JPS63500322A - 燃料噴射型エンジンの時調整方法 - 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】 燃料噴射型エンジンの点火時調整 本発明は、燃料がエンジンの燃焼室の中に直接に噴射される火花点火型内燃機関 の噴射一点火位相の調整に関するものである。

燃料効率と排気浄化のレベルを高めるためには、燃焼室中の燃料噴霧の位置を制 御する事が望ましい。燃料噴霧の好ましい位置は一定でなく、特にエンジン負荷 によって変動し、この負荷そのものがエンジンの回転速度に関係している。２サ イクルエンジンにおいて、燃料噴射期間の少なくとも一部において完全に閉鎖さ れていない排気口を通しての燃料損失を制限するため、燃料噴霧の制御が特に重 要である。

軽い負荷と、従って低い燃料送入率においては、燃焼室中の空気との混合による 燃料の希釈度を低下させるため、シリンダ中への燃料の進入度を制限しなければ ならない。燃料の希釈は、点火の困難なまた燃料送入量全部が点火するまで燃焼 を保持する事の困難な希薄な混合気を生じる。しかし高負荷と高燃料送入率にお いては、より多量の燃料をその完全な燃焼を成すに十分な空気（オキシダント） と接触させるために、燃料の進入度を増大しなければならない。

火花プラグの近傍に燃料富化混合気が配置されるように、特に低エンジン負荷と 低速度において燃焼室内部に層状燃料混合気を生じる事が望ましいのは公知であ る。

しかし、低エンジン速度においては、噴射と点火との間にタイムラグがあり、こ れが燃料を燃焼室内部において広く拡散させる場合がある。また比較的高いエン ジン速度での高負荷においては、燃料の分散が望ましいが、燃料噴射と点火との 間においてこのような分散をうるための時間が少ない。この問題は、一般に燃料 噴射を排気口の閉鎖後にまたはその直前に開始する事が望ましいと考えられてい る事によって一層深刻な問題となる。このような考え方は、早期の噴射は新たに 噴射された燃料の一部が排気口の閉鎖前に排気口から送出される結果になるとい う考えに基づいている。しかしこのような従来の考え方は低エンジン速度と高エ ンジン速度においてそれぞれ所要の燃料分布を達成する事ができず、従って燃料 全部の不完全燃焼の可能性と、望ましくない排気ガス、特に炭化水素（ＨＣ）を 生じることになる。

従って本発明の目的は排気ガスの減少に役立つようにエンジン燃焼室中の燃料分 布の制御を支援するためのエンジン、特に２サイクルエンジンの運転法を提供す るにある。

この目的を達成するため、本発明の一つの観点によれば、燃焼室と、この燃焼室 からのガス排出を制御するためにエンジンサイクルと調時的に開閉される排気口 とを有する火花点火式２サイクル内燃機関の運転法において、低エンジン負荷と 低速度においては、調量量の燃料の少なくとも８０％が排気口の閉鎖後に燃焼室 の内部に送入され、少なくともある程度高いエンジン負荷において、調量量の燃 料の少なくとも８０％が排気口の閉鎖前に燃焼室内部に送入されるようにした方 法が提供される。

圧縮行程の末期において、排気口の閉鎖後に燃料を噴射する燃料噴射進角の結果 、燃焼室内部において分散する時間が短くなる。これは低エンジン負荷において は、特に低エンジン負荷と低速度においては望ましい。また排気口閉鎖後の燃料 噴射は、燃焼室内部におけるガスの運動がある程度少なくなる事を意味し、この 事も燃料分散を制限するのに役立つ。もちろん、排気口の閉鎖後に燃料噴射が生 じるのであれば、排気口を通しての燃料脱出は防止される。

しかし高エンジン負荷においては、燃料はエンジンサイクルの比較的早い時期に おいて噴射され、噴射は排気口が閉鎖されるときまでに実質的に完了する。すべ ての運転条件について噴射が排気口の閉鎖直後に実施される従来の噴射タイミン グと比較して、本発明のタイミングは遅い噴射調時の場合よりも燃焼室内部の燃 料分布時間を延長させる。

