JP4879680B2 - 成層燃焼式内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、シリンダヘッドとピストンとの間に画成される燃焼室内の外周部領域に希薄混合気を、また同燃焼室の、点火プラグの電極が臨む中心部領域に濃厚混合気を、点火プラグによる点火前まで保持するようにした、成層燃焼式内燃機関の改良に関する。

かゝる成層燃焼式内燃機関は、特許文献１に開示されるように、既に知られている。
実公昭６３−１３３８２号公報

上記特許文献１に記載される成層燃焼式内燃機関では、燃焼室の外周部領域で生じさせる希薄混合気のスワール方向と、同燃焼室の中心部領域で生じさせる濃厚混合気のスワール方向とを互いに反対方向に設定して、濃厚混合気の遠心力による拡散を抑えるようにしている。しかしながら、こうしたものでは、希薄混合気のスワールと濃厚混合気のスワールとが、それらの境界部で互いに衝突して混合し、その結果、濃厚混合気の外周部が希薄化され、濃厚混合気の領域が縮小されてしまい、着火性が損じられることになる。

本発明は、かゝる事情に鑑みてなされたもので、燃焼室の中心部領域に供給された濃厚混合気が、燃焼室の外周部領域に供給された希薄混合気により希薄化されるのを防いで、常に良好な着火性を確保し得る前記成層燃焼式内燃機関を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、シリンダヘッドとピストンとの間に画成される燃焼室内の外周部領域に希薄混合気を、また同燃焼室の、点火プラグの電極が臨む中心部領域に濃厚混合気を、点火プラグによる点火前まで保持するようにした、成層燃焼式内燃機関において、ピストンの、燃焼室に臨む頂面に、前記外周部領域及び中心部領域間を仕切るように突出する環状凸壁を一体に形成し、前記外周部領域に希薄混合気を、該外周部領域に一定方向のスワールを付与するように供給する主吸気ポートと、前記中心部領域に濃厚混合気を、前記希薄混合気の前記スワールと同方向のスワールを付与するように供給する副吸気ポートと、これら主吸気ポート及び副吸気ポートをそれぞれを開閉する主吸気弁及び副吸気弁と、これら主吸気弁及び副吸気弁を開閉駆動する動弁機構と、副吸気ポートに隣接配置されて燃焼室に開口する排気ポートとをシリンダヘッドに設け、副吸気ポートと、主吸気ポートと、燃焼室中心からその径方向外方にオフセットさせた点火プラグの電極と、排気ポートとをこの順序で前記両スワールの流れ方向上流側から下流側へ順次に、且つ燃焼室中心部周りに配設したことを第１の特徴とする。

また本発明は、第１の特徴に加えて、副吸気弁の開き時期を主吸気弁の開き時期より遅らせ、主吸気弁の閉じ時期を副吸気弁の閉じ時期より早めるように前記動弁機構を構成したことを第２の特徴とする。

本発明の第１の特徴によれば、燃焼室において、希薄混合気のスワールが発生する外周部領域と、濃厚混合気が供給される中心部領域とが、ピストンの頂面に形成される環状凸壁により区画されることで、濃厚混合気の希薄混合気による希薄化を効果的に回避することができるので、中心部領域の濃厚混合気は、点火プラグの点火時、的確に着火して、その火炎により希薄混合気を確実に燃焼させ、安定した成層燃焼を行うことができ、低燃費性の向上を図ることができる。

またシリンダヘッドの燃焼室天井面には、点火プラグの電極と副吸気ポートの出口との間を連通する凹溝を、環状凸壁内側の中心部領域に臨ませるようにして設けたので、この凹溝は、ピストンの環状凸壁内側のキャビティと協働して、厚みのあるコンパクトな濃厚混合気の貯留部を構成することになり、濃厚混合気の外周部領域への拡散防止に寄与し、またこの凹溝は、上記キャビティと異なり不動であるので、濃厚混合気の保持性が良好で、濃厚混合気の着火性を高めることができる。また希薄混合気の第１スワールと濃厚混合気の第２スワールとが同一方向を取ることにより、スワール相互の干渉を防ぎ、両混合気の混合を回避することができる。

