JPH10500750A - 改良された弁配置を有する燃焼室システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 内燃機関用の吸込および排気システムであって、各シリンダー（１２）に二つの吸込弁（１４）および一つの排気弁（１６）を使用する上記システム。三つの弁は好ましくは円形で、シリンダーヘッドのシリンダー中心線の周りに間隔をおいている。二つの吸込弁（１４）はそれら同士よりも排気弁（１６）に接近していてもよい。或いは二つの吸込弁は排気弁よりも互いに接近していてもよく、そして二つのスパークプラグ（１８）を備えてもよく、各プラグは吸込弁（１４）と排気弁（１６）との間にある。最良の結果を得るには、二つの吸込弁（１４）は実質的に同じ直径を有し、排気弁（１６）の直径は吸込弁（１４）の直径に対して約１：１ないし１：１．２である。シリンダーヘッドは三つの実質的に半球形のくぼみ（２６）を有し、夫々が上記弁の一つを収納する。スカッシュ（ｓｑｕｉｓｈ）領域を、隣接する一対の弁の間の燃焼室の周辺に設けるのが好ましい。本発明は迅速で均一な低燃焼を与え、高圧縮比の使用および低オクタン価の無鉛ガソリンの使用を許し、そして改良された熱効率を与える。

Description

【発明の詳細な説明】 改良された弁配置を有する燃焼室システム 発明の背景 発明の利用分野 本発明は全体として内燃機関の改良に関し、更に詳しくは、これらの機関に使 用するために、改良された弁およびスパークプラグのレイアウトを有する、改良 されたシリンダーヘッドおよびピストンの配置に関する。従来の技術 多くの種々の吸込弁および排気弁の配置が数年にわたって内燃機関用、特に自 動車用に開発された。かかるエンジンの殆んどが各シリンダーに一つの吸込弁と 一つの排気弁とを、一つのスパークプラグと共に用いている。従来技術の配置は ６５％を越える範囲の排気面積／吸込面積を用いている。多くの努力が弁の大き さと配列、燃焼室の形状等を最適にするのに指向していた。自動車で、性能を維 持又は改良しながら燃焼効率を改良することへの大きな要請があったので、多様 の種々の弁およびスパークプラグの構造および配列が設計されそしてテストされ た。これらのいくつかでは、複数個の弁とスパークプラグとが使用された。発明が解決しようとする課題 一つのシリンダーにつき４個の弁、即ち２個の吸込弁と２個の排気弁、の配列 が、例えばアカナ（Ａｋａｎａ）による米国特許第３，４１１，４９０号に開示 された。今日、多くの高性能自動車は４バルブシステムと１個又はそれ以上のス パークプラグとを使用している。これらの高性能自動車においては、幾つかのス パークプラグを燃焼室の周囲に、１個の中央に位置する追加のスパークプラグと 共に設けてもよい。これらの４個の弁、複数個のスパークプラグのエンジンの製 造および操作は複雑でありそして費用がかかり、効率の良い操作には複雑なコン ビュータ制御が必要である。 ウェスレーク（Ｗｅｓｌａｋｅ）は米国特許第２，６５２，０３９号で、ピス トン上のシリンダー室に燃料を供給するシリンダーに隣接したくさび形燃焼室を 有する内燃機関のための複雑なシリンダーヘッド配列を記載している。燃焼室は 吸込弁、排気弁および一つのスパークプラグを有する。２番目の吸込弁がシリン ダー室に設けられている。空気と燃料の薄い混合物が燃焼室に入り、燃焼が開始 し、そして濃厚な混合物がシリンダー室を通って入りそしてもとの燃焼混合物に 加わる。この非常に複雑なシステムは首尾よくいかなかったようで、決して製造 にはつながらなかったようである。 別の三弁システムがフォン セガーン（Ｖｏｎ Ｓｅｇｅｒｎ）外による米国 特許第３，４４３，５５２号に記載されている。