JPH08254126A

JPH08254126A - 自動車用エンジン

Info

Publication number: JPH08254126A
Application number: JP7067667A
Authority: JP
Inventors: Norio Mitobe; 典朗水戸部; Isao Shimizu; 功清水; Kunikimi Minamitani; 邦公南谷; Yasuyoshi Hori; 保義堀; Futoshi Nishioka; 太西岡; Tetsushi Hosogai; 徹志細貝; Kenji Oka; 憲児岡; Shuji Terao; 秀志寺尾; Misao Fujimoto; 操藤本; Masaki Harada; 政樹原田
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1995-03-27
Filing date: 1995-03-27
Publication date: 1996-10-01
Anticipated expiration: 2013-08-20
Also published as: JP2788612B2

Abstract

(57)【要約】【目的】自動車用エンジンにおいて、吸気弁及び排気
弁を固定タイミングとしながら、低速トルクを高め、か
つ、高速トルクも充分に確保する。【構成】エンジンの吸気弁５，６の閉時期を低速域で
充填効率を高める低速型タイミングとする一方、排気弁
７，８の開時期を高速域での排気促進に適した高速型タ
イミングとし、排気弁開時期から排気下死点までの期間
を吸気下死点から吸気弁閉時期までの期間よりもクラン
ク角で１０deg 以上大きくする。また、渦流生成用の第
１吸気ポート３と、低速域で閉じられる第２吸気ポート
４とを備えた乱流強度上昇手段を設け、これにより低速
域で燃焼期間を短縮し、高速型タイミングの排気弁７，
８が開く前に十分に排気エネルギーをピストンに与える
ようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一定タイミングで開閉
作動される吸・排気弁を備えた自動車用エンジンに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から、燃焼室及び吸気弁、排気弁等
を備えたエンジン本体と、このエンジン本体に接続され
る吸気系及び排気系等で構成される自動車用エンジンに
おいて、燃焼室内での混合気の燃焼性の向上あるいはト
ルクアップを図るため、吸・排気系の構造や燃焼室形状
等に種々の工夫がなされている。例えば、特開平５−１
０６４５１号公報に示される吸気装置では、スワール生
成用のＰポートと、低負荷時などに閉じられるＳポート
とを備え、上記Ｓポートが閉じられたときに、Ｐポート
からの吸気によって燃焼室内にスワールが生成され、混
合気の着火、燃焼が促進されるようになっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の自動
車用エンジンで、吸気弁及び排気弁が一定タイミングで
開閉されるようになっているものでは、排気弁開時期か
ら排気ＢＤＣ（排気下死点）までの期間と吸気ＢＤＣ
（吸気下死点）から吸気弁閉時期までの期間とが略同程
度に設定されている。つまり、エンジンの低速トルクを
高めようとする場合には、吸気弁及び排気弁がそれぞれ
低速型タイミングに設定され、この低速型タイミングで
は排気弁開時期から排気ＢＤＣまでの期間と吸気ＢＤＣ
から吸気弁閉時期までの期間とが同程度に短くされる。
また、エンジンの高速トルクを高めようとする場合に
は、吸気弁及び排気弁がそれぞれ高速型タイミングに設
定され、この高速型タイミングでは排気弁開時期から排
気ＢＤＣまでの期間と吸気ＢＤＣから吸気弁閉時期まで
の期間とが同程度に長くされる。

【０００４】しかし、このような吸・排気弁の開閉タイ
ミングの設定では、低速域と高速域とにわたってトルク
を高めることが難しい。

【０００５】そこで、吸気弁と排気弁のうちの一方を低
速型、他方を高速型とし、例えば、低速トルクを高める
べく吸気弁を低速型開閉タイミングとするとともに、高
速トルクを補うべく排気弁を高速型開閉タイミングとす
ることが考えられるが、このようにしても、低速域で
は、排気弁が速く開かれることで燃焼エネルギーが排気
側に多く放出されるため、低速トルクを高める作用が損
なわれるという問題が生じる。

【０００６】なお、吸・排気弁の開閉タイミングを運転
状態に応じて変更することで各回転数域でのトルクアッ
プを図るようにしたものがあるが、このようにすると、
開閉タイミング変更のための機構及び制御が複雑にな
る。

【０００７】本発明は、上記の事情に鑑み、吸気弁及び
排気弁を固定タイミングとしながら、低速トルクを高
め、かつ、高速トルクも充分に確保することができる自
動車用エンジンを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、少なくともエンジンの低速域で燃焼室内の混合気を
急速燃焼させて燃焼期間を短縮する急速燃焼手段を備え
るとともに、吸気弁の閉時期を低速域で充填効率を高め
る低速型タイミングとする一方、排気弁の開時期を高速
域での排気促進に適した高速型タイミングとし、排気弁
開時期から排気下死点までの期間を吸気下死点から吸気
弁閉時期までの期間よりもクランク角で１０deg 以上大
きくしたものである。

