JP3030226B2 - Car lean burn engine - Google Patents

Car lean burn engine

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JP3030226B2
JP3030226B2 JP7067668A JP6766895A JP3030226B2 JP 3030226 B2 JP3030226 B2 JP 3030226B2 JP 7067668 A JP7067668 A JP 7067668A JP 6766895 A JP6766895 A JP 6766895A JP 3030226 B2 JP3030226 B2 JP 3030226B2
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    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、特定運転領域で希薄燃
焼を行なうことにより燃費節減を図る自動車用リーンバ
ーンエンジンに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a lean burn engine for an automobile which reduces fuel consumption by performing a lean burn in a specific operation region.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、エンジンの低速低負荷等の運転領
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。空燃比をリーン化すると、燃料に対する空気量が多
くなることにより、ポンピングロス(とくに吸気行程で
の負圧抵抗による損失)が低減されるとともに、燃焼ガ
ス温度が低下して熱損失(燃焼室回りから冷却系に奪わ
れる熱エネルギー)と排ガス損失が低減され、これらポ
ンピングロス及び熱損失の低減によって熱効率が高めら
れ、燃費が節減される。
2. Description of the Related Art In recent years, various lean burn engines have been developed which perform lean burn (lean combustion) by setting the air-fuel ratio to lean in an operating range such as low speed and low load of the engine. When the air-fuel ratio is made leaner, the pumping loss (particularly, the loss due to negative pressure resistance in the intake stroke) is reduced by increasing the amount of air with respect to the fuel, and the combustion gas temperature is reduced, resulting in heat loss (around the combustion chamber). Heat energy deprived of the cooling system) and exhaust gas loss are reduced, and by reducing these pumping loss and heat loss, thermal efficiency is increased and fuel consumption is reduced.

【0003】このような空燃比のリーン化にあたって、
空燃比制御精度の向上、燃焼性向上によるリーン化促
進、エミッション改善等は従来から考えられている。
In making such an air-fuel ratio lean,
Improvement of air-fuel ratio control accuracy, promotion of leanness by improvement of flammability, improvement of emission, and the like have been conventionally considered.

【0004】例えば、特開昭59−208141号公報
には、排気ガス中の酸素濃度に略比例した出力信号を発
生するリーンセンサを用い、理論空燃比よりもリーンな
空燃比で上記リーンセンサの出力に応じて空燃比をフィ
ードバック制御するとともに、目標空燃比に応じてリー
ンセンサの出力の制御目標値の設定、修正を行なうこと
により、制御精度の向上を図るようにようにしたリーン
制御方法が示されている。
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 59-208141 uses a lean sensor that generates an output signal that is substantially proportional to the oxygen concentration in exhaust gas, and uses the lean sensor with an air-fuel ratio leaner than the stoichiometric air-fuel ratio. A lean control method that improves the control accuracy by performing feedback control of the air-fuel ratio according to the output and setting and correcting the control target value of the output of the lean sensor according to the target air-fuel ratio has been proposed. It is shown.

【0005】また、自動車技術会発行の「学術講演前刷
集924Volume2」の92048「新世代希薄燃
焼エンジンの開発」には、スワール強化により空燃比の
リーン限界を高めるようにしつつ、そのリーン限界には
達しない範囲で、燃焼室からのNOx排出量が充分に低
くなる程度に空燃比をリーンに設定したリーンバーンエ
ンジンについて記載されている。
[0005] The development of a new generation lean-burn engine in 92048 of "Academic Lecture Preprints 924 Volume 2" issued by the Society of Automotive Engineers of Japan includes a method of improving the lean limit of the air-fuel ratio by strengthening the swirl. Describes a lean burn engine in which the air-fuel ratio is set to a lean value so that the amount of NOx emitted from the combustion chamber becomes sufficiently low within a range not to reach.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】この種のリーンバーン
エンジンにおいては、NOxの低減を図る上で、改善す
べき点が残されている。
In this type of lean burn engine, there is a point to be improved in reducing NOx.

【0007】具体的に説明すると、上記の学術講演前刷
集にも記載されているように、エンジンからの排出ガス
中のNOx割合は空燃比が16付近で最も高く、これよ
りもリーン側ではリーンになるにつれてNOxが次第に
減少する傾向があるが、従来、NOxを充分に低減する
には空燃比を極めて大きくリーン化しなければならず、
そのためにリーン限界を高めることが必要になるととも
に、このような高リーン状態で得られるトルクには限界
があって、リーンバーン可能な運転領域が制限されるな
どの問題がある。そこで、上記のような空燃比の高リー
ン化によるだけでなく、それ以外の手法でもリーンバー
ン運転領域でNOx発生量をより一層低減することが要
求される。
More specifically, as described in the above-mentioned preprint of the academic lecture, the NOx ratio in the exhaust gas from the engine is highest when the air-fuel ratio is around 16, and is lower on the lean side. Although NOx tends to decrease gradually as the vehicle leans, conventionally, in order to sufficiently reduce NOx, the air-fuel ratio must be made extremely large and lean.
Therefore, it is necessary to increase the lean limit, and there is a problem in that the torque obtained in such a high lean state has a limit, and the operating range in which lean burn is possible is limited. Therefore, it is required not only to make the air-fuel ratio lean as described above, but also to reduce the amount of NOx generated in the lean burn operation region further by other methods.

【0008】なお、従来、例えば特開平4−20814
1号公報に示されるように、燃料を噴射するインジェク
タを各気筒に対してそれぞれ設けるとともに、このイン
ジェクタに対してミキシングエアを供給するエアアシス
ト機構を設け、エンジンの冷間時等に上記エアアシスト
機構を作動させ、燃料の微粒化を促進して燃焼性の向上
を図るようにした技術は知られている。しかし、このエ
アアシスト機構によって燃焼の促進を図る手段は、燃料
が増量される冷間時等に、燃焼の促進とそれによるH
C、COの低減等のために用いられており、一般に燃焼
が促進されるとNOxは増加すると考えられていたの
で、NOx低減のためにエアアシスト機構を用いるとい
うようなことは従来においてまったく考えられていなか
った。
Conventionally, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No.
As shown in Japanese Patent Application Publication No. 1 (1993) -1997, an injector for injecting fuel is provided for each cylinder, and an air assist mechanism for supplying mixing air to the injector is provided. There is known a technique in which a mechanism is operated to promote atomization of fuel to improve combustibility. However, the means for promoting the combustion by the air assist mechanism is such that the combustion is promoted and the H
Since it is used to reduce C and CO, and it is generally considered that NOx increases when combustion is promoted, it has never been considered to use an air assist mechanism to reduce NOx. Had not been.

