(57)【要約】【課題】噴射燃料の気化を促進して、噴射燃料の貫徹力を高めることができる内燃機関の燃料噴射装置を提供する。【解決手段】燃料噴射直前の燃料温度Ｔが高くなるほど噴射燃料の貫徹力が低くなり、燃料温度が特定温度Ｔ’となると貫徹力が最低となり、燃料温度が特定温度を超えて高くなるほど貫徹力が高くなる燃料噴射装置において、燃料温度が特定温度近傍を超えて高くされて所望の貫徹力を実現するように燃料が噴射される。【選択図】　　　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料噴射直前の燃料温度が高くなるほど噴射燃料の貫徹力が低くなり、前記燃料温度が特定温度となると前記貫徹力が最低となり、前記燃料温度が前記特定温度を超えて高くなるほど前記貫徹力が高くなる燃料噴射装置において、前記燃料温度が前記特定温度近傍を超えて高くされて所望の貫徹力を実現するように燃料が噴射されることを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項２】
噴射燃料をピストン頂面へ向かわせる場合にピストン温度が設定温度以下の時には、前記燃料温度が前記特定温度近傍とされて燃料が噴射され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装置。
【請求項３】
燃料加熱手段を具備し、前記燃料温度が前記特定温度近傍を越えて高くされて所望の高い前記貫徹力を実現する第一燃料噴射と、前記燃料温度が前記特定温度近傍とされて所望の低い貫徹力を実現する第二燃料噴射とを切り換えて実施するために、所望の前記燃料温度を実現するように前記燃料加熱手段を作動す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装置。
【請求項４】
前記燃料加熱手段によって所望の前記燃料温度が実現されない間は、噴射以前の燃料圧力を変化させて前記第一燃料噴射及び前記第二燃料噴射における所望の前記貫徹力を実現する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装置。
【請求項５】
噴射される燃料の性状に応じて所望の前記貫徹力を実現する前記燃料温度を設定す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装置。
【請求項６】
噴射される燃料はエマルジョン燃料であり、前記エマルジョン燃料の含水率に応じて所望の前記貫徹力を実現する前記燃料温度を設定す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装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の燃料噴射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧縮行程後半において気筒内へ直接的に燃料を噴射することにより、点火時点において点火プラグ近傍だけに着火性の良好な混合気（以下、可燃混合気）を形成し、気筒内全体としては希薄な混合気の燃焼を可能にする成層燃焼が公知である。この成層燃焼は、希薄燃焼であることに加えて、スロットル弁により吸気を絞る必要がないためにポンピング損失が少なく、均質燃焼に比較して、燃料消費をかなり低減することができる。
【０００３】
このような筒内噴射式火花点火内燃機関において、全ての運転状態で前述の成層燃焼を実施することはできず、例えば、機関高負荷時となって必要燃料が比較的多量となると、圧縮行程後半だけでの燃料噴射が時間的に困難となり、この時には、吸気行程において燃料を噴射する均質燃焼が実施される。
【０００４】
成層燃焼にとっては、噴射燃料が点火プラグ近傍へ到達して成層燃焼のための可燃混合気を形成しなければならず、噴霧到達距離を長くすることが好ましい。一方、均質燃焼にとっては、噴射燃料がシリンダボア等へ到達して付着することを防止するために、噴霧到達距離を短くすることが好ましい。しかしながら、一般的な筒内噴射式火花点火内燃機関では、成層燃焼のための圧縮行程噴射と均質燃焼のための吸気行程噴射とを一つの燃料噴射弁が担当することとなるために、これら二つの要求を満足することはできない。
【０００５】
