JPH0430339Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ［考案の技術分野］ 本考案は燃焼室内に燃料を直接噴射するととも
に燃焼室内に供給される燃焼用空気を渦流化して
スワールを形成し、燃焼室内に燃料と空気との混
合気を点火部材によつて点火する筒内噴射型火花
点火エンジンの改良に関する。

［考案の技術的背景とその問題点］ 近時、石油事情は緩和の傾向にあるが、長期的
視野に立てば石油系燃料の枯渇化は避けられな
い。このことから石油代替燃料として、廉価で供
給量が豊富なアルコールが注目されている。

この種アルコールを燃料とするエンジンには
種々のタイプのものがあるが、熱効率が高く、点
火用軽油が不要であり、かつ構造が簡単であるな
どの理由から、「アルコール筒内噴射＋火花点火」
方式が最適である。

すなわち、この方式を取入れたエンジンとして
は従来から例えば特開昭53−112308号公報に示さ
れているように、自動車等の車両用エンジンとし
てエンジン本体の燃焼室内に燃料を直接噴射する
燃料噴射ノズルおよび前記燃焼室内に供給された
空気渦流（スワール）によつて混合された燃料と
空気との混合気に点火する点火プラグ（点火部
材）がそれぞれ設けられ、前記エンジン本体内の
ピストンによつて圧縮された燃料と空気との混合
気を前記点火プラグによつて点火して爆発燃焼さ
せる構成の筒内噴射型火花点火エンジンが知られ
ている。

ところで、上記エンジンの唯一の欠点は「アル
コール噴射ノズルの位置および方向」と、「スワ
ール強さ」および「点火プラグ」の三者のマツチ
ングが非常に微妙であり、かつ難しいことであ
る。すなわち、「エンジン回転速度」と「エンジ
ン負荷（アルコールの毎回噴射量）」の各々によ
り、最適の組み合せが存在するからである。

しかしながら、従来の筒内噴射型火花点火エン
ジンは、性能的に妥協したマツチングをとつてい
るに過ぎず、充分なエンジン性能が得られないと
いう不具合がある。

［考案の目的］ 本考案は上記事情に着目してなされたものであ
り、その目的とするところは、たとえばアルコー
ルなど石油代替燃料を用いた場合でも、エンジン
回転速度とエンジン負荷とに応じてスワール強さ
のマツチングを容易に得ることができ、あらゆる
エンジンの使用状態においてエンジン性能の向上
化を図れる筒内噴射型火花点火エンジンを提供し
ようとするものである。

［考案の概要］ すなわち本考案は、燃料噴射ノズルでエンジン
本体内の燃焼室内に燃料を直接噴射し、スワール
制御機構で燃焼室内に供給される燃焼用空気に形
成されるスワールの強さを可変し、点火部材で燃
料と燃焼用空気との混合気を点火するようにした
ものである。そして、上記スワール制御機構は、
低負荷全域を低スワール比域となし、低速中負荷
域と中速高負荷域を中スワール比域となし、低速
高負荷域を高スワール比域となすよう制御する。

