JP2936988B2 - 層状燃焼内燃機関 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、層状燃焼内燃機関に関
し、特に、燃焼室の天井部ほぼ中央部分の着火手段の近
傍が空燃比がリッチとなる中心層状化を行なうようにし
た、層状燃焼内燃機関に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より内燃機関の低燃費運転を目的と
して、吸気行程で気筒内の縦向きの旋回流、所謂タンブ
ル流（タンブルスワール）を発生させて、着火手段（点
火プラグ）の近傍に空燃比のリッチな混合気の層を形成
し他の部分は空燃比のリーンな混合気の層を形成するよ
うにして、全体としては空燃比がリーンであるが、十分
に着火・燃焼させることができるようにする層状燃焼手
段が開発されている。

【０００３】例えば、図１４，１５は、かかるタンブル
流Ｆａ，Ｆｍを発生させるようにした内燃機関の１つの
気筒の構造を示し、図において、符号３２２はシリンダ
ブロック、３２４はシリンダボア、３２６はピストン、
３２８はシリンダヘッド、３３０は燃焼室である。そし
て、３３４は燃焼室３３０の上壁部に形成されたペント
ルーフであり、３４０，３４２は各気筒に２つずつに分
けられたサイヤミーズ型の吸気ポートであり、吸気ポー
ト３４０，３４２には、それぞれ吸気弁３５８が設置さ
れている。

【０００４】ペントルーフ３３４は、各吸気ポート３４
０，３４２からの吸気流を、各吸気ポート３４０，３４
２の延長軸線上のシリンダボア３２４の内壁面に沿って
下方に案内しうるような斜面３３４ａ，３３４ｂをそな
え、その頂上２３２は基準面ＦＣ上に位置している。吸
気ポート３４０，３４２からの吸気流は、このペントル
ーフ３３４の斜面３３４ａ，３３４ｂの案内にも助けら
れて、それぞれ矢印Ｆ（Ｆａ，Ｆｍ）で示すようなタン
ブル流を生成する。なお、基準面ＦＣとは、両吸気ポー
ト４６Ａ，４６Ｂの中央に位置する仮想面である。

【０００５】また、この例では、各気筒において、吸気
ポート３４０，３４２及び吸気弁３５８，３５８を２つ
そなえるのに対して、排気ポート３６０及び排気弁３５
９は斜面３３４ｂの一側に開口するように１つだけそな
えられる。そして、斜面３３４ｂの他側に開口するよう
に点火プラグ３１０がそなえられており、燃料噴射手段
としてのインジェクタ３１２は、点火プラグ３１０の設
置される側の吸気通路３４２のみに設けられている。

【０００６】これにより、吸気通路３４２からの吸気は
空燃比のリッチな混合気の層状タンブル流となって点火
プラグの近傍に流れ込み、この一方で、吸気通路３４０
からの吸気は空燃比の極めてリーンな混合気の層状タン
ブル流となって点火プラグから離隔した部分で旋回す
る。この結果、全体としては空燃比がリーンであるが、
十分に着火・燃焼させることができるように成るのであ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年、各気
筒において、吸気ポート及び吸気弁を２つそなえ、排気
ポート及び排気弁も２つそなえた、所謂４弁式内燃機関
（以下、４弁エンジンという）が普及しているが、この
ような４弁エンジンでは、通常、燃焼室の天井部中央、
即ち、図１４，１５を参照すればペントルーフ３３４の
頂上部中央に、点火プラグが配設され、２つの吸気ポー
ト及び吸気弁はペントルーフ３３４の一方の斜面３３４
ａに左右に並んで配設され、２つの排気ポート及び排気
弁はペントルーフ３３４の他方の斜面３３４ｂに左右に
並んで配設される。

【０００８】したがって、このようなエンジンでは、燃
焼室の天井部中央に空燃比のリッチな混合気の層状タン
ブル流を生成するようにしなくては、全体的な空燃比を
リーンにしながら十分に着火・燃焼させることができな
い。このため、タンブル流の旋回軸方向の流れをさらに
抑えることが必要となり、さらに、希薄燃焼領域の高速
域への拡大にあたっては、点火時期に点火プラグ近傍の
バルクフローを抑えることも必要となる。

【０００９】本発明は、上述の課題に鑑み創案されたも
ので、４弁式内燃機関をはじめとした燃焼室の天井部中
央に着火手段をそなえた機関において、着火手段に空燃
比のリッチな混合気を集めるようにして、層状燃焼によ
る低燃費化を促進できるようにした、層状燃焼内燃機関
を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このため、本発明の層状
燃焼内燃機関は、シリンダ内に形成される燃焼室天井部
のほぼ中央部分に着火手段が配設され、該天井部の一側
に一対の吸気ポート及び吸気弁が配設されて、該一対の
吸気ポートからの吸気流が該シリンダ内で層状タンブル
流をなすように該両空気ポートが構成された層状燃焼内
燃機関において、上記の各吸気ポート内に該吸気ポート
内を該着火手段側の中央通路とその両側の側方通路とに
二分するように該吸気ポート内の流線に沿って延在する
隔壁が形成されるとともに、該燃焼室の底面部を構成す
るピストン上面に該着火手段の点火部に接近するように
彎曲した隆起部が形成され、上記の両吸気ポートの境界
部に該着火手段側の中央通路へ燃料を噴射するように燃
料噴射手段が配設されて、該燃料噴射手段から噴射され
た燃料が、該内燃機関の吸入行程中期付近に該シリンダ
内に供給されるように設定されていることを特徴として
いる。

