JP3107489B2 - 内燃機関の混合気形成装置 - Google Patents

内燃機関の混合気形成装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関の混合気形成
装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、エンジンの低負荷時に混合気を希
薄化して燃費消費率の向上を図る一方、高負荷時には理
論空燃比、または出力空燃比とし、出力向上を図るのみ
ならず、出力の確保と経済性を両立させた、いわゆるリ
ーンバーンエンジンの技術がよく知られている。
【０００３】ところで、この希薄空燃比を達成する主要
な方法として、第１に、希薄燃焼（リーンバーン）を行
う際に燃焼室内にスワール流を発生させ、火炎伝播を促
進し、均一の希薄混合気でも良好な燃焼性を確保する方
法、及び、第２に、燃焼室内の混合気分布、すなわち、
空燃比分布を偏らせ、混合気の着火性を確保しつつ、燃
焼室全体として混合気を希薄化する、いわゆる成層燃焼
を行うといった、二つの方法が知られている。
【０００４】上記のうち、第１のスワールを用いた技術
としては、例えば、特開昭６１−５８９２１号公報に示
されているように、２吸気弁式機関の一方を吸気制御弁
を持つストレートポート、他方を吸気制御弁により開口
するバイパス通路を備えたヘリカルポートとして構成し
たものが知られている。この構成によれば、エンジンの
低負荷時には、吸気制御弁を閉じてヘリカルポート側の
みから吸気することにより、燃焼室内に強いスワールを
発生させる。他方、高負荷時には吸気制御弁を開いてヘ
リカルポートとストレートポート、さらにストレートポ
ート側からヘリカルポート側に通じるバイパス通路によ
り、スワールを弱め、吸入空気量を増加させ、出力を確
保するようにしている。
【０００５】また、第２の成層燃焼方式の技術として
は、例えば特開平３−１８５２１３号公報に示されてい
るように、吸気ポートの形状を従来のものと変化させ、
燃焼室内にスワールの一種であるタンブル流を発生させ
つつ、低負荷時にはそれぞれの吸気ポートに流入する燃
料量を変え、燃焼室内の空燃比分布を偏らせたものが知
られている。この方法では、第１の方法であるスワール
生成も行っており、成層燃焼のみを用いた場合よりも混
合気を希薄化できる。
【０００６】これらの方式を用いた内燃機関にあって
は、その運転状態により、最適な空燃比分布およびスワ
ール強度を実現することが望ましい。具体的には、エン
ジンの低負荷時には成層燃焼により混合気の希薄化を促
進するとともに、スワール流を強めて燃焼性の向上を図
り、高負荷時には燃焼室内の混合気を均一化して燃焼に
使用する空気の利用率を高め、かつ、スワールを小さく
して多量の空気を吸入し、出力を向上するような構成が
望まれる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上記のように構成され
た内燃機関においては、以下に示すような問題点があっ
た。まず、スワールの生成機構が主空気通路に設けられ
ているため、内燃機関の高負荷時にスワールを弱めるこ
とが難しく、従来の内燃機関と比較して吸気通路の抵抗
が大きくなり、そのため、吸入空気流量が減少し、出力
性能が低下するという問題点があった。
【０００８】また、層状燃焼を行うことを目的とした内
燃機関にあっては、高負荷の運転状態でも混合気分布が
均一に出来ないために、空気の利用率が従来の内燃機関
よりも低くなり、出力が低下したり、あるいは排気が悪
化するといった問題点があった。さらに、スワール流に
より、噴霧が吸気管通路または燃焼室壁面に付着してし
まったり、あるいは、燃料噴霧が燃焼室の一部分に吹き
寄せられてしまい、壁面近くの燃料が未燃焼のまま排出
され、そのため、排出ガス中に未燃炭化水素が増加した
り、燃料消費が増大するといった問題点があった。
【０００９】本発明は、このような問題点に鑑みてなさ
れたものであって、その目的は、特に、以下の如くの特
徴を具備する手段からなる内燃機関の混合気形成装置を
提供することである。第１に、エンジンの高負荷時に十
分な吸入空気量を確保して高出力を確保する一方、中負
荷、低負荷時には、負荷の大きさやエンジン回転数によ
り、適切な強さのスワールを生成し、燃焼効率を向上で
きる手段。
【００１０】第２に、エンジンの低負荷時に混合気を層
状化することにより空燃比の希薄化と着火性を両立させ
