JPS5917249B2 - 火花点火式内燃機関 - Google Patents

火花点火式内燃機関

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JPS5917249B2
JPS5917249B2 JP50078351A JP7835175A JPS5917249B2 JP S5917249 B2 JPS5917249 B2 JP S5917249B2 JP 50078351 A JP50078351 A JP 50078351A JP 7835175 A JP7835175 A JP 7835175A JP S5917249 B2 JPS5917249 B2 JP S5917249B2
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combustion chamber
cylinder
intake
combustion
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裕 黒田
泰夫 中島
義正 林
邦彦 杉原
靖雄 高木
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Nissan Motor Co Ltd
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    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B23/00Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation
    • F02B23/08Other engines characterised by special shape or construction of combustion chambers to improve operation with positive ignition
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D21/00Controlling engines characterised by their being supplied with non-airborne oxygen or other non-fuel gas
    • F02D21/06Controlling engines characterised by their being supplied with non-airborne oxygen or other non-fuel gas peculiar to engines having other non-fuel gas added to combustion air
    • F02D21/08Controlling engines characterised by their being supplied with non-airborne oxygen or other non-fuel gas peculiar to engines having other non-fuel gas added to combustion air the other gas being the exhaust gas of engine
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は排気中の有害成分を極力低減可能とした火花点
火式内燃機関に関するものである。
内燃機関から排出される有害成分、すなわち、窒素酸化
物(NOx)、一酸化炭素(CO)及び炭化水素(HC
)を低減するために腫々の装置の開発が進められている
が、いずれにせよこれらQ基本的事項は、機関燃焼室内
での有害成分の発生を未然に防止することである。
しかし、HC,COに関しては、機関排気系に酸化触媒
、サーマルリアクタなどの後処理装置を設けると共に排
気温を高温化することにより、比較的容易にこれらを酸
化処理(再燃焼)できる。
ところが、NOxに関しては、排気系での後処理が難か
しく、還元触媒も研究されてはいるが、この触媒のみで
は性能、耐久性あるいは価格などの点に問題が多い。
したがって、特にこのNOxに対しては、機関燃焼室で
の生成をいかに抑止するかが極めて重要となる。
NOxの低減のために既に知られている手段として排気
還流(EGR)があり、これは、排気の一部を吸気中に
還流して燃焼室内における燃焼最高温度をある程度抑え
、これによりNOxの生成を抑制するものである。
このEGRを行う場合、EGR率(吸入空気量に対する
還流排気量の比率)を大きくするほど、これにほぼ比例
してNOxの生成量を減じられる反面、機関の安定性、
出力性あるいは燃費性はこれに伴って悪化し、はなはだ
しいときは失火現象を起こし、またEGR率の増加によ
