JP2009108778A - 圧縮着火式内燃機関の燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】主噴射による燃料の燃焼時における空気利用率を高める。
【解決手段】燃焼室５のほぼ中央に燃料噴射弁１０を配置し、燃料噴射弁１０の周囲の燃料室５に点火栓１１を配置する。燃料噴射弁１０は、成層混合気が点火栓周りにのみ形成されるように燃料を噴射する第１の噴射形態と、燃料を放射状にかつ周方向にほぼ均等に噴射する第２の燃料噴射形態とを切り換え可能になっている。主噴射を行うのに先立ち燃料噴射弁１０により第１の噴射形態でもって補助噴射を行って点火栓１１周りの燃焼室内に成層混合気を形成すると共に成層混合気を点火栓により着火し、次いで燃料噴射弁１０により主噴射を第２の噴射形態でもって行って主噴射による燃料を圧縮着火させる。
【選択図】図１

Description

本発明は圧縮着火式内燃機関に関する。

圧縮上死点周りで燃料を燃焼室内に噴射し、この燃料を圧縮着火させる圧縮着火機関が従来から知られている。ところが、天然ガス又は水素ガスのように自着火温度が高い燃料が用いられると、この燃料を圧縮着火させるのが困難となり、したがって圧縮着火機関において燃焼させるのが困難となる。

そこで、燃焼室の周辺部に第１の燃料噴射弁を配置し、燃焼室の中央部に第２の燃料噴射弁及び点火栓を配置し、主噴射を行うのに先立ち第２の燃料噴射弁により補助噴射を行って点火栓周りの燃焼室内に成層混合気を形成すると共にこの成層混合気を点火栓により着火し、次いで第１の燃料噴射弁により主噴射を行ってこの主噴射による燃料を圧縮着火させるようにした内燃機関が公知である（特許文献１等参照）。すなわち、この内燃機関では、まず成層混合気を着火燃焼させることにより燃焼室内の温度及び圧力を上昇させ、それによって主噴射による燃料が自着火できるようにしている。

特開２００３−２５４１０５号公報

しかしながら、この内燃機関では第１の燃料噴射弁が燃焼室の周辺部に配置されているので、主噴射による燃料を燃料室内に広く分散させることが困難になる。その結果、主噴射による燃料の燃料時における空気利用率が低くなるので、多量の未燃ＨＣ及びＣＯが排出され又は燃料消費量が増大するおそれがある。

本発明によれば、燃焼室内に燃料噴射手段及び点火栓を配置し、主噴射を行うのに先立ち該燃料噴射手段により補助噴射を行って該点火栓周りの該燃焼室内に成層混合気を形成すると共に該成層混合気を該点火栓により着火し次いで該燃料噴射手段により主噴射を行って該主噴射による燃料を圧縮着火させるようにした圧縮着火式内燃機関の燃料噴射装置であって、前記燃料噴射手段が前記燃焼室のほぼ中央に配置された燃料噴射弁を具備し、少なくとも主噴射による燃料を該燃焼室のほぼ中央に配置された燃料噴射弁から放射状にかつ周方向にほぼ均等に噴射するようにした圧縮着火式内燃機関の燃料噴射装置が提供される。

主噴射による燃料の燃焼時における空気利用率を高めることができる。

図１を参照すると、１は複数の気筒を備える機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は一対の吸気弁、７は一対の吸気ポート、８は一対の排気弁、９は一対の排気ポート、１０は電子制御式燃料噴射弁、１１は点火栓をそれぞれ示す。この場合、図２に示されるように、一対の吸気弁６及び一対の排気弁８は平坦状のシリンダヘッド内壁面３ａのほぼ中央すなわち燃焼室５のほぼ中央を通る対称面Ｌ−Ｌに関しそれぞれ対称的に配置されており、燃料噴射弁１０及び点火栓１１はこの対称面Ｌ−Ｌ上に配置される。また、本発明による実施例では、燃料噴射弁１０は燃焼室５のほぼ中央に一つだけ配置され、点火栓１１は燃料噴射弁１０の周囲部分に配置される。

再び図１を参照すると、各気筒の吸気ポート７は対応する吸気枝管１２を介してサージタンク１３に連結される。サージタンク１３は吸気ダクト１４を介して排気ターボチャージャ１５のコンプレッサ１５ｃの出口に連結され、コンプレッサ１５ｃの入口は吸気導入管１６を介してエアクリーナ１７に連結される。吸気ダクト１４内にはステップモータ１８によって駆動されるスロットル弁１９が配置され、吸気導入管１６内には吸入空気量を検出するためのエアフローメータ２０が配置される。さらに、吸気ダクト１４周りには吸気ダクト１４内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置２１が配置される。

