JP4124116B2 - 筒内過給エンジン - Google Patents

Description

本発明は筒内過給エンジンに関する。

２サイクルエンジンにおいて、燃焼室の前部にある燃料溜室に臨んで電磁開閉燃料弁と電磁開閉空気弁とを設け、前サイクルの燃焼終了後より次サイクルの圧縮行程に入るまでの間に電磁開閉燃料弁を開閉して、燃料溜室内に必要量の燃料を噴射するとともに、次サイクルの圧縮行程に入った後に電磁開閉空気弁を開いて、燃料溜室内に空気を噴射し、同燃料溜室内の圧力上昇により、燃料溜室と燃焼室との圧力差に応動する混合気噴射弁を自動的に開いて燃焼室内に混合気を噴射し、燃焼室内圧縮圧力の上昇で混合気噴射弁を閉じるようにしたものがある（特許文献１参照）。
特開平７−１３３７２４号公報

ところで、従来からエンジン出力を上げる技術として、吸入空気をターボチャージャやスーパーチャージャで過給する技術が用いられている。

この場合に、４サイクルガソリンエンジンにおいてはエンジンの燃焼室に接続される第１の吸気通路を有し、この第１の吸気通路に、第１の吸気通路の上流側にあって吸気を絞る吸気絞り弁と、この吸気絞り弁の下流にあって空気を蓄える吸気コレクタとを備えているので、この４サイクルガソリンエンジンにターボチャージャを適用するに際して、吸気コレクタの上流側に吸気コンプレッサを設けるかぎり、吸気コンプレッサから燃焼室までに大きな空間容積が存在し吸気コンプレッサにより加圧された空気が燃焼室に届くまでに応答遅れが生じて加速レスポンスが悪くなる。

そこで本発明は、エンジンの燃焼室に接続される第２の吸気通路を上記第１の吸気通路とは独立に設け、この第２の通路に過給機と、過給タンクと、空気インジェクタとを備えさせることにより、急加速時のように大きなエンジン出力が即座に必要なときにも応答よく空気を燃焼室内に供給することのできるエンジンを提供することを目的とする。

一方、特許文献１の技術は、エンジン回転速度が１００００ｒｐｍを超える２サイクルエンジンにおいて少量の燃料噴射量（約０．２ｓ、０．５ｍｍ³／ｓｔ）と少量の空気を短時間に精度よく噴射させるための技術であり、応答性の改善を図る本願とは技術的思想が異なる。

本発明は、エンジンの燃焼室（８）に接続される吸気通路を第１と第２の２つの独立した吸気通路（２、１１）で構成し、このうち第１の吸気通路（２）には、吸気絞り弁（３）と、吸気コレクタ（５）と、機械的に駆動される吸気弁（７）とを備える。また、第２の吸気通路には、空気を加圧する過給機（１２）と、この加圧された空気を大気圧を超える圧力で蓄える過給タンク（１３）と、第２の吸気通路（１１）の燃焼室（８）への開口部に位置して常時は第２の吸気通路（１１）の燃焼室（８）への接続を遮断し、アクセル操作量に応じた目標吸入空気量に対して前記第１の吸気通路（２）からの吸入空気量が足りないときの所定の時期に、指令値に応動して加圧空気を燃焼室（８）内に噴射供給する空気インジェクタ（１４）とを備える。

なお、符号は実施形態の説明に対応して付したもので、本発明はこれに限定されるわけではない。

本発明によれば、新たにエンジンの燃焼室に接続される第２の吸気通路を設け、この第２の吸気通路に、過給機と、過給タンクと、空気供給装置とを備えるので、従来からあるターボチャージャやスーパーチャージャで第１の吸気通路の空気を加圧する技術では解決できなかった加速時のレスポンス遅れを解決できる。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。図１はＬ−ジェトロニック方式のガソリン噴射エンジンに適用した本発明の第１実施形態のシステムを説明するための概略図である。

本実施形態では、エンジンの燃焼室８に接続される吸気通路を第１と第２の２つの独立した吸気通路２、１１で構成し、このうち第１の吸気通路２には、吸気絞り弁３と、吸気コレクタ５と、吸気弁７とを備える。すなわち、空気は第１の吸気通路２の上流側に位置する吸気絞り弁３により調量され、その調量された空気はこの吸気絞り弁３の下流に位置する吸気コレクタ５に一旦蓄えられる。第１の吸気通路２の燃焼室８への開口部に位置する吸気弁７は常時は第１の吸気通路２の燃焼室８への接続を遮断しておりエンジン駆動の吸気弁用カムシャフト（図示しない）により機械的に駆動されピストン９が上死点より下死点へと向かう吸入行程で開かれる。そして、吸気弁７が開かれているときに吸気コレクタ５に蓄えられている空気が吸気ポート６を介して各気筒の燃焼室８へと導入される。この場合に燃焼室８に導入される空気量は吸気コレクタ５と燃焼室８内との圧力差及び吸気弁７と吸気ポート壁との隙間の面積により定まる。

