JP2024088238A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】気体燃料噴射用のインジェクタのシート面の摩耗を抑える。【解決手段】気体燃料を噴射する噴口１４、噴口１４を開閉するノズル弁１５、及びノズル弁１５が着座するシート面１６を有した気体燃料噴射用のインジェクタ１１を備える内燃機関１０において、クランクケース１７内のブローバイガスをインジェクタ１１の噴口１４に導入する導入路１８を設けることで、ブローバイガスに含まれるオイルをインジェクタ１１のシート面１６に供給するようにした。【選択図】図１

Description

本発明は、気体燃料を噴射するインジェクタを備える内燃機関に関する。

水素ガス等の気体燃料を噴射するインジェクタの場合、ノズル弁とそのノズル弁が着座するシート面との接触がドライ接触となる。そのため、気体燃料を噴射するインジェクタは、液体燃料を噴射するインジェクタよりもノズルシートの摩耗が進行し易い。これに対して、特許文献１には、軟窒化処理を施して耐摩耗性を向上させたシート部を備える気体燃料噴射用のインジェクタが記載されている。

特開２００９－２８１２９８号公報

軟窒化処理を施せば、インジェクタの製造コストは増加する。また、接触がドライのままでは、軟窒化処理を施しても、シート面の摩耗を十分に抑え切れない場合がある。

上記課題を解決する内燃機関は、気体燃料を噴射する噴口、噴口を開閉するノズル弁、及びノズル弁が着座するシート面を有した気体燃料噴射用のインジェクタを備えている。さらに同内燃機関は、クランクケース内のブローバイガスを噴口に導入する導入路を備えている。

上記内燃機関では、インジェクタの噴口に、オイルを含んだブローバイガスが導入される。導入されたブローバイガスの一部は、噴口からインジェクタの内部に流入する。これにより、ブローバイガス中のオイルがシート面に供給される。そして、供給されたオイルにより、シート面の潤滑が行われる。したがって、上記内燃機関には、気体燃料噴射用のインジェクタのシート面の摩耗を抑える効果がある。

内燃機関の一実施形態の構成を模式的に示す図である。 同内燃機関の制御部が実行する処理のフローチャートである。 内燃機関の他の実施形態の構成を模式的に示す図である。 インジェクタのシート部の潤滑機能を有した内燃機関の燃料系の構成を示す図である。

以下、内燃機関の一実施形態を、図１～図３を参照して詳細に説明する。
＜内燃機関の構成＞
まず、図１を参照して、本実施形態の内燃機関１０の構成を説明する。内燃機関１０は、気体燃料噴射用のインジェクタ１１を備えている。図１の内燃機関１０の場合、気体燃料として水素ガスを用いている。なお、気体燃料は、ＣＮＧやＬＰＧなどであってもよい。インジェクタ１１は、内燃機関１０のシリンダヘッド１２に設置されている。図１の内燃機関１０の場合、インジェクタ１１は、燃焼室１３内に気体燃料を噴射する筒内噴射式のインジェクタである。

インジェクタ１１は、気体燃料の噴射口である噴口１４を有している。また、インジェクタ１１の内部には、ノズル弁１５と、ノズル弁１５が着座するシート面１６と、が設けられている。噴口１４は、ノズル弁１５がシート面１６に着座することで閉じられる。また、噴口１４は、ノズル弁１５がシート面１６から離間することで開かれる。そして、インジェクタ１１は、噴口１４が開くことで気体燃料を噴射する。また、インジェクタ１１は、噴口１４が閉じることで気体燃料の噴射を停止する。

内燃機関１０は、クランクケース１７内のブローバイガスを、インジェクタ１１の噴口１４に導入する導入路１８を有している。導入路１８の下流側の部分は、シリンダヘッド１２の内部に形成されている。そして、導入路１８は、シリンダヘッド１２におけるインジェクタ１１の噴口１４の周辺の部分に開口している。導入路１８には、制御弁１９が設置されている。制御弁１９は、外部からの制御により開閉する弁である。図１の内燃機関１０の場合、制御弁１９は、常閉式の電磁弁である。なお、図１の内燃機関１０の場合、クランクケース１７内は、大気圧とほぼ等しい圧力となっている。