る一方、高負荷時には多量の混合気を燃焼室内に均一に
導入することができ、空気の利用率を高め、しかも、高
出力を確保する手段。第３に、層状燃焼を行う際、燃料
噴霧が吸気管や燃焼室壁面に着せず、ＨＣ、ＮＯｘなど
の排出ガスを抑制できる混合気の生成手段。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく、
本発明に係わる内燃機関の混合気形成装置は、基本的に
は、各気筒の燃焼室に開口された２個の吸気口と、単一
の吸気主通路から分岐して前記２個の吸気口にそれぞれ
接続された２本の吸気通路と、該各吸気通路と前記燃焼
室の接続部に設けられた各吸気弁と、該各吸気弁を指向
する計２本の噴霧分岐流を噴射せしめる燃料噴射弁と、
前記単一の吸気主通路を閉塞制御する吸気制御弁と、該
吸気制御弁をバイパスして該吸気制御弁の上流の前記吸
気主通路と前記各吸気口近傍の前記各吸気通路を接続
し、かつ、その断面積の総和が前記吸気主通路の断面積
よりも小さくなるように形成された２本の副吸気通路
と、該各副吸気通路を閉塞制御するスワール制御弁とを
備え、機関の高負荷運転状態では、前記吸気制御弁及び
前記スワール制御弁を開き、前記燃料噴射弁は前記各吸
気弁を指向する２本の燃料噴霧を噴射し、前記機関の低
負荷運転状態では、前記吸気制御弁を閉じ、前記スワー
ル制御弁を制御して前記副吸気通路の一方を閉じ、前記
燃料噴射弁は前記副吸気通路から空気が供給されている
側の吸気弁側、若しくは前記燃料噴射弁は前記副吸気通
路から空気が供給されていない側の吸気弁側のいずれか
一方にのみ燃料を噴霧する単一噴霧に切り換えることを
特徴としている。
【００１２】また、他の例としては、前記機関の高負荷
運転時には、該機関の低負荷運転時よりも燃料噴射時期
を早め、かつ、点火時期を早めるように制御すること、
又は、前記機関の中高負荷運転状態では、前記両方のス
ワール制御弁を開き、前記燃料噴射弁は、前記各吸気弁
を指向する２本の燃料噴霧を噴射することを特徴として
いる。
【００１３】
【作用】以上のように構成したので、本発明は次のよう
な作用を有する。まず、主空気通路自体にスワール生成
手段を設ける必要がないため、主通路の吸気抵抗が小さ
く、高負荷時には、より多くの空気を吸入することがで
きる。また、副吸気通路の本数を可変とすることによ
り、吸気通路の断面積を多段階に切り替えることがで
き、従来より広範なエンジンの運転範囲において、燃焼
室内に生成されるスワールを適切な強さに設定すること
ができる。これにより、内燃機関の様々な運転条件にお
ける総合的な燃焼効率が向上する。
【００１４】また、副吸気通路の吸気慣性効果により、
副吸気通路から吸入させることのできる吸気量が増大
し、これによってスワールを生じさせて運転する範囲を
広げることができる。また、燃焼室内に複数の副吸気通
路を用いて複数のスワールを生成できる。これにより、
スワールが１つの場合と比べ、同じ吸入空気量で燃焼室
内の乱れを大きくすることができ、空気と燃料との混合
が促進され、燃焼効率が向上する。
【００１５】また、燃料の本数および方向の可変手段を
設けたので、低負荷時に燃料の本数を少なくしたり、燃
料の方向を偏らせたりして燃料室内の燃料を偏らせるこ
とにより層状吸気を実現し、さらに一方で高負荷時には
燃料の本数を増やし、燃料の方向も燃焼室内で均等とな
るように指向することにより、均一混合気を生成でき、
空気の利用率の高い、高出力の内燃機関とすることがで
きる。
【００１６】さらに、燃料噴霧の回りに複数のスワール
を生成するように、かつ、燃料と吸入空気が干渉しない
ように、燃料の噴射時期、点火時期、または燃料の噴射
方向を調整することにより、燃料が燃焼室内の壁面近く
に吹き寄せられることはない。これにより、排出ガス中
のＨＣ等の有害成分を低減できる。
【００１７】
【実施例】以下、図面により本発明の実施例を説明す
る。なお、実施例を説明するための図において、同一機
能を有するものは同一符号を付し、重複する説明は省略
する。まず、本発明の第１の実施例の構成を図１および
図２に示す。独立吸気管の主通路１１０は、２つの吸気
弁１０２、１０２を持つエンジンの燃焼室１０３に開口
して接続されている。この主通路１１０に吸気制御弁１
０７が設けられるとともに、その上流から副吸気通路１
０１ａおよび１０１ｂが、主通路１１０をバイパスする
ように設置されている。それぞれの副吸気通路には、ス
