JP2580823B2 - 成層燃焼型内燃エンジン - Google Patents

成層燃焼型内燃エンジン

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JP2580823B2 JP2050474A JP5047490A JP2580823B2 JP 2580823 B2 JP2580823 B2 JP 2580823B2 JP 2050474 A JP2050474 A JP 2050474A JP 5047490 A JP5047490 A JP 5047490A JP 2580823 B2 JP2580823 B2 JP 2580823B2
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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、燃焼室に、例えば混合気と空気とを夫々
供給するとともに、燃焼室内に於いて、これら混合気及
び空気の層状の旋回流とした状態で、混合気を燃焼させ
る成層燃焼型内燃エンジンに関する。
（従来の技術） この種の成層燃焼型内燃エンジンによれば、燃焼室に
リッチな混合気と空気とを供給し、そして、リッチな混
合気に点火することにより、混合気の完全燃焼を行わせ
るようにしている。従って、この種のタイプの内燃エン
ジンでは、上述した混合気と空気との全体の空燃比が論
理空燃比よりも大きくても、つまり、全体としての混合
気がリーンであっても、混合気の燃焼が可能となるか
ら、エンジンの燃費を向上できるばかりでなく、エンジ
ンの排気中に含まれるCO、NOX等の有害排出物を低減で
き、更には、エンジンのノックをも効果的に防止するこ
とができる。
成層燃焼型内燃エンジンに於いては、前述したよう
に、燃焼室内での混合気の燃焼を独特な過程で実施する
ものであるから、この種の内燃エンジンの改良は、第１
に、燃焼室内での点火プラグの近傍にリッチな混合気の
流れを生成すること、第２に、燃焼室内での混合気の流
れを活性化させる、つまり、点火後に於ける混合気の燃
焼速度を高めることによって、安定した燃焼を得るとと
もに、燃焼効率を高めることを主眼としている。
それ故、従来の成層燃焼型内燃エンジンでは、１つの
シリンダの燃焼室内に於いて、点火プラグ側にリッチな
混合気の層を生成し、これに対し、ピストン側には空
気、即ち、リーンな混合気の層を生成するための種々の
手段が採用されている。例えば、この手段の１つについ
て、例えば、気筒当たり燃焼室の片側に２個の吸気ポー
トを有している内燃エンジンを例にして説明すると、こ
のタイプの内燃エンジンでは、各吸気ポートは、分岐通
路を介して共通の吸気通路に接続されており、そして、
一方の吸気ポートに連なる分岐通路には、スワール制御
弁が配置されている。このスワール制御弁は、部分負荷
域、即ち、出力よりも燃費の向上が重要である運転条件
に於いて、一方の吸気ポートに対応した分岐通路を閉
じ、それ故、他方の吸気ポートからのみ空気が先ず燃焼
室に導入される。これにより、この燃焼室内には、シリ
ンダの軸線回りの空気のスワール流が発生される。この
後、吸気行程の後半に於いて、燃料を供給するように制
御される。従って、このようにして燃焼室に空気と、そ
の後に混合気が導入されれば、この燃焼室内の混合気を
前述したように、リッチな層とリーンな層とに分離する
ことが可能となる。
（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記の手段では、一方の分岐通路にス
ワール制御弁を配置する必要があるから、内燃エンジン
自体の構造が複雑化するばかりではく、スワール制御弁
が開かれる運転条件、即ち、全開時にスワール制御弁が
吸気の抵抗になり、出力性能は犠牲になることになる。
この発明は、上述した事情に基づいてなされたもの
で、その目的とするところは、簡単な構造により、燃焼
室にリッチな混合気の層と空気層又はリーンな混合気の
層とを明確に区分して形成し、燃焼室での燃料の燃焼を
良好に行え、しかも、燃焼室への混合気の供給を最適に
行うことのできる成層燃焼型内燃エンジンを提供するこ
とにある。
（課題を解決するための手段） この発明の成層燃焼型内燃エンジンは、シリンダボア
を規定する一方、このシリンダボアに嵌合され、このシ
リンダボアの一部を含んで燃焼室を規定するピストン、
並びに、燃焼室の横断面領域をシリンダボアの軸線を含
む縦面により分けてみたとき、上記横断面領域の片側に
位置付けられて、燃焼室に開口する少なくとも２個の吸
気ポートを有してなるシリンダ手段と、各吸気ポートに
夫々接続される導入通路を有し、これら導入通路及び対
応する吸気ポートを通じて、燃焼室に空気を導入するた
めの吸気手段と、少なくとも一方の導入通路内を流れる
空気中に燃料を噴射して混合気を作り出すための燃料噴
射手段とを備えており、そして、吸気手段の各導入通路
は、上記燃焼室の横断面と平行な横面に対し投影してみ
たとき、その投影した軸線が縦面と実質的に直交する方
向に且つ互いに平行にして延びるとともに全運転領域に
亘って通路断面積が不変であり、これにより、各導入通
