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JPS63162925A - 空気圧縮式弁制御内燃機関 - Google Patents

空気圧縮式弁制御内燃機関

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Publication number
JPS63162925A
JPS63162925A JP62315075A JP31507587A JPS63162925A JP S63162925 A JPS63162925 A JP S63162925A JP 62315075 A JP62315075 A JP 62315075A JP 31507587 A JP31507587 A JP 31507587A JP S63162925 A JPS63162925 A JP S63162925A
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JP
Japan
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combustion chamber
internal combustion
combustion engine
piston
recess
Prior art date
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Application number
JP62315075A
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フランツ・シュバインツァ
ボルフガング・カルテリーリ
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AVL List GmbH
Original Assignee
AVL List GmbH
AVL Gesellschaft fuer Verbrennungskraftmaschinen und Messtechnik mbH
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Publication date
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    • F02B3/06—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)

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、シリンダ軸回りの吸入空気の旋回を発生させ
るための吸気路と、圧縮行程の終わりにほぼ燃焼空気全
体を収容するところのビスＩ・ン内に設けられている円
環状の燃焼室と、前記燃焼室のピストン上面に対する開
口に設けられると共にピストン上面に対するその境界が
円筒状であるくびれ部と、前記円環状の燃焼室の形成に
機能する回転体形状の中央部と、その注出口を前記燃焼
室中心軸近くに配置し前記円環状の燃焼室内に燃料を注
入する噴射ノズルとを備えた直接噴射式の空気圧縮式弁
制御内燃Ｒ開に関する。
［従来の技術］ この種の内燃機関は１９３５年に発表されたスイス特許
１７５４５３に記載されている。この内燃機関の構造は
、排気ガス中の煤煙形成によって示される不完全燃焼や
燃焼遅延が生しることを避けるため燃焼室の壁面に燃料
を一滴も当てないという考えや全ての燃料粒に充填空気
を行きわたらせることが必要があるという考えを背景と
している。このことに応じて、その燃ｔ１粒が絞り開口
を通り・て円環形状の内側部に空気が流れる際に一度そ
して円環形状の外側部に空気が流れる際にもう一度空気
のリング過流を起こすように多噴孔噴射ノズルが円環状
の燃焼室に対して配設されている。このことによって充
填空気内に燃料を完全に分布することができ。
燃料の煤煙のない燃焼やエンジンのかなりの能力向上が
見られる。動作シリンダ内に入り込む際充填空気に旋回
運動を与えるための手段が備えられている。燃焼室をシ
リンダの行程空間と接続しているところのその断面がシ
リンダ断面の１／３〜１／６である絞、り開口部は、空
