JPH0412123A - 燃料衝突拡散式エンジン - 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、燃焼室内に設けた突起体に燃料噴射ノズル
から噴射される燃料を直接衝突させる燃料衝突拡散式エ
ンジンに関する。

〔従来の技術〕

従来、エンジンの燃焼室としては、直接噴射式及び副室
式によって代表されている。

直接噴射式燃焼室は、燃料噴射ノズルより噴射された燃
料の噴射エネルギー及び燃焼室内に形成されるスワール
及びスキッシュ流によって燃料と空気との混合を達成し
、可燃性混合気を形成している。しかしながら、該直接
噴射式燃焼室は、スワール生成のため、吸気効率が低下
するという問題を有しており、また、燃料の噴霧微粒化
及び貫徹力をアップさせるため、燃料噴射ノズルを高圧
化、高噴射率化に構成しなければならず、構造が複雑に
なるという問題を有している。

また、副室式燃焼室は、副室内に形成される高スワール
によって燃料油滴と空気との混合を達成し、可燃性混合
気を形成している。該副室式燃焼室は、副室内に高スワ
ールを形成し、また主室と副室との総和の伝熱面積が増
大して熱損失が増加するという問題があり、更に、主室
と副室とを連通する連絡孔による絞り損失が増加すると
いう問題を有している。

そこで、上記問題点を解決するために、燃料の衝突噴流
を利用した直接噴射式衝突拡散層状給気式、いわゆる、
０３ＫＡ式の燃焼室を持つエンジンが開示されている。

この０３ＫＡ式エンジンは、ピストンに形成した凹部即
ちキャビティの底部中央から突出する衝突部を設け、該
衝突部の周囲に凹状の燃焼室を形成し、燃料噴射ノズル
から噴射された液状燃料を衝突部に衝突させ、燃料噴流
の衝突部への衝突作用によって衝突面を起点として燃料
の拡散、微粒化等を達成し、燃料と空気との良好な混合
を達成させるものである。上記のような燃焼室を有する
エンジンでは、燃料噴射ノズルの単孔ノズルから噴射さ
れた燃料をピストンヘッドの衝突部の平らな衝突面に衝
突させて円盤状に拡散させ、次いでピストンの上昇によ
って生しるスキッシュ流によって燃料をキャビティの下
方に押し込められながら、該燃料と空気とを混合して混
合気を形成するものである。

また、特開昭６３−１２０８１５号公報には、外部点火
による燃料噴射式内燃機関が開示されている。該外部点
火による燃料噴射式内燃機関は、ピストン頂面にキャビ
ティを形成すると共に、該キャビティ内壁面上に突出部
を設け、該突出部上に断熱構造の衝突面を形成し、シリ
ンダヘッドに設けた燃料噴射弁から大部分の燃料を衝突
面に向けて噴射させ、他の領域よりも濃い混合気領域を
上記突出部周りに形成し、点火装置をこの濃い混合気領
域内に位置するようにシリンダヘッドに取付け、該点火
装置で点火時に混合気に点火するものである。該燃料噴
射式内燃機関は、上記の構成によってノッキングが発生
しないことによって高圧縮比を可能にし、熱効率を向上
させてｔｐ！＃Ｊ／Ｉ！ｆ費率を向上させたものである
。

また、特開昭６２−１３９９２１号公報には、燃料衝突
反射拡散燃焼方式の内燃機関が開示されている。該内燃
機関は、ノズルより燃料噴流をピストン面又はキャビテ
ィ内に噴射衝突させ、衝突面での反射拡散作用によって
衝突部を起点として手中ビティ全域に燃料の拡散分布と
混合を計り、スワールに依有するよりもスキッシュ流に
よって空気利用率を高め、燃焼期間の短縮を図るもので
あり、衝突部をセラミック材等の耐熱性、耐摩耗性材料
で形成し、該衝突部をピストン頂面又はキャビティ内に
装着したものである。

また、特開昭６３−１７１０号公報に開示された直噴火
花点火多ｍ燃料内燃機関は、噴射弁よりの噴霧角を制御
し、燃料主噴流をピストン下死点近傍にあるピストンキ
ャビティ内に到達せしめるようにし、キャビティ内に予
混合気を形成し、キャビテイ外に空気層を形成した層状
給気を構築するものである。