【０００９】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
のエンジンにおいて、急速燃焼手段として、燃焼室内へ
の吸気導入よる燃焼室内の乱流の強度を上昇させる乱流
強度上昇手段を備え、少なくともエンジンの低速域で上
記乱流強度上昇手段を作動させるようにしたものであ
る。

【００１０】請求項３に記載の発明は、請求項２に記載
のエンジンにおいて、上記乱流強度上昇手段が、燃焼室
内の平均乱流強度を１．５〜２．５ｍ／sec の範囲とす
るようにしたものである。

【００１１】請求項４に記載の発明は、請求項２または
３に記載のエンジンにおいて、上記乱流強度上昇手段
が、渦流生成用の第１吸気ポートと、低速域で閉じられ
る第２吸気ポートとを備えてなるものである。

【００１２】請求項５に記載の発明は、請求項４に記載
のエンジンにおいて、上記第１吸気ポートから流入する
吸気により燃焼室内に形成される渦流の中心線とシリン
ダ中心線とのなす角度を３５°〜５５°の範囲内に設定
するとともに、上記渦流のスワール比を約３以上に設定
したものである。

【００１３】請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５
のいずれかに記載のエンジンにおいて、急速燃焼手段と
して、燃焼室内の火炎伝播距離を短縮する手段を備えた
ものである。

【００１４】請求項７に記載の発明は、請求項６に記載
のエンジンにおいて、燃焼室内の火炎伝播距離を短縮す
る手段として、燃焼室内に複数の点火プラグを配設した
ものである。

【００１５】

【作用】請求項１に記載のエンジンによると、吸気弁閉
時期が低速型タイミングとされることにより、低速域で
充填効率が高められ、低速トルクが高められる。一方、
排気弁の開時期が比較的早い高速型タイミングとされな
がら、上記急速燃焼手段によって燃焼期間が短縮される
ことにより、排気側に燃焼エネルギーが多く放出される
ことが避けられ、低速トルクを高める作用が損なわれな
い。そして、高速域では、排気弁が高速型タイミングと
されていることにより排気が促進されて排気の際のポン
ピングロスが低減されるため、吸気弁が低速型タイミン
グとされることによる高速域でのトルク低下が補われ
る。

【００１６】この発明において、請求項２に記載のよう
に急速燃焼手段として乱流強度上昇手段を備えると、燃
焼室内の乱流強度の上昇により燃焼が促進されて燃焼期
間が短縮されるため、排気弁の開時期を高速型タイミン
グとしながら低速トルクを確保する作用が有効に得られ
る。この場合、請求項３に記載のように燃焼室内の平均
乱流強度を１．５〜２．５ｍ／sec の範囲とすると、着
火性を阻害しない範囲で燃焼速度が充分に高められる。

【００１７】また、請求項４に記載のように上記乱流強
度上昇手段が渦流生成用の第１吸気ポートと低速域で閉
じられる第２吸気ポートとを備えてなるものであると、
第２吸気ポートが閉じられる低速域で、渦流が生成され
ることにより燃焼が促進されて燃焼期間が短縮される。
この場合に、請求項５に記載のように渦流の中心線とシ
リンダ中心線とのなす角度を３５°〜５５°の範囲内に
設定するとともにスワール比を約３以上に設定すると、
平均乱流強度が強められて燃焼速度が充分に高められ
る。

【００１８】また、請求項６に記載のように、急速燃焼
手段として燃焼室内の火炎伝播距離を短縮する手段を備
えるようにしても燃焼期間が短縮され、排気弁の開時期
を高速型タイミングとしながら低速トルクを確保する作
用が有効に得られる。火炎伝播距離を短縮する手段とし
ては例えば請求項７に記載のように燃焼室内に複数の点
火プラグを配設しておくことにより、充分に燃焼期間が
短縮される。

【００１９】

【実施例】本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
先ず、自動車用エンジンの概略を図１によって説明す
る。この図において、１はエンジン本体であり、その各
気筒には燃焼室２が形成され、この燃焼室２には、後に
詳述するような第１，第２の吸気ポート３，４及び第
１，第２の排気ポート５，６が開口し、これらのポート
３〜６に吸気弁７，８及び排気弁９，１０が装備されて
いる。

【００２０】また、エンジンの吸気系２０は、後に詳述
するような吸気マニホールド２１と、その上流側の共通
吸気通路３０とを備え、共通吸気通路３０には上流側か
ら順にエアクリーナ３１、熱式エアフローセンサ３２及
びスロットル弁３３が配設されている。さらに、上記ス
ロットル弁３３をバイパスする吸気バイパス通路３４が
形成されている。この吸気バイパス通路３４は、アイド
ル時等に吸入空気量を調節するためのＩＳＣ通路３５と
冷間時の吸入空気量増量のためのエア通路３６とを含ん
でいる。上記ＩＳＣ通路３５には、デューティ制御され
てＩＳＣ通路３５の空気流量をコントロールするＩＳＣ
バルブ３７が設けられ、また、上記エア通路３６には冷
間時に開く温度感応型バルブ３８が設けられている。

