JP4884420B2

JP4884420B2 - 燃料噴射装置

Info

Publication number: JP4884420B2
Application number: JP2008106593A
Authority: JP
Inventors: 仁之前川; 優介木村; 直也加藤; 隆大成田
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2008-04-16
Filing date: 2008-04-16
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2028-04-16
Also published as: JP2009257175A

Description

本発明は、微細気泡を含んだ燃料を機関に供給する燃料噴射装置に関する。

従来、内燃機関の燃焼室内に微粒化した燃料を噴射供給することにより燃焼効率を向上させている。例えば、特許文献１では、外部から取り込んだ空気を微細化して液体燃料に混合し、この微細気泡を含んだ燃料を噴射することで噴霧液滴を微粒化する燃料噴射装置が開示されている。
また、特許文献２には、水素ガスを微細化して液体の炭化水素燃料に混合し、燃料中に混合された水素ガスの急速燃焼特性などにより燃焼効率を改善させた燃料噴射装置が開示されている。
特開２００７−１７０２９５号公報特開２００６−３２９００９号公報

しかしながら、特許文献１では、運転条件に関わらず常に一定量の気体を燃料中に混合するため、噴霧粒径を小さくすることはできるが、ペネトレーションは低下し、最適な噴霧形状とすることができない。
また、特許文献２では、運転条件に応じて水素ガスと液体燃料の混合割合を変更可能であるが、水素ガスの混合量は、燃焼効率の改善のために各運転条件に応じた必要な量に決定している。従って、噴霧形状、すなわち、ペネトレーション、噴霧粒径、及び噴霧角は最適化されていない。

本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、その目的は、液体燃料に混入する気体の混合量を調整し、噴射される気液混合燃料の噴霧形状を最適化することが可能な燃料噴射装置を提供することにある。

請求項１記載の燃料噴射装置は、微細気泡を含んだ液体燃料を機関に供給する燃料噴射装置であって、燃料を噴射する燃料噴射弁と、液体燃料が貯留される燃料貯留槽と、燃料貯留槽から汲み上げた燃料を燃料噴射弁に圧送する燃料ポンプと、気体を微細化し、微細化された気体を燃料ポンプにより圧送された液体燃料中に混合する微細気泡混合手段と、微細気泡混合手段に気体を供給する気体供給手段とを備える。また、機関の運転状態を検知する運転状態検知手段と、機関の運転状態と、運転状態に応じて噴霧状態を最適にする気体量との対応関係が予め記憶された対応関係記憶手段と、運転状態検知手段にて検知された運転状態検知結果に対応する対応関係記憶手段から読み出された気体量を気体供給手段から液体燃料中に供給するように制御する気体供給制御手段と、を備える。

すなわち、本発明では、機関の運転状態に応じて噴霧状態を最適とする気体量を、対応関係記憶手段に予め記憶しておく。ここで噴霧状態を最適とする気体量はベンチテストなどによって得ることが考えられる。そして、運転状態検知手段にて検知される運転状態検知結果に応じた気体量を、微細気泡混合手段にて微細化して混合する。運転状態検知結果とは、機関回転数や機関負荷等が例示される。これによって、液体燃料に混入する気体の混合量を調整し、噴射される気液混合燃料の噴霧形状を最適化することができる。その結果、燃焼を改善することができる。なお、噴霧状態とは、ペネトレーション（噴霧貫徹力）、噴霧粒径、噴霧角等である。

また、請求項１に記載の燃料噴射装置では、気体供給手段が、水素を供給する水素供給手段と、水素以外の気体を供給する非水素供給手段と、を有する。ここで、水素以外の気体としては、空気、酸素、窒素などが例示される。
噴霧状態を最適化するために微細化して混合する気体として水素を利用すれば、水素も燃料として利用できるため、燃焼改善の効果が奏される。さらに、水素が必要ない運転状態においては水素以外の気体を供給することにより、噴霧状態を最適化することができる。水素が必要ない運転条件とは、例えば機関の高負荷時などである。

ところで、気体供給手段により気体が供給された後に、供給した気体を必要としない運転状態となる場合がある。その場合には、微細気泡を含んだ燃料を回収し、微細気泡を含まない燃料を噴霧して最適な噴霧状態とすることが望ましい。そこで、次に示す構成を採用することが望ましい。

