JP2005098242A - エンジンの吸気装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構成で希薄燃焼を行って効果的に排気ガス特性を向上することのできるエンジンの吸気装置を提供する。
【解決手段】 吸気ポート１６に対向する領域でエンジン１のシリンダ３ａ壁面に開口しピストン１０の往復運動によって開閉されるガス通路２０ａと、このガス通路２０ａに連通する副室２０とを設ける。副室２０は、ガス通路２０ａの開閉によって、膨張行程時に燃焼室１２内で発生した高圧な燃焼ガスの一部を貯え、貯えた燃焼ガスを吸気行程時に吹出す。燃焼ガスの吹出しによって吸気ポート１６から吸入される混合気に強いタンブル流を発生させることができ、希薄燃焼を高い着火性で実現して、エンジン出力を維持したまま、効果的に排気ガス特性が向上する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、希薄燃焼によって排気ガス特性を向上するエンジンの吸気装置に関する。

従来より、エンジンにおいては、希薄燃焼を行うことで、排気ガス特性の向上を図る技術が広く採用されている。例えば、特許文献１には、主燃焼室と連通する副室をピストン上部に設け、副室内で形成した着火可能な混合気の燃焼火炎で主燃焼室の希薄混合気を着火することで希薄燃焼を実現し、主として排気ガス中に含まれている窒素酸化物（ＮＯｘ）等の低減を図る技術が開示されている。
特開平５−７９３３０号公報

ところで、特許文献１に開示されている技術では、副室内への燃料噴射のタイミングや点火時期等を精密に電子制御する必要がある。

しかしながら、全てのエンジンが電子的な制御を採用できるわけではなく、特に、作業機やスノーモービル等の原動機として使用される汎用エンジンは、電源を持たないエンジン単体として供給されるため、電子的に制御される各種制御機器を備えることは困難であり、電子的な制御によらない簡素な構成で希薄燃焼を行って排気ガス特性を向上することが課題となっている。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、簡単な構成で希薄燃焼を行って効果的に排気ガス特性を向上することのできるエンジンの吸気装置を提供することを目的とする。

本発明は、吸気ポートに対向する領域でエンジンのシリンダ壁面に開口しピストンの往復運動によって開閉されるガス通路と、上記ガス通路に連通し、吸気行程時に燃焼ガスを上記ガス通路から燃焼室に吹出して上記吸気ポートから吸入される混合気にタンブル流を発生させるタンブル発生手段とを備えたことを特徴とする。

その際、上記タンブル発生手段を上記ガス通路に連通する副室で構成し、上記副室は、膨張行程時に上記燃焼室で発生する燃焼ガスの一部を上記ガス通路を介して導入し、導入した燃焼ガスを吸気行程時に上記ガス通路を介して上記燃焼室に吹出すことが望ましく、また、上記ガス通路は、上記吸気ポートの対角を中心とする１２０°の領域内で上記シリンダ壁面に開口することが望ましい。

本発明のエンジンの吸気装置によれば、燃焼ガスを用いて混合気にタンブル流を発生させることにより、簡単な構成で希薄燃焼を実現し効果的に排気ガス特性を向上することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図面は本発明の一形態に係わり、図１はエンジンの要部断面図、図２は燃焼室と副室との関係を示す図１のＡ−Ａ断面図、図３は膨張行程から排気行程への移行時の燃焼ガスの状態を示す説明図、図４はピストンが上死点側に位置する排気行程時の燃焼ガスの状態を示す説明図、図５はピストンが下死点側に位置する吸気行程時の燃焼ガス及び混合気の状態を示す説明図、図６は燃焼室と副室との関係の変形例を示す断面図、図７は燃焼室と副室との関係の他の変形例を示す断面図である。

図１において、符号１は、発電機や作業機、スノーモービル等の原動機として使用される単気筒の汎用エンジンであり、同図においては、ＳＯＨＣエンジンである。このエンジン１は、クランクケース２と一体形成されるシリンダブロック３が傾斜することで全高が低く構成されており、シリンダブロック３上部のシリンダヘッド５及び該シリンダヘッド５に固設されるロッカカバー６の上部にマフラ８が配設されている。

