JPH0735725B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は内燃機関に係り、特にディーゼル燃焼方式に低
セタン価の燃料を適用する際に好適な内燃機関に関す
る。

［従来の技術］ 一般にディーゼル式内燃機関は、その燃料としてセタン
価の極めて小さなアルコール，ガソリン等を使用する場
合には、火花点火式内燃機関として構成される。そして
この火花点火式内燃機関は、スパークプラグ等の点火手
段の近傍に可燃適正空燃比の混合気が存在すれば、他の
部分の混合気状態の如何を問わず、火花放電により良好
な燃焼が達成され、従って可燃適正空燃比の混合気が点
火手段の近傍に存在するか否かが重要である。

［発明が解決しようとする問題点］ ところで、上述した内燃機関にあっては、噴射燃料量が
少なく混合気生成の難しい低負荷時には混合気が非常に
稀薄となり、火花放電によっても火炎が伝播せずミスフ
ァイヤを生じ易い。ここに、低負荷時には吸気を絞って
吸入空気量を減少させることが考えられ、このようにす
れば燃料着火性を向上できるが、絞りによる機関のポン
ピングロスが増加し、燃費等が劣化する問題がある。こ
の問題は、結局低負荷時には点火手段の近傍に可燃適正
空燃比の混合気を確保できないという点に基づくもので
ある。

そこで、第７図に示すように、燃料噴射ノズルａから直
接点火手段ｂに向けて燃料を噴射して、微粒化若しくは
蒸気化した燃料の混合気を点火手段ｂの近傍に濃厚に形
成させることが考えられる。

しかしながら、混合気ｃは、燃焼室ｄの上部に設けられ
た点火手段ｂの近傍よりも、その下方の燃焼室底部ｅに
多く存在することとなり、適切な燃焼を充分に達成でき
ない場合がある。

ここに本出願人は関連する技術として第８図及び第９図
に示すように、燃焼室ｆの内壁ｇに形成した段部ｈによ
り燃焼室ｆ内に噴射燃料ｉを集合させる集合空間ｊを形
成するとともに、この集合空間ｊ内に点火手段ｋを設け
て、狭い集合空間ｊ内に濃厚な混合気ｌを分布させてこ
の混合気ｌに点火手段ｋで着火させるようにした「内燃
機関」（特願昭61−52546号）を提案した。本提案によ
れば、噴射燃料量の少ない低負荷時から高負荷時に亙っ
て点火手段ｋの近傍に混合気ｌを濃厚に分布させて確実
に着火燃焼させることができる。

しかしながら、本提案にあっては、ピストンヘッドｍ上
方から燃焼室ｆ内に流れ込むスワールｎ、特に段部ｈに
よって狭められた集合空間ｊに直接流れ込むスワールｎ
が、この集合空間ｊで絞り込まれてその流速が高められ
る傾向にあり、その結果流速の高いスワールｎによって
点火手段ｋの火花が瞬時に吹き消されて着火できない場
合があった。

本発明は上述したような問題点に鑑みて創案されたもの
であり、その目的はディーゼル式内燃機関を低セタン価
燃料用の火花点火式内燃機関として構成する場合に、低
負荷時にあっても適正な燃焼を確保できる内燃機関を提
供するにある。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、燃焼室内壁に、噴射燃料を集合させる集合空
間を形成するための段部を形成し、集合空間内に点火手
段を設けると共に、段部にそのスワール流れ方向後方の
空間から集合空間に連通させて空気通孔を形成して構成
される。

