JPH06307241A

JPH06307241A - 副室式断熱エンジン

Info

Publication number: JPH06307241A
Application number: JP5119208A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Matsuoka; 寛松岡; Kohei Yamaishi; 興平山石
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1993-04-23
Filing date: 1993-04-23
Publication date: 1994-11-01

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、副室での空気と燃料の混合を促進
し、連絡孔による絞り損失を低減し、副室での混合期間
を確保し、主室での燃焼時間を短縮する副室式断熱エン
ジンを提供することである。【構成】本発明は、ピストン４に形成した突出部５を
上死点近傍で大きい通路面積の連絡孔８に突入させ、燃
料噴射ノズル６の噴孔９から副室２に形成されるスワー
ルの流れ方向に燃料を高圧噴射させる。主室１のスワー
ルエネルギーは大通路面積の連絡孔８を通じて副室２に
絞り損失を低減した状態で導入して強いスワールを生起
する。燃料噴霧を副室２内の強いスワールの流れに乗せ
て空気との混合を促進する。連絡孔８の通路面積を突出
部５で閉鎖して副室２内の未燃混合気を活性化し、次い
でピストン下降によって連絡孔８の通路を急激に拡大し
て主室１へ一気に噴出させ、主室１での燃焼期間を短縮
して燃焼効率を上げる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、シリンダ側に形成し
た主室、シリンダヘッドに形成した副室及び副室に燃料
を噴射する燃料噴射ノズルを有する副室式断熱エンジン
に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、副室式エンジンは、シリンダヘ
ッドに副室を形成し、シリンダ側に主室を形成し、主室
と副室とを連絡孔によって連通している。この連絡孔
は、主室から副室に流入する吸入空気に強力なスワール
を形成させるため、通常、連絡孔径をピストン頂面径の
１〜１．５％、最大でも２％に小さく絞る形状に形成し
ている。この時、スワール比は通常４０程度である。そ
して、該副室式エンジンでは、上記のスワール流に順流
に燃料噴射ノズルからの燃料を噴射している。このよう
な副室式エンジンとして、例えば、実開昭５７−２２６
２５号公報、実開昭６２−８２３２４号公報等に開示さ
れたものがある。

【０００３】従来、実開昭５７−２２６２５号公報に開
示された副室式内燃機関は、主燃焼室と連通孔を通じて
連通する副室を備え、該連通孔の副室側開口部近傍に副
室へ向かって燃料を噴射する噴射弁を設けたものであ
る。

【０００４】従来、ディーゼルエンジンとして、実開昭
６２−８２３２４号公報に開示されたものがある。該デ
ィーゼルエンジンは、燃料噴射ノズルのノズル部を燃焼
室から離間させて配置し、前記ノズル部と燃焼室との間
でノズル部から噴射される燃料噴霧の流路中に、燃料の
霧化分散用の発熱体で構成した障害物を配設したもので
ある。

【０００５】また、ディーゼルエンジンの燃焼室とし
て、実開平２−６４７１９号公報に開示されたものがあ
る。該ディーゼルエンジンの燃焼室は、シリンダ内に摺
動自在に嵌挿されたピストン頂部にキャビティからなる
主燃焼室を形成し、該主燃焼室中央部に先端部が前記ピ
ストン頂面より所要量突出し且つ該先端部が円錐状に先
細りとなるガスノズルを前記ピストンと一体に設け、該
ガスノズル先端面に、軸心方向下方に延びる主穴を穿設
し、該主穴より半径方向へ放射状に延びる分配穴を前記
主燃焼室に開口させて設け、更に、シリンダヘッドに燃
料噴射ノズルを備えた予燃焼室を形成すると共に、該予
燃焼室と前記主燃焼室との連絡部に前記ピストンの上死
点位置において前記ガスノズル先端部が嵌合可能なすり
鉢状の可変絞り孔を形成したものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ようなタイプの副室式エンジンでは、副室に強力なスワ
ール流を形成するため、連絡孔を小さく絞った形状に構
成している。そのため、主室から副室へ吸入空気を導入
する際に、連絡孔による絞り損失が発生し、また、連絡
孔を通って副室から主室へ噴き出す火炎と混合気とが遅
れ、主室側での燃焼が遅れるという問題があった。

