JP3092393B2 - 副室式エンジン - 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、主燃焼室、副燃焼室
及び該副燃焼室に噴孔を開口する燃料噴射ノズルを有す
る副室式エンジンに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、エンジンの燃焼改善を目的として
渦流室を持つ副室式エンジンが開発されている。このよ
うな副室式エンジンは、シリンダヘッドに形成した渦流
室即ち副燃焼室、該副燃焼室とシリンダ側に形成した主
燃焼室とを連通する連絡孔及び副燃焼室内に燃料を噴霧
する燃料噴射ノズルを有し、連絡孔を通じて副燃焼室に
流入する渦流によって副燃焼室内に噴射された燃料とで
混合気を形成させている。或いは、副室式エンジンで
は、副燃焼室をピストンに形成し、該副燃焼室内にピス
トン上死点近傍で突入するように構成したものが開示さ
れている。

【０００３】従来、副室断熱エンジンの一例として、特
開平３−１４５５１５号公報に開示されたものがある。
該副室断熱エンジンは、シリンダヘッド下面部のシリン
ダ対向中央に配置した断熱構造の副室を構成するセラミ
ック製副室ブロック、前記副室に対して接線方向に前記
副室ブロックに形成し且つ前記副室を主燃焼室に分離箇
所で連通する複数個の連絡孔、及び前記副室の中央上部
に配置し且つホールノズルタイプの多噴孔を備えた燃料
噴射ノズルから構成したものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の副室式エンジン
では、スワールチャンバタイプのもので、副室容積比を
５２〜５８％、連絡孔面積比を１．２〜１．６％程度
で、単噴孔ノズルで燃焼の最適化を図っている。副室式
燃焼室の燃料噴霧と空気との混合は、圧縮行程で圧縮さ
れた空気が絞りとなる連絡孔を通ることにより、空気の
流速が増し、これが混合気生成エネルギーとなり、燃料
噴霧との混合を促進していると考えられている。また、
膨張行程では副室での燃焼と連絡孔の絞り効果により、
燃焼ガスの副室から主室への噴出エネルギーとなり、主
室での燃焼を促進していると考えられている。このよう
な副室式エンジンでは、燃焼に重要な混合気生成エネル
ギー、及び噴出エネルギーが連絡孔の絞りにより形成さ
れているため、連絡孔の通路面積を大きくすることがで
きず、そのためポンプ損失が大きく、また、混合気生成
を激しい空気流動により得ているために、副室内の熱伝
導率が大きく、冷却水損失が大きくなっている。

【０００５】ところで、主室と副室を連通する連絡孔を
副室壁面の接線方向に角度を持たせて設けることによ
り、副室内の空気流動が活発化し、更に着火後、主室へ
の火炎の噴出エネルギーの減衰がなく、短時間に主室最
外周に火炎が到達するため、空気利用率が向上し、有害
ガスの少ないクリーンな燃焼が可能で出力も向上する。
副室をシリンダ軸中心に配置した２０００ｃｃ程度の副
室式エンジンを、実際に設計することによりバルブのス
ペースが制限される。従来の主燃焼室と副燃焼室とを連
通する連絡孔を多連絡孔に形成した場合に、各連絡孔の
傾斜角度は全て均一に設定されているため、ペントルー
フ型ピストンと組み合わせた場合に、それぞれの連絡孔
の出口の傾斜角度に対するピストン頂面の傾斜角度は一
定でなく、ピストン頂面における火炎、未燃混合気等の
ガスの拡がりも不均一になってしまうという問題を有し
ている。

【０００６】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、副燃焼室をシリンダヘッドに構成
し、主燃焼室をシリンダ側に形成し、主燃焼室と副燃焼
室とを連通する連絡孔を周方向に複数設けると共に、副
燃焼室から主燃焼室への噴流を吸気スワールに乗せると
共に、それぞれの噴流を縦方向の旋回流に形成して主燃
焼室での周辺方向への到達距離を長く且つ噴出速度を増
速し、主燃焼室での空気利用率を向上させて混合を促進
し、主燃焼室での燃焼スピードを短縮して燃料を短期に
完結し、スモーク、ＨＣ、ＮＯ_X 等の発生を抑制する副
室式エンジンを提供することである。

【０００７】

【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、シリンダ側に形成された主燃焼室、シリンダヘ
ッドのシリンダ軸中心上に配置された副燃焼室、前記主
燃焼室と前記副燃焼室を連通する複数の連絡孔及び前記
副燃焼室内に燃料を噴霧する燃料噴射ノズルを有する副
室式エンジンにおいて、ピストン頂面には前記連絡孔の
延長線上に位置する衝突ガイド面が形成され、該衝突ガ
イド面は吸気スワールの上流側から下流側へ立ち上がる
傾斜面と前記副燃焼室から前記主燃焼室への噴流が衝突
して吸気スワールと同方向にガイドされるように吸気ス
ワール方向へ曲がった段部弧状曲面とから形成されてい
ることを特徴とする副室式エンジンに関する。

