JP2558483B2 - 空気圧縮式弁制御内燃機関 - Google Patents

空気圧縮式弁制御内燃機関

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JP2558483B2 JP62315075A JP31507587A JP2558483B2 JP 2558483 B2 JP2558483 B2 JP 2558483B2 JP 62315075 A JP62315075 A JP 62315075A JP 31507587 A JP31507587 A JP 31507587A JP 2558483 B2 JP2558483 B2 JP 2558483B2
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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、シリンダ軸回りの吸入空気の旋回を発生さ
せるための吸気路と、ピストン内に設けられ圧縮行程の
終わりに燃焼用空気のほぼ全体を収容する円環状の燃焼
室と、前記燃焼室のピストン上面への開口であるくびれ
部と、前記円環状の燃焼室の一部を形成する回転体形状
の中央部と、注出口が前記燃焼室中心軸近くに配置され
前記円環状の燃焼室内に燃料を注入する噴射ノズルとを
備えている空気圧縮式弁制御内燃機関に関する。
［従来の技術］ この種の内燃機関は1935年に発表されたスイス特許17
5433に記載されている。この内燃機関の構造は、排気ガ
ス中の煤煙形成によって示される不完全燃焼や燃焼遅延
が生じることを避けるため燃焼室の壁面に燃料を一滴も
当てないという考えや全ての燃料粒に充填空気を行きわ
たらせることが必要があるという考えを背景としてい
る。このことに応じて、その燃料粒が絞り開口を通って
円環形状の内側部に空気が流れる際に一度そして円環形
状の外側部に空気が流れる際にもう一度空気のリング過
流を起こすように多噴孔噴射ノズルが円環状の燃焼室に
対して配設されている。このことによって充填空気内に
燃料を完全に分布することができ、燃料の煤煙のない燃
焼やエンジンのかなりの能力向上が見られる。動作シリ
ンダ内に入り込む際充填空気に旋回運動を与えるための
手段が備えられている。燃焼室をシリンダの行程空間と
接続しているところのその断面がシリンダ断面の1/3〜1
/6である絞り開口部は、空気がこの絞り開口を通り抜け
る際空気の旋回運動を強化するように作用し、その際そ
れはリング渦流運動に重なる。
スイス特許175433が公表された時代に実現可能であっ
た噴射圧力は今日の達成可能な圧力に較べ明らかに低い
ものであった。他方そこで達成可能な圧縮空気の混合形
成エネルギは、新時代のエンジンに要求された高い能力
を低い噴射圧力レベルでもって得るには不十分であっ
た。この方法では、又必要な噴射量が、努力されていた
ように、燃料を壁に堆積させることなしに、つまり主に
空気を分配させることなしに一様な混合気にされること
ができなかった。
この公知の内燃機関でのその低い噴射圧力はかなり高
い噴射量の不完全な混合気形成による最大負荷能力の低
さという欠点をもたらす。その他、高い圧縮の場合混合
気形成エネルギが大きく低下し、その結果煤煙に制限さ
れる最大負荷能力が減少するので、低い圧縮しか実施で
きない。この低い圧縮は大きな燃焼煙量と悪い始動性と
高い炭化水素の放出を意味する。高い混合気形成エネル
ギは十分に長く保たれないので、煙のない燃焼のため点
火時期は早目にしなければならない。このことからも
又、高い燃焼煤煙や高い窒素酸化物の放出や高いシリン
ダピーク圧が生じる。
放出条件に基づいてさらに騒音性や経済性の理由から
必要とされる高い圧縮比ε＝19:1〜22:1を実施すること
は、既に述べたように、スイス特許175433による内燃機
関の際、圧縮空気の混合気形成エネルギのはっきりした
低下をそしてその結果として煤煙に制限される最大負荷
能力の低下を引き起こす。
今日では公称能力で一般的なピーク圧力600バールか
ら1000バールを少し上回る値に噴射圧力が向上したこと
で公知の内燃機関において混合気形成の状況は改善され
ることができるが、圧力レベルに応じて燃料の一層高い
壁への割り当て分（80％にまで）が生じる。この壁への
割り当て分が高いことは、公知の内燃機関の燃焼室の場
合まず混合気形成の悪化を導く。不完全な混合気形成
は、大きな点火遅延によるエンジンの高い燃焼音や、高
い煤煙放出つまり所定の煙度での能力低下や、高い炭化
