JPS5930893B2 - 空気噴射式多気筒内燃機関 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は排ガス浄化を目的として構成された特に自動車
用多気筒内燃機関に関するものである。

一般に自動車の内燃機関では、各気筒に供給される空気
量と燃料量の混合比（以下空燃比と称す）がなるべく均
一になるように設計されているが、部分負荷時は燃料消
費量が最少になる空燃比で運転され、排気ガス中のＮＯ
ｘ濃度が高くなる。

また絞り弁開度が全開に近い高負荷時には高出力を保持
するために空燃比が低い濃混合気を供給する必要があり
、排気ガス中の未燃焼ガスであるＣＯ及びＨＣ濃度が高
くなる。

また機関の低回転時にも、気筒内壁の温度が低い等の他
の原因によって混合気は気筒内で不完全燃焼を行ない、
ＣＯ，ＨＣの未燃焼成分を多量に含んだ有害な排気ガス
が発生する。

上記ＣＯ，ＨＣについては周知のように充分な空気を供
給して高温下で効率よく燃焼させればその排気ガス中の
濃度を減少させることができるが、ＮＯｘについては、
燃焼温度が高くなるほどＮＯｘ濃度が増加する。

従って、このＮＯｘを減少させるためには燃焼温度を下
げる必要がある。

すなわち、一般にの内燃機関においては次の３つの特性
がある。

（１）過濃空燃比及び過薄空燃比でＮＯｘ濃度が低い （２）過濃空燃比においては、ＣＯ及びＨＣ濃度が高い （３）過薄空燃比においては、失火がなければＣＯ及び
ＨＣ濃度が低く、酸素濃度が高い 上記３点に着目して空燃比が１１〜１３の濃混合気を供
給される濃混合気燃焼気筒（以下Ｒ気筒と称す）と空燃
比が１７〜２０の希薄混合気を供給される希薄混合気燃
焼気筒（以下り気筒と称す）とを有する内燃機関が既に
提案されている。

この種の内燃機関ではＲ気筒内で濃混合気が不完全燃焼
するのでＮＯｘ濃度が低くなり、一方ＣＯ及びＨＣ濃度
は高くなる。

またＬ気筒内では希薄混合気は完全燃焼し得るのでＣＯ
及びＨＣ濃度が低く、またＮＯｘ濃度も低くなり、しか
も排気ガス中の酸素濃度が高くなる。

そして、上記固気筒より排出された燃焼ガスが混合する
と、Ｒ気筒より排出された高濃度のＣＯ及びＨＣがＬ気
筒より排出された酸素濃度の高い燃焼ガスにより酸化さ
れて上記ＣＯ及びＨＣ濃度が低下するものである。

したがって、機関から排出される燃焼ガスはＣｏ、ＨＣ
及びＮＯｘがすべて低減されることとなる。

しかしながら、この種の内燃機関では最大出力を得る空
燃比に対してそれぞれ過濃側と過薄側に偏移した空燃比
の混合気を用いるため、特に高負荷運転時の出力が充分
でなく運転性能の劣化をもたらし、また高速巡行走行時
の燃費も悪化する欠点を有している。

特に上記高負荷運転時に出力が充分でないと事故を未然
に防ぐための回避動作を行なうことができないので危険
でさえある。

また、Ｌ気筒に供給される混合気は、希薄燃焼限界の関
係上、例えば空燃比２０以上の過薄化は失火による極端
な出力低下を生じ、あまり薄くすることができず、従っ
て、排気系に設けられた排ガス再燃焼装置の反応室での
酸素量が不足し易く、未燃焼ガスの完全燃焼を達成する
ためには、これを補うための二次空気を必要とし、エア
ポンプ等の二次空気供給装置を付設しなければならず、
また、Ｌ気筒には出力低下を防ぎ安定した出力を得るた
めに点火性の高いトランジスタイブナイタ等の高エネル
ギ点火装置を必要とし、これらの装置を特別に設けるこ
とにより高価となる欠点があり、さらには、Ｌ気筒に供
給される混合気は上述したとおり十分薄くできないため
、ＮｏＸの低減、燃費向上に限界があるという欠点があ
る。

