JP4716198B2 - 内燃機関の燃料供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、吸気ポート内に燃料を噴射するポート噴射用インジェクタと、燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射用インジェクタとに対し、燃料ポンプによって燃料タンクから燃料を供給可能な内燃機関の燃料供給装置に関する。

従来から、内燃機関の燃焼室に対して高圧の燃料を供給するリターンレス式の燃料供給装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この燃料供給装置では、内燃機関の始動時に蓄圧配管（燃料デリバリ管）内の燃料が高圧ポンプの加圧室に導入され、そこで加圧される。これにより、内燃機関の始動時には、蓄圧配管内にあった燃料が高圧ポンプによって加圧されることから、蓄圧配管内の燃料の一部が気化していたとしても、内燃機関の始動性を阻害する気化した燃料を消失させることが可能となる。

また、従来から、燃料系統における燃料の気化を抑制するために内燃機関の停止後に燃料の温度が所定値以下になるまで冷却ファンにより燃料を冷却する技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。更に、燃料系統における燃料の気化を抑制するための技術としては、内燃機関の停止時にエンジン冷却水を蓄熱器に導き、当該蓄熱器においてエンジン冷却水の熱を奪うものも知られている（例えば、特許文献３参照。）。

特開２０００−１３０２８８号公報 特開昭６３−８８２６１号公報 特開平６−１７６４８号公報

しかしながら、上述のように一部気化している燃料を加圧したり、冷却したりしても、気化した燃料を充分に消失させることは困難である。そして、例えば燃料デリバリ管の内部等で燃料の一部が気化しているような状態では、充分な燃料噴射圧を確保し得なくなるので、内燃機関を良好に始動させ得なくなるおそれがある。このため、従来の燃料供給装置を含む内燃機関は、いわゆる高温始動性の面でなお改善の余地を有しており、吸気ポート内に燃料を噴射するポート噴射用インジェクタと、燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射用インジェクタとを備える内燃機関についても、同様の課題が存在している。

そこで、本発明は、ポート噴射用インジェクタと筒内噴射用インジェクタとを備えた内燃機関の高温始動性を向上させることができる燃料供給装置の提供を目的とする。

本発明による内燃機関の燃料供給装置は、吸気ポート内に燃料を噴射するポート噴射用インジェクタと、燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射用インジェクタとに対し、燃料ポンプによって燃料タンクから燃料を供給可能な内燃機関の燃料供給装置において、ポート噴射用インジェクタが接続されたポート噴射用デリバリ管と、筒内噴射用インジェクタが接続された筒内噴射用デリバリ管と、燃料ポンプにより圧送される燃料を加熱可能な燃料加熱手段とを備え、ポート噴射用デリバリ管と筒内噴射用デリバリ管とが燃料ポンプに並列に接続されており、燃料加熱手段は、ポート噴射用デリバリ管と筒内噴射用デリバリ管との何れか一方に対して供給される燃料のみを加熱するように配置されていることを特徴とする。

この燃料供給装置では、ポート噴射用デリバリ管と筒内噴射用デリバリ管とが燃料ポンプに並列に接続されており、燃料加熱手段によって、ポート噴射用デリバリ管と筒内噴射用デリバリ管との何れか一方に対して供給される燃料のみが加熱される。これにより、ポート噴射用デリバリ管と筒内噴射用デリバリ管とのうち、燃料加熱手段によって加熱されない燃料が供給されるデリバリ管の内部では、燃料が過剰に昇温してしまうことはなく、当該デリバリ管内での燃料の気化は抑制される。従って、所定箇所における燃料の温度が所定値を超えているような場合であっても、燃料加熱手段によって加熱されない燃料が供給されるデリバリ管に接続されたインジェクタから燃料が噴射されるようにすれば、充分な燃料噴射圧を確保して、ポート噴射用インジェクタと筒内噴射用インジェクタとを備えた内燃機関の高温始動性を向上させることができる。

すなわち、本発明による内燃機関の燃料供給装置は、所定箇所における燃料の温度を取得するための温度検出手段と、内燃機関の始動時に温度検出手段を用いて取得した燃料の温度が所定値を超えている場合、ポート噴射用デリバリ管と筒内噴射用デリバリ管とのうち、燃料加熱手段によって加熱されない燃料が供給されるデリバリ管に接続されたインジェクタから燃料が噴射されるようにする制御手段とを更に備えると好ましい。

