JP2007255291A - 内燃機関の燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、内燃機関のシリンダ内に直接燃料を噴射して予混合気を形成せしめる燃料噴射弁を備えた内燃機関の燃料噴射装置において、燃料噴射弁から噴射された燃料が吸気と均質に混合し易くなる技術の提供を課題とする。
【解決手段】本発明は、内燃機関（１）のシリンダ（４）内へ予混合気形成用の燃料を噴射する燃料噴射弁（６）を備えた内燃機関の燃料噴射装置において、燃料噴射弁（６）の噴孔をシリンダ（４）内の上死点方向を指向させることにより、噴射燃料がピストン（３）の頂面に衝突する前にシリンダ（４）内で浮遊及び拡散する時間を長引かせるようにした。
【選択図】図６

Description

本発明は、内燃機関のシリンダ内へ直接燃料噴射可能な燃料噴射弁を備えた内燃機関の燃料噴射装置に関する。

近年、予混合燃焼運転と拡散燃焼運転を切換可能な圧縮着火式内燃機関の燃料噴射装置として、各シリンダに予混合気形成用の燃料噴射弁と拡散燃焼用の燃料噴射弁を備えた構成が知られている（例えば、特許文献１を参照）。
特開２００４−１９７５９７号公報 特開平１０−２５２６０８号公報 特許第３５７７１１８号公報

ところで、上記したような従来の内燃機関の燃料噴射装置では、予混合気形成用の燃料噴射弁から噴射された燃料が十分に拡散する前にピストンの頂面に付着する場合がある。このような場合は、燃焼室内に均質な予混合気が形成されない可能性がある。

本発明は、上記したような種々の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関のシリンダ内に直接燃料を噴射して予混合気を形成せしめる燃料噴射弁を備えた内燃機関の燃料噴射装置において、前記燃料噴射弁から噴射された燃料が吸気と均質に混合し易くなる技術の提供にある。

本発明は、上記した課題を解決するために、以下のような手段を採用した。すなわち、本発明は、内燃機関のシリンダ内へ予混合気形成用の燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた内燃機関の燃料噴射装置において、前記燃料噴射弁の噴孔がシリンダ内の上死点方向を指向するようにした。

燃料噴射弁の噴孔がシリンダ内の下死点方向を指向していると、該燃料噴射弁から噴射された燃料が十分に拡散する前にピストン頂面に衝突する可能性がある。特に、シリンダ内の温度が低い場合には、燃料噴射弁から噴射された燃料が霧化し難くなるため、燃料が液滴のままピストン頂面に付着し易くなる。

これに対し、燃料噴射弁がシリンダ内の上死点方向へ燃料を噴射すると、噴射燃料がピストン頂面に衝突する前にシリンダ内で浮遊する時間が長くなる。噴射燃料の浮遊時間が長くなると、噴射燃料がシリンダ内の広い範囲へ拡散可能になるとともに噴射燃料と吸気の混合時間が長くなる。その結果、噴射燃料と吸気が均質に混合し易くなる。

本発明において、燃料噴射弁の噴孔はピストンの頂面の中央部に取り付けられるようにしてもよい。この場合、シリンダ内においてピストンより上死点側の広範な空間へ燃料を拡散及び浮遊させることが可能となる。このため、吸気と燃料が一層均質に混合し易くなる。

本発明において、燃料噴射弁は、一つのシリンダに対して複数設けられるようにしてもよい。その際、複数の燃料噴射弁の噴孔はシリンダ内の相違する領域を指向することが好ましい。

この場合、複数の燃料噴射弁から噴射された燃料は、シリンダ内において相互に異なる領域へ拡散する。このため、シリンダ内の一部の領域に多量の燃料が偏在し難くなる。その結果、シリンダ内の広範な領域において燃料が均等に拡散し、均質な予混合気が形成され易くなる。

本発明によれば、内燃機関のシリンダ内に直接燃料を噴射して予混合気を形成せしめる燃料噴射弁を備えた内燃機関の燃料噴射装置において、前記燃料噴射弁から噴射された燃料が燃焼室の壁面に到達する前に拡散するようになるため、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になる。

