JP2007231908A - 内燃機関の燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、内燃機関の気筒内へ直接燃料を噴射する燃料噴射弁を複数備えた内燃機関の燃料噴射装置において、より均質な混合気を形成可能な技術を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明は、内燃機関のシリンダ（４）内へ燃料噴射可能な燃料噴射弁（６，７）を２本備えた内燃機関の燃料噴射装置において、２本の燃料噴射弁（６，７）の噴射方向をシリンダ径方向において相互にオフセットさせることにより、２本の燃料噴射弁（６，７）から噴射された燃料の一部を相互に衝突させるとともに、残りの燃料をシリンダ軸周りに旋回させるようにした。
【選択図】図７

Description

本発明は、内燃機関のシリンダ内へ直接燃料を噴射する燃料噴射弁を複数備えた内燃機関の燃料噴射装置に関する。

従来、内燃機関の燃料噴射装置としては、シリンダ内へ直接燃料を噴射する燃料噴射弁を２本備えるとともに、それら燃料噴射弁を相互に対向するよう配置した構成が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
特開平９−３２４６３１号公報 特許第３１９６６７４号公報 特開２００４−１９７５９７号公報

上記した従来の内燃機関の燃料噴射装置は、２本の燃料噴射弁から噴射された燃料を単に衝突させているのみであるため、改良の余地があった。

本発明は、内燃機関の気筒内へ直接燃料を噴射する燃料噴射弁を複数備えた内燃機関の燃料噴射装置において、より均質な混合気を形成可能な技術を提供することを目的とする。

本発明は、上記した課題を解決するために、以下のようにした。すなわち、本発明は、内燃機関のシリンダ内へ燃料噴射可能な燃料噴射弁を２本備えた内燃機関の燃料噴射装置において、２本の燃料噴射弁の噴射方向をシリンダ径方向において相互にオフセットさせることにより、２本の燃料噴射弁から噴射された燃料を相互にオフセット衝突させ、以て燃料をシリンダ内の広い範囲へ拡散されるようにした。

詳細には、本発明にかかる内燃機関の燃料噴射装置は、シリンダ内に燃料噴射可能な２本の燃料噴射弁が対向配置されるとともに、それら２本の燃料噴射弁の噴射方向がシリンダ径方向においてオフセットされるようにした。

かかる内燃機関の燃料噴射装置では、２本の燃料噴射弁から噴射された燃料が相互にオフセット衝突する。この場合、２本の燃料噴射弁から噴射された燃料の一部が相互に衝突し、他の燃料はシリンダ軸周りに旋回するようになる。

前記した一部の燃料は、衝突後にシリンダの略中央部付近において吸気と混合する。一方、前記した他の燃料は、シリンダ軸周りに旋回しつつシリンダ周縁部付近の吸気と混合する。その結果、シリンダ内において均質な混合気が形成されるようになる。

本発明にかかる燃料噴射装置は、シリンダ内に吸気のスワール流（シリンダ軸周りに旋回する気流）が形成される内燃機関に適用することもできる。

その際、２本の燃料噴射弁の噴射方向は、燃料が吸気のスワール流と同方向となるようにオフセットされるようにしてもよく、或いは燃料が吸気のスワール流と逆方向となるようにオフセットされるようにしてもよい。

２本の燃料噴射弁から噴射された燃料がスワール流と同方向に旋回すると、スワール流の推進力が高められるため、吸気と燃料の均質な混合が促される。更に、スワール流の推進力が高められると、その後の燃焼過程において火炎伝播が好適に促進される可能性もある。

一方、２本の燃料噴射弁から噴射された燃料がスワール流と逆方向に旋回すると、吸気のスワール流と勢いよく衝突するため、燃料が細かく分裂（粉砕）されるようになる。その結果、燃料の微粒化及び拡散が促進され、吸気と燃料の均質な混合が促される。更に、吸気と燃料の衝突によりシリンダ内に気流の乱れが生じるため、その後の燃焼過程において火炎伝播が好適に促進される可能性もある。

尚、本発明にかかる燃料噴射装置によれば、２本の燃料噴射弁から噴射された燃料によってシリンダ内にスワール流が形成されるため、内燃機関からスワール発生機構を省くことも可能である。