Ｃ発明が解決しようとする課題〕 ところで、上記０３ＫＡ型の燃焼室を備えたピストンを
用いたエンジンは、単孔ノズルから噴射された燃料を衝
突させる衝突面はピストンヘットの平らな衝突面であり
、燃料が該衝突面に衝突して円盤状に拡散するが、ピス
トンの上昇行程によって燃焼室内へのスキッシュ流が発
生し、該スキンシュ流によってＦＩＭ円盤状の燃料と空
気と良好な混合気を生成して燃焼状態を良好にするもの
である。しかしながら、エンジンの高負荷時には、燃焼
室内は高温になると共に、燃焼室に設けた周壁面が高温
になり、燃料噴射ノズルから噴射された液状燃料が衝突
した時に、燃料が衝突面で直ちに気化して着火燃焼する
ため、燃料が液体状態で衝突面に沿って円盤状燃料薄膜
として拡散することができず、スキッシュ流で流入する
空気と燃料との良好な混合が達成されず、異常燃焼を起
こすという問題がある。

また、前掲特開昭６３−１２０８１．５号公報に開示さ
れた燃料噴射式内燃機関は、衝突面を断熱構造に構成し
てメタノールの気化を促進するものであるが、上記と同
様の問題を解決できるものではない。

また、前掲特開昭６２−１３９９２１号公報及び特開昭
６３−１７１．０号公報に開示されたものについても、
上記公報に開示されたものと同様に、異常燃焼を防止す
るという対策は講しられていない。

この発明の目的は、上記の課題を解決することであり、
ピストンヘッドに形成したキャビティ即ち燃焼室内で燃
料を円盤状燃料薄膜に拡散させ、燃料と空気との良好な
混合気を生成させて良好に燃焼させるのに、燃焼室内に
平坦面を備えた突起体を配置し、該平坦面に燃料噴射ノ
ズルから燃料を噴射し、その噴射した液状燃料を前記被
膜に衝突させて、円盤状に均一に拡散させると共に、突
起体の温度をエンジンの作動状態によって最適温度に温
度制御し、燃焼室内に常に安定した円盤状燃料薄膜を形
成してスキッシュ流で流入する空気と燃料との良好な混
合を実現することであり、特に、エンジンの高負荷時に
はオイルポンプ等のオイル噴射手段を作動してエンジン
本体に取付けた突起体にオイルジェットを噴射し、突起
体を冷却して常に突起体を円盤状燃料ｆＩ膜を形成する
のに最適な温度に調節し、スキッシュ流で流入した空気
の流れ方向と円盤状に拡散して噴射される燃料の燃料噴
射方向とをほぼ直交状態に交叉させて混合を促進させ、
ＮＯＸの発生を低減し、良好な燃焼を行わせて未燃燃料
或いは中間生成物の排出を防止する燃料衝突拡散式エン
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、ピストンヘッドに形成
した燃焼室、該燃焼室のほぼ中央部から一端を突出し且
つ他端をクランクケース側に露出するようにピストン本
体に取付けた突起体、該突起体に設けた液状燃料の衝突
面を構成する平坦面、該平坦面に対向して噴口を開口す
るシリンダヘンドに取付けた燃料噴射ノズル、及びクラ
ンクケース側に露出した前記突起体にオイルを噴射して
前記突起体を冷却するためのオイル噴射手段を有する燃
料衝突拡散式エンジンに関する。

また、この燃料衝突拡散式エンジンにおいて、前記突起
体を断熱するため前記突起体と前記ピストン本体との間
に介在した断熱部材を有するものである。

更に、この燃料衝突拡散式エンジンにおいて、エンジン
の作動状態を検出するセンサー、及び該センサーによる
検出信号が所定の負荷より大きい検出信号に応答して前
記オイル噴射手段を作動して前記突起体にオイルを噴射
するコントローラを有するものである。

