JP2515276C - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は内燃機関の燃焼室に対する燃料噴射に関するものであり、特に高サイ
クルレートで作動するエンジンに応用される。 本明細書における説明の便宜上、本発明は特に火花点火型２行程式往復動エン
ジンに関して説明する。しかし本発明は圧縮点火型エンジン、および４行程式エ
ンジン、ロータリーエンジン、およびサーキュラ・オシレーティング・ピストン
つきのエンジン、たとえば米国特許第４，０３７，９９７号に記載のものにも応
用される。 内燃機関について、より経済的でより効率的な燃料噴射システムがますます要
求されている。インシリンダ噴射は、マニホルド噴射およびスロットルボデー噴
射式キャブレタに比べて、きわだった周知の利点を有する。しかし現在の装置に
おいては、インシリンダ噴射システムのハードウエアの製造に必要とされる高精
度技術に関連してコスト負担が大きい。 インシリンダ型燃料噴射において生じるもう１つの欠点は、エンジン作動室中
への燃料の噴射のタイミングおよび時間に対する制約である。この欠点は、現代
エンジンの回転速度がますます増大することによって重大となる。近代的な素材
と構造技術を用いれが６０００ｒｐｍも量産エンジンにとって特殊のものではな
い。この速度においては４行程式エンジンの場合、燃焼室への燃料の噴射時間は
６〜９ｍｓのオーダである。 ２行程式エンジンはその多くの利点にもかかわらず、今日、２つの大きな理由
から、すなわち過度の炭化水素放出と過度の燃料消費から多くの用途について制
約を受ける。この両方の問題は主として、この種のエンジンの作動室の掃気行程
において、流入燃料−空気混合物の一部が燃焼する前に排気系を通して直接に脱
出することから生じ、またこれは絞り状態において流入混合物を過度に希釈させ ることによって不点火を生じる。このような問題は、この種のエンジンについて
インシリンダ型燃料噴射を使用することによって大幅に低減することができ、こ
のことは米国特許第３，８８８，２１４号の前文に記述されている。またインシ
リンダ型燃料噴射はエンジン作動室への層流送入を生じる可能性を増大し、これ
が燃焼効果を改良することができる。 しかしながら、この種のエンジンの効率は、その燃料噴射系の性能によって多
分に決定される。４行程式エンジンについて述べた短い噴射時間にかかわる種々
の必要事項に比べて、２行程式エンジンのインシリンダ型燃料噴射系はさらにす
ぐれた性能を必要としている。６０００ｒｐｍのみで運転するピストンポート型
、クランクケース掃気式往復動２行程エンジンにおいては、望ましい噴射時間は
わずかに２〜３ｍｓである。この時間外において燃料が噴射されれば、エンジン
効率が著しく低下する。噴射があまりに速く開始すると、未燃焼燃料がまだ開い
ている排気ポートを通して多量に排出され、またもし噴射があまりに遅くまで続
くと、燃料がすでに燃焼している混合物の中に噴射されて、望ましくない燃焼現
象を生じる。 これまでの通常のインシリンダ型燃料噴射系は高圧燃料ポンプと高差圧型計量
装置とを必要とした。またインシリンダ型燃料効率は燃料送入点における燃料の
微細霧化に依存している。これらの必要条件から、製造寸法の狭い公差により高
度の製造技術を必要とし、部品のコスト高となる。 マッケイによるＳＡＥテクニカル・ペーパ８２０３５１においては、空気式燃
料計量法が記述されており、この方法は燃料送出に際して非常に微細な燃料噴霧
を生じることができ、内燃機関の導入マニホルドに対する多点噴射にきわめて適
当であるが、特に噴射域が１０ｍｓ以下の場合に、インシリンダ型噴射にこの噴
射系を直接に応用するには問題がある。 他の手段によってインシリンダ型噴射式２行程エンジンの噴射に際して所望の
成層送入を成すための多くの試みが成された。しかし知られている限りでは、す
