JP3323283B2 - ４サイクル内燃機関の吸気装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、４サイクル内燃機関の
吸気装置に関し、詳細には吸気弁開口に連なる吸気通路
の通路面積を制御するための絞り弁を備えた４サイクル
内燃機関において、燃料の霧化を促進でき、燃費を向上
させることができるようにした吸気装置の改良に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】４サイクル内燃機関において、燃費向上
の観点等から吸気通路内に燃料を噴射する燃料噴射弁を
備えたものが提案されている。この種の４サイクル内燃
機関では、エンジン負荷に応じて燃料噴射弁の駆動時間
等を制御することにより燃料量を調節しているが、エン
ジン始動から低負荷域にかけての運転領域では吸気通路
内の流速が遅いため燃料の霧化はあまり行われておら
ず、また燃料が壁面に付着し易い。この結果失火が発生
する恐れがある。この傾向は、燃料が霧化しにくい冷間
始動時にとくに生じやすい。そこで、低負荷域において
も着火可能な空燃比の混合気を燃焼室内の火花発生位置
に形成すべく、低負荷運転時においては理論空燃比より
過濃となるように、より多量の燃料を吸気通路内に供給
するようにしている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、この余分な
燃料の供給により、燃費が低下するばかりか、一酸化炭
素（ＣＯ），炭化水素（ＨＣ）等の有害な排気ガスが排
出されることになる。

【０００４】本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされ
たもので、とくに低負荷域での燃料の霧化を促進でき、
燃費の改善を図ることができる４サイクル内燃機関の吸
気装置を提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、吸気
弁開口に連なる吸気通路の途中部分と吸気弁開口近傍と
を連通する上記吸気通路より小径の副吸気通路を設け、
上記吸気通路の上記副吸気通路上流端開口部分に該吸気
通路を開閉する開閉弁を配設し、上記上流端開口に燃料
を導くためのガイド部を上記開閉弁に形成し、上記副吸
気通路に燃料を供給する燃料噴射弁を上記ガイド部に指
向させて上記吸気通路に配設し、上記副吸気通路の下流
端開口を火花発生位置である燃焼室中央部に指向させた
ことを特徴としている。

【０００６】また請求項２の発明は、請求項１におい
て、上記内燃機関が吸気弁を３個備えており、上記副吸
気通路の下流端開口が中央の吸気弁用吸気通路に開口し
ていることを特徴としている。

【０００７】さらに請求項３の発明は、請求項１又は２
において、上記副吸気通路の途中部分に該副吸気通路を
開閉制御する制御弁を設けたことを特徴としている。

【０００８】

【０００９】

【作用】請求項１の発明に係る吸気装置によれば、吸気
通路より小径の副吸気通路を設け、吸気通路の副吸気通
路上流端開口近傍に該吸気通路を開閉する開閉弁を設け
たので、低負荷運転域では絞り弁の開度に対応して開閉
弁が閉じ、その結果、燃料供給手段から供給された燃料
と空気の混合気は吸気通路から副吸気通路内に導入され
る。この副吸気通路は吸気通路より小径となっているた
め混合気の流速が増し、副吸気通路内において燃料の霧
化が促進できる。これにより、空燃比を過濃に設定する
必要もなくなり、排気ガスの低公害化と燃費の改善が図
られる。

【００１０】副吸気通路内で霧化された燃料は、該副吸
気通路の吸気弁開口近傍側の下流端開口から燃焼室内に
噴出する。この場合には、当該副吸気通路の下流端開口
が燃焼室中央部に指向しているので、該開口からの噴流
は吸気弁開口，燃焼室中央部を通って気筒内に高速で流
入し、気筒軸方向に流れる縦スワール（タンブル）を発
生させる。しかもＡ／Ｆ（空燃比）の濃い混合気が集中
的に燃焼室中央部に流れ、燃焼室壁側には吸気通路から
のＡ／Ｆの薄い混合気が流れ込むことになるため、同時
に層状吸気を行うことができる。これにより希薄空燃比
での燃焼を安定化させることができ、燃費をさらに向上
させることができる。

