JPS62182422A

JPS62182422A - 成層燃焼エンジン

Info

Publication number: JPS62182422A
Application number: JP2316786A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Ozasa; 俊博小笹; Shigeo Suzuki; 繁雄鈴木
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1986-02-05
Filing date: 1986-02-05
Publication date: 1987-08-10

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［＆梁上の利用分野］本発明はエンジン筒内の混合気に潤度勾配をもたせて超
希薄燃焼させる成層燃焼エンジンに関する．さらに詳し
くは、燃料供給装置をエンジンの筒外すなわち吸気管内
もしくはその上流に有するものと，燃ネ；１供給装置が
筒内噴射式であってもその噴射時期がエンジンの吸気行
程から圧縮行程中期までの比較的早期を主に用いるもの
に限定した、燃焼室形状と点火栓の配置に関する。

［従来技術］燃才Ｉと空気の混合比（ガソリンでは７＜Ａ／Ｆく２２
）を成層化して供給する方法としては、吸気′庁の電子
制御噴射ｊｒ（ＥＦＩ）の噴射タイミングを調整するも
の（ｆ：ｆＳ５回内燃機関合同シンポジウム１溝演論文
集Ｎｏ２０６、Ｐ１０３〜１０８、日本機械学会、昭和
６０年４月、Ｓ　Ａ　Ｅ　Ｐａｐｅｒ８２０１３１など
）、濃混合気または燃料と希薄混合気または空気を分離
して吸入させるリッチパイプもしくはリーンパイプ法（
例えば特公昭５３−４１２８１）　、　ＦＯＲＤｃ７）
ＦＣＰ（ＦＯＲＤ　ＣＯＭＢＵＳＴｒＯＮＰＲＯＣＥＳ
Ｓ）の様な直噴式で高負荷時に早期噴射するもの（ＳＡ
Ｅ　Ｐａｐｅｒ　８８００４１）などがある、それぞれ
の燃料供給法に合わせて燃焼室の形状と点火栓配置には
工夫がこらされている。

成層燃焼エンジンは予混合エンジン（均一濃度の混合気
を用いる）に比べて空燃比の希薄燃焼限界が広く、これ
に伴うポンプ損失、熱損失の低減と比熱比の増加から熱
効率も高いという長所をイ■している。この長所は、エ
ンジン筒内に異なった濃度で存在する混合気のうち、少
なくとも全混合気の平均濃度より濃い部分が安定して点
火時期に点火栓位置に供給されることで達成される。し
たがって、これとは逆に平均濃度より薄い部分が点火栓
位置に来ると、希薄燃焼限界が著しく挟まり、性能の悪
化は箸しく、失火さえ頻発する。

特に、ここで対象とする成層燃焼エンジンでは、混合気
の形成（燃料の分散葵発とその後の空気との混合）をい
くぶんよくするために、吸気行程または圧縮行程初期の
非常に早い時期に燃料または濃混合気を供給し、着火後
の燃焼を安定化し、ススなどの有害排出物の低減を図っ
ているが、この事が逆に混合気の濃度分布をあいまいな
ものとし、点火時期に点火栓に濃混合気を安定供給する
ことを難かしくしている。

Ｓ混合気を点火栓位置に安定に集めることの難しさは、
刻々変化するガス流動と希薄、濃混合気の混合拡散の複
雑さに帰因している。さらに、サイクル変動を伴う実用
エンジンの広い負荷と回転速度の全域にわたり、最適な
点火時期に安定して点火栓位置に濃混合気を集めること
は極めて難かしい１バである。

前述の各成層燃焼エンジンでは、Ｕｌ燃混合気が点火時
期に点火栓近くに来るような工夫が点火栓位置や燃焼室
形状についてこらされているが、ある運転条件において
安定着火とその後の燃焼を達成したとしても、他の運転
条件に同様の状況を生み出せるとは言えない、また、近
い将来可変機構を用いた混合気形成法などには大きな期
待がもたれるが、現状では、サイクル変動にまで追従す
る制御速度を達成することは難かしく、複雑な制御機構
は生産コストの向上やエンジンの耐久性や信頼性低下に
結びつきやすい。

以に要するに、成層燃焼エンジンの問題点は点火時期に
点火栓位置に安定して濃混合気を供給する方法にあり、
この難かしさの原因は、筒内での混合気形成過程の複雑
さと、濃混合気位置が時間的に変化しかつその履歴がエ
ンジン運転の状態によって様々に変る点にある。

