(57)【要約】【課題】  燃料噴霧の成層化を促進し、燃焼安定性を向上させる。【解決手段】  点火プラグの電極近傍を指向する噴孔７ａの径を電極近傍を指向しない噴孔７ｂの径より大きくし、低温始動時には、燃料噴射弁の噴射圧を低くし、圧縮行程噴射における各噴孔からの噴霧のペネトレーションを略同等として噴霧分布の点火プラグの電極近傍への集中度が大きくなるようにして成層混合気を形成し、部分負荷・全開時には噴射圧を高くし、吸気行程噴射における各噴孔からの噴霧のペネトレーションの差を増大して噴霧分布の拡散性を増大させるようにして均質混合気を形成する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多噴孔型の燃料噴射弁と、点火プラグと、を燃焼室に備えた内燃機関の燃料噴射制御装置において、
点火プラグの電極近傍を指向する噴孔と、点火プラグの電極近傍を指向しない噴孔とを備え、燃料噴射弁の噴射圧が低いときは、各噴孔からの噴霧のペネトレーションが略同等となって噴霧分布の点火プラグの電極近傍への集中度が大きくなり、噴射圧が高いときは、各噴孔からの噴霧のペネトレーションの差が増大して噴霧分布の拡散性が増大するように、各噴孔の形状を設定したことを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項２】
点火プラグが燃焼室の略中央部に配置され、燃料噴射弁が燃焼室の周辺部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項３】
前記噴孔の軸方向長さをＬ、噴孔径をＤとしたとき、点火プラグの電極近傍に最も指向する噴孔のＬ／Ｄを、それ以外の噴孔のＬ／Ｄより小さく形成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項４】
点火プラグの電極に近い方向を指向する噴孔ほど、Ｌ／Ｄを小さく形成したことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項５】
成層燃焼を行うときは、低噴射圧で圧縮行程噴射して噴霧分布の点火プラグの電極近傍への集中度を大きくし、均質燃焼を行うときは、高噴射圧で吸気行程噴射して噴霧分布の拡散性が増大するようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【請求項６】
機関の低温始動時は、低噴射圧とし吸気行程および圧縮行程で燃料噴射することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多噴孔型の燃料噴射弁と点火プラグとを燃焼室に備えた内燃機関において、各噴孔からの噴霧形態を運転条件に適した形態に切り換えられるようにした技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、燃料を、点火時期前の圧縮行程での噴射に加えて膨張行程で噴射して後燃えによる排気温度上昇効果により、排気浄化触媒を早期に暖機・活性化するようにしているが、同時に、膨張行程時の点火時期直前での燃料噴射によって燃焼室内の乱れを強化して燃焼性安定化（火炎伝播促進）を図っている。
【特許文献１】特許３３２５２３０号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１の燃料噴射による乱れの強化では、燃焼性安定化に限界があり、より燃焼性を安定化するためには、２回目の噴射による噴霧を成層化する必要がある。
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、各噴孔からの噴霧形態を運転条件に適した形態に切り換えられ、所定の運転条件では、燃料噴霧の成層化を促進し、別の運転条件では燃料噴霧を均質化できるようにした内燃機関の燃料噴射制御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】
【０００４】
このため、本発明は、
