JPS6010165B2 - ２点着火エンジン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はエンジン燃焼室に２個の点火栓を備えると共に
高率排気還流を行うことにより、Ｎ○×（窒素酸化物）
の生成を抑制する２点着火エンジンに関する。

エンジン燃焼室内の互に比較的離れた位置に点火点が存
在するように２個の点火栓を設け、最大値で２０〜４０
％（吸入空気量に対する排気還流量）と高率の排気還流
を行うことにより、エンジン運転性能を阻害せずにＮ○
×の大幅なる減少を実現した２点着火エンジンが本出願
人により提案されている。

２点着火することにより個々の点火栓の分担する燃焼領
域が縮減され、燃焼の完結に要する時間が著しく短縮さ
れるため、上述のように過大な排気還流下においても安
定した燃焼が確保できるのであり、また高率排気還流に
より燃焼の最高温度を抑えることでＮ○×の生成量を大
幅に低減できる。

ところで、この２点着火エンジンにとって最も重要なこ
とは、高率排気還流下にあって「 いかに早い燃焼を得
るかであり「 このためには点火栓の位置などを含めて
燃焼室の形状を最適に設定する必要がある。

しかし限られたスペースの中に２個の点火栓を配置する
ことは「吸排気弁などとの干渉問題もあってなかなか困
難である。換言すれば、前記２点着火エンジンにおいて
「一本の頭上弁カムシャフトにより吸気弁と排気弁を駆
動し、かつ両弁をＶ形に配置する場合「点火栓をシリン
ダ列中心線上に設けることはカムシャフトとの干渉があ
り不可能であり「 このためどうしても、エンジン両側
から着脱できるようにする必要がある。そこで、両点火
栓をシリンダ列中心線に直角な位置に配置するとしても
、点火栓の着脱は容易になるが〜 こんどは両弁の弁径
及び傾きが少くなり「吸入効率を著るしく低下させる。
そこで本発明は「 ２点着火エンジンにとって最も早い
燃焼を確保するように理想的な位置に点火栓を配置する
にあたりも吸排気弁との干渉を避けもしかもその実用化
にとって無理な設計を強いられることのない、したがっ
て他のエンジン構成部村に大幅な変更を要しない２点着
火エンジンを提供することを目的とする。即ちｔ本発明
は燃焼室を半球型又はペントル岬フなどの単純な形状に
なし〜 この燃焼室の中心に対してほぼ相対する位置で
〜かつ〜互に比較的離れた位置に２個の点火栓を設けｔ
排気の一部を吸気中に多量に還流しも吸入混合気の空燃
比を機関常用領域において理論空燃比附近に設定してな
る２点着火多気筒エンジンにおいても シリソダ列中心
線上部に位置する一本のカムシャフトにより駆動される
吸気弁と排気弁とをも シリンダ列中Ｄ線に直角である
縦断面投影上「Ｖ形に配置すると共に「前記燃焼室の平
面投影上「 シリンダ列中‘Ｄ線と「 これに対してシ
リンダ中心を通る直交線とで４等分に区画される各領域
に「前記吸気弁。

排気弁及び２個の点火栓の中心が夫々位置するようにこ
れらを分配配置するものである。以下本発明の実施例を
図面にもとづいて説明する。

第亀図及び第２図においてト茸はシリンダヘッドト２は
シリンダブロツク〜３はピストン、亀はこれらによって
区画形成される燃焼室を示す。

燃焼室４は半球型「ベントルーフ型等の単純で対称的な
形状ものが望ましく「燃焼室Ｗこは２個の点火栓５ａ？
馬ｂが設置される。そして、６は吸気弁「 孔ま排気
弁を示し〜 これら吸排気弁６？ ７と点火栓５ａ，辱
ｂとは〜燃焼室４の平面投影上（シリンダブロックとシ
リンダヘッドとの接合面への投影上）、各気筒のシリン
ダ中心○を通るシリンダ列中心線Ｍと、同じくシリンダ
中心○を通り、前記中心線Ｍの直交線Ｎとによって形成
される４つの領域〜つまり４象限の各象限内に「それぞ
れの中心が位置するように配設される。