【0009】本発明は、上記の事情に鑑み、自動車用リ
ーンバーンエンジンにおいてリーンバーン状態での燃焼
性を高めつつNOx発生量の低減を図ることを目的とす
る。とくに、後に詳述するごとく空燃比をリーンに設定
した状態でエアアシスト機構を用いて燃料の微粒化を促
進すると燃焼性が向上されるにも拘らずNOxが低減さ
れることを見つけ出し、これに基づいてリーン運転領域
で有効にNOxを低減することができるリーンバーンエ
ンジンを提供するようにしたものである。
SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above circumstances, an object of the present invention is to reduce the amount of NOx generated in a lean burn engine for an automobile while improving the combustibility in a lean burn state. In particular, as will be described in detail later, it was found that NOx was reduced in spite of improvement in combustibility by promoting atomization of fuel using an air assist mechanism in a state where the air-fuel ratio was set to lean. It is intended to provide a lean burn engine capable of effectively reducing NOx in a lean operation region based on the above.

【0010】本発明は、理論空燃比よりもリーンな空燃
比で燃焼を行うリーン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、燃料を噴射するインジェクタ
を各気筒に対してそれぞれ設けるとともに、この各イン
ジェクタに噴射燃料を微粒化させるためのエアを供給す
るエアアシスト機構と、上記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制御手段と、各気筒
毎に設けられた2つの吸気ポートのうちの1つの吸気ポ
ートに配置された開閉弁とを設け、少なくとも上記リー
ン運転領域で上記各インジェクタに対してエアアシスト
機構によるエアの供給を行い、かつ燃焼室内に斜めスワ
ールを生成させるように上記開閉弁を閉じるとともに、
上記リーン運転領域において燃焼室内の混合気全体の空
燃比を希薄燃焼限界の近傍の空燃比に設定し、かつ、上
記エアの供給及び上記斜めスワールの生成が行われてい
る状態で点火プラグ近傍の局所的な空燃比が混合気全体
の空燃比に対して1割程度リッチとなる成層化状態が得
られるように上記各インジェクタからの燃料噴射時期を
設定したものである。
According to the present invention, an injector for injecting fuel is provided for each cylinder in a lean burn engine for an automobile having a lean operation region in which combustion is performed at a leaner air-fuel ratio than the stoichiometric air-fuel ratio. An air assist mechanism for supplying air for atomizing the injected fuel to the cylinders, control means for performing fuel injection from each of the injectors in the intake stroke of each cylinder , and each cylinder
One of the two intake ports provided for each
An on-off valve disposed in the combustion chamber, air is supplied to each of the injectors at least in the lean operation region by an air assist mechanism, and an oblique swirl is introduced into the combustion chamber.
Closing the on-off valve so as to generate
In the lean operation region, the air-fuel ratio of the entire air-fuel mixture in the combustion chamber is set to an air-fuel ratio near the lean combustion limit, and the air supply and the generation of the diagonal swirl near the ignition plug are performed. The fuel injection timing from each of the injectors is set such that a stratified state in which the local air-fuel ratio is about 10% richer than the air-fuel ratio of the entire air-fuel mixture is obtained.

【0011】[0011]

【0012】[0012]

【0013】[0013]

【作用】本発明のエンジンによると、上記リーン運転領
域にあるときに、上記エアアシスト機構によって各イン
ジェクタにエアが供給され、燃料が微粒化される。そし
て、リーンバーン状態においてこのように燃料が微粒化
されると、燃焼性が高められ、しかも均一にリーンバー
ンが行なわれることにより燃焼温度の高い部分が少なく
なり、NOx発生量が減少する。
According to the engine of the present invention, when the engine is in the lean operation region, air is supplied to each injector by the air assist mechanism to atomize the fuel. When the fuel is atomized in the lean burn state in this manner, the combustibility is enhanced, and moreover, since the lean burn is performed uniformly, the portion having a high combustion temperature is reduced, and the NOx generation amount is reduced.

【0014】さらに上記リーン運転領域で成層化が行わ
れることにより希薄燃焼限界が高められ、この高リーン
化とエアアシストによる微粒化促進作用とで、NOx低
減作用が高められる。とくに、上記開閉弁が閉じられて
燃焼室内に斜めスワールが生成されるととも上記エアア
シスト機構によるエアの供給が行われている状態で、点
火プラグ近傍の局所的な空燃比が混合気全体の空燃比に
対して1割程度リッチとなる成層化状態が得られるよう
にしたことにより、適度の成層化による希薄燃焼限界の
向上とエアアシストによる微粒化促進作用とで、NOx
低減作用が充分に高められる。
Further, by performing stratification in the lean operation region, the lean burn limit is increased, and the NOx reduction effect is enhanced by the increase in leanness and the effect of promoting atomization by air assist. In particular, when the on-off valve is closed and oblique swirl is generated in the combustion chamber and the air is supplied by the air assist mechanism, the local air-fuel ratio near the ignition plug increases the overall air-fuel ratio. By obtaining a stratified state that is about 10% rich with respect to the air-fuel ratio, NOx can be improved by improving the lean burn limit by appropriate stratification and promoting the atomization by air assist.
The reduction effect is sufficiently enhanced.

【0015】[0015]

【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。
An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, an outline of a lean burn engine according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this figure, reference numeral 1 denotes an engine body, and a combustion chamber 2 is formed in each cylinder, and the combustion chamber 2 has first and second combustion chambers, which will be described in detail later.
Intake ports 3 and 4 and first and second exhaust ports 5 and 6
The ports 3 to 6 are provided with intake valves 7, 8 and exhaust valves 9, 10, respectively.

【0016】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。
The intake system 20 of the engine includes an intake manifold 21 and a common intake passage 30 upstream of the intake manifold 21. An air cleaner 31, a thermal air flow sensor 32, and a throttle valve 33
Are arranged. Further, an intake bypass passage 34 that bypasses the throttle valve 33 is formed. The intake bypass passage 34 includes an ISC passage 35 for adjusting the amount of intake air when idling and the like and an air passage 36 for increasing the amount of intake air when cold. The above ISC
The passage 35 is provided with an ISC valve 37 that controls the air flow rate of the ISC passage 35 under duty control, and the air passage 36 is provided with a temperature-sensitive valve 38 that opens when cold.

