(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料噴射弁と、
当該燃料噴射弁が備える噴孔に凹凸部を生成する金属を前記燃料噴射弁から噴射される燃料に添加する金属添加手段と、
前記噴孔に凹凸部を生成する要求があった場合、前記金属添加手段により前記燃料へ金属を添加させる制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料噴射装置において、
前記燃料噴射弁の先端温度を測定する温度検出手段を備え、
前記温度検出手段により検出された温度に基づいて、前記金属添加手段による金属添加量を制御することを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項３】
燃料噴射弁と、
当該燃料噴射弁が備える噴孔に凹凸部を生成する金属を前記燃料噴射弁から噴射される燃料に添加する金属添加手段と、
前記凹凸部の堆積厚さを検出する検出手段を備え、
前記検出手段により検出された凹凸部の堆積厚さに基づいて前記金属添加手段による金属添加量を制御することを特徴とする燃料噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
燃料噴射弁の噴孔内にデポジットを堆積させることによりキャビテーションを発生させる燃料噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの燃焼室内へ燃料を直接噴射する筒内噴射型の燃料噴射装置が知られている。このような燃料噴射装置では、噴射圧力の向上や、噴孔における流量係数の向上により、燃料噴射弁の噴孔から噴射される燃料の貫徹力（ペネトレーション）を強化して空気とのせん断力を利用することで噴霧の微粒化を図っている。例えば、特許文献１の燃料噴射ノズルでは、噴孔の間隔を狭めて配置したことにより、エンジンの高速回転時にはペネトレーションを増大させる。
【０００３】
また、燃料を燃焼室内へ直接噴射する燃料噴射装置では、燃料噴射弁の先端が燃焼室内に露出しているため、燃焼室内の高温、高圧の燃焼ガスにさらされて噴孔にデポジットが付着する。このように噴孔にデポジットが付着すると燃料噴射の妨げとなる。特許文献２に開示されている噴射制御装置では、デポジットの堆積量が多いときには噴孔を流れる燃料の平均流速が速められ噴孔に堆積しているデポジットを吹き飛ばす。このように従来技術では、デポジットの堆積による噴射量の低下を抑制するため、デポジットの堆積を抑制することや堆積したデポジットの剥離を促進することに主眼を置いていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２２６３６３号公報
【特許文献２】特開２００９−２５７１００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、エンジンは、近年の排気ガスやＣＯ２の厳しい規制に対応するため、燃焼室温度を低下する低圧縮比化や過給ダウンサイジングのコンセプトによるボアの小型化が進められている。ところが、このようにボアを小型化したエンジンに、噴霧のペネトレーションを強化した従来の燃料噴射装置を組み合わせた場合、小型化したボアの壁面へ燃料が付着してしまう。また、低圧縮比化により燃焼室温度が低下していることから、ボア壁面に付着した燃料が気化しないまま燃焼が起こり、ＨＣ排出量の増加やオイルの希釈が生じるおそれがある。しかし、このような燃料のボア壁面への付着を抑制するために、単に燃料噴射装置のペネトレーションを低下させただけでは、噴霧の微粒化が損なわれてしまい、燃焼が不安定になる。
【０００６】
そこで、本発明は、燃料の噴霧を微粒化しつつ、ペネトレーションを低下することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる課題を解決する本発明の燃料噴射装置は、燃料噴射弁と、当該燃料噴射弁が備える噴孔に凹凸部を生成する金属を前記燃料噴射弁から噴射される燃料に添加する金属添加手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
