JPS599733B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は４サイクル成層給気スパーク点火式内燃機関に
関するもので、機関のあらゆる負荷運転領域に亘つて、
混合気の希薄域における濃厚側での運転を可能にし、Ｃ
ＯおよびＨＣ排出量を増加させることなく、排気ガス中
のＮ０ｘ排出量を減少させるとともに燃料消費率（ＩＳ
ＦＣ）、ひいては機関出力を改善することを主要な目的
とするもので、このような内燃機関を自動車に搭載すれ
ば運転性能を改善することができる。

内燃機関の燃費を改善することが今日まで長期に亘つて
要請されており、従つて排気ガス中のこれら有害排出物
を望ましい水準に減少させる場合にも、良好な燃費を維
持する必要がある。

希薄な総合空燃比により内燃機関を運転することは、Ｎ
Ｏｘ排出物を減少させるばかりでなく燃料消費率（ＩＳ
ＦＣ）を向上させるので非常に望ましい。

しかし触媒コンバータを備えていない従来の内燃機関で
は、排気ガス中の前記有害排出物を必要な水準にまで減
少させると同時に燃費を改善することは極めて困難であ
る。ところで、成層給気内燃機関では、排気ガス中のＣ
Ｏ、、ＨＣおよびＮ０ｘ等の有害成分の生成を同時に減
少するため、総合空燃比を理論空燃比よりも希薄にしな
ければならないことが知られているが、機関が広範な負
荷領域に亘つて運転される場合、総合空燃比を希薄に設
定するには限界がある。

すなわち、機関の比較的軽負荷運転時には、過薄な空燃
比はＣＯおよびＨＣの生成を増大させ、他方比較的高負
荷運転時には、過薄な空燃比は車輌の運転性能の悪化を
招く。排気ガス中のＮ０ｘ排出物を減少させると同時に
燃料消費率（ＩＳＦＣ）を改善するため、トーチ点火式
内燃機関の燃焼室内の燃焼過程が各負荷領域について研
究され、その結果、主燃焼室内の希薄混合気の燃焼に寄
与するトーチ火炎の生成に関して次のように改善策が提
案された。

すなわち、機関のＣＯｓＨＣおよびＮＯｘ排出物の生成
率はその負荷条件により大きく変化するもので、ＨＣの
生成は機関負荷の軽減とともに高くなり機関負荷の増加
とともに低下するが、ＮＯｘの生成は軽負荷時に低く、
高負荷時に高くなる。

従つて、機関の軽負荷運転領域ではＨＣ排出物を減少さ
せること、また機関の高負荷運転領域ではＮＯｘ排出物
を減少させることに注目すべきである。総合空燃比が希
薄な混合気で機関を運転する場合に軽負荷領域において
ＣＯおよびＨＣ排出物の増加を抑制するためには、多ト
ーチ火炎噴射によつて燃焼を改善することが考えられる
が、このようにすれば、高負荷運転領域では燃焼速度が
増大してＮＯｘ排出物の生成を増加させることになる。

また他方高負荷運転領域においてＮＯｘ排出物の増加を
抑制するため、トーチ火炎を主として主燃焼室の中心部
に指向させるべきであるが、これは軽負荷運転領域では
ＣＯおよびＨＣ排出物の増大を招くことになる。このよ
うな機関の負荷状態とその有害排出物との関係から以下
の事実が明らかになつた。

すなわち、（１）機関の軽負荷運転領域においては、ト
ーチ火炎は効率的に主燃焼室の中心部およびシリンダ壁
部近傍に指向されねばならない。

（２）機関の高負荷運転領域においては、トーチ火炎は
主として主燃焼室の中心部に指向されねばならない。

機関の軽負荷運転時には、容積効率が低く、シリンダ内
の混合気に対する残留ガスの割合が高く、また主燃焼室
内の混合気の乱れが機関の高負荷運転時に較べて弱いた
め燃焼は不安定になりがちである。