〔作用］ この発明による燃料衝突拡散式エンジンは、上記のよう
に構成され、次のように作用する。即ち、この燃料衝突
拡散式エンジンは、ピストンヘッドに形成した燃焼室の
ほぼ中央部から一端を突出し且つ他端をクランクケース
側に露出した突起体を設け、記文起体に設けた平坦面に
燃料噴射ノズルからの液状燃料を衝突させ、オイル噴射
手段によってクランクケース側に露出した前記突起体に
オイルを噴射して前記突起体を冷却可能に構成したので
、エンジンの高負荷時には前記突起体の前記平坦面が高
温になると、前記オイル噴射手段を作動してオイルジェ
ットを前記突起体に噴射して前記突起体を冷却して温度
制御することができ、常に前記突起体の前記平坦面を噴
射燃料を円盤状撚ｒ４薄膜に拡散できる最適温度に調節
することができ、異常燃焼の発生を防止できる。特に、
前記燃焼室をセラミックス等で断熱構造に構成した場合
には、前記燃焼室は高温になり、前記突起体温度前記平
坦面は高温になる。このような高温状態では、燃料は前
記平坦面に衝突して異常燃焼を発生し易くなるからであ
る。

しかも、前記燃料噴射ノズルから噴射された燃料は、最
適温度の前記平坦面に液状で衝突して前記平坦面に沿っ
て半径方向外向きに拡散して円盤状燃料薄膜を形成する
が、ピストン上昇で発生する前記燃焼室へのスキッシュ
流を前記円盤状燃料薄膜に交差させ、燃料と空気との良
好な混合を実現し、燃焼効率の向上を図ることができる
。

〔実施例〕

以下、図面を参照して、この発明による燃料衝突拡散式
エンジンの実施例を説明する。第１図はこの発明による
燃料衝突拡散式エンジンの一実施例を示す断面図である
。

第１図に示すように、この燃料衝突拡散式エンジンは、
シリンダブロック９、該シリンダブロック９に固定され
た吸気ボート６及び排気ポート７を備えてシリンダヘッ
ド３、シリンダブロック９の孔部に嵌合したシリンダラ
イナ１４、及び該シリンダライナ１４内を往復運動する
ピストン１５を有している。吸気ボート６には吸気弁１
６が配置され、また排気ポート７には排気弁１７が配置
されている。ピストン１５は、例えば、アルミニウム等
の金属材料から成り、ピストン１５のピストンヘッド１
には、キャビティ即ち燃焼室２が形成されている。図示
していないが、この燃料衝突拡散式エンジンについては
、シリンダヘッド下面部、シリンダライナ上部、ピスト
ンヘッド等を断熱構造に構成することができるが、特に
、燃焼室２を断熱構造に構成した場合には、燃焼室２は
高温になるので、後述の冷却装置は燃焼室２の温度を調
節するのに極めてを効な装置となる。

特に、この燃料衝突拡散式エンジンにおいて、ピストン
ヘッド１に形成した燃焼室２には、はぼ中央底部から上
方に伸びるように突起体５がピストン本体に取付けられ
ている。突起体５の一端即ち上部に設けた円板８は、キ
ャビティ底面から上方に伸びて燃焼室２の開口部１０の
面即ちピストンヘッド１の頂面より下方に位置している
。また、突起体５の他端即ち下部２０は、クランクケー
ス側に露出しており、該下部２０には冷却フィン２１等
の冷却面に構成されている。この突起体５及び円板８は
、一体構造に構成でき、例えば、耐熱性に冨んだ窒化珪
素（Ｓ　Ｉ　３Ｎ４　）等のセラミックスから製作した
ものである。この円板８の頂面は平坦面１２に形成され
ている。この平坦面１２は、液状燃料が衝突する衝突面
を構成する。更に、ピストン１５への突起体５の取付部
には、突起体５をピストン本体から断熱するため突起体
５とピストン本体との間に断熱部材２２を介在している
。

また、シリンダへノド３には、ピストンへノド１に形成
した燃焼室２に配！した突起体５の円板８の平坦面１２
に対向して噴口１１を開口する燃料噴射ノズル４が取付
けられている。燃料噴射ノズル４は、ビントルノズル等
の噴射ノズルから成り、該噴射ノズルの噴口１１から噴
射された燃料が液状で平坦面１２の中央部に衝突するよ
うに構成されている。

