JPH0480207B2 - - 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、エミツシヨン性
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
とは困難であつて、着火性、燃焼性が低下して、
出力性能、エミツシヨ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つ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、エ
ンジンの高回転運転時においては、吸入空気量が
多くなつ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、エミツシヨン
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つて、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
リツ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、燃料供給手段によつて燃
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、希薄燃焼によつて燃費性を向
上する一方、高負荷運転域においては、燃料供給
手段によつ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、吸気絞り手段によつてエンジン低回
転時よりも吸入空気量を減少して空燃比をリツチ
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燃焼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ユエータ１５（アクセル操作
には連動していない）が説けられて吸気通路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つ
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１
０、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のアクチユエータ
１５の作動は、制御手段１６によつて制御され
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つ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つて、
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、この制定負荷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が層状燃焼によつ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。

よつて、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。

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、着火装置８まわり燃料を偏在させ
る層状燃料領域Ｆと、燃料室１全体に燃料を分散
させる均一燃料領域Ｈとが設定されるとともに、
均一燃料領域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によつて絞り弁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Ａ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Ａ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つて吸入空気量を規
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ツトル運転を行い、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Ｂ
点の分散化を行う領域に移行するのに従つて、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。

よつて、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、層状燃焼を行つて良好な着火性を
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
つ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、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
リツチ化し、これにより量供な着火性、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つて燃焼室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、弁隙間から燃料室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）によつ
て、燃料噴射ノズル３２から燃料噴射量、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
ることによつて出力制御を行い、その噴射時期の
制御によつ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
に行うものであつて、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図にそける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次吸気出通路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
から燃料室１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
大きくし進角して早くし、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量を増加するものであつ
て、吸気行程初期から燃料供給により、燃焼室１
内に流入した燃料は吸入空気の流れによつて燃焼
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
は、第１０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つて低
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における高
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
ツチ化を行うものであつて、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
昇するに伴つて絞り、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、ノツキング
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。

よつて、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つて燃費性の向上を
図る一方、高負荷時には均一燃焼によつてスモー
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
ツチ化により、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へツ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
す特性図、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……アクチユエー
タ、１６……制御手段、１７……負荷検出手段、
１８……エンジン回転センター、２０……吸気絞
り手段、３２……燃料噴射ノズル、３３……燃料
供給手段。

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
   を行うようにした層状給気エンジンであつて、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閉
   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。