JP2722374B2 - 副室を備えた燃焼室 - Google Patents

副室を備えた燃焼室

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JP2722374B2
JP2722374B2 JP5339201A JP33920193A JP2722374B2 JP 2722374 B2 JP2722374 B2 JP 2722374B2 JP 5339201 A JP5339201 A JP 5339201A JP 33920193 A JP33920193 A JP 33920193A JP 2722374 B2 JP2722374 B2 JP 2722374B2
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    • F02B23/104—Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition with separate admission of air and fuel into cylinder the injector being placed on a side position of the cylinder
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/24—Cylinder heads
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、ピストン側に副室を
備えた燃焼室に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、エンジンの燃焼改善を目的として
渦流室を持つ渦流室式エンジンが開発されている。この
ような渦流室式エンジンは、シリンダヘッド又はピスト
ンヘッドに形成した渦流室、該渦流室とシリンダ側に形
成した主室とを連通する連絡孔及び渦流室内に燃料を噴
霧する燃料噴射ノズルを有し、連絡孔を通じて渦流室に
流入する渦流によって渦流室内に噴射された燃料とで混
合気を形成させて一次燃焼させ、次いで渦流室から連絡
孔を通じて主室へ火炎、未燃混合気等のガスを噴出して
二次燃焼させている。このような渦流室式エンジンの一
例として、特開平２−１１２６１３号公報に開示された
副燃焼室の構造がある。
【０００３】また、実開昭６２−９３１４１号公報に
は、セラミッククラウンとアルミスカートから成るピス
トンが開示されている。該ピストンは、キャビティを形
成したセラミッククラウンの外周を筒体状のアルミスカ
ートのヘッド部を嵌合し、燃焼室外周とヘッド部との間
隙に鋳鉄製リングを塑性流動材と共存させ、両者を固定
したものである。
【０００４】また、特開平５−２６１１１号公報には、
断熱ピストンが開示されている。該断熱ピストンは、ピ
ストンヘッドとピストンスカートとの間の断熱製を確保
し、両者の結合部に配置した断熱部材の割れ等の発生を
防止し、断熱部材の飛散を防止したものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】一般に、副室での燃焼
温度は高温であるため、ＮＯX の生成を低減する対策と
しては、燃料リッチで燃焼させることが効果的である。
また、燃焼温度が高温である時、燃料リッチで燃焼させ
るには、エンジン構造のタイプとしては副室式エンジン
で対応することが有効である。従来通りのエンジンに副
室式燃焼室を用いた場合に、副室式燃焼室の燃焼スピー
ドを速くするには、副室と主室とを連通する連通孔の通
路断面積を絞り渦流を速め且つ主室への噴流速度を大き
くすることが必要である。ところが、連通孔の通路断面
積を小さくすると、副室から主室へ流出する噴出スピー
