JPH0610413B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ａ． 産業上の利用分野 本発明は、内燃機関に関するもので、詳しくは、主燃焼
室の近傍に燃料活性室を備え、該燃料活性室と上記主燃
焼室間にこれら間を開閉する弁を備えた内燃機関に関す
る。

ｂ． 従来の技術とその問題点 内燃機関、例えば圧縮着火機関の燃焼方式としては、直
接噴射式，予燃焼室式，渦流室式，空気室式等がある。
しかし、何れの燃焼方法においても、液体燃料を燃焼室
等に直接に噴射するようにしているので、噴射させた液
体燃料と空気との均一な混合気体が形成される前に、圧
縮着火燃焼が開始されてしまう場合があった。この場合
には、燃焼室内に未燃焼ハイドロカーボンが生成し、圧
縮着火機関から黒煙が排出され、したがって、燃料効率
は低下し、大気汚染の一因を成していた。

また、現在の圧縮着火機関の多くは、高圧縮比かつ高温
で燃焼させるようにしているために窒素酸化物（Ｎｏ
ｘ）が多量に排出され、これも大気汚染の一因を成して
いた。

そこで、本発明者は、このような実情に鑑み、先に、主
燃焼室の近傍に燃料活性室を有するとともに、該活性室
と上記主燃焼室間にこれら間を開閉する弁を備えた内燃
機関を提案した（特願昭６１−２５３１９４号、特願昭
６１−２７７９０８号等）。

これらの内燃機関においては、上記弁は、その弁体がそ
の弁座から主燃焼室側に移動して開閉される構造となつ
ているため、活性室から主燃焼室への流れに伴つて大き
な損失が生ずることがなく、したがって、内燃機関にお
ける回転数および最高出力の向上を図ることができた。

しかし、本発明者は、さらに研究を続けた結果、燃焼効
率をさらに高め得るとともに最高出力の一層の向上を図
ることができる内燃機関に想到するに至った。

すなわち、本発明は、燃焼効率および最高出力をさらに
高めることができる内燃機関を提供することを目的とす
る。

ｃ． 問題点を解決するための手段 本発明では、上記目的を達成するために、主燃焼室の近
傍に燃料活性室を有するとともに、該燃料活性室と上記
主燃焼室との間にこれら間を開閉する弁を備えた内燃機
関において、低速運転時には、上記弁を、着火タイミン
グに応じて開成させるとともに、膨張工程または排気工
程で閉成させ、また、中速以上の運転時には上記弁を常
時開成状態に保持する弁制御手段を備えた構成としてい
る。

ｄ． 実施例 以下、本発明に係る内燃機関の実施例について添付図面
を参照しながら説明する。

第１図〜第４図は、本発明の一実施例を示すものであ
る。

本実施例の内燃機関１は、本発明をディーゼル機関の如
き圧縮着火機関に適用した場合のものである。

内燃機関１は、その主燃焼室２の上方近傍に燃料活性室
３を有する。

燃料活性室３は、上部４ａが小径で形成されるとともに
下部４ｂが比較的大径で形成された段部４ｃ付きの円筒
状ホルダ４の下部４ｂ内に形成されている。

燃料活性室３は、ホルダ４の上下方向軸を中心とする回
転体形状に形成され、特に、その上部３ａは円すい形状
に形成されている。

また、ホルダ４には、燃料活性室３に連通して、その下
方に略半円球状の下方に開口するくぼみ５が形成されて
いる。

このくぼみ５に対応して、ピストン６の上部にも略半円
球状の上方に開口するくぼみ７が形成されている。

主燃焼室２は、ピストン６がその圧縮上死点にある際
に、くぼみ５とくぼみ７とによって、スワールＡの生じ
易い略球形状に形成される。

円筒状ホルダ４の上部４ａには、その軸方向に伸びる連
通孔９が形成され、該連通孔９に、弁体１０を下部に有
するロッド１１が摺動自在にかつホルダ４との間をシー
ルする状態で挿通設置されている。

弁体１０は、燃料活性室３とくぼみ５との間のホルダ４
に形成された弁座１２に篏合することができ、該弁座１
２とともに弁１３を構成している。

ロッド１１の上端にはタペット１４が固定され、これと
シリンダヘッド８との間には、スプリング１５が設置さ
れている。

このスプリング１５の弾性力により、弁体１０は常時上
方に付勢勢され、タペット１４はカム１６に当接する。
こうして、カム１６が回転すると、それに伴ない弁体１
０は上下動する。

