JPH0639924B2 - 層状給気エンジン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、層状給気エンジンに関するものである。

（従来技術） 従来、一般に使用されている絞り弁付きエンジンにおい
ては、アクセル操作に連動する絞り弁によって吸気通路
を開閉し、燃焼室に供給する混合気量（充填量）を調整
してエンジン出力を制御するようにしている。しかし
て、上記のような絞り弁付きエンジンでは、絞り弁の絞
り作動に伴って大きな吸気負圧が発生し、これによりポ
ンピングロスが生じ燃費性を悪化させる問題がある。

また、通常、燃費性、エミッション性を向上する目的か
らできるだけ希薄な混合気で運転を行おうとすると、着
火可能な混合気の空燃比には限界があり、全体としてこ
れ以上の希薄混合気燃焼を実現することはできない。こ
れに対し、負荷に応じて燃焼室に供給する燃料のうち着
火に必要な燃料だけを着火装置の近傍に偏在させて、こ
の部分のみの空燃比を濃くして着火性を向上した層状燃
焼を行うようにして、全体として希薄燃焼が実現できる
層状給気エンジンが、例えば特開昭４９−６２８０７
号、特開昭４９−１２８１０９号に見られるように公知
である。

しかるに、上記公知の層状給気エンジンにおいては、着
火装置まわりに供給する着火用燃料は負荷に関係なく一
定とし、この着火用燃料の供給と同時に負荷に応じた量
の分散燃料を供給するようにしているものであり、常用
運転領域である低負荷域においては、上記分散燃料の供
給は少なく、着火装置近傍に偏在している着火用燃料以
外の燃焼室全体に分散している燃料の空燃比は、燃焼限
界を越えて非常に薄い状態である。よって、この過薄な
分散燃料は着火燃焼することなくそのまま排出され、燃
費性、エミッション性を低下させることから、このよう
な低負荷時には絞り弁を絞って吸入空気量を減少し、分
散燃料の空燃比を燃焼可能な状態にまで濃くしている。
このように、分散燃料の燃焼を確保するために絞り弁を
必要としていることから、この絞り弁の閉作動による前
記ポンピングロスが依然として大きいものである。

（発明の目的） そこで、本発明は上記事情に鑑み、低負荷域では第１の
燃料供給手段により着火装置のまわりに燃料を偏在させ
て着火性を向上した層状燃焼を行うとともに、高負荷域
では第２の燃料供給手段により燃焼室全体に燃料を分散
した均一燃焼を行うようにし、ポンピングロスを低減し
て燃費性をさらに向上し、しかも、層状燃焼から均一燃
焼に切換えるときの出力低下を改善した層状給気エンジ
ンを提供することを目的とするものである。

すなわち、層状燃焼から均一燃焼に移行する際に、第２
の燃料供給手段による分散燃料の供給開始から実際に燃
焼するまでに遅れが生じたり、また、供給初期において
は、偏在する成層燃料に対して極少量の分散燃料の存在
は、分散燃料が過薄であって燃焼しない恐れがあり、さ
らに、切換え時期の設定誤差等により両者の切換え動作
にずれが発生したりすると、一時的に出力低下が生じる
恐れがあり、本発明はこの点についても改善せんとする
ものである。

（発明の構成） 本発明の層状吸気エンジンは、副室を持たないオープン
チャンバ形状の燃焼室と、燃焼室内に配設された着火装
置と、燃焼室に臨んで配設され上記着火装置まわりに燃
料を成層供給する第１燃料供給手段と、燃焼室内に燃料
を分散供給する第２燃料供給手段と、吸入空気量を規制
するアクセルと非連動の吸気絞り弁と、エンジンの要求
負荷を検出する負荷検出手段と、上記負荷検出手段の信
号を受けて第１の設定負荷と該第１の設定負荷より低負
荷側に設定された第２の設定負荷に応じて前記第１燃料
供給手段、第２燃料供給手段および吸気絞り弁の作動を
制御する制御手段とを備え、該制御手段は、上記第１の
設定負荷より低負荷域では吸気絞り弁を開いて各吸気行
程での吸入空気量を一定とするとともに、第１燃料供給
手段によって負荷の増減に応じた燃料を成層供給して出
力制御を行うとともに、第２の設定負荷より低負荷域で
は第２燃料供給手段による燃料供給を停止して第１燃料
供給手段のみによって燃料を供給する一方、上記第２の
設定負荷以上において第２燃料供給手段からの燃料供給
を開始し、前記第１の設定負荷を越えると上記第１燃料
供給手段からの燃料供給量を減少させて実質的に停止状
態として分散供給に切換え、負荷の増加とともに第２燃
料供給手段による燃料供給量を増加して出力制御を行う
ことを特徴とするものである。

