｈの第１中心軸ＣＡ１の近傍に配置されている。このため、新気混合気の旋回流Ａ８１ｊが安定している位置において、新気混合気が点火される。

（第２実施形態の変形例）
燃料噴射弁２７は、吸気ポート２３に燃料を噴射する代わりに、主燃焼室６３に直接燃料を噴射してもよい。第１副燃焼室２６１ｈは、第１中心軸ＣＡ１を中心軸とする略円筒形状であることが好ましいが、それに限定されるものではない。第２副燃焼室２６１ｊは、第２中心軸ＣＡ２を中心軸とする略円筒形状であることが好ましいが、それに限定されるものではない。

また、圧縮行程において新気混合気が主燃焼室６３から第１連通路６２ａ〜６２ｄを介して副燃焼室２６１に導入された際に、新気混合気は第１副燃焼室２６１ｈのみに分布してもよい。点火栓２９の先端部分２９ａが配置される位置は、図９で示される位置である代わりに、第１副燃焼室２６１ｈにおける他の場所であってもよいし、第２連通路２６１ｉであってもよい。

＜本発明の第３実施形態に係る副室式内燃機関の構成及び動作＞
本発明の第３実施形態に係る副室式内燃機関３００について、図１１〜図１３を参照しながら、本発明の前提となる上記の副室式内燃機関１と異なる点を中心に説明する。

（副燃焼室の詳細構成）
図１１〜図１３に、副燃焼室３６１の拡大断面図を示す。図１１〜図１３に示す断面図は、第１中心軸ＣＡ１方向における断面図である。なお、前提となる上記の副室式内燃機関１と同様の構成要素は、同じ番号で示している。

副燃焼室３６１は、第１副燃焼室３６１ｋと第２連通路３６１ｍと第２副燃焼室３６１ｎとを有している。第１副燃焼室３６１ｋは、第１中心軸ＣＡ１に垂直な断面が略円形である。第１副燃焼室３６１ｋは、主燃焼室６３に隣接して設けられており、副燃焼室壁３６４で囲まれた室である。第１副燃焼室３６１ｋは、第１中心軸ＣＡ１を中心軸とする略円錐形状の部分と膨出した半球状の底面とを有している。第１副燃焼室３６１ｋは、主燃焼室６３に近い部分の断面積よりも点火栓２９の先端部分２９ａに近い部分の断面積の方が小さくなっている。膨出した半球状の底面には、主燃焼室６３と副燃焼室３６１とを連通する複数の第１連通路６２ａ〜６２ｄが形成されている。第２副燃焼室３６１ｎは、第１副燃焼室３６１ｋよりも主燃焼室６３から遠い位置であって第１副燃焼室３６１ｋに隣接した位置に設けられており、副燃焼室壁３６４で囲まれた室である。第２副燃焼室３６１ｎは、第２中心軸ＣＡ２を中心軸とする略円筒形状である。

ここで、第２中心軸ＣＡ２は、第１中心軸ＣＡ１と同一直線上にある。また、第１副燃焼室３６１ｋの容積は、第２副燃焼室３６１ｎの容積よりも大きい。副室容積比は、有効圧縮比と略同じ値である。副室容積比は、第１副燃焼室３６１ｋの容積と第２副燃焼室３６１ｎの容積との合計を第２副燃焼室３６１ｎの容積で割った値である。圧縮行程において、副燃焼室３６１における残留ガスは、有効圧縮比の割合で圧縮されると考えられるからである。なお、第１副燃焼室３６１ｋの容積や第２副燃焼室３６１ｎの容積は、点火栓２９に占められている部分の容積を含まない。

第２副燃焼室３６１ｎの底面には、第２中心軸ＣＡ２の近傍に第２連通路３６１ｍが形成されている。第２連通路３６１ｍは、第１副燃焼室３６１ｋと第２副燃焼室３６１ｎとを連通している。

点火栓２９の先端部分２９ａは、第１副燃焼室３６１ｋの内部において第１副燃焼室３６１ｋの第１中心軸ＣＡ１の近傍で且つ主燃焼室６３から離れた位置に配置されている。点火栓２９の先端部分２９ａは、第１副燃焼室３６１ｋに突出している。

