JPH06317159A - 副室式エンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、副燃焼室内でオーワスワールにな
らないように旋回流を弱くして混合を均一化し、燃焼の
悪化を避ける副室式エンジンを提供する。 【構成】 この副室式エンジンは、ピストンヘッド１５
に副燃焼室２を形成し、主燃焼室１と副燃焼室２とを連
通する複数の連絡孔４Ｌ，４Ｕを異なった傾斜角度で且
つ副燃焼室２の中心軸Ｏから互いに逆側にオフセットし
てそれぞれ形成し、副燃焼室２内に形成される旋回流を
上下で逆方向に形成し、渦流の強さを弱くして燃料と空
気との混合を最適状態にし、副燃焼室２内での燃焼の悪
化することを避ける。また、副燃焼室２から主燃焼室１
への火炎と混合気との噴出速度を上昇させ、主燃焼室１
での新気との混合を促進する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、主燃焼室、副燃焼室
及び該副燃焼室に燃料を噴霧する燃料噴射ノズルを有す
る副室式エンジンに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、エンジンの燃焼改善を目的として
渦流室を持つ副室式エンジンが開発されている。このよ
うな副室式エンジンは、シリンダヘッドに形成した渦流
室即ち副燃焼室、該副燃焼室とシリンダ側に形成した主
燃焼室とを連通する連絡孔及び副燃焼室内に燃料を噴霧
する燃料噴射ノズルを有し、連絡孔を通じて副燃焼室に
流入する渦流によって副燃焼室内に噴射された燃料とで
混合気を形成させている。或いは、副室式エンジンで
は、副燃焼室をピストンに形成し、該副燃焼室内にピス
トン上死点近傍で突入するように構成したものが開示さ
れている。

【０００３】従来、直接噴射式ディーゼルエンジンとし
て、特開昭６３−１８１２６号公報に開示されたものが
ある。該直接噴射式ディーゼルエンジンは、ピストン頂
部に形成した燃焼室内に多噴口ノズルを設けると共に、
各噴口が臨む燃焼室の内壁部に噴口から噴霧される燃料
に対向させて圧縮行程時にシリンダ室内で圧縮された空
気を噴出させる導入孔を形成したものである。

【０００４】また、内燃機関の燃焼室構造として、特開
昭６３−１７６６２１号公報に開示されたものがある。
該内燃機関の燃焼室構造は、頭部にキャビティからなる
ピストン燃焼室を有するピストン、シリンダ及びシリン
ダヘッドから成り、ピストンの運動方向に対して傾きを
有し、ピストン上面とピストン燃焼室とを連通する少な
くとも１つの貫通孔及び／又は溝状スリットを設けると
共に、少なくとも貫通孔又は溝状スリット付近をセラミ
ック製部材から構成したものであり、しかも、貫通孔又
は溝状スリットがピストンの運動方向に対する傾きが、
一方向又は交互に逆方向に形成されているものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の副室式エンジン
では、スワールチャンバタイプのもので、副室容積比を
５２〜５８％、副室連絡孔面積比を１．２〜１．６％程
度で、単噴孔ノズルで燃焼の最適化を図っている。副室
式燃焼室の燃料噴霧と空気との混合は、圧縮行程で圧縮
された空気が絞りとなる連絡孔を通ることにより、空気
の流速が増し、これが混合気生成エネルギーとなり、燃
料噴霧との混合を促進していると考えられている。ま
た、膨張行程では副室での燃焼と連絡孔の絞り効果によ
り、燃焼ガスの副室から主室への噴出エネルギーとな
り、主室での燃焼を促進していると考えられている。こ
のような副室式エンジンでは、燃焼に重要な混合気生成
エネルギー、及び噴出エネルギーを連絡孔の絞りにより
形成されているため、連絡孔の通路面積を大きくするこ
とができず、そのためポンプ損失が大きく、また、混合
気生成を激しい空気流動により得ているために、副室内
の熱伝導率が大きく、冷却水損失が大きくなっている。

【０００６】また、主室と副室を連通する連絡孔を副室
壁面の接線方向に角度を持たせて設けることにより、副
室内の空気流動が活発化し、更に着火後、主室への火炎
の噴出エネルギーの減衰がなく、短時間に主室最外周に
火炎が到達するため、空気利用率が向上し、有害ガスの
少ないクリーンな燃焼が可能で出力も向上する。