また、本発明にかかる内燃機関の燃料噴射装置において、２本の燃料噴射弁の噴射時期は同時期であってもよいが、相違させるようにしてもよい。すなわち、２本の燃料噴射弁のうち、一方の噴射時期を他方の噴射時期より進角又は遅角させるようにしてもよい。その際の噴射時期の相違量（以下、「噴射時期相違量」と称する）は、２本の燃料噴射弁の噴射期間がオーバーラップする範囲内で定められるものとする。

この場合、２本の燃料噴射弁からシリンダ内へ燃料が噴射される期間（一方の噴射開始時期から他方の噴射終了時期までの期間。以下この期間を「総噴射期間」と称する）が長くなるため、燃料噴射弁からシリンダ内へ長期間にわたって燃料噴射エネルギ（噴射燃料が持つ推進エネルギや拡散エネルギ等）が供給されるようになる。

その結果、燃料がシリンダ軸周りに旋回しようとするエネルギが増強されるため、燃料と吸気の混合が一層促進されるようになる。

尚、燃料がシリンダ軸周りに旋回しようとするエネルギは、前記総噴射期間が長くなるほど大きくなるとともに、前記総噴射期間が短くなるほど小さくなる。前記総噴射期間は、前記噴射時期相違量が多くなるほど長くなるとともに、前記噴射時期相違量が少なくなるほど短くなる。

よって、前記噴射時期相違量が内燃機関の運転状態（以下、「機関運転状態」と称する）に応じて変更されるようにすれば、内燃機関の広範な運転領域において燃料と吸気の混合を促進させることも可能となる。

例えば、内燃機関の負荷及び回転数が高くなるほど前記噴射時期相違量が多くされるようにしてもよい。これは、内燃機関の負荷及び回転数が高くなるほど、燃料と吸気が混合し難くなるからである。つまり、内燃機関の負荷及び回転数が高くなるほど、２本の燃料噴射弁から噴射される燃料量が多くなるとともに、燃料と吸気の混合に費やすことができる時間が短くなるからである。

また、本発明にかかる内燃機関の燃料噴射装置において、２本の燃料噴射弁の噴射量又は噴射圧は、同等であってもよいが、相違させるようにしてもよい。

この場合、２本の燃料噴射弁の燃料噴射エネルギに偏りが生じるため、燃料がシリンダ軸周りに旋回しようとするエネルギが増強される。その結果、燃料と吸気の混合が一層促進されるようになる。

尚、燃料がシリンダ軸周りに旋回しようとするエネルギは、２本の燃料噴射弁の噴射圧又は噴射量の相対差が大きくなるほど大きくなる。よって、２本の燃料噴射弁の噴射圧又は噴射量の相対差が機関運転状態に応じて変更されるようにすれば、前述した噴射時期相違量の場合と同様に、内燃機関の広範な運転領域において燃料と吸気の混合を促進させることができる。

本発明によれば、シリンダ内に直接燃料噴射可能な燃料噴射弁を複数備えた内燃機関の燃料噴射装置において、燃料と吸気の混合を促進させることができ、以てより均質な混合気を形成可能となる。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。

＜実施例１＞
先ず、本発明の第１の実施例について図１〜図８に基づいて説明する。図１は、本発明を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。

図１に示す内燃機関１は、予混合燃焼運転と拡散燃焼運転とを切換可能な圧縮着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）である。

内燃機関１のシリンダヘッド２においてピストン３の頂面と対向する面の略中央には、シリンダ４内へ直接燃料を噴射するセンターインジェクタ５が配置されている。シリンダヘッド２においてピストン３の頂面と対向する面の縁にも、シリンダ４内へ直接燃料を噴射可能な２本のサイドインジェクタ６，７が設けられている。

２本のサイドインジェクタ６，７は、互いに対向する位置に配置されている。以下、サイドインジェクタ６を第１サイドインジェクタ６と称し、サイドインジェクタ７を第２サイドインジェクタ７と称する。

センターインジェクタ５は、燃料パイプ８を介して高圧用コモンレール９と連通している。高圧用コモンレール９は、燃料供給パイプ１０を介して燃料ポンプ１１に接続されている。