一方、各気筒の排気ポート９は排気マニホルド２２及び排気管２３を介して排気ターボチャージャ１５の排気タービン１５ｔの入口に連結され、排気タービン１５ｔの出口は排気後処理装置２４に連結される。排気後処理装置２４は排気管２５を介して排気タービン１５ｔの出口に連結された触媒コンバータ２６を具備し、触媒コンバータ２６は排気管２７に連結される。触媒コンバータ２６内には例えばパティキュレートフィルタ２６ａに担持された触媒が配置される。また、排気管２５には空燃比を検出するための空燃比センサ２８が取り付けられる。さらに、触媒コンバータ２６にはパティキュレートフィルタ２６ａ前後の圧力差を検出するための差圧センサ２９が取り付けられる。

サージタンク１３と排気マニホルド２２とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す。）通路３０を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路３０内には電気制御式ＥＧＲ制御弁３１が配置される。

また、各燃料噴射弁１０は燃料分配管３２を介してコモンレール３３に連結される。このコモンレール３３は燃料供給管３４を介して燃料タンク３５に連結され、この燃料供給管３４内には電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ３６が配置される。燃料タンク３５内の燃料は燃料ポンプ３６によってコモンレール３３内に供給され、コモンレール３３内に供給された燃料は各燃料分配管３２を介して燃料噴射弁１０に供給される。また、コモンレール３３にはコモンレール３３内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ３７が取り付けられており、コモンレール３３内の燃料圧が目標燃料圧に一致するように燃料ポンプ３６の吐出量が制御される。燃料として、例えばガソリン、軽油、天然ガス、アルコールのような炭化水素、水素、又はこれらの混合物を用いることができる。また、機関本体１には機関冷却水温度を検出するための水温センサ３８が取り付けられる。

電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５及び出力ポート４６を具備する。エアフローメータ２０、空燃比センサ２５、差圧センサ２９、燃料圧センサ３７及び水温センサ３８の出力信号は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。また、アクセルペダル４９にはアクセルペダル４９の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ５０が接続され、負荷センサ５０の出力電圧は対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。アクセルペダル４９の踏み込み量Ｌは要求負荷を表している。さらに、入力ポート４５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５１が接続される。ＣＰＵ４４ではこれら出力パルスに基づいて機関回転数Ｎｅが算出される。一方、出力ポート４６は対応する駆動回路４８を介して燃料噴射弁１０、点火栓１１、ステップモータ１８、ＥＧＲ制御弁３１、及び燃料ポンプ３６に接続される。

図３は本発明による実施例の燃料噴射弁１０を概略的に示している。図３（Ａ）を参照すると、燃料噴射弁１０はハウジング７０を備えている。ハウジング７０内には大径ニードル受容孔７１が形成され、この大径ニードル受容孔７１内に環状の大径ニードル７２が密封的にかつ摺動可能に受容される。大径ニードル受容孔７１の頂端は小径ニードル受容孔７３に連通され、大径ニードル７２の内部空間７２ａ内及び小径ニードル受容孔７３内には小径ニードル７４が密封的にかつ摺動可能に受容される。また、大径ニードル受容孔７１には、大径ニードル７２の底端に対面して第１の噴孔群７５ａが開口しており、小径ニードル７４の底端に対面して第２の噴孔群７５ｂが開口している。本発明による実施例では図３（Ｂ）に示されるように、第１の噴孔群７５ａは単一の噴孔からなり、第２の噴孔群７５ｂは複数の噴孔からなる。また、第１の噴孔群７５ａは第１の噴孔群７５ａから噴射された燃料によって成層混合気が点火栓１１周りにのみ形成されるように第１の噴孔群７５ａの指向方向が設定されている。一方、第２の噴孔群７５ｂは第１の噴孔群７５ａの指向方向を除いてほぼ放射状に配置される。

再び図３（Ａ）を参照すると、大径ニードル７２の頂端と大径ニードル受容孔７１内壁面との間には環状燃料室７６が形成され、小径ニードル７４の頂端と小径ニードル受容孔７３内壁面との間には筒状燃料室７７が形成される。また、大径ニードル７２の頂端と大径ニードル受容孔７１内壁面との間には大径ニードル７２を閉弁方向に付勢する圧縮バネ７８が配置され、小径ニードル７４の頂端と小径ニードル受容孔７３内壁面との間には小径ニードル７４を閉弁方向に付勢する圧縮バネ７９が配置される。

