JPH0571767B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、燃料をエンジンの点火プラグに向け
て送る層状給気エンジンに関するものである。

（従来技術） 従来の一般的な火花点火式エンジン（ガソリン
エンジン）では、スロツトルバルブによつて吸入
空気量を調節し、かつ、吸入空気量に応じた量の
燃料を供給して空気と均一に混合させ、燃焼室内
で点火プラグにより着火させるようにしている。
このようなエンジンにおいて出力および燃費を向
上する手段としては、例えば実開昭54−56006号
公報にみられるように、圧縮行程で燃焼室内に圧
縮空気を供給して旋回流を助長させ、燃焼速度を
高めるようにしたものなどが知られている。

ところで、少なくともエンジン低負荷時には、
点火プラグ付近に着火可能な空燃比の混合気が存
在すれば、燃焼室内の他の部分おいて燃料が希薄
であつても充分に燃焼は可能であり、エンジンを
作動させることができる。このような点に着目
し、大幅な燃費の向上を図る手段として、特開昭
49−62807号公報に示されるように、点火時期に
対応した所定時期に燃料を点火プラグに向けて噴
射させるようにした、いわゆる層状給気エンジン
が知られている。このエンジンによると、点火プ
ラグ付近に所要の空燃比を与える燃料が供給され
る限り、希薄燃焼が可能となるとともに、空気が
過剰に供給されても差し支えないので低負荷時に
スロツトルバルブの開度を大きくし、またはスロ
ツトルバルブを省略することができ、これにより
低負荷時のポンピングロスを低減することができ
る。その結果、大幅な燃費の向上が可能となる。

このように点火プラグに向けて燃料が噴射され
る層状給気エンジンでは、低負荷時に、着火性の
向上のため、できるだけ上記燃料の霧化、気化を
促進することが望まれている。さらに、エンジン
温度が低いときにはとくに燃料の気化、霧化が悪
化し易いという問題もあつた。

（発明の目的） 本発明はこのような事情に鑑み、少なくとも低
負荷時の所定のタイミングで燃料を点火プラグに
向けて噴射するようにした層状給気エンジンにお
いて、上記燃料を積極的に霧化、気化し、とくに
燃料噴射量に応じた適切な霧化、気化作用によ
り、着火性を向上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、エンジンの点火
プラグに向けて配置された燃料噴射弁と、該燃料
噴射弁からの噴射燃料に空気を混入する空気噴射
弁と、エンジンの付加状態を検出する負荷検出手
段と、エンジンのクランク角を検出するクランク
角検出手段と、エンジン温度を検出する温度検出
手段と、上記負荷検出手段とクランク角検出手段
との出力を受けて、エンジン低負荷時、吸気行程
後半から圧縮行程の所定の時期に燃料を噴射させ
るように上記燃料噴射弁を制御する燃料制御手段
と、燃料噴射に同期して空気を噴射させるととも
に燃料噴射量の増大に伴つて空気噴射量を増大さ
せるように空気噴射弁を制御する空気制御手段
と、上記温度検出手段の出力を受けて、エンジン
温度が所定値以下のときに空気噴射量を増量する
空気補正手段とを設けたものである。上記燃料噴
射弁および空気噴射弁は、上記要件を満足する限
り、燃焼室に設けておいてもよいし、燃焼室近傍
の吸気ポートに設けておいてもよい。

（実施例） 第１図は本発明を４気筒４サイクルエンジンに
適用した場合の一実施例を概略的に示し、第２図
はこのエンジンの燃焼室部分とその近傍部の具体
的構造を示す。これらの図において、１はエンジ
ン本体、２は吸気管３および吸気マニホールド４
からなる吸気通路、５は吸気通路２の上流部に設
けられたエアクリーナ、６は排気マニホールドで
ある。図に示す実施例では、エンジン本体１の各
気筒の燃焼室７に対してそれぞれ一次吸気通路８
と二次吸気通路９とが吸気マニホールド４に設け
られ、上記二次吸気通路９には、この通路９の開
度を調節するスワール調節弁１０が設けられてい
る。このスワール調節弁１０の作動は、後述する
制御ユニツト４０により、アクチユエータ１１を
介して制御されるようにしている。

