(57)【要約】【課題】１つの気筒（燃焼室）に対して、筒内噴射用と吸気管噴射用の２つの燃料噴射弁を有する燃料噴射装置にあって、システムコストの安価な部品構成と排気エミッションを低減できる噴射方法を提供する。【解決手段】内燃機関の吸気行程時に、噴射燃料の壁面付着を抑制して燃焼室内における混合気の均質化を図るために、吸気管噴射用燃料噴射弁から燃料噴射すると共に、圧縮行程の終わりの頃に点火プラグ周りに着火性の良い混合気を形成するために、筒内噴射用燃料噴射弁から着火用燃料をアシスト噴射する。また各々の燃料噴射弁への燃料供給は１つの燃料ポンプより行うと共に、その供給圧力を１〜２ＭＰａに調圧する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のそれぞれの気筒に対して筒内噴射用と吸気管噴射用の２つの燃料噴射弁を有する燃料噴射装置において、
吸気行程時に、吸気管噴射用の燃料噴射弁から燃料噴射すると共に、圧縮行程の終わり頃に、筒内噴射用の燃料噴射弁から着火用の燃料を噴射するようにし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、各々の燃料噴射弁への燃料供給は１つの燃料ポンプより実施されると共に、その供給圧力は１〜２ＭＰａに調整されていることを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項３】
内燃機関のそれぞれの気筒に対して筒内噴射用と吸気管噴射用の２つの燃料噴射弁を有する燃料噴射装置における燃料噴射方法において、
吸気行程時に、吸気管噴射用の燃料噴射弁から燃料噴射すると共に、圧縮行程の終わり頃に、筒内噴射用の燃料噴射弁から着火用の燃料を噴射することを特徴とする燃料噴射方法。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料噴射方法において、各々の燃料噴射弁への燃料供給は１つの燃料ポンプより行うと共に、その供給圧力を１〜２ＭＰａに調整することを特徴とする燃料噴射方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関の燃料噴射装置であって、それぞれの気筒（燃焼室）に対して筒内噴射用と吸気管噴射用の２つの燃料噴射弁を有する燃料噴射装置及びその燃料噴射方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関のそれぞれの燃焼室に対して、２つの燃料噴射弁から燃料を噴射供給する方式の燃料噴射装置が知られている。この種の燃料噴射装置では、燃料タンク内に設置する低圧燃料ポンプからの加圧燃料を圧力レギュレータで調整して吸気管内に噴射する吸気管噴射用燃料噴射弁と、制御弁を介して更に加圧燃料を昇圧する高圧燃料ポンプにより高圧燃料を得て、燃焼室内に所望の量，形状を制御して噴射する筒内噴射用燃料噴射弁と、を有しており、それぞれの燃料を内燃機関の運転状態に対応して噴射制御することにより、機関の始動性向上やエミッション悪化の抑制，高出力化等々の実益を得る手法が幾つか示されている。
【０００３】
従来技術においては、機関の始動時に筒内噴射用燃料噴射弁による燃料噴射を続けると噴射圧が低下する恐れがあるといった課題や、特に、機関温度が低いときには、燃料ポンプの圧送量よりも噴射量が多くなり所定の圧力になるまでの多くの時間を要するので、始動したとしてもアイドルラフネスが生じるという課題や、また一方、始動時に吸気管噴射用燃料噴射弁を用いると噴射から点火までの時間を必要とし始動性が悪化するという課題等々に対して、始動時の第１回目または数回目までの燃料噴射は圧縮行程にある気筒へ筒内噴射用燃料噴射弁により行っているので、速やかな始動が行われる。そして、それ以降の始動中は筒内噴射用燃料噴射弁による燃料噴射を行わず、吸気管噴射用燃料噴射弁により行っているので、筒内噴射用燃料噴射弁の燃料噴射圧が速やかに上昇され、始動後のアイドルラフネスを生じさせないようにしている。