【０００７】また、前掲実開昭５７−２２６２５号公報
に開示された副室式内燃機関は、スワール流に燃料を順
流に噴射しているが、該公報のものは、ノズルの配置に
関するものであり、噴霧が連通孔より主燃焼室側に出な
いように構成したものである。また、前掲実開昭６２−
８２３２４号公報に開示されたものも、同様にスワール
流に燃料を順流に噴射しているが、該公報のものは、燃
料の霧化分散用の発熱体を設けたものである。更に、前
掲実開平２−６４７１９号公報に開示されたものは、ピ
ストン頂面に設けた突出部は予燃焼室から主燃焼室への
噴流を放射状に流すものである。

【０００８】この発明の目的は、上記の課題を解決する
ことであり、副室と主室を連通する連絡孔の通路面積を
大きく形成して連絡孔による絞り損失を低減すると共
に、主室側の燃焼遅れを防止することであり、連絡孔の
通路面積を大きくしたことで副室内に形成されるスワー
ル流が小さくなることを補助するため、燃料噴射ノズル
から燃料をスワール流に順流で噴射し、副室での燃料と
空気との混合を促進し、更に、ピストン頂面に形成した
突出部の側周面に縦溝を形成し、連絡孔を突出部で閉鎖
状態にして副室での混合時間を延ばして未燃混合気を活
性化し、副室から主室へ火炎と混合気とを縦溝に沿って
一気に噴出させて主室でのペネトレーションを増強して
燃焼期間を短縮する副室式断熱エンジンを提供すること
である。

【０００９】

【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、シリンダ側に形成した主室、吸排気ポート
を形成したシリンダヘッドに設けた断熱構造の副室、前
記主室と前記副室を連通する連絡孔及び前記副室内に燃
料を噴射する燃料噴射ノズルを有する副室式断熱エンジ
ンにおいて、前記吸気ポートを前記主室内で吸入空気に
スワールを与えるスワールポートに形成し、前記連絡孔
に上死点近傍で突入して前記連絡孔をほぼ閉鎖状態にす
る突出部をピストン頂面に形成し、副室中心軸を中心に
形成されるスワール流の方向に前記燃料噴射ノズルの噴
孔から燃料を噴射することを特徴とする副室式断熱エン
ジンに関する。

【００１０】また、この副室式断熱エンジンにおいて、
前記ピストン頂面の前記突出部の周面に縦溝を形成した
ものである。

【００１１】また、この副室式断熱エンジンにおいて、
前記副室容積は圧縮端全燃焼室容積の６５％以下であ
り、連絡孔通路面積を大きくするため、連絡孔径をピス
トン頂面径の３〜１０％に設定したものである。

【００１２】また、この副室式断熱エンジンにおいて、
前記燃料噴射ノズルは多噴孔に形成されているものであ
る。

【００１３】

【作用】この発明による副室式断熱エンジンは、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
の副室式断熱エンジンは、連絡孔を大きい通路面積に形
成し、上死点近傍で前記連絡孔に突入して通路面積を低
減する突出部をピストン頂面に形成し、燃料噴射ノズル
が副室中心軸を中心に形成されるスワールの流れ方向に
燃料を噴射する噴孔を有しているので、主室で生起した
スワールのエネルギーが大きい通路面積の連絡孔を通じ
て副室に絞り損失を低減した状態で導入して強いスワー
ルを生起する。そこで、噴孔から噴射した燃料噴霧を副
室内に発生した強いスワールの流れに乗せて、分散燃料
と空気との混合を促進し、空気利用率を向上させ、ま
た、連絡孔の通路面積を突出部で殆ど閉鎖して混合時間
を延ばして副室内の未燃混合気を活性化し、次いで燃焼
行程に移行してピストン下降によって前記連絡孔の通路
面積を急激に拡大し、前記連通孔を通って前記主室へ一
気に噴出させ、ペネトレーションを増長させて前記主室
に残存する新気との混合を促進して空気利用率を向上さ
せ、前記主室での燃焼スピードを短縮して二次燃焼を短
期に完結し、燃焼効率を向上させると共に、完全燃焼し
てＨＣ、スモーク、ＮＯ_Xの発生を低減する。