また、ハウジング７０内には電磁制御式制御弁８０を収容した制御弁室８１が形成され、環状燃料室７６及び筒状燃料室７７はこの制御弁室８１に連結される。また、ハウジング７０には、燃料分配管３２に連結される燃料流入ポート８２と、燃料逃がし通路（図示しない）に連結される燃料流出ポート８３とが形成される。燃料流入ポート８２は大径ニードル受容孔７１の周面に連結された燃料溜まり８４と、環状燃料室７６と、制御弁室８１とに連結され、燃料流出ポート８３は制御弁室１８に連結される。なお、環状燃料室７６、筒状燃料室７７、制御弁室８１及び燃料溜まり８４は燃料で満たされている。

図３に示される燃料噴射弁１０は二つの燃料噴射形態を切り換え可能になっている。第１の燃料噴射形態を行うべきときには図３（Ｃ）に示されるように、制御弁８０が駆動されて筒状燃料室７７と制御弁室８１との連通が遮断されると共に、制御弁室８１が燃料流出ポート８３に連通される。その結果、環状燃料室７６内の燃料圧が低下して大径ニードル７２が上昇し、第２の噴孔群７５ｂが開放され、斯くして第１の噴孔群７５ａから燃料Ｆａが噴射される。したがって、燃料が一方向にのみ噴射される。このとき筒状燃料室７７内の燃料圧は高く維持されており、小径ニードル７４は第２の噴孔群７５ｂを閉鎖し続ける。したがって、このとき第２の噴孔群７５ｂから燃料は噴射されない。

一方、第２の燃料噴射形態を行うべきときには図３（Ｄ）に示されるように、制御弁８０が駆動されて筒状燃料室７７が制御弁室８１に連通されると共に制御弁室８１が燃料流出ポート８３に連通される。その結果、環状燃料室７６内及び筒状燃料室７７内の燃料圧が低下して大径ニードル７２及び小径ニードル７４が上昇し、第１の噴孔群７５ａ及び第２の噴孔群７５ｂが共に開放され、斯くして第１の噴孔群７５ａ及び第２の噴孔群７５ｂから燃料Ｆａ，Ｆｂがそれぞれ噴射される。したがって、燃料が燃焼室５内に放射状に周方向にほぼ均等に噴射される。

燃料噴射を停止すべきときには図３（Ａ）に示されるように、制御弁８０が駆動されて制御弁室８１と燃料流出ポート８３との連通が遮断されると共に、筒状燃料室７７が制御弁室８１に連通される。その結果、環状燃料室７６内及び筒状燃料室７７内の燃料圧が上昇して大径ニードル７２及び小径ニードル７４が下降し、第１の噴孔群７５ａ及び第２の噴孔群７５ｂが共に閉鎖され、斯くして燃料噴射が停止される。

さて、本発明による実施例では、成層スパークアシスト拡散燃焼が行われる。すなわち、図４（Ａ）に示されるように、まず例えば圧縮行程末期に燃料噴射弁１０により補助噴射ＡＦＩが行われ、したがって図５（Ａ）及び図６（Ａ）に示されるように補助噴射ＡＦＩによるわずかばかりの燃料すなわち補助噴射燃料ＡＦが噴射される。この補助噴射燃料ＡＦは燃焼室５内に形成されるスワール流ないし旋回流ＳＷによって旋回しつつ拡散し、その結果図５（Ｂ）及び図６（Ｂ）に示されるように、点火栓１１周りの燃焼室５内に成層混合気ＳＧＭが形成される。この成層混合気ＳＧＭは点火栓１１によって着火可能であるが圧縮着火しない混合気であり、また、その周りが空気のみ又は空気及びＥＧＲガスのみによって囲まれている。

次いで、図４（Ａ）にＳでもって並びに図５（Ｂ）及び図６（Ｂ）に示されるように、成層混合気ＳＧＭが例えば圧縮行程末期に点火栓１１により着火され、主として火炎伝播燃焼される。

次いで、図４（Ａ）に示されるように補助噴射燃料ＡＦの燃焼中又は燃焼後の圧縮ＴＤＣ周りにおいて燃料噴射弁１０により主噴射ＭＦＩが行われ、したがって図５（Ｃ）及び図６（Ｃ）に示されるように主噴射ＭＦＩによる燃料すなわち主噴射燃料ＭＦが噴射される。この主噴射燃料ＭＦは次いで圧縮着火され、拡散燃焼される。