多くのエンジンにおいて、または高負荷−高速度運転条件においては、排出口の 閉鎖前に燃料の実質的全量を燃焼室の中に送入する事が好ましいが、燃料調量量 の少なくとも８０％が送入されただけでも燃料分散制御の大幅な改良が得られる 。また同じく低負荷−低速度においては、調Ｑｍの少なくとも８０％が排気口閉 鎖後に送入される事によって顕著な改良が得られる。しかし一般にこの運転条件 においては、排気口の閉鎖後まで噴射が開始されない。

便宜上、低負荷−低速においては、噴射を燃焼室中の燃料混合気の点火前、１０ °または５ａのクランク回転角度において実施する事ができる。しかし低エンジ ン負荷においては、上死点（ＴＤＣ）すなわち燃焼室の最小容積点の前、７０° のクランク回転角度において既に燃料点火する事が好ましい事が発見された。好 ましくは、低負荷における点火はＴＤＣ前４０°〜７０°の範囲内にある事がで きる。

高負荷運転条件においては、特に３０００ＲＰＭ以上の速度においては、エンジ ンサイクルの下死点（ＢＤＣ）以前に燃料噴射を開始できる事が発見された。実 際に、非常に高い負荷と速度においては、一般にＢＤＣ以前に生じる排気口開放 の前に噴射を開始する事ができる。噴射装置の動作の開始と燃焼室内への燃料の 実際の送入との間には、ある程度のタイムラグが存在し、またある種の噴射装置 の場合、燃料送入の終了と噴射器の実際の閉鎖との間にタイムラグが存在する。

従って実際上、噴射弁の開放開始から最終閉鎖までの実時間と燃料送入期間との 間に差異が存在する。エンジンサイクルの任意の選ばれた点において燃焼室中に 送入される調量量の燃料の割合を決定する際に、このファクタを考慮しなければ ならない。

本発明の他の観点によれば、また前記の目的を考慮して、燃焼室中のガス混合気 の中に層状分布を成すように調ｆｆ１ｆｆｌの燃料をエンジン燃焼室中に直接に 噴射する段階と、低エンジン負荷においては点火がＴＤＣ前４０″〜７０″のク ランク回転角度の範囲で実施されるように前記燃料の点火進角を制御する段階と を含む内燃機関の運転法が提供される。好ましくは点火はＴＤＣの前、５０°ま たはその以前において、好ましくは６５″より遅〈実施される。

エンジンサイクルのこのような点における燃料点火の結果、ガスがまだ完全に圧 縮されていない時に、従ってガス給気の大部分の中への燃料の分散が生じていな い時に、点火点において燃焼が開始する。この燃焼開始によって発生し・た高圧 が、ピストンの上昇に伴ってガス給気の圧縮が継続される際に燃焼室の燃料区域 へのガス給気の流入を制限し、また一般に使用されている遅い点火進角の場合と 比較してガス給気中への燃料の分散を制限するものと考えられる。従って早期点 火進角は、低負荷−低速度において燃料の非常に高い割合の燃焼を達成して排気 ガス、特に炭化水素放出を制限するために必要な燃料分布の制御を成す事ができ る。

前述の早期点火による燃料分散制御法は、燃料を噴射してその内部で点火を開始 するキャビティを有するエンジンにおいて特に有効である。この型のエンジンに おいては、スキッシュ効果が生じ、圧縮行程の最終段階で送入ガスが横方向に高 速でキャビティの中に入り、燃料と送入ガスの大部分との高度の混合を促進する 。しかし本発明による早期点火進角法によってキャビティ中に生じる高圧がこの スキッシュ効果に対抗して、燃料と送入ガスとの混合を制限する。

特定速度において得られる最大負荷の２５％までの負荷を含む低エンジン負荷と 低速においては、エンジンサイクルあたり燃焼室中に噴射される調量量の燃料の 少なくとも８０％、好ましくは全部が、燃焼室からのガス排出を制御する排気口 の閉鎖後に、燃焼室の中に送入される事が好ましい。高エンジン負荷および高速 度においては、排気口の閉鎖前に：Ａ量量の燃料の８０％までを燃焼室中に送入 する事が好ましい。

