JPS6355321A - 内燃機関の燃焼室 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、燃焼室内に燃料を直接噴射する内燃別間の燃
焼室に係り、特に機関始動時を含むあらゆる使用負荷運
転領域で、軽油をはじめガソリン、アルコール等の低セ
タン価・揮発性燃料油を燃焼させることができ、且つそ
の燃焼の際に１関出力と燃費とを低下さ任ることなく燃
焼未燃物（ＩＩｃ、　ＮＯｘ　、スモーク、青白煙）の
排出と燃焼騒音及び振動を低減できる内燃機関の燃焼室
に関する。

［従来の技術］ 一般に、燃料を直接燃焼室内へ供給し、供給燃料を自発
燃焼させるディーゼル機関は、高い熱効率、低い排気温
度の長所を右している。しかしその反面に、着火遅れに
よって筒内圧力、振動及び燃焼騒音が高く、改善が求め
られている。

このため実開昭５７−３３２２１号公報に燃料噴射式内
燃機関の提案がなされている。

第６図に示すようにこの提案はピストンａ内及びシリン
ダヘッドｂ内にそれぞれ主燃焼室ｃ、ｇ＋燃焼室ｄを形
成し、ピストンａの上死点位置でそれらを連絡する連絡
通路ｅを互いの接線方向に形成したちのである。

したがって上記提案は機関の低負荷運転時に、副燃焼室
内へ、高負荷運転時に、主燃焼室内へそれぞれ燃料を噴
射させるようにし、特に低負荷時に於ける空燃比（空気
／燃料）を小さくすることにより過剰燃焼を行って燃焼
未燃物（ＨＣ）の生成を抑えようとしている。

［発明が解決しようとする問題点］ ところが上記提案にあっては、噴射時期を調節する範囲
が非常に狭いという問題を残している。

即ち、この提案にあっての噴射時期は、主燃焼室と副燃
焼室とを連絡する連絡通路が上死点近傍でつくられたと
きであるため、噴射時期がこのときに固定されてしまう
。とくに燃料油としてアルコールやガソリン等を使用す
る場合は、内燃ｔＩ関の圧縮比に応じて噴射時期を調節
しなければ所期の出力性能を得ることが難しくなるため
、この点でも問題になる。

また、連絡通路を形成することは、副燃焼室に圧縮空気
を押し込む際の絞り損失、　ｏｒ燃焼室からの燃焼ガス
が主燃焼室に押し込まれる際の絞り損失が大きく、これ
らの損失による熱効率の低下が生じることになる。この
熱効率の低下は主燃焼室内の燃焼温度を低下させるため
、出力の低下、　ＩＩｃ等の燃焼未燃物を増加させる恐
れを有している。

［問題点を解決するための手段］ この発明は上記問題点を解決することを目的としている
。

この発明はピストンの頂面に主燃焼室を窪ませて形成し
、その主燃焼室の開口上部縁上のシリンダヘッドに、ピ
ストンの上死点位置で一部が連通される副燃焼室を窪ま
せて形成し上記各燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射ノ
ズルを配設して内燃機関の燃焼室を構成するものである
。

［作　用］ 圧縮行程時にピストンが上昇されるに伴ってｎ１燃焼室
に主燃焼室が接近される。この接近によってピストンの
上死点近傍の手前、即ち圧縮行程の終期では主燃焼室と
副燃焼室との開口上部の一部がラップし合って互いを連
通ずる連通口を形成する。この連通口の開放面積は上死
点で最小となる。

いいかえれば、連通口はピストンの上死点近傍の手前で
はじめて形成されその連通口の開口面積はピストンの上
昇に比例して小さくなる。このため圧縮行程において何
ら絞り損失を発生させることなく、副燃焼室内に圧縮空
気を押し込んでスワールを生成させることができる。即
ち、上死点近傍では主燃焼室、　ｌ１ｉｌＪ燃焼室のそ
れぞれに、燃料噴射ノズルから噴射された霧化燃料の気
化及び混合を促進する独立したスワールを生成すること
ができる。

