(57)【要約】【課題】シリンダ内のタンブル流の崩壊を防止し、燃焼効率の向上を図る。【解決手段】冠面３ａが曲率をもったキャビティー形状であるピストン３を有するエンジン１において、吸気弁４に対向する側、かつピストンストロークの中央より下側のシリンダ壁２ａに、前記ピストン３の摺動方向に対して略直角から空気を噴出する開口部を有する下側空気噴出機構１０を設け、前記下側空気噴出機構１０からの空気噴出を、シリンダ２内のタンブル流を助長するように前記ピストン３の位置およびエンジン１の運転状態に関連付けて行う。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冠面が曲率をもったキャビティー形状であるピストンを有するエンジンにおいて、
吸気弁に対向する側、かつピストンストロークの中央より下側のシリンダ壁に、前記ピストンの摺動方向に対して略直角から補助空気を噴出する開口部を有する下側空気噴出機構を設け、
前記下側空気噴出機構からの空気噴出を、シリンダ内でのタンブル流を助長するように前記ピストンの位置およびエンジンの運転状態に関連付けて行うことを特徴とする筒内空気噴出装置。
【請求項２】
前記下側空気噴出機構の開口部を、前記シリンダ壁の下死点より若干上に設ける請求項１に記載の筒内空気噴出装置。
【請求項３】
前記下側空気噴出機構の開口部を、前記シリンダ壁の下死点より若干上と、下死点から上死点までのピストンストロークの約１／２〜１／３の距離だけ前記シリンダ壁の下死点から離れた位置の２ヵ所に設ける請求項１に記載の筒内空気噴出装置。
【請求項４】
前記下側空気噴出機構は、吸気行程および圧縮行程のいずれか一方もしくは両方において、前記ピストンの冠面が前記開口部を通過する直前に空気を噴出する請求項１〜３のいずれか一つに記載の筒内空気噴出装置。
【請求項５】
前記吸気弁近傍のシリンダ壁に、前記ピストンの摺動方向に対して直角よりも上向き、かつ吸気バルブの底面の傾斜角度よりは下向きの角度で補助空気を噴出する開口部を有する上側空気噴出機構を設け、前記上側空気噴出機構からの空気噴出を、シリンダ内のタンブル流を助長するように前記ピストン位置及びエンジンの運転状態に関連付けて行うことを特徴とする請求項１〜４のいいずれか一つに記載の筒内空気噴出装置。
【請求項６】
前記上側空気噴出機構は、エンジンの全運転領域において吸気弁が開いた時に空気噴出を行う請求項５に記載の筒内空気噴出装置。
【請求項７】
前記開口部に接続する空気経路に介在させた空気噴出弁と、前記空気噴出弁を吸気弁の動きに関連付けて制御する空気噴出制御手段と、を設けた請求項１〜６のいずれか一つに記載の筒内空気噴出装置。
【請求項８】
前記上側および下側空気噴出機構は、シリンダ壁の周方向に並ぶ複数の開口部を有する請求項５〜７のいずれか一つに記載の筒内空気噴出装置。
【請求項９】
前記空気噴出制御手段は、前記上側および下側空気噴出機構から噴出する空気量を、所定の空燃比を維持するように制御する請求項５〜８のいずれか一つに記載の筒内空気噴出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の燃焼改善装置に関し、特にシリンダ内のタンブル流の崩壊を防止する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの燃焼改善のために、シリンダ内にタンブル流またはスワールを生成して燃焼速度を上げて燃焼効率を向上させる方法が知られており、特にタンブル流を維持するためにピストン冠面にキャビティーを設ける方法が知られている。
【０００３】
また、２サイクルエンジンにおいて、シリンダ壁面にシリンダの周方向に対して傾けた吸気口を設け、ここから吸気を行うことによってスワールを生成しやすくして、さらに、スワール生成によってシリンダ中央に溜まる残留ガスに対しても空気を噴射して拡散させることによって掃気効率を向上させる方法が特許文献１に開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−１５８７３８号公報