このように、主噴射ＭＦＩを行うのに先立って補助噴射ＡＦＩを行い補助噴射燃料ＡＦを燃焼させると、燃焼室５内にいわゆる火種が形成され、したがって主噴射燃料ＭＦを確実に圧縮着火させ拡散燃焼させることができる。

この場合、補助噴射燃料ＡＦは図５（Ａ）及び図６（Ａ）からもわかるように、上述した第１の燃料噴射形態（図３（Ｃ））参照）でもって燃料噴射弁１０から噴射される。したがって、成層混合気を点火栓１１周りにのみ確実に形成することができ、火種を確実に形成することができる。ところで、燃料噴射弁１０から放射状に燃料を噴射した場合にも、その燃料の一部によって点火栓１１周りに混合気が形成されうる。しかしながら、この場合には大部分の燃料が点火栓１１周りに存在しないので点火栓１１によって着火されない。したがって、補助噴射燃料を火種形成のために有効に利用できないばかりか、燃料消費量が増大する。

一方、主噴射燃料ＭＦは図５（Ｂ）及び図６（Ｂ）からもわかるように、上述した第２の燃料噴射形態（図３（Ｄ）参照）でもって燃料噴射弁１０から噴射される。したがって、主噴射燃料ＭＦを燃料室５内に広く分散させることができるので、主噴射燃料ＭＦの燃料時における空気利用率を高く維持することができ、多量の未燃ＨＣ及びＣＯが排出され又は燃料消費量が増大するのを阻止することができる。

なお、図１に示される内燃機関において、機関運転状態に応じて成層スパークアシスト拡散燃焼、圧縮着火拡散燃焼及び点火着火火炎伝播燃焼のうちいずれか一つを行うようにすることもできる。すなわち、圧縮着火拡散燃焼では図４（Ｂ）に示されるように、例えば圧縮上死点（ＴＤＣ）周りにおいて燃料噴射弁１０により主噴射ＭＦＩが行われる。次いで、この場合の主噴射燃料は圧縮着火され、拡散燃焼される。一方、点火着火火炎伝播燃焼では図４（Ｃ）に示されるように、例えば吸気行程初期に燃料噴射弁１０により主噴射ＭＦＩが行われ、燃焼室５内をほぼ一様に満たす均質混合気ないし予混合気が形成される。次いで、図４（Ｃ）にＳで示されるように均質混合気が例えば圧縮行程末期に点火栓１１により着火され、火炎伝播燃焼される。ここで、圧縮着火拡散燃焼及び点火着火火炎伝播燃焼を行うべきときには、燃料噴射弁１０により第２の燃料噴射形態でもって主噴射ＭＦＩが行われる。なお、本発明による実施例の圧縮着火拡散燃焼及び点火着火火炎伝播燃焼では補助噴射ＡＦＩは行われず、補助噴射燃料ＡＦの点火栓１１による着火燃焼も行われない。しかしながら、圧縮着火拡散燃焼では例えばパイロット噴射のように点火栓１１による着火を前提としない追加の燃料を供給するようにしてもよい。

図７（Ａ）及び（Ｂ）は本発明による別の実施例を示している。

図７（Ａ）及び（Ｂ）を参照すると、燃焼室５のほぼ中央に燃料噴射弁１０ｃが配置され、燃料噴射弁１０ｃの周囲の燃焼室５に点火栓１１が配置される。また、中央の燃料噴射弁１０ｃの周囲の燃焼室５には点火栓１１に隣接して別の燃料噴射弁１０ｐが配置される。

中央の燃料噴射弁１０ｃは複数の噴孔を備え、燃料を放射状にかつ周方向にほぼ均等に噴射するようにこれら噴孔の指向方向が設定されている。これに対し、周囲の燃料噴射弁１０ｐは単一の噴孔を備え、この噴孔から噴射された燃料により成層混合気が点火栓１１周りにのみ形成されるように噴孔の指向方向が設定されている。

本発明による別の実施例でも、成層スパークアシスト拡散燃焼が行われる。すなわち、まず例えば圧縮行程末期に周囲の燃料噴射弁１０ｐにより補助噴射が行われ、したがって図８（Ａ）及び図９（Ａ）に示されるようにわずかばかりの補助噴射燃料ＡＦが噴射される。この補助噴射燃料ＡＦは燃焼室５内に形成されるスワール流ないし旋回流ＳＷによって旋回しつつ拡散し、その結果図８（Ｂ）及び図９（Ｂ）に示されるように、点火栓１１周りの燃焼室５内に成層混合気ＳＧＭが形成される。

