JPH0639926B2 - 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） 従来より、エンジンの燃費性、エミッション性を改善す
る目的から、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。

上記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、エンジン始動時につい
ても低負荷時と同様に着火装置のまわりに偏在した燃料
を主体とした層状燃焼を行うと、始動性に問題がある。
すなわち、始動時においては、燃焼室全体にリッチな燃
料が分散した状態が良好な始動性が得られるものであ
る。

（発明の目的） そこで、本発明は上記事情に鑑み、低負荷時では着火装
置のまわりに燃料を偏在して供給した層状燃焼を行うと
ともに、高負荷域では燃焼室全体に燃料を分散して供給
した均一燃焼を行うようにして、良好な層状燃焼と均一
燃焼を得るとともに、始動性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。

（発明の構成） 本発明の層状給気エンジンは、副室を持たないオープン
チャンバ形状の燃焼室と、燃焼室内へ燃料を噴射供給す
る燃料供給手段と、燃焼室内に配設された着火装置と、
アイドル時に開かれその閉作動によって吸入空気量を規
制する吸気絞り手段とを備え、低負荷時には燃料供給手
段から着火装置のまわりに偏在して燃料を供給し着火す
ることにより層状燃焼を行う一方、高負荷時には燃焼室
内に分散して燃料を供給し着火することにより均一燃焼
を行うようにしたものであって、エンジン始動時には、
前記吸気絞り手段によりアイドル時より吸入空気量を減
少する一方、前記燃料供給手段による燃料噴射時期を進
角し吸気行程から圧縮行程の初期までに燃料噴射を完了
するように制御する制御手段を備えたことを特徴とする
ものである。

（発明の効果） 低負荷域においては、燃料供給手段によって燃焼室内の
着火装置まわりに偏在して燃料を噴射供給して層状燃焼
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、少なくともアイドル時に
は吸気絞り手段によって吸気を開いてポンピングロスを
低減するとともに、希薄燃焼によって燃費性、エミッシ
ョン性を向上する一方、高負荷運転域においては、燃料
供給手段によって供給した燃料を分散して均一燃焼を行
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。

また、エンジン始動時には吸気絞り手段によって吸入空
気量を減少して空燃比をリッチ化するとともに、燃料供
給手段による燃料噴射時期を進角することによって分散
燃料を供給して均一燃焼を行い、その始動性を改善し良
好な始動性、暖機性を得ることができる。

（実施例） 以下、図面により本発明の実施態様を詳細に説明する。

実施例１ この実施例は第１図ないし第５図に示し、燃料供給手段
を、成層用の第１燃料供給手段と分散用の第２燃料供給
手段とにより構成した例を示すものである。

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が介装されている。さらに、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１４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）が設けられて吸入空気
量を規制する吸気絞り手段２１が構成されている。

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および吸
気絞り手段２１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、およびエンジン始動時を例えばスタータスイ
ッチの作動によって検出する始動センサー１８からの始
動検出信号を受けるとともに、エンジン回転センサー１
９からのエンジン回転信号、水温センサー２０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１
４の閉作動時期を制御するものである 上記制御手段１６は、エンジン始動時には、この始動時
を検出する始動センサー１８の検出信号に応じ、吸気絞
り手段２１を作動して絞り弁１４を閉じて最小開度と
し、吸入空器量を減少するとともに、第１燃料供給手段
１１による燃料噴射時期を早い時期に進角し、吸気行程
から圧縮行程の初期までに燃料噴射を完了することで供
給した燃料を分散させるものである。

また、この制御手段１６による負荷に対応した燃料供給
量制御は、負荷検出手段１７の信号を受け、設定負荷以
下の低・中負荷域における常用運転域では第２燃料供給
手段１３による分散燃料の供給は停止し、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、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、上記設定負荷
近傍の負荷以上において供給を開始し、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な分散用燃料の供
給量を増加して層状燃料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。

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点の設定負荷以上で供給を開始し、これより負荷が
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２燃料供給手段１３による分散燃料の供給開始
時期は、第１燃料供給手段１１による成層燃料の供給を
減少させる設定負荷Ａ点と一致させることなく、このＡ
点近傍の相前後した負荷状態で供給を開始するようにす
ればよい。

