JPH11159333A

JPH11159333A - エンジン

Info

Publication number: JPH11159333A
Application number: JP9340646A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Nagano; 茂長野
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-11-25
Filing date: 1997-11-25
Publication date: 1999-06-15
Anticipated expiration: 2017-11-25
Also published as: US6112717A; JP3493296B2

Abstract

(57)【要約】【課題】負荷の大きさにかかわらず広い運転領域にわ
たり、燃焼室で強力な混合気の流動を発生させることが
できるエンジンを提供する。【解決手段】エンジンの各燃焼室７に、第１吸気通路
１１及び第２吸気通路１２を接続する。第１吸気通路１
１の燃焼室７寄りの箇所を、シリンダ２の略接線方向へ
延びるように形成し、その端部を燃焼室７の偏心した箇
所で開口させる。第２吸気通路１２の燃焼室７寄りの箇
所を、第１吸気通路１１とは略反対方向へ延びるように
形成する。第２吸気通路１２の端部を、燃焼室７におけ
る第１吸気通路１１の開口（第１吸気口２２）に対し、
シリンダ２の軸線２４を挟んで対向する箇所で開口させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料及び空気の混
合気を燃焼室内で強制的に流動させるようにしたエンジ
ンに関するものである。

【０００２】

【従来技術】従来、ピストンの往復動を、コネクティン
グロッドを介してクランク軸の回転運動に変換して動力
を得る、いわゆるレシプロエンジンが知られている。こ
のタイプのエンジンでは、燃料消費率の向上、出力の向
上、燃焼ガスの浄化等の観点から、燃焼室内に強力な混
合気の流動を発生させることが有効とされている。

【０００３】例えば、燃料消費率の向上の一手段とし
て、理論空燃比よりも薄い混合気を燃焼させる希薄燃焼
（リーンバーン）と呼ばれる燃焼方式がある。ここで、
空燃比とは空気と燃料との重量比であり、理論空燃比と
は、燃料を理論的に完全燃焼させるために必要な量の空
気を用いた場合の空燃比である。前記燃焼方式は、燃焼
ガス中の有害性分である窒素酸化物（ＮＯｘ）や、一酸
化炭素（ＣＯ）を低減でき、低燃料消費率を達成できる
反面、着火性が悪く失火しやすい、燃焼速度が遅い、燃
焼が不安定である等の問題がある。これに対処する方法
の１つとして、強力な混合気流動の発生がある。次に、
その一方式について説明する。

【０００４】図９に示すように、シリンダ５０上部の燃
焼室５１には、一対の吸気通路５２，５３及び一対の排
気通路５４がそれぞれ接続されている。両吸気通路５
２，５３は互いに平行に延び、燃焼室５１において偏心
した箇所で開口している。同様に両排気通路５４は互い
に平行に延び、燃焼室５１において偏心した箇所で開口
している。一方の吸気通路５３には、エンジンの低負荷
時にのみ閉じられるバタフライ式のスワール制御弁５５
が設けられている。スワール制御弁５５が閉じられて吸
気通路５３での混合気５７（図１０参照）の流れが止め
られると、吸気通路５２内での混合気５６の流速が上昇
し、燃焼室５１内でスワール５８と呼ばれる旋回流が発
生する。このスワール５８により混合気５６の乱れ強さ
が強くなり、火炎伝播が速くなる。混合気５６の燃焼期
間が短くなり、燃焼が安定して行われる。そして、燃料
消費率の向上に止まらず、出力の向上及び燃焼ガスの浄
化の対策としても同様の手段を用いることが考えられ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
技術では、エンジンの高負荷時等において、図１０で示
すように、スワール制御弁５５が開かれた場合、両吸気
通路５２，５３での混合気５６，５７の流通が可能とな
り、２つの開口から同混合気５６，５７が略同時に燃焼
室５１内に流入する。この際、両開口が隣り合っている
ことから、混合気５６，５７が干渉し合い、十分に強力
なスワールを発生させることができない。その結果、燃
料消費率の向上等の効果が得られる領域が低負荷域に限
られてしまうという問題がある。

【０００６】そこで、本発明は、負荷の大きさにかかわ
らず広い運転領域にわたり、燃焼室で強力な混合気の流
動を発生させることができるエンジンを提供すること
を、その課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の第１の
発明は、ピストンが往復動可能に収容されたシリンダ
と、前記シリンダ及びピストンの少なくともいずれか一
方に設けられた燃焼室と、前記燃焼室に接続された第１
吸気通路及び第２吸気通路とを備え、両吸気通路からの
空気及び燃料供給手段からの燃料よりなる混合気を前記
燃焼室で燃焼するようにしたエンジンにおいて、前記第
１吸気通路の燃焼室寄りの箇所を前記シリンダの略接線
方向へ延びるように形成し、その端部を前記燃焼室の偏
心した箇所で開口させるとともに、前記第２吸気通路の
燃焼室寄りの箇所を第１吸気通路とは略反対方向へ延び
るように形成し、同第２吸気通路の端部を、燃焼室にお
ける第１吸気通路の開口に対し、シリンダの軸線を挟ん
で略対向する箇所で開口させたものである。