そして、燃料加熱手段は、内燃機関の希薄燃焼運転の実行時に使用されるインジェクタが接続されているデリバリ管に供給される燃料を加熱するものであると好ましい。

このような構成を採用すれば、内燃機関の希薄燃焼運転に際して、インジェクタから噴射される燃料をより一層微粒化させて安定した燃焼を確保することが可能となる。また、かかる構成において、内燃機関の始動時に使用されるインジェクタへの燃料は加熱されないことから、充分な燃料噴射圧を確保して内燃機関の高温始動性を向上させることが可能となる。

本発明によれば、ポート噴射用インジェクタと筒内噴射用インジェクタとを備えた内燃機関の高温始動性を向上させることができる燃料供給装置の実現が可能となる。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態に係る燃料供給装置が適用された内燃機関を示す概略構成図である。同図に示される内燃機関１は、直列４気筒エンジンとして構成されており、車両の走行駆動源として用いられると好適なものである。この内燃機関１は、シリンダブロックに形成された複数の燃焼室２を有し、各燃焼室２の内部で燃料（本実施形態では、ガソリン燃料）を燃焼させてピストン３を往復移動させることにより動力を発生する。

内燃機関１は、図１に示されるように、それぞれ対応する吸気ポートに臨むようにシリンダヘッドに配設された複数のポート噴射用インジェクタ４ｐと、それぞれ対応する燃焼室２の内部に臨むようにシリンダヘッドに配設された複数の筒内噴射用インジェクタ４ｃと、複数の点火プラグ（図示省略）とを有する。本実施形態において、各ポート噴射用インジェクタ４ｐは、所定条件下で各燃焼室２における燃料および空気の空燃比を理論空燃比よりも大きく（リーンに）する希薄燃焼運転を実行する際に用いられ、各筒内噴射用インジェクタ４ｃは、所定条件下で各燃焼室２における燃料および空気の空燃比を概ね理論空燃比に保つストイキ燃焼運転を実行する際に用いられる。

そして、内燃機関１の各ピストン３は、いわゆる深皿頂面型に構成されており、その上面には、凹部３ａが形成されている。この内燃機関１では、ストイキ燃焼運転の実行時に、各燃焼室２内に空気を吸入させた状態で、各筒内噴射用インジェクタ４ｃから各燃焼室２内のピストン３の凹部３ａに向けて燃料が直接噴射される。これにより、内燃機関１では、図示されない点火プラグの近傍に燃料と空気との混合気の層が周囲の空気層と分離された状態で形成（成層化）される。この結果、内燃機関１では、安定した成層燃焼を実行することが可能となる。

また、内燃機関１のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁と、排気ポートを開閉する排気弁とが燃焼室２ごとに配設されている。これらの吸気弁および排気弁は、例えば可変バルブタイミング機能を有する図示されない動弁機構によって開閉させられる。そして、各燃焼室２の吸気ポートは、それぞれ吸気管（吸気マニホールド）５に接続されており、吸気管５には、例えばドライブバイワイヤ式のスロットルバルブ６が設置されている。一方、各燃焼室２の排気ポートは、排気管（排気マニホールド）７にそれぞれ接続されている。排気管７には、内燃機関１の希薄燃焼運転に伴って排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）が増加することを踏まえて、三元触媒を含む前段触媒装置８に加えて、ＮＯｘ吸蔵還元触媒を含む後段触媒装置９が接続されている。各燃焼室２からの排気ガス中のＮＯｘは、後段触媒装置９のＮＯｘ吸蔵還元触媒によって吸蔵され、ＮＯｘ吸蔵還元触媒に吸蔵されたＮＯｘは、所定のタイミングで実行される還元処理によって還元される。

上述のような内燃機関１に含まれる燃料供給装置１０は、上述のポート噴射用インジェクタ４ｐおよび筒内噴射用インジェクタ４ｃに加えて、燃料タンク１１、燃料ポンプ１２、ポート噴射用デリバリ管１４ｐおよび筒内噴射用デリバリ管１４ｃを含む。上述の各ポート噴射用インジェクタ４ｐは、ポート噴射用デリバリ管１４ｐに接続されており、上述の各筒内噴射用インジェクタ４ｃは、筒内噴射用デリバリ管１４ｃに接続されている。