【００１１】

【作用】上述の本発明の層状燃焼内燃機関では、燃料噴
射手段から両吸気ポートの着火手段側の中央通路へ燃料
が噴射される。各吸気ポート内では、該吸気ポート内の
流線に沿うように隔壁が延在して、該吸気ポート内を該
着火手段側の中央通路とその両側の側方通路とに二分し
ているので、噴射された燃料は各吸気ポート内の着火手
段側の中央通路内のみに供給されるが、その両側の側方
通路には供給されない。

【００１２】この後、吸気弁を開放して吸気ポートから
燃焼室内に吸気を導くと、各吸気ポートの中央通路内の
空気は燃料の混合した空燃比の比較的リッチな吸気流と
なって燃焼室内に進入してタンブル流を生成し、各吸気
ポートの側方通路内の空気は燃料の混合しない空燃比の
極めてリーンな吸気流となって燃焼室内に進入してタン
ブル流を生成する。これにより、燃焼室の中央に空燃比
の比較的リッチな層状タンブル流が生成されその側方に
空燃比のリーンな層状タンブル流が生成される。

【００１３】さらに、タンブル流の生成は、該燃焼室の
底面部を構成するピストン上面に着火手段の点火部に接
近するように彎曲した隆起部によって助成される。つま
り、吸気流は燃焼室内の下方へ進入した後、該燃焼室の
底面部にぶつかって方向を変えながらタンブル流を生成
するが、燃焼室の底面部を構成するピストン上面に形成
された隆起部は、着火手段の点火部に接近するように彎
曲しており、ぶつかった吸気流をタンブル流を生成する
ように案内するのである。

【００１４】特に、燃焼室の中央の空燃比のリッチな層
状タンブル流の旋回軸方向への乱れを抑制するので、空
燃比のリッチな層状タンブル流が燃焼室の中央に集まり
やすくなる。このような層状燃焼内燃機関では、燃焼室
の中央の空燃比の比較的リッチな層状タンブル流の中で
も、さらにその周方向に空燃比の比較的リッチな部分と
比較的リーンな部分とのばらつきが生じ、着火手段によ
る着火時に空燃比のリッチな部分が着火手段の近傍に位
置することが望ましく、該燃料噴射手段から噴射された
燃料が、該内燃機関の吸入行程中期付近に該シリンダ内
に供給されることにより、このような空燃比のリッチな
部分を着火手段の近傍に集めやすくなる。

【００１５】

【実施例】以下、図面により、本発明の一実施例として
の層状燃焼内燃機関について説明すると、図１はその構
成を示す模式的な斜視図、図２はその吸気ポートの要部
構成を示す図、図３はその燃焼室の要部形状を示す図、
図４はそのピストン上面形状を詳細に示す図、図５はそ
の吸気ポートの構造を示す図、図６はその層状流を示す
図、図７，８はその吸気ポート構造を示す詳細図、図９
はその吸気ポート構造を示す図、図１０はその燃料供給
手段の噴射バリエーションを示す図、図１１〜１３弁式
層状燃焼内燃機関の吸気中の混合気分布状態を示す図で
ある。

【００１６】図１，３に示すように、本実施例の層状燃
焼内燃機関の各気筒には、シリンダブロック２２に形成
されたシリンダボア２４とピストン２６とシリンダヘッ
ド２８とで囲撓されて燃焼室３０が形成されており、こ
の燃焼室３０内には、吸気ポート４６及び排気ポート４
７が導かれている。また、燃焼室３０の上壁部には、斜
面６０ａ，６０ｂからなるペントルーフ６０が形成され
るが、このペントルーフ６０の頂上２３２は基準面ＦＣ
上に位置している。なお、基準面ＦＣとは、両吸気ポー
ト４６Ａ，４６Ｂの中央に位置する仮想面である。

【００１７】吸気ポート４６は、途中でポート隔壁（吸
気ポート分岐部）４６Ｃによって２つの吸気ポート部分
４６Ａ，４６Ｂに２分されたサイアミーズポートとなっ
ており、各吸気ポート部分（以下、この吸気ポート部分
についても単に吸気ポートという）４６Ａ，４６Ｂの燃
焼室開口はペントルーフ６０の一方の斜面６０ａに設け
られ、各開口には、それぞれ吸気弁５８が設置されてい
る。

【００１８】また、排気ポート４７もサイアミーズポー
トとなっており、この燃焼室３０内には、２つの排気ポ
ート部分４７Ａ，４７Ｂが導かれ、各排気ポート４７
Ａ，４７Ｂ（以下、この排気ポート部分についても単に
排気ポートという）の燃焼室開口はペントルーフ６０の
他方の斜面６０ｂに設けられ、各開口には、それぞれ排
気弁６１が設置されている。

