JPS61244821A - 火花点火式エンジン - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、火花点火式エンジンに関し、負荷に応じて成
層化燃焼と予混合燃焼とを行わせるようにしたものの改
良に関する。

（従来の技術） 従来、燃費の低減および出力の向上を狙った火花点火式
エンジンとして、例えば特開昭５６−１５１２１３号公
報に開示されているように、シリンダヘッドに、燃焼室
内に吸気行程から圧縮行程の間において燃料を噴射する
ノズルを配設し、このノズルの噴口部近傍に点火栓を配
置するとともに、吸気通路に該吸気通路内に燃料を供給
する燃料供給手段を配設して、低負荷時にはノズルのみ
から燃料を噴射して燃焼室のノズル噴口部近傍がリッチ
となる成層状の希薄混合気を形成し、この希薄混合気を
点火栓で良好に着火して成層化燃焼させることにより燃
費を低減する一方、高負荷時には燃料供給手段から燃料
を噴射して吸気通路内で吸入空気を全体的に利用して混
合気を形成し、この混合気を燃焼室に供給し点火栓で着
火して予混合燃焼させることにより空気利用率を高めて
エンジン出力を向上させるようにしたものは知られてい
る。

（発明が解決しようとする問題点） ところが、上記従来の火花点火式エンジンでは、ノズル
が吸・排気弁との干渉を避けてシリンダボアの略中央部
からオフセットして配設される関係上、このノズル噴口
部近傍に配置される点火栓もシリンダボアの中央部から
オフセットして配置されることになる。このため、予混
合燃焼時にはシリンダ周端への火炎伝播時間の最短化が
図れないことから、ノッキングが発生し易く、その結果
エンジン出力の低下を招く。さりとて、点火栓をノズル
噴口部から離れたシリンダボアの略中央部に配置して予
混合燃焼時の燃焼速度を速めるようにすると、成層化燃
焼時、シリンダボアの略中央部には希Ｓａ合気のうちリ
ーンな部分が分布するので着火性が損われることになる
。

また、上述の如く成層化燃焼をさせる場合、着火性を良
好なものとするにはノズルから噴射された燃料をできる
だけノズル噴口部近傍に偏在させておくのが好ましい。

そこで、例えば吸気ボートをヘリカルポートにしてシリ
ンダ内にスワールを生成させることにより、ノズルから
噴射された燃料がシリンダ内下部に流動するのを抑制し
てシリンダ内下部に偏在させるようにすることが考えら
れる。

しかるに、このようなへりカルポート等を設けたエンジ
ンでは、高負荷時には吸気ボートの抵抗のために体積効
率が減少するので、予混合燃焼によってもエンジンの出
力向上を充分図り得ないという問題が生じる。

本発明はかかる諸点に鑑みてなされたものであり、その
目的とするところは、上述の如く負荷に応じて成層化燃
焼と予混合燃焼とを使い分けるようにした火花点火式エ
ンジンにおいて、各燃焼方式専用の点火栓をそれぞれ適
切な位置に配置するとともに成層化燃焼時にのみシリン
ダ内にスワールを生成させることにより、成層化燃焼時
の着火性と予混合燃焼時の燃焼安定性とを確保しながら
、成層化燃焼による燃費の向上と予混合燃焼によるエン
ジン出力の向上とを両立させることにある。

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するため、本発明の解決手段は、シリン
ダヘッド下端部もしくはピストン上端部の少なくとも一
方にシリンダ内に開口する略凹状の燃焼室を形成し、こ
の燃焼室内に吸気行程から圧縮行程の間において燃料を
噴射するノズルを設け、このノズルの噴口部近傍に第１
点火栓を配置する。

また、吸気通路内に燃料を供給する燃料供給手段を設け
、シリンダボアの略中央部に第２点火栓を配置する。さ
らにシリンダ内にスワールを生成させるスワール生成手
段を設ける。そして、エンジンの低負荷時に上記ノズル
、第１点火栓およびスワール生成手段を作動させる制御
手段を設ける構成としたものである。

