(57)【要約】【課題】内燃機関において、各気筒に二つの吸気管と吸気制御弁を設け、低速運転時に片方の吸気制御弁の開度を小さくすることで燃焼室内に旋回流を発生させるときに、開度が小さい側の吸気管内の流速が遅いために燃料が滞留してしまう虞があった。【解決手段】各気筒二つある吸気管１０５、１０６のうち、低速運転時に開度が大きくなる吸気制御弁１０３の近傍に燃料供給装置の燃料供給点を設ける。また、別途設けた燃料供給手段と連通する燃料供給口を、低速運転時に開度が小さくなる吸気制御弁１０２の近傍に設ける。【選択図】　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一つの燃焼室へ空気を導入する吸気管を各燃焼室毎に二つ有する内燃機関に用いる混合気供給装置において、
前記吸気管に空気を導入する空気通路の夫々に、吸入する空気の量を調整する吸気制御弁を有し、
該吸気制御弁は該内燃機関の運転状態によって互いに開度を異ならせることができるように設置され、
燃料供給装置の燃料供給点が、該吸気制御弁のうち低速時に開度が大きい側の吸気制御弁の近傍に設けられたことを特徴とする混合気供給装置。
【請求項２】
請求項１に記載の混合気供給装置において、燃料供給装置の前記燃料供給点が、前記吸気制御弁のうち低速時に開度が大きい側の吸気制御弁の最小開度となる時に吸気通路の断面積が最小となる位置よりも、下流側に設けられたことを特徴とする混合気供給装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の混合気供給装置において、前記吸気制御弁のうち低速時に開度が小さい側の吸気制御弁の近傍に、前記燃料供給装置とは別途燃料流量を調整可能な燃料供給装置から燃料を供給する第二の燃料供給点を設けたことを特徴とする混合気供給装置。
【請求項４】
請求項３に記載の混合気供給装置において、前記第二の燃料供給点が、前記吸気制御弁のうち低速時に開度が小さい側の吸気制御弁よりも、上流側に設けられたことを特徴とする混合気供給装置。
【請求項５】
請求項３または４に記載の混合気供給装置において、前記第二の燃料供給点に燃料を供給する燃料供給装置が、該混合気供給装置を搭載する内燃機関の複数の気筒に共通な燃料供給装置を用いたことを特徴とする混合気供給装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関で使用される吸気と燃料の混合気の供給装置及び供給方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各シリンダ二つの両方の吸気ポートを有する内燃機関において、夫々の吸気ポート内に夫々吸気制御弁を設けることで、吸入される吸気の量と、夫々の吸気ポートを通過する吸気量の分配を制御可能にした吸気装置が特開平１０−２８８０４１号公報に開示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
自動車等に用いる内燃機関において、各シリンダ毎に二つの吸気ポートを備え、運転状況に応じて一方の吸気ポートを開閉する吸気制御弁を設けたものが知られている。このような内燃機関は、低速時には前期吸気制御弁を閉じることで、吸気の流速を増して低速時における空気の充填効率を増すとともに、燃焼室内に旋回流（スワール流）を生じさせて燃焼効率を高くする。また、燃焼室内に旋回流を発生させている状態では、燃焼室内の流動によって混合気が燃焼し易くなり、より低い空燃比での運転が可能となるため、燃費を低減する効果がある。一方で、高速時には吸気制御弁を開いて吸気抵抗を減らし、多量の空気の吸入を可能にして出力を増大させる。このような内燃機関において空気の吸入量は、前記吸気ポートの上流側で、各吸気ポートが各シリンダ２つに分流されるよりも上流側に、吸気量を制御する吸気量制御弁（スロットル）によって調整を行う。このような構成とすることによって、低速から高速にわたる広い運転条件で、内燃機関の効率と出力を両立させることができる。
【０００４】
特開平１０−２８８０４１号公報に開示されている方法によれば、各シリンダ二つの吸気ポートに対して夫々吸気制御弁を設けることで、吸気量を制御する吸気量制御弁の機能を吸気制御弁に持たせることができ、かつ上記した内燃機関のように低速から高速までの広い運転条件で効率と出力の両立が可能となる。
【０００５】
しかしながら上記した公報においては、高速・低速の運転条件で、理想的な混合気を供給する方法については開示されていない。
