JP3777978B2 - Fuel supply device for internal combustion engine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の燃料噴射装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料ポンプを用いて液体燃料を燃料タンクから混合室内に供給し、被混合流体ポンプを用いて液体燃料と異なる被混合流体を被混合流体タンクから混合室内に供給し、それによりこれら液体燃料及び被混合流体の混合体を形成し、混合室内の圧力及び温度を被混合流体の臨界圧力及び臨界温度よりも高くして混合体中の被混合流体を超臨界状態にし、次いで混合体を噴射弁から噴射するようにした内燃機関が公知である(特許第2651974号公報参照)。
【0003】
詳しくは後述するが、このようにすると液体燃料の微粒化を促進することができ、従って良好な燃焼を確保することができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
混合室内に流入する液体燃料の量は燃料ポンプの吐出圧に依存し、混合室内に流入する被混合流体の量は被混合流体ポンプの吐出圧に依存する。このため、これらポンプの吐出圧の脈動により混合室内に流入する液体燃料及び被混合流体の量が変動し、その結果液体燃料量に対する混合用燃料量の混合割合が変動することになる。上述した液体燃料の微粒化作用はこの混合割合に依存し、従って混合割合が変動すると安定した微粒化作用を得ることができないという問題点がある。
【0005】
そこで本発明の目的は液体燃料の微粒化作用を安定して得ることができる内燃機関の燃料供給装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために1番目の発明によれば、液体燃料を燃料タンクから噴射弁に供給するための燃料通路内に絞り部を設け、液体燃料と異なる被混合流体を被混合流体タンクから供給するための被混合流体通路を該絞り部周りの燃料通路内に開口せしめて液体燃料が絞り部を流通したときに該絞り部周りに生ずる減圧作用により被混合流体タンクから被混合流体を燃料通路内に導き、それにより液体燃料に被混合流体を混合させた混合体を形成し、被混合流体通路の開口部よりも下流の燃料通路内に配置された超臨界状態生成手段により該混合体中の被混合流体を超臨界状態にし、該混合体を燃料噴射弁から噴射するようにし、燃料通路内に開口せしめられた被混合流体通路の流出端に多孔質体を配置している。即ち1番目の発明によれば、混合割合がほぼ一定に維持されるので、液体燃料の安定した微粒化作用が確保される。
【0007】
また、1番目の発明では、被混合流体が微粒子(液滴又は気泡)の形で多孔質体から流出せしめられ、従って液体燃料と混合用液体とが均一に混合せしめられる。
2番目の発明によれば1番目の発明において、前記被混合流体通路内に開弁割合を制御可能な制御弁を配置し、該制御弁の開弁割合を機関運転状態に基づいて制御するようにしている。即ち3番目の発明では、機関運転状態に基づいて混合割合が変更せしめられる。
【0008】
なお、ある物質の圧力がその臨界圧力よりも高くかつこの物質の温度がその臨界温度よりも高い場合にこの物質が超臨界状態にあるというのが一般的である。しかしながら、本明細書にいう超臨界状態には、物質の圧力及び温度がその臨界圧力及び臨界温度よりもわずかばかり低い場合も含まれる。
【0009】
【発明の実施の形態】
図1は本発明を車両用ディーゼル機関に適用した場合を示している。しかしながら、火花点火式ガソリン機関又は車両用でない内燃機関に本発明を適用することもできる。
図1を参照すると、機関本体1は複数例えば四つの気筒1aを具備し、各気筒1aは例えば電磁式の噴射弁2を具備する。これら噴射弁2はそれぞれ対応する分配管3を介してこれら噴射弁2に対し共通の混合体用容積部又はコモンレール4に接続される。コモンレール4は高圧管5を介して例えば機関駆動式の、吐出圧を制御可能なポンプ6の吐出側に接続され、ポンプ6の吸入側は燃料供給管7を介して燃料タンク8に接続される。燃料タンク8内には液体燃料、本実施態様では軽油が収容されている。
【0010】
一方、被混合流体タンク9内には、燃料と異なる被混合流体が収容されている。被混合流体にはどのような流体を用いてもよい。しかしながら、被混合流体として、例えば水、二酸化炭素、水素、アルコール、メタンやエタンなどの炭化水素のなかから選択された少なくとも一つを用いることができる。被混合流体タンク9から被混合流体供給管10が延びており、その流出端が燃料供給管7に接続される。次にこの接続部分について説明する。
【0011】
図1と共に図2を参照すると、燃料供給管7は燃料タンク8から延びる上流管7aと、ポンプ6から延びる下流管7bと、これら上流管7aと下流管7bとを互いに接続する接続管7cとを具備し、被混合流体供給管10はこの接続管7cに接続される。詳しく説明すると、接続管7c内には上流管7aと下流管7bとを互いに連通せしめる燃料通路11が形成されており、この燃料通路11内には絞り部12が形成されている。更に接続管7c内には、絞り部12内の燃料通路11から延びる被混合流体通路13が形成されており、これが被混合流体供給管10と連通せしめられる。即ち、被混合流体通路13の流出端が絞り部12において燃料通路11内に開口せしめられている。
【0012】
被混合流体通路の流出端の部分拡大図を示す図3を参照すると、この流出端には多孔質体14が取付けられている。この多孔質体14は例えばセラミックから形成されうるが、多数の細孔を有する金属板、金属繊維又はセラミック繊維からなる繊布又は不繊布から多孔質体14を形成することもできる。
再び図1を参照すると、被混合流体供給管10内には例えばデューティ比を制御することにより開弁割合を制御可能な電磁式の制御弁15が配置されている。
【0013】
