JP3894618B2 - 燃料噴射型火花点火式内燃機関 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本出願発明は、燃料を燃焼室内に噴射する燃料噴射手段を、各気筒毎に１本ずつ付設した内燃機関において、運転状態に対応して燃料を適正量だけ、噴射させることができる燃料噴射型火花点火式内燃機関に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
内燃機関の燃焼室内に、圧縮空気とともに燃料を直接噴射する内燃機関として、特開平３−１４９３１１号公報に記載されたものがある。
【０００３】
この内燃機関では、低負荷運転状態における層状給気を達成するために、中負荷ないし高負荷の運転状態における圧縮空気の圧力よりも低圧力空気を燃焼室内に供給するようになっていた。
【０００４】
【解決しようとする課題】
自動二輪車や自動車等の車両に用いられる内燃機関では、負荷変動領域が広いため、燃焼室内に噴射する燃料噴射量が大巾に変動し、しかも低負荷運転状態では、微小燃料噴射量を正確に制御しなければならない結果、高精度で大型の燃料噴射弁を必要とし、必然的にコスト高になってしまう不具合があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段および効果】
本出願発明は、このような不具合を解消した燃料噴射型火花点火式内燃機関の改良に係り、内燃機関の各気筒の燃料室内に、各気筒毎に、加圧気体とともに燃料を直接噴射するようにした燃料噴射型火花点火式内燃機関において、燃料噴射時間の長短で燃料噴射量を調節する燃料噴射手段に一定圧力の燃料を供給する加圧燃料供給手段と、２種類以上の圧力の流体圧力源と、該２種類以上の流体圧力源を選択して後記燃料圧力調整手段に圧力流体を導く圧力流体切換え手段と、前記加圧燃料供給手段から燃料噴射手段に加圧燃料を供給する加圧燃料供給路における燃料噴射手段寄りの部位の加圧燃料圧力を前記圧力流体切換えから導かれた圧力流体の圧力に所定圧力を加えた調整圧力に調整する燃料圧力調整手段とを備え、前記複数の流体圧力源の１つの流体圧力源は、前記燃料噴射手段から噴射される燃料とともに燃焼室に加圧気体を噴射させるための加圧気体噴射源であることを特徴とするものである。
【０００６】
請求項１記載の発明は、前記したように構成されているため、低負荷または低速運転状態では、圧力流体切換え手段でもって、低圧力の流体圧力源より低圧力の圧力流体を燃料圧力調整手段に導き、加圧燃料供給手段から燃料噴射手段に加圧燃料を供給する加圧燃料供給路における燃料噴射手段寄り、部位の加圧燃料圧力を低圧に設定することができ、該燃料噴射手段から燃焼室内に、小量の燃料を、運転状況に対応して正確に噴射させることができ、正常な燃焼状態で適切に内燃機関を運転することができる。
【０００７】
また高負荷あるいは高速運転状態では、前記圧力流体切換え手段でもって、高圧力の流体圧力源より高圧力の圧力流体を前記燃料圧力調整手段に導き、前記加圧燃料供給路における燃料噴射手段寄り部位の加圧燃料圧力を高圧に設定することができ、該燃料噴射手段から燃焼室内に、大量の燃料を、運転状況の変動に即応して適正に噴射させることができ、燃焼室内で正常に燃焼させて、大出力を得ることができる。
【０００８】
このように燃料噴射手段の噴射時間を増減させることにより、該燃料噴射手段からの燃料噴射量を調整する外に、さらに該燃料噴射手段に供給される加圧燃料の圧力を複数段に調節することにより、単位時間当たりの燃料噴射量を調整することができるので、広範囲にかつ高精度で燃料噴射量を容易に制御することができる。
【０００９】
また、複数の流体圧力源の内の１つの流体圧力源に加圧気体噴射源を利用して、別個に用意しなければならない流体圧力源の個数を削減することができる。
【００１０】
さらに請求項２記載のように発明を構成することにより、それ以前のサイクルの燃焼室内の加圧ガスを流体圧力源として前記加圧気体噴射源に利用することができ、コストダウンを図ることができる。
【００１１】
さらにまた請求項３記載のように発明を構成することにより、複数の流体圧力源の内の１つの流体圧力源に大気圧を利用して、流体圧力源の個数をさらに削減することができる。
