JPH02119616A - 副燃焼室式断熱エンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、内燃機関における副燃焼室式断熱エンジン
に関する。

〔従来の技術〕 従来、内燃機関における副燃焼室の断熱構造については
、本出願人に係わる出願である実開昭５９−２１０２４
号公報に開示されたものがある。

該副燃焼室は、シリンダヘッドに渦流室燃焼室を有し、
該渦流室燃焼室の燃焼室体の全体をセラミック材で形成
すると共に、該セラミック材の燃焼室体と該シリンダヘ
ッドとの嵌合部の大部分に空気層を形成し、更に該燃焼
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、且つ該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。

また、内燃機関の副室構造、特に副室セラミック材で画
成し機関の熱効率、副室の耐熱性、耐久性を高めた副室
構造は、例えば、特開昭６１−１２３７１４号公報に開
示されている。該公報に開示された内燃機関の副室構造
は、上部セラミック体と、該上部セラミック体に衝合さ
れる下部セラミック体とよりなり、上部セラミック体及
び下部セラミック体の外周に金属製の環状リングを嵌着
し、上部セラミック体及び下部セラミック体の衝合面に
対応する環状リングの内周面に環状の凹部を設けたもの
である。

更に、内周面がセラミック材料で形成された内燃機関の
副室は、例えば、特開昭６０−２１２６１４号公報に開
示されている。該公報に開示された内燃機関の副室は、
略半球中空体のチャンバ部と主室との連結穴を有する口
金部とを各々違ったセラミック材質の別体で構成したも
のであり、断熱性セラミックスから成る該チャンバ部の
セラミックを金属で鋳ぐるむと共に、この鋳ぐるみ金属
に円筒形突出部を同時形成して、この内部に耐熱性セラ
ミックスから成る口金部のセラミックを焼嵌めしたもの
である。更に、円筒形突出部の内部と口金部のセラミッ
クスとの間に一部断熱層が設けられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

一般に、断熱エンジンにおける燃焼では、エンジンの断
熱構造によって燃焼室からの熱エネルギーの放散ができ
ないため、燃焼室壁面が高温となり、吸入効率の悪化及
び燃焼スピードの悪化が生じる。吸入効率の悪化につい
ては、吸入空気が燃焼室壁面から受熱して膨張し、空気
が燃焼室に吸太し難くなるからであり、吸入効率の低減
を防止するため、吸入空気が燃焼室壁面或いは吸気ポー
ト壁面から受熱しないように如何に構成するかの課題が
ある。また、燃焼スピードの悪化については、吸入空気
の温度の上昇し過ぎによって燃料の着火遅れ時間が短縮
することによるものであり、燃焼スピードの悪化を防止
するため、如何にして吸入空気の温度上昇を抑え、燃料
の着火遅れ時間を望ましい期間にするかの課題がある。

更に、燃料の高温燃焼化は、空気過剰率を２〜１．５程
度に抑制し、余り一気に希薄にせずに、該混合気を高温
燃焼させ、ピストンの下降運動に伴って一気に温度を低
下させることによって、スモーク、Ｎ。

８等の放出物の低減化を図ることができるという原理が
ある。

この発明の目的は、上記の原理を理想的に実現し且つ断
熱エンジンの上記欠点を取り除くことであり、主燃焼室
と蓄熱及び断熱機能を有する副燃焼室とを設け、且つ該
主燃焼室と副燃焼室との連通状態を遮断できる制御バル
ブを設け、該制御バルプの作動を最も好ましい時期に開
閉制御して吸入効率の悪化を防止し、且つ燃焼スピード
の悪化を防止し、更に前記副燃焼室の蓄熱構造によりス
モーク発生温度ゾーンでの燃焼時間を短時間にして高温
燃焼させると共に、前記主燃焼室への吸入効率の低減を
防止してＮＯＸ発生温度ゾーンでの燃焼を避けてスモー
ク及びＮＯＸの発生を防止することを特徴とする副燃焼
室式断熱エンジンを提供することである。

この発明の別の目的は、副燃焼室に吹き込まれる空気に
良好なスワールを発生させ、しかも蓄熱構造を向上させ
る前記副燃焼室の構造を提供し、また、主燃焼室と副燃
焼室との連絡孔に配設した制御バルブの摺動不良を防止
し、更に該制御バルブを電磁力で制御可能に構成し、エ
ンジンの作動工程とは独立して前記制御バルブの作動を
行うことができるように構成した副燃焼室式断熱エンジ
ンを提供することである。

〔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、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工
程終わり近くで前記連絡孔を開放し且つ吸入工程時は前
記連絡孔を閉鎖するように構成したことを特徴とする副
燃焼室式断熱エンジンに関する。

また、この発明は、前記制御バルブの開放時期を、圧縮
工程の終わり上死点前のクランク角３０〜４０°から排
気工程終端上死点前のクランク角４０゜〜５０°までの
期間に設定されているものである。

更に、この発明は、前記副燃焼室をシリンダヘッドに配
置し、前記制御バルブを前記連絡孔の形成壁面を貫通し
て前記副燃焼室から隔置状態に配置したものである。

或いは、この発明は、前記副燃焼室をシリンダのほぼ中
央部位に対応するシリンダヘッドに配置し、前記制御バ
ルブを前記副燃焼室の中央を貫通して配設し、前記制御
バルブの外周面に断熱層を被覆したものである。

また、この発明は、前記燃料噴射ノズルを多噴孔に形成
し、前記副燃焼室の形状をスワール生成の前記連絡孔が
開口する面を円筒面部分に形成し且つ該円筒面部分の両
側を球面部分に形成したものである。

又は、この発明は、前記副燃焼室、前記連絡孔、並びに
前記制御バルブのガイド孔及びバルブシートを形成した
副燃焼室本体をセラミック材で一体構造に構成し、前記
副燃焼室本体を断熱シートを介してシリンダヘッドに配
置したものである。