多噴孔型の燃料噴射弁と、点火プラグと、を燃焼室に備えた内燃機関の燃料噴射制御装置において、
点火プラグの電極近傍を指向する噴孔と、点火プラグの電極近傍を指向しない噴孔とを備え、燃料噴射弁の噴射燃圧が低いときは、各噴孔からの噴霧のペネトレーションが略同等となって噴霧分布の点火プラグの電極近傍への集中度が大きくなり、噴射燃圧が高いときは、各噴孔からの噴霧のペネトレーションの差が増大して噴霧分布の拡散性が増大するように、各噴孔の形状を設定したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、低温始動時などでは、燃圧を低くして燃料噴射し、圧縮行程で噴射された燃料は、各噴孔からの噴霧のペネトレーションが略同等となって点火プラグの電極近傍を指向する噴孔からの噴霧と、該噴霧と隣り合う噴霧とがコアンダ効果によって互いに引き寄せあい、噴霧分布の点火プラグの電極近傍への集中度が大きくなり、成層化が促進され、燃焼性安定化が促進される。
【０００６】
一方、均質燃焼が要求される運転条件では、噴射圧力を高くすることにより、各噴孔からの噴霧のペネトレーションの差が増大して噴霧分布の拡散性が増大して噴霧が均質化され、安定した均質燃焼を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す直噴火花点火式内燃機関（以下エンジンという）の要部断面図である。
エンジンのシリンダ壁とピストン８との間に形成される燃焼室１には、その上面（シリンダヘッド）側の略中央部に点火プラグ２が配置されている。そして、点火プラグ２を囲むように、２本ずつ吸気ポート３Ａ、３Ｂ及び排気ポート４Ａ、４Ｂが開口し、それぞれに吸気弁５Ａ、５Ｂ及び排気弁６Ａ、６Ｂが装着されている。
【０００８】
燃料噴射弁７は、吸気ポート３Ａ、３Ｂ間に設置され、燃焼室１の吸気弁５Ａ、５Ｂ側の側部に斜め下向きに配置され、複数形成された各噴孔から、それぞれ所定の方向を指向して燃焼室１中心部側に燃料を噴射するようになっている。
図２は燃料系の構成を示している。
燃料タンク１０内に、燃料タンク１０内の燃料を圧送する電動式の低圧燃料ポンプ１１と、その吐出側で燃料をろ過する燃料フィルタ１２と、余剰燃料を燃料タンク１０へ戻すことで吐出側圧力を一定圧力（通常０．３〜０．５ＭＰａ程度）に調整する低圧プレッシャレギュレータ１３とが設けられている。
【０００９】
低圧燃料ポンプ１１により圧送される燃料は、低圧配管１４により、高圧燃料ポンプ１５へ供給される。
高圧燃料ポンプ１５は、プランジャポンプ１６と、その吸入側に設けられる電磁制御弁１７と、吐出側に設けられるチェック弁１８とを含んで構成されている。
プランジャポンプ１６は、エンジンのカム軸に連結されているポンプ駆動カムにより駆動されるプランジャの往復動により吸入・吐出動作を行う。
【００１０】
電磁制御弁１７は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１００により、プランジャポンプ１６の吸入行程において開弁し、吐出行程において閉弁するよう制御するが、更に、その閉弁時期を制御することで、高圧燃料ポンプ１５（プランジャポンプ１６）の吐出量を制御可能である。
従って、高圧燃料ポンプ１５においては、プランジャの下降時に吸入側の電磁制御弁１７を介して燃料を吸入し、上昇時に電磁制御弁１７が閉弁してから吐出側のチェック弁１８を介して燃料を吐出する。
【００１１】
高圧燃料ポンプ１５の吐出側（チェック弁１８側）は、高圧配管１９に接続されている。高圧配管１９には、これから分岐する各分岐管２０を介して気筒数分の燃料噴射弁７が接続され、これらの燃料噴射弁７は図１に示したようにエンジンの各気筒の燃焼室１に臨んでいる。
また、高圧配管１９には、その内部の燃圧を検出する燃圧センサ２１が取付けられ、その信号はＥＣＵ１００に入力されている。更に、高圧配管１９の端部には、リリーフ弁２２が装着され、このリリーフ弁２２を介して、燃料タンク１０へのリターン配管２３と接続されている。このリリーフ弁２２は、高圧配管１９内の燃圧が過大に上昇したときに開弁して圧力を逃がすためのものである。