上記したような吸気制御弁を用いた場合には、各シリンダに連なる二つの吸気ポート内を流れる空気量が、特に低速時において異なる場合があり、夫々の吸気ポートに噴射される燃料は、夫々の吸気ポートを流れる空気量に応じて調整されていることが望ましい。
【０００６】
通常の吸気二弁式の内燃機関においては、夫々の吸気ポートにほぼ等配分となるような噴霧パターンを有する燃料噴射弁を、吸気弁の上流側に配置する。しかし、低速時に片方の吸気制御弁が閉じている場合、夫々の吸気ポートに等配分に燃料が噴射されてしまうと、吸気制御弁が閉じられている側の吸気ポートから供給される混合気は空気流量が少ないため空燃比としてはリッチになり、また空気の流速も遅くなるため、燃料が吸気ポート内に滞留してしまう虞がある。このように、低速時に閉となっている側の吸気ポートに燃料が供給されてしまうと、燃焼室に供給される混合気は、空燃比が均一でなかったり、あるいは滞留した燃料が十分に混合されないまま燃焼室内へ流入し、未燃燃料（ＨＣ）排出の原因となったり、燃費の悪化の原因となる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、各シリンダに二つの吸気制御弁を有する内燃機関において、各シリンダ毎に設ける燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧を、低速時に開となっている吸気ポートの側に噴射するようにした、混合気供給装置である。
このようにすることで、低速時に閉となっている側の吸気ポートへの燃料供給をなくし、低速時において片方の吸気制御弁が閉となっている状態においても、燃料が吸気ポート内に滞留してしまうことを避ける。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係る混合気供給装置１０１と、これに連なる吸気管及び吸気二弁式の内燃機関の燃焼室を、シリンダヘッド１１０の上方より見た概略図である。吸気管１０５及び１０６と、混合気供給装置１０１は、内部の構造を示すため、断面図としてある。
【０００９】
混合気供給装置１０１は、吸気管１０５及び１０６に接続され、吸気管１０５及び１０６は内燃機関の吸気弁１０８及び１０９に接続されている。
【００１０】
混合気供給装置１０１の内部には、吸気制御弁１０２および１０３が設けられ、吸気制御弁は吸気管１０５及び１０６の流れる空気の流量を、夫々制御できるようになっている。また、吸気制御弁１０２及び１０３は、ほぼ全閉となる位置までの開度調整が可能となっている。
【００１１】
吸気制御弁１０２及び１０３が空気流量制御の機能を有していることにより、混合気供給装置１０１よりも上流に空気流量を制御するスロットルを別途設ける必要がない。また、通常の内燃機関ではアイドリングの回転数を調整するために、空気流量を調整するバルブを別途設けることが一般的に行われているが、吸気制御弁１０２及び１０３をモーターなどにより駆動し、開度調整を行わせる場合には、アイドリング調整用にバルブを別途設ける必要がない。
【００１２】
また、吸入する空気の流量を、吸気制御弁１０２及び１０３で行うことは、吸気制御弁による開度の調整に対する機関出力の応答性を高める効果もある。一般的な内燃機関では、混合気供給装置１０１の上流側で各気筒の吸気管が合流し、その上流にサージタンクが設けられ、空気流量調整のためのスロットルはそのサージタンクよりも更に上流側に設けられる。しかしながら、このような構成ではスロットルの開度が調整された後にも、サージタンクやその下流の吸気管の体積のために、燃焼室内に流入する空気量は時間的に遅れて調整される。本発明に係る混合気供給装置のように、空気流量の調整を、サージタンクよりも下流側に設けられた吸気制御弁１０２および１０３で行うことにより、このような応答遅れ時間を短縮することができる。
【００１３】
機関が低速運転しているときには、片方の吸気制御弁１０２は全閉もしくは開度が小さい状態となっており、もう一方の吸気制御弁１０３の開度が大きくなるようにしてある。このような低速運転の状態では、吸気制御弁１０２に連なる吸気管１０６を流れる空気の流量は、吸気制御弁１０３に連なる吸気管１０５を流れる空気の流量よりも小さくなる。ここで、低速運転時に空気の流量が大きくなる側の吸気管１０５を低速側吸気管と称し、この低速側吸気管１０５に連なっている吸気制御弁１０３を低速側吸気制御弁と以下称することにする。また、もう一方の吸気管１０６を高速側吸気管と称し、吸気制御弁１０２を高速側吸気制御弁と以下称する。
【００１４】
