JP2004068762A - 内燃機関の燃料供給装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】筒内にガス燃料を直接噴射するための第1の筒内噴射弁6Aと第2の筒内噴射弁6Bとを具備する。第1の筒内噴射弁6Aの噴射率は第2の筒内噴射弁6Bの噴射率よりも小さくなっている。要求燃料量が少ないときには第1の筒内噴射弁6Aから圧縮行程末期ににガス燃料を噴射し、点火栓9周りに混合気を形成する。要求燃料量が多いときには第2の筒内噴射弁6Bから圧縮行程初期にガス燃料を噴射し、燃焼室5内全体をほぼ一様に満たす混合気を形成する。
【選択図】 図6
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の燃料供給装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば圧縮天然ガス(以下、CNGという)のようなガス燃料を用いたガス燃料内燃機関が従来より知られている。ガス燃料は例えばガソリンのような液体燃料と比べると燃焼しやすいので、ガス燃料を用いると排気ガス中に含まれる未燃NMHC,CO,NOx,CO2の量を低減できることになる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、液体燃料と比べると、ガス燃料は気体であるのでそもそも体積が大きく、しかも単位体積当たりの発熱量が小さいので或る一定の機関出力を得るために必要な燃料量が多くなる。従って、ガス燃料を吸気通路から供給するようにすると、要求燃料量が多くなったときに多量の空気を吸入することができなくなり、即ち吸気充填効率が低下し、その結果高い機関出力を得ることができなくなる。
【0004】
そこで本発明の目的は、ガス燃料を用いた場合に、高い機関出力を確保することができる内燃機関の燃料供給装置を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために1番目の発明によれば、筒内にガス燃料を直接噴射するための一対の筒内噴射弁を具備し、これら筒内噴射弁を噴射率が互いに異なる噴射弁から構成し、要求燃料量が予め定められた設定量よりも少ないときには噴射率が低い方の筒内噴射弁から圧縮行程にガス燃料を噴射し、要求燃料量が前記設定量よりも多いときには噴射率が高い方の筒内噴射弁から圧縮行程にガス燃料を噴射するようにしている。
【0006】
また、前記課題を解決するために2番目の発明によれば、吸気通路内に液体燃料を噴射するための吸気通路内噴射弁と、筒内にガス燃料を直接噴射するための筒内噴射弁とを具備し、要求燃料量が予め定められた設定量よりも少ないときには筒内噴射弁から圧縮行程にガス燃料を噴射し、要求燃料量が前記設定量よりも多いときには吸気通路内噴射弁から吸気行程に液体燃料を噴射するようにしている。
【0007】
また、前記課題を解決するために3番目の発明によれば、吸気通路内にガス燃料を噴射するための吸気通路内噴射弁と、筒内にガス燃料を直接噴射するための筒内噴射弁とを具備し、要求燃料量が予め定められた設定量よりも少ないときには吸気通路内噴射弁から吸気行程にガス燃料を噴射し、要求燃料量が前記設定量よりも多いときには筒内噴射弁から圧縮行程にガス燃料を噴射するようにしている。
【0008】
また、前記課題を解決するために4番目の発明によれば、吸気通路内にガス燃料を噴射するための吸気通路内噴射弁と、筒内に液体燃料を直接噴射するための筒内噴射弁とを具備し、要求燃料量が予め定められた設定量よりも少ないときには吸気通路内噴射弁から吸気行程にガス燃料を噴射し、要求燃料量が前記設定量よりも多いときには筒内噴射弁から吸気行程に液体燃料を噴射するようにしている。
【0009】
【発明の実施の形態】
図1を参照すると、1は機関本体、2はシリンダブロック、3はシリンダヘッド、4はピストン、5は燃焼室、6Aは第1の電気制御式筒内噴射弁、6Bは第2の電気制御式筒内噴射弁、7は吸気ポート、8は排気ポート、9は点火栓を夫々示す。吸気ポート7は対応する吸気枝管10を介してサージタンク11に連結され、サージタンク11は吸気ダクト12を介してエアクリーナ13に連結される。吸気ダクト12内にはステップモータ14により駆動されるスロットル弁15が配置される。一方、排気ポート8は排気マニホルド16及び排気管17を介して触媒コンバータ18に接続される。
