JPS6217090B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は機関の吸入行程において、排気通路よ
り燃焼室内に逆流する既燃ガスに強力な旋回流を
生成させ燃焼効率を高め、機関の高負荷から低負
荷運転の全域に亘る運転性能を高めるとゝもに、
HC、CO等の未燃有害成分の発生を可及的に低減
できるようにした、構成簡単な４サイクル内燃機
関における混合気の燃焼改善装置に関するもので
ある。

自動車用４サイクル内燃機関において、高負荷
運転時に高出力を得る手段として一般に吸入効率
を高めるべく吸、排気弁の開放時期をオーバーラ
ツプさせ、即ちピストンの上昇する排気行程の終
了直前から吸入弁を開弁し始め、次のピストンの
下降する吸入行程の途中まで排気弁を開弁させる
ようにしているが、このように吸、排気弁の開放
時期をオーバーラツプさせると、吸入空気量の絶
対量の多い機関の高負荷運転域では吸入空気量が
多いので、吸入混合気の燃焼に問題はなく吸入効
率を高めて所期の高出力を得ることができるが、
一方、機関の低負荷運転域では気化器の絞り弁開
度は当然に小さく吸入空気量の絶対量が少ないの
で、機関の一サイクル当りのシリンダ内の新混合
気の吸入量に対する残留ガス量の割合が高く（シ
リンダ容積に対する新混合気量20〜40％）、着火
が不安定となるばかりでなく、ピストンの往復や
スキツシユ等によつて生じる吸入混合気の乱れや
旋回流の発生も少なくなり、燃焼火炎の伝播も遅
くなつて燃焼効率の低下を招くことがあり、その
結果排ガス中のHC、CO等の未燃有害成分の発生
量が多くなる不都合を生じる。そしてこのような
現象は当然に前記の吸、排気弁のオーバーラツプ
期間が長い高出力型になるほど、その傾向が大き
くなる。したがつて機関を高出力型にすると、低
負荷運転域での燃焼効率を低下させ、排ガス中の
HC、CO等の未燃有害成分の発生量が多くなると
いう問題が発生する。

而してかゝる問題を解決すべく、たとえば吸気
通路を螺旋状に形成したり、吸気弁に羽根を形成
したり、また吸気弁の周囲に案内壁を形成したり
等の手段を講じて燃焼室内の混合気に旋回流や乱
れを生起させ燃焼を改善する技術手段が種々提案
されているが、このようにすると機関の高負荷運
転域において、それらが吸入抵抗となつて吸入効
率の低下を招き、出力増加を妨げ高負荷時に所期
の高出力が得られなくなるという別の不都合を生
じる。

また機関の減速運転域では、機関が高回転して
いるにも拘らず絞り弁がアイドリング位置に閉じ
て新混合気の吸入量がきわめて少なくなり、シリ
ンダ内での新混合気に対する残留ガス量の割合が
きわめて高くなり、吸入系に前述のような新混合
気に旋回流や乱れを生ぜしめるような手段を講じ
る程度では満足な燃焼改善は難しい。また従来か
ら機関の減速運転域での燃焼を改善すべく気化器
の絞り弁開度を一時的に大きくするスロツトルオ
プナーやダツシユポツトを吸気系に付設する手段
が提案されているが、かゝる手段は機関の減速運
転域での新混合気の吸入量を増加させ、シリンダ
内の残留ガス量に対する新混合気を増大させて燃
焼を改善する点で効果はあるが、反面減速運転域
で必要以上の新混合気が供給されて燃焼が過度に
促進され、エンジンブレーキ性能の低下をもたら
し、減速ドライバビリテイが悪化するという別の
弊害を生じる。

以上の諸点に鑑み本発明の主な目的は、機関の
排気系に、燃焼室内に逆流既燃ガスによる旋回流
発生手段を設けて機関の全運転域、特に低負荷運
転域での燃焼を改善して機関の高負荷、高出力運
転に何ら悪影響を及ぼしめることなくHC、CO等
の有害未燃成分の発生量を可及的に低減させるこ
とである。

