JPH04287824A - 断熱副室式エンジン - Google Patents

断熱副室式エンジン

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JPH04287824A
JPH04287824A JP3073786A JP7378691A JPH04287824A JP H04287824 A JPH04287824 A JP H04287824A JP 3073786 A JP3073786 A JP 3073786A JP 7378691 A JP7378691 A JP 7378691A JP H04287824 A JPH04287824 A JP H04287824A
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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】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、ピストンヘッドに主
燃焼室を有すると共にシリンダヘッドに副燃焼室を有す
る断熱副室式エンジンに関する。
【0002】
【従来の技術】従来、副室式内燃機関の副燃焼室につい
て、実開昭59−21024号公報に開示されたものが
ある。該副室式内燃機関の副燃焼室は、シリンダヘッド
に渦流室燃焼室を有し、該燃焼室体の全体をセラミック
スで形成すると共に、該セラミックスの燃焼室体とシリ
ンダヘッドとの嵌合部の大部分に空気層を形成し、更に
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、かつ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。
【0003】更に、断熱エンジンの燃焼改善を目的とし
て、副室を持つ断熱エンジンが開発されている。例えば
、本出願人の出願に係わる特開平2−119616号に
は、副燃焼室式断熱エンジンが開示されている。該副燃
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行程終わり近
くで前記連絡孔を開放して吸入空気を一気に副燃焼室に
導入し、更に吸入行程時は前記連絡孔を閉鎖して副燃焼
室への吸入空気の導入を阻止するものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、副室を
持つエンジンの欠点としては、主燃焼室と副燃焼室とを
連通する連絡孔の絞りによって、副燃焼室から主燃焼室
へ燃焼ガスが移動する時、連絡孔のため絞り損失が発生
し、エンジン性能を低下させるということである。一方
、連絡孔はその通路断面積が小さい方が、副燃焼室内へ
導入される吸入空気で形成される渦流が増速するという
効果がある。
【0005】ところで、通常、副室式エンジンでは、副
室から主室への燃焼ガス即ち火炎の吹き出しは一方向に
限定されている。そして、火炎の吹き出しの初期におけ
る流出速度は、副室と主室との圧力差が大きく、火炎の
吹き出し前半では速い速度で火炎は吹き出されるが、火
炎の吹き出し後期には流出速度が低下し、主室に存在す
る空気との混合に時間がかかり、燃焼期間が長くなり、
燃費が悪化し、ハイドロカーボンHCの発生の原因にな
っている。
【0006】また、断熱副室式エンジンでは、燃焼スピ
ードを上昇させ、燃焼を早期に完結することが必要であ
る。その理由は、断熱エンジンのように圧縮端温度が、
冷却エンジンと比較して約250℃以上も高い場合には
、圧縮空気は粘性が増大し、該空気中に噴射された燃料
は空気との混合が理想的に行われない。一方、燃料は、
高温雰囲気では着火遅れが短く、冷却エンジンと比較し
て5分の1位の時間で着火する。従って、瞬間的に燃料
と空気とを混合させなければならないが、空気と燃料と
の初期混合燃焼は、当量比を抑えた濃混合気で行われる
のが良く、希薄混合燃焼は、拡散燃焼部で行われるのが
良いという課題がある。
【0007】そこで、この発明の目的は、上記の課題を
解決することであり、連絡孔を通じて副燃焼室から主燃
焼室へ燃焼ガスを移動させる時には連絡孔による絞り損
失を低減するため連絡孔の通路断面積を大きく構成し、
また、連絡孔を通じて主燃焼室側から副燃焼室内へ吸入
