JP2513611Y2

JP2513611Y2 - 成層燃焼内燃エンジン

Info

Publication number: JP2513611Y2
Application number: JP1989110181U
Authority: JP
Inventors: 哲朗石田; 喜朗団野
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1989-09-20
Filing date: 1989-09-20
Publication date: 1996-10-09
Anticipated expiration: 2004-09-20
Also published as: JPH0349372U

Description

【考案の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本考案は、燃焼室内の混合気にバレルスワール（タン
ブル流）を発生させる成層燃焼内燃エンジンに関する。

〔従来の技術〕

従来より、気筒の燃焼室に２つの吸気ポートより空燃
比リッチな混合気とリーンな混合気または空気を層状
（不均一）に供給し、全体としては希薄燃焼を行なわせ
て、燃費の改善やCOの低減あるいは低ノック性の向上等
を図る成層燃焼内燃エンジンが提案されている。

このようなものでは、２つの吸気ポートより供給され
る気筒内混合気流により、気筒内に層状のバレルスワー
ル（タンブル流）が生成され、気筒中央から偏心した位
置にあるいずれかの吸気ポートのみに燃料を噴射し、そ
の燃料が噴射する吸気ポート側に気筒中心から偏心した
位置、即ち空燃比リッチな領域において、点火栓を設け
ることにより、空燃比をリーンにしても、従来のエンジ
ンに比べ、比較的安定な燃焼が得られることが判ってい
る。

これを第5,6図を用いて、更に詳細に説明すると、第
5,6図に示す成層燃焼内燃エンジンは、４気筒ガソリン
エンジン１であって、各気筒２にはそれぞれ２つの独立
した吸気ポート3,4（吸気弁の図示を省略）が設けられ
て、吸気２弁エンジンが構成されている。

そして、各吸気ポート3,4は吸気マニホールド５の分
岐管5a,5bに接続されるとともに、吸気マニホールド５
はサージタンク5cよりスロットルバルブ６を介して図示
しない吸気管に接続されている。

さらに、吸気ポート３および４はその平面投影軸線Y,
Xがいずれもエンジンの中心線CLに沿う気筒の径に対し
て略直交するよう配設されており、吸気は燃焼室７に向
けピストン８の往復動方向に対して斜め下方に吹き込ま
れるようになっている。

そして、一方の吸気ポート３には、電磁式燃料噴射弁
９が設けられ、更に各気筒２における燃料が供給される
吸気ポート３の開口端近傍のシリンダヘッド2aには、燃
焼室７に臨む点火栓10が設けられている。

このように構成された成層燃焼内燃エンジンでの作用
を説明すると、まずエンジン１の吸気行程時にピストン
８の下降に伴い混合気および空気が、各吸気ポート３お
よび４から吸引され、燃焼室７に導かれる。このとき、
一方の吸気ポート３には、燃料噴射弁９より燃料が噴射
されて空気と燃料との混合気が燃焼室７に吸引される一
方、吸気ポート４からは空気のみが吸引される。

そして、各吸気ポート3,4はその各平面投影軸線Y,Xが
気筒の径に対して直交し、且つ、左右対象位置にあるの
で、燃焼室７に吸気される混合気および空気の大部分
は、ピストン８の往復動方向に沿って層状に分離して流
れる、いわゆるバレルスワールC,Dとなって旋回する。

こうして、燃焼室７に吸入された吸気は、続く圧縮行
程で圧縮された後、吸気ポート３の開口端近傍に取り付
けた点火栓10によって点火され、しかも、燃焼室７内で
は、混合気と空気の層が分離したまま旋回しているの
で、混合気は安定に燃焼する。

つまり、吸気ポート３から燃焼室１に供給される混合
気を空燃比リッチに設定すると、吸気ポート４から供給
される空気と合わせて全体としてはリーンの空燃比を有
する希薄混合気であっても安定に燃焼が行なわれるので
ある。