低エンジン速度および高エンジン速度はそれぞれ特定のエンジンに関する用語で あって、当業者には公知である。しかし一般的指標として、現代の自動車業界に おける２サイクルエンジンの場合、低速は１５００ＲＰＭ以下、高速は最大速度 の５０９６以上とみなされる。空転速度が１５０ＯＲＰＭ以上であれば、この空 転速度は低速として適当であろう。前記の高エンジン速度は非当業者には余りに 広い範囲を含むと思われようが、自動車型エンジンの正規の駆動サイクルにおい ては、速度がその最大速度の５０％を超える事はほとんどない。

同じく相対語、低エンジン負荷と高エンジン負荷は一般に当業者によって理解さ れている。しかしまた一般的指標として、現代自動車業界の２サイクルエンジン の場合、高負荷はその速度におけるエンジンによって達成される最大負荷の７５ ％以上の負荷とみなされ、低負荷はその速度におけるエンジンの最大負荷の３０ ％以下とみなされる。

エンジン負荷％は特定速度においてエンジンの達成する最大負荷の％を意味する 。

以下において、本発明を実施した代表的エンジンと燃料噴射系を付図について説 明する。

付図において、 第１図は本発明による燃焼制御法を応用する２サイクルエンジ・ンの断面図、 第２図は第１図のエンジンに燃料を送入するために使用される燃料調量噴射装置 とその補助装置との接続を示す部分断面立面図、 第３図と第４図は第１図のエンジンの種々の速度における燃料噴射進角を示すグ ラフである。

第１図乃至第９図について述べれば、エンジン９は全体として通常構造の単シリ ンダ２行程内燃機関であって、シリンダ１０と、クランクケース１１と、シリン ダ１０中を往復運動するピストン１２とを有する。ピストン１２は連接棒１３に よってクランク軸１４に連結されている。クランクケース１１は、通常のリード 弁１９を備えた吸気口１５を有し、また３本の分配路１６（その１本のみを示す ）がクランクケースをそれぞれの分配口と連通し、２つの分配口１７と１８のみ が示され、分配口１７と同等の分配口は分配口１８の反対側にある。

分配口はそれぞれシリンダ１０の壁体中に形成され、それぞれの上縁がシリンダ の同一直径面の中に配置されている。排気口２０は中心分配口１８にほぼ対向し てシリンダの壁体中に形成されている。排気口の上縁は分配口の上縁の直径面の 少し上方にあるので、エンジンサイクル中において遅く閉鎖する。

着脱自在のシリンダヘッド２１が燃焼キャビティ２２を有し、このキャビティの 中に点火プラグ２３と燃料噴射ノズル２４とが突入している。キャビティ２２は 、分配口１８と排気口２０の中心を通る円筒体の軸方向面に対して対称的に配置 されている。キャビティ２２は、分配口１８の直上の壁体部分からシリンダの中 心線を越えた所までシリンダ内部を横断している。

シリンダの前記の軸方向面に沿ったキャビティ２２の断面形状はその最深部また は基部２８において実質的に弧状であって、この弧状の中心線は、分配口１８上 方の円筒部よりは円筒の中心線に近接している。このキャビティ基部２８の分配 口１８の上方に近い末端部は大体に真っすぐな面２５となり、この面２５はシリ ンダヘッド２１の下面２９と円筒壁体との交点に達する。この面２５は円筒壁体 からキャビティの弧状基部２８まで上方に傾斜している。

弧状基部２８の反対側末端すなわち内側末端は比較的短い急峻な面２６となり、 この面２６はシリンダヘッドの下面２９に達する。またこの面２６はシリンダヘ ッド下面２９と比較的急峻な角度で相会する。キャビティの対向側壁面（その一 つを２７で示す）は全体として平坦であって、シリンダの軸方向面に対して平行 であり、またシリンダヘッド下面２９と急峻な角度で相会する。

噴射ノズル２４はキャビティ２２の最深部に配置され、これに対して点火プラグ ２３は分配口１８と反対側のキャビテイ面の中に突入している。従って、シリン ダに入る過給空気はキャビティに沿って噴射ノズル２４を越えて点火プラグ２３ に向かい、このようにしてノズルから燃料をプラグまで搬送する。

キャビティ２２とその燃焼行程の詳細については、英国特許出願第８６１２６０ １号明細書、および対応の米国特許出願「２サイクル内燃機関の改良」に詳細に 記載され、これらを引例として加える。

