JP2005201075A - 混合気を圧縮自着火させる自着火運転が可能な内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 予混合圧縮自着火燃焼方式において、排気温度の低下をより一層抑制する。
【解決手段】 内燃機関のシリンダヘッド１３０は、排気ポート１３５を上下方向に２分割する平面に沿って分割可能な構造であり、排気ポート１３５の、排気弁シート１３３近傍の部分の内壁に、断熱材１７２が設けられている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、混合気を圧縮自着火させる自着火運転が可能な内燃機関において、排気温度の低下を抑制する技術に関する。

内燃機関の燃焼方式として、近年、通常のガソリンエンジンのような「予混合火花点火燃焼方式」や、通常のディーゼルエンジンのような「拡散燃焼方式」に代わる、新たな燃焼方式が模索されている。このような新たな燃焼方式の１つとして、燃焼室内に予め混合気を形成しておき、これを圧縮して自着火燃焼させる「予混合圧縮自着火燃焼方式」がある。予混合圧縮自着火燃焼方式は、超リーン混合気を高圧縮比で圧縮し、一気に自着火燃焼させて短時間に燃焼を完了させる燃焼方式であり、原理的には、排気ガス中に含まれるＮＯｘの量と燃料消費量とを同時に、しかも大幅に低減することが可能と考えられている。

しかし、ＮＯｘ以外の大気汚染物質であるＨＣやＣＯは、依然として触媒による化学反応の促進によって浄化する必要がある。ここで、触媒は、排気温度がある程度高くないと十分に作用しないが、予混合圧縮自着火燃焼方式は、超リーン混合気を燃焼させる燃焼方式のため、他の燃焼方式と比較して排気温度が低くなりやすい。そのため、予混合圧縮自着火燃焼方式による内燃機関では、特に暖機時や軽負荷時に触媒を十分に作用させるため、ヒータ等の加熱型触媒や排気への燃料添加等による昇温手段を必要としていた。この結果、大幅なコストアップや燃費悪化を招いていた。

排気温度の低下を抑制するための技術として、排気ポートにポートライナ（断熱材）を組み付ける技術や、ポートライナの表面に多数の凹部を設け、ポートライナと排気ポート内壁面との間に断熱空間を形成する技術が知られている。

特開平５−１３３２２５号公報 特開平５−０４２６６０号公報

しかし、予混合圧縮自着火燃焼方式では、排気温度が他の燃焼方式と比較して低いため、上記技術では、排気温度の低下の抑制が不十分であった。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、予混合圧縮自着火燃焼方式において、排気温度の低下をより一層抑制することを可能とする技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の内燃機関は、予混合圧縮自着火運転が可能な内燃機関であって、
シリンダとピストンとで構成される燃焼室と、
前記燃焼室から燃焼ガスが排出される排気口の開閉を行う排気弁と、
前記排気弁の閉時に、前記排気弁と密着する排気弁シートと、
前記シリンダのシリンダヘッド部に設けられ、前記排気口から排出された燃焼ガスを排出する排気ポートと、
を備え、
前記シリンダヘッド部は、前記排気ポートを上下方向に２分割する平面に沿って分割可能な構造であり、
前記排気ポートの、少なくとも前記排気弁シート近傍の部分の内壁には、断熱材が設けられている。

この内燃機関では、シリンダヘッド部が排気ポートを上下方向に２分割する平面に沿って分割可能な構造のため、断熱材を、排気ポートの、排気弁シート近傍の部分の内壁に容易に設けることができる。従って、最も熱伝達率が大きくなる排気弁シート近傍の部分の排気ポート内壁の断熱を行うことができ、排気温度の低下をより一層抑制することができる。

上記内燃機関において、前記排気ポートの内壁には、前記断熱材を支持する複数の凸部が設けられ、
前記排気ポートの内壁と前記断熱材との間に、断熱空間を有するとしてもよい。

この構成によれば、断熱空間の存在により、さらに断熱効果を向上させることができ、排気温度の低下をさらに抑制することができる。さらに、断熱材の形状を単純な形状とすることができるため、コストダウンを図ることができると共に、排気ガスが通過する流路の表面積を小さくすることができ、より一層断熱効果を高め、排気温度の低下をより一層抑制することができる。

また、上記内燃機関において、前記排気ポートの内壁には、複数の凹部が設けられ、
前記複数の凹部と前記断熱材とによって、複数の閉ざされた断熱空間が構成されているとしてもよい。

この構成によっても、断熱空間の存在により、さらに断熱効果を向上させることができ、排気温度の低下をさらに抑制することができる。さらに、断熱空間が、複数の凹部と断熱材とによって、複数の閉ざされた断熱空間に区画されるため、空気の対流を抑制することができ、さらに一層断熱効果を高め、排気温度の低下をさらに一層抑制することができる。

また、上記内燃機関において、前記排気口と前記排気弁とを複数備え、
前記排気弁は上下方向に移動し、
前記排気ポートは、複数の前記排気口から上昇する燃焼ガスが合体する排気室（チャンバ）と、前記排気室から外部に燃焼ガスを導く排出通路とを有しており、
前記排気室と前記排出通路とは、水平に設けられており、前記シリンダヘッド部を分割する平面によって中央で上下に２分割されるとしてもよい。

この構成によれば、排気室の存在により高温の排気ガスの流速を下げることができるため、壁面への熱伝達率を小さくして排気ガス温度の低下を抑制することができる。これにより、触媒暖機性を向上させることができると共に、ターボ効率を向上させることができる。また、排気室と排出通路とは、シリンダヘッド部を分割する平面によって中央で上下に２分割されるため、断熱材を排気室および排出通路の排気弁シート近傍の部分の内壁に容易に設けることができる。従って、最も熱伝達率が大きくなる排気弁シート近傍の部分の断熱を行うことができ、排気温度の低下をより一層抑制することができる。さらに、背圧が低減されるため、排気ガスの抜けを良好にすると共に、他気筒の排気脈動の影響を抑制し、予混合圧縮自着火燃焼による運転が可能な領域を高回転高負荷領域まで拡大することができる。