【００１９】したがって、吸気ポート４６Ａ，４６Ｂ
は、基準面ＦＣの一側に位置しており、排気ポート４７
Ａ，４７Ｂは、基準面ＦＣの他側に位置している。ま
た、吸気ポート４６Ａ，４６Ｂは、図示しない吸気通路
（インテークマニホールド）に連通接続されている。ま
た、各排気ポート４７Ａ，４７Ｂは下流側で合流して、
やはり共通の排気通路４７に連通接続されている。な
お、図中１Ａ，１Ｂは吸気ポート４６Ａ，４６Ｂの各軸
心線を示している。

【００２０】そして、燃焼室３０の上方の天井部の中心
部分（基準面ＦＣ上の気筒の軸心線Ｌにほぼ沿った位
置）には、着火手段としての点火プラグ１１が下方へ向
けて配設されている。また、吸気ポート４６Ａ，４６Ｂ
の分岐部４６Ｃ直前付近の吸気ポート４６の左右中心面
３上の吸気ポート上面部８には、後述する燃料噴射手段
としてのインジェクタ１２が取り付けられ、このインジ
ェクタ１２により、燃料が吸気ポート４６Ａ，４６Ｂに
噴射されるようになっている。

【００２１】そして、この実施例では、吸気ポート４６
Ａ，４６Ｂの分岐部４６Ｃ付近より下流側では、各吸気
ポート４６Ａ，４６Ｂは互いに平行に形成されている。
これにより、各吸気ポート４６Ａ，４６Ｂからの吸気
は、互いに平行な状態で燃焼室３０に流入するようにな
っている。また、各吸気ポート４６Ａ，４６Ｂの軸心線
１Ａ，１Ｂは、図２，６に示すように、互いに平行にな
っている。つまり、各吸気ポート４６Ａ，４６Ｂは互い
に平行な直線状のストレートポートに形成されているの
である。更に、このストレートポートの断面形状は、図
６〜８に示すように、吸気ポート４６Ａ，４６Ｂのタン
ブル流側半部（つまりタンブル流を形成する主成分流が
流れる吸気ポート４６Ａ，４６Ｂの上側半部）４６Ａ−
１，４６Ｂ−１が、他半部（つまりタンブル流を阻止す
るような成分流が流れる吸気ポート４６Ａ，４６Ｂの下
側半部）４６Ａ−２，４６Ｂ−２よりも拡幅されてお
り、吸気ポート４６Ａ，４６Ｂの吸気流心Ｆ１がタンブ
ル流側（つまり吸気ポート４６Ａ，４６Ｂの上側半部４
６Ａ−１，４６Ｂ−１）へ偏心されている。これによ
り、吸気ポート４６Ａ，４６Ｂからの吸気流が燃焼室３
０内でタンブル流を形成し易いようになっている。この
実施例では、吸気ポート４６Ａ，４６Ｂは、図８，９に
示すような略逆三角形の断面を有するように形成されて
いる。

【００２２】さらに、図１，３，４に示すように、ピス
トン２６の上面３４には、ピストン２６が上死点に達し
た時にシリンダヘッド２８とピストン２６との間に空間
が確保されるように凹所３５が形成されている。そし
て、ピストン２６の上面３４には、この凹所３５に近接
して、凹所３５よりも隆起した隆起部３７が設けられて
いる。この隆起部３７は、隆起部３７と凹所３５との間
に形成された斜面Ｖｆ１により、凹所３５になだらかに
接続している。隆起部３７の頂点は、基準面ＦＣよりも
やや吸気ポート側に偏倚した吸気弁５８，５８のほぼ下
方に基準面ＦＣと平行に向けて形成され、隆起部３７の
頂点の基準面ＦＣ側に斜面Ｖｆ１が形成されている。こ
の斜面Ｖｆ１により、吸気行程においてタンブル流Ｆ
ｍ，Ｆａがピストン２６の上面３４からシリンダボア２
４の内面に向けて方向を変えるとき、互いに混ざり合う
ことなく、層状の状態を保つようになっている。なお、
凹所３５は排気弁６１のほぼ下方に位置することにな
る。

【００２３】また、隆起部３７の頂点の外側（反基準面
ＦＣ側）には斜面Ｖｆ２が形成されているが、この斜面
Ｖｆ２はピストン２６が圧縮行程の上死点近傍にあると
きに、燃焼室３０の天井と共同してスキッシュＳＦを発
生してタンブル流Ｆｍ，Ｆａに細かな乱れが生じるよう
に構成されている。この斜面Ｖｆ２内にはバルブリセス
３９が設けられている。これにより、上死点で吸気弁５
８の開弁が排気弁６１の開弁とオーバラップしても、ピ
ストン２６が吸気弁５８と干渉せずに圧縮比の高い上死
点位置に保つことができる。

