JPS5855326B2

JPS5855326B2 - 内燃機関

Info

Publication number: JPS5855326B2
Application number: JP53123106A
Authority: JP
Inventors: 弘小暮; 功藤井; 静夫八木
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1978-03-27
Filing date: 1978-10-05
Publication date: 1983-12-09
Also published as: JPS54126808A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は４サイクル成層給気スパーク点火式内燃機関に
関するもので、機関のあらゆる負荷運転領域に亘って混
合気の希薄域における濃厚側での運転を可能にし、ＣＯ
およびＨＣ排出量を増加させることなく排気ガス中のＮ
Ｏｘ排出量を減少させるとともに燃料消費率（ＩＳＦＣ
）、ひいては機関出力を改善することを主要な目的とす
るもので、このような内燃機関を自動車に搭載すれば運
転性能を改善することができる。

内燃機関の燃費を改善することが今日まで長期に亘って
要請されており、従って排気ガス中のこれら有害排出物
を望ましい水準に減少させる場合にも、良好な燃費を維
持する必要がある。

希薄な総合空燃比により内燃機関を運転することは、Ｎ
Ｏｘ排出物を減少させるばかりでなく燃料消費率（ＩＳ
ＦＣ）を向上させるので非常に望ましい。

しかし触媒コンバータを備えていない従来の内燃機関で
は、排気ガス中の前記有害排出物を必要な水準にまで減
少させると同時に燃費を改善することは極めて困難であ
る。

ところで、成層給気内燃機関では、排気ガス中のＣＯ，
ＨＣおよびＮＯｘ等の有害成分の生成を同時に減少する
ため、総合空燃比を理論空燃比よりも希薄にしなければ
ならないことが知られているが、機関が広範な負荷領域
に亘って運転される場合、総合空燃比を希薄に設定する
には限界がある。

すなわち、機関の比較的軽負荷運転時には、過薄な空燃
比はＣＯおよびＨＣの生成を増大させ、他力比較的高負
荷運転時には、過薄な空燃比は車輌の運転性能の悪化を
招く。

排気ガス中のＮＯｘ排出物を減少させると同時に燃料消
費率を改善するため、トーチ点火式内燃機関の燃焼室内
の燃焼過程が各負荷領域について研究され、その結果、
主燃焼室内の希薄混合気の燃焼に寄与するトーチ火炎の
生成に関して次のような改善策が提案された。

すなわち、機関のＣＯ，ＨＣおよびＮＯｘ排出物の生成
率はその負荷条件により大きく変化するもので、ＨＣの
生成は機関負荷の軽減とともに高くなり機関負荷の増加
とともに低下するが、ＮＯｘの生成は軽負荷時に低く、
重負荷時に高くなる。

従って、機関の軽負荷運転領域ではＨＣ排出物を減少さ
せること、また機関の高負荷運転領域ではＮＯｘ排出物
を減少させることに注目すべきである。

総合空燃比が希薄な混合気で機関を運転する場合に軽負
荷領域においてＣＯおよびＨＣ排出物の増加を抑制する
ためには、多トーチ火炎噴射によって燃焼を改善するこ
とが考えられるが、このようにすれば、高負荷運転領域
では燃焼速度が増大してＮＯｘ排出物の生成を増加させ
ることになる。

また他力高負荷運転領域においてＮＯｘ排出物の増加を
抑制するため、トーチ火炎を主として主燃焼室の中心部
に指向きせるべきであるが、これは軽負荷運転領域では
ＣＯおよびＨＣ排出物の増大を招くことになる。

このような機関の負荷状態とその有害排出物との関係か
ら以下の事実が明らかになった。

すなわち、（１）機関の軽負荷運転領域においては、トーチ火炎は
効率的に主燃焼室の中心部およびシリンダ壁部近傍に指
向されねばならない。

（２）機関の高負荷運転領域においては、トーチ火炎は
主として主燃焼室の中心部に指向されねばならない。

機関の軽負荷運転時には、容積効率が低く、シリンダ内
の混合気に対する残留ガスの割合が高く、また主燃焼室
内の混合気の乱れが機関の高負荷運転時に較べて弱いた
め、燃焼は不安定になりがちである。

そこで、燃焼をより安定させてＣＯおよびＨＣ排出物を
減少させると共に燃料消費率（ＩＳＦＣ）を改善するた
めには、複数個のトーチノズルを設け、且つ互に異なる
位置で２力向に指向された複数のトーチ火炎によって燃
焼時期を相違させてＮＯｘの排出量を減少させることが
必須要件になる。