【００２１】また、吸気系２０の下流側の吸気ポート付
近には、各気筒別に燃料を噴射供給するインジェクタ４
０が設けられるとともに、第２吸気ポート４を開閉する
開閉弁４１が設けられている。この開閉弁４１は負圧応
動式のアクチュエータ４２により作動され、これに対す
る駆動系には、吸気マニホールド２１のサージタンクか
ら導入した負圧を蓄えるバキュームタンク４３と、この
タンク４３とアクチュエータ４２との間に配置されてア
クチュエータ４２に対する負圧の給排を行なう電磁弁４
４等が設けられている。

【００２２】上記インジェクタ４０は、噴口近傍にミキ
シングエアを導入することにより燃料を微粒化するよう
にした所謂ＡＭＩ（エアミクスチャータイプインジェク
タ）である。このインジェクタ４０に対し、燃料タンク
４５から燃料ポンプ４６及びフィルター４７を介して燃
料を供給する燃料供給通路４８、プレッシャレギュレー
タ４９が介設されたリターン通路５０等からなる燃料供
給系が設けられるとともに、ミキシングエア供給系及び
蒸発燃料供給系が設けられている。

【００２３】上記ミキシングエア供給系は、エア制御バ
ルブ５１を備えたＡＭＩ用エア供給通路５２を備え、こ
のＡＭＩ用エア供給通路５２は、上流側が前記吸気バイ
パス通路３４に接続され、下流側が分岐して各インジェ
クタ４０に接続されている。上記エア制御バルブ５１は
アイドル時及び高負荷時に閉じ、それ以外のときにエア
をインジェクタ４０に供給するようになっている。

【００２４】また、蒸発燃料供給系は、キャニスタ５６
から延びるパージ通路５７を備え、このパージ通路５７
にパージソレノイドバルブ５８が設けられている。上記
パージ通路５７はＡＭＩ用エア供給通路５２の分岐点上
流に形成されたミキシングチャンバー５５に接続されて
いる。そして、燃料タンク等において発生しキャニスタ
５６にトラップされた蒸発燃料が、上記パージソレノイ
ドバルブ５８が開かれたときにパージ通路５７を介して
各インジェクタ４０の噴口近傍に供給され、吸気行程中
に燃料噴霧とともに各気筒の燃焼室２に供給されるよう
になっている。

【００２５】一方、排気系には、混合気の空燃比に対応
する排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ６
０と、触媒装置６１とが設けられている。

【００２６】また、エンジンの制御のための各種検出要
素として、上記エアフローセンサ３２、酸素濃度センサ
６０のほかに、スロットル弁の開度を検出するスロット
ル開度センサ６２、スロットル全閉を検出するアイドル
スイッチ６３、吸気温を検出する吸気温センサ６４、エ
ンジン水温を検出する水温センサ６５、エンジンのノッ
キングを検出するノックセンサ６６等が設けられ、さら
に点火系のディストリビュータ６７には、クランク角信
号を出力するクランク角センサ６８、及び気筒判別信号
を出力する気筒判別センサ６９が設けられている。

【００２７】これらの検出要素からの信号は、エンジン
制御用のコントロールユニット（ＥＣＵ）７０に入力さ
れている。そして、上記コントロールユニット７０によ
り上記インジェクタ４０からの燃料噴射量及び噴射タイ
ミングが制御され、さらに上記ＩＳＣバルブ３７、上記
開閉弁４１の駆動系における電磁弁４４、エア制御バル
ブ５５、パージソレノイドバルブ５８等もコントロール
ユニット７０によって制御されるようになっている。

【００２８】また、この自動車用エンジンには、少なく
とも低速域で燃焼室内の混合気を急速燃焼させて燃焼期
間を短縮する急速燃焼手段が設けられ、例えば、燃焼室
内への吸気導入よる燃焼室内の乱流の強度を上昇させる
乱流強度上昇手段や、燃焼室内の火炎伝播距離を短縮す
る手段が急速燃焼手段として設けられている。このよう
な急速燃焼手段の具体例を、図２〜図６によって説明す
る。

【００２９】図２は燃焼室及び吸・排気ポートの概略平
面図、図３は燃焼室と第１吸気ポート及び第１排気ポー
トを縦断する部分の概略断面図、図４は燃焼室と第２吸
気ポート及び第２排気ポートを縦断する部分の概略断面
図であり、また、図５はシリンダヘッドの燃焼室構成部
分を下方から見た底面図、図６は燃焼室と第１吸気ポー
ト及び第１排気ポートを縦断する部分の詳細断面図であ
る。これらの図において、エンジン本体１は、急速燃焼
手段の一つとして乱流強度上昇手段を備え、この乱流強
度上昇手段は、渦流生成用の第１吸気ポート３と、低速
時に閉じられる第２吸気ポート４とを有している。さら
に、コンパクトな燃焼室構造とすることで火炎伝播距離
を短縮し、これによっても燃焼期間を短縮するようにし
ている。

