JP2792139B2 - 副室式断熱エンジンの燃料噴射装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、主室に燃料を噴射する主ノズルと副室に
副ノズルを備えた副室式断熱エンジンの燃料噴射装置に
関する。

〔従来の技術〕

従来、予備燃焼室を備えたディーゼルエンジンは、例
えば、実開昭51−43707号に開示されている。該ディー
ゼルエンジンは、圧縮比を比較的小にするため、シリン
ダとピストンとによって形成される容積を比較的大にし
た主燃焼室を備え、且つこの主燃焼室の吸気側に設けら
れた吸気弁と、該主燃焼室の排気側に設けられた排気弁
とを備え、しかも、前記主燃焼室に連通した小型の起爆
用予備燃焼室を備え、更に、前記ピストンの圧縮行程の
終わる頃に該起爆用予備燃焼室内に点火性のよい燃料を
噴射するようにセットされた起爆用燃料噴射ノズルと、
この起爆用燃料噴射ノズルの前記燃料噴射時期よりも若
干遅れて該主燃焼室内に主燃料を噴射するようにセット
された主燃焼噴射ノズルと、適当な時期に前記起爆用予
備燃焼室内の燃料に点火するようにセットされた点火栓
とを備えたものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来、ディーゼルエンジンにおいて、予混合気をある
程度吸入させ、該吸入した予混合気を圧縮した後、ノズ
ルより燃料を噴射させる場合、エンジン出力を向上さ
せ、スモーク等の発生を低減することは知られている。
この場合、予混合気が非常に薄い混合比となってシリン
ダ内全体にほぼ均一に分布するため、通常のノズルから
燃料を噴射して燃焼した後にでも、シリンダ壁近く、ピ
ストンヘッドのトップランドとシリンダライナとの隙間
に存在する予混合気は、燃焼せずにそのまま未燃ガスと
して排気され、燃料のハイドロカーボン成分が劣化する
原因になっている。

ところで、本出願人に係わる出願である特願昭63−18
0250号に開示された断熱エンジンの構造は、主燃焼室及
び副燃焼室の壁面を構成するセラミックス部材の熱容量
を可及的に小さく構成し、エンジンの吸入効率を向上さ
せると共に、吸入効率の向上に伴って燃料噴霧と空気と
の混合を速やかに実行させ、しかも燃料当量比を急激に
低下させることによって、スモーク発生温度ゾーンでの
燃焼時間を短時間にし且つNO_x発生温度ゾーンでの燃焼
を避け、スモーク及びNO_xの発生を防止し、しかもセラ
ミック材料の肉厚の減少に伴う強度上の劣化を防止でき
るものである。このような断熱エンジンにおいて、更
に、副室の内壁から熱エネルギーを回収し、薄い混合気
がシリンダ内に拡がるのを防止して燃料のハイドロカー
ボンの劣化を無くすには、副室式断熱エンジンを如何に
構成したら良いかの課題がある。

この発明の目的は、上記の課題を解決することであ
り、主室を構成するシリンダヘッドのヘッド下面部、シ
リンダライナ上部及びピストンヘッド部をセラミック材
料で断熱構造に構成し、またシリンダヘッドに設けた副
室の壁面をセラミック材料で断熱構造に構成し、主室に
主ノズルと副室に副ノズルを設け、主ノズルと副ノズル
から各壁面に向けて燃料を噴射し、該噴射される燃料流
量を調節すると共に、噴射タイミングをコントロールし
て、副室内の燃料をリッチ状態にして高温燃焼させ、次
いで、主室内の燃料をリーン状態にして低温焼成させて
NO_xの発生を抑制し、また、壁面への燃料噴射によって
壁面エネルギーを回収し、更に、主ノズルと副ノズルか
ら噴射される燃料をトータルの当量比を論理混合比にコ
ントロールして排気管に設けた排ガス触媒処理装置で排
ガス処理を行って一層NO_xを低減する副室気断熱エンジ
ンの燃料噴射装置を提供することである。

〔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、断熱構造に構成
した副室と主室、前記主室に吸入行程初期に前記主室の
壁面に向かって前記主室内に可燃混合気以下の量の燃料
を噴射する主ノズル、及び圧縮行程上死点近くで前記副
室の壁面に向かって前記副室内に燃料を噴射する副ノズ
ル、から成る副室式断熱エンジンの燃料噴射装置に関す
る。

