JP3921338B2

JP3921338B2 - 内燃機関の燃料供給装置

Info

Publication number: JP3921338B2
Application number: JP2000337244A
Authority: JP
Inventors: 隆信市原; 正美永野; 浩昭佐伯; 裕三門向; 清天羽
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 2000-10-31
Filing date: 2000-10-31
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2020-10-31
Also published as: JP2002138911A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の燃料供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術として、吸気通路に燃料噴射弁およびヒータを設け、燃料噴射弁により噴射される燃料をヒータで加熱し、気化することによりシリンダに気化燃料を供給し、冷機時の燃焼を改善するようにしたものとして、特開平5−302556 号がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、ヒータの気化能力の限界から、サイズの小さいヒータでは必要な気化燃料を十分に供給することができないという問題が有った。サイズの大きいヒータでは、ヒータの消費電力が増大したり、ヒータへの供給電流が増大することにより電源電圧の降下を招くという問題が有った。また、サイズの大きいヒータは吸気通路への実装が困難であるという問題が有った。
【０００４】
また、上記従来技術では、平板ヒータを吸気通路内壁面に沿って配置するので、ヒータから離れた部分を通過する空気はヒータからの気化燃料と十分に混合できず、燃焼の悪化や供給燃料量の気筒間差を生じるなどの問題が有った。
【０００５】
本発明は、ヒータの気化能力を改善し、ヒータ消費電力，ヒータ電流の低減を図ること、および空気と燃料の混合改善を図ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、スロットル弁の下流の主吸気通路内に、通路断面積が主吸気通路の通路断面積より小さいサブ吸気通路を設けると共に、前記スロットル弁の、前記サブ吸気通路の開口部に隣接する側とスロットルシャフトを挟んで相対する側の周縁と、これに面する前記主吸気通路の内壁面部との間に空気流を遮断する空気流遮断部を形成し、前記サブ吸気通路の開口部をスロットル弁の下流において、スロットル弁周縁と主吸気通路壁面との間に形成される空気流路の出口に対面配置し、サブ吸気通路内に設けられるヒータと、サブ吸気通路内に燃料を噴射する燃料噴射弁とを設けた。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下本発明の第一の実施例について説明する。
【０００９】
図１に本発明の燃料供給装置の構成を示す。主吸気通路１にスロットル弁２が設けられ、各シリンダの吸気ポートにはポート燃料噴射弁７が設けられる。
【００１０】
ここでスロットル弁２は、主にモータにより駆動されるタイプのものが用いられるが、アクセルに機械的に接続されるものであっても良い。
【００１１】
スロットル弁の一端（図の下方）に接する主吸気通路内には、低スロットル開度でスロットル通過空気を遮断するテーパ部１５が設けられ、よって低スロットル開度では、空気はスロットル弁２の他方（図の上方）の端と主吸気通路の間の開口部を通して流入するようにしている。スロットル弁２の開口部を通して流入した空気が拡散しないよう、スロットル弁２の下流の主吸気通路内に隔壁９を設けるようにして隔壁９で仕切られる一方の吸気通路のみに空気が集中的に流入するようにしている。以下空気が集中的に流入する側の吸気通路６をサブ通路と称する。ここで、スロットル弁２を通過した空気をなるべくヒータに集中できるようサブ通路の開口部が、低スロットル開度でスロットル弁２と主吸気通路の間の開口部が最も大きくなる位置（スロットルシャフト２３から最も離れた位置）に隣接するよう、隔壁９が配置される。
【００１２】
サブ通路６内にはヒータ４が設けられる。ヒータ４はセラミクス製のＰＴＣ
