JPH04318217A - 副室式燃焼室 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、シリンダヘッドに副
室を形成した副室式燃焼室に関する。

【０００２】

【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等によって
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。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
気を形成しているが、副室内に高スワールを形成し且つ
伝熱面積の増大によって熱損失が増加するという問題が
あり、更に、副室への空気の流入において連通孔による
絞り損失が増加するという問題を有している。

【０００３】従来、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願平１−２５２２７７号に
は、副室式エンジンが開示されている。該副室式断熱エ
ンジンは、シリンダヘッドに形成した断熱構造の副室、
該副室と主室とを連通した断熱構造の連絡孔、前記副室
内に配置した多噴孔の燃料噴射ノズル、ピストン上死点
近傍で前記連絡孔に突入するピストンヘッドに設けた突
出部を有している。

【０００４】更に、本出願人が先に出願した特願平２−
６８５４４号には、断熱副室式ディーゼルエンジンが開
示されている。該断熱副室式ディーゼルエンジンは、シ
リンダヘッドに設けた断熱構造の球状副室を構成する副
室壁体、該副室壁体のシリンダ対向中央部に形成され且
つ前記副室と主室とを連通する連絡孔、該連絡孔が前記
副室に開口する周囲部分に形成されて前記副室内へ突出
するリップ部、及び前記連絡孔に対向した前記副室の中
央上部に配置し且つ前記副室の内壁面上部から下方に沿
って燃料を噴射する多噴孔を備えた燃料噴射ノズルを有
するものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、通常、副室
式エンジンでは、主室から連絡孔を通じて副室へ流入す
る吸入空気は、エンジン作動状態にかかわらず吸入空気
の流入速度は所定値となり、調整されることがない。エ
ンジン作動状態が高負荷の場合には、主室側から連絡孔
を通じて流入する吸入空気の流入速度を速めて副室内に
強力なスワールを発生させ、燃料噴射ノズルから噴射さ
れる燃料と空気との混合を促進して燃焼促進を図る必要
がある。しかしながら、エンジン作動状態が部分負荷の
場合には、主室側から連絡孔を通じて流入する吸入空気
の流入速度が速いと、上記のように副室内での熱損失、
ガス流動損失等が大きくなり、燃費が悪化すると共にエ
ンジン性能が低下するという問題がある。

【０００６】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、燃料を噴射する燃料噴射ノズルを
配置した副室をシリンダヘッドに形成し、主室をピスト
ンヘッド側即ちシリンダ側に形成し、特に、副室にガス
を噴射するガス噴射ノズルを配置し、エンジンの部分負
荷時には該ガス噴射ノズルからガスを噴射して吸入空気
に衝突させて流入空気速度を低下させ、それによって副
室内でのガス流動損失、熱損失等を低下させ、燃費の向
上を図ることができる副室式燃焼室を提供することであ
る。

【０００７】

【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、シリンダヘッドに形成し且つ燃料を噴霧す
る燃料噴射ノズルを配置した副室、主室を構成するシリ
ンダ内を往復運動するピストン及び前記副室をシリンダ
側に連通する前記シリンダヘッドに形成した連絡孔を有
する副室式燃焼室において、前記連絡孔から前記副室内
へ流入する空気に対抗する方向にガスを噴射する前記副
室内に配置したガス噴射ノズル、エンジン負荷を検出す
る負荷センサー、及び該負荷センサーによる部分負荷信
号に応答して前記ガス噴射ノズルから吸入空気に向けて
ガスを噴射する制御を行うコントローラ、を有する副室
式燃焼室に関する。

【０００８】また、この副室式燃焼室は、前記ピストン
のピストンヘッド面から伸長し且つ上死点近傍で前記連
絡孔に突入して前記連絡孔の通路面積を低減する突出部
を有するものである。