そして、このような希薄燃焼は、抗ノック性に優れ、
且つ、燃費やCOの排出量改善に寄与する。

また、従来より、吸気ポート3,4のいずれか一方に制
御弁等（図示省略）を設け、この制御弁等をエンジン１
の運転状態に応じて開閉させるようなエンジンが提案さ
れている。即ち、このようなエンジン１では低速運転時
には、制御弁等を閉状態として一方の吸気ポートを閉
じ、燃焼室７へ供給される混合気のスワールを強めると
ともに、高速運転時には、制御弁等を開状態として２つ
の吸気ポートを開き、燃焼室７へ供給される混合気の充
填効率を高めるようにしている。

〔考案が解決しようとする課題〕

しかしながら、このような従来の成層燃焼内燃エンジ
ンでは、加速運転時等のリーンフィードバック領域以外
での特に燃料の加速増量が必要な運転条件時には、燃料
を片側の吸気ポートにだけ噴射すると、スモークが発生
するおそれがある。

そこで、かかる加速運転時等に対処するため、第４図
に示すように２弁式エンジンのそれぞれの吸気ポートに
向けて燃料を噴射するように上記とは別の燃料噴射弁9A
を設けることが考えられるが、これでは２個の燃料噴射
弁９と9Aとが必要となり、その取付位置や構造などが煩
雑となり、又操作も複雑となって、高価になるという問
題点がある。

また、上述のような吸気ポートに制御弁等を設けたエ
ンジンでは、この制御弁等により吸気ポート内の吸気が
乱れ、吸入効率が低下するという課題がある。さらに、
このようなエンジンでは、２つの混合気の層のうち一方
の混合気の層に大量の燃料が噴射されると気筒内が空気
不足となり、混合気が不完全燃焼を起こしてしまい、や
はりスモークが発生するおそれがある。

本考案は、このような問題点に鑑みなされたもので、
１つの燃料噴射弁を用い、これの燃料噴射口近傍に向け
てアシストエアを噴出したりしなかったりすることによ
り、燃料噴射方向を変えることができるようにして、エ
ンジンがリーン空燃比で運転される第１の運転状態で
は、片側吸気ポート噴射とし、エンジンがリーン空燃比
よりリッチ側の空燃比で運転される第２の運転状態で
は、両吸気ポート噴射を実現できるようにした、成層燃
焼内燃エンジンを提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上述の目的を達成するため、本考案の成層燃焼内燃エ
ンジンは、エンジンの気筒の燃焼室に開口し、該燃焼室
開口に設けられた吸気弁を介して該吸気弁開弁時に常時
吸気を該燃焼室内に導入する２つの吸気ポートを有し、
これらの吸気ポートの平面投影軸線が該気筒の径に対し
ていずれも略直交するように配設され、該エンジン吸気
行程時に上記吸気ポートから該燃焼室内に吸引される吸
気により上記エンジンの全運転領域で気筒内にピストン
の往復動方向に流れる２つの層状のタンブル流を生じさ
せる吸気通路手段と、燃焼噴射方向を上記２つの吸気ポ
ートの分岐部、又は、上記２つの吸気ポートのうちの一
方の吸気ポートの何れか一方を指向するように配設され
た燃料噴射弁と、該燃料噴射弁の燃料噴射口近傍にエア
を噴出するエアアシストノズルを有し、上記エンジンが
リーン空燃比で運転される第１の運転状態において上記
燃料噴射弁の燃料噴射方向を上記２つの吸気ポートの一
方の吸気ポートへ指向させるとともに、上記エンジンが
リーン空燃比よりリッチ側の空燃比で運転される第２の
運転状態において上記燃料噴射弁の燃料噴射方向が上記
２つの吸気ポートの分岐部に指向させるよう、上記エア
アシストノズルからの噴出エアを制御して燃料噴射方向
を変更するエアアシスト装置と、を備えたことを特徴と
している。

〔作用〕

上述の本考案の成層燃焼内燃エンジンでは、エンジン
がリーン空燃比で運転される第１の運転状態において
は、２つに分岐される吸気ポートの分岐点上流付近に設
置された燃料噴射弁の燃料噴射口近傍に、例えばアシス
トエアを噴射することにより、燃料噴射弁は一方の吸気
ポートへ向けてのみ燃料を噴射する。

