JPH0218407B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ピストン頂面にキヤビテイを形成
し、キヤビテイ内に燃料を直接噴射して、良好な
混合気を形成する圧縮着火式直接噴射内燃機関に
関する。

（従来技術） 従来の比較的小型の高速直噴デイーゼル機関で
実用に供されているのは、ピストン頂面に燃焼室
を構成する円形のキヤビテイを形成してその底部
中央部に円錐状の突起を形成することにより周辺
に環状の凹部を形成したトロイダル系の燃焼室を
有するもので、燃料噴射弁として４孔ないし５孔
の多孔のホールノズルをキヤビテイ中央に配置
し、燃焼噴霧を放射状に四方に噴射させることに
より、キヤビテイ内に形成される旋回流中を貫徹
しながら蒸発させて、混合気を形成するものであ
る。

ホールノズルから噴射された燃料噴霧は、飛翔
方向の速度成分が大きく、且つ貫徹力が強いた
め、キヤビテイ内の高温空気中を進み間に、徐々
に蒸発し、噴霧の燃料粒が小さくなり、飛翔速度
も遅くなるので、キヤビテイ内に形成されている
旋回流に乗つて流され、下流側のキヤビテイ内壁
面近傍の複数部位の旋回流中に混合気を形成する
ものである。

しかしながら、この従来のデイーゼル機関にお
いては、エンジン始動直後の冷温時にあつては、
キヤビテイ内壁面の温度も低く冷たいため、機関
の圧縮中に空気が冷やされるので、キヤビテイ内
に形成される旋回流の温度も充分高くない。した
がつて、燃焼噴霧の蒸発速度も遅いため、燃料噴
霧は充分蒸発しないので、大きな燃料粒のまま高
速でキヤビテイ内壁面に衝突する。その結果、発
煙が生じ、圧力上昇率が増大し、騒音が高くな
り、炭化水素（HC）が発生するという問題があ
つた。

また、定速運転時にあつては、キヤビテイ内に
形成される旋回流が弱いため、燃料噴霧がキヤビ
テイの内壁面に衝突し、同様の問題があつた。

またキヤビテイ内の旋回流は、一般に吸入ポー
ト部の形成を渦巻形状としたヘリカルポートで形
成するが、ピストン速度が低い機関低回転時にお
いては、旋回流の速度が低いため、ホールノズル
から噴射される燃料噴霧の飛翔を充分阻止するこ
とができず、燃料噴霧がキヤビテイ内壁面に衝突
する。

更に、機関の高回転時には、逆にピストン速度
が速くなるので、キヤビテイ内に形成される旋回
流が早くなり過ぎ、キヤビテイ内壁面近傍に形成
される混合気層が流され、隣合つた噴口で形成さ
れた混合気層が重なり合流するため、混合気の重
合をきたし、その部分だけ混合気が過濃となり、
発煙の原因となつていた。自動車用の小型機関、
特にシリンダ径が75mm〜100mm程度の機関では、
アイドル回転数500〜800rpm、最高回転数4000〜
5000rpmと回転数範囲が広い。したがつて、この
種の機関にあつては、キヤビテイ直径が40mm前後
と小さいため、上述の問題は、重大な問題であ
る。

また、ホールノズルの一つの噴孔から噴射され
る燃料噴霧を拡大して観察すると、一つの噴孔か
ら噴射される燃料噴霧の噴霧の飛翔方向の速度成
分は非常に大きいため、燃料噴霧は、そのまわり
の空気を随伴して巻き込みながら、飛翔して、蒸
発が進むにつれて速度を失い、旋回流に流されな
がら混合気を形成する。着火は、噴霧の先端付近
のキヤビテイの高温壁面近くで発生する。上述の
様に、燃料噴霧は、そのまわりの空気を随伴して
巻き込みながら飛翔するので、中実円錐状の燃料
噴霧の表面近くには充分な空気が存在し、先端付
近での着火後、旋回気流の下流混合気層はもちろ
ん、ホールノズルから出たばかりの燃料噴霧の表
面層もただちに火炎に包まれる。したがつて、着
火直後の燃焼速度が速いため、キヤビテイ内の吸
入空気を充分利用する時間的余裕が無いため、発
煙しやすく、しかも、圧力上昇率も大きいため、
燃焼騒音も大きいという問題があつた。

