JPH0676771B2 - 成層燃焼式エンジン - Google Patents

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、就中成層燃焼方式のエンジンに関す
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
によるポ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多量の
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部分
と混合させて該燃焼室内に局部的に理論空燃比に近い濃
度をも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58−85319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もかかわらず、その
具体的な成功例が見当たらないのが現状である。

（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て該
燃焼室内の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ことにより高水準の成層燃焼
を実現することを目的としてなされたものである。

（目的を達成するための手段） 本発明の成層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するとともに上記副
吸気通路を介しての吸気導入を吸気行程の中盤以降の時
期に実行させ得る如くした吸気制御手段と、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）燃焼に寄与する第２の空気層が吸気行程の中盤か
ら後半にかけての時期に形成されるため、これを吸気行
程の中盤以前に形成する場合に比してその層の形成から
圧縮上死点に至るまでの期間が短くそれだけ圧縮行程中
における第２の空気層の減衰あるいは破壊が少なく、そ
のように比較的良好に成層状態が維持された第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成
層燃焼が効果的に達成されることになる。

（実施例） 以下、第１図ないし第６図を参照して本発明の好適な実
施例を説明する。

（I:構成） 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１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がそれ
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
てヘリカルポート式とされており、その燃焼室３に開口
する主吸気ポート13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11から主吸気ポート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A₁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よりも小さな通路面
積を有しており、その燃焼室３に開口する副吸気ポート
14は上記主吸気通路11内の上記主吸気ポート13の近傍位
置において、しかも該主吸気ポート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からその副吸気ポート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A₂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
れぞれ吸気マニホールド５に接続されている。この吸気
マニホールド５は、気筒列設方向に伸びる合流通路部30
と、該合流通路部30から各気筒毎にそれぞれ分岐して上
記シリンダヘッド２の主吸気通路11に接続される主吸気
分通路31と、副吸気通路12に接続される副吸気分通路32
とを有している。この副吸気分通路32には、後述するロ
ータリバルブ41が設けられており、該副吸気分通路32は
ロータリバルブ41によって開閉される。

ロータリバルブ41は、第１図及び第３図に示す如く副吸
気分通路32と重合連通可能な通口42を有しており、その
弁軸46の一端に取付けたプーリ48にかけ回されるベルト
（図示省略）を介してエンジンのクランク軸（図示省
略）と同期回転せしめられるようになっている。また、
上記弁軸46には、制御装置27からの制御信号を受けて上
記ロータリバルブ41とクランク軸との回転位相、換言す
ればロータリバルブ41の開弁タイミングを調整する位相
制御装置47が取付けられている。

一方、上記ロータリバルブ41の外側には、筒状のスペー
サ43が相対回動可能に嵌挿されている。このスペーサ43
は、ロータリバルブ41の通口42と重合して該通口42と上
記副吸気分通路32との連通を許容する開口部44と該通口
42と重合して該通口42を閉塞する閉塞部45とを有してお
り、アクチュエータ49によりその回動位置を調節するこ
とによって上記ロータリバルブ41の通口42の開弁タイミ
ング、換言すれば、ロータリバルブ41の開弁時間を増減
調整し得るようになっている。

尚、制御装置27は、エンジン回転数、負荷、大気温、水
温及び吸気圧力と各制御要素に基づいて上記位相制御装
置47と後述するアクチュエータ49の作動を制御する他
に、燃料の噴射量及び噴射時期をも制御するようにされ
ている。

上記位相制御装置47とアクチュエータ49を上記制御装置
27からの制御信号に基づいて適宜に制御することにより
主吸気通路11に対する副吸気通路12の相対的な開口特性
が設定されるが、特にこの実施例においては下記するよ
うにその特性を特定している。

