JPH0621562B2 - 内燃機関の燃焼室 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は内燃機関の燃焼室に係り、特に燃料としてガソ
リン，アルコール等の低セタン価燃料を使用できる内燃
機関の燃焼室に関する。

［従来の技術］ 一般に、直噴式ディーゼル内燃機関は、高い燃焼効率，
低い排気温度等の長所を有しているが、その反面、爆発
圧力，振動及び騒音等が高く欠点とされていた。

このような欠点を改善すべく、ピストンの頂部を窪ませ
て燃焼室を形成し、その燃焼室内にスワールを生成する
一方で燃焼室の内壁に燃料を噴射衝突させてそれを蒸発
させ、上記スワールに混合させて着火性に優れた予混合
気を生成し、それを自発的に着火燃焼させるいわゆるＭ
ＡＮ−Ｍ方式機関が知られている。

しかしながら、上記Ｍ方式機関は、噴射される燃料を蒸
発燃焼させる方式であるため大気温が低く、また機関の
冷却水温が低い条件下で十分な壁面蒸発能力を持ち得な
かった。その結果燃焼室内に多くの燃焼末燃物（HC）が
生じ、青白煙の発生原因となっている。また大気，水温
が常温の場合でも、アイドリング時等の軽負荷時の場合
には、燃料蒸発に必要な壁温に達していないために燃焼
未燃物（HC）を多大に発生させ燃焼状態を悪化させる原
因になっていた。

また、この欠点はトロイダル軽燃焼室で燃料制御噴射し
た稀薄状態でも発生することが確認されている。原因と
しては、着火した後、火炎伝播が正常になし得ず吹き消
えてしまうからである。

このような欠点を解消すべく本出願人は先に特願昭59−
210519号の直噴式ディーゼルエンジン燃焼室を提案して
いる。

この提案は、第６図に示す如く主燃焼室２に互いに連通
すべく並設されてピストン頂部１に窪まされて形成され
た副燃焼室３と、上記主燃焼室２内に、これに発生され
るスワール方向に臨んで燃料を噴出する主噴口を有する
と共に、その主噴口が閉じたときに、上記副燃焼室３
に、これに発生されるスワール方向に臨ませて燃料を噴
出する副噴口を有する燃料噴射ノズルとで直噴式ディー
ゼルエンジン燃焼室を構成するものである。

さらに詳述すれば、上記副燃焼室３が上記主燃焼室２に
比して小容積に形成されると共に、それら各燃焼室２，
３を上部を開放した円形断面をなすように、また、それ
ら燃焼室２，３の周側壁の一部を開放してバンク部を有
すように形成される。

このようにして形成される主・副燃焼室２，３には、そ
れら各燃焼室２，３内に、微粒化燃料を供給する例えば
ピントークルノズルタイプの燃料噴射ノズルが設けられ
る。

この燃料噴射ノズル４は、第７図に示すようにノズルボ
ディ７内に昇降自在にニードル弁１０を設け、そのニー
ドル弁１０が所定リフト以下でノズルボディ７に形成さ
れた副噴口１１を開放し、所定リフト以上でノズルボデ
ィ７に形成された主噴口１３を開放してそれら主・副噴
口１１，１３から燃料を噴出させるものである。

従って、低負荷時においては、燃料噴射ノズル４の副噴
口１１から副燃焼室３内に噴出される微粒化燃料が副燃
焼室３内に生成されて、これに閉じこめられたスワール
Ｓと混合して瞬時に蒸発され、着火性に優れた予混合気
Ｆを生成する。一方、噴射された微粒化燃料の多くは副
燃焼室３の内壁３ａに衝突して、副燃焼室３の内壁３ａ
に沿って流れる燃料フィルムＨを形成する。この燃料フ
ィルムＨは、副燃焼室３の内壁３ａより次第に受熱蒸発
されるため、上記予混合気Ｆが着火燃焼されると、その
火炎が燃料フィルムＨに徐々に伝播される。そのため副
燃焼室３内の燃料は燃焼室内圧力の急上昇を防止しなが
ら燃焼されることになる。

高負荷時においては、主噴口１３から貫徹力が大きく、
比較的大粒径の燃料噴霧が主燃焼室２内に噴出されるた
め、その燃料噴霧は、主燃焼室２内に生成されてこれに
閉じ込められたスワールＳと混合して蒸発され着火性の
良い良混合気Ｆに生成される。一方、燃料噴霧の多く
は、主燃焼室２の内壁２ａに衝突しこれに沿って流れる
燃料フィルムＨを形成する。

