JP5609767B2 - 内燃機関の燃料噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた内燃機関の燃料噴射装置に関する。

多孔ノズルを持つ燃料噴射弁を備えた燃料噴射装置として、燃料噴霧間の距離が近く燃圧が高い場合に多孔ノズルの噴射方向下流の空間の燃料存在密度が高くなって、燃料噴霧群全体のペネトレーションが増大する性質を、ピストン運動量が弱い条件で利用するものが知られている（特許文献１）。

特開２００５−５４７３３号公報

一般に、噴霧特性は噴孔形状、噴霧の広がり角、噴射方向などのノズル固有仕様に依存する。噴霧特性には燃圧で変化するものもあるが噴霧形状を燃圧によって変化させることが困難である。例えば、中央部の燃料存在密度が低い中抜き状の燃料噴霧や、中央部とその外側とで燃料存在密度の差が少ない中実状の燃料噴霧などの噴霧形状を燃圧によって変化させることは困難な状況にある。

そこで、本発明は、内燃機関の燃焼モードに合わせて噴霧形状を燃圧によって変化させることが可能な内燃機関の燃料噴射装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の燃料噴射装置は、気筒の中央部に点火プラグが設けられ、前記気筒内の平均空燃比が理論空燃比よりもリーン側に設定された状態で均質燃焼を行う均質リーンバーン運転を実行可能な内燃機関に適用されるとともに、前記気筒内に燃料を噴射可能な燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁に供給される燃料の燃圧を変更可能な燃圧制御手段とを備えた内燃機関の燃料噴射装置において、前記燃料噴射弁には、前記気筒の中心線方向を上下方向とした場合の左右方向に広がるように配置された４以上の複数の噴孔が形成され、前記複数の噴孔の各噴孔からの噴射方向を規定する複数の噴射軸線のうち、隣り合う２つの噴射軸線で形成される角度を挟み角とした場合、前記気筒の前記中央部の近くに位置する２つの噴射軸線で形成される前記挟み角が、他の前記挟み角に比べて小さくなるように、前記複数の噴孔が構成され、前記燃圧制御手段は、前記均質リーンバーン運転の実行中に前記平均空燃比が所定値よりもリーン側に変化した際に、前記複数の噴孔から噴射された複数の燃料噴霧の集まりを一つの燃料噴霧とみなした場合にその一つの燃料噴霧の形状が前記中央部の燃料存在密度が前記中央部の外側よりも低い中抜き状から前記中央部と前記中央部の外側との間で燃料存在密度の差が前記中抜き状よりも少ない中実状へ変化するように、前記燃料噴射弁に供給される燃料の燃圧を高める、ものである（請求項１）。

２つの噴射軸線で形成される挟み角が小さい場合は大きい場合に比べて隣接する燃料噴霧間の噴霧間隔が狭くなる。本発明の燃料噴射装置によれば、複数の噴孔から噴射された複数の燃料噴霧は、中央部で噴霧間隔が狭く、その外側で噴霧間隔が広くなるように気筒内に配置される。燃料噴射弁に供給される燃料の燃圧が低ければ、中央部の噴霧間隔が狭くても隣接する２つの燃料噴霧は合体しない。そのため、複数の燃料噴霧の集まりを一つの燃料噴霧とみなした場合、その一つの燃料噴霧の噴霧形状は中央部の燃料存在密度が外側よりも低い中抜き状となる。一方、その燃圧が高ければ、中央部に位置する２つの燃料噴霧の噴霧間隔が更に狭くなってこれらの燃料噴霧が合体する。そのため、上記一つの燃料噴霧の噴霧形状は中央部とその外側とで燃料存在密度の差が少ない中実状となる。

均質リーンバーン運転中に平均空燃比がリーン側に変化すると、その変化に従って失火や燃焼速度の低下等のトルク変動発生要因の発生頻度が増加する。本発明の燃料噴射装置によれば、均質リーンバーン運転の実行中に平均空燃比が所定値よりもリーン側に変化した際に燃料噴射弁に供給される燃料の燃圧が高められるため、上記一つの燃料噴霧の中央部の燃料存在密度が高まる。これにより、点火プラグの近傍に局所的に燃料濃度が高いリッチ領域が生成される。従って、均質リーンバーン運転時と同じ平均空燃比であっても、リッチ領域の存在によって点火プラグによる着火性が向上してトルク変動要因の発生を抑えることができるので燃焼悪化を抑止できる。つまり、均質リーンバーン運転を実行不能な領域において、平均空燃比を理論空燃比よりもリーンに維持しつつリッチ領域を生成する成層燃焼に燃焼モードを切り替えることによって燃焼悪化を抑止できる。このため、平均空燃比が理論空燃比よりもリーン側に設定されたリーンバーン運転が可能となる範囲を拡大できる。その結果、燃料消費を抑えて燃費改善に寄与できるとともに、燃焼悪化の抑制によって排気エミッションの悪化を抑制できる。