【０００４】
また、別の従来技術では、機関の高温再始動時には燃料デリバリ配管内に残存する気化燃料により所望の圧力が得られなくなるという問題に対して、温度検出手段を用いて取得した燃料温度が所定値を超えている場合、筒内噴射用燃料噴射弁から燃焼室内に燃料噴射するようにしている。
【０００５】
さらに、別の従来技術では、始動時において、内燃機関の回転数が規定回転数を超えるまで吸気管噴射用燃料噴射弁からの燃料噴射を継続するようにしているが、重質燃料などの使用では気化が不十分なため空燃比がリーン化し燃焼が悪化する恐れがあるという問題に対して、機関始動時の所定期間において機関の燃焼を監視し、機関の燃焼悪化が検出されたときは筒内噴射用燃料噴射弁の噴射量の比率が増大するようにしている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−１１３６９３号
【特許文献２】特開２００５−２９９４２２号
【特許文献３】特開２００５−３２５８２５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記従来技術では、内燃機関の始動性向上や燃焼の安定性向上に対して種々の対応策を講じているが、それぞれに一長一短があり、依然として改良の余地を残している。
【０００８】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、燃料噴射装置の微粒化性能の改善や噴射方法の最適化を行うことにより、機関冷機時の始動性の向上や燃焼改善によるエミッションの低減、加えてシステムコストの安価な燃料噴射装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために、本発明は主として次のような構成を採用する。
内燃機関のそれぞれの燃焼室に対して、筒内噴射用と吸気管噴射用の２つの燃料噴射弁を有する内燃機関の燃料噴射装置及びその噴射方法において、吸気行程時に、吸気管内壁面や吸気弁等への燃料付着を防止して燃焼室内における混合気の均質化を図るために、吸気管噴射用燃料噴射弁から燃料噴射すると共に、圧縮行程の終わりの頃に、点火プラグ周りに着火性の良い混合気を形成するために、筒内噴射用燃料噴射弁から着火用燃料分をアシスト噴射するようにしている。
【００１０】
各々の燃料噴射弁への燃料供給は１つの燃料ポンプより行うと共に、その供給圧力は１〜２ＭＰａに調整するとよい。
【００１１】
これにより、部品数が削減されシステムコストが安価になる。このシステム構成及び噴射制御における性能改善のポイントは、ひとつには、吸気管噴射用燃料噴射弁が中圧１〜２ＭＰａで動作されることである。詳細は後述するが、燃料の微粒化が２０〜２５μｍ乃至２０μｍ以下に高められていることで、噴霧の気流による搬送が可能となり吸気管内壁面等への付着が抑制される。そして吸気行程噴射化により燃焼室内の燃料供給の応答性が高められ、燃焼性（始動性）が改善される。その他には、筒内噴射用燃料噴射弁は圧縮行程の終わりの頃に点火プラグ方向に、点火を促進するための燃料噴霧を噴射するので始動が安定して行われる。そしてまた、安定な点火のもとに燃焼性が極めて良くなるというものである。そして更には、燃料ポンプを１つにしたシンプルな構成が部品数，制御手法を含めてシステムコストを安価なものとしている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、吸気管噴射用燃料噴射弁と筒内噴射用燃料噴射弁とを備える内燃機関の燃料噴射装置及びその噴射方法において、燃料供給を１〜２ＭＰａとすることが可能な１つの燃料ポンプにより行いシステム構成を簡素化している。