ここでは、基本的には慣用の、 単一の吸込弁と単一の排気弁とを第１の慣用の燃焼室と共に有するシリンダーヘ ッドが設けられている。更に、中心に位置する補助室がシリンダー軸上に、該シ リンダーから離れて第１の燃焼室とガス流が流通するように位置する。該補助室 は単一の吸込弁とスパークプラグとを有する。燃焼が補助室で開始し、添加され た燃料混合物が導入される主燃焼室に拡がる。これもまた複雑で面倒なシステム であり、実用的でないことがわかったようである。 このように、多数弁および／又は多数個スパークプラグの数多くの種々の配置 が設計されたが、どれも構造の単純さ、最高の燃料効率および最高の性能につい ての最適な組合わせを与えなかった。このように、多くの種類の自動車エンジン 燃料と空気導入と排気除去技術があるにもかかわらず、低価格でより大きい全体 的効率を与えるための改良が絶えず要求されている。 従って、本発明の目的は、単純で、容易に製造でき、増大した作業効率を有す る内燃機関燃焼室システムを提供することである。本発明の別の目的は、増大し た燃料効率と高い性能との両方を与える上記のシステムを提供することである。 更に別の目的は、高い熱効率を有する上記のシステムを提供することである。更 に別の目的は、多様の燃料を用いて高圧縮比で操作することができるシステムを 提供することである。課題を解決するための手段 上記のおよびその他の目的は、ピストンとシリンダーヘッドとを含み、これら の間で燃焼室を形成する、内燃機関に使用するための三弁燃焼室システムにより 基本的には達成される。該システムはシリンダーヘッド中に、シリンダー軸の周 りに互いに離れた３個の弁を含み、該弁の二つは吸込弁として作用するのに適合 し、３番目の弁は排気弁として作用するのに適合する。２個の吸込弁は好ましく は同じ直径と表面積を有し、排気弁は好ましくは同じ又は僅かに大きい直径を有 する。排気弁全断面積／吸込弁全断面積の比は、理想的には６５％未満であり、 ５０％ないし６５％の範囲であることができる。 第１の変形において、３つの周辺のスパークプラグが、隣接する弁と燃焼室の 端部とに囲まれた領域内の実質的に中央に位置する。中央の第４のスパークプラ グを、実質的にシリンダー軸上に３個の弁に囲まれて配置してもよい。第２の変 形では、実質的にシリンダー軸上に位置し、３個の弁に囲まれた単一の中央スパ ークプラグを有する。所望により、本発明のシステムは、ジーゼル、又はスパー クプラグ以外の点火システムを用いたその他のエンジンに使用し得る。 燃焼室の一側面を形成するシリンダーヘッド表面は、各弁を収容する半球形の へこみを有し、ピストンは、隣接する弁と燃焼室の端部との間に位置するシリン ダーヘッド上のほぼ平らな領域に対応して、ほぼ平らな領域を有する。これらの 向かい合う平らな領域は、エンジン作動中に平らなピストンとヘッドの領域が互 いに接近するにつれて、非常に効率的な“スカッシュ（ｓｑｕｉｓｈ）”領域が 生じるように構成されている。この配置は燃焼および燃料効率を実質的に改良す る。 好ましい態様において、３個の弁は、各吸込弁と排気弁との間のスペースが２ 個の吸込弁の間の距離よりも小さいような配置で、燃焼室の一側面に向いて置か れる。単一の中央スパークプラグ（又はその他の点火器具）はほぼシリンダー軸 上に位置する。 別の好ましい態様においては、２個の等しい間隔で離れた吸込弁は燃焼室の一 方側に位置し、一つの排気弁は他の側に位置し、そして２個のスパークプラグの 夫々は排気弁の中心と吸込弁の中心との間に引いた線の外側に位置する。吸込弁 とスパークプラグとは排気弁の中心を通って引かれた線の両側に対称的に配置さ れ、そして２個の吸込弁の間に同じ間隔で配置される。