JP2007077920A - 内燃機関用燃料供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】好適にパイロット噴射をすることができる技術を提供する。
【解決手段】 主燃料噴射弁と、当該主燃料噴射弁より低圧の燃料を噴射する副燃料噴射弁と、を気筒に配置し、運転状態に応じて主燃料噴射弁および副燃料噴射弁から燃料噴射を行う予混合燃焼と主燃料噴射弁から燃料噴射を行う拡散燃焼を切り替える内燃機関に適用される内燃機関用燃料供給装置であって、拡散燃焼時におけるパイロット噴射を副燃料噴射弁にて行う。
【選択図】 図３（ｂ）

Description

本発明は、内燃機関用の燃料供給装置に関する。

従来の圧縮着火内燃機関（ディーゼルエンジン）においては、図３（ａ）に示すように、各気筒に燃料噴射弁一本を備え、この一本の燃料噴射弁でパイロット噴射、メイン噴射などを行っている。パイロット噴射は、メイン噴射前に少量の燃料を噴射することで熱発生を起こし、メイン噴射の燃焼初期に起こる急激な圧力上昇を緩和し、燃焼騒音の低減や、ＴＨＣの低減などを目的として実行されるものである。

しかし、圧縮着火内燃機関に備えられた燃料噴射弁はもともと噴射圧力が高いため、燃料の貫徹力が強く、噴射時期が早すぎると、少量の燃料であるため、希薄化が進み、パイロット噴霧としての効果が小さくなる。他方、噴射時期を圧縮行程上死点に近づけると、図３（ｂ）に示すように、パイロット噴霧の混合時間不足により局所的にリッチな領域が存在し、スモークが増加する。

一方、内燃機関の燃焼室の略中心部に設けられ、圧縮行程上死点近傍において燃料の噴射を行う主燃料噴射弁と、当該主燃料噴射弁に対して偏位した位置に設けられ、予混合気を形成する燃料を噴射する副燃料噴射弁を備える内燃機関が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

かかる構成の内燃機関においても、主燃料噴射弁でパイロット噴射を行なうことが考えられるが、主燃料噴射弁の噴射圧力が副燃料噴射弁の噴射圧力よりも高く設定されている場合には、やはりパイロット噴射により噴射された燃料の貫徹力が強く、噴霧の広がりがないため、局所的にリッチな領域が存在し、スモークが増加する。
特開２００４−１９７５９７号公報 特開２００４−２３２５９９号公報 特開平１０−２５２４７６号公報 実開平５−３６０６７号公報

本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、好適にパイロット噴射をすることができる技術を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る内燃機関用燃料供給装置にあっては、高圧の燃料を噴射する主燃料噴射弁と、当該主燃料噴射弁より低圧の燃料を噴射する副燃料噴射弁と、を気筒に配置し、運転状態に応じて前記主燃料噴射弁および前記副燃料噴射弁から燃料噴射を行う予混合燃焼と前記主燃料噴射弁から燃料噴射を行う拡散燃焼を切り替える内燃機関に適用される内燃機関用燃料供給装置であって、前記拡散燃焼時におけるパイロット噴射を前記副燃料噴射弁にて行うことを特徴とする。

このように、運転状態に応じて予混合燃焼と拡散燃焼を切り替える内燃機関であって、予混合燃焼用に副燃料噴射弁が備えられている内燃機関である場合に、パイロット噴射を、副燃料噴射弁を利用して行うと、副燃料噴射弁にて噴射された燃料は低圧で貫撤力が弱いため、燃焼室内で均質に広がるので、スモーク量を低減することができる。それゆえ、
新たにパイロット噴射用の燃料噴射弁を備えることなしに、好適にパイロット噴射を行うことができる。

また、前記拡散燃焼時におけるパイロット噴射を複数回行うとともに、パイロット噴射毎に副燃料噴射弁と主燃料噴射弁とを選択的に切り替えることが好適である。

例えば、パイロット噴射を２回（２段）行い、１段目のパイロット噴射を主燃料噴射弁で、２段目のパイロット噴射を副燃料噴射弁で行うことが好適である。

これにより、主燃料噴射弁による１段目のパイロット噴射で高圧な噴霧を外周に配置し、副燃料噴射弁による低圧な噴霧をほぼシリンダ軸上に配置された主燃料噴射弁の噴孔部に配置し、主燃料噴射弁近傍では希薄な熱源として用い、外周部では通常のパイロット噴霧として用いることができる。