このような構成とすることにより、金属が添加された燃料は、高温の噴孔に付着して凹凸を有するデポジットを生成する。こうして噴孔に生成したデポジットの表層の凹凸により、噴孔を通過する燃料の流れに剥離が起こり、キャビテーションが発生する。キャビテーションは燃料の流れを乱すため、噴霧を微細化し、筒内に噴霧を拡散することができる。また、デポジットが燃料の流れを阻害するため、噴霧のペネトレーションも低下できる。本発明はこのようにキャビテーションを発生させる凹凸を有するデポジットを積極的に噴孔に形成させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の燃料の燃料噴射装置は、金属が添加された燃料により、噴孔に凹凸を有するデポジットを生成する。生成されたデポジットにより、キャビテーションが生じ、燃料の噴霧が微細化されて筒内へ拡散するとともに、ペネトレーションを低下することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】燃料噴射装置を組みこんだエンジンを示した説明図である。
【図２】（ａ）はデポジットが堆積していない噴孔の断面図であり、（ｂ）はデポジットが堆積した噴孔の断面図である。
【図３】燃料噴射弁から噴射された噴霧の様子を示した説明図である。
【図４】デポジットの堆積量とＨＣ濃度との関係を示した説明図である。
【図５】デポジット堆積の噴射圧力への影響を示した説明図である。
【図６】実施例２の車両を示した説明図である。
【図７】噴孔にデポジットを堆積させる制御について示したフローである。
【図８】デポジットの堆積時間により変化する燃料噴射量について示した説明図である。
【図９】燃料噴射弁の先端温度と噴射量の減少率の関係を示した説明図である。
【図１０】燃料噴射弁の先端温度と噴孔の堆積厚さの時間推移を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。
【実施例１】
【００１２】
本発明の実施例１について図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の燃料噴射装置１を組みこんだエンジン１００を示した説明図である。エンジン１００は４気筒のディーゼルエンジンである。燃料噴射装置１は、軽油を蓄える燃料タンク２、Ｚｎ、Ｃａ等の金属を蓄える金属タンク３、混合部４、サプライポンプ５、コモンレール６、燃料噴射弁７を備えている。混合部４には、燃料タンク２内の軽油と金属燃料タンク３内の金属とが供給される。混合部４は、軽油と金属を混合し、金属が添加された軽油を生成する。サプライポンプ５は混合部４と、コモンレール６と接続されており、混合部４で金属が添加された燃料をコモンレール６へ圧送する。コモンレール６はサプライポンプ５により昇圧した燃料を蓄える。燃料噴射弁７は先端に形成された噴孔を気筒１０の内部に向けて配置されている。燃料噴射弁７はコモンレール６と接続されて、筒内へ噴射する燃料が供給される。燃料噴射弁７は弁の開閉に背圧を利用するため、開弁時にリターン燃料が排出される。リターン燃料は、混合部４へ戻されて、再度、燃料として利用される。このリターン燃料が通過するリターン通路８にはチェック弁９が設けられており、燃料の逆流が防止されている。
【００１３】
エンジン１００にはターボチャージャ１２が備えられている。ターボチャージャ１２のコンプレッサ１２１には吸気管１３が接続されており、吸気管１３においてコンプレッサ１２１の上流側にエアクリーナ１４、下流側にインタークーラ１５が組み込まれている。ターボチャージャ１２のタービン１２２には排気管１６が接続されており、排気管１６においてタービン１２２の下流側には触媒１７が組み込まれている。
【００１４】
このような燃料噴射装置１は、燃料噴射弁７の先端部が高温の状態で、所定時間、金属を添加した燃料を噴射することにより、燃料噴射弁７の噴孔に凹凸のあるデポジットを生成させる。ここで、金属添加燃料を噴射したことによりデポジットが付着した噴孔について説明する。図２は、噴孔の拡大断面図である。図２（ａ）はデポジットが堆積していない比較例の噴孔の断面図である。図２（ｂ）はデポジットが堆積した噴孔の断面図である。図２（ｂ）に示すように、デポジットは燃料噴射弁７の噴孔を形成する基材７０の表層に堆積する。デポジットは、噴孔入口側７１では、主に、炭酸塩、硝酸塩が堆積し、噴孔出口側７２では、主に、燃料の酸化物、炭化物が堆積する。図２（ｂ）に示すように、デポジットの表層には無数の凹凸が存在し、噴孔内の燃料の流速が高いため、デポジットの凹凸部で燃料の流れが剥離し、負圧となることにより、キャビテーションが発生する。こうして発生したキャビテーションにより、燃料の流れが乱れ、噴霧のペネトレーションが低下するとともに、噴霧が拡散し、燃料の微粒化が促進されて、燃料が効率よく燃焼する。
