JP4411274B2 - 内燃機関の燃料噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射装置に関する。

内燃機関（エンジン）の気筒の燃焼室内に燃料を微粒化した状態で噴射供給することにより燃焼効率を向上させるようにした燃料噴射装置は公知であり、高圧ポンプにより加圧した燃料を燃料インジェクタより燃焼室内に噴射供給するものや、エアインジェクタより噴射される圧縮空気（エア）内に燃料を噴射（注入）して生成した混合気を燃焼室内に噴射供給する構成のもの等が知られている（例えば、特許文献１を参照）。後者の構成の燃料噴射装置はいわゆるエアアシスト式の燃料噴射装置であり、エアインジェクタから噴射された圧縮空気の通路に燃料を噴射する構成のものや、エアインジェクタの有する混合室内に燃料インジェクタより燃料を噴射して混合気とした後、その混合気をエアインジェクタより燃焼室内に噴射する構成のもの等がある。
特開２００５−１０５８２７号公報

しかしながら、従来の燃料噴射装置においては、例えば上述のように、気化促進のために圧縮空気を利用して燃料を噴射しているため、噴射燃料が増加するにつれて空気の量が減少することから、燃費向上のために噴射燃料の気化をさらに促進させる方策が望まれていた。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、噴射燃料の気化をより促進させた内燃機関の燃料噴射装置を提供することを目的とする。

このような目的達成のため、本発明に係る内燃機関の燃料噴射装置は、内燃機関の気筒に燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃料が貯留される燃料タンクと、燃料タンクに貯留された燃料を加圧して燃料噴射弁に送る燃料ポンプと、燃料ポンプから送られた燃料を燃料噴射弁に供給する燃料供給手段と、燃料供給手段から燃料噴射弁に供給される燃料のうちの余剰燃料を燃料タンクへ排出するリリーフ手段とを備え、燃料供給手段に、燃料ポンプに吸い込まれる燃料に予め気体を含ませる気体供給手段（例えば、実施形態における空気供給パイプ１０９）と、燃料ポンプから送られた燃料に含まれる気体を微細化して燃料と混合する微細気泡発生装置とが設けられ、リリーフ手段には、燃料供給手段よりリリーフされた余剰燃料から気体を分離する分離手段（例えば、実施形態における脱泡装置１２５）が設けられ、燃料ポンプは燃料タンク内に配設されており、分離手段により分離された気体は、燃料タンク内において気体供給手段に繋がる燃料吸い込みパイプに戻されて、気体供給手段に供給されるように構成する。

また、上述の発明において、燃料供給手段は、内燃機関の複数の気筒に対応して設けられた複数の燃料噴射弁に分岐して繋がり、燃料ポンプからの燃料を複数の燃料噴射弁にそれぞれ供給するデリバリーパイプを有し、デリバリーパイプより燃料ポンプが設けられる側に微細気泡発生装置が設けられることが好ましい。

さらに、上述の発明において、デリバリーパイプに、デリバリーパイプ内の余剰燃料を燃料タンクへ導くリリーフ手段たるリリーフ弁が設けられていることが好ましい。

本発明によれば、微細気泡発生装置を用いて燃料ポンプから送られる燃料に微細化された空気が混合されるため、燃料噴射弁から気筒内へ噴射された燃料は圧力開放に伴って圧力が急激に低下し、燃料内の微細化された空気が急膨張する際に衝撃波が発生して燃料を微細に砕くことから、噴射燃料の気化をより促進させることが可能になり、これにより良好な燃焼を得ることができる。さらに、微細気泡発生装置を用いて燃料ポンプから送られる燃料に微細化された空気が混合されるため、従来のように燃料噴射圧を高める必要がなく、またエアアシスト式の燃料噴射装置で用いられるようなエアインジェクタが不要になることから、簡便な構造で燃料の微粒化を行うことが可能になる。

なお、ディーゼル機関においては従来、超高圧の燃料噴射を行っているが、本発明によれば、比較的安価な微細気泡発生装置により燃料噴射圧を低く抑えることができるので、高圧ポンプや高圧に耐えるコモンレール等のコスト低減を図りつつ燃料の微粒化を行って良好な燃焼を得ることができる。

