JP2000110566A

JP2000110566A - 副室式エンジン

Info

Publication number: JP2000110566A
Application number: JP11142993A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Akama; 充赤間
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1998-08-03
Filing date: 1999-05-24
Publication date: 2000-04-18
Anticipated expiration: 2019-05-24
Also published as: JP3956535B2

Abstract

(57)【要約】【課題】副室式エンジンにおいて、主室と副室とを連
絡する連絡孔の副室側開口の周縁部にアール面を形成す
ることにより、副室へ流入する空気を拡散し、副室から
主室へ流出する混合気を含む火炎を速やかに且つ損失少
なく案内する。【解決手段】主室１と副室２とを連絡する連絡孔１４
の副室側開口１７の副室底面側周縁部２０には底面側ア
ール面２１が形成されている。底面側アール面２１の最
内側部分から副室２の最大内径を有する部分１８までの
径方向距離は、最大内径の１０％以下に形成されてい
る。副室側開口部１７の副室頂面２６側及び副室２の周
方向側周縁部にも、アール面が形成される。アール面２
１によって、主室１から流入する空気は副室２に拡散
し、燃料噴射後、部分１８付近に存在する混合気を含む
火炎は、速やかに且つ損失が少なく連絡孔１４に流れ込
む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、主室、副室及び
該副室内に燃料を噴霧する燃料噴射ノズルを有する副室
式エンジンに関する。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジンとして、一般に直噴
式エンジンと副室式エンジンがよく知られている。直噴
式エンジンは、副室式エンジンに比べて燃費が良いた
め、従来からトラック、バス等の大型車に多く使用され
てきている。しかしながら、直噴式エンジンは副室式エ
ンジンに比べてＮＯ_X排出量が多いため、近年、ＮＯ_X
規制が一層厳しくなる傾向にある中で、燃費のメリット
を生かすことが難しくなっている。また、排気ガスの一
部を吸気側に環流するようにした排気ガス再循環装置
（ＥＧＲシステム）などによるＮＯ_X低減が検討されて
いるが、ＥＧＲの排気ガスには腐食性があるため、エン
ジンの耐久性や信頼性が悪化するという問題点がある。
そこで、厳しいＮＯ_X規制に対応するため、ＮＯ_X排出
量の少ない副室式エンジンが注目されるようになってき
た。

【０００３】副室式エンジン（渦流室式ディーゼルエン
ジン）が直噴式エンジンに比較して燃費が劣る原因は、
第一に、副室に燃料を噴射し、噴射された燃料を副室で
着火燃焼させ、その後、火炎が副室の中心線からの径方
向に対して傾斜した方向に延びる一つの連絡孔を通過し
主室全域に拡散していくために燃焼期間が長いこと、第
二に、連絡孔の絞り損失が大きいこと、第三に、副室内
の空気流動及び表面積が大きいため放熱損失が大きいこ
となどにある。このような従来の副室式エンジンの欠点
を解消し、厳しいＮＯ_X排出量規制に対して、副室式エ
ンジンの燃費を改善し、ＥＧＲなしで排気ガス規制をク
リアするために、中央副室式エンジンが提案されてい
る。中央副室式エンジンは、副室をシリンダの中央に配
置し、複数の連絡孔を主室外周部に向けて放射状に配置
したものであって、副室を中央に配置したことにより、
シリンダに火炎を拡げるための時間を１／２にし、連絡
面積比を大きくしたものである。従来の副室に比べてシ
リンダ外壁までの火炎の到達時間が短縮され、燃費の向
上を図ることができる。

【０００４】提案されている中央副室式エンジンの一つ
として、例えば、特開平９−１５８７３５号公報に開示
されたものがある。このピストンに副室を有する副室式
エンジンは、基本的には、シリンダ内を往復動するピス
トンの頂面側に主室を形成し、前記ピストンのほぼ中央
に位置して形成されたキャビティで副室を構成し、副室
のほぼ中央に位置するピストンの頂部にノズル挿入孔が
形成され、該ノズル挿入孔の回りでピストンの頂部に隔
置して形成された複数の連絡孔が主室と副室とを連通し
ており、ピストンの上死点近傍で燃料噴射ノズルがノズ
ル挿入孔に突入して、多噴孔が形成されている燃料噴射
ノズルの先端部が副室に突入するように構成されたもの
である。上記公報に開示されている副室式エンジンにお
いては、更に、エンジンが高速運転であることに応じて
燃料噴射ノズルからの燃料をすべて副室に噴射するが、
エンジンが低速運転状態であると、燃料噴射ノズルから
噴射される燃料の一部を主室に噴射し残りを副室に噴射
することにより、低速運転時のスモークの発生を抑制し
たものである。

【０００５】また、副室式エンジンの他の例として、例
えば、特開平６−３１７１６０号公報に開示されたもの
がある。この副室式エンジンは、基本的には、先に挙げ
た公報に開示されている主室（主燃焼室）、副室（副燃
焼室）、連絡孔、及びノズル挿入孔を備えたものであっ
て、更に、燃料噴射ノズルの多噴孔から噴射される燃料
の噴霧中心を副室内で各連絡孔の延長線上の交点近傍に
形成される渦流中心から離れた位置に設定したものであ
る。このように構成された副室式エンジンは、副室内で
燃料噴射ノズルから噴射される燃料を渦流の弱い領域に
噴射することができ、副室内での燃料と空気との混合を
均一化して燃焼の悪化を防止することを図っている。