【００１２】
しかも請求項４記載のように発明を構成することにより、加圧気体の噴射制御を適正に容易に行なって適正な空燃比の混合気を燃焼室に供給することができる。
【００１３】
また請求項５記載のように発明を構成することにより、内燃機関のクランク角に対応したタイミングで前記開閉弁を開閉させることができる。
【００１４】
さらに請求項６記載のように発明を構成することにより、前記開閉弁の開弁特性を向上させることができる。
【００１５】
さらにまた請求項７記載のように発明を構成することにより、内燃機関のクランク角に拘束されずに所要クランク角タイミングで前記開閉弁を開閉させることができ、内燃機関の燃焼状態をより一層良好に改善することができる。
【００１６】
しかも請求項８記載のように発明を構成することにより、吹抜けが生じて不整燃焼を起こし易い２サイクル内燃機関に適用して、排気ガス中の炭化水素排出量を削減することができるとともに、出力および効率を向上させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図１ないし図４に図示された本出願発明の一実施形態について説明する。
本出願発明に係る燃料噴射型火花点火式２サイクル内燃機関１は、図示されない自動二輪車に搭載されるもので、該燃料噴射型火花点火式２サイクル内燃機関１では、クランクケース２の上方にシリンダブロック３およびシリンダヘッド４が順次重ねられて相互に一体に結合されている。
【００１８】
また、シリンダブロック３に形成されたシリンダ孔５にピストン６が上下に摺動自在に嵌装され、該ピストン６とクランク軸７とは図示されないコネクティングロッドを相互に連結されており、ピストン６の昇降に伴ってクランク軸７が回転駆動されるようになっている。
【００１９】
さらに、車体後方から前方に指向した吸気管８がクランクケース２の吸気通路９に接続され、該吸気管８と吸気通路９とにそれぞれスロットル弁10とリード弁11とが介装され、スロットル弁10は図示されない連結手段を介してスロットルグリップ（図示されず）に連結されており、スロットルグリップを一方向へ捩ると、スロットル弁10の開度が増大するようになっている。
【００２０】
さらにまた、クランクケース２およびシリンダブロック３には、シリンダ孔５の上部とクランク室12とを連通する掃気通路13が形成されるとともに、該掃気通路13の掃気開口14からシリンダヘッド４寄りに位置して、加圧空気導入通路15の導入開口16が形成され、シリンダ孔５の上部と加圧ガスチャンバー17とは、該加圧空気導入通路15でもって連通され、該加圧空気導入通路15にはクランク軸７と同一回転速度で同一方向へ回転する回転弁18が回転自在に嵌装され、前記加圧空気導入通路15と並列に混合気噴射通路19が形成され、該混合気噴射通路19の噴射開口20は導入開口16より下方の位置に設定され、該混合気噴射通路19に燃料噴射弁21が設けられており、ピストン６が下死点より上昇して掃気開口14がピストン６で閉塞された後、ピストン６の上端縁が噴射開口20に接近した時に、回転弁18が開放されて、シリンダ孔５の上部の燃焼室22と加圧ガスチャンバー17とが混合気噴射通路19を介して連通され、加圧ガスチャンバー17内の充填加圧新気が混合気噴射通路19を介して燃焼室 22に噴射され、しかもその際に、燃料噴射弁21より混合気噴射通路19内に燃料が噴射されて、該噴射新気とともに混合して燃焼室 22に供給され、さらにピストン６が上昇した時に、加圧空気導入通路15が連通状態となって、燃焼室 22内にてより一層高圧に加圧された新気が、該燃焼室 22から導入開口16、加圧空気導入通路15および回転弁18を介して加圧ガスチャンバー17内に充填されるようになっている。
【００２１】
また燃料噴射弁21は加圧燃料供給管23を介して燃料ポンプ24の吐出部24ａに接続され、該燃料ポンプ24の吸入部24ｂは図示されない燃料タンクに接続されており、燃料ポンプ24より吐出された加圧燃料は加圧燃料供給管23を経由して燃料噴射弁21に供給されるようになっている。
【００２２】