また、上記内燃機関において、前記内燃機関は、前記排気口と前記排気弁とを３つ以上備えると共に、前記シリンダの周壁に接続され、前記ピストンの上下動によって前記シリンダに面する開口部が開閉する少なくとも１つの掃気ポートを備える２サイクル式内燃機関であるとしてもよい。

この構成によれば、弁面積を過大とすることなく、大きなカーテン面積を確保することができ、高回転高負荷運転時においても、効率よく燃焼ガスの排出を行うことができ、安定した圧縮自着火運転を行うことができる。また、新気や噴射燃料の吹き抜けを抑制することができる。

また、上記内燃機関において、前記シリンダは、前記シリンダヘッド部とシリンダブロック部とが一体形成された、モノブロック構造であるとしてもよい。

この構成によれば、シリンダ内高圧時のガスシール性の向上を図ることができる。また、ボア歪が抑制され、ブローバイガス量を低減することができる。また、デッドボリュームを削減でき、ＨＣ排出量を低減できる。さらに、部品点数の削減による低コスト化、軽量化、信頼性向上や、点火プラグおよび燃料噴射弁の配置自由度の向上を図ることができる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、内燃機関や、内燃機関の排気装置、内燃機関の排気方法等の態様で実現することができる。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．変形例：

Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の第１実施例におけるガソリンエンジンの構成を概念的に示した説明図である。図１には、ガソリンエンジンのシリンダの中心で断面を取ったときのシリンダの構造が示されている。

このガソリンエンジン１００の燃焼室は、シリンダブロック１４０内に設けられた中空円筒形のシリンダ１４２と、シリンダ１４２内を上下に摺動するピストン１５２と、シリンダブロック１４０の上部に設けられたシリンダヘッド１３０とによって形成されている。本実施例では、シリンダブロック１４０とシリンダヘッド１３０とが一体となったモノブロック構造の例を示している。なお、シリンダブロック１４０とシリンダヘッド１３０とで構成される筒状体を、広義の「シリンダ」と呼ぶ。また、本明細書においては、シリンダ１４２の中心軸に沿って、ピストン１５２がシリンダヘッド１３０に近づく方向を上方向と、ピストン１５２がシリンダヘッド１３０から離れる方向を下方向として説明する。また、本明細書において「水平」とは、上下方向のずれがほとんどない状態をいうものとする。

シリンダヘッド１３０には、燃焼室内の燃焼ガスが流出する排気口を開閉する排気弁１３２と、排気口から流出した燃焼ガスである排気ガスを排出する排気ポート１３５と、点火プラグ１３６とが設けられている。排気弁１３２は、駆動アーム１６２を介して、電磁アクチュエータ１６４で駆動されている。電磁アクチュエータ１６４は、任意のタイミングで排気弁１３２を開閉することが可能である。なお、電磁アクチュエータの代わりに、油圧アクチュエータやカム機構などの他の種類の可変動弁機構によって排気弁１３２を駆動しても良い。

シリンダブロック１４０には、シリンダ１４２内に新気を流入する２種類の掃気ポート１４６，１４８（詳細な形状は後述）が設けられている。掃気ポート１４６，１４８のシリンダ１４２に面する開口部（掃気口）は、ピストン１５２の上下動によって開閉され、ピストン１５２の下死点近傍において全開の状態となるように構成されている。掃気ポート１４６，１４８は、シリンダ１４２とは反対側の端部において、シリンダブロック１４０に設けられた給気サージタンク１４４に接続されている。

このように、ガソリンエンジン１００は、シリンダ１４２の下部に掃気ポート１４６，１４８が接続され、シリンダヘッド１３０に排気弁１３２が設けられた、いわゆるユニフロー式の２サイクル式エンジンである。２サイクル式エンジンは、掃気口と排気口とが共に開状態となる掃気行程が存在するため、掃気口からシリンダ内に供給された新気や噴射燃料がそのまま排気口から流出する、いわゆる「吹き抜け」が問題となりやすい。新気や噴射燃料の吹き抜けが発生すると、掃気ポート内の圧力を必要以上に高めなければならず、過給損失による燃費悪化を招いてしまう。また、シリンダ内の混合気が十分リーンとならず、過早着火を引き起こしやすい。ユニフロー式の２サイクル式エンジンは、掃気口と排気口との距離が離れているため、頭上弁式やシュニーレ式といった他の方式の２サイクル式エンジンと比較して新気や噴射燃料の吹き抜けが抑制され、好ましい。

掃気ポート１４６，１４８には、新気を導く吸気通路１２が、給気サージタンク１４４を介して接続され、排気ポート１３５には、排気ガスが通過する排気通路１６が接続されている。排気通路１６の下流には、大気汚染物質を浄化するための触媒２６と、過給器５０のタービン５２とが設けられている。排気通路１６内を通過する排気ガスはタービン５２を回転させた後、大気に放出される。また、吸気通路１２には、過給器５０のコンプレッサ５４が設けられている。コンプレッサ５４は、シャフト５６を介してタービン５２に接続されており、排気ガスによってタービン５２が回転するとコンプレッサ５４も回転する。その結果、コンプレッサ５４はエアクリーナ２０から吸い込んだ空気を加圧した後、掃気ポート１４６，１４８に向かって圧送する。

コンプレッサ５４で加圧すると空気温度が上昇するので、吸入空気を冷却するために、コンプレッサ５４の下流側にはインタークーラ６２が設けられている。また、吸気通路１２内にはサージタンク６０や、スロットル弁２２も設けられている。サージタンク６０は、燃焼室が空気を吸い込んだときに生じる圧力波を緩和させる作用を有しており、またスロットル弁２２は電動アクチュエータ２４によって適切な開度に設定されて、吸入空気量を調整する機能を有している。

