JP2007051549A - Fuel injection valve and direct injection engine provided with it - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料噴射弁に係り、特に、燃料を燃焼室内に直接噴射する一つ又は複数の噴口を持つ燃料噴射弁及びそれを備えた筒内噴射式エンジンに関する。 The present invention relates to a fuel injection valve, and more particularly, to a fuel injection valve having one or a plurality of injection holes for directly injecting fuel into a combustion chamber, and a cylinder injection engine having the same.
従来より、燃焼室内に直接燃料を噴射する、筒内噴射式の火花点火式ガソリンエンジンが広く知られている。この筒内噴射式エンジンにおいては、主に低負荷時や始動時において、燃焼室内の混合気を点火プラグ近傍に偏在させる、いわゆる成層燃焼運転を行うことにより、ポンピングロスを低減して燃費を向上したり、あるいは、点火時期を遅らせる、いわゆるリタード状態で運転することにより、排気浄化性能(排気エミッション特性)を向上する技術等が種々開発されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, in-cylinder spark ignition gasoline engines that inject fuel directly into a combustion chamber are widely known. In this in-cylinder injection type engine, so-called stratified combustion operation is performed, in which the air-fuel mixture in the combustion chamber is unevenly distributed in the vicinity of the spark plug, mainly at low loads and at start-up, thereby reducing pumping loss and improving fuel efficiency. Various techniques have been developed to improve exhaust purification performance (exhaust emission characteristics) by operating in a so-called retarded state, or by retarding the ignition timing.
そして、かかる筒内噴射式エンジンでは、一般に、成層燃焼運転と、これより高負荷時、又はエンジンの暖機後に行われる均質燃焼運転とでは、理想的とされる燃料噴霧の特性が異なっており、それぞれに対応して燃料噴霧を形成する必要があるとされている。 In such an in-cylinder injection engine, in general, the stratified charge combustion operation and the homogeneous combustion operation performed at a higher load or after the engine warm-up are different from each other in ideal fuel spray characteristics. It is said that it is necessary to form a fuel spray corresponding to each.
これに関連して、例えば、下記特許文献1には、2ストロークエンジンの燃焼室に、成層燃焼運転用の第1燃料噴射弁(インジェクタ)と、均質燃焼運転用の第2燃料噴射弁(インジェクタ)とを臨設し、エンジンの運転状態に応じて、いずれかの燃料噴射弁から選択的に燃料噴射を行うようにされた直噴エンジンが開示されている。かかるエンジンでは、成層燃焼運転時には、第1燃料噴射弁からのみ燃料噴射を行って、点火プラグの近傍のみに混合気を存在させ、均質燃焼運転時には、第2燃料噴射弁からの燃料噴霧と燃焼室内の掃気流を対向させて、燃料と空気の混合を促進させる。これにより、エンジンの広い運転範囲で良好な燃焼を得ることができるとしている。
しかしながら、前記特許文献1に所載のエンジンのように、一つの気筒(燃焼室)に2本の燃料噴射弁を設ける構成では、燃料噴射弁が1本の場合に比して、コストが高くなることに加えて、特に、車載用の筒内噴射式エンジンでは、燃料噴射弁や高圧の燃料配管のスペースを確保することが難しいという問題がある。
However, in the configuration in which two fuel injection valves are provided in one cylinder (combustion chamber) as in the engine described in
一方、成層運転の効率を上げるためには、燃料噴射量を絞り、空燃比を大きくしてポンピングロスを小さくしなければならない。前記従来例のように2本の燃料噴射弁であれば、成層用燃料噴射弁の噴射率を下げることにより可能であるが、前述のように2本ではコストやスペースの問題がある。よって、1本の燃料噴射弁でこれを行うとすれば、成層運転時の最小噴射量をカバーしながら、最大トルク時の燃料流量も供給できなければならず、燃料噴射弁のダイナミックレンジを大きくすることが要求され、微小な燃料噴射量を精度良く供給できなかったり、逆に大流量を満足できないという問題が生じる。 On the other hand, in order to increase the efficiency of the stratified operation, it is necessary to reduce the pumping loss by reducing the fuel injection amount and increasing the air-fuel ratio. If two fuel injection valves are used as in the conventional example, this can be achieved by lowering the injection rate of the stratified fuel injection valve. However, as described above, the two fuel injection valves have problems of cost and space. Therefore, if this is done with a single fuel injection valve, the fuel flow rate at the maximum torque must be able to be supplied while covering the minimum injection amount during the stratified operation, which increases the dynamic range of the fuel injection valve. Therefore, there is a problem that a minute fuel injection amount cannot be supplied with high accuracy, or a large flow rate cannot be satisfied.