このように、機関が低速運転しているときに、低速側吸気管１０５を流れる空気の流量が、高速側吸気管１０６を流れる空気の流量に比して大きくすることで、内燃機関の燃焼室内には旋回流を生じさせることができ、燃焼効率を高めることが出来る。特に、燃焼室内の旋回流を強くすることは、混合気の着火限界をリーン側に広げる効果が期待できるため、内燃機関としてはより薄い空燃比での運転が可能となり、燃費の低減に寄与することが出来る。
【００１５】
また、流量の大部分を低速側吸気管１０５を流れるようにすることで、低速側吸気管１０５を流れる空気の流速は、吸気制御弁１０２及び１０３の開度が同一である場合の吸気管１０５及び１０６内の空気流速と比して、約２倍程度にまで大きく出来る。吸気管１０５内の空気流速が大きくなることによって、低速運転時における慣性過給効果を得やすくなり、機関の低速運転時のトルクを増大することができる。機関の低速運転時のトルクを増大することで、内燃機関を自動車に用いた場合には、ギヤ比を高めて機関をより低い回転数で運転させることが可能となるため、自動車の燃費を低減し易い。
【００１６】
燃料供給装置として設けられている燃料噴射弁１０４は、その噴射点が低速側吸気制御弁１０３の近傍（少なくとも、燃料噴射弁１０４の位置は、高速側吸気弁１０２よりも低速側吸気弁１０３の方が近い位置）に来るように設ける。燃料供給点である噴射点１１３が低速側吸気制御弁１０３の近傍に設けられ、燃料が低速側吸気管１０５に向けられて噴射されることで、低速運転時において空気流速が遅くなっている高速側吸気管１０６内に燃料が滞留してしまうことを防げる。また、図２に示すように、噴射点１１３は低速側吸気制御弁１０３が最小開度となる時に断面積最小となる位置２０１よりも下流であるとなお良い。図２は図１におけるＩ−Ｉ断面図であり、図中左側が上流側であり、吸入される空気は矢印２０２が指す方向に流れる。噴射点１１３が、低速側吸気制御弁１０３が最小開度となるときに断面積最小となる位置２０１よりも下流であることで、噴射された燃料が低速側吸気制御弁１０３に衝突し、液膜を形成してしまったり、あるいは吸気管内に燃料が滞留してしまうことを避けることができる。
【００１７】
また、吸気制御弁に燃料が付着すると、固形の付着物（デポジット）が形成されることがあり、吸気制御弁の弁体を固着させてしまうことがある。燃料噴射弁１０４の噴射点を低速側吸気制御弁１０３よりも下流側に設けることで、燃料噴射弁より供給された燃料が低速側吸気制御弁１０３に付着してしまうことを避けられる。
【００１８】
吸気管内に燃料が滞留すると、液体のままの燃料が液膜となった状態で燃焼室内に流入しやすくなり、液体の燃料が燃焼室内の壁面などに付着しやすくなる。液体燃料が燃焼室内の壁面に付着すると、内燃機関から排出される排気中の未燃燃料成分（ＨＣ）が増大する。本発明のように、低速側吸気管１０５側に燃料噴射弁１０４の噴射点を設けることで、高速側吸気管１０６内に燃料が滞留することを防ぐことが出来るので、結果として低速運転時に排出される未燃燃料成分を減じることが出来る。
【００１９】
また機関の始動時にも、燃料が吸気管内に滞留してしまうことを抑止できるため、噴射された燃料は素早く燃焼室内に流入し、焼室内の空燃比が可燃となるまでの時間を短く出来る。したがって、機関を始動させるために要する時間を短くすることができる（すなわち、始動性が良くなる）とともに、機関が完爆して始動するまでの期間に排出されてしまう燃料を減少させることが出来る。
【００２０】
加えて、燃料の滞留を抑制することは、機関の出力が変化する過渡的な応答を早くすることにも効果がある。機関の負荷に応じて空気の吸入量が変化する場合、燃焼室内の空燃比を所定の値に保つために、燃料の噴射量も変化させる必要がある。このときに吸気管内に燃料が滞留していると、滞留した燃料が燃焼室に流入して所定の空燃比より濃い混合気が燃焼室内に流入したり、噴射された燃料が機関の吸気行程中に全てが燃焼室内に流入せずに滞留するために、所定の空燃比より薄い混合気が燃焼室内に流入してしまう虞がある。このように、所定の空燃比より濃いまたは薄い燃料が燃焼室に流入することにより、機関が所定の性能を発揮できない場合がる。燃料の滞留が抑制されれば、機関の出力が変化した場合においても、燃焼室内の空燃比が所定の値になるまでの応答時間が素早くなり、上記のような問題を避けられる。
【００２１】