【０００８】また、この副室式エンジンにおいて、前記
段部弧状曲面は前記主燃焼室内で前記副燃焼室から前記
主燃焼室への噴流が吸気スワールに垂直な方向の旋回流
をそれぞれ形成するように上方に湾曲した曲面に形成さ
れているものである。

【０００９】

【作用】この発明による副室式エンジンは、上記のよう
に構成され、次のように作用する。即ち、この副室式エ
ンジンは、ピストン頂面に連絡孔の延長線上に位置する
衝突ガイド面が形成され、該衝突ガイド面が吸気スワー
ルの上流側から下流側へ立ち上がる傾斜面と副燃焼室か
ら主燃焼室への噴流が吸気スワールと同方向にガイドさ
れるように吸気スワール方向へ曲がった段部弧状曲面と
から形成されているので、前記副燃焼室から前記連絡孔
を通って前記主燃焼室へ噴出する火炎と混合気はピスト
ン頂面の前記衝突ガイド面に沿って前記主燃焼室内で吸
気スワールに乗って均一に拡散し、前記主燃焼室内の新
気と均一に混合され、燃焼スピードを短縮して燃焼を完
結し、熱効率を向上させることができ、しかも燃焼の均
一化によってスモーク、パティキュレート等の発生を抑
制することができる。

【００１０】しかも、前記段部弧状曲面は前記主燃焼室
内で前記副燃焼室から前記主燃焼室への噴流が吸気スワ
ールに垂直な方向の旋回流をそれぞれ形成するように上
方に湾曲した曲面に形成されているので、前記副燃焼室
から前記主燃焼室へ噴出した火炎と混合気の噴流は縦方
向の旋回流となって噴出エネルギーを増大させて前記主
燃焼室の外周側へ短期に到達し、噴流は前記主燃焼室に
残存している吸気スワールを有効に利用して空気利用率
を向上し、前記主燃焼室での混合を促進して燃焼を短期
に完結し、熱効率を向上させる。

【００１１】

【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
副室式エンジンの一実施例を示す概略説明図、図２は図
１の副室式エンジンを示す断面図、図３は図１の副室式
エンジンのピストン頂面を示す斜視図、及び図４はピス
トンヘッドの衝突ガイド面の上方へ湾曲した曲面を示す
説明図である。

【００１２】この副室式エンジンは、シリンダブロック
６にガスケット２０を介在して固定されたシリンダヘッ
ド５を有し、シリンダブロック６にはエンジンの気筒数
に対応する孔部が形成され、孔部にはシリンダ３を形成
するシリンダライナ１３が嵌合されている。シリンダヘ
ッド５は、吸排気弁１８を配置した吸排気ポート１７が
形成されている。シリンダライナ１３に形成されるシリ
ンダ３には、ピストン８が往復運動するように組み込ま
れている。主燃焼室１は、シリンダヘッド下面１２とピ
ストン頂面１１との間のシリンダ３側に形成されてい
る。また、副燃焼室２は、シリンダ中心軸Ｏ上の位置に
なるように、シリンダヘッド５に形成された穴部に配置
された副室部材１５で構成されている。燃料噴射ノズル
１０は、副燃焼室２内に燃料噴射するように、シリンダ
ヘッド５に配置された副室部材１５を貫通し、その多噴
孔７を副燃焼室２内に開口している。

【００１３】この副室式エンジンにおいて、主燃焼室１
と副燃焼室２とを連通する連絡孔４が副室部材１５に少
なくとも４個以上（図１では６個）傾斜状態に形成さ
れ、特に、ピストン８のピストン頂面１１には、連絡孔
４の延長線上に位置する突起部９から成る衝突ガイド面
が形成され、該衝突ガイド面は吸気スワールＩＳの上流
側から下流側へ立ち上がる傾斜面１４と副燃焼室２から
主燃焼室１への噴流が衝突して吸気スワールＩＳと同方
向にガイドされるように吸気スワール方向へ曲がった段
部弧状曲面１６とから形成されている。しかも、段部弧
状曲面１６は、主燃焼室１内で副燃焼室２から主燃焼室
１への噴流が吸気スワールＩＳに垂直な方向の旋回流を
それぞれ形成するように上方に湾曲した曲面１９に形成
されている。従って、連絡孔４から噴出した火炎、未燃
混合気等のガス即ち噴流は、湾曲した曲面１９にガイド
されて縦方向の螺旋状の旋回流を形成する。