また、吸気行程時に吸気管噴射用燃料噴射弁からの燃料噴射を行い、燃料噴霧の壁面付着を抑制して燃焼室に供給する。そしてまた、圧縮行程の終わりの頃に筒内噴射用燃料噴射弁からの燃料供給を行い、燃料噴霧を点火プラグに導いて安定した点火を可能とする。これによって、内燃機関の始動を確実に行い、エミッションの低減等、機関の燃焼性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明に係る内燃機関の燃料噴射装置及びその噴射方法の実施例を、図１乃至図５を参照しながら、以下詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明に係る内燃機関の燃料噴射装置の概略構成を示す図である。図２は、本発明に係る内燃機関の気筒１の１つを示す断面図であり、２つの燃料噴射弁３０，３１の位置関係を示している。図３は、本発明に係る内燃機関において、吸気行程に噴射される噴霧の様子を模式的に示す図であり、筒内噴射用燃料噴射弁３１が動作していない状態を示している。図４は、本発明に係る内燃機関において、圧縮行程に噴射される噴霧の様子を模式的に示す図であり、筒内噴射用燃料噴射弁３１が動作し、点火用の噴霧をアシスト噴射している状態を示している。図５は、内燃機関の低速運転時における、吸気管内の空気流速の一例を示した図である。
【００１５】
図１において、複数の気筒１から成る内燃機関には、点火プラグ９が配置されると共に、吸気弁７及び排気弁８と、気筒１内を往復動するピストン３とで燃焼室２を構成している。また、気筒１には、吸気弁７及び排気弁８によって開閉される吸気管１０及び排気管１２が設置されており、吸気管１０には運転状態検出手段の１つであって、吸気の質量流量を計測する空気量センサ１７、及びスロットルバルブの開度を調節するスロットル弁装置１１が各々の適宜位置に配置されている。さらにエンジンの冷却水温を計測する水温センサ２０（図２に示される）、及びエンジン回転数を計測するクランク角センサ１８が各々の適宜位置に配置されている。
【００１６】
吸気管１０の上流部に設けた図示しないエアクリーナを介して流入した空気は、スロットル弁装置１１で調節された後、吸気管噴射用燃料噴射弁３０ないしは筒内噴射用燃料噴射弁３１から噴射された燃料と混合されて気筒１に滞留する。
【００１７】
吸気管噴射用燃料噴射弁３０は、各気筒１の上流側に１つずつ配置され、マルチポイントインジェクション（ＭＰＩ）システム化された燃料噴射方式を採用している。また、筒内噴射用燃料噴射弁３１は、各燃焼室２に向けて１つずつ配置され、ダイレクトインジェクション（ＤＩ）システム化された燃料噴射方式を採用している。
【００１８】
ここに、気筒１の断面を拡大して示した図２を参照して、吸気管噴射用燃料噴射弁３０及び筒内噴射用燃料噴射弁３１の詳細配置について説明する。吸気管噴射用燃料噴射弁
３０は吸気管１０に取り付けられており、吸気弁７の皿部中心付近にその噴射燃料が向かうように配置されている。図示はされていないが、殆どの場合、１つの気筒１に対して吸気弁７は２個設けてあるため、噴霧はそれぞれの弁中心に向かうように２分化されている。いわゆる２方向噴霧化されている。一方、筒内噴射用燃料噴射弁３１は燃焼室２内に開口しており、ピストン３に設けられる凹部状のキャビティ４に噴射燃料が向かうように配置されている。これによって、噴射燃料はキャビティ４のその曲率によって点火プラグ９方向に、的確に導かれるようになっている。このような噴射様式をウォールガイド方式と言っているが、点火プラグ９に噴霧を直接向かわせるスプレーガイド方式であっても、本発明の主旨である点火用の燃料噴霧を得られることは可能である。
【００１９】