上述以外の従来の直噴デイーゼル機関として
は、ピストン頂面に四分の三の球形状のキヤビテ
イを形成して燃焼室とし、ヘリカルポートによつ
て空気吸入時に旋回を与え、圧縮行程末期にキヤ
ビテイ内に旋回流を形成するものがあり、一部に
実用されている。燃料は、単孔又は２孔のホール
ノズルからキヤビテイ内壁面に小さな角度で積極
的に衝突するように噴射し、キヤビテイ内壁面に
燃料のフイルムを形成する。この燃料フイルム
は、キヤビテイ内壁面で蒸発し、蒸発した燃料蒸
気をキヤビテイ内に形成されている旋回流に乗せ
て混合気を形成するものである。

しかしながら、この従来のデイーゼル機関にお
いても、上述のトロイダル系の燃焼室を有するデ
イーゼル機関に比べ、壁面の燃料フイルムから蒸
発した燃料蒸気だけ空気と混合して燃焼させるた
め発煙が少ないという利点を有するが、壁面温度
の影響を受けやすく、又低温始動が困難であり、
始動直後の炭化水素（HC）のような排気有害成
分の発生が多いという問題点を有していた。

本発明者らは、上記従来の小型圧縮着火式直接
噴射内燃機関が有していた問題点を解決するた
め、系統的実験、解析および試作を繰り返した結
果、本発明に到達したものである。

（発明が解決しようとする課題） 本発明の目的は、上記従来デイーゼル機関が有
していた問題点である燃焼室壁面への未蒸発燃料
噴霧の衝突を防止し、燃料噴霧の飛翔中における
そのまわりの空気の随伴、巻き込みを極力少なく
して、着火直後の燃焼圧力上昇率を低く抑えて燃
焼騒音を低くするとともに、発煙（吐煙）を低減
することである。

（課題を解決するための手段） 本発明の圧縮着火式直接噴射内燃機関は、燃焼
室内に空気を吸入し、ピストンにより吸入空気を
圧縮するとともに、燃料を直接噴射して着火燃焼
させる圧縮着火直接噴射内燃機関において、前記
燃焼室内に供給する吸入空気を旋回させる旋回機
構を具備していて、吸気通路のピストン中心側側
壁が徐々に外方に傾斜しその延長線が吸気弁のロ
ツドの外側壁に接するかそれより外側になる様に
形成するとともに、吸気通路のピストン外周側側
壁が直線状に形成され吸気弁の中心軸に対しピス
トン外周側に偏心した点を中心にして形成した円
弧側壁になめらかに接続し、吸気孔の開口面とこ
れに対面した渦流生成部の天井間の高さを、吸気
弁のロツドまわりの全周にわたりほぼ一定にする
と共に、前記ロツドまわりの天井がほぼ平坦であ
るようにしたオフセツトポートから成る吸気機構
と、ピストン頂面に形成した略球形のキヤビテイ
であつて、入口開口部が絞られ他の部分はそれよ
り面積を大に形成した燃焼室と、キヤビテイ内に
形成される吸入空気の旋回流の順流方向に沿つて
噴射する様に、キヤビテイの中心軸から離れた位
置であつて、且つキヤビテイ中心軸に対して傾斜
して配設された噴口から接線方向速度成分を有す
る略中空円錐状の燃料噴霧を噴射する渦巻噴射弁
とから成るものである。

（作用・効果） 上述の構成より成る本発明の圧縮着火式直接噴
射内燃機関は、旋回機構を具備した吸気機構によ
り、予めキヤビテイＣ内に吸入空気の旋回流SW
を形成しておき、第１図Ａに示す様にかかる旋回
流の順流方向に沿つてキヤビテイ中心軸に対して
距離をおいて傾斜して配設された渦巻き噴射弁
SNの噴口から接線速度成分を有する略中空円錐
状の燃料噴霧をそのまわりの空気を随伴、巻き込
むことなく噴射するものである。その後、低貫徹
力で飛翔速度が小さく、且つ微粒化された燃料噴
霧を第１図Ｂおよび第２図に示すように流れを乱
すことなくなめらかに旋回流に乗せてキヤビテイ
Ｃの円周方向にドーナツ状に分散させるととも
に、ピストンの上昇とともにピストン頂面の平坦
面から入口開口部を介してキヤビテイＣ内に流れ
込む圧縮行程末期まで形成されているスキツシユ
流Ｓにより円周方向に分散された燃料噴霧を更に
キヤビテイの軸方向（深さ方向）に更に分散させ
るものである。キヤビテイＣの円周方向および深
さ方向に一様に分散される間にもともと微粒化さ
れた燃料噴霧は蒸発して、吸入空気との混合によ
り第１図Ｂに示す様に均一で良好なドーナツ状の
混合気層をキヤビテイＣ内に形成する。着火は、
混合気の先端付近の１ケ所又は互いに近接した複
数点で始まり、燃料噴霧は旋回流の流速の速い部
分からその順流に噴射され、燃料噴霧自身の飛翔
速度は遅いのでそのまわりの空気を随伴、巻き込
むことがないため、燃焼初期に渦巻噴射弁SNか
ら噴射されたばかりの中空円錐状の燃料噴霧がた
だちに火炎に包まれることなく、第１図Ｂに示す
ように先端から旋回流によりドーナツ状円周方向
に分散された上流領域に徐々に燃焼が進行するた
め、発煙（吐煙）レベルが低く、且つ燃焼圧力の
上昇率も低いため、騒音の低い燃焼をするととも
に、キヤビテイ内の空気を有効に利用するため、
燃費を向上させるという利点を有する。

