JPS6041206B2 - 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。

現在、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議題となっている。

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Ｎ０×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ＮＯ戊を抵滅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婚環排気ガスを含んだ混
合気は火炎の伝播速度が遅く、従がつて燃競速度が遅い
ので十分に高に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。従がつ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。燃糠室内における可燃混合
気の燃焼速度を効果的に速めることのできる内燃機関と
して、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１時的に貯留するための吸入ガス貯留室をシリン
ダヘッド内に形成すると共に開閉弁を介して貯留室を燃
焼室内に連結し、開閉弁を圧縮行程開始時から圧縮行程
末期まで闇弁し、圧縮行程前半に貯留室内の貯留吸入ガ
スを燃焼室内に噴出せしめて燃焼室内に強力な乱れを発
生させ、それによって燃燐速度を速めるようにした内燃
機関が本出願人により既に提案されている。しかしなが
らこの種の内燃機関では確かに熱効率は向上するが燃焼
室内並びに貯留室内はほぼ同一組成の均一混合気で満さ
れるため点火桧周りもこの均一混合気となる。従がつて
大量の再循環排気ガスを含む混合気或いは稀薄混合気を
使用した場合には点火栓による着火性が低下し、斯くし
て場合によっては点火ェネルギを増大させなければなら
ない場合もある。本発明は貯留室内に燃焼室内よりも濃
い混合気を形成し、この混合気により燃焼室内を成層化
して着火時に点火千全周りに適切な空燃比の混合気が形
成されるようにした内燃機関を提供することにある。

．無論このような成層燃
焼方法は従来より知られているが、直接燃焼室内に燃料
を噴射する形式以外の従来のほとんど全ての内燃機関で
は吸気行程時に濃混合気が点火千全周りに導入されるよ
うな構造となっている。

しかしながらこのように吸気行程時に成層化を図っても
点火が行なわれるまでにかなりの時間があるため点火時
までこの成層化をそのまま維持することはほとんど不可
能となっている。またこの種の内燃機関では濃混合気を
燃焼室内に導入するため燃料が十分に気化されず、特に
多気筒内燃機関の場合には燃料の分配が悪化するという
欠点がある。本発明によれば圧縮行程前半に貯留室から
噴出する混合気により成層化するので点火時までこの成
層化が維持され、斯くして大量の再循環排気ガスを含ん
だ混合気或いは稀薄混合気を用いた場合でも良好な着火
が得られることになる。以下、添附図面を参照して本発
明を詳細に説明する。

第１図並びに第２図を参硝すると、１はシリンダブロッ
ク、２はシリンダブロック１内に形成されたシリンダボ
ア３内を往復勤するピストン、４はガスケット５を介し
てシリンダブロック１上に固定されたシリンダヘツド、
６はピストン２とシリンダヘッド４間に形成された燃焼
室、７は吸気弁、８は排気弁、９は吸気通路、１Ｑ‘ま
排気通路、１１は気化器、１２は気化器スロツトル弁、
１３は点火栓を夫々示す。

第１図に示すようにシリンダヘッド４内には貯留室１４
が形成され、この貯留室１４は図示しない勤弁機構によ
って駆動される開閉弁１５を介して通路１６に連結され
る。第２図に示すようにこの通路１６は穣形燃焼室６の
中央部に向けて燃焼室６内に開○する。シリンダヘッド
４には貯留室１４内に燃料を噴出するために機関駆動の
燃料噴射ポンプ１８に連結された燃料噴射弁１７が取付
けられ、第１図に示す実施例ではこの燃料噴射弁１７の
噴射量は燃料噴射制御装置１９によって制御される。第
３図に吸気弁７、排気弁８並びに開閉弁１５の関弁時期
を示す。

