JP3181858B2 - 空気支援電磁燃料噴射弁 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般に内燃機関の
運転及び制御装置に係り、特にその装置に使用する空気
支援電磁燃料噴射弁の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在注目を集めている燃料噴射システム
の一つに空気支援タイプがあり、これは更に高いレベル
の微粒化を図るために圧縮空気を燃料噴射弁に供給して
液体燃料と混合するものである。燃料微粒化を改善する
初期の試みの一つとして、１９１２年５月２１日発行の
Leflaive氏の米国特許第1,027,054号明細書に記載のも
のがある。ここには、針弁噴射弁が開示されている。そ
こでは環状室内で圧縮空気と液体燃料を混合し、生成さ
れた空燃混合物を、噴射空気圧により、噴射弁の出口開
口部に接線方向に配列された複数のスロットから噴射し
ている。空燃混合物の計量は出口開口部に対し針弁を変
位させることにより達成される。

【０００３】更に小さな粒径を得るための空気圧支援噴
射法に対するその後の改善努力としては、空気及び（あ
るいは）燃料流をうず流あるいは回転させて、噴射され
る燃料粒子を更に効果的に分解する法が含まれる。一つ
の例として、Boltz氏等による米国特許3,872,639の燃料
噴射装置では、燃料はオリフィスを介して比較的粒径の
大きなスプレーを形成するよう円筒状の第一室中に噴射
されるが、この第一室の同軸上の円錐台の第２の室が導
通し、この中に空気流が、円筒状第一室からの燃料スプ
レーが混合する空気うず流を形成させるよう、接線方向
に導かれる。その結果生成するうず流空燃混合物は、噴
射空気圧により第２室の出口開口部より放出される。こ
のようにボルツ等の方法は燃料噴霧を導入する前に空気
うず流を用意して、噴射スプレー中の燃料粒径を更に小
さくするものである。

【０００４】空気圧支援燃料噴射弁はまた、１９７２年
４月１８日発行のEckert氏の米国特許第3,656,693号、
１９８２年９月２８日発行のSchweizer氏の米国特許第
4,351,304号および１９８２年１１月３０日発行のKnapp
氏等の米国特許第4,351,126号（これらはすべてロベル
トボッシュ社に譲渡）にも開示されている。

【０００５】１９６９年１０月２８日発行のSimmons氏
他による米国特許第3,474,970号では主として航空機ガ
スタービン用に設計された空気支援ノズルが開示され、
その中では同軸円錐状の空気流と円錐状の燃料層とがノ
ズルの出口孔で混合され、種々の温度条件および空気圧
条件の下で広い範囲の粘度を有する燃料の好適な微粒化
が図られている。１９８４年５月６日発行のマツオカ氏
等による米国特許第4,434,766号では、燃料スプレイが
噴射されるうず流空気流を生成させるための、種々の寸
法、構成の接線方向に配置された空気取入口を設けた空
気圧支援燃料噴射弁が備えられている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】Eckertの場合、燃料を
先ず旋回させ、次いで半径方向の空気流と混合させ空燃
混合物を生成し、これをノズル開口部より噴射して燃料
噴霧を行うものである。このようにBortz氏等とは対照
的にEckert氏の噴射弁においては、混合前に燃料が旋回
させられるが、空気の旋回はない。その後のSchweizer
氏やKnapp氏等の特許では、空気支援噴射弁が開示され
ているが、燃料あるいは空気のいずれも混合前に旋回さ
せらることはない。

【０００７】上記米国特許第4,995,367号は、燃料微粒
化レベル向上を達成する方法を備えた種々の型式の空気
支援燃料噴射弁を開示しているが、１００μｍ以下の粒
径を生成するのは困難であった。しかしながら、現在産
業界に提示されている低公害車（ＬＥＶ）や超低公害車
（ＵＬＥＶ）において具体化される燃料経済レベルや排
出制御基準を達成するためには、特にコールドスタート
性能を改善、約４０μｍの粒径が得られる燃料噴射の微
粒化レベルを達成することが重要である。

