JP6506377B2 - 複数の燃料噴射器を有する対向ピストンエンジンにおける燃料噴射方法 - Google Patents

Description

本発明の開示は、側方直接噴射式の対向ピストンエンジンに用いる燃料噴射方法に関する。本発明の開示は特に、複数の噴射器を設けた対向ピストンシリンダにおける燃料噴射に関する。

燃焼の効率化は、ディーゼルエンジンの運転において常に求められる基本的な課題である。これは、従来のディーゼルエンジンにおいて、ファイヤデッキの中心位置から、ピストンの端面とファイヤデッキの間で適宜の形状に画定された燃焼室へ燃料を直噴する場合に、特に指摘される課題である。

対向ピストン構造では、２つのピストンがクラウン同士を対向させてシリンダ内に配置され、このシリンダ内で、上死点（ＴＤＣ：Ｔｏｐ Ｄｅａｄ Ｃｅｎｔｅｒ）位置と下死点（ＢＤＣ：Ｂｏｔｔｏｍ Ｄｅａｄ Ｃｅｎｔｅｒ）位置との間を互いに相対して移動する。燃焼室は、各ピストンがＴＤＣに近づくと、シリンダ内に、このピストンの端面の間に画定される。このことから、対向ピストンエンジンでは、ピストンの端面に面した中心位置に燃料噴射器を搭載することが不可能となっている。その代わりに、通常、燃料噴射器をシリンダの側壁上、ピストン端面のＴＤＣ位置の間に配置している。この配置により、対向ピストンエンジン設計の特徴である側方直接噴射方式が採用されることになる。すなわち、燃料は、シリンダの側壁を介して燃焼室へ直噴される。

この側方直接噴射方式の問題点としては、噴射された燃料は径方向または接線方向にシリンダ内へと、旋回給気流の軸に対して横方向に運ばれるが、これにより空気・燃料の混合が抑制され、燃焼が不完全および／または不均一になることがある。このことから、側方直接噴射式の対向ピストンエンジンにおける燃料噴射性能の向上が求められている。

ある態様において、本発明の開示は、対向ピストンエンジンの側方直接噴射に改良を加え、空気／燃料の混合促進および燃焼効率の向上を達成する、燃料噴射方法および燃料噴射システムに関する。

別の態様において、本発明の開示は、シリンダへの側方直接噴射に用いる、２つ以上の燃料噴射器を備えた少なくとも1つのシリンダを有する対向ピストンエンジンに関する。
噴射器の各々は、変動するエンジン速度や動作状況に応答して、エンジンの運転サイクル毎に、1つの燃料パルスまたは複数の燃料パルスを噴射するように制御される。

さらに別の態様において、本発明の開示は、対向ピストンが上死点位置に近づくと、第１および第２燃料噴射器から、この対向ピストンの端面間に画定される対向ピストンエンジンの燃焼室へ行う燃料噴射に関し、この燃料噴射では、第１燃料噴射器による燃料噴射は、主噴射に先立つ少なくとも１回の先立噴射（ｐｉｌｏｔ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）を含み、第２燃料噴射器による燃料噴射は、主噴射に先立つ少なくとも１回の先立噴射を含む。

１対の対向ピストンの端面間に位置するシリンダ内腔空間への側方直接噴射に用いる、燃料噴射器を1つ設けた対向ピストンエンジンシリンダの断面図である。

１対の対向ピストンの端面間に位置するシリンダ内腔空間に対する側方直接噴射に用いる、燃料噴射器を複数設けた対向ピストンエンジンシリンダの断面図である。

対向ピストンエンジンに好ましく用いられる燃料噴射システムの概略図である。

燃料噴射器を１つ設けた図１に示す構成における、噴射器の作動と噴射率を示すグラフである。

燃料噴射器を複数設けた図２に示す構成における、第１制御方法による噴射器の作動と噴射率を示すグラフである。

燃料噴射器を複数設けた図２に示す構成における、第２制御方法による噴射器の作動と噴射率を示すグラフである。

図１は、対向ピストンエンジン（ｏｐｐｏｓｅｄ−ｐｉｓｔｏｎ ｅｎｇｉｎｅ）用シリンダの断面図である。シリンダ１０は、このシリンダの各端部に近接して配置した排出口１２及び取入口１４を有する。電動燃料噴射器（ｉｎｊｅｃｔｏｒ）２０は、シリンダ１０の側壁に穿孔形成された穴部２４に配置したノズル２２を有する。穴部２４は、シリンダ内腔に配置した１対の対向ピストン（図示省略）の端面における各ＴＤＣ位置に対応する内腔位置２６および２７の間に配置される。各ピストンがそのＴＤＣ位置上またはその付近に位置した時、燃料噴射器２０が作動されて、ピストン端面間のシリンダ内腔空間へ燃料３０の噴射を行う。

