JPS59150923A - 外部点火式の空気圧縮型内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、外部点火式の空気圧縮型内燃機関であって、
燃料が噴流によって大部分がピストン内に設けられてい
る回転体形状の燃焼室の壁面へ直接噴射され、流入空気
か公知の手段により燃料噴流の方向で回転運動をあたえ
られ、この回転運動によって燃料は蒸気の形で燃焼室壁
から次第にはく離されて空気と混合され、噴射ノズルが
燃焼室縁部の近（のシリンダヘッド内に位置し、噴射ノ
ズルに相対する点火装置かピストンの上死点位置で燃焼
室内へ入り込む位置を占めている一式のものに関する。

このような形式の内燃機関がドイツ連邦共和国特許第１
５７６０２０号明細書によって知られている。

混合気生成がもっばら燃焼室壁への燃料刺着によってな
される内燃機関の場合、燃焼室内の空気運動は二重の意
味を持つ。即ち、第１には燃焼室壁に付着した燃料の十
分迅速かつη効なはく離を生ぜしめ、第２にははく離に
続く燃料と空気との混合を生せしめるという二重の意味
である。この場合空気運動は２つの処置によ−って惹起
される。即ち、吸込行程中に生ずる燃焼室縦軸線を中心
とした燃焼用空気の回転と、燃焼室内への空気の流入に
伴って（圧縮行程）生ずる圧縮流゛とによって惹起され
る。もちろんこの場合噴射燃料のはく離にとっては軸対
称の回転運動が特に適する。この軸対称の回転運動（末
、燃焼過程および膨張運動によって停止させられること
がないので、長い寿命を有する大きな空気速度を可能に
する。しかし反面ではその過度の圧縮流およびその作用
が不利に働くことか判った。即ち、圧縮流の速度、ひい
ては燃焼室壁近くにおいて燃焼室開口へ向けられる渦流
の成分は、ピストンが上死点に近づくのに伴って、燃焼
室内への給気の移動によって加速される純然たる渦流の
速度、ひいてはこの渦流の水平な基準平面内で接線方向
に働（成分よりも迅速に大きくなるので、燃焼室壁近く
における流動の方向がピストン行程に伴って著しく変動
する。

このことは、結果として、外部点火式の内燃機関の場合
に火花が飛ぶ間火花ギャップにおける燃料蒸気濃度を着
火限界内に保つという課題の解決を困難にする。という
のはたんに時間的のみならず場所的にも混合気供給と火
花飛散とσ）合致を保証する必要があるからである。こ
の困難性に対処するには、噴射ノズルと点火装置とが、
向かい合う配置の場合電極を比較的大幅に燃焼室内へ入
り込ませろことによって最も良好な混合気組成個所を火
花が選べるようにする必要があった。また、電極の範囲
で燃焼室壁に１つのせき止め縁を設けるか又は燃料膜を
入口みぞを介して通路案内することによって燃料を集め
ることが提案されてｔ・る。

渦流の旋回作用が燃焼室壁から気化ずろ燃料を燃焼室赤
道周辺の燃焼室壁に隣接する区域内に維持するため、一
般に電極の火花ギヤソノ′をこの区域内へ合わせること
が必要であり、また周知である。これによって、従来採
用きれているほぼ球形状の燃焼室の場合機関次第で電極
に２０ｍｍと２５ｍｍとの間の長さかあたえられる。

このような電極の大きな長さはしかし運転確実性並びに
耐用寿命にとって見・くつかの重要な欠点を伴う。先ず
、電極が不安定な熱応力および流動を受けて助勢される
振動に起因して折れるという危険かあり、このことは、
ピストンヘッドとシリンダヘッドとの間隙がわずかであ
るためにピストンすべり面の損傷、ひいては機関の破壊
にまでつながる。別の欠点として、温度影響のもとに変
形を生ずることになり、この変ノーは、高圧縮なるが故
に必要とする０、　１　ｍｍ〜０゜５頚の小さな電極間
隙を保つことを不可能にする。この場合、長い電極にお
ける表面に対する横断面の比の不都合と、混合気生成に
確実性を欠く理由から必要となる比較的大きな点火エネ
ルギ（流動の変動に起因する）とのため、やはり大きな
焼損トラブルを招き、機関の整備周期を不必要に短かく
する。