【００２４】したがって、図１に示すように、吸気ポー
ト４６Ａ，４６Ｂのタンブル流側半部４６Ａ−１，４６
Ｂ−１から流入した吸気流Ｆａ，Ｆｍは、この凹所３５
から斜面３７を経て隆起部３７に達するようになってお
り、これにより、タンブル流の形成を促進するようにな
っている。ところで、図１，２，６，８，９に示すよう
に、吸気ポート４６Ａ，４６Ｂ内には、それぞれ吸気ポ
ート４６Ａ，４６Ｂ内を左右方向に二分するような隔壁
２１が設けられ、この隔壁２１によって、各吸気ポート
４６Ａ，４６Ｂ内では、それぞれ、吸気流の基準面ＦＣ
側の通路（点火プラグ側の中央側通路）４とこの基準面
ＦＣの外側の通路（中央側通路の両側の側方通路）５と
に吸気の流れ方向に沿って二分されるようになってい
る。

【００２５】なお、図３中には、便宜上隔壁２１の図示
を省略している。この隔壁２１は、吸気ポート４６Ａ，
４６Ｂの軸心線１Ａ，１Ｂに沿って、略垂直に形成され
ており、インジェクタ１２の配設位置近傍から下流側に
亘って延設されている。また、これらの隔壁２１，２１
は互いに略平行に配設されており、吸気ポート４６Ａ，
４６Ｂの下流側では、吸気弁５８の軸線２に沿って吸気
弁５８のステム部５７及び傘部５６近傍まで延設されて
いる。また、隔壁２１は吸気弁５８の傘部５６やステム
部５７には接触しないように、これらと適当なクリアラ
ンスを確保して形成されており、吸気弁５８の作動には
何ら影響を及ぼさないようになっている。また、隔壁２
１の上流端２１Ａ及び下流端２１Ｂは何れも凸上曲面に
形成され、吸気流４５の整流化や、鋳造等の加工性が考
慮されている。

【００２６】そして、この実施例では、隔壁２１は吸気
ポート４６Ａ，４６Ｂの上面側内壁８から下面側内壁７
に亘って形成されており、各吸気ポート４６Ａ，４６Ｂ
内は中央側通路４と側方通路５とに分離されるようにな
っている。これにより、吸気ポート４６Ａ，４６Ｂ内に
おいて中央側通路４と側方通路５とに分岐した流れは、
隔壁２１〔特に、隔壁２１の内側面（中央側通路４に面
した面）１２１Ａ〕で整流されながら互いに分離した状
態を保ちつつ燃焼室３０内に流入するようになってい
る。したがって、このような隔壁２１により、この吸気
の流れは、図１，６に示すように、燃焼室３０に流入す
ると、空気に燃料の混合された混合気の層Ｆｍと空気の
みの層Ｆａ，Ｆａとの３つの層（中央側通路４とその両
側の側方通路５との計３つの流れ）に分離した状態、つ
まり、層状化した状態でタンブル流に形成されるように
なっている。したがって、本内燃機関は層状燃焼内燃機
関として構成されている。

【００２７】また、吸気ポート４６Ａ，４６Ｂ内では、
隔壁２１の断面積分だけ吸気ポート４６Ａ，４６Ｂの断
面積が減少しているので、吸気ポート４６Ａ，４６Ｂの
流量係数が低下してエンジン全開性能が低下することが
考えられる。このため、この吸気ポート４６Ａ，４６Ｂ
は、図２，６，８の斜線部１３に示す分だけ拡大されて
おり、略逆三角形の断面の下側半部４６Ａ−２，４６Ｂ
−２の減少分をこの上側半部４６Ａ−１，４６Ｂ−１の
断面積分の増大で補って、エンジン全開時の流量係数を
確保するようになっている。

【００２８】また、上述したように、隔壁２１は流量係
数を確保するためその断面積を極力小さくするのが望ま
しく、このため、隔壁２１はその厚みが極力薄くなるよ
うに形成されている。本実施例では、図２，６に示すよ
うに、隔壁２１の厚みをバルブステム５７の径と同等
か、又は、これよりも少し薄くしている。これにより、
吸気ポート４６の吸気流量を確保しながら、バルブステ
ム５７による吸気抵抗を低減することができ、吸気は燃
焼室３０に円滑に流入するようになっている。

【００２９】ところで、上述の燃料噴射手段としてのイ
ンジェクタ１２は、図１，３に示すように、２つの吸気
ポート４６Ａ，４６Ｂの分岐部４６Ｃ付近の上部に配設
されている。また、このインジェクタ１２は２つの吸気
ポート４６Ａ，４６Ｂ間の吸気流の基準面（中心面）３
に沿って配設されており、吸気ポート４６Ａ，４６Ｂの
下流の下面方向に向けて燃料を噴射するようになってい
る。なお、図中、符号６はインジェクタ噴射軸線であ
り、インジェクタ１２の噴射方向を示すものである。

【００３０】つまり、このインジェクタ噴射軸線６に示
すように、インジェクタ１２は、吸気ポート４６Ａ，４
６Ｂ間の上部側から吸気ポート４６Ａ，４６Ｂの下流側
の下方に向けて燃料を噴射するようになっている。そし
て、この下方に噴射された燃料は、吸気ポート４６Ａ，
４６Ｂに設けられた隔壁２１，２１により、これら吸気
ポート４６Ａ，４６Ｂ内の中央側通路４を通じて燃焼室
３０内に吸気されるようになっており、点火プラグ側の
両側の側方通路５には、空気のみが流れるようになって
いる。