従って、上記予混合気Ｆは副燃焼室３内で生成される火
炎が伝播されて着火燃焼し、この火炎が主燃焼室２の内
壁２ａによって蒸発される燃料フィルムＨに徐々に伝播
されて主燃料室２内での緩慢燃焼を達成することにな
る。

［発明が解決しようとする問題点］ 以上の如く構成される直噴式ディーゼルエンジン燃焼室
は、低負荷，高負荷運転の広範囲にわたり緩慢で静粛燃
焼を達成し、青白煙と燃料未燃物の発生を抑制できるよ
うに構成されたものであるが以下の如き問題点があっ
た。

大気温が低温である場合では、機関全体が冷却されるた
めに、始動時において上記燃焼室が十分なる蒸発能力を
持ち得ない。その為、本出願人は上記副燃焼室内にグロ
ープラグを挿入して副燃焼室の自発着火を補助してい
た。しかし、このグロープラグは、供給される燃料のセ
タン価がある程度以上でなければ着火させるだけの十分
な能力を発揮できないため、例えば純アルコール，ガソ
リン等の低セタン価燃料に適用させるには十分ではない
という問題があった。

また、主燃焼室と副燃焼室との連通部の間隔が狭く、副
燃焼室内にて生成されるスワール方向に開口していない
ため、副燃焼室内の燃焼火炎が上記スワールに沿って主
燃焼室内に導入されにくく、主燃焼室内にて不完全燃焼
が生じる虞れがあり、出力の増大が図れないという問題
があった。

本発明は上述の如き問題点に鑑みて創案されたもので、
低負荷時にガソリン，純アルコール等の低セタン価燃料
を良好に着火させ、全負荷領域にわたり緩慢燃焼を行な
わせて、青白煙及び騒音を低減すると共に、完全燃焼に
より出力が増大する内燃機関の燃焼室を提供することを
目的とする。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するために本発明は、ピストン頂部に主
燃焼室と副燃焼室とこれらをその上部で連通させつつ区
画するバンク部とを設け、これら主・副燃焼室に吸気ポ
ートで生成された周方向のスワールをそれぞれ導入する
ようにし、上記副燃焼室を上記主燃焼室より窪み深さが
浅く開口径の小さい小容積に形成すると共に、上記バン
ク部にこれに臨ませて主燃焼室及び副燃焼室にそのスワ
ールの順方向に低セタン価燃料の噴霧を供給すべく燃料
噴射ノズルを設けた内燃機関の燃焼室において、上記燃
料噴射ノズルにあらゆる使用負荷時に副燃焼室のスワー
ルの順方向でかつその副燃焼室の中心より外側の内壁へ
向けて微粒下燃料噴霧を供給する副噴口と、燃料膜を生
成すべく所定負荷を越えたときから主燃焼室のスワール
の順方向でかつ主燃焼室の中心より外側の内壁へ向けて
上記微粒子燃料噴霧より燃料の粒子径が大きい燃料噴霧
を供給する主噴口とを設けると共に、上記副燃焼室のス
ワールを主燃焼室に合流させるべく、副燃焼室からその
スワール方向に延長され主燃焼室の内周部と直線的に接
続させた火炎伝播促進路を設け、上記副燃焼室内にその
点火部が位置し得るように点火手段を設けたものであ
る。

［作用］ 上述の如く構成、上記副燃焼室から主燃焼室に副燃焼室
内のスワールの下流方向に燃焼火炎の伝播を促進させる
ための火炎伝播促進路を設け、副燃焼室にその点火部が
位置し得るように点火手段を設け、点火手段により副燃
焼室に生じた燃焼火炎が副燃焼室内にて生成されるスワ
ールに沿って主燃焼室内へ導入，伝播され、これにより
主燃焼室内に噴射蒸発された予混合気及び燃料フィルム
は速やかに且つ完全に緩慢燃焼するものである。

詳しくは、副燃焼室の内壁へスワール方向に沿って噴射
された燃料により副燃焼室内壁に沿って燃料フィルムが
流れ、それに沿って生じた燃焼火炎が副燃焼室内のスワ
ール流にのって火炎伝播促進部を介して主燃焼室内へス
ムースに導入・伝播され、これにより主燃焼室の内壁に
沿って流れる燃料フィルムがスワール方向に沿って順次
着火燃焼し、結果として速やかに且つ完全に緩慢燃焼が
成される。