気がこの絞り開口を通り抜ける際空気の旋回運動を強化
するように作用し、その際それはリング過流運動に重な
る。
スイス特許１７５４３３が公表された時代に実現可能で
あった噴射圧力は今日の達成可能な圧力に較べ明らかに
低いものであった。他方そこで達成可能な圧縮空気の混
合形成エネルギは、新時代のエンジンに要求された高い
能力を低い噴射圧力レベルでもって得るには不十分であ
った。この方法では、又必要な噴射量が、努力されてい
たように、燃料を壁に堆積させることなしに、つまり主
に空気を分配させることなしに一様な混合気にされるこ
とができなかった。
この公知の内燃機関でのその低い噴射圧力はかなり高い
噴射量の不完全な混合気形成による最大負荷能力の低さ
という欠点をもたらす、その池、高い圧縮の場合混合気
形成エネルギが大きく低下し、その結果煤煙に制限され
る最大負荷能力が減少するので、低い圧縮しか実施でき
ない、この低い圧縮は大きな燃焼煙量と悪い始動性と高
い炭化水素の放出を意味する。高い混合気形成エネルギ
は十分に長く保たれないので、煙のない燃焼のため点火
時期は早目にしなければならない、このことからも又、
高い燃焼煤煙や高い窒素酸化物の放出や高いシリンダビ
ーク圧が生じる。
放出条件に基づいてさらに騒音性や経済性の理由から必
要とされる高い圧縮比ε＝１９：１〜’２２　：　１を
実施することは、既に述べたように、スイス特許１７５
４３３による内燃機間の際、圧縮空気の混合気形成エネ
ルギのはつきりした低下をそしてその結果として煤煙に
制限される最大負荷能力の低下を引き起こす。
今日では公称能力で一般的なピーク圧力６００バールか
ら１０００バールを少し上回る値に噴射圧力が向上した
ことで公知の内燃機関において混合気形成の状況は改善
されることができるが、圧力レベルに応じて燃料の一層
高い壁への割り当て分（８０％にまで）が生じる。
この壁への割り当て分が高いことは、公知の内燃機関の
燃焼室の場合まず混合気形成の悪化を導く、不完全な混
合気形成は、大きな点火遅延によるエンジンの高い燃焼
音や、高い煤煙放出つまり所定の燻炭での能力低下や、
高い炭化水素放出と効率損失の原因となる。
特に、個々の噴射流に起因する付着した燃料膜が凹部の
中央の乱れの少ない領域に達し、そこで不完全に形成さ
れ、上述゛したようにエンジン運転状況に好ましくない
作用をするということが指摘される。
過流室穴又は予燃焼室式の内燃機関は別種の長所、欠点
を備えている。長所としては射出路からの排出の際の主
燃焼室での混合エネルギにより最大負荷の際燻炭が低い
ことである。さらには、高い圧縮比での低い騒音、ゆっ
くりしたつまり遅い燃焼とそれとの関係での低いＮＯＸ
値とＨｅ値が長所である。これに対して短所としては、
浸流路における高い熱損失と絞り損失に起因する大きい
燃料消費である。さらには、射出路、縁部、弁へりやピ
ストン底に高い熱負荷が生じることである。
［発明が解決しようとする問題点］ 本発明の目的は、開口燃焼室凹部を備えた直接噴射式デ
ィーゼル機関と過流室穴又は予燃焼室式ディーゼル機関
の間で理想的な内燃機関システムを提供し、その際両基
本方式の長所をできるだけ合わせもち、主なる欠点を回
避することである。
［問題点を解決するための手段］ 前述した問題点は、本発明によれば、くびれ部が回転体
形状の中央部によって燃焼室の中央領域から境界づけら
れ、この中央部がその上部境界部をピストンの上死点に
おいて燃料流領域のすぐ下側に位置させると共にピスト
ン燃焼室から円筒状のくびれ部つまりシリンダ室への狭
いリング状の浸流断面の内側の境界を形成し、かつ噴射
ノズルめ燃料流が円筒状のくびれ部へのピストン燃焼室
の移行領域に向けられていることによって解決される。
［作用・効果］ この構成により、狭いリング状の浸流断面の形成を通じ
て高い混合気形成エネルギが準備され、しかもその際円
環状燃焼室をもつ最初に述べた型式のものに較べて浸流
断面での高すぎる絞り損失や熱損失により内燃機関の効
率を悪化させることもない、生じ得る絞り損失は増加し
た混合気形成エネルギとその結果生じる速い燃焼により
補償される。その他、高い噴射圧力の場合、壁に分布さ
れる燃料成分は公知の内燃機関の場合より良好に形成さ
れる。燃料の壁への付着のための大きな表面により燃料
