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JPH0781534B2 - 燃料噴射型エンジンの時調整方法 - Google Patents

燃料噴射型エンジンの時調整方法

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JPH0781534B2
JPH0781534B2 JP61504171A JP50417186A JPH0781534B2 JP H0781534 B2 JPH0781534 B2 JP H0781534B2 JP 61504171 A JP61504171 A JP 61504171A JP 50417186 A JP50417186 A JP 50417186A JP H0781534 B2 JPH0781534 B2 JP H0781534B2
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JP
Japan
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fuel
combustion chamber
engine
load
exhaust port
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キム シュランケ、クリストファー
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オ−ビタル、エンジン、カンパニ−、プロプライエタリ、リミテッド
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Publication date
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Publication of JPH0781534B2 publication Critical patent/JPH0781534B2/ja
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、燃料がエンジンの燃焼室の中に直接に噴射さ
れる火花点火型内燃機関の噴射−点火位相の調整に関す
るものである。
燃料効率と排気浄化のレベルを高めるためには、燃焼室
中の燃料噴霧の位置を制御する事が望ましい。燃料噴霧
の好ましい位置は一定でなく、特にエンジン負荷によっ
て変動し、この負荷そのものがエンジンの回転速度に関
係している。２サイクルエンジンにおいて、燃料噴射期
間の少なくとも一部において完全に閉鎖されていない排
気口を通しての燃料損失を制限するため、燃料噴霧の制
御が特に重要である。
軽い負荷と、従って低い燃料送入率においては、燃焼室
中の空気との混合による燃料の希釈度を低下させるた
め、シリンダ中への燃料の進入度を制限しなければなら
ない。燃料の希釈は、点火の困難なまた燃料送入量全部
が点火するまで燃焼を保持する事の困難な希薄な混合気
を生じる。しかし高負荷と高燃料送入率においては、よ
り多量の燃料をその完全な燃焼を成すに十分な空気（オ
キシダント）と接触させるために、燃料の進入度を増大
しなければならない。
火花プラグの近傍に燃料富化混合気が配置されるよう
に、特に低エンジン負荷と低速度において燃焼室内部に
層状燃料混合気を生じる事が望ましいのは公知である。
しかし、低エンジン速度においては、噴射と点火との間
にタイムラグがあり、これが燃料を燃焼室内部において
広く拡散させる場合がある。また比較的高いエンジン速
度での高負荷においては、燃料の分散が望ましいが、燃
料噴射と点火との間においてこのような分散をうるため
の時間が少ない。この問題は、一般に燃料噴射を排気口
の閉鎖後にまたはその直前に開始する事が望ましいと考
えられている事によって一層深刻な問題となる。このよ
うな考え方は、早期の噴射は新たに噴射される燃料の一
部が排気口の閉鎖前に排気口から送出される結果になる
という考えに基づいている。しかしこのような従来の考
え方は低エンジン速度と高エンジン速度においてそれぞ
れ所要の燃料分布を達成する事ができず、従って燃料全
部の不完全燃焼の可能性と、望ましくない排気ガス、特
に炭化水素（HC）を生じることになる。
従って本発明の目的は排気ガスの減少に役立つようにエ