本発明の燃料噴射装置の一態様として、前記一つの燃料噴霧の噴霧長の変化率が切り替わる特定燃圧値が燃圧の変更範囲内に存在するように構成されており、前記燃圧制御手段は、前記均質リーンバーン運転を前記内燃機関に実行させるために前記特定燃圧値よりも燃圧が低い状態に前記燃料噴射弁に供給される燃料の燃圧を制御するとともに、前記均質リーンバーン運転の実行中に前記平均空燃比が前記所定値よりもリーン側に変化した際に、前記特定燃圧値よりも燃圧が低い状態から前記特定燃圧値よりも燃圧が高い状態へ切り替えられるように、前記燃料噴射弁に供給される燃料の燃圧を制御してもよい（請求項２）。複数の燃料噴霧が合体すると合体前に比べてペネトレーションが増加するため噴霧長も合体前に比べて増加する。つまり、燃料噴霧の合体前後で噴霧長の変化率が切り替わるので、中央部に位置する２つ燃料噴霧の合体が始まる燃圧が特定燃圧値に相当する。従って、均質リーンバーン運転の実行中に平均空燃比が所定値よりもリーン側に変化した際に、特定燃圧値よりも燃圧が低い状態から特定燃圧値よりも燃圧が高い状態へ切り替えることにより、噴霧形状を中抜き状から中実状へ切り替えることができる。これにより、点火プラグの近傍にリッチ領域を確実に生成できる。

本発明の燃料噴射装置の一態様においては、前記均質リーンバーン運転中に前記内燃機関のトルク変動が許容レベルに達する場合の前記平均空燃比が前記所定値として設定されてもよい（請求項３）。この態様によれば、トルク変動の許容レベルに達する場合の平均空燃比に基づいて燃圧が制御されるため、燃焼状態の悪化を抑えつつ平均空燃比を限界までリーンに保つことができる。

以上説明したように、本発明の燃料噴射装置によれば、複数の噴孔から噴射された複数の燃料噴霧が中央部で噴霧間隔が狭く、その外側で噴霧間隔が広くなるように気筒内に配置されるため、燃圧を適宜制御することによって噴霧形状を変化させることができる。これにより、均質リーンバーン運転の実行中に平均空燃比が所定値よりもリーン側に変化した際に燃圧を高めることで、平均空燃比のリーン側への変化に伴う燃焼悪化を抑制できる。その結果、平均空燃比が理論空燃比よりもリーン側に設定されたリーンバーン運転が可能となる範囲を拡大することができる。

本発明の一形態に係る燃料噴射装置が適用された内燃機関の要部の断面を模式的に示した図。 図１の内燃機関を矢印IIの方向から見た状態を模式的に示した図。 燃料噴射弁に形成された複数の噴孔を示した図。 図３のIV−IV線に沿った断面図。 燃圧が特定燃圧値よりも低い場合と高い場合とのそれぞれにおける燃料噴霧の状態を模式的に示した説明図。 燃圧と噴霧長との関係を示した図。 平均空燃比とトルク変動との関係を示した図。 燃料噴射弁に形成された複数の噴孔の他の形態を示した図。

図１は本発明の一形態に係る燃料噴射装置が適用された内燃機関の要部の断面を模式的に示している。内燃機関１は不図示の車両に走行用動力源として搭載可能な火花点火式の４サイクル内燃機関として構成されている。内燃機関１は複数（図では１つ）の気筒２を備えている。各気筒２はシリンダブロック３に形成されており、各気筒２の上部はシリンダヘッド４にて塞がれている。各気筒２にはピストン５が往復運動自在に設けられている。