【００３０】具体的に説明すると、エンジン本体１の各
気筒においては、基本的には、第１，第２吸気弁７，８
が開かれたときに第１，第２吸気ポート３，４から燃焼
室２内に混合気が吸入され、この混合気がピストン１１
で圧縮された後に点火プラグ１２によって着火、燃焼さ
せられ、第１，第２排気弁９，１０が開かれたときに燃
焼ガスが第１，第２排気ポート５，６から排出されるよ
うになっている。そして、上記第１吸気ポート（以下、
Ｐポートという）３にインジェクタ４０が設けられる一
方、上記第２吸気ポート（以下、Ｓポートという）４も
しくはその上流の通路（後記Ｓ側分岐通路２３ｓ）に、
運転状態に応じて開閉制御される開閉弁４１が設けら
れ、この開閉弁４１が閉じられたときに、Ｐポート３か
ら燃焼室２内へ導入される吸気によって燃焼室２内に強
いスワール（渦流）が生成されるようになっている。

【００３１】当実施例では、タンブル・スワールコント
ロールバルブとしての上記開閉弁（以下、ＴＳＣバルブ
という）４１が閉じられたときに、タンブル（縦渦）と
スワール（横渦）とを複合させた強力な螺旋状の斜めス
ワールが燃焼室２内に生成されるように、ポート配置や
ポート形状等が設定されている。

【００３２】より詳細に説明すると、上記Ｐポート３及
びＳポート４は、吸気流れ方向上流部において略直線状
に延びるストレート部３ａ，４ａと、このストレート部
３ａ，４ａの下流端近傍において下方に湾曲してそれぞ
れの弁座１３，１４に至る湾曲部３ｂ，４ｂとによって
構成されている（図３，図４参照）。そして、上記Ｐポ
ート３及びＳポート４におけるそれぞれのストレート部
３ａ，４ａのポート中心線Ｌｐ１，Ｌｓ１の延長線が、
上記弁座１３，１４と第１，第２吸気弁７，８の最大リ
フト時において燃焼室２の中心側に位置する弁端部７
ａ，８ａとの間を通るように設定されている。これによ
り、Ｐ，Ｓポート３，４から燃焼室２に供給される吸気
の流通抵抗が低減する。なお、上記ポート中心線Ｌｐ
１，Ｌｓ１の延長線が上記弁座１３，１４と弁端部７
ａ，８ａとの中心を通るように設定するのが最適であ
る。

【００３３】上記燃焼室２は、シリンダヘッド１ａの下
面をペントルーフ形状としたペントルーフレンズ型燃焼
室とされており、上記吸気弁７，８と排気弁９，１０と
のバルブ挾み角θは３０°程度に狭くされ、ＤＯＨＣ直
接駆動タイプの動弁機構（図示せず）によって駆動され
るようになっている。また、第１吸気弁７のバルブ中心
線Ｌ１とＰポート３のスロート中心線Ｌｐ１とのなす角
度（スロートオフセット角α１）は比較的大きく、第２
吸気弁８のバルブ中心線Ｌ２とＳポート４のスロート中
心線Ｌｓ１とのなす角度（スロートオフセット角α２）
は比較的小さく設定されており、例えばα１＝３０°、
α２＝１２°とされている。このようにして、Ｐポート
３のみから吸気が行なわれるときには傾斜角（シリンダ
中心線とのなす角度）γが３５°〜５５°の渦流Ｓが生
成されるようになっている。また、Ｓポート４は燃焼室
２内にタンブルＴを生成するようになっている。

【００３４】また、上記両吸気弁７，８は、それぞれ、
弁軸部７ｂ，８ｂと傘部７ｃ，８ｃとからなり、傘部７
ｃ，８ｃの下面が燃焼室２の天井面と平行となるように
配置されている。第１吸気弁７のバルブ傘角（傘部の下
面と上面のなす角）β１は第２吸気弁８のバルブ傘角β
２よりも大きく設定されている。これにより、バルブリ
フト時における第１吸気弁７とＰポート３のスロート部
との間の流路が第２吸気弁８とＳポート４のスロート部
との間の流路よりも狭くなり、従って、Ｐポート３側で
は吸気流速が高められ、Ｓポート４側では流量が確保さ
れる。

【００３５】さらに、Ｐポート３の出口下部にはポート
エッジ１５が形成され、かつ、燃焼室２における第１吸
気弁７回りにはスキッシュエリア１６が形成されてお
り、これらによってＰポート３から排気弁側への吹出流
速が高められるようになっている。

【００３６】このようにして乱流強度上昇手段が構成さ
れており、この乱流強度上昇手段によると、Ｐポート３
からの吸気によってタンブルとスワールとを複合させた
強力な渦流が得られること等により、燃焼速度が高めら
れる。

