JP4357800B2 - 内燃機関の燃料供給装置 - Google Patents
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Description
【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】
特開平6−330824号公報に開示された内燃機関の燃料供給装置は、燃料タンク内の燃料から低沸点成分を分離して貯留タンクに貯留し、低沸点成分の燃料が容易に気化することを利用して、機関始動時には燃料噴射弁により貯留タンク内の低沸点成分の燃料を噴射し、良好な機関始動性を確保することを意図している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
前述の従来技術では、燃料タンク内の高沸点成分の燃料も、貯留タンク内の低沸点成分の燃料を噴射するのと同じ燃料噴射弁を使用して噴射される。一般的に、機関停止直前には通常の運転として高沸点成分の燃料が噴射されているはずであり、それにより、次の機関始動時において、低沸点成分の燃料を噴射しようとしても、燃料噴射弁の直上流側の燃料通路は、高沸点成分の燃料により満たされており、当初は、高沸点成分の燃料が噴射され、意図するように低沸点成分の燃料による良好な機関始動性を確保することができない。
【0004】
従って、本発明の目的は、燃料を高沸点成分と低沸点成分とに分離して内燃機関へ供給する内燃機関の燃料供給装置において、必要時には低沸点成分の燃料だけを確実に内燃機関へ供給可能とすることである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明による請求項1に記載の内燃機関の燃料供給装置は、燃料を低沸点成分と高沸点成分に分離する分離手段と、前記分離手段により分離された前記高沸点成分の燃料を吸気ポート内へ噴射するための第一燃料噴射弁と、前記分離手段により分離された前記低沸点成分の燃料を気筒内へ直接的に噴射するための第二燃料噴射弁とを具備し、機関高負荷時には、前記第一燃料噴射弁から前記高沸点成分の燃料を噴射すると共に前記第二燃料噴射弁から前記低沸点成分の燃料を噴射し、前記第二燃料噴射弁は、吸気下死点近傍で前記低沸点成分の液体燃料を噴射することを特徴とする。
【0006】
また、本発明による請求項2に記載の内燃機関の燃料供給装置は、燃料を低沸点成分と高沸点成分に分離する分離手段と、前記分離手段により分離された前記高沸点成分の燃料を吸気ポート内へ噴射するための第一燃料噴射弁と、前記分離手段により分離された前記低沸点成分の燃料を気筒内へ直接的に噴射するための第二燃料噴射弁とを具備し、機関高負荷時には、前記第一燃料噴射弁から前記高沸点成分の燃料を噴射すると共に前記第二燃料噴射弁から前記低沸点成分の燃料を噴射し、前記第二燃料噴射弁は、圧縮行程で前記低沸点成分の液体燃料を噴射することを特徴とする。
【0007】
また、本発明による請求項3に記載の内燃機関の燃料供給装置は、請求項1又は2に記載の内燃機関の燃料供給装置において、前記第一燃料噴射弁は、排気行程で前記高沸点成分の燃料を噴射することを特徴とする。
【0010】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明による燃料供給装置が取り付けられた内燃機関の概略縦断面図である。同図において、1は吸気ポート、2は排気ポートである。吸気ポート1は吸気弁3を介して、排気ポート2は排気弁4を介して、それぞれ気筒内へ通じている。5はピストンであり、6は気筒上部略中心に配置された点火プラグである。本燃料供給装置は、吸気ポート1内へ燃料を噴射する第一燃料噴射弁7と、気筒内へ直接的に燃料を噴射するための第二燃料噴射弁8とを有している。本実施形態において、第二燃料噴射弁8は、燃料のベーパを防止するために、燃焼室内において吸気流により比較的低温度となる吸気ポート1側に配置されている。
【0011】