本発明は、前記した如くの従来の問題を解消すべくなされたもので、その目的とするところは、コストを低く抑えながら、また、エンジン周辺に大きなスペースを必要とすることなく、成層燃焼運転時と均質燃焼運転時のそれぞれにおける要求噴霧特性を満足することができ、さらに、高負荷時に十分な燃料を供給できるようにしながら、低負荷時には精度良く少量の燃料を供給できて、燃費や排気エミッション特性等を向上させることのできる燃料噴射弁及びそれを備えた筒内噴射式エンジンを提供することにある。 The present invention has been made to solve the conventional problems as described above, and the object of the present invention is to perform the stratified charge combustion operation while keeping the cost low and without requiring a large space around the engine. Satisfying the required spray characteristics at the time of combustion and homogeneous combustion operation, and furthermore, a sufficient amount of fuel can be supplied at high load, while a small amount of fuel can be accurately supplied at low load. An object of the present invention is to provide a fuel injection valve capable of improving emission characteristics and the like, and a cylinder injection engine provided with the same.
前記目的を達成すべく、本発明に係る燃料噴射弁は、基本的には、相互に重ね合わせることのできる複数の噴口がそれぞれ所定の配列状態で形成された2枚のオリフィスプレートを有し、一方のプレートを他方のプレートに対して回転もしくは移動させることにより、噴口形状、開口する噴口の個数、噴口断面積、及び、噴口の向きのうちの少なくとも一つを変化させることができるようにされてなる。 In order to achieve the above object, the fuel injection valve according to the present invention basically has two orifice plates each having a plurality of injection holes that can be overlapped with each other in a predetermined arrangement state, By rotating or moving one plate with respect to the other plate, at least one of the shape of the nozzle hole, the number of nozzle holes to be opened, the nozzle hole cross-sectional area, and the direction of the nozzle hole can be changed. It becomes.
以下に本発明に係る燃料噴射弁の好ましい態様を列挙する。 Below, the preferable aspect of the fuel injection valve which concerns on this invention is enumerated.
流体の圧力を利用して、一方のプレートを他方のプレートに対して回転させるベーン機構を備える。 A vane mechanism is provided that rotates one plate relative to the other plate using the pressure of the fluid.
前記ベーン機構は、弁内に供給される燃料の圧力を利用して、一方のプレートを他方のプレートに対して回転させるようにされる。 The vane mechanism rotates one plate with respect to the other plate using the pressure of the fuel supplied into the valve.
一方のプレートを他方のプレートに対して回転させるためのステッピングモータを備える。 A stepping motor is provided for rotating one plate relative to the other plate.
前記ベーン機構もしくは前記ステッピングモータは、弁駆動コイルと前記プレートとの間に配在される。 The vane mechanism or the stepping motor is disposed between the valve drive coil and the plate.
一方のオリフィスプレートの噴口の配列態様が、他方のオリフィスプレートの噴口の配列態様と異なるようにされる。 The arrangement mode of the nozzle holes of one orifice plate is different from the arrangement mode of the nozzle holes of the other orifice plate.
一方のオリフィスプレートの噴口の断面積もしくは口径が、他方のオリフィスプレートの噴口の断面積もしくは口径より大きくされる。 The sectional area or diameter of the nozzle hole of one orifice plate is made larger than the sectional area or diameter of the nozzle hole of the other orifice plate.
前記2枚のオリフィスプレートのうちの一方の噴口の少なくとも一つが、中心から距離の等しい円弧からなる長穴形状とされる。 At least one of the two orifice holes of the two orifice plates has a long hole shape formed by an arc having the same distance from the center.
前記2枚のオリフィスプレートは、相互に摺動自在に対接する円錐面を有し、この円錐面に前記噴口が開口せしめられる。 The two orifice plates have conical surfaces that slidably contact each other, and the nozzle holes are opened in the conical surfaces.
前記噴口は、中心軸線に対して外側に傾斜せしめられる。 The nozzle hole is inclined outward with respect to the central axis.
一方、本発明に係る筒内噴射式エンジンは、前記した燃料噴射弁と、混合気の成層化や均質混合気の生成等を行うための混合気生成調節機構と、前記燃料噴射弁及び前記混合気生成調節機構の制御を行う制御手段と、を備える。 On the other hand, the in-cylinder injection engine according to the present invention includes the above-described fuel injection valve, an air-fuel mixture generation control mechanism for stratifying the air-fuel mixture, generating a homogeneous air-fuel mixture, the fuel injection valve, and the mixing Control means for controlling the air generation regulating mechanism.
そして、前記制御手段は、運転状態に基づいて、前記噴口の形状、開口する噴口の個数、噴口断面積、及び、噴口の向きのうちの少なくとも一つを変化させて、燃料噴霧の形状、噴射率等の特性を変更するようにされる。 Then, the control means changes at least one of the shape of the nozzle hole, the number of nozzle holes to be opened, the nozzle hole cross-sectional area, and the direction of the nozzle hole based on the operating state, thereby changing the shape of the fuel spray, the injection The characteristics such as rate are changed.
