JP4270069B2 - 内燃機関の燃料噴射・点火装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射・点火装置に関する。

特許文献１に、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、該燃料噴射弁から噴射された燃料に点火する点火栓とを備えた内燃機関が開示されている。ここでの燃料噴射弁は、点火栓の発火点に直接到達するように中空の円錐形の形で噴射される。

ところで、中空の円錐形の形で燃料を噴射する燃料噴射弁として、図１に示されているような燃料噴射孔を外側から塞ぐようになっている燃料噴射弁が知られている。そして、燃料噴射弁から噴射された燃料の噴霧が点火栓の発火点に直接到達するように、燃料噴射弁と点火栓とが配置されている。

特表２００２−５３９３６５号公報 特開平１１−２９４２４０号公報 実開昭５７−５７０８４号公報 実開平６−２２５３３号公報

ところで、一般的に、機関負荷が大きくなると、要求燃料噴射量も多くなることから、燃料噴射時間が長くなる。ここで、図１に示されているような燃料噴射弁では、燃料噴射時間が長くなると、燃料噴射弁から噴射された燃料の噴霧がきれいな中空の円錐形とはならずに、図３Ｂに示されているように、内側へ縮んだ形になってしまう。そして、上述したように、燃料噴射弁から噴射された燃料の噴霧がきれいな中空の円錐形となることを前提に燃料噴霧が点火栓の発火点に直接到達するように燃料噴射弁と点火栓とが配置されているので、燃料噴霧が内側へ縮んだ形になってしまうと、燃料噴霧が点火栓の発火点に直接到達しなくなってしまう。

そして、これと同様な現象が、燃料噴射孔を内側から閉鎖するようになっている燃料噴射弁においても生じることがある。

そこで、本発明の目的は、内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、該燃料噴射弁から噴射された燃料に点火する点火栓とを具備する内燃機関の燃料噴射・点火装置において、機関負荷に影響されずに、確実に、燃料噴射弁から噴射された燃料が点火栓の発火点に直接到達する内燃機関の燃料噴射・点火装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、１番目の発明では、内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、該燃料噴射弁から噴射された燃料に点火する点火栓とを具備する燃料噴射・点火装置において、機関負荷が予め定められた値であるときに燃料噴射弁から噴射された燃料により形成される予定通りの中空円錐形の燃料噴霧が点火栓の発火点に直接到達するような位置関係でこれら燃料噴射弁と点火栓とが配置されており、機関負荷が上記予め定められた値よりも大きいときにも燃料噴霧が上記予定通りの中空円錐形を形成するように燃料噴射弁内の燃料圧力を増大する。

上記課題を解決するために、２番目の発明では、１番目の発明において、燃料噴射弁から噴射されて点火栓の発火点に直接到達した燃料に該点火栓によって点火するときに該点火栓の発火点周りの空燃比が予め定められた空燃比となるように機関負荷が上記予め定められた値よりも大きくなると燃料噴射弁内の燃料圧力を増大する。
３番目の発明では、１または２番目の発明において、機関負荷が上記予め定められた値よりも大きくなるほど燃料噴射弁内の燃料圧力を増大する。
４番目の発明では、３番目の発明において、機関負荷が上記予め定められた値よりも大きくなるほど燃料噴射弁内の燃料圧力をほぼ二次曲線的に増大する。

５番目の発明では、１〜４番目の発明のいずれか１つにおいて、上記燃料噴射弁が該燃料噴射弁の燃料噴射孔を外側から閉鎖するようになっている。

本発明によれば、機関負荷に影響されずに、確実に、燃料噴射弁から噴射された燃料が点火栓の発火点に直接到達する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。図１は、第１実施形態の内燃機関の燃料噴射・点火装置を模式的に示している。図１において、１は内燃機関の燃焼室、２は燃料噴射弁、３は点火栓、４は燃料タンクをそれぞれ示している。燃料タンク４内の燃料は、燃料ポンプ５によって燃料供給通路６を介して燃料噴射弁２に圧送される。

