JPH03115725A - 副室式断熱エンジンの燃料噴射装置 - 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、副室に水を噴射するｇ１１室式断熱エンジ
ンの燃料噴射装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、副室式内燃機関の副燃焼室は、例えば、実開昭５
９−２１０２４号公報に開示されている。

該副室式内燃機関の副燃焼室は、シリンダヘッドに過流
室燃焼室を存し、咳過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８亥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、水噴射式断熱セラミックディーゼルエンジンは、
例えば、特開昭６０−１８４９２３号公報に開示されて
いる。該公報に開示された水噴射式断熱セラミックディ
ーゼルエンジンは、シリンダヘッド、シリンダライナ及
びピストンヘッドのそれぞれの少なくとも燃焼室に面し
た部位のセラミックス製部材によって断熱構造の燃焼室
を形成し、前記シリンダヘッドに燃料噴射系と独立した
水噴射系より高圧水の供給を受け、前記燃焼室に水を噴
射する水噴射弁を装着し、前記水噴射弁の水噴射タイミ
ングと噴射水量とを制御して単位燃料光たりの出力を増
大させる水噴射制御装置を具備したものである。この水
噴射式断熱セラミックディーゼルエンジンは、燃焼室を
断熱構造として燃焼ガス温度を高め、該燃焼室に適時適
量の水を噴射することによって噴霧水を蒸気化し、この
蒸気の膨張力を燃焼ガスの膨張力に加担させることによ
って燃料消費量を低減させ、単位燃料当たりの出力を増
大させると共に、水の茎気化に伴う気化熱の吸収によっ
て新気の吸入効率の低下を補完するものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、前掲特開昭６０−１８４９２３号公報に開示
された水噴射式断熱セラミックディーゼルエンジンにつ
いては、従来−船釣に行われている噴射タイミングによ
って燃料噴射し、また、水の噴射は膨張行程の始まりで
行われ、水を蒸発して膨張させ、該膨張力として出力を
増大させるものである。従って、理論混合気燃焼を行う
ことができず、壁温を低下させる効果はなく、吸入効率
を向上できるものではない。

この発明の目的は、上記の課題を解決することであり、
シリンダヘッドに設けた副室をセラミック材料で高度の
断熱特性を得る構造に構成し、該副室に燃料噴射ノズル
、水噴射ノズル及びスパークプラグを配置し、該噴射さ
れる燃料流量及び水量を調節すると共に、噴射タイミン
グをコンｌ−ロールして副室内の混合気をリッチ状態に
して高圧縮比で高温燃焼させ、次いで、火炎を副室から
主室に吹き出して主室内の混合気をリーン状態にして低
温燃焼させてＮＯＸの発生を抑制する理想的な構成を備
えたものであり、即ち、圧縮行程前半で副室の壁面に向
けて燃料噴射ノズルから燃料を噴射し、上記壁面より熱
エネルギーを吸収することにより気化させ、しかも予め
燃料を早期に噴射させることによって燃料噴射量を増大
して混合気をリッチな状態にすると共に、圧縮行程の後
半で副室内に水噴射ノズルから水を噴射して冷却し、燃
料と空気の混合率を一層リッチな状態を可能にし、それ
によってＮＯ８発生ゾーンでの燃焼を避け、しかも水噴
射によって副室内での燃焼温度を低下させてＮＯｘの発
生を抑制し、更に、スパークプラグによって圧縮行程上
死点付近の最適タイミングで確実に火花着火させ、副室
式断熱エンジンの燃料噴射装置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、断熱構造の副室に
圧縮行程前半に燃料を噴射する燃料噴射手段、前記副室
に圧縮行程後半に水を噴射する水噴射手段、及び圧縮行
程上死点付近で混合気に火花着火するスパークプラグか
ら成る副室式断熱エンジンの燃料噴射装置に関する。

〔作用〕

この発明による副室式断熱エンジンの燃料噴射装置は、
以上のように構成されており、次のように作用する。即
ち、この副室式断熱エンジンの燃料噴射装置は、燃料噴
射手段によって断熱構造の副室に圧縮行程前半に燃料を
噴射するので、前記副室内の高温の壁面に向けて燃料を
噴射させることができ、前記副室の壁面より熱エネルギ
ーを吸収することにより燃料を気化させ、燃料の気化時
間を長くとることができるので理ＭＡ　？Ｒ合比を生成
でき、しかも、予め燃料を早期に噴射させることによっ
て燃料噴射量を増大して混合気をリッチな状態にするこ
とができ、ＮＯ３発生ゾーンでの燃焼を避けることがで
きる。また、圧縮行程の後半で前記副室の壁面に向けて
水噴射ノズルから水噴射することによって、壁面熱エネ
ルギーを吸収し、前記副室内温度を可燃温度以下に冷却
し、ノッキングの発生を防止し、高温の壁面より熱エネ
ルギーを回収すると共に、前記副室での燃焼温度を低下
させる。更に、副室内は水噴射によって温度低下するが
、前記スパークプラグによって圧縮行程上死点付近で混
合気に火花着火するので、混合気は確実に着火すること
ができる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して、この発明による副室式断熱エン
ジンの燃料噴射装置の実施例を詳述する。

