JPH09170439A

JPH09170439A - 副室式エンジン

Info

Publication number: JPH09170439A
Application number: JP7348180A
Authority: JP
Inventors: Akira Tono; 晃東野; Hiroshi Matsuoka; 寛松岡; Hideo Kawamura; 英男河村
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1995-12-19
Filing date: 1995-12-19
Publication date: 1997-06-30

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、連絡口、ノズル挿入孔及び隙間の
通路断面積を適正化し、絞り損失、スモーク発生量を低
減し、燃費を向上させる副室式エンジンを提供する。【解決手段】この副室式エンジンは、ピストン８のシ
リンダ軸のほぼ中央に形成された副室２とシリンダ３側
に形成された主室１を連通するノズル挿入孔１５と放射
方向に延びる複数の連絡孔７をピストン８に形成する。
シリンダヘッド５に配置した燃料噴射ノズル１０はピス
トン上死点付近でノズル挿入孔１５に突入して副室２に
燃料を噴射する。連絡孔７の総通路断面積、ノズル挿入
孔１５の断面積及び隙間１９の断面積は、シリンダボア
の断面積に対して最適条件に設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、主室、該主室に連絡
孔で連通した副室及び副室に燃料を噴射する燃料噴射ノ
ズルを有するピストンに副室を持つ副室式エンジンに関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、副室式エンジンとして、ピストン
のシリンダ軸のほぼ中央に副室を形成し、シリンダ側に
主室を形成し、主室と副室とを連通するノズル挿入孔と
前記ノズル挿入孔の回りに隔置して放射方向に延びる複
数の連絡孔をピストンに形成し、シリンダヘッドに配置
された燃料噴射ノズルをノズル挿入孔に突入させて副室
内に燃料を噴射するものが知られている（例えば、特開
平７−４２４９号公報参照）。上記のような副室式エン
ジンは、燃料噴霧を副室に噴射し、副室で着火燃焼さ
せ、その噴出エネルギーによって未燃混合気や火炎の燃
焼ガスを主室に噴出させて主室で二次燃焼させる形態と
なっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような副室式エンジンでは、ＮＯ_Xを低減できる燃焼が
可能であり、副室での混合、燃焼、主室への部分燃焼混
合気の噴出が、エンジン性能への影響が大きいことが知
られている。また、副室式エンジンにおいて、燃焼に影
響の大きい副室、主室間の空気流動速度は、副室と主室
とを連通する連絡孔の通路断面積により決定され、連絡
孔の通路断面積を小さく構成すると空気流動は速く、連
絡孔の通路断面積を大きく構成すると空気流動は遅くな
ると考えられる。

【０００４】一般に、副室式エンジンでは、連絡孔の通
路断面積をシリンダボアの断面積の１．５％以下とする
と、連絡孔を通過する燃焼ガスの移動時に発生する絞り
損失が大きくなり、このため、フリクションが大きく、
燃費が悪化することが知られている。

【０００５】ところで、本出願人は、上記の課題を解決
するため、ピストンに副室を持つ副室式エンジンを開発
して先に特願平６−９５４３５号として出願した。該副
室式エンジンは、副室をピストンに構成した副室とシリ
ンダ側に形成した主室を複数の連絡孔で連通し、シリン
ダヘッドに設けた燃料噴射ノズルとグロープラグとをピ
ストンに形成したノズル挿入孔とプラグ孔に上死点近傍
で突入させ、始動性を向上させ、燃料噴射ノズルとグロ
ープラグのノズル挿入孔とプラグ孔の閉鎖期間即ち閉塞
期間を適正化して主たる燃焼期間中は維持して連絡孔を
通じてのみ副室から主室へ火炎、未燃混合気等のガスを
噴出させると共に、副室での燃焼期間を持続させてＮＯ
_Xの発生を抑制し、連絡孔の絞り損失を低減させると共
に連絡孔面積が過大になることを防止し、シリンダ中央
に設けた副室から連絡孔を通じて主室へ噴出する噴流の
シリンダ周辺までの到達距離を短くして燃焼期間を短縮
し、エンジン性能を向上させると共に、スモーク、Ｈ
Ｃ、ＮＯ_X等の発生を抑制できるものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明の目的は、ピス
トンのシリンダ軸のほぼ中央に副室を形成し、シリンダ
側に形成された主室と前記副室とを連通する複数の連絡
孔と燃料噴射ノズルが突入できるノズル挿入孔とを前記
ピストンに形成した副室式エンジンにおいて、連絡孔、
シリンダボア、ノズル挿入孔及び燃料噴射ノズルの各断
面積の相互関係を適正化し、即ち、シリンダボアと連絡
孔との面積比、シリンダボアとノズル挿入孔との面積
比、及びシリンダボアと燃料噴射ノズルとノズル挿入孔
との間の隙間との面積比を適性化し、スモーク、ＮＯ_X
等の発生を低減し、エンジンフリクションを低減して性
能や燃費を向上させる副室式エンジンを提供することで
ある。