一方、エンジンがリーン空燃比よりリッチ側の空燃比
で運転される第２の運転状態においては、例えば燃料噴
射弁の燃料噴射口近傍へのアシストエアの噴射を止める
ことにより、燃料噴射弁は２つの吸気ポートのそれぞれ
へ向けて燃料を噴射する。

〔実施例〕

以下、図面により本考案の一実施例としての成層燃焼
内燃エンジンについて説明すると、第１図はその本成層
燃焼内燃エンジンの全体構成を示す模式的平面図、第２
図はアシストエアの噴出時の燃料噴射状態を示す模式的
平面図、第３図はアシストエア非噴出時の燃料噴射状態
を示す模式的平面図であり、第１〜３図中、第４〜６図
と同じ符号はほぼ同様の部分を示している。

まず、本実施例にかかる成層燃焼内燃エンジンは、第
１図に示すように、４気筒ガソリンエンジン１で、この
エンジン１には吸気通路手段30が接続されている。吸気
通路手段30は吸気ポート3,4とからなる吸気通路であ
り、各気筒２には２つの独立した吸気ポート3,4が設け
られることにより、吸気２弁エンジンが構成されてい
る。

そして、この２つの吸気ポート3,4は、吸気マニホー
ルド５の分岐管5aに接続され、しかも、分岐管5aより２
股に分岐されるようにして構成される。

なお、吸気マニホールド５は、サージタンク5cおよび
スロットルバルブ６を介し吸気管12を経てエアクリーナ
13に接続されている。

また、各吸気ポート3,4の開口部3a,4a（第１〜３図参
照）は、その平面投影軸線Y,X（第３図，第４図参照）
がいずれもエンジンの中心線CL方向に沿う気筒２の径に
対して略直交するような角度に配設され、その吸気は燃
焼室７に向けてピストン８（第６図参照）の往復動方向
に対し斜め下方に吹き込まれるようになっており、これ
によって、気筒内にピストン８の往復動方向に流れる２
つの層状のタンブル流を発生させることができる（第９
図参照）。

さらに、吸気ポート3,4のやや上流側には、この両吸
気ポート3,4の開口へ向けて噴射を行なう電磁式燃料噴
射弁９が吸気マニホールド５の一部に配設されている。

また、各燃料噴射弁９は、その後端部9cにおいて、燃
料デリバリパイプ11に直結されて、この燃料デリバリパ
イプ11を通じて燃料が供給されるとともに、図示しない
噴射コネクタに接続されるECU（電子制御ユニット）20
からの制御信号ｅにより、燃料噴射量を制御されるよう
になっている。

ところで、このエンジン１には、エアアシスト装置40
が設けられている。このエアアシスト装置40は、おもに
アシストエア噴出用のアシストエアノズル14と、ともに
後述する基管15及びエア投入バルブ16からなっている。

すなわち、各燃料噴射弁９の側方には、燃料噴射口9b
からの燃料噴射方向を斜め前方向に変更しうるアシスト
エア噴出用のアシストエアノズル14が各々設けられてお
り、アシストエアＡの噴出によって、第２図に示すよう
に、燃料を一方の吸気ポート３へ向けて噴出させ、また
噴出の停止によって、第３図に示すように、燃料を吸気
ポート3,4のそれぞれへ向けて噴出させるようになって
いる。即ち、アシストエアの噴出態様により、燃料の噴
射方向を変更しうるように構成されている。

そして、各アシストエアノズル14の基部は１本の基管
15に接続され、この基管15はエア投入バルブ16を介して
吸気管12のスロットルバルブ６の上流側に接続されてい
る。

なお、このエア投入バルブ16は、弁部16aと、この弁
部16aを開閉駆動する差圧応動式アクチュエータ16bとで
構成されている。

また、上記エア投入バルブ16を制御するために、３方
切換弁として構成されるソレノイドバルブ17が設けられ
ており、このソレノイドバルブ17は、ECU20によって操
作され、エアクリーナ17aからの大気圧と、パイプ19に
て接続されるサージタンク5c内の負圧とを切り替えて、
パイプ18を介し、上記の大気圧または負圧をエア投入バ
ルブ16のアクチュエータ16bに作用させることにより、
アクチュエータ16bを作動させるようになっている。そ
して、このようにしてアクチュエータ16bを作動させる
と、エア投入バルブ16の弁部16aが開閉するのである。