路は、吸気ポートから燃焼室に導入される空気が燃焼室
内でシリンダボアの軸線と直交する横軸の周りに旋回す
る縦旋回流となるように空気の流れを案内する。
（作用） 上述した成層燃焼型内燃エンジンによれば、吸気ポー
トに上述した導入通路が接続されているので、吸気行程
中、その通路断面積が全運転領域に亘って不変である各
導入通路を通じて吸気ポートから燃焼室に導入される空
気は、燃焼室内でシリンダボアの軸線と直交する横軸の
周り旋回する縦旋回流、いわゆる、バレルスワール流と
なる。従って、一方の導入通路を流れる空気中に燃料噴
射手段により燃料を噴射して、混合気を作り出せば、燃
焼室内にリッチな混合気のバレルスワール流と空気、即
ち、リーンな混合気のバレルスワールとを明確に分離し
て同時に発生させることができる。これらバレルスワー
ル流は、簡単な機構、つまり、導入通路により混合気及
び空気を案内するだけで発生される。従って、先ず、リ
ッチな混合気のバレルスワール流に点火することによ
り、リーンな混合気のバレルスワール流をも良好に燃焼
させることができ、成層燃焼が可能となる。また、強力
なバレルスワール流の流速の増大は、混合気の燃焼を促
進することにもなる。この結果、リッチな混合気とリー
ンな混合気の全体の空燃比が論理空燃比よりも大きくて
も、安定した燃焼が可能となる。
この発明の内燃エンジンでは、前述したようにリッチ
な混合気のバレルスワール流に確実に点火するため、点
火装置がリッチな混合気を燃焼室に供給する吸気ポー
ト、即ち、燃焼室開口の近傍に配置されている。
また、各吸気ポートから燃焼室に供給される混合気及
び空気のバレルスワール流を確実に発生するには、各吸
気ポートに連なる導入通路に関し、これら導入通路の吸
気ポートから所定の長さの部位は、ストレートであるこ
とが望ましい。
そして、この発明の内燃エンジンに於ける燃料噴射手
段は、燃料噴射弁を含んでおり、この燃料噴射弁は、そ
の噴射ノズルが導入通路の上記ストレート部位に、吸気
ポート、即ち、燃焼室開口と対向するように位置付けら
れていることが望ましい。
また、燃料噴射手段は、一方の吸気ポート、即ち、燃
焼室開口に通じる一方の導入通路のみに設けてもよい
し、両方の導入通路のストレート部位に夫々配置された
燃料噴射弁を備えることもできる。後者の場合、内燃エ
ンジンが低負荷で運転されているときには、一方の燃料
噴射弁のみを働かせ、そして、内燃エンジンが高負荷で
運転されているとき、両方の燃料噴射弁を働かせるよう
にすればよい。即ち、内燃エンジンが高負荷運転状態に
あるときには、両方の吸気ポートから燃焼室に向けて、
共に混合気がバレルスワール流となって供給されること
になる。
そして、内燃エンジンの高負荷運転時、両方の吸気ポ
ートから燃焼室に混合気が供給される場合には、内燃エ
ンジンは、前述した点火装置の他にもう１つの点火装置
を備えているのが好ましい。この場合、新たに付加され
る点火装置は、シリンダボアの中心に配置されるか、又
は、高負荷運転時に燃焼室に混合気を供給する吸気ポー
トの近傍に配置するのが好ましい。更に、この付加され
た点火装置は、同じく付加された燃料噴射弁とは異な
り、内燃エンジンの全運転領域で作動されるものであっ
てもよい。
（実施例） 第２図を参照すると、成層燃焼型内燃エンジン20が示
されており、この内燃エンジン20は、直列４気筒のガソ
リンエンジンである。ここで、内燃エンジン20に於ける
各気筒の構造は、同一であるので、以下には、１つの気
筒に関して説明する。
１つの気筒は、シリンダブロック22内に形成されたシ
リンダボア24を備えており、このシリンダボア24内に
は、ピストン26が嵌合されている。ここで、第２図から
明らかなように、各気筒のシリンダボア24は、列をなし
て配置されている。
シリンダブロック24には、第２図に示されているよう
に、図示しないガスケットを介してシリンダヘッド28が
取付けられており、これにより、シリンダボア24内に
は、ピストン26とシリンダヘッド28との間で燃焼室30が
規定されている。
燃焼室30を規定するシリンダヘッド28の内壁面には、
その中央部が所謂、ペントルーフ34として形成されてお
り、このペントルーフ34の峰は、各シリンダボア24の軸
線を含む縦面Ｘ（第２図参照）上に位置付けられてい
る。
燃焼室30に於けるペントルーフ34の一方の片側ルーフ
には、２個の吸気ポート36,38が夫々開口されている。
従って、これら吸気ポート36,38は、第２図に示されて
いるように、シリンダボア24の横断面領域を縦面Ｘで区
分してみたとき、この横断面領域の片側に共に位置付け
られている。また、吸気ポート36,38の中心は、縦面Ｘ
と直交し且つシリンダボアの軸線を含む面から等距離を
存して位置付けられている。
吸気ポート36,38には、導入通路40,42が夫々接続され
ている。これら導入通路40,42は、シリンダヘッド28内
に形成され且つ対応する吸気ポートに連通した内部通路
44と、この内部通路44に接続された吸気マニホールド46
の分岐管路48とを含んでいる。吸気マニホールド46は、
分岐管路48が連なるサージタンク50を有しており、この
