JPH04237822A - 筒内噴射式内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料を圧縮空気と共に
気筒内に噴射するエアブラスト弁を備えた筒内噴射式内
燃機関に関する。

【０００２】

【従来の技術】圧縮空気通路の一端に形成されたノズル
口と、このノズル口を開閉制御する開閉弁と、圧縮空気
通路内に燃料を噴射する燃料噴射弁とを具備し、ノズル
口を機関燃焼室内に配置し、開閉弁が開弁したときにノ
ズル口から燃料が圧縮空気と共に機関燃焼室内に噴射せ
しめられるエアブラスト弁が公知である（特開昭６２−
９３４８１号公報参照）　。このエアブラスト弁は燃料
を圧縮空気と共に噴射することから極めて燃料の微粒化
が良好である利点を持っている。

【０００３】一方、特開平２−１６９８３４号公報には
筒内燃料噴射による混合気の成層化を利用して希薄燃焼
を行う機関が開示されている。同公報の機関では、高負
荷運転時には各気筒の吸気行程中に筒内燃料噴射を行い
燃焼室内全体に均一な濃度の着火可能混合気を形成する
が、低負荷時等で燃料噴射量が少なく、燃焼室全体に着
火可能な混合気を形成できないような場合には、圧縮行
程後期にピストン頂部に形成された凹溝内に燃料噴射を
行うようにしている。すなわち、低負荷時には噴射燃料
を気筒内に拡散させず上記凹溝内に集中させ、凹溝内に
濃度が徐々に変化する混合気層を形成する。これにより
上死点付近で上記凹溝と対応する位置に配置された点火
栓周囲に着火可能な混合気を成層化させることができ、
気筒全体では希薄混合気でありながら安定した燃焼を得
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】全体として希薄な混合
気を点火栓を用いて着火するような場合には、上述の特
開平２−１６９８３４号公報の筒内噴射式機関のように
燃料を気筒内に拡散させずピストン凹溝内に集中させて
着火可能な濃度の混合気を形成することが有効であるが
、この場合噴射された少量の燃料で凹溝内に着火可能な
混合気を形成するためには燃料をできるだけ微粒化する
必要がある。従ってこれらの機関にも燃料の微粒化が極
めて良好なエアブラスト弁を使用することが好ましい。

【０００５】しかし従来のエアブラスト弁を上記公報の
機関に用いると、低負荷時には却って着火可能な混合気
の形成が阻害され、燃焼が安定しないという課題が生じ
る。すなわち、エアブラスト弁では圧縮空気通路内に予
め所要量の燃料を噴射しておくため、筒内に燃料と圧縮
空気とを噴射するノズルの開閉弁の開弁時間を燃料噴射
量に応じて変える制御は行われておらず燃料噴射量にか
かわらずノズルの開弁時間は一定に保持されている。従
ってノズル開弁時間は高負荷時に多量の燃料を噴射する
のに充分な時間に設定されており、低負荷時で燃料噴射
量が少ない場合には実際にノズルから燃料が噴射される
のはノズル開弁後の短期間のみで後の時間はノズルから
圧縮空気のみが噴射されることになる。

【０００６】しかし、前述のように低負荷時にピストン
頂部凹溝内に燃料を噴射して成層化させる機関では、燃
料噴射後に上記の圧縮空気のみの噴射があると凹溝内に
噴射された燃料が空気噴射により飛散してしまい凹溝内
に滞流成層化されない。このため、低負荷時に点火栓近
傍に着火可能な混合気が形成されず失火や不安定燃焼の
原因となる問題が生じるのである。

