JP2500397B2

JP2500397B2 - 断熱副室式エンジン

Info

Publication number: JP2500397B2
Application number: JP7378591A
Authority: JP
Inventors: 英男河村
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1991-03-14
Filing date: 1991-03-14
Publication date: 1996-05-29
Anticipated expiration: 2011-05-29
Also published as: JPH04287825A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、ピストンヘッドに主
燃焼室を有すると共にシリンダヘッドに副燃焼室を有す
る断熱副室式エンジンに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、副室式内燃機関の副燃焼室につい
て、実開昭５９−２１０２４号公報に開示されたものが
ある。該副室式内燃機関の副燃焼室は、シリンダヘッド
に渦流室燃焼室を有し、該燃焼室体の全体をセラミック
スで形成すると共に、該セラミックスの燃焼室体とシリ
ンダヘッドとの嵌合部の大部分に空気層を形成し、更に
燃焼室体とシリンダヘッドとの嵌合部のシリンダ側端部
をシール材でガスシールし、かつ燃焼室体とその挿入機
器との挿入部もシール材でガスシールしたものである。

【０００３】更に、断熱エンジンの燃焼改善を目的とし
て、副室を持つ断熱エンジンが開発されている。例え
ば、本出願人の出願に係わる特願平１−２５２２７７号
には、副室式エンジンが開示されている。該副室式断熱
エンジンは、シリンダヘッドに形成した断熱構造の副
室、該副室と主室とを連通した断熱構造の連絡孔、前記
副室内に配置した多噴孔の燃料噴射ノズル、ピストン上
死点近傍で前記連絡孔に突入するピストンヘッドに設け
た突出部を有している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、通常、副室
式エンジンでは、副室から主室への燃焼ガス即ち火炎の
吹き出しは一方向に限定されている。そして、火炎の吹
き出しの初期における流出速度は、副室と主室との圧力
差が大きく、火炎の吹き出し前半では速い速度で火炎は
吹き出されるが、火炎の吹き出し後期には流出速度が低
下し、主室に存在する空気との混合に時間がかかり、燃
焼期間が長くなり、燃費が悪化し、ハイドロカーボンＨ
Ｃの発生の原因になっている。

【０００５】特に、断熱副室式エンジンでは、燃焼スピ
ードを上昇させ、燃焼を早期に完結することが必要であ
る。その理由は、断熱エンジンのように圧縮端温度が、
冷却エンジンと比較して約２５０℃以上も高い場合に
は、圧縮空気は粘性が増大し、該空気中に噴射された燃
料は空気との混合が理想的に行われない。一方、燃料
は、高温雰囲気では着火遅れが短く、冷却エンジンと比
較して５分の１位の時間で着火する。従って、瞬間的に
燃料と空気とを混合させなければならないが、空気と燃
料との初期混合燃焼は当量比を抑えた濃混合気で行われ
るのが良く、また、希薄混合燃焼は拡散燃焼部で行われ
るのが良いものである。

【０００６】そこで、この発明の目的は、上記の課題を
燃焼室の構成で解決することであり、圧縮端温度が高い
断熱エンジンにおいて、シリンダヘッドに形成した断熱
構造の副燃焼室に燃料を放射状に噴射する燃料噴射ノズ
ルを配置し、高温雰囲気での着火遅れが短い状態に合わ
せて、燃料噴射ノズルから噴射された燃料を副燃焼室の
壁面で反射させて副燃焼室内の中央領域で旋回している
渦流に乗せて空気と燃料との混合を瞬時に達成し、空気
と燃料の初期混合燃焼では当量比を抑えた濃混合気で行
わせ、更に副燃焼室から主燃焼室への燃焼ガス即ち火炎
の吹き出し速度を低下させることなく吹き出させ、拡散
燃焼領域で希薄混合燃焼を行わせ、エンジン出力を向上
させると共に、ＨＣ、ＮＯ_Xの発生を抑制することがで
きる断熱副室式エンジンを提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記の目的
を達成するために、次のように構成されている。即ち、
この発明は、シリンダヘッドに配置した断熱構造の副室
壁体で形成した副燃焼室、ピストンヘッドに形成した主
燃焼室、前記副燃焼室を前記主燃焼室に連通する連絡孔
及び前記副燃焼室に配置した多噴孔を有する燃料噴射ノ
ズルを有する断熱副室式エンジンにおいて、前記副燃焼
室の壁面を四角錐の傾斜した反射面に形成し、前記多噴
孔から噴射した噴射燃料を前記反射面に衝突反射させ、
該反射燃料噴霧を前記副燃焼室の中央領域で旋回する渦
流の外周側に順方向に乗せて前記壁面に沿って流すこと
を特徴とする断熱副室式エンジンに関する。

