JP3624475B2

JP3624475B2 - エンジンの燃料供給装置

Info

Publication number: JP3624475B2
Application number: JP20058395A
Authority: JP
Inventors: 清孝間宮; 浩康内田
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1995-07-12
Filing date: 1995-07-12
Publication date: 2005-03-02
Anticipated expiration: 2015-07-12
Also published as: JPH0932703A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は特に冷機時のエミッション性能および燃費性能を高めるためのエンジンの燃料供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、自動車用エンジンでは、排気系に触媒装置を設け、排気ガス浄化用触媒によって排気ガス中のＨＣ（炭化水素），ＣＯ（一酸化炭素），ＮＯ_Ｘ（窒素酸化物）等の有害成分を水，二酸化炭素，窒素等にコンバートし、排気ガスを浄化する。そして、排気ガス浄化用触媒としては、例えば白金，ロジウム，パラジウム等の貴金属触媒を酸化珪素等で形成された担体に担持してなる三元触媒が広く用いられている。かかる排気ガス浄化用触媒はいずれも所定の活性温度（例えば３５０゜Ｃ）以上にならなければ十分な排気ガス浄化率が得られないが、エンジンがすでに暖機状態となっている通常の運転時には、排気ガス浄化用触媒は高温（例えば７００〜９００゜Ｃ）の排気ガスにさらされることによって常時活性温度以上に保持されるため、十分な浄化作用を奏する。しかしながら、エンジンの冷間始動時においては、排気ガス浄化用触媒が活性温度に達するまでに時間がかかり、その間は十分な浄化作用が得られない。そこで、電気加熱ヒータあるいはアフターバーナといった触媒加熱装置を設けて、エンジンの冷間始動時にはこれら触媒加熱装置により触媒の温度を速やかに活性温度まで上昇させるようにすることが提案されており、また、エンジンの冷間始動時において、始動開始後の所定期間中は点火時期を大リタード設定（上死点後）とすることによって、排気熱損失を大きくして排気ガス温度の上昇を速めるとともに、点火リタードによる燃焼性の悪化を筒内スワール生成等の燃焼促進手段によって補い、エンジンの回転安定性を確保してトルク変動を抑制するようにしたものも提案されている。
【０００３】
一方、それとは別に、エアーによって燃料の微粒化を図る技術が従来から知られている。例えば、特開昭５７−１５３９６１号公報に示された技術は、アイドルスピードコントロール用エアー通路の下流端をインジェクタの噴口付近まで延長し、エアーアシストによって燃料の微粒化を図るというものである。また、実開昭６３−１２１７７５号公報に示された技術は、インジェクタの先端をバルブシートおよび内外二重の針弁で構成し、外側の針弁を開いて燃料を環状液膜状に噴出させ、それに対し内側の針弁を開いて内側からエアーを衝突させ、燃料の微粒化を図るというものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
エンジンの冷間始動時に排気ガス浄化用触媒の活性化を促進して、有害成分特にＨＣを低減することは重要な技術課題であり、そのため、電気加熱ヒータ等による触媒加熱、点火時期の大リタードといった方法が提案されていることは上述のとおりである。しかしながら、例えば電気加熱ヒータによって触媒温度を高めようとすると、消費電力が大きく、ヒータをオルタネータに直結する必要があって、それが燃費悪化の要因となる。また、点火時期を大リタードに設定しようとしても、スワール等による燃焼促進にも限度がある。そのため、リタード量を十分大きくできないのが現状である。また、点火時期リタードもまた、燃焼性を悪化させ、燃費悪化の要因となる。
【０００５】
