KR20010067148A - 실린더 내부 분사형 내연 기관의 연료 분사 장치 및 연료분사 방법 - Google Patents

실린더 내부 분사형 내연 기관의 연료 분사 장치 및 연료분사 방법 Download PDF

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Abstract

연소실에 연료를 직접 분사하고, 혼합기를 공기 유동으로 안내하는 실린더 내부 직접 분사 엔진에서는 아이들링과 같은 저회전 저부하에 있어서의 연소 안정성을 확보하는 것이 곤란했다. 또한, 다른 영역에서도 배기, 및 연비를 한층 더 향상시키려고 하는 요구가 있다. 본 발명의 엔진에서는 연료를 압축 행정에 복수회로 분할하여 분사한다. 제1 분사에 의해 플러그 주위에 희박한 혼합기를 형성하고, 제2 분사에 의한 가연 혼합기를 점화 플러그 주위에 도달시킨다. 이로써, 효율좋게 성층 연소를 행할 수 있고, 배기, 및 연비 성능을 향상시키는 것이 가능하다.

Description

실린더 내부 분사형 내연 기관의 연료 분사 장치 및 연료 분사 방법{Apparatus and Method for Injecting Fuel into Cylinder of Internal Combustion Engine}
본 발명은 연료 분사 밸브에 의해서 연소실에 연료를 직접 공급하는 실린더 내부 분사형 내연 기관에 관한 것이다.
일본 특허 공개 평11-159382호 공보에는 연료를 연소실 내에 직접 분사하는 연료 분사 밸브(이하, 인젝터라고 함)를 구비하고, 내연 기관(이하, 엔진이라고 함)이 저부하 저회전의 운전 영역에 있을 때, 압축 행정에서 연료를 분사함으로써혼합기를 성층화시켜 연소시키는 실린더 내부 분사 엔진에 있어서, 성층 연소를 실행하는 영역 내에서 엔진의 부하 및 회전수의 적어도 한 쪽이 비교적 높은 운전 영역에 있을 때, 압축 행정에서 연료를 복수회로 분할하여 분사함으로써 성층 운전 영역을 확대하고, 연비를 향상시키는 기술이 기재되어 있다.
또한, 일본 특허 공개 평7-119507호에는 고부하 저회전시의 균일 연소(균질 연소와 같은 의미) 영역에서 연료를 분할 분사하여 1회당의 연료의 분사량을 적게 하여 연료를 효과적으로 무화(霧化) 확산시키고, 양호한 균일 연소를 얻는 기술이 기재되어 있다.
그러나, 상기 종래의 기술에서는 모두 인젝터로서 연료 분무의 침투가 긴 것을 사용하고, 피스톤을 안내부로서 사용하거나 플러그를 직격하고 있다. 그로 인해, 성층 연소 영역에서 분사 연료가 피스톤에 부착되거나, 점화 플러그를 통과하여 연소실 벽면에 부착되어 이론상 만큼 연비의 향상과 에미션의 개선이 이루어지고 있지 않다. 또한, 1회의 연료 분사 타이밍으로 연료를 복수회로 분할 분사해도, 시스템의 성질상 피스톤과 연소실 벽면에 다량의 연료가 접촉해 버리는 문제가 있어, 충분한 연비의 향상과 에미션의 개선이 얻어지지 않는다.
또한, 실린더 내부 분사형 내연 기관에 종래 사용되었던 인젝터는 콘덴서를 포함하는 고전압 발생 장치로 구동되고 있다. 인젝터를 1회의 분사 타이밍 동안에 복수회 개폐 구동하는 경우, 각 분사 동안의 밸브 폐쇄 구간 사이에 콘덴서를 충전할 시간이 필요하여, 분사 간격을 작게 할 수 없다. 그로 인해, 다른 과제로서 엔진의 고회전 영역에서 연소 행정의 시간이 짧은 경우에는 1회의 분사 타이밍 동안에 복수회 분사시킬 수 없다는 문제가 있다.
또, 상기 종래 기술에서는 시동기가 구동되고 있는 내연 기관의 운전 영역에서의 성층 연소에 대해서는 논하고 있지 않다. 이것은 이러한 상태로 성층 연소시켜 연소에 실패하면, 통상의 몇배나 되는 HC가 배출되어 엄격한 유럽의 배기 가스 규제를 지키지 못하게 되므로, 연소에 실패하지 않도록 농후한 공연비로 시동시키는 목적에 따른 것이다.
그러나, 농후한 공연비로 시동하면 그 만큼 HC는 많이 배출된다. 또한, 상기 종래 기술에서는 1회의 연료 분사 타이밍에 복수회 인젝터를 구동하는 데 있어서 전력의 소비가 심한 것에 대하여 고려되어 있지 않다.
본 발명의 목적의 하나는, 성층 연소 영역을 종래보다 넓게 하여 연비의 향상, 및 에미션의 개선을 도모하는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 1회의 분사 타이밍 동안에 복수회 분사시키는 운전 영역을 확대하여 연비의 향상, 및 에미션의 개선을 도모하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 1회의 연료 분사 타이밍에 복수회 인젝터를 개폐 구동해도 전력 소비를 적게 억제하는 데에 있다.
도1은 텀블 안내식 실린더 내부 분사 엔진의 투시도.
도2는 텀블 안내식 실린더 내부 분사 엔진의 단면도.
도3a, 도3b 및 도3c는 일괄 분사와 2회 분사의 분무 특성의 차이를 설명하기 위한 도면.
도4는 각 운전 영역에 있어서의 분사 방법을 설명하기 위한 표.
도5는 회전수와 부하를 기준으로 한 분사 방법 맵을 도시한 그래프.
도6은 분사 방법을 선택하기 위한 흐름도.
도7은 엔진 제어 유닛의 구성을 설명하기 위한 모식도.
도8은 2회 분사에 의한 약성층 혼합기 분포(제1과 제2 분사의 간격이 큼)를 설명하기 위한 도면.
도9는 제1 분사에 의해 생성되는 플러그 방향으로의 공기 유동을 설명하기 위한 도면.
도10은 2회 분사에 의한 약성층 혼합기 분포(제1과 제2 분사의 간격이 작음)를 설명하기 위한 도면.
도11은 크랭크 각도와 플러그 부근의 혼합기 농도의 관계를 설명하기 위한 그래프.
도12, 도12a, 도12b 및 도12c는 분사시의 실린더 내부 압력이 분무에 미치는 영향을 설명하기 위한 그래프와 도면.
도13은 분사 간격 D1의 최적치를 설명하기 위한 그래프.
도14는 분사 비율 T2/T3의 최적치를 설명하기 위한 그래프.
도15는 분사 기간과 연료 유량의 관계를 설명하기 위한 그래프.
도16은 텀블 안내식의 실린더 내부 분사 엔진에 협각(狹角) 분무의 인젝터를 적용한 경우의 설명을 행하기 위한 도면.
도17은 인접 상방 분사식의 실린더 내부 분사 엔진에 2회 분사를 적용한 경우의 설명을 행하기 위한 도면.
도18은 벽 안내식의 실린더 내부 분사 엔진에 2회 분사를 적용한 경우의 설명을 행하기 위한 도면.
도19는 플랫 피스톤형의 실린더 내부 분사 엔진에 2회 분사를 적용한 경우의 설명을 행하기 위한 도면.
도20a 및 도20b는 인젝터의 주요부를 설명하기 위한 도면.
도21a, 도21b 및 도21c는 인젝터의 구성을 설명하기 위한 도면, 인젝터의 제어 회로의 구성을 설명하기 위한 모식도, 및 인젝터의 동작을 설명하기 위한 도면.
