(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内を往復動するピストン，前記シリンダ側に形成された主室，前記シリンダのほぼ中央に位置するように前記ピストンに形成された副室，前記ピストンに前記主室と前記副室とを連通するほぼ前記シリンダ中央領域に形成された中央連絡孔と前記中央連絡孔の回りの周方向に隔置して形成された複数の連絡孔，前記主室と前記副室に燃料を噴射する多噴孔を備えた燃料噴射ノズル，及び吸入行程から圧縮行程までの間の所定の期間において前記主室に燃料を噴射して自着火しない程度のリーン混合気を生成し，ピストン圧縮上死点近傍で前記副室内に着火用燃料を噴射して前記副室内の混合気を着火燃焼させる制御を行うコントローラ，から成る副室式エンジン。
【請求項２】
前記燃料噴射ノズルの前記多噴孔から前記副室内への燃料噴射は，前記ピストンに形成された前記中央連絡孔を通じて前記副室の壁面に向かって噴射される請求項１に記載の副室式エンジン。
【請求項３】
前記燃料噴射ノズルはピストン圧縮上死点近傍で前記中央連絡孔に突入し，前記副室内で前記多噴孔から前記副室の壁面に向かって燃料が噴射される請求項１に記載の副室式エンジン。
【請求項４】
前記副室は前記ピストンに形成されたキャビティに遮熱層を介して配置された耐熱材料から成る副室構造体で遮熱構造に構成されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の副室式エンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は，シリンダ側に形成した主室とピストンヘッドに形成した副室とを連通する連絡孔を備えている副室式エンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来，エンジンの燃焼改善を目的として渦流室を持つ渦流室式エンジンが開発されている。このような渦流室式エンジンは，シリンダヘッドに形成した渦流室，該渦流室とシリンダ側に形成した主室とを連通する連絡孔及び渦流室内に燃料を噴霧する燃料噴射ノズルを有し，連絡孔を通じて渦流室に流入する渦流によって渦流室内に噴射された燃料と空気との混合気を形成させて一次燃焼させ，次いで渦流室から連絡孔を通じて主室へ火炎，未燃混合気等のガスを噴出して二次燃焼させている。
【０００３】
また，実開昭５８−７７１２５号公報には，ピストン内燃焼副室付ディーゼル機関が開示されている。該ピストン内燃焼副室付ディーゼル機関は，燃料噴射ノズルからの燃料噴射を副室で行って，次いで，副燃焼室から主燃焼室に噴出した燃焼ガスに対して燃料噴射ノズルから主燃焼室に残りの燃料を噴射し，主燃焼室に強力な渦流を形成させるものである。
【０００４】
また，特開平７−１１９５７７号公報には，副室付２サイクルディーゼル機関の燃料噴射制御装置が開示されている。該燃料噴射制御装置は，着火遅れを改善するため，圧縮行程後半に副室へ燃料を噴射する主燃料噴射ノズルと，掃気中にピストン下死点以降に副室に燃料を噴射する予燃料噴射ノズルとを有する。
【０００５】
また，特開平７−３３２０９１号公報には，副室式エンジンが開示されている。該副室式エンジンは，ピストン側に副室を形成し，副室上部に燃料リッチの混合気を生成し，混合気を早く主室へ噴出させて燃焼期間を短縮するものであり，燃料噴射ノズルをピストン頂部に形成したノズル孔から副室内にピストン上死点近傍で突入させ，多噴孔から側壁面に対して軸方向高さの１／２より高い領域に向けて燃料を噴射させる。ノズル孔の回りの部分のピストン頂部に連絡孔を隔置して形成し，連絡孔の通路断面積をピストン頂面の全面積に対して１．５〜５％の面積比に設定する。ピストン頂部側の側壁面に対する多噴孔からの燃料噴霧の衝突角は９０°〜１２０°の範囲内になるように設定されている。
【０００６】
