JPS602493B2 - 内燃機関の吸気装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内燃機関の燃焼特性を改善するようにした吸気
装置に関する。

内燃機関の排気対策の一環として、例えば、排気中のＮ
瓜を低減するために排気還流率を増大させたり、あるい
はＨＣ，ＣＯとＮ○×を同時に低減させるために供給混
合気を希薄化すると、いずれも燃焼が悪化して機関が不
安定化する。

また、機関の低負荷城とくにアィドリング時や、あるい
は機関の冷間始動時などは燃焼が不安定化するため、混
合気を濃化する必要があり、このためＨＣ，ＣＯの排出
低減が困難であった。

したがって、排気対策の向上をはかるうえで燃焼の安定
化も併せて促進しないと、機関性能の維持が困難となる
ため、そこには自ずと限界が生じる。本発明はこのよう
な問題を解決するために、吸気弁の開弁に同期して、吸
気とは別にバルブガイド及び吸気ボートを経てシリンダ
内に高速空気流もしくは混合気流を導入し、燃料と空気
の均一的混合さらには吸気の乱れを積極的に進め、燃焼
特性の改善をはかり、もって機関安定性を損なわずによ
り一層の排気対策の追及を可能とした内燃機関の吸気装
置を提供することを目的とする。

以下、いくつかの実施例をあげて本発明を説明する。第
１図に示す実施例において、図中１はシリンダヘツド、
２はシリンダブロツクを示し、さらに３は吸気マニホー
ルド、４は吸気弁、５は吸気ボートで、図示しない絞り
弁をバイパスしてその上流からの空気をバルブガイド７
に導く通路６が、前記吸気マニホールド３及びシリンダ
ヘッド１の肉部を貫通している。

吸気弁４のバルブガイド７は前記通路６と接続する通口
８を有するとともに、ステム部４ａとの摺嬢面に同０的
な環状溝９を有し、通〇８を介して通路６と蓮通する。
ステム部４ａにはバルブガイド７先端付近に位置して環
状のカバー３４を設け、バルブガイド７の環状溝９に蓮
通させたノズル部１２をこのカバー３４が吸気弁４の関
弁時に流体を噴出させるように図る。なおノズル部１２
からの噴出流が吸気弁４と弁座１３との間から燃焼室１
４内に流入するようにノズル部１２の向きを決めるので
あるが、詳しくは後述する。また、図中１５はピストン
、１６は点火栓である。このように構成してあり、次に
その作用について説明する。

図示しない絞り弁から吸気弁４に至る吸気通路（吸気ボ
ート５）には、機関負荷状態に応じて負庄が生じる。

この吸入負圧は低負荷域ほど大きく、したがって絞り弁
上流に一端が運通する通路６を、バルブガイド７の通口
８、環状溝９及びノズル部１２を介して吸気ボート５に
開口させると、低負荷時には吸気弁４の関弁とともにノ
ズル部１２からの高速の噴流となって空気が噴射し、吸
気ボート５さらには燃焼室１４内に激しい乱流を発生さ
せる。この頃流により、燃焼室１４内のガス流動を助長
し、吸入・圧縮行程における混合ガスの均一的混合の促
進、さらには燃焼行程においても慣性にもとづき持続し
たガス流動による火炎の乱れを起こし、これが相まって
燃焼速度を著しく増大させ燃焼安定性を高める。

特にこの場合、吸気弁４が上方にリフトして閉じている
ときは、カバー３４を介してノズル部１２が遮断される
ため流体噴射は停止しているが、吸気弁４が関弁すると
カバ−３４が下降してノズル部１２が開かれるとともに
ノズル部１２から勢いよく燃焼室１４内に向けて噴射が
始まる。

このように吸気弁４の開閉に同期させて噴射すると、限
られた期間内により多くの流体を噴流として燃焼室１４
内に導くことができ、吸気流の旋回運動をさらに強化し
、かつ燃焼行程に至るまでの減衰が少なくなり、燃焼を
さらに促進することになる。つまり「連続的な噴流に比
べて同期して断続的に噴出させるときの方が、ジェット
噴流の持つェネルギを有効的に集中させてスワールの持
続性を高めることができ、より一層の燃焼の安定化、燃
費の向上、及び混合気の希薄限界、排気還流限界の延長
にもとづく排気対策の改善が実現できる。