また本発明の他の目的は、全体として希薄混合
気による良好な機関の運転を可能として燃料消費
率の向上を図ることである。

さらにまた本発明の他の目的は、運転条件に左
右されることなく常に良好な機関の運転性能が得
られるようにすることである。

以下、図面により本発明の実施例について説明
する。

第１図ａ、第２図および第３図において、ピス
トン２を摺動自在に嵌合したシリンダ１上方にお
いて、シリンダヘツド３には燃焼室４が形成さ
れ、この燃焼室４の上壁にはそれぞれ弁シート
７，８を装着した吸気弁口５と一対の排気弁口
６，６′とが開口され、前記吸気弁口５には、シ
リンダヘツド３に形成した吸気通路９が連通さ
れ、また前記各排気弁口６，６′には、シリンダ
ヘツド３に形成した二又状に分岐する排気通路１
０が形成されている。吸気通路９には通常のよう
に気化器等の空気―燃料混合気供給装置１１が接
続されている。吸気弁口５には、該口５を開閉す
る吸気弁１２が設けられ、また各排気弁口６，
６′には、該口６，６′を開閉する排気弁１３，１
３′がそれぞれ設けられる。各排気弁口６，６′へ
向う排気通路１０の二又先端部の方向は、シリン
ダ１の中心から一方に偏らせてあり、後述するよ
うに排気通路１０から燃焼室４へ逆流する既燃ガ
スがシリンダ１内の外周壁に沿つて流れるように
なつている。

吸、排気弁１２，１３，１３′は従来公知の動
弁機構によつて所望の開閉サイクルに従つて開閉
作動される。またこの機関では高負荷運転域で高
出力を得るべく吸、排気弁１２，１３，１３′の
開弁時期をオーバーラツプさせてあり、排気行程
の終了前に吸気弁１２を開弁させて排気行程の終
了時に、排気慣性に起因して排気通路１０に生じ
る負圧により、吸気路から新混合気を燃焼室内に
吸引させはじめて吸入高率を高め、機関性能を向
上させることができるように設定されている。

燃焼室４壁には前述のように吸、排気弁１２，
１３，１３′の開弁時期のオーバーラツプによつ
て排気通路１０より燃焼室４内に逆流する既燃ガ
スに旋回流を生起させるための一対の旋回流生成
案内壁１４，１４′が設けられる。

而して本発明におけるこの旋回流生成案内壁１
４，１４′は、燃焼室４内に、より強力な一方向
の既燃ガス旋回流を生成して未燃混合気の火炎伝
播速度（火炎面直前の未燃混合気の流動速度と燃
焼速度との代数和）を高めて燃焼高率を高めるべ
く特殊な構成を有するものであつて、以下この旋
回流生成案内壁１４，１４′の構成を説明する
と、前記各旋回流生成案内壁１４，１４′は燃焼
室４の上壁に一体に垂設されていて、燃焼室４の
外周壁より各排気弁口６，６′の外周に沿つて円
弧状をなして燃焼室４の中央部に向つてのびてい
る。そしてそれらの縦断面形状は第４図に明瞭に
示すように略Ｕ字状に形成され、各排気弁口６，
６′に対面する内周面１５，１５′は略垂直に、ま
た燃焼室４の外周壁に対面する外周面１６，１
６′は上下に凹状円弧に形成され、さらにそれら
内、外周面１５，１５′および１６，１６′の下端
を連絡する各底面１７，１７′は略水平な平坦面
に形成されている。そして前記内周面１５，１
５′と底面１７，１７′との接続隅部および前記外
周面１６，１６′と底面１７，１７′との接続隅部
には、それぞれ丸みγ_１，γ_２をもたせてある。

燃焼室４の上壁には、後述するように燃焼室４
内に生成される旋回流の流れ方向に対して各排気
弁口６，６′よりも下流側に点火栓１８が設けら
れる。

本発明機関では吸入行程の途中まで排気弁１３
は未だ開いているので、この吸入行程の初期にお
いて排気通路１０へ流出した既燃ガスの一部は燃
焼室４内に逆流する（この場合機関が低負荷運転
域にあるときは絞り弁の開度は小さいので、既燃
ガスの燃焼室４内への逆流量は多くなる。）。とこ
ろで吸入行程で未だ各排気弁１３，１３′が開い
ている状態にあるときは、第４図に示すように各
排気弁口６，６′と対応する排気弁１３，１３′外
周間の間隙においては、前記旋回流生成案内壁１
４，１４′の存在するところでは流体抵抗が大き
くなり、また旋回流生成案内壁１４，１４′の存
在しないところでは流体抵抗が小さくなる。した
がつて排気通路１０より各排気弁口６，６′を通
つて燃焼室４へ逆流する既燃ガスに不均衡を生
じ、その結果逆流既燃ガスは旋回流を生起しつゝ
燃焼室４内へと流れる。しかも排気通路１０から
前記各旋回流生成案内壁１４，１４′の円弧凹状
の内周面１５，１５′に衝突した逆流既燃ガスの
反射流は収束され、同一方向の集合した強力な旋
回流となつて燃焼室４内を流れる。そして特に機
関が低負荷運転域にある場合には、吸入空気量は
少なく、さらに減速時にはきわめて少量となるた
め、燃焼室４内に吸入される新混合気は、前記逆
流既燃ガスの旋回流によつて支配され、その結果
全体として逆流既燃ガスと新混合気との総合気流
も強力な旋回流となつて燃焼室４内を流れる。