【００１４】また、この副室式断熱エンジンにおいて、
ピストン頂面の前記突出部の周面に縦溝を形成すると、
副室からの火炎、未燃混合気等のガスは前記縦溝に沿っ
て分流してペネトレーションを増強して遠くまで伸び、
空気利用率を向上させて主室に残存している吸気スワー
ルを利用し、前記主室での火炎、未燃混合気等のガスと
新気との混合を一層促進して燃焼スピードを短縮でき
る。

【００１５】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明による副室
式断熱エンジンの実施例を説明する。図１はこの発明に
よる副室式断熱エンジンの一実施例を示す断面図、図２
は図１の線Ｂ−Ｂにおける断面図（分かり易くするため
ハッチングは省略）、図３は図１の副室式断熱エンジン
における副室とピストンに形成した突出部とを示す拡大
断面図、及び図４は図１の副室式断熱エンジンにおける
ピストンに形成した突出部を示す拡大斜視図である。

【００１６】図示のように、この副室式断熱エンジン
は、シリンダ１０を構成するシリンダブロック１５、該
シリンダブロック１５にガスケットを介して固定された
シリンダヘッド７、シリンダヘッド７に形成したスワー
ルポート１８に形成した吸気ポート（或いはスワールポ
ート１８に連通する吸気ポート）１１、シリンダヘッド
７に形成した排気ポート１３、シリンダヘッド７のシリ
ンダ１０中心軸上に構成した断熱構造の副燃焼室即ち副
室２、シリンダ１０内を往復運動するピストン４、副室
２内に噴孔９を開口する燃料噴射ノズル６、シリンダ１
０側に形成されると共にピストン４のピストン頂面に形
成したキャビティ２０で構成される主室１、及び主室１
と副室２とを連通するシリンダヘッド７に形成した連絡
孔８を有している。吸気ポート１１には吸気バルブ１２
が配置され、排気ポート１３には排気バルブ１４が配置
されている。

【００１７】この副室式断熱エンジンにおいて、シリン
ダヘッド７に形成された穴部１９には、耐熱性及び断熱
性に富んだ窒化ケイ素等のセラミックス、耐熱金属等か
ら成る副室２を形成する副室壁体３が配置されている。
この時、副室壁体３とシリンダヘッド７の穴部１９との
間には断熱空気層を形成し、断熱度を上げることができ
る。ピストン４のピストンヘッドに形成した凹部である
キャビティ２０は、主室１を構成しており、主室１へ流
入する吸入空気にスワールを与えるスワールポート１８
に連通する吸気ポート１１から流入する吸入空気のスワ
ールエネルギーを増強するように形成されると共に、ピ
ストン４のキャビティ２０の中央部には、連絡孔８の中
心軸方向に伸びる突出部５が形成されている。このスワ
ールエネルギーは、連絡孔８を通じて副室２へ流入した
後即ちピストン４が上死点近傍に位置する間でも、副室
２内において残留している。

【００１８】この副室式断熱エンジンにおいて、シリン
ダヘッド７即ち副室壁体３に形成した連通孔８には、ピ
ストン頂面に形成した突出部５が上死点近傍で突入する
ように設定されている。連絡孔８に突出部５が突入する
ことによって、連絡孔８を環状通路１７に形成しつつ、
該連絡孔８の通路面積を低減し、遂には突出部５は連絡
孔８に突入し、好ましくは、上死点前１０°〜上死点後
１０°では連絡孔８を殆ど閉鎖状態にする。ピストン４
に形成した突出部５の部分は、副室壁体３と同様に、耐
熱性、断熱性、高温強度に富んだ窒化ケイ素等のセラミ
ックス、耐熱金属等の材料から製作することが好まし
い。燃料噴射ノズル６の噴孔９は、多噴孔に形成され、
該多噴孔からの燃料を副室２に形成されるスワールの流
れ方向（順方向）に噴射するように設定されている。

