JPS5821089B2 - 自動車用噴流制御燃焼エンジン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、内燃機関特に自動車用内燃機関の改良に関す
るものである。

従来の自動車用内燃機関では、特にスロットル弁により
絞られて燃焼室内への吸気効率が悪く、しかも燃焼室内
に流入する吸気の流速も低いアイドル運転時及び軽負荷
運転時において、着火及び燃焼性が悪い。

そこで、一般には燃焼室の良好な濃混合気すなわち空燃
比が小さい混合気を供給することにより上記着火及び燃
焼性の悪化を解消しているが、この場合には燃費の増大
、排ガス中の有害な未燃焼ガスＨＣ，Ｃｏの増加等の不
具合がある。

また近来、特に排ガス中の有害なＮＯＸを減少させるこ
とを目的として、理論混合比よりも充分希薄な混合気を
燃焼させることが提案され、また排ガスの一部をエンジ
ンの排気系から抽出して混合気中に混合し燃焼させるこ
とも提案されているが、何れの場合にも混合気の着火性
、燃焼室が低下するために、ドライバビリティ及び燃費
が悪化する不都合があった。

特公昭４７−２４０４１号又は特公昭４７−４３３６６
号に示される先行技術は、濃混合気と空気又は希薄混合
気とを別経路でシリンダ内に吸入し、両者は着火時点ま
で混合されないようにして、着火直前には濃混合気を点
火プラグ周辺に導ひき、空気又は希薄混合気は点火プラ
グから離れた場所に導ひき、濃混合気に点火して着火燃
焼性を良好にし、総合の空燃比が犬の希薄燃焼を達成す
るものであるが、このような技術によれば運転状態に関
係なく常に良好な層状化を達成して点火プラグ付近に濃
混合気を導ひくために装置及び制御が複雑になるという
欠点がある。

本発明の主たる目的は、燃費を改善し得る自動車用噴流
制御燃焼エンジンを提供することにある。

本発明の他の目的は、通常のエンジンでは安定した運転
が困難な希薄混合気を安定的に燃焼させることができ、
この結果として排ガス中の有害成分が少ない自動車用噴
流制御燃焼エンジンを提供することにある。

本発明の更に他の目的は、通常のエンジンでは安定した
運転が困難な、多量の還流排ガスを含む混合気を安定的
に燃焼させることができ、この結果として排ガス中のＮ
Ｏｘを減少し得る自動車用噴流制御エンジンを提供する
ことにある。

本発明の他の目的は、大きな出力の低下、ドライバビリ
ティの悪化、燃費悪化等の不都合を伴うことなく希薄混
合気又は多量の還流排ガスを含む混合気を安定的に燃焼
させ得る自動車用噴流制御燃焼エンジンを提供すること
にある。

本発明の更に他の目的は、特にアイドリング及び低速低
負荷の軽負荷運転領域で排ガス中の有害ガス成分および
燃費を従来のコンベンショナルエンジンより顕著に低減
し得る自動車用噴流制御燃焼エンジンを提供することに
ある。

本発明の他の目的は、排気通路に二次空気を供給するこ
となく、触媒コンバータにおいて排ガス中の未燃焼ガス
を有効に低減する自動車用噴流制御燃焼エンジンを提供
することにある。

上記本発明の諸口的は、気化器により生成された混合気
が主吸気通路を介して供給される吸気ポート及び触媒コ
ンバータに排ガスを導ひく排気ポートを有する燃焼室内
に点火プラグのスパークギャップを臨ませるとともに、
同スパークギャップ近傍に位置して同スパークギャップ
近傍方向に指向する噴射孔を設け、同噴射孔は上記吸気
ポートを開閉する吸気弁の開閉に同期して開閉作動する
ジェットバルブを介して副吸気通路に接続し、上記噴射
孔からは吸気行程時燃焼室内に発生する負圧により燃焼
室内に空気または希薄混合気が噴射され、上記気化器に
より少なくともアイドリングを含む低速低負荷運転時に
おいて上記噴射孔から吸入された空気または希薄混合気
および吸気ポートから吸入された混合気の総合の空燃比
が理論空燃比以上１７以下の範囲内に制御される自動車
用噴流制御燃焼エンジンによって効果的に達成される。

