JP2011220184A - 燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】点火プラグの近傍に燃料を供給でき、かつスワールを強化できる燃料噴射装置を提供する。
【解決手段】燃料噴射装置１０は、内燃機関１の気筒２の中心線方向及び前記吸気ポートを流れる吸気の流れ方向のそれぞれと直交するＤ−Ｄ方向に並べられた第１ポートインジェクタ１１及び第２ポートインジェクタ１２と、吸気バルブ５を挟むように配置された第１筒内インジェクタ２１及び第２筒内インジェクタ２２と、を備え、気筒２内に形成されるスワールＦｓｗを強化すべき場合、気筒２内に導かれる燃料の分布がＤ−Ｄ方向の一方の側に偏るように、第１ポートインジェクタ１１及び第１筒内インジェクタ２１から燃料を噴射させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一つの気筒に対して吸気バルブと排気バルブとが一つずつ設けられた火花点火式内燃機関に適用される燃料噴射装置に関する。

一つの気筒に対して吸気バルブと排気バルブとが一つずつ設けられた火花点火式内燃機関に適用される燃料噴射装置として、燃料噴霧の粒径が比較的大きな第１インジェクタと粒径が比較的小さな第２インジェクタとが吸気ポートに設けられ、内燃機関の低温始動時に第２インジェクタから燃料を噴射させることにより燃料付着を抑制して、燃料付着を原因とした燃費悪化や排気エミッションの悪化を防止するものが知られている（特許文献１）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２及び３が存在する。

特開２００３−２６２１７４号公報 特開２００９−２４５１７号公報 特開２００７−４０２０５号公報

特許文献１の内燃機関のように、いわゆる２弁式の内燃機関の場合は点火プラグを燃焼室の中央部に配置することがスペースの制約上困難となるため、点火プラグに向けて燃料を供給することが難しい。また、こうした内燃機関は一つの気筒に対して吸気ポートが一つしかなく気筒内に取り込まれる吸気に偏りを与えることが困難なためスワールを強化することが難しい。

そこで、本発明は、点火プラグの近傍に燃料を供給でき、かつスワールを強化できる燃料噴射装置を提供することを目的とする。

本発明の燃料噴射装置は、一つの気筒に対して吸気ポートと排気ポートとが一つずつ設けられ、前記吸気ポートを開閉する吸気バルブと、前記排気ポートを開閉する排気バルブとを有する火花点火式内燃機関に適用される燃料噴射装置において、前記気筒の中心線方向及び前記吸気ポートを流れる吸気の流れ方向のそれぞれと直交する方向に並べられて、前記吸気ポート内に吸気の流れ方向へ向かって燃料を噴射可能な第１ポートインジェクタ及び第２ポートインジェクタと、前記吸気バルブを挟むように配置され、前記気筒内に燃料を噴射可能な第１筒内インジェクタ及び第２筒内インジェクタと、前記気筒内に形成されるスワールを強化すべき場合、前記気筒内に導かれる燃料の分布が、前記気筒の中心線方向及び前記吸気ポートを流れる吸気の流れ方向のそれぞれと直交する方向の一方の側に偏るように、前記各インジェクタを制御する噴射制御手段と、を備えるものである（請求項１）。

この燃料噴射装置によれば、ポートインジェクタに加えて筒内インジェクタが設けられているので、点火プラグが気筒の中央に設けられているか否かに拘わらず、点火プラグの近傍に燃料を供給できる。そのため、点火プラグを搭載するスペースを気筒の中央部に確保する必要がないので、吸気ポートの開口部の面積を限界まで拡大できる。また、スワールを強化すべき場合には気筒内に導かれる燃料の分布が気筒の中心線方向及び吸気の流れ方向のそれぞれと直交する方向の一方に偏るように各インジェクタが制御される。つまり、スワールを強化すべき場合にはインジェクタ毎の燃料噴射量に同様の偏りが生じるため、インジェクタから噴射された燃料の運動エネルギを利用して、燃料噴射量が多い側が速く燃料噴射量が少ない側が遅くなるような流速の偏りを気筒内に導かれる吸気流に対して与えることができる。この流速の偏りにより、内燃機関の気筒内に生成されるスワールを強化できるため燃焼速度を高めることができる。