クランクケース２にはクランクシャフト１ａが回動自在に軸支され、このクランクシャフト１ａに、シリンダブロック３に形成されたシリンダ３ａ内で往復運動するピストン１０がコネクティングロッド９を介して連設されている。また、コネクティングロッド９のクランクシャフト１ａを把持する大端部には、オイルスクレーパ１１が固設されている。

シリンダ３ａ内には、シリンダヘッド５の下面及びピストン１０の頂面で区画される燃焼室１２が形成され、この燃焼室１２に、シリンダヘッド５内の動弁機構１３によって駆動される吸気バルブ１４及び排気バルブ１５と、図示しない点火プラグが臨まされている。シリンダヘッド５には、吸気バルブ１４によって開閉される吸気ポート１６と排気バルブ１５によって開閉される排気ポート１７とが形成されており、下方に開口される吸気ポート１６が図示しないエアクリーナに連通され、上方に開口される排気ポート１７が排気管１８を介してマフラ８に連通されている。

また、シリンダブロック３には、タンブル発生手段として、所定容積の副室２０が設けられている。この副室２０には、シリンダ３ａの壁面に開口するガス通路２０ａが連通されており、ガス通路２０ａは、ピストン１０の往復運動に応じて開閉されることにより、副室２０を燃焼室１２に連通し、また副室２０を燃焼室１２から遮断して閉塞する。

ここで、副室２０及びガス通路２０ａの諸元は、エンジン１の運転条件、燃焼室１２の容積、ピストン１０のストローク、吸排気系の条件等を考慮し、予めシミュレーション或いは実験等により適宜設定される。

すなわち、本形態において、ガス通路２０ａを含む副室２０の容積は、膨張行程時に導入した燃焼ガスを、吸気行程時に最適なガス圧で適量、燃焼室１２に供給可能となるよう設定されている。

また、図１，２に示すように、ガス通路２０ａは、吸気ポート１６の対角でシリンダ３ａの壁面に開口されており、少なくとも、ピストン１０が上死点に達する前に閉塞され、ピストン１０が下死点に達する前に開口されることを条件として、可能な限り下死点に近い位置で副室２０を燃焼室１２に連通するように設定されている。なお、ピストン１０のスカート部１０ａは、ガス通路２０ａに対応する部位が一部クランクケース２側に延設されており、これにより、ピストン１０が上死点側に位置する際のガス通路２０ａの閉塞状態が保証されている。

さらに、図１に示すように、ガス通路２０ａは、シリンダ３ａの径方向に対し、吸気ポート１６に指向する側にやや傾斜されている。

このような構成のエンジン１において、図３に示すように、膨張行程から排気行程への移行時にピストン１０が下死点近傍に移動してガス通路２０ａが開口されると、膨張行程時に燃焼室１２内で発生した高圧な燃焼ガスの一部が、排気ポート１７から排気されることなく副室２０内に導入される。

その後、図４に示すように、排気行程時において、ガス通路２０ａはピストン１０の上死点側への移動によって直ちに閉塞され、副室２０に導入された燃焼ガスは、高圧なまま副室２０内に貯えられる。

その後、図５に示すように、エンジン１が排気行程から吸気行程へと移行し、ピストン１０が下死点側に移動してガス通路２０ａが再び開口されると、副室２０内に貯えられた高圧な燃焼ガスが燃焼室１２内に解放される。ここで、ガス通路２０ａは吸気ポート１６の対角でシリンダ３ａの壁面に開口されており且つ吸気ポート１６に指向する側にやや傾斜されているため、副室２０からガス通路２０ａを介して燃焼室１２内に吹出された高圧な燃焼ガスは、ピストン１０の往復動方向（シリンダ３ａの縦方向）に略円弧状の軌跡を描きながら吸気ポート１６側に導かれ、吸気ポート１６から導入される混合気と合流することで当該混合気に強いタンブル流を発生させる。