また、燃料室壁内にせき止め縁又は流入みぞを形成する
ことも不利である。とい５のはこの種の処置は伺加的な
加工としてピストンを高価にする。加えて、このような
処置の効果は長期の運転に伴い必らずしも純粋でな℃・
燃料のため制限されろか又は解消される。とし・うのは
、不純物が燃焼室壁にお（・て分離され、厚ざを増す被
覆層を形成し、これによってせき止め縁又は流入みぞの
形状が著しく変化してもはや確実な点火か保証されなく
なるからである。

内部の効率並びに排ガス性質への考慮から必要とされて
実際に実現されて（・る１６〜１８の高（・圧縮比およ
びこれに伴う比較的小さな燃焼室径の場合、冒頭に述べ
た公知の形式の内燃機関によれば燃焼室か点火プラグへ
向かって偏心的に配置されている。とい５のは、点火プ
ラグが吸・排気弁のためシリンダ中心に対して一定の間
隔をおいて配置され、しかも層状給気方式のため燃焼室
の周辺に位置しなければならないからである。しかし、
比較的小さな燃焼室径および点火プラグ側への燃焼室の
偏心配置は特別に長い噴射ノズル口片を条件づけ、この
ことは渦流への支障、ひ（・ては点火トラブルを招くこ
とになる。

比較的小さな燃焼室径、詳しくは燃焼室開口の比較的小
さな口径はさらに、その著しい圧縮流が放熱部として働
（ピストンリングへの比較的長い流動路と関連して燃焼
室縁部における大きな温度負荷を招くという欠点をも有
する。

荷を受ける。

本発明の目的は以上述べた弱℃・個所の不ｆｌな作用を
緩和させるかもしくは完全に解消させることであり、こ
の場合次のことを課題とする。

即ち、冒頭に詠べた形式の内燃機関の場合に、燃焼室壁
近くにおける著しく変化する流動を一様化し、点火装置
の摩耗を低減し、著しｙ・構造上の費用増なしにあらゆ
る運転範囲におり・て生成混合気の絶対的に確実な点火
並びに最良σ）燃で・ある。

このような目的を本発明は次のようにして達成した。即
ち、燃焼室の側壁か横断面で見て２つの互いに移行し合
う曲線から成っており、狭くくびれた声焼室開口から最
大燃焼室径までの小さい方の曲率半径を有する第１σ）
曲線と＋ｈ　ｂｔ平らに形成された燃焼室底までの太き
℃・方σ）　ｌｉｔ］、率半径を有する第２の曲線とか
燃焼室底へ移行しており、最大燃焼室径はピストン直径
の０．５倍〜０．７倍であってピストンヘッドから燃焼
室深さの０．３倍〜０，４倍に相当する深さに位置し、
燃焼室側壁の小さ℃・方の曲率半径は燃焼室深さの０．
２倍〜０．３倍の長さを有していて、大ぎい方の曲率半
径は燃焼室深さの０．５倍〜０ニア５倍の長さを有して
おり、最大燃焼室径に対する燃焼室開口内径の比が０．
８５と０．９５との間であり、燃焼室開口の壁部高さが
燃焼室保さの０１倍と０．１５倍との間の値であるよう
に構成したのである。

このような本発明による燃焼室形状によって次のことが
達成される。即ち、燃料蒸気が最大内径の範囲における
燃焼室壁の著しい湾曲によって従来よりも一層特定区域
に集中する。この区域は燃焼室間１］の近（に位置して
おり、従って短かな電極にも着火性の混合気の申し分の
ない供給が保証される。従って、従来使われた多数の電
極から成るねじ付は点火グラブは大幅に短か（するごと
ができ、この場合ピストンの」ニ死点位置での燃焼室へ
入り込む長さは１．２ｍｍ以下の値になり、乗用車用の
オツトー機関にとって通例であるかぎ形電極を有するプ
ラグを使用することかできる。グロープラグの使用も可
能である。

燃焼室深さに比して最大燃焼室径並びに燃焼室開口が拡
大されていることによって、残りのピストンヘッド面、
ひいては圧縮流の形成にとって重要な半径方向の区間長
さが小さくなる。