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１０に基づいて説明する。図１は、本発明の第１の実施例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メインインジェクタ５が配置されている。シリンダ４の壁面には、シリンダ４内へ燃料を噴射するサブインジェクタ６が内蔵されている。尚、サブインジェクタ６は、本発明にかかる予混合気形成用の燃料噴射弁に相当する。

メインインジェクタ５は、燃料パイプ７を介して高圧用コモンレール８と連通している。高圧用コモンレール８は、燃料供給パイプ９を介して燃料ポンプ１０に接続されている。

サブインジェクタ６は、燃料パイプ１１を介して低圧用コモンレール１２と連通している。低圧用コモンレール１２は、燃料パイプ１３を介して燃料ポンプ１０と連通している。

このように構成された内燃機関１には、ＥＣＵ１４が併設されている。このＥＣＵ１４には、クランクポジションセンサ１５やアクセルポジションセンサ１６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。

ＥＣＵ１４は、前記した各種センサの出力信号に基づいて、メインインジェクタ５、サブインジェクタ６、及び燃料ポンプ１０を電気的に制御する。

例えば、ＥＣＵ１４は、機関負荷（アクセルポジションセンサ１６の出力信号（アクセル開度））Ａｃｃｐ、及び機関回転数（クランクポジションセンサ１５の出力信号から演算された値）Ｎｅから定まる内燃機関の運転状態が図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メインインジェクタ５及びサブインジェクタ６を制御する。

詳細には、ＥＣＵ１４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メインインジェクタ５から燃料を噴射させる。この場合、メインインジェクタ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、メインインジェクタ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、ＥＣＵ１４は、機関負荷Ａｃｃｐ及び機関回転数Ｎｅから定まる内燃機関の運転状態が図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メインインジェクタ５及びサブインジェクタ６を制御する。

詳細には、ＥＣＵ１４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１８０°ＣＡ〜６０°ＣＡ）にある時にサブインジェクタ６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、ＥＣＵ１４は、シリンダ４が圧縮上死点近傍にある時にメインインジェクタ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、ＥＣＵ１４は、圧縮上死点近傍においてメインインジェクタ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、サブインジェクタ６の噴孔がシリンダ４内の下死点方向を指向していると（図５参照）、サブインジェクタ６から噴射された燃料（以下、単に「噴射燃料」と称する）が下死点方向へ向かうと同時にピストン３が上死点方向へ上昇することになるため、噴射燃料がシリンダ４内で拡散する前にピストン３頂面のキャビティ３０内に衝突し易い。

特に、内燃機関１の負荷が低い時等のようにシリンダ４内の温度が低い時は、サブインジェクタ６の噴射燃料が霧化及び気化し難くなるため、噴射燃料が液滴のままキャビティ３０の壁面に付着する可能性がある。

このような場合には、シリンダ４内の燃料分布がキャビティ３０内に偏るため、予混合気の燃料濃度が均一とならない。

これに対し、本実施例では、サブインジェクタ６の噴孔がシリンダ４内の上死点方向を指向しているため、該サブインジェクタ６の噴射燃料は図６に示すようにシリンダ４内の上死点方向へ向かうようになる。すなわち、噴射燃料は、ピストン３の動作方向（下死点側から上死点側へ上昇する方向）と略同方向に進むようになる。

この場合、噴射燃料がキャビティ３０内に収まる前にシリンダ４内（シリンダ４内におけるピストン３より上死点側の空間）で浮遊する時間が長くなる。噴射燃料の浮遊時間が長くなると、図７に示すように、噴射燃料がシリンダ４内の広い範囲へ拡散可能になる。更に、噴射燃料の浮遊時間が長くなると、噴射燃料と吸気の混合に費やされる時間も長くなる。その結果、噴射燃料と吸気が均質に混合し易くなる。

尚、サブインジェクタ６の噴孔は、ピストン３が下死点近傍にある時はシリンダ４内に開口するが、ピストン３が上昇すると該ピストン３の周壁によって閉塞されてしまう。このため、サブインジェクタ６による予混合噴射は、ピストン３の頂面がサブインジェクタ６の噴孔よりが下死点近傍にある時に行われることが好ましい。

以上述べた実施例によれば、サブインジェクタ６から噴射された燃料がピストン３のキャビティ３０内に収まる前にシリンダ４内で浮遊及び拡散するようになるため、噴射燃料と吸気が均質に混合し易くなる。

