JP3752121B2 - 燃料噴射装置および燃料噴射方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼室に噴射される燃料の噴霧形状をエンジンの運転状況に応じて変化させる燃料噴射装置および燃料噴射方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンでは、燃焼室に吸入された空気を高い圧縮比で圧縮するとともに、この圧縮により高温・高圧となった空気中に燃料を噴射し、この燃料粒の自己着火により燃焼を行っている。このため、近年のディーゼルエンジンの排ガス規制強化に対応するためには、燃料が圧縮熱によって着火燃焼し易いように、燃料噴射圧力の高圧化や燃料噴射時期の変更といった様々な対策が必要となってきている。
【０００３】
ところで、従来のディーゼルエンジンに用いられる燃料噴射ノズルは、加圧された燃料が供給される複数の噴孔を有しており、これら噴孔から噴射された燃料が燃焼室内に噴霧を形成するようになっている。この燃料の噴霧形状や燃料粒の分散状態は、燃焼に大きな影響を及ぼすことが知られており、ディーゼルエンジンの性能はもとより有害成分の発生を左右する要因となる。
【０００４】
すなわち、燃焼室内に燃料粒が行き届かないような領域が存在すると、そこにある空気は燃焼に寄与しないとともに、逆に燃料粒が密集した領域では、空気が不足気味となって不完全燃焼を起こし、すすが発生する。このため、燃焼室に燃料を噴射するに当たっては、燃料粒が燃焼室内において均等に分布するような噴霧を形成することが望ましい。
【０００５】
しかしながら、この噴霧の形状やそれに伴う燃料粒の到達距離は、燃料噴射ノズルの噴孔の形状や噴射圧力等によって決定されてしまい、刻々と変化するエンジンの運転状況に応じて自由に制御することができない。
【０００６】
このことから、最近、燃料の高圧噴射に依存せずに燃料の噴霧形状を任意に変化させる技術が提案され、「日本機械学会論文集（Ｂ編）65巻632号(1999-4)、論文No.98-1497」に開示されている。この先行技術では、燃料に液化CO₂を溶解させた液化CO₂混合燃料を用いることで、燃焼室に噴射される燃料粒の微粒化を促進するとともに、噴霧の広域拡散化を図り、ディーゼルエンジンの低公害化の実現を目指している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この先行技術によると、燃料以外に格別な液化CO₂を必要とするとともに、高圧に加圧されたCO₂を蓄えておく高圧容器、液化状態を安定に維持しつつ液化CO₂と燃料とを任意な割合で混合するための増圧器およびこの増圧器を駆動する空気ポンプやレギュレータのような数多くの補機類を必要とする。
【０００８】
このため、混合燃料を燃料噴射ノズルに供給するシステム全体が複雑かつ大規模なものとなり、その分、コストが増大するとともに、燃料供給経路の保守点検に手間を要するといった不具合が生じてくる。
【０００９】
本発明は、このような事情にもとづいてなされたもので、エンジンの運転状況に適した燃焼状態を得ることができ、有害成分の発生を抑制できるとともに、燃料供給系を単純なものとしてコストを低減できる燃料噴射装置および燃料噴射方法の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の一つの形態に係る燃料噴射装置は、
エンジンのシリンダヘッドに取り付けられる噴射ユニットを備えている。この噴射ユニットは、燃料が供給される燃料通路と、エンジンに同期して駆動され、上記燃料通路に供給された燃料を加圧する燃料加圧機構と、ノズルニードルによって開閉され、上記加圧された燃料を上記エンジンの燃焼室に噴射する噴孔と、上記燃料通路のうち上記燃料加圧手段よりも燃料の流れ方向に沿う上流側の燃料導入部に設置され、エンジンの運転状況に基づいて上記燃料導入部を開閉することにより上記燃料通路内の燃料の圧力を制御する電磁弁と、を含んでおり、
上記燃料通路の燃料導入部に、上記噴孔がノズルニードルによって閉じられ、かつ上記電磁弁が閉じられている期間中に加圧された気体を供給する供給機構を接続し、この供給機構から上記燃料導入部の燃料中に混入される気体の量をエンジンの運転状況に応じて調整することで、上記噴孔の内部に形成されるキャビティの発生領域および大きさを変化させ、上記噴孔から上記燃焼室に噴射される燃料の噴霧形状を制御することを特徴としている。
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の一つの形態に係る燃料噴射方法は、
エンジンに同期して駆動されるプランジャにより燃料通路に供給された燃料を加圧するとともに、
上記プランジャよりも燃料の流れ方向に沿う上流側において上記燃料通路をエンジンの運転状況に応じて開閉することにより、上記燃料通路内の燃料の圧力を制御し、
上記燃料通路内の燃料が所定の圧力に達した時に、上記燃料通路の下流端に連なる噴孔を開いてこの噴孔から上記エンジンの燃焼室に燃料を噴射する方法であって、
