JPS5810565B2 - 複吸気路式内燃機関 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は独立した２系統の吸気路をもち、低速域では積
極的にスワールを生起させて燃焼を改善し、高速域では
スワールを消去して吸入効率を高めるようにした内燃機
関に関する。

内燃機関の排気対策として、希薄混合気による燃焼や排
気還流（ＥＧＲ）システムが知られているが、これらに
伴って生じる燃焼の悪化を防止するために、機関吸入行
程でシリンダ内に流入する混合気にスワールを生じさせ
、あるいはこのスワールを圧縮行程まで持続させ、燃焼
速度を早めて安定燃焼を実現しようとする手段が採られ
ている。

スワールを生起させるために、吸気弁を小さくして吸入
流速を高めたり、吸気ポートの軸線をひねったり、ある
いは吸気弁にシュラウドを取付けるなどしているが、燃
焼状態が良好となる高速域、高負荷域では、これらスワ
ール発生手段によって増大した吸気抵抗にもとづき、吸
入効率が悪化して全開出力特性が低下するという問題を
ひき起こすのであった。

一方、機関低速域での燃焼を改善するために、吸気通路
を２系統に分離し、一方を気化器のプライマリ、他方を
セカンダリの通路に接続し、低、中速域で混合気をプラ
イマリ側に連通する小径の吸気通路からのみ供給し、流
速を高めて混合気の霧化を促進するとともに、高速域で
は大径のセカンダリ側の吸気通路からも混合気を供給す
るようにした機関が、実公昭５０−４２２５６号として
本出願人から提案されている。

この場合、高速域での吸入効率が良好で全開出力が向上
する利点がある反面、高率ＥＧＲあるいは燃焼の希薄化
傾向を強めると、低速、低負荷での燃焼特性が必らずし
も十分でなくなる。

そこで本発明は、吸気通路を２系統に分割して低速側吸
気ポートからは強スワールを生じるように混合気を流入
させ、高速側吸気ポートからは吸入効率を低下させずに
かつ前記スワールを消去するように混合気を供給し、も
って低速域での燃焼特性と高速域での全開出力特性を改
善し、混合気の希薄化または高率ＥＧＲ化しても、全て
の運転領域で安定した燃焼が得られるようにした内燃機
関を提供するものである。

以下、実施例を図面にもとづいて説明する。

第１図、第２図において、図中１はシリンダヘッド、２
はシリンダブロック、３はピストン、４は燃焼室を示す
。

燃焼室４には２つの吸気ポート５，６と排気ポート７が
開口し、各ポートは吸気弁８，９と排気弁１０によって
開開される。

第１図において、吸気弁８，９に対して排気弁１０はシ
リンダ列中心線Ｍを境に互に反対サイドに配置され、か
つ常時混合気の供給されるプライマリ吸気ポート５は、
平面的にみてシリンダ内周壁に沿って混合気を流入させ
るように、本実施例ではポート軸線が湾曲形成され、し
かも垂直断面上の流入角をできるだけ水平に近づけるよ
うに傾斜角が小さく設定され、いわゆるスワールポート
を構成する。

スワールを生成させるためには、スワールポートに形成
する他、スワールベーンをプライマリ吸気弁に装着した
り、燃焼室に土手を形成したりしても良い。

他方、高速域、高負荷域で混合気を効率よく供給するセ
カンダリ吸気ポート６は、前記プライマリ吸気ポート５
からの混合気スワールを打ち消すように、シリンダボア
軸線方向の流入角を混合気流に附与すべく、前記プライ
マリ吸気ポート５に比べて垂直断面上のポート軸線の傾
斜角を大きく設定した出力ポートに構成される。

吸入混合気のスワールは機関低速域、低負荷域で最大と
するが、高速域、高負荷域ではむしろスワールを消去し
て吸入効率や熱効率を向上させる。

このため、第３図において、混合気流の水平接線方向速
度分力をｖ、シリンダボア軸線方向の速度分力をｕとし
てスワール比をｖ／ｕとするならば、プライマリ吸気ポ
ート５のみから混合気が供給されているときの低、中速
域のスワール比がｖ／ｕ≒１．５〜６程度であり、セカ
ンダリ吸気ポート６からも混合気が吸入され、プライマ
リスワールを打ち消すように作用したときの高速域のス
ワール比がｖ／ｕ＝０．５〜１となるように設定した場
合（第４図参照）、最も良好な結果が得られ、すくなく
とも低速域に比べ高速域のスワール比が約１／２以下と
なるように設定することが好ましい。

