(57)【要約】      （修正有）【課題】内燃機関において、燃焼室内に強い双子渦を生成し、点火プラグの放電に気流が当たり易くすることにより、希薄燃焼や高ＥＧＲ率燃焼において安定した燃焼を得ることにある。【解決手段】燃焼室をシリンダ軸線Ｃ１方向から視た場合、吸気ポート１１を２つの吸気口７・７の間と２つの排気口８・８の間とを通る燃焼室の中心線Ｃ２に対して対称な形状とし、且つ吸気ポート１１の内部を２つの隔壁１３・１３によって燃焼室の中央寄りに連通するセンターポート１４と燃焼室の外側寄りに連通する２つのサイドポート１５・１５とに分割し、センターポート１４内に通路断面積を変更可能な吸気制御弁１６を配置し、内燃機関１の運転状況に応じて吸気制御弁１６を作動してセンターポート１４の通路断面積を変化させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室を構成する天井壁の中央付近に点火プラグを配置し、前記天井壁に２つの吸気口と２つの排気口とを互いに対向するように開口させ、前記２つの吸気口と連通する吸気ポートを前記２つの排気口と反対側に延設し、前記２つの吸気口から前記燃焼室へ流入する空気の流路に沿って２方向に燃料を噴射する燃料噴射弁を配置した内燃機関において、前記燃焼室をシリンダ軸線方向から視た場合、前記吸気ポートを前記２つの吸気口の間と前記２つの排気口の間とを通る前記燃焼室の中心線に対して対称な形状とし、且つ前記吸気ポートの内部を２つの隔壁によって前記燃焼室の中央寄りに連通するセンターポートと前記燃焼室の外側寄りに連通する２つのサイドポートとに分割し、前記センターポート内に通路断面積を変更可能な吸気制御弁を配置し、前記内燃機関の運転状況に応じて前記吸気制御弁を作動して前記センターポートの通路断面積を変化させることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記燃焼室の底部を構成するピストンの上面部には断面が半円形であり且つ所定高さで隆起する２つの隆起部を並列に配置し、前記２つの隆起部を前記２つの吸気口の下方から前記２つの排気口の下方へ延設するとともに前記２つの隆起部の円弧状を成す外周面を前記燃焼室の内周面に所定間隔で対向させたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記点火プラグは中心電極と接地電極とを備え、この接地電極を前記２つの吸気口の間と前記２つの排気口との間とを通る前記燃焼室の中心線と垂直に交差するように位置決めしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関に係り、特に希薄混合気を燃焼させる内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両に搭載される内燃機関としては、希薄混合気を燃焼させる内燃機関がある。
この希薄混合気を燃焼させる内燃機関では、吸気ポート、燃焼室等の形状を変更して、燃焼室内にタンブル流やスワール流を生成させているものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−４１３９７号公報
【特許文献２】特開２００４−１３８０２９号公報
【特許文献３】特開平１１−１９３７２２号公報
【０００４】
特許文献１に係る複数点火エンジンの燃焼室構造は、２つの吸気バルブと２つの排気バルブの間とを通る中心線の近傍におけるインレット側スキッシュエリアの幅とエキゾースト側スキッシュエリアの幅との大小関係と、中心線に平行であって周辺点火プラグの中心を通過する直線の近傍におけるインレット側スキッシュエリアの幅とエキゾースト側スキッシュエリアの幅との大小関係とを、反対の関係になるような構造として、タンブル流から生成される双子渦の影響を受けても、未燃領域を残さないようにしたものである。