【０００５】
【本発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ヘッドバルブから吸気を行う４サイクルエンジンにおいては特許文献１のようにシリンダ壁から吸気を行うことはできない。
【０００６】
また、タンブル流維持のためにピストン冠面に曲率をもったキャビティーを設けてピストン冠面で流れが徐々に曲がるようにしても、キャビティーの形状は固定であるので、エンジンの負荷や回転数に応じたガス流れに対応することは困難である。
【０００７】
また、タンブル流を強化すると、燃料を含んだガスがピストンやシリンダ壁に衝突して生じる壁流の量が増加して、ＨＣ排出量や燃費が悪化するという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明ではタンブル流の崩壊を防止することで燃焼の安定や燃焼効率の向上を図りつつ、壁流量を低減して排出ＨＣや燃費の悪化を防止することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の筒内空気噴出装置は、冠面が曲率をもったキャビティー形状であるピストンを有するエンジンにおいて、吸気弁に対向する側、かつピストンストロークの中央より下側のシリンダ壁に、前記ピストンの摺動方向に対して略直角から補助空気を噴出する開口部を有する下側空気噴出機構を設け、前記下側空気噴出機構からの空気噴出を、シリンダ内でのタンブル流を助長するように前記ピストンの位置およびエンジンの運転状態に関連付けて前記空気噴出機構から補助空気の噴出を行う。
【００１０】
【作用・効果】
本発明によれば、吸気の流速が速くてピストン冠面に設けたキャビティーではタンブル流の崩壊を防げない場合や、吸気の流速が遅くてタンブル流を形成できない場合にも、空気噴出によって吸気流れに横向きの成分を与えるので、タンブル流の崩壊を防止できる。また、ピストンの冠面にほぼ沿うように空気噴出を行うので、ピストンの冠面に付着した燃料が飛散して燃焼しやすくなる。
【００１１】
したがって、燃焼が安定して燃焼効率が向上し、さらに壁流量を低減して排出ＨＣや燃費の悪化を防止することが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１は第１実施形態のシステム構成を表した図である。
【００１４】
１はエンジン、２はシリンダで、このシリンダ２内を冠面３ａが曲率をもった形状のピストン３が往復動する。
【００１５】
ピストン冠面３ａは、最深部が吸気バルブ４に対向するシリンダ壁２ａ側にオフセットしたキャビティ形状となっている。
【００１６】
シリンダ２と吸気ポート５は連通しており、吸気バルブ４によって連通が遮断可能になっている。また、吸気バルブ４と反対側に排気バルブ２１が配置され、排気が排気バルブ２１を介して排気ポート２２に排出される。
【００１７】
吸気ポート５の上流には吸入空気量を制御するスロットルバルブ６、エアクリーナ８から吸入した空気量を測定するエアフローメータ７を配置する。スロットルバルブ６の開度、エアフローメータ７で検出した空気量はコントロールユニット９に読み込まれる。
【００１８】
吸気ポート５には燃料噴射弁１２を設ける。エアフローメータ７で検出した空気量、スロットルバルブ６の開度等に基づいてコントロールユニット９が燃料噴射量を算出して燃料噴射弁１２に噴射信号を送り、これに基づいて所定の空燃比となるように燃料噴射弁１２は燃料を噴射する。
【００１９】
吸気バルブ４に対向するシリンダ壁２ａ、すなわち、排気バルブ２１側のシリンダ壁２ａに下側空気噴出機構１０を配置する。
【００２０】
吸気バルブ４側のシリンダ壁２ｂの、吸気バルブ４の下部近傍に上側空気噴出機構１１を配置する。
【００２１】