前記の特許出願およびその他の特許出願に記載のキャビティの形状と配置は、燃 焼室内部に層状燃料分布の形成を促進する。この層状作用は、低負荷運転条件に おいてキャビティ２２中への燃料噴射進角の遅れによって支援される。さらに燃 料の層状化は、燃料噴射用の低噴霧進入度ノズルを使用する事によって支援され る。特に適当なノズルは、オーストラリア特許出願第ＰＨ０１５５７号明細書お よび対応の米国特許出願に記載されている。

噴射ノズル２４は燃料調量噴射系の一部を成し、これによって空気に同伴された 燃料が給気圧によってエンジンの燃焼室に送入される。このような燃料調量噴射 系の実施態様を第２図に示す。

この燃料調量噴射系は、自動車型の絞り弁燃料噴射器などの市販の調量送入装置 ３０を燃料噴射器本体３１と連結して成り、この本体はその内部に保持室３２を 有する。燃料が燃料タンク３５から燃料ポンプ３６によって圧力調整器３７を通 して引き出され、燃料導入口３３を通して調量送入装置３０の中に送出される。

この調量送入装置は公知のように作動して、エンジンの燃料要求度に対応して一 定量の燃料を保持室３２の中に送入する。

調量送入装置に送入された余分の燃料は燃料戻し口３４を通して燃料タンク３５ に戻される。燃料送入装置３０の特定の構造が本発明にとって重要なのではなく 、任意適当な装置を使用する事ができる。

運転に際して、空気源３８から圧力調整器３９と本体３１の空気導入口４５とを 通して送られる空気によって保持室３２が加圧される。噴射弁４３が作動されて 、与圧された空気によって一定量の燃料を噴射ノズル４２を通してエンジンの燃 焼室の中に排出させる。噴射弁４３は、燃焼室の内側に向かって、すなわち保持 室から外側に向かって開いたポペット弁構造である。

噴射弁４３は、保持室３２の中を通る弁軸４４によって、燃料噴射器本体３１内 部に配置されたソレノイド４７の電機子４１に接続されている。弁４３はディス クバネ４０によって閉鎖位置に弾発されており、ソレノイド４７を生かす事によ って開かれる。

この燃料噴射系の動作のさらに詳細な説明はオーストラリア特許出願１９８４年 第３２１３２号および対応の米国特許出願第７４００６７号明細書に記載されて いる。

これを引例として加える。

ソレノイド４７の磁化は、適当な電子プロセッサ５０によってエンジンサイクル に対して調時される。プロセッサ５０゛はエンジン速度センサ５１から信号を受 け、この信号はエンジン速度を表示し、またエンジンサイクルに対して動作を調 時する基準点を示す。またプロセッサ５０は負荷センサ５２から信号を受け、こ の信号はエンジンの空気導入系への空気流量を表示する。プロセッサは、空気流 量信号からエンジンに対する負荷要求を決定するようにプログラミングされてい る。

またプロセッサ５０はエンジンの速度条件および負荷条件から、燃焼室中への燃 料噴射の所要の進角を決定するようにプログラミングされている。

望ましくはプロセッサはエンジンの負荷範囲および速度範囲に対して所要の噴射 進角を表示する分岐マツプを含み、これらの負荷と速度は所要のエンジン出力レ ベルと排気ガスレベルをつるためのテストから決定される。

またプロセッサはエンジンの負荷と速度に対して点火進角を決定し制御するよう にプログラミングされている。

プロセッサは、ソレノイドを所要の燃料噴射時間に生かし、また火花プラグ２３ を所要の点火時間に作動させるように、前記の決定に対応して噴射アクチュエー タ５３と点火アクチュエータ５４とに対して適当な信号を送る。前述のように使 用するに適した負荷センサと速度センサの全体構造、およびプロセッサ５０の必 要機能を実施するプロセッサは業界公知のものである。

第３図はエンジンの低速範囲の３速度において、エンジン負荷に対する噴射初期 と噴射末期を示す３グラフである。グラフＡはＩｌｌｏｏＲＰの速度、グラフＢ は１３００ＲＰＭの速度、またグラフＣは１５００ＲＰＭである。これらのグラ フの示すデータは、第１図に図示の型の２サイクルエンジンでのテストがら取ら れたものであり、この場合、排気口は上死点の手前（ＢＴＤＣ）２７０ａで開き 、９０’　ＢＴＤＣで閉Ｌ：る。

