JPH06221249A

JPH06221249A - エンジンの燃料噴射装置

Info

Publication number: JPH06221249A
Application number: JP1431793A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Kuji; 洋一久慈; Akira Kageyama; 明陰山; Shigeru Sakurai; 茂桜井; Shizou Kariyama; 四三刈山
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1993-01-29
Filing date: 1993-01-29
Publication date: 1994-08-09

Abstract

(57)【要約】【目的】エンジンの軽負荷域での成層化による燃費向
上と、高負荷域での混合気の均一化による出力向上とを
図ることを可能にする。【構成】１つの燃焼室内に設けた２本のインジェクタ
７、８のうち、一方のインジェクタ７の噴霧角を他方の
インジェクタ８の噴霧角に比較し広角に設定すると共
に、その狭角側インジェクタ８を広角側インジェクタ７
に比較して点火プラグ９に近付けて配置し、狭角側イン
ジェクタ８は少なくとも軽負荷域で、広角側インジェク
タ７は高負荷域で使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、１つの燃焼室内に２本
のインジェクタを備える筒内燃料噴射式エンジン、特に
その燃料噴射装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、エンジンの燃料噴射装置は、１
気筒当たり１本のインジェクタで、運転領域の全域を賄
うシステムが殆どである。

【０００３】しかし、アイドリング時等の燃料噴射量の
少ない低回転軽負荷域から燃料噴射量の多い高回転高負
荷域までを、全て１本のインジェクタで適正に賄うこと
は、本質的に困難である。何故なら、その噴射量のダイ
ナミックレンジ、即ち噴射できる下限と上限の比率がか
なり限られているからである。

【０００４】また、インジェクタの噴射角は、高負荷で
の燃料の分散性に合わせてやや広角にセットしている
が、かかる設定は、高負荷出力性能には適するものの、
軽負荷で混合気成層化を狙おうとした時には燃料が拡散
し過ぎてしまって不適当である。また小噴射量にインジ
ェクタをセットすると、大きな流量を得ることが難しく
なる。通常、噴射アークや噴射タイミングを変えて噴射
期間を延ばしてやることである程度の対応は可能である
が、どうしても上記ダイナミックレンジの限界から逃れ
ることができない。

【０００５】ところで、低負荷域の改善については、従
来、スワールを利用するＤＩＳＣ（直噴成層化）エンジ
ンにおいて、２本のインジェクタを用いることが知られ
ている（実開昭６２−９３１６４号公報）。これは、図
８、９に示すように、点火プラグ２７を備えた燃焼室２
２ａ内に、主燃料噴射ノズル２５の他に点火用燃料噴射
ノズル２６を設けて、点火用燃料噴射ノズル２６から点
火に必要最低限の燃料を点火プラグ２７の電極２９に向
けて噴射供給（噴霧ｆ）することによって、低負荷時の
供給燃料の少いときにあっても、点火プラグ２７の電極
部周りは空燃比が適度に濃厚な混合気が存在するように
して、その着火性を確実にしたものである。尚、２１は
シリンダ、２２はピストンヘッド、２３はシリンダヘッ
ド、３０ａ、３０ｂは燃料供給管、３１、３２、３３は
燃料噴射ポンプ、Ｓはスワールを示す。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の図８、
図９の燃料噴射装置の場合、付加された点火用燃料噴射
ノズルは点火に必要な最低限の燃料の噴霧を担当するの
みであり、高負荷域で必要な大きな流量の確保に積極的
に寄与しない等、あくまで主燃料噴射ノズルを主体とし
た直噴式の燃料噴射装置となっている。このため、その
ダイナミックレンジの制約を受け、低回転軽負荷域から
高回転高負荷域までに亘って良好な燃料噴射を得るこ
と、特に高回転高負荷運転において短時間で燃料噴射が
完了する大きな流量を得ることが難しく、インジェクタ
が１本増えた割には十分な燃焼安定性と出力トルクとが
得られない。