図２（ａ）〜（ｃ）は吸気行程中のピストン位置ごとの燃焼室内部を表している。下側空気噴出機構１０は上下方向に並んだ空気噴出弁１３ａ、１３ｂを有し、一方の空気噴出弁１３ｂはピストン３の下死点（以下、ＢＤＣ）位置よりも若干上部に、他方の空気噴出弁１３ａはＢＤＣ位置から、ピストン３のストロークの約１／２〜１／３だけ上部にそれぞれ配置する。
【００２２】
空気噴出弁１３ａ、１３ｂはともにアキュムレータ１４、エアーポンプ１５に接続されており、エアーポンプ１５が外気を吸入してアキュムレータ１４に蓄圧し、その空気をピストン位置に応じて開く空気噴出弁１３ａもしくは１３ｂから噴出する。
【００２３】
ここで、空気噴出弁１３ａ、１３ｂの空気噴出機構について図３を用いて説明する。
【００２４】
空気通路３４はシリンダ壁２ａに設けた開口部３６によってシリンダ２と連通している。空気通路３４は、少なくとも開口部３６近傍ではシリンダ壁２ａに対して垂直であり、開口部３６とアキュムレータ１４との間に、空気通路３４の軸方向に対して略垂直な噴出ピストン摺動部３５を設ける。また、空気通路３４の噴出ピストン摺動部３５に対向する位置には、凹部３８を設ける。
【００２５】
噴出ピストン摺動部３５内には、空気通路３４の連通を遮断可能な噴出ピストン３０、噴出ピストン３０を空気通路３４側に押付けるスプリング３１を収める。噴出ピストン３０は、初期状態ではスプリング３１によって凹部３８に押付けられている。
【００２６】
噴出ピストン３０の空気通路側端部（以下、噴出ピストン大端部）３７には空気通路３４の軸方向と略同方向に貫通する連通孔３０ａを設ける。連通孔３０ａは初期状態で凹部３８内に位置するよう設ける。噴出ピストン３０の空気通路３４と反対側の端部（以下、噴出ピストン小端部）３３の近傍には電磁石３２を設ける。空気噴出機構１０は、電磁石３２が通電されていない状態では噴出ピストン３０によって空気通路３４が遮断されているが、後述する噴出タイミングに合わせて電磁石３２に通電すると噴出ピストン小端部３３が電磁石３２に吸着され、連通孔３０ａが空気通路３４内に移動して、噴出ピストン３０の上流と下流の空気通路３４が連通し、アキュムレータ１４に蓄圧された空気がシリンダ２に対して略垂直に、シリンダ２内の吸気流れに向けて噴出される。通電を終了すると、スプリング３１によって噴出ピストン３０は再び凹部３８に押付けられ、連通孔３０ａが空気通路３４から外れて、空気通路３４の連通は遮断される。
【００２７】
上側空気噴出機構１１は、空気噴出弁が一つ（空気噴出弁１６）である以外は下側空気噴出機構１０と同様の構造である。
【００２８】
空気噴出弁１３ａ、１３ｂ、および１６を開くタイミングは、クランク角センサ２０、スロットルバルブ６、エアフローメータ７等の検出値に基づいてコントロールユニット（以下、ＥＣＭ）９にて後述するように制御する。なお、空気噴出弁１３ａ、１３ｂを開いている時間は、ピストン冠面３ａが通過する直前から通過するまでとし、空気噴射弁１６を開いている時間については後述する。
【００２９】
空気噴出弁１３ａ、１３ｂの作用・効果について図２（ａ）〜（Ｃ）、用いて説明する。
【００３０】
図２の（ａ）〜（ｃ）各図は、吸気行程におけるシリンダ２内部の吸気の流れ（ガス流動）を示している。各図とも、実線Ｎが空気噴出なしの場合のガス流動、点線Ｍが空気噴出ありの場合のガス流動を示している。
【００３１】
図２（ａ）はピストン３が上死点（以下、ＴＤＣ）からＢＤＣに向けて降下し始めたところである。この時、空気噴出弁１３ａ、１３ｂはシリンダ２に開口しておらず、空気噴出を行わない。
【００３２】
図２（ｂ）はピストン３が下降してきて空気噴出弁１３ａを通過したところを表している。この時、空気噴出弁１３ａから空気噴出（点線Ｍ２）を行う。これにより、本来ならピストン冠面３ａに衝突することによって崩壊してしまうタンブル流（実線Ｎ）に横向きの成分が与えられるので、タンブル流はピストン冠面３ａの形状にそって旋回（点線Ｍ）し、タンブル流を維持することができる。
【００３３】
図２（ｃ）はピストン３がＢＤＣにあるときを表している。この時、ＢＤＣ位置よりも若干上部に設けられた空気噴出弁１３ｂから空気噴出（点線Ｍ３）を行い、上記と同様にタンブル流の維持を図る。
