JPH0143134B2 - - Google Patents

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JPH0143134B2
JPH0143134B2 JP56012826A JP1282681A JPH0143134B2 JP H0143134 B2 JPH0143134 B2 JP H0143134B2 JP 56012826 A JP56012826 A JP 56012826A JP 1282681 A JP1282681 A JP 1282681A JP H0143134 B2 JPH0143134 B2 JP H0143134B2
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combustion
jet
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Zurunaa Hansuuyurugen
Sutaimaa Berunaa
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MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ピストン頂部に回転対称的な燃焼室
が凹設された圧縮点火式往復動内燃機関であつ
て、前記燃焼室内では空気が、該燃焼室の軸線を
中心とした旋回流により吸い込まれ、燃料が前記
燃焼室の直径の0.6倍から0.7倍までの直径をもつ
円の接線に沿つて、前記燃焼室の軸線に対して
35゜から50゜までの角度で前記旋回流の方向に噴射
される、圧縮点火式往復動内燃機関に関する。
空気を圧縮して直接燃料を噴射する型式の内燃
機関については、長年にわたつていろいろな燃料
を噴射して空気との混合物を作る方法と該方法に
対応した装置が開発されてきたが、これらの方法
と装置のいずれも多かれ少なかれ長所と短所があ
つた。これらの方法の多くは欠点がきわだつてい
るため、しばらく使用されたあと放棄されている
ので、現在の当該業界ではいぜんとして古典的な
噴射法だけが適切なものであるとみなされてい
る。
このような古典的な噴射法に従がつた装置の１
つでは、燃焼室の開口に関して真中あるいはほぼ
真中に配設された噴射ノズルから複数の噴流、少
なくとも３本の噴流の形で半径方向外に向かつて
燃焼室の中に供給された燃焼用空気の中に燃料が
噴射されている。このような燃焼用空気が流入す
るさい指向性をもつた旋回流は生じないかあるい
はほとんど生じない。燃焼室に狭窄部を設けた場
合あるいは燃焼室がオメガの字の形に作られてい
る場合だけ押しくずし作用のため渦の流れが現わ
れる。このような押しくずしの働らきをする渦流
の中に複数の噴流で燃料を噴射すると、多かれ少
なかれ良好な混合物を作ることができるが、乱雑
な流動状態でしか燃焼が行なわれない。この方法
の別の欠点として、初期点火のあと衝撃的なやか
ましい燃焼が生じることが指摘されている。それ
は、燃料液滴が圧縮空気に接して滞留している時
間が短いため、燃料の液滴の多くが十分に加熱さ
れず、このため蒸発が不十分だからである。一般
にこの種の内燃機関においては、完全負荷の場合
゜KW当り６から８バールまでの範囲の圧力dpが
測定されている。部分負荷の領域ではdP／d〓の比
は８バール／゜KWより大きいかあるいは少なく
とも８バール／゜KWに等しく、このためデイー
ゼル・エンジンに特有の欠点が現われることにな
る。
従来の内燃機関はいずれも、排ガス規制に対す
る適合能力は中程度にとどまつており、燃料消費
率も良好ではない。なぜなら、流動損失が比較的
高く、最適切な状態で燃料の混合物が調製されて