【００３７】つまり、図８に示すように、スワールは、
吸気から圧縮行程前半にかけての乱れ強さが大きくて、
混合気均一化の効果が大きいが、圧縮行程後期の乱れ強
さは小さくなり、逆にタンブルは、圧縮行程前半の乱れ
強さは小さいが圧縮行程後期の乱れ強さが大きくなる。
そして、上記の吸気ポート構造による場合は、スワール
とタンブルとの両方の利点が得られて吸気行程から圧縮
行程までにわたる平均乱流強度が高められる。図７はス
ワール比Ｓｒが３．３の場合と４．２の場合とにつき、
スワール傾斜角（スワールの中心線とシリンダ中心線と
のなす角）γと平均乱流強度Ｒとの関係を示しており、
この図に示すように、スワール比Ｓｒを約３以上とする
とともにスワール傾斜角γを３５°〜５５°の範囲と
し、特に望ましくは４５°とすることにより、平均乱流
強度が大幅に高められ、混合気均一化及び燃焼速度が向
上される。なお、着火性を阻害しない範囲で燃焼速度を
高めるため、平均乱流強度は１．５〜２．５m/sとする
ことが好ましい。

【００３８】ここで、上記スワール比の定義及び求め方
を説明しておく。上記スワール比とは、一般的には気筒
内の混合気（吸入空気）の横渦の旋回数をエンジン回転
数で割った値で定義される。

【００３９】そして、混合気の横渦の旋回数は、例えば
図９に示すようなボア径がＤであるエンジンにおいて
は、シリンダヘッド下面Ｆ₁ から１．７５Ｄの距離だけ
下方の位置Ｆ₂ にインパルススワールメータ８０を配置
し、このインパルススワールメータ８０に作用するトル
ク（インパルススワールメータトルク）を検出し、この
インパルススワールメータトルクに基づいてよく知られ
た手法で算出する。なお、図７において、Ｆ₃ は下死点
位置にあるピストン１１の頂面を示している。

【００４０】インパルススワールメータトルクは、次の
ような手順で測定する。すなわち、上記Ｆ₂ の位置にイ
ンパルススワールメータ８０を配置し、ピストン頂面に
作用するスワールのエネルギーをインパルススワールメ
ータ８０で再現させることによって、通常時においてピ
ストン頂面付近にどの程度の旋回エネルギーが存在する
かを測定する。インパルススワールメータ８０は多数の
ハニカムを備えていて、インパルススワールメータ８０
にスワールが作用すると、各ハニカムにそれぞれスワー
ル流れ方向の力が作用し、各ハニカムにかかる力を積算
することによって全体に作用するインパルススワールメ
ータトルクＧを算出する。

【００４１】より詳しくは、吸気弁が開いてから下死点
までの期間は燃焼室２内に混合気が吸入されていると仮
定すると、この期間中は混合気が燃焼室２の内周面に沿
って旋回し、その旋回速度が下死点位置で最大となる。
従って、吸気弁が開き始めてから下死点までの各クラン
ク各毎の角運動量を積算すれば、スワール比が求まるこ
とになる。かかる知見に基づいて、本例においては、ス
ワール比Ｓｒを次の(1)式及び(2)式によって算出するよ
うにしている。

【００４２】

【数１】Ｓr＝ηv・{Ｄ・Ｓ・∫(cf・Ｎr・dα)}／{ｎ・ｄ²・(∫cf・dα)²} ……(1) Ｎr＝８・Ｇ／(Ｍ・Ｄ・Ｖ₀) ……(2) ただし、Ｓrはスワール比、ηvは体積効率（ηv＝
１）、Ｄはボア径、Ｓはストローク、ｎは吸気弁数、ｄ
はスロート径、cfは各バルブリフトに対する流量係数、
Ｎrは各バルブリフトに対する無次元リグスワール値、
αはクランク角、Ｇはインパルススワールメータトル
ク、Ｍは吸気行程中にシリンダ内に充填された空気の質
量、Ｖ₀は速度ヘッドである。

【００４３】なお、上記(2)式は、次のような手順で導
き出される。

【００４４】

【数２】Ｇ＝Ｉ・ωr ……(3) Ｉ＝Ｍ・Ｄ²／８ ……(4) (4)を(3)に代入Ｇ＝Ｍ・Ｄ²・ωr／８ ……(5) (5)よりＤ・ωr＝８・Ｇ／(Ｍ・Ｄ) ……(6) ところでＮr＝Ｄ・ωr／Ｖ₀ ……(7) (6)を(7)に代入Ｎr＝８・Ｇ／(Ｍ・Ｄ・Ｖ₀) ただし、Ｉは吸気行程終期（ピストン下死点）における
シリンダ内の空気の慣性モーメント、ωrはリグスワー
ル値である。

【００４５】また、上記の図２〜図６に示す燃焼室２
は、ピストンストロークと比べてシリンダボア径が小さ
くされ、かつ、上記のようなペントルーフレンズ型燃焼
室とされるとともに、周辺部にスキッシュエリア１６，
１７，１８が形成されることにより、燃焼室中央部に位
置する点火プラグ１２から燃焼室周辺までの火炎伝播距
離を可及的に短くするコンパクト燃焼室となっている。