特許文献２に係る筒内噴射型火花点火内燃機関は、燃料噴射弁から噴射した２条の噴霧を案内溝により案内してジャンプ台まで輸送し、このジャンプ台で相互に衝突させて点火プラグ近傍に導き、壁面への燃料着を抑制するものである。
特許文献３に係る筒内噴射式火花点火機関は、ピストンの上面部の中央部位に、吸気弁配置側からなる他方の排気弁配置側に向けて平面視で漸次広幅となるランド部を突出形成することで、未燃ＨＣ等の発生を抑制するものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、従来、希薄混合気を燃焼させる内燃機関において、タンブル流は、内燃機関の運転状態により渦中心が、点火プラグ近傍にくる場合と、外れる場合とがある。言い換えると、気流の変動が大きい所に点火プラグの電極が存在するため、燃焼のサイクルの変動が増加する。
これに対し、上記の特許文献１に記載のように燃焼室内に双子渦を生成する内燃機関では、気流が点火プラグの近くを常に排気側から吸気側へ流れる。その結果、タンブラ流より双子渦の方が、点火・燃焼のサイクルの変動が小さくできるメリットがある。そのため、より強い双子渦を燃焼室内に生成することが望まれる。
【０００６】
そこで、この発明の目的は、燃焼室内に強い双子渦を生成し、点火プラグの放電に気流が当たり易くすることにより、希薄燃焼や高ＥＧＲ率燃焼において安定した燃焼を得ることができる内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は、燃焼室を構成する天井壁の中央付近に点火プラグを配置し、前記天井壁に２つの吸気口と２つの排気口とを互いに対向するように開口させ、前記２つの吸気口と連通する吸気ポートを前記２つの排気口と反対側に延設し、前記２つの吸気口から前記燃焼室へ流入する空気の流路に沿って２方向に燃料を噴射する燃料噴射弁を配置した内燃機関において、前記燃焼室をシリンダ軸線方向から視た場合、前記吸気ポートを前記２つの吸気口の間と前記２つの排気口の間とを通る前記燃焼室の中心線に対して対称な形状とし、且つ前記吸気ポートの内部を２つの隔壁によって前記燃焼室の中央寄りに連通するセンターポートと前記燃焼室の外側寄りに連通する２つのサイドポートとに分割し、前記センターポート内に通路断面積を変更可能な吸気制御弁を配置し、前記内燃機関の運転状況に応じて前記吸気制御弁を作動して前記センターポートの通路断面積を変化させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
この発明の内燃機関は、燃焼室内に強い双子渦を生成し、点火プラグの放電に気流が当たり易くすることから、希薄燃焼や高ＥＧＲ率燃焼において安定した燃焼を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は燃焼室と吸気ポートの平面図である。（実施例）
【図２】図２は図１の矢印ＩＩ方向から視た吸気ポートの内側図である。（実施例）
【図３】図３は双子渦を強化する隆起部を備えたピストンの平面図である。（実施例）
【図４】図４は図３のＩＶ−ＩＶ線によるピストンと燃焼室の断面図である。（実施例）
【図５】図５は点火プラグの向きを説明する点火プラグの側面図である。（実施例）
【図６】図６は図５の点火プラグの電極部の拡大側面図である。（実施例）
【図７】図７は点火プラグ近傍の気流を示す燃焼室の中心の断面図である。（実施例）
【図８】図８は筒内噴射内燃機関への適用例で双子渦と燃料噴霧の関係を示す燃焼室の概略平面図である。（変形例１）
【図９】図９は吸気制御弁の変形例を示す吸気ポートの入口側から視た内側図である。（変形例２）
【図１０】図１０は隔壁に切欠部を形成した吸気ポートの概略側面図である。（変形例３）
【図１１】図１１は２段式の吸気制御弁を備えた吸気ポートの平面図である。（変形例４）