本発明は上記に鑑み提唱されたものであって、吸気通路
を介して吸気が導入分配される複数の気筒の各燃焼室内
に点火プラグのスパークギャップを臨ませるとともに、
同スパークギャップ近傍に上記燃焼室内の設定方向に空
気を噴射する噴射孔を設け、同噴射孔に空気弁を介して
接続される空気通路を設け、同空気通路のうち特定の気
筒の燃焼室に設けられた上記噴射孔に連通される空気通
路に、同通路を開閉する制御弁を介装したことを特徴と
する空気噴射式多気筒内燃機関を要旨とするものである
。

本発明によれば、燃焼室内に吸気行程時間室内に発生す
る高負圧により噴射孔から空気が強力に噴射され、この
噴出流はスパークギャップ周囲の既燃ガスを掃気し着火
性を良好にするとともに、燃焼室内に強力なスワールお
よびタービレンスを生成し、このスワールおよびタービ
レンスは噴流空気と吸気ポートより吸入された混合気と
を適度に混合して混合気を希釈するとともに、点火プラ
グによる点火後の火焔伝播を助け、その結果、特にＬ気
筒に供給される希薄混合気の燃焼速度が上昇して希薄燃
焼視界が伸長し、燃費が改善される。

従って、Ｌ気筒への十分希薄な混合気供給が可能となり
、ＮＯｘ低減、燃費向上効果が増大するとともに、同り
気筒より排出される排ガス中の残留酸素も多くなって、
特に二次空気供給装置を設けなくても充分にＲ気筒より
排出される未燃焼ガスを浄化し、また着火性が向上する
ことにより特に高価な高エネルギ一点火装置を必要とし
ない。

さらにはスワールおよびタービレンスの効果により、燃
焼速度が増大して出力が向上する。

次に、本発明を図面に示す一実施例により説細に説明す
る。

第１図〜第３図に示す４気筒４サモ１０の各気筒の点火
順序は気筒１１→気筒１３→気筒１４→気筒１２である
。

上記４気筒１１〜１４は各々吸気ポート１６および吸気
管１８を介して気化器２０に接続されており、気筒１１
゜１４が濃混合気燃焼気筒（以下Ｒ気筒）として、気筒
１２，１３が希薄混合気燃焼気筒（以下り気筒）として
構成されている。

各気筒１１〜１４の排気ポート２２はそれぞれ排気通路
２４を介してサーマルリアクタ２６に接続され、同す−
マルリフ’７タ２６は排気管２８に連通している。

シリンダヘッド３０に形成された上記各気筒１１〜１４
の燃焼室３２には、点火プラグ３４のスパークギャップ
３６が配設され、同スパークギャップ３６の近傍には同
スパークギャップ３６に指向する噴射孔３８が穿設され
、同噴射孔３８はキノコ弁である空気弁４０を介してシ
リンダヘッド３０に穿設された空気通路４２に接続され
ている。

上記空気通路４２のうち、Ｌ気筒１２，１３の燃焼室１
４に設けられた噴射孔３８に連通ずる空気通路４２は、
空気管４４を介して直接図示していないエアクリーナの
クリーンサイドに接続されている。

また、Ｒ気筒１１，１４の燃焼室１４に設けられた噴射
孔３８に連通ずる空気通路４２は、その途中に後述する
制御弁４６が介装された空気管４８を介して図示してい
ないエアクリーナのクリーンサイドに接続されている。

吸気ポート１６を開閉する主吸気弁５０はロッカシャフ
ト５２に外嵌されて揺動するロッカアーム５４により駆
動され、また副吸気弁４０はシリンダヘッド３０に突着
されたポールスタッド５６を中心に揺動されるロッカア
ーム５８によす駆動され、上記ロッカアーム５４はカム
シャフト６０に設けられたカム６２に当接して同カム６
２の回動に応じて揺動し、上記ロッカアーム５８は上記
カムシャフト５２に設けられたカム６４に当接し、同カ
ム６４の回動に応じて揺動する。

