JP2007056850A - 内燃機関の燃料噴射装置及び燃料噴射方法 - Google Patents

Abstract

【課題】吸気通路内壁面および吸気弁への燃料の付着を抑制し、壁流の発生量を低減する。
【解決手段】燃料噴射弁９の先端部に取り付けられるインジェクタプレート１１と、インジェクタプレート１１に設けた少なくとも1つ以上の燃料噴射用の燃料噴孔１４と、インジェクタプレート１１の燃料噴孔１４より外周側に設けた少なくとも1つ以上の空気噴射用のエア噴孔１３と、を備え、エア噴孔１３を、噴射した空気に燃料噴射弁９の軸周りの旋回成分を与えるように形成し、燃料噴孔１４を、エア噴孔１３から噴射された空気に向けて燃料を噴射するように形成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エンジンの燃料噴射装置に関し、特に壁流の発生を抑制するための燃料噴射装置に関する。

電磁作動装置により駆動されるニードル弁と、ニードル弁により開閉される吐出口を備え、ニードル弁の開閉時期を抑制することによって燃料噴射量を調節する電磁式燃料噴射弁において、吸気の一部をアシストエアとして噴射させることによって、燃料の霧化を促進し、壁流の発生を防止する燃料噴射装置が知られている。

例えば特許文献１には、アシストエアが燃料噴霧を挟むように、そして燃料噴霧と衝突するように噴射され、これにより噴射された燃料の霧化を促進することできる装置が開示されている。
特開１０−４７２００号公報

ところで、エンジンの排気性能を悪化させる原因として、吸気ポート壁面や吸気バルブに付着した燃料が壁流となって筒内に流入し、未燃のまま排出されることが挙げられる。

特許文献１に記載の装置では、噴射された燃料と吸気ポートの壁面との間に向けてアシストエアが噴射されるので、吸気ポート壁面での壁流の発生を抑制することはできる。しかしながら、吸気バルブへの燃料の付着を抑制する方法については記載されておらず、また、特許文献１中に記載されている燃料及びアシストエアの噴射パターンでは、これを抑制することができない。

そこで、本発明では、吸気ポート壁面ならず、吸気バルブへの燃料の付着も抑制して壁流の発生量を低減することを目的とする。

本発明の燃料噴射装置は、燃料噴射弁の先端部に取り付けられるインジェクタプレートと、前記インジェクタプレートに設けた少なくとも1つ以上の燃料噴射用の燃料噴孔と、前記インジェクタプレートの前記燃料噴孔より外周側に設けた少なくとも１つ以上の空気噴射用のエア噴孔と、を備え、前記エア噴孔を、噴射した空気に前記燃料噴射弁の軸周りの旋回成分を与えるように形成し、前記燃料噴孔を、前記エア噴孔から噴射された空気に向けて燃料を噴射するように形成した。

本発明によれば、エア噴孔から噴射した空気が旋回する空気の層を形成し、この空気の層の内側から空気層に向けて燃料を噴射するので、噴射された燃料は燃料噴孔から遠ざかるにつれて径が広くなる燃料噴霧層を形成する。これにより、例えば燃料噴射弁を内燃機関の吸気通路に設置し、吸気バルブにより開閉される吸気通路の気筒側の開口部に向けて燃料噴射する場合に、吸気バルブへの燃料の付着量を抑制することができる。また、旋回する空気の層によって、燃料の吸気ポート壁への付着を抑制することができる。これにより壁流の発生量を低減することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本実施形態を適用するシステムの概略図である。１はエンジン、２は吸気マニホールド、３は排気マニホールドであり、吸気マニホールド２は複数のブランチ２ａに分岐してエンジン１の各気筒へ接続されており、各ブランチ２ａには各気筒との接続部、すなわち図示しない吸気バルブにより開閉される開口部に向けて燃料を噴射するように燃料噴射弁９が備えられる。燃料噴射弁９は、燃料ポンプ８によって燃料タンク７から吸い上げられた燃料が供給され、コントロールユニット（ＥＣＵ）３８からの信号に従って燃料噴射を行う。

一方、吸気マニホールド２の上流側には吸気通路４０が接続されており、上流側から順に吸入空気量を測定するエアフローメータ５、吸気絞り手段としてのスロットルバルブ４が備えられる。また、排気マニホールド３に接続される排気通路３５には排気の温度を検出する排気温度センサ９が備えられる。

上記のエアフローメータ５、排気温度センサ９の他、エンジン１の冷却水温を検出する水温センサ４２、図示しないアクセル開度センサ、エンジン回転数（クランク角）センサ等が運転状態検出手段に相当し、これらの検出値に基づいて要求空気量算出手段としてのＥＣＵ３８は要求空気量を算出する。

吸気通路４０のエアフローメータ５とスロットルバルブ４の間には、吸気通路４０と燃料噴射弁９とを連通する第１エア配管としての分岐通路３６が設けられており、この分岐通路３６には分岐通路３６を流れる空気流量を調節する流量調節手段としての流量調節バルブ６が介装されている。流量調節バルブ６を通過した吸入空気は、各燃料噴射弁９へ供給され、後述するようにアシストエアとして噴射される。