各気筒の燃焼室７には、一次吸気通路８に連通
する一次吸気ポート１３と、二次吸気通路９に連
通する二次吸気ポート１４と、排気ポート１５と
が開口し、これらのポート１３，１４，１５の開
口部に、図外の動弁機構によつてそれぞれ所定の
タイミングで開閉作動される一次側吸気弁１６、
二次側吸気弁１７および排気弁１８が装備されて
いる。また、燃焼室７内には、点火プラグ２０が
設けられるとともに、燃料噴射弁２１および空気
噴射弁２２が配設されている。上記燃料噴射弁２
１は点火プラグ２０に向けて設けられている。ま
た、空気噴射弁２２は、燃料噴射弁２１に近接し
て配置され、かつ、噴射空気が燃料噴射弁２１か
らの噴射燃料に混入するように所定の向きに設け
られている。なお、第１図では作図の便宜上、右
端の気筒に対してのみ燃料噴射弁２１および空気
噴射弁２２の配置を明らかにしたが、他の気筒に
も同様にそれぞれ燃料噴射弁２１および空気噴射
弁２２が配置されている。

上記燃料噴射弁２１は燃料噴射ポンプ２３に接
続されている。この燃料噴射ポンプ２３はタイミ
ングベルト２４およびプーリ２５，２６を介して
エンジンのクランク軸２７により駆動され、各気
筒の燃料噴射弁２１にそれぞれ燃料を供給して噴
射させるようにし、かつ、その噴射開始時期およ
び噴射終了時期を電気的な制御信号に応じて調節
することができる構造となつている。また、空気
噴射弁２２は空気リザーバ２９を介して空気ポン
プ３０に接続され、この空気ポンプ３０は、ベル
ト３１およびプーリ３２，３３を介して上記クラ
ンク軸２７により駆動されるようにしている。図
では、エンジン始動時に空気リザーバ２９内の圧
力上昇を促進するため、空気リザーバ２９と空気
ポンプ３０との間に空気リターン通路３４を設
け、この空気リターン通路３４に、エンジン始動
時に開閉作動されるリサイクルバルブ３５が設け
られている。３６は空気ポンプ３０への空気導入
用通路３７に設けられたチエツクバルブ、３８は
空気リリーフ用通路３９に設けられたリリーフ弁
である。

また、４０は各種制御のための制御ユニツトで
あり、例えば第３図に示すようにマイクロコンピ
ユータを用いた制御部４１および各種変換器４２
〜４７を含んでいる。上記制御部４１には、アク
セル開度センサ５１からＡ／Ｄ変換器４２を介し
てアクセル開度信号が入力されるとともに、クラ
ンク角センサ５２からＦ／Ｖ（周波数−電圧）変
換器４３およびＡ／Ｄ変換器４４を介してエンジ
ン回転数信号が入力され、このアクセル開度とエ
ンジン回転数とで負荷状態が検出されるように
し、また、クランク角センサ５２からクランク角
信号が入力されている。また、エンジン温度が低
いときに空気噴射量を補正し、実施例ではさらに
スモークの発生時にも空気噴射量を補正するよう
に、スモークの発生を検出するスモークセンサ５
３と、エンジン温度に関連した温度として例えば
冷却水温を検出する水温センサ（エンジン温度を
検出する温度検出手段）５４とからも、それぞれ
Ａ／Ｄ変換器４５，４６を介してスモーク信号と
水温信号とが上記制御部４１に入力されている。
さらに、後述する始動時の制御のため、前記空気
リザーバ２９内の圧力を検出する圧力センサ５５
からＡ／Ｄ変換器４７を介して与えられる圧力信
号と、スタートセンサ５６から与えられるインタ
ラプト（割り込み信号）としてのスタート信号も
上記制御部４１に入力されている。上記制御部４
１は、燃料噴射弁２１からの燃料噴射を制御する
燃料制御手段としての機能と、空気噴射弁２２か
らの空気噴射を制御する空気制御手段としての機
能と、エンジン温度に相当する水温が所定値以下
のとき（およびスモーク発生時）に空気噴射量を
増量補正する空気補正手段としての機能とを有
し、直接には燃料噴射ポンプ２３の作動および空
気噴射弁２２の開閉作動を制御している。また、
前記スワール調節弁１０のアクチユエータ１１お
よび前記リサイクルバルブ３５も上記制御部４１
によつて制御している。

