JP2009228491A - 燃料噴射システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料噴射弁部分の大型化を招来することなく燃料噴射弁から噴射される燃料を効果的に加熱し得る燃料噴射システムを提供する。
【解決手段】エンジン１の燃焼室６に連通するよう形成した吸気管９と、先端部の燃料噴射口３４を介して前記燃焼室６内に燃料を噴射するように配設されるとともに燃料噴射口３４を取り囲んでいる先端部がＣＭＣを含有して形成されている燃料噴射弁１０と、先端部に向けて電磁波を放射するよう電磁波の放射部２３を吸気管９の内部に臨ませて吸気管９に配設したマグネトロン２１とを有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は燃料噴射システムに関し、特に内燃機関の冷態始動時に燃料噴射弁から噴射される燃料を加熱する場合に適用して有用なものである。

内燃機関における極低温時の冷態始動改善や、始動直後の燃焼安定・排ガス低減には、燃料の霧化を目的とした燃料系の加熱が有効である。とりわけ、燃料噴射弁近傍での加熱は供給熱量が少ないことから効率的であるとされている。このため、燃料噴射弁に高周波誘導加熱による加熱装置を設け、燃料噴射弁から噴射される燃料を加熱する方式が提案されている。これは吸気管に配設される燃料噴射弁の先端部に形成した燃料噴射口の外周に高周波コイルを配設し、この高周波コイルに高周波電流を供給することにより燃料噴射口の近傍部分を加熱して前記燃料噴射口から噴射される燃料を加熱するというものである（例えば、特許文献１参照）。

特許３１５６３１２号公報

しかしながら、特許文献１等に開示されている高周波誘導加熱方式では、燃料噴射弁の先端部に別部品としての高周波コイルを必要とするため構造が複雑になるばかりでなく、燃料噴射弁の先端部が大型化してしまう。このため、場合によっては大型化した燃料噴射弁の先端部が吸気管内に突出してしまい、吸気管の流路抵抗が増大してしまう。この結果前記内燃機関に出力の低下を招来してしまうという問題も生起される。

本発明は、上記従来技術に鑑み、燃料噴射弁部分の大型化を招来することなく燃料噴射弁から噴射される燃料を効果的に加熱し得る燃料噴射システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明は次の知見を基礎とするものである。電磁波吸収材料として優れた特性を有する新しい材料としてカーボンマイクロコイル（以下、ＣＭＣと称す）が注目されている。ＣＭＣは、μｍオーダのピッチでコイル状に巻いた非晶質の炭素繊維と定義されているが、単体でＬＣＲ成分を持つ材料であると考えられている。図１はＣＭＣ（図１（ａ）参照）をＬＣＲ等価回路（図１（ｂ）参照）としたモデルと、電磁波吸収の仕組み（図１（ｃ）参照）とを示している。同図に示すＬＣＲ共振回路は電磁波に対し、その共振周波数において極めて高い電磁誘導作用が働き、大きな誘導電力を発生する。かかる誘導起電力によりＬＣＲ共振回路に発生する誘導電流は、そのＲ成分によって速やかに熱に変換される。したがって、燃料噴射弁の先端部でその燃料噴射口を取り囲んでいる先端部材を、ＣＭＣ等の電磁波吸収発熱材料を混入させたセラミック等の絶縁部材で形成するとともに、前記先端部材に電磁波を照射してやれば先端部を速やかに加熱して、前記燃料噴射口を介して噴射される燃料を良好に加熱することができると考えられる。

かかる知見を基礎とする本発明の第１の態様は、内燃機関の燃焼室に連通するよう形成した吸気管と、先端部の燃料噴射口を介して前記吸気管内に燃料を噴射するように配設されるとともに前記先端部で前記燃料噴射口を取り囲んでいる先端部に電磁波吸収発熱材料が配置されている燃料噴射弁と、前記先端部に向けて電磁波を放射するよう電磁波の放射部を前記吸気管の内部に臨ませて配設した電磁波発生手段とを有することを特徴とする燃料噴射システムにある。

本態様によれば、電磁波吸収発熱材料は電磁波発生手段が放射する電磁波を吸収して発熱する。この結果先端部が加熱され、燃料噴射口を介して噴射される燃料も加熱される。したがって冷態始動時であっても燃料の粘度を良好に低下させ、霧状にして噴射することができる。
また、電磁波の放射部を吸気管の内部に臨ませて配設したので、電磁波が拡散することなく吸気管に閉鎖された領域内で電磁波を効率的に先端部に向けて放射することができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載する燃料噴射システムにおいて、前記電磁波吸収発熱材料はＣＭＣで形成するとともに、前記電磁波発生手段はマグネトロンで形成したことを特徴とする燃料噴射システムにある。

本態様によれば、先端部に分散して混入させた各ＣＭＣで形成する各ＬＣＲ共振回路のＲ成分におけるジュール熱で特に効率的な燃料の加熱を行うことができる。

本発明の第３の態様は、第２の態様に記載する燃料噴射システムにおいて、前記マグネトロンは、これが放射する電磁波の周波数が、前記カーボンマイクロコイルで形成されるＬＣＲ等価回路の共振周波数となるようにしたことを特徴とする燃料噴射システムにある。