図２は、１対の対向ピストン端面間のシリンダ内腔空間への側方直接噴射用に取り付けられた複数の電動燃料噴射器５０を有する、対向ピストンエンジンシリンダ４０の断面図である。各燃料噴射器５０は、シリンダ５０の側壁に穿孔形成された穴部５４に配置したノズル５２を有する。穴部５４は、内腔シリンダに配置した１対の対向ピストン５８と５９の端面の各ＴＤＣ位置に対応する内腔位置の間に、配置される。ピストン５８と５９がＴＤＣに向かって移動すると、給気乱流はこのピストンの端面間で圧縮される。各ピストン５８と５９がＴＤＣ位置上またはその付近に位置した時、燃料噴射器５０の１つまたは各々が作動されて、ピストンの端面間のシリンダ内腔空間において、圧縮給気に向かって燃料６０の噴射を行う。燃料は圧縮された給気乱流に混入し、圧縮による熱で空気／燃料の混合物は発火する。

図３に、対向ピストンエンジンに用いる燃料噴射システムの概略を示す。燃料噴射システム１００は、1つ以上のシリンダを有する対向ピストンエンジン１０３を備える。各シ
リンダは、図２に示すシリンダ４０と対応する構造を有しており、シリンダ４０はそれぞれ、互いに相対して移動するように配置された１対の対向ピストン（図示省略）と、ピストンのＴＤＣ位置の間に複数の燃料噴射器５０を有する。例えば、各シリンダは２つの燃料噴射器５０を有する。好ましくは、燃料は、燃料が貯留部からポンプで送り込まれるレール／アキュムレータ機構を備える燃料源１６０から、燃料噴射器５０へ供給される。燃料帰還マニホールド１６２は、燃料噴射器５０と燃料源から燃料を回収し、貯留部へ帰還させる。

エンジン制御部（ＥＣＵ）１６２は、エンジンの動作状況や伝送等に関するパラメータ値を測定する各種センサー（図示省略）から、データを受信する。ＥＣＵ１６２は、セン
サーから得た測定パラメータ値に応じて、燃料噴射制御手順を実行する、燃料噴射制御機構を備える。これらの制御手順により、電子式多重チャンネル噴射器駆動体１６５（ｉｎｊｅｃｔｏｒ ｄｒｉｖｅｒ）に接続される出力制御信号が生成される。この制御信号に応じて、噴射器駆動体１６５は、個別の専用チャンネルにおいて駆動信号を生成し、燃料噴射器５０を作動させる。言い換えれば、噴射器駆動体１６５は、各燃料噴射器５０を、他の燃料噴射器５０から独立して作動するように電子制御する。

好ましくは、各燃料噴射器５０は、噴射器を作動させる電動アクチュエータ（例えば、ソレノイド）を備える。または、この電動アクチュエータと関連して動作する。好ましくは、このアクチュエータは、噴射器駆動体１６５により生成される各駆動信号により制御される。代表的な駆動信号を、パルス幅変調（ＰＷＭ）波形１６７で一例として示す。この波形はそれぞれ、アクチュエータを第１状態に設定する第１エッジ１６８と、アクチュエータを第１状態から第２状態に再設定する第２エッジ１６９を有する。好ましくは、第１状態では、燃料噴射器５０のノズルが開き、シリンダ４０への燃料６０のパルス放出（「噴射」とも呼ぶ）が始まる。一方、第２状態では、燃料噴射器５０のノズルが閉じ、噴射が終了する。または、燃料噴射システム１００は、これらとは種類および／または波形形状の異なる別の駆動信号に応じるように構成されてもよい。

