JP2012057562A

JP2012057562A - 内燃機関の燃料供給装置

Info

Publication number: JP2012057562A
Application number: JP2010202650A
Authority: JP
Inventors: Masanori Kobayashi; 雅典小林; Naoyuki Tomono; 直幸友野
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2010-09-10
Filing date: 2010-09-10
Publication date: 2012-03-22

Abstract

【課題】低温始動後に副燃料が副燃料配管内に残存することを防止する。
【解決手段】始動用の副燃料を内燃機関へ噴射供給する副燃料供給系２０として、副燃料が貯留される副燃料タンク２２と噴射孔２４とを結ぶ副燃料配管２１には、その上流側より、副燃料を加圧する副燃料ポンプ２５と、副燃料配管２１の遮断・連通状態を切換可能な切換弁２６と、所定容積の空気室３１を有するエアチャンバ３０と、が設けられる。主燃料による始動が困難な所定の低温始動時には、切換弁２６を連通状態として、副燃料ポンプ２５により加圧された副燃料を噴射孔２４より吸気通路１１へ噴射供給する。この際、空気室３１には空気が圧縮状態で閉じ込められる。始動後に切換弁２６を遮断状態とすると、空気室３１に一時的に閉じ込められている圧縮された空気が膨張することによって、切換弁２６の下流側に残存する副燃料が速やかに吸気通路１１へ排出される。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の燃料供給装置に関し、特に、主燃料供給系とは別に機関始動用の副燃料供給系を備えた内燃機関の燃料供給装置に関する。

機関燃料としてアルコール燃料とガソリン燃料とを併用可能な内燃機関が実用化されつつある。こうした内燃機関では、アルコール燃料とガソリン燃料の一方、あるいは両者が適宜な割合で混合された混合燃料で運転が可能となっている。ここでアルコール燃料はガソリン燃料と比較して揮発性が低く、低温下にて気化し難いという特性を有している。そのため、燃料のアルコール濃度が高くなるほど、機関の低温始動性は悪化する。

そこで、特許文献１に記載のものでは、主燃料を内燃機関に噴射供給する主燃料供給系とは別に、この主燃料による始動が困難な所定の機関始動時には、主燃料とは異なる始動用の副燃料を噴射孔より内燃機関へ噴射供給する副燃料供給系を設けている。副燃料は揮発性の高いガソリン燃料を規定割合以上含んでおり、機関始動においては、この始動用の副燃料で機関を始動させることができるため、アルコール燃料や混合燃料を使用可能な内燃機関においても、その低温始動性を改善することができる。

特開２００７−３０３３８９号公報

このように主燃料と副燃料とを切り替えて用いる場合には、副燃料による機関始動後において、副燃料を噴射供給する副燃料供給系に燃料が残留し、高温に曝されると、その不飽和成分及び重質成分が粘度の高いガム状の物質に変化し、燃料の流量が低下したり、副燃料供給系を構成する副燃料配管や噴射孔などが閉塞してしまうおそれがある。また、残存する燃料が始動後の予期せぬタイミングで内燃機関の燃焼室へ流入すると、空燃比が変動し、燃焼が不安定になったり排気や燃費の低下を招くおそれがある。

そこで、上記の特許文献１においては、副燃料配管を遮断・連通する切換弁として、一方が外気開放された三方弁を設け、副燃料配管の遮断時には燃料タンク側を遮断の上開放端として、弁下流側の副燃料配管内に外気を導入することで、副燃料配管に残る燃料を内燃機関へ排出させている。しかしながら、三方弁より導入される外気はエアクリーナを通過していないため、塵等の異物が含まれており、これらが弁下流の副燃料配管に流入することで、その配管内面や噴射孔の周囲に塵等が付着・堆積して、燃料流量の低下や閉塞を招くおそれがある。また、このような三方弁を用いた構造では、切換のタイミングや外気導入時間等を制御する必要がある上、外気に含まれる塵等により三方弁が完全に閉じられなくなって、燃料漏れ等を生じるおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものである。すなわち本発明は、主燃料を内燃機関に噴射供給する主燃料供給系とは別に、所定の機関始動時に、主燃料とは異なる始動用の副燃料を噴射孔より内燃機関へ噴射供給する副燃料供給系を備える内燃機関の燃料供給装置において、上記副燃料が貯留される副燃料タンクと上記噴射孔とを結ぶ副燃料配管と、この副燃料配管内の副燃料を加圧する副燃料ポンプと、この副燃料ポンプよりも下流側の副燃料配管に設けられ、上記副燃料配管を遮断する遮断状態と、上記所定の機関始動時には上記副燃料配管を連通させる連通状態とを切換可能な切換弁と、この切換弁よりも下流側の副燃料配管に設けられ、所定容積の空気室を有するエアチャンバと、を有することを特徴としている。