（作用） 上記の構成により、本発明では、エンジンの低負荷時に
は制御手段により上記ノズル、第１点火栓およびスワー
ル生成手段が作動して、スワール生成手段によりシリン
ダ内にスワールが生成されるとともに、このスワールに
対して吸気行程から圧縮行程の間においてノズルから燃
料が噴射されることにより、この燃料がスワールととも
にシリンダ内下部に偏在してノズル噴口部近傍がリッチ
になるような成層状の希薄混合気が形成される。

そして、この成層状希薄混合気のうち、リッチな混合気
が偏在するノズル噴口部近傍に配置された第１点火栓の
点火により希薄混合気が確実に着火して成層化燃焼がな
される。一方、低角荷時以外には制御手段により上記燃
料供給手段、第２点火栓が作動しかつスワール生成手段
が不作動となり、燃料供給手段により吸気通路内の吸入
空気全体を利用して混合気が生成され、この混合気がス
ワール生成手段の不作動により抵抗なくスムーズにシリ
ンダ内に吸入されて体積効率が高められるとともに、シ
リンダボアの略中央部に配置された第２点火栓の点火に
より速い燃焼速度でもって混合気の予混合燃焼がなされ
る。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図および第２図は本発明の第１実施例を示す。１は
シリンダブロック２およびシリンダヘッド３により形成
されたシリンダであって、該シリンダ１内にはピストン
４が摺動自在に嵌挿されている。上記シリンダヘッド３
にはそれぞれシリンダ１に開口する第１および第２吸気
ボート５．６並びに排気ポート７が形成されており、該
第１および第２吸気ボート５．６には主吸気通路８から
２又状に分岐した第１および第２吸気通路８ａ。

８ｂの下流端がそれぞれ個別に接続されており、シリン
ダ１に吸入空気を供給するようにしている。

また、上記排気ポート７には排気通路９の上流端が接続
されており、シリンダ１からの排気ガスを排出するよう
にしている。尚、１０．１０は第１および第２吸気ボー
ト５．６に設けられた吸気弁、１１は排気ポート７に設
けられた排気弁である。

上記シリンダヘッド３下端部の排気ポート７側にはシリ
ンダ１に開口する略凹状の燃焼室１２が形成されている
。上記シリンダヘッド３の燃焼室１２内には燃料噴射ノ
ズル１３が配設されていて、エンジンの低負荷時に作動
して燃焼室１２内にシリンダ１の吸気行程から圧縮行程
の間において燃料を噴射してシリンダ１内にノズル１３
の噴口部近傍がリッチになるような成層状の希ｆ［合気
を生成するようになされている。また、上記燃焼室１２
内においてノズル１３の噴口部近傍には、エンジンの低
負荷時に作動する第１点火栓１４が配置されている。

一方、上記主吸気通路８の分岐部直上流には、燃料供給
手段としてのインジェクタ１５が配設されていて、予混
合燃焼時に作動して主吸気通路８内に燃料を噴射供給す
ることにより、吸気通路８内で混合気を生成するように
なされている。また、シリンダボアの略中央部のシリン
ダヘッド３には予混合燃焼時に作動する第２点火栓１６
が配置されている。

上記ノズル１３の噴口面積はインジェクタ１５の噴口面
積よりも小さく設定されているとともに、ノズル１３の
噴霧角はインジェクタ１５の噴霧角よりも大きく設定さ
れていて、ノズル１３およびインジェクタ１５の各噴口
部から燃焼方式に応じ゛て適切に燃料を噴射するように
している。

また、上記第１点火栓１４は熱価の低い焼は形が採用さ
れ、一方、第２点火栓１６は熱価の高い冷え形が採用さ
れていて、燃焼方式に応じて安定して火花を発生するよ
うにしている。

さらに、上記インジェクタ１５上流の主吸気通路８には
スワール生成手段としてのスワールコントロールバルブ
１７がアクチュエータ１８に連結されて配設され、該ス
ワールコントロールバルブ１７上流の主吸気通路８と第
１吸気ボート５直上流の第１吸気通路８ａとはバイパス
通路１９によって連通されていて、上記アクチュエータ
１８の作動によってエンジンの低負荷時にはスワールコ
ントロールバルブ１７を閉じて吸入空気をバイパス通路
１９のみに通して流速を増すことによりシリンダ１内に
スワールを生成させるとともに、低負荷以外にはスワー
ルコントロールバルブ１７を所定開度に設定してエンジ
ン回転数および負荷に応じた流量の吸入空気をシリンダ
１に供給するようになされている。