【０００８】ここで、空気及び燃料の混合気は、第１吸
気通路及び第２吸気通路で生成される場合と、燃焼室で
生成される場合とが挙げられる。前者は、第１吸気通路
及び第２吸気通路へそれぞれ燃料供給手段から燃料が供
給され、その燃料と吸気通路内の空気とが混合される場
合である。後者は、第１吸気通路及び第２吸気通路から
燃焼室に流入した空気に向けて、燃料供給手段から燃料
が供給される場合であり、通常「筒内噴射」とも呼ばれ
るものである。説明の便宜上、吸気通路を流れる気体を
「燃焼前ガス」と呼ぶことにする。すると、上述した前
者の場合には、混合気が「燃焼前ガス」に相当し、後者
の場合には、空気が「燃焼前ガス」に相当する。さら
に、第１吸気通路を流れる燃焼前ガスと、第２吸気通路
を流れる燃焼前ガスとを区別するために、ここでは前者
を「第１燃焼前ガス」と呼び、後者を「第２燃焼前ガ
ス」と呼ぶことにする。

【０００９】上記第１の発明によると、エンジンの作動
に際し、第１燃焼前ガスが第１吸気通路を流れ、第２燃
焼前ガスが第２吸気通路を流れる。第１吸気通路では、
第１燃焼前ガスは、同通路によってシリンダの略接線方
向に導かれ、燃焼室に接近する。そして、第１燃焼前ガ
スは燃焼室に対し偏心した開口から流入し、燃焼室の壁
面に沿って螺旋を描くように旋回する。すなわち、シリ
ンダの軸線に直交する面での旋回流（スワール）と、同
軸線に沿う方向への旋回流（タンブル）とを合成したよ
うな渦が発生する。この際、第１吸気通路が前記軸線に
対し平行な状態に近づくほど、タンブルに近い渦が発生
する。

【００１０】また、第２吸気通路では、第２燃焼前ガス
が、同通路によって第１吸気通路とは略反対方向からシ
リンダの略接線方向に導かれ、燃焼室に接近する。そし
て、第２燃焼前ガスは燃焼室に対し偏心した開口から流
入する。この流入箇所は、第１吸気通路からの流入箇所
に対し、シリンダの軸線を挟んで略対向しており、大き
く離れている。このため、燃焼室内に流入した第２燃焼
前ガスは第１燃焼前ガスから大きく離れた状態で、燃焼
室の壁面に沿いながら同第１燃焼前ガスと同じ方向へ螺
旋を描くように旋回する。すなわち、スワールとタンブ
ルとを合成したような渦が発生する。この際、第１吸気
通路が前記軸線に対し平行な状態に近づくほど、タンブ
ルに近い渦が発生する。

【００１１】このように、第１燃焼前ガス及び第２燃焼
前ガスがそれぞれ燃焼室に流入し、互いに干渉すること
なく同一方向に旋回する。その結果、燃焼室内で混合気
の流動が活発に行われる。その後、混合気は着火され、
燃焼させられる。この際、強力な混合気の流動により火
炎が速く伝播し、短時間で燃焼が終了する。

【００１２】請求項２に記載の第２の発明は、第１の発
明の構成に加え、さらに、前記燃焼室での燃焼により生
じた燃焼ガスを排出するための第１排気通路及び第２排
気通路を備えるエンジンにおいて、前記第１排気通路の
燃焼室寄りの箇所を前記シリンダの略接線方向へ延びる
ように形成し、その端部を前記燃焼室の偏心した箇所で
開口させるとともに、前記第２排気通路の燃焼室寄りの
箇所を第１排気通路とは略反対方向へ延びるように形成
し、同第２排気通路の端部を、燃焼室における第１排気
通路の開口に対し、シリンダの軸線を挟んで略対向する
箇所で開口させたものである。

【００１３】上記第２の発明によると、燃焼室内での混
合気の燃焼により燃焼ガスが発生する。ここで、上記燃
焼前ガスの旋回が強く、混合気の燃焼後にも燃焼室内に
燃焼ガスの旋回流が継続して発生しているものとする。
すると、燃焼室の壁面に沿って旋回している燃焼ガスの
一部は、燃焼室に対し偏心した開口から第１排気通路へ
勢いよく流出するとともに、同開口に対しシリンダの軸
線を挟んで略対向する別の開口から第２排気通路へ勢い
よく流出する。これらの流出は略同時に行われる。第１
排気通路では、燃焼ガスが同通路によってシリンダの略
接線方向に導き出される。第２排気通路では、燃焼ガス
が同通路によって第１排気通路とは反対方向に導き出さ
れる。このように燃焼室内で生じている燃焼ガスは、互
いに遠く離れた２カ所の開口から効率よく排出される。
その結果、燃焼室内に残る燃焼ガスの量が減少し、その
分、次回の第１燃焼前ガス及び第２燃焼ガスが燃焼室に
多く流入し、充填効率が高くなる。充填効率は、シリン
ダに吸入した新気の重量と、標準大気状態のもとで行程
容積を占める新気の重量との比であり、エンジンの出力
に比例する。

【００１４】また、燃焼室内に占める残存燃焼ガスの割
合が低くなることから、これが混合気の空燃比に及ぼす
影響はわずかである。従って、ガソリンエンジンの場
合、燃焼室内には、所望とする空燃比に近い空燃比を有
する混合気が生ずる。ここで、一般的に、空燃比が「１
８」前後の値であると、燃焼ガス中の有害性分であるＮ
Ｏｘ、ＣＯ、炭化水素（ＨＣ）の各排出率が低くなる傾
向にある。従って、前記混合気の空燃比を「１８」前後
の値に設定すれば、実際にそれに近い値の空燃比を有す
る混合気が得られ、有害成分の発生が抑制される。