【0010】
図1及び図2に示されるように、点火栓9はシリンダヘッド3の内壁面のほぼ中央部に配置される。これに対し、第1及び第2の筒内噴射弁6A,6Bはシリンダヘッド3の内壁面の周縁部にそれぞれ配置され、図1に示される内燃機関では点火栓9に関し対称的に配置される。また、ピストン4の頂面上には、第1の筒内噴射弁6Aの下方から点火栓9の下方まで延びる凹溝4aが形成される。
【0011】
第1及び第2の筒内噴射弁6A,6Bは筒内にガス燃料を直接噴射するためのものである。図1に示されるように、各第1の筒内噴射弁6Aは共通の燃料デリバリパイプ19Aに連結され、各第2の筒内噴射弁6Bは共通の燃料デリバリパイプ19Bに連結される。これら燃料デリバリパイプ19A,19Bは共通のレギュレータ20を介してガス燃料貯留部即ちボンベ21に連結される。ガス燃料ボンベ21内のガス燃料はレギュレータ20により予め定められた圧力まで減圧された後に燃料デリバリパイプ19A,19Bに供給され、次いで筒内噴射弁6A,6Bから機関に供給される。なお、図1に示される内燃機関では、ガス燃料としてCNGが用いられる。しかしながら、他のガス燃料を用いることもできる。
【0012】
電子制御ユニット30はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス31によって互いに接続されたROM(リードオンリメモリ)32、RAM(ランダムアクセスメモリ)33、CPU(マイクロプロセッサ)34、常時電源に接続されているB−RAM(バックアップRAM)35、入力ポート36、及び出力ポート37を具備する。サージタンク11には、サージタンク11内の吸気圧力に比例した出力電圧を発生する圧力センサ40が取り付けられる。この圧力センサ40の出力信号は対応するAD変換器38を介して入力ポート36に入力される。アクセルペダル(図示しない)にはアクセルペダルの踏込み量に比例した出力電圧を発生する踏み込み量センサ41が接続され、踏み込み量センサ41の出力電圧は対応するAD変換器38を介して入力ポート35に入力される。このアクセルペダルの踏み込み量は要求負荷を表している。また、入力ポート36にはクランクシャフトが例えば30°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ42が接続される。一方、出力ポート37は対応する駆動回路39を介して筒内噴射弁6A,6B、点火栓9、及びステップモータ14にそれぞれ接続される。
【0013】
図3は第1及び第2の筒内噴射弁6A,6Bの噴射特性例えば噴射率(mm3/ストローク)IRを示しており、曲線Aは第1の筒内噴射弁6Aの噴射率を、曲線Bは第2の筒内噴射弁6Bの噴射率をそれぞれ表している。また、図3においてTAUは燃料噴射時間を表している。図3からわかるように、第1及び第2の筒内噴射弁6A,6Bの噴射率は互いに異なっており、即ち第2の筒内噴射弁6Bの噴射率が第1の筒内噴射弁6Aの噴射率よりも高くなっている。また、燃料噴射時間TAUの変化に対する噴射率の変化量も、第2の筒内噴射弁6Bのほうが第1の筒内噴射弁6Aよりも大きくなっている。従って、第1の筒内噴射弁6Aは比較的少量のガス燃料を精度よく供給することができ、第2の筒内噴射弁6Bは比較的多量のガス燃料を短時間のうちに供給することができる。更に、第1の筒内噴射弁6Aの噴霧角は比較的小さくなっており、第2の筒内噴射弁6Bの噴霧角は比較的大きくなっている。
【0014】
図4は図1の内燃機関の要求燃料量QFを示している。この要求燃料量QFは例えば燃焼室5内で燃焼せしめられる混合気の空燃比を目標となるリーン空燃比に維持しながら要求負荷Lに見合う機関出力を得るために必要な燃料量であり、要求負荷Lが高くなるにつれて大きくなる。
【0015】
本発明による実施例では、図5に示されるように、例えば機関回転数Nと要求負荷Lとにより定められる機関運転領域が機関回転数Nの関数として定められる設定負荷X(N)により二つの領域に分割されており、即ち低負荷側の第1領域Iと高負荷側の第2領域IIとに分割されている。