このように、複数回行うパイロット噴射を、高圧の主燃料噴射弁、低圧の副燃料噴射弁を使い分けてパイロット噴射毎に選択して行うことで、空間的に濃度差を作り出すことができるなど、噴射割合や噴射時期などを任意に変更して自由度の高いパイロット噴霧を形成することができる。

以上説明したように、本発明によれば、好適にパイロット噴射をすることができる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を以下の実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。

本実施例に係る内燃機関１は、圧縮着火内燃機関（ディーゼルエンジン）であり、図１に示すように、気筒２とピストン３との間に形成される燃焼室４に直接燃料を噴射する主燃料噴射弁５を備えている。主燃料噴射弁５は、メイン用燃料供給管６を介して蓄圧室たるメイン用コモンレール７および燃料ポンプ８と連通している。燃料ポンプ８は内燃機関１の出力軸であるクランクシャフトの回転を駆動源とし、燃料タンク９より燃料を吸い上げ、コモンレールへと供給する。

ここで主燃料噴射弁１５から噴射される燃料を、以下主燃料というものとする。主燃料は、本実施例において、主に気筒２における燃焼サイクルが圧縮行程上死点近傍において噴射される燃料である。

また、圧縮着火内燃機関１は、主燃料噴射弁５に加えて副燃料噴射弁１０をも備えている。副燃料噴射弁１０は、サブ用燃料供給管１１を介してサブ用コモンレール１２に連通している。また、サブ用燃料供給管１１はメイン用燃料供給管６に連通しており、燃料ポンプ８から供給された燃料は、サブ用燃料供給管１１を介してサブ用コモンレール１２に流入する。そして、サブ用コモンレール１２の上流におけるサブ用燃料供給管１１には、開弁されることでメイン用コモンレール７の内圧（燃料の圧力）を減圧可能な電磁弁からなる減圧弁１３が設けられている。

ここで副燃料噴射弁１０から噴射される燃料を、以下副燃料というものとする。副燃料は、本実施例において、主に予混合気を燃焼室４に形成するための燃料である。従って、副燃料の噴射時期は主燃料の場合と一般に異なる。

また、主燃料噴射弁５からは主燃料が噴射され、副燃料噴射弁１０からは副燃料が噴射されることから、メイン用コモンレール７では高圧（例えば、８０ＭＰａ）に燃料が蓄圧されており、サブ用コモンレール１２では低圧（例えば、１２ＭＰａ）に燃料が蓄圧されている。

以上のように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）２０が併設されている。このＥＣＵ２０は、ＣＰＵの他、各種のプログラム及びマップを記憶するＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えており、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態等を制御するユニットである。

ここで、主燃料噴射弁５および副燃料噴射弁１０は、ＥＣＵ２０からの制御信号によって開閉動作を行う。即ち、ＥＣＵ２０からの指令によって、主燃料噴射弁５および副燃料噴射弁１０からの燃料噴射時期および燃料噴射量が、内燃機関１の機関負荷や機関回転速度等の運転状態に応じて、噴射弁毎に制御され、以て内燃機関１において、後述する予混合燃焼や、通常燃焼が行われる。

更に、アクセル開度センサ２１がＥＣＵ２０と電気的に接続されており、ＥＣＵ２０はアクセル開度に応じた信号を受け取り、それより内燃機関１に要求される機関負荷等を算出する。また、クランクポジションセンサ（図示省略）がＥＣＵ２０と電気的に接続されており、ＥＣＵ２０は内燃機関１の出力軸の回転角に応じた信号を受け取り、内燃機関１の機関回転速度を算出する。

ここで、上記の内燃機関１においては、機関回転速度および機関負荷で表される内燃機関１の運転状態に基づいて、予混合燃焼と通常燃焼とが行われる。図２に、内燃機関１の運転状態とその運転状態で行われる燃焼態様との関係を示す。なお、図２に示すグラフの横軸は内燃機関１の機関回転速度で、縦軸は内燃機関１の機関負荷を表す。内燃機関１の運転状態は機関回転速度と機関負荷とで表され、低負荷側の予混合燃焼領域Ｒ１、高負荷側の通常燃焼領域Ｒ２の何れかの燃焼領域に属する。