【０００８】本発明の目的は、４０μｍ領域の微小粒径
の燃料スプレイを形成できる内燃機関用の新規の燃料噴
射弁を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の電磁燃料噴射弁
では、燃料および圧縮空気両方を旋回させることによ
り、より高いレベルの微粒子化が達成される。特に、空
気のうず流方向と逆向きに燃料を旋回させることによ
り、最終的な燃料スプレイ中の粒子径を４０μｍ近傍に
まですることが可能である。具体的には以下の手段によ
り課題を解決することができる。 液体燃料を通過させる
燃料通路と、前記燃料通路と同軸上の中央区画と接線方
向に導通する複数の溝を有する燃料うず流板と、前記燃
料うず流板の下流に設けられ前記燃料うず流とは逆方向
のうず流を発生する複数の溝を有する空気うず流板とを
有する内燃機関用の空気支援電磁燃料噴射弁であって、
前記電磁燃料噴射弁に圧縮空気を供給する制御弁と、前
記内燃機関の運転状態に応じて前記制御弁を制御する空
気支援制御装置とから構成したことに特徴がある。 ま
た、前記内燃機関がコールドスタート運転状態では前記
制御弁を介して連続した所定の空気を前記空気支援制御
装置により供給制御し、前記内燃機関が部分負荷、部分
加速あるいはアイドリング状態では前記燃料噴射弁の燃
料噴射パルスに対応した脈動空気を供給することに特徴
がある。 また、前記脈動空気の供給は前記燃料噴射パル
スオンよりも予め定められた時間先行して圧縮空気の供
給を開始し、燃料噴射パルスオフよりも予め定められた
時間遅れて圧縮空気の供給を終える脈動空気であるこ
と、また、前記内燃機関が部分減速を含む減速あるいは
加速運転状態では前記制御弁を閉制御する空気支援制御
装置であることに特徴がある。 このようにして、うず流
状の燃料は噴射弁中の燃料通路を通ってうず流圧縮空気
中へと導かれ、液体燃料は極めて微細な小滴に分解さ
れ、次いで微粒子燃料スプレイとして噴射される。

【００１０】本発明のこれらの目的、特長および利点は
添付の図面に示す好適な実施の形態に関する詳細な説明
により更に明らかになろう。

【００１１】

【発明の実施の形態】次に、本発明の一つの実施の形態
である燃料供給システムおよび燃料噴射装置を、添付し
た図に基づき説明する。

【００１２】図１は本発明の特色を適用した内燃機関制
御システムの一実施例を示す。図から明らかなように内
燃機関１は周知の構成を備えている、即ちそれはエアク
リーナ２から取り込んだ吸気をエンジン１のシリンダに
供給する吸気管３と接続し、またエンジン１からの排気
ガスを放出する排気管５へと接続している。吸気管３か
ら供給される吸気量はスロットル弁４によって制御さ
れ、スロットル弁の位置は、スロットル弁センサ６によ
って検出される。

【００１３】吸気管３は燃料噴射弁８を備え、これによ
り、燃料タンク１２から燃料ポンプ１３により燃料分配
レール１４を通って供給される一定量の燃料が、電子制
御モジュール１０から印加される噴射パルス信号によ
り、吸気管３中の吸気弁１５近傍へと噴射される。これ
により、予め定められた空燃（Ａ／Ｆ）比の燃料混合物
がエンジン１へと供給される。この目的のため、吸気量
Ｑはスロットル弁４の上流側の吸気管３中に配置された
エアフローセンサ１６により検出される。

【００１４】内燃機関の各シリンダ中に備えられた混合
燃料点火用の点火プラグ１８は、電子制御モジュール１
０から、点火コイル１９およびディストリビュータ２０
を介して、要求された点火タイミングに合わせ制御され
る。

【００１５】排気管５は酸素センサ１５を備え、これは
エンジン１のシリンダから排気弁２１を介して排出され
る排気ガス中に含まれる残留酸素濃度を検出し、エンジ
ン１に供給される混合物の実際の空燃（Ａ／Ｆ）比を表
す信号を生成する。

【００１６】エンジン１のシリンダブロック上に、エン
ジン１の冷却水温度を検出するための温度センサ２５が
設けられる。エンジン１には更にエンジン１のクランク
シャフト２８と対応するクランク角センサ２６が備えら
れ、クランクシャフトの回転およびエンジン１のそれぞ
れのシリンダの上死点（ＴＤＣ）が検出され、これに基
づき電子制御モジュール１０はエンジンの回転スピード
（ＲＰＭ）や点火時期を含め種々の運転条件を決定す
る。

【００１７】一般的なエンジン制御システムでは、電子
制御モジュール１０にはマイクロコンピュータが含ま
れ、これにより受信した検出信号により、内臓プログラ
ムの制御の下で、予め定められたデータ処理が実行され
る。このデータ処理は一般的には、当該技術に熟練せる
技術者によって理解されるような、以下に詳述する方法
により実行される。