なお、スワール比が、例えば６〜１０というように大き
くなると、吸入抵抗が過大となる弊害の他に、燃焼ガス
流動速度が大きすぎてラフネスが激しくなったり、火炎
の吹き消え現象を生じる。

このスワール比に対しては前述したような吸気ポート形
状とともに、吸気流入速度に影響を与える吸気弁８，９
の有効径並びにリフトもその決定要因として大きな比重
を占める。

例えば、プライマリ吸気弁８の有効開弁面積（Ａｐ）（
弁径と弁リフトにもとづく）が、通常の単一吸気弁の１
／４であるとするならば、吸入流速はほぼ４倍に増速さ
れる。

したがって、プライマリ吸気弁８とセカンダリ吸気弁９
との合計有効開弁面積（Ａｔ）は、単一吸気弁と同一程
度に設定されるのであるが、このうちプライマリとセカ
ンダリとの比率は、プライマリ吸気弁８とセカンダリ吸
気弁９との偵径比が１：１〜１：２の範囲に含まれる程
度が好ましく、これによってプライマリ側の流入速度を
所定のスワールを得るに十分なまで増大できる。

プライマリ吸気弁８とセカンダリ吸気弁９との直径比を
上述の様にとると、有効開弁面積Ａｐ。

Ａｔの比Ａｐ／Ａｔは０．２≦Ａｐ／Ａｔ≦０．５とな
り、スワール比、ＨＣ排出量、抵抗係数Ｃｕとの関係は
第５図に示すように、前記範囲内においてＨＣの排出量
と抵抗係数Ｃｖが少い値となり好ましいものとなる。

なお、プライマリ側の流速をさらに上げるためには、バ
ルブリフトをセカンダリ側に比べて小さくするほど有効
である。

この流速のアップは、スワールの持続性を高めるのに必
要な条件で、とくに圧縮行程の終了附近でもスワールを
存在させるためには、上記の直径比に設定することが重
要となる。

次に、吸気ポート５と６に対しては、互に独立した吸気
通路１２，１３がそれぞれ連通し、さらに吸気通路１２
と１３は気化器１４のプライマリ通路１５、セカンダリ
通路１６にそれぞれ接続される。

そして、気化器１４のプライマリ（絞り弁）１７とセカ
ンダリ（絞り弁）１８は、アクセルペダルにリンクを介
して連動するプライマリ（絞り弁）１７が十分に開いて
から、セカンダリ（絞り弁）１８がダイヤフラム装置１
９を介して開き始めるようになっている。

ダイヤフラム装置１９はプライマリベンチュリ２０とセ
カンダリベンチュリ２１との合成ベンチュリ負圧に応動
するように、負圧取出通路２２を介して取出した上記合
成負圧がダイヤフラム２３で画成された負圧作動室２４
に導かれ、ダイヤフラム２３に連結した作動ロッド２５
がセカンダリ（絞り弁）１８のシャフトレバー２６に連
系し、合成ベンチュリ負圧が一定以上に増大する高速域
、高負荷域にセカンダリ（絞り弁）１８が開き出す。

２７．２８はプライマリとセカンダリの燃料ノズルで、
気化器フロート室３０に接続している。

プライマリ（絞り弁）１７のみが開く低速、低負荷域か
ら中速、中負荷域にかけて、混合気の空燃比Ａ／Ｆは、
Ａ／Ｆ＝１３〜２２と比較的希薄混合気が得られ燃費が
良好となるように設定し、後述する排気還流率との関係
も含めて、理論空燃比（Ａ／Ｆ≒１４．７）よりも若干
薄いＡ／Ｆ≒１５程度を最も好ましい値とする。

プライマリとセカンダリの合成混合気となる高速、高負
荷域では、出力が充分得られるようにＡ／Ｆ＝１２〜１
８となるように設定し、また最も好ましい範囲はＡ／Ｆ
＝１３〜１４で、プライマリ側のみに比べて相対的に濃
くする。

プライマリ側のみの場合は、強力スワールによって高Ｅ
ＧＲガスを含む希薄混合気を安定燃焼させることで、燃
費を損わずに排気性能の大幅な改善をはたし、セカンダ
リ側が開き始める高負荷域では混合気を相対的に濃化し
て、吸入抵抗の減少と相俟って全開出力を十分に高める
のである。

第６図にセカンダリ絞り弁１８の開き始める領域と全開
出力特性を含めた作動特性を、機関トルクと回転数をパ
ラメータとして示す。

このような混合気の空燃比制御とともに、排気還流（Ｅ
ＧＲ）を一例として第６図に示すような制御パターンに
もとづいて制御する。

排気通路３１に設けた触媒装置（酸化触媒）３２の上流
に排気還流通路３３が接続し、この通路３３の途中には
排気還流制御弁３４が介装され、さらに通路３３の他端
はプライマリ吸気通路１２に接続し、前記制御弁３４の
開度にもとづいて排気の一部を吸気中に還流する。