【００１５】請求項３に記載の第３の発明は、第１また
は第２の発明の構成に加え、さらに、前記第１吸気通路
及び第２吸気通路において前記燃料供給手段よりも上流
には、同吸気通路の軸線を自己の中心とし、かつ、内径
の大きさを調整し得る略円環状の流量調整弁を備えたも
のである。

【００１６】上記第３の発明によると、略円環状をなす
流量調整弁は、第１吸気通路及び第２吸気通路での空気
の流通を妨げる。この妨げの度合いは、流量調整弁の内
径が小さくなるに従い増加する。別の表現をすると、第
１吸気通路及び第２吸気通路を流れる空気の量は、それ
ぞれ流量調整弁の内径の大きさに応じて変化する。すな
わち、内径が小さくなるに従い、流量調整弁を通過でき
る空気の量が少なくなる。このように、内径の変更によ
り空気の流量が調整される。従って、例えば、多くの空
気を必要としないエンジンの低負荷時に内径を小さく
し、多量の空気を必要とする高負荷時に内径を大きくす
れば、各々の要求が満たされる。そして、燃料供給手段
から適正量の燃料が供給されれば、所望とする空燃比
（希薄燃焼での空燃比をも含む）の混合気が確実に生成
される。

【００１７】また、一般的に、管路を流れる流体の速度
は、内壁部分で最も低く、内壁から離れるに従い上昇
し、軸線部分で最大となる傾向にある。これに対し、上
述した流量調整弁は、内径の変更により流量を調整する
ものである。つまり、同流量調整弁では常に中心部分に
孔があいた状態となる。このため、内径の大きさにかか
わらず、常に、高い流速成分を含んだ第１燃焼前ガス及
び第２燃焼前ガスが、流量調整弁を通過して燃焼室に流
入することとなる。

【００１８】請求項４に記載の第４の発明は、第１乃至
第３の発明のいずれか１つの構成に加え、前記燃焼室の
一部を、前記ピストンの頂部の中央部分に形成された凹
部により構成し、前記燃料供給手段を、前記凹部に向け
て燃料を噴射する燃料噴射弁により構成したものであ
る。

【００１９】上記第４の発明によると、空気からなる第
１燃焼前ガスが第１吸気通路を経由して燃焼室に流入
し、同じく空気からなる第２燃焼前ガスが第２吸気通路
を経由して燃焼室に流入する。これらの第１及び第２燃
焼前ガスは、凹部を含む燃焼室の壁面に沿って旋回す
る。そして、凹部内で旋回している両燃焼前ガスに対
し、燃料噴射弁から燃料が噴射される。この噴射によ
り、凹部内には、旋回流をともなった層状の混合気が生
ずる。

【００２０】前記燃焼室では、混合気の燃焼により、高
温・高圧で旋回流をともなった燃焼ガスが発生する。こ
の燃焼ガスの圧力は、ピストン頂部の中央部分に位置す
る凹部に作用する。従って、ピストン頂部の偏心した箇
所に圧力が加わりにくい。燃焼室の壁面に沿って旋回し
ている燃焼ガスの一部は、燃焼室に対し偏心した開口か
ら第１排気通路へ流出するとともに、同開口に対しシリ
ンダの軸線を挟んで略対向する別の開口から第２排気通
路へ流出する。

【００２１】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）以下、第１乃至
第３の発明を希薄燃焼（リーンバーン）エンジンに具体
化した第１実施形態を、図１乃至図６に従って説明す
る。

【００２２】図１及び図２に示すように、エンジン１は
複数（図１では３つ）のシリンダ２を有するシリンダブ
ロック３と、その上に取付けられたシリンダヘッド４と
を備えている。各シリンダ２内には、略平らな頂面を有
するピストン５が上下方向へ往復動可能に収容されてい
る。シリンダヘッド４の下面において、各シリンダ２に
対応する箇所には凹み６が形成されている。これらの凹
み６、シリンダ２及びピストン５によって囲まれた空間
は燃焼室７を構成している。

【００２３】エンジン１は各燃焼室７に空気を導くため
の吸気通路８を備えている。吸気通路８には、空気中の
塵埃を捕捉するためのエアクリーナ９、吸入空気量を調
整するためのスロットル弁１０等が配置されている。吸
気通路８においてスロットル弁１０よりも下流の部分
は、燃焼室７と同数の第１吸気通路１１に分岐されると
ともに、同じく燃焼室７と同数の第２吸気通路１２に分
岐されている。

【００２４】各第１吸気通路１１及び各第２吸気通路１
２には、同通路１１，１２を流れる空気の量を微調整す
るための流量調整弁１３が取付けられている。各流量調
整弁１３は、カメラの虹彩絞り（アイリス絞り）と呼ば
れるものと同様の構造を有している。図３及び図４に流
量調整弁１３の概略構成を示す。流量調整弁１３は固定
板１４と、作動板１５と、それらの間に配置された複数
枚の絞り羽根１６とを備えている。固定板１４は略円環
状をなしており、各吸気通路１１，１２に固定されてい
る。固定板１４の側面には絞り羽根１６と同数の軸１７
が等角度毎に取付けられている。作動板１５は円環状を
なしており、各吸気通路１１，１２に回動可能に装着さ
れている。作動板１５には絞り羽根１６と同数のガイド
溝１８が等角度毎に形成されている。各ガイド溝１８は
作動板１５の内周面から半径方向外方へ延びている。各
絞り羽根１６は円弧板状をなし、その一端部において軸
１７に回動可能に支持されている。各絞り羽根１６の他
端部にはピン１９が固定されおり、このピン１９がガイ
ド溝１８にスライド可能に係合されている。