【0016】
機関運転状態が第1領域I内にあるときには図6(A)に示されるように、圧縮行程末期に要求燃料量QFだけ第1の筒内噴射弁6Aからピストン4の凹溝4a内にガス燃料が噴射される。この場合の噴射燃料Fは凹溝4aの内壁面により案内されて点火栓9周りに向かい、その結果点火栓9周りに混合気が形成される。このとき、混合気周りの燃焼室5内には空気の層又は空気及びEGRガスの層が形成されており、燃焼室5内に形成される混合気の平均空燃比はリーンになっている。次いで、この混合気が点火栓9により着火せしめられる。
【0017】
一方、機関運転状態が第2領域II内にあるときには図6(B)に示されるように、圧縮行程初期に要求燃料量QFだけ第2の筒内噴射弁6Bからガス燃料が噴射される。この場合の噴射燃料Fは燃焼室5内全体をほぼ一様に満たす混合気を形成する。次いでこの混合気は点火栓9により着火せしめられる。
【0018】
このように、要求燃料量が比較的少ない第1領域Iでは低噴射率の第1の筒内噴射弁6Aからガス燃料が供給され、従ってこのとき精度よくガス燃料を供給することができる。また、平均空燃比がリーンであるので燃料消費率を低減することができ、ガス燃料が用いられるので燃焼室5から排出される未燃NMHC,COの量を低減することもできる。
【0019】
一方、要求燃料量が比較的多い第2領域IIでは、多量の空気を吸入し次いで吸気弁が閉弁された後にガス燃料が噴射されることになるので、吸気充填効率が低下しない。また、高噴射率の第2の筒内噴射弁6Bからガス燃料が供給されるので、多量のガス燃料を確実に供給できる。従って、高い機関出力を確保することができる。なお、第2領域IIのうちの低負荷側の領域において、ガス燃料を圧縮行程初期と圧縮行程末期との2回に分けて噴射する、いわゆる二分割噴射を行うこともできる。
【0020】
図7は図1に示される内燃機関における噴射制御ルーチンを示している。このルーチンは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。図7を参照すると、まずステップ100では要求負荷Lが設定負荷X(N)よりも低いか否か、即ち機関運転状態が第1領域I内にあるか否かが判別される。L<X(N)のとき、即ち機関運転状態が第1領域I内にあるときには次いでステップ101に進み、第1の筒内噴射弁6Aから圧縮行程末期にガス燃料が噴射される。これに対し、L≧X(N)のとき、即ち機関運転状態が第2領域II内にあるときには次いでステップ102に進み、第2の筒内噴射弁6Bから圧縮行程初期にガス燃料が噴射される。
【0021】
従って、要求負荷Lが設定負荷X(N)のときの要求燃料量QFを設定燃料量と称すると、図1に示される内燃機関では、要求燃料量が設定燃料量よりも少ないときには噴射率が低い方の筒内噴射弁6Aから圧縮行程にガス燃料を噴射し、要求燃料量が設定燃料量よりも多いときには噴射率が高い方の筒内噴射弁6Bから圧縮行程にガス燃料を噴射するようにしているということになる。
【0022】
図8から図10は本発明による別の実施例を示している。
【0023】
図8に示される内燃機関では、吸気ポート7内に液体燃料例えばガソリンを噴射するための電気制御式吸気ポート内噴射弁6Cと、筒内にガス燃料例えばCNGを直接噴射するための電気制御式筒内噴射弁6Dとが設けられる。この場合の筒内噴射弁6Dは上述した第1の筒内噴射弁6Aから構成することができる。
【0024】
各吸気ポート内噴射弁6Cは共通の燃料デリバリパイプ19Cに連結され、燃料デリバリパイプ19Cは液体燃料ポンプ22を介して液体燃料タンク23に接続される。液体燃料タンク23内の液体燃料は液体燃料ポンプ22により燃料デリバリパイプ19Cに供給され、次いで吸気ポート内噴射弁6Cから機関に供給される。一方、各筒内噴射弁6Dは共通の燃料デリバリパイプ19Dに連結され、燃料デリバリパイプ19Dはレギュレータ20を介してガス燃料ボンベ21に連結される。ガス燃料ボンベ21内のガス燃料はレギュレータ20により予め定められた圧力まで減圧された後に燃料デリバリパイプ19Dに供給され、次いで筒内噴射弁6Dから機関に供給される。
【0025】