即ち、主吸気通路11は吸気弁６の作動に伴い第４図にお
いて円弧L₁で示す期間だけ開弁され、この全期間を通じ
て吸気導入が行われる。これに対して、副吸気通路12
は、第４図において実線円弧L₂で示す期間、即ち、エン
ジンの吸気行程の中盤の時期に所定期間だけ開口される
ようになっている。さらに、この場合、エンジン負荷が
増大するとそれに伴って必要吸気量が増大し、副吸気通
路12の開口時間が同一値に設定されていると高負荷時に
は副吸気通路12から導入される吸気量即ち、混合気形成
に直接的に寄与する空気量が不足することになる。この
ため、この実施例においてはこのエンジン負荷の増大に
伴う吸気量の不足を補填する意味から、上記アクチュエ
ータ49の作動特性を、上記スペーサ43を、第５図に示す
ようにエンジン負荷の増大に伴ってロータリバルブ41の
開弁時間を延長させる方向に回転させ得る如き特性に設
定し、エンジン負荷の増大に伴って上記副吸気通路12の
開口時間を、第４図において実線円弧L₂の範囲から同図
において破線円弧L₂′で示す範囲まで延長させるように
している。

尚、上記の如く副吸気通路12の開口時期を吸気行程の中
盤時期に設定したのは下記する如き理由による。

即ち、成層燃焼実現という意味においては、後述するよ
うに副吸気通路12から導入される空気による空気層をで
きるだけピストンの圧縮上死点近くまで維持することが
有効であるが、この実施例においては第１図に示すよう
に吸気マニホールド５の主吸気分通路31と副吸気分通路
32が合流通路部30を介して相互に連通されており、主吸
気通路11と副吸気通路12にはそれぞれ同圧の空気が導入
される。従って、上記の如く空気層の維持という点から
副吸気通路12の開口時期を吸気行程の後半に設定した場
合には、該副吸気通路12らの吸気導入時には既に燃焼室
３内に主吸気通路11から多量の空気が導入されてその内
圧が高くなっており、該副吸気通路12からの空気導入が
阻害され、結果的に成層燃焼の実現に悪影響を与えるお
それがあり、これを避けるために上記の如く吸気行程の
中盤時期に設定したものである。

尚、第１図及び第２図においてそれぞれ鎖線図示する如
く、吸気マニホールド５の主吸気分通路31と副吸気分通
路32とを隔壁57によって区画して両通路と相互に独立通
路とし、副吸気分通路32側に過給機56を利用して加圧空
気を供給するようにした場合には、副吸気通路12側から
導入される空気の圧力が主吸気通路11側から導入される
圧力よりも高いため、第４図において実線円弧L₃で示す
如く副吸気通路12の開口時期をエンジンの吸気行程の後
半に設定することも可能である。また、この場合には、
エンジン負荷の増大に伴って副吸気通路12の開口タイミ
ングを早くしこれによりエンジン負荷増大時の吸気量不
足を補填する必要があり、その具体的手段としては、例
えば上記位相制御装置47によりクランク軸とロータリバ
ルブ41との回転位相を変化させることが考えられる。

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A₁）の下流側に位置する
ようにして配置されている。

（II:作動並びにその作用） 続いて、このエンジンの作動並びにその作用を簡単に説
明する。

エンジンが運転されると、ピストン４の下動に伴う吸気
負圧により、燃焼室３内に主吸気通路11と副吸気通路２
の両方からそれぞれ空気が導入される。その場合、主吸
気通路11から導入される空気は、第１図及び第２図にお
いてそれぞれ矢印A₁で示す如く燃焼室３の外周部に沿っ
て旋回流下するスワール流となり該燃焼室３の外周部に
強いスワールをもつ略筒状の第１の空気層51（境界線ｌ
よりも外側の部分）を形成する。これに対して、副吸気
通路12から導入される空気は、矢印A₂で示す如く燃焼室
３の中央部をピストン軸方向に流下する空気流となる
が、燃焼室３の外周部に強いスワール流をもつ上記第１
の空気層51があるため、結果的に該第１の空気層51の中
央部でよどみ、該第１の空気層51によって包まれた第２
の空気層52を形成する。即ち、燃焼室３内には、その流
れ特性が異なる二つの空気層51,52が存在することとな
る。