【００１８】エンジン１の吸気量はまず、センサ２６に
よって出力されるクランク角信号とエアフローセンサ１
６からの出力信号とから得られるエンジン回転速度に基
づき計算される。噴射する燃料の量は計算された吸気量
とエンジン回転速度とに対応して決められる。更に、こ
のようにして得られた燃料量は、センサ２２からフィー
ドバックされた空燃（Ａ／Ｆ）比に基づき補正されて、
噴射する燃料量の最終値が決定される。燃料噴射量、燃
料噴射タイミング、点火時期を補正するための種々の補
正係数もまた、電子制御モジュール１０により、センサ
２５によって測定された冷却水温度を始めとする種々の
測定されたシステム運転変数に基づいて決定される。

【００１９】噴射燃料量の最終値に相当するパルス幅を
有するパルス信号が、電子制御モジュール１０により噴
射パルス信号として生成され、これにより噴射弁８が駆
動され、予め決められ一定量の燃料が噴射される。

【００２０】図２は電子制御モジュール１０の詳細構成
を示す線図である。図から明らかなように、電子制御モ
ジュール１０にはマイクロプロセッサが含まれており、
これは定められたデータ処理を実行するための中央処理
装置（ＣＰＵ）３０と、ＣＰＵ３０が定められたデータ
処理を実行するためのプログラムやそのプログラムの実
行に必要な種々の係数とを記憶するためのＲＯＭ２９、
およびＣＰＵ３０により処理されるデータとプログラム
実行によりえられた処理結果とを記憶するＲＡＭ３１と
から構成されている。

【００２１】ＣＰＵ３０、ＲＯＭおよびＲＡＭ３１は共
通バス３４により相互に接続している。更に共通バス３
４にはアナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器３２がつな
がっている。Ａ／Ｄ変換器３２はスロットルセンサ６、
酸素センサ２２、冷却水温度センサ２５やエアフローセ
ンサ１６を含む種々のセンサから出力されるアナログ信
号を受けて、ＣＰＵ３０による処理のためにこれらセン
サの出力信号をディジタル信号に変換する。更に、パル
ス処理装置３３が共通バス３４に接続されているがこれ
にはクランク角センサ２６により生成されるパルスを計
数しエンジン１の回転速度を検出するためのパルスカウ
ンタ３５、噴射弁８を動作させる噴射パルス信号を発生
させる噴射パルス発生器３７、およびマイコン処理結果
に基づき点火プラグ１８を駆動する点火信号を発生させ
る点火タイミング発生器３６とが含まれる。

【００２２】本発明の特色の一つは燃料噴射弁８から燃
料を噴射する際に空気圧を利用することである。この目
的のため、図１に示すように、吸気管３のスロットル弁
４上流側から空気をポンプ４１で引き出し、蓄圧器４２
を有する配管を介して圧縮空気を空気分配レール４３に
供給する。分配レール４３に供給された圧縮空気は、ポ
ンプ４１の操作も制御する空気支援制御装置４０により
制御操作されるそれぞれの制御弁４４を介して、エンジ
ンの各シリンダに対応するそれぞれの燃料噴射弁８へと
加えられる。 図１に示す実例では、エンジンの各シリ
ンダに対し個別に燃料噴射弁８が備えられ、各燃料噴射
弁８へ供給される圧縮空気は、空気支援制御装置４０に
より制御されるそれぞれの制御弁４４により個別に制御
される。しかしながら、エンジンの全シリンダに対して
一個だけの燃料噴射弁を使用する単点噴射方式のエンジ
ン制御システムにおいては、単点燃料噴射弁への圧縮空
気の供給は、空気支援制御装置４０で制御される一個の
制御弁を介して行われるものと理解されよう。

【００２３】多くのエンジン制御システムにおいては、
アイドル速度制御（ＩＳＣ）は一般的に、スロットル弁
の上流側からスロットル弁の下流側点へと伸びるスロッ
トル弁をバイパスするバイパス通路中を流れる空気量を
制御することにより達成される。このようにスロットル
弁が閉じられたアイドリング状態の下では、アイドル速
度はバイパス通路を流れる空気量を加減することにより
制御される。しかしながら、本発明の空気支援燃料噴射
システムを使用することにより、更に詳しく後述するよ
うにそれぞれの燃料噴射弁に供給される空気量を制御す
ることによりアイドル速度が制御できるから、パイパス
通路やそこに設けられるアイドル速度制御弁の使用を全
くなくすことが可能になる。このようにアイドル速度制
御弁やパイパス通路をなくすことによりエンジン制御シ
ステムの簡単化が可能になるばかりでなく、個々の燃料
噴射弁へ供給される支援空気量の加減によりアイドル速
度を制御できるので、アイドル速度の更に正確で効率的
な制御が達成される。