第３図において縦藤いま弁錫程を示し、機軸はクランク
角度を示す。なお〜第３図において曲線Ａは吸気弁を、
曲線Ｂは開閉弁を、曲線（破線）Ｃは排気弁を夫々示す
。第３図から開閉弁１５はほぼ圧縮行程開始時に関弁し
、圧縮行程末期に開弁することがわかる。また第３図に
おいて矢印Ｄは燃料噴射期間を示している。燃料噴射弁
１７の噴射期間は任意に設定することができるが矢印Ｄ
に示すように開閉弁１５が開弁した直後に燃料噴射を開
始することが好ましい。吸気行程時、吸気弁７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
含んだ浪合気が導入される。次いでピストン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１５が開弁
する。貯留室１４内には後述するように前回の圧縮行程
において形成された高圧の可燃混合気が貯留されており
、斯くして開閉弁１５が閥弁するとこの貯留可燃混合気
が貯留室１４から燃焼室６内に噴出する。次いでピスト
ン２が上昇し燃焼室６内の圧力が貯留室１４内の圧力よ
りも高くなると今後は燃焼室６内の可燃混合気が貯留室
１４内に押込まれる。圧縮行程が更に進むと燃焼室６内
の圧力は上昇し、それに伴なつて貯留室１４内の圧力も
上昇する。従がつて開閉弁１４が開弁すると貯留室１４
内には高圧の可燃混合気が貯留されることになる。次い
で燃焼室６内の可燃混合気は点火栓１３により着火され
、燃焼が開始されることになる。一方、第３図において
矢印Ｄに示すように開閉弁１５が閉弁すると貯留室１４
内に燃料噴射弁１７から燃料が噴射される。貯留室１４
内の可燃混合気は圧縮行程時に断熱圧縮されるためかな
りの高温となっており、従がつて燃料噴射弁１７から噴
射された燃料は即座に気化する。このようにして貯留室
１４内には燃焼室６内よりも濃い混合気が形成される。
次いで次のサイクルの圧縮行程前半に貯留室１４内の可
燃混合気が燃焼室６内に噴射される。圧縮行程前半には
ピストン２は下降しており、従がつてこのとき貯留室１
４内から可燃混合気が噴射されると燃焼室６内の上方部
はこの可燃混合気によって満たされることになる。前述
したようにこの可燃混合気は燃焼室６内の可燃混合気よ
りも濃く、斯くして燃焼室６内は成層化され、燃焼室６
内の下方部は稀薄混合気で満たされ、点火栓１３が設け
られている燃焼室６内の上方部は上記稀薄鷹合気よりも
濃い混合気で満たされる。貯留室１４からの可燃混合気
の噴射は圧縮行程前半の間持続し、従がつて貯留室１４
からの可燃混合気の噴出が完了するとほんの少しの間を
おいて点火栓１３による着火が行なわれる。このように
成層化が行なわれてから着火されるまでの時間が短かし
、ので点火時まで成層化は持続され、従がつて点火栓１
３周りは濃い混合気で満たされることになるので良好な
着火が得られることになる。また貯留室１４から噴出す
る可燃混合気により燃焼室６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４
図は燃焼室６内の可燃混合気の空燃比と貯留室１４内の
可燃混合気の空燃比との関係、即ち気化器１１において
供給される燃料量と燃料噴射弁１７から供給される燃料
量との関係を示す。第４図において縦軸は空燃比Ａ／Ｆ
を示し、機軸は燃料噴射弁１７からの供給燃料量と全供
給燃料量との比を示す。即ち、機軸の０パーセントは全
燃料が気化器１１から供給される場合を示し、１００パ
ーセントは全燃料が燃料噴射弁１７から供給される場合
を示している。なお第４図において曲線Ｆは燃焼室６内
の空燃比を示し、曲線Ｇは貯留室１４内の空燃比を示す
。本発明では燃焼室６と貯留室１４内の可燃混合気の平
均空燃比が第４図において破線で示すように例えば１６
：１程度になるように気化器１１並びに燃料噴射弁１７
からの供給燃料量が制御される。従がつて実際には燃焼
室６内には１６：１より薄い混合気が供給され、貯留室
１４内には１６：１より濃い混合気が形成され、圧縮行
程時にこれら薄い混合気と濃い混合気の成層化が燃焼室
６内で達成されることになる。なお燃料噴射弁１７から
の隙射燃料の気化を促進するには矢印Ｄで示されるよう
に開閉弁１５が閉弁後早い時期に燃料噴射を完了するこ
とが好ましい。第４図において機軸の１００パーセント
は前述のように燃料噴射弁から全燃料が噴射される。従
がつてこのときは第５図に示すように気化器並びにスロ
ットル弁は必要なく、吸気通路９は吸気通路２０を介し
て直接ェアクリーナ２１に連結され、燃料噴射弁１７か
らの噴射燃料量のみによって負荷の調節がなされる。こ
の場合スロットル弁が設けられていないので絞り損失が
なくなり、熱効率が向上するという利点を有している。
また第３図に示されるように開閉弁１５と吸気弁７の開
弁タイミングを一部重複せしめることによって充填効率
が低下するがこれを橘なうために第６図に示されるよう
に吸気遭略２０内に週給機２２を設けることもできる。
この場合吸気速路２０内に気化器を取付けることもでき
る。なお、第５図並びに第６図に示す実施例では空気の
みが燃焼室６内に導入されるがこの空気内に排気ガスを
再循環することもできる。従がつて本発明では燃料空気
混合気或いは空気或いは再循環排気ガスを含んだ混合気
或いは空気（以下、これらを総称して吸入ガスという）
が燃焼室６内に導入され、この吸入ガスが貯留室１４内
に押込まれてこの吸入ガスに燃料が噴射されることにな
る。第７図は第１図の別の実施例を示す。

