JPH0486355A - 筒内燃料噴射式内燃機関 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、気筒内に燃料噴射を行なう燃料噴射弁を備え
、軽負荷時には、燃料噴射時期を遅延させて筒内混合気
の成層化を図る筒内燃料噴射式内燃機関に関する。

〔従来の技術〕

一般にエンジンの軽負荷運転時には、燃料供給量が低下
するため形成される混合気が希薄になり点火が困難にな
る。特に２ザイクルエンジンでは軽負荷時に気筒内に残
留する既燃ガス量が増大するためこの傾向が強く、燃焼
室内に噴射した燃料が燃焼室内に一様に分散してしまう
と着火性が悪化して燃焼が不安定になる。一方、逆に高
負荷時には燃料供給量が増大するため、大量に噴射され
る燃料噴霧を燃焼室内に均一に分散させないと燃焼状態
が悪化して高出力が得られない。このような燃料噴射に
対する相反した要求を満足させるために軽負荷時と高負
荷時とで燃料噴射時期を変えるようにしたエンジンがあ
る。この種のエンジンの例としては特表昭６３−５００
３２２号公報に記載されたものがある。同公報に記載の
エンジンでは低負荷低速時には燃料噴射時期を遅延させ
、筒内の空気流動が静定し、かつ点火時までに完全な拡
散が生じないようなタイミングで燃料を噴射することに
より噴射された燃料を燃焼室上部に成層化して点火プラ
グ近傍に濃混合気を形成して着火性の向上を図っている
。また、高負荷、高回転時には燃料噴射時期を上記より
早い通常のタイミングに戻して噴射された燃料が燃焼室
内に均一に拡散する時期を確保している。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記特表昭６３−５００３２２号公報のエンジンのよう
に低負荷領域で燃料噴射時期を遅延させることは燃焼状
態を安定させる上で効果がある。しかし、上記のように
気筒内に直接燃料噴射を行なうエンジンの場合燃料噴射
時期を遅延させることにより以下に説明する問題が生じ
ている。

すなわち、噴射時期を遅延する場合、燃料噴射は気筒の
圧縮行程中に行なわれることになり、噴射時期を遅延す
るほど筒内の圧力が上昇してしまう問題がある。通常、
筒内噴射を行なう場合、噴射された燃料を微粒化するた
めに燃料に高い噴射圧力を加えノズルでの流速を高くす
る必要があるが、筒内圧力が高いと燃料噴射圧力と筒内
圧力との差が小さくなりノズルでの流速が低下してしま
い充分な燃料の微粒化を得ることができなくなる。

これを防止するためには燃料の供給圧力を予め高く設定
して噴射時期を遅延させた場合でも充分な圧力差を得ら
れるようにする必要があり、燃料系統全体の設計圧力を
上げなければならなくなる問題がある。

また、筒内に直接燃料を噴射する場合、微粒化を良好に
するため、燃料を圧縮空気と共に燃料室内に噴射するエ
アブラスト弁を用いることがあるが、エアブラスト弁を
使用した場合に上記燃料噴射時期の遅延を行なおうとす
ると噴射に用いる圧縮空気の圧力を上げなければならず
、圧縮機等圧力空気発生源の消費動力が増大し、燃費が
大幅に悪化してしまう問題が生じている。

本発明は上記問題に鑑み、筒内燃料噴射を行なうエンジ
ンで燃料の供給圧や噴射空気圧を上昇させずに燃料噴射
時期を遅延させることのできる装置を提供することを目
的としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、気筒内に燃料噴射を行なう時期を遅延させる
場合に同時にバルブタイミングを変更することにより燃
料噴射時の筒内圧力を低く抑えたことを特徴としている
。

すなわち、本発明によれば気筒内に燃料噴射を行なう燃
料噴射弁を備え、軽負荷時には中、高負荷時よりも燃料
噴射時期を遅延させる筒内燃料噴射式内燃機関において
、 可変バルブタイミング手段を設け、軽負荷時に、前記燃
料噴射時期遅延とともに、少くとも吸気弁と排気弁のう
ち、気筒圧縮行程時に遅く閉じる方の弁の閉弁時期を遅
延させるようにしたことを特徴とする筒内燃料噴射式内
燃機関が提供される。