べての試みは同等のキャブレタ型燃料送入エンジンに比べて、高速でのエンジン
性能が著しく低下した。 １つの試み（ビエーユダンによるＳ．Ａ．Ｅ．テクニカルペーパー７８０７６ ７）は、所要の計量特性と応答特性を生じるように変更されたボッシュＥＳＩ（
電子式燃料噴射）型マニホルドインゼクタを使用したものである。このインゼク
タは高圧燃料を送入され、そのピントルの周囲に備えられたエアスカートを使用
する（冷却用と思われる）。この構造は、２００ミクロメートル以上の平均燃料
滴直径を生じるようであるが、これはマニホルド噴射の霧化には満足であるがイ
ンシリンダ型噴射には不満足であり、従って高速におけるエンジン性能が大幅に
制限されると思われる。またエンジンは高速において満足な動作を成すことがで
きなかった。これは噴射系が再適噴射時間内に留まることができなかったからで
あると思われる。 他の試みは、ガソリンのインシリンダ型噴射のために種々のディーゼルインゼ
クタを使用するためにある。これらのディーゼルインゼクタを使用して、実験的
に火花点火エンジンの中にガソリンを噴射したが、これらのディーゼル型インゼ
クタのノズルの中に含まれる弁を開くために高い燃料送入圧を必要とする。通常
、燃料はインゼクタに対して１４，０００ｋｐａに達する圧力で送入され、また
その霧化は約２５ミクロメートル程度の平均滴サイズを生じることができる。 この霧化度はすぐれているが、このような高圧滴状のガソリンを正確に計量す
るためには、精密加工された高圧燃料ポンプと、非常に狭い公差で加工された噴
射ノズルとを必要とする。ハードウエアの高コストのほかに、これらの実験はエ
ンジンが高速において大幅に性能を低下させることを示した。この場合にも、所
要量の燃料が必要な短時間内に、また燃焼前に十分な蒸発を生じる程度の霧化レ
ベルで噴射されなかったからであろう。 また、これまで提案されたインシリンダ型燃料噴射においては、燃料噴射系の
高圧は燃料の蒸発を防止する手段として正当化されていた。またこれまでは、計
量はエンジンの作動室に対する燃料導入点において実施されていたが、この導入
点は高温に露出されるので、燃料の蒸発が計量精度に大きく影響するものと思わ
れる。従ってこのような燃料噴射系においては、高圧燃料系が必要であるから、
高圧系による種々の欠点を認容しなければならない。 故にこれまで提案されていたインシリンダ型燃料噴射系の主な欠点は、製造コ
ストが高いこと、燃料滴サイズが不満足なこと、および高速で作動するエンジン に効果的に燃料を供給するため所要量の燃料を所要時間内に噴射することができ
ないことであった。 故に本発明の主目的は、有効に作動し、製造コストが低く、適度の燃料霧化を
生じまた保持することのできる直接インシリンダ型噴射に適した燃料計量／噴射
方法ならびに装置を提供するにある。 本発明はこの目的から、エンジン燃焼室に燃料を噴射する方法において、 大気圧以上の、また燃料保持室から燃料を噴射する際にエンジン燃焼室の中に
存在する圧以上の基準圧を保持するように燃料保持室に対するガス送入を制御す
る段階と、 前記基準圧に対抗して保持室内部に計量量の燃料を送入する段階と、 保持室と燃焼室との間に連通を成す段階と、 前記連通が存在する間に、保持室内部のガス圧が保持室から燃焼室への計量量
の燃料の送入を成すのに十分であるように、保持室に対する前記のガス送入を継
続する段階とを含む方法が提供される。 燃料の計量は、保持室への燃料の送入前にまたは送入中に実施することが好都
合である。 好ましくは、保持室とエンジン燃焼室との間の連通は、弁を選択的に開いて燃
料を燃焼室に送入させることによって成される。 エンジンに対するこの燃料送入法は、時間的に燃料計量機能を燃料噴射機能か
ら分離することは明らかであろう。その結果、上述の限られた制限時間内に燃料
噴射機能のみを実施すればよい。燃料計量機能はエンジンサイクル中の任意の時
期に任意の時間実施することができるが、比較的短い噴射時間中に実施しないこ