図8に示される内燃機関では、機関運転状態が第1領域I内にあるときには、圧縮行程末期に筒内噴射弁6Dからピストン4の凹溝4a内にガス燃料が噴射される。この場合の噴射燃料は凹溝4aの内壁面により案内されて点火栓9周りに向かい、その結果点火栓9周りに混合気が形成される。このとき、混合気周りの燃焼室5内には空気の層又は空気及びEGRガスの層が形成されており、燃焼室5内に形成される混合気の平均空燃比はリーンになっている。次いで、この混合気が点火栓9により着火せしめられる。この場合、図1に示される内燃機関と同様に、燃料消費率が低減され、燃焼室5から排出される未燃NMHC,COの量が低減される。
【0026】
これに対し、機関運転状態が第2領域II内にあるときには、吸気行程に吸気ポート内噴射弁6Cから液体燃料が噴射される。この場合の噴射燃料は吸入空気と共に燃焼室5内に流入して燃焼室5内全体をほぼ一様に満たすリーン混合気を形成する。次いでこの混合気は点火栓9により着火せしめられる。この場合、体積の大きいガス燃料が供給されないので吸気充填効率が低下せず、従って高い機関出力を確保することができる。
【0027】
従って、図8に示される内燃機関では、要求燃料量が設定燃料量よりも少ないときには筒内噴射弁6Dから圧縮行程にガス燃料を噴射し、要求燃料量が設定燃料量よりも多いときには吸気ポート内噴射弁6Cから吸気行程に液体燃料を噴射するようにしているということになる。
【0028】
一方、図9に示される内燃機関では、吸気ポート7内にガス燃料例えばCNGを噴射するための電気制御式吸気ポート内噴射弁6Eと、筒内にガス燃料例えばCNGを直接噴射するための電気制御式筒内噴射弁6Fとが設けられる。この場合の筒内噴射弁6Fは上述した第2の筒内噴射弁6Bから構成することができる。
【0029】
各吸気ポート内噴射弁6Eは共通の燃料デリバリパイプ19Eに連結され、各筒内噴射弁6Fは共通の燃料デリバリパイプ19Fに連結される。これら燃料デリバリパイプ19E,19Fは共通のレギュレータ20を介してガス燃料ボンベ21に連結される。ガス燃料ボンベ21内のガス燃料はレギュレータ20により予め定められた圧力まで減圧された後に燃料デリバリパイプ19E,19Fに供給され、次いで吸気ポート内噴射弁6E及び筒内噴射弁6Fから機関に供給される。ピストン4の頂面には図1及び図8に示される内燃機関とは異なり、比較的浅い凹部4bが形成される。
【0030】
図9に示される内燃機関では、機関運転状態が第1領域I内にあるときには、吸気行程に吸気ポート内噴射弁6Eからガス燃料が噴射される。この場合の噴射燃料は吸入空気と共に燃焼室5内に流入して燃焼室5内に着火可能なリーン混合気を形成する。次いでこの混合気は点火栓9により着火せしめられる。この場合も、燃料消費率が低減され、燃焼室5から排出される未燃NMHC,COの量が低減される。
【0031】
これに対し、機関運転状態が第2領域II内にあるときには、圧縮行程初期に筒内噴射弁6Fからガス燃料が噴射される。この場合の噴射燃料は燃焼室5内全体をほぼ一様に満たすリーン混合気を形成する。次いでこの混合気は点火栓9により着火せしめられる。この場合も、吸気充填効率が低下せず、従って高い機関出力を確保することができる。
【0032】
従って、図9に示される内燃機関では、要求燃料量が設定燃料量よりも少ないときには吸気ポート内噴射弁6Eから吸気行程にガス燃料を噴射し、要求燃料量が設定燃料量よりも多いときには筒内噴射弁6Fから圧縮行程にガス燃料を噴射するようにしているということになる。
【0033】
最後に、図10に示される内燃機関では、吸気ポート7内にガス燃料例えばCNGを噴射するための電気制御式吸気ポート内噴射弁6Gと、筒内に液体燃料例えばガソリンを直接噴射するための電気制御式筒内噴射弁6Hとが設けられる。
【0034】
各吸気ポート内噴射弁6Gは共通の燃料デリバリパイプ19Gに連結され、燃料デリバリパイプ19Gはレギュレータ20を介してガス燃料ボンベ21に連結される。ガス燃料ボンベ21内のガス燃料はレギュレータ20により予め定められた圧力まで減圧された後に燃料デリバリパイプ19Gに供給され、次いで吸気ポート内噴射弁6Gから機関に供給される。一方、筒内噴射弁6Hは共通の燃料デリバリパイプ19Hに連結され、燃料デリバリパイプ19Hは液体燃料ポンプ22を介して液体燃料タンク23に接続される。液体燃料タンク23内の液体燃料は液体燃料ポンプ22により燃料デリバリパイプ19Hに供給され、次いで筒内噴射弁6Hから機関に供給される。ピストン4の頂面には図9に示される内燃機関と同様に、比較的浅い凹部4bが形成される。