도22는 편향 분무형 인젝터의 주요부를 설명하기 위한 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 인젝터
2 : 코일
3 : 플런저
4 : 와류 형성기
10 : 흡기 밸브
21 : 공기 유동 제어 밸브
30 : 엔진
31 : 피스톤
32 : 점화 플러그
50 : 공기 유동
60 : 분무
111 : 배기 밸브
상기 목적 중 어느 하나를 달성하기 위해서, 본 발명의 제1 형태에 따르면, 연료 분사 밸브는 밸브 개방 기동 상태와 그 후의 밸브 개방 유지 상태에서 전자 코일에 흐르는 전류의 상태가 변화하도록 구성하고, 또한 1회의 연료 분사 타이밍동안에, 밸브 개방 기동 상태와 밸브 개방 유지 상태의 사이클이 적어도 2회 반복되도록 구성했다.
본 발명의 제2 형태에 따르면, 연료 분사 밸브에 2개의 전자 코일을 설치하고, 그 분사 밸브의 밸브 개방 기동 상태와 그 후의 밸브 개방 유지 상태에서 2개의 전자 코일에 흐르는 전류의 상태가 절환되도록 구성하고, 또한 1회의 연료 분사 타이밍 동안에, 밸브 개방 기동 상태와 밸브 개방 유지 상태의 사이클이 적어도 2회 반복되며, 그 때마다 전류가 흐르는 상태가 절환되도록 구성했다.
적합하게는, 제1과 제2의 형태에 따른 구성에 있어서, 1회의 분사 타이밍 동안에, 밸브 개방 기동 상태와 밸브 개방 유지 상태의 사이클이 소정의 밸브 폐쇄 구간을 사이에 두고 적어도 2회 반복되도록 구성된다.
본 발명의 제3 형태에 따르면, 연료 분사 밸브는 연료 통로를 개폐하는 밸브 부재와 밸브 시트를 갖고, 또한 이 밸브 시트의 상류에 연료에 선회력을 부여하는 반경 방향 외측으로부터 내측을 향하는 방사상의 연료 통로를 갖고, 해당 연료 통로에는 1회의 연료 분사 타이밍 동안에 적어도 2회의 반경 방향 외측으로부터 내측을 향하는 연료의 흐름이 형성되도록 구성했다.
본 발명의 제4 형태에 따르면, 시동기 구동중에 연료 분사 밸브가 1회의 연료 분사 타이밍 동안에 연료 통로를 적어도 2회 개폐하도록 구성했다.
본 발명의 제5 형태에 따르면, 연료 분사 밸브는 침투가 긴 분무 상태와 침투가 짧은 분무 상태로 절환되도록 구성하고, 성층 연소 상태에서는 침투가 짧은 분무 상태로 절환하고, 균질 연소 상태에서는 침투가 긴 분무 상태로 절환하며, 또한 침투가 짧은 상태에서는 1회의 분사 타이밍 동안에 적어도 2회 연료를 분사하도록 구성했다.
본 발명의 제6 형태에 따르면, 연료 분사 밸브는 연료 분사 구멍부에 연료 분무를 플러그의 방향으로 변경하는 변경 요소를 포함하고 있고, 또한 해당 변경 요소로부터 점화 플러그를 향해서 1회의 분사 타이밍 동안에 적어도 2회 연료를 분사하도록 구성했다.
본 발명의 제7 형태에 따르면, 흡기 포트에 설치한 공기 유동 생성 장치에 의해 연소실 내에 공기 유동을 생성하고, 연료 분사 밸브로부터 연소에 필요한 연료를 복수회로 분할하여 분사하고, 공기 유동으로 복수회의 연료 분무를 점화 플러그 방향으로 안내하도록 구성했다.
본 발명이 적용되는 실린더 내부 분사 엔진의 하나의 시스템 예를 도1 및 도2에 도시한다.
엔진(30)에는 2개의 흡기관(A, B)과, 이들을 각각 상하로 구획하는 판(20)과, 이 판(20)의 개시점에 공기 유동 제어 밸브(21)를 설치했다. 이들에 의해, 연소실 내에 흡기 밸브(10)측으로부터 배기 밸브(11)측, 피스톤(31)으로 향하는 순서로 텀블 공기 유동(50)을 형성하도록 구성했다.
공기 유동(50)의 강도는 전자 제어되는 액튜에이터(21A)로 링크(21B)를 거쳐서 공기 유동 제어 밸브(21)의 개방도를 제어함으로써 변화시킬 수 있도록 구성했다. 텀블 공기 유동(50)을 보유 지지하기 쉽도록, 피스톤(31)의 상면에는 텀블 공기 유동을 안내하는 텀블 보유 지지홈(50A)을 형성했다.
점화 플러그(32)는 연소실 중앙부에 배치하고, 연소실 내에 연료를 직접 분사 공급하는 인젝터(1)는 연소실에 설치된 2개의 흡기 밸브(10) 사이에 연료 분사 구멍을 실린더측으로 하여 수평으로부터 약 30도 상방으로 경사시켜 배치했다.
인젝터(1)는 전자 코일을 구비한 전자 밸브로 구성하고, 엔진 제어 유닛(이하, ECU라고 함)(41)으로부터의 제어 신호에 의해 개폐 제어하도록 구성했다.
ECU(41)로부터의 연료 분사 제어 신호가 인젝터 구동 회로(40)에 입력되면, 뒤에 상세하게 기술하는 인젝터(1)의 전자 코일(2)이 배터리(VB)에 의해 압박된다. 이로써, 플런저(3)가 인상되어 플런저(3)의 선단에 부착되어 있는 밸브 부재(3a)가 밸브 시트(도시 생략)로부터 이격되고, 도시하지 않은 고압 펌프로 가압된 고압 연료가 연소실 내에 분사된다.
연료는 인젝터(1)의 밸브(3a)의 상류에 설치한 와류 형성기(4)에 의해 선회력이 부여되어 분사된다. 그로 인해, 연소실내 압력이 낮은 흡기 행정 분사에서는 중공의 원뿔 분무로 된다. 한편, 연소실내 압력이 높은 압축 행정 분사에서는 분무가 눌려서 중실(中實) 분무로 된다.
본 실시예에서는, 성층 연소 영역에 있어서는 도면에 도시한 바와 같이 선행하여 분사된 분무(60a)가 플러그(32) 방향으로 확산되어 플러그(32) 부근에서 머무르고, 다음에 분사된 분무(60b)를 불씨로서 연소하도록 구성했다.
도면중, 도면 부호 32a는 점화 코일을 나타내고, ECU(41)로부터의 점화 신호를 받아 점화 플러그(32)에 점화용 스파크를 발생시킨다.
도3a, 도3b에 기초하여 본 발명의 개요를 설명한다. 본 발명에서는 압축 행정에 있어서 매우 근접한 시간 간격으로 연료를 복수회로 분할하여 분사한다.
와류 형성기 부착 인젝터로 일괄 분사한 경우, 즉 1회의 연료 분사 타이밍 동안에 1회의 밸브 개방으로 연소에 필요한 연료를 일괄 분사한 경우의 분무는 도3a와 같이 L1의 침투(관통성)를 갖는다. 한편, 동일한 분사량을 2회로 분할하여 분사한 경우는 도3b에 도시한 바와 같이, 일회당의 분사량이 적어지므로 분무의 침투가 작아진다.
제1 분사의 침투(L2)와 제2 분사의 침투(L3)가 긴 쪽을 일괄 분사의 침투(L1)와 비교하면, 전자의 침투 L2(L3) 쪽이 짧다.
그리고, 밸브의 상류에 와류 형성기를 구비하고 있지 않은 인젝터와 동일한 비교를 행하면, 동일한 연료 공급량, 동일한 연료 압력의 경우, 밸브의 상류에 와류 형성기를 구비한 본 발명 쪽이, 동일한 분사량을 2회로 분할하여 분사한 경우의 침투가 짧아지는 정도가 컸다.
또한, 동일 압력 분위기속에서 연속 2회 분사를 실시하면, 제1 분사의 분무(60a)가 직진력을 상실하여 체류하고 있는 부분에 제2 분사(60b)가 중합되도록 하여 도달하고, 전체적으로 좁은 영역에 고농도로 분무가 체류하는 것을 확인할 수 있었다.