一方、燃料タンク１６からの燃料は、燃料ポンプ１４によって吸引・加圧された後、圧力レギュレータ１５を介して備える燃料デリバリ配管を通ってそれぞれの燃料噴射弁３０，３１に導かれる。燃料は、この圧力レギュレータ１５で所望の燃圧に調整されるが、本実施形態では１〜２ＭＰａに調整されるが、このとき余分な燃料は燃料タンク１６内に戻されている。
【００２０】
気筒１で燃焼した排気ガスは、排気管１２を通じて触媒コンバータ１３に導かれ、浄化された後に排出される。排気管１２には、排気ガス中の酸素濃度に比例して広域でかつリニアな空燃比信号を出力する空燃比センサ１９が適宜位置に配置されている。
【００２１】
空気量センサ１７から得られる吸入空気量を示す出力信号と、スロットル弁装置１１の開度信号と、水温センサ２０，クランク角センサ１８、及び空燃比センサ１９等からの各出力信号は、エンジン制御装置（コントロールユニットＣ／Ｕ）２１に入力される。
【００２２】
コントロールユニット２１は、車体あるいはエンジンルーム内に配置され、種々のセンサから出力される内燃機関の運転状態を示す電気的な信号に基づいて、所定の演算を行い、運転状態に対応する最適な制御を実施すべく、燃料供給を行う燃料噴射弁３０，３１の開閉タイミングや点火プラグ９の駆動、及びスロットル弁装置１１の開閉を行う信号等を各々出力すると共に、燃料ポンプ１４等を制御する。
【００２３】
ここで、気筒１内の混合気の質や形成状態の最適化を図るための噴射方法について、図３乃至図５を用いて説明する。
【００２４】
図３は吸気行程に噴射される噴霧の様子を示す図であり、吸気管噴射用燃料噴射弁３０が動作状態で、筒内噴射用燃料噴射弁３１が動作していない状態を示している。同図(ａ)に示す様に、吸気行程初期の頃の燃料噴霧３０ａは、燃焼室２の中央側の高い流速に誘引されて流入する。その後は、同図（ｂ）に示す様に、混合を促進しつつ燃焼室２全体に拡散され均質な燃料噴霧３０ｂとなる。
【００２５】
ここに示される吸気管噴射用燃料噴射弁３０は、微粒化が促進された高分散型の２方向噴霧である。燃料噴霧の微粒化は燃料圧力を高めることにより達成されるが、燃料圧力が１ＭＰａで平均粒径は２５μｍ以下、燃料圧力が２ＭＰａで平均粒径は２０μｍ以下となる性能を有している。このような噴霧が生成可能な燃料噴射弁３０の噴孔形状の一例を示すと、８個乃至１２個の微細孔を薄型のプレートに穿孔したもので、各々半数で１つずつ、合計２つの噴霧群（２方向噴霧）を形成するように、その孔配置や傾斜方向が適宜設計されている。
【００２６】
一方、高分散型噴霧は、吸気弁７上において燃料噴霧が均一に分散されることを意味するもので、前記の複数個の孔がそれぞれの吸気弁７周りに指向するように設計されていることにより得られる。
【００２７】
吸気管噴射用燃料噴射弁３０の噴射タイミングは、図５に示すように、吸気の流速が最高となるよりも前に設定されている。噴射圧力が高められているので、短期間での噴射を可能としている。
【００２８】
図５は、内燃機関の始動やアイドル運転等の低速運転時の、クランク角に対する吸気の空気流速を示したものである。図のように、吸気弁７が開いている角度領域では空気流速が最大値を取るが、燃料の噴射タイミングはその最大値よりも前側に設定されていると、微粒化された燃料噴霧を気流に乗せることができる。これによって、吸気管１０の内壁面等への付着が抑制されて最適な混合気が形成される。そしてまた、燃料噴霧を気流に乗せているので、気筒１に至るまでの時間的な遅れが解消される。
【００２９】
なお、燃料噴霧の壁面付着を抑制して輸送効率を高めるには、吸気管噴射用燃料噴射弁３０をロングノズル化してその噴射点を吸気弁７側に近づけることや、吸気管噴射用燃料噴射弁３０の取り付け位置を吸気弁７に近づけることも有力な方法である。
【００３０】