【００１２】
ここにおいて、燃料噴射弁７より噴射する燃料圧力を制御するため、高圧配管１９内の燃圧を制御するが、この燃圧は、ＥＣＵ１００からの信号により、電磁制御弁１７の閉弁時期を制御して、高圧燃料ポンプ１５の吐出量を制御することにより、任意の目標燃圧（通常３〜１５ＭＰａ程度）にフィードバック制御する。
目標燃圧は、エンジン回転数及び負荷等の運転条件に応じて設定される。特に、低温始動時など圧縮行程噴射で成層混合気を形成する時の燃圧は、部分負荷、全開運転など吸気行程噴射で均質混合気を形成する時の燃圧より低圧に設定される。
【００１３】
そして、燃料噴射弁７の各噴孔の形状が、上記成層混合気形成時の低燃圧と、均質混合気形成時の高燃圧とに応じて、各噴孔からの噴霧が良好な成層混合気および均質混合気を形成するように、形成されている。
具体的には、図３に示すように、燃料噴射弁７の先端部の燃焼室頂壁に最も近い側に（中心軸が）点火プラグ２の電極部を指向する噴孔７ａを最上部に１個形成し、該噴孔７ａより下側（ピストン側）の５個の噴孔７ｂを燃焼室１空間に均等に噴霧が分布するように３角形状に配置して形成するが、各噴孔７ａ，７ｂの軸方向長さを同等とし、点火プラグ２の電極部を指向する噴孔７ａの径を、他の噴孔７ｂの径より大きく形成する。
【００１４】
図４に示すように、径の異なる２つの噴孔に対する噴霧のペネトレーション（貫徹力：噴孔から噴霧先端までの距離で示される）を比較すると、噴孔径が大きい方、また、燃圧が大きい方がペネトレーションは増大するが、低燃圧ではペネトレーションの差が小さく、高燃圧では、ペネトレーションの差が大きくなることが明らかである。
そして、隣接する噴霧のペネトレーションの差が小さいときはコアンダ効果によって噴霧同士が引き寄せられるが、ペネトレーションが大きいほど噴霧の直進性が強いので、ペネトレーションが小さい方の噴霧が、ペネトレーションが大きい方の噴霧に、より大きく引き寄せられることとなる。
【００１５】
以上の作用を利用して、ＥＣＵ１００は、以下のように運転条件に応じて燃料噴射制御を切り換える。
エンジンの図示しない排気通路に装着された排気浄化触媒が未暖機状態の低温始動時には、排気温度を上昇させて触媒の暖機・活性化を促進できるように、燃圧を低燃圧に制御しつつ吸気行程と圧縮行程とに分割して燃料噴射を行わせる。
【００１６】
圧縮行程での燃料噴射では、上述したように低燃圧であるため、図５に示すように、各噴孔７ａ，７ｂからの噴霧は、ペネトレーションの差が小さいのでコアンダ効果によって引き寄せあい、特に、点火プラグ２の電極部２ａを指向する噴孔７ａからの噴霧と、その直ぐ下側に配置された噴孔７ｂからの隣接する噴霧とが引き寄せあうことにより、点火プラグ２の電極部２ａの近傍に噴霧（混合気）が集中的に分布し、成層化が促進される。
【００１７】
その前の吸気行程での燃料噴射では、低燃圧であっても背圧（燃焼室１内圧力）も低いため、圧縮行程時に比較すると燃圧と背圧との差圧（噴射圧）は大きく、各噴孔７ａ，７ｂからの噴霧のペネトレーションの差は大きいので、コアンダ効果による噴霧の引き寄せ作用は小さく、噴霧は燃焼室１内に拡散して均質なリーン混合気が形成される。
このように、圧縮行程での後期噴射により、点火プラグ２の電極部２ａ近傍に局所的に比較的リッチな混合気が存在する状態とされることにより、着火性及び燃焼期間前半の燃焼性が高められるとともに、吸気行程での早期噴射による燃料が後期噴射の燃料の一部と混じり合いつつ均一でリーンな混合気を形成して、後期噴射の燃焼によって延焼（火炎伝播）が可能となり、このリーンな混合気で燃焼期間の後半に緩慢燃焼が行なわれる。
【００１８】
この結果、燃焼室１からのＨＣ及びＮＯｘ排出量を低減できるとともに、排気温度が上昇されて触媒の暖機が促進され、さらに燃焼性が高められることに伴い点火時期リタードを大きくすることが可能となり、上記分割噴射と点火時期リタードの相乗作用で、ＨＣ及びＮＯｘの低減及び触媒暖機促進の効果が高められる。
