JPS5857611B2 - 複室式内燃機関 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、第１および第２燃焼室のうち、第１燃焼室の
所定の壁に燃料を燃料供給手段および渦流によって積極
的に接触することにより、この壁で燃料を瞬時に蒸発さ
せると共に、この気化燃料と空気を渦流によって良好に
混合し、この混合気を渦流のほぼ中心部で点火し、しか
るのちこの火炎噴流を第２燃焼室へ供給するとともに、
該火炎噴流を凹凸状の伝熱部を通じて第２燃焼室のほぼ
全域に亘って到達させることにより、高効率の燃焼を図
り炭化水素および窒素酸化物等の発生を防止する複室式
内燃機関に関するものである。

本発明において、第１燃焼室は、後述の第２燃焼室より
大きな容積で、この第２燃焼室とは連通口にて連通され
て内部に強力な渦流を生起するように形成され、しかも
内部に燃料供給手段および点火手段の一部を臨ましであ
る。

これにより、第１燃焼室は、前記第２燃焼室から空気の
供給を受けこれに前述の気化促進する燃料を供給して所
定空燃比の混合気を形成し主に点火、燃焼を司るもので
ある。

これに対して第２燃焼室は、前記第１燃焼室より小さい
容積でピストン、シリンダおよびシリンダヘッドの間に
形成され、エアクリーナよりエアバルブを介して所定量
の空気が供給されこの空気を前記第１燃焼室へ圧送する
と共に、第１燃焼室からの火炎噴流を消炎することなく
受は入れるという主に圧縮、膨張を司るものである。

これまで、本発明者等が案出した複室式内燃機関では、
第１燃焼室の容積が、これと第２燃焼室との総容積（間
隙容積）の１０％以上であり、構造簡素化のため、第１
燃焼室には混合気吸入のための第１吸気弁を設けずに、
燃料噴射弁が配設されている。

そして、燃料は、燃料噴射弁から直接第１燃焼室に噴射
されこの噴霧流を点火栓によって点火している。

このため、燃料は、噴霧が粒状のままで燃焼されること
となる。

しかし、従来市販の燃料噴射弁では、十分に微小な粒を
発生することは困難であるため、完全燃焼を期すること
は極めて難しい。

従って、前記第１燃焼室内では、未燃の燃料や煤が発生
し、未燃炭化水素ＨＣの排出率は増大し、黒煙を排出す
ることとなる。

また、このとき、第１燃焼室では、大粒で可及的に大量
な燃料が供給されるため気化が不十分となり、しかも点
火栓が該燃料により濡らされ点火作用を十分に遂行でき
なくなる。

さらに、第１燃焼室の容積が第２燃焼室の容積より大き
い場合には、ピストンの頂部と第２燃焼室の土壁との相
対向する隙間は非常に狭小となる。

従って、第１燃焼室で発生した火炎は、連通口を通じて
第２燃焼室に導かれたのち前記狭小な隙間中に導かれれ
ば、該隙間によって消炎される。

このため、第２燃焼室においては、完全燃焼を期すこと
ができない。

これに伴って、燃焼温度が低下するために、排気ガス中
に含まれる有害成分である窒素酸化物（ＮＯＸ）の発生
はなくなるが、同時に炭化水素（ＨＣ）等の未燃有害成
分が多量に発生し、燃焼効率が低下するという実用上の
問題があった。

このため、本発明者等は燃焼温度を下げた状態で、炭化
水素等の未燃有害成分を発生させずに、燃焼効率を高め
る各種の燃焼法および複室式内燃機関の研究、開発を試
みた。

本発明は、上記問題点を解消するもので、本発明者等が
行った数次の実験及び理論解析で得られた第１および第
２燃焼室で起る諸現象に着目し、第１燃焼室内に供給さ
れる燃料を燃料供給手段および渦流によって速やかに第
１燃焼室の高温の固体表面に相当する壁部に接触させて
気化促進し、この気化燃料と空気を渦流によって良好に
混合し、この混合気を渦流のほぼ中心部で点火して完全
燃焼させ、炭化水素および窒素酸化物等の発生を防止す
る複室式内燃機関を提供することを目的とする。