【００３１】また、インジェクタ１２の噴射バリエーシ
ョンとしては、図１０の（ａ）〜（ｄ）に示すようなタ
イプが考えられる。 （ａ）はサイアミーズ型吸気ポート４６Ａ，４６Ｂの分
岐部４６Ｃに向けて燃料を噴射すもので、分岐部４６Ｃ
に燃料を積極的に衝突させた後、拡散した燃料を吸気ポ
ート４６Ａ，４６Ｂ内の中央側通路４に流すようにした
ものである。この吸気ポート４６Ａ，４６Ｂの分岐部４
６Ｃは、インジェクタ１２の噴射方向に対してほぼ直交
するような面を有しており、この面に衝突した燃料を拡
散させるようになっている。

【００３２】（ｂ）は燃料噴射孔を２つそなえたインジ
ェクタ１２を用いるタイプのもので、各燃料噴射孔から
噴射された２つ燃料の流れは、それぞれ、各吸気ポート
４６Ａ，４６Ｂの中央側通路４に直接流入していくよう
になっている。この場合は、吸気ポート４６Ａ，４６Ｂ
の分岐部４６Ｃは曲面状に形成されて、吸気流の吸入抵
抗を低減している。

【００３３】（ｃ）のように燃料噴射孔が１つのインジ
ェクタ１２を用いて、各隔壁２１，２１には燃料が付着
しないように、中央側通路４内に向けて直接燃料を噴射
するようにしたタイプものも考えられる。この場合、燃
料が吸気とともに滑らかに吸入されるように、吸気ポー
ト４６Ａ，４６Ｂの分岐部４６Ｃを鋭角的に形成してい
る。

【００３４】（ｄ）は上述の（ｃ）とは逆に、燃料を積
極的に各隔壁２１，２１までに亘って広角に向けて噴射
するタイプのものである。この場合は、吸気ポート４６
Ａ，４６Ｂの分岐部４６Ｃは、抵抗を減らすべく、上記
（ｂ）と同様に曲面状に丸められている。そして、この
実施例では、上述の噴射バリエーションのいずれかを用
いている。

【００３５】なお、上述の（ａ）〜（ｄ）はインジェク
タ１２の噴射バリエーションを示すものであって、イン
ジェクタ１２の配設位置や噴射軸線６はいずれも同一で
ある。そして、このようなインジェクタ１２の駆動タイ
ミングは、機関の吸入行程中期付近（例えば、吸入行程
の中期〜後期）にシリンダ内に供給される空気中に燃料
が散布されるように設定されている。

【００３６】つまり、タンブル流はシリンダ内を旋回す
るので、どのタイミングにシリンダ内に流入する空気に
燃料をシード（散布・供給）するかに応じて、旋回流の
円周の燃料の位置（リッチな混合気の位置）が決まる。
そして、機関の吸入行程中期付近にシリンダ内に供給さ
れる空気（吸気）中に燃料をシードすれば、点火プラグ
１１による着火時に点火プラグ１１の電極近傍にリッチ
な混合気が位置するようになるものと考えられる。

【００３７】例えば、図１１は、点火タイミングに近い
圧縮上死点前１５度（１５°ＢＴＤＣ）における空燃比
分布の計算結果を示すもので、濃度の濃い領域ほどリッ
チであることを示している。図１１のうち、（ａ）は吸
入上死点後３０度〜９０度（３０°〜９０°ＡＴＤＣ）
の間にシリンダ内に供給される空気中に燃料をシードし
た場合である。（ｂ）は吸入上死点後６０度〜１２０度
（６０°〜１２０°ＡＴＤＣ）の間にシリンダ内に供給
される空気中に燃料をシードした場合である。（ｃ）は
吸入上死点後９０度〜１５０度（９０°〜１５０°ＡＴ
ＤＣ）の間にシリンダ内に供給される空気中に燃料をシ
ードした場合である。

【００３８】この結果から、吸入上死点後９０度〜１５
０度、即ち、吸入行程中期付近に相当する吸入行程中期
から後期のものが、最も良好な層状吸気を形成してい
る。この最適燃料シードタイミング（吸入上死点後９０
度〜１５０度）は、エンジンの速度や吸気ポート形状や
その他種々の要因に作用されるので、かかる数値をその
まま広く適用できるものとは限らないが、機関の吸入行
程中期付近（特に、吸入行程中期から後期）にベストな
燃料シードタイミングが存在するものと思われる。燃料
の混合を促進する一般的な内燃機関が、吸入行程の始め
から早いタイミングで燃料シードを行なうのが適切とさ
れているのに対して、層状燃焼内燃機関では、層状化を
確保するためやこのリッチ部分の挙動を合わせるために
は、通常の内燃機関に比べて大幅に遅いタイミングで燃
料シードを行なう方がよいことになる。

【００３９】また、最適燃料シードタイミングは、吸入
上死点後９０度〜１５０度であるが、この間のタイミン
グ、例えば吸入上死点後吸入上死点後１００度〜１５０
度や吸入上死点後９０度〜１３０度であってもほぼ同様
な効果が得られ、吸入上死点後９０度〜１５０度の範囲
内の任意の機関であれば、所望の効果が得られる。さら
に、燃料シードタイミングが、吸入上死点後１５０度以
降にずれ込むと、吸気弁の閉弁時期と重なる可能性が生
じ、十分な燃料量シードできない場合もあるため好まし
くない。

