JP3468055B2 - 希薄燃焼内燃機関 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数の点火手段を
備えた希薄燃焼内燃機関に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】希薄燃焼内燃機関（所謂リーンバーンエ
ンジン）は、排気エミッションの低減と燃費改善の両立
を図る内燃機関として開発され、実用化されている。

【０００３】この希薄燃焼内燃機関において、希薄空燃
比域で安定した燃焼を行い、燃料消費率の向上を図るた
めには、燃焼期間を短くし、燃焼変動を少なくする必要
がある。

【０００４】従来の希薄燃焼内燃機関においては、燃焼
室に強力なガス流動（スワール流れやタンブル流れ）を
発生させて火炎速度を速めることによって燃焼期間を短
くし、安定した燃焼が可能な希薄空燃比域の拡大を図っ
ていた。

【０００５】一方、燃焼期間を短くする他の手段に、複
数の点火手段を設けて多点点火する方法があり、前記ガ
ス流動による方法と組み合わせることにより、燃焼期間
をさらに短くして燃焼の安定化を図る試みも行われてい
る。

【０００６】例えば、特開平６−１１７２５０号公報に
開示されている希薄燃焼内燃機関においては、ストレー
ト吸気ポートと、スワール吸気ポートと、ストレート吸
気ポートに設けられ低負荷域で閉じ高負荷域で開くよう
に制御されたスワールコントロールバルブと、一対の排
気ポートと、燃焼室のボア中央部に設けられた第１点火
栓と、スワール吸気ポートから遠い側の排気ポートとス
トレート吸気ポートとの間のボア周辺部に設けられた第
２点火栓と、スワール吸気ポートから燃焼室の中央部に
燃料を噴射する燃料噴射弁とを備えて構成されている。

【０００７】この希薄燃焼内燃機関では低負荷域で希薄
燃焼が行われ、この時にはスワールコントロールバルブ
の閉弁によりストレート吸気ポートが閉ざされるので、
スワール吸気ポートだけから燃焼室へ吸気が流入し、燃
焼室内にスワール流れが発生する。その後、ピストンが
圧縮上死点近傍に位置するときに、所定のタイミングで
第１点火栓と第２点火栓を同時に点火することにより、
ガス流動と二点着火の両作用で希薄混合気の燃焼期間を
短くし燃焼の安定化を図らんとしたものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前記公報記載の希薄燃
焼内燃機関においては、燃焼室のボア中央部に設けられ
た第１点火栓の近傍は、ボア周辺部に設けられた第２点
火栓の近傍に比べて濃い空燃比且つ高温状態であるた
め、着火し易い。そのため、第２点火栓近傍は第１点火
栓近傍よりも着火時期が遅れて着火する。

【０００９】したがって、前記公報記載の希薄燃焼内燃
機関によれば、二点着火により燃焼期間が短縮されると
ともに、着火時期の僅かなずれが燃焼温度の急激な増大
を抑制してＮＯxの発生量を低減させることができる。

【００１０】しかしながら、近年、成層化の度合が進む
に従って、あるいは、燃焼室のボア径を大きくした場合
に、第２点火栓近傍の空燃比の希薄化および低温化が促
進され、第２点火栓近傍の混合気の着火性が悪化し、場
合によっては着火しないという問題が生じる。

【００１１】本発明はこのような従来の技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする
課題は、燃焼室内により強いガス流動を発生させて多点
点火することにより、安定燃焼可能な希薄空燃比域の拡
大を図ることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するために、以下の手段を採用した。本発明は、内燃機
関の燃焼室に吸気を流入させるストレート吸気ポート及
びスワール吸気ポートと、前記ストレート吸気ポートと
スワール吸気ポートとをその途中で連通させる連通部
と、前記両吸気ポートから前記燃焼室内に向けて燃料を
噴射する燃料噴射手段と、前記連通部よりも上流のスト
レート吸気ポートに配置されストレート吸気ポートの吸
気の流れを遮断可能にするスワールコントロール手段
と、前記燃焼室に臨んで設けられた点火手段と、を備え
た希薄燃焼内燃機関において、前記点火手段は、前記燃
焼室のボアほぼ中央部に配置された第１点火手段と、前
記スワールコントロール手段が前記ストレート吸気ポー
トの吸気の流れを遮断する場合に、前記ストレート吸気
ポートから燃焼室内に流入した吸気流れとスワール吸気
ポートから流入した吸気により燃焼室内に生成されたス
ワール流れとが衝突する部位近傍に配置された第２点火
手段と、を有することを特徴とする希薄燃焼内燃機関で
ある。