【００２４】既に記述したように、燃料噴射に対し空気
圧利用を図ることは、燃料噴射管により生成された燃料
スプレイの燃料粒子径を小さくし、それにより内燃機関
内で達成される燃料効率を向上するための手段として従
来のシステムにおいても採用されている。しかしなが
ら、エンジンの種々の運転条件に基づき、燃料噴射管へ
の空気圧支援を制御することに対しては、従来は考慮さ
れていなかった。そこで、本発明の一つの特色は、コー
ルドスタート、部分負荷（巡行時）、部分加速、部分減
速、加速、減速およびアイドル速度制御のような道路／
車の運転条件に合わせて、燃料噴射の空気支援に対して
それぞれに制御を施すことである。このように種々の運
転条件に合わせて施される個別制御は空気支援制御装置
４０によって達成されるが、これは電子制御モジュール
１０と同様のプログラム制御に基づき実行されるマイク
ロプロセッサシステムとして備えてもよい。代替案とし
ては、空気支援制御装置４０を電子制御モジュール１０
に組み込んでもよいが、その結果、燃料噴射管への空気
支援は電子制御モジュール１０のマイクロプロセッサに
より、燃料噴射量、燃料噴射タイミングや点火タイミン
グに対する制御と一緒に制御される。空気支援制御装置
４０あるいは電子制御モジュール１０に具体化された本
発明による、燃料噴射管への空気支援を制御するマイク
ロプロセッサは、図３のフローチャートで示す演算処理
を施すプログラムの制御の下で運用され、エンジンの種
々異なる運転条件および異なる車両走行条件に合わせて
空気支援を制御する。

【００２５】本発明による空気支援制御法では以下に示
す５つのエンジンパラメータが必要になる。

【００２６】（１）コールドスタート時のエンジン状態
を確認するために、冷却水の温度検出が必要。エンジン
がウォームアップされたとみなされる温度は通常約８０
℃である。

【００２７】（２）クランク軸の上死点（ＴＤＣ）をモ
ニタし、エンジンの各シリンダに対応する適切な空気弁
４４を開くのに必要なクランク軸の位置を決定する。

【００２８】（３）燃料噴射管へ供給される空気の空気
パルス幅を制御し、従って吸気マニホルドを流れる空気
量を制御するために、クランク角情報が必要になる。

【００２９】（４）加速、減速を含め、あらゆる負荷条
件に対するスロットル角度をモニタする。

【００３０】（５）空気弁４４の開閉を同期させるため
に、空気支援燃料噴射システムの全操作を通して、噴射
パルスもモニタする。

【００３１】図３において、空気支援燃料噴射システム
のオペレ−ションは、エンジン制御システムが起動する
ステップＳ１からスタートする。ステップＳ２では、点
火キーをオンにし、内燃機関を始動する。ステップ３で
は、電子制御モジュール１０が冷却水温度、エンジン回
転数（ＲＰＭ）、スロットル角度や上死点（ＴＤＣ）を
含む各種パラメータを、システム内のセンサーから読み
取る。

【００３２】ステップＳ４では、センサ６からの出力か
らスロットル弁が開いているかどうかを確認する。この
時点からエンジンがスタートするから、スロットル弁が
まだ閉じていることが判り、そこでステップＳ５へと処
理は進み、そこでエンジンがスタート状態かどうかが確
認される。この時点で、エンジンはスタート状態である
から、処理はステップＳ６へと移り、そこでエンジンの
各シリンダと組み合わせた空気支援弁４４が、図４に示
すように開かれ、連続運転される。処理は再びステップ
Ｓ３へと戻り、冷却水温度センサ２５、クランク角度セ
ンサ２６やスロットルセンサ６によって確認された各種
のエンジンパラメータが読み込まれ、データ更新がなさ
れる。

【００３３】ステップＳ４で、再度スロットル弁が開い
ているかどうかがセンサ６から確認される。この時点
で、スロットル弁４が開状態にあることが検出されれ
ば、処理はステップＳ７へと移り、そこでスロットル
角、エンジン回転数やマニホルド圧等のパラメータが再
度読み込まれ、更新される。ステップＳ８では、次いで
スロットル角からスロットル弁４が全開か（加速を示
す）または全開ではないか（部分負荷または部分加速を
示す）が確認される。もしステップＳ８でスロットル弁
４が全開で、加速を示していることが判ると、処理はス
テップＳ９へと移行し、空気支援制御装置４０の操作に
より空気支援弁４４が閉じられ、図４Ｂに示すように加
速時の空気支援を抑制する。これにより、濃い濃度の燃
料混合物を更にすばやく各シリンダへ噴射でき、加速時
のエンジン応答を支援することが可能になる。次いで処
理はステップＳ９からステップＳ３へと戻り、加速状態
が継続するかぎりステップＳ４、Ｓ７、Ｓ８およびＳ９
へと続く。