（positive temperature coefficient）ヒータ等が用いられる。さらにヒータ４に燃料が付着するよう、燃料を噴射する上流燃料噴射弁５が設けられる。そしてエンジン冷機時において上流燃料噴射弁５で噴射を実施、ヒータ４に通電することにより燃料を気化する。本例ではヒータ４および上流燃料噴射弁５をサージタンク８の上流に配置して、気化燃料を各シリンダに分配するようにしている。本例で、上流燃料噴射弁５はスロットル下流のサブ通路に設けられたヒータに向けて燃料を噴射するので、ヒータ部以外に付着し気化されない燃料はほとんど無い。
【００１３】
次に、ヒータ表面の空気流速と燃料気化率の関係について図２により説明する。ヒータ表面の空気流速が小さいときには、ヒータが加熱状態であっても燃料気化がほとんど促進されない。これは加熱によりヒータ表面に濃い燃料蒸気の層ができ、燃料蒸気圧の上昇により気化が抑制されることによるもので、さらにヒータへの付着燃料が増えると燃料蒸気の層の上に燃料の液膜が生じ、この液膜によりさらに燃料蒸気圧が上昇し燃料気化能力が低下することによる。
【００１４】
これに対し空気流速を大きくすると、表面の燃料蒸気が除去され（ヒータ付着燃料が多い場合は燃料液膜と燃料蒸気が除去され）燃料気化率は大きくなる。
【００１５】
また、空気流により燃料気化が促進されると、気化熱の発散によりヒータ表面温度が低下するが、ＰＴＣヒータでは図８に示すようにヒータ温度が設定温度
Ｔ０に対し低下するとヒータの電気抵抗が減少しヒータ電流が増加する。これによりヒータへの電力供給量が増加し、ヒータ上の燃料への熱伝達量が増大することで燃料気化が著しく促進されることが発明者らの実験により確認された。
【００１６】
したがって、ヒータ表面の空気流速を大きくすることによって燃料気化を促進でき、さらにヒータを小型化することが可能となる。
【００１７】
本発明では図１の構成により、燃焼状態の悪化しやすい部分負荷状態（低スロットル開度状態）において、スロットル弁２の通過空気流をヒータの配置されるサブ通路６に集中させることにより、ヒータ表面の空気流速を速くしてヒータの燃料気化を促進させることができる。ここで、部分負荷状態ではスロットル弁２の開度が小さいので、スロットル弁通過時に空気流速は高速となり、スロットル弁を通過する高速空気流を拡散させること無くヒータに集中できるので燃料気化を効果的に促進できる。これにより燃焼状態を改善できる。また燃料気化が促進されるのでヒータを小型化できる。また、ヒータの配置されるサブ通路６の通路面積は小さいので、空気はヒータ４（燃料蒸発部）に近接して流れ、よって狭い通路内で空気と気化燃料の混合を促進でき、燃焼の改善や、燃料の気筒分配の均一化を図ることができる。
【００１８】
さらに、燃料は、隔壁９で仕切られたサブ通路６に向かって噴射され、サブ通路６の開口部は、空気流が集中するスロットルの開口部に近接して設けられるため、下流に向かう空気流により、スロットル弁２に向かって逆流する燃料はほとんど無く、よってスロットル弁２に付着する燃料が減少する。これによりスロットル弁２に塗布されるモリブデンなどの固着防止剤が燃料によりはがれたり、スロットル弁２が燃料により汚損することを防止でき、スロットル弁２が吸気通路に固着するなどの不具合を防止できる。
【００１９】
ここで、テーパ１５は必ずしも設けられなくとも良く、ヒータを通過しない洩れ空気が多少有っても、スロットル通過時に高速となった空気流がヒータに導入されるのでヒータの燃料気化を促進することが可能である。またこのときヒータに導入される空気流が減少した場合でもサブ通路６の通路面積を小さくして、ヒータ部の空気流速を上げるようにすれば、燃料気化を促進できる。
【００２０】
さらに、ヒータ４に空気を導入するための弁は、スロットル弁に限らず、絞りを有する空気量制御弁であれば良い。
【００２１】
