(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
掃気口および排気口を具備するシリンダと、
このシリンダ内を上死点位置と下死点位置との間で往復動するピストンと、
このピストンにより回転駆動されるクランク軸と、
シリンダの燃焼室側を覆うシリンダヘッドと、
シリンダ内に燃料を噴射するインジェクタと、
シリンダヘッドに設けられている点火プラグとを備えた直接筒内噴射式２サイクルエンジンにおいて、
前記点火プラグは、シリンダヘッド頂部に取り付けられ、
シリンダ内の空気の流速を直接測定して検出する測定器が、シリンダヘッドに形成された燃焼室側壁であって、点火プラグに対して排気口側の壁面に取り付けられ、
この測定器の測定値に基づいて、噴射開始時期、噴射時間および点火時期を制御していることを特徴とする直接筒内噴射式２サイクルエンジン。
【請求項２】
掃気口および排気口を具備するシリンダと、
このシリンダ内を上死点位置と下死点位置との間で往復動するピストンと、
このピストンにより回転駆動されるクランク軸と、
シリンダの燃焼室側を覆うシリンダヘッドと、
シリンダ内に燃料を噴射するインジェクタと、
シリンダヘッドに設けられている点火プラグとを備えた直接筒内噴射式２サイクルエンジンにおいて、
シリンダ内の掃気口付近の空気の流速を直接測定する測定器が、掃気流路の壁面であって、掃気口近傍の上壁に取り付けられ、
この測定器の測定値に基づいて、噴射開始時期、噴射時間および点火時期を制御していることを特徴とする直接筒内噴射式２サイクルエンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、船外機などに搭載されている直接筒内噴射式２サイクルエンジンで、排気口が開いている時に燃料噴射を開始している予混合タイプのエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の２サイクルエンジンにおいては、ガソリンなどの燃料は吸気管に供給され、空気と混合されている。そして、燃料と混合された混合気が、掃気口からエンジンのシリンダ内に供給されている。したがって、吹き抜け（すなわち、掃気口から供給された混合気が、直接排気口からシリンダの外に排気される現象）が生じた際には、未燃焼燃料すなわち炭化水素（ＨＣ）がエンジン外に排気され、大気が汚染される。
【０００３】
そこで、近年、炭化水素の排出量を減少させるために、燃料を直接シリンダ内に噴射することが行われている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来は、排気口が閉じてから燃料が噴射されており、所謂成層燃焼が行われている。したがって、トルクが小さくなっている。そこで、トルクを向上させるために、直接筒内噴射式２サイクルエンジンにおいて、予混合燃焼を行うことを検討している。
【０００５】
本発明は、以上のような課題を解決するためのもので、予混合燃焼を行うのに適した直接筒内噴射式２サイクルエンジンを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の直接筒内噴射式２サイクルエンジン（２）は、掃気口（２１）および排気口（２２）を具備するシリンダ（６）と、このシリンダ内を上死点位置と下死点位置との間で往復動するピストン（８）と、このピストンにより回転駆動されるクランク軸（３）と、シリンダの燃焼室（１２）側を覆うシリンダヘッド（１３）と、シリンダ内に燃料を噴射するインジェクタ（１８）と、シリンダヘッドに設けられている点火プラグ（１９）とを備えている。
【０００７】
そして、点火プラグはシリンダヘッド頂部に取り付けられ、シリンダ内の空気の流速を直接測定して検出する測定器（２０）が、シリンダヘッドに形成された燃焼室側壁であって、点火プラグに対して排気口側の壁面に取り付けられ、この測定器の測定値に基づいて、噴射開始時期、噴射時間および点火時期を制御している。
【０００８】
また、シリンダ内の掃気口付近の空気の流速を直接測定する測定器（２４）が、掃気流路（２３）の壁面であって、掃気口近傍の上壁に取り付けられ、この測定器の測定値に基づいて、噴射開始時期、噴射時間および点火時期を制御していることがある。
【０００９】
【００１０】
