JP2613811B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、内燃機関、よりくわしくは、４ストロー
ク、より特定的には２ストローク型の内燃機関に関す
る。

［従来の技術］ 従来エンジンにおける吸気ポートが指向型ポートであ
る場合、これを貫流してシリンダに達する空気流は、関
連する弁の軸線に対してシリンダの半径方向に円周的に
流れる。かようなポートは、このポートのすぐ上流に比
較的急角度のベンドをもつ吸気ダクトを有する。典型的
には、このベンドの内側の曲率半径は、0.3r（ここにお
いてｒはポートの半径）以下であり、ベンドの外側曲率
半径よりかなり小さいので、使用時において、空気流は
ベンドの内側がはなれ、ベンドの上流において吸気ダク
トによって画定される方向につまり円周方向においてシ
リンダに入る。この方向は、ベンドによる影響を殆んど
うけない。かくして、空気は主として、弁軸線に対して
ポートの一方の側に沿ってシリンダに入る。

云うまでもなく、火花点火式の４ストロークエンジン
においては、燃料と空気の吸入時にかなりの乱流がある
ので、迅速且つ完全な燃焼が行なわれる。かような乱流
は、いわゆる「押つぶし（Squish）」領域を設けて発生
させることは知られている。シリンダヘッドが、ピスト
ンの上死点（TDC）に極めて接近するとき、ピストンの
上面の一部が上記領域内において、シリンダヘッドの対
応部に極めて近づくので、空気はこの領域から絞り出さ
れて燃焼室に入り、空気と燃料は上死点において強烈な
乱流を起す。これもまた知られているが、空気がシリン
ダに入るとき装填空気は渦流を起し、ピストンが上死点
に近づくと、乱流となる。

上死点近くにおいて乱流を起させる他の方法は、吸気
ポートを、シリンダの軸線に対する横断方向の軸線のま
わりにおける空気の回転運動を起させるように形成する
ことにより、シリンダ内の空気を「回転（Tumbling）」
運動させることである。シリンダ内において上死点を越
えても続けようとする渦流と異なり、転回運動は、上死
点において総体的に乱流に変化する。「転回」運動は、
２ストロークおよび４ストロークエンジンにおいて、乱
流を形成するのに効果があるばかりでなく、２ストロー
クエンジンにおける掃気にも有効である。この型式のエ
ンジは、シリンダ軸線に対して大体平行の吸気ダクトを
ふくむので、吸気ポートを通る空気はシリンダの隣接側
面を主として流下し、次いでピストンを横切る流れを作
り、シリンダの他の側面を上昇し、かくしてかなりの程
度の転回運動が発生する。

近年、車に２ストロークエンジンを積む傾向が強まっ
ているので、エンジンの一層小型化、軽量化がはかられ
ている。ピストンでコントロールされる吸気ポート付の
エンジンは特に、魅力的であるが、それにもかかわらず
クルマのエンジンとしてはそれ程好まれているわけでは
ない。つまり、ポートの存在により、熱荷重は不均等、
不均整となり、シリンダは変形しようとし、シール、摩
擦、更に摩耗に問題が生じる。

シリンダの変形は、２ストロークエンジンの場合、シ
リンダヘッド内に従来型のポペット弁を設けることによ
って解決される。この型式の、および請求範囲１の特徴
記載部分における型式のエンジンは、GB−Ａ−1568302
に開示されている。このエンジンは、２つの吸気弁を含
むが、これらは排気弁に対してかなりの角度で傾いてい
るので、燃焼室のひさし型構造が傾斜し、かくて凹状の
あるいは平坦頂部型ピストンで高い圧縮比をうけること
は不可能になる。

凹状の平坦頂部型ピストンは、次の理由で好ましい種
類といえる。つまり、実質的にドーム型あるいは突出す
るクランク型の頂部をもつピストンは、望ましい吸気の
転回運動を阻害するからである。吸気ポートは、壁ある
いは隔壁によって排気ポートから離されるが、これら壁
により、吸気弁の内縁は運動の殆んど全工程中におい
て、接触しつづけるので、吸気弁を通過する空気流は壁
からはなれた側だけ大部分が移動し、次いで隣接するシ
リンダ壁により転回運動に誘導される。