【００１３】スワールコントロール手段によりストレー
ト吸気ポートを遮断したとき、吸気はスワール吸気ポー
トを通って燃焼室に向かって流れる。多くの吸気はスワ
ール吸気ポートから燃焼室に流入し、燃焼室内でスワー
ル流れを生成するが、吸気の一部は連通部を通ってスト
レート吸気ポートに流入し、ストレート吸気ポートから
燃焼室に流入した後、燃焼室内のスワール流れと衝突し
てこの衝突部近傍に強力なガス流の乱れを生じさせる。

【００１４】そして、この吸気行程において、燃料が燃
料噴射手段からストレート吸気ポートとスワール吸気ポ
ートに噴射され、燃料は噴霧となって吸気とともにスト
レート吸気ポート及びスワール吸気ポートから燃焼室内
に流入する。

【００１５】ストレート吸気ポートから燃焼室内に流入
するガス流と燃焼室内のスワール流れとが衝突する部位
に第２点火手段が設けられているが、この衝突部位は燃
焼室のボア中央からボア周縁側にずれて位置するように
なるので、第２点火手段近傍の混合気の温度は第１点火
手段近傍の混合気の温度よりも低くなり、両点火手段を
同時点火しても第２点火手段近傍の混合気への着火が第
１点火手段近傍の混合気への着火よりも若干遅れる。

【００１６】ただし、第２点火栓近傍には強力なガス流
の乱れが生じているので、このガス流の乱れが第２点火
栓近傍の着火性を向上させており、また、ストレート吸
気ポートから流入する吸気流れは燃料を含む混合気であ
るため第２点火栓近傍の混合気は濃い空燃比となり、こ
れも第２点火栓近傍の着火性を向上させている。これら
は、第２点火栓近傍の着火が第１点火栓近傍の着火から
大幅に遅れるのを防止する。

【００１７】その結果、初めに第１点火手段により燃焼
室の中央部の混合気が着火されて燃焼し、僅かに遅れて
第２点火手段近傍の混合気が第２点火手段によって着火
され燃焼するので、燃焼期間が極めて短くなり、サイク
ル間の燃焼変動も少なくなって、安定した希薄燃焼が行
われる。また、二点同時点火にもかかわらず着火は時間
的に僅かにずれるので、二点同時着火する場合に比較し
て燃焼温度の上昇を抑えることができ、ＮＯxの発生が
抑制される。

【００１８】前記燃料噴射手段については、ストレート
吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射手段と、スワール
吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射手段を、それぞれ
独立に設けてもよいし、一つの燃料噴射手段から両吸気
ポートに燃料を噴射させるようにしてもよい。

【００１９】本発明の希薄燃焼内燃機関においては、前
記第２点火手段の近傍に、第２点火手段に向けてスキッ
シュ流れを生じせしめるスキッシュ生成手段を備えるよ
うにしてもよい。このようにすると、スキッシュ流れに
よって更に第２点火手段近傍にガス流の乱れを生じせし
めることができ、更に着火性を向上させて、燃焼期間の
短縮化を図ることができる。

【００２０】本発明の希薄燃焼内燃機関においては、前
記燃焼室を画成する燃焼室壁を前記第２点火手段に接近
して延設してもよい。このようにすると、第２点火手段
による混合気の着火遅れが大きくなる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の希薄燃焼内燃機関
の実施の形態を図１から図７の図面に基いて説明する。