【０００７】ところが、副室に流入するときの空気流動
が強すぎる場合には、次のような悪影響が発生する。即
ち、まず、副室内で生じるスワール流はオーバースワー
ルの状態となり、ＮＯ_X の排出量が増加することにな
る。また、副室内の空気流動の速度が増加することによ
り、副室壁面の熱伝導率が上昇し、壁面からの放熱が増
加することにより、出力が低下する。更に、副室内の空
気流動の速度が増加することにより、副室壁面の温度が
上昇するため、圧縮温度が上昇し、着火遅れ時間が短縮
され、燃焼が悪化する。上記のことより、副室から主室
へ噴出する火炎のペネトレーションの増加と、副室内の
燃焼の悪化は、背反する関係になり、連絡孔の径は両者
がバランスする寸法となり、最適な値はとれない。

【０００８】また、渦流室式エンジンでは、副室と主室
とを連通する連絡孔が小さいので、該連絡孔による絞り
損失が発生し、エンジン出力を低減する原因になる。一
般に、主室と副室とを連通する連絡孔は、シリンダ中心
部或いは外周部の１つの部位のいずれかに設けられてい
るので、噴流の到達しなければならない距離が長くな
り、主室での空気との混合が不十分になり、ＨＣ、スモ
ークの発生原因になる。特に、主燃焼室での混合促進の
ため連絡孔通路面積を小さくすると、副燃焼室での渦流
が強く成り過ぎて副燃焼室内での燃焼が悪化する。

【０００９】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、副燃焼室をピストンに形成し、主
燃焼室をシリンダ側に形成し、主燃焼室と副燃焼室とを
連通する連絡孔をピストン周方向に複数設けると共に、
主燃焼室から副燃焼室へ連絡孔を通じて流入する渦流を
異なった方向の旋回流を形成して旋回流を弱め、該旋回
流中に燃料噴射ノズルからの燃料を噴射し、連絡孔通路
面積を小さく形成しても燃料噴霧に対する渦流の強さが
過大になるのを避け、副燃焼室での燃焼を良好にし、主
燃焼室への噴出速度を高めて新気との混合を促進し、ス
モーク、ＨＣ、ＮＯ_X 等の発生を抑制する副室式エンジ
ンを提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明は、上記目的を
達成するため、次のように構成されている。即ち、この
発明は、シリンダ側に形成された主燃焼室、ピストンに
形成された副燃焼室、前記主燃焼室と前記副燃焼室を連
通する連絡孔及び前記副燃焼室内に燃料を噴霧する燃料
噴射ノズルを有する副室式エンジンにおいて、前記ピス
トンの中央上部には前記燃料噴射ノズルが上死点近傍で
突入する中央挿入孔が形成され、前記連絡孔は前記中央
挿入孔の回りに隔置して前記副燃焼室とピストン頂面と
の間に複数個形成され、前記連絡孔の幾つかは前記副燃
焼室内で一方向の旋回流を形成し且つ残りは前記副燃焼
室内で逆方向の旋回流を形成するように、前記連絡孔は
周方向に隔置して前記副燃焼室の中心軸から互いに逆側
にオフセットして伸び且つピストン頂面から前記副燃焼
室へその中心軸に対して所定の傾斜角度で傾斜してそれ
ぞれ形成されていることを特徴とする副室式エンジンに
関する。

【００１１】また、この副室式エンジンにおいて、一方
向の旋回流を形成する前記連絡孔は前記副燃焼室内の下
部に渦流中心を形成するように小さい傾斜角度で形成さ
れ、逆方向の旋回流を形成する前記連絡孔は前記副燃焼
室内の上部に渦流中心を形成するように大きい傾斜角度
で形成されているものである。

【００１２】

【作用】この発明による副室式エンジンは、上記のよう
に構成され、次のように作用する。即ち、この副室式エ
ンジンは、連絡孔の幾つかは副燃焼室内で一方向の旋回
流を形成し且つ残りは前記副燃焼室内で逆方向の旋回流
を形成するように、前記連絡孔は周方向に隔置して前記
副燃焼室中心から互いに逆側にオフセットして伸び且つ
ピストン頂面側から前記副燃焼室へその中心軸に対して
所定の傾斜角度で傾斜して形成されているので、圧縮行
程で副燃焼室内へ流入する空気流により副燃焼室内に旋
回流を発生させるが、主燃焼室から副燃焼室へ連絡孔を
通じて流入して形成された旋回流は互いに打ち消し合っ
て過大になってオーバスワールになることがなく、副燃
焼室内に適正な渦流が形成され、その渦流に燃料噴射ノ
ズルからの燃料噴霧が噴射されて混合が均一化されて促
進され、燃焼が悪化することがない。