吸気弁と排気弁間の角度を、もし小さくして、燃焼室
の容積を減らすと、指向性吸気ポートからの空気の流出
流は、隣接シリンダ壁が近くにあることにより排気孔へ
逃げてかなり妨害され、シリンダへの流入空気量は減少
し、かくしてエンジンの出力がおちる。上記従来エンジ
ンの吸気ポートからの空気流は、指向性を与えられ、い
くらか拡散し、「焦点が定まらない」ので、慣性モーメ
ントが不十分となり、燃料をシリンダの全体に回る勢い
がなくなり、エンジンの力不足となる。

本発明の目的は、上記型式のエンジンにおいて、たと
えば２ストローク型式のとき、吸気は、前の燃焼サイク
ルの時からシリンダ内に残った残留ガスを確実に掃気で
き、２ストロークあるいは４ストローク型式のとき、吸
気はより細く絞られ、かくしてより力強い流れとなっ
て、転回運動をし、上死点においてより強力な乱流が発
生するエンジンを提供するにある。

本発明の他の目的は、吸気弁と排気弁の各軸線間の角
度が、横から視て小さくなるので、エンジンの圧縮比が
上昇するエンジンを提供するにある。

［発明の開示］ 本発明による、上記型式のエンジンは、吸気ダクトの
各軸線が各ダクトを通る空気の流れ方向に収れんし、各
吸気ダクトの軸線は、他の吸気ダクトつまり隣りの吸気
ダクトの軸線と、シリンダ軸線の方向から視て、少なく
とも20度の角度を画定することを特徴とする。

好ましくは、各吸気ダクトの軸線は、シリンダ軸線に
対して平行の線、つまり吸気ダクトの軸線と交さする線
に対して、60度、好ましくは45度以下の角度で傾斜する
かなり長い軸方向部分を有する。吸気ダクトからの空気
流はかくして、大体において軸方向に向いているが、瞬
間的には、半径方向外向きとなり、実際的に関連する弁
の頭部のまわりを回る。すなわち、空気は、ほぼ隣りの
シリンダ壁に向っている側面のポートをへて円周方向に
流れる。この結果、本発明によるエンジンにおいて、吸
気ダクトを通る空気流は、上述の先行発明に開示される
ように、排気弁から大体において離れるようになされ、
再度、隣接シリンダ壁を下降し、次にピストンの頂部を
横切って、他のシリンダ壁を上昇して、排気弁に向う。
排気弁近くの側面における吸気ポートから流出する空気
は殆んどないので、エンジンがもし２ストロークエンジ
ンだとしても、吸気ポートから排気ポートに直接逃げて
しまう空気は殆んどない。しかし、上述の従来技術につ
いて説明したように、吸気ポートから流れて来た空気
は、シリンダ軸線に対して平行に流れることはなく、代
りに各流れは収れんして、吸気ポートの下流のあるう地
点で合体し、単一の比較的細い空気流が形成される。こ
の空気流は、従来技術の場合より強力且つ接続するよう
シリンダ内でループ状に転回する。

吸気ダクトの各軸線によって形成される角度は、軸方
向から視て、20〜120度の間、より好ましくは40〜90度
の間である。吸気ポートが２つしかない本発明の好適具
体例の場合、これらのダクトの軸線は単一の面内に入
り、好ましくはこの面内において５〜15度の範囲内にお
いて互いに傾斜する。望ましくは、吸気ダクトの軸線
は、平面で視て、シリンダ軸線から、0.75R〜2R、好ま
しくは1.0R〜1.25R（Ｒはシリンダの半径）の距離だけ
はなれる点において交わるのがよい。