なお、燃料噴射弁１０４の噴射点は図１のように、低速側吸気制御弁１０３の通路断面積絞り部の近傍に設けると良い。吸気制御弁１０３は空気の通路断面積を絞ることによって流量の制御を行うようになっており、空気の流速は通路断面積が絞られている部分で速くなっている。燃料噴射弁１０４から噴射される燃料は、噴射する雰囲気の流速が大きいほど微粒化が促進されるので、吸気制御弁１０３の通路断面積絞り部近傍に燃料噴射点を設けることで、空気の流速が大きい地点で燃料噴射を行うことが出来、燃料の微粒化を促進させることが出来る。
【００２２】
燃料の微粒化が促進されることで、低速側吸気管１０５内において燃料の気化が促進され、燃焼室内に流入する燃料の気化率を向上させることが出来る。燃焼室内に流入する液体の燃料が減少することによって、排気中の未燃燃料成分を減少させることが出来るとともに、始動性も良くなる。
【００２３】
本実施例に係る混合気供給装置を用いれば、微粒化のための空気を燃料噴射弁に別途供給する必要はないので、コスト増を招くことなく燃料の微粒化を促進することが出来る。また、吸気制御弁は各気筒に設けられているため、各気筒毎に流入する混合気の量を調整することが可能となり、また燃料の量も各気筒毎に調整することが出来る。このため、気筒毎の空燃比のばらつきや、混合気の流入量のばらつきを抑えられ、内燃機関を安定して運転することができ、振動などを抑制できる。
【００２４】
図３は、図１記載の混合気供給装置に加え、燃料噴射装置１０４とは別途に設けた燃料噴射装置３０１からの燃料を供給する燃料供給口３０２を、高速側吸気制御弁１０２の近傍かつ上流側に設けた例である。
【００２５】
燃料噴射装置３０１より噴射される燃料は、燃料供給口３０２によって吸気管と連通し、かつその上流はサージタンクと連通して空気が流入するようにした混合気供給管３０３に噴射されるようになっている。また混合気供給管は、他の気筒とも連通しており、図示した気筒の他にも矢印３０４に示すように他の気筒へ混合気を供給することが出来るようになっている。
【００２６】
このように、第一の燃料供給手段である燃料噴射弁１０４とは別途に、高速側吸気弁１０２の近傍に第二の燃料供給口３０２を設けることにより、図３に示すように低速側吸気制御弁１０３に加えて高速側吸気制御弁１０２も開となっているような状態において、高速側吸気管１０６へ燃料を供給できるようになる。このように、高速側吸気管１０６へ燃料を供給できることにより、高速側吸気管１０６から流入する混合気と、低速側吸気管１０５から流入する混合気との空燃比の差を小さくでき、機関が高速かつ高負荷の状態となっても燃焼室内の燃料と空気との濃度を均一にし易くなる。高速かつ高負荷時において燃料と空気の濃度が均一となることにより、安定した燃焼が可能となる。
【００２７】
また、第二の燃料供給口３０２は、機関の低速運転時や冷間始動時においても有効である。図４は第二の燃料供給口３０２を有する混合気供給装置を備えた内燃機関の、低速運転時の状態を表す図である。低速運転時には、高速側吸気制御弁１０２は開度が小さくなっている。
【００２８】
機関の冷間始動時および始動直後の低速運転時においては、燃料を十分気化させることが重要な課題である。機関の温度が十分でないときには、燃料は気化しづらく、安定した着火および燃焼がしづらい状態にある。加えて、触媒の温度が低く十分に活性化されていない状態では、燃焼室で生じた排気の有害成分は触媒で浄化されることなく大気中に放出されてしまう。
【００２９】
そこで、燃料噴射装置３０１から供給された燃料を混合気供給管３０３内で気化及び混合し、燃料供給口３０２から供給することによって、十分気化された燃料を燃焼室に供給することが出来るようになる。なお、ここで混合気供給管３０３内に電熱器などを設け、始動時にその電熱器に通電して気化を促進させると、冷間始動時の燃料の気化をより促進することが出来るようになる。
【００３０】
ここで、第二の燃料供給口３０２は、高速側吸気制御弁１０２の上流側に設けられているとよい。燃料供給口３０２が高速側吸気制御弁１０２の上流に設けられていることで、冷間始動時及びその直後の低速運転時に、高速側吸気制御弁１０２が閉じられている状態においても、燃料供給口３０２からの混合気の流れは矢印３０５のような方向となり、混合気を低速側吸気管１０５に供給することが可能となる。
【００３１】
このように、燃料供給口３０２を設けることによって、冷間始動時の燃料の気化を促進し、燃焼安定性を確保することができるため、点火時期を遅らせることも可能となる。冷間始動時に点火時期を遅らせることで、排気の温度を上昇させ、触媒が活性化するまでの時間を短縮し、大気に排出される未燃燃料成分を減じることが可能となる。
【００３２】