【０００７】この発明は、ピストンのシリンダ軸のほぼ
中央に形成された副室、シリンダ側に形成された主室、
前記主室と前記副室とを連通する前記ピストンに形成さ
れたノズル挿入孔と前記ノズル挿入孔の回りに隔置して
放射方向に延びる複数の連絡孔、及びシリンダヘッドに
配置され且つピストン上死点付近で前記ノズル挿入孔に
突入して前記副室内に燃料を噴射する燃料噴射ノズルか
ら成る副室式エンジンにおいて、前記連絡孔の総通路断
面積はシリンダボアの断面積の１．５％以下に設定さ
れ、前記ノズル挿入孔の断面積は前記シリンダボアの断
面積の０．５％〜１．７％の範囲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。

【０００８】また、この副室式エンジンは、前記燃料噴
射ノズルが前記ノズル挿入孔に突入した状態において、
前記燃料噴射ノズルの外周面と前記ノズル挿入孔との間
に形成される隙間の断面積は前記シリンダボアの断面積
の０．１％〜０．８％の範囲に設定されているものであ
る。

【０００９】この副室式エンジンは、上記のように構成
され、燃料噴射ノズルをノズル挿入孔に突入させて主室
と副室との間の通路断面積の一部閉塞量を適正化し、火
炎、未燃混合気や火炎等のガスを副室から複数の連絡孔
を通じて主室へ噴出させ、その噴出エネルギーで主室の
新気を巻き込ませ、前記副室で燃料リッチで燃焼し、Ｎ
Ｏ_Xの発生を抑制し、その期間の空気流動を速くして噴
出エネルギーを増大させ、次いで副室での燃焼以外の行
程の前記通路断面積をノズル挿入孔分だけ大きくし、主
室内に存在する新気と混合を促進して燃焼スピードをア
ップし、エンジンフリクションＰ_{m f}（機械損失平均有
効圧）を低減させ、エンジン出力Ｐ_{m i}（図示平均有効
圧）や燃費を向上させ、スモークの発生量を低減する。

【００１０】

【発明の実施の形態】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けるピストンヘッド
の上面図である。

【００１１】この副室式エンジンは、アルコール燃料、
軽油等の液体燃料を燃料噴射ノズル１０から副室２内に
噴射して燃焼させるディーゼルエンジンであり、アルミ
ニウム、アルミニウム合金、鋳鉄等の金属材料から成る
シリンダブロック６、及びシリンダブロック６にガスケ
ット１７を介在して固定されたアルミニウム合金等の金
属材料から成るシリンダヘッド５を有している。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１３
が形成され、孔部１３にはシリンダ３を形成するシリン
ダライナ１２が嵌合されている。また、シリンダヘッド
５には、各シリンダ３に対応して吸排気ポート（図示せ
ず）が形成され、吸排気ポートには吸排気弁（図示せ
ず）が配置されている。シリンダライナ１２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。

【００１２】この副室式エンジンにおいて、主室１は、
シリンダヘッド下面１８とピストン頂面９との間のシリ
ンダ３側に形成されている。ピストン８のピストンヘッ
ド２１において、シリンダ周辺に向かってピストン頂面
９へと延びるテーパ面から成る凹部４が形成され、ピス
トンヘッド２１のシリンダ軸のほぼ中央にキャビティ１
４が形成されている。凹部４は主室１の一部を構成し、
副室２はキャビティ１４によって構成されている。燃料
噴射ノズル１０は、シリンダヘッド下面１８から突出し
てシリンダヘッド５に配置され、ピストンヘッド２１の
副室２内に燃料を噴霧するため複数の多噴孔１１を有す
る。また、燃料噴射ノズル１０は、燃焼室に突出して曝
される外面には遮熱カバー１６で保護されている。