エアーアシストによりあるいはエアーを衝突させることによって燃料の微粒化を図る技術は従来から知られている。そこで、これらの技術を補助的に用いて、燃焼性を向上させ、燃費をいくらかでも改善することも考えられる。しかしながら、これらの技術では、エアーが各気筒毎の個々のインジェクタに分散されるため、個々のインジェクタにおいて十分な流速および流量を得るようにできず、燃焼性向上の十分な効果が得られない。また、その効果はごく軽負荷域に限られてしまう。
【０００６】
したがって、本発明により解決しようとする課題は、燃料の気化・霧化を促進して冷間始動時のエミッション特にＨＣの低減を促進し、かつ燃費を向上させるための有効な手段を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、吸気系におけるスロットルバルブ前後の差圧によって発生する気流を利用して燃料の気化・霧化を改善することにより、エンジンの特に冷間始動時のエミッションおよび燃費を向上させる手段を提供するものであって、吸気系にスロットルバルブをバイパスするエアー通路と該エアー通路の流量を制御するエアー制御弁とを備えたエンジンにおいて、そのエアー制御弁のバルブシート部あるいはバルブシート部近傍に発生する流速の大きい気流を利用して燃料の微粒化を促進するよう、その流速増大部分に燃料供給用ノズルを開口させ、少なくとも低負荷域においてそのノズルから燃料を噴出させる。
【０００８】
そして、バイパスエアーの流速を利用した燃料の微粒化効果が得られる領域をできるだけ広くできるよう、スロットルバルブの開弁を遅らせて、その間をバイパスエアーによって賄うようにするのがよい。そのためには、アクセル開度に対する前記スロットルバルブの開度特性および前記エアー制御弁の開度特性を、所定アクセル開度に達するまではスロットル開度の増大を抑えて制御弁開度を増大させ、所定アクセル開度以上ではアクセル開度の増大に応じてスロットル開度を増大させる設定とする。
【０００９】
また、スロットルバルブ前後の差圧による気流を常時利用できるよう、当該エアー通路は、気筒間において吸気行程が連続する複数の気筒からなる気筒群を有するエンジンにおいて、上記気筒群の各気筒の独立吸気通路が集合する吸気系の集合部に出口を接続したものとするのがよい。気筒間において吸気行程が連続する複数の気筒からなる気筒群に相当するものは、例えばＶ型６気筒エンジンの場合の各バンクが構成する気筒群であり、４気筒エンジンの場合の全気筒からなる気筒群である。
【００１０】
また、シート部分に燃料が付着しないようにするのがよく、そのためには、エアー通路のエアー制御弁上流部と燃料供給用ノズルとを連通するエアー補助通路を設ける。
【００１１】
また、制御弁のシート部分における流速は大きい方がよく、そのためには、制御弁下流の管路抵抗が大きくならないよう、エアー制御弁をエアー通路下流端に配置するのがよい。
【００１２】
また、エアー制御弁のシート部分における気流変化に伴う冷却作用と燃料の気化による冷却作用が重なることにより、シート部分で燃料の温度が下がるので、それら冷却作用による気化・霧化の悪化を防止するため、排気還流通路の出口をエアー制御弁の下流からバルブシート部に指向させ、排気ガスの温度で混合気を暖めるのがよい。
【００１３】
吸気系のスロットルバルブをバイパスするエアー通路には、エアー制御弁が開くことによってスロットルバルブ前後の差圧が作用し、エアーが流れる。そして、エアー制御弁のバルブシート部およびその近傍における流速増大部分に開口するノズルを通して燃料が供給され、特に低負荷域においてノズル開口部の流速が大きいことにより燃料が高度に微粒化される。そのため、特に冷機状態における燃料の気化・霧化が促進され、良好な燃焼が可能となって、排気ガス中のＨＣが低減されるとともに、燃費およびエミッション性能が向上する。
【００１４】
スロットルバルブをバイパスするエアー通路の気流は、スロットルバルブ開度が大きくなるにつれて流速が小さくなり、燃料微粒化効果が得られなくなる。そのため、バイパスエアーによって賄える範囲で、アクセル開度に対するスロットルバルブの開弁を遅らせることが有効であり、そうすることにより、低負荷域から中負荷域までの広い範囲にわたってノズル開口部のエアー流速を高速に維持し、最大の燃料微粒化効果を得るようにできる。