【０００７】本発明は上記課題に鑑みてなされたもの
で、その目的とするとするところは、インジェクタを２
本とすることで、直噴式のダイナミックレンジの制約を
逃れ、軽負荷域での成層化による燃費向上と、高負荷域
での混合気の均一化による出力向上とを図り得るエンジ
ンの燃料噴射装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の燃料噴射装置は、１つの燃焼室内に２本の
インジェクタを備える筒内燃料噴射式エンジンにおい
て、一方のインジェクタの噴霧角を他方のインジェクタ
の噴霧角に比較し広角に設定すると共に、上記他方のイ
ンジェクタは少なくとも軽負荷域で、上記一方のインジ
ェクタは高負荷域で使用するように構成したものである
（請求項１）。この場合、上記他方のインジェクタは上
記一方のインジェクタに比較し、点火プラグに近付けて
配置する（請求項２）。

【０００９】スワール生成手段を備えるエンジンの場合
には、上記各インジュクタはスワール流に対し点火プラ
グ上流に備えられる（請求項３）。本発明を適用可能な
エンジンの形態としてはユニフロ式２サイクルエンジン
がある（請求項４）。

【００１０】

【作用】本発明においては、１本のインジェクタで間に
合わない噴射量を、もう１本のインジェクタで補うこと
を前提とする。この場合、２本が同時に同じような噴霧
で吹いてしまうと、噴霧同士がかなり重合し合って粒径
が大きくなってしまうポイントが生ずる。そこで、噴霧
角に制約をもたせるべく、１本のインジェクタと他の１
本のインジェクタの噴射角度を変えておき、トータルで
制御する。

【００１１】請求項１では、一方のインジェクタの噴霧
角を他方のインジェクタの噴霧角に比較し広角に設定す
ると共に、上記他方のインジェクタ（狭角側）は少なく
とも軽負荷域で、上記一方のインジェクタ（広角側）は
高負荷域で使用する。その理由は、軽負荷域の場合、一
部の空気にうまく混合できれば良く、狭角のノズルで余
り噴霧を拡散させない状態で、燃料供給するのが良いか
らである。また、高負荷の場合は、広角のインジェクタ
で広角に吹いて多くの空気と接触させてやり、蒸発させ
てやることが必要だからである。

【００１２】請求項２では、上記他方のインジェクタ
（狭角側）を上記一方のインジェクタ（広角側）に比較
して点火プラグに近付けて配置する。狭角側インジェク
タは主として軽負荷域で使われるが、この狭角側インジ
ェクタを広角側に対して点火プラグに近付けることによ
り、点火プラグ回りに燃料の濃混合気を配置する成層化
が実現し易くなり、燃焼安定性の向上が図れ、高ダイリ
ューション化とリーンリミットの拡大が可能となり、燃
費及びＮＯｘ低減に効果を発揮することが見込める。逆
に、広角側インジェクタは点火プラグに対して遠くに位
置することになるが、高回転・高負荷のところ、つまり
時間に対するクランク角が極めて短くて噴霧の微粒化が
時間的に困難となる領域では、早いうちから空気と接触
させて点火プラグに到達するまでの距離的・時間的余裕
を持たせることを意味する。従って、高負荷時は、筒内
全体での燃料の分散性を高め、空気利用率を高レベルに
確保し、高いトルクが実現し易くなる。

【００１３】請求項３の如く、スワール生成手段を備え
ている場合には、スワールに向って（沿って）燃料が流
れて行くので、スワールに対して上流に各インジュクタ
を配置する。尚、通常のレシプロエンジンではインジェ
クタを上部に２本持って来るのは難しいのであるが、請
求項４の如くユニフロ式２サイクルエンジンではこれが
容易である。

【００１４】

【実施例】以下、本発明を図示の実施例に基づいて説明
する。

【００１５】図１〜図２は、ユニフロ式２サイクルエン
ジンへの適用例を示すものであり、シリンダ１の外周に
掃気ポート２を有し、シリンダヘッド３に図３に示す排
気ポート４（排気弁５）を有する。即ち、ピストン６が
掃気ポート２から吸気して上から掃気するタイプのエン
ジンであり、普通のレシプロエンジンのように上側に吸
気バルブは存在しないため、上部に他の要素を配置する
ことが比較的容易となっている。

【００１６】この比較的配置自由度のある上部、即ちシ
リンダヘッド３に区画形成された燃焼室３ａ内には、２
本のインジェクタ７、８と、点火プラグ９とが設けられ
ている。図１中、区間Ｄは掃気工程を示しており、排気
弁５はこの間にオーバラップして、即ち若干先行して開
く。従って、インジェクタ７、８の噴射の開始時期は、
噴霧のもともとのインジェクタの微粒化特性によって変
わって来るが、排気弁が閉じるタイミングより後のでき
るだけ遅いタイミングにとる。

