JPS6217089B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は機関の吸入行程において、排気通路よ
り燃焼室内に逆流する既燃ガスに強力な旋回流を
生成させ燃焼効率を高め、機関の高負荷から低負
荷運転の全域に亘る運転性能を高めるとゝもに、
HC、CO等の未燃有害成分の発生を可及的に低減
できるようにした、構成簡単な４サイクル内燃機
関における混合気の燃焼改善装置に関するもので
ある。

自動車用４サイクル内燃機関において、高負荷
運転時に高出力を得る手段として一般に吸入効率
を高めるべく吸、排気弁の開放時期をオーバーラ
ツプさせ、即ちピストンの上昇する排気行程の終
了直前から吸入弁を開弁し始め、次のピストンの
下降する吸入行程の途中まで排気弁を開弁させる
ようにしているが、このように吸、排気弁の開放
時期をオーバーラツプさせると、吸入空気量の絶
対量の多い機関の高負荷運転域では吸入空気量が
多いので、吸入混合気の燃焼に問題はなく吸入効
率を高めて所期の高出力を得ることができるが、
一方、機関の低負荷運転域では気化器の絞り弁開
度は当然に小さく吸入空気量の絶対量が少ないの
で、機関の一サイクル当りのシリンダ内の新混合
気の吸入量に対する残留ガス量の割合が高く（シ
リンダ容積に対する新混合気量20〜40％）、着火
が不安定となるばかりでなく、ピストンの往復や
スキツシユ等によつて生じる吸入混合気の乱れや
旋回流の発生も少なくなり、燃焼火炎の伝播も遅
くなつて燃焼効率の低下を招くことがあり、その
結果排ガス中のHC、CO等の未燃有害成分の発生
量が多くなる不都合を生じる。そしてこのような
現象は当然に前記吸、排気弁のオーバーラツプ期
間が長い高出力型になるほど、その傾向が大きく
なる。したがつて機関を高出力型にすると、低負
荷運転域での燃焼効率を低下させ、排ガス中の
HC、CO等の未燃有害成分の発生量が多くなると
いう問題が発生する。

而してかゝる問題を解決すべく、たとえば吸気
通路を螺旋状に形成したり、吸気弁に羽根を形成
したり、また吸気弁の周囲に案内壁を形成したり
等の手段を講じて燃焼室内の混合気に旋回流や乱
れを生起させ燃焼を改善する技術手段が種々提案
されているが、このようにすると機関の高負荷運
転域において、それらが吸入抵抗となつて吸入効
率の低下を招き、出力増加を妨げ高負荷時に所期
の高出力が得られなくなるという別の不都合を生
じる。

また機関の減速運転域では、機関が高回転して
いるにも拘らず絞り弁がアイドリング位置に閉じ
て新混合気の吸入量がきわめて少なくなり、シリ
ンダ内での新混合気に対する残留ガス量の割合が
きわめて高くなり、吸入系に前述のような新混合
気に旋回流や乱れを生ぜしめるような手段を講じ
る程度では満足な燃焼改善は難しい。また従来か
ら機関の減速運転域での燃焼を改善すべく気化器
の絞り弁開度を一時的に大きくするスロツトルオ
プナーやダツシユポツトを吸気系に付設する手段
が提案されているが、かゝる手段は機関の減速運
転域での新混合気の吸入量を増加させ、シリンダ
内の残留ガス量に対する新混合気量を増大させて
燃焼を改善する点で効果はあるが、反面減速運転
域で必要以上の新混合気が供給されて燃焼が過度
に促進され、エンジンブレーキ性能の低下をもた
らし、減速ドライバビリテイが悪化するという別
の弊害を生じる。

以上の諸点に鑑み本発明の主な目的は、機関の
排気系に、燃焼室内に逆流既燃ガスによる強力な
旋回流発生手段を設けて機関の全運転域、特に低
負荷運転域での燃焼を改善して機関の高負荷、高
出力運転に何ら悪影響を及ぼしめることなく
HC、CO等の有害未燃成分の発生量を可及的に低
減させることである。