（発明の効果） 第１の設定負荷以下の常用運転領域である低・中負荷域
においては、成層用の第１燃料供給手段によって燃焼室
内の着火装置まわりに負荷に対応した量の燃料を供給し
て層状燃焼を行い、しかも、その燃焼がオープンチャン
バ形状の燃焼室で行われ、ピストンに与える仕事の効率
が良く空燃比がより希薄化でき、さらに、この運転域で
は絞り弁によって吸気通路を絞ることなく吸入空気量を
一定としたことにより、層状燃焼による燃費性向上に加
えて、ポンピングロスの低減を図ってより一層の燃費性
を向上している。一方、第１の設定負荷を越えた運転域
においては、第１燃料供給手段による成層用燃料供給を
減少して実質的に停止状態とするとともに、この第１の
設定負荷より低負荷側に設定された第２の設定負荷以上
で、第２燃料供給手段による分散燃料の供給を開始して
層状燃焼から均一燃焼に切換えるときの設定誤差、燃料
遅れ等に起因する出力低下を改善してスムースな移行を
行い、高負荷域では均一燃焼を行い、しかも、その燃焼
がオープンチャンバ形状の燃焼室で行われ、ピストンに
対して効率良く仕事量に変換され、スモークの発生を伴
うことなく良好な高出力運転を確保することができる。

（実施例） 以下、図面により本発明の実施例を説明する。第１図に
示すエンジンにおいて、１はピストン２の上方に形成さ
れた副室を持たない一般のオープンチャンバ形状の燃焼
室、３は該燃焼室１に吸入空気を導入する吸気通路、４
は燃焼室１から排気ガスを導出する排気通路、５は吸気
弁、６は排気弁、７は排気通路４に介装された触媒装置
をそれぞれ示している。

上記燃焼室１には、点火プラグによる着火装置８が配設
されるとともに、この着火装置８のまわりに燃料を供給
する成層用燃料噴射ノズル９が配設され、この成層用燃
料噴射ノズル９には燃料噴射ポンプ１０が接続されて第
１燃料供給手段１１が構成されている。

一方、上記吸気通路３には、燃焼室１内に燃料を分散供
給する分散用燃料噴射ノズル１２による第２燃料供給手
段１３が介装されるとともに、この分散用燃料噴射ノズ
ル１２の下流には絞り弁１４が配設され、この絞り弁１
４にはその開閉作動を行うアクチュエータ１５（アクセ
ル操作には連動していない）が設けられている。

上記吸気通路３の下流側部分は第２図に示すように、湾
曲形成されて吸入空気を燃焼室１の接線方向から導入
し、燃焼室１内にその周方向に沿ったスワールＳを生成
するスワールポートに形成され、このスワールにより、
第１燃料供給手段１１の成層用燃料噴射ノズル９から供
給された着火装置８にて着火された着火燃料を空気と十
分に混合させるとともに、火炎を燃焼室１全体に伝播さ
せて、噴射燃料全体を十分に燃焼させるものである。

上記第１燃料供給手段１１の燃料噴射ポンプ１０、第２
燃料供給手段１３の分散用燃料噴射ノズル１２および絞
り弁１４のアクチュエータ１５の作動は、制御手段１６
によって制御される。

上記制御手段１６は、エンジンの要求負荷を例えばアク
セルセンサーによって検出する負荷検出手段１７からの
負荷信号を受けるとともに、エンジン回転センサー１８
からのエンジン回転信号、水温センサー１９からの水温
信号等を受け、成層用燃料噴射ノズル９からの燃料噴射
量および燃料噴射時期、分散用燃料噴射ノズル１２から
の燃料噴射量をそれぞれ制御するとともに、絞り弁１４
の閉作動時期を制御するものである。