本態様によれば最も効率よく電磁波のエネルギがＣＭＣに吸収される結果、最も効率よく燃料噴射弁の先端部を加熱することができる。

本発明の第４の態様は、第１乃至第３の何れか一つの態様に記載する燃料噴射システムにおいて、前記電磁波発生手段は冷却水の温度が所定温度以下の冷態始動時に所定時間だけ電磁波を放射するように制御する制御部を有することを特徴とする燃料噴射システムにある。

本態様によれば、冷態始動時であることを条件として燃料噴射弁の先端部の加熱を行うことができるので、必要なときに必要なだけの電磁波を照射して前記先端部の加熱を合理的に行うことができる。

本発明によれば、吸気管に電磁波発生手段を追加配設するだけで、燃料噴射弁の一部であるその先端部を加熱部とすることができる。この結果、先端部を大型化することなく燃料噴射口から噴射される燃料を加熱して霧状にすることができ、これにより特に冷態始動時の特性を改善して始動直後の燃焼安定・排ガス低減に寄与させることができる。

ここで、電磁波を放射する電磁波発生手段の放射部を吸気管の内部に臨ませたので、電磁波が周囲に漏洩することはない。したがって、この点でも燃料噴射弁の先端部の効率的な加熱を行うことができる。

以下本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。

図２は本発明の実施の形態に係る燃料噴射システムを、これを適用する内燃機関であるエンジンとともに示すブロック線図である。同図に示すように、内燃機関であるエンジン１のシリンダヘッド２には気筒毎に点火プラグ３が取り付けられ、点火プラグ３には高電圧を出力する点火コイル４が接続されている。シリンダヘッド２には気筒毎に吸気ポート５が形成されている。この吸気ポート５の燃焼室６側には吸気弁７がそれぞれ設けられている。吸気弁７はエンジン回転に応じて回転するカムシャフト８のカムに倣って開閉作動され、吸気ポート５と燃焼室６との連通・遮断を行なう。

吸気ポート５には吸気管９の一端がそれぞれ接続されて連通している。吸気管９には各気筒に対応して電磁式の燃料噴射弁１０が取り付けられている。この燃料噴射弁１０には燃料パイプ１１を介して燃料タンク１４から燃料が供給される。かくして、燃料噴射弁１０は、先端部の燃料噴射口３４を介して各吸気管９内に向け燃料を噴射し、燃焼室６へ燃料が供給される。ここで、本形態における燃料噴射弁１０は、燃料噴射口３４を取り囲んでいる先端部の先端部材３３が電磁波吸収発熱材料であるＣＭＣを混入した絶縁材料であるセラミックで形成してある（この点については後に詳述する）。電磁波発生手段であるマグネトロン２１は燃料噴射弁１０の先端部材３３に向けて電磁波を放射するよう電磁波の放射部２３を吸気管９の内部に臨ませて吸気管９に配設してある。ここで、吸気管９はマグネトロン２１が放射した電磁波を遮蔽するよう導電性部材（例えばアルミニウム）で形成してある。

吸気管９の上流側には、この吸気管９を開閉するスロットルバルブ１２が設けられ、スロットルバルブ１２の弁開度（スロットル開度）を検出するスロットルポジションセンサ１３が設けられている。

一方、シリンダヘッド２には気筒毎に排気ポート１５が形成され、排気ポート１５の燃焼室６側には排気弁１７がそれぞれ設けられている。排気弁１７はエンジン回転に応じて回転するカムシャフト１８のカムに倣って開閉作動され、排気ポート１５と燃焼室６との連通・遮断を行なう。そして、排気ポート１５には排気マニホールド１６の一端がそれぞれ接続され、排気ポート１５に排気マニホールド１６が連通している。排気マニホールド１６の他端には排気管（排気通路）２０が接続されている。

制御装置である電子制御ユニットＩ（以下、ＥＣＵＩと称する）は、エンジン１を含めた総合的な制御をおこなうもので、その入力側には、スロットルポジションセンサ１３、冷却水の水温を検出する水温センサ２２、エンジン１のクランク角を検出するクランク角センサ２５等の各種センサ類が接続され、これらセンサ類からの検出情報が入力される。一方、ＥＣＵＩの出力側には、燃料噴射弁１０、点火コイル４、スロットルバルブ１２、マグネトロン２１等の各種出力デバイスが接続されている。これら各種出力デバイスには、各種センサ類からの検出情報に基づきＥＣＵＩで演算された燃料噴射時間、点火時期、スロットル開度等の運転パラメータがそれぞれ出力される。特に、マグネトロン２１は水温センサ２２が検出する水温が所定温度以下の冷態始動時に予め定めた所定時間だけ電磁波を放射するように制御される。ここで、マグネトロンが放射する電磁波の周波数は、前記ＣＭＣで形成されるＬＣＲ等価回路の共振周波数となるようにしている。このことにより、最も効率よく電磁波のエネルギがＣＭＣに吸収される結果、最も効率よく燃料噴射弁１０の先端部を加熱することができる。