本発明の混合気供給装置のように、燃料噴射弁を低速側吸気制御弁の近傍に設けることによる効果は、図１、図２に示すような吸気制御弁にバタフライバルブを用いた場合に限られない。
【００３３】
例えば図５に示すような、吸気制御弁としてロータリーバルブを用いることも効果的である。図５は、図２に示した低速側吸気制御弁１０３に用いられるバタフライバルブの代わりにロータリーバルブ５０２を用いた例であり、開度の小さい低速運転時の状態を示した図である。図５中のロータリーバルブ５０２は、低速側吸気制御弁であり、図示されている吸気管は低速側吸気管である。ロータリーバルブ５０２は、略円筒形に作られており、その円筒の中心を軸として回転可能になっている。ロータリーバルブ５０２内には、空気通路５０５が形成されている。ロータリーバルブ５０２が回転することによって、ロータリーバルブ４０２の上流側と下流側とを連通する通路５０４及び５０６の断面積が変化し、吸気管内を流れる空気流量を調節することが出来るようになっている。
【００３４】
吸気制御弁としてロータリーバルブ５０２を使用した場合においても、燃料噴射弁５０１の噴射点を低速側吸気制御弁（図５におけるロータリーバルブ５０２）の近傍に設けることは、燃料の微粒化に対して有効である。特に、図２のようなバタフライバルブ１０３を用いる場合と比較して、図５のロータリーバルブ５０２を用いる場合、同一流量に対して通路５０４より流出する空気の流速を高めることが出来る。図２のようなバタフライバルブ１０３を用いる場合、空気の通路は点２０１と点２０３の２点に形成される。このため、通過する空気は燃料噴射弁に近い空気通路の点２０１の他に、点２０３に形成される通路を通って燃焼室へと至る。
【００３５】
これに対して、図５に示すようなロータリーバルブ５０２を用いた場合、通過する空気のほぼ全量は点５０４に形成される通路を通ることとなる。したがって、同一流量に対して、バタフライバルブ１０３を用いた場合の燃料噴射弁近傍の通路の点２０１における流速と比較して、ロータリーバルブ５０２を用いた場合の通路の点５０４の流速は速くなる。燃料噴射弁５０１の近傍の流速が速くなることにより、燃料噴射弁より噴射される燃料の微粒化が促進される。微粒化の促進により、排気中の未燃燃料成分の低減、始動性の向上の効果を得ることが出来る。
【００３６】
また、燃料噴射弁５０１の噴射点は、ロータリーバルブ５０２よりも下流側に設けられていると良い。ロータリーバルブ５０２よりも下流に設けられていることで、噴射された燃料がロータリーバルブ５０２の摺動面などに付着することを回避できる。
【００３７】
以上のように、排気中の未燃燃料成分の低減、始動性の向上、機関の応答性向上および機関を搭載した自動車の燃費低減のいずれかが可能な混合気供給装置を提供できるようになる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、機関の排気、始動性、応答性にとって望ましい混合気を供給する混合気供給装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による混合気供給装置を示す、内燃機関の吸気系の概略図である。
【図２】図１中のＩ−Ｉ断面を示す、混合気供給装置の断面図である。
【図３】本発明に係る混合気供給装置に第二の燃料供給口を設けた際の、高速運転時の状態を示す、内燃機関の吸気系の概略図である。
【図４】本発明に係る混合気供給装置に第二の燃料供給口を設けた際の、低速運転時の状態を示す、内燃機関の吸気系の概略図である。
【図５】本発明に係る混合気供給装置の吸気制御弁としてロータリーバルブを用いた例を示す、混合気供給装置の断面図である。
【符号の説明】
１０１…混合気供給装置、１０２…高速側吸気制御弁、１０３…低速側吸気制御弁、１０４…燃料噴射弁、１０５…低速側吸気管、１０６…高速側吸気管、１０７…燃料噴霧、１０８…吸気弁、１０９…吸気弁、１１０…シリンダヘッド、１１１…排気弁、１１２…排気弁、１１３…噴射点、２０１…空気通路の点、２０２…矢印、２０３…空気通路の点、３０１…燃料噴射弁、３０２…燃料供給口、３０３…混合気供給管、３０４…矢印、３０５…矢印、５０１…燃料噴射弁、５０２…ロータリーバルブ、５０３…矢印、５０４…空気通路の点、５０５…空気通路、５０６…空気通路の点。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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