JP2510848B2 - 液体燃料エンジン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明は、液体燃料エンジンに関し、特に４サイクル
エンジンにおいて燃料消費率を低減させるようなものに
関するものである。

【従来の技術】

近時、エンジンの燃料消費率を少なくしようとして種
々研究提案がなされているが、エンジンの燃料消費率を
少なくするにはエンジンに供給された混合気の燃焼効率
を向上することが最も有効である。そして、混合気の燃
焼を迅速に行わせるファストバーン手段を用いたものは
周知である（例えば特開昭51-64111号公報，特開昭54-1
45808号公報，特開昭52-54819号公報，特開昭58-53630
号公報等参照）。

【発明が解決しようとする課題】

ところで、前記従来のファストバーン手段において
は、燃焼を促進させるための燃焼室の構成に格別の配慮
がなされておらず、必ずしも充分な急速燃焼が得られな
かった。 また、混合気に含まれている液体燃料は、周知の如く
ガソリン，軽油等の揮発性に富んだ油類であるため、周
囲の熱的環境から熱を吸収してガス化し易く、エンジン
に供給した混合気を点火時に常にガス化された燃料と微
粒状の燃料との混在状態にしておくことが困難であっ
た。 本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので
あり、その目的とするところは、シリンダ内壁表面温度
の低温領域を拡大させると共に燃焼室の形状に工夫を行
って、ファストバーンを促進し、混合気の微粒化状態を
保つことにより、燃焼効率を向上させ、燃料消費率を低
減させ得る液体燃料エンジンを提供しようとするもので
ある。

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するために、本発明における液体燃料
エンジンは、液体燃料を吸気中に混入する燃料供給装置
と、混合気の燃焼を迅速に行わせるファストバーン手段
とを具備する４サイクルエンジンにおいて、ピストン行
程をシリンダ直径より大きくし、且つこのエンジンにお
ける混合気の燃焼をクランク角で上死点後100度以内に
完了させてシリンダ内壁表面温度の低温領域を拡大する
と共に、ピストン上面とシリンダヘッド下面に同形状で
互いに対向する浅い球面状の凹部を形成し、該凹部を前
記ピストン上面とシリンダヘッド下面の間でシリンダボ
ア外周側に形成したスキッシュエリアの内方に位置させ
る構成としてなる、ものである。

【作用】

上記のように構成された液体燃料エンジンであるの
で、ファストバーン手段を具備する４サイクルエンジン
において、ピストン行程をシリンダ直径より大きくし、
且つこのエンジンにおける混合気の燃焼をクランク角で
上死点後100度以内に完了させるようにしたことから、
ピストン上面及びヘッド側のシリンダ側壁の表面温度が
高くなり、吸気弁開弁直後に吸入される混合気のガス化
が促進され、一方、下死点よりのシリンダ側壁の温度が
低く、遅く吸入される混合気に伝達される熱量が少なく
なり、この混合気のガス化が抑制される。 また、ピストン上面とシリンダヘッド下面に、同形状
で互いに対向する浅い球面状の凹部を設けたことから、
この双方の凹部で形成される燃焼室は球面形に近づき、
その容積対表面積比は他の種々の燃焼室に比べ極めて小
さくなり、燃焼熱の放散が少なくなる。 さらに、ピストン上面とシリンダヘッド下面に、同形
状で互いに対向する浅い球面状の凹部を設け、該双方の
面の間でシリンダボア外周側に形成したスキッシュエリ
アの内方にこの凹部を配置したから、スキッシュによる
吹きつけは偏平な球面形の燃焼室の中心に向かい、吹き
つけは双方の凹部に偏ることがない。その上、燃焼室は
偏平な球面形となっているので、質量の大きい微粒子と
既に気化したものとが混在していても、燃焼室の隅々ま
で均一に混合し、ファストバーンを促進する。