ドが大きくなるが、絞り損失が大きくなり、また、主室
での燃焼が十分に行われない。
【０００６】主燃焼室と副室とを連通する連絡孔をシリ
ンダ周辺部に設けた従来形エンジンの場合には、絞り損
失を減らすため、連絡孔の通路面積を大きくすると、副
室から主燃焼室へ噴出する火炎、未燃混合気等のガスの
貫徹力が小さくなり、シリンダの中心部にまで到達でき
ない状態が発生する。エンジンの熱効率を向上させるた
めには、主燃焼室での空気利用率を向上させて短期に燃
焼を完結し、白煙の発生を防止することが重要である。
【０００７】また、従来形の渦流室式エンジンでは、上
記不具合を解決するため、副室と主室とを連通する連絡
孔が小さいので、該連絡口による絞り損失が発生し、エ
ンジン出力を低減する原因になる。また、一般に、主室
と副室とを連通する連絡孔は、直噴式ではリエントラン
ト式と言われ、シリンダ中心部に副室式では外周部に１
つ設けられているので、噴流の到達しなければならない
距離が長くなり、主室での空気との混合が不十分にな
り、ＨＣ、スモークの発生原因になる。
【０００８】そこで、この発明の目的は、上記の課題を
解決することであり、ピストンスカートに固定したピス
トンヘッドに主燃焼室と副室とを構成し、主燃焼室の形
状と主燃焼室と副室とを連通する連絡孔を最適構造に構
成することによって、副室から主燃焼室への火炎、未燃
混合気等のガスの主燃焼室での貫徹力を向上させると共
に、副室から主燃焼室への火炎、未燃混合気等のガスの
到達距離を短くし、主燃焼室での空気利用率を向上さ
せ、主燃焼室に存在する新気との混合を促進し、燃焼を
短期に完結してＮＯX 、カーボン、スモーク等の発生を
低減する副室を備えた燃焼室を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】この発明は、上記目的を
達成するため、次のように構成されている。即ち、この
発明は、ピストンヘッドにピストン中央に向かって円錐
形に形成されている主燃焼室、前記ピストンヘッドのほ
ぼ中央部に設けた副室、前記ピストンヘッドのほぼ中央
に形成され且つ前記主燃焼室と前記副室とを連通する主
連絡孔、前記主連絡孔の回りで且つシリンダ周辺に向か
って傾斜して形成され且つ前記主燃焼室と前記副室とを
連通する複数の副連絡孔、及び上死点近傍で前記主連絡
孔に突入して前記主連絡孔を閉鎖すると共に前記副室内
に燃料を噴射するための噴孔を備えたシリンダヘッドに
配置された燃料噴射ノズル、を有することを特徴とする
副室を備えた燃焼室に関する。
【００１０】この副室を備えた燃焼室において、前記ピ
ストンヘッドは、耐熱性材料で構成され、ピストンスカ
ートに形成された中央取付孔に前記副室を形成する副室
壁部が嵌合して固定されているものである。
【００１１】また、この副室を備えた燃焼室において、
前記燃料噴射ノズルは外周部が遮熱カバーで覆われてい
るものである。
【００１２】また、この副室を備えた燃焼室において、
ピストン上死点におけるピストン上面とシリンダヘッド
下面とのクリアランスをピストン周辺で可及的に小さく
構成し、ピストン中央に向かって徐々に大きく構成した
ものである。
【００１３】
【作用】この発明は、上記のように構成され、次のよう
に作用する。即ち、この副室を備えた燃焼室は、ピスト
ンヘッドにピストン中央に向かって円錐形に形成されて
いる主燃焼室、前記ピストンヘッドのほぼ中央部に設け
た副室、前記ピストンヘッドのほぼ中央に形成され且つ
前記主燃焼室と前記副室とを連通する主連絡孔、前記主
連絡孔の回りで且つシリンダ周辺に向かって傾斜して形
成され且つ前記主燃焼室と前記副室とを連通する複数の
副連絡孔、及び上死点近傍で前記主連絡孔に突入して前
記主連絡孔を閉鎖すると共に前記副室内に燃料を噴射す