【００１３】この副室式エンジンは、主室１と副室２と
を連通するため、ピストンヘッド２１に周方向に互いに
隔置して複数個（図２では、８個）の連絡孔７が形成さ
れている。ピストン８に形成した副室２の容積比につい
ては、圧縮端における全体燃焼室の容積に対する副室２
の容積比は、例えば、約３５〜６５％に設定されてい
る。連絡孔７は、副室２の中心から偏心した周方向に隔
置してシリンダ周辺方向に放射状に延びるように、ピス
トンヘッド２１に形成されている。また、ピストン８の
ピストン頂部２０には、その中央に燃料噴射ノズル１０
がピストン上死点近傍で突入できるノズル挿入孔１５が
形成されている。

【００１４】ピストン頂部２０に形成したノズル挿入孔
１５には、ピストン上死点付近で燃料噴射ノズル１０が
突入するが、ノズル挿入孔１５に燃料噴射ノズル１０が
突入した状態では、燃料噴射ノズル１０の外面、図１で
は、正確には遮熱カバー１６の外面とノズル挿入孔１５
の壁面との間に、僅かな隙間１９が形成され、ノズル挿
入孔１５が殆ど閉塞状態になるものである。そして、燃
料噴射ノズル１０は、ピストン８の圧縮行程上死点近傍
で多噴孔１１から副室２内に燃料を噴射できるものであ
る。なお、エンジン始動性を良好にするためグロープラ
グを設けた場合には、ピストン頂部２０のプラグ挿入孔
を形成するが、その場合にはノズル挿入孔１５と同様に
ピストン上死点付近で突入するものとなる。

【００１５】この発明による副室式エンジンは、上記構
成において、ピストン８のシリンダ軸のほぼ中央に形成
された副室２、シリンダ３側に形成された主室１、主室
１と副室２とを連通するノズル挿入孔１５とノズル挿入
孔１５の回りに隔置して放射方向に延びる複数の連絡孔
７、及びシリンダヘッド５に配置された燃料噴射ノズル
１０から成り、特に、連絡孔７の総通路断面積がシリン
ダボアの断面積の１．５％以下に設定され、ノズル挿入
孔１５の断面積はシリンダボアの断面積の０．５％〜
１．７％の範囲に設定されていることを特徴とするもの
である。更に、この副室式エンジンは、燃料噴射ノズル
１０がノズル挿入孔１５に突入した状態において、燃料
噴射ノズル１５の外周面とノズル挿入孔１５との間に形
成される隙間１９の断面積がシリンダボアの断面積の
０．１％〜０．８％の範囲に設定されていることを特徴
とするものである。

【００１６】これらの数値限定は、図３、図４及び図５
の各グラフに示されているエンジンのテスト結果のデー
タに基づいているものである。以下の説明を分かり易く
するため、各図において、連絡孔７の総通路断面積（以
下、連絡孔面積という）に対するシリンダボアの断面積
（以下、ボア面積という）の面積比〔（連絡孔面積）／
（ボア面積）〕を連絡孔面積比Ａとする。ノズル挿入孔
１５の通路断面積（以下、ノズル挿入孔面積という）に
対するボア面積の面積比〔（ノズル挿入孔面積）／（ボ
ア面積）〕をノズル挿入孔面積比Ｂとする。また、燃料
噴射ノズル１０がノズル挿入孔１５に突入した状態で形
成される隙間１９の通路断面積（以下、隙間面積とい
う）に対するボア面積の面積比〔（隙間面積）／（ボア
面積）〕を隙間面積比Ｃとする。

【００１７】図３には、連絡孔７の総通路断面積とシリ
ンダボアの断面積との面積比Ａに対するエンジンフリク
ションＰ_{m f}（機械損失平均有効圧）、スモークの発生
量Ｓ及びエンジン出力Ｐ_{m i}（図示平均有効圧）の関係
のデータのグラフが示されている。図３において、プロ
ット○印の曲線Ｅは、ノズル挿入孔面積比Ｂが０．３％
であり、隙間面積比Ｃが０．２％である場合のデータで
ある。プロット□印の曲線Ｆは、ノズル挿入孔面積比Ｂ
が０．９％であり、隙間面積比Ｃが０．２％である場合
のデータである。また、プロット△印の曲線Ｇは、ノズ
ル挿入孔面積比Ｂが１．５％であり、隙間面積比Ｃが
０．２％である場合のデータである。

【００１８】図３から分かるように、エンジンフリクシ
ョンＰ_{m f}は、曲線Ｅ、曲線Ｆ及び曲線Ｇに示すよう
に、連絡孔面積比Ａが大きくなるに従って低減し、連絡
孔面積比Ａが１．５％程度を境にそれ以上ではエンジン
フリクションＰ_{m f}がほとんど変化がないことが分か
る。スモーク発生量Ｓは、曲線Ｈ、曲線Ｉ及び曲線Ｊで
示すように、連絡孔面積比Ａが大きくなるに従って増大
し、連絡孔面積比Ａが１．５％以下の範囲では、スモー
ク発生量Ｓが低い範囲内であることが分かる。エンジン
出力Ｐ_{m i}は、曲線Ｈで示すように、プロット○印、□
印及び△印が重なり、連絡孔面積比Ａが大きくなるに従
って低減し、１．５％以上ではほとんど変化がないこと
が分かる。