【００１７】ここで、まず高回転高負荷域を基準とし
て、燃焼の望ましい混合気の形成状態を考えてみると、
空気を上手に利用してその利用率高めるという見地から
は、かなり広角に噴霧し、空気とより多く接触させるこ
とが大切である。従って、ある程度の噴霧角をもたなけ
ればならない。しかも、かなり早いタイミングで吹いて
おかないと、混合が間に合わない。一方、必要噴射量を
２本のインジェクタ７、８の使用により賄うが、インジ
ェクタ７、８が同時に同じような噴霧で吹いてしまう
と、噴霧同士がかなり重合し合って粒径が大きくなって
しまうポイントを生ずるため、噴霧角に制約をもたせな
ければいけない。

【００１８】かかる考えの下に、各インジェクタ７、８
の噴射角度を相互に異らせ、トータルで噴射を最良に制
御する。即ち、一方のインジェクタ７は広角噴射用、他
方のインジェクタ８は狭角噴射用であり、一方のインジ
ェクタ７の噴霧角は他方のインジェクタ８の噴霧角に比
較し広角に設定される。具体的には、広角噴射用インジ
ェクタ７は、図４に示すように、外開弁構造をニードル
１１とボディ１２の合わせ面で、ニードル１１側がボデ
ィ１２側よりも若干突出した形状にすることで構成され
る。この構造の場合、長時間運転すると、噴霧１３の変
化は噴霧角が拡大する方向になる。ニードル１１にカー
ボンデポジットが付くためである。他方、挟角噴射用イ
ンジェクタ８は、図５に示すように、外開弁構造を、ニ
ードル１１とボディ１２の合わせ面でボディ１２側が若
干外に出た形状にする。後者の構造の場合、カーボンデ
ポジットは主にボディ１１に付くため、噴霧１３の時間
的変化は、噴射用インジェクタ７とは逆に、噴霧角が縮
小する傾向になる。

【００１９】そして、図２に示すように、上記他方の挟
角噴射用インジェクタ８を、一方の広角噴射用インジェ
クタ７に比較し、点火プラグ９に近付けて配設し、挟角
噴射用インジェクタ８は少なくとも軽負荷域で、広角噴
射用インジェクタ７は高負荷域で使用する。

【００２０】ここで、２本のインジェクタの相対的位置
関係で見て、広角噴射用インジェクタ７が点火プラグ９
から遠くに位置する理由は、高負荷時において、筒内全
体での燃料の分散性を高め、空気利用率を高レベルに確
保し、高いトルクを実現し易くするためである。また、
挟角噴射用インジェクタ８の方が点火プラグ９により近
い理由は、特に低回転軽負荷時において点火プラグ９近
傍に濃混合気を配置する成層化を実現し易くし、以て燃
焼安定性の向上を図り、高ダイリューション化とリーン
リミットの拡大を可能とし、燃費及びＮＯｘ低減に効果
を発揮させるためである。

【００２１】即ち、高負荷の場合は、広角噴射用インジ
ェクタ７で噴霧してやって、早いタイミングから筒内に
混合させてやり、次いで、それをアシストするように、
少し遅れたタイミングで、スワールがあるとしたらスワ
ールに対して下流に、向けて挟角噴射用インジェクタ８
から噴霧してやる。これにより１本のみでは不足した高
負荷時の流量が挟角噴射用インジェクタ８で適切に補わ
れることになる。

【００２２】次に、アイドリング時の如き軽負荷の場合
は、２本のインジェクタ７、８のうち、いずれか１本を
休止することになるが、広角噴射用インジェクタ７を休
止する方がよい結果を得る。即ち、軽負荷では筒内の全
部の空気を使う必要がなく、一部の空気を使えば良いの
で、狭いノズルで余り噴霧を拡散させない状態で、点火
プラグ９の近傍に濃混合気を供給する方が、着火性を向
上できるからである。