なお、上記副吸気弁４０の弁開期間は主吸気弁５０の弁
開期間−と同一または同期間内の所定期間に設定されて
いる。

また、上記制御弁４６は第３図に示す如く、ダイヤフラ
ム６６によって仕切られた２室６８゜７０を有するダイ
ヤフラム装置７２と、同ダイヤフラム装置７２により作
動せしめられるとともに、上記空気管４８に介装された
開閉弁７４とから構成されている。

上記室６８は、孔７６を介して大気開放されており、上
記室７０は、上記気化器２０に設けられたスロットル弁
７８の全閉位置よりやや上流側の吸気通路壁に穿設され
たポート８０に連通されるとともに上記開閉弁７４を常
に開方向へ付勢するスプリング８２が内装されている。

なお、第２図において、８４はピストン、８６はシリン
ダブロック、８８は空気弁４０のバルブガイド、９０は
主吸気弁５０のバルブガイド、９２．９４はバルブスプ
リング、９６．９８はスプリングシート、１００はアジ
ャストスクリューである。

また、本実施例において、上記気化器２０において生成
される混合気の空燃比は、低、中負荷運転領域では燃焼
室３２に設けられた噴射孔３８から噴射される空気が混
合した時に、１８〜２４の希薄混合気となるように設定
され、全負荷運転領域では気化器２０に付設された図示
しない自体公知のエンリッチ機構が作動して全気筒に濃
混合気が供給される。

次に上記制御弁４０の作動を説明すると、上記ダイヤフ
ラム装置７２は、室７０に設定負圧（例えば負圧１００
＃Ｈｇ ）以上の負圧が導通されると、スプリング８２
の付勢力に抗してダイヤフラム６６が下降し開閉弁７４
が空気管４８を閉塞する。

従って、アイドリングおよびその付近の運転領域におい
ては、スロットル開度が小さく、ポート８０に発生する
負圧が小さいので、開閉弁７４はスプリング８２の付勢
力により開放されている。

またスロットル開度が多少大きくなる中負荷運転領域に
おいては、ポート８０付近を流れる吸気の流速が非常に
速く、ポート８０に発生する負圧が上記設定負圧以上と
なるので、開閉弁７４はスプリング８２の付勢力に抗し
て下降し、空気管４８は閉塞される。

さらに、スロットル開度が大きくなる高負荷運転領域に
おいては、ポート８０に発生する負圧が再び小さくなる
ので、開閉弁７４は開放される。

上記構成によれば、アイドリングおよびその付近の運転
領域では、上記制御弁４０が開となっている上に、スロ
ットル開度が小さく、スロットル弁７８の絞り作用が大
で燃焼室３２には吸気行程時に高負圧が発生し、各空気
管４２，４Ｂが接続されているエアクリーナのクリーン
サイドは略大気圧であるため、圧力差により多量の空気
が各気筒１１〜１４の燃焼室３２内へ噴射孔３８から強
力に噴出される。

この噴流は燃焼室３２内に吸入された混合気に強力なス
ワールあるいはタービレンスを与えるとともに、混合気
と良好に混合して空燃比が１８〜２４程度の希薄混合気
を生成する。

この空燃比が１８〜２４程度の希薄混合気は難燃性であ
るが、上記噴流空気によりスパークギャップ３６周辺に
滞留している既燃ガスが掃気されて着火性が向上し、ま
た混合気に強力なスワールあるいはタービレンスが与え
られて失火限界が拡張し、燃焼速度が向上しているので
、燃費が低減されるとともにＮＯｘの発生量も希薄燃焼
により少なくなる。

また、全気筒１１〜１４に略同−の空燃比を有する混合
気が供給されるので、出力のバランスがとれ機関の運転
状態が安定する。

また、中負荷運転領域では、上記制御弁４０が閉となり
、Ｒ気筒１１および１４の燃焼室３２内への空気噴射は
遮断され、Ｌ気筒１２および１３の燃焼室３２内へのみ
空気噴射が行なわれる。