また、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いて、オン・オフ的に
切換えるようにしてもよい。

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。

さらに、エンジン始動時における第１燃料供給手段１１
による燃料噴射時期は、上記高負荷時と同様に進角させ
るものであり、吸気行程から圧縮行程初期までの早い時
期に噴射を完了し、その後燃焼室１内の吸入空気の流れ
によって燃料が分散するようにして、均一燃焼を得る。

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による吸気絞り手段２１の絞り弁１
４の開閉制御は、第５図に示すように、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い、前
記の如くエンジン始動時に開度を小さくして吸入空気量
を減少することにより、空気過剰率を小さくし空燃比を
リッチにする他、水温センサー２０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
低いときに絞り弁１４の開度を小さくして吸入空気量を
減少し早期に温度上昇を図るものであり、また、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、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、全領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。

さらに、エンジン始動時には、第１燃料供給手段１１に
よる燃料噴射時期を進角して、燃焼室１内に供給した燃
料が分散するようにして均一燃焼を行うとともに、吸気
絞り手段２１により絞り弁１４を閉じて吸入空気量を減
少して分散燃料の空燃比をリッチ化し、これにより良好
な始動性を確保している。

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。

また、上記実施例では第２燃料供給手段１３の分散用燃
料噴射ノズル１２は吸気通路３の途中に介装するように
しているが、この第２燃料供給手段１３の分散用燃料噴
射ノズル１２を第１燃料供給手段１１の成層用燃料噴射
ノズル９と同様に燃焼室１内に開口するように配設して
もよく、その場合、この第２燃料供給手段１３により燃
焼室１に直接供給する分散燃料の噴射時期は、上記第１
燃料供給手段１１による燃料噴射時期より早く、吸気行
程から圧縮行程初期の間に噴射を完了するように設定
し、第２燃料供給手段１３による供給燃料が吸入空気と
の混合によって燃焼室１内に均一分散するようにして、
均一燃焼を得るものであり、エンジン始動時には第１燃
料供給手段１１による燃料噴射時期を第２燃料供給手段
１３と同様に進角するものである。

実施例２ この実施例は第６図ないし第９図に示し、燃料供給手段
を吸気通路に設けた１つの燃料噴射ノズルにて構成した
例である。

第６図および第７図に示すエンジンにおいて、２２は燃
焼室１の１次吸気ポート２３に開口した１次吸気通路、
２４は同じく２次吸気ポート２５に開口した２次吸気通
路、２６は排気ポート２７に開口した排気通路、２８は
１次吸気弁、２９は２次吸気弁、３０は排気弁、８は点
火プラグによる着火装置をそれぞれ示している。

上記１次吸気通路２２の下流側部分は燃焼室１にスワー
ルを形成するスワールポートに設けられるとともに、上
流側は２次吸気通路２４と合流し、絞り弁１４による吸
気絞り手段２１の作動で吸入空気量が規制され、上記２
次吸気通路２４にはスワールコントロールバルブ３１が
介装されている。

また、上記１次吸気通路２２には、１次吸気弁２８が開
作動したときに、弁隙間から燃焼室１内の着火装置８近
傍に向けて燃料を噴射する燃料噴射ノズル３２が配設さ
れて燃料供給手段３３が構成されている。

上記燃料供給手段３３および吸気絞り手段２１は、前例
と同様の制御手段（図示せず）によって、燃料噴射ノズ
ル３２からの燃料噴射量、噴射時期および絞り弁１４の
開度が制御される。燃料供給手段３３は、負荷に応じて
燃料供給量を増加することによって出力制御を行い、そ
の噴射時期の制御によって層状燃焼と均一燃焼との切換
えを行うようにしている。

すなわち、燃料噴射時期は、第８図に示すように行うも
のであって、Ｓは噴射開始時期を、Ｅは噴射終り時期を
それぞれ示している。実施例１の第３図におけるＡ点に
相当する設定負荷以下の成層領域における燃料噴射時期
は、吸気行程の終期において１次吸気通路２２が閉じる
直前の遅い時期に噴射して燃料が１次吸気弁２８の開弁
隙間から燃焼室１内に流入し、着火装置８のまわりに偏
在するように供給し、圧縮行程においてピストン２が上
昇したときにも、燃料を燃焼室１の上部に偏在させて成
層燃焼を行うようにするものである。その際、燃料噴射
終りを一定時期とし、噴射始めを早くし、負荷の増大に
応じて噴射量を増加するようにしている。