内燃機関１０は、制御部２１を備えている。制御部２１は、プロセッサ２２とメモリ２３とを備える電子制御ユニットである。図１の内燃機関１０の場合、制御部２１は、内燃機関１０の制御全般を行うように構成されている。制御部２１のメモリ２３には、制御弁１９の開閉制御用のプログラムやデータが予め記憶されている。そして、制御部２１は、プロセッサ２２がメモリ２３からプログラムを読込んで実行することで、内燃機関１０の制御を行っている。また、制御部２１は、内燃機関１０の制御の一環として、制御弁１９の開閉制御を行っている。

なお、制御部２１には、内燃機関１０の各部に設置された各種センサが接続されている。そして、制御部２１は、内燃機関１０の運転状態を示す状態量を、それらセンサの検出信号に基づいて求めている。この状態量には、内燃機関１０の回転数、負荷率、水温、インジェクタ１１が噴射する気体燃料の圧力及び温度が含まれる。

＜シート面１６の潤滑制御＞
制御部２１は、制御弁１９の開閉制御を通じて、インジェクタ１１のシート面１６に潤滑剤を供給するための潤滑制御を実行する。以下、こうしたシート面１６の潤滑制御について説明する。

図２に、シート面１６の潤滑制御のため、制御部２１が実行する潤滑制御ルーチンのフローチャートを示す。制御部２１は、内燃機関１０の運転中、既定の制御周期毎に同ルーチンを繰り返し実行する。

本ルーチンを開始すると、制御部２１はまず、ステップＳ１００において、シート面１６からのオイルの蒸発速度ΔＷを演算する。具体的には、制御部２１は、式（１）～（３）の関係を満たす「ΔＷ」の値を、蒸発速度ΔＷの値として演算している。なお、「Ｈｇ」は、インジェクタ１１の燃料噴射時にシート面１６の周囲を通過する気体燃料の熱伝達率を表わしている。また、「Ｃｐ」は同気体燃料の比熱を、「Ｐｇ」は同気体燃料の圧力を、「Ｗｇａｓ」は気体燃料の分子量を、表わしている。さらに、「Ｐｌｓ」はオイルの飽和蒸気圧を、「Ｐｌｓ０」は基準圧力におけるオイルの飽和蒸気圧を、「Ｗｌｓ」はオイルの分子量を、「Ｔｓ」はオイルの表面温度を、「Ｔｂｓ」はオイルの沸点を、表わしている。そして、「ΔＨｅｖ」は沸点Ｔｂｓにおけるオイルの蒸発熱を表わしている。

式（１）～（３）中の状態量のうち、Ｈｇ、Ｐｇ、Ｔｓは変数であり、それ以外は定数である。制御部２１は、下記の態様で、熱伝達率Ｈｇ、圧力Ｐｇ、及び温度Ｔｓを求めて、蒸発速度ΔＷを演算している。

制御部２１は、センサの検出結果から気体燃料の圧力Ｐｇを求めている。また、気体燃料の熱伝達率Ｈｇは、気体燃料の流速Ｖｇの関数として求められる。燃料噴射時にシート面１６の周囲を通過する気体燃料の流速Ｖｇは音速である。気体燃料での音速は、同気体燃料の温度及び圧力Ｐｇから求められる。そこで、制御部２１は、熱伝達率Ｈｇを、インジェクタ１１が噴射する気体燃料の温度及び圧力Ｐｇに基づいて演算している。さらに、オイルの温度Ｔｓは、インジェクタ１１の先端温度にほぼ等しくなる。制御部２１は、内燃機関１０の回転数、負荷率、水温等に基づいて、インジェクタ１１の先端温度を推定している。そして制御部２１は、推定したインジェクタ１１の先端温度を、オイルの温度Ｔｓの値として用いている。