［考案の実施例］ 以下、本考案の一実施例を図面にもとづいて説
明する。第１図および第２図Ａ，Ｂに示すよう
に、図中１はシリンダライナ、２はシリンダ室、
３はシリンダヘツド、４は吸気装置である。この
吸気装置４は、シリンダヘツド３に設けられてい
て、５はその吸気ポート、６は吸気弁、７は吸気
弁座、８はスワール制御通路、９ａは排気ポート
である。上記吸気ポート５は少しの「偏心」を加
えられ外部空気を吸気弁座７を介してシリンダ室
２に流入案内したとき、高スワール比を得るのに
最適な形状となるよう吸気弁座７の開口直前部分
に湾曲形成された渦室５ａを有する。上記吸気弁
６は、タイミングをとつて吸気弁座７を開閉する
よう駆動される。上記スワール制御通路８は、吸
気ポート５に導かれた吸気のうち、流速の遅い流
れがシリンダ室２に導入される直前の位置である
吸気ポート５の終端部周壁、すなわち渦室５ａの
巻き終り端部に開口する開口部８ａと、この開口
部８ａに外部空気を導入する制御通路８ｂとから
なる。さらに、第２図Ｃに吸気装置４を形成する
ための中子を示す。図からも明らかなように、制
御通路８ｂの開口部８ａ直前では垂直とするとよ
い。また、制御通路８ｂの入り口側には第３図に
示すように例えばバタフライ弁９が設けられてい
る。このバタフライ弁９は、第４図に示すよう
に、例えばマイクロコンピユータによつて形成さ
れる制御部１０からの制御信号によつて開閉駆動
されるようになつている。そして、これらのスワ
ール制御通路８、バタフライ弁９および制御部１
０よつてスワール制御機構が形成されている。ま
た、この制御部１０にはアクセルペダルの開度を
検出するアクセル開度検出器１１、エンジン回転
速度を検出する回転速度検出器１２および冷却水
温にもとづいてエンジンの暖機状態を検出する暖
機状態検出器１３がそれぞれ接続されている。さ
らに、この制御部１０には、第５図に示すよう
に、縦座標にエンジン負荷、横座標にエンジン回
転速度をとり、これらの関係にもとづいてバタフ
ライ弁９の開度を設定した最適スワールマツプが
記憶されている。すなわち、このスワールマツプ
で、ａは高スワール比域を示し、低速高負荷域が
相当する。このとき上記バタフライ弁９は上記ス
ワール制御通路８を全閉状態となすよう制御され
る。ｂは中スワール比域を示し、低速中負荷域と
中速高負荷域が相当する。このときバタフライ弁
９はスワール制御通路８を半開状態となすよう制
御される。ｃは低スワール比域を示し、低負荷全
域が相当する。このときバタフライ弁９はスワー
ル制御通路８を全開状態となすよう制御される。

一方、第６図ＡおよびＢはシリンダ室２内に配
設されたピストンを示すものである。図中で２１
はピストン本体である。このピストン本体２１の
頭部には断熱形燃焼室２２が設けられている。こ
の断熱形燃焼室２２はピストン本体２１とは別体
の例えば耐熱鋼、或いはセラミツク等の材料によ
つて形成された燃焼室構成部材２３の内部に形成
されている。さらに、この燃焼室構成部材２３の
外周面には複数の脚部１４…が突設されており、
これらの脚部１４…によつて燃焼室構成部材２３
の外周面とピストン本体２１の頭部に形成された
凹陥部２１ａとの間に断熱用の空気層２５が形成
された状態で保持されるようになつている。な
お、この燃焼室構成部材２３はピストン本体２１
の頭部に形成された凹陥部２１ａ内に例えば鋳ぐ
るみと等の手段によつて固着されている。

このようにして構成される断熱形燃焼室２２に
対向して燃料噴射ノズル２６と点火部材である点
火プラグ２７が配設される。これらの燃料噴射ノ
ズル２６と点火プラグ２７の各先端部は、ピスト
ン本体２１が上死点位置に位置している状態で燃
焼室２２内に突出するよう設けられる。

次に、上記構成の作用について説明する。エン
ジンの動作中、吸気弁６が下降して吸気ポート５
が開放する吸込行程時に、吸込空気が吸気弁座７
を介してシリンダ室２に導びかれ、ここでその円
周方向に沿つてスワールが強制的に形成されるこ
ととなる。この空気は、燃料噴射ノズル２６から
噴出される燃料と混合し、燃焼する。

上記バタフライ弁９は、制御部１０から先に第
５図で説明したようなスワールマツプにもとづい
た制御信号を受けて開閉制御される。すなわち、
低速高負荷域でバタフライ弁９はスワール制御通
路８を全閉状態となすよう制御され、高スワール
比域となる。低速中負荷域と中速高負荷域で、バ
タフライ弁９はスワール制御通路８を半開状態と
なすよう制御され、中スワール比域となる。低負
荷全域でバタフライ弁９はスワール制御通路８を
全開状態となすよう制御され、低スワール比域と
なる。