水素放出と効率損失の原因となる。
特に、個々の噴射流に起因する付着した燃料膜が凹部
の中央の乱れの少ない領域に達し、そこで不完全に形成
され、上述したようにエンジン運転状況に好ましくない
作用をするということが指摘される。
渦流室式又は予燃焼室式の内燃機関は別種の長所、欠
点を備えている。長所としては射出路からの排出の際の
主燃焼室での混合エネルギにより最大負荷の際煙度が低
いことである。さらには、高い圧縮比での低い騒音、ゆ
っくりしたつまり遅い燃焼とそれとの関係での低いNOX
値のHC値が長所である。これに対して短所としては、浸
流路における高い熱損失と絞り損失に起因する大きい燃
料消費である。さらには、射出路、縁部、弁へりやピス
トン底に高い熱負荷が生じることである。
［発明が解決しようとする問題点］ 本発明の目的は、開口燃焼室凹部を備えた直接噴射式
ディーゼル機関と渦流室式又は予燃焼室式ディーゼル機
関の間で理想的な内燃機関システムを提供し、その際両
基本方式の長所をできるだけ合わせもち、主なる欠点を
回避することである。
［問題点を解決するための手段］ 前述した問題点は、本発明によれば、以下の特徴構成
によって解決される。即ち、本発明による空気圧縮式弁
制御内燃機関は、ピストン内に設けられ圧縮行程の終わ
りに燃焼用空気のほぼ全体を収容する円環状の燃焼室
と、前記燃焼室のピストン上面への開口であるくびれ部
と、前記円環状の燃焼室の一部を形成する回転体形状の
中央部と、注出口が前記燃焼室中心軸近くに配置され前
記円環状の燃焼室内に燃料を注入する噴射ノズルとを備
えており、前記くびれ部は前記回転体形状の中央部によ
って前記燃焼室の中央領域から境界づけられ、前記中央
部は前記燃焼室から前記くびれ部への狭いリング状の浸
流路の内側の壁面を形成し、前記噴射ノズルからの燃料
噴射流が前記円筒状のくびれ部と前記燃焼室との境界領
域に向けられているものであって、その特徴構成は、前
記くびれ部が前記燃焼室から前記ピストン上面へ円筒状
に延びており、前記中央部の頂上部がピストンの上死点
において前記燃料噴射流の領域に密着間際に近接する程
度の直下に位置する点にある。
〔作用・効果〕
上記のように形成された狭いリング状の浸流路（掃気
路の意、浸流通路・浸流流路・浸流断面も同様）は、混
合気を形成するエネルギーを高め、しかも円環状（トロ
イダル状の意）燃焼室を有する前述のものに比べて、浸
流断面における絞り過ぎや熱損失による内燃機関の効率
低下を生じにくい。絞り損失は混合気形成エネルギーの
増加とそれに伴う高い燃焼速度によって補償される。さ
らに、高い噴射圧力において、又、燃料が壁面に広く噴
射されることにより燃料の膜が壁面から容易に離脱し、
回転体形状の中央部は、壁に付着した燃料の膜が円環状
燃焼室の中心付近の渦流が少ない領域まで延びることを
妨げている。
特に、中央部の頂上部がピストンの上死点において前
記燃料噴射流の領域に密着間際に近接する程度の直下に
位置することから、中央部は渦流が少ない領域を減少さ
せる働きをもしている。又、中央部と燃焼室の広い内壁
正面は異なる噴射流によって生ずる燃料膜の干渉を妨げ
る。リング状の浸流断面の領域で、壁に付着した燃料膜
が部分的に離脱することにより、凹部の円環状部分にお
ける渦流が増加する領域が混合気の形成のために一層有
効に利用される。中央部の特別な形状により、そのすぐ
上を通過する燃料噴射流を加熱する温度が生じ、これに
よって混合気形成が促進される。狭い浸流断面と空気の
旋回とによって生じる高い速度エネルギーは、前述の燃
焼室の場合に比べて、円環状燃焼室における高いレベル
を長時間維持する。
本発明によるリング室としての燃焼室の記載された特
徴は、まとめると、エンジン運転状況に対して次の効果
を持つ； 煤煙の改善つまり煤煙に制限された最大負荷の向上、 回転数における高い回転モーメントの際に高い圧縮比
ε＝19:1〜24:1を実現することが可能である。この高い
圧縮比は、長所としてわずかな点火遅延による低い燃焼
音、少ない炭化水素放出、エンジンの好ましい始動状況
や内燃機関効率の改善を導く。さらに点火時期を遅れる
方向に移す可能性が生じ、その際混合気形成エネルギが
長時間にわたって高く保たれるという事実により目立っ
た煤煙増加や燃費悪化やHCの増加がともなわない。この
可能性はまず窒素酸化物や燃焼音やシリンダピーク圧の
低下を意味する。
本発明による別な実施形態において円環に形成される
円断面の直径に対するリング状の浸流通路の幅の比が0.