【０００６】副室式エンジンの更に別の例として、特開
平１０−６１４４３号公報に開示されたものがある。こ
の副室式エンジンは、先に挙げた公報に開示されている
副室式エンジンと同様に、主室（主燃焼室）、ピストン
又はシリンダヘッドに形成された副室（副燃焼室）、及
び連絡孔を備えたものであって、更に、燃料噴射ノズル
の多噴孔から噴射される各燃料噴霧の中心線が、連絡孔
の口内に位置するように設定している。副室内に形成さ
れた火炎が主室に噴出するエネルギーを確保するために
連絡孔の口径を大きくすることができないので、燃料噴
霧の中心線を連絡孔の口内に位置させることにより、副
室内で着火燃焼した火炎が連絡孔を通じて速やかに主室
のシリンダ周辺の壁面まで到達することを図っている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】副室式エンジンでは、
燃焼期間を短縮して燃費や排気ガス特性を向上するに
は、主室から副室に流入する空気を副室内に速やかに拡
散して噴霧燃料との混合を促進すると共に、副室全体に
形成された混合気及び着火した火炎を速やかに主室側に
移行させることが重要である。連絡孔の副室側開口にお
いて先鋭なエッジによる流れ断面積の急激な変化によっ
て、副室内に流入する空気は拡散し難く、また、副室内
の混合気を含む火炎が副室から連絡孔を通じて主室に移
行するときの連絡孔への流込みに際して混合気の流れに
損失が生じる。副室内での混合気の形成にムラがあった
り副室から主室への燃料の移行が遅れ噴射された燃料が
副室内に残留して滞ると、主室での燃焼が効率的に行わ
れずパティキュレート成分が発生し、燃焼後に連絡孔を
通じて副室から不完全燃焼のガスが主室に流れ出ること
もあり、スートを含む燃焼ガスが排出されるという問題
がある。したがって、副室式エンジンにおいては、主室
から流入する空気を副室内にスムーズに拡散させ、且つ
流入した空気と燃料噴射ノズルから噴射された燃料との
混合気を含む火炎をスムーズに連絡孔に流入させる点に
ついて、なお解決すべき課題がある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明の目的は、上記
の課題を解決することであり、エンジンの圧縮行程にお
いて、空気が主室から連絡孔を通じて副室へ流入する際
に連絡孔の開口における空気のスムーズな拡散を実現し
て、燃料噴射ノズルから噴射された燃料と空気の混合を
改善すると共に、エンジンの圧縮上死点付近において、
副室内の空気と燃料との混合気を含む火炎が連絡孔に流
入する際に火炎の連絡孔へのスムーズな流れ込みを実現
して、火炎をその勢いが低下することなく主室に噴出す
ることを可能にする副室式エンジンを提供することであ
る。また、燃料噴射ノズルから噴射された燃料噴霧の中
心線と連絡孔の孔中心線との相対的な位置関係を特定し
て、燃料噴霧が連絡孔にスムーズな流れ込むことを可能
にする副室式エンジンを提供することである。

【０００９】この発明は、シリンダを構成するシリンダ
ブロック、前記シリンダブロックに固定されたシリンダ
ヘッド、前記シリンダ内を往復動するピストン、前記ピ
ストンの頂面と前記シリンダヘッドとの間の前記シリン
ダに形成された主室、前記ピストンに形成された副室、
前記ピストン頂部に前記副室の中心に対して周方向に隔
置し且つ前記シリンダの周辺部に向かって放射状に形成
された前記主室と前記副室とを連通する複数の連絡孔、
及び前記副室内に燃料を噴射する多噴孔を有する燃料噴
射ノズルを備え、前記連絡孔を通じての前記主室から前
記副室への空気の流入と前記副室から前記主室への混合
気を含む火炎の流出とを案内するため、前記連絡孔の副
室側開口の周縁部にアール面が形成されていることから
成る副室式エンジンに関する。

【００１０】上記のように構成された副室式エンジンに
おいて、圧縮行程では、ピストンの頂面とシリンダヘッ
ドとの間のシリンダ内に収容された空気は、連絡孔を通
して副室内に導入される。副室に開口する連絡孔は、副
室側開口の周縁部にアール面が形成されているので、副
室内に導入された空気はアール面に案内されて拡散され
易い。圧縮上死点の近傍で燃料噴射ノズルの多噴孔から
それぞれ噴射された燃料は、副室内壁面に衝突する等し
て拡散し、副室内で拡散し流動する空気と良好に混合さ
れ、過濃混合気（燃料密度の大きな極めて濃い混合気）
が形成される。

【００１１】次いで、混合気が着火すると、エンジンは
膨張行程に移行する。膨張行程では、連絡孔の副室側開
口付近に存在する過濃混合気を含んだ火炎は、連絡孔を
通じて主室へ噴出する。連絡孔の副室側開口の周縁部に
はアール面が形成されているので、過濃混合気を含んだ
火炎はアール面に案内されて抵抗の少ない状態、即ち、
火炎の流れの損失が少ない状態で連絡孔に流入する。そ
の結果、連絡孔を通じて主室に噴出する火炎の噴出の勢
いが衰えることなく、主室のシリンダ周辺部まで短期間
で空気と混合して急速に希薄化して燃焼し、燃焼期間を
短縮し、ＮＯ_Xの排出量が少なく、パティキュレートや
スートの発生が低減され、燃費が低く抑えられる。

【００１２】前記副室は前記連絡孔の前記副室側開口の
副室底面側近傍部分において最大内径を有しており、前
記アール面は前記連絡孔の前記副室側開口の副室底面側
周縁部に形成された底面側アール面であり、該底面側ア
ール面は、その最内側部分から前記副室の前記最大内径
を有する前記副室底面側近傍部分までの径方向距離が前
記最大内径の１０％以下になるように形成されている。
連絡孔の孔軸の傾斜が緩傾斜である場合に、連絡孔の副
室側開口の周縁部にアール面を形成しないとすると、連
絡孔の副室側開口の副室底面側周縁部が先鋭なエッジと
なり、副室への流入空気の拡散を妨げ、且つ主室への火
炎の流出に抵抗となるので、この副室底面側周縁部にア
ール面が形成される。アール面の規模を、底面側アール
面の最内側部分から副室の最大内径を有する副室底面側
近傍部分までの径方向距離が最大内径の１０％以下にな
るようにすると、副室底面側周縁部は緩慢に角度が変化
する周縁部となり、連絡孔から副室に流入する空気はス
ムーズに案内されて副室内に拡散し、副室から連絡孔へ
の火炎はスムーズに案内されて主室に流出する。