また本発明の他の目的は、全体として希薄混合
気による良好な機関の運転を可能にして燃料消費
率の向上を図ることである。

さらにまた本発明の他の目的は、運転条件に左
右されることなく常に良好な機関の運転性能が得
られるようにすることである。

以下、図面により本発明の実施例について説明
する。

第１〜３図において、ピストン２を摺動自在に
嵌合したシリンダ１上方において、シリンダヘツ
ド３には燃焼室４が形成され、この燃焼室４の上
壁にはそれぞれ弁シート７，８を装着した吸気弁
口５と排気弁口６とが開口され、前記吸気弁口５
には、シリンダヘツド３に形成した吸気通路９が
連通され、また前記排気弁口６には、シリンダヘ
ツド３に形成した排気通路１０が形成されてい
る。吸気通路９には通常のように気化器等の空気
―燃料混合気供給装置１１が接続されている。吸
気弁口５には、該口５を開閉する吸気弁１２が設
けられ、また排気弁口６には、該口６を開閉する
排気弁１３が設けられる。排気弁口６へ向う排気
通路１０の方向は、シリンダ１の中心からその周
壁側へ偏らせてあり、後述するように排気通路１
０から燃焼室４へ逆流する既燃ガスがシリンダ１
内の外周壁に沿つて流れるようになつている。

吸、排気弁１２，１３は従来公知の動弁機構に
よつて所望の開閉サイクルに従つて開閉作動され
る。またこの機関では高負荷運転域で高出力を得
るべく吸、排気弁１２，１３の開弁時期をオーバ
ーラツプさせてあり、排気行程の終了前に吸気弁
１２を開弁させて排気行程の終了時に、排気慣性
に起因して排気通路１０に生じる負圧により、吸
気路から新混合気を燃焼室内に吸引させはじめて
吸入効率を高め、機関性能を向上させることがで
きるように設定されている。

燃焼室４壁には前述のように吸、排気弁１２，
１３の開弁時期のオーバーラツプによつて排気通
路１０より燃焼室４内に逆流する既燃ガスに旋回
流を生起させるための旋回流生成案内壁１４が設
けられる。

而して本発明におけるこの旋回流生成案内壁１
４は、燃焼室４内に、より強力な一方向の既燃ガ
ス旋回流を生成して未燃混合気の火炎伝播速度
（火炎面直前の未燃混合気の流動速度と燃焼速度
との代数和）を高めて燃焼効率を高めるべく特殊
な構成を有するものであつて、以下この旋回流生
成案内壁１４の構成を説明すると、前記旋回流生
成案内壁１４は燃焼室４の上壁に一体に垂設され
ていて、燃焼室４の外周壁より排気弁口６の外周
に沿つて円弧状をなして燃焼室４の中央部に向つ
てのびている。そしてその縦断面形状は第４図に
明瞭に示すように略Ｕ字状に形成され、排気弁口
６に対面する内周面１５は略垂直に、また燃焼室
４の外周壁に対面する外周面１６は上下に凹状円
弧に形成され、さらにそれら内、外周面１５，１
６の下端を連絡する底面１７は略水平な平坦面に
形成されている。そして前記内周面１５と底面１
７との接続隅部および前記外周面１６と底面１７
との接続隅部には、それぞれ丸みγ_１，γ_２をも
たせてある。