ピストン１５２は、コネクティングロッド１５４を介してクランクシャフト１５６に接続されており、クランクシャフト１５６には、クランク角度を検出するクランク角センサ３２が取り付けられている。

このガソリンエンジン１００の動作は、エンジン制御用ユニット（以下、ＥＣＵ）３０によって制御されている。ＥＣＵ３０は、エンジン回転速度Ｎｅやアクセル開度θａｃを検出し、これらに基づいてスロットル弁２２の開度の制御や、点火プラグ１３６の点火タイミング制御、電磁アクチュエータ１６４の制御を実行する。エンジン回転速度Ｎｅはクランク角センサ３２によって検出され、アクセル開度θａｃはアクセルペダルに内蔵されたアクセル開度センサ３４によって検出される。

図２は、第１実施例におけるガソリンエンジンのシリンダの断面を拡大して示す説明図である。また図３は、図２のＡ−Ａ断面を示す説明図である。図２に示すように、第１実施例のガソリンエンジン１００は、シリンダヘッド１３０が分割面ＤＦに沿って上下に分割可能な構造となっている。図３には、シリンダヘッド１３０の分割面ＤＦより下の部分を上方から見た状態を示している。

ガソリンエンジン１００は、シリンダヘッド１３０のほぼ中央に点火プラグ１３６が設けられており、点火プラグ１３６の周囲に３つの排気弁１３２が設けられている。排気弁１３２のバルブヘッド部１３２ａは、すべて同径であり、シリンダ１４２の中心軸の周囲に、互いの間隔が等間隔となるように配置されている。また、３つの排気弁１３２は、その軸部１３２ｂの中心軸が、互いに平行となるように、かつ、シリンダ１４２の中心軸にほぼ平行となるように、シリンダヘッド１３０に設置されている。

シリンダヘッド１３０に設けられた排気ポート１３５は、３つの排気弁１３２が開閉する排気口から排出される排気ガスが合体する排気室（チャンバ）１３５ｂと、排気室１３５ｂから排気通路１６の方へと排気ガスを導く排出通路１３５ａとを有している。排出通路１３５ａおよび排気室１３５ｂは水平に設けられており、また、分割面ＤＦによって、中央で上下に２分割されるような位置に設けられている。

シリンダヘッド１３０に排気室１３５ｂを設けることによって、燃焼室から排出された直後の高温の排気ガスの流速を下げることができ、排気ポート１３５壁面への熱伝達率を小さくして排気ガス温度の低下を抑制することができる。これにより、触媒暖機性を向上させることができる。また、ターボ効率を向上させることができる他、背圧が低減されるため、排気ガスの抜けを良好にすると共に、他気筒の排気脈動の影響を抑制し、予混合圧縮自着火燃焼による運転が可能な領域を高回転高負荷領域まで拡大することができる。

また、排気ポート１３５（排出通路１３５ａおよび排気室１３５ｂ）の内壁には、ステンレス断熱材１７２が組み付けられている。そして、図２に示すように、ステンレス断熱材１７２は、排気ポート１３５の、バルブシート１３３近傍の部分を含めた全体の内壁に設けられている。

排気ポート１３５のバルブシート１３３近傍の部分は、排気ガスが排気口から排出された直後で最も流速が大きいため、最も熱伝達率が大きくなる場所である。ステンレス断熱材１７２をバルブシート１３３近傍にも設けることによって、最も熱伝達率が大きくなる場所の断熱を行うことができるため、排気温度の低下を最小限に抑制することができる。従って、触媒の活性化を早めることができ、加熱型触媒や排気への燃料添加等による昇温手段を必要とせず、あるいは、使用範囲を大幅に削減することができ、燃費向上やコストダウンを図ることできる。また、ターボ効率を向上させることもできる。

このような、ステンレス断熱材１７２の設置は、シリンダヘッド１３０を、排出通路１３５ａおよび排気室１３５ｂの中央を通る平面に沿って、上下に２分割される構造としたことにより容易に可能となったものである。このように、シリンダヘッド１３０を上下２分割構造とすることによって、断熱材の設置における生産性の向上やコストダウンを図ることができる。

なお、本明細書において、排気ポート１３５のバルブシート１３３近傍の部分とは、排気ポート１３５の内、排気弁シート１３３からの距離が１０ｍｍ以内の部分をいうものとする。

また、第１実施例では、シリンダブロック１４０とシリンダヘッド１３０とが一体となったモノブロック構造を採用している。モノブロック構造の採用は、排気弁１３２の中心軸がシリンダ１４２の中心軸と平行であり、シリンダヘッド１３０における排気弁１３２用の穴あけ加工を、シリンダブロック１４０の下部側から行うことができるため、可能となったものである。モノブロック構造の採用により、シリンダ内高圧時のガスシール性の向上を図ることができる。また、ボア歪が抑制され、ブローバイガス量を低減することができる。また、デッドボリュームを削減でき、ＨＣ排出量を低減できる。さらに、部品点数の削減による低コスト化、軽量化、信頼性向上や、点火プラグおよび燃料噴射弁の配置自由度の向上を図ることができる。

図４は、排気ポート１３５の排出通路１３５ａの断面（図２のＢ−Ｂ断面）を拡大して概略的に示す説明図である。図４には、シリンダヘッド１３０に設けられた排気ポート１３５の排出通路１３５ａの内壁に、ステンレス断熱材１７２が設けられている様子を示している。図４に示すように、本実施例では、ステンレス断熱材１７２が複数の凸部を有するように成型されている。そのため、ステンレス断熱材１７２を排出通路１３５ａの内壁に設置すると、ステンレス断熱材１７２と排出通路１３５ａの内壁との間に空気層１７４が形成される。

また、同様に、図示しない排気ポート１３５の排気室１３５ｂの内壁に設けられたステンレス断熱材１７２も、同様の形状に成型されており、ステンレス断熱材１７２と排気室１３５ｂの内壁との間に空気層１７４が形成されている。