第４図は第３図と同様の噴射進角の３グラフを示すが、同一エンジンの高速範囲 での３速度に関するものである。

グラフＤは３０００ＲＰＭの速度、グラフＥは３７５０ＲＰ　Ｍ、グラフＦは４ ５００ＲＰＭに対するものである。

第３図と第４図のグラフは、各シリンダについてミリグラムで測定されたエンジ ンサイクル当たりの空気過給量によって現されたエンジン負荷に対して、エンジ ンサイクルの上死点前（ＢＴＤＣ）のクランク角度によって噴射初期と噴射末期 を示している。空気過給量はエンジン負荷に直接に関係している。実線は燃料噴 射初期を示し、破線は燃料噴射末期を示す。

第３図から、低速運転に関するこれらのグラフは、燃料噴射が、９００ＢＴＤＣ の生じる排気口閉鎖の相当後に開始され、ＩｌｌｏｏＲＰにおいては、この状態 は負荷範囲の大部分において存在する事を示している。これらの３グラフから明 らかなように、エンジン速度が増大するに従って、エンジン負荷が漸進的に低下 する際に噴射の開始が排気口閉鎖進角に向かって動き始める。しかし１５００Ｒ ＰＭにおいても、噴射開始は排気口閉鎖の相当に後であり、噴射開始は最大負荷 の約２５％まではＥＰＣ（排気口閉鎖）に向かって動き始める事なく、エンジン が最大負荷の約５０％以上で作動するまでは排気口閉鎖前期間の中に入らない。

従って、低速度においては、燃料の少なくとも８０％、好ましくは全部が、特定 の速度において得られる最大負荷の２５％までの負荷において排気口閉鎖後に噴 射される事が理解される。

第４図のエンジン高速グラフは、第３図について述べた傾向の継続が見られる。

すなわち、エンジン速度が増大するに従って、サイクルの中において噴射開始の 進角が漸進的に早くなる。３０００ＲＰＭにおいては、最大負荷の約６０％以上 の負荷において、燃料噴射は排気口の閉鎖前に開始し終了する。エンジン速度が 増大するに従って、排気口の閉鎖前に全燃料が噴射される荷重が漸進的に低下す る。４５００ＲＰＭにおいては、全負荷の約３０％以上のすべての負荷において 燃料全部が排気口閉鎖前に噴射されている。

第４図の速度においては、最大負荷の約６０％以上のすべての負荷について、噴 射の開始は下死点（１８０゜ＢＴＤＣ）前にあり、速度が増大するに従って、こ の最大エンジン負荷の％が低下している事が分かる。

４５００　ＲＰ　Ｍにおいては、最大負荷の約１５％以上のすべての負荷におい て、下死点より前の噴射開始が見られる。また、３７５０ＲＰＭの非常に高い負 荷においては、噴射は２７０”　ＢＴＤＣ以前に、すなわち排気口が開く前に開 始している。

この明細書においては、２サイクル型の火花点火式エンジンに関して本発明を使 用する場合について述べたが、本発明は４ザイクルエンジンについても応用でき るものと了解されたい。本発明はあらゆる用途の内燃機関に応用されるが、特に 自動車モータサイクル、船外エンジンを有するボートなどのエンジンの燃料節約 と排気浄化のために特に有効である。

本明細書において、用語「高負荷および高速」は高負荷と高速が二者択一ではな く同時条件として現れた場合を意味する。同じく「低負荷および低速」はこれら 両方の条件が同時に発生した場合を意味する。

国際ｙＡを報告 ＡＮ’Ｎ’！Ｘ　Ｔｏ　’ｌ”ｆｌ　ｒＮＴＥ’ＲＮＡＴ工０ＮＡＬ　５ＥＡＲ ＣＩ！　ＲＥＰＯＲでＯＮ！ＮＴＥＲＮＡＴＴＯ？ＪＡＬ　ＡＰＰＬＩＣＡＴＭ ＯＮ　Ｎｏ、ＰＣＴ　Ａσ　８６１００２０４ＡＵ　３２６１９／７８　Ｄ！　 ２８０２６３４　ＪＰ　５３１１２３３０　ＺＡ　７１１００４２３