本発明の複室式内燃機関は、シリンダ内に往復運動して
クランク軸に回転運動を与えるピストンと、このピスト
ンとシリンダヘッドとの間に形成される第２燃焼室と、
この第２燃焼室に連通ずる吸気通路を開閉する吸気弁機
構と、第２燃焼室に連通ずる排気通路を開閉する排気弁
機構と、第２燃焼室に連通口を介して連通し内部に回転
速度の速い渦流を生起する第１燃焼室と、この第１燃焼
室に形成される渦流のほぼ中心部に点火部を臨ませる点
火手段と、第１燃焼室内の燃焼により所定の温度になる
第１燃焼室の壁に向けて広角に所定量のガソリン、ディ
ーゼル油、灯油等の燃料を供給する燃料供給手段と前記
第２燃焼室の相対向する土壁または下壁の少なくとも一
方に配設し、前記連通口の軸方向に沿い燃焼により所定
の温度となる凹凸状の伝熱部から成るのである。

上記構成よりなる本発明の複室式内燃機関は、運転時に
おいて前記燃料供給手段および渦流により第１燃焼室の
高温なる前記所定の壁に燃料を接触させ、第１燃焼室の
壁により燃料を壁面蒸発させて燃料の気化を促進し、か
つ前記渦流のほぼ中心部にて点火しこの火炎噴流を第１
燃焼室より連通口を通じて第２燃焼室へ供給するととも
に、該火炎噴流を凹凸状の伝熱部を通じて第２燃焼室の
ほぼ全域に亘って到達させることにより、高効率の燃焼
を図り炭化水素、および窒素酸化物等の有害成分の発生
を防止することができる作用効果を有する。

以下、本発明の各実施例を図面に基づき説明する。

第１実施例の複室式内燃機関は、第１図ないし第３図々
示のように、４サイクル火花点火式レンプロエンジンに
本発明を適用したもので、エンジン本体はシリンダヘッ
ドおよびシリンダブロック１２から成り、また燃焼室は
第１燃焼室１０ｂとこれより容積の小さい第２燃焼室２
０ｂから構成されている。

このシリンダブロック１２には、シリンダを設けると共
に、シリンダ内にクランク軸（図示せず）とコンロッド
を介接して連動するピストン１６を往復運動可能に配設
しである。

第１実施例の複室式内燃機関は、第１燃焼室１０ｂの内
壁２２ｂ面でガソリンを蒸発気化するものであるが、第
１燃焼室１０ｂで発生した火炎を第２燃焼室２０ｂの土
壁とピストン１６の頂部１６ｂとの相対向する狭小間隙
８ｂへ導くに当って、ピストン１６の頂部１６ｂに所定
温度となる凹凸状の伝熱部としてのフィン４０を用いる
ものである。

第２燃焼室の下壁であるピストン１６には、その頂部１
６ｂのほぼ平面に、第１図ないし第３図図示のように、
連通口１９ｂの軸心を中心として放射状で断面がほぼ三
角形状の溝４０ｂを設けて複数の三角状のフィン４０を
形成しである。

この三角状のフィン４０は、その高さをピストン１６の
頂面の温度境界層の厚さく約１〜３ｍｍ）より高くして
あり、これによってフィン４０の三角形頂点の温度は高
くなり、この熱伝導によってフィン４０の三角形底部の
温度も上昇するようにしである。

このフィン４０は、第３図々示のようにピストン１６の
頂部１６ｂにおいて連通口１９ｂの近傍より周縁に亘っ
て配設してあり、第１図々示のように連通口１９ｂの近
接部分で一番深く周縁に至るに従って徐々に浅くなるよ
うに形成する。

そして、シリンダヘッドには、吸気通路１１ａに連通ず
る吸気通路と排気通路に連通ずる排気孔（共に図示せず
）とが第２燃焼室２０ｂに開口連通され、それぞれには
吸気弁２１と排気弁がエンジンの回転に同期して所定時
期に開閉制釧１可能に配設されている。