［作用］ 次に本発明の作用について述べる。

第１図〜第３図に示すように、燃焼室１内に段部２を形
成すると、燃焼室１内に流れ込み段部２に区画された集
合空間Ｄを経過したスワールＳは、段部２のスワールＳ
流れ方向後方で、そのまま旋回を続ける主流S₁と、この
スワールＳの主流S₁に対し置き去りにされて段部２の背
後、即ち段部２のスワールＳ流れ方向後方の空間Ｌに回
り込む渦様の流れ（以下、「２次流れ」という。）S₂と
に分解される。そしてこの２次流れS₂の空気流Ｐを段部
２に形成した空気通孔３を介して空間Ｌから集合空間Ｄ
へ導入させることにより、集合空間Ｄを流れるスワール
Ｓを減速させるようになっている。そしてこのスワール
Ｓの減速により集合空間Ｄ内の流れを緩やかなものにし
た上で、集合空間Ｄ内の点火手段15により燃料に着火さ
せるようになっている。

［実施例］ 以下に本発明の好適一実施例を添付図面に従って詳述す
る。

第４図及び第５図には、直接噴射式ディーゼル機関等に
採用される燃焼室１が示されている。この燃焼室１は、
ピストンヘッド13を後方状に陥没させて、その周側部を
形成する内壁1a,1bに区画されて平断面角形状の角形燃
焼室１で形成される。他方、シリンダヘッド12には、燃
焼室側へ連通させて取付孔４が形成され、この取付孔４
内には、燃焼室１内に臨ませて燃焼噴射ノズル21が設け
られる。

本実施例にあっては、球状頭部に、同一口径の複数の噴
口17〜20が燃焼室内壁1a,1bの周方向に沿って互いに間
隔を隔てて放射状に形成された燃料噴射ノズル21が採用
される。このノズル21は、低負荷時から高負荷時に亙っ
て、これらすべての噴口17〜20から燃料F₁,F₂を噴射す
るようになっている。また殊に噴射ノズル21は、複数設
けられた噴口17〜20のうち少なくとも１つの噴口17を、
後述する段部２が形成される燃焼室１の角部1dよりもス
ワールＳの流れ方向上流側の燃焼室内壁1bに近接して相
対向させて臨ませるように、燃焼室１のセンタＣに対し
て偏心させて設けられる。そして、この噴口17は内壁1b
に向けて噴霧F₁を噴射し、微粒化、蒸気化された燃料が
スワールＳによって燃焼室１内に流されるようになって
いる。

他方他の噴口18〜20は、燃焼室内壁1a,1bの上記１つの
噴口17からの噴霧噴射位置Ａを基準として、内壁1a,1b
の周長を略四等分する位置Ｂが噴霧F₂の噴射位置となる
ように放射状に配列される。

このように構成された燃焼室１には、その内壁1bから突
出させて、殊に近接された噴口17からの噴射燃料F₁を集
合させる集合空間Ｄを形成する段部２が形成される。

具体的には段部２は、近接された噴口17からの噴霧F₁の
噴射方向のスワールＳ流れ方向後方となる燃焼室１の角
部1dの内壁1bに、その高さ方向に沿って燃焼室底面1cか
ら段違いに隆起させて突出形成される。そして、この段
部２は燃焼室１内に、深さが段違いに浅くなった狭めら
れた空間を形成し、この空間を、スワールＳによって流
されてくる噴霧F₁の混合気Ｍを集合させる集合空間Ｄと
して構成するようになっている。

更にこの集合空間Ｄ内には、集合される混合気Ｍに着火
させるための一般的構成で成るスパークプラグ等の点火
手段15が設けられる。この点火手段15はシリンダヘッド
12に形成された取付孔16内に取り付けられ支持される。