【００２３】このように広角噴射用インジェクタ７と狭
角噴射用インジェクタ８を組合せ、運転する領域に応じ
て使い分ける。

【００２４】図６に、運転領域に応じて噴射方法を切り
替える制御例を示す。図中、ａは低回転低負荷域、ｂは
低回転高負荷域、ｃは高回転低負荷域、ｄは高回転高負
荷域であり、インジェクタ７、８の２本のうち、低回転
低負荷域ａでは挟角噴射用インジェクタ８を使用し、低
回転高負荷域ｂ及び高回転低負荷域ｃでは広角噴射用イ
ンジェクタ７のみ又は２本を併用し、高回転高負荷域ｄ
では２本を併用する。

【００２５】（１）低回転時、低負荷領域ａ（挟角噴射
用インジェクタ８を使用）から高負荷域ｂ又はｃ（広角
インジェクタのみ又は併用領域）へ移行する際には、ア
クセル開度が大きくなり加速要求を検知した時に、広角
インジェクタ７のみ又は併用領域の制御を開始し、広角
噴射用インジェクタ７の噴射量割合を漸次増加させ、１
００％負荷時は噴射量の殆どを広角噴射用インジェクタ
８で賄う。

【００２６】（２）低回転から高回転への切り替え時、
低負荷領域ａから又は低回転高負荷域ｂから高回転高負
荷域ｄ（２本併用領域）へ移行する際には、回転数増加
に伴い混合気形成時間不足から失火（不完全燃焼）を検
出する時点で切り替える。高回転領域における領域ｃ
は、ドライバビリティと排出エミッションから任意に決
定する。

【００２７】上記の構成により、低回転低負荷時には点
火プラグ近傍に濃混合気を配置する成層化が実現し易く
なり、燃焼安定性の向上が図れ、高ダイリューション化
とリーンリミットの拡大が可能となり、燃費及びＮＯｘ
低減に効果を発揮することが見込める。また高負荷時
は、筒内全体での燃料の分散性を高め、空気利用率を高
レベルに確保し、高いトルクが実現し易くなる。

【００２８】図７は、他の実施例として、スワール生成
手段を備えた燃焼室の場合のインジェクタ７、８の配置
例を示したものである。即ち、スワール流１４に対し
て、広角噴射用インジェクタ（Ｂ）７及び挟角噴射用イ
ンジェクタ（Ａ）８を点火プラグ９の上流に設置する。
また両インジェクタ７、８の相対的位置関係は、スワー
ル流１４に対して、広角噴射用インジェクタ（Ｂ）７を
上流、挟角噴射用インジェクタ（Ａ）８を下流に設置す
る。そして、噴射開始タイミングは、インジェクタ
（Ｂ）より（Ａ）を先行させる。

【００２９】このように燃焼室の中を回りながら掃気さ
れて行くスワール流がある場合は、例えばインジェクタ
が（Ａ）の位置で吹く場合と（Ｂ）の位置で吹く場合と
で、スワールに対して燃料の局在する位置が刻々と変わ
って来る。

【００３０】高回転・高負荷のところになると、噴霧の
微粒化・気化に要する時間に対してクランク角速度が極
めて早くなるので、早期に空気と接触させて混合気から
プラグに到達するまでの距離的・時間的余裕をとってお
く必要がある。一方、低回転の低負荷あたりで吹くもの
は、ミキシング時間、つまり筒内に噴射してから着火ま
での時間があるので、距離を短くしてやれば、丁度よい
タイミングで、点火プラグ９付近に混合気が集ってくれ
ることになる。要するに、上記インジェクタ７、８のス
ワール流に沿った上流・下流間の距離は、この時間差を
距離に置換えたものである。

【００３１】このようにスワール流１４に対してインジ
ェクタ７、８を配置し、低回転低負荷で使う場合は点火
プラグ９に近い側から、高回転高負荷では遠い側から吹
いてやることにより、点火するタイミングでは、狭角噴
射用インジェクタ８が点火プラグ９の近傍に少しリッチ
目の混合気を作ってやることができ、広角噴射用インジ
ェクタ７のものもそこそこ必要程度に点火プラグ９に集
って来る。

【００３２】上記構成によれば、点火する際に、特に低
回転の軽負荷領域においては、狭角のインジェクタ８に
よって形成された少し濃い目の混合気が点火プラグ９の
回りに集中して来る。また、高負荷時には、広角のイン
ジェクタ７で一様に混ざった均一混合気がかなり広い範
囲の多くの空気を利用して配置することができる。つま
り低速軽負荷域では部分成層ができて、安定した燃焼が
できる。高速高負荷域では、均一混合を狙って、多くの
空気をできるだけ利用できるようになり高出力が得られ
る。