【００４６】ちなみに、エンジン基本諸元の好ましい一
例を示しておくと、４サイクル４気筒のＤＯＨＣエンジ
ンで、排気量を約１５００ｃｃ、ボア径を約７５mm、ス
トロークを約８４mmとし、圧縮比は、熱効率上高めが好
ましいがノッキング限界の向上及びエミッションを考慮
して９．４とする。

【００４７】また、上記吸気弁７，８及び排気弁９，１
０の開閉タイミングは、図１０に実線で示すように設定
されている。すなわち、排気弁は排気ＢＤＣ（下死点）
より前に開き始めてＴＤＣ（上死点）付近で閉じ、吸気
弁はＴＤＣ付近で開き始めて吸気ＢＤＣよりも後に閉じ
るが、とくに、吸気弁は、閉時期ＩＣが比較的早い時期
（ＢＤＣからの期間が比較的短い時期）とされて、低速
域での吸入量増大（吸気の吹き返し抑制）に適した低速
型タイミングとなっている。一方、排気弁は、開時期Ｅ
Ｏが比較的早い時期（ＢＤＣまでの期間が比較的長い時
期）とされて、高速域での排気促進に適した高速型タイ
ミングとなっている。そして、排気弁開時期ＥＯから排
気ＢＤＣまでの期間Ｔｅが吸気ＢＤＣから吸気弁閉時期
ＩＣまでの期間Ｔｉよりも１０degCA 以上大きくなって
いる。例えば、排気弁の開時期ＥＯがBBDC５０degCA 、
同閉時期がATDC０degCA、吸気弁の開時期がBTDC１０deg
CA、同閉時期ＩＣがABDC３３degCA とされている。これ
らの時期は、カムの最大ランプ高さの点をもって定義し
たものである。

【００４８】なお、図１０中の破線は従来のエンジンに
おける吸気弁及び排気弁の開閉タイミングの一例を示し
ており、このように、従来では排気弁開時期から排気Ｂ
ＤＣまでの期間と吸気ＢＤＣから吸気弁閉時期までの期
間とが略同程度（両者の差が５degCA 以下）となってい
る。

【００４９】図１１〜図１３は吸気マニホールド２１の
具体的構造を示している。これらの図に示す吸気マニホ
ールド２１は、吸気の動的効果（慣性効果）が低速域で
同調する状態と高速域で同調する状態とに切替可能とさ
れることにより、切替機構がない（動的効果がない）場
合に比べて低速域及び高速域で吸気充填効率が高めら
れ、さらに、これらの領域間のトルクを向上することに
よりリーンバーン領域の拡大に寄与する低速全域のトル
クを向上させたレゾナンスチャンバーを備えている。

【００５０】上記吸気マニホールド２１は上半部２１ａ
と下半部２１ｂとからなり、上半部２１ａの下面と下半
部２１ｂの上面とが接合された状態で一体化されてい
る。上記上半部２１ａには、気筒列方向に延びる吸気通
路集合部としてのサージタンク２２が形成されている。
また、上半部２１ａの前面側（図１１，図１２における
左側）から下半部２１ｂの前面側及び下面側にわたる範
囲には、上記サージタンク２２に連通する気筒別の独立
吸気通路２３が形成され、図１３に示す例では４気筒エ
ンジンに適用すべく第１〜第４の４つの独立吸気通路２
３が形成されている。

【００５１】つまり、上半部２１ａには各独立吸気通路
２３の上流側部分２３ａが形成され、これらがサージタ
ンク２２に連なっており、また、下半部２１ｂには各独
立吸気通路２３の下流側部分２３ｂが形成され、その下
流端が、エンジン本体１のシリンダヘッドの一側部に接
続される取付フランジ２４に開口している。上記サージ
タンク２２は、上半部２１ａの一端側において図外にス
ロットルボディに連結されており、スロットルボディを
通った空気がサージタンク２２に内に導入され、上記各
独立吸気通路２３を経て燃焼室に供給されるようになっ
ている。

【００５２】上記各独立吸気通路２３は、下流側部分に
おいて、各気筒のＰポートに連なるＰ側分岐通路２３ｐ
と、Ｓポートに連なるＳ側分岐通路２３ｓとに、隔壁２
５にて分岐されている。さらに、上記各Ｓ側分岐通路２
３ｓには、前記ＴＳＣバルブ４１が配設されている。こ
の各ＴＳＣバルブ４１は、各分岐通路を気筒列方向に貫
通した弁軸４１ａに一体に開閉回動するように連結され
ている。そして、この弁軸４１ａの端部にアクチュエー
タ４２が連結されており、このアクチュエータ４２の作
動により各ＴＳＣバルブ４１が開閉されるようになって
いる。