これに伴う燃焼室壁近くの流動の鎮静化と並んで、圧縮
流速度が小さくなることによって、ピストンリング部分
への距離が近いことによって既に小さくなる燃焼室開口
の熱負荷並びに弁ウェブの熱負荷も減少することになる
。燃焼室径の拡大はまた次のような利点をも伴う。即ち
、空気利用が改良されることである。というのは、従来
不完全にしか燃焼に供用し得なかったピストンヘッドと
シリンダヘッドとの間の新気の分量が減少するからであ
る。さらに、燃焼室の拡大に伴って、燃焼室開口の点火
プラグに向き合う側が一層噴射ノズルに接近することに
なり、これによってノズル口片が短縮されるか又は完全
に省略される。

最大燃焼室径の区域における燃料蒸気と空気との混合物
の濃度が著しいことによって同じ区域に位置する火花ギ
ャップへ着火性混合気の支障のない供給が容易になり、
このことは例えば、火花ギャップ前へ液体の燃料を導こ
うとする流入みぞの利用を不必要にする。このようにし
て得られる外周域の給気層状化の改善はまた所要点火エ
ネルギの減少を可能にする。というのは、周知の通りイ
オン化電圧、さらには火花期間に比例する大きな局部的
燃料蒸気濃度か得られるからである。

既述のように、燃焼室間し１に対する最大燃焼室径の間
隔が小さいため、短かな電極を必要とするに過ぎな（・
。短かな電極は長期の耐用期間という利点を有する。と
い５のは、空気運動がわずかになる理由からも電極が低
温にとどまるからである。このことはまた圧縮比を従来
の１８を越えてさらに高めることも可能にし、しかもそ
のことに起因するシリンダ内の温度並びに圧力のレベル
、ひいては電極の熱負荷のために極めて高い焼損を甘受
するという必要もない。

本発明による燃焼室の使用は外部点火式機関の場合特に
有利である。というのは、外部点火を必要とする燃料（
例えばメタノール）がディーゼル燃料まりも低し・沸点
経過を有しているからであり、ひいては、極めて小さな
内径の球形燃焼室と異なって、最大燃焼室径の区域にお
ける渦流の遅れが混合気生成の速度への影響を相殺され
るからである。しかし、ディーゼル燃料で作動される機
関も本発明の燃焼室構成によって利点を得ることができ
、これによって例えば従来の球形に類する燃焼室形状の
長（・噴射ノズル並びに大きな温度負荷の不利を回避ず
ろことができる。

本発明の場合さらに、燃焼室底の中央部を周知の通り円
屋根形の隆起部分とすることが有利である。このように
することによって、フラントな底の場合に中央部に位置
していた空気か燃焼室壁から始まる燃焼に供用される。

燃焼室のわずかな深さ、換言すれば大きな燃焼室径並び
に燃焼室開口の大きな内径のため燃料噴流はわずかな傾
斜角度で噴射される。この場合燃料噴流はシリンダ軸線
に対して直角な一平面との間に１００〜１５°の角度な
なず。噴射は次のようになされる。即ち、−噴射開始時
期は全負荷時にビ゛ストンの上死点前約３０°のクラン
ク角−１噴射の開始時には燃料はピストンヘッドに達せ
ず、燃焼室壁土の燃料噴流の衝突点はピストンの上死点
位置で燃焼室の深過ぎな（・子方範囲の個所、換言ずれ
ば最大燃焼室径のト″側°へ°。

の個所である。この場合、燃焼室壁における燃料噴流の
衝突点がビ゛ストンの上死点位置で一゛ストンヘッドの
下側に燃焼室深さの４０チ〜６０係の値の間隔を有して
いるならば特に有利であることが判った。

幾伺形状の燃料噴流は空気旋回方向で見て燃焼室内へ入
り込んだ状態での点火装置から燃焼室へ当たる。確実に
良好な着火性の混合気が得られるようにするため、もし
くは燃料噴流衝突点が電極区域に充分近くなるようにす
るため、燃料噴流衝突点と点火装置の中心との間の中心
角が燃焼室縦軸線に対して直角な一平面内に投影して１
５°と４５°との間であるならば特に効果的であること
が判った。

次に図面に示した実施例に従って本発明を詳述する： ピストン１のヘッドｌａ内の中央には狭く（びれた燃焼
室開口３ａを有する燃焼室３が設けられている。液状の
燃料はシリンダヘッド２内の偏心位置妃配置されている
１つの噴射ノズル８から運転条件の種類並びに燃料の種
類（沸点位置および着火性）を考慮して適宜に設定され
た時点にたんに１つの噴流９の形で燃焼室３内へ、回転
する燃焼空気１２の方向に噴射される。