内燃機関１の機関負荷が大きくなり燃焼室に供給される燃料量が増大すると、又は機関回転速度が高くなり燃焼室内に予混合気を形成する実質的な時間が短くなると、燃焼室に形成される予混合気が均一とならず、過早着火が生じやすくなる。そこで、内燃機関１の運転状態が、過早着火を回避し得る予混合燃焼領域Ｒ１に属するときは予混合燃焼を行うことで、エミッションの改善や燃焼騒音の低減を図る。また、内燃機関１が、過早着火の回避が困難となる通常燃焼領域Ｒ２に属するときは予混合燃焼ではなく、いわゆる拡散燃焼である通常燃焼を行うことで、高機関出力の発揮を図る。

このように、内燃機関１の運転状態に応じて、予混合燃焼又は通常燃焼が行われるが、予混合燃焼時には、燃料噴射時期が圧縮行程上死点近傍の時期より早い時期において副燃料噴射弁１０から燃料が噴射されることで、気筒２内に予混合気が形成される。他方、通常燃焼時には、基本的には、圧縮行程上死点近傍の時期に主燃料噴射弁５から燃料が噴射される。

このように構成された内燃機関１において、通常燃焼時、主燃料噴射弁５にて行われる圧縮行程上死点近傍の主燃料の噴射前に少量の燃料を噴射するパイロット噴射を行う。これは、主燃料の噴射前に少量の燃料を噴射することで熱発生を起こし、主燃料の噴射の燃焼初期に起こる急激な圧力上昇を緩和し、燃焼騒音の低減や、ＴＨＣの低減などを目的として実行されるものである。

そして、本実施例においては、このパイロット噴射を、主燃料噴射弁５より低圧の燃料
を噴射する副燃料噴射弁１０にて行うようにする。これは、以下の理由によるものである。

従来の内燃機関のように、主燃料噴射弁５にて、主燃料の噴射とパイロット噴射を行うと、以下のような不具合が考えられる。つまり、主燃料の噴射とパイロット噴射の噴射間隔がそう離れてないような条件では噴霧の拡散が進まず、主燃料の噴霧と重なることで局所リッチな領域が存在し（図３（ａ））、ここから着火することでスモークが増える。逆に、主燃料の噴射とパイロット噴射の噴射間隔が離れている場合では、貫徹力が強いためパイロット噴霧が拡散し、スモークは減るものの、ＴＨＣや燃焼騒音が増加しパイロット噴霧としての役目を果たさない。

これに対して、本実施例のように、パイロット噴射を副燃料噴射弁１０にて行うと、副燃料噴射弁１０にて噴射された燃料は、低圧で貫撤力が弱いため、図３（ｂ）のように均質に広がるので、発生するスモーク量を低減することができる。特に、副燃料噴射弁１０をスリット噴孔形状とすると、通常主燃料噴射弁５の噴孔形状であるホール噴孔形状に比べ、広がる噴霧になり、かつ低圧で貫徹力も弱い。そのため、主燃料の噴射とパイロット噴射の噴射間隔が開いても噴霧の拡散が進まず、噴射初期は燃焼室中心に漂うがその後スワールなどの気流の影響を受けて中空環状のパイロット噴霧を形成することになる。このパイロット噴霧は、主燃料噴射弁５による噴霧に比べ空間的に広がった噴霧となっており、空気利用率が高く、主燃料の噴射を行ってもスモークの発生源を抑えることができる。

また、通常の主燃料噴射弁５による主燃料の噴射に近い時期でパイロット噴射を行うような条件（例えば高負荷、高回転）で、主燃料噴射弁５にて、主燃料の噴射とパイロット噴射を行うと、パイロット噴霧が拡散せず、燃料噴射弁近傍で熱源となり、ＨＣは低減するが、背反としてスモークが増大する（図４）。また、高圧であるがゆえに燃料噴射弁近傍に漂わせるために噴射インターバルを短くする必要があり、すると一本の噴射弁で行う性質上、メイン噴射との噴霧を分けられなくなる場合がある（図５参照）。