本発明の第２の特徴によれば、外周部領域への希薄混合気の供給より、濃厚混合気の中心部領域への供給を遅らせることになり、その結果、希薄混合気が濃厚混合気に与える影響を極力少なくし、濃厚混合気の希薄混合気による希薄化を一層効果的に回避することができる。

本発明の実施の形態を、添付図面に示す本発明の好適な実施例に基づいて以下に説明する。

図１は本発明の成層燃焼式内燃機関の、主吸気弁の開き状態で示す平面図、図２は図１の２−２線断面図、図３は副吸気弁の開き状態を示す、図１との対応図、図４は図３の４−４線断面図、図５は図１の５−５線断面図、図６は主及び副吸気弁、並びに排気弁の開閉特性線図である。

先ず、図１、図２及び図５において、内燃機関の機関本体１は、シリンダボア２ａを有するシリンダブロック２と、このシリンダブロック２の上端面にガスケット３を介して接合されるシリンダヘッド４とより構成され、シリンダボア２ａを昇降するピストン５とシリンダヘッド４との対向面間に燃焼室６が画成される。

シリンダヘッド４には、燃焼室６の天井面に埋設されるようにそれぞれ環状の主吸気弁座部材７、副吸気弁座部材８及び排気弁座部材９が取り付けられ、また点火プラグ１０がその電極を燃焼室６に臨ませて螺着される。

その際、主吸気弁座部材７は、燃焼室６の最外周部に配置され、副吸気弁座部材８は、主吸気弁座部材７の一側に隣接し且つ主吸気弁座部材７より燃焼室６の中心寄りに配置され、排気弁座部材９は、主吸気弁座部材７と反対側の副吸気弁座部材８の一側に隣接して配置され、点火プラグ１０の電極は、主吸気弁座部材７及び排気弁座部材９間で燃焼室６の中心に極力近接して配置される。

またシリンダヘッド４には、主吸気弁座部材７に連なる主吸気ポート１１、副吸気弁座部材８に連なる副吸気ポート１２及び排気弁座部材９に連なる排気ポート１３が設けられ、副吸気ポート１２及び排気ポート１３は互いに隣接配置される。而して、主吸気弁座部材７は、主吸気ポート１１の燃焼室６に開口する出口に当たり、副吸気弁座部材８は、副吸気ポート１２の燃焼室６に開口する出口に当たる。主吸気ポート１１には、空燃比が理論空燃比より大なる混合気、即ち希薄混合気を供給する希薄混合気供給装置１４が接続され、また副吸気ポート１２には、空燃比が理論空燃比より小なる混合気、即ち濃厚混合気を供給する濃厚混合気供給装置１５が接続される。

而して、図１，３に示されるように、副吸気ポート１２と、主吸気ポート１１と、燃焼室６中心からその径方向外方にオフセットさせた点火プラグ１０の電極と、排気ポート１３とがこの順序で後述するスワールＳ１，Ｓ２の流れ方向上流側から下流側へ順次に、且つ燃焼室６中心部周りに配設される。

燃焼室６の天井面には、副吸気ポート１２の出口８と点火プラグ１０の電極間を連通する凹溝２２（図５参照）が設けられる。

またシリンダヘッド４には、主吸気弁座部材７、副吸気弁座部材８及び排気弁座部材９とそれぞれ協働して主吸気ポート１１、副吸気ポート１２及び排気ポート１３を開閉する主吸気弁１８、副吸気弁１９及び排気弁２０と、これら主吸気弁１８、副吸気弁１９及び排気弁２０を個別に開閉作動する動弁機構２１とが設けられる。

ピストン５の、燃焼室６に臨む頂面には、燃焼室６を環状の外周部領域２３と、この外周部領域２３に囲繞される中心部領域２４とに区画する環状凸壁１６が一体に形成されると共に、この環状凸壁１６内は、外周部領域２３より深いキャビティ１７に形成される。而して、主吸気弁座部材７は、その大半が外周部領域２３に配置され、また副吸気弁座部材８は、その全体が中心部領域２４に配置される。

