JPS581254B2 - ４ サイクルナイネンキカン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は四サイクル内燃機関の混合気を全体としては
稀薄な混合気であるが点火栓附近は部分的に濃厚な混合
気として稀薄な混合気の燃焼を確実にした四サイクル内
燃機関に係るものである。

この発明は特に四サイクル往復動内燃機関に於てピスト
ンの下死点附近に空気導入用のポートを設け、これより
空気を気筒内に導入して混合気を非均質混合気とし、し
かも濃厚混合気と稀薄混合気とを連続的に変化する混合
気（ ｓｔｒａｔｉｆｉｅｄｍｉｘｔｕｒｅ ）の状態
とし、それにより、全体としては極く稀薄な混合気で内
燃機関の運転を可能とし、ＣＯ，ＨＣ並びに最も処理困
難とされているＮＯｘの排出を僅少にして公害防止の有
効手段とする外に、機関の性能をも併せて向上させ、装
置も比較的簡単にする等の多くの特長を有している。

従来の四サイクル内燃機関は燃料と空気との混合気は出
来るだけ均質にするように工夫されていた。

また、空気と燃燃量との比Ａ／Ｆは内燃機関の所要用途
に応じて１０：１から１６：１の範囲で使用されていた
。

例えば、加速時には１０〜１３：１、定速時には１５〜
１６：１、高速及び高出力時には１１〜１４：１で使用
されていた。

一般の内燃機関の排気汚染成分と空燃比Ａ／Ｆとの関係
曲線を第２図に示した。

実線で示す曲線は燃焼室温度が高い場合の一例を示し、
点線で示す曲線は低い場合を示す。

内燃機関の性能を向上させる条件としては、普通、同じ
空燃比でも燃焼室のガス温度を高くする。

従って、ＣＯ，ＨＣガスは良く燃えて，排気ガス中には
あまり含まれないが、ＮＯｘは著しく増大する。

逆に、燃焼ガス温度が低いと、ＮＯｘの発生量は少いが
、ＨＣが増大する。

第２図に示す如く、空燃比が極端に小さい、即ち濃厚な
混合気の場合はＮＯｘを少くすることができるが、ＣＯ
，ＨＣは極めて大きな値になる。

逆に、空燃比が大きい、即ち稀薄な混合気の場合は、Ｎ
Ｏｘばかりでなく、ＣＯ，ＨＣ共に小さな値になって好
ましいはずであるが、この場合は、混合気の容量当りの
発熱量が少ないために、機関出力も、回転速度も低くな
るばかりでなく、失火の如き現象を起してＨＣの値が大
きくなり更に運転不能になるような欠点がある。

この発明は上記の欠点を解消しようとするもので、混合
気を全体として１９〜２１：１の極めて稀薄な混合気を
燃焼させるものである。

第１図に示す如く、濃混合室となる第１室１を気筒２の
上部に配設し、これに着火手段としての点火栓３と、濃
混合気を吸い込むための吸気孔４とを設け、この吸気孔
４には吸気弁５を備えて吸気孔４を開閉させる。

前記第１室１にはまた、噴孔６を設けてこの第１室１を
気筒２内に導通させる。

従って、吸入行程において吸気弁５が開き、ピストン７
が下降すると、気筒２の上部に取り付けられた気化器８
及び前記の吸気孔４を通して濃厚混合気が第１室１に吸
引される。

この第１室１が濃厚混合気で満たされた後、混合気は噴
孔６を通して気筒２内に吸い込まれる。

この発明では、気筒２のＴ方部分にポート９を設け、左
入装置としてピストン７が吸入行程の半ばを過ぎた頃に
、クランク室１０内で予圧した二次空気を、前記ボート
９を通して気筒２内に流入させる。

第４図には左入装置として二次空気を送風機１９によっ
て予圧する場合を示した。

前述の如く吸気孔４を通して第１室１に充満し、気筒２
内に吸入された混合気は濃厚な混合気であるが、圧力が
低いのに反して、気筒下部のポート９より流入した二次
空気は予圧されているので、この二次空気で前記の濃厚
な一次混合気は押し上げられることになり、気筒２内は
非均質或いは層状の混合気を形成することになる。