サージタンク50は、第２図に示されるように、各気筒の
シリンダボア24の列、即ち、前述した縦面Ｘに沿って延
びている。サージタンク50の一端部には、入口開口52が
形成されており、この入口開口52には、スロットルボデ
ィ54を介して、図示しない吸気管が接続されている。ス
ロットルボディ54内には、スロットル弁56が配置されて
おり、このスロットル弁56は、アクセルペダルの踏み込
みにより作動される。
更に、吸気ポート36,38には、ポペット型の吸気弁58
が夫々配置されており、これら吸気弁58は、図示しない
機構により、対応する吸気ポートを開閉する。尚、第１
図には、吸気ポート38と組をなす吸気弁58のみが開弁状
態で示されている。
尚、燃焼室30に於けるペントルーフ34の他方の片側ル
ーフには、排気ポート60が形成されており、この排気ポ
ート60には、排気通路62が接続されている。また、排気
ポート60は、ポペット型の排気弁64により開閉されるよ
うになっている。ここで、排気弁64の数は、１個であっ
てもよいし、吸気弁の数に合わせて２個であってもよ
い。
前述した導入通路40,42について更に詳述すると、こ
れら導入通路40,42は、第２図でみたとき、互いに平行
にして、前述した縦面Ｘと交差する方向に延びている。
即ち、前述した縦面Ｘに直交し且つシリンダボア24の横
断面を含む横面Ｙ（第１図参照）に対し、導入通路40,4
2の軸線を夫々投影してみたとき、両導入通路40,42の投
影軸線40a,42a（第２図参照）は、縦面Ｘと直交し且つ
互いに平行に延びている。
一方、導入通路40,42は、第１図に示されているよう
に、対応する吸気ポートから上方に向かって延びてい
る。そして、導入通路40,42の少なくとも吸気ポート側
の部位、即ち、前述した内部通路44の吸気ポート側の部
位は、吸気ポートから所定の長さ以上に亙ってストレー
トとなっている。内部通路44のストレート部位の長さＬ
は、例えば、吸気ポート36,38の直径を基準としたと
き、この直径の少なくとも1.1倍以上あるのが好まし
い。尚、内燃エンジンの設置スペースが許せば、導入通
路40,42の全長に亙って、ストレートな部位に形成する
のが好ましい。
また、内部通路44のストレート部位は、前述した横面
Ｙに対して、第１図に示されるように、所定の傾斜角α
を存して傾斜されている。
更に、導入通路40,42に於ける少なくとも内部通路44
のストレート部位に関しては、その流路断面が第３図に
示されるように円形をなしており、しかも、その流路断
面積は、ストレートな部位の軸線に沿って、同一の大き
さを有している。
そして、導入通路40,42の一方、この実施例の場合、
第２図でみて右側に位置する導入通路42には、燃料噴射
弁66が設けられている。この燃料噴射弁66は、第１図に
示されるように、その噴射ノズル68が吸気ポート38に対
向するようにして、内部通路44のストレートな部位内に
位置付けられている。
燃料噴射弁66は、燃料噴射ポンプに接続されており、
この燃料噴射ポンプから高圧の燃料が供給されたときに
開弁され、そして、供給された高圧の燃料をその噴射ノ
ズル68から噴射する。ここで、噴射ノズル68から噴射さ
れた燃料は、円錐形状をなして吸気ポート38、つまり、
燃焼室30に向かうことになるが、第１図に示されるよう
に燃料の噴射角βは、所定の角度以下に制限されてい
る。即ち、燃料の噴射角βは、燃料噴射弁66から噴射さ
れた燃料が内部通路44の内壁に付着することがないよう
に設定されている。
従って、上述したように導入通路42に燃料噴射弁66が
設けられていれば、この導入通路42を通じて燃焼室30に
供給されるべき空気中に、燃料噴射弁66から燃料を噴射
することにより、空気と燃料とからなる混合気を作り出
すことができる。
そして、シリンダヘッド28には、燃焼室30に臨むよう
にして、点火プラグ70が設けられており、この点火プラ
グ70は、第２図から明らかなように、吸気ポート38に近
接して位置付けられている。この点に関して更に詳述す
れば、点火プラグ70は、前述した縦面Ｘ上で且つ吸気ポ
ート38側に於けるシリンダボア24の内周面近傍に位置付
けられている。
尚、他の気筒に関し、前述した気筒の部位と同様な部
位には、第２図中に、同一の参照符号を付すことで、そ
の説明は省略する。
次に、上述した内燃エンジンの作動について説明す
る。また、各気筒の作動に関しは同一であるから、ここ
でも、１つの気筒に着目して、その作動を説明する。
１つの気筒が吸気行程にあるとき、ピストン26は、燃
焼室30の容積を拡大する方向、つまり、第２図でみて下
方に移動される。このようなピストン26の下降に伴い、
燃焼室30には、吸気弁58により夫々開かれた状態にある
吸気ポート36,38から空気及び混合気が夫々導入される
ことになる。即ち、この実施例の場合には、一方の導入
通路42に燃料噴射弁66が設けられているので、導入通路
42内を流れる空気中に、燃料噴射弁66から燃料を噴射す
ることにより、吸気ポート38からは、混合気が燃焼室30
に向けて供給され、これに対し、吸気ポート36からは、
空気のみが燃焼室30に供給される。
ここで、燃料噴射弁66からの燃料の噴射期間は、吸気