この燃焼室３内の二つの空気層51,52のうち、第２の空
気層52に、ピストンの圧縮上死点付近において上記イン
ジェクター８から燃料が噴射されることにより、燃焼室
３の中央部に局部的に混合気層が形成され、この混合気
層において着火・燃焼が発生することにより成層燃焼が
実現されるものである。尚、この成層燃焼はエンジンの
全運転域を通じて行われるものであるが、特に混合気の
オーバリーン現象により着火不良等が発生し易い低負荷
運転域において最もその効果が顕著となり、エンジンの
燃焼向上あるいは排気エミッション向上に寄与するもの
である。

ところで、上述の如き成層燃焼がより良好且つ確実に行
われるためには、燃焼に最も影響を与える圧縮上死点付
近において、燃焼室３内に第１の空気層51と第２の空気
層52が良好な成層状態を維持したまま存在していること
が必要であるが、この実施例においては、第１の手段と
して、上述の如く燃焼室３の外周部に強いスワールをも
つ第１の空気層51を、また該第１の空気層51の内側に該
第１の空気層51とはその流れ特性の異なる空気層、具体
的にはピストン軸方向の流れをもち且つ最終的によどみ
状態で存在する第２の空気層52とを形成し、両層間の流
れ特性の相異に起因する分離作用を利用して空気層の成
層状態の維持を図るようにしている。さらにこれに加え
て第２の手段として、ロータリバルブ41により副吸気通
路12を開閉制御し、混合気形成に直接寄与する第２の空
気層52を吸気行程の中盤から後半の時期に供給すること
によって、該第２の空気層52の形成時点からピストンの
圧縮上死点に至るまでの時間の可及的に短縮し、第２の
空気層52の成層状態が、ピストン上動に伴う空気の乱れ
作用により減衰あるいは破壊されるのを可及的に防止す
るようにしている。

この二つの手段が相互に有効に機能することにより、燃
焼室３内における第１の空気層51と第２の空気層52の成
層状態が圧縮上死点付近までより良好状態で維持され、
これにより、エンジンの低負荷運転時の如く要条件下に
おいてもより高水準の成層燃焼が確実に実現されるもの
である。

尚、上記実施例においては、エンジン負荷に対応させて
第２の空気層52のボリュームを調整する手段として、副
吸気通路12に連通する吸気マニホールド５の副吸気分通
路32にロータリバルブ41を設け、該ロータリバルブ41と
クランク軸との回転位相差あるいは該ロータリバルブ41
の外側に嵌装されたスペーサ43とロータリバルブ41との
位相差をそれぞれ調整するようにしているが、本発明に
これは限定されるものでなく、例えば、副吸気通路12を
常時開口通路とし、主吸気通路11側から導入される空気
によるスワールの強さを調整し、第１の空気層51と第２
の空気層５との運動エネルギーの差を利用して該第２の
空気層52のボリューム調整を行うこともできる。

さらに、上記実施例において、第２図の空気層52をピス
トン軸方向への流れをもつ空気流で構成したが、本発明
はこれに限定されるものでなく、空気層の分離という意
味においては、相互に接する２つの層の流れ特性が相違
していればその目的を達し得るものであり、例えば副吸
気通路12から導入される空気を、上記主吸気通路11から
導入される空気によるスワール流とは逆方向のスワール
をもつスワール流としてもよい。

（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
するともに上記副吸気通路を介しての吸気導入を吸気行
程の中盤以降の時期に実行させ得る如くした吸気制御手
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る、 （２）燃焼に寄与する第２の空気層が吸気行程の中盤か
ら後半にかけての時期に形成されるため、これを吸気行
程の中盤以前に形成する場合に比してその層の形成から
圧縮上死点に至るまでの期間が短くそれだけ圧縮行程中
における第２の空気層の減衰あるいは破壊が少なくその
ように比較的良好に成層状態が維持された第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成層
燃焼が効果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
縦断面図、第２図第１図のII−II横断面図、第３図は第
２図に示したロータリバルブの拡大図、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
したロータリ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 12……副吸気通路 13……主吸気ポート 14……副吸気ポート 15……排気通路 41……ロータリバルブ 43……スペーサ 51……第１の空気層 52……第２の空気層

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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するとともに上記副吸
   気通路を介しての吸気導入を吸気行程の中盤以降の時期
   に実行させ得る如くした吸気制御手段と、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。