燃料噴射弁２は、燃料噴射孔７と、該燃料噴射孔７を外側から閉鎖するニードル弁８とを有する。図１に示されている状態では、燃料噴射孔７はニードル弁８によって閉鎖されている。一方、図２に示されている状態では、ニードル弁８が駆動せしめられて燃料噴射孔７は開放されている。このように、燃料噴射孔７が開放されると、図２に符号Ｆで示されているように、中空の円錐形の形の燃料噴霧を形成するように燃料噴射孔７から燃料が噴射される。なお、燃料噴射弁２および点火栓３は、シリンダヘッド９に取り付けられている。

ところで、第１実施形態では、燃料噴射弁２から噴射された燃料を点火栓３の発火点３ａに直接到達させ、この燃料に点火栓３によって点火する燃焼（すなわち、成層状の燃料噴霧を点火栓の発火点周りに形成して点火栓によって燃料噴霧に点火するいわゆる成層燃焼を行うこと）を行う。こうした燃焼を良好に行わせるためには、確実に、燃料噴射弁２から噴射された燃料を点火栓３の発火点３ａに直接到達させる必要がある。

一方、内燃機関の要求負荷（以下「要求負荷」という）が大きくなったときに、この要求負荷を達成するためには、要求負荷が大きくなった分だけ、燃料噴射弁２から噴射する燃料の量（以下「燃料噴射量」という）を多くする必要がある。ここで、燃料ポンプ５から燃料噴射弁２に圧送される燃料の圧力が一定であるとすると、燃料噴射量を多くするためには、その分だけ、ニードル弁８を駆動して燃料噴射孔７を開弁しておく時間（以下「燃料噴射時間」という）を長くする必要がある。

ところが、燃料噴射時間が長くなると、以下のような不具合が生じることが本願発明者の研究により判明した。すなわち、燃料噴射の初期段階で噴射された燃料は、図３（Ａ）に符号Ｆで示されているように、予定通りの噴霧角度（これは、燃料噴霧が形成する中空円錐の頂角に相当する）αをもった中空円錐形の燃料噴霧を形成する。しかしながら、燃料噴射が進行するにつれて、噴射された燃料は、図３（Ｂ）に符号Ｆで示されているように、予定よりも狭い噴霧角度βをもった中空円錐形の燃料噴霧しか形成しなくなる。すなわち、燃料噴射が進行するにつれて、内側へ凹ませた中空円錐形の燃料噴霧しか形成されなくなる。

燃料噴射時間が或る特定の時間であるときに燃料噴射弁２から噴射された燃料が点火栓３の発火点３ａに直接到達するような位置関係で燃料噴射弁２と点火栓３とを配置している場合、燃料噴射時間が上記或る特定の時間よりも長くなると、燃料噴射弁２から噴射された燃料によって形成される燃料噴霧は、内側へ凹んだ中空円錐形となってしまうことから、燃料噴射弁２から噴射された燃料が点火栓３の発火点３ａに直接到達しなくなってしまうことになる。

そこで、第１実施形態では、要求負荷が或る特定の値であるとき（すなわち、燃料噴射時間が或る特定の時間であるとき）、特に、要求負荷が最も小さいとき（すなわち、燃料噴射時間が最も短いとき）に燃料噴射弁２から噴射された燃料が点火栓３の発火点３ａに直接到達するような位置関係で燃料噴射弁２と点火栓３とを配置する。そして、要求負荷が上記或る特定の値よりも大きくなるほど、燃料噴射弁２内の燃料圧力をほぼ二次曲線的に高くする。こうした要求負荷と燃料噴射弁２内の燃料圧力との関係を図４（横軸Ｌが要求負荷であり、縦軸Ｐが燃料噴射弁２内の燃料圧力であり、図中のＬｐは上記或る特定の値（要求負荷）である）に示した。

このように燃料噴射弁２内の燃料圧力を高くすれば、要求負荷が大きくなって燃料噴射量を多くしなければならないときに、比較的短い燃料噴射時間（好ましくは、要求負荷が或る特定の値であるときの燃料噴射時間に等しい時間）でもって要求されている量の燃料を燃料噴射弁２から噴射することができる。このため、要求負荷が大きくなったとしても、燃料噴射弁２から噴射される燃料により形成される燃料噴霧は、予定通りの中空円錐形を形成することから、燃料噴射弁２から噴射された燃料が確実に点火栓３の発火点３ａに直接到達することとなる。

