JP2774779B2

JP2774779B2 - 自動車用リーンバーンエンジン

Info

Publication number: JP2774779B2
Application number: JP6766995A
Authority: JP
Inventors: 典朗水戸部; 功清水; 邦公南谷; 保義堀; 太西岡; 徹志細貝; 憲児岡; 秀志寺尾; 操藤本; 政樹原田
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1995-03-27
Filing date: 1995-03-27
Publication date: 1998-07-09
Anticipated expiration: 2013-07-09
Also published as: JPH08254144A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、蒸発燃料供給手段を備
えた自動車用リーンバーンエンジンに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】自動車の燃料タンクから蒸発する燃料が
大気に放出されることを避けるため、蒸発燃料をエンジ
ンの吸気系に導入して燃焼室に供給する蒸発燃料供給手
段を備えたエンジンは従来から知られている。例えば、
特開平４−３５０３５２号公報には、加圧用エアポンプ
により圧縮した空気をエアアシスト式インジェクタに送
り、燃料噴射とともに空気噴射を行うエアアシストシス
テムを備えたエンジンにおいて、キャニスタのパージポ
ートを上記加圧用エアポンプの吸気口に接続することに
より、蒸発燃料を上記インジェクタに送るようにした蒸
発燃料処理装置が示されている。また、吸気通路のサー
ジタンク等に蒸発燃料を導くようにしたものも一般に知
られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、燃費改善の
ための技術として、エンジンの低速低負荷等の所定運転
領域で空燃比をリーンに設定して、リーンバーン（希薄
燃焼）を行なうリーンバーンエンジンが種々開発されて
いる（例えば特開昭５９−２０８１４１号公報参照）。
燃費改善の効果を高めるためには、リーン状態での着火
性、燃焼性を向上し、リーン限界（トルク変動が許容限
界となる空燃比）を高め、このリーン限界の近傍の高リ
ーンの空燃比でリーンバーンを行うことが望ましく、こ
のように高リーン化すればＮＯｘ排出量の抑制にも有利
となる。

【０００４】このようなリーンバーンエンジンで蒸発燃
料処理装置を備えたものは、一般に、リーンバーンを行
う運転領域では燃焼安定性を保つため蒸発燃料を使用し
ないようにしているが、このようにすると、リーン運転
中に、キャニスタに蓄えきれない蒸発燃料が大気に排出
されて実質的な燃費を悪化させる。

【０００５】そこで、リーンバーン運転時にも燃焼室へ
の蒸発燃料の供給を行うことが望まれるが、このように
する場合、各気筒に対する蒸発燃料の分配性が良くない
とトルク変動を招き易い。また、リーンバーン状態での
燃焼性向上のためには混合気の成層化を行なうことが効
果的であるが、蒸発燃料の供給によって成層化が損なわ
れるとリーン限界が低下するというような問題がある。

【０００６】本発明は、上記の事情に鑑み、リーン限界
の近傍の高リーンの空燃比に設定されるような運転領域
でも蒸発燃料を使用するようにして実質的な燃費を改善
し、しかも、このように蒸発燃料を使用しつつ、リーン
バーン時の燃焼安定性を高めるとともに、成層化により
リーン限界を向上することができる自動車用リーンバー
ンエンジンを提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、エンジンに供給される混合気の空燃比を理論空燃比
よりもリーンで、かつトルク変動が許容限界となる空燃
比の近傍の所定リーン空燃比に設定した運転領域を有す
る自動車用リーンバーンエンジンにおいて、燃料系で発
生する蒸発燃料を各気筒毎の独立吸気通路の各所定位置
にそれぞれ接続された通路に導いて上記各独立吸気通路
に送り込む蒸発燃料供給手段と、燃焼室内にスワールを
生じさせるスワール生成手段と、少なくとも上記所定リ
ーン空燃比の運転領域で上記蒸発燃料供給手段及びスワ
ール生成手段を作動させる制御手段とを設けるととも
に、上記蒸発燃料供給手段が作動状態にあるときに各独
立吸気通路への蒸発燃料の導入が各気筒の吸気行程で行
われるように構成したものである。

【０００８】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の自動車用リーンバーンエンジンにおいて、上記蒸発燃
料供給手段が、デューティ制御されて蒸発燃料供給量を
調節する制御弁を有するとともに、この制御弁より下流
に拡大室を有するものである。

【０００９】請求項３に記載の発明は、請求項１または
２に記載の自動車用リーンバーンエンジンにおいて、上
記各独立吸気通路にそれぞれ燃料供給用のインジェクタ
を設け、各インジェクタからの燃料噴射を各気筒の吸気
行程で行わせるようにしたものである。

【００１０】請求項４に記載の発明は、請求項１に記載
の自動車用リーンバーンエンジンにおいて、上記各独立
吸気通路にそれぞれ燃料供給用のインジェクタを設け、
かつ上記各インジェクタの噴口近傍に燃料微粒化用のエ
アを供給するエア供給通路を設けるとともに、蒸発燃料
を上記エア供給通路に導いて各独立吸気通路に送り込む
ように蒸発燃料供給手段を構成したものである。

【００１１】請求項５に記載の発明は、請求項４に記載
の自動車用リーンバーンエンジンにおいて、下流側が分
岐して上記各インジェクタに接続されたエア供給通路の
分岐部より上流側に拡大室としてのチャンバーを介設す
るとともに、このチャンバーに、蒸発燃料を導く通路を
接続したものである。