【００１５】
このようなペネトレーションの低下は実際の噴射結果に現れる。図３は燃焼室の中央に配置された燃料噴射弁から噴射された噴霧の様子を示した説明図である。図３は燃料噴射弁を鉛直下側から見た様子であり、コモンレール圧を２００ＭＰａ、雰囲気圧力を０．８ＭＰａとして燃料を噴射し、燃料の噴射後０．５ｍｓの状態を示している。図３（ａ）はデポジット堆積前の様子を示し、図３（ｂ）はデポジット堆積後の様子を示した説明図である。図３に示すとおり、デポジット堆積後は噴霧のペネトレーションが低下するので、図３（ｂ）の噴霧は図３（ａ）の噴霧に比べて到達距離が減少している。このため、噴霧が気筒内部の壁面に付着することが抑制される。
【００１６】
図４は、デポジットの堆積量とＨＣ濃度との関係を示した説明図である。図４の縦軸は排出されたＨＣ濃度を示し、横軸はメイン噴射の時期をクランク角度で表わしたものである。デポジットの堆積量は噴射量の低下により表わされ、噴射量が低下するほど、デポジット堆積量が多いと推定される。図４中の実線は噴射量０％低下時、すなわち、デポジット堆積のない状態のＨＣ濃度を示している。図４中の点線は噴射量２％低下時のＨＣ濃度を示し、図４中の破線は噴射量４％低下時のＨＣ濃度を示し、図４中の一点鎖線は噴射量６％低下時のＨＣ濃度を示している。燃料の噴射はコモンレール圧７５ＭＰａ、筒内圧約０．５ＭＰａを条件としている。図４に示すように、デポジット堆積量が多いほど、ＨＣ濃度が低下している。これは、デポジット堆積によりペネトレーションが低下し、気筒内部の壁面に付着する燃料が減少するため、筒内の壁面に付着することにより発生するＨＣが低下したことを示している。
【００１７】
ところで、このようなデポジットを堆積させたことにより形成された噴孔の形状を現在の機械工作の技術で加工することは困難である。従って、金属を添加した燃料を燃料噴射弁に供給し、噴射することにより、噴孔にデポジットを付着させて目的とする噴霧を噴射する燃料噴射弁を形成する。
【００１８】
このような燃料噴射弁の噴孔へデポジットを堆積させる作業は、燃料噴射弁の製造時、またはエンジンの工場出荷時に行うことができる。このようなタイミングでデポジットを堆積させる場合、燃料噴射弁の先端部の温度を定常状態に維持できるため、デポジットの安定した堆積が見込まれる。また、デポジットを堆積する作業時に噴射量の低下を計測することにより、デポジットの堆積量を容易に管理できる。結果として噴霧のペネトレーションを安定して設定できる。
【００１９】
次に、デポジットの堆積と噴射圧力について説明する。図５はデポジット堆積の噴射圧力への影響を示した説明図である。図５の縦軸は噴射量を示し、図５の横軸は噴射時間を示している。噴射開始から１０時間はＺｎ３ｐｐｍを添加した燃料を用いて噴射を行い、１０時間経過後から、Ｚｎを添加していない燃料を用いて噴射を行った。図５中の菱形印はコモンレール圧を２００ＭＰａとした場合、図５中の四角印はコモンレール圧を１８０ＭＰａとした場合、図５中の三角印はコモンレール圧を１６０ＭＰａとした場合のデータを示している。すなわち、図５は、噴射開始当初、コモンレール圧を２００ＭＰａとしていたが、噴射量が減少するにつれ、コモンレール圧を１８０ＭＰａ、１６０ＭＰａと低下させていき、噴射開始から１０時間経過後、金属添加のない燃料に代え、コモンレール圧を２００ＭＰａとして噴射した場合の実験データを示している。
【００２０】
図５は、噴射開始から１０時間経過する間に噴孔にデポジットが堆積し、その後、金属添加のない燃料に代え、高圧噴射をしても、噴射量が噴射開始の頃に復帰しないことを示している。すなわち、一度デポジットを堆積させた噴孔からは、ペネトレーションの低下した噴霧が形成される。このため、出荷前に堆積させた噴孔のデポジットはその後も維持され、エンジン１００の運転時には燃料噴射弁７からペネトレーションの低下した噴霧が噴射される。このため、気筒内部の壁面に噴霧が付着することが抑制されて、ＨＣの排出が抑えられる。
【実施例２】
【００２１】
