JPH063136B2 - 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未燃物（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）を多大に発生させて燃焼状態を悪化させる
要因になっていた。

また、この欠点はトロイダル形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５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内
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６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
良い予混合気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
されて主燃焼室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、青白煙と燃焼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、上記副燃焼室がピストンの軸芯に対して偏心して
形成されると共に、極めて小さな容積に形成されている
ため副燃焼室内でのスワールの生成が困難であり、空気
と燃料との良好な混合比が得られない虞れがあるという
問題があった。

一方実開昭57−148022号公報には、ピストン上面の主燃
焼室とピストン頂部のキャビティ（副燃焼室）との間に
連通孔を形成して、主燃焼室内の空気をキャビティ内に
導くことでスワール強度を増進させようとする構成が示
されている。このように構成すれば、副燃焼室内におい
て良好な混合比が得られ、着火の改善が図られること
で、上記課題は一応解決される見通しがある。ただしこ
の提案では、着火後の火炎が連通孔を介して主燃焼室に
噴出する、としているが、火炎はスワールに対向するよ
うに噴き出すことになるので、主燃焼室へと円滑に噴き
出させるのは難しいと考えられる。

また特公昭49−38209号公報にも、主燃焼室と補助燃焼
室とを連通させる噴孔が示されているが、前記提案と同
様に、補助燃焼室内のスワール形成は促進されるもの
の、燃焼ガスを主燃焼室に円滑に噴出させることは期待
できない。

そこで本発明は、全領域に亘って緩慢燃焼を行う構成に
おいて、着火及び火炎伝播の改善が図れる内燃機関の燃
焼室を提供すべく創案されたものである。

なお上記のほか本発明に関連する従来技術としては、実
開昭59−102939号公報及び実開昭59−196521号公報があ
る。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、ピストン頂部に、互いに連通させて平面視で
略円形の主燃焼室及び点火手段を有した副燃焼室を凹設
し、該燃焼室にそれぞれ燃料を噴射する燃料噴射ノズル
を設けると共に、上記両燃焼室の略共通接線の方向に貫
通させて、上記副燃焼室のスワール上流側にスワール導
入路を、スワール下流側に火炎伝播路をそれぞれ形成し
たものである。

［作用］ 上記構成によって、主燃焼室に形成されたスワールがス
ワール導入路を通って副燃焼室に導入され、スワールが
強化されて混合比及び着火性が改善される。そして副燃
焼室の火炎は、火炎伝播路を通って主燃焼室に伝播さ
れ、燃焼が改善される。

［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と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の上方には第２図に示す如く、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。この燃焼噴射ノズル４は第６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には主燃焼室２内にて生成された
スワールを主燃焼室２から副燃焼室３内へ導入するため
のスワール導入路１７が設けられている。このスワール
導入路１７は主燃焼室２にて生成されるスワールの下流
側から主燃焼室２と副燃焼室３とを結ぶバンク部１６を
避けて副燃焼室３に連通されている。具体的にはこのス
ワール導入路１７は主燃焼室２から副燃焼室３へスワー
ル方向に上記バンク部１６を避けてピストン壁１８を貫
通する貫通孔１９にて形成され、この貫通孔１９は主燃
焼室２と副燃焼室３とを結ぶ接線の位置に形成されてい
る。

そしてスワール導入路１７の反対側に、主燃焼室２と副
燃焼室３とを結ぶ接線の位置に、これらを連通させる貫
通孔２２によって、火炎伝播路２０が設けられている。
従って、両燃焼室２，３の略共通接線の方向に貫通し
て、副燃焼室３のスワール上流側にスワール導入路１７
が、スワール下流側に火炎伝播路２０がそれぞれ形成さ
れていることになる。

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。然し乍ら、上記副燃焼室３はピストンの
軸芯に対して偏心して形成されると共に、極めて小さな
容積に形成されているため、副燃焼室３内でのスワール
Ｓの生成が困難である。そこで、主燃焼室内２内にて生
成されるスワールＳの下流側から上記バンク部１６を避
けて副燃焼室３に連通されたスワール導入路１７から主
燃焼室２内のスワールＳを積極的に副燃焼室３内へと導
入する。そして、このスワール導入路１７は主燃焼室２
と副燃焼室３とを結ぶ接線の位置に上記バンク部１６を
避けて形成されているのでこのようなスワールＳの導入
が容易と成る。

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れて、自
発着火燃焼しやすい良好な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、残量は上記燃焼フィルム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
が点火手段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。この場合にも主燃焼室２内から
副燃焼室３内にスワールＳが導入されているため、極め
て容易に着火させることができる。この着火により、火
炎が副燃焼室３内の着火位置より、主に火炎伝播路２０
を通って副燃焼室３の内壁３ａへ伝播され、その内壁３
ａ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、また主燃焼室２内から導入さ
れた副燃焼室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（H
C）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，第２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内の燃焼ガスの一部が主燃
焼室２内の予混合気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。しかしなが
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発が燃焼して
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。

そして火炎伝播路２０を設けたことによって、副燃焼室
３内より主燃焼室２内へ伝播・流入される火炎によって
主燃焼室２内がより確実に着火燃焼されることに成り、
完全燃焼により出力が増大する。

また第４図は本発明の第２の実施例を示したものであっ
て、第１の実施例の如く構成された内燃機関の燃焼室の
上記スワール導入路１７と反対側に位置された上記主燃
焼室２と副燃焼室３とを結ぶバンク部１６を切欠いて、
上記副燃焼室３内に導入されたスワールＳの下流側の開
口部２１を広く形成して構成されている。

すなわち開口部２１が火炎伝播路となって、前記第１の
実施例と同様に副燃焼室３から主燃焼室２へと円滑に火
炎が伝播されるものである。この他の構成及び作用効果
は、上記第１の実施例と同様である。

［発明の効果］ 以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を
発揮する。

略円形の主燃焼室及び点火手段を有した副燃焼室を凹設
し、これらにそれぞれ燃料を噴射する燃料噴射ノズルを
設けると共に、略共通接線の方向にスワール上流側にス
ワール導入路を、下流側に火炎伝播路をそれぞれ形成し
たので、副燃焼室内のスワールが強化されて混合比を改
善することができると共に火炎を円滑に主燃焼室に伝播
させることで、着火遅れがなくしかも良好な緩慢燃焼が
達成され、青白煙・ＨＣを低減させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の一実施例を示す平面図、第２図
は第１図の側断面図、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図は本発明
の第２の実施例を示す平面図、第５図は従来の内燃機関
の燃焼室を示した平面図、第６図はその燃焼噴射ノズル
の要部側断面図である。 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はスワール導入路、２０
は火炎伝播路、Ｓはスワールである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ピストン頂部に、互いに連通させて平面視
   で略円形の主燃焼室及び点火手段を有した副燃焼室を凹
   設し、該燃焼室にそれぞれ燃料を噴射する燃料噴射ノズ
   ルを設けると共に、上記両燃焼室の略共通接線の方向に
   貫通させて、上記副燃焼室のスワール上流側にスワール
   導入路を、スワール下流側に火炎伝播路をそれぞれ形成
   したことを特徴とする内燃機関の燃焼室。