JP4099770B2 - 燃料噴射式内燃機関の燃料加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料を燃料噴射弁によってエンジンに供給するようにした燃料噴射式内燃機関の燃料加熱装置に関するものである。

車載のガソリンエンジンとして、燃料噴射弁から吸気ポートに向けて燃料が噴射されるポート噴射式エンジンや、燃料噴射弁から燃焼室内に燃料が直接噴射される直噴式（筒内噴射式）エンジンが知られている。このようなエンジンにおいては、噴射された燃料が充分に気化され、良好な混合気が形成されることが好ましい。

そこで、例えば、特許文献１には、ヒータコアを流れるエンジン冷却水により燃料温度を調節する技術が開示されている。この特許文献１に記載のものでは、ポート噴射式エンジンを対象とし、ヒータコアへの冷却水の流量を調節することによりヒータコアから流出する冷却水の温度を所定の範囲で変動させ、燃料温度を制御している。

ところで、直噴式エンジンでは、燃料噴射弁から燃焼室内に燃料が直接噴射されるため、燃料が気化する時間が不足して、良好な混合気の形成が不十分となる恐れがあり、不完全燃焼による出力低下や、排気エミッションの悪化が懸念されている。そこで、特許文献２には、燃料噴射弁に高圧燃料を供給するデリバリパイプ内の燃料を加熱すべく、エンジンの冷却水を、シリンダブロックに一体化されたデリバリパイプ、または、Ｖ型の２つのバンク間に設けられたデリバリパイプの周囲に流通させる技術が開示されている。つまり、特許文献２に記載のものでは、燃料をエンジンの気筒に直接噴射する直噴式エンジンを対象とし、所定温度で保持されるエンジン冷却水を、シリンダブロックに一体化された、または、Ｖ型の２つのバンク間に設けられたデリバリパイプの周囲に流通させ、燃料を加熱するようにしている。

特開平８−９３５７９号公報 特開２０００−１４５５７１号公報

ところが、特許文献１に記載のものでは、ヒータコアへの冷却水の流量を調節してヒータコアから流出する冷却水の温度を所定の範囲で変動させ、燃料温度を制御しているので、その冷却水用の配管が複雑であると共に、燃料を直噴式エンジン用に高温度に加熱するには不充分であった。直噴式エンジンでは、燃料噴射弁に供給する燃料の圧力がポート噴射式エンジンの燃圧よりも高圧であるため、ベーパを発生させず、かつ燃料の気化を促進させるのに適した燃料温度が高いからである。この点に関し、特許文献２に記載のものは、所定温度で保持されるエンジン冷却水をシリンダブロックに一体化された、または、Ｖ型の２つのバンク間に設けられたデリバリパイプの周囲に流通させ、燃料を加熱するようにしているので、高い燃料温度を得ることはできるが、その反面、単に周囲に流通させていることから燃料温度の気筒間差が発生する恐れがあり、また構造が複雑となるという問題があった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、簡単な構成でもって、燃料温度の気筒間差がなく安定的に燃料を加熱することができる燃料噴射式内燃機関の燃料加熱装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の一形態に係る燃料噴射式内燃機関の燃料加熱装置は、並列する複数の燃料噴射弁に燃料を供給する燃料デリバリ配管に、その長手方向に沿って熱交換器を設けると共に、該熱交換器の内部通路を該熱交換器の長手方向一端部に並設した熱交換器入口および熱交換器出口に連通するＵ形状に形成し、シリンダヘッド出口からのエンジン冷却水を該熱交換器入口に導入するように構成した、燃料噴射式内燃機関の燃料加熱装置であって、前記シリンダヘッド出口と前記熱交換器入口との間から分岐するバイパス通路と、該バイパス通路に設けられた流量調整弁と、該流量調整弁が閉じ側で固着した際に、前記燃料噴射弁に供給する燃料を増量する手段とを備えることを特徴とする。

なお、本明細書において「燃料デリバリ配管」とは、上述のデリバリパイプ等をも含み、複数個の燃料噴射弁にそれぞれ接続される複数の供給管に連通する拡大された共通燃料室を有する配管を云う。