図3は、第一燃料噴射弁7と第二燃料噴射弁8とに接続される本燃料供給装置の燃料供給系を示す概略図である。同図において、10は燃料タンクであり、燃料タンク10内に配置された第一低圧ポンプ11から延在する第一燃料配管12は、第一フィルタ13を有し、各気筒共通の低圧デリバリパイプ(図示せず)を介して各気筒の第一燃料噴射弁7へ接続されている。こうして、第一低圧ポンプ11を作動することにより、燃料タンク10内の燃料は、第一フィルタ13により燃料中の異物が除去されて各気筒の第一燃料噴射弁7へ供給され、各第一燃料噴射弁7の開弁時に対応する吸気ポート1内へ噴射される。
【0012】
燃料タンク10の底部には燃料分離装置14が配置され、燃料分離装置14から延在する第二燃料配管15は、燃料分離装置14側から、第二低圧ポンプ16と、第二フィルタ17と、高圧ポンプ18とを有し、各気筒共通の高圧デリバリパイプ(図示せず)を介して各気筒の第二燃料噴射弁8へ接続されている。燃料分離装置14は、燃料タンク10内の燃料から分子量の小さな低沸点成分を分離させることを可能とする燃料分離膜を有している。こうして、第二低圧ポンプ16を作動することにより、燃料タンク10内の燃料は、燃料分離装置16によって低沸点成分だけが第二低圧ポンプ16へ吸入され、第二フィルタ17により低沸点成分の燃料から異物が除去される。次いで、低沸点成分の燃料は、高圧ポンプ18により加圧されて各気筒の第二燃料噴射弁8へ供給され、各第二燃料噴射弁8の開弁時に対応する気筒内へ噴射される。
【0013】
図2はピストン5の平面図である。図1及び2に示すように、ピストン5頂面には、凹状のキャビティ9が形成されている。第二燃料噴射弁8は、例えば、スリット状の噴孔を有し、燃料を厚さの薄い扇状に噴射するものである。成層燃焼を実施するためには、図1及び2に示すように、圧縮行程後半において燃料をピストン5頂面に形成されたキャビティ9内へ噴射する。こうしてキャビティ9内へ噴射された液状燃料は、キャビティ9の底壁9aに沿って進行してキャビティ9の燃料噴射弁に対向する対向側壁9bによって点火プラグ6近傍に導かれるまでに気化し、点火時点においては、点火プラグ6近傍だけに可燃混合気を形成する。この可燃混合気を着火燃焼させることにより、成層燃焼として気筒内全体としてはリーンな混合気が燃焼可能となる。
【0014】
厚さの薄い扇状の燃料噴霧は、キャビティ9の底壁9aに沿って進行する際に幅方向に拡がるために、キャビティ9の底壁9aの広範囲部分から良好に熱を吸収することができる。キャビティ9の底壁9a上を幅方向に拡がった燃料において、燃料中央部は、キャビティ9の対向側壁9bによって上方向に向かう速度成分が付与されて点火プラグ6近傍へ向かい、燃料両側部は、ピストン平面視において円弧状とされたキャビティ9の対向側壁9bに対してそれぞれ鋭角に衝突して、上方向へ向かう速度成分が付与されると共に中央方向へ向かう速度成分も付与され、点火プラグ6近傍へ向かう。
【0015】
こうして、厚さの薄い扇状の燃料噴霧は、従来の円錐状の燃料噴霧に比較して、点火プラグ6近傍に気化程度の良好な一塊の可燃混合気を形成することができる。それにより、成層燃焼時の燃料噴射量を増加させることが可能となり、燃料消費率の低い成層燃焼を高負荷側へ拡大することができる。本実施形態においては、気筒内へ燃料を噴射する第二燃料噴射弁8は低沸点成分の燃料を噴射するものであるために、燃料自身が気化し易く、厚さの薄い扇状に燃料を噴射すれば、成層燃焼時の燃料噴射量のさらに増大させることができ、また、円錐状に燃料を噴射しても成層燃焼時の燃料噴射量を比較的増大させることができる。
【0016】
さらに、機関始動時には筒内温度が低く、噴射燃料が気化し難くなるが、第二燃料噴射弁8により低沸点成分の燃料をすれば、噴射時期が圧縮行程後半であっても十分に気化して点火プラグ6近傍に可燃混合気を形成することができ、機関始動時から着火性を確保した成層燃焼を実施可能である。もちろん、機関始動時において、第二燃料噴射弁8だけにより吸気行程で低沸点成分の燃料を噴射するようにすれば、気化程度の良好な均質混合気を気筒内に形成することができ、やはり、着火性を確保した均質燃焼を実現可能である。
【0017】
