JPS622139B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、吸気行程時に排気ガス等の流体を燃
焼室内に吸入噴出させて、燃焼室内に吸入される
混合気を強制的に撹拌するようにした内燃機関燃
焼室の混合気撹拌装置に関するものである。 従来から４サイクルエンジンの排気ガス浄化対
策（主として排気ガス中に含まれる窒素酸化物
NOxの低減対策）として、排気ガスの一部を吸
気側に戻す排気ガス還流（以下EGRという）方
法が用いられており、NOx低減の最も有効な手
段とされてきた。EGRは燃焼温度を下げてNOx
排出重量を大巾に下げる効果が大きいが、EGR
の量を増やしていくと、従来型エンジンでは次第
に燃焼変動が大きくなつて失火するようになる。 第１図は従来型エンジンのNOx排出重量を空
燃比とEGR量の関係で示したNOx排出重量特性
曲線図で、図中曲線A₁，A₂，A₃，A₄，A₅はは混
合気に含まれるEGRの量を次の表の如く設定し
たときのNOx排出重量を示すものである。ま
た、曲線B₁，

【表】 B₂，B₃，B₄は、燃焼変動率を示す曲線で、曲線
B₁は失火域Ｃと燃焼域Ｄとの境界線になり、曲
線B₂，B₃，B₄の燃焼変動率は次の表２のように
なる。

【表】 この第１図は、低負荷運転時の測定データから
描いたものである。この図から判るように燃費は
空燃比を希薄化すれば良くなるが、希薄側ほど燃
焼変動率が大きく、失火域Ｃが近いので、使用で
きるEGR量は小さくなる。53年排出ガス規制を
満足させるためには、NOx排出重量１ｇ／PS.I.
H燃焼変動を曲線B₂で示した７％前後に押える必
要がある。この条件を満足させるためには、空燃
比を13〜14で使用してEGRを行なう以外にない
が、このような濃混合気側では燃費が悪くなるの
で、上述したような従来型エンジンでは排気ガス
浄化対策と低燃費の両方を満足させることは難し
いものであつた。 従つて、排気ガス浄化対策と低燃費の両方を満
足させるためには、燃焼しないような希薄混合気
あるいはこのような希薄混合気にEGRを行なつ
た状態で安定した燃焼を実現させるのが望まし
い。この考えに沿つて現在いくつかの方法が考え
られている。 燃焼室を主燃焼室と副燃焼室に分けて、主燃焼
室に希薄混合気を供給し、副燃焼室内に濃混合気
を供給すると共に、副燃焼室内に設けた点火栓に
より濃混合気に点火し、両燃焼室を結ぶポートか
ら吹き出す火炎により主燃焼室内の希薄混合気を
燃焼させる層状給気エンジンも上述した考えの一
つである。しかし、この型式のエンジンでは、燃
焼室を２つに分けているため、燃焼室の表面積／
燃焼室容積の比が大きくなるため、冷却損失が増
えて燃費を損う場合があるという問題があつた。
その上、濃混合気と希薄混合気を全運転範囲で正
確に制御する必要があつたために、気化器等の構
造が複雑になる欠点があつた。 この様な欠点を解消したものに均質混合気を使
用する型式のエンジンが考えられている。これ
は、主燃焼室にのみ均質な混合気を供給し、主燃
焼室と副燃焼室を結ぶポートに点火栓を設け、ポ
ートの絞りにより生ずる圧力差と吹き出しによる
トーチ効果で燃焼速度を速めて、希薄混合気での
燃焼を改善したものである。この型式のエンジン
は層状給気式エンジンに比べて構造が簡単である
が、ポートが高温になるため、冷却損失の増加、
高負荷での過早着火等の問題、或は、中低負荷と
高負荷での燃焼速度の調整が難かしいという問題
があつた。 本発明は、上述したような種々の問題点を解消
した内燃機関燃焼室内の混合気撹拌装置を提供す
ることを目的とするものである。 以下、本発明の一実施例を第２図ないし第４図
にしたがつて説明する。 第２図において、１はシリンダ、２はシリンダ
１内に摺動自在に配設されたピストン、３はシリ
ンダ１の上端に取り付けられたシリンダヘツド、
４はシリンダ１とピストン２及びシリンダヘツド
３との間に形成された燃焼室、５はシリンダヘツ
ド３に形成された吸気ポート、６はシリンダヘツ
ド３に形成された排気ポートで、吸気ポート５及
び排気ポート６は燃焼室４に連通している。 吸気ポート５の燃焼室４側端部内には、環状の
バルブシート７が固着されており、排気ポート６
の燃焼室側端部内には、環状のバルブシート８が
固着されている。シリンダヘツド３には、バルブ
シート７に向つて吸気ポート５に開口するガイド
保持孔９及びバルブシート８に向つて排気ポート
６内に開口するガイド保持孔１０が穿設されてい
る。この両ガイド保持孔９，１０には、筒状のバ