云うまでもなく、実際問題として、吸気ダクトはその
全長にわたってまっすぐなわけではない。つまり、もし
全体が直線状であるなら、吸気弁のステムは吸気ダクト
内に全体が入ってしまう。したがって、吸気ダクトは曲
げる必要があり、この明細書において以下、「吸気ダク
トの軸線」なる用語は、吸気ダクトの全長の大部分の方
向、つまり吸気ダクトの主たる方向を指す。「吸気ダク
トの軸線」は、事実上、ダクトの短かいベンドによって
は殆んど影響されない吸気ダクト内の空気の主要方向を
指す。好適具体例において、各吸気ダクトは関連吸気ポ
ートのすぐ上流において曲げられる。この吸気ダクト
は、シリンダ軸線に対して鋭角で曲がるベンドの下流の
吸気ポートと共軸の短部と、シリンダ軸線に対して鋭角
で反対方向に曲がるベンドの上流の長部とを有する。吸
気ダクトと吸気ポートはこのため、上述の従来技術のも
のと大体同じ構造を有するが、上記先行明細書の場合よ
り小さい角度、たとえば10〜30度の角度だけ回転するの
で、吸気弁と排気弁の軸線間の角度は減少し、ひさし形
のより平坦な形状になる。かくして、燃焼室の容積は減
少し、エンジンの圧縮比は向上する。

かくして、GB−Ａ−1568302の発明が有する問題は解
決する。すなわち、吸気ポートを流れる空気流は、とな
りのシリンダ壁によって妨害される。つまり、平面図で
視て、吸入空気の流動方向はいくらか回転するからであ
る。この結果、吸気ポートと隣りのシリンダ壁との間の
流動径路の有効長は長くなり、空気流は極めて急角度で
シリンダ壁にぶつかる。

好ましくは、立面図で視て、各ベンドの内縁は比較的
鋭角の曲率半径で屈曲しているが、0.3rをこえることは
なく、このときｒは関連する吸気ポートの半径である。
この比較的鋭角のベンドを設ける理由は、ダクトを貫流
する空気が、ベンドの内縁において吸気ダクトの壁から
確実にはなれるようにすることにある。このため、空気
流はベンドの存在にもかかわらず、殆んど直線方向に連
続的に流れつづける。云うまでもなく、ベンドの存在が
あっても吸気弁の「指向性」機能があるので、空気は、
ひとつの方向にのみ円周方向に大部分が、つまり吸気ダ
クトの軸線に対して平行の方向において吸気ポート流出
し、排気ポートからはなれる方向に流れる。

シリンダ中の単一の細い空気の「転回」パターンは、
上死点のすぐ前において強力な乱流となり、２ストロー
クエンジンの場合は、極めて少量の空気を吸気ポートか
ら排気ポートに直接流すことにより、シリンダと燃焼室
内は特に効果的に掃気される。

［実施例］ 本発明の他の特徴と細部は、添付図と関連的になされ
た本発明による単シリンダ、火花点火式２ストロークエ
ンジンに関する以下の記述から明らかになる。

このエンジンは、ひとつ以上のシリンダ４、この場合
は４気筒であり、それぞれが往復ピストン６を含むシリ
ンダを画定するシリンダブロック２を有する。シリンダ
４は、共通のシリンダヘッド８で閉じられるが、このヘ
ッドは各シリンダより上に来る２つの傾斜表面を有す
る。これらの表面は、134度で傾いているので、ひさし
型の燃焼室10が形成される。２つの傾斜表面の内側に
は、２つの排気ポート12と２つの吸気ポート14がある。
各排気ポート12は、燃焼室の半分と連通し、各吸気ポー
ト14は、平面図で視て、燃焼室の他の半分と連通する。
排気ポート12は、個々の排気ダクト16と連通し、個々の
ポペット弁18によってコントロールされる。同様に、吸
気ポート14は個々の吸気ダクトと連通し、個々のポペッ
ト弁22によってコントロールされる。ポペット弁18,22
は、任意の方法、たとえばエンジンのクランクシャフト
によって動かされるカムシャフトによって作動する。