上記制御弁４１内には、予め種々の運転状態に
おける燃料と空気の各噴射開始時期および各噴射
終了時期がデータマツプとして記憶されている。
そしてこのマツプにより、少なくとも低負荷時に
は吸気行程後半ないし圧縮行程で燃料が噴射さ
れ、かつ負荷に応じて燃料噴射量が制御されるよ
うに燃料の噴射時期および噴射量が設定されると
ともに、燃料噴射時期に同期して空気が噴射さ
れ、かつ燃料噴射量の増大に伴つて空気噴射量が
増大されるように空気の噴射時期および噴射量が
設定されている。例えば第４図に示すような特性
で上記時期が制御されるように上記マツプが作成
されている。すなわち、第４図において、Fsお
よびFeはそれぞれ燃料の噴射開始時期および噴
射終了時期、AsおよびAeはそれぞれ空気の噴射
開始時期および噴射終了時期を示し、Ｉは点火時
期を示す。この図のように、低負荷領域では圧縮
行程後半で燃料が噴射され、その噴射終了時期
Fe，Aeが点火時期Ｉにほぼ一致するようにして
いる。そして、負荷が高くなるにつれて燃料噴射
期間を長くすることにより燃料噴射量を増加させ
るように、燃料の噴射開始時期Fsが設定されて
いる。また、この領域では空気噴射終了時期Ae
を燃料噴射終了時期Feと一致させ、空気噴射開
始時期Asもほぼ燃料噴射開始時期Fsに対応させ
ることにより、空気噴射量を燃料噴射量に対応さ
せている。なお、高負荷時の制御については本発
明で限定しないが、燃料噴射量が増加される高負
荷時には、層状給気の必要がなく、むしろ空気利
用率を高めて出力を向上させるには燃料を分散さ
せた状態で着火する方が望ましく、また、この時
には燃料の霧化、気化を目的とした空気噴射は必
要でない。このため、図示の特性では負荷がある
程度高くなると燃料および空気の噴射時期を早
め、高負荷領域では吸気行程の前半に噴射が行わ
れるようにするとともに空気噴射量を減少させる
ようにしている。

さらに上記制御部４１内には、予め種々の負荷
状態におけるスワール調節弁１０の開度がデータ
マツプとして記憶され、低負荷時に前記スワール
調節弁１０を閉じ、負荷が高くなるとそれに応じ
た開度にスワール調節弁１０が開くように、上記
マツプが作成されている。また、スモーク発生状
態および冷却水温に応じ、空気の噴射開始時期
Asまたは終了時期Aeを補正することによつて空
気噴射量を補正する補正係数も予め設定されてい
る。例えば、空気噴射開始時期Asを補正する場
合、第５図Ａに示すようにスモークＳに応じた補
正係数Ssは、スモークＳが少ないときは１とさ
れてスモークＳが増加すると減少され、また第５
図Ｂに示すように冷却水温Ｔに応じた補正係数
Tsは、冷却水温Ｔが50℃以上のときは１とされ
てそれ以下では減少されている。