第１室１の濃厚な混合気の濃度及び気筒２内の層状混合
気の濃度の度合は、気化器８で作られる混合気の濃度や
、吸気系統の抵抗や、気筒下部のポート９の開孔時間や
開孔面積、及び予圧力の大きさ等によって決まる。

ポート９より流入される二次空気を加熱或いは冷却した
り、これに排気を混合して再循環したり、水や、アルコ
ール（メタノール）の他燃焼抑制剤や燃焼促進剤を入れ
る等した混合気をポート９より流入して機関性能の向上
及び公害の防止を計ることができる。

前述の如く層状の混合気を形成させると、点火栓３の周
辺で濃い混合気として先づこれに確実に着火させること
ができる。

そして、その火勢を借りて気筒２の下部にある稀薄濃合
気を順次連続して完全に燃焼させて失火を起させない。

この発明の吸入行程では、第１図に示す如く、ヒストン
７が行程の中央を過ぎた頃、ピストン７の上ヘリでポー
ト９を開孔し、ピストン７が下降を続け、下死点を過ぎ
て上昇運動に転じ、開孔されているポート９を再び閉じ
るまで、クランク室１０内にてピストンの上下運動によ
って行われるポンプ作用により、クランク室１０内に吸
入圧縮された二次空気はポート９を通して気筒２内に勢
よく流入する。

この場合ポート９の形状を気筒２の壁に対して切線方向
に傾けてやると、流入二次空気は気筒壁に沿って気筒２
内でピストン７の表面を直接なめて旋回運動をしながら
上昇する。

それ故、上昇流れが減殺されて上方からの濃厚な混合気
と共に順次層状の混合気を形成するのに役立つばかりで
なく、燃焼に当って稀薄な混合気部分の完全燃焼にも都
合がよい。

同様に、噴孔６の形状も気筒２の壁に対して切線方向に
形成すると、濃厚な混合気は気筒２内を旋回しながら下
向して、上と同様の効果を更に向上する。

前記の濃厚な一次混合気は大気圧より幾分低いが、二次
空気は大気圧より相当高い圧力を持っているので、二次
空気は下から上方へ一次混合気と混り合いながら押し上
り、所謂完全な層状混合気を形成することになる。

ピストン７が上昇運動に転じ、ポートを閉じる時には、
気筒２内の層状混合気は大気圧より若干高い予圧を持っ
ているので、従来の四サイクル機関の場合より出力の向
上には好条件になっている。

ピストン７が上昇するに従って、第１室１及び気筒２内
の混合気は層状混合気の姿で圧縮される。

点火栓３の周辺は前述の如く濃厚な混合気で包まれてい
るため，燃焼が速く、燃焼ガス温度も高いので、第１室
１内は非常な高温高圧となり、空気不足による未燃成分
は噴孔６を通って火炎と共に気筒２内に噴出されること
になる。

第１室１は濃厚な混合気であるため、ＣＯ及びＨＣの発
生は多いが、高温であっても酸素不足のためＮＯｘの発
生は押えられ僅少となる。

引き続き気筒２に未燃焼部分が高温で噴出されるが、気
筒２内は気筒の下方部分に行くに従って稀薄な混合気と
なっているため、十分な酸素の供給を受けてＣＯ及びＨ
Ｃは完全燃焼して第２図に示す如く消滅される。

ＮＯｘについては、気筒２では酸素の補結は十分にあっ
ても、ＮＯｘが発生する程の周辺ガス温度が高《ないた
め、ＮＯｘの発生は出来ないことになり、僅少値に止る
ことになる。

このようにして、混合気の燃焼は第１室１から気筒２内
に移ることになるが従来の均質混合気燃焼の場合と異な
り、非均質、層状混合気とした燃焼方式によって全体と
して非常に稀薄な混合気を完全に燃焼させることができ
る。