この燃料衝突拡散式エンジンにおいて、ピストンの上昇
によって発生する燃焼室２へのスキッシュ流は、矢印の
ように、燃焼室２に流入する。

方、燃料噴射ノズル４の噴口１１から噴射された液状燃
料は、円板８の平坦面１２に衝突して平坦面１２に沿っ
て円盤状燃料薄膜を形成して燃焼室２へ拡散する。そこ
で、燃焼室２への空気のスキッシュ流と円盤状燃料薄膜
とは、直交状態に交差し、空気と燃料の混合が促進され
る。

この燃料衝突拡散式エンジンは、特に、エンジンの作動
状態に応して燃焼室２を冷却する冷却装置を備えている
ことであり、クランクケース側に露出した突起体５の下
部２０及びフィン２１にオイルを噴射して突起体５の下
部２０を冷却するためのオイル噴射装置２４を有してい
ることである。

即ち、オイル噴射装置２４から噴射されたオイルジェッ
ト２５は、突起体５の下部２０及びフィン２１に接触し
、これらを冷却する。ところで、突起体５は断熱部材２
２によってピストン本体から断熱されているので、突起
体５の円板８が加熱されて高温になると、熱は突起体５
の中央部２３を通して下部２０へ伝達される。従って、
下部２０がオイルジェット２５のオイルで冷却されるこ
とによって、円板８の熱は、中央部２３を通して下部２
０へと放熱され、円板８が冷却されることになる。

更に、この燃料衝突拡散式エンジンにおいて、オイル噴
射装置２４はエンジンの作動状態に応答してコントロー
ラ（図示せず）の指令で作動するように構成されている
。即ち、この燃料衝突拡散式エンジンには、エンジンの
負荷ＬＥを検出する負荷センサー（図示せず）が設けら
れている。この負荷センサーは、例えば、アクセルペダ
ルの踏込み量或いは燃料噴射ノズル４から噴射される燃
料ｉｆを検出するセンサーで構成することができ、エン
ジン負荷Ｌ２は、上記センサーでアクセルペダルの踏込
み量或いは燃料噴射ノズル４からの燃料噴射流量を検出
することによって検出することができる。場合によって
は、燃焼室２の温度を検出することによって検出するこ
とも可能である。

負荷センサーによって検出された負荷り、の検出信号は
、コントローラに入力される。該コントローラは、人力
された検出信号の負荷り、と予め設定した所定の負荷Ｌ
０とを比較し、エンジン負荷り、が所定の負荷Ｌ０より
大きい場合には、燃焼室２が高温状態であり、円板８が
高温になっているとして、円板８を冷却するため、オイ
ル噴射装置２４を作動し、オ〕ルジエノト２５を突起体
５の下部２０及びフィン２１に噴射する。また、エンジ
ン負ＷＩ　Ｌ　ｔが所定の負荷Ｌ０より小さい場合には
、燃焼室２が高温でなく、円板８が高温になっていない
として、円板８を冷却する必要がないので、オイル噴射
装置２４をオフにしてオイルジェット２５は噴射しない
。

次に、この発明による燃料衝突拡散式エンジンの作動を
、第１図及び第２回を参照して説明する。

第２図はこの発明による燃料衝突拡散式エンジンの作動
の一例を示す処理フロー図である。

この燃料衝突拡散式エンジンは、シリンダへノド３に取
付けた燃料噴射ノズル４の噴口１１から低圧で噴射され
た燃料は、棒状の液状燃料として噴口１１に対向した燃
焼室２内の突起体５に設けた円板８の平坦面１２に衝突
し、薄い膜状の円盤状になって半径方向外向きに拡散す
る。この時、ピストン１の上昇で発生するスキッシュ流
は、燃焼室２内に流入する。そこで、該スキンシュ流と
円盤状薄膜燃料と直交状態に交差して良好な混合を実現
することができ、良好な燃焼状態を確保して燃焼効率を
向上できる。即ち、燃料噴射ノズル４の噴口１１から噴
射された液状の燃料は、突起体５の円板８の平坦面１２
に衝突して直ちに該平坦面１２に沿って半径方向に拡が
って円盤形状のフィルムとなって均一に拡散する。そこ
で、この円盤状フィルムの燃料は、ピストン１の上昇行
程に伴って発生する燃焼室２へのスキツシユ流と直交状
態に交叉し、混合が促進され、ると共に、直ちに着火燃
焼することができる。