【図１２】図１２は図１１の矢印ＸＩＩによる吸気ポートの入口側から視た内側図である。（変形例４）
【図１３】図１３は内部に別の吸気制御弁を備えた吸気ポートの平面図である。（変形例５）
【発明を実施するための形態】
【００１０】
この発明は、希薄燃焼や高ＥＧＲ率燃焼において安定した燃焼を得る目的を、燃焼室内に強い双子渦を生成し、点火プラグの放電に気流が当たり易くして実現するものである。
【実施例】
【００１１】
図１〜図７は、この発明の実施例を示すものである。
図１〜図４において、１は車両に搭載される内燃機関、２はシリンダヘッド、３はピストンである。
シリンダヘッド２には、燃焼室４を構成する天井壁５が形成されている。
この天井壁５の中央付近には、点火プラグ６が配置されている。
天井壁５には、２つの吸気口７・７と２つの排気口８・８とを、互いに対向するように開口させる。２つの吸気口７・７には、吸気バルブ９・９が配置される。２つの排気口８・８には、排気バルブ１０・１０が配置される。
シリンダヘッド２には、２つの吸気口７・７と連通する吸気ポート１１を、２つの排気口８・８と反対側に延設する。
また、シリンダヘッド２には、２つの吸気口７・７から燃焼室４へ流入する空気の流路に沿って２方向に燃料を噴射する燃料噴射弁１２を配置する。
【００１２】
図１に示すように、燃焼室４は、シリンダ軸線Ｃ１方向から視た場合、吸気ポート１１を２つの吸気口７・７の間と２つの排気口８・８の間とを通る中心線Ｃ２に対して対称な形状に形成される。
吸気ポート１１は、２つの隔壁１３・１３によって燃焼室４の中央寄りに連通するセンターポート１４と、燃焼室４の外側寄りに連通する２つのサイドポート１５・１５とに分割される。２つの隔壁１３・１３は、２つのサイドポート１５・１５内に気流の流線に平行な単純な長方体であって、且つ燃料噴射弁１２からの噴霧に干渉しない所定長さで形成されている。
センターポート１４内には、このセンターポート１４の通路断面積を変更可能な吸気制御弁１６・１６を配置する。この吸気制御弁１６・１６は、図２に示すように、回転軸１７・１７に支持されて揺動可能なものであり、閉鎖状態において中央部位で隙間Ｓを形成する。この隙間Ｓは、生産コストを低減させるものであって、ゴム等シール材で気密を保つことも可能である。
吸気制御弁１６・１６は、内燃機関１の運転状況に応じて制御手段１８によって作動され、センターポート１４の通路断面積を変化させる。
【００１３】
上記のような構造により、内燃機関１への吸入空気量が少ない場合に、吸気制御弁１６・１６によってセンターポート１４の通路を閉鎖することによって、２つのサイドポート１５・１５から燃焼室４内へ流入する気流Ｍ・Ｍの流速を速くし、燃焼室４の内周壁に沿って互いに反対方向へ旋回する空気の流速を速くする。その結果、互いに対向する方向から衝突して２つの排気口８・８の間から点火プラグ６の下方へ流れる空気の流れ（双子渦）を速くすることができる。
このため、燃料噴射弁１２から噴射された燃料を双子渦によって空気と混合しつつ燃焼可能な濃度の混合気を点火プラグ６の近くに確実に運び、希薄混合気の燃焼性を向上させることができる。
また、内燃機関１の運転状態に応じてセンターポート１４の通路断面積を変化させることで、双子渦を安定した状態で発生させ、点火プラグ６による希薄混合気の燃焼性を向上させることができる。
更に、点火プラグ６の近傍で発生する火炎核を双子渦の流れで点火プラグ６から引き離し、火炎核の熱が点火プラグ６に奪われることを防止できる。このため、火炎核の成長を促進して希薄混合気の燃焼性を向上させることができる。
このように、双子渦を強化することで、図１に示すように、点火プラグ６の電極近傍の流速が速くなり、これにより、図６に示すように、点火プラグ６に形成される放電Ｒが気流で弓状に引き延ばされる。この結果、放電の中心が点火プラグ６の電極から遠くなるため、放電Ｒにより生成された火炎核が点火プラグ６と接触しにくくなる。このため、火炎核から点火プラグ６へ伝わる熱が小さくなる（火炎核の熱エネルギを失いにくい）ため、点火性能が向上し、安定した燃焼を得ることができる。
