JPS6030416A - 層状給気エンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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番ノ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１ｔｉｌ［４９−６
２８０７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−とじ、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、エンジンの高回転時
については、低回転時と同様に着火装置のまわりに燃料
を偏在させることは困難であって、着火性、燃焼性が低
下して、出力性能、エミッション性能に悪影響を与える
問題がある。

すなわち、層状燃焼においては、低・中負荷時での希薄
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ボ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、エンジンの高回転運転時におい
ては、吸入空気量が多くなってその流速が増大するため
に、特に低負荷時のように燃料供給量が微小なときに、
着火装置のまわりに偏在して供給された燃料の分散が早
く、かつ大きいことから、着火装置による着火時に十分
な成層状態が保持されておらず、成層化が不完全で困難
となり、着火性、燃焼性が低下することになる。

（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、エンジン低回転時での
良好な層状燃焼を確保する一方、高回転時における着火
性、燃焼性を改善して、良好な出力性能、エミッション
性能を得るように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、少なくとも低負荷
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、層状
燃焼領域におけるエンジン回転上昇時には、吸気絞り手
段による吸気通路の開口面積を低回転時よりも小さくし
て、吸入空気量を低減化し空燃比をリッチ化するように
し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、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、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、層状燃焼を行う領域におけるエンジン高回転時に
は、吸気絞り手段によってエンジン低回転時よりも吸入
空気量を減少して空燃比をリッチ化することにより、確
実な着火性、燃焼性を確保し、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６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から構成
される装置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、およびエンジン回転数を検出するエンジン回
転センサー１８゛からの検出信号を受けるとともに、水
温センサー１９からの水温信号等を受け、成層用燃料晴
朗ノズル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
応じて全供給銀が増加づ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ＩＱにおいて、領域工の燃料を第１燃料供給手段
１１から供給し、領域Ｈ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【プる空気過剰率
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、８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−８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８点との間の負荷状態において、オン・オフ的に
切換えるＪ：うにしてもよい。

一方、エンジン回転数と負荷との関係から、第４図に示
すように、前記Ａ点に相当する設定曲線を境界として、
着火袋［８まわり燃料を偏在させる層状燃焼領域Ｆと、
燃焼室１全体に燃料を分散さＵる均一燃焼領域Ｉ］とが
設定されるとともに、均一燃焼領域Ｈの境界（Ａ曲線）
から層状燃焼領域Ｆ側に吸気絞り手段２０によって絞り
弁１４を絞る吸気絞り領域Ｇが設定されている。なお、
エンジン回転数が高い領域では、低負荷域から均一燃焼
を行うように、前記へ曲線は低下して設定されている。

第５図は一定の負荷状態におけるエンジン回転数の変動
に対する絞り弁１４の開度を例示するものであり、第４
図においてへ曲線を越える回転数Ｎ以下の層状燃焼領域
Ｆにおいて、この回転数Ｎ近傍のエンジン回転数が大き
い部分で絞り弁１４が絞られて開口面積小さくなって吸
入空気量を規制し、低回転域では全開状態となるように
設定されている。

なお、上記制御手段１６による負荷に対する吸気絞り手
段２０の制御は、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、例えば、エンジン始動時
、減速時に開度を小さくして吸入空気層減少するように
しているものである。

次に、第６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８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
全体に分散さゼるようにする。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。

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の絞り作動に伴うボ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＾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、ボンピングロスの
低減による燃費性の改善が行える。

さらに、上記Ａ点以下の層状燃焼領域においても、エン
ジン回転数が大きい時には、吸気絞り手段２０により絞
り弁１４を閉じて吸気通路３の開口面積を減少し、吸入
空気量を低減して空燃比をリッチ化し、これにより良好
な着火性、燃焼性を確保している。

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る。

実施例２ この実施例は第７図ないし第１１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７図および第８図に示すエンジンにおいて、２２は燃
焼室１の１次吸気ボート２３に開口した１次吸気通路、
２４は同じく２次吸気ボート２５に開口した２次吸気通
路、２６は排気ボート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ｔま燃焼室１にスワ
ールを形成するスワールポートに設Ｇｆ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に番よスワールコントロールバルブ
３１が介装されて（Ａる。

また、上記１次吸気通路２２には、１次吸気弁２８が１
１１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からの燃料噴射時期、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づることによって出力制御を行い、
その噴射時期のｉ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９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＠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
■燃焼を行うようにするものである。

その際、燃料噴射路りを一定時期とし、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、８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
量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。

この実施例における絞り弁１４の開度の制御釦よ、第１
０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［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、層状燃焼領域Ｆにおける＾回転状態
すなわち前例の第４図における吸気絞り領域Ｇにおいて
は、実線で示した低回転状態の開度より絞り、吸入空気
量を減少させて空燃比のリッチ化を行うものであって、
この回転数に対する絞り弁開度は第１１図に示すように
、回転数が上昇するに伴って絞り、吸気通路３の開口面
積が減少するように制御する。　− 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。

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、層状燃焼領域におけるエンジン回転数の上昇時に
は、吸入空気量の減少による空燃比のリッチ化により、
良好な着火性、燃焼性を得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第６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図はエンジン回転数と負荷の変動に対する層状燃焼
領域と均一燃焼領域と吸気絞り領域の関係を示す特性図
、 第５図は負荷を一定にした場合のエンジン回転数と絞り
弁開度との関係を示す特性図、第６図は負荷に対し第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７図ないし第１１図は本発明の第２の実施
例を示し、 第７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８図は第７図の■−■線に沿う断面図、第９図は負荷
に対する燃料噴射時期制御を示づ特性図、 第１０図は負荷に対する絞り弁の開度制御を示す特性図
、 第１１図は負荷を一定にした場合のエンジン回転数と絞
り弁開度との関係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・・・・・・エンジン回転センサー２０・
・・・・・吸気絞り手段 ３２・・・・・・燃料噴射ノズル ３３・・・・・・燃料供給手段 １１！４　図 エツジ゛ン目中尺款　→ ＠５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （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、吸気通路の間口面積を
   制御する吸気絞り手段とを備え、少なくとも低負荷時に
   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ｇ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、層状燃焼領域において、高回転時の吸気絞り手段に
   よる吸気通路の開口面積が、低回転時の吸気絞り手段に
   よる吸気通路の開口面積より小さくなるように、エンジ
   ン回転数に応じて吸気絞り手段をｕ１作動するようにし
   たことを特徴とする層状給気エンジン。