JP2814346B2 - ディーゼルエンジンの燃焼室構造 - Google Patents

ディーゼルエンジンの燃焼室構造

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JP2814346B2
JP2814346B2 JP6079311A JP7931194A JP2814346B2 JP 2814346 B2 JP2814346 B2 JP 2814346B2 JP 6079311 A JP6079311 A JP 6079311A JP 7931194 A JP7931194 A JP 7931194A JP 2814346 B2 JP2814346 B2 JP 2814346B2
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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，ピストンに形成した
キャビティに副室を構成する副室構造体を配置したディ
ーゼルエンジンの燃焼室構造に関する。
【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性を確保
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】ところで，ディーゼル
エンジンの燃焼室は，近年，排気ガス規制が厳しくな
り，種々のものが開発されている。燃焼室については，
燃費を良くするためには，オープンチャンバが多く用い
られている。ディーゼルエンジンのオープンチャンバ
は，燃料を高圧力の燃料噴射ポンプを用いて均一に燃焼
室に分散させ，燃焼を速めて爆発力を高め，エンジン性
能の向上を図っている。ところが，オープンチャンバで
は，燃焼室の内部の空気密度が大きく，噴霧周辺の空気
温度が高くなり，ＮＯｘの発生が増大し，大きな問題と
なっている。
【０００６】一方，渦流室を副燃焼室とする副室式エン
ジンでは，燃焼が副室内で着火燃焼し，次いで副室から
連絡孔を通じて火炎，未燃混合気等のガスが主室に噴き
出し，主室で二次燃焼するという二段式燃焼が行われる
ので，ＮＯｘの発生が少なくなるというメリットがあ
る。しかしながら，副室式エンジンでは，燃焼期間が長
くなり，エンジン性能が低下するという問題がある。副
室式エンジンの性能低下は，次の理由が考えられる。即
ち，それらの理由として，副室式エンジンでは，（１）
副室がシリンダの周辺側に位置するため，副室から主室
へ噴き出される火炎，未燃混合気等のガスのシリンダ壁
面への到達が不均一になると共に，噴出期間が長く主室
での燃焼期間を短縮できないこと，（２）副室内での渦
流速が大きくなり，副室から外部への熱損失が大きくな
ること，（３）主室と副室とを連通する連絡孔の面積が
１．４％程度と小さいので，連絡孔による絞り損失が大
きくなり，出力が大きくならないこと等が考えられる。
【０００７】また，ディーゼルエンジンの耐久性は，そ
のエンジン寿命が長いため，極めて重要な特性である。
従来より，ディーゼルエンジンの燃焼室を作製する場合
に，エンジンの耐久性の問題を解決するため，アルミニ
ウム合金に鋳鉄を鋳込んだり，アルミニウム合金の表面
を酸化処理し，アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）を生成したり，
アルミニウム合金にセラミック繊維を混入したりする燃
焼室作製方法が用いられた。そこで，ディーゼルエンジ
ンにおいて，燃焼室を遮熱構造に構成するため，如何に
強固に，耐久性に富み，製造簡単に構成できるかの課題
がある。
【０００８】そこで，この発明の目的は，上記の問題を
解決することであり，特に，ピストンにほぼシリンダ中
央に形成したキャビティに副室を構成する副室構造体を
配置し，遮熱構造に構成した副室をシリンダ中央に設
け，副室構造体に形成した主室と副室とを連通する連絡
孔を複数形成し，副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シリンダ周辺に向かって噴き出さ
せるように構成したディーゼルエンジンの燃焼室構造を
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，シリンダ内を往復運動するほぼシリンダ中央に
キャビティを形成したピストン，シリンダヘッド側に設
けられた燃料噴射ノズル，及び前記キャビティに空気層
