(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のシリンダブロックとヘッドブロックとの間に介挿されるべきガスケットに、燃焼室内外を連通する複数の燃料通路を形成するとともに、夫々の燃料通路に燃料噴射バルブを設け、これら燃料噴射バルブを任意のタイミング及び任意の開口度で制御する制御部を備え、
前記複数の燃料通路はシリンダ内の円周上において等間隔で開口していることを特徴とする内燃機関における燃料供給装置。
【請求項２】
前記複数の燃料通路はシリンダ内において相互に異なる角度で開口していることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関における燃料供給装置。
【請求項３】
前記複数の燃料通路はガスケットにエッチング法によって形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関における燃料供給装置。
【請求項４】
前記制御部はシリンダ内に流入する空気の流れる方向に沿って順次燃料噴射バルブを開閉する動作モードを備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関における燃料供給装置。
【請求項５】
前記制御部はエンジン負荷または回転数に応じて、開閉すべき燃料噴射バルブの選択、この燃料噴射バルブの開閉タイミング、及び開口度の決定を行う負荷連動動作モードを備えていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の内燃機関における燃料供給装置。
【請求項６】
前記制御部はスワールコントロールバルブの動作状態に応じて開閉すべき燃料噴射バルブを選択するとともに、その開閉タイミング及び開口度を決定するスワールコントロール連動動作モードを備えていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の内燃機関における燃料供給装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関における燃料供給装置に関し、更に詳細にはシリンダ内に燃料を直接噴射する構造のものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、燃費の向上と排気中の有害物質排出の低減を目的として、燃料をシリンダ内に直接噴射する手法が採られている。このような方式では多くの場合、シリンダヘッド部に燃料噴射のための通路を形成するとともに、その通路の外部側に燃料噴射弁（バルブ及びノズル）を設ける構造が一般的である。
【０００３】
ところで、内燃機関における燃焼形態は、内燃機関の負荷や回転数等、すなわち機関の運転状態に応じて変化させることが理想的である。すなわち、低負荷時には点火プラグ付近に濃い（リッチ）な混合気を存在させる一方で、シリンダ壁面付近には薄い混合気を存在させる（成層燃焼）ことが望ましい。
【０００４】
また、高負荷時にはシリンダ内に均一な混合気を存在させる（通常燃焼）といった制御がなされている。
【０００５】
前記した点火プラグ付近に濃い混合気を存在させる方法としては頭頂部深皿型のピストンを用い、噴射した燃料を反射させる手法が採られている。
【０００６】
また、完全燃焼を行わせるためには、燃え残りが生じやすいシリンダ壁面付近での燃焼を促進する必要があり、そのためにシリンダ内に空気のスワール（渦流）を生じさせるような機構を採るものもある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記した従来の構造ではシリンダヘッド内部の燃料通路の形成、及び燃焼室内に燃料噴射弁の設置が必要であり、内燃機関の製造上、あらゆる機関の負荷状態において理想的な燃焼を行わせるようにするのは非常に困難である。すなわち、従来は燃料噴射をシリンダヘッドなどに設けたひとつの燃料噴射バルブから行っているために、あらゆる燃焼状態に対応する噴霧形状を得ることができず、代表的なひとつのパターンに設定せざるを得なかった。このため一般的には高負荷時（通常燃焼）の出力を犠牲にして低負荷時の燃費を確保することを余儀なくされている。
【０００８】
