JPH0412121A - 燃料衝突拡散式エンジン - 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］ この発明は、ピストンヘッドに形成したキャビティ内に
設けた突起体に燃料噴射ノズルから噴射される燃料を直
接衝突させる燃料衝突拡散式エンジンに関する。

〔従来の技術〕

従来、エンジンの燃焼室としては、直接噴射式及び副室
式によって代表されている。

直接噴射式燃焼室は、燃料噴射ノズルより噴射された燃
料の噴射エネルギー及び燃焼室内に形成されるスワール
及びスキッシュ流によって燃料と空気との混合を達成し
、可燃性混合気を形成している。しかしながら、該直接
噴射式燃焼室は、スワール生成のため、吸気効率が低下
するという問題を有しており、また、燃料の噴霧微粒化
及び貫徹力をアップさせるため、燃料噴射ノズルを高圧
化、高噴射率化に構成しなければならず、構造が複雑に
なると共に、特に、エンジンの高負荷時には、ＮＯ，の
発生が大であるという問題を有している。

また、副室式燃焼室は、副室内に形成される高スワーシ
レによって燃料油滴と空気との混合を達成し、可燃性混
合気を形成している。該副室式燃焼室は、副室内に高ス
ワールを形成し、また主室と副室との総和の伝熱面積が
増大して熱損失が増加するという問題があり、更に、主
室と副室とを連通ずる連絡孔による絞り損失が増加する
という問題を有している。

そこで、上記問題点を解決するために、燃料の衝突噴流
を利用した直接噴射式衝突拡散層状給気式、いわゆる、
０５ＫＡ式の燃焼室を持つエンジンが開示されている。

この０３ＫＡ式エンジンは、ピストンに形成した凹部即
ちキャビティの底部中央から突出する衝突部を設け、該
衝突部の周囲に凹状の燃焼室を形成し、燃料噴射ノズル
から噴射された液状燃料を衝突部に衝突させ、燃料噴流
の衝突部への衝突作用によって衝突面を起点として燃料
の拡散、微粒化等を達成し、燃料と空気との良好な混合
を達成させるものである。上記のような燃焼室を有する
エンジンでは、燃料噴射ノズルの単孔ノズルから噴射さ
れた燃料をピストンヘットの衝突部の平らな衝突面に衝
突させて円盤状に拡散させ、次いでピストンの上昇によ
って生しるスキッシュ流によって燃料をキャビティの下
方に押し込められながら、該燃料と空気とを混合して混
合気を形成するものである。

また、特開昭６ｆ−１２０８１５号公報には、外部点火
による燃料噴射式内燃機関が開示されている。該外部点
火による燃料噴射式内燃機関は、ピストン頂面にキャビ
ティを形成すると共に、該キャビティ内壁面上に突出部
を設け、該突出部上に断熱構造の衝突面を形成し、シリ
ンダヘッドに設けた燃料噴射弁から大部分の燃料を衝突
面に向けて噴射させ、他の領域よりも濃い混合気領域を
上記突出部側りに形成し、点火装置をこの濃い混合気領
域内に位置するようにシリンダヘッドに取付け、該点火
装置で点火時に混合気に点火するものである。該燃料噴
射式内燃機関は、上記の構成によってノンキングが発生
しないことによって高圧縮比を可能にし、熱効率を向上
させて燃料消費率を向上させたものである。

また、特開昭６２−１３９９２１号公報には、燃料衝突
反射拡散燃焼方式の内燃機関が開示されている。該内燃
機関は、ノズルより燃料噴流をピストン面又はキャビテ
ィ内に噴射衝突させ、衝突面での反射拡散作用によって
衝突部を起点としてキャビティ全域に燃料の拡散分布と
混合を計り、スワールに依存するよりもスキッシュ流に
よって空気利用率を高め、燃焼期間の短縮を図るもので
あり、衝突部をセラミック材等の耐熱性、耐摩耗性材料
で形成し、該衝突部をピストン頂面又はキャビティ内に
装着したものである。

また、特開昭６ｆ−１７１０号公報に開示された直噴火
花点火多種燃料内燃機関は、噴射弁よりの噴霧角を制御
し、燃料主噴流をピストン下死点近傍にあるピストンキ
ャビティ内に到達せしめるようにし、キャビティ内に予
混合気を形成し、キャビテイ外に空気層を形成した層状
給気を構築するものである。