【実施例】

添付図面を参照して本発明の実施例について説明す
る。 この実施例における頭上弁式４サイクルエンジンは排
気量が50ccの少排気量エンジンであって、比較的小型の
自動二輪車の原動機として用いるものである。 図において、１はエンジンで、２はシリンダ、３はシ
リンダヘッド、４はピストンである。シリンダ２は鉄製
シリンダライナを備えたアルミニウム合金製で、外周に
は空気冷却用フィン５が形成されている。 シリンダヘッド３の下面は燃焼室の端壁を構成し、こ
の端壁面の略中央には浅い球面形状をなす凹部６が形成
されている。この凹部６には吸気口８、及び排気口９及
び点火プラグ装着穴10が設けられている（第３図参
照）。 そして、図面から明らかなように、吸気口８の口径の
方が排気口９より大径になされている。これはシリンダ
２内への吸気の充填効率を高めるためである。 尚、図中11は吸気弁、12は排気弁、13は点火プラグで
あり、これらの弁11,12は図示しないカム軸及び操作杆
を介してロッカアーム14,15を揺動させて開閉するよう
になっている。 この吸気口８へは図示しない気化器を介してガソリン
（液体燃料）が混入された混合気が吸気通路16を経て供
給される。この吸気口８に連なる吸気通路16は第１図中
Ｌより下流において直線的に吸気口８に延びている。そ
のため、この直線部分でシリンダ２内に供給される混合
気の流動方向を整え、混合気はシリンダ中心軸０に対し
て傾斜してシリンダ２内に流入する。 その結果シリンダ２内において混合気はシリンダ中心
軸０まわりのスワールを生じ、これがファストバーン手
段として機能を果たす。 ピストン４は周知の如くコンロッド20を介してクラン
ク軸17を連動すべく構成してあり、ピストン４の上面に
は浅い球面状の凹部18がシリンダボア中心線０から一側
に偏って配置されている。 この凹部18に対向するように前記のシリンダヘッド３
側の凹部６も配置され、この凹部18以外のピストン上面
はシリンダヘッド３下面との間でスキッシュエリアを構
成している。 そして、これらの凹部6,18の偏った側になるシリンダ
ヘッド３には点火プラグ13が配置されており、点火プラ
グ13の電極部分19の近傍に比較的多量の圧縮された混合
気が確保されるため、点火プラグ13による着火を良好に
している。 また、この着火燃焼による燃焼熱の放散は、ピストン
４上面とシリンダヘッド３下面に、前記同形状で互いに
対向する浅い球面状の凹部18,6を設けたことから、この
双方の凹部で形成される燃焼室は球面形に近づき、その
容積対表面積比は他の種々の燃焼室に比べ極めて小さく
なり、その放散が少なくなる。 このように構成されたエンジン１は第２図に実線で示
す上死点位置と仮想線で示す下死点位置との間の距離
（ピストン行程）Ｓがシリンダ直径Ｄより大きく設けら
れている。 次に、この実施例のエンジンの作動を第５図で吸気〜
圧縮行程において説明する。 （ａ）吸気行程になると、まず吸気弁11が開き吸気口８
から混合気がシリンダ２内に入る。このときピストン４
は、上死点近傍に位置しているからピストン上面直上の
空間に混合気が位置することになる。 このようにピストン４直上の空間に供給された混合気
を先行混合気Ａと呼ぶことにする。 この先行混合気Ａは吸気通路16がシリンダ中心軸０に
対し傾斜して設けられているためシリンダ２内でスワー
ルを生じる（第５図（ａ）参照）。 （ｂ）そして、ピストンは移動速度を増しつつ下降する
ため先行混合気Ａは、スワールを継続しながらピストン
４直上の位置でピストンの移動に伴って下降する。 この先行混合気Ａの下方への移動により、この先行混
合気Ａの上方には吸気口から新たな混合気（以下、後続
混合気Ｂという）が充填される。この後続混合気Ｂも先
行混合気Ａと同様にスワールを生じている（第５図
（ｂ）参照）。 （ｃ）このようにして吸気行程が終ると、吸気弁11が閉
止してピストンが上昇する。このとき、先行混合気Ａ及
