JP2017002794A

JP2017002794A - 燃料噴射装置

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Publication number: JP2017002794A
Application number: JP2015116935A
Authority: JP
Inventors: 加藤　正明; Masaaki Kato; 正明加藤; 卓政横田; Takamasa Yokota
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2015-06-09
Filing date: 2015-06-09
Publication date: 2017-01-05
Anticipated expiration: 2035-06-09
Also published as: WO2016199354A1; US10428777B2; US20180355827A1; JP6398881B2

Abstract

【課題】内燃機関の運転状態に適した燃料の噴射を行うことが可能な燃料噴射装置の提供。
【解決手段】燃料噴射装置１００は、内燃機関１１０の燃焼室１１５に、例えばジメチルエーテル等の液化ガス燃料を噴射する。燃料噴射装置１００は、インジェクタ４０及び制御ユニット５０を備えている。インジェクタ４０は、噴孔４４及び液化ガス燃料を噴孔４４へ流通させる高圧燃料流路４５を形成するノズルボディ４１を有している。制御ユニット５０は、内燃機関１１０の運転状態に応じて、燃料流路を流れる液化ガス燃料の温度及び圧力をそれぞれ調整する温度調整部５２及び圧力調整部５１を、機能ブロックとして構築可能である。
【選択図】図２

Description

本発明は、噴孔から燃料を噴射する燃料噴射装置に関する。

従来から、内燃機関の運転状態に基づいて、燃料の噴射率を切り替え可能な燃料噴射装置が知られている。例えば特許文献１には、燃料を噴射する噴射口の数が少ない作動状態と、燃料を噴射する噴射口の数が多い作動状態とを、内燃機関の運転状態に応じて切り替える燃料噴射弁が開示されている。

特開２００２‐３２２９７１号公報

さて、特許文献１に開示の構成は、内燃機関の運転状態に応じて、二つの作動状態を単に切り替えることしかできない。故に、燃料噴射装置から噴射される噴霧の態様は、実際には、内燃機関の運転状態に適した態様になり難かった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の運転状態に適した燃料の噴射を行うことが可能な燃料噴射装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、開示された一つの発明は、内燃機関の燃焼室に供給される液化ガス燃料を噴孔から噴射する燃料噴射装置であって、液化ガス燃料を噴孔へ流通させる燃料流路を形成する流路形成部材と、内燃機関の運転状態に応じて、燃料流路を流れる液化ガス燃料の温度を調整する温度調整部と、内燃機関の運転状態に応じて、燃料流路を流れる液化ガス燃料の圧力を調整する圧力調整部と、を備えている。

本発明の発明者は、気体を液化している液化ガス燃料について、圧力及び温度を調整することにより、大きな密度の変化を生じさせられることが可能であることに着目した。温度調整部及び圧力調整部により、燃料流路にて圧力を上げつつ温度を下げることによれば、液化ガス燃料の密度は高くなる。その結果、噴孔から噴射される燃料の質量噴射率（以後噴射率）が高くなり、且つ、噴霧は強い貫通力を得ることができる。

一方で、燃料流路にて圧力を下げつつ温度を上げることによれば、液化ガス燃料の密度は低くなる。その結果、噴孔から噴射される燃料の噴射率が低くなり、且つ、噴霧の貫通力は低く維持され得る。以上のように、液化ガス燃料を噴射する燃料噴射装置は、燃料流路の液化ガス燃料の温度及び圧力を、温度調整部及び圧力調整部を用いて内燃機関の運転状態に合うよう調整することで、運転状態に適した噴霧の噴射を行うことが可能になる。

尚、上記括弧内の参照番号は、本発明の理解を容易にすべく、後述する実施形態における具体的な構成との対応関係の一例を示すものにすぎず、本発明の範囲を何ら制限するものではない。

本発明の第一実施形態による燃料噴射装置、並びに内燃機関及び燃料供給システムの全体構成を示す図である。インジェクタ周辺の構造を示す断面図である。内燃機関の運転状態と、要求される噴射率及び噴霧到達距離との相関を示す図である。ＤＭＥ燃料の温度調整処理に係るメインルーチンを示すフローチャートである。温度調整処理のサブルーチンを図６と共に示すフローチャートである。温度調整処理のサブルーチンを図５と共に示すフローチャートである。第二実施形態におけるインジェクタ周辺の構造を示す断面図である。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、各実施形態において対応する構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する場合がある。各実施形態において構成の一部分のみを説明している場合、当該構成の他の部分については、先行して説明した他の実施形態の構成を適用することができる。また、各実施形態の説明において明示している構成の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても複数の実施形態の構成同士を部分的に組み合わせることができる。そして、複数の実施形態及び変形例に記述された構成同士の明示されていない組み合わせも、以下の説明によって開示されているものとする。

（第一実施形態）
図１及び図２に示す本発明の第一実施形態による燃料噴射装置１００は、燃料タンク１９０、内燃機関１１０、及び燃料供給システム１８０と共に車両に搭載されている。燃料噴射装置１００は、複数のインジェクタ４０及び制御ユニット５０等によって構成されている。燃料噴射装置１００は、液化ガス燃料の一種であるジメチルエーテル（Dimethyl Ether，ＤＭＥ）を、インジェクタ４０の噴孔４４から燃焼室１１５に噴射することで、燃焼に必要なＤＭＥ燃料を各気筒に供給する。

インジェクタ４０は、内燃機関１１０のシリンダヘッド１１１に形成された貫通孔に挿入されることにより、燃焼室１１５に噴孔４４を露出させている。インジェクタ４０は、噴孔４４からのＤＭＥ燃料の噴射を制御する弁機構を備えている。弁機構は、制御ユニット５０からの制御信号に基づいて作動する圧力制御弁４３と、噴孔４４を開閉する主弁部４０ａとを含んでいる。インジェクタ４０は、噴孔４４を開閉するために、燃料供給システム１８０から供給されるＤＭＥ燃料の一部を使用する。インジェクタ４０は、ノズルボディ４１、ノズルニードル４２、及び圧力制御弁４３等によって構成されている。

