JPS6027810B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内燃機関に関し、特にピストン往動型内燃機関
における混合気の供給構造を改善して稀薄混合気や大量
の再循環排気ガスを含む混合気を使用しても高燃焼率と
高出力を得ることができかつ有害ガスの排出低減をも効
果的に達することのできる内燃機関に関する。

従来のピストン往復勤型内燃機関においては一般に各機
関シリンダー燃焼室に蓮適する単一の吸気通路を構成し
て混合気供装置から混合気を供孫合す方式が探られてい
た。

一方、最近の複合渦流方式の内燃機関のように主・劉両
室にそれぞれ空燃比の異なる混合気を供給する方式やレ
ース用の特殊内燃機関のように吸気弁を２つ有する構造
のものもみられるが、このような両方式を探る内燃機関
の場合には混合気供給系の絞り弁の全開状態、すなわち
全負荷における出力特性が確保されるように設計される
ことが第１の目的になっており、従って排気ガス規制が
緩い規制状態の場合には低負荷運転においても一応満足
のゆく機関性能が得られていた。しかしながら近年排出
ガス規制が極限に近い厳しさを要求し、しかも機関の燃
焼効率も高いことが要求されるようになってくると、低
負荷運転域では少くとも空燃比が１７〜１８の稀薄混合
気や大量の排気再循環を行って機関シリンダ内の混合気
組成は極めて燃えにくい組成にすることがおこなわれて
排出ガス規制に適合させるようになってきている。次に
このような難燃楓成の混合気は燃焼速度が極めて遅いの
で混合気に可及的に大きな乱れを機関燃焼室内で与える
ことによって燃焼速度を促進することが工夫され、所謂
スワ−ル、スキッシュ方式やトーチ式内燃機関が最近提
案されるに到っている。ごて、内燃機関の低負荷運転城
において、有害排出ガスの低減と、熱効率の向上を計る
ためには機関シリンダ内のガス組成が空気過剰状態又は
残留ガスと再循環ガスとからなる既燃焼ガスの混入割合
がきわめて高い難燃性ガスをピストンの圧縮工程の末期
に混合気に流動を与えるようにして急速に燃焼させるよ
うにすることが必要である。

このような必要性を充足させるためには次のような３つ
の方式が既に採用されている。すなわち、‘１ー 機関
シリンダーの吸気ボート部の形状を工夫してシリンダ内
の混合気にスワールを与えたり又は燃焼室の形状の工夫
によって混合気にスキッシュ効果を与える等未然混合気
に予め流動効果を与える方式。【２ー 機関シリンダー
に主・副室を対にして形成し、副室内の混合気の噴出火
炎によって王室内に供給した混合気に流動を与える方式
。

‘３’機関シリンダーの燃焼室に小径の吸気弁を設て混
合気にジェット流動効果を与える方式。

の３つの方式である。しかしながら、第１の方式ではあ
る低負荷運転域において、適度なスワール流動又はスッ
シュ効果を付与するようにすると、全負荷運転のような
機関シリンダ内における残留ガス混入割合も少なくかつ
混合気自体の空燃此も出力混合比であるために燃焼速度
の早いガス組成となっていることから逆に燃焼速度が早
過ぎて異常燃焼を引き起す結果となったり、又スワール
流動の場合には吸入ガス量が多くなってくると逆に充て
ん効率が低下して機関の出力特性が充分に発揮できなく
なるという不都合が生じ低負荷城の燃焼と、高負荷城の
燃焼とを完全に両立させることが極めて難しくなってい
る。

一方、上述の第２の方式では副室内に在る混合気の亀は
必然的に少ないので副室から王室へ噴出する噴出ガスの
エネルギーは自ずと制限があり、王室内における燃焼初
期の混合気は激しい流動を与えられるが、燃焼後期の混
合気にまで充分な流動が与えられていることが疑わしく
、従って燃焼促進効果が要求水準まで達していないこと
が予測される。

更に上述の第３の方式では低負荷ほど小径の吸気弁から
流入するガス量が多くなり「従って燃焼室内の混合気流
動も激しくなるが、高速のエンジンブレーキ状態やアィ
ドリングと言った運転状態での適合性能が難しいことが
予測される。