び後続混合気Ｂは慣性によりスワールを継続している
（第５図（ｃ）参照）。 （ｄ）このようにしてピストン４が上昇し上死点近傍に
なると、ピストンによって構成されている燃焼室の全体
形状が、第５図（ｄ）に示す如くそれまでのシリンダ２
による円筒形状から変化し、偏平な球形に近付く。 この偏平な球形のスペースの直径ｄはそれまでのシリ
ンダ直径Ｄより小さいのでそれまでシリンダ２内壁に沿
って旋回していた混合気は徐々にシリンダ中心軸０側に
押し出される。そしてスワールの直径が縮小されるので
減衰しつつあったスワールの旋回速度が補われる（第５
図（ｄ）参照）。 （ｅ）さらにピストン４が上昇すると、点火プラグ13の
点火に前後してシリンダヘッドとピストン４上面との間
においてスキッシュを生じ、爆発行程となる。 ところでスキッシュは、本来そのスキッシュの流れ自
体が点火プラグの電極付近の混合気に直接乱れを生じさ
せて燃焼速度を高めるもので、本発明でいうファストバ
ーン手段の１つでもある。 この実施例におけるスキッシュは、燃焼室内のスワー
ルに対して吹きつけるもので、スワールに対してスキッ
シュにより混合気を吹きつけると、この吹きつけは偏平
な球面形の燃焼室の中心に向かい、該吹きつけは双方の
凹部に偏ることがない。その上、燃焼室は偏平な球面状
となっているので、質量の大きい微粒子と既に気化した
ものとが混在していても、燃焼室の隅々まで均一に混合
し、そのスワールに乱れを生じその乱れた状態で点火プ
ラグ13の電極部分19に至るので点火プラグ13による着火
の確実性と、火炎伝播速度を高める効果がある。 次に、このような作動をなすエンジンが燃焼効率を向
上している理由を説明する。 先に説明したように、シリンダ２内に吸込まれた混合
気には先行混合気Ａと後続混合気Ｂがあり、先行混合気
Ａの多くはエンジンの吸気行程の初期から点火するまで
の長時間にわたって、エンジン内で最も高温とされてい
るピストン上面の近傍に位置してスワールを続けること
になる。そのため混合気中に含まれている燃料粒は点火
時までに上面の熱を得てガス化される確率が極めて高
い。 一方、後続混合気Ｂは、シリンダ２内に入って点火さ
れるまでの時間が先行混合気Ａに比べて短時間であり、
かつエンジン内で最も高温とされるピストン上面との間
には前記の先行混合気Ａが介在している。その結果，主
にシリンダ２内壁からの熱により燃料のガス化熱量を得
ることになるので後続混合気Ｂは先行混合気Ａよりシリ
ンダ内で得る熱量は少ない。 ところで、本発明は、点火前の混合気にガス化された
燃料と微粒状の燃料とを混在させるものであるので、ガ
ス化された燃料は前述のように先行混合気Ａによって得
られるとしても、微粒状の燃料をいかに確保するかが本
発明の目的を達成する最大のポイントである。 そこで、第６図に示したモデル化したグラフによって
上記の点について詳述する。 まず、今、仮に混合気の燃焼完了クランク角度が上死
点からθ（度）である場合のエンジンのシリンダ内壁の
表面温度を考えてみると、第６図実線Ｐで示すようであ
る。すなわち、上死点近傍で混合気に着火しクランク角
がθに達するまでの間に燃焼室側壁となるシリンダ内壁
表面温度は、燃焼火炎あるいは燃焼直後の高温ガスにさ
らされるため極めて高温となる（尚、この高温部分は混
合気の燃焼状態によって必ずしも均一温度ではないが、
第６図が考え方の説明図であるので図面上このように作
成したにすぎない）。 以下において、この燃焼完了クランク角θより上死点
側となるシリンダ内壁を高温部Ｈという。 一方、燃焼完了クランク角がθの点から下死点に至る
間ではシリンダ内に存在する既燃ガスの熱の授受及び前
記の高温部Ｈからの熱伝達によってシリンダ内壁表面温
度が主に定まり、既燃ガスとシリンダ壁との間での熱交
換時間も下死点に近い程短くなる。 従って、シリンダ内壁表面温度は下死点に近づけば近
づくほど表面温度が低下することになる。 このような理由からシリンダ内壁表面温度は、このよ