この吸気通路１１ａはエアクリーナよりエアバルブを介
して前記第２燃焼室２０ｂへ空気を供給するようにしで
ある。

連通口１９ｂはその開口軸線を第１燃焼室１０ｂの内壁
２２ｂに対して接線的に沿わせである。

これにより、第２燃焼室２０ｂ内に導入された空気は、
連通口１９ｂを介して接線的に第１燃焼室１０ｂ内に導
入され第１図に示すように第１燃焼室１０ｂ内に回転速
度の速い即ち強力な渦流２３を形成する。

本第１実施例の複室式内燃機関の燃料供給手段は、第１
燃焼室１０ｂ内に噴射孔２４を臨ました渦巻噴射弁２５
と、吸気通路１１ａ内の吸入空気量を検出する空気流量
計とエンジンの回転数を検出する回転計と、前記吸入空
気量およびコンジン回転数の信号をもとにして、エンジ
ン冷却水温度を考慮して、エンジンの運転条件に応じた
燃料、例えばガソリンの噴射量を制両する信号を出力す
るコントロールユニットと、このコントロール信号に応
じた量θつ加圧ガソリンを渦巻噴射弁２５に供給する燃
料供給装置とからなる（共に図示せず）。

渦巻噴射弁２５は、電磁又は電子制師式であり燃料供給
装置から供給された所定量の加圧ガソリンを渦巻室に接
線通路を通じて接線的に導入し、渦巻室内に強力な旋回
流を形成し、針弁を介して噴射孔２４より広い噴射角（
９０°〜１２０°）でガソリンの薄膜を第１燃焼室１０
ｂの内壁２２ｂへほぼその全域に亘って噴射するように
しである。

また、点火手段は、その点火栓５を第１燃焼室１０ｂ内
に形成される渦流２３のほぼ中心部３０に点火部５０が
開口するように設け、前記渦巻噴射弁２５の近傍に配設
する。

上記構成よりなる第１実施例の複室式内燃機関は、第２
図々示のように、通常の噴射弁よりはるかに広い噴射角
（９０°〜１２０°）で噴霧を噴射する渦巻噴射弁２５
からエンジンの吸気行程の終り、または圧縮行程の始め
にガソリン噴射を行い、所定温度の第１燃焼室１０ｂの
内壁２２ｂ面で、全ガソリンを急速に蒸発気化させるも
のである。

このように、ガソリンを高温の壁面に接触させることに
よりガソリンは高温気中で効率良く気化され、その気化
速度は数倍から数十倍速くなる。

第１燃焼室１０ｂは、第２図々示のように内部で渦流２
３を容易に発生する形状としたので、圧縮行程では連通
口１９ｂを通じて第２燃焼室２０ｂから第１燃焼室１０
ｂに向けて接線的に流入する流れによって第１燃焼室１
０ｂ中に回転速度の速い渦流２３が確実に生ずる。

このように、第２燃焼室２０ｂから第１燃焼室１０ｂへ
流れ込む渦流２３が発生するため、第１燃焼室１０ｂ内
に噴射されたガソリンの粒は、渦流２３と共に旋回しそ
の遠心力により第１燃焼室１０ｂの内壁２２ｂ面に付着
して瞬間的に蒸気となり、その気化燃料は空気と良好に
混合する。

従って、圧縮行程中において、第１燃焼室内の渦流２３
は、強力に旋回して第２燃焼室２０ｂへは流れ出すこと
がない。

ただし、圧縮行程において第２燃焼室２０ｂから第１燃
焼室１０ｂへ流れ込む流れは、第１燃焼室１０ｂと第２
燃焼室２０ｂの連通口１９ｂの断面積を十分に大きくす
れば、第２燃焼室２０ｂと第１燃焼室１０ｂ内の圧力差
は小さくなるので、第１燃焼室１０ｂ内の渦流２３はい
わゆる自然渦とはならず、むしろ全体が固体のように回
転する強制渦となる。