カム１６には、図示しないクランクシャフトの動力を適
当な動力伝達手段を介して伝え、これを所定のタイミン
グで回転駆動する。

したがって、弁１３は、カム１６の回転により、所定タ
イミングで開閉される。

弁１３の開成期間としては、圧縮工程の終り頃から排気
工程の始め頃までの間の適宜な期間が好ましいが、特に
これに限定されない。例えば、弁１３の開成期間を、圧
縮工程の終り頃から吸入工程の終り頃までの長い期間と
することができる。

また、弁１３の開成タイミングは、当該内燃機関の回転
数に応じて、進角させるように構成するのが好ましい。
なお、この進角させる装置としては、前記した動力伝達
手段中に従来の技術を用いて簡単に構成し設置すること
ができるため、その詳細な説明を省略する。

さらに、当該内燃機関は、弁１３は、低速運転時には着
火タイミングで開閉させ、中速以上の運転時には開成状
態に保持する弁制御手段５０を備えている。

この弁制御手段５０は、例えば、内燃機関の回転数を検
知して中速回転に達したところで弁１３を開成状態とす
べくカム１６を停止させる機構等である。このような機
構は、従来より周知の速度検出センサやマイクロコンピ
ュータ等を用いた制御装置等を用いることによって簡単
に構成できるものであるため、その詳細な説明を省略す
る。なお、この弁制御手段５０の機構は、特に限定され
ず要は、中速以上で弁１３を開成状態に保持できるので
あれば、いかように構成しても良い。

本実施例における弁制御手段５０において、中速として
は１５００〜２０００rpmの範囲内に設定するのが好ま
しいが、特にこれに限定されず、本発明が適用される内
燃機関の種類、性能および使用目的等を考慮して適宜決
定すれば良い。

また、ホルダ４の側部には、燃料噴射ノズル１７からの
噴射燃料を燃料活性室３内に導き供給するための燃料供
給孔１８が形成されている。

この燃料供給孔１８は、燃料活性室３に対して偏心させ
て形成されるのが好ましく（第２図参照）、これによ
り、燃料噴射ノズル１７からの噴射燃料は、第２図にお
いて時計方向のスワールＢを形成する。このスワールＢ
により、燃料の活性化が促進される。

また、ホルダ４の燃料供給孔１８とくぼみ５は、小径の
圧縮エア導入孔１８ａにより連通されている。この圧縮
エア導入孔１８ａは、主燃焼室２内の圧縮エアを、燃料
供給孔１８内に導びくためのものである。この圧縮エア
導入孔１８ａからの圧縮エアは、燃料噴射ノズル１７か
ら噴射される燃料と予混合されて燃料活性室３内に噴出
される。

このように、燃料供給孔１８は、燃料と圧縮エアを予め
混合させて燃料活性室３へ送る働きをすることから、い
わゆる燃料活性室３に対するプリミキシングポートを成
している。

さらに燃料活性室３には、グロープラグ１９の先端部を
わずかに突出させて臨ませている。グロープラグ１９
は、孔１８からの燃料噴射方向に関しわずかに下流側に
配置されるのが好ましい。

さらにまた、ホルダ４の燃料供給孔１８と対峙する側
に、雌ネジ２０が形成されている。雌ネジ孔２０には、
点火プラグ２１が締結されている。点火プラグ２１は、
燃料活性化室３内のスワールＢを妨害しないように、そ
の先端部２１ａを雌ネジ孔２０内に位置させているが、
勿論上記先端部２１ａを雌ネジ孔２０から突出させるよ
うに設置しても良い。

点火プラグ２１は、ホルダ４の雌ネジ孔２０に対応して
シリンダヘッド８に形成成された孔２２を介して雌ネジ
２０に着脱自在に固定される。

さらにまた、ホルダ４には別の孔２３が形成され、該孔
に対応してシリンダヘッド８には孔２４，２５が形成さ
れている。孔２３は、燃料活性室３内のスワールＢに関
して下流側を向けて形成されている。孔２５は、孔２４
と主燃焼室２を連通する。したがって、燃料活性室３
は、孔２３，２４，２５を介して主燃焼室２に連通され
ている。