ここで、燃料噴射弁９の構造について、燃料噴射弁９の断面の概略図である図２を参照して説明する。

なお、スロットルバルブ４は全閉の状態で吸気の通過を完全に遮断する。これにより、吸気マニホールド４内の吸入負圧が高まるので、流量調節バルブ６の上下流の圧力差を確保することが可能となり、アシストエアを十分に噴射することが可能となる。

図２は吸気マニホールド２のブランチ２ａに取り付けられた状態の燃料噴射弁９の先端付近を表している。
燃料噴射弁９は、先端側からブランチ２ａのインジェクタホール１７に挿入されて、後端側から押圧された状態で保持される。インジェクタホール１７はブランチ２ａの内部２ｂと連通する開口部１７ａを有し、燃料噴射弁９はインジェクタホール１７に挿入された状態で、その先端部が開口部１７ａに位置する。

また、ハウジング９ａの内部には一般的な燃料噴射弁と同様に、燃料ポンプ８によって燃料タンク７から供給された燃料で満たされる燃料室１５と、ハウジング９ａ内を往復動することによって、燃料噴射弁９の先端部に備えられたインジェクタプレート１１の燃料噴孔１４を開閉するニードル１０とが備えられ、ＥＣＵ３８からの開弁信号に応じてニードル１０がハウジング９ａ内を図２中上向きに移動することによって燃料噴孔１４が開き、燃料が噴射される。

ところで、本実施形態の燃料噴射弁９には、ハウジング９ａの側面と後述するインジェクタプレート１１のエア噴孔１３を連通するエア通路１２が備えられる。

そして、燃料噴射弁９がインジェクタホール１７に挿入された状態で、燃料噴射弁９とインジェクタホール１７の間には空間１７ａが確保されており、ブランチ２ａに設けられたエア供給通路１６が空間１７ａに開口している。これにより、エア供給通路１６から供給された空気は、空間１７ａを介してエア通路１２に流入し、エア噴孔１３から吸気マニホールド２内に噴射される。

上記の燃料噴孔１４、エア噴孔１３はそれぞれ少なくとも1つ以上設けられており、燃料噴孔１４から噴射される燃料噴霧の傘角をθｆ、エア噴孔１３から噴射されるアシストエアの傘角をθａとしたときに、θｆ＞θａとなるようにそれぞれの噴孔を設ける。これは噴射された燃料が確実にエア噴孔１３から噴射された空気に衝突するようにするためである。

なお、図２のＡ−Ａ矢視図である図３に示したように、エア供給通路２６はインジェクタホール１７に導入された空気はインジェクタホール１７内を旋回することになり、インジェクタホール１７内の空気の分布に偏りが無くなり、後述する各エア噴孔１３に均等に空気が供給される。

次に燃料噴射弁９のハウジング９ａの先端部に取り付けられるインジェクタプレート１１について図４（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。

図４（ａ）はインジェクタプレート１１の下面図、すなわちブランチ内部２ａ側から見た図である。図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。

４つの燃料噴孔１４は互いに所定の間隔をもって環状に配置されており、インジェクタプレート１１の上面側の開口部１４ｂが形成する円周よりも下面側の開口部１４ａが形成する円周の方が径が大きくなっている。すなわち、燃料噴孔１４がインジェクタプレート１１の上面から下面に向けて、インジェクタプレート１１の軸心に対して外側に傾いて設けられている。これにより、燃料噴孔１４から噴射される燃料は、インジェクタプレート１１の外周方向に向けて拡がるように噴射される。なお、燃料噴孔１４の断面形状は略円形である。

４つのエア噴孔１３は、それぞれインジェクタプレート１１下面に帯状の開口部１３ａを有し、これらの開口部１３ａが燃料噴孔１４の開口部１４ａを囲むように、隣り合う開口部１３ａの間に所定の間隔をもって略円環状に配置される。なお、隣り合う開口部１３ａの間の部分をブリッジ部１８とする。

エア噴孔１３の断面形状について図４（ａ）のＢ１−Ｂ２断面の概略図である図４（ｂ）を参照して説明する。

各エア噴孔１３は、インジェクタプレート１１の上面から下面に向けて、インジェクタプレート１１の径方向の幅は略一定であり、かつ一方の内壁（本実施形態ではＢ２が輪の内壁）１３ｂがスロープ状に傾斜することにより周方向の長さは徐々に長くなっている。

これによりエア噴孔１３から噴射される空気は図４（ａ）において反時計回りの速度成分を含むこととなる。そして、各エア噴孔１３から噴射された空気は、周方向に隙間がなく、かつ旋回成分を有する略円錐状の空気の層を形成する。

ここで、燃料噴孔１４、エア噴孔１３から噴射された燃料、空気について、図５を参照して説明する。図５は図２のＣ−Ｃ矢視図、すなわち噴射された空気及び燃料が形成する噴霧を、燃料噴射弁９の軸方向下側から見た断面図である。

前述したように、燃料は燃料噴孔１４からインジェクタプレート１１の外周方向に傾きをもって噴射され、エア噴孔１３からは上記のように空気が旋回するように噴射される。また、燃料の噴射角θｆは空気の噴射角θａよりも大きい。また、燃料の吐出圧は、例えば図示しないレギュレータ等を用いる一般的な方法により、衝突した燃料が空気の層を貫通しない程度に調整するものとする。