空気を導入する時には渦流を増速するため連絡孔の通路
断面積を小さく構成したものであり、副燃焼室と主燃焼
室とを連通する連絡孔を2つ設け、連絡孔の通路断面積
を大きくする時には両方の連絡孔を開放し、連絡孔の通
路断面積を小さくする時には一方の連絡孔を閉鎖するよ
うに作動した断熱副室式エンジンを提供することである
【0008】
【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、シリンダヘッドに設けた断熱構造の副室壁
体で形成した副燃焼室、該副室壁体の下部に形成した通
路面積の小さい小連絡孔と大きい大連絡孔、該大連絡孔
に対向するようにピストンヘッドに形成した主燃焼室、
前記副燃焼室に配置した多噴孔を有する燃料噴射ノズル
及び前記大連絡孔を圧縮行程中は閉鎖し且つ燃料噴射後
の前記副燃焼室の圧力上昇時に開放する開閉バルブを有
する断熱副室式エンジンに関する。
【0009】また、この断熱副室式エンジンにおいて、
前記開閉バルブは電磁力で作動され、前記開閉バルブは
エンジンの作動状態に応答して開度タイミング及びバル
ブリフト量が制御されるものである。
【0010】或いは、この断熱副室式エンジンにおいて
、前記開閉バルブは前記副燃焼室内の圧力が予め決めら
れた設定圧力以上の圧力に応答して前記大連絡孔を開放
するものである。
【0011】
【作用】この発明による断熱副室式エンジンは、上記の
ように構成されており、次のように作用する。即ち、こ
の断熱副室式エンジンは、副室壁体の下部に形成した通
路面積の小さい小連絡孔と大きい大連絡孔、該大連絡孔
に対向するようにピストンヘッドに形成した主燃焼室及
び前記大連絡孔を圧縮行程中は閉鎖し且つ燃料噴射後の
前記副燃焼室の圧力上昇時に開放する開閉バルブを有す
るので、エンジンの圧縮行程では小連絡孔を通じて副燃
焼室に空気が流れ込み、副燃焼室内に強い渦流を形成す
る。この渦流に乗るように燃料噴射ノズルから燃料が噴
射され、空気と燃料とが瞬時に混合され着火する。着火
した混合気は急速に燃焼し、副燃焼室内は一気に圧力が
上昇し、燃焼が促進される。それと同時に、大連絡孔を
閉鎖していた開閉バルブが開放され、燃焼ガス及び火炎
は一気に主燃焼室に流れ込み、燃焼スピードを上昇して
理想的な燃焼を実現する。
【0012】
【実施例】以下、図面を参照して、この発明による断熱
副室式エンジンの実施例を説明する。図1はこの発明に
よる断熱副室式エンジンの一実施例を示す断面図である
。図示のように、この断熱副室式エンジンは、シリンダ
ブロック14、該シリンダブロック14に固定された吸
排気ポート25(一方のみ示す)を備えたシリンダヘッ
ド7、シリンダヘッド7に形成した断熱構造の副燃焼室
2、シリンダブロック14に形成した孔部に嵌合したシ
リンダライナ22、該シリンダライナ22に形成したシ
リンダ18内を往復運動するピストン17、副燃焼室2
内に多噴孔16を配置した燃料噴射ノズル6及びピスト
ン17のピストンヘッド4に形成したキャビティ20で
構成される断熱構造の主燃焼室1を有している。副燃焼
室2の断熱構造については、例えば、シリンダヘッド7
に形成された穴部19に配置された耐熱性及び断熱性に
富んだセラミックスから成る副室壁体3から構成されて
いる。副室壁体3は、シリンダヘッド7に固定金具27
で固定されている。副室壁体3の外側面とシリンダヘッ
ド7の穴部19の内面との間には、場合によっては断熱
空気層を形成し、副燃焼室2の断熱度を向上させること
ができる。主燃焼室1の断熱構造については、例えば、
ピストンヘッド4のキャビティ22をセラミックス等か
ら成る断熱壁体即ち主室壁体10によって断熱構造に構
成されている。なお、吸排気ポート25には吸排気弁2
6が配置されている。
【0013】特に、この断熱副室式エンジンにおいて、
副室壁体3の下面の薄い壁体15はシリンダヘッド下面
13の一部を構成しており、該副室壁体3の下面中央側
には副燃焼室2を主燃焼室1に対向した部位に大連通孔
9が形成され、また副室壁体3の下面外周側には小連絡
孔8が形成されている。大連絡孔9は、通路断面積が大
きい通路であり、該通路を開閉するため開閉バルブ11
が配置されている。小連絡孔8は、通路断面積が小さい
通路であり、該通路は副燃焼室2と主燃焼室1とを常時
連通している。例えば、小連絡孔8の通路断面積を0.