第１サイドインジェクタ６は、燃料パイプ１２を介して低圧用コモンレール１３と連通している。また、第２サイドインジェクタ７は、燃料パイプ１４を介して低圧用コモンレール１３と連通している。低圧用コモンレール１３は、燃料パイプ１５を介して燃料ポンプ１１と連通している。

このように構成された内燃機関１には、ＥＣＵ１６が併設されている。このＥＣＵ１６には、クランクポジションセンサ１７やアクセルポジションセンサ１８などの各種センサの出力信号が入力されるようになっている。

ＥＣＵ１６は、前記した各種センサの出力信号に基づいて、センターインジェクタ５、第１サイドインジェクタ６、第２サイドインジェクタ７、及び燃料ポンプ１１を電気的に制御する。

例えば、ＥＣＵ１６は、機関負荷（アクセルポジションセンサ１８の出力信号（アクセル開度））Ａｃｃｐ及び機関回転数Ｎｅから定まる機関運転状態が図２に示す拡散燃焼運
転領域にある時には、内燃機関１を拡散燃焼運転させるべくセンターインジェクタ５、第１サイドインジェクタ６、及び第２サイドインジェクタ７を制御する。

詳細には、ＥＣＵ１６は、図３に示すように、シリンダ４が圧縮上死点近傍にある時にセンターインジェクタ５から燃料を噴射させる。この場合、センターインジェクタ５はシリンダ４内が高温且つ高圧となる状況下で燃料を噴射するため、センターインジェクタ５から噴射された燃料がシリンダ４内へ拡散しながら燃焼する。

また、ＥＣＵ１６は、機関負荷Ａｃｃｐ及び機関回転数Ｎｅから定まる機関運転状態が図２に示す予混合燃焼運転領域にある時には、内燃機関１を予混合燃焼運転させるべくセンターインジェクタ５、第１サイドインジェクタ６、及び第２サイドインジェクタ７を制御する。

詳細には、ＥＣＵ１６は、図４に示すように、シリンダ４が圧縮行程の初期から中期（例えば、圧縮行程上死点前１５０°ＣＡ〜６０°ＣＡ）にある時に第１サイドインジェクタ６及び第２サイドインジェクタ７から燃料噴射（予混合噴射）させて予混合気を形成する。更に、ＥＣＵ１６は、シリンダ４が圧縮上死点近傍にある時にセンターインジェクタ５から少量の燃料を噴射させ、該燃料を火種として前記予混合気を着火及び燃焼させる。

尚、ＥＣＵ１６は、圧縮上死点近傍においてセンターインジェクタ５から火種形成用の燃料噴射を行わずに、予混合気を圧縮自着火させるようにしてもよい。

ところで、内燃機関１が予混合燃焼運転される時に、第１サイドインジェクタ６及び第２サイドインジェクタ７から同量の燃料が同時期に予混合噴射されると、第１サイドインジェクタ６及び第２サイドインジェクタ７から噴射された燃料が相互に衝突する。

このように第１サイドインジェクタ６及び第２サイドインジェクタ７から噴射された燃料が相互に衝突すると、衝突時の衝撃によって燃料が分裂及び粉砕するため、燃料の微粒化及び霧化が促進される。

但し、その際に第２サイドインジェクタ７と第１サイドインジェクタ６の噴射方向が図５に示すようにシリンダ径方向において同一線上且つ逆方向（すなわち、シリンダ径方向において正反対の向き）に設定されると、双方から噴射された燃料がシリンダ４の略中央において正面衝突した後にシリンダ４の中央部付近に停滞する可能性がある。

燃料がシリンダ４の中央部付近に停滞すると、シリンダ４の中央部付近に多量の燃料が偏在し、シリンダ４の周縁部付近の燃料が過少となる。よって、第２サイドインジェクタ７と第１サイドインジェクタ６の噴射方向がシリンダ径方向において正反対の向きに設定されると、シリンダ４内に均質な予混合気を形成することができない。

これに対し、本実施例における内燃機関の燃料噴射装置は、図６に示すように、第１サイドインジェクタ６と第２サイドインジェクタ７のシリンダ径方向における噴射方向を相互にオフセットさせるようにした。