〔発明が解決しようとする！Ｉ８） ところで、上記Ｏ３Ｋ、Ａ型の燃焼室を備えたピストン
を用いたエンジンは、単孔ノズルから噴射された燃料を
衝突させる衝突面はピストンヘッドの平らな衝突面であ
り、燃料が該衝突面に衝突して円盤状に拡散するが、ピ
ストンの上昇行程によって燃焼室内へのスキッシュ流が
発生し、該スキノンユ流によって薄膜円盤状の燃料と空
気と良好な混合気を生成して燃焼状態を良好にするもの
である。しかしながら、この０３ＫＡ型の燃焼室を備え
たエンジンは直接噴射式であるため、エンジンの高負荷
時には、ＮＯＸの発生が大きいという問題がある。

また、前掲特開昭６１１２０８１５号公報に開示された
燃料噴射式内燃機関は、衝突面を断熱構造に構成してメ
タノールの気化を促進するものであるが、上記と同様な
問題を解決できるものではない。

また、前掲特開昭６２−１３９９２１号公報及び特開昭
６３−１７１０号公報に開示されたものについても、上
記公報に開示されたものと同様に、Ｎ　Ｏ１２の発生に
ついての問題を有している。

この発明の目的は、上記のａｉ’ａを解決することテア
リ、ピストンヘッドに形成したキャビティ即ち燃焼室を
副室に構成し、或いはピストンヘッドに形成したキャビ
ティを副室と主室とで構成し、副室式燃焼によってエン
ジンの高負荷時におけるＮＯｘの発生を抑制すると共に
、副室内に円錐面を備えた突起体を配置し、該円錐面に
燃料噴射ノズルから燃料を噴射し、その噴射した液状燃
料を前記円錐面に衝突させて咳面に沿って流下させて、
円錐状燃料薄膜に均一に拡散させ、副室内にガイド通路
を通じてスキッシュ流で流入した空気の流れ方向と円錐
状に拡散して噴射される燃料の燃料噴射方向とを交差さ
せて混合を促進させ、副室燃焼によってＮＯ３０発生を
低減し、良好な燃焼を行わせて未燃燃料或いは中間性成
物の排出を防止する燃料衝突拡散式エンジンを提供する
ことである。

〔課題を解決するための手段〕

この発明は、上記目的を達成するため、次のように構成
されている。即ち、この発明は、ピストンヘッドに形成
したキャビティで構成される燃焼室、該燃焼室内に位！
し且つほぼ中央底部から開口部側へ伸びる突起体、該突
起体に対向する噴口を有し且つシリンダヘッドに取付け
た燃料噴射ノズル、前記噴口からの噴射燃料を衝突流下
させる前記突起体上部に形成した円錐壁面、及び該円錐
壁面に対応して拡開した前記キャビティの周壁面を有す
る燃料衝突拡散式エンジンに間する。

また、この燃料衝突拡散式エンジンにおいて、前記円錐
壁面と前記周壁面とで形成し且つ前記燃焼室と前記開口
部とを連通した環状円錐状通路を有するものである。

また、この燃料衝突拡散式エンジンにおいて、前記キャ
ビティは主室を形成するキャビティ部と前記燃焼室を形
成するキャビティ即とを有するものである。

〔作用〕

この発明による燃料衝突拡散式エンジンは、上記のよう
に構成され、次のように作用する。即ち、このｆＰ！、
料衝突拡散式エンジンは、ピストンへ、ドに形成したキ
ャビティで燃焼室を構成し、該燃焼室のほぼ中央底部か
ら上方に伸びる突起体を、シリンダヘッドに取付けた燃
料噴射ノズルの噴口に対向させ、前記突起体に形成した
円錐壁面に前記噴口から噴射された液状燃料を衝突させ
て流下させたので、前記燃焼室が燃料衝突拡散式の燃焼
室でありながら一種の副室の機能を果たすことができ、
燃料リッチで燃焼させてＮＯＸの発生を抑制する副室式
燃焼を行わせることができる。