他力、機関の高負荷運転時には、容積効率が高く、主燃
焼室内の混合気の乱れが機関の軽負荷運転時に較べて大
きくなるので、ＮＯｘ排出量の増加を抑制するためには
燃焼が必要以上に急速に行なわれないようにすることが
極めて必要となるが、これはトーチ火炎を主として主燃
焼室の中心部に指向させることによって達成される。

このようにして、高負荷運転領域におけるＮＯｘ排出量
を減少させることができる。

このような成果を達成するためには、本出願人の出願に
係る特公昭５６−２４０８７号公報に記載されているよ
うに、各副燃焼室を第１および第２副燃焼室に分割して
、第１気化器により比較的希薄な空気燃料混合気を主燃
焼室に供給するとともに、第２気化器により比較的濃厚
な空気・燃料混合気を先ず第１副燃焼室に供給しそれか
ら第２副燃焼室に供給する。

さらに、第１副燃焼室から主燃焼室に延びる第１トーチ
ノズルの吐出端を主燃焼室の中心部近傍に臨ませ、第１
副燃焼室に点火栓を連通させ、第２副燃焼室から主燃焼
室に延びる１個以上の第２トーチノズルの吐出端を主燃
焼室の周縁部近傍に臨ませる。

ところで主燃焼室の形状に応じて第１トーチノズルから
の火炎到達距離を大きくする必要がある場合には、第１
トーチノズルの断面積を比較的小さくして火炎の噴出速
度を大きくする必要があるが、このようにすると第１ト
ーチノズルの断面積の減少分だけ火炎の噴出継続時間が
長くなって燃焼効率を低下させる不具合がある。

そこで本発明の目的は、第１トーチノズルを２本の平行
な通路に分離して形成することにより前記不具合を解消
し、機関の全負荷領域に亘って排気ガス中のＣＯおよび
ＨＣ排出量を増加させることなくＮＯｘ排出量を減少さ
せるとともに、同時に燃料消費率（ＩＳＦＣ）ひいては
機関出力を改善し、これにより自動車の運転性能を向上
することである。

各種の式験結果によれば、このようにして製造した機関
では、総合空燃比が理論空燃比よりも希薄な混合気によ
り運転した場合でもＮＯｘ排出量の増加を招くことはな
く、またＣＯおよびＨＣ排出物の生成量を増加させるこ
ともない。

本発明による機関と従来の機関との比較から、本発明機
関はＮＯｘ排出量および燃料消費率（ＩＳＦＣ）を同時
に改善できることが確認された。

さらに本発明によればもしＮＯｘ排出量を従来の機関と
同一の所定水準に留めれば、空燃比を希薄領域の濃厚側
に設定することにより自動車軸の運転性能を改善するこ
とも可能である。

以下、図面により本発明の実施例について説明すると、
先ず第１および第２図には、ピストン１２を摺合したシ
リンダ１１を有する機関１０が示されており、この機関
１０の主燃焼室１３はピストン１２の上面とシリンダヘ
ッド１４により形成され、主吸気路１６から主燃焼室１
３に流入する比較的希薄な空気燃料混合気の流量は主吸
気弁１５により制御される。

シリンダヘッド１４には、全体を１７で示す副燃焼室が
挿入カップ３３内に形成され、この副燃焼室１７は隔壁
３４により第１および第２副燃焼室１８．２０に分割さ
れ、それら第１および第２副燃焼室１８，２０は隔壁３
４にその中心から偏倚して穿設された通孔２１を介して
連結されている。

副吸気路２３を介して第１副燃焼室１８に流入する比較
的濃厚な空気燃料混合気の流量は副吸気弁２２により制
御され、また点火栓２４の電極は透孔２５を介して第１
副燃焼室１８に連通している。