このように、ステンレス断熱材１７２と排気ポート１３５の内壁との間に空気層１７４が形成されると、空気層１７４は断熱空間として働くため、さらに断熱効果を向上させることができ、排気温度の低下をさらに抑制することができる。

図５は、排気弁を駆動する機構の構成を示す説明図である。図５（ａ）は、排気弁１３２の弁軸を押すための駆動アーム１６２を上部から見た形状を示しており、図５（ｂ）は、シリンダヘッド１３０を中心にシリンダの断面を拡大して示している。シリンダヘッド１３０の上方に駆動アーム１６２が設けられている。駆動アーム１６２は、上面視略三角形状であり、３つの頂点部分のそれぞれには、排気弁１３２の上端部が接続されている。駆動アーム１６２の上方には電磁アクチュエータ１６４が設置され、駆動アーム１６２の上面視略三角形の重心位置（図５（ａ）の一点鎖線の交点）に、電磁アクチュエータ１６４が作用するように配置されている。

電磁アクチュエータ１６４は、ＥＣＵ３０からの開弁命令を受けると、駆動アーム１６２の重心位置に力を加え、駆動アーム１６２を下方に平行移動させる。駆動アーム１６２は、３つの排気弁１３２の上端部に接続されており、また、３つの排気弁の中心軸は、互いに平行となっているので、駆動アーム１６２が下方に移動すると、３つの排気弁１３２は同時に、排気弁１３２の軸方向に沿って下方に移動する。排気弁１３２が下方に移動すると、排気口が開きシリンダ１４２内の燃焼ガスが排気ポート１３５に向かって排出される。排気弁１３２が下方に移動したときの、元の位置から移動した位置までの排気弁１３２の軸方向の移動量をリフト量と呼ぶ。リフト量と排気弁１３２のバルブヘッド部１３２ａの周長との積をカーテン面積といい、カーテン面積が大きいほどシリンダ１４２内の排気ガスが効率よく排出される。

予混合圧縮自着火燃焼方式の２サイクル式エンジンにおいて、高回転高負荷時にも過早着火を起こさせることなく圧縮自着火運転を行うためには、燃焼ガスを効率よく排出することが必要である。燃焼ガスを効率よく排出するためには、前述の通り、カーテン面積を大きく設定すればよい。しかし、カーテン面積を大きく取ろうとして、排気弁のバルブヘッド部の面積（弁面積）を大きくすると、排気弁を駆動するための動力が増大してしまい、特に、筒内圧力が非常に高くなる予混合圧縮自着火燃焼方式の２サイクル式エンジンでは、好ましくない。従って、排気弁の弁面積を大きくすることなく、排気弁のカーテン面積を大きくとることが望ましい。

図６は、排気弁の弁数と弁面積およびカーテン面積との関係を示す説明図である。図は、排気弁の弁数が１つのときを基準として、弁数を増加させていったときに、配置された排気弁のトータル弁面積とトータルカーテン面積とが、基準に対してどのような増加率となるかを示している。一般に、排気弁をシリンダヘッドに配置する際には、排気弁とシリンダとの間および隣接する排気弁同士の間に所定のクリアランスを確保する必要がある。本実施例では、各弁数に応じた排気弁１３２をシリンダヘッド１３０に配置するための条件として、シリンダ１４２の直径Ｄｂは８１ミリメートル、シリンダ１４２と排気弁１３２との必要クリアランスＬｓは５ミリメートル、隣接する排気弁１３２間の必要クリアランスＬｖは５ミリメートルとしている。そして排気弁１３２のバルブヘッド部１３２ａの径Ｄｖは、この条件を前提として、取りうる最大の値に設定する。なお、このような条件に従い排気弁１３２を配置すると、排気弁１３２は、シリンダ１４２の中心軸の周囲に均等間隔に配置される。排気弁１３２のバルブヘッド部の径Ｄｖが設定されれば、弁面積およびカーテン面積を算定することができる。

図６を見ると、トータル弁面積は、排気弁１３２の弁数が２のときに極小となるが、弁数が３以上では、弁数が増加するほど弁面積は緩やかに減少している。一方、トータルカーテン面積は、排気弁１３２の弁数が２のときに極小となり、弁数が３以上では、弁数が増加するほどカーテン面積は大きく増加している。従って、排気弁１３２の弁数を３以上とすれば、弁面積を過大とすることなく、大きなカーテン面積を確保することができ、高回転高負荷運転時においても、効率よく燃焼ガスの排出を行うことができ、安定した圧縮自着火運転を行うことができる。

なお、排気弁数を３以上としても、本実施例のように、１つの駆動アーム１６２と１つの電磁アクチュエータ１６４とで３つ以上の排気弁１３２を駆動させることができ、コストダウン、搭載性の向上および運動部品の軽量化を図ることができる。特に２サイクル式エンジンは、４サイクル式エンジンに比べて動弁系の動作頻度が２倍であり、弁のサージング限界により最大回転数が抑えられがちであるが、運動部品の軽量化により、サージング限界回転数を高くすることができる。

図７は、図２のＣ−Ｃ断面を示す説明図である。掃気ポート１４６は、シリンダ１４２の中心軸に垂直な平面にほぼ平行となるように形成されており（図２参照）、また、シリンダ１４２の中心軸からずれた方向に向かって新気が流入するように、シリンダ１４２に接続されている（図７参照）。そのため、掃気ポート１４６からシリンダ１４２に流入した新気は、シリンダ１４２の内周に沿って移動し、シリンダ１４２内に、シリンダ１４２の中心軸に垂直な平面内での渦（スワール）を生成する。本明細書において、このような掃気ポート１４６を「接線ポート」と呼ぶ。本実施例では、２つの掃気ポート（接線ポート）１４６が、シリンダ１４２内に同じ方向のスワールを生成するような向きに設けられている。