り排気中のCo、HCが増大するという問題もある。
これらのことから、従来の火花点火式内燃機関にあって
は、EGR率は10チ位が限度であり、したがってNO
xの低減にも限界があった。
しかるに、ここで、EGR率を増大すると機関安定性な
どが悪化する原因について考察するに、吸入混合気中に
存在する排気量が増えるほど混合気の燃焼条件が悪化し
、燃焼速度(火炎伝播速度5が遅くなって燃焼室内に吸
入された混合気が燃焼を完結するまでの時間、つまり燃
焼時間が長くなり、混合気の燃焼圧力を有効に利用でき
なくなることに起因する。
したがって、多量のEGRを行っても機関の安定性を確
保するためには、吸入混合気の燃焼時間を可及的に小と
なし、燃焼圧力の有効利用をはかれば良いことが分かる
吸入混合気の燃焼時間は火炎伝播速度を速(することに
よって短縮できるが、燃焼が完結するまでに火炎が到達
する距離、すなわち火炎伝播距離(換言すると点火栓か
ら燃焼室壁面までの距離)が短かくなるほど短時間にな
る。
そこで、多量のEGRを行うことにより火炎伝播速度が
遅(なるのは避けられないので、燃焼時間の短縮化をは
かるために、火炎伝播距離をできるだけ短かくするとい
う対策手段が考えられる。
本発明は、かかる技術的思想を具現化するにあたり、燃
焼室に設置される点火栓の位置を適切に設定することで
火炎伝播距離の短縮化するもので、これにより燃焼時間
を短かくして多量のEGRを行っても機関安定性を確保
し、もってNOxの生成を大巾に抑制するようにした機
関を提供することを目的とする。
同時に、本発明はEGR率の増大に伴って増加する傾向
にあるCo、HCを排気系で酸化処理しやすいように、
排気温度を高温状態に保持するように(−だ機関をもあ
わせて提供するものである。
以下図示するいくつかの実施例にもとづいて本発明を詳
述する。
第1図は全体的な概略平面図であり、図中1は気化器、
2は吸気マニホールド、3は機関本体、4は燃焼室、5
は吸気ボート、6は排気ポートを示し、排気ポート6は
隣接するものを互にシリンダヘッド内で集合(合流)し
て、いわゆるサイアミーズドポートを形成すると共に、
このポニトにボートライナγを鋳込んで、排気温度の低
下を防止する。
なお、吸気弁は図のようにシリンダ中心からオフセット
され、吸入混合気流にスワールを付与して燃焼効率を高
めるようになっている。
そして、この排気ポート6には二次空気の噴射ノズル8
が臨設され、このノズル8にはエアギヤラリ9、チェッ
ク弁10、二次空気制御弁11を介してエアポンプ12
からの二次空気が圧送され、排気量に対応して二次空気
を排気中に供給する。
13は排気中の未燃HC,COを酸化反応させる酸化処
理装置としてのサーマルリアクタ(ただし、酸化触媒や
三元触媒などの酸化機能をもつものでもよい)、14は
排気管であり、排気の一部は排気還流通路15を介して
吸気中に還流され、その還流量は排気還流制御弁16で
制御され、排気還流率(EGR率)が機関常用領域で1
2〜25係となるようにする。
なお、制御弁16は機関吸入空気量の関数であるベンチ
ュリ負圧、排気圧などに応動して弁開度を増減するよう
に、圧力アクチュエータ(例えばダイヤフラム装置)に
連結する。
次に、第2図A、 Bに示すように、EGR率を12〜
25%と高率に設定しても安定した燃焼を確保するため
に、燃焼室4に設置する点火栓11の位置が適切に定め
られる。
本実施例では、シリンダヘッド18、ピストン19によ
り区画形成される燃焼室4は半球型形状のものが採用さ
れ、点火栓11は燃焼室4の最大厚み附近で、かつシリ
ンダ中心にできる限り近い位置即ち、後述するd=(0
〜(L6)XDの範囲に設置し、これにより、点火火炎
が伝播する距離を最小として、燃焼時間の短縮化をはか
る。
単一の点火栓によって点火された火炎が燃焼室空間内の
混合気を全て燃焼するために伝播する距離は、燃焼室を
球形としてその中心に点火栓を配したときに最小となる
が、実際にはこのような燃焼室をつくることは、殆んど
不可能なため、上記のように半球型燃焼室4の最大厚み
近辺で、シリンダ中心線の近傍に点火栓1γを設けるの
である。
そして、本発明者らの実際によると、シリンダボア径7
0〜90調の機関においては、ボア径Dを基準として、
燃焼室半球部の基円半径R=Q、55(±0.1)XD
、点火栓配置領域径d=(0〜0.6)XD、またスキ
ッシュ減径D=0.9(±0.05 ) XD、スキッ
シュ域厚さt=3±1.5mmに設定したときに、EG
R率を25%位としても機関を安定して運転できること
が確認できた。
点火栓1γの位置はシリンダ中心に設けることが好まし
いが、吸排気弁との干渉、あるいはシリンダヘッドの構
造上の問題などから、これが不可能なときは、できる限
りシリンダ中心に近づけるようにする。
また、吸気ポート5と排気ポート6との位置関係はクロ
スフロー構造として、このとき上記条件を満足した上で
吸気ポートサイドに点火栓17が位置するようにして、