【００１４】
図３、図４に示すように、燃焼室４の底部を構成するピストン３の上面部３Ｔには、ピストン３の上面に沿う断面が半円形であり且つ所定高さで隆起する２つの隆起部１９・１９を並列に配置する。
この２つの隆起部１９・１９は、双子渦を強化させるものであって、２つの吸気口７・７の下方から２つの排気口８・８の下方へ延設する。この２つの隆起部１９・１９の円弧状を成す外周面２０・２０は、燃焼室４の内周面２１に所定間隔で対向している。
この２つの隆起部１９・１９における円弧状部の直径Ｄ１は、シリンダボアの７０〜８０％の円形で作成されている。
この２つの隆起部１９・１９の外周には、幅Ｄ３の溝部２２・２２が形成されている。
また、２つの隆起部１９・１９の間の距離Ｄ２は、シリンダボア周りに沿った２つの気流が衝突して通過できる程度を確保させるものであって、溝部２２・２２の幅Ｄ３の２倍程度に設定されている。
更に、図４に示すように、２つの隆起部１９・１９の高さＨ１は、火炎伝播の障害にならないように、ピストン３が上死点にある場合の燃焼室４の高さＨ２の５分の１以下（Ｈ１＜Ｈ２／５）に設定すると良い。
なお、図７に示すように、シリンダヘッド２には、２つの排気口８・８に連通する排気ポート２３が形成されている。
【００１５】
上記のような構造により、隆起部１９・１９の円弧状を成す外周面２０・２０によって２つのサイドポート１５・１５から燃焼室４内へ流入する空気を、夫々燃焼室４の内周壁に沿って互いに反対方向へ旋回させることができる。そして、互いに対向する方向から衝突する２つの空気を隆起部１９・１９の間の空間を通して２つの排気口８・８側から点火プラグ６の下方へ流し、燃焼室４内に生成される双子渦をさらに強くすることができる。この結果、燃料噴射弁１２から噴射された燃料を双子渦によって点火プラグ６の近くに確実に運べて、希薄混合気の燃焼性をさらに向上させることができる。
【００１６】
図５〜図７に示すように、点火プラグ６は、中心電極２４と接地電極２５とを備える。
接地電極２５は、２つの吸気口７・７の間と２つの排気口８・８との間とを通る燃焼室４の中心線Ｃ２と垂直に交差するように位置決めされている。また、燃焼室４の中心線Ｃ１（シリンダ軸線）と点火プラグ６の中心線Ｃ３とは、一定の距離Ｌで離れている。
このような構造により、点火プラグ６の下方を排気口８・８側から吸気口７・７側へ流れる空気の流れによって中心電極２４と接地電極２５との間に発生する放電を双子渦の流れ方向に湾曲させることができる。このため、点火プラグ６から離れた場所で火炎核を発生させ、火炎核の熱が点火プラグ６に奪われることを防止できる。このため、火炎核の成長を促進して希薄混合気の燃焼性を向上させることができる。
【００１７】
即ち、この実施例においては、上述したように、強い双子渦を生成するために、吸気ポート１１内に吸気制御弁１６を設置し、且つピストン３の上面部に隆起部１９・１９を備えることで、点火プラグ６近傍の気流の流速を早くする。さらに、点火プラグ６の向きを気流の影響を受けやすくする。これにより、放電Ｒを気流方向へ引き伸ばし、火炎核を電極から遠ざけることで冷却損失を減らすことができる。
以上  説明した本発明の要点をまとめると、以下の３点となる。
１、吸気ポート１１の入口側に吸気制御弁１６を設置し、且つ吸気ポート１１内に縦に隔壁１３・１３を設置する。吸気ポート１１内の空気をサイドポート１５・１５のみに流すことで、燃焼室４内に発生する気流Ｍ・Ｍを強くする（図１、図２参照）。