本発明の燃料噴射装置の一態様において、前記噴射制御手段は、前記内燃機関が低負荷時の場合に、前記第１ポートインジェクタ及び第２ポートインジェクタから燃料を噴射させ、かつ前記第１筒内インジェクタ及び前記第２筒内インジェクタからの燃料の噴射を停止させるとともに、前記内燃機関が高負荷時の場合に、前記第１ポートインジェクタ、前記第２ポートインジェクタ、前記第１筒内インジェクタ及び前記第２筒内インジェクタのそれぞれから燃料を噴射させてもよい（請求項２）。この態様によれば、低負荷時には各ポートインジェクタのみからの燃料噴射により気筒内における燃料が均質化されて未燃炭化水素の排出を抑制でき、高負荷時には各ポートインジェクタ及び各筒内インジェクタからの燃料噴射により出力を向上させることができる。このように内燃機関の負荷に応じて噴射モードが切り替えられるため、排気エミッション性能と出力性能とをそれぞれ向上させることができる。

本発明の燃料噴射装置の一態様において、前記噴射制御手段は、前記第１ポートインジェクタ、前記第２ポートインジェクタ、前記第１筒内インジェクタ及び前記第２筒内インジェクタのうち、複数のインジェクタから燃料を噴射させる場合、前記複数のインジェクタによる燃料の噴射期間が重複しないように前記複数のインジェクタの噴射時期をずらしてもよい（請求項３）。この態様によれば、使用する複数のインジェクタの噴射期間が重複する場合に比べてトータルの噴射期間が長くなるので、気筒内における燃料の均質性と吸気冷却効果とをそれぞれ促進できる。

以上説明したように、本発明の燃料噴射装置によれば、ポートインジェクタに加えて筒内インジェクタが設けられているので点火プラグの近傍に燃料を供給できる。また、スワールを強化すべき場合には気筒内に導かれる燃料の分布が気筒の中心線方向及び吸気の流れ方向のそれぞれと直交する方向の一方に偏るように各インジェクタが制御されるため、インジェクタから噴射された燃料の運動エネルギを利用して燃料噴射量が多い側が速く燃料噴射量が少ない側が遅くなるような流速の偏りを気筒内に導かれる吸気流に対して与えることができる。この流速の偏りにより、内燃機関の気筒内に生成されるスワールを強化できる。

本発明の一形態に係る燃料噴射装置が適用された内燃機関の要部を模式的に示した図。 偏倚噴射モード実行時における燃料の分布を模式的に示した説明図。 制御ルーチンの一例を示したフローチャート。

図１は本発明の一形態に係る燃料噴射装置が適用された内燃機関の要部を模式的に示している。内燃機関１は走行用動力源として車両に搭載可能な火花点火式内燃機関として構成されている。内燃機関１は複数の（図１では一つの）気筒２を備えており、気筒２には吸気ポート３と排気ポート４とが一つずつ設けられている。また、内燃機関１は吸気ポート３を開閉する吸気バルブ５と、排気ポート４を開閉する排気バルブ６とを備えている。気筒２に開口する吸気ポート３の開口部の面積は排気ポート３のその開口面積よりも大きい。内燃機関１には、吸気ポート３及び排気ポート４の各開口部を避けるようにして２つの点火プラグ７が気筒２の中央部ＣＰからずれた位置に設けられている。

気筒２内に燃料を供給するため、内燃機関１には燃料噴射装置１０が設けられている。燃料噴射装置１０は不図示の燃料タンクから燃料であるガソリンを汲み上げて吸気ポート３内に及び気筒２内にそれぞれ燃料を噴射させる。そのため、燃料噴射装置１０は第１ポートインジェクタ１１、第２ポートインジェクタ１２、第１筒内インジェクタ２１及び第２筒内インジェクタ２２を有している。

各ポートインジェクタ１１、１２は気筒２の中心線方向（図１の紙面と直交する方向）及び吸気ポート３を流れる吸気の流れ方向（図１の上下方向）のそれぞれと直交する方向（図１のＤ−Ｄ方向）に並べられている。各ポートインジェクタ１１、１２は吸気の流れ方向に向かって燃料ｆを噴射できるように噴射方向が調整されている。より詳しく言えば、第１ポートインジェクタ１１は、吸気バルブ５のバルブステム５ａにて区分される吸気ポート３の一方の空間Ｓａに向かって、第２ポートインジェクタ１２は他方の空間Ｓｂに向かってそれぞれ燃料ｆを噴射できるように、各ポートインジェクタ１１、１２の噴射方向が調整されている。各筒内インジェクタ２１、２２は、吸気バルブ５を挟むように配置されていて、気筒２内に噴射する燃料ｆが各点火プラグ７の近傍に供給されるように噴射方向が調整されている。