このように構成された段部２は第１図〜第３図に示すよ
うに、その上方を流れて後方に流出していくスワールＳ
から、そのまま燃焼室１内で旋回を続ける主流S₁に対
し、置き去りにされて段部２の背後、即ち段部２のスワ
ールＳ流れ方向後方の空間Ｌに回り込む渦様の２次流れ
S₂を生じさせる。また本実施例にあっては、段部２は、
角部1dから燃焼室１の中央に向って拡張された四辺形状
に形成され、スワールＳが通過する段部２上面の表面積
Ｗが拡張されてピストンヘッド13の上方から燃焼室１の
周方向に沿って流入してくるスワールＳの通過のチャン
スを多く確保できるようになっている。これは、段部２
自体は燃焼室１内に深さが段違いに浅くなった狭められ
た集合空間Ｄを形成し、スワールＳに絞り効果を与えて
その流速を高めるが、その後段部２を経過したスワール
Ｓが過度に減衰されるとスワールの主流S₁の勢いが弱め
られてしまい、燃焼室１全体で見た場合の混合気生成に
悪影響を及ぼすおそれがある。そこで段部２の表面積Ｗ
を広く形成することにより、段部２上を流通するスワー
ルＳ量を多く確保して必要な２次流れS₂を生成させつつ
充分なスワール流（主流S₁）を継続して燃焼室１内に旋
回させるようになっている。

なお、充分な主流S₁が得られる場合には、段部２はその
表面積Ｗを狭めるように比較的巾狭に形成しても良い。

また第１図〜第３図に示すように、段部２はこれよりス
ワールＳの流れ方向後方の燃焼室１の内壁1aに間隔を隔
てて相対向する段部壁2aを有するように構成される。

上述した２次流れS₂は、段部２を経過したスワールＳの
一部が置き去りにされることで生成されるが、これのみ
ならず一般に流体が壁にぶつかって一旦その運動が停止
される場合にも生じ、本実施例にあっては主流S₁の一部
が内壁1aに衝突することで生成される。主流S₁が内壁1a
に衝突することで生じた一部の弱い流れは、スキッシュ
の影響等で燃焼室底面1c側へ押し流され、更に底面1cに
は燃焼室１上方のような強いスワールＳが存在しないた
め内壁1aから段部壁2aへと戻るような緩やかな２次流れ
を生じ（図中、S₃で示す）、上述した置き去りにされた
２次流れS₂と共に空間Ｌに流れることになる。即ち、段
部２に、これよりスワールＳ流れ方向後方の燃焼室１の
内壁1aに間隔を隔てて相対向する段部壁2aを形成するこ
とは、これら壁1a,2a間に区画させた空間Ｌに、段部２
によって生じる２次流れS₂と、それのみならず燃焼室内
壁1aにスワール（主流）S₁が衝突して生じる２次流れS₃
をも加えさせてその相乗効果により、一層明確で効果的
な２次流れを生み出すことができることになる。そし
て、このような燃焼室内壁1aとの位置関係、並びに上述
した段部２上面の表面積Ｗの確保の観点から、段部２を
燃焼室１の角部1dに形成するようになっている。

そして以上のように構成された段部２には、２次流れ
S₂,S₃が生成されるスワールＳ流れ方向後方の空間Ｌか
ら集合空間Ｄに連通させて２次流れS₂,S₃の空気流Ｐを
集合空間Ｄに導入するための空気通孔３が貫通形成され
る。そしてこの空気通孔３から集合空間Ｄに導かれた空
気流Ｐは点火手段15の回りに流れるスワールＳを弱める
ようになっている。

次に実施例の作用について述べる。

本実施例に採用される燃料噴射ノズル21は、低負荷時か
ら高負荷時に亙って全ての噴口17〜20から燃料F₁,F₂を
噴射する型式のものであり、従来の燃焼室構造では燃料
が燃焼室全域に均一に拡散してしまい、殊に燃料噴射量
が少ない低負荷時には混合気Ｍが稀薄となって点火手段
15の近傍に着火可能な混合気Ｍを確保することが困難で
ある。

ここに、噴口17から噴射され微粒化，蒸気化した噴射燃
料F₁は混合気化してスワールＳによって燃焼室１内に流
され、下流側の集合空間Ｄ内に集合される。この集合空
間Ｄは、段部２によって区画されて燃焼室１内で殊に狭
められた空間となっており、集合された混合気Ｍは濃厚
に分布される。