그러나, 실제의 연소실에서는 제1 분사(60a)와 제2 분사(60b)가 분사되는 타이밍에 있어서의 연소실내 압력은 다르다. 제1 분사(60a)의 시점에 있어서의 압력 쪽이 제2 분사(60b)의 시점에 있어서의 압력보다 낮다.
그런데, 와류 형성기를 구비한 인젝터에서는 분위기 압력이 낮으면 중공 원뿔 분무로 되고, 분위기 압력이 높으면 중실의 소형의 분무로 된다.
이에 따라, 실제 기계에서는 도3c와 같이 저압 상태의 연소실에 분사된 중공 원뿔 분무의 제1 분사의 분무(60a)는 가벼우므로, 공기 유동을 타고 넓게 분포한다. 계속해서, 비교적 고압 상태의 연소실에 분사된 중실의 제2 분사의 분무(60b)는 비교적 연료 입자가 무겁고, 또한 공기 유동이 약해져 있으므로, 선행한 제1 분사(60a) 정도로는 확산되지 못하고 플러그의 주위에 집중된다.
이 분위기 압력차에 의해 플러그 주위에 농후한 혼합기층, 그 주위에 희박한 혼합기층이라는 이상적인 혼합기가 형성되었다.
또한, 분사 기간(T1)이 2m/초를 넘는 긴 경우에는 와류 형성기 부착 인젝터로부터 분사된 중공 원뿔 분무는 분무 내외의 압력차에 의해서 분무가 범종 형태로 되고, 연료 분무의 확산 각도(θ1, θ2)가 협각화되어 분무의 분산이 억제된다. 이에 대하여, 복수회로 분할하여 분사하면 1회당의 분사 기간이 단축되고, 분무의 확산 각도의 협각화를 방지할 수 있으며, 연료를 넓게 분산시킬 수 있다(θ1<θ2).
와류 형성기 부착 인젝터에서는 일괄 분사로 하거나, 또는 2회로 분할하여 분사함에 의해서 연료의 확산 각도를 제어할 수 있다.
도4에 본 발명에 의한 분사 방법의 패턴을, 그리고 도5에 본 발명을 실시한 실린더 내부 분사 엔진의 운전 영역을 도시한다. 도5에서 횡축이 회전수, 종축이 부하이며, ①, ②는 균질 운전의 영역을, ③은 약성층 운전의 영역을, 또한 ④, ⑤는 성층 운전을 행하는 영역을 각각 나타낸다.
①의 고부하 고회전의 균질 운전 영역에서는 단시간에 다량의 연료를 분사할 필요가 있다. 이로 인해, 도4의 (1)과 같이 흡기 행정에서 일괄 분사, 또는 배기 행정으로부터 흡기 행정에 걸쳐서 일괄로 분사한다. 고회전 고부하에서는 연소실 내의 공기 유동이 강하고, 분무가 흡기 밸브측에 집중되어 공기 이용율이 나쁘지만, 배기 밸브측까지 도달하여 혼합을 촉진할 수 있도록 관통력이 강한 일괄 분사를 행함으로써 출력의 향상, 및 연비의 개선을 도모한다.
②의 고부하 저회전의 영역에서는 도4의 (2)에 도시한 바와 같이, 흡기 행정에 복수회로 분할하여 연료를 분사한다. 이로써, 분무의 침투를 저감하고, 배기측 실린더 벽면과 피스톤 관면(冠面)에의 연료 부착을 저감한다. 또한, 1회당의 분사 기간을 단축함으로써, 제1 분사(60a)의 분무각을 확대하여 혼합을 촉진할 수 있다.
③은 약성층 운전 영역에서 도4의 (3)에 도시한 바와 같이 흡기 행정과 압축 행정에 분할하여 분사한다. 흡기 행정 분사에서 주위에 희박 혼합기를 형성하고, 압축 행정 분사의 분무를 점화를 위한 불씨로 하여 약성층 연소를 달성한다.
④는 성층 운전 영역인데, 그 중에서도 비교적 고회전 영역이며, 도4의 (4)에 도시한 바와 같이 압축 행정에서 일괄 분사하여 성층 연소한다.
⑤의 저부하 저회전의 성층 운전 영역에서는 도4의 (5)에 도시한 압축 행정에 있어서의 복수회 분사의 연료 분무를 공기 유동으로 안내한다. 이에 따라, 종래의 어떠한 엔진이라도 성층 연소에 의한 안정 연소가 곤란해지는 영역에 있어서, 성층 연소에 의한 안정 연소를 실현할 수 있었다. 그 결과, 종래보다 성층 연소영역이 확대되어 연비 저감과, 에미션의 개선이 도모되었다.
도4의 (5)에 도시한 압축 행정 복수회(2회) 분사에서는 도8에 도시한 바와 같이 제1 분사는 압축 행정의 전기에서 중기에 행하고, 플러그 근방에 희박 혼합기층(60a)을 형성한다. 계속해서, 제2 분사를 압축 행정의 중기로부터 후기에 행하고, 분무(60b)가 점화 플러그에 도달한 때 점화하여 연소시킨다. 점화 플러그에 가연 혼합기층, 그 주위에 희박한 혼합기층, 또한 외측에 공기층이 있음으로써 혼합기가 효율좋게 연소된다. 또한, 벽면에 혼합기가 존재하지 않으므로, 화염 전파되지 않은 퀀치층으로부터의 HC의 생성이 감소되어, HC의 배출량을 저감할 수 있다.
이 경우, 제2 분사는 압축 행정의 후기의 공기 유동이 매우 약한 상황에 있어서 행해지므로, 종래의 시스템이면 분무가 플러그까지 도달하는 관통력을 갖지 못한다. 그러나, 본 발명에서는 앞서 설명한 이유와, 도9에 도시한 바와 같이 제1 분사가 플러그 방향으로의 유동을 생성하므로, 제2 분사는 이 유동에 이끌리는 작용의 두 가지 이유로 인해 점화 플러그까지 도달할 수 있다. 이로써, 안정 연소 영역이 확대되고, 연비가 더욱 향상된다.
도4의 (5)에 도시한 압축 행정 2회 분사에서 제1 분사와 제2 분사의 타이밍을 매우 근접한 시간(1.5 ms 정도)으로 하면, 도10과 같이 혼합기가 플러그를 통과하는 시간을 연장할 수 있다.
텀블 공기 유동에 의해 연료를 점화 플러그까지 반송하는 소위 텀블 안내 엔진에서는 혼합기가 점화 플러그를 통과하는 기간에서만 점화를 행할 수 있다. 그로 인해, 제1 분사와 제2 분사의 타이밍을 최적화하면, 분무가 연속해서 2회 통과하여 그 양 쪽의 타이밍으로 점화하는 것이 가능해지고, 연소 안정 영역이 확대된다.
이상과 같이, 압축 행정 복수회 분사에서는 제1 분사와 제2 분사의 간격을 제어함으로써, 혼합기의 약성층화에 따른 연비 향상[도11의 혼합기 곡선(60)]과, 혼합기의 플러그 통과 시간 연장에 따른 연소 안정 영역 확대[도11의 혼합기 곡선(61)]라는 2개의 효과가 얻어진다.
또, 시동시에 촉매가 충분히 워밍 업되어 있지 않은 상황에서는 도4의 (6)에 도시한 바와 같이 압축 행정과 팽창 행정에 연료를 분사한다. 압축 행정에서 희박 연소시키고, 팽창 행정에 연료를 분사하고, 제1 연소에서의 잉여 공기와 연소에 의한 열로 2번째의 분무를 연소시켜 배기 온도를 향상, 촉매의 워밍 업 시간을 저감한다. 촉매의 조기 활성화에 의해 배기 정화가 가능해지므로, 배기의 저감 효과가 있다.
이러한 영역에서는 공기류 그 자체가 적어 공기 유동에 의한 연료 안내 효과가 낮으므로, 연료 분사 기간을 다른 2회 분사 영역의 분사 기간보다 길게 하고 침투를 길게 하여 플러그 주변에 이르기 쉽게 한다.