なお、上述のような補助空気を導入する通路及びノズル
部１２等を吸気弁４に設けることも可能であるが、その
場合ノズル部１２の向きを望ましい方向に固定しておく
ために吸気弁４の回り止めが必要になる等、加工及び構
造が複雑になるうえ、吸気弁４の強度、耐久性を損なう
おそれもある。この点、上記構成によれば、バルブガイ
ド７は固定されているため吸気旋回流を強めるようなノ
ズル位置の変動は起こりえず、加工も容易であり、強度
、耐久性の面でも有利である。次に、本発明の他の実施
例について説明する。

第２図は、カバー３４をステム部４ａに一体成型する代
りに、ステム部４ａに環状溝３５を設けると共に、縦割
状に切欠溝をもつカバー３４′をつくり、これをステム
部４ａの上端から挿入してスプリング３７で環状溝３５
に接合するように締付けたものである。カバー３４′を
分離方式としたので一体成型に比べて生産性は良くなる
。また、第３図の例は、ノズル部１２を直接開閉せずに
、ステム部４ａに蓮通凹部３８を形成し、この凹部３８
をバルブガイド７の通路３９を介して常時通路６に運通
する一方、環状溝９に対して凹部３８を吸気弁４の開閉
に伴って断続的に蓮通させ、これによってノズル部１２
から吸気弁４に同期して流体を噴出させるようにしたも
のである。また、第４図は、空気を導く通路６の上流関
口端を、気化器２１の絞り弁２２ａ，２２ｂをバィパス
して上流のェアクリーナ２３のクリーンサイドーこ達通
させたもので、気化器２１の部分における通路６ａには
、前記絞り弁２２ａ，２２ｂと連動させて、あるいはこ
れらとは別系統な絞り弁２４を設け、吸気ボート５への
噴出量を吸入空気量と比例させるようにしてもよい。

この噴射空気をコントロールすれば、混合気の実質的空
燃比の変動を防げる。また、第５図では、第４図のよう
に単に空気を噴射するだけではなく、気化器２１のメイ
ン通路側のベンチュリ２５ａ，２５ｂと同様にベンチュ
リ部２６に燃料ノズルを設け、通路６を経でノズル部１
２から混合気を噴出させる。

空気を噴出させる場合に比べてさらに燃焼条件は改善さ
れ、とくに強い吸入負圧が発生する部分負荷時にメイン
の絞り弁２２ａ，２２ｂが全閉となるような制御をすれ
ば、ノズル部１２からジェット噴流になって混合気が噴
出し、一層の希薄混合気化あるいは低温始動性の改善「
燃費の向上などが期待できる。この場合、主としてアイ
ドリング時に必要な混合気量が得られるようにノズル部
１２の内径を決めてやれば、絞り弁２４は除去すること
も可能である。第６図の例は、気化器２１の代わりに電
子制御燃料噴射装置を燃料供Ｖ給装置として吸気系に備
える場合を示し、この場合も、基本的には上記各実施例
と何等変わるところはなく、吸気ボート５には図示しな
い制御回路からの信号で吸入空気量に比例した燃料を噴
射する主燃料噴射弁２８が設けられ、これに対して通路
６ａ側には、ノズル部１２から混合気を噴出させたいと
きは、同様に制御される副燃料噴射弁２９を設けるが、
空気のみ噴射させるときは、当然のことながらこの副燃
料噴射弁２９は除去してもよい。

この電子制御燃料噴射装置の場合は、主吸気及び補助吸
気系の空気に対する計量精度を高められるため、燃焼室
１４に吸入される混合気の実質的空燃此の制御精度は極
めて高いものとなり、また燃料贋霧にもとづき燃料の微
粒化も図られるので全体的に均質な混合気を供給でき、
広い運転領域にわたり安定した燃焼特性が得られる。

さらに、第７図に示す例は、吸気ボート５への噴出流体
として還流排気を用いたもので、Ｎ○×を低減すること
を目的として排気通路３０から、排気還流通路３１、排
気還流制御弁３２を介して通路６に排気の一部を導く。