ワール制御弁１１３ａ，１１３ｂが設けられている。こ
こで、２つの副吸気通路１０１ａと１０１ｂの断面積の
総和は、主通路１１０の上流部における断面積の１／５
〜１／２となるように設定されている。
【００１８】燃料噴射弁１０５は、主通路１１０から２
つの吸気弁１０２、１０２の弁部の対向内側、すなわち
燃焼室中心側に向かうような２方向の噴霧１０６ａおよ
び１０６ｂを形成するとともに、後述する噴霧および方
向の可変手段を備えている。また、点火プラグ１０４
は、燃焼室の略中心に配置されている。副吸気通路１０
１ａおよび１０１ｂの出口は、吸気弁１０２の近傍に開
口されている。副吸気通路１０１ａ，１０１ｂを通る空
気は噴流となり、２つの吸気弁１０２の吸気弁とその弁
座の間隙を通って燃焼室１０３に流入し、２つのスワー
ル１１１ａ，１１１ｂを生成する。この際、スワール１
１１ａは噴霧１０６ａを、スワール１１１ｂは噴霧１０
６ｂを、それぞれ３次元的に包み込むように、かつ、ピ
ストン１１２の表面に沿うように旋回する。その結果、
濃混合気の生成領域１１４、および、希薄混合気の生成
領域１１５を形成する。吸気制御弁１０７の作動は、例
えばステッピングモータ２０１等により行われる。ま
た、スワール制御弁１１３ａ、１１３ｂの作動も例えば
ステッピングモータ (図示せず) により行われる。それ
ぞれの開度の設定は、コンピュータ２０２によって行わ
れる。
【００１９】以下、図３〜６により、空気量が少ない状
態から多い状態までを、順次、低負荷時、低中負荷時、
中高負荷時、高負荷時の四つの段階に分けて、各作動状
態を説明する。図３に、第１の実施例の低負荷時におけ
る作動状態を示す。吸気制御弁１０７の開度は、弁の固
着を防止するとともに、弁を通る主空気通路の流量が副
吸気通路の流量と比べて１／５〜１／１０以下であるよ
うな、全閉に近い開度θ１に設定される。スワール制御
弁は、１１３ａを開き、１１３ｂを閉じる。主通路１１
０の上流部を通ってきた空気１０８は、副吸気通路１０
１ａを通り、燃焼室１０３内でスワール１１１ａを生成
する。副吸気通路１０１ａからの噴流の直径は燃焼室の
大きさに対して小さいため、吸気弁１０２から吸入され
る空気の流れを偏らせることができ、少ない空気流量に
より強いスワール１１１ａを形成できる。
【００２０】燃料噴射弁１０５は、後述する噴霧の本数
可変手段により、噴霧を１０６ｂの一本のみとする。こ
のとき、スワール１１１ａは、燃料噴霧１０６ｂを包み
込むように旋回する。これにより、噴霧が燃焼厚１０３
の壁面に吹き寄せられることはなく、燃焼時の濃混合気
の生成範囲を、おおむね図の斜線１１４ａで示したよう
な形に小さくすることができ、点火プラグ１０４のごく
近傍にのみ濃混合気を生成できる。希薄混合気の生成範
囲は１１５ａのようになる。この層状混合気と、スワー
ルの燃焼促進効果により、空燃比３０前後まで燃焼変動
の少ない良好な運転を行うことができ、燃料消費率を下
げ、ＨＣ、ＮＯｘなどの有害排出ガスを低減することが
できる。
【００２１】図４に、第１の実施例の低中負荷時におけ
る作動状態を示す。吸気制御弁１０７の開度は、低負荷
時の場合と同様に、角度θ１に設定される。スワール制
御弁は、図４に示すように、１１３ａを開き、１１３ｂ
を閉じる。主通路１１０の上流部を通ってきた空気１０
８は、副吸気通路１０１ａを通り、燃焼室１０３内でス
ワール１１１ａを生成する。副吸気通路１０１ａからの
噴流の直径は燃焼室の大きさに対して小さいため、吸気
弁１０２から吸入される空気の流れを偏らせることがで
き、少ない空気流量で強いスワール１１１ａを形成でき
る。
【００２２】燃料噴射弁１０５は、後述する可変手段に
より、噴霧１０６ａ，１０６ｂの２本を噴射する。この
とき、スワール１１１ａは、燃料噴霧１０６ａ，１０６
ｂの２本の噴霧をそれぞれ包み込むように旋回し、低負
荷の場合よりも広い濃混合気領域１１４ｂ、希薄混合気
領域１１５ｂをそれぞれ生成する。また、このとき、燃
料噴霧１０６ａ，１０６ｂはスワール１１１ａに包み込
まれているため、燃焼室１０３の壁面に吹き寄せられる
ことはない。これにより、低負荷の場合よりも多く燃料
量に対して、適切な層状混合気の形成とスワールの生成
を行い、空燃比を最高２６程度まで希薄化することがで
きる。
【００２３】図５に、第１の実施例の中高負荷時におけ
る作動状態を示す。吸気制御弁１０７は低負荷時、低中
負荷時同様、角度θ１に設定される。スワール制御弁