この結果、Ｒ気筒１１．１４に供給される混合気は空燃
比が小さい濃混合気となるため、着火熱焼性が良好で安
定した高出力が得られ、また、ＮＯｘの発生量も少ない
。

一方、Ｌ気筒１２，１３に供給される混合気は空燃比が
大きい希薄混合気となるが、上記空気噴射の効果により
希薄燃焼の燃焼速度、着火性が向上して、希薄燃焼限界
が伸長され、特にＬ気筒１２．１３において空燃比が２
０以上の過薄混合気を燃焼させるようにすれば、燃費が
非常に低減されるとともに、過剰酸素量が増大して、排
ガス中の残留酸素も多くなり、Ｒ気筒１１，１４より排
出される多量の未燃焼ガスＨＣ。

ＣＯを再燃焼により完全燃焼させることができる。

従って、排気系に二次空気を供給することなく、サーマ
ルリアクタ２６においてＲ気筒１１，１４より排出され
る排ガス中の未燃焼ガスがＬ気筒１２．１３より排出さ
れる排ガス中の残留酸素により略完全燃焼されて、ＨＣ
、ＣＯの排出量が低減される。

この場合、Ｒ気筒１１，１４に濃混合気を供給すること
により高出力を得ることができるので、Ｌ気筒１２．１
３における出力不足をカバーし、機関の出力低下が防止
され、良好な加速性能が確保される。

さらに、高負荷運転領域においては、上記制御弁４０は
開となるが、スロットル開度が大きくなるので、スロッ
トル弁７８による絞り作用が小さく、気化器２０から供
給される混合気量が増大し、吸気行程時の燃焼室３２内
負圧が大気圧に近づくため、上記噴射孔３８に導かれる
空気量、即ち燃焼室３２内への空気噴射量が減少する。

その上、気化器２０のエンリッチ機構が作動するため、
各気筒１１〜１４には空燃比の小さい濃混合気が供給さ
れる。

従って、最高出力が向上し、高負荷運転に適した出力を
得ることができ、ドライバビリティが向上する。

以上より明らから如く、本発明によれば、出力低下、ド
ライバビリティの悪化、燃費の悪化を最小限に抑えた上
で、ＮＯｘ 、ＨＣ，ＣＯ等の有害ガスの排出量が効果
的に低減され、しかも、高価なエアポンプ、高エネルギ
点火装置あるいは触媒コンバータ等の装置が不要となり
、安価となる等の効果を奏する。

なお、上記実施例においては、制御弁４０の開閉制御を
スロットル弁７８の全閉位置よりやや上流に穿設したポ
ート８０に発生する負圧によって行なったが、上記制御
弁４０の開閉制御方法はこれに限られるものではなく、
機関の回転数、マニホールド負圧、スロットル弁開度等
の他の機関の運転状態を代表する信号によっても上記実
施例と同様の開閉作動を行なうことができる。

また本発明を適用し得る内燃機関としては、何ら上記４
気筒４サイクルエンジンに限定されるものではなく、本
発明は４気筒以外の多気筒エンジン、２サイクル工ンジ
ン等他の火花点火式内燃機関への適用も十分可能なもの
である。

【図面の簡単な説明】

添付図面は本発明の一実施例を示すものであり、第１図
は模式的に示す平面図、第２図は増面図、第３図は要部
拡大断面図である。 １０・・・・・・エンジン本体、１１，１２，１３゜１
４・・・・・・気筒、１６・・・・・・吸気ポート、１
８・・・・・・吸気管、２０・・・・・・気化器、２２
・・・・・・排気ポート、２６・・・・・・サーマルリ
アクタ、３０・・・・・・シリンダヘッド、３２・・・
・・・燃焼室、３４・・・・・・点火プラグ、３６・・
・・・・スパークギャップ、３８・・・・・・噴射孔、
４０・・・・・・空気弁、４２・・・・・・空気通路、
４４．４８・・・・・・空気管、４６・・・・・・制御
弁。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 吸気通路を介して吸気が導入分配される複数の気筒
   の各燃焼室内に点火プラグのスパークギャップを臨ませ
   るとともに、同スパークギャップ近傍に上記燃焼室内の
   設定方向に空気を噴射する噴射孔を設け、同噴射孔に空
   気弁を介して接続される空気通路を設け、同空気通路の
   うち特定の気筒の燃焼室に設けられた上記噴射孔に連通
   される空気通路に、同通路を開閉する制御弁を介装した
   ことを特徴とする空気噴射式多気筒内燃機関。