JP4126798B2

JP4126798B2 - ガソリン自己着火内燃機関の燃料噴射装置

Info

Publication number: JP4126798B2
Application number: JP04946999A
Authority: JP
Inventors: 孝之荒井; 明宏榊田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1999-02-26
Filing date: 1999-02-26
Publication date: 2008-07-30
Anticipated expiration: 2019-02-26
Also published as: JP2000249015A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自己着火燃焼を行うガソリン内燃機関の燃料噴射装置に関し、特に、オクタン価等の燃料の性質を調整するために複数種の燃料を供給することが可能な燃料噴射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼル機関を含め、自己着火燃焼の制御の一手段として、２種類の燃料を供給するとともに、それぞれの割合を可変制御することで、オクタン価等の燃料の性質を調整する方法が知られている。このような方法による燃料性質の調整を実現するためには、内燃機関の燃焼室に対し２種類の燃料を供給することができる燃料噴射装置が必要となる。
【０００３】
例えば、特開平５−１２６０２４号公報には、主噴射弁と着火用噴射弁との２系統を備えた直噴型ディーゼル機関の燃料噴射装置が開示されているが、この種の装置を流用することで、２種類の燃料の噴射供給が可能である。
【０００４】
また、特開平６−１０８９４５号公報には、２種類の高圧燃料ポンプを用い、それぞれで加圧された燃料を、１つの燃料噴射弁から同時に噴射するようにした２系統の燃料噴射装置が開示されている。このものでは、針弁のリフト時間によって２種の燃料の混合割合が決定される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前者の構成においては、高圧燃料噴射弁ならびに高圧燃料ポンプがそれぞれ複数必要であり、構成が複雑化するとともに、車両への搭載性が悪化する。また、高圧化に伴う噴射弁の駆動電力やポンプ仕事の増加による燃費の悪化が大きなものとなる。
【０００６】
また後者の構成においては、２種類の燃料の混合割合を機関運転条件に応じて可変制御することが困難であり、特に、ガソリン機関において、自己着火燃焼領域を十分に拡げることができない。
【０００７】
そこで、本発明は、比較的簡単な構成でもって２種類の燃料を混合して噴射供給でき、かつその混合割合を広く可変制御可能なガソリン自己着火内燃機関の燃料噴射装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るガソリン自己着火内燃機関の燃料噴射装置は、第１の燃料が高圧で導かれ、かつ燃料室から噴孔を通してシリンダ内へ混合燃料を噴射する高圧燃料噴射弁と、第２の燃料が低圧で導かれ、かつ上記燃料室へ向けてこの第２の燃料を供給する低圧燃料噴射弁と、を備えたことを特徴としている。
【０００９】
すなわち、第２の燃料は、低圧燃料噴射弁から高圧燃料噴射弁の燃料室へ供給され、ここで第１の燃料と混合する。この混合した燃料は、該高圧燃料噴射弁の噴孔から高圧となって噴射される。このとき燃料噴射量の総量は、高圧燃料噴射弁の例えば開弁期間によって計量され、第２の燃料の噴射量は、低圧燃料噴射弁の例えば開弁期間によって計量される。従って、第１の燃料および第２の燃料の混合割合は、任意に可変制御し得る。