また，特開平３−１１５７２７号公報には，副室式断熱エンジンが開示されている。該副室式断熱エンジンは，主ノズルから主室に吸入行程初期に主室の壁面に向かって主室内に可燃混合気以下の量の燃料を噴射して壁面から熱エネルギを吸収し，副ノズルから圧縮行程上死点近くで副室の壁面に向かって副室に燃料を噴射して混合気をリッチにして着火燃焼させ，ＮＯX ，ＨＣ，スート等の発生を低減するものである。
【０００７】
また，特開平４−２５９６４０号公報には，希薄燃焼用火花点火内燃機関が開示されている。該希薄燃焼用火花点火内燃機関は，運転状態が変化しても排ガス中の窒素酸化物濃度が上昇しないように，副室内への燃料供給割合を任意に制御するものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
一般に，副室での燃焼温度は高温であるため，ＮＯX の生成を低減する対策としては，燃料リッチで燃焼させることが効果的である。また，燃焼温度が高温である時，燃料リッチで燃焼させるには，エンジン構造のタイプとしては副室式エンジンで対応することが有効である。エンジンを副室式燃焼室に構成した場合に，副室式燃焼室の燃焼スピードを直接噴射式燃焼室の燃焼スピードと同程度まで速くするには，副室と主室とを連通する連通孔の通路断面積を拡大することが必要である。ところが，連通孔の通路断面積を大きくすると，副室から主室へ流出する噴出スピードが低下し，主室での燃焼が十分に行われない。
【０００９】
また，従来のエンジンでは，高い熱効率と低ＮＯX を両立させるために，希薄予混合気を圧縮し，上死点近くで自着火により燃焼させる開発が行われており，この場合，高い圧縮比と希薄予混合を組み合わせて，極めて高い熱効率が期待できるが，更に希薄であるため燃焼温度が低く，ＮＯX の生成も極めて小さい。しかしながら，このような予混合希薄自着火式エンジンは，着火ポイントのコントロールが重要になり，ノッキングが発生しないように圧縮してピストン圧縮上死点近くで良好に自着火させることが極めて困難である。即ち，エンジンでは，サイクル毎にバラツキがあり，気筒毎にバラツキがあるため，安定して自着火させることができない。そこで，予混合希薄自着火式エンジンでは，着火ポイントのコントロールを如何に行うかの問題がある。また，このようなエンジンを実用化するためには，ノッキングが発生しないようにするため，十分に希薄なリーン混合気を生成するか，低い圧縮比に設定するか，ガソリン等のノック性の高い（オクタン価の高い）燃料を用いることが重要である。このような燃焼プロセスを有するエンジンでは，基本的には，混合気が十分に希薄なリーン混合気であれば，軽油でも自着火が起きないように運転できる。
【００１０】
前掲特開平３−１１５７２７号公報に開示された副室式断熱エンジンは，主室に燃料を噴射する主ノズルと副室に燃料を噴射する副ノズルを必要とするので，構造が複雑になってコストアップになり，副室がスワールチャンバタイプであるので，主室での混合時間が長くなって燃焼速度を速くするのは困難である。
【００１１】
前掲特開平４−２５９６４０号公報に開示されている希薄燃焼用火花点火内燃機関は，主室と副室への燃料ガスの配分は窒素酸化物濃度センサの結果を元にコントロールするものであり，火花点火の場合には，熱エネルギが小さいので，火炎伝播によって燃焼を行う必要があり，主室にある混合気の当量をリーンにするには限度がある。
【００１２】
予混合圧縮着火エンジンは，高い効率とＮＯX の発生を抑制するためには，着火時期のコントロールを適正に行う必要があるが，筒内の温度，圧力又は予混合気の当量比により，着火時期が変化したり，未着火になる。また，予混合圧縮着火エンジンは，筒内の混合気の状態によっては部分的に着火するが，全域で燃焼せず，失火してしまい，極めて狭い運転領域のみで運転が可能である。また，予混合圧縮着火エンジンでは，予混合気を高い圧縮比にして自着火させないため，リーン混合気であって，高いオクタン価の燃料を用いることである。例えば，ガソリンを燃料とし，圧縮比を１５〜１６とした場合に，自着火しない当量比は０．５以下である。このような状態で火花点火しても火炎は燃焼伝播せず，失火する。また，その対応策として，ガソリンを上死点近くで噴射しても混合気ができる時間が必要であること，その混合気が温度上昇するために，時間がかかること等で自着火は極めて困難である。