この場合、前記燃料噴射弁は、好ましくは、燃焼室における吸気通路側に横向きで臨設される。 In this case, the fuel injection valve is preferably provided sideways on the intake passage side in the combustion chamber.
また、前記混合気生成調節機構は、好ましくは、吸気通路の下流通路部を上側通路部と下側通路部とに分割する仕切り板と、前記下側通路部の上流側端部に配在されて該下側通路部を選択的に開閉する吸気制御弁と、を備える。 The air-fuel mixture generation control mechanism is preferably disposed at a partition plate that divides the downstream passage portion of the intake passage into an upper passage portion and a lower passage portion, and an upstream end portion of the lower passage portion. And an intake control valve that selectively opens and closes the lower passage portion.
他の好ましい態様では、弁内に供給される燃料の圧力を利用して、一方のプレートを他方のプレートに対して回転させる前記ベーン機構が設けられた燃料噴射弁を備え、前記制御手段は、成層燃焼運転時には燃圧を上げるか又は下げることにより、また、均質燃焼運転時には燃圧を下げるか又は上げることにより、燃料噴霧の形状、噴射率等の特性を変更するようにされる。 In another preferable aspect, the fuel injection valve provided with the vane mechanism that rotates one plate with respect to the other plate using the pressure of the fuel supplied into the valve is provided, and the control unit includes: By increasing or decreasing the fuel pressure during the stratified combustion operation and by decreasing or increasing the fuel pressure during the homogeneous combustion operation, characteristics such as the shape of the fuel spray and the injection rate are changed.
さらに好ましい態様では、前記制御手段は、一燃焼サイクル毎に、燃料噴射を複数回に分けて行うようにされる。 In a further preferred aspect, the control means performs fuel injection in a plurality of times for each combustion cycle.
本発明に係る燃料噴射弁及びそれを備えた直噴ガソリンエンジンでは、次のような作用効果が得られる。 In the fuel injection valve according to the present invention and the direct injection gasoline engine having the same, the following operational effects can be obtained.
まず、2枚のオリフィスプレートに形成されている噴口のうちの、共に開口している噴口からのみ燃料が噴射されるので、成層燃焼運転又は均質燃焼運転のそれぞれに応じた混合気分布とすることができる。 First, since fuel is injected only from the nozzle holes formed in the two orifice plates, the fuel mixture is distributed according to each of the stratified combustion operation and the homogeneous combustion operation. Can do.
また、噴口径を小さくするか又は開口する噴口本数を少なくすること等により、同一燃料噴射パルス幅、同一燃圧の場合であっても噴口総断面積が減少し、流量(噴射量)が小さくなる。これにより、パルス幅を下げなくても燃料噴射率を下げることができる。 Also, by reducing the nozzle diameter or reducing the number of nozzles that are opened, etc., even if the same fuel injection pulse width and the same fuel pressure are used, the total nozzle cross-sectional area decreases and the flow rate (injection amount) decreases. . Thereby, the fuel injection rate can be reduced without reducing the pulse width.
さらに、分割噴射と組み合わせることにより、混合気分布をさらに適正化することが可能になる。 Furthermore, the mixture distribution can be further optimized by combining with split injection.
以上の燃料噴射弁による作用効果から、成層燃焼運転時の空燃比を薄くできるとともに、ポンピングロスを低減でき、さらに、燃料噴霧の壁面付着を低減し得て未燃炭化水素の低減を図ることができる。 From the above effects of the fuel injection valve, the air-fuel ratio at the time of stratified combustion operation can be reduced, the pumping loss can be reduced, and the adhesion of fuel spray to the wall surface can be reduced to reduce unburned hydrocarbons. it can.
また、上記の特徴を備えながら、高負荷時には空気利用率を高め、高出力を得ることができるという効果もある。この効果は、吸気行程において分割噴射を行った場合にも同様である。 In addition, while having the above features, there is an effect that the air utilization rate can be increased and a high output can be obtained at a high load. This effect is the same when split injection is performed in the intake stroke.
さらに、エンジンの冷機時にピストンや燃焼室壁面への燃料付着が少なく、分割噴射等により後燃え燃焼を行い、触媒の活性化を早めて排気エミッション特性を向上できるという利点も得られる。 Further, when the engine is cold, there is little fuel adhering to the piston and the combustion chamber wall surface, and afterburning combustion is performed by split injection or the like, so that the activation of the catalyst can be accelerated and the exhaust emission characteristics can be improved.