他方、ピストンヘッド13の上方から燃焼室１の周方向に
沿って燃焼室１内に流入してくるスワールＳは、その一
部が段部２の存在、並びに段部壁2aに相対向する燃焼室
１の内壁1aとの衝突により、これら壁面1a,2a間の空間
Ｌに置き去りにされ（図中、S₂で示す）、または内壁1a
から段部壁2aに戻るような流れ（図中、S₃で示す）を生
じて、段部２のスワールＳ流れ方向後方の空間Ｌに２次
流れS₂,S₃を生成し、この２次流れの空気流Ｐは空気通
孔３を介して集合空間Ｄへと導入される。そして、この
空気流Ｐは、集合空間Ｄで絞られ高速化するスワールＳ
を弱めることになる。そして濃厚な混合気Ｍの分布の
下、点火手段15回りのスワールＳを２次流れS₂,S₃によ
って減衰させたことにより、点火手段15は燃料F₁の噴射
終了時に火花放電され、混合気Ｍに確実に着火させてそ
の後の火炎伝播により急速燃焼を達成できる。従って、
低負荷時において点火手段15の近傍に濃密に混合気Ｍを
確保した上で導入した２次流れS₂,S₃で点火手段15廻り
のスワールＳを制御して確実に着火させることができ
る。従って、低セタン価のアルコール、ガソリン等の燃
料を使用する場合にあっても、ミスファイヤを防止で
き、アルデヒド,HC,未燃アルコール、青白煙等の排出を
抑制した優れた燃焼を達成できる。また、絞りによるポ
ンピングロス等もなく燃費の面からも良好な性能を発揮
させ得る。

他方、中・高負荷時にあっては針弁は大きくリフトされ
て複数の噴口17〜20から多量の噴霧F₁,F₂が噴射されて
燃焼室１全体が均一に濃厚な混合気分布となるマルチジ
ェットを達成できる。この結果燃焼室１全体として濃厚
な混合気分布を確保でき、十分な着火性の下、高出力を
得ることができる。

尚、図示しないが上述した複数の噴口17〜20を有する燃
料噴射ノズル21に代えて、複数の主噴射用の主噴口が放
射状に配列されると共に、副噴射用の副噴口を備えたピ
ストン−ノズルに類似する型式の燃料噴射ノズルを採用
しても良い。

この噴射ノズルは、針弁のリフトが所定リフト以下の低
負荷域において、副噴口から副噴霧を噴射し、針弁のリ
フトが所定リフト以上の中・高負荷域において、副噴口
に加えて副噴口よりも主導的に主噴口から主噴霧を噴射
するようになっている。また殊に噴射ノズルは、その副
噴口を、上記噴口17に対応させて段部が形成される燃焼
室の角部よりもスワールの流れ方向上流側の燃焼室内壁
に近接して相対向させて臨ませるように、燃焼室のセン
タに対して偏心させて設けられる（第４図参照）。そし
て、副噴口は内壁に向けて副噴霧を噴射し、微粒化、蒸
気化された燃料がスワールによって集合空間へ流される
ようになっている。

他方主噴口は、上記他の噴口18〜20に対応させて燃焼室
内壁の副噴霧噴射位置を基準として、内壁の周長を略四
等分する位置が主噴霧の噴射位置となるように放射状に
配列され、燃焼室内壁に向けて主噴霧を噴射するように
なっている。

他に構成は上記実施例と同様であり、同様な効果を奏す
る。

また尚、上記実施例においては角型の燃焼室１を対象と
して説明したが、第６図に示すように、ピストンヘッド
13に、丸形状に陥没させて形成した丸型の燃焼室１に段
部２を形成し、この段部２に同様の空気通孔３を形成し
ても、上記実施例と同様な効果を得ることができる。

但し、この実施例では段部２を経過した後旋回を続ける
主流S₁は丸形燃焼室１の周方向にそのまま流れて行くの
で、上記実施例のようにスワールS₁の衝突による２次流
れS₃の生成がほとんど得られないが、置き去りにされる
流れS₂で必要な空気流Ｐを確保できる場合に採用して好
ましいものである。

