JPH0340213B2 - - Google Patents

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JPH0340213B2
JPH0340213B2 JP57165791A JP16579182A JPH0340213B2 JP H0340213 B2 JPH0340213 B2 JP H0340213B2 JP 57165791 A JP57165791 A JP 57165791A JP 16579182 A JP16579182 A JP 16579182A JP H0340213 B2 JPH0340213 B2 JP H0340213B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、吸入混合気の旋回流（スワール）を
有効利用して効率良く乱れを生成し、燃焼効率を
改善する往復動内燃機関の乱れ生成を実施する火
花点火ガソリン内燃機関に関する。
往復動（ピストン）内燃機関の燃焼を改善して
燃費、出力の向上、排気有害成分の低減を計るに
は、燃焼室内へ燃料を直接噴射する方式では、燃
料噴射から燃焼までの時間が短いため、燃料と空
気の混合をできるだけ早く、瞬時に行うことが燃
焼効率の向上に最も重要となるのに対し、吸気機
構に気化器または燃料噴射弁から成る燃料供給装
置を装備し、吸入孔または吸入管に燃料を供給す
る方式では、吸気行程期間がすべて燃料と空気の
混合にあてることができ、混合気形成を行う時間
が充分にあるため、燃焼効率を決定するのは混合
気形成よりも未燃々料を含む燃焼ガスのミクロな
混合による燃焼速度の増大であり、特に重要なの
は燃焼が緩慢になる燃焼後期の燃焼速度である。
燃焼後期においては、火炎はほぼ燃焼室全域に広
がつており、マクロな混合は充分であり、未燃々
料を残り少ない酸素と結合させ、燃え終りを早く
するためには、スワールのような回転するだけで
小さな気流の乱れを伴わない大きな流れよりも、
未燃々料を含む燃焼ガスを乱しミクロな混合を行
う小さな乱れが重要となる。
燃焼初期の乱れを増大させる方法としては、従
来から スキツシユの強化 吸入スワールの強化 吸入スワールとスキツシユの組合せ といつた三つの方法が考えられ実用化されてい
る。
第１の方法としてピストン１の頂面とシリンダ
ヘツド２で構成される燃焼室３の一部に第１図の
ように凹所４を設けピストン１が上昇し上死点寸
前に強いスキツシユ（矢印にて示す）を起こすよ
うになされている。
第２の方法としては吸入混合気にスワールを発
生させる機構、例えばシユラウド付吸入弁又はタ
ンジエンシヤル吸入孔又はヘリカルポート等を持
たせた吸入時にスワールを生成し、圧縮中に残留
したこのスワールによつて乱れを強くするものが
ある。第３の方法は前者２方法の複合である。こ
れらの燃焼状況を燃焼室に指圧計を取り付け圧力
変化を計測して熱発生量を調べた結果が第２図で
ある。
前記スワールを利用する第２の方法はスワール
もスキツシユもないものに比べれば燃焼は速い
が、（第２図の勾配が大きい程燃焼が速い）吸入
時に生成したスワールだけでは吸入時に生成した
乱れはすぐ減衰し大きなスワールだけが残るので
燃焼促進効果は弱い。
次にスキツシユを利用する第１の方法は、スキ
ツシユの発生が第３図に示すようにピストン上死
点（TDC）前約10°で最大となりその後急激に減
衰するので、熱発生量の経過は第２図のように燃
焼初期から中期にかけては割合速い燃焼をする。
しかしスキツシユの減衰と共に乱れ発生がなくな
り後半の燃焼はあまり速くならない。第３の方法
はピストン頂面の一部に凹所を設けスキツシユと
吸入スワールを用いるので、第４図に示すように
上死点近くでシリンダ直径とピストン凹所の直径
の差の分だけ凹所内のスワールが強くなるので、
スキツシユの効果と合わせ第２図において最も速
い燃焼をする。しかしスキツシユは前述のよう
に、減衰が速いので後半の燃焼促進効果はない。
スワールも前述のように、乱れの減衰は速く後半
の燃焼促進効果はない。
上述のように、スワールはあまり効果なくスキ
ツシユ又はスキツシユとスワールを併用すると燃
焼速度は速くなる。しかしその効果は燃焼の初期
だけである。又スキツシユを強めるためにはピス
トンとシリンダヘツドとのTDCにおけるすきま
を１mm以下にしなくてはならず流速が速くなりす
ぎてこの部分の熱損失も増大することとなる。
このように、いずれの方法でも燃焼期間全域に
わたつて燃焼速度を速くすることは達成できずこ
のような方法は今まで実用になつておらず、その
ため火炎が燃焼室端部へ到達する前に、燃焼室端
部で自着火するノツキングが発生する。ノツキン
グを回避するためには、圧縮比を低くすることが
一般的であるが、それに伴つて燃焼効率が低下す
るという弊害が生じる。現状では、エンジンのシ
リンダ径80〜90mmで燃料のオクタン価90とすると
圧縮比は９〜9.5が限度のようである。
一方、燃焼室内に燃料噴射弁を持ち、点火栓等
の着火手段を持つ内燃機関や、シリンダ内に直接
噴射ノズルを持ち圧縮着火出来るまで圧縮比を高