燃料タンク１１には、液相状態のガソリン燃料が貯留される。燃料ポンプ１２は、燃料タンク１１の内部に配置されており、燃料タンク１１内の燃料を吸い込んで所定圧力で吐出する。燃料ポンプ１２の吐出口には、燃料供給管Ｌ１の一端が接続されており、この燃料供給管Ｌ１の他端は、ポート噴射用デリバリ管１４ｐの一端に接続されている。また、ポート噴射用デリバリ管１４ｐの他端（燃料供給管Ｌ１が接続された端部とは反対側の端部）には、燃料を昇圧させるための昇圧手段としての高圧ポンプ１５を中途に有する連通管Ｌ２を介して、筒内噴射用デリバリ管１４ｃが直列に接続されている。

これにより、燃料ポンプ１２を作動させると共に各ポート噴射用インジェクタ４ｐを適宜開弁させることにより、燃料タンク１１内の液相状態のガソリン燃料をポート噴射用デリバリ管１４ｐへと圧送して、各ポート噴射用インジェクタ４ｐから燃料を噴射させることが可能となる。また、燃料ポンプ１２および高圧ポンプ１５の双方を作動させると共に各筒内噴射用インジェクタ４ｃを適宜開弁させることにより、燃料タンク１１内の液相状態のガソリン燃料を、ポート噴射用デリバリ管１４ｐを介して筒内噴射用デリバリ管１４ｃへと圧送し、各筒内噴射用インジェクタ４ｃから燃料を噴射させることが可能となる。

また、図１に示されるように、燃料供給管Ｌ１の中途には、燃料ポンプ１２とポート噴射用デリバリ管１４ｐとの間に位置するように燃料加熱ユニット１６が設置されている。燃料加熱ユニット１６は、例えば内燃機関１の排気熱といった廃熱を熱源とする熱交換器であり、燃料ポンプ１２により燃料タンク１１から吸い出されて燃料供給管Ｌ１を介してポート噴射用デリバリ管１４ｐへと圧送される燃料を加熱可能なものである。このように、燃料タンク１１からポート噴射用デリバリ管１４ｐへと供給される燃料を加熱することにより、希薄燃焼運転時に使用される各ポート噴射用インジェクタ４ｐから噴射される燃料をより一層微粒化させることが可能となり、いわゆるリーン限界をより延ばすことが可能となる。

そして、上述の燃料供給装置１０は、内燃機関１の制御手段として機能する電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）２０によって制御される。ＥＣＵ２０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポートおよび記憶装置等を含み、ＥＣＵ２０の入出力ポートには、水温センサ２１を始めとする各種センサ類が接続されている。また、図１に示されるように、各ポート噴射用インジェクタ４ｐおよび各筒内噴射用インジェクタ４ｃ、燃料供給装置１０の燃料ポンプ１２および高圧ポンプ１５等は、ＥＣＵ２０の入出力ポートに接続されており、これらは、ＥＣＵ２０によって制御される。

さて、上述の内燃機関１では、特に燃料加熱ユニット１６を用いて燃料供給管Ｌ１内の燃料を加熱した場合に、機関温度（シリンダヘッドやシリンダブロックの温度）が高まり、機関停止時等に特に各ポート噴射用インジェクタ４ｐの内部やポート噴射用デリバリ管１４ｐ等において燃料が気化しやすくなる。そして、このように機関温度（燃料温度）が高い状態で内燃機関１を再始動させようとした場合、ポート噴射用デリバリ管１４ｐ等の内部で気化した燃料の存在によって充分な燃料噴射圧が確保し得なくなり、内燃機関１を良好に始動させ得なくなるおそれがある。

このため、本実施形態の内燃機関１において、ＥＣＵ２０は、イグニッションスイッチがオンされると、水温センサ２１からの信号に基づいて例えば各ポート噴射用インジェクタ４ｐ内またはポート噴射用デリバリ管１４ｐ内の燃料の温度Ｔ_Ｆを取得し、取得した温度Ｔ_Ｆが予め定められた閾値Ｔ_Ｒを上回っているか否か判定する。そして、ＥＣＵ２０は、燃料温度Ｔ_Ｆが予め定められた閾値Ｔ_Ｒを上回っていると判断した場合、燃料ポンプ１２と共に高圧ポンプ１５を作動させ、更に、各ポート噴射用インジェクタ４ｐからの燃料噴射を停止させた状態で、筒内噴射用インジェクタ４ｃから各燃焼室２内に燃料が噴射されるようにする。