は、図５に示すように、１１３ａ，１１３ｂ共に開く。
主通路１１０の上流部を通ってきた空気１０８は、２本
の副吸気通路１０１ａ、および１０１ｂを通り、燃焼室
１０３内で２つのスワール１１１ａおよび１１１ｂを生
成する。
【００２４】燃料噴射弁１０５は、後述する可変手段に
より、噴霧１０６ａ，１０６ｂの２本を噴霧する。この
とき、スワール１１１ａは燃料噴霧１０６ａを、スワー
ル１１１ｂは噴霧１０６ｂをそれぞれ包み込むように旋
回し、低中負荷の場合よりも広い濃混合気領域１１４
ｃ、希薄混合気領域１１５ｃをそれぞれ生成する。ま
た、このとき、燃料噴霧１０６ａはスワール１１１ａ
に、燃料噴霧１０６ｂはスワール１１１ｂに、それぞれ
包み込まれているため、燃焼室１０３の壁面に吹き寄せ
られることはない。これにより、低中負荷の場合よりも
さらに多い燃料量に対して、適切な層状混合気の形成と
スワールの生成を行い、空燃比を最高２４程度まで希薄
化することができる。
【００２５】次に、図６に、第１の実施例の高負荷時に
おける作動状態を示す。吸気制御弁１０７は、主通路１
１０を開く角度θ２に設定される。このとき、吸入空気
１０８のほとんどは主通路１１０を通り、燃焼室１０３
に吸入される。図示例においては、主通路１１０にヘリ
カルポート等のスワール生成手段を設けていないので、
大量の空気を吸入できる。このとき、スワール制御弁１
１３ａおよび１１３ｂの状態は特に定めない。仮にスワ
ール制御弁１１３ａ，１１３ｂが開いたままであって
も、それぞれの通路を流れる空気の流量は、その断面積
に略比例するために、副吸気通路１０１ａ，１０１ｂか
らの流入空気量は小さく、スワールを生成するには至ら
ない。燃料噴射弁１０５は、後述する可変手段により、
噴霧１０６ａ，１０６ｂの２本を噴射し、希薄混合気領
域１１５ｄ、濃混合気領域１１４ｄを生成する。このと
き、希薄混合気領域１１５ｄは燃焼効率の低い壁面近傍
のみで、ほとんどが濃混合気領域１１４ｄの均一混合と
なる。設定空燃比は理論空燃比である１４．７とし、必
要に応じて出力空燃比１２程度までとする。空気量が多
いので、必要とする出力を確保することができる。
【００２６】なお、本実施例では説明の便宜上、吸気制
御弁１０７は主通路を閉塞するか、開放するかという、
オンオフのみの構成としたが、吸入空気の量により、主
空気通路１１０を通る流量の割合を制御することも可能
であることは勿論であり、そのようにすれば、スワール
の発生する領域を一層広げることができる。図７に、第
１の実施例の構成について、低負荷時における別の作動
実施例を示す。図示例では、吸気制御弁１０７の開度
は、元の実施例同様θ１に設定されている。スワール制
御弁は、１１３ａを閉じ、１１３ｂが開かれている。主
通路１１０の上流部を通ってきた空気１０８は、副吸気
通路１０１ｂを通り、燃焼室１０３内でスワール１１１
ｂを生成する。副吸気通路１０１ａからの噴流の直径は
燃焼室１０３の大きさに対して小さいため、吸気弁１０
２から吸入される空気の流れを偏らせることができ、少
ない空気流量で強いスワール１１１ｂを形成できる。
【００２７】燃料噴射弁１０５は、後述する噴霧の本数
可変手段により、噴霧を１０６ｂの一本のみとする。こ
のとき、スワール１１１ｂは、燃料噴霧１０６ｂを包み
込むように旋回する。これにより、噴霧が燃焼室１０３
の壁面に吹き寄せられることはなく、燃焼時の濃混合気
の生成範囲を、おおむね図の斜線１１４ａ’で示したよ
うな形に小さくすることができ、点火プラグ１０４のご
く近傍にのみ濃混合気を生成できる。希薄混合気の生成
範囲は１１５ａ’のようになる。この層状混合気と、ス
ワールの燃焼促進効果により、空燃比３０前後まで燃焼
変動の少ない良好な運転を行うことができ、燃料消費率
を下げ、ＨＣ、ＮＯｘなどの有害排出ガスを低減するこ
とができる。
【００２８】図８に、第１の実施例の構成について、低
中負荷時における別の作動実施例を示す。吸気制御弁１
０７は元の本実施例同様、角度θ１に設定される。スワ
ール制御弁は、１１３ａ，１１３ｂ共に開かれている。
主通路１１０の上流部を通ってきた空気１０８は、２本
の副吸気通路１０１ａ、および１０１ｂを通り、燃焼室
１０３内で２つのスワール１１１ａおよび１１１ｂを生
成する。
【００２９】燃料噴射弁１０５は、後述する可変手段に
より、噴霧１０６ｂの１本を噴射する。スワール１１１
ｂは燃料噴霧１０６ｂを包み込むように旋回し、濃混合