【００２５】全ての絞り羽根１６が軸１７により固定板
１４に支持され、かつ、ピン１９がガイド溝１８に挿入
された状態では、各絞り羽根１６の一部が隣の絞り羽根
１６の上に重なっており、全体では略円環状をなしてい
る。そして、これらの絞り羽根１６の集合体により、流
量調整弁１３には、図４（ａ），（ｂ）において二点鎖
線で示すように、吸気通路８の軸線２０を自己の中心と
する孔２１が形成されている。この孔２１の大きさ
（径）は、作動板１５の回動にともない変化する。図４
（ａ）は、孔２１の径が最も大きくなったときの状態を
示している。この状態では、各絞り羽根１６の大部分が
固定板１４の上に位置している。この状態から例えば作
動板１５が反時計回り方向へ回動されると、図４（ｂ）
で示すようにガイド溝１８が変位する。この変位はピン
１９を介して絞り羽根１６に伝達され、同絞り羽根１６
が軸１７を支点として反時計回り方向へ回動する。隣り
合う絞り羽根１６の重なり部分が少なくなり、孔２１の
径が小さくなる。

【００２６】図１及び図２に示すように、各第１吸気通
路１１の燃焼室７寄りの箇所は、シリンダ２の略接線方
向（図１の右方向）へ延び、しかも、シリンダ２の軸線
２４に直交する面に対し大きく傾斜している。各第１吸
気通路１１の端部には、燃焼室７の偏心した箇所で開口
する第１吸気口２２が形成されている。また、各第２吸
気通路１２の燃焼室７寄りの箇所は、第１吸気通路１１
とは略反対方向（図１の左方向）へ延びている。第２吸
気通路１２も第１吸気通路１１と同様に、軸線２４に直
交する面に対し大きく傾斜している。各第２吸気通路１
２の端部には第２吸気口２３が形成されている。第２吸
気口２３は、第１吸気口２２に対し軸線２４を挟んで対
向する箇所で開口している。従って、吸気口２２，２３
は、ちょうど軸線２４を中心に互いに点対称となる箇所
に位置していることになる。

【００２７】各吸気通路１１，１２において流量調整弁
１３よりも下流には、燃料供給手段としての燃料噴射弁
２５が配置されている。各燃料噴射弁２５は、各吸気通
路１１，１２を流れる空気に向けて燃料を噴射し、空気
及び燃料の混合気を生成するための電磁弁である。ここ
での混合気は前述した「燃焼前ガス」に相当する。図１
及び図２に示すように、シリンダヘッド４には、吸気口
２２，２３を開閉するための吸気弁２６が往復動可能に
支持されている。また、シリンダヘッド４における軸線
２４上には、燃焼室７内の混合気に点火するための点火
プラグ２７が取付けられている。

【００２８】エンジン１は各燃焼室７で発生した燃焼ガ
ス３４を排出するための排気通路２８を備えている。排
気通路２８は、燃焼室７と同数の第１排気通路２９及び
第２排気通路３０を含んでおり、これらは下流側で集め
られて１本の通路になっている。各第１排気通路２９の
燃焼室７寄りの箇所は、シリンダ２の略接線方向（図１
の右方向）へ延びている。各第１排気通路２９の端部に
は、燃焼室７の偏心した箇所で開口する第１排気口３１
が形成されている。また、各第２排気通路３０の燃焼室
７寄りの箇所は、第１排気通路２９とは略反対方向（図
１の左方向）へ延びている。各第２排気通路３０の端部
には第２排気口３２が形成されている。第２排気口３２
は、第１排気口３１に対し軸線２４を挟んで対向する箇
所で開口している。従って、排気口３１，３２は、ちょ
うど軸線２４を中心に互いに点対称となる箇所に位置し
ていることになる。シリンダヘッド４には、排気口３
１，３２を開閉するための排気弁３３が往復動可能に支
持されている。

【００２９】上述したエンジン１においては、混合気が
燃焼室７に吸入されて燃焼ガス３４が排出されるまでの
期間、すなわち、１サイクルの間にピストン５が２往復
する。このサイクルは周知のように、吸入行程、圧縮行
程、爆発行程及び排気行程の４つの行程からなる。次
に、エンジン１の低負荷時における作用及び効果を、こ
れらの行程に従って説明する。

【００３０】図５は吸入行程での燃焼室７及びその周辺
部分の状態を示している。この吸入行程では、排気口３
１，３２が閉鎖され、吸気口２２，２３が開放される。
ピストン５の下降にともない燃焼室７内に負圧が発生す
る。この負圧は第１吸気口２２を通じて第１吸気通路１
１に作用し、第２吸気口２３を通じて第２吸気通路１２
に作用する。

【００３１】一方、流量調整弁１３では、図４（ｂ）で
示すように、隣り合う絞り羽根１６の重なり部分が少な
く、孔２１の径が小さくなっている。このため、吸気通
路１１，１２の内壁近傍の空気の流れが絞り羽根１６に
よって妨げられ、軸線２０の近傍の空気のみが孔２１を
通過する。この軸線２０近傍の空気は、他の箇所の空気
よりも高速で流れる。これは、一般的に、管路を流れる
流体の流速が内壁部分で最も低く、内壁から離れるに従
い上昇するからである。このように、低負荷時に必要と
される少量の空気が、高速で燃焼室７へ向けて流れる。
この点は、バタフライ式の弁を用いた場合において、低
負荷時に内壁近傍部分の低速の空気のみが流れるのとは
大きく異なる。