そして、上記ノズル１３、インジェクタ１５、第１．第
２点火栓１４．１６およびアクチュエータ１８はＣＰＬ
Ｉ２０に接続されているとともに、第１．第２点火栓１
４．１６はそれぞれイグナイタ２２ａ　、２２ｂを介し
ＴＣＰＵ２０に接続されており、該ＣＰＬ１２０にはエ
ンジン回転数Ｎ１スロットル間度Ｐ１冷却水ＩＴおよび
吸気負圧Ｂの各信号が入力されていて、エンジンの低負
荷時には、上記ノズル１３および第１点火栓１４を作動
させかつスワールコントロールバルブ１７を閉じる一方
、低角荷時以外には、上記インジェクタ１５および第２
点火栓１６を作動させかつスワールコントロールバルブ
１７を所定開度に設定するようにした制御手段２１が構
成されている。

次に、上記制御手段２１の作動を第３図に示すフローチ
ャートに基づいて説明するに、スタート後、ステップＳ
＋でエンジン回転数Ｎおよびス［コツドル開度Ｐを読込
み、ステップＳ２で冷却水温Ｔおよび吸気負圧Ｂを読込
んだ後、これらの入力値Ｎ、Ｐ、Ｔ、Ｂに基づいてステ
ップＳ３で吸入空気流１１Ａおよび噴射燃料流量Ｆを算
出し、次のステップＳ４でこの吸入空気流ｍＡおよび噴
射燃料流ＩＦに基づいて空気過剰率λを算出する。

次に、ステップＳ５でこの空気過剰率λを基準空気過剰
率λ０と比較し、λ≧λ０のＹＥＳのときには低負荷時
であると判断してステップＳ６でスワールコントロール
バルブ１７を閉じる。このことにより、吸入空気流量が
減少してシリンダ１内の混合気の空燃比がオーバリーン
になるのが防止されるとともに、シリンダ１内にスワー
ルが生成されこのスワールによってノズル１３からの噴
射燃料がシリンダ１内上部に偏在することになる。

その後、ステップＳ７において、ノズル１３の噴射量Ｑ
Ａおよび噴射時期ＴＡを決定する。そして、これらの決
定値ＱＡおよびＴＡに基づいてステップＳ８でノズル１
３を作動させて燃料を噴射させることにより、この噴射
燃料と上記スワールとによってノズル噴口部近傍がリッ
チになるような成層状の希薄混合気が生成される。一方
、この希薄混合気の生成と並行して、ステップＳ９にお
いて、第１点火栓１４の点火時期を決定し、この決定値
に基づいてステップＳ　＋ｏで第１点火栓１４を作動さ
せて上記希薄混合気に着火し成層化燃焼させる。この場
合、第１点火栓１４はリッチな混合気が偏在するノズル
噴口部近傍に配置されているので、希薄混合気は確実に
着火する。したがって、着火性を良好なものとしながら
成層化燃焼による燃費低減を図ることができる。

また、上記ノズル１３の噴口面積はインジェクタ１５の
噴口面積よりも小さく設定されているので、噴射燃料の
霧化が促進されて希薄混合気の燃焼性を向上させること
ができる。しかも、ノズル１４の噴霧角はインジェクタ
１５の噴霧角よりも大きく設定されているので、噴射燃
料の霧化が一層促進されるとともに霧化燃料のシリンダ
方向への拡散が促進されて希薄混合気の燃焼性をより一
層向上させることができる。