［目　的］本発明は、筒内混合気に濃度勾配をもち、しかも、この
濃度が刻々変化する成層燃焼エンジンの燃焼安定性と信
頼性を高め、しかも、エンジン制御を容易とし、燃料供
給法の影響をも非常に小さくする成層燃焼エンジンを得
ることを目的としている。

［発明のａ要］本発明に係る成層燃焼エンジンは、ピストン、シリンダ
ヘッド及びシリンダによって構成される燃焼室と、吸入
混合気の燃料と空気の混合比が燃焼室内で位置的に不均
一となるように供給する燃料供給手段と、混合気点火用
の複数の点火手段と、ピストン頂面とシリンダヘッドの
少なくとも一方に形成されピストン上死点において内部
の混合気が上記点火手段による点火点に、対してほぼ均
等に配分される配置とされたキャビティと、を有するこ
とを特徴としている。

従来の単室式成層燃焼エンジンの最大の欠点は、設計因
子（スワール比、点火栓位置、燃料供給υ１、燃焼室形
状）と四転因子（負荷１回転速度、点火時期）に対して
敏感で、これらの組合せによって大きく性能向上する場
合と逆に著しい性能低下をまねく場合が共存する点にあ
る。従って、将来のエンジンとして最も注目されている
のに、実験研究のレベルから実用レベルに発展した例は
非常に少ない。

そこで、本発明者らは、この単室式成層燃焼エンジンを
より鈍感で実用的なエンジンに進歩させるために、従来
よりも着火確率を向上し安定燃焼させる燃焼室形状と点
火栓位置に検討を加えた。

着火確率を高めるためには、濃度の位置的に異なる全混
合気を点火時期に多数の点火栓の近くに集めて、多点点
火し、それらのうち少なくとも１つによって着火すれば
よいわけである。このためには、燃焼室形状を利用して
混合気を集め１点火栓数を増すと同時に１点火時期にお
ける燃焼室を点火点を中心に燃焼室壁が空間的に最も近
いような形状とすることである。エンジンの圧縮によっ
て、濃度の位置的に異なる混合気をこの中に押込めば、
多数の点火点のうち可燃空燃比範囲の混合気のある位置
から点火する。そして、この多数の点火栓のうち少なく
とも１つにおいて着火する範囲まで筒内混合気を成層化
し、全体としての平均空燃比を超希薄化することができ
る。また、混合気の濃度分布の自由度も著しく広がり、
どの位置の濃度が濃くてもよく、どの点火点で着火して
もよい、燃焼室が各点火点に対し均等な空間を配分する
ことから着火性は、混合気濃度の分布のみによって決定
されることになる。

本発明のキャビティと点火点の関係はシリンダ軸と垂直
の断面が一方向に長く、他方向に短い空間であり、長手
方向に所定の間隔で複数の点火点を有する構成（例えば
長方形、長楕円、曲線で構成する閉ループ、直線による
多角形、曲線と直線を合成した閉ループ等）、複数分離
して形成され、各容積はほぼ等しく各キャビティに１個
以上の点火点を有する構成、複数分離して形成され。

各キャビティに１個以上点火点を有するが、これらの容
積はその少なくとも１個が他に比べて大きく、この大き
いキャビティは一方向に長く、他方向に短い空間で、長
手方向に所定の間隔で複数の点火点を有する構成、吸排
気弁との干渉がない場合や２ストロークサイクルエンジ
ンでは多角形、花冠形、Ｌ形またはこれらを曲線などで
近似した形状で、内部に複数の点火点を均等に配置する
構成などで具体化される０点火点はキャビティ内を均等
に配分するような点に設けるのが好ましい。

上記構成において、ピストン頂面とシリンダヘッド面の
間に、すきま（トップクリアランス）が生じるが、これ
は上述のキャビティとしては含まれていない、トップク
リアランスは小さい方がよく、ここではシリンダ径の５
％以下を目安とする。

］二記燃焼室を構成する（キャビティ）はシリンダヘッ
ド、ピストン頂面のいずれでもよく１両方にまたがって
もよい。

以Ｅのように、若化確率が著しく向上すれば。

エンジンは安定化し、性能改善されることになる。また
１本方法は着火確率を向上することを主目的としている
ので、成層化の手段はどの様なものでもよく、極端な場
合には空気のみの層と可燃混合気層が共存するようなも
のでもよい。