この場合、図７に示すように、各サイドインジェクタ６，７から噴射された燃料のうちシリンダ４の中央部へ向かって噴射された燃料は相互に衝突するが、シリンダ４の周縁部へ向かって噴射された燃料は衝突せずにシリンダ４の周方向（図７中の矢印Ａの方向）へ流れるようになる。

その結果、第１サイドインジェクタ６及び第２サイドインジェクタ７から噴射された燃
料の一部がシリンダ４の中央部において互いに衝突した後に該中央部付近の吸気と混合し、残りの燃料はシリンダ４の周縁部においてシリンダ軸周りに旋回しつつ該周縁部の吸気と混合するようになる。

従って、本実施例の内燃機関の燃料噴射装置によれば、シリンダ４内の広い範囲において燃料と吸気が均質に混合した予混合気を形成することが可能となる。

上述した内燃機関の燃料噴射装置は、予混合燃焼運転可能な内燃機関に広く適用することができるが、特に吸気のスワール流を発生可能な内燃機関に好適である。

その際、第１サイドインジェクタ６と第２サイドインジェクタ７の噴射方向は、燃料の旋回方向（図７中の矢印Ａの向き）がスワール流の向きと同方向となるようにオフセットされるようにしてもよく、或いは燃料の旋回方向（図７中の矢印の向き）がスワール流の向きと反対方向となるようにオフセットされてもよい。

燃料の旋回方向が吸気のスワール流と同方向になると、スワール流の推進力が増強されるため、吸気と燃料の均質な混合が一層促されるようになる。更に、スワール流の推進力が増強されると、その後の燃焼過程において火炎伝播が好適に促進される可能性もある。

一方、燃料の旋回方向が吸気のスワール流と逆方向になると、シリンダ周縁部において燃料と吸気が勢いよく衝突するため、シリンダ周縁部における燃料の微粒化及び霧化が促進され、吸気と燃料の均質な混合が促される。更に、吸気と燃料の衝突によりシリンダ内に気流の乱れが生じるため、その後の燃焼過程において火炎伝播が好適に促進される可能性もある。

尚、本実施例における内燃機関の燃料噴射装置によれば、燃料がシリンダ軸周りに旋回することにより吸気もシリンダ軸周りに旋回（スワール流）するようになるため、内燃機関からスワール発生機構を省くことも可能である。

また、本実施例における内燃機関の燃料噴射装置に用いられる第１サイドインジェクタ６及び第２サイドインジェクタ７としては、スリット形の噴孔を備えたインジェクタを用いることが好適である。

第１サイドインジェクタ６及び第２サイドインジェクタ７として、ホール形の噴孔を備えたインジェクタが用いられると、図８に示すように、各サイドインジェクタ６，７の噴孔から噴射された燃料が互いの流れを分断するように衝突するとともに、衝突面積が小さくなる。この場合、燃料がシリンダ軸周りに旋回し難くなるとともに、衝突による燃料の微粒化及び霧化が図られ難くなる。

これに対し、第１サイドインジェクタ６及び第２サイドインジェクタ７として、スリット形の噴孔を備えたインジェクタが用いられると、前述した図７に示したように、燃料がシリンダ軸周りに旋回し易くなるとともに、衝突による燃料の微粒化及び霧化が図られ易い。

＜実施例２＞
次に、本発明の第２の実施例について図９〜図１０に基づいて説明する。ここでは、前述した第１の実施例と異なる構成について説明し、同様の構成については説明を省略する。

前述した第１の実施例では、内燃機関１が予混合燃焼運転される時に、第１サイドイン
ジェクタ６及び第２サイドインジェクタ７から同量の燃料が同時期に予混合噴射される例について述べたが、本実施例では第１サイドインジェクタ６と第２サイドインジェクタ７の噴射時期が異なる例について述べる。

すなわち、本実施例における内燃機関の燃料噴射装置では、ＥＣＵ１６は、第１サイドインジェクタ６と第２サイドインジェクタ７の一方の噴射時期を他方の噴射時期より進角又は遅角させる。その際の進角量又は遅角量は、第１サイドインジェクタ６及び第２サイドインジェクタ７の噴射期間の一部がオーバーラップする範囲内で定められるものとする。