特開２０００−２３０４６５号公報には、噴射以前に燃料を加熱することにより、噴射燃料は気化し易くなって噴霧到達距離が短くなることを開示している。それにより、同じ燃料噴射弁を使用して、成層燃焼時には燃料を加熱せずに噴霧到達距離を長くし、均質燃焼時には燃料噴射弁内で燃料を加熱して噴霧到達距離を短くすることが可能となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述の従来技術においては、燃料を加熱せずに噴霧到達距離を長くすることとなるために、燃料気化が悪化し、特に、機関冷間時等には噴射燃料が殆ど気化せず、点火プラグ近傍には液状燃料が到達するために、成層燃焼を断念しなければならない。
【０００７】
従って、本発明の目的は、噴射燃料の気化を促進して、噴霧到達距離を延長する、すなわち、噴射燃料の貫徹力を高めることができる内燃機関の燃料噴射装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射装置は、燃料噴射直前の燃料温度が高くなるほど噴射燃料の貫徹力が低くなり、前記燃料温度が特定温度となると前記貫徹力が最低となり、前記燃料温度が前記特定温度を超えて高くなるほど前記貫徹力が高くなる燃料噴射装置において、前記燃料温度が前記特定温度近傍を超えて高くされて所望の貫徹力を実現するように燃料が噴射されることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明による請求項２に記載の内燃機関の燃料噴射装置は、請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射装置において、噴射燃料をピストン頂面へ向かわせる場合にピストン温度が設定温度以下の時には、前記燃料温度が前記特定温度近傍とされて燃料が噴射されることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明による請求項３に記載の内燃機関の燃料噴射装置は、請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射装置において、燃料加熱手段を具備し、前記燃料温度が前記特定温度近傍を越えて高くされて所望の高い前記貫徹力を実現する第一燃料噴射と、前記燃料温度が前記特定温度近傍とされて所望の低い貫徹力を実現する第二燃料噴射とを切り換えて実施するために、所望の前記燃料温度を実現するように前記燃料加熱手段を作動することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明による請求項４に記載の内燃機関の燃料噴射装置は、請求項３に記載の内燃機関の燃料噴射装置において、前記燃料加熱手段によって所望の前記燃料温度が実現されない間は、噴射以前の燃料圧力を変化させて前記第一燃料噴射及び前記第二燃料噴射における所望の前記貫徹力を実現することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明による請求項５に記載の内燃機関の燃料噴射装置は、請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射装置において、噴射される燃料の性状に応じて所望の前記貫徹力を実現する前記燃料温度を設定することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明による請求項６に記載の内燃機関の燃料噴射装置は、請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射装置において、噴射される燃料はエマルジョン燃料であり、前記エマルジョン燃料の含水率に応じて所望の前記貫徹力を実現する前記燃料温度を設定することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による燃料噴射装置が取り付けられた内燃機関を示す概略縦断面図であり、図２は図１におけるピストンの平面図である。本実施形態において、内燃機関は筒内噴射式火花点火内燃機関とされている。図１及び２において、１は吸気ポート、２は排気ポートである。吸気ポート１は吸気弁３を介して、排気ポート２は排気弁４を介して、それぞれ気筒内へ通じている。５はピストンであり、凹状のキャビティ８がピストン頂面に形成されている。６は気筒上部中心近傍に配置された点火プラグである。７は気筒上部周囲の吸気ポート側に配置された燃料噴射弁である。
【００１５】
