JP3096729B2

JP3096729B2 - エンジンの低圧筒内噴射による希薄燃焼方法

Info

Publication number: JP3096729B2
Application number: JP09285931A
Authority: JP
Inventors: 谷和夫紺; 山正村; 谷芳男関; 藤敬三斉
Original assignee: 工業技術院長
Priority date: 1997-10-20
Filing date: 1997-10-20
Publication date: 2000-10-10
Anticipated expiration: 2017-10-20
Also published as: JPH11117746A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般的な４サイク
ルエンジンを低圧筒内噴射により希薄燃焼（リーンバー
ン）させる方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近、研究開発が進められ、実用化され
ている筒内噴射希薄燃焼エンジンでは、通常、無気筒内
噴射方式を採用しているが、その場合には、５ＭＰａ程
度の噴射圧力が要求されるので、高価な噴射装置が必要
である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の技術的課題
は、４サイクルエンジンにおいて、コンプレッサなどの
簡単な圧縮機構を用いて低圧で筒内噴射を行うことによ
り、燃費の向上、並びに排気有害成分の低減を図るよう
にした希薄燃焼方法を提供することにある。本発明のさ
らに具体的な技術的課題は、空気と燃料とを混合して、
吸気行程ないしは圧縮工程の前半の筒内が低圧の間にお
ける空気−燃料噴射により、燃料のみを圧縮行程で噴射
する無気噴射と比較して、十分に低い圧力で噴霧を微細
化して燃焼できるようにした希薄燃焼方法を提供するこ
とにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の低圧筒内噴射による希薄燃焼方法は、４サイ
クルエンジンにおいて、空気と燃料とを混合した濃混合
気を、吸気行程から圧縮行程の前半に至るまでの気筒内
が低圧の間に、圧縮機構によりエンジンの回転と連動さ
せた噴射弁を介して４気圧以下の低圧で筒内に噴射し、
これを燃焼室の一局部に滞留させた状態でスパークプラ
グで点火することにより、筒内燃料直接噴射による希薄
燃焼を行わせることを特徴とするものである。上記希薄
燃焼方法において、燃焼室内に供給した燃料を滞留させ
る一局部は、燃焼室に開口する副室とするのが望まし
い。

【０００５】このような本発明の希薄燃焼方法において
は、空気と燃料とを混合して、吸気行程ないしは圧縮工
程の前半の筒内が低圧の間における空気−燃料噴射によ
り、燃料のみを圧縮行程で噴射する無気噴射と比較し
て、十分に低い圧力で噴霧を微細化して希薄燃焼させる
ことができ、特に、ガソリン機関においても、Ａ／Ｆ＝
７０程度までの希薄燃焼を実現することができる。

【０００６】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係る希薄燃焼方
法を適用する４サイクルエンジンの構成例を示してい
る。このエンジンは、汎用のサイドバルブ式４サイクル
エンジンの本体１に、圧縮機構としてのコンプレッサ２
を付設し、このコンプレッサ２の駆動を、エンジンの出
力軸３に取付けたプーリー４により、タイミングベルト
５を介して行うようにしている。筒内の燃焼室において
は、ピストン８を備えた主燃焼室６に連通させて小さな
副室７を設け、スパークプラグ９をその中に設置して、
噴射弁（リードノズル）１０からの空気と燃料の噴霧を
それに吹き付けるようにしている。また、上記エンジン
本体１には、排気ポート１２に排気用バルブ（サイドバ
ルブ）１１を設けて、排気の吐出のタイミングをエンジ
ンに同期させている。さらに、図示していないが、排気
用と同様に給気ポートと給気バルブを備えている。