【００３４】ステップＳ８で、スロットル弁が全開でな
く、部分負荷（巡行）、あるいは部分加速を示している
ことが判ると、処理はステップＳ１０へと移り、そこで
空気支援弁４４は開状態に保持されるかあるいは開状態
へと切り換えられ、ステップＳ１１で空気支援弁４４の
開閉制御の期間およびタイミングが、必要とされる空気
量制御に応じて決定される。図４Ｃから判るように、空
気支援弁４４は部分負荷および部分加速時に脈流を生じ
るよう操作され、燃料噴射弁パルスの開始より一定時間
ｔ₁だけ早く開始され燃料噴射弁パルスの立ち下がり
後、一定時間ｔ₂だけ遅れて閉じられ、空燃比が１４お
よび１５の間、即ち化学量論値（１４．７）の範囲を保
持するよう操作される。ステップＳ１１の後、処理はス
テップＳ３に戻り、部分負荷（巡行）あるいは部分加速
が継続するかぎり、ステップＳ４、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ１０
およびＳ１１を繰り返す。

【００３５】もしステップＳ４で、スロットル弁センサ
６からスロットル弁４が閉じられていることが確認され
ると、演算処理はステップＳ５へと移行し、そこでエン
ジンが始動準備状態かどうかが確認される。もしエンジ
ンが始動準備状態でなければ、処理はステップＳ１２へ
移り、そこでエンジン回転数とマニホルド圧が読み込ま
れデータ更新が行われる。次いでステップＳ１３で以上
のパラメータからエンジンがアイドリング状態かどうか
が判定される。もしアイドリング状態でなく、部分ある
いはフル減速であれば空気支援弁４４は閉じるよう制御
され、図４Ｄに示すよう燃料噴射弁への空気支援はなく
なる。次いで処理はステップＳ３へと戻り、部分あるい
はフル減速が続くかぎりステップＳ４、Ｓ５、Ｓ１２、
Ｓ１３およびＳ１４が継続される。

【００３６】もしステップＳ１３で、エンジン回転数お
よびマニホルド圧の読み取り値からエンジンがアイドリ
ング状態であることが確認されれば、処理はステップＳ
１５へと移行し、そこで空気支援弁４４が開かれ、ステ
ップＳ１１で図４に示すように部分負荷や部分加速時と
同様に制御されて、各空気パルスにより供給される空気
の量が要求アイドル速度を維持するよう制御される。次
いで処理はステップＳ３へと戻り、アイドリング状態が
保持されるかぎり、ステップＳ４、Ｓ５、Ｓ１２、Ｓ１
３およびＳ１１が継続する。

【００３７】ステップＳ８のスロットル全開により、ス
テップＳ９では空気支援弁４４がエンジン加速中閉じら
れ、各シリンダへ濃度の濃い燃料混合物を噴射すること
によりエンジン加速の応答性を高めることが示されてい
るが、ステップＳ９で空気支援弁４４を図４Ｅに示すよ
うな脈流操作をするよう維持することにより、加速時で
もより経済的な走行条件を達成させることもできる。図
４Ｅに示すような空気支援弁４４の脈流操作により生成
される経済走行条件は、図４Ｃで説明した部分負荷、部
分加速、およびアイドル制御用に設けた制御法と同様に
して達成できよう。

【００３８】図５に空気支援弁４４の操作状態と、それ
ぞれの道路条件／車両の運転状態条件に対する空気パル
スタイミングとを示す。この表から判るように、コール
ドスタートに対しては空気支援弁４４が連続して開放さ
れるよう制御され、部分負荷（巡行時）や部分加速に対
しては脈流を生ずるよう操作され空気量制御を施す。部
分減速、加速および減速条件の下では、燃料噴射弁に空
気支援が行われないよう空気支援弁４４は閉じられる。
最後にアイドリング速度制御のために、空気支援弁４４
は脈流を生ずるよう制御され、一般的に７００ＲＰＭの
望ましいアイドル速度を維持するのに必要な空気量の制
御を再び施す。

【００３９】燃料噴射弁から供給される空気支援に対し
以上のような制御を施すことにより、スロットル弁４に
対応してバイパス中に標準タイプのアイドル速度制御装
置（ＩＳＣ）を設ける必要性を全くなくすことができる
が、これは適切なアイドル速度を維持するためエンジン
に必要な空気量制御を空気支援制御装置が行うことがで
きるからである。事実、先の説明からも判るように、本
発明による空気支援制御装置はいかなる速度や負荷条件
に対してもエンジンに要求される空気量を正しく制御す
ることができる。