（副燃焼室の詳細動作）
圧縮行程において、新気混合気の流れＡ８１ａ〜Ａ８１ｄは、点線の矢印で示すように、第１副燃焼室３６１ｋの内周面７３ｆに沿って旋回流Ａ８１ｐを形成する。そして、新気混合気は、旋回流Ａ８１ｐを形成しながら、第１連通路６２ａ〜６２ｄから点火栓２９の先端部分２９ａがある上方へと上昇していく（流れＡ８１ｑ，Ａ８１ｒ参照）。このとき、第１副燃焼室３６１ｋの残留ガスは、上方へと上昇していく新気混合気に押されて、第２連通路３６１ｍを介して第２副燃焼室３６１ｎに押し込まれる。これにより、第１副燃焼室３６１ｋの残留ガスは、第２副燃焼室３６１ｎに滞留する。

新気混合気の旋回流Ａ８１ｐは、残留ガスが滞留している第２副燃焼室３６１ｎを通りにくい。これにより、副燃焼室３６１に導入された新気混合気と副燃焼室３６１内の残留ガスとの混合が行われにくく、副燃焼室３６１における気体は残留ガスと新気混合気との２層に成層化している。このため、第１副燃焼室３６１ｋの空燃比が新気混合気の空燃比と略同一になるので、副燃焼室３６１における点火は安定化し、副燃焼室３６１における燃焼も安定化する。なお、図１１及び図１２では、色の濃さにより残留ガスの濃度が示されている。

ここで、図１３に示す第１連通路６２ａ〜６２ｄの近傍の領域３６１ｒでは、本発明の前提となる副室式内燃機関１と同様に（図６参照）、乱れが強くなっている。また、第２連通路３６１ｍの近傍の領域３６１ｐでは、上方に向かうに従って半径が小さくなる内周面７３ｆに沿って旋回流Ａ８１ｐが上昇していき旋回流Ａ８１ｐの流速が速められる影響により、乱れが強くなっている。一方、領域３６１ｐ，３６１ｒ以外の領域３６１ｏ，３６１ｑでは、乱れが小さくなっている。なお、図１３では、色の濃さにより乱れの強さが示されている。

点火栓２９の先端部分２９ａは、第１副燃焼室３６１ｋに設けられているので、新気混合気を火花点火する。火花点火された新気混合気は、火炎として、旋回流Ａ８１ｐにより迅速に連通路６２ａ〜６２ｄへ到達する。すなわち、火花点火された新気混合気が迅速に連通路６２ａ〜６２ｄへ到達するので、副燃焼室３６１において新気混合気が着火されてから主燃焼室６３へ火炎が放射されるまでの期間は短縮される。すなわち、第１副燃焼室３６１ｋにおける燃焼速度は向上する。

（副室式内燃機関に関する特徴）
（１）
ここでは、圧縮行程において新気混合気が主燃焼室６３から第１連通路６２ａ〜６２ｄを介して副燃焼室３６１に導入された際に、第１副燃焼室３６１ｋの残留ガスは第２副燃焼室３６１ｎに滞留し、新気混合気は第１副燃焼室３６１ｋ及び第２連通路３６１ｍに分布する。このため、副燃焼室３６１における気体は残留ガスと新気混合気との２層に成層化する。

また、点火栓２９の先端部分２９ａは、第１副燃焼室３６１ｋに設けられているので、新気混合気を点火する。

このように、副燃焼室３６１における気体が残留ガスと新気混合気との２層に成層され、新気混合気を点火栓２９の先端部分２９ａが点火するので、副燃焼室３６１における点火は安定化する。

（２）
ここでは、第１連通路６２ａ〜６２ｄは、主燃焼室６３と第１副燃焼室３６１ｋとを連通している。第１連通路６２ａ〜６２ｄは、シリンダ軸（図示せず）に垂直な断面視において、第１副燃焼室３６１ｋの第１中心軸ＣＡ１に対してオフセットされ、第１副燃焼室３６１ｋの半径方向Ｒに対して傾斜している（図３参照）。また、第１副燃焼室３６１ｋは、第１中心軸ＣＡ１に垂直な断面が略円形である。これにより、第１連通路６２ａ〜６２ｄは、主燃焼室６３から第１副燃焼室３６１ｋに導入される新気混合気を、第１副燃焼室３６１ｋの内周面７３ｆ（図１１参照）に沿って旋回させ、第１副燃焼室３６１ｋに新気混合気の旋回流Ａ８１ｐを形成させる。