9%以下に形成し、また、大連絡孔9の通路断面積を3
%以下に形成する。開閉バルブ11を構成する、バルブ
フェース及びバルブステム23は、耐熱性に富んだセラ
ミックスで製作されている。また、開閉バルブ11のバ
ルブガイド32は、耐熱性に富んだセラミックスで副室
壁体3と一体構造に構成することが好ましい。バルブガ
イド32及びバルブステム23が耐熱性に富むセラミッ
クスで構成されると、バルブガイド32とバルブステム
23との間で、温度差が発生したとしても両者間のクリ
アランスは殆ど変化しないので、開閉バルブ11はスム
ースに摺動でき、副燃焼室2から外部にガスが漏洩する
こともない。
【0014】また、開閉バルブ11は、図示のように、
電磁力で作動される電磁駆動バルブで構成することがで
きる。開閉バルブ11のバルブステム23の一端に磁性
材料から成る吸着板21を取付け、バルブステム23の
上部外周に磁路となるコイルケース33を配置し、該コ
イルケース33内に電磁コイル12を配置する。コイル
ケース33と吸着板21との間には、開閉バルブ11を
閉鎖する方向に付勢したリターンスプリング31が配置
されている。コントローラ30からの指令によって、電
磁コイル12に電流が供給される開閉バルブ11の開閉
が制御される。コントローラ30には、エンジン回転、
クランク位置、エンジン負荷等のエンジンの作動状態の
各信号が入力され、該作動状態に応答して開閉バルブ1
1の開閉を制御するように構成されている。エンジン負
荷は、燃料噴射ノズルへ供給する燃料流量、或いはアク
セルペダルの踏込み量を検出する負荷センサー24で検
出できる。クランク位置は位置センサー28で検出でき
る。また、エンジン回転は回転センサー29で検出する
ことができる。コントローラ30は、上記エンジンの作
動状態の信号を受けて、該信号に応答して開閉バルブ1
1の開度タイミング及びバルブリフト量を決定し制御す
るものである。
【0015】或いは、開閉バルブ11は、図示していな
いが、コントローラ30で制御することなく、副燃焼室
2内の圧力が予め決められた設定圧力以上の圧力に応答
して大連絡孔9を開放するように構成してもよいもので
ある。例えば、開閉バルブ11をスプリングのばね力で
閉鎖しておき、該ばね力を副燃焼室2内が設定圧力以上
の圧力になった状態で該ばね力に抗して開閉バルブ11
を下降させて大連絡孔9を開放するように構成すること
ができる。
【0016】この断熱副室式エンジンについては、副燃
焼室2に配置された燃料噴射ノズル6は、副燃焼室2内
に燃料を放射状に噴霧し、噴射燃料が副室壁体3の壁面
5に衝突できるようにノズル軸線の周方向に形成した多
噴孔16を備えている。燃料噴射ノズル6は、副燃焼室
2内でほゞ中央壁面から水平軸線方向に伸びて配置され
、多噴孔16は副燃焼室2の壁面5に向かって開口して
いる。言い換えれば、副燃焼室2の内部即ち副室壁体3
の壁面5は、連絡孔9から導入される空気渦流Sの流れ
方向に対して四角形の壁面5を有している。副燃焼室2
を構成する副室壁体3について、燃料噴射ノズル6の多
噴孔16から噴射される噴射燃料Fの噴射方向は四角形
の壁面5に対して斜め方向に衝突するように設定されて
いる。
【0017】更に、この断熱副室式エンジンにおいて、
ピストンヘッド4にはキャビティ20が形成され、該キ
ャビティ20の壁面にはセラミックス等から成る壁体1
0によって主燃焼室1を断熱構造に構成されている。副
燃焼室2を主燃焼室1に連通する連絡孔9は、主燃焼室
1の一端側に対向するように、副室壁体3に形成されて
いる。
【0018】この発明による断熱副室式エンジンは、上
記の小連絡孔8と大連絡孔9とを備えた構成に加えて次
の特徴を有している。即ち、副燃焼室2内に発生してい
る渦流S及び自由噴流Fのエネルギーを積極的に利用し
、噴射燃料を高温の壁面5に衝突させて反射させ、熱エ
ネルギーを活用することで、空気と燃料との混合を瞬時
に行って燃焼スピードを上昇させることである。そこで
、小連絡孔8から導入された吸入空気は流入方向に上下
に渦流Sを形成しており、該渦流Sは副燃焼室2内で渦
流帯となって旋回している。また、燃料噴射ノズル6か