上記の構成により、主燃料による始動が困難な所定の機関始動時には、切換弁を連通状態とすることで、副燃料ポンプにより加圧された燃料が副燃料配管を通して噴射孔より内燃機関へ噴射供給される。この際、エアチャンバの空気室には空気が圧縮状態で閉じ込められる。そして、始動後に切換弁を遮断すると、空気室内の圧縮された空気が膨張することで、切換弁よりも下流側の副燃料配管内に残存する副燃料が空気により押し出されるようにして速やかに内燃機関へ排出される。

本発明によれば、副燃料を噴射・供給する所定の機関始動後に、エアチャンバの空気室に閉じ込められた圧縮空気が膨張することによって、副燃料配管内に残存する副燃料を速やかに内燃機関へ排出し、副燃料が副燃料配管内に残存することを抑制・回避することができる。

本発明の一実施例に係る内燃機関の燃料噴射装置を簡略的に示す構成図。本実施例の副燃料噴射系の各部品のエンジンルーム内における搭載状態を簡略的に示す斜視図。本実施例のエアチャンバを示す上面図。図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図。図３のＶ−Ｖ線に沿う断面図。本実施例に係る低温始動前後の切換弁下流側の副燃料配管内の状態を時系列に沿って示す説明図。同じく本実施例に係る低温始動前後の切換弁下流側の副燃料配管内の状態を時系列に沿って示す説明図。

以下、図示実施例により本発明を説明する。図１は、本発明が適用される内燃機関１０の燃料供給装置を簡略的に示す構成図である。本実施例が適用される内燃機関１０は、アルコール燃料のみ、ガソリン燃料のみ、あるいはアルコール燃料とガソリン燃料とが適宜な割合で混合された混合燃料を主燃料として使用可能な、ＦＦＶ（ＦｌｅｘｉｂｌｅＦｕｅｌＶｅｈｉｃｌｅ：フレキシブル燃料車）用の内燃機関である。このような主燃料を内燃機関に噴射供給する主燃料噴射系は、内燃機関の吸気通路１１へ燃料を噴射供給する主燃料噴射弁１２の他、図示せぬ主燃料配管、主燃料タンク、主燃料ポンプ、及び主デリバリパイプ等を備えており、制御部１３により噴射時期及び噴射量が制御されるものであるが、上記の特開２００７−３０３３８９号公報にも記載されているように公知であるため、詳細な説明は省略する。

ここで、アルコール燃料はガソリン燃料に比して揮発性が低く、低温下にて気化し難いため、主燃料中のアルコール燃料の比率が高い場合などのように、主燃料のアルコール濃度が高いと、機関の低温始動性は悪化する。そこで、このような主燃料供給系とは別に、この主燃料による始動が困難な低温始動時などの所定の機関始動時には、主燃料とは異なる始動用の副燃料、具体的には、規定割合以上のガソリン燃料を含有する始動用の副燃料を噴射孔２４より内燃機関のスロットル１４下流の吸気通路１１へ噴射供給する副燃料供給系２０が設けられている。

この副燃料供給系２０は、副燃料が貯留される副燃料タンク２２と、この副燃料タンク２２と副燃料噴射部２３とを結ぶ副燃料配管２１と、を有している。副燃料噴射部２３には、上記の主燃料噴射弁１２よりも上流側で、かつ吸気通路１１を絞るスロットル１４よりも下流側の吸気通路１１内へ燃料を噴射供給するための複数の噴射孔２４が形成されている。