尚、点火栓６ａ，６ｂの中心とは夫々の点火栓の点火点
（記号省略）を指す。そして、このとき吸気ボート８と
排気ボート９との位置関係がクロスフローとなるように
構成し〜 シリンダ列中心線Ｍを境にして〜一方のサィ
ドをと点火栓Ｓａと吸気弁奪「他方のサィＷこ点火桧覇
ねと排気弁？とが位置し「且つ点火栓５ａと蚤ｂ及び吸
気弁鯖と排気弁７の中心がシリンダ中心Ｑに対して対称
の象限に位置するように設定するのが最も好ましい。

燃焼室亀の形状がペントルーフ型ならば、屋根の稜線を
上記中心線Ｍに合致させ、両傾斜面にそれぞれ吸気弁６
と排気弁７とを分配し、かつ点火栓辱遼と６ｂとを分け
て設ける。

このため吸気弁６と排気弁？とは第２図に明らかなよう
にシリンダ列中心線に直角である縦断面投影上Ｖ形に配
置し、１本のカムシャフトでロッカアームを介して両弁
６，７を駆動するようにする。

このように吸排気弁６９７「点火栓Ｓａ，蚤ｂの中心を
各象限に分配配置することにより「点火左全陣ａと辱ｂ
の中○をシリンダ中心０に対して点対称でＬかつ両点火
栓の中心を結ぶ距離上がトシリンダボア蚤Ｄに対して（
０．４５〜０．６７）Ｑとなるように配置することが、
吸排気弁Ｓｅ ？との位置的干渉を生じることなく、ス
ペース的にゆとりをもって可能となるのであり〜 この
結果「各点火栓の燃焼分担空間をほぼ等しくでき２点着
火の特性である早い燃焼をさらに助長してエンジン運転
性の安定度を増大できる。

前記点火栓中心間の距離Ｌは２点着火の効果を効率的に
発揮させる為には「 Ｌが小さすぎると１点着火とほと
んど変わらず〜 またＬが大きすぎると点火点まわりの
燃焼室空間が小となり点火点を中心として球面状に拡大
していく火炎が有効に利用できないので一層早い燃焼を
確保すべく前述のように定めた。

またも前記直交線Ｎに対して吸気弁６及び排気弁７の中
心をシリンダ列前後方向にオフセットさせているので、
夫々の弁径を大きくとることができ「更に、両弁６，７
を１本のカムシャフトで駆動する場合、該カムシャフト
に設けた吸気弁６、排気弁７用のカム面及び「 これら
カム面に追従して夫々の弁を動かすロッカーアームが互
いに干渉することなく「スペース的に余裕をもって構成
できる。

吸気弁６のオフセットは燃焼室４内において吸入混合気
に渦流を生じさせることとなり、これによって吸入混合
気の均一化及び燃料の霧化が促進され燃焼性が改善でき
る。

渦流を更に助長するためには図示の如く吸気ボート８内
に凸部８ａを形成すればよくｔ このようにすると、点
火栓５ａの設置においてスペース上有利となる効果もあ
る。排気弁７のオフセットは、排気温度の低下を防止す
る為に排気ボート９をサイアミーズドポートとするに当
り、ボート長さを小さくでき従って表面積を小さくでき
るので有効である。また、前述のクロスフローと相まっ
てスペース的に余裕をもって形成できる。なお、図示し
ない排気還流装置により、最大層で２０〜４０％と極め
て高率な排気還流が行われ、従来に比べて大幅にＮ０ｋ
を低減する。

ところで、このように高率排気還流する場合、未燃焼成
分であるＨＣ（炭化水素）が増大する可能性もあり、上
述した早い燃焼にもとづき、この発生を抑えることはで
きるのであるが、さらに積極的には、燃焼室４の表面積
（とくにピストン３上面よりシリンダヘッド１側の方が
低温であるのでシリンダヘッド１に形成される部分の表
面積）を可及的に減じてやればよい。

このためには、燃焼室形状を前述の半球型、ベントルー
フ型などにすると共に、燃焼室４の最大高さ日を、ピス
トン３のストロークＳとの関係からＨ＝０．２４土０．
０５・Ｓとなるように設定すればよい。

ただし、この場合圧縮比ご＝８．５±１．５とする。ま
た最大高さ日とはピストン３が上死点のときにその上面
から燃焼室頂壁（大部分シリンダ中心線上の頂壁）まで
の距離を意味する。燃焼室４の表面積を減じれば、いわ
ゆるクェンチ域（消炎城）が縦少してＨＣの発生を減少
できる。

