JPH0458058A - 内燃機関の燃料供給方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ガソリン、灯油等の低揮発性燃料、分解系軽
油等の低セタン価燃料、またはアルコール燃料を使用す
る火花点火式エンジンに係わり、特に、超音波霧化装置
を使用する方式に適用される内燃機関の燃料供給装置に
関する。

［従来の技術］ 従来、内燃機関の吸気管に超音波霧化装置を配設し、燃
料を微粒化し吸入空気と混合させてエンジンに混合気を
供給する方式が知られている。例えば、特開昭５３−１
４０４１ｅ号公報においては、吸気管通路内に燃料供給
装置と超音波振動子を配設し、吸入空気と超音波振動子
により得られる超微粒化燃料との混合を良好にする方式
が知られている。

一方、例えば、吸気管に燃料を供給するガソリンエンジ
ンにおいては、吸気管内での燃料流速が空気流速よりも
遅いため、加速時にシリンダ内混合気が希薄化（リーン
スパイク）シ、加速のもたつきを生じる。このため、気
化式においては始動増量機構を設け、また、電子制御燃
料噴射弁を使用する方式においては、燃料の加速増量を
行っている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記従来の方式においては、超音波霧化
装置は、数十Ｈ２以上の周期で燃料を間欠的に供給して
も、得られる噴霧は噴射率が下がった連続に近いものと
なり燃料が管壁に付着してしまったり、燃料を要求する
期間内に供給できないという問題を有している。特に高
出力エンジンにおいては、低外気温でのエンジン始動時
および低速から急加速するピックアップ時に、混合気の
搬送速度が低下し、所望の出力が得られないという問題
を有している。また、エンジンの加速時においては、燃
料の一部が１サイクル遅れて供給されるため、加速の応
答性が悪いという問題を生じる。

一方、間欠噴霧を得るために間欠的に超音波振動をさせ
る超音波霧化装置が知られているが、電源がオンされて
から超音波振動子ホーンが定常加振状態に立ち上がるま
でに時間がかかり、内燃機関のようなサイクルにおいて
は、燃料の供給サイクルに超音波の加振が追随できない
という問題を有している。

本発明の目的は、上記問題を解決するものであって、超
音波霧化装置を用いて間欠噴霧を達成することにより、
吸気管内壁面へ付着する燃料の低減を図ると共に、同一
サイクル内での燃料供給の応答性を向上させることであ
る。

本発明の他の目的は、超音波霧化装置による燃料噴射タ
イミングをコントロールすることにより最大出力が得ら
れるようにすることである。

［課題を解決するための手段］ そのために本発明の内燃機関の燃料供給方法は、エンジ
ン１の吸気管４内に配設される超音波振動部材１０と、
該振動部材の霧化部１２に燃料を供給する燃料噴射弁９
と、該燃料噴射弁９の駆動信号に同期して所定時間、前
記振動部材１０に高振幅の超音波振動を付与し、その後
は前記振動部材１０に低振幅の超音波振動を付与する振
幅設定手段とを有し、前記霧化部１２付近の気流流速が
速くなる直前に燃料噴射弁９より燃料噴射を行うことを
特徴とする。

なお、上記構成に付加した番号は、理解を容易にするた
めに図面と対比させるためのもので、これにより本発明
の構成が何ら限定されるものではない。

［作用］ 本発明においては、燃料の噴射が行われている間は、超
音波振動部材に高振幅の超音波振動を付与させ、燃料の
供給が行われていない間は、低振幅の超音波振動を付与
させ、低振幅の加振状態では、超音波振動が付与されて
いるが、霧化部で液が付着しても燃料が低振幅の超音波
振動の効果により振動部材に保持されて液滴が落下せず
、かつ、微粒化には至らない状態を作る。さらに、燃料
供給中に霧化部周辺の空気流の速度を増大させてエアア
シスト流を形成するようにして、液膜をエアの圧力によ
って絞りこんで微粒化面に早く液を送り液膜形成を促進
することになる。