また、ディーゼル機関では軽油が用いられ、これはガソリンに比較して気化し難いため噴霧粒径を小さくする必要があるが、単一ノズルからの燃料噴射では粒径の微小化に限界があった。
【０００９】
さらに、ディーゼル機関では騒音や振動を抑えるために、主噴射とは別にパイロット噴射等の副噴射を行うが、これらは精度の高い噴射が必要であり単一ノズルからの燃料噴射では精度に限界がある。
【００１０】
一方、従来のように燃料噴射を一の燃料噴射バルブから行った場合、燃焼に伴って生ずる煤などの付着物の影響を受け易くなるという問題もある。
【００１１】
さらに、従来の機構では燃料の噴霧形状を理想的なものに近づけるため、燃料噴射ノズルの形態に高い精度や精密性が要求され、これが複雑な形状のシリンダヘッドとも相俟ってコスト高の要因となっていた。
【００１２】
本発明はかかる従来の問題点を解決するためになされたもので、その技術的課題は、あらゆる燃焼モードにおいて理想的な燃料噴射を行わせることで低燃費低公害高出力が実現でき、併せてシリンダヘッド回りの構造を大幅に簡略化できる内燃機関における燃料供給装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の内燃機関における燃料供給装置は前述した技術的課題を解決するために以下のように構成されている。
【００１４】
すなわち、内燃機関のシリンダブロックとヘッドブロックとの間に介挿されるべきガスケットに、燃焼室内外を連通する複数の燃料通路を形成するとともに、夫々の燃料通路に燃料噴射バルブを設け、これら燃料噴射バルブを任意のタイミング及び任意の開口度で制御する制御部を備えている構成である。
【００１５】
前記ガスケットに燃料通路を形成する方法としては、マイクロマシンの製造に使用されるリソグラフィ、エッチング法等の方法を用いることができる。
【００１６】
前記複数の燃料通路は、通常は４個ないし８個程度が好適であり、望ましくは複数の燃料通路をシリンダ内の円周上において等間隔（例えば、６個の場合６０度間隔）で開口させることができる。
【００１７】
なお、燃料通路のシリンダ内への開口角度はシリンダの中心方向へ向けてもよいし、特定の方向に傾けて（燃料が渦を巻くように）形成してもよい。
【００１８】
さらには、燃料通路が相互に異なる角度で開口するようにしてもよい。例えば、６個の燃料通路のうち、一方の３個は左回りとし、他方の３個は右回りとして、１つおきに異なる角度で開口させた場合には、燃料噴射に使用する燃料通路を適宜選択することで任意の方向の渦を発生させることも可能となる。
【００１９】
前記制御部は、シリンダ内に流入する空気の流れる方向に沿って、順次燃料噴射バルブを開閉する動作モードを備えている。この燃料噴射バルブは電気制御型であり、この燃料噴射バルブに所定の電力を供給することで、燃料の精密噴射を高速に制御できるようになっている。
【００２０】
なお、前記燃料噴射バルブはすべての燃料通路に独立的に設けてもよいし、例えば３本ずつまとめて１個の燃料噴射バルブを設けるようにしてもよい。
【００２１】
前記制御部は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）であり、内燃機関の負荷や回転数に応じてシリンダ内の燃料噴射状態を任意に制御する（負荷連動動作モード）。
【００２２】
また、外部の気温や気圧などを計測するセンサを設け、これらのセンサからのデータに応じて噴射モードを変えるようにプログラムすることも容易であり、多様な条件で最良の燃焼を得ることも可能である。すなわち、運転条件に応じた開閉すべき燃料噴射バルブの選択、その開閉タイミング及び開口度の決定をして最適な燃料噴射が可能なように制御する。
【００２３】
さらに、シリンダ内に所望の渦を発生させるスワールコントロールバルブを備えた機関に適用する場合には、スワールコントロールバルブの動作状態に応じて開閉すべき燃料噴射バルブを選択するとともに、その開閉タイミング及び開口度を決定するスワールコントロール連動動作モードを備えたものとすることができる。このような構成を採用した場合は、スワールと燃料噴射方向とが衝突しないように燃料通路の開口角度を設定することが望ましい。
【００２４】