〔作　用〕

圧縮行程時に遅く閉じる方の弁の閉弁時期を遅延させる
ことにより実質的な圧縮行程開始が遅れる。従って燃料
噴射時期を遅延させた場合でも同時に上記弁の閉弁時期
遅延操作を行ない圧縮行程の開始時期を遅延させること
により燃料噴射時の筒内圧力を低く維持することができ
る。

〔実施例〕

第１図は本発明を適用する筒内燃料噴射式内燃機関の一
例を示している。図において、１はエンジンであり、本
実施例では、それぞれ独立したカム軸２ａ、２ｂにより
開閉駆動される給気弁と排気弁とを備えた２サイクル機
関が使用されている。

上記カム軸２ａ、２ｂはクランク軸２からチェーン若し
くはベルトにより駆動されるが、それぞれのカム軸２ａ
・２ｂには後述する可変バルブタイミング装置３ａ・３
ｂが設けられており、それぞれのバルブの開閉タイミン
グを変更できるようになっている。

また、本実施例ではエンジン吸気系にはクランク軸２か
ら機械的に駆動されるルーツ型圧縮機から成る過給機４
が備えられており、エンジン吸気は図示しないエアクリ
ーナから吸気管５に入りエアフロメータ６で計量された
後スロットル弁７を通り過給機４で昇圧され、給気弁か
らエンジン燃焼室に入り、燃料噴射弁８から燃焼室内に
噴射された燃料と混合し、図示しない点火プラグにより
着火されて燃焼した後排気弁から排気管９に排出される
。本実施例では燃料噴射弁８は後述するように圧縮空気
と共に燃料を噴射するエアブラスト弁が用いられている
。

また、１０はディジタルコンピュータから成る電子制御
ユニット（以下ＥＣＵという）であり、双方向性バス１
１によって双互に接続されたＲＯＭ（リードオンリメモ
リ）１２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）　１３、
ＣＰＵ　（マイクロプロセッサ）１４、入力ポート１５
、出力ポート１６を具備している。

ＢＣＬＩ　１０の出力ポート１６はそれぞれ駆動回路り
を介して可変バルブタイミング装置３ａ、３ｂ及び燃料
噴射弁８と接続されており、本発明のバルブタイミング
変更と燃料噴射時期遅延の制御を行なっている。また、
この制御のためＥＣＵ　１０の人力ポート１５には吸気
管５のエアフロメータ６がＡ／Ｄ変換器を介して接続さ
れている他、クランク軸２の回転数を検出するエンジン
回転数センサ１９が接続されており、それぞれエンジン
吸入空気量とエンジン回転数とを入力している。

第２図は本実施例で燃料噴射弁８として使用するエアブ
ラスト弁の断面を示す図である。エアブラスト弁８のハ
ウジング２１には気筒燃焼室２０に開口するノズル口２
４が設けられ、ハウジング２１内には該ノズル口を開閉
するニードル２３が延設されている。ニードル２３は付
勢スプリング２７により燃焼室２０から遠ざかる方向に
付勢されニードル２３の先端部の弁体２５がノズル口２
４を閉鎖している。また、ニードル２３の弁体２５と反
対側の端部は可動コア２８に当接しており、ハウジング
２１内にはこの可動コア２８を燃焼室２０の方向に吸引
するソレノイド３０が設けられている。ソレノイド３０
が励磁されると可動コア２８は燃焼室２０に向けて移動
しニードル２３をスプリング２７の付勢力に抗して押動
するためノズル２４が開口するようになっている。

一方ハウジング２１内にはノズル室３２が形成されてい
る。ノズル室３２には燃料注入弁３６の噴射口が開口し
ている他、圧縮空気流入通路３３が設けられ、圧縮機等
の圧縮空気源３４に接続されている。また、ノズル室３
２は圧縮空気流出通路３５を介してノズル口２４に連通
している。

前記ソレノイド３０が消磁されているときはノズル口２
４が閉鎖されているためノズル室３２、圧縮空気通路３
３．３５内は圧縮空気源３４からの圧縮空気で満たされ
ている。燃料注入弁３６からノズル室３２への燃料噴射
はエアブラスト弁８のノズル２４が開口する前のこの状
態で行なわれ、注入弁３６から噴射された燃料は弁体２
５の近傍に集まる他、ノズル室３２や圧縮空気通路３３
・３５の壁面に付着する。次いで燃焼室２０への燃料噴
射時期が来るとソレノイド３０が励磁されノズル口２４
が開口する。ノズル口２４が開口するとハウジング２１
内の圧縮空気がノズル口２４から噴出し、弁体２５近傍
の燃料を燃焼室２０内に噴射すると共に圧縮空気源３４
から圧縮空気通路３３．３５を通ってノズル口２４から
噴出する空気流が通路壁面に付着した燃料を運び去る。