また、この発明は、前記制御バルブのセラミック材から
成る下部バルブステムに磁性材から成る上部バルブステ
ムを接合し、該上部バルブステムに対して電磁コイルを
配設し、前記電磁コイルを制御して前記制御バルブの開
閉作動を制御したものである。

或いは、この発明は、吸排気バルブを備えた往復動エン
ジンにおいて、燃料噴射ノズルを備えた断熱構造に構成
した副燃焼室と吸排気バルブを断熱構造に構成した主燃
焼室とを連絡孔で連通し、前記連絡孔を開閉する制御バ
ルブを配設し、前記制御バルブのセラミック材から成る
下部バルブステムに磁性材から成る上部バルブステムを
接合し、該上部バルブステムに対して電磁コイルを配設
し、前記制御バルブの位置を検出すると共に、エンジン
回転数及びエンジン負荷に応じて前記電磁コイルを制御
して前記制御バルブの開閉作動を制御したことを特徴と
する副燃焼室式断熱エンジンに関する。

〔作用〕

この発明による副燃焼室式断熱エンジンは、以上のよう
に構成されており、次のように作用する。

即ち、この副燃焼室式断熱エンジンは、主燃焼室と断熱
構造の副燃焼室との連通状態を開閉する制御バルブを設
け、前記制御バルブの開閉制御によって前記副燃焼室で
ほとんどの燃焼を行わせ、該副燃焼室の断熱壁で放熱を
遮断して放熱量を低減すると共に、吸入工程時には前記
制御バルブで前起生燃焼室と前記副燃焼室との連通状態
を遮断し、吸入空気に対して前記副燃焼室の高温部の影
響を遮断して、吸入空気の受熱を抑制し、該吸入空気の
熱膨張を抑制して吸入効率の低減を防止し、また、圧縮
工程終わり近くで前記制御バルブを開放して吸入空気を
前記副燃焼室に急速に流入させ、前記副燃焼室の壁面及
び燃焼ガスによって該吸入空気に熱を与えて急速に膨張
させ、次いで高／？ｉＬ燃焼を行わせ、排気工程に移行
させると共に、更に、前記副燃焼室に吹き込まれる吸入
空気が前記副燃焼室の壁面及び燃焼ガスから受熱するの
で、前記副燃焼室にて短時間に温度上昇する共に燃料噴
射ノズルから噴霧される燃料と空気との混合を速やかに
実行させて燃料当量比を直ちにリッチ状態にでき、燃料
と空気との燃料当量比と燃焼温度とで決定されるスモー
ク発生温度ゾーンでの燃焼を直ちにクリアしてスモーク
の発生しない高温燃焼を達成させ、次いで、火炎が前記
副燃焼室から前記主燃焼室へとスワールとして吹き出さ
れるが、前記副燃焼室の熱影響を受けないから、前記主
燃焼室の温度は吸入空気に追従性が良く、従って、導入
される空気の吸入効率は低減されないので、燃料当量比
が急激に低くなると共に、燃焼温度も低下するので、燃
料当量比と燃焼温度とで決定されるＮＯＸ発生温度ゾー
ンでの燃焼を避けることができる。

また、この副燃焼室式断熱エンジンは、前記制御バルブ
の開放時期を、圧縮工程の終わり上死点前のクランク角
３０゜〜４０６から排気工程終端上死点前のクランク角
４０６〜５０６までの期間に設定することによって、圧
縮工程の上記時期で前記制御バルブが開放するので、圧
縮工程開始時からの前記副燃焼室骨の圧縮損失を受ける
ことがな（、前記制御バルブの開放と同時に前記主燃焼
室内の圧縮空気が前記副燃焼室へ急速に流入され、しか
も前記副燃焼室内に残留するガスエネルギーを燃焼に利
用でき、吸入空気は急速に加熱され、急速に圧力上昇し
、次いで燃料が噴射されて急速に高温燃焼することがで
き、また、排気工程の上記時期で前記制御バルブが閉鎖
するので、排気圧力が最も低く、前記副燃焼室内の残留
ガスをできるだけ少な（でき、吸入工程では前記制御バ
ルブが閉鎖しているので、前記副燃焼室の高温部に吸入
空気が触れることがなく、吸入効率が低下し難く、且つ
圧縮工程では吸入空気の熱膨張が抑制され、仕事量が減
少する。

更に、この副燃焼室式断熱エンジンは、前記副燃焼室を
断熱構造に構成してシリンダのほぼ中央部位のシリンダ
ヘッドに配置し、前記制御バルブを前記副燃焼室の中央
を貫通して配置したので、前記制御バルブの開放時に、
前記主燃焼室から前記制御バルブのパルプヘッドの回り
から前記副燃焼室内に吹き込まれる吸入空気が、良好な
スワールを前記制御バルブのバルブステムの回りに発生
させることができ、また、前記制御バルブが熱流に晒さ
れるため、前記制御バルブの外周面を断熱層で被覆して
耐熱性を持たせることによって、前記副燃焼室内を高温
化し、且つ前記副燃焼室の壁面及び燃焼ガスによって吸
入空気が加熱されるのを防止でき、る。

また、この副燃焼室式断熱エンジンは、前記副燃焼室を
円筒面部分と該円筒面部分両側の球面部分とで形成し、
前記副燃焼室に配置した燃料噴射ノズルを多噴孔に形成
し、噴霧を前記円筒面部分でほぼ均一になるように形成
するが、前記副燃焼室の中心部の流速が速く、スワール
スピードが大きく、火炎が中心部に集中し易いので、該
噴孔の配置を中心部に大噴孔を且つ外周部に小噴孔を配
設することによって、中心部に燃料を多く噴霧させて、
空気過剰率を均一にすることを可能にし、また、好まし
くは、スワール流線に沿って前記副燃焼室の内壁面を凹
凸形状に構成することによって、スワールを高流速とし
て空気と燃料の混合を良好にし且つ壁面からの熱を十分
に奪うことができる。