また、燃料供給手段がデリバリーパイプを備える場合には、デリバリーパイプより燃料ポンプが設けられる側に微細気泡発生装置が設けられることが好ましく、この場合、デリバリーパイプ内の燃料に含まれる微細化された空気の膨張力によりデリバリーパイプにおける圧力変動（圧力損失）が緩和されるため、燃料ポンプの出力を低減させることが可能になって燃料ポンプを小型化することができる。

さらには、デリバリーパイプに、デリバリーパイプ内の余剰燃料を燃料タンクへ導くリリーフバルブが設けられていることが好ましく、このようにすれば、デリバリーパイプ内の燃料に含まれる微細化された空気の膨張圧縮によりデリバリーパイプにおける圧力変動が緩和されるため、リリーフバルブの通路構造を小さくすることが可能になってリリーフバルブを小型化することができる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。図１および図２には、本発明に係る内燃機関の燃料噴射装置を備えた二輪車の駆動装置が示されており、先ずこの駆動装置の構成について説明する。この駆動装置は４気筒のエンジン（内燃機関）Ｅと図示しない変速機とを備え、エンジンＥのクランクシャフト１６の回転駆動力を変速機により変速して図示しない二輪車の後輪を駆動するように構成されている。

エンジンＥは、内部に円筒状のシリンダ室（気筒）１０ａが４つ設けられたエンジンシリンダボディ１０と、エンジンシリンダボディ１０の上面を覆って取り付けられたエンジンシリンダヘッド１２と、エンジンシリンダボディ１０のシリンダ室１０ａ内に軸方向に摺動移動可能に設けられたピストン１３と、エンジンシリンダボディ１０を支持するハウジングＨＳＧ（図２を参照）内にシリンダ軸と直交する方向に延びるとともに回転自在に支持されたクランクシャフト１６と、先端部１４ａがピストンピン１３ａを介してピストン１３に枢結されるとともに基端部１４ｂがクランクピン１５を介してクランクシャフト１６のクランク部１６ａに枢結されたコネクティングロッド（コンロッド）１４とを有して構成される。なお、ピストン１３の上面には、後述する燃料噴射装置１００の燃料噴射弁１０１より噴射された燃料を受け止めて圧縮行程中に燃え易い状態にするためのキャビティ部（皿形状の窪み部）１３ｂが設けられている。

エンジンシリンダヘッド１２には、点火プラグ２１及び燃料噴射弁１０１が取り付けられており、シリンダ室（気筒）１０ａ内においてエンジンシリンダヘッド１２とピストン１３とに囲まれた燃焼室１１内に燃料噴射弁１０１より燃料を噴射して点火プラグ２１により点火燃焼させるようになっている。エンジンシリンダヘッド１２には吸気バルブ２３及び排気バルブ２４が図２に示すようにバルブスプリング２３ａ，２４ａにより閉止方向に付勢されて取り付けられており、吸気バルブ２３はエンジンシリンダヘッド１２に形成された吸気通路１２ａを開閉し、排気バルブ２４は排気通路１２ｂを開閉する。なお、吸気通路１２ａには吸気マニホールド２５が繋がり、排気通路１２ｂの出口端１２ｃには排気マニホールド（図示せず）が繋がる。

エンジンＥは４ストロークタイプエンジンであり、ピストン１３が２往復する間に吸気、圧縮、燃焼、排気行程が行われ、これに合わせて吸排気バルブ２３，２４が開閉作動される。また、所定のタイミングで燃料噴射装置１００の燃料噴射弁１０１から燃焼室１１内に燃料が噴射され、点火プラグ２１により燃料を含む混合気を点火燃焼させて燃焼行程が行われる。このとき、燃料噴射弁１０１からは点火プラグ２１の先端点火部２１ａの周囲に高濃度の混合気が噴射されて効率の良い燃焼を行わせるとともに、全体として希薄燃焼を行わせて燃費向上を図るとともに排気ガスの清浄化を図ることができるようになっている。

