(57)【要約】【課題】ガス燃料を用いた場合に高い機関出力を確保する。【解決手段】筒内にガス燃料を直接噴射するための第１の筒内噴射弁６Ａと第２の筒内噴射弁６Ｂとを具備する。第１の筒内噴射弁６Ａの噴射率は第２の筒内噴射弁６Ｂの噴射率よりも小さくなっている。要求燃料量が少ないときには第１の筒内噴射弁６Ａから圧縮行程末期ににガス燃料を噴射し、点火栓９周りに混合気を形成する。要求燃料量が多いときには第２の筒内噴射弁６Ｂから圧縮行程初期にガス燃料を噴射し、燃焼室５内全体をほぼ一様に満たす混合気を形成する。【選択図】　　　図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒内にガス燃料を直接噴射するための一対の筒内噴射弁を具備し、これら筒内噴射弁を噴射率が互いに異なる噴射弁から構成し、要求燃料量が予め定められた設定量よりも少ないときには噴射率が低い方の筒内噴射弁から圧縮行程にガス燃料を噴射し、要求燃料量が前記設定量よりも多いときには噴射率が高い方の筒内噴射弁から圧縮行程にガス燃料を噴射するようにした内燃機関の燃料供給装置。
【請求項２】
吸気通路内に液体燃料を噴射するための吸気通路内噴射弁と、筒内にガス燃料を直接噴射するための筒内噴射弁とを具備し、要求燃料量が予め定められた設定量よりも少ないときには筒内噴射弁から圧縮行程にガス燃料を噴射し、要求燃料量が前記設定量よりも多いときには吸気通路内噴射弁から吸気行程に液体燃料を噴射するようにした内燃機関の燃料供給装置。
【請求項３】
吸気通路内にガス燃料を噴射するための吸気通路内噴射弁と、筒内にガス燃料を直接噴射するための筒内噴射弁とを具備し、要求燃料量が予め定められた設定量よりも少ないときには吸気通路内噴射弁から吸気行程にガス燃料を噴射し、要求燃料量が前記設定量よりも多いときには筒内噴射弁から圧縮行程にガス燃料を噴射するようにした内燃機関の燃料供給装置。
【請求項４】
吸気通路内にガス燃料を噴射するための吸気通路内噴射弁と、筒内に液体燃料を直接噴射するための筒内噴射弁とを具備し、要求燃料量が予め定められた設定量よりも少ないときには吸気通路内噴射弁から吸気行程にガス燃料を噴射し、要求燃料量が前記設定量よりも多いときには筒内噴射弁から吸気行程に液体燃料を噴射するようにした内燃機関の燃料供給装置。
【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供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば圧縮天然ガス（以下、ＣＮＧという）のようなガス燃料を用いたガス燃料内燃機関が従来より知られている。ガス燃料は例えばガソリンのような液体燃料と比べると燃焼しやすいので、ガス燃料を用いると排気ガス中に含まれる未燃ＮＭＨＣ，ＣＯ，ＮＯｘ，ＣＯ２の量を低減できることになる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、液体燃料と比べると、ガス燃料は気体であるのでそもそも体積が大きく、しかも単位体積当たりの発熱量が小さいので或る一定の機関出力を得るために必要な燃料量が多くなる。従って、ガス燃料を吸気通路から供給するようにすると、要求燃料量が多くなったときに多量の空気を吸入することができなくなり、即ち吸気充填効率が低下し、その結果高い機関出力を得ることができなくなる。
【０００４】
そこで本発明の目的は、ガス燃料を用いた場合に、高い機関出力を確保することができる内燃機関の燃料供給装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために１番目の発明によれば、筒内にガス燃料を直接噴射するための一対の筒内噴射弁を具備し、これら筒内噴射弁を噴射率が互いに異なる噴射弁から構成し、要求燃料量が予め定められた設定量よりも少ないときには噴射率が低い方の筒内噴射弁から圧縮行程にガス燃料を噴射し、要求燃料量が前記設定量よりも多いときには噴射率が高い方の筒内噴射弁から圧縮行程にガス燃料を噴射するようにしている。
【０００６】
また、前記課題を解決するために２番目の発明によれば、吸気通路内に液体燃料を噴射するための吸気通路内噴射弁と、筒内にガス燃料を直接噴射するための筒内噴射弁とを具備し、要求燃料量が予め定められた設定量よりも少ないときには筒内噴射弁から圧縮行程にガス燃料を噴射し、要求燃料量が前記設定量よりも多いときには吸気通路内噴射弁から吸気行程に液体燃料を噴射するようにしている。