尚、本実施例では、一つのシリンダ４に対して１本のサイドインジェクタを設けた例に
ついて述べたが、一つのシリンダ４に対して複数のサイドインジェクタを設けるようにしてもよい。

例えば、図８に示すように、シリンダ４の壁面の互いに対向する位置に２本のサブインジェクタ６ａ，６ｂを内蔵させるとともに、それらサブインジェクタ６ａ，６ｂの噴孔をシリンダ４内の上死点方向を指向させるようにしてもよい。

その際、２本のサブインジェクタ６ａ，６ｂの噴孔は、図９又は図１０に示すように、シリンダ４内の相違する領域を指向することが好ましい。これは、２本のサブインジェクタ６ａ，６ｂの噴孔がシリンダ４内の同一の領域を指向していると、その領域に２本のサブインジェクタ６ａ，６ｂの噴射燃料が密集し、予混合気の燃料濃度が不均一になるからである。

＜実施例２＞
次に、本発明の第２の実施例について図１１〜図１６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、シリンダ４の壁面にサブインジェクタ６０が内蔵される例について述べたが、本実施例ではピストン３にサブインジェクタ６０が内蔵される例について述べる。

図１１は、本発明の第２の実施例を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。尚、図１１は、ピストン３が下死点に位置する状態を示している。図１１において、ピストン３にはサブインジェクタ６０が内蔵されている。サブインジェクタ６０の噴孔は、ピストン３頂面の略中央部に配置されている。サブインジェクタ６０の基端は、ピストン３の底面に配置されている。

一方、シリンダ４の壁面には、燃料供給管６１が配置されている。燃料供給管６１の先端は、シリンダ４内に突出するとともにシリンダ４の上死点方向を指向している。その際、燃料供給管６１の先端は、前記サブインジェクタ６０の基端と同心に配置され、ピストン３が下死点に位置する時に前記サブインジェクタ６０の基端と液密に当接する。

燃料供給管６１の基端は調量弁６２に接続され、調量弁６２は燃料パイプ１１と接続されている。調量弁６２の開度は、ＥＣＵ１４によって電気的に制御されるようになっている。

図１２は、サブインジェクタ６０の基端と燃料供給管６１の先端の詳細な構成を示す図である。サブインジェクタ６０の基端と燃料供給管６１の先端とには、相互に当接した時に開弁し、且つ相互に離間した時に閉弁する弁機構６００と弁機構６１０とが各々設けられている。

サブインジェクタ６０の基端に設けられた弁機構６００は、サブインジェクタ６０の基端に設けられた連通孔６０１と、その連通孔６０１を開閉する弁体６０２と、その弁体６０２を閉弁方向へ付勢するバネ６０３とを備えている。

一方、燃料供給管６１の先端に設けられた弁機構６１０は、燃料供給管６１の先端に設けられた連通孔６１１と、その連通孔６１１を開閉する弁体６１２と、弁体６１２を閉弁方向へ付勢するバネ６１３とを備えている。

また、燃料供給管６１の先端には、該先端の外径より大きな内径を有する外筒６１４が軸方向へ進退自在に取り付けられている。外筒６１４の先端面と燃料供給管６１の先端面との間にはバネ６１５が介在し、該バネ６１５により外筒６１４がシリンダ軸方向の上死点側へ付勢されている。また、外筒６１４の先端面の中央部には、燃料供給管６１の連通孔６１１と略同径な孔６１６が形成されている。

このように構成されたサブインジェクタ６０と燃料供給管６１によれば、ピストン３が上死点から下死点へ下降してくると、図１３に示すように、先ずサブインジェクタ６０の基端と外筒６１４が当接する。

その後、ピストン３が更に下降すると、バネ６１５が収縮して弁体６０２と弁体６１２が当接する。続いて弁体６０２がバネ６０３の付勢力に抗して連通孔６０１を開弁するとともに、弁体６１２がバネ６１３の付勢力に抗して連通孔６１１を開弁する。

その結果、ピストン３が下死点まで下降すると、図１４に示すように、連通孔６０１及び連通孔６１１が開口し、燃料供給管６１の内部とサブインジェクタ６０の内部が導通する。