【００１３】従って、連絡孔通路面積を小さく形成して
も燃料噴霧に対する渦流の強さが適正になるので、個々
の連絡孔通路面積を小さくして、副燃焼室内で部分的に
燃焼したガスが燃焼による圧力上昇の結果、副燃焼室か
ら主燃焼室へ高い流出速度で噴出し、噴出した火炎、未
燃混合気等のガスは主燃焼室に存在する新気と混合が促
進され、燃焼を短期に完結することができ、スモーク等
の発生を抑制して熱効率を向上させる。

【００１４】また、一方向の旋回流を形成する前記連絡
孔は前記副燃焼室内の下部に旋回流を形成するように小
さい傾斜角度で形成され、逆方向の旋回流を形成する前
記連絡孔は前記副燃焼室内の上部に旋回流を形成するよ
うに大きい傾斜角度に形成されているので、副燃焼室内
に形成される旋回流が上下或いは上中下で互いに逆の旋
回流になり、渦流の強さが弱くなって適正な乱れを発生
させ、空気と燃料との混合を促進し、燃焼を良好にする
ことができる。

【００１５】この副室式エンジンにおいて、前記副燃焼
室がシリンダ中央に位置し、前記連絡孔はシリンダ中心
から離れた周方向に前記主燃焼室に開口しているので、
前記主燃焼室では前記連絡孔からの噴流の到達距離が短
く、燃焼時間が短くなって性能が向上する。また、副燃
焼室からの噴流の到達距離が短くて済むため、前記連絡
孔を複数形成してトータルの通路面積を大きく形成で
き、しぼり損失を低減でき効率を向上できる。

【００１６】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明による副室
式エンジンの実施例を説明する。図１はこの発明による
副室式エンジンの一実施例を示す断面図、図２は図１の
副室式エンジンの線Ａ−Ａにおける断面図、及び図３は
図１の副室式エンジンの線Ｂ−Ｂにおける断面図であ
る。

【００１７】この副室式エンジンは、シリンダブロック
６にガスケット１６を介在して固定されたシリンダヘッ
ド５を有し、シリンダブロック６にはエンジンの気筒数
に対応する孔部が形成され、孔部にはシリンダ３を形成
するシリンダライナ１３が嵌合されている。シリンダヘ
ッド５は、例えば、吸排気弁を配置した吸排気ポートが
形成されている。シリンダライナ１３に形成されるシリ
ンダ３には、ピストン８が往復運動するように組み込ま
れている。主燃焼室１は、シリンダヘッド下面１２とピ
ストン頂面１１との間のシリンダ３側に形成されてい
る。また、副燃焼室２は、ピストンヘッド１５に形成さ
れたキャビティで構成されている。燃料噴射ノズル１０
は、シリンダヘッド５に配置され、副燃焼室２内に燃料
噴射するように、上死点近傍でピストンヘッド１５に形
成された中央挿入孔９を貫通し、その多噴孔７を副燃焼
室２内に開口できるように設定されている。

【００１８】この副室式エンジンは、特に、主燃焼室１
と副燃焼室２を連通する連絡孔４Ｌ，４Ｕの傾斜角度を
変え且つ副燃焼室２の中心軸Ｏの逆側に互いにオフセッ
ト即ち偏心させることによって、副燃焼室２内で異なっ
た領域で異なった方向の旋回流を形成することができ、
副燃焼室２内での渦流を過大にすることなく適正な渦流
を生成する複数の連絡孔４Ｌ，４Ｕが形成されているこ
とである。即ち、この副室式エンジンは、主燃焼室１と
副燃焼室２とを連通するため、ピストン８の中央上部に
は燃料噴射ノズル１０が上死点近傍で突入する中央挿入
孔９が形成され、連絡孔４Ｌ，４Ｕは、中央挿入孔９の
回りの周方向に隔置して副燃焼室２とピストン頂面１１
との間で傾斜状態に複数個形成されている。そして、連
絡孔４Ｌ，４Ｕは、連絡孔の幾つかが副燃焼室２内で一
方向の旋回流を形成し、残りの連絡孔が副燃焼室２内で
逆方向の旋回流を形成するように、周方向に隔置して副
燃焼室２の中心軸Ｏから互いに逆側にオフセット即ち偏
心して伸び且つピストン頂面１１から副燃焼室２の中心
軸Ｏに対して異なった傾斜角度αで傾斜してそれぞれ形
成されている。