ノズルボディ４１は、クロムモリブデン鋼等の金属材料より、有底の円筒状に形成されている。ノズルボディ４１には、噴孔４４、高圧燃料流路４５、圧力制御室４６、及び戻り燃料流路４７が形成されている。噴孔４４は、ノズルボディ４１の先端に複数形成されている。個々の噴孔４４は、ラバール（Laval）形状に形成されている。高圧燃料流路４５は、燃焼室１１５に供給されるＤＭＥ燃料を噴孔４４へ流通させる燃料流路である。圧力制御室４６は、高圧のＤＭＥ燃料の流入及び流出により、圧力を変動させる。インジェクタ４０は、圧力制御室４６の燃料圧力を用いて、ノズルニードル４２の移動を制御する。戻り燃料流路４７は、圧力制御室４６から排出されたＤＭＥ燃料、並びにノズルニードル４２及び圧力制御弁４３の潤滑や冷却に用いられたＤＭＥ燃料を、インジェクタ４０の外部へ流通させる燃料通路である。

ノズルニードル４２は、高速度工具鋼等の金属材料によって全体として円柱状に形成されている。ノズルニードル４２は、ノズルボディ４１の内部において、高圧燃料流路４５に収容されており、ノズルボディ４１の軸方向に沿って往復移動する。ノズルニードル４２の先端面は、噴孔４４を開閉する主弁部４０ａをノズルボディ４１の底壁面と共に形成している。ノズルニードル４２は、圧力制御室４６の燃料圧力の変動により、先端面をノズルボディ４１の底壁面に離着座させる。

圧力制御弁４３は、制御ユニット５０からの制御信号に基づいて開閉する電磁弁である。圧力制御弁４３は、圧力制御室４６の燃料圧力を制御する。圧力制御弁４３が開状態になると、圧力制御室４６の圧力低下に伴うノズルニードル４２の開弁変位により、噴孔４４が開状態となる。一方で、圧力制御弁４３が閉状態となると、圧力制御室４６の圧力上昇にともなうノズルニードル４２の閉弁変位により、噴孔４４が閉状態となる。

制御ユニット５０は、演算回路としてのプロセッサ５８、ＲＡＭ、及びフラッシュメモリ５９等を有するマイクロコンピュータと、インジェクタ４０の駆動回路等とを含む構成である。フラッシュメモリ５９には、内燃機関１１０等を制御するためのプログラム及び制御マップが格納されている。尚、マイクロコンピュータは、フラッシュメモリ５９以外の非遷移的実体的記憶媒体を有することが可能である。

制御ユニット５０は、内燃機関１１０の回転速度を検出する回転速度センサ、及び運転者によるアクセルペダルの操作量を検出するアクセルポジションセンサ等、種々のセンサと電気的に接続されている。制御ユニット５０は、インジェクタ４０の圧力制御弁４３、及び後述するサプライポンプ２０の電磁弁２２等、種々のアクチュエータと電気的に接続されている。制御ユニット５０は、各センサから取得した情報に基づいて、内燃機関１１０の運転状態、及び運転者の操作等に基づく内燃機関１１０の運転目標を把握する。制御ユニット５０は、内燃機関１１０の運転状態を運転目標に移行させるための制御信号を生成し、各インジェクタ４０の圧力制御弁４３及び電磁弁２２等のアクチュエータへ向けて出力する。

燃料タンク１９０は、ＤＭＥを貯留している。燃料タンク１９０内のＤＭＥ燃料は、燃料蒸気圧に応じた圧力で加圧されることにより、液化されている。燃料タンク１９０には、安全弁が設けられている。安全弁は、燃料タンク１９０内の圧力が所定の上限圧力を超えた場合に開弁する。

内燃機関１１０は、車両のエンジンルーム内に格納されている。内燃機関１１０は、具体的にはディーゼル機関である。内燃機関１１０は、各気筒に配置されたインジェクタ４０から噴射されるＤＭＥ燃料を各気筒内にて圧縮する。内燃機関１１０は、各燃焼室１１５において圧縮により燃焼するＤＭＥ燃料の熱エネルギを、動力に変換する。

燃料供給システム１８０は、燃料ライン８０、コモンレール３０、フィードポンプ１０、及びサプライポンプ２０等によって構成されている。燃料ライン８０は、燃料タンク１９０とインジェクタ４０との間において、ＤＭＥ燃料を流通させる燃料の流路を形成している。燃料ライン８０は、低圧配管８１、高圧配管８３、分配配管８４、ポンプリターン配管８５、レールリターン配管８７、及びインジェクタリターン配管８８等によって構成されている。これらの配管は、ポリエステル又はアラミド等により補強されたゴム製のホース材、及び湾曲させた金属製の管状部材等によって形成されている。

低圧配管８１は、フィードポンプ１０とサプライポンプ２０とを繋いでいる。低圧配管８１は、燃料タンク１９０に貯留されたＤＭＥ燃料をフィードポンプ１０からサプライポンプ２０に流通させる低圧燃料流路を形成している。低圧配管８１には、燃料フィルタ８１ａが設けられている。燃料フィルタ８１ａは、低圧燃料流路を流れるＤＭＥ燃料から異物を取り除くことができる。

高圧配管８３は、サプライポンプ２０とコモンレール３０とを繋いでいる。高圧配管８３は、サプライポンプ２０によって吐出された高圧のＤＭＥ燃料をコモンレール３０に流通させる高圧燃料流路を形成している。分配配管８４は、コモンレール３０と各インジェクタ４０とを繋いでいる。分配配管８４は、コモンレール３０に蓄えられた高圧のＤＭＥ燃料を各インジェクタ４０に流通させる分配流路を形成している。