さらに、第１点火栓１４は熱価の低い焼は形が採用され
ているので、希薄混合気であるにも拘らず火炎核を安定
して形成することができ、良好な着火性を実現すること
ができる。この場合、第１点火栓１４のアーク時間を第
２点火栓１６のアーク時間よりも長く設定することは、
成層化燃焼時の着火性を向上させることになり好ましい
。また、奥まった略凹状の燃焼室２に第１点火栓１４が
配置されているので、第１点火栓１４の周囲にはスキッ
シュ流による乱れが生成されず、着火性の向上に寄与す
ることができる。

一方、ステップＳ５において、λくλ０のＮ。

のときには低角荷時以外であると判断してステップＳ　
＋＋でスワールコントロールバルブ１７の設定開度θを
吸入空気流量Ａに応じて算出し、次いでステップ３１２
でスワールコントロールバルブ１７を開度θに設定する
。このことにより、シリンダ１に供給する混合気を適正
混合比に精度良く制御することができるとともに、高負
荷時にはスワールコントロールバルブ１７が全開されて
吸入空気が抵抗なくスムーズにシリンダ１内に吸入され
て体積効率が高められることから、エンジン出力を向上
させることが可能となる。

その後、ステップＳ　１３において、インジェクタ１５
の噴射量ＱＢおよび噴射時期Ｔｅを決定する。

そして、これら決定値Ｑａ　、ＴＢに基づいてステップ
Ｓ）４でインジェクタ１５を作動させて燃料を噴射させ
ることにより主吸気通路８内の吸入空気全体を利用して
混合気が生成され、この混合気がシリンダ１内に吸入さ
れる。一方、この混合気の生成と並行して、ステップＳ
　＋ｓにおいて、第２点火栓１６の点火時期を決定し、
この決定値に基づいてステップＳ　＋６で第２点火栓１
６を作動させて上記混合気に着火し予混合燃焼させる。

この場合、第２点火栓１６はシリンダボアの略中央部に
配置されているので、シリンダ１周端への火炎伝播時間
を最短化して燃焼速度を速めることができる。

したがって、燃焼安定性を高めながら空気利用率を向上
させて予混合燃焼によるエンジン出力の向上を図ること
ができる。

また、上記インジェクタ１５の噴口面積はノズル１３の
噴口面積よりも大ぎく設定されているので、噴ｒＪＪｆ
ｆｉを大に設定することができ高負荷時のエンジン出力
を確保できるとともに、噴射量が大のときにも噴射パル
ス幅を可及的に短くして噴射時期の制御精度を向上させ
ることができる。しかも、インジェクタ１５の噴霧角は
ノズル１３の噴霧角よりも小さく設定されているので、
噴射燃料が吸気通路８ａ　、８ｂに付着するのを抑制す
ることができ、燃料消費の無駄を省くことができる。

さらに、第２点火栓１６は熱価の高い冷え形が採用され
ているので、熱発生の高い予混合燃焼時における第２点
火栓１６の溶損を防止することができる。このことは、
特に苛酷な熱負荷を受ける高負荷時に有利であり、エン
ジンの信頼性を高めることができる。

次に、エンジンの加速時におけるノズル１３およびイン
ジェクタ１５の各噴射１１ＱＡ、ＱＢの決定動作を第４
図に示すフローチャートに基づいて説明するに、スター
ト後、ステップＳ１でエンジン回転数Ｎ１およびスロッ
トル開度Ｐ＋を読込み、次いでステップＳ２で微小時間
経過後のエンジン回転数Ｎ２およびスロットル開度Ｐ２
を読込み、ステップＳ３でスロットル開度の変化分△Ｐ
−Ｐ２　　Ｐ＋を求める。

次に、ステップＳ４でマツプに基づいて上記エンジン回
転数Ｎ２およびスロットル開度Ｐ２に対応するスワール
コントロールバルブ開度θを決定し、ステップＳｓでマ
ツプに基づいてノズル１３およびインジェクタ１５の各
噴射ｆｉｉＱＡ、Ｑａの噴射割合Ｘおよび基本噴射量τ
０を決定する。そして、次のステップＳ６でスロットル
開度の変化分ΔＰを加速゛判定基準値ΔＰＯと比較し、
ΔＰ〉ΔＰＯのＹＥＳのときには加速時であると判断し
てステップＳ７で追加燃料Δτ−ｋ・ΔＰ（ｋは比例定
数）を設定する一方、ΔＰ≦ｐｏのＮＯのときには加速
時でないと判断してステップＳ８で追加燃料ΔτをＯと
し、その後ステップＳ９でこれらＸ、τ０．Δτの多値
に堪づいて各噴射量ＱＡ−（１−Ｘ）・τｏ　、　ＱＢ
　−ｘ　・τθ＋Δτを決定する。このように、エンジ
ンの加速時においてはノズル１３およびインジェクタ１
５の双方から燃料を噴射することにより成層化燃焼から
予混。