【００４０】なお、このような最適燃料シードタイミン
グを得るための最適な燃料噴射時期は、排気行程後半か
ら吸気行程前半にかかる時期である。本内燃機関のよう
なポート噴射式の機関では、吸気ポートの燃料液滴の挙
動や蒸発及びインジェクタ１２から燃焼室３０までの距
離が、燃料噴射時期と燃料シードタイミングとの関係を
左右する要因であるが、燃料シードタイミングを吸入行
程中期付近（特に、吸入行程中期から後期）に設定する
には、排気行程後半から吸気行程前半にかかるような燃
料噴射時期が適当なものと考えられる。

【００４１】なお、この実験例では、点火プラグ１１の
周辺の混合気濃度は、平均濃度よりも１０％程度濃くな
るという結果が得られているが、この計算では、数値粘
性のため、スケールの小さな渦や揺らぎが記述されてい
ないので、現実のエンジンの点火プラグ１１の周辺の混
合気濃度は、この計算結果よりも平均値に近いものにな
ると推測できる。

【００４２】本発明の一実施例としての層状燃焼内燃機
関は、上述のように構成されているので、吸気された空
気は、インジェクタ１２で噴射された燃料と混合されて
各吸気ポート４６Ａ，４６Ｂから燃焼室３０内に流入
し、燃焼室３０内で圧縮・膨張（爆発）された後、各排
気ポート４７Ａ，４７Ｂから排出される。この時、吸気
流はまず燃焼室３０内の下方へ進入した後、燃焼室３０
の底面部即ちピストン上面３４にぶつかって方向を変え
ながらタンブル流を生成するが、ピストン上面３４には
排気弁６１の下方の凹部３５とこの凹部３５から着火手
段の点火部に接近するように吸気弁５８の下方に向かっ
て彎曲した斜面Ｖｆ１を有する隆起部３７が形成されて
いるので、吸気流は斜面Ｖｆ１に沿って滑らかに旋回し
ながらタンブル流となる。

【００４３】また、各吸気ポート４６Ａ，４６Ｂ内で
は、タンブル流側半部４６Ａ−１，４６Ｂ−１からの吸
気流成分が、他半部４６Ａ−２，４６Ｂ−２からの吸気
流成分よりも大幅に強くなる。すなわち、吸気ポート４
６Ａ，４６Ｂのタンブル流側半部４６Ａ−１，４６Ｂ−
１からの吸気流成分はタンブル流を形成する流れの成分
であり、吸気ポート４６Ａ，４６Ｂの他半部４６Ａ−
２，４６Ｂ−２からの吸気流成分はタンブル流を阻止す
る成分であるので、上述の流量の不均衡により、吸気ポ
ート４６Ａ，４６Ｂの全体の流路断面積を縮小せずに、
つまり、吸気ポート全体の吸気流の流量（流速）を一定
にしながらも、タンブル流の強さを増加できるようにな
るのである。

【００４４】この時、吸気に際しては、吸気ポート４６
Ａ，４６Ｂの隔壁２１で仕切られた外側の通路５には空
気だけが送られ、一方、燃料は、吸気ポート４６Ａ，４
６Ｂの隔壁２１で仕切られた中央側の通路４にのみ送ら
れるので、燃料と空気が層状化され、図１に示すよう
に、点火プラグ１１には燃料の濃い混合気の層Ｆｍが形
成され、その両隣には空気の層Ｆａが形成される。

【００４５】これは、各吸気ポート４６Ａ，４６Ｂ及び
その内部に設けられた隔壁２１は略平行に配設されてい
るので、図１，６に示すように、各吸気ポート４６Ａ，
４６Ｂの中央側通路４から燃焼室３０に流入してきた混
合気の層Ｆｍと隔壁２１で仕切られた側方通路５から燃
焼室３０に流入してきた空気の層Ｆａとが燃焼室３０内
でも分離，層状化されるのである。

【００４６】これにより、燃焼室３０全体には燃料の少
ない混合気が送られても、点火プラグ１１近傍には着火
に十分な量の燃料が送られる。そして、燃料の混合され
た混合気が点火プラグ１１の近くに流通するので、着火
性を悪化させることなく理論空燃比よりも少ない量の燃
料の混合気でエンジンを運転することができる。また、
このように吸気流の層状化を促進することにより、燃焼
室３０内のタンブル流の形成も強化される。つまり、吸
気流を各吸気ポート４６Ａ，４６Ｂの中央側通路４と側
方通路５とに分岐させて、これらの分岐した吸気流を平
行な状態を保って燃焼室３０に流入させることにより、
吸気流が整流されてタンブル流が形成され易くなるので
ある。