【０００８】

【作用】この発明による断熱副室式エンジンは、上記の
ように構成されており、次のように作用する。即ち、こ
の断熱副室式エンジンは、副燃焼室に四角錐の壁面から
成る反射面を設け、該四角錐の中心部分に前記多噴孔を
配置し、前記多噴孔から噴射した噴射燃料を前記反射面
に衝突反射して壁面に沿って中央領域で旋回している渦
流に乗せるように構成したので、前記副燃焼室での渦流
は流入方向に上下に形成され、燃料噴射ノズルから噴射
された燃料が自由噴流を形成しながら進み、渦流ゾーン
に進入し、その後渦流に流されながら壁面に衝突し、四
角錐の傾斜した前記反射面で反射して壁面に沿って流
れ、前記反射面が傾斜しているので反射燃料が渦流帯の
中央外周側を流れるようになる。従って、燃料噴射ノズ
ルから噴射された燃料は全て主渦流に乗ることができ、
燃料噴霧は均一に分散され、高温雰囲気での着火遅れが
短い状態に合わせて燃料と空気とを瞬間的に混合させ、
空気と燃料の初期混合燃焼では当量比を抑えた濃混合気
で行われる。

【０００９】即ち、本発明は、副燃焼室内に発生してい
る渦流及び自由噴流のエネルギーを積極的に利用し、噴
射燃料を高温の壁面に衝突させて反射させ、熱エネルギ
ーを活用することで、空気と燃料との混合を瞬時に行っ
て燃焼スピードを上昇させることである。そこで、連絡
孔から導入された吸入空気は副燃焼室内の中央領域で流
入方向に上下に渦流を形成しており、該渦流は副燃焼室
内の中央部位で渦流帯となって旋回している。また、燃
料噴射ノズルから噴射された燃料は相当のエネルギーを
持って自由噴流となって流れる。そこで、該自由噴流を
高温で熱エネルギーを持った傾斜した壁面の反射面に衝
突させて反射させ、該反射燃料噴霧が壁面に沿って渦流
の中央外周側を順方向に流れるようにすれば、新気は渦
流の中心で旋回しており、反射噴霧は渦流外周で均一に
分散し、空気と燃料とが瞬時に混合し、燃料の初期混合
燃焼は当量比を抑えた濃混合気で行われ、ＮＯ_Xの発生
を抑制すると共に、燃料噴霧が均一に分散しているので
ＨＣの発生を抑制することができる。

【００１０】本燃焼室を上記のように構成することによ
って、従来の断熱エンジンの燃焼室では正味平均有効圧
（Ｐ_{m e}）が３〜４ｋｇ／ｃｍ²であったものが、本発
明の燃焼室では正味平均有効圧（Ｐ_{m e}）が６〜７ｋｇ
／ｃｍ²に向上させることができ、従来のものに比較し
てＮＯ_Xの発生を３分の１〜４分の１にまで低減でき
た。

【００１１】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明による断熱
副室式エンジンの実施例を説明する。図１はこの発明に
よる断熱副室式エンジンの一実施例を示す断面図、及び
図２は図１の断熱副室式エンジンにおける副燃焼室の線
Ａ−Ａにおける断面図である。