そこで、燃焼をより安定させてＣＯおよびＨＣ排出物を
減少させると共に燃料消費率（ＩＳＦＣ）を改善するた
めには、複数個のトーチノズルを設け、且つ互に異なる
位置で２方向に指向された複数のトーチ火炎によつて燃
焼時期を相違させてＮＯｘの排出量を減少させることが
必須要件になる。他方、機関の高負荷運転時には、容積
効率が高く、主燃焼室内の混合気の乱れが機関の軽負荷
運転時に較べて大きくなるので、ＮＯｘ排出量の増加を
抑制するためには燃焼が必要以上に急速に行なわれない
ようにすることが極めて必要となるが、これはトーチ火
炎を主として主燃焼室の中心部に指向させることによつ
て達成される。このようにして、高負荷運転領域におけ
るＮＯｘ排出量を減少させることができる。このような
成果を達成するためには、本出願人の出願に係る特公昭
５６−２４０８７号公報に記載されているように、各副
燃焼室を第１および第２副燃焼室に分割して、第１気化
器により比較的希薄な空気燃焼混合気を主燃焼室に供給
するとともに、第２気化器により比較的濃厚な空気燃料
混合気を先ず第１副燃焼室に供給しそれから第２副燃焼
室に供給する。

さらに、第１副燃焼室から主燃焼室に延びる第１トーチ
ノズルの吐出端を主燃焼室の中心部近傍に臨ませ、第１
副燃焼室の点火栓を連通させ、第２副燃焼室から主燃焼
室に延びる１個以上の第２トーチノズルの吐出端を主燃
焼室の周縁部近傍に臨ませる。そこで本発明は前記先願
の発明を一層改良、発展させたもので、その目的とする
ところは、第１１第２副燃焼室を互に連通させる通孔と
第２トーチノズル間にそらせ板を介在させることにより
、機関の全負荷領域に亘つて排気ガス中のＣＯおよびＨ
Ｃ排出量を増加させることなくＮＯｘ排出量を減少させ
るとともに、同時に燃料消費率（ＩＳＦＣ）ひいては機
関出力を改善し、これにより自動車の運転性能を向上す
ることである。

各種の試験結果によれば、このようにして製造した機関
では、総合空燃比が理論空燃比よりも希薄な混合気によ
り運転した場合でも、ＮＯｘ排出量の増加を招くことは
なく、またＣＯおよびＨＣ排出物の生成量を増加させる
こともない。

本発明による機関と従来の機関との比較から、本発明機
関はＮＯｘ排出量および燃料消費率（ＩＳＦＣ）を同時
に改善できることが確認された。

さらに本発明によれば、もしＮＯｘ排出量を従来の機関
と同一の所定水準に留めれば、空燃比を希薄領域の濃厚
側に設定することにより自動車の運転性能を改善するこ
とも可能である。以下、図面により本発明の実施例につ
いて説明すると、内燃機関のシリンダヘッド１４はピス
トン（図示せず）をそれぞれ備えた１個以上のシリンダ
ー（図示せず）を有し、ピストン１２の上面とシリンダ
ヘッド１４により主燃焼室１３が形成され、主吸気路（
図示せず）から主燃焼室１３に流入する比較的希薄な空
気燃料混合気の流量は主吸気弁１５により制御される。

シリンダヘッド１４には、全体を１７で示す副燃焼室が
形成され、この副燃焼室１７は第１および第２副燃焼室
１８，２０に分割され、それら第１および第２副燃焼室
１８，２０は通孔２１を介して連通されている。

副吸気路２３を介して第１副燃焼室１８に流入する比較
的濃厚な空気燃料混合気の流量は副吸気弁２２により制
御され、また点火栓２４の電極は透孔２５を介して第１
副燃焼室１８に連通している。主燃焼室１３から排出さ
れる排気ガス流を制御するため排気弁２６が設けられて
いる。

主吸気弁１５、排気弁２６および副吸気弁２２は総て図
示しない従来公知の動弁機構により調時制御して作動さ
れる。第１トーチノズル２９の一端は第１副燃焼室１８
に連通するとともにその他端３０は主燃焼室１３の中心
部近傍に配置されている。

孔２８内に挿入されたライナ２７はその両端においての
みシリンダヘッド１４に接触しているが、その中間では
孔２８の壁部から離隔しており、これによりシリンダヘ
ッド１４からの熱損失を最小にしている。ライナ２７は
ステンレス鋼等の耐熱材より形成するのが好ましい。各
第２トーチノズル３１の横断面積は第１トーチノズル２
９の横断面積よりも小さく、これにより機関の高負荷運
転時には、第１トーチノズル２９が主として燃焼に寄与
するようになつている。

点火栓２４が第１副燃焼室１８内の混合気に点火した時
、トーチ火炎が比較的長い第１トーチノズル２９を介し
てピストンの中心軸線に向けて噴射され、また第１副燃
焼室１８内の混合気の点火により生成され、通孔２１を
通つて第２副燃焼室２０に噴入する火炎は、それから比
較的短い第２トーチノズル３１を通つて主燃焼室１３の
周縁の一部に噴入する。第１トーチノズル２９は挿入カ
ップ３３の側壁に設けた通孔３２を介して第１副燃焼室
１８に連通し、挿入カップ３３は通孔２１および透孔２
５ノを穿設され、その底壁３４は第１および第２副燃焼
室１８，２０の隔壁を形成している。