くした直接噴射デイーゼル機関においては前記第
３と方法がとられている。
前者において均一混合気主体の燃焼をさせるも
のは吸入行程からTDC前60°程度に燃料を噴射
し、拡散燃焼的要素を重視するものはTDC前60°
からTDCに燃料を噴射する。いずれの場合も燃
焼室内に直接燃料を噴射するので、燃料の蒸発潜
熱によつて吸入した空気が冷され又は空気と燃料
が混合するとすぐに燃焼するので、吸入孔または
吸入管に燃料を供給する火花点火式内燃機関に比
べノツクに対する危険は少なく圧縮比が高くとれ
る。
しかし、これらの燃焼室はピストンに凹所を設
け、吸入時にスワールを生成する吸入孔を持つて
前記第３の方法によつて乱れ生成を行つている。
先にも述べたように、TDC直前に強い乱れを発
生するので燃料と空気を混合するのには役立つが
燃焼を促進するためにはTDC後即ち燃焼中期以
降は乱れ不足であつて、第２図のように後半の燃
焼は速くならず圧縮比を高くしたにもかかわらず
大巾な燃費向上にはつながらず、又燃焼室内に燃
料を直接噴射するので未燃HCが放出され易い。
また直接噴射デイーゼル機関においては燃料噴射
始め時期が最大噴射量時にTDC前20°〜10°、噴射
終りがTDCからTDC後10°程度で燃焼始めは
TDC前10°〜5°、燃焼終りはTDC後40°〜50°であ
る。即ち燃料噴射の後半は燃焼がすでにはじまつ
ている時行われることになる。圧縮着火式直接噴
射（デイーゼル）機関も吸入時に発生させたスワ
ールとピストンに凹所（浅皿、深皿、トロイダ
ル、ボールイン等の形状がある）を設けたスキツ
シユを利用した第３の方法によつているため、混
合気形成、特に初期の混合気形成にはスワールと
強いスキツシユによつて燃料の分散に好都合であ
るが、TDC附近以降の混合気形成や燃焼の中期
以降は同様に乱れ不足となり燃費の悪化や黒煙発
生の原因となつている。
この他、直接噴射式デイーゼル機関の燃焼室構
造としては、燃焼室の側壁に一乃至複数の凹部を
設けたものがある（実開昭52−98007号）。これは
燃焼室にはスワールを、凹部には渦流を生起し
て、該渦流により燃料と空気の混合気生成を良好
にし、有害成分の排煙を軽減しようとするもので
あり、デイーゼル機関において凹部の渦流が燃料
と空気の混合気形成に役立つことを利用してい
る。
しかし、上述の従来技術においても、燃焼後期
まで燃焼室内における混合気の乱れを継続生成す
ることはできない。つまり上述の従来技術は燃焼
室の大きさに比べ前記凹部は小さいものになつて
いるため、該凹部内の小さな渦流の回転方向は燃
焼室内のスワールの回転方向と逆方向であり、燃
焼室と側壁の凹部との連通する部分では小さな渦
流とスワールの流れの方向が同方向となるため両
者の相対速度が小さく乱れの生成が少なく、前記
凹部内の小さな渦流は吸入孔または吸入管に燃料
を供給する予混合火花点火ガソリン機関の燃焼改
善に役立つような強い乱れを生成しない。また予
混合火花点火ガソリン機関では従来技術のように
ピストンとシリンダヘツド間の〓間ｈが小さい場
合、火炎が冷却され未燃HCの排出が増加すると
いう問題もある。
本発明は、上記従来の諸問題点を解決するもの
であつて、吸入空気の旋回流を上死点前後で過度
に加速することを防止し、減衰させることなく有
効利用して効率良く乱れの生成およびその確保を
図り燃焼後期まで継続生成し、かかる乱れの存在
により特に、燃焼中期以降の燃焼を速くし燃焼期
間を短縮して燃焼効率を改善する往復動内燃機関
の乱れ生成を実施する火花点火ガソリン内燃機関
を提供することを目的とする。また本願発明の他
の目的は予混合火花点火ガソリン内燃機関にあつ
てノツクを低減し高圧縮比を実現し燃費を低減す
ることにある。
そして、本発明者等は上記目的を達成するた
め、従来の最大の欠点である乱れの生成が限られ
た時期に集中し燃焼期間全体、特に燃焼後期に持
続しないことに気付き、燃焼期間中乱れ生成が持
続する火花点火ガソリン内燃機関を案出したので
ある。
すなわち、本発明はピストン、シリンダヘツド
及びシリンダブロツクにより形成する火花点火ガ
ソリン内燃機関の燃焼室において、燃焼室内に吸
入空気を供給する吸気機構には、吸入空気に所定
量の燃料を供給して混合気を形成する気化器また
は燃料噴射弁からなる燃料供給装置を装備すると
ともに、吸入空気を旋回させ、シリンダ内に弱い
旋回流を形成する旋回機構を有し、前記燃焼室に
はピストンの上昇に伴つて該旋回機構により形成
される吸入空気の旋回流を流入加速する主凹所を
設け、該主凹所内には混合気を所定時期に火花点
火して着火する点火装置を設け、該主凹所には前
記旋回流を随時乱れに変換しつつ乱れの層を形成
する少なくとも２つの凸部を設け、前記主凹所の
外周には前記旋回流から派生した二次流れの旋回
流を生起せしめて収容し流通するとともに、前記
旋回流と二次流れの旋回流との間にさらに乱れを
生成する副凹所を構成してなり、副凹所の対面す
る側面間の距離をD1とし、前記凸部の対面する
側面間の距離をD2とすると両者の比が 0.75≧D2／D1≧0.5 の関係を満たし、かつ主凹所の深さをt1とし、副