また、掃気ポート（接線ポート）１４６のシリンダ１４２に面する開口部（掃気口）付近には、リブ（突起）１４５が設けられており（図７）、リブ１４５により掃気ポート１４６の掃気口は左右に２分割されている。掃気口が左右２分割されていることで、ピストン１５２の上下動に伴うピストンリング１５３（図２）の引っかかりが防止される。さらに、２つの掃気ポート１４６の内の１つの掃気口近傍には、ポート内に燃料噴霧を噴射する燃料噴射弁１５が設けられている（図７）。燃料噴射弁１５を掃気ポート１４６内に設けることにより、燃料噴霧を掃気流に乗せて混合気のミキシング促進を図ることができ、また、低圧噴射弁を採用できるため、燃料噴射弁や燃料ポンプのコストダウンが可能である。燃料噴射弁１５の燃料噴射制御は、ＥＣＵ３０（図１）により行われる。なお、掃気ポート１４６の開口部（掃気口）近傍とは、掃気ポート１４６内であって、掃気ポート１４６の長さ方向の中間点よりシリンダ１４２に近い側であることが好ましい。

一方、掃気ポート１４８は、シリンダ１４２の中心軸に垂直な平面に対し、新気が斜め下向きにシリンダ１４２内に流入するような勾配を設けて形成されている（図２参照）。また、掃気ポート１４８は、シリンダ１４２の中心軸に向かって新気が流入するように、シリンダ１４２に接続されている（図７参照）。本明細書において、このような掃気ポート１４８を「ストレートポート」と呼ぶ。本実施例では、２つの掃気ポート（ストレートポート）１４８が、シリンダ１４２を挟んで対向するように設けられている。そのため、掃気ポート１４８からシリンダ１４２に流入した新気は、ピストン１５２の頂面に衝突して、向きを斜め上向きに転ずると共に（図２参照）、対向する２つの掃気ポート１４８からの新気同士がシリンダ１４２の中心軸付近で衝突するため（図７参照）、シリンダ１４２内に、シリンダ１４２の中心軸付近を上昇する上昇気流を生成する。

また、掃気ポート（ストレートポート）１４８のシリンダ１４２に面する開口部（掃気口）付近には、リブ（突起）１４７が設けられており（図７）、リブ１４７により掃気ポート１４８の掃気口は左右に２分割されている。掃気口が左右２分割されていることで、ピストン１５２の上下動に伴うピストンリング１５３の引っかかりが防止される。さらに、２つの掃気ポート１４８の内の１つの掃気口近傍には、ポート内に燃料噴霧を噴射する燃料噴射弁１４が設けられている（図７）。燃料噴射弁１４を掃気ポート１４８内に設けることにより、低圧噴射弁を採用できるため、燃料噴射弁や燃料ポンプのコストダウンが可能である。燃料噴射弁１４の燃料噴射制御は、ＥＣＵ３０（図１）により行われる。なお、掃気ポート１４８の開口部（掃気口）近傍とは、掃気ポート１４８内であって、掃気ポート１４８の長さ方向の中間点よりシリンダ１４２に近い側であることが好ましい。

なお、掃気ポート１４８が、斜め下向きの勾配を設けて形成されていることは、燃料噴射弁１４によって噴射された燃料噴霧の吹き抜け防止の点からも好ましい。また、掃気ポート１４８がシリンダ１４２を挟んで対向するように設けられていることは、燃料噴射弁１４によって噴射された燃料噴霧がシリンダ１４２の内壁面に付着し、ＨＣ（未燃燃料）やスモークの排出量が増加してしまうことを防止する点からも好ましい。

また、２つの掃気ポート（ストレートポート）１４８には、それぞれ開閉機構としての給気制御弁１４９（図２、図７）が設けられており、給気制御弁１４９の軸を中心とした回転によって、掃気ポート１４８の開閉を行うことができる。給気制御弁１４９の開閉制御は、ＥＣＵ３０（図１）により行われる。

低回転低負荷運転時には、ＥＣＵ３０は、掃気ポート（ストレートポート）１４８に設けられた給気制御弁１４９を閉じるような制御を行う。すなわち、低回転低負荷運転時には、掃気ポート（接線ポート）１４６のみにより、シリンダ１４２内に新気が供給される。このとき、新気の流入速度は大きくなり、シリンダ１４２内の残留ガスと混合気とのミキシングが促進されるため、低回転低負荷運転時においても安定した圧縮自着火燃焼運転を行うことができる。

また、掃気ポート（接線ポート）１４６は、前述の通り、シリンダ１４２内にスワールを生成するように形成されているため、シリンダ１４２内に流入した比較的低温の新気は、シリンダ１４２の内壁面に沿って移動し、高温の残留ガスは、シリンダ１４２の中央付近に分布する。従って、新気がシリンダ１４２内壁面から熱を奪うことによって、残留ガスの温度低下が抑制され、低回転低負荷運転時においても安定した圧縮自着火燃焼運転を行うことができる。

さらに、掃気ポート１４６から排気口へと直接向かう気流を伴わないため、新気や噴射燃料の吹き抜けを抑制することができ、過給損失による燃費の悪化を防止することができる。

なお、低回転低負荷運転時には、掃気ポート（接線ポート）１４６内に設けられた燃料噴射弁１５により燃料噴射を行う。燃料噴射弁としては、ホロコーン型や、多孔衝突噴霧型、ファンスプレー型、中実コーン型、スリット型などが知られているが、燃料噴射弁１５は、比較的噴射率が小さく噴霧貫徹力の小さいホロコーン型や多孔衝突噴霧型を採用することが好ましい。こうすれば、燃料噴霧を掃気ポート１４６が生成するスワールに容易に乗せることができ、混合気のミキシングを促進することができる。