시동을 행하고 있을 때라도 시동기로 엔진을 구동하고 있는 저회전 영역에서는 피스톤이 압축 행정 도중에 정지하고 있는 기통에 연료를 분사하여 연소를 개시한다. 이 경우, 본 발명의 1분사 타이밍 복수회 분사를 이용하면, 최초의 연소부터 성층 연소로 시동을 행할 수 있어, HC의 발생이 적고, 연비가 좋은 직접 연료분사 장치를 얻을 수 있다.
통상, 시동시는 연료 압력이 낮고 분사율이 낮으므로, 분사 기간을 통상 운전시의 수배로 길게 할 필요가 있다. 이로 인해, 종래의 직접 연료 분사 장치에 있어서는 연료 분무의 침투가 너무 길어져서 대향 벽면에의 연료 부착이 발생하거나, 또는 연료가 점화 타이밍시에 점화 플러그 위치를 통과하거나 했다. 또한, 이러한 운전 상태에서는 연료의 압력이 낮고 연료의 미립화도 불충분하다는 문제도 있어 성층 연소를 실현하지 못하며, 균질 연소로 시동하고 있었다.
본 실시예에서는 하나의 연료 분사 타이밍으로 인젝터를 2회 구동하고, 1회의 분사 연료를 분할하여 분사한다. 이로써, 침투를 저감할 수 있고, 대향 벽면에의 연료 부착을 방지할 수 있다. 또한, 연료량이 적은 만큼 낮은 압력에서도 연료가 충분히 무화되고, 최초의 연소부터 성층 연소로 시동을 행하는 것이 가능해진다.
도7에 도시한 바와 같이, ECU(41)는 엔진에 부착된 각종 센서로부터 엔진 냉각수 온도, 엔진 윤활유 온도, 엔진 회전수, 부하, 드로틀 밸브 개방도, 크랭크축의 회전 각도, A/F(공연비 센서 출력 또는 산소 농도 검출기 출력) 등의 신호를 받아 엔진의 상태를 판정한다. 또, ECU는 도6의 흐름도로 분사 방법을 선정하고, 분사 시기, 분사 기간, 점화 시기 등을 인젝터 구동 회로(40)와 점화 회로(32a)에 출력한다. 도2의 도면 부호 32b가 점화 코일을 나타낸다.
균질 운전시에는 2회의 분사 시기에서 연소실 압력은 거의 변화하지 않지만, 성층 운전시에는 도12에 도시한 바와 같이 연소실 압력이 변화한다. 또한, 그 변화 비율은 분사 시기나, 회전수, 흡입 공기량의 함수가 되므로, 조건에 맞는 분사 간격이 요구된다.
분사 간격(시간)이 동일한 경우, 도12b에 도시한 상태를 기준 조건으로 하면, 흡입 공기가 많은 도12a와 같은 조건에서는 2회째의 분사시의 연소실 압력이 높아 소형의 분무로 된다. 그로 인해, 1회째의 분무와 2회째의 분무의 사이가 개방되어 분리될 가능성이 있다. 저회전의 도12c와 같은 경우는 압력 변화가 적으므로, 분무의 정상 시험에 가까운 결과가 얻어진다고 생각된다.
연소에 적합한 혼합기를 얻기 위해서 도13에 도시한 바와 같이 회전수, 흡입 공기량이 커지고, 또는 분사 시기가 늦어짐에 따라서 제1, 제2 분사 사이의 분사 중지 간격(D1)을 단축한다. 단, D1은 인젝터에 전력을 공급하는 승압 회로의 콘덴서의 충전에 필요한 시간(약 1.5 ms) 이하로 되어서는 안된다.
도14에 도시한 바와 같이 회전수, 흡입 공기량이 커지고, 또는 분사 시기가 늦어짐에 따라서 T2/T3를 작게 한다. 즉, T3를 연장한다. 단, T2는 도15에 도시한 무효 분사 펄스폭 이하로 되어서는 안된다.
도15는 분사 기간과 연료 유량의 관계를 도시하고 있고, 거의 비례 관계에 있음을 알 수 있다. 그러나, 분사 기간을 단축하면 인젝터의 플런저의 밸브 개방까지의 지연이나, 플런저의 동작이 불안정해지는 것 등이 원인으로 유량에 직선성을 얻지 못하는 영역이 출현한다.
직선성을 얻을 수 없는 영역의 분사 기간을 무효 분사 펄스폭이라 일컫고, 이 영역은 사용하지 않는다. 이 영역에 분사 펄스폭(분사 기간)이 속하는 경우는연료 압력을 낮게 설정하고 유량을 저감하며, 그 만큼 분사 펄스폭을 길게 하여 대응한다.
제1 실시예의 엔진에 있어서는 플러그에 도달할 수 있는 분무각을 얻기 위해서, 광각(廣角) 분무형의 인젝터인 와류 형성기 부착 인젝터를 이용했다. 그리고, 비교적 긴 침투가 요구되는 저회전 저부하의 영역에서는 압축 행정에 있어서의 복수회 분사를 적용했다.
제2 실시예를 도16에 도시한다. 이 실시예에서는 비교적 긴 침투를 확보할 수 있는 협각 분무 또는 중실 분무형의 인젝터를 사용하고, 저회전 저부하의 분사 기간이 짧은 조건에서는 1분사의 타이밍으로 1회 분사로 한다. 또한, 중회전에서 침투가 너무 길어져서 벽면에의 부착이 문제가 되는 영역에서는 1분사의 타이밍으로 2회 분사로 했다.
협각 분무형 인젝터를 사용함으로써, 균질 고부하 조건에서도 흡기 밸브로부터의 강한 하강류에 지지 않고, 분산되기 쉬운 연료 분무 상태를 형성할 수 있었다.
저부하 조건에서는 분사 펄스가 짧으므로, 분사를 2회로 분할하면 1회의 분사 펄스폭이 무효 분사 펄스폭 이하로 될 가능성이 있다. 이러한 영역에서는 연료 압력을 낮게 하고 분사 펄스폭을 길게 하는 것이 유효하다.
제3 실시예를 도17에 도시한다. 이것은 인젝터를 엔진 헤드의 측면이 아니라, 연소실 중심부의 점화 플러그 옆에 배치한 구조이다. 성층 운전에서는 압축 행정에 있어서의 2회 분사에 의해 침투를 억제할 수 있다. 그로 인해, 피스톤 관면에의 부착을 저감할 수 있고, 혼합기를 2층화할 수 있으며, 이상적인 혼합 상태를 얻을 수 있다.
또한, 연소실 중심으로부터 분사하고 있으므로 분무가 통과하지 않고 혼합기가 중심부에 머물러 넓은 분사, 점화 시기에서 안정 연소할 수 있다. 균질 운전에서는 연소실의 형상에 맞는 분무 형상이 되므로, 공기를 유효하게 이용할 수 있다. 균질 운전에서도 압축 행정에 있어서의 2회 분사에 의해, 침투 억제에 의한 벽면에의 연료 부착의 저감, 및 분무 확대에 따른 혼합의 촉진이 가능하다.
승압기에 의해서 배터리 전압을 승압하여 고전압을 코일에 인가함으로써 밸브 개방하는 인젝터에서는, 근접한 단시간에 복수회 인젝터를 밸브 개방하기 위해서는 분사 간격을 넓게 설정할 필요가 있다. 이것은 배터리 전압으로부터 전압을 충전하기 위한 시간이 필요하기 때문이다. 충분히 전압이 충전되지 않은 경우, 2회째의 밸브 개방이 지연되어 필요 분사량을 얻지 못할 가능성이 있다. 통상 약 1.5 ms 이상의 간격이 필요하다.