また、エンジン始動時、加速時、減速時のようなエンジ
ンの過渡状態においては、超音波霧化装置から燃料噴射
した時、空気流が高速状態でも、また噴射してからち、
また噴射してから空気流が生ずるまで時間がかかりすぎ
ても充分な出力が得られないことに着目し、超音波霧化
装置付近の気流流速が高速になる直前に燃料噴射を行う
ことにより、超音波霧化装置により吸気管内に充分な広
がりをもたせて霧化噴射した燃料を空気と混合しながら
壁面に付着することのないよう噴霧のままの状態で気流
により燃焼室へ搬送して燃焼させる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

第１図は本発明の内燃機関の燃料供給方法の１実施例を
示す構成図である。

火花点火式エンジン１は、シリンダ２、ピストン３、吸
気管４、排気管５、吸気弁６、排気弁７を育し、吸気管
４側にスロットル弁８が配設されると共に、その下流側
に燃料噴射弁９および超音波振動部材１０からなる超音
波霧化装置１１が取付けられている。超音波振動部材１
０の一端側には霧化部１２が形成され、他端側には電気
・音響変換素子１３が設けられている。また、吸気管４
の入口にはエアフィルタ１５が設けられている。

第２図に示すように、超音波振動部材１０の先端側には
、拡径部１２ａ１　縮径部１２ｂ、１２ｃが形成され、
概略バット型形状を有し、霧化部１２を形成している。

なお、霧化部１２の形状はバット型形状が最も効果的で
あるが、これに限定されるものではなく、先端にＲ部を
形成させるもの、先端にいくに従い外径が拡大する拡径
型、階段状、半球型、に形成されるもの、その他周知の
形状のものが採用される。

次に第３図および第４図により、本発明の内燃機関燃料
供給方法について説明する。第３図は制御系の構成図、
第４図は制御のタイミングチャートを示す図である。

第３図において、２１は電子制御装置であり、スロット
ル開度センサ１５、吸入圧力センサ１６、エンジン回転
数上ンサ１７等の信号を入力し、制御テーブル１８に記
憶されているデータに基づいて演算処理し、インジェク
タ信号、すなわち第４図（ａ）に示すように、所定時間
Ｔｌｌ１ｌｓのハイレベル信号を燃料噴射弁９に出力し
、超音波振動部材１０の霧化部１２に燃料を間欠的に供
給する。

燃料噴射弁９においては、第４図（ｂ）にホすように、
開弁および閉弁動作が遅れるため、Ｔ２ｍｓ〜Ｔ３ｍｓ
の間、燃料を噴射する。

同時に、インジェクタ信号は、信号遅延回路２０にて第
４図（ａ）、　（Ｃ）のタイミングをとった後、振幅設
定回路２２に送られ、第４図（Ｃ）に示すように、これ
と同期してＴ４＋ｎｓ時間、ハイレベルの超音波振幅信
号を作成する。この超音波振幅信号は、電圧制御回路２
３に送られ、ここで超音波振幅信号がハイレベルのとき
には超音波振動が高振幅になる電圧とし、超音波振幅信
号がローレベルのときには超音波振動が低振幅になる電
圧とし、これを高周波発振回路２４に出力し、電気・音
響変換素子１３を駆動させるものである。

そして、最終的に第４図（ｄ）に示すように、超音波振
動部材１０においては、燃料供給が行われている間は、
高振幅で超音波振動を付与させ、燃料の供給が行われて
いない間は、低振幅で超音波振動を付与させる。この低
振幅の加振状態では、超音波振動が付与されているが、
霧化部で液が付着しても微粒化には至らない状態となる
。供給される燃料の殆どは高振幅時に微粒化される。ま
た、電源はオフされていないため、次の高振幅による超
音波振動の立ち上がり時間を短縮させることができる。

従って、超音波振動を連続的に付与したままで、その振
幅を変化させて間欠的に供給される燃料を微粒化し、噴
霧を間欠に行うことができる。

なお、実験結果によれば、燃料噴射弁印加パルス幅ＴＩ
を最大５Ｉｌｓ１ハイ振幅を２４〜２６μｍ１０一振幅
を４〜５μｍとしたとき、燃料噴射弁印加パルス幅ＴＩ
に無関係に、ハイ振幅を５　ｍｓだけ保持することが必
要であり、これより長いと噴霧の切れが悪化し、短いと
微粒化が悪化することが確認された。