凹所の深さをt2とすると、両者の比が 1.4t1≧t2≧0.4t1 の関係を満たすことによつて、前記二次流れの旋
回流の回転方向を前記旋回流の回転方向と一致さ
せ、該旋回流と二次流れと接触面において対向さ
せ、乱れを効率良く生成することによつて全燃焼
機関にわたつて燃焼速度を増加させ、燃焼効率を
改善するようにしたことを特徴とする火花点火ガ
ソリン内燃機関である。
かかる本発明によれば、内燃機関の吸入行程時
に吸気弁や吸気ポート等の旋回機構によつて形成
した吸気混合気の弱い旋回流（スワール）をピス
トンの上昇に伴つて主凹所内に適度に旋回流入せ
しめ安定円滑に流通するとともに、トツプクリア
ランス（上死点におけるピストン頂面とシリンダ
ヘツド間の〓間をいう）を大きくすることによつ
て、スキツシユを過度に生起することを防止しな
がら該旋回流を適度に加速し有効利用して前記凸
部により効率良く乱れに変換しつつ小さな強い乱
れを主凹所内及び副凹所内に均一に形成する。
さらには前記旋回流から派生した二次流れの旋
回流を収容する副凹所を設け、該副凹所の対面す
る側面間の距離をD1とし、前記凸部の対面する
側面間の距離をD2とすると両者の比が 0.75≧D2／D1≧0.5 の関係を満たし、かつ主凹所の深さをt1とし、副
凹所の深さをt2とすると、両者の比が 1.4t1≧t2≧0.4t1 の関係を満たすことによつて、前記二次流れの旋
回流を生起する凸部の形状と、その二次流れを収
容する副凹所の形状を最適化し、前記旋回流の回
転方向と一致する回転方向の二次流れを生起し、
該旋回流と該二次流れとを接触面において対向さ
せ、副凹所と主凹所の連通する部分で二つの流れ
の方向が逆方向となるようにして両者の相対速度
を増大させ、小さな強い乱れを効率良く生起する
ことができる。
すなわち、本発明の内燃機関にあつて、前記乱
れ生起の持続時間は、副凹所の対面する側面間の
距離D1が同一であれば凸部の形状、構造又は副
凹所の大きさによつて決定されるから、前記凸部
の数及び前記副凹所の対面する側面間の距離を
D1とし、前記凸部の対面する側面間の距離をD2
とすると両者の比によつて決定される。
燃焼を速くするために必要な乱れの持続時間は
着火から燃焼終りまでであり、その期間はエンジ
ンランク角で40°〜60°であるので、その間にスワ
ールを乱れに効率良く変換するように前記凸部と
副凹所を決める必要がある。もしそれよりも長く
乱れ生成が続くと既燃高温ガスと壁面との熱伝達
が良くなり熱損失の増大を招くことになる。
一方燃焼を速くする云い換えれば火災伝播を速
くするのに必要な乱れのスケール（スワールから
凸部（タービユレンスリツプ）により更に細かい
渦に変換され生成される乱れの大きさ。乱れを層
とは、もともとの大きなスワールを細かい渦をも
含んだ流れに変換するものと考えられる。）には
適当な大きさがあり、あまり細かいと効果は少な
く大きすぎても促進作用は小さい。この乱れの
質、即ちスケールは凸部（タービユレンスリツ
プ）の形状と数によつて決まるので前記D1とD2
の比で決まるのである。
ちなみに本発明者等は数多くの実験によつて後
述の第５図々示のガソリン機関にあつてタービユ
レンスリツプの数ｎ＝３でシリンダ径φ90〜φ80
mm程度ではD2／D1＞0.75では乱れ不足で持続時
間過大となり、またD2／D1＜0.5では乱れが強す
ぎ初期着火に吹き消えが生じたり又持続時間も短
か過ぎるといつた性能結果をもたらした。
次に、0.75≧D2／D1≧0.5の臨界的意義を詳述
する。
D2／D1＞0.75では、主凹所中に突出する凸部
が小さくなり、それに伴つて副凹所も小さくなる
ため、凸部及び副凹部の側壁を形成する円弧の曲
率が大きくなり、スワールは側壁面から剥離し、
副凹所中に形成される二次流れの旋回方向が主凹
所中のスワールの旋回方向と同一方向になるため
前記二次流れと前記スワールは接触面では平行流
となり、双方の流れの相互の干渉が少なく、乱れ
の生成が弱くなるため、乱れの燃焼速度増大への
寄与が少なく、機関性能が向上しない。
それに対し、0.75≧D2／D1≧0.5では、主凹所
中に突出する凸部が大きくなり、それに伴つて副
凹所も大きくなるため、凸部及び副凹所の側壁を
形成する円弧の曲率が小さくなり、スワールは側
壁面に沿つて副凹所内に流入し、副凹所中に形成
される二次流れの旋回方向が主凹所中のスワール
の旋回方向と同一方向になるため前記二次流れと
前記スワールは接触面では対向流となり、双方の
流れの相互の干渉が多く、乱れの生成が適度に強
くなる。
更に、0.75≧D2／D1≧0.5では、凸部及び副凹
所の大きさが適度であるため、これによつて生成
される乱れのスケールが適度な大きさとなり、乱
れによる熱や燃焼によつて生成される活性基の輸
送速度が増大するため燃焼速度は増大する。
つまり0.75≧D2／D1≧0.5では、乱れの生成及
び乱れのスケールが適度であるため、燃焼速度が
増大し、機関性能が向上する。
また、D2／D1＜0.5では、凸部及び副凹所の大
きさが大きすぎるため、これによつて生成される
乱れのスケールが大きくなり過ぎる。この大きな
スケールの乱れによつて火災帯はひきちぎられ、