さらに本発明の圧縮着火式直接噴射内燃機関
は、キヤビテイＣを略球形に形成したので、キヤ
ビテイＣ内に形成される旋回流SWおよびスキツ
シユ流Ｓを、キヤビテイＣ内壁面に沿つて一様に
形成してキヤビテイＣ内にデツドスペースを形成
しないので、キヤビテイＣ内における均一な混合
気形成を可能にするものである。

次に本発明の圧縮着火式直接噴射内燃機関の作
用効果について更に詳細に説明する。

本発明の内燃機関においては、燃焼室を構成す
るキヤビテイＣ内に吸入行程以後予め吸入空気の
旋回流SWを形成しておくとともに、圧縮行程開
始以後ピストン頂面平坦面からキヤビテイＣ内に
流れこむスキツシユ流Ｓを形成するものである。

かかるキヤビテイ内に渦巻噴射弁から、低貫徹
力で噴霧の飛翔方向の速度成分の小さい、第１図
Ａに示す様に形成されている旋回流の順流方向に
燃料噴霧を噴射するものである。噴口より、旋回
運動を与えられて中空円錐膜状に噴射された燃料
噴霧は、噴口から離れるにしたがい径が大きくな
るため、膜が薄くなり、ちぎれて微粒化する。渦
巻噴射弁から噴射された燃料噴霧の速度成分は、
飛翔方向（進行方向）速度成分と接続方向速度成
分に分かれるから、接線方向速度成分を有しない
従来のホールノズルに比べ飛翔方向の飛翔速度と
燃料の貫徹力が小さく、且つ噴霧到達距離がきわ
めて小さい。

キヤビテイ内の旋回流に対し順流方向に噴射さ
れた燃料噴霧は、飛翔速度および燃料の貫徹力が
小さく、そのまわりの空気を随伴して巻き込むこ
とが無いため、第１図Ｂおよび第２図に示す様に
キヤビテイ内の円周方向の旋回流中のキヤビテイ
内壁面近くに単に配置され、旋回流にスムーズに
乗つて流され、円周方向に分散される。

蒸気又は微粒化の良好な噴霧は、キヤビテイ内
の旋回流に流されより上層に配置される。配置さ
れた噴霧は旋回流に運ばれながら、燃焼室内壁面
近傍にドーナツ状の混合気を形成していく。従つ
て、強い貫徹力で噴霧自身がそのまわりの空気を
随伴して、巻き込みながら混合気を形成するトロ
イダル系の従来機関や、キヤビテイ壁面に燃料フ
イルムを形成して蒸発させる従来機関とは、その
混合気形成のメカニズムが根本的に相異する。渦
巻噴射弁から噴射された中空円錐膜状の燃料噴霧
は、微粒化とともに速度を急速に失い、まわりの
密度につぶされて噴霧がしぼみ、空気と混合して
蒸発しながら旋回流に乗つて、キヤビテイ内円周
方向に分散して周辺部に分布するとともにキヤビ
テイ内の深さ方向に形成されているスキツシユ流
によりキヤビテイの深さ方向に更に分散される。