続いて、制御部２１は、ステップＳ１１０において、蒸発速度ΔＷに基づいて蒸発量Ｗｔの値を更新する。具体的には、制御部２１は、更新前の値に蒸発速度ΔＷの値を加えた和を更新後の値とするように、蒸発量Ｗｔの値を更新する。

次に、制御部２１は、ステップＳ１２０において、蒸発量Ｗｔが既定の閾値Ｘ以上であるか否かを判定する。蒸発量Ｗｔが閾値Ｘ未満の場合（ＮＯ）には、制御部２１はそのまま今回の制御周期における本ルーチンの処理を終了する。一方、蒸発量Ｗｔが閾値Ｘ以上の場合（ＹＥＳ）には、制御部２１はステップＳ１３０に処理を進める。

ステップＳ１３０において制御部２１は、導入路１８を通じてインジェクタ１１の噴口１４にブローバイガスを導入する。具体的には、制御部２１は、燃焼室１３内が負圧となる吸気行程に限定した制御弁１９の開弁を、既定の期間、繰り返し実施する。そして、その後、制御部２１は、蒸発量Ｗｔの値を「０」にリセットした上で、今回の制御周期における本ルーチンの処理を終了する。

こうした潤滑制御ルーチンにおいて、蒸発量Ｗｔの値には、本ルーチンの実施毎に、蒸発速度ΔＷの演算値が積算される。一方、本ルーチンにおいて、ブローバイガスの導入が実施される度に、蒸発量Ｗｔの値は「０」にリセットされる。こうした蒸発量Ｗｔの値は、前回のブローバイガス導入の実施以降に、シート面１６から蒸発したオイルの総量を表わしている。

＜実施形態の作用効果＞
本実施形態の内燃機関１０は、インジェクタ１１の噴口１４にクランクケース１７内のブローバイガスを導入する導入路１８を有している。また、内燃機関１０は、導入路１８を開閉する制御弁１９を有している。

燃焼室１３内が負圧となる吸気行程中に制御弁１９が開かれると、導入路１８を通じて、オイルを含んだブローバイガスがインジェクタ１１の噴口１４に導入される。そして、導入されたブローバイガスの一部がインジェクタ１１の内部に流入することで、ブローバイガス中のオイルがシート面１６に供給される。

なお、制御部２１は、シート面１６からのオイルの蒸発量Ｗｔを演算している。そして、制御部２１は、蒸発量Ｗｔが閾値Ｘ以上となったときに、既定の期間、ブローバイガスを導入するように制御弁１９を制御する。なお、閾値Ｘには、こうしたブローバイガスの導入期間にシート面１６に供給されるオイルの想定量が値として設定されている。そのため、本実施形態の内燃機関１０では、オイル切れが生じる前の程度な時期に、シート面１６にオイルが補充される。

以上の本実施形態の内燃機関１０によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）内燃機関１０は、気体燃料を噴射する噴口１４、噴口１４を開閉するノズル弁１５、及びノズル弁１５が着座するシート面１６を有した気体燃料噴射用のインジェクタ１１を備えている。さらに内燃機関１０は、クランクケース１７内のブローバイガスをインジェクタ１１の噴口１４に導入する導入路１８を備えている。こうした内燃機関１０では、インジェクタ１１の噴口１４の近傍に、オイルを含んだブローバイガスが導入される。導入されたブローバイガスの一部は、噴口１４からインジェクタ１１の内部に流入する。これにより、ブローバイガス中のオイルがシート面１６に供給される。そして、供給されたオイルにより、シート面１６の潤滑が行われる。したがって、本実施形態の内燃機関１０には、気体燃料噴射用のインジェクタ１１のシート面１６の摩耗を抑える効果がある。

（２）さらに内燃機関１０は、導入路１８を開閉する制御弁１９と、制御弁１９の開閉を制御する制御部２１と、を備えている。そして、制御部２１は、シート面１６からのオイルの蒸発量Ｗｔを演算するとともに、蒸発量Ｗｔが閾値Ｘ以上となったときに制御弁１９を開いてブローバイガスの導入を実施する。そのため、オイル切れが生じないように適宜な時期にオイルをシート面１６に補充できる。