【００１１】
【００１２】
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明における直接筒内噴射式２サイクルエンジンの実施の一形態を図１ないし図９を用いて説明する。図１は本発明における直接筒内噴射式２サイクルエンジンを搭載している船外機の模式図で、（ａ）が燃料系の回路図、（ｂ）がエンジンの断面図、（ｃ）が船外機の側面図である。図２はエンジンの要部平断面図である。図３はシリンダの断面の模式図である。図４はクランク軸の回転角度を変数とするタイミング図である。図５はエンジンの平断面の模式図で、（ａ）が下死点の図、（ｂ）が上死点の図である。図６はエンジンの状態を表すグラフで、（ａ）が掃気流の流速のグラフ、（ｂ）がクランク室内の圧力のグラフである。図７は噴霧粒径に関するグラフで、（ａ）が噴射時間と噴霧粒径との関係を示すグラフ、（ｂ）が点火進角と噴霧粒径との関係を示すグラフである。図８は噴射時間と吹き抜け量との関係を示すグラフである。図９はエンジンの燃料噴射開始時期のマップである。なお、図５においては、１個のシリンダおよびピストンのみが図示されている。
【００１７】
船外機１の上部には、直接筒内噴射式２サイクルエンジン２が搭載されており、このエンジン２のクランク軸３は、縦置き状態である。また、船外機１の下部には、プロペラ４が回転可能に設けられている。このプロペラ４は、ドライブシャフトやプロペラシャフトなどを介して、エンジン２のクランク軸３に連結されており、クランク軸３により、プロペラ４を回転駆動できる。このエンジン２はＶ型６気筒で、各シリンダ６は略水平に配置されている。そして、このシリンダ６は上下に３段設けられているとともに、各段には左右に一個ずつ、平面図視でＶバンクをなすように配置され、総計６個設けられている。各シリンダ６には、ピストン８が往復動自在に配置され、コンロッド９を介してクランク軸３に連結されている。そして、ピストン８は、図５（ａ）に図示する下死点位置と、図５（ｂ）に図示する上死点位置との間を往復動することができる。
【００１８】
このシリンダ６が形成されているシリンダボディ１１は、燃焼室１２側がシリンダヘッド１３で覆われ、反対側のクランク室１４側は、クランクケース１６で覆われている。そして、シリンダヘッド１３には、ソレノイド開閉式のインジェクタ１８、点火プラグ１９および掃気流検出装置２０が設けられている。この掃気流検出装置２０はシリンダ６内の空気の流れを検出している。また、各シリンダ６には、３個の掃気口２１および１個の排気口２２が設けられ、ピストン８が下死点位置から上死点位置に移動した際には、掃気口２１、次いで排気口２２の順番で閉じるように構成されている。逆に、ピストン８が上死点位置から下死点位置に移動した際には、排気口２２、次いで掃気口２１の順番で開く。
【００１９】
そして、各掃気口２１は掃気流路２３を介してクランク室１４に連通している。この掃気流路２３の掃気口２１付近に流速計２４が設けられている。また、左側のシリンダ６の各排気口２２は左集合排気通路２６に合流し、一方、右側のシリンダ６の各排気口２２は右集合排気通路２７に合流している。シリンダ６内の燃焼ガスは、排気口２２から、左集合排気通路２６および右集合排気通路２７を通って、マフラーなどを介してプロペラ４のボス等から船外機１外に排出されている。
【００２０】
また、クランクケース１６には吸気管３１が接続されている。この吸気管３１の吸気口側にはスロットルバルブ３２が設けられ、吸気量を調整している。そして、オイルポンプ３３が吸気管３１に設けられており、スロットルバルブ３２を通過した空気に潤滑オイルを噴射して供給している。さらに、吸気管３１には、クランクケース１６との接続部分付近に、逆流防止用のリード弁３６が設けられている。また、吸気管３１の吸込口には、エアーフローセンサー３７が設けられている。このエアーフローセンサー３７は、吸気管３１に流入している空気流量を計測している。
【００２１】