うな傾向を備えたものと想定される。 以下の説明では、この燃焼完了クランク角θである点
から下死点側となるシリンダ内壁を低温部Ｌということ
にする。 ここで、本発明におけるファストバーン手段の意義を
説明する。 第６図に示した仮想線Ｑは先に説明したエンジンの燃
焼完了角度のみを小さくした場合を示し、仮想線Ｒは燃
焼完了角度のみを大きくした場合を示す。 仮想線Ｑに示すように、燃焼完了角度を小さくする
と、燃焼完了時に燃焼室壁面積が実線Ｐの場合に比べて
狭くそこに一定の熱量が生じるのでそのときに燃焼室側
壁を形成している高温部Ｈのシリンダ内壁表面温度が上
昇する。これは言い替えると低温部Ｌの低温化が為され
ていることを意味する。すなわち、一定量の燃料を燃焼
して生じた一定量の熱量の多くを前述の高温部Ｈに集中
させることによって低温部Ｌの領域の拡大を図り、その
結果，低温部Ｌの得る熱量を広い面積にわたって分散さ
せて低温部Ｌの温度低下を図るものである。また、低温
部Ｌの下部からすれば熱源となる高温部Ｈの末端がＰの
場合と比べて上死点寄りに位置しているので、シリンダ
を経る伝熱距離が遠くなり、比較的低温になる。さら
に、燃焼完了位置が遠くなることによって燃焼直後の既
燃ガスが低温部Ｌの下死点寄りの部分に到達するまでの
時間が長くなって下死点寄りの低温部Ｌの低温化に寄与
する。 これとは逆に、仮想線Ｒで示すように燃焼完了クラン
ク角が大きくなると燃焼室壁面積が大きくなることによ
って一定の熱量が分散されその結果，高温部Ｈの温度が
低下し、また熱源位置が下死点側に寄って位置するの
で、これより下死点側でのシリンダ内壁表面温度の上昇
を招く。 すなわち、本発明においてファストバーン手段はシリ
ンダ側壁のうち燃焼完了時に燃焼室側壁となる高温部Ｈ
をさらに高温にすることにより、これより下死点側とな
る低温部Ｌのシリンダ内壁表面温度を低下させるもので
ある。 そのため、後続混合気Ｂのうち比較的長時間にわたっ
てシリンダ２内に留まるものが受ける熱量を減少させて
微粒状の燃料のガス化される確率を低くして着火時まで
微粒状態を維持させるようにする。 以上説明した低温部Ｌの低温化のために、本発明はさ
らにピストン行程Ｓをシリンダ直径より大としている。
これは燃焼完了クランク角が同一であってもピストン行
程がシリンダ直径Ｄより大きいエンジンでは高温部Ｈか
ら下死点までの距離を拡大することができ低温部Ｌ下部
の温度が比較的低温に保ち易いためである。 また、図に示す実施例ではファストバーン手段として
吸気にスワールを生じさせている。このスワールは究極
的には点火プラグ13の電極19近傍での混合気の乱れを生
じさせて急速燃焼を図るものであるが、この実施例では
とくに吸気及び圧縮行程中にスワールが継続されている
ことにより、次のような意義を持つものである。 すなわち、このスワールによりとくに後続混合気Ｂは
シリンダ２内周壁に沿って流動するため、後続混合気Ｂ
の多くがシリンダ内周壁から熱伝達を受けることにな
る。しかし、シリンダ２内に比較的長時間留まる後続混
合気Ｂと短時間留まる後続混合気Ｂの熱授受の差は、低
温部Ｌでの熱授受の差しかないので後続混合気Ｂの全体
的な加熱状態はほぼ均一となる。 従って、シリンダ内壁表面に蓄えられた一定量の熱量
が後続混合気Ｂの多くの部分に分散して伝熱されるた
め、このような伝熱によっては後続混合気Ｂに含まれた
燃料粒が微細化されるに止まり、ガス化に至る確率が小
さい。この意味ではスワールが微粒状の燃料の確保に関
与している。 また、本発明ではシリンダ内壁表面温度の低温領域を
拡大するためにピストン行程Ｓをシリンダ直径より大と
した場合に、燃焼完了がクランク角で上死点後何度まで
行えばよいかを種々実験した結果，燃焼完了クランクと
燃料消費率との間に第７図に示す定性が認められた。そ
こで、この定性から燃焼完了クランク角として上死点後
100度までが有効であると判断された。