【００２２】〔第１の実施の形態〕初めに、本発明の希
薄燃焼内燃機関の第１の実施の形態を図１から図５の図
面を参照して説明する。

【００２３】リーンバーンガソリンエンジン（希薄燃焼
内燃機関）のシリンダブロック１の上部にはシリンダヘ
ッド２が設置され、シリンダブロック１の内部にはピス
トン３が往復動可能に収納されており、シリンダブロッ
ク１の内周面とシリンダヘッド２の下面とピストン３の
上面によって燃焼室４が画成されている。ピストン３の
上面は、中央部３ａが周縁部３ｂよりも凹んでいる。

【００２４】シリンダヘッド２には、ストレート吸気ポ
ート５とスワール吸気ポート６が互いにほぼ平行に設け
られており、それぞれシリンダヘッド２の下面において
互いに隣接するようにして燃焼室４に臨み開口してい
る。ストレート吸気ポート５とスワール吸気ポート６の
開口部はそれぞれ吸気弁２１，２２によって所定のタイ
ミングで開閉制御される。ストレート吸気ポート５とス
ワール吸気ポート６はその途中において連通孔（連通
部）７によって連通している。スワール吸気ポート６に
は、連通孔７よりも下流側に、スワール生成用の小突起
８が設けられている。

【００２５】ストレート吸気ポート５において連通孔７
よりも上流側には、ストレート吸気ポート５を連通・遮
断するスワールコントロールバルブ（以下、ＳＣＶと略
す）９が設けられている。ＳＣＶ９はスワールコントロ
ール手段を構成し、低中負荷域において閉じ、高負荷域
において開くように制御される。

【００２６】また、シリンダヘッド２には燃料噴射弁
（燃料噴射手段）１０が取り付けられている。燃料噴射
弁１０は噴射孔を二つ備えた所謂２ホールタイプのもの
が用いられており、先端部を連通孔７に臨ませて配置さ
れ、ストレート吸気ポート５とスワール吸気ポート６の
両方に同時に燃料を噴射するようになっている。

【００２７】さらに、シリンダヘッド２には、一対の排
気ポート１１，１２が設けられていて、それぞれシリン
ダヘッド２の下面において燃焼室４に臨み開口してお
り、平面視的には各開口部はストレート吸気ポート５の
開口部あるいはスワール吸気ポート６の開口部に対向す
るように位置している。排気ポート１１，１２はそれぞ
れ図示しない排気弁によって所定のタイミングで開閉制
御される。

【００２８】また、シリンダヘッド２には二つの点火栓
（点火手段）１３，１４が発火部を燃焼室４に臨ませて
取り付けられている。第１点火栓１３は燃焼室４のボア
ほぼ中央部に配置されており、第２点火栓１４は、スワ
ール吸気ポート６から遠い側の排気ポート１１とストレ
ート吸気ポート５との間であって、排気ポート１１とス
トレート吸気ポート５の中心を結ぶ仮想線よりも径方向
外側の燃焼室４のボア周縁部に配置されている。

【００２９】第２点火栓１４の近傍において燃焼室４を
画成するシリンダヘッド２の内壁面（燃焼室壁）には、
図４に示すように、第２点火栓１４にほぼ接触する位置
まで延出する膨出部１５が設けられている。シリンダヘ
ッド２の内壁面において第２点火栓１４から１８０度離
間した部位にも膨出部１５と同じ形状の膨出部１６が設
けられている。これら膨出部１５，１６はピストン３の
周縁部３ｂに対向して位置しており、ピストン３が上死
点に達するときに膨出部１５，１６と周縁部３ｂでその
間のガスを燃焼室４のボア中央に向かって押し出し、ス
キッシュ流れ（図３参照）を発生させる。つまり、ピス
トン３の周縁部３ｂと膨出部１５はスキッシュ生成手段
を構成している。