ンジン燃焼室中の燃料分布の制御を支援するためのエン
ジン、特に２サイクルエンジンの運転法を提供するにあ
る。
この目的を達成するため、本発明の一つの観点によれ
ば、燃焼室と、この燃焼室からのガス排出を制御するた
めにエンジンサイクルと調時的に開閉される排気口とを
有する火花点火式２サイクル内燃機関の運転法におい
て、低エンジン負荷と低速度においては、調量量の燃料
の少なくとも80％が排気口の閉鎖後に燃焼室の内部に送
入され、少なくともある程度高いエンジン負荷におい
て、調量量の燃料の少なくとも80％が排気口の閉鎖前に
燃焼室内部に送入されるようにした方法が提供される。
圧縮行程の末期において、排気口の閉鎖後に燃料を噴射
する燃料噴射進角の結果、燃焼室内部において分散する
時間が短くなる。これは低エンジン負荷においては、特
に低エンジン負荷と低速度においては望ましい。また排
気口閉鎖後の燃料噴射は、燃焼室内部におけるガスの運
動がある程度少なくなる事を意味し、この事も燃料分散
を制限するのに役立つ。もちろん、排気口の閉鎖後に燃
料噴射が生じるのであれば、排気口を通しての燃料脱出
は防止される。
しかし高エンジン負荷においては、燃料はエンジンサイ
クルの比較的早い時期において噴射され、噴射は排気口
が閉鎖されるときまでに実質的に完了する。すべての運
転条件について噴射が排気口の閉鎖直後に実施される従
来の噴射タイミングと比較して、本発明のタイミングは
遅い噴射調時の場合よりも燃焼室内部の燃料分布時間を
延長させる。
多くのエンジンにおいて、または高負荷−高速度運転条
件においては、排出口の閉鎖前に燃料の実質的全量を燃
焼室の中に送入する事が好ましいが、燃料調量量の少な
くとも80％が送入されただけでも燃料分散制御の大幅な
改良が得られる。また同じく低負荷−低速度において
は、調量量の少なくとも80％が排気口閉鎖後に送入され
る事によって顕著な改良が得られる。しかし一般にこの
運転条件においては、排気口の閉鎖後まで噴射が開始さ
れない。
便宜上、低負荷−低速においては、噴射を燃焼室中の燃
料混合気の点火前、10゜または５゜のクランク回転角度
において実施する事ができる。しかし低エンジン負荷に
おいては、上死点（TDC）すなわち燃焼室の最小容積点
の前、70゜のクランク回転角度において既に燃料点火す
る事が好ましい事が発見された。好ましくは、低負荷に
おける点火はTDC前40゜〜70゜の範囲内にある事ができ
る。
高負荷運転条件においては、特に3000RPM以上の速度に
おいては、エンジンサイクルの下死点（BDC）以前に燃
料噴射を開始できる事が発見された。実際に、非常に高
い負荷と速度においては、一般にBDC以前に生じる排気
口開放の前に噴射を開始する事ができる。噴射装置の動
作の開始と燃焼室内への燃料の実際の送入との間には、
ある程度のタイムラグが存在し、またある種の噴射装置
の場合、燃料送入の終了と噴射器の実際の閉鎖との間に
タイムラグが存在する。従って実際上、噴射弁の開放開
始から最終閉鎖までの実時間と燃料送入期間との間に差
異が存在する。エンジンサイクルの任意の選ばれた点に
おいて燃焼室中に送入される調量量の燃料の割合を決定
する際に、このファクタを考慮しなければならない。
本発明の他の観点によれば、また前記の目的を考慮し
て、燃焼室中のガス混合気の中に層状分布を成すように
調量量の燃料をエンジン燃焼室中に直接に噴射する段階
と、低エンジン負荷においては点火がTDC前40゜〜70゜
のクランク回転角度の範囲で実施されるように前記燃料
の点火進角を制御する段階とを含む内燃機関の運転法が
提供される。好ましくは点火はTDCの前、50゜またはそ
の以前において、好ましくは65゜より遅く実施される。
エンジンサイクルのこのような点における燃料点火の結
果、ガスがまだ完全に圧縮されていない時に、従ってガ
ス給気の大部分の中への燃料の分散が生じていない時
に、点火点において燃焼が開始する。この燃焼開始によ
って発生した高圧が、ピストンの上昇に伴ってガス給気
の圧縮が継続される際に燃焼室の燃料区域へのガス給気
の流入を制限し、また一般に使用されている遅い点火進
角の場合と比較してガス給気中への燃料の分散を制限す
るものと考えられる。従って早期点火進角は、低負荷−
低速度において燃料の非常に高い割合の燃焼を達成して