第７図を参照するとシリンダヘッド４並びに排気マニホ
ルド外壁２３内に小窪の細最適路２４が形成され、この
通路２４により貯留室１４と第２貯留室２５とが連結さ
れる。圧縮行程後半に貯留室１４に押込まれた吸入ガス
は通路２４内を高速度で流れて第２貯留室２５内に送り
込まれ、次いで次のサイクルの圧縮行程前半に第２貯留
室２５内の吸入ガスが再び通路２４内を高速度で流れて
貯留室１４から燃焼室６内に噴出する。このように吸入
ガスは通路２４内において流動ェネルギが与えられ、斯
くして燃料の気化が促進されることになる。また燃料の
気化を促進するために第７図に示すように通路２４を排
気通路１０の近傍に配置するのが好ましい。第７図に示
す実施例では燃料の気化が十分に促進されるので着火性
が向上し、良好な燃焼が得られる。第８図は第７図の別
の実施例であって各気筒毎に設けられた通路２４が共通
の第２貯留室２６に連結され、この第２貯留室２６に１
個の燃料噴射弁１７が設けられる。

この場合燃料噴射弁１７は１個ですむことから構造は簡
単となり、また共通の第２貯留室２６から各貯留室１４
内に燃料が供給されるので燃料の分配が均一化する。第
９図から第１１図は第１図の更に別の実施例を示す。