〔作用〕

この発明による副室式断熱エンジンの燃料噴射装置
は、以上のように構成されており、次のように作用す
る。即ち、この発明は、断熱構造に構成した副室と主
室、前記主室に吸入行程初期に前記主室の壁面に向かっ
て前記主室内に可燃混合気以下の量の燃料を噴射する主
ノズル、及び圧縮行程上死点近くで前記副室の壁面に向
かって前記副室内に燃料を噴射する副ノズルから構成し
たので、主ノズルから壁面に向けて燃料を噴射すること
で壁面熱エネルギーを十分に吸収して気化して膨張し、
次いで、副ノズルから燃料を噴射することで混合気はリ
ッチな状態になって着火燃焼し、次いで、火炎が副室か
ら主室に吹き出されることによって混合気はリーン状態
になって燃焼する。それ故に、副室の燃焼は混合気がリ
ッチな状態で着火して高温燃焼するので、NO_x発生ゾー
ンでの燃焼を避けることができ、また、副室から主室に
火炎が吹き出されることによって急激に混合気はリーン
な状態になると共に、燃焼温度は低下してNO_x発生ゾー
ンでの燃焼を避けることができる。従って、混合気の燃
焼時間全域においてNO_xの発生を低減できる。しかも、
主ノズルと副ノズルから噴射される燃料をトータルの当
量比を理論混合比にコントロールすることができ、従っ
て、排気管に設けた排ガス触媒処理装置でNO_xを低減す
るための排ガス処理を行うことができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して、この発明による副室式断熱エ
ンジンの燃料噴射装置の実施例を詳述する。

第１図には、この発明による副室式断熱エンジンの燃
料噴射装置の一実施例を示す断面図が示されている。こ
の燃料噴射装置を備えた副室式断熱エンジンは、副室２
を備えたスワールチャンバ式ディーゼルエンジンであ
り、主として、主室１、該主室１に連絡孔20を通じて連
通する副室２、主室１の中央部に配置した主ノズル３、
及び副室２に配置した副ノズル４から構成されている。
この副室式断熱エンジンにおいて、シリンダヘッド10に
設けた副室２をセラミック材料から成る断熱壁体16から
構成し、主室１をシリンダヘッド10の穴部に断熱ガスケ
ット12を介して配置したヘッド下面部17とライナ上部18
とを一体構造に構成したヘッドライナ５から構成してい
る。更に、この副室式断熱エンジンは、シリンダ14を備
えたシリンダブロック11、該シリンダ14に嵌合したシリ
ンダライナ15、シリンダブロック11にガスケット７を介
して固定したシリンダヘッド10、ヘッドライナ５とシリ
ンダライナ15内を往復運動する断熱構造のピストンヘッ
ド部９を備えたピストン６、シリンダヘッド10とヘッド
ライナ５のヘッド下面部17に形成した吸排気ポート13、
及び吸排気ポート13に配置された吸排気バルブ（図では
吸気バルブ８のみ示す）を有している。

この副室式断熱エンジンにおいて、副室２は窒化珪素
（Si₃N₄）、炭化珪素（SiC）、チタン酸アルミニウム、
チタン酸カリウム、複合材料等のセラミック材料から成
る断熱壁体16から断熱構造に構成され、また、主室１は
窒化珪素（Si₃N₄）、炭素珪素（SiC）、複合材料等のセ
ラミック材料から成るヘッド下面部17とライナ上部18か
ら成る一体構造のヘッドライナ５から断熱構造に構成さ
れている。更に、ピストン６のピストンヘッド部９は、
窒化珪素（Si₃N₄）、炭化珪素（SiC）、複合材料等のセ
ラミック材料から断熱構造に構成されている。

この副室式断熱エンジンについては、主ノズル３は主
室１内へ可燃混合気以下の量の燃料流量を主噴射し、ま
た、副ノズル４は副室２内へ着火燃焼可能になる量の燃
料流量を副噴射するものである。この副室式断熱エンジ
ンの燃料噴射装置において、主ノズル３には、その噴射
パターン28がヘッドライナ５のヘッド下面部17の壁面及
びピストンヘッド部９の上面19に向かって噴射されるよ
うに、噴口が形成され、また、副ノズル４には、その噴
射パターン29が断熱壁体16の壁面に向かって噴射される
ように、噴口が形成されている。燃料を壁面に向けて噴
射することによって、燃料は、高温状態の壁面から熱エ
ネルギーを吸収し、気化される。従って、壁面から熱エ
ネルギーを回収するので、壁面は冷却され、吸入行程Ａ
において吸入空気は壁面からの受熱で膨張することがな
く、吸入効率が向上することになる。