上述のような諸欠点に鑑みて、本発明においては「上述
の第１の方式における長所を生かしつつ、この方式に更
に改善を施し低負荷運転城において十分な強度のスワー
ルを維持し良好な燃焼を促進することができると共に高
負荷運転時の燃焼を従来の良好な燃焼効率に維持して総
合的出力性能を向上させ、同時に有害排出ガスの低減を
も充足させ得るような内燃機関を提供しようとするもの
である。

すなわち本発明によると、相互に独立した第１、第２の
２つの吸気通路を介して機関シリンダ−の燃焼室に混合
気を供Ｖ給する内燃機関において、低負荷時から高負荷
時のほぼ全負荷城に亘って混合気気を供給する第１の吸
気通路の下流端を上記の燃焼室の側部に形成され、混合
気のスヮール流を前記燃焼室中に発生させる凹建所に接
続するとともに一定負荷時より浪合気を供給する第２の
吸気適路は上記燃焼室の壁面にほぼ真直ぐに接続して機
関の負荷全域に亘つて燃焼を促進し高燃焼と高出力とを
得るようにしたことを特徴とするものである。本発明の
実施例を説明するに先だって、本発明の前提となる上記
第１の方式、すなわち第１、第２の吸気適路を有する内
燃機関の一般的構成を第１図および第２図に従って説明
する。この内燃機関は多気筒内燃機関として形成されて
おり、第１図には代表的に二気筒のシリンダヘッドを下
面から見た状態を示しまた第２図は一気筒を断面した状
態を示している。

第１図、第２図に示す内燃機関においては、１川まシリ
ンダー、１１はシリンダヘツドである。シリンダー１０
内には通常の往復型内燃機関と同様にピストン２６が往
復動作するように設けられており、またこのピストン２
６とシリンダヘツド１１によって燃嬢室３０が形成され
ている。この燃焼室３０は第１の吸気弁１２を介して第
１の吸気通路１５に蓮通し、また第２の吸気弁１３を介
して第２の吸気通路１６に蓮適している。更に燃焼室３
０は単一の排気弁１４を介して排気通路２３に蓮適して
いる。上記の第１の吸気通路１５は第１の吸気マニホー
ルド１７に接続され、この第１吸気マニホールド１７は
絞り弁１９ａを有した混合気供給装置１９に接続してい
る。第２の吸気遍路１６は第２の吸気マニホールド１８
に接続され、この第２吸気マニホ−ルド１８は絞り弁２
０ａを有する別の混合気供給装置２川こ接続されている
。なお、この図示例の多気筒内燃機関ま第１図に示すよ
うにサィアミーズ構造が採らげて第１吸気通路１５、第
２吸気通路１６、排気通路２３はそれぞれ二つの気筒ご
とに同一の管路配置と形状に構成されている。さて、こ
の２つの吸気通略を有した図示の内燃機関の特徴として
混合気供聯合装置１９の絞り弁１９ａは機関の低負荷運
転城から直ちに関弁して混合気供給を開始するように構
成され、この絞り弁１９ａを通過して第１吸気マニホー
ルド１７を経由して第１吸気適路１５を流入する混合気
は、この第１吸気通路１５を通過する間にシリンダー１
０の鞠心まわりにスワールを形成するように案内され、
第１吸気弁２を通って燃焼室３０‘こ流入する際にはシ
リンダー壁面に沿う旋回流を形成する。一方、混合気供
給装置２０の絞り弁２０ａは、混合気供給装置１９の絞
り弁１９ａとりンク機構２１およびカム機構２２を介し
て連動結合されており、絞り弁１９ａの開弁度が全開位
置から所定の一定開弁量に達したとき、すなわち、機関
の負荷量が低負荷運転域から高負荷運転域に移行する時
点でこの絞り弁２０ａが全開位置から開き始めるように
構成されいる。なお、リンク機構２１とカム機構２はこ
の種の連動機構において採用される通常の設計構造を有
しており、絞り弁１９ａが開弁動作してその絞り弁１９
ａに結合されたりンク機構２１を動作させ、リク機構２
１の動作量が一定量に達すると、カム機構２２のカム板
２２ａに穿設されたム溝２２ｂに俵しているカム作動子
２２ｃを介して該カム板２２ａを作動させ、このカム板
２２ａが絞り弁２０ａの旋回軸に取付けられていること
から同時に絞り弁２０ａも全開位置から関弁動作を開始
するものである。混合気供Ｖ給装置２０の絞り弁２０ａ
が開くと、第２吸気マニホールド１８に混合気が給され
、更に第２吸気通略１６、第２吸気弁１３を介して各シ
リンダー１０の燃焼室に供給される。なお、第１吸気弁
１２と第２吸気弁１３とはピストン２６の往復動作に応
じて通常の内燃機関と同様にカム軸からロッカーアーム
機構等を経由して吸入行程時に関弁され、図示例の場合
には第１吸気弁１２と第２吸気弁１３とは同時に開弁さ
せれば良く、従って開弁機構は通常の吸気弁が単一の内
燃機関の場合に比較して特に複雑になることはない。排
気弁１４は通常の内燃機関と全く同様にピストン２６の
爆発行程の終期に関弁して排気が行われるように構成さ
れている。なお、２５は点火栓である。上述の成を有し
た図示例の作用、効果を第３図から第６図に示す各種性
能曲線図に従って説明する。‘ィ’内燃機関の吸入空気
量が少し、とき又は低負荷運転城の場合内燃機関が低負
荷転域で運転する際には混合気が合気供聯合装置１９の
絞り弁１９ａで計量されながら各シリンダー１川こ向け
て第１吸気マニホールド１７及び第１吸気通路１５、第
１吸気弁１２を経由して吸入される。