このように、第１連通路６２ａ〜６２ｄが第１副燃焼室３６１ｋに新気混合気の旋回流Ａ８１ｐを形成させるので、第１副燃焼室３６１ｋにおける乱れが高められて、第１副燃焼室３６１ｋにおける燃焼速度は向上する。このため、副燃焼室３６１における燃焼は安定化する。

（３）
ここでは、第１副燃焼室３６１ｋの容積は、第２副燃焼室３６１ｎの容積よりも大きい。具体的には、副室容積比は、有効圧縮比と略同じ値である。

このように、副室容積比が有効圧縮比と略同じ値であるので、第１副燃焼室３６１ｋから第２連通路３６１ｍを介して第２副燃焼室３６１ｎへ流入する新気混合気の量は抑えられる。また、未燃燃料の排出が抑制される。

（４）
ここでは、第１副燃焼室３６１ｋは、主燃焼室６３に近い部分の断面積よりも点火栓２９の先端部分２９ａに近い部分の断面積の方が小さくなる。このため、点火栓２９の先端部分２９ａは、点火した火炎の進行方向に断面積が広く取られている。この結果、副燃焼室３６１における燃焼は安定化する。

（５）
ここでは、第１副燃焼室３６１ｋは、第１中心軸ＣＡ１を中心軸とする略円錐形状の部分を含む。このため、第１副燃焼室３６１ｋの表面積は低減されているので、第１副燃焼室３６１ｋにおける冷却損失は低減される。また、旋回流Ａ８１ｐの流速が速められるので、第１副燃焼室３６１ｋにおける新気混合気の乱れは高められる。この結果、第１副燃焼室３６１ｋにおける燃焼速度が促進されるので、副燃焼室３６１における燃焼は安定化する。

（６）
ここでは、第１副燃焼室３６１ｋは、第１中心軸ＣＡ１に対して対称な形状である。また、第２副燃焼室３６１ｎは、第２中心軸ＣＡ２に対して対称な形状である。そして、第２中心軸ＣＡ２は、第１中心軸ＣＡ１と同一直線上にある。このため、新気混合気及び残留ガスが同一軸に対して対称に旋回流を形成するので、新気混合気の旋回流Ａ８１ｐ及び残留ガスの旋回流は、それぞれサイクル変動が小さく安定する。

このように、新気混合気の旋回流Ａ８１ｐと残留ガスの旋回流とが別々に安定して形成されるので、新気混合気と残留ガスとは混合されにくくなっている。このため、副燃焼室３６１における気体は残留ガスと新気混合気との２層に成層化する。

（７）
ここでは、点火栓２９の先端部分２９ａは、第１副燃焼室３６１ｋの第１中心軸ＣＡ１の近傍に配置されている。このため、新気混合気の旋回流Ａ８１ｐが安定している位置において、新気混合気は点火される。

（第３実施形態の変形例）
燃料噴射弁２７は、吸気ポート２３に燃料を噴射する代わりに、主燃焼室６３に直接燃料を噴射してもよい。第１副燃焼室３６１ｋは、第１中心軸ＣＡ１を中心軸とする略円錐形状であることが好ましいが、主燃焼室６３に近い部分の断面積よりも点火栓２９の先端部分２９ａに近い部分の断面積の方が小さくなる構造であれば、それに限定されるものではない。第２副燃焼室３６１ｎは、第２中心軸ＣＡ２を中心軸とする略円筒形状であることが好ましいが、それに限定されるものではない。

また、圧縮行程において新気混合気が主燃焼室６３から第１連通路６２ａ〜６２ｄを介して副燃焼室３６１に導入された際に、新気混合気は第１副燃焼室３６１ｅのみに分布してもよい。点火栓２９の先端部分２９ａが配置される位置は、図１１に示す位置である代わりに、第１副燃焼室３６１ｋの内部における他の場所であってもよいし、第２連通路３６１ｍであってもよい。