上記本発明に係るエンジンは、シリンダ内に気体を噴射
する簡単な副吸気系を付加する構成により着火燃焼性を
改善するもので、しかも上述の層；状燃焼とは全く異な
る燃焼方式を採用したものであり、特にアイドリング時
及び軽負荷運転時にはスロットル開度が小さいため、ス
ロットル弁の絞り作用が犬で主吸気通路からの吸気流入
速度は緩かで吸気量が少なく吸気行程において燃焼室内
は高負圧となり、この高負圧により空気または希薄混合
気が吸引されて噴射孔より燃焼室内に高速度のジェット
流となって強力に噴射され、このジェット流はスパーク
ギャップ周囲の既燃ガスを掃気し着火性を良好にすると
ともに、燃焼室内に強力１なスワール及びタービレンス
を生成し、このスワール及びタービレンスは圧縮行程中
にも残存して混合気を渦状に流動させ、点火後の火焔伝
播を助け、燃焼速度が上昇して希薄燃焼限界が伸長する
。

従って、特にアイドリングおよび軽負荷運転時に噴射孔
および吸気ポートから吸入された混合気の総合の空燃比
が理論空燃比以上１７以下の範囲内に制御されることに
よって、エンジン振動あるいは出力低下を生ずることな
く燃費が改善され、また、燃焼室より排気ポートに排出
される排ガス中に残存する未燃焼ガスの量が低減されて
触媒コンバータ容量を少なくすることが可能となるとと
もに、排気通路に二次空気を供給することなく排ガス中
の残留酸素によって上記未燃焼ガスが効果的に低減され
る。

また、本発明のエンジンに排ガス還流装置を併用すれば
、排ガス還流による着火性および火焔速度の悪化も上記
ジェット流により改善されるため、空燃比を失火限界に
近い値に設定しなくても容易にＮＯｘの発生量を低減す
ることが可能となる。

スロットル弁の開度が全開に近づくにつれて、通常の主
吸気弁により開閉される吸気ポートからの流入量が増大
し、噴射孔からの空気または希薄混合気の流入速度が遅
くなり、ジェット流によるスワール効果は少なくなって
、従来の燃焼形態に近づく。

従って、本発明によれば、エンジンの全運転範囲内で、
出力の低下、ドライバビリティの悪化をきたさずに低燃
費で、しかも排気ガスのきれいなエンジンが提供される
。

次に本発明を第１図〜第３図に示す一実施例により詳細
に説明する。

自動車用４サイクル多気筒ガソリンエンジンの本体１は
主としてシリンダブロック２およびシリンダヘッド３に
より外郭が構成され、シリンダヘッド３の一側には吸気
マニホルド４が固着され、他側には排気マニホルド５が
固着されている。

吸気マニホルド４の上部には気化器６が固着されるとと
もに、気化器６の上部にはエアクリーナ７が取り付けら
れ、同エアクリーナ７により浄化された空気は気化器６
および吸気マニホルド４内に形成された主吸気通路８を
通ってシリンダヘッド３に形成された吸気ポート９に導
びかれる。

主吸気通路８の気化器６部には図示しないアクセルペダ
ルの操作に連動されて開閉するスロットル弁１０が介装
され、主吸気通路８のスロットル弁１０介装位置より上
流側から主として吸気の一部が吸入される副吸気通路１
１が上記主吸気通路８の吸気通路壁に開口されている。

吸気マニホルド４にはシリンダヘッド３に形成された排
気ポート１２に一端が連通された排ガス還流通路１３の
一部が一体的に形成され、同通路１３の他端は吸気マニ
ホルド４内の主吸気通路に連通されている。

また、吸気マニホルド４下部にはヒートライザを構成す
る冷却水通路１４が設けられ、同通路１４にはサーモセ
ンサ１５が取付けられている。

また、排ガス還流通路１３の途中には還流量を制御する
制御弁１６が介装され、同制御弁１６はエンジンの運転
状態に応じて所望の開度を与える作動装置１７により制
御される。

具体的には、上記作動装置１７はスロットル弁１０の開
度に機械的に連動するもの、あるいは主吸気通路８内の
特にスロットル弁１０との関係で決定される特定の位置
に発生する吸気負圧の大きさに応じてニューマチックに
制御するもの等がある。