気領域１１４ｂ’を生成する。一方、スワール１１１ａ
は濃混合気領域１１４ｂ’を包み込むように旋回し、低
中負荷の場合よりも広い希薄混合気領域１１５ｂ’を生
成する。また、このとき、燃料噴霧１１１ｂはスワール
１１１ｂに包み込まれているため、燃焼室１０３の壁面
に吹き寄せられることはない。これにより、低負荷の場
合より多い燃料量に対して適切な層状混合気の形成とス
ワールの生成を行い、空燃比を最高２６程度まで希薄化
することができる。
【００３０】次に、図９ａおよび図９ｂに、本発明の内
燃機関の混合気形成装置に供される燃料噴射弁の第１の
実施例に係わる構成及び作動の一例を示す。燃料３０１
は、図示しない燃料ポンプにより加圧されている。コイ
ル３０２にパルス電流を流した際、コア３０３が上下動
し、バルブ３０４が押し上げられて開閉することによ
り、燃料３０１が燃料オリフィス３０６から噴霧３０５
として噴出するようになっている。燃料量は、コイル３
０２の通電時間と、燃料オリフィス３０６の径の関数と
して定まる。燃料オリフィス３０６から出た燃料は、分
岐材３０７により２方向に分けられる。燃料噴霧の本数
が２方向でよい場合には、図９ａに示したとおり、噴霧
３０５は２本に分かれてエアアトマイザ３０８内の通路
３０９ａ，３０９ｂを通り、噴口３１０ａ，３１０ｂよ
り噴射される。エアアトマイザ３０８は、インシュレー
タ３１３を介してエアギャラリ３１４によりインジェク
タ３１５に固定される。
【００３１】一方、燃料噴射を１本とする場合、エアオ
リフィス３１１から空気が流入する。燃料噴霧はエアア
トマイザ３０８内に設けられたエアオリフィス３１１か
らの空気流のエネルギにより微粒化されると同時に、空
気流により、通路３０９ｂ側に偏って流れる。これによ
り、図９ｂに示すように、燃料は噴口３１０ｂからの１
方向噴霧となる。
【００３２】図１０ａおよび図１０ｂに、燃料噴射弁の
第２の実施例に係わる構成図を示す。燃料量は、燃料噴
射弁の第１の実施例における構成例と同様に、コイル３
０２の通電時間と、燃料オリフィス３０６の径の関数と
して定まる。エアアトマイザ３０８には、楕円すい型の
通路３０９が設けられている。燃料オリフィス３０６か
ら出た噴霧３０５は、分岐材３０７により２方向に分け
られる。噴霧３０５の本数が２方向でよい場合には、図
１０ａに示したとおり、噴霧３０５は２本に分かれてエ
アアトマイザ３０８内の通路３０９を通り、噴口３１０
より噴射される。
【００３３】燃料噴霧を１本とする場合、エアオリフィ
ス３１１から空気が流入する。図１０ｂに示したよう
に、噴霧３０５はエアアトマイザ３０８内に設けられた
エアオリフィス３１１からの空気流のエネルギにより微
粒化されると同時に、空気流により、通路３０９の中心
部分に吹き寄せられる。これにより、燃料は噴口３１０
からの１方向噴霧となり、図１に示した燃焼室１０３の
点火プラグ１０４近傍に濃混合気が生成される。
【００３４】図１１ａおよび図１１ｂに、燃料噴射弁の
第３の実施例に係わる構成図を示す。本図示例におい
て、燃料オリフィス３０６より前の構成は、他の実施例
における燃料噴射弁の構成と同様である。燃料通路３０
９ａおよび３０９ｂのうち、一方の燃料通路３０９ａ内
にはこれを閉塞するマイクロバルブ３１２が設けられて
いる。図１１ａに示すように、噴霧を２本とする場合に
はマイクロバルブ３１２を開き、図１１ｂに示すように
噴霧を１本とする場合にはマイクロバルブ３１２を閉じ
る。このように構成することにより、エアオリフィス３
１１からの空気流のエネルギを用いて噴霧を微粒化する
と同時に噴霧の本数を変えることができ、図１に示した
燃焼室１０３内の混合気の層状化と、燃料噴霧の微粒化
による急速な混合気の生成が両立できる。これにより、
希薄燃焼を促進できる。
【００３５】図１２、図１３は、本発明に係わる内燃機
関の混合気形成装置の第２の実施例の一構成図である。
スワール生成機構の構成は、基本的には、図１に示した
第１の実施例の構成と同様であるが、本実施例において
は、２つの燃料噴射弁１０５ａ，１０５ｂが、２つある
吸気弁の内側部分を指向するように、各吸気弁の上流部
分に配置されている。燃料噴霧を１本とする場合には、
コンピュータ２０１からのパルス信号は、燃料噴射弁１
０５ａにのみ与えられる。これにより、燃料噴霧を偏ら
せて、層状燃焼を実現することができる。
【００３６】図１４は、本発明に係わる内燃機関の混合
気形成装置を自動車のエンジンに用いた場合の、制御