いないからである。負荷が低い場合または回転数
が低い場合、或いはその両方の場合、ならびに始
動のさい、噴流の長さは短いから燃料は燃焼室内
壁にほぼ垂直にぶつかるため、不愉快な臭いが
し、目を刺戟する目視可能なガスが発生する。こ
のため未燃焼の炭化水素の放出量は高い（スイス
特許第175433号参照のこと）。
別の公知の燃料噴射法においては、燃焼用空気
が燃焼室に流入したさい、燃焼室の長さ方向の軸
のまわりに比較的均一な回転運動が燃焼用空気に
与えられる。燃焼室の中央位置に配設された噴射
ノズルから空気の流れに対し横方向に半径方向外
に向かつて延在した複数の噴流により燃料が噴射
されている。燃焼室はだいたい扁平に設計されて
おり、燃焼室の内縁に狭窄部を１つ設けることが
できる程度である。
このようなエンジンの場合、初期点火後、同様
に衝撃的でやかましい燃焼が生じる。なぜなら、
このエンジンの場合も点火時期に非常に多量の着
火可能な混合物が燃焼室内に溜まつているからで
ある。一般に、最初に挙げた方法の場合と同様、 全負荷の領域でdP／d〓＝６から８バール／゜KW 部分負荷の場合dB／d〓８バール／゜KW が採用されているので、デイーゼル・エンジンに
特有の欠点は取り除かれていない。燃料と燃焼用
空気に指向性をもたせて勢いよく混ぜ合わせるこ
とが可能であるので、排ガス規制に対する適合性
は比較的良好である。さらに、空気の旋回流が生
じるうえ、燃焼室の内壁での押しくずし流動損失
が低いから全体として流動損失はごくわずかであ
るので、燃料の利用と消費の状態は良好であると
みなすことができる。空気の旋回流が比較的弱い
ので、燃焼室の内壁への熱伝導損失も比較的低い
ものとみなすことができる。しかし、低い回転数
範囲または低い負荷領域での運転、或いはその双
方での運転の間ならびに始動のさい、上述の方法
の場合と同じ欠点が現われることはいうまでもな
い。
そのほか、頚部を絞つた回転対称状の燃焼室を
ピストン頂部に凹設し、燃焼室の内縁のわきに取
り付けた噴射ノズルから斜めに燃料を燃焼室に噴
射するよう構成された内燃機関も、ドイツ特許第
964647号またはドイツ特許第969826号により公知
である。指向性をもつた空気の流動がないうえ、
燃料を燃焼用空気を混ぜ合わせるため噴射ノズル
により流れを押しくずすとともに粉砕がひき起こ
すようにされているので、上述と同じ欠点が現わ
れてる。
燃料の燃焼室の内壁に運ぶ方法は、一般的には
いろいろ異なつた燃料を噴射して空気との混合物
を作る方法に属する（ドイツ特許第865683号参
照）。この方法の場合、燃焼室内縁に狭窄部を設
けた球状の燃焼室が使用されており、燃焼室に関
して偏心状態に配設された噴射ノズルから１つま
たは複数の噴流により燃焼室内壁に燃料が運ば
れ、運動エネルギーと燃焼室内の空気の旋回流に
より薄い皮膜として燃料が燃焼室内壁に散布され
るようになつている。燃料は高温の燃焼室の内壁
に接触して気化し、燃焼用空気とはげしく混ぜ合
わされる。
先に蒸発した燃料の蒸気が初期点火したあと、
おだやかで静しゆくな燃焼が進行する。このこと
は、全負荷の場合、dP／d〓の値が３から４バー
ル／゜KWであることにより明らかである。部分
負荷運転の場合、この値はもつと低くなるので、
デイーゼル・エンジン特有の欠点が現われること
はない。
勢いよく混合物を作ることにより排ガス規制に
対する適合性が良好であり、しかも燃料の有効利
用をはかることができるが、（直接燃料噴射式内
燃機関の場合より50％程度強い）空気の旋回流の
ためまた燃焼室の内壁に当たる押しくずし作用を
もつた渦流のため比較的大きい流動損失が生じる
ことをがまんしなければならない。そのほか、空
気の旋回が強いため、とくに、狭窄された縁領域
での熱損失が大きく、このため前記狭窄された縁
