JP2987988B2 - 副室式エンジンの燃焼室構造 - Google Patents

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
室を形成すると共にシリンダヘッドに副室を形成した副
室式エンジンの燃焼室構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、副燃焼室の構造として、特開平２
−１１２６１３号公報に開示されたものがある。該副燃
焼室の構造は、主燃焼室に噴孔を通じて連通した副燃焼
室を形成する副燃焼室壁体を断熱材によって構成し、前
記副燃焼室壁体の内壁面のセラミック材から成る薄膜部
材を配置すると共に、前記副燃焼室壁体の外周面に金属
製保護筒を嵌着したものである。

【０００３】また、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】更に、本出願人が先に出願した特願平２−
１７３８８８号には、上記のような副室式エンジンが開
示されている。該副室式エンジンは、ピストンヘッドに
は開口部が絞り込まれた主室を備えていないが、ピスト
ンヘッドにピストン上死点で連絡孔に突入する突出部が
形成されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、先行技術と
して、図３に示すような副室式エンジンが開示されてい
る。該副室式エンジンは、副室３２とリエントラント型
ピストン３６とを組み合わせた構造を有しており、副室
３２はシリンダヘッド３３に配置した副室壁体３４で形
成され、副室３２はピストン３６に形成された主燃焼室
３１に連絡孔３７を通じて開放されている。更に、副室
壁体３４には、副室３２内に燃料を噴射するため燃料噴
射ノズル４０が配置されている。また、ピストン３６の
ピストンヘッド３８には、主燃焼室３１を構成するキャ
ビティ３９が形成され、該キャビティ３９の底面２９の
中央部分から上方に伸びる突出部３５が設けられてい
る。この突出部３５は、上死点近傍においてシリンダヘ
ッド３３に配置した副室壁体３４に形成した連絡孔３７
に突入可能に形成されている。

【０００６】図３に示す上記副室式エンジンは、突出部
３５の上端部が上死点近傍において連絡孔３７を絞る作
用を果たし、それによって副室３２内は密閉空間とな
る。従って、圧縮行程終端において燃料噴射ノズル４０
から副室３２内に噴射された燃料は、副室３２内に留ま
り、燃料と空気との混合、分解及び一次燃焼を行って均
一な混合気を形成しながら、副室３２内の圧力を上昇さ
せる。次いで、膨張行程でピストン３６が下降すると、
突出部３５が連絡孔３７から抜け出して連絡孔３７が完
全な開放状態になる。そこで、副室３２内の混合気及び
火炎は副室３２と主燃焼室３１との圧力差によって一気
に主燃焼室３１へ流れ込み、主燃焼室３１での二次混合
を行って二次燃焼を行う。次いで、ピストン３６が更に
下降して主燃焼室３１からシリンダヘッド３３とピスト
ンヘッド３８上面とで形成されるシリンダ室側へ逆スキ
ッシュによって吹き出され、三次燃焼を行い、理想的な
燃焼がおこなわれる。

【０００７】しかしながら、副室３２から主燃焼室３１
へ吹き出される混合気と火炎との流れは、主燃焼室３１
からシリンダ室へ吹き出される逆スキッシュとは、流れ
方向が逆方向であるため、副室３２から主燃焼室３１へ
の火炎と混合気との吹き出しタイミングによっては、副
室３２から主燃焼室３１への流れ込みが阻害され、確実
に主燃焼室３１に流入せず、シリンダ室４１側へ流出す
る現象が発生し、主燃焼室３１での良好な二次混合及び
二次燃焼及びシリンダ室４１での良好な三次混合及び三
次燃焼が行われず、燃焼を悪化させることがある。