そして圧縮行程の終了直前の、ピストン２の上
死点近傍で点火栓１８による火花点火が行われる
と、前記旋回流によつて増速された混合気の流動
速度と、旋回流およびその旋回流によつて引起さ
れた、小さな混合気の乱れとにより増速された燃
焼速度とによつて燃焼室４内の火炎は強力かつ急
速に成長する。したがつて特に空燃比を変えずと
も火炎の成長が強力かつ確実になり燃焼が著しく
向上し、剥離されたクエンチング層のHCをも難
なく燃焼させることができ、特に吸入新混合気の
少ない低負荷、および減速運転域でも全吸入混合
気を確実に燃焼させることができる。

第１図ａに示されたように排気弁口６，６′を
一対設け、各排気弁口６，６′毎に排気弁１３，
１３′による排気制御を行うようにし、さらに各
排気弁口６，６′に対応してそれぞれ旋回流生成
案内壁１４，１４′を設けることにより、単一の
排気弁口を設けた場合に比較して、各排気弁口
６，６′を燃焼室４の壁のより外周側に配設する
ことができ、旋回流の生成が一層促進されるとと
もに、既燃ガスの通過時における流体抵抗が減少
し、さらに一層きめの細かい排気制御や既燃ガス
の逆流制御が可能となるものである。

しかし、排気弁口を３個以上にしようとする
と、狭い燃焼室壁内においてそれ相応に吸気弁口
用のスペースも確保しなければならないため、各
排気弁口の横断面積がより小さくならざるを得
ず、そのため流体抵抗の増大による弊害が大きく
なるとともに、機関の構造がきわめて複雑にな
り、結局は排気弁口を３個以上とすることは実際
的でない。

第１図ａにおいては、一対の排気弁口６，６′
に対して単一の吸気弁口１２が設けられた場合に
ついて示されているが、これを第１図ｂに示され
るように、一対の排気弁口６，６′に対して一対
の吸気弁口５，５′を備えるように構成すること
もできる。

第１図ｂにおいて、各吸気弁口５，５′はそれ
ぞれ吸気弁１２，１２′を備えるとともに、吸気
通路９は二又に分岐しており、この吸気通路９の
分岐した先端部はそれぞれ各吸気弁口５，５′に
連通している。また、点火栓１８は燃焼室４の壁
の中央部に配設されている。その他の排気弁口
６，６′に関する構成は第１図ａの場合と同様で
ある。

ところで本発明においては、さらに前記旋回流
生成案内壁１４，１４′の配置、形状、大きさ等
を具体的に特定することにより燃焼室４内の火炎
の伝播速度（火炎面直前の未燃混合気の流動速度
と燃焼速度との代数和）をより高めて強力かつ急
速に火炎を成長させ得る旋回流を生成することが
できる。

先ず前記旋回流生成案内壁１４，１４′の始
点、終点、およびその長さは次のように設定され
る。第５図において前記旋回流生成案内壁１４，
１４′の内周面１５，１５′即ち排気弁１３，１
３′に対面する面の始点（基端点）Ａは、次のよ
うに設定される。即ち、シリンダ１の中心をＯ
点、排気弁１３，１３′の中心をＰ点とした場合
に、前記Ａ点は前記Ｏ点とＰ点とを結ぶ直線OP
の延長線と、燃焼室４の外周縁とが交叉する点に
設定される。また旋回流生成案内壁１４，１４′
の終点（外端点）Ｂは次のように設定される。即
ち前記Ｂ点とＰ点とを結ぶ直線BPと前記OPとの
なす角をθとした場合に、θ＜110゜となるよう
に前記Ｂ点が設定される。第６図に旋回流生成案
内壁１４，１４′の高さＨ：３mm、旋回流生成案
内壁１４，１４′の内周面１５，１５′と排気弁１
３，１３′の外周間の間隙Ｃ：2.5mmとした場合の
実験結果が示されており、横軸に前記θ角、縦軸
にスワール比φ（スワール比は旋回流の強さを示
し、旋回流の水平成分をＶ、その垂直成分をｖと
したＶ／ｖであらわされる）をとつたグラフで示
されている。このグラフによれば旋回流効果はθ
が110゜迄の範囲が良好で、さらに望ましくはθ
＝０〜90゜範囲であることが判る。