請求項１に記載の燃料噴射装置は、燃料噴射弁の入口に配設される燃料分配管と、燃料分配管と燃料貯留槽とを連絡する回収通路と、回収通路に配設され、微細気泡が混合された微細気泡混合燃料を液体燃料と微細気泡を形成する気体とに分離し、当該液体燃料を燃料貯留槽に回収する回収手段と、を備える。
これにより、供給した気体を必要としない運転状態となった場合には、微細気泡を含んだ燃料を回収し、供給した気体の微細気泡を含まない燃料を噴霧して噴霧状態を最適化することができる。

ところで、車両停止時のように、機関を停止する場合には、微細気泡を含んだ燃料が長期間噴射されない可能性がある。液体燃料中の微細化された気体は、時間をかけて崩壊し液体燃料中に溶解するが、飽和量以上の気体は凝集しガス塊となってしまう。これにより、次回の機関再始動時に、燃料調量性が低下したり、ベーパロッック現象のように燃料の噴射ができなくなったりする可能性がある。また、機関の停止要求があった場合に、微細気泡を含んだ燃料を噴霧してから停止すると、余分な燃料を燃焼することとなってしまう。そこで、次のような構成を採用することが望ましい。

また、請求項１に記載の燃料噴射装置は、機関の停止要求を判断する機関停止要求判断手段と、燃料噴射弁を制御する燃料噴射制御手段と、燃料ポンプの駆動を制御するポンプ駆動制御手段と、回収手段にて微細気泡混合燃料の回収が終了したことを判断する回収終了判断手段と、を備えている。機関停止要求判別手段にて機関からの停止要求があったと判断された場合、燃料噴射制御手段は燃料噴射弁からの燃料噴射を停止し、気体供給制御手段は気体供給手段による気体の供給を停止し、ポンプ駆動制御手段は燃料ポンプの駆動を継続する。しかる後、回収終了判断手段にて微細気泡混合燃料の回収が終了したと判断された場合、ポンプ駆動制御手段は、燃料ポンプの駆動を停止する。

機関の停止要求があった場合には、燃料噴射と気体供給は停止するが、燃料ポンプは微細気泡混合燃料の回収が終了するまで駆動を継続するので、配管中に微細気泡を含む燃料が残らず、ガス塊の発生を防ぐことができる。
これにより、内燃機関再起動時に燃料調量性が低下したり、燃料噴射ができなくなったりすることを避け、好適に再始動することができる。

なお、回収終了の判断は、配管容量と燃料ポンプの供給液量に基づいて判断してもよく、また、次の構成を採用してもよい。
請求項２に記載の燃料噴射装置は、微細気泡混合燃料中の気体混合量を検知する混合気体量検知センサを有し、混合気体量検知センサに基づいて回収終了を判断する。

このとき、混合気体量検知センサは、燃料分配管の回収通路側の末端付近に設けることが好ましく、これにより、燃料噴射弁に微細気泡を含む液体燃料が燃料分配管になくなったことを好適に判断することができる。

以下、本発明による燃料噴射装置を図面に基づいて説明する。
（一実施形態）
本発明の一実施形態に係る燃料噴射装置を図１に示す。
車両に搭載される内燃機関の燃料噴射装置１は、液体燃料を貯留する燃料貯留槽１０と、燃料貯留槽１０内の燃料を吸い上げて昇圧した後に送出する燃料ポンプ２０と、燃料ポンプ２０から吐出された燃料を複数の燃料噴射弁３０に供給する燃料分配管としてのデリバリパイプ４０とを備えている。

複数の燃料噴射弁３０は、図示しない機関としての内燃機関のシリンダヘッドに挿入して搭載され、内燃機関の各気筒の内部へ燃料を噴射する。

回収通路としてのリターン通路４３は、デリバリパイプ４０と、燃料貯留槽１０とを連絡している。デリバリパイプ４０のリターン通路４３側末端には、リリーフバルブ４２が設けられている。
リターン通路４３に配設される回収手段としての脱泡部４４は、微細気泡混合燃料を燃料と気体に分離する。脱泡部４４は、液体燃料中の微細気泡を除去できればどのような方法であってもよく、減圧や遠心分離による分離装置が例示される。