ら噴射された燃料噴霧Fは相当のエネルギーを持って自
由噴流Fとなって流れる。そこで、該自由噴流Fを高温
で熱エネルギーを持った四角形の壁面5に衝突させて反
射させ、該反射燃料噴霧Fが壁面5に沿って渦流Sの外
周側を順方向に流れるようにすれば、新気は渦流Sの中
心で旋回しており、反射噴霧Fは渦流外周で均一に分散
し、空気と燃料とが瞬時に混合し、燃料の初期混合燃焼
は当量比を抑えた濃混合気で行われ、NOX の発生を
抑制すると共に、燃料噴霧が均一に分散しているのでH
Cの発生を抑制することができる。
【0019】この断熱副室式エンジンの燃焼室を上記の
ように構成することによって、従来の断熱エンジンの燃
焼室では正味平均有効圧(Pm e )が3〜4kg/
cm2 であったものが、本発明の燃焼室では正味平均
有効圧(Pm e )が6〜7kg/cm2 に向上さ
せることができ、従来のものに比較してNOX の発生
を3分の1〜4分の1にまで低減できた。
【0020】この断熱副室式エンジンは、上記のように
構成されているので、次のように作用する。即ち、この
断熱副室式エンジンにおいて、小連絡孔8は主燃焼室1
と副燃焼室2とを常時連通させ、また、大連絡孔9には
開閉バルブ11が配置されている。そこで、燃焼サイク
ルにおいて、圧縮行程中には主燃焼室1側から副燃焼室
2に高速で空気を導入して渦流Sを増速するため、大連
絡孔9を開閉バルブ11で閉鎖して小連絡孔8のみを連
通状態にして連絡孔の通路断面積を小さくする。それに
よって、小連絡孔8を通じて主燃焼室1側から副燃焼室
2内へ吸入空気は高速で流入し、上下方向に流れる渦流
Sは促進される。次いで、燃料噴射ノズル6の多噴孔1
6から副燃焼室2内に噴射された燃料噴霧Fは、自由噴
流Fを形成しながら進み、渦流ゾーンに進入し、その後
、渦流Sに流されながら壁面5に衝突し、四角形の壁面
5で反射して壁面5に沿って流れ、反射燃料が渦流帯の
中を流れるようになり、燃料噴射ノズル6から噴射され
た燃料はほとんどが渦流Sに乗ることができ、燃料噴霧
は均一に分散され、高温雰囲気での着火遅れが短い状態
に合わせて燃料と空気とは一気に混合して混合気を形成
し、該混合気は着火する。着火した混合気は急速に燃焼
し、副燃焼室2内は一気に圧力が上昇し、燃焼が促進さ
れる。しかも、副燃焼室2での燃焼は大連絡孔9が開放
されるまで持続され、十分に高圧になるまで燃料リッチ
でNOX の発生を抑制して一次燃焼する。
【0021】副燃焼室2内で混合気が急速に燃焼すると
、副燃焼室2内は一気に圧力が上昇し、副燃焼室2では
空気と燃料の初期混合燃焼では当量比を抑えた濃混合気
で燃焼が促進され、それと同時に、膨張行程に移り、直
ちに、開閉バルブ11を作動して閉鎖していた大連絡孔
9を開放する。大連絡孔9の開放すると、燃焼ガス及び
火炎は一気に主燃焼室1に流れ込み、理想的な燃焼を実
現する。従って、大連絡孔9と小連絡孔8を通じて副燃
焼室2から主燃焼室1へ燃焼ガス及び火炎を移動させる
ので、通路断面積は大きくなっており、絞り損失を低減
させることができる。そこで、燃焼ガス及び火炎は副燃
焼室2から主燃焼室1へ高速で勢い良くスムースに流出
させ、主燃焼室1の形状に沿って拡散し、主燃焼室1内
で燃焼ガスと主燃焼室1内に存在する新気とは混合が促
進され、火炎と空気との混合を短期に達成して良好に二
次燃焼を行い、完全に燃焼させて燃焼を完結する。従っ
て、燃料噴射ノズル6から噴射された燃料は、副燃焼室
2で一次燃焼、次いで主燃焼室1で二次燃焼を行うこと
ができ、燃料或いは混合気と空気との混合を促進して燃
焼期間が短縮され、燃焼スピードを上昇させることがで
き、燃費が改善され、エンジン出力を向上させ、HC、
NOX の発生を抑制することができる。
【0022】
【発明の効果】この発明による断熱副室式エンジンは、
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、この断熱副室式エンジンは、シリンダヘッドに
配置した断熱構造の副室壁体で形成した副燃焼室、該副
室壁体の下部に形成した通路面積の小さい小連絡孔と大