【０００７】本発明は上記問題に鑑み、低負荷時に成層
燃焼を行う筒内噴射式機関にエアブラスト弁を用いて、
噴射燃料の微粒化を向上させ、同時に低負荷時における
燃料の飛散の問題を解決し、混合気の成層化を良好に行
うことのできる筒内噴射式内燃機関を提供することを目
的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、燃焼室
内に開口するノズル口と該ノズル口と加圧空気源とを接
続する圧縮空気通路と、該圧縮空気通路内に所要量の燃
料を噴射する燃料噴射弁と、前記ノズルを所定のタイミ
ングで開閉して前記ノズルから圧縮空気と共に燃料を噴
射する開閉弁とを備えた筒内噴射式内燃機関において、
ピストン頂部に凹溝を形成し、少なくとも低負荷時には
ピストンの圧縮行程後期に前記ノズル口から前記凹溝内
に向けて噴射を行うと共に、前記燃料噴射弁から圧縮空
気通路内に噴射される所要燃料量に応じて前記開閉弁の
開弁時間を制御し、前記所要燃料量の全量がノズル口か
ら噴射されるのと略同時に前記開閉弁を閉弁して前記凹
溝内に点火栓により着火可能な濃度の混合気を形成する
ことを特徴とする筒内噴射式内燃機関。

【０００９】

【作用】ノズル口が燃料の所要量を噴射後直ちに閉弁す
るため、圧縮空気のみの噴射が行われず、ピストン凹溝
内に噴射された燃料は飛散せず凹溝内に滞留し着火可能
な濃度の混合気が形成される。

【００１０】

【実施例】図１は本発明を２サイクル機関に適用した実
施例の縦断面図である。図において、１はシリンダブロ
ック、２はピストン、３はシリンダヘッド、４は燃焼室
、１０はエアブラスト弁、１２はピストン２の頂面に形
成された凹溝を示す。図２はシリンダヘッド３内面を示
す。シリンダヘッド３にはエアブラスト弁１０の近傍に
配置された一対の給気弁６とシリンダヘッド３の略中央
に配置された点火栓５と、点火栓５をはさんで給気弁６
の反対側に配置された一対の排気弁８とが設けられてい
る。

【００１１】図３はピストン２の頂面に形成された凹溝
の形状を示す。凹溝１２はエアブラスト弁１０の先端下
部から点火栓５下部にかけて延設されている。本実施例
ではこの凹溝１２は点火栓５とエアブラスト弁１０とを
含む垂直平面Ｋ−Ｋに対して対称な形状をなし、ピスト
ン２の上方から見ると凹溝１２はエアブラスト弁１０側
から点火栓５側に向けて次第に幅が広くなる雫状の形状
をなす。また、垂直平面Ｋ−Ｋに沿ってみた凹溝１２の
断面形状は図１に示すように点火栓５の下方においてア
エブラスト弁１０と反対側に向けて若干へこんだ形状を
なすと共にそこからエアブラスト弁１０の下方に向けて
なだらかに上方に傾斜した形状とされており、ピストン
１２が上死点に到達すると点火栓５は凹溝１２内に位置
するようにされている。

【００１２】エアブラスト弁１０は第１図に示すように
燃焼室４に開口するノズル口１５と、このノズル口１５
を開閉制御する開閉弁１６と、外方に向けてエアブラス
ト弁１０の先端面に至るまでほぼ円錐状に拡開する弁座
１７と、この円錐状弁座１７上に着座可能な開閉弁１６
の弁体１８と、開閉弁１６を駆動するソレノイド１９と
、圧縮空気流入口２０と、圧縮空気流入口２０からソレ
ノイド１９内を通り、次いで一旦横方向に屈曲した後に
開閉弁１６周りを通ってノズル口１５に至る圧縮空気通
路２１と、この圧縮空気通路２１内に配置された燃料噴
射弁２２とを具備する。圧縮空気流入口２０は圧縮空気
供給ポンプ２３に連結されており、従って圧縮空気通路
２１内は常時圧縮空気によって満たされている。

【００１３】燃料噴射弁２２からはこの状態で圧縮空気
通路２１内に所要量の燃料が噴射され、噴射された燃料
は圧縮空気通路２１内に滞留する。次いでソレノイド１
９が励磁されると弁体１８がノズル口１５を開口させ、
圧縮空気通路２１内の燃料は圧縮空気と共にノズル口１
５から燃焼室４内に噴出されるこのため燃料は微細な霧
状になり良好な微粒化を達成することができる。