上記サーモセンサ１５はエンジン冷却水温により機関の
冷態時あるいは過熱時を検出し、上記排ガス還流量の制
御弁１６あるいは図示しない点火進角制御装置等を制御
する。

さらに、各気筒の排気ポート１２に連通された排気マニ
ホルド５はボルト１８により螺着される上下の２分割構
造として形成され、同排気マニホルド５の集合部には第
１図において矢印により示すごとく排ガスが流れる軸線
が縦向きのラジアルフロータイブの触媒層１９が内蔵さ
れ、同排気マニホルド５の下部は排気管２０に接続され
ている。

次に、第２図および第３図により本体１内部の構成を説
明すると、シリンダブロック２に形成された気筒２１の
内周面、ピストン２２の頂面およびシリンダヘッド３の
半球形凹面２３により限界されて半球形態焼室２４が形
成され、上記凹面２３の所定位置に上記吸気ポート９お
よび排気ポート１２が開口されている。

点火プラグ２５は上記半球形凹面２３に穿設された貫通
孔２６に螺着され、同点火プラグ２５のスパークギャッ
プ２Ｔは上記凹面２３の延長面上又はその近傍に配置さ
れている。

また、上記凹面２３にはスパークギャップ２７に隣接し
て開口する貫通孔２８が穿設され、同貫通孔２８の燃焼
室２４側からは中空円筒状のジェットピース３０が圧入
され、反対側からはジェットボディ３２が嵌合され、ジ
ェットボディ３２の端部外周面に設けられたオネジ部と
ジェットピース３０の端部内周面に設けられたメネジ部
とを螺合することにより両者はシリンダヘッド３の両線
付面３３，３４を挾持してシリンダヘッド３に固着され
ている。

ジェットボディ３２にはキノコ弁形状のジェットバルブ
３５が摺動可能に嵌合され、ジェットボディ３２のオネ
ジ部側端部にはジェットバルブ３５のバルブステム外周
面とジェットボディ３２の内周面とが隙間を有して断面
形状が円環状をなす副吸気通路３６が形成され、同副吸
気通路３６はジェットボディ３２に穿設された孔３７を
介して貫通孔２８内周面とジェットボディ３２外周面と
の隙間に形成された副吸気通路３８に連通され、さらに
同通路３８はシリンダヘッド２に形成された副吸気通路
３９に連通され、同通路３９は上記副吸気通路１１に接
続されている。

上記副吸気通路３６はジェットピース３０内面と副吸気
弁３５の傘部端面とにより限界された小容積の噴射室４
０に開口され、同開口はジェットボディ３２先端に形成
されたバルブシート４１に副吸気弁３５のバルブフェー
スが当接することにより閉じられる。

上記ジェットピース３０の燃焼室２４に露出する部分は
中空殻形状に構成され、この殻部には燃焼室２４と噴射
室４０とを連通ずる噴射孔４２が穿設され、同噴射孔４
２は点火プラグ２５のスパークギャップ２７に近接した
位置でしかも上記凹面の略延長面上に設けられるととも
に、同ギャップ１１近傍方向で、しかも上記吸気ポート
９より燃焼室２４内に吸入される混合気の第３図におい
て矢印ａにより示すスワール方向に対し順方向に指向さ
れている。

なお、第２図および第３図において、噴射孔４２からの
噴射方向は矢印×により示した。

吸気ポート９を開閉する吸気弁４３及び上記副吸気弁３
５はともに同一のロッカアーム４４により駆動されるキ
ノコ弁で、同ロッカアーム４４はロッカシャフト４５に
嵌合され、機関により回動されるカムシャフト４６に設
けられたカム４７に当接して揺動し、カム４７への当接
面とは反対側のアーム部は２又に分岐し、各分岐部には
それぞれアジャストスクリュウ４８．４９が螺着されて
いる。

アジャストスクリュウ４８の端面は主吸気弁４３の弁棒
上端面に尚接し、アジャストスクリュウ４９の端面は副
吸気弁３５の弁棒端面に当接している。

なお、５０，５１はバルブスプリング、５２゜５３はリ
テーナである。

また、排気ポート１２を開閉する排気弁５４はロッカシ
ャフト５５に嵌合されたロッカアーム５６の揺動により
開閉され、同ロッカアーム５６はカムシャフト４６に設
けられたカム５７に当接して揺動される。