領域とシリンダー・ヘツドがうける熱応力が非常
に大きい。
低い負荷領域または低い回転数範囲、或いはそ
の双方、ならびに燃焼壁がいぜんとして冷たいか
あるいは比較的冷たい始動運転のさい、燃焼壁の
内壁に運ばれた燃料の蒸発は不十分である。この
ため、不愉快な臭いのある排ガスが発生し、未燃
焼の炭化水素が放出され、燃焼は不完全となる。
しかし、ドイツ特許第2038048号により提案され
ているように、長い燃料の自由噴流を使用しても
このような欠点を完全に取り除くことはできな
い。
本発明は上述した従来技術の欠点を克服する、
圧縮点火式往復動内燃機関を提供するものであ
る。本発明の圧縮点火式往復動内燃機関は、常温
の状態でも高温度に加熱された状態でも運転はせ
いしゆくでおだやかであり、排ガスによる汚染が
少なく、排ガス規制に確実に適合させることがで
き、しかも燃料の利用効率にすぐれている。
上記の目的は、本発明によれば、前記燃焼室が
ほぼ平らな底と、該燃焼室の軸線に対して底が広
くなる方向にわずかに傾斜したほぼ平行な内壁と
を有しており、燃料噴射ノズルが単数または複数
の噴射口を有するとともに、常にノズル噴射孔の
圧力を高くすることにより、あらゆる回転速度域
またはあらゆる負荷域、或いはその双方で36゜か
ら45゜までの範囲の燃料の噴流の全噴射円錐角で
燃料が微細な滴に粉砕され、燃料の主噴射流が、
前記燃焼室の直径の0.6から0.7倍までの直径の円
の接線方向に向けられており、前記燃焼室には該
燃焼室の軸線を中心として該燃焼室の直径のほぼ
１／３の直径をもつ無燃料領域と、残りの燃料と空
気との混合気が存するリング状領域とが形成され
ていることを特徴とする圧縮点火式往復動内燃機
関によつて達成される。
燃料噴射ノズルの噴射孔を適切に設計すること
により燃料が噴射ノズルから退出するとき、燃料
の噴流ができるだけ細かい液滴となつて噴射させ
ることができる。これによりエンジンの全回転数
範囲または全負荷領域、或いはその双方で噴射孔
の圧力をつねにできるだけ一定にしかも比較的高
い値に保つことが可能である。このための手段は
公知である。細かい液滴は、噴流の形をなして燃
焼室の内壁に堆積することなく空気の旋回により
運ばれ、十分な蒸発温度まで昇温され、最後に燃
焼用空気と混合される。
燃料の噴流をばらばらに粉砕するとともに、燃
焼室の内壁に適合させることにより混合を活発化
させるとともに、燃焼用空気への燃料の分散を均
一化させることができる。燃焼室の中央部分に燃
料はほぼ存在しない状態となり、未燃焼ガスが燃
焼室から流出することを防止することができる。
これにより燃料と空気の混合物が排ガスから分離
された整然とした燃焼を確保することができる。
燃焼室の中で回転している燃焼用空気の速度また
は密度分布、或いはその双方に適合しながら燃料
が噴射される結果、ほぼ理想的な状態で燃料を燃
焼用空気に分散させることができる。
燃焼用空気と混合するまえに燃焼用空気の中で
少なくとも部分的に蒸発した状態で燃料を分散さ
せるようにした本発明に係る圧縮点火式往復動内
燃機関によれば、この内燃機関のすべての運転領
域で良好な運転データーを得ることができ、しか
も始動が困難な問題が伴随することはない。全負
荷時のdP／d〓の値は3.5から４バール／゜KWであ
り、このことは燃焼がおだやかに進行することを
意味する。部分負荷の領域でもこの値は大きくな
らないので、デイーゼル・エンジンに特有の欠点
が現われることはない。制御された状態で燃焼が
進行するので、燃料の消費状態は良好であり、流
動損失と熱損失は少なくてすむ。
空気の旋回流により運ばれる燃料の主噴流の自
由長さが燃焼室の直径の0.8倍より大きく設計す
るかあるいはせいぜい燃焼室の直径の0.8倍に等