ここで、上記吸気絞り弁３を駆動するのはモータ４であり、このモータ４はエンジンコントロールモジュール３１によりそのモータ電流が制御される。

燃料は各気筒の吸気ポート６に配置された燃料インジェクタ２１より、所定のタイミングで吸気ポート６内に噴射供給される。

一方、上記第２の吸気通路１１には、過給機１２と、過給タンク１３と、空気インジェクタ１４（空気供給装置）とを備える。すなわち、空気は過給機１２によって加圧される。過給機１２はここでは電動モータにより空気を加圧する電動過給機である。ただし、これに限定されるものでなく排気圧力で加圧するターボチャージャやエンジン軸出力で加圧するスーパーチャジャであっても構わない。

過給機１２により加圧された空気は大気圧を超える圧力で一旦過給タンク１３に蓄えられた後に、この過給タンク１３に蓄えられた大気圧より高圧の空気が各気筒の燃焼室８に臨んで設けられている空気インジェクタ１４に分配される。第２の吸気通路１１の燃焼室８への開口部に位置する空気インジェクタ１４は、常時は第２の吸気通路１１の燃焼室８への接続を遮断しており、エンジンコントロールモジュール３１からの指令を受けて開かれると、この空気インジェクタ１４により過給タンク１３からの高圧空気が燃焼室８内に直接的に噴射供給される。この場合に、燃焼室８に導入される空気量は過給タンク１３と燃焼室８内との圧力差及び空気インジェクタ１４の開口面積により定まる。

上記の空気インジェクタ１４を開弁するタイミング（所定の時期）は、吸気弁７が閉じた時点以降つまりエンジン圧縮行程である。実際には吸気弁７が閉じた直後が望ましい。吸気弁７が閉じた後に空気インジェクタ１４により空気を噴射供給するのは、せっかく燃焼室８内に噴射した空気が、開いている吸気弁７から吸気ポート５へと逆流するのを防ぐためである。

また、吸気弁７が閉じた直後を空気噴射開始時期とするのは、燃焼室８内がピストン９による圧縮によって加圧された状態で空気を燃焼室８内に噴射供給しようとするとその燃焼室８内圧力に打ち勝って空気を噴射する必要があり、そうなると空気インジェクタ１４や過給タンク１３の大型化を招きコストアップとなるので、これを避けるため燃焼室８内が圧縮によって加圧され過ぎない間に空気の噴射供給を終了するためである。

また、低負荷状態などのエンジン出力があまり必要でない運転条件では空気インジェクタ１４は開かない。このため、低負荷状態では燃料インジェクタ２１より噴射された燃料は吸気弁７が開いているときに吸気ポート６を介して流入する空気と混合して混合気を作り、この混合気は吸気弁７を閉じることで燃焼室８内に閉じこめられ、ピストン９の上昇によって圧縮される。また、大きな出力要求があったとき（要求のあるとき）には第１の吸気通路２によっては不足する空気量が、吸気弁７が閉じた後の圧縮行程で空気インジェクタ１４により噴射供給され、この追加供給される空気によりさらに燃料の気化が促進される。

このようにして形成される混合気は、圧縮上死点前の所定のクランク角で点火プラグ４１により着火されて燃焼する。この燃焼によるガス圧がピストン９を押し下げる仕事を行い、このピストン９の往復運動はクランクシャフト１０の回転運動へと変換される。燃焼後のガス（排気）は排気バルブ４２が開いたとき排気通路４３へと排出される。

アクセルセンサ３２からのアクセル操作量の信号、クランク角センサ３３からのクランク角の信号、エアフローメータ３４からの吸入空気量の信号が入力されるエンジンコントロールモジュール３１では運転条件に応じてモータ４を介して吸気絞り弁３の開度を制御し、燃料インジェクタ２１を駆動して燃料噴射量を制御し、点火時期を設定して点火プラグ４１を点火させる制御を行う。

ここで、エンジンコントロールモジュール３１により実行される制御は、エンジンの運転状態に応じた目標エンジントルクと目標空燃比が得られるように吸入空気量と燃料供給量とを制御するもので、その内容は特開平９−２８７５１３号公報に詳しく記載されている。簡単に説明しておくと、アクセルセンサ３２により検出されるアクセル操作量ＡＰＳと、クランク角センサ３３からの信号に基づいて演算されるエンジン回転速度Ｎｅとから所定のマップを検索して理論空燃比のときにＡＰＳ、Ｎｅに見合った目標トルクが得られる吸入空気量である基準目標吸入空気量ｔＴＰを求め、これを目標当量比ｔＤＭＬで除算した値を目標吸入空気量ｔＴＰ’として算出する。そして、この目標吸入空気量ｔＴＰ’とエンジン回転速度Ｎｅとから所定のマップを検索して目標絞り弁開度ｔＴＰＳを求め、この目標絞り弁開度ｔＴＰＳと一致するように吸気絞り弁３を制御する。