以下、本発明の燃料噴射弁及び筒内噴射式エンジンの実施形態を図面を参照しながら説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of a fuel injection valve and an in-cylinder injection engine of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1、図2は、それぞれ本発明に係る筒内噴射式エンジンの一実施形態を示す概略側面図、概略平面図である。 FIG. 1 and FIG. 2 are a schematic side view and a schematic plan view, respectively, showing an embodiment of a direct injection engine according to the present invention.
図示の筒内噴射式エンジン90は、例えば車載用直列4気筒エンジンであって、シリンダ92と、このシリンダ92の各気筒(一つの気筒しか示されていない)に摺動自在に嵌挿されたピストン107とを有し、該ピストン107上方には燃焼室95が画成される。燃焼室95には、その頂部に点火プラグ113が臨設されるとともに、その吸気通路(吸気ポート)101側に、燃焼室95内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁10が横向きで臨設されている(後で詳述)。
The illustrated in-
燃料の燃焼に供せられる空気は、吸気通路101の始端部に設けられたエアクリーナ106から取り入れられ、エアフローセンサ105を通り、電制スロットル弁108を通ってコレクタ116に入り、このコレクタ116から前記吸気通路101の下流通路部(吸気管、吸気ポート)101A及びその下流端に配在された吸気弁111を介して燃焼室95に吸入される。
Air to be used for fuel combustion is taken in from an
燃焼室95に吸入された空気と燃料噴射弁10から噴射された燃料との混合気は、点火プラグ113により点火されて爆発燃焼せしめられ、その燃焼廃ガス(排ガス)は、排気弁112を介して排気通路110に排出され、排気通路110に配備された三元触媒115で浄化された後、消音器117を介して外部に排出される。
The air-fuel mixture of the air sucked into the
前記吸気通路101の下流通路部(吸気管、吸気ポート)101Aは、仕切り板102によって、上側通路部101aと下側通路部101bとに分割されており、下側通路部101bの上流側端部には吸気制御弁103が配在され、この吸気制御弁103により前記下側通路部101bが選択的に開閉されるようになっている。
A downstream passage portion (intake pipe, intake port) 101A of the
そして、本実施形態の筒内噴射式エンジン90においては、燃料噴射弁10、点火プラグ113、吸気制御弁103、スロットル弁108を含むエンジン90の各部の制御を行うため、マイクロコンピュータを内蔵するコントロールユニット200が備えられている。
In the in-
コントロールユニット200は、それ自体はよく知られているもので、MPU、EP−ROM、RAM、及び、A/D変換器を含むI/OLSI等で構成され、入力信号として、エアフローセンサ105により検出される吸入空気量に応じた信号、スロットルセンサ104により検出されるスロットル弁108の開度に応じた信号、クランク角センサ97からのクランクシャフトの回転速度、すなわちエンジン回転数を示す信号の他、図示はされていないが、排気通路110に配設された空燃比センサにより検出される排ガス中の例えば酸素濃度に応じた信号、シリンダ92に配設された水温センサにより検出されるエンジン冷却水温に応じた信号、イグニッションスイッチからの始動開始(クランキング開始)を示す信号、アクセルセンサから得られるアクセルペダルの踏み込み量を示す信号、車速センサから得られる車両の走行速度に応じた信号等も供給される。
The
コントロールユニット200は、前記各信号を所定の周期をもって取り込み、所定の演算処理を実行し、この演算結果として算定された制御信号を、燃料噴射弁10、点火プラグ113、吸気制御弁103、電制スロットル弁108等に供給して、燃料噴射(噴射量、噴射時期、噴射回数)制御、点火時期制御、吸気制御弁103の開度制御、スロットル弁108の開度制御等を実行する。
The
ここでは、コントロールユニット200は、例えば、通常走行時に、エンジンが低負荷状態であると判断されると、吸気制御弁103を、より最適なタンブル強度になるように開度制御する。また、基本的には、低燃圧時には成層燃焼運転を行うべく、吸気制御弁103を全閉とし、高燃圧時は均質燃焼運転を行うべく、吸気制御弁103を開くようにされる。また、圧縮行程後半、例えば上死点前40度で燃料噴射を行うようにされる。
Here, for example, when it is determined that the engine is in a low load state during normal traveling, the
図3は、本実施形態のエンジン90に使用される燃料噴射弁の一例を示す縦断面図、図4は、図3に示される燃料噴射弁10の下端部(噴口周辺部)を示す拡大断面図である。
FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing an example of a fuel injection valve used in the