るための噴孔を備えたシリンダヘッドに配置された燃料
噴射ノズルを有するので、前記副連絡孔は前記ピストン
ヘッドの円錐面に開口することになり、前記副室から前
記副連絡孔を通じて前記主燃焼室へ噴出する火炎、未燃
混合気等のガスはシリンダ周辺に向けてスムースに噴出
することができ、ガスの貫徹力を向上できる。
【００１４】特に、前記主燃焼室はすり鉢状にピストン
中央に向かって円錐形に形成され、ピストン上死点にお
けるピストン上面とシリンダヘッド下面とのクリアラン
スをピストン周辺で可及的に小さく構成し、ピストン中
央に向かって徐々に大きく構成され、複数の前記副連絡
孔はシリンダヘッド下面に対してはシリンダ周辺側へ傾
斜方向に開口しているので、圧縮上死点では前記主燃焼
室の中央部に多くの空気が存在することになると共に、
前記副室から前記副連絡孔を通じて前記主燃焼室へ噴出
した火炎、未燃混合気等のガスはシリンダ周辺へエッジ
状にスムースに進入し、速度を圧力に変換して短時間に
シリンダ周辺部へ進入することができる。
【００１５】また、前記副室はピストン中央に位置し、
前記副連絡孔がシリンダ周辺に延びるので、前記副連絡
孔は、前記主連絡孔の回りに均等な間隔に隔置して放射
方向に複数形成され、前記副室から前記主燃焼室への火
炎、未燃混合気等のガスがシリンダ周辺に向かって噴射
されるように構成される。しかも、前記副連絡孔を前記
主連絡孔５の回りに設けることによって、前記副室から
前記主燃焼室へ噴き出される火炎、未燃混合気等のガス
のシリンダ周辺までの到達距離が均等に短くなり、シリ
ンダ周辺への到達時間が短縮されると共に、速度を圧力
に変換して短期にシリンダ周辺に到達でき、前記主燃焼
室に存在する新気との混合が短期に行われ、燃焼を促進
して短期に完結させることができる。また、前記副連絡
孔を複数個形成して連絡孔通路面積を全体で大きく形成
できるので、しぼり損を低減できる。
【００１６】
【実施例】以下、図１を参照して、この発明による副室
を備えた燃焼室の実施例を説明する。図１はこの発明に
よる副室を備えた燃焼室の一実施例を示す断面図であ
る。
【００１７】この副室を備えた燃焼室は、シリンダ８を
備えたシリンダブロック２０、シリンダブロック２０に
固定したシリンダヘッド１５、シリンダヘッド１５に取
り付けた燃料噴射ノズル１０及びシリンダ８内を往復運
動するピストン３から構成されている。この副室を備え
た燃焼室は、ピストン３側に副室２を形成されているも
のである。シリンダブロック２０にはエンジンの気筒数
に対応する孔部２４が形成され、該孔部２４にシリンダ
８を形成したシリンダライナ２１を嵌合してもく、又
は、図示していないが、これらの孔部２４によってシリ
ンダ８を構成してもよいものである。また、シリンダヘ
ッド１５には、吸排気ポート１４が形成され、吸排気ポ
ート１４には吸排気バルブ１３が配置されている。場合
によっては、吸排気ポートをシリンダ下部に設けること
も可能である。
【００１８】この副室を備えた燃焼室は、アルミニウム
合金、ＦＣ等の金属で作製されたピストンスカート９、
ピストンスカート９に固定された耐熱性材料のＳｉ3 Ｎ
4 等の高強度セラミックスで作製されたピストンヘッド
７、及びピストンヘッド７に一体構造に作製された副室
壁部１１から構成されている。ピストンスカート９に
は、ピストンリング２５を装着するピストンリング溝が
形成され、ピストンスカート９の上部壁体１９の中央に
は取付孔１６が形成されている。ピストンヘッド７は、
その中央下部に環状ボス部となる副室壁部１１を有して
いる。ピストンヘッド７は、その周辺部には下方に延び
る筒部即ち環状リング部１８を有し、その中央には副室
２を形成する下方に延びる副室壁部１１を有している。
【００１９】ピストンヘッド７とピストンスカート９と