【０００９】

【作用】この発明による副室式燃焼室は、上記のように
構成されており、次のように作用する。即ち、この副室
式燃焼室は、連絡孔から副室内へ流入する空気に対抗す
る方向にガスを噴射する前記副室内に配置したガス噴射
ノズル、エンジン負荷を検出する負荷センサー、及び該
負荷センサーによる部分負荷信号に応答して前記ガス噴
射ノズルから吸入空気に向けてガスを噴射する制御を行
うコントローラを有するので、部分負荷時には前記ガス
噴射ノズルからガスが吸入空気に対抗して噴射され、吸
入空気を攪乱させて流入空気速度を低下させ、それによ
って熱損失、ガス流動損失等を低減して燃費を向上させ
ることができる。また、エンジンの高負荷時には、前記
ガス噴射ノズルからはガスが噴射されないので、流入空
気速度は速められて燃焼促進を図ることができる。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明による副室
式燃焼室の実施例を説明する。まず、図１及び図２を参
照して、この発明による副室式燃焼室の一実施例を説明
する。図１はこの発明による副室式燃焼室の一実施例を
示し且つエンジンの部分負荷時の状態を示す断面図、及
び図２は図１の副室式燃焼室を示し且つエンジンの高負
荷時の状態を示す断面図である。

【００１１】この副室式燃焼室は、ディーゼルエンジン
に適用するものであり、シリンダブロック１４、該シリ
ンダブロック１４に固定され且つ吸気ポート２５と排気
ポート２６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室２、シリンダブロック１４
に形成したシリンダ１８内を往復運動するピストン１７
、シリンダヘッド下面、シリンダ１８及びピストンヘッ
ド頂面とで形成されるシリンダ室１５、副室２内に多噴
孔１６を開口する燃料噴射ノズル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
る主室１を有している。副室２を断熱構造に構成する場
合には、副室壁体３を、例えば、シリンダヘッド７に形
成された凹部２１に配置された耐熱性及び断熱性に富ん
だセラミックス、耐熱金属等から成る製作することで構
成される。同様に、主室１を断熱構造に構成する場合に
も耐熱性及び断熱性に富んだセラミックス、耐熱金属等
から成る製作することで構成される。副室壁体３は、シ
リンダヘッド７に取付金具等で固定されている。副室壁
体３の外側面とシリンダヘッド７の凹部２１の内面との
間には、断熱空気層等を形成して副室２の断熱度を向上
させることもできる。また、副室壁体３の下面はシリン
ダヘッド下面１９の一部を構成し、該副室壁体３の下面
中央部にはシリンダヘッド７に形成した副室２をピスト
ンヘッド４に形成した主室１に対向して連通孔９が形成
されている。また、副室２は、図では吸入空気の押し込
みによって副室２内に空気の乱れを造る構造に構成され
ているが、該構造に限らず副室構造をスワールチャンバ
に構成することもできるものである。なお、吸気ポート
２５には吸気弁２７が配置され、排気ポート２６には排
気弁２８が配置されている。

【００１２】この副室式燃焼室において、副室２に配置
された燃料噴射ノズル６は、副室２内に燃料を放射状に
噴霧できるようにノズル本体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、副室２内でほ
ゞ中央から下向きに配置され、多噴孔１６は副室２の周
壁に向かって開口している。言い換えれば、副室２の内
部は、燃料噴射ノズル６のノズル軸に対してほゞ対称的
な形状に形成されている。また、ピストン１７のピスト
ンヘッド４に形成されたキャビティ２０は、主室１を構
成し、該主室１はシリンダヘッド７に形成した連絡孔９
に対向状態に位置している。

【００１３】また、ピストンヘッド４に形成したキャビ
ティ２０の中央には、ピストンヘッド上面２２より突出
し且つピストン上死点近傍で連通孔９の中央を貫通して
突入可能な突出部５が形成されている。突出部５は、ピ
ストンヘッド４のキャビティ２０の中央の底面２３から
上方に伸長して突出している。この突出部５は、高温の
燃焼ガスに晒される熱負荷の高い部位であるので、耐熱
性に富み且つ高温強度に富んだセラミックスで構成され
ることが好ましいものである。また、図では、突出部５
は上面が平らな面に形成されているが、該平らな面に限
らず上部が丸みの在る形状に形成されてもよいものであ
る。即ち、この突出部５は、連絡孔９に突入することに
よって連絡孔９の内壁面と突出部５の側壁面との間に環
状の通路１３を形成し、副室２から該環状通路１３を通
じて吹き出される燃焼ガスが通路面積が絞られた通路を
通ることで増速して高速で主室１に流出するように構成
されているものである。従って、ピストン上死点付近で
突出部５が連絡孔９に突入することで連絡孔９の通路は
環状形状になって縮小し、また、突出部５が連絡孔９か
ら抜け出すことによって連絡孔９の通路面積は拡大し、
連絡孔９の通路面積はピストン１７の往復運動に応じて
流通面積が変化する流通面積可変通路を形成することに
なる。