また底壁３４には、下方に延びるそらせ板１９が設けら
れている。さて、軽負荷における機関の作動を説明する
と先ずピストンの吸入行程において、比較的希薄な混合
気が主燃焼室１３内に吸入され、それと同時に比較的濃
厚な混合気が副燃焼室１７に吸入される。

副燃焼室１７に吸入された濃厚混合気は先ず第１副燃焼
室１８に導かねさらに通孔２１を介して第２副燃焼室２
０に吸入され、このようにして第１および第２副燃焼室
とも新濃厚混合気により充たされる。ところで一般にこ
のような内燃機関では、その低負荷運転時に、主燃焼室
内に吸入される混合気量の減少に比例して副燃焼室内に
吸入される混合気量が減少すると、小容積の副燃焼室内
の新濃厚混合気による掃気性が悪くなり、そこに燃焼ガ
スが残留して失火の原因となり、また燃焼効率も悪化し
てＨＣ．ＣＯ等の未燃成分の発生量が増大する不具合が
あるので、これを解消するために、副燃焼室に吸入され
る濃厚混合気量が軽負荷運転時には高負荷運転時よりも
大きくなるように、主燃焼室および副燃焼室の燃料供給
系は設定される。

而して本発明における内燃機関においても、主燃焼室お
よび副燃焼室の燃料供給系が前述のように調整されてい
ることを前提条件としており、その調整手段としては従
来公知のものが採用される。続いてピストンの圧縮行程
では、主燃焼室１３内の希薄混合気は第１および第２ト
ーチノズル２９，３１を介して第］および第２副燃焼室
１８，２０にそれぞれ逆流してその内部の混合気を希釈
する。従つて、これら第１および第２副燃焼室の混合気
の空燃比は、点火直前には略同一であり点火に適した状
態にある。そこで点火栓２４により点火すると、第１お
よび第２副燃焼室１８，２０内にトーチ火炎が生成され
、第１および第２トーチノズル２９，３１より主燃焼室
１３に噴入してその内部の比較的希薄な混合気を燃焼さ
せる。この燃焼は先ず短いトーチノズル３１の吐出端で
始まり、その後長いトーチノズル２９の吐出端でも始ま
る。そらせ板１９は第２トーチノズル３１からのトーチ
火炎の噴出時間を長引かせて急激な燃焼を抑制し、有害
排出物の生成を一層減少させるものである。第１トーチ
火炎が第１副燃焼室１８から主燃焼室１３へ噴出される
前に６第２トーチ火炎は第２副燃焼室２０からシリンダ
ー（図示せず）の壁部近くに配置された第２トーチノズ
ル３１を介して主燃焼室１３へ噴出され、そのシリンダ
ー周壁部付近に残留する未燃焼ガスを燃焼させ、また第
１トーチ火炎は第１トーチノズル２９を通つて主燃焼室
１３の略中心部へ指向され、その内部の比較的希薄な混
合気を燃焼させて次第に周囲へ広がつて行く。

上記したような２段階燃焼過程は、第１トーチノズル２
９より流入するトーチ火炎の作用により完全に燃焼され
なかつた末端ガスの燃焼を促進させてピーク圧力および
ピーク温度を低減させ既に低いレベルに抑制されている
ＣＯおよびＨＣ排出量に悪影響を及ぼすことなくＮＯｘ
排出量を減少させる。次に高負荷における機関の作動に
ついて説明すると、ピストンの吸入行程において比較的
希薄な混合気が主燃焼室１３に導かれ、同時に比較的濃
厚な混合気が副燃焼室１７に吸入される。

ところで、重負荷運転時の副燃焼室１７内の濃厚混合気
量が軽負荷運転時とは逆に小さく設定されているけれど
も、第１副燃焼室１８は上記した軽負荷運転時同様に完
全に掃気されて新濃厚混合気により充満されるが、他方
第２副燃焼室２０に供給される新濃厚混合気量が比較的
小さく、また通孔２１の流動抵抗により第２副燃焼室２
０に流入する新濃厚混合気量が非常に少ないので、第２
室２０は完全に掃気されない。その結果、ピストンの吸
入行程終了時点では、第１および第２副燃焼室１８，２
０内の燃料重量比は、第１副燃焼室１８では可成大きい
が第２副燃焼室２０では小さい。従つて軽負荷時には第
２副燃焼室２０の掃気は略完全に行なわれるが、機関負
荷が増大するにつれて第２副燃焼室２０内の掃気効率は
低下する。