また、エアフローメータ３４により検出される単位時間当たりの吸入空気量Ｑａとエンジン回転速度とから理論空燃比における１吸気行程当たりの吸入空気量に対応する基本値量噴射パルス幅ＴＰを演算し、これに目標当量比ｔＤＭＬを乗じた値を実行燃料噴射パルス幅ＴＥとして演算し、これに無効パルス幅ＴＳを加えて最終的な燃料噴射パルス幅ＴＩとし、所定の時期にこの値ＴＩの期間、燃料インジェクタ２１を開弁する。

こうした吸入空気量と燃料噴射量の制御を行うエンジンを前提として、本発明では上記の過給機１２と空気インジェクタ１４とを次のように制御する。すなわち、上記過給タンク１３内の圧力は空気インジェクタ１４により燃焼室８内に空気噴射する時点において、好ましい圧力（目標過給圧）に調整されている必要があるため、エンジンコントロールモジュール３１では圧力センサ１５からの信号に基づいて過給タンク１３内の圧力制御を行う。例えば過給タンク１３内の実際の圧力が目標過給圧より低いときには、電動過給機１２を作動させて実際の圧力を目標過給圧へと高めると共に、過給タンク１３内の実際の圧力が目標過給圧より高いときには、図示しないリリーフバルブを開いて過給タンク１３内の空気を大気へと逃し、過給タンク１３内の実際の圧力を目標過給圧へと戻すようにする。

一方、上記の目標吸入空気量ｔＴＰ’と、エアフローメータ３４により検出される実際の吸入空気量Ｑａ（目標吸入空気量ｔＴＰ’が１サイル１シリンダ当たりの量であればこの吸入空気量Ｑａも同じ単位に換算する必要がある）との差を不足空気量ΔＱ（＝ｔＴＰ’−Ｑａ）として算出し、この不足空気量ΔＱと、圧力センサ１５により検出される過給タンク１３内の圧力とから空気噴射パルス幅を決定し、図２に示したように吸気弁７が閉じた直後からこの空気噴射パルス幅のあいだ空気インジェクタ１４を開く。

ここで、本実施形態の作用を説明する。

本実施形態では、定常状態の途中でアクセルペダルが急激に一杯にまで踏み込まれたとき（急加速時）に、目標吸入空気量が定常状態での値ｔＴＰ’１からアクセルペダルを踏み込んだ状態に対応する値ｔＴＰ’２へとステップ的に大きくなった場合を考える。アクセルペダル操作量ＡＰＳに即座に応動して吸気絞り弁３が全開位置まで開かれたとすると、エアフローメータ３４位置での吸入空気量も定常状態での値Ｑａ１から吸気絞り弁３の全開位置に対応する値Ｑａ２へと応答遅れをもって大きくなる。

しかしながら、エアフローメータ３４の位置は吸気絞り弁３の上流であるためエアフローメータ３４位置から燃焼室８までの吸気通路２には大きな空気容積が存在するために燃焼室８内に流れ込む吸入空気量はしばらく定常時の値Ｑａ１のままであり、ｔＴＰ’２からこのＱａ１を差し引いた空気量分が燃焼室８内に不足する。

このとき、エアフローメータ３４により検出される吸入空気量Ｑａ（≒Ｑａ１）が目標吸入空気量ｔＴＰ’（＝ｔＴＰ’２）より小さいとみれば、その差の空気量ΔＱ（＝ｔＴＰ’２−Ｑａ１）が、エンジンコントロールモジュール３１からの指令を受ける空気インジェクタ１４より燃焼室８内に即座に噴射供給される。すなわち、目標吸入空気量ｔＴＰ’と同量の吸入空気量（＝Ｑａ１＋ΔＱ＝ｔＴＰ’２）を燃焼室８内に供給できることから、アクセルペダルが急激に踏み込まれる急加速時においても本実施形態によれば即座にそのときのアクセル操作量ＡＰＳ、エンジン回転速度Ｎｅに見合った目標トルクが得られ、これにより加速レスポンスが向上する。

これに対して、上記の特開平９−２８７５１３号公報に記載の技術では第２の吸気通路１１を備えないので、エアフローメータ３４により検出される吸入空気量Ｑａが目標吸入空気量ｔＴＰ’より小さければ、燃焼室８内にその差の分の空気量（ｔＴＰ’−Ｑａ）が不足することになり、そのときのアクセル操作量ＡＰＳ、エンジン回転速度Ｎｅに見合った目標トルクが得られないのである。