第１図には、この発明による副室式断熱エンジンの燃料
噴射装置の一実施例を示す断面図が示されている。この
副室式断熱エンジンの燃料噴射装置は、主として、シリ
ンダ１４を備えたシリンダブロック１１、該シリンダ１
４に嵌合したシリンダライナ１５、シリンダブロック１
１にガスケット２８を介して固定したシリンダヘッド１
０、シリンダヘッド１０に形成された副室２、シリンダ
ライナ１５内を往復運動する断熱構造のピストンヘッド
９を備えたピストン６、並びにピストンヘッド９、シリ
ンダヘッド１０及びシリンダライナ１５によって形成さ
れ且つ副室２と連絡孔２０を通して連通ずる主室１を有
している。また、シリンダヘッド１０には、吸排気ボー
ト１３が形成され、吸排気ボート１３には吸排気バルブ
１６が配置されている（図では、一方のみ示す）、。

この副室式断熱エンジンの燃料噴射装置は、特に、副室
２に燃料噴射ノズル３、水噴射ノズル４及び混合気に火
花着火するスパークプラグ５を配置し、燃料噴射ノズル
３から噴射される燃料及び水噴射ノズル４から噴射され
る水の噴射タイミングを最適時期に設定したことである
。また、この副室２は、シリンダヘッド１０に一形成し
た凹部に断熱空気層１２を介して配置した鋳込金属部材
７及び該鋳込金属部材７内に配置したセラミック材料か
ら成る副室壁体８から構成して高度の断熱構造に構成さ
れている。この副室式断熱エンジンにおいて、副室２を
構成する副室壁体８は、窒化珪素（Ｓｉ、Ｎ４）、炭化
珪素（ＳｉＣ）　、複合材料等のセラミック材料から断
熱構造に構成されている。また、ピストン６のピストン
ヘッド部９は、窒化珪素（ＳｉＪ４＞　、炭化珪素（Ｓ
ｉＣ）　、複合材料等のセラミック材料から断熱構造に
構成されている。

この副室式断熱エンジンの燃料噴射装置については、燃
料噴射ノズル３は燃料噴射ポンプ（図示せず）から供給
される燃料を副室２に噴射するものであり、また、水噴
射ノズル４は水噴射ポンプ（図示せず）から供給される
水を副室２に噴射するものである。更に、図示していな
いが、燃料噴射ポンプにはポンプ作動用プーリが設けら
れ、また、水噴射ポンプにはポンプ作動用プーリが設け
られている。これらのポンプ作動用プーリは、クランク
シャフトに取付は且つクランクシャフトと一体に回転す
るクランクプーリにタイミングベルトによって駆動連結
されている。この時、エンジンは４サイクル作動である
から、燃料噴射ポンプ及び水噴射ポンプは、クランク回
転の１／２倍回転で同期するように設定すればよい。従
って、エンジン駆動に伴って燃料噴射ポンプ及び水噴射
ポンプはタイミングベルトによって駆動される。場合に
よっては、燃料噴射ノズル３及び水噴射ノズル４は、コ
ントローラ（図示せず）の指令に応じて電気的に開閉作
動する針弁を備えた電気式噴射ノズルから構成すること
ができる。その場合には、該コントローラの指令を受け
て、燃料噴射ノズル３は圧縮行程Ｂ前半に針弁が開放し
て燃料を副室２に噴射し、次いで、水噴射ノズル４は該
燃料噴射後で且つ圧縮行程Ｂ後半に針弁が開放して水を
副室２に噴射するようにコントロールすることができる
。

この副室式断熱エンジンの燃料噴射装置において、断熱
エンジンは、第２図に示すように、吸入行程Ａ、圧縮行
程Ｂ、膨張行程Ｃ及び排気行程りの４サイクルから成る
作動行程で駆動されるものである。燃料噴射ポンプは、
圧縮行程Ｂ前半で断熱されて高温になっている副室２の
副室壁体８の内壁面に向けて比較的に低圧で燃料噴射ノ
ズル３から燃料を噴射させるように、予め噴射時期が設
定されている。燃料噴射ポンプの作動によって副室２に
燃料を圧縮行程Ｂ前半で噴射することによって、着火ま
で燃料の気化時間を長くとることができる。そこで、コ
ントローラ（図示せず）は、該コントローラに入力され
た吸気管に設けた吸入空気流量センサー（図示せず）に
よる検出信号に応答して、燃料噴射ポンプから燃料噴射
ノズル３へ供給される燃料を、理論混合比になるまで噴
射制御することができ、従って、理想的な当量燃焼を行
うことができる。燃焼室での燃焼を理ｍ１ｔｔ混合比で
燃焼させれば、排ガスを排気管に設けた触媒による排ガ
ス処理装置で処理することができ、ＮＯｘの発生を一層
抑制することができる。また、燃料噴射ポンプの燃料噴
射口には、燃料噴射ポンプから燃料噴射ノズル３へ供給
される燃料流量を調節する流量調節パルプ（図示せず）
が設けられている。更に、この断熱エンジンに使用され
る燃料は、例えば、ガソリン、アルコール等のすクタン
価の高い燃料が好ましい。燃料のオクタン価の高いと、
圧縮比を高く設定することができ、サイクル効率を高め
ることができる。