このようにして、従来の技術的な問題点は解決すること
ができる。

エンジンに供給される混合気を成層化し、筒内に濃度勾
配をもたせるよな燃料供給装置を必要とするが、その燃
料供給装置は電子制御燃料噴射式（ＥＦＴ）　、　　リ
ッチパイプ式、リーンパイプ式、二債の気化器式、多吸
気弁式、直接噴射式などいずれの方法でもよく、濃度分
布の形態は自由であり、混合気形成の制御を容易にして
いる。

［発明の効果］（１）混合気濃度分布は任意で成層化の制御を容易とす
る。

複数の点火栓の近くに混合気を集めて、点火するので、
どの点火栓付近に濃い混合気が存在してもよく、どの点
火栓から着火してもよい、従って成層化さえしていれば
、濃度分布は任意でよく。

どの様な燃料供給形態にも対応しうる。

（２）エンジンの希薄燃焼限界が拡大される。

上記（１）と同様の理由で、最も儂い混合気と接する点
火栓の失火限界までエンジン全体としての希薄燃焼限界
は拡大される。

（３）燃焼が安定化される。

広い負荷１回転速度域の各運転状態、サイクル変動など
による濃度分布の変化にも上記（１）と同様の理由で追
従できる。複数の点火栓のうち少なくともｌ、つにおい
て安定着火すれば、以後の燃焼は安定に行われる１着火
はどの点火栓から起ってもよく、着火する点火栓が各運
転状態、各すイクルにおいてまちまちであってもよいか
らである。

（４）ＮＯｘが低減される。

上記（２）の希薄燃焼は、燃焼ガス温度を低下させＮＯ
ｘ生成をおさえる。

（５）燃費低減効果がある。

」二記（２）の希薄燃焼は、筒内ガスの比熱比を大きく
し、熱力学的に理論熱効率を高める。また希薄燃焼によ
り絞り損失が低下し、ポンプ損失を低減するとともに、
燃焼ガス温度の低下が熱損失をも小さくする。

［第１実施例］第１実施例の成層燃焼エンジンは、燃料供給装置として
電子制御燃料噴射弁７　（ＥＦＩ）を用い、燃料噴射時
期を制御して成層化するものである。

第１図に示される如く、燃焼室としては、ｃｉ−キャビ
ティ６を用い１点火栓は１．２による２点点火であるこ
とを特徴としている。

燃焼室はシリンダへラド３、シリンダ４．及びこのシリ
ンダのポア４Ａ内のピストン５によって構成され、ピス
トン５の頂面には長方形の単一キャビティ６が設けられ
ている０点火栓ｌと２はキャビティ６の長手方向両端壁
間距離の約１／４だけそれぞれの壁から離れた位置で、
短方向両端の中心位置に配置され、ピストン５が上死点
近く（点火時期近く）の位置に来た時キャビテイ６内部
の任意の深さに位置するように配慮されている０図中７
は燃料噴射弁、１２は吸気弁、１３は排気弁である。

第１図は点火時期直前の状態を表わし、ピストン５とシ
リンダへラド３の間のトップクリアランス１５は吸気弁
１２．排気弁１３とピストン頂面が干渉しない程度に狭
くシ、混合気のほとんどすべてがキャビティ６内に流入
するようになっている。

吸気ポート８へ燃料噴射する電子制御燃料噴射弁７の噴
射タイミングによってシリンダ４Ａ内混合気に濃度分布
をもたせると、これはシリンダ４Ａ内ですぐには均一混
合せず、吸気から圧縮行程にわたって濃度勾配を持った
まま徐々に混合拡散してゆく、この過程を説明した図が
第２図である。同図中（Ａ）、（Ｂ）は吸気行程を（Ｃ
）〜（Ｅ）は圧縮行程を（Ｆ）は点火と着火の様子を説
Ｉｌｌする。

濃混合気２１はシリンダ４Ａ内で希混合気２２と混合し
つつ！！！動するが、これを圧縮してキャビティ６内に
流入させると濃混合気２１は点火栓ｌ又は２のどちらか
に来ることになり、安定に着火する。一方希薄混合気２
２はこれとは逆の点火栓位置にありこれは必ずしも着火
する必要はなく、運転条件によっては点火ミスしてもよ
い、濃混合気２１が点火栓１と２のどちら側に来るかは
、負荷１回転速度、スワール比、サイクル変動によって
変化するが、高負荷時には、２点点火による急速燃焼し
、低負荷時には少なくとも１点で点火して可燃混合気域
に火炎伝ばするので、エンジン性能は安定し１点火栓ｌ
と２のいずれかよい方の性能は少なくとも保証される。