ポンプリターン配管８５は、サプライポンプ２０の後述する余剰燃料等を排出するリーク燃料排出部２１と燃料タンク１９０とを繋いでいる。ポンプリターン配管８５は、リーク燃料排出部２１から排出されるリーク燃料等を、燃料タンク１９０へ向けて流通させるリターン流路を形成している。ポンプリターン配管８５には、燃料圧力が所定の閾値圧力（例えば３ＭＰａ程度）を超えた場合に開弁するオーバーフロー弁８５ａ等が設けられている。

レールリターン配管８７は、コモンレール３０とポンプリターン配管８５とを繋いでいる。レールリターン配管８７は、後述する調圧弁３１の開弁によってコモンレール３０から排出される余剰燃料を、リターン流路へ合流させる流路を形成している。インジェクタリターン配管８８は、シリンダヘッド１１１に設けられたヘッドギャラリ１１２とポンプリターン配管８５とを繋いでいる。インジェクタリターン配管８８は、ヘッドギャラリ１１２に排出されたＤＭＥ燃料を、リターン流路へ合流させる流路を形成している。

コモンレール３０は、鉄鋼材等の金属材料によって形成された管状の部材である。コモンレール３０は、燃料供給システム１８０によって供給されたＤＭＥ燃料を、圧力を維持させたまま蓄積する。コモンレール３０は、各インジェクタ４０にＤＭＥ燃料を供給する。コモンレール３０には、それぞれ制御ユニット５０と電気的に接続されたレール圧力センサ３２及び調圧弁３１が設けられている。レール圧力センサ３２は、コモンレール３０内のレール圧力に応じた出力を制御ユニット５０へ向けて出力する。調圧弁３１は、レール圧力センサ３２によって計測されたレール圧力が所定の上限圧力を超えた場合に開弁するよう、制御ユニット５０によって制御される。

フィードポンプ１０は、燃料タンク１９０の内部に配置された電動ポンプである。フィードポンプ１０は、電動モータの動力を用いて、燃料タンク１９０に貯留されたＤＭＥ燃料を吸い込む。フィードポンプ１０は、ＤＭＥ燃料にフィード圧力（例えば３ＭＰａ程度）を加えて昇圧させ、低圧燃料流路を通じてサプライポンプ２０へ向けて圧送する。

サプライポンプ２０は、例えばプランジャポンプ等であり、内燃機関１１０によって駆動される。サプライポンプ２０は、フィードポンプ１０から吐出されたＤＭＥ燃料を加圧室に吸入させる。サプライポンプ２０は、内燃機関１１０の動力を用いて往復変位させるプランジャにより、加圧室のＤＭＥ燃料を加圧する。昇圧されたＤＭＥ燃料は、サプライポンプ２０からコモンレール３０へ向けて圧送される。サプライポンプ２０には、電磁弁２２及びリーク燃料排出部２１が設けられている。電磁弁２２は、加圧室に供給されるＤＭＥ燃料の供給量を制御する。リーク燃料排出部２１は、サプライポンプ２０にて生じるリーク燃料をポンプリターン配管８５に排出する。

図３に示すように、燃料噴射装置１００に要求される噴射率（質量噴射率）の要求値は、内燃機関１１０の回転速度が速くなるほど、及び内燃機関１１０の負荷が高くなるほど、大きくなる。同様に、噴霧到達距離の要求値は、内燃機関１１０の回転速度が速くなるほど、及び内燃機関１１０の負荷が高くなるほど、長くなる。図１及び図２に示す燃料噴射装置１００は、可変形状の噴孔を用いること無く、内燃機関１１０の運転状態に合わせて、所定形状の噴孔４４から噴射する噴霧につき、噴射率及び噴霧到達距離を変化させることが可能である。

燃料噴射装置１００は、ＤＭＥ燃料を液相域及び超臨界域とする温度（例えば、雰囲気温度〜２００℃）及び圧力（例えば、２０〜１００ＭＰａ）において、ＤＭＥ燃料の密度及び音速が大きく変化することを利用している。例えば、ＤＭＥ燃料の温度を下げつつ圧力を高めることによれば、ＤＭＥ燃料は、高音速及び高密度となる。その結果、高い噴射率と強い貫通力を持った噴霧の噴射が実現される。反対に、ＤＭＥ燃料の温度を上げつつ圧力を下げることによれば、ＤＭＥ燃料は、低音速及び低密度となる。その結果、低噴射率と弱い貫通力とされた噴霧の噴射が実現される。こうした噴霧の形態変化を実現するための各構成の詳細を、以下、順に説明する。

インジェクタ４０は、高圧燃料流路４５を流通するＤＭＥ燃料の温度を調整するために、内燃機関１１０の熱を積極的に授受可能な構成とされている。インジェクタ４０には、燃料温度センサ４８及び燃料ギャラリ４９が設けられている。加えてインジェクタ４０の周囲には、銅チューブ６７が設けられている。

燃料温度センサ４８は、例えば熱電対及びサーミスタ等である。燃料温度センサ４８は、制御ユニット５０と電気的に接続されている。燃料温度センサ４８は、ノズルボディ４１の外周面のうちで、燃料ギャラリ４９の外周側に配置されている。燃料温度センサ４８は、燃料ギャラリ４９の燃料温度に応じた出力を制御ユニット５０へ向けて出力する。

燃料ギャラリ４９は、ノズルボディ４１の先端部分に円環状に形成されている。燃料ギャラリ４９は、高圧燃料流路４５の外周側を全周に亘って囲んでいる。燃料ギャラリ４９は、戻り燃料流路４７と複数箇所にて接続されており、高圧燃料流路４５の周囲にＤＭＥ燃料を流通させる燃料流路を形成している。燃料ギャラリ４９には、高圧燃料流路４５のＤＭＥ燃料よりも、圧力及び温度の低いＤＭＥ燃料（リターン燃料）が流入する。燃料ギャラリ４９に貯められたＤＭＥ燃料の温度は、例えば４０〜１２０℃の範囲で調整され得る。燃料ギャラリ４９のＤＭＥ燃料は、戻り燃料流路４７のＤＭＥ燃料と共に、ヘッドギャラリ１１２を経由して、インジェクタリターン配管８８に排出される。インジェクタリターン配管８８には、ギャラリ制御弁８８ａが設けられている。