分散形火災となり易く、初期着火時には火災核の
形成が困難となり、吹き消えが発生し、機関性能
が低下する。
次に副凹所内の旋回流Ｂの生成に関して詳述す
る。
直接噴射式デイーゼル機関においては噴射弁か
ら噴射された燃料噴霧を吸入空気と圧縮上死点付
近の短時間内に混合しながら燃焼させるため、ス
ワール比（スワール回転速度／エンジン回転速
度）は、強くするのが一般的であり、それに比較
して本発明のような予混合火花点火ガソリン機関
においては、吸入ポート中で燃料と空気が予め混
合されており、更にその混合気がシリンダ内へ吸
入される時に再度混合されるため、燃料と空気の
混合という面では充分であり、スワール比もそれ
に伴つて弱くなつている。
副凹所内における二次流れの方向は、前記スワ
ール比とD2／D1とによつて決まる。
つまり、0.75≧D2／D1≧0.5の範囲内であつて
も、直接噴射式デイーゼル機関のようにスワール
比が強い場合には、スワールによる流速が高く、
主凹所に突出した凸部の先端部からスワールの流
れが剥離してしまう。そして剥離した流れは次の
凸部に到達する前に先の凸部の下流にある副凹所
へと流入し、該副凹所内に前記スワールとは逆方
向の二次流れを形成する。
また、本発明の予混合火花点火ガソリン機関で
は、スワール比が弱いためスワールによる流速が
低く、主凹所に突出した凸部の先端部に接した流
れは、該凸部の壁面から剥離することなく、該壁
面に沿つて凸部の下流にある副凹所へと流入し、
該副凹所内に前記スワールと同じ順方向の二次流
れを形成する。
また後述する第１４図に示す一例のごとく凸部
の接する内接円D2と副凹所の最大外周が接する
外接円D1との間に形成する副凹所は内接円内の
主凹所と同一深さが最も望ましいが内接円と外接
円との間の副凹所が多少浅くても、深くてもその
差が1.4t1＞t2＞0.4t1の範囲なら先に述べたように
内接円内に円環状の乱れ層を作ることが出来る。
次に、1.4t1≧t2≧0.4t1の臨界的意義を詳述す
る。
t2＞1.4t1の場合、副凹所の深さt1が主凹所の深
さt2に比較して小さ過ぎるため、副凹所内に存在
するガスの量が少なく、ピストン上面からピスト
ン凹所へと流入するスキツシユによつて副凹所内
の二次流れの多くが主凹所内へ短時間のうちに運
ばれ、主凹所内のスワールとの干渉が短時間で終
了してしまい、乱れ生成の持続時間が短く、燃焼
室の凸部の内接円内に円環状の乱れ層を燃焼期間
中にわたつて形成できないため、乱れによる燃焼
速度増大の効果が充分に得られず機関性能の向上
が望めない。
それに対し、1.4t1≧t2≧0.4t1の場合、副凹所内
の深さt1が主凹所の深さt2に比較して適度であ
り、副凹所内に存在するガス量が適度であるた
め、前記スキツシユによつて副凹所内の二次流れ
の大部分が主凹所内へ徐々に運ばれるため、副凹
所の二次流れと主凹所内のスワールとの干渉が続
き、乱れの生成が持続され、燃焼室の凸部の内接
円内に円環状の乱れ層を燃焼期間中にわたつて形
成できるため、乱れによる燃焼速度増大の効果が
充分に得られ、機関性能が向上する。
また、t2＜0.4t1の場合、副凹所の深さt1が主凹
所の深さt2に比較して大き過ぎるため副凹所内に
存在するガスの量が多過ぎ、前記スキツシユによ
つて副凹所内の二次流れの一部分だけ主凹所に運
ばれ、残りの二次流れは副凹所内へ残留するた
め、副凹所内の二次流れと主凹所内のスワールと
の干渉が不足し、燃焼室の凸部の内接円内に円環
状の乱れ層を燃焼期間中にわたつて形成できない
ため乱れによる燃焼速度増大の効果が充分に得ら
れず機関性能が向上されない。
これら乱れはスワールを有効利用して生成さ
れ、かつスワールに対して悪影響を及ぼすことな
く、スワールが燃焼終了後に減衰してしまうまで
生成され続けるので、上死点前後の特定期間中だ
けでなく燃焼期間全域にわたつて長く持続するこ
とになる。
また乱れの素となるスワールについては、燃焼
期間中常に一定流速であることが望ましく、その
目的のためにトツプクリアランスは大きくして、
スワールを適度に加速しながら、強いスキツシユ
によるスワールの過度の加速及びそれに伴うスワ
ールの急激な減衰を避けて、燃焼期間全域にわた
つてスワール速度の大きな変動を防止している。
さらに、強いスキツシユ、スワール速度の過度
の加速を防止することによつて、着火時の火炎核
の吹消えによる燃焼の不安定も解消することがで
きる。
また、着火後の火炎発達をすみやかに行うため
に、点火栓の位置は主凹所内とした。これによつ
て、点火栓に対して、スワール下流になる副凹所
への火炎の発達が早まり、燃焼後期の燃焼速度が
増大する。
かかる乱れの生成ならびに燃焼後期までの存在
確保と点火栓位置の最適化によつて、燃焼後期の
燃焼を促進し燃焼期間を短縮することができ燃焼
効率を大幅に改善できる実用上極めて優れた効果
を奏する。
よつて、本発明は、スワールを有効利用して主
凹所の適宜箇所に良好な乱れを確実に生成でき、
かつ乱れの形成確保が図られ、さらにはスワール
と乱れとの相互作用等も相まつて各種性能の向上
を図る実用上多大の効果を奏する。すなわち、本