2〜0.9好ましくは0.5〜0.7にすることができる。浸流通
路幅と円環に形成される円断面の間の比が0.5以下な
ら、“容室効果”が生じ、これは浸流断面が減少するほ
ど顕著になる。記載された絞り比が0.2以上なら、この
“容室効果”は燃費損失をともなわずに生じ、つまり
は、最初のゆっくりした燃焼の後で燃焼の終わりに当た
っては急速な燃焼が続き、この燃焼は混合気の噴出の際
の主燃焼室内の高い混合エネルギによりそしてリング室
からの部分燃焼によってもたらされる。この効果は、付
加的な煤煙の改善そして窒素酸化物をさらに低下させる
ことや騒音をさらに低下させることをもたらす。
本発明によるさらに別な特徴により、中心円の半径と
円環に形成される円断面の半径が所定の燃焼室体積にお
いて壁面に付着される燃料膜によってぬらされる面積が
可能な限り大きくなるように選ばれるなら特別なる利点
を与えるだろう。
平均の回転モーメントが（nD/n）ｍ＝2.2の場合、４
個又は５個の噴孔を用いると特に利点を有することが実
証され、その際nDは静止実験で得られた回転モーメント
測定装置の翼回転数であり、ｎは測定された貫流流量か
ら計算されたエンジン回転数であり、指数ｍは比nD/nが
吸気行程の間エンジンの上死点まで積分した平均値を表
すことを表現している。
これについては、オーストリアのグラーツのG.シーン
（THIEN）氏の論文“４サイクルディーゼルエンジンの
弁流路の開発作業”の特にＣ章“弁流路の流れ性質の測
定”（オーストリア技術者雑誌、1965年、第８年度、９
号の別冊に表されている）が参照される。その場合、平
均の自由噴流長さがシリンダ直径の20±５％にするとよ
い。
一様な混合気形成という点からは、燃料流の衝突領域
を円筒状のくびれ部と円環状の燃焼室の間の移行部に位
置させ、その衝突点を凹部縁のところで一様に分布させ
ると好都合である。
円環状燃焼室は、異なった径をもつ中心円と断面円を
有する２つの部分から、そしていずれにせよ円筒状の中
間部をもって構成することができる。中央の回転体形状
体の上部の境界は、円錐状又は円錐台状あるいはその両
方の形状であることが好ましく、そして燃焼室凹部や浸
流流路の領域とくびれ部領域に生じる全ての縁は大きな
熱的負荷を避けるため丸みづけられることが好ましい。
さらに本発明による別な実施例において、中央部、凹
部へり、凹部領域＋リング装着部の内いずれか又は全て
は残りのピストン部と比較して、高い耐熱性を有する材
料から構成され、これらの部材はその柱身部と共に一体
に鋳造されるか又は取り外し可能に接続されることがで
きる。
［実施例］ 第１図と第２図に示されているように、直径:Dを有す
るシリンダ１内を軸方向に移動するピストン２は燃焼室
凹部３を備えており、その凹部は、その中心点円半径が
Ｒで断面円半径がｒである円環状基体４を、詳しくは円
環状空間を有する。この燃焼室凹部３は、さらにシリン
ダ軸１′に平行な軸４′とピストン表面５に開放してい
る開口を備え、この開口は燃焼室凹部３の円環状基体４
に対しての絞り部としてのくびれ部６であり、その周面
は円柱面状である。燃焼室凹部３は回転体形状の中央部
７を備え、その中央部７はその下部７′において燃焼室
凹部の円環状基体４の形成に関与している。又中央部７
はその上部７″をピストン２の上死点において噴射ノズ
ル８から出た燃料流９の領域に密着間際に近接する程度
の直下に位置させ、ここで示された実施例では円錐台形
状である中央部７の上側境界面は燃料流９によってぬら
されないか、少なくともわずかしかぬらされない。燃料
流９はくびれ部の円柱状の周面６′への円環状基体４の
移行領域10に方向づけられる。そのリング状の浸流断面
13は幅:bを有している。
燃焼室凹部３はピストン２のできるだけ中央に配設さ
れるべきだが、示された実施例においては中央部７を含
む円環状基体４の軸４′は構造的理由、弁や噴射ノズル
の配置からピストンの軸１′に対し少しだけずれてい
る。
第３図による実施例においては、燃焼室凹部３の円環
