JPS62253918A - 成層燃焼式エンジン - 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） 本発明はエンジン、就中成層燃焼式エンジンに関するも
のである。

（従来技術） 従来よりエンジンにおいては、スロットルバルブの廃止
によるボンピングロスの低減効果と、燃焼室内へ燃料を
直接噴射する直噴方式の採用との相乗効果により、低燃
費化と低ＮＯｘ化を実現しようとする試みが行なわれて
いる。

ところが、このようにスロットルバルブを廃止した場合
には、エンジンの負荷状態の如何にかかわらず常に条虫
の空気が燃焼室内に導入されるため、特に燃料噴射量の
少ないエンジンの低負荷運転領域においては空気過剰率
が大きく、噴射燃料を筒内の空気全体と混合させたので
は混合気の空燃比がオーバリーンとなり着火不良等の不
具合をきたすことになる。このため、低負荷運転領域に
おいては、噴射燃料を燃焼室内に導入された空気の一用
＜　４’＞　　Ｊ＋　　Ｕイト六　＋−１−ｆ　’ｆ、
々砂欠り隆慎ｚｕ１ピ　呂内代−り７７　Ｎ　号会空燃
比に近いａ度をらつ混合気層を形成し、この混合気層の
部分を着火燃焼させるいわゆる成層燃焼が不可欠な条件
となる。

このような背景から、特開昭５８−８５３１．９号公報
に開示される如く、インジェクターを吸気通路中に設け
、吸気弁の閉じる直前にインジェクターから燃焼室内に
向けて燃料を噴射して該燃焼室内の上部に濃混合気層を
形成し、もって成層燃焼を実現しようとしたエンジンが
提案されている。

しかしながら、この方法では、燃焼室内の全域において
ほぼ均一な流れ特性を有する空気層の一部分に燃料を噴
射することにより混合気濃度の異なる２つの層を形成す
るものであり、しかも燃料噴射が吸気弁の閉じる直前に
行なわれるため、例え圧縮行程の初期には燃焼室内の上
部に濃混合気層が良好状態に形成されていたとしても、
圧縮行程の終期付近においてはピストンの上動に伴う燃
焼室内の空気の乱れにより上記濃混合気層が減衰あるい
は破壊され、このため、成層燃焼を企図したにもかかわ
らず実質的に成層燃焼は行なわれないというような事態
が想定される。

このため、上述の如くスロットルバルブの廃止と直噴方
式の採用とにより低燃費化及び低ＮＯｘ化が実現できる
ということが理論上説明されているにしかかわらず、そ
の具体的な成功例が見当たらないのが現状である。

また、成層燃焼は直接燃焼に寄与する空気層と燃焼に寄
与しない過剰空気層とが層を接して存在しているため、
過気過１１率が特に大きい場合とか空気流動が強い場合
には熱損失が大きくなり、燃焼温度の低下により燃焼安
定性が損なわれることになるため、燃焼温度の適正推持
を図る必要がある。このことは成層燃焼か必要な低負荷
運転時に特に要求されるものである。

（発明の目的） 本発明は上記従来技術の項で指摘した問題点を解決しよ
うとするもので、空気を絞らずに燃焼室内に導入し、さ
らに該燃焼室内に複数の空気層を成層形成するようにし
た成層燃焼式エンジンにおいて、燃焼室内における空気
層の成層化をより確実ならしめるとともに燃焼温度を適
正に維持しもって高水準の成層燃焼の実現することを目
的としてなされたらのである。

（目的を達成するための手段） 本発明のｌｉ＆ｆｆ燃焼式エンジンは上記の目的を達成
するたの手段として、燃焼室内の外周部にスワール流を
発生させ得る如（空気を供給する主吸気通路と、上記燃
焼室の中央部に上記スワール流とは流れ方向の鶏なる空
気流を発生させ得る如く空気を供給する副吸気通路とを
備え、さらに少なくともエンジンの低負荷運転領域にお
いては上記主吸気通路と副吸気通路の両方から吸気導入
を行なわしめて上記燃焼室の外周部に上記主吸気通路を
介して導入された空気による第１の空気層を、燃焼室の
中央部に上記副吸気通路を介して導入された空気による
第２の空気層をそれぞれ）［ニ成さ仕得る如くした吸気
制御手段と、上記主吸気通路中にＥ（、Ｒガスを供給す
るようにしたＥＧＲガス供給給するようにした燃料供給
手段とを備えたものである。

