JPH0768904B2 - 高圧縮比火花点火式希薄内燃機関 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は火花点火機関に係り、特に燃焼室内に可燃混合
気を保持する複数の凹所を持ち、その中心付近に点火栓
を配置し、希薄混合気においても安定かつ急速な燃焼を
実現しうる多点点火式の高圧縮比火花点火式希薄内燃機
関に関する。

〔従来技術〕

希薄燃焼は燃焼速度が遅く、燃焼が不安定なため従来の
機関において供給混合気を希薄化するだけでは達しえな
い。したがって一般には混合気の流動（スワール、スキ
ッシュ）を用いたり、多点点火により火炎伝ぱ距離を短
くしたり（特開昭51−132306号）、あるいは高圧縮比化
により着火遅れ期間の短縮による燃焼の安定化（SAE790
386）などが試みられている。

しかしながらいずれにおいても排気中のNO_xレベルを十
分に低いレベルまで低減できる超希薄混合気で安定な運
転ができないため、EGR、点火遅角等の対策が必要とな
り必ずしも希薄燃焼の特徴を十分には生かしきれていな
かった。

例えば、前記特開昭51−132306号公報に記載された多重
点火内燃機関においては、スキッシュエリア及びクエン
チエリアを削除し、滑らかな多球面燃焼室を設け全域燃
焼させ、大量EGR時の安定燃焼を目的とするものであっ
て、EGRシステムを必要とする構成となっている。

内燃機関において、理論熱効率η thは η th＝１−（1/ε）^k-1 ・・・・（１） で表されるεは圧縮比、ｋは比熱比である。従ってこの
理論熱効率は圧縮比、比熱比を大きくすれば向上するこ
とがわかる。すなわち、高圧縮比化し、希薄燃焼（混合
気が空気に近づく程比熱比ｋは大きい値を示す）させる
ことが最も良い。更に希薄燃焼させることにより耐ノッ
ク性の向上、燃焼温度低下による熱損失の低減とNO_x低
減を兼ねそなえる希薄燃焼が注目され、一部実用化され
ているが、全域でのNO_x排出レベルを十分に低減できる
ほど希薄な混合気で運転することはできない。

一方、予混合希薄燃焼に対して、点火栓近傍にのみ点火
容易な比較的濃い混合気とし、シリンダ内全域の平均と
しては希薄混合気状態での運転を可能とすると、一層空
気サイクルに近づくため高い熱効率を実現しうるばかり
でなく、十分なる空気供給下にあるために排気ガス中の
有害成分を著しく低減できる、いわゆる成層燃焼方式が
提案されている。

しかしながらこの成層燃焼方式においても混合気供給・
点火系の制御性・複雑性あるいは燃焼の不安定さによる
低負荷域でのTHC排出率の増大など困難な問題がある。

〔発明の目的〕

本発明はコンパクトな燃焼室に多点点火を組み合わせ、
これを高圧縮比化することと強いスキッシュ流と各点火
栓まわりの混合気を有効に混合する手法を提案し、これ
らの手法を有効に組合わせて相乗効果を最大にする技術
を提案することにより、例えば、EGRシステムによって
混合気、点火系等を複雑に制御することなく、超希薄域
まで運転可能とし、NO_x排出レベルを十分に低減しつつ
高い熱効率を得ることのできる内燃機関の燃焼室を提供
しようとするものである。

〔発明の概要〕

本発明は希薄混合気を安定にかつ急速に燃焼させるため
に以下の構成をなす。

第１に燃焼室はコンパクトな複数の凹所を流路で連通さ
せた形状とし、各々の凹所の中心付近に点火栓を配置す
ることにより火炎伝ぱ距離を短くすると共に燃焼の相互
作用を高めて均一化する。

第２に上死点におけるピストン頂面とヘッド下面のすき
間を極力小さくかつスキッシュエリアを各凹所まわりに
比して流路まわりを広い面積に形成し、むだ容積を極力
減らして、スキッシュエリアによって生じるスキッシュ
流で混合気を各々の凹所内に均等に集めるようにする。
そして、点火栓近傍にたえず可燃混合気を保持する。