【００３２】そして、燃料噴射弁２５から、混合気の空
燃比を理論空燃比に比べて大きな値（例えば、「１
８」）とするのに必要な燃料が噴射される。この噴射さ
れた燃料と空気とが混ざり合い、第１燃焼前ガスとして
の第１混合気３５と、第２燃焼前ガスとしての第２混合
気３６とが生成する。これらの混合気３５，３６は高速
で流れ、しかも、上記値に近い空燃比を有しているの
で、後述するように安定した燃焼の実現を図るうえで効
果がある。

【００３３】第１吸気通路１１では、第１混合気３５は
同通路１１によってシリンダ２の略接線方向へ導かれ、
燃焼室７に接近する。そして、第１混合気３５は燃焼室
７の偏心した箇所で開口した第１吸気口２２を通り、燃
焼室７の壁面に沿いながら下方へ向けて、図５の反時計
回り方向へ螺旋を描くように高速で旋回する。ここでの
下方への流れは、第１吸気通路１１を大きく傾斜させた
ことにより発生するものである。従って、軸線２４に直
交する面上で流れる旋回流（スワール）と、同軸線２４
に沿って流れる旋回流（タンブル）とを合成したしたよ
うな渦が発生する。

【００３４】また、第２吸気通路１２では、第２混合気
３６が同通路１２によって第１吸気通路１１とは略反対
方向からシリンダ２の略接線方向へ導かれ、燃焼室７に
接近する。そして、第２混合気３６は燃焼室７の偏心し
た箇所で開口した第２吸気口２３から流入する。第２吸
気口２３は、第１吸気口２２に対し軸線２４を挟んで対
向しており、大きく離れている。このため、燃焼室７内
へ流入した第２混合気３６は第１混合気３５から大きく
離れて、燃焼室７の壁面に沿いながら下方へ向けて、第
１混合気３５と同じ方向へ螺旋を描くように、高速で旋
回する。ここでの下方の流れは、第２吸気通路１２を大
きく傾斜させたことによるものである。従って、スワー
ルとタンブルとを合成したような渦が発生する。

【００３５】このように吸入行程では、片側の吸気通路
５３での空気の流れを止めてスワールを発生させるよう
にした従来技術とは異なり、混合気３５，３６が短期間
で燃焼室７に流入する。しかも、互いに干渉することな
く同一方向へ旋回し、強力な渦を発生する。

【００３６】圧縮行程では、排気口３１，３２の閉鎖に
加え、吸気口２２，２３も閉鎖される。そして、ピスト
ン５が上昇して燃焼室７内の混合気３５，３６が圧縮さ
れる。この行程では、吸入行程で発生した強い渦が継続
している。

【００３７】爆発行程では、圧縮された混合気３５，３
６が点火プラグ２７の点火により爆発及び燃焼される。
そして、爆発・燃焼によって発生した圧力がピストン５
に加わり、同ピストン５が押し下げられ、クランクシャ
フト（図示略）が回転させられる。ここで、爆発・燃焼
に際しては、強力な混合気３５，３６の渦により火炎が
速く伝播し、短時間で燃焼が終了する。この燃焼期間の
短縮により、安定して運転することのできる空燃比の領
域が拡大する。安定した希薄燃焼の実現が可能となり、
燃料消費率の向上を図ることができる。

【００３８】また、燃焼期間の短縮によりノッキングの
発生も抑制できる。ノッキングは、点火プラグ２７の火
炎核から始まった燃焼が火炎面の広がりによって行われ
ず、火炎が届かないうちに、本来なら一番最後に燃える
はずのエンドゾーンにある混合気が自然発火して燃える
現象である。ノッキングは燃焼室７を加振するほか、燃
焼ガス中にアルデヒド、過酸化物等を生成する原因とな
る。ノッキングは、吸・排気のバランスが崩れることに
より、燃焼室７内での燃焼時に火炎の伝播に時間がかか
り、混合気の燃焼が遅れることにより発生するものと考
えられる。これに対し、本実施形態では、常に強力な渦
を発生させることにより吸・排気性を向上させ、燃焼速
度を上昇させ、燃焼期間の短縮を図っている。このた
め、エンドゾーンにある混合気が自然発火する現象（ノ
ッキング）の発生を効果的に防止できる。

【００３９】排気行程では、図６に示すように、吸気口
２２，２３は閉鎖されたままで、排気口３１，３２が開
放される。爆発行程で押し下げられたピストン５は再び
上昇する。ここで、吸入行程での旋回が強く、燃焼室７
内で燃焼ガスの旋回流が継続しているものとする。する
と、燃焼室７の壁面に沿って旋回している燃焼ガス３４
の一部は、第１排気口３１から第１排気通路２９へ勢い
よく流出するとともに、第２排気口３２から第２排気通
路３０へ勢いよく流出する。これらの流出は略同時に行
われる。ここで、排気口３１，３２は、いずれも燃焼室
７に対し偏心した箇所で開口している。加えて、排気口
３１，３２は軸線２４を挟んで互いに対向している。こ
のため、燃焼ガス３４が排気口３１，３２を通過する際
に、互いに干渉するおそれがない。そして、第１排気通
路２９では、燃焼ガス３４が同通路２９によってシリン
ダ２の略接線方向へ導き出される。第２排気通路３０で
は、燃焼ガス３４が同通路３０によって第１排気通路２
９とは反対方向へ導き出される。