きい大連絡孔、該大連絡孔に対向するようにピストンヘ
ッドに形成した主燃焼室、前記副燃焼室に配置した多噴
孔を有する燃料噴射ノズル、及び前記大連絡孔を圧縮行
程中は閉鎖し且つ燃料噴射後の前記副燃焼室の圧力上昇
状態で開放する開閉バルブを有するので、エンジンの圧
縮行程では前記小連絡孔を通じて前記副燃焼室に空気が
流れ込み、前記副燃焼室内に強い渦流を形成させること
ができる。この強い渦流に乗るように前記燃料噴射ノズ
ルの前記多噴孔から噴射された燃料噴霧は、自由噴流を
形成しながら進み、増速した渦流ゾーンに進入し、その
後渦流に流されながら前記副燃焼室の四角形の壁面に衝
突し、該壁面で反射して前記渦流の外周側で前記壁面に
沿って流れ、燃料噴霧は均一に分散され、高温雰囲気で
の着火遅れが短い状態に合わせて燃料と空気とは一気に
混合して着火され燃焼する。着火した混合気は急速に燃
焼し、前記副燃焼室内は一気に圧力が上昇し、燃焼が促
進される。それと同時に、前記大連絡孔を閉鎖していた
前記開閉バルブが開放され、連通面積は一気に大きくな
り、前記副燃焼室内の燃焼ガス及び火炎は一気に前記主
燃焼室に流れ込み、火炎吹き出し速度を落とすことなく
、燃焼スピードを上昇して理想的な二次燃焼を完結する
。従って、前記副燃焼室と前記主燃焼室とを連通する通
路面積による絞り損失を低減できる。
【0023】また、この断熱副室式エンジンにおいて、
前記開閉バルブは電磁力で作動され、前記開閉バルブは
エンジンの作動状態に応答して開度タイミング及びバル
ブリフト量が制御されるので、エンジン作動状態で開度
タイミング及びバルブリフト量を自由に変更でき、前記
大連絡孔の開放を最適時期に決定することができ、レス
ポンスを向上できる。
【0024】或いは、この断熱副室式エンジンにおいて
、前記開閉バルブは前記副燃焼室内の圧力が予め決めら
れた設定圧力以上の圧力に応答して前記大連絡孔を開放
すると、構成そのものを簡単にできる。更に、上記の電
磁力で前記開閉バルブを作動する構成を共用すれば、電
磁力そのものは極めて小さい力で前記開閉バルブを作動
でき、開閉バルブ即ち電磁バルブを小形に構成でき、開
閉作動のレスポンスを向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明による断熱副室式エンジンの一実施例
を示す断面図である。
【符号の説明】
1    主燃焼室 2    副燃焼室 3    副室壁体 4    ピストンヘッド 5    壁面 6    燃料噴射ノズル 7    シリンダヘッド 8    小連絡孔 9    大連絡孔 10  主室壁体 11  開閉バルブ 12  電磁コイル 23  バルブステム 30  コントローラ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  シリンダヘッドに設けた断熱構造の副
    室壁体で形成した副燃焼室、該副室壁体の下部に形成し
    た通路面積の小さい小連絡孔と大きい大連絡孔、該大連
    絡孔に対向するようにピストンヘッドに形成した主燃焼
    室、前記副燃焼室に配置した多噴孔を有する燃料噴射ノ
    ズル、及び前記大連絡孔を圧縮行程中は閉鎖し且つ燃料
    噴射後の前記副燃焼室の圧力上昇時に開放する開閉バル
    ブを有する断熱副室式エンジン。
  2. 【請求項2】  前記開閉バルブは電磁力で作動され、
    前記開閉バルブはエンジンの作動状態に応答して開度タ
    イミング及びバルブリフト量が制御される請求項1に記
    載の断熱副室式エンジン。
  3. 【請求項3】  前記開閉バルブは前記副燃焼室内の圧
    力が予め決められた設定圧力以上の圧力に応答して前記
    大連絡孔を開放する請求項1に記載の断熱副室式エンジ
    ン。
JP3073786A 1991-03-14 1991-03-14 断熱副室式エンジン Expired - Lifetime JP3047493B2 (ja)

Priority Applications (5)

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