［実施例］ 以下に本発明の実施例を添付図面に従って詳述する。

第１図乃至第３図は本発明の第１の実施例を示すもので
ある。図示するように、ピストン頂部１には、これより
窪まされて主燃焼室２と副燃焼室３とが夫々上部を開放
した例えば円形断面形状を呈するように形成されてい
る。これら主燃焼室２と副燃焼室３との接合部は上方を
開放して互いに連通させるバンク部１６にて形成されて
いる。このバンク部１６は、具体的には主燃焼室２と副
燃焼室３との互いに相隣接する周側壁２ａ，３ａの一部
を開放して形成されている。また、主燃焼室２と副燃焼
室３との容積比は、副燃焼室３が主燃焼室２よりも小さ
な容積に形成され、具体的には上記副燃焼室３の円形断
面が主燃焼室２の円形断面よりも小径に形成されると共
に、副燃焼室３は主燃焼室２よりも浅く窪まされて形成
されている。

このように形成された上記主燃焼室２と副燃焼室３とを
結ぶバンク部１６の上方には、それに臨むように燃料噴
射ノズル４が設けられており、この燃料噴射ノズル４は
シリンダヘッド（図示せず）に取り付けられている。こ
の燃料噴射ノズル４は第７図にて前述した如く、シリン
ダヘッドに取り付けられるノズルボディ７内の弁座８に
対して昇降自在に着座してそれを開閉するテーパ部９を
有するニードル弁１０と、その弁座８より開口されて上
記副燃焼室３の内壁３ａに、且つ第１図に示すようにこ
れより噴射される燃料噴霧が副燃焼室３内に生成される
スワールＳの下流側に向けて噴射されるように形成され
た副噴口１１と、上記ノズルボディ７先端部に、且つ上
記ニードル弁１０の軸芯方向に沿って開口されると共
に、上記ニードル弁１０の縮径部１２を収容し、これが
開放されることにより燃料を第１図に示す如く主燃焼室
２の内壁２ａに、且つそれに生成されるスワールＳ方向
の下流側に噴射すべく設けられた主噴口１３とから形成
されている。

また、上記副噴口１１と主噴口１３とは、上記ニードル
弁１０のリフト量でそれぞれ開口されるようになってお
り、機関が低負荷時には、所定リフト以下で副噴口１１
が開放され、そのリフト以上で主噴口１３が開放されて
高負荷運転に要する燃料が、それぞれ燃焼室２，３内に
供給されるように成っている。

更に、上記副燃焼室３にはそれから主燃焼室２に副燃焼
室３内のスワールＳの下流方向と順方向へ向けて、この
副燃焼室３内の燃焼火炎の主燃焼室２内への伝播を促進
させるための火炎伝播促進路１７が設けられている。こ
の火炎伝播促進路１７は具体的には副燃料室３内にて生
成されるスワールＳの下流側の上記バンク部１６を主燃
焼室２と副燃焼室３との周壁を結ぶ接線方向に直線状に
切欠いて、このスワールＳの下流側の開口部１８を広く
して形成されている。すなわち、従来の主燃焼室２と副
燃焼室３との連通部を副燃焼室３内にて生成されるスワ
ールＳの下流側に広く開放して形成されている。

また更に、上記副燃焼室３は上記燃料噴射ノズル４から
噴射される燃料がガソリン，純アルコール等の低セタン
価燃料である場合は、その燃料を、低温大気中、低負荷
時に確実に着火燃焼させるために、点火手段１５を有し
ている。

この点火手段１５は、第１図に示すように副燃焼室３内
に臨んで垂下するように設けられ、例えばスパークプラ
グ等が採用されている。

次に以上の如く構成された本発明の第１の実施例の作用
を述べる。

第１図乃至第３図に示す如く、主燃焼室２及び副燃焼室
３内は機関の往復動により圧縮されるが、機関が始動時
または低負荷時には、燃料噴射ノズル４の副噴口１１か
ら副燃焼室３内にガソリンまたは純アルコール等の低セ
タン価燃料噴霧が噴出される。その燃料噴霧は、副燃焼
室３の内壁３ａに衝突されて、さらに微粒化して、その
内壁３ａに沿って流れる燃料フィルムＨを形成すること
になる。

上記主燃焼室２及び副燃焼室３内には圧縮されながらシ
リンダヘッド（図示せず）に設けられたスワールポート
（図示せず）からスワールＳが供給され、このスワール
Ｓは上記主燃焼室２及び副燃焼室３内に夫々生成され閉
じ込められる。そして、機関が始動時または低負荷時に
は、燃料噴射ノズル４の副噴口１１から副燃焼室３内に
低セタン価燃料噴霧が噴出される。その燃料噴霧は、副
燃焼室３の内壁３ａに衝突されて、さらに微粒化して、
その内壁３ａに沿って流れる燃料フィルムＨを形成する
ことになる。