【００１３】
そこで，副室式エンジンにおいて，噴射した燃料が自着火し易い条件を作るため，副室内の温度を上昇させ，短時間に当量比１近くの混合気を生成することである。また，副室式エンジンでは，超リーン混合気で高圧縮比で着火燃焼させ，理論熱効率を高くすることができるので，如何にして超リーン混合気で高圧縮比で着火燃焼させるかであり，副室で着火した後，主室のリーン混合気をどのように短時間で燃焼させるかであり，着火用燃料を副室に噴射した燃料を主室へ流出させず，副室内に留めて混合気を生成させ，高温の壁面から熱を奪って瞬時に可燃混合気に自着火させることである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この発明の目的は，上記の課題を解決することであり，予混合圧縮着火エンジンにおいて，着火時期のコントロールを適正に行って予混合気が着実に短時間に且つ広い運転領域で燃焼させることであり，主室の予混合希薄燃焼を行わせることであり，主室での予混合気を高い圧縮比に確保し，自着火即ちノッキングしない程度の十分に希薄な混合気を予め生成し，次いで，副室に着火のための燃料を噴射し，副室から多数の連絡孔を通じて火炎と未燃混合気とをシリンダ周辺へ放射状に噴出させ，該火炎を火種にして主室のリーン混合気に火炎伝播させ，主室での燃焼スピードをアップして燃焼を短期に完結させ，全体としてＮＯX の発生を低減し，熱効率を向上させる副室式エンジンを提供することである。
【００１５】
この発明は，シリンダ内を往復動するピストン，前記シリンダ側に形成された主室，前記シリンダのほぼ中央に位置するように前記ピストンに形成された副室，前記ピストンに前記主室と前記副室とを連通するほぼ前記シリンダ中央領域に形成された中央連絡孔と前記中央連絡孔の回りの周方向に隔置して形成された複数の連絡孔，前記主室と前記副室に燃料を噴射する多噴孔を備えた燃料噴射ノズル，及び吸入行程から圧縮行程までの間の所定の期間において前記主室に燃料を噴射して自着火しない程度のリーン混合気を生成し，ピストン圧縮上死点近傍で前記副室内に着火用燃料を噴射して前記副室内の混合気を着火燃焼させる制御を行うコントローラ，から成る副室式エンジンに関する。
【００１６】
また，この副室式エンジンでは，前記燃料噴射ノズルの前記多噴孔から前記副室内への燃料噴射は，前記ピストンに形成された前記中央連絡孔を通じて前記副室の壁面に向かって噴射されるものである。
【００１７】
また，この副室式エンジンでは，前記燃料噴射ノズルはピストン圧縮上死点近傍で前記中央連絡孔に突入し，前記副室内で前記多噴孔から前記副室の壁面に向かって燃料が噴射されるものである。
【００１８】
また，この副室式エンジンでは，前記副室は前記ピストンに形成されたキャビティに遮熱層を介して配置された耐熱材料から成る副室構造体で遮熱構造に構成されている。
【００１９】
この副室式エンジンは，上記のように構成されているので，吸入行程又は圧縮行程において，燃料噴射ノズルから主室に燃料の一部を噴射して主室に自着火しない程度のリーン混合気を予め生成し，次いで，ピストン圧縮上死点近傍で副室内に着火のための燃料を噴射して高温の副室内の空気と混合させて着火燃焼させる。また，副室が遮熱構造に構成されているので，副室内の壁面温度が主室の壁面温度に比較して高温であるので，副室に燃料を再噴射することによって副室で確実に着火燃焼させることができ，副室内の温度と圧力とが急激に上昇して燃焼エネルギーが大きくなり，副室から周方向に隔置した多数の連絡孔を通じて主室へ放射状に火炎を噴出させ，主室ヘ噴出した火炎は強いペネトレーションで放射状に噴出するので，該火炎が火種となって主室内のリーン混合気を巻き込んで燃焼伝播しつつシリンダ周辺へ直ちに到達し，極めて短時間に燃焼を完結して熱効率をアップできる。
【００２０】
