JP3047493B2 - 断熱副室式エンジン - Google Patents

断熱副室式エンジン

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JP3047493B2 JP3073786A JP7378691A JP3047493B2 JP 3047493 B2 JP3047493 B2 JP 3047493B2 JP 3073786 A JP3073786 A JP 3073786A JP 7378691 A JP7378691 A JP 7378691A JP 3047493 B2 JP3047493 B2 JP 3047493B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は,ピストンヘッド
に主燃焼室を有すると共にシリンダヘッドに副燃焼室を
有する断熱副室式エンジンに関する。
【0002】
【従来の技術】従来,副室式内燃機関の副燃焼室につい
て,実開昭59−21024号公報に開示されたものが
ある。該副室式内燃機関の副燃焼室は,シリンダヘッド
に渦流室燃焼室を有し,該燃焼室体の全体をセラミック
スで形成すると共に,該セラミックスの燃焼室体とシリ
ンダヘッドとの嵌合部の大部分に空気層を形成し,更に
燃焼室体とシリンダヘッドとの嵌合部のシリンダ側端部
をシール材でガスシールし,かつ燃焼室体とその挿入機
器との挿入部もシール材でガスシールしたものである。
【0003】更に,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開平2−119616号
には,副燃焼室式断熱エンジンが開示されている。該副
燃焼室式断熱エンジンは,燃料噴射ノズルを備え且つ断
熱構造に構成した副燃焼室と吸排気バルブを備えた主燃
焼室とを連絡孔で連通し,該連絡孔を開閉する制御バル
ブを配設し,該制御バルブをエンジンの圧縮行程終わり
近くで前記連絡孔を開放して吸入空気を一気に副燃焼室
に導入し,更に吸入行程時は前記連絡孔を閉鎖して副燃
焼室への吸入空気の導入を阻止するものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら,副室を
持つエンジンの欠点としては,主燃焼室と副燃焼室とを
連通する連絡孔の絞りによって,副燃焼室から主燃焼室
へ燃焼ガスが移動する時,連絡孔のため絞り損失が発生
し,エンジン性能を低下させるということである。一
方,連絡孔はその通路断面積が小さい方が,副燃焼室内
へ導入される吸入空気で形成される渦流が増速するとい
う効果がある。
【0005】ところで,通常,副室式エンジンでは,副
室から主室への燃焼ガス即ち火炎の吹き出しは一方向に
限定されている。そして,火炎の吹き出しの初期におけ
る流出速度は,副室と主室との圧力差が大きく,火炎の
吹き出し前半では速い速度で火炎は吹き出されるが,火
炎の吹き出し後期には流出速度が低下し,主室に存在す
る空気との混合に時間がかかり,燃焼期間が長くなり,
燃費が悪化し,ハイドロカーボンHCの発生の原因にな
っている。
【0006】また,断熱副室式エンジンでは,燃焼スピ
ードを上昇させ,燃焼を早期に完結することが必要であ
る。その理由は,断熱エンジンのように圧縮端温度が,
冷却エンジンと比較して約250℃以上も高い場合に
は,圧縮空気は粘性が増大し,該空気中に噴射された燃
料は空気との混合が理想的に行われない。一方,燃料
は,高温雰囲気では着火遅れが短く,冷却エンジンと比
較して5分の1位の時間で着火する。従って,瞬間的に
燃料と空気とを混合させなければならないが,空気と燃
料との初期混合燃焼は,当量比を抑えた濃混合気で行わ
れるのが良く,希薄混合燃焼は,拡散燃焼部で行われる
のが良いという課題がある。
【0007】この発明の目的は,上記の課題を解決する
ことであり,連絡孔を通じて副燃焼室から主燃焼室へ燃
焼ガスを移動させる時には連絡孔による絞り損失を低減
するため連絡孔の通路断面積を大きく構成し,また,連
絡孔を通じて主燃焼室側から副燃焼室内へ吸入空気を導
入する時には渦流を増速するため連絡孔の通路断面積を
