JPS59687B2 - 内燃機関の燃焼室 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内燃機関の燃焼室に関する。

現任、内燃機関は排気ガス中の有害成分を低減しつつ熱
効率を向上せしめることが大きな課題となっている。

排気ガス中の有害成分を低減する効果的な方法として稀
薄混合気を用いて三成分ＨＣ。

ＣＯおよびＮＯｘを同時に低減する方法、並びに機関吸
気系に大量の排気ガスを再循環してＮＯｘを低減する方
法が知られているが、これら稀薄混合気並びに大量の再
循環排気ガスを含んだ混合気は火炎の伝播速度が遅く、
従つ′Ｃ燃焼速度が遅いので十分に高い熱効率を得るこ
とができず、その結果満足できる出力を得ることができ
ないという共通の欠点を有している。

従ってこのような可燃混合気を使用した場合には燃焼速
度を速めることが熱効率を高める上で最も重要な問題と
なってくる。

燃焼室内における可燃混合気の燃焼速度を速めるために
従来より（Ｉ）吸気ポートから吸入される可燃混合気に
より燃焼室内に旋回流を発生させたり、或いはスキッシ
ュ流により乱れを発生させる方法、並びに■吸気行程時
に副吸気弁な介してシリンダ内負圧により空気を吸入し
、この噴出空気により燃焼室内に旋回流を発生させる方
法が提案されている。

しかしながら上記第（Ｉ）項の方法では吸気行程時に発
生した旋回流は圧縮行程末期には減衰してしまい、また
スキッシュ流は上死点近傍において乱れを発生するが旋
回流のように大きな運動量を持たないので即座に減衰し
てしまい、また上記第１項の方法では高負荷運転時のよ
うに吸気行程時におけるシリンダ内負圧が小さなときに
は噴出空気の流速が極めて遅いため旋回流を発生せしめ
ることは困難であり、更に旋回流が吸気行程時に発生せ
しめられるので圧縮行程末期には旋回流が減衰してしま
う。

従ってこれらの方法では燃焼期間中持続する強力な乱れ
を可燃混合気に与えることが困難である。

本発明は機関負荷に拘わらず燃焼期間中持続することの
できる強力な旋回流を燃焼室内に発生させ、それによっ
て燃焼速度を大巾に速めることのできる内燃機関を提供
することにある。

以下、添付図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図並びに第２図を参照すると、１はシリンダブロッ
ク、２はシリンダブロック１に形成されたシリンダボア
３内を往復摺動するピストン、４はガスケット５を介し
てシリンダブロック１上に固締されたシリンダヘッド、
６はピストン頂面２ａとシリンダヘッド内壁４８間に形
成された燃焼室、１は排気弁、８は吸気弁、９は点火栓
、１０は点火栓電極を示す。

第１図に示す実施例では点火栓電極１０は半球形状燃焼
室６０頂点に配置される。

本発明によれば第１図並びに第３図に示されるようにシ
リンダヘッド４内に貯留室１１が形成される。

この貯留室１１の下端部には弁ポート１２が形成され、
この弁ポート１２を開閉する開閉弁１３がシリンダヘッ
ド４内に設けられる。

開閉弁１３の弁部１４はシリンダヘッド４に形成された
弁座１５と当接するように配置され、この弁部１４が弁
座１５に当接したとき弁ボート１２は閉鎖される。

一方、開閉弁１３の弁ロッド１６はその上端部がシリン
ダヘッド上面から突出するようにしてシリンダヘッド４
内に穿設された孔１１内に摺動可能に配置される。

弁ロッド１６の先端部はクランクシャフトに連結された
機関駆動の動弁カム１８と協働し、斯くして開閉弁１３
はこの動弁カム１８によって後述する所定のクランク角
度範囲に１つて升ポート１２を開口するように駆動側倒
される。

一方、シリンダヘッド内壁４ａ上には水平壁１９一対の
垂直壁２０，２１並びに半円筒壁２２によって規定され
る溝２３が形成され、第１図から第３図に示されるよう
に開閉弁１３の弁部１４はこの溝２３内に露呈する。

また第２図に示されるように半円筒壁２２は弁部１４の
周縁に近接して配置され、従って開閉弁１３が開弁した
際の貯留室１１内へのガスの流入並びに貯留室１１から
のガスの流出は第２図において左側に形成される弁部１
４と弁座１５間の開口を介して行なわれる。