燃料噴射弁７は、例えば、スリット状の噴孔を有し、比較的厚さの薄い略扇形状噴霧１０として燃料を噴射するものである。成層燃焼を実施するためには、図１及び２に示すように、圧縮行程後半において燃料をピストン５頂面に形成されたキャビティ８内へ噴射する。こうしてキャビティ８内へ噴射された燃料は、キャビティ８の底壁８ａと、燃料噴射弁７に対向して平面視において円弧形状を有するキャビティ８の対向側壁８ｂとに沿って進行する。
【００１６】
図２に示すように、燃料は、キャビティ８の底壁８ａ上を進行する際に幅方向に拡がってキャビティ８から良好に受熱する。その後、底壁８ａにおいて幅方向に拡がった燃料は、キャビティ８の対向側壁８ｂ上を進行する際に、対向側壁８ｂの平面視円弧形状によって対向側壁８ｂの中央部へ集合する。こうして、対向側壁８ｂの中央部上方に位置する点火プラグ６近傍だけに可燃混合気を形成することができる。この可燃混合気を着火燃焼させることにより、成層燃焼として気筒内全体としてはリーンな混合気が燃焼可能となる。
【００１７】
本筒内噴射式火花点火内燃機関では、このような成層燃焼だけでなく、例えば、必要燃料が多量となる機関高負荷時には、圧縮行程後半での燃料噴射が時間的に困難であるとして、吸気行程で燃料を噴射して気筒内に均質混合気を形成し、これを着火燃焼させる均質燃焼が実施される。
【００１８】
良好な成層燃焼を実現するためには、前述したように、噴射燃料を自身貫徹力によって確実に点火プラグ６近傍へ到達させることが必要である。そのためには、噴射燃料の貫徹力を高めることが望まれる。また、一般的に、圧縮行程後半の気筒内には乱れが発生しており、特に、吸気行程でタンブル流又はスワール流を生成した場合には圧縮行程後半の気筒内の乱れは強くなる。このように気筒内に乱れが発生している場合にも噴射燃料を確実に点火プラグ６近傍に到達させるためには、噴射燃料の貫徹力をさらに高くすることが望まれる。
【００１９】
一方、良好な均質燃焼を実現するためには、吸気行程でタンブル流又はスワール流を生成して燃料の気化及び混合を促進することが好ましく、また、噴射燃料の全てが使用されて所望空燃比の均質混合気が形成されるように、噴射燃料の一部がシリンダボア等に付着することを防止しなければならない。そのためには、噴射燃料の貫徹力を低くすることが望ましい。
【００２０】
こうして、燃料噴射弁７は、貫徹力の高い燃料噴霧と貫徹力の低い燃料噴霧とを噴射することが要求される。そのために、本実施形態では、燃料噴射弁７内において燃料を加熱するための燃料加熱手段７ａが設けられている。この燃料加熱手段７ａとして、例えば、電気ヒータ等が使用可能である。図３は、燃料噴射直前の燃料温度Ｔと、噴射された燃料の噴霧到達距離Ｌとの関係を示す実験結果である。ここで、実験に使用された燃料は、筒内噴射式火花点火内燃機関で一般的に使用されるのと同じガソリンである。
【００２１】
図３の実験結果から、燃料噴射直前の燃料温度Ｔが高くなるほど噴霧到達距離Ｌが短くなることが解る。これは、燃料温度Ｔが高くなるほど噴射燃料が気化し易くなり、飛行中に容易に気化した燃料は貫徹力が急激に低下するためである。すなわち、燃料温度Ｔが高くなるほど、噴射直後から多量の燃料気化が開始されて噴射燃料の貫徹力が低くなると言える。こうして、燃料温度Ｔが約８０°Ｃの特定温度Ｔ’となると噴霧到達距離Ｌが最短となり、すなわち、噴霧燃料の貫徹力が最低となる。
【００２２】
しかしながら、図３の実験結果から、さらに、燃料温度Ｔがこの特定温度Ｔ’を超えて高くなるほど噴霧到達距離Ｌが長くなることが解る。すなわち、燃料温度Ｔが特定温度Ｔ’を超えて高くなるほど噴射燃料の貫徹力が高くなっている。前述の特定温度Ｔ’は、ガソリンの５０％留出温度にほぼ一致している。それにより、燃料温度Ｔが特定温度Ｔ’を超えている時には、噴射燃料の一部が燃料噴射弁７内の弁体シート部下流において減圧された瞬間に気化して急激に体積膨張し、この体積膨張により気化燃料は残りの液状燃料と共に高速で噴射されることとなる。こうして、燃料温度Ｔが高くなるほど、燃料噴射弁７の弁体下流において瞬間的に気化する燃料量が増大し、噴射燃料の貫徹力が高くなる。
【００２３】
ここで、ガソリンのような多成分燃料における５０％留出温度は、単成分燃料における沸点と同等に扱われ、実際的に、単成分燃料としてイソヘキサン及びイソオクタンを使用した同様な実験結果においても、燃料温度がそれぞれの沸点までは噴霧到達距離が短くなり、燃料温度がそれぞれの沸点を越えると噴霧到達距離が長くなっている。こうして、燃料温度Ｔを、特定温度Ｔ’として燃料毎に特有の沸点とする時に噴霧到達距離が最短となると言える。これは、燃料温度Ｔが燃料噴射直前、すなわち、燃料噴射弁内の弁体シート部直上流の温度であり、弁体シート部直下流に流出した時に若干の温度低下があり、実際的に、弁体シート部直下流で一部の燃料が瞬間的に気化するには、燃料温度Ｔが沸点より若干高い温度であることが必要とされるためである。