なお、第１実施形態では、燃料ポンプ５からの吐出圧を上昇させることによって燃料噴射弁２内の燃料圧力を大きくする。
また、第１実施形態では、要求負荷が或る特定の値よりも大きくなるほど、燃料噴射弁２内の燃料圧力をほぼ二次曲線的に高くしているが、例えば、要求負荷が或る特定の値よりも大きくなるほど燃料噴射弁２内の燃料圧力をほぼ直線的に高くしたり、あるいは、要求負荷が或る特定の値よりも大きい或る特定の値を超えたときに、燃料噴射弁２内の燃料圧力を高くしたりしてもよい。

次に、本発明の第２実施形態の燃料噴射・点火装置について説明する。第２実施形態では、燃料噴射弁２は、燃焼室１内に突出したり燃焼室１から引っ込んだりすることができるように、シリンダヘッド９に移動可能に取り付けられている。一方、点火栓３は、第１実施形態と同様に、シリンダヘッド９に移動不能に取り付けられている。したがって、燃料噴射弁２がシリンダヘッド９に対して移動せしめられると、結果的には、点火栓３に対して相対的に移動せしめられることになる。

ここで、第２実施形態では、図５に示されているように、燃料噴射弁２を燃焼室１内に最も突出させたときに予定通りの中空円錐形をなすように燃料が燃料噴射弁２から噴射されると、噴射された燃料が点火栓３の発火点３ａに直接到達するように、燃料噴射弁２と点火栓３とが取り付けられている。

一方、第２実施形態では、要求負荷が上記或る特定の値であるときに燃料噴射弁２から噴射される燃料が予定通りの中空円錐形をなすように、燃料噴射弁２内の燃料圧力が一定に維持されている。したがって、要求負荷が上記或る特定の値であるとき（このときには、燃料噴射弁２から噴射された燃料は予定通りの中空円錐形をなす）に、図５に示されているように、燃料噴射弁２を燃焼室１内に最も突出させておけば、噴射された燃料が点火栓３の発火点３ａに直接到達することになる。そこで、第２実施形態では、要求負荷が上記或る特定の値であるときには、燃料噴射弁２を燃焼室１内に最も突出させる。

一方、第２実施形態では、要求負荷が上記或る特定の値よりも大きくなると、図６に示されているように、燃料噴射弁２を燃焼室１内からシリンダヘッド９側へと引き込む。上述したように、要求負荷が上記或る特定の値よりも大きくなると、燃料噴射時間が長くなり、燃料噴射弁２から噴射された燃料噴霧が内側へ凹んだ中空円錐形をなすようになる。ここで、第２実施形態のように、要求負荷が上記或る特定の値よりも大きくなったときに、燃料噴射弁２を燃焼室１内からシリンダヘッド９側へと引き込むことによって、燃料噴霧は内側へ凹んだ中空円錐形をなしていたとしても、燃料噴射弁２から噴射された燃料を点火栓３の発火点３ａに直接到達させることができる。

もちろん、燃料噴射弁２を燃焼室１内からシリンダヘッド９側へと引き込む程度は、燃料噴射弁２から噴射された燃料を点火栓３の発火点３ａに直接到達させることができる程度であって、概して、要求負荷が上記予め定められた値よりも大きくなるほど大きくされる。

第２実施形態によれば、機関負荷に影響されずに、確実に、燃料噴射弁から噴射された燃料を点火栓の発火点に直接到達させることができる。

なお、第２実施形態では、燃料噴射弁が点火栓に対して移動可能となっているが、点火栓を燃料噴射弁に対して移動可能とし、要求負荷に応じて点火栓を燃料噴射弁に対して移動させることによって、燃料噴霧を点火栓の発火点に直接到達させるようにしてもよい。また、燃料噴射弁と点火栓との両方を移動可能とし、要求負荷に応じて燃料噴射弁と点火栓とを互いに対して移動させることによって燃料噴霧を点火栓の発火点に直接到達させるようにしてもよい。

