JPH0681899B2

JPH0681899B2 - 副室式内燃機関

Info

Publication number: JPH0681899B2
Application number: JP61018005A
Authority: JP
Inventors: 史郎石田
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1986-01-31
Filing date: 1986-01-31
Publication date: 1994-10-19
Anticipated expiration: 2009-10-19
Also published as: JPS62178715A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は副室式内燃機関に関するものである。

［従来の技術］一般にディーゼル内燃機関にあっては、燃焼ピーク温
度，燃焼室内圧急上昇を抑え燃焼騒音及びHCを大巾に低
減するために、着火遅れの解消が求められている。

本出願人は、着火遅れの短いディーゼル内燃機関として
先に渦流副室式ディーゼル機関（特願昭58-193477号公
報）を提案した。

提案は、第６図に示す如く、渦流副室２に、これに筒状
に連通させてノズル取付け孔６を形成し、そのノズル取
付け孔６に微粒化燃料噴霧を噴出する副噴口12と微粒化
燃料噴霧よりは燃料の粒子径が大きい燃料の噴霧を噴射
する主噴口11を有する燃料噴射ノズル７を設けたものに
おいて、副噴口12を、ノズル取付け孔６のその渦流方向
下流の内壁6aに臨ませ、主噴口11をノズル取付け孔を介
して渦流副室２の略中央に臨ませたものである。

このような構成によれば、ノズル取付け孔６のその渦流
方向下流の内壁6a周辺には、副噴口12から噴出された微
粒化燃料噴霧の衝突によって着火性の高い予混合気（燃
焼と空気との混合気で着火性が高くまた火炎伝播のよい
混合気をいう。）が分布され、また渦流副室２の内壁2a
には、その衝突点から渦流の下流へ拡散されていく燃料
膜が形成されるようになるため、着火遅れが短くかつ緩
慢な蒸発燃焼が行われるようになる。

［発明が解決しようとする課題］しかし、提案によっても主噴口から燃料噴霧が噴出され
る中高負荷運転時において、NOx,スモーク，排気パティ
キュレート（すす）を十分に減らすことができないとい
う問題があった。

これは主噴口の向きを渦流副室のほぼ中心に設定した場
合は、渦流に対する燃料噴霧の速度が相対的に上がり
（相対速度の増加は、蒸発を促進する）、かつ燃料噴霧
のほとんど全てが渦流の内側に取り込まれ、渦流の内側
の予混合気量が異常に過剰となって燃焼温度（燃焼ピー
ク温度）が高い急激な燃焼が生じてしまうことによるも
のであり、また燃焼後においても、高速の渦流によっ
て、渦流副室の内壁側に重い未燃ガス，空気が渦流副室
の中心側に軽い燃焼ガスが集められてしまうため、めそ
の中心側の燃焼温度がかなり高くなりかつ酸素（O₂）不
足となってしまうというサーマルピンチ現象が起きてし
まうことによるものである。

本発明の目的は、副噴口と主噴口とを有する燃料噴射ノ
ズルを用いた副室式内燃機関において、あらゆる使用負
荷で、急激な燃焼をなくし、燃焼ピーク温度を低くし
て、HCの悪化なくNOx,スモーク及び排気パティキュレー
トを大巾に低減し得るようにした副室式内燃機関を提供
することにある。

［課題を解決するための手段］上記目的を達成すべく本発明は、シリンダヘッド内に渦
流副室を設けると共に渦流副室とシリンダとを連絡する
噴孔を設け、その渦流副室の天井部に渦流副室と連通さ
せて筒状にノズル取付け孔を設けた副室式内燃機関にお
いて、上記渦流副室を、その渦流副室の中心と渦流副室
内壁の噴孔直上流とを通り、かつ渦流と略直交する仮想
平面によって、渦流上流側領域と渦流下流側領域との２
領域に区分して、上記ノズル取付け孔の向きを、その軸
芯線が、仮想平面と渦流下流側領域の渦流副室内壁の間
を通って上記仮想平面と渦流室内壁の噴孔直上流との交
点より渦流直上流の渦流副室内壁と交わるように設定
し、このノズル取付け孔にこれに副噴口１つと主副噴口
２つを有する燃料噴射ノズルを同軸的に設け、副噴口の
向きをノズル取付け孔の内壁のうちその渦流下流側に該
当する内壁部分に向けて微粒化燃料噴霧を噴出し得るよ
うにかつその内壁部分に微粒化燃料噴霧を衝突させて一
部をノズル取付け孔周辺に飛散させ、残部を渦流副室内
壁に沿って渦流の下流側へ流し得るように設定し、各主
噴口の向きを上記軸芯線と渦流副室との交点からノズル
取付け孔の開口端との間でかつその交点寄りにノズル取
付け孔を通じてそれぞれ燃料噴霧を供給し得るようにか
つそれら噴霧が渦流副室内壁に渦流方向に拡散される燃
料膜を別々に形成し得るようにそれぞれ設定したもので
ある。