各気筒２には吸気通路９及び排気通路１０がそれぞれ接続されている。吸気通路９はシリンダヘッド４に形成された吸気ポート１１を含み、排気通路１０はシリンダヘッド４に形成された排気ポート１２を含む。吸気ポート１１は吸気バルブ１３にて、排気ポート１２は排気バルブ１４にてそれぞれ開閉される。図示を省略したが、排気通路１０には三元触媒が設けられていて、排気通路１０を流れる既燃ガスである排気はその三元触媒にて浄化される。

シリンダヘッド４には、気筒２内に先端部を臨ませるようにして気筒２の天井面の中央部に配置された点火プラグ２０が設けられている。また、シリンダヘッド４には気筒２内に燃料を噴射する燃料噴射弁２１が吸気ポート１１に沿うように設けられている。即ち、図２に示すように、燃料噴射弁２１は、気筒２の吸気側から排気側へ向けて配置されている。燃料噴射弁２１は電磁駆動式の燃料噴射弁であり、その先端部には複数の噴孔が形成されている。図１に示したように、気筒２毎に設けられた燃料噴射弁２１は共通のデリバリパイプ２２に接続される。デリバリパイプ２２には不図示のオイルポンプにて圧送された燃料が導かれる。デリバリパイプ２２には各燃料噴射弁２１に供給される燃料の燃圧を調整する燃圧調整機構２３が設けられている。燃料噴射弁２１及び燃圧調整機構２３のそれぞれはエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２４にて制御される。

ＥＣＵ２４は内燃機関１の運転状態を適正に制御するためのコンピュータとして構成されている。ＥＣＵ２４には、内燃機関１の回転速度等の運転状態を示す情報が不図示の各種センサから入力される。ＥＣＵ２４は、こうした情報を利用しつつ予め用意された各種の制御プログラムを実行して燃料の噴射時期、噴射期間（噴射量）等の制御を含む燃料噴射制御や点火時期の制御等を行う。ＥＣＵ２４は、いわゆる均質リーンバーン運転を実行できるように上述の燃料噴射制御及び点火制御を行っている。均質リーンバーン運転は、内燃機関の気筒内の平均空燃比が理論空燃比よりもリーン側に設定された状態で均質燃焼を行う運転である。この燃焼は筒内の燃料濃度分布に偏りが少ない燃焼であり、燃料噴射時期や点火時期等の運転パラメータを適宜制御することにより実現可能な公知の燃焼態様である。この均質リーンバーン運転の実行中にＥＣＵ２４が行う燃圧制御については後述する。

図３及び図４に示したように燃料噴射弁２１は合計４つの噴孔２５が形成されている。これらの噴孔２５は気筒２の中心線ＣＬ方向を上下方向とした場合の左右方向に広がるように配置されている。なお、図３の左右方向は図１の紙面と直交する方向に相当する。本形態においては、これらの噴孔２５は平面視で直線Ｌ１上に等間隔で配置されている。各噴孔２５の噴射方向は全体として放射状に設定されている。４つの噴孔２５がこのように構成されているため、各噴孔２５からの燃料噴霧ｆは図２に示した状態で気筒２内に配置される。各噴孔２５の噴射方向を規定する直線を噴射軸線Ａｘｆとし、隣り合う２つの噴射軸線Ａｘｆで形成される角度を挟み角θ１、θ２、θ３とする。この場合、気筒２の中央部の近くに位置する２つの噴射軸線Ａｘｆで形成される挟み角θ１は、他の挟み角θ２、θ３に比べて小さくなっている。本形態では、挟み角θ２と挟み角θ３とは同一である。但し、これらの挟み角θ２、θ３は、中央部の挟み角θ１よりも小さいことを条件として、互いに異ならせることもできる。