各インジェクタ１１、１２、２１、２２の制御は内燃機関１の運転状態を制御するためのコンピュータとして構成されたエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）３０にて行われる。ＥＣＵ３０には内燃機関１の運転状態を検出するため各種センサからの信号が入力される。本発明に関連するセンサとしては内燃機関１の回転数（回転速度）に応じた信号を出力するクランク角センサ３１、吸入空気量に応じた信号を出力するエアフローメータ３２及び機関温度を代表する物理量である冷却水温に応じた信号を出力する水温センサ３３がそれぞれ設けられており、これらの出力信号はＥＣＵ３０に入力される。ＥＣＵ３０は燃料噴射制御の他にも点火プラグ７の操作による点火時期制御等の様々な制御を行っている。

本形態は、スワールの強化が必要な場合に各インジェクタ１１、１２、２１、２２のうち、第１ポートインジェクタ１１及び第１筒内インジェクタ２１のみから燃料を噴射させる偏倚噴射モードを実行する点に特徴を有している。この偏倚噴射モードの実行で、インジェクタ毎の燃料噴射量に偏りが与えられる結果、気筒２内に導かれる燃料の分布に偏りが生じる。図２は偏倚噴射モード実行時における燃料の分布を模式的に示した説明図である。この分布は図１のＤ−Ｄ方向に関するものである。図２から明らかなように、燃料の分布はＤ−Ｄ方向の一方の側（図の右側）に偏っている。なお、図示の分布は単位時間当たりの燃料量の分布であるが燃料の濃度分布でも同様の傾向を示す。

偏倚噴射モードの実行により、第１ポートインジェクタ１１及び第１筒内インジェクタ２１から噴射された燃料の運動エネルギを利用して、燃料噴射量が多い側（図の左側）が速く燃料噴射量が少ない側（図の右側）が遅くなるような流速の偏りを気筒２内に導かれる吸気流に対して与えることができる。内燃機関１は吸気ポート３が気筒２の中央部ＣＰから若干オフセットするように配置されているため、吸気行程で図１の時計回りのスワールＦｓｗが生じる。従って、偏倚噴射モードの実行により得られる流速の偏りがスワールＦｓｗを強める方向に作用するので、スワールＦｓｗを強化することが可能になる。

図３は本形態に係る制御ルーチンの一例を示したフローチャートである。この制御ルーチンのプログラムはＥＣＵ３０に保持されており、ＥＣＵ３０にて適時に読み出されて所定間隔で繰り返し実行される。これにより、ＥＣＵ３０は本発明に係る噴射制御手段として機能する。まず、ステップＳ１で内燃機関１の運転状態を取得する。ここでは、機関回転数、吸入空気量及び冷却水温を、クランク角センサ３１、エアフローメータ３２及び水温センサ３３の各信号を参照することによって取得する。

ステップＳ２では、スワールを強化すべきか否かを判断する。燃焼条件が厳しいほどスワールを強化する必要性が高まる。従って、この処理では、内燃機関１の負荷及び機関温度をパラメータとした燃焼条件を設定し、その燃焼条件が所定基準よりも厳しくなった場合にスワールを強化すべきと判定するようにしている。なお、負荷としては吸入空気量に基づいて演算される負荷率を用い、機関温度としては冷却水温を用いている。ステップＳ２でスワールを強化すべきと判断した場合はステップＳ３に進んで上述した偏倚噴射モードを実行してルーチンを終える。一方、スワールを強化すべきでないと判断した場合はステップＳ４に進む。

ステップＳ４では、負荷が所定値よりも低い低負荷時であるか否かを判定し、低負荷時であると判定した場合はステップＳ５に進む。ステップＳ５では、各ポートインジェクタ１１、１２から燃料を噴射させ、かつ各筒内インジェクタ２１、２２からの燃料噴射を停止させるポート噴射モードを実行する。これにより、気筒２内における燃料が均質化されて未燃炭化水素の排出を抑制でき、排気エミッション性能が向上する。一方、低負荷時でないと判断した場合にはステップＳ６に進む。