このとき混合気気流は第１吸気通路１５及び第１吸気弁
１２を通過する際に前述の如くシリンダー１０の藤心ま
わりの渦流となるように案内され、燃焼室３０に流入す
ると旋回流を形成する。従って、このような旋回流を形
成している混合気がピストン２６の圧縮工程の終期に点
火栓２５で点火されると、火炎核となった混合気が旋回
流の中を急速に伝達し短時間の間に燃焼室３０内におけ
る燃焼が完了する。第３図は旋回流がない通常の内燃機
関と対比して図示例のような旋回流を有する内燃機関の
低負荷城における燃焼室１０内の圧力状態を示した指圧
線図であり、特にピストン２６が圧縮工程から爆発工程
にある場合の圧力状態を示している。第３図において実
線が図示例の旋回流を有する内燃機関の指圧線図を示し
、点線が通常の旋回流のない内燃機関における指圧線図
である。両指圧線図を比較すれば明らかなように図示例
による内燃機関の場合にはシリンダー１０の燃焼室３０
内で短時間に混合気の燃焼が行われることからピストン
２６の上死点の直後に急激な圧力上昇が生じている。こ
のような両指圧線図を呈す場合のＮ０ｋ排出特性と燃費
率とを対比すると第４図にに示すような特性図になる。
すなわち、第４図は機軸に機関供給混合気の空燃比又は
機関への排気ガスの再循環率を示した場合のＮＯ戊排出
量と燃費率とを縦軸は示したものある。同第４図から明
らかなように図示例の内燃機関のような燃焼室３０内で
急速燃焼が行なわれるると、低負荷運転城における熱効
率は優れたものとなるが、燃焼最高温度が通常の内燃機
関の燃焼室における燃焼と比較して高くなるるのでＮ瓜
排出量は同一空燃比の場合に多くなる。従って、第４図
において、ある一定のＮ○×排出量×で比鮫ると、通常
の内燃機関の場合には空燃比がＡで運転されることにな
り、一方第１図、第２図に示す旋回流式の内燃機関では
空燃比Ａより大きな空燃比Ｂで運転されることになる。
しかしながら同一のＮ○×排出量Ｘの場合には空燃比Ａ
による通常の内燃機関の場合の燃費率Ａ′より空燃比Ｂ
による図示例の内燃機関の場合の燃費率Ｂ′の方が△ｂ
ｅだけ燃費率が優れていることになる。従ってＮ○×排
出量が一定の規制値内に保持されるように機関供給混合
気の空燃比を選択した場合には図示例の内燃機関の燃費
率、従って熱効率は通常の内燃機関の場合より良好であ
ることを意味することから総合的な機関性能としては図
示例のの内燃機関の低負荷運転域における運転性能が通
常の内燃機関より優れていることになるのである。なお
、第４図の燃費率を示す特性線図において、燃費率が急
激に増加を始めるＣ点及び〇点は、燃焼不安定、すなわ
ち失火の発生を示しているもので図示例の内燃機関の場
合の〇の方が通常の内燃機関の場合のＣ点より空燃比が
大きく稀薄側で発生していることから失火についても図
示例による急速燃焼が有利であることがわる。‘。｝
燃機関の吸入空気量が多いとき又は局員荷運転城の場合
混合気供給装置１９の絞り弁１９ａを通過する吸入空気
量が増加して低負荷運転域から高負荷運転城に移行する
際には第１吸気遍路Ｉ５を通過する混合気の流入速度が
増加するが、同時に通路による抵抗損失も増加して究極
的に吸入空気の体積効率は飽和状態に達する。例えば１
００ｇノｓｅｃ前後の吸入空気量を吸入するエンジンの