このような形態によれば、吸気ポート１６に対向する領域でエンジン１のシリンダ３ａ壁面に開口しピストン１０の往復運動によって開閉されるガス通路２０ａと、このガス通路２０ａに連通する副室２０を設けただけの簡単な構成で、吸気ポート１６から吸入される混合気に、燃焼ガスを用いて強いタンブル流を発生させることができる。そして、混合気に強いタンブル流を発生させることにより、希薄燃焼を高い着火性で実現することができ、エンジン出力を維持したまま、効果的に排気ガス特性を向上することができる。

同時に、燃焼ガスを用いてタンブル流を発生させることにより、いわゆる内部ＥＧＲ（排気ガス再循環）と同等の効果も実現することができ、単位発熱量当たりのガス量を増大させて燃焼温度を低下させ、エネルギー効率を向上し、特にＮＯｘ（窒素酸化物）の排出量をより効果的に低減することができる。

ここで、本形態において、シリンダ３ａの壁面に開口するガス通路２０ａ及びこれに連通する副室２０は、それぞれ単一のものに限定されるものではなく、エンジン１のレイアウト上の制約や必要とされる容積、或いは、エンジン１の吸排気特性等に応じて、例えば、図６，７に示すように、複数個設定されるものであってもよい。この場合、混合気に良好なタンブル流を発生させるため、各ガス通路２０ａをシリンダ３ａの壁面に開口する位置は、吸気ポート１６の対角を中心とする１２０°の領域内に設定されていることが望ましい。

なお、上述の形態においては、本発明を単気筒の汎用エンジンに適用した一例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、多気筒の汎用エンジンや車載用のエンジン等にも適用することが可能である。この場合、多気筒エンジンにおいては、副室及びガス通路を気筒毎に設けることも可能であるが、単一の副室に各気筒のガス通路をそれぞれ連通し、吸気行程時に、他の気筒で発生した燃焼ガスを用いて混合気にタンブル流を発生させてもよい。また、特に、ターボ過給機を備えた車載用エンジンにおいては、ターボ過給機周辺の排気管に接続するＥＧＲ通路等をタンブル発生手段としてガス通路に連通し、混合気にタンブル流を発生させてもよい。

エンジンの要部断面図 燃焼室と副室との関係を示す図１のＡ−Ａ断面図 膨張行程から排気行程への移行時の燃焼ガスの状態を示す説明図 ピストンが上死点側に位置する排気行程時の燃焼ガスの状態を示す説明図 ピストンが下死点側に位置する吸気行程時の燃焼ガス及び混合気の状態を示す説明図 燃焼室と副室との関係の変形例を示す断面図 燃焼室と副室との関係の他の変形例を示す断面図

符号の説明

１ … エンジン
３ａ … シリンダ
１０ … ピストン
１２ … 燃焼室
１６ … 吸気ポート
２０ … 副室（タンブル発生手段）
２０ａ … ガス通路
代理人 弁理士 伊 藤 進

Claims (3)

1. 吸気ポートに対向する領域でエンジンのシリンダ壁面に開口しピストンの往復運動によって開閉されるガス通路と、
   上記ガス通路に連通し、吸気行程時に燃焼ガスを上記ガス通路から燃焼室に吹出して上記吸気ポートから吸入される混合気にタンブル流を発生させるタンブル発生手段とを備えたことを特徴とするエンジンの吸気装置。
2. 上記タンブル発生手段を上記ガス通路に連通する副室で構成し、上記副室は、膨張行程時に上記燃焼室で発生する燃焼ガスの一部を上記ガス通路を介して導入し、導入した燃焼ガスを吸気行程時に上記ガス通路を介して上記燃焼室に吹出すことを特徴とする請求項１記載のエンジンの吸気装置。
3. 上記ガス通路は、上記吸気ポートの対角を中心とする１２０°の領域内で上記シリンダ壁面に開口することを特徴とする請求項１または請求項２記載のエンジンの吸気装置。

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