状基体４はその周面６′が円柱状である絞り部６を介し
て同様にシリンダ内部に連通される。回転体形状の中央
部７の下部７′は、同様に円環状基体４の形成に関与し
ている。中央部７の上部７″は、しかしながら球冠の形
体を取りつつ平たくされる。この球冠形体の上部７″及
び絞り部つまりくびれ部６は円環状基体４への移行のと
ころで強く丸みづけられている。
第４図による実施例は、中央部７の上部７″が円錐台
形状ではなく円錐形状であるということでのみ第１図に
よるものと違っている。円環状基体４と中央部７の上部
７″との間の切片11と開口６の円柱状周面６′と円環状
基体４は角ばっているか又はわずかに丸みづけられてい
る。燃焼室凹部３の開口６へのリング状の浸流断面13は
第１図の実施例のものに較べ明白に大きくなっている。
第５図による実施例は、凹部へり部14と中央部７の上
部７″のいずれか又は両方がネジ取り付け部材として構
成されていることを除いて第１図によるものと一致する
が、このネジ取り付け部材はピストン２と同じ材料か又
は25Cr20Ni鋼のような耐熱材料から作られる。ネジで取
り付けられる凹部へり部14の外側のネジは参照番号15
で、中央部７のネジで取り付けられる上部７″のネジボ
ルトは参照番号16で示されている。両方のネジ取り付け
部材14と７″はDIN6797による内側ないしは外側を歯切
りされた歯切り板17ないしは18によりネジ16ないしは15
を封密にし、かつ回転止めしている。
第６、７図による２つの実施例は燃焼室凹部３と中央
部７の形状に関して、第１、２図による実施例と一致し
ている。第６図による実施例では、ピストン２の凹部領
域19とピストンリング装着領域20は耐熱材料、例えば25
Cr20Ni鋼から製作され、これらはピストン２の柱身部
２′と形状的にフィットするように作ったり、Al−Fin
法により最近のピストンでは普通であるアルミ合金で一
体鋳造させる。
第７図は、往復ピストン内に中央部７″がネジで取り
付けられたりあるいは熔接されたりしている本発明によ
る燃焼室凹部３を示している。この部分７″も他のピス
トンの部分と同様な材料で構成されているが、耐熱即ち
超高温材料でも構成することができる。
【図面の簡単な説明】
図面は本発明による空気圧縮形の弁制御直接噴射式内燃
機関の実施例を示し、 第１図は本発明による内燃機関のシリンダヘッドの一部
分やピストンの軸方向断面図、 第２図は第１図によるピストンの平面図、第３図〜第６
図はそれぞれ本発明による別実施例の一部分の軸方向断
面図、第７図は本発明によるさらに別な実施例のピスト
ンの軸方向断面図である。 （２）……ピストン、（３）……燃焼室凹部、（６）…
…くびれ部、（７）……中央部、（８）……噴射ノズ
ル、（９）……燃料流、（13）……浸流断面。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ボルフガング・カルテリーリ オーストリア国 8010 グラーツ ジー ルンフェルトガッセ 11 (56)参考文献 特開 昭54−74009（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−194530（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭61−116125（ＪＰ，Ｕ)

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】シリンダ軸（１′）回りの吸入空気の旋回
    を発生させるための吸気路と、ピストン（２）内に設け
    られ圧縮行程の終わりに燃焼用空気のほぼ全体を収容す
    る円環状の燃焼室（３）と、前記燃焼室（３）のピスト
    ン上面（５）への開口であるくびれ部（６）と、前記円
    環状の燃焼室（３）の一部を形成する回転体形状の中央
    部（７）と、注出口が前記燃焼室中心軸近くに配置され