スカッシュ領域は、隣接 する各一対の弁の間に燃焼室の端部に沿って位置する。最適には、排気弁と各吸 込弁との間のスカッシュ領域は、排気弁の中心と吸込弁の中心との間で引いた線 に平行な、真直な縁部を有する。図面の簡単な説明 本発明の詳細および好ましい態様は、添付図面を参照するとより理解されるで あろう。 図１は、本発明の第１の態様を示すシリンダーヘッド燃焼室の表面の平面図で あり； 図２は、図１の線２−２を実質的に切断した断面図であり； 図３は、本発明の第２の態様を示す、図１と同様の平面図であり； 図４は、本発明に有用なピストン面構造の平面図であり；そして 図５は、本発明の第３の態様を示す、図１と同様の平面図である。 図６は、本発明の第４の態様を示す、図１と同様の平面図である。好ましい態様の詳細な記述 図１および図２を参照すると、へこんだ燃焼室１２を有するシリンダーヘッド １０が見られる。シリンダーヘッド１０は、該ヘッドをエンジンブロック（図示 なし）に取付けるためおよびその他の目的で、多くの慣用のボルド穴、通気孔お よびその他１１を有する。２個の吸込弁１４が空気又は空気−燃料混合物を燃焼 室に入れるように開口し、そして燃焼中は閉じる。１個の排気弁１６は燃焼中に 閉じ、そして排気ガスを外に出すように開く。最適には、弁１４および１６の面 は円形でありそして３個の弁はシリンダーおよび燃焼室軸の周りに実質的に均一 に配置される。シャフトはシリンダー中心線に対して斜いても又は垂直でもよい ；即ち、所望によりシリンダー中心線に平行でもよい。 吸込弁１４の面は同じ面積を有するのが好ましく、そうすると弁が開いたとき に同じ開口面積が与えられ、そしてそれを流れるガス流が最適効率となるように パターンおよび容量が均一となる。排気弁１６は理想的には吸込弁１４と同じ又 は僅かに大きい直径を有し、好ましくはそれらの直径比は約１：１ないし約１： １．２である。全排気弁断面積／全吸込弁断面積は理想的には６５％未満であり 、そして５０％ないし６５％の範囲であることができる。 小さい排気口断面積および弁を使用すると、４５０フィート／秒程度の高い排 気ガス速度が与えられる。吸込ガス速度は質量、容積および／又は燃焼の存在に 依存して、２２５ないし３００フィート／秒の範囲であろう。この構成は、スロ ットル反応、排気ガスの掃気、充填物純度およびオクタン変化許容度を含めて、 優れた操作特性を生じる。改良された熱効率は熱伝達を著しく低減する。 図１の態様において、一つの中心のスパークプラグ１８がある。中心のスパー クプラグ１８は実質的にシリンダー中心線上に位置するように示され、そして図 示した好ましい配置では燃焼室１２の表面から延長しても、或いは所望により該 表面から僅かにへこんでもよい。 図３に示す別の態様においては、３個の周辺のスパークプラグ２０が使用され ている。最適効率はある場合には、図３の態様において中心に位置する第４のス パークプラグを追加することによって得られるが、図３の態様はコストが低く、 そして多くの場合より大きい又は少なくとも十分な効率を与える。 所望により、１個だけの中心のスパークプラグ１８を使用してもよい。 図４は、図１−３に示す燃焼室１２配列に使用するのに最適なピストン２４の 表面を示す。最適燃焼のために、ピストン２４と燃焼室１２とが向き合う面の間 の部分に“スカッシュ”領域２２を設けるのがしばしば望ましい。その場合、該 領域２２は平らで、ピストンから燃焼室中心線に向かって僅かに先細になってお り、そして対応する領域２６は僅かに平らでありそして僅かに先細になっている ので、これらの二つの領域は、エンジン作動中にピストン２４が燃焼室１２に最 も接近するにつれて、これらの領域中の燃料／空気混合物を燃焼室１２の中心の 方へ強く押しながら、互いに接近する。