ステップＳ６では、負荷が所定値よりも高い高負荷時であるか否かを判定し、高負荷時であると判定した場合はステップＳ７に進む。ステップＳ７では、各ポートインジェクタ１１、１２及び各筒内インジェクタ２１、２２のそれぞれから燃料を噴射させるポート筒内噴射モードを実行する。これにより、出力を向上させることができる。一方高負荷時でないと判断した場合はルーチンを終了する。このように、内燃機関１の負荷に応じて噴射モードが切り替えられるため、排気エミッション性能と出力性能とをそれぞれ向上させることができる。

本形態の燃料噴射装置１０によれば、スワールを強化すべき場合に偏倚噴射モードが実行されるので、内燃機関１の気筒２内に生成されるスワールを強化できる。これにより燃焼速度を高めることができる。

本発明は上記形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内において種々の形態にて実施できる。上記形態では、スワールを強化すべき場合に第１ポートインジェクタ１１及び第１筒内インジェクタ２１のみから燃料を噴射させているが、燃料が一方に偏る限りにおいて残りの第２ポートインジェクタ１２及び第２筒内インジェクタ２２から燃料を噴射させても構わない。また、スワールを強化すべき場合に第１ポートインジェクタ１１のみから又は第１筒内インジェクタ２１のみから燃料を噴射させることによってスワールを強化することもできる。

各噴射モードの実行時における各インジェクタの燃料の噴射時期は適宜設定されるが、使用する各インジェクタの噴射時期をずらして、各インジェクタの噴射期間の重複を避けるようにすることもできる。この場合、１回の吸気行程において、いずれのインジェクタからも燃料が噴射されない停止期間が存在してもよいし、こうした停止期間を設けずに燃料噴射が続くようにすることもできる。このように各インジェクタの噴射時期を設定することにより、各インジェクタの噴射期間が重複する場合に比べてトータルの噴射期間が長くなるので、気筒内における燃料の均質性と吸気冷却効果とをそれぞれ促進できる。

１ 内燃機関
２ 気筒
３ 吸気ポート
４ 排気ポート
５ 吸気バルブ
６ 排気バルブ
１０ 燃料噴射装置
１１ 第１ポートインジェクタ
１２ 第２ポートインジェクタ
２１ 第１筒内インジェクタ
２２ 第２筒内インジェクタ
３０ ＥＣＵ（噴射制御手段）

Claims (3)

1. 一つの気筒に対して吸気ポートと排気ポートとが一つずつ設けられ、前記吸気ポートを開閉する吸気バルブと、前記排気ポートを開閉する排気バルブとを有する火花点火式内燃機関に適用される燃料噴射装置において、
   前記気筒の中心線方向及び前記吸気ポートを流れる吸気の流れ方向のそれぞれと直交する方向に並べられて、前記吸気ポート内に吸気の流れ方向へ向かって燃料を噴射可能な第１ポートインジェクタ及び第２ポートインジェクタと、前記吸気バルブを挟むように配置され、前記気筒内に燃料を噴射可能な第１筒内インジェクタ及び第２筒内インジェクタと、前記気筒内に形成されるスワールを強化すべき場合、前記気筒内に導かれる燃料の分布が、前記気筒の中心線方向及び前記吸気ポートを流れる吸気の流れ方向のそれぞれと直交する方向の一方の側に偏るように、前記各インジェクタを制御する噴射制御手段と、を備える燃料噴射装置。
2. 前記噴射制御手段は、前記内燃機関が低負荷時の場合に、前記第１ポートインジェクタ及び第２ポートインジェクタから燃料を噴射させ、かつ前記第１筒内インジェクタ及び前記第２筒内インジェクタからの燃料の噴射を停止させるとともに、前記内燃機関が高負荷時の場合に、前記第１ポートインジェクタ、前記第２ポートインジェクタ、前記第１筒内インジェクタ及び前記第２筒内インジェクタのそれぞれから燃料を噴射させる、請求項１に記載の燃料噴射装置。
3. 前記噴射制御手段は、前記第１ポートインジェクタ、前記第２ポートインジェクタ、前記第１筒内インジェクタ及び前記第２筒内インジェクタのうち、複数のインジェクタから燃料を噴射させる場合、前記複数のインジェクタによる燃料の噴射期間が重複しないように前記複数のインジェクタの噴射時期をずらす、請求項１又は２に記載の燃料噴射装置。

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