パルス幅変調波形を燃料噴射器５０の動作に用いるとすると、１つの燃料噴射器からの１回の噴射の長さは駆動パルスの幅と一致し、幅が小さいパルスでは１回の噴射時間は短くなり、幅が大きいパルスでは１回の噴射時間が長くなる。燃料噴射システム１００は、１回以上の噴射を含む複数の燃料噴射モードで、各噴射器を作動させるよう設計されている。第１動作モードでは、燃焼開始に向けて、１つの燃料噴射器が燃焼室への噴射を１回行う。「分割噴射」と呼ばれる第２動作モードでは、燃焼開始に向けて、１つの燃料噴射器が燃焼室への噴射を２回以上行う。少なくとも、比較的短い噴射（「先立噴射」と呼ぶ）をまず１回行い、比較的長い２回目の噴射（「主噴射」と呼ぶ）がそれに続く。先立噴射と主噴射は、その間に時間差を設けて行う。また、分割噴射を特定の波形形状と正確なタイミングで行うには、燃料噴射システム１００は、その動作が、一連の駆動信号パルスの連続エッジ間で測定された最短時間間隔（「パルス間ギャップ」または「ＩＰＧ」と呼ぶ）を監視するよう設計される。パルス間ギャップに従わない場合、噴射の重複あるいは燃料噴射量にばらつきが生じる結果になる。

燃料噴射システム１００はさらに、エンジン動作状況に応じて、単回噴射から分割噴射へ、また、分割噴射から単回噴射へ移行するよう設計されている。さらに、シリンダ毎に互いから独立制御される複数の燃料噴射器を用いた場合、燃料噴射システム００は、エンジン動作状況に応じて、各シリンダにつき１つの燃料噴射器の操作から、各シリンダにつき複数の燃料噴射器の操作への、また、各シリンダにつき複数の燃料噴射器の操作から、各シリンダにつき１つの燃料噴射器の操作への移行を可能にする設計がなされている。

［各シリンダにつき１つの噴射器による燃料噴射］
図１と４を参照して、各シリンダに燃料噴射器を１つだけ備えた対向ピストンエンジンでは、特定のエンジン速度にて所定のクランク角度で燃料を導入するには、一定のオリフィス面積を必要とする、という制約を受ける。これは、噴射量に悪影響を及ぼし、先立噴射燃料の下限量を制限する場合がある。さらに、ソレノイドで作動する一つの噴射器では、前回の噴射が完了し、ソレノイドの残留磁気が減衰したことを確認するために、ＩＰＧを監視する必要があるという、制限がある。図４に、単一噴射器作動（駆動）信号曲線１８０と燃料噴射率カーブ１８２を示す。このグラフでは、２回の先立噴射１８２ｐ１と１８２ｐ２、および１回の主噴射１８２ｍを含む分割噴射を示す。第１作動パルス１８０ａ１は、１ミリ秒（ｍｓｅｃ）で開始し、その約０．５ｍｓｅｃ後に先立噴射１８２ｐ１が続く。第１先立噴射１８２ｐ１の終了に続き、第２作動パルス１８０ａ２が２ｍｓｅｃで開
始される。第２作動パルス１８０ａ２の立ち上がりエッジは、第１作動パルス１８０ａ１の立ち下がりエッジの、約０．７５ｍｓｅｃ後に発生する。０．７５ｍｓｅｃはＩＰＧであると想定する。ＩＰＧを無視して、第２作動パルス１８０ａ２を第１噴射１８２ｐ１の終了前に開始すると、燃料噴射量と第２先立噴射１８２ｐ２のタイミングは、所望の値から逸脱することがある。これは、第２先立噴射１８２ｐ２における噴射応答時間が短くなったことに起因するものであり、その結果、タイミングと量の両方に誤差が生じる。明らかに、１つの噴射器による所定クランク角度での噴射可能回数は、ＩＰＧによる最短間隔の制限を受ける。