【００１０】
また、上記燃料室は、高圧の第１の燃料が常時供給される高燃圧室と、該高燃圧室から針弁により隔てられ、かつ噴孔側に位置する低燃圧室と、を備え、上記低燃圧室側に、上記低圧燃料噴射弁の噴孔が逆止弁を介して連通していることを特徴としている。
【００１１】
針弁が噴孔を閉じている状態では、同時に、この針弁によって低燃圧室が高燃圧室から隔てられ、高圧が作用しない。この状態で、第２の燃料が低圧燃料噴射弁から供給される。そして、高圧燃料噴射弁からの燃料噴射時に低燃圧室が高圧となっても、逆止弁の作用により、低圧燃料噴射弁への逆流が阻止される。
【００１２】
この請求項１の発明をさらに具体化した請求項２の発明は、第２の燃料の供給時に、上記低燃圧室が電磁切換弁を介して低圧側、例えば大気圧下にある第１の燃料の燃料タンク等に解放されることを特徴としている。
【００１３】
これにより、第２の燃料の供給時には、低燃圧室が積極的に低圧に保たれ、第２の燃料の供給が一層容易となる。
【００１４】
また、この請求項２に従属する請求項３の発明では、上記低燃圧室は、燃料が通流可能な連通孔を備えた仕切板によって、噴孔側部分と高燃圧室側部分とに区画されており、その噴孔側部分に、上記低圧燃料噴射弁の噴孔が連通しているとともに、高燃圧室側部分に、上記電磁切換弁を備えたリターン燃料通路が接続されている。
【００１５】
上記仕切板は、連通孔を通して常に燃料の通流が可能であるが、低燃圧室内を、噴孔側部分と高燃圧室側部分とにほぼ仕切っている。なお、針弁が上記の連通孔を貫通するように構成することもできる。従って、リターン燃料通路の電磁切換弁が開いている状態で低圧燃料噴射弁から第２の燃料が供給されてきたときに、第２の燃料がリターン燃料通路へ流れてしまうことはなく、噴孔側部分つまり低燃圧室内に確実に残存する。
【００１６】
ここで、例えば請求項６のように、上記電磁切換弁による低燃圧室の解放期間が、高圧燃料噴射弁からの燃料噴射時期と重ならないように設定されるとともに、この解放期間内に、上記低圧燃料噴射弁の噴射時期が設定される。
【００１７】
また、請求項４の発明においては、上記高圧燃料噴射弁は、針弁の先端部分と当接して上記噴孔を閉塞する第１のシート部と、針弁の中間部分と当接して上記高燃圧室と上記低燃圧室とを遮断する第２のシート部と、を備えている。
【００１８】
つまり、高圧燃料噴射弁の針弁がリフトすると、第１のシート部から離れることにより先端の噴孔が開き、また同時に、第２のシート部から針弁が離れることにより、低燃圧室が高燃圧室に連通する。従って、第１の燃料の高い圧力が低燃圧室内の混合燃料に作用し、この混合燃料が噴孔から噴射される。
【００１９】
さらに、請求項５の発明においては、上記第２のシート部が、弾性部材によって構成されている。従って、高い加工精度を要さずに、第２のシート部に針弁が確実に当接する。
【００２０】
【発明の効果】
この発明によれば、高圧燃料ポンプ等を含む高圧噴射系は１系統のみであり、これに低圧噴射系を組み合わせたものとなるので、高圧噴射系を２系統とした場合に比較して装置全体の構成が簡素となり、車両への搭載が容易になるとともに、高圧噴射に伴う燃費の悪化を最小限のものとすることができる。また、高圧燃料噴射弁および低圧燃料噴射弁のそれぞれの噴射量の制御によって、第１，第２の燃料の混合割合を広い範囲で可変制御でき、機関運転条件に応じた燃料成分の調整、ひいては自己着火燃焼領域の拡大を達成できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２２】