    前記円環状の燃焼室（３）内に燃料を注入する噴射ノズ
    ル（８）とを備え、前記くびれ部（６）は前記回転体形
    状の中央部（７）によって前記燃焼室（３）の中央領域
    から境界づけられ、前記中央部（７）は前記燃焼室
    （３）から前記くびれ部（６）への狭いリング状の浸流
    路（13）の内側の壁面を形成し、前記噴射ノズル（８）
    からの燃焼噴射流（９）が前記円筒状のくびれ部（６）
    と前記燃焼室（３）との境界領域に向けられている直接
    噴射式の空気圧縮式弁制御内燃機関であって、 前記くびれ部（６）は前記燃焼室（３）から前記ピスト
    ン上面（５）へ円筒状に延びており、前記中央部（７）
    の頂上部（７″）がピストン（２）の上死点において前
    記燃料噴射流（９）領域に密着間際に近接する程度の直
    下に位置することを特徴とする空気圧縮式弁制御内燃機
    関。
  2. 【請求項２】前記円環に形成される円断面の直径:2rに
    対するリング状の浸流断面（13）の幅:bの比が0.2〜0.
    9、好ましくは0.5〜0.7であることを特徴とする特許請
    求の範囲第１項に記載の内燃機関。
  3. 【請求項３】中心円の半径:Rと前記円環（４）に形成さ
    れる円断面の半径:rとは所定の燃焼室体積において壁面
    に付着される燃料膜によってぬらされる面積が可能な限
    り大きくなるように選ばれることを特徴とする特許請求
    の範囲第１項又は第２項に記載の内燃機関。
  4. 【請求項４】平均回転モーメントレベル：（nD/n）ｍ＝
    2.2で４個の噴口を使用することを、そしてここでnDは
    静止実験で得られた回転モーメント測定装置の翼回転数
    であり、ｎは測定された貫流流量から計算されたエンジ
    ン回転数であり、指数ｍは比nD/nが吸気行程の間エンジ
    ンの上死点から下死点まで積分した平均値を示すことを
    表現していることを特徴とする特許請求の範囲第１項〜
    第３項のいずれかに記載の内燃機関。
  5. 【請求項５】平均の自由噴流長さがシリンダ直径:Dの20
    ±５％であることを特徴とする特許請求の範囲第４項に
    記載の内燃機関。
  6. 【請求項６】燃料流（９）の衝突領域はくびれ部（６）
    円環状の燃焼室（４）の間の移行部に位置し、その衝突
    点は凹部縁のところで一様に分布していることを特徴と
    する特許請求の範囲第１項〜第５項のいずれかに記載の
    内燃機関。
  7. 【請求項７】前記円環状燃焼室（４）は異なった中心
    径:Rと断面円径:rを有する２つの部分から、そしていず
    れにせよ円筒状の中間部をもって構成されていることを
    特徴とする特許請求の範囲第１項〜第６項のいずれかに
    記載の内燃機関。
  8. 【請求項８】前記燃焼室において中心の回転体形状の中
    央部（７）の上部（７″）の境界は、円錐状又は円錐台
    状あるいはその両方の形状であることを特徴とする特許
    請求の範囲第１項〜第７項のいずれかに記載の内燃機
    関。
  9. 【請求項９】前記燃焼室凹部（３）の領域と開口・くび
    れ部領域（６）に生じる全ての縁が大きな熱的負荷を避
    けるため丸みづけられていることを特徴とする特許請求
    の範囲第１項〜第８項のいずれかに記載の内燃機関。
  10. 【請求項１０】前記中央部（７）、凹部へり（14）、凹
    部領域とリング装着部（20）のうちいずれかは残りのピ
    ストン部（２）に較べ高い耐熱性を有する材料から構成
    されており、これらの部材はその柱身部と共に鋳造され
    るか又は取り外し可能に接続されることを特徴とする特
    許請求の範囲第１項〜第９項のいずれかに記載の内燃機
    関。
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