は、ピストンスカート９の取付孔１６にピストンヘッド
７の副室壁部１１を嵌合し、両者の間に固定金属リング
２３のメタルフローに埋め込むことによって互いに固定
することができる。この時、ピストンヘッド７における
環状リング部１８の下面とピストンスカート９における
上部壁体１９の外周上面との間に、両者間のシールと遮
熱のため、遮熱ガスケットを介在させる。ピストンヘッ
ド７の環状リング部１８の下端面をピストンスカート９
における上部壁体１９の外周上面に当接させて両者を固
定することによって、ピストンヘッド７の下面とピスト
ンスカート３における上部壁体１９の上面との間に、両
者間の遮熱のため、遮熱空気層１７が形成される。
【００２０】特に、この副室を備えた燃焼室は、ピスト
ンヘッド７にピストン中央に向かって円錐形に形成され
たキャビティ４により構成される主燃焼室１、ピストン
ヘッド７のほぼ中央部に設けた副室２、ピストンヘッド
７のほぼ中央に形成され且つ主燃焼室１と副室２とを連
通する主連絡孔５、主連絡孔５の回りで且つシリンダ８
周辺に向かって傾斜して形成され且つ主燃焼室１と副室
２とを連通する複数の副連絡孔６、及びピストン上死点
近傍で主連絡孔５に突入して主連絡孔５を閉鎖すると共
に、副室２内に燃料を噴射するためシリンダヘッド１５
に配置された燃料噴射ノズル１０を有している。
【００２１】この副室を備えた燃焼室において、主燃焼
室１はすり鉢状にピストン中央に向かって円錐形に形成
されており、複数の副連絡孔６はシリンダヘッド下面２
６に対してはシリンダ周辺側へ傾斜方向に開口している
ので、圧縮上死点では主燃焼室１の中央部に多くの空気
が存在しており、また、シリンダ周辺部へは火炎、未燃
混合気等のガスがエッジ状にスムースに進入し、速度を
圧力に変換して短時間に進入することができる。副連絡
孔６は、主連絡孔５の回りに均等な間隔に隔置して放射
方向に複数、例えば、４〜６個形成され、副室２から主
燃焼室１への火炎、未燃混合気等のガスがシリンダ８の
周辺に向かって噴射されるように構成されている。ま
た、副連絡孔６を主連絡孔５の回りに設けることによっ
て、副室２から主燃焼室１へ噴き出される火炎、未燃混
合気等のガスのシリンダ周辺までの到達距離が均等に短
くなり、シリンダ周辺への到達時間が短縮される。
【００２２】また、燃料噴射ノズル１０は、外周部が遮
熱カバー１２で覆われており、主燃焼室１、副室２及び
主連絡孔５における熱から遮熱保護されている。燃料噴
射ノズル１０は、ピストン上死点近傍で主連絡孔５に突
入して副室２の中央に位置し、副室２内に中央から副室
周辺に向かって燃料を噴射するように、多噴孔２２を備
えている。また、ピストンヘッド７については、ピスト
ン上死点におけるピストン上面２７とシリンダヘッド下
面２６とのクリアランスをピストン周辺で可及的に小さ
く構成し、ピストン中央に向かって徐々に大きくなるよ
うにキャビティ４が形成されている。
【００２３】シリンダヘッド７における副室壁部１１
は、薄肉の壁体によってピストン中央に副室２が形成さ
れるように構成されている。ピストンヘッド７とピスト
ンスカート９とは、環状リング部１８と上部壁体１９の
上面とが接触し、副室壁部１１と取付穴１６の内壁面と
の接触する以外は、両者は遮熱空気層１７によって隔置
されている。また、燃料噴射ノズル１０は、シリンダヘ
ッド下面２６から下方に延び、ピストン上死点近傍で主
連絡孔５から副室２内に突入し、燃料噴射ノズル１０に
設けた多噴孔２２から副室２に燃料を噴射するように設
定されている。また、副室壁部１１に形成された副室２
は、シリンダ８の中央にほぼ位置しており、副室２と主
燃焼室１とを連通する副連絡孔６は、副室２の外周部に
位置するように形成されている。
【００２４】この副室を備えた燃焼室は、上記のように