第３図は、第１実施例のエンジンを用いて、燃焼室と点
火栓位置、そして２点点火の効果を実験的に調べた結果
である。予混合エンジンの希薄燃焼限界空燃比（ガソリ
ンを用いた場合）が２３（図中ｄ）であるのに対し、本
実施例のエンジンでは２７以上（図中ａ）となり大巾な
効果が見られた。また同図に各１点点火の場合を比較し
て示しているが（図中す、ｃ）点火栓ｌを用いた場合の
希薄燃焼限界空燃比は、噴射時期の影響を受けるのに対
し、点火栓２は、はとんど安定していることがわかる。

また、この実験時のＭＢＴ点火時期をも示したが、点火
栓２の点火すに対し、２点点火ａの時期は上死点に近く
、２点点火による燃焼期間の短縮ができる。

〔第２実施例〕本第２実施例では、第４図に示すように燃料供給装置と
して吸気ポート８へ開口するリッチパイプ３１を用いる
ことと、ピストン頂面のキャビライ形状を長円形にした
事に特徴がある。

動作説明を第５図によって行なう０本実施例ではリッチ
パイプ３１によって空気または希薄混合気と濃混合気を
分離してシリンダ４Ａ内に導く。

図中（Ａ）、（Ｂ）は吸気行程、（Ｃ）〜（Ｅ）は圧縮
行程、（Ｆ）は点火時で、着火に至る過程は第２図の説
明と同じであるため省略する。

〔第３実施例〕本第３実施例では、第６図に示すように２個の吸気弁１
２ａ、１２ｂを備えたエンジンを用いそれぞれの吸気ポ
ートを８ａ、８ｂに分け、吸気ポー）８ａに希薄混合気
または空気を、吸気ポート８ｂに濃混合気を供給するこ
と、ピストン頂面のキャビティを曲面で構成し、キャビ
ティ中央部底に突起があることが特徴である。

第７図に動作を示したが、吸気２弁式で成層化する以外
は、上の２つの実施例と同じであるので説明は省略する
。

〔第４実施例〕本第４実施例は、シリンダ内に直接燃料を噴射する場合
で、噴射弁３２を有する。キャビティ６はシリンダ軸方
向に見て第８図（Ａ）のように長手方向中央が狭くされ
て噴射弁３２の噴射方向に応じており、第８図（Ｂ）の
ようにキャビティ底には中央部に２個の突起がある。

この場合、燃料はどの方向に噴射してもよく、噴射時期
も吸気行程から圧縮行程中期を主に用いるが、特に限定
されることはない、動作説明を第９図に示す、同図は噴
射弁で筒内に直接噴射する以外は上の３つの実施例と同
じであるので説明を省略する。

〔第５実施例〕本第５実施例は、第１θ図に示すように上記４つの実施
例の単一・キャビティ６を分割キャビティ８ａ、６ｂに
分けたことを特徴としている。これらのキャビティ６ａ
、６ｂにはそれぞれ点火栓１．２が対応している。

動作説明を第１１図に示す、上記実施例では単一キャビ
ティの一方に混合気が偏在したものが。

この実施例では分割したそれぞれのキャビティ６ａ、６
ｂのうち、どれか１つが濃混合気におきかわるという違
いを除き、上の６例と同じであるので説明を省略する。

上の第１〜第５の実施例において、点火点の配置と燃焼
室のシリンダ軸と垂直断面形状の関係は様々に考えられ
る。そこで、燃焼室の変形例として、複数点火の点火数
と、キャビティ形状の変形例を組合わせたものを第１２
図に示した。

この中で、キャビティ１２Ａ〜１２、Ｃは第１実施例の
ように細長く、複数の点火栓（図中点で表示）があるも
の、キャビティ１２Ｄ−１２Ｇは第５実施例のように分
割されたもので、キャビティ１２Ｈ〜１２には分割され
た一方が他方より大きいものである。またキャビティ１
２Ｌは３角形、１２Ｎは花冠形、１２ＭはＬ形、１２Ｆ
は矩形、１２Ｑは花冠形、１２Ｒは３角形、１２３はＬ
形である。