【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、シリンダヘッドに副室を形成し、
該副室に燃料を副室に噴射する燃料噴射ノズルを配置
し、リップ部で形成した開口部を有する主燃焼室をピス
トンヘッドに形成すると共にピストン上死点で連通孔に
突入する突出部をピストンヘッドに形成し、特に、連絡
孔をガス通路を通じて主室に連通し、副室で一次燃焼し
た燃焼ガス及び混合気を副室からガス通路を通じて主室
に確実に流入させ、主室内で燃焼ガスと空気との二次混
合を促進して火炎と空気との混合を短期に達成して良好
に二次燃焼させ、次いで、前記主室からリップ部による
逆スキッシュによってシリンダヘッド下面とピストンヘ
ッド上面との間に形成されるシリンダ室に流出させて三
次混合を良好に行って三次燃焼させて完全に燃焼させ、
ＨＣ、ＮＯ_X の発生を抑制する副室式エンジンの燃焼室
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、シリンダヘッドに形成した副室、ピストン
ヘッドに形成したキャビティで構成され且つ先尖り状リ
ップ部から成る燃焼室開口を備えた主室、前記副室をシ
リンダ側に開口する連絡孔、該連絡孔に対向するピスト
ンヘッド上面に形成された入口部から前記主室下部へ通
じる前記ピストンヘッドに形成したガス通路、及びピス
トン上死点近傍で前記連通孔に突入可能な前記ピストン
ヘッドに設けた突出部、から構成した副室式エンジンの
燃焼室構造に関する。

【００１０】また、この副室式エンジンの燃焼室構造に
おいて、前記副室から吹き出す火炎と混合気を前記ガス
通路内へとガイドするため、シリンダヘッド下面より下
方に突出した前記連絡孔を形成する環状突出部をピスト
ン上死点近傍で前記ガス通路の前記入口部に突入可能に
構成したものである。

【００１１】

【作用】この発明による副室式エンジンの燃焼室構造
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、この副室式エンジンの燃焼室構造は、連絡孔
に対向するピストンヘッド上面に形成された入口部から
主室下部へ通じるガス通路をピストンヘッドに形成した
ので、該ガス通路を通って前記副室で一次燃焼した火炎
及び混合気はリエントラント型燃焼室の前記主室へ確実
にガイドされて流入する。従って、主室からシリンダヘ
ッド下面とピストンヘッド上面との間に形成されるシリ
ンダ室への逆スキッシュ流は前記副室から吹き出される
火炎と混合気に阻害されることがない。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明による副室
式エンジンの燃焼室構造の実施例を説明する。まず、図
１及び図２を参照して、この発明による副室式エンジン
の燃焼室構造の一実施例を説明する。図１はこの発明に
よる副室式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の副室式断熱エンジンの燃焼室構造
におけるピストンを示す平面図である。

【００１３】図示のように、この副室式エンジンの燃焼
室構造は、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
断熱構造の副室２、シリンダブロック１４に形成したシ
リンダ２３内を往復運動するピストン１７、副室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２２で構成される
主室１を有している。副室２の断熱構造については、例
えば、シリンダヘッド７に形成された凹部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に取付金具で固定されている。ま
た、副室壁体３の下部はシリンダヘッド下面１３の一部
を構成している。該副室壁体３の下面中央部には、シリ
ンダヘッド下面１３とピストンヘッド上面１１との間に
形成されるシリンダ室１２側に開口する連通孔９が形成
されている。また、副室壁体３には副室２に燃料を噴射
する燃料噴射ノズル６が配置されている。なお、吸排気
ポート２５には吸排気弁２６（一方を図示）が配置され
ている。

【００１４】この副室式エンジンの燃焼室構造におい
て、ピストンヘッド４に形成したキャビティ２２で構成
される主室１は、先尖り状リップ部２０から成る燃焼室
開口１８を備えているリエントラント型燃焼室である。
ピストンヘッド４には、連絡孔９に対向するピストンヘ
ッド上面１１に形成された入口部１５から主室下部１６
へ通じるガス通路８が形成されている。入口部１５は上
方側へ拡開した形状に形成されている。ピストンヘッド
４の入口部１５の中央には、ピストン上死点近傍で連絡
孔９に突入可能な突出部５がガス通路底面から突出して
いる。図では、突出部５の上面２１は、ピストンヘッド
上面１１より僅かに下方に位置している。この突出部５
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窒化ケイ素等
のセラミックスで構成されることが好ましいものであ
る。

【００１５】また、副室２を形成する副室壁体３の連絡
孔９を形成する壁部分は、副室壁体３で形成したシリン
ダヘッド下面１３より下方へ伸び出した環状突出部１０
で形成されている。この環状突出部１０は、ピストン上
死点近傍に位置する時に、副室２から吹き出す火炎と混
合気をガス通路８内へとガイドするため、ガス通路８の
入口部１５に突入可能になる。