このスキッシュは当然混合気の乱れを強くし、燃焼を著
しく促進する。このスキッシュを得るためには凹所まわ
りにスキッシュ面積をもうけて凹所まわりはもとより連
通路を含めて最大限の効果を発する必要がある。従っ
て、本発明では凹所まわり全面でスキッシュ流が発生す
るようにし、凹所内の混合と燃焼がどの方向にも促進さ
れるよう配慮している。

また、スキッシュの強さは凹所とスキッシュ面積の境界
の面積比に逆比例することは明らかで、本発明では、ト
ップクリアランスをスキッシュエリア全面にわたり一定
として、境界面積を極力小さくした。例えば、（特開昭
51−132306号公報）の２頁右８行目に記載されている
「シリンダ径に対し比較的大きな半径を有する球面の一
部」では境界面が球面の半径に依存して大きくなり、燃
焼改善が期待できる程のスキッシュ流が発生しない。

また、特開昭51−132306号公報では、凹所の一部にスキ
ッシュ面積のとぎれる部分が存在し、乱れが方向により
発生し難く、不等方向になるので燃焼促進面から不都合
を生じてしまう。

従って、特開昭51−132306号公報では、本発明に比べ燃
焼が遅く、特に燃焼速度の遅い希薄混合気では、その差
は大きく運転可能混合気濃度にも差を生じる結果本発明
の希薄極限空燃比では運転し得ない。

第３に高圧縮比化することにより着火遅れを短くし安定
な着火を確保すると共に急速な安定燃焼を確保する。

第４に流路まわりに流路を除いて吸気弁及び排気弁を対
向配置させることにより、吸気弁位置がスキッシュエリ
ア側になる。このため、吸気流に径方向の流れ成分を付
加でき、燃焼と空気の混合を促進すると共に火炎伝播の
向上が図れる。また、排気弁位置がスキッシュエリア側
になる。このため、排気効率を下げる傾向にあるが、残
留気量が積極的に増しNO_xの低減（内部EGR効果）が図れ
るとともに、残留気量増加による混合気の加熱効果を図
れる。また、吸排気弁をスキッシュエリアに配設する結
果、凹所投影面積が小さく、深さが増すため、コンパク
トなキャビティとなり、付随的に等方的なキャビティと
なるため、火炎伝播距離が短縮される。また、吸排気弁
間に凹所が在るため、点火栓の最適な配置が容易であ
る。

本発明は以上の４点を基本とし、従来では運転できなか
った超希薄混合気を高圧縮比のもとに安定に急速燃焼が
できるためNO_x排出率を十分に低いレベルに保持しつつ
高い熱効率を実現しうる。

また上述のごとく従来の予混合機関と比較してもEGRシ
ステム等のなんら特別な機構とか制御も必要ないため非
常に低コストのもとに提供できる点にも本発明の特徴が
ある。

上記構成より成る本発明は、燃料供給手段により調量さ
れた混合気を筒内に設けられた各々の凹所内に保持し、
各々の凹所中心付近に配置された点火栓のスパークによ
り着火燃焼させる。点火栓を中心付近にすることは火炎
伝に要する距離を短く燃焼をさらに高速化するのに役立
つ。また上死点でのピストン頂面とヘッド下面とのすき
間は小さく、むだ容積を極力なくすと共に、スキュシュ
エリアを各凹所まわりに比して流路まわりを広い面積に
形容したので、むだ容積が減り、スキッシュエリアによ
って生じるスキッシュ流で混合気が前記凹所内に効率よ
く集められ、点火栓近傍にたえず強い乱れをもつ可燃混
合気を保持できるので安定かつ急速な燃焼が実現でき
る。

本発明はスキッシュによる燃焼促進、コンパクトな複数
の凹所と各凹所中央での複数点火の組合わせによって従
来機関より燃焼期間が大幅に短縮でき（第７図参照）希
薄燃焼に有利のみならず、同一混合気濃度同一圧縮比で
は従来機関よりもノックし難い。これは、混合気が燃焼
室中央に集まっていて、未着火混合気がシリンダ周辺に
存在し難いことに加え、燃焼促進により未着火混合気が
自発火する前に燃焼が完結し易い構造であることは燃焼
工学的に裏付けることができる。従って、同一条件では
圧縮比をいくぶん高い側にすることができ、高圧縮比化
を実用化するのに有利である。