【０００７】

【０００８】上記４サイクルエンジンでは、給気ポート
から供給されるのは空気だけであって、空気と燃料とを
混合した濃混合気を、吸気行程から圧縮行程の前半に至
るまでの気筒内が低圧の間に、コンプレッサ２によりエ
ンジンの回転と連動させた噴射弁１０を介して４気圧以
下の低圧、望ましくは１〜３気圧で筒内に噴射し、これ
を燃焼室の一局部に滞留させた状態で、スパークプラグ
９で点火することにより、通常の４サイクルエンジンに
おいて筒内燃料直接噴射による希薄燃焼（リーンバー
ン）を行わせるものである。このように、上記エンジン
における噴射方法は、空気−燃料噴射であり、空気と燃
料とを混合して吸気行程ないし圧縮行程の前半において
噴射するので、燃料のみを圧縮行程で噴射する無気噴射
と比較して、より低い圧力で噴霧を微細化することが可
能である。

【０００９】なお、空気−燃料噴射は、スパークプラグ
９によりスパークを飛ばす直前までに完了していれよい
が、どの時期にどの位置に濃混合気が溜っているかは、
噴射時期が遅い方がコントロールし易く、逆に、早い時
期に噴射すれば、コントロールが困難になる。従って、
濃混合気のコントロールという観点からすれば、噴射時
期をできるだけ遅くするのが望ましいが、噴射時期が遅
くなると噴射圧を高める必要が生じるので、それらのバ
ランスを考慮して噴射時期、噴射圧を定めるべきであ
る。また、噴射圧を上げるには、コンプレッサを基本と
する蓄圧式の噴射系を構成し、ニードルタイプの噴射弁
から噴射させることが考えられ、この場合の調量、調時
は電気式に行い、噴射圧力としては２〜３気圧が適当で
ある。

【００１０】このような本発明の方法によれば、後述の
実施例から分かるように、低燃費、低汚染な燃焼を実現
することができる。しかも、燃料のみを圧縮行程で噴射
する無気噴射で局部的に濃混合気を作る場合には、５０
気圧程度の噴射圧を必要とし、噴射装置が高価になるの
に対し、上記空気−燃料噴射では、非常に低い圧力、例
えば１〜２気圧で筒内噴射を行うこともできるため、装
置を低廉化することが可能になる。また、後述の実施例
から明らかなように、通常のエンジンにおける空燃比１
５に対し、空燃比７０で運転することができる。

【００１１】

【実施例】以下に、本発明についての実験例を示す。実
験は、まず、本発明の方法を広い回転数及び負荷の範囲
にわたって適用し、気化器とほぼ同程度の出力及び燃費
での運転が可能であることを確かめた。これにより、あ
る運転範囲では、気化器と比べて最高２５％程度の希薄
燃焼が可能であることがわかった。また、スロットル全
開時には、ある回転数範囲で無負荷運転に至るまで空燃
比を十分に大きくできることを見出した。特に、主燃焼
室に連通する小さな副室内にスパークプラグを設置し、
リードノズルからの空気・燃料噴霧をそれに吹き付ける
場合には、Ａ／Ｆ＝７０程度までの安定した無負荷運転
が可能であることがわかった。また、定格出力の６〜１
８％までの出力範囲では、Ａ／Ｆ＝２２〜２５程度まで
の希薄燃焼が可能なことを確かめた。

【００１２】供試したエンジンは、図１に示すような汎
用のサイドバルブ式４サイクル単気筒ガソリン機関であ
り、ボア６６ｍｍ、ストローク５３ｍｍ、排気量１８１
ｃｃで、最大出力は、３．７ｋｗ／４２００ｍｉｎ^-1、
圧縮比６．４のカム軸駆動式エンジンである。空気・燃
料噴射用のコンプレッサ２としては、ボア２２．４ｍ
ｍ、ストローク１９ｍｍ、排気量７．５ｃｃの４サイク
ルエンジン（模型飛行機用）を改造して転用した。具体
的には、混合気の吐出に排気弁を利用し、排気側のカム
を加工して、本来の圧縮行程で噴射が行われるようにす
ると共に、吸気弁作動期間を若干狭めるように改造し
た。排気弁の作動期間はほぼ１８０度であった。このコ
ンプレッサ２は、その本来の吸入行程において、小型気
化器から混合気を吸入し、これを圧縮行程で圧縮し、噴
射弁（リードノズル）１０からスパークプラグ９にその
空気と燃料噴霧を吹き付けるものである。