上記燃料通路および上記噴孔が閉じられている期間中に、加圧された気体を上記プランジャよりも上流側に位置する上記燃料通路の燃料導入部に供給するとともに、
上記燃料導入部において上記燃料中に混入される気体の量をエンジンの運転状況に応じて調整することで、上記噴孔の内部に形成されるキャビティの発生領域および大きさを変化させ、上記噴孔から上記燃焼室に噴射される燃料の噴霧形状を制御することを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の第１の実施の形態を、図１ないし図５にもとづいて説明する。
【００１３】
図１は、例えば発電機、舶用機械あるいは建設機械等に用いられるディーゼルエンジンの燃料噴射システムを開示している。この燃料噴射システムは、噴射ユニットとして機能する電子制御式のユニットインジェクタ１を装備している。ユニットインジェクタ１は、エンジン２のシリンダヘッド３に取り付けられている。シリンダヘッド３は、ピストン４の頂部と協働して燃焼室５を構成しており、この燃焼室５にユニットインジェクタ１を通じて燃料が噴射されるようになっている。
【００１４】
ユニットインジェクタ１は、インジェクタボディ７と、このインジェクタボディ７の先端部にリテーニングナット８を介して同軸状に固定されたノズルホルダ９、ディスタンスピース１０およびノズルボデー１１とを含んでいる。
【００１５】
インジェクタボディ７は、プランジャバレル７ａと、このプランジャバレル７ａと一体化された電磁弁取り付け部７ｂとを備えている。プランジャバレル７ａの内部には、シリンダ１２と、このシリンダ１２の底に連なる加圧室１３とが形成されている。
【００１６】
シリンダ１２には、燃料加圧機構として機能するプランジャ１４が軸方向に摺動可能に嵌合されている。このプランジャ１４の先端は、加圧室１３に臨んでいる。プランジャ１４の加圧室１３と反対側の端部には、タペット１５が連結されている。タペット１５は、プランジャバレル７ａに支持されているとともに、このプランジャバレル７ａの外方に突出されている。そして、タペット１５は、プランジャスプリング１６を介してプランジャ１４を加圧室１３から引き出す方向に付勢されている。
【００１７】
タペット１５は、ロッカアーム１８、プッシュロッド１９およびカムフォロア２０を介して燃料噴射用カム軸２１に連携されている。ロッカアーム１８は、ロッカー軸２２を介してシリンダヘッド３に支持されており、このロッカアーム１８の一端がタペット１５に突き当たっている。プッシュロッド１９は、ロッカアーム１８の他端とカムフォロア２０との間に介在されている。カムフォロア２０は、エンジン２のクランクケース（図示せず）に回動可能に支持されているとともに、タペットローラ２３を介して燃料噴射用カム軸２１上のカム２４に回転自在に接している。燃料噴射用カム軸２１は、エンジン２のクランク軸（図示せず）によって図１の時計周り方向に回転駆動されるようになっている。
【００１８】
カム２４は、基礎円２４ａと、この基礎円２４ａから径方向外側に向けて円弧状に張り出すプランジャ上昇域２４ｂと、このプランジャ上昇域２４ｂの最大輪郭位置から基礎円２４ａの接線方向に延びるプランジャ下降域２４ｃとを有している。そのため、燃料噴射用カム軸２１が駆動されると、タペットローラ２３がカム２４の基礎円２４ａ、プランジャ下降域２４ｃおよびプランジャ上昇域２４ｂに繰り返し接触するので、カムフォロア２０がカム２４の輪郭形状に応じた揺動運動を繰り返す。このカムフォロア２０の揺動運動は、プッシュロッド１９、ロッカアーム１８およびタペット１５を介してプランジャ１４に伝えられ、これによりプランジャ１４が軸方向に往復動するようになっている。
【００１９】
図２に示すように、ノズルボデー１１は、その先端に小径な円頂部２６を有している。円頂部２６は、燃焼室５の中心部に突出されているとともに、この燃焼室５に開口された複数の噴孔２７を有している。
【００２０】
ノズルボデー１１の内部には、ガイド孔２８が形成されている。ガイド孔２８は、円頂部２６に隣接された一端に燃料溜り室２９を有し、この燃料溜り室２９は、ノズル挿入孔３０を通じて噴孔２７に連なっている。また、ガイド孔２８の燃料溜り室２９とは反対側の他端は、ノズルホルダ９の内部のスプリング収容室３１に連なっている。
【００２１】
ガイド孔２８には、ノズルニードル３２が軸方向に摺動可能に嵌合されている。ノズルニードル３２の一端は、燃料溜り室２９を貫通しており、このノズルニードル３２の一端にノズル挿入孔３０を開閉する先細り状に尖ったシール部３３が形成されている。このため、ノズルニードル３２は、ノズル挿入孔３０を塞ぐ閉じ位置と、ノズル挿入孔３０を開放する開き位置とに亙って往復動可能にノズルボデー１１に支持されている。
【００２２】
ノズルニードル３２のシール部３３とは反対側の端部は、ディスタンスピース１０を貫通してスプリング収容室３１に臨んでいる。スプリング収容室３１には、プレッシャスプリング３４が収容されている。プレッシャスプリング３４は、スプリングリテーナ３５を介してノズルニードル３２をノズル挿入孔３０に向けて付勢しており、このノズルニードル３２を常に閉じ位置に保持している。
【００２３】