行程中のある時点に、先ず、噴射期間の終了時点を設定
し、そして、この終了時点から逆算して噴射期間の開始
時点が決定されるようになっている。即ち、第４図を参
照すれば、横軸を時間として、１つの気筒に於ける各行
程が順次示されており、そして、吸気行程中の所定の時
点に噴射期間の終了時点、即ち、燃料噴射弁66の閉弁時
間T1が燃焼室30への吸気量に基づいて決定される。ここ
で、吸気量は、前回に燃焼室30に供給された吸気量であ
り、この吸気量は、図示しないセンサにより検出され
る。そして、吸気量から噴射すべき燃料の量、つまり、
噴射量が算出され、この噴射量に基づき、閉弁時点T1か
ら逆算して、噴射期間の開始時点、即ち、燃料噴射弁66
の開弁時点T2が決定される。従って、このようにして燃
料の噴射期間が決定されれば、噴射期間の開始時点、つ
まり、燃料噴射弁66の開弁時点T2は、吸気行程の初期の
場合（第４図実線）や供給行程の前に決定される場合
（第４図破線）もあるが、しかしながら、噴射期間は、
必ず、吸気行程中で終了することになる。
前述したように、導入通路40,42に於ける内部通路44
のストレート部位は、横面Ｙに対して所定の傾斜角αで
傾斜されており、しかも、吸気ポート36,38は縦面Ｘと
直交し且つシリンダボア24の軸線を含む面を中心として
左右対称に配置されていることから、ピストン26の下降
に伴い、吸気ポート36,38から燃焼室30に導入、つま
り、吸引される空気及び混合気の大部分は、シリンダボ
ア24の内壁に案内されて、第５図に示すようなスワール
流Fa,Fmとなる。ここで、これらスワール流Fa,Fmは、シ
リンダボア24の軸線方向に沿って流れ、そして、ペント
ルーフ34の峰の方向に互いに層状に分離した，所謂、バ
レルスワール流となる。従って、この発明の内燃エンジ
ン20では、吸気行程中、各燃焼室30内に２個の吸気ポー
ト36,38から同時に空気及び混合気を同時に導入するこ
とができるので、内燃エンジン20の運転領域全域に亙
り、その体積効率を高めることが可能となる。
また、従来の２個の吸気ポートを有した内燃エンジン
に於いては、その燃焼室に空気のスワール流を発生させ
るために、一方の吸気ポートに連なる分岐通路にスワー
ル制御弁を設けるとともに、このスワール制御弁を駆動
する機構が別に必要となるが、この発明の内燃エンジン
は、上述したスワール制御弁及びその駆動機構を必要と
せず、従来の内燃エンジンの場合に比べて構造が簡単と
なる。このように、この発明の場合には、単純な機構に
より、各気筒の燃焼室30内に強力なバレルスワール流F
a,Fmを発生させることができるので、特に、希薄混合気
による燃焼を良好に行うことができる。
更に、この発明の内燃エンジンの場合、混合気は、各
気筒の一方の吸気ポート38のみから燃焼室30に供給され
ることから、混合気を作り出すための燃料噴射弁66もま
た、吸気ポート38に連なる導入通路42のみに配置すれば
よいことになる。従って、前述したような燃料噴射弁66
の配置が可能となり、それ故、燃焼室30内での燃料の燃
焼効率を高めることができる。この点に関して詳述すれ
ば、燃焼噴射弁66の噴射ノズル68を導入通路42於ける内
部通路44のストレート部位に位置付けることができるの
で、この噴射ノズル68からの燃料の噴射角βを適切に設
定することにより、燃料噴射弁66から噴射された燃料が
内部通路44の内壁に付着する量を極力少なくすることが
できる。それ故内部通路44の内壁に付着した燃料が大き
な燃料粒となり、この大きな燃料粒が後の吸気行程で燃
焼室30に供給されるようなことがなくなり、これによ
り、排ガス中に含まれる炭化水素（HC）の量を大幅に低
減して、排ガス中のスモークの発生を少なくすることが
できる。この点に関しては、第６図及び第７図を参照す
れば、従来の吸気２弁型内燃エンジンでの片側燃料噴射
の場合と、内部通路44の形状、噴射弁66の構造及び配
置、並びに、燃料噴射時期に工夫を加えた。この発明の
内燃エンジンの場合とを比較した実験結果が示されてい
る。第６図の場合、横軸は、エンジン回転数を表し、縦
軸は、排ガス中のスモーク量を表している。そして、第
６図中、三角でプロットされた特性は、従来の内燃エン
ジンの場合を示し、丸でプロットされた特性は、この発
明の内燃エンジンの場合を示している。また、白丸の特
性と三角の特性とは、同一の空燃比での比較例であり、
また、黒丸の特性は、白丸の特性の場合よりも空燃比を
大きくした場合の実験結果を示している。更に、第７図
は、横軸を空燃比とし、縦軸をスモーク量をとして、白
丸の特性と三角の特性の比較結果を示している。
第６図及び第７図に示された実験結果から明らかなよ
うに、この発明の内燃エンジンによれば、その排ガス中
のスモーク量が低減されていることがわかる。
また、燃焼室30に導入通路42のみから混合気を供給す
るということは、１個の燃料噴射弁からの燃料の噴射流
を導入通路40,42に分配する必要がないことを意味して
いる。このことは、導入通路40,42の独立部、つまり、
各導入通路40,42に於ける内部通路44のストレート部を
長く確保できることになる。従って、吸気ポート36,38