従ってノズル口２４が開口すると、燃料注入弁３６から
注入された燃料の全量が直ちにノズル口２４から圧縮空
気と共に噴射されるため、噴射を短時間で完了できると
共に噴射燃料の良好な微粒化を得ることができる。

第３図は通常運転時、すなわち燃料噴射時期を遅延させ
ない場合のバルブタイミングと燃料噴射時期との関係を
示す図である。図においてＥ、ＯＢ、Ｃは排気弁のそれ
ぞれ開弁、閉弁時期を、１．ＯＩ、Ｃは給気弁の開弁、
閉弁時期を表わし、ＢＤＣ。

ＴＤＣはそれぞれ下死点、上死点である。本実施例では
Ｅ、０．　Ｅ、ＣはそれぞれＢＢＤＣ（下死点）８０度
、ＡＢＤＣ（下死点後）４０度また１、Ｏ，Ｉ、ＣはＢ
ＢＤＣ５０度、ＡＢＤＣ７０度程度にとられている。ま
た図の区間Ｆはエアブラスト弁８内に燃料を注入する。

時期を、区間Ｉはエアブラスト弁を開弁じて燃焼室内に
燃料を噴射する時期を示している。第３図かられかるよ
うに通常時の燃料噴射時期は、排気弁閉弁後に行ない、
噴射された燃料が排気弁から流出するのを防止すると共
に、給気弁から流入する新気に乗って燃焼室内に均一に
拡散する時間を確保している。第３図区間工では、給気
弁が閉弁しておらず実際の圧縮行程（第３図区間Ｃ）が
開始されていないため気筒内に圧力は略給気圧力に等し
くなっており、エアブラスト弁８に供給する圧縮空気の
圧力は３〜５ｋｇ／ｃｎｆＧ程度でも充分に良好な燃料
微粒化を得ることができる。次に軽負荷時に燃料噴射時
期を遅延させる場合について考える。前述のように軽負
荷時には濃混合気を点火プラグ近傍に成層化させるため
噴射燃料が点火前に燃焼室内に拡散しないように、噴射
時期を遅延させるが、区間Ｉの状態から噴射時期を遅延
させた場合（第３図区間ビ）燃料噴射は給気弁が閉弁し
て圧縮行程（区間Ｃ）が開始されてから行なわれるため
噴射時期を遅らせれば遅らせるほど筒内圧力は上昇して
いる。従って区間Ｉの場合と同じ圧縮空気供給圧力では
、燃焼室へ燃料噴射を行なうことができなくなる。従っ
て、第３図区間Ｉ′のように例えば圧縮行程の中間付近
で噴射を行なうためには７〜９ｋｇ／ｃＭＧ程度の高圧
の圧縮空気を用いなければならなくなる。このためには
、燃料供給系統の設計圧力を上げると共に、圧縮機等の
圧縮空気源の吐出圧を大幅に上げる必要が生じ、圧縮機
駆動動力の増大のため燃費が極度に悪化することになる
。

本発明は、バルブタイミングの変更により上記の燃料噴
射時の筒内圧上昇を抑制することを特徴としている。第
４図は、燃料噴射時期を遅延させると共に給、排気弁の
タイミングを遅延させた状態を示している。バルブタイ
ミングは燃料噴射時期と略同量だけ遅延され、給気弁が
燃料噴射完了時近傍で閉弁するようにされる。これによ
り実際の圧縮行程（第４図区間Ｃ’　）の開始が遅れる
ため、燃料噴射時の筒内圧力上昇を押えることが可能と
なり従来と同じ空気圧力で燃料噴射時期を遅延させるこ
とができる。

第４図では給気弁と排気弁双方の開閉タイミングを遅延
させているが、本発明の実施のためには、圧縮行程にお
いて遅く閉じる方の弁の閉弁時期、すなわち本実施例に
おいては給気弁の閉弁時期のみを遅延させるだけで筒内
圧力の上昇を抑制することができる。本実施例では燃料
噴射時期とバルブタイミングとはエンジンが所定の運転
領域に入ったときにそれぞれ一定値（４０度〜５０度程
度）遅延される。第５図は燃料噴射とバルブタイミング
の遅延操作を行なう運転領域を示し、縦軸は機関負荷を
表わすパラメータとしてエンジン１回転当りの吸入空気
量（Ｑ／Ｎ）　、横軸は機関回転数（Ｎ）で表示されて
おり、図の領域■が遅延操作を行なう領域である。