すなわち、エンジン回転速度が増大するにつれ
てスワール速度も増大し、第７図Ａに示すように
燃料であるアルコール噴霧Ｆ…が過度に拡散して
点火し難くなるため、エンジン回転速度の増大と
ともにスワール比を低下させる必要がある。ま
た、エンジン負荷が低下するにつれ、アルコール
の一回当りの噴射量が減るため、第７図Ｂに示す
ようにスワールによつてアルコール噴霧Ｆ…を拡
散させ過ぎると、薄くなつて点火し難くなる。あ
るいは着火せずに未燃のままエンジンから排出さ
れる噴霧も発生する。したがつてエンジン負荷の
低下とともにスワール比を低下されなければなら
ない。

なお、第８図はバタフライ弁の角度とスワール
比との関係を示すものである。この場合、高スワ
ール状態は第９図Ａ，Ｂ、低スワール状態は第１
０図Ａ，Ｂから説明できる。すなわち各図Ａにお
いて吸気弁座７を８等分し、１ないし８の番号を
附す。吸気が吸気ポート５から吸気弁座７と吸気
弁６との隙間を通つてシリンダ室２内に流入する
際に、各番号に対応する位置からシリンダ室２内
に流入される吸気のシリンダ中心軸に直角方向成
分を示すと、図中矢印に示す方向と、矢印の長さ
に相当する強さの吸気がシリンダ室２に吸入され
る。番号１から４までの吸気ベクトルはシリンダ
中心O₁の回りを時計回り方向（＋）に旋回しよ
うとするので順スワール方向成分となり、これら
のモーメントは順スワール方向モーメントとな
る。番号５から８の吸気ベクトルは、吸気ポート
５とシリンダ室２との位置関係で自然に決まるス
ワール方向と逆となり、上記中心O₁の回りに反
時計回り方向（−）に旋回しようとする逆スワー
ル成分となり、これらのモーメントは逆スワール
方向モーメントとなる。各図Ｂにおいて、各番号
のスワール方向モーメントの大きさを、順、逆方
向別に矢印で示す。なお、O₂は吸気弁座２６の
中心点である。

第９図Ａ，Ｂの場合は、上記バタフライ弁９に
よりスワール制御通路８が閉成されているところ
から、順スワール方向モーメントの総和（シリン
ダ中心O₁から各吸気ベクトルに下した垂線の長
さLiと、吸気ベクトルの大きさViとの積である
スワールモーメントMi＝Li・Viを順スワール方
向成分だけで合計したもの）と、逆スワール方向
モーメントの総和（逆スワール方向成分だけで合
計したもの）との差が充分大きく、全体として高
スワール状態となる。

ところが、第１０図Ａ，Ｂの場合は、スワール
制御通路８が開放されているところから、ここか
らも吸気がシリンダ室２に導びかれ、特に番号
６，７附近の逆スワール方向モーメントが大とな
る。この方向のモーメントの総和は順スワール方
向モーメントの総和に近づく。シリンダ室２にお
ける順スワール方向の吸気に、スワール制御通路
８から導びかれた逆スワール方向の吸気が衝突
し、かつ互いに相殺し合つて低スワール状態を得
る。ただし、吸気流量としては、本来、吸気ポー
ト５から流入する吸気に加えて、スワール制御通
路８から流入する分が確保される。さらに、制御
通路８ｂが略垂直方向に近く立つているので、シ
リンダ室２への吸気流入が円滑である。したがつ
て、低スワール状態であつて、しかも吸気量は充
分である。特に、エンジンが高回転域の場合には
低スワール状態が良く、スワール制御通路８を開
放すれば充分な吸気量を確保してその状態が得ら
れる。また第１１図Ａ，Ｂに示すように、吸気ポ
ート５からの順方向高スワール（図中白矢印で示
す）と、スワール制御通路８からの逆方向スワー
ル（図中黒矢印で示す）とがシリンダ室２で互い
に干渉し合い、回転方向の異なる２つの渦を発生
させるとともにこれらの周辺にも多数の小さな渦
あるいは乱れを多数生じさせる。これら多数の渦
あるいは乱れは、圧縮行程後も若干残留して同図
Ｃに示すように噴霧Ｆ…と空気との混合を良好化
し、燃焼効率の改善、スモークおよび排気ガスの
低減に役立つ。高スワール状態では、第１２図に
示すように流線形の滑らかな吸気ポート５形状に
沿つて吸気は必要最小限の速度で円滑に、かつ損
失なく導びかれる。しかも、先に述べたように、
順スワール方向モーメントの総和と逆方向モーメ
ントの総和との差が充分大きくて、スワールが高
い。