また、水噴射ポンプの水噴射口には、水噴射ポンプから
水噴射ノズル４へ供給される水量を調節する流！調節バ
ルブ（図示せず）が設けられている。場合によっては、
副室壁体８に設けた壁温センサー（図示せず）によって
副室２の壁温を検出するように構成できる。そこで、各
センサーによって検出された検出値をコントローラに入
力し、コントローラは吸入空気温度、吸入空気量、壁温
、回転センサーによるエンジン回転数及び負荷センサー
によるエンジン負荷の各検出信号を受けて、副室２内の
温度及び圧力を計算し、自己着火の可否を判断すると共
に、副室２に噴射する水量を決定し、該水量を水噴射ノ
ズル４から噴射するように制御することができる。そこ
で、副室２内の壁温を副室壁体８の耐熱温度以上に上昇
させないため、圧縮行程Ｂ後半で水噴射ノズル４から副
室２内に水噴射し、副室２内を冷却する。しかも、水噴
射を行うため、高い圧縮比を得ることができる。

次いで、混合気が温度低下するので確実に混合気を着火
するため、圧縮行程上死点でスパークプラグ５によって
火花着火する。

更に、この副室式断熱エンジンにおいて、コント１コー
ラ（図示せず）によって副室２に噴射する燃ｔ４流景及
び水量をエンジンの作動状態に応してコントロールする
場合には、エンジンの作動状態を検出するセンサーとし
て、エンジン負荷を検出する負荷センサー（図示せず）
及びエンジン回転を検出する回転センサー（図示せず）
を設ける。

コントローラは、これらの各センサーからの検出信号を
受けて、エンジン作動状態に最適の燃料流量及び水量を
計算し、該燃料流量を燃料噴射ノズル３から噴射し、該
水量な水噴射ノズル４から噴射するようにコントロール
することができるものである。

次に、この発明による副室式断熱エンジンの燃料噴射装
置についての燃焼状態を、第３図を参照して説明する。

第３図に示すように、スモーク発生ゾーンＳは、燃料当
量比が大きく且つ燃焼温度が低い領域に存在する。また
、ＮＯｘ発生ゾーゾーン、燃料当量比が小さ（且つ燃焼
温度が高い領域に存在する。そして、標準的な副室式エ
ンジンではその燃焼領域は符号Ｅで示す領域で通常燃焼
が行われている。また、燃焼室を断熱構造に構成した断
熱エンジンでは、その燃焼領域は符号Ｈで示す領域へ移
ることになる。この発明の副室式断熱エンジンでは、燃
焼室を断熱構造にして熱エネルギーを回収すると共に、
ＮＯ８発生ゾーンでの燃焼を避けることであり、そのた
め、主として燃焼する燃料当量比をリッチ状態にして燃
焼領域を符号Ｒで示す領域まで移行させることである。

この発明による副室式断熱エンジンの燃料噴射装置にお
いて、まず、圧縮行程Ｂ前半において副室２の壁面に向
かって、可燃混合気以上の量の燃料を噴射することによ
って、噴射された燃料は壁面熱エネルギーを十分に吸収
して気化し、吸入空気とリッチな状態の混合気を生成す
る。次いで、水噴射ノズル４から圧縮行程Ｂ後半におい
て副室２内に水噴射し、噴射された燃料は壁面熱エネル
ギーを十分に吸収して気化する。圧縮行程Ｂ上死点付近
でスパークプラグ５によって火花着火し、リッチな状態
の混合気が着火燃焼する。この燃焼軌跡は、第３図の符
号Ｐで示す軌跡である。次いで、混合気の燃焼で生じた
火炎を副室２から連絡孔２０を通って主室１へ吹き出さ
せ、主室１には圧縮された混合気が存在しているので、
混合気は急激に燃料当量比が低下すると共に、燃焼温度
が低下し、そこで混合気は主室１において燃焼が行われ
る。この燃焼軌跡は、第３図の符号Ｑで示す軌跡である
。それ故に、副室２の燃焼は混合気がリッチな状態で着
火して高温燃焼するので、Ｎ。