と低熱伝導ガスケットを介して配置され且つ副室をほぼ
シリンダ中央に構成する副室構造体を具備し，前記副室
構造体はアッパチャンバとロアチャンバとで構成され，
前記アッパチャンバには前記燃料噴射ノズルがピストン
上死点近傍で前記副室に突入できる中央挿入孔と該中央
挿入孔の周方向に隔置した前記副室と主室とを連通する
複数の連絡孔が形成され，前記ピストンに形成された前
記キャビティには前記ロアチャンバがガスケットを介し
て載置されると共に前記アッパチャンバが前記ロアチャ
ンバン上に配置され，前記アッパチャンバはピストン上
面に位置する部分が小径部に且つ該小径部の下方部が大
径部に形成され，前記アッパチャンバに設けられた上部
外周の環状段部と前記ピストンの前記キャビティの周縁
部とで形成される環状溝に環状リングが嵌装されて溶着
されているディーゼルエンジンの燃焼室構造に関する。
【００１０】また，このディーゼルエンジンの燃焼室構
造において，前記アッパチャンバと前記ロアチャンバと
の対向面には耐熱性を有するガスケットが配置されてい
る。
【００１１】また，このディーゼルエンジンの燃焼室構
造において，前記アッパチャンバの外周面には複数の突
起が隔置して形成され，前記突起が前記ピストンの前記
キャビティの周縁部と部分的に接触し，前記突起以外の
前記アッパチャンバの外周面と前記ピストンの前記キャ
ビティの周縁との間には隙間が形成されている。
【００１２】また，このディーゼルエンジンの燃焼室構
造において，前記アッパチャンバの段部上面と前記環状
リングとの接触部には，熱伝導率の小さいガスケットを
挟んで取り付けられている。
【００１３】また，このディーゼルエンジンの燃焼室構
造において，前記アッパチャンバには前記シリンダヘッ
ド側に取り付けられたグロープラグがピストン上死点近
傍で前記副室に突入するプラグ孔が形成されている。
【００１４】また，このディーゼルエンジンの燃焼室構
造において，前記燃料噴射ノズルは，多噴孔を有し，該
多噴孔を通じて前記副室内に各種の燃料を噴射できると
共に，前記連絡孔はシリンダ周辺に向かって放射状に形
成されている。
【００１５】
【作用】この発明によるディーゼルエンジンの燃焼室構
造は，上記のように構成されているので，副室から主室
へ噴き出される火炎，未燃混合気等のガスのシリンダ周
辺への到達が均一に且つ到達距離が短くなって主室での
空気利用率をアップして火炎，未燃混合気等のガスと空
気との混合を促進し，燃焼期間を短縮してエンジン性能
を向上できる。特に，副室構造体をアッパチャンバとロ
アチャンバとで上記のように構成したので，該副室構造
体をピストンのキャビティに容易に組み込むことがで
き，副室の遮熱構造を良好に且つ容易に構成でき，副室
から外部への熱損失を低減できる。また，副室を遮熱構
造に構成し，燃料噴射ノズルの多噴孔を通じて副室内に
燃料を噴射するので，副室の遮熱性が良好になり，副室
壁温が高くなり，セタン価の低い低質燃料を燃焼させる
ことができ，多種類の燃料を使用でき，ＨＣの排出が少
ないと共に，ＮＯｘの発生を低減できる。
【００１６】
【実施例】以下，図１を参照して，この発明によるディ
ーゼルエンジンの燃焼室構造の実施例を説明する。図１
はこの発明によるディーゼルエンジンの燃焼室構造の一
実施例を示す断面図，及び図２は図１の線Ａ−Ａにおけ
る断面図である。
【００１７】この実施例のディーゼルエンジンは，シリ
ンダヘッド（図示せず）に取り付けた燃料噴射ノズル１
０及びシリンダ（図示せず）内を往復運動するピストン
３を有する。このディーゼルエンジンの燃焼室構造は，
ピストン３側に副室２を形成したものである。ピストン
３は，アルミニウム合金等の金属で作製されたピストン
スカート部２０，ピストンスカート部２０と一体構造の
ピストンヘッド部１７，及びピストンヘッド部１７に形
成されるキャビティ１９内に配置されている副室構造体
４から構成されている。ピストン３には，ピストンリン
グ（図示せず）を装着するピストンリング溝２１が形成
されている。
【００１８】このディーゼルエンジンは，シリンダヘッ
ド下面（図示せず）から突出してシリンダヘッド側に配
置された燃料噴射ノズル１０と始動補助としてのグロー
プラグ１８が設けられている。この燃焼室構造では，シ
リンダ側に主室１が形成され，ピストン３のピストンヘ
ッド部１７のほぼシリンダ中央部に形成されたキャビテ
ィ１９に副室２を構成する副室構造体４がセラミックス
等の遮熱材からなる低熱伝導ガスケット１３を介在して