また、孔２４，２５との間には、孔２５の孔２４に対す
る開口度を変化させるべく構成されたエア量調整装置２
６が介在設置されている。

このエア量調整装置２６は、先端部に傾斜部２７ａを有
する円柱状小ロッド２７と、適宜に該ロッドを回動させ
る回動手段２８とから成成る。

小ロッド２７は、その傾斜部２７ａを孔２５の口上に配
置させて、シリンダヘッド８に形成した孔２９に回動自
在に支承され、連絡棒３０を介して、回動手段２８に連
結されている。

エア量調整装置２６は、内燃機関が、高速運転時および
／または加速時および／または高負荷時等にあることを
検出して、圧縮エア導入孔１８ａを介して主燃焼室２か
ら燃料活性室３へ送られてくる圧縮エアの量を補うため
に設けられたものである。調整作動時には小ロッド２７
を回動させて傾斜部２７ａと孔２５の口との重なり合い
によってその口を絞って孔２５，２４，２３を介して流
れる圧縮エア通過量を調整すべく働く。

回動手段２８は、例えば図示しないクランクシャフトの
回転数またはアクセルペダルの踏込量や、アクセルペダ
ルの踏込量の変化の度合、あるいは図示しない吸気管内
のスロツトバルブの下流側の流速変化の度合等に基づい
て小ロッド２７を適宜な量だけ回動させる。

この回動手段２８は、例えば、上記したような各種変化
を検出して得られる検出データを処理するマイクロコン
ピュータ等の処理装置および該処理装置の処理結果に基
づいて適宜駆動されるステッピングモータおよびその減
速装置等によって構成したものでも良い。また、機械的
に、図示しない連結手段を介してスロツトルバルブある
いはアクセルペダル等に直接リンク式に連結して構成し
たものでも良く、要は、当該内燃機関の使用目的等を考
慮して、その構成成を適宜決定すれば良い。

また、弁体１０の上面１０ａは、燃料活性室３の天井面
３ａと同様に円すい形状に形成されている。これによ
り、弁体１０が上動されて天井面３ａに当接した際に
は、弁体１０とシリンダヘッド８間は完全にシールされ
る。

さらに、弁体１０の上面１０ａには２本の環状溝３１が
形成され、また、その側周面１０ｂにも２本の環状溝３
２が形成成されている。溝３１，３２の数は、特に限定
されない。これらの溝３１，３２により、弁１３の作動
中に、弁体１０の上面１０ａおよび／または天井面３ａ
に付着したカーボンが効率良く剥離されるとともに、弁
体１０の側周面１０ｂおよび／または弁座１２に付着し
たカーボンも効率的に剥離される。特に、弁体１０の上
面１０ａと天井面３ａとの間におけるカーボンを剥離で
きるので、弁体１０が上動された際における弁体１０と
シリンダヘッド８との間のシール性を常時良好に保つこ
とができる。

また、ホルダ４は、前記したように、その上部４ａと下
部４ｂ間に環状の段部４ｃを有する。このホルダ４の形
状に対応して、シリンダヘッド８には、小径の孔８ａと
大径の孔８ｂとが形成されるとともに、孔８ａと孔８ｂ
との間に環状の段部８ｃが形成されている。

本実施例では、孔８ｂは、その一部がシリンダブロック
３３の内周面に固定されているシリンダライナ３４上に
重なって位置するように、主燃焼室２に対して大きく偏
心して形成されている。

ここで、ホルダ４の取付けについて説明する。

ホルダ４は、シリンダヘッド８の下方から孔８ａ，８ｂ
に圧入されてシリンダヘッド８に固定され一体化され
る。このとき、ホルダ４の段部４ｃとシリンダヘッド８
の段部８ｃは密着される。しかる後、このシリンダヘッ
ドをシリンダブロック３３に固定する。これにより、ホ
ルダ４は、その段部４ｃを押圧するシリンダヘッド８の
段部８ｃと、その底面４ｄの一部を押圧するライナ３４
の上端面３４ａとにより、その上下方向の移動が規制さ
れて完全に固定される。