【００１２】請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５
のいずれかに記載の自動車用リーンバーンエンジンにお
いて、蒸発燃料を上記各独立吸気通路に送り込む通路の
下流端部にオリフィスを設けたものである。

【００１３】

【作用】請求項１に記載のエンジンによると、所定リー
ン空燃比とされる運転領域でも蒸発燃料の供給が行なわ
れて大気への蒸発燃料の排出が抑制されることにより、
実質上の燃費がより一層改善される。しかも、気筒別の
各独立吸気通路に蒸発燃料が送り込まれることにより、
各気筒に対して均等に蒸発燃料が供給されて気筒間の空
燃比のばらつきが小さくなり、リーンバーン運転時のト
ルク変動の増大が抑制される。さらに、リーンバーン運
転時にスワールが生成されるとともに蒸発燃料の導入が
吸気行程で行なわれることにより、混合気の成層化によ
る燃焼性向上にも有利となる。

【００１４】この発明において、請求項２に記載のよう
に、デューティ制御されて蒸発燃料供給量を調節する制
御弁より下流に拡大室を有するようにしておけば、上記
制御弁の作動に伴う脈動が上記チャンバーで吸収され、
蒸発燃料の分配性及びコントロール性が向上されること
により、リーンバーン運転時のトルク変動を抑制する作
用が高められる。

【００１５】また、請求項３に記載のようにインジェク
タからの燃料噴射を各気筒の吸気行程で行わせるようし
ておくと、リーンバーン運転時に、インジェクタからの
燃料供給および蒸発燃料の導入がともに吸気行程で行な
われることにより、成層化が良好に行なわれて燃焼性が
向上される。

【００１６】また、請求項４に記載のように各独立吸気
通路のインジェクタにエアを供給するエア供給通路を設
けるとともに、蒸発燃料を上記エア供給通路に導くよう
にすると、燃料微粒化のためのエア供給通路が蒸発燃料
の供給にも利用され、かつ、ミキシングエアによって蒸
発燃料が希釈されるため、蒸発燃料供給量のコントロー
ルが容易になる。さらに、請求項５に記載のように上記
エア供給通路にチャンバーを介設しておくと、このチャ
ンバー内で蒸発燃料とミキシングエアとが均一に混合さ
れて蒸発燃料の分配性が向上される。

【００１７】また、請求項６に記載のように蒸発燃料を
上記各独立吸気通路に送り込む通路の下流端部にオリフ
ィスを設けておくと、上記オリフィスで独立吸気通路側
からの圧力波の伝播が抑制されることにより、気筒間干
渉による蒸発燃料の分配性の悪化が防止される。

【００１８】

【実施例】本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
先ず、本発明の一実施例によるリーンバーンエンジンの
概略を図１によって説明する。この図において、１はエ
ンジン本体であり、その各気筒には燃焼室２が形成さ
れ、この燃焼室２には、後に詳述するような第１，第２
の吸気ポート３，４及び第１，第２の排気ポート５，６
が開口し、これらのポート３〜６に吸気弁７，８及び排
気弁９，１０が装備されている。

【００１９】また、エンジンの吸気系２０は、吸気マニ
ホールド２１と、その上流側の共通吸気通路３０とを備
え、共通吸気通路３０には上流側から順にエアクリーナ
３１、熱式エアフローセンサ３２及びスロットル弁３３
が配設されている。さらに、上記スロットル弁３３をバ
イパスする吸気バイパス通路３４が形成されている。こ
の吸気バイパス通路３４は、アイドル時等に吸入空気量
を調節するためのＩＳＣ通路３５と冷間時の吸入空気量
増量のためのエア通路３６とを含んでいる。上記ＩＳＣ
通路３５には、デューティ制御されてＩＳＣ通路３５の
空気流量をコントロールするＩＳＣバルブ３７が設けら
れ、また、上記エア通路３６には冷間時に開く温度感応
型バルブ３８が設けられている。

【００２０】また、吸気系２０の下流側の吸気ポート付
近には、各気筒別に燃料を噴射供給するインジェクタ４
０が設けられるとともに、第２吸気ポート４を開閉する
開閉弁４１が設けられている。この開閉弁４１は負圧応
動式のアクチュエータ４２により作動され、これに対す
る駆動系には、吸気マニホールド２１のサージタンクか
ら導入した負圧を蓄えるバキュームタンク４３と、この
タンク４３とアクチュエータ４２との間に配置されてア
クチュエータ４２に対する負圧の給排を行なう電磁弁４
４等が設けられている。

【００２１】上記インジェクタ４０は、噴口近傍にミキ
シングエアを供給することにより燃料を微粒化するよう
にした所謂ＡＭＩ（エアミクスチャータイプインジェク
タ）である。このインジェクタ４０に対し、燃料タンク
４５から燃料ポンプ４６及びフィルター４７を介して燃
料を供給する燃料供給通路４８、プレッシャレギュレー
タ４９が介設されたリターン通路５０等からなる燃料供
給系が設けられるとともに、後に詳述するようなミキシ
ングエア供給系及び蒸発燃料供給系が設けられている。

【００２２】一方、排気系には、混合気の空燃比に対応
する排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサ６
０と、触媒装置６１とが設けられている。上記酸素濃度
センサ６０は、リーン空燃比の検出も可能なように、排
気ガス中の酸素濃度に略比例した出力が得られるように
なっている。また、上記触媒装置６１は、理論空燃比よ
りもリーンな空燃比でもＮＯｘを還元する機能を有する
ものであり、具体的には、当出願人において以前に出願
した特願平５−１２６５５２号に記載されている触媒装
置が用いられる。すなわち、この触媒装置６１における
触媒は、活性種担持母材に、貴金属が活性種として担持
されたものである。好ましくは、ゼオライトを活性種担
持母材とし、これにＩｒ及びＰｔを活性種として担持さ
せ、あるいはＩｒ，Ｐｔ及びＲｔを活性種として担持さ
せて形成する。