【００３３】上記実施例において、２本を使用する場
合、実際には若干噴射タイミングをずらせて使用するの
が好ましい。即ち、広角噴射用インジェクタを先に吹い
て筒内の均一化を図り、点火する少し前に狭角用インジ
ェクタを吹いてやり、点火プラグ周りのものを燃すよう
にするのである。理由は、噴霧同士が重なると、噴霧粒
子自体は反発し合ったりはしないので、噴霧の重合が生
じてその粒径がどうしても大きくなる。そうすると、特
に高回転側では噴射から着火までの時間が短いので、そ
の短い時間内に大きな粒径の噴霧を十分に気化させるの
は困難になるので、なるべく干渉しないようにする。

【００３４】上記実施例では、２サイクルエンジンの筒
内燃料噴射装置として説明したが、本発明は４サイクル
エンジンにも適用できるものである。

【００３５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、次
のような優れた効果が得られる。（１）請求項１によれば、軽負荷域の場合に狭角のノズ
ルで余り噴霧を拡散させない状態で燃料供給することが
でき、また、高負荷の場合は、広角のインジェクタで広
角に吹いて多くの空気と接触させることができる。（２）請求項２によれば、狭角側インジェクタを広角側
に対して点火プラグに近付けることにより、軽負荷域で
点火プラグ回りに燃料の濃混合気を配置する成層化が実
現し易くなり、燃焼安定性の向上が図れ、高ダイリュー
ション化とリーンリミットの拡大が可能となり、燃費及
びＮＯｘ低減に効果を発揮することが見込める。また、
広角側インジェクタは逆に点火プラグに対して遠くに位
置することになり、高回転・高負荷という噴霧の微粒
化。気化が時間的に困難な領域では、早いうちから空気
と接触させて点火プラグに到達するまでの距離的・時間
的余裕を持たせているため、高負荷時で筒内全体での燃
料の分散性を高め、空気利用率を高レベルに確保し、高
いトルクが実現し易くなる。（３）上記効果は、スワール生成手段を備え、スワール
に対して上流に各インジュクタを配置する請求項３の構
成の下でも同様に得られるものである。（４）また、上記作用効果を奏する構成は、特に、請求
項４の如くユニフロ式２サイクルエンジンで容易とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るユニフロ式２サイクル
エンジンの燃焼室部分を示すもので図７のＢ矢示方向の
縦断面図である。

【図２】図１のＡ矢示方向から見た図である。

【図３】燃焼室を示す概略断面図である。

【図４】広角噴射用インジェクタを示す図である。

【図５】狭角噴射用インジェクタを示す図である。

【図６】運転領域に応じて使用するインジェクタを変え
る切替制御例を示す図である。

【図７】スワール生成手段を有する場合の配置例を示し
た図である。

【図８】従来の燃料噴射装置を示す断面図である。

【図９】従来の燃料噴射装置を示す燃焼室の平面図であ
る。

【符号の説明】

１シリンダ２掃気ポート３シリンダヘッド４排気ポート５排気弁６ピストン７広角噴射用インジェクタ８挟角噴射用インジェクタ９点火プラグ１１ニードル１２ボディ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｆ０２Ｐ 13/00 ３０３Ａ (72)発明者刈山四三広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１つの燃焼室内に２本のインジェクタを
備える筒内燃料噴射式エンジンにおいて、一方のインジ
ェクタの噴霧角を他方のインジェクタの噴霧角に比較し
広角に設定すると共に、上記他方のインジェクタは少な
くとも軽負荷域で、上記一方のインジェクタは高負荷域
で使用するように構成したことを特徴とするエンジンの
燃料噴射装置。
【請求項２】上記他方のインジェクタを上記一方のイ
ンジェクタに比較し点火プラグに近付けて配置したこと
を特徴とする請求項１記載のエンジンの燃料噴射装置。
【請求項３】上記エンジンがスワール生成手段を備
え、上記各インジュクタはスワール流に対し点火プラグ
上流に備わっていることを特徴とする請求項１又は２記
載のエンジンの燃料噴射装置。
【請求項４】上記エンジンはユニフロ式２サイクルエ
ンジンであることを特徴とする請求項１、２又は３記載
のエンジンの燃料噴射装置。