第２図に示すように、この副室式断熱エンジンは、吸
入行程Ａ、圧縮行程B,膨張行程Ｃ及び排気行程Ｄの４サ
イクルから成る作動行程で駆動されるものである。この
副室式断熱エンジンの燃料噴射装置において、特に、吸
入行程Ａの初期において主ノズル３から可燃混合気以下
の量の燃料流量を主噴射し、次いで、圧縮行程Ｂ上死点
付近で副ノズル４から副室２に燃料を噴射して着火させ
ることを特徴としている。主ノズル３から主室１内へ噴
射される燃料流量F₁は可燃混合気以下の燃料流量であ
り、副ノズル４から副室２へ噴射される燃料流量F₂で混
合気は副室２で着火燃焼される。この時、主ノズル３か
ら噴射される燃料流量F₁と副ノズル４から噴射される燃
料流量F₂をトータルした燃料流量Ｆが、燃料当量比が理
論混合比になるようにコントロールすることができる。
燃焼室での燃焼を理論混合比で燃焼させれば、排ガスを
排気管に設けた触媒による排ガス処理装置30で処理する
ことができ、NO_xの排気を抑制することができる。

また、この副室式断熱エンジンには、主室１に配置さ
れた主ノズル３に燃料を供給する主燃料噴射ポンプ21、
及び副室２に配置された副ノズル４に燃料を供給する副
燃料噴射ポンプ22を有している。燃焼噴射ポンプ21には
ポンプ作動用プーリ23が設けられ、また、燃焼噴射ポン
プ22にはポンプ作動用プーリ24が設けられている。これ
らのポンプ作動用プーリ23,24は、クランクシャフト25
に取付け且つクランクシャフト25と一体に回転するクラ
ンクプーリ26にタイミングベルト27によって駆動連結さ
れている。従って、エンジン回転に伴って燃料噴射ポン
プ21,22はタイミングベルト27によって駆動される。場
合によっては、主ノズル３及び副ノズル４は、コントロ
ーラ（図示せず）の指令に応じて電気的に開閉作動する
針弁を備えた電気式噴射ノズルから構成することができ
る。その場合には、該コントローラの指令を受けて、主
ノズル３は吸入行程Ａの初期に針弁が開放して燃料を主
室１に噴射し、次いで、副ノズル４は圧縮行程Ｂの上死
点近くで針弁が開放して燃料を副室２に噴射するように
コントロールすることができる。

更に、この副室式断熱エンジンにおいて、コントロー
ラ（図示せず）によって主室１及び副室２に噴射する燃
料流量をエンジンの作動状態に応じてコントロールする
場合には、エンジンの作動状態を検出するセンサーとし
て、エンジン負荷を検出する負荷センサー（図示せず）
及びエンジン回転を検出する回転センサー（図示せず）
を設ける。コントローラは、これらの各センサーからの
検出信号を受けて、エンジン作動状態に最適の燃料流量
を計算し、該燃料流量を主ノズル３と副ノズル４から噴
射するようにコントロールするものである。即ち、この
副室式断熱エンジンにおける燃料噴射装置は、コントロ
ーラによって、エンジンのエンジン負荷、エンジン回転
等の作動状態を検出する各センサーの検出信号に応答し
て、吸入行程Ａの初期に主ノズル３から主室１に噴射す
る燃料流量を可燃混合気以下の量に制御すると共に、圧
縮行程Ｂ上死点付近で副ノズル４から副室２に噴射する
燃料流量を、燃料当量比が理論混合比になるように残り
の燃料流量を噴射するように制御されるものである。

次に、この発明による副室式断熱エンジンの燃料噴射
装置についての燃焼状態を、第３図を参照して説明す
る。第３図に示すように、スモーク発生ゾーンＳは、燃
料当量比が大きく且つ燃焼温度が低い領域に存在する。
また、NO_x発生ゾーンＮは、燃料当量比が小さく且つ燃
焼温度が高い領域に存在する。そして、標準的な副室式
エンジンではその燃焼領域は符号Ｅで示す領域で通常燃
焼が行われている。また、燃焼室を断熱構造に構成した
断熱エンジンでは、その燃焼領域は符号Ｈで示す領域へ
移ることになる。こと発明の副室式断熱エンジンでは、
燃焼室を断熱構造にして熱エネルギーを回収すると共
に、NO_x発生ゾーンでの燃焼を避けることであり、その
ため、主として燃焼する燃料当量比をリッチ状態にして
燃焼領域を符号Ｒで示す領域まで移行させることであ
る。