【００１５】
気筒間において吸気行程が連続する複数の気筒からなる気筒群を有するエンジンにおいて、その気筒群の各気筒の独立吸気通路が集合する吸気系の集合部にエアー通路の出口を接続した場合に、スロットルバルブ前後の差圧による気流がエアー制御弁のバルブシート部において常時流速並びに流量の大きい状態に維持され、燃料微粒化効果が常時得られ、また、バルブシート部への燃料付着が抑制され、ＨＣ低減効果が高まる。
【００１６】
エアー通路のエアー制御弁上流部と燃料供給用ノズルとを連通する補助通路を設けると、この補助通路をもらしエアーが常時流れることによって、バルブシート部への燃料付着が抑制される。
【００１７】
エアー制御弁をエアー通路下流端に配置すると、エアー制御弁下流の管路抵抗が大きくならず、そのため、エアー制御弁のバルブシート部における流速が大きくなり、燃料微粒化効果が高まる。
【００１８】
排気還流通路の出口をエアー制御弁の下流からバルブシート部に指向させ、排気ガスの温度で混合気を暖めるようにすると、気流の圧力変化に伴う冷却作用と燃料の気化による冷却作用とで燃料温度が過度に下がって気化・霧化が悪化するのを防止できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、アイドルスピードコントロール（ＩＳＣ）用のエアー通路を利用した本発明の実施の形態の一例のシステム図であり、図２はその要部拡大図である。
【００２０】
図１において、１は自動車用の４気筒エンジンであり、２は該エンジンのシリンダブロック、３はシリンダヘッドである。シリンダブロック２には各気筒のシリンダボア４が直列配置で設けられ、シリンダヘッド３の下面には各シリンダボア４の上端に対向する位置に燃焼室凹部５が設けられている。また、各シリンダボア４内には往復移動自在にピストン６が配置され、各ピストン６は、コネクティングロッド７を介してエンジン出力軸であるクランクシャフト（図示せず）に連結されている。また、シリンダヘッド３には、各燃焼室凹部５毎に、それぞれ一端が各燃焼室凹部５に開口し他端が対向する両側端部に開口する吸気ポート７と排気ポート８が設けられ、それら吸気ポート７および排気ポート８の燃焼室凹部５への開口部には、クランクシャフトの回転に同期して開閉駆動されるポペット式の吸気バルブ９および排気バルブ１０がそれぞれ配置されている。そして、シリンダヘッド３の一側端には各気筒の吸気ポート７に連通する各独立吸気通路１１と、それら独立吸気通路１１を上流で集合させるサージタンク１２とからなる吸気マニホールド１３が接続され、サージタンク１２の入口とエアークリーナー１４とが１本の集合通路１５によって接続されている。また、上記集合通路１５のエアークリーナー１４との接続部には、吸入空気量を検出するためのエアーフローセンサー１６が配設され、エアフローセンサー１６の下流には、エンジンの空気量を調整するスロットルバルブ１７が配設されている。スロットルバルブ１７は、リンク機構あるいは電気的駆動機構によって開閉駆動され、アクセルペダル（図示せず）の踏み込み量（すなわちアクセル開度）に応じた所定の開度特性により制御される。
【００２１】
上記エンジン１の吸気系には、また、スロットルバルブ１７をバイパスして集合通路１５の上流部と下流部とを連通するエアー通路１８が設けられ、該エアー通路１８の下流端にエアー制御弁１９が配設されている。これらエアー通路１８とエアー制御弁１９は、エンジン１のアイドル回転数制御装置（ＩＳＣ装置）を構成するもので、エアー制御弁１９の針弁２０をステップモータ駆動によって軸方向に移動し、バルブシート部２１のシート面との間隙を変えてバイパスエアー量を調整し、エンジンアイドル時の回転数を所定値に制御する。
【００２２】
上記エアー制御弁１９には、バルブシート部２１の側方を弁軸と直交する方向に延設されてバルブシート部２１のテーパ面に開口するノズル２２を形成し、該ノズル２２に対し軸方向に燃料を噴射するよう燃料噴射用インジェクタ（上流インジェクタ）２３を配置する。これにより、インジェクタ２３から噴射された燃料は、ノズル２２を通ってバルブシート部２１に供給され、バルブシート部２１の高速気流によって微粒化される。