図３は燃料噴射弁１０部分を抽出して示す拡大断面図である。同図に示すように、本形態における燃料噴射弁１０は、燃料噴射弁本体３１と、燃料噴射弁本体３１内に形成され、燃料ポンプ（図示せず）からの燃料が流通する燃料通路３２と、燃料噴射弁本体３１の先端近傍に形成され、内燃機関の吸気管９（図２参照）に開口して形成される燃料噴射口３４を取り囲むキャップ状の先端部材３３及び燃料噴射口３４を開閉するニードル弁３５を有する。燃料通路３２の上流には、フィルタ３６が配置されている。フィルタ３６は燃料に混じった不純物などを除去するものであり、フィルタ３６を透過した燃料は燃料通路３２に流入するようになっている。なお、燃料噴射弁１０内の燃料は、図示しない調圧弁により所定の圧力に調整されている。

また、ニードル弁３５よりも上方には、電磁コイル３７、リターンスプリング３８が配置されている。電磁コイル３７は、ＥＣＵＩ（図２参照）から電気信号が入力されると、リターンスプリング３８を収縮するように作用する。ここで、リターンスプリング３８はニードル弁３５に接続されている。これによりリターンスプリング３８の伸縮方向にニードル弁３５が上下する。すなわち、電磁コイル３７に電気信号が入力されると、この電磁コイル３７の作用によりリターンスプリング３８が収縮して、ニードル弁３５を引き上げ、ニードル弁３５の先端と燃料噴射口３４とが離隔し、燃料噴射弁１０が開く（燃料噴射口３４が開く）ようになっている。電磁コイル３７への電気信号の入力が停止されると、リターンスプリング３８が伸張して（元の形状に戻って）、ニードル弁３５の先端と燃料噴射口３４とが当接して、燃料噴射弁１０が閉じる（燃料噴射口３４が閉じる）ようになっている。

かかる本形態において、エンジン１の始動時であって水温センサ２２が所定値以下の水温を検出している場合、すなわち冷態始動時には電子制御ユニットＩがマグネトロン２１を制御してその放射部２３から所定の短時間、燃料噴射弁１０の先端部材３３に向けて電磁波を放射させる。この結果、先端部に混入されているＣＭＣが電磁波を吸収して発熱する。この発熱により先端部が加熱される。この結果、燃料噴射口３４から噴射される燃料が加熱され、霧状の燃料となって燃焼室６に向け噴射される。すなわち、冷態始動時であっても燃料は加熱される結果霧化され、エンジン１の円滑な始動に資することができる。ここで、マグネトロン２１は導電性部材である吸気管９の内部で放射されるので外部に漏洩することはない。すなわち、吸気管９で電磁遮蔽されるため、マグネトロン２１が放射した電磁波を高効率でＣＭＣに吸収させることができる。
尚、本形態では、燃料噴射口３４を取り囲んでいる先端部材３３が電磁波吸収発熱材料であるＣＭＣを混入した絶縁材料であるセラミックで形成したが、先端部材の外周部に電磁波吸収発熱材料を混入した塗料を塗布してもよい。

本発明は自動車産業をはじめ内燃機関を利用する産業の分野で有効に利用することができる。

カーボンマイクロコイル（ＣＭＣ）を説明するための図で、（ａ）はＣＭＣの概念図、（ｂ）はＣＭＣで形成するＬＣＲ等価回路を示す回路図、（ｃ）はＣＭＣによる電磁波吸収の仕組みを示す説明図である。 本発明の実施の形態に係る燃料噴射システムを、これを適用する内燃機関であるエンジンとともに示すブロック線図である。 図２の燃料噴射弁の部分を抽出して示す縦断面図である。

符号の説明

Ｉ ＥＣＵ
１ エンジン
９ 吸気管
１０ 燃料噴射弁
１１ 燃料パイプ
２１ マグネトロン
２３ 放射部
３３ 先端部材

Claims (4)

1. 内燃機関の燃焼室に連通するよう形成した吸気管と、
   先端部の燃料噴射口を介して前記吸気管内に燃料を噴射するように配設されるとともに前記燃料噴射口を取り囲んでいる先端部に電磁波吸収発熱材料が配置されている燃料噴射弁と、
   前記先端部に向けて電磁波を放射するよう電磁波の放射部を前記吸気管の内部に臨ませて配設した電磁波発生手段とを有することを特徴とする燃料噴射システム。
2. 請求項１に記載する燃料噴射システムにおいて、
   前記電磁波吸収発熱材料はカーボンマイクロコイルで形成するとともに、前記電磁波発生手段はマグネトロンで形成したことを特徴とする燃料噴射システム。
3. 請求項２に記載する燃料噴射システムにおいて、
   前記マグネトロンは、これが放射する電磁波の周波数が、前記カーボンマイクロコイルで形成されるＬＣＲ等価回路の共振周波数となるようにしたことを特徴とする燃料噴射システム。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一つに記載する燃料噴射システムにおいて、
   前記電磁波発生手段は冷却水の温度が所定温度以下の冷態始動時に所定時間だけ電磁波を放射するように制御する制御部を有することを特徴とする燃料噴射システム。
   
   

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