（他の実施例）
＜変更例１＞
図３に示すように、変更例１の内燃機関１００は、図１の内燃機関１０と同様に、気体燃料噴射用のインジェクタ１１と、そのインジェクタ１１の噴口１４にクランクケース１７内のブローバイガスを導入する導入路１８と、を備えている。ただし、内燃機関１００の導入路１８には、制御弁１９の代わりに、逆止弁２０が設置されている。逆止弁２０は、クランクケース１７の内圧が燃焼室１３の内圧よりも高い場合に開く一方で、クランクケース１７の内圧が燃焼室１３の内圧よりも低い場合に閉じる差圧弁である。

こうした内燃機関１００では、吸気行程中の燃焼室１３内が負圧となったときに逆止弁２０が開いて、インジェクタ１１の噴口１４の部分にブローバイガスが導入される。そして、ブローバイガス中のオイルがシート面１６に供給される。そのため、こうした内燃機関１００にも、気体燃料噴射用のインジェクタ１１のシート面１６の摩耗を抑える効果がある。一方、圧縮行程や燃焼行程において燃焼室１３内が正圧となると逆止弁２０が閉じるため、燃焼室１３からクランクケース１７へのガスの逆流が阻止される。

図３の内燃機関１００のスロットル開度を制御する制御部を設けるとともに、スロットル開度の調整を通じて、シート面１６のオイル供給量を制御するようにしてもよい。内燃機関１００のスロットル開度を小さくすると、吸気行程中の燃焼室１３内の負圧が大きくなる。燃焼室１３内の負圧が大きくなると、導入路１８を通じてインジェクタ１１の噴口１４の近傍に導入されるブローバイガスの量が多くなる。そのため、図３の内燃機関１００では、スロットル開度を縮小することで、シート面１６のオイル供給量を増加することができる。さらに、そうしたオイル供給量の増加のためのスロットル開度の縮小を、シート面１６からのオイルの蒸発量Ｗｔに基づいて実施するようにしてもよい。すなわち、ステップＳ１３０を、スロットル開度を縮小する処理に置き換えた図２の潤滑制御ルーチンを、図３の内燃機関１００において実施するようにしてもよい。

＜変更例２＞
図４に、インジェクタ１１のシート部の潤滑機能を有した内燃機関の燃料系の構成を示す。図４に示すように、この内燃機関の燃料系には、気体燃料を貯蔵する燃料タンク３０が設けられている。燃料タンク３０は、燃料通路３１を通じてデリバリパイプ３２に接続されている。デリバリパイプ３２には、各気筒のインジェクタ１１が接続されている。また、燃料通路３１には、圧力制御弁３３、プレッシャレギュレータ３４、及び仕切弁３５が設置されている。圧力制御弁３３は、デリバリパイプ３２に供給する気体燃料の圧力を調整する弁である。プレッシャレギュレータ３４は、燃料通路３１の内圧が一定以上となると、燃料通路３１から気体燃料をリリーフする弁である。仕切弁３５は、内燃機関の運転中は開かれ、停止中は閉じられる弁である。

さらに、燃料系には、オイルを貯蔵するオイルタンク３６が設けられている。オイルタンク３６は、オイル通路３７を通じて燃料通路３１における仕切弁３５よりも下流側の部分に接続されている。オイル通路３７には、オイルタンク３６内のオイルを汲み出して燃料通路３１に向けて送出するオイルポンプ３８が設置されている。

オイルポンプ３８の作動は、図１の場合と同様の制御部２１により制御されている。制御部２１は、図１の内燃機関１０の場合と同様に、シート面１６からのオイルの蒸発量Ｗｔを演算している。そして、制御部２１は、蒸発量Ｗｔが閾値Ｘ以上となったときにオイルポンプ３８を稼働する。すなわち、制御部２１は、図２のステップＳ１３０を、オイルポンプ３８を稼働する処理に置き換えたかたちで潤滑制御を実行する。

