JPS58204967A - 筒内噴射エンジン - 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】 本発明は筒内噴射エンジンに係り、特に内燃機関の燃焼
室に直接燃料を噴射し、点火プラグで着火するものであ
って成層燃焼に好適なスパークアシスト型筒内噴射エン
ジンに関する。

従来のスパークアシスト型筒内噴射エンジンでは、成層
燃焼を達成するために、燃料噴射弁による噴射時期を圧
縮行程の後期（２５〜４５°　Ｂ。

ＴＤＣ）に設定している。したがって、高い圧縮圧力と
なっている燃焼室内に燃料を噴射する必要があり、その
ためこの種の筒内噴射エンジンには高圧型の噴射弁（２
５〜１００句／ｃ１ｎ”　）を用いているところである
。

しかしながら、上記従来の筒内噴射エンジンにおいては
、高圧型の燃料噴射弁を用いる必要があるだめに、燃料
噴射制量を容易に行なうことが出来ず、また燃料供給系
の低コスト化や電子制御化が極めて困難であもという問
題があった。

本発明の目的は、燃料供給系の低圧化、低コスト化、さ
らには、完全外電子制御化を行なうことにより成層燃焼
を可能ならしめた筒内噴射エンジンを提供することにあ
る−１ 上記目的を達成するために、本発明に係る筒内噴射エン
ジンは、特に燃料噴射弁を低圧型弁とし、噴射弁先端に
燃料保持部を設け、かつ噴射弁近傍に前記燃料保持部を
振動させる超音波振動子を設け、当該振動子により保持
部内燃料を微粒化して噴射させるように構成したもので
ある。

本発明によれば、燃料噴射弁による燃料の吐出と、この
吐出された燃料の点火プラグ方向への噴射とを分離する
ことが出来る。したがって、燃料噴射弁からの燃料噴射
は吸気性ｉまたは圧縮行程初期の筒内圧力がほぼ大気圧
に近い時期に行なうことが出来、所定の時間後（例えば
、圧縮行程後期）に、燃料保持部内に貯えられた燃料を
超音波振動子により振動させて、燃料を牧粒化して燃焼
室内の点火プラグ方向に噴射させ、点火プラグにより着
火させることによって、成層燃焼を達成することが出来
る。

以下に本発明に係る筒内噴射エンジンの一実施例を図面
を参照して詳細に説明する。

第１図は本実施例に係る筒内噴射エンジンの構成断面図
である。この図に示されるように、当該エンジンは、ピ
ストン１のヘッド部にキャビティ２を設けている。また
、燃焼室３内には、燃料噴射装置４と点火プラグ５が取
り付けられている。

そして、特に本実施例では前記燃料噴射装置４を燃料噴
射弁６と超音波振動子７とによ多構成し、さらに燃料噴
射弁６の先端に噴射された燃料１一時点貯えるドーム状
の燃料保持部としてのマスク８が取り付けられている。

また、係るエンジンは、前記燃料噴射弁６ン核続される
噴射弁駆動回路９と超音波振動子７に接続される超音波
発振器１０を有し、さらに、点火プラグ５に着火信号を
送る点火装置１１を有している。これら噴射弁駆動回路
９、超音波発振器１０および点火装置１１はマイクロコ
ンピュータ−１２に接続され、これによす計算あるいは
マツピングされた噴射時期に噴射弁６と振動子７とを作
用させ、かつ適切な時期に燃料に着火させるものとして
いる。

斯かるエンジンにおいて、燃料噴射装＠４の具体的構造
を第２図に示す。すなわち、当該装置４を構成する燃料
噴射弁６は低圧型の電磁弁であり、ケーシング１３の内
部においてヨーク１４に巻きつけられた鑞磁コイル１５
と、これにより作動されるプランジャ１６を備えている
。また、前記ケーシング１３の先端部には小径のノズル
部１７が設けられており、このノズル部１７の先端にお
いて開閉するポペット型の弁体１８が取り付けられてい
る。この弁体１８は前記プランジャ１６とｍ−ドル１９
により連結されておシ、プランジャ１６の往復動作によ
り開閉動作をなすものである。

この場合、図に示されるように、プランジャ１６が下方
に移動した時に弁体１８がノズル部１７の先端から突出
し、ノズル部１７内に形成された燃料室２０から燃料を
吐出可能としている。そして、通常は前記ニードル１９
を上方へ付勢するばね２１により閉弁状態とされている
ものである。また、前記燃料室２０への燃料の供給はケ
ーシング１３の頭部に設けられた燃料入口３３金介し、
プランジャ１６およびニードル１９の中心部に穿設され
た燃料通路３４を介して行なわれるようになっている。