図3及び図4に示される燃料噴射弁10では、燃料Fはその上部から供給される。燃料噴射弁10と燃料配管(図示せず)との接合部は、Oリング9Aとバックアップリング9Bによってシールされる。燃料Fは、コア12内、スプリング11部分を通り、プランジャロッド8に穿設された穴8aを通った後、プランジャロッド8とインナーホルダ4との間を通って底部に向かう。
In the
前記コントロールユニット200からの指令(パルス信号)により、電極20に電圧が印加されると、コイル15が励磁され、ヨーク14及びコア12の下にあるプランジャロッド8が、スプリング11の付勢力に打ち勝って引き上げられる。これにより、図4に示される如くに、燃料Fはプランジャロッド8の下端部(円錐面)と円錐状のインナーオリフィスプレート2との間に形成される間隙及びインナーオリフィスプレート2に形成された噴口2a、2b(後述)、前記インナーオリフィスプレート2が摺動自在に対接せしめられる円錐面を持つアウターオリフィスプレート1に形成された噴口1a、1b(後述)を通り、燃焼室95内との圧力差により微粒化されて、霧状になって噴射される。
When a voltage is applied to the
インナーオリフィスプレート2は、段付き円筒状のインナーホルダ4と一体化されており、インナーホルダ4の上部には可動ベーン6が一体化されている。また、アウターオリフィスプレート1は、アウターホルダ3と一体化され、アウターホルダ3はハウジング16に圧入固定されている。このアウターホルダ3及びアウターオリフィスプレート1に対し、インナーホルダ4及びインナーオリフィスプレート2が回転摺動可能に内挿されている。なお、燃焼室95からのガスの吹き抜けを防止するため、チップシール5がアウターホルダ3に装着されている。
The
図5及び図6に、それぞれアウターオリフィスプレート1の噴口1a、1bとインナーオリフィスプレート2の噴口2a、2bの第1態様を示す(図3の底面図及び底面透視図)。アウターオリフィスプレート1には、前後方向の一方側(図5における上部側)に断面円形の成層用噴口1aが形成されるととも、前後方向の中央から他方側(図5における中央から下部側)にかけて、同一円周上に5つの断面円形の均質用噴口1b、1b、・・・が等角度間隔で形成されている。一方、インナーオリフィスプレート2には、前後方向の一方側(図6における上部側)に、円周方向に長い、円弧状の成層用噴口2aが形成されるとともに、中央から他方側(図6における中央から下部側)にかけて、統一円周上に5つの断面円形の均質用噴口2b、2b、・・・が等角度間隔で形成されている。
5 and 6 show first modes of the nozzle holes 1a and 1b of the
それぞれの噴口1a、1b、1b、・・・、2a、2b、2b、・・・の中心位置は、共通のプレート中心(中心軸線O)からの距離が略同じになるように配置されており、噴口1aと2a並びに噴口1b、1b、・・・と2b、2b、・・・とは、基準位置(図5、図6に示される位置)にて重なり合うようになっている。ここでは、噴口1a、1bの口径又は円周方向の幅は、噴口2a、2bの口径又は円周方向の幅よりも小さくされており、燃料Fがここを通る際には、まず噴口2a,2bで絞られた後、噴口1a、1bでさらに絞られるようになっている。また、各噴口1a、1b、2a、2bは、円錐面に垂直、すなわち、中心軸線Oに対して外側に傾斜して開口せしめられている。
The center positions of the
図7及び図8に、前記した噴口1a、1bが形成されたアウターオリフィスプレート1、アウターホルダ3、噴口2a、2bが形成されたインナーオリフィスプレート2、インナーホルダ4、可動ベーン6等で構成される噴霧可変機構の作動の様子を示す。図7は成層燃焼運転時、図8は均質燃焼運転時の状態を表している。これらの図は、作動の様子を分かり易く示すために、主要部品を図3の平面透視図として描いたものである。
7 and 8, the
図7、図8において、インナーオリフィスプレート2と可動ベーン6は一体であり、可動ベーン6は円周方向に沿って等角度(90°)間隔で4つ設けられている。隣り合う可動ベーン6−6間には、固定ベーン7が等角度(90°)間隔で4つ設けられており、可動ベーン6と固定ベーン7との間にはベーンスプリング21が配在されている。
7 and 8, the
図7に示される成層燃焼運転時には、可動ベーン6は、ベーンスプリング21が伸びようとする力により、図において反時計回りに回転し、固定ベーン7との間に、隙間22を残して止まる。このとき、円弧状の長穴である噴口2aが噴口1a上に位置しているため、噴口1aは開口しているが、噴口1bと噴口2bとはずれており、噴口1bは、インナーオリフィスプレート2により閉じられているので、燃料を噴射することができない。すなわち、燃料は1本の成層用噴口1a、2aからのみ噴射される。これにより、図9に示される如くに、点火プラグ113近傍にのみ燃料を分布させ、混合気の成層度を高めることができる(後述)。
At the time of the stratified combustion operation shown in FIG. 7, the
それに対し、図8に示される均質燃焼運転時には、高圧ポンプ(図示せず)から、前記成層燃焼運転時より高い燃圧の燃料Fが供給される。これにより、可動ベーン6は、ベーンスプリング21が伸びようとする力に打ち勝って、時計回りに回転し、スプリング力と釣り合う位置で止まる。このとき、円弧状の長穴である噴口2aが噴口1a上に位置しているため、噴口1aは開口し、さらに、5つの噴口1bと5つの噴口2bもそれぞれ重なり合うので、5つの噴口1bも開口し、結局燃料は6本の噴口を用いて噴射される。これにより、図10に示される如くに、燃焼室95の上下方向に燃料が分布し、均等な噴霧とすることができる(後述)。