また、吸気制御弁１６は、開口率を変化させる機構を有する。そして、希薄燃焼の内燃機関若しくはＥＧＲガスを多く含んだ空気を燃焼させる内燃機関において、特に点火が困難になる軽負荷リーン領域で吸気制御弁１６を閉じ、気流Ｍ・Ｍを発生させて混合気の燃焼を促進させる。例えば、空気＋ＥＧＲの重量をＧとし、燃料の重量をＦとした場合、Ｇ／Ｆ＞１８の運転領域で吸気制御弁１６を閉じる。一方、他の領域では吸気制御弁１６を開くことで、吸入抵抗を低減して燃焼室４への吸入空気量を増やすことができる。この際、吸気制御弁１６の開口率は、Ｇ／Ｆによって変更することができる。例えば、Ｇ／Ｆ≒２５では開口率２０％とし、Ｇ／Ｆ≒１５では開口率５０％とする等、Ｇ／Ｆが大きい程、開口率を小さくし、強い双子渦を生成するようにする。
２、ピストン３の形状に二つの半円状の隆起部１９・１９を設け、双子渦の生成を促す（図３参照）。
３、点火プラグ６の接地電極２５を２つの吸気口７・７の間と２つの排気口８・８の間とを通る中心線Ｃ２と垂直に交差するように位置決めする（図５、図６参照）。これにより、放電が気流により電極から引き延ばされ易くする。
さらに、双子渦の生成により、以下の効果も期待できる。
図５、図６に示すように、排気側から吸気側へ流れる気流により、初期化の火炎核は、同方向へ流される。この結果、点火プラグ６の位置が排気側にあるため、火炎核は、シリンダボアの中心方向へ流されるため、燃焼が速くなる。そして、シリンダライナー近傍の流速が強いため、同部位の乱れ強度の強化が期待できる。
これにより、燃焼後半の燃焼速度向上によってノック緩和が期待できる。また、圧縮上死点付近まで速い気流を保持できるため、筒内直噴の燃料均質性向上を期待できる。
【００１８】
この発明は、上述の実施例に限定されず、以下の各変形例のように、種々応用改変が可能であることは勿論である。
第１の変形例として、図８に示すように、筒内直噴内燃機関２６において、燃料の噴射方向を燃焼室４のサイド方向へ向ければ、燃料噴霧により双子渦の生成を強化できる。
第２の変形例として、図９に示すように、吸気制御弁１６・１６の周りにゴム等からなるシール材２７・２７を設置すれば、気密性を高くできる。
第３の変形例として、図１０に示すように、吸気ポート１１内に配置される隔壁１３に切欠部２８を形成すれば、燃料噴射弁１２から噴射された燃料との干渉を防ぎ、隔壁１３を吸気バルブ９近傍まで延ばすことができ、強い双子渦の生成が期待できる。
第４の変形例として、図１１、図１２に示すように、隔壁１３を合計４つとし、吸気制御弁１６も４つとすれば、開口率を段階的（例えば２段階）に変えることができる。これにより、目標とするＧ／Ｆに合わせてより詳細に開口率を変更し、より安定した燃焼を得ることができる。
第５の変形例として、図１３に示すように、ポート中央部に隔壁１３を配置し、この隔壁１３の下流端内に収納可能な制御弁稼動機構２９を設置する。この制御弁稼動機構２９は、例えば、２つの回動軸３０・３０に設けられた２つの制御弁３１・３１を備える。この２つの制御弁３１・３１は、互いに離れる方向へ動作するものであって、隔壁１３の延長方向に延びる状態や、隔壁１３から開いた状態となる。このような構造により、双子渦の生成が期待できる。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
この発明の内燃機関を、各種車両に適用可能である。
【符号の説明】
【００２０】
１  内燃機関
２  シリンダヘッド
３  ピストン
４  燃焼室
５  天井壁
６  点火プラグ
７  吸気口
８  排気口
１１  吸気ポート
１２  燃料噴射弁
１３  隔壁
１４  センターポート
１５  サイドポート
１６  吸気制御弁
１９  隆起部
２０  外周面
２１  内周面
２２  溝部
２４  中心電極
２５  接地電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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