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. １．燃焼室と、この燃焼室からガス排出を制御するためにエンジンサイクルと調 時的に開閉される排気口とを有する火花点火式２サイクル内燃機関の運転法にお いて、低エンジン負荷と低速度においては、調量量の燃料の少なくとも８０％が 排気口の閉鎖後に燃焼室の内部に送入され、少なくともある程度高いエンジン負 荷において、調量量の燃料の少なくとも８０％が排気口の閉鎖前に燃焼室内部に 送入されるように調量量の燃料を燃焼室の中に直接に噴射する段階を含む方法。
2. ２．燃焼室と、この燃焼室からガス排出を制御するためにエンジンサイクルと調 時的に開閉される排気口とを有する火花点火式２サイクル内燃機関の運転法にお いて、低エンジン負荷と低速度においては、調量量の燃料の少なくとも８０％が 排気口の閉鎖後に燃焼室の内部に送入され、高エンジン負荷および高速度におい て、調量量の燃料の少なくとも８０％が排気口の閉鎖前に燃焼室内部に送入され るように調量量の燃料を燃焼室の中に直接に噴射する段階を含む方法。
3. ３．低エンジン速度と２５％以下のエンジン負荷においては、調量量の燃料の少 なくとも８０％が排気口の閉鎖後に燃焼室の中に送入される請求の範囲第１項ま たは第２項による方法。
4. ４．高エンジン負荷と高エンジン速度においては、調量量の燃料の実質的に全部 が排気口の閉鎖前に燃焼室の中に送入される請求の範囲第１項乃至第３項のいず れかによる方法。
5. ５．低負荷および低速においては、燃焼室内部への燃料噴射は燃焼室内部の燃料 の点火前５°またはこれ以上の進角で開始される請求の範囲第１項乃至第４項の いずれによる方法。
6. ６．低負荷および低速において、燃焼室中への燃料噴射は排気口閉鎖後３０°ま でに開始される請求の範囲第１項乃至第５項のいずれかによる方法。
7. ７．少なくともある程度高い負荷と速度において、燃焼室中への燃料噴射がエン ジンサイクルの下死点以前に開始される請求の範囲第１項乃至第６項のいずれか による方法。
8. ８．前記噴射は排気口が開き始める前に開始される請求の範囲第７項による方法 。
9. ９．少なくともある程度高い負荷と速度において、燃焼室中への燃料噴射は排気 口の閉鎖前に終了されている請求の範囲第１項乃至第８項のいずれかによる方法 。
10. １０．少なくともある程度低いエンジン負荷において、燃焼室中の燃料点火はエ ンジンサイクルの上死点の４０°乃至７０°の範囲で開始される請求の範囲第１ 項乃至第９項のいずれかによる方法。
11. １１．前記の点火はエンジンサイクルの上死点の５０°前またはその以前におい て開始される請求の範囲第１０項による方法。
12. １２．前記点火はエンジンサイクル上死点の５０°乃至６５°の範囲内で開始さ れる請求の範囲第１０項による方法。
13. １３．調量量の燃料がガス中に同伴されて燃料−ガス混合気を成し、前記混合気 が燃焼室の中に噴射されて燃料を燃焼室の中に送入する請求の範囲第１項乃至第 １２項のいずれかによる方法。
14. １４．燃焼室の一部はエンジンのシリンダヘッドの中に形成され、燃料が前記の シリンダヘッドを通して燃焼室の中に噴射される請求の範囲第１項乃至第１３項 のいずれによる方法。
15. １５．シリンダヘッドはその中にキャビティを有し、このキャビティが燃焼室の 一部を成し、また燃料が前記キャビティの中に噴射される請求の範囲第１４項に よる方法。
16. １６．請求の範囲第１項乃至第１５項のいずれかによる方法によって運転する内 燃機関。
17. １７．請求の範囲第１項乃至第１５項のいずれかによる方法によって運転する自 動車用内燃機関。
18. １８．請求の範囲第１項乃至第１５項のいずれかによる方法によって運転する船 外エンジンとしての内燃機関。