図１や図２に示すように、ユニットインジェクタ１は、燃料通路３６を有している。燃料通路３６は、インジェクタボディ７、ノズルホルダ９、ディスタンスピース１０およびノズルボデー１１の内部に連続して形成されている。燃料通路３６の上流端は、インジェクタボディ７の電磁弁取り付け部７ｂに導かれているとともに、燃料通路３６の下流端は、燃料溜り室２９に連なっている。また、燃料通路３６は、プランジャバレル７ａの内部において、上記加圧室１３に連なっている。そのため、燃料通路３６は、加圧室１３を境としてこの加圧室１３よりも上流側に位置された燃料導入部３６ａと、加圧室１３よりも下流側に位置された燃料吐出部３６ｂとに区分けされている。
【００２４】
燃料通路３６の燃料導入部３６ａは、燃料導管３７を介してフィードポンプ３８に連なっている。このフィードポンプ３８は、燃料タンク３９に蓄えられた燃料を一定のフィード圧で燃料通路３６に供給するためのものであり、このフィードポンプ３８と燃料通路３６を結ぶ燃料導管３７の途中には、上流側から順に燃料フィルタ４０および減圧弁４１が設置されている。
【００２５】
燃料導管３７は、減圧弁４１の下流側で分岐された燃料戻し管４２を有している。燃料戻し管４２は燃料タンク３９に連なっており、この燃料戻し管４２の途中には、燃料導管３７から燃料タンク３９に向かう燃料の流通のみを許容する逆止弁４３が設置されている。
【００２６】
図１および図３に示すように、インジェクタボディ７の電磁弁取り付け部７ｂには、上向きに開口された凹部４６が形成されている。凹部４６は、燃料通路３６の燃料導入部３６ａに連なる第１および第２の連通口４７ａ，４７ｂを有している。第１の連通口４７ａは、燃料導入部３６ａの上流部分を介して燃料導管３７に連なっている。第２の連通口４７ｂは、燃料導入部３６ａの下流部分を介して加圧室１３に連なっている。
【００２７】
凹部４６には、燃料噴射時期を制御する電磁弁５０が設置されている。電磁弁５０は、ポペット弁５１と、このポペット弁５１を駆動する電磁ソレノイド５２とを備えている。ポペット弁５１は、弁体５３を支持するハウジング５４を有している。ハウジング５４は、凹部４６の開口端にねじ込まれた固定部材５５を介して凹部４６に固定されている。
【００２８】
図３に示すように、ハウジング５４は、その中央部にガイド孔５６を有する筒状をなしている。ハウジング５４の外周面には、周方向に連続する燃料供給溝５７が形成されている。この燃料供給溝５７は、第１の連通口４７ａを介して燃料導入部３６ａの上流部分に連なっている。
【００２９】
上記弁体５３は、ハウジング５４のガイド孔５６内に軸方向に摺動可能に嵌合されている。この弁体５３の軸方向に沿う中間部には、周方向に連続する溝部５９が形成されている。溝部５９は、ガイド孔５６の内周面と協働して燃料室６０を構成している。この燃料室６０は、ハウジング５４の内部に形成した複数の供給孔６１を通じて燃料供給溝５７に連なっている。
【００３０】
図３に最も良く示されるように、燃料室６０の底部６０ａは、弁体５３の径方向外側に向けて広がるように拡張されている。底部６０ａは、上記第２の連通口４７ｂに連なっており、この底部６０ａに臨むガイド孔５６の角部には、テーパ状の弁座面６２が形成されている。また、弁体５３の溝部５９の下端部には、弁座面６２に接離するシール部６３が形成されている。
【００３１】
このため、弁体５３は、シール部６３が弁座面６２に着座する閉じ位置と、シール部６３が弁座面６２から離脱する開き位置とに亙って昇降動可能にハウジング５４に支持されている。そして、弁体５３が閉じ位置に移動された状態では、燃料室６０と第２の連通口４７ｂとの連通が遮断され、燃料通路３６の燃料導入部３６ａの下流部分、加圧室１３および燃料通路３６の燃料吐出部３６ｂが密閉された閉空間に移行するようになっている。
【００３２】
弁体５３は、上向きに突出する弁軸６５を備えている。弁軸６５の外周部分には、プレッシャスプリング６６が装着されており、このプレッシャスプリング６６は弁体５３を常に開き位置に押し下げている。また、弁軸６５は、固定部材５５を貫通しており、この弁軸６５の貫通端となる上端にアーマチュア６７がねじ止めされている。
【００３３】
図１に示すように、ポペット弁５１の駆動部となる電磁ソレノイド５２は、上記凹部４６が開口された電磁弁取り付け部７ｂの上面にスペーサ６９を介して設置されている。電磁ソレノイド５２は、電磁コイル７０と、この電磁コイル７０を保持する保持枠７１とを有し、上記アーマチュア６７と向かい合っている。この電磁ソレノイド５２は、カバー７２によって覆われている。
【００３４】
電磁弁５０の電磁ソレノイド５２は、エンジンコントローラ７４から出力される制御信号によって励磁される。エンジンコントローラ７４は、CPU７５と、エンジンの運転状況に最適な燃料噴射時期を記憶したROM７６とを備えている。CPU７５には、エンジン２を運転している過程において、例えばエンジン回転数、スロットル開度あるいは吸入空気温度のような実際のエンジン２の運転状況を示す各種の信号S1が入力される。そして、CPU７５は、この信号S1にもとづいてその時のエンジン２の運転状況を総合的に判断するとともに、この運転状況に最適な燃料噴射時期をROM７６から読み出し、この燃料噴射時期を実現するような制御信号S2を電磁ソレノイド５２に送出するようになっている。