また、図１の構成以外に、ヒータに空気を導入する方式として、図４に示すように主吸気通路１のスロットル弁２の上流とスロットル弁２の下流をバイパスさせる補助空気通路１７を設け、補助空気通路１７内にヒータ４と上流燃料噴射弁５を設けてヒータに空気を導入する方式が考えられるが、近年では、アイドル回転制御時を含め、モータによりスロットル弁開度を調節するものが一般的となっており、そのようなスロットル弁ではスロットル弁をバイパスする補助空気通路を持たないので、ヒータを補助空気通路に配置する場合は、補助空気通路を追加しなければならず構成が複雑となってしまう。また、暖機終了後ではエンジン温度が上昇し吸気ポートでの燃料気化が促進されるためヒータと上流燃料噴射弁の動作は必要無いが、ヒータ動作停止後も補助空気通路を通して空気が流れ続けると暖機後のアイドリング状態において空気過剰となり、回転の吹け上がりや燃費の悪化等の不具合を生じるので、暖機後にバイパス空気を遮断する遮断弁１８を設ける必要が有り、構成が複雑となり、吸気装置のコスト上昇を招く。
【００２２】
これに対し、図１の構成では、スロットル弁の通過空気を利用して燃料気化を促進するので、補助空気通路が不要で、また遮断弁等を追加する必要が無いので構成をシンプルにすることができる。
【００２３】
次に本発明の構成を、排気低減を目的として適用する場合の効果について説明する。
【００２４】
最初に、燃料気化と燃焼安定性の関係について説明する。ポート燃料噴射弁で噴射する場合（気化燃料の供給が無い場合）は、冷機時に供給燃料の一部が吸気通路やシリンダ壁に付着する。これにより、点火プラグ周辺の燃料濃度が減少し燃焼が不安定となる。これに対し気化燃料を供給することにより付着燃料が減少するため、気化燃料の供給が無い場合に比べ、点火プラグ周辺の燃料濃度が増加し燃焼安定性を向上させることができる。
【００２５】
次に、本発明の構成の特徴である燃料気化の促進による未燃ガス（ＨＣ）の低減効果について図７により説明する。（ａ）は気化燃料の供給が無い場合（ポート燃料噴射弁で噴射した場合）と気化燃料の供給が有る場合の、点火時期の遅角限界と排気温度の関係を示したものである。一般的に点火時期を遅角するにしたがって燃焼安定性は低下するが、気化燃料の供給時には燃焼安定性が向上することにより点火時期の遅角限界（安定して燃焼できる限界点火時期）が拡大し、これにより燃焼が排気行程まで持続することとなり排気温度が上昇する（図（ａ）のΔＴに相当）。よって冷機始動直後にヒータに通電し気化燃料をシリンダに供給するとともに、エンジンの点火時期をより遅角側にセットさせて排気温度を上昇させれば（ｂ）に示すように始動から触媒が活性化するまでの時間（触媒活性時間）が短縮され、その結果、始動から触媒活性までに排出されるＨＣの量が減少し、（ｃ）に示すようにＨＣの排出量を低減することができる。よって本発明の構成によりヒータの燃料気化を促進すれば、ＨＣの排出量を大幅に低減することができる。
【００２６】
次に本発明の第二の実施例について図３により説明する。本実施例はスロットル弁２の下流のスロットル開口部付近に、サブ通路６を設ける点では第一実施例と同様であるがヒータと噴射弁を一体化したヒータボディ３は、スロットルボディ１４、および吸気通路８とは別体となっており、ヒータボディ３をスロットルボディ１４と吸気通路８の間に挿入することで既存の吸気装置の形状を変更すること無く簡単に後付けできることが利点である。
【００２７】
ここで、第一実施例と同様に、スロットルボディ１４にテーパ部１５が必ずしも設けられていなくとも良く、テーパ部１５を設けていないスロットルボディにも適用できる。
【００２８】
ヒータボディ３の構成について詳細に説明する。サブ通路６は隔壁９により形成され、上流燃料噴射弁５はエアアシストタイプのもので、噴射孔に導入された空気流との衝突により燃料を高微粒化することで噴霧（噴射中心軸付近の噴霧）が空気流によりシリンダに直接運ばれるように構成している。ここで、吸気通路に付着する燃料が多少存在するため、噴霧の一部（外周部付近の噴霧）のみをヒータ部に付着させて気化し、吸気通路への付着燃料を減少させるようにしている。これにより吸気通路への燃料付着量を、上流燃料噴射弁５およびヒータの無い既存のエンジンに対し減少させるとともに、ヒータへの燃料付着量を減少させ消費電力を少なくするようにしている。１０は微粒化用空気の取り込みのための通路である。
【００２９】
ヒータ部についてはセラミック等により形成される平板状のヒータチップ４が、筒状のアルミ板１１（吸気通路と負側電極を兼ねる）に噴射弁５の噴霧を囲むようにして固定される。ヒータチップ４は板バネ１３（正側電極を兼ねる）によりアルミ板１１に固定される。１３は電源に接続される端子である。
【００３０】