各主燃焼室１３から排気路２７への排気ガス流°□を制
御するため、排気弁２６が設けられている。

主吸気弁１５、排気弁２６および副吸気弁２２は総てカ
ムシャフト２８から図示しない従来公知の動弁機構を介
して調時制御して作動される。

第１副燃焼室１８は互いに平行に延びる２本の第１トー
チノズル２９を介して主燃焼室１３に連通し、それら各
第１トーチノズル２９の一端は挿入カップ３３の側壁に
設けた通孔３２を介して第１副燃焼室１８に連通ずると
ともにその他端３０は主燃焼室１３の中心部近傍に配置
されており、点火栓２４が第１副燃焼室１８内の混合気
に点火した時、トーチ火炎が比較的長い第１トーチノズ
ル２９を介してピストン１２の中心軸線に向けて噴射さ
れ、また第１副燃焼室１８内の混合気の点火により生成
され通孔２１を通って第２副燃焼室２０に噴入する火炎
はそれから比較的短い第２トーチノズル３１を通って主
燃焼室１３の周縁の一部に噴入する。

さて、軽負荷における機関の作動を説明すると、先ずピ
ストン１２の吸入行程において、比較的希薄な混合気が
主燃焼室１３内に吸入され、それと同時に比較的濃厚な
混合気が副燃焼室１７に吸入される。

副燃焼室１７に吸入された濃厚混合気は先ず第１副燃焼
室１８に導かれ、さらに通孔２１を介して第２副燃焼室
２０に吸入され、このようにして第１および第２副燃焼
室とも新濃厚混合気により充たされる。

ところで一般にこのような内燃機関では、その低負荷運
転時に、主燃焼室内に吸入される混合気量の減少に比例
して副燃焼室内に吸入される混合気量が減少すると、小
容積の副燃焼室内の新濃厚混合気による掃気性が悪くな
り、そこに燃焼ガスが残留して失火の原因となり、また
燃焼効率も悪化してＨＣ，ＣＯ等の未燃成分の発生量が
増大する不具合があるので、これを解消するために、副
燃焼室に吸入される濃厚混合気量が軽負荷運転時には高
負荷運転時よりも大きくなるように、主燃焼室および副
燃焼室の燃料供給系は設定される。

而して本発明における内燃機関においても、主燃焼室お
よび副燃焼室の燃料供給系が前述のように調整されてい
ることを前提条件としており、その調整手段としては従
来公知のものが採用される。

続いてピストン１２の圧縮行程では、主燃焼室１３内の
希薄混合気は第１および第２トーチノズル２９．３１を
介して第１および第２副燃焼室１８．２０にそ減ぞれ逆
流してその内部の混合気を希釈する。

従って、これら第１および第２副燃焼室の混合気の空燃
比は、点火直前には略同−であり点火に適した状態にあ
る。

そこで点火栓２４により点火すると、第１および第２副
燃焼室１８゜２０内にノーチ火炎が生成され第１および
第２トーチノズル２９．３１より主燃焼室１３に噴入し
てその内部の比較的希薄な混合気を燃焼させる。

この燃焼は先ず短いトーチノズル３１の吐出端で始まり
、その後長いトーチノズル２９の吐出端でも始まる。

第１トーチ火炎が第１副燃焼室１８から主燃焼室１３へ
噴出される前に、第２トーチ火炎は第２副燃焼室２０か
らシリンダ１１の壁部近くに配置された第２トーチノズ
ル３１を介して主燃焼室１３へ噴出され、そのシリンダ
１１周壁付近に残留する未燃焼ガスを燃焼させ、また第
１トーチ火炎は第１トーチノズル２９を通って主燃焼室
１３の略中心部へ指向され、その内部の比較的希薄な混
合気を燃焼させて次第に周囲へ広がって行く。

上記したような２段階燃焼過程は、第１トーチノズル２
９より流入するトーチ火炎の作用により完全に燃焼され
なかった末端ガスの燃焼を促進させてピーク圧力および
ピーク温度を低減させ、既に低いレベルに抑制されてい
るＣＯおよびＨＣ排出量に悪影響を及ぼすことなくＮＯ
ｘ排出量を減少させる。

次に高負荷における機関の作動について説明すると、ピ
ストン１２の吸入行程において比較的希薄な混合気が主
燃焼室１３に導かれ、同時に比較的濃厚な混合気が副燃
焼室１７に吸入される。

ところで、高負荷運転時の副燃焼室１７内の濃厚混合気
量が軽負荷運転時とは逆に小さく設定されているけれど
も、第１副燃焼室１８は上記した軽負荷運転時同様に完
全に掃気されて新濃厚混合気により充満されるが、他力
第２副燃焼室２０に供給される新濃厚混合気量が比較的
小さく、また通孔２１の流動抵抗により第２副燃焼室２
０に流入する新濃厚混合気量が非常に少ないので、第２
副燃焼室２０は完全に掃気されない。