【０００７】
また、前記課題を解決するために３番目の発明によれば、吸気通路内にガス燃料を噴射するための吸気通路内噴射弁と、筒内にガス燃料を直接噴射するための筒内噴射弁とを具備し、要求燃料量が予め定められた設定量よりも少ないときには吸気通路内噴射弁から吸気行程にガス燃料を噴射し、要求燃料量が前記設定量よりも多いときには筒内噴射弁から圧縮行程にガス燃料を噴射するようにしている。
【０００８】
また、前記課題を解決するために４番目の発明によれば、吸気通路内にガス燃料を噴射するための吸気通路内噴射弁と、筒内に液体燃料を直接噴射するための筒内噴射弁とを具備し、要求燃料量が予め定められた設定量よりも少ないときには吸気通路内噴射弁から吸気行程にガス燃料を噴射し、要求燃料量が前記設定量よりも多いときには筒内噴射弁から吸気行程に液体燃料を噴射するようにしている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１を参照すると、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６Ａは第１の電気制御式筒内噴射弁、６Ｂは第２の電気制御式筒内噴射弁、７は吸気ポート、８は排気ポート、９は点火栓を夫々示す。吸気ポート７は対応する吸気枝管１０を介してサージタンク１１に連結され、サージタンク１１は吸気ダクト１２を介してエアクリーナ１３に連結される。吸気ダクト１２内にはステップモータ１４により駆動されるスロットル弁１５が配置される。一方、排気ポート８は排気マニホルド１６及び排気管１７を介して触媒コンバータ１８に接続される。
【００１０】
図１及び図２に示されるように、点火栓９はシリンダヘッド３の内壁面のほぼ中央部に配置される。これに対し、第１及び第２の筒内噴射弁６Ａ，６Ｂはシリンダヘッド３の内壁面の周縁部にそれぞれ配置され、図１に示される内燃機関では点火栓９に関し対称的に配置される。また、ピストン４の頂面上には、第１の筒内噴射弁６Ａの下方から点火栓９の下方まで延びる凹溝４ａが形成される。
【００１１】
第１及び第２の筒内噴射弁６Ａ，６Ｂは筒内にガス燃料を直接噴射するためのものである。図１に示されるように、各第１の筒内噴射弁６Ａは共通の燃料デリバリパイプ１９Ａに連結され、各第２の筒内噴射弁６Ｂは共通の燃料デリバリパイプ１９Ｂに連結される。これら燃料デリバリパイプ１９Ａ，１９Ｂは共通のレギュレータ２０を介してガス燃料貯留部即ちボンベ２１に連結される。ガス燃料ボンベ２１内のガス燃料はレギュレータ２０により予め定められた圧力まで減圧された後に燃料デリバリパイプ１９Ａ，１９Ｂに供給され、次いで筒内噴射弁６Ａ，６Ｂから機関に供給される。なお、図１に示される内燃機関では、ガス燃料としてＣＮＧが用いられる。しかしながら、他のガス燃料を用いることもできる。
【００１２】
電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、常時電源に接続されているＢ−ＲＡＭ（バックアップＲＡＭ）３５、入力ポート３６、及び出力ポート３７を具備する。サージタンク１１には、サージタンク１１内の吸気圧力に比例した出力電圧を発生する圧力センサ４０が取り付けられる。この圧力センサ４０の出力信号は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。アクセルペダル（図示しない）にはアクセルペダルの踏込み量に比例した出力電圧を発生する踏み込み量センサ４１が接続され、踏み込み量センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３５に入力される。このアクセルペダルの踏み込み量は要求負荷を表している。また、入力ポート３６にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３７は対応する駆動回路３９を介して筒内噴射弁６Ａ，６Ｂ、点火栓９、及びステップモータ１４にそれぞれ接続される。
【００１３】