このように本発明では、燃料噴射はシリンダの外壁方向に位置する複数の燃料通路から行われるため、均一で理想的な燃料噴射が可能となる。しかも、任意のタイミングで噴射させることも可能なため、吸気の方向に沿った燃料噴射も可能となるとともに、特定の燃料通路だけからの噴射も可能でありあらゆる燃焼モードに適した燃焼噴射が行える。
【００２５】
さらに、燃焼噴射機構をガスケット内に設けるものであるため、機関の機構を大幅に簡略化できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の内燃機関における燃料供給装置を図１から図１０に示される実施形態について更に詳細に説明する。
【００２７】
図１は、本発明のガスケットを適用する内燃機関１の概略を示す。この内燃機関１本体は、従来の直噴型の内燃機関と同様の構成であり、図１に示す内燃機関１は、４つの気筒２を有する水冷式の４サイクル・ガソリン機関である。この内燃機関１は、各気筒２の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射バルブ３を備えている。各燃料噴射バルブ３は、各燃焼室の周囲に所定の間隔をおいて６個設けられている。
【００２８】
図２はガスケット１の平面図であり、このガスケット１の底側にはシリンダブロックが配され、またガスケット１の上面側にはヘッドブロックが位置する。
【００２９】
このガスケット１には、ピストン穴１１、１２、１３、１４が設けられている。そしてこのガスケット１の内部に、燃焼室内外を連通する１気筒につき６個の燃料通路２が形成されている。
【００３０】
これらの燃料通路２は、不等間隔で燃焼室内に開口するよう形成されている。そして、これら燃料通路２は、３本単位にまとめて配置され、一単位ずつの中途に３本共通の燃料噴射バルブ３が設けられている。すなわち、１気筒につき２個の燃料噴射バルブ３が設けられることになる。
【００３１】
また、燃料通路２の外部開口部には、デリバリパイプ１６、１７、１８、１９が接続される。これらのデリバリパイプ１６、１７、１８、１９は燃料を加圧補給するための流路であり、デリバリパイプ１６、１８は、夫々ピストン穴１１、１４の燃料通路２に接続される。一方、同様にデリバリパイプ１７、１９も、夫々ピストン穴１２、１４の燃料通路２に接続されている。
【００３２】
これらのデリバリパイプ１６、１７、１８、１９にはサプライポンプ１５が接続され、加圧燃料の補給がなされるようになっている。
【００３３】
このサプライポンプ１５の下流には、デリバリパイプ１６、１７、１８、１９内の燃料の圧力に対応した電気信号を出力する、図示しない圧力センサが取り付けられる。
【００３４】
前記サプライポンプ１５は、内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）の回転トルクを駆動源として作動するポンプであり、このサプライポンプ１５の入力軸に取り付けられたポンププーリが内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）に取り付けられたクランクプーリとベルトを介して連結されている。
【００３５】
このように構成された燃料噴射系では、クランクシャフトの回転トルクがサプライポンプ１５の入力軸へ伝達されると、このサプライポンプ１５は、クランクシャフトから入力軸へ伝達された回転トルクに応じた圧力で燃料を吐出する。
【００３６】
前記サプライポンプ１５から吐出された燃料は、燃料供給管２０を介してデリバリパイプ１６、１７、１８、１９へ供給され、所定圧まで蓄圧されて各気筒の燃料噴射バルブ３へ分配される。そして、燃料噴射バルブ３に駆動電流が印加されると、燃料噴射バルブ３が開弁し、その結果、燃料噴射バルブ３から気筒内へ燃料が噴射される。
【００３７】
燃料噴射バルブ３は電磁弁であり、外部の制御部４に接続されている。両者の接続はガスケット１内に形成されたワイヤーハーネス通路７に埋め込まれたワイヤーハーネス８で行われるようになっている。
【００３８】
燃料通路２等は、リソグラフィー、エッチングにより形成されており、その具体的な製造手順を図３及び図４とともに簡単に説明する。
【００３９】
なお、リソグラフィーとはシリコン酸化膜のマスク上に置かれた微細なパターンをシリコンウエハーに転写する技術で、フォトレジスト（感光性樹脂）を塗布したシリコンウエハー上にマスクを通して紫外線やＸ線を当てることでパターンをレジスト上に転写する。その後現像を行うとレジストの感光した（感光していない）部分が熔解する所定パターンの製造方法である。