設計基準に従えば吸気通略の内径は３５肋前後の担当直
径のものが設計されており、吸気通路の最大流速は１０
仇ｈ／ｅｃ程度となるが、図示例による第１吸気通路は
１０〜２仇奴程度の小内径に選択設計されるので礎／ｓ
ｅｃ〜３０ｇノｓｅｃ程度の比較的少い空気量において
既に吸入空気速度が１０血／ｓｅｃ程度に達し、抵抗損
失が大きくなる。この際、理解すべきことは、絞り弁１
９ａの開弁度が小さくても雛／ｓｅｃ以下の低空気量が
吸入されている場合には吸気弁１２を通過する混合気流
速は従来の設計基準の吸気通賂と比較して４〜１０数倍
になり、燃焼室３０内での混合気が充分に乱されて燃焼
の促進が達成されることである。さて、図示例において
は、第１吸気通路１５による吸入空気量又は混合気量が
飽和値に達して第５図の実線で示すように機関の藤出力
又は軸トルクに飽和傾向を示す状態に達すると、混合気
供給装置１９の絞り１９ａと連動する混合気供給促暦２
０のり弁２０ａが開き始める。従って第１吸気通路１６
の吸入空気量が飽和状に達する以前に混合気供Ｖ給装置
２０の絞り弁２０ａを通って第２吸気マニホールド１８
に吸入空気が燃料と共に流入を開始し、これは更に第２
吸気通路１６および第２吸気弁１３を通ってシリンダー
１０の燃焼室３０１こ流入する。すなわち「負荷の増加
な伴って燃焼室３川こは第１、第２両吸気通路１５，１
６から空気が流入するので吸入空気量は飽和状態になる
こと〈増加し、この際両混合気供給装置１９，２０のベ
ンチュリ−から燃料が供給されることになるので当然に
供給混合気総量も増加する。この結果、第５図に実線で
示すように内燃燃、機関の軸出力又はトルクが吸入空気
量の増加に伴って増加するのである。更に負荷が増加し
て第２吸気路１６を通過する空気量が第１吸気適路１５
を通過する空気量より多くなって来ると、シリンダー１
０の燃焼室３０内の混合気にはもはや激しい旋回流（ス
ワール流）を発生しなくなる。これは第２数及気通路１
６自体がシリンダー１０の壁面に対して略真直ぐに接続
しているので第２吸気通路１６から流入す吸入空気が第
１吸気通路１５から流入する吸入空気の旋回運動を鎮静
する作用を行なうからである。しかもこのような状態に
おける燃焼室３０内の混合気はそれ自体が燃焼速度の速
い比較的出力混合比に近い混合気組成となっているので
、点火栓２５で着火された火炎は異常燃を起すことなく
、適度な燃焼速度で伝播することになり、充分な出力‘
性能を確保することができる。第６図は吸入空気量の変
化に対して図示例による内燃機関の燃焼速度が良好に変
化して行く状態を図示したものである。第６図に示すよ
うに図示例によれば吸入空気量の少し・低負荷運転城で
は混合気の乱れ、即ち燃焼室３０内における旋回流の形
成が燃焼速度の促進に寄与し、また高負荷運転城では混
合気組成が出力混合比に調整されることによって適度の
燃焼速度に制御されるので全体的に低負荷から高負荷ま
での広い負荷城に亘つて最良の燃焼速度が確保されるこ
とになっている。本発明は上記図示例の内燃機関をさら
に改良して、低荷運転城におけるスワールの減衰を少な
くし十分な強度のスワールが維持できるようにしたもの
で、その実施例を第７図および第８図に従って以下に説
明する。