このように、燃料ポンプ１２と高圧ポンプ１５とを作動させた状態で各筒内噴射用インジェクタ４ｃから燃焼室２内に燃料が噴射されるようにすれば、ポート噴射用デリバリ管１４ｐ等の内部に存在している燃料は、昇圧手段としての高圧ポンプ１５によって昇圧させられた上で筒内噴射用デリバリ管１４ｃに送られ、各筒内噴射用インジェクタ４ｃから燃焼室２内に噴射されることになる。従って、燃料供給装置１０によれば、燃料温度Ｔ_Ｆが閾値Ｔ_Ｒを超えている高温状態のもとで内燃機関１を始動（再始動）させる際に、ポート噴射用デリバリ管１４ｐの内部で燃料が仮に気化していたとしても、高圧ポンプ１５を作動させると共に各筒内噴射用インジェクタ４ｃから燃焼室２内に燃料を噴射させることにより、内燃機関１の始動性を阻害する気化した燃料を昇圧・液化させて充分な燃料噴射圧を確保できるので、燃料加熱ユニット１６が用いられている場合であっても、内燃機関１の高温始動性を向上させることが可能となる。

〔第２実施形態〕
以下、図２を参照しながら、第２実施形態について説明する。なお、上述の第１実施形態に関連して説明されたものと同一の要素には同一の参照符号が付され、重複する説明は省略される。

図２に示される燃料供給装置１０Ａが適用される内燃機関１Ａも、複数のポート噴射用インジェクタ４ｐと、複数の筒内噴射用インジェクタ４ｃとを有する。そして、本実施形態においても、各ポート噴射用インジェクタ４ｐは、所定条件下で各燃焼室２における燃料および空気の空燃比を理論空燃比よりも大きく（リーンに）する希薄燃焼運転を実行する際に用いられ、各筒内噴射用インジェクタ４ｃは、所定条件下で各燃焼室２における燃料および空気の空燃比を概ね理論空燃比に保つストイキ燃焼運転を実行する際に用いられる。

そして、燃料供給装置１０Ａでは、燃料ポンプ１２に接続されたポート噴射用デリバリ管１４ｐに高圧ポンプ１５を介して筒内噴射用デリバリ管１４ｃが直列に接続される代わりに、ポート噴射用デリバリ管１４ｐと筒内噴射用デリバリ管１４ｃとが燃料ポンプ１２に並列に接続されている。すなわち、燃料ポンプ１２の吐出口に接続された燃料供給管Ｌ１は、その中途に設けられた分岐部ＢＰにて２方向に分岐されており、燃料供給管Ｌ１の一方の枝管Ｌ１ｐにポート噴射用デリバリ管１４ｐが接続され、燃料供給管Ｌ１の他方の枝管Ｌ１ｃに筒内噴射用デリバリ管１４ｃが接続されている。

また、燃料供給管Ｌ１の一方の枝管Ｌ１ｐには、分岐部ＢＰとポート噴射用デリバリ管１４ｐとの間に位置するように燃料加熱ユニット１６が設置されている。従って、本実施形態では、燃料タンク１１からポート噴射用デリバリ管１４ｐに供給される燃料のみが燃料加熱ユニット１６によって加熱されることになる。更に、燃料供給管Ｌ１の他方の枝管Ｌ１ｃの中途には、各筒内噴射用インジェクタ４ｃへの燃料を昇圧させるための高圧ポンプ１５が組み込まれている。

さて、このように構成される燃料供給装置１０Ａでは、燃料加熱ユニット１６によってポート噴射用デリバリ管１４ｐに対して供給される燃料のみが加熱される。従って、燃料加熱ユニット１６によって加熱されない燃料が供給される筒内噴射用デリバリ管１４ｃの内部では、燃料が過剰に昇温してしまうことはなく、当該筒内噴射用デリバリ管１４ｃの内部での燃料の気化は抑制されることになる。

このような点に鑑みて、本実施形態の内燃機関１Ａにおいて、ＥＣＵ２０は、イグニッションスイッチがオンされると、水温センサ２１からの信号に基づいて例えば各ポート噴射用インジェクタ４ｐ内またはポート噴射用デリバリ管１４ｐ内の燃料の温度Ｔ_Ｆを取得し、取得した温度Ｔ_Ｆが予め定められた閾値Ｔ_Ｒを上回っているか否か判定する。ここで、燃料温度Ｔ_Ｆが閾値Ｔ_Ｒを超えている場合、ポート噴射用デリバリ管１４ｐの内部では燃料が気化していることもあり得る。このため、ＥＣＵ２０は、燃料温度Ｔ_Ｆが予め定められた閾値Ｔ_Ｒを上回っていると判断した場合、燃料ポンプ１２と共に高圧ポンプ１５を作動させ、更に、各ポート噴射用インジェクタ４ｐからの燃料噴射を停止させた状態で、筒内噴射用インジェクタ４ｃから各燃焼室２内に燃料が噴射されるようにする。