更に、この副燃焼室式断熱エンジンは、前記副燃焼室、
前記連絡孔、並びに前記制御バルブのガイド孔及びバル
ブシートを形成した副燃焼室本体をセラミック材で一体
構造に構成し、前記副燃焼室本体を断熱シートを介して
シリンダヘッドに配置したので、前記副燃焼室を極めて
好ましい蓄熱構造に構成でき、上記のことより吸入効率
の悪化が発生せず、また、耐熱性を要する前記制御バル
ブを前記副燃焼室本体と同一のセラミック材で形成して
温度分布の均一化を図ることができ、前記制御バルブの
バルブステムとガイド孔との間の初期状態のクリアラン
スを保つことができ、エンジンの作動時に温度差による
摺動不良を防止でき、前記制御バルブの摺動運動をスム
ースに行わせる。

また、この副燃焼室式断熱エンジンは、前記副燃焼室、
前記連絡孔、並びに前記制御バルブのガイド孔の連絡孔
に制御バルブを設け、前記制御バルブのセラミック材か
ら成る下部バルブステムと磁性材料から成る上部バルブ
ステムとを接合して、前記制御バルブを軽量に形成する
と共に、前記上部バルブステムに対して電磁コイルを配
設して前記制御バルブを電磁力で作動できるように構成
し、また、前記制御バルブをエンジンの作動に対応した
カム機構によって作動せず、電磁力で作動することによ
って、エンジンの作動工程とは独立して、前記電磁コイ
ルに流れる電流を制御して前記制御バルブのバルブリフ
トを制御でき、例えば、エンジン回転数及びエンジン負
荷の検出値に応じて前記電磁コイルを制御して前記制御
バルブのバルブリフトを制御できる。

（以下、この頁余白） 〔実施例〕 以下、図面を参照して、この発明による副燃焼室式断熱
エンジンの実施例を詳述する。

まず、第１図を参照して、この発明による副燃焼室式断
熱エンジンの一実施例について説明する。

この副燃焼室式断熱エンジンは、ピストン１１及び吸排
気バルブ（図では、吸気バルブ７を示す）を備えた往復
動エンジンであり、主燃焼室１と副燃焼室２とから構成
されている。主燃焼室１と副燃焼室２とは、断熱構造に
構成されているが、該断熱構造については一例を示すの
みであり、図示のものに限定されるものではない。この
断熱エンジンについては、シリンダブロック４に断熱ガ
スケット１８を介してシリンダヘッド３が固定されてい
る。シリンダブロック４のシリンダ５には、断熱壁から
成るシリンダライナ６が嵌合している。

シリンダヘッド３の下面には、断熱壁から成るヘッド下
面部２０が固定されている。主燃焼室１は、ヘッド下面
部２０、シリンダライナ６、及び断熱壁から成るピスト
ンヘッド上面部１２から構成される。主燃焼室ｌの形成
壁面となるシリンダヘッド３には、断熱壁２２によって
連絡孔９が形成され、且つバルブシート１４　（図では
、吸気バルブ７側を示す）が形成され、該バルブシート
１４に吸気バルブ７及び排気バルブが配設されている。

シリンダヘッド３のヘッド下面部２０には連絡孔９が開
口し、該連絡孔９が主燃焼室１と副燃焼室２とを連通し
ている。副燃焼室２は、シリンダヘッド３に埋め込んだ
断熱壁１５によって断熱構造に構成され、且つ多噴孔１
６を備えた燃料噴射ノズル１０が配設されている。

シリンダライナ６を構成する断熱壁は、窒化珪素（Ｓｉ
３Ｎ４）、炭化珪素（ＳｉＣ）等のセラミック材から構
成されている。また、シリンダヘッド３のヘッド下面部
２０を構成する断熱壁は、窒化珪素（ＳＩＪ（）　、炭
化珪素（ＳｉＣ）等のセラミック材から構成され、該ヘ
ッド下面部２０はシリンダヘッド３の下面に対して、直
接的に接合又は化学蒸着等によってコーティングするこ
とによって、或いは断熱材４Ｂ、断熱空気層４９等を介
して固定することによって形成されている。また、副燃
焼室２は、蓄熱及び断熱ができる構造に構成されている
。副燃焼室２を形成する断熱壁１５及び連絡孔９を形成
する断熱壁２２は、窒化珪素（ＳｉＪｔ）　、炭化珪素
（ＳｉＣ）等のセラミック材から構成され、シリンダヘ
ッド３に直接的に埋め込み、好ましくは、シリンダヘッ
ド３に断熱材、断熱空気層等を介在して（図示せず）固
定することによって形成されている。更に、ピストン１
１におけるピストンヘッド上面部１２を形成する断熱壁
は、窒化珪素（Ｓｉ：＋Ｎ４）、炭化珪素（ＳｉＣ）等
のセラミック材を、直接的に接合又は化学薄着等によっ
てコーティングすることによって、或いは断熱材等を介
して（図示せず）固定することによって形成されている
。また、ピストン１１のピストンリング講２３には、例
えば、セラミック材等から成るピストンリング２１が嵌
入される。吸気バルブ７及び排気バルブについては、窒
化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化珪素（ＳｉＣ）等のセラミ
ック材等から製作されている。一般に、上記のように構
成されている断熱エンジンでは、燃焼に関して、断熱に
よる熱エネルギーの放散ができないため、燃焼室の壁面
及び該内部が高温状態になり、吸入工程における吸入効
率の悪化、及び燃焼スピードの悪化が生じる。