しかし第１燃焼室１０ｂ内においては、前記自然渦また
は強制渦いずれにしても第２図中符号３０にて示すよう
な渦心が発生することとなる。

この渦心３０上では、混合気流の回転速度は零となるの
で、第２図々示のように渦心３０上に点火栓５を配置し
てあり、これにより点火すれば、第１燃焼室１０ｂ内の
ガソリン蒸気と空気の混合気は容易に点火するのである
。

しかるのち、第１燃室１０ｂ内で点火、爆発した混合気
は、火炎噴流となって連通口１９ｂを通って第２燃焼室
２０ｂに流入しその火炎は、噴出力によってそのほぼ全
域に亘って到達する。

すなわち、前記第１燃焼室１０ｂより連通口１９ｂを通
じて第２燃焼室２０ｂへ供給される火炎噴流は、前記フ
ィン４０の表面の温度上昇によって第２燃焼室２０ｂへ
の消炎層（フェンチンブレイア−）の厚さく火炎が消去
される限界間隙）を薄くシ（間隙が狭まくでも火炎が消
えない）、かつフィン４０の案内作用を奏することによ
り、第２燃焼室２０ｂの土壁とピストン１６の頂部１６
ｂとの相対向する狭小隙間８ｂへ消炎されることなく確
実に通過させることができ、第２燃焼室２０ｂのほぼ全
域に亘って到達する。

この火炎噴流は、第２燃焼室２０ｂに入ると同時に、こ
の第２燃焼室２Ｏｂ内の空気と混合するため、その温度
は第１燃焼室１０ｂから噴出した瞬間の火炎噴流の温度
に比して低くなるので、第２燃焼室２Ｏｂ中での一酸化
窒素（ＮＯＸ）の発生は完全に抑制され、未燃の炭化水
素（ＨＣ）だけが燃焼することとなる。

また、本第１実施例の複室式内燃機関は、これを高出力
で運転する際には、吸気行程の終りから圧縮行程の始め
にかけて、第１燃焼室１０ｂ中にガソリンを噴射する。

この場合には、第１燃焼室１０ｂの内壁に接触しない微
小なガソリン粒だけが第２燃焼室２０ｂに流れ込むため
、第２燃焼室２０ｂおよび第１燃焼室１０ｂ内にそれぞ
れガソリンの微小粒とガソリン蒸気と空気の混合気が発
生することとなり、これによって出力は大きくなる。

一方低出力で運転する際には、圧縮行程で第１燃焼室１
０ｂ中にガソリンを噴射する。

この場合、第１燃焼室１０ｂ中にガソリン蒸気と空気の
混合気が発生し、第２燃焼室２０ｂ中は空気のみとなる
ことにより出力は低くなるのである。

このように本第１実施例の複室式内燃機関は、燃料の噴
射量と噴射時期を加減することにより、第１燃焼室１０
ｂ内における空燃比を点火に適した値に保つことができ
、しかも出力を広範囲に変えることができ実用上優れた
作用効果を有する。

さらに前記第１燃焼室１０ｂは、構造上ノッキング限界
が高くなるので、圧縮比を上げて燃料消費率を低くする
こともでき、必要に応じて渦給することも可能である。

従って、本第１実施例の複室式内燃機関は、第１燃焼室
１０ｂの内壁２２ｂ面によりガソリンを効率良く適確に
壁面蒸発させ、高効率の燃焼を可能にし、エンジンの運
転を安定円滑となし、さらに燃焼消費率の向上および炭
化水素、および窒素化合物等の有害成分の発生を防止す
る実用上有意義な作用効果を奏する。

なお、上記第１実施例においてフィン４０は、第２燃焼
室２０ｂの下壁であるピストン１６の頂部１６ｂに配設
してなるが、本発明はこれに限らず、この他に、第４図
々示のように、第２燃焼室２０ｂの土壁としてのシリン
ダヘッド１１の側壁１１ｂに、または第５図々示のよう
に第２燃焼室の土壁と下壁との両方に、すなわちピスト
ン１６の頂部１６ｂとシリンダヘッド１１の側壁１１ｂ
とに、それぞれ複数のフィン４０を前記連通口１９ｂの
軸心方向に対してほぼ平行に配列する実施態様をも採り
得る。