また，この副室式エンジンは，全体として副室での燃焼割合を小さくして主室での燃焼をメインにし，しかも副室内燃焼が一部ディーゼル燃焼であるため，ＮＯX が生成するが，副室内の混合気はオーバオールではリーンであるため，ＮＯX の発生量は小さい。また，副室内の混合気をリッチとしてもＮＯX の生成は小さい値となる。主室ではリーン混合気が燃焼するので，ＮＯX の発生をほとんど零に低減でき，副室と主室との燃焼全体として，ＮＯX の排出量を大幅に低減でき，例えば，ＮＯX の排出量を０〜５０ｐｐｍにまで低減できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下，図面を参照して，この発明による副室式エンジンの実施例を説明する。図１はこの発明による副室式エンジンの第１実施例を示し，圧縮行程途中の状態を示す断面図，図２は図１の副室式エンジンのピストン圧縮上死点の状態を示す断面図，図３は図１の副室式エンジンの膨張行程初期の状態を示す断面図，及び図４は図１の副室式エンジンにおける燃料噴射ノズルの噴射タイミングを示す説明図である。
【００２２】
第１実施例の副室式エンジンは，例えば，シリンダブロック１７に形成された孔部１９に配置されたシリンダ２０を構成するシリンダライナ１８，シリンダブロック１７にガスケット２５を介在して固定されたシリンダヘッド１３，シリンダヘッド１３に取り付けられた燃料噴射ノズル４及びシリンダ２０内を往復運動するピストン３から構成されている。ピストン３には，ピストンリング２６を装着するピストンリング溝２７が形成されている。この副室式エンジンでは，主室１がシリンダ２０側でシリンダヘッド下面１４とピストン頂面１６とで囲まれる領域に形成され，副室２がピストン３に形成されたキャビティ９に形成されている。シリンダブロック１７には，エンジンの気筒数に対応する孔部１９が形成されている。シリンダ２０は，上記のように，孔部１９に嵌合したシリンダライナ１８で形成してもよく，又はシリンダブロック１７の孔部１９によって直接構成してもよいものである。また，シリンダヘッド１３には，吸気ポート２２と排気ポート２４が形成され，吸気ポート２２には吸気バルブ２１が配置され，排気ポート２４には排気バルブ２３が配置されている。
【００２３】
ピストン３は，図示していないが，アルミニウム合金，ＦＣ等の金属で作製されたピストン本体，ピストン本体に形成されたキャビティに配置された耐熱性のＳｉ3 Ｎ4 等の高強度セラミックスで作製された副室を形成する副室構造体から構成することができる。副室２の遮熱構造は，例えば，ピストン３のキャビティにセラミックス製の副室構造体を配置し，キャビティと副室構造体の外面との間に遮熱空気層を形成して構成できる。副室２を遮熱構造に構成すれば，副室２の壁面温度が主室１の壁面温度より高温に維持でき，副室２に噴射された燃料を良好に着火燃焼させることができる。
【００２４】
この副室式エンジンは，シリンダ２０内を往復動するピストン３のシリンダ中央にキャビティ９を形成し，キャビティ９をピストン頂部１５で覆うことによって副室２がシリンダ２０のほぼ中央に形成されている。ピストン頂部１５には，そのシリンダ中央に燃料噴射ノズル４からの燃料が副室２内へ噴射されるように中央連絡孔５が形成されている。また，燃料噴射ノズル４は，周方向に隔置した多噴孔８を備えている。コントローラは，燃料噴射ノズル４の噴射タイミングをコントロールすることができ，燃料噴射ノズル４の多噴孔８から吸入行程から圧縮行程までの間の所定の期間において主室１に燃料を噴射して自着火しない程度のリーン混合気を予め生成させ，次いで，ピストン圧縮上死点近傍で中央連絡孔５を通じて燃料を副室２内に噴射する制御を行う。
【００２５】
この副室式エンジンにおいて，ピストン３のピストン頂部１５には，主室１と副室２とを連通するため，中央連絡孔５と連絡孔６が形成されている。中央連絡孔５は，ピストン頂部１５のほぼシリンダ中央領域に形成されている。中央連絡孔５は，図示のように円形の孔に形成してもよく，或いは，図示していないが，花びら状に周縁が凹凸形状の孔に形成されてもよい。また，連絡孔６は，ピストン頂部１５に形成された中央連絡孔５の回りの周方向に隔置して複数形成されている。連絡孔６は，主室１に開口する主室側開口１０と副室２に開口する副室側開口１１とを連通するように形成されている。