［作用］副噴口から噴出された微粒化燃料噴霧は、ノズル取付け
孔の内壁と衝突してその一部がノズル取付け孔周辺に飛
散され、残部が渦流副室の内壁に沿って渦流の下流側へ
流れる。ノズル取付け孔周辺に飛散された微粒化燃料の
噴霧は、そのノズル取付け孔内壁との衝突により、さら
に細かく砕かれるため、素早く蒸発し燃焼する。ノズル
取付け孔と衝突した後、渦流副室の内壁に沿って渦流の
下流へと流れる燃料膜は、蒸発しつつその火炎を伝播さ
れて遅れなく燃焼する。各主噴口から噴射された燃料噴
霧は、ノズル取付け孔の軸芯線と渦流副室の内壁との交
点と、ノズル取付け孔の開口端と渦流副室の内壁との接
点との間でかつその交点寄りに向けてそれぞれ噴出され
るため、従来のように渦流に巻き込まれずに、渦流副室
の内壁にそれぞれ別々に燃料膜を形成する。これら燃料
膜は、上記微粒化燃料噴霧の燃焼による熱エネルギでゆ
っくりと蒸発される。そしてこの蒸気は、火炎を伝播さ
れ遅れなく燃焼する。

よって従来のように渦流副室の中心に異常な濃さの予混
合気が生成されることはなく、急激でしかも燃焼ピーク
温度が異常に高くなってしまうような燃焼はおきず、ま
た、サーマルピンチ現象も起きてしまうこともない。し
たがってHCの悪化なくNOx,スモーク，排気パティキュレ
ートが大巾に減少する。

［実施例］以下に、本発明の好適一実施例を添付図面に基づいて説
明する。

第１図に、渦流副室を有するシリンダヘッドの縦断断面
を示す。

シリンダヘッド１には、その内部に略球形に渦流副室２
が形成され、渦流副室２とシリンダ４との間を仕切るシ
リンダヘッド１の下面部には、渦流副室２内に、シリン
ダ４の高温高圧の燃焼用空気を渦流副室２内に導き、か
つこれを渦流副室２の内壁2aに沿わせて上下方向に回転
させ得るように、また、渦流副室２で生じた燃焼ガス
（燃料の未燃分を含む）を渦流副室２からシリンダ４に
噴き出し得るように、噴孔５が形成されている。また渦
流副室２には、その底部に、噴孔５に向かって下向きに
回転する渦流Ｓを再び上向きに反転させるべく渦流の案
内部5aがスロート状に設けられている。したがって噴孔
５のその渦流室側開口端と渦流副室２の内壁2aとの接点
は、渦流が一回転するときの始点（最上流点）となり、
案内部5aの先端は、渦流Ｓが一回転するときの終点（最
下流点）となる。そしてシリンダヘッド１には、その天
井部に、渦流副室２と筒状に連通させてノズル取付け孔
６が形成されている。ノズル取付け孔６は、その軸芯線
Ｘが渦流副室２の中心の外側を通り、軸芯線Ｘの先端が
案内部5aの後端から渦流Ｓの上流側へ離れた渦流Ｓ下流
側の内壁2aと交わるようになっている。このノズル取付
け孔６には、その先端のノズルチップ13を渦流副室２内
に臨ませて１つの副噴口12と２つの主噴口11a,11bとを
有するピントークス形の燃料噴射ノズル７が取り付けら
れている。またノズル取付け孔６には、ヒートシールド
８と銅パッキン14とが取り付けられている。

第３図に、ピントークス形の燃料噴射ノズル７の先端部
側断面を示す。

ノズルチップ13内には、燃料を集める燃料噴射室9cがホ
ール状に形成され、筒状のノズルボディ９内に昇降自在
に収容される針弁10は、そのノズルボディ９の弁座9aに
着座するシート部10bを有し、また、そのシート部10bよ
り先端に針弁10のリフトが所定値に至るまでは、燃料噴
射室9cへの燃料油の供給を断ち、所定リフトに至ったと
き初めて燃料噴射室9cへの燃料の供給を可能にする細い
軸部9bを有している。そして弁座9aには、これにより微
粒化燃料噴霧F₁を噴出させる副噴口12が１つ設けられ、
ノズルチップ部13には、その周方向に間隔を隔てて主噴
口11a,11bが設けられている。これら主噴口11a,11bの口
径は、副噴口12と比べて大きく、上記微粒化燃料噴霧F₁
よりは燃料の粒子径が大きい燃料噴霧F₃を噴射し得る口
径となっている。