こうして低沸点成分の燃料を扇状に噴射するようにしても、機関高負荷時となって多量の燃料が必要とされる時には、圧縮行程後半だけで燃料を噴射することが難しくなり、吸気行程で燃料を噴射して均質燃焼が実施される。図4は、均質燃焼時における吸気弁3の開弁期間、排気弁4の開弁期間、第一燃料噴射弁7の燃料噴射期間、及び、第二燃料噴射弁8の燃料噴射期間を示す図である。それぞれの期間は斜線により図示されている。
【0018】
同図に示すように、第一燃料噴射弁7は、現在の機関運転状態により定まる必要燃料噴射量の一部を吸気弁3の開弁以前に燃料噴射を完了し、すなわち、排気行程中に燃料を噴射する。第一燃料噴射弁7により噴射される燃料形状は、任意であり、柱状、円錐状、又は、厚さの薄い扇状のいずれであっても良い。一方、第二燃料噴射弁8は、必要燃料噴射量の残りを気筒内に噴射する。前述したように、成層燃焼時及び機関始動時においては、第二燃料噴射弁を使用して燃料タンク10から低沸点成分の燃料だけが使用されるために、必然的に、燃料タンク10内の燃料は高沸点成分を多く含む燃料となる。
【0019】
このような高沸点成分の燃料は気化し難いために、例えば、吸気行程中に噴射されると、噴射位置が吸気ポート及び気筒内のいずれであっても、噴射終了から点火までの時間が短くなるために、十分に気化せず、また、吸気と十分に混合しない。本実施形態では、高沸点成分の燃料は、第一燃料噴射弁7により排気行程中に吸気ポート1に噴射されるようになっているために、噴射後において吸気ポート1から受熱し、その後の吸気弁開弁時において吸気流と共に微粒化されて気筒内へ供給され、吸気行程及び圧縮行程のほぼ全ての期間を使用して十分な気化及び十分な吸気との混合が可能である。
【0020】
こうして、第一燃料噴射弁7によって均質燃焼における必要燃料噴射量の全てを高沸点成分の燃料として噴射しても良いが、本実施形態では、図4の第二燃料噴射弁8の燃料噴射期間として図示した二つの燃料噴射期間の上側のように、必要燃料量の一部を第二燃料噴射弁8により低沸点成分の燃料として吸気下死点近傍で気筒内へ噴射するようにしている。こうして噴射される低沸点成分の燃料は気筒内で直ぐに気化し、この気化潜熱により気筒内の吸気温度を低下させる。このように、吸気弁3の閉弁直前に吸気温度が低下すると、吸気充填効率を十分に高めることができる。もし、第二燃料噴射弁8によって吸気行程初期に低沸点成分の燃料が噴射されると、燃料気化潜熱により吸気行程初期に気筒内の吸気温度を低下させることができる。しかしながら、こうして温度低下した気筒内の吸気は、吸気弁3の閉弁時までに気筒周囲から加熱され、吸気弁3の閉弁時まで十分な温度低下を維持することが難しく、十分に吸気充填効率を高めることができない。それにより、本実施形態のように吸気下死点近傍で低沸点成分の燃料を気筒内に噴射して吸気弁3の閉弁直前に吸気温度を低下させることが好ましい。
【0021】
また、図4の第二燃料噴射弁8における二つの燃料噴射期間の下側のように、必要燃料量の一部を第二燃料噴射弁8により低沸点成分の燃料として圧縮行程で気筒内へ噴射するようにしても良い。こうして噴射された低沸点成分の燃料は、前述同様に気筒内で直ぐに気化し、気化潜熱により圧縮行程において気筒内の温度を低下させる。それにより、ノッキングを発生し難くすることができる。もちろん、第二燃料噴射弁8によって必要燃料量の一部を吸気下死点近傍と圧縮行程とに分けて噴射しても良く、それにより、各時期での燃料噴射量が少なくなって効果的に多少劣ることとなるが、吸気充填効率の向上とノッキング抑制とをいずれも実現することができる。
【0022】
本実施形態において、もし、機関暖機以前に第一燃料噴射弁7により吸気弁開弁以前に吸気ポート1内に燃料を噴射すると、噴射燃料は受熱量が少ないために吸気ポート1壁面に付着したままとなり易く、これを防止するために、機関暖機以前には第二燃料噴射弁8により低沸点成分の燃料だけを気筒内に噴射することが好ましい。低沸点成分の燃料は、気筒内へ直接的に供給されても気筒内で良好に気化するために、均質燃焼及び成層燃焼のいずれを実施する場合でも良好な燃焼を実現可能である。
【0023】