次に、上述のバルブタイミング遅延を行なう可変バルブ
タイミング装置３ａ、３ｂについて説明する。本実施例
では、可変バルブタイミング装置３ａ・３ｂとしては特
開昭５８−１３５３１０号公報に記載されたものを使用
し、カム軸２ａ・２ｂのクランく軸に対する回転の位相
を変化させてバルブタイミングを変更しているが、可変
バルブタイミング装置としては別の形式のものも使用可
能である。

以下第６図から第８図を用いて特開昭５８−１３５３１
．０号公報の可変バルブタイミング装置について説明す
る。第６図は可変バルブタイミング装置の構造を示す断
面で、本実施例においては給、排気弁のそれぞれに本可
変バルブタイミング装置を設けている。図において２０
１はカム軸駆動用のタイミングギヤで、図示しないベル
トによりクランク軸から回転駆動されている。又２０２
はカム軸で吸気弁又は排気弁を駆動しており、タイミン
グギヤ２０１とカム軸２０２とはそれぞれアウタスリー
ブ２０３とインナスリーブ２０４とに固定されている。

アウタスリーブ２０３と２０４とは互いに相対回転可能
に取付けられていて、それぞれのスリーブの外周には第
７図に示すように軸対称の位置に１対のスリブ）　２０
５．２０５Ｂと２０６．２０６８とが穿設されている。

アウタスリーブ上のスリット２０５どインナスリ−ブ上
のスリット２０６とは第８図に示すようにカム軸２０２
の軸線方向に対して互いに反対方向に傾斜して穿設され
、スリット２０５と２０６との交叉部分には互いに独立
して回転できるローラベアリング２０７と２０８とがそ
れぞれスリット２０５と２０６の内壁の一方に接触する
ように設けられている。ここで第８図に示したものと軸
対称の位置にあるスリット２０５Ｂと２０６Ｂの内壁に
も同様にローラベアリング２０７Ｂと２０８Ｂとが接し
ているが、接触している内壁は２０５．２０６とは第８
図とは反対になっている。

従ってローラベアリング２０７．　２０８及び２０７Ｂ
、　　２０８Ｂを同時にカム軸の軸線方向に前後移動さ
せることによりバックラッシュを生じずにアウタスリー
ブ２０３とインナスリーブ２０４とを相対的に回転させ
ることができる。前述のようにアウタスリーブ２０３は
タイミングギア２旧に、又インナスリーブ２０４はカム
軸２０２にそれぞれ一体に固定されているため上記アウ
タスリーブ２０３とインナスリーフ２０４との相対回転
によりタイミングギヤ２０１とカム軸２０２との位相が
変化することによりバルブ開閉タイミングのクランク軸
に対する位相角を変えることができる。

次に上記ローラベアリング２０７（Ｂ）と２０８（Ｂ）
とをカム軸の軸線方向に沿って移動させる機構について
説明する。第６図と第７図とに示すように、ローラベア
リング２０７（Ｂ）　、　２０８（Ｂ）は、スライダ２
０９の直径部貫通孔２１０に挿通支持されたベアリング
軸２１１に回転自在に支持されており、スライダ２０９
は軸方向には移動可能だが回転方向には固定された非回
転の駆動スリーブ２１２にベアリング２１３を介して回
転自在に支持されている。ベアリング２１３はそのアウ
タレースとインナレースがそれぞれスライダ２０９と駆
動スリーブ２１２とに固定されている。このため駆動ス
リーブ２１２が非回転のまま軸方向に移動するとスライ
ダ２０９、ベアリング軸２１１はアウタスリーブ２０３
、インナスリーブ２０４と共にスライダ２０９の周囲に
回転自在に保持されたまま軸方向に移動することができ
る。