排気還流率は機関の低、中速、中負荷域を中心として最
大値（例えばＥＧＲ，率２５％）をとり、以下周囲に同
心円的に領域を拡大するに伴って値を減少するような制
御が好ましく、このために、例えば排気還流制御弁３４
の作動信号負圧を、排圧とベンチュリ負圧との比較に応
じて制御する負圧制御バルブ３５が備えられる。

負圧制御バルブ３５は、本出願人によって既に提案され
たもので、前記制御弁３４の上流の排圧を導く補正圧力
室３６と、気化器ベンチュリ２０に発生する負圧を導く
入力負圧室３７とを、それぞれ互に連結したダイヤフラ
ム３８，３９，４０で画成し、ダイヤフラム４０がプラ
イマリ吸気通路１２に接続した負圧取出通路４１の大気
導入口４２を開閉し、制御弁３４の負圧作動室４３に導
く作動負圧をコントロールする。

作動負圧は原理としてベンチュリ負圧に応じて増大し、
したがって制御弁３４の開度もこの作動負圧に応動する
ダイヤフラム４５によって拡大し、通路３３のオリフィ
ス４６の下流圧力を結局吸入空気量に応じて減少させる
。

排気還流量はオリフィス４６の前後差圧に比例し、その
上流圧力が排圧に等しいから、流量は吸入空気量に応じ
たものとなる。

そして、この排気還流量が制御弁３４の下流に作用する
機関吸入負圧の変動によって変化するのを補正するため
に、前記制御弁上流圧力が補正圧力室３６に導かれてい
る。

例えば吸入負圧が増大して排気還流が過剰に行われよう
とすると、補正圧力室３６のダイヤフラム３８が下動し
、制御弁３４の作動負圧を弱めて制御弁開度を縮少する
。

なお、吸入空気量が少ない領域（低速低負荷）では、制
御弁３４の設定スプリング４７で弁開度が小さく抑えら
れるのでＥＧＲ率は小さくなり、吸入空気量の大きい領
域（高速高負荷）ではオリフィス４６の通過流速が音速
に達して流量が頭打ちとなるので、ＥＧＲ率としては減
少する。

このようにして第６図のような制御を行う。

ところで、還流排気をプライマリ吸気通路１２に導入す
ると、その分だけ通路１２の内部流速が増大するため、
スワールの発生を強めることができ燃焼の安定に寄与す
る。

なお、セカンダリ吸気通路１３に還流すると、セカンダ
リ吸気ポート６の吸入負圧が緩和され、混合気のプライ
マリポート５から燃焼室をへてセカンダリポート６への
流れ込みを抑制する効果を生じる。

ただし、この場合、プライマリとセカンダリの吸入空気
（ガス）の衝突によりスワールが減衰する。

なお、ＥＧＲ率とＡ／Ｆ値との関係はこの機関搭載車の
用途によって異なるのであるが例えばＮＯｘの規制の厳
しい市街地用ではＥＧＲ率約２０％Ａ／Ｆ１３〜１７と
し、ＮＯｘのそれほど厳しくない郊外用ではＥＧＲ率約
１０％でＡ／Ｆ１６〜１８程度とする。

次に、前記第１図において、点火栓４８の配置は、プラ
イマリの吸気ポート５からのスワール流が点火部分に衝
突するように、燃焼室壁の吸気弁８のほぼ対向壁面に増
付ける。

吸入混合気流によって点火栓４８の近辺の残留ガスを除
去し、点火点を清浄して常に良好な着火性能を維持する
ためである。

なお、燃焼室４の形状は、圧縮行程においてのスワール
の減衰をできるだけ防ぐように、シリンダボア中心に対
して軸対称、つまり回転体形状に形成するのが好ましい
。

具体的には半球型燃焼室やフラットヘッドとボウル状ピ
ストンの組合せなどが好ましく、滑らかな壁面形状によ
って混合気流の接触抵抗を減じてやる。

燃焼初期の混合気流動をさらに高めるために、第７図あ
るいは第８図に示すように、スキッシュエリア５０，５
１を形成し、圧縮行程でシリンダボア内周壁附近の混合
気を中心に押し出すようにする。

第７図は半球型燃焼室４ａの場合で、ピストン５２の頂
面形状を、その外周部分を環状に燃焼室上壁と一致させ
、中央部分をフラットにしてスキッシュエリア５０を形
成したもので、また、第８図はフラットヘッドとボウル
状ピストンとの組合せ燃焼室４ｂの場合で、ピストン５
２の頂面中央に凹部５３を形成し、周囲はやはり環状の
フラットな面として、スキッシュエリア５１を形成しで
ある。