【００１４】この副室式燃焼室は、上記構成において次
の点で特徴を有している。即ち、この副室式燃焼室は、
連絡孔９から副室２内へ流入する空気に対抗する方向に
ガスを噴射する副室２内に配置したガス噴射ノズル８、
エンジン負荷を検出する負荷センサー１２、及び該負荷
センサー１２による部分負荷信号に応答してガス噴射ノ
ズル８から吸入空気に向けてガスを噴射する制御を行う
コントローラ１０を有することである。ガス噴射ノズル
８は、コントローラ１０の指令によってサージタンク１
１から送り込まれる空気を副室２に噴射するものである
。サージタンク１１には、例えば、ターボチャージャの
コンプレッサから送り込まれる空気が溜められるか、或
いは別に設けたコンプレッサから送り込まれる空気を溜
められている。ガス噴射ノズル８は、主室１側から環状
通路１３を通じて吸入される環状の空気流に対して該環
状の空気流の一部に対して対抗するように空気を噴射す
るように構成されている。従って、ガス噴射ノズル８か
ら空気を環状空気流に衝突させることで、吸入空気の環
状空気流を攪乱させることとなり、流入空気速度を低下
させる作用を果たすこととなる。副室２内での空気流動
が低下することで、副室２の壁面からシリンダヘッド７
側への熱流が抑制され、熱損失、ガス流動損失等が低減
し、燃費の悪化を抑制することができる。また、エンジ
ン負荷Ｌは、負荷センサー１２によって検出されるもの
である。負荷センサー１２は、例えば、アクセルペダル
の踏込み量を検出するか或いは燃料噴射ノズル６から噴
射される燃料流量を検出することによってエンジン負荷
Ｌを検出することができる。

【００１５】次に、この副室式燃焼室の作用について説
明する。この副室式燃焼室の燃焼サイクルにおいて、圧
縮行程上死点近傍までは、連絡孔９に突出部５は突入し
ていない状態であるので、連絡孔９の通路面積は絞られ
ておらず、主室１側から副室２へ吸入される吸入空気は
連絡孔９によって絞り損失を受けることなくスムースに
流入される。ピストン上死点近傍である圧縮行程後半に
おいてピストン１７の突出部５が連通孔９内に突入する
と、連絡孔９の内壁面と突出部５の側壁面との間に環状
の通路１３が形成され、連絡孔９の通路面積は絞られる
と共に、吸入空気の副室２への押し込みによって副室２
内に強力な環状押込み流が発生する。この状態で、矢印
で示すように、燃料噴射ノズル６から副室２に噴射され
た燃料噴霧は、副室２での流動空気と良好な混合を達成
して燃料リッチで一次燃焼をすることになる。

【００１６】次いで、この副室式燃焼室の燃焼サイクル
は、膨張行程に移行し、膨張行程初期において副室２か
らの混合気と火炎から成る燃焼ガスは、ピストンヘッド
４に形成した突出部６の側面８に沿って高速で勢い良く
流出するが、連絡孔９から突出部５が抜け出すことによ
って通路面積は大きくなり、燃焼ガスは一気に副室２か
ら主室１へ流出する。そこで、主室１内で燃焼ガスと主
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って完全
に燃焼して燃焼を完結することになる。