なお、ホルダ４は、いずれかの地点で図示しない回り止
めキーによりシリンダヘッド８に対して回動しないよう
に固定されるのが好ましいが、ホルダ４がその軸に対し
て非回転体形状に形成されている場合には、シリンダヘ
ッド８に対して回動しないので、この場合には上記回り
止めキーは不用である。

また、ホルダ４の固定位置としては、その底面４ｄの一
部を、ライナ３４を大きく超えてシリンダブロック３３
まで達するようにしても勿論良い。

また、本実施例では、ピストン６のくぼみ７から直線状
にあるいは湾曲状に延びるガイド溝３５を２本形成して
いる。なお、このガイド溝３５の数も特に限定されな
い。この溝３５により、圧縮工程において、主燃焼室２
内のエアは効果的にスワールを生じさせる。したがっ
て、ガイド溝３５が湾曲状に形成される場合には、上記
スワールの方向と一致させるのが好ましい。なお、第４
図において、ピストン６上に示す一点鎖線の円３６，３
７は、シリンダヘッド８に設けられた図示しない吸気弁
および排気弁のピストン６に対する設置位置を示すもの
である。

次に、本実施例の作用について説明する。

いま、内燃機関１の圧縮工程にあり、主燃焼室２内のエ
アは、圧縮される。すると、主燃焼室２内の圧縮エア
は、圧縮エア導入孔１８ａを介して燃料供給孔１８内に
噴出され、該燃料供給孔１８から燃料活性室３内に導び
かれる。また、このとき、燃料噴射ノズル１７からは、
燃料が燃料供給孔１８内に噴射される。噴射された燃料
は、燃料供給孔１８内で圧縮エア導入孔１８ａを通じて
主燃焼室２から導びかれた圧縮エアと予混合されて燃料
活性室３内へ噴出される。この噴出により、燃料活性室
３内に燃料混合気体のスワールＢが形成され、この燃料
混合気体は、グロープラグ１９によって加熱されてその
活性化が促進され、均一な混合気が形成される。

次いで、圧縮上死点付近においてカム１６の回転とスプ
リング１５の作用により、弁１０が上動されて弁１３が
開成される。これとともに、点火プラグ２１によって所
定の点火タイミングでスパークが放たれる。燃料活性室
３内の混合気は、弁１０の開成により、主燃焼室２内の
圧縮エアと混合して着火燃焼し始めるとともに、上記点
火ープラグ１９のスパークによりさらに確実に着火され
る。この着火により、燃料活性室３内の混合気は燃焼し
始めて、急激に圧力が高められ、弁体１０と弁座１２間
のスペースおよび孔１８，１８ａを介して主燃焼室２内
に噴出される。このとき、特に、孔１８ａを介して噴出
される燃焼混合気により、主燃焼室２内では激しいスワ
ールが形成される。このスワールにより、主燃焼室２内
の燃焼は、スムーズに行なわれる。

また、上記の如く、弁１３が開成されて燃焼が始まると
きに、弁体１０は天井面３ａに当接して、該弁体とシリ
ンダヘッド８間をシールする。このシールにより、燃料
活性室３内の燃焼混合気がホルダ４の隙間から外部に漏
れるのが防止される。

この後、弁１３は、例えば膨張行程の終期付近あるいは
排気行程の終期付近等、適当な時期に閉成される。以
後、上記したのと同様の動作が繰り返される。

なお、上記実施例の内燃機関１には、エア量調整装置２
６の代わりに、またはこれとともに、当該内燃機関の加
速時等に圧縮エアを燃料活性室３内に供給する圧縮エア
供給手段３８を付加設置することもできる。

この圧縮エア供給手段３８は、その一例として第１図に
示すように、エアクリーナ等を介して得られる清浄なエ
アの一部を圧縮するポンプ３９と、該ポンプによって圧
縮されたエアを蓄積するタンク４０と、該タンクから燃
料活性室３に圧縮エアを導く導管４１と、導管４１の途
中に介在された常閉型電磁弁４２と、該電磁弁４２を適
宜に開閉制御する電磁弁制御部４３等とから構成するこ
とができる。

ポンプ３９は図示しないクランクシャフトの動力が伝達
されて駆動される。

電磁弁制御部４３は、内燃機関が加速されている時（以
下加速時という）あるいは負荷をかけられている時（以
下加負荷時という）にそれを検出し、電磁弁４２を開成
させて、燃料活性室３に圧縮エアを送るようにするため
のものである。