合燃焼への移行をスムーズに行うことができる。

しかも、インジェクタ１５から追加燃料Δτが上乗せさ
れて噴射されるので、加速に見合う吸入空気量を供給す
べくスワールコントロールバルブ１７が略全開となって
も混合気がオーバリーンになるのを防止することができ
、加速性を向上させることができる。また、加速時には
スワールコントロールバルブ１７が開くことにより、シ
リンダ１内にスワールが生成されなくなるので、追加燃
料Δτをノズル１３からではなくインジェクタ１５から
噴射させることは、混合気のミキシングの面から有利で
ある。

さらに、上記実施例では、スワールコントロールバルブ
１７をスワール生成手段としてだけでなく吸入空気流量
を調節するバルブとして利用したので、別々のバルブを
設けることに較べてエンジンのコンパクト化を図る上で
有利である。

尚、ノズル１３の噴射時期ＴＡは、噴射Ｉ　ＯＡが大の
ときには早めるようにした方が燃焼性を良好に維持する
面から好ましい。また、冷間時や始動時においても同様
に早めた方が燃料の霧化を促進でき好ましい。さらに、
インジェクタ１５の噴射時期ＱＢは、吸入空気流速が最
も高くなる吸気行程に設定すれば均質な混合気を得るこ
とができる。

また、本実施例のようにノズル１３とインジェクタ１５
とを完全に切り換えるようにせず、例えば低負荷時には
ノズル１３の燃料噴射量割合を増し、高負荷域ではノズ
ル１３の燃料噴射量割合を減らすようにしてもよい。さ
らに、スワールコントロールバルブ１７の開度に応じて
、ノズル１３とインジェクタ１５への燃料供給割合を変
えるようにしてもよい。また、高負荷域では第１．第２
点火栓１４．１６の両方を点火するようにしてもよく、
着火を確実に行うことができる。

第５図および第６図は本発明の第２実施例を示し、ピス
トン４上端部に略凹状の燃焼室１２′を形成するととと
もに平坦なシリンダヘッド３下端面に第１点火栓１４を
配置したものであり、シリシダ１内に生成されるスキッ
シュ流によって第１点火栓１４周囲に乱れを発生させ、
この乱れにより着火後の初期火炎伝播を速くすることが
できる。

また、第７図および第８図は本発明の第３実施例を示し
、シリンダヘッド３下端面を円錐状に形成するとともに
ピストン４上端部に燃焼室１２“を形成したペンミール
ーフタイプのエンジンに本発明を適用したものである。

本実施例では、吸・排気弁１０．１１を傾斜させて配設
することになるので、吸・排気ボート５．７の直径を大
きく設定することができ、体積効率を向上させることが
できる。

さらに、第９図および第１０図は本発明の第４実施例を
示し、ピストン４上端部に半球形の燃焼室１２　”を形
成したものであり、混合気のミキシングを促進して低負
荷時における着火性を向上できるとともに、燃焼室１２
″′の放熱性を低下させて燃焼室１２　”の温度を高く
維持して燃焼性を高めることができる。