〔実施例〕

第１図から第３図には本発明の第１実施例にかかる高圧
縮比火花点火式希薄内燃機関の燃焼室構造が示されてい
る。シリンダ１にガスケット３を介してシリンダヘッド
２が搭載固着されており、シリンダ１内のボア1A内を上
下動するピストン４は頂面に凹所５、６を有している。
これらの凹所５、６は第３図にも示される如く互いに同
形の円柱形状であり、第２図に示される如く、内側壁と
ピストン頂面とが角ばって接続形成されている。また、
第３図に示される如く一部が流路９で互に連通された構
造となっている。凹所５、６と流路９の深さは同じであ
る。

これによって、シリンダヘッド２の底面、ボア1Aとピス
トン４の頂面とで囲まれた空間及び凹所５、６が燃焼室
となる。

この凹所５、６にはシリンダヘッド２から突出する点火
栓７、８がそれぞれ略中央部に配置されている。

ピストン４の頂面には吸気弁10及び排気弁11が配置され
ており、第１図に示される如く吸気弁10は吸気通路12を
介して吸気絞り弁13、燃料供給手段14及びエアクリーナ
15へ連結されている。

上死点におけるピストン４の頂面とシリンダヘッド２の
底面との間の隙間ｔは凹所とスキッシュ面の境界の面積
を小さくしてスキッシュ速度を高めこれによる燃焼促進
と燃焼促進に伴う希薄燃焼限界の拡大を図るために出来
るだけ小さくすることが望ましく、シリンダヘッド２は
凹所５、６を除くピストン４の頂面全周の平坦部境界ま
での平坦部を持っており、この実施例ではｔ＝0.5mmと
されている。ただし吸入上死点での吸気弁10、排気弁11
とピストン４との頂面との干渉を避けるために、一例と
して吸気弁10、排気弁11の下端部をシリンダヘッド２内
へ入り込ませるようにしてもよい。

ピストン４の頂面とシリンダヘッド２との間のスキュシ
ュエリア4Aは、凹所５、６まわりに比して吸気弁10、排
気弁11が設けられた流路９まわりを広い面積に形成し、
むだ容積が減している。また、図３に示される如く、吸
気弁10、排気弁11は流路を除いて対向配置されている。
なお、このスキッシュエリア4Aによって、スキッシュ流
を上死点近傍で生成させ、供給された混合気を乱し混合
させながら凹所５、６へスキッシュ流で均等な押し込
み、凹所５、６外へ混合気が漏れて火炎が届かずに未燃
成分として排出されるのを防ぐようにすることが好まし
い。

このように構成される本実施例では、燃焼行程において
ピストン４が上昇すると、燃料供給手段14から供給され
る混合気は、スキッシュエリア4Aの圧縮によって生ずる
スキッシュ流で凹所５、６内へ急激に押し込まれ乱れを
生成する。この混合気は点火栓７、８廻りに安定して確
保することができる。また凹所５、６はそれぞれ流路９
によって連通されているため、凹所５、６の混合気がス
キッシュ流等の流動により攪拌混合され、おのおの均一
化された混合気が保持される。このため凹所５、６内で
均一は燃焼が行われると共に、強いスキッシュ流等の流
動により着火後の混合気に大きな流動と乱れが生じ、こ
れに伴って燃焼速度が増大し、一方に未燃混合気（エン
ドガス）が残ることはなく、急激に燃焼が行われてノッ
キングの抑制、有害排気成分の低減が可能となる。

以上のべたように複数の凹所を設け、各々を流路で連通
させることにより均一な混合気を均等に各凹所内に保持
させることができると共に凹所の中央に配設した点火栓
により安定かつスキッシュの乱れにより急速な燃焼が確
保される。このために、従来よりも希薄な混合気で運転
することができる。