ここで、噴出された低セタン価燃料の一部は、粒径が小
さいため上記スワールＳによって瞬時に蒸発させて、着
火燃焼しやすい混合比に空気と低セタン価燃料との予混
合気Ｆを生成し、残量は上記燃料フィルムＨに生成され
た後、壁面から徐々に蒸発する。また、この予混合気Ｆ
の混合比の状態によっては上記副燃焼室３内に点火手段
１５を有しているので、これによって点火を行わせるこ
とができる。この着火により、火炎が副燃焼室３内に着
火位置より、副燃焼室３の内壁３ａに向って伝播され、
その内壁３ａに沿って流れる燃料フィルムＦを、徐々に
燃焼することになる。また、低温始動時にあっては、燃
料の空燃比を調整することによって、点火手段１５の点
火に対する燃料の着火性を制御することが可能である。

このように、副噴口１１からの噴霧は副燃焼室３の内壁
３ａに向けられているので、多くの燃料は内壁３ａに沿
って分布される。さらに着火した熱エネルギで壁面に分
布された燃料は徐々に蒸発燃焼する。副燃焼室３は主燃
焼室２と隔てられており、副燃焼室３内のスワールＳに
よって副燃焼室３内に燃焼ガスの大半が閉じ込められ副
燃焼室３内の燃焼は達成され、それによって燃焼温度が
上昇し、青白煙の発生及び燃焼未燃物（HC）の生成を抑
制できることになる。このために低負荷時には、副燃焼
室３内の燃焼平均温度が上昇し、その結果、青白煙の発
生及び燃焼未燃物（HC）の生成を抑制できる。

さらに、高負荷時に於いては、上記主噴口１３よりも燃
料噴霧が主燃焼室２の内壁２ａに向けて、且つスワール
Ｓの下流方向に向けて第１図に示す如く燃料が噴射さ
れ、上記同様に燃料フィルムＨと予混合気Ｆを生成す
る。この時、副燃焼室３内の燃焼火炎Ｒがこの副燃焼室
３内にて生成されたスワールＳに沿って主燃焼室２内に
伝播，導入される。この主燃焼室２内への燃焼火炎Ｒの
導入は第１の実施例にあっては火炎伝播促進路１７が副
燃焼室３内にて生成されるスワールＳの下流側の開口部
１８を広くして形成されているため、上記スワールＳに
よって容易に成されることになる。そして、主燃焼室２
内に導入された燃焼火炎Ｒは予混合気Ｆに火炎伝播し、
さらに燃料フィルムＨが着火されて燃焼されることにな
る。しかも、副燃焼室３内の燃焼火炎Ｒを積極的に主燃
焼室２内に伝播，導入するようにしたので、完全燃焼が
達成されることとなり、出力が増大されることになる。

然し乍ら、主噴口１３より噴射される燃料は副噴口１１
より噴射される燃料噴霧よりは大径であり、貫徹力が大
きいため、蒸発燃料とスワールＳとが混合して生成され
る予混合気Ｆを過剰に生成しないため、これが着火して
も主燃焼室２内は急激燃焼とは成り得ない。従って、予
混合気Ｆが着火することによって発生された熱により残
りの燃料フィルムＨを速やかに蒸発せしめこの蒸気が燃
焼していき緩慢に燃焼されることになり、これによって
急激な主燃焼室２内の圧力上昇は抑制され、さらに騒音
を低減できる。また高負荷になる程主噴口１３より噴射
される燃料は増加し、最大では90％以上噴射されること
になるので上記作用は確実に達成され、副燃焼室３より
流入する火炎によって確実に着火されることになる。

また、第４図は本発明の第２の実施例を示すものであ
る。図示するように、第２の実施例にあって上記火炎伝
播促進路１７が副燃焼室３にて生成されるスワールＳの
下流側から副燃焼室３と主燃焼室２とを結ぶバンク部１
６を避けて主燃焼室２に連通されて形成されている。具
体的には火炎伝播促進路１７は副燃焼室３から主燃焼室
２へスワール方向に上記バンク部１６を避けてピストン
壁１９を貫通する火炎吹出補助孔２０にて形成され、こ
の火炎吹出補助孔２０は主燃焼室２と副燃焼室３との周
壁を結ぶ接線の位置に形成されている。

第２の実施例における作用・効果は第１及び第２の実施
例と同様の作用・効果を示すものである。

更に、第５図は本発明の第３の実施例を示すものであ
る。図示するように、第３の実施例にあっては矩形に形
成された主燃焼室２と円形に形成された副燃焼室３とを
並設し、これらを副燃焼室３にて生成されるスワールＳ
の下流側が主燃焼室２のコーナ部２１に位置されるよう
に連通させたものである。そして、副燃焼室３のスワー
ル下流側の側壁３ａと主燃焼室２の側壁２ａとが直状に
成るように上記スワールＳの下流側の開口部１８を広く
して上記火炎伝播促進路１７が形成されている。