ギャラリ制御弁８８ａは、燃料ギャラリ４９、戻り燃料流路４７、及びヘッドギャラリ１１２におけるＤＭＥ燃料の圧力及び温度を調整する機能を有している。ギャラリ制御弁８８ａは、ヘッドギャラリ１１２とリターン流路とを連通状態及び遮断状態の間で切り替える。ギャラリ制御弁８８ａは、各燃料ギャラリ４９からヘッドギャラリ１１２に移動したＤＭＥ燃料のインジェクタリターン配管８８への流出量を調整する。

ギャラリ制御弁８８ａは、並列に設けられた電磁弁部８８ｂ及び安全弁部８８ｃを有している。電磁弁部８８ｂは、制御ユニット５０と電気的に接続されている。電磁弁部８８ｂは、制御ユニット５０からの制御信号に基づいて開閉弁する。電磁弁部８８ｂは、例えばデューティ制御型のバルブであり、制御信号のオンデューティ比によって開弁率を制御される。安全弁部８８ｃは、ヘッドギャラリ１１２内の燃料圧力が所定の閾値圧力を超えた場合に開弁する。

銅チューブ６７は、ノズルボディ４１及びシリンダヘッド１１１よりも熱伝導率の高い銅製の管状部材によって形成されている。銅チューブ６７は、ノズルボディ４１の外周壁とシリンダヘッド１１１に設けられた貫通孔の内周壁との間に配置されている。銅チューブ６７は、燃料ギャラリ４９の外周側を囲んでいる。銅チューブ６７は、軸方向の一方の端部を燃焼室１１５に露出させている。以上の構成により、ノズルボディ４１のうちで燃焼室１１５に露出した受熱面４１ａと銅チューブ６７の端部とに入射した燃焼熱は、燃料ギャラリ４９のＤＭＥ燃料に効率的に伝達される。

シリンダヘッド１１１には、ウォータギャラリ１１３、オイルギャラリ１１４、冷却水制御弁６８、及びオイル制御弁６９がさらに設けられている。ウォータギャラリ１１３及びオイルギャラリ１１４は、高圧燃料流路４５の周囲に、当該高圧燃料流路４５を囲むようにして形成されている。

ウォータギャラリ１１３には、内燃機関１１０を冷却する冷却水が流通している。ウォータギャラリ１１３を流れる冷却水の水温は、例えば８０℃程度である。ウォータギャラリ１１３は、ノズルボディ４１の軸方向において、オイルギャラリ１１４と並んで区画されている。ウォータギャラリ１１３は、オイルギャラリ１１４よりも燃焼室１１５から離れた位置に形成されている。

オイルギャラリ１１４には、内燃機関１１０の冷却及び潤滑を行う潤滑油が流通している。インジェクタ４０の軸方向において、オイルギャラリ１１４の長さは、ウォータギャラリ１１３の長さよりも大きくされている。オイルギャラリ１１４を流れる潤滑油の油温は、例えば８０〜１２０℃程度である。

冷却水制御弁６８は、ウォータギャラリ１１３を流れる冷却水の流通量を制御する。オイル制御弁６９は、オイルギャラリ１１４を流れる潤滑油の流通量を制御する。冷却水制御弁６８及びオイル制御弁６９は、並列に設けられた電磁弁部及び安全弁部を有している。各電磁弁部は、制御ユニット５０と電気的に接続されている。各電磁弁部は、制御ユニット５０からの制御信号に基づいて開閉弁する。各安全弁部は、ウォータギャラリ１１３及又はオイルギャラリ１１４内の圧力が所定の閾値圧力を超えた場合に開弁する。尚、冷却水制御弁６８及びオイル制御弁６９としては、ギャラリ制御弁８８ａのようなデューティ制御型のバルブ、比例制御型のリニアソレノイド、一方向絞り弁等といった構成が、適宜採用可能である。

次に、上記の各構成を制御する制御ユニット５０の詳細を説明する。制御ユニット５０は、フラッシュメモリ５９に記憶されたプログラムをプロセッサ５８によって実行することにより、圧力調整部５１及び温度調整部５２を機能ブロックとして構築可能である。

圧力調整部５１は、内燃機関１１０の運転状態に応じて、コモンレール３０のレール圧力を制御することで、高圧燃料流路４５を流れるＤＭＥ燃料の圧力を調整する機能を有している。圧力調整部５１は、内燃機関１１０の負荷が高くなるほどＤＭＥ燃料の圧力を高く調整し、内燃機関１１０の負荷が低くなるほどＤＭＥ燃料の圧力を低く調整する。圧力調整部５１は、コモンレール３０におけるレール圧力を制御するために、サプライポンプ２０からコモンレール３０に吐出されるＤＭＥ燃料の吐出量を増減させる。

具体的に、圧力調整部５１は、内燃機関１１０の運転状態に応じて、レール圧力の制御目標値を算出する。圧力調整部５１は、レール圧力センサ３２から、レール圧力の現在値を取得する。圧力調整部５１は、レール圧力における制御目標値と現在値の差分を算出する。この差分が大きくなるに従い、圧力調整部５１は、サプライポンプ２０の電磁弁２２の開弁時間を長くすることにより、サプライポンプ２０の吐出量を増加させる。