【００１９】この副室式断熱エンジンは、特に、従来の
連絡孔のように絞り込んだ通路面積ではなく、連絡孔８
を大きい通路面積に形成すると共に、燃料噴射ノズル６
の噴孔９からは副室２中心軸を中心に形成されるスワー
ルの流れ方向（図２では、右回り方向の矢印Ａでスワー
ル流の流れ方向を示す）に燃料を噴射するように構成さ
れている（図２では、矢印Ｆで燃料の噴射方向を示
す）。連絡孔８の通路面積即ち連絡孔径は、連絡孔通路
面積を大きくするため、ピストン頂面径の３〜１０％に
設定することが、絞り損失を低減するため好ましいもの
である。しかるに、従来の副室式エンジンでは、スワー
ルを強化するため、連絡孔径をピストン頂面径の１〜
１．５％、最大でも２％に小さく絞る形状に形成されて
いる。そのため、従来の副室式エンジンでは絞り損失が
大きくなっているのが現状である。

【００２０】また、この副室式断熱エンジンでは、副室
容積は、副室容積と主室容積を合計した全燃焼室容積に
対して圧縮端で全燃焼室容積の６５％以下に設定されて
いる。このように、副室容積を設定することによって燃
料当量比をコントロールすることができる。更に、図４
に示すように、ピストン頂面に形成した突出部５の周面
には、周方向に隔置して複数の縦溝１６が形成されてい
る。また、これらの縦溝１６は、主室１を構成するピス
トン頂面の凹部即ちキャビティ２０に重点的に噴流を噴
き出すように設定されている。副室２から主室１へ連絡
孔８を通って活性化された火炎、未燃混合気等のガスが
噴出する時に、該ガスを縦溝１６によって局部的に束に
なった分流した噴流となって主室１でのペネトレーショ
ンを増強させて噴流を遠くまで一気に到達させ、主室１
内の空気利用率を向上させるように構成されている。

【００２１】この副室式断熱エンジンは、吸気ポート１
１をスワールポート１８に連通或いは構成しておけば、
吸入行程で吸気バルブ１２が吸気ポート１１を開放して
吸気ポート１１から吸入空気が主室１にスワールを形成
して流入され、次いで吸気バルブ１２が吸気ポート１１
を閉鎖して圧縮行程に移行し、ピストン頂面に形成した
キャビティ２０の中央の突出部５を中心に主室１内に生
起されているスワールエネルギーを持続し、該スワール
流は圧縮行程において縦溝１６に沿ってスワール流のベ
クトルを有して増速されて連絡孔８を通って副室２に流
入されることになる。しかも、連絡孔８の通路面積は、
ピストン４の突出部５が連絡孔８に突入していないの
で、大きくなっており、連絡孔８による絞り損失を低減
させることができる。そして、主室１で発生しているス
ワールは副室２に流入することで強いスワールに増速さ
れることになる。

【００２２】次いで、ピストン４の上死点近傍、即ち圧
縮行程終端近傍で、ピストン４の突出部５が連絡孔８に
突入すると共に、燃料噴射ノズル６の多噴孔９から副室
２に形成されているスワール流の流れ方向即ち順方向に
燃料が噴射され、スワールに流されながら吸入空気との
混合を均一化する。燃料噴射ノズル６の多噴孔９より噴
射された燃料は、副室２内の強いスワールの空気と分散
混合して空気と均一に混合し、着火されることになる。
更に、上死点近傍では、連絡孔８に突入しているピスト
ン４の突出部５が連絡孔８の通路面積を低減して連絡孔
８をほとんど閉鎖状態にしているので、副室２内での燃
焼期間が延長され、副室２内で燃料リッチで燃焼してＮ
Ｏ_Xの発生を抑制し、燃焼期間の延長により未燃混合気
が活性化されて副室２内の圧力を上昇させる。

【００２３】次いで、エンジンは燃焼行程即ち膨張行程
に移行してピストン４が下降すると、ピストン頂面の突
出部５の周面に形成した縦溝１６によって、副室２の活
性化された火炎、未燃混合気等のガスは縦溝１６に沿っ
て局部的に分流してペネトレーションを増強して遠くま
で噴出され、ピストン４の突出部５が連絡孔８から抜け
出し、連絡孔８の通路面積は急激に拡大する。そこで、
副室２内の火炎と混合気とは急激に高速で主室１へと噴
き出され、主室１の空気利用率を向上させて主室１に残
存している吸気スワールを利用し、主室１での火炎、未
燃混合気等のガスと新気との混合を一層促進して燃焼ス
ピードを短縮でき、良好な二次燃焼を短期に完結し、熱
効率を向上させて、スモーク、ＨＣ等の発生は抑制され
る。