また、前記流量調整弁を燃料温度に応じて制御する制御手段を、さらに備えることが好ましい。

本発明の一形態に係る燃料噴射式内燃機関の燃料加熱装置によれば、シリンダヘッド出口からのエンジン冷却水が、並列する複数の燃料噴射弁に燃料を供給する燃料デリバリ配管の長手方向に沿って設けられた熱交換器に導入される。そして、導入された冷却水は、該熱交換器の長手方向一端部に並設した熱交換器入口および熱交換器出口に連通するＵ形状に形成された内部通路を流通するので、燃料デリバリ配管内の燃料温度が気筒間差を伴わず均一に安定的に加熱される。しかも、シリンダヘッド出口からのエンジン冷却水を該熱交換器に導入することにより、冷却水通路の配管が複雑とならず、エンジン負荷に応じて略変動する燃料噴射量に対応したエンジン冷却水温度による燃料の加熱が行われるので、燃料の温度が安定する。さらに、燃料デリバリ配管に直接に熱交換器を設けることにより、部品点数を増加させることなく、簡単に構成することができる。また、前記シリンダヘッド出口と前記熱交換器入口との間から分岐するバイパス通路と、該バイパス通路に設けられた流量調整弁とが備えられた構成によれば、燃料の温度を制御することができる。そして、前記流量調整弁が閉じ側で固着した際に、前記燃料噴射弁に供給する燃料を増量する手段が備えられた構成によれば、燃料温度の過上昇を防止することができる。

また、前記流量調整弁を燃料温度に応じて制御する制御手段を、さらに備える構成によれば、さらに精度よく燃料の温度を制御することができる。

以下に、本発明にかかる燃料噴射式内燃機関の燃料加熱装置を、燃料噴射式内燃機関として直噴式ガソリンエンジンに適用した実施の形態を図面に従って説明する。

図１に、本実施形態における直噴式ガソリンエンジン１０の概要を断面図で示す。エンジン１０はシリンダブロック１１とシリンダヘッド１２とを備え、シリンダヘッド１２には、燃料噴射弁１３が配設され、該燃料噴射弁１３には後述するような熱交換器が設けられた燃料デリバリ配管２０からの高圧燃料が燃料供給管２１を介して供給されるように構成されている。そして、燃料噴射弁１３からの高圧燃料が、エンジン１０のピストン１４の上方に吸気弁１５及び排気弁１６の閉成時に画成される各気筒内の燃焼室１７に直接噴射される。なお、１８は気筒のほぼ中心線上に設けられた点火栓である。

ここで、本実施の形態における燃料供給系について説明すると、燃料タンク３０に低圧の燃料１次ポンプ３１が接続され、該燃料１次ポンプ３１にはさらに高圧の燃料２次ポンプ３２が接続されている。燃料２次ポンプ３２は、燃圧調整弁３３を介して燃料デリバリ配管２０に接続され、燃料１次ポンプ３１から供給された燃料の圧力を所定の調整圧にまで高めて燃料デリバリ配管２０に供給するようになっている。そして、燃料デリバリ配管２０からの高圧燃料が燃料供給管２１を介して各燃料噴射弁１３に供給され、該燃料噴射弁１３から燃料が噴射される。

なお、図示はしないが、燃料デリバリ配管２０には、燃圧センサが設けられ、燃料デリバリ配管２０内の燃料圧力に応じた検出値を不図示のコントローラに出力する。コントローラは燃圧センサの検出値に基づいて、燃料デリバリ配管２０内の燃料圧力を目標燃料圧力にすべく燃料２次ポンプ３２の駆動および燃圧調整弁３３を制御する。同じく図示はしないが、燃料デリバリ配管２０には、燃温センサが設けられ、燃料デリバリ配管２０内の燃料温度に応じた検出値をコントローラに出力する。コントローラは燃温センサの検出値および冷却水温度に基づいて、燃料デリバリ配管２０内の燃料温度を目標燃料温度にすべく、後述する流量制御弁４５を制御する。なお、燃料デリバリ配管２０内の燃料の温度は、燃温センサを設けることなく、冷却水温や、エンジンオイル温、吸気温等の既存のセンサによる検出値に基づいて推定することも可能である。