一方、高回転高負荷運転時には、ＥＣＵ３０は、掃気ポート（ストレートポート）１４８に設けられた給気制御弁１４９を開けるような制御を行う。すなわち、高回転高負荷運転時には、掃気ポート（接線ポート）１４６と掃気ポート（ストレートポート）１４８との両方から、シリンダ１４２内に新気が供給される。高回転高負荷運転時は、シリンダ内に供給される空気量および燃料量が多くミキシング時間が少ないが、両方の掃気ポートを使用することによって、掃気口の面積を増加させて速やかに掃気を行うことができ、安定した圧縮自着火燃焼運転を行うことができる。

また、掃気ポート（ストレートポート）１４８は、シリンダ１４２内にシリンダ１４２の中心軸付近に沿った上昇気流を生成するように形成されているため、シリンダ１４２の中心軸付近に残りやすい残留ガスを確実に排出して、掃気率を高め、混合気の温度が必要以上に上昇することを抑制することができる。従って、高回転高負荷運転時においても、過早着火を起こすことなく圧縮自着火燃焼運転を行うことができる。

なお、高回転高負荷運転時には、掃気ポート（ストレートポート）１４８内に設けられた燃料噴射弁１４により、あるいは、燃料噴射弁１４と掃気ポート（接線ポート）１４６内に設けられた燃料噴射弁１５とにより、燃料噴射を行う。燃料噴射弁１４は、比較的噴射率が大きく噴霧貫徹力の大きいファンスプレー型や、中実コーン型、スリット型を採用することが好ましい。こうすれば、高回転高負荷運転時にも、短時間で必要な燃料量を噴射できると共に、燃料噴霧が掃気ポート１４８からの新気によって生成される上昇気流に乗って吹き抜けることを抑制することができる。

なお、掃気ポート（接線ポート）１４６により生成されるスワールと、掃気ポート（ストレートポート）１４８により生成される上昇気流とは、共にシリンダ１４２の中心軸に対して対称な気流である。すなわちシリンダ１４２の中心軸に垂直な断面内において、気流の偏りが少ない。従って、シリンダヘッド１３０に均等間隔に配置された排気弁１３２から、まんべんなく排気ガスを排出することができ、排気（掃気）の効率を高めることができる。

掃気ポート１４６，１４８は、シリンダ１４２とは反対側の端部において、シリンダブロック１４０に設けられた給気サージタンク１４４に接続されており（図２、図７参照）、新気は、吸気通路１２から給気サージタンク１４４を介して、掃気ポート１４６，１４８に供給される（図１参照）。本実施例では、給気サージタンク１４４は、シリンダブロック１４０に一体となって形成されている（図２参照）。また、給気サージタンク１４４は、図示しない他のシリンダの掃気ポートにも接続され、他のシリンダに新気を供給している。

掃気行程において、掃気口が開口し、掃気ポート１４６，１４８から新気がシリンダ１４２内に流入し始めると、慣性により、掃気ポート１４６，１４８内に負の圧力波が発生する。この負の圧力波は、掃気ポート１４６，１４８内をさかのぼって行き、給気サージタンク１４４に面する開口部（開放端）に来ると、逆位相の正の圧力波となって掃気口に戻ってくる。この正の圧力波がまだ掃気口が開口しているときに戻ってくると、シリンダ内に新気を押し込む作用をして給気効率が向上する。本実施例では、給気サージタンク１４４をシリンダブロック１４０に一体として形成することによって、掃気ポート１４６，１４８の管長を短くすることができる。このようにして、圧力波の往復時間を短縮することができ、圧力波を利用して給気効率向上を図ることができる。また、併せて、多気筒エンジンの小型化を図ることができる。

ガソリンエンジン１００は、上述の通り、低回転低負荷運転時から高回転高負荷運転時まで、安定して予混合圧縮自着火燃焼による運転を行うことができる。従って、負荷が極端に小さく圧縮自着火燃焼が困難な始動時および暖機時は、火花点火燃焼による運転を行い、それ以外の運転領域では、予混合圧縮自着火燃焼による運転を行うとすることもできる。図８は、第１実施例におけるガソリンエンジン１００の運転モードを示すマップである。図８の横軸はエンジンの回転数、縦軸は負荷（トルク）である。

ガソリンエンジン１００の運転モードは、回転数および負荷に応じて２つの運転領域Ｒ１およびＲ２に区分されている。第１の運転領域Ｒ１は、極低回転極低負荷の始動および暖機を行う運転領域である。この運転領域Ｒ１では、火花点火燃焼による運転を行う。一方、第２の運転領域Ｒ２は、運転領域Ｒ１以外の運転領域であり、回転数および負荷について広い範囲をカバーする運転領域である。この運転領域Ｒ２では、圧縮自着火燃焼による運転を行う。

このように、始動時および暖機時は、火花点火燃焼による運転を行い、それ以外の運転領域では、予混合圧縮自着火燃焼による運転を行うこととすれば、点火プラグ１３６（図２）は、始動時および暖機時の専用とすることができ、小型化することができる。点火プラグ１３６を小型化できれば、シリンダヘッド１３０に設置する排気弁１３２（図２）の大きさや配置に関する自由度を高めることができると共に、点火プラグ１３６自身の配置の自由度も高められる。さらに、点火プラグ１３６の冷却装置を不要とすることができると共に、イグナイタの低コスト化を図ることができる。また、暖機後は、燃焼方式の切り替えを行う必要が無いため、ドライバビリティが向上すると共に、燃費悪化の要因となる燃焼方式切り替え時のトルクショック対策用トルク調整制御が不要となる。