【００３５】
このため、エンジンコントローラ７４からの制御信号S2によって電磁ソレノイド５２が励磁されると、この電磁ソレノイド５２にアーマチュア６７が吸引され、ポペット弁５１の弁体５３がプレッシャスプリング６６の付勢力に抗して開き位置から閉じ位置に引き上げられる。これにより、弁体５３のシール部６３が弁座面６２に着座し、ポペット弁５１が閉じられるので、燃料通路３６の燃料導入部３６ａが遮断される。
【００３６】
また、電磁ソレノイド５２の励磁が解除されると、ポペット弁５１の弁体５３がプレッシャスプリング６６によって閉じ位置から開き位置に強制的に押し戻され、弁体５３のシール部６３が弁座面６２から離脱する。これにより、ポペット弁５１が開かれ、燃料通路３６の燃料導入部３６ａが開放される。
【００３７】
したがって、ポペット弁５１は、電磁ソレノイド５２によって図４に示すような所定のタイミングで開閉動作を繰り返すようになっている。
【００３８】
図１に示すように、インジェクタボディ７の電磁弁取り付け部７ｂの内部には、燃料通路３６の燃料導入部３６ａに連なる合流通路７８が形成されている。合流通路７８と燃料導入部３６ａとの合流部分は、電磁弁５０よりも燃料の流れ方向に沿う下流側に位置されているとともに、上記加圧室１３よりも上流側に大きくずれている。
【００３９】
合流通路７８の上流端には、燃料中に加圧された空気（大気）を混合させるための気体供給機構８０が接続されている。気体供給機構８０は、加圧源としての空気ポンプ８１と、この空気ポンプ８１で加圧された空気を合流通路７８に導く通路としての空気配管８２と、この空気配管８２の途中に設置された制御弁８３とを有している。
【００４０】
制御弁８３は、２位置形の切換弁にて構成され、空気入口８３ａ、空気出口８３ｂおよび大気開放口８３ｃを有している。制御弁８３の空気入口８３ａは、流量計８４を介して空気ポンプ８１の吐出口に連なっている。制御弁８３の空気出口８３ｂは、減圧弁８５および空気ポンプ８１から合流通路７６に向かう空気の流れのみを許容する逆止弁８６を介して合流通路７８に連なっている。また、大気開放口８３ｃは、排気管８７を介して大気中に開放されている。
【００４１】
制御弁８３は、空気入口８３ａと大気開放口８３ｃとを連通させる第１の切り換え位置と、空気入口８３ａと空気出口８３ｂとを連通させる第２の切り換え位置とに切り換え操作が可能であり、図示しない電磁ソレノイドのような駆動部を介して常に第１の切り換え位置に保持されている。
【００４２】
制御弁８３の駆動部は、エンジンコントローラ７４から出力される制御信号S3に基づいて、制御弁８３を第１の切り換え位置から第２の切り換え位置又は第２の切り換え位置から第１の切り換え位置に切り換え操作するようになっており、この制御弁８３が第２の切り換え位置に保持される時間は、エンジン２の運転状況に応じて適宜設定されるようになっている。
【００４３】
すなわち、エンジンコントローラ７４のROM７６は、エンジン２の運転状況に応じた最適な空気の噴射時期および噴射量をデータとして記憶している。また、CPU７５は、上記信号S1を元にエンジン２の運転状況を監視しているので、このエンジン２が多量の燃料を燃焼室５に噴射する高負荷運転域に移行したと判断した時に、その時のエンジン２の運転状況に最適な空気の噴射時期および噴射量をROM７６から読み出し、この空気噴射を実現するような制御信号S3を制御弁８３の駆動部に送出するようになっている。
【００４４】
このため、本実施の形態では、エンジン２が高負荷運転域に移行した時に、加圧された空気が空気配管８２を通じて合流通路７８に強制的に供給される。
【００４５】
次に、上記燃料噴射システムの作動について説明する。
【００４６】
エンジン２のクランク軸によって燃料供給用カム軸２１が回転駆動されると、カム２４の輪郭に基づいてカムフォロア２０が揺動運動する。このカムフォロア２０の揺動運動は、プッシュロッド１９、ロッカアーム１８およびタペット１５を介してプランジャ１４に伝えられ、このプランジャ１４が往復動される。
【００４７】
具体的には、カムフォロア２０がカム２４の基礎円２４ａに接している状態では、カムフォロア２０は揺動することなく静止されており、この時、プランジャ１４は加圧室１３から最も引き上げられた上死点位置に保持されている。
【００４８】
カムフォロア２０が基礎円２４ａからプランジャ下降域２４ｃに乗り移ると、プランジャスプリング１６の付勢力に抗してプランジャ１４が押し下げられ、加圧室１３の容積が減じられる。この加圧室１３の容積は、カムフォロア２０がプランジャ下降域２４ｃの最大輪郭位置に乗り移り、プランジャ１４が下死点位置に押し下げられた時点で最も小さくなる。
【００４９】
カムフォロア２０がプランジャ下降域２４ｃからプランジャ上昇域２４ｂに乗り移ると、プランジャ１４を押し下げようとする力が消失するので、プランジャスプリング１６によってプランジャ１４が押し上げられ、加圧室１３の容積が次第に増加する。したがって、プランジャ１４は、カム２４の輪郭形状にもとづいて往復動を繰り返す。