【００１４】図に３０で示したのはディジタルコンピュ
ータから成るエンジン電子制御装置（ＥＣＵ）　である
。ＥＣＵ３０　は機関の基本制御の一つとして上記燃料
噴射制御を行っている。ＥＣＵ３０　には図示しないセ
ンサ類からエンジン回転数、クランク角、エンジン吸入
空気量、スロットル弁開度や冷却水温度等のエンジン運
転状態を表すパラメータが入力されており、それらに基
いて燃料噴射制御を行うためエアブラスト弁１０のソレ
ノイド１９、燃料噴射弁２２に駆動信号を出力している
。

【００１５】次に図４を用いて本実施例の給気弁６、排
気弁８のバルブタイミングとエアブラスト弁１０の作動
タイミングを説明する。図においてＩＯ，　ＩＣは給気
弁６のそれぞれ開弁と閉弁時期を、ＥＯ，　ＥＣは排気
弁のそれぞれ開弁、閉弁時期を示す。また図のＴＤＣ　
は上死点、ＢＤＣ　は下死点を表しており、給排気弁の
開閉タイミングは例えばＥＯがＢＢＤＣ（下死点前）８
０度、ＩＯがＢＢＤＣ５０度、ＥＣはＡＢＤＣ（下死点
後）４０度、ＩＣはＡＢＤＣ７０度程度とされている。

【００１６】図中区間Ｉはエアブラスト弁１０の圧縮空
気通路２１内に燃料噴射弁２２から燃料を噴射するタイ
ミングを示す。また図のＩＩはエアブラスト弁１０のノ
ズルが開弁して燃焼室４内に圧縮空気と共に燃料が噴射
されるタイミングを示す。図においてＩＡとＩＩＡ，Ｉ
ＢとＩＩＢ　はそれぞれ高負荷時、中負荷時の噴射タイ
ミングを、ＩＣとＩＩＣ　は低負荷時の噴射タイミング
を示している。 本実施例では負荷が減少するにつれて燃料噴射弁２２の
開弁期間Ｉとノズル開弁期間ＩＩとの両方が短縮され、
更に負荷が所定値を下回った場合にはノズル開弁時期が
遅延される（ＩＩＣ）。

【００１７】図からわかるように高中負荷時においては
燃焼室４内への燃料噴射は給気弁６が閉弁する前に開始
される（ＩＩＡ，ＩＩＢ）この状態ではピストン２は圧
縮行程初期にあり、給気弁からの新気流入も続いている
ため、燃焼室４内は空気の流動が激しくなっている。従
ってエアブラスト弁１０から燃焼室中央付近に向けて噴
射された燃料は燃焼室４内に流入する新気流と混合し、
更にピストンの上昇動作により生ずる気流にのって燃焼
室内に均一に拡散する。従ってピストン上死点付近では
燃焼室内に均一な混合気が形成される。本実施例では高
中負荷時においても燃料の噴射量に応じてノズルの開弁
期間を調節している（ＩＩＡ，ＩＩＢ）。

【００１８】さらに、負荷が低くなるにつれて燃料噴射
量を減少させた場合或る燃料噴射量以下になると燃焼室
内に着火可能な均一混合気を形成することができなくな
る。本実施例では、このような負荷状態になったときに
は、筒内燃料噴射時期を圧縮行程後期に遅延させる（図
４ＩＩＣ）。

【００１９】この状態では給気弁６も閉じており、ピス
トン２も上死点付近まで上昇しているため燃焼室内の気
流も比較的弱くなっている。またピストン２が上昇位置
にあるため、エアブラスト弁１０からの燃料噴射はピス
トン２頂面に形成された凹溝１２内に向けられる。図３
で説明したように凹溝１２は点火栓５下部が最も断面積
が大きくなる形状とされており凹溝１２内に噴射された
燃料はその略全量が凹溝内に滞留し、濃度が連続的に変
化する混合気層を形成する。