【００１６】この副室式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、次のように作用する。即
ち、この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１
７に設けた突出部５が連通孔９に突入し、連絡孔９の流
路面積を絞った状態になる。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、圧縮行程終端付近で
は副室２への流入空気は押し込められ、副室２内で強力
な乱れを形成するようになる。この状態で、燃料噴射ノ
ズル６から副室２内に噴射された燃料噴霧は、副室２で
の流動空気と良好な一次混合を達成して燃料リッチで一
次燃焼をすることになる。一方、ピストンヘッド４に形
成されたリエントラント型燃焼室である主室１には、主
室１の燃焼室開口１８を形成するリップ部２０の作用に
よってシリンダ室１２内に存在する空気がシリンダ室１
２から主室１内に強力なスキッシュ流で流入し、主室１
内に強力な空気乱れを形成している。

【００１７】次いで、この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室２
からの混合気と火炎とは、ピストンヘッド４に形成した
入口部材１５からガス通路８へと吹き出され、ガス通路
８を通って主室１の下部１６から主室１へ高速で勢い良
くスムースに流入される。主室１内に流入した混合気と
火炎とは、主室１内で強力な空気乱れの新気と短時間に
二次混合を行い、二次燃焼を達成する。更に、ピストン
１７は下降し、主室１内で二次燃焼した火炎と二次混合
気とは、主室１の開口１８からリップ部２０の作用で逆
スキッシュでシリンダ室１２へと吹き出され、該シリン
ダ室１２に存在する新気と三次混合して三次燃焼を行
い、燃焼を完全に完結する。

【００１８】従って、この副室式エンジンの燃焼室構造
は、燃料噴射ノズル６から副室２に噴射された燃料は、
副室２で副室２内の空気と一次混合して一次燃焼し、副
室２から吹き出された火炎と混合気はガス通路８を通っ
てスムースに主室１に流入し、主室１で主室１に存在す
る新気と二次混合して二次燃焼し、次いで主室１から逆
スキッシュ流でシリンダ室１２に吹き出され、該シリン
ダ室１２でシリンダ室１２に存在する新気と三次混合し
て三次燃焼することができ、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、この副室式エンジンによれば、燃焼サイクルに
おいて燃焼期間が短縮され、燃費が改善され、ＨＣ、Ｎ
Ｏ_X の発生を抑制することができる。

【００１９】

【発明の効果】この発明による副室式エンジンの燃焼室
構造は、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、この副室式エンジンの燃焼室構造は、
シリンダヘッドに副室を形成し、前記副室を連絡孔でシ
リンダ側に開口し、ピストンヘッドに先尖り状リップ部
から成る燃焼室開口を備えた主室を形成し、前記ピスト
ンヘッドに形成したガス通路で前記連絡孔に対向するピ
ストンヘッド上面の入口部を前記主室下部に連通し、更
にピストン上死点近傍で前記連通孔に突入可能な突出部
を前記ピストンヘッドに設けたので、前記副室で一次燃
焼した火炎及び混合気は前記ガス通路を通ってリエント
ラント型燃焼室の前記主室へ確実にガイドされて流入す
る。従って、前記主室からシリンダヘッド下面とピスト
ンヘッド上面との間に形成されるシリンダ室への逆スキ
ッシュ流は前記副室から吹き出される火炎と混合気に阻
害されることがない。

【００２０】従って、前記副室で一次燃焼した燃焼ガス
及び混合気は前記副室から前記ガス通路を通じて前記主
室に確実に且つスムースに流入し、該火炎と混合気とは
前記主室内で新気と二次混合を促進して火炎と空気との
混合を短期に達成して良好に二次燃焼する。次いで、前
記主室から流出する火炎と混合気とは前記主室からリッ
プ部による逆スキッシュによって前記シリンダ室に流出
して前記シリンダ室内の新気と三次混合を良好に行って
三次燃焼して完全に燃焼を完結し、ＨＣ、ＮＯ_X の発生
を抑制することができる。