さらに、ECU20は、エアクリーナ13内に設けられたエ
アフローセンサ21よりの吸入空気量信号ａと、サージタ
ンク5cに設けられたブーストセンサ22よりのブースト信
号ｂと、フライホイール23と対向するクランク角センサ
（エンジン回転数センサ）24よりのエンジン回転数信号
ｃなどを受けて、燃料噴射弁９へ制御信号ｅを出力する
ほか、ソレノイドバルブ17に駆動信号ｄを出力するよう
になっているが、エンジンのリーンフィードバック領域
および噴射燃料流量が比較的低流量でよい領域では、ソ
レノイドバルブ17を負圧側に切り替えて、エア投入バル
ブ16の弁部16aを開き、上記以外の領域では、ソレノイ
ドバルブ17を大気圧側に切り替えて、エア投入バルブ16
の弁部16aを閉じるようになっている。

つぎに、本実施例による成層燃焼内燃エンジンの動作
を、第１〜３図を用いて説明する。

まず、エンジンが例えばリーンフィードバック領域で
運転されている（エンジンがリーン空燃比で運転される
第１の運転状態）ときは、ECU20の指令により、ソレノ
イドバルブ17を負圧側にして、エア投入バルブ16の弁部
16aを開き、アシストエアノズル14よりアシストエアＡ
を噴出する。これにより、燃料の噴射が第２図に示すよ
うに斜め側下方向に向けられ、一方の吸気ポート３の方
向へ向き、その結果、燃料は一方の吸気ポート３のみへ
向けて噴射（符号F₁参照）されることとなる。これによ
って、一方の吸気ポート３には、混合気を吹き込み、他
方の吸気ポート４には、空気を吹き込む。

したがって、燃焼室開口3a,4aに設けられた吸気弁
（図示省略）を介して、吸気ポート3,4から混合気の層
と空気の層とが分離したまま２つのタンブル流が気筒内
に形成され、これら２つのタンブル流のうち、混合気の
タンブル流側に着火することで気筒２内の空気及び混合
気を安定燃焼させることができる。そして、この結果と
して一方の吸気ポート３から導入される混合気と他方の
吸気ポート４から導入される空気との総和による燃焼室
７全体の空燃比は、理論空燃比より大幅に大きくなり、
このような大幅に空燃比の大きな希薄燃焼が行なわれる
ことにより、燃費改善及びCO（一酸化炭素）を低減する
ことができるのである。

さらに、エンジンが加速運転等の燃料の加速増量が必
要な領域（エンジンがリーン空燃比よりリッチ側の空燃
比で運転される第２の運転状態）では、上記ソレノイド
バルブ17を大気圧側にして、エア投入バルブ16の弁部16
aを閉じ、アシストエアノズル14よりのアシストエアの
噴出を停止させる。これによって、燃料噴射弁９は、第
３図に示すように中央の斜め下方、即ち両３気ポート3,
4の境界部に向けられ、拡大して噴射される燃料は両吸
気ポート3,4のそれぞれへ向けて噴射（符号F₂参照）さ
れることとなる。その結果、両吸気ポート3,4に混合気
を吹き込む。

したがって、この第２の運転状態においては、燃焼室
開口3a,4aに設けられた吸気弁の開弁時に常時吸気を燃
焼室７に導入することにより、２つの混合気層のタンブ
ル流が形成され、そして、これら２つの混合気層のタン
ブル流に着火することにより、燃焼室７全体に火炎が伝
播して安定して完全燃焼させる均一混合燃焼を行なうこ
とができ、高出力を得ることができる。また、吸気ポー
ト3,4内に制御弁等を設けることにより吸気ポート3,4内
の吸気が乱れ吸入効率が低下するという従来の課題を解
決できる。

また、上記第１の運転状態からリーン空燃比よりリッ
チ側の空燃比で運転される第２の運転状態に変更された
時に、２つの吸気ポート3,4のそれぞれへ向け燃料を噴
射することにより、一方の吸気ポート３から導入される
混合気が部分的に渦リッチとなるのを防止することがで
き、２つの混合気の層のうち一方の混合気の層に大量の
燃料が噴射されて不完全燃焼により発生するスモークの
排出を防止できるのである。