から燃焼室30に導入される空気及び混合気は、内部通路
44のストレート部を流れる過程で層状の流れとになり、
このことは、前述したバレルスワール流Fa,Fmの生成、
並びに、内燃エンジン20の体積効率の向上に関して、好
適したものとなる。
前述したように吸気行程中に燃焼室30に供給された空
気及び混合気は、吸気行程に続く圧縮行程に於いて、ピ
ストン26の上昇に伴い圧縮され、そして、点火プラグ70
により混合気に点火されて、爆発行程が実施される。こ
こで、点火プラグ70は、混合気を導入する吸気ポート38
に近接して位置付けられているので、混合気の点火を確
実に行うことができる。また、燃焼室30内に於いては、
前述したように混合気及び空気のバレルスワール流Fa,F
mが層状をなして互いに分離した状態にあるので、混合
気は安定して燃焼されることになる。更に、爆発行程の
終期に於いて、吸気ポート36,38から遠く離れた位置に
あるピストンヘッドの近傍の混合気、所謂、エンドガス
は、極めてリーンとなるから、内燃エンジンのノッキン
グ現象を抑制することができる。
また、吸気ポート38から燃焼室30に供給される混合気
の空燃比を論理空燃比よりも小さくしても、つまり、混
合気をリッチとしても、吸気ポート36から燃焼室30に供
給される空気を考慮すると、燃焼室30に供給される混合
気と空気との全体の空燃比を論理空燃比よりも大きくす
ることができる。例えば、この発明の内燃エンジン20の
場合、全体の空燃比が例えば20であるようなリーンな混
合気であっても、この混合気の安定した燃焼が可能とな
る。このようにリーンな混合気の燃焼が可能となると、
前述したノッキング現象を更に効果的に防止できるばか
りか、肺ガス中のCOの量も低減でき、更には、燃費をも
大幅に改善することができる。
第8A図、第9A図及び第10A図は、燃焼室への燃料の供
給の仕方及び点火プラグの位置以外は同じ構造の内燃エ
ンジンを夫々概略的に示している。即ち、第8A図の内燃
エンジンでは、導入通路40,42の両方に燃料噴射弁66が
夫々取付けられており、これら燃料噴射弁66は、各導入
通路内に均等な量の燃料を供給する。そして、点火プラ
グ79は、シリンダボア24の中心に配置されている。
第9A図の内燃エンジンは、前述した一実施例の内燃エ
ンジン20であり、また、第10A図の内燃エンジンでは、
一方の吸気ポート36が閉塞されており、導入通路42及び
他方の吸気ポート38を通じて燃焼室30に混合気が導入さ
れる。また、この場合、点火プラグ70は、第8A図の場合
と同様にシリンダボア24の中心に配置されている。
第8A図、第9A図及び第10A図の内燃エンジンは、同一
の運転条件（エンジン回転数が1000rpm、全体の空燃比
が20であるワイドオープンスロットル運転状態）で運転
され、そして、各内燃エンジンに於ける熱発生量Ｑ、気
筒内圧Ｐ、及び熱発生率dQのサイクル変動は、第8B図、
第9B図、及び第10B図に夫々示されている。
これら第8B図、第9B図、及び第10B図を比較検討すれ
ば明らかなように、熱発生量Ｑ、気筒内圧Ｐ、及び熱発
生率dQのサイクル変動は、第9B図のもの、つまり、この
発明の内燃エンジン20の場合が最も小さい。
点火プラグ70の配置に関しては、第２図に示した例が
好ましいが、しかしながら、これに限られるものではな
く、点火プラグ70はシリンダボア24の中心より位置する
ことができる。しかしながら、この際、点火プラグ70の
配置がシリンダボア24の中心に近付く程、点火プラグ70
の近傍の混合気の流れは、吸気ポート36から導入された
空気により乱されることになるので、混合気の点火及び
燃焼が不安定になることに留意すべきである。
第11A図乃至第11C図は、この発明の内燃エンジンに於
ける吸気ポート、排気ポート及び点火プラグの配置を示
している。図中、参照記号Inは吸気ポートを表し、参照
記号Exは排気ポートを表している。そして、参照記号Ｐ
は、点火プラグを表している。第11A図乃至第11C図に於
いて、点火プラグは、P1,P2のの２つの位置で示されて
いるが、最適な点火プラグの位置は、P1である。更に、
第11A図乃至第11C図の内燃エンジンは、所謂、３弁エン
ジン、４弁エンジン、及び５弁エンジンを夫々示してお
り、また、図中、斜線を施して示した吸気ポートのみか
ら混合気が燃焼室に供給される。
尚、吸気３弁型内燃エンジンのバリエーションとし
て、第11D図及び第11E図に示されるようなものも考えら
れる。第11D図の内燃エンジンでは、一方の吸気ポート3
8に対し、ペントルーフ形状の燃焼室の稜線を挟んで対
向した片側ルーフ斜面に、点火プラグの配設孔90が開口
されており、これに対し、他方の吸気ポート36と上記稜
線を挟んで対向する片側ルーフ斜面に排気ポートExが配
置されている。そして、燃焼室への配設孔90の開口91の
近傍は、第11E図から明らかなように平坦面となってお
り、これにより、この平坦面により、バレルスワール流
の発生を促進させることができる。尚、第11D図中、破
線95は、従来の場合での開口91の近傍の壁面を示してお
り、この破線95の壁面は、バレルスワール流の発生を妨
げることになる。また、第11E図に於いて、参照符号92