これら実施態様は、前記各実施例とほぼ同様の作用効果
を奏する。

次に、本第２実施例の複室式内燃機関を第６図及び第７
図に基づき説明する。

第２実施例の複室式内燃機関は、前記実施例と同様に、
第１燃焼室１０ｃの内壁２２ｃ面でガソリンを蒸発気化
するものであるが、第１燃焼室１０ｃで発生した火炎を
第２燃焼室２０ｃにおける狭小隙間８ｃへ導くに当って
、ピストン１６の頂部１６ｃに凹部４１とこれに連通ず
る凹凸状の複数の伝熱用フィン４０ｃを用いるもので以
下相違点を中心に述べる。

第２燃焼室２０ｃの下壁であるピストン１６には、その
頂部１６ｃのほぼ平面に、第６図及び第７図々示のよう
に、連通口１９ｃに近接して凹部４１を設けると共に、
この凹部４１を連通口１９ｃの軸心方向に沿い平行で所
定温度となる断面がほぼ三角形の溝を設けて形成する複
数の三角状のフィン４０ｃに連接しである。

この凹部４１は、第６図々示のようにピストン１６の頂
部１６ｃにおいて連通口１９ｃの近接部分で一番深く、
周縁に至るに従って徐々に浅くなるように形成する。

上記構成よりなる第２実施例の複室式内燃機関は、前記
第２燃焼室２０ｃに供給される火炎噴流を凹部４１によ
って損失なく安定、円滑に受は入れることができ、かつ
、くまなく複数のフィン４０ｃへ供給する作用を奏し、
さらにフィン４０ｃの温度上昇によって第２燃焼室２０
ｃへの消炎層の厚さを薄くし、かつフィン４０ｃの案内
作用を奏することにより、第２燃焼室２０ｃにおまる狭
小隙間８ｃへ消炎されることなく確実に通過させること
ができ、前記実施例に比して、より一層第２燃焼室２０
ｃの全域に亘って到達することができる。

従って、本第２実施例の複室式内燃機関は、前記実施例
に比し、第２燃焼室２０ｃにおける火炎噴流のより良好
な伝播を確保でき、一段と炭化水素等の未燃有害成分の
発生を阻止できるとともに、前記実施例と同様に第１燃
焼室の内壁面によってガソリンを壁面蒸発させることが
でき、高効率の燃焼をもたらし、燃料消費率の向上を図
るという作用効果を奏し、その他前記実施例とほぼ同様
な作用効果を奏する。

なお、上記第２実施例において凹部４１およびフィン４
０ｃは、第２燃焼室２０ｃの下壁であるピストン１６の
頂部１６ｃに配設してなるが、本発明はこれに限らず、
この他に第８図々示のように第２燃焼室２０ｃの土壁と
してのンリンダヘ゛ノド１１の端壁１１ｃに、または第
９図々示のように第２燃焼室２０ｃの土壁と下壁との両
方に、すなわちピストン１６の頂部１６ｃとシリンダヘ
ッド１１の端壁１１ｃとに、それぞれ四部４１ｃと複数
のフィン４０ｃを連通口１９ｃに対応して配設する実施
態様をも採り得る。

これら実施態様は、前記各実施例とほぼ同様の作用効果
を奏する。

また、前記第１および第２実施例においてフィンは、断
面三角形状であるが、この他に台形状、円弧状、矩形状
等の所定温度となる伝熱部とする実施態様を採り得て、
これらは前記実施例とほぼ同様の作用効果を奏する。

さらに、前記実施例において、燃料噴射弁は渦巻噴射弁
を用いるが、本発明はこれに限らずこの他に、噴孔より
噴射直後の燃料相互間の衝突によって第１燃焼室内へ広
域に亘り、燃料を液膜状に噴射する衝突ノズルでもよく
、また噴孔より後流に設けたカイト部材に燃料を衝突さ
せ、この燃料の噴射流の方向を変えて前記第１燃焼室内
へ広域に亘り燃料を液膜状に噴射する偏向ノズルでもよ
く、さらに第１燃焼室内壁に衝突すべく噴孔から噴射す
ることによりこの第１燃焼室内壁を広域に濡らす単孔ま
たは多孔のホールノズルでもよく、また、針弁の円錐部
を利用して広角に燃料噴射する外聞噴射弁でもよく、こ
れらは、前記各実施例とほぼ同様の作用効果を奏する。