【００２０】本実施例では、エアブラスト弁１０のノズ
ル開弁時間は燃料噴射量に応じた長さとされ、燃料の全
部が凹溝１２内に噴射された直後にノズルが閉弁し、従
来のように燃料噴射後の圧縮空気のみの噴射が生じない
ようにされている。従って凹溝１２内に成層した混合気
は圧縮空気噴射により飛散することなく凹溝内に滞留し
、ピストン２の上昇によって点火栓５近傍に到達し、点
火栓５による安定した着火が行われる。

【００２１】次に図５に本実施例の燃料噴射制御のフロ
ーチャートを示す。本ルーチンは前述のＥＣＵ３０　に
より基本制御ルーチンとして実行される。図においてス
テップ１１０　では、負荷条件が成層燃焼領域にあるか
否かが判定される。前述のように本実施例では燃料噴射
量が低下して燃焼室内に着火可能な均一混合気を形成で
きなくなるような低負荷運転では図４ＩＩＣ　に示した
ように圧縮行程後期にピストン凹溝内に燃料噴射を行う
（以下この燃料噴射モードを成層燃焼モードという）。 成層燃焼モード選択の可否はスロットル弁開度ＴＡとエ
ンジン回転数ＮＥを用いて図６に示すマップを用いて行
われる。

【００２２】図５を参照するとスロットル弁開度ＴＡと
エンジン回転数ＮＥとが図にＳで示す領域にある場合は
成層燃焼モードが選択され、図にＫで示す領域にある場
合は通常の均一燃焼モードが選択される。燃焼状態の切
換を円滑に行うため領域ＫからＳへの切換は図の線Ｓ１
を境に行われ、逆にＳからＫへの切換は図の線Ｓ２を基
に行うようにして成層燃焼モードと均一燃焼モードとの
切換にヒステリシスを持たせている。

【００２３】ステップ１１０　で成層燃焼モードが選択
された場合、ステップ１２０　では成層燃焼モードにお
ける燃料噴射弁２２の燃料噴射時間（すなわち燃料噴射
量）ＴＡＵＦＳ　と、ステップ１４０　でエアブラスト
弁１０のノズル開弁時間ＴＡＵＡＳ　が算出される。Ｔ
ＡＵＦＳ　及びＴＡＵＡＳ　はそれぞれＥＣＵ３０　に
内蔵されたマップを基に決定される。図７、図８はそれ
ぞれＴＡＵＦＳ　とＴＡＵＡＳ　を決定するマップを示
す。

【００２４】図７も参照するとＴＡＵＦＳ　は等回転数
でスロットル弁開度ＴＡが増大する程増大し、また等ス
ロットル開度で回転数ＮＥが高くなる程増大する。ＴＡ
ＵＡＳ　は図８を用いて、上記で算出したＴＡＵＦＳ　
から求められる。図８に示すようにＴＡＵＡＳ　は燃料
噴射時間（噴射量）が少ない程小さな値とされ、燃料噴
射終了後にエアブラスト弁１０から圧縮空気噴射が行わ
れないようにしている。

【００２５】ステップ１６０　は噴射実行動作を示す。 ここでは、上記で求めたＴＡＵＦＳ　とＴＡＵＡＳ　を
基にそれぞれ燃料噴射弁２２とエアブラスト弁１０のノ
ズル開弁時期とが計算され、それぞれの駆動回路に出力
される。なお、図４に示したように燃料噴射弁２２とエ
アブラスト弁１０のノズル１５はそれぞれ閉弁時期が固
定されており、開弁時期を変更することによって所望の
開弁時間を得るように制御される。