そこで、この発明による副燃焼室式断熱エンジンでは、
上記の断熱エンジンにおける吸入効率の悪化、及び燃焼
スピードの悪化を取り除くために、次のように構成され
ている。第１図に示すように、この副燃焼室式断熱エン
ジンは、主燃焼室１と副燃焼室２とを連通ずる断熱構造
の連絡孔９に第３のバルブである制御バルブ８を配設し
たことである。この場合に、制？ｉ［ｌバルブ８は、好
ましくは、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化珪素（ＳｉＣ
）等のセラミック材等から製作する。該制御バルブ８は
、連絡孔９を形成する断熱壁２２を貫通し、且つ副燃焼
室２から隔置して配設されており、シリンダヘッド３の
ヘッド下面部２０に形成したバルブシート１９に制御バ
ルブ８のバルブフェースが配設されている。この制御バ
ルブ８は、主燃焼室１と副燃焼室２とを連通状態或いは
遮断状態にするため、カム機構成いは電磁力によって該
制御バルブ８を上下運動させることによって連絡孔８を
開閉するものである。また、制御バルブ８に対向する部
位に位置するピストン１１のピストンヘッド上面には、
制御バルブ８の開閉作動を妨げないように、凹み形状の
バルブ逃げ部１７が形成されている。

次に、第１図、第７図及び第８図を参照して、制御バル
ブ８の開閉制御を説明する。第７図はこの副燃焼室式断
熱エンジンのＰ−■線図であり、第８図はこの副燃焼室
式断熱エンジンの作動工程と制御バルブ８の開閉作動と
の関係を示す線図である。この制御バルブ８の開閉制御
は、主として、エンジンの圧縮工程終わり近くで連絡孔
９を開放して主燃焼室１と副燃焼室２とを連通状態にし
、また、吸入工程時に連絡孔９を閉鎖して主燃焼室１と
副燃焼室２とを遮断状態にするものである。

即ち、制御バルブ８の開放時期は、圧縮工程の終わり上
死点前のクランク角３０６〜４０°から排気工程終端上
死点前のクランク角４０゜〜５０″までの期間に設定す
る。しかも、副燃焼室２でほとんどの燃焼を行い、放熱
は副燃焼室２を形成する断熱壁１５．２２によって遮断
し、放熱量を低減して副燃焼室２内に蓄熱する。従って
、吸入工程時には、制御バルブ８は連絡孔９を閉鎖して
いるので、副燃焼室２内に存在する燃焼ガスは、吸入工
程時に主燃焼室１側へ流出することないので、吸入空気
に熱エネルギーを与えることがなく、吸入空気の加熱は
少なくなり、吸入空気の膨張はなく、主燃焼室１内にス
ムースに流入させることができ、吸入効率が悪化するこ
とがない。また、制御バルブ８は、圧縮工程終わり付近
で開放されて連絡孔９を連通状態にする。なお、圧縮工
程の開始時に、制御バルブ８を開放して副燃焼室２を連
通ずると、副燃焼室２の容積骨だけ圧縮工程で圧縮損失
が発生するので、上記の開放時期が好ましいことになる
。それ故に、主燃焼室１の圧縮された吸入空気は、副燃
焼室２へ急速に流れ込み、副燃焼室２及び連絡孔９の壁
面、並びに残留した燃焼ガスから熱を与えられ、加熱さ
れ、膨張して圧力上昇する。第７図に示すＰ−Ｖ線図を
参照すると、制御バルブ８の開放によって副燃焼室２分
だけ容積Ｖが増大し且つ圧力Ｐは減少するが、ここで、
副燃焼室２内に壁面及び残留ガスとして蓄熱された熱エ
ネルギーが利用され、その熱量分だけ圧力は上昇する。

なお、ｐ−ｖＶＡ図中、Ｖヶ及びｖ８は、上死点におけ
る主燃焼室１に形成される容積であり、例えば、Ｖａ　
＝４０ＣＣ，ＶＭ　＝４０ｃｃである。その後、副燃焼
室２内に燃料噴射ノズル１０から燃料が噴射されて高温
燃焼し、理想的プロセスで排気工程に移行することにな
る。また、排気工程の終端上死点前のクランク角４０゜
〜５０°の時期で制御バルブ８が閉鎖するので、該時期
は排気圧力が最も低く、副燃焼室２内に残留する燃焼ガ
スをできるだけ少なくでき、吸入工程では副燃焼室２の
高温部に吸入空気が触れることがない。従って、吸入効
率が低下し難り、圧縮工程では吸入空気の熱膨張が抑制
されるので、仕事量が減少するようになる。

また、この発明による副燃焼室式断熱エンジンについて
の上記の作動工程は、副燃焼室２に設置した燃料噴射ノ
ズル１０から噴霧される燃料の燃料当量比を直ちにリン
チ状態にでき、しかも、制御バルブ８の閉鎖によって副
燃焼室２にはその壁面及び残留ガスに蓄熱されているの
で、圧縮工程終わりに副燃焼室２に流入する吸入空気は
短時間で温度上昇し、燃料噴霧と空気との混合が速やか
に実行され、燃料と空気との燃料当量比と燃焼温度とで
決定されるスモーク発生温度ゾーンでの燃焼を直ちにク
リアして高温燃焼し、火炎が副燃焼室２から主燃焼室１
ヘスワールとして吹き出される。次いで、火炎が副燃焼
室２から主燃焼室１に吹き出されることによって、急激
に燃料当量比が低下される。しかも、吸入工程時は制御
バルブ８が副燃焼室２を閉鎖しているので、主燃焼室１
の温度は吸入空気に追従性が良く、従って、導入される
空気の吸入効率は良好であるため、燃料当量比は短時間
に小さくなり且つ燃焼温度は低下するので、燃料当量比
と燃焼温度とで決定されるＮ。

８発生温度ゾーンでの燃焼を避けることができる。

従って、この発明による副燃焼室式断熱エンジンにおい
て、副燃焼室２及び主燃焼室ｌでは、スモクの発生及び
ＮＯＸの発生を避ける燃焼を行わせることができ、スモ
ーク及びＮＯｘの低減を図ることができる。