電子制御ユニット(ECU)30はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス31を介して相互に接続されたROM(リードオンリメモリ)32、RAM(ランダムアクセスメモリ)33、CPU(マイクロプロセッサ)34、常時電源に接続されているB−RAM(バックアップRAM)35、入力ポート36、および出力ポート37を具備する。コモンレール4にはコモンレール4内の圧力に比例した出力電圧を発生する圧力センサ38が取り付けられる。また、例えば吸入空気量やアクセルペダルの踏み込み量などの機関負荷を表す出力電圧を発生する負荷センサ39が設けられる。これらセンサ38,39の出力電圧はそれぞれ対応するADコバータ40を介して入力ポート36に入力される。更に、機関回転数を表す出力パルスを発生する回転数センサ41が入力ポート36に接続される。
【0014】
一方、出力ポート37はそれぞれ対応する駆動回路42を介して噴射弁2、ポンプ6、及び制御弁15に接続されている。
また、コモンレール4にはコモンレール4内の混合体の温度を制御するための温度制御装置43が取り付けられる。この温度制御装置43は例えば加熱装置としての電気ヒータからなり、対応する駆動回路42を介して出力ポート37に接続されている。
【0015】
ポンプ6が作動せしめられると、燃料タンク8内の液体燃料がポンプ6に向けて燃料供給管7内を流通せしめられる。その結果、絞り部12周りに生ずる減圧作用によって被混合流体タンク9内の被混合流体が被混合流体供給管10を介し燃料通路11内に導かれる。従って、液体燃料内に被混合流体が混合された混合体が形成され、この混合体は次いでポンプ6に向かう。
【0016】
ここで、燃料通路11内に流入する被混合流体の流量は被混合流体通路13の流出端に作用する減圧作用又は圧力低下が増大するにつれて増大し、この減圧作用は燃料通路11内を流通する液体燃料の流量が増大するにつれて増大する。従って本実施態様では、制御弁15の開弁割合が一定であれば、液体燃料の量に対する被混合流体の量である混合割合をほぼ一定に維持することができることになる。
【0017】
また、このとき被混合流体は多孔質体14の細孔内を流通した後に燃料通路11内に流入する。その結果、被混合流体が液滴又は気泡の形で液体燃料の流れ内に流入せしめられる。その結果、液体燃料と被混合流体とを均一に混合せしめることができる。
このようにして形成された混合体は次いでポンプ6により加圧され、コモンレール4内に流入せしめられる。ポンプ6の吐出圧はコモンレール4内の圧力が被混合流体の臨界圧力PCよりも高い圧力P1に維持されるように制御されており、ヒータ43の出力はコモンレール4内の混合体の温度が被混合流体の臨界温度TCよりも高い温度T1に維持されるように予め設定されている。即ち、コモンレール4内において混合体は被混合流体を超臨界状態にする超臨界状態生成環境に晒されることになる。その結果、コモンレール4内において被混合流体が超臨界状態にせしめられ、即ち混合体が液体燃料と超臨界状態にある被混合流体とから形成されることになる。
【0018】
ここで、上述した超臨界状態生成環境はポンプ6及びヒータ43によって形成される。従って、これらポンプ6及びヒータ43は超臨界状態生成装置を形成しているという見方もできる。
この混合体は次いで分配管3を介し噴射弁2に供給され、次いで噴射弁2から機関燃焼室内に噴射される。このようにすると液体燃料の微粒化を促進することができ、従って良好な燃焼を確保することができる。
【0019】
この場合の微粒化促進作用のメカニズムは必ずしも明らかにされていない。しかしながら、このメカニズムは次のように説明できると考えられている。
即ち、超臨界状態になると被混合流体の分子は液体状態にある場合に比べてはるかに自由に動くことができる。このため、被混合流体分子が液体燃料の分子間に容易に入り込み、それにより液体燃料の表面張力を低下せしめる。その結果、液体燃料は噴射された後に、寸法が大きい液滴を形成することができず、即ち寸法が小さい液滴を形成する。このようにして微粒化が促進される。
【0020】
このメカニズムによれば、微粒化促進作用は液体燃料量に対する被混合流体量の混合割合に依存する。即ち、混合割合が大きくなるにつれて微粒化促進作用が大きくなる。従って、混合割合が変動すると、微粒化促進作用が変動することになり、好ましくない。
これに対し本実施態様では、上述したように制御弁15の開弁割合が一定である限り、混合割合がほぼ一定に維持される。従って、安定した微粒化促進作用を得ることができる。
【0021】
被混合流体だけでなく液体燃料も超臨界状態にしてもよい。しかしながら、上述のメカニズムを考えると被混合流体だけを超臨界状態にすれば微粒化促進作用を確保できる。また、両方を超臨界状態にするのはエネルギ消費の観点から好ましくない。
そこで本実施態様では、超臨界状態にない燃料と、超臨界状態にある被混合流体との混合体を形成し、この混合体を噴射するようにしている。言い換えると、被混合流体は超臨界状態になるが液体燃料は超臨界状態にならないように、コモンレール4内の圧力及び温度が設定されている。
【0022】
これを可能にするには被混合流体は次の条件を満たしていなければならない。即ち、被混合流体の臨界圧力と臨界温度とのうち少なくとも一方は液体燃料の対応する値よりも小さくなければならない。
次に、図4を参照して制御弁15のデューティ比Dの制御方法について説明する。
【0023】
図4からわかるように、機関負荷Lが予め定められた第1の設定負荷L1よりも高くかつ第1の設定負荷L1よりも高く定められた第2の設定負荷L2よりも低い通常運転時には、デューティ比Dが例えば最大(100%)のD0とされる。別の見方をすると、D=D0のときに液体燃料量に対する被混合流体量の混合割合が最適となるように、例えば絞り部12及び被混合流体通路13の断面積が設定されているということになる。
【0024】
これに対し、L≦L1である機関低負荷運転時にはデューティ比DはD0よりも小さいD1とされる。その結果、混合割合が低下せしめられる。機関低負荷運転時には噴射弁2から噴射される液体燃料量が少ないので燃焼が不安定になりやすい。そこで、混合割合を低下せしめて被混合流体の絶対量を減少せしめ、それにより燃焼が安定するようにしている。
【0025】
一方、L≧L2である機関高負荷運転時には、デューティ比DはD0よりも小さいD2とされる。その結果、この場合にも混合割合が低下せしめられる。機関高負荷運転時には噴射弁2から噴射すべき液体燃料量が多いので、この多量の液体燃料量とこれに見合った量の被混合流体との混合体を噴射しようとすると、噴射弁2の噴射期間が極めて長くなる。そこで、混合割合を低下せしめて噴射時間が短くなるようにしている。
【0026】