上記制御手段１６による燃料供給量制御は、負荷検出手
段１７の信号を受け、第１の設定負荷以下の低・中負荷
域における常用運転域では第１燃料供給手段１１による
成層燃料を供給して層状燃焼を行い、負荷の増加に応じ
てその供給量を増加し、第１の設定負荷を越えると成層
燃料の供給量を減少させるものである。一方、第２燃料
供給手段１３による分散燃料は、上記第１の設定負荷よ
り低負荷側に設定された第２の設定負荷以上において第
１燃料供給手段１１による成層燃料が減少する前に供給
を開始し、第１燃料供給手段１１による成層燃料の減少
量を補うとともに、負荷の増加に応じて全供給量が増加
するよう分散用燃料の供給量を増加して層状燃焼から均
一燃焼に移行するものである。その際、各噴射毎の噴射
量、噴射回数はエンジン回転数に対応して設定する。

すなわち、エンジンの負荷に対応した第１燃料供給手段
１１、第２燃料供給手段１３による燃料供給量制御は、
第３図に示すように行う。この第３図は負荷の変動に対
する燃料供給量Ｑの変動を空気過剰率λの変動とともに
示すものであって、前記絞り弁１４は基本的に全開状態
で各吸気行程での吸入空気量は一定であり、負荷の増加
に対し燃料供給量Ｑを増加して空気過剰率λを小さく
し、すなわち空燃比を濃くして出力制御を行うように設
けられている。燃料供給量Ｑにおいて、領域Ｉの燃料を
第１燃料供給手段１１から供給し、領域IIの燃料を第２
燃料供給手段１３から供給するものである。第１燃料供
給手段１１による成層燃料の供給はＡ点の第１設定負荷
以下では負荷の増加に応じて増大する一方、この第１設
定負荷Ａ点を越えると、第１燃料供給手段１１からの燃
料供給を減少し、Ｂ点を越えた高負荷時には、成層用燃
料噴射ノズル９のカーボンによる目詰まり防止と加熱防
止のために少量噴射を継続するが、この状態での燃料供
給量では殆どピストンに対して仕事を与えないものであ
って、実質的には停止状態となっている。

一方、上記第２燃料供給手段１３による分散燃料の供給
は、Ａ点の第１設定負荷より低負荷側に設定されたＣ点
の第２設定負荷以上で供給を開始し、第１設定負荷Ａ点
より負荷が増加すると第１燃料供給手段１１による成層
燃料の供給減少を補うとともに、全体として負荷の増加
に対応して増加した燃料を供給するものである。

上記Ａ点の第１設定負荷は、その時点における空気過剰
率λが均一混合気でも着火可能な着火限界の空気過剰率
λ以下となるような負荷状態に設定され、また、Ｂ点の
負荷は、その時点における空気過剰率λが層状燃焼によ
っては空気利用率が低下してスモークが発生し始める空
気過剰率λ以上となるような負荷状態に設定され、Ｃ点
の第２設定負荷は第２燃料供給手段１３により供給され
た燃料による出力上昇が得られる期間が確保できるだけ
第１設定負荷Ａ点より低負荷側に設定されるものであ
る。

よって、上記Ａ点以下においては、燃料は燃焼室１の着
火装置８まわりに偏在して供給される層状燃焼領域であ
り、Ｂ点以上が燃焼室１全体に燃料が分散して供給され
る均一燃焼領域で、Ａ−Ｂ間が層状燃焼領域から均一燃
焼領域への移行領域である。

なお、第１燃料供給手段１１による成層燃料供給と第２
燃料供給手段１３による分散燃料供給の切換えは、上記
の如く徐々に減少、増大するようにするほか、設定負荷
Ａ点とＢ点との間の負荷状態における第１の設定負荷で
オン・オフ的に切換えるようにしてもよく、この場合で
も、その切換え時点の第１の設定負荷より低負荷側に設
定された第２の設定負荷から、第２燃料供給手段１３に
よる燃料供給を開始するものである。

次に、第４図は負荷変動に対し、第１燃料供給手段１１
による成層燃料の噴射時期（噴射開始時期）と点火時期
を示すものであり、前記Ａ点の第１設定負荷以下の成層
化を行う領域では、噴射時期は圧縮上死点近傍の点火時
期より所定量早い時期に設定され、噴射燃料が着火装置
８まわりに有効に偏在した状態で着火を行う。上記Ａ点
を越えてＢ点の分散化を行う領域に移行するのに従っ
て、噴射時期を進めて早い時期に噴射を行い、第１燃料
供給手段１１から噴射された燃料の偏在を小さくして燃
焼室１全体に分散させるようにする。また、アイドル運
転時のような極低負荷時には燃料噴射時期および点火時
期は若干進めて安定性を向上している。なお、第４図で
は点火時期は負荷変動に対して略一定に設定している
が、これは負荷の増大に応じて点火時期を進めるように
変化させてもよい。