【００１３】前記副室は前記連絡孔の前記副室側開口の
副室底面側近傍部分において最大内径を有しており、前
記アール面は前記連絡孔の前記副室側開口の副室頂面側
周縁部に形成された頂面側アール面であり、該頂面側ア
ール面は、その最底側部分から前記副室の頂部壁面まで
の前記副室の中心線に沿った軸方向距離が前記最大内径
の１０％以下になるように形成されている。連絡孔の孔
軸の傾斜が急傾斜である場合に、連絡孔の副室側開口の
周縁部にアール面を形成しないとすると、連絡孔の副室
側開口の副室頂面側周縁部が先鋭なエッジとなり、副室
への流入空気の拡散を妨げ、且つ主室への火炎の流出に
抵抗となるので、この副室頂面側周縁部にアール面が形
成される。アール面の規模を、頂面側アール面の最底側
部分から前記副室の頂部壁面までの前記副室の中心線に
沿った軸方向距離が前記最大内径の１０％以下になるよ
うにすると、副室頂面側周縁部は緩慢に角度が変化する
周縁部となり、連絡孔から副室に流入する空気はスムー
ズに案内されて副室内に拡散し、副室から連絡孔への火
炎はスムーズに案内されて主室に流出する。

【００１４】前記アール面には、前記連絡孔の前記副室
側開口の両副室周方向側周縁部に形成された周方向側ア
ール面が含まれており、前記周方向側アール面は、前記
連絡孔の孔壁面と前記副室の内壁面とを接続すると共
に、前記底面側アール面又は前記頂面側アール面とに接
続している。連絡孔の副室側開口の両副室周方向側周縁
部も、副室の内壁面との間が急な角度を有するエッジと
なっているので、副室周方向側周縁部にも周方向側アー
ル面が形成され、連絡孔から副室に流入する空気の拡散
と、副室から連絡孔への火炎の流出の際の抵抗が改善さ
れる。

【００１５】前記副室の中央部に対応するピストン頂部
には、前記ピストンの上死点近傍で前記燃料噴射ノズル
が突入するノズル挿入孔が形成されている。圧縮行程の
最終段階である圧縮上死点の付近では、シリンダヘッド
に設けられている燃料噴射ノズルがピストン頂部に形成
されているノズル挿入孔に突入して、燃料を副室内に噴
射する。

【００１６】前記副室は前記ピストンの中央部に形成さ
れており、前記燃料噴射ノズル及び前記ノズル挿通孔は
実質的に前記シリンダの中心線上に配置されている。副
室がピストンの中央部に形成されており、燃料噴射ノズ
ルがシリンダの中心線上に配置されているので、燃料噴
射ノズルは副室の中心線上の位置から副室内に燃料を噴
射し、火炎は連絡孔を通じて主室に略均等に放射状に噴
出される。

【００１７】前記燃料噴射ノズルから噴射された各燃料
噴霧の中心線は、前記燃料噴霧が向けられる前記連絡孔
の孔中心線に対して、前記シリンダの中心線回りの周方
向に、前記連絡孔の連絡孔間角度の±（１／３）の角度
に渡る範囲内の角度に設定されている。特に、連絡孔の
副室側開口の周方向の周縁部にアール面が形成されてい
る場合に、燃料噴霧が着火燃焼した火炎が連絡孔からス
ムーズに主室に移行するのに許容される燃料噴霧の中心
線の向きが、シリンダの中心線回りの周方向に広がり、
エンジンの設計、加工及び組立にゆとりが与えられる。

【００１８】前記燃料噴射ノズルから噴射された各燃料
噴霧の燃料噴射終了時の中心位置は、前記燃料噴霧が向
けられる前記連絡孔の副室側開口の中心点に対して、前
記シリンダの中心線の軸方向に、副室底面側では前記中
心点から前記連絡孔の口径に相当する距離以内の距離
に、且つ副室頂面側では前記副室頂面を超えない範囲で
前記中心点から前記連絡孔の口径に相当する距離以内の
距離に設定されている。特に、連絡孔の副室側開口にお
いてシリンダ中心線の軸方向の周縁部にアール面が形成
されている場合に、燃料噴霧が着火燃焼した火炎が連絡
孔からスムーズに主室に移行するのに許容される燃料噴
霧の中心線の向きが、シリンダの中心線の軸方向に広が
る。また、エンジンの運転状態に応じて燃料噴射時期が
変化しても、燃料噴霧が着火燃焼した火炎の主たる領域
が連絡孔から外れないので、火炎は副室から主室にスム
ーズに移行する。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
による副室式エンジンの実施例について説明する。図１
はこの発明による副室式エンジンの第１実施例を示す断
面図、図２は図１に示した副室式エンジンの一部を拡大
して示す部分断面図、図３は図２の矢視Ａで見た連絡孔
の副室側開口とその近傍の拡大図、図４は図３の矢視Ｂ
−Ｂで見た連絡孔の副室側開口とその近傍の拡大断面図
である。この副室式エンジンの実施例では、要部のみを
説明するため、吸排気ポートや吸排気バルブを図示して
いないが、通常のエンジンと同様にそれらが設けられて
いる。

【００２０】図１に示す副室式エンジンは、例えば、シ
リンダを構成するシリンダブロック６にガスケット８を
介在されて固定されたシリンダヘッド５を有し、シリン
ダブロック６にはエンジンの気筒数に対応した数だけシ
リンダボアが形成されている。シリンダ３は、具体的に
は、シリンダボアに嵌合されているシリンダライナ７に
よって構成されている。シリンダ３に組み込まれたピス
トン４は、シリンダライナ７に対してピストンリング４
ａを摺動させつつ往復運動する。主室１は、シリンダヘ
ッド５の下面１２、ピストン４の頂面１１及びシリンダ
ライナ３の周面で囲まれる空間として定められている。
また、ピストン４の中央上部には、副室２が形成されて
いる。副室２は、詳細を図示しないが、ピストン４に形
成されたキャビティ内に配置されると共に、耐熱材から
製作され且つ外周が遮熱構造に構成された副室部材の内
部に形成されている。副室２内に燃料を噴射する燃料噴
射ノズル９は、シリンダヘッド５に配置されたインジェ
クタ１０の先端部に設けられており、シリンダヘッド５
の下面１２から突出した状態で配置されている。