【００２３】また、空燃比制御等のための各種検出要素
としては、上記エアフローセンサ３２、酸素濃度センサ
６０のほかに、スロットル弁の開度を検出するスロット
ル開度センサ６２、スロットル全閉を検出するアイドル
スイッチ６３、吸気温を検出する吸気温センサ６４、エ
ンジン水温を検出する水温センサ６５、エンジンのノッ
キングを検出するノックセンサ６６等が設けられ、さら
に点火系のディストリビュータ６７には、クランク角信
号を出力するクランク角センサ６８、及び気筒判別信号
を出力する気筒判別センサ６９が設けられている。

【００２４】これらの検出要素からの信号は、エンジン
制御用のコントロールユニット（ＥＣＵ）７０に入力さ
れている。そして、上記コントロールユニット７０によ
り上記インジェクタ４０からの燃料噴射量及び噴射タイ
ミングが制御され、さらに上記ＩＳＣバルブ３７、上記
開閉弁４１の駆動系における電磁弁４４、上記インジェ
クタ４０に対するミキシング用エア供給系に設けられた
後記エア制御バルブ５１、蒸発燃料供給系に設けられた
後記パージソレノイドバルブ５８等もコントロールユニ
ット７０によって制御されるようになっている。

【００２５】次に、上記リーンバーンエンジンの各部の
具体的構造を説明する。

【００２６】図２〜図４はエンジン本体の具体的構造を
示している。これらの図に示すように、エンジン本体１
の各気筒においては、基本的には、第１，第２吸気弁
７，８が開かれたときに第１，第２吸気ポート３，４か
ら燃焼室２内に混合気が吸入され、この混合気がピスト
ン１１で圧縮された後に点火プラグ１２によって着火、
燃焼させられ、第１，第２排気弁９，１０が開かれたと
きに燃焼ガスが第１，第２排気ポート５，６から排出さ
れるようになっている。そして、上記第１吸気ポート
（以下、Ｐポートという）３にインジェクタ４０が設け
られる一方、上記第２吸気ポート（以下、Ｓポートとい
う）４もしくはその上流の通路（後記Ｓ側分岐通路２３
ｓ）に、運転状態に応じて開閉制御される開閉弁４１が
設けられている。

【００２７】上記Ｐポート３、Ｓポート４及び開閉弁４
１によりスワール生成手段が構成され、上記開閉弁４１
が閉じられたときにＰポート３からの吸気により燃焼室
２内にスワールが生成されるようになっている。当実施
例では、タンブル・スワールコントロールバルブとして
の上記開閉弁（以下、ＴＳＣバルブという）４１が閉じ
られたときに、タンブル（縦渦）とスワール（横渦）と
を複合させた強力な螺旋状の斜めスワールが燃焼室２内
に生成されるように、ポート配置やポート形状等が設定
されている。

【００２８】具体的に説明すると、上記Ｐポート３及び
Ｓポート４は、吸気流れ方向上流部において略直線状に
延びるストレート部３ａ，４ａと、このストレート部３
ａ，４ａの下流端近傍において下方に湾曲してそれぞれ
の弁座１３，１４に至る湾曲部３ｂ，４ｂとによって構
成されている（図３，図４参照）。そして、上記Ｐポー
ト３及びＳポート４におけるそれぞれのストレート部３
ａ，４ａのポート中心線Ｌｐ１，Ｌｓ１の延長線が、上
記弁座１３，１４と第１，第２吸気弁７，８の最大リフ
ト時において燃焼室２の中心側に位置する弁端部７ａ，
８ａとの間を通るように設定されている。これにより、
Ｐ，Ｓポート３，４から燃焼室２に供給される吸気の流
通抵抗が低減する。なお、上記ポート中心線Ｌｐ１，Ｌ
ｓ１の延長線が上記弁座１３，１４と弁端部７ａ，８ａ
との中心を通るように設定するのが最適である。

【００２９】上記燃焼室２はペントルーフレンズ型燃焼
室とされており、上記吸気弁７，８と排気弁９，１０と
のバルブ挾み角θは３０°程度に狭くされ、ＤＯＨＣ直
接駆動タイプの動弁機構（図示せず）によって駆動され
るようになっている。また、第１吸気弁７のバルブ中心
線Ｌ１とＰポート３のスロート中心線Ｌｐ１とのなす角
度（スロートオフセット角α１）は比較的大きく、第２
吸気弁８のバルブ中心線Ｌ２とＳポート４のスロート中
心線Ｌｓ１とのなす角度（スロートオフセット角α２）
は比較的小さく設定されており、例えばα１＝３０°、
α２＝１２°とされている。このようにして、Ｐポート
３のみから吸気が行なわれるときには傾斜角（シリンダ
中心線とのなす角度）γが３５°〜５５°の渦流Ｓが生
成されるようになっている。また、Ｓポート４は燃焼室
２内にタンブルＴを生成するようになっている。