小さく構成したものであり,副燃焼室と主燃焼室とを連
通する連絡孔を2つ設け,連絡孔の通路断面積を大きく
する時には両方の連絡孔を開放し,連絡孔の通路断面積
を小さくする時には一方の連絡孔を閉鎖するように作動
し,副燃焼室での燃料と空気との混合を良好にしてNO
X の発生を抑制する断熱副室式エンジンを提供すること
である。
【0008】
【課題を解決するための手段】この発明は,シリンダヘ
ッドに設けられた断熱構造の副室壁体で形成された副燃
焼室,前記副室壁体の下部に形成された通路面積の小さ
い小連絡孔と大きい大連絡孔,前記大連絡孔に対向する
位置でピストンヘッドに形成された主燃焼室,前記副燃
焼室に配置された多噴孔を有する燃料噴射ノズル,及び
前記大連絡孔を圧縮行程中は閉鎖し且つ燃料噴射後の前
記副燃焼室の圧力上昇時に開放する開閉バルブを有し,
前記副室壁体の壁面が前記小連絡孔と前記大連絡孔から
前記副燃焼室に導入される空気渦流の流れ方向に対して
断面四角形の壁面に形成され,前記燃料噴射ノズルの前
記多噴孔から前記副燃焼室に噴射される噴射燃料の噴射
方向が前記断面四角形の壁面に対して斜め方向に衝突す
るように設定されていることから成る断熱副室式エンジ
ンに関する。
【0009】また,前記開閉バルブは電磁力で作動さ
れ,前記開閉バルブはエンジンの作動状態に応答して開
度タイミング及びバルブリフト量が制御されるものであ
る。
【0010】また,前記開閉バルブは前記副燃焼室内の
圧力が予め決められた設定圧力以上の圧力に応答して前
記大連絡孔を開放するものである。
【0011】この断熱副室式エンジンは,上記のように
構成されているので,エンジンの圧縮行程では小連絡孔
を通じて副燃焼室に空気が流れ込み,副燃焼室内に強い
渦流を形成する。この渦流に乗るように燃料噴射ノズル
から燃料が噴射され,空気と燃料とが瞬時に混合され着
火する。着火した混合気は急速に燃焼し,副燃焼室内は
一気に圧力が上昇し,燃焼が促進される。それと同時
に,大連絡孔を閉鎖していた開閉バルブが開放され,燃
焼ガス及び火炎は一気に主燃焼室に流れ込み,燃焼スピ
ードを上昇して理想的な燃焼を実現する。
【0012】
【発明の実施の形態】以下,図面を参照して,この発明
による断熱副室式エンジンの実施例を説明する。図1は
この発明による断熱副室式エンジンの一実施例を示す断
面図である。図1に示すように,この断熱副室式エンジ
ンは,シリンダブロック14,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
造の副燃焼室2,シリンダブロック14に形成した孔部
に嵌合したシリンダライナ22,シリンダライナ22に
形成したシリンダ18内を往復運動するピストン17,
副燃焼室2内に多噴孔16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20で構成される断熱構造の主燃焼室1を有してい
る。副燃焼室2の断熱構造については,例えば,シリン
ダヘッド7に形成された穴部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に固
定金具27で固定されている。副室壁体3の外側面とシ
リンダヘッド7の穴部19の内面との間には,場合によ
っては断熱空気層を形成し,副燃焼室2の断熱度を向上
させることができる。主燃焼室1の断熱構造について
は,例えば,ピストンヘッド4のキャビティ22をセラ
ミックス等から成る断熱壁体即ち主室壁体10によって
断熱構造に構成されている。なお,吸排気ポート25に
は吸排気弁26が配置されている。
【0013】特に,この断熱副室式エンジンにおいて,
副室壁体3の下面の薄い壁体15はシリンダヘッド下面
13の一部を構成しており,副室壁体3の下面中央側に
は副燃焼室2を主燃焼室1に対向した部位に大連通孔9
が形成され,副室壁体3の下面外周側には小連絡孔8が
形成されている。大連絡孔9は,通路断面積が大きい通
路であり,該通路を開閉するため開閉バルブ11が配置
されている。小連絡孔8は,通路断面積が小さい通路で
あり,該通路は副燃焼室2と主燃焼室1とを常時連通し