温度調整部５２は、内燃機関１１０の運転状態に応じて、燃料ギャラリ４９、ウォータギャラリ１１３、及びオイルギャラリ１１４における流体の温度を制御することで、高圧燃料流路４５を流れるＤＭＥ燃料の温度を調整する機能を有している。温度調整部５２は、内燃機関１１０の負荷が高くなるほどＤＭＥ燃料の温度を低く調整し、内燃機関１１０の負荷が低くなるほどＤＭＥ燃料の温度を高く調整する。温度調整部５２は、主にＤＭＥ燃料（リターン燃料）の蒸発熱と、ＤＭＥ燃料、冷却水、及び潤滑油に伝達された燃焼熱とを利用することで、高圧燃料流路４５における燃料温度を制御する。こうした制御のために、温度調整部５２は、各ギャラリ４９，１１３，１１４における流体の流量を増減させる。

具体的に、温度調整部５２は、ギャラリ制御弁８８ａの開弁率を調整することで、燃料ギャラリ４９による昇温及び冷却の機能を制御する。ギャラリ制御弁８８ａが開弁状態にある場合、各燃料ギャラリ４９には、ＤＭＥ燃料の流動が生じる。ここで、ジメチルエーテルは、臨界点（５．３ＭＰａ，１２７℃）が他の燃料と比較して低圧且つ低温であり、容易に臨界点以上となり得る。そのため、ギャラリ制御弁８８ａが開弁すると、各燃料ギャラリ４９のＤＭＥ燃料の温度は、蒸発に伴う気化潜熱によって低下し、高圧燃料流路４５のＤＭＥ燃料よりも低くなる。その結果、燃料ギャラリ４９は、高圧燃料流路４５の周囲にて低温のＤＭＥ燃料を流通させる冷却流路６２となり、高圧燃料流路４５のＤＭＥ燃料の温度を下げる冷却器６１として機能する。

一方、ギャラリ制御弁８８ａが開弁状態にある場合、各燃料ギャラリ４９には、ＤＭＥ燃料が液相を維持した状態で貯留される。貯留されたＤＭＥ燃料は、銅チューブ６７によって伝えられる燃焼熱等により昇温され、高圧燃料流路４５のＤＭＥ燃料よりも高くなる。その結果、燃料ギャラリ４９は、貯留するＤＭＥ燃料の保有熱（熱量）により、高圧燃料流路４５のＤＭＥ燃料を昇温させる昇温燃料室６４となり、銅チューブ６７と共に高圧燃料流路４５のＤＭＥ燃料の温度を上げる昇温器６３として機能する。燃料ギャラリ４９の温度は、例えば４０〜１２０℃程度の範囲にて調整可能とされる。

加えて、温度調整部５２は、冷却水制御弁６８及びオイル制御弁６９の各開弁率を調整することで、各ギャラリ１１３，１１４による昇温及び冷却の機能を制御する。冷却水制御弁６８の制御によってウォータギャラリ１１３を流れる冷却水の流量が低減されると、冷却水の水温は、内燃機関１１０の燃焼熱等を受けて、高圧燃料流路４５のＤＭＥ燃料の温度よりも高くなる。同様に、オイル制御弁６９の制御によってオイルギャラリ１１４を流れる潤滑油の流量が低減されると、潤滑油の油温は、高圧燃料流路４５のＤＭＥ燃料の温度よりも高くなる。以上の結果、ウォータギャラリ１１３及びオイルギャラリ１１４は、溜められた冷却水及び潤滑油と高圧燃料流路４５のＤＭＥ燃料との熱交換により、ＤＭＥ燃料を昇温する昇温器６３として機能する。

さらに、高圧燃料流路４５のＤＭＥ燃料の温度が冷却水の水温及び潤滑油の油温よりも高い場合、冷却水及び潤滑油の流通量を増加させることにより、高圧燃料流路４５を流れるＤＭＥ燃料の冷却が可能となる。以上のように、ウォータギャラリ１１３及びオイルギャラリ１１４は、冷却水及び潤滑油の流通により、高圧燃料流路４５を流れるＤＭＥ燃料を冷却する冷却器６１としても機能する。

以上の各ギャラリ４９，１１３，１１４を用いて実現される温度調整処理の詳細を、図４〜図６に基づき、図１及び図２を参照しつつ説明する。この温度調整処理では、内燃機関１１０の負荷が高くなるほどＤＭＥ燃料の温度は低く調整され、内燃機関１１０の負荷が低くなるほどＤＭＥ燃料の温度は高く調整される。図４のフローチャートに示される処理は、例えば車両のイグニッションがオン状態とされたことに基づき、制御ユニット５０によって開始される。制御ユニット５０は、車両のイグニッションがオフ状態とされるまで、図４に示す処理を繰り返す。

Ｓ１０では、運転者の操作情報等から、フラッシュメモリ５９に予め格納された機関制御マップに基づき、内燃機関１１０の運転目標を取り込み、Ｓ２０に進む。Ｓ２０では、内燃機関１１０に設けられた複数のセンサから、内燃機関１１０の最新の運転状態を取り込み、Ｓ３０に進む。

Ｓ３０では、Ｓ１０にて取り込んだ運転目標と、Ｓ２０にて取り込んだ運転状態とに基づいて、燃料ギャラリ４９における燃料温度の制御目標値Ｔｆｔを算出し、Ｓ４０に進む。制御目標値Ｔｆｔは、運転目標とされる内燃機関１１０の負荷及び回転速度が大きくなるほど、低い値に設定される。

Ｓ４０では、燃料ギャラリ４９のＤＭＥ燃料の温度を、Ｓ３０にて算出した制御目標値にするめの制御信号をギャラリ制御弁８８ａへ向けて出力し、メインルーチンを終了する。Ｓ４０にて出力される制御信号に基づいてデューティ制御されるギャラリ制御弁８８ａは、燃料ギャラリ４９内の燃料圧力を変化させ、燃料ギャラリ４９内におけるＤＭＥ燃料の蒸発量を増減させて、燃料ギャラリ４９に最適な冷却能力を発揮させる。尚、後述するサブルーチンにより設定されるデューティ比の値が０以下である場合には、ギャラリ制御弁８８ａは、閉弁状態を維持する。