【００２３】
また、エアー制御弁１９には、エアー通路１８の制御弁上流部をノズル２２の入口部分に連通させる細いエアー補助通路２４を設ける。これにより、エアー制御弁１９上流のエアーが圧力差によってエアー補助通路２４を流れ、閉弁時にノズルおよびバルブシート部に燃料が付着するのを防止する。
【００２４】
上記エンジン１には、また、吸気マニホールド１３と反対側のシリンダヘッド３側端に排気マニホールド２５が接続されている。排気マニホールド２５は、各気筒の排気ポート８に連通する排気通路を出口側で１本の通路に集合するもので、下流には排気ガス浄化用触媒装置２６が接続されている。また、排気系の触媒装置２６の上流と吸気系のスロットルバルブ１７の下流とを連通するＥＧＲ（排気ガス還流）通路２７が設けられ、該ＥＧＲ通路２７の途中にはデューティー制御式のＥＧＲバルブ２８が介設されている。そして、ＥＧＲ通路２７の出口は、エアー制御弁１９の下流からバルブシート部２１に指向するよう配置されている。また、バルブシート部２１に開口するノズル２２の周囲には、エンジン冷却水を導入してこの部分を加熱するため冷却水通路２９が設けられている。これにより、ノズル２２から噴射され微粒化された燃料の気化が促進されるとともに、気化熱や気流の圧力変化によって奪われた熱が補給される。
【００２５】
上記エンジン１には、上記ノズル２２に配置された上流インジェクタ２３とは別に、上記各気筒毎のそれぞれの独立吸気通路１１に燃料噴射用インジェクタ（ポートインジェクタ）３０が設けられている。上流側のインジェクタ２３からは低負荷域から中負荷域にかけてサージタンク１２上流の集合通路に燃料が噴射され、下流側の各インジェクタ３０からは中負荷域から高負荷域にかけて各気筒の吸気ポート７に燃料が噴射される。
【００２６】
上記エンジン１のシリンダブロック２には、冷却水温度を検出する水温センサ３１が設けられている。また、スロットルバルブ１７の駆動機構の動きからアクセル開度を検出するアクセルセンサ３２が設けられ、排気系の触媒装置２６の入口には空燃比フィードバック制御用のＯ_２センサ３３が設置されている。これら水温センサ３１、アクセルセンサ３２およびＯ_２センサ３３の検出信号は、エンジン制御の情報としてエンジンコントロールユニット３４に入力される。また、エンジンコントロールユニット３４には、点火系のディストリビュータ（図示せず）からの回転信号が入力され、エアーフローセンサー１６からの吸入空気量信号が入力される。エンジンコントロールユニット３４は、各種信号に基づいて上流インジェクタ２３およびポートインジェクタ３０を制御し、また、エアー制御弁１９を制御し、ＥＧＲバルブ２８を制御する。
【００２７】
スロットルバルブ１７は、アクセル（図示せず）の踏み込み量（アクセル開度）に対して所定の開度特性となるよう機械式あるいは電気式の駆動機構（図示せず）によって駆動するものであり、その駆動の基本的な機構は従来のものと変わりがない。ただし、燃料供給用ノズル２２の開口部であるバルブシート部２０のエアー流速を低負荷域から中負荷域の広い範囲で高速に維持するため、スロットルバルブ１７の開き始めを遅らせ、スロットルバルブ１７が開くまでの空気量不足をエアー通路１８を流れるバイパスエアー量によって補う。そのため、スロットルバルブの駆動機構が機械式のリンク機構である場合は、リンクアームの連結部を長穴にする。電気式駆動機構の場合は、そのようなスロットル開度制御は容易である。一方、エアー制御弁１９の開度（リフト量）は、エンジン回転数とアクセル開度のマップによって制御するものとし、その場合のマップ値は、スロットルバルブ１７を介して吸入される空気量にバイパスエアー量を足した値がアクセル開度に対してスムーズに変化する設定とする。図３はアクセル開度に対する空気量の制御特性を示す。図において、破線はスロットルバルブを介して吸入されるメインエアエアー量であり、実線はメインエアーとバイパスエアーを合わせたトータルの空気量である。図の斜線部分がバイパスエアー量に相当する。
【００２８】