【００２１】副室２の中央部に対応するピストン４の中
央上部には、ピストン上死点近傍で燃料噴射ノズル９が
副室２内に突入することができるように副室２の上部の
中央に開口するノズル挿入孔１３が形成されている。燃
料噴射ノズル９及びノズル挿入孔１３は実質的にシリン
ダ中心線Ｃ−Ｃ上に配置されている。副室２はその中心
線が実質的にシリンダ中心線Ｃ−Ｃと一致しており、副
室２の内壁面は、実質的に、シリンダ中心線Ｃ−Ｃの回
りに回転した回転体の表面と実質的に一致しているの
で、シリンダ中心線Ｃ−Ｃに直交する平面で見たときの
副室の断面は実質的に円形である。燃料噴射ノズル９に
は、ノズル軸心の周りに等角度に隔置した位置に且つ燃
料をほぼ水平方向に噴射する多噴孔１６が形成されてい
る。

【００２２】ピストン４の上部には、主室１と副室２と
を連通するため、副室２の中心に対して周方向に隔置さ
れた複数の連絡孔１４が形成されている。連絡孔１４
は、多噴孔１６の噴孔数に対応した数だけ、シリンダ中
心線Ｃ−Ｃの回りに等間隔に隔置して、且つ主室１側で
はシリンダ３の周辺に向けて放射状に形成されている。
連絡孔１４の孔中心線１４ａ（図２参照）は、シリンダ
中心線Ｃ−Ｃからシリンダヘッド５の下面１２に向かう
に従って比較的緩傾斜で上方に傾斜している。連絡孔１
４は、副室２において副室側開口１７で開口している。
連絡孔１４の孔中心線１４ａは、副室２の中心、即ち、
シリンダ中心線Ｃ−Ｃに対して交差せずにオフセットし
た向き、即ち、シリンダ中心線Ｃ−Ｃから放射状に延び
る線に対してオフセットした線に沿って延びており、そ
のため、連絡孔１４を通じて副室２に流入した空気は、
副室２内で若干のスワールを形成する。

【００２３】連絡孔１４の副室側開口１７の副室底面１
５側の周縁部２０には、連絡孔１４の孔壁面１９を副室
２の内壁面２７に対して接続させる底面側アール面２１
が形成されている。底面側アール面２１は、孔壁面１９
を内壁面２７に対して滑らかに接続するアール面に形成
されている。底面側アール面２１の内径ｄ₁は、底面側
アール面２１を形成しないときの内径ｄ₂と比較して、
大きくなっている。副室２の内径は、副室２の副室側開
口１７の副室底面１５側の近傍部分１８で最大内径Ｄと
なっている。連絡孔１４の副室側開口１７の周縁部２０
に形成される底面側アール面２１は、その最内側部分か
ら最大内径Ｄを示す部分１８までの径方向距離、即ち、
最大内径Ｄを示す部分１８と底面側アール面２１の最内
側部分の内径ｄ₁との差（Ｄ−ｄ₁）／２が最大内径Ｄ
の１／１０以下の距離になる様に形成されている。

【００２４】また、図３及び図４に示すように、副室２
の周方向で見て、連絡孔１４の副室側開口１７の両周方
向側周縁部２２に、底面側アール面２１のＲ値以下のＲ
値を有する周方向側アール面２３を形成してもよい。周
方向側アール面２３は、底面側アール面２１と滑らかに
接続するように形成されるが、図３に想像線で示すよう
に底面側アール面２１の周囲においては、周方向側アー
ル面２３の幅に相当する分、更に外側に一回り大きく形
成することもできる。連絡孔１４の孔軸線１４ａの傾斜
が緩いので、連絡孔１４の副室側開口１７の副室頂面側
周縁部２４の副室頂面２６からの軸方向距離ｈが充分短
く、副室頂面側周縁部２４は、副室２の内壁面２７との
間で先鋭なエッジを形成しない。したがって、副室側開
口１７の副室頂面側周縁部２４には、周方向側アール面
２３に接続する程度の極力小さい頂面側アール面２５が
形成される。

【００２５】次に、この副室式エンジンの作動について
説明する。エンジンの圧縮行程では、ピストン４の上昇
によって圧縮された主室１内の空気は、複数本の連絡孔
１４を通じて副室２に圧送され、連絡孔１４の向きがシ
リンダ中心線Ｃ−Ｃにオフセットしているために副室２
内で若干のスワールを形成する。連絡孔１４の副室側開
口１７の周縁部には、アール面２１、２３、２５、特
に、底面側アール面２１が形成されているため、連絡孔
１４を通して副室２へ流入する空気流は、アール面を形
成しない場合と比較して、副室２内にスムーズに案内さ
れて広範囲に拡散し、流入空気速度は副室２内で減速す
る。圧縮行程の終期には燃料噴射ノズル９がノズル挿入
孔１３を貫通して副室２内へ突入し、燃料噴射ノズル９
の噴孔１６から燃料が副室２に噴射される。流入空気速
度が減速しているため、燃料噴射ノズル９から噴射され
る噴霧燃料と流入空気流との強い干渉が回避され、噴霧
燃料は流入空気と広範囲に混合し、空気と燃料噴霧との
混合気が良好に形成される。

【００２６】副室２内の混合気が着火すると、エンジン
は膨張行程に移行する。膨張行程では、過濃な混合気を
含んだ火炎は連絡孔１４付近の副室２の上部に存在して
いるので、連絡孔１４へ円滑に流入し、連絡孔１４を通
過して主室１へ噴出する。その際、連絡孔１４の副室側
開口１７の周縁部に形成されたアール面２１、２３、２
５、特に、底面側アール面２１は副室２の最大内径Ｄを
有する部分１８からの径方向距離を短くしているため、
副室２の最大内径Ｄを示す部分１８付近に広がった混合
気を含む火炎は、連絡孔の副室側開口１７内に流入する
際、アール面２１がない場合よりも速やかに且つ渦流に
よる損失が少ない状態で、連絡孔１４の副室側開口１７
の周縁部を回って流入する。連絡孔１４から噴出する過
濃な混合気を含んだ火炎は、噴出する勢いの損失が少な
いまま主室１のシリンダ周辺部にまで速やかに且つ強く
噴出し、主室１内で流動して主室１内の空気と短期間で
良好に混合して希薄化し、且つ拡散する。燃料は副室２
内において過濃な混合気の状態で比較的低温で燃焼を開
始するのでＮＯ_Xの排出量が低減され、また、燃料成分
は連絡孔１４を通過して主室１内に素早く噴出されるこ
とになるので、燃費が改善され、且つパティキュレート
成分も減少する。