構成されているので、次のような作用をすることができ
る。即ち、この副室を備えた燃焼室では、吸気行程にお
いて吸気ポート１４を通じてシリンダ８内に導入された
吸入空気は、圧縮行程で圧縮されると共に、主連絡孔５
及び副連絡孔６を通じて副室２に導入される。圧縮上死
点前近傍で燃料噴射ノズル１０が主連絡孔５を閉鎖する
と、副連絡孔６を通じて副室２に高圧縮された圧縮空気
が更に導入される。この状態で、燃料噴射ノズル１０の
多噴孔２２から燃料が副室２に噴射され、副室２で燃料
と空気とが混合して燃料リッチな状態で着火燃焼し、膨
張行程へ移行する。膨張行程初期では、燃料噴射ノズル
１０が主連絡孔５を閉鎖しているので、副室２の火炎、
未燃混合気等のガスは副室２から主燃焼室１へ副連絡孔
６を通じて噴出する。
【００２５】この時、主燃焼室１と副室２とを連通する
副連絡孔６は、副室２の周方向に複数個形成されている
ので、通路面積が副連絡孔６の合計で全体として大きく
形成でき、しぼり損失を低減できる。更に、副室２をピ
ストン中央即ちシリンダ中央に形成し、副室２の外周か
ら副連絡孔６を通じて主燃焼室１へ噴出する火炎、未燃
混合気等のガスは、シリンダ８の全周即ち主室１に存在
する新気を巻き込みながら空気利用率を向上してシリン
ダ壁面までの到達時間を均等に且つ短縮して主燃焼室１
のシリンダ周辺に達し、空気利用率を向上して混合が促
進される。次いで、ピストン３が下降して燃料噴射ノズ
ル１０が主連絡孔５から抜け出て、主連絡孔５が開放
し、副室２から主連絡孔５を通じて主燃焼室１へ火炎、
未燃混合気等のガスが噴出し、主燃焼室１の中央に存在
する空気との混合を促進して燃焼スピードを速くして燃
焼期間を短縮でき、ＮＯX 、ＨＣ、スモークの発生を抑
制した燃焼を行わせることができる。また、副室２での
燃焼状態を燃料リッチで燃焼させ、ＮＯX の発生を抑制
できる。
【００２６】
【発明の効果】この発明による副室を備えた燃焼室は、
上記のように構成されており、次のような効果を有す
る。この副室を備えた燃焼室は、主燃焼室をピストンヘ
ッドにピストン中央に向かって円錐形に形成し、副室を
前記ピストンヘッドのほぼ中央部に設け、前記主燃焼室
と前記副室とを連通する主連絡孔を前記ピストンヘッド
のほぼ中央に形成し且つ複数の副連絡孔を前記主連絡孔
の回りで且つシリンダ周辺に向かって傾斜して形成し、
シリンダヘッドに配置された燃料噴射ノズルを上死点近
傍で前記主連絡孔に突入して前記主連絡孔を閉鎖するよ
うに構成したので、前記副連絡孔は前記ピストンヘッド
の円錐面にシリンダヘッドに対して傾斜して開口するこ
とになり、前記副室から前記副連絡孔を通じて前記主燃
焼室へ噴出する火炎、未燃混合気等のガスはシリンダ周
辺に向けてスムースに噴出することができ、ガスの貫徹
力を向上できる。特に、前記主燃焼室には圧縮上死点で
は中央部に多量の空気が存在し、ピストン上死点近傍で
は前記副室から前記副連絡孔を通じて前記主燃焼室へ噴
出する火炎、未燃混合気等のガスはシリンダ周辺へはエ
ッジ状に進入するようになり、前記副室から前記主燃焼
室への貫徹力は進むに従って速度を圧力に変換して均一
に且つ短時間にシリンダ周辺まで到達する。
【００２７】また、前記副室をピストンの中央部に配置
し、しかも前記主室と前記副室とを連通する前記副連絡
孔を前記副室の周方向に複数個形成したので、前記副室
から前記主燃焼室のシリンダ周辺への火炎、未燃混合気
等のガスの到達が均等になり且つ短期間に進展する。前
記主燃焼室に存在する新気に対してシリンダ壁面までの
到達距離が短くなり、前記主燃焼室での空気利用率を向
上して混合が促進され、燃焼スピードを速くして燃焼期
間を短縮でき、ＮＯX 、ＨＣ、スモークの発生を抑制で
きる燃焼を行わせることができる。また、前記副室での
