(57)【要約】【課題】  圧縮着火時期までにほぼ均一混合気を形成することが可能な内燃機関の燃料噴射装置を提供する。【解決手段】  燃料ポンプ１と燃料噴射弁２の間、または燃料噴射弁２内に燃料加熱手段Ｈを有すると共に、吸気弁４或いは排気弁５の開閉弁時期を制御して、燃焼室３内に負圧が発生する期間を設け、この負圧発生期間における所定時期に加熱燃料を燃焼室３内に噴射することにより、減圧沸騰を激しく発生させ高拡散、低貫徹力、高微粒化、高蒸発噴霧を形成して、燃焼室内の空気との混合を促進を特徴としたものである。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ポンプにより燃料を燃料噴射弁に供給し、燃焼室内に燃料を噴射する内燃機関において、燃料ポンプと燃料噴射弁の間または燃料噴射弁の内部に燃料加熱手段を設けると共に、内燃機関の吸気弁または排気弁の開閉弁時期を制御して燃焼室内に負圧が発生する期間を設け、この負圧発生期間に加熱燃料を燃焼室内に噴射するようにしたことを特徴とした内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項２】
燃料ポンプにより燃料を燃料噴射弁に供給し、燃焼室内に燃料を噴射する内燃機関において、燃料に減圧沸騰可能で微細な噴霧粒径を形成する混合物を混合すると共に、内燃機関の吸気弁または排気弁の開閉弁時期を制御して燃焼室内に負圧が発生する期間を設け、この負圧発生期間に前記燃料を燃焼室内に噴射するようにしたことを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮着火時期までに均一混合気を形成することが可能な内燃機関の燃料噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術には、図４に示すように、燃料供給系の燃料を燃料噴射手段からの燃料噴射時にほぼ減圧沸騰し得る温度以上に加熱する燃料加熱手段を備えたことを特徴とする内燃機関の燃料供給装置がある。
【特許文献１】特開２００３−３８５２号公報
【０００３】
従来のディーゼル機関では、圧縮行程後半の燃焼室内圧力が高い時期に燃料が噴射される。そのため、このような条件下で噴射された燃料を減圧沸騰させるには、極めて高温に燃料を加熱することが要求される。これに対して近年よく使用されているコモンレール噴射系のように噴射の開閉時期をソレノイドで制御するような噴射系では、燃料温度を極めて高温にすると、ソレノイドの電磁力が低下して正常に噴射できなくなる。また、ソレノイドを構成する銅線の絶縁被覆が変質して絶縁できなくなり、電磁力を発生させることができなくなるという問題を生じる。
【０００４】
一方、このような不具合が発生しないような温度に燃料温度を設定した場合には、燃料中の低沸点成分は減圧沸騰すると考えられるが、その量は僅かであり減圧沸騰による高拡散、低貫徹力、高微粒化、高蒸発噴霧を実現することは困難である。そのため、予混合圧縮着火燃焼に最適な均一混合気を形成させることができなかった。
【０００５】
なお、従来のディーゼル機関で燃焼室内圧力が低い時期に設定すれば、上述のような圧縮行程後半に燃料を噴射するときと比較して低い燃料温度で減圧沸騰させることができる。
しかし、従来のディーゼル機関は、図５に示すように、排気弁と吸気弁が同時に開放するオーバーラップ期間が設けられていること、さらに吸気管に絞り弁がないこと、によって吸気時期の燃焼室内の圧力は概ね大気圧である（図３(a)参照）。そこで、この雰囲気圧力での減圧沸騰の効果を知るために、大気圧場に３００℃まで加熱した軽油を噴射して混合気形成の状態を観察した。
【０００６】