【００１３】図２の（Ａ）及び（Ｂ）に上記リードノズ
ルの構造を示す。このリードノズル２０において、バル
ブ本体２１における噴孔２２を閉じるように取付けたリ
ード弁２３は、厚さ０．２ｍｍのステンレス鋼材から長
さ１６ｍｍ、幅９ｍｍに切り出したもので、噴孔径は
４．５ｍｍである。また、このリード弁の開弁圧は、ほ
ぼ０．２ＭＰａである。なお、エンジンには気化器を設
けているが、上記リードノズル２０からの空気−燃料噴
射を行うに際しては、その気化器に燃料を供給せず、ス
ロットルバルブの機能のみを使用した。

【００１４】図１においては、主燃焼室６に連設した副
室７内にリードノズル２０及びスパークプラグ９を設
け、リードノズル２０からスパークプラグ９に空気と燃
料噴霧を吹き付けるようにした構造を示しているが、こ
の構造は、図５以下において説明する無負荷及び軽負荷
運転時に使用し、エンジンの全開及び負荷運転時には、
シリンダヘッドに装着したリードノズルから空気と燃料
噴霧をスパークプラグに吹き付ける構造のものを使用し
た。

【００１５】燃料噴射時期は、噴射圧力が低いために、
図３に示すように、エンジンの吸気行程から圧縮行程の
前半に設定したが、部分負荷時には、可能な限り噴射時
期を遅らせるように配慮した。なお、図中の噴射時期
は、実験の便宜上、コンプレッサの上死点を表示したも
のである。機関動力の吸収には、渦電流式動力計を使用
し、エンジンの空気流量は丸型ノズルにより、またコン
プレッサの空気流量は乾式ガスメータで測定した。

【００１６】実験においては、機関回転速度が３０００
ｍｉｎ^-1における噴霧の連続写真を撮影したが、噴霧の
形状が扇形で、特に、噴射後期にはかなり広い範囲に噴
射されていることがわかった。また、この写真及びリー
ドノズルにストレーンゲージを貼付して行った測定の結
果から推察すると、噴射期間は１６０〜２００°ＣＡと
考えられる。

【００１７】図４の（Ａ）〜（Ｅ）は、スロットル全開
時の出力、燃費、ＨＣ、ＣＯ及びＮＯ_X 濃度を空燃比に
対してプロットして、気化器との性能比較を行ったもの
である。測定に際しては、事前に燃料噴射時期を変えて
機関性能の測定を行ったが、噴射時期による出力性能の
変化は殆ど認められなかった。但し、ＨＣ、ＣＯ濃度に
関しては若干の変化が認められたので、ＨＣ濃度が最も
低くなる噴射時期を最適噴射時期として設定した。この
噴射時期は、コンプレッサピストンの上死点を噴射時期
を代表する値として採用すると、２８０°ＣＡ−ＢＴＤ
Ｃである。図に示されるように、出力及び燃料消費率に
関しては、気化器との間に大きな差異は認められなかっ
た。但し、出力に関しては、コンプレッサの駆動損失を
別に測定して補正を行っている。３６００ｍｉｎ^-1にお
いては、スロットル全開のままで無負荷運転を行うこと
が可能であり、ある種の層状化によって、気化器と比べ
て最大で２５％程度のリーンバーンが可能なことがわか
った。なお、本実験の場合には、噴射を空気流に対向し
て行わせたので、混合気が適度に撹拌されて良好な混合
が得られ、気化器と比べて火炎速度が増加して効率の良
い燃焼が行われたと考えられる。