さらに加圧燃料供給管23の燃料噴射弁21寄りの部位23ａに、圧力調整手段たるプレッシャーレギュレータ25が付設され、該プレッシャーレギュレータ25は、図４に図示されるように、ケーシング26と、該ケーシング26の鍔部26ａにかしめ付けされるカバー27と、該ケーシング26およびカバー27に外周部が挟着される可撓性ダイアフラム28と、該ダイアフラム28の中央に一体に取付けられたバルブ本体29と、該バルブ本体29にボール30を介して装着された弾性当接部材31と、該弾性当接部材31に接離自在に当接されるようにケーシング26に嵌装された筒状弁座32と、弾性当接部材31を弁座32に圧接させるようにカバー27とバルブ本体29とに介装された加圧コイルスブリング33とよりなり、プレッシャーレギュレータ25内はダイアフラム28でもって、第１ダイアフラム室34と第２ダイアフラム室35とに仕切られ、該第２ダイアフラム室35は、図１および図２に図示の連通路36を介して加圧燃料供給管23の燃料噴射弁21寄り部位23ａに連通されている。
【００２３】
さらにまた弾性当接部材31によって第２ダイアフラム室35と開閉自在に連通する弁座32内の燃料室37は燃料還流管38を介して図示されない燃料タンクに接続されている。
【００２４】
またプレッシャーレギュレータ25の第１ダイアフラム室34は接続管39を介して切換バルブ40の出口部40ａに接続され、変動プレッシャ付与装置43内はダイアフラム44でもって低圧ダイアフラム室45と高圧ダイアフラム室46とに仕切られ、前記切換バルブ40の低圧入口部40ｂは、接続管41を介して前記変動プレッシャ付与装置43の低圧ダイアフラム室45に接続され、該切換バルブ40の高圧入口部40ｃは接続管42を介して変動プレッシャ付与装置43の高圧ダイアフラム室46と加圧ガスチャンバー17とに接続されており、切換バルブ40は、図示されない電子制御装置により、燃料噴射型火花点火式２サイクル内燃機関１の停止または低負荷状態でオン、燃料噴射型火花点火式２サイクル内燃機関１の高負荷状態でオフされるようになっている。
【００２５】
さらに変動プレッシャ付与装置43の低圧ダイアフラム室45内には、ピストン47が摺動自在に嵌装されるとともに低圧ダイアフラム室45の端壁とピストン47とに圧縮コイルスプリング48が介装され、加圧ガスチャンバー17と接続管42を介して連通される高圧ダイアフラム室46の圧力が燃料噴射型火花点火式２サイクル内燃機関１の運転によって大気圧以上に昇圧した場合にピストン47でもって遮断される位置にポート49が形成され、該ポート49は接続管50を介してエアクリーナ51に接続されている。
【００２６】
さらに排気開口52には、燃料噴射型火花点火式２サイクル内燃機関１の排気タイミングを変更するための排気弁53が設けられ、シリンダヘッド４には燃焼室22に電極部が露出するように点火栓54が設けられており、これら排気弁53、点火栓54は、図示されない電子制御装置によって制御されるようになっている。
【００２７】
図１ないし図４に図示の実施形態は、前記したように構成されているため、燃料噴射型火花点火式２サイクル内燃機関１が停止した状態では、切換バルブ40はオンされ、図３に図示されるように、加圧ガスチャンバー17とプレッシャーレギュレータ25の第１ダイアフラム室34とは、遮断され、大気圧状態の加圧ガスチャンバー17の圧力が変動プレッシャ付与装置 43 の高圧ダイアフラム室46とに導入され、ピストン47は、圧縮コイルスプリング48のバネ力によって右方へ移動して、ポート49が開放され、変動プレッシャ付与装置43の低圧ダイアフラム室45とエアクリーナ51とはポート49、接続管50を介して連通されて、低圧ダイアフラム室45も大気圧に設定されている。
【００２８】
しかして、プレッシャーレギュレータ25の加圧コイルスブリング33のバネ力による付加圧力をＰ₁ 、燃料噴射型火花点火式２サイクル内燃機関１の運転状態における加圧ガスチャンバー17すなわち接続管42内の圧力をＰ₂ 、低圧ダイアフラム室45および接続管41内の圧力をＰ₃ 、切換バルブ40のオフ状態におけるプレッシャーレギュレータ25の第２ダイアフラム室35内の圧力をＰ₄ 、切換バルブ40のオン状態におけるプレッシャーレギュレータ25の第２ダイアフラム室35内の圧力をＰ₅ とすると、切換バルブ40のオフ状態の第２ダイアフラム室35内の圧力Ｐ₄ は、