特に、この燃料衝突拡散式エンジンでは、エンジンの作
動状態で突起体５の円板８の温度を制御する作用を有す
ることに特徴を有している。

この燃料衝突拡散式エンジンにおいて、エンジンを始動
し、エンジンの作動状態を検出し、該検出信号に応答し
てオイル噴射装置２４の作動を制御し、突起体５の円板
８の温度を最適温度に制御する。エンジンの作動状態と
して、負荷センサーによってエンジンの負荷り、を検出
する（ステップ３０）。負荷センサーによって検出され
た負荷Ｌｔの検出信号を、コントローラに入力し、コン
トローラによって、入力された検出信号の負荷り、と予
め設定した所定の負荷Ｌ０とを比較し、エンジン負荷り
、が所定の負荷Ｌ０より大きいか否かを判断する（ステ
ップ３１）。

エンジン負荷り、が所定の負荷Ｌ０より大きい場合には
、燃焼室２が高温状態であり、円板８が高温になってい
るとして、円板８を冷却するため、オイルポンプ等のオ
イル噴射装置２４を作動しくステップ３２）、オイル噴
射装置２４から噴射されるオイルジェット２５を突起体
５の下部２０及ヒフイン２１に噴射する。そこで、オイ
ルジェット２５は、突起体５の下部２０及びフィン２１
に接触して突起体５の下部２０及びフィン２１は冷却さ
れる。突起体５の下部２０及びフィン２１が冷却される
と、高温になっている突起体５の円板８からの熱は、突
起体５の中央部２３を通して下部２０へ熱流となって伝
達される。従って、突起体５の円板８の熱は、中央部２
３を通して下部２０へと放熱され、円板８が冷却される
ことになる（ステップ３３）。

また、エンジンの負荷り、が所定の負荷Ｌｏより小さい
場合には、燃焼室２が高温でなく、円板８が高温になっ
ていないので、円板８を冷却する必要がないから、オイ
ル噴射装置２４をオフにしてオイルジェット２５を噴射
しないでカットする（ステップ３４）。

次に、この発明による燃料衝突拡散式エンジンの別の実
施例を、第３図を参照して説明する。この実施例におけ
る燃料衝突拡散式エンジンを組み込んだピストンの構造
は、上記実施例のものと比較して突起体の構成が異なる
以外は、同一の構成及び同一のＩ！ｔａを有しているも
のである。そこで、同一の部品には同一の符号を付し、
これらの重複する説明を省略する。

この燃料衝突拡散式エンジンにおいて、燃焼室２のほぼ
中央底部に上方に伸びる突起体５Ａが形成されている。

突起体５Ａの一端即ち上部に設けた円板８Ａは、キャビ
ティ底面から上方に伸びて燃焼室２の出入口即ち開口部
１０の面即ちピストンヘッド１の頂面より下方に位置し
ている。また、ピストン１５には、オイルジェット２５
が通過できるオイル通路２６が形成され、突起体５Ａの
他端或いは中央部がオイル通路２６即ちクランクケース
側に露出している。突起体５Ａのオイル通路２６への露
出部には冷却フィン２７等の冷却効果のをる構造に構成
されている。この突起体５Ａ及び円板８Ａは、一体構造
に構成でき、例えば、突起体５Ａ及び円板８Ａを銅等の
金属材料で製作されている。この平坦面１２Ａは、液状
燃料が衝突する衝突面を構成する。図示していないが、
ピストン１５への突起体５Ａの取付部には、突起体５Ａ
をピストン本体から断熱するため突起体５Ａとピストン
本体との間に断熱部材を介在することもできる。