【0035】
図10に示される内燃機関では、機関運転状態が第1領域I内にあるときには、吸気行程に吸気ポート内噴射弁6Gからガス燃料が噴射される。この場合の噴射燃料は吸入空気と共に燃焼室5内に流入して燃焼室5内に着火可能なリーン混合気を形成する。次いでこの混合気は点火栓9により着火せしめられる。この場合も、燃料消費率が低減され、燃焼室5から排出される未燃NMHC,COの量が低減される。
【0036】
これに対し、機関運転状態が第2領域II内にあるときには、吸気行程に筒内噴射弁6Hから液体燃料が噴射される。この場合の噴射燃料は燃焼室5内全体をほぼ一様に満たすリーン混合気を形成する。次いでこの混合気は点火栓9により着火せしめられる。この場合も、吸気充填効率が低下せず、従って高い機関出力を確保することができる。
【0037】
従って、図10に示される内燃機関では、要求燃料量が設定燃料量よりも少ないときには吸気ポート内噴射弁6Gから吸気行程にガス燃料を噴射し、要求燃料量が設定燃料量よりも多いときには筒内噴射弁6Hから吸気行程に液体燃料を噴射するようにしているということになる。
【0038】
これまで述べてきた本発明による各実施例では、一対の噴射弁が設けられ、燃料を噴射する噴射弁が要求燃料量に応じて選択的に切り替えられる。しかしながら、要求噴射量QFが多い例えば第2領域IIでは、両方の噴射弁から燃料を供給するようにしてもよい。
【0039】
【発明の効果】
ガス燃料を用いた場合に高い機関出力を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】内燃機関の全体図である。
【図2】ピストンの頂面図である。
【図3】燃料率を示す線図である。
【図4】要求噴射量を示す線図である。
【図5】第1及び第2領域を示す線図である。
【図6】二つの燃焼を説明するための図である。
【図7】噴射制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図8】別の実施例を示す図である。
【図9】別の実施例を示す図である。
【図10】別の実施例を示す図である。
【符号の説明】
1…機関本体
5…燃焼室
6A…第1の筒内噴射弁
6B…第2の筒内噴射弁
21…ガス燃料ボンベ
Claims (4)
- 筒内にガス燃料を直接噴射するための一対の筒内噴射弁を具備し、これら筒内噴射弁を噴射率が互いに異なる噴射弁から構成し、要求燃料量が予め定められた設定量よりも少ないときには噴射率が低い方の筒内噴射弁から圧縮行程にガス燃料を噴射し、要求燃料量が前記設定量よりも多いときには噴射率が高い方の筒内噴射弁から圧縮行程にガス燃料を噴射するようにした内燃機関の燃料供給装置。
- 吸気通路内に液体燃料を噴射するための吸気通路内噴射弁と、筒内にガス燃料を直接噴射するための筒内噴射弁とを具備し、要求燃料量が予め定められた設定量よりも少ないときには筒内噴射弁から圧縮行程にガス燃料を噴射し、要求燃料量が前記設定量よりも多いときには吸気通路内噴射弁から吸気行程に液体燃料を噴射するようにした内燃機関の燃料供給装置。
- 吸気通路内にガス燃料を噴射するための吸気通路内噴射弁と、筒内にガス燃料を直接噴射するための筒内噴射弁とを具備し、要求燃料量が予め定められた設定量よりも少ないときには吸気通路内噴射弁から吸気行程にガス燃料を噴射し、要求燃料量が前記設定量よりも多いときには筒内噴射弁から圧縮行程にガス燃料を噴射するようにした内燃機関の燃料供給装置。
- 吸気通路内にガス燃料を噴射するための吸気通路内噴射弁と、筒内に液体燃料を直接噴射するための筒内噴射弁とを具備し、要求燃料量が予め定められた設定量よりも少ないときには吸気通路内噴射弁から吸気行程にガス燃料を噴射し、要求燃料量が前記設定量よりも多いときには筒内噴射弁から吸気行程に液体燃料を噴射するようにした内燃機関の燃料供給装置。
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