これにより、エア噴孔１３から噴射された空気と燃料噴孔１４から噴射された燃料は、図５に示すように、旋回する円環状の空気の層の内側に円環状の燃料の層が形成される２層状態となる。ただし、インジェクタプレート１１からの距離が長くなると、空気と燃料との混合が進み、燃料と空気の混合気のみの一層状態となる。

次に上記のように空気と燃料とを２層状態にすることによる効果について、図６を参照して説明する。図６は燃料噴射弁９をブランチ２ａに取り付けた状態の概略図であり、１９は吸気バルブ、２０は排気バルブ、２１は燃焼室、２２は点火プラグ、２４はブランチ２ａが接続される吸気通路である。

燃料噴射弁９は、一般的な燃料噴射弁と同様に吸気バルブ１９により開閉される開口部２３に対抗するように設けられる。そして、略円錐状の空気の層がブランチ２ａやブランチ２ａが接続される吸気ポートの内壁（以下、「ブランチ２ａ等」という）に接触せず、かつ開口部２３を通過するまでは図５に示した２層状態を維持し、通過後に空気と燃料との混合が開始されるように、空気の層の傘角θａ及び燃料の層の傘角θｆと、開口部２３からインジェクタプレート１１までの距離と、燃料を噴射する圧力とを設定する。なお、上記の条件は吸気通路２４の形状等の違いにより異なるので、適用するエンジンごとに実験やシミュレーション等の方法により求める。

上記のような構成にすることで、エア噴孔１３から噴射された空気の層が、ブランチ２ａ等の内壁に接触しなくなり、これによって空気の層の旋回が弱まることを防止することができる。

また、噴射された燃料が旋回する空気の層を貫通しないように、かつ開口部２３を通過するまでは２層状態を維持することにより、ブランチ２ａ等の内壁に燃料が付着することを防止できる。これにより、内壁に付着した燃料が、いわゆる壁流となって吸気バルブ１９が開弁したときに燃焼室２１に流れ込むことによって生じる排気成分の悪化を防止することができる。

さらに、燃料噴孔１４から噴射された燃料が略円環状の層を形成するので、吸気バルブ１９の傘部１９ａに付着する燃料量を低減することができる。これにより、傘部１９ａに付着した燃料が液状のまま燃焼室２１に流入することを防止できるので、上述した壁流の防止と同様に排気成分の悪化を防止できる。

また、壁流の発生を抑制することができるので、使用する燃料の重軽質差によって発生する壁流量も少なくなる。したがって、燃料の重軽質差による壁流の発生を抑制するための燃料噴射量補正等の制御を簡素化することができる。

次に、エア噴孔１３から噴射する空気量について説明する。

エンジン１の運転に必要な空気量は、エンジン始動時や中低負荷運転時にはエア噴孔１３から噴射する空気量を流量調節バルブ６により調節することにより確保する。そして、例えば極低温での始動時や高負荷運転時等のように、要求される空気量が増大してエア噴孔１３からの空気量では不足する場合には、スロットルバルブ４の開度を調節して不足する分の空気量を供給する。燃料噴射量については一般的なエンジンと同様に運転状態に応じて設定する。

上記の流量調節バルブ６とスロットルバルブ４の制御について、図７を参照して説明する。図７は流量調整バルブ６及びスロットルバルブ４の開度の制御ルーチンを表したものである。以下、図７のステップに従って説明する。

ステップＳ１では、運転状態を読み込む。ここで読み込む運転状態とは、エンジン1のアクセル開度センサ、回転数センサ、水温センサ４２等、一般的なエンジン制御に用いるセンサの検出値である。

ステップＳ２では、ステップＳ１で読み込んだ検出値に基づいてエンジン１の要求空気量を演算する。要求空気量の演算方法は、例えば図８のように吸入空気温度ごとにアクセル開度と要求空気量との関係を設定したマップを予め設定しておき、このマップをステップＳ１で読み込んだアクセル開度センサ（図示せず）及び水温センサ４２の検出値で検索する。

ステップＳ３では、ステップＳ２で算出した要求空気量が、インジェクタプレート１１のエア噴孔１３から噴射可能な空気量の上限値より多いか否かの判定を行う。上限値より多い場合、すなわちエア噴孔１３からの噴射量では要求空気量を満足できない場合にはステップＳ４に進む。上限値より少ない場合、すなわちエア噴孔１３からの噴射量で要求空気量を満足できる場合にはステップＳ６へ進む。

ステップＳ４では流量調節バルブ６を全開にし、ステップＳ５で後述するスロットルバルブ４の開度補正を行う。すなわち、エア噴孔１３から噴射可能な空気量で不足する分を、スロットルバルブ４を開くことによって賄う。

一方、ステップＳ６では後述する流量調節バルブ６の開度補正を行う。すなわち、エア噴孔１３からの噴射のみで要求空気量を満足できる場合には、スロットルバルブ４は全閉状態となる。

ここで、流量調節バルブ６の開度補正について図９を参照して説明する。

図９は図８のＡ−Ａ断面を表したものであり、縦軸はスロットルバルブ４及び流量調節バルブ６を通過してエンジン１に供給する空気量（総空気量）、横軸は冷却水温である。

冷却水温が低いほど、すなわち冷機運転状態ほど総空気量は多く、冷却水温が上昇するにしたがって総空気量は減少して、暖機運転状態になると所定空気量に収束している。また、要求空気量がエア噴孔１３から噴射可能な最大流量（バルブ最大流量）となるときの冷却水温をＴ２とする。

