JPH0658067B2 - 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、低負荷時には着火装置
まわりに偏在した燃料の比率が大きく層状燃焼を行う一
方、高負荷時においては分散して供給される燃料の比率
が多くなって均一燃焼を行うことになる。

しかして、上記のように負荷の上昇に応じて層状燃焼か
ら均一燃焼への移行を行う際に、燃料が着火装置のまわ
りに偏在している層状燃焼においては、この着火装置に
よって着火された成層燃料を空気と十分に混合させると
ともに、火炎を燃焼室全体に伝播させて供給燃料全体を
十分に燃焼させるためには、燃焼室に導入する吸気にス
ワールを生成する必要がある。一方、燃料が分散供給さ
れている均一燃焼の場合には、吸入空気量が増大してい
ることにより、そのスワールが強くなり、このような強
いスワールの生成は、かえって燃焼速度の異常上昇に基
づく燃焼騒音、ノッキングの発生を招くとともに、スワ
ールの生成そのものが吸気抵抗となって吸気効率が低減
し、出力損失をもたらす問題を有する。

さらに、前記層状燃焼においても、低負荷時には燃料噴
射量も少なく、この少ない燃料噴射に対し非常に強いス
ワールの生成は、燃料の成層化を不安定として着火性を
低下させる恐れがある。

（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、低負荷時には強いスワ
ールの生成による確実な層状燃焼を確保する一方、高負
荷時における騒音の発生、出力損失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、燃焼室内の着火装置まわ
りに燃料を供給する燃料供給手段を備え、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、燃焼室に導
入された吸気にスワールを与えるとともに、そのスワー
ル強さを制御し、前記均一燃焼時には層状燃焼時に比し
てスワールを弱くするとともに、層状燃焼時でも負荷の
増加に応じて徐々にスワール比が大きくなるようにした
スワール制御手段を吸気通路に設け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するとともに強い
スワールの生成により確実な層状燃焼を行い、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燃料を分散供給するとともに
スワールを弱くして均一燃焼を行い、スモーク、燃焼騒
音の発生を伴うことなく吸気抵抗を軽減し、吸気効率を
向上して良好な高出力運転を確保することができる。

さらに、層状燃焼時において、負荷の増加に応じて徐々
にスワール比が大きくなるように制御することにより、
層状燃焼でも負荷の大きい領域では強いスワールの生成
で確実な燃料の成層化を得るとともに、燃料噴射量が特
に少なくなる低負荷側でのスワールをこれより弱くして
燃料の成層化を安定させて、それぞれの領域で着火性を
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の開口面積を制御する。

さらに、上記吸気通路３の下流側部分には第２図にも示
すように、回動自在なスワール調整プレート１６が介装
され、このスワール調整プレート１６には開閉動作を行
うアクチュエータ１７が接続されて、燃焼室１内に導入
する吸気にその周方向に沿ったスワールＳを付与すると
ともに、そのスワール強さを制御するスワール制御手段
１８が構成されている。すなわち、上記スワール調整プ
レート１６が閉作動して第２図の状態にあるときには、
吸入空気はこのスワール調整プレート１６によって絞ら
れてその流速が向上するとともに、燃焼室１の接線方向
から導入し、燃焼室１内に強いスワールを生成するもの
であり、スワール調整プレート１６が開いた状態では、
吸入空気には旋回方向の力は与えられず、スワールは生
成されなくなる。

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、絞り弁
１４のアクチュエータ１５、およびスワール制御手段１
８のアクチュエータ１７の作動は、制御手段１９によっ
て制御される。

上記制御手段１９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２０からの
負荷信号、エンジン回転センサー２１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１
４の閉作動時期、およびスワール調整プレート１６の開
度を制御するものである。

上記制御手段１９による負荷に対応した燃料供給量制御
は、負荷検出手段２０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１
３による分散燃料の供給は停止し、第１燃料供給手段１
１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いおいて、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料室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。

一方、制御手段１９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
転を行い、エンジン始動時もしくは減速時のような極低
負荷時またはエンジン冷機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、制御手段１９によるスワール強さの制御すなわち
スワール制御手段１８のスワール調整プレート１６の開
度制御は、第５図に実線で示すように、前記設定負荷Ａ
点以下の低負荷時にはスワール調整プレート１６を所定
開度に閉作動して吸気流速を高めてスワール比を大き
く、すなわちスワールを強くし、Ｂ点以上となると全開
状態に開作動して吸気流速を低下させてスワール比を小
さくし、殆どスワールは生成されないものである。この
スワール比は、エンジン回転数に対するスワール回転数
の比であり、スワール強さをあらわす。

さらに、設定負荷Ａ点以下においては、負荷が低下する
のに従ってスワール比が小さくなるように、スワール調
整プレート１６の開度を徐々に開くように制御するもの
である。これは低負荷時には燃料噴射量も少なく、この
少ない燃料噴射に対し非常に強いスワールの生成は、燃
料の成層化を不安定として着火性を低下させる恐れがあ
るので、低負荷時にはスワールが弱くなるようにしてい
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、
強いスワールの生成に伴う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、その際、スワールを弱くして燃焼速度の異常上昇に
基づく燃焼騒音、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しており、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。

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、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の
作動で吸入空気量が規制される。また、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
このスワールコントロールバルブ３１には、前例と同様
のアクチュエータ（図示せず）が連係されてスワールの
強さを制御するスワール制御手段１８が構成されてい
る。

すなわち、上記スワールコントロールバルブ３１が全閉
状態にあるときには１次吸気通路２２によってのみ吸気
が供給されて強いスワールを生成する一方、スワールコ
ントロールバルブ３１が開作動すると、２次吸気通路２
４からも吸気が供給され、１次吸気通路２２を通る吸入
空気量の低減に伴いスワールが弱くなるものである。

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、絞り弁１４およびスワール制御
手段１８のスワールコントロールバルブ３１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、絞り弁１４の開度お
よびスワールコントロールバルブ３１の開度、開閉時期
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。

上記層状燃焼と均一燃焼との切換えに対し、２次吸気通
路２４に介装されているスワール制御手段１８のスワー
ルコントロールバルブ３１は、前例の第５図と同様の制
御を行うものであり、基本的には設定負荷Ａ点以下では
閉じて開度を小さくし強いスワールを生成するととも
に、負荷に応じて低負荷になるほどスワール比が小さく
なるように制御した成層燃焼を行う一方、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
を弱くした均一燃焼を行い、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。また、エンジ
ン冷機時には鎖線で示す如き絞り弁開度として暖機性を
向上する。

よって、この実施例においても、低負荷時には強いスワ
ールの生成に伴う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、高負荷時にはスワールの弱い均一
燃焼によってスモーク、騒音、出力損失の発生を伴うこ
となく高出力運転を行うことができる。

【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スワール比を示す特性図、 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 １６……スワール調整プレート １７……アクチュエータ １８……スワール制御手段 １９……制御手段、２０……負荷検出手段 ３１……スワールコントロールバルブ 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 徳島 孝成 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 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 実開 昭56−117060（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭55−54526（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭57−50924（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】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、燃焼室に導入された吸気にスワールを与えるとと
   もに、そのスワール強さを制御し、前記均一燃焼時には
   層状燃焼時に比してスワールを弱くするとともに、層状
   燃焼時でも負荷の増大に伴ってエンジン回転数に対する
   スワール回転数の比であらわされるスワール比を大きく
   するように制御するスワール制御手段を吸気通路に設け
   たことを特徴とする層状給気エンジン。