本発明にかかる副室式内燃機関は、副燃焼室における点火を安定化することができるという効果を有し、副室式内燃機関等として有用である。

前提となる副室式内燃機関の断面図。 前提となる副室式内燃機関に係る副燃焼室の断面図。 図２のIII−III断面図。 前提となる副室式内燃機関に係る副燃焼室の断面図。 図４のV−V断面図。 前提となる副室式内燃機関に係る副燃焼室の断面図。 本発明の第１実施形態に係る副燃焼室の断面図。 本発明の第１実施形態に係る副燃焼室の断面図。 本発明の第２実施形態に係る副燃焼室の断面図。 本発明の第２実施形態に係る副燃焼室の断面図。 本発明の第３実施形態に係る副燃焼室の断面図。 本発明の第３実施形態に係る副燃焼室の断面図。 本発明の第３実施形態に係る副燃焼室の断面図。

符号の説明

１，１００，２００，３００ 副室式内燃機関
３ ピストン
１０ シリンダブロック
２０ シリンダヘッド
２７ 燃料噴射弁
２９ 点火栓
２９ａ 先端部分（点火部）
６１ 副燃焼室
６１ｅ，６１ｈ，６１ｋ 第１副燃焼室
６１ｆ，６１ｉ，６１ｍ 第２連通路
６１ｇ，６１ｊ，６１ｎ 第２副燃焼室
６２ａ〜６２ｄ 第１連通路
６３ 主燃焼室
７３ａ〜７３ｈ，７３ｊ 内周面
２６５ バッフル板（分割部）

Claims (9)

1. 主燃焼室と、
   前記主燃焼室に隣接する副燃焼室と、
   前記主燃焼室と前記副燃焼室とを連通している第１連通路と、
   前記副燃焼室に設けられ、前記第１連通路を介して前記主燃焼室から前記副燃焼室に導入された新気混合気を点火する点火部と、
   を備え、
   前記副燃焼室は、
   前記第１連通路を介して前記主燃焼室に連通されている第１副燃焼室と、
   前記第１副燃焼室よりも前記主燃焼室から遠い位置に配置され、前記第１副燃焼室に隣接する第２副燃焼室と、
   前記第１副燃焼室と前記第２副燃焼室とを連通している第２連通路と、
   を有し、
   前記点火部は、前記第１副燃焼室及び前記第２連通路のいずれかに設けられ、
   前記第１副燃焼室の容積は、前記第２副燃焼室の容積よりも大きく、
   前記第１副燃焼室の容積と前記第２副燃焼室の容積との合計を前記第２副燃焼室の容積で割った値である副室容積比は、有効圧縮比と略同じ値である、
   副室式内燃機関。
2. 前記副燃焼室を前記第１副燃焼室と前記第２副燃焼室とに分割する分割部をさらに備えた、
   請求項１に記載の副室式内燃機関。
3. 前記分割部は、板状の形状であり、
   前記第２連通路は、前記分割部において開口されている部分である、
   請求項２に記載の副室式内燃機関。
4. 前記第１副燃焼室は、上死点における前記主燃焼室の容積中心と前記点火部とを結ぶ軸に垂直な断面について、前記主燃焼室に近い部分の断面積よりも前記点火部に近い部分の断面積の方が小さくなる、
   請求項１に記載の副室式内燃機関。
5. 前記第１副燃焼室は、略円錐形状の部分を含む、
   請求項４に記載の副室式内燃機関。
6. 前記第１副燃焼室は、第１中心軸に対して線対称な形状をしており、前記第１中心軸に垂直な断面が略円形であり、
   前記第１連通路は、前記主燃焼室から前記第１副燃焼室に導入される新気混合気を、前記第１副燃焼室の内周面に沿って旋回させ、前記第１副燃焼室に前記新気混合気の旋回流を形成させる、
   請求項１に記載の副室式内燃機関。
7. 前記第１連通路は、シリンダ軸垂直断面視において、前記第１中心軸に対してオフセットされ、前記第１中心軸から放射状に延びる方向に対して傾斜している、
   請求項６に記載の副室式内燃機関。
8. 前記第１副燃焼室は、第１中心軸に対して線対称な形状をしており、
   前記第２副燃焼室は、第２中心軸に対して線対称な形状をしており、
   前記第１中心軸と前記第２中心軸とは、略同一直線上にある、
   請求項１に記載の副室式内燃機関。
9. 前記点火部は、前記第１中心軸の近傍に設けられている、
   請求項８に記載の副室式内燃機関。

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