燃焼室壁４への噴流の衝突点はピストン上死点位置で最
大燃焼室径ＤＢの下側に位置し、符号９ａで示している
。噴射ノズル８の噴射点８ａは燃焼室開口縁部の近くで
ある。

噴射点８ａＫ向き合ってピストンヘッド１ａ内もしくは
燃焼室壁４内に施された１つのお５所１０が設けられて
おり、このお５所１０内へピストンの上死点位置でやは
りシリンダヘッド２内に配置された点火装置１１が入り
込んでいる。点火装置１１は例えば多数の棒電極から成
つており、実施例の場合１本の中心電極１３とこれを包
囲する３本の電極１４ａ・１４ｂ・１４Ｃとから成って
いる。しかし点火プラグとして乗用車用オツトー機関に
通例のかぎ形電極を有するプラグを使うこともで・きる
。また、グロープラグの使用も可能である。

燃焼室壁牛は本発明によれば縦断面で見て２つの移行し
合う曲線５．６から形成されており、この場合第１の曲
線５は狭くされた燃焼室開口３ａから最大燃焼室径ＤＢ
までの小さい方の曲率半径Ｒ１を有し、第２の曲線６は
ほぼ平らな燃焼室底７までの大きい方の曲率半径Ｒ２を
有している。燃焼室底７は中央に中高部分を有していて
もよい。両方の曲線５，６の中心５　ａ　、　□ａがそ
の水平面内に位置する最大燃焼室径ＤＢはピストン直径
ＤＫの０．５倍〜０．７倍であって、ピストンヘッド１
ａから燃焼室深さＴＢの０３倍〜０．４倍に相当する深
さ　ｔＤに位置する。

小さい方の曲率半径Ｒ１の長さは燃焼室深さＴＢの０．
２倍〜０．３倍、大きい方の曲率半径Ｒ２の長さは燃焼
室深さＴＢの０．５倍〜０．７５倍である。

狭く（ひれでいる燃焼室開口３ａの内径ｄＨは最大燃焼
室径ＤＢの０，８５倍と０．９５倍との間であって、こ
の場合の開口壁高さｔＨは燃焼室深さＴＢの０１倍と０
．１５倍との間である。

燃焼室壁牛への燃料噴流９の衝突点９ａはピストン１の
上死点位置で燃焼室深ＴＢの４０％〜６０％の値の間隔
ａだけピストンヘッド１ａより下に位置する。この場合
、衝突点９ａは中心電極１３の中心と共に燃焼室軸線Ｘ
に対して直角な平面内に投影して１５°〜４５°の中心
角αをなす。

第２図には、燃料噴流９とシリンダ軸線Ｘに対して直角
な平面との間に形成される角度βの大きさが示されてい
る。直線１５はシリンダ軸線Ｘに対して直角な平面を表
わし、区分１６はシリンダ軸線Ｘの方向で噴射点８ａか
も衝突点９ａまでの間隔を表わしている。