配置されている。副室構造体４は，アッパチャンバ９と
ロアチャンバ８とで構成されている。アッパチャンバ９
には，そのほぼ中央に形成され且つ燃料噴射ノズル１０
がピストン上死点近傍で副室２に突入できる中央挿入孔
５と，中央挿入孔５の周方向で隔置し且つシリンダ周辺
側に傾斜して副室２と主室１とを連通する連絡孔６とが
形成されている。場合によっては，副室構造体４に形成
した連絡孔６の形成方向は，副室２中心から偏心して形
成することもできる。
【００１９】ピストン３のピストンヘッド部１７に形成
されたキャビティ１９は，アッパチャンバ９が配置され
る大径部１４とロアチャンバ８が配置される小径部２４
から形成されている。ロアチャンバ８は，キャビティ１
９の小径部２４に低熱伝導材のガスケット３０及び１３
を介在して配置されている。大径部１４と小径部２４と
の境界には，段部１１が形成され，副室構造体４におけ
るアッパチャンバ９とロアチャンバ８との対向面２３，
２５には，ジルコニア等の熱伝導率の小さい遮熱材から
なるガスケット１２が配置されている。アッパチャンバ
９は，ガスケット１２を介して段部１１とロアチャンバ
８の上面即ち対向面２５とに載置されている。また，ア
ッパチャンバ９には，上部外周に環状段部２２が形成さ
れている。該環状段部２２とキャビティ１９の大径部１
４の周縁部とで形成される環状溝には，環状リング７が
遮熱ガスケット２９を介して配置されている。遮熱ガス
ケット２９及びガスケット３０は，ジルコニア等の熱伝
導率の小さい遮熱材から作製されている。
【００２０】更に，環状リング７の周縁は，ピストンヘ
ッド部１７のキャビティ１９の大径部１４の周縁にピス
トン上面を密封するように嵌装されて溶着されている。
環状リング７は，アルミニウム合金等の金属からなるピ
ストンヘッド部１７と同一材料の金属，例えば，アルミ
ニウム合金で作製されている。従って，環状リング７
は，ピストンヘッド部１７のキャビティ１９の周方向縁
部に，例えば，電子ビーム溶接で容易に溶着される。ま
た，アッパチャンバ９の外周面には，複数の突起２６
（図２では４個）が周方向に隔置して形成され，該突起
２６の先端部がピストン３のキャビティ１９の周縁部に
溶着されている。また，突起以外のアッパチャンバ９の
外周面とピストン３のキャビティ１９の周縁との間に
は，周方向に隙間２７が形成されている。
【００２１】また，このディーゼルエンジンの燃焼室構
造において，アッパチャンバ９とロアチャンバ８から成
る副室構造体４は，チタン系耐熱合金，窒化ケイ素等の
耐熱性を有する材料で作製されている。低熱伝導ガスケ
ット１３は，熱伝導率の小さいセラミック繊維から構成
され，キャビティ１９の小径部２４の壁面とロアチャン
バ８の外面との間に配置され，熱伝導率の小さいジルコ
ニア等のガスケット３０がキャビティ１９の壁面と部分
的に接触するように配置されている。従って，このよう
に，ピストン３のキャビティ１９に副室構造体４を配置
することによって，副室２は遮熱構造に構成される。副
室２が遮熱構造に構成されることによって，セタン価の
低い低質燃料を燃焼させることができるようになり，各
種の多燃料を使用することができる。更に，副室２の壁
温が高くなるので，ＨＣの排出が少なくなり，副室２で
一次燃焼させるためＮＯｘの発生を低減できる。
【００２２】また，燃料噴射ノズル１０は，ピストン上
死点近傍において，副室２内に燃料を噴射する多噴孔１
６を有している。燃料噴射ノズル１０の多噴孔１６から
は，副室２内に各種の燃料を噴射できる。アッパチャン
バ９には，シリンダヘッド側に取り付けられたグロープ
ラグ１８がピストン上死点近傍で突入するプラグ孔１５
が形成されている。
【００２３】このディーゼルエンジンの燃焼室構造にお
いて，複数の連絡孔６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，中央挿入孔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から主室１への火炎，未燃混
合気等のガスがシリンダの周辺方向に向かって主室１へ
噴射されるように構成されている。また，連絡孔６を挿
入孔５の回りに設けることによって，副室２から主室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。
【００２４】また，燃料噴射ノズル１０は，シリンダヘ
ッド下面から下方に延び，ピストン上死点近傍で挿入孔