はウォータジャケットを、参照符号93は弁座を、そし
て、参照符号94はシリンダヘッドを夫々示している。
この発明の内燃エンジンでは、１つの吸気ポートのみ
から燃焼室に混合気を供給するようにしたが、しかしな
がら、内燃エンジンが高負荷を受けて運転される状態で
は、この運転状態に要求される燃料の噴射量が大きくな
り過ぎて、その噴射量を１個の燃料噴射弁から噴射する
ことが困難となる場合がある。また、要求された噴射量
を１個の燃料噴射弁から例え噴射できたとしても、点火
プラグの周囲の混合気がリッチになり過ぎて、点火プラ
グによる混合気の点火が不能になる場合もある。このよ
うに多量の噴射量を必要とする内燃エンジンの運転領域
では、全ての吸気ポートから混合気を燃焼室に供給する
ことにより、上述した不具合を解消することができる。
このような不具合を解消する手段は、例えば、第12A
図乃至第12C図に具体的に示されている。第12A図の内燃
エンジンでは、導入通路40,42の夫々に、燃料噴射弁66
が設けられており、また、点火プラグ70の他に、点火プ
ラグ72が更に設けられている。この点火プラグ72は、シ
リンダボア24の中心近傍、つまり、吸気ポート36に近接
して位置付けられている。
第12A図の内燃エンジンが低負荷で運転される場合に
は、第12B図に示されているように、導入通路42の燃料
噴射弁66のみから燃料が噴射される。従って、この場合
には、前述の場合と同様に、吸気ポート38のみから燃焼
室30に混合気が供給され、そして、この混合気の点火
は、点火プラグ70によって実施される。この場合、点火
プラグ72は不作動状態におかれている。
これに対し、第12A図の内燃エンジンが高負荷で運転
される場合には、第12C図に示されているように、両方
の燃料噴射弁66から燃料が噴射され、従って、燃焼室30
には、両方の吸気ポート36,38から混合気が供給される
ことになる。そして、この場合、混合気の点火には、点
火プラグ70ではなく、点火プラグ72が使用される。この
ように、各導入通路に燃料噴射弁を設け、そして、２つ
の点火プラグ70,72を切り換えて使用すれば、内燃エン
ジンが高負荷で運転されるような場合であっても、要求
される多量の燃料噴射量を確保することができるととも
に、各吸気ポートから燃焼室に夫々供給される混合気が
不所望にリッチになって、点火プラグ72による混合気の
点火が不能になるようなこともない。
また、この場合、吸気ポート36,38の両方から燃焼室3
0に混合気を供給できるから、これら混合気の空燃比を
独立して設定できる利点がある。例えば、内燃エンジン
が高負荷で運転されるような場合には、一方の吸気ポー
ト38から燃焼室にリッチな混合気（空燃比:12乃至13）
を供給し、これに対し、他方の吸気ポート36から燃焼室
にリーンな混合気（空燃比:17乃至20）を供給すること
ができる。また、内燃エンジンが低負荷で運転されてい
る場合であっても、必要に応じて吸気ポート36からも混
合気を燃焼室供給することができる。この場合、吸気ポ
ート36,38から燃焼室に供給される混合気の空燃比は互
いに異なっている。
尚、前述した第11A図乃至第11C図の各実施例の場合で
も、内燃エンジンが高負荷で運転されるときには、全て
の吸気ポートから燃焼室に向けて混合気を供給すること
ができる。この場合、混合気の点火には、P2の位置にあ
る点火プラグに切り換えて使用するようにすればよい。
第8A図に示した内燃エンジンの場合、この内燃エンジ
ンが高負荷又は低負荷で運転されているに拘らず、両方
の点火プラグ70,72を使用するようにしてもよい。この
場合、全体としてリーンな混合気を更に安定して燃焼さ
せることが可能となる。
前述したように、この発明の内燃エンジンに於いて、
点火プラグを２個使用する場合、点火プラグ72は、第12
A図に示した位置ではなく、第13A図に示した位置に配置
してもよい。この場合、点火プラグ70,72は、シリンダ
ボア24の中心に対して対称な位置に配置されている。そ
して、第13A図の内燃エンジンでは、この内燃エンジン
が低負荷で運転されているとき、第13B図から明らかな
ように、吸気ポート38のみから混合気が燃焼室30の供給
され、そして、この混合気の点火には、点火プラグ70の
みが使用される。これに対し、内燃エンジンが高負荷で
運転されるときには、第13C図から明らかなように、両
方の吸気ポート36,38から燃焼室30に混合気が供給さ
れ、そして、この場合、混合気の点火には、両方の点火
プラグ70,72が使用される。このように、点火プラグ70,
72が配置され、しかも、これら点火プラグ70,72が共に
使用される場合には、燃焼室30内で最大火炎伝播距離、
つまり、火炎伝播時間を短くすることができる。
第14図を参照すれば、第12C図及び第13C図に示された
仕方で、内燃エンジンが夫々同一の高負荷条件で運転さ
れた場合（例えば、エンジン回転数が500rpm、全体の空
燃比が14.5であるワイドオープンスロットル運転状態の
場合）、第12C図及び第13C図に於ける内燃エンジンの燃
焼変動、つまり、その気筒内での爆発行程中の圧力変動