［各シリンダにつき複数の噴射器による燃料噴射］
図２と５を参照して、対向ピストンエンジンは、順次および／または同時に作動される複数の噴射器を有する、少なくとも１つのシリンダを備える。例えば、図５によると、２つの燃料噴射器５０は、図５に示す作動カーブおよび噴射カーブに従って操作される。３回の先立噴射が図示されており、それぞれ、燃料噴射器５０の内、第１燃料噴射器５０からの２回（１９２ｐ１と１９２ｐ２）と、第２燃料噴射器からの１回（１９３ｐ）である。２回の先立噴射１９２ｐ１と１９２ｐ２を発生させる２つの作動パルス１９０ａ１と１９０ａ２は、図１の燃料噴射器と同じＩＰＧになる（０．７５ｍｓｅｃ）。作動パルス１９１ａは、第３先立噴射１９３ｐを、２回の先立噴射１９０ａ１と１９０ａ２の間で発生させ、これにより、１つの噴射器が最大２回の先立噴射を行う時間内に、３回の先立噴射を１組として短い時間間隔で行う。これにより、所定時間内の噴射回数は、最大噴射回数Ｎ_ｍａｘになる。例えば、２つの噴射器を用いた場合、Ｎ_ｍａｘは、Ｎ_ｍａｘ＝Ｎ_１ｍaｘ
＋（Ｎ_１ｍａｘ−１）の式で得られ、この式のＮ_１ｍａｘは、最短間隔の制約下で、1つ
の燃料噴射器による最大噴射回数である。燃料噴射器を追加して、複数の燃料噴射器の噴射を重複して行うと、１つの燃料噴射器による噴射と比べて、所定時間内での噴射回数を増やすことができる。燃料噴射器は、シリンダの周囲に各周方向位置に配置されるため、燃焼室の異なる領域に噴射を行う。この方法では、使用可能な空気量が問題となることはない。図５に示すように、主噴射１９２ｍ＋１９３ｍは一体化した１つの主噴射を生成し、２つの主作動パルス１９０ｍと１９１ｍを並べて示すように、噴射器５０の両方をほぼ同時に作動させることになる。これにより、燃焼室への噴射率が２倍になり、一体化主噴射の長さは半分になる。

図６に、一体化主噴射による噴射量の噴射率調整に、複数の噴射器を用いる一例を示す。図５に示すように、噴射には、２つの燃料噴射器から交互に行う分割噴射が含まれ、３回の短間隔の先立噴射を１組として行う。上記１組の先立噴射の後に、噴射率調整した一体化主噴射２００ｍが続く。図示にあるように、第２燃料噴射器をまず作動し、主噴射の第１部２００ｍ１を発生させる。適当な時間の経過後、第１燃料噴射器も同様に作動して、両方の燃料噴射器に燃料を同時に導入させる。図６の図示で明らかなように、燃料は、第１部２００ｍ１の間は第１噴射率で噴射され、この噴射率は第２部２００ｍ２で高くなる。噴射率はこうして調整される。主作動パルスの相対変化および／またはこれらパルス長さの違いにより、一体化主噴射は様々な形状になる。噴射率の調整が可能になると、予混合スパイクが下がる。さらに、燃焼をより円滑に行い、噴射量を低減することができる。

図６では、一体化主噴射２００ｍに続いて、後噴射２１０を示す。後噴射２１０は、第１噴射器のみを作動させれば可能であり、後噴射に充当される燃料は最少で済む。所望であれば、１組の先立噴射での説明と同様に、噴射器のいずれかを何度も作動させるか、両方の噴射器を順次作動させることで、複数の後噴射を行うことができる。

明らかに、同一のシリンダに配置した複数の電子制御燃料噴射器を有する対向ピストンエンジンにおいて側方直接噴射を行うと、単一の燃料噴射器では得られない様々な自由度
を得ることができる。同時噴射、連続噴射、または時差噴射を行うことが可能になり、これにより、噴射を非常に短い時間間隔で行うことができ、また噴射率調整が可能になる。このように自由度が多様化することで、性能や噴射の可能性が広がる。複数の燃料噴射器を用いることで、噴射器ノズルの穴部を噴霧特性に対して最適な寸法にすることができる。同時に、穴部の数を自在に増やすことが可能になり、充当燃料を迅速に導入できる。反対に、燃料噴射器を独立制御することにより、燃料需要が小さい場合は、穴の数を少なくすれば噴射時間が長くなり、燃焼が円滑になる。所定のサイクルで１つまたは複数の噴射器を作動させることができるため、より少量でより高いレール圧を用いることが可能になり、これにより、高い流れ特性を有する単一の噴射器と比較して、優れた噴霧性を達成できる。さらに、異なる周辺位置で複数の噴射器を連続して作動させることで、噴射量が同等または異なる多数の噴射を、様々な位置で各噴射タイミングを完全に掌握しながら、シリンダに対して行うことができる。

以上、対向ピストンエンジンの燃料噴射方法を、実施形態を参照して説明したが、言うまでもなく、本発明の基本原則から逸脱することなく、様々な改変が可能である。したがって、特許の保護はあくまで、以下に記載する特許請求の範囲にのみ限定される。

Claims (12)