（作　用） 本考案では上記の手段により、 （１）　　吸気行程において燃焼室内に形成される第１
の空気層と第２の空気層はその流れ特性が異なるもので
あるためその成層状態の維持が容易である、 （２）直接燃焼に寄与する第２の空気層を包む第１の空
気層にＥＧＲガスを供給することにより上記第２の空気
層の温度が高められ、上記のように比較的良好な成層状
態が維持されしかも層温度が高められた第２の空気層中
へ向けて燃料が供給されるから燃焼室内における燃焼温
度が高く、成層燃焼が効果的且つ安定的に達成されるこ
とになる。

（実施例） 以下、第１図ないし第５図を参照して本発明の好適な実
施例を説明する。

第１図及び第２図には本発明の実施例に係る自動車用多
気筒成層燃焼式エンジンが示されており、各図において
符号ｌはシリンダブロック、２はシリンダヘッド、３は
燃焼室、４はピストンである。

シリンダヘッド２には、吸気弁６によって開閉される２
つの吸気通路、即ち、後述する主吸気通路１１と副吸気
通路１２と、排気弁７によって開閉される排気通路１５
かそれぞれ形成されている。

主吸気通路１１は、スワール流を発生させることを意図
してへりカルボート式とされており、その燃焼室３に開
口する主吸気ボートＩ３の近傍部分は略渦巻状に形成さ
れている。従って、該主吸気通路ｔｉから主吸気ボート
１３を介して上記燃焼室３内に導入される空気は第１図
及び第２図においてそれぞれ矢印Ａ、で示す如く該燃焼
室３の外周部に沿うスワール流とされる。尚、この主吸
気通路１１の通路面積は、エンジンの高負荷運転時にお
ける必要空気量を該主吸気通路１１のみで賄い得るよう
な大きさに設定されている。

副吸気通路１２は、上記主吸気通路１１よりも小さな通
路ｉ１ｉ’ｉ積を有しており、その燃焼室３に開口する
副吸気ボート１４は上記主吸気通路１１内の上記主吸気
ボート１３の近傍位置において、しから該主吸気ボー１
−１３を通して燃焼室３の中心部を臨み得るようにして
開口形成されている。従って、この副吸気通路１２から
その副吸気ボート１４を通して燃焼室３内に導入される
空気は、第１図及び第２図においてそれぞれ矢印Ａ、で
示す如くほぼピストン４の軸方向に沿う空気流を現出す
る。

一方、上記主吸気通路１１と副吸気通路１２の外端部は
、それぞれ後述する吸気マニホールド５に接続されてい
る。

吸気マニホールド５は、第１図ないし第３図に示す如く
気筒列設方向に延びる合流通路部３０を有している。こ
の合流通路部３０は、その内部にしかし長手方向に延設
形成した隔壁によってその下部に位置する第１の通路部
３３と上部に位置する第２の通路部３４の上下二通路に
区画形成されている。さらにこの第１の通路部３３と第
２の通路部３４のうち、第１の通路部３３には、エンジ
ンの各気筒の各主吸気通路１１に接続される主吸気分通
路３１．３１・・が、また第２の通路部３４には各気筒
の各副吸気通路１２に接続される副吸気分通路３２．３
２・・がそれぞれ一体的に連設形成されている。従って
、吸気マニホールド５の上流端部５ａ（第３図参照）か
ら合流通路部３０内に導入されろ空気は二手に分流され
、その一部は第１の通路部３３から各主吸気分通路３１
．３１・・を介してエンノンの各気筒の各主吸気通路１
１．１１・・側に吸入され、他の一部は第２の通路部３
４から各副吸気分通路３２．３２・・を介してエンジン
の各気筒の各主吸気通路１１．１１・・側に吸入されろ
。

さらに、この各主吸気分通路３１．３１・・と各副吸気
分通路３２．３２・・には、それぞれ主吸気制御弁２１
と副吸気制御弁２２が設けられている。この主吸気制御
弁２１と副吸気制御弁２２Ｌ−１−それＰわ価匍ｌ！８
苦９７からの制御信号を受は動される。尚、この主吸気
制御弁２１及び副吸気制御弁２２の具体的な制御方法に
ついては後に詳述する。

又、この吸気マニホールド５を含む吸気系にはスロット
ルバルブは設けられておらず、従って、空気は主吸気制
御弁２１あるいは副吸気制御弁２２が開弁じている場合
には、ピストン４の下動に伴う吸入負荷により燃焼室３
内に自由に導入される。