図１は、この発明に係る自己着火ガソリン内燃機関用燃料噴射装置の一実施例を示している。
【００２３】
図において、５１は、各気筒にそれぞれ設けられる燃料噴射弁ユニットを示している。この燃料噴射弁ユニット５１は、各気筒のシリンダに向けて取り付けられる高圧燃料噴射弁２と、この高圧燃料噴射弁２の外周に固定されたブロック状のハウジング１３と、このハウジング１３を介して高圧燃料噴射弁２に一体に支持された低圧燃料噴射弁１４と、を主体として構成されている。
【００２４】
上記高圧燃料噴射弁２は、先端に噴孔６２を有するバルブボディ６１と、バルブスプリング２１によって常時閉方向に付勢された針弁１と、この針弁１をリフトさせるソレノイド２２と、を備えている。なお、９は針弁１の基部に設けられた針弁支持部、１６はソレノイド２２に接続されたコネクタである。
【００２５】
上記バルブボディ６１内には、燃料室として、針弁１の周囲に、低燃圧室６と高燃圧室７とが形成されている。低燃圧室６は、バルブボディ６１の上部シート部３を挟んで、噴孔６２側に、また高燃圧室７は、バルブスプリング２１側に、それぞれ位置しており、針弁１中間部のテーパ状の第２シート面１ｂ（図２参照）が上記上部シート部３に着座することによって、互いに隔てられ、かつ針弁１がリフトした状態では互いに連通するようになっている。そして、上記高燃圧室７は、高圧燃料噴射弁２中心の通路を通して、基端部の燃料入口８に常時連通し、ここから後述するように、高圧燃料が常時供給されている。低燃圧室６は、内部に円環状の仕切板６３を有し、この仕切板６３によって、さらに、噴孔６２側の部分６ａと高燃圧室７側の部分６ｂとに区画されている（図２参照）。上記仕切板６３の中央の連通孔には、針弁１が貫通し、かつ該針弁１外周との間には、適宜な間隙が確保されている。従って、噴孔６２側の部分６ａと高燃圧室７側の部分６ｂとは完全には分離されておらず、燃料の通流が可能である。
【００２６】
上記低燃圧室６の高燃圧室７側の部分６ｂには、バルブボディ６１およびハウジング１３を通して形成されたリターン燃料通路１０の先端が接続されている。
【００２７】
また、図２に示すように、針弁１先端の半球状の第１シート面１ａが噴孔６２周縁の下部シート部４に着座するようになっており、この下部シート部４のさらに外周側には、噴出する燃料に旋回成分を付与するスワラーチップ５が配設されている。
【００２８】
上記低圧燃料噴射弁１４は、先端に噴孔７２を有するバルブボディ７１と、バルブスプリング７３によって常時閉方向に付勢された針弁７４と、この針弁７４をリフトさせるソレノイド７５と、を備えており、燃料入口７６から導入される低圧燃料を、針弁７４のリフトに伴って噴射する構成となっている。なお、１５はソレノイド７５に接続されたコネクタである。
【００２９】
上記低圧燃料噴射弁１４の噴孔７２は、ハウジング１３およびバルブボディ６１を通して形成された低圧燃料供給通路１１の一端に接続されており、かつこの低圧燃料供給通路１１の他端は、上記高圧燃料噴射弁２の低燃圧室６の噴孔６２側の部分６ａに接続されている。そして、この低圧燃料供給通路１１には、上記低燃圧室６から低圧燃料噴射弁１４側への燃料の逆流を阻止する逆止弁１２が介装されている。
【００３０】
この実施例の燃料噴射装置は、２種類の燃料系を備えており、例えば、一方の燃料３３が高オクタン価燃料、他方の燃料４２が低オクタン価燃料である。
【００３１】