しい長さになるように設計することが好ましい。
これにより燃焼は連続的に経過するとともに、燃
料の噴流の全噴流円錐角を35゜と45゜の間の範囲内
に設計することができる。
そのほか、吸気弁が完全に開いた状態でしかも
軸方向の平均ピストン速度が毎秒10ｍにおいて
（ピストンの直径DKの0.7倍に相等した）直径で測
つたシリンダー内における燃焼用空気の回転周波
数が130から155ヘルツの範囲内にあり、内燃機関
に燃焼用空気を充填した状態で140から165ヘルツ
の範囲内にあることが好適である。燃料噴射ノズ
ルに設けられる噴射孔の数は燃焼室の形状と大き
さに左右されることはいうまでもない。したがつ
て、一定の数に限定すべきではない。たとえば、
必要な噴射圧力と必要な噴流の粉砕または粉霧を
確保することが可能な単孔式の噴射ノズルを使用
する場合、噴射孔の直径対噴射孔の長さの比が
0.55と0.75の間の範囲にあることが本発明に従が
つて提案されたのである。燃焼室の形状またはそ
の他の観点にもとづく理由から２孔式ノズルまた
多孔式ノズルを使用することが必要である場合、
噴流の断面積の比が４：１から２：１の間の範囲
にある１つ燃料主噴流と１つまたは複数の副噴流
が形成されるよう噴射孔の断面積を設計し、そし
てこの場合、35゜から45゜までの範囲にある全粉砕
角のうち約5゜から10゜までを副噴流が占めるよう
にすることが望ましい。
以下、本発明の実施例を図解した添付図面を参
照しながら本発明を詳細に説明する。
中心点Ｘ（燃焼室の長さ方向の軸）から燃焼室
の内壁２まで測つた燃焼室の半径rBが第１図の横
軸１に表示されている。一方、燃焼室内で回転す
る燃焼用空気の周速度Ｖが縦軸３に記入されてい
る。この周速度Ｖが燃焼室の内壁２のすぐそばで
は摩擦のためゼロに等しいこと、また、詳しく説
明することはできないが、燃焼室の中心点Ｘのま
わりでもゼロに等しいことは、誇大表示された曲
線４から理解していただけよう。最大周速度
Vmaxは、燃焼室の半径rBの約0.6から0.7倍に相
当する燃焼室の中心点Ｘからの距離rWの位置に現
われている。いずれの場合でも、回転している燃
焼用空気の最大密度はVmaxと燃焼室の内壁２と
の間に現われており、したがつてVmaxの領域と
これに続く領域に噴射された燃料の量は最大値に
達する。このことは、どの場合でもVmaxで噴射
された燃料が遠心力の作用をうけて燃焼室の内壁
２に向かう方向に容易に押しやられることから容
易に理解していただけよう。燃料の液滴が始めか
ら非常に細かく粉砕されるので、燃焼室の内壁２
に燃料の液滴がおしつけられることがないこと
は、この種の燃料の噴射の場合、一般的なことで
ある。単孔ノズルの場合、噴射穴の直径対噴射穴
の長さの比は0.55と0.75の間の範囲に選択されて
いて、噴射穴における圧力がエンジンのすべての
運転範囲でほぼ一定であつて、十分に大きいこと
に注目していただきたい。
第２図に示されている燃焼室の右半分につい
て、噴射された燃料５は、燃料の噴流の粉砕と噴
霧作用により、結局、混合物を作る間に分散され
ることになる。かくして、実質的に燃焼用空気ま
たは燃焼後の排ガスしか含まれていない領域６ａ
が中心点または燃焼室６の長さ方向の軸Ｘのまわ
りに形成される。この領域６ａは半径roの円によ
り限定されているが、この半径roは燃焼室の半径
rBの約1/3に相当している。燃料の液滴５は燃焼
室６の残りの部分６ｂで分散し、燃焼室の幾何学
的形状に完全に適合するようになつている。しか
し燃焼室６の長さ方向の軸Ｘから距離rWに位置し
ている領域は例外である。この領域における燃焼
用空気の周速度は最大であり、燃焼室の内壁２に
かけて密度も最大である。他の領域よりも多くの
量の燃料がこの領域に噴射されていることは当然