【0017】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。
An injector 4 for injecting fuel for each cylinder is provided near an intake port on the downstream side of the intake system 20.
0 is provided, and an on-off valve 41 for opening and closing the second intake port 4 is provided. The opening / closing valve 41 is operated by a negative pressure responsive actuator 42, and a driving system corresponding thereto is provided with a vacuum tank 43 for storing a negative pressure introduced from a surge tank of the intake manifold 21, and between the tank 43 and the actuator 42. Solenoid valve 4 arranged to supply and discharge negative pressure to and from the actuator 42
4 and the like are provided.

【0018】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(エアアシスト手段)及び蒸発燃料供給
系が設けられている。
The injector 40 is a so-called AMI (air mixture type injector) in which fuel is atomized by supplying mixing air near the injection port. A fuel supply system including a fuel supply passage 48 for supplying fuel from a fuel tank 45 via a fuel pump 46 and a filter 47, a return passage 50 provided with a pressure regulator 49, and the like is provided for the injector 40. A mixing air supply system (air assist means) and an evaporative fuel supply system, which will be described in detail later, are provided.

【0019】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。
On the other hand, an oxygen concentration sensor 6 for detecting the oxygen concentration in the exhaust gas corresponding to the air-fuel ratio of the air-fuel mixture is provided in the exhaust system.
0 and a catalyst device 61 are provided. The oxygen concentration sensor 60 is configured to obtain an output substantially proportional to the oxygen concentration in the exhaust gas so that the lean air-fuel ratio can be detected. Further, the catalyst device 61 has a function of reducing NOx even at an air-fuel ratio leaner than the stoichiometric air-fuel ratio. Specifically, the catalyst device 61 is disclosed in Japanese Patent Application No. 5-126552 previously filed by the present applicant. The catalyst device described is used. That is, the catalyst in the catalyst device 61 is one in which a noble metal is supported as an active species on an active species supporting base material. Preferably, zeolite is used as an active species-supporting matrix, and Ir and Pt are supported as active species, or Ir, Pt, and Rt are supported as active species.

【0020】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。
As various detection elements for air-fuel ratio control and the like, in addition to the air flow sensor 32 and the oxygen concentration sensor 60, a throttle opening sensor 62 for detecting an opening of a throttle valve, and a throttle fully closed state are detected. An idle switch 63, an intake air temperature sensor 64 for detecting an intake air temperature, a water temperature sensor 65 for detecting an engine water temperature, a knock sensor 66 for detecting an engine knock, and the like. And a cylinder discrimination sensor 69 that outputs a cylinder discrimination signal.

【0021】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。
The signals from these detection elements are input to a control unit (ECU) 70 for controlling the engine. The control unit 70 controls the fuel injection amount and the injection timing from the injector 40, and further controls the ISC valve 37, the solenoid valve 44 in the drive system of the on-off valve 41, and the mixing air supply system for the injector 40. The control unit 70 also controls an air control valve 51 provided, a purge solenoid valve 58 provided in the evaporative fuel supply system, and the like.

【0022】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。
Next, the specific structure of each part of the lean burn engine will be described.

【0023】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。
2 to 4 show a specific structure of the engine body. As shown in these figures, the engine body 1
In each of the cylinders described above, basically, when the first and second intake valves 7 and 8 are opened, the air-fuel mixture is sucked into the combustion chamber 2 from the first and second intake ports 3 and 4. After the air-fuel mixture is compressed by the piston 11, it is ignited by the spark plug 12,
The fuel is burned, and the combustion gas is discharged from the first and second exhaust ports 5 and 6 when the first and second exhaust valves 9 and 10 are opened. An injector 40 is provided in the first intake port (hereinafter, referred to as P port) 3, while opening and closing control is performed in the second intake port (hereinafter, referred to as S port) 4 or a passage upstream thereof in accordance with an operation state. An opening / closing valve 41 is provided.

【0024】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。
In this embodiment, when the open / close valve (hereinafter, referred to as a TSC valve) 41 as a tumble swirl control valve is closed, a tumble (vertical vortex) and a swirl (lateral vortex) are combined. The port arrangement, the port shape, and the like are set so that an oblique spiral swirl is generated in the combustion chamber 2.

【0025】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。
More specifically, the P port 3 and the S port 4 are composed of straight portions 3a and 4a which extend substantially linearly in the upstream portion in the flow direction of the intake air.
In the vicinity of the downstream ends of the valves a and 4a, there are formed curved portions 3b and 4b which curve downward and reach the respective valve seats 13 and 14 (see FIGS. 3 and 4). And, each straight portion 3 in the P port 3 and the S port 4
The extension of the port center lines Lp1 and Ls1 of the ports a and 4a corresponds to the valve end 7a located on the center side of the combustion chamber 2 when the valve seats 13 and 14 and the first and second intake valves 7 and 8 are at maximum lift. ,
8a. This allows
The flow resistance of the intake air supplied from the P and S ports 3 and 4 to the combustion chamber 2 is reduced. The port center lines Lp1, Lp
The extension of s1 is the valve seats 13, 14 and the valve ends 7a, 8a.
It is best to set it so that it passes through the center.

【0026】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。
The combustion chamber 2 is a pent roof lens type combustion chamber. The valve clamping angle θ between the intake valves 7 and 8 and the exhaust valves 9 and 10 is narrowed to about 30 °, and is a DOHC direct drive type. It is designed to be driven by a valve operating mechanism (not shown). The angle (throat offset angle α1) between the valve center line L1 of the first intake valve 7 and the throat center line Lp1 of the P port 3 is relatively large, and the second
Angle formed between the valve center line L2 of the intake valve 8 and the throat center line Ls1 of the S port 4 (throat offset angle α2)
Is set relatively small, for example, α1 = 30 °,
α2 = 12 °. In this manner, when the intake is performed only from the P port 3, the vortex S having an inclination angle (the angle formed with the cylinder center line) γ of 35 ° to 55 ° is generated. The S port 4 generates a tumble T in the combustion chamber 2.

【0027】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。
The two intake valves 7, 8 are respectively
It comprises the valve stems 7b, 8b and the umbrellas 7c, 8c.
The lower surfaces of c and 8c are arranged so as to be parallel to the ceiling surface of the combustion chamber 2. The valve angle of the first intake valve 7 (the angle between the lower surface and the upper surface of the umbrella portion) β1 is the valve angle of the second intake valve 8
It is set larger than 2. Thereby, the flow path between the first intake valve 7 and the throat portion of the P port 3 at the time of valve lift becomes narrower than the flow path between the second intake valve 8 and the throat portion of the S port 4. , P port 3 side increases the intake air flow rate, and S port 4 side secures the flow rate.