その結果、ピストン１２の吸入行程終了時点では、第１
および第２副燃焼室１８．２０内の燃料重量は、第１副
燃焼室１８では可成大きいが第２副燃焼室２０では小さ
い。

従って軽負荷時には第２副燃焼室２０の掃気は略完全に
行なわれるが、機関負荷が増大するにつれて第２副燃焼
室２０内の掃気効率は低下する。

それは、第１、第２トーチノズル２９，３１および通孔
２１の作動および幾何学的配置等の要因によるものであ
る。

続いて圧縮行程において、主燃焼室１３の希薄混合気は
第１および第２トーチノズル２９．３１を介して逆流す
るので、点火直前には、第１副燃焼室１８の混合気は点
火され易い状態にあるが、第２副燃焼室２０の混合気は
主燃焼室１３の希薄混合気と略同じである。

すなわち、第１および第２副燃焼室で生成される第１、
第２トーチ火炎のエネルギは互に相違するので、燃焼時
期および第１、第２トーチノズル２９．３１からのトー
チ火炎の噴射期間は共に相違する。

以下の実施例は説明上の便宜を計るものであり、本発明
を何ら限定するものではない。

さて、行程容積１５００ｃｃの４気筒４サイクル内燃機
関について考察するに、第１および第２副燃焼室１８．
２０の容積をともに３ｃｃとすると、機関のアイドル運
転時に、１サイクル当り略１１．４ＣＣの濃厚混合気が
第１および第２副燃焼室１８．２０さらに第１および第
２トーチノズル２９．３１を介して主燃焼室１３に吸入
された場合、第１、第２トーチノズル２９，３１および
通孔２１のサイズの相違によって、全濃厚混合気量１１
．４ｃｃの３分の２が第１副燃焼室１８に吸入され、そ
の一部が第１トーチノズル２９より流出し、残りの３分
の１は第２副燃焼室２０に吸入されその一部が第２トー
チノズル３１より流出する。

従ってピストン１２の吸入行程の終期には、第１副燃焼
室１８は十分に掃気され濃厚混合気のみが存在し、また
第２副燃焼室２０も略十分に掃気される。

しかし、機関の高負荷運転時には、ピストン１２の吸入
行程において１サイクル当り６．Ｑｃｃの濃厚混合
気が第１および第２副燃焼室１８．２０に吸入されるに
過ぎず、このうちの３分の２すなわち４．Ｑｃｃは第
１副燃焼室１８に吸入されその一部が第１トーチノズル
２９より主燃焼室１３に流出し、残りの２ｃｃは第２副
燃焼室２０に吸入されて第２トーチノズル３１からの流
出が殆どないので、第２副燃焼室２０の掃気は不完全で
ある。

第１副燃焼室１８内の混合気が点火栓２４により点火さ
れると、トーチ火炎は第１トーチノズル２９を通って主
燃焼室１３に噴入し、また通孔２１を通って第２副燃焼
室２０に噴入した火炎はここから第２トーチノズル３１
を通って主燃焼室１３内に噴入する。

しかし、第２副燃焼室２０内の混合気は第１副燃焼室１
８内の混合気に較べて希薄であるため、主燃焼室１３内
の混合気は主として第１トーチノズル２９より噴入する
トーチ火炎により燃焼される。

その結果、第１゛トーチノズル２９を通って主燃焼室１
３の略中心部に噴入されたトーチ火炎は、その内部の希
薄混合気を略均−な火炎伝播によって中心部から周縁部
へ燃焼させて、効率良く燃焼を行なわせることができる
。

従って燃焼圧力および温度の急激な上昇が抑制されるの
で、ＮＯｘ排出物の生成は最小にされ、燃料消費率（■
ＳＦ″Ｃ）も改善される。

このように、機関の高負荷運転時には、第２トーチ火炎
の強さを減少させて主燃焼室１３内の混合気の乱れを抑
制し、その内部の混合気を中心部から周縁部に向けて均
一に燃焼させることにより、余りにも急激な燃焼を回避
して燃焼温度の急激な上昇を制御し、ＮＯｘ排出物の生
成を最小にするとともに・燃料消費率（ＩＳＦＣ）を改
善することができる。