【００５０】
プランジャ１４が上昇に転じて加圧室１３の容積が増大すると、この加圧室１３が負圧となる。この際、電磁弁５０は、電磁ソレノイド５２が励磁されない限り燃料通路３６の燃料導入部３６ａを開放しているので、加圧室１３にフィードポンプ３８からの燃料が流れ込み、加圧室１３や燃料溜り室２９内の燃料圧力が一定のフィード圧に保たれる。
【００５１】
この状態において、プランジャ１４が下降に転じて加圧室１３の容積が減じられても、上記燃料導入部３６ａは電磁弁５０によって開放されたままにあるので、加圧室１３内の燃料は、燃料通路３６の燃料導入部３６ａに逃され、ここから燃料導管３７および燃料戻し管４２を通じて燃料タンク３９に戻される。よって、加圧室１３や燃料通路３６に満たされた燃料の圧力が上昇することはない。
【００５２】
電磁弁５０の電磁ソレノイド５２がエンジンコントローラ７４からの制御信号S2に基づいて励磁されると、アーマチュア６７がプレッシャスプリング６６に抗して吸引され、このアーマチュア６７に連結された弁体５３が開き位置から閉じ位置に引き上げられる。このため、燃料通路３６の燃料導入部３６ａが遮断され、加圧室１３や燃料通路３６の燃料吐出部３６ｂが密閉空間に移行する。
【００５３】
この電磁ソレノイド５２の励磁は、図４に示すタイミングチャートから明らかなように、上記プランジャ１４が下降に転じた以降になされ、これにより加圧室１３内の燃料の圧力が上昇する。この圧力上昇に追従して燃料溜り室２９内の燃料圧力が急激に上昇し、この燃料の圧力がノズルニードル３２のシール部３３に作用する。
【００５４】
これにより、ノズルニードル３２は、シール部３３をノズル挿入孔３０から離脱させようとする方向の力を受ける。そして、この力がプレッシャスプリング３４の押圧力を上回ると、ノズルニードル３２が閉じ位置から開き位置に向けて押し上げられ、ノズル挿入孔３０から離脱する。よって、燃料溜り室２９内の加圧された燃料がノズル挿入孔３０に流入し、ここから噴孔２７を介して燃焼室５に噴射される。
【００５５】
電磁ソレノイド５２の励磁が燃料の噴射開始と略同期して停止されると、アーマチュア６７の吸引が解除され、ポペット弁５１の弁体５３がプレッシャスプリング６６によって閉じ位置から開き位置に押し戻される。これにより、燃料通路３６の燃料導入部３６ａが開放されるので、加圧室１３や燃料溜り室２９内の燃料圧力が燃料のフィード圧まで急激に低下し、ノズルニードル３２がプレッシャスプリング３４によって閉じ位置に押し戻される。そのため、ノズル挿入孔３０が閉じられ、噴孔２７からの燃料の噴射が終了するとともに、燃料通路３６に再び燃料が供給される。
【００５６】
図４に示すように、燃料の噴射が終了すると、カムフォロア２０がカム２４のプランジャ上昇域２４ｂに乗り移り、プランジャ１４が上昇に転じる。このプランジャ１４の上昇により加圧室１３が負圧となり、この加圧室１３に燃料が流れ込む。また、これと同期して電磁弁５０の電磁ソレノイド５２がエンジンコントローラ７４からの制御信号S2を受けて励磁され、弁体５３が開き位置から閉じ位置に引き上げられる。このため、燃料通路３６の燃料導入部３６ａが遮断され、加圧室１３や燃料通路３６の燃料吐出部３６ｂが密閉空間に移行するので、加圧室１３や燃料溜り室２９の燃料圧力は、カムフォロア２０がカム２４のプランジャ上昇域２４ｂから基礎円２４ａ上を移動する過程、つまりプランジャ１４が上昇する間、フィード圧に保たれる。
【００５７】
ところで、エンジンコントローラ７４によってエンジン２が高負荷運転域にあると判断された場合には、図４のタイミングチャートに示すように、プランジャ１４が上昇に転じている期間中、つまり、ノズルニードル３２によって噴孔２７が閉じられ、かつ電磁弁５０の電磁ソレノイド５２が励磁されている時に、エンジンコントローラ７４からの制御信号S3が制御弁８３の駆動部に入力される。
【００５８】
これにより、制御弁８３が第１の切り換え位置から第２の切り換え位置に操作され、空気ポンプ８１で加圧された大気が空気配管８２を通じてインジェクタボディ７の内部の合流通路７８に流れ込むとともに、ここから燃料通路３６の燃料導入部３６ａの下流部分に導かれる。
【００５９】
制御弁８３は、電磁ソレノイド５２の励磁が解除される以前に第２の切り換え位置から第１の切り換え位置に復帰する。これにより、合流通路７８と空気ポンプ８１との連通が遮断され、加圧された空気が合流通路７８や燃料通路３６の燃料導入部３６ａの下流部分に密封される。
【００６０】
やがて、電磁ソレノイド５２の励磁が解除されて燃料導入部３６ａが開放されると、上記空気が充填された燃料導入部３６ａの下流部分にフィードポンプ３８からの燃料が流れ込み、これら燃料と空気とが互いに混じり合う。プランジャ１４が下降に転じた後に、電磁弁５０の電磁ソレノイド５２が励磁されると、空気が過剰に溶け込んだ燃料がプランジャ１４によって加圧され、噴孔２７を通じて燃焼室５に噴射される。そのため、図５に示すように、燃焼室５内に噴孔２７の形状に応じて拡散する雲状の噴霧mが形成される。