【００１８】図５の（Ａ）〜（Ｅ）は、スロットル開度
１／４での機関性能を示すものである。これを全開運転
と比べると、噴射時期のより広い範囲で良好な結果が得
られているが、これは、部分負荷では筒内圧が低下し
て、噴霧がより良好なものとなったためと考えられる。
全般的には、出力及び燃費率に関しては、噴射によりほ
ぼ気化器なみの性能が得られ、気化器に比べて若干の希
薄燃焼が可能になったものといえる。

【００１９】以上においては、サイドバルブ式エンジン
にリードバルブを装着して空気・燃料噴射を行った場合
に、気化器の場合とほぼ同程度の性能が得られ、最大２
５％程度の希薄燃焼が可能ではあったが、そのままで
は、より一層の希薄燃焼を図るのは困難であった。そこ
で、図１に示すような容積７．７ｃｃの副室７を主燃焼
室６に付設し、スパークプラグ９及びリードノズル２０
をその中に装着して機関の運転を試みた。但し、この場
合には、圧縮比は６．１まで低下した。副室及び主燃焼
室間の連絡通路径は１２ｍｍである。なお、エンジンの
点火は、クランク軸でディストリビュータを駆動して、
セミトランジスタ方式による点火により行った。

【００２０】図６は、回転速度１３００ｍｉｎ^-1での無
負荷運転時の可燃限界の比較を示すものであり、点火時
期に対して運転可能なＡ／Ｆをプロットしている。図に
見られるように、気化器ではＡ／Ｆ＝１４程度までしか
運転できないのに対して、供試筒内噴射方式ではＡ／Ｆ
＝７０程度のかなり安定したリーンバーンが可能であっ
た。図７は、この場合の燃焼圧力のサイクル変動率を点
火時期に対してプロットしたものである。点火時期が遅
くなるほど変動率が大きくなっているが、燃料・空気噴
射の場合には、点火時期の広い範囲で気化器よりも良好
な結果が得られている。図８の（Ａ）〜（Ｃ）は、Ｈ
Ｃ、ＣＯ及びＮＯ_X 濃度を点火時期に対してプロットし
たものである。図に見られるように、空気−燃料噴射の
場合には、点火時期の広い範囲において気化器よりも安
定した低汚染な運転が可能である。

【００２１】このように、回転速度１３００ｍｉｎ^-1で
の無負荷運転では、Ａ／Ｆ＝７０までの希薄燃焼が可能
なことが実証されたが、それに引き続いて、供試筒内噴
射方式での可能負荷範囲を求めて実験を行った。図９
は、筒内噴射での運転可能なトルクの範囲を示すもので
ある。全開及び負荷運転時にはスパークプラグをシリン
ダヘッドに取付けて運転しているが、この場合のＡ／Ｆ
は気化器とほぼ同程度である。これに対して、無負荷及
び軽負荷運転時には、副室内にスパークプラグ及び噴射
弁を装着して運転しているが、このときのＡ／Ｆは３２
〜７０である。しかし、希薄燃焼が可能な運転範囲は、
各種条件によって更に広げることが期待できる。

【００２２】上記実験例によれば、低圧のエア・アシス
ト式筒内噴射により、４サイクルガソリンエンジンにお
いて、高圧噴射と同様な希薄燃焼が可能となり、それに
よって、気化器の場合に比べてほぼ同程度の出力及び燃
料消費率が得られ、また、噴射時期及びスロットル開度
を変化させた場合でも、気化器に比べてほぼ同程度の機
関性能を得ることができた。更に、上記空気−燃料混合
噴射では、噴射圧が低圧であるにもかかわらず良好な噴
霧を得ることができた。また、副室への噴射と点火で
は、（１）アイドリング運転時には、Ａ／Ｆ＝７０程度のか
なり安定した希薄燃焼が可能であった。（２）運転可能な負荷範囲に関しては、Ａ／Ｆ＝３５〜
４８の範囲では最大出力の２〜７％、Ａ／Ｆ＝２２〜３
５の範囲では６〜１８％の出力が得られた。以上要するに、低圧の空気・燃料噴射方式によって、４
サイクルガソリン機関において、Ａ／Ｆ＝７０程度まで
のリーンバーンが可能なことを実証し得たのである。