本発明に係る燃料噴射装置１００は、図３に示すように、燃焼室１１内に燃料を噴射する燃料噴射弁１０１と、燃料が貯留される燃料タンク１０５と、燃料タンク１０５に貯留された燃料を燃料噴射弁１０１に送る燃料ポンプ１０６と、燃料ポンプ１０６から送られた燃料を燃料噴射弁１０１に供給する燃料供給系１１０とを主体に構成される。燃料噴射弁１０１は、前述したように、エンジンシリンダヘッド１２（図１を参照）に取り付けられており、電気的な制御により燃料の噴射量を制御するようになっている。また、エンジンシリンダボディ１０に設けられた４つのシリンダ室（気筒）１０ａに対応して、４つの燃料噴射弁１０１が設けられている。

燃料タンク１０５の内部には、燃料が貯留されるとともに、燃料ポンプ１０６が取り付けられる。燃料ポンプ１０６は、電力を利用して作動する電動ポンプであり、燃料タンク１０５に貯留された燃料を加圧して燃料噴射弁１０１に送るようになっている。燃料ポンプ１０６の吸い込み口には、先端にプレフィルター１０８を備えた吸い込みパイプ１０７が取り付けられており、燃料タンク１０５に貯留された燃料がプレフィルター１０８および吸い込みパイプ１０７を通じて燃料ポンプ１０６に吸い込まれるようになっている。また、吸い込みパイプ１０７には、燃料タンク１０５の外部と通じる空気供給パイプ１０９が接続されており、吸い込みパイプ１０７を通過する燃料が空気供給パイプ１０９を通過した空気とともに燃料ポンプ１０６に吸い込まれるようになっている。なお、燃料ポンプ１０６は、上述のように比較的多量の空気を含む燃料を送るため、いわゆるキャビテーションポンプを用いるのが好ましい。

燃料供給系１１０は、前述の吸い込みパイプ１０７および空気供給パイプ１０９と、燃料ポンプ１０６の吐出口に繋がる第１〜第３の燃料パイプ１１１，１１２，１１３と、第３の燃料パイプ１１３の下流側に繋がるデリバリーパイプ１１５と、デリバリーパイプ１１５と燃料噴射弁１０１とに繋がるインジェクションパイプ１１６とを有して構成される。第１の燃料パイプ１１１は、上流側が燃料ポンプ１０６の吐出口に繋がるとともに、下流側がフィルター１２１を介して第２の燃料パイプ１１２と繋がっている。

第２の燃料パイプ１１２は、上流側がフィルター１２１を介して第１の燃料パイプ１１１と繋がるとともに、下流側が微細気泡発生装置１２２を介して第３の燃料パイプ１１３と繋がっている。微細気泡発生装置１２２は、例えば、特開２００３−１１７３６８号公報で開示されるような微細気泡発生装置であり、詳細な図示を省略するが、円筒形（円錐台形でもよい）の内壁を有する旋回流発生器１２２ａを有して構成される。この旋回流発生器１２２ａの導入口（図示せず）は、旋回流発生器１２２ａの本体部分における円周内壁面の一部に、当該円周内壁面の接線方向を向いて設けられるとともに、旋回流発生器１２２ａの排出口（図示せず）は、旋回流発生器１２２ａの本体部分における下流側端部に設けられている。

そして、燃料タンク１０５に貯留された燃料は、空気供給パイプ１０９からの空気とともに燃料ポンプ１０６により加圧されて旋回流発生器１２２ａの導入口に供給され、導入口に供給された液体（燃料）および気体（空気）が旋回流発生器１２２ａの内部で旋回流となり、旋回流発生器１２２ａの排出口から均一に混合された気−液混合液、すなわち微細化された気体（空気）を含む燃料が排出されるようになっている。このようにして、微細気泡発生装置１２２は、燃料ポンプ１０６から送られた燃料に含まれる気体（空気）を微細化して当該燃料と混合するようになっている。なお、微細気泡発生装置１２２の構成は上記のものに限らず、例えば特開２００５−０００８７８号公報や特開２００５−０００８８２号公報等で開示されるような、いわゆるマイクロバブル発生装置を用いて構成されるようにしてもよい。

第３の燃料パイプ１１３は、上流側が微細気泡発生装置１２２を介して第２の燃料パイプ１１２と繋がるとともに、下流側がデリバリーパイプ１１５と繋がっている。デリバリーパイプ１１５は、上流側が第３の燃料パイプ１１３と繋がるとともに、下流側が４つに分岐して（インジェクションパイプ１１６を介して）各燃料噴射弁１０１と繋がるように構成される。ここで、インジェクションパイプ１１６は、上流側がデリバリーパイプ１１５と繋がるとともに、下流側が燃料噴射弁１０１と繋がっている。