【００３０】このリーンバーンエンジンにおいては、低
中負荷域ではＳＣＶ９を閉ざして吸気が行われる。した
がって、ストレート吸気ポート５に流入した吸気はＳＣ
Ｖ９によって流れを阻止され、吸気はスワール吸気ポー
ト６のみに流れて燃焼室４へと向かう。そして、多くの
吸気はスワール吸気ポート６の開口部から燃焼室４内に
流入し、燃焼室４に流入する際に小突起８によってスワ
ールが生成され、燃焼室４内に反時計回り方向のスワー
ル流れを発生させる。

【００３１】また、ＳＣＶ９が閉じているためＳＣＶ９
よりも下流側のストレート吸気ポート５内は大きな負圧
となり、スワール吸気ポート５を流れる吸気の一部は連
通孔７から高速でストレート吸気ポート５内に流入し、
ストレート吸気ポート５の開口部から燃焼室４内に流入
する。

【００３２】そして、この吸気行程において所定のタイ
ミングで負荷に応じた所定量の燃料が燃料噴射弁１０か
らストレート吸気ポート５とスワール吸気ポート６に向
かって噴射され、噴霧となって吸気とともに両吸気ポー
ト５，６から燃焼室４内に流入する。尚、ストレート吸
気ポート５に噴射された燃料は、連通孔７を通ってスト
レート吸気ポート６に高速で流入する吸気によって微粒
化されるとともに均質化される。

【００３３】ストレート吸気ポート５から燃焼室４内に
ほぼ直線的に流入した噴霧及び吸気と、スワール吸気ポ
ート６から燃焼室４内に流入してスワール流れになった
噴霧及び吸気は、第２点火栓１４の近傍において衝突
し、第２点火栓１４近傍において更に強力なガスの乱れ
が生じる。したがって、燃焼室４内は、燃焼室４内のほ
ぼ全周域に生じるスワール流れによる乱れと、第２点火
栓１４近傍に生じる流れの衝突による乱れが存在するこ
ととなる。

【００３４】この後、圧縮行程に入ってピストン３が圧
縮上死点に接近すると、ピストン３の周縁部３ｂとシリ
ンダヘッド２の膨出部１５の作用により第２点火栓１４
に向かって強いスキッシュ流れが発生し、このスキッシ
ュ流れによって第２点火栓１４の近傍は更に強力なガス
流の乱れが生じることとなる。

【００３５】そして、ピストン３が圧縮上死点近傍に位
置する所定のタイミングで第１点火栓１３と第２点火栓
１４が同時に点火される。両点火栓１３，１４は同時に
点火されるのであるが、第２点火栓１４は燃焼室４のボ
ア周縁部近傍に配置されていて燃焼室壁に接近している
ため、第２点火栓１４近傍の混合気に対する燃焼室壁に
よる放熱効果が、第１点火栓１３近傍の混合気に対する
それよりも大きく、その結果、同時点火にもかかわら
ず、第２点火栓１４による着火が第１点火栓１３による
着火よりも若干遅れることとなる。特に、この実施の形
態では燃焼室壁の膨出部１５が第２点火栓１４にほぼ接
触するように設けられているので、第２点火栓１４の着
火遅れを比較的に大きくすることができる。

【００３６】ただし、第２点火栓１４近傍には強力なガ
ス流の乱れが生じているので、このガス流の乱れが第２
点火栓１４近傍の着火性を向上させており、また、スト
レート吸気ポート５から流入する吸気流れは燃料を含む
混合気であるため第２点火栓１４近傍の混合気は濃い空
燃比となり、これも第２点火栓１４近傍の着火性を向上
させている。これらは、第２点火栓１４近傍の着火が第
１点火栓１３近傍の着火から大幅に遅れるのを防止す
る。

【００３７】したがって、燃焼室４内では、図５に示す
ように、まず第１点火栓１３によって燃焼室４の中央部
の混合気Ａに着火され、燃焼する。燃焼室４の中央部の
混合気Ａはスワール流れによって強く乱されているの
で、短期間のうちに安定した燃焼が行われる。そして、
燃焼室４の中央部での燃焼開始から僅かな時間遅れがあ
って、第２点火栓１４近傍の混合気Ｂが第２点火栓１４
によって着火され、燃焼する。第２点火栓１４近傍の混
合気Ｂは前述したようにガス流の衝突とスキッシュ流れ
による強い乱れが生じているので、着火性もよく、火炎
伝播も非常に速い。その結果、混合気Ｂの燃焼期間は短
く、安定した燃焼が行われる。また、混合気Ｂの燃焼後
半ではスワール流れによって燃焼室４の周辺部に燃焼が
急速に広がる。