なお、高スワール状態でスワール制御通路８の
開口部８ａが吸気ポート５中の吸気の流れに悪影
響を及ぼすことはない。これは第１３図から説明
できる。すなわち、同図は吸気ポート５の展開図
であつて、各矢印は吸気ポート５の各位置におけ
る吸気の方向と強さを表す。符号ａは吸気ポート
５の入口側であり、以下アルフアベツト順に吸気
弁座７に近づく。符号ｋは吸気ポート５の終端部
となり、周壁には上記開口部８ａが設けられる。
入口側ａ，ｂでは吸気の方向は平行であり、強さ
は略同一である。しかし、ｄ，ｅ付近からは吸気
ポート５のスワール形状に沿うので吸気の流速が
速くなる。しかしながら、終端部ｉ，ｊ，ｋ付近
では既に主流はシリンダ室２に吸込まれ、残りの
流速の遅い流れが存在するにすぎない。さらに、
開口部８ａは凸形状ではなく凹形状であるので吸
気の流れの抵抗にならない。これらのことから、
高スワール状態時などのスワール制御通路８が機
能していない場合において、スワール性能に悪影
響を及ぼすことはない。本来、エンジン回転速度
が低下するにつれてスワール速度も低下し、燃料
であるアルコール噴霧が空気と混合し難くなる傾
向があるが、このように、エンジンの低回転域を
高スワール状態に保持することにより、アルコー
ル噴霧と空気とが適度に混合して燃焼効率の向上
等、良好なエンジン性能を得る。

スワール制御通路８の開口部８ａの位置は、シ
リンダ室２におけるスワール性能に微妙な影響を
与えるので、最適位置を設定することが必要であ
る。そこで、第１４図に示すように、番号１から
８までのポイントを定め、それぞれに開口部を設
けてスワール特性を観察した。その結果を第１５
図に示す。各番号変化は上記位置に開口部を設け
た場合のスワール比と流量係数の関係である。な
お、スワール比３はアイドリング時に相当し、こ
れより低スワール比になるにしたがつて高速高負
荷運転となる。図中実線変化Ｓは理想の吸気ポー
ト性能を得る上記関係であり、実際構造では実現
が困難とされているが、より近接するよう努力が
払われている。図からも明らかなように、番号
７，８，１の順でスワール比の変化幅は大であ
り、番号２ないし５は変化幅が小である。また、
番号６，７は流量係数の増大が著しく、番号１な
いし５および８は増加が少い。なお、図中二点鎖
線変化Ｐは、従来にみられる構造によるものであ
る。

同図の結果から、上記スワール制御通路８の開
口部８ａが設けられる吸気ポート５の渦室５ａの
巻き終り端部周壁において、スワール制御通路８
が最も大幅にスワールを変化させ得る開口部８ａ
の設置個所は、第１６図Ａ，Ｂにハツチングで示
すＢ領域であることがわかつた。また、低スワー
ル時（高速高負荷時）に最も流量係数が増大し良
好な可変スワール特性が得られる個所は、第１７
図Ａ，Ｂでハツチングで示すＣ領域であるとの結
論が得られた。したがつて、スワール比と流量係
数との関係から、番号６，７の位置が最も有効で
ある。なお、その開口方向をシリンダ軸方向に直
角方向の成分でみた場合に吸気ポート５から導び
かれて渦室５ａ内で旋回される吸気の主流の流線
に対して、鋭角か直角の方向から合流できるよう
な方向を選択すると、吸気の主流に対して分流し
易くなり、より良い結果が得られるが、実際構造
のポートレイアウトにおいて必ずしもこのような
開口方向がとれない場合でも同様の効果が得られ
る。第１８図に上記番号６，７，８，１の開口部
位置を示す。それぞれの開口部６，７，８，１の
直上方部位に、垂直方向に向けた開口部６′，
７′，８′，１′を設けても、互いに同一効果が得
られる。（なお、上記実施例と同一個所は同番号
を付して説明を省略する。） なお上記実施例においては、燃料としてアルコ
ールを適用したが、これに限定されるものではな
く、プロパンガス、LNG（液化天然ガス）、LPG
（液化石油ガス）、水素および粗悪油（重油、灯
油）等の代替燃料を用いてもよく、ガソリンもし
くは軽油等通常用いられる石油燃料であつてもよ
い。