第７図、第８図においては、第１図、第２図に示す図示
例と同一又は同様の機関要素および部分は同一の参照番
号によって示してある。

本実施例が前記図示例と大きく異る構成を探っている点
は、（１）第１の吸気通路１５がシリンダー１０の燃焼
室３０の側壁に形成された第１の吸気弁１２用の窪み３
０ａに接続されていること、（０＊非気通路２３より再
循環路２７を再循環制御弁２８を介して第１吸気通路１
５に排気の再循環、いわゆるＥＣＲがおこなわれている
こと、（ｍ）混合気供給装置１９の絞り弁１９ａと混合
気供給装置２０の絞り弁２０ａとの運動結合が図示例に
おけるリンク機構２１とカム機構２２に替るベンチュリ
ー負荷取出用の負圧導管路５０、ダイヤフラム機構５１
、作動リンク５２によって構成されていることの３点で
ある。本実施例の構成に依れば、第１吸気適略１５より
流入する吸入空気と燃料は燃焼室３０の凹窪所３０ａに
導入され、この凹窪所３０ａから燃焼室３川こ突入する
際には混合気にシリンダー１０の軸心まわりに旋回流を
形成して図示例の場合と同一の燃焼促進作用を発揮する
のである。

特に、本実施例においては凹窪所３０ａからシリンダー
壁面に沿うように接線方向に混合気を供給するから、シ
リンダ軸心まわりの横スワールが形成され、シリンダー
の上下方向に旋回する縦スワールに比してピストン２６
が上昇する圧縮行程でもつぶれて減衰する割合が少く、
十分な強度度のスワールが維持されるので良好な燃焼促
進が得られるものとなる。また、上述の（０）に記載し
たＥＧＲは低負荷運転城における混合気に排気ガスが再
循環されることによってＮ○×の低減効果に寄与するも
のであり、第４図はこのＥＣＲガスの再循環率の変化に
対するＮ○×排出量と燃費率について本発明による内燃
機関と通常の単一の吸気通路を有する内燃機関と通常の
単一の吸気運路を有する内燃機関との性能比をも示して
いる。すなわち、本発明によれば、低負荷運転城におい
てＥＧＲガス混合気に追加されても第１吸気通路５から
シンダー１０の燃焼室３０に導入されたときスワール流
を形成して燃焼速度の促進が達成されるので究極的には
Ｎ○×排出量が同一レベルの場合、本発明による内燃機
関では通常の内燃機関に比較して燃費率が優れ、従って
熱効率も優れるのである。次に上述のｍ）に挙げた構成
は、混合気供給装置１９の絞り弁１９ａが開弁されてこ
の絞り弁１９ａを吸入空気が通過すると、ベンチュリ部
に負圧が発生し、この負圧が絞り弁１９ａの一定開弁度
に比例した一定の負圧度に達すると、ダイヤフラム機構
５１のダイヤフラム５１ａが変位し、このダイヤフラム
５１ａの変位に応じて混合気供給装置２０の絞り弁２０
ａに直結した作動リンク５２が動作して絞り弁２０ａを
全閉位置から徐々に関弁させる構成を孫もので、第１、
第２の図示例におけるリンク機構２１およびカム機構２
２からなる両絞り弁１９ａ，２０ａの運動結合機構と全
く同一の作用を呈することができるのである。上述の如
く本実施例は（１），（ロ），皿）で示す構成において
第１、第２図の図示例と相異点を有するが、これらの構
成上の相異にもかかわらず、上記図示例と同様の作用効
果を発揮することができるので、究極的には内燃機関の
負荷全域に亘つて良好な燃焼をおこなわせて燃焼効率の
改善と出力増強に寄与し、かつ稀薄混合気又はＥＧＲガ
スを混入した混合気の燃焼改善によって篤に低負荷運転
城におけるＮ０×低減効果と燃費率向上との巧みな両立
を可能にしているのである。以上のように、本発明によ
れば、スワールを発生させる第１の吸気適路と真直ぐな
流れを発生させる第２の吸気通路とを有する内燃機関に
おいて、前記第１の吸気路によりシリンダ軸心まわりの
横スワールを形成するようにしているから、この横スワ
ールはシリンダーの上、下方向に旋回する縦スヮールに