一方、上記吸気マニホールド５の合流通路部３０の第１
の通路部３３とエンジンの排気管１７との間は、本発明
を適用して、その途中にＥＧ［１バルブ１９を備えたＥ
ＧＲ通路１８により接続されており、該Ｅ　Ｇ　Ｒパル
プ１９の開閉制御により必要に応じて上記吸気マニホー
ルド５の第１の通路部３３側に［ＥＧ［’ｔガスＧを供
給できろ上うになっている。尚、このＥＧＲバルブ１９
乙上記主吸気制御弁２【及び副吸気制御弁２２と同様に
後述する制御装置２７によってその作動が制御されろも
のる。

制御装置１２７は、エンジン回転数、負荷、大気温（吸
気温）、水温及び吸気圧力を受けて、上記主吸気制御弁
２１と副吸気制御弁２２及びＥＧＲバルブ１９の開閉作
動制御あるいは燃料制御（噴射量及び噴射タイミングの
設定）をする如く作用する。そして、この実施例におい
ては上記主吸気制御弁２１と副吸気制御弁２２及びＥＧ
Ｒバルブ１９の作動をそれぞれ次のように制御するよう
している。

（ａ：主吸気制御ｊｐ２１の制御） 主吸気制御弁２１は、エンジンの燃焼室３内におけるス
ワール流の必要の宵無に応じて制御されるものであって
、風体的には、エンジン始動時、即ち、着火性向上の観
点からスワール発生の必要のない運転状態においては全
閉保持され、それ以外の運転領域、即ち、スワール流に
より燃焼性の改善を図る必要のある領域においては全開
保持される。

（ｂ＝副吸気制御弁２２の制御） 副吸気制御弁２２は、混合気の着火・燃焼性が悪化ずろ
ため特に成層燃焼の実現が要求される運転領域において
は全開保持されそれにより成層燃焼の実現に寄与するが
、それ以外の運転領域においては全閉保持される。具体
的には第４図に示す如くエンジン回転数とエンジン負荷
及びエンジン温度の３つの要素に基づいて制御されるも
のであり、この実施例においてはエンジンの温間時にお
いては、第４図において領域Ｉで示す如くアイドル運転
域を含む低負荷領域において上記副吸気制御弁２２を全
開保持し、それ以外の運転領域ではこれを全開とする。

これに対して、エンジンの冷間時には温間時よりら一層
混合気の着火性か悪くなるため、第４図において領域Ｉ
で示す運転領域にさらに領域■を加えたより高回転側の
運転領域まで副吸気制御弁２２を全開保持し、これ以外
の運転領域ではこれを全閉保持するようにしている。

（ＥＧｒｔバルブ１９の制御） ＥＧｒｔガスを主吸気通路１１側へ供給する趣旨は、成
層燃焼が行われる場合、燃焼に寄与しない空気層（この
実施例においては第１の空気層５１）の温度を高温のＥ
ＧＦｔガスを混入させることで上昇させ、もってその内
側に存在する第２の空気層部分において行われる燃焼の
燃焼温度を高めることにある。

このため、ＥＧｒｔバルブ１９は、上記副吸気制御弁２
２とほぼ同様の制御形態でらって制御される。即ち、始
動時以外の通常運転時でしかもエンジンの温感時には第
４図において領域ｌで示す運転領域において開弁され、
それ以外の運転領域では閉弁される。またエンジンの冷
間時には第・１図において領域ｌで示す運転領域と領域
■で示す運転領域の両方で開弁され、それ以外の運転領
域では閉弁される。尚、始動時には後述する如く成層燃
焼を行わないため、ＥＧＲバルブ１９は閉弁保持される
。

さらに、ＥＧｒｔバルブ１９の開度、即ちＥＧＲガスｍ
の制御であるが、これは、エンジンの負荷空気層に常時
はぼ均一な熱量を付与するという要請から、第５図に示
すようにエンジン負荷が高くなるに従って、ＥＧＲガス
量を減らすように制御するようにしている。

尚、第１図及び第２図において符号８はインジェクター
であって、上記燃焼室３の中心部に向けて燃料を噴射し
得る如く傾斜配置されている。さらに符号９は点火プラ
グであって、この点火プラグ９は上記インジェクター８
に対して上記スワール流（矢印Ａ、）の下流側に位置す
るようにして配置されている。