燃焼室４の上壁には、後述するように燃焼室４
内に生成される旋回流の流れ方向に対して排気弁
口６よりも下流側に点火栓１８が設けられる。

本発明機関では吸入行程の途中まで排気弁１３
は未だ開いているので、この吸入行程の初期にお
いて排気通路１０へ流出した既燃ガスの一部は燃
焼室４内に逆流する。（この場合機関が低負荷運
転域にあるときは絞り弁の開度は小さいので、既
燃ガスの燃焼室４内への逆流量は多くなる。）と
ころで吸入行程で未だ排気弁１３が開いている状
態にあるときは、第４図に示すように排気弁口６
と排気弁１３外周間の間隙は、前記旋回流生成案
内壁１４の存在するところでは狭くなり、また旋
回流生成案内壁１４の存在しないところでは広く
なる。したがつて排気通路１０より排気弁口６を
通つて燃焼室４へ逆流する既燃ガスに不均衡を生
じ、その結果逆流既燃ガスは旋回流を生起しつゝ
燃焼室４内へと流れる。しかも排気通路１０から
前記旋回流生成案内壁１４の円弧凹状の内周面１
５に衝突した逆流既燃ガスの反射流は収束され、
第１図矢印に示すように同一方向の集合した強力
な旋回流となつて燃焼室４内を流れる。そして排
気通路１０の排気弁口６へ向う方向は、シリンダ
１の中心よりその周壁方向に偏らせてあるので、
既燃ガスはシリンダ１の周壁方向へ導かれ、強力
な旋回流となつてシリンダ１内を周方向へ流れ
る。而して特に機関が低負荷運転域にある場合に
は、吸入空気量は少なく、さらに減束時にはきわ
めて少量となるため、燃焼室４内に吸入される新
混合気は、前記逆流既燃ガスの旋回流によつて支
配され、その結果全体として逆流既燃ガスと新混
合気との総合気流も強力な旋回流となつて燃焼室
４内を流れる。

そして圧縮行程の終了直前の、ピストン２の上
死点近傍で点火栓１８による火花点火が行われる
と、前記旋回流によつて増速された混合気の流動
速度と、旋回流およびその旋回流によつて引起さ
れた、小さな混合気の乱れとにより増速された燃
焼速度とによつて燃焼室４内の火炎は強力かつ急
速に成長する。したがつて特に空燃比を変えずと
も火炎の成長が強力かつ確実になり燃焼が著しく
向上し、剥離されたクエンチング層のHCをも難
なく燃焼させることができ、特に吸入新混合気の
少ない低負荷、および減速運転域でも全吸入混合
気を確実に燃焼させることができる。

ところで本発明においては、さらに前記旋回流
生成案内壁１４の配置、形状、大きさ等を具体的
に特定することにより燃焼室４内の火炎の伝播速
度（火炎面直前の未燃混合気の流動速度と燃焼速
度との代数和）をより高めて強力かつ急速に火炎
を成長させ得る旋回流を生成することができる。

先ず前記旋回流生成案内壁１４の始点、終点、
およびその長さは次のように設定される。第５図
において前記旋回流生成案内壁１４の内周面１５
即ち排気弁１３に対面する面の始点（基端点）Ａ
は、次のように設定される。即ち、シリンダ１の
中心をＯ点、排気弁１３の中心をＰ点とした場合
に、前記Ａ点は前記Ｏ点とＰ点とを結ぶ直線OP
の延長線と、燃焼室４の外周縁とが交叉する点に
設定される。また旋回流生成案内壁１４の終点
（外端点）Ｂは次のように設定される。即ち前記
Ｂ点とＰ点とを結ぶ直線BPと前記OPとのなす角
をθとした場合に、θ＜110゜となるように前記
Ｂ点が設定される。而してこのθ＜110゜の設定
は排気通路１０から燃焼室４内に逆流する逆流既
燃ガスに所望の旋回流を与えるのに重要なフアク
タであることが実験の結果判明した。即ち第６図
に旋回流生成案内壁１４の高さＨ：３mm、旋回流
生成案内壁１４の内周面１５と排気弁１３の外周
間の間隙Ｃ：2.5mmとした場合の実験結果が示さ
れており、横軸に前記θ角、縦軸にスワール比φ
（スワール比は旋回流の強さを示し、旋回流の水
平成分をＶ、その垂直成分をｖとしたＶ／ｖであ
らわされる）をとつたグラフで示されている。こ
のグラフによれば旋回流効果はθが110゜迄の範
囲が良好で、さらに望ましくはθ＝０〜90゜範囲
であることが判る。