【００２１】また、この副室式エンジンの燃焼室構造
は、副室から吹き出す火炎と混合気を前記ガス通路内へ
とガイドするため、シリンダヘッド下面より下方に突出
した前記連絡孔を形成する環状突出部をピストン上死点
近傍で前記ガス通路の前記入口部に突入可能に構成した
ので、前記副室から吹き出される火炎と混合気とはシリ
ンダ室に流出することなく、前記ガス通路に案内されて
スムースに確実に前記主室へと吹き込まれる。

【００２２】この副室式エンジンの燃焼室構造では、前
記副室内で発生している強力な空気流動即ちスワール中
に前記副室に配置した燃料噴射ノズルからの噴霧燃料が
噴射され、該燃料噴霧と副室内の空気とは一次混合して
良好な混合気が形成されて着火して一次燃焼を行う。即
ち、ピストン上死点で前記連絡孔は流通面積が小さくな
って絞り状態になり、それによって前記副室内は密閉空
間となり、前記副室に導入される空気は前記副室内で強
力なスワールを発生する。圧縮行程終端において燃料噴
射ノズルから噴射された噴霧燃料は前記スワールと良好
な混合気を形成し、前記副室で燃料リッチな状態で燃焼
して前記副室内の圧力を上昇させると共に、ＮＯ_X の発
生を抑制した燃焼を行う。次いで、膨張行程でピストン
が下降すると、前記突出部が前記連絡孔から抜け出して
前記連絡孔が完全な開放状態になる。そこで、前記副室
内の混合気及び火炎は前記副室と前記ガス通路（従っ
て、前記主室）との圧力差によって一気に前記ガス通路
を通って前記主室へ流れ込み、前記主室で二次混合を行
って二次燃焼を行う。次いで、ピストンが更に下降して
前記主室からシリンダヘッド下面とピストンヘッド上面
とで形成されるシリンダ室側へ逆スキッシュによって吹
き出され、三次燃焼を行い、理想的な燃焼が完結する。

【００２３】従って、この副室式エンジンの燃焼室構造
は、燃焼サイクルにおいて、前記副室で一次燃焼、次い
で前記主室で二次燃焼、最後に前記シリンダ室で三次燃
焼の３回に燃焼を行うので、ＨＣ、ＮＯ_X の発生を抑制
することができる。しかも、前記連通孔には前記突出部
が突入する構成であるので、前記連通孔自体を、従来の
副室式エンジンのように絞る必要がなく、大径に形成で
きるので、前記副室に空気を導入する場合の絞り損失は
なく、エンジン性能を低下することなく、高効率のエン
ジンを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による副室式エンジンの燃焼室構造の
一実施例を示し且つ燃焼サイクル中の圧縮行程後半の状
態を示す断面図である。

【図２】図１の副室式エンジンの燃焼室構造におけるピ
ストンの上面を示す平面図である。

【図３】副室式エンジンの燃焼室構造の一例を示す断面
図である。

【符号の説明】

１ 主室 ２ 副室 ３ 副室壁体 ４ ピストンヘッド ５ 突出部 ６ 燃料噴射ノズル ７ シリンダヘッド ８ ガス通路 ９ 連通孔 １０ 環状突出部 １１ ピストンヘッド上面 １２ シリンダ室 １３ シリンダヘッド下面 １６ 主室下部 １７ ピストン １８ 燃焼室開口 ２０ リップ部 ２２ キャビティ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F02B 19/02 F02B 19/04 F02B 19/08 F02B 19/14 F02B 19/16 F02B 19/18 F02B 23/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダヘッドに形成した副室、ピスト
   ンヘッドに形成したキャビティで構成され且つ先尖り状
   リップ部から成る燃焼室開口を備えた主室、前記副室を
   シリンダ側に開口する連絡孔、該連絡孔に対向するピス
   トンヘッド上面に形成された入口部から前記主室下部へ
   通じる前記ピストンヘッドに形成したガス通路、及びピ
   ストン上死点近傍で前記連通孔に突入可能な前記ピスト
   ンヘッドに設けた突出部、から構成した副室式エンジン
   の燃焼室構造。
2. 【請求項２】 前記副室から吹き出す火炎と混合気を前
   記ガス通路内へとガイドするため、シリンダヘッド下面
   より下方に突出した前記連絡孔を形成する環状突出部を
   ピストン上死点近傍で前記ガス通路の前記入口部に突入
   可能に構成した請求項１に記載の副室式エンジンの燃焼
   室構造。