例えば、冷却水温がＴ２より低いＴ１である場合、図９に示すように要求空気量はバルブ最大流量を超えている。したがって、上述した制御ルーチンのステップＳ４、Ｓ５を実行することになり、流量調節バルブ６は全開とし、要求空気量に対して不足する分はスロットルバルブ４の開度を調整することによって確保する。

冷却水温がＴ２以上の場合、すなわち要求空気量がバルブ最大流量よりも少ない場合には、上述した制御ルーチンのステップＳ６を実行することとなり、流量調節バルブ６の開度補正のみで要求空気量となるように制御し、このときスロットルバルブ４は全閉とする。

上記のように、エア噴孔１３からの噴射量で要求空気量を確保できる場合には、エア噴孔１３からのみ空気を供給するので、エア噴孔１３から噴射された空気の層が燃料噴霧の周囲に形成されて、燃料がブランチ２ａや吸気通路２４に接触することがなくなり、これによって、ブランチ２ａや吸気通路２４の壁面に付着した燃料が液化することによって生じる壁流の発生を防止することができる。特に、冷機始動時のようにブランチ２ａや吸気通路２４が低温の状態での壁流発生を防止できるという大きな効果がある。

また、極低温での始動時や高負荷運転時のように、要求空気量が多く、エア噴孔１３から噴射可能な空気量では要求空気量を確保できないときは、不足する分の空気量をスロットルバルブ４を開くことによって確保するので、幅広い運転状態に対応しつつ、壁流の発生を抑制することができる。

なお、図４（ａ）のインジェクタプレート１１は、各気筒あたり吸気弁１９が一本の場合、すなわち吸気通路２３が一本の場合に用いるものである。吸気２弁式の場合は、吸気通路２４が二本に分岐する部分付近に燃料噴射弁９を配置し、そこから２つの吸気弁１９に向けて燃料噴射を行う。そこで、インジェクタプレート１１は図１０に示すように、図４（ａ）と同様の形状及び位置関係をもつ燃料噴孔１４と、エア噴孔１３を２組備えるものを用いる。

また、エア噴孔１３の形状は図４に示した帯状のものに限られず、図１１に示すように、燃料噴孔１４のように断面が略円形の噴孔を複数用いて燃料噴孔１４の周囲を囲んでもよい。この場合、エア噴孔１３から噴射された空気が一定方向に旋回するように、各エア噴孔１３から噴射された空気が一定方向に旋回するように各エア噴孔１３は、インジェクタプレート１１の軸心に対して一定の値の傾きを有する。

以上により本実施形態では、以下に記す効果を得ることができる。

エア噴孔１３から噴射した空気が旋回する空気の層を形成し、この空気の層の内側から空気層に向けて燃料を噴射するので、噴射された燃料は燃料噴孔１４から遠ざかるにつれて径が広くなる燃料噴霧層を形成する。これにより、燃料噴射弁９を吸気通路４０に設置し、吸気バルブ１９により開閉される吸気通路４０の気筒側開口部に向けて燃料噴射する場合に、吸気バルブ１９への燃料の付着量を抑制することができる。また、旋回する空気の層によって、吸気通路２４壁への燃料の付着を抑制することができる。すなわち壁流の発生を抑制してＨＣ排出量を低減することができる。また、吸気通路４０や吸気バルブ１９への燃料の付着が抑制されるので、燃料の重軽質差により生じる壁流量の差も少なくなる。したがって、燃料の重軽質差によって生じる壁流量の低減するための燃料噴射量補正等の制御を簡素化することができる。

燃料噴孔１４から噴射する燃料の噴射圧力を、エア噴孔１３から噴射した空気により形成される空気層を貫通しない大きさに設定するので、ブランチ２ａ等への燃料の付着をより低減することができる。

エンジン１の要求空気量がバルブ最大流量より少ない場合には、スロットルバルブ４を全閉にして流量調節バルブ６のみによって要求空気量を確保し、要求空気量がバルブ最大流量を超える場合は、流量調節バルブ６を介して供給可能な空気量を供給し、さらに要求空気量に対して不足する空気量をスロットルバルブ４の開度を調節することによって確保するので、エア噴孔１３からのアシストエア噴射による壁流量低減効果を生かしつつ、要求空気量が多い運転状態にも対応することが可能である。

第２実施形態について図１２を参照して説明する。

本実施形態のシステムの構成は、基本的に第１実施形態と同様であるが、吸気を燃料噴射弁９に圧送するためのポンプ手段としてのポンプ３７を備えるという点、そして図１７に示すように、燃料噴孔１４の開口部１４ａの形状が、一つの頂点がインジェクタプレート１１の径方向外側に向いた略三角形であるという点が異なる。

ポンプ３７は、吸気通路４０のエアフローメータ５とスロットルバルブ４の間の部分と分岐通路１０の流量調節バルブ６より下流側の部分とを連通する、第２エア配管としての分岐通路４１に介装される。

なお、分岐通路４１は、図１２に示すように分岐通路３６の吸気通路４０側の接続部とは独立して吸気通路４０に接続してもよいし、分岐通路３６の途中から分岐して流量調節バルブ６を迂回してもよい。