また、機関加速時に第一燃料噴射弁7により吸気ポート1内へ燃料を噴射すると、燃料噴射量が急増するために吸気ポート1壁面への燃料付着量が増加し、この付着燃料が、機関加速後、特に機関減速時に必要以上の燃料として気筒内へ供給されることがある。これを防止するために、機関加速時には、第二燃料噴射弁8により低沸点成分の燃料だけを気筒内に噴射することが好ましい。
【0024】
本実施形態では、このように低沸点成分の燃料だけを気筒内へ供給することが必要となる時に、高沸点成分の燃料を噴射する第一燃料噴射弁7とは別に設けられた第二燃料噴射弁8を使用するために、噴射当初、高沸点成分の燃料が気筒内へ供給されることはなく、低沸点成分の燃料だけを確実に気筒内へ供給することができる。
【0025】
本実施形態では、ピストン5の頂面にキャビティ9が形成されて機関低負荷側の運転領域では成層燃焼を実施するようにしたが、これは本発明を限定するものではなく、全ての運転領域において、第一燃料噴射弁7による排気行程噴射及び第二弁噴射弁8による吸気又は圧縮行程噴射の少なくとも一方により均質燃焼を実施するようにしても良い。この場合において、ピストン5の頂面のキャビティ9は不要となり、また、第二燃料噴射弁8は、キャビティ9内へ燃料を噴射する必要はなくなるために、ノッキング抑制のための圧縮行程噴射をさらに効果的にするように、ノッキングが発生し易い気筒周囲部へ向けて低沸点成分の燃料を噴射して、特に、この部分の吸気温度を低下させるようにしても良い。成層燃焼を実施しないのであれば、第二燃料噴射弁8により噴射される燃料形状も任意として良い。
【0026】
【発明の効果】
このように本発明による内燃機関の燃料供給装置は、分離手段により分離された高沸点成分の燃料を吸気ポート内へ噴射するための第一燃料噴射弁と、分離手段により分離された低沸点成分の燃料を気筒内へ直接的に噴射するための第二燃料噴射弁とを具備するために、低沸点成分の燃料を気筒内へ供給することが必要となる時には、高沸点成分の燃料を噴射する第一燃料噴射弁とは別に設けられた第二燃料噴射弁が使用され、噴射当初に高沸点成分の燃料が気筒内へ供給されることはなく、低沸点成分の燃料だけを確実に気筒内へ供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による燃料供給装置が取り付けられた内燃機関の概略縦断面図である。
【図2】図1の内燃機関のピストン平面図である。
【図3】本発明による燃料供給装置の燃料供給系を示す図である。
【図4】吸気弁及び排気弁の開弁期間と、第一燃料噴射弁及び第二燃料噴射弁の燃料噴射期間とを示す図である。
【符号の説明】
1…吸気ポート
2…排気ポート
3…吸気弁
4…排気弁
5…ピストン
6…点火プラグ
7…第一燃料噴射弁
8…第二燃料噴射弁
12…第一燃料配管
14…燃料分離装置
15…第二燃料配管
Claims (3)
- 燃料を低沸点成分と高沸点成分に分離する分離手段と、前記分離手段により分離された前記高沸点成分の燃料を吸気ポート内へ噴射するための第一燃料噴射弁と、前記分離手段により分離された前記低沸点成分の燃料を気筒内へ直接的に噴射するための第二燃料噴射弁とを具備し、機関高負荷時には、前記第一燃料噴射弁から前記高沸点成分の燃料を噴射すると共に前記第二燃料噴射弁から前記低沸点成分の燃料を噴射し、前記第二燃料噴射弁は、吸気下死点近傍で前記低沸点成分の液体燃料を噴射することを特徴とする内燃機関の燃料供給装置。
- 燃料を低沸点成分と高沸点成分に分離する分離手段と、前記分離手段により分離された前記高沸点成分の燃料を吸気ポート内へ噴射するための第一燃料噴射弁と、前記分離手段により分離された前記低沸点成分の燃料を気筒内へ直接的に噴射するための第二燃料噴射弁とを具備し、機関高負荷時には、前記第一燃料噴射弁から前記高沸点成分の燃料を噴射すると共に前記第二燃料噴射弁から前記低沸点成分の燃料を噴射し、前記第二燃料噴射弁は、圧縮行程で前記低沸点成分の液体燃料を噴射することを特徴とする内燃機関の燃料供給装置。
- 前記第一燃料噴射弁は、排気行程で前記高沸点成分の燃料を噴射することを特徴とする請求項1又は2に記載の内燃機関の燃料供給装置。
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