なお、D1,D2はゼロであってもよい。即ち、機関低負荷又は高負荷運転時には液体燃料と被混合流体との混合を停止するようにしてもよい。また、機関停止時に制御弁15を閉弁に保持することもできる。このようにすると、特に被混合流体が常温で気化しうる物質の場合に、被混合流体タンク9から被混合流体が流出するのを阻止できる。
【0027】
図5は制御弁15のデューティ比Dの算出ルーチンを示している。このルーチンは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。
図5を参照すると、まずステップ100では機関負荷Lが第1の設定負荷L1以下であるか否かが判別される。L≦L1のときにはステップ101に進み、デューティ比DがD1とされる。これに対し、L>L1のときには次いでステップ102に進み、Lが第2の設定負荷L2以上であるか否かが判別される。L≧L2のときにはステップ103に進み、DがD2とされる。
【0028】
一方、ステップ102においてL<L2のとき、即ちL1<L<L2のときには次いでステップ104に進み、DがD0とされる。なお、制御弁15はそのデューティ比がDとなるように制御される。
ところで、本実施態様では、単一のポンプにより液体燃料と被混合流体との両方を圧送するようにしている。又は、燃料圧送用のポンプによって被混合流体を圧送しているという見方もできる。いずれにしても、被混合流体のためのポンプを設ける必要がない。その結果、必要とされる空間が少なくて済む。なお、絞り部12と燃料タンク8間の燃料供給管7内に、液体燃料をポンプ6に圧送するための補助ポンプを設けることもできる。
【0029】
これまで述べてきた実施態様では、被混合流体通路13の流出端は絞り部12内に開口せしめられている(図2参照)。しかしながら、減圧作用が適用される限り、この流出端を絞り部12の下流に開口せしめることもできる。
また、上述したように本実施態様では、被混合流体通路13の流出端に多孔質体14を設けて液体燃料と被混合流体とが均一に混合されるようにしている。このような均一混合をさらに促進するために、絞り部12下流の例えば燃料供給管7内に、混合体をかくはんするためのかくはん装置を設けることもできる。このかくはん装置は例えば燃料供給管7の内壁面上をその長手軸線に沿いつつらせん状に延びるリブから形成される。
【0030】
【発明の効果】
液体燃料の微粒化作用を安定して得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】ディーゼル機関の全体図である。
【図2】図1のII部の拡大断面図である。
【図3】図2のIII 部の拡大断面図である。
【図4】制御弁のデューティ比Dを示す線図である。
【図5】デューティ比Dの算出ルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
1…機関本体
2…噴射弁
6…ポンプ
8…燃料タンク
9…被混合流体タンク
12…絞り部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel injection device for an internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
Liquid fuel is supplied from the fuel tank into the mixing chamber using the fuel pump, and a mixed fluid different from the liquid fuel is supplied from the mixed fluid tank into the mixing chamber using the mixed fluid pump. Forming a mixture of mixed fluids, raising the pressure and temperature in the mixing chamber above the critical pressure and critical temperature of the mixed fluid to bring the mixed fluid in the mixture into a supercritical state, and then removing the mixture from the injector; An internal combustion engine that performs injection is known (see Japanese Patent No. 2651974).
[0003]
Although details will be described later, atomization of the liquid fuel can be promoted in this way, and thus good combustion can be ensured.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The amount of liquid fuel flowing into the mixing chamber depends on the discharge pressure of the fuel pump, and the amount of mixed fluid flowing into the mixing chamber depends on the discharge pressure of the mixed fluid pump. For this reason, the amount of the liquid fuel and the fluid to be mixed flowing into the mixing chamber varies due to the pulsation of the discharge pressure of these pumps, and as a result, the mixing ratio of the mixing fuel amount to the liquid fuel amount varies. The atomization action of the liquid fuel described above depends on this mixing ratio, and therefore there is a problem that a stable atomization action cannot be obtained if the mixing ratio varies.