On the other hand, during the homogeneous combustion operation shown in FIG. 8, a fuel F having a higher fuel pressure than that during the stratified combustion operation is supplied from a high pressure pump (not shown). As a result, the
図9に、成層燃焼運転時において、ピストン107が圧縮行程にあるときにおける燃焼室95及びその周辺の様子を示す。吸気行程後に、吸気弁111が閉じられ、圧縮行程に入ると、ピストン107の上昇により、吸入空気が圧縮される。このとき、燃料噴射弁10からは、前述したように、成層用噴口1aからのみ燃料が点火プラグ113に向けて噴射され、1本の噴霧125が形成され、この後、点火プラグ113近傍に混合気が生成される。これにより、低負荷時にも多くの空気を吸入してポンピングロスを減少させながら、点火燃焼を安定して行わせることができ、失火や燃焼変動を抑えつつ、効率の良い燃焼を行うことが可能になる。また、ピストン107や燃焼室内壁に燃料が付着することがなく、未燃炭化水素(HC)の排出を抑制することができる。
FIG. 9 shows the
図10に、均質燃焼運転時において、ピストン107が吸気行程にあるときにおける燃焼室95及びその周辺の様子を示す。中負荷又は高負荷時には均質燃焼運転が行われ、吸気行程で燃料が噴射される。吸気行程では、ピストン107が下降し、吸気弁111が開いて吸気通路101から空気が燃焼室95に流入する。排気弁112は閉じられている。このとき、燃料噴射弁10からは、前述したように、成層噴口1a及び5つの均質用噴口1bから燃料が噴射されて、6本の噴霧125が形成される。この噴霧は幅が広く、燃焼室95の上下方向に広く分布するため、吸気行程から圧縮行程にかけて上側通路部101a及び下側通路部101bからの空気流120と混合され、均質度の高い混合気が生成される。これにより、燃焼効率、空気利用率が高められ、燃費の向上を図りながら高出力を得ることが可能となる。
FIG. 10 shows the
図11及び図12は、それぞれアウターオリフィスプレート1の噴口1a、1bとインナーオリフィスプレート2の噴口2a、2bの第2態様を示す。これは、図5及び図6に示される第1態様とほぼ同じであるが、インナーオリフィスプレート2の噴口2aを円弧状ではなく、断面円形としている。この噴口2aは、成層燃焼運転時にのみ噴口1aに重なる位置に形成される。すなわち、成層燃焼運転時には、燃料が第1配置例と同様に成層用噴口1a、2aからのみ噴射されるが、均質燃焼運転時には、成層用噴口1a、2aからは噴射されず、5本の均質用噴口1b、2bからのみ噴射される。これにより、点火プラグ113の周りの混合気が濃すぎたり、多量の噴霧によって点火プラグ113がくすぶったりするのを防止できる。
11 and 12 show a second mode of the nozzle holes 1a and 1b of the
図13及び図14は、それぞれアウターオリフィスプレート1の噴口1a、1bとインナーオリフィスプレート2の噴口2a、2bの第3態様を示す。概略は第2態様と同じであるが、インナーオリフィスプレート2の噴口2a、2bの口径が、アウターオリフィスプレート1の噴口1a,1bよりも小さくされている。すなわち、燃料は噴口2a、2bにより絞られ、噴口1a,1bはガイドの役割となる。このように構成すると、噴口2aや2bの周囲に生じるデポジット成分が、インナーオリフィスプレート2が回転することによって自動的かつ機械的に除去されるので、経年変化の少ない、安定した噴霧形成を行うことができる。
FIGS. 13 and 14 show third modes of the nozzle holes 1a and 1b of the
図15及び図16に、それぞれアウターオリフィスプレート1の噴口1a、1bとインナーオリフィスプレート2の噴口2a、2bの第3態様を示す。概略は第1態様と同じである。噴口を4本とし、1つの成層用噴口1a、2a、2つの弱成層用噴口1c、2c、1つの均質用噴口1b、2bとなっている。インナーオリフィスプレート2の噴口2a、2b、2cは、噴口2aが長い円弧状の長穴、噴口2cが短い円弧状の長穴、噴口2bは断面円形となっている。このように構成すると、燃圧、すなわち、図7、図8に示される可動ベーン6の回転変位量に応じて、使用する噴口の本数を、成層用の1本、成層及び弱成層用の計3本、そしてこれに均質用を加えた計4本と、3通りに変化させることが可能になる。これにより、中負荷時にも、燃焼室95内の混合気の分布を、より適正に点火プラグ113の近傍に存在させることが可能になる。
FIGS. 15 and 16 show third modes of the nozzle holes 1a and 1b of the
図17は、前記噴口1a、1b、2a、2bを前記第1態様としたもとで(本発明)、同一燃圧で燃料噴射弁10に供給する制御信号(パルス信号)のパルス幅(デューティ比)を変えた場合の噴射燃料量の変化を、噴口数が不変である従来型燃料噴射弁(従来例)と比較して示し、図18は、同様に前記噴口1a、1b、2a、2bを前記第1態様としたもとで(本発明)、同一パルス幅における燃料噴射量の変化を、噴口数が不変である従来型燃料噴射弁(従来例)と比較して示す。