該領域２２および２６は燃焼室およびシ リンダーの中心線にほぼ垂直である。この“スカッシュ”効果は燃焼効率を改良 することが見出された。へこみ領域（ｒｅｃｅｓｓｅｄ ａｒｅａ）２８は中心 パッド３０の周りにピストン２４の面に形成されて、スカッシュ領域と連合して 所望の圧縮比を与える。へこみ領域２８は、スカッシュ領域と連合して所望の圧 縮比を与えるような寸法にする。 図５は、燃焼室系の別の態様の平面図である。ここで、シリンダーヘッド１０ 中の燃焼室１２は図１に示すものと全体的に類似の構造を有するが、別の弁配列 を有する。吸込弁１４は互い同士よりも排気弁１６により近く位置する。弁間の 寸法関係は前に記載したものと同じである。前に記載したような種類のスカッシ ュフレート２２が隣接バルブ間に設けられ、２個の吸込弁１４間の該スカッシュ フレートは各吸込弁１４と排気弁１６との間のものよりも面積が大きい。図５に 示す態様は、弁を作動するためのオフセットプッシュロッド配列を可能にするの に特に有用である。所望により、図３に示すように各々の隣接する一対の弁の間 の周縁に間隔を置いて、３個のスパークプラグ１８を使用できる。或いは、図３ に示すように配向した３個のスパークプラグと図１に示すような中心に位置する １個のプラグとを一緒に使用できる。 図６は、燃焼室システムの別の態様の平面図を示す。ここで、シリンダーヘッ ド１０内の燃焼室１２は、図１に示すものと全体的に類似の構造を有するが、異 なる弁配置を有する。２個の吸込弁１４は燃焼室１２の一方側に位置し、排気弁 １６は他方の側に位置する。２個のスパークプラグ１８が排気弁１６と各吸込弁 １４との間に位置する。各スパークプラグ１８は、排気弁１６の中心と各吸込弁 １４との間に引いた線の外側に位置する。対称線が排気弁の中心から、吸込弁１ ４の間で該弁１４と等間隔で離れて引くことができる。該対称線の一方側の燃焼 室は他方の側の鏡像である。最適作用のために、スカッシュ領域２２が各隣接バ ルブ対の間に設けられ、排気弁１６と各吸込弁１４との間のスカッシュ領域の端 部は、排気弁１６の中心と吸込弁１４の中心との間を通るように引いた線にほぼ 平行に引いた実質的に直線の線である。図６に示す２個のスパークプラグを有す る配置が好ましいが、所望により、図３に示すような３個の周辺のプラグおよび ／又は図１に示すような１個の中心のプラグも使用できる。 ある種の好ましい材料、寸法および配置を好ましい態様の記載と組合わせて詳 細に記載したが、適切な場合はこれらを変えて、同様の結果が得られる。例えば 、図６に示す態様において、図示のような２個のスパークプラグの代わりに、（ 図５に示すように）シリンダーの中心に１個のスパークプラグを使用できる。本 発明の他の応用、変更および展開が、本願開示を読むことにより当業者によって 行 われるであろう。これらは特許請求の範囲に規定された本発明の範囲に含まれる ように意図されている。

───────────────────────────────────────────────────── 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 Ｆ０２Ｐ 13/00 ３０１ 9524−3Ｇ Ｆ０２Ｐ 13/00 ３０１Ａ 15/02 9524−3Ｇ 15/02

