JP2005098146A - 筒内直噴ｃｎｇエンジンの燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インジェクタの体格を大型に変更することなく、そのダイナミックレンジの拡大を図ることができ、エンジンのＷＯＴ出力改善と部分負荷時の成層リーン燃焼を両立できる筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料噴射装置を提供すること。
【解決手段】ＣＮＧ燃料を筒内に噴射するインジェクタ２３と、エンジン運転条件が成層リーン燃焼域であり、かつ所定の少量燃料噴射域であるか否かを判定するＥＣＵ２７とを備えた筒内直噴ＣＮＧエンジン１０の燃料噴射装置であって、インジェクタ２３は、燃料通路を流れる燃料を加熱する加熱ヒータ２４を有する高噴射率インジェクタから構成されているとともに、ＥＣＵ２７によって成層リーン燃焼域かつ所定の少量燃料噴射域であると判定された場合に加熱ヒータ２４によって燃料を加熱するように構成されている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、圧縮天然ガス（ＣＮＧ：Ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ）を筒内に直接噴射する筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料噴射装置に関し、更に詳しくは、インジェクタの体格を大型に変更することなく、そのダイナミックレンジの拡大を図ることができ、エンジンのＷＯＴ（全負荷）出力改善と部分負荷時の成層リーン燃焼を両立できる筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料噴射装置に関する。

近年、エネルギー対策や環境対策等の観点から、自動車用内燃機関の燃料として圧縮天然ガス（ＣＮＧ）を利用するとともに、その燃費の向上や出力向上を図るべく、筒内にＣＮＧ燃料を燃料噴射弁によって直接噴射し、成層リーン燃焼域を有する筒内直噴ＣＮＧエンジン（以下、適宜ＣＮＧエンジンと記す）の開発が盛んに行われており、種々の技術が提案されている。

ところで、このような筒内直噴ＣＮＧエンジンでは、いかなる燃焼パターンにおいても圧縮行程で燃料噴射しなければ、充填効率が落ち、性能が低下する。そのため、燃料噴射用のインジェクタの高噴射率化が必要である。

また、直噴エンジンのメリットである、成層リーン燃焼化による燃費向上を実現するためには、低負荷時やアイドル時等における少流量域での流量制御性がインジェクタに要求される。すなわち、ＷＯＴ時の高噴射流量とアイドル時の最少噴射流量を両立させるためには、インジェクタのダイナミックレンジの拡大が必須である。

なお、関連する従来技術として、供給される気体燃料が低圧であっても内燃機関の駆動を可能とするために、当該低圧時にインジェクタの噴射を吸気行程に、あるいは吸気下死点直後から行わせる技術が開示されている（特許文献１参照）。

また、噴射圧力が変化しても安定した燃焼状態を維持するために、供給される気体燃料が低圧となった時にスワールコントロールバルブやＥＧＲバルブの開度を制御する技術が開示されている（特許文献２参照）。

また、燃温、水温、点火栓のくすぶり状態に基づいて、液体燃料が気化し難い運転状態時に運転状態に応じて燃料加熱ヒータを通電し、成層燃焼領域を拡大する技術が開示されている（特許文献３参照）。

特開２０００−３２８９９７号公報 特開２００２−２２１０３７号公報 特開平１１−１４８４４１号公報

しかしながら、インジェクタのダイナミックレンジを拡大するためには、インジェクタの高応答性の確保が要求され、必然的にインジェクタの体格が大型化してしまうという課題があった。

一方、筒内直噴ＣＮＧエンジンは、コスト面の制約から、ベースとなるガソリンエンジンから大幅な設計変更ができないという実情があるため、インジェクタの搭載上、インジ
ェクタの体格を大型化できないという、上記課題と相反する課題があった。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、インジェクタの体格を大型に変更することなく、そのダイナミックレンジの拡大を図ることができ、エンジンのＷＯＴ出力改善と部分負荷時の成層リーン燃焼を両立できる筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料噴射装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明に係る筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料噴射装置は、ＣＮＧ燃料を筒内に噴射するインジェクタと、エンジン運転条件が成層リーン燃焼域であり、かつ所定の少量燃料噴射域であるか否かを判定する判定手段とを備えた筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料噴射装置であって、前記インジェクタは、燃料通路を流れる前記ＣＮＧ燃料を加熱する加熱手段を有する高噴射率インジェクタから構成されているとともに、前記判定手段によって成層リーン燃焼域かつ所定の少量燃料噴射域であると判定された場合に前記加熱手段によって前記ＣＮＧ燃料を加熱し、前記所定の少量燃料噴射域以外であると判定された場合に前記加熱手段による前記ＣＮＧ燃料の加熱を停止するように構成されていることを特徴とするものである。

したがって、この発明によれば、エンジン運転条件が成層リーン燃焼域かつ所定の少量燃料噴射域（たとえば、低負荷・アイドル域）と判断されると、インジェクタ内の加熱手段が作動して当該インジェクタを通過するＣＮＧ燃料が加熱される。加熱されたＣＮＧ燃料は、高温化によりエネルギー密度が低下してアイドル時の最少燃料流量を含めた少噴射量調量が可能となる。