気体供給部５０は、水素供給手段としての水素ガス供給ポンプ５１ａ及び水素ガス供給通路５２ａと、非水素供給手段としての空気供給ポンプ５１ｂ及び空気供給通路５２ｂとを有する。車載の水タンク５４から供給された水は、電気分解層５３で電気分解され、水素を生成する。生成した水素は水素ガス供給ポンプ５１ａにより水素ガス供給通路５２ａから微細気泡混合手段としての微細気泡混合部６０へ供給される。空気は、非水素供給手段としての空気供給ポンプ５１ｂにより空気供給通路５２ｂから微細気泡混合部６０へ供給される。

微細気泡混合部６０は、燃料供給通路４１の途中に設けられている。微細気泡混合部６０は、気体供給部５０から供給された気体を微細化し、この微細化した気体を、燃料通路４１を流れる液体燃料に混入させることができるように構成されている。例えば微細気泡としては直径が数μｍから数十μｍ程度のマイクロバルブが知られている。微細気泡混合部６０は、微細気泡を燃料中に混合できれば、どのような方法を用いた装置であってもよい。例えば、液体燃料及び水素ガスの２層旋回流を発生させ、その回転軸部分に空洞を形成し、せん断力を発生させて水素ガスを切断、粉砕する方法が例示される。また、水素ガスを加圧して液体中に溶解させた状態からその液体の流速を上げてキャビテーションを起こさせる方法が例示される。さらに、超音波により水素ガスを微細化してもよい。

本実施形態の燃料噴射装置１は、電子制御装置（以下、「ＥＣＵ」という。）７０を備えている。ＥＣＵ７０は、燃料噴射装置１全体の制御を司る。ＥＣＵ７０の出力側には、燃料ポンプ２０、燃料噴射弁３０、リリーフバルブ４２、脱泡部４４、水素ガス供給ポンプ５１ａ、空気供給ポンプ５１ｂ、電気分解層５３、微細気泡混合部６０等が接続されている。ＥＣＵ７０の入力側には、クランク角センサ、アクセル開度センサ、空燃比センサ等が接続されている。なお、図１では煩雑になることを避けるため、便宜上、ＥＣＵ７０と微細気泡混合部６０とを連絡する制御線のみを図示している。

また、ＥＣＵ７０は、燃料噴射装置１全体の制御を実行することは上述したが、さらに各センサの出力に基づいて内燃機関全体の制御を実行する。ＥＣＵ７０は、クランク角センサの出力に基づいて、機関回転数を算出する。また、ＥＣＵ７０は、アクセル開度センサ３０により検出されるアクセル開度に基づいて、機関負荷を算出する。

次に、本実施形態における燃料噴射装置１の動作について説明する。
燃料ポンプ２０が駆動されると、燃料貯留槽１０から燃料供給通路４１、デリバリパイプ４０を経由して燃料噴射弁３０に液体燃料が供給される。これにより、燃料噴射弁３０から内燃機関へ液体燃料の噴射が可能となる。
また、水素ガス供給ポンプ５１ａ及び空気供給ポンプ５１ｂの駆動により、微細気泡混合部６０に水素及び空気が供給される。微細気泡混合部６０に気体が供給されると、気体が微細化され、燃料供給通路４１を流れる液体燃料に混入される。微細化された気泡を含む燃料は液体として扱うことができるため、液体燃料のみの場合と同様に、燃料噴射弁３０から内燃機関への噴射が可能となる。

また、内燃機関の停止要求時には、リリーフバルブ４２を開とし、微細気泡を含む燃料は、脱泡部４４にて液体燃料と気体とに分離する。分離された液体燃料はリターン通路４３を通って燃料貯留槽１０に回収され、分離された気体は気体回収通路４５を通って回収される。

本発明では、機関の運転状態に応じて噴霧粒径、ペネトレーションを最適化するように気体の混合量を調整する点に特徴を有している。そこで、図２に示すフローチャートに基づいて本実施形態の燃料噴射装置１の動作の一例を説明する。
最初のステップＳ１０（以下、「ステップ」を省略し、単に記号「Ｓ」で示す）では、内燃機関の機関回転数および機関負荷を算出する。