さらに本発明によれば、空燃比を希薄領域の濃厚側に設
定して、機関出力を向上させることもできる。

すなわち、実験によれば、■ａ：副燃焼室１７の容
積Ｖａｌ：第１副燃焼室１８の容積■ｃ：ピ
ストン１２が上死点にある時の第１副燃焼室１８、第２
副燃焼室２０および主燃焼室１３の合計容積とすると、Ｖａ／Ｖｃ＝０．０６−０．１８Ｖａ１／Ｖａ＝０．０４−０．６においで最適の結果が得られた。

Ｖａ／Ｖｃを上記範囲よりも小さくすると、Ｈ
Ｃ排出量は減少するがＮＯｘ排出量は増加し、またＶ
ａ／Ｖｃを上記範囲よりも大きくすると、ＮＯｘ
排出量は減少するがＨＣ排出量は増加する。

以上の実施例において、各第２トーチノズルの断面積は
各第１トーチノズルの断面積よりも小さく、機関の高負
荷運転時には、第１トーチノズルが主として燃焼に寄与
するようになっている。

以上のように本発明によれば、機関の高負荷運転時には
、トーチ火炎の強さを減少させて主燃焼室内の混合気の
乱れを抑制して、主として第１トーチノズルより主燃焼
室内の中心部にトーチ火炎を噴出させ主燃焼室内の中心
部から周縁部に向けて順次燃焼させることにより、過激
な燃焼を回避して燃焼温度の急激な上昇を抑制してＮＯ
ｘの発生量を抑制し、また機関の軽負荷運転時には、吸
入行程において第１および第２副燃焼室を新濃厚混合気
によって充分に掃気し、それら第１および第２燃焼室内
で新濃厚混合気の点火により発生された火炎を第１、第
２トーチノズルより主燃焼室の全戦に亘ってむらなく噴
出させて混合気の乱流を強くして希薄混合気を極めて効
率良く燃焼させることができ、従って機関のあらゆる負
荷領域に亘ってＨＣ，ＣＯ等の未燃成分を増加させるこ
となくＮＯｘの発生を抑制して排気を浄化することがで
きるものである。

また、空燃比を希薄領域の濃厚側に設定することにより
機関出力を改善することができる。

さらに第１トーチノズルを２本の平行な通路に分離して
形成したので、主燃焼室の形状に応じて第１トーチノズ
ルからの火炎到達距離を大きくする必要がある場合でも
、第１トーチノズル全体の総断面積を小さくせずに個々
の第１トーチノズルの断面積を小さくして火炎の噴出速
度を大きくすることができ、従って唯１本の第１トーチ
ノズルを採用してその断面積を小さくした場合のように
火炎の噴出継続時間が長くなるようなことはないので燃
焼効率を確実に改善できるものである。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明の一実施例の一部破断側断面図、第２図
はその■−■線断面図である。１２・・・・・・ピストン、１３・・・・・・主燃焼室
、１４・・・・・・壁部としてのシリンダヘッド、１６
・・・・・・吸気路、１７・・・・・・副燃焼室、１８
・・・・・・第１副燃焼室、２０・・・・・・第２副燃
焼室、２１・・・・・・通孔、２３・・・・・・副吸気
路、２４・・・・・・点火栓、２９・・・・・・第１ト
ーチノズル、３０・・・・・・第１トーチノズルの吐出
端、３１−０゜・・・第２トーチノズル、３４・・・・
・・副燃焼室を第１、第２副燃焼室に分割する手段とし
ての隔壁。

Claims

【特許請求の範囲】

１主燃焼室を形成する壁部と、前記主燃焼室の壁部の
一部を形成するピストンと、副燃焼室を形成する手段と
、その副燃焼室を第１および第２副燃焼室に分割する手
段と、主吸気路を有し、前記主燃焼室に比較的希薄な空
気燃料混合気を供給する１段と、副吸気路を有し、前記
第１副燃焼室に比較的濃厚な空気燃料混合気を供給する
手段と、前記第１副燃焼室から前記主燃焼室へ延び、吐
出端を前記主燃焼室の中心部近傍に臨ませた比較的長い
第１トーチノズルと、前記第２副燃焼室から前記主燃焼
室へ延び、各吐出端を前記主燃焼室の周縁部近傍に臨ま
せた比較的短い第２トーチノズルと、前記第１および第
２副燃焼室を連通させる通孔と、前記第１副燃焼室に連
通ずる点火栓とを組合わせてなり、前記第１トーチノズ
ルを２本の平行な通路に分離した内燃機関。