【００６１】
ノズルニードル３２が開き位置に押し上げられた時、空気が過剰に溶け込んだ高圧な燃料は、ノズル挿入孔３０から径の小さな噴孔２７に流れ込み、ここで急激に絞られた後に燃焼室５に噴射される。そのため、噴孔２７内がノズル挿入孔３０内よりも低圧となり、この圧力が蒸気圧以下に低下すると、図５に示すように、噴孔２７の内面にキャビティCが発生する。このキャビティCの発生領域や大きさは、燃料中に溶け込んだ空気の混入割合に応じて変化する。
【００６２】
図５の（Ａ）は、燃料に対する空気の混入割合が少ない場合のキャビティCの発生領域および大きさを示している。この状態では、キャビティCの発生領域は、噴孔２７の内面の狭い範囲に止まっており、なおかつ噴孔２７の内面からの張り出し高さも小さく抑えられている。そのため、燃焼室５に形成される噴霧mは、噴孔２７からの噴霧角θ1が小さく、かつノズルボデー１１の中心から噴霧mの先端までの到達距離L1が長い細長い形状となる。
【００６３】
図５の（Ｂ）は、燃料に対する空気の混入割合が多い場合のキャビティCの発生領域および大きさを示している。この状態では、キャビティCの発生領域は、図５の（Ａ）との比較において明らかなように、噴孔２７の長さ方向に拡大されているとともに、噴孔２７の内面からの張り出し高さが大きくなっている。このため、キャビティCの存在により、見かけ上、噴孔２７の長さが短縮されるとともに、口径が縮小された状態となる。よって、燃焼室５に形成される噴霧mは、噴孔２７からの噴射角θ2が上記噴霧角θ1よりも大きく、ノズルボデー１１の中心から噴霧mの先端までの到達距離L2が上記到達距離L1よりも短い太い形状となる。
【００６４】
したがって、エンジン２の運転状況に応じて燃料中に混入される空気の量を増減調整することで、噴孔２７内に積極的にキャビデーションを生じさせて、この噴孔２７内に形成されるキャビティCの発生領域や大きさを変化させることができる。このため、燃料の噴霧mの形状を適切に制御することができ、エンジンの運転状況が刻々と変化しても、燃焼室５内の各部において空気と燃料との混合状態を均等化することができる。
【００６５】
よって、燃料の着火性が良好となって、低・中負荷運転域から高負荷運転域までの全ての運転域に亙って最適な燃焼状態を維持することができ、黒煙や有害成分の発生を抑制することができる。
【００６６】
また、本実施の形態のように、エンジン２が高負荷運転域に移行した時に、燃料中により多くの空気を混ぜるようにすれば、高負荷運転域での未燃焼成分の発生を確実に防止できる。
【００６７】
この点について具体的に述べると、高負荷運転域では燃焼室５に多量の燃料を高圧で噴射する必要があるので、燃焼室５に形成される噴霧mの先端がピストン４の頂部や燃焼室５の周面に到達し、燃料粒がピストン４の頂部や燃焼室５の周面に付着することがあり得る。このため、燃料の気化が不十分のうちに自己着火しようとするので、燃料が燃え難くなり、未燃焼の燃料成分が燃焼室５から大気中に排出されてしまう。よって、高負荷運転域においてHCの排出量が増大することになる。
【００６８】
これに対し、高負荷運転域において燃料中に混入させる空気量を多くし、図５の（Ｂ）に示すように、噴孔２７内に積極的にキャビテーションを発生させることで、燃焼室５に形成される噴霧mの形状を太くて短いものとすれば、噴霧mの先端がピストン４の頂部や燃焼室５の周面に到達することはなく、ここに燃料粒が付着し難くなる。よって、燃料と空気との混合が良好となり、未燃焼の燃料成分が発生し難くなって、高負荷運転域でのHCの排出量を低減することができる。
【００６９】
しかも、上記構成によれば、燃料中に付加されるのは、単なる空気（大気）であることから容易に得ることができ、上記従来の先行技術のような格別な液化CO₂を準備する必要はない。それとともに、液化CO₂を蓄えたり、液化CO₂と燃料とを任意な割合で混合する増圧器のような種々の補機類が不要となり、上記先行技術との比較において燃料の噴射システム全体の構成を大幅に簡略化することができる。
【００７０】
よって、コストの低減が可能となるとともに、燃料噴射システムの保守点検作業を容易に行えるといった利点がある。
【００７１】
なお、燃料に混ぜ合わせる気体は、空気に特定されるものではなく、例えばエンジン２の排出ガスの一部あるいはクランクケースに吹き抜けたブローバイガスの一部を空気ポンプ８１に導くとともに、この空気ポンプ８１で加圧して燃料通路３６に供給するようにしても良い。
【００７２】
また、本発明は上記第１の実施の形態に特定されるものではなく、図６に本発明の第２の実施の形態を示す。
【００７３】
この第２の実施の形態は、エンジン２がターボ過給機１００を装備している場合に、このターボ過給機１００を気体の加圧源として利用したものであり、それ以外のユニットインジェクタ１の基本的な構成は、上記第１の実施の形態と同様である。そのため、第２の実施の形態において、上記第１の実施の形態と同一の構成部分には同一の参照符号を付して、その説明を省略する。
【００７４】