배터리 전압으로 구동 가능한 인젝터를 사용한 경우, 전압 충전이 필요없으므로, 매우 근접한 시간 간격으로 복수회 분사를 행할 수 있다. 이 경우, 성층 운전의 고회전 영역에서도 압축 행정에 있어서 근접하여 2회 분사하여 안정 영역의 확대를 도모하는 것이 가능하다.
또한, 상기 방법은 42 V 배터리 탑재의 엔진에 있어서는 더욱 작은 펄스폭이라도 연료 유량이 불안정해지지 않으므로, 저부하 영역에서도 연료 압력을 떨어뜨리지 않고 복수회의 분사를 가능하게 할 수 있다.
이상의 실시 형태는 공기로 혼합기를 안내하여 성층화하는 엔진에 관하여 기재했지만, 본 발명은 피스톤 캐비티(180)로 혼합기를 안내하는 도18과 같은 구성에도 적용 가능하다.
도19에 도시한, 관면이 편평한 피스톤을 구비한 실린더 내부 분사 엔진에서는 인젝터(1)로부터 분사된 연료를 점화 플러그(32)에 직격시켜 혼합기를 형성한다.
인젝터(1)는 실린더 내부 압력의 변화에 따라 분무 형상이 변하기 어려운 예를 들어 중실 분무형 인젝터를 사용한다. 특히, 점화 플러그 방향의 분무각이 변화하지 않는 것이 중요하며, 이로써 분사 시기, 회전수의 영향을 받지 않고 점화 플러그에 연료를 도달시킬 수 있다.
또한, 피스톤은 캐비티를 갖지 않은 편평한 형상이므로, 피스톤 관면의 냉각 손실, 흡기 손실을 저감할 수 있고, 연비 향상을 도모할 수 있다.
이 구성의 엔진에서는 분무가 점화 플러그를 통과하는 시간이 짧다. 그러나, 1분사 타이밍으로의 분사를 복수회로 분할하고, 그 제1회째와 2회째의 간격을 적절하게 설정함으로써, 점화 플러그에 혼합기가 존재하는 시간을 연장하여 연소 안정 영역을 확대할 수 있다.
또한, 1분사 타이밍으로의 분사를 복수회로 분할함으로써 침투를 짧게 할 수 있다. 그로 인해, 배기 밸브측의 벽면에의 연료 부착을 저감할 수 있고, 연비, 및배기를 개선할 수 있다.
실시예는 와류 형성기 부착 인젝터, 중실 분무형 인젝터에 관하여 기술했지만, 본 발명은 홀 노즐형의 인젝터나 플레이트 노즐형의 인젝터 등도 사용할 수 있다.
실시예는 분사를 2회로 분할한 예를 기술했지만, 그 이상의 횟수로 분할해도 좋다.
다음에, 본 발명에 사용하는 와류 형성기 부착 인젝터와, 배터리 전압으로 구동되는 인젝터의 상세 구성을 도20a, 도20b, 및 도21a, 도21b, 도21c에 기초하여 설명한다.
도20a는 인젝터의 노즐 선단 부분의 확대도이며, 본 발명에 관한 와류 형성기(117)가 도시되어 있다. 와류 형성기(117)에는 축방향 홈(212)과, 직경 방향 홈(221)과, 또한 직경 방향 홈(221)의 출구 부분에 환형실(251)이 형성되어 있다.
축방향 홈(212)은 와류 형성기(117)의 원통의 측면을 2개의 평행한 평면으로 절취한 평면과, 노즐의 통형 내주면으로 둘러싸인 단면 반달형의 통로로 형성된다.
이들 축방향 홈(212)과 직경 방향 홈(221)은 상방으로부터 도입되는 연료의 통로이다. 축방향 홈(212)을 통과한 연료는 직경 방향 홈(221)에 의해서 밸브 축심에 대하여 편심하여 밸브 시트 상류의 선회실(231)에 도입된다. 이에 따라, 연료에 소위 선회력이 부여된다.
여기서, 노즐(208)로부터 분사된 연료 분사의 확산 각도, 즉 분사각은 와류 형성기(117)에 형성하는 직경 방향 홈(221)의 오프 셋(L)[밸브 축심과 홈의 중심 사이의 거리: 도20b에 도시함]이나, 홈의 폭, 깊이를 조정함으로써 조정할 수 있다. 직경 방향 홈(221)의 오프 셋(L)이 작은 경우나, 또는 홈의 폭과 깊이를 크게한 경우에는 선회류를 발생시키기 쉬워지는데, 환형실(251)은 이 선회 연료의 변동분을 완화하는 효과가 있다.
환형실(251)은 그 하류의 연료 선회실(231)에 비해 직경이 크다. 그래서, 직경 방향 홈(221)을 통과하는 연료의 유속을 낮춘 경우라도, 이 직경 방향 홈(221)의 오프 셋(L)을 크게 하면 선회력을 증대시킬 수 있다. 그 결과, 선회실을 유효하게 사용할 수 있다. 이로써, 미연에 변동분을 회피할 수 있는 동시에, 연료의 혼합을 적극적으로 촉진할 수 있다.
1회의 분사 타이밍으로 밸브(116)가 밸브 시트(210)로부터 2회 이격되면, 연료는 그 때마다 종방향 통로(212), 직경 방향 홈(221), 환형실(251), 선회실(231), 분사구(190)로 흘러 연소실 내에 분사된다.
제1 분사와 제2 분사 사이의 밸브 폐쇄 구간에서는, 연료는 한결같이 환형실(251)에 체류하여 제2 분사의 초기부터 확실하게 분사가 발생하도록 대기하고 있다. 이 환상홈이 없는 경우, 밸브가 단시간 동안에 개폐를 반복하면, 연료의 공급이 그에 미치지 못해 연료 부족을 발생시키는 경우가 있다.
본 발명에 사용하는 연료 분사 밸브는 1회의 분사 타이밍 동안에 복수회, 직경 방향 통로(221)를 통해서 직경 방향 외측으로부터 내측을 향해 연료가 공급된다. 이 경우도, 고속의 분할 분무에 의해서도 전혀 연료의 선회 작용에 변화가 없고, 연료 분사구로 안정된 미립화 작용을 얻을 수 있으며, 고압의 연소실 내로의 안정된 연료 분사가 가능해졌다.
이리하여, 본 발명의 연료 분사 밸브에서는 와류 형성기를 갖지 않은 인젝터에서는 실현되지 못하는 분할 분사에서의 연료 미립화 효과와, 고속 밸브 구동에 대한 연료 공급 응답성을 얻을 수 있었다.
다음에, 도21a, 도21b, 도21c를 이용하여 본 발명에 유용한 인젝터 및 연료 분사 장치의 일 실시예에 대하여 설명한다.
도21a는 인젝터(1)의 전체 구조를 도시한 단면도(선단 노즐부의 확대도는 도20a에 도시함)이고, 도21b는 연료 분사 장치[인젝터(1)와 인젝터 구동 회로(40)]의 배선 구성을 도시한 모식도이다.
우선, 도21a를 이용하여 인젝터(1)의 구조를 설명한다. 인젝터(1)는 연료 펌프로부터 가압된 연료가 공급되어 있고, 밸브 부재를 이루는 볼 밸브(116)와, 요오크 케이싱(114)측에 형성된 시트면(밸브 시트면)(210)과의 사이에서 연료 통로의 개폐를 행하며, 연료 분사 구멍(190)으로부터의 연료의 분사량을 제어하고 있다.
볼 밸브(116)는 플런저(115)의 선단에 부착되어 있고, 시트면(210)의 상류 근방에는 연료 미립화를 위한 와류 형성기(117)가 구비되어 있다.
볼 밸브(116)의 구동력을 발생하는 수단으로서, 인젝터(1)에는 제어 코일(111)과 홀드 코일(112)이 구비되어 있다. 이들 코일이 통전되면 자속이 발생하고, 코어(113), 요오크(114)와 플런저(115)를 통과하는 자로가 형성된다. 그 결과, 코어(113)와 플런저(115)가 대향하는 단부면 사이에 흡인력이 발생한다.