【００１９】この副室式エンジンでは、具体的には、一
方向の旋回流を形成する連絡孔４Ｌは、図３に示すよう
に、副燃焼室２内の下部に渦流中心を形成するように小
さい傾斜角度αで形成されている。また、逆方向の旋回
流を形成する連絡孔４Ｕは、図２に示すように、副燃焼
室２内の上部に渦流中心を形成するように大きい傾斜角
度αで形成されている。副燃焼室２内に形成される渦流
の強さは、主燃焼室１内に形成されているスワール流が
有するベクトルに加えて、副燃焼室２の中心軸Ｏを外れ
る方向への連絡孔４Ｌ，４Ｕの傾斜程度及び偏心量によ
ってコントロールすることができる。

【００２０】この副室式エンジンは、連絡孔４Ｌ，４Ｕ
を上記のようにオフセットさせ、圧縮行程で副燃焼室２
に流入する空気流により副燃焼室２内に最適の渦流を発
生させ、燃料噴射ノズル１０から噴射される燃料噴霧と
空気との混合を促進させ、副燃焼室２内で部分的に燃焼
したガスが副燃焼室２内で圧力上昇する結果、副燃焼室
２から連絡孔４Ｌ，４Ｕを通じて主燃焼室１へ火炎、未
燃混合気等のガスが高い流出速度で噴出し、主燃焼室１
内に存在する新気との混合を促進して燃焼を短期に完結
することになる。この副室式エンジンでは、連絡孔４
Ｌ，４Ｕが上記のように逆側にオフセットし且つ渦流中
心が異なっており、渦流を適正にコントロールできるの
で、個々の連絡孔４Ｌ，４Ｕの通路面積を小さく形成す
ることができ、個々の連絡孔４Ｌ，４Ｕの通路面積を小
さく絞れば絞るほど、主燃焼室１への噴出エネルギーを
増強でき、主燃焼室１での混合は促進されることにな
る。

【００２１】この実施例では、図１に示すように、連絡
孔４Ｌを２個対向させ、連絡孔４Ｕを２個対向する状態
に形成しているが、別の実施例として連絡孔を６個形成
することもできる。連絡孔を６個形成した場合には、連
絡孔を２個ずつ対向させて３組に構成し、各組の連絡孔
の副燃焼室の中心軸Ｏに対する傾斜角度αを２種類又は
３種類に異なった角度に設定することができる。この副
室式エンジンを上記のように構成することによって、圧
縮行程で主燃焼室１から連絡孔を通じて副燃焼室２に空
気が流入することにより生じる旋回流を、副燃焼室２内
の上下又は上中下の部分に発生させることができ、しか
も隣接する渦流の旋回方向を逆方向に生成させることに
よって、渦流の強さを最適状態にすることができ、副燃
焼室２内の空気の乱れを増大させることができる。

【００２２】この副室式エンジンでは、燃焼室の一部を
副燃焼室２に構成することによって、副燃焼室２で初期
燃焼即ち一次燃焼を高当量比即ち燃料リッチで行わせ、
ＮＯ_X の発生を低減することができ、連絡孔４Ｌ，４Ｕ
を複数設けてトータルの連絡孔通路面積を大きくして絞
り損失を低減し、熱効率を向上させることができる。ま
た、副燃焼室２から主燃焼室１への噴出エネルギーは連
絡孔４Ｌ，４Ｕの通路面積を小さく形成して絞り込ん
で、噴出速度を上昇させ、主燃焼室１の周辺まで短期に
噴出させ、噴流のペネトレーションが良好になり、主燃
焼室１の新気と噴流との混合が促進して二次燃焼即ち再
燃焼を行わせることができる。しかも、連絡孔４Ｌ，４
Ｕの通路面積をトータルとして大きくでき、副燃焼室２
からの噴流と主燃焼室１に存在する新気との混合を促進
するため、連絡孔４Ｌ，４Ｕをピストン頂面１１の中心
から離れた周辺に形成してシリンダ３の壁面への到達距
離を短くして連絡孔４Ｌ，４Ｕから噴出される噴流によ
って主燃焼室１に存在する空気と良好に且つ短期間に混
合を行わせることができ、ＨＣ、スモーク、ＮＯ_X 等の
発生を低減する。

