JPH06317160A - 副室式エンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、燃料噴霧を副燃焼室内の渦流の弱
い領域に噴射させて副燃焼室内での燃焼の悪化を避ける
副室式エンジンを提供する。 【構成】 本発明は、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４はピストン８の中央挿入孔９の回りに
隔置して副燃焼室２とピストン頂面１１との間に複数形
成されている。燃料噴射ノズル１０の多噴孔７から噴射
される燃料の噴霧中心ＦＣが副燃焼室２内で各連絡孔４
の延長線上の交点近傍に形成される渦流中心ＳＣから離
れた位置に設定されている。従って、副燃焼室２内での
燃料噴射ノズル１０から噴射される燃料を渦流の弱い領
域に噴射でき、副燃焼室２内での燃料と空気との混合を
均一化して燃焼の悪化を避けることができる。

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の一
例として、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】

【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。

【０００５】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。

【０００６】ところが、副室に流入する時の空気流動が
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。

【０００７】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。

【０００８】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側に構成し、
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シリンダ中心軸の回りの周方向に複
数設けると共に、主燃焼室から副燃焼室へ連絡孔を通じ
て流入して形成された渦流の比較的に弱い領域に燃料噴
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、副燃焼室での混合を均一にして着火燃焼を良好
にし、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。

【０００９】

【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、シリンダ側に形成した主燃焼室、ピストンに形
成した副燃焼室、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
間に複数形成され、前記燃料噴射ノズルの多噴孔から噴
射される燃料の噴霧中心が前記副燃焼室内で前記各連絡
孔の延長線上の交点近傍に形成される渦流中心から離れ
た位置に設定されていることを特徴とする副室式エンジ
ンに関する。

【００１０】また、この副室式エンジンにおいて、前記
ピストン頂面から前記渦流中心までの距離と前記ピスト
ン頂面から前記噴霧中心までの距離との差の絶対値はシ
リンダ径のほぼ３％以上に設定されているものである。

【００１１】

【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、ピストンの中央上部には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、連絡孔が前
記ピストンの前記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に複数形成され、前記燃
料噴射ノズルの噴霧中心が前記副燃焼室内の渦流中心か
ら離れた位置に設定されているので、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
して形成された渦流の比較的に弱い領域に噴射でき、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
する渦流の強さが過大になるのを避けることができ、副
燃焼室での燃料と空気との均一な混合を達成でき、着火
燃焼を良好にできる。しかも、連絡孔通路面積を小さく
して主燃焼室への噴出エネルギーを増強し、主燃焼室で
の混合促進を行うことができる。

【００１２】また、ピストン頂面から前記渦流中心まで
の距離と前記ピストン頂面から前記噴霧中心までの距離
との差の絶対値はシリンダ径のほぼ３％以上に設定する
と、燃料と空気との最も好ましい均一な混合を確保する
ことができる。

【００１３】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。また、前
記連絡孔の傾斜方向を外向きに傾斜させると、ピストン
の周辺への副燃焼室からの噴流の到達距離が更に短くな
り、燃焼火炎と未燃混合気は主燃焼室内に存在するピス
トン周辺の新気と混合を促進して燃焼スピードをアップ
する。従って、主燃焼室でのＨＣ、スモーク等の発生を
抑制して燃焼を短期に完結できる。

【００１４】

【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、及び図２は図
１の副室式エンジンにおいて渦流の中心が上方に位置す
る場合の渦流中心からの距離に対する渦流の強さの関係
を示すグラフである。

【００１５】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
８の上部に形成したキャビティによって形成されてい
る。燃料噴射ノズル１０は、副燃焼室２内に燃料を噴射
するようにシリンダヘッド５側に配置されている。

【００１６】また、この副室式エンジンは、主燃焼室１
と副燃焼室２を連通する複数の連絡孔４が形成され、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が形成されている。更に、連
絡孔４は、ピストン８の中央挿入孔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との間に傾斜
状態に複数（図示していないが、例えば、４〜６個）形
成されている。

【００１７】この副室式エンジンは、特に、燃料噴射ノ
ズル１０の多噴孔７から噴射される噴霧中心ＦＣが副燃
焼室２内の渦流中心ＳＣから離れた位置に設定されてい
ることを特徴としている。噴霧中心ＦＣは燃料噴射ノズ
ル１０の多噴孔７から半径方向に噴射される領域であ
り、また、渦流中心ＳＣは副燃焼室２内で各連絡孔４の
延長線上の交点近傍の領域である。図１において、ピス
トン頂面１１から渦流中心ＳＣまでの距離をＨ₁ とし、
ピストン頂面１１から噴霧中心ＦＣまでの距離をＨ₂ と
し、更にピストン頂面１１から副燃焼室２のキャビティ
の底面１４までの距離をＨ₀ とする。この副室式エンジ
ンでは、距離Ｈ₁ と距離Ｈ₂ との差の絶対値がシリンダ
径のほぼ３％以上（｜Ｈ₁ −Ｈ₂ ｜＞０．０３Ｄ）に設
定されていることによって、渦流に対する最も好ましい
燃料噴霧が達成されるものである。両者の差の絶対値が
０．０３Ｄより小さい場合には、渦流が強過ぎてオーバ
スワールとなり、副燃焼室２内で空気と燃料との混合が
均一にならず、燃焼が悪化する。