なお、スキッシュエリア５０，５１では混合気の燃え残
り（消炎）を生じやすいので、混合気流動にもとづく効
果との兼ね合わせにもとづいてスキッシュエリアの大き
さを設定する必要がある。

以上のような構成において、機関の低、中速運転域では
、プライマリ（絞り弁）１７のみ開弁するので、プライ
マリ通路１２、プライマリ吸気ポート５からだけ混合気
が供給される。

吸気ポート５はスワールポートとして燃焼室４に流入す
る混合気流に、シリンダボアの接線方向へのひねりを与
えるため、開弁有効面積を小さくとった吸気弁８によっ
て流速を高められた混合気流は、吸気行程から圧縮行程
にかけて十分にスワールを持続し、その間に混合気の霧
化を促進する一方、燃焼行程の初期においてもガス流動
により火炎の伝播に乱れを与え燃焼速度を高め、これら
が相俟って燃焼状態を著しく良好にする。

したがって、混合気の空燃比を前記したように希薄な条
件に設定しても、あるいはＡ／Ｆ≒１５前後とした高Ｅ
ＧＲを行っても安定して燃焼する領域が拡大され、この
結果、最も使用頻度の高い中速中負荷域を始めとして低
速、低負荷域で運転性能燃費を損うことなく排気中の有
害成分（主としてＮ０ｘ）を大幅に低減することが可能
となる。

そして、機関の高速高負荷域でセカンダリ（絞り弁）１
８が開き出すと、混合気はセカンダリ吸気ポート６から
も供給され、このセカンダリ側の混合気流は、プライマ
リ側のスワールに対向するように燃焼室４に流入するた
め、燃焼室４内におけるスワールは大幅に減衰する。

（即ち、セカンダリ側が作用する高速域ではスワール比
が小さい値となる。

）セカンダリ吸気ポート６は吸入抵抗をできるだけ小さ
くするように、ピストン３の作動方向、つまりシリンダ
ボア中心線方向に流入角を近づけであるため、前記プラ
イマリ側に比べて効率よく混合気が吸入されるセカンダ
リ側の、供給流量はプライマリ側に比べて大きいため、
全開出力附近での混合気の吸入効率はプライマリ側のみ
のときよりも著しく改善される。

機関高速高負荷域では燃焼状態が相対的に良好となるた
め、低速時と同じようにスワールを生じさせると、燃焼
が過剰に速くなって機関本体に対する熱伝達率が増大し
冷却損失をいたずらに大きくする結果を招わくのである
。

この点に関して、本発明ではセカンダリ側の吸入混合気
流は上記の通りスワールを減衰させるように作用するた
め、機関の冷却損失を減じて熱効率を向上させることが
できる。

したがって、上記吸入効率の改善と相俟って全開出力附
近で、所定の出力を十分に確保することが可能となる。

なお、上記吸入効率の向上のために、セカンダリ側の吸
気弁９のバルブタイミングは、排気弁とのオーバラップ
を大きくすることが好ましく、これに対してプライマリ
側の吸気弁８は低速低負荷時の燃焼安定の意味で、シリ
ンダ内残留ガスをできるだけ減らすように、オーバラッ
プを少なくするかまたは皆無にすることが好ましい。

ただしこの場合は、吸気弁８，９に対してそれぞれ独立
した動弁機構（カム、ロッカーアーム）を必要とする。

したがって機構の煩雑化を避けたいときは、バルブタイ
ミングを両者の要求時期の中間附近として、ロッカーア
ームを二股状に形成して同時駆動とする。

ところで上記のようにして、ＥＧＲもしくは希薄混合気
燃焼により中速中負荷域を中心にＮＯｘの低減をはかる
のであるが、排気中のＨＣ２ＣＯに関しては、燃焼の改
善にもとづき大幅に減少させた上で、さらに触媒装置３
２で酸化処理する。

この場合高ＥＧＲとともに混合気の空燃比を理論空燃比
よりも濃く設定したときに、排気中に二次空気を導入す
るため、排気通路３１に二次空気導入路５４を接続し、
この導入路５４に排気圧力脈動に応動するリード弁５５
を設ける。

なお、リード弁５５は圧力脈動によって大気を排気中に
吸引導入させる。

次に、第９図、第１０図に燃料供給装置として気化器１
４の代わりに電子制御燃料噴射装置を備える場合を示す
。

プライマリ吸気通路１２´とセカンダリ吸気通路１３′
に燃料噴射弁６５，６６を設け、図示しない燃料噴射制
御回路からの信号によって噴射弁６５．６６を作動し、
吸入空気に対応した燃料噴射を行う。

