JP2777718B2 - ４行程エンジン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は４行程エンジンに関するもので、特に燃焼
室の構造と燃焼室に対する吸気の供給手段とを適宜に組
み合わせて燃焼室へ供給される混合気の燃焼を加善し燃
料消費量の低減と排気中の大気汚染物質を減少させる装
置に関する。

〔従来の技術〕

従来、エンジンの熱効率を改善し、燃料消費の少ない
エンジンを得るために、理論空燃比より希薄な混合気を
用いてエンジンを運転する方法が広く知られ、しかも、
その希薄な混合気による燃焼を安定に行うため、吸気通
路に燃焼室内を指向して開く小径の副吸気通路を設ける
ことが行われている（例えば特開昭51−146605号公
報）。

〔発明が解決しようとする課題〕

然しながら、この方法によつて燃焼室内に生じる吸気
の渦流はピストンが上昇行程に入り、上死点に接近する
と共に急速に減衰する傾向にあり、予め相当に過大な渦
流を生ぜしめておく必要がある。そのため、副吸気通路
を経て供給される吸気量を増す必要があり、副吸気通路
が大型化して吸気通路の通気抵抗を増大させ最大出力の
低下を招きがちである。なお、副吸気通路を用いて渦流
を強く発生させるためにエンジンが大型化することがあ
ってはならない。」 〔課題を解決するための手段〕 この発明は上記不具合を解消し、吸気通路内に付設す
る副吸気通路用配管を最少に構成し、しかも安定した吸
気渦流を燃焼の終期まで維持させ、安定な燃焼を得るよ
うにした小型のエンジンを得ることを目的とする。

本発明に係る４行程エンジンは、シリンダとシリンダ
の頂部を覆うシリンダヘッドおよびシリンダ内を昇降す
るピストンによって燃焼室を形成し、この燃焼室に、吸
気通路と排気通路とをシリンダボアの接線方向に沿いか
つ互いに反対方向へ延びるように連通させ、前記シリン
ダヘッドに、吸気弁と排気弁とを１個ずつ、吸気通路の
延設方向と直角をなす方向に並設するとともに、点火栓
を、前記吸・排気弁の弁体の軸心どうしを結ぶ仮想線よ
りシリンダの軸線方向から見て吸気通路の上流側に配設
し、前記ピストンの頂部に、前記点火栓、吸気弁および
排気弁と対向するほゞ半球状の凹部を、前記仮想線より
点火栓と同じ一側に偏在させて形成し、前記シリンダヘ
ッドに、吸気通路より通路断面積が小さく吸気通路と平
行に延びる副吸気通路を、シリンダの軸線方向から見て
吸気通路と形成範囲の全域にわたって重なるとともに吸
気通路の軸線に対して排気通路とは反対側に位置し、か
つシリンダの軸線と直交する方向から見て吸気通路より
シリンダ側に位置するように形成し、この副吸気通路の
上流端を、シリンダヘッドに接続した吸気分岐管の壁内
に吸気通路よりシリンダ側に偏倚させて形成した通路を
介して吸気通路の絞り弁上流側に連通させるとともに、
下流端を、開口方向が前記仮想線より前記点火栓および
前記凹部とは反対側を指向するように開口させたもので
ある。

〔作 用〕 ピストンが吸気行程に入ると吸気をなす混合気は吸気
弁を経て燃焼室内に流入する。混合気の一部は吸気弁の
開口隙間を介して直接に燃焼室内を臨む副吸気通路を経
て細い高速の気流となる。前記副吸気通路は、シリンダ
ヘッドにおけるシリンダの軸線方向から見て吸気通路と
重なるとともに吸気通路の軸線に対して排気通路とは反
対側に位置する部位に形成されているから、前記気流は
シリンダ内壁に沿って流れるようになる。このとき、こ
の気流は、吸気通路からシリンダ内に流入する残余の吸
気を巻き込むように流れる。一方、前記残余の吸気は、
吸気通路がシリンダボアの接線方向に延びるように形成
されていることから、副吸気通路からシリンダ内に流入
する吸気と流れる方向が同じで、その殆どがシリンダ内
壁に沿って流れる。すなわち、副吸気通路からシリンダ
内に流入した吸気と逆らうことがなく、前記細い高速の
気流に助勢されるようにしてシリンダ内壁に沿って高速
で回転する。