一方、所定の少量燃料噴射域以外の高噴射率が要求される運転条件では、加熱手段の作動が停止される。この結果、高噴射率要求時には、流量の大きいＣＮＧ燃料が燃料加熱通路を通過するため、瞬時に通常の運転温度に戻り、高噴射率のＣＮＧエネルギー密度は燃料加熱以前の状態に戻る。

この発明に係る筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料噴射装置によれば、インジェクタの体格を大型に変更することなく実質的にインジェクタのダイナミックレンジの拡大を図ることができるので、エンジンのＷＯＴ出力改善と部分負荷時の成層リーン燃焼とを両立することができる。

以下に、この発明に係る筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料噴射装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、この発明の実施例に係る筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料噴射装置の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、ＣＮＧエンジン１０は、後述するインジェクタ２３によってＣＮＧ燃料を燃焼室１０ａに直接噴射する直噴式であり、通常の直噴式のガソリンエンジンの構成とほぼ同様に構成されている。

すなわち、ＣＮＧエンジン１０の燃焼室１０ａは、シリンダボア１１とシリンダヘッド１３とシリンダボア１１内に往復動自在に配設されたピストン１２とによって構成されている。また、ピストン１２の頂面の吸気側部分には、成層燃焼を成立させるために凹状のキャビティ１２ａが形成されている。

この燃焼室１０ａのほぼ中央には、点火プラグ１４が配設されている。また、燃焼室１０ａを臨む吸気ポート１５には吸気弁１６が配設され、燃焼室１０ａを臨む排気ポート１８には排気弁２０が配設されている。また、燃焼室１０ａの吸気弁１６近傍には、ＣＮＧ燃料噴霧２３ａを燃焼室１０ａに直接噴射するインジェクタ２３が配設されている。

このインジェクタ２３は、当該インジェクタ２３内の燃料通路（図示せず）を流れるＣＮＧ燃料を加熱する加熱ヒータ（加熱手段）２４を有する高噴射率インジェクタから構成されているとともに、電子制御ユニットであるＥＣＵ（判定手段）２７によってエンジン運転条件が成層リーン燃焼域かつ所定の少量燃料噴射域（たとえば、低負荷・アイドル域）と判定された場合に、加熱ヒータ２４によってＣＮＧ燃料を加熱し、上記所定の少量燃料噴射域以外であると判定された場合に加熱ヒータ２４によるＣＮＧ燃料の加熱を停止するように構成されている。上記高噴射率インジェクタは、ＷＯＴ時の高噴射流量を確保できるように構成されたものである。また、エンジン運転条件が上記成層リーン燃焼域かつ所定の少量燃料噴射域であるか否か、あるいは所定の少量燃料噴射域以外であるか否かの判定は、ＥＣＵ２７に入力されるエンジン回転数、スロットル開度、冷却水温等の各種センサ情報等に基づいてなされる。

加熱ヒータ２４は、バッテリ２６から電力を供給され、ＥＣＵ２７によるリレー２５のＯＮ／ＯＦＦ制御によって通電を制御される。なお、この加熱ヒータ２４には、応答性良く速やかにＣＮＧ燃料温度を上昇させるために、たとえばセラミックヒータを用いることができる。

なお、上述したように、ＣＮＧエンジン１０は、基本的には通常の直噴式のガソリンエンジンと同様の構成となっているが、ＣＮＧ燃料を供給できるようにするために、燃料供給系統の構成が当該ガソリンエンジンの場合と異なっている。すなわち、ＣＮＧエンジン１０のシステムは、図示例を省略するが、ＣＮＧ燃料を高圧状態で貯蔵するためのＣＮＧ燃料ボンベや、このボンベ内の圧力や温度を検出するセンサ等を備えている。

また、このＣＮＧ燃料ボンベから圧送されてきたＣＮＧ燃料を各インジェクタ２３に分配するデリバリパイプ、このデリバリパイプ内の圧力や温度を検出するセンサ、ＣＮＧ燃料ボンベからデリバリパイプに圧送されてくるＣＮＧ燃料を所定圧力に調節するための高圧レギュレータ等を備えている。

以上のように構成されたＣＮＧエンジン１０の点火プラグ１４、吸気弁１６、排気弁２０、インジェクタ２３等の基本制御は、通常のガソリンエンジンと同様に、エンジン回転数、スロットル開度、冷却水温等の各種センサ情報等に基づいてＥＣＵ２７によって実行される。

つぎに、燃料噴射制御方法について図２に基づいて説明する。ここで、図２は、燃料噴射制御方法を示すフローチャートである。まず、エンジン回転数、スロットル開度、冷却水温等の各種エンジン信号情報をＥＣＵ２７に入力する（ステップＳ１０）。