とが好ましい。 燃料の計量量を準備しまたこれを保持室に送入するために比較的長時間が与え
られるので、計量精度の向上が達成される。さらに、保持室は計量／噴射サイク
ル中、燃焼室に対して燃料を噴射するのに十分な圧に保持されるので、噴射サイ
クルごとに所要の圧を成す際の時間遅れがない。 本発明のもう１つの利点は、計量機能が燃焼室に対する噴射点から物理的に離
れた部分で、従って低温環境で実施されることである。従って燃料の蒸発の可能 性と、これに伴う計量精度に対する悪影響が減少される。これにより、さらに低
い燃料処理圧を使用することができる。 下記の付図に示す実際的燃料計量／噴射構造の下記実施例から、本発明はさら
に良く理解されよう。 付図において、 第１図は本発明の方法の概略図、 第２図は本発明において使用される計量ユニットの立面図、 第３図は第２図の３−３線に沿って取られた断面図、 第４図は本発明において使用される計量装置の変更態様の断面図である。 第１図において略示された本発明の方法は基本的に、燃料計量装置１、燃料保
持室装置２、燃料サプライ３、圧下ガスサプライ８、および保持室装置２の中に
送入される空気などのガスの圧を調整するためのガス圧制御装置６を使用する。 燃料計量装置１は、内燃機関の吸気マニホルドまたは作動室の中に送入される
燃料を計量する装置を含み現在エンジン燃料の計量に使用されている種々の装置
のいずれかとすることができる。燃料計量装置は、噴射燃料を保持室装置２に送
入する前にまたは送入中にその量を計測することができる。 保持室４は、その内部において実質定常な基準圧が保持されるように、圧力制
御装置６を介して圧下ガスサプライ８から空気を受ける。基準値については下記
に述べる。 好ましくは基準圧は定常とするが、実際上、各サイクル中にある程度の変動が
生じる。燃料噴射を実施するために保持室中の弁を開放する際に、ある程度の圧
力降下が生じ、燃料を保持室に送入する際に軽度の圧力上昇が生じるが、このよ
うな変動にもかかわらず、基準圧は定常であるとみなされる。 計量された燃料量が保持室４の中に、基準圧に対抗して送入され、その間は、
ソレノイド７の電機子７ａに作用するバネ５ａの作用で、ノズル弁５がその閉鎖
位置に弾発されて閉鎖されている。電機子７ａはロッド９によって弁５に対して
連結されている。エンジンの次のサイクル中に送入されるべき燃料量が保持室４
に対して送入されてしまったとき、ソレノイド７が生かされてノズル弁５を開く
。 逆止め弁８ａが計量装置１の中への燃料の逆流を防止し、保持室４の中に基準 圧が保持される。ノズル弁５を開く際に、保持室４の中に保持された計量量の燃
料がノズル弁５を通してエンジンの作動室の中に空気によって推進される。ノズ
ル弁５の吐出口は、エンジンの作動室内部に所要の燃料噴射特性を生じるように
適当に形成されている。ソレノイド７が死なされたときに、ノズル弁５が再び閉
鎖されて、計量量の燃料を次に噴射するための準備に入る。 保持室中の空気の基準圧は、燃料噴射時にエンジン作動室中の圧より十分に高
くなり、エンジン速度に関連する許容時間内に計測量の燃料全部が作動室中に噴
射されるように選定される。この許容時間は、通常４行程サイクルエンジンの場
合には約１０ｍｓまでであり、２行程サイクルエンジンの場合には約２ｍｓ程度
に短い。 空気基準圧は好ましくは大気圧より５００ｋＰａ高い。燃焼室への燃料噴射時
に基準圧が大気圧以上でありまたシリンダ圧以上でなければならないことは理解
されよう。シリンダ圧より１００ｋＰａ高い圧が好ましいが、５０ｋＰａの差だ
けでも有効な操作が実施された。 この型の燃料噴射系においては、基準圧より０．２ｋＰａ高い程度の、計量装
置に対する低い燃料供給圧を使用して有効であった。しかし、この燃料供給圧は
必要なだけまたは適当と思われるだけ高くすることができるが、基準圧より１０