弁、燃料噴射弁の状態を設定する際のフローチャートの
一例である。まず、運転者の意図を検出し、必要とする
エンジンの回転数およびトルクを算出する。運転者の意
図は、例えばアクセルペダルの踏み込みの程度、または
踏み込み具合の変化量から、必要な軸出力として算出さ
れる値とする。この値と、車速およびギヤ位置の情報か
ら、エンジンの運転条件、すなわち現在必要な回転数お
よびトルクが計算される。次に、これらの情報をもと
に、設定された条件において最適なスワール、および、
噴霧の本数および方向をマップを参照することにより調
べる。
【００３７】まず、エンジンの運転条件が高負荷域であ
るかを調べ、高負荷域ならば、図１の制御弁１０７の開
度を図６で示したθ２に設定し、図９のエアオリフィス
３１１への空気量をカットするか、または減らし、燃料
の通路３０９ａ，３０９ｂ内の偏りを小さくして噴霧を
２方向に設定する。高負荷域でなければ、制御弁１０７
の開度を図３、図４、図５で示したθ１に設定し、スワ
ールおよび噴霧の設定に進む。
【００３８】スワールおよび噴霧の設定では、まず、エ
ンジンが低中負荷域以上であるかを調べる。低中負荷域
以上であれば、スワール制御弁１１３ａ，１１３ｂを開
くことにより２方向スワールとする。ここで、さらに、
エンジンが中高負荷域であるかを調べ、中高負荷域であ
れば高負荷域の場合同様、エアオリフィス３１１の空気
量を減らして噴霧を２方向に設定する。中高負荷域でな
ければ低中負荷域であるので、エアオリフィス３１１に
流れる空気量を増やし、噴霧を１方向に偏らせる。
【００３９】最後に、エンジンが低中負荷域以上でない
場合、低負荷域であるので、スワール制御弁１１３ａを
開き、１１３ｂを閉じ、１方向スワールとする。また、
エアオリフィス３１１に流れる空気量を増やし、噴霧を
１本とする。このようにしてスワールおよび燃料の条件
が定まったので、次に回転数と必要トルクから定まる空
燃比マップを参照し、目標空燃比を調べる。これを基
に、図示しないスロットル弁の開度を決定し、空気量を
定める。これにより、燃料量を定め、また、空燃比に応
じた燃料噴射時期、点火時期をマップ等の手段により設
定する。以上のようにして、運転状態に応じた最適なス
ワール生成と、燃焼室内の混合気生成が実現できる。
【００４０】次に、図１５および図１６に、スワールの
強さに応じて、燃料噴射時期、点火時期、燃料の噴射方
向を変化させるようにした実施例を示す。燃料噴射弁１
０５には、空気により微粒化を促進し、かつ、微粒化用
空気により噴霧の本数および噴射方向を変化させること
のできるエアアシストインジェクタを用いる。図１５は
スワールを生成させない場合で、空気１０８は主通路１
１０から流入し、流速は比較的遅い、また、燃焼速度も
遅い。このため、ピストン１１２が圧縮上死点近傍に来
た際に良好に着火せしめるためには、燃料噴射時期を早
めに設定し、点火時期も早める必要がある。また、燃料
噴霧１０６の方向は、噴霧が主通路１１０からの空気流
により流されることを考慮して、燃料噴射弁１０５と２
吸気弁１０２、１０２を結ぶ方向よりやや図中下向きを
指向し、その向きに多く噴射されるように設定すれば、
点火プラグ１０４の近傍に濃混合気を生成することがで
きる。図１６はスワールを発生させた場合で、空気１０
８は副吸気通路１０１から流入し、流速の速いスワール
１１１を生成する。このとき、燃焼速度は速くなる。こ
のため、ピストン１１２が圧縮上死点近傍に来た際に良
好に着火せしめる為には、燃料噴射時期を図１５の場合
よりも遅めに設定し、点火時期も遅らせる必要がある。
また、燃料と吸入空気は、独立吸気管１１０内ではほと
んど干渉しないので、燃料噴霧１０６を、図１５の場合
より直線的に２吸気弁１０２、１０２を指向するように
して燃料と空気の混合を促進することができ、燃料噴霧
が吸気管１１０の内壁や、シリンダ１０３の内壁に付着
するのを抑えることができる。
【００４１】図１７に、第１の実施例の構成において、
図１４に示したフローチャートに従って副吸気通路の本
数および燃料の噴射本数を変化させた場合における、エ
ンジン回転数とトルクによる希薄空燃比限界の領域図、
およびエンジンの運転範囲を示す。また、図１８は、第
１の実施例の構成において燃料の噴射本数を２本のまま
とした場合、図１９は、従来のスワール生成機構を持つ
エンジン、図２０は、スワール生成機構を持たないエン
ジン、の各場合における希薄空燃比限界の領域図、およ