なお、５８はアジャストスクリュ、５９はバルブスプリ
ング、６０はリテーナである。

上記構成によれば、吸気行程時吸気弁４３及びジェット
バルブ３５が開くと、燃焼室２４内に発生する負圧によ
り気化器６で生成された混合気が吸気マニホルド４内で
還流排ガスを混入した後、吸気ポート９より第３図にお
いて矢印ａにより示すごとく気筒２１の内周面に沿うス
ワールを生じながら燃焼室２４内に吸入される一方、エ
アクリ−す７により浄化された吸入空気の一部が主吸気
通路８の主としてスロットル弁１０上流側よす副吸気通
路３６を介して噴射室４０内に吸入される。

この噴射室４０内に吸入された空気は噴射孔４２を介し
て燃焼室２４内に噴射され、スパークギャップ２７周辺
の既燃焼ガスを掃気するとともに、シリンタヘッド３の
半球形凹面２３および気筒２１の内周面に沿って流下し
ながら上記混合気のスワール発生を強化する。

フ 従って、上記噴流は燃焼室２４内に吸入された混合
気に強力なスワールを与えるとともに、混合気と適度に
混合されて同混合気を希薄化し、また、スパークギャッ
プ２７周辺を掃気して着火性及び燃焼性を向上する。

ｉ 更に、圧縮行程後半においてスパークギャップ２７
で着火されると、一部の火焔は噴射孔４２より噴射室４
０内に進入し、噴射室４０は小室であるとともに圧縮行
程中燃焼室２４内の混合気が噴射室４０内に流入される
時に強力な乱流が生ずるンことにより、噴射室４０に流
入された混合気は急激に燃焼されて高温高圧となり、火
焔が勢いよく噴射孔４２から燃焼室２４内に噴射され、
この噴流も燃焼室４０内で進行中の燃焼を促進する。

ところで、気化器６は噴射孔４２および吸気ポ１−ト９
の両方から吸入されて生成される燃焼室２４内での総合
の空燃比が通常の定速走行状態で第４図に示すごとき特
性を得るように設定されており、同図からも明らかなご
とく特にアイドリングを含む低速低負荷運転時には総合
の空燃比が理シ論空燃比以上１７以下の範囲内で制御さ
れ、また、上記運転時以外の運転状態においても出力全
開あるいはその付近での運転状態以外では総合の空燃比
が理論空燃比以上に制御されている。

なお、第４図において、実線Ａは全開出力線、・点Ｂは
アイドル位置を示し、一点鎖線は総合の空燃比が１３，
１５．１７における各々の等空燃比線である。

また、排気マニホルド５の集合部に内蔵された触媒層１
９はペレット状活性アルミナＡｌ２Ｏ３担；体の表面に
Ｐｄ等の貴金属酸化触媒を含浸させたものを二重の多孔
を有する耐熱性円筒状コア内に充填して形成したもので
、同触媒層１９の触媒容量は総排気量の７０％以下に設
定されている。

すなわち、総合の空燃比を大部分の運転領域において理
論空燃比以上に設定し、燃焼室２４内での混合気の燃焼
は噴射孔４２からのジェット流により改善しているため
、排気ポート１２より排気マニホルド５内に排出される
排ガス中の未燃焼ガスＨＣ、Ｃｏは従来一般のエンジン
の場合に比して極端に低減され、触媒層１９でのＨＣ、
ＣＯの浄化は少量でよく、従って触媒層１９の触媒容量
はエンジンの総排気量の７０％以下と小さくすることが
可能となっている。

なお、排気ポート１２内へのＨＣ、ＣＯの排出量が低減
されると、排ガス温度が低下し、触媒層１９が稼動温度
以上の高温に保たれにくくなるが本実施例においては、
燃焼室２４に近い排気マニホルド５内に触媒層１９を配
置するとともに、反応下限温度が２５０°Ｃと低い上記
触媒を使用したことにより、触媒層１９は充分な浄化作
用を行う３また、上記実施例においては総合の空燃比を
大部分の運転領域において理論空燃比以上に設定してい
るため、触媒層１９より上流側の排気通路内に二次空気
を供給することなく、排ガス中の残留酸素によって未燃
焼ガスが充分に低減され、特別な二次空気供給装置を設
ける必要がない。