膜の良好な壁からの離脱が起こり、凹部中央の中央部は
、壁に付着した燃料膜が凹部中央の乱れの少ない領域つ
まり空気が激しく動いていない領域に達することを妨げ
ている。凹部中央の中央部と大きな利用可能な凹部表面
は種々の噴射流に起因する燃料膜の合流を妨げる。リン
グ状の浸流断面の領域で燃焼室凹部の中央部の外縁から
壁に付着した燃料膜が部分的に離脱されることにより凹
部の円環領域での増大した空気の流れ部域は混合気形成
のために良好に利用される。凹部の中央部の特別な形成
により、その上部境界面に、ちょうどその上面を吹き抜
けていく燃料流を付加的に加熱する温度が生じ、それで
もって混合気形成に好都合に影響する。狭ル逼浸流断面
を通じて空気の旋回との共働作業で生じる高い速度エネ
ルギは、構成されているり、ング室において最初に記載
した゛公知の燃焼室形状の場合に較べ高いレベルでもっ
て長い時間間隔にわだって呆持される。
本発明によるリング室としての燃焼室の記載された特徴
は、まとめると、エンジン運転状況に対して次の効果を
持つ； 煤煙の改善つまり煤煙に制限された最大負荷の向上、 回転数における高い回転モーメントの際に高い圧縮比ε
＝１９：１〜２４：１を実現することが可能である。こ
の高い圧縮比は、長所としてわずかな点火遅延による低
い°燃焼音、少ない炭化水素放出、エンジンの好ましい
始動状況や内燃機関効率の改善を導く、さらに点火時期
を遅れる方向に移す可能性が生じ、その際混合気形成エ
ネルギが長時間にわたって高く保たれるという事実によ
り目立った煤煙増加や燃費悪化やＨＣの増加がともなわ
ない、この可能性はまず窒素酸化物や燃焼音やシリンダ
と−ク圧の低下を意味する。
本発明による別な実施膿態において円環に形成される円
断面の直径に対するリング状の浸流通路の幅の比が０．
２〜０．９好ましくは０．５〜０．７にすることができ
る。浸流通路幅と円環に形成される円断面の間の比が０
．５以下なら、″容室効果〜が生じ、これは浸流断面が
減少するほど顕著になる。記載された絞り比がＯ１２以
上なら、この“容室効果″は燃費損失をともなわずに生
じ、つまりは、最初のゆっくりした燃焼の後で燃焼の終
わりに当たっては急速な燃焼が続き、この燃焼は混合気
の噴出の際の主燃焼室内の高い混合エネルギによりそし
てリング室からの部分燃焼によってもたらされる。この
効果は、付加的な煤煙の改善そして窒素酸化物をさらに
低下させることや騒音をさらに低下させることをもたら
す。
本発明によるさらに別な特徴により、中心円の半径と円
環に形成され２円断面の半径が所定の燃焼室体積におい
て壁面に付着さ°れる燃料膜によってぬらされる面積が
可能な限り大祭くなるように選ばれるなら特別なる利点
を与えるだろう。
平均のＯ転モ−メ７　トが（％ｏ／？１／）ａ＝　２．
２の場合、４個又は５個の噴孔を用いると特に利点を有
することが実証され、その際？１／ｐは静止実験で得ら
れた回転モーメント測定装置の翼回、転数であり、ｎは
測定された貫流流量から計算されたエンジン回転数であ
り、指数ｍは比ｎｙｏ／？’ｌ。
が吸気行程の間エンジンの上死点まで積分した平均値を
表すことを表現しぞい仝。
これについては、オーストリアのグラーツのＧ、シーン
（ＴＨＩＥＮ）氏の論文″４サイクルディーゼルエンジ
ンの弁流路の開発作業“の特にＣ章″弁流路の流れ性質
の測定″　（オーストリア技術者雑誌、１９６５年、第
８年度、９号の別冊に表されている）が参照される。そ
の場合、平均の自由噴流長さがシリンダ直径の２０±５
％にするとよい。
一様な混合気形成という点からは、燃料流の衝突領域を
円筒状のくびれ部と円環状の燃焼室の間の移行部に位置
させ、その衝突点を凹部縁のところで一様に分布させる
と好都合である。
円環状燃焼室は、異なった径をもつ中心円と断面円を有
する２つの部分から、そしていずれにせよ円筒状の中間
部をもって構成することができる。中央の回転体形状体
の上部の境界は、円錐状又は円錐台状あるいはその両方
の形状であることが好ましく、そして燃焼室凹部や浸流
流路の領域とくびれ部領域に生じる全ての縁は大きな熱
的負荷を避けるため丸みづけられることが好ましい。
さらに本発明による別な実施例において、中央部、凹部
へり、凹部領域＋リング装着部の内いずれか又は全ては
残、りのピストン部と比較して、高い耐熱性を有する材