排気ガス、特に炭化水素放出を制限するために必要な燃
料分布の制御を成す事ができる。
前述の早期点火による燃料分散制御法は、燃料を噴射し
てその内部で点火を開始するキャビティを有するエンジ
ンにおいて特に有効である。この型のエンジンにおいて
は、スキッシュ効果が生じ、圧縮行程の最終段階で送入
ガスが横方向に高速でキャビティの中に入り、燃料と送
入ガスの大部分との高度の混合を促進する。しかし本発
明による早期点火進角法によってキャビティ中に生じる
高圧がこのスキッシュ効果に対抗して、燃料と送入ガス
との混合を制限する。
特定速度において得られる最大負荷の25％までの負荷を
含む低エンジン負荷と低速においては、エンジンサイク
ルあたり燃焼室中に噴射される調量量の燃料の少なくと
も80％、好ましくは全部が、燃焼室からのガス排出を制
御する排気口の閉鎖後に、燃焼室の中に送入される事が
好ましい。高エンジン負荷および高速度においては、排
気口の閉鎖前に調量量の燃料の80％までを燃焼室中に送
入する事が好ましい。
低エンジン速度および高エンジン速度はそれぞれ特定の
エンジンに関する用語であって、当業者には公知であ
る。しかし一般的指標として、現代の自動車業界におけ
る２サイクルエンジンの場合、低速は1500RPM以下、高
速は最大速度の50％以上とみなされる。空転速度が1500
RPM以上であれば、この空転速度は低速として適当であ
ろう。前記の高エンジン速度は非当業者には余りに広い
範囲を含むと思われようが、自動車型エンジンの正規の
駆動サイクルにおいては、速度がその最大速度の50％を
超える事はほとんどない。
同じく相対語、低エンジン負荷と高エンジン負荷は一般
に当業者によって理解されている。しかしまた一般的指
標として、現代自動車業界の２サイクルエンジンの場
合、高負荷はその速度におけるエンジンによって達成さ
れる最大負荷の75％以上の負荷とみなされ、低負荷はそ
の速度におけるエンジンの最大負荷の30％以下とみなさ
れる。
エンジン負荷％は特定速度においてエンジンの達成する
最大負荷の％を意味する。
以下において、本発明を実施した代表的エンジンと燃料
噴射系を付図について説明する。
付図において、 第１図は本発明による燃焼制御法を応用する２サイクル
エンジンの断面図、 第２図は第１図のエンジンに燃料を送入するために使用
される燃料調量噴射装置とその補助装置との接続を示す
部分断面立面図、 第３図と第４図は第１図のエンジンの種々の速度におけ
る燃料噴射進角を示すグラフである。
第１図乃至第９図について述べれば、エンジン９は全体
として通常構造の単シリンダ２行程内燃機関であって、
シリンダ10と、クランクケース11と、シリンダ10中を往
復運動するピストン12とを有する。ピストン12は連接棒
13によってクランク軸14に連結されている。クランクケ
ース11は、通常のリード弁19を備えた吸気口15を有し、
また３本の分配路16（その１本のみを示す）がクランク
ケースをそれぞれの分配口と連通し、２つの分配口17と
18のみが示され、分配口17と同等の分配口は分配口18の
反対側にある。
分配口はそれぞれシリンダ10の壁体中に形成され、それ
ぞれの上縁がシリンダの同一直径面の中に配置されてい
る。排気口20は中心分配口18にほぼ対向してシリンダの
壁体中に形成されている。排気口の上縁は分配口の上縁
の直径面の少し上方にあるので、エンジンサイクル中に
おいて遅く閉鎖する。
着脱自在のシリンダヘッド21が燃焼キャビティ22を有
し、このキャビティの中に点火プラグ23と燃料噴射ノズ
ル24とが突入している。キャビティ22は、分配口18と排
気口20の中心を通る円筒体の軸方向面に対して対称的に
配置されている。キャビティ22は、分配口18の直上の壁
体部分からシリンダの中心線を越えた所までシリンダ内
部を横断している。
シリンダの前記の軸方向面に沿ったキャビティ22の断面
形状はその最深部または基部28において実質的に弧状で
あって、この弧状の中心線は、分配口18上方の円筒部よ
りは円筒の中心線に近接している。このキャビティ基部
28の分配口18の上方に近い末端部は大体に真っすぐな面
25となり、この面25はシリンダヘッド21の下面29と円筒
壁体との交点に達する。この面25は円筒壁体からキャビ
ティの弧状基部28まで上方に傾斜している。
弧状基部28の反対側末端すなわち内側末端は比較的短い