【００１１】そして燃料噴射弁の噴射口を開閉弁のガイ
ド部に指向させたので、燃料噴射弁から噴射された燃料
は該ガイド部に衝突し、これにより吸気通路内において
燃料の霧化が促進できる。霧化された燃料はガイド部か
ら副吸気通路の上流端開口に導かれ、該副吸気通路内で
流速を増してさらに霧化が促進される。これにより排気
ガスの低公害化と燃費の改善が図られる。

【００１２】また請求項２の発明に係る吸気装置によれ
ば、吸気弁を３個備えた内燃機関において、副吸気通路
の下流端開口を中央の吸気通路に開口させたので、同様
に副吸気通路の下流端開口は燃焼室中央部に指向するこ
とになる。従って、該開口からの噴流（Ａ／Ｆの濃い混
合気）は吸気弁開口，燃焼室中央部を通って気筒軸方向
に高速で流入して、縦スワール（タンブル）を発生さ
せ、これにより希薄燃焼を達成することができ、燃費を
さらに向上させることができる。

【００１３】また請求項３の発明に係る吸気装置によれ
ば、副吸気通路の途中部分に該副吸気通路を開閉する制
御弁を設けたので、低負荷運転域において例えば冷機時
に副吸気通路を開とし、暖機時に副吸気通路を閉とする
ことにより、冷機時に副吸気通路内での燃料の霧化を一
層促進することができる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて
説明する。図１ないし図５は本発明の一実施例による４
サイクルエンジンの吸気装置を説明するための図であ
り、図１は本実施例装置が適用された４サイクルエンジ
ンの断面側面部分図、図２はその平面模式図、図３は本
実施例装置の可変ベンチュリバルブの縦断面図、図４は
図３のIV-IV 線矢視図、図５は図１のＶ−Ｖ線断面図で
ある。

【００１５】図１及び図２において、１は水冷式４サイ
クル４気筒２バルブエンジンであり、これは、クランク
ケース２上にシリンダブロック３，シリンダヘッド４を
積層してヘッドボルトで締結し、該シリンダヘッド４上
にヘッドカバー（図示せず）を装着した構造のものであ
る。上記シリンダブロック３に形成された４つのシリン
ダボア３ａ内にはそれぞれピストン７が摺動自在に挿入
配置されており、該各ピストン７はコンロッド８で図示
しないクランク軸に連結されている。

【００１６】上記シリンダヘッド４のシリンダブロック
３側の下側合面４ａには燃焼室を構成する燃焼凹部４ｂ
が凹設されている。該燃焼凹部４ｂの中央には点火プラ
グ９が螺挿されており、また該点火プラグ９の周囲には
吸気弁開口４ｃ，排気弁開口４ｄがそれぞれ開口してい
る。なお上記各開口４ｃ，４ｄは、これらの部分に装着
された概ねリング状のバルブシート２８，２９の各開口
によってそれぞれ形成されている。また排気弁開口４ｄ
には排気弁１０のバルブヘッド１０ａが、吸気弁開口４
ｃには吸気弁１１のバルブヘッド１１ａがそれぞれ各開
口を開閉可能に、すなわち上記バルブシート２８，２９
の各シート面に当接可能に配置されている。

【００１７】上記各排気弁開口４ｄは排気通路１６でシ
リンダヘッド４の前壁側（図１，図２左側）に導出され
ており、該排気通路１６の壁面開口には排気管１６ｂが
接続されている。上記各吸気弁開口４ｃは吸気通路１７
でシリンダヘッド４の後壁側（図１，図２右側）に導出
されており、該吸気通路１７の壁面開口には吸気管２２
が接続されている。