比してピストンの上昇する圧縮行程でもつぶれる割合が
少く、十分な強度のスワールが維持され、そのためにさ
らに良好な燃焼促進が得られ効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の前提となる旋回流を有する多気筒内燃
機関における二気筒に付いてシリンダ下面から見た吸排
気通路の配置を示す斜視図、第２図は第１図の多気筒内
燃機関の或る一気筒を断面した断面図、第３図は低負荷
運転域における第１、第２図に示す内燃燃機関と通常の
内燃機関との燃焼内の圧力変動の差違を対比表示する指
圧線図、第４図は機関のＮ○×排出量と燃費率とにつし
、て第１，第２図に示す内燃機関と通常の内燃機関とに
関して対比した機関性能特性を示すグラフ図、第５図は
同じく出力性能に付いて比較対比したグラフ図、第６図
は第１，第２図に示す内燃機関における燃焼速度の良好
性を解説するグラフ図、第７図および第８図は本発明の
実施例における吸排気通路等の構成を一気筒に付いて略
示的に図示した縦、横の断面図である。 図中、１０…シリンダー、１１…シリンダヘツド、１２
…第１吸気弁、１３・・・第２吸気弁、１４・・・排気
弁、１５・・・第１吸気通路、１６・・・第２吸気通路
、１７・・・第１吸気マニホールド、１８・・・第２吸
気マニホールド、１９，２０・・・混合気供給装置、１
９ａ，２０ａ…絞り弁、２１…リンク機礎、２２・・・
カム礎、２３・・・排気通路、２４・・・排気マニホー
ルド、２５・・・点火栓、２６…ピストン、２７…排気
循環路、２８・・・排気再循環制御弁、３０・・・燃焼
室、３０ａ・・・凹窪所、５０・・・負圧管路、５１…
ダイヤフラム機構、５２・・・作動リンク。 第１図第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 機関シリンダーの各燃焼室に開口する二つの吸気ポ
   ートより互に独立の二つの吸気系統を経て混合気を供給
   する内燃機関において、それぞれ絞り弁を有した第１、
   第２の混合気供給装置と前記機関シリンダーの各燃焼室
   の間に相互に独立した第１、第２の吸気通路および前記
   吸気ポートに配置した第１、第２の吸気弁を設け、この
   とき前記第１の吸気通路は、低負荷時から高負荷時のほ
   ぼ全負荷に亘つて混合気を供給する前記第１混合気供給
   装置に接続されその下流端を前記燃焼室の側部に形成さ
   れ混合気のスール流を前記燃焼室中でリンダ軸心まわり
   に発生させる凹窪所に接続し、また前記第２の吸気通路
   は、一定負荷時より混合気を供給する前記第２混合気供
   給装置に接続されるとともに前記燃焼室の壁面にほぼ真
   直ぐに接続し、更に前記第１、第２の吸気弁は機関ピス
   トンと連動する開弁機構によつてほぼ同時に開弁させる
   ように形成し、かつ前記第１混合気供給装置の絞り弁を
   通過する混合気量が一定以上に増量したとき前記第２混
   合気供給装置を具備する絞り弁を開弁させる弁作動機構
   を設けたことを特徴とする内燃機関。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の内燃機関において、
   前記第１吸気通路と前記燃焼室との接続部の上流位置
   に排気再循環路を接続したことを特徴とする内燃機関。 ３ 特許請求の範囲第１項に記載の内燃機関において、
   上記弁作動機構は上記第１混合気供給装置の絞り弁の開
   度に対応したベンチユリ負圧取出用の負圧導管路と、該
   負圧導管路に接続されるとともに一定負圧に達したとき
   に上記第２混合気供給装置の絞り弁を機械的に開弁する
   ダイヤフラム機構とを具備して構成されることを特徴と
   する内燃機関。