図３は第１及び第２の筒内噴射弁６Ａ，６Ｂの噴射特性例えば噴射率（ｍｍ３／ストローク）ＩＲを示しており、曲線Ａは第１の筒内噴射弁６Ａの噴射率を、曲線Ｂは第２の筒内噴射弁６Ｂの噴射率をそれぞれ表している。また、図３においてＴＡＵは燃料噴射時間を表している。図３からわかるように、第１及び第２の筒内噴射弁６Ａ，６Ｂの噴射率は互いに異なっており、即ち第２の筒内噴射弁６Ｂの噴射率が第１の筒内噴射弁６Ａの噴射率よりも高くなっている。また、燃料噴射時間ＴＡＵの変化に対する噴射率の変化量も、第２の筒内噴射弁６Ｂのほうが第１の筒内噴射弁６Ａよりも大きくなっている。従って、第１の筒内噴射弁６Ａは比較的少量のガス燃料を精度よく供給することができ、第２の筒内噴射弁６Ｂは比較的多量のガス燃料を短時間のうちに供給することができる。更に、第１の筒内噴射弁６Ａの噴霧角は比較的小さくなっており、第２の筒内噴射弁６Ｂの噴霧角は比較的大きくなっている。
【００１４】
図４は図１の内燃機関の要求燃料量ＱＦを示している。この要求燃料量ＱＦは例えば燃焼室５内で燃焼せしめられる混合気の空燃比を目標となるリーン空燃比に維持しながら要求負荷Ｌに見合う機関出力を得るために必要な燃料量であり、要求負荷Ｌが高くなるにつれて大きくなる。
【００１５】
本発明による実施例では、図５に示されるように、例えば機関回転数Ｎと要求負荷Ｌとにより定められる機関運転領域が機関回転数Ｎの関数として定められる設定負荷Ｘ（Ｎ）により二つの領域に分割されており、即ち低負荷側の第１領域Ｉと高負荷側の第２領域ＩＩとに分割されている。
【００１６】
機関運転状態が第１領域Ｉ内にあるときには図６（Ａ）に示されるように、圧縮行程末期に要求燃料量ＱＦだけ第１の筒内噴射弁６Ａからピストン４の凹溝４ａ内にガス燃料が噴射される。この場合の噴射燃料Ｆは凹溝４ａの内壁面により案内されて点火栓９周りに向かい、その結果点火栓９周りに混合気が形成される。このとき、混合気周りの燃焼室５内には空気の層又は空気及びＥＧＲガスの層が形成されており、燃焼室５内に形成される混合気の平均空燃比はリーンになっている。次いで、この混合気が点火栓９により着火せしめられる。
【００１７】
一方、機関運転状態が第２領域ＩＩ内にあるときには図６（Ｂ）に示されるように、圧縮行程初期に要求燃料量ＱＦだけ第２の筒内噴射弁６Ｂからガス燃料が噴射される。この場合の噴射燃料Ｆは燃焼室５内全体をほぼ一様に満たす混合気を形成する。次いでこの混合気は点火栓９により着火せしめられる。
【００１８】
このように、要求燃料量が比較的少ない第１領域Ｉでは低噴射率の第１の筒内噴射弁６Ａからガス燃料が供給され、従ってこのとき精度よくガス燃料を供給することができる。また、平均空燃比がリーンであるので燃料消費率を低減することができ、ガス燃料が用いられるので燃焼室５から排出される未燃ＮＭＨＣ，ＣＯの量を低減することもできる。
【００１９】
一方、要求燃料量が比較的多い第２領域ＩＩでは、多量の空気を吸入し次いで吸気弁が閉弁された後にガス燃料が噴射されることになるので、吸気充填効率が低下しない。また、高噴射率の第２の筒内噴射弁６Ｂからガス燃料が供給されるので、多量のガス燃料を確実に供給できる。従って、高い機関出力を確保することができる。なお、第２領域ＩＩのうちの低負荷側の領域において、ガス燃料を圧縮行程初期と圧縮行程末期との２回に分けて噴射する、いわゆる二分割噴射を行うこともできる。
【００２０】
図７は図１に示される内燃機関における噴射制御ルーチンを示している。このルーチンは予め定められた設定時間毎の割り込みによって実行される。図７を参照すると、まずステップ１００では要求負荷Ｌが設定負荷Ｘ（Ｎ）よりも低いか否か、即ち機関運転状態が第１領域Ｉ内にあるか否かが判別される。Ｌ＜Ｘ（Ｎ）のとき、即ち機関運転状態が第１領域Ｉ内にあるときには次いでステップ１０１に進み、第１の筒内噴射弁６Ａから圧縮行程末期にガス燃料が噴射される。これに対し、Ｌ≧Ｘ（Ｎ）のとき、即ち機関運転状態が第２領域ＩＩ内にあるときには次いでステップ１０２に進み、第２の筒内噴射弁６Ｂから圧縮行程初期にガス燃料が噴射される。
【００２１】
従って、要求負荷Ｌが設定負荷Ｘ（Ｎ）のときの要求燃料量ＱＦを設定燃料量と称すると、図１に示される内燃機関では、要求燃料量が設定燃料量よりも少ないときには噴射率が低い方の筒内噴射弁６Ａから圧縮行程にガス燃料を噴射し、要求燃料量が設定燃料量よりも多いときには噴射率が高い方の筒内噴射弁６Ｂから圧縮行程にガス燃料を噴射するようにしているということになる。