、発生ゾーンでの燃焼を避けることができ、また、副室
２から主室１に火炎が吹き出されることによって急激に
混合気はリーンな状態になると共に、燃焼温度は低下し
てＮｏ、発生ゾーンでの燃焼を避けることができる。従
って、混合気の燃焼時間全域においてＮｏｒの発生を低
減できる。しかも、燃料噴射ノズル３から噴射される燃
料の当量比を理論混合比にコントロールすることができ
、従って、排気管に設けた排ガス触媒処理装置でＮＯつ
を低減するための排ガス処理を行うことができる。

次いで、混合気は着火燃焼して膨張して膨張行程Ｃを行
った後、排気バルブが開放して排気行程りへ移る。とこ
ろで、この副室式断熱エンジンの燃料噴射装置は、水噴
射によって燃焼室の壁面が冷却されているので、次に吸
気バルブ８が開放して吸入行程Ａに移って吸入空気が燃
焼室に導入される時、吸入空気は壁面からの受熱を余り
受けないので熱膨張することがなく、従って吸入効率は
向」ニされ、高圧縮比とすることができ、カーボンの発
生を低減できる。

〔発明の効果〕

この発明による副室式断熱エンジンの燃料噴射ＷＺは、
以上のように構成されているので、次のような効果を存
する。即ち、この副室式断熱エンジンの燃料噴射装置は
、断熱構造の副室に圧縮行程前半に燃料を噴射する燃料
噴射手段、前記副室に圧縮行程後半に水を噴射する水噴
射手段、及び圧縮行程上死点付近で混合気に火花着火す
るスパークプラグから構成したものであり、燃料噴射手
段によって断熱構造の前記副室に圧縮行程前半に燃料を
噴射するので、前記副室内の高温の壁面に向けて比較的
に低圧状態で前記燃料噴射手段から燃料を噴射させるこ
とができ、前記副室の壁面より熱エネルギーを吸収する
ことにより燃料を気化させ、燃料の気化時間を長くとる
ことができるので理論混合比を生成でき、しかも、予め
燃料を早期に噴射させることによって燃料噴射量を増大
して混合気をリッチな状態にでき、前記副室での燃焼が
混合気をリッチ状態で行うことでＮＯＸ発生ゾーンでの
燃焼を避けることができる。次いで、火炎が前記副室か
ら前記主室に吹き出されることで混合気は急激にリーン
状態になって燃焼温度は低下してＮＯ８発生ゾーンでの
燃焼を避けることができる。従って、混合気の燃焼時間
全域においてＮＯＸの発生を低減できる。更に、理論混
合比の燃焼であるから、排気管に酸化還元触媒の排気ガ
ス処理装置を配置すれば、排ガス処理を十分に行うこと
ができ、低公害車を提供できる。

また、エンジン回転及びエンジン負荷が高くなり、前記
副室内が高温になる状態になっても、圧縮行程の後半で
前記副室の壁面に同けて前記水噴射ノズルから水噴射す
ることによって、壁面熱エネルギーを吸収し、前記副室
内温度を可燃温度以下に冷却し、ノッキングの発生を防
止し、高温の壁面より熱エネルギーを回収すると共に、
ＮＯ２発生ゾーンでの燃焼を避けることができる。また
、前記副室を構成する材料の耐熱温度以上に温度上界す
る可能性があっても前記副室に水噴射することで解消し
且つその時は壁面より熱エネルギーを十分に回収するこ
とができる。

更に、前記副室内は水噴射によって温度低下するが、前
記スパークプラグによって圧縮行程上死点付近で混合気
に火花着火するので、混合気は確実に着火することがで
き、着火ミスが無く未燃ガスの発生を防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による副室式断熱エンジンの燃料噴射
装置の一実施例を示す説明図、第２図は第１図の燃料噴
射装置において燃料噴射時期及び水噴射時期を示す説明
図、及び第３図は第１図の婢゛玉丸 燃料噴射装置を備えた副室式断熱エンジンの神状態を説
明する説明図である。 ｌ−一主室、２−−−−−−副室、３−・−燃料噴射ノ
ズル、４−・−水噴射ノズル、５−−−−−−スパーク
プラグ、６−・・−ピストン、７−−−−鋳込金属、８
−−−一副室壁体、９−−−ｍ−ピストンヘッド、１０
・・−−−−シリニ／ダへノド、１５−−−シリンダラ
イナ、２０−・一連絡孔。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 断熱構造の副室に圧縮行程前半に燃料を噴射する燃料噴
   射手段、前記副室に圧縮行程後半に水を噴射する水噴射
   手段、及び圧縮行程上死点付近で混合気に火花着火する
   スパークプラグから成る副室式断熱エンジンの燃料噴射
   装置。