【００１９】図４には、ノズル挿入孔面積比Ｂに対する
エンジンフリクションＰ_{m f}、スモークの発生量Ｓ及び
エンジン出力Ｐ_{m i}の関係のデータのグラフが示されて
いる。図４において、エンジンフリクションＰ_{m f}は、
曲線Ｌで示すように、ノズル挿入孔面積比Ｂが０．５％
より小さい領域ではエンジンフリクションＰ_{m f}が大き
過ぎて適用することができず、ノズル挿入孔面積比Ｂが
大きくなるに従ってエンジンフリクションＰ_{m f}が低減
し、連絡孔面積比Ａが１．５％程度を境にそれ以上では
エンジンフリクションＰ_{m f}がほとんど変化がないこと
が分かる。スモーク発生量Ｓは、曲線Ｍで示すように、
ノズル挿入孔面積比Ｂが大きくなるに従って増大し、ノ
ズル挿入孔面積比Ｂが１．５％〜１．７％以上の範囲で
は、スモーク発生量が多過ぎて適用できないことが分か
る。また、エンジン出力Ｐ_{m i}は、曲線Ｎで示すよう
に、ノズル挿入孔面積比Ｂが大きくなるに従って低減
し、１．５％〜１．７％を境に急激に低下し、適用でき
ないことが分かる。

【００２０】図５には、隙間面積比Ｃに対するエンジン
フリクションＰ_{m f}、スモークの発生量Ｓ及びエンジン
出力Ｐ_{m i}の関係のデータのグラフが示されている。図
５において、エンジンフリクションＰ_{m f}は、曲線Ｐで
示すように、０．１％以下では大きくなり過ぎて適用で
きず、隙間面積比Ｃが大きくなるに従って僅かに低減す
るが、余り変化がないことが分かる。スモーク発生量Ｓ
は、曲線Ｑで示すように、隙間面積比Ｃが大きくなるに
従って増大し、隙間面積比Ｃが０．８％を境にそれ以上
の範囲では、スモーク発生量Ｓが多過ぎて適用できない
ことが分かる。また、エンジン出力Ｐ_{m i}は、曲線Ｒで
示すように、隙間面積比Ｃが大きくなるに従って僅かに
低減するが、余り変化がないことが分かる。

【００２１】この副室式エンジンは、上記のことより、
連絡孔面積比Ａは、１．５％以下に設定されることがス
モーク発生量Ｓを低減することから好ましいことが分か
る。また、ノズル挿入孔面積比Ｂは、０．５％以上に設
定されることがエンジンフリクションＰ_{m f}を低減で
き、また、ノズル挿入孔面積比Ｂは、１．７％以下に設
定されることがスモーク発生量Ｓを低減できることか
ら、ノズル挿入孔面積比Ｂは０．５％〜１．７％の範囲
に設定されることが好ましい。更に、隙間面積比Ｃは、
０．１％以下ではエンジンフリクションＰ_{m f}が大きく
なり過ぎて適用できず、０．８％以上ではスモーク発生
量Ｓが急激に多くなり過ぎることから、隙間面積比Ｃは
０．１％〜０．８％の範囲に設定されることが好まし
い。

【００２２】この副室式エンジンは、上記のとおりであ
り、燃焼室の一部を副室２に構成することによって、副
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の発生を低減させることができ、連絡
孔７を複数設けて連絡孔通路面積を大きくして絞り損失
を低減し、熱効率を向上できる。また、副室２から主室
１への噴出エネルギーは連絡孔７が主室１の壁面までの
距離が短く、周辺まで短期に噴出し、噴流のペネトレー
ションが良好になり、主室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７の通路面積をトータルとして大きくでき
且つ主室１に存在する新気と副室２からの噴流との混合
を促進するため、連絡孔７をノズル挿入孔１５から隔置
した周方向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７から噴出される噴流によって主室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。
また、副室２の上面の中心軸上に多噴孔１１を備えた燃
料噴射ノズル１０が設置され、燃料噴射ノズル１０から
の燃料噴射によって着火し、爆発行程に移行し、副室２
から主室１へと火炎、未燃混合気等のガスは噴出する
が、連絡孔７の持つ傾斜角度の効果によって主室１内で
新気との混合を促進し、主室１内の外周付近まで短期に
火炎を到達させる。主室１へ一気に噴出し、主室１内の
新気との混合を促進する。また、ノズル挿入孔１５の閉
塞期間を燃料噴射ノズル１０の副室２内への突出量で適
正化でき、主たる燃焼期間中には副室２から周辺の連絡
孔７を通じて火炎、未燃混合気等のガスを噴出エネルギ
ーを大きくして長いペネトレーションで主室１へ噴き出
させることができ、シリンダ周辺に存在する新気との混
合を促進し、燃焼期間を短縮して短期に燃焼を完結させ
ることができ、スモーク、ＨＣ、ＮＯ_X等の発生を低減
でき、エンジン性能をアップして熱効率を向上できる。