【００３０】また、上記両吸気弁７，８は、それぞれ、
弁軸部７ｂ，８ｂと傘部７ｃ，８ｃとからなり、傘部７
ｃ，８ｃの下面が燃焼室２の天井面と平行となるように
配置されている。第１吸気弁７のバルブ傘角（傘部の下
面と上面のなす角）β１は第２吸気弁８のバルブ傘角β
２よりも大きく設定されている。これにより、バルブリ
フト時における第１吸気弁７とＰポート３のスロート部
との間の流路が第２吸気弁８とＳポート４のスロート部
との間の流路よりも狭くなり、従って、Ｐポート３側で
は吸気流速が高められ、Ｓポート４側では流量が確保さ
れる。

【００３１】さらに、Ｐポート３の出口下部にはポート
エッジ１５が形成され、かつ、燃焼室２における第１吸
気弁７回りにはスキッシュエリア１６が形成されてお
り、これらによってＰポート３から排気弁側への吹出流
速が高められるようになっている。

【００３２】このような燃焼室、吸気ポートの構造によ
ると、Ｐポート３からの吸気によってタンブルとスワー
ルとを複合させた強力な渦流が得られること等により、
燃焼速度が遅くなる傾向があるリーンバーン状態でも、
均一混合気形成と燃焼速度向上とが両立されて良好な燃
焼状態が得られる。

【００３３】つまり、図６に示すように、スワールは、
吸気から圧縮行程前半にかけての乱れ強さが大きくて、
混合気均一化の効果が大きいが、圧縮行程後期の乱れ強
さは小さくなり、逆にタンブルは、圧縮行程前半の乱れ
強さは小さいが圧縮行程後期の乱れ強さが大きくなる。
そして、上記の吸気ポート構造による場合は、スワール
とタンブルとの両方の利点が得られて吸気行程から圧縮
行程までにわたる平均乱流強度が高められる。図５はス
ワール比Ｓr が３．３の場合と４．２の場合とにつき、
スワール傾斜角（スワールの中心線とシリンダ中心線と
のなす角）γと平均乱流強度Ｒとの関係を示しており、
この図に示すように、スワール比Ｓｒを約３以上とする
とともにスワール傾斜角γを３５°〜５５°の範囲と
し、特に望ましくは４５°とすることにより、平均乱流
強度が大幅に高められ、混合気均一化及び燃焼速度が向
上される。

【００３４】ここで、上記スワール比の定義及び求め方
を説明しておく。上記スワール比とは、一般的には気筒
内の混合気（吸入空気）の横渦の旋回数をエンジン回転
数で割った値で定義される。

【００３５】そして、混合気の横渦の旋回数は、例えば
図７に示すようなボア径がＤであるエンジンにおいて
は、シリンダヘッド下面Ｆ₁ から１．７５Ｄの距離だけ
下方の位置Ｆ₂ にインパルススワールメータ８０を配置
し、このインパルススワールメータ８０に作用するトル
ク（インパルススワールメータトルク）を検出し、この
インパルススワールメータトルクに基づいてよく知られ
た手法で算出する。なお、図７において、Ｆ₃ は下死点
位置にあるピストン１１の頂面を示している。

【００３６】インパルススワールメータトルクは、次の
ような手順で測定する。すなわち、上記Ｆ₂ の位置にイ
ンパルススワールメータ８０を配置し、ピストン頂面に
作用するスワールのエネルギーをインパルススワールメ
ータ８０で再現させることによって、通常時においてピ
ストン頂面付近にどの程度の旋回エネルギーが存在する
かを測定する。インパルススワールメータ８０は多数の
ハニカムを備えていて、インパルススワールメータ８０
にスワールが作用すると、各ハニカムにそれぞれスワー
ル流れ方向の力が作用し、各ハニカムにかかる力を積算
することによって全体に作用するインパルススワールメ
ータトルクＧを算出する。

【００３７】より詳しくは、吸気弁が開いてから下死点
までの期間は燃焼室２内に混合気が吸入されていると仮
定すると、この期間中は混合気が燃焼室２の内周面に沿
って旋回し、その旋回速度が下死点位置で最大となる。
従って、吸気弁が開き始めてから下死点までの各クラン
ク各毎の角運動量を積算すれば、スワール比が求まるこ
とになる。かかる知見に基づいて、本例においては、ス
ワール比Ｓｒを次の(1)式及び(2)式によって算出するよ
うにしている。

【００３８】

【数１】Ｓr＝ηv・{Ｄ・Ｓ・∫(cf・Ｎr・dα)}／{ｎ・ｄ²・(∫cf・dα)²} ……(1) Ｎr＝８・Ｇ／(Ｍ・Ｄ・Ｖ₀) ……(2) ただし、Ｓrはスワール比、ηvは体積効率（ηv＝
１）、Ｄはボア径、Ｓはストローク、ｎは吸気弁数、ｄ
はスロート径、cfは各バルブリフトに対する流量係数、
Ｎrは各バルブリフトに対する無次元リグスワール値、
αはクランク角、Ｇはインパルススワールメータトル
ク、Ｍは吸気行程中にシリンダ内に充填された空気の質
量、Ｖ₀は速度ヘッドである。

【００３９】なお、上記(2)式は、次のような手順で導
き出される。

【００４０】

【数２】Ｇ＝Ｉ・ωr ……(3) Ｉ＝Ｍ・Ｄ²／８ ……(4) (4)を(3)に代入Ｇ＝Ｍ・Ｄ²・ωr／８ ……(5) (5)よりＤ・ωr＝８・Ｇ／(Ｍ・Ｄ) ……(6) ところでＮr＝Ｄ・ωr／Ｖ₀ ……(7) (6)を(7)に代入Ｎr＝８・Ｇ／(Ｍ・Ｄ・Ｖ₀) ただし、Ｉは吸気行程終期（ピストン下死点）における
シリンダ内の空気の慣性モーメント、ωrはリグスワー
ル値である。