このような燃料噴射弁６のノズル部１７の外周位置には
、前述した超音波振動子７が取り付けられている。この
振動子７はノズル部１７と所定の隙間をあけて取り付け
られており、その上下端に位置する振動子弁え２２によ
り保持されている。

すなわち下部振動子弁え２２から振動子７を貫通して上
部振動子弁え２２に螺着されるボルト２３によって固定
されている。さらに、下部振動子弁え２２には前記ノズ
ル部１７の先端部を覆うように形成されたドーム状のマ
スク８が一体に形成されている。したがって、前記燃料
噴射弁６から噴射さまた燃料がこのマスク８の空所２４
内に一時的に収容されるものとなっている。このような
マスク８には噴射孔２５が形成されている。この噴射孔
２５は前記点火プラグ５に対応する数だけ設けられてお
り、燃焼室３の内部において前記点火プラグ５の方向に
向けて開口しているものである。

このような燃料噴射弁６と超音波振動子７とからなる噴
射装置４はエンジン本体２６に取り付けられるが、これ
は、次の様に行なわれる。すなわち、噴射弁６のノズル
部１７の外周面に対し、振動子７を取り付けた振動子弁
え２２を所定隙間をあけて装着し、ケーシング１３とノ
ズル部１７との間の段部に防振材２７を介して当接する
。そして、ノズル部１７の先端面においてシール部２８
を介してマスク８の内壁面と圧接状態としている。

斯かる状態で、エンジン本体２６に対し、燃焼室３に前
記マスク８を向けて挿入し、噴射弁６のケーシング１３
の外周に形成しｆｃね）゛じ部２９を介し本体２６に固
定するものである。そして、燃焼室３には前記マスク８
のみが突設するように取り付けし、下部振動子弁え２２
の先端面とエンジン本体２６との間にシール部３０を設
けて燃焼室３を密閉しているものである。

当該燃料噴射装置４において、電磁コイル１５への入力
端子３１と超音波振動子７に接続される正端子３２とが
エンジン本体２Ｇの外部に導かれており、これは前述し
た噴射弁駆動回路９と超音波発振器１０とにそれぞれ接
続されている。

このように構成された筒内噴射エンジンの作用は次の様
に行なわれる。燃料噴射弁６では燃料が燃料人口３３に
より供給されており、この燃料はプランジャ１６および
ニードル１９内の燃料通路３４を経て、燃料室２０に送
られている。この状態から、噴射弁起動回路９により開
弁信号が入力端子３１に入力されると、コイル１５によ
りプランジャ１６が下方に移動され、ニードル１９と共
に弁体１８も下方にｉき、開弁する。そして、これによ
り燃料室２０丙の燃料は吐出され、マスク８内の空所２
４内に一時保持される。その後、閉弁信号が入力される
と、プランジャ１６はばね２１により上方へ移動し、閉
弁される。したがつて、マスク８内の空所２４には開弁
時間に相当する計量された燃料が一時的に収容されるこ
ととなる。

このようにして、空所２４に燃料が噴射された後、ある
一定の時間をおいて、超音波発振器１０から正端子３２
に信号を入力させると、超音波振動子７が振動する。こ
の超音波振動子７が振動した場合、下部振動子弁え２２
のノズル部１７およびエンジン本体２６との間のシール
部２８．３０が振動しない不動点（節）になシ、マスク
８の先端が自由端となり、激しく振動することとなる。

この振動により空所２４内の燃料は、噴射孔２５から微
粒化されて放出される。噴射孔２５は前述した様に点火
プラグ５の方向に向けられているので、微粒化された燃
料は当該点火プラグ５の近傍に集中する。

そして、点火装置１１から信号が送られることにより、
点火プラグ５が燃料に着火させるものである。

この様に、当該筒内噴射エンジンでは、燃焼室（９） ３への計量された燃料の吐出と、この吐出された燃料を
霧化状態で点火プラグ５の方向へ噴射することとを分別
し、特に燃料の微粒化を超音波振動子７の作用によって
行なわせることとしているので、ピストン１のキャビテ
ィ２の効果と相まって、点火プラグ５の近傍に可燃な混
合気が集中し、成層燃焼が達成され、総合空燃比の薄い
布薄燃焼が可能となる。