着火は、混合気の先端付近１ケ所又は互いに近
接した複数点で着火する。本発明は、従来のトロ
イダル系のように旋回流の流速の遅いキヤビテイ
中心部より放射状に噴射するので無く、旋回流の
流速の速い周辺部分から順流に燃料噴霧を噴射す
るとともに、燃料噴霧の飛翔速度は遅いため、そ
のまわりの空気を随伴して巻き込むことがないた
め、火炎が燃焼初期に渦巻噴射弁の噴口から噴射
されたばかりの燃料噴霧をただちに包むことな
く、最初の着火点から火炎は徐々に旋回流により
円周方向に分散され混合気化した領域の上流方向
にむかつて伝播してキヤビテイ内の吸入空気を有
効に利用して徐々に進行する。したがつて、本発
明は、発煙（吐煙）レベルが低く、燃焼圧力上昇
率が低いため騒音も低く、キヤビテイ内の吸入空
気と燃料蒸気の拡散混合が良く、且つキヤビテイ
内の吸入空気を有効に活用するため少量の燃料で
も着火、燃焼を可能にするため、出力特性および
燃費特性を向上するという利点を有する。

また、本発明の圧縮着火式直接噴射内燃機関
は、第３図ＡおよびＢに示す様に前記吸気機構
が、吸気通路のピストン中心側側壁ISが徐々に外
方に傾斜しその延長線が吸気弁IVのロツドIRの
外側壁に接するかそれより外側になる様に形成す
るとともに、吸気通路のピストン外周側側壁OS
が直線状に形成され吸気弁IVの中心軸に対しピ
ストン外周側に偏心した点を中心にして形成した
円弧側壁CSになめらかに接続し、吸気孔の開口
面とこれに対面した渦巻生成部の天井間の高さ
を、吸気弁のロツドまわりの全周にわたりほぼ一
定にすると共に、前記ロツドまわりの天井がほぼ
平坦であるオフセツトポートから成るものであ
る。

本発明は、吸気機構を上述のオフセツトポート
で構成するため、従来のヘリカルポートにおいて
は大容積の渦巻室がバルブ室に形成され吸気通路
が渦巻状に曲げられており、機関高速時における
空気抵抗が大きいという問題を有していたが、本
発明ではバルブ室に大きな渦巻室が無いとともに
吸入空気流は吸気弁IVのロツドIRに衝突しない
でなめらかに流れるため、機関高速時の空気抵抗
が小さく、吸入空気のシリンダ内充填率（吸気体
積効率）が低下しないという利点を有する。

シリンダ内での旋回流を効率より作り出すため
には、吸気ポート中の渦巻き室のような小さな旋
回室よりもシリンダのような大きな旋回室を利用
するほうが旋回の回転速度が遅く損失が少ないた
め有利である。つまり、小さな旋回室で旋回速度
を増大させても旋回流の持つ回転モーメントは小
さいため、シリンダに流入すると回転半径が大き
くなり旋回速度は急激に低下してしまう。そのた
め小さな旋回室で吸気流が互いに干渉し減衰して
しまう分エネルギーロスを生じることとなり、旋
回流を効率よく作り出すことはできない。つま
り、本願発明の吸気ポートは吸気ポートを通つて
流入している吸気を渦巻室のような小さな旋回室
で旋回させることなく、できるだけ多くシリンダ
内面に直接的に流入させ、且つシリンダの内面に
接線的に導くことによつて効率良くシリンダ内に
旋回流を形成することができる。

更に本発明は、第３図Ａに示す様にポートがシ
リンダに対し接線方向に設けたため、シリンダ内
に形成される旋回流の速度分布が、ヘリカルポー
トに比べ剛体渦に近くなり、旋回流中の最大速度
を示す部分がシリンダの内壁に近くなるという利
点を有する。旋回流の最大速度分布が周辺のシリ
ンダ内壁近くにあると、圧縮工程末期のキヤビテ
イ内の旋回流の旋回速度が速くなるという利点を
有する。吸気機構の空気抵抗は、最大空気速度で
決まるので、旋回流の最大速度が吸入時には外周
寄りになる程、同じ燃焼室内旋回速度で、機関の
吸気体積効率を高くすることが出来るため、機関
の高回転時におけるエンジントルクを高めること
ができるという利点を有する。

さらに、本発明においては、燃料噴霧のキヤビ
テイ内の円周方向の分散に関して吸入空気の旋回
流に依存するものであるため、従来のトロイダル
系の機関に比べ強い旋回流が必要であり、一般に
スワール比（燃焼室内に発生させる旋回流（スワ
ール）の強さの尺度で、スワール速度を機関の回
転速度で割つた値を言う）で2.6〜４の範囲に設
定するのが適当であり、さらに望ましくは３〜
3.7の範囲である。