【0028】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。
Further, a port edge 15 is formed below the outlet of the P port 3, and a squish area 16 is formed around the first intake valve 7 in the combustion chamber 2. The flow rate of air to the valve is increased.

【0029】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。
According to such a structure of the combustion chamber and the intake port, a strong vortex in which a tumble and a swirl are combined is obtained by the intake from the P port 3, and the like.
Even in the lean burn state where the burning speed tends to slow down,
The formation of a uniform mixture and the improvement of the combustion rate are compatible, and a good combustion state is obtained.

【0030】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。
That is, as shown in FIG.
The turbulence intensity from the intake to the first half of the compression stroke is large,
Although the effect of the air-fuel mixture homogenization is great, the turbulence intensity in the latter half of the compression stroke is small.
Then, in the case of the above-described intake port structure, advantages of both swirl and tumble are obtained, and the average turbulence intensity from the intake stroke to the compression stroke is increased. FIG. 5 shows that the swirl ratio Sr is 3.3 and 4.2.
It shows the relationship between the swirl inclination angle (the angle between the swirl center line and the cylinder center line) γ and the average turbulence intensity R,
As shown in this figure, by setting the swirl ratio Sr to about 3 or more and setting the swirl inclination angle γ in the range of 35 ° to 55 °, particularly preferably 45 °, the average turbulence intensity is greatly increased. Thus, the mixture is made uniform and the combustion speed is improved.

【0031】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。
Here, the definition and the method of obtaining the swirl ratio will be described. The swirl ratio is generally defined as a value obtained by dividing the number of revolutions of a lateral vortex of an air-fuel mixture (intake air) in a cylinder by the number of engine revolutions.

【0032】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。
[0032] Then, the turning speed of the horizontal vortex of the mixture, for example in the engine bore diameter is D as shown in FIG. 7, the position F 2 the downwardly from the cylinder head lower surface F 1 by a distance of 1.75D An impulse swirl meter 80 is arranged, a torque acting on the impulse swirl meter 80 (impulse swirl meter torque) is detected, and a calculation is performed by a well-known method based on the impulse swirl meter torque. Incidentally, in FIG. 7, F 3 shows the top surface of the piston 11 at the bottom dead center position.

【0033】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。
The impulse swirl meter torque is measured in the following procedure. That is, placing the impulse swirl meter 80 to the position of the F 2, by reproducing the energy of the swirl acting impulse swirl meter 80 in the piston top surface, the degree of swirl energy in the vicinity of the piston top surface at the normal time Measure if present. The impulse swirl meter 80 has many honeycombs, and the impulse swirl meter 80
When a swirl acts on each of the honeycombs, a force in the swirl flow direction acts on each of the honeycombs, and an impulse swirl meter torque G acting on the whole is calculated by integrating the forces applied to the respective honeycombs.

【0034】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。
More specifically, assuming that the air-fuel mixture is sucked into the combustion chamber 2 during a period from the opening of the intake valve to the bottom dead center, the air-fuel mixture is supplied to the inner peripheral surface of the combustion chamber 2 during this period. , And its turning speed becomes maximum at the bottom dead center position.
Therefore, the swirl ratio is obtained by integrating the angular momentum of each crank from the start of opening of the intake valve to the bottom dead center. Based on such knowledge, in this example, the swirl ratio Sr is calculated by the following equations (1) and (2).

【0035】[0035]

【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。
Sr = ηv · {DS · ∫ (cf · Nr · dα)} / { nd · 2 · (∫cf · dα) 2 } (1) Nr = 8 · G / (M · D · V 0 ) (2) where Sr is the swirl ratio and ηv is the volumetric efficiency (ηv =
1), D is bore diameter, S is stroke, n is the number of intake valves, d
Is the throat diameter, cf is the flow coefficient for each valve lift,
Nr is a dimensionless rig swirl value for each valve lift,
α is the crank angle, G is the impulse swirl meter torque, M is the mass of air charged into the cylinder during the intake stroke, and V 0 is the speed head.

【0036】なお、上記(2)式は、次のような手順で導
き出される。
The above equation (2) is derived by the following procedure.

【0037】[0037]

【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。
[Number 2] G = I · ωr ...... (3 ) I = M · D 2/8 ...... (4) (4) and (3) an assignment G = M · D 2 · ωr / 8 ...... (5 ) From (5) D · ωr = 8 · G / (MD) (6) By the way, Nr = D · ωr / V 0 (7) Substituting (6) into (7) Nr = 8 · G / (M · D · V 0) However, I is air inertia moment of the cylinder in the intake stroke end (piston bottom dead center), the ωr are Rigusuwaru value.

【0038】図8は上記インジェクタ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Pポート
3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AMI用エア供給通路5
2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。
FIG. 8 shows a mixing air supply system and an evaporative fuel supply system for the injector 40. In this figure, an injector 40 is provided for each of the P ports 3 of a plurality of cylinders (for example, four cylinders), and an AMI air supply passage 5 having an air control valve 51 is provided in a mixing air supply system for these injectors 40.
2 are provided. This AMI air supply passage 52
The upstream side is connected to the intake bypass passage 34 (see FIG. 1), and the downstream side is branched and connected to each injector 40.

【0039】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。
Further, a bypass passage 5 for bypassing the air control valve 51 is provided in the AMI air supply passage 52.
The bypass passage 53 is provided with an orifice 54 through which a small amount of air flows when idling.

【0040】また、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5
2の分岐点上流に形成されたミキシングチャンバー55
に接続されている。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を介
して各インジェクタ40の噴口近傍に供給され、吸気行
程中に燃料噴霧とともに各気筒の燃焼室2に供給され
る。なお、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。
The evaporative fuel supply system includes a canister 56.
A purge passage 57 extending from (see FIG. 1) is provided, and a purge solenoid valve 58 is provided in the purge passage 57. The purge passage 57 is connected to the AMI air supply passage 5.
Mixing chamber 55 formed upstream of branch point 2
It is connected to the. Evaporated fuel generated in the fuel tank or the like and trapped in the canister 56 is supplied to the vicinity of the injection port of each injector 40 via the purge passage 57 when the purge solenoid valve 58 is opened, and is supplied with fuel spray during the intake stroke. It is supplied to the combustion chamber 2 of each cylinder. The purge solenoid valve 58 is driven when a predetermined purge execution condition is satisfied (for example, when air-fuel ratio feedback control is performed and the engine water temperature is equal to or higher than a predetermined temperature), and the engine is operated so that a predetermined purge amount is obtained. Is controlled according to the operating state of the vehicle.