その結果、図６に示すように、２０℃の燃料を噴射した時と比較すれば、噴霧の広がりがやや大きく、噴霧長もやや短くなっているが、減圧沸騰する量が少ないために噴霧状態の変化が小さい。この程度の変化では圧縮着火時までに燃焼室全体にわたって均一混合気を形成させることが困難であり、この状態で燃焼させると燃料が密集した領域での燃焼温度が上昇して、ＮＯｘを大量に発生する。また、噴霧貫徹力が強すぎてシリンダ壁に燃料が付着し、それがオイル希釈や未燃ＨＣとして排出される。このような燃料は燃焼に寄与しないので、燃費悪化や出力低下を招く。また未燃ＨＣが排出されること自体、環境にとって望ましいことではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、以上の課題を解決するために案出されたもので、すなわち、本発明の目的は、負圧発生期間に加熱燃料を噴射することにより減圧沸騰を発生させて、高拡散、低貫徹力、高微粒化、高蒸発噴霧を形成し、かかる特性を有する噴霧のため、燃焼室内の空気との混合が促進され、圧縮着火時期までにほぼ均一混合気を形成することが可能な内燃機関の燃料供給装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の内燃機関の燃料噴射装置は、燃料ポンプにより燃料を燃料噴射弁に供給し、燃焼室内に燃料を噴射する内燃機関において、燃料ポンプと燃料噴射弁の間または燃料噴射弁の内部に燃料加熱手段を設けると共に、内燃機関の吸気弁または排気弁の開閉弁時期を制御して燃焼室内に負圧が発生する期間を設け、この負圧発生期間に加熱燃料を燃焼室内に噴射するようにしたことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の内燃機関の燃料噴射装置は、燃料ポンプにより燃料を燃料噴射弁に供給し、燃焼室内に燃料を噴射する内燃機関において、燃料に減圧沸騰可能で微細な噴霧粒径を形成する混合物を混合すると共に、内燃機関の吸気弁または排気弁の開閉弁時期を制御して燃焼室内に負圧が発生する期間を設け、この負圧発生期間に加熱燃料を燃焼室内に噴射するようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
ここで、ディーゼルエンジンにおける極低ＮＯｘ、極低スモーク燃焼に関して、燃焼室内に均一な混合気を形成した後に圧縮着火燃焼させる予混合圧縮着火燃焼法が有効であることが知られている。この燃焼法を成立させるうえでの混合気形成上の重要な要件として、（1）圧縮着火するまでに均一な混合気を燃焼室内に形成させること、（2）シリンダ壁に燃料を付着させないこと、が挙げられる。
【００１１】
（1）は、燃料濃度が局所的に高い領域があると、その部分の燃焼温度が非常に高温になって大量のＮＯｘを発生することになるが、均一な混合気であればそのような領域がなく、燃焼室全体で比較的に低温で燃焼させることが可能になるためにＮＯｘ発生量を極めて少なくすることが可能になる。
【００１２】
（2）ついては、シリンダ壁に付着した燃料は、ピストンリングで掻き落とされてオイル希釈の原因となったり、掻き落とされなかった燃料はそのまま排気行程中に排出されて未燃ＨＣ排出要因になるので、これを防止する必要がある。
これに対して、“加熱した燃料をエンジンの吸気弁或いは排気弁の開閉弁時
期を制御して負圧状態にした燃焼室内に噴射する”という本発明は以下の効果を有する。
【００１３】
加熱燃料を噴射したときに発生する減圧沸騰は、雰囲気の圧力が低いほど激しく起き、特に負圧雰囲気では非常に活発になる。このように噴射された加熱燃料が減圧沸騰すると、ガス化した燃料によって噴霧を半径方向に膨張させて広範囲に分散させると共に、微粒化を促進する。また、噴霧を広範囲に分散させると、噴霧貫徹力が低下することが一般的に知られている。以上のように、噴射した燃料を減圧沸騰させることによって、高拡散、低貫徹力、高微粒化、高蒸発噴霧を形成させることが可能になる。
【００１４】
このうちの高拡散、高微粒化、高蒸発噴霧という特性によって、燃焼室内に燃料を広範囲に分散できるうえ、蒸発も速やかであることから燃焼室内の空気との混合が促進され、燃焼室全体にわたって均一な混合気を形成することを可能にする。これによってＮＯｘ排出要因になる局所的に高温燃焼領域を存在させることなく、燃焼室全体で比較的に低温で燃焼させることができ、ＮＯｘ排出量を極めて少なくすることが可能になる。