図２から理解できるように、挟み角が小さい場合は大きい場合に比べて隣接する燃料噴霧間の噴霧間隔が狭くなる。従って、４つの噴孔２５から噴射された４つの燃料噴霧ｆは中央部で噴霧間隔が狭く、その外側で噴霧間隔が広くなるように気筒２内に配置される。４つの燃料噴霧ｆがこのように配置されるため、燃料噴射弁２１に供給される燃料の燃圧が低ければ、中央部の噴霧間隔が狭くても隣接する２つの燃料噴霧は合体しない。そのため、図５のＡに示したように、４つの燃料噴霧ｆの集まりを一つの燃料噴霧Ｆとみなした場合、その一つの燃料噴霧Ｆの噴霧形状は中央部の燃料存在密度が外側よりも低い中抜き状となる。そして、その燃料噴霧Ｆは左右方向の広がり角が大きいため気筒２内に燃料が平均的に広がり易い。従って、図５のＡに示した燃料噴霧Ｆは高分散均質噴霧であり均質燃焼に適した噴霧形状である。一方、その燃圧が高ければ、中央部に位置する２つの燃料噴霧の噴霧間隔が更に狭くなってこれらの燃料噴霧ｆが合体する。そのため、図５のＢに示したように、燃料噴霧Ｆの噴霧形状は中央部とその外側とで燃料存在密度の差が少ない中実状となる。複数の燃料噴霧ｆが合体すると合体前に比べてペネトレーションが増加する。このため、図５のＢに示すように燃料噴霧Ｆの噴霧長ｌはＡに示した合体前に比べて増加する。この燃料噴霧Ｆは、左右方向の広がり角が狭くなるので、気筒２内の燃料濃度分布を中央部、つまり点火プラグ２０の近傍に偏らせることが容易に実現できる。従って、図５のＢに示した燃料噴霧Ｆは点火プラグ２０の近傍に局所的に燃料がリッチに存在するリッチ領域を形成する成層燃焼に適した噴霧形状である。

図６は燃圧と噴霧長との関係を示している。この図の実線は本実施形態を、破線は燃料存在密度が左右で同一である比較例をそれぞれ示している。図６から明らかなように、燃料噴射弁２１に供給される燃料の燃圧が変化した場合、その燃圧の変更範囲内に噴霧長の変化率が切り替わる特定燃圧値Ｐｃが存在する。この特定燃圧値Ｐｃは燃料噴霧Ｆの中央部に位置する２つ燃料噴霧ｆの合体が始まる燃圧に相当すると推測できる。従って、特定燃圧値Ｐｃよりも燃圧が低い状態と、特定燃圧値Ｐｃよりも燃圧が高い状態とを切り替えることにより、図５に示したように中抜き状と中実状との間で噴霧形状を変更できる。上述したように、中抜き状の噴霧形状は均質燃焼に、中実状の噴霧形状は成層燃焼にそれぞれ適しているため、ＥＣＵ２４はこれらの燃焼モードに応じて燃圧を制御している。

次に、ＥＣＵ２４が行う燃圧制御の一例について説明する。ＥＣＵ２４は、均質リーンバーン運転を内燃機関１に実行させるため、燃圧調整機構２３を操作することによって、燃圧を特定燃圧値Ｐｃよりも低い状態に制御して燃料噴霧Ｆの噴霧形状を中抜き状にする（図５のＡ参照）。この場合には、燃料噴霧Ｆが高分散均質噴霧となるため、燃料濃度分布の偏りが少なくなり気筒２内の燃料混合気を均質化できる。これにより、均質リーンバーン運転を実現できる。

図７に示したように、均質リーンバーン運転を行う場合、気筒２内の平均空燃比Ａ／Ｆがリーン側に変化するに従って内燃機関１のトルク変動ＴＦが徐々に増加する。そして、特定の平均空燃比Ａ／Ｆを超えてリーン側に変化すると、トルク変動ＴＦはその許容レベルを超えて急上昇する。トルク変動は失火や燃焼速度の低下等のトルク変動発生要因が生じることによって発生し、その要因の発生頻度が高まることによって増加する。このように、均質リーンバーン運転は、その実行可能領域がトルク変動ＴＦの許容レベルを超えない範囲内に制限される。

そこで、本形態において、ＥＣＵ２４は、トルク変動ＴＦの許容レベルに達する平均空燃比Ａ／Ｆの特定値Ａｃよりも平均空燃比Ａ／Ｆがリーン側に変化した場合、燃圧調整機構２３を操作することによって、特定燃圧値Ｐｃよりも燃圧が低い状態から特定燃圧値Ｐｃよりも燃圧が高い状態へ切り替える。これにより、燃料噴霧Ｆの噴霧形状が中抜き状から中実状に変更されるため、点火プラグ２０の近傍にリッチ領域を形成できる。そのリッチ領域の存在によって、図７の破線で示したように、成層燃焼に切り替えられることによって均質リーンバーン運転と同一の平均空燃比Ａ／Ｆであってもトルク変動が緩和されて燃焼状態が改善される。これにより、均質リーンバーン運転が実行不能な領域においても、平均空燃比Ａ／Ｆを理論空燃比よりもリーン側に設定したリーンバーン運転を成層燃焼によって実行できるので、リーンバーン運転が可能となる範囲を拡大することができる。その結果、燃料消費を抑えて燃費改善に寄与できるとともに、燃焼悪化の抑制によって排気エミッションの悪化を抑制できる。本形態において、平均空燃比Ａ／Ｆの特定値Ａｃは本発明に係る所定値に相当する。そして、本発明に係る燃圧制御手段はＥＣＵ２４及び燃圧調整機構２３が協働することにより実現される。なお、ＥＣＵ２４には、平均空燃比Ａ／Ｆの値を検出するための空燃比センサ（不図示）からの信号が入力される。ＥＣＵ２４はその空燃比センサの信号を参照することによって上述した制御を実行している。