また、デリバリーパイプ１１５には、デリバリーパイプ１１５内の余剰燃料を燃料タンク１０５へ導くリリーフバルブ１２３が設けられている。これにより、デリバリーパイプ１１５内の燃料に含まれる微細化された空気の膨張圧縮によりデリバリーパイプ１１５における圧力変動が緩和されるため、リリーフバルブ１２３の通路構造を小さくすることが可能になってリリーフバルブ１２３を小型化することができる。なお、リリーフバルブ１２３を通過した余剰燃料は、戻りパイプ１１７を通過して燃料タンク１０５に戻されるようになっている。また、リリーフバルブ１２３には圧力計１２４が設けられている。

なお、戻りパイプ１１７には脱泡装置１２５が配設されており、戻りパイプ１１７内の微細な空気を含んだ燃料から空気を分離して、燃料のみを燃料タンク１０５へ戻すようになっている。これにより、燃料タンク１０５に貯留される燃料の密度を一定に保つことができる。また、脱泡装置１２５で分離された空気は空気供給パイプ１０９へ戻されるようになっており、これにより、燃料中の揮発成分を吸収するキャニスター等を小型化することができる。

以上のように構成されるエンジンＥの燃料噴射装置１００において、燃料タンク１０５に貯留された燃料は、燃料ポンプ１０６の作動により、プレフィルター１０８および吸い込みパイプ１０７を通過して、空気供給パイプ１０９を通過した空気とともに燃料ポンプ１０６の吸い込み口に吸い込まれる。燃料ポンプ１０６の吸い込み口に吸い込まれた空気を含む燃料は、燃料ポンプ１０６で加圧されて燃料ポンプ１０６の吐出口から吐出され、燃料供給系１１０の第１の燃料パイプ１１１、フィルター１２１、および第２の燃料パイプ１１２を順に通過して微細気泡発生装置１２２に送られる。

このとき、微細気泡発生装置１２２は、燃料に含まれる気体（空気）を微細化して当該燃料と混合するため、微細気泡発生装置１２２に送られた空気を含む燃料は、微細化された気体（空気）を含む燃料となって微細気泡発生装置１２２から排出される。微細気泡発生装置１２２から排出された微細化された気体を含む燃料は、第３の燃料パイプ１１３を通過してデリバリーパイプ１１５で分岐し、インジェクションパイプ１１６を通過して４つの燃料噴射弁１０１にそれぞれ供給される。そして、燃料噴射弁１０１から燃焼室１１内に燃料が噴射され、点火プラグ２１により燃料を含む混合気を点火燃焼させて燃焼行程が行われる。

このとき、以上のような構成のエンジンＥの燃料噴射装置１００によれば、微細気泡発生装置１２２を用いて燃料ポンプ１０６から送られる燃料に微細化された空気が混合されるため、燃料噴射弁１０１から燃焼室１１内（気筒内）へ噴射された燃料は圧力開放に伴って圧力が急激に低下し、燃料内の微細化された空気が急膨張する際に衝撃波が発生して燃料を微細に砕くことから、噴射燃料の気化をより促進させることが可能になり、これにより良好な燃焼を得ることができる。さらに、微細気泡発生装置１２２を用いて燃料ポンプ１０６から送られる燃料に微細化された空気が混合されるため、従来のように燃料噴射圧を高める必要がなく、またエアアシスト式の燃料噴射装置で用いられるようなエアインジェクタが不要になることから、簡便な構造で燃料の微粒化を行うことが可能になる。

なお、ディーゼル機関においては従来、超高圧の燃料噴射を行っているが、本実施形態によれば、比較的安価な微細気泡発生装置により燃料噴射圧を低く抑えることができるので、高圧ポンプや高圧に耐えるコモンレール等のコスト低減を図りつつ燃料の微粒化を行って良好な燃焼を得ることができる。