００ｋＰａ以下、特に７００ｋＰａ以下、もっとも好ましくは約４００ｋＰａ高
いことが好ましい。 エンジンサイクルに対してソレノイド７を行かすタイミングは、エンジン速度
に比例する速度で駆動されるクランク軸、またはフライホィールまたは他の任意
の成分など、エンジンの回転成分によって生かされる適当な検知装置によって制
御される。この目的に適したセンサは、赤外線源と光検出器とを含みシュミット
型トリガを備えた光学スィッチである。 コスト高を避けるため、ソレノイドを生かす時間は可変でなく、エンジンの最
大作動速度に適した時間に応じて固定されることが好ましい。 第１図に示す構造の変形として、弁５がソレノイド７によって連結されまたは
作動されることなく、所定値に達した保持室４の中の圧力に感応して開く圧力作
動型逆止め弁の形とすることができる。この圧力所定値は、第１図について述べ た基準圧と同程度にすることができる。 この変更態様においては、保持室４の中の圧力は原則として大気圧とし、また
は少くとも逆止め弁を開く圧以下とする。この低圧が存在する間に計量量の燃料
が保持室４の中に送入され、噴射が必要なときに、逆止め弁を開いて計量量の燃
料をエンジン燃焼室の中に噴射するに十分な圧のガスを保持室４の中に送入する
。 第１図の実施態様における保持室の中に送入される燃料量の計量は、以下にお
いて第２図と第３図について簡単に説明する係属中のオーストラリヤ特願第１０
４７６／８２号に記載の計量装置によって実施することができる。 この計量装置は本体１１０を含み、この本体の内部に４個の別々の計量ユニッ
トが並置並列関係に配置されている。故にこのユニットは４気筒エンジンについ
て使用するに適している。ニップル１１２と１１３がそれぞれ燃料供給ラインと
燃料もどしラインとに接続され、各計量ユニット１１１から燃料を供給しまた戻
すためにブロック１１０の中に備えられた燃料供給ギャラリ６０と燃料もどしギ
ャラリ７０とにそれぞれ連通されている。各計量ユニット１１１はそれぞれの燃
料送入ニップル１１４を備え、各ニップル１１４に対して第１図に図示のような
それぞれの保持室４が接続され、エンジンの４個のそれぞれのシリンダに燃料を
供給する。 第３図は計量ユニットの断面を示す。この計量ユニットは計量ロッド１１５を
有し、このロッド１１５は空気供給室１１９と、計量室１２０との中に突入して
いる。４個の計量ロッド１１５はそれぞれ共通の漏れ捕集室１１６の中を通過し
、この漏れ捕集室１１６は、本体１１６の中に作られたキャビティと、本体１１
０に対して密封関係に取付けられたカバープレート１２１とによって形成される
。この漏れ捕集室の機能と動作は本発明の一部を成すものでなく、オーストラリ
ア特願第１０４７６／８２号にさらに詳細に記述されている。 各計量ロッド１１５は中空であって、本体１１０の中を軸方向に滑動自在であ
り、計量室１２０の中への計量ロッドの突入度を変更して、この計量室１２０か
ら吐出される燃料の量を調整することができる。計量室１２０の中に入って計量
ロッドの末端部に取付けられた弁１４３は、この中空ロッド１１５の内部を通る
ロッド１４３ａによって支持されている。中空ロッド１１５の上端と弁支持ロッ ド１４３ａとの間に介在されたバネ１４５によって、弁１４３は原則として閉鎖
状態に保持され、空気供給室１１９から計量室１２０へ空気が計量ロッド１１５
の中空孔を通して流れることを防止している。空気室１１９の中の圧力が所定値
に達したとき、弁１４３が開かれるので、空気が空気室１１９から中空ロッド１
１５の中を通って計量室１２０に流入し、これによって燃料を計量室１２０から
排出させる。空気によって排出される燃料の量は、計量室１２０の内部において
、空気導入点と燃料排出点との間にある燃料、すなわち空気導入弁１４３と、計
量室１２０の反対側末端の送出弁１０９との間にある燃料である。 各計量ロッド１１５はクロスヘッド１６１に連結され、このクロスヘッドはア