次に本発明は実施するにあたり以下の態様を採
り得る。

本発明の第１の態様の圧縮着火式直接噴射内燃
機関は、第４図Ａに示す様に前記球形キヤビテイ
の内壁面形状が、渦巻噴射弁の噴射時の燃料噴霧
パターンの形状に一致する様にキヤビテイを形成
するものである。

本第１発明の態様は、渦巻噴射弁から噴射され
た燃料噴霧パターンの形状に沿う様にキヤビテイ
の球形状内壁面を形成するものであるため、燃料
噴霧がキヤビテイ内壁面に付着・衝突しないとい
う利点を有する。キヤビテイは、入口開口部CO
に絞りを有するため、渦巻噴射弁との機械的接触
および燃料噴霧との衝突をさけるため第４図Ｂに
示す様に切欠部EGを設けてある。

本発明の第２の態様の圧縮着火式直接噴射内燃
機関は、第４図Ｂに示す様に 前記渦巻噴射弁SNの噴射時の燃料噴霧パター
ンがキヤビテイの中心軸CCとキヤビテイ内壁面
CWとの間におさまる様に渦巻噴射弁の配設位置
および方向を設定するものである。

本第２の態様は、キヤビテイの中心軸CCから
キヤビテイＣの内壁CWまでの燃料の分散は、渦
巻噴射弁SNからの燃料噴霧の拡り角で分担させ、
渦巻噴射弁から噴射する燃料噴霧がキヤビテイの
内壁面CWに付着・衝突しない様にするととも
に、キヤビテイの中心軸CCを越えない様にする
ため、混合気の重なり合いによる混合気の過濃域
を形成しないという利点を有する。

本発明の第３の態様の圧縮着火式直接噴射内燃
機関は、前記球形キヤビテイの開口部の面積とピ
ストン頂面の全面積との比で決定されるキヤビテ
イの絞り比が0.05〜0.12の範囲内に納まる様にキ
ヤビテイの開口部を形成するものである。

本第３の態様は、キヤビテイの入口開口部の絞
り比を上述の範囲内に設定したので、高速運転時
における旋回流の強さに対して相対的に低下する
渦巻噴射弁から噴射される燃料の貫徹力を補うた
めスキツシユ流によりキヤビテイの深さ方向に燃
料噴霧を供給するという利点を有する。逆にスキ
ツシユ流が強すぎると、キヤビテイ内に形成され
る乱れが強くなりすぎ、熱損失が増大して、ひい
ては燃費の低下を招くことになる。

本発明の第４の態様の圧縮着火式直接噴射内燃
機関は、 前記キヤビテイの全容積が、ピストンの上死点
時のピストンとシリンダヘツド間の全すき間容積
に対して0.6〜0.80の範囲内におさまるようにキ
ヤビテイを形成するものである。

本第４の態様は、上述の様にキヤビテイの容積
を決定したので、燃焼に必要な吸入空気量をキヤ
ビテイ内に確保して、トルクおよび出力の不足を
防止するとともに、エンジン製作上の問題や、ピ
ストン運転時のシリンダヘツドその他への衝突等
を回避するという利点を有する。

本発明の第５の態様の圧縮着火式直接噴射内燃
機関は、第５図に示す様に前記渦巻き噴射弁SN
の噴口の中心軸を前記キヤビテイの絞られた入口
開口部COの内壁より内側で入口開口部の直径を
Ｄとしたときの0.8Dの直径の円より外側に向け
て指向させたものである。

本第５の態様は、上述の様に旋回流およびスキ
ツシユ流の強い領域に渦巻噴射弁の噴口を指向さ
せるので、旋回流およびスキツシユ流に乗せて燃
料噴霧をキヤビテイ内の円周方向および深さ方向
に有効に分散させ、良好な混合気を形成するとい
う利点を有する。

本発明の第６の態様の圧縮着火式直接噴射内燃
機関は、第６図に示す様に前記渦巻噴射弁の噴口
の中心軸SOと前記キヤビテイＣの中心軸COとの
なす角度θを30゜〜70゜の角度範囲内におさまる様
に渦巻噴射弁を配設したものである。