【００１４】また、連絡孔４は、副燃焼室２から主燃焼
室１への噴出方向が吸気スワールＩＳと同方向になる方
向に傾斜されており、従って、主燃焼室１から副燃焼室
２へ流入する吸入空気が副燃焼室２内で形成するスワー
ル流の方向は吸気スワールＩＳと逆方向に形成される。
更に、主燃焼室１の無駄容積を減少させるため、シリン
ダヘッド下面１２は、ピストン頂面１１に形成した突起
部９に対応させて凹み部２１を形成することが好まし
い。

【００１５】この副室式エンジンにおいて、副燃焼室２
内で旋回流を形成するため、副室部材１５には副燃焼室
２の中心軸Ｏからオフセット即ち偏心した方向に伸び、
言い換えれば、副燃焼室壁面の接線方向に伸び、副燃焼
室２の壁面に周方向に互いに隔置して複数個の連絡孔４
（図１では６個）が形成されている。この副室式エンジ
ンにおいて、連絡孔４を上記のような傾斜角度で形成す
ることによって、副燃焼室２から連絡孔４を通じて主燃
焼室１に噴出される火炎、未燃混合気等のガスは、連絡
孔４から噴き出されてピストン頂面１１の突起部９の衝
突ガイド面即ち段部弧状曲面１６の湾曲した曲面１９に
ガイドされて縦方向旋回流を形成しつつ、次いで傾斜面
１４に沿って吸気スワールに乗り、主燃焼室１で大きな
ペネトレーションをもって均一の拡散されることにな
り、空気利用率を向上して主燃焼室１内の新気と均一に
混合され、燃焼スピードを短縮して燃焼を完結し、熱効
率を向上させることができ、しかも燃焼の均一化によっ
てスモーク、パティキュレート等の発生を抑制すること
ができる。

【００１６】この副室式エンジンは、上記のように構成
されているので、、圧縮行程中に主燃焼室１から連絡孔
４を通じて副燃焼室２内へ流入する吸入空気は、連絡孔
４の傾斜方向の効果により主燃焼室１の吸気スワールと
は逆方向のスワール流を副燃焼室２に形成する。圧縮行
程終端近傍で燃料噴射ノズル１０の多噴孔７から燃料が
副燃焼室２に噴射されて着火燃焼し、爆発行程即ち膨張
行程では、副燃焼室２から主燃焼室１へと噴出する火
炎、未燃混合気等のガスは、連絡孔４の効果によって螺
旋流となり、主燃焼室１の半径方向に近いベクトルを有
し、主燃焼室１に残存している吸気スワールＩＳ即ち新
気と同方向に噴出ガイドされるため、主燃焼室１の周辺
付近へと短期に到達させることができる。しかも、この
時、各連絡孔４の噴出方向は主燃焼室１の斜面に対して
全て同方向になっているため、主燃焼室１内での火炎と
未燃混合気との拡がりは周方向で均一化され、良好な混
合と燃焼が達成される。

【００１７】また、この副室式エンジンは、連絡孔４を
上記のように副燃焼室中心軸Ｏからオフセットさせ、圧
縮行程で副燃焼室２に流入する空気流により副燃焼室２
内に最適の渦流を発生させ、燃料噴射ノズル１０から噴
射される燃料噴霧と空気との混合を促進させ、副燃焼室
２内で部分的に燃焼したガスが副燃焼室２内で圧力上昇
する結果、副燃焼室２から連絡孔４を通じて主燃焼室１
へ火炎と混合気とのガスが高い流出速度で且つピストン
頂面１１に形成された突起部９の衝突ガイド面に沿って
噴出され、それぞれの噴流は縦方向の旋回流を形成しつ
つ、主燃焼室１内に存在する吸気スワール即ち新気との
混合を均一に促進して燃焼を短期に完結することにな
る。また、この副室式エンジンでは、個々の連絡孔４の
通路面積を小さく形成することができ、個々の連絡孔４
の通路面積を小さく絞れば絞るほど、主燃焼室１での混
合は促進されることになる。

【００１８】この副室式エンジンでは、燃焼室の一部を
副燃焼室２に構成することによって、副燃焼室２で初期
燃焼即ち一次燃焼を高当量比即ち燃料リッチで行わせ、
ＮＯ_X の発生を低減することができ、連絡孔４を複数設
けてトータルの連絡孔通路面積を大きくして絞り損失を
低減し、熱効率を向上させることができる。また、副燃
焼室２から主燃焼室１への噴出エネルギーは連絡孔４の
通路面積を小さく形成して絞り込んで、縦方向の旋回流
を形成させて主燃焼室１の周辺まで短期に噴出させ、噴
流のペネトレーションが良好になり、主燃焼室１の新気
と噴流との混合が促進して二次燃焼即ち再燃焼を短期に
完結し、熱効率を向上させると共にＨＣ、スモーク、Ｎ
Ｏ_X 等の発生を低減する。