【００４０】このように燃焼ガス３４は、互いに遠く離
れた２つの排気口３１，３２から効率よく（勢いよく）
排出される。その結果、燃焼室７内に残る燃焼ガス３４
の量が減少し、その分、次回サイクルの吸入行程におい
て、混合気３５，３６が燃焼室７に流入しやすくなる。
両混合気３５，３６が燃焼室７に多く流入し、充填効率
が高くなり、それにともないエンジン１の出力が増大す
る。加えて、燃焼室７内において、理想的な空燃比によ
る安定した燃焼が可能となる。従って、エンジン１の出
力や燃料消費率を向上させたりするために、別途、専用
の機構を設けなくてもすむ。このような機構としては、
例えば、吸気弁の開閉のタイミングをエンジンの運転状
態に応じて変化させる機構（可変バルブタイミング機
構）や、さらに吸気弁のリフト量を変化させる機構（可
変バルブタイミング・リフト機構）がある。

【００４１】また、燃焼室７内に占める残存燃焼ガス３
４の割合が低くなることから、これが混合気３５，３６
の空燃比に及ぼす影響はわずかとなる。従って、燃焼室
７内には、所望とする、あるいはそれに近い空燃比を有
する混合気３５，３６が生ずる。ここで、本実施形態で
は空燃比が、燃焼ガス中の有害性分であるＮＯｘ、Ｃ
Ｏ、ＨＣを低くするのに特に効果があるといわれている
値（「１８」前後の値）に設定されているが、実際にそ
れに近い空燃比を有する混合気が得られることとなる。
このため、有害性分の発生を抑制し、燃焼ガス３４の浄
化を図ることができる。

【００４２】次に、エンジン１の高負荷時における作用
及び効果を、前記行程に従って説明する。この際、流量
調整弁１３では、図４（ａ）で示すように、全ての絞り
羽根１６が固定板１４の上で大きく重なり合い、孔２１
の径が大きくなる。このため、吸気通路１１，１２内の
空気の流れは絞り羽根１６によってはほとんど妨げられ
ない。軸線２０の近傍のみならず、吸気通路１１，１２
の内壁近傍の空気が、つまり、高負荷時に必要とされる
多量の空気が燃焼室７へ向けて流れる。そして、燃料噴
射弁２５から、混合気の空燃比を理論空燃比よりも小さ
な値とするのに必要な燃料が噴射される。この噴射され
た燃料と空気とが混ざり合い、上記空燃比を有する混合
気が確実に生成される。

【００４３】吸入行程では、排気口３１，３２が閉鎖さ
れ、吸気口２２，２３が開放される。ピストン５の下降
にともない発生する負圧により、第１混合気３５が第１
吸気口２２から燃焼室７へ流入する。第１混合気３５
は、燃焼室７の壁面に沿って螺旋を描くように高速で旋
回する。また、前記負圧により、第２混合気３６が第２
吸気口２３から燃焼室７へ流入する。第２混合気３６
は、第１混合気３５から大きく離れて、燃焼室７の壁面
に沿いながら同第１混合気３５と同じ方向へ螺旋を描く
ように、高速で旋回する。このように吸入行程では、両
方の吸気通路５２，５３から燃焼室５１へ混合気を流入
させるようにした従来技術とは異なり、互いの干渉を防
止しながら、混合気３５，３６を同一方向へ旋回させ、
強力な渦を発生させることができる。

【００４４】なお、圧縮行程、爆発行程及び排気行程で
の作用及び効果は、前述した低負荷時の作用及び効果と
同様である。このため、ここでは説明を省略する。この
ように本実施形態によると、負荷の大きさにかかわらず
広い運転領域にわたり、燃焼室７内で強力な混合気３
５，３６の流動を発生させることができ、燃料消費率の
向上、出力の向上及び燃焼ガスの浄化を図ることができ
る。

【００４５】（第２実施形態）次に、第１乃至第４の発
明を筒内噴射ガソリンエンジンに具体化した第２実施形
態を、図７及び図８に従って説明する。第２実施形態
は、「燃焼前ガス」の内容と、燃焼室７の形状と、燃料
噴射弁２５の取付け位置とが第１実施形態と大きく異な
っている。

【００４６】「燃焼前ガス」は、吸気通路１１，１２を
通じてシリンダ２内に流入する空気により構成されてい
る。燃焼室８の一部は、ピストン５の頂部の中央部分に
形成された曲面状の凹部３９によって構成されている。
燃料噴射弁２５は、シリンダヘッド４における軸線２４
の近傍部分に取付けられている。この取付け位置は、点
火プラグ２７の近傍でもある（図８参照）。燃料噴射弁
２５は前記凹部３９へ向けて高圧の燃料を噴射し、空気
及び燃料の混合気を燃焼室７内で生成する。燃料噴射弁
２５の作動は、図示しない制御装置により制御される。
この制御により、例えば、エンジン１の低負荷時には、
圧縮行程後半にピストン５が上昇してきたところで、燃
料噴射弁２５から燃料が噴射される。噴射された燃料は
凹部３９に取り込まれ、点火直前の点火プラグ２７の近
傍にのみ濃い混合気が形成される。また、エンジン１の
高負荷時には、吸入行程中に燃料が噴射される。なお、
第１実施形態と同様の部材には同一の番号及び符号を付
し、詳しい説明を省略する。