しかも主吸気ポート１１は、燃焼室６の半径方向外側から旋回しつゝ主吸気弁座部材７に到達するようにヘリカル状に形成され、この主吸気ポート１１から燃焼室６に供給した濃厚混合気に外周部領域２３で一定方向の第１スワールＳ１（図１及び図２参照）を与えるようになっている。また主吸気弁座部材７の、中心部領域２４側に食み出した部分には、該弁座部材７から出る濃厚混合気を外周部領域２３側に誘導する誘導壁２７が一体に形成される。

一方、副吸気ポート１２は、前記第１スワールＳ１の方向に向かうべく中心部領域２４の接線方向を指向するように形成される。これにより、副吸気ポート１２から燃焼室６に供給した濃厚混合気に、中心部領域２４で第１スワールＳ１と同方向の第２スワールＳ２（図３及び図４参照）を与えるようになっている。

前記動弁機構２１は、図６に示すような特性で主吸気弁１８、副吸気弁１９及び排気弁２０を開閉する。特に、主吸気弁１８は、吸気行程の略開始時期に開き始め、吸気行程の略終了時期に閉じるように動弁機構２１により制御されるのに対して、副吸気弁１９は、吸気行程の後半で開き始め、主吸気弁１８が閉じた後、圧縮行程の前半で閉じるように動弁機構２１により制御される。このように、主吸気弁１８の閉じを早め、副吸気弁１９の閉じを遅らせることは、圧縮行程の前半にシリンダボア２ａ内に残存する負圧により濃厚混合気をシリンダボア２ａに引き込むためである。

また副吸気弁１９の開弁リフト量は、主吸気弁１８のそれをより充分に小さく、図示例では、その略１／２に設定され、これによりシリンダボア２ａに引き込ませる濃厚混合気の量を希薄混合気の量より充分に少なく調整される。

次に、この実施例の作用について、図６を参照しながら説明する。

機関の吸気行程が始まると、図１及び図２に示すように、先ず主吸気弁１８が開くので、希薄混合気が主吸気ポート１１から燃焼室６に導入される。このとき、希薄混合気は、ヘリカル形状の主吸気ポート１１により誘導されて燃焼室６の外周部領域で一定方向の第１スワールＳ１を発生する。またその希薄混合気は、主吸気ポート１１の出口７を出るとき、誘導壁２７によって外周部領域２３側に誘導されるので、希薄混合気の中心部領域への侵入を防ぎ、外周部領域２３での希薄混合気の第１スワールの確実な形成をアシストする。

かくして吸気行程中、外周部領域２３では、希薄混合気の強力な第１スワールＳ１が発生し、希薄混合気の中心部領域２４への無用な飛散を防ぐことができる。

副吸気弁１９は、吸気行程の後半に開き始め、この副吸気弁１９の開きは、吸気行程の終了時期に主吸気弁１８が閉じ終わっても継続し、圧縮行程の前半で閉じる。これによって濃厚混合気が、図３及び図４に示すように、副吸気ポート１２から燃焼室６の中心部領域２４に供給される。副吸気ポート１２は、前述のように、第１スワールＳ１の方向に向かうべく中心部領域２４の接線方向を指向するように形成されるので、中心部領域２４では濃厚混合気が第１スワールＳ１と同方向の第２スワールＳ２を発生させることになる。このように、濃厚混合気の第２スワールＳ２は、希薄混合気の第１スワールＳ１よりも遅く発生することで、希薄混合気と濃厚混合気との混合を極力回避することができる。

しかも、燃焼室６においては、外周部領域２３と、これに囲繞される中心部領域２４とが、ピストン５の環状凸壁１６により区画されると共に、中心部領域２４内は、外周部領域２３よりも深いキャビティ１７に形成されているので、環状凸壁１６により希薄混合気及び濃厚混合気の混合を防ぎ、キャビティ１７により濃厚混合気を保持する。また希薄混合気の第１スワールＳ１と濃厚混合気の第２スワールＳ２とが同一方向を取ることも、スワール相互の干渉を防ぎ、両混合気の混合を回避する上で有効である。

こうして、中心部領域２４の濃厚混合気は、外周部領域２３の希薄混合気により希薄化されることなく、圧縮行程の終わりを迎えるので、点火プラグ１０の点火時には、的確に着火することができ、その結果、発生する火炎により希薄混合気を確実に燃焼させ、安定した成層燃焼を行うことができ、低燃費性の向上を図ることができる。