次に、エンジン２への燃料系について説明する。船外機１が搭載されているボート等には主燃料タンク４１が設けられており、この主燃料タンク４１の燃料は、手動式の第１の低圧ポンプ４２によりフィルター４３を経て、第２の低圧ポンプ４４に送られている。この第２の低圧ポンプ４４は、エンジン２のクランク室１４のパルス圧により駆動されるダイヤフラム式ポンプであり、第１の低圧ポンプ４２から送られた燃料を、気液分離装置であるベーパーセパレータータンク４５に送る。このベーパーセパレータータンク４５内には、電動モーターにより駆動される燃料予圧ポンプ４６が配設され、この燃料予圧ポンプ４６はベーパーセパレータータンク４５内の燃料を、約 2.5〜3.0kg/cm2 に加圧して高圧ポンプ４７に送る。また、燃料予圧ポンプ４６にはベーパーセパレータータンク４５への戻り配管４８が接続されており、この戻り配管４８には予圧圧力調整弁４９が配設されている。
【００２２】
この高圧ポンプ４７は逆止弁５１を介して燃料供給レール５２に接続されているとともに、高圧圧力調整弁５４および燃料冷却器５６を介してベーパーセパレータータンク４５に接続されており、燃料を約50〜70kg/cm2に加圧して燃料供給レール５２に供給している。また、高圧ポンプ４７および逆止弁５１をバイパスするバイパス回路５８が設けられており、このバイパス回路５８には逆止弁５９が配設されている。燃料供給レール５２は上下方向に延在し、各気筒のインジェクタ１８が接続されている。そして、燃料は、インジェクタ１８から図３の二点鎖線で図示する範囲に向かって噴射されている。
【００２３】
また、制御装置６１には、船外機１やエンジン２の状態を検出している各種センサーが接続されている。これらセンサーとしては、たとえば、掃気流検出装置２０、掃気流路２３内の流速計２４、エアーフローセンサー３７、クランク軸３の回転角度を検出するクランク角センサー６３、クランク室１４内の空気圧を検出するクランク室内圧センサー６４、シリンダボディ１１の温度を検出するエンジン温度センサー６６、スロットルバルブ３２の開度（すなわちスロットル開度）を検出するスロットル開度センサー６７、空燃比を検出する空燃比検出装置６８、燃料供給レール５２の燃料の圧力を検出する圧力センサー６９や、冷却水の温度を検出する冷却水温度センサー７１などがある。そして、制御装置６１は、これら各種センサーからの信号を受けて、点火プラグ１９、インジェクタ１８、オイルポンプ３３や燃料予圧ポンプ４６などに制御信号を出力している。
【００２４】
この様に構成されている船外機１のエンジン２が稼働している際には、空気が吸気管３１の吸込口から吸い込まれ、スロットルバルブ３２で空気量を調整されるとともに、オイルポンプ３３により潤滑オイルが混入されている。そして、この潤滑オイルが混入された空気は、リード弁３６を介してクランク室１４内に導かれている。また、クランク角センサー６３が検出しているクランク軸３の回転角度により、ピストン８の位置が分かる。図５（ｂ）に図示するように、ピストン８が上死点位置にある時には、クランク軸３は図４の上死点ＵＤの回動位置にある。そして、ピストン８が上死点位置から下死点位置へ移動すると、図４においてクランク軸３は時計方向に回動し、下死点ＬＤの回動位置に移動する。この移動の際に、ピストン８の燃焼室１２側の端面が、図２の点Ａ、ついで点Ｂを通過して、点Ｃ付近に達する。そして、点Ａに達したときが排気口開位置ExO 、点Ｂに達したときが掃気口開位置ScO 、また、点Ｃ付近に達したときが下死点ＬＤである。さらに、クランク軸３は時計方向に回動し、下死点ＬＤの回動位置から上死点ＵＤの回動位置へ移動すると、ピストン８が下死点位置から上死点位置へ移動し、ピストン８の燃焼室１２側の端面は、図２の点Ｂ、ついで点Ａを通過する。今度は、点Ｂに達したときが掃気口閉位置ScC 、また、点Ａに達したときが排気口閉位置ExC である。
【００２５】
そして、上死点ＵＤからの工程を説明すると、上死点ＵＤ付近で点火プラグ１９が点火して爆発しており、排気口開位置ExO になると、排気口２２から燃焼ガスは排気され始める。そして、掃気口開位置ScO になると、クランク室１４内の空気がシリンダ６内に流入し、一方、シリンダ６内の燃焼ガスは排気され続けて、所謂、掃気が行われている。そして、下死点ＬＤを通過して、掃気口閉位置ScC 、ついで、排気口閉位置ExC となり、上死点ＵＤに戻っている。
【００２６】