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも１個のピストン、およびシリンダーとシリンダーヘッドとの間で 燃焼室を形成する、協動する該シリンダーと該シリンダーヘッドとを有する内燃 機関に使用するための改良された燃焼室システムであって、下記を特徴とする該 燃焼室システム： 該燃焼室のヘッドにあり、該シリンダーの軸の周りに配置された３個の弁を有 し； 該弁の２つは吸込弁として作用するのに適合した実質的に等しい面積を有し； 該弁の３番目の弁は該吸込弁の一つの面積と実質的に等しいか僅かに大きい面 積を有し、該３番目の弁は排気弁として作用するのに適合し； ２個の該吸込弁は互いに、該排気弁からの距離とは異なる距離だけ離れており ； 該ピストンは、該燃焼室の一つの壁を形成する該ヘッドと隣接して全体的に平 らな表面を有しており；そして 該燃焼室内の空気／燃料混合物を点火するための少なくとも１個のスパークプ ラグを有し、ここで該点火手段は、エンジン作動中のいかなる時点でも、全体的 に平らな表面であるピストン面の下まで延びることなく全体が該ヘッド内に位置 する。 ２．上記の点火手段が、該ヘッド内でほぼシリンダー軸の位置にある１個のスパ ークプラグを含む、請求の範囲第１項記載のシステム。 ３．各弁が実質的に円形であり、そして該吸込弁の直径と該排気弁の直径との比 が約１：１ないし１：１．２である、請求の範囲第１項記載のシステム。 ４．上記シリンダーヘッドが３個の半球形のへこみを有し、各へこみが該弁の一 つを収容する、請求の範囲第１項記載のシステム。 ５．排気面積／吸込面積比が約６５％未満である、請求の範囲第１項記載のシス テム。 ６．排気面積／吸込面積比が約５０％ないし６５％の範囲にある、請求の範囲第 １項記載のシステム。 ７．スカッシュ領域が該燃焼室の周辺に沿って、各隣接する一対の弁の間に設け られ、２個の該吸込弁の間のスカッシュ領域は該排気弁とそれに隣接する吸込弁 との間のスカッシュ領域よりも大きい面積を有する、請求の範囲第１項記載のシ ステム。 ８．上記の２個の吸込弁が実質的に等しい面積を有する、請求の範囲第１項記載 のシステム。 ９．上記の点火手段が、該シリンダーヘッド内の実質的にシリンダー軸上に位置 する１個のスパークプラグを含む、請求の範囲第１項記載のシステム。 １０．上記の点火手段が３個のスパークプラグを含み、各プラグは、２個の隣接 する弁とシリンダー端とによって境界を定められる３つの空間の一つのほぼ中央 に位置する、請求の範囲第１項記載のシステム。 １１．上記の点火手段が少なくとも３個のスパークプラグを含む、請求の範囲第 １項記載のシステム。 １２．シリンダーヘッド内の実質的にシリンダーの軸上に位置する４番目のスパ ークプラグを更に含む、請求の範囲第１１項記載のシステム。 １３．少なくとも１個のピストン、およびシリンダーとシリンダーヘッドとの間 で燃焼室を形成する、協動する該シリンダーと該シリンダーヘッドとを有する内 燃機関に使用するための改良された燃焼室システムであって、下記を特徴とする 該燃焼室システム： 該燃焼室のシリンダーヘッドにあり、該シリンダーの軸の周りに配置された３ 個の弁を有し； 該弁の２つは吸込弁として作用するのに適合した実質的に等しい面積を有し； 該弁の３番目の弁は該吸込弁の一つの面積と実質的に等しいか僅かに大きい面 積を有し、該３番目の弁は排気弁として作用するのに適合し； ２個の該吸込弁は互いに、該排気弁からの距離とは異なる距離だけ離れており ； 該ヘッドは３つのほぼ半球形のへこみを有し、各へこみは該弁の一つを収容す る。 １４．該シリンダーヘッド内のほぼシリンダー中心線に位置する１個のスパーク プラグを有する点火手段を更に含む、請求の範囲第１３項記載のシステム。 １５．上記の点火手段が３個のスパークプラグを含み、各プラグは、２個の隣接 する弁とシリンダー端によって境界を定められる３つの空間の一つのほぼ中央に 位置する、請求の範囲第１３項記載のシステム。 １６．