副燃料配管２１には、副燃料タンク２２に近い上流側より順に、副燃料ポンプ２５と、切換弁２６と、本実施例の要部をなすエアチャンバ３０と、が設けられている。副燃料ポンプ２５は、電動式のものであって、副燃料を噴射供給する所定の低温始動時にのみ駆動されて、副燃料配管２１内の副燃料を所定の圧力（例えば、２〜３気圧（ｂａｒ）程度）に加圧するように、上記の制御部１３により駆動制御される。

切換弁２６は、閉弁時には副燃料配管２１を遮断状態とするとともに、主燃料による始動が困難な低温始動時などの所定の機関始動時には開弁されて、上記副燃料配管２１を連通状態とするもので、その動作は上記の制御部１３により制御される。

そして、本実施例の要部をなすエアチャンバ３０は、切換弁２６と副燃料噴射部２３との間の副燃料配管２１に設けられ、より詳しくは、できるだけ切換弁２６に近接して設置されている。このエアチャンバ３０は、所定容積の空気室３１が内部に形成され、この空気室３１が管状の入口部３２を介して副燃料配管２１と接続されている。ここで、後述するように、空気室３１は、副燃料配管２１内の空気が空気室３１へと導かれるように、副燃料配管２１よりも鉛直上方に配置されている。

図２は、車両前部のエンジンルーム内における副燃料供給系２０の搭載状態を簡略的に示す斜視図である。エンジンルーム内には内燃機関１０を含めた多数の部品（図示省略）が限られたスペース内に収容されているために、副燃料供給系２０を構成する各部品は、それぞれ空きスペースを利用して互いに離間して配置せざるを得ず、各部品が上記の副燃料配管２１によって相互に接続されたものとなっいる。例えば、図２の例では、内燃機関１０は、吸気マニホールド１６等が設けられた吸気側を車両前側とする横置の姿勢で搭載されている。これに対し、副燃料タンク２２はエンジンルーム内における車両後方側に設けられ、副燃料タンク２２の側部に副燃料ポンプ２５が取り付けられている。更に、切換弁２６はエンジンルーム内における車両側方の車体パネル１７に取り付けられている。内燃機関１０にはスロットル１４（図１参照）を収容するスロットルチャンバ１５が取り付けられており、このスロットルチャンバ１５と切換弁２６とを繋ぐ副燃料配管２１の途中に、エアチャンバ３０が介装されている。副燃料配管２１は、各種部品を回避するように適宜に折曲・湾曲しているが、このエアチャンバ３０の部分が最も鉛直上方に位置するように設計されている。

図３〜図５は、エアチャンバ３０の詳細を示している。このエアチャンバ３０は、内部に密閉空間である空気室３１が形成された円筒状の本体３３を主体としており、この本体３３の下部に、副燃料配管２１と接続する２つのコネクタ部３４，３５が一体に形成されている。これらのコネクタ部３４，３５の内部にはそれぞれ空気通路３４Ａ，３５Ａが形成されている。空気室３１の下部は、下端のオリフィス状の入口部３２へ向かうに従って通路断面積が徐々に小さくなる円錐形状をなしている。この空気室３１の入口部３２に、各コネクタ部３４，３５の内部に形成された空気通路３４Ａ，３５Ａが連通している。上流側の第１コネクタ部３４は切換弁２６へと接続しており、下流側の第２コネクタ部３５は燃料噴射部２３へと接続している。

ここで、エアチャンバ３０内の空気室３１と副燃料配管２１とを繋ぐ管状の入口部３２における最小内径Ｌ１（例えば、約２ｍｍ程度）は、噴射孔２４の最小内径Ｌ２（例えば、約０．７ｍｍ程度、図１参照）よりも大きく、かつ、切換弁２６よりも下流側の副燃料配管における最小内径、具体的には、入口部３２に接続するコネクタ部３４，３５の空気通路３４Ａ，３４Ｂにおける内径Ｌ３，Ｌ４よりも小さく設定されている。言い換えると、チャンバ入口部３２における最小通路断面積が、噴射孔２４の最小通路断面積よりも大きく、かつ、切換弁２６よりも下流側の副燃料配管２１の最小通路断面積よりも小さく設定されている。