また、第２図に示されるように溝２３は燃焼室６０周辺
方向に延びるように形成されており、従って貯留室１１
から燃焼室６内にガスが流出した場合には第２図におい
て矢印Ａで示す旋回流を燃焼室６内に発生する。

第４図に吸気弁８と開閉弁１３の開弁時期を示す。

第４図において縦、軸りは升揚程を示し、横軸θはクラ
ンク角度を示す。

また、第４図において曲線Ｂは吸気弁８の開弁時期を１
曲線Ｃは開閉弁１３の開弁時期を夫り示し、矢印りは点
火時期を示す。

第４図から明らかなように開閉弁１３は吸気弁８が閉弁
した直後圧縮行程が開始されてから点火栓９により点火
が行なわれる付近までのクランク角度範囲に畝って圧縮
行程時に開弁されることがわかる。

吸気行程時、吸気弁８を介して燃焼室６内に稀薄混合気
或いは大量の再循環排気ガスを含んだ混合気が導入され
る。

次いで吸気弁８が閉弁し、ピストン２が燃焼室６内の可
燃混合気の圧縮を開始すると開閉弁１３が開弁する。

貯留室１１内には後述するように前回の子線行程におい
て形成された高圧の可燃混合気が貯留しており、一方圧
縮開始時における燃焼室６内の圧力は大気用以下である
。

従って貯留室１１内の圧力と燃焼室６内の圧力との圧力
差は犬きく、斯くして開閉弁１３が開弁すると貯留室１
１内の可燃混合気が高速度で燃焼室６内に噴出し、第２
図において矢印Ａで示す強力な旋回流を燃焼室６内に発
生する。

次いでピストン２が更に上昇しても暫らくの間は貯留室
１１内の圧力が燃焼室６内の圧力よりも高いため貯留室
１１から可燃混合気が噴出し続け、それにより燃焼室６
内の旋回流は益す増勢されることになる。

次いでピストン２が更に上昇して貯留室１１内の圧力と
燃焼室６内の圧力が等しくなると貯留室１１からの可燃
混合気の噴出は停止し、ピストン２が更に上昇すると逆
に燃焼室６内の圧力が貯留室１１内の圧力よりも高くな
るため燃焼室６内の可燃混合気が貯留室１１内に流入す
る。

前述したように開閉−ｙＰ１３は点火が行なわれる付近
まで開弁しており、また可燃混合気が貯留室１１内に流
入している間は燃焼室６内の圧力と貯留室１１内の子方
がほぼ等しくなっている。

一方、点火が行なわれるクランク角度においては燃焼室
６内の圧力はかなり高くなっており、従って開閉弁１３
が閉弁すると貯留室１１内に高圧の可燃混合気が貯留さ
れることになる。

次いでこの高圧の可燃混合気は次のサイクルの圧縮行程
時に噴射され、上述したように強力な旋回流を燃焼室６
内に発生する。

開閉弁１３が閉弁する前後に点火栓９により燃焼室６内
の可燃混合気は着火される。

このとき燃焼室６内には強力な旋回流が発生しており、
従って着火火炎は燃焼室６内に急速に広がり燃焼速度が
極めて速められる。

吸気−９ｆ８が閉弁した直後の燃焼室６内の絶対圧は高
貴Ｖ′ｆ運転時に比して低負荷運転時のほうが低く、従
って開閉弁１３が閉弁する直前の燃焼室６内の絶対圧も
高負荷運転時に比して低負荷運転時のほうが低い。

斯くして貯留室１１内に貯留された可燃混合気の絶対圧
は高負荷運転時よりも低負荷運転時のほうが低いが、吸
気弁８が閉弁した直後の燃焼室６内の絶対圧と貯留室１
１内に貯留された可燃混合気の絶対圧との比は機関負荷
に拘わらず一定となる。

従って貯留室１１から燃焼室６内に噴出する可燃混合気
の流速が燃焼室６と貯留室１１との圧力差によって定ま
ることを考えれば、機関負荷に拘わらず常時強力な噴出
流を得られることがわかる。