次に、当該エンジンにおける燃料噴射弁６、超音波振動
子７および点火プラグ５の動作時期を第３図に基づいて
説明する。この図は、燃焼室３の筒内圧力Ｐと前記燃料
噴射弁６の動作時期Ａ１超音波振動子７の動作時期Ｂお
よび点火プラグ５の動作時期Ｃとの関係を示したもので
ある。第３図（１）および（２）に示すように、吸気行
程または圧縮行程初期に噴射弁６を開弁させ、燃料をマ
スク８の空所２４内に噴射する。その後、所定の時間ｔ
をおいて、超音波振動子７を振動させ、噴射孔２５より
燃料を微粒化して燃焼室３に供給し、振動を停止させる
。そして、点火ブ２グ５により着火さく１０〕 せて、爆発を行なわせるものである。この様に、噴射弁
６は吸気行程や圧縮行程初期の筒内圧力Ｐが大気圧に近
いか、同じ時期に燃料を噴射すればよいこととなり、従
来の様な圧縮行程後期に噴射する高圧型の噴射装置は不
用となり、低圧（例えば２〜３Ｋｇ／ｃｍ”）で噴射す
ることが可能となる。

この場合、燃料噴射弁６の弁体１８はポペット型の弁で
あるため、ビントル型の噴射弁と異なり、圧縮または爆
発行程において燃焼圧がニードル１９の先端に作用して
も、開弁することはなく、筒内直接噴射弁の低圧化には
最適なものとなる。

上述の如く、本実施例に係る筒内噴射エンジンでは、燃
料噴射弁６を低圧型の弁とし、これから噴射される燃料
を超音波振動子７により微粒化させ、点火プラグ５に向
けて噴射させる様にしたので、成層燃焼の達成と、燃料
供給系の大幅なコスト低減ができ、さらには、筒　　射
システムの完全な電子制御化および電子制御装置の低コ
スト化が達成できる。

第３図ｆ３１　、　（４１は超音波振動子７の動作時期
を変（１１） 更した実施例金示す。同図（３）は噴射弁６の開弁期間
中もしくはそれ以前より振動子７ｆ、振動させておき、
振動停止後着火するようにしたものである。

また同図（４）は、噴射弁６の開閉中もしくは閉弁後に
振動子７を振動させ、点火プラグ５による点火後、振動
を停止するようにしたものである。この場合には、超音
波特有の燃焼促進効果により、着火過程および初期燃焼
が促進されるという効果が得られる。

次に、上記実施例における超音波振動子７の制御は次の
様に行なわれる。すなわち超音波振動子７の基本的な特
性を第４図に示し、同図（１１は周波数特性、同図（２
）は振幅の特性を示す。図に示される様に、振動子７は
ある周波数Ｗ、（強振周波数）でゲインが最大となり、
燃料微粒化の処理能力が最大となる。したがって、当該
実施例ではこの強振周波数Ｗ１を使１．．　している。

また、撮動子７への入力電力（ワット数）により、振幅
が変化するため（第４図（２））、本実施例では、燃料
量が増減した場合の処理能力や、噴霧特性を振幅すなわ
ち（１２） ワット数の変化により制御するようにしている。

このワット数の制御は前述した超音波発振器１０に供給
する電流値の変化によって行なう。具体的には、第５図
（１）に示す様に、噴射される燃料量と振動子７の要求
される振幅の関係が、処理能力や噴霧特性の点から、燃
料量に対して直線の関係になるのが望ましい。したがっ
て、同図（２）のような燃料量に対してワット数すなわ
ち電流値を変化させる様に制御するものである。さらに
は、第６図に示すように、ワット数の制御によらず、周
波数の変化をもち、最大燃料量で強振周波数Ｗ、となる
ように制御することも出来る。

なお、周波数や振幅を燃料量いかんにかかわらず一定と
してもよいのは勿論である。

第７図には上述の様に構成された筒内噴射エンジンを用
い、燃費率をもとめた実験結果を示す。

この実験では燃料としてメタノール１００％を用いてい
る。この図においてＡは従来の筒内噴射システムすなわ
ち圧縮行程後期に高圧型の噴射装置を用いて噴射し点火
させる様にした特性を示し、（１３） Ｂは本実施例による燃費率の特性を示す。この図から明
らかな様に、超音波振動子７による微粒化や、噴霧特性
の制御により、大幅な希薄燃焼や燃費率の低下が達成さ
れてｂることか理解できる。

次に、本発明に係る筒内噴射エンジンの燃料保持部の変
形例を第８図および第９図に示す。第８図は下部振動子
弁え２２に形成した燃料保持部としてのマスクを多孔質
の材料で形成したドーム３５によって構成し、噴射孔２
５を省略したものである。この実施例では、噴射された
燃料が空所２４や多孔室ドーム３５の孔内に保持され、
その後の超音波振動子７の振動によシ燃料が微粒化され
て燃焼室３内に分散される。また、第９図は、燃料保持
部を円筒３６によシ構成して＾る。この実施例では、噴
射燃料は、円筒３６の内壁に衝突し、この衝突後も壁に
よシ反射して対向壁に再び衝突する。この動作の繰り返
し時期だけ、燃料は円筒３６内に保持される。この期間
経過後、燃料は微粒化されて円筒３６の先端より燃焼室
３内に分散されるものである。