また、ポンプ３７はエンジン１の駆動力によって駆動してもよいし、電力により駆動してもよい。また、ポンプ３７の駆動、すなわちポンプ３７から供給される空気流量はポンプ制御手段としてのＥＣＵ３８によって制御される。

燃料噴孔１４の開口部１４ａの形状を上記のようにすることで、略三角形の頂点近傍を流れる燃料が微粒化されるので、空気の層と衝突した際に気化されやすくなり、壁流の発生等を抑制することができる。なお、開口部１４ａの形状は上記のような略三角形に限られるものではなく、例えば菱形やＸ字型のように少なくとも１つのエッジ部を有するものであれば同様に壁流の発生等を抑制することができる。

次にポンプ３７の制御を含む本実施形態の制御ルーチンについて説明する。

図１３は本実施形態の制御ルーチンを表す図である。ステップＳ２１〜Ｓ２３は図7に示した制御ルーチンと同様なので説明を省略する。

ステップＳ２４では、要求空気量がポンプ３７で得られる最大の流量（最大ポンプ流量という）より多いか否かの判定を行う。多い場合はステップＳ２５へ進み、少ない場合はステップＳ２８に進む。

ステップＳ２５では、流量調節バルブ６を全閉にする。これにより、ポンプ３７稼動時にポンプ３７が吸引した吸気の一部が流量調節バルブ６方向へ逆流することを防止できる。

ステップＳ２６では、後述するポンプ３７の流量補正を行う。

ステップＳ２７では、後述するスロットルバルブ４の開度補正（スロットル開度補正）を行う。

一方、ステップＳ２４で要求空気量が最大ポンプ流量より少ないと判定した場合は、ステップＳ２８で流量調節バルブ６を全閉にする。

そしてステップＳ２９では、後述するポンプ３７の流量補正を行う。

また、ステップＳ２３で要求空気量が最大バルブ流量より少ないと判定された場合は、ステップＳ３０に進み、図７のステップＳ６と同様に流量調節バルブ６の開度補正を行う。

ここで、ステップＳ２６、Ｓ２７、Ｓ２９で実行するバルブ流量補正、スロットル開度補正について図１４を参照して説明する。

図１４は図９と同様に要求空気量と冷却水温及び総空気量との関係を表した図であり、冷却水温が低いほど、すなわち冷機運転状態ほど総空気量は多く、冷却水温が上昇するにしたがって総空気量は減少して、暖機運転状態になると所定空気量に収束している。

要求空気量がポンプ最大流量となるときの冷却水温をＴ２１、要求空気量がバルブ最大流量となるときの冷却水温をＴ２２、暖気運転となるときの冷却水温をＴ２３とする。

例えば、冷却水温ＴがＴ２１以下の場合は、要求空気量はポンプ最大流量を超えているので、ポンプ最大流量となるようにポンプ３７を稼動し（ポンプ流量補正）、それでも不足する空気量をスロットルバルブ４を開くことによって確保する（バルブ開度補正）。このとき、前述したように逆流防止のために流量調節バルブ６は全閉にする（ステップＳ２５〜Ｓ２７）。

また、冷却水温ＴがＴ２１＜Ｔ＜Ｔ２２の場合には、要求空気量はバルブ最大流量より多く、ポンプ最大流量よりは少ない。そこで、要求空気量を確保するようにポンプ３７の運転を制御する（ポンプ流量補正）。なお、このとき流量調節バルブ６は逆流防止のため全閉にする（ステップＳ２８、Ｓ２９）。

冷却水温ＴがＴ２２より高い場合は、流量調節バルブ６の開度を制御することによって要求空気量を確保する。

上記のようにポンプ３７を用いると、エンジン１の吸入負圧によらずにエア噴孔１３から空気を噴射することができる。また、より高圧で空気を噴射できるので、エア噴孔１３から噴射する空気に強い旋回を与えることが可能となる。さらに、より多くの空気を噴射できるので、幅広い運転状態に対応することが可能となる。

以上により、本実施形態では、第１実施形態と同様の効果に加え、さらに以下に記す効果を得ることができる。

吸気通路４０のスロットルバルブ４より上流部分と分岐通路３６の流量調節バルブ６より下流部分とを流量調節バルブ６を迂回して接続するポンプ通路４１と、ポンプ通路４１に介装し吸気通路４０からエア噴孔１３を介してエンジン１に空気を供給するポンプ３７と、ポンプ３７が供給する空気量を制御するＥＣＵ３８とを備え、要求空気量が最大ポンプ流量より少ない場合には、スロットルバルブ４を全閉かつポンプ３７を非稼動にして、流量調節バルブ６のみによって要求空気量を確保する。そして要求空気量がバルブ最大流量より多く、かつ要求空気量が最大ポンプ流量より少ない場合は、流量調節バルブ６を通過する空気量をゼロにして、ポンプ３７のみによってエンジン1に供給する空気量を調節して要求空気量を確保し、要求空気量が最大ポンプ流量より多く、かつ最大ポンプ流量より多い場合には、流量調節バルブ６を通過する空気量をゼロにし、ポンプ３７は最大ポンプ流量を供給し、さらに要求空気量に対して不足する空気量をスロットルバルブ４の開度を調節することによって確保するので、
燃料噴孔１４は少なくとも１つのエッジ部を含む断面形状であるので、噴射した燃料の微細化を図ることが可能である。