【００１５】
一方、低貫徹力噴霧という特性は、シリンダ壁への燃料付着を防止する効果を有する。これによってオイル希釈や未燃ＨＣ排出を抑制できるのに加えて、この分が燃焼に寄与するために燃費向上、出力向上の効果が得られる。
ところで、減圧沸騰は噴射される燃料温度が高く、噴射雰囲気圧力（燃焼室
内圧力）が低い方がより激しく発生する。従来のエンジンでは加圧状態の燃焼室内に燃料が噴射されるために、減圧沸騰を発生させるには燃料温度を極めて高温に設定する必要がある。
【００１６】
これに対して本発明は、例えば図２に示すようにエンジンの排気弁が閉じた後、所定期間が経過してから吸気弁が開くようにした。これによって図３(b)に示すように、燃焼室が負圧になる期間を設け、その期間に加熱燃料を噴射する構成にした。この構成は、従来技術と比較して低い燃料温度においても減圧沸騰させることを可能にし、予混合圧縮着火燃焼させるうえで最適な高分散、低貫徹力、高微粒化、高蒸発噴霧を形成させることを可能にした。さらに、このことは次のような効果がある。
【００１７】
コモンレール噴射系のように噴射の開閉時期をソレノイドで制御するような噴射系では、燃料温度を非常に高温にすると、ソレノイドの電磁力が低下して正常に噴射できなくなる。また、ソレノイドを構成する銅線の絶縁被覆が変質して絶縁できなくなり、電磁力を発生させることができなくなる。
【００１８】
これに対して、本発明は、従来技術より低温で減圧沸騰を発生させることができるので、上記のような問題を解決することができる。また、ソレノイドに替えてＰＺＴを使用する形式のものにおいても、ＰＺＴがキューリー点以上の温度になると変位させることができなくなる。これに対しても本発明は従来技術に比して有利である。
【００１９】
このように、本発明は、従来技術より低い温度で減圧沸騰を発生させることができるので、燃料加熱に消費するエネルギーを少なくできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
（第１実施例）
本発明における実施形態の内燃機関の燃料噴射装置は、図１に示す構成からなる。すなわち、燃料ポンプ１で燃料を燃料噴射弁２に供給し，燃焼室３内に燃料を噴射する内燃機関Ｅにおいて、燃料ポンプ１と燃料噴射弁２の間、または燃料噴射弁２の内部に燃料加熱手段Ｈを有する構成である。これに加えて、内燃機関Ｅの吸気弁４或いは排気弁５の開閉弁時期を制御することによって、燃焼室３内に負圧が発生する期間を設ける。この負圧が発生する期間における所定時期に加熱燃料を燃焼室内に噴射するように構成されている。
【００２１】
上記の加熱手段Ｈとは、電気ヒータ、排気熱利用、或いはこれらの組み合わせである。これらの加熱手段Ｈによって加熱された燃料は、熱電対やサーモスタット等を利用した温調器で所定の温度に調整することにより、減圧沸騰が適切に発生するように制御するとともに、コモンレール噴射系で使用される燃料噴射制御用のソレノイド、或いはＰＺＴが正常に作動する上限温度以上に過熱されないように制御する。
【００２２】
また、内燃機関Ｅの吸気弁４と排気弁５の作動は、図２に示すように、排気弁５が閉じた後、所定の期間経過してから吸気弁４を開くように構成されている。排気弁５が閉じた後にピストンＰが下降すると、吸気弁４が閉じた状態では燃焼室３内を負圧にすることができ、この負圧が生じている間が負圧発生期間である。この状態を示すインジケータ線図の概念図を図３(b)に示す。この負圧発生期間において、前記加熱燃料を所定時期に噴射すると、減圧沸騰が激しく発生して、高拡散、低貫徹力、高微粒化、高蒸発噴霧を形成する。このような特性を有する噴霧は、燃焼室内の空気との混合が促進され、圧縮着火時期までにほぼ均一混合気を形成することができる。
【００２３】