上記の点火手段が少なくとも３個のスパークプラグを含む、請求の範囲第 １３項記載のシステム。 １７．シリンダーヘッド内の実質的にシリンダーの軸上に位置する４番目のスパ ークプラグを更に含む、請求の範囲第１６項記載のシステム。 １８．スカッシュ領域が該燃焼室の周辺に沿って、各隣接する一対の弁の間に設 けられ、２個の該吸込弁の間のスカッシュ領域は該排気弁とそれに隣接する吸込 弁との間のスカッシュ領域よりも大きい面積を有する、請求の範囲第１３項記載 のシステム。 １９．各弁が実質的に円形であり、そして該吸込弁の直径と該排気弁の直径との 比が約１：１ないし１：１．２である、請求の範囲第１３項記載のシステム。 ２０．上記シリンダーヘッドが３個の半球形のへこみを有し、各へこみが該弁の 一つを収容する、請求の範囲第１３項記載のシステム。 ２１．排気面積／吸込面積比が約５０％ないし６５％の範囲にある、請求の範囲 第１３項記載のシステム。 ２２．少なくとも１個のピストンとそれに協動するシリンダーヘッドとを有し、 これらの間で燃焼室を形成する、内燃機関に使用するための改良された燃焼室シ ステムであって、下記を特徴とする該燃焼室システム： 該燃焼室の該ヘッドにあり、該シリンダーの軸の周りに配置された３個の弁を 有し； 該弁の２つは実質的に等しい面積を有し、そして吸込弁として作用するのに適 合しており； 該弁の３番目の弁は該吸込弁の一つの面積と実質的に等しいか僅かに大きい面 積を有し、該３番目の弁は排気弁として作用するのに適合し； ２個の該吸込弁は互いに、該排気弁からの距離よりも大きい距離だけ離れてお り； 該ピストンは、該燃焼室の一つの壁を形成する該ヘッドと隣接して全体的に平 らな表面を有しており；そして 該排気弁と各該吸込弁との間に位置する２個のスパークプラグを有し、該スパ ークプラグは該排気弁の中心と対応する該吸込弁の中心との間に引いた線の外側 に位置する。 ２３．スカッシュ領域が該燃焼室の周辺に沿って、各隣接する一対の弁の間に設 けられ、該吸込弁の間のスカッシュ領域は該排気弁とそれに隣接する該吸込弁と の間のスカッシュ領域よりも小さい面積を有する、請求の範囲第２２項記載のシ ステム。 ２４．該排気弁と各該吸込弁との間のスカッシュ領域は実質的に直線の端部を有 し、該端部は該排気弁の中心と対応する該吸込弁の中心との間に引いた線とほぼ 平行である、請求の範囲第２２項に記載のシステム。 ２５．該吸込弁とスパークプラグが、該排気弁の中心を通りそして２個の該吸込 弁から等距離の線の両側に対称的に位置する、請求の範囲第２２項記載のシステ ム。 ２６．各弁が実質的に円形であり、そして該吸込弁の直径と該排気弁の直径との 比が約１：１ないし１：１．２である、請求の範囲第２２項記載のシステム。 ２７．上記シリンダーヘッドが３個の半球形のへこみを含み、各へこみが該弁の 一つを収容する、請求の範囲第２２項記載のシステム。 ２８．排気面積／吸込面積比が約５０％ないし６５％の範囲にある、請求の範囲 第２２項記載のシステム。 ２９．上記の２個の吸込弁が互いに上記排気弁によりも接近している、請求の範 囲第２項記載のシステム。 ３０．上記の２個の吸込弁が、互いよりも上記排気弁により接近している、請求 の範囲第２項記載のシステム。 ３１．上記シリンダーヘッドおよび上記ピストン表面が、上記弁に隣接した協動 するスカッシュ領域を有する、請求の範囲第１項記載のシステム。 ３２．上記ピストン表面が、ピストン表面スカッシュ領域に隣接して少なくとも １個の浅いへこみを有する、請求の範囲第３１項記載のシステム。 ３３．上記ピストン表面が、ピストン表面スカッシュ領域およびそれに向き合う 上記弁に隣接した浅いへこみを有する、請求の範囲第３１項記載のシステム。