【００１８】図１には、燃料噴射ノズル１０がその多噴
孔７から噴射される噴霧中心ＦＣが副燃焼室２内の渦流
中心ＳＣより下方の位置に設定されている場合である。
そして、副燃焼室２内の位置に対する渦流の強さは、図
２に示すようになっている。従って、燃料噴射ノズル１
０の多噴孔７から噴射される噴霧中心ＦＣと連絡孔４か
ら副燃焼室２内に流入する渦流中心ＳＣとの関係は、Ｈ
₂ −Ｈ₁ ＞０．０３Ｄの位置で図１の位置より下方、言
い換えれば、図２の斜線Ａで示す位置に設定することが
好ましいものである。

【００１９】更に、この副室式エンジンにおいて、主燃
焼室１と副燃焼室２とを連通するため、ピストン８には
副燃焼室２の中心軸からオフセットした方向に伸び且つ
副燃焼室２の壁面に周方向に互いに隔置して複数個（例
えば、４個、６個）の連絡孔４が形成されている。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の中心軸を外れる方向への連絡孔４の傾斜程度
によってコントロールされるものである。

【００２０】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で燃料
と空気とを均一に混合させて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４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４の通路面積を小さく絞り
込んで形成し、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を増強させて、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４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４
をピストン頂面１１の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４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。

【００２１】次に、この発明による副室式エンジンの別
の実施例を説明する。図３はこの発明による副室式エン
ジンの別の実施例を示す断面図、及び図４は図３の副室
式エンジンにおいて渦流の中心が下方に位置する場合の
渦流中心からの距離に対する渦流の強さの関係を示すグ
ラフである。図３では、図１の部品と同一の部品には同
一の符号を付している。

【００２２】この実施例では、燃料噴射ノズル１０が燃
料噴射ノズル１０の多噴孔７から噴射れる噴霧中心ＦＣ
が副燃焼室２内の渦流中心ＳＣより上方の位置に設定さ
れている場合であり、副燃焼室２内の位置に対する渦流
の強さは図４に示すようになっている。従って、燃料噴
射ノズル１０は、Ｈ₁ −Ｈ₂ ＞０．０３Ｄの位置で図３
の位置より上方、言い換えれば、図４の斜線Ｂで示す位
置に設定されることが好ましいものである。図３に示す
実施例での作用については、図１に示す実施例の場合と
同様である。

【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、ピストンの中央上部には燃料噴射
ノズルが上死点近傍で突入する中央挿入孔が形成され、
連絡孔が前記ピストンの前記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に複数形成さ
れ、前記燃料噴射ノズルの噴霧中心が前記副燃焼室内の
渦流中心から離れた位置に設定されているので、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
通じて流入して形成された渦流の比較的に弱い領域に噴
射でき、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過大になるのを避けること
ができ、空気と燃料との混合を均一にして着火燃焼を良
好にする。しかも、上記構成のように、連絡孔通路面積
を小さくしも副燃焼室での混合が良好であるので、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
は噴出エネルギーを増強され、主燃焼室に存在する新気
との混合を促進する。

【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、連絡孔を絞って前記副燃
焼室から前記主燃焼室への噴出エネルギーを有効に増強
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
ーションを増強させ、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頂面の中央に位
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、前記連絡孔のトータルの通路面積を大きく形成で
き、前記主燃焼室での混合が促進されると共に、しぼり
損失を低減でき、燃焼スピードを速くして燃焼期間を短
縮でき、ＮＯ_X 、ＨＣ、スモークの発生を抑制できる燃
焼を行わせることができる。

【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の副室式エンジンにおいて渦流の中心が上
方に位置する場合の渦流中心からの距離に対する渦流の
強さの関係を示すグラフである。

【図３】この発明による副室式エンジンの別の実施例を
示す断面図である。

【図４】図３の副室式エンジンにおいて渦流の中心が下
方に位置する場合の渦流中心からの距離に対する渦流の
強さの関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１ 主燃焼室 ２ 副燃焼室 ３ シリンダ ４ 連絡孔 ５ シリンダヘッド ７ 多噴孔 ８ ピストン ９ 中央挿入口 １０ 燃料噴射ノズル １１ ピストン頂面 ＦＣ 噴霧中心 ＳＣ 渦流中心 Ｈ₁ ピストン頂面と渦流中心との距離 Ｈ₂ ピストン頂面と噴霧中心との距離

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダ側に形成した主燃焼室、ピスト
   ンに形成した副燃焼室、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
   面との間に複数形成され、前記燃料噴射ノズルの多噴孔
   から噴射される燃料の噴霧中心が前記副燃焼室内で前記
   各連絡孔の延長線上の交点近傍に形成される渦流中心か
   ら離れた位置に設定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】 前記ピストン頂面から前記渦流中心まで
   の距離と前記ピストン頂面から前記噴霧中心までの距離
   との差の絶対値はシリンダ径のほぼ３％以上に設定され
   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。