【００２７】図７は、連絡孔１４の副室側開口１７の副
室底面側周縁部２０に形成されるアール面２１の最内側
部分（その相当する内径をｄとする）と副室２の最大内
径Ｄを示す部分１８との径方向の差（Ｄ−ｄ）／２が副
室２の最大内径Ｄに占める割合に対する、燃費とスモー
クの変化を示すグラフである。また、図８は、燃焼期間
中の熱発生率の変化を示すグラフである。図７のグラフ
に示すように、連絡孔１４の副室側開口１７の周縁部２
０に形成されるアール面２１の最内側部分と副室２の最
大内径Ｄを示す部分１８との径方向距離（Ｄ−ｄ）／２
が副室２の最大内径Ｄの１／１０の距離以下になるとき
に、燃費とパティキュレート成分の主成分であるスモー
ク排出量が減少している。図８の熱発生率のグラフにお
いて、上記径方向距離（Ｄ−ｄ）／２が最大内径Ｄの１
／１０を超えると場合（破線で示す例の上記径方向距離
は最大内径Ｄの２０％）には、上記径方向距離（Ｄ−
ｄ）／２が最大内径Ｄの１／１０以下の場合（実線で示
す例の上記径方向距離は最大内径Ｄの６％）と比較し
て、燃焼期間が長くなると共に、熱発生率のピークが高
くなり、結果として燃費とスモーク排出量が増加するこ
とが分かる。

【００２８】図５は、この発明による副室式エンジンの
第２実施例の一部を示す拡大断面図であり、副室式エン
ジンの連絡孔１４とその近傍を含む部分が拡大して示さ
れている。第２実施例においては、図２に示す構成要素
及び部位と同様のものについては、同じ符号を付してい
るので、再度の詳細な説明を省略する。第２実施例にお
いて、底面側アール面３１は、段階的に角度が傾斜して
繋げられた複数のカット面３２、３３、３４から構成さ
れている。即ち、連絡孔１４の孔壁面１９から、次第に
時計方向に斜面の傾斜を段階的に変更した小面積のカッ
ト面３２、３３、３４によって、副室２の内壁面２７に
接続している。連絡孔１４を通る空気の流入と混合気を
含む火炎の流出とをスムーズに案内する点で、図１及び
図２に示した実施例における底面側アール面２１と同様
の効果を期待することができる。底面側アール面３１の
最内側部分の内径は、ｄ₃で示されている。底面側アー
ル面３１は、滑らかな曲面で形成されていないが、連絡
孔１４を通じての空気の副室２内への流入をスムーズに
案内して副室２内への拡散を助け、副室２内の混合気を
含む火炎が連絡孔１４を通じての流出するのをスムーズ
に案内して、流れの損失を軽減する役割を充分果たすこ
とができる。

【００２９】図６は、副室式エンジンの第３実施例の一
部を拡大して示す拡大断面図である。図６に示す副室式
エンジンは、図１及び図５に示す副室式エンジンと比較
して、連絡孔４０の孔軸線１４ｂの傾斜角度が急になっ
ている点で異なっているが、その他の点では相違してい
ないので、図２に示した副室式エンジンの構成要素及び
部位と同じものについては、同じ符号を付して再度の詳
細な説明を省略する。図６に示す副室式エンジンでは、
副室２の最大内径Ｄを示す部分１８と、連絡孔４０の副
室側開口４１における副室底面１５（図１）側の内径ｄ
₄を有する周縁部４２との間の径方向距離（Ｄ−ｄ₄）
／２が最大内径Ｄの１／１０以下であって充分短いの
で、副室側開口４１の副室底面側周縁部４２には、図３
に示すような頂面側アール面２５と同様な、極力小さな
アール面が形成されている。

【００３０】連絡孔４０の副室側開口４１における副室
頂面２６側の周縁部４３の、副室の中心線（シリンダ中
心線Ｃ−Ｃ）に沿って副室頂面２６から測った軸方向距
離ｈ ₃は最大内径Ｄの１／１０以上の距離であるので、
副室底面側周縁部２０の場合と同様に、副室頂面２６か
ら測った軸方向距離ｈ₂が最大内径Ｄの１／１０以下と
なるように、副室頂面側周縁部４３に頂面側アール面４
４が形成されている。頂面側アール面４４は、連絡孔４
０の孔壁面４５と副室頂面２６とに対して滑らかに接続
するように形成されている。連絡孔４０の副室側開口４
１の両周方向側周縁部に、図３に示した周方向側アール
面２３のと同様な周方向側アール面を形成する場合に
は、その周方向側アール面とも滑らかに接続するように
形成される。頂面側アール面４４についても、図５に示
す実施例における底面側アール面３１と同様に、段階的
に傾斜したカット面で形成してもよい。連絡孔の孔軸線
の傾斜や副室２の形状によっては、副室底面側周縁部に
図１及び図２又は図５に示した底面側アール面２１、３
１と同様の底面側アール面を形成すると同時に、副室頂
面側周縁部にも図６に示した頂面側アール面４４と同様
の頂面側アール面を形成することもできる。更に、周方
向側周縁部に底面側アール面と頂面側アール面とに滑ら
かに接続するように、図３及び図４に示した周方向側ア
ール面２３と同様な周方向側アール面を形成することも
できる。