次いで、本実施の形態における熱交換器が設けられた燃料デリバリ配管２０の冷却水循環系の概略構成を図２を用いて説明する。図２に示すように、冷却水循環系は、ラジエータ４０、ラジエータ４０の出口と不図示のウォータポンプが設けられたエンジン１０のシリンダブロック入口とを接続する第１の冷却水通路４１、エンジン１０内を流通する冷却水通路、エンジン１０のシリンダヘッド出口と熱交換器５０の入口とを接続する第２の冷却水通路４２、熱交換器５０の出口とラジエータ４０の入口とを接続する第３の冷却水通路４３、および第２の冷却水通路４２と第３の冷却水通路４３との間を接続し、上述の流量調整弁４５が設けられたバイパス通路４４を備えて構成されている。エンジン１０の冷却および熱交換器５０による燃料デリバリ配管２０の加熱は、ウォータポンプが作動し冷却水が冷却水循環系内を循環することにより行われる。

ここで、さらに本実施の形態における熱交換器５０が設けられた燃料デリバリ配管２０の詳細につき図３（Ａ）および（Ｂ）を参照して説明する。図３（Ａ）は、理解の容易化を図るため燃料デリバリ配管２０を省略して図示した熱交換器５０の部分断面図であり、図３（Ｂ）は、燃料デリバリ配管２０を省略することなく示した図３（Ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。

燃料デリバリ配管２０は、気筒に対応して並列に設けられた複数の燃料噴射弁１３に等しく燃料を供給すべく、共通する長さの燃料供給管２１が並列に配置されて連通する共通燃料室を形成する長さ寸法を有しており、熱交換器５０は、燃料デリバリ配管２０の共通燃料室の外側に接触して覆う形態でその長手方向に沿って設けられている。そして、熱交換器５０の長手方向一端部には、熱交換器入口５１および熱交換器出口５２が並設され、前述の第２の冷却水通路４２および第３の冷却水通路４３に、それぞれ、接続されている。熱交換器５０の内部通路５３は、熱交換器入口５１に連なる往路５３Ｉと熱交換器出口５２に連なる復路５３ＯとからなるＵ形状に形成されている。さらに、熱交換器５０は、燃料デリバリ配管２０と共にその全体が断熱材６０で覆われている。

なお、冷却水循環系においては、通常、ウォータポンプからの冷却水が、エンジン１０のシリンダブロック１１及びシリンダヘッド１２を流通してエンジン１０が冷却される。エンジン１０との熱交換が行われ加熱された冷却水は、シリンダヘッド出口から第２の冷却水通路４２、熱交換器５０、第３の冷却水通路４３を経てラジエータ４０の入口に導かれる。冷却水温度が所定値よりも低いときには、不図示のサーモスタットによってラジエータ４０への水路が閉じられ、ラジエータ４０を経由せずにウォータポンプに冷却水が戻される。一方、エンジン１０との熱交換が行われて冷却水が所定温度よりも高温となると、サーモスタットによってラジエータ４０への水路が開かれラジエータ４０に冷却水が導入される。そして、冷却水はラジエータ４０を通過する際に冷却された後、第１の冷却水通路４１を介して再びウォータポンプに戻される。このサーモスタットの働きによりエンジン１０の暖機後における冷却水はほぼ所定温度に保持される。

次に、上述のように構成された本実施の形態に係るエンジン１０の燃料加熱装置の作用を説明する。エンジン１０の運転時には燃焼室１７内の燃焼によりエンジン１０の各部の温度が上昇する。エンジン１０との熱交換が行われ加熱された冷却水が、シリンダヘッド出口から第２の冷却水通路４２を介して熱交換器５０に導入される。熱交換器５０の一端の熱交換器入口５１から流入した冷却水は、まず、その往路５３Ｉを流れた後、Ｕターンして復路５３Ｏを流れ、そして、熱交換器５０の一端の熱交換器出口５２から第３の冷却水通路４３に流出する。冷却水が内部通路５３の往路５３Ｉおよび復路５３Ｏを通過する際に、燃料デリバリ配管２０内の高圧燃料が加熱される。この熱交換器５０内を流通するに連れて、冷却水の温度は熱交換により次第に低下することになるが、その内部通路５３をＵターンする流れが可能な往路５３Ｉと復路５３Ｏとにより構成することによって、燃料デリバリ配管２０内の高圧燃料を気筒間に温度差のない均一な温度に加熱することができるのである。しかも、シリンダヘッド出口からのエンジン冷却水が第２の冷却水通路４２を介して該熱交換器５０に導入されることにより、冷却水通路の配管が複雑とならず、エンジン負荷に応じて略変動する燃料噴射量に対応したエンジン冷却水温度による燃料の加熱が行われるので、燃料の温度を安定させることができる。そして、高温となった燃料が、燃料供給管２１を介して燃料噴射弁１３に供給され、各気筒内の燃料室１７に直接噴射される。