次に、第２図を参照して、この発明による副燃焼室式断
熱エンジンの別の実施例を説明する。この副燃焼室式断
熱エンジンは、上記実施例と比較すると、副燃焼室の形
状と配設位置、制御バルブの配置位置及びピストンヘッ
ドの形状が相違する以外は、同一の構造を有しており、
しかも、制御バルブは上記実施例と同一の作動工程であ
り且つ同一の機能を有しているので、同一の部品或いは
同一の機能を有する部品には同一の符号を付し、重複す
る説明は省略する。第２図において、この副燃焼室式断
熱エンジンは、副燃焼室２をシリンダ５即ちシリンダラ
イナ６のほぼ中央に対向するシリンダヘッド３に配設し
、該副燃焼室２の中央部に制御バルブ８を配設し、更に
副燃焼室２の両側に形成した吸気ポート１３及び排気ポ
ート２６に吸気バルブ７及び排気バルブ２４を配設した
ものである。また、ピストン１１のピストンヘッド上面
中央部に形成されたピストン側燃焼室２７に対向するよ
うに、制御バルブ８を配設し、それによって、制御バル
ブ８の開閉作動を妨げないように構成できる。この制御
バルブ８は、副燃焼室２の断熱壁１５を貫通し、カム機
構成いは電磁力によって上下方向に往復運動するように
設定されている。また、制御バルブ８は、チタン合金等
のバルブ本体２８及び該バルブ本体２８の外周面にジル
コニア等をスパッタリングによって被覆した断熱層２５
から形成したものである。この副燃焼室式断熱エンジン
は、上記のように構成されているので、制御バルブ８の
開放時に、主燃焼室１からの空気は、副燃焼室２におい
てバルブステムの回りに良好なスワールを形成するよう
に吹き込まれる。また、制御バルブ８は、熱流に晒され
るが、制御バルブ本体２８の外周面の断熱層２５で耐熱
性を持たせることができ、副燃焼室２内を高温化し、し
かも主燃焼室ｌ側へは熱流が阻止されるので、主燃焼室
１で吸入空気が加熱されることば防止される。なお、制
御パルプ８の開閉作動及びその作用は、上記実施例のも
のと同様であるので、ここでは説明を省略する。

次に、第３図を参照して、この発明による副燃焼室式断
熱エンジンの更に別の実施例を説明する。

この副燃焼室式断熱エンジンは、第１図に示す実施例と
比較すると、特に、副燃焼室の形状に特徴を有するもの
であり、従って、副燃焼室の構成を説明するため、該副
燃焼室についてのみ図示し、その他の構成は第１図に示
す実施例と同一であるので、図示を省略する。しかも、
制御バルブは上記実施例と同一の作動工程であり且つ同
一の機能を有しているので、同一の符号を付し、重複す
る説明は省略する。第３図はこの副燃焼室式断熱エンジ
ンにおける副燃焼室２のみを示す斜視図である。第３図
において、この副燃焼室式断熱エンジンにおいて、副燃
焼室２の形状は、連絡孔９が開口する内面を円筒面部分
２９で形成し、且つ該円筒面部分２９の両端部を球面の
一部の形状の球面部分３０で形成したものである。連絡
孔９は、副燃焼室２内に吹き込まれる空気がスワールを
生成するように、副燃焼室２の内面の円筒面部分２９に
対して傾斜して形成されている。また、副燃焼室２に配
置された燃料噴射ノズル１０は、多噴孔１６に形成され
、しかも、該噴孔１６の配置を中心部に大噴孔を且つ外
周部に小噴孔を形成し、噴霧が副燃焼室２内でほぼ均一
になるように形成されている。即ち、主燃焼室１からの
流入空気は、副燃焼室２の中心部の流速が速く、スワー
ルスピードが大きく、火炎が中心部に集中し易くなるが
、燃料噴射ノズル１０の噴孔を上記のように構成して中
心部に燃料を多く噴霧することによって、空気過剰率を
均一にさせることができる。また、副燃焼室２の内壁面
の形状については、好ましくは、スワールを高流速とし
て空気と燃料の混合を良好にし且つ断熱壁から熱を十分
に奪うため、スワール流線Ａに沿って該内壁面を凹凸形
状（図示せず）に形成することができる。なお、制御バ
ルブ８の開閉作動及びその作用は、第１図に示す実施例
のものと同様であるので、ここではそれらの説明を省略
する。

更に、第４図及び第５図を参照して、この発明による副
燃焼室式断熱エンジンの他の実施例を説明する。この副
燃焼室式断熱エンジンは、第１図に示す実施例と比較す
ると、特に、副燃焼室の形状及び制御バルブの配置に特
徴を有するものであり、それらの点で相違する以外は、
同一の構造を有しており、しかも、制御バルブは第１図
に示す実施例と同一の作動工程であり且つ同一の機能を
有しているので、同一の部品或いは同一の機能を有する
部品には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

第４図はこの発明による副燃焼室式断熱エンジンの他の
実施例を示す断面図、及び第５図は第４図の線Ｖ−Ｖに
おける副燃焼室の断面図である。この副燃焼室式断熱エ
ンジンにおいて、副燃焼室２、連絡孔９、並びに制御バ
ルブ８のガイド孔３１及びバルブシート３２を形成した
副燃焼室本体３３は、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎｔ）　、炭化
珪素（ＳｉＣ）等のセラミック材で一体構造に構成され
ている。この副燃焼室本体３３は、断熱構造をより一層
完全に構成するため、断熱シート３４を介してシリンダ
ヘッド３に配置されている。副燃焼室２及び制御バルブ
８を上記のように構成することによって、副燃焼室２を
蓄熱構造に構成でき、上記のように、吸入効率の悪化が
発生せず、しかも、耐熱性を要する制御バルブ８を副燃
焼室本体３３と同一のセラミック材で形成して温度分布
の均一化を図ることができ、ガイド孔３１と制御バルブ
８のパルプステムとの間の初期状態のクリアランスを保
つことができ、エンジンの作動時に温度差による制御バ
ルブ８の摺動不良を防止でき、制御バルブ８の摺動をス
ムースに、レスポンス良好に且つ確実に行うことができ
る。また、この副燃焼室本体３３の製作については、副
燃焼室２、連絡孔９、バルブシート３２及びガイド孔３
１が形成される部分に、プラスチック等の材料を配置し
た状態で、副燃焼室本体３３を形成するセラミック素材
を充填し、それを焼成することによってプラスチック等
の材料をロストホーン（ｌｏｓｔ　ｆｕｒｎ、）でなく
して副燃焼室本体３３自体を形成することができる。ま
た、副燃焼室２の形状は、第３図に示す形状に限定され
るものではないが、図では、連絡孔９が開口する内面を
円筒面部分２９で形成し、且つ該円筒面部分２９の両端
部を球面の一部の形状の球面部分３０で形成したものが
示されている。