が夫々示されている。第14図中、参照符号Ａは、第12C
図の内燃エンジンの場合を示し、参照符号Ｂは、第13C
図の内燃エンジンの場合を示している。第14図から明ら
かなように、第13C図の内燃エンジンの場合には、第12C
図の内燃エンジンの場合に比べて、火炎伝播時間が短縮
されるので、気筒の内圧変動は少なく、これにより、燃
焼室30内での燃料の燃焼を安定して実施することができ
る。
第15A図乃至第15C図を参照すれば、第11A図乃至第11C
図の夫々と対応した内燃エンジンが示されているが、そ
の相違は点火プラグの位置P1,P2にある。即ち、第15A図
乃至第15C図の内燃エンジンは、高負荷で運転されると
き、何れの供給ポートからも燃焼室に向けて混合気を供
給するタイプのものであり、そして、点火プラグの位置
P1,P2は、火炎伝播距離、つまり、火炎伝播時間を短縮
するために図示の位置に設定されている。第15A図の３
弁タイプの内燃エンジンの場合にあっては、点火プラグ
の位置P1,P2は、シリンダボア24の径方向でみて、対応
する導入通路の軸線上にあるのが好ましいが、しかしな
がら、第15B図及び第15C図に示されるような４弁タイプ
及び５弁タイプの内燃エンジンでは、点火プラグの設置
スペースの関係から、３弁タイプの内燃エンジンの場合
と同様にして、点火プラグの位置P1,P2を設定すること
はできない。このため、この発明では、第15B図及び第1
5C図の内燃エンジンの場合、点火プラグの位置P1,P2
は、図示の位置に夫々設定されている。即ち、これら点
火プラグの位置P1,P2は、いずれも隣接する吸気ポート
と排気ポートとの間で且つシリンダボア24の周縁に近接
して位置付けられている。
尚、第11C図の吸気ポートを３個備えた内燃エンジン
に於いては、１つの吸気ポートから燃焼室に混合気が供
給されるとしたが、この内燃エンジンが高負荷で運転さ
れる場合には、他の２つの吸気ポートのうちの少なくと
も一方から、燃焼室に向けて混合気を供給するようにし
てもよい。
また、この発明の成層燃焼型内燃エンジンは、燃焼室
に供給されるトータル的な混合気の空燃比を必ずしも理
想空燃比よりも大きくする必要はない。つまり、この発
明の場合でもトータル的な混合気の空燃比を理想空燃比
としてもよいし、場合によっては、理想空燃比よりも小
さくしてもよい。
（発明の効果） 以上説明したように、この発明の成層燃焼型内燃エン
ジンによれば、各吸気ポートに接続された導入通路によ
り空気を夫々案内して燃焼室に導き、そして、この燃焼
室内でシリンダボアの軸線と直交する横軸の周りを旋回
する縦旋回流を夫々生じさせるようにしたので、一方の
導入通路内を流れる空気中に燃料を噴射することで、縦
旋回流の一方を混合気の縦旋回流とすることができる。
従って、この発明によれば、全運転領域に亘り、その通
路断面積が不変である導入通路を設けるだけの簡単な構
成により、燃焼室内に強力な混合気を空気との縦旋回流
を層状に互いに分離して発生させることができるから、
混合気に於ける流動の活性化を図ることができ、この結
果、燃焼室内の全体の混合気がリーンであっても、この
混合気を安定して燃焼させることができ、燃費やCOの排
出量を共に低減できる。また、この発明の内燃エンジン
では、吸気行程中、両方の吸気ポートから混合気と空気
とが同時に燃焼室に供給されるから、内燃エンジンの体
積効率を向上することができる等の種々の効果を奏す
る。
【図面の簡単な説明】
第１図は、この発明の一実施例の係わる成層燃焼型内燃
エンジンの１つの気筒を示す断面図、第２図は、第１図
の内燃エンジン全体を一部破断又は除去して示す図、第
３図は、第１図中III−III線に沿う断面図、第４図は、
第１図の燃料噴射弁の開閉時期を示すための図、第５図
は、第１図の気筒を概略的に示した透視図、第６図及び
第７図は、この発明の内燃エンジン及び従来の内燃エン
ジンの排ガス中のスモーク量を夫々比較して示す図、第
8A図、第9A図及び第10A図は、内燃エンジンの燃料噴射
弁及び点火プラグの配置を夫々概略的に示した図、第8B
図、第9B図及び第10B図は、第8A図、第9A図及び第10A図
の内燃エンジンに於ける熱発熱量、気筒内圧及び熱発生
率の変動を示すグラフ、第11A図，第11B図及び第11C図
及び第11D図は、タイプの異なる気筒に関し、吸気ポー
ト及び点火プラグの配置を夫々示す図、第11E図は、第1
1D図中、XI−XI線に沿う断面図、第12A図は、この発明
の他の実施例である内燃エンジンに於いて、１つの気筒
での燃料噴射弁及び点火プラグの配置を示す図、第12B
図及び第12C図は、第12A図の気筒に於ける低負荷運転時
及び高負荷運転時での燃料噴射弁及び点火プラグの配置
を示す図、第13A図は、この発明の更に別の実施例であ
る内燃エンジンに於いて、１つの気筒での燃料噴射弁及
び点火プラグの配置を示す図、第13B図及び第13C図は、
第13A図の気筒に於ける低負荷運転時及び高負荷運転時
での燃料噴射弁及び点火プラグの配置を示す図、第14図
は、第12A図及び第13A図の内燃エンジンが第12C図及び
第13C図の状態で運転されているとき、気筒の内圧の変
動を比較して示す図、第15A図，第15B図及び第15C図
