JP5776624B2 - 内燃機関の燃料噴射装置 - Google Patents

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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、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、気筒内に点火プラグが設けられた内燃機関の前記気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、前記燃料噴射弁に供給される燃料の燃圧を変更可能な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、前記挟み角の中で最小となるように、前記複数の噴孔が構成され、前記燃料噴射弁は、前記複数の噴孔から噴射される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、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、燃圧が前記特定燃圧値以上の状態と、前記特定燃圧値よりも燃圧が低い状態とが前記内燃機関の運転状態に応じて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燃圧制御手段を更に備えているものである。
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。従って、燃料噴射弁に供給される燃料の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可能になる。
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、特定燃圧値よりも燃圧が低い状態と、燃圧が特定燃圧値以上の状態とを切り替えることにより、中抜き状と中実状との間で噴霧形状を変更できる。一般に、中抜き状の噴霧形状が適した運転状態と、中実状の噴霧形状が適した運転状態とが存在するため、内燃機関の運転状態に応じて燃圧を上記のように切り替えることで、運転状態に適した噴霧形状を選択することができる。
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。
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特定燃圧値以上の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。 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が行う本発明に関連する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よりも大き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。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。
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、燃圧が特定燃圧値Ｐｃ以上の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。一般に、中抜き状の噴霧形状が適した運転状態と、中実状の噴霧形状が適した運転状態とが存在する。このため、内燃機関１の運転状態に応じて燃圧を上記のように切り替えることで、運転状態に適した噴霧形状を選択することができる。
次に、ＥＣＵ２４が行う燃圧制御の一例について説明する。ＥＣＵ２４は、点火プラグ２０の近傍に成層混合気を形成して着火性を向上させるべき運転状態の場合、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変更する（図５のＡ参照）。この場合、燃料濃度が局所的に高い成層混合気を点火プラグ２０の近傍に形成できる。しかも、中抜き状の噴霧形状のため点火プラグ２０に対する燃料の衝突を抑制できるから点火プラグ２０の点火不良を回避することが可能となる。また、ＥＣＵ２４は内燃機関１の出力を向上させるべき運転状態の場合、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以上の状態に制御して燃料噴霧Ｆの噴霧形状を中実状に変更する（図５のＢ参照）。この場合、燃料噴霧Ｆのペネトレーションが高いため、その噴流効果によって内燃機関１の燃焼効率が増加して出力の向上に寄与することができる。本形態において、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。
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７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 (1)

  1. 気筒内に点火プラグが設けられた内燃機関の前記気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、前記燃料噴射弁に供給される燃料の燃圧を変更可能な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、前記挟み角の中で最小となるように、前記複数の噴孔が構成され、
    前記燃料噴射弁は、前記複数の噴孔から噴射される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、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、
    燃圧が前記特定燃圧値以上の状態と、前記特定燃圧値よりも燃圧が低い状態とが前記内燃機関の運転状態に応じて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燃圧制御手段を更に備える内燃機関の燃料噴射装置。
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