連絡孔９は、副燃焼室２内に吹き込まれる空気がスワー
ルを生成するように、副燃焼室２の内面の円筒面部分２
９に対して傾斜して形成されている。

また、第６図を参照して、この発明による副燃焼室式断
熱エンジンの更に他の実施例を説明する。

この副燃焼室式断熱エンジンは、第４図に示す実施例と
比較すると、特に、制御バルブの構造及び作動手段の例
を示す以外は、同一の構成を有しており、従って、制御
バルブの構造及び作動手段を説明するため、その点につ
いてのみ関示し、その他の構成は第４図に示す実施例と
同一であるので、図示を省略する。しかも、制御バルブ
は該実施例と同一の作動工程であり且つ同一の機能を有
しているので、同一の部品或いは同一の機能を有する部
品には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。第
６図はこの発明による副燃焼室式断熱エンジンの更に他
の実施例を示す概略説明図である。

この副燃焼室式断熱エンジンにおいて、副燃焼室本体３
３に形成したバルブガイド即ちガイド孔３１に配置され
た制御バルブ８は、電磁力によって作動されるものであ
る。この制御バルブ８については、バルブヘッド４０及
び下部バルブステム４１が窒化珪素、炭化珪素等のセラ
ミック材料から形成され、且つ上部バルブステム３５が
珪素鋼等の磁性材料から形成されている。下部バルブス
テム４１の上端面と上部バルブステム３５の下端面とは
、接合部４２において互いに当接状態に接合されている
。下部バルブステム４１と上部バルブステム３５との接
合は、直接的に接合してもよく、或いは断熱材を介在し
て接合してもよいことは勿論である。制御バルブ８を上
記のように構成することによって、制御バルブ８自体の
質量を小さく構成できる。従って、バルブステム中に磁
性体を有し且つ荷重が小さいことにより、制御バルブ８
を電磁力で作動することが可能になる。上部バルブステ
ム３５に形成されたコツタ溝４７に嵌入したハルブスプ
リングコソタ４６をスプリングシート４４に嵌合すると
共に、該スプリングシート４４とシリンダヘッド３上面
のスプリングシート５０との間にバルブスプリング４５
を配設することによって、制御バルブ８を副燃焼室本体
３３のバルブシート３２に設定できる。言い換えれば、
バルブスプリング４５は、制御バルブ８が連絡孔９を閉
鎖するためのリターンスプリングの機能を果たすことに
なる。また、制御バルブ８の開放作動手段は、磁性材か
ら成る上部バルブステム３５の外周に磁化コイル即ち電
磁コイル３６を配置する。

該電磁コイル３６に対する電流の制御は、コントローラ
３７によって制御するように構成されている。更に、コ
ントローラ３７には、エンジン回転数を検出する回転セ
ンサー３８からの回転検出信号、エンジン負荷を検出す
るトルクセンサー３９からのトルク検出信号、及び制御
バルブ８のバルブリフト位置を検出する位置センサー４
３からの位置検出信号が入力される。コントローラ３７
は、これらの各検出信号に応答して電磁コイル３６に電
流を供給して制御バルブ８の開閉作動を制御するように
構成されている。

第６図に示す副燃焼室式断熱エンジンにおける制御バル
ブ８の作動制御手段は、上記のように構成されているの
で、コントローラ３７に対して制御バルブの開放時期を
、圧縮工程の終わり上死点前のクランク角３０″〜４０
″から排気工程終端上死点前のクランク角４０゜〜５０
°までの期間に予め設定しておくことによって、制御バ
ルブ８を第１図に示す副燃焼室式断熱エンジンにおける
ものと同様な制御を行い、吸入効率の低減を防止すると
共に、ＮＯｘ及びスモークの発生を低減させることがで
きることは勿論のことである。また、制御バルブ８の位
置を検出しつつ、エンジン回転数及びエンジン負荷に応
じて電磁コイル３６に流れる電流を制御でき、制御バル
ブ８の開閉作動、即ちバルブリフトを制御することもで
きる。例えば、エンジン回転数が低い時にスワールが小
さくなるので、制御バルブ８のバルブリフトを小さくし
てスワール速度を大きくし、また、エンジン始動時には
、制御バルブ８のバルブリフトを大きくすることにより
スワールによる冷却効果を減少させることができる。

〔発明の効果〕

この発明による副燃焼室式断熱エンジンは、以上のよう
に構成されており、次のような効果を有する。

まず、この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
縮工程終わり近くで前記連絡孔を開放し且つ吸入工程時
は前記連絡孔を閉鎖するように構成したので、前記副燃
焼室でほとんどの燃焼を行わせ、該副燃焼室の断熱壁で
放熱を遮断して放熱量を低減し、吸入工程時には前記制
御バルブで前記主燃焼室と前記副燃焼室との連通状態を
遮断し、吸入空気の加熱を少なくして吸入空気の膨張を
抑えて吸入効率の悪化を防止し、圧縮工程終わり近くで
前記制御バルブを開放して吸入空気を前記副燃焼室に流
入させるが、ここで該吸入空気は前記副燃焼室と前記連
絡孔との壁面及び燃焼ガスから熱を与えられて膨張し、
次いで高温燃焼を行って排気工程に移行することができ
る。このことは、ＮＯｘ及びスモークの発生を低減する
ことができることになる。即ち、前記副燃焼室にて燃料
噴射ノズルから噴霧される燃料の燃料当量比を直ちにリ
ッチ状態にでき、特に、前記副燃焼室には上記のように
蓄熱されているので、短時間に温度上昇させると共に燃
料噴霧と空気との混合を速やかに実行させ、燃料と空気
との燃料当量比と燃焼温度とで決定されるスモーク発生
温度ゾーンでの燃焼を直ちにクリアして高温燃焼を行わ
せることができ、火炎が前記副燃焼室から前記主燃焼室
ヘスワールとして吹き出される。