これは第１、第２トーチノズル２９，３１および通孔２
１の作動および幾何学的配置等の要因によるものである
。続いて圧縮行程において、主燃焼室１３の希薄混合気
は第１および第２トーチノズル２９，３１を介して逆流
するので、点火直前には、第１副燃焼室１８の混合気は
点火され易い状態にあるが、第２副燃焼室２０の混合気
は主燃焼室１３の希薄混合気と略同じである。すなわち
、第１および第２副燃焼室で生成される第１、第２トー
チ火炎のエネルギは互に相違するので、燃焼時期および
第１、第２トーチノズル２９，３１からのトーチ火炎の
噴射期間は共に相違する。以下の実施例は説明上の便宜
を計るものであり本発明を何ら限定するものではない。
さて、行程容積１５００ＣＣの４気筒４サイクル内燃機
関について考察するに、第１および第２副燃焼室１８，
２０の容積をともに３ＣＣとすると、機関のアイドル運
転時に、１サイクル当り略１１．４ｃｃの濃厚混合気が
第１および第２副燃焼室１８，２０さらに第１および第
２トーチノズル２９，３１を介して主燃焼室１３に吸入
された場合、第１、第２トーチノズル２９，３１および
通孔２１のサイズの相違並びにそらせ板１９の配置によ
つて、全濃厚混合気量１１．４ＣＣのうちの３分の２即
ち７．６ＣＣが第１副燃焼室１８に吸入されてその一部
が第１トーチノズル２９より主燃焼室１３に流出し、残
りの３分の１即ち３．８ＣＣが第２副燃焼室２０に吸入
されてその一部が第２トーチノズル３１より主燃焼室１
３に流出する。

従つてピストンの吸気行程の終期には、第１副燃焼室１
８は十分に掃気され濃厚混合気が存在するだけであり、
また第２副燃焼室２０も略十分に掃気される。しかし、
機関の高負荷運転時には、ピストンの吸入行程において
１サイクル当り６、０ｃｃの濃厚混合気が第１および第
２副燃焼室１８，２０に吸入されるに過ぎず、このうち
の３分の２即ち４ＣＣは、第１副燃焼室１８に吸入され
てその一部が第１トーチノズル２９より主燃焼室１３に
流出し、残りの３分の１即ち２ＣＣは第２副燃焼室２０
（容積３ＣＣ）に吸入されて第２トーチノズル３１から
の流出が殆どない。従つてピストンの吸気行程の終期に
は、第１副燃焼室１８は略十分に掃気されるが、第２副
燃焼室２０の掃気は不完全である。第１副燃焼室１８内
の混合気が点火栓２４により点火されると、トーチ火炎
は第１トーチノズル２９を通つて主燃焼室１３に噴入し
、また通孔２１を通つて第２副燃焼室２０に噴入した火
炎はここからそらせ板１９を迂回して第２トーチノズル
３１を通つて主燃焼室１３内に噴入する。

しかし、第２副燃焼室２０内の混合気は第１副燃焼室１
８内の混合気に較べて希薄であるため、主燃焼室１３内
の混合気は主として第１トーチノズル２９より噴入する
トーチ火炎により燃焼される。その結果、第１トーチノ
ズル２９を通つて主燃焼室１３の略中心部に噴入された
トーチ火炎は、その内部の希薄混合気を略均一な火炎伝
播によつて中心部から周縁部へ燃焼させて、効率良く燃
焼を行なわせることができる。従つて燃焼圧力および温
度の急激な上昇が抑制されるので、ＮＯｘ排出物の生成
は最小にされ、燃料消費率（ＩＳＦＣ）も改善される。
このように、機関の重負荷運転時には、第２トーチ火炎
の強さを減少させて主燃焼室１３内の混合気の乱れを抑
制し、その内部の混合気を中心部から周縁部に向けて均
一に燃焼させることにより余りにも急激な燃焼を回避し
て燃焼温度の急激な上昇を制御し、ＮＯｘ排出物の生成
を最小にするとともに燃料消費率（ＩＳＦＣ）を改善す
ることができる。

さらに本発明によれば、空燃比を希薄領域の濃厚側に設
定して、機関出力を向上させることもできる。すなわち
、実験によれば、■ａ ：副燃焼室１７の容積 Ｖａｌ：第１副燃焼室１８の容積 Ｖｃ：ピストンが土死点にある時の第１副燃焼室１８、
第２副燃焼室２０および主燃焼室１３の合計容積 とすると、 Ｖａ／Ｖｃ−０．０６−０．１８ Ｖａ１／Ｖａ＝０．０４−０．６ において最適の結果が得られた。