第３実施形態について説明する。

本実施形態のシステムの構成を図１５に示す。図１５は図１の構成に、排気の一部を吸気系統に還流させるためのＥＧＲ装置を加えたものである。

ＥＧＲ装置は、排気通路３５と流量調節バルブ６とを連通するＥＧＲ通路３４と、還流させる排気の量（ＥＧＲガス量）を調節するＥＧＲ量調節手段としてのＥＧＲバルブ３０と、排気中の未燃成分等の異物を除去するための排気フィルタ３１と、ＥＧＲガスの温度を低下させるためのＥＧＲクーラ３２と、還流させる排気の温度を検出するための温度センサ３３と、流量調節バルブ６の下流（インジェクタ９側）に設けられた温度センサ３３と、で構成される。

ＥＧＲバルブ３０は、その開度を調節することによってＥＧＲガス量を調節するものである。ＥＧＲガス量は、運転状態に応じて目標ＥＧＲ率設定手段及び制御手段としてのＥＣＵ３９によって定めるＥＧＲガス率（吸入空気量に対するＥＧＲガス量の割合）に基づいて設定されるものであり、運転性に影響を与えない程度まで増量することができる。なお、ＥＧＲ率の設定方法やＥＧＲガス量の算出方法は、公知の方法と同様であるので説明を省略する。

排気フィルタ３１を設けるのは、ＥＧＲクーラ３２内部、流量調節バルブ６、燃料噴射弁９でのデポジットの発生を防止するためである。

また、本実施形態ではインジェクタプレート１１を加熱する加熱手段としてヒータ（図示せず）を設ける。このヒータはエンジン１運転中常に稼動させてもよいし、例えば燃料の温度が所定温度に上昇するまで、というように所定の運転条件でのみ稼動させてもよい。

このようにインジェクタプレート１１を加熱することにより燃料の温度が上昇し、これにより燃料噴孔１４から噴射される際に燃料が微粒化されるので、空気と衝突した際に気化が促進され、壁流発生の防止や燃料性の向上等の効果が得られる。

なお、ヒータに替えてインジェクタプレート１１に振動を与える加振手段として、例えば超音波振動発生装置を用いてもよい。インジェクタプレート１１に超高周波の振動を与えることにより、燃料噴孔１４を通過する燃料が微粒化され、加熱した場合と同様に燃料の気化を促進して壁流発生の防止や燃焼性の向上等の効果が得られる。

上記のような構成とすることによって、エンジン１に供給する空気にＥＧＲガスを混合させてエア噴孔１３から噴射される空気の温度を高くすることができる。これにより、空気の層の内側に略円環状の層を形成する燃料の温度も上昇することになるので、冷間始動時の燃料の気化を促進できる。

また、ＥＧＲクーラ３２を設けたことにより、例えば高負荷運転等においてもＥＧＲガスが高温のまま還流されることを防止できる。また、温度センサ３３によりＥＧＲガスと吸入空気とが混合した後の温度を検出しているので、エンジン１に供給される状態での温度を把握し、ＥＧＲバルブ３０の開度を適切に制御することができる。

なお、本実施形態において、流量調節バルブ６は吸入空気（新気）とＥＧＲガスの混合割合及び新気とＥＧＲガスの合計総流量をそれぞれ調節可能である。すなわち、新気とＥＧＲガスそれぞれの流量を把握している。具体的には、運転条件と流量調節バルブ６の開度に基づいて推定する方法や、流量計を別途設けて検出する方法等により把握する。

次に本実施形態のＥＧＲ装置の制御について、制御ルーチンの一例である図１６を参照して説明する。

ステップＳ３１では、現在ＥＧＲ装置を作動させる運転状態であるか否かの判定を行い、作動させる運転状態であるときはステップＳ３２へ進み、そうでない場合にはそのまま本ルーチンを抜ける。

ＥＧＲ装置を作動させるか否かの判定は、例えば、冷却水温が所定温度以上、かつエンジン回転数が所定回転数以上、かつスロットル開度が所定開度以下、の場合に作動させるものと判定する。

ステップＳ３２では、目標ＥＧＲ率（ＥＧＲｔａｒｇｅｔ）を設定する。設定方法としては、例えば、ＥＧＲ装置を作動させる際の基準となるＥＧＲ量（ＥＧＲｂａｓｉｃ）を予め設定しておき、このＥＧＲｂａｓｉｃに、運転領域別に定義された学習補正値（ＥＧＲｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）で補正することによって設定する。学習補正値（ＥＧＲｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）は、例えば図１８に示すように、エンジン回転数及びエンジン負荷ごとに補正値を割り付けたマップを予め作成しておき、これを検索することによって設定する。

ステップＳ３３では、ステップＳ３２で設定した目標ＥＧＲ率を、エンジン１の運転安定度を用いてフィードバック制御する（安定度分Ｆ／Ｂ設定）。なお、運転安定度はエンジン１の運転状態に基づく指標値であり、数値が大きいほどエンジン１は不安定な状態であることを表す。例えば、エンジン１の回転変動のばらつきを指標とする場合、回転変動のばらつきが大きいほどエンジン安定度を表す数値は大きくなる。