さらに、本発明においては、燃料噴射のタイミングを最
適に制御する。

吸気管内の空気流速は吸気弁の開閉に応じて絶えず変化
している。このように空気流速が変化している中で、第
１図において超音波霧化装置１１を駆動して燃料噴射を
間欠的に行う場合、等速状態のようなエンジンの駆動状
態が一定な定常状態では、どのタイミングで燃料噴射し
ても出力に殆ど影響は現れない。これは、噴射された燃
料が吸気管４を通り、吸気弁６からシリンダ２内へ到達
するのには所定の時間がかかり（搬送遅れ）、かつ連続
的に一定強度の噴射が行われているため平均化されてし
まうためと考えられる。

これに対して、加減速時のような過渡時においては、噴
射強度が変化するため超音波霧化装置１１からの燃料噴
射のタイミングによって得られる出力が異なることが分
かった。例えば、燃料が噴射されたとき、噴射位置付近
の空気流が高速で流れていると、噴射と同時に燃料が高
速気流で吸気管４内を搬送されてしまうため、噴射され
た燃料が吸気管４内に充分法がらず細い束となってしま
うため充分に空気と混合せず、燃焼効率が落ちて出力を
最大とすることはできない。一方、超音波霧化装置１１
から燃料が噴射されて、吸気管４内に霧化燃料が広がっ
ても空気流がないと壁面に付着してしまい、空気と充分
に混合せす、同様に出力を最大とすることはできない。

このことは、吸気管集合部に１つの燃料噴射弁を有する
５ＰＩ（ソングルボイント・インジェクタ）方式におい
て顕著であるが、各気筒の吸気管毎に燃料噴射弁を有ス
るＭＰＩ（マルチポイント・インジェクタ）方式におい
ても同様である。

このように、超音波霧化装置の燃料噴射タイミングは、
吸気弁の開閉に応じて空気流速が変化している状態で、
空気流速の立ち上がりタイミングを基準としたとき、こ
れに対して早すぎても遅すぎても不充分であることが分
かった。そこで、種々検討したところ、超音波霧化装置
１１による燃料噴射タイミングは超音波霧化装置１１付
近の空気流が高速状態になる直前であることが判明した
。

これを第６図により説明すると、エアアシスト流がない
場合には、燃料噴射弁から供給される液膜は、Ａに示す
ように存在し、重力と超音波振動の作用により微粒化面
Ｃに送り込まれるが、矢印に示す如くエアアシスト流を
作用させると、液膜がエアの圧力によってＢに示すよう
に絞められ微粒化面Ｃに早く液が送り込まれるため、液
膜形成が促進されることになる。

第５図はエンジン回転１１００（ｌｒｐにおいて、３６
０”クランク角度において燃料噴射したときの空気流速
と噴射燃料流速との関係を示す図で、横軸がクランク角
度、縦軸が空気流速を示している。

この例においては、吸気弁が開いて空気流が立ち上がる
直前に超音波霧化装置から燃料を噴射し、図の破線部分
の拡大図から分かるように、空気流速が最初はほぼＯで
あるため霧化噴射された燃料は吸気管全体に広がり、直
ぐに立ち上がった空気流により搬送された空気流速と同
様の傾向で噴射燃料の流速も増加している。そし、実験
において燃料が吸気管全体に広がって霧化された状態で
燃焼室まで搬送されることが観測され、出力を最大にす
ることができた。

このように、エンジンの過渡状態においては超音波霧化
装置による燃料噴射タイミングとエンジン出力とは、第
７図に示すように最適噴射タイミングＴＯが存在する。

このタイミングは超音波霧化装置と燃焼室までの距離、
エンジン回転速度、温度等により異なるが、前述したよ
うに超音波霧化装置１１付近の空気流が高速状態になる
直前が最適である。

したがって、スロットル開度、吸入圧力、エンジン回転
速度、温度等のパラメータを変化させて各エンジン毎に
超音波霧化装置１１付近の空気流が高速になる直前、す
なわち最適噴射タイミングを実際に駆動して検出し、こ
れをマツプ化して制御テーブルとし、エンジン過渡時に
はこのテーブルを参照して燃料噴射を行うようにすれば
効率的なエンジン駆動を行うことが可能となる。