また、低貫徹力噴霧が形成されることによってシリンダ壁に到達する燃料量を少なくできること、さらに高微粒化噴霧を形成されることによって壁面に付着する燃料割合を小さくできる。このような特性によってシリンダ壁への燃料付着を殆どなくすることができ、シリンダ壁への燃料付着に起因するオイル希釈や未燃ＨＣの排出量を極めて微量にすることができる。
【００２４】
図７に、負圧雰囲気中に噴射することのメリットを明確にするために、３００℃に加熱した軽油を負圧場に噴射したときの噴霧状態を大気圧場に噴射したときの状態と比較した結果の一例を示す。図には参考のために、２０℃の燃料を大気圧場に噴射した結果も併せて示した。大気圧場での結果は、従来のディーゼルエンジン、つまり排気弁５と吸気弁４のオーバーラップが存在する内燃機関Ｅで燃焼室３内の圧力が最も低くなるオーバーラップ時期に燃料を噴射するときに相当する。
【００２５】
３００℃の燃料温度で大気圧場に噴射された燃料は、２０℃の場合と比較して噴霧の広がりがやや大きく、噴霧長が短くなっている。しかし、この程度の噴霧の拡散度では圧縮着火時期までに均一な混合気を形成することは非常に困難である。これに対して、燃焼室３内を負圧状態にすると、格段に噴霧の広がりが増大すると共に、低貫徹力噴霧（噴霧長が短い）が形成されることが分かる。噴霧の拡散状態がこの程度大きければ、圧縮着火時期までにほぼ均一な混合気を形成することが可能である。
【００２６】
図８に、燃料温度と噴霧粒径との関係を示す。燃料温度の上昇とともに噴霧粒径が低下する傾向が示されている。また、２００℃付近で粒径の減少が著しく、この温度で減圧沸騰が活発化している。さらに高温にすると、減圧沸騰がさらに活発になり、減圧沸騰する燃料量が増加するため、それに伴って噴霧粒径が減少している。ただし、３００℃以上での噴霧粒径の変化は小さくなる。この結果より、燃料温度を高く設定すると微細な噴霧粒子を形成できることが分かるが、 燃料加熱手段としてヒータを用いる場合には消費電力の増加を招く。以上のようなことから、燃料温度は２００℃〜３００℃の範囲に設定するのが望ましいことが分かる。さらにより良好な噴霧状態を得るには２５０℃〜３００℃程度に設定するとよい。
【００２７】
排気弁５と吸気弁４の開閉時期の設定は、図２に示すように、以下の構成で実現することができる。
排気弁と吸気弁の開閉時期を固定する方法
（2）吸気弁の開閉時期をＶＶＴ（Variable Valve Timing）機構で制御する方     法
(3)吸気弁と吸気弁を電磁、或いは油圧で制御する方法
【００２８】
（1）の排気弁と吸気弁の開閉時期を固定する方法は、排気弁が閉じた後に吸気弁も閉じている期間が存在するように排気弁と吸気弁を駆動するカムの形状を設定する方法である。
【００２９】
（2）の吸気弁の開閉時期をＶＶＴ（Variable Valve Timing）機構で制御する方法は、ＶＶＴ機構で吸気弁が開く時期を制御して排気弁が閉じた後に吸気弁も閉じている期間が存在するように設定する方法である。この方法のメリットは、以下の通りである。現時点においては、予混合圧縮着火燃焼で全運転領域を成立させることが困難であり、特に高速・高負荷運転領域への適用が困難である。そのため、高速・高負荷運転領域は従来のディーゼル燃焼（圧縮行程に燃料を噴射して燃焼）で運転することになる。高速・高負荷運転領域では、回転数が高いために短期間で大量の空気を吸入する必要があり、これができないと出力低下を招く。
【００３０】
これに対して、排気弁５と吸気弁４が同時に開く“オーバーラップ期間”を設けると、吸気の慣性効果によって吸入空気量を増加させることができる。（1）の方法では、常にオーバーラップ期間が存在しないので、高速・高負荷時の出力に対してはやや不利である。これに対して、（2）の方法では、予混合圧縮着火燃焼させるときには、吸気弁の開放時期を遅らせて燃焼室内に負圧状態を発生させ、この時期に燃料噴射することによって予混合圧縮着火燃焼に最適な高拡散、低貫徹力、高微粒化、高蒸発噴霧を形成させる。一方、従来のディーゼル燃焼をさせる運転領域では、ＶＶＴ機構によってオーバーラップ期間を設け、吸入空気量を増加させて出力性能を向上させることができる、という利点がある。