Ｎ○×を低減するのに還流排気量を増大すると燃焼が著
しく不安定化するが、吸入混合気と還流排気の混合状態
を均質化することによりこの改善が図れるのであり、さ
らにスワールの助長効果により燃焼の安定化が増す。な
お、アイドリング時など低負荷域では制御弁３２により
排気還流量を減少またはゼロとするので、かかるときに
のみ還流排気に代えて混合気を噴出するように、ノズル
部１２をさらにもう１つ別に設けてもよい。

したがって、Ｎ○×の低減を機関運転性能を損なわずに
達成できる。

ただし、排気還流については通常の機関と同機にして、
空気あるいは混合気をノズル部１２から噴出させてもよ
いことは勿論である。ところで、燃焼室１４内において
混合気の旋回流（スワール）をさらに助長するには、ノ
ズル部１２から噴出される流体の平面上の方向を、吸気
ボート５との関係にもとづいて、例えば第８図のように
設定する。

この場合、吸気弁４と排気弁１７はシリンダ中心からオ
フセットされないタイプを示すが、吸気ボート５が平面
的に見てわん曲しているので、吸気流としては燃焼室１
４内で反時計方向に旋回する。

したがってこの旋回流Ｓをさらに助長するには、バルブ
ガイド７に形成したノズル部１２の平面的噴出方向を、
ステム中心Ａとシリング中心Ｃとを結ぶ線と、同じくス
テム中心Ａ点の旋回流Ｓの接線とのなす角Ｑ， の範囲
に設定するとよい。なお、この場合、垂直断面における
噴出方向は、吸気弁４の周緑に向けるとよいが、この流
入角が水平に近づくほど旋回流の助長効果が大きくなる
。また、第９図に示すように、吸気弁４がシリンダ中心
Ｃからオフセットされ、吸気ボート５がいわゆるスワー
ルポートをなしている場合は、この吸入混合気流の旋回
作用をさらに高めるように、噴出用のノズル部１２の平
面上の噴出方向Ｎは、第８図と基本的に同じように、ス
テム中心Ａとシリンダ中心Ｃを結ぶ線と、ステム中心Ａ
からの吸気ボート５の軸線にほぼ直角な線とのなす角Ｑ
２の範囲とするとよい。

このようにして吸気ボート５に生じる吸入負圧を利用し
て空気、混合気を噴射し、吸入混合気の性状を改善し、
燃焼特性を良好にするのであるが、吸気マニホールド３
から吸気ボート５に流入する混合気を最も効率的に縄乱
し、さらには旋回作用を助長する効果は、吸気ボート５
の負圧とノズル部１２の開口面積に依存する。

具体的にはシリンダ容積に基づいて決まる理論吸入混合
気量Ｑ比の１０〜５０％の範囲にノズル部１２から噴出
する流量Ｑｎを制御するのが最も効果的である。

すなわち吸気ボート５の負圧は部分負荷時にとくに大き
くなるから吸気ボート５に開口するノズル部１２から流
入する流体は激しい噴流となるが、このノズル断面積が
小さ過ぎると流量が小さい領域ですでに音速に達して飽
和してしまうので強い噴流が得られなくなる。

従ってとくに充填率が一般に２０％まで低下するアィド
リング時には実際の吸入量の５０％（従って理論吸入混
合気量の１０％）以上をノズル部１２から噴出させるこ
とにより十分な噴流の効果が得られ、アィドリング時の
機関安定性向上に寄与する。一方ノズル断面積が大きす
ぎると、吸気ボート５の負圧に影響を及ぼし負圧を低下
させるため、噴流の強さが弱くなるからノズル部１２か
らの流量が機関の充填率で５０％以下が望ましい。

これをノズル断面積でみると、吸気ボート当の形状にも
よるが、例えば４サイクル火花点火レシプロ機関で実験
したところ、１６ミ（Ｓｐ／Ｓｎ）≦１６００ の範囲で相当な効果が認められた。

ただし、 Ｓｐはノズル関口部分の吸気ボートの総断面
積、Ｓｎはノズルの総断面積、 である。

なお、ノズル噴射速度を上記の面積範囲内にて可及的に
増加させるのは、ノズル部１２の断面に比べこれに至る
までの通路断面を比較的大きくとるとよい。

以上のように、本発明によれば、主としてアィドリング
から部分負荷、中負荷域運転時に高速の噴流により機関
吸入混合気を蝿はん、混合し、燃料、空気さらには還流
排気の混合状態の均質化をはかると共に、燃焼室内にて
混合気流の旋回運動を生起させ、さらに火炎の伝播に乱
れを起こし、これらが相まって燃焼条件を著しく改善す
ることができる。

