JPH0567782B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、内燃機関の燃焼室内に燃料を直接噴
射する燃料噴射弁に関するものである。

〔発明の背景〕

従来、燃料室内に燃料を直接噴射するエンジン
があるが（例えば、特開57−62915号公報）、この
種のエンジンでは燃料噴射時期を圧縮行程の後期
に設定しているため、高い圧縮圧力となつている
燃料室内に燃料を噴射することになり、必然的に
高圧型（25〜200Kg／cm²）の噴射弁を用いなけれ
ばならず、燃料噴射の微細制御に限界があり、ま
た燃料供給系が高価になると共に電子制御が極め
て困難であるという欠点があつた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、燃料噴射の微細制御を可能と
し、さらに燃料供給系の低コスト化および電子制
御化を可能とし得る燃料噴射弁を提供することに
ある。

〔発明の概要〕

本発明は燃料噴射弁の先端に噴射された燃料を
一定期間保持する燃料保持部と、該燃料保持部を
前記燃料噴射から一定期間経過後振動させる超音
波振動子とを設け、該超音波振動子により燃料保
持部内燃料を微粒化して分散させるように構成し
たものである。

〔発明の実施例〕

第１図には、本発明の一実施例が示されてい
る。図において、１はアクセル角度センサ、２は
マイクロコンピユータ、３はクランク角センサ、
４は噴射弁、５は冷却水温センサ、６は空燃比セ
ンサ、７は燃料タンク、８は燃料ポンプ、９は絞
り弁、１０は絞り弁アクチユエータ、１１はエア
フロメータ（Ｈ／Ｗ）、１２は燃料管、１３はプ
レツシヤレギユレータ、１４は点火プラグ、１５
はイグニツシヨンコイルである。

本実施例において、運転者の要求は、アクセル
角度センサ１によつて検出される。この要求は、
マイクロコンピユータ２に入力される。また、ク
ランク角センサ３により検出された回転数もマイ
クロコンピユータ２に入力される。これらの、ア
クセル角度と回転数より、マイクロコンピユータ
２に記憶されているマツプを用いて、燃料量つま
りは、燃焼室内に直接取り付けられた噴射弁４の
噴射量が決定され、出力されるのである。さら
に、マイクロコンピユータ２には、冷却水温セン
サ５と空燃比センサ６の信号も入力されているの
で、噴射弁４の噴射量は、これらふたつの入力値
により補正を加えられた後に出力される。なお、
燃料は、燃料タンク７と燃料ポンプ８を通つて噴
射弁４を供給されている。このときプレツシヤー
レギユレータ１３による燃料圧の補正も行われ
る。

本システムには、さらに、絞り弁９、絞り弁ア
クチユエータ１０、吸入空気流量を検出する熱線
式エアフロメータ（以下Ｈ／Ｗと記す）１１が設
けられている。これは、前述の噴射弁４の噴射量
と回転数より、燃焼室内の混合気濃度が、空気過
剰率λが１よりも希薄側、たとえばλ＝1.2にな
るようにマイクロコンピユータ２に記憶されてい
るマツプで吸入空気量を制御するためのものであ
る。つまり、マイクロコンピユータ２より出力さ
れた吸入空気量になるように、Ｈ／Ｗ１１の出力
を見ながら絞り弁アクチユエータ１０で絞り弁９
を動作させ、閉ループ制御を行うものである。

噴射弁４より燃料が噴射される時の噴射時期
は、噴射弁４の開弁時間つまりは燃料量と、回転
数を基にしたマイクロコンピユータ２内にマツピ
ングされたマツプにより決定され出力される。

本システムには、点火プラグ１４が設けられて
おり、混合気に火花着火するようになつている。
この時の点火時期は、噴射弁４の噴射量と回転数
より決定され、マイクロコンピユータ２よりイグ
ニツシヨンコイル１５を介して点火プラグ１４に
出力される。

つまり本システムは、エンジンの各燃焼室ひと
つひとつに、それぞれ噴射弁４と点火プラグ１４
が設けられており、各燃焼室に噴射された燃料に
点火プラグ１４で着火させるものであり、この噴
射量と噴射時期さらには点火時期をマイクロコン
ピユータ２により各燃焼室ごとに制御するもので
ある。さらには、希薄燃焼を達成するために、絞
り弁９、絞り弁アクチユエータ１０、Ｈ／Ｗ１１
を装着し吸入空気量の閉ループ制御を行うもので
ある。