また排気弁１３，１３′の外周と旋回流生成案
内壁１４，１４′間の間隙Ｃについて説明する
と、第７図には横軸に前記間隙Ｃと排気弁１３，
１３′直径Ｄとの百分比を、また縦軸に前記スワ
ール比φ（旋回流の強さ）をとつた場合の実験結
果（旋回流生成案内壁１４，１４′の高さ３mm）
が示されている。これによれば前記間隙Ｃは排気
弁１３，１３′の直径の25％以下で旋回流効果が
大きいことがわかる。

次に排気弁１３，１３′に対向する旋回流生成
案内壁１４，１４′の内周面１５，１５′の高さに
ついて説明する。本発明機関では、吸入行程開始
直前のピストン２の上死点で各排気弁１３，１
３′は未だ開いており、その時の状態が第４図に
示されている。いまこの第４図において排気弁１
３，１３′の高さをｈ、排気弁１３，１３′外周と
旋回流生成案内壁１４，１４′の内周面１５，１
５′間の間隙をＣ、排気弁１３，１３′の着座面角
をαとすると、排気通路１０より燃焼室４内へ逆
流する既燃ガスを衝突させ、これに所定方向の方
向性を与えて強力な旋回流を生起させるために
は、旋回流生成案内壁１４，１４′の内周面１
５，１５′の高さＨは、次式 Ｈ＝Ctanα＋ｈ によつて決定される。そしてＨ＜Ctanαでは効
果的な旋回流の生成は難しいので、実際には旋回
流生成のための前記高さＨの範囲は次式であらわ
される。

Ctanα＜Ｈ≦Ctanα＋ｈ また排気弁１３，１３′の開閉タイミングの関
係から前記高さＨは、排気弁１３，１３′の最高
リフト量の60％以内であることが望ましい。

第８図には横軸に旋回流生成案内壁１４，１
４′の高さと排気弁１３，１３′リフト量との百分
比をとり、縦横に最大出力に対する出力低下率を
とれば、（Ｃ＝2.5mm）旋回流生成案内壁１４，１
４′の高さＨは排気弁１３，１３′のリフト量の60
％近傍以下で出力低下率が大きくなることがわか
る。

さらに旋回流生成案内壁１４，１４′の、吸気
弁１２，１２′に近接する部分、即ちその先端部
は吸気通路９より燃焼室４内に流入する新混合気
の流入抵抗にならないようにその高さを低くして
吸入効率の低下による出力低下を最小限に止める
ようにし、また旋回流生成案内壁１４，１４′の
燃焼室４の外周に近接する部分、即ちその基端部
も、ピストン２の上面との間に所定の間隙を保つ
ようにその高さを低くすることが望ましい。

また各排気弁口６，６′より燃焼室４内に逆流
する既燃ガスは前述のように旋回流生成案内壁１
４，１４′によつて旋回気流となつて燃焼室４内
を流れ、その旋回気流の一部は一旋回して第９図
に示すように旋回流生成案内壁１４，１４′の外
周面１６，１６′に衝突するに至るが、その際で
きるだけ旋回気流がその外周面１６，１６′によ
つて弱められないようにすることが肝要であり、
そのために旋回流生成案内壁１４，１４′の、凹
状円弧の外周面１６，１６′の立上り面に沿う下
方への延長線と、旋回流生成案内壁１４，１４′
の底面１７，１７′に沿う直線とのなす角βを75
゜以下にすることが望ましいが、その角βが小さ
くなり過ぎると、第９図に示すようにピストン２
の上昇する機関の圧縮行程でピストン２の上面と
シリンダヘツド３の下面間に発生するスキツシユ
流れＳ、即ちピストン２上面とシリンダヘツド３
間の間隙のせまい方がら広い方への流体の移動に
より旋回流が弱められるので、前記βは30゜を過
度に下回らないようにすることが望ましい。

旋回流生成案内壁１４，１４′の横幅Ｋ（第４
図）は旋回流生成案内壁１４，１４′の耐久性を
考慮して１mm以上であることが望ましく、また過
度に広くすると第１０図に示すようにピストン２
上面と、旋回流生成案内壁１４，１４′の底面１
７，１７′間の間隙部の幅が長くなるので、当然
に前記スキツシユ流れＳが強くなり、旋回流の流
動抵抗となつて旋回流を弱めることになり、前記
横幅Ｋは１mm乃至シリンダ１の直径の10％の範囲
が望ましい。