이에 따라, 플런저(115) 및 볼 밸브(116)가 시트면(210)으로부터 이격되는 방향으로(도면에서는 우측으로) 변위하여 연료가 분사된다. 또한, 제어 코일(111)과 홀드 코일(112)에 의한 흡인력이 없을 때(무통전 상태)는 복귀 스프링(118)의스프링력으로 플런저(115)를 거쳐서 볼 밸브(116)가 시트면(210)에 압박되고, 인젝터(1)는 밸브 폐쇄 상태로 된다.
제어 코일(111)과 홀드 코일(112)의 일단부는 전기적으로 접속되고, B단자로 되어 있다. 또한, 제어 코일(111)의 또 다른 일단부는 C단자로 되고, 홀드 코일(112)의 또 다른 일단부는 H단자로 되어 있다.
B단자에 배터리의 플러스 단자를 접속하고, C단자, H단자를 배터리의 마이너스 단자에 접속하면, 제어 코일(111)과 홀드 코일(112)에 동일한 방향(서로 강해지는 방향)의 자속이 발생하도록 2개의 코일의 감김 방법, 및 배선이 설정되어 있다. 또, 도면에서는 배선의 배치를 모식적으로 도시하고 있다.
다음에, 도21b를 이용하여 인젝터 제어 회로(100)의 배선 구성을 설명한다. 동도면중, 인젝터(1)에 대해서는 코어(113)와 제어 코일(111)과 홀드 코일(112)이 기재되어 있다.
인젝터 제어 회로(100)에는 배터리(VB)로부터 배터리 전압이 공급되고 있고, 엔진 제어기(41)로부터의 분사 신호에 기초하여 제어 코일(111), 홀드 코일(112)에의 통전 제어를 행한다.
인젝터 제어 회로(100)에는 홀드 코일(112)에의 통전 제어를 행하는 홀드 코일 트랜지스터 온/오프 회로(104)와, 제어 코일(111)에의 통전 제어를 행하는 제어 코일 트랜지스터 온/오프 회로(114)가 있다.
이들 트랜지스터 온/오프 회로는 홀드 코일 전류 검출 저항(103R), 제어 코일 전류 검출 저항(113R)으로 검출된 각각의 코일에의 전류 정보를 공유한다. 각각의 트랜지스터 온/오프 회로는 이들 정보와, 엔진 제어기(41)로부터의 분사 신호를 기준으로 한 신호 처리 회로(120)의 출력에 따라서, 홀드 코일용 파워 트랜지스터(102t), 제어 코일용 파워 트랜지스터(112t)에 통전 신호를 보낸다.
홀드 코일용 파워 트랜지스터(102t), 제어 코일용 파워 트랜지스터(112t)가 온이 되면, 홀드 코일(112)과 제어 코일(111)에 배터리(VB)의 전압이 인가되게 된다. 101R, 111R은 각각 홀드 코일(112)과 제어 코일(111)의 내부 저항 및 구동 회로의 등가 저항이다.
제어 코일(111)과 홀드 코일(112)은 각각 다른 전기 특성으로 되어 있다. 이것은 제어 코일(111)과 홀드 코일(112)이 각각 밸브 폐쇄·밸브 개방·밸브 개방 유지·밸브 폐쇄의 각 단계에 있어서의 역할이 다르기 때문이다. 제어 코일(111)은 이 실시예에 있어서는 한결같이 밸브 개방 초기 상태에서 사용하는 코일이고, 홀드 코일(112)은 밸브 개방 유지 상태에서 사용하는 코일이다.
이하, 각각의 코일의 차이를 기술한다. 우선, 밸브 개방시에 코일에 요구되는 특성을 이하에 제시한다.
밸브 개방시에는 전술한 복귀 스프링(118)에 의한 세트 하중과, 가압된 연료에 의한 연료 압력이 볼 밸브에 작용하므로, 밸브 개방 동작에 대하여 큰 저지력이 작용한다. 전자력이 이들 힘을 이겨내는 크기에 도달한 시점에서 처음으로 플런저(115)가 변위를 시작한다. 따라서, 힘을 발생하는 데 필요한 시간은 밸브 개방 지연에 영향을 미치므로, 가능한 한 짧게 할 필요가 있다.
기자력은 코일의 감김수 N(T)에 유입 전류 I(A)를 곱한 값(U)(=NI)이며, 미소 시간(△t)에 도달할 수 있는 자기력의 평가에 적용할 수 있다.
구동 회로의 내부 저항이 제로인 경우는 감김수를 적게 하면 할수록 인덕턴스 성분과 저항 성분이 작아져서 많은 전류가 흐르고, 결과적으로 미소 시간(△t) 동안에 도달할 수 있는 기자력은 커진다.
기자력은 코일의 감김수가 감소하면 감소하는데, 코일의 인덕턴스가 감김수(N)의 2승에 비례하므로, 감김수의 감소에 따른 기자력의 감소보다도 인덕턴스의 감소에 의한 전류의 증가가 큼을 알 수 있었다. 즉, 배터리 전압 등, 저전압으로 구동하여 밸브 개방시에 큰 자기력을 얻기 위해서는 감김수로 기자력을 얻기보다 전류로 기자력을 얻는 쪽이 응답성 향상에는 바람직하다고 생각된다.
그러나, 실제로는 구동 회로에는 내부 저항이 존재하여 도달 기자력의 최대치에 제한을 가하는 동시에, 적합한 감김수가 구동 회로 내부 저항치에 따라 변화한다.
또, 전류 흐름의 용이함은 인젝터 내의 코일 뿐만 아니라, 제어 회로측의 내부 저항, 스위칭 장치의 저항, 전압 강하에도 영향을 받는다. 이로 인해, 제어 회로측의 내부 저항, 스위칭 장치의 저항, 전압 강하는 매우 작게 할 필요가 있다.
밸브 개방시의 코일, 즉 본 실시예의 제어 코일(111)과, 이 코일(111)의 파워 트랜지스터(112t)는 이하와 같이 구성한다.
우선, 제어 코일(111)의 권선 직경은 저항율이 작은 굵은 권선으로 한다. 또한, 파워 트랜지스터(112t)는 바이폴러, CMOS 또는 바이 CMOS로 함으로써 통전시의 온 저항을 저감하고, 제어 코일 회로의 등가 내부 저항(111R)을 저감한다. 또,그와 같은 구성에 기초하여 결정되는 내부 저항(111R)의 저항치에 따라서, 도달 기자력이 가장 큰 부근의 감김수로 한다.
통상, 밸브 개방 유지 동작에서는 밸브 개방시에 비해 작은 기자력으로 밸브 부재를 개방 상태로 유지할 수 있다. 이것은 밸브 개방에 의해 연료가 분사되어 볼 밸브(16)의 전후에서 압력이 균형을 이루어 연료 압력에 따른 힘이 작아지는 동시에, 코어(113), 요오크(114)와 플런저(115)의 에어 갭이 작아지므로, 공간 갭의 자속 밀도가 상승하여 기자력을 유효하게 이용할 수 있기 때문이다.
또, 밸브 개방 유지에 계속되는 밸브 폐쇄시는 전압 인가를 중지함으로써 밸브 개방 유지시의 기자력이 저하한다. 자기력이 저하하게 되어 스프링(118)의 세트 하중 이하가 되면 밸브 폐쇄 동작을 시작하는 것인데, 밸브 개방 유지시의 기자력이 너무 크면 밸브 폐쇄 지연으로 이어진다.
따라서, 밸브 개방 유지시에는 유지 한계에 가까운 낮은 기자력으로 유지해 둘 필요가 있다.
밸브 개방 유지시의 코일, 즉 본 실시예의 홀드 코일(112)과, 이 홀드 코일(112)의 파워 트랜지스터(102)는 이하와 같이 구성한다. 우선, 홀드 코일(112)은 일반적으로 그 내부 저항을 특별히 작게 할 필요는 없으며, 공간 요소를 우선하여 선 직경을 설정하면 된다.