また、制御手段１６による絞り弁１４の開閉制御は、基
本的には絞り弁１４を全開状態としてノンスロットル運
転を行うものである。この絞り弁１４の閉作動時期は、
例えば、エンジン始動時に空燃比をリッチ化して良好な
始動性を得るため、または、水温センサー１９により検
出した水温が設定温度より低い冷機時もしくは触媒装置
７の温度が低いときに吸入空気量を減少して早期に温度
上昇を図るため、および、燃料供給が停止されている減
速時に触媒温度の低下を防止するとともにエンジンブレ
ーキ性能を向上するために、それぞれ絞り弁１４を閉じ
るように制御されるものである。

よって、上記実施例の層状給気エンジンによれば、第１
の設定負荷Ａ点以下の低・中負荷における常用運転領域
では、層状燃焼を行って良好な着火性を得るとともに、
希薄燃焼を可能として燃費性、エミッション性を向上す
ると同時に、この成層領域においては、絞り弁１４を閉
じることなく吸入空気量を一定として、第１燃料供給手
段１１による燃料供給量によって出力制御をを行うよう
にしたことにより、絞り弁１４の絞り作動に伴うポンピ
ングロスを大幅に低減することができ、燃費性がより一
層向上する。

また、上記第１の設定負荷Ａ点を越えた高負荷運転域で
は層状燃焼から均一燃焼に移行して空気利用率を増大し
てスモークの発生を伴うことなく高出力運転を行うもの
であり、その際、第２燃料供給手段１３からの燃料は、
上記第１の設定負荷Ａ点より低負荷側の第２の設定負荷
Ｃ点で供給を開始するようにし、層状燃焼から均一燃焼
への移行時に出力低下が生起するのを防止し、全運転域
において良好な運転性能と、ポンピングロスの低減によ
る燃費性の改善が行える。

なお、前記第２燃料供給手段１３は、分散用燃料噴射ノ
ズル１２による燃料噴射方式に代えて、気化器を使用し
て吸気通路３に分散燃料を供給するようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による層状給気エンジンの概
略構成図、 第２図は燃焼室を模式的に示した平面図、 第３図は負荷に対する燃料供給量の制御を空気過剰率と
ともに示す特性図、 第４図は負荷変動に対し第１燃料供給手段による成層燃
料の噴射時期と点火時期を示す特性図である。 １……燃焼室、３……吸気通路 ８……着火装置 ９……成層用燃料噴射ノズル １０……燃料噴射ポンプ １１……第１燃料供給手段 １２……分散用燃料噴射ノズル １３……第２燃料供給手段 １６……制御手段、１７……負荷検出手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 沖本 晴男 広島県安芸郡府中町新地３番１号 東洋工 業株式会社内 (72)発明者 河野 誠公 広島県安芸郡府中町新地３番１号 東洋工 業株式会社内 (56)参考文献 特開 昭50−140728（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−47924（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】副室を持たないオープンチャンバ形状の燃
   焼室と、燃焼室内に配設された着火装置と、燃焼室に臨
   んで配設され上記着火装置まわりに燃料を成層供給する
   第１燃料供給手段と、燃焼室内に燃料を分散供給する第
   ２燃料供給手段と、吸入空気量を規制するアクセルと非
   連動の吸気絞り弁と、エンジンの要求負荷を検出する負
   荷検出手段と、上記負荷検出手段の信号を受けて第１の
   設定負荷と該第１の設定負荷より低負荷側に設定された
   第２の設定負荷に応じて前記第１燃料供給手段、第２燃
   料供給手段および吸気絞り弁の作動を制御する制御手段
   とを備え、該制御手段は、上記第１の設定負荷より低負
   荷域では吸気絞り弁を開いて各吸気行程での吸入空気量
   を一定とするとともに、第１燃料供給手段によって負荷
   の増減に応じた燃料を成層供給して出力制御を行うとと
   もに、第２の設定負荷より低負荷域では第２燃料供給手
   段による燃料供給を停止して第１燃料供給手段のみによ
   って燃料を供給する一方、上記第２の設定負荷以上にお
   いて第２燃料供給手段からの燃料供給を開始し、前記第
   １の設定負荷を越えると上記第１燃料供給手段からの燃
   料供給量を減少させて実質的に停止状態として分散供給
   に切換え、負荷の増加とともに第２燃料供給手段による
   燃料供給量を増加して出力制御を行うことを特徴とする
   層状給気エンジン。