【００１８】上記吸気管２２の上流端にはエア導入口２
３が形成され、該エア導入口２３の下流側にはエアクリ
ーナ２４が接続されている。またエアクリーナ２４の下
流側には吸気管２２の通路面積を制御するスロットル弁
２５が、さらにその下流側にはサージタンク３９がそれ
ぞれ配設されている。

【００１９】上記吸気管２２の中途部分には、可変ベン
チュリバルブ（開閉弁）３０が設けられている。この可
変ベンチュリバルブ３０は、図３に示すように、吸気管
２２の天壁に固定されたチャンバ３１と、該チャンバ３
１内に摺動自在に設けられ、上記吸気管２２内に突出す
るピストン３２とを備えている。

【００２０】上記ピストン３２により上記チャンバ３１
内には２つの隔室３１ａ，３１ｂが形成されている。上
記隔室３１ａ内には、上記ピストン３２を上記吸気管２
２の閉方向に付勢するコイルばね３３が縮設されてい
る。なお該隔室３１ａは上端開口に装着されたボルト３
６により閉塞されている。また上記ピストン３２には上
下方向に延びる貫通孔３４が形成され、該貫通孔３４に
より上記隔室３１ａ内と上記吸気管２２内とが連通して
いる。さらに上記吸気管２２の上部には孔３５が形成さ
れ、該孔３５により上記隔室３１ｂ内と吸気管２２内と
が連通している。

【００２１】上記吸気管２２の底壁の上記ピストン３２
と対向する部分には、該吸気管２２よりも小径の副吸気
管４０が接続されている。該副吸気管４０の下流端開口
４０ｂは上記吸気弁開口４ｃ近傍の吸気通路１７内に開
口しており、該下流端開口４０ｂは燃焼凹部４ｂの中央
部に指向している。また上記ピストン３２の上流側側部
には傾斜面３６が形成されており、該傾斜面３６の下縁
部分３６ａは上記副吸気管４０の上流端開口４０ａの略
中央上方に位置している。

【００２２】また上記吸気管２２の可変ベンチュリバル
ブ３０上流側には、吸気管２２内に燃料を噴射する単孔
式燃料噴射弁４５が装着されている。該燃料噴射弁４５
の噴出孔４５ａは上記可変ベンチュリバルブ３０のピス
トン傾斜面３６に指向している。また該噴出孔４５ａか
ら噴出される燃料流は、図４に示すように、燃料流先端
部分の幅が上記上流端開口４０ａよりも少し広くなるよ
うに噴射角θが設定されている。なお、該燃料噴射弁４
５から噴出すべき燃料量については、各センサによって
検出されるエンジン回転速度，スロットル開度，吸気管
内圧，吸気流量，冷却液温，吸気温度等に基づいて制御
される。

【００２３】次に上記実施例の動作について説明する。
低負荷運転域においては、スロットル弁２５が全閉位置
（図１実線位置）におかれる。これにより、吸気管２２
内においてスロットル弁下流側にはほとんど流速が生じ
ず負圧状態となる。可変ベンチュリバルブ３０の各隔室
３１ａ，３１ｂはそれぞれ孔３４，３５を介して吸気管
２２内と連通しているため、各隔室３１ａ，３１ｂ内も
同様の負圧状態になる。従ってピストン３２はコイルば
ね３３のばね力により下方に付勢されて、吸気管２２内
を閉塞する全閉位置（図３実線位置）または小開度位置
に移動する。

【００２４】この状態から燃料噴射弁４５より燃料が噴
射されると、該燃料は吸気管２２内を進んで可変ベンチ
ュリバルブ３０のピストン傾斜面３６に衝突する。する
と燃料は該傾斜面３６で薄膜状に拡がり、傾斜面３６に
沿って下方に移動する空気流と共に、副吸気管４０の上
流端開口４０ａを通って該副吸気管４０内に流入する。