のことである。したがつて、図示されているよう
な燃料の分布状態が得られることになる。
扁平な燃焼室６または燃焼室半径が比較的大き
い燃焼室６に燃料を噴射する場合、第２ａ図に示
されているように、燃料の主噴流と１つまたは複
数の副噴流を形成するようにすることが効果的で
ある。場合によつては、第２図と同じように混合
物を形成するようにしてもよい。
第３図と第４図は、１つの噴流だけでピストン
７に凹設された燃焼室６の中に燃料がどのように
噴射されているかを図示したものである。空気の
旋回流は矢印８により表示されている。燃料の噴
流の方向または噴流の中心線は参照数字９により
表示されており、第２図に示されている燃料の噴
流の噴霧状態は点線９ａで表示されている。燃料
の噴流中心線９が噴射孔１０から燃焼室の底１１
まで延在して、ここで噴流がばらばらになること
と、燃料の噴流が燃焼室の直径DBの0.6から0.7倍
に相当する直径の円１２に接線状に延在している
こととは図より容易に理解していただけよう。燃
料の噴流中心線９を第４図の方向Ｚの投影面で見
ると、燃焼室の長さ方向の軸Ｘに関して40゜から
50゜の範囲の角度傾斜した延在した線９ｂが得ら
れる。この投影線９ｂは、燃焼室の直径DBの少
なくとも0.8倍の長さを備えている。燃料の噴流
の全噴射円錐角αも第３図に表示されているが、
この角度αは35゜と45゜の間の範囲内にある。
第５図と第６図には第３図と第４図に示されて
いるものと同じ燃焼室６が図示されている。この
実施態様においては、２個の噴射孔１０と１０ａ
を設けた噴射ノズルにより燃料の噴射が行なわれ
ており、このうち噴射孔１０は燃料の主噴流を形
成し、噴射孔１０ａは副噴流を形成する。噴射孔
１０：１０ａの断面積の比は４：１から２：１ま
での範囲にあり、全噴霧角αは35゜と45゜の間の範
囲内にある。なお、この噴霧角αのうち約5゜から
10゜を副噴流が占めている。この実施態様につい
ても燃料の主噴流の中心線１３と副噴流の中心線
１４を第６図の方向Ｚの投影面に移すと、第５図
に示されている線１３ｂと１４ｂが得られる。こ
こで燃料の主噴流の投影線１３ｂは燃焼室の長さ
方向の軸Ｘに関して40゜から50゜までの範囲にある
角度δ1傾斜して延在しており、一方、副噴流の投
影線１４ｂは前記長さ方向の軸Ｘに関して35゜と
45゜の間の範囲にある角度δ2傾斜して延在してい
る。（0.6DBから0.7DBまでの直径をもつた）円１
２に接線をなしていない副噴流の中心線の脚の長
さが主噴流より大幅に短く、また主噴流のように
長くならないことは当然のことである。それは、
副噴流の噴射領域では燃焼用空気の周速度も密度
も主噴流より低いからである。
燃焼室を長さ方向の断面図で示した第７図は、
本発明における燃焼室の寸法を判りやすく表示し
たものである。この寸法表示のやり方はこのよう
な燃焼室にとくに適しているので、これを採用す
ることが必要であるように思われる。燃焼室６は
ピストン７の頂部に凹設されていて、ほぼつぼの
形に設計されている。燃焼室の直径DB対ピスト
ンの直径DKの比は0.44と0.5の間の範囲にある。
ここで燃焼室の内縁１５における燃焼室の直径は
DBで表示されている。燃焼室の深さＴも同様に
燃焼室の直径DBに対して一定割合にあつて、0.55
と0.63の間の範囲に設定されている。燃焼室の底
１１は水平に設計されている。燃焼室の内壁２は
燃焼室直径DBから燃焼室の底１１に向かう方向
に4゜から7゜までの範囲にある角度で末広がりに開
くよう燃焼室の長さ方向の軸Ｘに関して傾斜して
延在しており、燃焼室の最大直径Ｄは燃焼室の底
１１の近傍に位置している。なお、燃焼室の内壁
２から燃焼室の底１１までの移行区域が円弧によ
り結ばれており、そしてこの円弧の半径Ｒ対燃焼