【0041】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。
FIG. 9 and FIG.
2 shows a specific structure of. In these figures, an injector mounting hole 400 communicating with the P port 3 is formed in the cylinder head 1a of the engine, and the injector 40 is fitted in the injector mounting hole 400. The distal end portion 401 of the injector 40 is formed in a cylindrical shape so as to surround the injection port.
An annular air introduction space 402 is formed between the cylinder head 1a and the peripheral wall of the injector mounting hole 400, and an air introduction port 403 for communicating the air introduction space 402 with an external air supply passage is formed in the cylinder head 1a. ing. Further, the tip side portion 401 of the injector 40
The space in front of the nozzle and the air introduction space 4
A communication hole 404 is provided radially, and an orifice 405 is formed in the communication hole 404.

【0042】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を通して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ようになって
いる。
Then, fuel is injected from the injection port of the injector 40 toward the P port 3 at a predetermined timing, and is introduced into the air introduction space 402 when an intake negative pressure acts on the space in front of the injection port. The air is blown into the space in front of the nozzle through the orifice 405, and the injected fuel is mixed by the air.

【0043】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およびミキシングエア供給系の
制御は、次のように行われる。
The control of the air-fuel ratio, the control of the fuel injection timing from the injector 40, and the control of the mixing air supply system by the control unit 70 shown in FIG. 1 are performed as follows.

【0044】空燃比の制御としては、所定の運転領域
で、空燃比が理論空燃比よりもリーンに設定される。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、空
燃比が理論空燃比よりもリーン(λ>1)に設定され
る。そして図示の例では、このリーン運転領域のうちの
大部分の領域で希薄燃焼限界の近傍の所定リーン空燃比
とされ、当実施例ではスワールの生成や成層化及びAM
Iでの燃料微粒化による燃焼促進などの作用で希薄燃焼
限界が25程度にまで高められることから、この領域に
おける空燃比は22程度に設定される。この領域以外の
リーン運転領域では、空燃比が一定範囲内(例えば19
〜22)で運転状態に応じて変更される。また、アイド
ル域やリーン運転領域よりも高負荷側、高速側の領域で
は空燃比が理論空燃比(λ=1)もしくはこれよりリッ
チ(λ<1)とされ、全閉減速域では燃料カットとされ
る。
In the control of the air-fuel ratio, the air-fuel ratio is set to be leaner than the stoichiometric air-fuel ratio in a predetermined operation range. For example, as shown in FIG. 11, the stoichiometric air-fuel ratio is in an operating range from a low load range to a predetermined load except a fully closed throttle range (idle range or fully closed deceleration range) in the low and medium speed ranges of the engine. It is set to be leaner (λ> 1) than the fuel ratio. In the illustrated example, a predetermined lean air-fuel ratio near the lean burn limit is set in most of the lean operation region. In this embodiment, swirl generation, stratification, and AM are performed.
The air-fuel ratio in this region is set to about 22 because the lean burn limit is increased to about 25 by the action of promoting combustion by atomizing the fuel in I. In the lean operation region other than this region, the air-fuel ratio is within a certain range (for example, 19
2222) is changed according to the operating state. Further, the air-fuel ratio is set to the stoichiometric air-fuel ratio (λ = 1) or richer (λ <1) in the region on the higher load side and the higher speed side than the idling region or the lean operation region. Is done.

【0045】ただし、空燃比の制御はこの例に限られ
ず、例えばリーン運転領域の全体で一定のリーン空燃比
に設定してもよい。
However, the control of the air-fuel ratio is not limited to this example. For example, a constant lean air-fuel ratio may be set in the entire lean operation range.

【0046】インジェクタ40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
NOx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。
As the control of the fuel injection timing from the injector 40, a so-called sequential timed injection for injecting fuel at a predetermined timing for each cylinder is performed. The fuel is injected at a predetermined timing of the intake stroke so that the air-fuel mixture becomes slightly richer than other parts.
Desirably, the degree of stratification is adjusted so that the air-fuel mixture around the ignition plug does not become too rich and increase NOx, and more specifically, injection is performed within a period up to ATDC of 60 °. Has become.

【0047】また、ミキシングエア供給系の制御として
は、上記リーン運転領域を含む運転領域で上記エア制御
バルブ51が開かれてエアがインジェクタ40に供給さ
れ、例えば、上記エア制御バルブ51がアイドル時に閉
じ、それ以外のときに開かれるようになっている。
In the control of the mixing air supply system, the air control valve 51 is opened to supply air to the injector 40 in an operation region including the lean operation region. For example, when the air control valve 51 is idling, Closed, open at other times.

【0048】なお、上記TSCバルブ41も運転状態に
応じて制御され、例えば、図11中に示すように、TS
Cバルブ41の開閉切換えラインがリーン運転領域の高
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。
The TSC valve 41 is also controlled according to the operating state. For example, as shown in FIG.
The open / close switching line of the C valve 41 is set so as to substantially coincide with the limit line on the high-speed side of the lean operation region. The TSC valve 41 is closed on the low-speed side and the TSC valve 41 is opened on the high-speed side. .

【0049】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、エンジンの所定運転領域で空燃比がリー
ンに設定されて、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改善される。また、上記インジ
ェクタ40にAMI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って燃料が微粒
化されることにより、混合気が均質化され、燃焼性が向
上される。
According to the lean burn engine of the present embodiment as described above, the air-fuel ratio is set to lean in a predetermined operating region of the engine, and the lean burn is performed.
Fuel efficiency in this operating region is improved. An AMI is used for the injector 40, and the injector 40
When the mixing air is supplied to the fuel, the fuel is atomized, whereby the air-fuel mixture is homogenized and the combustibility is improved.

【0050】とくに、上記リーンバーンが行われるリー
ン運転領域でもインジェクタ40にミキシングエアが供
給され、これによってリーンバーン状態でのNOx発生
量を低減する作用が得られるもので、この作用を、図1
2〜図14によって説明する。
In particular, mixing air is supplied to the injector 40 even in the lean operation region in which the lean burn is performed, whereby the effect of reducing the amount of NOx generated in the lean burn state can be obtained.
This will be described with reference to FIGS.