第１３図は第４実施例の変形例を示す第６実施例で、点
火栓ｌ、２の接地極を複数にし、中心に噴射弁３２を有
することを特徴とする。

以上、各実施例では、ガソリンを燃料として示したが、
本発明はアルコール、灯油、またはこれらを混合した燃
料、メタン、プロパン等のガス燃料を用いても同様に実
施ＩＮＮ能能ある。また点火栓の数も、２点点火の実施
例としたが、さらに点火栓を増しても全く同様の効果が
得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）は本発明の第１実施例を示す第１図（Ｂ）
のＩ−Ｉ線断面図、第１図（Ｂ）は第１実施例の縦断面
図、第２図（Ａ）〜（Ｆ）は第１実施例の動作説明図、
第３図は第１実施例の実験結果で、燃料噴射時期に対す
る希薄燃焼限界空燃比及びその時のＭＢＴ（最適点火時
期）を示す線図、第４図（Ａ）は第２実施例の第１図（
Ａ）に相当する断面図、第４図（Ｂ）はｆｊＳ４図（Ａ
）のＩＴ−ＩＴ線断面図、第５図（Ａ）〜（Ｆ）は第２
実施例の動作説明図、第６図（Ａ）は第３実施例の第１
図（Ａ　、）に相当する断面図、第６図（Ｂ）は第６図
（Ａ）のＶＩ−Ｖｌ線断面図、第７図（Ａ）〜（Ｆ）は
第３実施例の動作説明図、第８図（Ａ）は第４実施例の
構成を示す第１図（Ａ）に相当する断面、第８図（Ｂ）
は第８図（Ａ）の■−■線断面図、第９図（Ａ）〜（Ｆ
）は第４実施例の動作説明図、ｆＪＳＩＯ図（Ａ）はｆ
ＪＳ５実施例の構成を示す！ＴＳ１図（Ａ）に相当する
断面図、第１０図（Ｂ）は第１θ図（Ａ）のＸ−Ｘ線断
面図、第１１図（Ａ）〜（Ｆ）は第５実施例の動作説明
図、ｆｊＳ１２図は点火点の数と燃焼室形状の変形例を
示す線図、第１３図（Ａ）は第６実施例を示す第１図（
Ａ）に相当する断面図、第１３図（Ｂ）は第１３図（Ａ
）の）Ｉ−）ＩＩ線断面図である。ｌ・・・点火栓。２・・・点火栓、３・・・シリンダへンド。４・・・シリンダ、５・・・ピストン、６・・・キャビティ。６ａ、６ｂ・・・キャビティ。７・・・電子制御燃料噴射弁（ＥＦＩ）、９．１０．１
１・・・ピストンリング、１２Ａ　Ｎ１２ｓ・・・キャ
ビティ、１２．１２ａ、１２ｂ・−・吸気弁。１３・―・排気弁、１４・・・吸気絞り弁、１４ａ、１４ｂ・・・吸気絞り弁。２１・・・濃混合気、２２・・・島薄混合気、３１・・・リー、チパイプ、３２・・・噴射弁。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ピストン、シリンダヘッド及びシリンダによって
構成される燃焼室と，吸入混合気の燃料と空気の混合比
が燃焼室内で位置的に不均一となるように供給する燃料
供給手段と、混合気点火用の複数の点火手段と，ピスト
ン頂面とシリンダヘッドの少なくとも一方に形成されピ
ストン上死点において内部の混合気が上記点火手段によ
る点火点に対してほぼ均等に配分される配置とされたキ
ャビティと、を有する成層燃焼エンジン。
（２）前記キャビティは一方向に長く、他方向に短い空
間であり、長手方向に所定の間隔で複数の点火点を有す
ることを特徴とする前記特許請求の範囲第１項に記載の
成層燃焼エンジン。
（３）前記キャビティが複数分離して形成され、各容積
はほぼ等しく各キャビティに１個以上の点火点を有する
ことを特徴とする前記特許請求の範囲第１項に記載の成
層燃焼エンジン。
（４）前記キャビティが複数分離して形成され、各キャ
ビティに１個以上の点火点を有するが、これらの容積は
その少なくとも１個が他に比べて大きく、この大きいキ
ャビティは一方向に長く、他方向に短い空間で、長手方
向に所定の間隔で複数の点火点を有することを特徴とす
る前記特許請求の範囲第１項に記載の成層燃焼エンジン
。
（５）前記キャビティは多角形、花冠形、Ｌ形またはこ
れらを曲線などで近似した形状で、内部に複数の点火点
が均等に配置されることを特徴とする前記第１項に記載
の成層燃焼エンジン。