ＥＧＲ率は、吸気管内圧や水温のみならず、排気圧力、排気温度、吸気管内温度など種々のエンジン状態に依存するにもかかわらず、それらを考慮せずＥＧＲバルブ３０の開度（バルブ開度）を決定しているため、運転状態によっては実ＥＧＲ率がその目標ＥＧＲ率から大きくずれることになり、エンジン１の運転安定性を低下させる場合がある。そこで、エンジン１の運転安定度に基づいてＥＧＲ率を補正し、運転安定度を確保する。

ステップＳ３４では、排気温度センサ３９により検出した排気温度に基づいて目標ＥＧＲ率をフィードバック制御する（排気温度分Ｆ／Ｂ設定）。上述したように、目標ＥＧＲ率を設定する際には排気温度が考慮されていない。このため、目標ＥＧＲ率に基づいてＥＧＲバルブ３０の開度を設定しても、排気温度の違いにより実際のＥＧＲ率と目標ＥＧＲ率とにずれが生じる可能性があるからである。

ステップＳ３５では、ステップＳ３２〜Ｓ３４で定まるＥＧＲ率を実現するのに必要なＥＧＲガス量を還流させることができるように、ＥＧＲバルブ３０の開度を設定し、開度指令を送る。

ステップＳ３６では、前述した運転安定度が安定度限界を超えているか否かの判定を行う。安定度限界は、エンジン1の仕様等に応じて予め設定しておく。

安定度限界を超えていない場合はステップＳ３３に戻り、超えている場合はステップＳ３７に進む。

ステップＳ３７では、吸入空気とＥＧＲガスとが混合したガスの温度がインジェクタ許容温度限界以下であるか否かを判定する。前記ガス温度は流量調節バルブ６よりインジェクタ９側の通路に設置した温度センサ３３により検出する。なお、インジェクタ許容温度限界とは、インジェクタ９の正常な稼動を確保できる温度の上限値であり、インジェクタ９の仕様等にもとづいて予め設定する。

判定の結果、インジェクタ許容温度限界より低い場合は、そのまま本ルーチンを抜ける。インジェクタ許容温度限界を超えている場合は、ステップＳ３４に戻り排気温度分Ｆ／Ｂ設定を行う。具体的にはＥＧＲ率を低下させる。すなわち、高温のＥＧＲガスの混合割合を小さくすることにより空気とＥＧＲガスとの混合ガスの温度を低下させる。

以上により本実施形態では、第１実施形態と同様の効果に加え、さらに、以下に記す効果を得ることができる。

エンジン１の運転状態に応じて目標ＥＧＲ率を設定し、実際のＥＧＲ率を目標ＥＧＲ率に一致させるようにＥＧＲバルブ３０及び流量調節バルブ６をＥＣＵ３８によって制御するので、運転状態に応じてＥＧＲガス量及び総空気量を制御できる。

分岐通路３６の流量調節バルブ６より下流部分にＥＧＲガスと空気との混合ガスの温度を検出する温度センサ３３を設け、温度センサ３３の検出値が燃料噴射弁許容温度を超えた場合には、燃料噴射弁許容温度と温度センサ３３の検出値との差に基づいて目標ＥＧＲ率を補正するので、燃料噴射弁９の熱劣化を防止できる。

インジェクタプレート１１をヒータにより加熱するので、燃料噴孔１４から噴射される燃料が微粒化され、燃料の気化が促進される。

ヒータによる加熱に代えて、例えば超音波振動発生装置等を用いてインジェクタプレート１１を高周波振動させることによっても、同様に燃料の気化を促進できる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

第１実施形態のシステムの構成を表す図である。 インジェクタの構造の概略図である。 図２のＡ−Ａ矢視図である。 （ａ）はインジェクタプレートを下面側から見た図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視図である。 燃料噴霧とアシストエアの関係を表す図である。 インジェクタをエンジンに装着したときの、燃料噴霧及びアシストエアの形状を説明するための概略図である。 第１実施形態の流量調節バルブ及びスロットルバルブの制御ルーチンである 要求空気量を設定する際に使用するマップである。 スロットルバルブまたは流量調節バルブの開度を水温に応じて補正する際に使用するマップである。 インジェクタプレートの別の例を表す図である。 インジェクタプレートの別の例を表す図（その２）である。 第２実施形態のシステムの構成を表す図である。 第２実施形態の制御ルーチンである。 スロットルバルブまたは流量調節バルブの開度を水温に応じて補正する際に使用するマップである。 第３実施形態のシステムの構成を表す図である。 第３実施形態の制御ルーチンである。 （ａ）、（ｂ）はインジェクタプレートの別の例を表す図（その３）である。 ＥＧＲ学習補正値のマップである。

符号の説明

１ エンジン
２ 吸気マニホールド
３ 排気マニホールド
４ スロットルバルブ
５ エアフローメータ
６ 流量調節バルブ
７ 燃料タンク
８ 燃料ポンプ
９ 燃料噴射弁
１０ ニードル
１１ インジェクタプレート
１２ エア通路
１３ エア噴孔
１４ 燃料噴孔
１５ 燃料室
１６ エア供給配管
１７ インジェクタホール
１９ 吸気バルブ
２０ 排気バルブ
２１ 燃焼室
２２ 点火プラグ
２３ 開口部
３５ 排気通路
３６ 分岐通路
３７ ポンプ
３８ コントロールユニット（ＥＣＵ）
３９ 温度センサ
４０ 吸気通路
４２ 水温センサ

Claims (10)