とくに／ズルが燃焼室直近に設けられているから噴流に
よる混合、渦流作用が極めて強く圧縮上死点までその効
果が持続する。したがって、Ｎ○ｋを低減するための排
気還流率の増大化、ＨＣ，ＣＯの低減をねらった混合気
の希薄化などを、機関運転性能を低下させることなく十
分に進めることができ、あるいは、機関安定性の向上に
もとづき燃費、低温始動性の改善がはかれる。また、各
シリンダに対し複数個の点火栓を設置し燃焼時間を短縮
させる多点着火機関と組み合わせて希薄混合気運転ある
いは高ＥＧＲ運転との相乗効果も達成できる。なお、火
花点火に限らず圧縮着火内燃機関に適用してもその効果
が得られることはもちろんである。さらに本発明によれ
ば、ノズル部及びノズル部に至る通路の一部をバルブガ
イドに設けたので、ノズル部の方向、位置決めが確実で
あり、また構造及び加工が比較的簡単であり、さらに吸
気弁の耐久性を損なうおそれがないという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２図、第３
図はそれぞれ噴射の断続に関する他の実施例の断面図で
ある。 同じく第４図は空気を噴出する実施例の断面図、第５図
は混合気を噴出する実施例の断面図、第６図は燃料噴射
装置を備える機関に対しての実施例の断面図、第７図は
還流員Ｅ気を噴出する実施例の断面図である。第８図、
第９図はそれぞれ混合気の流動を示す説明図である。３
・・・吸気マニホールド、４・・・吸気弁、４ａ・・・
ステム部、５・・・吸気ボート、６・・・導入通路、７
・・・バルブガイド、９…環状溝、１２・・・ノズル部
、１４・・・燃焼室、３４・・・キャップ状カバー、３
８・・・凹部。 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図 第９図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内燃機関の吸気弁バルブガイドに吸気絞り弁をバイ
   パスする通路のノズル部を開口させ、吸気弁の開閉作動
   に同期して前記通路の連通を開閉すべく構成し、吸気弁
   の開弁時に吸入負圧に応じて流体を、吸気弁と弁座との
   間から燃焼室内に吸気の混合・渦流を生起する方向に高
   速噴出させるように構成した内燃機関の吸気装置。 ２ シリンダヘツドに形成した流体の通路を、バルブガ
   イドのステム部との摺接面に形成した環状溝と常時連通
   させ、この環状溝に接続するバルブガイドに設けたノズ
   ル部を、ステム部に設けたカバーを介して吸気弁の開弁
   時にのみ開くようにした特許請求の範囲第１項に記載の
   内燃機関の吸気装置。 ３ シリンダヘツドに形成した流体の通路を、バルブス
   テム部の外周に形成した連通凹部に連通させる一方、バ
   ルブガイドのステム部との摺接面に形成され、ノズル部
   と常時連通する環状溝を、吸気弁の開弁時に連通凹部を
   介して連通させるようにした特許請求の範囲第１項に記
   載の内燃機関の吸気装置。 ４ ノズル部からの噴出流体が空気である特許請求の範
   囲第１項〜第３項のいずれかに記載の内燃機関の吸気装
   置。 ５ ノズル部からの噴出流体が混合気である特許請求の
   範囲第１項〜第３項のいずれかに記載の内燃機関の吸気
   装置。 ６ ノズル部からの噴出流体が還流排気である特許請求
   の範囲第１項〜第３項のいずれかに記載の内燃機関の吸
   気装置。 ７ アイドリング時にノズル部からの混合気のみを機関
   に供給するようにした特許請求の範囲第５項に記載の内
   燃機関の吸気装置。 ８ アイドリング時にノズル部からの還流排気の噴出を
   停止するようにした特許請求の範囲第６項に記載の内燃
   機関の吸気装置。 ９ 機関の理論吸入混合気量Ｑｔｈとノズル部から吸入
   される流量Ｑｎとの関係が、０．１≦（Ｑｎ／Ｑｔｈ）
   ≦０．５ となるように吸気ポートとノズル部の断面積を設定した
   特許請求の範囲第１項〜第３項のいずれかに記載の内燃
   機関の吸気装置。