本例では、内燃機関の加速時あるいは加負荷時に、燃料
供給ポンプ４４のコントロールラック４４ａが一方に大
きく移動することを利用し、このコントロールラック４
４ａの作動によってスイッチ４５のアクチュエータを押
圧して該スイッチを開成させ、それによってバッテリか
らスイッチ４５を介して電磁弁４２に作動電流を流すよ
うにしている。

なお、４７は、タンク４０からポンプ３９側に圧縮エア
が逆流しないように、導管４８の途中に介在させた逆止
弁であり、４９はタンク４０内の圧力を一定に保ったた
めのリリーフ弁である。

圧縮エア供給手段３８を設置するに際し、第１図に示す
如く、直接燃料活性室３に圧縮エアを供給するようにし
ても良いが、好ましくは、圧縮エアが燃料活性室３内の
スワールＢと同方向にかつ接線方向に噴出されるように
供給するのが良く、例えば、孔２３または燃料供給孔１
８から供給するか、あるいは孔２３と燃料供給孔１８と
の間のいずれかの地点から供給するのが良い。

次に、本発明の内燃機関の特徴的な作用をまとめてみる
と、次のとおりである。

１） 噴射燃料の早期活性化 燃料は、燃料噴射ノズル１７から、高温の残留ガスが内
在し、かつ高温に加熱された壁面を有する燃料活性室３
に比較的早期に噴射され、しかも、圧縮エア導入孔１８
ａから流入され圧縮エアと予混合され、さらに燃料活性
室３内においてスワールＢに乗り上記残留ガス、高温壁
面およびグロープラグ１９等によって強制的に予熱され
て、均一な混合気を形成する。なお、この圧縮エア導入
孔１８ａを余り大きくすると、この燃料活性室３におい
て自己着火し、いわゆるディーゼル燃焼となるので、圧
縮エア導入孔１８ａの径は比較的小さく設定するのが好
ましい。

２） 弁１３による着火時期の制御 弁体１０と燃料活性室３の天井面３ａと間にある均一に
活性化（予混合、予熱）された混合気は、弁体１０を引
き上げることにより弁体１０の上面１０ａと燃料活性室
３の天井面３ａによりスキッシュ作用を施され、開成成
れた弁１３から主燃焼室２に激しく噴出され、該主燃焼
室内の新気と接触して直ちに着火燃焼する。このよう
に、本発明の内燃機関では、本質的に点火プラグ２１の
スパークによらずに弁１３の開成により着火燃焼を行わ
せることができるので、点火プラグ２１を省略すること
もできる。また、点火プラグ２１を用いた場合には、活
性化し難いかあるいは着火し難い燃料を用いても確実に
所定のタイミングで着火させることができる。したがっ
て、点火プラグ２１を用いた構成とするか否かは、燃料
の種類やその性質および当該内燃機関の使用目的等を考
慮して適宜に決定すれば良い。

以上のことから明らかなように、本発明の内燃機関で
は、その弁１３の開閉時期および／または点火プラグ２
１のスパーク時期を適当に選択し変化させることによ
り、その着火時期を最適制御することもできる。なお、
点火プラグ２１のスパークにより着火させる構成とした
場合には、点火プラグ２１のスパークを放つタイミング
は、弁１３の開成タイミングに同期させるのが良い。

また、弁１０の開閉時期を制御できるので、燃料供給時
間も制御することができ、燃料活性化室３において、予
め燃料と空気を予混合し十分に予熱し、活性化させるこ
とができる。このため、種々の燃料を種々の内燃機関に
適した最適の状態にガス化できる。

したがって、多種の燃料を使用できるとともに、本発明
を内燃機関全般（ディーゼル機関に限らず、通常のガソ
リン機関も含む）に採用することができる。

３） 活性化に伴う予混合燃焼 燃料を着火させる前に、これを燃料活性室３において予
め活性化させる構成としているため、ディーゼル燃焼特
有なディーゼルノックをおこすことなく、静かな予混合
燃焼を実現でき、排ガスも少く、とくに黒煙はほとんど
見られない。そのため、高速回転が可能となり、圧縮比
も若干低下させ得るので、機関の軽量化が期待できる。
また、空気過剰率を１．０に近づけることができるの
で、出力向上も可能となる。