본 실시예에 있어서는 밸브 개방시에 코일에 요구되는 특성을 제어 코일(111)에 갖게 하고, 밸브 개방 유지시에 코일에 요구되는 특성을 홀드 코일(112)에 갖게 한다. 이들 코일을 단순히 절환하여 통전함으로써, 각각의 단계에 있어서 이상적인 동작을 가능하게 한다.
또, 상술한 제어 코일(111)과, 홀드 코일(112)의 코어(113), 요오크(114)에 대한 배치는 제어 코일(111)을 플런저(115)에 가까운 쪽에 배치하는 것이 바람직하다. 이것은 코어(113), 요오크(114) 및 플런저(115)로 구성되는 자기 회로에 있어서, 자속이 집중되는 것은 코일 부근이기 때문이다. 특히 큰 자기력이 요구되는 밸브 개방시에, 큰 기자력이 조기에 투입되는 제어 코일(111)을 플런저(115)에 가까운 배치로 하는 편이 유리하다.
본 실시예에서는 성능 기준이 되는 넓은 다이내믹 레인지를 달성할 수 있다.
다이내믹 레인지 확대를 위해서는 최소 분사 유량을 낮게 억제할 필요가 있다. 분사량은 분사 신호의 온 시간에 의해 제어되고, 최소 분사 유량을 부여하는 분사 신호는 극한까지 짧아진다. 이 짧은 분사 신호에 대하여 밸브 개방, 밸브 폐쇄 지연을 저감할 필요가 있는데, 본 실시예에 있어서는 이하와 같이 구성하고 있다.
제어 코일(111)의 통전은 Tp에서 중지된다. 한편, 홀드 코일(112)의 통전은 분사 신호가 급강하하는, 즉 Tp를 지나서 밸브 폐쇄 지령까지 계속된다.
밸브 폐쇄 개시시에 있어서는 각 코일(111 및 112)의 전류치가 작을수록 자속의 급강하가 빠르게 행해져서, 밸브 폐쇄 지연의 단축에 유리하다. 특히, 홀드 코일(112)은 제어 코일(111)에 비해 기자력의 급하강이 느리므로, 홀드 코일(112)의 전류는 필요 최저한으로 하는 것이 바람직하다.
제어 코일(111)의 전압 인가후의 미소 시간에 도달하는 기자력이 밸브 개방동작에 필요한 자기력을 발생하는 데 충분하도록 홀드 코일(112)의 전기 특성을 결정한다.
홀드 코일(112)에의 통전 개시는 분사 신호 입력과 동시가 아니어도 좋고, 지연되고 나서라도 충분하다. 홀드 코일(112)의 분사 신호 급하강시의 도달 전류는 분사 신호와 동시에 통전을 개시하는 경우보다 낮게 할 수 있다. 이와 같이, 홀드 코일(112)에의 통전을 늦춤으로써 분사 신호 급하강시, 즉 밸브 폐쇄 지령시의 전류를 저감할 수 있고, 밸브 폐쇄 지연을 단축할 수 있다.
본 발명에서는 이와 같이 특성이 결정된 제어 코일(111), 홀드 코일(112)에는 1회의 분사 타이밍에 있어서 2회의 전류 통류 차단이 발생한다.
이와 같이 구성된 연료 분사 장치는 다음과 같이 동작한다(도21c 참조). 우선, ECU(41)가 기관의 운전 상태에 따라서 복수회 분사의 지령(Tsg)을 구동 회로(40)에 출력한다.
구동 회로(40)는 제1 분사(T2)를 위해, 신호 처리 회로(120)로부터 회로(114)를 거쳐서 제어 코일용 트랜지스터(112t)와 홀드 코일용 트랜지스터(102t)를 온한다. 배터리로부터 보았을 때의 종합 전류는 도21c의 하측 도면에 굵은 선으로 도시되어 있다.
트랜지스터(112t)는 통전으로부터 시간(t2)이 경과한 후에 오프된다. 한편, 트랜지스터(102t)는 제1 분사 기간(T2) 동안 줄곧 온 상태로 제어된다. 이로써, 양 코일의 기자력의 총 합계로 밸브 개방된 밸브는 코일(111)의 보유 지지력으로 밸브 개방 상태가 유지된다. 이 동안에, 연료는 와류 형성기를 통해서 분사구로부터 연소실 내에 분사된다.
시간(T2)이 경과하면, 트랜지스터(102t)로의 통전도 중단된다. 그로 인해, 코일은 소자되고, 플런저(115)가 복귀 스프링(118)에 의해 압박되어 되돌려 보내지며, 밸브(116)는 밸브 시트(120)에 착좌하여 연료 분사구를 폐색한다.
계속해서, 약간의 밸브 폐쇄 구간(t4)후, 구동 회로(40)는 제2 분사(T3)를 위해서 다시 신호 처리 회로(120)로부터 회로(114)를 거쳐서 제어 코일용 트랜지스터(112t)와 홀드 코일용 트랜지스터(102t)를 온한다. 배터리로부터 보았을 때의 종합 전류는 도21c의 하측 도면(좌측)에 굵은 선으로 도시되어 있다.
트랜지스터(112t)는 통전으로부터 시간(t3)이 경과한 후에 오프된다. 한편, 트랜지스터(102t)는 제2 분사 기간(T3) 동안 줄곧 온 상태로 제어된다. 이로써, 양 코일의 기자력의 총 합계로 밸브 개방된 밸브는 코일(111)의 보유 지지력으로 밸브 개방 상태가 유지된다. 이 동안에, 연료는 와류 형성기를 통해서 분사구로부터 연소실 내에 분사된다.
시간(T3)이 경과하면, 트랜지스터(102t)로의 통전도 중단된다. 이로 인해, 코일은 소자되고, 플런저(115)가 복귀 스프링(118)에 의해 압박되어 돌려 보내지며, 밸브(116)는 밸브 시트(120)에 착좌하여 연료 분사구를 폐색하여 제2회째의 분사가 종료된다.
이 실시예에서는, 인젝터는 고속으로 구동됨에도 불구하고 전원 전압으로 구동할 수 있다. 게다가, 밸브 개방후는 약간의 보유 지지 전류로 보유 지지하므로, 1분사 타이밍 동안에 2회 또는 그 이상 인젝터를 개폐 동작시켜도 전력 소비는 적어지게 된다.
또, 배터리(VB)가 42 V 배터리가 되면, 전압이 높아진 만큼 구동 전류를 낮추거나, 전류를 같게 해 둘 경우는 코일의 감김수를 줄일 수 있으며, 인젝터를 작게 할 수 있다.
이상 설명한 복수의 종류의 인젝터는 각각의 특징을 함께 갖는 인젝터로서 구성할 수 있다. 즉, 와류 형성기 부착 인젝터를 2코일형의 배터리 구동 인젝터로 구성할 수 있다. 중실 분무 또는 협각 분무형의 인젝터를 2코일형의 배터리 구동 인젝터로 구성할 수 있다
어떠한 인젝터를 이용한 경우에도, 도22에 도시한 바와 같이 그 선단에 연료 분사 방향을 플러그측으로 변경하는 변경 요소(199)를 구비한 편향 분무형의 인젝터로 할 수 있다. 이 실시예에서는, 변경 요소(199)는 돌출부로서 구성되고, 이 돌출부는 인젝터의 중심 축선(h1)에 대하여 플러그 부착 방향으로 각도(δ)만큼 중심 축선이 경사진 연료 도출 통로(198)를 갖는다.
이 인젝터에 따르면, 1회의 분사 타이밍 동안에 적어도 2개의 편향 분무가 플러그를 향해서 공급되게 된다. 본 구성에 따르면, 공기나 피스톤의 캐비티와 같은 안내 기구가 불필요해진다.
따라서, 관면이 편평한 피스톤과 조합하여 이용할 수 있다. 또한, 흡기 포트에 텀블 공기 유동 생성 장치를 설치할 필요도 없어진다.