【００３４】
また、従来のエンジンでは、気化した燃料を含む吸入空気がピストン上部と衝突することによって一部の燃料が液化してしまい、燃焼せずに排気行程中に外部に排出されてしまうという問題もあった。しかし、本発明においては空気噴出によってピストン冠面３ａと吸入空気の衝突を和らげるので、液化する燃料を減少させることができる。また、燃料が液化した場合でも、空気噴出をピストン冠面３ａが通過するときに行うので、燃料は噴出した空気によって吹き飛ばされ、再気化して燃焼しやすくなる。
【００３５】
次に、空気噴出を行うエンジンの運転領域について図４を用いて説明する。図４はエンジンの運転領域をエンジン回転数、負荷によって３つの領域Ａ〜Ｃに分けたもので、高回転高負荷領域を領域Ａ、中回転中負荷領域を領域Ｂ、低回転低負荷を領域Ｃとする。
【００３６】
空気噴出弁１３ａ、１３ｂが空気噴出を行うのは、シリンダ２内の吸気流れが速く、吸気ポート５から導入されたタンブル流がピストン３に衝突して崩壊しやすい領域Ａと、シリンダ２内の吸気流れが遅く、シリンダ２内にタンブル流が形成されにくい領域Ｃである。領域Ｂでは、ピストン冠部３ａの形状の効果によってタンブル流を維持できるので、空気噴出によるアシストを行わない。
【００３７】
空気噴出弁１６の作用・効果について図５を用いて説明する。
【００３８】
図５（ａ）（ｂ）はそれぞれ空気噴射弁１６を設けない場合と、設けた場合である。図５（ａ）において、吸気バルブ４のシリンダ壁２ｂ側からの吸気流れβは、シリンダ壁２ａ側からの吸気流れαと反対の回転方向をもつ。これら吸気流れαと吸気流れβが干渉することによって、吸気流れαの勢いは弱まりシリンダ２内のタンブル流が弱まる。そこで本実施形態では図５（ｂ）に示すようにシリンダ壁２ｂの上部に空気噴出弁１６を設け、吸気流れβに向けて空気を噴出する。
これにより吸気流れβの回転方向を吸気流れαと同方向にし、前述した吸気流れの干渉を防止できる。
【００３９】
また、燃料噴射弁１２から噴射されて吸入空気と混合された燃料は、吸気バルブ４の傘部等に衝突することによって一部が液化してしまう。この液化した燃料は、図６（ａ）に示すように、バルブ４と吸気ポート５との間に溜まり（図中Ｌで示した部分）、図６（ｂ）に示すように吸気バルブ４が開いたときにシリンダ２内へ流入して壁流Ｓとなってシリンダ壁２ｂに付着する。本実施形態では図６（ｃ）に示すように、吸気バルブ４側のシリンダ壁２ｂ上部に設けた空気噴出弁１６から空気を噴出することによって、液化した状態でシリンダ２に流れ込む燃料を吸気流れに向けて吹き飛ばし、再び気化させて燃焼させることが可能である。
【００４０】
したがって、空気噴射弁１６は、吸気バルブ４が開いた時には常に、つまり図４の領域Ａ、Ｂ、Ｃのすべての領域（エンジン始動時を除く）で空気噴出を行う。
【００４１】
空気噴出を行う時間については、使用するエンジンの特性、吸気ポートの形状等により異なるため特に限定しないが、噴出時間が長くなれば、当然下側空気噴出機構１０および上側空気噴出機構１１からシリンダ２に噴出される空気量も多くなり、空燃比への影響も大きくなる。したがって、ＥＣＭ９は噴出した空気量と吸気バルブ４から供給する空気量とを関連付けて目標となる空燃比と一致するように制御を行うこととする。
【００４２】
以上により、本実施形態では吸気流れに向けて空気噴出弁１３ａ、１３ｂ、１２から空気を噴出してタンブル流の崩壊を防止できるので、燃焼効率および掃気効率の向上を図れる。
【００４３】
空気噴出弁１３ａ、１３ｂからの空気噴出をピストン３が通過する時に行い、液化してピストン冠面３ａに付着した燃料を吸気流れの中に拡散させるので、未燃焼ガスの排出量が低減される。
【００４４】
空気噴出弁１６から空気噴出を、エンジン始動時を除くすべての運転領域の吸気行程で行うことによりシリンダ２内の吸気流れを一方向に揃えることができるので、タンブル流の崩壊を防止でき、燃焼効率の向上を図れる。