【００２５】副吸気管４０は吸気管２２よりも小径とな
っているため、副吸気管４０内に流入した燃料及び空気
は該副吸気管４０内で流速を増し、これにより燃料の霧
化が促進されるとともに、壁面への付着が防止される。
そして該燃料は副吸気管４０の下流端開口４０ｂから吸
気弁開口２８近傍の吸気通路１７内に流入し、該吸気弁
開口２８を通って燃焼室内に流入する。

【００２６】このように吸気管２２における壁面流が防
止されるので、壁面付着燃料を補うために必要な余分な
燃料を供給することなく、燃焼室内の火花発生位置に着
火可能な空燃比の混合気を供給でき、これにより一酸化
炭素（ＣＯ），炭化水素（ＨＣ）等の有害な排気ガスの
排出を抑制でき、排気ガスの低公害化と燃費の改善を図
ることができる。

【００２７】また上述のように、副吸気管４０の下流端
開口４０ｂは点火プラグ９が配置された燃焼凹部４ｂ中
央部に指向しているため、該下流端開口４０ｂから高速
で噴出した混合気は、吸気弁開口４ｃ，燃焼室中央部を
通って気筒内に流入し、気筒軸方向に流れる縦スワール
（タンブル）を発生させる（図１及び図５参照）。しか
も副吸気管４０からのＡ／Ｆの濃い混合気５０が集中的
に燃焼室中央部に流れ、燃焼室壁側には吸気管２２から
導入された比較的Ａ／Ｆの薄い混合気５１が流れ込むこ
とになるため、同時に層状給気を行うことができる。こ
れにより希薄空燃比での燃焼を安定化させることがで
き、燃費をさらに向上させることができる。またタンブ
ルの速度分布が燃焼室中央部から離れるにしたがい遅く
なるので、燃焼室壁に対する冷却損失を通常のタンブル
に比べて低減できる。

【００２８】なお上記低負荷運転域における燃料の噴射
開始時期は吸気行程の直前かあるいは吸気行程中に行う
のが好ましい。これは吸気流速が速まることを利用して
燃料の霧化を促進できるからである。

【００２９】中負荷運転域においては、スロットル弁２
５が若干開位置（図１一点鎖線位置）におかれ、これに
より吸気管２２内においてスロットル弁下流側に流速が
生じる。吸気管２２内において可変ベンチュリバルブ３
０の取付部分はピストン３２により通路面積が底壁側に
絞られているため、吸気管２２内の流速は底壁側の方が
天壁側よりも大きくなり、この結果、底壁側の負圧が大
きくなる。

【００３０】一方、可変ベンチュリバルブ３０の各隔室
３１ａ，３１ｂはそれぞれ孔３４，３５を介して吸気管
２２内と連通しており、このため隔室３１ａ内の負圧が
大きくなり、隔室３１ｂ内はそれよりも高い圧力状態に
なる。この結果、ピストン３２がコイルばね３３のばね
力に抗して上方に移動し、吸気管２２内の通路を少し開
く（図３一点鎖線参照）。この状態においてピストン３
２の傾斜面３６の下方への延長線は依然として副吸気管
４０の開口４０ａ内に位置している。燃料噴射弁４５か
ら噴射された燃料はピストン傾斜面３６に衝突して霧化
されるとともに下方に移動し、一部は副吸気管４０の上
流端開口４０ａを通って該副吸気管４０内に流入して霧
化が促進され、残りは吸気管２２の底壁側を通る高速の
空気流により霧化，微粒化が促進されて吸気通路１７か
ら燃焼室内に流入する。

【００３１】高負荷運転域においては、スロットル弁２
５が全開位置におかれ、これにより吸気管２２内の流速
がさらに増して、吸気管２２内の底壁（ピストン対向
部）側の負圧が他の部分に比べてさらに高まる。これに
よりピストン３２はピストン傾斜面３６の下端面が吸気
管２２の天壁面と一致する、あるいは傾斜面３６がわず
かに突出する全開位置に上昇する。その結果、燃料噴射
弁４５から噴射された燃料の大部分は通常のエンジンと
同様に吸気管２２内を高速で流れつつ霧化されながら吸
気通路１７から燃焼室内に流入する。