これに対して、副燃料噴射弁１０にてパイロット噴射を行うと、主燃料の噴霧にあたるパイロット噴霧は主燃料噴射弁５だけで行うよりも薄くなっている。特に、副燃料噴射弁１０をスリット噴孔形状とすると、スリット噴孔形状はホール噴孔形状に比べて、広がる噴霧になり、かつ低圧で貫徹力も弱いため、燃料噴射弁近傍に漂わせる期間も長く取れ、ＨＣもスモークも低減できる（図６参照)。また、主燃料の噴射とパイロット噴射を別々
で行っているため、パイロット噴射とメイン噴射の区別ができる。

また、パイロット噴射を２回（２段）に分けて行い（ダブルパイロット）、１段目を主燃料噴射弁５にて、２段目を副燃料噴射弁１０にて行うと好適である。

つまり、主燃料噴射弁５にて２段目のパイロット噴射を行うと、図７（ａ）に示すように、上述したシングルパイロットの場合と同様に局所的にリッチな部分は解消されない。しかも１回あたりの噴射量が減少することで噴霧がより噴射弁近傍に漂うことになりスモークの増加を招く。

これに対して、副燃料噴射弁１０にて２段目のパイロットを行うと、図７（ｂ）に示すように、主燃料噴射弁５による１段目のパイロット噴射で高圧な噴霧を外周に形成し、副燃料噴射弁１０による低圧な噴霧を噴孔部に形成し、主燃料噴射弁５近傍では希薄な熱源として用いて外周部では通常のパイロット噴霧として用いることができる。

このように、１段目を高圧の主燃料噴射弁５、２段目を低圧の副燃料噴射弁１０と使い分けてパイロット噴射を行うことで空間的に濃度差を作り出すなど、噴射割合や噴射時期
などを任意に変更して自由度の高いパイロット噴霧を形成することができる。

実施例１に係る内燃機関用燃料供給装置の概略構成を示す図である。 実施例１に係る内燃機関の運転状態と燃焼領域を示す図である。 主燃料噴射弁にて主燃料の噴射とパイロット噴射を行う場合の噴霧の状態を示す図である。 主燃料噴射弁にて主燃料の噴射を行い、副燃料噴射弁でパイロット噴射を行う場合の噴霧の状態を示す図である。 主燃料噴射弁にて、主燃料の噴射と、主燃料の噴射に近い時期のパイロット噴射を行う場合の噴霧の状態を示す図である。 主燃料噴射弁にて、主燃料の噴射と、主燃料の噴射に近い時期のパイロット噴射を行う場合における噴射指令信号と実噴射率の関係を示す図である。 主燃料噴射弁による主燃料の噴射と、副燃料噴射弁による主燃料の噴射に近い時期のパイロット噴射を行う場合の噴霧の状態を示す図である。 （ａ）は、ダブルパイロットを、２段とも主燃料噴射弁で行う場合の噴霧の状態を示す図であり、（ｂ）は、ダブルパイロットを、１段目は主燃料噴射弁で、２段目は副燃料噴射弁で行う場合の噴霧の状態を示す図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 気筒
３ ピストン
４ 燃焼室
５ 主燃料噴射弁
６ メイン用燃料供給管
７ メイン用コモンレール
８ 燃料ポンプ
９ 燃料タンク
１０ 副燃料噴射弁
１１ サブ用燃料供給管
１２ サブ用コモンレール
１３ 減圧弁
２０ ＥＣＵ
２１ アクセル開度センサ

Claims (2)

1. 高圧の燃料を噴射する主燃料噴射弁と、
   当該主燃料噴射弁より低圧の燃料を噴射する副燃料噴射弁と、
   を気筒に配置し、
   運転状態に応じて前記主燃料噴射弁および前記副燃料噴射弁から燃料噴射を行う予混合燃焼と前記主燃料噴射弁から燃料噴射を行う拡散燃焼を切り替える内燃機関に適用される内燃機関用燃料供給装置であって、
   前記拡散燃焼時におけるパイロット噴射を前記副燃料噴射弁にて行うことを特徴とする内燃機関用燃料供給装置。
2. 前記拡散燃焼時におけるパイロット噴射を複数回行うとともに、パイロット噴射毎に副燃料噴射弁と主燃料噴射弁とを選択的に切り替えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用燃料供給装置。

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