第６の態様は、渦巻噴射弁の噴口の配設角度θ
を上述の範囲内に設定したので、キヤビテイＣの
内壁CWに燃料噴霧が付着、衝突しないという利
点を有する。

（実施例） 次に、本発明の実施例の圧縮着火式直接噴射内
燃機関を説明する。

実施例の圧縮着火式直接噴射内燃機関は、本発
明の第１ないし第６態様のいずれにも属し、ピス
トン１の頂面に形成したキヤビテイ２内に予め旋
回流SWを形成しておき、渦巻噴射弁３から噴射
された燃料噴霧を旋回流SWに乗せてキヤビテイ
２の円周方向に分散させるとともに、圧縮行程末
期まで形成されているスキツシユ流Ｓによりキヤ
ビテイ２の深さ方向に燃料噴霧を分散させて、燃
料の蒸発を促進して、吸入空気との混合を良くし
てキヤビテイ２内に良好な混合気を形成してかか
る混合気を着火させ徐々に上流側の分散領域を燃
焼させる様にした点に特徴があり、以下第７図な
いし第９図を用いて説明する。

第７図に示す様に、シリンダ５内を往復動する
ピストン１の頂部平坦面のほぼ中央部に略球形の
キヤビテイ２を穿設する。キヤビテイ２は、第７
図に示すように横断面が深さ方向部位により異な
る径の円形をなし、縦断面が最大直径部2mの上
下で異なる曲率を有する２つの楕円を最大直径部
2mで接続した形状になる様に形成した。キヤビ
テイ２の入口開口部２ｈは、他の部分に比べ径を
小さくして絞つてあり、後述する切欠部も含めた
トータル面積がピストン１の頂面の全面積に対し
6.8％の面積になる様に内径を決定して、キヤビ
テイ２内に流れ込むスキツシユ流Ｓが最適になる
ようにした。また入口開口部２ｈには、渦巻噴射
弁３および噴口からの燃料噴霧との衝突を回避す
るために、第８図Ａに示すように渦巻噴射弁３の
噴口近くの部位を略Ｕ字型に穿設して切欠部２Ｃ
を形成した。さらにキヤビテイ２は、内容積が燃
焼における空気の利用を考慮して、ピストン１の
上死点時における全燃焼室の隙間容積の72％にな
る様に寸法を決定した。

ピストン１の上死点位置および下死点位置にお
ける隙間容積で決定される圧縮比は、本実施例に
おいては１７にした。本実施例においては、渦巻
き噴射弁を用いているため、燃料の霧化が良いた
め圧縮比を高くとる必要がなく、高くしすぎると
着火おくれ時間が短くなりすぎ、かえつて発煙が
生じ、逆に低くしすぎると着火性が低下するた
め、１４〜２０の範囲内で決定するのが好まし
い。

燃料噴射弁は、第７図に示すように、シリンダ
ヘツド４を貫通配置し、その噴口を前記キヤビテ
イ２の切欠２Ｃ部に臨む様にしたスリツトタイプ
渦巻噴射弁３から成る。すなわち、渦巻噴射弁３
の噴口は、キヤビテイ２内に形成される旋回流
SWの順流方向に指向しており、キヤビテイ２の
中心軸を通る噴口の中心軸に平行な線に沿つてキ
ヤビテイ２の中心軸から0.18D（Ｄはピストンの
直径）だけ離れており、キヤビテイ２の中心軸に
噴口の中心軸から垂線を引いた垂線長さは、
0.12Dにした。また噴口の中心軸とキヤビテイ２
の中心軸とのなす角θは45゜にした。

渦巻噴射弁３は、第９図に示す様に先端が細い
中空円筒部材から成るノズル本体３０と、ノズル
本体３０内に介挿した段付棒部材のニードル部材
３１とから成る。ノズル本体３０の先端部には、
渦巻室３５を穿設するとともに、該渦巻室に開口
する噴口３２を同軸的に穿設する。該噴口３２を
ふさぐ様にニードル部材３１の円錐形のニードル
先端部３３が当接する。ニードル先端部３３を構
成する大径部には、第９図に示す様に大径部の外
周壁に沿い、その軸心に対して所定の角度をもた
せた溝状のスリツト３４を２本（第９図中１本の
みを示す）穿設し、渦巻室３５と燃料供給通路３
７を介して分配型の燃料噴射ポンプ（図示せず）
に連絡した部屋３６とを連通させる。

渦巻噴射弁３は、中空円錐状の噴霧パターンを
形成し、キヤビテイ２の中心から内周壁までの距
離を考慮して第９図に示す燃料の拡がり角αが40
度（大気圧下）になる様に、前記スリツトの角
度、断面積および長さ、渦巻室３５の寸法および
噴口３２の径と長さを決定した。噴口３２の径
は、本発明者らの実験によれば0.3mmから1.0mmが
良く、本実施例は0.6mmに設定した。

燃料の拡がり角αは、25度から60度の範囲（大
気圧下）が有効である。狭すぎると、キヤビテイ
２の円周方向の分散が悪く、広すぎると中央部の
混合気が濃くなり、熱ピンチの原因になる。