つぎに、ＥＣＵ２７は、入力されたこれらの信号情報に基づいてエンジン運転条件が成層リーン燃焼域であるか否かを判断する（ステップＳ１１）。エンジン運転条件が成層リーン燃焼域と判断されると（ステップＳ１１肯定）、更に要求噴射量が所定の基準値よりも小さいか否かを判断する（ステップＳ１２）。

ステップＳ１２でこのように判断するのは、図３に示すように、成層燃焼領域内の所定の少量燃料噴射域（たとえば、低負荷・アイドル域）において最少燃料流量を含めた少噴射量調量を行うためである。ここで、図３は、エンジンの回転数と負荷との関係を示す説
明図であり、図中の符号Ｋは、成層燃焼領域内の所定の少量燃料噴射域の境界を示している。また、図中の実線の矢印は、加熱ヒータ２４を使用しない場合のインジェクタ２３のダイナミックレンジを示し、２点鎖線の矢印は、加熱ヒータ２４を使用した場合のインジェクタ２３のダイナミックレンジの拡大分を概念的に示している。

したがって、要求噴射量が所定の基準値よりも大きければ（ステップＳ１２否定）、要求負荷が図３中の境界Ｋよりも外側の領域であり、インジェクタ２３内の加熱ヒータ２４を使用しなくても通常のインジェクタ２３のダイナミックレンジで対応できるため、加熱ヒータ２４の通電が停止される（ステップＳ１５）。

一方、噴射量が所定の基準値よりも小さければ（ステップＳ１２肯定）、要求負荷が図３中の境界Ｋよりも内側の少量燃料噴射域であり、アイドル時の最少燃料流量（Ｑmin）を含めた少噴射量調量を行う必要があるため、加熱ヒータ２４に通電する（ステップＳ１３）。

すると、インジェクタ２３内の燃料通路（図示せず）を通過するＣＮＧ燃料が加熱ヒータ２４によって加熱され、高温化によりエネルギー密度が低下するので、アイドル時の最少燃料流量を含めた少噴射量調量が可能となり、その少噴射量で燃料噴射が実行される（ステップＳ１４）。

一方、成層リーン燃焼域以外の高噴射率が要求される運転条件（均質燃焼領域での運転条件）では（ステップＳ１１否定）、加熱ヒータ２４の通電が停止され（ステップＳ１５）、高噴射率で燃料噴射が実行される（ステップＳ１４）。その結果、高噴射率要求時には、流量の大きいＣＮＧ燃料がインジェクタ２３内の燃料通路（図示せず）を通過するため、瞬時に通常の運転温度に戻り、高噴射率のＣＮＧエネルギー密度は燃料加熱以前の状態に戻る。

以上のように、この実施例に係る筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料噴射装置によれば、インジェクタ２３の体格を大型に変更することなく、実質的にインジェクタ２３のダイナミックレンジの拡大を図ることができるので、エンジンのＷＯＴ出力改善と部分負荷時の成層リーン燃焼とを両立することができる。

なお、上記実施例においては、インジェクタ２３を燃焼室１０ａの吸気弁１６近傍に配設するものとして説明したが、これに限定されず、成層燃焼を成立させることができる位置であれば、たとえば燃焼室１０ａの中央部や排気弁２０の近傍等に配設してもよい。

以上のように、この発明に係る筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料噴射装置は、インジェクタの体格を大型に変更することなく、そのダイナミックレンジの拡大を図ることができる筒内直噴ＣＮＧエンジンに有用であり、特に、エンジンのＷＯＴ出力改善と部分負荷時の成層リーン燃焼の両立を目指す筒内直噴ＣＮＧエンジンに適している。

筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料噴射装置の概略構成を示すブロック図である。 燃料噴射制御方法を示すフローチャートである。 エンジンの回転数と負荷との関係を示す説明図である。

符号の説明

１０ ＣＮＧエンジン
１０ａ 燃焼室
１１ シリンダボア
１２ ピストン
１２ａ キャビティ
１３ シリンダヘッド
１４ 点火プラグ
１５ 吸気ポート
１６ 吸気弁
１８ 排気ポート
２０ 排気弁
２３ インジェクタ
２３ａ 燃料噴霧
２４ 加熱ヒータ（加熱手段）
２５ リレー
２６ バッテリ
２７ ＥＣＵ（判定手段）

Claims (1)

1. ＣＮＧ燃料を筒内に噴射するインジェクタと、
   エンジン運転条件が成層リーン燃焼域であり、かつ所定の少量燃料噴射域であるか否かを判定する判定手段と、
   を備えた筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料噴射装置であって、
   前記インジェクタは、燃料通路を流れる前記ＣＮＧ燃料を加熱する加熱手段を有する高噴射率インジェクタから構成されているとともに、前記判定手段によって成層リーン燃焼域かつ所定の少量燃料噴射域であると判定された場合に前記加熱手段によって前記ＣＮＧ燃料を加熱し、前記所定の少量燃料噴射域以外であると判定された場合に前記加熱手段による前記ＣＮＧ燃料の加熱を停止するように構成されていることを特徴とする筒内直噴ＣＮＧエンジンの燃料噴射装置。

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