JPS589252B2 - 噴流制御燃焼機関 - 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、一般には燃焼性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
、排ガス中の有害な禾燃焼ガスＨＣ，ＣＯの増加等の不
都合がある。

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
、燃焼性が低下するために、ドライバビリテイ及び燃費
が悪化する不都合があった。

特公昭４７−２４０４１号及び特公昭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
火プラグ周辺に導びき、空気又は希薄混合気は点火プラ
グから離れた場所に導びき、濃混合気に点火して着火燃
焼性を良好にし、総合の空燃比が大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
混合気を導び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、燃費を改善し得る乗物用噴流制
御燃焼機関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乗物用噴流
制御燃焼機関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を減少し得る乗物用噴流制御燃焼機関を提供するこ
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
テイの悪化、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
させ得る乗物用噴流制御燃焼機関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
し得る乗物用噴流制御燃焼機関を提供するにある。

上記本発明の諸目的は、主吸気弁により開閉される吸気
ポートと排気弁により開閉される排気ポートとを鳴する
半球形燃焼室と、混合気生成装置により生成された空気
一燃料混合気を上記吸気ポートを介して上記燃焼室に導
びく主吸気通路と、上記半球形燃焼室を形成するシリン
ダヘッドの半球面を成す基本面上またはその付近の所定
位置にスパークギャップが配置されるようにシリンダヘ
ッドに螺着された点火プラグと、上記スパークギャップ
近傍の略上記半球面を成す基本面上に設けられ上記スパ
ークギャップ付近に指向された噴射孔と、同噴射孔に吸
気を供給する副吸気通路と、同副吸気通路を開閉する副
吸気弁とを具備する噴流制御燃焼機関によって効果的に
達成される。

上記本発明に係る内燃機関では、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
を改善することができ、しかも上記層状燃焼とは全く異
なる燃焼方式の改良に関するものであり、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大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
し、燃費が改善される。

なお、上記ジェット流による効果は吸気効率が悪く、し
かも燃焼室壁温が低くて燃焼性が悪いアイドリングある
いは軽負荷運転領域はもちろんのこと、スロットル弁の
開度が大きい、中、高負荷運転領域においても僅かでは
あるが生じる。

また、本発明の内燃機関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及び火焔伝播速度の悪化も上
記ジエツト流により改善される。

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、ドライバビリテイの悪化をきたさずに低燃
費で、しかも排出ガスのきれいな内燃機関が提供される
。

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内燃機関の本体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、さらに気化器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７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は機関の運転状態
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ツクに
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一タイプの触媒層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
半球形を成す基本面に沿つた凹面２３により限界されて
半球形燃焼室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は上記シリンダヘッド３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２１は上記凹面２３の基本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２１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イ３２が嵌合され、ジ
ェットボデイ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の両当
り面３３，３４間を挾持してシリンダヘッド３に固着さ
れている。

ジェットボデイ３２にはキノコ弁形状の副吸気弁３５が
摺動可能に嵌合され、ジェットボデイ３２のメネジ部側
端部には副吸気弁３５外周面とジェットボデイ３２の内
周面とが隙間を治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はジェットボデイ
３２に穿設された孔３７を介して貫通孔２８内周面とジ
ェットボデイ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囲撓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イ３２先端に形成
されたバルブシ一ト４１に副吸気弁３５の傘部が当接す
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、この殼部には燃焼室２４と噴射
室４０とを連通する噴射孔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Ｘにより示した。

吸気ポート９を開閉する主吸気弁４３及び上記副吸気弁
３５はともに同一のロツカアーム４４により駆動される
キノコ弁で、同ロツカアーム４４はロツカシャフト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叉に分岐し、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
上端面に当接し、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
セフト５５に嵌合されたロツカアーム５６の揺動により
開閉され、同ロツカアーム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、吸気行程時主吸気弁４３及び副吸気
弁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
リーナ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上流側より副吸気通路３
６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、シリンダヘッド３の
凹面２３および気筒２１の内周面に沿つて流下しながら
燃焼室内にジェットタービレンスを生成する。

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２
１周辺を掃気して着火性及び燃焼性を向上する。

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４０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、点火プラグ２５およびジェットピース３０の
凹面２３から燃焼室２４内への突出は、過早着火の発生
が防止され、また効果的なスワールが発生する限度にお
いて出来る限り抑える必要があり、点火プラグ２５ある
いはジェットピース３０の突出量が大きすぎる場合には
、シリンダヘッド３への伝熱性が低下して冷却性が悪化
し、点火プラグ２５あるいはジェットピース３０の突出
部が燃焼熱によって過熱され、過早着火を生じ、また、
甚だしい場合には溶解して破損するという不具合を生じ
る。

さらには、点火ラムグ２５あるいはジェットピース３０
の突出過多により，スワール発生に最も効果的な半球形
燃焼室２４において、その効果的なスワール発生を阻害
することがあり好ましくない。