高オクタン価燃料３３の燃料系は、燃料タンク３４と、モータ２８により駆動されて燃料タンク３４内の高オクタン価燃料３３を圧送するフィードポンプ２７と、燃料フィルタ３２と、モータ２６により駆動され、かつフィードポンプ２７から送られた燃料を高圧にして高圧燃料噴射弁２に供給する高圧燃料ポンプ２５と、この高圧燃料ポンプ２５による高圧通路２３内の燃料圧力を所定圧力（例えば１０ＭＰａ）に調圧する高圧側レギュレートバルブ２４と、フィードポンプ２７と高圧燃料ポンプ２５との間の通路３７内の圧力を所定圧力に調圧する低圧側レギュレートバルブ３１と、を備えている。上記高圧側レギュレートバルブ２４および低圧側レギュレートバルブ３１からそれぞれ排出された余剰の燃料は、通路３０および通路３８を介して燃料タンク３４に戻される。また、上記高圧燃料噴射弁２のリターン燃料通路１０は、燃料タンク３４へ向かうリターン燃料通路２９に接続されており、かつこの燃料リターン燃料通路２９には、該通路２９を開閉する電磁切換弁２０が介装されている。
【００３２】
また、低オクタン価燃料４２の燃料系は、燃料タンク４３と、モータ４１により駆動されて燃料タンク４３内の低オクタン価燃料４２を低圧燃料噴射弁１４に供給する低圧燃料ポンプ４０と、燃料フィルタ３６と、低圧燃料噴射弁１４に至る低圧通路３９内の燃料圧力を所定圧力（例えば０．３ＭＰａ）に調圧するレギュレートバルブ３５と、を備えている。レギュレートバルブ３５から排出された余剰の燃料は、通路４４を介して燃料タンク４３に戻される。
【００３３】
なお、図１においては、比較的低圧の燃料通路が細い実線で、高圧の燃料通路が太い実線で、また略大気圧の燃料通路が破線で、それぞれ示されている。
【００３４】
上記電磁切換弁２０、高圧燃料噴射弁２および低圧燃料噴射弁１４は、それぞれエンジンコントロールユニット４５から出力される駆動パルス信号によって、個々に制御される。
【００３５】
次に、上記構成の燃料噴射装置における作用を説明する。
【００３６】
筒内直噴型ガソリン内燃機関において自己着火燃焼を安定して得るためには、図３に示す各運転領域で、運転条件に応じたオクタン価に制御する必要がある。具体的には、領域Ａに代表される低速高負荷側ほど、自己着火が生じやすく、要求オクタン価は高くなる。そして、領域Ｄに代表される高速低負荷ほど、自己着火が生じにくく、要求オクタン価は低い。領域Ａ〜Ｄの各要求オクタン価を、それぞれＯａ，Ｏｂ，Ｏｃ，Ｏｄとすると、Ｏａ＞Ｏｂ≧Ｏｃ＞Ｏｄの関係となる。また、各領域Ａ〜Ｄの間では、要求オクタン価は、連続的に変化する。
【００３７】
上記燃料噴射装置においては、オクタン価の異なる２種の燃料３３，４２の混合割合が要求オクタン価に応じて制御マップに割り付けられており、高圧燃料噴射弁２と低圧燃料噴射弁１４の噴射パルス幅の制御により、オクタン価を要求オクタン価に応じて可変制御することができる。
【００３８】
各燃料噴射弁２，１４の具体的な作用を説明すると、先ず、燃料噴射前の初期状態では、低燃圧室６には、高オクタン価燃料３３が充満している。噴射前の所定のタイミングで電磁切換弁２０が開となり、低燃圧室６が大気圧下に解放される。この状態で、低圧燃料噴射弁１４が運転条件に応じた所定のパルス幅で駆動される（図５参照）。これにより、低オクタン価燃料４２が低燃圧室６に供給される。低オクタン価燃料４２は、比較的低圧（例えば０．３ＭＰａ）で供給されるが、低燃圧室６が大気圧下にあることから、容易に流入し、その供給量分だけ高オクタン価燃料３３がリターン燃料通路１０，２９を通して燃料タンク３４へ排出される。ここで低燃圧室６は、仕切板６３によって、噴孔６２側の部分６ａと高燃圧室７側の部分６ｂとに区画されており、低オクタン価燃料４２が噴孔６２側の部分６ａに供給されるとともに、リターン燃料通路１０が高燃圧室７側の部分６ｂに接続されているので、供給された低オクタン価燃料４２は、低燃圧室６内に確実に保持され、リターン燃料通路１０からは高オクタン価燃料３３のみが排出される。