次に、本発明の実施例２について説明する。図６は、車輪２１を備える本実施例の車両２００を示した説明図である。本実施例の車両２００は実施例１の燃料噴射装置１を組み込んだエンジン１００を搭載している。ただし、出荷時点では燃料噴射弁７の噴孔にデポジットが堆積していない点で異なっている。また、本実施例では燃料噴射装置１の構成に加えて、金属タンク３と混合部４とを接続する通路に電磁弁２２が配置されている。さらに、電磁弁２２とＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）２３とが電気的に接続されている。ＥＣＵ２３は、ＣＰＵ（中央演算装置）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、入出力ポートを双方向バスで接続した公知の形式のディジタルコンピュータからなり、エンジン１００の制御のために設けられている各種センサや作動装置と信号をやり取りしてエンジン１００を制御するようになっている。また、ＥＣＵ２３には、エンジン１００の冷却水温度を検出する水温センサ２４、エンジン１００の回転数を検出する回転センサ２５、コモンレール６の内圧を検出する圧力センサ２６等の各種センサが接続されており、ＥＣＵ２３はエンジン１００に関する各種情報を入手する。電磁弁２２はＥＣＵ２３の指令にしたがって金属タンク３と混合部４とを接続する通路の開閉度を変更する。また、水温センサ２４、回転センサ２５、圧力センサ２６等の各種センサは、本発明の温度検出手段に相当する。なお、実施例１の燃料噴射装置１と同一の構成について、図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００２２】
車両２００は、走行中の運転条件を判断し、燃料噴射弁７の噴孔にデポジットを堆積できる条件である場合、金属を添加した燃料を噴射して、噴孔にデポジットを堆積させる。次に、本実施例の噴孔にデポジットを堆積させる制御について説明する。図７は噴孔にデポジットを堆積させる制御について示したフローである。この制御はＥＣＵ２３により行われる。以下、図７の制御フローに従って説明する。
【００２３】
ＥＣＵ２３はステップＳ１１でデポジットの堆積厚さを算出する。図８はデポジットの堆積時間により変化する燃料噴射量について示した説明図である。図８の縦軸は噴射燃料の減少率を示し、横軸はエンジンの運転時間を示している。図８中の丸印がＺｎを添加していない場合、菱形印がＺｎを１ｐｐｍ添加した場合、四角印がＺｎを３ｐｐｍ添加した場合を示している。
【００２４】
燃料の噴射量はデポジットの堆積量により影響を受け、噴射量が低下するほど、デポジット堆積量が多いと推定される。図８に示すとおり、運転時間、金属の添加濃度が一定であれば、所定の時間までデポジットの堆積量は増加し、所定の時間を経過するとデポジットの堆積量は一定値となる。従って、ＥＣＵ２３はデポジットの堆積をさせた時間を積算し、積算値から堆積したデポジットの厚さを算出する。
【００２５】
ＥＣＵ２３はステップＳ１１の処理を終えると、次にＥＣＵ２３はステップＳ１２へ進み、デポジットの堆積厚さが要求値未満か否かを判断する。要求値は、形成したい噴霧の形状により任意に決定できる。例えば、ボア径やエンジン負荷等から決定される。
【００２６】
ＥＣＵ２３はステップＳ１２でＹＥＳと判断する場合、すなわち、デポジットの堆積厚さが要求値未満である場合、次にステップＳ１３へ進む。ＥＣＵ２３はステップＳ１３で燃料噴射弁７の先端温度を推定する。燃料噴射弁７の先端温度は複数のパラメータ、例えば、エンジン回転数、噴射時期、コモンレール圧、エンジントルク、エンジン冷却水の水温、ターボチャージャによる過給圧などから推定する。燃料噴射弁７の先端温度は、これらの複数のパラメータから高い精度で算出が可能である。
【００２７】
ＥＣＵ２３はステップＳ１４でデポジットの堆積を実行するか否かを判断する。図９は燃料噴射弁７の先端温度と噴射量の減少率の関係を示した説明図である。図９中の縦軸は噴射量の減少率を示し、横軸は燃料噴射弁７の先端温度を示している。図９によると、燃料噴射弁７の先端温度と噴射量低下には高い相関関係があることがわかる。このため、燃料噴射弁７の先端温度が異なるとデポジットの堆積を同じ運転時間行ったとしても、堆積するデポジットの厚さが異なってくる。そこで、ＥＣＵ２３は燃料噴射弁７の先端温度が所定の温度、本実施例では２００℃以上の場合に限り、デポジットの堆積を実行することとする。これにより、温度の違いによるデポジットの堆積量の相違を排除し、デポジットの堆積厚さをデポジットの堆積作業の実行時間により推定できる。