上記制御ユニツト４０によつて実行される制御
をフローチヤートで示すと第６図および第７図の
ようになる。

第６図に示すメインルーチンにおいては、先ず
負荷状態を決定するアクセル開度Ａとエンジン回
転数Ｒの各検出信号が入力され（ステツプX₁）、
この信号に基づき、予め前記の第４図に示す特性
を与えるように設定されたマツプから、その時の
負荷状態に応じた燃料と空気の各噴射開始時期
As，Fsおよび各噴射終了時期Ae，Feが演算され
る（ステツプX₂、X₃）。さらに、スモークＳおよ
び冷却水温Ｔの検出信号が入力されて、これらに
応じた補正係数Ss，Tsが求められ、この両補正
係数Ss，Tsが上記空気噴射開始時期Asに乗算さ
れる（ステツプX₄〜X₇）。次に、クランク角θの
検出信号を繰返し入力しつつクランク角θが上記
噴射開始時期As，Fsに達するのを待つてから、
燃料および空気の噴射を開始する制御が行われる
（ステツプX₈〜X₁₀）。引続いてクランク角θの検
出信号を繰返し入力しつつクランク角θが上記噴
射終了時期Ae，Feに達するのを待つてから、燃
料および空気の噴射を終了する制御が行われる
（ステツプX₁₁〜X₃）。さらに、上記アクセル開度
Ａとエンジン回転数Ｒとに応じて、前記スワール
調節弁１０の開度（Ｓ弁開度）S₀が演算され、こ
の開度S₀を与える制御信号が前記アクチユエータ
１１に出力される（ステツプX₁₄、X₁₅）。その後
ステツプX₁に戻り、以上のフローが繰返される
ようにしている。

このような制御により、低負荷時には、圧縮行
程後半の所定時期に燃料噴射弁２１から点火プラ
グ２０に向けて燃料が噴射され、主に点火プラグ
付近に燃料が供給されて燃焼室７の他の部分では
燃料が希薄な状態で点火が行われる。従つて、少
ない燃料でも着火、燃焼が可能となつてエンジン
を作動させることができる。また、この場合に一
次吸気通路８から燃焼室７に空気が過剰に供給さ
れても差し支えないので、図ではスロツトルバル
ブを省略して一次吸気通路８からの吸気は制限し
ないようにし、これによつてポンピングロスを低
減している。そして、このように燃料が点火プラ
グ２０に向けて噴射されるとき、これにあわせて
空気噴射弁２２から空気が噴射され、この空気が
噴射燃料に混入して積極的に燃料の霧化、気化が
行われる。とくに燃料噴射量に対応して空気噴射
量が制御されるので、燃料が分散しすぎない程度
の範囲で燃料の霧化、気化の促進が適切に行わ
れ、着火性が向上される。

一方、高負荷時には、燃料噴射量が増量される
とともに、吸気行程の前半に燃料が噴射され、ま
た、スワール調節弁１０が開かれて二次吸気通路
９からの吸気により燃焼室７内のスワールが高め
られるため、燃料が燃焼室７内に充分拡散されて
から点火が行われることとなる。

なお、燃料の霧化、気化が不十分な場合はスモ
ークが増加し、また、エンジン温度（冷却水温）
が低いときは燃料の粘性が高くなつて霧化、気化
が行われにくくなるが、これらの場合には前記ス
テツプX₄〜X₇による補正で空気の噴射量が増量
され、燃料の霧化、気化がより適切に行われるよ
うにしている。

また、第７図に示す割込みルーチンは、始動時
の制御を行うもので、前記スタートセンサ５４か
らの信号によつて開始され、まず前記圧力センサ
５３からの圧力信号が入力され（ステツプY₁）、
その圧力Ｐが設定値α以上か否かが判別される
（ステツプY₂）。上記圧力Ｐが設定値α未満であ
れば、前記リサイクルバルブ３５が開閉作動を繰
返すように制御され（ステツプY₃）、これによつ
て前記空気リザーバ２９内の圧力上昇が促進され
る。上記圧力Ｐが設定値α以上になると、前記リ
サイクルバルブ３５が閉じられるとともに、始動
用の燃料および空気が噴射される（ステツプ
Y₄）。そして、始動が終了したか否かが判別され
（ステツプY₅）、始動が終了すると前記の第５図
に示すメインルーチンに戻されるようにしてい
る。