【００２４】
本実施形態では、このような考え方に基づき燃料加熱手段７ａを作動させて、均質燃焼時には、燃料温度Ｔが特定温度Ｔ’近傍となるようにして燃料を噴射し、吸気行程燃料噴射において、噴射燃料がシリンダボアへ到達しない程度に低い所望貫徹力の燃料噴霧を実現し、また、成層燃焼時には、燃料温度Ｔが特定温度Ｔ’近傍を越えて高められるようして燃料を噴射し、圧縮行程噴射において、噴射燃料が点火時点において点火プラグ６近傍に可燃混合気を形成する程度に高い所望貫徹力の燃料噴霧を実現している。こうして、成層燃焼時の燃料噴霧は、一部の液状燃料を含む気化燃料であり、特に、機関冷間時等でも、この一部の液状燃料だけを気化させれば良く、十分に成層燃焼を実現することができる。成層燃焼時において、燃料噴射量及び機関回転数等によって定まる燃料噴射終了から点火までの時間が短いほど噴射燃料は短時間で点火プラグ６近傍に到達しなければならなくなり、それにより、この時間が短いほど燃料温度Ｔを高温度として燃料噴霧の貫徹力を高めるようにしても良い。
【００２５】
このように、成層燃焼時において、燃料噴射量及び機関回転数等に応じて燃料噴霧の所望の貫徹力が異なり、例えば、燃料噴射量が少なく機関回転数が低い時には、燃料噴霧の貫徹力を比較的低くしないと、点火時点において気化燃料は点火プラグ近傍を通過してしまう。それにより、燃料温度Ｔは、特定温度Ｔ’近傍をそれほど大幅に越えないようにしなければならず、その分、噴射燃料の液状燃料割合が比較的多くなる。
【００２６】
このような場合において、極冷間時のように、もし、冷却水温等によって推定されるピストン温度が設定温度以下であるように非常に低い時には、燃料温度Ｔが特定温度Ｔ’を越えて高められて噴射燃料の貫徹力を高めると、ピストン頂面のキャビティ内に激しく衝突した噴射燃料の液状分の一部が付着したままとなって燃焼に寄与せず、未燃燃料として排出されて排気エミッションを悪化させる。もちろん、それでも成層燃焼は可能であるが、排気エミッションの悪化は好ましくなく、それにより、このようにピストン温度が低い時には、燃料温度Ｔを特定温度Ｔ’近傍として噴射燃料の貫徹力を低くし、均質燃料を実施して液状燃料のキャビティ内付着を防止するようにしても良い。
【００２７】
前述の燃料加熱手段は、燃料温度Ｔが特定温度Ｔ’近傍を越えて高くされて貫徹力を高くする第一燃料噴射と、燃料温度Ｔが特定温度Ｔ’近傍とされて貫徹力を低くする第二燃料噴射とを切り換えて実施するために、所望の燃料温度が実現されるように、通電電流値又は通電時間等が制御されて作動される。燃料加熱手段による燃料温度制御を正確なものにするためには、燃料温度Ｔを直接的又は間接的に検出する温度センサを設けて通電電流値又は通電時間等をフィードバック制御することが好ましい。
【００２８】
しかしながら、例えば、第一燃料噴射及び第二燃料噴射の一方から他方へ切り換わる時には、瞬間的に燃料温度Ｔを所望温度へ変化させることは困難であり、温度を変化させている間は、蓄圧室等から燃料噴射弁７へ供給される燃料圧力、すなわち、燃料噴射弁７内の噴射以前の燃料圧力を変化させて所望の貫徹力を実現するようにしても良い。すなわち、第一燃料噴射から第二燃料噴射へ切り換わる時には、燃料温度Ｔを早急に低下させて燃料噴霧の貫徹力を低くする必要があるが、燃料加熱手段を作動停止しても燃料温度Ｔが直ぐに所望温度へ低下することはなく、実際に燃料温度Ｔが変化するまでの間は、燃料圧力を低下させて所望の貫徹力を実現すれば良い。また、第二燃料噴射から第一燃料噴射へ切り換わる時には、燃料温度Ｔを早急に高めて燃料噴霧の貫徹力を高くする必要があるが、燃料加熱手段を最大に作動しても燃料温度Ｔが直ぐに所望温度へ高まることはなく、実際に燃料温度Ｔが変化するまでの間は、燃料圧力を高めて所望の貫徹力を実現すれば良い。
【００２９】
燃料温度Ｔと噴霧到達距離Ｌとの関係は、ガソリン又は軽油等の燃料の種類によって変化するだけでなく、燃料性状によっても変化する。燃料の種類は、内燃機関毎に定められているために特定の必要はないが、燃料性状は銘柄、季節、又は、販売地域等によって異なる可能性があるために、現在使用されている燃料性状を把握して、燃料温度Ｔと噴霧到達距離Ｌとの複数の関係パターンから適当な関係パターンを選択し、それを使用して所望の貫徹力を実現するための燃料温度制御を実施することが必要である。燃料性状を把握するためには、赤外線センサ等を使用する成分センサによって燃料成分を分析するか、又は、測定された比重によって燃料成分の推定するようにしても良い。