【００３１】次に、図９〜図１３を参照して、この発明
によるピストン中央副室式エンジンの第４実施例を説明
する。図９はこの発明によるピストン中央副室式エンジ
ンの第４実施例の上面図、図１０は図９に示すピストン
中央副室式エンジンの縦断面図、図１１は図９に示すピ
ストン中央副室式エンジンの連絡孔とその近傍の拡大
図、図１２は図１０に示すピストン中央副室式エンジン
の副室とその近傍の拡大図、図１３は第４実施例につい
ての燃料噴霧方向を変えたときのエンジン性能（１）を
示したグラフである。第４実施例において、第１実施例
の構成要素及び部位と同等の機能を有する構成要素及び
部位には、同じ符号を付すことにより、再度の詳細な説
明については省略する。

【００３２】第４実施例は、第１実施例と同様、主室
１、副室２及び連絡孔１４の構造を有し、連絡孔１４の
副室側開口１７の形状、径方向寸法、及び連絡孔１４と
噴射ノズルに形成された噴孔数とが等しい点についても
第１実施例と同様である。孔壁面１９の下部分は、ピス
トン４の上面に延長して延びて連絡孔１４のためのガイ
ド溝２９を形成している。図９に示されているように、
連絡孔１４の孔中心線１４ａは、副室２の中心、即ち、
シリンダ中心線Ｃ−Ｃに対して交差せずに、シリンダ中
心線Ｃ−Ｃから放射状に延びる線ＣＲに対してオフセッ
ト量δだけ偏位して延びている。したがって、連絡孔１
４の孔中心線１４ａは、シリンダ中心線Ｃ−Ｃと異なる
点で交差する。隣接する二つの連絡孔１４の孔中心線１
４ａが交差する連絡孔間角度θは、連絡孔１４の形成数
によって定められる。図示の例では、連絡孔１４の数は
８であり、連絡孔間角度θは４５°である。

【００３３】図１３には、燃料噴霧方向を周方向に変化
させたときのエンジン性能（１）が示されている。図１
３の横軸は、図１１に示すように、連絡孔１４の副室側
開口１７の中心点Ｅを基準として、燃料噴霧方向（即
ち、噴射ノズル９から噴射される燃料の噴霧２８（図１
０参照）の中心線ＦをＦ_L，Ｆ_Rのように左右に振った
向き）を変更したときの、連絡孔間角度θに対する連絡
孔１４の中心点Ｆに対する噴霧中心線Ｆの振れ角度αの
比である。エンジン性能としては、上死点前（ＢＴＤ
Ｃ）５°のクランク角度で燃料噴射を開始したとき、及
び上死点後（ＡＴＤＣ）１０°のクランク角度で燃料噴
射を開始したときのスモークとＮＯｘの発生量、及び燃
費が挙げられている。連絡孔間角度θに対する振れ角度
αの比が、−（１／３）から＋（１／３）の間（連絡孔
間角度θが４５°であるときには、±１５°の範囲）
で、各種の性能が良好であることが分かる。このエンジ
ンの性能を良好にする範囲は、連絡孔１４の副室側開口
１７の特に副室２の周方向、即ち、周方向側周縁部２２
にも周方向側アール面２３を形成したことによって拡大
される。この範囲以外では、副室２内に形成された混合
気が着火した火炎の主たる部分が連絡孔１４を通じて主
室１へ移行し難くなり、副室２内に混合気が残留してス
モーク発生量と燃費が高くなることが分かっている。

【００３４】この発明による副室式エンジンの第５実施
例が図１４〜図１６に示されている。図１４はピストン
の位置を固定して燃料噴射ノズルの位置を相対的に上下
に変位させたときの燃料噴霧の状態を示す断面図、図１
５はクランク角度とピストン移動量との関係を示すグラ
フ、図１６は燃料噴霧方向をシリンダ中心線方向に変化
させたときのエンジン性能（２）を示すグラフである。
第５実施例において、第１実施例の構成要素及び部位と
同等の機能を有する構成要素及び部位には、同じ符号を
付すことにより、再度の詳細な説明については省略す
る。

【００３５】図１４に示す第５実施例の副室式エンジン
については、ピストン４の位置を固定して、燃料噴射ノ
ズル９の位置を相対的に上下に変位させた場合を想像線
で示してある。燃料噴射ノズル９が下がった状態で示さ
れているとき、ピストン４は上死点ＴＤＣに近く、燃料
噴射ノズル９が上昇した状態で示されているとき、ピス
トン４は、上死点ＴＤＣから下降している。図１４に
は、ピストン４に形成されている副室２に対する、燃料
噴射ノズル９から噴射された燃料の噴霧中心線Ｆ１〜Ｆ
４の位置関係が示されている。図１４において、燃料噴
射の噴霧中心線Ｆ１及びＦ２は、燃料噴射が開始される
上死点前（ＢＴＤＣ）１０°と燃料噴射が終了される上
死点後（ＡＴＤＣ）１０°のクランク角度（ＣＡ）にお
ける噴霧中心線を示している。また、噴霧中心線Ｆ３及
びＦ４は、それぞれ、燃料噴射が開始される上死点後
（ＡＴＤＣ）５°と燃料噴射が終了される上死点後（Ａ
ＴＤＣ）２５°のクランク角度における噴霧中心線を示
している。上記の燃料噴射時期は、一つの例であり、一
般には、エンジンの運転状態に応じてクランク角度で上
死点前（ＢＴＤＣ）２０°から上死点後（ＡＴＤＣ）５
°までの間で決定され、必ずしも一定でない。

【００３６】図１４に示すように、燃料噴射開始の時期
と燃料噴射期間により、副室２内での混合気の形成位置
が変化する。図１４に示す例は、ストローク量が１４５
ｍｍで、コンロッド長さが２５０ｍｍの場合であり、ト
ップクリアランスを除くシリンダヘッド５の下面１２か
らピストン４の頂面１１までの距離は、噴霧中心線Ｆ１
（Ｆ３も同じ）で示す時で１．４１９ｍｍ、噴霧中心線
Ｆ２で示す時で０．３５６ｍｍ、噴霧中心線Ｆ４で示す
時で７．３７４ｍｍである。なお、上死点（ＴＤＣ）か
らのクランク角度（ＣＡ）とピストン４の移動量との関
係が図１５に示されている（この図は、一般的な関係を
示しており第５実施例に限らない）。