又、インジェクター８の作動タイミングは、ピストン４
の匡縮上死点付近において燃料噴射が行なわれろように
予め設定されている。

（Ｉ：作動ｆｆ１２びにその作用） 続いて、このエンジンの作動並びにその作用をｆｔｉ単
に説明する。

（ａ：エンジン始動時） エンジン始動時には、上述の如（主吸気制御井た、この
運転状態は上記領域Ｉに含まれているため副吸気制御弁
２２は全開保持される。このため、この場合における吸
気導入は、副吸気通路Ｉ２側からのみ行なわれ、主吸気
通路ＩＩ側からは空気らＥＧＲガスら導入されず、燃焼
室３内にはスワール流は発生しない。従って、スワール
流による火炎核の吹き消し現象も発生せず、良好な着火
性能即ち、始動性が確保される。

（ｂ＋エンジンの通常運転） この場合には、主吸気制御弁２１は常時全開保持されて
いるが、副吸気制御弁２２とＥＧＲバルブ１９はそれぞ
れエンジン回転数とエンジン負荷及びエンジン温度の三
つの制御要素に基づいて開閉制御される。即ち、例えば
、エンジンの運転状態が上記領域【あるいは領域Ｈに対
応するアイドル運転領域を含む低負荷運転領域（換言す
れば成層燃焼により燃焼性を改善する必要のある運転領
域）にある場合には、副吸気制御弁２２とＥＧＲバルブ
１９がともに開弁保持されるため、吸気行程の進行（ピ
ストン４の下動）に伴って主吸気通路１１からは空気と
ＥＣＲガスの混合気が、また副吸気通路１２からは空気
のみが、それぞれ燃焼室３内に導入される。従って、燃
焼室３内には、主吸気通路１１からスワール流（矢印Ａ
Ｉ）を発生しながら導入される空気とＥＧＲガスとの混
合気により該燃焼室３の外周部に形成される第１の空気
層（厳密には混合気層）５１（境界線りより外側部分）
と、副吸気通路１２からピストン軸方向の空気流（矢印
Ａｔ）を発生しながら導入される空気により該燃焼室３
の中央部（第１の空気層５Ｉの内側）に形成される第２
の空気層５２（境界線しより内側部分）の内外２つのし
かもそれぞれ流れ特性の異なる空気層が存在することに
なる（換言すれば、内側の第２の空気層５２が外側の第
１の空気層５目こよって包まれた状態となる）。この内
外両方に分離された２つの空気１１１５１．５２は、そ
の流れ特性が異なるところから、相互に合流してその成
層状態が減衰し又は破壊されるということか少なく、そ
の分離状態（成層状態）はピストン４の上動に伴う筒内
空気の乱れ作用にもかかわらす圧縮上死点付近まで維持
される。従って、圧縮上死点付近においてインジェクタ
ー８から第２の空気層５２側に向けて燃料が噴射される
と、この噴射燃料は該第２の空気層５２の空気と効率的
に混合し、該燃焼室３の内部には局部的に理論空燃比近
くのａ１隻を持つ混合気層が確実に形成されることにな
る（成層化の促進・ｍ持）。

また、この場合、第１の空気層５１の温度がそれに混入
したＥＧＩ’（ガスＧにより空気のみを吸入した場合よ
りも高められている。従って、当然、この第１の空気層
５１によりその内側に包まれた状態で存在する第２の空
気層５２も、上記第１の空気層５Ｉの熱影響を受けてそ
の温度が高められている。

このような成層化の促進・維持と燃焼温度の高温化との
相乗効果によりより高水準の成層燃焼が実現されること
となる。

一方、エンジンの運転状態が上記領域ｌあるいは領域■
以外の運転領域にある場合には、燃料噴ｉ番鵬Ｊ、Ｊダ
１−に広　−へ獅＊Ｈ人Ｊ榊嵐嗜り山Ｊ−遭１七れた空
気の全量と均一に混合しても混合気濃度がオーバリーン
になるということがなく、従って、上述の如き成層燃焼
を実現する必要性はない。このため、この運転領域にお
いては、副吸気制御弁２２とＥＧＲバルブ１９がともに
全閉保持され、主吸気通路１を側からのみ吸気導入ｈ（
行なわれ、高水準のスワール効果によりエンジンの高出
力運転が実現されることになる。

尚、上記実施例においては、主吸気通路１１側から導入
されろ空気によるスワール流と、副吸気通路１２側から
導入されビス）・ン袖方向の流れを６つ空気流とによっ
て、相互に分離した第１の空気層５１と第２の空気層５
２を形成するようにしているか、本発明はこれに限定さ
れるものではなく、例えば主吸気通路１１側から導入さ
れる空気により燃焼室の外周部に正方向のスワール流を
もつ第１の空気層を形１戊する一方、副吸気通路１２側
から導入される空気により逆方向のスツール流を６つ第
２の空気層を形成し、この相互にスワール方向の異なる
２つの空気層を燃焼室内において相互に分離存在させる
ようにしてもよい。