【００４１】また、図２〜図４に示す構造によると上記
のようにスワール比及びスワール傾斜角が設定されるこ
とで平均乱流強度が高められることに加え、Ｐ，Ｓポー
ト３，４の形状、角度、バルブ傘角β１，β２等が前述
のように設定されることにより、Ｐポート３からの吸気
流速が高められるとともに、流量係数が小さく抑えら
れ、充填効率の向上にも寄与する。

【００４２】なお、着火性を阻害しない範囲で燃焼速度
を高めるため、平均乱流強度は１．５〜２．５m/sとす
ることが好ましい。また、リーンバーン状態での燃焼時
間の短縮化のため、燃焼室２はＳ／Ｖ比が小さくなる形
状を選定し、可及的に火炎伝播距離を短くするコンパク
ト燃焼室とする。

【００４３】図８は、図１中に示したエアミクスチャー
タイプインジェクタ（ＡＭＩ）４０に対するミキシング
エア供給系及び蒸発燃料供給系を示している。この図に
おいて、複数気筒（例えば４気筒）の各独立吸気通路
（実施例ではＰポート）に対してそれぞれインジェクタ
４０が設置され、これらのインジェクタ４０に対するミ
キシングエア供給系にはエア制御バルブ５１を備えたＡ
ＭＩ用エア供給通路５２が設けられている。このＡＭＩ
用エア供給通路５２は、上流側が前記吸気バイパス通路
３４に接続され（図１参照）、下流側が分岐して各イン
ジェクタ４０に接続されている。上記エア制御バルブ５
１はアイドル時に閉じ、それ以外のときにエアをインジ
ェクタ４０に供給するようになっている。

【００４４】さらに上記ＡＭＩ用エア供給通路５２に
は、エア制御バルブ５１をバイパスするバイパス通路５
３が接続され、このバイパス通路５３にはアイドル時に
微量エアを流すオリフィス５４が設けられている。

【００４５】また、蒸発燃料供給系（蒸発燃料供給手
段）は、蒸発燃料を各気筒毎の独立吸気通路の各所定位
置にそれぞれ接続された通路に導いて上記各独立吸気通
路に送り込むように構成され、当実施例では、ＡＭＩ用
エア供給通路５２を利用して蒸発燃料を各独立吸気通路
に送り込むようになっている。

【００４６】具体的に説明すると、上記蒸発燃料供給系
は、キャニスタ５６（図１参照）から延びるパージ通路
５７を備え、このパージ通路５７に、デューティ制御さ
れて蒸発燃料供給量を調節する制御弁としてのパージソ
レノイドバルブ５８が設けられている。上記パージ通路
５７はＡＭＩ用エア供給通路５２の分岐点上流に形成さ
れたチャンバー５５に接続されている。このような通路
構成により、上記チャンバー５５より下流のＡＭＩ用エ
ア供給通路５２が蒸発燃料流通経路の一部に兼用され、
蒸発燃料流通経路の途中に上記チャンバー５５からなる
拡大室が介在するようになっている。そして、燃料タン
ク等において発生しキャニスタ５６にトラップされた蒸
発燃料は、上記パージソレノイドバルブ５８が開かれた
ときにパージ通路５７、チャンバー５５及びＡＭＩ用エ
ア供給通路５２を通って各インジェクタ４０に導かれ、
吸気行程中に燃料噴霧とともに各独立吸気通路に送り込
まれ、各気筒の燃焼室２に供給される。

【００４７】図９及び図１０は、上記インジェクタ４０
の具体的構造を示している。これらの図において、エン
ジンのシリンダヘッド１ａには、上記Ｐポート３に連通
するインジェクタ取付孔４００が形成され、このインジ
ェクタ取付孔４００にインジェクタ４０が嵌合されてい
る。このインジェクタ４０の先端側部分４０１は噴口を
囲繞するように筒状に形成され、この先端側部分４０１
と上記インジェクタ取付孔４００の周壁との間に環状の
エア導入空間４０２が形成されるとともに、このエア導
入空間４０２と外部のエア供給通路とを連通するエア導
入ポート４０３がシリンダヘッド１ａに形成されてい
る。さらに、上記インジェクタ４０の先端側部分４０１
には、その内側の噴口前方の空間と上記エア導入空間４
０２とを連通する連通孔４０４が放射状に配設され、こ
の連通孔４０４にオリフィス４０５が形成されている。

【００４８】そして、上記インジェクタ４０の噴口から
上記Ｐポート３へ向けて所定タイミングで燃料が噴射さ
れるとともに、噴口前方の空間に吸気負圧が作用したと
きに、上記エア導入空間４０２に導入されたエアが上記
オリフィス４０５から噴口前方の空間に噴出し、このエ
アにより噴射燃料がミキシングされる。また当実施例で
は、前記パージソレノイドバルブ５８（図８参照）が開
かれたときに、蒸発燃料も上記エア導入空間４０２に導
入されて上記オリフィス４０５から噴出するようになっ
ている。

【００４９】上記オリフィス４０５は、本来の機能とし
てはミキシングエアの流速を高めて燃料の微粒化を促進
するものであるが、当実施例では、蒸発燃料を上記各独
立吸気通路に送り込む通路の下流端部に位置するオリフ
ィスとして、後述のように吸気脈動を遮断する機能も有
する。