以下では、第１サイドインジェクタ６の噴射時期を第２サイドインジェクタ７より進角させた場合（言い換えれば、第２サイドインジェクタ７の噴射時期を第１サイドインジェクタ６の噴射時期より遅角させた場合）について述べる。

内燃機関１の運転状態が前述した図２の予混合燃焼運転領域にある時に、ＥＣＵ１６は、図９に示すように、第１サイドインジェクタ６の噴射期間と第２サイドインジェクタ７の噴射期間の一部がオーバーラップする範囲内において第１サイドインジェクタ６の噴射時期を第２サイドインジェクタ７の噴射時期より進角させる。

この場合、２本のサイドインジェクタ６，７の総噴射期間（第１サイドインジェクタ６の噴射開始時期から第２サイドインジェクタ７の噴射流量時期までの期間）が長くなるため、２本のサイドインジェクタ６，７からシリンダ４内に対する燃料噴射エネルギ（噴射燃料が持つ推進エネルギや拡散エネルギ等）の供給期間が長くなる。

更に、図１０に示すように、第１サイドインジェクタ６の噴射終了後も第２サイドインジェクタ７からの燃料噴射エネルギが継続されることにより、燃料の旋回エネルギが助長させられる。

その結果、燃料がシリンダ４内で拡散しようとするエネルギ、及び燃料がシリンダ軸周りに旋回しようとするエネルギが長時間持続され、以て燃料と吸気の混合が一層促進されるようになるとともに、その後の燃焼過程においても火炎伝播が一層促進されるようになる。

尚、燃料がシリンダ軸周りに旋回しようとするエネルギは、総噴射期間が長くなるほど大きくなるとともに、総噴射期間が短くなるほど小さくなる。前記総噴射期間は、第１サイドインジェクタ６の噴射時期の進角量が多くなるほど長くなるとともに、前記進角量が少なくなるほど短くなる。

そこで、ＥＣＵ１６は、機関負荷Ａｃｃｐ及び機関回転数Ｎｅが低くなるほど進角量を少なくするとともに、機関負荷Ａｃｃｐ及び機関回転数Ｎｅが高くなるほど進角量を多くするようにしてもよい。

機関負荷Ａｃｃｐ及び機関回転数Ｎｅが低い時は、第１サイドインジェクタ６及び第２サイドインジェクタ７の要求噴射量が少なくなるとともに、燃料と吸気の混合に費やすことができる時間（予混合時間）が長くなるため、燃料が吸気と均質に混合し易い。

一方、機関負荷Ａｃｃｐ及び機関回転数Ｎｅが高い時は、第１サイドインジェクタ６及び第２サイドインジェクタ７の要求噴射量が多くなるとともに予混合時間が短くなるため、燃料が吸気と均質に混合し難い。

従って、機関負荷Ａｃｃｐ及び機関回転数Ｎｅが低くなるほど進角量が少なくされるとともに、機関負荷Ａｃｃｐ及び機関回転数Ｎｅが高くなるほど進角量が多くされると、予混合燃焼運転領域の広い範囲において均質な予混合気を形成することが可能となる。

＜実施例３＞
次に、本発明の第３の実施例について図１１に基づいて説明する。ここでは、前述した第１の実施例と異なる構成について説明し、同様の構成については説明を省略する。

前述した第１の実施例では、内燃機関１が予混合燃焼運転される時に、第１サイドインジェクタ６及び第２サイドインジェクタ７から同量の燃料が同時期に予混合噴射される例について述べたが、本実施例では第１サイドインジェクタ６と第２サイドインジェクタ７の噴射量が互いに異なる例について述べる。

すなわち、本実施例における内燃機関の燃料噴射装置では、ＥＣＵ１６は、第１サイドインジェクタ６と第２サイドインジェクタ７の一方の噴射量を他方の噴射量より多く又は少なくさせる。

以下では、第２サイドインジェクタ７の噴射量が第１サイドインジェクタ６の噴射量より多くなる場合について述べる。

内燃機関１の運転状態が前述した図２の予混合燃焼運転領域にある時に、ＥＣＵ１６は、図１１に示すように、第１サイドインジェクタ６と第２サイドインジェクタ７の噴射開始時期を同時期に設定するとともに、第２サイドインジェクタ７の噴射量を第１サイドインジェクタ６の噴射量より多くさせる。