上記のように、本実施例による成層燃焼内燃エンジン
によれば、エンジンの運転状態に応じて、燃料の片側吸
気ポート噴射領域と両吸気ポート噴射領域の両域に対し
て、１本の燃料噴射弁９へのアシストエアＡの噴射態様
を変更することよって対応することができ、簡単なエア
アシスト装置40の付設によって、これを簡単容易に達成
できる。

また、ストイキオフィードバック領域とリーンフィー
ドバック領域との切り替え時に、リーンフィードバック
領域側で、アシストエアを投入することで、噴霧が方ポ
ート側に向きを変えるのみならず、燃料量およびスロッ
トル開度を変更することなく、空燃比をリーンにできる
ので、切替ショックもなくすことができる。

さらに、リーンフィードバック領域側で、アシストエ
アを投入するので、燃料の霧化が促進され、リーン側の
可燃限界が広がり、安定したリーン燃焼を実現すること
ができる。

なお、リーンフィードバック領域および噴射燃料流量
が比較的低流量でよい領域においては、燃料噴射弁の燃
料噴射口近傍へのアシストエアの噴射を停止することに
より、燃料噴射弁からの燃料を一方の吸気ポートへ向け
てのみ噴射させる一方、上記以外のその他の運転領域に
おいては、燃料噴射弁の燃料噴射口近傍へアシストエア
を噴射することにより、燃料噴射弁からの燃料を２つの
吸気ポートのそれぞれへ向けて噴射させるようにしても
よい。

〔考案の効果〕

以上詳述したように、本考案の成層燃焼内燃エンジン
によれば、燃料噴射弁の燃料噴射口近傍にアシストエア
ノズルが設けられて、アシストエアの噴射態様により、
１本の燃料噴射弁で、２つの方向への噴射を行ない、２
つの吸気ポートの一方および両方に向けてのそれぞれの
噴射を行なうことができるので、簡素な構成で、リーン
空燃比で運転される第１の運転状態では、片側吸気ポー
ト噴射とし、加速運転時等のリーン空燃比よりリッチ側
の空燃比で運転される第２の運転状態では、全吸気ポー
ト噴射を実現できるとともに、噴射燃料の微粒化にも役
立つという利点がある。

すなわち、エンジンの吸気行程時に吸気ポートから燃
焼室に吸引される吸気により、エンジンの全運転領域で
気筒内にピストンの往復動方向に流れる２つの層状タン
ブル流を生じさせることができ、リーン空燃比で運転さ
れる第１の運転状態においては、エアアシスト装置の噴
出エアの制御により一方の吸気ポートのみに燃料を噴射
することにより、燃焼室開口に設けられた吸気弁を介し
て、吸気ポートから混合気の層と空気の層とが分離した
まま２つのタンブル流が気筒内に形成され、これら２つ
のタンブル流のうち、混合気のタンブル流側に着火する
ことで気筒内の空気及び混合気を安定燃焼させることが
できる。そして、この結果として一方の吸気ポートから
導入される混合気と他方の吸気ポートから導入される空
気との総和による燃焼室全体の空燃比は、理論空燃比よ
り大幅に大きくなり、このような大幅に空燃比の大きな
希薄燃焼が行なわれることにより、燃費改善及びCO（一
酸化炭素）を低減することができるという効果がある。

一方、加速運転時等のリーン空燃比よりリッチ側の空
燃比で運転される第２の運転状態においては、エアアシ
スト装置の噴出エアの制御により２つの吸気ポートのそ
れぞれへ向け燃料を噴射して、燃焼室開口に設けられた
吸気弁を介して吸気弁の開弁時に常時吸気を燃焼室に導
入することにより、２つの混合気層のタンブル流が形成
される。そして、これら２つの混合気層のタンブル流に
着火することにより、燃焼室全体に火炎が伝播して安定
して完全燃焼させる均一混合燃焼を行なうことができ、
高出力を得ることができる。