ガソリンエンジン１００は、ストローク・ボア比の値が１．２以上のロングストロークに設定されている。図９は、ストローク・ボア比とピストン頂部面積および燃焼室クリアランス高さとの関係を示す説明図である。本実施例では、１気筒あたりの排気量を５００ｃｃとし、圧縮比を１５と設定している。図９に示すように、ピストン頂部面積は、ストローク・ボア比の値が１のエンジン（スクエアエンジン）を基準とすると、ストローク・ボア比の値が大きくなるほど、ピストン頂部面積は減少する。ガソリンエンジン１００は、圧縮自着火燃焼を行うために高圧縮比に設定されており、また、圧縮自着火燃焼により混合気の燃焼がほぼ同時に行われるため、シリンダ１４２内の圧力は非常に高圧となる。このようなガソリンエンジン１００において、ストローク・ボア比の値を１．２以上に設定してロングストロークとすれば、ピストン頂部面積はスクエアエンジンと比較して１０％以上減少する。従って、ピストン１５２の頂面に作用する圧力も１０％以上軽減され、部品の軽量化や信頼性の向上を図ることができる。また燃焼室の表面積と容積の比（Ｓ／Ｖ比）が小さくなり、冷却損失を抑制して燃費を向上させることができる。さらに、図９に示すように、ストローク・ボア比の値を大きくすると、燃焼室クリアランス高さを大きくとることができる。ガソリンエンジン１００は、高圧縮比運転を行うために燃焼室容積が小さいが、ストローク・ボア比を１．２以上とすることにより、ピストン１５２とシリンダヘッド１３０とのクリアランスを十分に確保でき、気流の妨げやＳ／Ｖ比の悪化につながるバルブリセスの設置を不要とすることができる。

Ｂ．第２実施例：
図１０は、第２実施例における排気ポート１３５の排出通路１３５ａの断面（図２のＢ−Ｂ断面）を拡大して概略的に示す説明図である。図４に示した第１実施例との違いは、排気ポート１３５の排出通路１３５ａの内壁に、複数の凸部１３１が設けられていることである。そして、ステンレス断熱材１７２は、複数の凸部１３１の各頂点部において支持されるように設置されている。

また、同様に、図示しない排気ポート１３５の排気室１３５ｂの内壁にも、複数の凸部１３１が設けられており、ステンレス断熱材１７２は、複数の凸部１３１の各頂点部において支持されるように設置されている。

このようにしても、ステンレス断熱材１７２と排気ポート１３５内壁との間に空気層１７４が形成され、さらに断熱効果を向上させることができ、排気温度の低下をさらに抑制することができる。さらに、第２実施例では、ステンレス断熱材１７２の形状を凹凸のない単純な形状とすることができるため、コストダウンを図ることができると共に、排気ガスが通過する流路の表面積を小さくすることができ、より一層断熱効果を高め、排気温度の低下をより一層抑制することができる。

Ｃ．第３実施例：
図１１は、第３実施例における排気ポート１３５の排出通路１３５ａの断面を斜視した状態を概略的に示す説明図である。図１１では、構造をわかりやすくするために排気ポート１３５の下側半分のみを示している。また、図の左側が排気室１３５ｂ側、図の右側が排気通路１６側である。第３実施例では、排気ポート１３５の排出通路１３５ａの内壁に、格子状のリブ１３７によって区画された複数の凹部１７６が設けられている。そして、図示しないステンレス断熱材１７２が、格子状のリブ１３７の先端部において支持されるように設置される。

また、同様に、図示しない排気ポート１３５の排気室１３５ｂの内壁にも、格子状のリブ１３７によって区画された複数の凹部１７６が設けられており、図示しないステンレス断熱材１７２が、格子状のリブ１３７の先端部において支持されるように設置される。

このようにしても、ステンレス断熱材１７２と排気ポート１３５内壁に設けられた凹部１７６との間に空気層が形成され、さらに断熱効果を向上させることができ、排気温度の低下をさらに抑制することができる。さらに、本実施例では、空気層が、リブ１３７によって小さく区画されるため、空気の対流を抑制することができ、さらに一層断熱効果を高め、排気温度の低下をさらに一層抑制することができる。

Ｄ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｄ１．変形例１：
上記実施例では、２サイクル式のエンジンを例に用いて説明したが、本発明は、２サイクル式のエンジンに限らず、例えば４サイクル式エンジンのような他の方式のエンジンにも適用することができる。すなわち、他の方式のエンジンにおいても、排気ポートの、排気弁シート近傍の部分の内壁に断熱材を設けたり、断熱材と排気ポートの内壁との間に空気層を設けたりすることによって、排気温度の低下を抑制することができる。

Ｄ２．変形例２：
上記実施例では、排気ポート１３５が排気室１３５ｂを有している例を用いて説明しているが、本発明は、排気ポート１３５が排気室１３５ｂを有さない場合、すなわち、排出通路１３５ａのみを有する場合にも適用することができる。このとき、各排気口からの排気ガスは、それぞれに接続された排気ポート１３５（すなわち排出通路１３５ａ）を通って排出される。このようなときでも、排気ポートの、排気弁シート近傍の部分の内壁に断熱材を設けたり、断熱材と排気ポートの内壁との間に空気層を設けたりすることによって、排気温度の低下を抑制することができる。

Ｄ３．変形例３：
上記実施例では、排気ポート１３５の内壁に設ける断熱材の一例として、ステンレス断熱材１７２を用いて説明したが、断熱材はそれ以外の他の断熱材であるとしてもよい。例えば、ジルコニア等のセラミックの溶射によって断熱材を形成することも可能である。

Ｄ４．変形例４：
上記実施例では、排出通路１３５ａの内壁と、排気室１３５ｂの内壁との両方に断熱材を設けているが、どちらか一方のみに断熱材を設けるようにしてもよい。

Ｄ５．変形例５：
上記実施例では、シリンダヘッド１３０に３つ以上の排気弁１３２が設けられているが、本発明は、シリンダヘッド１３０に１つまたは２つの排気弁１３２が設けられているときにも適用可能である。

Ｄ６．変形例６：
上記実施例では、ガソリンエンジン１００はシリンダヘッド１３０とシリンダブロック１４０とが一体となったモノブロック構造のエンジンであるとしているが、ガソリンエンジン１００はシリンダヘッド１３０とシリンダブロック１４０が分割されているエンジンであるとしてもよい。