また排気弁１３の外周と旋回流生成案内壁１４
間の間隙Ｃもまた前記旋回流の生成の重要なフア
クタである。ところで前記間隙Ｃは排気弁１３の
開閉作動上零にすることはできず、またその間隙
Ｃが大きすぎれば旋回流は発生しないので、自か
らその間隙Ｃにも所望の寸法がある。第７図には
横軸に前記間隙Ｃと排気弁１３の直径Ｄとの百分
比を、また縦軸に前記スワール比φ（旋回流の強
さ）をとつた場合の実験結果（旋回流生成案内壁
１４の高さ３mm）が示されている。これによれば
前記間隙Ｃは排気弁１３の直径の25％以下で旋回
流効果が大きいことがわかる。

次に排気弁１３に対向する旋回流生成案内壁１
４の内周面１５の高さもまた逆流既燃ガスの旋回
流生成の重要なフアクタである。本発明機関で
は、吸入行程開始直前のピストン２の上死点で排
気弁１３は未だ開いており、その時の状態が第４
図に示されている。いまこの第４図において排気
弁１３の高さをｈ、排気弁１３外周と旋回流生成
案内壁１４の内周面１５間の間隙をＣ、排気弁１
３の着座面角をαとすると、排気通路１０より燃
焼室４内へ逆流する既燃ガスを衝突させ、これに
所定方向の方向性を与えて強力な旋回流を生起さ
せるためには、旋回流生成案内壁１４の内周面１
５の高さＨは、次式 Ｈ＝Ctanα＋ｈ によつて決定される。そしてＨ＜Ctanαでは効
果的な旋回流の生成は難しいので、実際には旋回
流生成のための前記高さＨの範囲は次式であらわ
される。

Ctanα＜Ｈ≦Ctanα＋ｈ また排気弁１３の開閉タイミングの関係から前
記高さＨは、排気弁１３の最高リフト量の60％以
内であれば出力低下を招くことがないことが実験
結果より判明した。第８図には横軸に旋回流生成
案内壁１４の高さと排気弁１３リフト量との百分
比をとり、縦軸に最大出力に対する出力低下率を
とれば、（Ｃ＝2.5mm）旋回流生成案内壁１４の高
さＨは排気弁１３のリフト量の60％近傍以下で出
力低下率が大きくなることがわかる。

さらに旋回流生成案内壁１４の、吸気弁１２に
近接する部分、即ちその先端部は吸気通路９より
燃焼室４内に流入する新混合気の流入抵抗になら
ないようにその高さを低くして吸入効率の低下に
よる出力低下を最小限に止めるようにし、また旋
回流生成案内壁１４の燃焼室４の外周に近接する
部分、即ちその基端部も、ピストン２の上面との
間に所定の間隙を保つようにその高さを低くす
る。

さらにまた旋回流生成案内壁１４の断面形状も
燃焼室４内に生成された旋回流を弱めないように
するため特定の形状に形成される。

即ち排気弁口６より燃焼室４内に逆流する既燃
ガスは前述のように旋回流生成案内壁１４によつ
て旋回気流となつて燃焼室４内を流れるが、その
旋回気流の一部は一旋回して第９図に示すように
旋回流生成案内壁１４の外周面１６に衝突するに
至るが、その際できるだけ旋回気流がその外周面
１６によつて弱められないようにすることが肝要
であり、そのために旋回流生成案内壁１４の、凹
状円弧の外周面１６の立上り面に沿う下方への延
長線と、旋回流生成案内壁１４の底面１７に沿う
直線とのなす角βを75゜以下にすることが望まし
いが、その角βが小さくなり過ぎると、第９図に
示すようにピストン２の上昇する機関の圧縮行程
でピストン２の上面とシリンダヘツド３の下面間
に発生するスキツシユ流れＳ、即ちピストン２上
面とシリンダヘツド３間の間隙の狭い方から広い
方への流体の移動により旋回流が弱められるの
で、前記角βは30゜を過度に下回らないようにす
ることが望ましい。

旋回流生成案内壁１４の横幅Ｋ（第４図）は旋
回流生成案内壁１４の耐久性を考慮して１mm以上
であることが必要であり、また過度に広くすると
第１０図に示すようにピストン２上面と、旋回流
生成案内壁１４の底面１７間の巾狭の間隙幅が長
くなるので、当然に前記スキツシユ流れＳが強く
なり、旋回流の流動抵抗となつて旋回流を弱める
ことになり、前記横幅Ｋは１mm乃至シリンダ１の
直径の10％の範囲が望ましい。