料から構成され、これらの部材はその柱身部と共に一体
に鋳造されるか又は取り外し可能に接続されることがで
きる。
［実施例］ 第１図と第２図に示されているよ、うに、直径：Ｄを有
するシリンダ１内を軸方向に移動するピストン２は燃焼
室凹部３を備えており、その凹部は、その中心点円半径
がＲで断面円半径がｒである円環状基体４を、詳しくは
円環状空間を有する。この燃焼室凹部３は、さらにシリ
ンダ軸１′に平行な軸４′とピストン表面５に開放して
いる開口を備え、この開口は燃焼室凹部３の円環状基体
４に対しての絞り部としてのくびれ部６であり、その周
面は°円柱面状である。
燃焼室凹部３は回転体形状の中央部７を備え、その中央
部７はその下部７′において燃焼室凹部の円環状基体４
の形成に関与している。又中央部７はその上部７″をピ
ストン２の上死点において噴射ノズル８から出た燃料流
９のちょうど下側に位置させ、ここで示された実施例で
は円錐台形状である中央部７の上側境界面は燃料流９に
よってぬらされないか、少なくともわずかしかぬらされ
ない、燃料流９はくびれ部の円柱状の周面６′への円環
状基体４の移行領域１０に方向づけられる。そのリング
状の浸流断面１３は幅：ｂを有している。
燃焼室凹部３はピストン２のできるだけ中央に配設され
るべきだが、示された実施例においては中央部７を含む
円環状基体４の軸４′は構造的理由、弁や噴射ノズルの
配置からピストンの軸１′に対し少しだけずれている。
第３図による実施例においては、燃焼室凹部３の円環状
基体４はその周面６′が円柱状である絞り部６を介して
同様にシリンダ内部に連通される０回転体形状の中央部
７の下部７′は、同様に円環状基本４の形成に関与して
いる。中央部７の上部７“は、しかしながら球冠の形体
を取りつつ平たくされる。この球冠形体の上部７″及び
絞り部つまりくびれ部６は円環状基体４への移行のとこ
ろで強く丸みづけられている。
第４図による実施例は、中央部７の上部７″が円錐台形
状ではなく円錐形状であるということでのみ第１図によ
るものと違っている０円環状基体４と中央部７の上部７
″との間の切片１１と開口６の円柱状周面６′と円環状
基体４は角ぼっているか又はわずかに丸みづけられてい
る。燃焼室凹部３の開口６へのリング状の浸流断面１３
は第１図の実施例のものに較べ明白に大きくなっている
。
第５図による実施例は、凹部へり部１４と中央部７の上
部７″のいずれか又は両方がネジ取第１図によるものと
一致するが、このネジ取り付は部材はピストン２と同じ
材料か又は２５Ｃｒ２ＯＮｉ鋼のような耐熱材料から作
られる。ネジで取り付けられる凹部へり部１４の外側の
ネジは参照番゛号１５で、中央部７のネジで取り付けら
れる上部７″のネジボルトは参照番号１６で示されてい
る０両方のネジ取り付は部材１４と７″はＤＩＮ６７９
７による内側ないしは外側を歯切りされた歯切り板１７
ないしは１８によりネジ１６ないしは１５を封密にし、
かつ回転止めしている。
第６．７図による２つの実施例は燃焼室凹部３と中央部
７の形状に関して、第１．２図による実施例と一致して
いる。第６図による実施例では、ピストン２の凹部領域
１９とピストンリング装着領域２０は耐熱材料、例えば ２５Ｃｒ２ＯＮｉｌから製作され、これらはピストン２
の柱身部２′と形状的にフィツトするように乍ったり、
ＡノーＦｉｎ法により最近のピストンでは普通であるア
ルミ合金で一体鋳造させる。
第７図は、往復ピストン内に中央部７“がネジで取り付
けられたりあるいは爆接されたりしている本発明による
燃焼室凹部３を示している。
この部分７″も他のピストンの部分と同様な材料で構成
されているが、耐熱即ち超高温材料でも構成することが
できる。
【図面の簡単な説明】
図面は本発明による空気圧縮形の弁制御直接噴射式内燃
機関の実施例を示し、 第１図は本発明による内燃機関のシリンダヘッドの一部
分やピストンの軸方向断面図、第２図は第１図によるピ
ストンの平面図、第３図〜第６図はそれぞれ本発明によ
る別実施例の一部分の軸方向断面図、第７図は本発明に
よるさらに別な実施例のピストンの軸方向断面図である
。 （２）・・・・・・ピストン、（３）・・・・・・燃焼
室凹部、（６）・・・・・・くびれ部、（７）・・・・
・・中央部、（８）・・・・・・噴射ノズル、（９）・