このように、上述の燃料温度Ｔ_Ｆが閾値Ｔ_Ｒを超えている高温状態のもとで内燃機関１を始動（再始動）させる際に、燃料加熱ユニット１６によって加熱されない比較的低温の燃料が供給される筒内噴射用デリバリ管１４ｃに接続された各筒内噴射用インジェクタ４ｃから燃焼室２に燃料が噴射されるようにすれば、燃料供給管Ｌ１の枝管Ｌ１ｃや筒内噴射用デリバリ管１４ｃの内部には気化した燃料が殆ど存在していないことから、燃料加熱ユニット１６が用いられている場合であっても、充分な燃料噴射圧を確保して、内燃機関１の高温始動性を向上させることが可能となる。

また、筒内噴射用デリバリ管１４ｃには、高圧ポンプ１５によって昇圧させられた燃料が供給されることから、筒内噴射用デリバリ管１４ｃの内部における燃料の気化は、極めて確実に抑制されることになる。そして、本実施形態のように、内燃機関１の希薄燃焼運転の実行時に使用されるポート噴射用インジェクタ４ｐが接続されているポート噴射用デリバリ管１４ｐに供給される燃料のみを燃料加熱ユニット１６により加熱することにより、内燃機関１の希薄燃焼運転に際して、各ポート噴射用インジェクタ４ｐから噴射される燃料をより一層微粒化させて安定した燃焼を確保すると共に、内燃機関１の再始動時に使用される各筒内噴射用インジェクタ４ｃへの燃料の昇温をできるだけ抑制することが可能となる。

第１実施形態に係る燃料供給装置が適用された内燃機関を示す概略構成図である。 第２実施形態に係る燃料供給装置が適用された内燃機関を示す概略構成図である。

符号の説明

１，１Ａ 内燃機関
２ 燃焼室
３ ピストン
４ｃ 筒内噴射用インジェクタ
４ｐ ポート噴射用インジェクタ
５ 吸気管
６ スロットルバルブ
７ 排気管
８ 前段触媒装置
９ 後段触媒装置
１０，１０Ａ 燃料供給装置
１１ 燃料タンク
１２ 燃料ポンプ
１４ｃ 筒内噴射用デリバリ管
１４ｐ ポート噴射用デリバリ管
１５ 高圧ポンプ
１６ 燃料加熱ユニット
２０ ＥＣＵ
２１ 水温センサ
ＢＰ 分岐部
Ｌ１ 燃料供給管
Ｌ１ｃ，Ｌ１ｐ 枝管
Ｌ２ 連通管

Claims (2)

1. 吸気ポート内に燃料を噴射するポート噴射用インジェクタと、燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内噴射用インジェクタとに対し、燃料ポンプによって燃料タンクから燃料を供給可能な内燃機関の燃料供給装置において、
   前記ポート噴射用インジェクタが接続されたポート噴射用デリバリ管と、
   前記筒内噴射用インジェクタが接続された筒内噴射用デリバリ管と、
   前記燃料ポンプにより圧送される燃料を加熱可能な燃料加熱手段とを備え、
   前記ポート噴射用デリバリ管と前記筒内噴射用デリバリ管とが前記燃料ポンプに並列に接続されており、前記燃料加熱手段は、前記ポート噴射用デリバリ管に供給される燃料のみを加熱するように配置されており、
   前記ポート噴射用インジェクタ内または前記ポート噴射用デリバリ管内における燃料の温度を取得するための水温センサと、
   前記内燃機関の始動時に前記水温センサを用いて取得した燃料の温度が所定値を超えている場合、前記筒内噴射用デリバリ管に接続された前記筒内噴射用インジェクタから燃料が噴射されるようにする制御手段とを更に備えることを特徴とする内燃機関の燃料供給装置。
2. 前記燃料加熱手段は、前記内燃機関の希薄燃焼運転の実行時に使用される前記ポート噴射用インジェクタが接続されている前記ポート噴射用デリバリ管に供給される燃料を加熱することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料供給装置。

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