第３の実施例における作用・効果は上記第１，第２の実
施例の作用・効果と同様の作用・効果を示すものである
が、特に、本実施例にあっては矩形の主燃焼室２のコー
ナー部２１においてリッチな混合気が得られるものであ
る。

図示するように第５の実施例にあっては第４の実施例と
同様に矩形に形成された主燃焼室２と円形に形成された
副燃焼室３とを並設し、副燃焼室３にて生成されるスワ
ールＳの下流側が主燃焼室２のコーナ部２１に位置され
るように連通されたものである。そして、これら主燃焼
室２と副燃焼室３とを結ぶバンク部１６の上記スワール
Ｓの下流側の部分を切り欠いてゆるやかな形状とし、こ
のスワールＳの下流側の開口部１８を広くして上記火炎
伝播促進路１７が形成されている。

第５の実施例における作用・効果は第４の実施例と同様
の作用・効果を示すものである。

［発明の効果］ 以上要するに本発明によれば次の如き優れた効果を発揮
する。

(1) 点火手段より副燃焼室に生じた燃焼火炎を副燃焼
室内にて生成されるスワールに沿って主燃焼室へ導入，
伝播させることができ、これにより主燃焼室内に噴射蒸
発された予混合気及び燃料フィルムに着火燃焼させて速
やかに且つ完全に緩慢燃焼ができるため、低負荷から高
負荷に至る広範囲にわたって騒音が防止でき、且つ出力
が増大できる。

(2) また内燃機関の低温始動時や低負荷時において、
ガソリンまたは純アルコール等の低セタン価燃料を確実
に着火燃焼させることができるので、青白煙・燃焼未燃
物（HC）を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１の実施例を示す平面図、第２図は第１図の
II−II線矢視断面図、第３図はピストン頂部に形成され
た本発明の第１の実施例を示す斜視図、第４図は第２の
実施例を示す平面図、第５図は第３の実施例を示す平面
図、第６図は従来例を示す平面図、第７図は燃料噴射ノ
ズルを示す概略側断面図である。 図中、１はピストン頂部、２は主燃焼室、３は副燃焼
室、４は燃料噴射ノズル、１７は火炎伝播促進部、Ｓは
スワール、Ｒは燃焼火炎である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ピストン頂部に主燃焼室と副燃焼室とこれ
   らをその上部で連通させつつ区画するバンク部とを設
   け、これら主・副燃焼室に吸気ポートで生成された周方
   向のスワールをそれぞれ導入するようにし、上記副燃焼
   室を上記主燃焼室より窪み深さが浅く開口径の小さい小
   容積に形成すると共に、上記バンク部にこれに臨ませて
   主燃焼室及び副燃焼室にそのスワールの順方向に低セタ
   ン価燃料の噴霧を供給すべく燃料噴射ノズルを設けた内
   燃機関の燃焼室において、上記燃料噴射ノズルにあらゆ
   る使用負荷時に副燃焼室のスワールの順方向でかつその
   副燃焼室の中心より外側の内壁へ向けて微粒化燃料噴霧
   を供給する副噴口と、燃料膜を生成すべく所定負荷を越
   えたときから主燃焼室のスワールの順方向でかつ主燃焼
   室の中心より外側の内壁へ向けて上記微粒子燃料噴霧よ
   り燃料の粒子径が大きい燃料噴霧を供給する主噴口とを
   設けると共に、上記副燃焼室のスワールを主燃焼室に合
   流させるべく、副燃焼室からそのスワール方向に延長さ
   れ主燃焼室の内周部と直線的に接続させた火炎伝播促進
   路を設け、上記副燃焼室内にその点火部が位置し得るよ
   うに点火手段を設けたことを特徴とする内燃機関の燃焼
   室。
2. 【請求項２】上記火炎伝播促進路が上記副燃焼室にて生
   成されるスワールの下流側から上記バンク部を切欠いて
   形成された請求項１記載の内燃機関の燃焼室。
3. 【請求項３】上記火炎伝播促進路が上記副燃焼室にて生
   成されるスワールの下流側から上記バンク部を避けて主
   燃焼室に接続された請求項１記載の内燃機関の燃焼室。
4. 【請求項４】上記主燃焼室が矩形に形成された請求項１
   乃至３いずれかに記載の内燃機関の燃焼室。