FIG. 17 shows a pulse width (duty ratio) of a control signal (pulse signal) supplied to the
一般に、噴口断面積が一定の場合、燃料噴射量は、ほぼ燃圧の1/2乗に比例する。通常、燃料噴射弁は、パルス幅と燃料流量の関係が直線的である領域で使用されるが、パルス幅が小さくなると、ある値以下では弁挙動の時間遅れの影響などにより、直線性が保てなくなる。この最小値を最小噴射量と呼ぶ。噴霧の微粒化、貫通力の適正値を考慮すると、燃圧にも最低値が存在し、最低燃圧、最小パルス幅以下の燃料は安定して噴射することができない。 In general, when the nozzle cross-sectional area is constant, the fuel injection amount is approximately proportional to the 1/2 power of the fuel pressure. Normally, fuel injectors are used in regions where the relationship between the pulse width and fuel flow rate is linear, but when the pulse width becomes smaller, linearity is maintained below a certain value due to the effects of time delay in valve behavior. It ’s gone. This minimum value is called the minimum injection amount. In consideration of atomization of spray and appropriate values of penetration force, there is a minimum value in the fuel pressure, and fuel having the minimum fuel pressure and the minimum pulse width cannot be stably injected.
ここで、本実施形態では、低燃圧(5MPa)時には成層用噴口1aの1本のみからの噴射となるので、図17に示される如くに、パルス幅に対する燃料噴射量量の傾きは非常に緩やかになり、よって、本実施形態(本発明)の最小噴射量Qmin2と、従来例の最小噴射量Qmin1を比較すると、Qmin2はQmin1の数分の1となる。これにより、成層燃焼運転を行う場合の制御性が向上し、燃料噴射を一燃焼サイクル毎に複数回に分けて行う分割噴射等で1回の噴射量が小さい場合にも対応することができる。さらに高燃圧(10MPa)時には、従来例と同等の噴射量を確保でき、高出力の要求に対応することができる。
Here, in this embodiment, since the injection is performed from only one of the
図19は、本発明に係る燃料噴射弁の他の例を示す。前記した図3に示される燃料噴射弁10に対し、本例の燃料噴射弁10’は、ハウジング16とコイル15との間に、インナーホルダ4回転用のステッピングモータコイル40とステッピングモータ軸41とを備えたステッピングモータが設けられている。
FIG. 19 shows another example of the fuel injection valve according to the present invention. In contrast to the
本例の燃料噴射弁10’が用いられた筒内噴射式エンジン90では、コントロールユニット100が、成層燃焼運転か均質燃焼運転運転かを、エンジン回転数、要求トルク(アクセルペダル踏み込み量等)により判断し、ステッピングモータ軸41の回転量を決定する。ステッピングモータ軸41が回転すると、それに伴いインナーホルダ4及びインナーオリフィスプレート2も回転し、この回転により、噴口数が変化する。噴口態様は、前記第1〜第4態様と同じであるので、ここでは省略する。この燃料噴射弁10’を用いると、燃圧によらず、自由に噴口数を選ぶことができ、例えば高負荷、高燃圧で成層用噴口1aのみからの噴射とすることができ、その結果、燃料微粒化により燃焼効率を向上させることができる。
In the in-
図20に、本実施形態の筒内噴射式エンジン90において、始動時に分割噴射を行った場合の燃焼室95内の混合気分布を示す。図示例では、圧縮行程において1回、膨張行程(図示状態)において1回、計2回の噴射を行っている。なお、燃圧は小さく、噴霧125は成層用噴口1aからの1本のみ形成される。圧縮行程噴射により、点火プラグ113の近傍に可燃性混合気が生成される。その後、膨張行程においても燃料を噴射し、略同時に点火を行う。2回の燃料噴射の合計空燃比は16前後とする。これにより、2回目(膨張行程)に噴射した燃料を後燃えさせ、三元触媒115の暖機前(活性化前)における未燃炭化水素(HC)の減少と、触媒115の早期昇温(活性化)を同時に行う。
FIG. 20 shows an air-fuel mixture distribution in the
図21に、本実施形態の筒内噴射式エンジン90において、高負荷時に分割噴射を行った場合の燃焼室95内の混合気の状態を示す。図は吸気行程後半を示しており、吸気行程前半に1回、図示の吸気行程後半に1回の噴射を行う。燃圧は高く、噴霧125の形状は、成層用噴口1aと5本の均質用噴口1bの計6本であり、広い噴霧角を持ち、燃焼室95内に広く分布する。分割して噴射することにより、混合気分布をより均一化する一方、吸気冷却効果により充填効率を高め、多くの燃料と空気をシリンダ内に吸入し、大きなトルクを得ることができる。