この実施例ではシリンダヘッド４の半球形状内壁面上に
水平壁２７、一対の垂直壁２８，２９、並びに半円筒壁
３川こよって規定される溝３１が形成され、開閉弁１５
の弁部３２はこの溝３１内に露呈する。また第１０図に
示されるように半円筒壁３０は弁部３２の周縁に近接し
て配置され、従がつて開閉弁１５が関弁した際の貯留室
１４内への吸入ガスの流入並びに貯留室１４からの吸入
ガスの流出は弁部３２と弁座３３間の閉口を介して行な
われる。また、第１０図に示すように溝３１は燃焼室６
の周辺方向に延びるように形成されている。従がつて圧
縮行程前半には貯留室１４から噴出する吸入ガス、即ち
濃混合気によって第１０図の矢印Ｇで示すような強力な
旋回流が燃焼室６内の上方部に形成され、斯くして燃焼
室６内はその下方部の吸入ガスとその上方部の旋回濃混
合気流により成層化される。従がつて着火性は向上し、
しかも旋回流が発生しているため燃焼速度は大中に遠く
なる。なお、第１０図に示されるように点火栓１３は貯
留室１４から噴出した濃混合気が点火千全電極周りに到
達するように溝３１の延長上で、しかも溝３１の近傍に
配置するのが好ましい。また第１０図に示されるように
溝３１の延長上に排気弁８を配置することによって貯留
室１４から噴出する濃漉合気中の液状燃料の気化が促進
され、同時に排気弁８を冷却することができる。また、
この実施例では燃料噴射弁１７に代えて自動開閉燃料噴
射弁３９が設けられ、この燃料噴射弁３９は燃料タンク
４０１と連結される。燃料噴射弁３９はその内部に例え
ば逆止弁を具備しており、貯留室１４内の圧力が燃料タ
ンク４８内の圧力よりも低くなったとき逆止弁が自動的
に関弁して燃料が燃料タンク４０から貯留室１４内に供
給される。圧縮行程初期には燃焼室６内の圧力は負圧と
なっており、一方貯留室１４内の圧力は駆動するが噴出
するにつれて徐々に低下して吸入ガスが噴出を停止する
直前には負圧となる。この負圧状態は燃焼室６内の吸入
ガスが逆に貯留室１４内に流入しはじめてもいまらくの
間持続する。従がつてこの間第３図において矢印Ｅに示
されるように燃料噴射弁３９が自動的に関弁して燃料タ
ンク４０から燃料が貯留室１４内に供艶台されることに
なる。この場合、機関負担の小さくなるほど貯留室１４
内の負圧は大きくなりかつ機関回転数が低下するほど貯
留室１４内が負圧となる時間は長くなる。従がつて低負
荷低速運転時のほうが高負荷高速運転時よりも多量の燃
料が貯留室１４内に供給されることになる。なお、燃料
タンク４０内の燃料は大気圧であってもよいし加圧する
こともできる。燃料タンク４０内の圧力を高めかつ燃料
噴射弁３９内の逆止弁の関弁圧力を高めることによって
貯留室１４内への供給燃料量を増大できることは言うま
でもない。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。

第１２図を参照するとシリンダヘッド４内に副燃焼室３
５と、この副燃焼室３５と主燃焼室３６とを連結する蓮
通路３７が形成され、副燃焼室３５内に点火栓１３の電
極３８が配置される。なお、貯留室１４は副燃焼室３５
の上方にタンデム状に配置され、これら貯留室１４と副
燃焼室３５は開閉弁１５を介して互いに連結される。第
１２図に示す実施例において開閉弁１５が閥弁すると貯
留室１４内の濃混合気が副燃焼室４１並びに蓮通路３７
を介して主燃焼室３６内に噴出し、主燃焼室３６内に強
力な乱れを発生せしめる。

このとき同時に貯留室１４から噴出する浪漫合気により
墓。燃焼室３５内は桶気されかつ副燃焼室３５内はこの
濃混合気によって満たされることになる。このようにこ
の実施例では副燃焼室３５内に主燃焼室３６内よりも濃
い混合気が形成され、斯くして燃焼室内は成層化される
。次いでピストン２が上昇して逆に主燃焼室３６内の圧
力が貯留室１４内の圧力よりも高くなると主燃焼室３６
内の吸入ガスが運通路３７並びに主燃焼室３６を介して
貯留室１４内に押込まれる。このとき副燃焼室３５内の
濃混合気は流入する吸入ガスにより希釈され、それによ
って適度な空燃比の混合気が副燃焼室３５内に形成され
る。次いで開閉弁１５が関弁すると貯留室１４内には高
圧の吸入ガスが保留される。次いで点火栓１３により主
燃焼室３６内の混合気が着火されると火炎が蓮通路３７
を介して主燃焼室３６内に噴出する。前述したように主
燃焼室３６内には強力な乱れが発生しており、また運遍
路３７から噴出する火炎噴流により更に乱れが与えられ
るため主燃焼室３６内における燃焼室速度が極めて速く
なる。第１３図は第１２図の別の実施例で点火栓１３の
電極３８が運通路３７内に配遣される。