Ｐ₄ ＝Ｐ₁ ＋Ｐ₂
切換バルブ40のオン状態における第２ダイアフラム室35内の圧力Ｐ₅ は、
Ｐ₅ ＝Ｐ₁ ＋Ｐ₃
てある。
【００２９】
そして燃料噴射型火花点火式２サイクル内燃機関１が始動した後、アイドリングの如き低負荷運転状態となっている場合には、加圧ガスチャンバー17内の圧力は大気圧以上の圧力に上昇しているため、加圧ガスチャンバー17と連通する高圧ダイアフラム室46内の圧力が低圧ダイアフラム室45より高くなって、ピストン47は左方へ移動し、ポート49がピストン47でもって閉塞され、エアクリーナ51と低圧ダイアフラム室45とは遮断され、低圧ダイアフラム室45および第１ダイアフラム室34内の圧力Ｐ₃ は、加圧ガスチャンバー17内の圧力変動の影響を受け、図６に図示されるように、大気圧Ｐ₀ を基準として、加圧ガスチャンバー17内の圧力Ｐ₂ の変動分だけ上下に変動する。
【００３０】
しかしこの加圧ガスチャンバー17の圧力Ｐ₂ の変動を無視すれば、低負荷運転で切換バルブ40がオンされた状態では、プレッシャーレギュレータ25の第１ダイアフラム室34内の圧力は、略大気圧Ｐ₀ に保持され、プレッシャーレギュレータ25の第２ダイアフラム室35内の圧力Ｐ₅ は、大気圧Ｐ₀ に加圧コイルスブリング33のバネ力による付加圧力Ｐ₁ を加えたＰ₀ ＋Ｐ₁ となり、燃料噴射弁21よりその燃料圧力で燃料が噴射される。
【００３１】
また高負荷運転状態となっている場合には、切換バルブ40がオフされて、プレッシャーレギュレータ25の第１ダイアフラム室34内の圧力は、Ｐ₂ に設定され、プレッシャーレギュレータ25の第２ダイアフラム室35内の圧力Ｐ₄ は、図６のＰ₄ 線に図示されるように、Ｐ₁ ＋Ｐ₂ となり、Ｐ₀ ＋Ｐ₁ より高圧の燃料が燃料噴射弁21より噴射されるため、この状態の燃料噴射量は、図５に図示されるように、切換バルブ40がオンの状態の燃料噴射量よりも、増大し、高出力が可能となる。
【００３２】
この燃料噴射型火花点火式２サイクル内燃機関１の運転中、切換バルブ40のオフ状態で、加圧ガスチャンバー17内の圧力Ｐ₂ が、図６のように波状に変動した場合、第２ダイアフラム室35内の圧力Ｐ₄ 同様に波状に変動するため、加圧ガスチャンバー17内の圧力Ｐ₂ に等しい混合気噴射通路19内の圧力Ｐ₂ と、加圧燃料供給管23の燃料噴射弁21寄りの部位23ａの燃料圧力Ｐ₄ との差圧力Ｐ₆ は
Ｐ₆ ＝Ｐ₄ −Ｐ₂ ＝（Ｐ₁ ＋Ｐ₂ ）−Ｐ₂ ＝Ｐ₁
となり、加圧ガスチャンバー17の圧力Ｐ₂ の変動とは全く無関係のプレッシャーレギュレータ25の加圧コイルスブリング33のバネ力による一定値の付加圧力Ｐ₁ である結果、混合気噴射通路19の圧力変動に全く無関係に所要の噴射量で燃料を噴射することができる。
【００３３】
そして燃料噴射型火花点火式２サイクル内燃機関１の運転中、切換バルブ40のオン状態でも、第１ダイアフラム室34および低圧ダイアフラム室45内の圧力Ｐ₃ は、前記したように、加圧ガスチャンバー17内の圧力Ｐ₂ の圧力変動に対応して変動するため、切換バルブ40のオン状態と同様に、混合気噴射通路19内の圧力Ｐ₂ と、加圧燃料供給管23の燃料噴射弁21寄り部位23ａの燃料圧力Ｐ₅ との差圧力Ｐ₅ は、
Ｐ₇ ＝Ｐ₅ −Ｐ₂ ＝（Ｐ₁ ＋Ｐ₃ ）−Ｐ₂ ＝Ｐ₁ ＋Ｐ₃ −Ｐ₂
となり、このＰ₃ −Ｐ₂ は略一定となるため、これまた混合気噴射通路19内の圧力変動の影響を左程受けずに、所要の噴射量で、燃料を噴射することができる。
【００３４】
このように図１ないし図４に図示の実施形態では、負荷の高低に対応させて、燃料噴射弁21から噴射される燃料の圧力を２段階に増減させ、かつ燃料噴射弁21の噴射時間を連続的に増減させることができるため、燃料噴射弁21の燃料噴射量も燃料噴射型火花点火式２サイクル内燃機関１の負荷状態に対応させて適正に制御でき、低負荷状態では、成層燃焼させ、高負荷状態では、均一燃焼させることがそれぞれでき、炭化水素排出量を抑制できるとともに燃費を向上させ、しかも出力の上限を引き上げることができる。
【００３５】