図６，図７は、副燃料を噴射供給する内燃機関の低温始動の前後における、切換弁２６より下流側の副燃料配管２１内の状態を時系列で示している。図６（Ａ）に示すように、機関始動前の機関停止状態では、切換弁２６を閉弁した遮断状態にあり、切換弁２６よりも下流側の副燃料配管２１は、エアチャンバ３０を含めて、吸気通路１１側より噴射孔２４を通して導入される大気圧の空気（外気）で満たされている。

主燃料による始動が困難な所定の低温始動時には、副燃料ポンプ２５により副燃料配管２１内の副燃料が加圧されるとともに、切換弁２６が開弁された連通状態とされる。これによって、副燃料ポンプ２５により加圧された燃料が、切換弁２６よりも下流側の副燃料配管２１内へ流入していく。

この際、先ず図６（Ｂ）に示すように、内径Ｌ３，Ｌ４（図４、図５参照）の大きい副燃料配管２１に燃料が充填され、次いで、図６（Ｃ）に示すように、噴射孔２４の内径Ｌ２よりも大きい内径Ｌ１の入口部３２を通して、エアチャンバ３０の空気室３１内に燃料が充填されていく。この際、空気室３１は副燃料配管２１よりも鉛直上方に設置されているために、空気室３１内には空気が閉じこめられた状態となっており、この閉じこめられた空気室３１内の空気が圧縮されつつ、その下側より燃料が充填されていくこととなる。更に副燃料配管２１内の副燃料が加圧されていくと、図６（Ｄ）に示すように、最も小さな内径Ｌ２の噴射孔２４より副燃料がスロットル下流の吸気通路１１へ向けて噴射・供給される。

低温始動が完了し、副燃料ポンプ２５を停止するとともに切換弁２６を閉じて副燃料配管２１を閉塞状態とすると、先ず、図７（Ｅ）に示すように、空気室３１内に入り込んだ副燃料が、空気室３１内に閉じ込められた圧縮空気に押し出されるようにして副燃料配管２１内へと流入し、次いで、図７（Ｆ）に示すように、副燃料配管２１内の副燃料が、吸気通路内の負圧（大気圧）に吸引されるとともに、空気室３１内の圧縮された空気に押し出されるようにして噴射孔２４より吸気通路１１内へ噴射供給され、最終的には図７（Ｇ）に示すように、空気室３１内の圧縮された空気により押し出される形で、副燃料配管２１内の全ての副燃料が吸気通路へと噴射供給され、図６（Ａ）に示す始動前の機関停止状態と同様に、副燃料配管２１内が全て空気（外気）により満たされた状態となり、副燃料の残留を抑制・防止することができる。

上記のエアチャンバ３０が設けられていない従来の副燃料供給系においては、低温始動後から数分経っても副燃料配管２１内に副燃料が残留することがあり、始動後の温度上昇により副燃料配管２１内の燃料が沸点を迎えた時点で一気に吸気通路１１へと排出され、思わぬタイミングで始動用の副燃料が吸気通路１１へと一気に流入することで、燃焼が不安定となったり、排気性能や燃費性能を阻害するおそれがある。これに対して本実施例では、上述したように機関始動時にエアチャンバ３０内の空気室３１に一時的に閉じ込められた圧縮空気による押出効果によって副燃料が速やかに吸気通路１１側へと排出される。具体的には、図７（Ｅ）〜（Ｇ）に示すような機関始動後に切換弁２６を閉じてから副燃料配管２１内の副燃料が吸気通路内に噴射供給されるまでの時間は、約１秒程度、長くても数秒程度となり、極めて迅速かつ確実に副燃料配管２１内の全ての副燃料を吸気通路１１へ一気に排出することが可能となる。しかも、上記特開２００７−３０３３８９号公報に記載のもののように、外気導入時間等を考慮して三方弁を制御するなどの必要がなく、つまり副燃料配管２１内に副燃料が残留することを防止するための特別な制御を何ら行う必要がなく、制御不良・異常等の懸念もないので、信頼性・耐久性にも優れている。上記の空気室３１に供給される空気は、エアクリーナを通過した後の吸気通路１１から噴射孔２４を介して導入されるものであるために、塵等が侵入することもない。