［実施例］ 以下にこの発明の内燃機関の燃焼室の好適実施例を添付
図面に基づいて説明する。

第１図に示す１は内燃機関のシリンダ２５内に、シリン
ダ２５に沿って往復動自在に収容されるピストンである
。図示されるように、ピストン１の頂部２には、その頂
面よりピストン１の軸方向に沿って窪ま眩られた主燃焼
室３が形成されており、シリンダヘッド６には、副燃焼
室４が窪まされて形成されている。この実施例にあって
主燃焼室３の軸芯０１を通る垂直断面は略四角形状に、
副燃焼室４の軸芯ｏ２を通る垂直断面は円形の上部を截
頭された形状に形成されている。各燃焼室３゜４の窪み
深さについては主燃焼室３より副燃焼室４が浅く窪まさ
れ、容積については主燃焼室３より副燃焼室４が小さく
形成されている。

主燃焼室３に対する副燃焼室４の位δは、主燃焼室３の
開口上部縁３ｂ上に副燃焼室４が位置されるように設置
される。さらに詳しくは、ピストン１が上死点近傍の手
前で主燃焼室３の開口上部の一部と副燃焼室４の開口上
部の一部とが互いにラップされるような位置関係に形成
される。即ち、このラップされた部分が互いを連絡する
連通ロアとなる。いいかえれば、第４図の状態のピスト
ン１がさらに上昇されて第１図に示されるピストン１の
状態、即ち上死点近傍の手前で、はじめて主燃焼室３と
副燃焼室４とを連絡する連通ロアが形成されることにな
り、この連通ロアの開放面積はピストン１の上死点位置
で最小面積になるように設定される。さらに、連通ロア
は第２図に示すように主燃焼室３の中心軸０１を基準と
すると、その中心軸ｏ１方向に副燃焼室４の中心軸０２
を移動させることによって形成される。即ち移動される
距１１１に応じて、主燃焼室３と副燃焼室４とのラップ
度合が大きくなり、このラップに応じた面積の連通ロア
が形成される。またこれら主燃焼室３及び副燃焼室４に
は、必要に応じて開口上部に、その開口上部縁３ｂ、４
ｂに沿って半径方向内方に適宜突出され各燃焼室３，４
内にそれぞれ独立したスワールＳ＋　、８２　とスキッ
シュとを生成するためのリップ部が形成される。

燃料噴射ノズルは、本発明の実施例では例えば第３図の
形式のものが採用される。

図示されるように燃料噴射ノズル１２はノズルボディ１
３の先端に、針弁１５のスロットル部１８が着座される
弁座１４を形成し、ノズルボディ１３の先端に上記スロ
ットル部１８の動作によって燃料油室（図示せず）との
連通が開閉される主唱口１７を形成し、上記弁座１４に
副噴口１６が開口されて構成されている。

副噴口１６の噴口直径ｄ１は主噴口１７の噴口直径ｄ２
に対して極めて小さく形成されており、□主噴口１７が
、貫徹力と拡散性の大きな燃料噴霧を噴出するように構
成されるのに対して、副噴口１６は、微粒化によって貫
徹力を弱めて蒸発性を　　・向上させることと、燃料噴
霧の方向を確実に設定できるように構成される。

以上のように燃料噴射ノズル１２は、針弁１５のリフト
値が所定のリフト値に至るまでは副噴口１６のみを開放
し、そのリフト値を越えたときに、副噴口１６と主噴口
１７とを開放するように構成される。いいかえれば主噴
口１７に対して副噴口１６が先行して開放されるように
構成された、いわゆるピントウクスタイブのものとなっ
ている。

燃料噴射ノズル１２は、第１図に示すように、噴口側が
上記連通ロアに臨んでシリンダヘッド６に一体的に配設
されており、副噴口１６が副燃焼室４内に、主噴口１７
が主燃焼室３内に臨ませられ、また、それら主・副噴口
１７．１６は、各燃焼室３，４内のスワールＳ＋　、Ｓ
２の順方向で各燃焼室３，４の中心（ｈ　、０２より外
方の各燃焼室３．４の内壁３ｃ、４ｃに臨ませられてい
る。

副燃焼室４内には着火手段としてのスパークプラグ２１
が配設されており、このスパークプラグ２１は、副噴口
１６に対向される線上にプラグギャップ１６ａが位置さ
れる。