【００２６】
この副室式エンジンでは，図１及び図４に示すように，吸入行程から圧縮行程までの間の所定の期間において，燃料噴射ノズル４の多噴孔８から主室１内に燃料の一部を噴射し，主室１内に自着火しない程度のリーン混合気即ち予混合気を予め生成する。次いで，図２及び図４に示すように，ピストン圧縮上死点（爆発上死点）近傍で，燃料噴射ノズル４の多噴孔８から中央連絡孔５を通じて副室２内に着火用の燃料を噴射し，副室２内のリーン混合気と混合させて着火燃焼させる。この場合，燃料噴射ノズル４の多噴孔８から噴射される燃料が副室２内に噴入されれば十分であるので，図２に示すように，燃料噴射ノズル４の先端部が中央連絡孔５内に突入する必要がなく，シリンダヘッド１３の下面１４から僅かに突出している程度でよく，燃料噴射ノズル４の耐久性を損なうことがない。
【００２７】
この副室式エンジンは，上記のように，燃料噴射ノズル４の多噴孔８から副室２内に着火用燃料が噴射されると，副室２が遮熱構造に構成されているので，副室２内の高温の壁面に燃料が衝突し，或いは，燃料が壁面に向かって噴射されると，副室２内の温度が高温であるため，副室２内に燃料を噴射すれば，比較的にリッチな混合気が生成されて自着火することになり，副室２で直ちに確実に着火燃焼が起こり，副室２内の温度と圧力とが急激に上昇して燃焼エネルギーが大きくなり，図３に示すように，副室２から周方向に隔置した多数の連絡孔６を通じて主室１へ放射状に火炎を噴出させ，主室１ヘ噴出した火炎は強いペネトレーションで放射状に噴出する。そこで，噴出した火炎が火種となって主室１内のリーン混合気を巻き込んで燃焼伝播しつつシリンダ周辺へ直ちに到達し，極めて短時間に燃焼を完結して，全体としてＮＯX の排出量を大幅に低減して，熱効率をアップさせることができる。
【００２８】
次に，図５を参照して，この発明による副室式エンジンの第２実施例を説明する。図５はこの発明による副室式エンジンの第２実施例を示し，ピストン圧縮上死点近傍の状態を示す断面図である。第２実施例は，第１実施例と比較して，ピストン頂部に形成された中央連絡孔が複数個形成されている以外は，同一の構成及び作用効果を有するので，同一の部材には同一の符号を付し，ここでは重複する説明は省略する。
【００２９】
図５に示すように，この副室式エンジンでは，中央連絡孔７は，ピストン中心の回りの周方向に隔置して複数個形成されている。しかも，燃料噴射ノズル４に設けた多噴孔８は，個々の中央連絡孔７に対応しており，多噴孔８からそれぞれ噴射された燃料噴霧はそれぞれの中央連絡孔７を通じて副室２内へ噴射され，高温の副室２内の空気と混合して着火燃焼することになる。中央連絡孔７は，燃料噴射ノズル４の多噴孔８から噴射される燃料噴霧を通過させることができる程度の小径の孔に形成され，噴射燃料が副室２の壁面に衝突するように設定されている。
【００３０】
また，図６を参照して，この発明による副室式エンジンの第３実施例を説明する。図６はこの発明による副室式エンジンの第３実施例におけるピストンを示す断面図である。第３実施例は，第１各実施例と比較して，ピストンに形成された副室２が遮熱構造に構成され，燃料噴射ノズルが中央連絡孔に上死点近傍で挿入される構成以外は，同一の構成及び作用効果を有するので，ここでは重複する説明は省略する。
【００３１】
図６に示すように，ピストン３０は，アルミニウム合金，ＦＣ等の金属で作製されたピストン本体３１，ピストン本体３１に形成されたキャビティ３２に配置された耐熱性のＳｉ3 Ｎ4 等のセラミックスで作製された副室２を形成する副室構造体３３から構成されている。副室２の遮熱構造は，ピストン３０のキャビティ３２に副室構造体３３を配置し，キャビティ３２と副室構造体３３の外面との間に遮熱空気層３４を形成することによって構成できる。ピストン頂部３５には，シリンダヘッド１３に取り付けた燃料噴射ノズル４が突入できるサイズの中央連絡孔３６と，中央連絡孔３６の回りに周方向に隔置した複数の連絡孔３７とが形成されている。また，この副室式エンジンでは，シリンダヘッド１３に取り付けられている燃料噴射ノズル４は，ピストン頂部３５に形成された中央連絡孔３６にピストン圧縮上死点近傍で突入し，副室２内に着火用燃料を多噴孔８から副室２の壁面に衝突するように燃料噴射できるように構成されている。この実施例では，副室構造体３３は，上下に二分割した部材から作製されているが，種々の構造に構成できることは勿論である。