【００５０】また、図１中に示したコントロールユニッ
ト７０による空燃比の制御、インジェクタ４０からの燃
料噴射タイミングの制御、上記スワール生成手段の制御
及び蒸発燃料供給手段の制御は、次のように行われる。

【００５１】空燃比の制御としては、特定運転領域で、
空燃比が希薄燃焼限界（トルク変動が許容限界となる空
燃比）の近傍の所定リーン空燃比となるように設定され
る。例えば、図１１に示すように、エンジンの低，中速
域においてスロットル全閉の領域（アイドル域または全
閉減速域）を除く低負荷域から所定負荷までの運転領域
では、空燃比が理論空燃比よりもリーン（λ＞１）に設
定され、特にこのリーン運転領域のうちの大部分の領域
である特定運転領域で、希薄燃焼限界の近傍の所定リー
ン空燃比とされる。この場合、当実施例では上記スワー
ル生成手段によって生成されるスワールや上記ＡＭＩに
よる燃料の微粒化等でリーバーン状態での燃焼性が高め
られるとともに、後記タイムドインジェクションによっ
て混合気の成層化が行われること等で希薄燃焼限界が２
５程度にまで高められ、これに対応して上記特定運転領
域における空燃比は２２程度に設定される。

【００５２】なお、リーン領域のうちで上記特定運転領
域以外の領域では、空燃比を一定範囲内（例えば１９〜
２２）で運転状態に応じて変更し、また、アイドル域や
リーン領域よりも高負荷側、高速側では空燃比を理論空
燃比（λ＝１）もしくはこれよりリッチ（λ＜１）と
し、全閉減速域では燃料カットとすればよい。

【００５３】インジェクタからの燃料噴射タイミングの
制御としては、各気筒毎に所定のタイミングで燃料を噴
射する所謂シーケンシャル・タイムド・インジェクショ
ンが行なわれ、燃焼室内の混合気をほぼ均一化しつつ点
火プラグ回りの混合気を他の部分と比べて多少濃くする
ように、吸気行程の所定時期に燃料が噴射される。望ま
しくは、点火プラグ回りの混合気が濃くなりすぎてＮＯ
ｘの増大を招くようなことがないように成層化度合が調
整され、具体的にはＡＴＤＣ６０°までの期間内に噴射
が行なわれるようになっている。

【００５４】スワール生成手段の制御としては、少なく
とも上記所定リーン空燃比とされる特定運転領域で、上
記ＴＳＣバルブ４１がスワールを生成する状態（閉状
態）に作動される。例えば、図１１中に示すように、Ｔ
ＳＣバルブ４１の開閉切換えのラインがリーン領域の高
速側の限界ラインとほぼ一致するように設定され、この
開閉切換えのラインより低速側ではＴＳＣバルブ４１が
閉じられ、高速側ではＴＳＣバルブ４１が開かれるよう
になっている。

【００５５】また、上記蒸発燃料供給手段の制御として
は、少なくとも所定リーン空燃比の運転領域で蒸発燃料
供給状態に作動され、例えば空燃比がリーンとされる領
域と理論空燃比とされる領域とを含む運転領域で、所定
のパージ実行条件成立時に蒸発燃料供給状態とされる。
すなわち、上記パージソレノイドバルブ５８は、所定の
パージ実行条件成立時（例えば空燃比のフィードバック
制御中で、かつ、エンジン水温が所定温度以上のとき）
に駆動され、所定のパージ量が得られるようにエンジン
の運転状態に応じて制御される。なお、リーンバーン制
御中は、理論空燃比設定の燃料領域におけるよりもパー
ジ量が少なく、かつ、その減量度合いが低吸入空気量側
ほど大きくなるように、エアフローセンサ３２の出力お
よびエンジン回転数に応じてパージソレノイドバルブ５
８が制御される。

【００５６】以上のような当実施例のリーンバーンエン
ジンによると、上記特定運転領域で、空燃比が希薄燃焼
限界の近傍の所定リーン空燃比に設定されて、リーンバ
ーンが行われることにより、この運転領域での燃費が大
幅に改善される。この場合、上記スワール生成手段のＴ
ＳＣバルブ４１が閉じられて燃焼室内にスワールが生成
されるとともに、インジェクタ４０からの燃料噴射タイ
ミングが上記のように制御されて、適度の成層化が行わ
れることにより、リーンバーン状態での着火性及び燃焼
性が高められる。さらに、上記インジェクタ４０にＡＭ
Ｉが用いられ、このインジェクタ４０にミキシングエア
が供給されることにより燃料が微粒化され、これによっ
ても燃焼性が向上される。

【００５７】そして、このような所定リーン空燃比とさ
れる特定運転領域でも、上記蒸発燃料供給系から蒸発燃
料の供給が行われることにより、実質上の燃費がより一
層改善される。つまり、従来では一般にリーン領域では
燃焼安定性を保つため蒸発燃料を使用しないようにして
いるが、このようにすると、キャニスタ５６に蓄えきれ
ない蒸発燃料が大気に排出されて実質的な燃費を悪化さ
せ、とくに広範囲の領域でリーンバーンが行われる場合
には蒸発燃料の排出量が増加してしまうが、上記のよう
にリーン領域でも蒸発燃料を使用すれば蒸発燃料の排出
量を減少させることができる。

【００５８】しかも、上記蒸発燃料供給系は、上記各イ
ンジェクタ４０とこれに対するＡＭＩ用エア通路５２を
利用して、気筒別の各独立吸気通路に蒸発燃料を送り込
むようにしているため、各気筒に対して均等に蒸発燃料
が供給され、リーン状態において有効にパージを行なう
ことができる。