さらに、本実施例においては、特に混合気の分配性、吸
気効率が悪く、しかも燃焼室壁温か低い等の理由で燃焼
性が悪いアイドリングおよび軽負荷運転領域において、
総合の空燃比が理論空燃比以上１７以下の範囲内に制御
されるとともに、噴射孔４２からの噴射量が全吸気量の
３０％〜５０チの範囲内で強力なジェット流が生成され
て燃焼性が向上するため、燃費が極度に改善される。

また、アイドリングにおいて、従来一般のエンジンでは
、排ガス浄化上有利な薄い混合気を使うと燃焼の安定性
が悪くなり、エンジン回転数を低く設定することが困難
であったが、本実施例ではジェット流による燃焼改善に
より７００ｒｐｍ以下の５００ｒｐｍ程度にまで低下さ
せて設定することが可能となり、その結果さらに燃費が
改善される。

ところで、本実施例においては、作動装置１７により排
ガス還流量が第５図に示すごとく制御され、この排ガス
還流によってＮＯｘの発生量を所定値内に抑えている。

なお、第５図において、実線Ａは全開出力線、排ガス還
流量 二点鎖線は排ガス還流率（重量係）＝□ 吸入新気量 ×１００としたときの排ガス還流率が０，５゜１５．２
０および２５係における等排ガス還流率線を示す。

従って、本実施例においては、第４図および第５図から
明らかなごとく、都市走行の使用頻度が高い低・中負荷
運転領域で薄い混合気を導入しているにもかかわらず多
量の排ガス還流が可能となっている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す概略図、第２図は第１
図の要部拡大断面図、第３図は第２図におけるＺ−Ｚ矢
視図、第４図は上記実施例における空燃比特性の説明図
、第５図は上記一実施例における排ガス還流量特性の説
明図である。 １：内燃焼機開本体、２ニジリンダブロツク、３ニジリ
ンダヘツド、４：吸気マニホルド、５：排気マニホルド
、６：気化器、８：主吸気通路、９：吸気ポート、１０
：スロットル弁、１１゜３６ 、３８ 、３９ ：副吸
気通路、１２：排気ポート、２１：気筒、２３：半球形
凹面、２４：燃焼室、２５：点火プラグ、２７：スパー
クギャップ、３０ニジエツトピース、３２ニジエツトボ
デイ、３５ニジエツトバルブ、３７：孔、４０：噴射室
、４２：噴射孔、４３：吸気弁、５４：排気弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 気化器により生成された混合気が主吸気通路を介し
   て供給される吸気ポート及び触媒コンバータに排ガスを
   導ひく排気ポートを有する燃焼室内に点火プラグのスパ
   ークギャップを臨ませるとともに、同スパークギャップ
   近傍に位置して同スパークギャップ近傍方向に指向する
   噴射孔を設け、同噴射孔は上記吸気ポートを開閉する吸
   気弁の開閉に同期して開閉作動するジェットバルブを介
   して副吸気通路に接続し、上記噴射孔からは吸気行程時
   燃焼室内に発生する負圧により燃焼室内に空気または希
   薄混合気が噴射され、上記気化器により少なくともアイ
   ドリングを含む低速低負荷運転時において上記噴射孔か
   ら吸入された空気または希薄混合気および吸気ポートか
   ら吸入された混合気の総合の空燃比が理論空燃比以上１
   ７以下の範囲内に制御される自動車用噴流制御燃焼エン
   ジン３２、特許請求の範囲第１項記載のエンジンにおい
   て、噴射孔からの噴射量がアイドリング時および極軽負
   荷運転時全吸気量の３０％〜５０％である自動車用噴流
   制御燃焼エンジン。 ３ 特許請求の範囲第１項記載のエンジンにおいて、触
   媒コンバータの触媒容量をエンジン総排気量の７０％以
   下とした自動車用噴流制御燃焼エンジン。 ４ 特許請求の範囲第１項記載のエンジンにおいて、ア
   イドル回転数が７０Ｏｒｐｍ 以下に調整された自動車
   用噴流制御燃焼エンジン。