【００２２】
図８から図１０は本発明による別の実施例を示している。
【００２３】
図８に示される内燃機関では、吸気ポート７内に液体燃料例えばガソリンを噴射するための電気制御式吸気ポート内噴射弁６Ｃと、筒内にガス燃料例えばＣＮＧを直接噴射するための電気制御式筒内噴射弁６Ｄとが設けられる。この場合の筒内噴射弁６Ｄは上述した第１の筒内噴射弁６Ａから構成することができる。
【００２４】
各吸気ポート内噴射弁６Ｃは共通の燃料デリバリパイプ１９Ｃに連結され、燃料デリバリパイプ１９Ｃは液体燃料ポンプ２２を介して液体燃料タンク２３に接続される。液体燃料タンク２３内の液体燃料は液体燃料ポンプ２２により燃料デリバリパイプ１９Ｃに供給され、次いで吸気ポート内噴射弁６Ｃから機関に供給される。一方、各筒内噴射弁６Ｄは共通の燃料デリバリパイプ１９Ｄに連結され、燃料デリバリパイプ１９Ｄはレギュレータ２０を介してガス燃料ボンベ２１に連結される。ガス燃料ボンベ２１内のガス燃料はレギュレータ２０により予め定められた圧力まで減圧された後に燃料デリバリパイプ１９Ｄに供給され、次いで筒内噴射弁６Ｄから機関に供給される。
【００２５】
図８に示される内燃機関では、機関運転状態が第１領域Ｉ内にあるときには、圧縮行程末期に筒内噴射弁６Ｄからピストン４の凹溝４ａ内にガス燃料が噴射される。この場合の噴射燃料は凹溝４ａの内壁面により案内されて点火栓９周りに向かい、その結果点火栓９周りに混合気が形成される。このとき、混合気周りの燃焼室５内には空気の層又は空気及びＥＧＲガスの層が形成されており、燃焼室５内に形成される混合気の平均空燃比はリーンになっている。次いで、この混合気が点火栓９により着火せしめられる。この場合、図１に示される内燃機関と同様に、燃料消費率が低減され、燃焼室５から排出される未燃ＮＭＨＣ，ＣＯの量が低減される。
【００２６】
これに対し、機関運転状態が第２領域ＩＩ内にあるときには、吸気行程に吸気ポート内噴射弁６Ｃから液体燃料が噴射される。この場合の噴射燃料は吸入空気と共に燃焼室５内に流入して燃焼室５内全体をほぼ一様に満たすリーン混合気を形成する。次いでこの混合気は点火栓９により着火せしめられる。この場合、体積の大きいガス燃料が供給されないので吸気充填効率が低下せず、従って高い機関出力を確保することができる。
【００２７】
従って、図８に示される内燃機関では、要求燃料量が設定燃料量よりも少ないときには筒内噴射弁６Ｄから圧縮行程にガス燃料を噴射し、要求燃料量が設定燃料量よりも多いときには吸気ポート内噴射弁６Ｃから吸気行程に液体燃料を噴射するようにしているということになる。
【００２８】
一方、図９に示される内燃機関では、吸気ポート７内にガス燃料例えばＣＮＧを噴射するための電気制御式吸気ポート内噴射弁６Ｅと、筒内にガス燃料例えばＣＮＧを直接噴射するための電気制御式筒内噴射弁６Ｆとが設けられる。この場合の筒内噴射弁６Ｆは上述した第２の筒内噴射弁６Ｂから構成することができる。
【００２９】
各吸気ポート内噴射弁６Ｅは共通の燃料デリバリパイプ１９Ｅに連結され、各筒内噴射弁６Ｆは共通の燃料デリバリパイプ１９Ｆに連結される。これら燃料デリバリパイプ１９Ｅ，１９Ｆは共通のレギュレータ２０を介してガス燃料ボンベ２１に連結される。ガス燃料ボンベ２１内のガス燃料はレギュレータ２０により予め定められた圧力まで減圧された後に燃料デリバリパイプ１９Ｅ，１９Ｆに供給され、次いで吸気ポート内噴射弁６Ｅ及び筒内噴射弁６Ｆから機関に供給される。ピストン４の頂面には図１及び図８に示される内燃機関とは異なり、比較的浅い凹部４ｂが形成される。
【００３０】
図９に示される内燃機関では、機関運転状態が第１領域Ｉ内にあるときには、吸気行程に吸気ポート内噴射弁６Ｅからガス燃料が噴射される。この場合の噴射燃料は吸入空気と共に燃焼室５内に流入して燃焼室５内に着火可能なリーン混合気を形成する。次いでこの混合気は点火栓９により着火せしめられる。この場合も、燃料消費率が低減され、燃焼室５から排出される未燃ＮＭＨＣ，ＣＯの量が低減される。
【００３１】