各吸気ダクトは、関連する吸気ポート14のすぐ隣りに
初めの短部24と、より長く殆んど直線状の長部26とを有
する。短部24の軸線は、吸気ポートの軸線と一致してお
り、10〜60度、この場合は23度シリンダに対して傾いて
いる。長部26の軸線は、シリンダ軸線に対して反対方向
に傾き、横から視てシリンダの軸線に向い、これを横切
る。短部24と長部26との交点がかくなされているので、
その内側縁には0.3r（ｒは吸気ポート14の半径、すなわ
ち弁座の内径を指す）を越えない比較的小さい曲率半径
が形成される。吸気ダクトの短部と長部の曲げ角度は、
指向ポートの要件、つまり角度はたとえば70度という望
ましくも比較的大きいという要件と、ダクト内の流れ方
向はシリンダ軸線と大体において平行であり、角度は吸
気弁の傾斜角度、すなわち23度とひとしくするという要
件との妥協の産物である。ベンドの曲げ角度は典型的に
は30度と50度の間である。

平面で視て、吸気ダクトの各軸線、すなわち吸気ダク
トの主要部の各軸線28は、流れ方向に収れんして、20〜
120度、好ましくは40〜90度、典型的には64度の角度を
画定する。好ましくは、平面で視て、各軸線28は、シリ
ンダ軸線から0.75Rと2R（ここにおいてＲはシリンダの
半径）の間の点で収れんする。

使用時において、吸入空気は吸気ダクト内を軸線28の
方向に流れる。吸気ダクトの長部と短部が鋭角で交わる
ので、空気層は短部24に流入する際に両部の交さ連結部
から離脱し、立面図で視て他の縁側に実質的に「付着
（Sticking）」する。空気は次に、各吸気弁22の頭部を
通過するが、空気のモーメントは主としてなおも方向28
の向きにあるので、空気は吸気ポートの一方の側にのみ
沿って、第２図の大きな矢印に示すように、軸線28に平
行の方向に円周的にあるいは主要的に流れる。第３図に
示すように、吸気ポートを通る空気流は事実上、全角度
範囲の大部分にわたって拡がる。つまり、全角度範囲の
約半分以上に拡がる。空気流の大部分は、軸線28に対し
て平行であるが、他の方向に流れる割合は軸線28からの
角度が大きくなるにつれて減少する。各排気弁に最も近
い吸気弁の側から出る空気は殆んどない。２つの吸気ポ
ートを通る空気流は、となりのシリンダ壁によって下向
きに向けられ、シリンダヘッドの下側にある点で互いに
衝突する。この点で両流は合体して単独の細い方向性を
もった空気流ができる。この流れは、シリンダ壁を連続
的に下降して、ピストン頂部を横断し、反対側の壁とピ
ストン壁の間を上昇する。好ましくは、ピストン頂部を
平らあるいはわずかに丸屋根状になっている。このドー
ムの半径は、1.6R以上であって、空気の運動は乱されな
い。このドームは小型なので、進入空気はピストン頂部
をこえるとき十分拡散し、かくて空気は太い柱状になっ
てシリンダの反射壁に沿って上昇し、シリンダの掃気は
確実に行なわれる。進入空気は細く、しかも「転回運
動」をし、「ループ状」に循環するので、シリンダは２
ストロークエンジンの場合でも極めて効果的に掃気され
る。進入空気は、転回運動でもってシリンダ内を循環す
るとき、燃焼済の排気ガスをその先頭で押して、シリン
ダ内から排気弁を通して追い出す。この転回運動によ
り、２ストロークおよび４ストロークエンジンのいずれ
の場合でも、上死点において極めて強力な乱流がまた生
じる。