また、この燃料衝突拡散式エンジンにおいて、前記突起
体に形成した前記円錐壁面は前記燃料噴射ノズルから噴
射された液状燃料とスキンシュ流の空気のガイドの作用
を果たし、スキッノユ流は前記円錐壁面と該円錐壁面に
対応して拡開する前記キャビティの周壁面とで形成され
る前記環状円錐状通路で流れ方向とスキッシュ流の流入
力のベクトルが与えられる。そして、ピストン上昇によ
って発生するスキッシュ流は前記環状円錐状通路にガイ
ドされて、環状に形成された前記燃焼室内に流入され、
しかも、前記燃料噴射ノズルから噴射された液状燃料は
前記燃焼室内で前記突起体の前記円錐壁面に衝突流下し
た液状燃料は円錐状燃料薄膜になって上記スキッシュ流
に乗って前記燃焼室内に導入される。次いで、前記燃焼
室内に形成される前記燃焼室の外周側から内周側へと流
れる空気の旋回流れ（図の矢印参照）によって空気と円
錐状燃料薄膜の燃料とは良好な混合気形成が実現され、
着火燃焼する。

〔実施例〕

以下、図面を参照して、この発明による燃料衝突拡散式
エンジンの実施例を説明する。

第１図はこの発明による燃料衝突拡散式エンジンの一実
施例を示す断面図である。

第１図に示すように、この燃料衝突拡散式エンジンは、
シリンダブロック１９、該シリンダブロック１９に固定
された吸気ボート６及び排気ボート７を備えてシリンダ
ヘッド３、シリンダブロック１９の孔部に嵌合したシリ
ンダライナ２０、及び該シリンダライナ２０内を往復運
動するビストンを有している。ピストンは、例えば、ア
ルミニウム等の金属材料から成り、ピストンのピストン
ヘッド１には、キャビティが形成されている。このピス
トンヘッド１に形成したキャビティは、副室として機能
する燃焼室２を形成するものである。

この燃焼室２内には、該燃焼室２のほぼ中央底部から開
口部１０側へ伸びる突起体５が設けられている。突起体
５の上部は、燃料噴射ノズル４側に面する上面即ち頂点
１８から下方に向かう斜面の円錐壁面８に形成されてい
る。突起体５の下部は、断面積を小さく絞り込んだ支持
部１７に構成されている。この支持部１７の周壁面２１
は、ピストンヘッド１に形成されたキャビティの周壁面
１３との間に環状の空所を形成し、該環状空所が燃焼室
２を構成する。なお、吸気ボート６には吸気弁６Ｂが配
置され、また、排気ボート７には排気弁７Ｂが配置され
ている。

また、ピストンヘッド１に形成したキャビティの周壁面
１３は、突起体５の円錐壁面８に対応して拡開状態に形
成され、キャビティの周壁面１３と突起体５の円錐壁面
８とで環状円錐状通路１５が形成される。この環状円錐
状通路１５は、開口部１０と燃焼室２とを連通ずる連絡
孔を構成する。

また、突起体５の円錐壁面８は、液状燃料が衝突し且つ
液状燃料が流下するための衝突ガイド面を構成すると共
に、ピストン上昇によって発生する燃焼室２へのスキッ
シュ流の流れ方向を変更するガイドとして機能する。

また、シリンダヘッド３に取付けた燃料噴射ノズル４は
、その噴口１１を突起体５の頂点１８に対向するように
配置されている。燃料噴射ノズル４は、ビントルノズル
等の噴射ノズルから成り、噴口１１として単噴孔に構成
されている。燃料噴射ノズル４の噴口１１から噴射され
た燃料は、液状で円錐壁面８の中央部即ち頂点１８に衝
突して円錐壁面８に沿って流下するように構成されてい
る。従って、燃料噴射ノズル４の噴口１１から噴射され
た液状燃料は、突起体５の頂点１８から円錐壁面８に沿
って流下し、鎖線で示すように、燃焼室２内に円錐状燃
料薄膜を形成するようになる。