次のＳ１１では、内燃機関の停止要求の有無を判断する。内燃機関の停止要求があった場合（Ｓ１１：ＹＥＳ）、図３中のＳ２１へ移行する。内燃機関の停止要求がない場合（Ｓ１１：ＮＯ）、Ｓ１２へ移行する。
Ｓ１２では、噴霧の微粒化が必要か否かを判断する。噴霧の微粒化が必要な場合（Ｓ１２：ＹＥＳ）、Ｓ１３へ移行する。噴霧の微粒化が必要ない場合（Ｓ１２：ＮＯ）、液体燃料中に気体を供給せず、液体燃料のみを噴霧する。

Ｓ１３では、水素添加が必要か否かを判断する。水素添加が必要な場合（Ｓ１３：ＹＥＳ）、Ｓ１４へ移行する。水素添加を必要とする運転状態とは、例えば、燃焼性を改善して失火限界を延ばしたい低温条件などである。水素添加が必要ない場合（Ｓ１３：ＮＯ）、Ｓ１８へ移行する。水素添加を必要としない運転状態とは、例えば、高負荷時などである。

水素添加が必要な場合（Ｓ１３：ＹＥＳ）に移行するＳ１４では、最適な噴霧状態となる水素添加割合を、Ｓ１０の機関回転数及び機関負荷に応じて予め記憶されたマップデータから求める。Ｓ１４で求められた水素添加割合に基づいて、水素必要量を算出し（Ｓ１５）、水素生成処理を実行する（Ｓ１６）。生成された水素は、微細気泡混合部６０にて燃料供給通路４１内の液体燃料に微細化し混合する（Ｓ１７）。

水素添加が必要ない場合（Ｓ１３：ＮＯ）に移行するＳ１８では、最適な噴霧状態となる空気添加割合を、Ｓ１０の機関回転数及び機関負荷に応じて予め記憶されたマップデータから求める。Ｓ１８で求められた空気添加割合に基づいて、空気必要量を算出し（Ｓ１９）、必要な量の空気を微細気泡混合部６０にて燃料供給通路４１内の液体燃料に微細化し混合する（Ｓ２０）。

内燃機関停止要求があった場合（図２中のＳ１１：ＹＥＳ）に移行する図３中のＳ２１では、燃料噴射弁３０からの燃料噴射を停止する。次に、Ｓ２２では、電気分解層５３での水素の生成を停止する。続いてＳ２３では、水素ガス供給ポンプ５１ａ及び空気供給ポンプ５１ｂの駆動を停止し、気体の供給を停止する。Ｓ２４では、リリーフバルブ４２を開にする。なお、Ｓ２１〜Ｓ２４での制御については、順番を入れ換えてもよいし、あるいは、並行に実行されるようにしてもよい。

続いて移行するＳ２５では、微細気泡を含んだ燃料の回収が終了したか否かを判断する。微細気泡を含んだ燃料の回収が終了した場合（Ｓ２５：ＹＥＳ）、燃料ポンプ２０を停止し、図２へ戻り、本処理を終了する。微細気泡を含んだ燃料の回収が終了していない場合（Ｓ２５：ＮＯ）、脱泡処理を継続する。すなわち、内燃機関停止要求があった場合、燃料噴射及び気体供給は停止するが、微細気泡を含んだ燃料の回収が終了するまで燃料ポンプ２０の駆動を継続する。

微細気泡を含んだ燃料の回収終了の判断は、配管容量と燃料ポンプ２０の供給液量に基づいて求められる所定時間の経過で判断してもよいし、リリーフバルブ４２付近に設けられた気体混合量検知センサによって判断してもよい。
ここで、気体混合量と噴霧状態について、図４に基づいて説明する。横軸は気体混入量を表しており、縦軸は噴霧粒径、ペネトレーション、噴霧角を表している。気体混入量が少ない場合、噴霧粒径が大きく、ペネトレーションは強い。また、噴霧角は小さい。気体混入量が多い場合、噴霧粒径が小さくなり、ペネトレーションは低下する。また、噴霧角は大きくなる。例えば、噴霧粒径を小さくしたい場合には、気体混入量を多くし、ペネトレーションを強くしたい場合には、気体混入量を少なくする。