【００５９】この作用を図１２によって説明する。この
図は、各気筒における空燃比のばらつきを、理論空燃比
の場合と所定リーン空燃比（Ａ／Ｆ＝２２）の場合とに
ついて示すものであり、この図のように、一般的に理論
空燃比よりリーン状態の方が空燃比のばらつきが大きく
なる傾向がある。そして、例えば吸気マニホールドに蒸
発燃料を供給する等の従来の一般的な手法による場合
（各気筒の空燃比を一点鎖線でつないで示す）、気筒間
に空燃比のばらつきが生じ、特にリーン状態で空燃比の
ばらつきが大きくなって定常サージラインを超え、トル
ク変動を招く。これに対し、当実施例の蒸発燃料供給系
による場合（各気筒の空燃比を実線でつないで示す）、
気筒間の空燃比のばらつきが小さく、リーン状態でも、
定常サージラインを超えることがない。従って、リーン
状態でも大きなトルク変動を生じることなく有効に蒸発
燃料を供給することができる。

【００６０】また、上記各独立吸気通路への蒸発燃料の
導入が吸気行程で行われることにより、成層化にも有効
となる。特に、空燃比がフィードバック制御されている
ときにパージが行われるとそのパージ量に応じて燃料噴
射量が減少し、シーケンシャル・タイムド・インジェク
ションにおいては吸気行程で噴射される燃料が減少する
こととなるが、成層化が損なわれることはない。つま
り、ＡＭＩ用エア通路５２に送りこまれる蒸発燃料は、
ミキシングエアとともに吸気行程中の負圧で燃焼室に吸
入される。従って、図１３中に示すように、吸気行程で
の燃料噴射とほぼ同じタイミングで蒸発燃料が燃焼室に
供給され、燃料噴射量の減少分が補われる。そして、こ
のように吸気行程中に噴射燃料及び蒸発燃料が供給され
るとともに、スワール生成手段によってスワールが生成
されることにより、成層化状態が良好に維持される。

【００６１】さらに、上記ＡＭＩ用エア通路５２を利用
して蒸発燃料の供給が行われることにより、蒸発燃料供
給系の構造が簡略化されるとともに、ミキシングエアに
よって蒸発燃料が希釈されるため、蒸発燃料の過剰供給
が防止され、蒸発燃料供給量が比較的少ないときでも蒸
発燃料供給量のコントロールが容易になる。また、蒸発
燃料供給系のパージ通路５７がＡＭＩ用エア供給通路５
２の途中に設けられたチャンバー５５に接続されている
ことにより、このチャンバー５５内で蒸発燃料とミキシ
ングエアとが均一に混合されて蒸発燃料の分配性が向上
される。さらに、デューティ制御される上記パージソレ
ノイドバルブ５８の作動に伴う脈動が上記チャンバー５
５で吸収され、これによっても蒸発燃料の分配性及びコ
ントロール性が向上される。

【００６２】また、蒸発燃料が導かれるエアーミクスチ
ャータイプインジェクタ４０には、エア及び蒸発燃料が
噴出する部分にオリフィス４０５が形成されていること
により、気筒間干渉による蒸発燃料の分配性の悪化を防
止する作用も得られる。つまり、各独立吸気通路と蒸発
燃料を通す通路とにわたって吸気負圧による圧力波が伝
播すると、気筒間干渉によって蒸発燃料の分配性が悪化
する可能性があるが、上記オリフィス４０５で圧力波の
伝播が抑制されることにより、蒸発燃料の分配性の悪化
が防止されることとなる。

【００６３】なお、上記実施例では、各インジェクタ４
０及びこれに対するエア供給通路５２を利用して蒸発燃
料を各独立吸気通路に送り込むように蒸発燃料供給系を
構成しているが、蒸発燃料供給系を上記インジェクタ４
０等とは別個に構成し、パージ通路の下流側を分岐させ
て各独立吸気通路に接続するようにしてもよい。このよ
うにする場合にも、パージソレノイドバルブより下流の
パージ通路に、パージソレノイドバルブの作動に伴う脈
動を吸収する拡大室を設けておくことが望ましく、ま
た、各独立吸気通路に接続されるパージ通路下流端部
に、気筒間干渉による蒸発燃料の分配性の悪化を防止す
るためのオリフィスを設けておくことが好ましい。

【００６４】その他の各部の構造及び空燃比等の制御も
上記実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範
囲で変更して差し支えない。

【００６５】

【発明の効果】以上のように本発明は、リーンバーンエ
ンジンにおいて、蒸発燃料を各気筒毎の独立吸気通路の
各所定位置にそれぞれ接続された通路に導く蒸発燃料供
給手段と、スワール生成手段と、少なくとも所定リーン
空燃比の運転領域で上記蒸発燃料供給手段及びスワール
生成手段を作動させる制御手段とを設けるとともに、各
独立吸気通路への蒸発燃料の導入が各気筒の吸気行程で
行われるように構成しているため、上記所定リーン空燃
比で運転されているときにも蒸発燃料の供給を行なうよ
うにしながら、このときの気筒間の空燃比のばらつきを
小さくしてトルク変動の増大を抑制し、かつ、混合気の
成層化による燃焼性向上を図ることができる。従って、
希薄燃焼限界近傍のリーン空燃比で運転されているとき
でも蒸発燃料の供給を効果的に行なうことができる。