吸気行程が終期に至ってピストンが上昇を開始する
と、ピストン上方の空間が偏平になり同時に容積が減少
するが、これに伴ってピストンの頂面に存した混合気が
ピストンとシリンダヘッドとの間に形成された球状の空
間内に流入する。この空間はピストン側が点火栓と同じ
一側に偏在しており、吸気通路および副吸気通路からシ
リンダ内に流入しシリンダ内壁に沿って流れた混合気が
円滑に流入するので、そこへ流入する混合気はほゞ渦流
の周速を維持し、そこにおける回転速度は一層高速とな
るので、それが点火栓によって点火されたとき、火炎が
高速で燃焼室内へ伝播し安定な燃焼が得られる。

また、シリンダの軸線方向から見て吸気通路の内側の
みに副吸気通路が形成されるから、シリンダヘッドを横
方向（吸気弁と排気弁とが並ぶ方向）にコンパクトに形
成することができる。しかも、副吸気通路の上流側を、
吸気分岐管の壁内における吸気通路よりシリンダ側に偏
倚させて形成した通路に接続したため、副吸気通路の吸
気供給系も横方向に小さく形成することができる。な
お、エンジンがアイドリングを越える速度で運転される
ときは排気の一部が吸気中へ還流され、燃焼温度の過度
の上昇を阻止すると共に、燃焼室内圧力を上昇させ、併
わせてポンプ損失を軽減する。

〔実施例〕

以下、図示の実施例によつてこの発明を説明すると、
図中、１は水冷式の４行程エンジンであり、シリンダ
２、シリンダヘツド３およびピストン４によつて形成さ
れる燃焼室５を有する。燃焼室５内は吸気弁６を介して
吸気通路７と、排気弁８を介して排気通路９とにそれぞ
れ連結されている。また、前記吸気通路７と排気通路９
は、第２図に示すように、シリンダボアの接線方向に沿
うとともに互いに反対方向へ延びるように燃焼室５に連
通している。さらに、吸気弁６と排気弁８は、それぞれ
１個ずつシリンダヘッド３に設けられ、吸気通路７の延
設方向と直角をなす方向に並設されている。10はこのエ
ンジンの燃料供給量と噴射時間および点火時期を設定す
るためのコンピユータであり、11は排気の一部を吸気側
へ還流するいわゆるEGR装置を示す。

燃焼室５にはシリンダヘツド３に形成された半球形の
凹所3aとピストン４の頂面に形成された半球形の凹部4a
とによつて、ピストン４が上死点にあるとき、シリンダ
の内径に比して比較的小さい略球状の空間5aが形成され
るようになつている。この空間5a内には点火栓Ｐの電極
および前記吸気弁６と排気弁８との一部が直面してい
る。なお、点火栓Ｐは電極が前記略球状の空間5aの中央
部内へ突出する、いわゆる長電極形を用いており、第２
図に示すように、吸・排気弁6,8の弁体の軸心どうしを
結ぶ仮想線より吸気通路７の上流側に配設している。前
記仮想線を第２図中に二点鎖線で示す。