また、図２に示すように、シリンダヘッド１２の出口と熱交換器入口５１とに接続された第２の冷却水通路４２から分岐するバイパス通路４４に設けられた流量調整弁４５は、燃料デリバリ配管２０に設けられた燃温センサにより検出された検出値または前述の推定値および冷却水温度に基づいて、コントローラにより制御される。すなわち、燃料デリバリ配管２０内の燃料温度を目標燃料温度にすべく、バイパス通路４４を通る冷却水流量、延いては熱交換器５０を流通する冷却水流量を制御するのである。この制御は、熱交換に供される冷却水および燃料の熱容量を考慮して行われる。例えば、始動直後の冷却水温度が低い場合等には、冷却水流量を多くして熱交換に供される所定の熱容量を確保したり、目標燃料温度が高く燃料流量も多い場合には、多量の高温冷却水を熱交換器５０に送るように制御される。従って、大熱容量の冷却水が必要とされる場合には、流量制御弁４５が完全に閉じられるか絞られて、バイパス通路４４を通る冷却水流量が小流量に制御され、熱交換器５０を流通する冷却水流量が増大される。逆に、小熱容量の冷却水が必要とされる場合には、流量制御弁４５が開かれて、バイパス通路４４を通る冷却水流量が大流量に制御され、熱交換器５０を流通する冷却水流量が減少される。この流量制御弁４５はオン−オフ型または連続型のいずれであってもよい。

なお、前記流量調整弁４５が閉じ側で固着した際のフェールセーフとして、これを適宜なセンサや、コントローラにおける診断制御でもって検出し、燃料温度の過上昇を防止するために、燃焼室に供給する燃料を増量する手段を設けるようにしてもよい。但し、この場合には、燃料増量分に対応させて、点火遅角手段等のトルク低減手段を同時に作動させ、エンジン出力を調整することが好ましい。なお、上述した直噴式エンジンの場合には、燃圧調整弁３３を制御することにより、燃料デリバリ配管２０の燃圧をまず上昇させて燃料の沸騰を防止し、さらに温度が上昇した場合には、燃料噴射弁１３によって燃焼室に供給する燃料を増量して燃料温度を下げる。一方、他の実施形態としての、ポート噴射型エンジンの場合には、単に、燃料噴射弁による噴射燃料を増量して燃料温度を下げることになる。

本発明の一実施の形態を示す一部断面側面図である。 本発明の一実施の形態を示す一部断面平面図である。 （Ａ）は、本発明の一実施の形態の燃料デリバリ配管を省略して図示した熱交換器の部分断面図であり、（Ｂ）は、燃料デリバリ配管を省略することなく示した（Ａ）におけるＢ−Ｂ線断面図である。

符号の説明

１０ エンジン
１２ シリンダヘッド
１３ 燃料噴射弁
２０ 燃料デリバリ配管
３０ 燃料タンク
３１ 燃料１次ポンプ
３２ 燃料２次ポンプ
４１ 第１の冷却水通路
４２ 第２の冷却水通路
４３ 第４の冷却水通路
４４ バイパス通路
４５ 流量制御弁
５０ 熱交換器
５１ 熱交換器入口
５２ 熱交換器出口
５３ 内部通路
５３Ｉ 往路
５３Ｏ 復路

Claims (2)

1. 並列する複数の燃料噴射弁に燃料を供給する燃料デリバリ配管に、その長手方向に沿って熱交換器を設けると共に、該熱交換器の内部通路を該熱交換器の長手方向一端部に並設した熱交換器入口および熱交換器出口に連通するＵ形状に形成し、シリンダヘッド出口からのエンジン冷却水を該熱交換器入口に導入するように構成した、燃料噴射式内燃機関の燃料加熱装置であって、
   前記シリンダヘッド出口と前記熱交換器入口との間から分岐するバイパス通路と、
   該バイパス通路に設けられた流量調整弁と、
   該流量調整弁が閉じ側で固着した際に、前記燃料噴射弁に供給する燃料を増量する手段と
   を備えることを特徴とする燃料噴射式内燃機関の燃料加熱装置。
2. 前記流量調整弁を燃料温度に応じて制御する制御手段を、さらに備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射式内燃機関の燃料加熱装置。

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