以上、前記各実施例において、本発明の詳細な説明した
が、本発明はこれらに限定されるものではなく、各実施
例で組み合わせた要素の実施例間の変更が可能である。

その他、特許請求の範囲記載の精神に反しない限り、幾
多の設計変更および付加変更が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図は本発明の第１実施例内燃機関をそ
れぞれ示す縦断面ないし横断面図、第４図および第５図
は第１実施例の他の例をそれぞれ示す縦断面図、第６図
および第７図は本発明の第２実施例内燃機関をそれぞれ
示す縦断面および横断面図である。 図中、１０ ｂ 、 １０ ｃ・”・第１燃焼室、２２
ｂ。 ２２ｃ・・・・・・内壁、２０ｂ 、２０ｃ・・・・・
・第２燃焼室、１９ｂ、１９ｃ・・・・・・連通口、５
・・・・・・点火栓、５０・・・・・・点火部、２５・
・・・・・燃料噴射弁、２４・・・・・・噴射孔、２３
・・・・・・渦流、３０・・・・・・両心、２１・・・
・・・吸気弁、１６・・・・・・ピストン、１２・・・
・・・シリンダブロック。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ シリンダ内に往復運動してクランク軸に回転運動を
   与えるピストンと、 該ピストンとシリンダとシリンダヘッドとの間に形成さ
   れる第２燃焼室と、 該第２燃焼室に連通ずる吸気通路を開閉する吸気弁機構
   と、 該第２燃焼室に連通ずる排気通路を開閉する排気弁機構
   と、 前記第２燃焼室に通運口を介して連通し内部に回転速度
   の速い渦流を生起する第１燃焼室と、該第１燃焼室に形
   成される渦流のほぼ中心部に点火部を臨ませる点火手段
   と、 該第１燃焼室内の燃焼により所定の温度になる第１燃焼
   室の壁に向けて広角に所定量の燃料を供給する燃料供給
   手段と、 前記第２燃焼室の相対向する土壁または下壁の少なくと
   も一方に配設し、前記連通口の軸心に関連して燃焼によ
   り所定の温度となる凹凸状の伝熱部とから成り、 運転時において前記燃料供給手段および渦流により第」
   燃焼室の高温なる前記所定の壁に燃料を接触させ、該第
   １燃焼室の壁により燃料を壁面蒸発させて燃料の気化を
   促進し、かつ該渦流のほぼ中心部にて点火しこの火炎噴
   流を第１燃焼室より連通口を連じて第２燃焼室へ供給す
   るとともに、さらに該火炎噴流を第２燃焼室のほぼ全域
   に亘って到達させることにより、高効率の燃焼を図り炭
   化水素および窒素酸化物等の有害成分の発生を防止した
   ことを特徴とする複室式内燃機関。 ２ 前記第２燃焼室は、その相対向する土壁または下壁
   の少なくとも一方に、前記連通口に近接して凹部を設け
   ると共に、該凹部を前記連通口の軸心に関連して設ける
   燃焼により所定の温度となる凹凸状の伝熱部に連接し、
   前記第１燃焼室より連通口を通じて第２燃焼室へ供給さ
   れる火炎噴流を該凹部より伝熱部を通じて第２燃焼室の
   ほぼ全域に亘って到達させるようにしたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の複室式内燃機関。 ３ 前記燃料供給手段は、前記第１燃焼室内に噴口を臨
   ませると共に、該噴口を第１燃焼室の内壁に指向させ、
   該噴口より前記クランク軸の回転と同期して所定のタイ
   ミングで計量された燃料を第１燃焼室の内壁のほぼ全域
   に亘って広角に噴射する燃料噴射装置から成ることを特
   徴とする特許請求の範囲第１または２項記載の複室式内
   燃機関。