吸気通路７は燃焼室５内をシリンダヘツド３に連結さ
れた吸気分岐管7aと、ブーツ7bを介してその上流側に接
続された空気流量計測器7cおよびエアクリーナ7dを経て
大気中に開放させるものであり、その途中に周知の吸気
流量制御用の蝶形絞り弁7eが設けられている。7fは絞り
弁7eの直上に位置して下流側へ向けて燃料を噴射する主
噴射ノズルである。また、7hは前記絞り弁7eを側路する
空気通路7jに設けた電磁開閉弁であり、エンジンの冷機
運転時に開弁して吸気流量を増すように制御される多用
されている手段である。吸気通路７は、更に吸気弁６近
傍に開き吸気弁６の開弁隙間から燃焼室５内を指向する
直径１〜2mm程度の小断面積の副吸気通路12が気筒毎に
付設されている。この副吸気通路12は、吸気通路７と平
行に延びており、第２図に示すようにシリンダの軸線方
向から見て吸気通路７と形成範囲の全域にわたって重な
るとともに吸気通路７の軸線に対して排気通路９とは反
対側に位置し、かつシリンダ２の軸線と直交する方向か
ら見て吸気通路７よりシリンダ２側に位置するように形
成している。この副吸気通路12の上流端は、シリンダヘ
ッド３に接続した吸気分岐管7aの壁内に吸気通路７より
シリンダ２側に偏倚させて形成した通路7kを介して吸気
通路７における絞り弁7eの直ぐ上流側のベンチュリ部Ｖ
内に開口している。また、副吸気通路７の下流端の開口
は、開口方向が第２図中の前記仮想線より前記点火栓Ｐ
とは反対側を指向している。したがつて、前記略球状の
空間5aには第２図中、大きな矢印で示すように反時計方
向の高速の吸気渦流を生じる。

排気通路９はシリンダヘツド３に接続された排気集合
管9aによつて構成されており、排気集合管9aには触媒式
の排気浄化手段9bが設置してある。

コンピユータ10はその出力0₁が前記した電磁開閉弁7h
を開閉動作させ、出力0₂が主噴射ノズル7fを動作させ、
さらに出力O₃が主噴射ノズル7fの近傍に設けた冷間始動
用増量ノズル7kを動作させる。また、コンピユータ10の
入力信号は、前記空気流量計測器7cに設けた吸気流量セ
ンサI₁、吸気温度センサI₂、エンジン冷却水温度を検出
する水温センサI₃および排気温度センサI₄によつて与え
られる。

EGR装置11は従来の装置と同様に排気通路９と吸気通
路７の絞り弁7eより下流側との間を連通する還流通路13
と、その流量を調節する調節弁14とからなり、従来公知
の構成と作動を有する。すなわち、調節弁14は負圧源と
して絞り弁7eの外周近傍に開くソース通路15に接続さ
れ、その負圧源は吸気通路７の温度を検出する吸気路温
度センサ16と、絞り弁7eの開度および吸気流量のパラメ
ータとして与えられる絞り弁外周の吸気負圧センサ17と
によつて制御され、少なくともエンジンの冷間運転時と
アイドリングおよび減速運転時には前記調節弁14を閉じ
るようになつている。

次に、この装置の作動を説明する。まず、ピストン４
が吸気行程に入るとエアクリーナ7dから吸入される空気
と主噴射ノズル7fから噴射されるガソリンによつて定常
運転時において略16〜20の空燃比を持つ希薄混合気が、
また暖機運転時や過渡運転状態では15前後の空燃比の混
合気が生成され、その混合気は吸気弁を経て燃焼室５の
室内に吸入される。混合気の大部分はシリンダヘツドと
ピストンの頂部との間に形成される比較的小型の球状の
空間に集合する。また、エンジンの負荷が小さいとき、
すなわち絞り弁7eの開度が低いときは、その前後の差圧
が大きくなるので、空気の５〜20％が比較的小断面積の
副吸気通路12を経て燃焼室５内へ流入する。その結果、
吸気通路７を経て燃焼室５内に吸入された残余の吸気に
高速の渦流を生じさせる。このとき、前記残余の吸気
は、吸気通路７がシリンダボアの接線方向に延びるよう
に形成されていることから、副吸気通路12からシリンダ
内に流入する吸気と流れ方向が同じて、その殆どがシリ
ンダ内壁に沿って流れる。すなわち、副吸気通路12から
シリンダ内に流入した吸気と逆らうことがなく、副吸気
通路12から流出した細い高速の気流に助勢されるように
してシリンダ内壁に沿って高速で回転する。圧縮行程の
終期には、シリンダヘッド３の凹所3aとピストン４の凹
部4aとによって略球状の空間が形成される。この空間
は、ピストン４側が点火栓Ｐと同じ一側に偏在してお
り、吸気通路７および副吸気通路12からシリンダ４内に
流入しシリンダ内壁に沿って流れた混合気が円滑に流入
する。この結果、シリンダ内で回転する混合気がその周
速を維持しながら前記空間内で回転するようになる。ピ
ストンが上死点近傍まで上昇すると前記球状の空間内に
臨んで設けられた点火栓Ｐに火花を生じ点火が行われ
る。点火栓Ｐの周りには多量の混合気が存するので比較
的短時間に燃焼を完結し、その強力な火炎が周囲に伝播
するので、急速な燃焼が得られる。この実施例では長電
極点火栓を用い火花が前記球状の空間内の可及的中心に
生じるように配慮してある。