また、Ａ点の設定負荷を越えると、噴射時期を大きく進
角して早くし、Ｂ点を越えた高負荷時には噴射終りを一
定にして、噴射始めを進角して負荷の増大に応じて噴射
時間を増加するものであって、吸気行程初期からの燃料
供給により、燃焼室１内に流入した燃料は吸入空気の流
れによって燃焼室１全体に分散し、均一燃焼を行うもの
である。

さらに、エンジン始動時には、上記燃料噴射時期は高負
荷時と同等に大きく進角し、吸気行程の早い時期に燃料
を噴射し、燃焼室１内に燃料を分散化する。

なお、２次吸気通路２４に介装されているスワールコン
トロールバルブ３１は、前記設定点Ａから開いて２次吸
気通路２４からも吸入空気を供給し、１次吸気通路２２
により供給される吸入空気をスワールの強さが過大にな
るのを阻止し、燃焼速度の異常上昇にもとづく燃焼騒
音、ノッキングの発生を抑制するとともに、吸気抵抗を
軽減して吸気効率を向上するものである。

この実施例における絞り弁１４の開度の制御は、第９図
に示すように行う。本例では成層領域における燃料の成
層化が、前例のものに比べて着火装置８まわりへの偏在
割合が少なくなって低下するため、絞り弁１４は吸入空
気量を低減するように絞る必要があるが、鎖線で示す如
き従来の気化器方式エンジンのように混合気充填量で出
力制御を行うものに比べて、その絞り開度は小さく、ポ
ンピングロスの低減が行えるものである。

この絞り弁開度は、エンジン始動時においては、鎖線で
示す開度程度にまで絞り、吸入空気量を減少させて空燃
比のリッチ化を行う。また、エンジン冷機時には鎖線で
示す如き絞り弁開度とする。

よって、この実施例においても、低負荷時には層状燃焼
による希薄燃焼を行って燃費性、エミッション性の向上
を図る一方、高負荷時には均一燃焼によってスモークの
発生を伴うことなく高出力運転を行うことができる。

また、エンジン始動時には、吸入空気量の減少による空
燃比のリッチ化と、噴射時期の進角による燃料の分散化
とにより、良好な始動性を得るものである。

なお、この実施例における噴射時期の制御は、第８図に
示す如く噴射終りを一定（基準）にして噴射始めを進角
して負荷に応じて噴射量を増加するのに代えて、噴射開
始時期を一定（基準）にして噴射終りを負荷の変動に応
じて進角するようにしてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第５図は本発明の第１の実施例を示し、 第１図は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、 第５図は負荷変動に対する絞り弁の開度を示す特性図、 第６図ないし第９図は本発明の第２の実施例を示し、 第６図は層状吸気エンジンにおけるシリンダヘッドを一
部断面にして示す底面図、 第７図は第６図のVII-VII線に沿う断面図、 第８図は負荷に対する燃料噴射時期制御を示す特性図、 第９図は負荷に対する絞り弁の開度制御を示す特性図で
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 １４……絞り弁、１５……アクチュエータ １６……制御手段、１７……負荷検出手段 １８……始動センサー、２１……吸気絞り手段 ３２……燃料噴射ノズル ３３……燃料供給手段

───────────────────────────────────────────────────── 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) 特開 昭57−51929（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、燃焼室内へ燃料を噴射供給する燃料供給手段
   と、燃焼室内に配設された着火装置と、アイドル時に開
   かれその閉作動によって吸入空気量を規制する吸気絞り
   手段とを備え、低負荷時には燃料供給手段から着火装置
   のまわりに偏在して燃料を供給し着火することにより層
   状燃焼を行う一方、高負荷時には燃焼室内に分散して燃
   料を供給し着火することにより均一燃焼を行うようにし
   た層状給気エンジンであって、エンジン始動時には、前
   記吸気絞り手段によりアイドル時より吸入空気量を減少
   する一方、前記燃料供給手段による燃料噴射時期を進角
   し吸気行程から圧縮行程の初期までに燃料噴射を完了す
   るように制御する制御手段を備えたことを特徴とする層
   状給気エンジン。