急峻な面26となり、この面26はシリンダヘッドの下面29
に達する。またこの面26はシリンダヘッド下面29と比較
的急峻な角度で相会する。キャビティの対向側壁面（そ
の一つを27で示す）は全体として平坦であって、シリン
ダの軸方向面に対して平行であり、またシリンダヘッド
下面29と急峻な角度で相会する。
噴射ノズル24はキャビティ22の最深部に配置され、これ
に対して点火プラグ23は分配口18と反対側のキャビティ
面の中に突入している。従って、シリンダに入る過給空
気はキャビティに沿って噴射ノズル24を越えて点火プラ
グ23に向かい、このようにしてノズルから燃料をプラグ
まで搬送する。
キャビティ22とその燃焼行程の詳細については、英国特
許出願第8612601号明細書、および対応の米国特許出願
「２サイクル内燃機関の改良」に詳細に記載され、これ
らを引例として加える。
前記の特許出願およびその他の特許出願に記載のキャビ
ティの形状と配置は、燃焼室内部に層状燃料分布の形成
を促進する。この層状作用は、低負荷運転条件において
キャビティ22中への燃料噴射進角の遅れによって支援さ
れる。さらに燃料の層状化は、燃料噴射用の低噴霧進入
度ノズルを使用する事によって支援される。特に適当な
ノズルは、オーストラリア特許出願第PH01557号明細書
および対応の米国特許出願に記載されている。
噴射ノズル24は燃料調量噴射系の一部を成し、これによ
って空気に同伴された燃料が給気圧によってエンジンの
燃焼室に送入される。このような燃料調量噴射系の実施
態様を第２図に示す。
この燃料調量噴射系は、自動車型の絞り弁燃料噴射器な
どの市販の調量送入装置30を燃料噴射器本体31と連結し
て成り、この本体はその内部に保持室32を有する。燃料
が燃料タンク35から燃料ポンプ36によって圧力調整器37
を通して引き出され、燃料導入口33を通して調量送入装
置30の中に送出される。この調量送入装置は公知のよう
に作動して、エンジンの燃料要求度に対応して一定量の
燃料を保持室32の中に送入する。調量送入装置に送入さ
れた余分の燃料は燃料戻し口34を通して燃料タンク35に
戻される。燃料送入装置30の特定の構造が本発明にとっ
て重要なのではなく、任意適当な装置を使用する事がで
きる。
運転に際して、空気源38から圧力調整器39と本体31の空
気導入口45とを通して送られる空気によって保持室32が
加圧される。噴射弁43が作動されて、与圧された空気に
よって一定量の燃料を噴射ノズル42を通してエンジンの
燃焼室の中に排出させる。噴射弁43は、燃焼室の内側に
向かって、すなわち保持室から外側に向かって開いたポ
ペット弁構造である。
噴射弁43は、保持室32の中を通る弁軸44によって、燃料
噴射器本体31内部に配置されたソレノイド47の電機子41
に接続されている。弁43はディスクバネ40によって閉鎖
位置に弾発されており、ソレノイド47を生かす事によっ
て開かれる。
この燃料噴射系の動作のさらに詳細な説明はオーストラ
リア特許出願1984年第32132号および対応の米国特許出
願第740067号明細書に記載されている。これを引例とし
て加える。
ソレノイド47の磁化は、適当な電子プロセッサ50によっ
てエンジンサイクルに対して調時される。プロセッサ50
はエンジン速度センサ51から信号を受け、この信号はエ
ンジン速度を表示し、またエンジンサイクルに対して動
作を調時する基準点を示す。またプロセッサ50は負荷セ
ンサ52から信号を受け、この信号はエンジンの空気導入
系への空気流量を表示する。プロセッサは、空気流量信
号からエンジンに対する負荷要求を決定するようにプロ
グラミングされている。
またプロセッサ50はエンジンの速度条件および負荷条件
から、燃焼室中への燃料噴射の所要の進角を決定するよ
うにプログラミングされている。
望ましくはプロセッサはエンジンの負荷範囲および速度
範囲に対して所要の噴射進角を表示する分岐マップを含
み、これらの負荷と速度は所要のエンジン出力レベルと
排気ガスレベルをうるためのテストから決定される。ま
たプロセッサはエンジンの負荷と速度に対して点火進角
を決定し制御するようにプログラミングされている。
プロセッサは、ソレノイドを所要の燃料噴射時間に生か
し、また火花プラグ23を所要の点火時間に作動させるよ
うに、前記の決定に対応して噴射アクチュエータ53と点