FIG. 21 shows the state of the air-fuel mixture in the
図22に、本実施形態(本発明)の作用効果を従来例と比較して示す。従来例に比べて確実かつ良好な成層燃焼運転を行えるので、空燃比を薄く(リーンに)できる。そのため、ポンピングロスを減らし、燃料消費量を少なく抑えることができる。さらに、始動時にピストン107や燃焼室壁面への燃料付着を抑えられるので、HC排出量も低くすることができる。さらに、エンジン始動直後などの冷機時に2回(分割)噴射による後燃えを行うことで、三元触媒115を早期に暖機(活性化)でき、モード運転におけるHCやNOxの排出を抑えることが可能である。また、均質燃焼運転時の空気利用率を高めたり、吸気行程で分割噴射を行うことにより、最大トルクを上げて高出力を得ることができる。
FIG. 22 shows the operational effects of the present embodiment (the present invention) in comparison with a conventional example. Compared with the conventional example, the stratified combustion operation can be performed reliably and better, so that the air-fuel ratio can be made thin (lean). Therefore, pumping loss can be reduced and fuel consumption can be reduced. Furthermore, since the fuel adhesion to the
なお、前記実施形態では、噴口が6本又は4本の燃料噴射弁10、10’が用いられているが、これに限定される訳ではなく、噴口形状、噴口の個数、噴口断面積、及び、噴口の向き等の噴口態様は適宜変更することができる。さらに、例えば、単孔のスワールタイプの燃料噴射弁、又はスリット噴口タイプの噴口を持つ燃料噴射弁であっても、2つ又はそれ以上に重ねたオリフィスプレートを移動させることにより、噴口の一部もしくは全体を隠し、噴霧の形状を変える等々、種々の態様をとることができる。
In the above-described embodiment, the
1 …アウターオリフィスプレート
1a …成層用噴口
1b …均質用噴口
1c …弱成層用噴口
2 …インナーオリフィスプレート
2a …成層用噴口
2b …均質用噴口
2c …弱成層用噴口
3 …アウターホルダ
4 …インナーホルダ
6 …可動ベーン
7 …固定ベーン
8 …プランジャ
10 …燃料噴射弁
11 …スプリング
12 …コア
13 …樹脂モールド
14 …ヨーク
15 …コイル
16 …ハウジング
20 …電極
21 …スプリング
22 …隙間
40 …ステッピングモータコイル
41 …ステッピングモータ軸
90 …筒内噴射式エンジン
92 …シリンダ
95 …燃焼室
101…吸気通路
102…仕切り板
103…吸気制御弁
104…スロットルセンサ
105…エアフローセンサ
106…エアクリーナ
107…ピストン
108…電制スロットル弁
110…排気通路
111…吸気弁
112…排気弁
113…点火プラグ
115…三元触媒
116…コレクタ
117…消音器
120…タンブル
125…噴霧
200…コントロールユニット
O …中心軸線
F …燃料
DESCRIPTION OF
Claims (15)
前記制御手段は、運転状態に基づいて、前記噴口の形状、開口する噴口の個数、噴口断面積、及び、噴口の向きのうちの少なくとも一つを変化させて、燃料噴霧の形状、噴射率等の特性を変更するように制御することを特徴とする筒内噴射式エンジン。 The fuel injection valve according to any one of claims 1 to 10, an air-fuel mixture generation adjustment mechanism for stratifying an air-fuel mixture, generating a homogeneous air-fuel mixture, and the like, the fuel injection valve, and the air-fuel mixture generation Control means for controlling the adjustment mechanism,
The control means changes at least one of the shape of the nozzle hole, the number of nozzle holes to be opened, the nozzle hole cross-sectional area, and the direction of the nozzle hole, based on the operating state, and the shape of the fuel spray, the injection rate, etc. An in-cylinder injection engine that is controlled to change its characteristics.
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