この場合点火栓驚極３８は貯留室１４から主燃焼室３６
内に噴出する濃混合気と主燃焼室３６内から貯留室１４
内に押込まれる吸入ガスとに直接さらされるため点火栓
電極３８の橋気が良好となる。しかしながらこの実施例
では主燃焼室３６内に導入される吸入ガスが極度に稀薄
な場合には点火時における点火栓電極３８周りの混合気
が稀薄となり過ぎるので極度に稀薄な吸入ガスを使用す
ることはできない。以上述べたように燃焼室内を成層化
して点火キ全周りに濃混合気を形成できるので着火性が
向上する。

また貯留室内に押込まれた吸入ガスは断熱圧縮されるの
で高温となり、斯くして燃料の気化が促進される。特に
機関始動時において機関始動後即座に貯留室内の吸入ガ
ス温度は高温となり、斯くして従来より稀薄な混合気を
使用できるので未燃ＨＣ並びにＣＯの排出量を低減する
ことができる。また気化が促進されるので燃料性状の変
化に対しても大きな影響を受けることがなく、更にマル
チフュェル則ち多種燃料を使用することもできる、また
貯留室から噴出する混合気流により燃焼室内には強力が
乱れが発生するので燃焼速度が速められ、安定した燃焼
が得られると共に燃料消費率が大中に向上する。更に貯
留室内の圧力はたかだか数気圧であるので燃料噴射弁並
びに自動開閉燃料噴射弁は中圧用で十分であり、かつ燃
料噴射弁を用いる場合には燃料噴射が行なわれる開閉弁
の朗弁期間が長いので噴出時期の制御が容易であるとい
う利点も有する。

【図面の簡単な説明】

第１図の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図は開閉弁の関
弁時期と噴出時期を示すグラフ、第４図は燃焼室と貯留
室内の空燃比を示すグラフ、第５図は第１図の別の実施
例の側面断面図、第６図は第１図の更に別の実施例の側
面断面図、第７図は第１図の更に８Ｕの実施例の側面断
面図、第８図は第７図の別の実施例の側面断面図、第９
図は第１図の更に別の実施例の側面断面図、第１０図は
第９図のシリンダヘッドの底面図、第１１図は第９図の
Ｋ−瓜線に沿ってみた断面図、第１２図は第１図の更に
別の実施例の側面断面図、第１３図は第１２図の別の実
施例の側面断面図である。 ６・・・燃焼室、７・・・吸気弁、８…排気弁、１３・
・・点火栓、１４・・・貯留室、１５…開閉弁、１７・
・・燃料噴射弁、３９・・・自動開閉燃料噴射弁。 第１図第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図 第９図 第１０図 第１１図 第１２図 第１３図

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１時的に貯留するための吸入ガス貯留室をシリンダ
   ヘツド内に形成すると共に該貯留室に設けた開閉弁を介
   して該貯留室を燃焼室内に連結し、該開閉弁を圧縮行程
   開始時から圧縮行程末期まで開弁し、圧縮行程前半に貯
   留室内の貯留吸入ガスを燃焼室内に噴出せしめると共に
   圧縮行程後半に燃焼室内の吸入ガスを貯留室内に送り込
   むようにした内燃機関であつて、上記貯留室内に燃料噴
   射弁を設けて燃焼室内から貯留室内に送り込まれた吸入
   ガスに上記燃料噴射弁から燃料を噴出し、圧縮行程前半
   に噴出燃料を含んだ可燃混合気を貯留室から噴出せしめ
   て点火栓周りに濃い混合気を形成するようにした内燃機
   関の燃焼室。