【００３９】
低オクタン価燃料４２の供給が終了した後に、電磁切換弁２０は閉じ、低燃圧室６は密閉される。これにより、低燃圧室６には、２種の燃料３３，４２が混合した所定オクタン価の燃料が存在する。
【００４０】
所定の噴射タイミングとなると、運転条件に応じて決定される噴射パルス幅でもって高圧燃料噴射弁２が駆動され、針弁１がリフトする。これにより噴孔６２が開くとともに、高燃圧室７と低燃圧室６とが連通するため、低燃圧室６内の混合燃料に高圧が作用し、該燃料が噴孔６２から高圧で噴射される。このとき、低圧燃料噴射弁１４への逆流は逆止弁１２によって阻止され、また、電磁切換弁２０が閉じていることから、燃料タンク３４側へ流出することもない。噴孔６２から噴射された燃料量に等しい量の高オクタン価燃料３３が高燃圧室７から低燃圧室６へ流入するので、低燃圧室６は再び高オクタン価燃料３３によって満たされる。
【００４１】
このように機関運転条件に応じて定まる総燃料噴射量は、高圧燃料噴射弁２の駆動パルス信号によって制御される。また、高オクタン価燃料３３に対する低オクタン価燃料４２の混合割合は、低圧燃料噴射弁１４の駆動パルス信号によって制御される。
【００４２】
高圧燃料噴射弁２の駆動パルスをＴａ、低圧燃料噴射弁１４の駆動パルスをＴｂ、電磁切換弁２０のＯＮパルスをＴｃとすると、それぞれのタイミングおよびパルス幅は、次のような関係がある。すなわち、高圧燃料噴射弁２の駆動パルスＴａは、成層自己着火燃焼の場合には圧縮行程噴射となり、均質自己着火燃焼の場合には吸気行程噴射となる。また、低圧燃料噴射弁１４の駆動パルスＴｂは、電磁切換弁２０のＯＮ期間中である必要があり、パルス幅として、Ｔｂ＜Ｔｃの関係がある。そして電磁切換弁２０のＯＮパルスＴｃは、１サイクルの中で、高圧燃料噴射弁２の駆動パルスＴａよりも早い時期であればよい。従って、例えば、成層自己着火燃焼の場合には、図４の（Ａ）のようになり、均質自己着火燃焼の場合には図４の（Ｂ）のようになる。
【００４３】
図６は、上記燃料噴射装置の制御の流れを示すフローチャートである。この図６に示すように、先ずステップ１で、吸入空気量や機関回転数、冷却水温等の機関運転条件を読み込む。そして、この機関運転条件に基づき、ステップ２で、噴射時期ＩＴ、総燃料噴射量Qtotal、混合割合αをそれぞれ決定する。次にステップ３で、噴射時期ＩＴから電磁切換弁２０の開弁時期ＩＴ１を決定し、ステップ４で、この開弁時期ＩＴ１に達したか否かを判定する。開弁時期ＩＴ１になったらステップ５に進んで、電磁切換弁２０のＯＮパルスＴｃを所定のパルス幅で出力する。その後、所定量Ｘだけ遅れた時点で、低圧燃料噴射弁１４を開弁する（ステップ６，７）。この低圧燃料噴射弁１４の駆動パルスＴｂのパルス幅は、混合割合αと総燃料噴射量Qtotalとによって決定される。
【００４４】
そして、所定のパルス幅Ｔｃを与えたら、電磁切換弁２０を閉じる（ステップ８，９）。さらに、ステップ１０で所定の噴射時期ＩＴになったか判定し、所定の噴射時期ＩＴとなった時点で高圧燃料噴射弁２を開弁する（ステップ１１）。このときの噴射パルス幅Ｔａは、総燃料噴射量Qtotalに応じて与えられる。
【００４５】
このように上記燃料噴射装置によれば、要求オクタン価に応じて２種の燃料の混合割合を連続的に可変制御することができ、広い運転領域にわたって安定した自己着火燃焼を得ることができる。