また、上記駆動スリーブ内面には螺条が設けられており
、ハウジング２１４に固定されたステップモータ２１５
の出力軸２１６の螺条と螺合している。駆動スリーブ２
１２はハウジングに設けた軸方向スプライン２１７によ
り回転に対して固定されているためステップモータによ
り出力軸２１６を回転させると駆動スリーブ２１２は軸
方向に移動する。すなわちステップモータ２１５を回転
させることによりスライダ２０９とローラベアリング２
０７（Ｂ）　、　２０８（Ｂ）がステップモータ２１５
の回転に応じた距離だけ軸方向に移動し、アウタスリー
ブ２０３とインナスリーブ２０４を相対回転させカム軸
２０２のクランク軸に対する位相を変更することができ
る。なお、上述の説明から明らかなように本実施例では
バルブの開弁時期と閉弁時期とは同時に同じ位相だけ変
化し、開弁期間は一定に保たれる。

第９図は、ＢＣｔｌ　１０の燃料噴射とバルブタイミン
グの制御動作を示すフローチャートである。この制御動
作はＥＣＵ　１０のメインルーチンの一部として実行さ
れるが、一定時間毎又はエンジン回転毎の割込みルーチ
ンとして実行するようにしても良い。

図でステップ１００はエンジン吸入空気量Ｑとエンジン
回転数Ｎとの入力を示す。ここでＱは第１図のエアフロ
メータ６から、またＮは回転数センサ１９からＥＣ［Ｉ
　１０に入力される。

またステップ１１０は遅延操作の要否を判定するステッ
プで、上記により入力したＱ、ＮからＱ／Ｎを計算し、
第５図の領域Ｉに運転条件が入っているか否かを判定す
る。遅延操作が不要である場合、すなわちステップ１１
０で運転領域が第５図の領域Ｉにないと判定された場合
はステップ１２０とステップ１３０でバルブタイミング
θと燃料噴射時期φとが通常のタイミング（第３図のタ
イミング）に設定される。

またステップ１１０で遅延操作が必要とされた場合はス
テップ１４０、ステップ１５０でバルブタイミングθと
燃料噴射時期φが通常のタイミングに対してそれぞれα
（本実施例ではα；４０〜５０度）だけ遅角設定され、
ステップ１６０で上記により設定したタイミングθ、φ
をそれぞれ可変バルブタイミング装置３ａ、３ｂと、燃
料噴射弁８の駆動回路に出力して遅延操作を実行する。

上記実施例においては２サイクルエンジンについてのみ
説明したが、本発明は４ザイクルエンジンについても適
用可能であることは上述の説明から明らかである。

なお、上述のようにバルブタイミングを遅延させること
により、２サイクルエンジンでは、気筒内の残留既燃ガ
スが減少して掃気効率の向上により燃焼が改善される効
果が得られ、また４サイクルエンジンにおいては有効気
筒容積の低下によりポンピング損失が低減される効果が
得られる。

〔発明の効果〕

本発明は、筒内燃料噴射内燃機関において、軽負荷時に
燃料噴射時期を遅延させて燃焼状態を安定させる際に、
同時にバルブタイミングを遅延させて筒内圧力の上昇を
押えるようにしたことにより、燃料供給圧力や燃料噴射
用空気圧力を上昇させることなく噴射時期の遅延操作を
可能としている。このため燃料系統の設計圧力を上げる
必要がなくなる他、噴射用空気圧力上昇による圧縮機駆
動損失の低減による燃費向上が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用するエンジンの実施例を示す図、
第２図は第１図の実施例に使用する燃料噴射弁の断面図
、第３図と第４図はバルブタイミングと燃料噴射時期の
関係を示す図、第５図はバルブタイミングの遅延操作を
行なう運転領域を示す図、第６図から第８図は第１図の
実施例で使用する可変バルブタイミング装置の構造を説
明する図、第９図は燃料噴射時期とバルブタイミングの
制御動作を示すフローチャートである。 ２ａ、　２ｂ・・・カムシャフト、 ３ａ、３ｂ・・・可変バルブタイミング装置、６・・・
エアフロメータ、 ８・・・燃料噴射弁（エアブラスト弁）、１０・・・Ｅ
ＣＵ。 １９・・・エンジン回転数センサ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．気筒内に燃料噴射を行なう燃料噴射弁を備え、軽負
   荷時には中、高負荷時よりも燃料噴射時期を遅延させる
   筒内燃料噴射式内燃機関において、可変バルブタイミン
   グ手段を設け、軽負荷時に、前記燃料噴射時期遅延とと
   もに、少くとも吸気弁と排気弁のうち、気筒圧縮行程時
   に遅く閉じる方の弁の閉弁時期を遅延させるようにした
   ことを特徴とする筒内燃料噴射式内燃機関。