【発明の効果】

本発明に係る液体燃料エンジンは、上記のように構成
されているため、 ファストバーン手段を具備する４サイクルエンジンに
おいて、ピストン行程をシリンダ直径より大きくし、且
つこのエンジンにおける混合気の燃焼をクランク角で上
死点後100度以内に完了させるようにしたことから、ピ
ストン上面及びヘッド側のシリンダ側壁の表面温度が高
くなり、吸気弁開弁直後に吸入される混合気のガス化が
促進され、一方、下死点よりのシリンダ側壁の温度が低
く、遅く吸入される混合気に伝達される熱量が少なくな
り、この混合気のガス化が抑制され、点火までに微粒状
態が確保されて燃焼効率を向上し、燃料消費率を低減さ
せることができる。 また、ピストン上面とシリンダヘッド下面に、同形状
で互いに対向する浅い球面状の凹部を設けたことから、
この双方の凹部で形成される燃焼室は球面形に近づき、
その容積対表面積比は他の種々の燃焼室に比べ極めて小
さくなり、燃焼熱の放散が少なくなるので、高温部Ｈを
一層高温にし、ファストバーンを促進して混合気の微粒
化状態を保つことができる。 さらに、スワールを生じている燃焼室内の混合気は、
ピストン上死点においてスキッシュにより吹きつけられ
て乱れを生じるが、ピストン上面とシリンダヘッド下面
に、同形状で互いに対向する浅い球面状の凹部を設け、
該双方の面の間でシリンダボア外周側に形成したスキッ
シュエリアの内方にこの凹部を配置したから、スキッシ
ュによる吹きつけは偏平な球面形の燃焼室の中心に向か
い、吹きつけは双方の凹部に偏ることがない。その上燃
焼室は偏平な球面形となっているので、質量の大きい微
粒子と既に気化したものとが混在していても、燃焼室の
隅々まで均一に混合し、そのスワールに乱れを生じその
乱れた状態で点火プラグの電極部分に至るので点火プラ
グによる着火の確実性と、火炎伝播速度を高める効果が
あり、ファストバーンを促進ものである。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明に係る液体燃料エンジンの実施例に関し、
第１図は吸気弁及び排気弁を見せた（第２図のＩ−Ｉ線
に沿う）断面図、第２図は点火プラグを見せた（第１図
のII-II線に沿う）断面図、第３図は第１図のIII-III方
向に見たシリンダヘッド側燃焼室形状説明図、第４図は
第１図のIV-IV方向に見たピストン上面図、第５図
（ａ）〜（ｅ）はこの実施例のエンジンにおける吸気な
いし圧縮行程説明図、第６図はシリンダ内壁表面温度モ
デル説明図、第７図はこの実施例における燃焼完了クラ
ンク角と燃料消費率の関連を示す定性的グラフである。 S;ピストン行程、D;シリンダ直径、1;エンジン、2;シリ
ンダ、3;シリンダヘッド、4;ピストン、6;シリンダヘッ
ド下面の凹部、8;吸気口、18;ピストン上面の凹部。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭52−54819（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−53630（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−145808（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−64111（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−101216（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−117315（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−158319（ＪＰ，Ａ) 実開 昭56−34030（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭55−180028（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭47−24041（ＪＰ，Ｂ１) 米国特許3999532（ＵＳ，Ａ) 米国特許3455282（ＵＳ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】液体燃料を吸気中に混入する燃料供給装置
   と、混合気の燃焼を迅速に行わせるファストバーン手段
   とを具備する４サイクルエンジンにおいて、ピストン行
   程をシリンダ直径より大きくし、且つこのエンジンにお
   ける混合気の燃焼をクランク角で上死点後100度以内に
   完了させてシリンダ内壁表面温度の低温領域を拡大する
   と共に、ピストン上面とシリンダヘッド下面に同形状で
   互いに対向する浅い球面状の凹部を形成し、該凹部を前
   記ピストン上面とシリンダヘッド下面の間でシリンダボ
   ア外周側に形成したスキッシュエリアの内方に位置させ
   る構成としてなる液体燃料エンジン。