加えてこの希薄混合気で運転することによるノッキング
抑制効果により高圧縮比化も可能となり、この両者の相
乗効果でNO_x、CO、THC等有害排気成分が低減できるばか
りでなく、大幅な熱効率の向上が達成される。

以下にガソリン（リサーチオクタン価で91）を燃料とし
て用いた実施例の実験結果について説明する。

第４図は本実施例による燃焼室形状を用いて高圧縮比化
による希薄限界空燃比の拡大効果を示したものである。
図より本実施例によれば圧縮比ε＝12.0で希薄運転限界
空燃比A/F_LL＝26（空気過剰率λ＝1.81）、ε＝13.8でA
/F_LL＝28（λ＝1.94）、ε＝15.6でA/F_LL＝30（λ＝2.0
1）と従来技術にくらべ大幅に拡大改良されている。こ
の場合は、２つの凹所に各々点火栓を設けた実験結果で
あるが、２つの凹所のどちらか一方にのみ点火栓を配設
した場合についても実験を行ったが、希薄限界の空燃比
A/Fは１〜２程度狭く、燃焼も不安定で排気性能が悪化
するため点火栓は各凹所毎に火炎伝ぱ距離が均等にかつ
短くなるように配慮して配設した方が良好な性能を発揮
することができる。

また図示燃料消費率ｂ_iについては第５図に示すようにA
/F＝14.4で運転される予混合機関にくらへ本発明は広い
負荷域で大幅な図示燃料消費率の改善が図られ、最小燃
費率ではディーゼル機関と同等の燃費率を達成してい
る。

また第６図には、本発明の特徴の一つである希薄燃焼の
効果により従来の予混合期間にくらべNO_x排出率が大幅
に低減されている状態が示されている。更に第７図には
コンパクトな複数の凹所を連通路で結び、凹所周りに大
きなスキッシュ面積を持ち、各凹所の中央での多点点火
との組合わせにより達成される本発明の特徴の一つであ
る急速な燃焼を実証する燃焼期間の短さを従来の予混合
機関と比較して示している。

このように本発明の燃焼室は従来の予混合機関と変わら
ない低コスト、容易な制御のもとに安定にかつ急速な燃
焼が実現できるため高圧縮比希薄燃焼の特徴を余すこと
なく十分に発揮できる。

先の第１実施例はガソリン燃料を用いた場合について説
明したが、本発明はガソリン燃料に限定されることなく
アルコール、灯油あるいはそれらの混合燃料、メタン、
プロパン等のガス燃料を用いた場合にも十分にその性能
を発揮することができる。

第２実施例はメチルアルコールを燃料として用いた場合
について説明する。本発明の優位性は燃料をガソリンか
らメチルアルコールに変換させても燃焼室形状は一切変
更することなく同仕様のまま点火時期、A/Fの調整のみ
で良い点にもある。したがって、燃焼室形状、配置等の
詳細な説明は省略し、実験結果についてのみ説明する。

本発明の燃焼室を用い高圧縮比化することにより希薄限
界空燃比A/F_LLが従来の予混合機関より著しく拡大され
ることは先に述べたが、燃料にメチルアルコールを用い
た場合にはガソリン燃料の場合にε＝15.6でλ＝2.01ま
で改善されたものがさらにλ＝2.75まで安定に運転する
ことが可能となり著しい改善が認められる。

更にアルコール燃料を用いるうえでの特徴はオクタン価
が高く、気化潜熱が大きいため高圧縮比化した場合にも
耐ノック性に優れることにある。したがって、ガソリン
燃料にくらべ更に希薄燃料できる（λ＝2.01→λ＝2.7
5）ことに加え更に高い圧縮比においてもノックするこ
となく運転できるので高圧縮比希薄燃焼の特徴がいかん
なく発揮され有害排気成分の低減、熱効率の著しい向上
を図ることができる。第８図にメチルアルコール燃料を
用いた本実施例のNO_x低減効果と図示熱効率の改善効果
を示す。