図６に示すように、ターボ過給機１００は、エンジン２の排気管（図示せず）に接続されたタービン部１０１と、エンジン２の吸気管（図示せず）に接続されたコンプレッサ部１０２とを備えている。
【００７５】
タービン部１０１は、エンジン２の高温・高圧な排出ガスが導かれる排気入口１０３を有し、この排気入口１０３に排出ガスの一部を取り出す第１の連通管１０４が接続されている。コンプレッサ部１０２は、加圧された吸入空気が導かれる吸気出口１０５を有し、この吸気出口１０５に加圧された吸入空気の一部を取り出す第２の連通管１０６が接続されている。これら第１および第２の連通管１０４，１０６は、夫々逆止弁１１０，１１１を介して合流管１０７に接続されている。逆止弁１１０，１１１は、ターボ過給機１００から合流管１０７に向かう排出ガス又および吸入空気の流れのみを許容するものである。そして、合流管１０７は、空気配管８２の上流端に接続されている。
【００７６】
このような構成において、エンジン２の運転中、ターボ過給機１００のタービン部１０１に導かれた高温・高圧な排出ガスの一部は、排気入口１０３から第１の連通管１０４に流れ込む。同様にコンプレッサ部１０２で加圧された高圧な吸入空気の一部は、吸気出口１０５から第２の連通管１０６に流れ込む。
この場合、第１および第２の連通管１０４，１０６は、夫々逆止弁１１０，１１１を有するので、排出ガス又は吸入空気のうちより高圧な気体のみが逆止弁１１０又は１１１通過して合流管１０７に流れ込み、ここから空気配管８２に送り込まれる。
【００７７】
エンジン２が低・中負荷運転域にある時は、制御弁８３は第１の切り換え位置に保持されているので、上記排出ガス又は吸入空気は、制御弁８３から排気管８７に導かれ、ユニットインジェクタ１の燃料通路３６に供給されることはない。
【００７８】
エンジン２が高負荷運転域に移行し、エンジンコントローラ７４からの制御信号S2によって制御弁８３が第１の切り換え位置から第２の切り換え位置に操作されると、ターボ過給機１００から取り出された高圧な排出ガス又は吸入空気が制御弁８３を介してインジェクタボディ７の合流通路７８に送り込まれ、ここから燃料通路３６の燃料導入部３６ａに流れ込む。
【００７９】
このため、電磁ソレノイド５２の励磁が解除されて、燃料通路３６の燃料導入部３６ａが開放されると、上記排出ガス又は吸入空気が充填された燃料導入部３６ａの下流部分にフィードポンプ３８からの燃料が流れ込み、これら燃料と排出ガス又は吸入空気とが互いに混じり合う。プランジャ１４が下降に転じた後に、電磁弁５０の電磁ソレノイド５２が励磁されると、排出ガス又は吸入空気が過剰に溶け込んだ燃料がプランジャ１４によって加圧され、噴孔２７を通じて燃焼室５に噴射される。
【００８０】
したがって、エンジン２の運転状況に応じて燃料中に混入される排出ガス又は吸入空気の量をエンジンコントローラ７４によって増減調整すれば、上記第１の実施の形態と同様に、燃焼室５に噴射される燃料の噴霧mの形状を適切に制御することができる。
【００８１】
なお、上記第２の実施の形態においては、タービン部１０１に導かれた排出ガスの一部又はコンプレッサ部１０２で加圧された吸入空気の一部を逆止弁１１０，１１１を介して燃料通路３６に供給するようにしたが、本発明はこれに限らず、例えば排出ガスの一部が導かれる第１の連通管１０４のみを空気配管８２に接続したり、あるいは吸入空気の一部が導かれる第２の連通管１０６のみを空気配管８２に接続しても良い。
【００８２】
【発明の効果】
以上詳述した本発明によれば、気体が過剰に溶け込んだ高圧な燃料は、小径な噴孔を通過する際に急激に絞られた後に燃焼室に噴射されるので、この噴孔内にキャビティが発生し、このキャビティの発生領域や大きさは、燃料中に溶け込んだ気体の混入割合に応じて変化する。
【００８３】
このため、エンジンの運転状況に応じて燃料中に混入される気体の量を増減調整することで、燃焼室に噴射される燃料の噴霧形状を適切に制御することができ、それ故、エンジンの運転状況が刻々と変化しても、燃焼室内の各部において空気と燃料との混合状態を均等化することができる。
【００８４】
よって、燃料の着火性が良好となって、低・中負荷運転域から高負荷運転域までの全ての運転域に亙って最適な燃焼状態を維持することができ、黒煙や有害成分の発生を抑制することができる。
【００８５】
しかも、燃料中に付加されるのは、単なる空気やエンジンの排出ガスのような容易に得られる気体であるから、格別な液化CO₂を準備する必要はない。それとともに、液化CO₂を蓄えたり、液化CO₂と燃料とを任意な割合で混合する増圧器のような種々の補機類が不要となるので、燃料噴射装置全体の構成を大幅に簡略化することができ、その分、コストの低減が可能となるとともに、燃料噴射システムの保守点検作業を容易に行えるといった利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料噴射システムの断面図。
【図２】ノズルボデーの部分を拡大して示すユニットインジェクタの断面図。
【図３】ポペット弁の部分を拡大して示す電磁弁の断面図。
【図４】燃料の圧力と電磁弁の励磁タイミングおよび制御弁の切り換えタイミングとの関係を示すタイミングチャート。