また、ピストンの上昇によって発生する燃焼室２へのス
キッシュ流は、突起体５の円錐壁面８にガイドされて矢
印のように噴流方向が変更され、副室２の周壁面１３に
沿って旋回流れとなる。そこで、このスキッシュ流の旋
回流れは、燃料噴射ノズル４の噴口１１から噴射され且
つ円錐壁面８にガイドされて流下した円錐状燃料ｆ！膜
の液状燃料と交差し、空気と燃料との良好な混合気形成
が実現できる。

この燃料衝突拡散式エンジンにおいて、連絡孔を構成す
る環状円錐状通路１５の出入口部である開口部１０の面
積は、シリンダライナ２０によって構成されるボアの面
積の約０．９〜５％になるように絞り込まれた形状に構
成され、燃焼室２が副室の機能を有するように構成され
ている。また、ピストンヘッド１の頂面９即ち開口部１
０の面と突起体５の頂点１８との長平方向の位置関係は
、突起体５の頂点１８がピストンヘッド１の頂面９より
約１ｍｍ以上下げることが好ましい。更に、ピストンに
形成した燃焼室２の燃焼室容積は、全燃焼室容積の約４
５％以上に設定する。特に、この燃焼室容積比を、５０
％〜６０％に設定した場合には、エンジンの高負荷領域
において通常の副室式燃焼と同様になり、燃料リンチで
燃焼させてＮ　Ｏｘの発生を抑制した燃焼を行わせるこ
とができ、Ｎｏイ低減効果を奏することができる。

この発明による燃料衝突拡散式エンジンは、上記のよう
に構成されており、次のように作用する。

この燃料衝突拡散式エンジンは、ノリンダヘノド３に取
付けた燃料噴射ノズル４の噴口１１から低圧で噴射され
た燃料は、棒状の液状燃料として噴口１１に対向した燃
焼室２内の突起体５の円錐壁面８に衝突し、薄い膜状の
円錐状になって拡散する。この時、ピストンの上昇で発
生するスキノソユ流は、シリンダヘッド３に設けた突起
体５の円錐壁面８にガイドされてキャビティの周壁面１
３に沿って旋回流れとなって流れる。そこで、該スキッ
シュ流と円錐状薄膜燃料と交差して良好な混合を実現す
ることができ、良好な燃焼状態を確保して燃焼効率を向
上できる。

即ち、この燃料衝突拡散式エンジンにおいて、燃料噴射
ノズル４から低圧で噴射された燃料は突起体５の円錐壁
面８に衝突して該円錐壁面８に沿って円錐状のフィルム
即ち円錐状燃料薄膜となって燃焼室２内へ均一に拡散す
る。そこで、主室１４から連絡孔である環状円錐状通路
１５を通して燃焼室２に流入したスキンシュ流による空
気は周壁面１３にガイドされて矢印方向に流れ、該空気
流と円錐状に拡散した円錐状燃料薄膜とは交叉し、混合
が促進されると共に、燃料リッチな状態で主たる燃焼を
燃焼室２で行って良好な燃焼を行わせ、Ｎ０１ｌの生成
を抑制することができ、次いで、火炎は燃焼室２から連
絡孔を通じて主室１４に吹き出されることによって急激
に燃焼温度及び燃料当量比は低下し、ＮＯＸの発生を抑
制する燃焼を行なわせることができ、未燃燃料或いは中
間生成物の排出を防止できる。

次に、第２図を参照して、この発明による燃料衝突拡散
式エンジンの別の実施例を説明する。

この実施例による燃焼室の構造は、上記実施例のものと
比較して、主室１５がピストンヘッド１の上部に形成さ
れたキャビティ部に形成されている以外は、同一の構成
及び同一の機能を有するものである。即ち、ピストンヘ
ッド１に形成されたキャビティは、主室１６を形成する
キャビティ部と副室と同等の機能を有する燃焼室２を形
成するキャビティ部から構成されている。この実施例の
燃料衝突拡散式エンジンの作用は、上記実施例のものと
同様であるので、ここでは説明を省略する。