以下にこの発明の実施例の作用を添付図面に基づいて説
明する。

第５図に示すように、スワールボート（図示せず）から
供給された燃焼用空気は、ピストン１の圧縮行程の終期
にあっても、流体慣性により主燃焼室３の内壁３Ｃに沿
って旋回するスワールＳ１となる。ピストン１が圧縮行
程の終期に至る手前、即ち上死点近傍の手前で主燃焼室
３と１１燃焼室４との間に互いを連通ずる連通ロアが形
成されると、この連通ロアより副燃焼室４内へ圧縮空気
が押し込まれる。この連通ロアは上死点位置で最小の開
放面積に至るため、ピストン１に対するボンピング損失
（絞り損失）を生じさせることなく副燃焼室４内にスワ
ールＳ２を生成することができる。

内燃機関が始動時及びアイドリンク時を含む軽負荷運転
領域では第３図に示した針弁１５がリフトされ、このリ
フト値が所定リフト値以下となるため、副噴口１６のみ
が開放される。副噴口１６が開放されると第５図に示さ
れるように副燃焼室４の内壁４Ｃに向けて微粒化燃料噴
霧ｆ１が噴出される。この微粒化燃料噴霧ｆ１は副燃焼
室４の内壁４Ｃに衝突させられることによって、その−
部がさらに微粒化されて飛散し、圧縮空気の熱によって
瞬時のうちに蒸気化されて空気に混合される。これが着
火性、燃焼性の良い予混合気ｍ１となる。また微粒化燃
料噴霧ｒ１の残部は、副燃焼室４の内壁４Ｃに液膜状に
付着され、且つスワールＳ２と共にスワールの下流側へ
末広がりとなって流される燃料膜となる。この燃料膜は
、圧縮空気の、ｔＩｉｓ熱及び壁熱とにより外面から徐
々に蒸気化される。この蒸気もまた、副燃焼室４内の空
気と混合されて予混合気ｍ１となる。

機関始動時、アイドリンク運転時の針弁１５のリフト動
作が極低速域で、スタータのクランキング回転数が小さ
いときには、副噴口１６がら燃料が増量されるため、そ
の使用燃料がガソリン、アルコール等の低セタン価・揮
発性燃料油であってもこの時期において副燃焼室４内の
空燃比は小さくなり、リッチな条件におかれる。これに
より、１ｒｉ１１！！焼室４の連通ロア側で多数の火炎
核Ｐが迅速に、且つ確実に形成されて燃焼を開始し、燃
焼によって生じる熱エネルギが内壁４ｃの燃料膜を徐々
に蒸発させてスワール方向へ流れる予混合気ｍ１を生成
する。生成された予混合気ｍ１は火炎伝播によって燃焼
される。燃焼ガス及び未燃ガスは連通ロアを介して主燃
焼室３に入り、ここで新気によって再び燃焼される。ま
た燃料油が低セタン価・揮発性燃料油である場合は必要
に応じてスパークプラグ２１の点火が行われる。

ゆえに、この実施例では燃焼が比較的急速となって燃焼
温度を上昇させるため、副燃焼室４内の平均燃焼温度を
増加させることになり、これによってスモーク、青白煙
、　ＩＣの発生を低く抑えることができる。また上記連
通ロアを形成することは、燃焼ガスＧの大半をＤ１燃焼
室４内に閉じ込める働きもするため、燃料膜の蒸発を促
進して予混合気ｍ１の生成を助長する機能を合せもつこ
とになる。

針弁１５のリフト値が所定リフト値を越える中・高負荷
運転領域では副噴口１６のみならず主噴口１７も開放さ
れる（燃料油が低セタン価・揮発性燃料油である場合は
このときも噴射は上死点近傍手前で行われる）。

第５図に示されるように、主噴口１７からの燃料噴霧ｆ
２は、副噴口１６からの微粒化燃料噴霧ｆ１よりも飛翔
距離が長く、且つ拡散面積が大きくなっている。この燃
料噴霧ｆ２は、一部が主燃焼室３の内壁３Ｃに衝突され
ることで微粒化され、残部が主燃焼室３の内壁３Ｃに液
膜として付着され、且つスワール方向に沿って下流側へ
末広がりとなって流される燃料膜となる。微粒化された
燃料噴霧ｆ２は圧縮空気熱及び副燃焼室４の火炎エネル
ギにて瞬時のうちに蒸気化されて予混合気ｍ２となり、
燃料膜も圧縮空気熱及び壁熱とにより外面から徐々に蒸
気化され予混合気ｍ２となる。