【００１２】図示のように、この断熱副室式エンジン
は、シリンダブロック１４、該シリンダブロック１４に
固定された吸排気ポート２５（一方のみ示す）を備えた
シリンダヘッド７、シリンダヘッド７に形成した断熱構
造の副燃焼室２、シリンダブロック１４に形成した孔部
に嵌合したシリンダライナ２２、該シリンダライナ２２
に形成したシリンダ１８内を往復運動するピストン１
７、副燃焼室２内に噴孔を配置した燃料噴射ノズル６及
びピストン１７のピストンヘッド４に形成したキャビテ
ィ２０で構成される断熱構造の主燃焼室１を有してい
る。副燃焼室２の断熱構造は、例えば、シリンダヘッド
７に形成された穴部１９に配置された耐熱性及び断熱性
に富んだセラミックス、耐熱金属等から成る副室壁体３
から構成されている。副室壁体３は、シリンダヘッド７
に固定金具２７で固定されている。副室壁体３の外側面
とシリンダヘッド７の穴部１９の内面との間には、場合
によっては断熱空気層を形成し、副燃焼室２の断熱度を
向上させることができる。また、副室壁体３の下面はシ
リンダヘッド下面１３の一部を構成し、該副室壁体３の
下面中央部にはシリンダヘッド７に形成した副燃焼室２
をピストンヘッド４に形成した主燃焼室１に対向して連
通孔９が形成されている。この連通孔９の周囲部分の副
室壁体３は、他の部分に比較して薄い壁体１５で形成さ
れている。また、主燃焼室１の断熱構造については、例
えば、ピストンヘッド４のキャビティ２０をセラミック
ス等から成る断熱壁体即ち主室壁体１０によって断熱構
造に構成されている。なお、吸排気ポート２５には吸排
気弁２６が配置されている。

【００１３】この断熱副室式エンジンにおいて、副燃焼
室２に配置された燃料噴射ノズル６は、副燃焼室２内に
燃料を放射状に噴霧し、噴射燃料が副室壁体３の壁面５
に衝突できるようにノズル軸線の周方向に形成した多噴
孔１６を備えている。燃料噴射ノズル６は、副燃焼室２
内でほゞ中央壁面から水平軸線方向に伸びて配置され、
多噴孔１６は副燃焼室２の壁面５に向かって開口してい
る。言い換えれば、副燃焼室２の内部即ち副室壁体３の
壁面５は、連絡孔９から導入される空気渦流Ｓの流れ方
向に対して四角錐の傾斜した壁面５を有している。

【００１４】副燃焼室２を構成する副室壁体３につい
て、燃料噴射ノズル６の設置側壁面は燃料噴射ノズル６
の多噴孔１６から噴射される燃料の噴射方向に沿って傾
斜する四角錐の壁面１１に形成され、副燃焼室２内に形
成される渦流ゾーンは壁面１１から屈折して傾斜して伸
びる噴射燃料の反射面を構成する四角錐の壁面５に形成
され、該壁面５の一辺の壁面５には連絡孔９が形成され
ている。また、燃料噴射ノズル６に対向する側の壁面８
は四角錐の壁面５を収束させる球面に形成されている。
副室壁体３の壁面５の形状については、シリンダ１８の
軸線Ｏ₁−Ｏ₁を通る面Ｂ−Ｂにおける断面が図１に示
すように四角形であり、しかも、シリンダヘッド７の下
面１３に平行で且つ副燃焼室２の中心Ｏ₂を通る面Ａ−
Ａにおける断面が図２に示すように一端が円形で、他端
が錐面で且つ中間部が四角錐から成る形状に形成されて
いる。そして、燃料噴射ノズル６は、四角錐の中心軸線
上に配置され、多噴孔１６は四角錐の反射面に向かって
開口している。