【００３７】一方、連絡孔１４の口径φは、連絡孔１４
の面積とボア径の面積との比で決定される連絡孔面積
比、及び連絡孔１４の数で決定される。第５実施例の場
合、連絡孔面積比が１．５％であり且つ連絡孔数が８で
あり、連絡孔１４の口径は５．８ｍｍである。燃料噴射
終了時に、噴霧中心線の位置が連絡孔１４の副室側開口
中心点Ｅに対してどの位置を占めるかによって、エンジ
ン性能が変化する。即ち、図１６には、燃料噴射終了時
における噴霧中心線Ｆ１〜Ｆ４が副室側開口１７と交わ
る位置と連絡孔１４の副室側開口１７の中心点Ｅとの間
のシリンダ中心線Ｃ−Ｃ方向の距離に対するエンジン性
能（２）が示されている。エンジン性能（２）は、図１
３に示すエンジン性能（１）と同様、上死点前（ＢＴＤ
Ｃ）５°のクランク角度で燃料噴射を開始したとき、及
び上死点後（ＡＴＤＣ）１０°のクランク角度で燃料噴
射を開始したときのスモークとＮＯｘの発生量、及び燃
費である。

【００３８】燃料噴射終了時における噴霧中心線Ｆの位
置が副室側開口１７の中心点Ｅに対して、連絡孔１４の
口径φ（５．８ｍｍ）に相当する距離以上、副室底面１
５側に変位していると、排気ガス中のＮＯｘ発生量につ
いては低下するものの、排気ガス中のスモーク発生量と
燃費が増加している。これは、噴霧中心線Ｆの副室周方
向の振れ（α／θ）の場合と同様に、副室２内に残留す
る混合気が多くなることに起因しているものと考えられ
る。

【００３９】燃料噴射終了時における噴霧中心線Ｆが、
連絡孔１４の口径φに相当する距離以上、副室側開口１
７の中心点Ｅに対して副室頂面２６側に変位している場
合には、副室頂面２６までの距離の制約がある。即ち、
副室側開口１７の中心点Ｅから副室頂面２６までの距離
が連絡孔１４の口径φよりも小さいときには、その距離
の範囲内で排気ガス中のスモーク発生量、ＮＯｘ発生
量、及び燃費についての性能が良好である。副室側開口
１７の中心点Ｅから副室頂面２６までの距離が連絡孔１
４の口径φよりも大きいときには、連絡孔１４の口径φ
に相当する距離の範囲内で性能が良好である。燃料噴射
終了時における噴霧中心線Ｆが連絡孔１４の口径φに相
当する距離を超えた位置にあるときには、燃料噴霧が副
室２の頂部に形成されているノズル突入孔１３や頂面２
６と干渉し、その後、主室１内に噴射されることも有
る。このような状態になると、燃料噴霧が分散すると共
に、混合気形成に使用される副室２内の空気量が減少
し、排気ガス中のスモークやＮＯｘの発生量が増加し、
燃費も悪化する。

【００４０】燃料噴射終了時における噴霧中心線Ｆが副
室側開口１７の中心点Ｅに対して副室底面１５側及び副
室頂面２６側のいずれの方向に変位している場合も、エ
ンジン性能を良好にする範囲は、連絡孔１４の副室側開
口１７の周縁部、特に副室２の縦方向にアール面２１，
４４を形成したことによって拡大されている。したがっ
て、エンジンの運転状態に応じた燃料噴射制御によっ
て、燃料噴射開始時期や燃料噴射期間及び燃料噴射量が
変更される場合でも、燃料噴射終了時における噴霧中心
線Ｆが連絡孔１４の副室側開口１７に交差する位置を副
室側開口１７の中心点Ｅに対して、エンジン性能が良好
となる範囲に留めることができる。なお、第４実施例に
おいて示した、連絡孔１４の中心線に対する噴霧中心線
Ｆの副室周方向の位置を適用しつつ、第５実施例におい
て示した、燃料噴射終了時における噴霧中心線Ｆが連絡
孔１４の副室側開口１７に交差する位置を適用すること
ができることは、明らかである。

【００４１】

【発明の効果】この発明による副室式エンジンは、上記
のように連絡孔の副室側開口の周縁部にアール面を形成
して、先鋭なエッジを回避し、連絡孔の副室側開口の周
縁部における空気又は火炎の流れをスムーズに案内した
ので、主室から連絡孔を通じて副室内に流入する空気
は、滑らかに案内されて拡散し、副室内で燃料噴射ノズ
ルからの燃料噴霧との混合気形成を良好にし、且つ副室
内の混合気を含む火炎は、連絡孔近傍の混合気が着火し
てエンジンが膨張行程に移行したとき、副室の底面近傍
の混合気及び燃焼ガスの圧力作用を受けて、噴出の勢い
が失われることなくアール面に案内されて連絡孔に流入
し、連絡孔を通じて速やかに主室へ噴出される。副室で
の過濃混合気状態で比較的低温で燃焼開始するのでＮＯ
_Xの排出量が少なく、且つ火炎は主室に早期に噴出して
主室内で急速拡散燃焼をして燃焼期間が短縮するので、
パティキュレートやスートの発生が低減されると共に燃
費を改善することができる。また、燃料噴霧の中心線
の、連絡孔の副室側開口に対する位置及び姿勢を所定の
関係に保っているので、連絡孔の近傍に混合気が形成さ
れ、混合気が着火して形成された火炎を速やかに主室内
に移行することができ、燃費や排気ガス中のパティキュ
レート成分の生成を減少させることができるエンジンを
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による副室式エンジンの一実施例を示
す断面図である。