しかも、燃焼室６の天井面に設けられた、点火プラグ１０の電極と副吸気ポート１２の出口８との間を連通する凹溝２２は、深いキャビティ１７と協働して、厚みのあるコンパクトな濃厚混合気の貯留部を構成することになり、濃厚混合気の外周部領域２３への拡散防止に貢献する。特に、凹溝２２は、キャビティ１７と異なり不動であるので、濃厚混合気の保持性が良好で、濃厚混合気の着火性を高めることができる。

また副吸気ポート１２は、排気ポート１３に隣接配置されるので、副吸気ポート１２を通る濃厚混合気は、排気熱による加熱により、気化が促進され、その着火性を更に高めることができる。

尚、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。

本発明の成層燃焼式内燃機関の、主吸気弁の開き状態で示す平面図。 図１の２−２線断面図。 副吸気弁の開き状態を示す、図１との対応図。 図３の４−４線断面図。 図１の５−５線断面図。 主及び副吸気弁、並びに排気弁の開閉特性線図。

４・・・・・シリンダヘッド
５・・・・・ピストン
６・・・・・燃焼室
７・・・・・主吸気ポート出口（主吸気弁座部材）
８・・・・・副吸気ポート出口（副吸気弁座部材）
１０・・・・点火プラグ
１１・・・・主吸気ポート
１２・・・・副吸気ポート
１３・・・・排気ポート
１６・・・・環状凸壁
１８・・・・主吸気弁
１９・・・・副吸気弁
２１・・・・動弁機構
２２・・・・凹溝
２３・・・・外周部領域
２４・・・・中心部領域
Ｓ１・・・・希薄混合気によるスワール
Ｓ２・・・・濃厚混合気によるスワール

Claims (2)

1. シリンダヘッド（２）とピストン（５）との間に画成される燃焼室（６）内の外周部領域（２３）に希薄混合気を、また同燃焼室（６）の、点火プラグ（１０）の電極が臨む中心部領域（２４）に濃厚混合気を、点火プラグ（１０）による点火前まで保持するようにした、成層燃焼式内燃機関において、
   ピストン（５）の、燃焼室（６）に臨む頂面に、前記外周部領域（２３）及び中心部領域（２４）間を仕切るように突出する環状凸壁（１６）を一体に形成し、
   前記外周部領域（２３）に希薄混合気を、該外周部領域（２３）に一定方向のスワール（Ｓ１）を付与するように供給する主吸気ポート（１１）と、前記中心部領域（２４）に濃厚混合気を、前記希薄混合気の前記スワール（Ｓ１）と同方向のスワール（Ｓ２）を付与するように供給する副吸気ポート（１２）と、これら主吸気ポート（１１）及び副吸気ポート（１２）をそれぞれを開閉する主吸気弁（１８）及び副吸気弁（１９）と、これら主吸気弁（１８）及び副吸気弁（１９）を開閉駆動する動弁機構（２１）と、副吸気ポート（１２）に隣接配置されて燃焼室（６）に開口する排気ポート（１３）とをシリンダヘッド（２）に設け、
   副吸気ポート（１２）と、主吸気ポート（１１）と、燃焼室（６）中心からその径方向外方にオフセットさせた点火プラグ（１０）の電極と、排気ポート（１３）とをこの順序で前記両スワール（Ｓ１，Ｓ２）の流れ方向上流側から下流側へ順次に、且つ燃焼室（６）中心部周りに配設し、
   前記シリンダヘッド（２）に形成される、燃焼室（６）の天井面には、点火プラグ（１０）の電極と副吸気ポート（１２）の出口（８）との間を連通する凹溝（２２）を、前記環状凸壁（１６）内側の前記中心部領域（２４）に臨ませるようにして設けたことを特徴とする、成層燃焼式内燃機関。
2. 請求項１記載の成層燃焼式内燃機関において、
   副吸気弁（１９）の開き時期を主吸気弁（１８）の開き時期より遅らせ、主吸気弁（１８）の閉じ時期を副吸気弁（１９）の閉じ時期より早めるように前記動弁機構（２１）を構成したことを特徴とする、成層燃焼式内燃機関。

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