次いで、火炎が前記副燃焼室から前記主燃焼室に吹き出
されることによって、急激に燃料当量比が低下され、し
かも導入される空気の吸入効率は良好であるため、燃料
当量比は短時間に小さくなり且つ燃焼温度は低下するの
で、燃料当量比と燃焼温度とで決定されるＮＯｘ発生温
度ゾーンでの燃焼を避けることができる。従って、前記
副燃焼室及び前記主燃焼室において、スモークの発生及
びＮＯｘの発生を避ける燃焼を行わせることができる。

また、この副燃焼室式断熱エンジンは、前記制御バルブ
の開放時期を、圧縮工程の終わり上死点前のクランク角
３０゜〜４０°から排気工程終端上死点前のクランク角
４０″〜５０６までの期間に設定したので、圧縮工程の
上記時期で前記制御バルブが開放して、前記主燃焼室内
の空気が前記副燃焼室へ急速に流入され、蓄熱により急
速に加熱され、圧力上昇し、次いで燃料が噴射されて急
速に混合燃焼する。また、排気工程の上記時期で前記制
御バルブが閉鎖するので、排気圧力が最も低く、前記副
燃焼室内の残留ガスをできるだけ少なくでき、吸入工程
では前記副燃焼室の高温部に空気が触れることがなく、
吸入効率が低下し難く、圧縮工程では吸入空気の熱膨張
が抑制され、仕事量が減少するように構成できる。

また、この副燃焼室式断熱エンジンは、前記副燃焼室を
シリンダのほぼ中央部位に対応するシリンダヘッドに配
置し、前記制御バルブを前記副燃焼室の中央を貫通して
配設し、前記制御バルブの外周面に断熱層を被覆したの
で、前記制御バルブの開放時に前記主燃焼室から吹き込
まれる空気に良好なスワールを前記制御バルブのバルブ
ステムの回りに発生させることができる。また、前記制
御バルブは熱流に晒されるため、前記制御バルブの外周
面を断熱材で被覆して耐熱性を持たせると共に、前記副
燃焼室内を高温化して蓄熱しても、前記主燃焼室側へ熱
流が阻止できるよう構成し、前記主燃焼室で吸入空気が
加熱されることを防止する。

また、この副燃焼室式断熱エンジンは、前記燃料噴射ノ
ズルを多噴孔に形成し、該噴孔の配置を中心部に大噴孔
を且つその外周部に小噴孔を配設し、前記副燃焼室の形
状をスワール生成の前記連絡孔が開口する面を円筒面部
分に形成し且つ該円筒面部分の両側を球面部分に形成し
たので、噴霧を前記円筒面部分でほぼ均一になるように
形成するが、前記副燃焼室の中心部の流速が速く、スワ
ールスピードが大きく、火炎が中心部に集中し易いので
、空気過剰率を均一にさせるため中心部に燃料を多く噴
霧するように上記のように構成する。

好ましくは、スワール流線に沿って前記副燃焼室の内壁
面を凹凸形状に構成することもでき、それによって、前
記副燃焼室内でスワールを高流速として空気と燃料の混
合を良好にし、且つ前記副燃焼室の該凹凸形状の壁面か
ら熱を十分に奪うようにできる。

更に、この副燃焼室式断熱エンジンは、前記副燃焼室、
前記連絡孔、並びに前記制御バルブのガイド孔及びバル
ブシートを形成した副燃焼室本体をセラミック材で一体
構造に構成し、前記副燃焼室本体を断熱シートを介して
シリンダヘッドに配置したので、前記副燃焼室を蓄熱構
造に構成でき、前記制御バルブで上記のように作動する
ことによって、前記副燃焼室からの熱影響を遮断できる
ので吸入効率の悪化が発生せず、また、耐熱性を要する
前記制御バルブを前記副燃焼室本体と同一のセラミック
材で形成して温度分布の均一化を図ることができ、前記
制御バルブのバルブステムと前記副燃焼室本体にはエン
ジンの作動時に温度に伴う熱膨張差が発生しないので、
前記バルブステムと前記副燃焼室本体に形成したガイド
孔との間の初期状態のクリアランスを保つことができ、
温度影響による前記制御バルブの摺動不良を防止でき、
前記制御バルブの摺動をスムースに且つレスポンス良好
に行うことができる。

また、この副燃焼室式断熱エンジンは、前記制御バルブ
のセラミック材から成る下部バルブステムに磁性材から
成る上部バルブステムを接合し、該上部バルブステムに
対して電磁コイルを配設し、前記電磁コイルを制御して
前記制御バルブの開閉作動を制御したので、前記制御バ
ルブの重量を軽量に構成でき、前記電磁コイルによる電
磁力によっても作動制御することができ、しかも、吸排
気バルブを作動する従来のカム機構のものは、エンジン
の作動工程に応して開閉作動するが、前記制御バルブの
作動はエンジンの作動工程とは独立して電磁力で制御で
き、しかも前記電磁コイルに流れる電流を制御して前記
制御バルブのバルブリフトをＩＩ？卸することもできる
。