第２図は、本システムのコントロールユニツト
のハードウエアを示した図である。本システムの
制御回路は、MPU，Ｐ−ROM，RAM，Ｉ／
OLSI，プログラマブルタイマ，Ｈ／Ｗ駆動回路
および出力回路からなる。このＩ／OLSIには、
デイジタル入力として、スタータスイツチ、ニユ
ートラルスイツチ、絞り弁アクチユエータ１０の
ポテンシヨンメータの出力であるスロツトルスイ
ツチ、さらにアナログ入力として、バツテリ電
圧、水温センサ、空燃比センサ、アクセル角セン
サさらに角度信号としてクランク角センサ、気筒
判別信号、さらにＨ／Ｗセンサの各信号が入力さ
れる。なおプログラマブルタイマは、空気流量取
込みタイミングの設定に使用される。またＩ／
OLSIからは、燃料ポンプの制御、低圧噴射弁
（後述）の制御、振動子（後述）の制御、点火時
期制御用のイグニツシヨンコイル制御、絞り弁ア
クチユエータの各制御に用いられる信号が送出さ
れる。

第３図は、第１図における燃焼室の拡大断面図
である。燃料は噴射弁４より燃焼室１６に供給さ
れ、点火プラグ１４で点火される。

第４図は、噴射弁４の構成図であり、燃料は入
口管１８より低圧噴射弁１７に供給される。そこ
で、コイル１９に電圧が印加されると、ボビン２
０がバネ２１の力に打ち勝つて上昇し、これに伴
いニードル２２も上昇する。この時、燃料は噴出
口２３より燃料通路２４中に噴射される。この燃
料通路２４は燃料で充満しているために、噴射時
の燃圧のためにニードル２５がパネル２６に抗し
て上昇する。これにより、燃料は噴射口２７より
燃料だめ２８に噴射される。燃料だめ２８を形成
している振動部材２９の先端には、バランス孔３
０と噴出孔３１が設けられている。燃料だめ２８
に噴射された燃料は、一定時間保持された後に、
振動部材２９を振動子３２により振動させること
により、噴出口３１より燃焼室内に噴出される。
この場合、第４図ｂに示すように、振動部材２９
とシリンダブロツク３３との接触部３４が振動の
節、噴出孔３１が設けられている振動部材２９の
先端が振動の腹となるように、接触部３４より先
端の振動部材２９の寸法が決定されている。な
お、燃料通路２４を形成する燃料管３５と振動部
材２９とシリンダブロツク３３は、接触部３４以
外では接触していない。

第５図は、噴射弁４の先端部の拡大図である。
低圧噴射弁１７より燃料が噴射されることによつ
て燃料通路２４内の燃料圧が、燃料室内の圧力よ
りも大きくなると、ニードル２５がバネ２６の下
向きの力に打ち勝つて上昇し、燃料が噴出口２７
より燃料だめ２８中に噴射される。なお、このニ
ードル２５の先端は、圧縮工程になつて燃焼室１
６の圧力が上昇した時にこの燃焼室圧力によつて
閉じる方向に力が加わるように構成されている。
ところで、燃料が燃料だめ２８中に噴射された後
に振動部材２９の振動により噴出孔３１から燃焼
室内に噴射されるのであるが、この際の噴射を容
易にするために燃焼室１６と燃料だめ２８の圧力
をバランスさせるバランス孔３０が設けられてい
る。このバランス孔３０により、燃焼室１６の圧
力が高まつても燃料だめ２８との間に圧力差が生
じなくなり、燃料は噴出孔３１よりスムーズに噴
射される。

前述したように、燃料は吸気行程等の燃焼室内
の圧力が低い時に燃料だめ２８中に噴射され、あ
る一定時間保持された後に振動により燃焼室１６
に噴出されるので、燃料だめ２８は燃料を一定時
間保持できる構造になつている。これは、次のよ
うな原理を利用したものである。すなわち、第６
図ａに示すように底部に直径ｄの穴があいた容器
に液体を入れた場合、穴から液体が漏れ出すのに
最低必要な圧力差（P₂−P₁）minと穴の直径ｄと
の関係は、液体として水を入れたときは第６図ｂ
の曲線イで示すようなものとなり、ガソリンのと
きは第６図ｂの曲線ロで示すようなものとなる。
具体的には穴の直径ｄを１mmとした場合、この穴
部における表面張力に打ち勝つてガソリンを漏出
させるための最低圧力（P₂−P₁）minは８mmH₂O
であり、８mmの水柱で加えた圧力に相当する。ま
た、穴の直径を0.5mmとした場合の最低圧力（P₂
−P₁）minは15mmH₂O程度である。従つて、燃料
だめ２８の容程を３c.c.程度に大きくしてもバラン
ス孔３０によつて圧力がバランスし、噴出孔３１
から燃料だめ２８内の燃料が漏れ出すことはな
い。