【００４０】一方、本発明の空気支援システムは標準タ
イプのＩＳＣ弁と組み合わせて動作させることもできる
ので、本発明の空気支援システムを既に標準タイプのＩ
ＳＣ制御を備えたエンジンに適用することも可能であ
る。しかしながら、燃料噴射管への空気支援を除き、ア
イドル速度制御システムを必要としないシステムが設計
できればシステムの総合コストの低減が図れＩＳＣ弁と
空気支援システムの必要性がなくなる。

【００４１】各燃料噴射弁にてなされる空気支援に対し
各種の制御を施すことにより、種々の道路条件／運転状
態の条件下におけるエンジン運転に対して特有の制御を
施すことができ、従ってより効率的でかつより応答性に
優れたエンジン制御が可能になる。これらの特色は、空
気支援を利用して粒径を更に効果的に制御するような燃
料噴射弁を採用し、効率的な燃焼と有害排出量の削減が
保証できるような燃料スプレイが各噴射弁で達成されれ
ば、更に一般とその効果を挙げることができる。

【００４２】図６は空気支援法で動作する燃料噴射弁を
示し、また圧縮空気の空気支援噴射システムに対する効
果を説明する図。図７Ａは燃料粒子の隣接壁面への衝突
係数と小滴粒子径との関係を示し、一方図７Ｂは粒子径
に及ぼす空気流速の影響を示す。

【００４３】図６で見られるように、空気支援が低速空
気流を伴うときに第１の効果が達成される。図７Ｂが示
すように、低速空気流の場合、粒子径は比較的大きくな
り、かつ図７Ａが示すように粒子径が６０ミクロンを越
えると衝突係数が極めて増大し、その結果、大量の燃料
が隣接した吸気管壁面に厚い層状となって付着し、適切
な燃料計量や効率的で応答性のよい内燃機関の運転に対
し好ましくない影響を及ぼす。

【００４４】図７Ａに示すように、粒径が３０〜６０ミ
クロンの範囲のとき、第２の効果が達成される。微粒化
がうまくいったときの好ましい小滴粒径はほぼ４０ミク
ロンで、これは燃料の流れがうまくバランスがとれたと
きに生ずる。

【００４５】第３の効果は空気流速度が高いときに達成
され、極めて高レベルの粒子微細化が達成される。これ
らの条件の下では、粒子は極めて微細、即ち３０ミクロ
ン以下になり、いわゆるエディ効果として知られる現象
により、燃料収束領域から浮遊してしまう傾向を示す。

【００４６】図７Ａから判るように、吸気管の隣接壁面
や弁表面に衝突する噴射燃料の量を示す衝突係数は、小
滴粒径が３０〜６０ミクロンの範囲のとき最小になる。
実際には、この衝突係数は温度にも密接に依存し、温度
が下がれば増加し、上がればその逆になる。エンジンが
高温のとき、粒径の大きい燃料スプレイがあると、吸気
管表面や弁表面で高温に伴う燃料の蒸発が生じ、その衝
突係数は多少下がる。

【００４７】図７Ｂで見られるように、空気支援噴射シ
ステムの最適運転に対して、空気流速度Ｖａおよび小滴
粒径Ｓｄが選ばれ、約４０ミクロンの粒径が得られる。
空気流速Ｖａはシステム内で発生する空気圧と燃料噴射
弁への吸気管径に依存するから、約４０ミクロン径のス
プレイが発生できるように、空気圧と吸気管径が選定さ
れる。

【００４８】効率的な燃焼、コールドスタートの容易化
や低燃費達成に必要な４０ミクロン範囲の粒径の燃料ス
プレイが可能になるよう、本発明の空気支援の特色を盛
り込んだ電磁燃料噴射弁の構成を図８に示す。この目的
のため、燃料噴射弁には燃料うず流板Ａおよび空気うず
流板Ｂの両方が、燃料流路に沿って順次、噴射弁のノズ
ル端に設けられる。燃料うず流板Ａ中に設けられた弁座
に接触するボール弁をその一端に有する噴射弁のプラン
ジャ１０４は、噴射弁の作動に合わせて上下し、そこを
通過し燃料うず流板Ａで旋回される燃料を計量する。ボ
ール弁および弁座構成により計量されたうず流となった
燃料は、空気うず流板Ｂ中に形成された区画中へ導か
れ、そこで空気取り入れ口１０５を通って供給された圧
縮空気流にさらされる。圧縮空気のうず流と燃料うず流
との相互作用により燃料は微細な粒子に分解され、次い
で微細噴霧として噴射弁のノズル部分から噴射される。