（１４） 第１０図には本発明の他の実施例を示す。これは、燃料
噴射弁６の燃料配管３７の途中に圧力変換器３８を設置
し、燃料圧力の変化を検出して、噴射弁６の開弁時期を
正確に知る様にしたものである。この検知された開弁信
号は、前記マイクロコンピュータ−１２に入力され、噴
射弁６０開弁時期を正確に閉ループ制御するだめの、フ
ィードバック信号として利用する。あるいは、当該圧力
変換器３８によシ検知された開弁時期を回転数、クラン
ク角より、超音波振動子７や点火プラグ５の作動時期計
算の基点として用いることも可能である。

さらに第１１図には本発明の別実施例を示す。

これは、副燃焼室３９を設けたエンジンに適用したもの
であり、当該副燃焼室３９内に前記燃料噴射装置４と点
火プラグ５を取り付けたものである。

この場合において、マスク８の噴射孔２５は主燃焼室４
０の方向に向けられている。この実施例では、圧縮行程
時に空気が副燃焼室３９内に流入する際、噴射さ−ｆ１
．た燃料噴霧はこの空気流に乗り、（１５） 点火プラグ５の方向に運ばれて着火されることとなる。

さらに、第１２図にはさらに他の実施例を示し、この実
施例は１個の点火プラグ５を備えたエンジンへの適用例
である。これはキャビティ４１内に燃料噴射装置４で燃
料を分散して点火プラグ５で着火し、成層燃焼を達成す
るものである。

以上説明したように、本発明に係る筒内噴射エンジンに
よれば、燃料供給系の低圧化が可能となるとともに、超
音波振動子による燃料微粒化上図り、その噴霧特性全制
御できるので、燃料量制御の完全な電子制御が容易に達
成でき、燃費率が１０〜１５％低減させ、希薄燃料で族
１−燃焼が達成できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例に係る筒内噴射エンジンの構、１′ 酸析面図、第２図は！装置の燃料噴射装置の断面図、第
３図は筒内圧力に対する燃料噴射弁、超音波振動子およ
び点火プラグのタイムチャート図、第４図は超音波振動
子の基本特性図、第５図は超（１６） 音波振動子の燃料量に対する特性図、第６図は燃料量に
対する超音波振動子の周波数特性図、第７図は燃費率の
測定グラフ図、第８図は燃料保持部の変形例を示す噴射
装置の部分断面図、第９図は燃料保持部のさらに他の変
形例を示す同断面図、第１０図は本発明に係る筒内噴射
エンジンの他の実施例の断面図、第１１図は同さらに他
の実施例を示す断面図、第１２図は同地の実施例を示す
断面図である。 ３・・・燃焼室、４・・・燃料噴射装置、５・・・点火
プラグ、６・・・燃料噴射弁、７・・・超音波振動子、
訃・・マスク、２２・・・振動子弁え、２５・・・噴射
孔、２６・・・エンジ（１７） 第　Ｚ麿 ＄３　目 ご１　　　　　　　　　　　　　　　″（ｚ ギ４　目 （２） ワット数 ＄５　図 （＋） 凧゛　　ずチ　　量　　／／Ｙｌレス アｉ・ｆ＋　　量　　／ハ・ル、ス 第１０暖 第１１０ 第１ｚ国

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、燃焼室内に燃料噴射弁と点火プラグを設け、前記燃
   料噴射弁により直接燃料を噴射させて火花着火させる筒
   内噴射エンジンにおいて、前記燃料噴射弁を低圧型弁と
   し、噴射弁先端に燃料保持部を設け、かつ噴射弁近傍に
   前記燃料保持部を振動させる超音波振動子を設けてなり
   、当該振動子により保持部内燃料を微粒化して噴射させ
   ることを特徴とする筒内噴射エンジン。 ２、前記燃料保持部はドーム形に形成され点火プラグに
   向けられた噴射孔が設けられていることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の筒内噴射エンジン。 ３、前記燃料保持部は多孔質材からなるドーム形状であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の筒内噴
   射エンジン。 ４、前記燃料保持部は燃焼室内に開口する円筒形状でｓ
   ｂ圧縮圧力にて燃料保持をなすことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の筒内噴射エンジン。 ５、前記燃料噴射弁はポペット型弁体を有していること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の筒内噴射エン
   ジン。