【００４０】
また、エッチングは、基板あるいは基板上に成長した薄膜などの一部分を薬品またはプラズマによって除去する技術である。この方法によれば薄板に所望の穴部や溝を形成することができる。
【００４１】
はじめに、シリンダ穴、ボルト穴、水路、及び油路の各種加工を施したヘッドガスケットと同形状のニッケル基板を用意する。次にニッケル基盤上にリソグラフィーにより燃料通路２やワイヤーハーネス通路７、燃料噴射バルブ３等を組み込むスペースを現像し、エッチングにより現像部分を転写する。
【００４２】
燃料通路２やワイヤーハーネス通路、燃料噴射バルブ３等を組み込み、シリコン基板５、６で接着し蓋をする。図４は、薄く設計するためにガスケットのビード部のみを使用したものである。
【００４３】
図５は別の実施の形態を示し、すべての燃料通路２に独立した燃料噴射バルブ３を設けたもので、１気筒につき６個の燃料噴射バルブ３が設けられている。
【００４４】
図１及び図５に示す実施の形態において、これら燃料噴射バルブ３（ソレノイド型や静電型）は、制御部４（ＥＣＵ）で任意のタイミング及び任意の開口度で制御される。制御部４はプログラマブルなマイクロコンピュータで、外部からの診断や内蔵されたＲＯＭ（ｒｅａｄ  ｏｎｌｙ  ｍｅｍｏｒｙ）の書き換えなどができるようになっている。
【００４５】
この制御部４はシリンダ内に流入する空気の流れる方向に沿って、順次燃料噴射バルブ３を開閉する動作モード、機関の負荷や回転数に応じてシリンダ内の燃料噴射状態を任意に制御する負荷連動動作モードを備えている。
【００４６】
また、本発明をシリンダ内に吸入する空気に螺旋状の回転を与えるスワールコントロールバルブを備えた機関に適用する場合には、スワールコントロールバルブの動作状態に応じて開閉すべき燃料噴射バルブを選択するとともに、その開閉タイミング及び開口度を決定するスワールコントロール連動動作モードを備えたものとすることができる。
【００４７】
上記の動作モードにおける噴射パターンや噴射順序について、図６ないし図１０により説明する。
【００４８】
図６は、ガソリンエンジンにおける成層燃焼における噴射パターンを示し、特定の燃料通路２から点火プラグＰの周囲だけに濃い燃料を噴射するものである。また、低温始動時もこれと同様のモードとなり、従来の噴射に比較して燃料の壁面付着が少なく、燃料の微粒子化とも相俟って少ない燃料での始動が可能となる。このため燃費が向上し、黒煙の排出も抑制することができる。
【００４９】
図７は、６方向すべてから燃料を噴射する高負荷高出力時の動作モードであり、矢示のようなスワールＳの進行方向に沿って、丸で囲まれた数字の順番で燃料が噴射される。これにより、着火遅れのない完全燃焼が得られるようになる。
【００５０】
なお、成層燃焼と通常燃焼（ストイキ）の間では燃料を噴射するノズル３の数を減らし、中間的な動作を行わせることができる。これにより燃焼モード切替時にショックのないスムーズな回転が得られる。
【００５１】
また、ノッキング発生時は、高温高圧部分の噴射を停止し、点火時期制御と連動した最適制御を行うことで点火時期を進角して、高い出力を維持することができる。
【００５２】
図８ないし図１０は、ディーゼルエンジンでの動作モードを示し、図８及び図９に示すものでは、図６と同様に短時間で順次噴射を行う。これによりパイロット噴射から主噴射までの噴射を連続的に行うことができる。なお、特定の燃料通路２をパイロット噴射専用に割り当てることも可能である。
【００５３】
このモードでは、要求噴射量を多数の燃料通路２を経て噴射できるため、個々の燃料通路２毎の噴射量を少なくすることができる。このようにすれば燃料の微粒子化を図ることができる。すなわち、ディーゼルエンジンでは、燃料の軽油がガソリンに比べて気化しにくいので、より多くの吸入空気と接触させる必要がある。このようにするためには、噴霧粒径をできるだけ微小にする必要があるが、この実施の形態では、燃料通路を小さくして微小な噴射口から噴射させることで噴霧粒径を容易に小さくできる。
【００５４】
また、ディーゼルエンジンでは、燃焼圧を抑え、騒音や振動を抑制するためにパイロット噴射をすることが多い。このパイロット噴射では精度の高い噴射制御が望まれるが、この実施の形態の装置では、噴射量や噴射のタイミングを変化させる自由度が高いために高精度の燃料噴射制御が可能である。