しかし、所定の圧縮比を得るために、燃焼室４の容積は
一定の範囲に定められる、換言すると燃焼室の平均高さ
（上死点における燃焼室容積をシリンダポァ断面積で除
したもの）が決定されるのであり、したがって表面積を
減少するにも限度があり、この関係も含めてＨ＝０．２
４士０．０５・Ｓが設定された。

ここで最大値はそれ以上にするとＨＣの増加並びに燃費
の悪化が著しいことが、実験的に確認されたからであり
、また最小値は、吸排気弁６，７との弁径の関係から、
それ以下では所定の吸、緋気効率を得るに十分な弁径を
確保できないことから決めた。

吸排気弁６，７は夫々の弁座がシリンダ列中心線Ｍに平
行で、かつ燃焼室壁面に対して夫々の弁軸がほぼ直角と
なるように設置するのが最も好ましく、この条件を満た
し、かつ所定の弁径を確保するには、燃焼室４の高さを
上記の最小値以上に設定するのが望ましいのである。な
お、ここで、燃焼室４の最大高さに重大な関係をもつピ
ストン３の頂面は、フラットもしくは若干のくぼみをも
つ形状を前提とする。

そして、この場合、ベントルーフ型の燃焼室に対しては
、第３図「第４図に示すように、燃焼室４′の縦断面上
シリンダボア端緑Ｂと点火栓５ａ（５ｂ）の点火点Ｐと
を結ぶ線の延長が、シリンダ中心線○と交わる附近を前
記最大高さとなるように、点火栓５ａ，５ｈの位置を定
めるのが最も好しし、ことが分った。

このための点火栓５ａ，５ｂの具体的な位置は、平面投
影上、前記直交線Ｎ‘こ対して点火点のオフセット量夕
がそれぞれ、夕＝（０．２±０．１）Ｄとなり「 した
がってピストン３の頂面からの垂直距離ｈが、ｈキ０．
１２印となる。

ただし、シリンダボア蓬ＤとピストンストロークＳの関
係は、Ｄ＝（０．８〜ｈ．２）・Ｓとなるように設定し
ておく。

なお、点火点間の距離Ｌは前述したＬ＝（０．４５〜０
．６７）Ｄの範囲に収められる。以上のように燃焼室４
の諸形状を設定することにより、エンジン運転性能を阻
害せずにＮ○×あるいはＨＣを効果的に低減できるので
あり、これらに関して他のＮ○×抑制方式と比較して第
５図にもとづいて説明する。本発明者の実験によると、
この２点着火エンジンにおける排気還流率と空燃比を順
次変化させたときのＮ○×の排出レベルと、燃費との関
係は図中実線（ａ，〜ａ４）で示す通りであった。

これから、排気還流率を増大させるほどＮ○×の低減効
果は大きく。また燃費は高率排気還流を行ってもそれほ
ど悪化しないことも確認された。Ｎ○ｘは空燃比との関
係でも増減し、理論空燃比附近で最も排出レベルが高く
なるが、これを頂点として過濃側並びにいずれでも減少
する傾向にある。したがって排気還流をいっさい行わな
くても、例えば空燃比をＡ／Ｆ＝１８〜２０と稀薄化す
ればＮＯＫ‘ま相当低減できることも確かである。

しかしし更にＮ○×レベルの低減を目指して空燃比を稀
薄化したときは、エンジン運転性の面で好ましくない結
果を招く。つまり、超稀薄化により燃焼の安定性が損わ
れ「エンジンが円滑に作動しなくなるのであり燃費も急
激に悪化して実用的価値が消失する。

空燃比の稀薄化によりＮ○×の排出レベルが減少するの
は、燃焼室内における燃焼時の燃焼に関与しない余剰ガ
ス量が増大することに起因しへ例えば稀薄化したときの
余剰空気はそのときの燃焼にとって余分なガスとして存
在し「その分だけ総発熱量は同じであっても熱容量が大
となるので燃焼最高温度が抑制されるためである。また
「空燃比を過濃化した場合は、酸素量が不足して余剰燃
料が燃焼ガスを冷却する作用をし「燃焼最高温度が抑制
されるためである。還流排気の存在もこれと同様な理由
によって燃焼を抑制しＮ○×を低減させるのであるがも
ここでこれら余剰ガスの割合が同一時のＮ○ｋレベルを
検討してみると「例えば排気還流率が２０％のとき（理
論空燃比において）「排気還流しなも、場合のこれに対
する空燃比はＡノＦ≠１８であるが（理論空燃比の混合
気に２０％の空気を加えたに等しい）、図からも明らか
なようにＮ○×排出レベルには大きな差Ｅが生じる。