【００４７】次に、第２実施形態の作用について説明す
る。エンジン１の低負荷時における吸入行程では、流量
調整弁１３の孔２１が小径にされている。第１吸気通路
１１では、第１燃焼前ガスとしての第１空気３７がシリ
ンダ２の略接線方向へ導かれ、第１吸気口２２から、凹
部３９を含む燃焼室７へ流入し、シリンダ２や凹部３９
の壁面に沿って図８の反時計回り方向へ螺旋を描くよう
に旋回する。この際、第１吸気通路１１が大きく傾斜し
ていることから、よりタンブルに近似した渦が発生す
る。

【００４８】第２吸気通路１２では、第２燃焼前ガスと
しての第２空気３８が、第１吸気通路１１とは略反対方
向からシリンダ２の略接線方向へ導かれ、第２吸気口２
３から、凹部３９を含む燃焼室７へ流入する。第２空気
３８は第１空気３７から大きく離れて、シリンダ２や凹
部３９の壁面に沿いながら同第１空気３７と同じ方向へ
螺旋を描くように旋回する。この場合にもタンブルに近
似した渦が発生する。このように、空気３７，３８がそ
れぞれ短期間で燃焼室７に流入し、互いに干渉すること
なく同一方向へ旋回する。

【００４９】圧縮行程では、ピストン５の上昇により燃
焼室７内の空気３７，３８が圧縮される。この行程で
は、特に、凹部３９内において、吸入行程で発生した強
い旋回流が続いている。ピストン５が上死点に到達する
少し前のタイミングで、燃料噴射弁２５から凹部３９へ
向けて少量の燃料が噴射される。この燃料は噴霧とな
り、凹部３９内に取り込まれる。燃料は、凹部３９内で
旋回している空気３７，３８と混ざり合って、適正な濃
さ（理論空燃比に近い空燃比）の混合気となり、点火プ
ラグ２７の周りに集まる。換言すると、点火プラグ２７
の近傍に適正な濃さの混合気が層状となって形成され
る。この混合気は、一般に成層混合気と呼ばれるもので
ある。

【００５０】爆発行程では、点火プラグ２７の点火によ
り混合気が爆発及び燃焼され（成層燃焼され）、高温・
高圧で旋回流をともなった燃焼ガスが発生する。この燃
焼ガスの圧力は、ピストン５頂部の中央部分に位置する
凹部３９に作用する。従って、ピストン５の偏心した箇
所に圧力が加わりにくい。圧力が加えられたピストン５
は押し下げられる。爆発・燃焼に際しては、強力な混合
気の流動により、火炎が速く伝播し、短時間で燃焼が終
了する。

【００５１】排気行程では、爆発行程で押し下げられた
ピストン５が再び上昇する。ここで、吸気行程での旋回
が強く、燃焼後にも燃焼室７内に燃焼ガス３４の旋回流
が継続している。このため、旋回している燃焼ガス３４
の一部は、第１排気口３１から第１排気通路２９へ勢い
よく流出するとともに、第２排気口３２から第２排気通
路３０へ勢いよく流出する。このように燃焼ガス３４
は、互いに遠く離れた２つの排気口３１，３２から効率
よく排出される。

【００５２】従って、低負荷時には、前述した第１実施
形態と同様に、安定した希薄燃焼の実現、燃料消費率の
向上、ノッキング発生の抑制、エンジン出力向上、燃焼
ガスの浄化等を図ることができる。さらに、燃焼ガス３
４の圧力が作用する凹部３９がピストン５の中央部分に
設けられているため、同圧力を効率よくピストン５に伝
達することができる。

【００５３】一方、エンジン１の高負荷時には、吸入行
程で燃料噴射弁２５から燃料が噴射されて、燃焼室７内
で旋回している空気と混ざり合い、均一に拡散する。こ
の混合気は、一般に均質混合気と呼ばれる。この場合に
は、混合気がシリンダ２内で形成される点において第１
実施形態と異なるだけで、それ以外の点については同様
である。このため、高負荷時においても、第１実施形態
と同様の作用及び効果が得られる。

【００５４】なお、本発明は次に示す別の実施形態に具
体化することができる。

【００５５】（１）前記両実施形態において、排気通路
２９，３０の片方を省略してもよい。このようにすれ
ば、排気通路２８の配置構造が簡単になり、コストダウ
ンを図ることができる。

【００５６】（２）吸気通路１１，１２の傾斜角度を適
宜変更してもよい。この傾斜角度が大きくなるほど、軸
線２４に沿う方向の流れ成分が強くなる。

【００５７】（３）吸気性向上のためには、吸気口２
２，２３を排気口３１，３２よりも大きく形成すること
が好ましい。

【００５８】（４）流量調整弁１３を第１実施形態で説
明したものとは異なるタイプに変更してもよい。

【００５９】（５）本発明は、希薄燃焼エンジン、筒内
噴射ガソリンエンジン以外のガソリンエンジンや、ディ
ーセルエンジンにも適用可能である。また、本発明は、
ターボチャージャ等の過給機が組み込まれたエンジン
や、燃焼ガスの一部を排気通路から取り出して吸気通路
へ戻すようにした、いわゆるＥＧＲシステムが組み込ま
れたエンジンにも適用可能である。