【００３２】
次に，図７〜図１３を参照して，副室式エンジンの他の例について説明する。図７と図８に示す副室式エンジンは，シリンダ２０内を往復動するピストン４３，シリンダ２０側に形成された主室４１，シリンダ２０のほぼ中央に位置するようにシリンダヘッド１３に設けられた副室４２，主室４１と副室４２とを連通するほぼシリンダ中央領域で周方向に隔置して形成された複数の連絡孔４６及び少なくとも副室４２内に燃料を噴射する燃料噴射ノズル４４を具備し，吸入行程から圧縮行程までの間の所定の期間に主室４１に自着火しない程度のリーン混合気を生成し，ピストン圧縮上死点近傍で燃料噴射ノズル４４から副室４２内に燃料を噴射して副室４２で着火燃焼させる。ピストン４３のピストンクラウンには，キャビティ４９が形成され，主室４１の一部を形成している。副室４２を構成する副室部材４５は，フランジ部５７をシリンダヘッド１３に形成したキャビティ５０の段部５８に遮熱ガスケット５１，５２を介在して配置されている。燃料噴射ノズル４４は，副室部材４５の貫通孔５４を挿通して多噴孔４８を副室４２内に開口している。
【００３３】
副室４２は，シリンダヘッド１３のほぼシリンダ中央領域に形成されたキャビティ５０に配置された副室部材４５に形成され，連絡孔４６は副室部材４５に形成されている。主室４１に生成されるリーン混合気は，図９及び図１０に示すように，燃料噴射ノズル４４から連絡孔４６を通じて主室４１に噴射することにより生成される。副室４２は，シリンダヘッド１３のほぼシリンダ中央領域に形成されたキャビティ５０に配置された副室部材４５に形成されている。副室部材４５は，シリンダヘッド１３のキャビティ５０に遮熱ガスケット５１，５２や空気層５３から成る遮熱層を介して配置されている。遮熱ガスケット５１，５２は，熱伝導率が小さいセラミックス等の材料から作製されている。従って，副室部材４５に形成されている副室４２は，遮熱構造に構成される。また，副室部材４５には，副室４２内の温度制御のためヒータ４７が配置されている。ヒータ４７は，リード線５６を通じて通電され，コントローラによって制御された電力が供給される。燃料噴射ノズル４４には，複数の噴孔４８が形成されている。噴孔４８は，副室部材４５の連絡孔４６にそれぞれ対向して形成されている。
【００３４】
図９及び図１３に示す副室式エンジンは，排気行程の終了間際から吸入行程を通じて圧縮行程前半までの期間において，燃料噴射ノズル４４の噴孔４８から燃料が噴射され，該燃料は副室４２から連絡孔４６を通過して主室４１に噴射される。燃料噴射ノズル４４の噴孔４８は連絡孔４６に対向しているので，噴孔４８からの燃料は連絡孔４６を通過して主室４１へ確実に噴射される。この期間に燃料噴射ノズル４４から噴射される燃料流量は，着火しない程度即ち自発火（ノッキング）しない程度のリーン混合気を生成する程度に調整されている。次いで，図１０に示すように，燃料が主室４１内で拡散され，主室４１内にリーン混合気が生成される。
【００３５】