ルブガイド１１，１２がそれぞれ圧入されてい
る。 バルブガイド１１内には、ヘツド１３ａを燃焼
室４内に配設した吸気バルブ１３の軸部１３ｂが
第２図、第３図の如く摺動自在に挿入されてい
る。バルブガイド１２内には、ヘツド１４ａを燃
焼室４内に配設した排気バルブ１４の軸部１４ｂ
が摺動自在に保持されている。 吸気バルブ１３は、スプリング１５により図中
上方に常時附勢されており、排気バルブ１４はス
プリング１６により図中上方に常時附勢されてい
る。これらの吸気バルブ１３及び排気バルブ１４
は、シリンダヘツド３に保持させたカムシヤフト
１７及びロツカーアーム１８等を介して交互に開
閉されるようになつている。図中１９は、シリン
ダヘツド３の上部を覆うヘツドカバーである。 ２０は、吸気ポート５に基端部が接続された吸
気管、２１は排気ポート６に接続された排気管、
２２は吸気管２０の先端部に接続された気化器、
２３は気化器２２のエア吸入口に接続されたエア
クリーナ、２４はエアクリーナ２３内のエアフイ
ルター、２０ａは吸気管２０内の主吸気通路、２
５は気化器２２内のスロツトルバルブである。 吸気バルブ１３のヘツド１３ａのフエース１３
ｃ近傍には、吸気バルブ１３が開いたとき燃焼室
４内に開口し、且つ、吸気バルブ１３が閉じたと
きバルブシート７より上流の主吸気通路２０ａ側
に開口する噴出孔２６が穿設されている。この噴
出孔２６は、第４図に示したように吸気バルブ１
３の中心O₁からシリンダ１の中心O₂に向けて結
んだ直線Ａの左右ほぼ20度ないし110度の範囲に
向き、かつ、吸気バルブ１３のフエース１３ｃ上
面に向いて開口している。また、この噴出孔２６
は、吸気バルブ１３の軸部１３ｂに形成した副吸
気通路２７の下端部に連通している。副吸気通路
２７は吸気バルブ１３のヘツド１３ａから軸部１
３ｂの略中央部まで延びており、軸部１３ｂには
副吸気通路２７の上端部に連通し、且つ、その外
周面に開口してバルブガイド１１内面に臨む流入
口２８が穿設されている。 バルブガイド１１の内面には、中間通路として
の環状溝２９が周方向に形成されており、この環
状溝２９は吸気バルブ１３が開いたときにのみ流
入口２８に臨む位置に設けられている。この環状
溝２９は、シリンダヘツド３に穿設した通路３
０、吸気管２０に形成した通路３１、配管３２内
の通路３３及び、この通路３３途中に接続した流
量調整バルブ３４を介して吸気源としての排気管
２１の途中に接続されている。 吸気バルブ１３とバルブガイド１１との間に
は、吸気バルブ１３が軸部１３ｂの周方向に回動
するのを防止する回り止め３５が第３図の如く設
けられている。この回り止め３５は、軸部１３ｂ
に形成された長手方向に伸びる長孔３６と、バル
ブガイド７の内面に穿設され、且つ、長孔３６に
嵌合されたピン３７とより構成されている。 次にこのような構成の内燃機関の吸気装置の作
動を説明する。 吸気行程時に吸気バルブ１３が、カムシヤフト
１７及びロツカーアーム１８により燃焼室４側に
変位させられて、吸気バルブ１３が開く（ヘツド
１３ａがバルブシート７より離間する）ときに、
ピストン２が下降する。これにより燃焼室４内が
負圧となり、エアクリーナ２３のエアフイルター
２４を介して吸入された空気が、気化器２２で燃
料と混合された後、主吸気通路２０ａ及び吸気ポ
ート５を介して燃焼室４内に吸入される。 このように吸気バルブ１３が開いているとき
は、流入口２８が環状溝２９に連通しているの
で、排気管２１内の高圧の排気ガスの一部が、通
路３３、流量調整バルブ３４、及び通路３０，３
１を介して環状溝２９内に流入した後、流入口２
８より副吸気通路２７内に流入し、噴出孔２６よ
り吸気バルブ１３の中心O₁とシリンダ１の中心
O₂を結んだ直線Ａの左又は右にほぼ20度〜110度
の範囲に向けて燃焼室４内に噴出される。このよ
うな向きで燃焼室４内に噴出された排気ガスは、
第４図の矢印Ｂ，B′の如くシリンダ１内壁に沿つ
て排気バルブ１４側に向けて流れ、燃焼室４内に
吸入された混合気を強制的に撹拌する。 なおエンジンの低中負荷運転時においては気化
器２２のスロツトルバルブ２５の開度が比較的小
さいため、主吸気通路２０ａ側の吸気負圧が高
く、この結果、低中負荷運転時には、燃焼室４内
に吸入される混合気の流速は比較的小さくなる。
これに対して、噴出孔２６より燃焼室４内に噴出
される排気ガスの吸気源の圧力が高いため、エン
ジンの低中負荷運転時には噴出孔２６より燃焼室
４内に噴出される排気ガスの流速は、吸気ポート
５より燃焼室４内に吸入される混合気の流速より
も非常に速く、燃焼室４内に激しい渦流を形成す