次に、本発明の第３実施形態の燃料噴射・点火装置について説明する。第３実施形態では、図７に示されているように、２つの点火栓３１，３２がシリンダヘッド９に取り付けられている。また、第３実施形態では、要求負荷が上記或る特定の値であるときに燃料噴射弁２から噴射される燃料が予定通りの中空円錐形をなすように、燃料噴射弁２内の燃料圧力が一定に維持されている。そして、第３実施形態では、要求負荷が上記或る特定の値であり、図８（Ａ）に示されているように、燃料噴霧が予定通りの中空円錐形をなすときに、燃料が一方の点火栓３１の発火点３１ａに直接到達する位置に該一方の点火栓３１がシリンダヘッド９に取り付けられている。一方、要求負荷が上記或る特定の値よりも大きく、特に、最大であり、図８（Ｂ）に示されているように、燃料噴霧が内側へ凹んだ中空円錐形をなすときに、燃料が他方の点火栓３２の発火点３２ａに直接到達する位置に該他方の点火栓３２がシリンダヘッド９に取り付けられている。

したがって、第３実施形態によれば、機関負荷に影響されずに、確実に、燃料噴射弁から噴射された燃料を点火栓の発火点に直接到達させることができる。

次に、本発明の第４実施形態の燃料噴射・点火装置について説明する。第４実施形態ででは、図９に示されているように、点火栓３が２つの発火点３ａ、３ｂを有している。また、第４実施形態では、要求負荷が上記或る特定の値であるときに燃料噴射弁２から噴射される燃料が予定通りの中空円錐形をなすように、燃料噴射弁２内の燃料圧力が一定に維持されている。そして、第４実施形態では、要求負荷が上記或る特定の値であり、図１０（Ａ）に示されているように、燃料噴霧が予定通りの中空円錐形をなすときに、燃料が一方の発火点３ａに直接到達する位置に該発火点が配置されている。一方、要求負荷が上記或る特定の値よりも大きく、特に、最大であり、図１０（Ｂ）に示されているように、燃料噴霧が内側へ凹んだ中空円錐形をなすときに、燃料が他方の発火点３ｂに直接到達する位置に該他方の発火点３ｂが配置されている。

したがって、第４実施形態によれば、機関負荷に影響されずに、確実に、燃料噴射弁から噴射された燃料を点火栓の発火点に直接到達させることができる。

ところで、上述した実施形態では、燃料噴霧が点火栓の発火点に直接到達するようにしているが、各実施形態において、燃料噴霧を点火栓の発火点に直接到達させると共に、該点火栓の発火点に直接到達した燃料噴霧を該点火栓によって点火するときに該点火栓の発火点周りの空燃比が予め定められた空燃比となるようにしてもよい。

例えば、これを第１実施形態に適用した場合には、点火栓３の発火点３ａに直接到達した燃料に該点火栓３によって点火するときに該点火栓３の発火点３ａ周りの空燃比が予め定められた空燃比となるように要求負荷が上記或る特定の値よりも大きくなると燃料噴射弁２内の燃料圧力を増大することになる。

また、これを第２実施形態に適用した場合には、点火栓３の発火点３ａに直接到達した燃料に該点火栓３によって点火するときに該点火栓３の発火点３ａ周りの空燃比が予め定められた空燃比となるように要求負荷が上記或る特定の値よりも大きくなると燃料噴射弁２が燃焼室１内からシリンダヘッド９側に引き込められることになる。

また、これを第３実施形態に適用した場合には、一方の点火栓３１が要求負荷が上記或る特定の値であるときに該一方の点火栓３１の発火点３１ａに直接到達した燃料に該一方の点火栓３１によって点火するときに該一方の点火栓３１の発火点３１ａ周りの空燃比が予め定められた空燃比となるような位置に配置され、他方の点火栓３２が要求負荷が上記或る特定の値よりも大きく、特に、最大であるときに該他方の点火栓３２の発火点３２ａに直接到達した燃料に該他方の点火栓３２によって点火するときに該他方の点火栓３２の発火点３２ａ周りの空燃比が予め定められた空燃比となるような位置に配置されることになる。