本発明は上記形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内において種々の形態にて実施できる。上記形態は４つの噴孔を平面視で直線的に配列したものであるが、噴孔の個数に制限はない。また、気筒を上方から見た平面視で、気筒内に広がる噴射軸線で形成される挟み角が中央部で小さくそれ以外で大きくなっていれば、複数の噴孔が必ずしも直線的に配置されなくてもよい。例えば、図８に示したように、４つの噴孔が平面視で直線上に並んでいない形態で本発明を実施することも可能である。また、複数の噴孔を全て同じ形状及び寸法に設計してもよいし、噴孔毎に形状や寸法を変化させることも可能である。

１ 内燃機関
２ 気筒
２１ 燃料噴射弁
２３ 燃圧調整機構（燃圧制御手段）
２４ ＥＣＵ（燃圧制御手段）
２５ 噴孔
Ａｘｆ 噴射軸線
ＣＬ 中心線
Ｐｃ 特定燃圧値
θ１、θ２、θ３ 挟み角

Claims (3)

1. 気筒の中央部に点火プラグが設けられ、前記気筒内の平均空燃比が理論空燃比よりもリーン側に設定された状態で均質燃焼を行う均質リーンバーン運転を実行可能な内燃機関に適用されるとともに、前記気筒内に燃料を噴射可能な燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁に供給される燃料の燃圧を変更可能な燃圧制御手段とを備えた内燃機関の燃料噴射装置において、
   前記燃料噴射弁には、前記気筒の中心線方向を上下方向とした場合の左右方向に広がるように配置された４以上の複数の噴孔が形成され、
   前記複数の噴孔の各噴孔からの噴射方向を規定する複数の噴射軸線のうち、隣り合う２つの噴射軸線で形成される角度を挟み角とした場合、前記気筒の前記中央部の近くに位置する２つの噴射軸線で形成される前記挟み角が、他の前記挟み角に比べて小さくなるように、前記複数の噴孔が構成され、
   前記燃圧制御手段は、前記均質リーンバーン運転の実行中に前記平均空燃比が所定値よりもリーン側に変化した際に、前記複数の噴孔から噴射された複数の燃料噴霧の集まりを一つの燃料噴霧とみなした場合にその一つの燃料噴霧の形状が前記中央部の燃料存在密度が前記中央部の外側よりも低い中抜き状から前記中央部と前記中央部の外側との間で燃料存在密度の差が前記中抜き状よりも少ない中実状へ変化するように、前記燃料噴射弁に供給される燃料の燃圧を高める、
   ことを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
2. 前記燃料噴射弁は、前記一つの燃料噴霧の噴霧長の変化率が切り替わる特定燃圧値が燃圧の変更範囲内に存在するように構成されており、
   前記燃圧制御手段は、前記均質リーンバーン運転を前記内燃機関に実行させるために前記特定燃圧値よりも燃圧が低い状態に前記燃料噴射弁に供給される燃料の燃圧を制御するとともに、前記均質リーンバーン運転の実行中に前記平均空燃比が前記所定値よりもリーン側に変化した際に、前記特定燃圧値よりも燃圧が低い状態から前記特定燃圧値よりも燃圧が高い状態へ切り替えられるように前記燃料噴射弁に供給される燃料の燃圧を制御する請求項１に記載の燃料噴射装置。
3. 前記均質リーンバーン運転中に前記内燃機関のトルク変動が許容レベルに達する場合の前記平均空燃比が前記所定値として設定されている請求項１又は２に記載の燃料噴射装置。

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