上記エンジンは、また、電気加熱ヒータ等による触媒加熱、点火時期の大リタードといった手段によって、冷間始動時に排気ガス浄化用触媒の活性化促進を行うものである。
【００２９】
図４は一例に係るエアー制御弁１９の詳細構造を示す断面図、図５は同エアー制御弁１９の取付状態を示す外観図である。図において、３５はステップモータのコイル部、３６はコイル部３５への通電により回転するナット部、３７はナット部３６と螺合しナット部３６の回転により針弁２１を上下させるボルト部、３８は針弁２１のリフト位置を検知するポジションセンサである。エアー制御弁１９は、吸気マニホールド１３のサージタンク１２とスロットルボディー４０との間に直結される。
【００３０】
以上、ＩＳＣ用のエアー通路およびエアー制御弁を利用したものを説明したが、本発明は、要は、吸気系におけるスロットルバルブ前後の差圧によって発生する気流を利用して燃料の気化・霧化を改善するものであり、ＩＳＣのエアー通路およびエアー制御弁に限定されるものではない。
【００３１】
【発明の効果】
バイパスエアーの流速が大きい部分を介して燃料を噴出することにより、燃料の微粒化、気化・霧化を促進し、燃焼性を改善して、特に冷機時のＨＣ低減等エミッション性能および燃費性能を高めることができる。
【００３２】
そして、スロットルバルブの開度を抑えてバイパスエアーを増量することにより、エアー流速を高速に維持し、低負荷域から中負荷域にかけて広い範囲で高度の燃料微粒化効果を得るようにできる。
【００３３】
また、吸気行程が連続する複数の気筒からなる気筒群を有するエンジンに適用して気流が速い状態を常時得るようにでき、バルブシート部への燃料付着を抑制してＨＣ低減効果を高めることができる。
【００３４】
また、エアー補助通路にもらしエアーを常時流して、バルブシート部への燃料付着を抑制するようにできる。
【００３５】
また、エアー制御弁をエアー通路下流端に配置して、気流を速め、燃料微粒化効果を高めるようにできる。
【００３６】
また、還流排気ガスによって、圧力変化と気化による燃料温度の下降を補い、気化・霧化の悪化を防止するようにできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態の一例のシステム図である。
【図２】実施の形態の一例の要部拡大図である。
【図３】実施の形態の一例の制御特性図である。
【図４】実施の形態の一例に係るエアー制御弁の詳細構造を示す断面図である。
【図５】実施の形態の一例に係るエアー制御弁の取付状態を示す外観図である。
【符号の説明】
１エンジン
１７スロットルバルブ
１８エアー通路
１９エアー制御弁
２１バルブシート部
２２燃料供給用ノズル
２３上流インジェクタ
２４エアー補助通路
２７排気ガス還流通路
２９冷却水通路
３４エンジンコントロールユニット

Claims

吸気系にスロットルバルブをバイパスするエアー通路と該エアー通路の流量を制御するエアー制御弁とを備えたエンジンにおいて、前記エアー制御弁のバルブシート部あるいはバルブシート部近傍の流速増大部分に燃料供給用ノズルを開口させ、アクセル開度に対する前記スロットルバルブの開度特性および前記エアー制御弁の開度特性を、所定アクセル開度に達するまではスロットル開度の増大を抑えて前記エアー制御弁の開度を増大させ、所定アクセル開度以上ではアクセル開度の増大に応じて前記スロットルバルブの開度を増大させる設定とし、少なくとも低負荷域において前記ノズルから燃料を噴出させることを特徴とするエンジンの燃料供給装置。
気筒間において吸気行程が連続する複数の気筒からなる気筒群を有するエンジンであって、前記気筒群の各気筒の独立吸気通路が集合する吸気系集合部に前記エアー通路の出口を接続した請求項１記載のエンジンの燃料供給装置。
前記エアー通路のエアー制御弁上流部と前記ノズルとを連通するエアー補助通路を設けた請求項１または２記載のエンジンの燃料供給装置。
エアー通路下流端に前記エアー制御弁を有する請求項２記載のエンジンの燃料供給装置。
排気ガスの一部を吸気系に供給する排気還流通路の出口を、前記エアー制御弁下流から前記バルブシート部に指向させる配置とした請求項１、２、３または４記載のエンジンの燃料供給装置。