また、従来、吸気ポート内に制御弁等を設けることに
より吸気ポート内の吸気が乱れ吸入効率が低下してしま
うという課題を解決できる。

さらに、上記第１の運転状態からリーン空燃比よりリ
ッチ側の空燃比で運転される第２の運転状態に変更され
た時に、２つの吸気ポートのそれぞれへ向け燃料を噴射
することにより、一方の吸気ポートから導入される混合
気が部分的に渦リッチとなるのを防止することができ、
２つの混合気の層のうち一方の混合気の層に大量の燃料
が噴射されて不完全燃焼により発生するスモークの排出
を防止できるのである。

【図面の簡単な説明】

第１〜３図は本考案の一実施例としての成層燃焼内燃エ
ンジンを示すもので、第１図は本成層燃焼内燃エンジン
の全体構成を示す模式的平面図、第２図はアシストエア
の噴出時の燃料噴射状態を示す模式的平面図、第３図は
アシストエア非噴出時の燃料噴射状態を示す模式的平面
図であり、第４図は従来における両吸気ポートへの噴射
状態を示す模式的平面図であり、第5,6図は従来の成層
燃焼内燃エンジンを示すもので、第５図はその全体構成
を示す模式的平面図、第６図は燃焼室の透視斜視図であ
る。１……エンジン、２……気筒、2a……シリンダヘッド、
3,4……吸気ポート、3a,4a……吸気ポート開口、５……
吸気マニホールド、5a,5b……分岐管、5c……サージタ
ンク、６……スロットルバルブ、７……燃焼室、８……
ピストン、９……燃料噴射弁、9b……噴射口、9c……燃
料噴射弁の後端部、10……点火栓、11……燃料デリバリ
パイプ、12……吸気管、13……エアクリーナ、14……ア
シストエアノズル、15……基管、16……エア投入バル
ブ、16a……弁部、16b……アクチュエータ、17……ソレ
ノイドバルブ、17a……エアクリーナ、18、19……パイ
プ、20……ECU、21……エアフローセンサ、22……ブー
ストセンサ、23……フライホイール、24……クランク角
センサ、30……吸気通路手段、40……エアアシスト装
置、Ａ……アシストエア、X,Y……吸気ポートの平面投
影軸線、Ｚ……燃料噴射弁の中心線、F₁,F₂……噴射燃
料。

───────────────────────────────────────────────────── 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技術表示箇所Ｆ０２Ｍ 69/04 Ｆ０２Ｍ 69/04 Ｒ (56)参考文献特開昭61−116026（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−223456（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−201826（ＪＰ，Ａ) 実開昭60−102432（ＪＰ，Ｕ) 実開昭63−48920（ＪＰ，Ｕ) 実開昭63−71423（ＪＰ，Ｕ) 実開平１−134735（ＪＰ，Ｕ)

Claims

(57)【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】エンジンの気筒の燃焼室に開口し、該燃焼
室開口に設けられた吸気弁を介して該吸気弁開弁時に常
時吸気を該燃焼室内に導入する２つの吸気ポートを有
し、これらの吸気ポートの平面投影軸線が該気筒の径に
対していずれも略直交するように配設され、該エンジン
吸気行程時に上記吸気ポートから該燃焼室内に吸引され
る吸気により上記エンジンの全運転領域で気筒内にピス
トンの往復動方向に流れる２つの層状のタンブル流を生
じさせる吸気通路手段と、燃料噴射方向を上記２つの吸気ポートの分岐部、又は、
上記２つの吸気ポートのうちの一方の吸気ポートの何れ
か一方を指向するように配設された燃料噴射弁と、該燃料噴射弁の燃料噴射口近傍にエアを噴出するエアア
シストノズルを有し、上記エンジンがリーン空燃比で運転される第１の運転状
態において上記燃料噴射弁の燃料噴射方向を上記２つの
吸気ポートの一方の吸気ポートへ指向させるとともに、
上記エンジンがリーン空燃比よりリッチ側の空燃比で運
転される第２の運転状態において上記燃料噴射弁の燃料
噴射方向が上記２つの吸気ポートの分岐部に指向させる
よう、上記エアアシストノズルからの噴出エアを制御し
て燃料噴射方向を変更するエアアシスト装置と、を備えたことを特徴とする、成層燃焼内燃エンジン。