【００６０】（６）第２実施形態において、点火プラグ
２７や燃料噴射弁２５の位置を変更してもよい。例え
ば、点火プラグ２７及び燃料噴射弁２５の少なくともい
ずれか一方を、吸気弁２６のように軸線２４に対し傾斜
させて配置してもよい。

【００６１】（７）第２実施形態における凹部３９の形
状や位置を変更してもよい。

【００６２】（８）排気弁３３の熱が吸気弁２６に伝達
して悪影響を及ぼすおそれがある場合には、排気弁３３
と吸気弁２６との間に、それらの材質とは異なる材質か
らなる断熱材を配置することが望ましい。

【００６３】

【発明の効果】第１の発明によれば、負荷の大きさにか
かわらず広い運転領域にわたり、燃焼室内で混合気の強
力な渦を効率よく発生させることができる。このため、
混合気の燃焼期間を短くし、安定して運転することので
きる空燃比の領域を拡大することができる。安定した希
薄燃焼の実現が可能となり、燃料消費率の向上を図るこ
とができる。また、燃焼期間の短縮により、ノッキング
の発生も抑制できる。

【００６４】第２の発明によれば、第１の発明の効果に
加え、燃焼室内の燃焼ガスを効率よく短時間で第１排気
通路及び第２排気通路へ流出させることができる。これ
にともない燃焼室内に残る燃焼ガスの量を少なくし、次
回の燃焼のための空気を燃焼室に多く流入させ、充填効
率を高め、エンジンの出力向上を図ることができる。ま
た、燃焼ガス中の有害成分の発生を抑制し、燃焼ガスの
浄化を図ることができる。

【００６５】第３の発明によれば、第１または第２の発
明の効果に加え、エンジンの運転状態にかかわらず、空
気を常に高い流速で燃焼室に到達させることができる。
このため、希薄燃焼域であっても十分に高い流速の空気
を確保し、安定した燃焼を実現できる。

【００６６】第４の発明によれば、第１乃至第３の発明
のいずれか１つの効果に加え、層状をなす混合気を形成
して希薄燃焼を行うようにした筒内噴射式のエンジンに
おいて、燃焼ガスの圧力を効率よくピストンに伝達する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を具体化した第１実施形態におけるエン
ジンの概略構成を示す説明図である。

【図２】燃焼室及びその周辺部分の断面図である。

【図３】流量調整弁の分解斜視図である。

【図４】（ａ）は低負荷時の流量調整弁の状態を示す部
分正面図であり、（ｂ）は高負荷時における流量調整弁
の状態を示す部分正面図である。

【図５】吸入行程での混合気の流れを示す説明図であ
る。

【図６】排気行程での燃焼ガスの流れを示す説明図であ
る。

【図７】本発明を具体化した第２実施形態において、燃
焼室及びその周辺部分の断面図である。

【図８】吸入行程での混合気の流れを示す説明図であ
る。

【図９】従来技術における低負荷時の混合気の流れを示
す説明図である。

【図１０】従来技術における高負荷時の混合気の流れを
示す説明図である。

【符号の説明】

１エンジン２シリンダ５ピストン７燃焼室８吸気通路１１第１吸気通路１２第２吸気通路１３流量調整弁２０，２４軸線２５燃料供給手段としての燃料噴射弁２９第１排気通路３０第２排気通路３４燃焼ガス３７第１空気３８第２空気３９凹部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＦ１６Ｋ 3/00 Ｆ１６Ｋ 3/00 Ｅ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ピストンが往復動可能に収容されたシリ
ンダと、前記シリンダ及びピストンの少なくともいずれ
か一方に設けられた燃焼室と、前記燃焼室に接続された
第１吸気通路及び第２吸気通路とを備え、両吸気通路か
らの空気及び燃料供給手段からの燃料よりなる混合気を
前記燃焼室で燃焼するようにしたエンジンにおいて、前記第１吸気通路の燃焼室寄りの箇所を前記シリンダの
略接線方向に延びるように形成し、その端部を前記燃焼
室の偏心した箇所で開口させるとともに、前記第２吸気
通路の燃焼室寄りの箇所を第１吸気通路とは略反対方向
へ延びるように形成し、同第２吸気通路の端部を、燃焼
室における第１吸気通路の開口に対し、シリンダの軸線
を挟んで略対向する箇所で開口させたことを特徴とする
エンジン。
【請求項２】さらに、前記燃焼室での燃焼により生じ
た燃焼ガスを排出するための第１排気通路及び第２排気
通路を備えたエンジンにおいて、前記第１排気通路の燃焼室寄りの箇所を前記シリンダの
略接線方向に延びるように形成し、その端部を前記燃焼
室の偏心した箇所で開口させるとともに、前記第２排気
通路の燃焼室寄りの箇所を第１排気通路とは略反対方向
へ延びるように形成し、同第２排気通路の端部を、燃焼
室における第１排気通路の開口に対し、シリンダの軸線
を挟んで略対向する箇所で開口させたことを特徴とする
請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】さらに、前記第１吸気通路及び第２吸気
通路において前記燃料供給手段よりも上流には、同吸気
通路の軸線を自己の中心とし、かつ、内径の大きさを調
整し得る略円環状の流量調整弁を備えたことを特徴とす
る請求項１または２に記載のエンジン。
【請求項４】前記燃焼室の一部を、前記ピストンの頂
部の中央部分に形成された凹部により構成し、前記燃料
供給手段を、前記凹部に向けて燃料を噴射する燃料噴射
弁により構成したことを特徴とする請求項１乃至３のい
ずれか１つに記載のエンジン。