５に突入して副室２の中央に位置し，燃料噴射ノズル１
０に設けた多噴孔１６から副室２内に中央から副室２の
壁面２８に向かって燃料を噴射するように，多噴孔１６
が設定されている。また，副室構造体４に形成された副
室２は，シリンダの中央にほぼ位置しており，副室２と
主室１とを連通する連絡孔６は，副室２の外周部に位置
するように形成されている。
【００２５】このディーゼルエンジンの燃焼室構造は，
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，このディーゼルエンジンの燃焼
室構造では，吸気行程において吸気ポートを通じてシリ
ンダ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，連絡孔６及び挿入孔５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が挿入孔
５をほとんど閉鎖すると，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１６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，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。次いで，膨張行程
へ移行して膨張行程初期では，燃料噴射ノズル１０が挿
入孔５をほとんど閉鎖しているので，副室２の火炎，未
燃混合気等のガスは副室２から連絡孔６を通じて主室１
側へ噴出する。
【００２６】この時，主室１と副室２とを連通する連絡
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をほぼピス
トン中央即ちシリンダ中央に形成し，副室２の外周から
連絡孔６を通じて主室１へ噴出する火炎，未燃混合気等
のガスは，連絡孔６を通じて火炎ジェット流となって主
室１に存在する新気を巻き込み，空気利用率を向上し，
混合燃焼が促進され，次いで，ピストン３が下降して燃
料噴射ノズル１０が挿通孔５から抜け出て，挿入孔５が
開放し，副室２から挿入孔５を通じて主室１へ火炎，未
燃混合気等のガスが噴出し，主室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。
【００２７】
【発明の効果】この発明によるディーゼルエンジンの燃
焼室構造は，上記のように構成されているので，前記副
室構造体を前記ピストンに容易に組み付けることがで
き，前記副室について良好な遮熱構造を構成することが
できる。そして，前記副室がほぼシリンダ中央に位置す
るため，前記副室から前記主室へ噴き出される火炎，未
燃混合気等のガスのシリンダ壁面への到達が均一になる
と共に，噴出期間が短縮され，前記主室での二次燃焼期
間を短縮することができる。また，前記副室には複数の
前記連絡孔から空気が流入するので，前記副室内での渦
流速が小さくなり，前記副室から外部への熱損失を小さ
く抑えることができる。更に，前記連絡孔は複数形成さ
れ，全体で前記連絡孔の通路面積は大きくなり，前記連
絡孔による絞り損失が小さくなり，出力が大きくなる。
【００２８】また，前記副室から前記連絡孔を通じて前
記主室へ噴出する火炎，未燃混合気等のガスは，前記副
室から前記連絡孔を通じて前記主室に均等に且つシリン
ダ周辺まで一気に高速で噴出される。即ち，前記副室内
の火炎，未燃混合気等のガスは，前記連絡孔にガイドさ
れて火炎ジェットとなって前記主室に残存している新気
との混合を促進して燃焼スピードをアップして燃焼期間
が短縮され，二次燃焼を短期に完結することができ，熱
効率を向上させてＮＯｘ，ＨＣ，スモークの発生を抑制
できる。従って，このディーゼルエンジンの燃焼室構造
は，ＨＣ等の発生を抑制し，しかも前記副室で一次燃焼
を行わせるので，ＮＯｘの発生を抑制できる。
【００２９】また，このディーゼルエンジンの燃焼室構
造では，前記ピストンに形成された前記キャビティは前
記アッパチャンバが配置される大径部と前記ロアチャン
バが配置される小径部から形成され，前記大径部と前記
小径部との境界には段部が形成され，前記アッパチャン
バはガスケットを介して前記段部と前記ロアチャンバの
上面とに載置されているので，前記副室の遮熱度を向上
でき，セタン価の低い低質燃料，即ち，着火し難い燃料
を燃焼させるのに優れており，前記副室の壁温が高くな
り，前記副室での着火ミスがなく，一次燃焼が確実に且