본 발명에서는 실린더 내부 분사 엔진에 있어서, 성층 운전 영역을 한층 더넓게 할 수 있었다. 또한, 본 발명의 다른 형태에서는 혼합기 형성을 운전 조건에 맞추어 다양하게 제어하여, 엔진의 연소 안정성, 연비, 배기를 향상시킬 수 있었다. 본 발명의 또 다른 형태에서는 전력 소비가 적은 시스템을 실현할 수 있었다.

Claims (15)

  1. 연료를 직접 연소실 내에 분사하는 연료 분사 밸브를 구비한 실린더 내부 분사형 내연 기관의 연료 분사 장치에 있어서,
    상기 연료 분사 밸브는 전자 코일을 갖고, 해당 전자 코일은 상기 분사 밸브의 밸브 개방 기동 상태와 그 후의 밸브 개방 유지 상태에서 전류가 흐르는 상태가 변화하도록 구성되어 있고,
    또한, 1회의 연료 분사 타이밍 동안에, 밸브 개방 기동 상태와 밸브 개방 유지 상태의 사이클이 적어도 2회 반복되는 것을 특징으로 하는 실린더 내부 분사형 내연 기관의 연료 분사 장치.
  2. 연료를 직접 연소실 내에 분사하는 연료 분사 밸브를 구비한 실린더 내부 분사형 내연 기관의 연료 분사 장치에 있어서,
    상기 연료 분사 밸브는 2개의 전자 코일을 갖고, 해당 2개의 전자 코일은 상기 분사 밸브의 밸브 개방 기동 상태와 그 후의 밸브 개방 유지 상태에서 전류가 흐르는 상태가 절환되도록 구성되어 있고, 또한 1회의 연료 분사 타이밍 동안에, 밸브 개방 기동 상태와 밸브 개방 유지 상태의 사이클이 적어도 2회 반복되도록 전류가 흐르는 상태가 절환되는 것을 특징으로 하는 실린더 내부 분사형 내연 기관의 연료 분사 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 1회의 분사 타이밍 동안에, 밸브 개방 기동 상태와 밸브 개방 유지 상태의 사이클이 소정의 밸브 폐쇄 구간을 사이에 두고 적어도 2회 반복되는 것을 특징으로 하는 실린더 내부 분사형 내연 기관의 연료 분사 장치.
  4. 연료를 직접 연소실 내에 분사하는 연료 분사 밸브를 구비한 실린더 내부 분사형 내연 기관의 연료 분사 장치에 있어서,
    상기 연료 분사 밸브는 연료 통로를 개폐하는 밸브 부재와 밸브 시트를 갖고, 또한 이 밸브 시트의 상류에 연료에 선회력을 부여하는 반경 방향 외측으로부터 내측을 향하는 방사상의 연료 통로를 갖고, 해당 연료 통로에는 1회의 연료 분사 타이밍 동안에 적어도 2회의 반경 방향 외측으로부터 내측을 향하는 연료의 흐름이 형성되는 것을 특징으로 하는 실린더 내부 분사형 내연 기관의 연료 분사 장치.
  5. 시동기에 의해서 기동되고, 또한 연료를 직접 연소실 내에 분사하는 연료 분사 밸브를 구비한 실린더 내부 분사형 내연 기관의 연료 제어 방법에 있어서,
    상기 시동기 구동중에, 상기 연료 분사 밸브가 1회의 연료 분사 타이밍 동안에 적어도 2회 연료 통로를 개폐하도록 구성한 것을 특징으로 하는 실린더 내부 분사형 내연 기관의 연료 제어 방법.
  6. 연료를 직접 연소실 내에 분사하는 연료 분사 밸브를 구비하고, 성층 연소 상태와 균질 연소 상태로 연소 상태를 절환할 수 있도록 구성한 실린더 내부 분사형 내연 기관의 연료 분사 장치에 있어서,
    상기 연료 분사 밸브는 침투가 긴 분무 상태와 침투가 짧은 분무 상태로 절환되도록 구성하고, 상기 성층 연소 상태중의 특정한 성층 연소 영역에서는 침투가 짧은 분무 상태로 절환하고, 상기 균질 연소 상태중의 특정한 균질 연소 영역에서는 침투가 긴 분무 상태로 절환하며, 또한 침투가 짧은 상태에서는 1회의 분사 타이밍 동안에 적어도 2회 연료를 분사하도록 구성한 것을 특징으로 하는 실린더 내부 분사형 내연 기관의 연료 분사 장치.
  7. 연료를 직접 연소실 내에 분사하는 연료 분사 밸브와, 해당 연료 분사 밸브로부터 분사된 연료 분무에 착화하는 점화 플러그를 구비한 실린더 내부 분사형 내연 기관의 연료 분사 장치에 있어서,
    상기 연료 분사 밸브는 해당 연료 분사 밸브의 연료 분사 구멍부에 연료 분무를 상기 플러그의 방향으로 변경하는 변경 요소를 포함하고 있고, 또한 해당 변경 요소로부터 1회의 분사 타이밍 동안에 적어도 2회 상기 점화 플러그를 향해서 연료를 분사하는 것을 특징으로 하는 실린더 내부 분사형 내연 기관의 연료 분사 장치.
  8. 공기가 흡입되는 연소실과, 상기 연소실에 직접 연료를 공급하는 연료 분사밸브와, 연료에 점화하는 점화 플러그와, 연소실 용적을 변화시키는 피스톤을 갖고, 흡기 포트에 설치한 유동 생성 장치에 의해 연소실 내에 공기 유동을 생성하고, 그에 따라 분무를 점화 플러그 방향으로 안내하도록 구성하고, 또한 상기 연료 분사 밸브로부터 연소에 필요한 연료를 복수회로 분할하여 분사하도록 제어하는 분사 제어 수단을 설치한 것을 특징으로 하는 실린더 내부 분사형 내연 기관.
  9. 제8항에 있어서, 상기 분사 제어 수단은 저회전 저부하의 성층 운전 영역에 있어서 연료를 압축 행정에 복수회로 분할하여 분사하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 실린더 내부 분사형 내연 기관.
  10. 제8항에 있어서, 상기 분사 제어 수단은 복수회로 분할한 분무가 중단되지 않고 연속적으로 상기 점화 플러그를 통과하도록 각회의 분사 시기를 제어하는 것을 특징으로 하는 실린더 내부 분사형 내연 기관.
  11. 제8항에 있어서, 상기 분사 제어 수단은 선행 분사에서 연료 분사 밸브로부터 점화 플러그 방향으로의 연료 분무의 유동을 생성하고, 해당 연료 유동에 의해 계속되는 후분사에 의한 연료 분무를 점화 플러그로 안내하도록 연료 분사 시기를 제어하는 것을 특징으로 하는 실린더 내부 분사형 내연 기관.
  12. 제8항에 있어서, 상기 분사 제어 수단은 기관의 저회전 저부하시에는 상기연료 분사 밸브로부터 1회의 연료 분사 타이밍 동안에 1회의 밸브 개방으로 연료를 분사하도록 제어하고, 상기 연료 분사 밸브는 해당 연료 분무가 점화 플러그에 도달할 만큼의 침투를 갖는 협각형 연료 분사 밸브를 이용한 것을 특징으로 하는 실린더 내부 분사형 내연 기관.
  13. 제1항, 제2항, 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 분사 밸브는 연소실 중앙에 설치되고, 연소실 상부로부터 연소실 내부를 향해서 연료를 분사하는 것을 특징으로 하는 실린더 내부 분사형 내연 기관.
  14. 제1항, 제2항, 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 분사 밸브는 상류 와류 형성기형 연료 분사 밸브를 사용한 것을 특징으로 하는 실린더 내부 분사형 내연 기관.
  15. 제1항, 제2항, 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연료 분사 밸브는 내연 기관에 탑재된 배터리의 발생 전압 이하의 전압으로 구동하는 연료 분사 밸브를 사용한 것을 특징으로 하는 실린더 내부 분사형 내연 기관.
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