そこで第３図に示すように、スロットル開度センサ１５
、吸入圧力センサ１６、エンジン回転数センサ１７等の
センサ出力を電子制御装置２１で読み込み、エンジン状
態過渡時には最適噴射タイミングをマツプ化した制御テ
ーブル１８を参照して燃料噴射弁９を駆動することによ
り、効率的なエンジン駆動を行うことが可能となる。

第８図および第９図は、本発明に係わる実験結果を示し
、縦軸は微粒化された燃料の噴射割合を、横軸は燃料噴
射弁９に開弁パルスが印加されてからの時間経過を示し
ている。また、エアアンスト流がない場合の吸気速度は
５　ｍ　／　５ｅｅ１　　エアアシスト流を形成した場
合の吸気速度は８ｍ／ｓｅｅとし、燃料供給サイクルは
ｌＯＨ２で、燃料噴射弁の開弁時間は、第８図において
は２　ｒａｓ、　　第９図は５ｍｓである。

図において、ＵＳＯは霧化部１２に燃料を環状の通路を
介して供給するタイプであり、ＵＳＤは霧化部１２に燃
料を直接供給するタイプであり、ＵＳＶは燃料を直接供
給すると共に上記可変振幅の制御を行うタイプであり、
ＵＳＤ−ＡおよびＵＳＶ−Ａはさらにエアアシスト流１
７を作用させるタイプである。

第１０図は上記実験結果をまとめたものである。

図中、　（）内の数値はＵＳＤに対する短縮時間を示し
ている。噴霧終了時間を８０％および９０％割合で見た
場合、ＵＳＶ−Ａ（直接噴射、可変振幅およびエアアン
スト）を採用することにより、噴霧終了時間が最も短く
、噴射遅れおよび間延びの問題が改善されることが判明
した。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく種
々の変更が可能である。

例えば、上記実施例においては、燃料噴射弁により燃料
を間欠的に供給するようにしているが、少量の燃料を連
続的に供給しても振幅を可変にすることにより間欠霧化
が可能である。

［発明の効果］ 以上のように本発明によれば、超音波霧化装置を用いて
直接噴射、可変振幅およびエアアンスト方式を採用する
ことにより、噴射遅れおよび間延びの問題を改善して間
欠噴霧を達成し、吸気管内壁面へ付着する燃料の低減を
図ると共に、同一サイクル内での燃料供給の応答性を向
上させることができる。また、低振幅で超音波振動を付
与させる分だけ駆動電力を低減させることができる。

さらに、微粒化可能な一定振幅で連続的に加振させる場
合に比較して、本発明の場合、燃料が振動子ホーンに衝
突するときの振幅が小さいため、衝突による燃料の飛び
散りが少なく良好な微粒化を達成することができる。

また、エンジン始動時、加速時、減速時のようなエンジ
ンの過渡状態においては、超音波霧化装置付近の気流流
速が高速になる直前に燃料噴射を行うことにより、超音
波霧化装置により充分な広がりをもたせて霧化噴射した
燃料をそのままの状態で気流により燃焼室へ搬送できる
ため、最大出力を得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の内燃機関の燃料供給方法の１実施例を
示す構成図、第２図は第１図における霧化部の拡大図、
第３図は制御系の構成図、第４図は制御のタイミングチ
ャートを示す図、第５図は本発明に係わる燃料噴射タイ
ミング方法を説明するための図、第６図はエアアシスト
流の作用を説明するための図、第７図は噴射タイミング
とエンジン出力の関係を示す図、第８図、第９図および
第１０図は本発明に係わる実験結果を説明するための図
である。 １・・・エンジン、４・・・吸気管、９・・・燃料噴射
弁、１０・・・超音波振動部材、１２・・・霧化部、２
２・・・振幅設定回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）エンジンの吸気管内に配設される超音波振動部材
   と、該超音波振動部材の霧化部に燃料を供給する燃料噴
   射弁と、該燃料噴射弁の駆動信号に同期して所定時間、
   前記超音波振動部材に高振幅の超音波振動を付与し、そ
   の後は前記振動部材に低振幅の超音波振動を付与する振
   幅設定手段とを有し、前記霧化部付近の気流流速が速く
   なる直前に前記燃料噴射弁より燃料噴射を行うことを特
   徴とする内燃機関の燃料供給方法。