【００３１】
（3）の排気弁５と吸気弁４を電磁、或いは油圧で制御する方法は、排気弁５と吸気弁４、或いは吸気弁４のみを電磁、或いは油圧で直接的に駆動することによって、排気弁５と吸気弁４、或いは吸気弁４の開閉状態を任意に制御するものである。その効果は、前記（2）で述べたＶＶＴ機構によるものと同じである。
【００３２】
(第２実施例)
ここでは軽油を対象として例を挙げたが、エマルジョン燃料においても本発明の構成は成立する。エマルジョン燃料として軽油と水のエマルジョンがよく知られている。水の沸点は軽油より低いため、軽油のみの場合と比較して低い温度で減圧沸騰する。これによって燃料（エマルジョン）温度の設定を軽油の場合より低く設定しても、同様な効果が得られる。
また、この他に例えばＤＭＥ（ジメチルエーテル）のような極めて低い沸点の添加物を軽油に混合させて噴射する場合には、燃料加熱することなく、負圧発生期間に噴射することで非常に活発に減圧沸騰し、非常に微細な軽油粒子を発生することができる。
【００３３】
なお、ここでは噴霧の形態は、図７にホール弁から噴射されたようなものを例として示すが、この他に、ピントル弁や渦巻弁から噴射されたような中空円錐状の燃料噴霧に対しても同様な効果を発揮し、燃料噴射弁の種類には、特に限定されるものではない。
【００３４】
さらに、ここではディーゼル機関を例に挙げたが、直噴ガソリンエンジンで均質燃焼、或いは予混合圧縮着火燃焼させる場合においても本発明の構成は成立するのである。なお、直噴ガソリン機関で使用するガソリンは、軽油より低沸点であるため、エンジンからの熱伝達による燃料温度の上昇程度でも、前記負圧発生手段によって形成された燃焼室３内の負圧発生期間に噴射することで減圧沸騰を引き起こすことが可能である。そのため、このような場合には特別な加熱手段は必要とせず、エンジンからの熱伝達が加熱手段となる。
【００３５】
また、本発明はヒータ等の加熱手段を付加しても良く、この場合には加熱燃料温度の制御が確実にできる。さらに、エンジンの冷間始動時等、暖気運転前においても燃料加熱できるので、減圧沸騰噴霧を形成することが可能になる。また、ガソリンに低沸点の燃料を混合することも効果がある。例えば、アルコールを混入しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の代表的な実施の形態例を示す内燃機関の燃料噴射装置の概要図である。
【図２】本発明の代表的な実施の形態例における吸・排気弁の開閉と燃料噴射のタイミング、並びにインジケータを示す線図である。
【図３】図３ａは従来における吸・排気弁の開閉と燃料噴射のタイミング、並びにインジケータを示す線図である。図３ｂは本発明の代表的な実施の形態例における吸・排気弁の開閉と燃料噴射のタイミング、並びにインジケータを示す線図である。
【図４】従来の内燃機関における燃料噴射装置の構成を示す概要図である。
【図５】従来の吸・排気弁の開閉タイミングを示す線図である。
【図６】大気圧場での噴霧状態に対する燃料温度の影響を示す写真である。
【図７】負圧場に加熱燃料を噴射したときの噴霧状態を示す写真である。
【図８】本発明の代表的な実施の形態例における燃料温度と噴霧粒径との関係を示す線図である。
【符号の説明】
【００３７】
１…………燃料ポンプ
２…………燃料噴射弁
３…………燃焼室
４…………吸気弁
５…………排気弁
Ｅ…………内燃機関
H…………加熱手段
P…………ピストン
【図１】
2005098159.tif 000003
【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】
2005098159.tif 000008
【図７】
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【図８】
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