【００４５】
空気噴出弁１６からの空気噴出によって、液化してシリンダ壁２ｂに付着した燃料を吸気流れの中に拡散させるので、未燃焼ガスの排出量が低減される。
【００４６】
なお、空気噴出弁１３ａ、１３ｂ、１６の各開口部は単数に限らず、周方向に複数設けても同様の効果が得られる。
【００４７】
第２実施形態について図７（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。
【００４８】
本実施形態が第１実施形態と異なるのは、本実施形態では、第１実施形態の空気噴出弁１３ｂに相当する空気噴出弁４０のみによって空気噴出を行う点である。
【００４９】
空気噴出弁４０は第１実施形態の空気噴出弁１３ｂと同様に、シリンダ壁２ａの、ピストン３がＢＤＣにあるときのピストン冠面３ａより若干上部に設ける。空気を噴出するタイミングは、ピストン３がＢＤＣに近傍にきた瞬間である（図７（ｃ））。ピストン３が下降しながらＢＤＣに近づいた時、またはＢＤＣから上昇し始めた瞬間、もしくはその両方のタイミングのいずれでも構わない。
【００５０】
この空気噴出によって、タンブル流にさらに横向きの成分を与えて、崩壊を防止することが可能となる。また、本実施形態では第１実施形態の空気噴射弁１３ａに相当する空気噴射弁を設けないので、図７（ｂ）に示したピストン位置において吸気流れがピストン冠面３ａに衝突する。しかしこの衝突においては、ピストン３は下降中であるので、シリンダ壁２ａとピストン冠面３ａのシリンダ壁２ａ付近との角度は相対的には９０度以下となり、タンブル流はそれほど崩壊しない。しかし、気化して吸気中に含まれていた燃料が液化してピストン冠面３ａに溜まる（図中Ｌ２で示した部分）。空気噴出を全く行わない従来のエンジンでは、この液化した燃料は排気行程において未燃のまま排出されてしまうが、本実施形態ではピストン３がＢＤＣ近傍に来た瞬間に空気噴出弁４０から空気を噴出するので、ピストン冠面３ａに液化して溜まっている燃料をタンブル流に向けて吹き飛ばして、再び気化させて燃焼させることが可能となる。
【００５１】
空気を噴出する運転領域について図８を用いて説明する。図８はエンジンの運転領域をエンジン回転数および負荷によって２つの領域Ｄ、Ｅに分けたもので、高回転高負荷領域を領域Ｄ、低中回転低中負荷領域を領域Ｅとする。
【００５２】
本実施形態では、高回転高負荷領域Ｄにおいてのみ空気噴出を実施し、低中回転低中負荷領域Ｅでは空気噴出を実施しない。中回転中負荷域においては、第１実施形態と同様にピストン冠面３ａの形状によって十分にタンブル流の維持が可能であり、低回転低負荷域においては、空気噴出弁４０のみの空気噴出ではタンブル流維持の効果が得られないという理由による。
【００５３】
以上により、本実施形態では１シリンダ当り一つの空気噴出弁４０を配置するのみという簡易的な構成で第１実施形態とほぼ同等の効果が得られる。
【００５４】
また、タンブル流（もしくはスワール流）崩壊防止用と燃料拡散用の２つの空気噴出弁を用いていた従来の方法に比べて、本実施形態では空気噴出弁４０のみで前記２つの役割を果たすことが可能である。
【００５５】
なお、空気噴出機構は図３に示したような電磁式ではなく、図９に示したようなカム駆動式のものを用いることができる。シリンダ壁２ａに開口する噴出孔５３とアキュムレータ６０とを連通する連通孔５２に噴出ピストン５０を摺動可能に配置し、ピストン５０とシリンダ壁２ｃの間にはスプリング５１を介装する。
【００５６】
アーム５５はピン５６によって回転可能に係止されており、ピストン側の端部５７は噴出ピストン５０の頂面５８と接しており、他方の端部６２は、空気噴出機構用に設けたカムシャフト５９のカム６３山部分に接している。
【００５７】
アーム５５のピストン側端部５７の噴出ピストン５０と反対側の面６６はスプリング６４と接している。前記スプリング６４は、スプリング５１よりもバネ定数が大きく、スプリング６４支持用の壁部６７に設けた、軸心がピストン５０の摺動方向と同一のストッパー６５が軸心を貫いている。