云うまでもなく、上記構成に対する変形はいくつも可
能である。たとえば、吸気弁と排気弁の各軸線は、シリ
ンダ軸線に対して等しく傾いているが、これは必ずしも
必要ではなく、吸気弁の軸線を、排気弁の各軸線より水
平線に接近させてもよい。すなわち、ひさし型燃焼室
は、排気弁側よりも吸気弁側でより傾斜をきつくしても
よい。この場合は、ひさし型燃焼室の軸線はもはや中心
にはなく、吸気弁に向って変位して段部などを形成して
もよい。この段部は、吸気ポートから排気ポートへの吸
入空気の直接流入に対する物理的バリアとして機能す
る。さらに、３つ以上の吸気ポートをもつエンジンでも
よいが、この場合は、各吸気ダクトの軸線は、すべての
他の吸気ダクトの軸線あるいは、少なくとも隣接するあ
るいは最接近吸気ダクトの軸線に対して少なくとも20
度、傾斜させてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図はエンジンのシリンダヘッドとシリンダの上部と
を示す略図的断面図、第２図はエンジンの各ポートの配
置を示す、第１図のエンジンを示す横断面図、第３図は
吸気ポートを通って流れる空気の流速と方向性の分布を
示す線図である。 ２……シリンダブロック、４……シリンダ、６……ピス
トン、12……排気ポート、14……吸気ポート、18,22…
…ポペット弁。

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくともひとつのシリンダ、このシリン
   ダ内で往復するピストン、及びシリンダヘッドを含み、
   該シリンダヘッドはポペット弁によってコントロールさ
   れる少なくとも一つの排気ポート、個々のポペット弁に
   よってコントロールされるように個々の吸気ダクトに接
   続された少なくとも２つの吸気ポートを含み、上記シリ
   ンダーとシリンダヘッドは燃焼室、例えばひさし型であ
   って、吸気ポート排気ポートを連通させる燃焼室を画定
   しており、これら吸気ポートは指向型であり、これによ
   り使用中において、これら吸気ポートを貫通する空気流
   は主として排気弁からはなれ、更に吸気ポートの近くの
   シリンダの壁を流下し、また吸気ダクト（26）の軸線
   （28）は、これらを通る流れの方向に収斂し、吸気ダク
   トの軸線は、シリンダ軸線の方向に視て隣接する他の吸
   気ダクトの軸線に対して少なくとも20度の角度をなすこ
   とを特徴とする内燃機関。
2. 【請求項２】吸気ダクト（26）の各軸線（28）によって
   画定される角度は20〜120度である請求項１記載の内燃
   機関。
3. 【請求項３】前記吸気ダクト（26）の各軸線（28）によ
   って画定される角度は40〜90度である請求項１記載の内
   燃機関。
4. 【請求項４】前記吸気ダクト（26）の軸線（28）は、平
   面図で視てシリンダ軸線から0.75R〜2.0R（ここにおい
   てＲはシリンダの半径）の点において交叉する請求項１
   乃至３のいずれか１項に記載の内燃機関。
5. 【請求項５】前記吸気ダクト（26）の軸線（28）は、平
   面図で視てシリンダ軸線から1.0R〜1.25R（ここにおい
   てＲはシリンダの半径）の点において交叉する請求項１
   乃至３のいずれか１項に記載の内燃機関。
6. 【請求項６】各吸気ダクトは関連する吸気ポート（14）
   のわずか上流において曲屈し、この吸気ダクトはシリン
   ダ軸線に対して鋭角で傾斜するベンドの下流における吸
   気ポートと共軸の短部（24）と、シリンダ軸線に対して
   鋭角で反対方向に傾斜する軸線（28）をもつベンドの上
   流にある長部（26）とを有する請求項１乃至５のいずれ
   か１項に記載の内燃機関。
7. 【請求項７】吸気ダクトの各短部と長部（24、26）の軸
   線は30〜90度の範囲内において互いに傾斜する請求項６
   記載の内燃機関。
8. 【請求項８】各吸気弁は10〜60度の範囲内においてシリ
   ンダ軸線に対して傾斜するステムを有する請求項１乃至
   ７のいずれか１項に記載の内燃機関。