【００３０】
これまで本発明による燃料噴射装置が筒内噴射式火花点火内燃機関に取り付けられた場合を説明したが、ディーゼルエンジンに本燃料噴射装置を適用することも可能である。例えば、ディーゼルエンジンにおいて、通常の拡散燃焼と、吸気行程又は圧縮行程前半に燃料を噴射して形成される均質混合気を圧縮自着火させる予混合燃焼とが実施されることがある。拡散燃焼は、ピストン頂面に形成されたキャビティ内へ貫徹力を高くして燃料を噴射し、キャビティ内全体に燃料を拡散させることが望ましい。一方、予混合燃焼は、前述した筒内噴射式火花点火内燃機関における均質燃焼と同様に、シリンダボアへの燃料付着を防止するために、貫徹力を低くして燃料を噴射することが望ましい。もちろん、拡散燃焼における燃料噴射において、燃料気化を促進することが好ましく、そのためには、前述したように、燃料温度Ｔが特定温度Ｔ’近傍を越えて高められて燃料が噴射されれば良い。それにより、燃料噴霧は気化燃料を含んで貫徹力が高められる。
【００３１】
ところで、拡散燃焼において、燃料噴射量が少ない時には、噴射燃料の貫徹力を高めると、キャビティ内に燃料が拡散し過ぎて自着火し難くなるために、燃料温度Ｔを特定温度Ｔ’近傍にして燃料噴霧の貫徹力を低くし、キャビティ内で燃料が拡散し過ぎないようにすることが好ましい。また、拡散燃焼において、極冷間時では、ピストン温度が非常に低く、貫徹力を高めると、噴射燃料の液状分がキャビティに付着することがあり、この場合には、燃料温度Ｔを特定温度Ｔ’近傍とし、貫徹力を低くして燃料を噴射することが好ましい。
【００３２】
ところで、ディーゼルエンジンにおいて、燃焼温度を低下させてＮＯＸの発生量を低減するために、乳化剤によって取り囲まれた水滴を含むエマルジョン燃料が使用されることがある。このようなエマルジョン燃料における前述の特定温度Ｔは、５０％留出温度として水の沸点である１００°Ｃとなる。この温度は比較的低温であるために、燃料温度Ｔを比較的容易に特定温度Ｔ’近傍に又は特定温度Ｔ’近傍を越えるようにすることができる。
【００３３】
図４は、エマルジョン燃料における燃料温度Ｔと噴霧到達距離Ｌとの関係を示す実験結果であり、点線、実線、及び、一点鎖線は、それぞれ、エマルジョン燃料の含水率が、３０％、２０％、及び、１０％の場合である。図４に示すように、燃料温度Ｔが特定温度Ｔ’（１００°Ｃ）までの燃料温度Ｔに対する噴霧到達距離Ｌは、エマルジョン燃料における含水率によっては変化しない。しかしながら、特定温度Ｔ’を越える時には、燃料温度Ｔに対する噴霧到達距離Ｌは、含水率が多いほど長くなる。それにより、エマルジョン燃料が使用される場合においては、所望の貫徹力を実現するための燃料温度Ｔは、含水率に応じて設定しなければならない。
【００３４】
【発明の効果】
このように、本発明による点火内燃機関の燃料噴射装置は、燃料噴射直前の燃料温度が特定温度近傍を超えて高くされて所望の貫徹力を実現するように燃料が噴射されるようになっている。こうして噴射される燃料は、燃料噴射弁内の弁体シート部直下流において、少なくとも一部の燃料が減圧により瞬間的に気化して体積膨張することにより、残りの液状燃料を含んで高速で噴射され、所望の高い貫徹力を実現することができる。それにより、噴射燃料の気化を促進して、噴霧到達距離を延長することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料噴射装置が取り付けられる筒内噴射式火花点火内燃機関の概略縦断面図である。
【図２】図１の筒内噴射式火花点火内燃機関におけるピストンの平面図である。
【図３】ガソリン燃料における燃料温度と噴霧到達距離との関係を示す実験結果である。
【図４】エマルジョン燃料における燃料温度と噴霧到達距離との関係を示す実験結果である。
【符号の説明】
５…ピストン
６…点火プラグ
７…燃料噴射弁
８…キャビティ
【図１】
2004044490.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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