つ良好に行われる。また，前記副室構造体における前記
アッパチャンバは，上部外周に環状段部が形成されてお
り，該環状段部と前記ピストンの前記キャビティの周縁
部とで形成される環状溝に環状リングを溶着してピスト
ンに簡単に取り付けられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるディーゼルエンジンの燃焼室構
造の一実施例を示す断面図である。
【図２】図１の線Ａ−Ａにおける断面図である。
【符号の説明】
１ 主室 ２ 副室 ３ ピストン ４ 副室構造体 ５ 中央挿入孔 ６ 連絡孔 ７ 環状リング ８ ロアチャンバ ９ アッパチャンバ １０ 燃料噴射ノズル １１ 段部 １２，１３ ガスケット １４ 大径部 １５ プラグ孔 １６ 多噴孔 １７ ピストンヘッド部 １８ グロープラグ １９ キャビティ ２０ ピストンスカート部 ２２ 環状段部 ２３ アッパチャンバの対向面 ２４ 小径部 ２５ ロアチャンバの対向面 ２６ 突起 ２７ 隙間 ２８ 副室の壁面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｆ 3/26 Ｆ０２Ｆ 3/26 Ａ 11/00 11/00 Ｚ

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 シリンダ内を往復運動するほぼシリンダ
    中央にキャビティを形成したピストン，シリンダヘッド
    側に設けられた燃料噴射ノズル，及び前記キャビティに
    空気層と低熱伝導ガスケットを介して配置され且つ副室
    をほぼシリンダ中央に構成する副室構造体を具備し，前
    記副室構造体はアッパチャンバとロアチャンバとで構成
    され，前記アッパチャンバには前記燃料噴射ノズルがピ
    ストン上死点近傍で前記副室に突入できる中央挿入孔と
    該中央挿入孔の周方向に隔置した前記副室と主室とを連
    通する複数の連絡孔が形成され，前記ピストンに形成さ
    れた前記キャビティには前記ロアチャンバがガスケット
    を介して載置されると共に前記アッパチャンバが前記ロ
    アチャンバン上に配置され，前記アッパチャンバはピス
    トン上面に位置する部分が小径部に且つ該小径部の下方
    部が大径部に形成され，前記アッパチャンバに設けられ
    た上部外周の環状段部と前記ピストンの前記キャビティ
    の周縁部とで形成される環状溝に環状リングが嵌装され
    て溶着されているデイーゼルエンジンの燃焼室構造。
  2. 【請求項２】 前記アッパチャンバと前記ロアチャンバ
    との対向面には耐熱性を有するガスケットが配置されて
    いることを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエン
    ジンの燃焼室構造。
  3. 【請求項３】 前記アッパチャンバの外周面には複数の
    突起が隔置して形成され，前記突起が前記ピストンの前
    記キャビティの周縁部と部分的に接触し，前記突起以外
    の前記アッパチャンバの外周面と前記ピストンの前記キ
    ャビティの周縁との間には隙間が形成されていることを
    特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジンの燃焼
    室構造。
  4. 【請求項４】 前記アッパチャンバの段部上面と前記環
    状リングとの接触部には，熱伝導率の小さいガスケット
    を挾んで取り付けられていることを特徴とする請求項１
    に記載のディーゼルエンジンの燃焼室構造。
  5. 【請求項５】 前記アッパチャンバには前記シリンダヘ
    ッド側に取り付けられたグロープラグがピストン上死点
    近傍で前記副室に突入するプラグ孔が形成されているこ
    とを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のディー
    ゼルエンジンの燃焼室構造。
  6. 【請求項６】 前記燃料噴射ノズルは，多噴孔を有し，
    該多噴孔を通じて前記副室内に各種の燃料を噴射できる
    と共に，前記連絡孔はシリンダ周辺に向かって放射状に
    形成されていることを特徴とする請求項１〜５に記載の
    ディーゼルエンジンの燃焼室構造。
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