次にガソリン燃料（リサーチオクタン価で91）を用いた
第３実施例について説明する。先に述べた第１実施例に
おいて第５図に示したように本実施例仕様では、高圧縮
比（ε＝13.81）のため使用できる最大負荷がノッキン
グ等異常燃焼により制限され同図でわかるように従来の
予混合機関の最大出力の約80％程度に低下し、ディーゼ
ル機関にほぼ匹敵する出力にとどまっている。これは本
発明の耐ノック性が高いにもかかわらず、比較とした従
来機関よりも圧縮比が3.81も高いためである。そこで第
３実施例では、この欠点を改良するために可変圧縮比化
装置を組み合わせ、第１実施例で示した低・中負荷域の
良好な性能に加え更に高負荷まで運転可能としようとす
るものである。

本発明の第１実施例において、吸気絞り弁全開の状態で
ノッキングすることなく運転できる負荷（WOTなのでA/F
が負荷になる）は、ε＝15.6ではA/F＝22まで、ε＝13.
8ではA/F＝20まで、ε＝12ではA/F＝18までであった。
したがって、本実施例では機関の吸気絞り弁開度、空燃
比をたとえば第９図に示すように制御することにより低
負荷から高負荷まで安定にかつ良好な運転が可能とな
る。

すなわち、低中負荷までは吸気絞り弁を徐々に開きなが
ら空燃比は希薄限界に保ちつつ、高圧縮比希薄燃焼をさ
せる。そして、負荷が高くなりノッキング発生により高
圧縮比運転が困難になる負荷Ａ以下では可変圧縮比化装
置を働かせ、圧縮比を下げノッキングを制御しつつ理論
空燃比で運転させることにより、高出力を達成しつつ有
害排気成分は三元触媒で低減しようとするものである。

このように運転すれば、全運転域において有害排気成分
の低減、熱効率の改善を達成しかつ良好な出力性能を確
保することができる。

ただし、ε＝13.81においてもディーゼルスモータ規制
レベルでの出力に達しているのは明らかで、実用上、規
制がなくても用いうる。また、ε＝12まで下げれば充分
に従来型ガソリンエンジンに代わりうる性能を有する。
この点において、本発明の燃焼室が従来技術のどれより
も進んでおり、提示する燃焼室構成の効果が裏づけられ
ている。

この手法はオクタン価の異なる燃料たとえばアルコール
・灯油あるいはそれらの混合燃料、メタン、プロパン等
のガス燃料を用いた場合にもそれぞれに応じた調整を行
うことにより応用できることは言うまでもない。

以下に本発明の変形例を示す。

第10図（Ａ）、（Ｂ）は、凹所５、６を連通する流路９
が凹所５、６と同一幅寸法として凹所内に保持される混
合気をより混合しやすくした変形例である。図中×印は
点火位置を示す。

この例のように連通路を広げても凹所とスキッシュ面積
との境界が狭ければ充分にスキッシュ流による乱れの効
果が予混合エンジンでも達成できる。

また第11図（Ａ）、（Ｂ）は凹所５、６の上部入口寸法
を絞り（リエントラント形）、スキッシュ面積を大きく
すると共に凹所内の混合気が凹所外へ漏れ出にくくした
変形例である。

第12図（Ａ）、（Ｂ）は凹所をシリンダヘッド２とピス
トン４の相方に形成し、両方を合わせて球形となるよう
に配設すると共に点火栓を×印に示される各凹所ごとの
ほぼ中心付近に配置することにより火炎伝ぱ距離の短縮
化、均一化に加え、比表面積を小さくし熱損失の低減を
図ることができる。

この例においても凹所とスキッシュ面積の境界を狭く
し、本発明の思想を実現するために、ピストン側、ヘッ
ド側の対向する凹所形状を合致するようにし、かつ全周
をスキッシュ発生域として効果を保つように配慮した点
において、従来技術と異なる。また、この例ではスキッ
シュ流は各凹所中央に進み略中央の点火点付近の乱れが
高くなる。

なお、特開昭51−132306号公報において良く似た燃焼室
形状が見られるが、各凹所全周に渡ってスキッシュ生成
されるように全面にスキッシュ面積を設けた点、スキッ
シュ面積の隙間を平行として小さくした点、ピストンヘ
ッドの対向する凹所の断面形状を合致する本発明の思想
と異なり燃焼速度には大きな違いが生じる。