Ｖａ／Ｖｃを上記範囲よりも小さくすると、ＨＣ排出量
は減少するが、ＮＯｘ排出量は増加し、また■ａ／■ｃ
を上記範囲よりも大きくすると、ＮＯｘ排出量は減少す
るがＨＣ排出量は増加する。

以上のように本発明によれば、機関の高負荷運転時には
、トーチ火炎の強さを減少させて主燃焼室内の混合気の
乱れを抑制して、主として第１トーチノズルより主燃焼
室内の中心部にトーチ火炎を噴出させ主燃焼室内の中心
部から周縁部に向けて順次燃焼させることにより、過激
な燃焼を回避して燃焼温度の急激な土昇を制御してＮＯ
ｘの発生量を抑制し、また機関の軽負荷運転時には、吸
入行程において第１および第２副燃焼室を新濃厚混合気
によつて十分に掃気し、それら第１および第２燃焼室内
で新濃厚混合気の点火により発生された火炎を第１，第
２トーチノズルより主燃焼室の全域に亘つてむらなく噴
出させて混合気の乱流を強くして希薄混合気を極めて効
率良く燃焼させることができ、従つて機関のあらゆる負
荷領域に亘つてＨＣ．ＣＯ等の未燃成分を増加させるこ
となくＮＯｘの発生を抑制して排気を浄化することがで
きるものである。尚、空燃比を希薄領域の濃厚側に設定
することにより機関出力を改善することができる。また
第１および第２副燃焼室間を連通させる通孔と第２副燃
焼室から主燃焼室へ延びる第２トーチノズル間にそらせ
板を介在させたので、第２トーチノズルから主燃焼室へ
噴出する火炎の噴出時間を長引かせて急激な燃焼を抑制
して、有害排出物の生成を一層減少させることができる
ものである。

尚、前記実施例のようにシリンダヘッド内に、外周部の
大部分に間隙を存してライナを挿入し、そのライナの内
部に前記第１トーチノズルを形成すれば、ライナ外周部
からシリンダヘッドへの熱伝導を最小にして、その内部
を通過する火炎の燃焼温度を高温に保つて燃焼効率を向
上させることができる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明による内燃機関の実施例を示すもので、第１
図はそのシリンダヘッドの一部破断縦断面図、第２図は
その底面図である。 １３・・・・・・主燃焼室、１４・・・・・・シリンダ
ヘッド、１５・・・・・・比較的希薄な空気燃料混合気
を主燃焼室に供給する手段としての主吸気弁、１７・・
・・・・副燃焼室、１９・・・・・・そらせ板、２１・
・・・・・通子Ｌ２２・・・・・・副吸気弁、２３・・
・・・・比較的濃厚な空気燃料混合気を第１副燃焼室へ
供給する手段としての副吸気路、２４・・・・・・点火
栓、２７・・・・・・ライナ、２９・・・・・・第１ト
ーチノズル、３１・・・・・・第２トーチノズル、３３
・・・・・・挿入ライナ、３４・・・・・・隔壁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ シリンダヘッドと、主燃焼室と、前記シリンダヘッ
   ド内に副燃焼室を形成する手段と、その副燃焼室を第１
   および第２副燃焼室に分割する手段と、それら第１およ
   び第２副燃焼室を連通させる通孔と、前記第１副燃焼室
   に連通する点火栓と、比較的希薄な空気燃料混合気を前
   記主燃焼室に供給する手段と、副吸気弁を有し、比較的
   濃厚な空気燃料混合気を前記第１副燃焼室に供給する手
   段と、前記第１副燃焼室から前記主燃焼室へ延び、吐出
   端を前記主燃焼室の中心部近傍に臨ませた比較的長い第
   １トーチノズルと、前記第２副燃焼室から前記主燃焼室
   へ延び、吐出端を前記主燃焼室の周縁部近傍に臨ませた
   少なくとも一本の比較的短い第２トーチノズルと、前記
   第２副燃焼室内に設けられ、前記通孔と前記第２トーチ
   ノズル間に介在するそらせ板とからなる内燃機関。 ２ 前記シリンダヘッド内に、外周部の大部分に間隙を
   存してライナを挿入し、そのライナの内部に前記第１ト
   ーチノズルを形成してなる、特許請求の範囲第１項記載
   の内燃機関。