上記実施例においては、点火プラグ２５およびジェット
ピース３０の突出量を出来る限り抑えた上で、スパーク
ギャップ２７を半球形を成す基本面に沿った凹面２３の
該基本面上またはその付近に配置するとともに、噴射孔
４２も略上記凹面２３の基本面上に設け、しかも、噴射
孔４２の指向する方向をスパークギャップ２７付近であ
るとともに上記凹面２３に沿った方向としているため、
上記不具合発生が防止されているとともに、噴射孔４２
からのジェット流はスパークギャップ付近の掃気を確実
に行なうとともに、凹面２３に案内されて効果的なスワ
ールを発生する。

また、上記実施例において、噴射孔４２の中心線はスパ
ークギャップ２７にまともに向けることなく、同ギャッ
プ２７位置より３〜１０ｍｍずれた位置に指向されてい
る。

これは、噴射孔４２の中心線をスパークギャップ２７に
まともに向けるとアイドル時の安定性および低温始動性
等が多少悪化するためであって、その原因としては、ア
イドル時等の噴射孔４２からの噴射量の比率が大きい運
転領域ではスパークギャップ２７付近が過冷却されると
ともに、同付近の吸気が過薄となり着火性が悪化するた
めと、低温始動時は一般にチョークバルブを作動させる
ため、副吸気通路１１に濃混合気が吸入され、生ガスが
点火プラグ２５に直撃して、いわゆる点火プラグのかぶ
りを生じやすい傾向となるため等が考えられる。

また、上記実施例において、噴射孔４２の中心線と気筒
２１の中心線との距離Ｌが気筒２１の直径Ｄに対してＬ
弓０．ｌ５Ｄ〜０．４０Ｄの範囲内となるように設定さ
れており、この範囲内に設定することによって、噴射孔
４２からのジェット流が凹面２３あるいは気筒２１の内
周面に衝突して減衰されることなく、吸入混合気に強力
にして良好なスワールを発生する。

さらに、上記実施例において、噴射孔４２の直径ｄ１は
（ム）２Ｌ：０．００１〜０．０１７の範囲内に設定さ
れた時同噴射孔４２からの噴射効果が良好で、ｄ１が上
記範囲より小さい場合には着火後の火炎の噴射室４０内
への侵入が阻害される可能性があるとともに、ジェット
流量が過少となり、またｄ１が太きすぎると噴流の指向
性及び強さが低減されて噴流による燃費低減効果は著し
く低下する。

また、上記実施例において、スパークギャップ２７と噴
射孔４２との距離Ｙは約３ｍｍ〜２０ｍｍの範囲内にお
いて設定されればよく、Ｙが３ｍｍ以下になるとジェッ
ト流の噴出が点火プラグ２５によって阻害されたり、ス
パークギャップ２７部が過冷却となることがあり、また
、Ｙが２０ｍｍ以上になると、スパークギャップ２７周
囲の掃気効果や流動効果が少なくなって着火性が低下す
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
初図、第４図は第２図における燃焼室の凹面説明図であ
る。 １・・・・・・内燃機関本体、２・・・・・・シリンダ
ブロック、３・・・・・・シリンダヘッド、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、１ １ ， ３６ ， ３８ ． ３９・・・・・
・副吸気通路、１２・・・・・・排気ポート、２１・・
・・・・気筒、２３・・・・・・凹面、２４・・・・・
・燃焼室、２５・・・・・・点火プラグ、２１・・・・
・・スパークギャップ、３０・・・・・・ジェットピー
ス、１３２・・・・・・ジェットボデイ、３５・・・・
・・副吸気弁、３７・・・・・・孔、４０・・・・・・
噴射室、４２・・・・・・噴射孔、４３・・・・・・主
吸気弁、５４・・・・・・排気弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 主吸気弁により開閉される吸気ポートと排気弁によ
   り開閉される排気ポートとを有する半球形燃焼室と、混
   合気生成装置により生成された空気一燃料混合気を上記
   吸気ポートを介して上記燃焼室に祷びく主吸気通路と、
   上記半球形燃焼室を形成するシリンダヘッドの半球面を
   成す基本面上またはその付近の所定位置にスパークギャ
   ップが配置されるようにシリンダヘッドに螺着された点
   火プラグと、上記スパークギャップ近傍の略上記生球面
   を成す基本面上に設けられ上記スパークギャップ付近に
   指向された噴射孔と、同噴躬孔に吸気を供給する副吸気
   通路と、同副吸気通路を開閉する副吸気弁とを具備する
   噴流制御燃焼機関。 ２ 特許請求の範囲第１項記軟の機関において、噴射孔
   の中心線がスパークギャップ部より３〜ｌＯｍｍずれて
   指向された噴流制御燃焼機関。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の機関において、噴射孔
   の中心線と気筒の中心線との距離Ｌが同気筒の直径に対
   して毎０．１５Ｄ〜０．４０Ｄの範囲内にあり、しかも
   上記噴射孔からの噴射方向が吸気ポートより吸入される
   混合気に与えられるスワール方向に対して順方向である
   噴流制御燃焼機関。 ４ 特許請求の範囲第３項記載の機関において、噴射孔
   がシリンダヘッドの半球面を成す基本面に沿って指向さ
   れている噴流制御燃焼機関。