ている。例えば,小連絡孔8の通路断面積を0.9%以
下に形成し,また,大連絡孔9の通路断面積を3%以下
に形成する。開閉バルブ11を構成する,バルブフェー
ス及びバルブステム23は,耐熱性に富んだセラミック
スで製作されている。また,開閉バルブ11のバルブガ
イド32は,耐熱性に富んだセラミックスで副室壁体3
と一体構造に構成することが好ましい。バルブガイド3
2及びバルブステム23が耐熱性に富むセラミックスで
構成されると,バルブガイド32とバルブステム23と
の間で,温度差が発生したとしても両者間のクリアラン
スは殆ど変化しないので,開閉バルブ11はスムースに
摺動でき,副燃焼室2から外部にガスが漏洩することも
ない。
【0014】また,開閉バルブ11は,図示のように,
電磁力で作動される電磁駆動バルブで構成することがで
きる。開閉バルブ11のバルブステム23の一端に磁性
材料から成る吸着板21を取り付け,バルブステム23
の上部外周に磁路となるコイルケース33を配置し,コ
イルケース33内に電磁コイル12を配置する。コイル
ケース33と吸着板21との間には,開閉バルブ11を
閉鎖する方向に付勢したリターンスプリング31が配置
されている。コントローラ30からの指令によって,電
磁コイル12に電流が供給される開閉バルブ11の開閉
が制御される。コントローラ30には,エンジン回転,
クランク位置,エンジン負荷等のエンジンの作動状態の
各信号が入力され,該作動状態に応答して開閉バルブ1
1の開閉を制御するように構成されている。エンジン負
荷は,燃料噴射ノズルへ供給する燃料流量,或いはアク
セルペダルの踏込み量を検出する負荷センサー24で検
出できる。クランク位置は位置センサー28で検出でき
る。また,エンジン回転は回転センサー29で検出する
ことができる。コントローラ30は,上記エンジンの作
動状態の信号を受けて,該信号に応答して開閉バルブ1
1の開度タイミング及びバルブリフト量を決定し制御す
るものである。
【0015】或いは,開閉バルブ11は,図示していな
いが,コントローラ30で制御することなく,副燃焼室
2内の圧力が予め決められた設定圧力以上の圧力に応答
して大連絡孔9を開放するように構成してもよいもので
ある。例えば,開閉バルブ11をスプリングのばね力で
閉鎖しておき,該ばね力を副燃焼室2内が設定圧力以上
の圧力になった状態で該ばね力に抗して開閉バルブ11
を下降させて大連絡孔9を開放するように構成すること
ができる。
【0016】副燃焼室2に配置された燃料噴射ノズル6
は,副燃焼室2内に燃料を放射状に噴霧し,噴射燃料が
副室壁体3の壁面5に衝突できるようにノズル軸線の周
方向に形成した多噴孔16を備えている。燃料噴射ノズ
ル6は,副燃焼室2内でほゞ中央壁面から水平軸線方向
に伸びて配置され,多噴孔16は副燃焼室2の壁面5に
向かって開口している。即ち,副燃焼室2の内部即ち副
室壁体3の壁面5は,小連絡孔8と大連絡孔9から導入
される空気渦流Sの流れ方向に対して断面四角形の壁面
5,言い換えれば,直方体の壁面を有している。副燃焼
室2を構成する副室壁体3について,燃料噴射ノズル6
の多噴孔16から噴射される噴射燃料Fの噴射方向は断
面四角形の壁面5に対して斜め方向に衝突するように設
定されている。
【0017】更に,この断熱副室式エンジンにおいて,
ピストンヘッド4にはキャビティ20が形成され,キャ
ビティ20の壁面にはセラミックス等から成る壁体10
によって主燃焼室1を断熱構造に構成されている。副燃
焼室2を主燃焼室1に連通する連絡孔9は,主燃焼室1
の一端側に対向するように,副室壁体3に形成されてい
る。
【0018】この断熱副室式エンジンは,小連絡孔8と
大連絡孔9とを備えた構成に加えて次の特徴を有してい
る。即ち,副燃焼室2内に発生している渦流S及び自由
噴流Fのエネルギーを積極的に利用し,噴射燃料を高温
の壁面5に衝突させて反射させ,熱エネルギーを活用す
ることで,空気と燃料との混合を瞬時に行って燃焼スピ
ードを上昇させることである。そこで,小連絡孔8から
導入された吸入空気は流入方向に上下に渦流Sを形成し
ており,渦流Sは副燃焼室2内で渦流帯となって旋回し