【図５】（Ａ）は、燃料中に混入される空気量が少ない時の燃料の噴霧形状を示す断面図。
（Ｂ）は、燃料中に混入される空気量が多い時の燃料の噴霧形状を示す断面図。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る燃料噴射システムの断面図。
【符号の説明】
１…ノズルユニット（ユニットインジェクタ）
２…ディーゼルエンジン
５…燃焼室
１４…プランジャ
２７…噴孔
３２…ノズルニードル
３６…燃料通路
３６ａ…燃料導入部
５０…電磁弁
８０…気体供給機構

Claims (9)

1. 燃料が供給される燃料通路と、エンジンに同期して駆動され、上記燃料通路に供給された燃料を加圧する燃料加圧機構と、ノズルニードルによって開閉され、上記加圧された燃料を上記エンジンの燃焼室に噴射する噴孔と、上記燃料通路のうち上記燃料加圧手段よりも燃料の流れ方向に沿う上流側の燃料導入部に設置され、エンジンの運転状況に基づいて上記燃料導入部を開閉することにより上記燃料通路内の燃料の圧力を制御する電磁弁と、を含む噴射ユニットと、
   上記燃料通路の燃料導入部に接続され、上記噴孔がノズルニードルによって閉じられ、かつ上記電磁弁が閉じられている期間中に上記燃料導入部に加圧された気体を供給する供給機構と、を備え、
   上記供給機構から上記燃料導入部の燃料中に混入される気体の量をエンジンの運転状況に応じて調整することで、上記噴孔の内部に形成されるキャビティの発生領域および大きさを変化させ、上記噴孔から上記燃焼室に噴射される燃料の噴霧形状を制御することを特徴とする燃料噴射装置。
2. 請求項１の記載において、上記供給機構は、気体を加圧する加圧源と、この加圧源で加圧された気体が供給されるとともに、上記燃料通路の燃料導入部に連なる供給通路と、この供給通路に設置され、上記電磁弁および上記噴孔が夫々閉じられている期間中にエンジンの運転状況に応じて操作されて加圧された気体を上記燃料導入部に導くための制御弁と、この制御弁と燃料導入部との間に設置され、上記制御弁から燃料導入部に向かう気体の流れのみを許容する逆止弁と、を備えていることを特徴とする燃料噴射装置。
3. 請求項２の記載において、上記供給通路は、上記電磁弁よりも燃料の流れ方向に沿う下流側にて上記燃料導入部に接続されていることを特徴とする燃料噴射装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかの記載において、上記気体は、大気、エンジンの排出ガス又はブローバイガスのいずれかであることを特徴とする燃料噴射装置。
5. 請求項２又は請求項３の記載において、上記加圧源は、上記エンジンに装備されたターボ過給機であり、また、上記供給通路の上流端は、上記ターボ過給機のタービン部の排気入口又は上記ターボ過給機のコンプレッサ部の吸気出口の少なくともいずれか一方に接続されていることを特徴とする燃料噴射装置。
6. 請求項２、請求項３又は請求項５のいずれかの記載において、上記制御弁は、上記加圧源で加圧された気体を上記供給通路の外部に導く第１の切り換え位置と、上記加圧源で加圧された気体を上記燃料導入部に導く第２の切り換え位置とを有する２位置切換弁であり、この切換弁は、上記電磁弁および上記噴孔が閉じられている期間中に上記第１の切り換え位置から上記第２の切り換え位置に切り換え操作されることを特徴とする燃料噴射装置。
7. 請求項６の記載において、上記制御弁は、エンジンの運転状況を示す各種の信号に基づき実際のエンジンの運転状況を総合的に判断するコントローラによって上記第１の切り換え位置又は第２の切り換え位置のいずれかに選択的に切り換え操作されるとともに、上記第２の切り換え位置に保持される時間が設定されることを特徴とする燃料噴射装置。
8. 請求項６の記載において、上記制御弁は、上記エンジンが高負荷運転域に移行した時に上記第１の切り換え位置から上記第２の切り換え位置に切り換え操作されることを特徴とする燃料噴射装置。
9. エンジンに同期して駆動されるプランジャにより燃料通路に供給された燃料を加圧するとともに、
   上記プランジャよりも燃料の流れ方向に沿う上流側において上記燃料通路をエンジンの運転状況に応じて開閉することにより、上記燃料通路内の燃料の圧力を制御し、
   上記燃料通路内の燃料が所定の圧力に達した時に、上記燃料通路の下流端に連なる噴孔を開いてこの噴孔から上記エンジンの燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射方法において、
   上記燃料通路および上記噴孔が閉じられている期間中に、加圧された気体を上記プランジャよりも上流側に位置する上記燃料通路の燃料導入部に供給するとともに、
   上記燃料導入部において上記燃料中に混入される気体の量をエンジンの運転状況に応じて調整することで、上記噴孔の内部に形成されるキャビティの発生領域および大きさを変化させ、上記噴孔から上記燃焼室に噴射される燃料の噴霧形状を制御することを特徴とする燃料噴射方法。

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