【００３８】このように、低中負荷域では、燃焼室４内
に生じさせた強力なガス流の乱れと二点点火とが相まっ
て、燃焼期間が極めて短くなり、サイクル間の燃焼変動
も少なくなって、安定した希薄燃焼を行うことができ、
安定燃焼可能な希薄空燃比域を広げることができる。こ
れはアイドル時の安定化と、アイドル回転速度の低速化
が可能になり、アイドル時の燃費も向上する。

【００３９】しかも、前述したように二点同時点火にも
かかわらず、両点火栓１３，１４では着火に時間的なず
れが生じるので、二点同時着火する場合に比べると燃焼
温度を低く抑えることができ、その結果、ＮＯxの発生
を抑制することができる。

【００４０】一方、このリーンバーンガソリンエンジン
においては、高負荷域ではＳＣＶ９を開いて吸気が行わ
れる。その結果、吸気はストレート吸気ポート５とスワ
ール吸気ポート６の両方から燃焼室４に流入するため、
スワール流れによる燃焼促進効果は期待できないが、両
点火栓１３，１４を二点同時点火することにより燃焼期
間を短縮することができるので、ノッキングの発生を抑
制することはできる。

【００４１】〔他の実施の形態〕次に、本発明の希薄燃
焼内燃機関の他の実施の形態を図６及び図７の図面を参
照して説明する。

【００４２】図６及び図７に示す態様はいずれも、スキ
ッシュ生成手段の構造を第１の実施の形態と若干異にし
ているだけで、他の構成は第１の実施の形態と全く同じ
である。

【００４３】図６に示す形態は、ピストン３の上面は平
坦面に形成されており、シリンダヘッド２の膨出部１
５，１６の下面を若干斜め上方に傾斜させて構成されて
いる。このように構成した場合にも、ピストン３と膨出
部１５によって図中矢印で示すように第２点火栓１４に
向かうスキッシュ流れを発生させることができる。

【００４４】図７に示す形態は、ピストンヘッド２の膨
出部１５，１６の下面を若干斜め上方に傾斜させるだけ
でなく、ピストン３の周縁部３ｂも膨出部１５，１６の
傾斜に対応させて斜め上方に傾斜させたものである。こ
のようにすると、図６に示す形態よりも強いスキッシュ
流れを発生させることができる。

【００４５】

【発明の効果】本発明によれば、内燃機関の燃焼室に吸
気を流入させるストレート吸気ポート及びスワール吸気
ポートと、前記ストレート吸気ポートとスワール吸気ポ
ートとをその途中で連通させる連通部と、前記両吸気ポ
ートから前記燃焼室内に向けて燃料を噴射する燃料噴射
手段と、前記連通部よりも上流のストレート吸気ポート
に配置されストレート吸気ポートの吸気の流れを遮断可
能にするスワールコントロール手段と、前記燃焼室に臨
んで設けられた点火手段と、を備えた希薄燃焼内燃機関
において、前記点火手段は、前記燃焼室のボアほぼ中央
部に配置された第１点火手段と、前記スワールコントロ
ール手段が前記ストレート吸気ポートの吸気の流れを遮
断する場合に、前記ストレート吸気ポートから燃焼室内
に流入した吸気流れとスワール吸気ポートから流入した
吸気により燃焼室内に生成されたスワール流れとが衝突
する部位近傍に配置された第２点火手段と、を有してい
るので、第２点火栓近傍に強力なガス流の乱れが発生
し、また、ストレート吸気ポートから流入する吸気流れ
が燃料を含む混合気であるため第２点火栓近傍の混合気
の空燃比が濃くなり、第２点火栓近傍の着火性が向上し
て、燃焼室のボア中央部よりも周辺部が低温になること
による第２点火栓近傍の大幅な着火遅れを防止すること
ができる。