【００６６】この発明において、インジェクタからの燃
料噴射および蒸発燃料の導入をともに吸気行程で行なう
ようにすると、リーンバーン運転時の成層化をより一層
良好に行なうことができる。

【００６７】また、各独立吸気通路にそれぞれインジェ
クタを設け、かつ各インジェクタにエアを供給するエア
供給通路を設けるとともに、蒸発燃料を上記エア供給通
路に導くようにすると、上記エア通路を利用して蒸発燃
料の供給を行なうことができるとともに、リーンバーン
運転時の蒸発燃料の供給のコントロール性を向上するこ
とができる。

【００６８】また、蒸発燃料供給手段の制御弁下流に拡
大室を設けておくと蒸発燃料の分配性を向上することが
できる。さらにまた、蒸発燃料を各独立吸気通路に送り
込む通路の下流端部にオリフィスを設けておくことによ
っても、蒸発燃料の分配性を向上することができる。そ
して、このように蒸発燃料の分配性を向上することによ
り、気筒間の空燃比のばらつきに起因したトルク変動を
抑制する作用を高め、リーンバーン運転時における蒸発
燃料の供給をより一層効果的に行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のリーンバーンエンジンの一実施例を示
す概略図である。

【図２】燃焼室構造を示す概略平面図である。

【図３】第１吸気ポート側の概略断面図である。

【図４】第２吸気ポート側の概略断面図である。

【図５】平均乱流強度の特性図である。

【図６】スワールとタンブルの比較を示す図である。

【図７】スワールについての測定手段及び測定の手法を
示す説明図である。

【図８】インジェクタに対するエア供給系及び蒸発燃料
供給系を示す図である。

【図９】エアミクスチャータイプインジェクタの具体的
構造を示す断面図である。

【図１０】上記インジェクタの一部切欠斜視図である。

【図１１】空燃比制御領域をエンジン回転数とスロット
ル開度とに対応させて示す図である。

【図１２】蒸発燃料供給による空燃比のばらつきを示す
図である。

【図１３】燃料噴射及びパージ供給のタイミングを示す
図である。

【符号の説明】

１エンジン本体２燃焼室３，４吸気ポート５，６排気ポート７，８吸気弁９，１０排気弁４０インジェクタ４１開閉弁５２エア供給通路５７パージ通路５８パージソレノイドバルブ７０コントロールユニット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＦ０２Ｍ 25/08 ３０１Ｆ０２Ｍ 25/08 ３０１Ｕ (72)発明者堀保義広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内 (72)発明者西岡太広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内 (72)発明者細貝徹志広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内 (72)発明者岡憲児広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内 (72)発明者寺尾秀志広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内 (72)発明者藤本操広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内 (72)発明者原田政樹広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内 (56)参考文献特開平６−101600（ＪＰ，Ａ) 特開平８−144872（ＪＰ，Ａ) 特開平５−133261（ＪＰ，Ａ) 特開平４−133261（ＪＰ，Ａ) 実開昭60−39759（ＪＰ，Ｕ) 実公昭60−19966（ＪＰ，Ｙ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F02M 25/08 F02D 41/00 - 41/40

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】エンジンに供給される混合気の空燃比を
理論空燃比よりもリーンで、かつトルク変動が許容限界
となる空燃比の近傍の所定リーン空燃比に設定した運転
領域を有する自動車用リーンバーンエンジンにおいて、
燃料系で発生する蒸発燃料を各気筒毎の独立吸気通路の
各所定位置にそれぞれ接続された通路に導いて上記各独
立吸気通路に送り込む蒸発燃料供給手段と、燃焼室内に
スワールを生じさせるスワール生成手段と、少なくとも
上記所定リーン空燃比の運転領域で上記蒸発燃料供給手
段及びスワール生成手段を作動させる制御手段とを設け
るとともに、上記蒸発燃料供給手段が作動状態にあると
きに各独立吸気通路への蒸発燃料の導入が各気筒の吸気
行程で行われるように構成したことを特徴とする自動車
用リーンバーンエンジン。
【請求項２】上記蒸発燃料供給手段は、デューティ制
御されて蒸発燃料供給量を調節する制御弁を有するとと
もに、この制御弁より下流に拡大室を有することを特徴
とする請求項１記載の自動車用リーンバーンエンジン。
【請求項３】上記各独立吸気通路にそれぞれ燃料供給
用のインジェクタを設け、各インジェクタからの燃料噴
射を各気筒の吸気行程で行わせるようにしたことを特徴
とする請求項１または２に記載の自動車用リーンバーン
エンジン。
【請求項４】上記各独立吸気通路にそれぞれ燃料供給
用のインジェクタを設け、かつ上記各インジェクタの噴
口近傍に燃料微粒化用のエアを供給するエア供給通路を
設けるとともに、蒸発燃料を上記エア供給通路に導いて
各独立吸気通路に送り込むように蒸発燃料供給手段を構
成したことを特徴とする請求項１記載の自動車用リーン
バーンエンジン。
【請求項５】下流側が分岐して上記各インジェクタに
接続されたエア供給通路の分岐部より上流側に拡大室と
してのチャンバーを介設するとともに、このチャンバー
に、蒸発燃料を導く通路を接続したことを特徴とする請
求項４記載の自動車用リーンバーンエンジン。
【請求項６】蒸発燃料を上記各独立吸気通路に送り込
む通路の下流端部にオリフィスを設けたことを特徴とす
る請求項１乃至５のいずれかに記載の自動車用リーンバ
ーンエンジン。