また、第２の燃料パイプ１１２と第３の燃料パイプ１１３との間、すなわちデリバリーパイプ１１５より燃料ポンプ１０６が設けられる側に微細気泡発生装置１２２が設けられることで、デリバリーパイプ１１５内の燃料に含まれる微細化された空気の膨張力によりデリバリーパイプ１１５における圧力変動（圧力損失）が緩和されるため、燃料ポンプ１０６の出力を低減させることが可能になって燃料ポンプ１０６を小型化することができる。

なお、デリバリーパイプ１１５内の余剰燃料は、リリーフバルブ１２３によりデリバリーパイプ１１５から排出され戻りパイプ１１７通過して燃料タンク１０５に戻される。このように、デリバリーパイプ１１５にリリーフバルブ１２３が設けられることで、デリバリーパイプ１１５内の燃料に含まれる微細化された空気の膨張圧縮によりデリバリーパイプ１１５における圧力変動が緩和されるため、リリーフバルブ１２３の通路構造を小さくすることが可能になってリリーフバルブ１２３を小型化することができる。

なお、上述の実施形態において、本発明に係る内燃機関の燃料噴射装置が適用される対象は二輪車の駆動装置に備えられる４気筒のエンジンであったが、これは一例に過ぎず、３気筒のエンジンや単気筒のエンジンであってもよい。また、二輪車用のエンジンに限られず、自動車をはじめ、他の動力装置のエンジンに適用してもよい。

また、上述の実施形態において、空気供給パイプ１０９により予め空気を含ませた燃料が燃料ポンプ１０６の吸い込み口に吸い込まれるように構成されているが、これに限られるものではなく、さらに、圧縮空気を用いることにより燃料ポンプ１０６の下流側でも空気供給が行えるようにして、燃料に含まれる空気量をより増加させるようにしてもよい。

本発明に係る内燃機関の燃料噴射装置を備えた二輪車の駆動装置のエンジン部を、クランクシャフト及びシリンダ室の軸芯を通る平面で切断して示す断面図である。 上記エンジン部をシリンダ軸及び吸排気バルブの中心を通る平面で切断して示す断面図である。 本発明に係る内燃機関の燃料噴射装置を示す模式図である。

符号の説明

Ｅ エンジン（内燃機関）
１０ エンジンシリンダボディ
１０ａ シリンダ室（気筒）
１００ 燃料噴射装置
１０１ 燃料噴射弁
１０５ 燃料タンク
１０６ 燃料ポンプ
１０９ 空気供給パイプ（気体供給手段）
１１０ 燃料供給系（燃料供給手段）
１１５ デリバリーパイプ
１２２ 微細気泡発生装置
１２３ リリーフバルブ

Claims (3)

1. 内燃機関の気筒に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   燃料が貯留される燃料タンクと、
   前記燃料タンクに貯留された燃料を加圧して前記燃料噴射弁に送る燃料ポンプと、
   前記燃料ポンプから送られた燃料を前記燃料噴射弁に供給する燃料供給手段と、
   前記燃料供給手段から前記燃料噴射弁に供給される燃料のうちの余剰燃料を前記燃料タンクへ排出するリリーフ手段とを備え、
   前記燃料供給手段に、前記燃料ポンプに吸い込まれる燃料に予め気体を含ませる気体供給手段と、前記燃料ポンプから送られた燃料に含まれる気体を微細化して前記燃料と混合する微細気泡発生装置とが設けられ、
   前記リリーフ手段には、前記燃料供給手段よりリリーフされた余剰燃料から気体を分離する分離手段が設けられ、
   前記燃料ポンプは前記燃料タンク内に配設されており、
   前記分離手段により分離された気体は、前記燃料タンク内において前記気体供給手段に繋がる燃料吸い込みパイプに戻されて、前記気体供給手段に供給されることを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
2. 前記燃料供給手段は、前記内燃機関の複数の前記気筒に対応して設けられた複数の前記燃料噴射弁に分岐して繋がり、前記燃料ポンプからの燃料を前記複数の前記燃料噴射弁にそれぞれ供給するデリバリーパイプを有し、前記デリバリーパイプより前記燃料ポンプが設けられる側に前記微細気泡発生装置が設けられることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
3. 前記デリバリーパイプに、前記デリバリーパイプ内の余剰燃料を前記燃料タンクへ導く前記リリーフ手段たるリリーフ弁が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の燃料噴射装置。

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