は、第11A図，第11B図及び第11C図に対応するタイプの
気筒に関し、点火プラグの異なる配置を示す図である。 22……シリンダブロック、24……シリンダボア、28……
シリンダヘッド、30……燃焼室、34……ペントルーフ、
36,38……吸気ポート、40,42……導入通路、44……内部
通路、58……吸気弁、66……燃料噴射弁。
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｐ 13/00 ３０１ Ｆ０２Ｐ 13/00 ３０１Ａ

Claims (13)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】シリンダボアを規定する一方、このシリン
    ダボアに嵌合され、このシリンダボアの一部を含んで燃
    焼室を規定するピストン、並びに、燃焼室の横断面領域
    をシリンダボアの軸線を含む縦面により分けてみたと
    き、上記横断面領域の片側に位置付けられて、燃焼室に
    開口する少なくとも２個の吸気ポートを有してなるシリ
    ンダ手段と、 各吸気ポートに夫々接続される導入通路を有し、これら
    導入通路及び対応する吸気ポートを通じて、燃焼室に空
    気を導入するための吸気手段と、 少なくとも一方の導入通路内を流れる空気中に燃料を噴
    射して混合気を作り出すための燃料噴射手段とを備えて
    なり、 吸気手段の各導入通路は、上記燃焼室の横断面と平行な
    横面に対し投影してみたとき、その投影した軸線が縦面
    と実質的に直交する方向に且つ互いに平行にして延びる
    とともに全運転領域に亘って通路断面積が不変であり、
    これにより、各導入通路は、吸気ポートから燃焼室に導
    入される空気が燃焼室内でシリンダボアの軸線と直交す
    る横軸の周りに旋回する縦旋回流となるように空気の流
    れを案内することを特徴とする成層燃焼型内燃エンジ
    ン。
  2. 【請求項２】内燃エンジンは、点火装置を更に備えてお
    り、この点火装置は、一方の導入通路に連なる吸気ポー
    トの近傍に配置されていることを特徴とする請求項１に
    記載の成層燃焼型内燃エンジン。
  3. 【請求項３】点火装置は、他方の吸気ポートから遠く離
    れたシリンダボアの内壁近傍に位置付けられていること
    を特徴とする請求項２に記載の成層燃焼型内燃エンジ
    ン。
  4. 【請求項４】各導入通路は、対応する吸気ポートから所
    定の長さの領域にストレートな部位を有していることを
    特徴とする請求項２に記載の成層燃焼型内燃エンジン。
  5. 【請求項５】燃焼室は、縦面に沿って延びるペントルー
    フ部を有しており、各吸気ポートは、ペントルーフ部の
    片側ルーフに開口されていることを特徴とする請求項４
    に記載の成層燃焼型内燃エンジン。
  6. 【請求項６】燃料噴射手段は、先端に噴射ノズルを有し
    た燃料噴射弁を備えており、この燃料噴射弁の噴射ノズ
    ルは、一方の導入通路に於けるストレート部位に位置し
    且つ吸気ポートに対向して配置されていることを特徴と
    する請求項４に記載の成層燃焼型内燃エンジン。
  7. 【請求項７】燃料噴射弁の噴射ノズルは、燃料の噴射流
    が吸気ポートを完全に通過するような燃料の噴射角を有
    していることを特徴とする請求項６に記載の成層燃焼型
    内燃エンジン。
  8. 【請求項８】燃料噴射手段は、他方の導入通路のストレ
    ート部位に配置された別の燃料噴射弁を更に備えてお
    り、この別の燃料噴射弁は、少なくとも内燃エンジンが
    高負荷で運転されるときに作動されることを特徴とする
    請求項７に記載の成層燃焼型内燃エンジン。
  9. 【請求項９】内燃エンジンは、他の導入通路に連なる吸
    気ポートの近傍に位置した別の点火装置を更に備えてお
    り、この別の点火装置は、少なくとも内燃エンジンが高
    負荷で運転されるときに作動されることを特徴とする請
    求項８に記載の成層燃焼型内燃エンジン。
  10. 【請求項１０】別の点火装置は、内燃エンジンの全運転
    領域で作動されることを特徴とする請求項９に記載の成
    層燃焼型内燃エンジン。
  11. 【請求項１１】別の点火装置は、シリンダボアの中央に
    位置付けられていることを特徴とする請求項10に記載の
    成層燃焼型内燃エンジン。
  12. 【請求項１２】別の点火装置は、シリンダボアの内周壁
    の近傍に位置付けられていることを特徴とする請求項10
    に記載の成層燃焼型内燃エンジン。
  13. 【請求項１３】燃料噴射手段から導入通路内の空気中に
    噴射される燃料の量は、燃焼室に供給された空気と燃料
    との割合である空燃比が理想空燃比よりも大きくなるよ
    うに、設定されていることを特徴とする請求項１に記載
    の成層燃焼型内燃エンジン。
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