【００４９】図９は燃料うず流板Ａおよび空気流板Ｂの
更に詳細を示す展開図である。図１０Ａは燃料うず流板
Ａの平面図で一方図１０Ｂは空気うず流板Ｂの平面図を
示す。これらの図から判るように燃料うず流板Ａおよび
空気うず流板Ｂとも、燃料通路と同軸上の中央区画と接
線方向に導通する溝を備えている。しかし、ここで注意
すべき点は、燃料うず流板Ａの中央区画１１０に導かれ
る溝の方向は、空気うず流板Ｂ中の中央区画１１４へと
導かれる溝の方向とは逆向きに配置されていることであ
る。そこで、板Ａ中の溝に沿って中央区画へと流れる燃
料は特に図１０Ａの平面図から判るように時計回り方向
に回転され、一方、うず流板Ｂ中の溝を通って中央区画
へ導かれる空気は、図１０Ｂからより明らかなように、
反時計方向に回転する。時計方向に回転する燃料うず流
は燃料うず流板Ａ中の燃料通路を通って下側の、反時計
方向に空気が旋回している空気うず流板Ｂ中へと導かれ
る。燃料流は従って空気流に逆流するように導かれ、う
ず流をなす燃料・空気混合物中でより細かな粒径が得ら
れる。

【００５０】図８〜１０により説明した本発明の空気支
援装置の特徴は、オカモト他の米国特許第4,887,769号
に開示されたような電磁燃料噴射弁等に組み込むことも
可能である。図１１はこのような電磁燃料噴射弁のノズ
ル部分の詳細を説明するものであり、これには、図８、
９で説明した燃料うず流板Ａおよび空気うず流板Ｂを用
いて燃料流および空気流両方を旋回させる方法を含めた
本発明の空気支援装置の特色が盛り込まれている。

【００５１】図１１を見ると、燃料噴射弁のヨーク１０
３の先端部に弁ガイド１０７が備えられ、この弁ガイド
１０７中には燃料うず流板Ａ中に形成された弁座と接触
作動するボール弁１０６が収納されている。ボール弁１
０６は、一方の先端にアーマチャー（図示せず）を備え
たロッド１０５の一端に結合され、電磁燃料噴射弁の作
動によってロッド１０５およびボール弁１０６の軸方向
運動が引き起こされ、弁座からボール弁１０６が離れ、
燃料を通過させ燃料通路を流下させるが、これらは通常
の電磁燃料噴射弁の操作に見られるとおりである。

【００５２】ボール弁１０６は、燃料うず流板Ａに燃料
を通過させる燃料通路をその外周面に形成する軸方向溝
１０９を有する板１０４の内周面１０８によって、案内
動作される。燃料ポンプから加えられた燃料圧の下で燃
料は、燃料うず流板Ａの接線方向の溝に注入され、うず
流板Ａの中央区画内で旋回する。電磁燃料噴射弁の駆動
に伴いボール弁が弁座から離れると、うず流状の燃料は
ポート１１２を流下して空気うず流板Ｂの中央区画１１
４へと流入する。

【００５３】空気は空気支援弁４４から空気導管を通っ
て、うず流板Ｂに形成された円環状区画１１６へと導か
れ、次いでその圧縮空気は接線方向の溝を通って中央区
画１１４へと導入され、そこで、ポート１１２から同様
に区画１１４内に導入されたうず流状燃料の旋回方向と
は逆方向に旋回する。この空気と燃料の対向して回転す
る２つの流れの衝突によって燃料が微細な粒子に分解さ
れ、次いでポート１１５から、４０ミクロン近傍の粒子
径の燃料粒子微細噴霧となって噴射される。

【００５４】図９では、燃料うず流板Ａおよび空気うず
流板Ｂそれぞれが、燃料および空気の取り入れにそれぞ
れ４つの取り入れ口を備えていることが示されている
が、本発明によれば、希望する粒子径を達成するために
要求される空気流速度に依存して、燃料および空気の取
り入れ口の数が４以下の燃料うず流板Ａおよび空気うず
流Ｂも可能であることを理解すべきである。実際、燃料
うず流板Ａと空気うず流板Ｂ双方が同じ数の取り入れ口
を備える必要はなく、そこで、空気うず流板Ｂが備える
空気取り入れ口の数よりも燃料うず流板Ａの燃料取り入
れ口を多く設けたり、あるいはその逆の構成も可能にな
る。

【００５５】図８および１１では、燃料が噴射弁中を軸
方向に流れるよう示してあるが、空気うず流板Ｂへ圧縮
空気を加えるのと類似の方法で、燃料を直接導管から燃
料うず流板Ａへ供給することも可能である。そのような
場合には、図９に示すディスク１０４は側面からの燃料
通過を無くすために円形ディスクとして備えられる。