びその運転範囲を示す図である。
【００４２】各図中で斜線外の領域は、その構成で運転
てきない回転数またはトルク領域を示している。図中の
数字は、その領域における希薄空燃比限界を示す。図１
７からもわかるように、本実施例によれば、エンジンが
希薄空燃比で運転できる領域が他の場合よりも広く、特
に低負荷時の希薄空燃比限界が大きくなり、燃料消費率
の低減、およびＨＣ、ＮＯｘなどの排出ガスの抑制を図
ることができる。また、スワール生成機構を持たないエ
ンジンと同様の最高出力を確保できることも分かる。以
上、本発明の各実施例を詳述したが、本発明は、前記実
施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載
された本発明を逸脱することなく種々の設計変更を行う
ことができる。
【００４３】たとえば、実施例では、副吸気通路が２本
の場合について示したが、本発明の構成はこの本数に限
定されるものではなく、最低１本以上の任意の本数の副
吸気通路によってスワールが生成できるものであること
は勿論である。また、スワールの数についても、１つの
場合と２つの場合について説明したが、副吸気通路毎に
その開口部の位置及び方向を可変とすべく設定すること
により、燃焼室内に複数のスワールを生成することがで
きる。さらに、噴射燃料の本数も、１本の場合と２本の
場合について説明したが、実際には、スワールの数だけ
増やすことができ、そのような構成にあっても、層状燃
焼を目的とする場合には、最低１本の噴霧にすることが
できる。いずれにしても、この場合にも、スワールが噴
霧を３次元的に包み込むようにスワール及び噴霧の関係
を設定すれば、燃料が燃焼室壁面に付着せず、良好な混
合気生成を図ることができる。なお、これらいずれの場
合でも、燃料の噴射時期等を変えることにより、空気と
燃料の混合を促進し、最適な燃焼を行わせることができ
るのは言うまでもない。
【００４４】
【発明の効果】以上の説明から理解されるように、本発
明によれば、燃焼室内に複数のスワールを生成できるよ
うになされ、広い運転範囲において、燃焼室内に生成さ
れるスワールを適切な強さに設定でき、しかも、希薄燃
焼限界を伸ばすことができるとともに、排出ガス中のＨ
Ｃ、ＮＯｘ等の有害成分を低減でき、更に、主空気通路
の断面積を狭くすることを不要として、高負荷時に多く
の空気を吸入することができ、かつ、出力の低下を防止
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の構成を示す上面図。
【図２】本発明の第１の実施例の構成を示す側面図。
【図３】第１の実施例の低負荷時における動作を示す
図。
【図４】第１の実施例の低中負荷時における動作を示す
図。
【図５】第１の実施例の中高負荷時における動作を示す
図。
【図６】第１の実施例の高負荷時における動作を示す
図。
【図７】第１の実施例の低負荷時における別の作動実施
例を示す図。
【図８】第１の実施例の低中負荷時における別の作動実
施例を示す図。
【図９】ａ，ｂは第１の実施例における燃料噴射弁の構
成および作動の第１の実施例を示す上面図および側面
図。
【図１０】ａ，ｂは第１の実施例における燃料噴射弁の
構成および作動の第２の実施例を示す上面図および側面
図。
【図１１】ａ，ｂは第１の実施例における燃料噴射弁の
構成および作動の第３の実施例を示す上面図および側面
図。
【図１２】本発明の第２の実施例の構成を示す上面図。
【図１３】本発明の第２の実施例の構成を示す側面図。
【図１４】制御弁開度を設定するフローチャートの例。
【図１５】スワールを発生させない場合の燃料噴射時
期、点火時期、および燃料噴射方向を示す図。
【図１６】スワールを発生させた場合の燃料噴射時期、
点火時期、および燃料噴射方向を示す図。
【図１７】第１の実施例の構成で、図１４のフローチャ
ートに従って副吸気通路および燃料の本数を変化させた
場合の希薄空燃比限界の領域、およびエンジンの運転可
能範囲を示す図。
【図１８】第１の実施例の構成で、燃料噴射弁からの燃
料の本数を常に２本としたの希薄空燃比限界の領域、お
よびエンジンの運転可能範囲を示す図。
【図１９】従来のスワール生成機構を持つエンジンの希
薄空燃比限界の領域、運転可能範囲を示す図。
【図２０】従来のスワール生成機構をもたないエンジン
の希薄空燃料比限界の領域、運転可能範囲を示す図。
【符号の説明】