【００３２】このように本実施例では、低負荷運転域に
おいては吸気管２２よりも小径の副吸気管４０内を燃料
が通るようにしたので、燃料の霧化を促進でき、これに
より有害な排気ガスの排出を抑制でき、燃費を改善でき
る。また本実施例では、隣接する気筒の各副吸気管４０
をバランス管４１（図１）により連通させたので、例え
ば、１つの気筒用の燃料がピストン傾斜面に付着残留し
た場合には、次の吸気行程の気筒用副吸気管に導入さ
れ、この点からも燃料の霧化がさらに促進されることに
なる。

【００３３】さらに本実施例では、副吸気管４０の下流
端開口４０ｂが燃焼凹部４ｂ中央に指向しているので、
燃焼室内に効果的にタンブルを発生させることができ、
これにより希薄燃焼を安定化させて、燃費の向上を図る
ことができる。

【００３４】また吸気管２２の開閉をピストンタイプの
可変ベンチュリバルブ３０により行うようにしたので、
エンジン負荷に応じた、吸気管２２，副吸気管４０への
燃料配分を良好に行える。

【００３５】なお上記実施例では、可変ベンチュリバル
ブ３０の駆動について吸気管２２内の負圧を利用したも
のを示したが、本発明の適用はこれに限定されない。例
えばスロットル弁２５の開動と連動するリンク機構を設
け、該リンク機構により可変ベンチュリバルブ３０を駆
動するようにしてもよい。さらにピストン３２のアクチ
ュエータ（例えばステッピングモータ）を設けるととも
に、スロットル弁２５の開度に対応するピストン３２の
開度を予め制御部（ＥＣＵ）に登録しておき、スロット
ル弁２５の開度に応じた所望のピストン開度になるよう
上記アクチュエータを駆動するようにしてもよい。

【００３６】また燃料供給手段は噴射弁に限定されるも
のではなく、例えば気化器を設けても良い。さらにま
た、噴射弁あるいは気化器を各気筒共通のものとし、分
配管により分配するようにしても良い。

【００３７】また上記副吸気管４０の途中に該副吸気管
４０を開閉制御する制御弁４２を設けるようにしてもよ
い。そしてこの制御弁４２により、低負荷時において例
えば冷間始動時に副吸気管４２を開とし暖機時に副吸気
管４２を閉とするよう制御することにより、冷間始動時
において副吸気管４２内の燃料の流れが良くなり、燃料
の霧化，気化をより促進させることができる。なお、こ
の冷間始動時において燃焼室内の平均Ａ／Ｆを λ≒１またはλ＞１ とするようにすれば冷間始動時の燃費を向上できる。こ
のようなリーン状態での運転が可能となるのは、副吸気
管４０から燃焼室内に噴出する燃料が燃焼室中央部を通
り、このとき上述のように燃焼室内に縦スワールが発生
するからである。

【００３８】上記実施例では、本発明が２バルブエンジ
ンに適用されたものを示したが、本発明は４バルブある
いは５バルブエンジンにも同様に適用することができ
る。本発明が４バルブエンジンに適用された例を図６，
図８に、また５バルブエンジンに適用された例を図７，
図９に示す。なお、これらの図において図１ないし図５
と同一符号は同一又は相当部分を示している。

【００３９】４バルブエンジンでは副吸気管４０の下流
端開口４０ｂは一方の吸気通路１７ａ内に開口し、また
５バルブエンジンでは副吸気管４０の下流端開口４０ｂ
は中央の吸気通路１７ｂ内に開口しており、いずれの場
合も、下流端開口４０ｂは燃焼室凹部４ｂ中央部に指向
している。これにより、副吸気管４０からの噴流は燃焼
室凹部４ｂ中央部を通って気筒内に流入することになり
（図８及び図９参照）、上記実施例と同様に希薄燃焼を
安定して行わせることができる。