【００１９】

【発明の効果】この発明による副室式エンジンは、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
の副室式エンジンは、ピストン頂面には連絡孔の延長線
上に位置する衝突ガイド面が形成され、該衝突ガイド面
は吸気スワールの上流側から下流側へ立ち上がる傾斜面
と副燃焼室から主燃焼室への噴流が衝突して吸気スワー
ルと同方向にガイドされるように吸気スワール方向へ曲
がった段部弧状曲面とから形成されているので、前記副
燃焼室から前記連絡孔を通って前記主燃焼室へ噴出する
火炎、未燃混合気等のガスはピストン頂面の前記衝突ガ
イド面に沿って前記主燃焼室内で吸気スワールに乗って
均一に拡散し、前記主燃焼室内に残存する吸気スワール
の新気と均一に混合され、燃焼スピードを短縮して燃焼
を完結し、熱効率を向上させることができ、しかも燃焼
の均一化によってスモーク、パティキュレート等の発生
を抑制することができる。

【００２０】また、前記段部弧状曲面は前記主燃焼室内
で前記副燃焼室から前記主燃焼室への噴流が吸気スワー
ルに垂直な方向の旋回流をそれぞれ形成するように上方
に湾曲した曲面に形成されているので、それぞれの前記
連絡孔からの噴流は縦方向の螺旋状の旋回流を形成して
噴出エネルギーのペネトレーションを増大させて、火炎
と未燃混合気の噴流はシリンダ周辺側へ短期に到達し、
前記主燃焼室内に残存している吸気スワールの新気との
混合を促進して燃焼を短期に完結し、熱効率を向上させ
ることができる。

【００２１】従って、この副室式エンジンでは、副燃焼
室で燃焼が良好に行われ、燃料リッチで燃焼させてＮＯ
_X の発生を抑制できる。また、前記副燃焼室から前記主
燃焼室への噴出エネルギーを絞って有効に増強すること
ができ、前記副燃焼室から前記主燃焼室へ大きな噴出エ
ネルギーを与えることができるので、噴出時の速度を増
大させ、火炎のペネトレーションを増加させ、前記主燃
焼室での新気との混合を促進でき、前記主燃焼室内での
燃焼スピードを促進して即ち燃焼スピードを短縮して燃
焼を短期に完結し、スモーク、パティキュレート、Ｈ
Ｃ、ＮＯ_X 等の発生を低減して、熱効率を向上できる。

【００２２】また、副燃焼室がシリンダの中央に位置
し、主燃焼室における前記連絡孔からの噴流の到達距離
が短く、燃焼時間が短くなって性能が向上する。また、
前記副燃焼室からの噴流の到達距離が短くて済むため、
前記連絡孔の通路面積を大きく形成でき、しぼり損失を
低減でき効率を向上できる。また、前記主燃焼室と前記
副燃焼室との通路面積を前記副燃焼室の外周囲に形成し
た多数の前記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。

【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一実施例を示
す概略説明図である。

【図２】図１の副室式エンジンを示す断面図である。

【図３】図１の副室式エンジンのピストン頂面を示す斜
視図である。

【図４】ピストンヘッドの衝突ガイド面の上方へ湾曲し
た曲面を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 主燃焼室 ２ 副燃焼室 ３ シリンダ ４ 連絡孔 ５ シリンダヘッド ７ 多噴孔 ８ ピストン ９ 突起部（衝突ガイド面） １０ 燃料噴射ノズル １１ ピストン頂面 １２ シリンダヘッド下面 １４ 傾斜面 １５ 副室部材 １６ 段部弧状曲面 １９ 上方に湾曲した曲面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭54−86008（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−145515（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−149807（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−195786（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−4330（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭63−136226（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭52−133805（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭49−119602（ＪＰ，Ｕ) 実開 平２−118131（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02B 1/00 - 23/10

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダ側に形成された主燃焼室、シリ
   ンダヘッドのシリンダ軸中心上に配置された副燃焼室、
   前記主燃焼室と前記副燃焼室を連通する複数の連絡孔及
   び前記副燃焼室内に燃料を噴霧する燃料噴射ノズルを有
   する副室式エンジンにおいて、ピストン頂面には前記連
   絡孔の延長線上に位置する衝突ガイド面が形成され、該
   衝突ガイド面は吸気スワールの上流側から下流側へ立ち
   上がる傾斜面と前記副燃焼室から前記主燃焼室への噴流
   が衝突して吸気スワールと同方向にガイドされるように
   吸気スワール方向へ曲がった段部弧状曲面とから形成さ
   れていることを特徴とする副室式エンジン。
2. 【請求項２】 前記段部弧状曲面は前記主燃焼室内で前
   記副燃焼室から前記主燃焼室への噴流が吸気スワールに
   垂直な方向の旋回流をそれぞれ形成するように上方に湾
   曲した曲面に形成されていることを特徴とする請求項１
   に記載の副室式エンジン。