１０１ａ，１０１ｂ，１０１Ｃ，１０１ｄ 副吸気通路 １０２ 吸気弁 １０３ 燃焼室 １０４ 点火プラグ １０５ 燃焼噴射弁 １０６ａ，１０６ｂ 燃料噴霧 １０７ 吸気制御弁 １０８ 主通路を通る吸入空気 １１０ 吸気主通路 １１１ａ，１１１ｂ スワール １１２ ピストン １１３ａ，１１３ｂ スワール制御弁 １１４，１１４ａ，１１４ａ’，１１４ｂ，１１４
ｂ’，１１４ｃ 濃混合気の生成領域 １１５，１１５ａ，１１５ａ’，１１５ｂ，１１５
ｂ’，１１５ｃ 希薄混合気の生成領域 ２０１ ステッピングモータ ２０２ コンピュータ ３０１ 燃料 ３０２ コイル ３０３ コア ３０４ バルブ ３０６ 燃料オリフィス ３０７ 分岐材 ３０８ エアアトマイザ ３０９ａ，３０９ｂ エアアトマイザ内の通路 ３１０ａ，３１０ｂ 噴口 ３１１ エアオリフィス ３１２ マイクロバルブ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｄ 41/34 Ｆ０２Ｄ 41/34 Ｆ 43/00 ３０１ 43/00 ３０１Ｂ ３０１Ｊ ３０１Ｕ Ｆ０２Ｍ 69/04 Ｆ０２Ｍ 69/04 Ｇ Ｌ Ｒ Ｆ０２Ｐ 5/15 Ｆ０２Ｐ 5/15 Ｂ (72)発明者 白石 拓也 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (56)参考文献 特開 平５−223040（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−180125（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−190662（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−61774（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−69772（ＪＰ，Ｕ) 実開 平３−89936（ＪＰ，Ｕ) 実開 平３−49372（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F02M 39/00 - 71/04 F02D 41/00 - 45/00 F02B 31/00 - 31/02

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 各気筒の燃焼室に開口された２個の吸気
    口と、単一の吸気主通路から分岐して前記２個の吸気口
    にそれぞれ接続された２本の吸気通路と、該各吸気通路
    と前記燃焼室の接続部に設けられた各吸気弁と、該各吸
    気弁を指向する計２本の噴霧分岐流を噴射せしめる燃料
    噴射弁と、前記単一の吸気主通路を閉塞制御する吸気制
    御弁と、該吸気制御弁をバイパスして該吸気制御弁の上
    流の前記吸気主通路と前記各吸気口近傍の前記各吸気通
    路を接続し、かつ、その断面積の総和が前記吸気主通路
    の断面積よりも小さくなるように形成された２本の副吸
    気通路と、該各副吸気通路を閉塞制御するスワール制御
    弁とを備え、 機関の高負荷運転状態では、前記吸気制御弁及び前記ス
    ワール制御弁を開き、前記燃料噴射弁は前記各吸気弁を
    指向する２本の燃料噴霧を噴射し、前記機関の低負荷運
    転状態では、前記吸気制御弁を閉じ、前記スワール制御
    弁を制御して前記副吸気通路の一方を閉じ、前記燃料噴
    射弁は前記副吸気通路から空気が供給されている側の吸
    気弁側、若しくは前記燃料噴射弁は前記副吸気通路から
    空気が供給されていない側の吸気弁側のいずれか一方に
    のみ燃料を噴霧する単一噴霧に切り換えることを特徴と
    する内燃機関の混合気形成装置。
  2. 【請求項２】 前記機関の高負荷運転時には、該機関の
    低負荷運転時よりも燃料噴射時期を早め、かつ、点火時
    期を早めるように制御することを特徴とする請求項１記
    載の内燃機関の混合気形成装置。
  3. 【請求項３】 前記機関の中高負荷運転状態では、前記
    両方のスワール制御弁を開き、前記燃料噴射弁は、前記
    各吸気弁を指向する２本の燃料噴霧を噴射することを特
    徴とする請求項１記載の内燃機関の混合気形成装置。
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