図４は圧縮行程に噴射される噴霧の様子を示す図であり、筒内噴射用燃料噴射弁３１が動作状態に移行し、点火に必要な燃料噴霧３１ａをアシスト噴射している状態を示している。したがって、吸気管噴射用燃料噴射弁３０は動作していない状態を示している。同図（ａ）に示す様に、圧縮行程初期の頃の燃料噴霧３０ｃは、ピストンの上昇によって圧縮される。この場合、燃料噴射弁３０，３１の動作はない。その後は、同図（ｂ）に示す様に、筒内噴射用燃料噴射弁３１が動作状態に移行し、点火用の噴霧３１ａが圧縮された燃料噴霧３０ｄ内に噴射される。筒内噴射用燃料噴射弁３１からの噴霧３１ａは、ピストン３の上昇により点火プラグ９方向に指向されている。この場合、ピストン３に形成される凹部状のキャビティ４は、運転条件の変化によっても噴霧３１ａを、点火プラグ９方向に的確に誘導する役目を果たす。
【００３１】
また、噴霧３１ａの到達距離は概して短く、ピストン３の丁面への燃料付着が抑制されている。さらに、一方ではシリンダヘッド６や吸気弁７の内壁面への燃料付着を抑制しつつ、点火プラグ９方向に噴霧が向かうように、その噴霧の方向性や形状には、最適化が図られている。
【００３２】
なお、図３及び図４に示した、これらの噴霧３０ａ，３１ａは、燃料に旋回力を付与する旋回タイプの燃料噴射弁から噴射されてもよく、上記した噴霧特性を適宜選択されることにより設計が可能となる。
【００３３】
また、噴霧３１ａは、噴射弁の中心軸に対して左右の到達距離を等しくしてなる対称噴霧としているが、それぞれの長さが異なったり、左右で密度の異なる、いわゆる、偏向噴霧であってもかまわない。この場合、ピストン側の到達距離を短くしたり、噴霧の密度を薄くしたりすると、なおさら壁面付着が抑制される。
【００３４】
内燃機関の燃焼試験を実施したところ、始動性の向上や排ガス性能の向上、燃費の向上が図られており、これらの燃料噴射弁３０，３１の噴霧３０ａ，３１ａによって、吸気管内壁面への燃料付着が抑制されて、混合気の質や形成状態の改善が図られていることが確認された。
【００３５】
上記した本発明の実施例においては、吸気管噴射用燃料噴射弁を吸気行程噴射時に動作させたが、始動後の数回の燃焼を終えると機関が暖まるので、それによって燃料の気化が促進するので、機関のその後の温度上昇に応じて燃料噴射を徐々に排気行程側に移行しても構わない。また、機関の高出力運転を実施したいときには、吸気管噴射用燃料噴射弁に加えて筒内噴射用燃料噴射弁の燃料噴射を吸気行程時に合わせて行っても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る内燃機関の燃料噴射装置の概略構成を示す図である。
【図２】本発明に係る内燃機関の気筒の１つを示す断面図で、２つの燃料噴射弁の位置関係を示す図である。
【図３】本発明に係る内燃機関において、吸気行程に噴射される噴霧の様子を模式的に示す図で、筒内噴射用燃料噴射弁が動作していない状態を示している。
【図４】本発明に係る内燃機関において、圧縮行程に噴射される噴霧の様子を模式的に示す図で、筒内噴射用燃料噴射弁が動作し、点火用の噴霧を噴射している状態を示している。
【図５】内燃機関の低速運転時における、吸気管内の空気流速の一例を示した図である。
【符号の説明】
【００３７】
１…内燃機関の気筒の１つ、２…燃焼室、３…ピストン、４…ピストンキャビティ、５…シリンダ、６…シリンダヘッド、７…吸気弁、８…排気弁、９…点火プラグ、１０…吸気管、１１…スロットル弁装置、１４…燃料ポンプ、１５…圧力レギュレータ、１７…空気量センサ、１８…クランク角センサ、１９…空燃比センサ、２０…水温センサ、３０…吸気管噴射用燃料噴射弁、３１…筒内噴射用燃料噴射弁、３０ａ，３０ｂ,３０ｃ,３０ｄ…吸気管噴射用燃料噴射弁からの噴霧、３１ａ…筒内噴射用燃料噴射弁からの噴霧。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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