【００１７】この副室式燃焼室は、上記のように作動す
るが、特に、次の点に特徴を有している。特に、図３を
参照して、この副室式燃焼室の作用について説明する。 図３はこの発明による副室式燃焼室の作動の一実施例を
説明するための処理フロー図である。エンジンの駆動す
ることで、エンジン負荷Ｌを負荷センサー１２で検出す
る（ステップ４０）。負荷センサー１２で検出された負
荷信号をコントローラ１０に入力し、該コントローラ１
０でエンジン負荷Ｌがガス噴射ノズル８から吸入空気に
向けて空気を噴射する必要がある予め設定した負荷Ｌ０
より小さい状態か否かを判断する（ステップ４１）。負
荷センサー１２で検出されたエンジン負荷Ｌが予め設定
した負荷Ｌ０　より小さい場合には、エンジンは部分負
荷状態であり、圧縮行程上死点手前でガス噴射ノズル８
を作動し、副室２への吸入空気に対して空気を噴射させ
（ステップ４２）、流入空気速度を低下させるコントロ
ールする（ステップ４３）。ガス噴射ノズル８から空気
を環状状態に流入する吸入空気に対して噴射して衝突さ
せると、吸入空気は攪乱されて流入空気速度は低下し、
その空気流動の低下した状態で燃料噴射ノズル６から燃
料を噴射し、噴射燃料は着火燃焼して燃料リッチで一次
燃焼するが、連絡孔９は絞られているので十分に副室２
で燃焼を行うと共に、空気速度はガス噴射ノズル８から
吹き出される空気によって低下するので、熱損失、ガス
流動損失等が低減される。

【００１８】また、ステップ４１において、負荷センサ
ー１２で検出されたエンジン負荷Ｌが予め設定した負荷
Ｌ０　より大きい場合には、エンジンは高負荷状態であ
り、ガス噴射ノズル８から空気を噴射して吸入空気に対
して空気を衝突させて吸入空気を攪乱させて流入空気速
度は低下する必要がないので、コントローラ１０はガス
噴射ノズル８を不作動状態に維持し（ステップ４４）、
流入空気速度のコントロールを行わない（ステップ４５
）。従って、副室２内には主室１側から連絡孔９を通じ
て流入空気速度が速い状態が維持され、そこで、燃料噴
射ノズル６から燃料を噴射し、噴射燃料は着火燃焼して
燃料リッチで一次燃焼するが、連絡孔９は絞られている
ので十分に副室２で燃焼を行う。

【００１９】次いで、この副室式燃焼室については、膨
張行程に移行し、膨張行程初期は突出部５が連絡孔９に
突入している状態であり、燃焼ガスは環状通路１３を通
じて噴出し始め、次いで突出部５が連絡孔９から抜け出
して連絡孔９の通路面積は一気に大きくなると共に、燃
焼ガスは一気に主室１へ吹き出される。主室１に吹き出
された燃焼ガスは、主室１に存在する新気との混合が促
進され、燃焼期間を短縮して良好に二次燃焼を行う。従
って、この副室式燃焼室は、従来の副室式エンジンのよ
うに主室と副室を連通する連絡孔を絞る形状に構成する
必要がなく、この副室式燃焼室における連絡孔９は、突
出部６を連絡孔９に突入させる構成であるので、該連絡
孔９の径を大径に構成することができ、燃料或いは混合
気と空気との混合を促進できるので、燃料は良好な状態
で完全に燃焼し、ＨＣ、ＮＯＸ　の発生を抑制すること
ができる。従って、この副室式燃焼室によれば、エンジ
ン作動状態に最適状態で燃焼サイクルが実行され、燃焼
期間が短縮され、燃費が改善され、ＨＣ、ＮＯＸ　等の
発生を抑制することができる。

【００２０】

【発明の効果】この発明による副室式燃焼室は、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
、この副室式燃焼室は、連絡孔から副室内へ流入する空
気に対抗する方向にガスを噴射する前記副室内に配置し
たガス噴射ノズル、エンジン負荷を検出する負荷センサ
ー、及び該負荷センサーによる部分負荷信号に応答して
前記ガス噴射ノズルから吸入空気に向けてガスを噴射す
る制御を行うコントローラを有するので、部分負荷時に
は前記ガス噴射ノズルからガスが吸入空気に対抗して噴
射され、吸入空気を攪乱させて流入空気速度を低下させ
、それによって熱損失、ガス流動損失等を低減して燃費
を向上させることができる。また、エンジンの高負荷時
には、前記ガス噴射ノズルからはガスが噴射されないの
で、流入空気速度は速められて燃焼促進を図ることがで
きる。