ガソリン直噴エンジンの場合、通常、機関負荷が大きい場合には、ペネトレーションを小さくし、噴霧粒径を小さくし、噴霧角を大きくするように、気体混入量を多くする。また、ディーゼルエンジンの場合、通常、機関負荷が大きい場合には、ペネトレーションを大きくしたいので、気体混入量を少なくする。ただし、これはあくまでも大まかな目安である。
本実施形態におけるＥＣＵ７０は、「運転状態検知手段」、「対応関係記憶手段」、「気体供給制御手段」、「機関停止要求判断手段」、「燃料噴射制御手段」、「ポンプ駆動制御手段」、「回収終了判断手段」を構成する。対応関係記憶手段は、運転状態例えば内燃機関の負荷と回転数等に応じた最適な気体量を、ベンチテストなどによって予め最適な気体量を運転状態に合わせて算出して記憶している。
そして、図２中のＳ１０が「運転状態検知手段」の機能としての処理に相当し、図２中のＳ１４、Ｓ１８のマップを記憶する構成が「対応関係記憶手段」に相当し、図２及び図３に示す処理が「気体供給量制御手段」の機能としての処理に相当する。また、図２中のＳ１１が「機関停止要求判断手段」の機能としての処理に相当し、図３中のＳ２１が「燃料噴射制御手段」の機能としての処理に相当し、図３中のＳ２６が「ポンプ駆動制御手段」の機能としての処理に相当する。さらに、図３中のＳ２５が「回収終了判断手段」の機能としての処理に相当する。

上述の通り、本実施形態では、気体供給部５０から水素と空気を供給するように構成されている。水素を供給する場合（Ｓ１３：ＹＥＳ）、水素を微細化して液体燃料中に混合することにより、最適な噴霧状態とするだけでなく、燃焼効率の改善によるリーン限界の向上、燃料消費率の改善、ＮＯｘ排出量の低減などの効果も奏される。

一方で、高負荷時など、水素を添加すると十分な熱量を供給できないため、燃料のみを燃焼させる必要がある場合（Ｓ１３：ＮＯ）、空気を微細化して液体燃料中に混合することにより、水素を使用せずに噴霧状態を最適化することができる。
さらに、内燃機関停止要求時に、燃料噴射と気体供給は停止するが、微細気泡を含んだ液体燃料が回収されるまで燃料ポンプ２０を駆動し続けることにより、配管中でのガス塊の発生を防ぎ、内燃機関再起動時に燃料調量性が低下したり、燃料噴射ができなくなったりすることを避け、好適に再始動することができる。

（その他の実施形態）
上記の実施形態では、ガソリンエンジンに本発明を適用した形態について説明したが、本発明を適用する機関は、ガソリンエンジンに限らず、ディーゼルエンジンでもよい。また、機関に供給する燃料は、ガソリンに限らず、例えばアルコールやエーテルなどであってもよい。
上記の実施形態では、２種類の気体を水素と空気としたが、他の実施形態では、他の気体の組合せでもよいし、３種類以上の気体であってもよい。
また、上記の実施形態では、水素は電気分解により得ているが、他の実施形態では、燃料改質により得てもよいし、水素貯蔵タンクや液化水素タンクなどに貯蔵することで得てもよいし、あるいは水とマグネシウム等の金属とを反応させることによって得てもよい。
上述の気体回収通路から回収された気体は、本発明では、外部に放出可能な気体、例えば空気、酸素、窒素などであれば外部に放出してもよく、燃料貯留槽に回収してもよい。外部に放出できない気体、例えば水素であれば、図示しない気体貯留タンクに一時的に貯留し、内燃機関再始動時に、吸気ポートに放出したり、気体供給部に戻したりして燃料中に混合させてもよい。