第９図に示す中空円錐状の燃料噴霧の厚さ角β
は、あまり大きくとることができず、５度から15
度の範囲内で選んだ。

渦巻噴射弁の全負荷噴射期間は、エンジン
1200rpmで約12度、4000rpmで約29度に設定し、
その噴射圧力（開弁圧）は約160Kg／cm²である。

シリンダヘツド４には、第７図に示す様に吸気
弁６を挿入配置する。吸気弁６を配置した吸気通
路には第７図に示す様にスワール比3.6に設定し
たオフセツトポート７を形成した。

オフセツトポート７は、上述の本発明の吸気機
構の説明に用いた第３図ＡおよびＢに示すものと
同様のものを配設方向だけ逆にして採用したの
で、説明を省略する。

上述の構成より成る本実施例の圧縮着火式直接
噴射内燃期間は、オフセツトポート７により形成
された旋回流SWをキヤビテイ２内に予め形成し
ておき、この旋回流SWの順流方向に渦巻噴射弁
３の噴口３２から接線方向速度成分を有する最適
な拡がり角の略中空円錐状の燃料噴霧を噴射し
て、第８図Ｂに示すようになめらかに旋回流SW
に乗せてキヤビテイ２の円周方向に略ドーナツ状
に分散させる。さらにピストン１の上昇に伴いピ
ストン１の頂部平坦面から入口開口部２ｈを介し
て流れ込む圧縮行程末期まで形成されているスキ
ツシユ流Ｓにより、キヤビテイ２内の円周方向に
分散させた燃料噴霧をキヤビテイ２の深さ方向に
更に分散させる。すなわち、本実施例において
は、キヤビテイ２内の燃料の分散は、キヤビテイ
２の半径方向は渦巻噴射弁の燃料噴霧の拡がり角
でカバーし、円周方向は旋回流SWに乗せて分散
させ、深さ方向はスキツシユ流Ｓにより行うもの
である。しかも、これらの燃料の分散過程で燃料
噴霧は徐々に蒸発するのであるが、その間にキヤ
ビテイ２の内壁に燃料が付着・衝突しない様にす
るとともに、燃料噴霧の重なり合いを防止して過
濃混合気域の発生を防止している。したがつて、
本実施例は、キヤビテイ２内に均一な混合気を形
成する。

着火は、燃料の噴射開始から約0.7〜1msec後
に燃料噴霧の先端部分で発生する。キヤビテイ２
内に形成されている旋回流SWの速度が速いの
と、渦巻噴射弁３から噴射された中空円錐状の燃
料噴霧の飛翔方向の飛翔速度と貫徹力が小さいの
で、中空円錐状の燃料噴霧のまわりの吸入空気を
随伴して、巻き込むことが少なく、従来のトロイ
ダル系の機関の様に混合気を形成しないので、渦
巻噴射弁から噴射されたばかりの未蒸発の燃料噴
霧の中空円錐状部分がただちに火炎に包まれるこ
とが無い。燃焼は、旋回流SWに乗つてキヤビテ
イ２内の円周方向に分散して混合気を形成してい
る部分に旋回方向とは逆方向に徐々に進行してい
く。したがつて、従来の機関の様にススを多く発
生することは無い。

渦巻噴射弁の噴霧拡がり角が広すぎると、キヤ
ビテイ２の中央部にも噴霧が到達する。この部分
は、旋回流の流速が遅いので、燃料噴霧は十分空
気と混合しないのでススを発生する。本実施例に
おいては、これを避けるため、噴霧拡がり角αを
40度にして、これを防止した。一般にデイーゼル
機関は、スス濃度で出力が制限されるため、スス
の発生を抑制した機関は、高出力機関になる。

本実施例においては、低速から高速にわたる範
囲でキヤビテイ２内の空気を充分利用して燃焼が
行われるので、燃費を高めるとともに、高トルク
を発生することが出来るという利点を有する。ま
た、燃焼が徐々に進行し、従来の機関の様に一時
に爆発的に燃焼しないので、圧力上昇率が低く燃
焼騒音が低いという利点を有する。また通常のデ
イーゼル機関と比較して、本実施例の機関は、ド
ライバーにとつて気になるアイドル騒音は３〜
4dB低く、特に1KHz〜5KHzの燃焼騒音は極めて
低いという利点を有する。