【００５８】
カムシャフト５９が回転して、カム山部分６３の山が高い部分がアームの他方の端部６２を押すことによって、アーム５５はピン５６を中心にして図中反時計回りに回転する。これによりスプリング６４はアーム５５のピストン側端部５７によって押し縮められるのでスプリング５１は伸び、噴出ピストン５０はスプリング５１によってシリンダ壁２ｃから離れる方向に移動し、連通孔５２と噴出孔５１とが連通して空気が噴出する。なお、カムシャフト５９の回転数が高くなり、アーム５５の回転量、すなわちアーム５５の先端部５７の固定壁６７側への移動量がカム山６３の形状よりも大きくなった場合にも、ストッパー６５によって制限されるので、噴出ピストン５０がシリンダ壁２ｃから抜け落ちてしまうことが防止できる。
【００５９】
一方、アーム５５の端部６２との接触面が、カム山部分６３の低い部分になると、スプリング６４の反力によってアーム５５は図中時計回りに回転して、噴出ピストン５０はシリンダ壁２ｃ方向に押されて連通孔５２を塞ぐ。
【００６０】
前記カムシャフト５９のカム山６３の形状を変更することによって、空気噴出のタイミング、噴出時間を任意に設定することが可能である。
【００６１】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構成を表した図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は第１実施形態の各ピストン位置におけるシリンダ内を表した図である。
【図３】本実施形態に用いる空気噴出機構の構成を表した図である。
【図４】第１実施形態の下側空気噴出機構の使用領域を示すテーブルである。
【図５】（ａ）は上側空気噴出機構を設けない場合、（ｂ）は上側空気噴出機構を設けた場合（第１実施形態）のシリンダ内の吸気流れを表した図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は上側空気噴出機構の作用を表す図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は第２実施形態の作用を表す図である。
【図８】第２実施形態の下側空気噴出機構の使用領域を示すテーブルである。
【図９】空気噴出機構の一例を示す図である。
【符号の説明】
１  エンジン
２  シリンダ
３  ピストン
４  吸気バルブ
５  吸気ポート
６  スロットルバルブ
７  エアフローメータ
８  エアクリーナ
９  コントロールユニット（ＥＣＭ）
１０  下側空気噴出機構
１１  上側空気噴出機構
１２  燃料噴射弁
１３  下側空気噴出弁
１４  アキュムレータ
１５  エアポンプ
１６  上側空気噴出弁
１７  アキュムレータ
１８  エアポンプ
１９  空気経路
２０  クランク角センサ
２１  排気バルブ
３０  噴出ピストン
３１  スプリング
３２  電磁石
３３  噴出ピストン小端部
３４  空気通路
３５  噴出ピストン摺動部
３６  開口部
３７  噴出ピストン大端部
３８  凹部
５０  噴出ピストン
５１  スプリング
５２  連通孔
５３  噴出孔
５５  アーム
５６  ピン
５７  接触面
５８  ピストン頂部
５９  カムシャフト
６０  アキュムレータ
６１  噴出ピストン頂部
６４  スプリング
６５  ストッパー
６７  固定壁
【図１】
2004251152.tif 000003
【図２】
2004251152.tif 000004
【図３】
2004251152.tif 000005
【図４】
2004251152.tif 000006
【図５】
2004251152.tif 000007
【図６】
2004251152.tif 000008
【図７】
2004251152.tif 000009
【図８】
2004251152.tif 000010
【図９】
2004251152.tif 000011