次に、サブインジェクタ６０の先端の構成を図１５に示す。図１５において、サブインジェクタ６０の先端には、ホール形の噴孔６０４が複数設けられている。これらの噴孔６０４に対する燃料の供給と遮断は弁体６０５によって切り換えられるようになっている。弁体６０５は、バネ６０６により閉弁方向へ付勢されている。

バネ６０６の付勢力は、サブインジェクタ６０内の燃料圧力が所定圧力（例えば、１０ＭＰａ）以上となった時に弁体６０５が開弁動作するように設定されている。

このように構成された内燃機関の燃料噴射装置では、ＥＣＵ１４は、内燃機関１の運転状態が予混合燃焼運転領域にあり且つピストン３が圧縮行程下死点（吸気行程下死点）の近傍にある時に調量弁６２を開弁させる。

この場合、燃料パイプ１１と燃料供給管６１が連通するとともに、前述した図１４に示したように燃料供給管６１とサブインジェクタ６０が連通するため、燃料パイプ１１からサブインジェクタ６０へ燃料が供給されるようになる。

燃料パイプ１１からサブインジェクタ６０へ燃料が供給されることによってサブインジェクタ６０内の燃料圧力が所定圧力以上に達すると、サブインジェクタ６０の先端に設けられた弁体６０５が開弁する。弁体６０５が開弁すると、複数の噴孔６０４から前記所定圧力以上の圧力で燃料が噴射される。

サブインジェクタ６０から噴射される燃料は、図１６に示すように、ピストン３が下死点近傍にある時に該ピストン３の頂面からシリンダ４内の上死点方向へ噴き上げられるため、前述した第１の実施例の比して噴射燃料の浮遊時間及び拡散時間を一層長くすることが可能となる。

その結果、噴射燃料がシリンダ４内のより広い範囲に拡散可能になるため、予混合気の燃料濃度を一層均一にすることが可能となる。

本発明の第１の実施例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タイミングを示すタイミングチャートである。 予混合燃焼運転時における燃料噴射タイミングを示すタイミングチャートである。 サイドインジェクタの噴孔が下死点方向を指向している場合における噴射燃料の挙動を示す図である。 サイドインジェクタの噴孔が上死点方向を指向している場合における噴射燃料の挙動を示す第１の図である。 サイドインジェクタの噴孔が上死点方向を指向している場合における噴射燃料の挙動を示す第２の図である。 一つのシリンダに２本のサイドインジェクタが設けられた例を示す図である。 ２本のサイドインジェクタの噴孔がシリンダ内の相違する領域を指向する第１の例を示す図である。 ２本のサイドインジェクタの噴孔がシリンダ内の相違する領域を指向する第２の例を示す図である。 本発明の第２の実施例を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。 サブインジェクタの基端及び燃料供給管の先端に設けられた弁機構の構成を示す図である。 サブインジェクタの基端及び燃料供給管の先端に設けられた弁機構の動作を示す第１の図である。 サブインジェクタの基端及び燃料供給管の先端に設けられた弁機構の動作を示す第２の図である。 サブインジェクタの先端の構成を示す図である。 サブインジェクタから噴射された燃料の挙動を示す図である。

符号の説明

１・・・・・内燃機関
２・・・・・シリンダヘッド
３・・・・・ピストン
４・・・・・シリンダ
５・・・・・メインインジェクタ
６・・・・・サブインジェクタ
６ａ・・・・サブインジェクタ
６ｂ・・・・サブインジェクタ
１４・・・・ＥＣＵ
６０・・・・サブインジェクタ
６１・・・・燃料供給管
６００・・・弁機構
６０４・・・噴孔
６１０・・・弁機構

Claims (3)

1. 内燃機関のシリンダ内へ予混合気形成用の燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた内燃機関の燃料噴射装置において、
   前記燃料噴射弁の噴孔がシリンダ内の上死点方向を指向す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、前記燃料噴射弁の噴孔がピストンの頂面に配置され、前記ピストンが下死点近傍にある時に前記燃料噴射弁へ燃料を供給する燃料供給機構が前記シリンダに配置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、前記燃料噴射弁は一つのシリンダに複数設けられ、それら燃料噴射弁の噴孔はシリンダ内の相違する領域を指向することを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。

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