【００４６】
次に、図７は、高圧燃料噴射弁２の一部を変更した実施例を示している。この実施例は、針弁１中間部のテーパ状の第２シート面１ｂが当接する上部シート部として、弾性変形可能な円環状の弾性シール板８１と、この弾性シール板８１の外周に設けられた支持部材８２と、を有し、この支持部材８２を高燃圧室７の底部に圧入することによって固定保持されている。上記弾性シール板８１は、バネ鋼材等からなり、針弁１がリフトした自由状態では（Ｂ）のように平坦であり、かつ針弁１の着座状態では、（Ａ）のように弾性変形可能となっている。従って、この実施例によれば、上部シート部として高い加工精度が要求されず、かつ針弁１の加工誤差等によるシール不良を確実に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る燃料噴射装置の構成を示す構成説明図。
【図２】高圧燃料噴射弁の先端部を拡大して示す断面図。
【図３】運転領域を示す特性図。
【図４】成層燃焼（Ａ）と均質燃焼（Ｂ）における各パルス信号のタイミングを示す特性図。
【図５】低圧燃料噴射弁１４の燃料噴射時の説明図。
【図６】燃料噴射装置の制御の流れを示すフローチャート。
【図７】上部シート部の異なる実施例を示す要部の断面図であって、（Ａ）は着座時、（Ｂ）はリフト時における断面図。
【符号の説明】
１…針弁
２…高圧燃料噴射弁
３…上部シート部
４…下部シート部
６…低燃圧室
７…高燃圧室
１０…リターン燃料通路
１２…逆止弁
１３…ハウジング
１４…低圧燃料噴射弁
２０…電磁切換弁
２５…高圧燃料ポンプ
３３…高オクタン価燃料
４０…低圧燃料ポンプ
４２…低オクタン価燃料
６３…仕切板

Claims

第１の燃料が高圧で導かれ、かつ燃料室から噴孔を通してシリンダ内へ混合燃料を噴射する高圧燃料噴射弁と、第２の燃料が低圧で導かれ、かつ上記燃料室へ向けてこの第２の燃料を供給する低圧燃料噴射弁と、を備え、
上記燃料室は、高圧の第１の燃料が常時供給される高燃圧室と、該高燃圧室から針弁により隔てられ、かつ噴孔側に位置する低燃圧室と、を備え、上記低燃圧室側に、上記低圧燃料噴射弁の噴孔が逆止弁を介して連通していることを特徴とするガソリン自己着火内燃機関の燃料噴射装置。
第２の燃料の供給時に、上記低燃圧室が電磁切換弁を介して低圧側に解放されることを特徴とする請求項１記載のガソリン自己着火内燃機関の燃料噴射装置。
上記低燃圧室は、燃料が通流可能な連通孔を備えた仕切板によって、噴孔側部分と高燃圧室側部分とに区画されており、その噴孔側部分に、上記低圧燃料噴射弁の噴孔が連通しているとともに、高燃圧室側部分に、上記電磁切換弁を備えたリターン燃料通路が接続されていることを特徴とする請求項２記載のガソリン自己着火内燃機関の燃料噴射装置。
上記高圧燃料噴射弁は、針弁の先端部分と当接して上記噴孔を閉塞する第１のシート部と、針弁の中間部分と当接して上記高燃圧室と上記低燃圧室とを遮断する第２のシート部と、を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のガソリン自己着火内燃機関の燃料噴射装置。
上記第２のシート部が、弾性部材によって構成されていることを特徴とする請求項４記載のガソリン自己着火内燃機関の燃料噴射装置。
上記電磁切換弁による低燃圧室の解放期間が、高圧燃料噴射弁からの燃料噴射時期と重ならないように設定されるとともに、この解放期間内に、上記低圧燃料噴射弁の噴射時期が設定されることを特徴とする請求項２または３に記載のガソリン自己着火内燃機関の燃料噴射装置。