燃料だめ２８内の燃料はこのような原理によつ
て一定時間保持される。

第７図は噴出孔３１の穴数と微粒化流量、処理
時間の関係を説明する図であつて、同図ａに示す
ように振動によつて噴出孔３１から噴出した燃料
量を微粒化流量とすると、振動子３２に印加され
る回路出力と微粒化流量との関係は、同図ｂのよ
うになる。これによると、回路出力が増加し、穴
数が多くなるほど、単位時間当りの微粒化流量が
増加することがわかる。また、同図ｃには、回路
出力と１c.c.のガソリンを噴出するのに要する時間
との関係を示しているが、これによると、回路出
力が増加するほど、また穴数が多くなるほど処理
時間が減少していることがわかる。

以上に示した第６図および第７図の関係によ
り、噴出孔３１の穴径を小さくしてその数を多く
した方が、燃料保持微粒化流量、処理時間に関し
て有利であることが明確である。このため、本発
明の噴射弁４の噴出孔３１は、複数個の穴を設け
た構成にしている。

第８図は燃料が噴出孔３１より出て微粒化され
るところの原理を示す図であつて、同図ａに示す
ように振動部材２９に振動を与えると、これに接
触している燃料にも振動が伝わる。すると、燃料
は同図ｂに示すように、表面張力で孔３１から出
るのをふせがれていたが、振動部材２９が振動し
て燃料も振動することにより、燃料の見かけの慣
性力が増加し、これが表面張力に打ち勝つて噴出
孔３１の下方へ流れるようになる。その後、同図
ｂの斜線部３６に達したときに振動部材２９に生
じている表面波により、励磁されて微粒化され
る。

第９図に、イ燃焼室圧力、ロ低圧噴射弁１７の
開弁時期、ハ振動子３２の振動時期、ニ点火時期
を示している。低圧噴射弁１７は、燃焼室圧力が
低い吸気行程か圧縮工程の初期に開弁し、この開
弁時間で燃料を計量する。その後、一定時間燃料
を保持した後に振動子３２を圧縮行程の中・後期
に振動させて燃料を噴出させ、その直後に点火プ
ラグ１４により点火される。この場合、振動部材
２９は点火後も第９図ハの破線で示すように振動
させておき、燃焼を促進させる。第９図ホには低
圧噴射弁１７が開弁しているときの燃焼室１６の
様子を示しており、ここでは燃焼室１６内に燃料
は噴射されていない。第９図ヘには、振動子３２
が振動していて、燃料が燃焼室１６に噴出されて
いるときの様子を示しており、ここでは点火直前
に燃料を噴出させることにより、点火プラグ近傍
に燃料噴霧を集中させて成層燃焼を可能にしてい
る。このため、振動子３２の振動時期は、ある一
定の短かい時間に行われる。

次に、低圧噴射弁１７に作用する燃料圧力の補
正について説明する。第１０図ａは、イ燃焼室１
６内圧力、ロ吸気管内圧力、第１０図ｂには、ハ
排気弁の開度、ニ吸気弁の開度ｆ／fmaxをそれ
ぞれ示しているが、吸気行程の中期から圧縮行程
の前期の100゜〜120゜B.BDC〜20゜〜60゜A.BDCの間
は、燃焼室内圧力イは吸気管内圧力ロとほぼ等し
くなつている。このときは、吸気弁による圧力損
失分だけ異なつているのみであり、しかもこの圧
力損は非常に小さいため、この期間において両者
はほぼ等しいと考えてよい。ゆえに、低圧噴射弁
１７で燃料を噴射する場合には、吸気管内の圧力
を測定して、燃料圧補正を行えばよいことがわか
る。