1. 内燃機関の吸気通路に備えた燃料噴射弁と、
   前記燃料噴射弁の先端部に取り付けられるインジェクタプレートと、
   前記インジェクタプレートに設けた少なくとも1つ以上の燃料噴射用の燃料噴孔と、
   前記インジェクタプレートの前記燃料噴孔より外周側に設けた少なくとも1つ以上の空気噴射用のエア噴孔と、を備え、
   前記エア噴孔を、噴射した空気に前記燃料噴射弁の軸周りの旋回成分を与えるように形成し、
   前記燃料噴孔を、前記エア噴孔から噴射された空気に向けて燃料を噴射するように形成したことを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
2. 前記燃料噴孔から噴射する燃料の噴射圧力は、前記エア噴孔から噴射した空気により形成される空気層を貫通しない大きさに設定する請求項1に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
3. 前記内燃機関の吸気通路中に介装した吸気絞り手段と、
   前記吸気絞り手段より上流の吸気通路と前記エア噴孔とを連通する第１エア通路と、
   前記第１エア通路を流れる空気の流量を調節する流量調節手段と、
   前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   前記運転状態検出手段の検出値に基づいて要求空気量を算出する要求空気量算出手段と、備え、
   運転状態に応じて定まる前記内燃機関の要求空気量が、前記流量調節手段を介して供給可能な空気量以下の場合には、前記吸気絞り手段を全閉にして前記流量調節手段のみによって前記要求空気量を確保し、
   前記要求空気量が前記流量調節手段を介して供給可能な空気量を超える場合は、前記流量調節手段を介して供給可能な空気量を供給し、さらに要求空気量に対して不足する空気量を前記吸気絞り手段の開度を調節することによって確保する請求項１または２に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
4. 前記吸気通路の前記吸気絞り手段より上流部分と前記第１エア通路の前記流量調節手段より下流部分とを前記流量調節手段を迂回して接続する第２エア通路と、
   前記第２エア通路に介装し前記吸気通路から前記エア噴孔を介して前記内燃機関に空気を供給するポンプ手段と、
   前記ポンプ手段が供給する空気量を制御するポンプ制御手段と、を備え、
   前記要求空気量が、前記流量調節手段を介して供給可能な空気量以下の場合には、前記吸気絞り手段を全閉かつ前記ポンプ手段を非稼動にして、前記流量調節手段のみによって前記要求空気量を確保し、
   前記要求空気量が前記流量調節手段を介して供給可能な空気量より多く、かつ前記要求空気量が前記ポンプ手段により供給可能な空気量より少ない場合は、前記流量調節手段を通過する空気量をゼロにして、前記ポンプ手段のみによって前記内燃機関に供給する空気量を調節して前記要求空気量を確保し、
   前記要求空気量が前記流量調節手段を介して供給可能な空気量より多く、かつ前記ポンプ手段により供給可能な空気量より多い場合には、前記流量調節手段を通過する空気量をゼロにし、前記ポンプ手段は供給可能な最大空気量を供給し、さらに要求空気量に対して不足する空気量を前記吸気絞り手段の開度を調節することによって確保する請求項１〜３のいずれか一つに記載の内燃機関の燃料噴射装置。
5. 前記内燃機関の排気通路と前記流量調節手段とを連通するＥＧＲ配管と、
   前記ＥＧＲ配管を流れる排気（ＥＧＲガス）流量を調節するＥＧＲ量調節手段と、
   前記運転状態に応じてＥＧＲガスと空気の混合割合であるＥＧＲ率の目標値（目標ＥＧＲ率）を設定するＥＧＲ率設定手段と、
   実際のＥＧＲ率を前記目標ＥＧＲ率に一致させるように前記ＥＧＲ量調節手段及び前記流量調節手段を制御する制御手段と、
   を備える請求項１〜３のいずれか一つに記載の内燃機関の燃料噴射装置。
6. 前記第１エア通路の前記流量調節手段より下流部分に前記ＥＧＲガスと空気との混合ガスの温度を検出する温度検出手段を設け、
   前記温度検出手段の検出値が、前記燃料噴射弁が正常に動作することが可能な温度（燃料噴射弁許容温度）を超えた場合には
   前記燃料噴射弁許容温度と前記温度検出手段の検出値との差に基づいて前記目標ＥＧＲ率を補正する請求項５に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
7. 前記インジェクタプレートを加熱するための加熱手段を備える請求項１〜６のいずれか一つに記載の内燃機関の燃料噴射装置。
8. 前記インジェクタプレートを高周波振動させるための加振手段を備える請求項１〜７のいずれか一つに記載の内燃機関の燃料噴射装置。
9. 前記燃料噴孔は少なくとも１つのエッジ部を含む断面形状である請求項１〜８のいずれか一つに記載の内燃機関の燃料噴射装置。
10. 燃料噴射弁の先端部に設けたインジェクタプレートに、燃料噴射用の燃料噴孔と、空気噴射用のエア噴孔とを、前記エア噴孔が前記インジェクタプレート外周側の前記燃料噴孔近傍に位置するように設け、
    前記エア噴孔から前記燃料噴射弁の軸周りの旋回成分を与えるように空気を噴射し、
    前記燃料噴孔から前記エア噴孔から噴射された空気に向けて燃料を噴射することを特徴とする内燃機関の燃料噴射方法。

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