【００２４】

【発明の効果】この発明による副室式断熱エンジンは、
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、この副室式断熱エンジンは、主室と副室とを
連通する連絡孔を大きい通路面積に形成し、上死点近傍
で前記連絡孔に突入して通路面積を低減即ち殆ど閉鎖状
態にする突出部をピストン頂面に形成し、燃料噴射ノズ
ルの噴孔から前記副室中心軸を中心に形成されるスワー
ルの流れ方向即ち順流に燃料を噴射するので、前記副室
での混合が促進され、前記連絡孔が大きいので前記主室
から前記副室への吸入空気の導入で絞り損失が低減され
る。また、前記連絡孔に前記突出部が突入して前記連絡
孔をほとんど閉鎖状態にするので、前記副室内での燃料
と空気との混合時間が確保され、未燃混合気が前記副室
内で活性化して圧力上昇する。

【００２５】更に、ピストンが下降し始めると、前記突
出部は前記連絡孔から抜け出し、前記連絡孔の通路面積
を急激に拡大し、前記副室内の火炎と混合気とが前記主
室へ一気に高速で吹き出し、前記主室に存在する新気と
混合を促進して燃焼時間を短縮し、前記主室での二次燃
焼を促進する。

【００２６】また、この副室式断熱エンジンにおいて、
前記ピストン頂面の前記突出部の周面に縦溝を形成して
おけば、前記副室から前記主室へ噴出する火炎、未燃混
合気等のガスは、前記縦溝で局部的に束になった分流し
た噴流となり、ペネトレーションを増強して前記主室の
周辺まで到達し、前記主室内の空気利用率を増加させて
燃焼スピードが短縮され、熱効率が向上すると共に、ス
モーク、ＨＣ、ＮＯ_X等の発生を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１はこの発明による副室式断熱エンジンの一
実施例を示す断面図である。

【図２】図１の線Ｂ−Ｂから見た断面図（ハッチング省
略）である。

【図３】図１の副室式断熱エンジンにおける副室とピス
トンに形成した突出部とを示す拡大断面図である。

【図４】図１の副室式断熱エンジンにおけるピストンに
形成した突出部を示す拡大斜視図である。

【符号の説明】

１主室２副室３副室壁体４ピストン５突出部６燃料噴射ノズル７シリンダヘッド８連絡孔９多噴孔１０シリンダ１１吸気ポート１５シリンダブロック１６縦溝１８スワールポート２０キャビティ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリンダ側に形成した主室、吸排気ポー
トを形成したシリンダヘッドに設けた断熱構造の副室、
前記主室と前記副室を連通する連絡孔及び前記副室内に
燃料を噴射する燃料噴射ノズルを有する副室式断熱エン
ジンにおいて、前記吸気ポートを前記主室内で吸入空気
にスワールを与えるスワールポートに形成し、前記連絡
孔に上死点近傍で突入して前記連絡孔をほぼ閉鎖状態に
する突出部をピストン頂面に形成し、副室中心軸を中心
に形成されるスワール流の方向に前記燃料噴射ノズルの
噴孔から燃料を噴射することを特徴とする副室式断熱エ
ンジン。
【請求項２】前記ピストン頂面の前記突出部の周面に
縦溝を形成したことを特徴とする請求項１に記載の副室
式断熱エンジン。
【請求項３】前記副室容積は圧縮端全燃焼室容積の６
５％以下であり、連絡孔通路面積を大きくするため、連
絡孔径をピストン頂面径の３〜１０％に設定したことを
特徴とする請求項１に記載の副室式断熱エンジン。
【請求項４】前記燃料噴射ノズルは多噴孔に形成され
ていることを特徴とする請求項１に記載の副室式断熱エ
ンジン。