また、本考案の要旨を逸脱しない範囲で種々変
形実施できること勿論である。

［考案の効果］ 以上説明したように本考案によれば、燃焼室内
に燃料を直接噴射する燃料噴射ノズルと、燃料用
空気に形成されるスワールの強さを、低負荷全域
で低スワール比域、低速中負荷域と中速高負荷域
で中スワール比域、低速高負荷域で高スワール比
域となすよう可変制御するスワール制御機構と、
燃料と燃料用空気との混合気に点火して爆発燃焼
させる点火部材とを具備したから、たとえばアル
コールのごとき石油代替燃料を用いた場合であつ
ても、従来やむを得ず固定された因子であるスワ
ール強さをエンジン回転速度とエンジン負荷に対
して最適となるよう可変でき、常に最高のエンジ
ン性能を引出せるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

図面は本考案の一実施例を示すもので、第１図
はエンジン要部の斜視図、第２図Ａは吸気装置の
横断平面図、同図Ｂは同図ＡのＢ−Ｂ線に沿う縦
断面図、同図Ｃは中子の斜視図、第３図はバタフ
ライ弁の取付状態を示す斜視図、第４図は制御部
を示す概略構成図、第５図は最適スワールマツプ
を示す特性図、第６図Ａはピストン上部を示す斜
視図、第６図Ｂは同縦断面図、第７図Ａ，Ｂは燃
焼室における燃料噴霧状態の説明図、第８図はバ
タフライ弁とスワール比との関係を示す特性図、
第９図Ａは高スワール状態でのスワール成分を説
明する図、同図Ｂは同状態におけるスワール方向
モーメントを説明する図、第１０図Ａは低スワー
ル状態でのスワール成分を説明する図、同図Ｂは
同状態におけるスワール方向モーメントを説明す
る図、第１１図Ａは低スワール状態を説明する斜
視図、同図Ｂは同じくスワール状態を説明する斜
視図、同図Ｃはその噴霧状態を説明する図、第１
２図は吸気状態を説明する斜視図、第１３図は吸
気ポートの展開図、第１４図は吸気ポートの開口
部位置を選択するための平面図、第１５図は各開
口部でのスワール比と流量係数との特性図、第１
６図Ａは第１５図のデータを説明する吸気装置の
平面図、同図Ｂはその断面図、第１７図Ａは同じ
く第１５図のデータを説明する吸気装置の平面
図、同図Ｂはその断面図、第１８図は同じくエン
ジン要部の斜視図である。 ２２……燃焼室、２６……燃料噴射ノズル、８
……スワール制御通路（スワール制御機構）、９
……バタフライ弁（スワール制御機構）、１０…
…制御部（スワール制御機構）、２７……点火部
材（点火プラグ、２１……ピストン本体。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. エンジン本体の燃焼室内に燃料を直接噴射する
   燃料噴射ノズルと、上記燃焼室内に供給される燃
   焼用空気を渦流化してスワールを形成するととも
   にそのスワールの強さを可変するスワール制御機
   構と、このスワール制御機構により形成される空
   気渦流と上記燃料噴射ノズルから噴射される燃料
   との混合気に点火して爆発燃焼される点火部材と
   を具備し、上記スワール制御機構は、低負荷全域
   を低スワール比域となし、低速中負荷域と中速高
   負荷域を中スワール比域となし、低速高負荷域を
   高スワール比域となすよう制御することを特徴と
   する筒内噴射型火花点火エンジン。