一方、機関回転数が高くなるほどピストン２の往復動に
より生ずる燃焼室６内の乱れは大きくなる。

従ってこのとき貯留室１１から噴出する可燃混合気によ
りあまり大きな乱れを与えると点火栓９により形成され
た火炎核が吹き消え、断（して着火性が悪化するという
問題がある。

しかしながら本考案による貯留室１１では機関回転数が
高くなるにつれて弁体１４と弁座１５間の流路抵抗が増
加し、更に開閉弁１３の開弁時間が短かくなるので貯留
室１１内に流入する可燃混合気の量は減少し、従って機
関回転数が高くなるにつれて貯留室１１から燃焼室６内
に噴出する可燃混合気の流量が減少する。

その結果、高回転になるにつれて旋回流は弱くなり、斯
くして着火性が低下するという危険性を回避することが
できる。

また、特に燃焼速度の遅い低回転低負荷運転時、例えば
アイドリンク時に強力な旋回流を発生できるという利点
もある。

第５図は開閉弁１３の開弁時期を種りに変化させた場合
の燃料消費率を示している。

第５図において縦軸Ｑは燃料消費率を示し、横軸Ｐは負
荷を示す。

第５図において曲線には貯留室１１を有さない従来の内
燃機関を示し、曲線り、Ｍ、Ｎは下表に示す開弁時期の
もとて開閉弁１３を開閉制御した場合の実験結果を示す
。

曲線りに示されるように上死点後５度で閉弁した場合に
は点火時期は通常それよりも以前のため着火火炎が貯留
室１１内に侵入し、その結果貯留室１１内の可燃混合気
が燃焼してしまう。

しかしながら貯留室１１内における燃焼は仕事をしない
ので第５図に示すように燃料消費率が大きい。

一方、曲線Ｍに示されるように下死点前３０度の吸入行
程時に開閉弁１３を開弁すると吸入行程時に貯留室１１
から燃焼室６内に可燃混合気が噴出されるため吸気弁８
を介して燃焼室６内に導入される可燃混合気の量が減少
し、その結果高負荷運転時の出力が低下するという結果
になる。

従って開閉弁１３の開弁時期は曲線Ｎで示すように開弁
時期を吸気弁８が閉弁した直後に設定し、閉弁時期を最
も進角された時の点火時期付近に設定することが好まし
い。

このとき第５図に示されるように燃料消費率は大巾に向
上する。

また開閉弁１３の閉弁時期は着火火炎が貯留室１１内に
侵入しないならば点火時期より１０度から１５度遅らせ
てもよい。

第６図は第１図の別の実施例を示す。

なお、第６図において第１図と同様の構成要素は同一の
符号で示す。

また第６図において吸気弁は省略されている。

第６図から第８図を参照すると、開閉弁１３の弁部１４
が下降できるように弁室３０が形成され、この弁室３０
は連通路３１を介して燃焼室６内に連結される。

この連通路３１の開口３２は燃焼室６０周辺方向に指向
される。

また点火栓電極１０は連通路３１を介して燃焼室６内に
噴出する可燃混合気が点火栓電極１０に直接衝突するよ
うに開口３２の近傍に配置される。

第６図に示す開閉弁１３の開弁時期は第１図と同様であ
り、従って開閉弁１３の開弁期間の前半では貯留室１１
から連通路３１を介して燃焼室６に可燃混合気が噴出し
、それによって燃焼室６内に第１図において矢印Ａで示
す強力な旋回流が発生する。

一方、開閉弁１３の開弁期間の後半では前述したように
燃焼室６から貯留室１１内に可燃混合気が流入する。

上述しｔこようにこの実施例では圧縮行程時に貯留室１
１から燃焼室６内に噴出する可燃混合気が点火栓電極１
０に直接衝突する。

従って点火栓電極１０周りに残留する残留排気ガスは噴
出可燃混合気によって掃気され、断＜シて着火性が向上
する。

まｔこ、この実施例では着火火炎が連通路３１を介して
弁室３０内の可燃混合気を着火し、次いで弁室３０内の
圧力が上昇すると火炎が弁室３０から連通路３１を介し
て噴出する。

この噴出火炎により燃焼室６内の旋回流は更に増勢され
るので燃焼速度は一段と速められる。

一般的に云って第６図に示すような半球形態焼室では点
火栓電極１０を第９図に示すように燃焼室６の中央部、
即ち燃焼室６の頂点に配置した場合火炎核が燃焼室周縁
部に向けて一様に成長するので燃焼速度は増大し、好ま
しいと云える。