【００２３】また、この副室式エンジンは、図示してい
ないが、連絡孔７を形成したピストンヘッド２１の領域
を、セラミックス、耐熱合金等の耐熱性に優れる材料で
作製すると、連絡孔７自体の開口をシャープな形状に形
成でき、エンジン性能を向上させることができる。ま
た、主室１の燃焼を考えた場合、主室１は副室２からの
火炎と混合気の噴流エネルギーにより混合燃焼が促進さ
れる。更に、燃料噴射ノズル１０によるノズル挿入孔１
５の閉塞期間は、例えば、上死点前後のクランク角３０
°以上に設定されている。燃料噴射ノズル１０によるノ
ズル挿入孔１５の閉塞期間は、主たる燃焼期間が終了す
るまでは閉鎖しておくことがエンジン性能即ち出力をア
ップするため好ましいものである。主たる燃焼期間は、
上死点後でほぼクランク角度で５０°程度であるが、ク
ランク角度でほぼ３０°以上であれば、エンジン性能即
ち出力をアップする点からも好ましいものである。

【００２４】

【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、シリンダ軸のほぼ中央に配置した副室をピス
トンに形成し、シリンダヘッドに配置した燃料噴射ノズ
ルをピストン上死点付近でピストン頂部に形成ノズル挿
入孔から副室内に突入させ、副室での着火燃焼時にはノ
ズル挿入孔を燃料噴射ノズルで隙間を小さくし、前記連
絡孔、前記隙間及び前記ノズル挿入孔の通路断面積を最
適条件に適正化したので、前記連絡孔及び前記ノズル挿
入孔による絞り損失が低減でき、スモークの発生量を低
減でき、燃費を向上させることができる。また、この副
室式エンジンは、副室での着火燃焼を良好にしてＮＯ_X
の発生を低減し、前記副室から主室への噴流の到達距離
が短く、二次燃焼期間を短縮し、性能をアップできる。

【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ピストンヘッドの上面
図である。

【図３】副室式エンジンにおける連絡孔面積比に対する
エンジンフリクション、スモークの発生量及びエンジン
出力の関係を示すグラフである。

【図４】副室式エンジンにおけるノズル挿入孔面積比に
対するエンジンフリクション、スモークの発生量及びエ
ンジン出力の関係を示すグラフである。

【図５】副室式エンジンにおける隙間面積比に対するエ
ンジンフリクション、スモークの発生量及びエンジン出
力の関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１主室２副室３シリンダ５シリンダヘッド７連絡孔８ピストン９ピストン頂面１０燃料噴射ノズル１１多噴孔１４キャビティ１５ノズル挿入孔１９隙間２０ピストン頂部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ピストンのシリンダ軸のほぼ中央に形成
された副室、シリンダ側に形成された主室、前記主室と
前記副室とを連通する前記ピストンに形成されたノズル
挿入孔と前記ノズル挿入孔の回りに隔置して放射方向に
延びる複数の連絡孔、及びシリンダヘッドに配置され且
つピストン上死点付近で前記ノズル挿入孔に突入して前
記副室内に燃料を噴射する燃料噴射ノズルから成る副室
式エンジンにおいて、前記連絡孔の総通路断面積はシリ
ンダボアの断面積の１．５％以下に設定され、前記ノズ
ル挿入孔の断面積は前記シリンダボアの断面積の０．５
％〜１．７％の範囲に設定されていることを特徴とする
副室式エンジン。
【請求項２】前記燃料噴射ノズルが前記ノズル挿入孔
に突入した状態において、前記燃料噴射ノズルの外周面
と前記ノズル挿入孔との間に形成される隙間の断面積は
前記シリンダボアの断面積の０．１％〜０．８％の範囲
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。