吸入行程において吸入混合気が点火栓17に直接衝突す
るのを防ぎ、点火栓17の過冷却による点火性、着火性
の悪化を避ける。
なお、クロスフロー構造にすると、点火栓17を前述の
条件を満足するように配置したときの、点火栓着脱性が
極めて良好になる。
ところで、ピストン19が上昇して吸入混合気を圧縮す
るときにこのスキッシュ域20の存在により混合気に激
しい乱れが与えられるので(スキッシュ作用)、混合気
の燃焼速度(火炎伝播速度)が速くなり、燃焼時間を短
かくできるため、これらの点を考慮して、適度なスキッ
シュ作用を生じると同時に火炎が消炎(クエンチ)しな
い程度、すなわちHC,Coの殆んど増大しない程度の
スキッシュ域20を設けるとよい。
なお、混合気の空燃比については特定はしないが、早い
燃焼を前提としているため、できるだけ燃焼しやすい状
態、つまり、はぼ理論空燃比の混合気を供給することが
好ましい。
理論空燃比附近で最大発生量をとるNOxに対しては、
前述のごと<EGR率を12〜25チと高めることで発
生を大幅に抑制できるためである。
このことは、HC−Coの除去に関し排気系に噴射ノズ
ル8を設けて二次空気を供給を必要性を生じさせるが、
サイアミーズポート化などで排気温の低下を防ぐので、
HC−COの酸化反応はサーマルリアクタ13でも十分
に行えるのである。
以上のように点火栓1Tの位置を設定し、燃焼室4の形
状を選定することにより、高率のEGRを行っても燃焼
時間を短かくでき、したがって燃焼圧力を有効に機関出
力として取り出すことが可能となり、運転性を損わずに
NOxの大巾な低減を達成できる。
また、HC,Coに関しては、排気ポート6をサイアミ
ーズドポートとして排気温度の低下を防ぐので、噴射ノ
ズル8からの二次空気の供給のもとにサーマルリアクタ
13での酸化反応が促進され、HC,COの低減効率も
上昇する。
なお、第2図においても、点火栓17の側方電極17a
はシリンダ中心に向けて設置し、これにより点火火炎の
伝播する距離の長い方向での燃焼時間をできるだけ短か
くする。
このように燃焼室形状の単純なものは、壁面の表面加工
が容易で滑らかな仕上ができ、しかも燃焼室ボリューム
に対する表面積の割合が減小するので、HC,COの発
生をある程度抑えることができ、さらに火炎の伝播もス
ムーズに行われるので燃焼時間も短かくなる。
以上のように本発明によれば、燃焼形状、点火栓位置を
適正に設定することで燃焼時間を短か(でき、高率のE
GRを行っても安定した燃焼が確保でき、また燃焼時間
の短縮化により、点火時期を上死点前あまり進めなくと
もよいから、圧縮行程時の負の仕事を減少でき出力の向
上をはかれる。
また、サイアミーズドポートの採用により排気温を高温
化するので、点火時期を機関出力上最適時期に設定し出
力低下を防止しつつ、HC,Coの酸化反応効率を高め
ることができる。
すなわち、これらが相まって機関出力性能を阻害するこ
となしに、NOx、HC,COの排気対策を向上させる
【図面の簡単な説明】
第1図は全体の概略平面図、第2図Aは燃焼室の断面図
、第2図Bは同じく平面図である。 1・・・・・・気化器、2・・・・・・吸気マニホール
ド、4・・・・・・燃焼室、5・・・・・・吸気ポート
、6・・・・・・排気ポート、T・・・・・・ポートラ
イナ、8・・・・・・二次空気の噴射ノズル、9・・・
・・・エアギヤラリ、11・・・・・・二次空気制御弁
、12・・・・・・エアポンプ、13・・・・・・サー
マルリアクタ、15・・・・・・排気還流通路、16・
・・・・・排気還流制御弁、17・・・・・・点火栓、
18・・・・・・シリンダヘッド、19・・・・・・ピ
ストン。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 シリンダヘッドとピストンヘッドにより区画形成さ
    れる燃焼室を半球型の比較的単純な形状になすとともに
    、単一の点火栓を燃焼室の最大厚み附近で、かつシリン
    ダ中心線に近いd−(0〜0.6)XD(ただしd:点
    火栓配置須域径、Dニジリンダボア径)の範囲内に入る
    位置で、しかもクロースフローとした吸排気ポートの吸
    気ポートサイドに配設し、さらに吸気弁をシリンダ中心
    に対してオフセットし、前記燃焼室とシリンダボアとの
    平面面積差をもたせてスキッシュ域を形成し、隣接する
    排気ポートをシリンダヘッド内で集合させてサイアミー
    ズドポートを構成する一方、排気の一部を吸気中に大量
    (常用頭載で12〜25チのEGR率)に還流させる排
    気還流装置を備え、同じく排気系に未燃排気成分の酸化
    処理装置を設けてなる火花点火式内燃機関。
JP50078351A 1975-06-24 1975-06-24 火花点火式内燃機関 Expired JPS5917249B2 (ja)

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