クチュエータロッド１６０に連結され、このアクチュエータロッド１６０は本体
１１０の中に滑動自在に支持され、またモータ１６９に連結され、このモータ１
６９はエンジンの燃料要求量に対応して制御されて、計量室１２０の中への計量
ロッドの突入度を調整し、従って空気導入弁１４３の位置を調整するので、空気
の導入によって送出される計量燃料量がエンジンの燃料要求量に対応する。モー
タ１６９はエアパックコーポレーションによって市販されている９２１００シリ
ーズなどの可逆型のリニアタイプステップモータとすることができる。 燃料送出弁１０９は、空気供給室１１９から計量室１２０の中に空気が導入さ
れたときにこの計量室の内部の圧力に感応して作動されて開く。空気が弁１４３
を通して計量室１２０の中に入ったとき、送出弁１０９が開き、空気がこの送出
弁１０９の方に動いて、燃料を計量室から送出弁１０９を通して排出する。弁１
４３と１４９との間の燃料を計量室から第１図の４で示すような保持室の中に排
出するのに十分な空気量が供給されてしまうまで、弁１４３は開かれた状態に保
持される。 各計量室１２０はそれぞれの燃料導入ポート１２５と燃料排出ポート１２６と
を有し、これらのポートはそれぞれの弁１２７と１２８とによって制御されて、
導入ギャラリ６０から計量室１２０を通してもどしギャラリ７０への燃料の循環
を生じる。各弁１２７と１２８はそれぞれの膜１２９と１３０とに連結されてい
る。弁１２７と１２８は開放位置に弾発されており、それぞれの膜キャビティ１
３１と１３２を介して膜１２９と１３０に加えられる空気圧に感応して閉じら れる。各膜キャビティ１３１と１３２は空気導管１３３に常時連通し、この空気
導管は導管１３５を介して空気供給室１１９に常時連通している。故に、燃料を
送出するために圧下空気が空気供給室１１９に導入され、従ってまた計量室１２
０に導入されるとき、空気は隔膜１２９と１３０にも作用して、弁１２７と１２
８を閉じ、燃料導入ポート１２５と燃料排出ポート１２６を閉じる。 導管１３５を介しての空気室１１９への空気導入と導管１３３を介しての膜キ
ャビティ１３１、１３２への空気の供給は、ソレノイド作動弁１５０を介してエ
ンジンのサイクルに合わせて調時的に制御される。ニップル１５３を介して圧搾
空気供給源に接続された共通の空気供給導管１５１が本体１１０の中を走り、そ
れぞれの枝管１５２が各計量ユニットのソレノイド弁１５０に対して空気を供給
する。 常態においては、球形弁体１５９がバネ１６０によって保持されて、導管１５
１から導管１３５への空気の流入を防止し、この導管１３５を通気ポート１６１
を介して大気に連通している。ソレノイド１５０が生かされたとき、弁体１５９
に加えられるバネ１６０の応力が解除されて、この弁体が供給空気圧によって移
動させられて、空気を導管１５１から導管１３５および１３３に流入させる。 第１図に示した保持室４の前記の変更態様において圧力作動型逆止め弁がこの
保持室中の所定の圧に感応して開く構造において、保持室４への空気の供給を制
御するために前述のソレノイド作動型給気制御弁を使用することもできる。 計量室１２０から排出された燃料が保持室４の中に確実に送入されるように、
空気を空気室１１９とキャビティ１３１、１３２に供給する時間間隔を変動させ
るようにソレノイド弁１５０の動作を制御することができる。また燃料をエンジ
ン作動室に噴入するために第１図の弁５のようなノズル弁が開かれたときに保持
室４の中に燃料を送入するように、エンジンサイクルに対してソレノイド弁１５
０の動作が調時される。計量室１２０への空気の導入は、エンジンの燃料供給量
を検知するエンジン信号によって生かされる電子プロセッサによって制御するこ
とができる。このプロセッサは、計量室１２０への空気導入の頻度と時間とを変
動させるようにプログラミングされることができる。さらにこのような制御 の動作の詳細は、係属中のオーストラリア特願第９２００１／８２号に記載され