第８図および第９図は本発明の別の実施例を示
す。この実施例では燃料噴射弁２１′および空気
噴射弁２２が一次吸気ポート１３に設けられ、こ
の場合も、燃料噴射弁２１′は燃焼室７内の点火
プラグ２０に向けて配置され、空気噴射弁２２は
噴射燃料に空気を混入させるように配置されてい
る。また、この実施例において燃料噴射弁２１′
は、空気噴射弁２２と同様に、制御ユニツト４０
によつて直接に開閉作動が制御されるようにして
あり、この場合に燃料噴射弁２１′は、通常のガ
ソリンエンジンに用いられているような燃料噴射
ポンプ（図示省略）に接続しておけばよい。

このように上記各噴射弁２１′，２２を吸気ポ
ート１３に設ける場合、吸気弁１６が閉じるまで
に燃料を噴射させる必要があるので、第１０図に
示すように、低負荷領域では吸気行程の終期に燃
料および空気が噴射されるようにそれぞれの噴射
開始時期As，Fsおよび噴射終了時期Fe，Aeが設
定されているが、この点を除けば第１の実施例と
同様に制御装置が構成されている。

（発明の効果） 以上のように本発明は、エンジン低負荷時に、
吸気行程後半から圧縮行程の所定の時期に燃料を
点火プラグに向けて噴射するとともに、この噴射
燃料に空気噴射弁から噴射した空気を混入させる
ようにしているため、いわゆる層状給気により希
薄燃焼およびポンピングロス低減が可能となつて
燃費が向上され、しかも、燃料の霧化、気化が促
進される。とくに、燃料噴射量の増加に伴つて空
気噴射量も増加させ、さらに、エンジン温度が低
いときは気化、霧化が行われにくくなる傾向を是
正するように空気噴射量を増量補正しているの
で、適切に燃料の霧化、気化が行われ、着火性お
よび燃焼性が格段に向上されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す全体概略図、
第２図はその燃焼室部分およびその近傍部の拡大
図、第３図は制御系統のブロツク図、第４図は燃
料および空気の噴射時期の特性図、第５図Ａ，Ｂ
はそれぞれスモークおよび冷却水温に応じた補正
係数の特性図、第６図および第７図はフローチヤ
ート、第８図は別の実施例を示す全体概略図、第
９図はその第２図相当図、第１０図はこの実施例
による場合の第４図相当図である。 ２０……点火プラグ、２１，２１′……燃料噴
射弁、２２……空気噴射弁、４０……制御ユニツ
ト、５１……アクセル開度センサ、５２……クラ
ンク角センサ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ エンジンの点火プラグに向けて配置された燃
   料噴射弁と、該燃料噴射弁からの噴射燃料に干渉
   する方向に空気を噴射する空気噴射弁と、エンジ
   ンの負荷状態を検出する負荷検出手段と、エンジ
   ンのクランク角を検出するクランク角検出手段
   と、エンジン温度を検出する温度検出手段と、上
   記負荷検出手段とクランク角検出手段との出力を
   受けて、エンジン低負荷時、吸気行程後半から圧
   縮行程の所定の時期に燃料を噴射させるように上
   記燃料噴射弁を制御する燃料制御手段と、燃料噴
   射に同期して空気を噴射させるとともに燃料噴射
   量の増大に伴つて空気噴射量を増大させるように
   空気噴射弁を制御する空気制御手段と、上記温度
   検出手段の出力を受けて、エンジン温度が所定値
   以下のときに空気噴射量を増量する空気補正手段
   とを設けたことを特徴とする層状給気エンジン。