[0005]
Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel supply device for an internal combustion engine that can stably obtain the atomization action of liquid fuel.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problem, according to the first invention, a throttle portion is provided in a fuel passage for supplying liquid fuel from a fuel tank to an injection valve, and a mixed fluid different from the liquid fuel is supplied from the mixed fluid tank. The mixed fluid passage for supply is opened in the fuel passage around the throttle portion, and the liquid mixture is fueled from the mixed fluid tank by the pressure reducing action generated around the throttle portion when the liquid fuel flows through the throttle portion. A mixture in which the fluid mixture is mixed with the liquid fuel is formed by being guided into the passage, and the mixture is formed by the supercritical state generating means disposed in the fuel passage downstream of the opening of the fluid mixture passage. The fluid to be mixed is brought into a supercritical state, the mixture is injected from the fuel injection valve , and a porous body is disposed at the outflow end of the fluid mixture passage opened in the fuel passage . That is, according to the first aspect of the invention, the mixing ratio is maintained almost constant, so that a stable atomization action of the liquid fuel is ensured.
[0007]
In the first invention, the fluid to be mixed is caused to flow out of the porous body in the form of fine particles (droplets or bubbles), so that the liquid fuel and the mixing liquid are uniformly mixed.
In the first invention according to the second aspect, to said controllable control valve opening ratio to be mixed fluid passage arranged to control based on the opening ratio of the control valve to the engine operating state I have to. That is, in the third aspect of the invention, the mixing ratio is changed based on the engine operating state.
[0008]
In general, a substance is in a supercritical state when the pressure of the substance is higher than the critical pressure and the temperature of the substance is higher than the critical temperature. However, the supercritical state referred to herein includes the case where the pressure and temperature of a substance are slightly lower than the critical pressure and temperature.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a case where the present invention is applied to a vehicle diesel engine. However, the present invention can also be applied to a spark-ignition gasoline engine or an internal combustion engine not for vehicles.