次いで、図８（Ｂ）及び図９（Ｂ）に示されるように、成層混合気ＳＧＭが例えば圧縮行程末期に点火栓１１により着火され、主として火炎伝播燃焼される。次いで、補助噴射燃料ＡＦの燃焼中又は燃焼後の圧縮ＴＤＣ周りにおいて燃料噴射弁１０により主噴射ＭＦＩが行われ、したがって図８（Ｃ）及び図９（Ｃ）に示されるように主噴射燃料ＭＦが噴射される。この主噴射燃料ＭＦは次いで圧縮着火され、拡散燃焼される。

このように本発明による別の実施例では、主噴射ＭＦＩが中央の燃料噴射弁１０ｃのみにより行われ、補助噴射ＡＦＩが周囲の燃料噴射弁１０ｐのみにより行われる。したがって、補助噴射燃料ＡＦにより点火栓１１周りに成層混合気を形成されるのを確保しつつ、主噴射燃料ＭＦを燃焼室５内に広く分散させることができる。

また、本発明による別の実施例では、中央の燃料噴射弁１０ｃは主噴射を行うだけでよく、周囲の燃料噴射弁１０ｐは補助噴射を行うだけでよい。したがって、中央の燃料噴射弁１０ｃ及び周囲の燃料噴射弁１０ｐを、燃料噴射形態を変更できない従来型の燃料噴射弁からそれぞれ構成することができる。

これまで説明してきた本発明による各実施例では、シリンダヘッド内壁面３ａはほぼ平坦であり、副燃焼室が設けられていない。これに換えて、例えばシリンダヘッド内壁面３ａに凹溝状の副燃焼室を形成し、成層スパークアシスト拡散燃焼を行うべきときにこの副燃焼室内に補助噴射ＡＦＩを行えば、成層混合気を容易に形成することができる。しかしながら、本発明による各実施例のように副燃焼室を省略すれば、構成を簡素化することができる。

内燃機関の全体図である。 シリンダヘッド内壁面の平面図である。 本発明による実施例における燃料噴射弁の縦断面図及び底面図である。 各燃焼の燃料噴射時期及び点火時期を示すタイムチャートである。 本発明による実施例における成層スパークアシスト拡散燃焼を説明するための図である。 本発明による実施例における成層スパークアシスト拡散燃焼を説明するための図である。 本発明による別の実施例を説明する図である。 本発明による別の実施例における成層スパークアシスト拡散燃焼を説明するための図である。 本発明による別の実施例における成層スパークアシスト拡散燃焼を説明するための図である。

符号の説明

１ 機関本体
５ 燃焼室
１０ 燃料噴射弁
１０ｃ 中央の燃料噴射弁
１０ｐ 周囲の燃料噴射弁
１１ 点火栓

Claims (4)

1. 燃焼室内に燃料噴射手段及び点火栓を配置し、主噴射を行うのに先立ち該燃料噴射手段により補助噴射を行って該点火栓周りの該燃焼室内に成層混合気を形成すると共に該成層混合気を該点火栓により着火し次いで該燃料噴射手段により主噴射を行って該主噴射による燃料を圧縮着火させるようにした圧縮着火式内燃機関の燃料噴射装置であって、前記燃料噴射手段が前記燃焼室のほぼ中央に配置された燃料噴射弁を具備し、少なくとも主噴射による燃料を該燃焼室のほぼ中央に配置された燃料噴射弁から放射状にかつ周方向にほぼ均等に噴射するようにした圧縮着火式内燃機関の燃料噴射装置。
2. 前記燃焼室のほぼ中央に配置された燃料噴射弁が、成層混合気が前記点火栓周りにのみ形成されるように燃料を噴射する第１の噴射形態と、燃料を放射状にかつ周方向にほぼ均等に噴射する第２の燃料噴射形態とを切り換え可能になっており、前記補助噴射を行うべきときには該第１の燃料噴射形態を行うと共に前記主噴射を行うべきときには該第２の燃料噴射形態を行うようにした請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の燃料噴射装置。
3. 前記燃料噴射手段が、前記燃料室のほぼ中央に配置された燃料噴射弁の周囲の燃料室内に配置された別の燃料噴射弁をさらに具備し、前記主噴射を前記燃料室のほぼ中央に配置された燃料噴射弁により行うと共に、前記補助噴射を該別の燃料噴射弁により行うようにした請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関の燃料噴射装置。
4. 前記主噴射による燃料を拡散燃焼させるようにした請求項１から３までのいずれか一項に記載の圧縮着火式内燃機関の燃料噴射装置。

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