これは、還流排気の比熱が余剰空気の比熱よりも大きい
からであり「それだけ燃焼熱量は混合気自体の温度を高
めるのに使われ、したがって最高温度が低下することに
もとづく。

とくに稀薄化方式は燃比の悪化率も著しいことを考慮す
ると、本発明が排気対策「燃費対策のいずれにもすぐれ
ていることが理解されよう。そして、とくに通常の１点
着火エンジンでは燃焼が遅れるので到底望み得ないよう
な高率排気還流を行っても安定した燃焼が確保できるた
め、排気還流装置を備えていて蚤通常の１点着火エンジ
ンでは到達不可能なしベルまでＮＯ広を大幅に低減しう
るのである。またこれらのことから「本発明の２点着火
エンジンにおいては燃費ト安定度を向上させる意味でも
少なくともエンジンの常用運転領域において理論空燃費
附近の混合気を使用することが望ましいと言える。特に
、本発明者の実験によると空燃比は平均として１３〜１
６位が「燃費、安定度〜ＮＯ皮低減にとって最も好まし
かった。なおｔ以上の各例は点火時期をＭ．ＢＴ（最高
トルクを得るための最小進角）にセットしたが、既に一
般に知られているように「点火時期の遅角によるＮ○×
低減方式について簡単に考察すると、本発明においてこ
の方式を併用すればさらにＮＯは低減は可能であるが「
エンジンの安定限界はさらに狭ばまり（使用可能な空
燃比範囲）「加うるに燃費の悪化が激しいことを考える
と、必らずしも得策ではなく、点火時期はＭＢＴ附近に
設定するのが好ましい。

尚「排気系でＨＣ，ＣＯを処理する場合は排温確保の意
味から点火時期はＭ旧Ｔより若干おくらせるとよく、ま
た前記のように排気ボートをサィァミーズドポートとし
、更にボートラィナを附設すれば〜点火時期はそれほど
遅らせずＭＢＴ附近に設定できる。また、２つの点火栓
の点火時期は同時点火が燃費上「安定上及び点火系の構
造上最も好ましい。以上説明したように本発明によれば
「 ２点着火エンジンの燃焼特性をさらに助長し、高率
排気還流下においてエンジン運転性の安定度を十分に実
用に共する範囲に維持し、他方、点火栓の理想的配置を
無理なく実現し、したがってそのヱンジン構成部材につ
いては通常の１点着火エンジンに格別の変更を強いるこ
ともなく、実用化に際し通常エンジンをほとんどそのま
ま利用できるから極めて有利である。

【図面の簡単な説明】

第竃図は本発明の平面図、第２図は縦断面図、第３図は
他例の概略平面図ふ第４図は同じく縦断面図「第馬図は
本発明にもとづくＮ○×レベルと燃費とを〜従来例と比
較してあらわす特性線図である。 雷…シリンダヘツド「密…シリンダブロツク「論…ピス
トン「 ４…燃焼室「 馬ａ，５ｂ・・・点火栓ト燈…
吸気弁、署・・・排気弁「 軽・・・吸気ボート、９…
排気ボート。 第１図 第５図 第２図 第３図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 燃焼室を半球型又はペントルーフなどの単純な形状
   になし、この燃焼室の中心に対してほぼ相対する位置で
   、かつ、互に比較的離れた位置に２個の点火栓を設け、
   排気の一部を吸気中に還流し、吸入混合気の空燃比を機
   関常用領域において理論空燃比附近に設定してなる２点
   着火多気筒エンジンにおいて、シリンダ列中心線上部に
   位置する一本のカムシヤフトにより駆動される吸気弁と
   排気弁とを、シリンダ列中心線に直角である縦断面投影
   上、Ｖ形に配置すると共に、前記燃焼室の平面投影上、
   シリンダ列中心線と、これに対してシリンダ中心を通る
   直交線とで４等分に区画されてなる各領域に前記吸気弁
   ・排気弁及び２個の点火栓の中心が夫々位置するように
   これらを分配配置したことを特徴とする２点着火エンジ
   ン。