【００５３】また、上記サージタンク２２と、その下方
の独立吸気通路２３との間に、気筒列方向に延び、かつ
サージタンク２２に連通するレゾナンスチャンバー２６
が設けられており、このレゾナンスチャンバー２６のエ
ンジン本体側の側方には縦壁２７が設けられている。そ
して、サージタンク２２と独立吸気通路２３と縦壁２７
とでレゾナンスチャンバー２６が囲われている。

【００５４】つまり、上記レゾナンスチャンバー２６
は、吸気マニホールド２１の下半部２１ｂの上面に設け
られて上方に開口した凹部を上半部２１ａで覆って形成
されている。上記縦壁２７は、吸気マニホールド２１が
上半部２１ａと下半部２１ｂとに分割されているのに伴
い、上部２７ａと下部２７ｂとに分割されている。そし
て、上記サージタンク２２は比較的小さな容量に形成さ
れているのに対し、レゾナンスチャンバー２６は大きな
容量を有するように形成されている。

【００５５】また、上半部２１ａの後面側には、気筒列
方向に延びる連通路２８が形成され、この連通路２８の
一端２８ａがレゾナンスチャンバー２６に、また他端２
８ｂがサージタンク２２にそれぞれ開口されている。さ
らに、上記上半部２１ａには、後に詳述するインジェク
タ４０に対するミキシングエア供給系の通路５２の一部
が設けられている。

【００５６】このような吸気マニホールド２１におい
て、上記ＴＳＣバルブ４１が閉じられた状態では低速側
（例えば２０００rpm 程度）で吸気の動的効果が同調
し、ＴＳＣバルブ４１が開かれた状態では比較的高速側
（例えば３５００〜４０００rpm）で吸気の動的効果が
同調するように、上記独立吸気通路２３の長さ、通路面
積等が設定されている。

【００５７】また、このようにするだけでは、図１４に
破線で示すように低速側及び比較的高速側でトルクが高
められてこれらの中間部でトルクの谷が生じるが、上記
のようにサージタンク２２は比較的小さな容量とされて
これに容量の大きいレゾナンスチャンバー２６が接続さ
れることにより、レゾナンスチャンバー２６による共鳴
作用で上記中間部で吸気充填量が高められ、同図に実線
で示すようにトルクがなだらかに変化するようになって
いる。なお、同図中の一点鎖線は、吸気の動的効果がな
い場合のトルク変化である。

【００５８】以上のような当実施例の自動車用エンジン
によると、吸気弁７，８は閉時期が比較的早い低速型と
なっているため、低速域で吸気の吹き返しが防止されて
充填効率が高められ、低速トルクが高められる。一方、
排気弁９，１０は開時期が比較的早い高速型のタイミン
グとなっているが、燃焼期間を短縮する急速燃焼手段が
設けられていることにより、低速トルクを高める作用が
維持される。つまり、上記の図２〜図６に示すような構
造の乱流強度上昇手段により、ＴＳＣバルブ４１が閉じ
られる低速域では斜めスワールが生成されて燃焼速度が
早められ、さらにコンパクトな燃焼室構造によって火炎
伝播距離が短縮され、これらの作用で燃焼期間が短縮さ
れるため、排気弁９，１０の開時期を早くしても、燃焼
エネルギーは排気弁が開く前に十分にピストンに与えら
れ、排気側に燃焼エネルギーが多く放出されるようなこ
とはなく、低速トルクを高める作用は損なわれない。

【００５９】そして、高速域では、排気弁９，１０が高
速型タイミングとされていることにより排気が促進され
て排気の際のポンピングロスが低減されるため、吸気弁
７，８が低速型タイミングとされることによる高速域で
のトルク低下が補われることとなる。

【００６０】なお、上記実施例では、急速燃焼手段とし
て、渦流生成用のＰポート３と低速域で閉じられるＳポ
ート４とを有する乱流強度上昇手段と、コンパクトな燃
焼室構造により火炎伝播距離を短縮する手段とを設けて
いるが、乱流強度上昇手段と火炎伝播距離を短縮する手
段とのうちのいずれか一方のみを設けるようにしてもよ
い。

【００６１】また、火炎伝播距離を短縮する手段として
は、上記実施例に示すようなコンパクトな燃焼室構造の
ほかに、例えば図１５に示すように、燃焼室２内の複数
箇所に点火プラグ１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃを配設するこ
とにより、各点火プラグからの実質的な火炎伝播距離を
短縮して急速燃焼を行なわせる構造等も採用することが
できる。

【００６２】このほかにも自動車用エンジンの各部の構
造は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更して差
し支えない。

【００６３】

【発明の効果】以上のように本発明のエンジンによる
と、吸気弁を閉時期が早い低速型タイミングとすること
により低速域での充填効率を高め、かつ排気弁を高速型
タイミングとしながらも急速燃焼手段で燃焼期間を短縮
することにより排気側への燃焼エネルギーの放出を抑制
して、有効に低速トルクを高めることができるととも
に、排気弁を高速型タイミングとすることにより、吸気
弁が低速型タイミングであることによる高速域でのトル
ク低下を補うことができる。従って、吸・排気弁が固定
タイミングでありながら、低速トルクを高め、かつ高速
トルクも充分に確保することができる。