Ｄ７．変形例７：
上記実施例では、２つの接線ポート１４６と２つのストレートポート１４８との合計４つの掃気ポートが、シリンダ１４２に接続されているエンジンについて説明したが、シリンダ１４２に接続される掃気ポートは１つの掃気ポート（接線ポート）１４６であるとしてもよい。あるいは、シリンダ１４２に接続される掃気ポートは、１つの掃気ポート（接線ポート）１４６と１つのストレートポート１４８との合計２つの掃気ポートであるとしてもよい。あるいは、シリンダ１４２に接続される掃気ポートは、１つまたは複数の任意形状の掃気ポートであるとしてもよい。

Ｄ８．変形例８：
上記実施例では、掃気ポート（接線ポート）１４６内の燃料噴射弁１５と掃気ポート（ストレートポート）１４８内の燃料噴射弁１４との２つの燃料噴射弁が設けられているが、掃気ポート１４６内の燃料噴射弁１５のみが設けられているとしてもよい。

Ｄ９．変形例９：
上記実施例では、２つの掃気ポート（ストレートポート）１４８のそれぞれに開閉機構としての給気制御弁１４９が設けられているが、１つの掃気ポート１４８にのみ給気制御弁１４９が設けられているとしてもよい。あるいは、掃気ポート１４８に限らず、任意の掃気ポートの少なくとも１つに給気制御弁１４９が設けられているとしてもよい。

Ｄ１０．変形例１０：
上記実施例では、給気制御弁１４９の開閉制御において、すべての給気制御弁１４９を同時に開放または閉鎖する制御としているが、内燃機関の回転数および負荷に応じて、多段階的に１つまたは複数の給気制御弁１４９毎に開放または閉鎖を行うような制御としてもよい。

本発明の第１実施例におけるガソリンエンジンの構成を概念的に示した説明図。 第１実施例におけるガソリンエンジンのシリンダの断面を拡大して示す説明図。 図２のＡ−Ａ断面を示す説明図。 排気ポートの排出通路の断面（図２のＢ−Ｂ断面）を拡大して概略的に示す説明図。 排気弁を駆動する機構の構成を示す説明図。 排気弁の弁数と弁面積およびカーテン面積との関係を示す説明図。 図２のＣ−Ｃ断面を示す説明図。 第１実施例におけるガソリンエンジンの運転モードを示すマップ。 ストローク・ボア比とピストン頂部面積および燃焼室クリアランス高さとの関係を示す説明図。 第２実施例における排気ポートの排出通路の断面（図２のＢ−Ｂ断面）を拡大して概略的に示す説明図。 第３実施例における排気ポートの排出通路の断面を斜視した状態を概略的に示す説明図。

符号の説明

１２...吸気通路
１４...燃料噴射弁
１５...燃料噴射弁
１６...排気通路
２０...エアクリーナ
２２...スロットル弁
２４...電動アクチュエータ
２６...触媒
３２...クランク角センサ
３４...アクセル開度センサ
５０...過給器
５２...タービン
５４...コンプレッサ
５６...シャフト
６０...サージタンク
６２...インタークーラ
１００...ガソリンエンジン
１３０...シリンダヘッド
１３１...凸部
１３２...排気弁
１３２ａ...バルブヘッド部
１３２ｂ...軸部
１３３...排気弁シート
１３５...排気ポート
１３５ａ...排出通路
１３５ｂ...排気室
１３６...点火プラグ
１３７...リブ
１４０...シリンダブロック
１４２...シリンダ
１４４...給気サージタンク
１４５...リブ
１４６...掃気ポート
１４７...リブ
１４８...掃気ポート
１４９...給気制御弁
１５２...ピストン
１５３...ピストンリング
１５４...コネクティングロッド
１５６...クランクシャフト
１６２...駆動アーム
１６４...電磁アクチュエータ
１７２...ステンレス断熱材
１７４...空気層
１７６...凹部

Claims (6)

1. 予混合圧縮自着火運転が可能な内燃機関であって、
   シリンダとピストンとで構成される燃焼室と、
   前記燃焼室から燃焼ガスが排出される排気口の開閉を行う排気弁と、
   前記排気弁の閉時に、前記排気弁と密着する排気弁シートと、
   前記シリンダのシリンダヘッド部に設けられ、前記排気口から排出された燃焼ガスを排出する排気ポートと、
   を備え、
   前記シリンダヘッド部は、前記排気ポートを上下方向に２分割する平面に沿って分割可能な構造であり、
   前記排気ポートの、少なくとも前記排気弁シート近傍の部分の内壁には、断熱材が設けられている、内燃機関。
2. 請求項１記載の内燃機関であって、
   前記排気ポートの内壁には、前記断熱材を支持する複数の凸部が設けられ、
   前記排気ポートの内壁と前記断熱材との間に、断熱空間を有する、内燃機関。
3. 請求項１記載の内燃機関であって、
   前記排気ポートの内壁には、複数の凹部が設けられ、
   前記複数の凹部と前記断熱材とによって、複数の閉ざされた断熱空間が構成されている、内燃機関。
4. 請求項１ないし請求項３に記載の内燃機関であって、
   前記排気口と前記排気弁とを複数備え、
   前記排気弁は上下方向に移動し、
   前記排気ポートは、複数の前記排気口から上昇する燃焼ガスが合体する排気室（チャンバ）と、前記排気室から外部に燃焼ガスを導く排出通路とを有しており、
   前記排気室と前記排出通路とは、水平に設けられており、前記シリンダヘッド部を分割する平面によって中央で上下に２分割される、内燃機関。
5. 請求項４記載の内燃機関であって、
   前記内燃機関は、前記排気口と前記排気弁とを３つ以上備えると共に、前記シリンダの周壁に接続され、前記ピストンの上下動によって前記シリンダに面する開口部が開閉する少なくとも１つの掃気ポートを備える２サイクル式内燃機関である、内燃機関。
6. 請求項１ないし請求項５に記載の内燃機関であって、
   前記シリンダは、前記シリンダヘッド部とシリンダブロック部とが一体形成された、モノブロック構造である、内燃機関。

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