また、本発明は上記各実施例により限定されるものでは
なく第１点火栓１４のみならず第２点火栓１６をも燃焼
室１２に対向させて配置するようにしてもよく、低負荷
時に両点火柱を併用する場合等には有利となる。さらに
、燃焼室１２をシリンダヘッド３下端部とピストン４上
端部との両方に形成したエンジンに対しても適用可能で
ある。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明の火花点火式エンジンによ
れば、エンジンの低負荷時にはスワール生成手段により
シリンダ内に形成されたスワールに対して吸気行程から
圧縮行程の間においてノズルから燃料を噴射しこの燃料
をスワールとともにシリンダ内上部に偏在させてノズル
噴口部近傍がリッチになるような成層状の希薄混合気を
形成し、ノズル噴口部近傍に配置した第１点火栓を点火
して希薄混合気を成層化燃焼させる一方、低角荷時以外
には燃料供給手段により吸気通路内の吸入空気全体を利
用して生成した混合気をスワール生成手段を不作動とし
てスムーズにシリンダ内に吸入し、シリンダボアの略中
央部に配置した第２点火栓を点火して混合気を予混合燃
焼させるようにしたので、成層化燃焼時には燃料の偏在
化および点火位置の最適化により着火性を高めかつ予混
合燃焼時には点火位置の最適化により燃焼安定性を高め
ながら、低負荷時における成層化燃焼による燃費の低減
と高負荷時における体積効率を高めた予混合燃焼による
エンジン出力の向上とを両立させることができる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を例示し、第１図〜第４図は本発
明の第１実施例を示し、第１図は全体概略構成図、第２
図は第１図の模式平面図、第３図はＣＰＵの基本作動を
説明するフローチャート図、第４図はＣＰＵの加速時に
おける燃料噴射量の決定動作を説明するフローチャート
図である。第５図は第２実施例を示す全体概略構成図、
第６図は第５図の模式平面図である。第７図は第３実施
例を示す全体概略構成図、第８図は第７図の模式平面図
であり、第９図は第４実施例を示す全体概略構成図、第
１０図は第９図の模式平面図である。 １・・・シリンダ、３・・・シリンダヘッド、４・・・
ピストン、８・・・主吸気通路、８ａ・・・第１吸気通
路、８ｂ・・・第２吸気通路、１２．１２’　、１２”
、１２″・・・燃焼室、１３・・・ノズル、１４・・・
第１点火栓、１５・・・インジェクタ、１６・・・第２
点火栓、１７・・・スワールコントロールバルブ、２０
・・・ＣＰＵ、２１・・・制御手段。 代　　　　　理　　　　　人　　　前　　１）　　　　
づ崎蝉し−・５．１第４図 第３図 スｑ−ト 工ンジ〉０脚（咬Ｎの鏝Δλ スＣｈａｒｔし聞酸　Ｐの名子分いと Ｔの謹込り 均圧Ｂ０語見方 λり気兼番Ａの量と 燃料流量Ｆの貞出 Ｓ４　　　（１墨」翫刺率λの■出 ＾、え。ＮＯ イ氏負イ街、　　　　ＹＥＳ　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　泊１潰葡Ｗジ以ｑトス
’ｌ−＋レコント口−１し１刈ν丁 え朗じる　　　　　　　　　　　　　ｍσ隻ｅｆ１；天
定　　　　　　　　Ｓｎｎススし／）　４４）１１　　
　　　　　　　　　スｑ−ＩＬ／　コ＞　ｌ−ｏ　−Ｌ
ｌ（＋ＬＳ７　　　　　　ＱＡおコＶ　　　　　　　　
　　　　　　　　　　／）イ有ψ力ＴＡの宋起 インシェフ９の４身づ量ＱＢ　　　　ｓ１３刃、ｈｙｏ
ＵＨ的苅ＴＢ感針芝 １５゜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）シリンダヘッド下端部もしくはピストン上端部の
   少なくとも一方にシリンダ内に開口するように形成され
   た略凹状の燃焼室と、この燃焼室内に吸気行程から圧縮
   行程の間において燃料を噴射するノズルと、このノズル
   の噴口部近傍に配置された第１点火栓と、吸気通路内に
   燃料を供給する燃料供給手段と、シリンダボアの略中央
   部に配置された第２点火栓と、シリンダ内にスワールを
   生成させるスワール生成手段とを備えるとともに、エン
   ジンの低負荷時、上記ノズル、第１点火栓およびスワー
   ル生成手段を作動させる制御手段を設けたことを特徴と
   する火花点火式エンジン。