また、上記実施例においては、ＥＧＲガスＧを合流通路
部３０の上流側から供給するようにしているが、本発明
はこれに限定されるものでなく、例えば第３図に鎖線図
示（符号１８′）する如く合流通路部３０の上流側に供
給することらできる。

さらに、上記実施例においてはＥＧＲガスを主吸気通路
１１側に供給することにより第１の空気層５１を空気（
新気）とＥＧＲガスとの混合気としたか、本発明はこれ
に限定される乙のでなく、主吸気通路１１側への新気導
入を止め、ＥＧＲガスのみで第１の空気層５１を形成す
ることもできる。

（発明の効果） 本発明の成層燃焼式エンジンは、燃焼室内の外周部にス
ワール流を発生させ得る如く空気を供給する主吸気通路
と、上記燃焼室の中央部に上記スワール流とは流れ方向
の異なる空気流を発生させ得る如く空気を供給する副吸
気通路とを備え、さらに少なくともエンジンの低負荷運
転領域においては上記主吸気通路と副吸気通路の両方か
ら吸気導入を行なわしめて上記燃焼室の外周部に上記主
吸気通路を介して導入された空気による第１の空気層を
、燃焼室の中央部に上記副吸気通路を介して導入された
空気による第２の空気層をそれぞれ形成させ得る如くし
た吸気制御手段と、上記主吸気通路中にＥＧＲガスを供
給するようにしたＥＧＲガス供給制御手段と、燃料を上
記第２の空気層に向けて供給するようにした燃料供給手
段とを備えたことを特徴とするものである。

従って、本発明の成層燃焼式エンジンによれば、（１）
　　吸気行程において燃焼室内に形成される第１の空気
層と第２の空気層はその流れ特性が異なるものであるた
めその成層状態の維持が容易であり。

（２）直接燃焼に寄与する第２の空気層を包む第１の空
気層にＥＧＲガスを供給することにより上記第２の空気
層の温度が高められ、上記のように比較的良好な成層状
態が維持されしかも層温度が高められた第２の空気層中
へ向けて燃料が供給されるから燃焼室内における燃焼温
度が高く、成層燃焼が効果的且つ安定的に達成されると
いう効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例係る成層燃焼式エンジンの要部
横断面図、第２図第１図の■−■横断面図、第３図は第
１図の■−■縦断面図、第４図は主吸気通路と副吸気通
路との作動特性図、第５図は第２図に示したＥＧｒｔバ
ルブの作動特性図である。 １・・・・・シリンダブロック ２・・・・・シリンダヘッド ３・・・・・燃焼室 ４・・・・・ピストン ５・・・・・吸気マニホールド ６・・・・・吸気弁 ７・・・・・排気弁 ８・・・・・インジェクター ９・・・・・点火プラグ １１・・・・主吸気通路 １３・・・・主吸気ボート １４・・・・副吸気ボート １５・・・・排気通路 ＋８−・−−ＥＣ；ｒｔａ路 １９・・・・ＥＧＲバルブ ５１・・・・第１の空気層 ５２・・・・第２の空気層 出　　願　　人　　　マ　　ツ　　ダ　　株式会社、、
、　−−ｈ＼ 代、１え　イ、。４−や−５７・矛７：・へエンジン負
荷　　大 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、燃焼室内の外周部にスワール流を発生させ得る如く
   空気を供給する主吸気通路と、上記燃焼室の中央部に上
   記スワール流とは流れ方向の異なる空気流を発生させ得
   る如く空気を供給する副吸気通路とを備え、さらに少な
   くともエンジンの低負荷運転領域においては上記主吸気
   通路と副吸気通路の両方から吸気導入を行なわしめて上
   記燃焼室の外周部に上記主吸気通路を介して導入された
   空気による第１の空気層を、燃焼室の中央部に上記副吸
   気通路を介して導入された空気による第２の空気層をそ
   れぞれ形成させ得る如くした吸気制御手段と、上記主吸
   気通路中にＥＧＲガスを供給するようにしたＥＧＲガス
   供給制御手段と、燃料を上記第２の空気層に向けて供給
   するようにした燃料供給手段とを備えてなる成層燃焼式
   エンジン。