また、上記のリリーフバルブは、エンジン停止要求がある場合に開にしたが、本発明では、エンジン停止要求がない場合にも開にしておき、余剰燃料を回収するようにしてもよい。さらに、微細気泡供給後に気体を供給する必要がない運転条件に変わった場合には、微細気泡を含んだ燃料を回収し、微細気泡を含まない燃料に置き換えることが好ましい。
さらに、上記の実施形態では、内燃機関の各気筒の内部へ液体燃料を直接噴射するが、吸気通路に噴射してもよい。

さらにまた、上記の実施形態では、燃料噴射弁は複数であるが、本発明では１つであってもよい。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。

本発明の一実施形態の燃料噴射装置の構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態の燃料噴射装置による気体混合量の調整処理を示すフローチャートである。本発明の一実施形態の燃料噴射装置による気体混合量の調整処理を示すフローチャートである。噴霧状態と気体混入量との関係を示す特性図である。

符号の説明

１：燃料噴射装置、１０：燃料貯留槽、２０：燃料ポンプ、３０：燃料噴射弁、４０：デリバリパイプ（燃料分配管）、４１：燃料供給通路、４２：リリーフバルブ、４３：リターン通路（回収通路）、４４：脱泡部（回収手段）、４５：気体回収通路、５０：気体供給部（気体供給手段）、５１ａ：水素ガス供給ポンプ（水素供給手段）、５１ｂ：空気供給ポンプ（非水素供給手段）、５２ａ：水素ガス供給通路、５２ｂ：空気供給通路、５３：電気分解層、５４：水タンク、６０：微細気泡混合部（微細気泡混合手段）、７０：ＥＣＵ（運転状態検知手段、対応関係記憶手段、気体供給制御手段、機関停止要求判断手段、燃料噴射制御手段、ポンプ駆動制御手段、回収終了判断手段）

Claims

微細気泡を含んだ液体燃料を機関に供給する燃料噴射装置であって、
燃料を噴射する燃料噴射弁と、
液体燃料が貯留される燃料貯留槽と、
前記燃料貯留槽から汲み上げた液体燃料を前記燃料噴射弁に圧送する燃料ポンプと、
気体を液体に混合する際に微細化することで、微細化された気体を前記燃料ポンプにより圧送された液体燃料中に混合する微細気泡混合手段と、
水素を供給する水素供給手段、および、水素以外の気体を供給する非水素供給手段を有し、前記微細気泡混合手段に気体を供給する気体供給手段と、
前記機関の運転状態を検知する運転状態検知手段と、
前記機関の運転状態と、当該運転状態に応じて噴霧状態を最適にする気体量との対応関係が予め記憶された対応関係記憶手段と、
前記運転状態検知手段にて検知された運転状態検知結果に対応する前記対応関係記憶手段から読み出された気体量を前記気体供給手段から液体燃料中に供給するように制御する気体供給制御手段と、
前記燃料噴射弁の入口に配設される燃料分配管と、
前記燃料分配管と前記燃料貯留槽とを連絡する回収通路と、
前記回収通路に配設され、微細気泡が混合された微細気泡混合燃料を微細気泡を形成する気体と液体燃料とに分離し、当該液体燃料を前記燃料貯留槽に回収する回収手段と、
前記機関の停止要求を判断する機関停止要求判断手段と、
前記燃料噴射弁を制御する燃料噴射制御手段と、
前記燃料ポンプの駆動を制御するポンプ駆動制御手段と、
前記回収手段にて前記微細気泡混合燃料の回収が終了したことを判断する回収終了判断手段と、
を備え、
前記機関停止要求判別手段にて停止要求があったと判断された場合、
前記燃料噴射制御手段は、前記燃料噴射弁からの燃料噴射を停止し、
前記気体供給制御手段は、前記気体供給手段による気体の供給を停止し、
前記ポンプ駆動制御手段は、前記燃料ポンプの駆動を継続し、
しかる後、前記回収終了判断手段にて前記微細気泡混合燃料の回収が終了したと判断された場合、
前記ポンプ駆動制御手段は、前記燃料ポンプの駆動を停止することを特徴とする燃料噴射装置。
前記微細気泡混合燃料中の気体混合量を検知する混合気体量検知センサを備え、
前記回収終了判断手段は、前記混合気体量検知センサに基づいて判断することを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射装置。