ている。また,燃料噴射ノズル6から噴射された燃料噴
霧Fは相当のエネルギーを持って自由噴流Fとなって流
れる。そこで,自由噴流Fを高温で熱エネルギーを持っ
た断面四角形の壁面5に衝突させて反射させ,反射燃料
噴霧Fが壁面5に沿って渦流Sの外周側を順方向に流れ
るようにすれば,新気は渦流Sの中心で旋回しており,
反射噴霧Fは渦流外周で均一に分散し,空気と燃料とが
瞬時に混合し,燃料の初期混合燃焼は当量比を抑えた濃
混合気で行われ,NOX の発生を抑制すると共に,燃料
噴霧が均一に分散しているのでHCの発生を抑制するこ
とができる。
【0019】この断熱副室式エンジンの燃焼室を上記の
ように構成することによって,従来の断熱エンジンの燃
焼室では正味平均有効圧(Pm e )が3〜4kg/cm
2 であったものが,本発明の燃焼室では正味平均有効圧
(Pm e )が6〜7kg/cm2 に向上させることがで
き,従来のものに比較してNOX の発生を3分の1〜4
分の1にまで低減できた。
【0020】この断熱副室式エンジンは,上記のように
構成されているので,次のように作用する。この断熱副
室式エンジンでは,小連絡孔8は主燃焼室1と副燃焼室
2とを常時連通させ,また,大連絡孔9には開閉バルブ
11が配置されている。そこで,燃焼サイクルにおい
て,圧縮行程中には主燃焼室1側から副燃焼室2に高速
で空気を導入して渦流Sを増速するため,大連絡孔9を
開閉バルブ11で閉鎖して小連絡孔8のみを連通状態に
して連絡孔の通路断面積を小さくする。それによって,
小連絡孔8を通じて主燃焼室1側から副燃焼室2内へ吸
入空気は高速で流入し,上下方向に流れる渦流Sは促進
される。次いで,燃料噴射ノズル6の多噴孔16から副
燃焼室2内に噴射された燃料噴霧Fは,自由噴流Fを形
成しながら進み,渦流ゾーンに進入し,その後,渦流S
に流されながら壁面5に衝突し,断面四角形の壁面5で
反射して壁面5に沿って流れ,反射燃料が渦流帯の中を
流れるようになり,燃料噴射ノズル6から噴射された燃
料はほとんどが渦流Sに乗ることができ,燃料噴霧は均
一に分散され,高温雰囲気での着火遅れが短い状態に合
わせて燃料と空気とは一気に混合して混合気を形成し,
該混合気は着火する。着火した混合気は急速に燃焼し,
副燃焼室2内は一気に圧力が上昇し,燃焼が促進され
る。しかも,副燃焼室2での燃焼は大連絡孔9が開放さ
れるまで持続され,十分に高圧になるまで燃料リッチで
NOX の発生を抑制して一次燃焼する。
【0021】副燃焼室2内で混合気が急速に燃焼する
と,副燃焼室2内は一気に圧力が上昇し,副燃焼室2で
は空気と燃料の初期混合燃焼では当量比を抑えた濃混合
気で燃焼が促進され,それと同時に,膨張行程に移り,
直ちに,開閉バルブ11を作動して閉鎖していた大連絡
孔9を開放する。大連絡孔9の開放すると,燃焼ガス及
び火炎は一気に主燃焼室1に流れ込み,理想的な燃焼を
実現する。従って,大連絡孔9と小連絡孔8を通じて副
燃焼室2から主燃焼室1へ燃焼ガス及び火炎を移動させ
るので,通路断面積は大きくなっており,絞り損失を低
減させることができる。そこで,燃焼ガス及び火炎は副
燃焼室2から主燃焼室1へ高速で勢い良くスムースに流
出させ,主燃焼室1の形状に沿って拡散し,主燃焼室1
内で燃焼ガスと主燃焼室1内に存在する新気とは混合が
促進され,火炎と空気との混合を短期に達成して良好に
二次燃焼を行い,完全に燃焼させて燃焼を完結する。従
って,燃料噴射ノズル6から噴射された燃料は,副燃焼
室2で一次燃焼,次いで主燃焼室1で二次燃焼を行うこ
とができ,燃料或いは混合気と空気との混合を促進して
燃焼期間が短縮され,燃焼スピードを上昇させることが
でき,燃費が改善され,エンジン出力を向上させ,H
C,NOX の発生を抑制することができる。
【0022】
【発明の効果】この発明による断熱副室式エンジンは,
上記のように構成されているので,エンジンの圧縮行程
では小連絡孔を通じて副燃焼室に空気が流れ込み,前記
副燃焼室内に強い渦流を形成させることができる。この
強い渦流に乗るように燃料噴射ノズルの多噴孔から噴射
された燃料噴霧は,自由噴流を形成しながら進み,増速