また旋回流生成案内壁１４は前述のようにその
内周面１５と底面１７との接続隅部およびその外
周面１６と底面１７との接続隅部にそれぞれ丸み
γ_１，γ_２をもたせることによつて燃焼室４の鋭
角部に生じ易いヒートスポツトの発生を防止し、
それに基づくデイーゼリング等のエンジントラブ
ルを防止することができる。

以上のように本発明によれば、４サイクル内燃
機関において、燃焼室を画成する燃焼室壁の、排
気弁口の周囲に、旋回流生成案内壁を燃焼室側へ
突設するとゝもに排気通路の排気弁口へ向う方向
を、シリンダの中心よりシリンダの周壁側へ偏ら
せたので、排気通路より燃焼室内へ逆流する既燃
ガスを前記旋回流生成案内壁に衝突させてこれに
旋回流を生起させるとゝもに、その旋回流の方向
をシリンダの周壁側に積極的に導くようにしたの
で、シリンダ内には既燃ガスによる強力な旋回流
がシリンダの周方向に沿つて流れ、特に機関の低
負荷および減速運転域のように吸入空気量の少な
い場合には、前記逆流既燃ガスのシリンダ周方向
に流れる旋回流によつて燃焼室内の吸入混合気を
支配し、燃焼室内の総合気流にも強力なシリンダ
周方向の旋回流を生成させ、点火栓の火花点火に
よつて得られる燃焼火炎を強力かつ急速に成長さ
せて火炎伝播速度を増大し、低負荷、および減速
運転域においても吸入混合気を均等に燃焼させ燃
焼効率を著しく向上させることができ、HC、CO
等の未燃有害成分の発生を可及的に低減すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置を備えた機関のシリンダヘ
ツドの底面図、第２図はその―線断面図、第
３図は旋回流生成案内壁の斜視図、第４図は排気
弁部分の拡大縦断側面図、第５図は旋回流生成案
内壁の幾何学的位置関係を示す図、第６図は旋回
流生成案内壁の配置による旋回流効果を示すグラ
フ、第７図は旋回流生成案内壁の内周面と排気弁
の外周間の間隙による旋回流効果を示すグラフ、
第８図は旋回流生成案内壁の高さによる旋回流効
果を示すグラフ、第９図は旋回流生成案内壁部の
部分縦断面図、第１０図は旋回流生成案内壁の底
面を幅広にした場合の第９図と同じ旋回流生成案
内壁部の部分縦断面図である。 １…シリンダ、２…ピストン、４…燃焼室、５
…吸気弁口、６…排気弁口、９…吸気通路、１０
…排気通路、１１…空気―燃料混合気供給装置、
１２…吸気弁、１３…排気弁、１４…旋回流生成
案内壁。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ピストンを摺動自在に嵌合したシリンダの上
   部に形成される燃焼室の壁面に、吸気通路に連通
   する吸気弁口と、排気通路に連通する排気弁口と
   をそれぞれ開口し、前記吸気弁口には吸気弁を、
   前記排気弁口には排気弁をそれぞれ設け、前記吸
   気通路にはそこに空気―燃料混合気を供給する燃
   料供給手段を連設し、ピストンの下降する吸気行
   程時に、前記排気弁の未閉により前記排気通路内
   の既燃ガスの一部を燃焼室内に逆流させるように
   した４サイクル内燃機関において、前記燃焼室を
   画成する燃焼室壁の、前記排気弁口の周囲に、前
   記燃焼室内へ逆流する既燃ガスを衝突させ、これ
   に旋回流を生成させるための旋回流生成案内壁を
   設け、前記排気通路の、排気弁口へ向う方向を、
   前記シリンダの中心よりシリンダの周壁側へ偏ら
   せてなる、４サイクル内燃機関における混合気の
   燃焼改善装置。