そして図１に示したように、副噴口12は、ノズル取付け
孔６のその渦流Ｓの下流側の内壁6aに向かって斜め下向
きに臨ませられている。さらに詳しくは、副噴口12は、
その向きが、第２図，第５図に示す如く、微粒化燃料噴
霧F₁がノズル取付け孔６の内壁6aと衝突してその一部が
衝突によりその衝突点周辺に飛散されるように、残部が
渦流副室２の内壁2aに沿って渦流Ｓ方向の下流側に流れ
得るように設定されている。よってノズル取付け孔６の
内壁6aの衝突点近傍には、微粒化燃料粒子群F₂が生成さ
れ、ノズル取付け孔６寄り内壁2aには、燃料膜f₁が形成
される。

また、主噴口11a,11bの向きは、ノズル取付け孔６の軸
芯線Ｘ先端と内壁2aとの交点Ｙと、ノズル取付け孔６の
開口端と内壁2aとの接点Ｚとの間でかつその交点Ｙ寄り
の位置に燃料噴霧F₃を噴射するようにそれぞれ設定さ
れ、内壁2aに、渦流方向に沿って拡散される燃料膜f₂を
それぞれ形成し得るように臨ませられている。ここで主
噴口11の数を２としたのは、燃料噴霧F₃に適度の貫徹力
をもたせて内壁2aに一様に薄く燃料膜f₂を形成させ、か
つそれら燃料膜f₂の蒸発面積が火炎伝播乃至燃焼に対し
て適正なものとなるようにするためである。

次に作用について説明する。

機関始動時の針弁10の極低速域及び軽負荷時に、このと
きのノズルボディ９内に供給される燃料の油圧で針弁10
がリフトされると、針弁10のシート部10bが弁座9aから
離れ、シート部10bによって閉じられていた副噴口12が
開かれる。またこのときは、針弁10のリフトが所定のリ
フト値を越えていないため、軸部9bによって燃料噴射室
9cへの燃料供給は断たれている（第４図参照）。したが
って、機関始動時の針弁10の極低速域及び軽負荷時に
は、副噴口12のみが開き、これより微粒化燃料噴霧F₁が
噴出される。この微粒化燃料噴霧F₁のうちその一部は、
ノズル取付け孔６のその渦流Ｓ下流側の内壁6aとの衝突
により、その衝突点周辺に飛散されてその衝突点周辺に
分布する微粒化燃料粒子群F₂となり、残部は、ノズル取
付け孔６の内壁6aより渦流副室２の内壁2aに沿って渦流
Ｓ方向下流側に流れつつ蒸発する燃料膜f₁となる。微粒
化燃料粒子群F₂は、燃焼用空気の熱により瞬時のうちに
蒸発されて燃焼する。この微粒化燃料粒子群F₂の燃焼に
よって生じた火炎は、燃料膜ｆが生成する燃料の蒸気に
遅れなく伝播される。よって確実な着火と遅れのない緩
慢蒸発燃焼が行われ、機関始動時を含む低負荷領域での
NOx,スモーク，排気パティキュレート及びHCの発生は、
可及的に抑制される。

機関中・高負荷時は、針弁10のリフト値が所定リフトを
越えるため軸部9bよる燃料噴射室9bの閉成が解除され
る。このため燃料噴射室9cにも燃料油が供給されるよう
になる。よって機関中・高負荷時は、副噴口12のみなら
ず、主噴口11a,11bからも渦流副室２内に向かって燃料
噴霧F₃が噴出される。これら燃焼噴霧F₃は、ノズル取付
け孔６の軸芯線Ｘの先端と渦流副室２の内壁2aとの交点
Ｙと、上記ノズル取付け孔６のその渦流Ｓの開口端と渦
流副室２の内壁2aとの接続点Ｚとの間でかつその交点Ｙ
寄り向けてそれぞれ噴出されるため、従来のように渦流
Ｓに巻き込まれて渦流副室２の中心に運ばれることな
く、渦流副室２の内壁2aに向かい、そして渦流Ｓにより
内壁2a側でこれに沿うように修正を受ける。このため、
渦流副室２の内壁2aには、これに沿って渦流Ｓの下流側
へ末広がりとなって拡散する燃料膜f₂が確実にかつ別々
に形成され、それら燃料膜f₂の膜厚も一様な薄さとな
る。これら燃料膜f₂は、微粒化燃料粒子群F₂の火炎エネ
ルギによってゆっくりと蒸発するため、主噴口11a,11b
から噴出された燃料噴霧F₃も全体として緩慢に蒸発燃焼
する。