第１１図はプレツシヤレギユレータ１３の構造
の一例を示す図であつて、ここではスプリング室
３７に吸気管負圧（絞り弁後流）を導き、燃料圧
を吸気管負圧に対して常に一定圧力差（例えば３
Kg／cm²）になるように保持し、噴射量の計量精度
をあげるように構成している。すなわち、燃料圧
が吸気管負圧に対して一定圧以上の圧力差になる
と、ダイヤフラム３８を押し上げ余分な燃料はリ
ターンパイプ３９を通り燃料タンク７にもどさ
れ、一定圧が差が保たれるように構成している。

第１２図は振動子３２を第９図ハに示したよう
にパルス的に振動させるための回路の一例を示す
図であつて、４０はサイリスタ、４１はダイオー
ドである。ここでは、外部からの同期パルスによ
りサイリスタ４０が導通状態になり、コンデンサ
４２に充電された電荷を放電するが、次にサイリ
スタ４０は逆バイアスされて不導通になるため、
この後はコンデンサ４２、抵抗４３、コイル４
４、振動子３２で形成される供給回路で振動子３
２は自由振動をするようになる。V₁は12〜15V
の直流電圧であり、V₂はトランスを介して与え
られる高電圧である。

第１３図は燃料系、点火系の制御内容を示すフ
ローチヤートであつて、初めに運転者の要求とし
てのアクセル開度θ_aとエンジン回転数Ｎがマイク
ロコンピユータ２に取込まれる。そこで、θ_aとＮ
を基に第１４図ａに示すようなマツプより低圧
噴射弁１７の開弁時間T_fが検索され、この後こ
のT_fとＮを基に第１４図(b)のマツプから吸入
空気量Q_aが検索され、このQ_aに対応して絞り弁
アクチユエータ１０が駆動される。この時実際の
Q_aがＨ／Ｗ１１で測定され、Q_aとQ_a′とが比較さ
れ、その差がなくなるように絞り弁アクチユエー
タ１０が駆動される。なお、このときのマツプ
は、開弁時間T_fに相当する燃料量に対して例え
ばλ＝1.2となるように吸入空気量Q_aがマツピン
グされている。

次に、開弁時間T_fと回転数Ｎを基に第１４図
ｃに示すマツプにより低圧噴射弁１７の噴射用
開始時期T_iojが検索される。なお、第１４図ｃで
は、開弁時期T_iojをクランクアングルのB.TDC゜
で表しており、“進”とはTDCより前に開始時期
が移動することを表し、“遅”とはTDCに近づく
ことを表している。このようにして求められた
T_fとT_iojは、低圧噴射弁１７に対応する制御信号
として出力されるが、この場合のT_fとT_iojは燃料
噴射が第１０図ｂのホで示した期間に開始し、終
了するように決定される。次に開弁時間T_fと回
転数Ｎを基に第１４図ｄに示すようなマツプよ
り振動子３２の振動開始時期T_PZが、また振動子
３２に出力される回路出力W_PZが第１４図ｅのマ
ツプより検索され、振動子３２に対し駆動信号
が印加される。この場合、振動開始時期T_PZに関
しては、前述したように、成層燃焼を達成させる
ために所定の時期にしかも短期間に燃料の霧化を
行わなければならないので、その自由度は少な
く、T_fとＮにより大きく左右されないように定
められている。このため、燃料量が増加した場合
には、第１４図ｅのマツプに示したように、振
動子３２への出力W_PZを大きくすることにより単
位時間当りの微粒化流量を増加して対処するよう
に構成されている。なお、このときの振動子３２
への出力W_PZとは、周波数の増減でも電力量（ワ
ツト数）の増減でも良い。最後に、開弁時間T_f
と回転数Ｎを基にして第１４図ｆのマツプより
点火時期T_igoが検索され、イグニツシヨンコイル
が駆動される。この場合の点火時期T_igoは、燃料
噴射時期の後期がその直後になるように決定され
る。

第１５図は、振動部材２９の先端を多孔質の部
材４５で構成した他の実施例を示すもので、多孔
質のため燃料だめ２８と燃焼室１６の圧力はバラ
ンスしており、燃料も漏れることなく保持され
る。さらに、振動させたときには部材４５の全面
から燃料が微粒化されて噴出するものとなる。