この場合、第２サイドインジェクタ７の噴射期間が第１サイドインジェクタ６の噴射期間より長くなる。このため、第１サイドインジェクタ６の噴射終了後も第２サイドインジェクタ７の噴射が継続される。

その際に第２サイドインジェクタ７から噴射される燃料が持つエネルギは、前述した図１１に示したように、燃料がシリンダ軸周りに旋回しようとするエネルギに加算されるため、燃料の旋回エネルギが大きくなる。

その結果、燃料と吸気の混合が一層促進されるようになるとともに、その後の燃焼過程においても火炎伝播が一層促進されるようになる。

尚、燃料がシリンダ軸周りに旋回しようとするエネルギは、第１サイドインジェクタ６と第２サイドインジェクタ７の噴射量の差が大きくなるほど大きくなるとともに、噴射量の差が小さくなるほど小さくなる。

そこで、ＥＣＵ１６は、機関負荷Ａｃｃｐ及び機関回転数Ｎｅが低くなるほど噴射量の差を小さくするとともに、機関負荷Ａｃｃｐ及び機関回転数Ｎｅが高くなるほど噴射量の差を大きくするようにしてもよい。

その場合、予混合燃焼運転領域の広い範囲において均質な予混合気を形成することが可能となる。

尚、本実施例では第１サイドインジェクタ６と第２サイドインジェクタ７の噴射圧力が同等であることを前提にしているが、双方の噴射圧力を異ならせることによって双方の噴射量を相違させるようにしてもよい。

本発明を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。 内燃機関の予混合燃焼運転領域と拡散燃焼運転領域を示す図である。 拡散燃焼運転時における燃料噴射方法を示すタイミングチャートである。 実施例１において予混合燃焼運転時の燃料噴射方法を示すタイミングチャートである。 第１サイドインジェクタと第２サイドインジェクタの噴射方向が正反対に設定された場合の燃料の挙動を示す図である。 第１サイドインジェクタと第２サイドインジェクタの噴射方向がオフセットされた場合の燃料の挙動を示す第１の図である。 第１サイドインジェクタと第２サイドインジェクタの噴射方向がオフセットされた場合の燃料の挙動を示す第２の図である。 第１サイドインジェクタ及び第２サイドインジェクタとしてホール形の噴孔を備えたインジェクが用いられた場合の燃料の挙動を示す図である。 実施例２において予混合燃焼運転時の燃料噴射方法を示すタイミングチャートである。 第１サイドインジェクタと第２サイドインジェクタの噴射時期を相違させた場合の燃料の挙動を示す図である。 実施例３において予混合燃焼運転時の燃料噴射方法を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１・・・・・内燃機関
４・・・・・シリンダ
５・・・・・センターインジェクタ
６・・・・・第１サイドインジェクタ
７・・・・・第２サイドインジェクタ
１６・・・・ＥＣＵ
１７・・・・クランクポジションセンサ
１８・・・・アクセルポジションセンサ

Claims (6)

1. 内燃機関のシリンダ内に燃料噴射可能な２本の燃料噴射弁を備えた内燃機関の燃料噴射装置において、
   前記２本の燃料噴射弁が対向配置されるとともに、それら２本の燃料噴射弁の噴射方向がシリンダ径方向において相互にオフセットされることを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
2. 請求項１において、前記２本の燃料噴射弁の噴射方向は、それら２本の燃料噴射弁から噴射された燃料が吸気のスワール流と同方向へ旋回するようにオフセットされることを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
3. 請求項１において、前記２本の燃料噴射弁の噴射方向は、それら２本の燃料噴射弁から噴射された燃料が吸気のスワール流と逆方向へ旋回するようにオフセットされることを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
4. 請求項１〜３の何れか一において、前記２本の燃料噴射弁の噴射時期を相違させることを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
5. 請求項１〜３の何れか一において、前記２本の燃料噴射弁の噴射量を相違させることを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
6. 請求項１〜３の何れか一において、前記２本の燃料噴射弁の噴射圧を相違させることを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
   

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