このように本実施形態（請求項１に記載の発明）によれば、エンジンの燃焼室８に接続される第２の吸気通路１１を新たに設け、この第２の吸気通路１１に、過給機１２と、過給タンク１３と、空気インジェクタ１４とを備えるので、従来からあるターボチャージャやスーパーチャージャで第１の吸気通路２の空気を加圧する技術では解決できなかった加速時のレスポンス遅れを解決できることになった。
また、空気インジェクタ１４を、アクセル操作量に応じた目標吸入空気量ｔＴＰ'に対して第１の吸気通路２からの吸入空気量Ｑａが足りない場合に駆動するため、過給機１２を常時作動させる必要がなく、不足する空気のみ加圧すればよいので、過給の効率を良くすることができる。

本実施形態（請求項２に記載の発明）によれば、空気インジェクタ１４を開弁するタイミングである所定の時期は吸気弁７が閉じているときであるので、燃焼室８内に噴射した空気が、開いている吸気弁７から吸気ポート６へと逆流するのを防ぐことができる。

実施形態では、燃料インジェクタ２１を吸気ポート６に臨んで設けているが、これに限定されるものでなく例えば燃焼室８内に直接臨んで設けても構わない。

上記の空気インジェクタ１４は燃焼室８の上面８ａに設けているが、これに限られるものでない。例えば燃焼室８内に直接的に燃料を噴射供給するエンジンでは燃料インジェクタを吸気ポート６近くのシリンダ面８ｂ（図１では左側のシリンダ面）に臨んで設けているが、この燃料インジェクタに代えて空気インジェクタを設けることができる。また、燃焼室８内に直接的に燃料を噴射供給するするエンジンとして用いるときには、燃料インジェクタの近くに空気インジェクタを設けることができる。さらに、図１で右側のシリンダ面に臨んで設けることもできる。

実施形態では、加速時の燃焼室８への空気の供給遅れを第２の吸気通路１１からの空気供給で補填する場合で説明したが、空気インジェクタ１４により空気を燃焼室８内に直接的に噴射供給する構成であるため、この空気インジェクタ１４を燃焼室８内にガス流動を生じさせるために用いることができる。この場合に空気を噴射供給する所定の時期は吸気弁７が閉じたときに限定する必要はなく吸気弁７が閉じる直前であってもよい。また、過給タンク１３に燃焼室８内の圧力に対向して空気インジェクタ１４より空気噴射するだけの圧力がないときには空気インジェクタ１４よる噴射供給を中止することが望ましい（請求項３に記載の発明）。

実施形態では、Ｌ−ジェトロニック方式のガソリン噴射エンジンで説明したが、Ｄ−ジェトロニック方式のガソリン噴射エンジンにも適用できる。

本発明の第１実施形態の概略構成図。 急加速時の作用を説明するための波形図。

符号の説明

２ 第１の吸気通路
３ 吸気絞り弁
５ 吸気コレクタ
７ 吸気弁
８ 燃焼室
１１ 第２の吸気通路
１２ 過給機
１３ 過給タンク
１４ 空気インジェクタ（空気供給装置）
３１ エンジンコントロールモジュール

Claims (3)

1. エンジンの燃焼室に接続される吸気通路を第１の吸気通路と第２の吸気通路との２つの独立した通路で構成し、
   前記第１の吸気通路には、
   第１の吸気通路の上流側にあって吸気を絞る吸気絞り弁と、
   この吸気絞り弁の下流にあって空気を蓄える吸気コレクタと、
   第１の吸気通路の燃焼室への開口部に位置して第１の吸気通路の燃焼室への連通及び遮断をする吸気弁とを備え、
   前記第２の吸気通路には、
   空気を加圧する過給機と、
   この加圧された空気を大気圧を超える圧力で蓄える過給タンクと、
   第２の吸気通路の燃焼室への開口部に位置して常時は第２の吸気通路の燃焼室への接続を遮断し、アクセル操作量に応じた目標吸入空気量に対して前記第１の吸気通路からの吸入空気量が足りないときの所定の時期に、指令値に応動して加圧空気を燃焼室内に噴射供給する空気インジェクタと、
   を備えることを特徴とする筒内過給エンジン。
2. 前記所定の時期は前記吸気弁が閉じているときである
   ことを特徴とする請求項１に記載の筒内過給エンジン。
3. 前記過給タンクに前記燃焼室内の圧力に対向して前記空気インジェクタより空気噴射するだけの圧力がないときには前記空気インジェクタよる噴射供給を中止する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の筒内過給エンジン。

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