【００２１】そして、前記副室内で発生している強力な
空気流動即ちスワール中に前記副室に配置した燃料噴射
ノズルからの噴霧燃料が噴射され、良好な混合気が形成
されて着火して一次燃焼を行う。即ち、ピストン上死点
で前記流通面積可変通路は流通面積が小さくなって絞り
状態になり、前記副室に導入される空気は前記副室内で
強力な空気乱れを発生する。しかも、前記燃料噴射ノズ
ルは多噴孔で構成されているので、燃料は高噴射で放射
状に噴霧されるので、該噴霧燃料は前記スワールと良好
な混合気を形成し、前記副室で燃料リッチな状態で燃焼
してＮＯＸ　の発生は抑制される。

【００２２】次いで、前記副室で一次燃焼した火炎と混
合気の燃焼ガスは前記副室から前記突出部の錐面に沿っ
て高速で前記主室に流入し、前記主室内で上下方向のス
ワールとなって流動する。そこで、前記主室内で燃焼ガ
スと前記主室内の新気との混合が促進され、燃焼ガスと
空気との混合を短期に達成されて混合が促進するので、
燃焼期間が短縮され、良好な二次燃焼を行うことになり
、燃費が改善され、ハイドロカーボンＨＣの発生を抑制
できる。

【００２３】また、この副室式燃焼室は、ピストンのピ
ストンヘッド面から伸長し且つ上死点近傍で連絡孔に突
入して流通面積を低減する突出部を有するので、ピスト
ン上死点近傍でのピストンの往復運動に伴って前記連通
孔の内周面と前記突出部の側面との間に形成される前記
連絡孔の通路面積が可変状態となる。従って、従来の副
室式燃焼室のように主室と副室を連通する連絡孔を絞る
形状に構成する必要がなく、この副室式燃焼室について
は前記連絡孔の径を大径に構成することができ、前記副
室内への吸入空気は絞り損失を受けることなくスムース
に流入し、エンジン性能を低下することなく、高効率の
エンジンを提供できる。また、膨張行程初期には前記連
絡孔は前記突出部で絞られているので、前記副室内で十
分に燃料リッチで一次燃焼を行ってＨＣ、ＮＯＸ　等の
発生は抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による副室式燃焼室の一実施例を示し
且つエンジンの部分負荷時の状態を示す断面図である。

【図２】図１に示す副室式燃焼室を示し且つエンジンの
高負荷時の状態を示す断面図である。

【図３】図１に示すこの副室式燃焼室の作動の一実施例
を示す処理フロー図である。

【符号の説明】 １　　　　主室 ２　　　　副室 ４　　　　ピストンヘッド ５　　　　突出部 ６　　　　燃料噴射ノズル ７　　　　シリンダヘッド ８　　　　ガス噴射ノズル ９　　　　連絡孔 １０　　コントローラ １１　　サージタンク １２　　負荷センサー １３　　環状通路 １５　　シリンダ室 １６　　多噴孔 １７　　ピストン ２０　　キャビティ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　シリンダヘッドに形成し且つ燃料を噴
   霧する燃料噴射ノズルを配置した副室、主室を構成する
   シリンダ内を往復運動するピストン及び前記副室をシリ
   ンダ側に連通する前記シリンダヘッドに形成した連絡孔
   を有する副室式燃焼室において、前記連絡孔から前記副
   室内へ流入する空気に対抗する方向にガスを噴射する前
   記副室内に配置したガス噴射ノズル、エンジン負荷を検
   出する負荷センサー、及び該負荷センサーによる部分負
   荷信号に応答して前記ガス噴射ノズルから吸入空気に向
   けてガスを噴射する制御を行うコントローラ、を有する
   副室式燃焼室。
2. 【請求項２】　　前記ピストンのピストンヘッド面から
   伸長し且つ上死点近傍で前記連絡孔に突入して前記連絡
   孔の通路面積を低減する突出部を有する請求項１に記載
   の副室式燃焼室。