特に、本発明では、特許文献１のような燃料噴射による乱れ（のみ）で得られる燃焼性の安定化に比較し、圧縮行程における各噴孔７ａ，７ｂからの噴霧形態による成層化を促進したことにより、燃焼性をさらに安定化でき、点火時期をより大きくリタードできるので、上記ＨＣ，ＮＯｘ排出量の低減及び触媒暖機促進の効果が大きく高められる。
【００１９】
一方、上記以外の部分負荷，全開運転時では、燃圧を高燃圧に切り換えると共に、吸気行程で１回の燃料噴射とする。
このようにすれば、高燃圧である上に吸気行程では背圧（燃焼室内圧力）も低いため、燃圧と背圧との差圧（噴射圧）が十分大きくなるので、図６に示すように、各噴孔７ａ，７ｂからの噴霧のペネトレーションの差が十分に大きくなって、コアンダ効果による噴霧の引き寄せ作用は無くなり、噴霧は燃焼室１内全体に拡散しつつ、吸気行程で生じる燃焼室１内の強い乱れにより十分に混合して良好な均質混合気が形成され、安定した均質燃焼が得られ、出力を確保できる。なお、各噴孔７ａ，７ｂからの噴霧は、２つの吸気弁５Ａ、５Ｂの間を経由するので、リフトする吸気弁５Ａ、５Ｂには直接当たることはない。
【００２０】
図７は、噴孔の数を７個とした第２の実施形態を示し、点火プラグ２の電極部２ａを指向する最上部（シリンダ頂壁側）の１個の噴孔５１ａの径を他の噴孔５１ｂより大きくすることは同様であるが、その直ぐ下の段の噴孔５１ｂも２個として、全体で３角形をなすように配置されている。
図８は、第３の実施形態を示し、７個の噴孔を第２の実施形態同様に配置したものにおいて、点火プラグ２の電極部２ａを指向する最上部（シリンダ頂壁側）の１個の噴孔６１ａの径を最も大きくし、２段目の噴孔６１ｂ、３段目の噴孔６１ｃ、４段目の噴孔６１ｄと、下側（ピストン側）の噴孔ほど径を小さくするようにしたものである。
【００２１】
なお、噴孔は、径が大きいほど通路抵抗が減少してペネトレーションが増大するが、軸方向長さが短くなることによっても通路抵抗が減少してペネトレーションが増大する特性を有している。したがって、各噴孔の径は同等とし、点火プラグ２の電極部２ａを指向する噴孔を他の噴孔より軸方向長さを短くし、あるいは、シリンダ頂壁に近い噴孔ほど軸方向長さを短くするように形成してもよい。
【００２２】
すなわち、ペニトレーションの両特性の傾向を考慮すれば、噴孔の径をＤ、軸方向長さをＬとしたとき、点火プラグ２の電極部２ａを指向する噴孔を他の噴孔よりＬ／Ｄを小さくし、あるいは、シリンダ頂壁に近い噴孔ほどＬ／Ｄをするように形成すればよいことがわかる。
また、暖機後の低負荷時などに、低燃圧で圧縮行程のみ燃料噴射させて点火プラグ２の電極部２ａ周辺に噴霧を集中させて成層混合気を形成し、通常の成層燃焼を行うようにすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態を示すエンジンの要部断面図
【図２】燃料系の構成図
【図３】第１の実施形態における噴孔の形態を示す図
【図４】ペネトレーションの特性を示す図
【図５】低温始動時の圧縮行程噴射時の噴霧の状態を示す断面図
【図６】部分負荷・全開時の噴霧の状態を示す断面図
【図７】第２の実施形態における噴孔の形態を示す図
【図８】第３の実施形態における噴孔の形態を示す図
【符号の説明】
【００２４】
１   燃焼室 
２   点火プラグ
２ａ   電極部
７  燃料噴射弁 
７ａ   点火プラグの電極部を指向する噴孔
７ｂ   ７ａ以外の噴孔
１５   高圧燃料ポンプ
５１ａ   点火プラグの電極部を指向する噴孔
５１ｂ   ５１ａ以外の噴孔
６１ａ   点火プラグの電極部を指向する噴孔
６１ｂ   ６１ａの直ぐ下の噴孔
６１ｃ   ６１ｂの直ぐ下の噴孔
６１ｄ   ６１ｃの直ぐ下の噴孔
１００ ＥＣＵ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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