【００５５】
図１０は、スワールコントロールバルブを備えた内燃機関における噴射順を示すものである。
【００５６】
ここでは、矢示のような左回りのスワールＳに対してその流れに沿って順次丸で囲まれた数字の順番で燃料を噴射する。なお、このスワールコントロールバルブを備えたものは、ガソリンエンジンでも同様に実施することができる。
【００５７】
このように、本実施の形態によれば、ヘッドガスケット内に燃料通路を設けてデリバリパイプ、信号ラインの一体化を図ることで、燃料系のトータル部品点数を削減可能である。ヘッドブロックからのデリバリパイプへの放熱の増大に対しては、必要に応じてフィン等を設けることが望ましい。
【００５８】
また、ヘッドのインジェクタ挿入部の加工は不要となるため加工が容易になる。
【００５９】
さらに、リソグラフィー技術を用いれば、ヘッドガスケットの水穴、油穴、ボルト穴を避けつつ、各気筒毎に多数のインジェクタ通路パターンを転写することで、自由度の高い噴射通路の設計が可能である。このように、ヘッドガスケット内の任意の場所に複数の燃料通路を形成できるため、部品点数削減によるコスト削減を実現しつつ、より精密な燃料噴射制御が可能となる。特に、均一で粒子の小さい理想的な燃料噴射が容易に実行できるので有利である。
【００６０】
また、燃料噴射バルブをシリンダの近くに配置することができるため、燃料噴射バルブと噴射口に間における燃料の残存量が少なくなる。よって、燃料噴射量を正確に管理することができる。なお、燃料噴射バルブのシリンダ側は耐熱性の高いセラミックコーティングなどを行うとよい。
【００６１】
さらに、筒内直接噴射型の内燃機関に対し、燃焼改善、燃費向上、エミッション向上等の効果が期待できる他、ガソリンエンジンとディーゼルエンジンの部品の共通化を促進させることができる。
【００６２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、燃料噴射がシリンダの外壁方向に位置する複数の燃料通路から行われるため、均一で理想的な燃料噴射が可能となる。
【００６３】
しかも、任意のタイミングで噴射させることができるので、吸気の方向に沿った燃料噴射が可能であり、特定の燃料通路だけからの燃料噴射を実行できる。そのため、低負荷から高負荷まであらゆる燃焼モードに適した燃焼噴射が行える利点がある。
【００６４】
さらに、燃焼噴射機構をガスケット内に設けるものであるため、機関の機構を大幅に簡略化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である内燃機関における燃料供給装置の内部構造を示す平面図である。
【図２】燃料供給装置の内部構造を示す斜視図である。
【図３】燃料供給装置の横断面図である。
【図４】燃料供給装置の横断面図である。
【図５】本発明のその他の実施形態である内燃機関における燃料供給装置の内部構造を示す平面図である。
【図６】燃料供給装置の動作を説明するための成層燃焼時の噴射パターンの平面図である。
【図７】燃料供給装置の動作を説明するための通常燃焼時の噴射パターンの平面図である。
【図８】ディーゼル内燃機関における燃料供給装置の動作を説明するための噴射パターンの平面図である。
【図９】ディーゼル内燃機関における燃料供給装置の動作を説明するための噴射パターンの側面図である。
【図１０】ディーゼル内燃機関における燃料供給装置の吸気にスワールがある場合における噴射パターンの平面図である。
【符号の説明】
１  ガスケット
２  燃料通路
３  燃料噴射バルブ
４  制御部
【図１】
0003925231.tif 000002
【図２】
0003925231.tif 000003
【図３】
0003925231.tif 000004
【図４】
0003925231.tif 000005
【図５】
0003925231.tif 000006
【図６】
0003925231.tif 000007
【図７】
0003925231.tif 000008
【図８】
0003925231.tif 000009
【図９】
0003925231.tif 000010
【図１０】
0003925231.tif 000011