図１ないし図４の実施形態は、２サイクル内燃機関であったが、本出願発明を４サイクル内燃機関に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本出願発明に係る燃料噴射型火花点火式内燃機関の一実施形態を図示した縦断側面図である。
【図２】切換バルブがオフ状態における図１の要部拡大縦断側面図である。
【図３】切換バルブがオン状態における図１の要部拡大縦断側面図である。
【図４】プレッシャレギュレータの縦断面図である。
【図５】切換バルブをオン・オフした場合の燃料噴射量特性図である。
【図６】切換バルブのオン・オフによって噴射燃料圧力の変動状態を図示した説明図である。
【符号の説明】
１…燃料噴射型火花点火式２サイクル内燃機関、２…クランクケース、３…シリンダブロック、４…シリンダヘッド、５…シリンダ孔、６…ピストン、７…クランク軸、８…吸気管、９…吸気通路、10…スロットル弁、11…リード弁、12…クランク室、13…掃気通路、14…掃気開口、15…加圧空気導入通路、16…導入開口、17…加圧ガスチャンバー、18…回転弁、19…混合気噴射通路、20…噴射開口、21…燃料噴射弁、22…燃焼室、23…加圧燃料供給管、24…燃料ポンプ、25…プレッシャーレギュレータ、26…ケーシング、27…カバー、28…ダイアフラム、29…バルブ本体、30…ボール、31…弾性当接部材、32…弁座、33…加圧コイルスプリング、34…第１ダイアフラム室、35…第２ダイアフラム室、36…連通路、37…燃料室、38…燃料還流管、39…接続管、40…切換バルブ、41…接続管、42…接続管、43…変動プレッシャ付与装置、44…ダイアフラム、45…低圧ダイアフラム室、46…高圧ダイアフラム室、47…ピストン、48…圧縮コイルスプリング、49…ポート、50…接続管、51…エアクリーナ、52…排気開口、53…排気弁、54…点火栓。

Claims (8)

1. 内燃機関の各気筒の燃焼室内に、各気筒毎に、加圧気体とともに燃料を直接噴射するようにした燃料噴射型火花点火式内燃機関において、
   燃料噴射時間の長短で燃料噴射量を調節する燃料噴射手段に一定圧力の燃料を供給する加圧燃料供給手段と、
   ２種類以上の圧力の流体圧力源と、
   該２種類以上の流体圧力源を選択して後記燃料圧力調整手段に圧力流体を導く圧力流体切換え手段と、
   前記加圧燃料供給手段から燃料噴射手段に加圧燃料を供給する加圧燃料供給路における燃料噴射手段寄りの部位の加圧燃料圧力を、前記圧力流体切換え手段から導かれた圧力流体の圧力に所定圧力を加えた調整圧力に調整する燃料圧力調整手段とを備え、前記複数の流体圧力源の１つの流体圧力源は、前記燃料噴射手段から噴射される燃料とともに燃焼室に加圧気体を噴射させるための加圧気体噴射源であることを特徴とする燃料噴射型火花点火式内燃機関。
2. 前記加圧気体噴射源は、それ以前のサイクルの燃焼室内の加圧ガスを流体圧力源とすることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射型火花点火式内燃機関。
3. 前記複数の流体圧力源の１つの流体圧力源は、大気であることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射型火花点火式内燃機関。
4. 前記燃料噴射手段および加圧気体噴射源と燃焼室とに開閉弁が介装されたことを特徴とする請求項１ないし請求項３いずれか記載の燃料噴射型火花点火式内燃機関。
5. 前記開閉弁は、内燃機関のクランク軸に連動して回転する回転弁であることを特徴とする請求項４記載の燃料噴射型火花点火式内燃機関。
6. 前記開閉弁は、内燃機関のクランク軸に連動して開閉するポペット弁であることを特徴とする請求項４記載の燃料噴射型火花点火式内燃機関。
7. 前記開閉弁は、内燃機関のクランク角に対応して開閉する電磁弁であることを特徴とする請求項４記載の燃料噴射型火花点火式内燃機関。
8. 内燃機関は２サイクル内燃機関であることを特徴とする請求項１ないし請求項７いずれか記載の燃料噴射型火花点火式内燃機関。

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