次に、Ｓ４０にて出力が開始される制御信号のオンデューティ比（Ｖｇｄｕｔｙ）を設定するサブルーチンを、図５及び図６に基づいて説明する。このサブルーチンは、メインルーチンと同様に車両のイグニッションがオン状態である場合に繰り返し開始される。

Ｓ１０１では、メインルーチンのＳ３０にて算出した制御目標値Ｔｆｔを読み込み、Ｓ１０２に進む。Ｓ１０２では、燃料温度センサ４８の出力信号に基づき、高圧燃料流路４５を流れるＤＭＥ燃料の燃料温度Ｔｆを読み込み、Ｓ１０３に進む。Ｓ１０３では、冷却水の水温Ｔｗ及び潤滑油の油温Ｔｏを読み込み、Ｓ１０４に進む。

Ｓ１０４では、Ｓ１０２にて読み込んだ燃料温度Ｔｆが２００℃未満か否かを判定する。Ｓ１０４にて、燃料温度Ｔｆが２００℃以上であると判定した場合には、上昇し過ぎた燃料温度Ｔｆを下げるためにＳ１０９に進む。一方、Ｓ１０４にて、燃料温度Ｔｆが２００℃未満であると判定した場合には、Ｓ１０５に進む。尚、上述の燃料温度Ｔｆの上限値は、例えばノズルボディ４１及びノズルニードル４２等の熱処理（焼き鈍し）温度を超えないような温度に設定されている。

Ｓ１０５では、Ｓ１０１にて読み込んだ制御目標値Ｔｆｔと、Ｓ１０２にて読み込んだ燃料温度Ｔｆとの温度差Δｔを算出する。そして、算出した温度差Δｔから、ギャラリ制御弁８８ａへ出力する制御信号のデューティ比を取得する。具体的に、Ｓ１０５では、フラッシュメモリ５９に格納されたバルブ制御マップから、温度差Δｔに対応する制御信号のデューティ比を読み取り、Ｓ１０６に進む。

Ｓ１０５にて用いられるバルブ制御マップには、燃料温度Ｔｆが２００℃未満である範囲について、各燃料温度Ｔｆにおける温度差Δｔとデューティ比との相関が設定されている。制御目標値Ｔｆｔ及び燃料温度Ｔｆが低いほど、デューティ比は大きな値とされる。デューティ比は、１００以下の範囲で設定される。制御マップにおけるデューティ比が０以下の領域は、燃料温度の下がり過ぎを示しており、後述するような冷却水及び潤滑油を用いた加熱が実施される。

Ｓ１０６では、Ｓ１０５にて読み取られたデューティ比の値が、０を超えており、且つ、１００未満であるか否かを判定する。Ｓ１０６にて、デューティ比が０を超えており且つ１００未満であると判定した場合、Ｓ１１０に進む。一方、Ｓ１０６にて、ディーティ比が０以下及び１００であると判定した場合には、Ｓ１０７に進む。

Ｓ１０７では、ディーティ比が０以下であるか否かを判定する。Ｓ１０７にて、ディーティ比が０以下であると判定した場合、Ｓ１０８に進む。Ｓ１０８では、燃料ギャラリ４９におけるＤＭＥ燃料の温度の下がり過ぎを是正するため、冷却水制御弁６８及びオイル制御弁６９を閉弁、又は開弁率を下げる制御信号を出力し、Ｓ１０１へ戻る。Ｓ１０８によれば、ウォータギャラリ１１３の及びオイルギャラリ１１４は、昇温器６３としての機能を発揮する。

一方、Ｓ１０７にて、ディーティ比が１００であると判定した場合、Ｓ１０９に進む。Ｓ１０９では、燃料ギャラリ４９におけるＤＭＥ燃料の温度の上がり過ぎを是正するため、冷却水制御弁６８及びオイル制御弁６９を開弁、又は開弁率を上げる制御信号を出力し、Ｓ１０１へ戻る。Ｓ１０９によれば、ウォータギャラリ１１３の及びオイルギャラリ１１４は、冷却器６１としての機能を発揮する。尚、Ｓ１０８及びＳ１０９では、Ｓ１０３にて読み込まれた冷却水の水温Ｔｗ及び潤滑油の油温Ｔｏに応じて、冷却水制御弁６８及びオイル制御弁６９の開弁率が補正可能である。

Ｓ１０６の肯定判定に基づくＳ１１０では、制御目標値Ｔｆｔと燃料温度Ｔｆとの温度差Δｔの絶対値が所定の閾値（例えば２℃）未満であるか否かを判定する。Ｓ１１０にて、温度差Δｔの絶対値が閾値以上であると判定した場合には、Ｓ１０１に戻り、制御目標値Ｔｆｔへの燃料温度Ｔｆの調整を継続する。一方、温度差Δｔの絶対値が閾値未満であると判定した場合、燃料温度Ｔｆが制御目標値Ｔｆｔに実質的に一致したとみなし、一連のサブルーチンを終了する。

ここまで説明した第一実施形態による燃料噴射装置１００は、ＤＭＥ燃料の物性が温度及び圧力によって大きく変化することを利用している。即ち、高圧燃料流路４５にてＤＭＥ燃料の圧力を上げつつ温度を下げることによれば、ＤＭＥ燃料の密度は高くなる。その結果、噴孔４４から噴射されるＤＭＥ燃料の噴射率が高くなり、且つ、噴孔４４から噴射される噴霧は、強い貫通力を得る。