しかしながら点火栓電極１０の掃気は十分とは云えない
。

このような場合、第１０図に示すように連通路３１に通
ずる到達通路３３を設け、この到達通路３３の開口３４
を点火栓電極１０に指向させ、それによって貯留室１１
から噴出する可燃混合気の一部を到達通路３３に導びい
て開口３４から噴出する可燃混合気により点火栓電極１
０を掃気するようにしてもよい。

第１１図並びに第１２図は本発明を副燃焼室付内燃機関
に適用した場合を示す。

なお第１１図並びに第１２図において第１図と同様の構
成要素は同一の符号で示す。

第１１図並びに第１２図を参照すると、燃焼室が主燃焼
室４０と副燃焼室４１とから構成され、これら主燃焼室
４０と副燃焼室４１とは連通路４２を介して互いに連結
される。

点火栓電極１０は副燃焼室４１内に配置され、一方連通
路４２はピストン頂面２ａに向けて指向される。

貯留室１１は副燃焼室４１の上方に配置され、これら貯
留室１１と副燃焼室４１とは開閉弁１３を介して連結さ
れる。

開閉弁１３の開弁時期は第１図の実施例と同様である。

第１１図に示す実施例において吸気弁８が閉弁すると開
閉弁１３が開弁して貯留室１１内の高圧の可燃混合気が
副燃焼室４１並びに連通路４２を介して主燃焼室４０内
に噴出し、主燃焼室４０内に矢印Ｆで示すような水平軸
線回りの強力な旋回流を発生する。

このとき同時に貯留室１１から噴出する可燃混合気によ
り副燃焼室４１内が掃気される。

次いでピストン２が更に上昇すると逆に主燃焼室４０内
の圧力が貯留室１１内の圧力よりも高くなり、その結果
可燃混合気が連通路４２並びに副燃焼室４１を介して貯
留室１１内に流入する。

次いで開閉弁１３が閉弁すると貯留室１１内には高圧の
可燃混合気が貯留され、一方副燃焼室４１内は残留排気
ガスをほとんど含まない可燃混合気で満たされる。

次いで点火栓９により副燃焼室４１内の可燃混合気が着
火されると火炎が連通路４２を介して主燃焼室４０内に
噴出する。

前述したように主燃焼室４０内には強力な旋回流が発生
しており、また連通路４２から噴出する火炎噴流により
旋回流は更に増勢され、斯くして主燃焼室４０内の可燃
混合気には強力な乱れが与えられるため燃焼速度は極め
て速くなる。

第１３図並びに第１４図は第１１図の別の実施例を示す
。

この実施例では貯留室１１が副燃焼室４１の垂直中心軸
線から偏心して配置され、また開閉弁１３の弁体１４背
面上には第１４図において下方に切欠き４３を有するシ
ュラウド４４が設けられる。

また連通路４２は副燃焼室４１の内壁に接線状に連結さ
れる。

従って開閉弁１３が開弁じた際貯留室１１から噴出する
可燃混合気はシュラウド４４の切欠き４３を通り副燃焼
室４１の内壁に沿って第１４図の矢印Ｈに示すように連
通路４２から主燃焼室４０内に噴出する。

この可燃混合気は副燃焼室４１の内壁に沿って進む際点
火栓電極１０を掃気する。

その結果着火性が向上する。また主燃焼室４０内の圧力
が貯留室１１内の圧力よりも高くなって可燃混合気が主
燃焼室４０から副燃焼室４１内に流入するとこの流入可
燃混合気は第１４図の矢印Ｈと反対向きの旋回流を副燃
焼室４１内に発生する。

斯くして点火栓９により副燃焼室４１内の可燃混合気が
着火されると旋回流が発生しているために火炎は急速に
副燃焼室４１内に広がり、その結果強力な火炎が連通路
４２から主燃焼室４０内に噴出することになる。

第１５図は第１１図の更に別の実施例を示す。

第１５図を参照すると点火栓電極１０が連通路４２内に
配置される。

この場合、点火栓電極１０は貯留室１１から主燃焼室４
０内に噴出する可燃混合流並びに主燃焼室４０から貯留
室１１内に流入する可燃混合気流に直接さらされるので
点火栓電極１０の掃気は極めて良好となる。