エンジンの暖機後は還流通路13に設けられた調節弁14
が開き、排気の一部を吸気通路７へ還流させ、燃焼室５
内の圧縮圧力を上昇させて点火栓Ｐによる着火性を向上
させ、併せてエンジンのポンプ損失を軽減させる。

したがつて、この発明では通常運転に理論空燃比より
希薄な希薄混合気を用いて運転するエンジンにおいて、
比較的小さい副吸気通路を用いつゝ安定な過渡的運転状
態を得ることができ、エンジンの燃料消費を低減する。

また、シリンダ２の軸線方向から見て吸気通路７の形
成範囲の内側のみに副吸気通路12を形成することができ
るから、シリンダヘッド３を横方向（吸気弁６と排気弁
８とが並ぶ方向）にコンパクトに形成することができ
る。しかも、副吸気通路12の上流側を、吸気分岐管7aの
壁内に吸気通路７よりシリンダ２側に偏倚させて形成し
た通路7kに接続したため、副吸気通路12の吸気供給系も
横方向に小さく形成することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明に係る４行程エンジンは、
シリンダとシリンダの頂部を覆うシリンダヘッドおよび
シリンダ内を昇降するピストンによって燃焼室を形成
し、この燃焼室に、吸気通路と排気通路とをシリンダボ
アの接線方向に沿いかつ互いに反対方向へ延びるように
連通させ、前記シリンダヘッドに、吸気弁と排気弁とを
１個ずつ、吸気通路の延設方向と直角をなす方向に並設
するとともに点火栓を、前記吸・排気弁の弁体の軸心ど
うしを結ぶ仮想線よりシリンダの軸線方向から見て吸気
通路の上流側に配設し、前記ピストンの頂部に、前記点
火栓、吸気弁および排気弁と対向するほゞ半球状の凹部
を、前記仮想線より点火栓と同じ一側に偏在させて形成
し、前記シリンダヘッドに、吸気通路より通路断面積が
小さく吸気通路と平行に延びる副吸気通路を、シリンダ
の軸線方向から見て吸気通路と形成範囲の全域にわたっ
て重なるとともに吸気通路の軸線に対して排気通路とは
反対側に位置し、かつシリンダの軸線と直交する方向か
ら見て吸気通路よりシリンダ側に位置するように形成
し、この副吸気通路の上流端を、シリンダヘッドに接続
した吸気分岐管の壁内に吸気通路よりシリンダ側に偏倚
させて形成した通路を介して吸気通路の絞り弁上流側に
連通させるとともに、下流端を、開口方向が前記仮想線
より前記点火栓および前記凹部とは反対側を指向するよ
うに開口させたため、吸入行程で副吸気通路からシリン
ダ内に流入する吸気と、吸気通路からシリンダ内に流入
する吸気は、シリンダ内で流れる方向が同じであり、し
かも、殆どがシリンダ内壁に沿って流れるようになる。
その上、副吸気通路からシリンダ内に高速で流入する吸
気が吸気通路からシリンダ内に流入する吸気の流れを助
勢するようになる。このため、シリンダ軸線を中心とす
るような吸気流からなる渦が吸入行程でシリンダ内に形
成される。