【図２】図１に示した副室式エンジンの第１実施例の一
部を拡大して示す部分断面図である。

【図３】図２の矢視Ａで見た連絡孔の副室側開口とその
近傍の拡大図である。

【図４】図３の矢視Ｂ−Ｂで見た連絡孔の副室側開口と
その近傍の拡大断面図である。

【図５】この発明による副室式エンジンの第２実施例の
一部を示す拡大断面図である。

【図６】この発明による副室式エンジンの第３実施例の
一部を示す拡大断面図である。

【図７】連絡孔の副室側開口に形成されるアール面の大
きさに対する、燃費とスモークの変化を示すグラフであ
る。

【図８】燃焼期間におけるエンジンの熱発生率の変化を
示すグラフである。

【図９】この発明による副室式エンジンの第４実施例の
一部を示す上面図である。

【図１０】図９に示す副室式エンジンの縦断面図であ
る。

【図１１】図９に示す副室式エンジンの連絡口とその近
傍の拡大図である。

【図１２】図１０に示す副室式エンジンの副室とその近
傍の拡大図である。

【図１３】図９に示す副室式エンジンについての噴霧中
心線と連絡孔の孔中心線との関係に基づくエンジン性能
（１）を示すグラフである。

【図１４】図９に示す副室式エンジンにおいて副室に対
する噴霧中心線の位置関係を示す断面図である。

【図１５】上死点（ＴＤＣ）からのクランク角度（Ｃ
Ａ）とピストンの移動量との関係を示すグラフである。

【図１６】図９に示す副室式エンジンについての燃料噴
射終了時における噴霧中心線と連絡孔の副室側開口中心
点との間の距離に基づくエンジン性能（２）を示すグラ
フである。

【符号の説明】１主室２副室３シリンダ４ピストン５シリンダヘッド６シリンダブロック７シリンダライナ９燃料噴射ノズル１１頂面１２下面１３ノズル挿通孔１４連絡孔１４ａ，１４ｂ孔中心線１５副室底面１６噴孔１７副室側開口１８最大内径を有する部分２０副室底面側周縁部２１底面側アール面２２副室周方向側周縁部２３周方向側アール面２４副室頂面側周縁部２５頂面側アール面２６副室頂面２７内壁面２８燃料噴霧３１底面側アール面３２，３３，３４カット面４０連絡孔４１頂面側アール面４２副室底面側周縁部４３副室頂面側周縁部４４頂面側アール面Ｄ最大内径ｄ径方向距離ｈ軸方向距離 α 燃料噴霧中心線と連絡孔の孔中心線との周方向角
度 θ 連絡孔間角度 φ 連絡孔の口径Ｃ−Ｃシリンダ中心軸Ｅ副室側開口の中心点Ｆ１〜Ｆ４燃料噴霧中心線Ｇ１〜Ｇ４燃料噴霧中心線の副室側開口における交差
位置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０２Ｂ 23/00 Ｆ０２Ｂ 23/00 ＶＦ０２Ｆ 3/26 Ｆ０２Ｆ 3/26 Ａ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリンダを構成するシリンダブロック、
前記シリンダブロックに固定されたシリンダヘッド、前
記シリンダ内を往復動するピストン、前記ピストンの頂
面と前記シリンダヘッドとの間の前記シリンダに形成さ
れた主室、前記ピストンに形成された副室、前記ピスト
ン頂部に前記副室の中心に対して周方向に隔置し且つ前
記シリンダの周辺部に向かって放射状に形成された前記
主室と前記副室とを連通する複数の連絡孔、及び前記副
室内に燃料を噴射する多噴孔を有する燃料噴射ノズルを
備え、前記連絡孔を通じての前記主室から前記副室への
空気の流入と前記副室から前記主室への混合気を含む火
炎の流出とを案内するため、前記連絡孔の副室側開口の
周縁部にアール面が形成されていることから成る副室式
エンジン。
【請求項２】前記副室は前記連絡孔の前記副室側開口
の副室底面側近傍部分において最大内径を有しており、
前記アール面は前記連絡孔の前記副室側開口の副室底面
側周縁部に形成された底面側アール面であり、該底面側
アール面は、その最内側部分から前記副室の前記最大内
径を有する前記副室底面側近傍部分までの径方向距離が
前記最大内径の１０％以下になるように形成されている
ことから成る請求項１に記載の副室式エンジン。
【請求項３】前記副室は前記連絡孔の前記副室側開口
の副室底面側近傍部分において最大内径を有しており、
前記アール面は前記連絡孔の前記副室側開口の副室頂面
側周縁部に形成された頂面側アール面であり、該頂面側
アール面は、その最底側部分から前記副室の頂部壁面ま
での前記副室の中心軸線に沿った軸方向距離が前記最大
内径の１０％以下になるように形成されていることから
成る請求項１又は２に記載の副室式エンジン。
【請求項４】前記アール面には、前記連絡孔の前記副
室側開口の両副室周方向側周縁部に形成された周方向側
アール面が含まれており、前記周方向側アール面は、前
記連絡孔の孔壁面と前記副室の内壁面とを接続すると共
に、前記底面側アール面又は前記頂面側アール面とに接
続していることから成る請求項２又は３に記載の副室式
エンジン。
【請求項５】前記副室の中央部に対応するピストン頂
部には、前記ピストンの上死点近傍で前記燃料噴射ノズ
ルが突入するノズル挿入孔が形成されていることから成
る請求項１〜４のいずれか１項に記載の副室式エンジ
ン。
【請求項６】前記副室は前記ピストンの中央部に形成
されており、前記燃料噴射ノズル及び前記ノズル挿通孔
は実質的に前記シリンダの中心軸線上に配置されている
ことから成る請求項５に記載の副室式エンジン。
【請求項７】前記燃料噴射ノズルから噴射された各燃
料噴霧の中心線は、前記燃料噴霧が向けられる前記連絡
孔の孔中心線に対して、前記シリンダの中心線回りの周
方向に、前記連絡孔の連絡孔間角度の±（１／３）の角
度に渡る範囲内の角度に設定されていることから成る請
求項１〜６のいずれか１項に記載の副室式エンジン。
【請求項８】前記燃料噴射ノズルから噴射された各燃
料噴霧の燃料噴射終了時の中心位置は、前記燃料噴霧が
向けられる前記連絡孔の副室側開口の中心点に対して、
前記シリンダの中心線の軸方向に、副室底面側では前記
中心点から前記連絡孔の口径に相当する距離以内の距離
に、且つ副室頂面側では前記副室頂面を超えない範囲で
前記中心点から前記連絡孔の口径に相当する距離以内の
距離に設定されていることから成る請求項１〜７のいず
れか１項に記載の副室式エンジン。