発明は、スキツシユ流を利用するものではないの
でトツプクリアランスｈは大きくしてもよく、予
混合火花点火式高スキツシユ機関ではｈ＜1.0〜
1.5mmであるのに対し、スキツシユのほとんどき
かないｈ＞1.5mmを使用出来るのでエンジン製造
上も有利になるばかりでなく、この部分のクエン
チング作用（ｈを小にするTDCでこの中にクエ
ンチング作用によつて火災が消炎し未燃々料が増
加する。具体的には、圧縮比がほぼ12以下の予混
合火花点火式内燃機関であつてはトツプクリアラ
ンスｈは1.2mm以上が好ましく、性能からは1.5〜
2.0mmの範囲が最良となる。また本発明によれば
スキツシユ流による乱れ生成ではないのでピスト
ン速度に乱れ生成が依存せず、強いスキツシユが
作りにくい低速時においても乱れ生成が容易で、
低速時の燃費、排気エミツシヨンの改善効果が大
きい。
更に本発明によれば前記トツプクリアランスｈ
が大きいので冷却損失が少なく部分負荷時の燃費
悪化が招きにくいといつた効果がある。ピストン
に主凹所および副凹所を設けるとピストン頂面の
温度はヘツド下面燃焼室の周辺部より高くなるの
でピストン側に主、副凹所に設けた方がシリンダ
ヘツド側またはシリンダブロツク側に燃焼室を設
けた場合より壁面からの熱の逃げが少なくなり熱
損失が著しく低下する。
つまり本発明の内燃機関によれば、前記燃焼室
の主凹所内に旋回機構により形成される吸入空気
の旋回流をピストンの上昇も相まつて的確に収容
し適度に旋回増速せしめて安定円滑に流通すると
共に、主凹所に設けた少なくとも２つの凸部によ
つて旋回流を減衰させることなく有効利用して主
凹所の適宜箇所に随時乱れに変換することがで
き、かつ乱れの強い層を主凹所内に均一に形成す
ることができる。さらに本発明は、主凹所の特定
部位にはこれと連通する副凹所を設け、前記旋回
流から派生した二次流れの旋回流を副凹所内に生
起することができ、かつその収容を図つて旋回流
通を促すと共に、前記旋回流と二次流れの旋回流
との間にさらに乱れを生成することができる。
従つて本発明の内燃機関は主凹所内にはスワー
ルを有効利用して乱れを確実に生成でき、かつ乱
れの形成確保が持続され、さらにはスワールと乱
れとの相互作用等も相まつて、以後の燃焼を速め
て燃焼時間を著しく短縮することができ、燃焼効
率を大幅に改善できる実用上極めて優れた作用効
果を奏する。
従つて、本発明の内燃機関は、ノツクを低減し
高圧縮比を実現し燃費を低減することができる。
また、本発明の内燃機関にあつては、前記凸部
が２以上であり６以下の数を設けたことを特徴と
する火花点火ガソリン機関である（以下本発明の
態様１と称する）。
さらに、本発明の内燃機関であつては、前記主
凹所および副凹所をピストン頂部に配設すること
を特徴とする火花点火ガソリン内燃機関である
（以下本発明の態様２と称する）。
かかる本発明における各態様の内燃機関によれ
ば、前記本発明の内燃機関とほぼ同様の作用効果
を奏する他に以下の作用効果を奏する。すなわち
本発明の各態様１、２の内燃機関にあたつては、
凸部の数を適切にすることにより乱れの質、すな
わちスケールを最適することができる。又、主凹
所及び副凹所をピストン頂部に配設することによ
つてシリンダヘツドのバルブが開閉する際ピスト
ン頂面に衝突するのをさけるためピストン頂面に
逃げを作ることがあるが内接円と外接円との間の
副凹所をこの逃げとして有効に利用すると、バル
ブ逃げだけのために別途凹所を作る必要がないの
で無駄容積を少なく出来、圧縮比を十分高く設計
しやすい。
よつて本発明の各態様１、２における内燃機関
は上記数ならびに関係を満たすことにより適正な
乱れの生成および持続時間が得られるといつた実
用上多大な作用効果を奏する。
次に本発明の実施例を説明する。
第５図及び第６図に示す実施例は予混合火花点
火式往復動内燃機関の一つである気化器付ピスト
ン式ガソリン機関の乱れ生成方法及び該方法を実
施するガソリン機関であつて本発明の態様１、２
に属する。
シリンダブロツク５内に穿設したシリンダボア
６内にコネクテイングロツドを介してクランク軸
に係止されたピストン１を介挿し、該シリンダボ
ア内で往復動させる。ピストン１の上部２０に
は、横断面よりして真円状の主凹所２１（破線に
て示す）とこの主凹所２１に３つの円弧状の凸部
２２を介挿して連通し該凸部２２の曲率より大な
る曲率の３つの円弧状からなる副凹所２３（実線
で示す）とを形成する。この主凹所２１および副
凹所２２は縦断面よりして共に同じ所定の深さ
t1、t2を有する。シリンダブロツク５の上部に載
置固着されたシリンダヘツド２の下部には、燃焼
室３に開口する様に吸気通路IPおよび排気通路
EPを配設する。該吸気通路IPおよび排気通路EP
の２個の開口部には、夫々クランク軸と連動同期
回転するカム軸により上下往復動される縦断面逆
Ｔ字型の吸気弁機構７および排気弁機構８を気密
に配設する。また吸気通路IPは燃焼室の前記主
凹所２１内に供給する吸入空気に対し弱い旋回流
を付与する旋回機構としてヘリカル吸気ポートに
形成する。
点火装置９は、点火回路に接続された点火プラ