【００４６】そして、燃焼期間を極めて短くすることが
でき、サイクル間の燃焼変動も少なくでき、安定燃焼可
能な希薄空燃比域を広げることができるので、機関アイ
ドル運転の安定化と、アイドル回転速度の低速化が可能
になり、アイドル時の燃費も向上する。

【００４７】また、第１点火手段と第２点火手段を二点
同時点火しても第２点火手段による着火は第１点火手段
による着火よりも遅くすることができるので、この着火
のずれが燃焼温度の急激な上昇を抑えて、ＮＯxの発生
を抑制するという効果もある。

【００４８】第２点火手段の近傍に、第２点火手段に向
けてスキッシュ流れを生じせしめるスキッシュ生成手段
を備えた場合には、スキッシュ流れによって更に第２点
火手段近傍にガス流の乱れを生じせしめることができ、
更に着火性を向上させて、燃焼期間の短縮化を図ること
ができる。

【００４９】前記燃焼室を画成する燃焼室壁を第２点火
手段に接近して延設した場合には、第２点火手段による
混合気の着火遅れを大きくすることができ、ＮＯx発生
抑制効果をより大きくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の希薄燃焼内燃機関の第１の実施の形
態における燃焼室周辺の平面図である。

【図２】 第１の実施の形態の希薄燃焼内燃機関の燃焼
室周辺を一部破断して示す斜視図である。

【図３】 図１のＩ−Ｉ拡大断面図である。

【図４】 図３の要部拡大断面図である。

【図５】 第１の実施の形態の希薄燃焼内燃機関の燃焼
室における燃焼形態を模式的に示す平面図である。

【図６】 第２の実施の形態の希薄燃焼内燃機関の図３
に相当する断面図である。

【図７】 第３の実施の形態の希薄燃焼内燃機関の図３
に相当する断面図である。

【符号の説明】

３ｂ 周縁部（スキッシュ生成手段） ４ 燃焼室 ５ ストレート吸気ポート ６ スワール吸気ポート ７ 連通孔（連通部） ９ スワールコントロールバルブ（スワールコントロー
ル手段） １０ 燃料噴射弁（燃料噴射手段） １３ 第１点火栓（第１点火手段） １４ 第２点火栓（第２点火手段） １５ 膨出部（スキッシュ生成手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02P 15/08 F02B 23/08 F02B 31/02

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内燃機関の燃焼室に吸気を流入させるスト
   レート吸気ポート及びスワール吸気ポートと、 前記ストレート吸気ポートとスワール吸気ポートとをそ
   の途中で連通させる連通部と、 前記両吸気ポートから前記燃焼室内に向けて燃料を噴射
   する燃料噴射手段と、前記連通部よりも上流のストレー
   ト吸気ポートに配置されストレート吸気ポートの吸気の
   流れを遮断可能にするスワールコントロール手段と、 前記燃焼室に臨んで設けられた点火手段と、を備えた希
   薄燃焼内燃機関において、 前記点火手段は、 前記燃焼室のボアほぼ中央部に配置された第１点火手段
   と、前記スワールコントロール手段が前記ストレート吸気ポ
   ートの吸気の流れを遮断する場合に、 前記ストレート吸
   気ポートから燃焼室内に流入した吸気流れとスワール吸
   気ポートから流入した吸気により燃焼室内に生成された
   スワール流れとが衝突する部位近傍に配置された第２点
   火手段と、を有することを特徴とする希薄燃焼内燃機
   関。
2. 【請求項２】前記第２点火手段の近傍に、第２点火手段
   に向けてスキッシュ流れを生じせしめるスキッシュ生成
   手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の希薄燃
   焼内燃機関。
3. 【請求項３】前記燃焼室を画成する燃焼室壁が前記第２
   点火手段に接近して延設されていることを特徴とする請
   求項１に記載の希薄燃焼内燃機関。