〔発明の効果〕

この発明による燃料衝突拡散式エンジンは、上記のよう
に構成されており、次のような効果を有する。即ち、こ
の燃料衝突拡散式エンジンは、ピストンヘッドに形成し
た燃焼室、該燃焼室のほぼ中央部から一端を突出し且つ
他端をクランクケース側に露出した突起体、液状燃料の
衝突面を構成する前記突起体に設けた平坦面、該平坦面
に対向して噴口を開口するシリンダヘフドムこ取付けた
燃料噴射ノズル、及びクランクケース側に露出した前記
突起体にオイルを噴射して前記突起体を冷却するだめの
オイル噴射手段を有するので、前記燃料噴射ノズルから
噴射された燃料は前記平坦面に液状で衝突して円盤状燃
料薄膜を形成できると共に、ピストンの上昇行程によっ
て発生した燃焼室へのスキッシュ流と円盤状燃料薄膜と
を交差させて良好な混合を実現させることができる。特
に、前記突起体に設けた前記平坦面が高温になった場合
には、前記オイル噴射手段を作動して前記突起体を冷却
することができ、常に前記突起体を噴射燃料を円盤状燃
料ＴｔｉＷｉｒに拡散するのに適した最適温度に調節す
ることができる。

従って、前記燃料噴射ノズルからの噴射燃料は、前記平
坦面に衝突して異常燃焼を起こすことがなく、前記平坦
面に沿って拡散して常に良好な円盤状燃料薄膜を形成し
、該円盤状燃料薄膜はスキッシュ流と交差して良好な混
合を実現し、燃焼効率の向上を図ることができる。

また、この燃料衝突拡散式エンジンにおいて、前記突起
体を断熱するため前記突起体とピストン本体との間に断
熱部材を介在させたので、前記突起体の下部を冷却する
ことによって、前記突起体の円板の熱は直ちに熱流とな
って下部へと放勤される。

更に、この燃料衝突拡散式エンジンにおいて、エンジン
の作動状態を検出するセンサー、及び該センサーによる
検出信号が所定の負荷より大きい検出信号に応答して前
記オイル噴射手段を作動して前記突起体にオイルを噴射
するコントローラを有するので、燃焼室における前記円
板の温度をエンジン負荷によって間接的に正確に検出す
ることができ、前記燃焼室の温度制御を的確δこｊテう
ことかできる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による燃料衝突拡散式エンジンの一実
施例を示す説明図、第２図は第１図の燃料衝突拡散式エ
ンジンの作動の一例を示す処理フロー図、及び第３図は
この発明による燃料衝突拡散式エンジンの別の実施例を
示す説明図である。 １−−−ピストンヘッド、２−−−−−−燃焼室、３シ
リンダヘツド、４−　燃料噴射ノズル、５．５Ａ−−−
−突起体、８．８Ａ−−一−−円板、１〇　−開口部、
１１−−一　噴口、１２　、　１２　Ａ−一一−−平坦
面、１５−−＝ピストン、２０−−−−下部、２１．２
７フイン、２２−−−断熱部材、２３−−−布中央部、
２４−−−−オイル噴射装Ｗ（オイル噴射手段）、２５
−　　オイルジェット。 出願人　　いず＼自動車株式会社 代理人　　弁理士　尾　仲　−家 弟 図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ピストンヘッドに形成した燃焼室、該燃焼室のほ
   ぼ中央部から一端を突出し且つ他端をクランクケース側
   に露出するようにピストン本体に取付けた突起体、該突
   起体に設けた液状燃料の衝突面を構成する平坦面、該平
   坦面に対向して噴口を開口するシリンダヘッドに取付け
   た燃料噴射ノズル、及びクランクケース側に露出した前
   記突起体にオイルを噴射して前記突起体を冷却するため
   のオイル噴射手段を有する燃料衝突拡散式エンジン。
2. （２）前記突起体を断熱するため前記突起体と前記ピス
   トン本体との間に介在した断熱部材を有する請求項１に
   記載の燃料衝突拡散式エンジン。
3. （３）エンジンの作動状態を検出するセンサー、及び該
   センサーによる検出信号が所定の負荷より大きい検出信
   号に応答して前記オイル噴射手段を作動して前記突起体
   にオイルを噴射するコントローラを有する請求項１に記
   載の燃料衝突拡散式エンジン。