【0051】図12は、当発明者において調べた空燃比
とNOx排出量との関係を示すものであって、線Aはイ
ンジェクタに対するミキシングエアの供給を行わない場
合の、触媒上流側でのNOx排出量(エンジンのNOx
発生量)、線Bは同じくミキシングエアの供給を行わ
ず、かつ触媒装置として従来の一般的な三元触媒を用い
た場合の触媒下流でのNOx排出量、線C1は当実施例
のようにミキシングエアの供給を行い、かつ触媒装置と
して従来の一般的な三元触媒を用いた場合の触媒下流で
のNOx排出量、線C2は当実施例のようにミキシング
エアの供給を行うとともに触媒装置としてリーン空燃比
でもNOx浄化性能を有する触媒を用いた場合の触媒下
流でのNOx排出量を示している。なお、図12中には
実施例のエンジンによる場合の空燃比と燃費率及びトル
ク変動との関係も示している。
FIG. 12 shows the relationship between the air-fuel ratio and the amount of NOx emission examined by the inventor. The line A shows the NOx upstream of the catalyst when the mixing air is not supplied to the injector. Emissions (engine NOx
Similarly, the line B shows the NOx emission amount downstream of the catalyst in the case where the mixing air is not supplied and a conventional general three-way catalyst is used as the catalyst device, and the line C1 shows the same as in the present embodiment. In the case where the mixing air is supplied and the conventional general three-way catalyst is used as the catalyst device, the NOx emission amount downstream of the catalyst and the line C2 indicate the mixing air supply and the catalyst device as in this embodiment. Indicates a NOx emission amount downstream of the catalyst when a catalyst having NOx purification performance is used even with a lean air-fuel ratio. FIG. 12 also shows the relationship between the air-fuel ratio, the fuel efficiency, and the torque fluctuation in the case of the engine of the embodiment.

【0052】この図のように、空燃比がリーンの状態で
もミキシングエアの供給を行うようにすると、ミキシン
グエアの供給を行わない場合と比べ、リーン領域でのN
Ox排出量が大幅に低減される。その理由としては、リ
ーンバーン状態では燃焼室内の平均的な燃焼温度が比較
的低く、このような状況下でミキシングエアにより燃料
が微粒化されると局部的な燃焼温度のばらつきが小さく
なり、NOx発生温度以上の高温になる部分が減少する
ためであると考えられる。
As shown in this figure, when the mixing air is supplied even when the air-fuel ratio is lean, the N.sub.N in the lean region is smaller than when the mixing air is not supplied.
Ox emissions are greatly reduced. The reason is that, in the lean burn state, the average combustion temperature in the combustion chamber is relatively low, and in such a situation, when the fuel is atomized by the mixing air, the local combustion temperature variation becomes small, and NOx It is considered that this is because the portion where the temperature is higher than the generation temperature is reduced.

【0053】図13を用いて具体的に説明すると、この
図において、第1例は通常のインジェクタを吸気ポート
に設けて燃料噴射を行なわせた場合の燃焼室内の燃料分
布状態を、第2例は当実施例のインジェクタ40つまり
AMIを用いてミキシングエアを供給しつつ燃料噴射を
行なわせた場合の燃焼室内の燃料分布状態を、第3例は
燃料をガス化した状態で供給した場合の燃料分布状態を
それぞれ模式的に示しており、この図のように、AMI
を用いると、ミキシングエアの作用により、通常のイン
ジェクタと比べて燃料が大幅に微粒化される。そして、
空燃比がリーンであるときは、燃料粒径が大きいと、混
合気分布が不均一な場合と同様に、局部的な燃焼温度の
ばらつきにより、燃焼温度の高い部分でNOxが生じ易
くなるのに対し、燃料粒径が小さくなるほど、均一にリ
ーンバーンが行なわれることにより、燃焼温度の高い部
分が減少し、NOx発生量が減少する。このため、図1
4のように、AMIを用いた場合、リーン領域では通常
のインジェクタ40と比べてNOx排出量が少なくな
る。
Referring to FIG. 13, a first example shows a fuel distribution state in a combustion chamber when a normal injector is provided at an intake port to perform fuel injection. Shows the fuel distribution state in the combustion chamber when the fuel is injected while supplying the mixing air using the injector 40 of the present embodiment, that is, the AMI, and the third example shows the fuel distribution state when the fuel is supplied in a gasified state. The distribution state is schematically shown, and as shown in FIG.
When the fuel is used, the fuel is greatly atomized as compared with a normal injector by the action of the mixing air. And
When the air-fuel ratio is lean, if the fuel particle size is large, NOx is likely to be generated in a portion where the combustion temperature is high due to local combustion temperature variation, as in the case where the mixture distribution is uneven. On the other hand, as the fuel particle diameter becomes smaller, the portion where the combustion temperature is high is reduced by performing the lean burn evenly, and the NOx generation amount is reduced. Therefore, FIG.
As shown in FIG. 4, when the AMI is used, the NOx emission amount is smaller in the lean region than in the normal injector 40.

【0054】なお、燃料をガス化して供給することがで
きればNOx排出量がより一層少なくなるが、精度の良
い空燃比制御やシーケンシャル・タイムド・インジェク
ションによる成層化等のために吸気ポートにインジェク
タを設ける場合、燃料をガス化して供給することは実際
上困難である。従って、インジェクタ40からの噴射燃
料をミキシングエアにより微粒化することが、空燃比制
御等を良好に行いつつリーン領域でのNOx低減を図る
ために有効な方法である。
If the fuel can be gasified and supplied, the NOx emission will be further reduced. However, an injector is provided in the intake port for accurate air-fuel ratio control and stratification by sequential timed injection. In this case, it is practically difficult to gasify and supply the fuel. Therefore, atomizing the fuel injected from the injector 40 with the mixing air is an effective method for reducing NOx in the lean region while satisfactorily controlling the air-fuel ratio and the like.

【0055】また、当実施例では、インジェクタ40か
らの燃料噴射が吸気行程で行われることにより、点火プ
ラグ付近の空燃比が燃焼室内の混合気全体の空燃比と比
べて多少リッチとなるように成層化され、これによって
リーン状態での着火性が確保されるため、充分な空燃比
のリーン化が可能となる。
In this embodiment, the fuel injection from the injector 40 is performed in the intake stroke, so that the air-fuel ratio near the ignition plug becomes slightly richer than the air-fuel ratio of the entire air-fuel mixture in the combustion chamber. Since stratification is performed, and thereby ignitability in a lean state is ensured, it is possible to make the air-fuel ratio lean enough.