Referring to FIG. 1, the engine main body 1 includes a plurality of, for example, four cylinders 1 a, and each cylinder 1 a includes, for example, an
[0010]
On the other hand, a mixed fluid different from fuel is accommodated in the mixed
[0011]
Referring to FIG. 2 together with FIG. 1, the
[0012]
Referring to FIG. 3 showing a partially enlarged view of the outflow end of the mixed fluid passage, a
Referring to FIG. 1 again, an
[0013]
The electronic control unit (ECU) 30 is a digital computer, and is connected to each other via a
[0014]
On the other hand, the
Further, a
[0015]
When the pump 6 is operated, the liquid fuel in the fuel tank 8 is allowed to flow through the
[0016]
Here, the flow rate of the mixed fluid flowing into the
[0017]
At this time, the mixed fluid flows into the
The mixture thus formed is then pressurized by the pump 6 and allowed to flow into the common rail 4. The discharge pressure of the pump 6 is controlled so that the pressure in the common rail 4 is maintained at a pressure P1 higher than the critical pressure PC of the mixed fluid, and the output of the
[0018]
Here, the supercritical state generation environment described above is formed by the pump 6 and the
This mixture is then supplied to the
[0019]
The mechanism of the atomization promoting action in this case is not necessarily clarified. However, it is thought that this mechanism can be explained as follows.
That is, in the supercritical state, the molecules of the mixed fluid can move much more freely than in the liquid state. For this reason, the mixed fluid molecules easily enter between the molecules of the liquid fuel, thereby reducing the surface tension of the liquid fuel. As a result, after the liquid fuel is injected, it cannot form large droplets, i.e., small droplets. In this way, atomization is promoted.
[0020]
According to this mechanism, the atomization promoting action depends on the mixing ratio of the mixed fluid amount to the liquid fuel amount. That is, as the mixing ratio increases, the atomization promoting effect increases. Therefore, if the mixing ratio varies, the atomization promoting action varies, which is not preferable.
On the other hand, in this embodiment, as described above, the mixing ratio is maintained substantially constant as long as the valve opening ratio of the
[0021]
The liquid fuel as well as the fluid to be mixed may be in a supercritical state. However, considering the mechanism described above, the atomization promoting action can be ensured if only the fluid to be mixed is brought into the supercritical state. Moreover, it is not preferable to bring both into a supercritical state from the viewpoint of energy consumption.
Therefore, in this embodiment, a mixture of the fuel that is not in the supercritical state and the mixed fluid that is in the supercritical state is formed, and this mixture is injected. In other words, the pressure and temperature in the common rail 4 are set so that the mixed fluid is in a supercritical state but the liquid fuel is not in a supercritical state.
[0022]
In order to make this possible, the mixed fluid must satisfy the following conditions. That is, at least one of the critical pressure and critical temperature of the fluid to be mixed must be smaller than the corresponding value of the liquid fuel.
Next, a method for controlling the duty ratio D of the
[0023]
As can be seen from FIG. 4, during normal operation, the engine load L is higher than the predetermined first set load L1 and lower than the second set load L2 set higher than the first set load L1. The duty ratio D is, for example, the maximum (100%) D0. From another viewpoint, for example, the cross-sectional areas of the
[0024]
On the other hand, the duty ratio D is set to D1 smaller than D0 at the time of engine low load operation where L ≦ L1. As a result, the mixing ratio is reduced. During engine low load operation, the amount of liquid fuel injected from the
[0025]
On the other hand, at the time of engine high load operation where L ≧ L2, the duty ratio D is set to D2, which is smaller than D0. As a result, also in this case, the mixing ratio is reduced. Since the amount of liquid fuel to be injected from the
[0026]
D1 and D2 may be zero. That is, mixing of the liquid fuel and the fluid to be mixed may be stopped at the time of engine low load or high load operation. Further, the
[0027]
FIG. 5 shows a routine for calculating the duty ratio D of the
Referring to FIG. 5, first, at
[0028]
On the other hand, if L <L2 in
By the way, in this embodiment, both the liquid fuel and the mixed fluid are pumped by a single pump. Alternatively, it can be considered that the fluid to be mixed is pumped by a fuel pump. In any case, there is no need to provide a pump for the mixed fluid. As a result, less space is required. An auxiliary pump for pumping liquid fuel to the pump 6 may be provided in the
[0029]
In the embodiment described so far, the outflow end of the
Further, as described above, in this embodiment, the
[0030]
【The invention's effect】
The atomization action of the liquid fuel can be obtained stably.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall view of a diesel engine.
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a portion II in FIG.
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a portion III in FIG.
FIG. 4 is a diagram showing a duty ratio D of a control valve.
FIG. 5 is a flowchart showing a routine for calculating a duty ratio D.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Engine
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