上述以外にも、本実施例の機関は、上述の第１
ないし第６態様と同様の作用効果を奏する。

以上本発明は、上述した実施例に限定されるも
のでは無く、特許請求の範囲の精神に反しない限
り幾多の設計変更、および付加変更が可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図Ａは、本発明を説明する縦断面図、第１
図Ｂは、本発明を説明する平面図、第２図は、本
発明を説明する縦断面図、第３図ＡおよびＢは、
本発明の吸気機構を示す横断面および縦断面図、
第４図ＡおよびＢは、本発明の第１態様および第
２態様を示す縦断面図および横断面図、第５図
は、本発明の第５の態様を示す平面図、第６図は
本発明の第６の態様を示す縦断面図、第７図ない
し第９図は、本発明の実施例を説明する図で第７
図は、実施例の機関を示す縦断面図、第８図Ａは
実施例の機関のピストンの平面図、第８図Ｂは、
実施例の機関のピストンのキヤビテイを示す横断
面図、および第９図は、実施例の機関の渦巻噴射
弁を示す縦断面図である。 図中１はピストン、２はキヤビテイ、３は渦巻
噴射弁、４はシリンダヘツド、５はシリンダ、６
は吸気弁、７はオフセツトポートを夫々示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 燃焼室内に空気を吸入し、ピストンにより吸
   入空気を圧縮するとともに、燃料を直接噴射して
   着火燃焼させる圧縮着火式直接噴射内燃機関にお
   いて、前記燃焼室内に供給する吸入空気を旋回さ
   せる旋回機構を具備していて、吸気通路のピスト
   ン中心側側壁が徐々に外方に傾斜しその延長線が
   吸気弁のロツドの外側壁に接するかそれより外側
   になる様に形成するとともに、吸気通路のピスト
   ン外周側側壁が直線状に形成され吸気弁の中心軸
   に対しピストン外周側に偏心した点を中心にして
   形成した円弧側壁になめらかに接続し、吸気孔の
   開口面とこれに対面した渦流生成部の天井間の高
   さを、吸気弁のロツドまわりの全周にわたりほぼ
   一定にすると共に、前記ロツドまわりの天井がほ
   ぼ平坦であるオフセツトポートから成る吸気機構
   と、ピストン頂面に形成した略球形のキヤビテイ
   であつて、入口開口部が絞られ他の部分はそれよ
   り面積を大に形成した燃焼室と、キヤビテイ内に
   形成される吸入空気の旋回流の順流方向に沿つて
   噴射する様に、キヤビテイの中心軸から離れた位
   置であつて、かつキヤビテイ中心軸に対して傾斜
   して配設された噴口から接線方向速度成分を有す
   る略中空円錐状の燃焼噴霧を噴射する渦巻噴射弁
   とから成ることを特徴とする圧縮着火式直接噴射
   内燃機関。 ２ 前記球形キヤビテイの内壁面形状が、渦巻噴
   射弁の噴射時の燃料噴霧パターンの形状に一致す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   圧縮着火式直接噴射内燃機関。 ３ 前記渦巻噴射弁がキヤビテイの中心軸とキヤ
   ビテイ内壁面との間に配設され、噴射方向を噴射
   時の燃料噴霧パターンがキヤビテイの中心軸とキ
   ヤビテイ内壁面との間におさまる方向に決定した
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の圧
   縮着火式直接噴射内燃機関。 ４ 前記球形キヤビテイの開口部の面積とピスト
   ン頂面の全面積との比で決定されるキヤビテイの
   絞り比が0.05〜0.12の範囲内に納まる様にキヤビ
   テイの開口部を形成したことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の圧縮着火式直接噴射内燃機
   関。 ５ 前記キヤビテイの全容量が、ピストンの上死
   点時のピストンとシリンダヘツド間の全すきま容
   積に対して0.6〜0.80の範囲内におさまるように
   キヤビテイを形成したことを特徴とする特許請求
   の範囲第４項記載の圧縮着火式直接噴射内燃機
   関。 ６ 前記渦巻噴射弁は、その噴口の中心軸を前記
   キヤビテイの絞られた入口開口部の内壁より内側
   で入口開口部の直径をＤとしたときの0.8Dの直
   径の円より外１に向けて指向させたことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の圧縮着火式直接
   噴射内燃機関。 ７ 前記渦巻噴射弁の噴口の中心軸と前記キヤビ
   テイの中心軸とのなす角θを30〜70゜の角度範囲
   内におさまる様に渦巻噴射弁を配設したことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の圧縮着火式
   直接噴射内燃機関。