【００５６】なお、図８〜１１で電磁燃料噴射弁の一つ
の好適な実施例を示したが、図１の空気支援燃料噴射弁
は図８で説明した特有の構成の燃料噴射弁を備える必要
がないことを理解すべきである。この点に関し、燃料噴
射弁への圧縮空気の供給は、図１のシステムの備える制
御の肝要な部分であるが、図１のシステムで説明された
方式のシステム制御によりもたらされる利点を達成する
ためには、その内部で燃料が旋回するような燃料噴射弁
を備える必要性は求められていない。更に、図８乃至図
１１で説明された電磁燃料噴射弁は汎用性があり、図１
で説明された方式の燃料噴射制御システムでの利用に限
定されない。

【００５７】本発明は、燃料噴射に対し燃料粒子の一層
の微細化が達成でき、エンジン排気中のＮＯｘ、ＣＯ、
ＣＯ₂やＨＣなどの有害ガスの削減ができ、各シリンダ
室内の燃焼を改善し、低温環境でも容易にコールド始動
でき、かつ燃料消費を低下できる空気支援燃料噴射シス
テムを提供するものである。種々の異なるエンジン条件
および車両走行条件に対して、空気支援のタイプを多様
に制御して更に効率的なエンジン制御を行うことによ
り、一段と優れた内燃機関の性能発揮にもつながる。

【００５８】本発明はその好ましい実施例に基づき説明
したが、本発明の精神およびその範囲を逸脱することな
く、数多くの変更を行うことができることは当然であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電磁燃料噴射が使用される空気圧
支援燃料噴射システムの一つの実施例の基本構成図であ
る。

【図２】図１のシステムに採用される電子制御モジュー
ルの詳細を示す構成図である。

【図３】図１のシステムの空気圧支援制御装置の制御特
性および操作を説明する流れ図である。

【図４】Ａ乃至Ｅは、内燃機関の異なる運転条件ごとの
空気支援のために採用される燃料噴射操作および空気弁
操作を説明する波形図である。

【図５】内燃機関の複数の道路／運転状態条件のそれぞ
れに対する、空気支援による弁状態および空気パルスタ
イミングを示す図表である。

【図６】燃料噴射に及ぼす圧縮空気の効果を説明する構
成図である。

【図７】Ａは、電磁燃料噴射弁による燃料噴射におけ
る、小滴粒径と衝突係数との関係を示す図であり、Ｂ
は、空気支援燃料噴射弁における小滴粒径と空気噴射速
度との関係を示す図である。

【図８】本発明の空気支援の特色を具体化した電磁燃料
噴射弁の構成図である。

【図９】本発明の電磁燃料噴射弁の一部分の展開図で、
燃料うず流板および空気うず流板を示す図である。

【図１０】ＡおよびＢは、本発明において採用された、
燃料うず流板および空気うず流板それぞれの上面図であ
る。

【図１１】本発明の燃料うず流板および空気うず流板を
採用した電磁燃料噴射弁のノズル端の断面図である。

【符号の説明】

１０４ プランジャ １０５ 空気取り入れ口 １０６ ボ−ル弁 １１２ ポ−ト １１５ ポ−ト

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−292573（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−133306（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−26870（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−75155（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−61459（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭51−87126（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭58−45597（ＪＰ，Ｂ２) 米国特許2969784（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02M 39/00 - 71/04

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液体燃料を通過させる燃料通路と、前記燃
   料通路と同軸上の中央区画と接線方向に導通する複数の
   溝を有する燃料うず流板と前記燃料うず流板の下流に設
   けられ前記燃料うず流とは逆方向のうず流を発生する複
   数の溝を有する空気うず流板とを有する内燃機関用の電
   磁燃料噴射弁と、前記電磁燃料噴射弁にポンプによる圧
   縮空気を供給する制御弁と、前記内燃機関の運転状態に
   応じて前記制御弁を制御する空気支援制御装置とを有す
   る空気支援電磁燃料噴射弁であって、前記空気支援制御
   装置は、前記内燃機関がコールドスタート運転状態では
   前記制御弁を介して連続した所定の空気を供給制御し、
   前記内燃機関が部分負荷、部分加速あるいはアイドリン
   グ状態のいずれかの運転状態では前記制御弁を介して前
   記燃料噴射弁の燃料噴射パルスに対応して前記燃料噴射
   パルスオンよりも予め定められた時間先行して圧縮空気
   の供給を開始し燃料噴射パルスオフよりも予め定められ
   た時間遅れて圧縮空気の供給を終える脈動空気を供給制
   御し、前記内燃機関が部分減速を含む減速あるいは加速
   運転状態では前記制御弁を閉制御し、前記圧縮空気を生
   成するポンプ操作を制御する空気支援制御装置であるこ
   とを特徴とする内燃機関用空気支援電磁燃料噴射弁。