火アクチュエータ54とに対して適当な信号を送る。前述
のように使用するに適した負荷センサと速度センサの全
体構造、およびプロセッサ50の必要機能を実施するプロ
セッサは業界公知のものである。
第３図はエンジンの低速範囲の３速度において、エンジ
ン負荷に対する噴射初期と噴射末期を示す３グラフであ
る。グラフＡは1100RPMの速度、グラフＢは1300RPMの速
度、またグラフＣは1500RPMである。これらのグラフの
示すデータは、第１図に図示の型の２サイクルエンジン
でのテストから取られたものであり、この場合、排気口
は上死点の手前（BTDC）270゜で開き、90゜BTDCで閉じ
る。
第４図は第３図と同様の噴射進角の３グラフを示すが、
同一エンジンの高速範囲での３速度に関するものであ
る。グラフＤは3000RPMの速度、グラフＥは3750RPM、グ
ラフＦは4500RPMに対するものである。
第３図と第４図のグラフは、各シリンダについてミリグ
ラムで測定されたエンジンサイクル当たりの空気過給量
によって現されたエンジン負荷に対して、エンジンサイ
クルの上死点前（BTDC）のクランク角度によって噴射初
期と噴射末期を示している。空気過給量はエンジン負荷
に直接に関係している。実線は燃料噴射初期を示し、破
線は燃料噴射末期を示す。
第３図から、低速運転に関するこれらのグラフは、燃料
噴射が、90゜BTDCの生じる排気口閉鎖の相当後に開始さ
れ、1100RPMにおいては、この状態は負荷範囲の大部分
において存在する事を示している。これらの３グラフか
ら明らかなように、エンジン速度が増大するに従って、
エンジン負荷が漸進的に低下する際に噴射の開始が排気
口閉鎖進角に向かって動き始める。しかし1500RPMにお
いても、噴射開始は排気口閉鎖の相当に後であり、噴射
開始は最大負荷の約25％まではEPC（排気口閉鎖）に向
かって動き始める事なく、エンジンが最大負荷の約50％
以上で作動するまでは排気口閉鎖前期間の中に入らな
い。
従って、低速度においては、燃料の少なくとも80％、好
ましくは全部が、特定の速度において得られる最大負荷
の25％までの負荷において排気口閉鎖後に噴射される事
が理解される。
第４図のエンジン高速グラフは、第３図について述べた
傾向の継続が見られる。すなわち、エンジン速度が増大
するに従って、サイクルの中において噴射開始の進角が
漸進的に早くなる。3000RPMにおいては、最大負荷の約6
0％以上の負荷において、燃料噴射は排気口の閉鎖前に
開始し終了する。エンジン速度が増大するに従って、排
気口の閉鎖前に全燃料が噴射される荷重が漸進的に低下
する。4500RPMにおいては、全負荷の約30％以上のすべ
ての負荷において燃料全部が排気口閉鎖前に噴射されて
いる。
第４図の速度においては、最大負荷の約60％以上のすべ
ての負荷について、噴射の開始は下死点（180゜BTDC）
前にあり、速度が増大するに従って、この最大エンジン
負荷の％が低下している事が分かる。4500RPMにおいて
は、最大負荷の約15％以上のすべての負荷において、下
死点より前の噴射開始が見られる。また、3750RPMの非
常に高い負荷においては、噴射は270゜BTDC以前に、す
なわち排気口が開く前に開始している。
この明細書においては、２サイクル型の火花点火式エン
ジンに関して本発明を使用する場合について述べたが、
本発明は４サイクルエンジンについても応用できるもの
と了解されたい。本発明はあらゆる用途の内燃機関に応
用されるが、特に自動車モータサイクル、船外エンジン
を有するボートなどのエンジンの燃料節約と排気浄化の
ために特に有効である。
本明細書において、用語「高負荷および高速」は高負荷
と高速が二者択一ではなく同時条件として現れた場合を
意味する。同じく「低負荷および低速」はこれら両方の
条件が同時に発生した場合を意味する。
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｄ 41/04 ３３５ Ｃ Ｆ０２Ｐ 5/15

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】燃焼室と、この燃焼室からガス排出を制御
    するためにエンジンサイクルと調時的に開閉される排気
    口とを有する火花点火式２サイクル内燃機関の運転法に
    おいて、低エンジン負荷と低速度においては、調量量の