【００１５】更に、この断熱副室式エンジンにおいて、
ピストンヘッド４にはキャビティ２０が形成され、該キ
ャビティ２０の壁面にはセラミックス等から成る壁体１
０によって主燃焼室１を断熱構造に構成されている。副
燃焼室２を主燃焼室１に連通する連絡孔９は、主燃焼室
１の一端側に対向するように、副室壁体３に形成されて
いる。また、主燃焼室１の一端側の連絡孔９に対向する
部分は、ピストンヘッド４の上面２４より下方である
が、主燃焼室１の底面２１より高く形成した盛り上がり
部１２に形成されている。従って、ピストン上死点近傍
では、連絡孔９の下面と主燃焼室１の盛り上がり部１２
の底面２３との間は、絞られた通路２８を形成すること
になる。

【００１６】また、この断熱副室式エンジンにおいて、
ピストンヘッド４に形成した盛り上がり部１２は、高温
の燃焼ガスに晒される熱負荷の高い部位であるので、耐
熱性に富み且つ高温強度に富んだセラミックスで構成さ
れることが好ましいものである。また、図では、盛り上
がり部１２の上面即ち底面２３は、噴き出しガスを主燃
焼室１側へガイドするように形成されている。即ち、こ
の盛り上がり部１２は、連絡孔９の流通路を絞る作用を
果たし、副燃焼室２での燃焼を十分に行わせ、次いで副
燃焼室２から吹き出される燃焼ガスが底面２３に沿って
高速で主燃焼室１に流出するように構成され、火炎と主
燃焼室１に存在する空気とは短時間に混合が促進されて
燃焼する。

【００１７】この断熱副室式エンジンは、上記のように
構成されているので、次のように作用する。即ち、この
断熱副室式エンジンの燃焼サイクルにおいて、ピストン
上死点近傍である圧縮行程後半においてピストン１７の
盛り上がり部１２が連通孔９を絞られた通路に形成す
る。次いで、圧縮行程終端に向かってピストン１７は上
昇するが、盛り上がり部１２によって流通面積が小さく
なり、圧縮行程終端付近では副燃焼室２への流入空気は
押し込められ、副燃焼室２内で上下方向に流れる渦流Ｓ
を形成するようになる。この状態で、図１の矢印Ｆで示
すように、燃料噴射ノズル６の多噴孔１６から副燃焼室
２内に噴射された燃料噴霧Ｆは、自由噴流Ｆを形成しな
がら進み、渦流ゾーンに進入し、その後渦流Ｓに流され
ながら壁面５に衝突し、四角錐の反射面で反射して壁面
５に沿って流れ、反射面が傾斜しているので、反射燃料
が渦流帯の中央外周側を流れるようになる。従って、燃
料噴射ノズル６から噴射された燃料は全て主渦流Ｓに乗
ることができ、反射燃料噴霧Ｆは直ちに均一に分散して
燃料と空気とを瞬間的に混合することができ、従って、
高温雰囲気での着火遅れが短い状態に最適の燃料と空気
とが短時間に混合して、空気と燃料の初期混合燃焼では
当量比を抑えた濃混合気で行われ、一次燃焼をすること
になる。従って、ＨＣの発生を低減し且つＮＯ_Xの発生
を抑制した燃焼を行わせることができる。

【００１８】次いで、この断熱副室式エンジンの燃焼サ
イクルは、膨張行程に移行し、膨張行程初期において副
燃焼室２からの混合気と火炎から成る燃焼ガスは、ピス
トンヘッド４に形成した主燃焼室１へ盛り上がり部１２
の底面２３に沿って高速で勢い良くスムースに吹き出さ
せ、主燃焼室１の形状に沿って拡散し、主燃焼室１内で
燃焼ガスと主燃焼室１内に存在する新気とは混合が促進
され、火炎と空気との混合を短期に達成して良好に二次
燃焼を行い、吹き出し火炎を完全に燃焼させて燃焼を完
結する。従って、燃料噴射ノズル６から噴射された燃料
は、副燃焼室２で燃料リッチで短時間で一次燃焼し、次
いで主燃焼室１で燃焼スピードを低下させることなく二
次燃焼を行うことができ、燃料或いは混合気と空気との
混合を促進できるので、燃料は良好な状態で完全に燃焼
し、ＨＣ、ＮＯ_Xの発生を抑制することができる。従っ
て、この断熱エンジンの燃焼室によれば、燃焼サイクル
において燃焼期間が短縮されて燃焼スピードを上昇させ
ることができ、燃費が改善され、エンジン出力を向上さ
せると共に、ＨＣ、ＮＯ_Xの発生を抑制することができ
る。