圧縮行程の終期には、燃焼室とピストンの凹部とによ
って略球状の空間が形成される。この空間は、ピストン
側が点火栓と同じ一側に偏在しており、吸気通路および
副吸気通路からシリンダ内に流入しシリンダ内壁に沿っ
て流れた混合気が円滑に流入する。この結果、シリンダ
内で回転する混合気がその周速を維持しながら前記空間
内で回転するようになる。

したがって、シリンダ内に吸入された混合気は、球状
の前記空間内で渦流の状態で点火栓によって点火され
る。

点火栓の周囲に生じた火炎の核は急速に前記球状の空
間に拡散し、巨大な火炎球となって残余の比較的偏平な
空間へ伝播する。この結果、理論空燃比より希薄な混合
気を用いても点火・燃焼が良好になされる。

また、シリンダの軸線方向から見て吸気通路の形成範
囲の内側のみに副吸気通路が形成されるから、シリンダ
ヘッドを横方向（吸気弁と排気弁とが並ぶ方向）にコン
パクトに形成することができる。しかも、副吸気通路の
上流側を、吸気分岐管の壁内に吸気通路よりシリンダ側
に偏倚させて形成した通路に接続したため、副吸気通路
の吸気供給系も横方向に小さく形成することができ、構
成が簡単である。

したがって、副吸気通路を用いて燃焼室内に渦流を生
じさせることによって点火・燃焼の改善を図ることがで
きることに加え、副吸気系の構成の簡素化とエンジンの
小型化を図ることができる。

しかも、吸気中にはEGR装置によつて排気の一部が還
流されているので、前記空間5a内における急速燃焼にも
拘わらず窒素酸化物の発生が抑制される効果を有する。

【図面の簡単な説明】

図面はこの発明の一実施例を示すもので、第１図はエン
ジンの運転システムを示すシステム図、第２図はそのII
−II断面図である。 5a……略球状の空間、５……燃焼室、 7e……絞り弁、11……EGR装置、 12……副吸気通路。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリンダとシリンダの頂部を覆うシリンダ
   ヘッドおよびシリンダ内を昇降するピストンによって燃
   焼室を形成し、この燃焼室に、吸気通路と排気通路とを
   シリンダボアの接線方向に沿いかつ互いに反対方向へ延
   びるように連通させ、前記シリンダヘッドに、吸気弁と
   排気弁とを１個ずつ、吸気通路の延設方向と直角をなす
   方向に並設するとともに、点火栓を、前記吸・排気弁の
   弁体の軸心どうしを結ぶ仮想線よりシリンダの軸線方向
   から見て吸気通路の上流側に配設し、前記ピストンの頂
   部に、前記点火栓、吸気弁および排気弁と対向するほゞ
   半球状の凹部を、前記仮想線より点火栓と同じ一側に偏
   在させて形成し、前記シリンダヘッドに、吸気通路より
   通路断面積が小さく吸気通路と平行に延びる副吸気通路
   を、シリンダの軸線方向から見て吸気通路と形成範囲の
   全域にわたって重なるとともに吸気通路の軸線に対して
   排気通路とは反対側に位置し、かつシリンダの軸線と直
   交する方向から見て吸気通路よりシリンダ側に位置する
   ように形成し、この副吸気通路の上流端を、シリンダヘ
   ッドに接続した吸気分岐管の壁内に吸気通路よりシリン
   ダ側に偏倚させて形成した通路を介して吸気通路の絞り
   弁上流側に連通させるとともに、下流端を、開口方向が
   前記仮想線より前記点火栓および前記凹部とは反対側を
   指向するように開口させたことを特徴とする４行程エン
   ジン。