一方で、高圧燃料流路４５にてＤＭＥ燃料の圧力を下げつつ温度を上げることによれば、ＤＭＥ燃料の密度は低くなる。その結果、噴孔４４から噴射されるＤＭＥ燃料の噴射率が低くなり、且つ、噴孔４４から噴射される噴霧の貫通力は低く維持され得る。以上のように、ＤＭＥ燃料を噴射する燃料噴射装置１００は、高圧燃料流路４５のＤＭＥ燃料の温度及び圧力を温度調整部５２及び圧力調整部５１を用いて、内燃機関１１０の運転状態に合うように調整することで、運転状態に適した噴霧の噴射を行うことができる。

加えて第一実施形態の燃料噴射装置１００は、内燃機関１１０が高速高負荷な状態ほど、ＤＭＥ燃料を高圧及び低温に制御し、霧化し易い状態で多量のＤＭＥ燃料を短時間に噴射して強く空気と混合させる。その結果、燃焼期間の短縮により、高出力が実現される。一方、内燃機関１１０が低速低負荷ほど、燃料噴射装置１００は、ＤＭＥ燃料を低圧及び高温に制御し、低噴射率及び弱貫通力噴霧によって燃焼室１１５の壁面への噴霧及び燃焼火炎の接触を低減する。ＤＭＥ燃料は、気化容易な燃料であるため、低圧での噴射でも液体燃料のような噴霧の液滴径の粗大化を生じさせ難い。故に、冷却損失を抑えつつ混合を促進できるようになり、高い熱効率が実現される。以上のように、燃料噴射装置１００は、高速高負荷時及び低速低負荷時のそれぞれに適した噴射及び噴霧を提供できる。

また第一実施形態のように、ＤＭＥ燃料の温度を冷却器６１によって下げることができれば、高圧燃料流路４５の燃料温度の調整幅は、広く確保され得る。同様に、ＤＭＥ燃料の温度を昇温器６３によって上げることができれば、高圧燃料流路４５の燃料温度の調整幅は、広く確保され得る。以上によれば、燃料噴射装置１００は、内燃機関１１０の運転状態に応じた噴霧の形成を確実に行うことができる。

さらに第一実施形態では、ＤＭＥ燃料の気化潜熱を用いることにより、燃料ギャラリ４９を冷却器６１として機能させ、噴射されるＤＭＥ燃料の冷却が実現されている。また、ＤＭＥ燃料に伝達された燃焼熱を用いることにより、燃料ギャラリ４９を昇温器６３として機能させ、噴射されるＤＭＥ燃料の昇温が実現されている。こうした構成であれば、冷却及び昇温のための複雑なシステムを追加することなく、燃料温度の調整幅が、広く確保され得る。したがって、燃料噴射装置１００は、実現性の高い形態で、運転状態に応じた噴霧の形成を確実に行うことができる。

加えて第一実施形態では、燃料ギャラリ４９が冷却器６１及び昇温器６３の両方の機能を発揮できる。故に、インジェクタ４０の周囲の構成を複雑化させることなく、燃料温度の調整幅は、広く確保され得る。さらに、高圧燃料流路４５のうちで噴孔４４に近接した位置にて、噴射されるＤＭＥ燃料の冷却及び昇温の両方が実施可能となる。

また第一実施形態では、内燃機関１１０の冷却水及び潤滑油を用いることで、高圧燃料流路４５のＤＭＥ燃料が昇温及び冷却される。こうした構成であれば、ＤＭＥの温度を調整するための複雑なシステムを追加することなく、燃料温度の調整幅は、広く確保され得る。したがって、燃料噴射装置１００は、実現性の高い形態で、運転状態に応じた噴霧の形成を確実に行うことができる。

さらに第一実施形態では、ＤＭＥ燃料を超臨界状態とすることができる。その結果、噴射される噴霧は、概ね気体と同じ性質となる。気体噴霧と同様の態様にて噴孔４４から噴射されるＤＭＥ燃料は、確実に微粒化され得る。加えて、ラバール形状とされた噴孔４４は、低噴射率及び弱貫通力な噴霧を、音速で噴射可能となる。上述したように、ＤＭＥ燃料の音速は、温度及び圧力によって大きく変化する。故に、温度及び圧力の制御によって音速を増減させることで、噴孔４４から噴射される噴霧の運動量変化を生じさせ、ひいては低圧高温における噴霧の到達距離を調整することが可能となる。尚、高圧低温における噴霧の到達距離は、ベルヌーイの定理に従って、噴孔４４の内外の差圧に依存する。

以上の第一実施形態では、ノズルボディ４１が「流路形成部材」に相当し、高圧燃料流路４５が「燃料流路」に相当し、ウォータギャラリ１１３及びオイルギャラリ１１４が「熱交換流路」に相当する。

（第二実施形態）
図７に示す本発明の第二実施形態は、第一実施形態の変形例である。第二実施形態において、第一実施形態のウォータギャラリ１１３及びオイルギャラリ１１４（図２参照）に相当する構成は、シリンダヘッド２１１から省略されている。加えて、第一実施形態の燃料ギャラリ４９（図２参照）に相当する構成は、第二燃料ギャラリ２１２ｂとして、シリンダヘッド２１１に設けられている。

シリンダヘッド２１１には、第一燃料ギャラリ２１２ａ及び上述の第二燃料ギャラリ２１２ｂが設けられている。第一燃料ギャラリ２１２ａ及び上述の第二燃料ギャラリ２１２ｂは、シリンダヘッド２１１、インジェクタ２４０、及び複数のＯリング２１６ａ〜２１６ｃによって区画されている。インジェクタ２４０は、シリンダヘッド２１１への取り付けを可能にするために、先端側へ向かうに従って段階的に細くなっている。こうしたインジェクタ２４０の形状に合わせて、各Ｏリング２１６ａ〜２１６ｃは、先端側に配置されるものほど小径とされている。

第一燃料ギャラリ２１２ａは、第一実施形態のヘッドギャラリ１１２（図１参照）に相当する構成である。第一燃料ギャラリ２１２ａには、インジェクタ２４０からリーク燃料が流出する。