【００２６】次にステップ１３０　、ステップ１５０　
はステップ１１０　で均一燃焼モードが選択されたとき
の燃料噴射時間ＴＡＵＦＫ　とエアブラスト弁１０のノ
ズル開弁時間ＴＡＵＡＫ　の設定を示す。本実施例では
ＴＡＵＦＫ　はエンジン吸気流量Ｑとエンジン回転数Ｎ
Ｅとの比Ｑ／ＮＥを基に次の式から求められる。 ＴＡＵＦＫ　＝（Ｑ／ＮＥ）×Ｋ１　×Ｋ２　ここでＫ
１　，Ｋ２　はエンジン始動時や冷却水温度等の状態に
応じて決定される補正係数である。また、図９はＴＡＵ
ＡＫ　を決定するための図８と同様なマップである。

【００２７】本実施例では均一燃焼状態においてもエア
ブラスト弁１０のノズル開弁時間ＴＡＵＡＫ　を燃料噴
射量が減少するにつれて短くしているが、これは圧縮空
気の消費量を低減するためであり、この点を無視すれば
ＴＡＵＡＫ　は一定の値に固定しても良い。また均一燃
焼モードにおいては、エアブラスト弁１０から燃料噴射
後に圧縮空気のみの噴射を行った方が噴射熱料の拡散が
良好になるためＴＡＵＦＫ　は燃料が燃焼室内に噴射さ
れるのに必要な時間より一定の割合で長く設定されてい
る。

【００２８】なお、本実施例でＴＡＵＡＳ（図８）とＴ
ＡＵＡＫ（図９）　の２つのマップを必要としているの
は図４に斜線で示すように成層燃焼モードと均一燃焼モ
ードとが一部オーバラップしているためである。上記実
施例のように構成したことにより、成層燃焼モードと均
一燃焼モードとの間の切換が円滑に行われ、全体として
エアブラスト弁の噴射用圧縮空気消費量を低減すること
が可能となっている。

【００２９】

【発明の効果】本発明は低負荷時にピストン頂面に形成
した凹溝内に燃料を噴射して成層燃焼を行う筒内噴射機
関において燃料噴射量に応じてエアブラスト弁のノズル
開弁時間を変更するようにしたことにより、低負荷時の
安定燃焼を確保しながらエアブラスト弁の使用による燃
料微粒化の向上を達成可能とする効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用する筒内噴射式内燃機関の一実施
例を示す断面図である。

【図２】図１の実施例のシリンダヘッド底面図である。

【図３】図１の実施例のピストン頂面平面図である。

【図４】燃料噴射と給排気弁の開閉タイミングを示す図
である。

【図５】本発明の燃料噴射制御動作の一実施例を示すフ
ローチャートである。

【図６】成層燃焼を行う負荷領域を示す図である。

【図７】燃料噴射量と負荷との関係を示す図である。

【図８】燃料噴射量とエアブラスト弁のノズル開弁時間
との関係を示す図である。

【図９】燃料噴射量とエアブラスト弁のノズル開弁時間
との関係を示す図である。

【符号の説明】

１…シリンダブロック ２…ピストン ３…シリンダヘッド ４…燃焼室 ５…点火栓 １０…エアブラスト弁 １２…凹溝 １５…ノズル １６…ノズル開閉弁 １９…ソレノイド ２１…圧縮空気通路 ２２…燃料噴射弁 ３０…電子制御装置（ＥＣＵ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　燃焼室内に開口するノズル口と該ノズ
   ル口と加圧空気源とを接続する圧縮空気通路と、該圧縮
   空気通路内に所要量の燃料を噴射する燃料噴射弁と、前
   記ノズルを所定のタイミングで開閉して前記ノズルから
   圧縮空気と共に燃料を噴射する開閉弁とを備えた筒内噴
   射式内燃機関において、ピストン頂部に凹溝を形成し、
   少なくとも低負荷時にはピストンの圧縮行程後期に前記
   ノズル口から前記凹溝内に向けて噴射を行うと共に、前
   記燃料噴射弁から圧縮空気通路内に噴射される所要燃料
   量に応じて前記開閉弁の開弁時間を制御し、前記所要燃
   料量の全量がノズル口から噴射されるのと略同時に前記
   開閉弁を閉弁して前記凹溝内に点火栓により着火可能な
   濃度の混合気を形成することを特徴とする筒内噴射式内
   燃機関。