この発明による副室式断熱エンジンの燃料噴射装置に
おいて、まず、吸入行程Ａ初期において主室１の壁面即
ちヘッドライナ５のヘッド下面部17の内壁面及びピスト
ン６のピストンヘッド部９の上面19に向かって、可燃混
合気以下の量の燃料を噴射することによって、噴射され
た燃料は壁面熱エネルギーを十分に吸収して気化して膨
張し、吸入空気と良好な混合気を生成する。次いで、圧
縮行程Ｂに移って気化膨張した混合気は圧縮され、その
一部は連絡孔20を通って副室２へ流入する。圧縮行程Ｂ
上死点付近で副ノズル４から副室２へ燃料が噴射され、
主室１から流入した混合気と混合してリッチな状態の混
合気が生成されて着火燃焼する。この燃焼軌跡は、第３
図の符号Ｐで示す軌跡である。次いで、混合気の燃焼で
生じた火炎を副室２から連絡孔20を通って主室１へ吹き
出させ、主室１には圧縮された混合気が存在しているの
で、混合気は急激に燃料当量比が低下すると共に、燃焼
温度が低下し、そこで混合気は主室１において燃焼が行
われる。この燃焼軌跡は、第３図の符号Ｑで示す軌跡で
ある。それ故に、副室２の燃焼は混合気がリッチな状態
で着火して高温燃焼するので、NO_x発生ゾーンでの燃焼
を避けることができ、また、副室２から主室１に火炎が
吹き出されることによって急激に混合気はリーンな状態
になると共に、燃焼温度は低下してNO_x発生ゾーンでの
燃焼を避けることができる。従って、混合気の燃焼時間
全域においてNO_xの発生を低減できる。しかも主ノズル
３と副ノズル４から噴射される燃料をトータルの当量比
を理論混合比にコントロールすることができ、従って、
排気管に設けた排ガス触媒処理装置でNO_xを低減するた
めの排ガス処理を行ことができる。

〔発明の効果〕

この発明による副室式断熱エンジンの燃料噴射装置
は、以上のように構成されているので、次のような効果
を有する。即ち、この副室気断熱エンジンの燃料噴射装
置は、断熱構造に構成した副室と主室、前記主室に吸入
行程初期に前記主室の壁面に向かって前記主室内に可燃
混合気以下の量の燃料を噴射する主ノズル、及び圧縮行
程上死点近くで前記副室の壁面に向かって前記副室内に
燃料を噴射する副ノズルから構成したので、前記主ノズ
ルから壁面に向けて燃料を噴射することで壁面熱エネル
ギーを十分に吸収して気化して膨張し、次いで、前記副
ノズルから燃料を噴射することで混合気はリッチな状態
になって着火燃焼し、次いで、火炎が前記副室から前記
主室に吹き出されることによって混合気はリーン状態に
なって燃焼する。それ故に、前記副室の燃焼は混合気が
リッチな状態で着火して高温燃焼するので、NO_x発生ゾ
ーンでの燃焼を避けることができ、また、前記副室から
前記主室に火炎が吹き出されることによって急激に混合
気はリーンな状態になると共に、燃焼温度は低下してNO
_x発生ゾーンでの燃焼を避けることができる。従って、
混合気の燃焼時間全域においてNO_xの発生を低減でき
る。しかも、前記主ノズルと前記副ノズルから噴射され
る燃料をトータルの当量比を理論混合比にコントロール
することができ、従って、排気管に設けた排ガス触媒処
理装置でNO_xを低減するための排ガス処理を行うことが
できる。しかも、前記主室及び前記副室における燃料噴
射は、各壁面に向けて噴射されるので、燃料は壁面から
熱を奪って受熱し壁面熱エネルギーを回収して気化する
ので、壁面は冷却され、吸入行程において吸入される吸
入空気は十分に確保されることになる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による副室式断熱エンジンの燃料噴射
装置の一実施例を示す説明図、第２図は第１図の燃料噴
射装置において燃料噴射時期を示す説明図、及び第３図
はこの発明による副室式断熱エンジンの燃料噴射装置の
燃焼状態を説明する説明図である。 １……主室、２……副室、３……主ノズル、４……副ノ
ズル、５……ヘッドライナ、９……ピストンヘッド部、
10……シリンダヘッド、16……断熱壁体、17……ヘッド
下面部、19……上面、20……連絡孔、21……主燃料噴射
ポンプ、22……副燃料噴射ポンプ、28,29……噴射パタ
ーン。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】断熱構造に構成した副室と主室、前記主室
   に吸入行程初期に前記主室の壁面に向かって前記主室内
   に可燃混合気以下の量の燃料を噴射する主ノズル、及び
   圧縮行程上死点近くで前記副室の壁面に向かって前記副
   室内に燃料を噴射する副ノズル、から成る副室式断熱エ
   ンジンの燃料噴射装置。