従って、従来の希薄燃焼に必要なスキッシュの有効利用
を欠いている。このため、本発明のスキッシュの希薄燃
焼促進のための微妙な形状構成と燃焼室形状、点火栓の
配置の組合わせは容易に達成できない。

また第13図（Ａ）、（Ｂ）は凹所５、６を連通する流路
９が平面形状で凹所５、６と部分的に幅寸法が同一とさ
れ、かつ深さは凹所５、６よりも浅くなっている変形例
を示す。また凹所５、６内の点火栓に加えて流路の略中
央部にも×印で示される点火栓を配置し、各々の凹所内
に保持された混合気を各々の点火栓により燃焼させるこ
とにより安定な急速燃焼が達成される。

なお本発明は高圧縮比希薄燃焼を安定にかつ複雑な制御
をすることなく実現して排気性能（特にNO_x）を改善さ
せるばかりでなく大幅な熱効率の向上を図ることができ
るが、従来の予混合機関と同様のA/F域においても安定
にかつ容易に運転できることは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上説明した如く本発明は、シリンダヘッド又はピスト
ンの少なくとも一部に燃焼域に面して形成され互に流路
により連通され内側壁とピストン頂面とが角ばって接続
形成された複数の凹所と、これらの各凹所の略中央部に
突出して設けられ混合気を着火する点火手段と、前記流
路まわりに前記流路を除いて対向配置された吸気弁及び
排気弁と、前記各凹所を除くピストンの頂面全周の平坦
部境界までの平坦部を持つシリンダヘッドとの間により
形成されるスキッシュ流で混合気を各凹所へ押し込むス
キッシュエリアと、を備えこのスキッシュエリアを各凹
所まわりに比して流路まわりを広い面積に形成したこと
を特徴とした圧縮比12以上の高圧縮比火花点火式希薄内
燃機関としたので、従来の予混合機関となんら変わらな
い構成要素・低コスト・手軽さのもとに超希薄域まで運
転可能とし、NO_x排出レベルを十分に低減しつつ高い熱
効率を得ることができるという優れた効果を有する。ま
た、吸気流に径方向の流れ成分を付加でき、燃料と空気
の混合を促進すると共に火炎伝播の向上が図れる。ま
た、残留気量が積極的に増しNO_xの低減が図れるととも
に、残留気量増加による混合気の加熱効果を図れる。ま
た、火炎伝播距離が短縮される。また、点火栓の最適な
配置が容易であるという優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る高圧縮比火花点火式希薄内燃機関
の第１実施例を示す断面図、第２図は第１図のII−II線
断面に相当する断面図、第３図は第２図のIII−III線断
面図、第４図は高圧縮比化による希薄限界A/Fの線図、
第５図は図示燃料消費率の比較を示す線図、第６図はNO
_x排出率の比較を示す線図、第７図は燃焼機関の比較を
示す線図、第８図はアルコール燃料を用いた場合のNO_x
低減効果と図示熱効率の改善効果を示す線図、第９図は
負荷に対する吸気量、燃料量及び空燃比の制御法の一例
を示す線図、第10図乃至第13図は本発明の他の変形例を
示す平面図及び断面図である。 ５、６……凹所、 ７、８……点火栓、 ９……流路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭52−3908（ＪＰ，Ａ) 特公 昭59−1329（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリンダヘッド又はピストンの少なくとも
   一部に燃焼域に面して形成され互に流路により連通され
   内側壁とピストン頂面とが角ばって接続形成された複数
   の凹所と、これらの各凹所の略中央部に突出して設けら
   れ混合気を着火する点火手段と、前記流路まわりに前記
   流路を除いて対向配置された吸気弁及び排気弁と、前記
   各凹所を除くピストンの頂面全周の平坦部境界までの平
   坦部を持つシリンダヘツドとの間により形成されるスキ
   ッシュ流で混合気を各凹所へ押し込むスキッシュエリア
   と、を備えこのスキッシュエリアを各凹所まわりに比し
   て流路まわりを広い面積に形成したことを特徴とした圧
   縮比12以上の高圧縮比火花点火式希薄内燃機関。