プライマリ側の燃料噴射弁６５は常時噴射作用を継続す
るが、セカンダリ側の噴射弁６６はセカンダリ絞り弁１
８′が開弁してから作動する。

プライマリ絞り弁１７′とセカンダリ絞り弁１８′の作
動は前記気化器１４の場合と同じであり、さらにこれら
の上流に位置して全吸入空気量を測定するためのエアフ
ローセンサ５６が備えられる。

なお、セカンダリ側の燃料噴射弁６６を場合によっては
除去し、プライマリ側の噴射弁６５からのみ燃料を供給
するようにしてもよい。

このようにすると、吸入空気量に応じての噴射量の制御
が単純となる（２個の噴射弁のときは合計噴射量を吸入
空気量に対応させるような分配制御が必要となる）。

ところで、上記各実施例において、セカンダリ側からの
混合気の供給開始時期は、排気性能と出力性能との要求
に応じて適正にコントロールされなければならず、この
ために、セカンダリバルブの開き始めを、車速、機関回
転数あるいは変速機のギヤ位置などを検出して、これら
にもとづいて制御することも考えられる。

ただし、セカンダリ側の開き始めは、最大吸入空気量の
３０〜４０％程度となるように設定することが好ましい
。

吸気通路１２，１３を２系統にしたが、吸気弁８．９は
常に開閉作動しているので、吸入負圧は両通路１２，１
３にほぼ均等に発生し、したがってディストリビュータ
の負圧進角装置やブレーキマスターバックなどに導入す
る負圧は、吸気通路１２．１３のいずれから取出しても
よい。

以上説明したように本発明によれば、機関低速低負荷域
あるいは中速中負荷域にかけて、プライマリポートから
混合気を供給して積極的にスワールを生起させ燃焼の安
定を促進する結果、混合気の希薄限界あるいは排気還流
の高率限界を伸ばして、ＮＯｘを効果的に低減すること
を可能とする一方、機関高速高負荷域では吸気抵抗の少
ないセカンダリポートから大部分の混合気を吸入してト
ータルの吸入効率を改善し、全開出力を含めて機関出力
の向上をはかれる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明の実施例を示すもので、第１図は第１実施例
の横断Ｙ面図、第２図は縦断正面図、第３図はスワール
比の説明図、第４図はスワール比を吸入空気量との関係
にもとづいて示す特性図、第５図は吸気弁面積比とスワ
ール比にもとづくＨＣ１抵抗係数の特性線図、第６図は
排気還流制御パターンを機関回転数とトルクをパラメー
タとして示す特性図、第７図、第８図はスキッシュ型燃
焼室の実施例をそれぞれ示す断面図、第９図は第２実施
例の縦断面図、第１０図は第９図のＡ−Ａ線断面図であ
る。 ３・・・・・・ピストン、４・・・・・・燃焼室、５，
５′・・・・・・プライマリ吸気ポート、６，６′・・
・・・・セカンダリ吸気ポート、８・・・・・・プライ
マリ吸気弁、９・・・・・・セカンダリ吸気弁、１２，
１３・・・・・・吸気通路、１４・・・・・・気化器、
１７・・・・・・プライマリ絞り弁、１８・・・・・・
セカンダリ絞り弁、１９・・・・・・ダイヤフラム装置
、３３・・・・・・排気還流通路、３４・・・・・・排
気還流制御弁、３５・・・・・・負圧制御バルブ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 機関の全運転域にわたって混合気が供給されるプラ
   イマリ側吸気通路と、機関の高速域でのみ混合気が供給
   されるセカンダリ側吸気通路とを互いに独立した２系統
   の吸気通路として形成すると共に、この両吸気通路を夫
   々独立した吸気弁で開閉し、プライマリ側吸気通路をほ
   ぼシリンダボア接線方向に混合気流を指向させるスワー
   ルポートとなす一方、セカンダリ側吸気通路をほぼシリ
   ンダボア軸線方向に混合気流を指向させる出力ポートと
   なし、セカンダリ側吸気通路の開領域において、シリン
   ダボア接線方向の混合気流を消去するように、機関低速
   域のスワール比を高速域のスワール比より大とすると共
   に、機関低速域で希薄混合気を、高速域で出力混合比付
   近の混合気を供給する一方、排気の一部を吸気中に還流
   する排気還流装置を併設し、排気還流率を低速域に比べ
   て高速域で減少させるようにしたことを特徴とする複吸
   気路式内燃機関。