した渦流ゾーンに進入し,その後渦流に流されながら前
記副燃焼室の断面四角形の壁面に衝突し,該壁面で反射
して前記渦流の外周側で前記壁面に沿って流れ,燃料噴
霧は均一に分散され,高温雰囲気での着火遅れが短い状
態に合わせて燃料と空気とは一気に混合して着火され燃
焼する。着火した混合気は急速に燃焼し,前記副燃焼室
内は一気に圧力が上昇し,燃焼が促進される。それと同
時に,前記大連絡孔を閉鎖していた前記開閉バルブが開
放され,連通面積は一気に大きくなり,前記副燃焼室内
の燃焼ガス及び火炎は一気に前記主燃焼室に流れ込み,
火炎吹き出し速度を落とすことなく,燃焼スピードを上
昇して理想的な二次燃焼を完結する。従って,前記副燃
焼室と前記主燃焼室とを連通する通路面積による絞り損
失を低減できる。
【0023】また,前記開閉バルブは電磁力で作動さ
れ,前記開閉バルブはエンジンの作動状態に応答して開
度タイミング及びバルブリフト量が制御されるので,エ
ンジン作動状態で開度タイミング及びバルブリフト量を
自由に変更でき,前記大連絡孔の開放を最適時期に決定
することができ,レスポンスを向上できる。
【0024】また,前記開閉バルブは前記副燃焼室内の
圧力が予め決められた設定圧力以上の圧力に応答して前
記大連絡孔を開放すると,構成そのものを簡単にでき
る。更に,上記の電磁力で前記開閉バルブを作動する構
成を共用すれば,電磁力そのものは極めて小さい力で前
記開閉バルブを作動でき,開閉バルブ即ち電磁バルブを
小形に構成でき,開閉作動のレスポンスを向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明による断熱副室式エンジンの一実施例
を示す断面図である。
【符号の説明】
1 主燃焼室 2 副燃焼室 3 副室壁体 4 ピストンヘッド 5 壁面 6 燃料噴射ノズル 7 シリンダヘッド 8 小連絡孔 9 大連絡孔 10 主室壁体 11 開閉バルブ 12 電磁コイル 16 多噴孔 23 バルブステム 30 コントローラ S スワール
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F02B 19/02 F02B 19/08 F02B 19/18 F02D 15/04

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 シリンダヘッドに設けられた断熱構造の
    副室壁体で形成された副燃焼室,前記副室壁体の下部に
    形成された通路面積の小さい小連絡孔と大きい大連絡
    孔,前記大連絡孔に対向する位置でピストンヘッドに形
    された主燃焼室,前記副燃焼室に配置された多噴孔を
    有する燃料噴射ノズル,及び前記大連絡孔を圧縮行程中
    は閉鎖し且つ燃料噴射後の前記副燃焼室の圧力上昇時に
    開放する開閉バルブを有し,前記副室壁体の壁面が前記
    小連絡孔と前記大連絡孔から前記副燃焼室に導入される
    空気渦流の流れ方向に対して断面四角形の壁面に形成さ
    れ,前記燃料噴射ノズルの前記多噴孔から前記副燃焼室
    に噴射される噴射燃料の噴射方向が前記断面四角形の壁
    面に対して斜め方向に衝突するように設定されているこ
    とから成る断熱副室式エンジン。
  2. 【請求項2】 前記開閉バルブは電磁力で作動され,前
    記開閉バルブはエンジンの作動状態に応答して開度タイ
    ミング及びバルブリフト量が制御されることから成る
    求項1に記載の断熱副室式エンジン。
  3. 【請求項3】 前記開閉バルブは前記副燃焼室内の圧力
    が予め決められた設定圧力以上の圧力に応答して前記大
    連絡孔を開放することから成る請求項1に記載の断熱副
    室式エンジン。
JP3073786A 1991-03-14 1991-03-14 断熱副室式エンジン Expired - Lifetime JP3047493B2 (ja)

Priority Applications (5)

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