JPH0639928B2 - 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、エンジン冷機時につい
てもエンジン暖機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、排気温度が低い
ことから、暖機性、排気浄化性能に問題がある。

すなわち、層状燃焼においては、希薄燃焼の実現によっ
て燃費性を向上するとともに、絞り弁の開度を大きくし
てポンピングロスの低減を図るようにしているものであ
るが、吸入空気量が多くなって冷却性が増大するために
排気温度が低下する。この層状燃焼をエンジンの冷機時
においても行っていると、エンジン温度が暖機温度にま
で上昇するのに長時間を要するとともに、排気系に設け
た触媒装置の温度が低く触媒が活性化せず反応温度に達
しないことから、十分な浄化性能が得られず、エミッシ
ョン性が低下する問題を有する。

（発明の目的） そこで、本発明は上記事情に鑑み、少なくとも低負荷時
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、エンジン冷機時におけ
る、暖機性、排気浄化性能を改善した層状吸気エンジン
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、吸気
通路の開口面積を制御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
ンジン冷機時には、低負荷時に同一エンジン負荷におい
てエンジン暖機時よりも吸気絞り手段により吸気通路の
開口面積を減少する一方、前記燃料供給手段により燃料
を燃焼室内に分散供給して均一燃焼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、希薄燃焼によって燃費性を向上する一
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、エンジン冷機時には吸気絞り手段によってエンジ
ン暖機時よりも吸入空気量を減少して空燃比をリッチ化
し、多量な吸入空気による冷却を抑制するとともに、燃
料供給手段により燃焼室内に分散燃料を供給して均一燃
焼を行い、排気温度を上昇して早期に暖機状態を確保
し、触媒温度を上昇してその活性化を図り、良好な排気
浄化性能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）が設けられて吸気通路
３の開口面積を制御して吸入空気量を規制する吸気絞り
手段２０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２０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、およびエンジン冷機時を例えば冷却水温度に
よって検出する水温センサー１８からの検出信号を受け
るとともに、エンジン回転センサー１９からのエンジン
回転信号等を受け、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は、水温センサー１８の検出信号に応
じ、冷却水温度が設定値以下のエンジン冷機時には吸気
絞り手段２０を作動して絞り弁１４を閉じ、吸入空気量
を減少するとともに、第２燃料供給手段１３によって所
定量の分散燃料を供給するものである。

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点の設置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。

なお、エンジン冷機時において、上記第２燃料供給手段
１３による分散燃料の供給を行う代りに、第１燃料供給
手段１１による燃料噴射時期を、上記高負荷時と同様に
進角させることにより、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、その後の燃焼室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
焼を得るようにしてもよい。

また、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。

一方、制御手段１６による吸気絞り手段２０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、エ
ンジン始動時もしくはアイドル時のような極低負荷時に
は開度を小さくして吸入空気量を減少するものである。

また、エンジン冷機時には、第５図中に鎖線で示すよう
に、低・中負荷域において広範囲に絞るものであり、負
荷が低下するほど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
するものである。

その他、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、絞り弁１４を閉じるように制御するものであ
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、エンジン冷機時には、燃焼室全体に燃料を分散
供給する第２燃料供給手段１３により燃料を供給する
か、第１燃料供給手段１１による燃料噴射時間を進角し
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２０により絞り弁１
４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、これにより良好な暖機性を確保している。

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気空気と
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、エンジン冷機時には、第２
燃料供給手段１３によって燃料を供給するか、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１
３と同様に進角して均一燃焼を得るものである。

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２０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２０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
層燃料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、エンジン冷機時には、第８図中に鎖線で示すよ
うに、低負荷時においても噴射時期（開始時期）を大き
く進角して早くし、吸気行程初期からの燃料供給に伴う
燃料の分散化によって均一燃焼化を図り、噴射量の増加
は噴射始めを一定とし負荷の増大に応じて噴射終りを遅
らせることによって行っている。

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の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制御するとともに、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、エンジン冷機時においては、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。

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、エンジン冷機時には、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、良好な暖機性を得るものであり、早期に温度
上昇を図り、触媒の活性化を行う。

なお、この実施例における暖機後の噴射時期の制御は、
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。

さらに、上記両実施例において、冷却水温すなわちエン
ジン冷機状態の程度に応じて、吸気絞り手段２０による
吸入空気量の減少量、もしくは噴射時期の進角等による
均一化傾向度合を変更調整するようにしてもよく、温度
が上昇するのに伴って吸入空気量を増加させるととも
に、層状燃焼に戻すものである。

【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……水温センサー、２０……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、燃焼室内へ燃料を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、吸気通路の開口面積を
   制御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
   ン冷機時には、低負荷時に同一エンジン負荷においてエ
   ンジン暖機時よりも吸気絞り手段により吸気通路の開口
   面積を減少する一方、前記燃料供給手段により燃料を燃
   焼室内に分散供給して均一燃焼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。