【0056】とくに、リーン運転領域において燃焼室内
の混合気全体の空燃比を希薄燃焼限界の近傍の値に設定
し、かつ、点火プラグ近傍の局所的な空燃比が混合気全
体の空燃比に対して1割程度リッチとなる成層化状態が
得られるように上記各インジェクタからの燃料噴射時期
を設定しておくと、図15に示すように熱効率及びNO
x低減作用が高められる。
In particular, in the lean operation region, the air-fuel ratio of the entire air-fuel mixture in the combustion chamber is set to a value near the lean burn limit, and the local air-fuel ratio near the spark plug is set to be lower than the air-fuel ratio of the entire air-fuel mixture. If the fuel injection timing from each of the above-mentioned injectors is set so as to obtain a stratified state that is about 10% rich, as shown in FIG.
The x reduction effect is enhanced.

【0057】すなわち、図15は、インジェクタにAM
Iを用いてミキシングエアの供給を行うようにしつつ、
インジェクタからの燃料噴射時期を変えることにより局
所混合気分布を種々変更して、熱効率の変化率、NOx
変化率及び希薄燃焼限界を調べた場合のデータを示して
いる。なお、[(局所混合気分布)=(全体空燃比)−
(点火プラグ付近の空燃比)]である。また、熱効率の
変化率及びNOx変化率については、全体空燃比を一定
の値(略22)とした場合のデータと、全体空燃比を希
薄燃焼限界より一定余裕分αだけ小さい値とした場合の
データとを示している。
That is, FIG. 15 shows that the injector has AM
While using I to supply the mixing air,
By changing the fuel injection timing from the injector, the local air-fuel mixture distribution is variously changed, and the rate of change in thermal efficiency, NOx
The data in the case of examining the rate of change and the lean burn limit are shown. Note that [(local air-fuel mixture distribution) = (total air-fuel ratio)-
(Air-fuel ratio near the spark plug)]. The rate of change of thermal efficiency and the rate of change of NOx are obtained when the total air-fuel ratio is set to a constant value (approximately 22) and when the total air-fuel ratio is set to a value smaller than the lean burn limit by a certain margin α. And data.

【0058】この図に示すように、局所混合気分布が2
程度の成層化状態のときは、成層化しないとき(局所混
合気分布0のとき)と比べて希薄燃焼限界が大幅に高め
られる。これよりも成層化しすぎると、混合気分布の不
均一化により却って燃焼安定性が損なわれること等で希
薄燃焼限界が低下するとともに、局所的に燃焼温度が高
い部分が生じること等でNOx発生量が増加し、さらに
熱効率も悪くなる。
As shown in FIG.
When the stratified state is at a certain level, the lean burn limit is greatly increased as compared with the case where stratification is not performed (when the local air-fuel mixture distribution is 0). If the stratification is too high, the lean burn limit will be lowered due to the non-uniform distribution of the air-fuel mixture and the combustion stability will be impaired. And the thermal efficiency also worsens.

【0059】そして、局所混合気分布が2程度(つまり
点火プラグ付近の空燃比が全体空燃比に対して1割程度
リッチ)の成層化状態とし、かつ空燃比を希薄燃焼限界
の近傍の値(一定余裕分αだけ小さい値)に設定する
と、適度の成層化によって空燃比がリーン化されること
と、上記AMIで燃料の微粒化が促進されることとが相
まって、NOxが大幅に低減され、しかも熱効率が高め
られる。
Then, the stratified state where the local air-fuel mixture distribution is about 2 (that is, the air-fuel ratio near the spark plug is about 10% rich relative to the whole air-fuel ratio) and the air-fuel ratio is a value near the lean combustion limit ( When the value is set to a value smaller by a certain margin α), the air-fuel ratio is made lean by moderate stratification and the atomization of the fuel is promoted by the AMI, and the NOx is greatly reduced. Moreover, thermal efficiency is improved.

【0060】上記局所混合気分布が2程度の成層化状態
は、インジェクタからの燃料噴射の終期を吸気行程のA
TDC60°程度に設定することにより得られる。
In the stratified state where the local air-fuel mixture distribution is about 2, the end of the fuel injection from the injector is set at A in the intake stroke.
It is obtained by setting TDC to about 60 °.

【0061】[0061]

【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、各気筒に対してそれぞれ設けたインジ
ェクタに燃料微粒化のためのエアを供給するエアアシス
ト機構を設けるとともに、少なくともリーン運転領域で
上記各インジェクタに対するエアの供給を行うようにし
ているため、リーンバーン状態において燃料の微粒化が
促進されることにより燃焼温度の高い部分が少くなり、
NOx発生量を大幅に減少させることができる。
As described above, according to the present invention, in a lean burn engine, an air assist mechanism for supplying air for atomizing fuel to injectors provided for each cylinder is provided, and at least a lean operation region is provided. Since the air is supplied to each of the injectors, the atomization of the fuel is promoted in the lean burn state, so that a portion having a high combustion temperature is reduced,
The amount of generated NOx can be greatly reduced.

【0062】とくに、上記リーン運転領域において、
気筒毎に設けられた2つの吸気ポートのうちの1つの吸
気ポートに配置された開閉弁が閉じられて燃焼室内に
めスワールが生成されるとともエアアシスト機構による
エアの供給が行われている状態で、燃焼室内の混合気全
体の空燃比が希薄燃焼限界の近傍の空燃比とされ、か
つ、点火プラグ近傍の局所的な空燃比が混合気全体の空
燃比に対して1割程度リッチとなる成層化状態が得られ
るようにしているため、燃焼室内の混合気分布が著しく
不均一にならない適度の成層化状態が得られ、これによ
る空燃比のリーン化とエアアシストによる微粒化促進作
用とで、NOx低減作用をより一層高めることができ
る。
[0062] Particularly, in the lean operation area, the
One of the two intake ports provided for each cylinder
The on- off valve located at the air port is closed and the tilt
In the state where the swirl is generated and the air is supplied by the air assist mechanism, the air-fuel ratio of the entire air-fuel mixture in the combustion chamber is set to an air-fuel ratio near the lean burn limit, and Since a stratified state in which the local air-fuel ratio is about 10% richer than the air-fuel ratio of the entire air-fuel mixture is obtained, an appropriate stratified state in which the air-fuel mixture distribution in the combustion chamber does not become significantly uneven Is obtained, and the air-fuel ratio is made lean and the atomization is promoted by the air assist, whereby the NOx reduction effect can be further enhanced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【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。
FIG. 1 is a schematic view showing one embodiment of a lean burn engine of the present invention.