〔発明の効果〕

この発明による燃料衝突拡散式エンジンは、上記のよう
に構成されており、次のような効果を有する。即ち、こ
の燃料衝突拡散式エンジンは、ピストンヘッドに形成し
たキャビティで構成される燃焼室、該燃焼室内に位置し
且つほぼ中央底部から開口部側へ伸びる突起体、該突起
体に対向する噴口を有し且つシリンダヘッドに取付けた
燃料噴射ノズル、前記噴口からの噴射燃料を衝突流下さ
せる前記突起体上部に形成した円錐壁面、及び該円錐壁
面に対応して拡開した前記キャビティの周壁面を有する
ので、ピストン上昇で発生するキャビティ内へのスキッ
シュ流は前記円錐壁面で方向を変更されて前記燃焼室内
へ吹き込まれ、前記燃焼室内で旋回流れとなり、また前
記燃料噴射ノズルから噴射される燃料は前記ピストンヘ
ッドに設けた前記突起体の前記円錐壁面に衝突して流下
し、円錐状燃料薄膜を前記燃焼室内に形成し、そこで、
空気の旋回流れと円錐状燃料１膜とが交差して良好な混
合気形成を実現し、主たる燃焼を前記燃焼室で行わせる
ことができ、ＮＯＸの発生を抑制する燃焼を行わせるこ
とができる。

詳しくは、前記突起体の前記円錐壁面と前記ピストンヘ
ッドに形成したキャビティの前記周壁面とで環状円錐状
通路を形成し、該環状円錐状通路によってスキッシュ流
をガイドしてスキッシュ流の方向を変更し、スキッシュ
流を前記副室の壁面に沿って流動させ、逆スキソシェ流
によるスキッシュ流の流れを弱める作用を抑制する。一
方、前記燃料噴射ノズルから噴射された燃料は前記円錐
壁面に液状で衝突して円錐状燃料薄膜を形成する。

即ち、前記燃料噴射ノズル４から低圧で噴射された燃料
は、前記突起体の前記円錐壁面に衝突して該円錐壁面に
沿ってガイドされて流下し、円錐状の燃料薄膜即ちフィ
ルムとなって前記燃焼室内へ均一に拡散する。

そこで、前記円錐状燃料薄膜にスキ、ツユ流で生した旋
回流れを交差させて空気と燃料を混合させることができ
、良好な混合気を生成させて、前記燃焼室で燃料リッチ
な状態で主たる燃焼を行って良好に燃焼させることがで
き、Ｎ　Ｏｘの生成を抑制する燃焼を行わせることがで
き、次いで、火炎は前記燃焼室から前記環状円錐状通路
部ち連絡孔を通して前記主室に吹き出されることによっ
て急激に燃焼温度及び燃料当量比は低下し、Ｎ　Ｏｘの
発生を一層抑制する燃焼を行なわせることができ、ＨＣ
等の未燃ガス、未燃燃料或いは中間生成物の排出を防止
でき、燃焼効率の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による燃料衝突拡散式エンジンの一実
施例を示す断面図、及び第２図はこの発明による燃料衝
突拡散式の燃焼室の別の実施例を示す断面図である。 １−・−・−ピストンヘッド、２−−−−一燃焼室、３
シリンダヘツト、４−　燃料噴射ノズル、５突起体、８
−一一一・円錐壁面、１０−−−−一関口部、１１−・
−噴口、１３−−−−−一周壁面、１４．　１６−−−
−−主室、１５−・・−環状円錐状通路、１Ｂ−−一頂
点。 出願人　　いす−゛自動車株式会社 代理人　　弁理士　尾　仲　−宗

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）ピストンヘッドに形成したキャビティで構成され
   る燃焼室、該燃焼室内に位置し且つほぼ中央底部から開
   口部側へ伸びる突起体、該突起体に対向する噴口を有し
   且つシリンダヘッドに取付けた燃料噴射ノズル、前記噴
   口からの噴射燃料を衝突流下させる前記突起体上部に形
   成した円錐壁面、及び該円錐壁面に対応して拡開した前
   記キャビティの周壁面を有する燃料衝突拡散式エンジン
   。
2. （２）前記円錐壁面と前記周壁面とで形成し且つ前記燃
   焼室と前記開口部とを連通した環状円錐状通路を有する
   請求項１に記載の燃料衝突拡散式エンジン。
3. （３）前記キャビティは主室を形成するキャビティ部と
   前記燃焼室を形成するキャビティ部とを有する請求項１
   に記載の燃料衝突拡散式エンジン。