【００６４】この発明において、急速燃焼手段として乱
流強度上昇手段を用い、燃焼室内の乱流強度を高めるよ
うにすれば、有効に燃焼期間を短縮することができ、と
くに燃焼室内の平均乱流強度を１．５〜２．５ｍ／sec
の範囲とすることにより着火性を阻害しない範囲で燃焼
期間を充分に短縮し、上記効果を高めることができる。
さらに具体的には、燃焼室内に角度が３５°〜５５°の
範囲内の斜め方向の渦流を生成し、スワール比を約３以
上としておくと、平均乱流強度を充分に上昇させること
ができて、上記効果を高めることができる。

【００６５】また、急速燃焼手段として燃焼室内の火炎
伝播距離を短縮する手段を備え、例えば燃焼室内に複数
の点火プラグを配設するようにしても、上記効果を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のエンジンの一実施例を示す概略図であ
る。

【図２】燃焼室構造を示す概略平面図である。

【図３】第１吸気ポート側の概略断面図である。

【図４】第２吸気ポート側の概略断面図である。

【図５】シリンダヘッドの燃焼室構成部分を下方から見
た底面図である。

【図６】燃焼室と第１吸気ポート及び第１排気ポートを
縦断する部分の詳細断面図である。

【図７】平均乱流強度の特性図である。

【図８】スワールとタンブルの比較を示す図である。

【図９】スワールについての測定手段及び測定の手法を
示す説明図である。

【図１０】バルブタイミングを示す図である。

【図１１】吸気マニホールド部分の断面図である。

【図１２】吸気マニホールド部分の別の位置の断面図で
ある。

【図１３】図１１のXIII−XIII線に沿って見た図である

【図１４】エンジントルクの特性を示す図である。

【図１５】急速燃焼手段の別の例を示す概略平面図であ
る。

【符号の説明】

１エンジン本体２燃焼室３，４吸気ポート５，６排気ポート７，８吸気弁９，１０排気弁１２点火プラグ１６，１７，１８スキッシュエリア４１開閉弁

───────────────────────────────────────────────────── 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Ｆ０２Ｄ 41/02 ３０１Ｆ０２Ｄ 41/02 ３０１Ｇ 43/00 ３０１ 43/00 ３０１Ｚ３０１ＵＦ０２Ｍ 69/00 ３６０Ｆ０２Ｍ 69/00 ３６０Ａ３６０Ｃ (72)発明者堀保義広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内 (72)発明者西岡太広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内 (72)発明者細貝徹志広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内 (72)発明者岡憲児広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内 (72)発明者寺尾秀志広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内 (72)発明者藤本操広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内 (72)発明者原田政樹広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくともエンジンの低速域で燃焼室内
の混合気を急速燃焼させて燃焼期間を短縮する急速燃焼
手段を備えるとともに、吸気弁の閉時期を低速域で充填
効率を高める低速型タイミングとする一方、排気弁の開
時期を高速域での排気促進に適した高速型タイミングと
し、排気弁開時期から排気下死点までの期間を吸気下死
点から吸気弁閉時期までの期間よりもクランク角で１０
deg 以上大きくしたことを特徴とする自動車用エンジ
ン。
【請求項２】急速燃焼手段として、燃焼室内への吸気
導入よる燃焼室内の乱流の強度を上昇させる乱流強度上
昇手段を備え、少なくともエンジンの低速域で上記乱流
強度上昇手段を作動させるようにしたことを特徴とする
請求項１記載の自動車用エンジン。
【請求項３】上記乱流強度上昇手段は、燃焼室内の平
均乱流強度を１．５〜２．５ｍ／sec の範囲とするもの
であることを特徴とする請求項２記載の自動車用エンジ
ン。
【請求項４】上記乱流強度上昇手段は、渦流生成用の
第１吸気ポートと、低速域で閉じられる第２吸気ポート
とを備えてなるものであることを特徴とする請求項２ま
たは３に記載の自動車用エンジン。
【請求項５】上記第１吸気ポートから流入する吸気に
より燃焼室内に形成される渦流の中心線とシリンダ中心
線とのなす角度を３５°〜５５°の範囲内に設定すると
ともに、上記渦流のスワール比を約３以上に設定したこ
とを特徴とする請求項４記載の自動車用エンジン。
【請求項６】急速燃焼手段として、燃焼室内の火炎伝
播距離を短縮する手段を備えたことを特徴とする請求項
１乃至５のいずれかに記載の自動車用エンジン。
【請求項７】燃焼室内の火炎伝播距離を短縮する手段
として、燃焼室内に複数の点火プラグを配設したことを
特徴とする請求項６記載の自動車用エンジン。