る。 第５図は、上述した噴出孔２６が吸気バルブ１
３のフエース１３ｃ上面に向けて開口していると
ころを示している。これにより、噴出孔２６から
噴出される流体は第６図に示した如くフエース１
３ｃに沿つて流れ、ピストン側に無理なく導びか
れるので、燃焼室４内の全体に渦流が形成され
て、混合気を効率よく撹拌できることになる。こ
の流体の流れは、凸面に沿つて、その切線方向に
噴流を吹き出したとき、噴流は直進せず、凸面に
沿つて湾曲して流れるという、いわゆるコアンダ
効果を利用している。上述した実施例では、排気
バルブ１４を直線Ａ上に設けたエンジンの吸気バ
ルブ１３に噴出孔２６を設けた例を示したが、排
吸気バルブ１３は必ずしも直線Ａ上になくてもよ
く、第７図の如く排気バルブ１４は直線Ａの右側
にあつてもよい。 さらに、上述した噴出孔２６を、 噴出孔２６の断面積／シリンダ断面積＝0.026〜
２％ になるように設定するとよい。この場合には、
EGR量を必要最小限にして燃焼を安定させるこ
とができる。 本発明は、以上説明したように、吸気バルブに
設けた噴出孔を、吸気バルブの中心からシリンダ
の中心に向けて結んだ直線の左右20度ないし110
度の範囲に向けて開口させたので、吸気行程時に
燃焼室内に噴出孔から排気ガスの一部又は空気、
混合気等の気体を噴出させることにより、燃焼室
内に激しい渦流を形成して、燃焼室内に吸入され
る混合気を強制的に撹拌することができる。これ
により、従来のような副燃焼室を設けることな
く、排気ガスの混入した希薄渦流混合気を短時間
で均一に燃焼室内に形成して燃焼させることがで
きる。この結果、従来型エンジンを大巾に変更す
ることなく空燃比及びEGRを燃焼限界側に近づ
けて、NOx排出重量を小さくすることができ
る。 また、副燃焼室を設けた従来のエンジンに比べ
て、燃焼室面積を小さくできるので、このエンジ
ンに比べて冷却損失を小さくすることができると
共に、従来の副燃焼室を設けたエンジンのように
過熱されるポートがないので、過早着火等が生ず
ることはない。 さらに、噴出孔を吸気バルブのフエース上面に
向けて開口させたので、噴出孔から噴出される流
体がフエース上面に沿つてピストン側に流れるこ
とができ、これにより燃焼室内全体に渦流が形成
されて混合気が効率よく撹拌される。 エンジンにおいて、NOxの排出量低減と低燃
費の両者を満足させるためには、空燃比を15よ
り大にする。NOxの排出量を１ｇ／PSI・Ｈ以
上にする。燃焼変動率を７％以下に抑える。等
の必要があることは知られている。本発明はこれ
らの条件を満足させるために噴出孔の角度、方向
を見い出したものであつて、噴出孔の角度を上記
のように20度ないし110度にし、かつ、フエース
上面に向けて開口したことにより、好結果を得た
のである。 第８図はこの結果を表わすグラフで、回転速度
2500rpm、体積効率30％と、小型エンジンが比較
的多用する範囲にし、空燃比は、燃費の改善率が
減少に転ずる点である15に選定し、EGR量は、
NOxが１ｇ／PSI・Ｈとなるように調整したとき
の噴出孔角度と燃焼変動率との関係を示してい
る。この図から明らかなように、本発明はその限
定範囲において燃焼変動率を低くすることができ
る。また、これに加えて上述のコアンダ効果が得
られるから、混合気撹拌が良好に行われることに
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来型エンジンにおけるNOx排出重
量特性曲線図、第２図は本発明の一実施例を示す
エンジンの断面図、第３図は第２図の拡大断面
図、第４図は噴出口の開口方向を示した吸・排気
バルブの配置図、第５図は本発明に係る吸気バル
ブの断面図、第６図は第５図の部分断面図、第７
図は本発明の他の実施例を示す吸・排気バルブの
配置図、第８図は本発明による噴射孔角度と燃焼
変動率との関係を示すグラフである。 ４……燃焼室、１３……吸気バルブ、１３ｃ…
…フエース、２６……噴出孔、Ａ……直線、
O₁，O₂……中心。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 吸気バルブに、該吸気バルブが開いたときに
   燃焼室に開口する噴出孔を形成したエンジンにお
   いて、前記噴出孔を、吸気バルブの中心からシリ
   ンダの中心に向けて結んだ直線の左又は右20度な
   いし110度の範囲に向け、かつ、吸気バルブのフ
   エース上面に向けて開口させたことを特徴とする
   内燃機関燃焼室内の混合気撹拌装置。