なお、本発明においては、ホルダ４の設置位置は、ピス
トン６に対してその中央に位置させる構成としても勿論
良い。

また、ピストン６のくぼみ７の形状は、略半円球形状に
限らず、略円柱形状等、いかなる形状としても良い。

さらに、弁体１０の溝３１，３２、エア量調整装置２
６、ピストン６の溝３５および圧縮エア供給手段３８の
いずれかは、省略しても良く、内燃機関１の使用目的等
を考慮して選択的に適宜に付加することが良い。

なお、少なくとも燃料活性室３を囲むその壁面またはホ
ルダ４全体をセラミクス材料を用いて形成すれば、当該
内燃機関の熱効率を向上させることができて好ましい。
勿論、シリンダヘッド８やシリンダブロック３３ととも
に、全体をセラミクス材料で形成しても良い。

また、上記実施例では、圧縮エア導入孔１８ａを、主燃
焼室２と燃料供給孔１８の途中とを連通させるべく構成
しているが、これに限らず、それぞれの孔の途中で合流
させる構成としてもよい。

ｅ． 発明の効果 以上説明したように、本発明では、主燃焼室の近傍に燃
料活性室を有するとともに、該燃料活性室と上記燃焼室
との間にこれら間を開閉する弁を備えた内燃機関におい
て、低速運転時には、上記弁を、着火タイミングに応じ
て開成させるとともに、膨張工程または排気工程で閉成
させ、また、中速以上の運転時には上記弁を常時開成状
態に保持する弁制御手段を備えた構成としているため、
低速から中速時には、燃料活性室内で予め活性化した燃
料を確実にスムーズに着火させることができ、したがっ
て、低速から中速におけるノッキングを効果的に防止で
きるとともに、中速から高速時にはなめらかな運転が実
現できる。

しかも、燃料活性化室内においては、高圧，高温のもと
に燃料を活性化することができるので、従来の内燃機関
特に圧縮着火機関よりも圧縮比を下げた状態あるいは上
げた状態においても燃焼効率を高める事ができる。この
ため、黒煙，窒素酸化物（Ｎｏｘ）を減少でき、したが
って、黒煙や窒素酸化物の排出による大気汚染を防止す
ることができる。

また、本発明では、多種類の燃料を用いることができ、
しかも、それらをスムーズに燃焼させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は本発明に係る内燃機関のピストン構造
の一実施例を示し、第１図はその概念的断面図、第２図
は第１図Ｃ−Ｃ線によるその要部拡大横断面図、第３図
は燃料活性室と弁の要部を拡大して示す縦断面図、第４
図はそのピストン構造を示す平面図である。 １…内燃機関、２…主燃焼室、 ３…燃料活性室、４…ホルダ、 ４ｃ…段部、５…くぼみ、 ６…ピストン、７…くぼみ、 ８…シリンダヘッド、８ｃ…段部、 １０…弁体、１１…ロッド、 １２…弁座、１３…弁、 １４…タペット、１５…スプリング、 １６…カム、１７…燃料噴射ノズル、 １８、１８ａ…孔、１９…グロープラグ、 ２０…雌ネジ孔、２１…点火プラグ、 ２２…孔、２３，２４，２５…孔、 ２６…エア量調整装置、２７…小ロッド、 ２７ａ…傾斜部、２８…回動手段、 ３１，３２…溝、３３…シリンダブロック、 ３４…ライナ、３５…ガイド溝。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】主燃焼室の近傍に燃料活性室を有するとと
   もに、該燃料活性室と上記主燃焼室との間にこれら間を
   開閉する弁を備えた内燃機関において、低速運転時に
   は、上記弁を、着火タイミングに応じて開成させるとと
   もに、膨張工程または排気工程で閉成させ、また、中速
   以上の運転時には上記弁を常時開成状態に保持する弁制
   御手段を備えたことを特徴とする内燃機関。
2. 【請求項２】上記弁は、その弁体を上記燃料活性室側へ
   移動させることにより開成する構成としたことを特徴と
   する特許請求の範囲第（１）項記載の内燃機関。