1. 対向ピストンエンジン（１０３）に用いる燃料噴射システム（１００）であって、
   各端部に近接して配置された排出口及び取入口を有する、少なくとも１つのシリンダ（４０）、と、
   それぞれが端面を有し、前記シリンダ内の上死点位置と下死点位置との間で互いに相対して移動するよう配置された一対のピストン（５８、５９）と、
   前記一対のピストンの間に、前記シリンダに燃料の側方直接噴射を行うように位置付けられた２つの燃料噴射器（５０）であって、前記各燃料噴射器（５０）は、前記シリンダの側壁に穿孔形成された穴部（５４）に配置されたノズル（５２）を有し、前記穴部は、前記ピストンの各上死点位置に対応する内腔位置の間に配置されている、燃料噴射器（５０）と、
   エンジン動作条件に応答して、前記一対のピストンが前記シリンダの上死点位置の近傍にあるときに燃料噴射制御信号を生成する制御部（１６２）と、
   第１制御信号に応答して、１つの燃料噴射器に燃料を前記シリンダに噴射させる第１燃料噴射器作動信号（１８０）と、前記２つの燃料噴射器に燃料を前記シリンダに噴射させる第２燃料噴射器作動信号（１９０ａ１、１９０ａ２、１９１ａ）とを生成する噴射器駆動体（１６５）と、を備え、
   前記第２燃料噴射器作動信号はさらに、各燃料噴射器に各分割噴射により燃料を前記シリンダに噴射させ、
   前記２つの燃料噴射器（５０）の第１燃料噴射器による第１分割噴射は、少なくとも最短間隔分、後続の主噴射（１９２ｍ）から時間的に隔てられている先立噴射（１９２ｐ１）を含み、前記２つの燃料噴射器（５０）の第２燃料噴射器による第２分割噴射は、少なくとも最短間隔分、後続の主噴射（１９３ｍ）から時間的に隔てられている先立噴射（１９３ｐ）を含み、
   前記第１及び第２分割噴射は、重複する分割噴射であり、
   前記第１分割噴射の前記先立噴射（１９２ｐ１）は、前記最短間隔よりも少ない時間量で、前記第２分割噴射の前記先立噴射（１９３ｐ）からオフセットされることを特徴とする燃料噴射システム（１００）。
2. 前記噴射器駆動体はさらに、第２制御信号に応答して、前記第１燃料噴射器と前記第２燃料噴射器にそれぞれ単回噴射を行わせることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射システム。
3. 請求項１に記載の対向ピストンエンジン（１０３）に用いる燃料噴射システム（１００）を作動させる方法であって、
   前記一対の対向ピストン（５８、５９）を前記シリンダ（４０）内で移動させる工程と、
   前記対向ピストンが上死点位置に近づくと、第１燃料噴射器と第２燃料噴射器（５０）から、前記ピストンの端面間に画定される前記エンジンの燃焼室へ燃料噴射を行う工程とを特徴とし、前記第１燃料噴射器による燃料噴射は、前記主噴射（１９２ｍ）に先立つ少なくとも１回の前記先立噴射（１９２ｐ１）を含み、前記第２燃料噴射器による燃料噴射は、前記主噴射（１９３ｍ）に先立つ少なくとも１回の前記先立噴射（１９３ｐ）を含むことを特徴とする方法。
4. 各先立噴射は、少なくとも最短間隔分、後続の主噴射から時間的に隔てられていることを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記第１燃料噴射器及び前記第２燃料噴射器による前記先立噴射は、前記最短間隔より少ない時間量でオフセットされることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記第１燃料噴射器及び前記第２燃料噴射器による前記主噴射を同時に行うことを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記第１燃料噴射器による燃料噴射は、第１先立噴射（１９２ｐ１）と、前記第１先立噴射から少なくとも最短間隔分遅れる第２先立噴射（１９２ｐ２）とを含み、前記主噴射（１９２ｍ）を前記第２先立噴射から遅れて行うことを特徴とする請求項３に記載の方法。
8. 前記第２燃料噴射器による前記先立噴射（１９３ｐ）を前記第１燃料噴射器の前記第１先立噴射（１９２ｐ１）と前記第２先立噴射（１９２ｐ２）の間の時間内に行うことを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記第１燃料噴射器及び前記第２燃料噴射器による前記主噴射を同時に行うことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記第１燃料噴射器及び前記第２燃料噴射器による前記主噴射は時間的に重複することを特徴とする請求項８に記載の方法。
11. 前記第１燃料噴射器による燃料噴射はさらに、前記主噴射（１９２ｍ）に後続する少なくとも１回の後噴射（２１０ｐ）を含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
12. 前記第２燃料噴射器による燃料噴射はさらに、前記主噴射（１９３ｍ）に後続する少なくとも１回の後噴射（２１０ｐ）を含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。

Images