【００４７】また、点火時期に点火プラグ近傍のバルク
フローを抑え効果もある。そして、上述の斜面Ｖｆ１
は、燃焼室３０の中央の空燃比のリッチな層状タンブル
流の旋回軸方向への乱れも抑制するので、空燃比のリッ
チな層状タンブル流が燃焼室３０の中央により集まりや
すくなる。この結果、図１３に示すような吸気ポート内
の隔壁とピストン上面の彎曲した隆起部とをいずれもそ
なえない層状燃焼内燃機関の吸気中の混合気の分布状態
に対して、吸気ポート内の隔壁をそなえた層状燃焼内燃
機関では、図１２（ａ）〜（ｃ）に示すように層状化が
促進され、さらに、吸気ポート内の隔壁とピストン上面
の彎曲した隆起部との共にそなえた層状燃焼内燃機関で
は、図１２（ｄ），（ｅ）に示すように層状化が更に促
進されるのである。

【００４８】なお、これらの図１２，１３は、いずれも
吸入上死点後３０度〜６０度（３０°〜６０°ＡＴＤ
Ｃ）の間にシリンダ内に供給される空気中に燃料をシー
ドしたもので、（ａ）は吸入上死点後６０度（６０°Ａ
ＴＤＣ）の状態、（ｂ），（ｄ）は吸入下死点（ＢＤ
Ｃ）の状態、（ｃ），（ｅ）は点火タイミングに近い圧
縮上死点前１５度（１５°ＢＴＤＣ）の状態を示してい
る。

【００４９】即ち、燃焼室３０の天井中心に点火プラグ
１１を配設されたエンジンでは、隔壁２１とピストン２
６の上面３４に隆起部３７を設けることで、点火プラグ
１１の近傍のタンブル流をよりリッチにし、より良好な
層状燃焼を得られるようになるのである。そして、この
層状燃焼内燃機関では、機関の吸入行程中期付近（例え
ば、９０°〜１５０°ＡＴＤＣといった吸入行程中期か
ら後期）にシリンダ内に供給される空気（吸気）中に燃
料をシードしているので、例えば図１１の（ｃ）に示す
ように、点火プラグ１１による着火時に点火プラグ１１
の電極近傍にリッチな混合気が位置するようになる。

【００５０】つまり、燃料のリッチなタンブル流Ｆｍの
中で特に部分的に燃料のリッチな混合気が、点火プラグ
１１の電極近傍に集まるので、極めて効率的な希薄燃焼
を実現できるのである。なお、図１１〜１３は計算結果
であるため、これらの数値的な特性を厳密に判断するわ
けにはいかないが、その特徴的な傾向は十分に現れてい
るものと考えられ、本層状燃焼内燃機関における燃料シ
ードのタイミングを参照することにより、効率的に内燃
機関の燃料供給制御を設定しうるものである。

【００５１】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の層状燃焼
内燃機関によれば、シリンダ内に形成される燃焼室天井
部のほぼ中央部分に着火手段が配設され、該天井部の一
側に一対の吸気ポート及び吸気弁が配設されて、該一対
の吸気ポートからの吸気流が該シリンダ内で層状タンブ
ル流をなすように該両空気ポートが構成された層状燃焼
内燃機関において、上記の各吸気ポート内に該吸気ポー
ト内を該着火手段側の中央通路とその両側の側方通路と
に二分するように該吸気ポート内の流線に沿って延在す
る隔壁が形成されるとともに、該燃焼室の底面部を構成
するピストン上面に該着火手段の点火部に接近するよう
に彎曲した隆起部が形成され、上記の両吸気ポートの境
界部に該着火手段側の中央通路へ燃料を噴射するように
燃料噴射手段が配設されて、該燃料噴射手段から噴射さ
れた燃料が、該内燃機関の吸入行程中期付近に該シリン
ダ内に供給されるように設定されるという構成により、
内燃機関における燃焼室の天井中央の着火手段に空燃比
のリッチな混合気を集めるようにして、層状燃焼による
低燃費化を促進できるようになる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例としての層状燃焼内燃機関を
示す模式的な斜視図である。

【図２】本発明の一実施例としての層状燃焼内燃機関の
吸気ポートの要部構成と吸気流とを示す図であって、吸
気の流れ方向に直行する面の模式的な断面図（図１のＡ
矢視方向からみた断面図）である。

【図３】本発明の一実施例としての層状燃焼内燃機関の
燃焼室の要部形状を示す模式的な断面図（図１のＡ′矢
視方向からみた断面図）である。

【図４】本発明の一実施例としての層状燃焼内燃機関の
ピストン上面形状を詳細に示す図であって、（ａ）はそ
の模式的な斜視図、（ｂ）は図３と対応する断面図であ
る。

【図５】本発明の一実施例としての層状燃焼内燃機関の
吸気ポートの構造を示す模式的な部分断面図（図２のＣ
−Ｃ矢視断面図）である。

【図６】本発明の一実施例としての層状燃焼内燃機関に
おける層状流を示す模式的な断面図であって、図２と対
応する図（即ち、図１のＡ矢視方向からみた断面図）で
ある。