ここで、本例ではサブ通路６を形成する隔壁９，ヒータボディ３の外壁（ハウジング）、および噴射弁５の支持部は、電気的な絶縁に適した材料である樹脂等により一体形成される。平板ヒータチップ４，アルミ板１１，板バネ１３は生産時に、ヒータボディ３に前面から挿入することにより取り付けることができる。アルミ板１１とヒータボディ３の間からヒータ内部に燃料が侵入しないよう境界部にはＯリングが設けられる。
【００３１】
ここで、図１の例と同様に燃料を噴射するサブ通路６は隔壁９により仕切られており、サブ通路６の開口部には下流に向かう空気が集中するのでスロットル弁２への燃料の逆流を防止でき、スロットル弁２が主吸気通路１に固着する不具合を防止できる。
【００３２】
また、隔壁９を追加したことにより通気抵抗が増大することを防ぐため、主吸気通路１の通路断面積と、ヒータボディ３の通路断面積がほぼ一致するようにヒータボディ３の外径をやや大きくしている。
【００３３】
また、スロットル弁２を通過する空気流の内、サブ通路の外側に洩れる空気を減少させるため、ガイド１６を設けて空気をヒータに導入するようにしている。さらにヒータの配置されない他方の通路に洩れる空気と、ヒータからの気化燃料の混合を促進するため、サブ通路６を主吸気通路の中心軸方向に傾けている。
【００３４】
また、本例ではヒータボディ３をスロットルボディ１４とは別体としているが、ヒータボディ３をスロットルボディ１４とを一体化して、スロットル弁２の上部に噴射弁５を配置するようにすればヒータをスロットル弁２に近付けることができる。これによりスロットル弁２とヒータボディ３を含む吸気装置の全長を短くすることができエンジン実装上有利となる。
【００３５】
次に本発明の第三の実施例について図５により説明する。本例では、ヒータ４を、スロットル弁２の開口部近くに配置して空気流をヒータに集中させるようにしたものである。ここでヒータ４は小さな通路面積でヒータ表面積を大きくできるように格子状のものを使用し、スロットル弁からの空気が流れる部分にヒータを集中して配置するようにしている。ヒータ４はセラミクス製の格子形状に一体成形されたものを用いれば、ヒータの構成もシンプルで実装しやすい。ここでスロットル弁２を通過した空気をなるべくヒータに集中できるよう、ヒータ４は、低スロットル開度でスロットル弁２と主吸気通路の間の開口部が最も大きくなる位置（スロットルシャフト２３から最も離れた位置）に隣接するように配置される。
【００３６】
噴射弁５は先の実施例と同様、微粒化用空気通路１０を設けたエアアシストタイプの高微粒化噴射弁を用いているが、エアアシストタイプの噴射弁に限定されるものではない。
【００３７】
ここで、スロットル弁２とヒータ４の距離をなるべく短かくしヒータに空気を集中できるよう、スロットル弁２，ヒータ４，噴射弁５はヒータボディ３に一体配置されている。１９はヒータ支持部で、ヒータボディ３と一体形成される。また、ヒータ４にさらに空気を集中させるためにヒータ４とスロットル弁２との間に空気をヒータに導入するためのガイド部を設けても良い。
【００３８】
ヒータは格子状のものに限らず、ハニカム状のものや層状，平板上のものであっても良い。さらにヒータ４を、噴射弁５およびスロットル弁２とは別体とし、ヒータ４のみを取り外し可能としてヒータが長時間の使用で汚損した場合などに交換可能とするようにしても良い。
【００３９】
また、本例では、スロットル弁２とヒータ４の間を通過し、ヒータに導入されない空気流（洩れ空気）と、気化燃料の混合を促進するためヒータを主吸気通路の中心軸方向に傾けている。
【００４０】
また、ヒータによる通路抵抗の増大を防止するためヒータボディ３の通路面積を主空気通路に対し大きくしても良い。
【００４１】
さらに、本例ではヒータが配置されない側の、スロットル弁の端面に接する吸気通路内にテーパ部１５を設けてヒータに流入する空気流を増加させているが、第一，第二実施例と同様にテーパ付きのものに限定されるものではない。
【００４２】
また、ヒータへの空気の集中により、吸気通路に空気密度の高い部分と、低い部分の圧力差が生じることによりヒータから気化する燃料の一部がスロットル弁２の方向に逆流して燃料溜りを生じる場合があるが、この場合はテーパ部１５とスロットル弁２の隙間を調整して、空気をテーパ部１５を通してヒータ部以外にも少し流入させて燃料の逆流を防止するようにしても良い。
【００４３】