第二燃料ギャラリ２１２ｂは、インジェクタ２４０の軸方向において、第一燃料ギャラリ２１２ａと並んで形成されている。第二燃料ギャラリ２１２ｂは、第一燃料ギャラリ２１２ａよりも燃焼室１１５に近い位置に形成されている。第二燃料ギャラリ２１２ｂは、インジェクタ２４０の外周側に区画された円筒状の空間である。第二燃料ギャラリ２１２ｂには、シリンダヘッド２１１に形成された分岐流路を通じて、ＤＭＥ燃料が流入する。

第二燃料ギャラリ２１２ｂの燃料温度は、燃料温度センサ４８によって計測され、制御ユニット５０に取得される。第二燃料ギャラリ２１２ｂからの燃料の流出は、ギャラリ制御弁８８ａによって制御される。ギャラリ制御弁８８ａは、制御ユニット５０と接続されており、制御ユニット５０から取得する制御信号に基づいて開閉弁の作動を行う。

ここまで説明した第二実施形態でも、第二燃料ギャラリ２１２ｂは、ギャラリ制御弁８８ａの作動によって冷却流路２６２及び昇温燃料室２６４となることが可能であり、噴射されるＤＭＥ燃料の温度を調整する冷却器２６１及び昇温器２６３として機能する。その結果、第一実施形態と同様に、インジェクタ２４０内のＤＭＥ燃料の温度及び圧力の調整が実現される。したがって、インジェクタ２４０は、運転状態に適した噴霧の噴射を行うことができる。

（他の実施形態）
以上、本発明による複数の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定して解釈されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態及び組み合わせに適用することができる。

上記実施形態では、インジェクタ及びシリンダヘッドに設けた燃料ギャラリ、並びにウォータギャラリ及びオイルギャラリといった構成が、冷却器及び昇温器として機能していた。しかし、ＤＭＥ燃料の冷却及び加熱を行う構成は、上記の構成に限定されない。例えば、オイルギャラリに流入する潤滑油を加熱する電気ヒータを設けることが可能である。また、ＥＧＲクーラ等における熱交換によって昇温させた潤滑油にてＤＭＥ燃料の温度を上げる等、排気ガスの熱を利用する構成が、採用可能である。

上記実施形態では、液化ガス燃料としてジメチルエーテルを例示していたが、液化ガス燃料は、こうした燃料に限定されない。例えば、液化ガス燃料は、ジメチルエーテルを含有している燃料であってもよい。加えて、液化石油ガス等が、液化ガス燃料として用いることができる。

しかしながら、ジメチルエーテルは、沸点（−２５℃）が低く且つ蒸気圧が高いため、容易に気化して空気と混合し得る。加えてジメチルエーテルは、セタン価が高く着火性にも優れており、軽油よりも容易に着火する。さらに、ジメチルエーテルは、酸素を含有する燃料であり、且つ炭素重結合も無いため、黒鉛や粒子状物質の排出し難く、軽油よりも二酸化炭素の排出量低減に有効となる。

そして、本発明を適用した燃料噴射装置は、車両、船舶、鉄道車両、及び航空機等に搭載された内燃機関、並びに発電用の内燃機関等と組み合わされて、これらの内燃機関の燃焼室に燃料を噴射することができる。

４１ノズルボディ（流路形成部材）、４４噴孔、４５高圧燃料流路（燃料流路）、５１圧力調整部、５２温度調整部、６１，２６１冷却器、６２，２６２冷却流路、６３，２６３昇温器、６４，２６４昇温燃料室、１００燃料噴射装置、１１０内燃機関、１１３ウォータギャラリ（熱交換流路）、１１４オイルギャラリ（熱交換流路）、１１５燃焼室

Claims

内燃機関（１１０）の燃焼室（１１５）に液化ガス燃料を噴孔（４４）から噴射する燃料噴射装置であって、
液化ガス燃料を前記噴孔へ流通させる燃料流路（４５）を形成する流路形成部材（４１）と、
前記内燃機関の運転状態に応じて、前記燃料流路を流れる液化ガス燃料の温度を調整する温度調整部（５２）と、
前記内燃機関の運転状態に応じて、前記燃料流路を流れる液化ガス燃料の圧力を調整する圧力調整部（５１）と、を備えることを特徴とする燃料噴射装置。
前記温度調整部は、前記内燃機関の負荷が高くなるほど、液化ガス燃料の温度を低く調整することを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射装置。
前記圧力調整部は、前記内燃機関の負荷が高くなるほど、液化ガス燃料の圧力を高く調整することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料噴射装置。
前記温度調整部は、前記燃料流路の液化ガス燃料の温度を下げる冷却器（６１，２６１）を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
前記冷却器は、前記流路形成部材の周囲に液化ガス燃料を流通させる冷却流路（６２，２６２）を形成し、当該冷却流路の液化ガス燃料の気化潜熱により、前記燃料流路を流れる液化ガス燃料を冷却することを特徴とする請求項４に記載の燃料噴射装置。
前記温度調整部は、前記燃料流路の液化ガス燃料の温度を上げる昇温器（６３，２６３）を制御することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
前記昇温器（６３）は、前記流路形成部材の周囲に熱交換流路（１１３，１１４）を形成し、前記内燃機関の冷却水及び潤滑油の少なくとも一方を前記熱交換流路に溜めることにより、前記燃料流路を流れる液化ガス燃料を昇温することを特徴とする請求項６に記載の燃料噴射装置。
前記昇温器は、前記流路形成部材の周囲に液化ガス燃料を溜める昇温燃料室（６４，２６４）を形成し、当該昇温燃料室の液化ガス燃料の保有熱により、前記燃料流路を流れる液化ガス燃料を昇温することを特徴とする請求項６又は７に記載の燃料噴射装置。