上述したように、エアチャンバ３０の空気室３１内に閉じ込められた圧縮空気が膨張することによって、副燃料配管２１内の副燃料を全て排出することができるように、つまり、膨張した空気が切換弁２６下流の副燃料配管２１の内部を満たすことができるように、空気室３１内の容積Ｖ１は、切換弁２６の下流側の副燃料配管２１内の容積Ｖ３や、圧縮前後の空気室３１の圧力Ｐ１，Ｐ３等を勘案して設定される。

具体的には、
・始動前（副燃料ポンプによる加圧前）の副燃料配管２１内の大気圧相当の圧力をＰ１；
・始動時に副燃料ポンプによって加圧された副燃料配管２１内の圧力（圧縮された空気の圧力）をＰ２；
・始動後の副燃料配管２１内の圧力、つまりスロットル下流の吸気通路内の負圧相当の圧力をＰ３；
・エアチャンバ３０の空気室３１の容積をＶ１；
・始動時に空気室３１内で圧縮された空気が占める容積をＶ２；
・切換弁２６よりも下流側の副燃料配管２１内の容積をＶ３；
とすると、始動直後に空気室３１内の圧縮された空気が膨張して、切換弁２６よりも下流側の燃料配管２１内に残存する副燃料と全て置き換わるためには、下式の関係を満たせば良い。

Ｐ１・Ｖ１＝Ｐ２・Ｖ２ ≧ Ｐ３（Ｖ１＋Ｖ３） …（１）
この（１）式より、空気室３１の容積Ｖ１は下式（２）の関係を満たすように設定される。

Ｖ１ ≧ ｛Ｐ３／（Ｐ１−Ｐ３）｝／Ｖ３ …（２）
例えば、始動直後の吸気負圧相当の圧力Ｐ３が大気圧相当の圧力Ｐ１の約１／３の内燃機関においては、上記の（２）式より、空気室３１の容積Ｖ１を、切換弁下流側の副燃料配管２１の容積Ｖ３の約１／２以上に設定することで、空気室３１内の圧縮空気により副燃料配管２１に残る副燃料を全て吸気通路側へ排出させることが可能となる。

以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。例えば、上記実施例ではアルコール燃料とガソリン燃料を併用可能な内燃機関について説明しているが、軽油等の他の燃料を用いるものにも本発明を適用可能である。

１０…内燃機関
１１…吸気通路
１２…主燃料噴射弁（主燃料供給系）
１３…制御部
１４…スロットル
２０…副燃料供給系
２１…副燃料配管
２２…副燃料タンク
２３…副燃料噴射部
２４…噴射孔
２５…副燃料ポンプ
２６…切換弁
３０…エアチャンバ
３１…空気室
３２…入口部

Claims

主燃料を内燃機関に噴射供給する主燃料供給系とは別に、所定の機関始動時に、主燃料とは異なる始動用の副燃料を噴射孔より内燃機関へ噴射供給する副燃料供給系を備える内燃機関の燃料供給装置において、
上記副燃料が貯留される副燃料タンクと上記噴射孔とを結ぶ副燃料配管と、
この副燃料配管内の副燃料を加圧する副燃料ポンプと、
この副燃料ポンプよりも下流側の副燃料配管に設けられ、上記副燃料配管を遮断する遮断状態と、上記所定の機関始動時には上記副燃料配管を連通させる連通状態とを切換可能な切換弁と、
この切換弁よりも下流側の副燃料配管に設けられ、所定容積の空気室を有するエアチャンバと、
を有することを特徴とする内燃機関の燃料供給装置。
上記所定の機関始動前における副燃料配管内の圧力をＰ１、
上記所定の機関始動後における副燃料配管内の圧力をＰ３、
上記エアチャンバの空気室の容積をＶ１、
上記切換弁よりも下流側の副燃料配管内の容積をＶ３とすると、
Ｖ１ ≧ ｛Ｐ３／（Ｐ１−Ｐ３）｝／Ｖ３
となるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料供給装置。
上記エアチャンバは、内部の空気室が副燃料配管よりも鉛直上方に位置するように設置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の燃料供給装置。
上記チャンバ内の空気室と上記副燃料配管とを繋ぐ管状の入口部における最小通路断面積が、上記噴射孔の最小通路断面積よりも大きく、かつ、上記切換弁よりも下流側の副燃料配管の最小通路断面積よりも小さく設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の燃料供給装置。