［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。

（１） 燃焼室内壁に、噴射燃料を集合させる集合空間
を形成するための段部を形成し、この集合空間内に点火
手段を設けると共に、段部にそのスワール流れ方向後方
の空間から集合空間に連通する空気通孔を形成したこと
により、段部後方に生成される２次流れを空気通孔を介
して集合空間内に導入して集合空間を流れるスワールを
弱めて点火手段の火花の吹き消えを防止でき、集合空間
内における濃厚な混合気分布の下で効果的且つ確実に着
火させることができる。

（２） 従って、低セタン価の燃料であってもミスファ
イヤを防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好適−実施例を示す透視斜視図、第２
図はその平面図、第３図は第２図のIII−III線矢視断面
図、第４図は燃料噴射ノズル等を組み込んだ状態を示す
平面図、第５図は第４図のＶ−Ｖ線矢視断面図、第６図
は本発明を丸形燃焼室に適用した例を示す平面図、第７
図は従来考えられた内燃機関を示す側断面図、第８図は
関連技術を示す側断面図、第９図はその平面図である。 図中、１は燃焼室、1a,1bはその内壁、1cはその底面、
２は段部、2aはその段部壁、３は空気通孔、15は点火手
段、21は燃焼噴射ノズル、17〜20はその噴口、Ｄは集合
空間、Ｌは空間、Ｓはスワールである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−103413（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−42511（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−151219（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−228621（ＪＰ，Ａ)

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃焼室内壁に、噴射燃料を集合させる集合
   空間を形成するための段部を形成し、上記集合空間内に
   点火手段を設けると共に、上記段部にそのスワール流れ
   方向後方の空間から上記集合空間に連通させて空気通孔
   を形成したことを特徴とする内燃機関。
2. 【請求項２】上記段部が、上記燃焼室の内壁にその高さ
   方向に沿って該燃焼室の底面から隆起させて突出形成さ
   れた前記特許請求の範囲第１項記載の内燃機関。
3. 【請求項３】上記燃焼室が、その内壁に区画されて平断
   面角形状の角形燃焼室で形成された前記特許請求の範囲
   第１項または第２項記載の内燃機関。
4. 【請求項４】上記段部が、これよりスワール流れ方向後
   方の上記燃焼室内壁に間隔を隔てて相対向する段部壁を
   有する前記特許請求の範囲第１項〜第３項いずれかの項
   に記載の内燃機関。
5. 【請求項５】上記段部が、上記燃焼室内壁に向けて燃料
   を噴射する燃料噴射ノズルの噴口からの燃料噴射方向の
   スワール流れ方向後方の該燃焼室内壁に、その高さ方向
   に沿って燃焼室底面から隆起させて突出形成された前記
   特許請求の範囲第１項〜第４項いずれかの項に記載の内
   燃機関。
6. 【請求項６】上記噴口が、上記燃料噴射ノズルに、上記
   燃焼室内壁の周方向に沿って互いに間隔を隔てて複数設
   けられた前記特許請求の範囲第５項記載の内燃機関。
7. 【請求項７】上記段部が、上記複数設けられた噴口のう
   ち少なくとも１つの噴口からの燃料噴射方向のスワール
   流れ方向後方の上記燃焼室内壁に、その高さ方向に沿っ
   て燃焼室底面から隆起させて突出形成された前記特許請
   求の範囲第６項記載の内燃機関。
8. 【請求項８】上記噴口が、中・高負荷域で上記燃焼室内
   壁に向けて燃料を噴射する主噴口と、全負荷域で上記燃
   焼室内壁に向けて燃料を噴射する副噴口とから構成され
   た前記特許請求の範囲第３項記載の内燃機関。
9. 【請求項９】上記段部が、上記副噴口からの燃料噴射方
   向のスワール流れ方向後方の上記燃焼室内壁に、その高
   さ方向に沿って燃焼室底面から隆起させて突出形成され
   た前記特許請求の範囲第８項記載の内燃機関。