図１１に示すように，圧縮行程において，主室４１内のリーン混合気が連絡孔４６を通じて副室４２へ押し込められ，副室４２内で高温状態になる。副室４２は遮熱構造に構成され，主室４１から連絡孔４６を通じて副室４２に流入する混合気は連絡孔４６に絞られて高速で流入し，副室４２内の温度は主室４１内の温度に比較して高くなる。図１２及び図１３に示すように，圧縮行程終端において，燃料噴射ノズル４４から燃料が副室４２内に再び噴射され，この時，ピストン４３の上昇行程であり，主室４１から副室４２へ混合気が流入している状態であるので，副室４２に噴射された燃料が主室４１へは流出することはない。副室４２に着火用の燃料が噴射することによって，噴霧が副室部材４５の高温壁から受熱し，着火するのに十分な温度と圧力及び当量比を確保でき，そこで副室４２内の可燃混合気が着火燃焼する。また，始動時或いは部分負荷時において，副室部材４５の温度が低く，副室４２内の温度が低いので，副室４２での自着火が起き難い可能性がある。そこで，副室４２での燃料の着火燃焼を補助するため，コントローラの指令でヒータ４７に通電し，副室部材４５を高温にして副室４２内を昇温させる。
【００３６】
可燃混合気が着火燃焼することによって，副室４２内の圧力が上昇し，副室４２から連絡孔４６を通じて主室４１へ火炎と混合気が噴出され，主室４１内の温度と圧力が上昇し，主室４１内のリーン混合気が自着火すると共に，主室４１のリーン混合気に火炎の伝播スピードが上昇し，主室４１での燃料スピードをアップし，短期に燃焼が完結する。即ち，副室４２から主室４１へ噴出した火炎が火種となって主室４１での高速燃焼が起こり，短時間で燃焼が完了する。大半の燃料の燃焼が主室４１でリーン混合気で燃焼するため，ＮＯX の生成を大幅に抑制することができる。
【００３７】
また，主室４１には，リーン混合気を生成させるが，部分負荷時には，リーンの程度が過ぎる場合があるので，必要に応じて吸気量をコントロールするため，スロットルを設けることができるが，吸気の絞り割合は，従来のガソリンエンジンに比較して大幅に小さいものである。この副室式エンジンに使用する燃料は，ガソリン，メタノール等のオクタン価が高いもの，低セタン価の軽油等を使用することができるが，圧縮比等の選定することによって他の燃料を使用することもできる。
【００３８】
次に，図１４〜図１６を参照して，副室式エンジンの別の例について説明する。図１４に示す副室式エンジンは，シリンダヘッド１３の中央に副室４２を形成する副室部材４５を設け，副室部材４５に放射状に複数の連絡孔４６を形成し，エンジンの吸気系に燃料をミキシングする燃料噴射ノズル５５を設けたものである。即ち，主室４１へ吸気を供給する吸気系（吸気ポート２２）には燃料噴射ノズル５５が設けられ，主室４１に生成されるリーン混合気は燃料噴射ノズル５５から吸気ポート２２に燃料を噴射することによって生成される。この副室式エンジンは，燃料噴射ノズル５５から吸気ポート２２に燃料を噴射してリーン混合気を生成し，そのリーン混合気を吸入行程で主室４１に吸入すると共に，圧縮行程上死点近傍で副室４２に設けられた燃料噴射ノズル４４から着火用燃料を副室４２に噴射して副室４２で着火燃焼させるものである。
【００３９】
図１４に示す副室式エンジンは，吸気系の吸気ポート２２のリーン混合気を主室４１へ吸入し，主室４１では混合気がリーンであるため自着火（ノッキング）は起こらない。副室部材４５は，遮熱ガスケット５１，５２や遮熱空気層５３から成る遮熱層を介してシリンダヘッド１３に配置されているので，副室４２は遮熱構造となり，副室４２は高温に保持される。また，主室４１から副室４２に流入するリーン混合気は，連絡孔４６によって絞られて高速で流入するため，熱伝導率が高く，副室４２内に流入したリーン混合気は主室４１内のリーン混合気に比較して高温になっている。副室４２に燃料噴射ノズル４４から着火用燃料が噴射されると，噴霧が高温壁から受熱し，自着火するのに必要な温度，圧力，当量比が確保され，混合気が副室４２で自着火することになる。次いで，副室４２から連絡孔４６を通じて主室４１に火炎と混合気が噴出するため，主室４１内の温度，圧力が上昇し，自着火し易くなり，或いは火炎が火種になって燃焼伝播し，燃焼スピードが速くなり，短時間に燃焼が完結する。
【００４０】
【発明の効果】