グの点火部を燃焼室３の主凹所２１に臨ませ、混
合気に点火する。
吸気通路IPの上流には、フロート室７１内に
フロート７２を配設し、吸気通路内に配設したベ
ンチユリー７３に開口したノズル７４と前記フロ
ート室７１と連絡したエアブリード７５を備えた
通常の気化器７０を配設する。更にベンチユリー
７３の下流で吸気通路IPの屈曲部の下流にはア
クセルペダルに連動したスロツトルバルブ７６が
配設されている。本実施例のガソリン機関であつ
ては副凹所２３の対面する側面間の距離をD1（図
中外接円にて表す）とし、凸部２２の対面する側
面間の距離をD2（図中内接円にて表す）とすると
両者の比は0.75としてあり、本例では均一混合気
機関であるが乱れの持続が長く燃焼期間が短くノ
ツク発生がないので圧縮比を高くとれ本実施例で
は11である。又トツプクリアランスｈは2.0mmと
してある。また、点火栓の電極位置は凹所のほぼ
内接円内であつてやや外側に配置し凸部であるタ
ービユレンスリツプで発生する乱れの直撃をさけ
吹き消えを防ぐ構成としてある。
次に上述の構成より成る本実施例の気化器付ピ
ストン式ガソリン機関の作用効果について述べ
る。
本実施例における燃料供給装置７は、この気化
器７０で構成され、気化器７０で計量され吸気通
路IPとしてのヘリカル吸気ポートを流れるガソ
リンと空気の混合気は、吸気行程が始まり、ピス
トン２が下降するにつれて、ヘリカル吸気ポート
IPおよび吸気弁７を通じて燃焼室３内でピスト
ン１の上部主凹所２１内に旋回流Ｓとなつて供給
される。
当該旋回流Ｓはピストン１の上昇に伴つて主凹
所２１内に流入加速せしめられ旋回流通されるの
である。さらに該旋回流は前記三つの凸部２２に
より随時乱れに変換しつつ乱れの強い層Ａを形成
し、さらには前記旋回流とは別の二次流れの旋回
流Ｂをそれぞれ副凹所２３内に生起せしめる。す
なわち、前記主凹所２１には前記旋回流Ｓとは別
の二次流れの旋回流Ｂを生起せしめて収容し流通
推進するとともに、前記旋回流Ｓと二次流れの旋
回流Ｂとの間にさらに乱れを生成すべく部位とし
て副凹所２３を構成したことにより前記旋回流と
二次流れの旋回流との間にさらに乱れＡを生成す
るのである。これら乱れＡはスワールＳを有効利
用して生成され、かつスワールに対して悪影響を
及ぼすことなくスワールが減衰してしまうまで生
成され続けるので特定期間中だけでなく長く持続
することになる。
かかる乱れの生成ならびに存在によつて、以後
の燃焼を促進し燃焼期間を短縮することができ燃
焼効率を大幅に改善できる実用上極めて優れた効
果を奏する。
よつて、本実施例の乱れ生成方法は、スワール
Ｓを有効利用して主凹所２１の適宜箇所に良好な
乱れＡを確実に生成できかつ乱れＡの形成確保が
図られ、さらにはスケールＳと乱れＡとの相互作
用等も相まつて各種性能の向上を図る実用上多大
の効果を奏する。すなわち、本実施例は、スキツ
シユ流を利用するものではないのでトツプクリア
ランス（TDC時のピストン１の頂面とシリンダ
ヘツド２のすきまをいう）ｈは大きくしてもよく
高スキツシユ機関ではｈ＜1.0〜1.5mmであるのに
対し、スキツシユのほとんどきかないｈ＞1.5mm
を使用出来るのでエンジン製造上も有効になるば
かりでなく、この部分のクエンチング作用（ｈを
小にするとTDCでこの中にクエンチング作用に
よつて火炎が入らず燃焼速度が低くなる）でHC
の増大や熱損失の増大を招かないといつた優れた
効果を奏する。また本発明の方法によればスキツ
シユ流による乱れ生成ではないのでピストン速度
に乱れ生成が依存せず強いスキツシユが作りにく
い低速時においても乱れ生成が容易で低速時の燃
費、排気エミツシヨンの改善効果が大きい。更に
本発明によれば前記トツプクリアランスｈが大き
いので冷却損失が少なく部分負荷時の燃費悪化を
招きにくいといつた効果がある。
次に、本実施例のガソリン機関によれば、前記
燃焼室の主凹所２１内に旋回機構により形成され
る吸入空気のスワールＳをピストン１の上昇も相
まつて的確に流入加速し安定円滑に流通すると共
に、主凹所２１に設けた３つの凸部２２よつてス
ワールＳを減衰させることなく有効利用して主凹
所２１の適宜箇所に随時乱れに変換することがで
き、かつ乱れの強い層Ａを形成することができ
る。
さらに本実施例のガソリン機関は主凹所２１の
特定部位としての副凹所２３には前記スワールＳ
とは別の二次流れの旋回流Ｂを生起することがで
き、かつその収容を図つて旋回流通を促すと共
に、前記スワールＳと二次流れの旋回流Ｂとの間
にさらに乱れＡを生成することができる。
従つて、本実施例のガソリン機関は主凹所２１
内にてスワールＳを有効利用して乱れＡを確実に
生成でき、かつ乱れの形成確保が持続されること
によりミクロな混合を促進できると共に、主凹所
２１の周辺での未燃混合気の濃度が高まるのを防
止でき、さらにはスワールＳと乱れＡとの相互作
用手も相まつて、未燃々料を含む燃焼ガスのミク
ロな均一化を図つて以後の燃焼を速めて燃焼期間
を著しく短縮でき、ノツクを低減し高圧縮比を実
奏し燃費を低減することができるといつた幾多の
燃焼効率を大幅に改善できる実用上極めて優れた