【００２８】
ＥＣＵ２３はステップＳ１４でＹＥＳと判断する場合、すなわち、燃料噴射弁７の先端温度が２００℃以上である場合、次にステップＳ１５へ進む。ＥＣＵ２３はステップＳ１５で金属を添加する。ＥＣＵ２３は電磁弁２２を開弁し、混合部４へ金属を供給し、軽油に混合させる。ＥＣＵ２３は混合部４へ必要分だけ金属を供給すると、電磁弁２２を閉弁する。ＥＣＵ２３はステップＳ１５の処理を終えると、リターンする。
【００２９】
ところで、ＥＣＵ２３はステップＳ１２でＮＯと判断する場合、すなわち、デポジットの堆積厚さが要求値以上である場合、または、ＥＣＵ２３はステップＳ１４でＮＯと判断する場合、すなわち、燃料噴射弁７の先端温度が２００℃未満である場合、リターンする。なお、ＥＣＵ２３はステップＳ１２でＮＯと判断する場合や、ステップＳ１４でＮＯと判断する場合に金属の添加量を補正するようにしても良い。
【００３０】
ここで、デポジットを堆積させる制御の実行時のイメージを説明する。図１０は、燃料噴射弁７の先端温度と噴孔の堆積厚さの時間推移を示した説明図である。燃料噴射弁７の先端温度が閾値（本実施例では２００℃）以上であり、デポジットの堆積厚さが要求値に達していない状態では、軽油に金属を添加して噴射を行い、燃料噴射弁７の噴孔へデポジットを堆積させる（図１０中のＡＢ間、ＣＤ間）。また、Ｄの時点において、燃料噴射弁７の先端温度が閾値以上であるが、デポジットの堆積厚さが要求値以上となったため、金属の添加を中止し、噴孔へのデポジット堆積を終える。但し、噴孔へのデポジット堆積を終えた後しばらく経過すると、デポジットが剥がれている可能性があるため、所定の時間経過した場合に（Ｅの時点）、燃料噴射弁７の先端温度が閾値以上となった場合に、金属の添加を再開し、デポジットの堆積を行う（ＦＧ間）。
【００３１】
以上の通り、車両２００は、走行中の運転条件に基づき、噴孔にデポジットを堆積させることができる。これにより、燃料噴射弁７の噴霧のペネトレーションを制御し、気筒壁面へ燃料が付着することを防ぎ、ＨＣ排出量を低減できる。
【００３２】
上記実施例によると、燃料噴射装置１は、金属を添加した燃料を供給して燃料噴射弁７の噴孔にデポジットを堆積させることにより、燃料噴射時に噴孔内部にキャビテーションを生成させて、燃料の流れに乱れを起こし噴霧のペネトレーションを低下する。これにより、気筒壁面への燃料の付着を防止し、ＨＣ排出量を低減する。このようなデポジットの堆積は燃料噴射弁７の製造時またはエンジン出荷時に行うことができる。また、この燃料噴射装置１を搭載した車両の走行時にデポジット堆積の制御を行い、噴孔にデポジットを堆積させることもできる。
【００３３】
上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、さらに本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。
【００３４】
例えば、金属の添加方法として、実施例では、燃料に金属を直接添加する例を示したが、予め所定の濃度より濃く添加した燃料を用意し、必要な時に、適宜薄めて混合する例もある。例えば、金属を３００ｐｐｍとした原液を準備し、使用時に１００倍希釈する。また、予め任意の金属濃度に調整した燃料を準備し、通常燃料とラインを切り替えて供給する方法を採用することもできる。
【符号の説明】
【００３５】
１  燃料噴射装置
２  燃料タンク
３  金属タンク
４  混合部
７  燃料噴射弁
２３  ＥＣＵ
２４  水温センサ
２５  回転センサ
２６  圧力センサ
１００  エンジン
２００  車両
【図１】
0005533047.tif 000002
【図２】
0005533047.tif 000003
【図３】
0005533047.tif 000004
【図４】
0005533047.tif 000005
【図５】
0005533047.tif 000006
【図６】
0005533047.tif 000007
【図７】
0005533047.tif 000008
【図８】
0005533047.tif 000009
【図９】
0005533047.tif 000010
【図１０】
0005533047.tif 000011