燃焼期間中はピストン７は燃焼ガスより出力源の動力を
貰いつ瓢下降し膨張行程を行うのであるが、再びピスト
ン７の上ヘリが気筒２の下部に設けたポート９を開孔す
る少し前に、気筒上部にある排気弁１１を開弁じて、気
筒２内のガス圧力を大気圧近くまで下げておく必要があ
る。

排気弁１１が開くと、気筒２内のガスは非常な勢いで排
気管内に排出される。

排気管内の気柱は極めて高速のため、カデナシー（ Ｋ
ａｄｅｎａｃｙ）効果によって気筒２内のガス圧は大気
圧以下にも引き下げられる（こともあり得る）。

ピストン７がそのま５下降し続けて、気筒２の下方部分
に設けたポート９を開くと、クランク室１０内にピスト
ン７の上下運動によって予圧された二次空気は、再び吸
入行程の場合と同様に、ポート９より気筒２のガス内に
流入する。

この二次空気は気筒上部の排気弁１１に向って上層にあ
る残溜排気を押し上げ、排出させ気筒内は殆んど新鮮な
空気で置き換えられている。

機関の負荷、回転速度、吸排気系統の変化等によって、
上述のポート開孔時に気筒２のガスがポート９内へ逆流
するようなこともあり得るがそれの対策は在来のニサイ
クル機関の場合と全く同様でこの対策法については既に
知られている。

ピストン７が不死点を過ぎて、再び上昇運動に移り、ポ
ート９を閉じるまで、ポート９よりの二次空気が気筒２
内に流入して燃焼ガスの排気を下方より押し上げている
が排気弁１１は普通の四サイクル機関の場合と同様に、
上死点を過ぎてから閉じるようにしているポート開孔後
はピストン７の上昇運動による排気行程によって、排気
ガスを追い出すことになるがこれは普通の四サイクル機
関の排気行程と全く同じである。

違っているところは、従来の機関の場合はピストン７の
上表面は高温のガスに直接触れているのに対して、この
発明のものは冷たい二次空気が間に入って排気を押し出
していることである。

ピストン７が不死点に近づく頃、気筒２の上部及び排気
孔１２内には排気はなく、寧ろ空気を若干排気管に送り
出している結果となっている。

排気期間中、ポート９よりピス上ン７の上表面に沿って
冷たい二次空気が流入していることはピストン７の熱負
荷を滅じ、気筒２内の潤滑油を冷す等の好影響があるば
かりでなく、排気行程終期には排気管１２に二次空気が
送り込まれることとなり、特別に排気汚染防止用の空気
ポンプを装備する必要もなく、万一何等かの事情で一次
混合気が過濃になって全体の混合気が理論混合比を越え
て過濃になっても、排気管の一部を加熱保温する等の手
段で１種のサーマルリアターの役目をさせ得ることなど
で排気管内でＣＯ，ＨＣガスを燃焼させて排気汚染物質
を消滅させることができる。

排気行程に引き続いて上死点を過ぎると、ピストン７は
下降運動を始めることになるが、以下再び始まる吸気行
程その他は、上述の最初からのサイクルの繰り返しとな
る。

第１図に示すクランク室１０は密閉型で空気ポンプとし
て作用する。

クランク室１０へ二次空気を送る導管１３中に加熱器１
４を設ければ、寒冷時において気筒２内へ流入する二次
空気の温度を上げることができる。

１７の調整弁は部分負荷の場合の微調整用弁、第３図は
第１図が、エアクリーナー１５を通じて導入された二次
空気をクランク室に吸入させる場合ピストンの下ヘリで
気筒下部に設けられた二次空気流入ポート１６を開閉孔
することでポンプ弁作用をさせていたのに反して気筒下
部に二次空気ポート１６を設ける代りにクランク室に逆
止弁（ノンレタンバルブ）１８を取付けてポンプ作用を
させている例である。

上記の二次空気供給手段はピストンの上下動によるクラ
ンク室１０のポンプ圧を利用したものであるが、第４図
に示す如く、ポート９に二次空気供給管１６の出口を接
続し、この管１６に送風機１９とエアークリーナ２０を
設けてもよい。