作用効果を奏する。なお本実施例にあつては点火
装置が主凹所２１の周縁外方に配設してあるが、
これに限らず主凹所２１の周縁内方に配置し初期
燃焼を遅く、中後期の燃焼を速めてノツク制御を
図つてもよく前記実施例とほぼ同様の作用効果も
奏する。
更に、本実施例のピストン式ガソリン機関は、
ピストンの上部形状を若干設計変更するだけで良
いため、実施が容易であるという利点も有する。
次に、他の実施例として予混合火花点火式往復
動内燃機関の一つである吸気管燃料噴射タイプの
ピストン式ガソリン機関に基づき説明する。
実施例のピストン式ガソリン内燃機関は、第７
図及び第８図に図示するように、本発明の態様
１、２に属し、吸気通路IPがスワール形成用の
タンジエンシヤル吸気ポートである点と、ピスト
ン１の上部に横断面よりして真円状の主凹所２１
ａ（破線にて示す）とこの主凹所２１ａに２つの
円弧状凸部２２ａを介接して連通し該凸部２２ａ
の曲率より大なる曲率の２つの円弧状からなる副
凹所２３ａ（実線にて示す）とを形成する点が前
述の実施例機関に対して相違する点であり、相違
点を中心に説明し、同一部分は同一符号を付し説
明を省略する。
本実施例の燃料供給手段１０７を構成する吸気
管噴射装置１７０は、空気流量検出型の電子燃料
噴射装置であり、吸気通路IPの斜め下方より吸
気通路IPの内壁に向けてガソリンを噴射する電
磁弁１７１と、吸気通路IPを流れる空気量を計
量板MPの回転変位として検出する空気流量形１
７３と、該空気流量計１７３からの信号をもとに
して、点火信号、エンジン冷却水温度を考慮して
機関の運転条件に応じて毎回のガソリン噴射量を
制御する信号を前記電磁弁１７１に出力するコン
トロールユニツト１７２とから成る。
上述の構成より成る本実施例のピストン式ガソ
リン機関は、電子燃料噴射制御装置１７０により
計量されたガソリンと空気との混合気を吸気通路
IPより吸気弁５を通じてピストンの上部主凹所
２１ａ内に旋回流となつて供給される。
そして、本実施例のガソリン機関によれば、前
記燃焼室の主凹所２１ａ内に弱いスワールを形成
する旋回機構としてのタンジエンシヤル吸気ポー
トIPにより形成される吸入空気の弱いスワール
Ｓをピストンの上昇も相まつて的確に流入加速し
安定円滑に流通すると共に、主凹所２１ａに設け
た２つの凸部２２ａによつてスワールＳを減衰さ
せることなく有効利用して随時乱れに変換するこ
とができ、かつ乱れの強い層Ａを形成することが
できる。
さらに本実施例のガソリン機関は主凹所２１ａ
の特定部位としての副凹所２３ａには前記スワー
ルＳとは別の二次流れの旋回流Ｂを生起すること
ができ、かつその収容を図つて旋回流通を促すと
共に、前記スワールＳと二次流れの旋回流Ｂとの
間にさらに乱れＡを生起することができる。
従つて、本実施例のガソリン機関は主凹所２１
ａ内にてスワールＳを有効利用して乱れＡを確実
に生成でき、かつ乱れの形成確保が持続され、さ
らにはスワールと乱れとの相互作用等も相まつ
て、以後の燃焼を速めて燃焼機関を著しく短縮で
き、ノツクを低減し高圧縮比を実奏し燃費を低減
することができるといつた幾多の燃焼効率を大幅
に改善できる実用上極めて優れた作用効果を奏す
る。
以上、前述の実施例において本発明の代表例に
ついて述べたが、本発明はこれらに限定さるもの
ではなく、各実施例で組み合わせた要素の実施例
間の変更が可能である。
その他特許請求の範囲の記載の精神に反しない
限り幾多の設計変更および付加変更が可能であ
る。
すなわち、本発明におけるピストンの上部に形
成する凹所や凸部の形状、構造については前記実
施例に限らず、この他第９図ないし第１２図々示
のように主凹所と副凹所との間に複数の凸部を介
接したり、凸部と副凹所との間を直線にて接続し
たり、また主凹所の軸線に対し副凹所を非対称に
配置したりさらには副凹所を６つ配設してもよ
い。これらは前記実施例とほぼ同様な作用効果を
奏するものである。
この他主凹所、副凹所ならびに凸部の配設位
置、場所に関しては、前記ピストンに設けた実施
例に限らず、この他の燃焼室を構成するシリンダ
ヘツドやシリンダブロツクにも適応し得て、これ
らは前記各実施例とほぼ同様な作用効果を奏する
ものである。さらには、主凹所と副凹所とはその
両者の配設関係ならびに構造関係は副凹所が主凹
所とピストン頂部に向けて開口する前記実施例に
限らず、この他に第１３図々示のように副凹所２
３ｈは主凹所２１ｈの内周壁にのみ開口しこの開
口縁に凸部２２ｈを設けるとともにピストン頂部
に向けて開口しない構成とすることができる。ま
た副凹所はその深さt2を主凹所とほぼ等しい深さ
t1とする前記各実施例に限らずこの他に主凹所の
深さt1に対しても浅くても、またより深くてもよ
り好ましくは、1.4t1≧t2≧0.4t1の範囲が良く、い
ずれも前記実施例とほぼ同様な作用効果を奏す
る。また副凹所２３Ｋの壁部は前記実施例のよう
に直線形状に限らず、この他第１４図々示のよう
に円弧形状または傾斜形状にして流通効率を増す
構成としてもよい。
また、本発明は、第１５図乃至第２０図々示の
ように各種内燃機関とすることができ、前述した