室の直径DBの比は0.2から0.25までの間の範囲に
はいるよう設計されている。
最後に、各寸法割合を数式で簡単に表示すると
次の通りである。
DB／DK〕0.44から0.5まで Ｔ／DB＝0.55から0.63まで Ψ＝4゜から7゜まで Ｒ／DB＝0.2から0.25まで
【図面の簡単な説明】
第１図は、内燃機関の燃焼室の半径対燃焼室内
で回転している燃焼用空気の速度の関係を図解し
たダイアグラム。第２図は、燃料の主噴流の自由
長さを一定として、燃焼用空気の中に噴射された
燃料の密度分布を表示した燃焼室の右半分を長さ
方向に切断した断面図。第２Ａ図は第２図と同じ
ような長さ方向に切断した断面図であつて、燃焼
室の直径は第２図の場合より大きく、しかも燃料
は２つの噴流により噴射されるようになつてい
る。第３図は、本発明に係る燃焼室を備えたピス
トン上部を長さ方向に切断した断面図であつて、
１つの噴射穴から燃料が噴射されている状態を示
す。第４図は、第３図に示されているピストンの
平面図、第５図は、第３図に示されているピスト
ンを長さ方向に切断した断面図であつて、２つの
噴射穴から燃料が噴射される状態を示す。第６図
は、第５図に示されているピストンの平面図。第
７図は、燃焼室を備えたピストンの上部を長さ方
向に切断した断面図であつて、本発明に従がつて
提案された理想的な状態を示したものである。 １…横軸、２…燃焼室の内壁、３…縦軸、４…
曲線、５…燃料、６…燃焼室、７…ピストン、９
…燃料の噴流の中心線、１０，１０ａ…噴射孔、
１１…燃焼室の底、１２…円、１３…燃料の主噴
流、１４…燃料の副噴流、１５…燃焼室の内縁。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １ ピストンの頂部に回転対称的な燃焼室が凹設
    された圧縮点火式往復動内燃機関であつて、前記
    燃焼室内では空気が、該燃焼室の軸線を中心とし
    た旋回流により吸い込まれ、燃料が前記燃焼室の
    直径の0.6倍から0.7倍までの直径をもつ円の接線
    に沿つて、前記燃焼室の軸線に対して35゜から50゜
    までの角度で前記旋回流の方向に噴射される内燃
    機関において、前記燃焼室６がほぼ平らな底１１
    と、該燃焼室６の軸線ｘに対して底が広くなる方
    向にわずかに傾斜したほぼ平行な内壁２とを有し
    ており、燃料噴射ノズルが単数または複数の噴射
    口を有するとともに、常にノズル噴射孔の圧力を
    高くすることにより、あらゆる回転数域またはあ
    らゆる負荷域、或いはその双方で35゜から45゜まで
    の範囲の燃料の噴流の全噴射円錐角αで燃料が微
    細な滴に粉砕され、燃料の主噴流が、前記燃焼室
    ６の直径DBの0.6から0.7倍までの直径の円１２の
    接線方向に向けられており、前記燃焼室６には該
    燃焼室６の軸線ｘを中心として該燃焼室６の直径
    DBのほぼ1/3の直径をもつ無燃料領域と、残りの
    燃料と空気との混合気が存するリング状領域とが
    形成されていることを特徴とする圧縮点火式往復
    動内燃機関。
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DD (1) DD156014A1 (ja)
DE (1) DE3003411C2 (ja)
FR (1) FR2475141A1 (ja)
GB (1) GB2068460B (ja)
HU (1) HU183290B (ja)
IN (1) IN154033B (ja)
IT (1) IT1135158B (ja)
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