また、シリンダ６内の空気の流れすなわち掃気流の流速は、図６（ａ）に図示した状態となっており、掃気口開位置ScO が開いた直後から増速し、ピークを経て減速し、排気口閉位置ExC 付近で略最小となる。掃気口２１からの空気の流入量が多いほど（すなわち、スロットルバルブ３２の開度が大きいほど）、ピーク値は高くなるとともに、ピークの幅（すなわちピークを維持する時間）が大きくなる。また、エンジン２の回転数が大きいほど、エンジン２の回転に、空気の流れが追随し難くなって、ピークは掃気口閉位置ScC 側にズレている。
【００２７】
そして、シリンダ６内の空気に、インジェクタ１８から燃料を噴射して、燃料を極力均一に混入するには、空気の流速のピーク時において、燃料噴射を開始し、終了することが好ましい。したがって、たとえば、図６（ａ）の1)の矢印で図示する範囲で、燃料噴射が開始し終了している。なお、従来の成層燃焼式エンジンにおける燃料噴射は、図４において、従来例として図示されており、排気口閉位置ExC よりも後に、燃料噴射を開始している。
【００２８】
そして、エンジン２の回転数が増大すると、シリンダ６の空気の流れ、いわゆる掃気流が、エンジン２の回転に対して追随が遅れ、掃気流の流速のピークが遅れる。そのため、たとえば、図６（ａ）の2)の矢印で図示するように、燃料噴射の噴射時期すなわち燃料噴射の開始から終了までの期間を遅らせている。この様に、燃料噴射の噴射時期が遅れると、点火プラグ１９の点火時期までの燃料の拡散時間が短くなり、点火プラグ１９の点火直前の燃料の粒径が大きくなる。そして、燃料は粒径が大きいと、燃焼に要する時間が長くなるので、点火プラグ１９の点火時期を早くしている。したがって、制御装置６１は、エンジン回転数検出装置であるクランク角センサー６３から入力された測定値であるエンジン回転数が増大すると、インジェクタ１８の燃料噴射時期（すなわち燃料噴射開始時および燃料噴射終了時）を遅くするとともに、点火プラグ１９の点火時期を早めている。なお、燃料噴射時間は、エンジン回転数の増減にかかわらず、略一定である。
【００２９】
また、シリンダ６への空気流入量が増大すると、図６（ａ）に図示するように、掃気流の流速が増大するとともに、ピークの幅が広くなる。そして、シリンダ６への空気流入量が増大すると、空燃比を略一定に保つために、燃料噴射量を増大する必要があり、燃料噴射時間が増大する。そのため、たとえば、図６（ａ）の矢印3)で図示するように、燃料噴射の開始時を早めるとともに、終了時を遅らせている。この様に、燃料噴射量が増大すると、噴射された燃料同士がくっつき易くなり、燃料の粒径が大きくなる。そして、燃料は粒径が大きいと、燃焼に要する時間が長くなるので、点火プラグ１９の点火時期を早くしている。したがって、制御装置６１は、スロットル開度センサー６７から入力された測定値であるスロットル開度が大きくなると、インジェクタ１８の燃料噴射開始時を早め、一方、燃料噴射終了時を遅らせているとともに、点火プラグ１９の点火時期を早めている。
【００３０】
さらに、燃料噴射の開始時を早めた場合や燃料噴射時間を長くした場合には、たとえば、図８に図示するように、燃料の吹き抜けが発生することが多くなるので、シリンダ６内に残留する燃料が減少する。したがって、これを補償するために、燃料噴射量すなわち燃料噴射期間を増大している。
【００３１】
そして、制御装置６１は、図９に図示する燃料噴射の開始時のマップにより、燃料噴射の開始時Ｏを制御しており、各エンジン回転数および各スロットル開度において、図４に図示する燃料噴射の開始時Ｏから上死点ＵＤまでの角度Ａmnが設定されている。一般的に、エンジン回転数が大きくなると、Ａmnの値は小さくなり、燃料噴射の開始時Ｏは遅れる。逆に、エンジン回転数が小さくなると、Ａmnの値は大きくなり、燃料噴射の開始時Ｏは早くなる。また、スロットル開度が大きくなるほど、Ａmnの値は大きくなり、開始時Ｏは早くなり、逆に、スロットル開度が小さくなるほど、Ａmnの値は小さくなり、開始時Ｏは遅くなる。
【００３２】
同様にして、制御装置６１は、燃料噴射の開始時のマップと同様な燃料噴射の終了時のマップや点火時期のマップを用いて、図４に図示する燃料噴射の終了時Ｃや点火時期を制御している。
【００３３】