燃焼状態を燃料リッチで燃焼させ、ＮＯX の発生を抑制
できる。しかも、前記副連絡孔の通路面積が前記副連絡
孔の合計で全体として大きく形成でき、しぼり損失を低
減できる。
【００２８】また、この副室を備えた燃焼室において、
前記ピストンヘッドは、ピストンスカートに形成された
中央取付孔に前記副室を形成する副室壁部が嵌合して固
定されているので、前記副室を形成する前記副室壁部が
取付ボス部を形成すると共に、構造がシンプルになり、
設計の自由度が大になる。また、前記燃料噴射ノズルは
外周部が遮熱カバーで覆われているので、前記主連絡孔
の近傍は高温であり前記燃料噴射ノズルが高温に晒され
るが、前記燃料噴射ノズルの前記主連絡孔に対する抜き
出しを繰り返しても、前記燃料噴射ノズルが熱応力で破
壊させることがない。更に、ピストン上死点におけるピ
ストン上面とシリンダヘッド下面とのクリアランスをピ
ストン周辺で可及的に小さく構成し、ピストン中央に向
かって徐々に大きく構成したので、ピストン中央部には
空気が多量に存在し、また、圧縮上死点近傍では、空気
がシリンダ周辺へ楔作用で確実に且つ均一に進入でき、
空気利用率を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による副室を備えた燃焼室の一実施例
を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 主燃焼室 ２ 副室 ３ ピストン ４ キャビティ ５ 主連絡孔 ６ 副連絡孔 ７ ピストンヘッド ８ シリンダ ９ ピストンスカート １０ 燃料噴射ノズル １１ 副室壁部 １２ 遮熱カバー １５ シリンダヘッド １６ 取付孔 ２２ 多噴孔 ２６ シリンダヘッド下面 ２７ ピストン上面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｆ 3/00 ３０１ Ｆ０２Ｆ 3/00 ３０１Ｚ ３０２ ３０２Ａ 3/26 3/26 Ｃ Ｄ Ｆ０２Ｍ 61/14 ３１０ Ｆ０２Ｍ 61/14 ３１０Ｄ ３１０Ｐ

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ピストンヘッドにピストン中央に向かっ
    て円錐形に形成されている主燃焼室、前記ピストンヘッ
    ドのほぼ中央部に設けた副室、前記ピストンヘッドのほ
    ぼ中央に形成され且つ前記主燃焼室と前記副室とを連通
    する主連絡孔、前記主連絡孔の回りで且つシリンダ周辺
    に向かって傾斜状態に形成され且つ前記主燃焼室と前記
    副室とを連通する複数の副連絡孔、及び上死点近傍で前
    記主連絡孔に突入して前記主連絡孔を閉鎖すると共に前
    記副室内に燃料を噴射するための噴孔を備えたシリンダ
    ヘッドに配置された燃料噴射ノズル、を有することを特
    徴とする副室を備えた燃焼室。
  2. 【請求項２】 前記ピストンヘッドは、耐熱性材料で構
    成され、ピストンスカートに形成された中央取付孔に前
    記副室を形成する副室壁部が嵌合して固定されているこ
    とを特徴とする請求項１に記載の副室を備えた燃焼室。
  3. 【請求項３】 前記燃料噴射ノズルは外周部が遮熱カバ
    ーで覆われていることを特徴とする請求項１に記載の副
    室を備えた燃焼室。
  4. 【請求項４】 ピストン上死点におけるピストン上面と
    シリンダヘッド下面とのクリアランスをピストン周辺で
    可及的に小さく構成し、ピストン中央に向かって徐々に
    大きく構成したことを特徴とする請求項１に記載の副室
    を備えた燃焼室。
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