    燃料の少なくとも80％が排気口の閉鎖後に燃焼室の内部
    に送入され、少なくともある程度高いエンジン負荷にお
    いて、調量量の燃料の少なくとも80％が排気口の閉鎖前
    に燃焼室内部に送入されるように調量量の燃料を燃焼室
    の中に直接に噴射する段階を含む方法。
  2. 【請求項２】燃焼室と、この燃焼室からガス排出を制御
    するためにエンジンサイクルと調時的に開閉される排気
    口とを有する火花点火式２サイクル内燃機関の運転法に
    おいて、低エンジン負荷と低速度においては、調量量の
    燃料の少なくとも80％が排気口の閉鎖後に燃焼室の内部
    に送入され、高エンジン負荷および高速度において、調
    量量の燃料の少なくとも80％が排気口の閉鎖前に燃焼室
    内部に送入されるように調量量の燃料を燃焼室の中に直
    接に噴射する段階を含む方法。
  3. 【請求項３】低エンジン速度と25％以下のエンジン負荷
    においては、調量量の燃料の少なくとも80％が排気口の
    閉鎖後に燃焼室の中に送入される請求の範囲第１項また
    は第２項による方法。
  4. 【請求項４】高エンジン負荷と高エンジン速度において
    は、調量量の燃料の実質的に全部が排気口の閉鎖前に燃
    焼室の中に送入される請求の範囲第１項乃至第３項のい
    ずれかによる方法。
  5. 【請求項５】低負荷および低速においては、燃焼室内部
    への燃料噴射は燃焼室内部の燃料の点火前５゜またはこ
    れ以上の進角で開始される請求の範囲第１項乃至第４項
    のいずれによる方法。
  6. 【請求項６】低負荷および低速において、燃焼室中への
    燃料噴射は排気口閉鎖後30゜までに開始される請求の範
    囲第１項乃至第５項のいずれかによる方法。
  7. 【請求項７】少なくともある程度高い負荷と速度におい
    て、燃焼室中への燃料噴射がエンジンサイクルの下死点
    以前に開始される請求の範囲第１項乃至第６項のいずれ
    かによる方法。
  8. 【請求項８】前記噴射は排気口が開き始める前に開始さ
    れる請求の範囲第７項による方法。
  9. 【請求項９】少なくともある程度高い負荷と速度におい
    て、燃焼室中への燃料噴射は排気口の閉鎖前に終了され
    ている請求の範囲第１項乃至第８項のいずれかによる方
    法。
  10. 【請求項１０】少なくともある程度低いエンジン負荷に
    おいて、燃焼室中の燃料点火はエンジンサイクルの上死
    点の40゜乃至70゜の範囲で開始される請求の範囲第１項
    乃至第９項のいずれかによる方法。
  11. 【請求項１１】前記の点火はエンジンサイクルの上死点
    の50゜前またはその以前において開始される請求の範囲
    第10項による方法。
  12. 【請求項１２】前記点火はエンジンサイクル上死点の50
    ゜乃至65゜の範囲内で開始される請求の範囲第10項によ
    る方法。
  13. 【請求項１３】調量量の燃料がガス中に同伴されて燃料
    −ガス混合気を成し、前記混合気が燃焼室の中に噴射さ
    れて燃料を燃焼室の中に送入する請求の範囲第１項乃至
    第12項のいずれかによる方法。
  14. 【請求項１４】燃焼室の一部はエンジンのシリンダヘッ
    ドの中に形成され、燃料が前記のシリンダヘッドを通し
    て燃焼室の中に噴射される請求の範囲第１項乃至第13項
    のいずれによる方法。
  15. 【請求項１５】シリンダヘッドはその中にキャビティを
    有し、このキャビティが燃焼室の一部を成し、また燃料
    が前記キャビティの中に噴射される請求の範囲第14項に
    よる方法。
  16. 【請求項１６】請求の範囲第１項乃至第15項のいずれか
    による方法によって運転する内燃機関。
  17. 【請求項１７】請求の範囲第１項乃至第15項のいずれか
    による方法によって運転する自動車用内燃機関。
  18. 【請求項１８】請求の範囲第１項乃至第15項のいずれか
    による方法によって運転する船外エンジンとしての内燃
    機関。
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