ところで、掃気流の流速を測定する測定器として、この実施の形態では、スロットル開度センサー６７およびクランク角センサー６３を採用しているが、他の測定器を採用することも可能であり、たとえば、シリンダ６内の掃気流を直接検出している掃気流検出装置２０、掃気流路２３に設けられている流速計２４、エアーフローセンサー３７やクランク室内圧センサー６４を採用することが可能である。なお、クランク室内圧は、図６（ｂ）に図示するように、圧力のピークが、掃気流の流速のピークよりも少し先行して発生しており、クランク室内圧のピークから、掃気流の流速のピークを推定することができる。すなわち、クランク室内圧のピークが早くなると、掃気流のピークも早くなり、クランク室内圧のピークが大きくなると、掃気流のピークも増大している。
【００３４】
この様に、スロットル開度センサー６７やクランク角センサー６３以外の測定器の測定値に基づいて制御する場合にも、掃気流の流速のピーク時に、燃料噴射を行うように制御している。そして、点火プラグ１９の点火時期は、燃料の粒径が大きい時、すなわち燃料噴射量の多い時や、燃料噴射時期が遅れた時には、早くする様に制御されている。
【００３５】
以上、本発明の実施の形態を詳述したが、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、種々の変更を行うことが可能である。本発明の変更例を下記に例示する。
（１）実施の形態においては、エンジン２は６気筒であるが、気筒数などは適宜変更可能である。たとえば、２気筒や単気筒にしたりすることも可能である。
【００３６】
（２）排気口２２や掃気口２１の配置や数量は適宜変更可能である。
（３）実施の形態においては、マップ制御しているが、マップ制御ではなく他の制御方式で制御する事も可能である。
【００３７】
【発明の効果】
本願の発明によれば、排気口が開いている時に、インジェクタが燃料噴射を開始している、いわゆる予混合タイプの直接筒内噴射式２サイクルエンジンにおいて、シリンダ内の空気の流速に関連した測定値を検出する測定器を設け、この測定器の測定値に基づいて、噴射開始時期、噴射時間および点火時期を制御している。したがって、シリンダ内の空気の流速が予混合燃焼に最適な時期に、燃料噴射や点火を行うことができる。
【００３８】
そして、測定器がシリンダ内の空気の流速を直接測定しており、エンジンのシリンダ内の空気の流れを正確かつ、タイムラグ無しに測定することができる。したがって、より的確にエンジン制御を行うことができる。
【００３９】
また、測定器が掃気口付近の流速を測定しており、エンジンのシリンダ内の空気の流れを直接測定する場合よりも、エンジンのシリンダ内の熱や圧力の影響を受けることが少なく、測定を簡単に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は本発明における直接筒内噴射式２サイクルエンジンを搭載している船外機の模式図で、（ａ）が燃料系の回路図、（ｂ）がエンジンの断面図、（ｃ）が船外機の側面図である。
【図２】  図２はエンジンの要部平断面図である。
【図３】  図３はシリンダの断面の模式図である。
【図４】  図４はクランク軸の回転角度を変数とするタイミング図である。
【図５】  図５はエンジンの平断面の模式図で、（ａ）が下死点の図、（ｂ）が上死点の図である。
【図６】  図６はエンジンの状態を表すグラフで、（ａ）が掃気流の流速のグラフ、（ｂ）がクランク室内の圧力のグラフである。
【図７】  図７は噴霧粒径に関するグラフで、（ａ）が噴射時間と噴霧粒径との関係を示すグラフ、（ｂ）が点火進角と噴霧粒径との関係を示すグラフである。
【図８】  図８は噴射時間と吹き抜け量との関係を示すグラフである。図９はエンジンの燃料噴射開始時期のマップである。
【図９】  図９はエンジンの燃料噴射開始時期のマップである。
【符号の説明】
２  エンジン
３  クランク軸
６  シリンダ
８  ピストン
１２  燃焼室
１３  シリンダヘッド
１４  クランク室
１８  インジェクタ
１９  点火プラグ
２０  掃気流検出装置（測定器）
２１  掃気口
２２  排気口
２４  流速計（測定器）
３１  吸気管
３７  エアーフローセンサー（測定器）
６４  クランク室内圧センサー（測定器）
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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