よって、中・高負荷時にあっても、渦流副室２全体に着
火遅れが短かくかつ圧力上昇率が緩やかで燃焼ピーク温
度の低い緩慢な蒸発燃焼が行われる。もちろん渦流副室
２の外側で燃焼が行われるため、サーマルピンチ現象と
いった問題も生じることがない。

したがってNOx,スモーク，燃焼騒音は、従来と比べて大
巾に低くなり、排気パティキュレート，スモークが低減
されるようになる。また、主噴口の数を２として燃料膜
f₂を２つ作るようにしたが、これら燃料膜f₂は、単一に
主噴口の場合と比べて一様な薄さであり、また燃料膜f₂
の蒸気が直ぐに火炎伝播によって燃焼されるようにして
いるため、HCの値は、通常の副室式並となる。

尚、低温始動時は、壁温が低いためHC,白煙が発生する
という虞もあるが、これはグロープラグの通電や吸気加
熱等の通常の手段によって容易に解消することが可能で
ある。

［発明の効果］以上説明したことから明らかなように本発明によれば次
の如き優れた効果を発揮する。

（１）あらゆる使用負荷でHCを悪化させることなくNOx,
スモーク，排気パティキュレートを大幅に低減すること
ができる。

（２）燃焼騒音を大幅に低減することができる。

（３）サーマルピンチ現象をなくすことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の副室式内燃機関の好適一実施例を示す
概略断面図、第２図は第１図の上面から見たときの主噴
口の噴射方向を示す図、第３図は燃料噴射ノズルを示す
概略断面図、第４図はクランク角度と噴射率及び針弁の
リフト量の関係を示す図、第５図は本発明の副室式内燃
機関の燃焼状態を示す概略図、第６図は従来の副室式デ
ィーゼル内燃機関を示す概略断面図である。図中、１はシリンダヘッド、２は渦流副室、５は噴孔、
5aは案内部、６はノズル取付け孔、７は燃料噴射ノズ
ル、11は主噴口、12は副噴口、Ｘは燃料噴射ノズルの軸
芯線、Ｙはノズル取付け孔の軸芯線先端と渦流副室の内
壁との交点、Ｚはノズル取付け孔の開口端と渦流副室の
内壁との接点、Ｓは渦流である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリンダヘッド内に渦流副室を設けると共
に渦流副室とシリンダとを連絡する噴孔を設け、その渦
流副室の天井部に渦流副室と連通させて筒状にノズル取
付け孔を設けた副室式内燃機関において、上記渦流副室
を、その渦流副室の中心と渦流副室内壁の噴孔直上流と
を通り、かつ渦流と略直交する仮想平面によって、渦流
上流側領域と渦流下流側領域との２領域に区分して、上
記ノズル取付け孔の向きを、その軸芯線が、仮想平面と
渦流下流側領域の渦流副室内壁の間を通って上記仮想平
面と渦流室内壁の噴孔直上流との交点より渦流直上流の
渦流副室内壁と交わるように設定し、該ノズル取付け孔
にこれに副噴口１つと主噴口２つを有する燃料噴射ノズ
ルを同軸的に設け、副噴口の向きをノズル取付け孔の内
壁のうちその渦流下流側に該当する内壁部分に向けて微
粒化燃料噴霧を噴出し得るようにかつその内壁部分に微
粒化燃料噴霧を衝突させて一部をノズル取付け孔周辺に
飛散させ、残部を渦流副室内壁に沿って渦流の下流側へ
流し得るように設定し、各主噴口の向きを上記軸芯線と
渦流副室との交点からノズル取付け孔の開口端との間で
かつその交点寄りにノズル取付け孔を通じてそれぞれ燃
料噴霧を供給し得るようにかつそれら噴霧が渦流副室内
壁に渦流方向に拡散される燃料膜を別々に形成し得るよ
うにそれぞれ設定したことを特徴する副室式内燃機関。
【請求項２】上記副噴口が上記主噴口に先行して開放さ
れ得るように構成されている上記特許請求の範囲第１項
記載の副室式内燃機関。