第２図によってさらに理解されるように、構造上の観点
から、噴射点８ａ並びに点火装置は必らずしも直径方向
で一線上に相対して位置している必要はなく、燃焼室中
心（ピストン中心）からずらされていてもよい。また、
やはり構造上の理由からシリンダ中心に対する点火装置
の間隔を中央に燃焼室が設けられている場合よりもわず
かに大きくする必要があるならば、燃焼室自体をわずか
に偏心させて設けることも可能である。このような場合
、燃焼室径が大きいためにノズルの長い口片を省略する
こともできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による燃焼室を第２図中の■−■線によ
る縦断面図、第２図は第１図中の■−ＩＩ線による平面
図である。 １・・・ピストン、２・・・シリンダヘッド、３・・・
燃焼室、４・・・燃焼室壁、５，６・・・曲線、７・・
・燃焼室底、８・・・噴射ノズル、８ａ・・・噴射点、
９・・・燃料噴流、１０・・・おう所、１１・・・点火
装置、１２・燃焼用空気、１３・・・中心電極、ｐＢ・
・・最大燃焼室径、ｄＨ−’燃焼室開口の内径、ＤＫ・
・ピストン直径、Ｒ１＋　Ｒ２・・・燃焼室側壁の曲率
半径、ＴＢ川用焼室深さ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、外部点火式の空気圧縮型内燃機関であって、ピスト
   ンに設けられた回転体形状の燃焼室の壁部へ燃料が噴流
   によって大部分か直接噴射され、流入空気が噴射された
   燃料噴流の方向で回転運動をあたえられ、この回転運動
   によって燃料は蒸気の形で燃焼室壁から次第にはく離さ
   れて空気と混合され、噴射ノズルは燃焼室縁部近くのシ
   リンダヘット８内に位置し、噴射ノズルに対置する点火
   装置はピストンの上死点位置において燃焼室内へ入り込
   む位置を占めている形式のものにお（・て、゛燃焼室（
   ３）の側壁（４）は横断面で見て２つの互（・に移行し
   合う曲線（５’、６）から成って（・て、狭くされた燃
   焼室開口（３ａ）から最大燃焼室径（ＤＢ）までの小さ
   い方の曲率半径（Ｒ１）を有する第１の曲線（５）とほ
   ぼ平らに形成された燃焼室底（７）までの大き℃・方の
   曲、率半径（Ｒ２）を有する第２の曲線（６）とが燃焼
   室底（７）へ移行しており、最大燃焼室径（ＤＢ）はピ
   ストン直径（ＤＫ）の０．５倍〜０．７倍であってピス
   トンヘッド（ｌａ）から燃焼室深さくＴＢ）の０．３倍
   〜０．４倍に相当する深さく　ｔＤ）に位置し、燃焼室
   側・壁（４）の小さい方の曲率半径（Ｒ１）は燃焼室深
   さくＴＢ）の０２倍〜０．３倍の長さを有していて、大
   きい方の曲率半径（Ｒ２）は燃焼室深さくＴＢ）の０゜
   ５倍〜０．７５倍の長さを有しており、最大燃焼室径（
   ＤＢ）に対する燃焼室開口内径（ｄＨ）の比が０．８５
   と０．９５との間であり、燃焼室開口（３ａ）の壁部高
   さくｔＨ）が燃焼室深さくＴＢ）の０．１倍と０．１５
   倍との間のイ直であることを特徴とする、外部点火式の
   空気圧縮型内燃機関。 ２、燃焼室底（７）の中央部分が内屋根形の隆起部とし
   て形成されている特許請求の範囲第。 １項に記載の外部点火式の空気圧縮型内燃機関。 δ、　燃料噴流（９）がシリンダ軸線（Ｘ）に対して直
   角な平面との間に１００〜１５°の角度（β）をなし、
   燃焼室壁（４）における幾何形状の燃料噴流（９）の衝
   突点（９ａ）かピストン（１）の上死点位置で燃焼室深
   さくＴＢ）の４０％〜６０％の間隔（、）でピストンヘ
   ッド（ｌａ）の下方に位置する特許請求の範囲第１項に
   記載の外部点火式の空気圧縮型内燃機関。 手、燃料噴流衝突点（９ａ）と点火装置の中心との間の
   中心角（α）が燃焼室縦軸１（Ｘ）に対して直角な一平
   面内に投影して１５°〜４５゜との間である特許請求の
   範囲第１項に記載の外部点火式の空気圧縮型内燃機関。 ５　点火装置が互いに平行な多数の棒電極から成って（
   ・ろ特許請求の範囲第１項に記載の外部点火式の空気圧
   縮型内燃機関。 ６　点火装置の一方の極を形成する棒電極（１４）が、
   他方の極を形成する棒電極（１３）を中心として多数配
   置された分割電極（１４ａ、、１４ｂ、１４ｃ）から成
   っている特許請求の範囲第５項に記載の外部点火式の空
   気圧縮型内燃機関。 ７、点火装置か１つ又はもつと多くのかぎ形電極から成
   っている特許請求の範囲第１項に記−載の外部点火式の
   空気圧縮型内燃機関。 ８　点火装置として１つのグロープラグが使われている
   特許請求の範囲第１項に記載の外部点火式の空気圧縮型
   内燃機関。 ９、　ピストン（１）の上死点位置で燃焼室（３）へ入
   り込む点火装置の長さが１２龍以下の値である特許請求
   の範囲第１項に記載の外部点火式の空気圧縮型内燃機関
   。