この発明によれば、四サイクル機関であるにも拘らず、
気筒頭部に設けた吸気弁５を通して第１室１及びこの第
１室１を介して気筒２内の上方に吸入された濃厚な混合
気を、気筒の下方部分に設けたポート９より流入された
二次空気により、この気筒２の上部に押し上げて、層状
或いは非均質混合気を作り、この濃厚な混合気部分に着
火させることにより、全体として１９〜２１：１の如き
稀薄な混合気であるに拘らず、完全に燃焼させることが
でき、排気汚染成分をＮＯｘ ，ＣＯ，ＨＣ共極めて少
なくすることができ、経済効果も高い。

ポート９より導入する二次空気を、クランク室１０内の
空気を利用すれば、クランク室１０内の汚染成分は二次
空気と共に気筒２内へ送り込むので、ブローバイガスの
汚染成分の対策も同時に解消される。

気筒の下方部分に設けたポート１６を通してピストン７
が下死点付辺にある間に、気筒２内に送入する空気又は
空気に水や排気ガスや添加物を混入させた混合気は、ク
ランクケース１０による空気ポンプの他に、ルーツ送風
機或は遠心送風機等の送風機によって予圧して送り込む
事が出来る。

本発明の場合は極めて稀薄な混合気を燃焼させるため、
排気内のＣＯ，ＨＣ．ＨＯｘを極少値にする様に工夫さ
れているために、発熱量も少く、従って平均有効圧力も
低いために吸気圧を予圧する事によって、シリンダ容積
当りの出力を増大してこの種の機関の欠点を補うことが
できる。

この発明は上記の実施例に限定されることなく、この発
明の要旨を逸脱しない限りは、広い範囲に適用されるも
のである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による四サイクル内燃機関の一例を示
す略図的縦断立面図、第２図は空燃比に対する排気濃度
曲線と、気筒内のガスの空燃比を示す線図、第３図及び
第４図はこの発明による他の実施例を示す略図である。 図面中、符号１は第一室、２は気筒、３は点火栓、４は
吸気孔、５は吸気弁、６は第１室の噴孔、７はピストン
、８は気化器、９は二次空気ポート、１０はクランク室
、１１は排気弁、１２は排気孔、１３は二次空気導管、
１４は加熱器（熱交換器）、１５はエアクリーナー、１
６は二次空気（クランク室へ）供給ポート、１７は二次
空気量調整弁、１８はクランク室逆止弁、１９は二次空
気送風機、２０はエアークリーナーである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 四サイクル往復動式内燃機関に於で、気筒上部に点
   火栓と濃厚混合気吸入弁とを有する第１室を設け、吸入
   行程時に、この第１室を通じて第２室即ち、主気簡に濃
   厚混合気を吸入し、ピストンの下死点附近に於て気筒内
   に空気又は混合気を圧入させるポートを気筒壁の下方部
   分に設けて、これに圧入装置を連結し、点火時に点火栓
   附近は濃厚混合気となり、点火栓より遠くになるに従っ
   て稀薄混合気となる層状混合気を形成せしめて、全体と
   して稀薄混合気を燃焼可能にしたことを特徴とする四サ
   イクル内燃機関。 ２ 四サイクル往復動式内燃機関に於て、気筒上部に点
   火栓と濃厚混合気吸入弁とを有する第１室を設け、吸入
   行程時に、この第１室を通じて第２室即ち、主気簡に濃
   厚混合気を吸入し、ピストンの下死点附近に於で気筒内
   に空気又は混合気を圧入させるポートを気筒壁の下方部
   分に設けてこれに圧入装置を連結し、且つ前記ポートを
   気筒壁に対して切線方向に傾斜させ、点火時に点火栓附
   近は濃厚混合気となり、点火栓より遠くになるに従つて
   稀薄混合気となる層状混合気を形成せしめて、全体とし
   て稀薄混合気を燃焼可能にしたことを特徴とする四サイ
   クル内燃機関。