【図2】燃焼室構造を示す概略平面図である。FIG. 2 is a schematic plan view showing a combustion chamber structure.

【図3】第1吸気ポート側の概略断面図である。FIG. 3 is a schematic sectional view on a first intake port side.

【図4】第2吸気ポート側の概略断面図である。FIG. 4 is a schematic sectional view on the side of a second intake port.

【図5】平均乱流強度の特性図である。FIG. 5 is a characteristic diagram of average turbulence intensity.

【図6】スワールとタンブルの比較を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a comparison between swirl and tumble.

【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。
FIG. 7 is an explanatory view showing a measuring means and a measuring method for swirl.

【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。
FIG. 8 is a diagram showing an air supply system and an evaporative fuel supply system for the injector.

【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。
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a specific structure of the air mixture type injector.

【図10】上記インジェクタの一部切欠斜視図である。FIG. 10 is a partially cutaway perspective view of the injector.

【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。
FIG. 11 is a diagram showing an air-fuel ratio control region in correspondence with an engine speed and a throttle opening.

【図12】空燃比と燃費、トルク変動、NOx排出量と
の関係を示す図である。
FIG. 12 is a diagram showing a relationship between an air-fuel ratio and fuel efficiency, torque fluctuation, and NOx emission.

【図13】燃焼室内の燃料分布状態の各種例を示す図で
ある。
FIG. 13 is a diagram showing various examples of a fuel distribution state in a combustion chamber.

【図14】図12に示した各種例とNOx排出量との関
係を示す図である。
FIG. 14 is a diagram showing a relationship between various examples shown in FIG. 12 and NOx emission amounts.

【図15】燃焼室内の局所混合気分布と希薄燃焼限界、
NOx変化率、熱効率変化率との関係を示す図である。
FIG. 15 shows the local mixture distribution in the combustion chamber and the lean burn limit,
It is a figure which shows the relationship between a NOx change rate and a thermal efficiency change rate.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 エンジン本体 2 燃焼室 40 インジェクタ 41 開閉弁 51 エア制御バルブ 52 エア供給通路 70 コントロールユニット DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Engine main body 2 Combustion chamber 40 Injector 41 On-off valve 51 Air control valve 52 Air supply passage 70 Control unit

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI F02D 45/00 301 F02D 45/00 301G F02M 69/00 310 F02M 69/00 310E 360 360C 69/04 69/04 G (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 昭59−51138(JP,A) 特開 平6−66176(JP,A) 特開 平6−10807(JP,A) 特開 昭61−16224(JP,A) 特開 昭58−204959(JP,A) 実開 平3−114551(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F20D 41/00,41/40 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI F02D 45/00 301 F02D 45/00 301G F02M 69/00 310 F02M 69/00 310E 360 360C 69/04 69/04 G (72) Inventor Yasuyoshi Hori 3-1 Shinchi, Fuchu-cho, Aki-gun, Hiroshima Prefecture, inside Mazda Corporation (72) Inventor Futa Nishioka 3-1 Shinchi, Fuchu-cho, Aki-gun, Hiroshima Prefecture Inside Mazda Corporation (72) Inventor, Tetsushi Hosokai No.3-1 Shinchi, Fuchu-cho, Aki-gun, Hiroshima Mazda Co., Ltd. (72) Inventor Noriko Oka No.3-1 Shinchi, Fuchu-cho, Aki-gun, Hiroshima Pref. 3-1 Fuchu-cho Shinchi, Mazda Co., Ltd. (72) Inventor Tsutomu Fujimoto 3-1 Fuchu-cho Shinchi, Aki-gun, Hiroshima Prefecture Mazda Co., Ltd. (72) Inventor, Masaki Harada No.3-1 Shinchi, Fuchu-cho, Aki-gun, Hiroshima Prefecture Mazda Co., Ltd. (56) References JP-A-59-51138 (JP, A) JP-A-6-66176 (JP, A) JP-A-6-10807 ( JP, A) JP-A-61-16224 (JP, A) JP-A-58-204959 (JP, A) JP-A-3-114551 (JP, U) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , (DB name) F20D 41/00, 41/40

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 理論空燃比よりもリーンな空燃比で燃焼
を行うリーン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、燃料を噴射するインジェクタを各気筒
に対してそれぞれ設けるとともに、この各インジェクタ
に噴射燃料を微粒化させるためのエアを供給するエアア
シスト機構と、上記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制御手段と、各気筒毎に設け
られた2つの吸気ポートのうちの1つの吸気ポートに配
置された開閉弁とを設け、少なくとも上記リーン運転領
域で上記各インジェクタに対してエアアシスト機構によ
るエアの供給を行い、かつ燃焼室内に斜めスワールを生
成させるように上記開閉弁を閉じるとともに、上記リー
ン運転領域において燃焼室内の混合気全体の空燃比を希
薄燃焼限界の近傍の空燃比に設定し、かつ、上記エアの
供給及び上記斜めスワールの生成が行われている状態で
点火プラグ近傍の局所的な空燃比が混合気全体の空燃比
に対して1割程度リッチとなる成層化状態が得られるよ
うに上記各インジェクタからの燃料噴射時期を設定した
ことを特徴とする自動車用リーンバーンエンジン。
In a lean burn engine for an automobile having a lean operation range in which combustion is performed at a leaner air-fuel ratio than a stoichiometric air-fuel ratio, an injector for injecting fuel is provided for each cylinder, and an injector is injected to each injector. An air assist mechanism for supplying air for atomizing fuel, a control means for performing fuel injection from each of the injectors in the intake stroke of each cylinder, and a control unit provided for each cylinder
Assigned to one of the two intake ports
And an on-off valve provided to supply air to each of the injectors by the air assist mechanism at least in the above-described lean operation region, and to generate an oblique swirl in the combustion chamber.
The on-off valve is closed so that the air-fuel ratio of the entire air-fuel mixture in the combustion chamber is set to an air-fuel ratio near the lean burn limit in the lean operation region, and the supply of the air and the generation of the oblique swirl are performed. The fuel injection timing from each of the above injectors is set so that a stratified state in which the local air-fuel ratio near the spark plug is about 10% richer than the air-fuel ratio of the entire air-fuel mixture while the fuel injection is performed is obtained. An automotive lean burn engine characterized by the following.
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