【００２３】

【発明の効果】この発明による副室式エンジンは、上記
のように構成されており、次のような効果を有する。こ
の副室式エンジンは、連絡孔がピストンに形成した中央
挿入孔の回りの周方向に隔置して副燃焼室とピストン頂
面との間で傾斜状態に複数個形成され、前記連絡孔の幾
つかは前記副燃焼室内で一方向の旋回流を形成し且つ残
りは前記副燃焼室内で逆方向の旋回流を形成するよう
に、前記連絡孔は周方向に隔置して前記副燃焼室の中心
軸に対して互いに逆側にオフセットして伸び且つピスト
ン頂面から前記副燃焼室へその中心軸に対して異なった
傾斜角度で傾斜してそれぞれ形成されているので、燃料
噴射ノズルからの燃料を主燃焼室から副燃焼室へ連絡孔
を通じて流入して異なった方向に形成された旋回流が比
較的に弱くなって連絡孔通路面積を小さく形成しても燃
料噴霧に対する渦流の強さが過大になるのを避けること
ができ、副燃焼室での空気と燃料との混合を均一化して
促進して燃焼を良好にする。しかも、上記構成のよう
に、連絡孔通路面積を小さくしても副燃焼室での混合が
適正であるので、副燃焼室から主燃焼室へ噴き出す火
炎、未燃混合気等のガスは噴出エネルギーが増強され、
主燃焼室に存在する新気との混合を促進することができ
る。

【００２４】従って、この副室式エンジンでは、副燃焼
室で燃焼が良好に行われ、燃料リッチで燃焼させてＮＯ
_X の発生を抑制できる。また、前記副燃焼室から前記主
燃焼室への噴出エネルギーを絞って有効に増強すること
ができ、前記副燃焼室から前記主燃焼室へ大きな噴出エ
ネルギーを与えることができるので、噴出時の速度を増
大させ、火炎、未燃混合気等のガスのペネトレーション
を増加させ、前記主燃焼室での新気との混合を促進で
き、前記主燃焼室内での燃焼スピードを促進して燃焼を
短期に完結し、スモーク、ＨＣ、ＮＯ_X 等の発生を低減
でき、熱効率を向上できる。

【００２５】また、副燃焼室がピストン即ちシリンダの
中央に位置し、主燃焼室における前記連絡孔からの噴流
の到達距離が短く、燃焼時間が短くなって性能が向上す
る。また、前記副燃焼室からの噴流の到達距離が短くて
済むため、前記連絡孔の通路面積を大きく形成でき、し
ぼり損失を低減でき効率を向上できる。また、前記主燃
焼室と前記副燃焼室との通路面積を前記副燃焼室の外周
囲に形成した多数の前記連絡孔の合計で全体として大き
く形成でき、しぼり損失を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による副室式エンジンの一実施例を示
す断面図である。

【図２】図１の副室式エンジンの線Ａ−Ａにおける断面
図である。

【図３】図１の副室式エンジンの線Ｂ−Ｂにおける断面
図である。

【符号の説明】

１ 主燃焼室 ２ 副燃焼室 ３ シリンダ ４Ｌ，４Ｕ 連絡孔 ５ シリンダヘッド ６ シリンダブロック ７ 多噴孔 ８ ピストン ９ 中央挿入孔 １０ 燃料噴射ノズル １１ ピストン頂面 １２ シリンダヘッド下面 １５ ピストンヘッド

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダ側に形成された主燃焼室、ピス
   トンに形成された副燃焼室、前記主燃焼室と前記副燃焼
   室を連通する連絡孔及び前記副燃焼室内に燃料を噴霧す
   る燃料噴射ノズルを有する副室式エンジンにおいて、前
   記ピストンの中央上部には前記燃料噴射ノズルが上死点
   近傍で突入する中央挿入孔が形成され、前記連絡孔は前
   記中央挿入孔の回りに隔置して前記副燃焼室とピストン
   頂面との間に複数個形成され、前記連絡孔の幾つかは前
   記副燃焼室内で一方向の旋回流を形成し且つ残りは前記
   副燃焼室内で逆方向の旋回流を形成するように、前記連
   絡孔は周方向に隔置して前記副燃焼室の中心軸から互い
   に逆側にオフセットして伸び且つピストン頂面から前記
   副燃焼室へその中心軸に対して所定の傾斜角度で傾斜し
   てそれぞれ形成されていることを特徴とする副室式エン
   ジン。
2. 【請求項２】 一方向の旋回流を形成する前記連絡孔は
   前記副燃焼室内の下部に渦流中心を形成するように小さ
   い傾斜角度で形成され、逆方向の旋回流を形成する前記
   連絡孔は前記副燃焼室内の上部に渦流中心を形成するよ
   うに大きい傾斜角度で形成されていることを特徴とする
   請求項１に記載の副室式エンジン。