或いは、この副燃焼室式断熱エンジンは、吸排気バルブ
を備えた往復動エンジンにおいて、燃料噴射ノズルを備
えた断熱構造に構成した副燃焼室と吸排気バルブを断熱
構造に構成した主燃焼室とを連絡孔で連通し、前記連絡
孔を開閉する制御バルブを配設し、前記制御バルブのセ
ラミック材から成る下部バルブステムに磁性材から成る
上部バルブステムを接合し、該上部バルブステムに対し
て電磁コイルを配設し、前記制御バルブの位置を検出す
ると共に、エンジン回転数及びエンジン負荷に応して前
記電磁コイルを制御して前記制御バルブの開閉作動を制
御したので、エンジンの作動工程とは独立して、エンジ
ン回転数及びエンジン負荷の検出値に応じて前記磁化コ
イルに流れる電流を制御して前記制御バルブのバルブリ
フトを制御できる。例えば、エンジン回転数が低い時に
は、スワールが小さくなるので、前記制御バルブのバル
ブリフトを小さくして前記副燃焼室内のスワール速度を
大きくする。或いは、エンジン始動時には、前記制御バ
ルブのバルブリフトを大きくすることによって、スワー
ルによる前記副燃焼室の冷却効果を減少させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による副燃焼室式断熱エンジンの一実
施例を示す断面図、第２図はこの発明による副燃焼室式
断熱エンジンの別の実施例を示す断面図、第３図はこの
発明による副燃焼室式断熱エンジンの更に別の実施例に
おける副燃焼室の一例を示す斜視図、第４図はこの発明
による副燃焼室式断熱エンジンの他の実施例を示す断面
図、第５図は第４図の線Ｖ−Ｖにおける副燃焼室本体の
断面図、第６図はこの発明による副燃焼室式断熱エンジ
ンの更に他の実施例における制御バルブの作動手段の一
例を示す説明図、第７図はこの発明による副燃焼室式断
熱エンジンによるＰ−ｖ線図、及び第８図はこの発明に
よる副燃焼室式断熱エンジンによる作動工程を示す線図
である。 １−−−・−主燃焼室、２−−−−一副燃焼室、３−−
−−−−シリンダヘッド、４−−−−〜−−シリンダブ
ロック、５−・−一一一一シリンダ、６・・・−シリン
ダライナ、７・−・−吸気バルブ、８・・−・−制御バ
ルブ、９−・一連絡孔、１０・・−・・・燃料噴射ノズ
ル、１２・・−・−ピストンヘッド上面部、１３−・−
吸気ポート、１５．２２−・−断熱壁、１６・−−−−
−−一噴孔、１７・・−・・−・バルブ逃げ部、２０−
−一一〜−−ヘッド下面部、２４−−−一排気バルプ、
２５・・−・−断熱層、２６−−−−排気ポート、２７
−・・・−ピストン側燃焼室、２９・・−・・−円筒面
部分、３０−−−一球面部分、３１−−−−−ガイド孔
、３３−・−・−副燃焼室本体、３４断熱シート、３５
−−−−一一一上部バルブステム、３６−−−−−−電
磁コイル、３７　＝−−−−−−コントローラ、３８・
・−・一回転センサー、３９−−−・−トルクセンサー
、４ｉ−・・・−下部バルブステム、４２−−−一接合
部、４３−・・−・−位置センサー 出願人　　いす−自動車株式会社 代理人　　弁理士　尾　仲　−宗 第 図 第 図 補正の内容 明細書全文を別紙のとおり補正する。 手　続　主甫　正　署）（自発） 平成元年１１月０９日 １゜ ２゜ ３゜ ４゜ 特許庁長官　　吉　１）文　毅　　殿 事件の表示 昭和６３年特許願第２７０９２３号 発明の名称 副燃焼室式断熱エンジン 補正をする者 事件との関係　　特許出願人 住　所　　東京部品用区南大井６丁目２２番１０号名　
称　　（０１７）いすｙ゛自動車株式会社代表者　飛　
山　−男

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）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工程終わり近くで前記連絡孔を
   開放し且つ吸入工程時は前記連絡孔を閉鎖するように構
   成したことを特徴とする副燃焼室式断熱エンジン。
2. （２）前記制御バルブの開放時期を、圧縮工程の終わり
   上死点前のクランク角３０゜〜４０゜から排気工程終端
   上死点前のクランク角４０゜〜５０゜までの期間に設定
   したことを特徴とする請求項１に記載の副燃焼室式断熱
   エンジン。
3. （３）前記副燃焼室をシリンダヘッドに配置し、前記制
   御バルブを前記連絡孔の形成壁面を貫通して前記副燃焼
   室から隔置状態に配置したことを特徴とする請求項１に
   記載の副燃焼室式断熱エンジン。
4. （４）前記副燃焼室をシリンダのほぼ中央部位に対応す
   るシリンダヘッドに配置し、前記制御バルブを前記副燃
   焼室の中央を貫通して配設し、前記制御バルブの外周面
   に断熱層を被覆したことを特徴とする請求項１に記載の
   副燃焼室式断熱エンジン。
5. （５）前記燃料噴射ノズルを多噴孔に形成し、前記副燃
   焼室の形状をスワール生成の前記連絡孔が開口する面を
   円筒面部分に形成し且つ該円筒面部分の両側を球面部分
   に形成したことを特徴とする請求項１に記載の副燃焼室
   式断熱エンジン。
6. （６）前記副燃焼室、前記連絡孔、並びに前記制御バル
   ブのガイド孔及びバルブシートを形成した副燃焼室本体
   をセラミック材で一体構造に構成したことを特徴とする
   請求項１に記載の副燃焼室式断熱エンジン。
7. （７）前記制御バルブのセラミック材から成る下部バル
   ブステムに磁性材から成る上部バルブステムを接合し、
   該上部バルブステムに対して電磁コイルを配設し、前記
   電磁コイルを制御して前記制御バルブの開閉作動を制御
   したことを特徴とする請求項１に記載の副燃焼室式断熱
   エンジン。
8. （８）燃料噴射ノズルを備えた断熱構造に構成した副燃
   焼室と吸排気バルブを断熱構造に構成した主燃焼室とを
   連絡孔で連通し、前記連絡孔を開閉する制御バルブを配
   設し、前記制御バルブのセラミック製下部バルブステム
   に磁性材製上部バルブステムを接合し、該上部バルブス
   テムに対して電磁コイルを配設し、前記制御バルブの位
   置を検出してエンジン回転数及びエンジン負荷に応じて
   前記制御バルブの開閉作動を制御することを特徴とする
   副燃焼室式断熱エンジン。