【図７】本発明の一実施例としての層状燃焼内燃機関の
吸気ポート構造を示す模式てきな断面の拡大図（図２の
Ｃ−Ｃ矢視断面拡大図）である。

【図８】本発明の一実施例としての層状燃焼内燃機関の
吸気ポート構造を示す模式図であって、（ａ）〜（ｇ）
はそれぞれ図７のＨ−Ｈ断面〜Ｓ６−Ｓ６断面に相当す
る。

【図９】本発明の一実施例としての層状燃焼内燃機関の
吸気ポート構造を示す模式的な横断面図（図５のＢ−Ｂ
矢視断面図）である。

【図１０】本発明の一実施例としての層状燃焼内燃機関
の燃料供給手段の噴射バリエーションを示す図である。

【図１１】吸気ポート内の隔壁とピストン上面の彎曲し
た隆起部とのいずれもそなえた層状燃焼内燃機関におけ
る吸気中への燃料散布タイミングに応じた吸気中の混合
気の分布状態を示す図である。

【図１２】吸気ポート内の隔壁のみをそなえた層状燃焼
内燃機関及び吸気ポート内の隔壁とピストン上面の彎曲
した隆起部とのいずれもそなえた層状燃焼内燃機関の各
吸気中の混合気の分布状態を示す図である。

【図１３】吸気ポート内の隔壁とピストン上面の彎曲し
た隆起部とをいずれもそなえない層状燃焼内燃機関の吸
気中の混合気の分布状態を示す図である。

【図１４】従来の３弁式層状燃焼内燃機関を示す模式的
な斜視図である。

【図１５】従来の３弁式層状燃焼内燃機関の燃焼室の要
部形状を示す模式的な側面図である。

【符号の説明】

１Ａ，１Ｂ 吸気ポート４６Ａ，４６Ｂの軸心線 ３ 吸気ポート４６の左右中心面 ４ 点火プラグ側の中央側通路 ５ 中央側通路の両側の側方通路 ６ インジェクタ１２の噴射軸線 ８ 吸気ポート上面部 １１ 着火手段としての点火プラグ １２ 燃料噴射手段としてのインジェクタ １３ 拡大部 ２１ 隔壁 ２１Ａ 隔壁２１の上流端 ２１Ｂ 隔壁２１の下流端 ２２ シリンダブロック ２４ シリンダボア ２６ ピストン ２８ シリンダヘッド ３０ 燃焼室 ３４ ピストン２６の上面 ３５ 凹所 ３７ 隆起部 ３９ バルブリセス ４５ 吸気流 ４６ 吸気ポート ４６Ａ，４６Ｂ 吸気ポート部分（吸気ポート） ４６Ａ−１，４６Ｂ−１ 吸気ポート４６Ａ，４６Ｂの
タンブル流側半部 ４６Ａ−２，４６Ｂ−２ 吸気ポート４６Ａ，４６Ｂの
他半部 ４６Ｃ ポート隔壁（吸気ポート分岐部） ４７ 排気ポート ４７Ａ，４７Ｂ 排気ポート部分（排気ポート） ５６ 傘部 ５７ ステム部 ５８ 吸気弁 ６０ ペントルーフ ６０ａ，６０ｂ斜面 ６１ 排気弁 １２１Ａ 隔壁２１の内側面（中央側通路４に面した
面） ２３２ ペントルーフ６０の頂上 Ｆ１ 吸気流心 ＦＣ 基準面 Ｆａ，Ｆｍ タンブル流（吸気流） Ｖｆ１，Ｖｆ２ 斜面

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｆ 1/42 Ｆ０２Ｆ 1/42 Ａ Ｆ０２Ｍ 69/00 ３６０ Ｆ０２Ｍ 69/00 ３６０Ｂ ３６０Ｐ 69/04 69/04 Ｐ (72)発明者 桑原 一成 東京都港区芝五丁目33番８号 三菱自動 車工業株式会社内 (72)発明者 北田 泰造 東京都港区芝五丁目33番８号 三菱自動 車工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平７−11960（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−159079（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−321679（ＪＰ，Ａ) 実開 平７−22035（ＪＰ，Ｕ) 実開 平７−22034（ＪＰ，Ｕ) 実開 平７−22033（ＪＰ，Ｕ) 実開 平４−116670（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−125863（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F02B 17/00 - 31/00 F02D 41/04 F02F 1/42 F02M 69/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダ内に形成される燃焼室天井部の
   ほぼ中央部分に着火手段が配設され、該天井部の一側に
   一対の吸気ポート及び吸気弁が配設されて、該一対の吸
   気ポートからの吸気流が該シリンダ内で層状タンブル流
   をなすように該両空気ポートが構成された層状燃焼内燃
   機関において、 上記の各吸気ポート内に該吸気ポート内を該着火手段側
   の中央通路とその両側の側方通路とに二分するように該
   吸気ポート内の流線に沿って延在する隔壁が形成される
   とともに、 該燃焼室の底面部を構成するピストン上面に該着火手段
   の点火部に接近するように彎曲した隆起部が形成され、 上記の両吸気ポートの境界部に該着火手段側の中央通路
   へ燃料を噴射するように燃料噴射手段が配設されて、 該燃料噴射手段から噴射された燃料が、該内燃機関の吸
   入行程中期付近に該シリンダ内に供給されるように設定
   されていることを特徴とする、層状燃焼内燃機関。