・・・・・燃料流、（１３）・・・・・・浸流断面。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、シリンダ軸回りの吸入空気の旋回を発生させるため
    の吸気路と、圧縮行程の終わりにほぼ燃焼空気全体を収
    容するところのピストン内に設けられている円環状の燃
    焼室と、前記燃焼室のピストン上面に対する開口に設け
    られると共にピストン上面に対するその境界が円筒状で
    あるくびれ部と、前記円環状の燃焼室の形成に機能する
    回転体形状の中央部と、その注出口を前記燃焼室中心軸
    近くに配置し前記円環状の燃焼室内に燃料を注入する噴
    射ノズルとを備えた直接噴射式の空気圧縮式弁制御内燃
    機関において、前記くびれ部（６）は前記回転体形状の
    中 央部（７）によって前記燃焼室の中央領域から境界づけ
    られ、この中央部（７）はその上部境界部（７″）をピ
    ストン（２）の上死点において燃料流領域（９）のすぐ
    下側に位置させると共にその燃焼室凹部（３）から円筒
    状のくびれ部（６）つまりシリンダ室への狭いリング状
    の浸流断面（１３）の内側の境界を形成し、かつ前記噴
    射ノズル（８）の燃料流（９）は円 筒状のくびれ部（６）へのピストン燃焼室（３）の移行
    領域に向けられていることを特徴とする空気圧縮式弁制
    御内燃機関。 ２、前記円環に形成される円断面の直径：２ｒに対する
    リング状の浸流断面（１３）の幅：ｂの比が０．２〜０
    ．９、好ましくは０．５〜０．７であることを特徴とす
    る特許請求の範囲第１項に記載の内燃機関。 ３、中心円の半径：Ｒと前記円環（４）に形成される円
    断面の半径：ｒとは所定の燃焼室体積において壁面に付
    着される燃料膜によってぬらされる面積が可能な限り大
    きくなるように選ばれることを特徴とする特許請求の範
    囲第１項又は第２項に記載の内燃機関。 ４、平均回転モーメントレベル：（ｎ＿Ｄ／ｎ）＿ｍ＝
    ２．２で４個の噴口を使用することを、そしてこゝでｎ
    ＿Ｄは静止実験で得られた回転モーメント測定装置の翼
    回転数であり、ｎは測定された貫流流量から計算された
    エンジン回転数であり、指数ｍは比ｎ＿Ｄ／ｎが吸気行
    程の間エンジンの上死点から下死点まで積分した平均値
    を示すすことを表現していることを特徴とする特許請求
    の範囲第１項〜第３項のいずれかに記載の内燃機関。 ５、平均の自由噴流長さがシリンダ直径：Ｄの２０±５
    ％であることを特徴とする特許請求の範囲第４項に記載
    の内燃機関。 ６、燃料流（９）の衝突領域はくびれ部（６）円環状の
    燃焼室（４）の間の移行部に位置し、その衝突点は凹部
    縁のところで一様に分布していることを特徴とする特許
    請求の範囲第１項〜第５項のいずれかに記載の内燃機関
    。 ７、前記円環状燃焼室（４）は異なった中心径：Ｒと断
    面円径：ｒを有する２つの部分から、そしていずれにせ
    よ円筒状の中間部をもって構成されていることを特徴と
    する特許請求の範囲第１項〜第６項のいずれかに記載の
    内燃機関。 ８、前記燃焼室において中心の回転体形状の中央部（７
    ）の上部（７″）の境界は、円錐状又は円錐台状あるい
    はその両方の形状であることを特徴とする特許請求の範
    囲第１項〜第７項のいずれかに記載の内燃機関。 ９、前記燃焼室凹部（３）の領域と開口・くびれ部領域
    （６）に生じる全ての縁が大きな熱的負荷を避けるため
    丸みづけられていることを特徴とする特許請求の範囲第
    １項〜第８項のいずれかに記載の内燃機関。 １０、前記中央部（７）、凹部へり（１４）、凹部領域
    とリング装着部（２０）のうちいずれかは残りのピスト
    ン部（２）に較べ高い耐熱性を有する材料から構成され
    ており、これらの部材はその柱身部と共に鋳造されるか
    又は取り外し可能に接続されることを特徴とする特許請
    求の範囲第１項〜第９項のいずれかに記載の内燃機関。
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