【００４０】

【発明の効果】以上のように、請求項１の発明に係る４
サイクル内燃機関の吸気装置によれば、吸気通路より小
径の副吸気通路を設け、吸気通路の副吸気通路開口近傍
に該吸気通路を開閉する開閉弁を設けるようにしたの
で、燃料の霧化が促進でき、排気ガスの低公害化と燃費
の改善が図られる。また副吸気通路の吸気弁開口近傍側
の開口を燃焼室中央部に指向させるようにしたので、燃
焼室内において気筒軸方向に流れる縦スワール（タンブ
ル）を発生させることができ、希薄空燃比での燃焼を安
定化させることができ、燃費をさらに向上させることが
できる効果がある。

【００４１】そして燃料噴射弁の噴射口を開閉弁のガイ
ド部に指向させるようにしたので、燃料噴射弁から噴射
された燃料を該ガイド部に衝突させて霧化させ、この霧
化された燃料を副吸気通路開口に導入することができ、
これにより燃料の霧化を促進できる効果がある。

【００４２】また請求項２の発明によれば、吸気弁を３
個備えた内燃機関において、副吸気通路の一端を中央の
吸気通路に開口させるようにしたので、同様に副吸気通
路の吸気弁開口近傍側の開口は燃焼室中央部に指向する
ことになり、これにより燃焼室内に縦スワール（タンブ
ル）を発生させることができ、希薄空燃比での燃焼を安
定化させて燃費をさらに向上させることができる効果が
ある。

【００４３】また請求項３の発明によれば、副吸気通路
の途中部分に該副吸気通路を開閉する制御弁を設けるよ
うにしたので、低負荷運転域において冷機時に副吸気通
路内での燃料の霧化を一層促進することができる効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による吸気装置が適用された
４サイクルエンジンの断面側面部分図である。

【図２】上記実施例エンジンの平面模式図（図１のII−
II線断面図）である。

【図３】上記吸気装置の可変ベンチュリバルブの縦断面
図（図４のIII −III 線断面図）である。

【図４】図３のIV-IV 線矢視図である。

【図５】図１のＶ−Ｖ線断面図である。

【図６】図２の第１変形例を示す図である。

【図７】図２の第２変形例を示す図である。

【図８】上記第１変形例の図５に相当する図である。

【図９】上記第２変形例の図５に相当する図である。

【符号の説明】

１ エンジン １１ 吸気弁 １７ 吸気通路 ２２ 吸気管（吸気通路） ２５ スロットル弁（絞り弁） ２８ 吸気弁開口 ３０ 可変ベンチュリバルブ（開閉弁） ３６ 傾斜面（ガイド部） ４０ 副吸気管（副吸気通路） ４０ａ 副吸気管開口 ４０ｂ 副吸気管下流端開口 ４５ 燃料噴射弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02B 29/00 F02M 69/00 F02M 69/00 310 F02M 69/00 360 F02M 69/04

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 吸気弁開口に連なる吸気通路の途中部分
   と吸気弁開口近傍とを連通する上記吸気通路より小径の
   副吸気通路を設け、上記吸気通路の上記副吸気通路上流
   端開口部分に該吸気通路を開閉する開閉弁を配設し、上
   記上流端開口に燃料を導くためのガイド部を上記開閉弁
   に形成し、上記副吸気通路に燃料を供給する燃料噴射弁
   を上記ガイド部に指向させて上記吸気通路に配設し、上
   記副吸気通路の下流端開口を火花発生位置である燃焼室
   中央部に指向させたことを特徴とする４サイクル内燃機
   関の吸気装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、上記内燃機関が吸気
   弁を３個備えており、上記副吸気通路の下流端開口が中
   央の吸気弁用吸気通路に開口していることを特徴とする
   ４サイクル内燃機関の吸気装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２において、上記副吸気通
   路の途中部分に該副吸気通路を開閉制御する制御弁を設
   けたことを特徴とする４サイクル内燃機関の吸気装置。