第１６図は、噴射弁４をデイーゼル機関に応用
した例を示す図であり、燃料は燃焼室１６内に直
接噴射されて圧縮着火される。第１７図はこのと
きの噴射弁４の制御パターンを示す図であり、イ
は燃焼室内圧力、ロは低圧噴射弁１７の開弁時
期、ハは振動子３２の振動時期を示している。こ
こでも噴射弁１７の開弁時期は、吸気行程中期か
ら圧縮工定前期の間になつており、振動子３２は
圧縮工程の後期に振動が開始され、燃焼中も続け
て振動させられて燃焼を促進させている。なお、
ニは噴射弁１７の開弁時期における燃焼室１６の
様子を示す図であり、この状態では燃料は燃焼室
１６内には存在しない。第１７図ホは、振動子３
２の振動時期における燃焼室１６のこの状態では
燃料は燃焼室１６に噴射され圧縮着火される。

第１８図は、燃料を噴射弁４で吸気管の吸気ポ
ート４６に噴射する場合の例を示す図であり、第
１９図はその制御パターンを示す図である。この
場合、イ，ロ，ハ，ニの記号は第９図と同じこと
を示し、噴射時期ロは吸気行程中に終了し、振動
時期ハは噴射と同時に燃料が微粒化されるように
決定されている。また、点火時期ニは圧縮行程の
後期に決定されている。第１９図ホに噴射時期の
様子を示しているが、噴射時期は吸気行程後期に
行われるため、噴射された燃料は燃焼室１６の上
部に偏在するようになる。第１９図ヘは点火時期
における様子であり、この時燃料は点火プラグの
近くに集中するようになる。

以上のように、低圧噴射弁によつて燃焼室内の
圧力が低い時に燃料保持部に燃料を噴射して保持
しておくため、計量部は低い燃料圧に耐え得るも
ので良く噴射弁の構成が簡単となつてコストを低
減させられる。また、保持された燃料を圧縮行程
の後期に超音波振動子の振動により微粒化して燃
焼室内に分散させるため、燃焼室内における燃料
噴霧の制御を正確に行うことができる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように本発明によれ
ば、燃焼室内直接噴射型エンジンにおいて、燃料
供給系の低圧化、低コスト化が可能となり、さら
に超音波振動子との組合せにより燃料噴霧の微細
制御が可能となり、成層燃焼が実現でき、燃費の
大幅な低減を図れるなどの優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明が適用されるエンジンの構成の
一実施例を示す図、第２図は制御系のブロツク
図、第３図は第１図における燃焼室の拡大断面
図、第４図は噴射弁の一実施例を示す断面構成
図、第５図は第４図の噴射弁先端部の拡大断面
図、第６図は噴射弁における燃料だめの原理を説
明する図、第７図は噴射弁における噴出孔の穴数
と微粒化流量および処理時間の関係を説明するた
めの図、第８図は燃料微粒化の原理を説明するた
めの図、第９図は燃焼室圧力や噴射弁開弁時期な
どの制御パターンを示す図、第１０図は噴射弁に
作用する燃料圧力の補正について説明するための
図、第１１図はプレツシヤレギユレータの構造の
一例を示す図、第１２図は振動子を駆動する回路
の一例を示す図、第１３図は燃料系および点火系
の制御内容を示すフローチヤート、第１４図は燃
料系および点火系の制御に用いる各種マツプを示
す図、第１５図は噴射弁の振動部材の他の実施例
を示す拡大断面図、第１６図は本発明の噴射弁を
デイーゼル機関に適用した例を示す図、第１７図
はその制御パターンを示す図、第１８図は吸気ポ
ートに噴射する場合の例を示す図、第１９図はそ
の制御パターンを示す図である。 ４…噴射弁、１３…プレツシヤレギユレータ、
１６…燃焼室、１７…低圧噴射弁、１８…入口
管、１９…コイル、２０…ボビン、２１…ばね、
２２，２５…ニードル、２３…噴出口、２４…燃
料通路、２８…燃料だめ、２９…振動部材、３０
…バランス孔、３１…噴出孔、３２…振動子、３
３…シリンダブロツク。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内燃機関の燃焼室内に燃料を直接噴射する燃
   料噴射弁において、先端に噴射された燃料を一定
   期間保持する燃料保持部と、該燃料保持部を前記
   燃料噴射から一定期間経過後に振動させる超音波
   振動子とを設け、該超音波振動子により燃料保持
   部内燃料を微粒化して分散させるように構成した
   ことを特徴とする燃料噴射弁。 ２ 前記燃料保持部に保持部内圧力と保持部外圧
   力とをバランスさせる連通孔が設けられているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の燃
   料噴射弁。