これに対し、機関運転状態が第２領域ＩＩ内にあるときには、圧縮行程初期に筒内噴射弁６Ｆからガス燃料が噴射される。この場合の噴射燃料は燃焼室５内全体をほぼ一様に満たすリーン混合気を形成する。次いでこの混合気は点火栓９により着火せしめられる。この場合も、吸気充填効率が低下せず、従って高い機関出力を確保することができる。
【００３２】
従って、図９に示される内燃機関では、要求燃料量が設定燃料量よりも少ないときには吸気ポート内噴射弁６Ｅから吸気行程にガス燃料を噴射し、要求燃料量が設定燃料量よりも多いときには筒内噴射弁６Ｆから圧縮行程にガス燃料を噴射するようにしているということになる。
【００３３】
最後に、図１０に示される内燃機関では、吸気ポート７内にガス燃料例えばＣＮＧを噴射するための電気制御式吸気ポート内噴射弁６Ｇと、筒内に液体燃料例えばガソリンを直接噴射するための電気制御式筒内噴射弁６Ｈとが設けられる。
【００３４】
各吸気ポート内噴射弁６Ｇは共通の燃料デリバリパイプ１９Ｇに連結され、燃料デリバリパイプ１９Ｇはレギュレータ２０を介してガス燃料ボンベ２１に連結される。ガス燃料ボンベ２１内のガス燃料はレギュレータ２０により予め定められた圧力まで減圧された後に燃料デリバリパイプ１９Ｇに供給され、次いで吸気ポート内噴射弁６Ｇから機関に供給される。一方、筒内噴射弁６Ｈは共通の燃料デリバリパイプ１９Ｈに連結され、燃料デリバリパイプ１９Ｈは液体燃料ポンプ２２を介して液体燃料タンク２３に接続される。液体燃料タンク２３内の液体燃料は液体燃料ポンプ２２により燃料デリバリパイプ１９Ｈに供給され、次いで筒内噴射弁６Ｈから機関に供給される。ピストン４の頂面には図９に示される内燃機関と同様に、比較的浅い凹部４ｂが形成される。
【００３５】
図１０に示される内燃機関では、機関運転状態が第１領域Ｉ内にあるときには、吸気行程に吸気ポート内噴射弁６Ｇからガス燃料が噴射される。この場合の噴射燃料は吸入空気と共に燃焼室５内に流入して燃焼室５内に着火可能なリーン混合気を形成する。次いでこの混合気は点火栓９により着火せしめられる。この場合も、燃料消費率が低減され、燃焼室５から排出される未燃ＮＭＨＣ，ＣＯの量が低減される。
【００３６】
これに対し、機関運転状態が第２領域ＩＩ内にあるときには、吸気行程に筒内噴射弁６Ｈから液体燃料が噴射される。この場合の噴射燃料は燃焼室５内全体をほぼ一様に満たすリーン混合気を形成する。次いでこの混合気は点火栓９により着火せしめられる。この場合も、吸気充填効率が低下せず、従って高い機関出力を確保することができる。
【００３７】
従って、図１０に示される内燃機関では、要求燃料量が設定燃料量よりも少ないときには吸気ポート内噴射弁６Ｇから吸気行程にガス燃料を噴射し、要求燃料量が設定燃料量よりも多いときには筒内噴射弁６Ｈから吸気行程に液体燃料を噴射するようにしているということになる。
【００３８】
これまで述べてきた本発明による各実施例では、一対の噴射弁が設けられ、燃料を噴射する噴射弁が要求燃料量に応じて選択的に切り替えられる。しかしながら、要求噴射量ＱＦが多い例えば第２領域ＩＩでは、両方の噴射弁から燃料を供給するようにしてもよい。
【００３９】
【発明の効果】
ガス燃料を用いた場合に高い機関出力を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】ピストンの頂面図である。
【図３】燃料率を示す線図である。
【図４】要求噴射量を示す線図である。
【図５】第１及び第２領域を示す線図である。
【図６】二つの燃焼を説明するための図である。
【図７】噴射制御ルーチンを示すフローチャートである。
【図８】別の実施例を示す図である。
【図９】別の実施例を示す図である。
【図１０】別の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１…機関本体
５…燃焼室
６Ａ…第１の筒内噴射弁
６Ｂ…第２の筒内噴射弁
２１…ガス燃料ボンベ
【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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【図９】
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【図１０】
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