【００１９】

【発明の効果】この発明による断熱副室式エンジンは、
上記のように構成されており、次のような効果を有す
る。即ち、この断熱副室式エンジンは、副燃焼室の壁面
を四角錐の傾斜した反射面に形成し、多噴孔から噴射し
た噴射燃料を前記反射面に衝突反射させ、該反射燃料噴
霧を前記副燃焼室の中央領域で旋回する渦流の外周側に
順方向に乗せて前記壁面に沿って流すので、前記副燃焼
室内には強い渦流が流入方向に上下で且つ前記反射面の
中央領域に形成され、多噴孔から傾斜した前記反射面に
向けて噴射された燃料の自由噴流は前記反射面で反射さ
れて、渦流の中央外周側で前記反射面に沿って流れ、均
一に分散し、燃料と空気とは直ちに混合して着火し、燃
焼の早期完結を実現できる。即ち、高温雰囲気での着火
遅れが短い状態に合わせて均一に分散した燃料と渦流の
新気とは瞬間的に混合するので、空気と燃料の初期混合
燃焼では当量比を抑えた濃混合気即ち燃料リッチで行わ
せることができ、ＮＯ_Xの発生を抑制した燃焼をおこな
わせることができ、しかも反射燃料噴霧は均一に分散し
て渦流の空気と混合して燃焼するので、ＨＣの発生は低
減される。

【００２０】次いで、ピストン上死点近傍で前記連通孔
に突入した前記突出部で前記連絡孔が絞られるので、前
記副燃焼室での燃焼が十分に行われ、次いで、前記副燃
焼室から絞られた前記連絡孔を通じて前記主燃焼室へ燃
焼ガス即ち火炎を吹き出し、吹き出し速度を低下させる
ことなく主燃焼室に火炎は吹き出されるので、前記主燃
焼室内で火炎と空気との混合を促進して火炎と空気との
混合を短期に達成して燃焼スピードを上昇させ、しかも
火炎が主燃焼室内の新気と混合することで燃焼温度は低
下し、良好に二次燃焼させることができ、エンジン出力
を向上させると共に、ＨＣ、ＮＯ_Xの発生を抑制するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による断熱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の断熱副室式エンジンの副燃焼室と燃料噴
射ノズルとの関係を示す図１の線Ａ−Ａにおける断面図
である。

【符号の説明】

１主燃焼室２副燃焼室３副室壁体４ピストンヘッド５壁面６燃料噴射ノズル７シリンダヘッド９連絡孔１０主室壁体１２盛り上がり部１６多噴孔１７ピストン

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】シリンダヘッドに配置した断熱構造の副
室壁体で形成した副燃焼室、ピストンヘッドに形成した
主燃焼室、前記副燃焼室を前記主燃焼室に連通する連絡
孔及び前記副燃焼室に配置した多噴孔を有する燃料噴射
ノズルを有する断熱副室式エンジンにおいて、前記副燃
焼室の壁面を四角錐の傾斜した反射面に形成し、前記多
噴孔から噴射した噴射燃料を前記反射面に衝突反射さ
せ、該反射燃料噴霧を前記副燃焼室の中央領域で旋回す
る渦流の外周側に順方向に乗せて前記壁面に沿って流す
ことを特徴とする断熱副室式エンジン。