また旋回流生成案内壁１４，１４′は前述のよ
うにその内周面１５，１５′と底面１７，１７′と
の接続隅部およびその外周面１６，１６′と底面
１７，１７′との接続隅部にそれぞれ丸みγ_１，
γ_２をもたせることによつて燃焼室４の鋭角部に
生じ易いヒートスポツトの発生を防止し、それに
基づくデイーゼリング等のエンジントラブルを防
止することができる。

以上のように本発明によれば、４サイクル内燃
機関において、燃焼室を画成する燃焼室壁の、排
気弁口の周囲に旋回流生成案内壁を燃焼室側へ突
設し、排気通路より燃焼室内へ逆流する既燃ガス
を前記旋回流生成案内壁に衝突させ、これに旋回
流を生成させるようにしたので、特に機関の低負
荷および減速運転域のように吸入空気量の少ない
場合には、前記逆流既燃ガスの旋回流によつて燃
焼室内の吸入新混合気を支配し、燃焼室内の総合
気流に強力な旋回流を生成させ、点火栓の火花点
火によつて得られる燃焼火炎を強力かつ急速に成
長させて火炎伝播速度を増大し、低負荷、および
減速運転域においても吸入混合気を均等に燃焼さ
せ燃焼効率を著しく向上させることができ、
HC、CO等の未燃有害成分の発生を可及的に低減
することができる。

また旋回流生成案内壁によつて、そこに衝突す
る逆流既燃ガスを収束させ、一方向の集合旋回流
として燃焼室内に流入させることによつて、燃焼
室内にはより強力な旋回流の生成が可能となるも
のである。

さらにまた、排気弁口を一対設け、各排気弁口
毎に排気弁による排気制御を行うようにして、各
排気弁口に対応してそれぞれ旋回流生成案内壁を
設けるようにしたので、単一の排気弁口を設けた
場合に比較して、各排気弁口を燃焼室壁の、より
外周側に配設することができ、その結果一方向へ
の既燃ガスの加速が容易となつて、旋回流の生成
が一層促進されるとともに、既燃ガスの通過時に
おける流体抵抗が減少し、一層きめの細かい排気
制御や既燃ガスの逆流制御が可能となるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図ａおよび第１図ｂはそれぞれ本発明装置
を備えた機関のシリンダヘツドの底面図、第２図
はその―線断面図、第３図は旋回流生成案内
壁の斜視図、第４図は排気弁部分の拡大縦断側面
図、第５図は旋回流生成案内壁の幾何学的位置関
係を示す図、第６図は旋回流生成案内壁の配置に
よる旋回流効果を示すグラフ、第７図は旋回流生
成案内壁の内周面と排気弁の外周間の間隙による
旋回流効果を示すグラフ、第８図は旋回流生成案
内壁の高さによる旋回流効果を示すグラフ、第９
図は旋回流生成案内壁部の部分縦断面図、第１０
図は旋回流生成案内壁の底面を幅広にした場合の
第９図と同じ旋回流生成案内壁部の部分縦断面図
である。 １…シリンダ、２…ピストン、４…燃焼室、
５，５′…吸気弁口、６，６′…排気弁口、９…吸
気通路、１０…排気通路、１１…空気―燃料混合
気供給装置、１２，１２′…吸気弁、１３，１
３′…排気弁、１４，１４′…旋回流生成案内壁。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ピストンを摺動自在に嵌合したシリンダの上
   部に形成される燃焼室の壁面に、吸気通路に連通
   する吸気弁口と、排気通路に連通する一対の排気
   弁口とをそれぞれ開口し、前記吸気弁口には吸気
   弁を、前記排気弁口にはそれぞれ排気弁を設け、
   前記吸気通路にはそこに空気―燃焼混合気を供給
   する燃料供給手段を連設し、前記燃焼室を画成す
   る燃焼室壁の、前記各排気弁口の周囲に、前記燃
   焼室内へ逆流する既燃ガスを衝突させ、これに一
   方向の旋回流を生成させるための旋回流生成案内
   壁を燃焼室側へ突設してなる、ピストンの下降す
   る吸気行程時に前記各排気弁の未閉により前記排
   気通路内の既燃ガスの一部を燃焼室内に逆流させ
   るようにした４サイクル内燃機関における混合気
   の燃焼改善装置。