【００２３】

【発明の効果】以上に詳述した本発明の低圧筒内噴射に
よる希薄燃焼方法によれば、４サイクルエンジンにおい
て、コンプレッサなどの簡単な圧縮機構を用いて低圧で
筒内噴射を行うことにより、燃費の向上並びに排気有害
成分の低減を図り、また、空気と燃料とを混合して、吸
気行程ないしは圧縮工程の前半の筒内が低圧の間におけ
る空気−燃料噴射を行うことにより、燃料のみを圧縮行
程で噴射する無気噴射と比較して、より低い圧力で噴霧
を微細化して希薄燃焼させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る希薄燃焼方法を適用する４サイク
ルエンジンの構成図である。

【図２】（Ａ）及び（Ｂ）は、上記エンジンにおいて用
いているリードノズルの正面図及び下面図である。

【図３】燃料噴射時期についての説明図である。

【図４】（Ａ）〜（Ｅ）は、スロットル全開時の出力、
燃費、ＣＯ、ＨＣ及びＮＯ_X 濃度を空燃比に対してプロ
ットし、気化器との性能比較を行った実験結果のグラフ
である。

【図５】（Ａ）〜（Ｅ）は、スロットル開度１／４での
図４と同様な機関性能を示す実験結果のグラフである。

【図６】点火時期に対して運転可能なＡ／Ｆをプロット
し、回転速度１３００ｍｉｎ^-1での無負荷運転時の可燃
限界の比較を示す実験結果のグラフである。

【図７】図６の場合の燃焼圧力のサイクル変動率を点火
時期に対してプロットした実験結果のグラフである。

【図８】（Ａ）〜（Ｃ）は、ＨＣ、ＣＯ及びＮＯ_X 濃度
を点火時期に対してプロットした実験結果のグラフであ
る。

【図９】筒内噴射での運転可能なトルクの範囲を示すグ
ラフである。

【符号の説明】

１エンジン本体２コンプレッサ（圧縮機構）６主燃焼室７副室９スパークプラグ１０噴射弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＦ０２Ｐ 5/15 Ｆ０２Ｐ 5/15 Ｂ (56)参考文献特開昭62−191614（ＪＰ，Ａ) 特開平８−326630（ＪＰ，Ａ) 特開平４−292574（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−35045（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−191618（ＪＰ，Ａ) 特開平９−166039（ＪＰ，Ａ) 特開平９−126003（ＪＰ，Ａ) 特開平８−312401（ＪＰ，Ａ) 特開平７−63142（ＪＰ，Ａ) 特開平６−26390（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−87835（ＪＰ，Ａ) 特開平10−176563（ＪＰ，Ａ) 特開平10−89125（ＪＰ，Ａ) 特開平10−220265（ＪＰ，Ａ) 特開平11−2145（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−30420（ＪＰ，Ａ) 実開平２−20755（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02B 1/00 - 23/00 F02D 41/00 F02M 61/14 F02M 67/02

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】４サイクル火花点火式エンジンにおいて、
空気と燃料とを混合した濃混合気を、吸気行程から圧縮
行程の前半に至るまでの気筒内が低圧の間に、圧縮機構
によりエンジンの回転と連動させたリード弁式の噴射弁
を介して４気圧以下の低圧で筒内に噴射し、これを主燃
焼室に開口する副室に滞留させた状態でスパークプラグ
で点火することにより、筒内燃料直接噴射による希薄燃
焼を行わせる、ことを特徴とするエンジンの低圧筒内噴
射による希薄燃焼方法。