本発明の第四の実施例について図６により説明する、ヒータ４，噴射弁５の配置は図５の例と同一であるが、ヒータに流入しない漏れ空気を減少させるために、ヒータが配置される側の吸気通路のスロットル弁２に接する位置に、低スロットル開度において空気流を遮断するテーパ部２１を設け、テーパ部２１には、スロットル弁上流とスロットル下流を連通させる溝部２２が設けられており、溝部２２以外の部分からの空気の流入を遮断し、溝部２２のみに空気が流入するようにし、より多くの空気をヒータに集中させるように構成している。これによりヒータの燃料気化をさらに促進し、また燃料と空気の混合を促進することができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ヒータの燃料気化を促進することができ、燃焼の改善や、ヒータの消費電力および供給電流の低減，ヒータの小型化が可能となる。また燃料と空気の混合を促進できる。さらにスロットル弁を通過する空気流をヒータに導入するので、ヒータに空気を導入するための補助空気通路や、空気の遮断弁を追加する必要が無く吸気装置の構成がシンプルになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料供給装置の構成１。
【図２】ヒータ部の空気流速と燃料気化の関係。
【図３】燃料供給装置の構成２。
【図４】ヒータを補助空気通路に設ける場合の構成。
【図５】燃料供給装置の構成３。
【図６】燃料供給装置の構成４。
【図７】気化燃料とＨＣ排出量の関係。
【図８】ＰＴＣヒータの電気抵抗特性。
【符号の説明】
１…主吸気通路、２…スロットル弁、３…ヒータボディ、４…ヒータ、５…上流燃料噴射弁、６…サブ通路、７…ポート燃料噴射弁、８…サージタンクを含む吸気通路、９…吸気通路隔壁、１０…微粒化用空気通路、１４…スロットルボディ、１５…吸気通路テーパ部、２１…吸気通路テーパ部（ヒータ側）、２２…空気導入用溝部。

Claims

主吸気通路内に設けられるスロットル弁と、
前記スロットル弁の下流の主吸気通路内に設けられ、通路断面積が前記主吸気通路の通路断面積より小さいサブ吸気通路とを備え、
前記サブ吸気通路の開口部は前記スロットル弁の下流において、前記スロットル弁周縁と前記主吸気通路壁面との間に形成される空気流路の出口に対面配置されており、
前記サブ吸気通路内に設けられるヒータと、
前記サブ吸気通路内に燃料を噴射する燃料噴射弁とを備え、
前記スロットル弁の、前記サブ吸気通路の開口部に隣接する側とスロットルシャフトを挟んで相対する側の周縁と、これに面する前記主吸気通路の内壁面部との間に空気流を遮断する空気流遮断部を形成し、
当該空気流遮断部は、
前記スロットル弁の、前記サブ吸気通路の開口部に隣接する側とスロットルシャフトを挟んで相対する側の周縁に面する前記主吸気通路の内壁面部に設けた、前記スロットル弁の最小開度位置において空気流を遮断するテーパ部である
ことを特徴とする内燃機関の燃料供給装置。
請求項１に記載の内燃機関の燃料供給装置において、
前記サブ吸気通路と、前記サブ吸気通路内に設けられるヒータと、
前記サブ吸気通路内に燃料を噴射する前記燃料噴射弁とを一体構成としたボディ構造を有する
ことを特徴とする内燃機関の燃料供給装置。
請求項１に記載の内燃機関の燃料供給装置において、
前記サブ吸気通路と、前記サブ吸気通路内に設けられるヒータと、
前記サブ吸気通路内に燃料を噴射する前記燃料噴射弁と、前記スロットル弁を有するスロットルボディとを一体構成としたボディ構造を有する
ことを特徴とする内燃機関の燃料供給装置。
請求項１に記載の内燃機関の燃料供給装置において、
前記サブ吸気通路は前記スロットル弁の下流の主吸気通路内に設けられる隔壁により区画形成される
ことを特徴とする内燃機関の燃料供給装置。
請求項１に記載の内燃機関の燃料供給装置において、
さらに、各気筒の吸気ポート近くに設けられるポート燃料噴射弁を有する
ことを特徴とする内燃機関の燃料供給装置。
請求項１に記載の内燃機関の燃料供給装置において、
前記スロットル弁の最小開度位置において前記スロットル弁の周縁が対面する主吸気通路壁面に空気流を遮断するテーパ部を設け、
当該テーパ部に前記スロットル弁上流と前記スロットル弁下流の吸気通路とを連通させる溝部を設け、
前記溝部の出口が前記サブ吸気通路の開口部に空気流を供給するように対面配置される
ことを特徴とする内燃機関の燃料供給装置。