第１６図並びに第１１図は第１１図の更に別の実施例を
示す。

第１６凹皿ひに第１γ図を参照すると、連通路４２の壁
面に削成された環状溝４５内にキャップ４６の開口端部
が嵌着され、このキャップ４６０周壁土に燃焼室６０周
辺方向に指向された開口４γが形成される。

従ってこの実施例では貯留室１１から主燃焼室６内に噴
出する可燃混合気は燃焼室６０周辺方向に向かい、斯く
して主燃焼室６内には第１１図において矢印Ｇで示すよ
うな垂直軸線回りの旋回流が発生する。

第１８図は第１１図の更に別の実施例を示す。

この実施例では連通路４２が燃焼室６０周辺方向に指向
され、断くシて貯留室１１から主燃焼室６内に噴出する
可燃混合気により主燃焼室６内には第１８図において矢
印■で示される垂直軸線回りの旋回流が発生する。

以上述べたように本発明によれば貯留室１１内に貯留さ
れる可燃混合気の圧力は点火時期付近における燃焼室内
の圧力とほぼ等しく、従ってかなり高圧の可燃混合気が
貯留室内に貯留されることになる。

一方、吸気弁が閉弁した直後の燃焼室内の圧力は大気圧
以下であるため、このときに燃焼室内の圧力と貯留室内
の圧力と圧力差はかなり大きく、従って強力な可燃混合
気流が貯留室から燃焼室内に噴出する。

更にこの可燃混合気の噴出は圧縮行程の前半にばつで持
続するので燃焼が完了するまで旋回流は継続し、斯くし
て大巾に燃焼速度が増大する。

その結果、稀薄混合気或いは大量の再循環排気ガスを含
んだ混合気を用いたとじても燃焼速度は十分に速くなり
、斯くして排気ガス中の有害成分を低減しつつ熱効率を
高め、機関出力を向上することができる。

なお、本発明は圧縮着火式内燃機関に適用できることは
云うまでもない。

この場合貯留室内には空気が貯留されることになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による内燃機関の側面断面図、第２図は
第１図のシリンダヘッドの底面図、第３図は第１図の■
−■純に沿ってみた断面図、第４図は貯留室の開閉弁の
開弁時期を示すグラフ、第５図は開閉弁の開弁時期と燃
料消費量の関係を示すグラフ、第６図は別の実施例の側
面断面図、第１図は第６図のシリンダヘッドの底面図、
第８図は第６図の■−■線に沿ってみた断面図、第９図
は更に別の実施例を示すシリンダヘッドの底面図、第１
０図は更に別の実施例を示すシリンダヘッドの底面図、
第１１図は更に別の実施例の側面断面図、第１２図は第
１１図のシリンダヘッドの底面図、第１３図は更に別の
実施例の側面断面図、第１４図は第１３図のＸＩ Ｖ−
ＸＩ Ｖ線に沿ってみた断面図、第１５図は更に別の実
施例の側面断面図、第１６図は更に別の実施例の側面断
面図、第１γ図は第１６図のシリンダヘッドの底面図、
第１８図は更に別の実施例を示すシリンダヘッドの底面
図である。 ２・・・ピストン、４・・・シリンダヘッド、６・・・
燃焼室、１・・・排気弁、８・・・吸気弁、９・・・点
火栓、１１・・・貯留室、１３・・・開閉弁。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 機関吸気系から燃焼室内に導入された吸入ガスの一
   部を一時的に貯留するための吸入ガス貯留室をシリンダ
   ヘッド内に形成し、該貯留室を該貯留室に形成した升ポ
   ートを介して燃焼室内に連結し、機関駆動の動弁カムに
   よって１駆動される開閉弁な上記升ポートに設けて該開
   閉弁により升ポートを開閉側例し、該開閉弁を吸気升閉
   升直後圧縮行程が開始されてから上死点前であって最も
   ａ角されたときの点火時期附近でありかつ点火栓による
   着火火炎が貯留室内に侵入しない時点までのクランク角
   度範囲に暇って開弁せしめて前回のサイクルにおいて貯
   留室内に貯留された高圧の吸入ガスを圧縮行程前半に燃
   焼室内に噴出させるようにした内燃機関の燃焼室。