このとき燃料噴霧ｆ２の燃料の粒子径は比較的大径なの
で、主燃焼室３内に過剰の予混合気ｍ２を生成するには
至らないため、このときの燃焼は比較的緩慢な蒸発燃焼
が行われる。また主燃焼室３の着火は副燃焼室４からの
燃焼ガスによって確実に伝播される。また、高負荷にな
る程、主噴口１７からの燃料噴射割合が増加され最大で
９０％以上噴射されるため、緩慢な蒸発燃焼が確実にな
される。ゆえに、筒内圧力急上昇、燃焼ピーク温度の急
上昇の要因となる着火遅れを抑えて燃焼騒音。

振動、ＮＯｘを低く抑えることができる。

ここで、この発明の実施例における燃料噴射ノズル１２
の噴射時期は、内燃機関の所期の出力性能に影響を与え
る。これは低セタン価燃料（アルコール・ガソリン等）
を使用する場合は、早期着火または失火を防止すること
や、燃焼温度を適正値にするために最適の噴射時期に設
定する必要がある。したがって、この観点からみれば主
燃焼室３と副燃焼室４とを連絡する通路を形成すること
は、一方の燃焼室に設けられた爆村噴射ノズルから使方
の燃焼室に直接燃料を噴射する場合では、噴射時期が上
死点近傍に固定されてしまい、噴射時期の設定が極めて
狭い範囲のみに制限される。

ゆえに、圧縮比を変更して性能を向上させようとする場
合にあっても噴射時期を最適にすることができなくなる
ため、この点で不利となる。これに対して本発明の内燃
ｔｉ関の燃焼室にあっては上死点近傍手前までは主・副
燃焼室３．４は単に凹みであるため、両燃焼室へ容易に
燃料を供給できる。

即ち、噴射時期を最適に設定するための範囲を広くとる
ことができる。

尚この発明の実施例では燃料噴射ノズルをビントウクス
タイプのもので説明したが、主燃焼室３゜副燃焼室４の
それぞれに燃料を噴射する燃料噴射ノズルも勿論使用可
能である（この場合着火は連通ロア近傍で生じるから両
燃焼室での燃焼がｒ可能である）。

［発明の効果］ 以上説明したようにこの発明の内燃機関の燃焼室によれ
ば次の如き優れた効果を発揮できる。

（１）　　ピストンの頂面に主燃焼室を窪ませて形成し
、該主燃焼室の開口上部縁上のシリンダヘッドにピスト
ンの上死点位置で一部が連通される副燃焼室を窪ませて
形成し上記各燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射ノズル
を配設したのでピストンの圧縮行程において、絞り損失
を生じることなく主燃焼室、副燃焼苗に気化、混合を促
進するスワールを生成できると共に、燃料噴射タイミン
グを設定する範囲を広範囲に広げることができる。

２）　主燃焼室と副燃焼室とを連絡する通路を形成せず
に互いに連通ずるようにしたので、火炎伝播速度を速め
ることができる。

（３）　　軽油をはじめ低セタン価・揮発性燃料を良好
に燃焼させることができる。

（４構造が簡易で容易に製作できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の好適一実施例を示す概略断面図、第
２図は第１図の要部詳細図、第３図は燃料噴射ノズルの
一例を示す図、第４図、第５図はそれぞれ圧縮行程と燃
焼行程とを示す図、第６図は従来例を示す概略断面図で
ある。 図中、１はピストン、２はピストンの頂部、３は主燃焼
室、４は副燃焼室、６はシリンダヘッド、７は連通口、
１２は燃料噴射ノズルである。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ピストンの頂面に主燃焼室を窪ませて形成し、該
   主燃焼室の開口上部縁上のシリンダヘッドにピストンの
   上死点位置で一部が連通される副燃焼室を窪ませて形成
   し上記各燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射ノズルを配
   設したことを特徴とする内燃機関の燃焼室。
2. （２）上記副燃焼室の容積が、上記主燃焼室の容積より
   小さく形成された上記特許請求の範囲第１項記載の内燃
   機関の燃焼室。
3. （３）上記シリンダヘッドが副燃焼室内に配設されるス
   パークプラグを備えた上記特許請求の範囲第１項記載の
   内燃機関の燃焼室。