この発明による副室式エンジンは，上記のように構成されているので，主室の燃焼の殆どが予混合希薄燃焼であるため，燃焼温度が低く，ＮＯX の生成を極めて少なくすることができる。副室からの火炎が多数の連絡孔を通じて放射状に主室へ噴出するため，主室における着火源が連絡孔から噴き出される火炎となって主室全体で極めて短時間に燃焼が完結し，高い圧縮比で且つ希薄混合気で燃焼することにより，高い熱効率を確保することができる。また，副室から連絡孔を通じて主室へ噴出した未燃混合や火炎の量は，主室に燃料の大部分が予め噴射されているので，少量で済み，その結果，副室自体のサイズを小型に構成でき，遮熱構造の副室をピストンに良好に形成できる。
【００４１】
また，この副室式エンジンは，熱発生のほとんどが主室に予め噴射された予混合気であり，副室に噴射する燃料は副室で着火源を作るだけの量でよい。従って，副室での混合気生成は，エンジン性能に及ぼす影響は比較的に小さいため，必ずしも燃料噴射ノズルを副室に突入させる必要がなく，燃料噴射ノズルの耐久性を大幅に向上させることができる。
【００４２】
この副室式エンジンは，主室において，高圧縮比で，リーン混合気を燃焼させることができるので，熱効率をアップさせることができると共に，大部分の燃料が主室でリーン混合気で燃焼させられるので，ＮＯX の発生を大幅に低減でき，着火コントロールが容易になり，構造自体がシンプルであり，既存のエンジンを改造して構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明による副室式エンジンの第１実施例を示し，圧縮行程途中の燃料噴射時の状態を示す断面図である。
【図２】  図１の副室式エンジンのピストン圧縮上死点付近の燃料噴射時の状態を示す断面図である。
【図３】  図１の副室式エンジンの膨張行程初期の状態を示す断面図である。
【図４】  図１の副室式エンジンにおける燃料噴射ノズルの噴射タイミングを示す説明図である。
【図５】  この発明による副室式エンジンの第２実施例を示し，ピストン圧縮上死点付近の燃料噴射時の状態を示す断面図である。
【図６】  この発明による副室式エンジンの第３実施例におけるピストンを示す断面図である。
【図７】  副室式エンジンの他の例を示す断面図である。
【図８】  図７の線Ａ−Ａにおける副室部材の断面図である。
【図９】  主室に燃料を噴射する状態を示す説明図である。
【図１０】  主室にリーン混合気を生成する状態を示す説明図である。
【図１１】  主室から副室へリーン混合気が侵入する状態を示す説明図である。
【図１２】  副室から主室へ火炎と混合気が噴出する状態を示す説明図である。
【図１３】  燃料噴射と着火タイミングを示す線図である。
【図１４】  副室式エンジンの別の例を示す断面図である。
【図１５】  ピストン変位に対応した主室と副室との圧力及び筒内温度の変化を示すグラフである。
【図１６】  燃料噴射と着火タイミングを示す線図である。
【符号の説明】
１    主室
２    副室
３，３０    ピストン
４    燃料噴射ノズル
５，７，３６    中央連絡孔
６，３７    連絡孔
８    多噴孔
９，３２    キャビティ
１３  シリンダヘッド
２０  シリンダ
２２  吸気ポート（吸気系）
３３  副室構造体
３４  遮熱層
【図１】
0003695011.tif 000002
【図２】
0003695011.tif 000003
【図３】
0003695011.tif 000004
【図４】
0003695011.tif 000005
【図５】
0003695011.tif 000006
【図６】
0003695011.tif 000007
【図７】
0003695011.tif 000008
【図８】
0003695011.tif 000009
【図９】
0003695011.tif 000010
【図１０】
0003695011.tif 000011
【図１１】
0003695011.tif 000012
【図１２】
0003695011.tif 000013
【図１３】
0003695011.tif 000014
【図１４】
0003695011.tif 000015
【図１５】
0003695011.tif 000016
【図１６】
0003695011.tif 000017