ている。 第４図に図示の燃料計量装置の他の実施態様は端子２５に接続されたソレノイ
ド２６を収容する本体２４を含む。ソレノイドの電機子板２９に対して弁体２７
が連結されている。この電機子板２９に作用するバネ３０が、常態において弁体
２７を弁座３１に当接保持してポート３２を閉じている。 燃料キャビティ３５がポート３２と連通し、またそれぞれ燃料供給ライン３８
と燃料もどしライン３９とに接続されるように構成されている。第１図の４で示
したような保持室中の基準圧以上の圧力をもって、キャビティ３５を通して連続
的に燃料が循環されている。 ソレノイド２６を生かすときに、弁体２７が持上げられて、ポート３２を開き
、これによって燃料をキャビティ３５からオリフィス４０を通して、保持室４の
中に流入させる。オリフィス４０は燃料供給圧から保持室内部の基準圧までの圧
力降下を生じるような口径を有する。従って、ポート３２が開かれている時間を
制御することにより、保持室に送られる燃料の量が計量される。 第２図と第３図について先に述べたように、ソレノイドが生かされる時間とエ
ンジンサイクルに対するそのタイミングは、エンジンの燃料要求度を検知するエ
ンジン信号によって作動される電子プロセッサによって制御される。 ソレノイドをエンジン負荷によって定まる期間、定常電圧で生かす代わりに、
電圧をパルスさせることができる。その場合、燃料は一定時間の複数の燃料パル
ス流として送られ、パルスの数を変更することにより燃料の全量を変動させるこ
とができる。 本発明を実施する際に、保持室内部に保持される基準圧に対抗してこの保持室
内部に燃料を有効に送入することができるかぎり、他の型の燃料計量装置を使用
することができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 火花点火式内燃機関の燃焼室内に燃料を直接噴射する方法において、 大気圧より高い基準圧を燃料保持室（４）内に維持するように燃焼室内に供給
   する主燃焼用空気とは別個のガスの燃料保持室（４）への供給を制御する段階と
   、 エンジンの燃料需要に応じて燃料保持室（４）へ供給する燃料の量を計量する
   段階と、 エンジンの燃料需要に応じて燃料保持室（４）内へ計量された燃料を供給する
   段階と、 計量された燃料が燃料保持室（４）へ供給された後に燃料保持室（４）とエン
   ジンの燃焼室とを連通させて燃料保持室（４）から燃焼室へ燃料を供給する段階
   と、 計量された燃料を燃料保持室（４）から燃焼室へ移動させるのに十分なガス圧
   を燃料保持室（４）内に、燃料保持室（４）が燃焼室と連通している間、内燃機
   関の運転範囲の全体にわたって該移動が可能となるように維持する段階と、 を備えることを特徴とする燃料噴射方法。 ２． 計量された燃料を燃料保持室（４）内に供給する段階において、計量さ
   れた燃料は加圧ガスにより燃料保持室（４）内へ推進されることを特徴とする請
   求項１に記載の燃料噴射方法。 ３． 火花点火式内燃機関の燃焼室内へ燃料を直接噴射する装置において、 圧搾ガス源（８）に接続され、圧搾ガス源から保持室（４）に対して選択的に
   燃焼室内に供給する主燃焼用空気とは別個のガスを導入し内燃機関の運転中に保
   持室（４）内部に大気圧以上の基準圧を維持するように作動する装置（６）と、 エンジンの燃料の需要に応じて燃料の計量量を保持室（４）の中に基準圧に対
   抗して送入するように作動する燃料計量装置（１）と、 燃料保持室（４）と燃焼室との間の連通を確立するように作動する燃料保持室 （４）中の選択作動型噴射弁（５）と、からなる噴射弁が開かれたときに燃料保
   持室（４）中に保持された計量された燃料が保持室（４）中のガス圧によって燃
   焼室に送入されるようにし、この送入はエンジンの運転範囲全体にわたって可能
   であることを特徴とする燃料噴射装置。