また、これを第４実施形態に適用した場合には、一方の発火点３ａが要求負荷が上記或る特定の値であるときに該一方の発火点３ａに直接到達した燃料に該一方の発火点３ａによって点火するときに該一方の発火点３ｂ周りの空燃比が予め定められた空燃比となるような位置に配置され、他方の発火点３ｂが要求負荷が上記或る特定の値よりも大きく、特に、最大であるときに該他方の発火点３ｂに直接到達した燃料の該他方の発火点３ｂによって点火するときに該他方の発火点３ｂ周りの空燃比が予め定められた空燃比となるような位置に配置されることになる。

なお、上述した実施形態を組み合わせて、本発明の目的を達成するようにしてもよい。

本発明の第１実施形態の燃料噴射・点火装置を模式的に示した図であり、ここでは、燃料噴射弁は閉弁されている状態にある。 図１と同様の図であるが、ここでは、燃料噴射弁は開弁されている状態にある。 （Ａ）は、燃料噴霧が予定通りの噴霧角度をもった中空円錐形となっている場合を示し、（Ｂ）は、燃料噴霧が予定通りの噴霧角度よりも小さい噴霧角度をもった中空円錐形となっている場合を示している。 第１実施形態における要求負荷と燃料噴射弁内の燃料圧力との関係を示している。 第２実施形態の燃料噴射・点火装置を模式的に示した図であり、ここでは、燃料噴射弁が燃焼室内に最も突出せしめられている。 図５と同様の図であるが、ここでは、燃料噴射弁が燃焼室内からシリンダヘッド側へ引き込められている。 第３実施形態の燃料噴射・点火装置を模式的に示した図である。 （Ａ）は図７と同様な図であって、燃料噴霧が予定通りの中空円錐形をなしているときを示しており、（Ｂ）も図７と同様な図であるが、燃料噴霧が内側へ凹んだ中空円錐形をなしているときを示している。 第４実施形態の燃料噴射・点火装置を模式的に示した図である。 （Ａ）は図９と同様な図であって、燃料噴霧が予定通りの中空円錐形をなしているときを示しており、（Ｂ）も図９と同様な図であるが、燃料噴霧が内側へ凹んだ中空円錐形をなしているときを示している。

符号の説明

１ 燃焼室
２ 燃料噴射弁
３、３１、３２ 点火栓
３ａ、３ｂ、３１ａ、３２ａ 発火点
４ 燃料タンク
５ 燃料ポンプ
９ シリンダヘッド

Claims (5)

1. 内燃機関の燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、該燃料噴射弁から噴射された燃料に点火する点火栓とを具備する燃料噴射・点火装置において、機関負荷が予め定められた値であるときに燃料噴射弁から噴射された燃料により形成される予定通りの中空円錐形の燃料噴霧が点火栓の発火点に直接到達するような位置関係でこれら燃料噴射弁と点火栓とが配置されており、機関負荷が上記予め定められた値よりも大きいときにも燃料噴霧が上記予定通りの中空円錐形を形成するように燃料噴射弁内の燃料圧力を増大することを特徴とする燃料噴射・点火装置。
2. 燃料噴射弁から噴射されて点火栓の発火点に直接到達した燃料に該点火栓によって点火するときに該点火栓の発火点周りの空燃比が予め定められた空燃比となるように機関負荷が上記予め定められた値よりも大きくなると燃料噴射弁内の燃料圧力を増大することを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射・点火装置。
3. 機関負荷が上記予め定められた値よりも大きくなるほど燃料噴射弁内の燃料圧力を増大することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料噴射・点火装置。
4. 機関負荷が上記予め定められた値よりも大きくなるほど燃料噴射弁内の燃料圧力をほぼ二次曲線的に増大することを特徴とする請求項３に記載の燃料噴射・点火装置。
5. 上記燃料噴射弁が該燃料噴射弁の燃料噴射孔を外側から閉鎖するようになっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の燃料噴射・点火装置。

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