こうした内燃機関では、制御部２１がオイルポンプ３８を稼働すると、して、デリバリパイプ３２に供給する気体燃料中にオイルが添加される。そして、デリバリパイプ３２から各気筒のインジェクタ１１に、オイルを含んだ気体燃料が供給される。これにより、気体燃料中のオイルが、インジェクタ１１のシート面１６に供給される。よって、こうした燃料系を備える内燃機関にも、気体燃料噴射用のインジェクタ１１のシート面１６の摩耗を抑える効果がある。

＜他の変更例＞
上記実施形態及び変更例１、２は、以下のように変更して実施することができる。また、以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて上記実施形態、及び変更例１、２に適用できる。

・図１の内燃機関１０を、制御弁１９とともに、図３の逆止弁２０が導入路１８に設置された構成としてもよい。この場合には、燃焼室１３内が正圧か負圧かに拘わらず、制御弁１９を開いた状態を維持することで、噴口１４の近傍へのブローバイガスの導入を実施できる。そのため、潤滑制御での制御弁１９の制御が簡単になる。

・制御部２１は、潤滑制御に際して、シート面１６からのオイルの蒸発量Ｗｔを演算していた。そして、制御部２１は、蒸発量Ｗｔが閾値Ｘ以上となったときに、ブローバイガスの導入又は気体燃料へのオイル添加によるシート面１６へのオイル供給を行っていた。こうした潤滑制御の内容は適宜に変更してもよい。例えば、予め定められた周期毎に、シート面１６へのオイル供給を実施するようにしてもよい。

・インジェクタ１１は、内燃機関の吸気ポート内に気体燃料を噴射するものであってもよい。
（付記事項）
［付記１］気体燃料を噴射する噴口、前記噴口を開閉するノズル弁、及び前記ノズル弁が着座するシート面を有するインジェクタと、前記シート面にオイルを供給する供給装置と、前記供給装置を制御する制御部と、を備えており、前記制御部は、前記供給装置のオイル供給停止後に前記シート面から蒸発した前記オイルの総量を演算するとともに、前記総量が閾値以上となった場合に前記オイル供給を実施するように前記供給装置を制御する内燃機関。

［付記２］前記供給装置は、クランクケース内のブローバイガスを前記噴口に導入することで前記オイル供給を実施するように構成されている付記１に記載の内燃機関。
［付記３］前記供給装置は、前記インジェクタに供給する前記気体燃料に前記オイルを添加することで前記オイル供給を実施するように構成されている付記１に記載の内燃機関。

１０，１００…内燃機関、１１…インジェクタ、１２…シリンダヘッド、１３…燃焼室、１４…噴口、１５…ノズル弁、１６…シート面、１７…クランクケース、１８…導入路、１９…制御弁、２０…逆止弁、２１…制御部、２２…プロセッサ、２３…メモリ、３０…燃料タンク、３１…燃料通路、３２…デリバリパイプ、３３…圧力制御弁、３４…プレッシャレギュレータ、３５…仕切弁、３６…オイルタンク、３７…オイル通路、３８…オイルポンプ

Claims (3)

1. 気体燃料を噴射する噴口、前記噴口を開閉するノズル弁、及び前記ノズル弁が着座するシート面を有した気体燃料噴射用のインジェクタを備える内燃機関であって、
   クランクケース内のブローバイガスを前記噴口に導入する導入路を備えている
   内燃機関。
2. 当該内燃機関は、前記導入路を開閉する制御弁と、前記制御弁の開閉を制御する制御部と、を備えており、
   前記制御部は、前記シート面からのオイルの蒸発量を演算するとともに、前記蒸発量が閾値以上となったときに前記制御弁を開いて前記ブローバイガスの導入を実施する
   請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記インジェクタが気体燃料を噴射する吸気の圧力が負圧のときには前記導入路を開き、前記吸気の圧力が正圧のときには前記導入路を閉じる逆止弁を備える請求項１に記載の内燃機関。

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