各実施例とほぼ同様の作用効果を奏することがで
きる。すなわち、第１５図及び第１６図は本発明
における主凹所２１ｌ及び副凹所２３ｌをシリン
ダヘツド２の下面が約10°〜30°傾斜しピストン１
の頂面がフラツトなクサビ型内燃機関に設けたも
のである。主凹所２１ｌと各副凹所２３ｌはそれ
ぞれ深さを異にするとともに各副凹所２３ｌは吸
気弁７及び排気弁８のバルブ逃げをも兼ねると共
に、凸部２２ｌはエツジ状を呈し乱れの生成を効
率良く実奏すると共に、バルブ面積を大きくとれ
吸気管とバルブシートとのつながる折れ曲がり角
度が大きくとれるため吸入空気の流入抵抗が少な
くなる効果を奏する他、前述した各実施例とほぼ
同様の作用効果を奏する。
次に、第１７図及び第１８図は本発明における
主凹所２１ｍ及び副凹所２３ｍをシリンダヘツド
２の下面及びピストン１の頂面が共に傾斜した傾
斜パンケーキ型内燃機関に設けたものである。主
凹所２１ｍと３つの副凹所２３ｍとは共に深さを
同じくするが直線によつて連通関係となされ凸部
２２ｍは複数のエツジ状を呈し乱れの生成を効率
良く実奏する他、前述した各実施例とほぼ同様の
作用効果を奏する。
さらに、第１９図及び第２０図は本発明におけ
る主凹所２１ｍ及び副凹所２３ｍをシリンダヘツ
ド２の下面及びピストン１の頂面が共に屋根形状
（ペントルーフタイプ）を呈する内燃機関に設け
たものである。かかる機関は吸気弁７、及び排気
弁８がそれぞれ２つあり、計４弁であつて４つの
各副凹所２３ｎはそれぞれ吸気弁７及び排気弁８
のバルブ逃げをも兼ねると共に凸部２２ｎは乱れ
の生成を効率良く実奏する他、前述の実施例とほ
ぼ同様の作用効果を奏する。また本発明は、主に
ピストン頂面に主、副凹所、凸部を配設して成る
が、これに限定されることなくシリンダヘツド下
面とピストン頂面との間に所定容積の燃焼室を有
する機関の場合にも、前記主凹所、副凹所、凸部
等に関連する相対関係が満たされることにより適
当な旋回流、乱れの生成、確保を図ることができ
燃焼改善できるといつた前述とほぼ同様の作用効
果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
第１図ないし第４図は、従来ガソリン機関の縦
断面、そのデータ、および解析データを示す図、
第５図及び第６図は本発明の一実施例気化器付ガ
ソリン機関をそれぞれ示す断面図、第７図及び第
８図は本発明の別の実施例吸気管噴射ガソリン機
関をそれぞれ示す断面図、第９図乃至第１４図は
本発明の変形例をそれぞれ示す概要図、第１５図
乃至第２０図は本発明における各種内燃機関の例
をそれぞれ示す断面図である。 図中、５はシリンダブロツク、１はピストン、
２はシリンダヘツド、３は燃焼室、７は吸気弁、
８は排気弁、９は点火栓、２１は主凹所、２２は
凸部、２３は副凹所。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ ピストン、シリンダヘツド及びシリンダブロ
    ツクにより形成する火花点火ガソリン内燃機関の
    燃焼室において、燃焼室内に吸入空気を供給する
    吸気機構には、吸入空気に所定量の燃料を供給し
    て混合気を形成する気化器または燃料噴射弁から
    なる燃料供給装置を装備するとともに、吸入混合
    気を旋回させシリンダ内に弱い旋回流を形成する
    旋回機構を有し、 前記燃焼室にはピストンの上昇に伴つて該旋回
    機構により形成される吸入空気の旋回流を流入加
    速する主凹所を設け、 該主凹所内には混合気を所定時期に火花点火し
    て着火燃焼する点火装置を設け、 該主凹所には前記旋回流を随時乱れに変換しつ
    つ乱れの層を形成する少なくとも２つの凸部を設
    け、 前記主凹所の外周には前記旋回流から派生した
    二次流れを生起せしめて収容し流通するととも
    に、前記旋回流と二次流れとの間にさらに乱れを
    生成する副凹所を構成してなり、副凹所の対面す
    る側面間の距離をD1とし、前記凸部の対面する
    側面間の距離をD2とすると両者の比が 0.75≧D2／D1≧0.5 の関係を満たし、かつ主凹所の深さをt1とし、副
    凹所の深さをt2とすると、両者の比が 1.4t1≧t2≧0.4t1 の関係を満たすことによつて、前記二次流れの回
    転方向を前記旋回流の回転方向と一致させ、該旋
    回流と前記二次流れとを接触面において対向さ
    せ、乱れを効率良く生成することによつて内燃機
    関の燃焼効率を改善するようにしたことを特徴と
    する火花点火ガソリン内燃機関。 ２ 前記凸部は２以上であり６以下の数を設けた
    ことを特徴とする前記特許請求の範囲第１項記載
    の火花点火ガソリン内燃機関。 ３ 前記主凹所および副凹所はピストン頂部に配
    設することを特徴とする前記特許請求の範囲第１
    項ないし第２項のうち一に記載の火花点火ガソリ
    ン内燃機関。
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