(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
分配通路を介し噴射弁に接続された容積部を具備し、燃料タンクから供給された液体燃料に被混合液体タンクから供給された被混合流体を混合させた混合体であって該被混合流体が超臨界状態になっている混合体を容積部内に形成し、該混合体を噴射弁から噴射するようにした内燃機関の燃料供給装置において、被混合流体の比重が液体燃料の比重と異なっており、混合体が分離したときに容積部内に形成される液体燃料層内に開口するように分配通路の流入端を位置決めし、前記容積部内に液体燃料のみ又は混合体を供給するための供給通路の流出端を、前記液体燃料層内に開口するように位置決めした内燃機関の燃料供給装置。
【請求項２】
前記容積部をその長手軸線がほぼ鉛直方向を指向するように配置した請求項１に記載の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噴射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
分配通路を介し噴射弁に接続された容積部を具備し、燃料タンクから供給された液体燃料に被混合液体タンクから供給された被混合流体を混合させた混合体であってこの被混合流体が超臨界状態になっている混合体を容積部内に形成し、この混合体を噴射弁から噴射するようにした内燃機関が公知である（特許第２６５１９７４号公報参照）。
【０００３】
詳しくは後述するが、このようにすると液体燃料の微粒化を促進することができ、従って良好な燃焼を確保することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、例えば機関が停止されて容積部内の温度が被混合流体の臨界温度よりも低くなると、容積部内の混合体が分離し始め、最終的には液体燃料層と被混合流体層との二層が形成される。次いで機関を再始動すべきときに、容積部内の温度が直ちに被混合流体の臨界温度よりも高くならないので、即ち被混合流体が超臨界状態にならないので、このとき液体燃料が大きな液滴又は気泡の形の被混合流体と共に噴射される恐れがある。更に、分配通路の流入端が被混合流体層内に開口する位置に設けられた場合には、機関に液体燃料がほとんど供給されない恐れすらある。いずれにしても燃焼が悪化するという問題が生ずる。
【０００５】
そこで本発明の目的は容積部内の被混合流体が超臨界状態でないときに燃焼が悪化するのを阻止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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために１番目の発明によれば、分配通路を介し噴射弁に接続された容積部を具備し、燃料タンクから供給された液体燃料に被混合液体タンクから供給された被混合流体を混合させた混合体であって該被混合流体が超臨界状態になっている混合体を容積部内に形成し、該混合体を噴射弁から噴射するようにした内燃機関の燃料供給装置において、被混合流体の比重が液体燃料の比重と異なっており、混合体が分離したときに容積部内に形成される液体燃料層内に開口するように分配通路の流入端を位置決めし、前記容積部内に液体燃料のみ又は混合体を供給するための供給通路の流出端を、前記液体燃料層内に開口するように位置決めしている。即ち１番目の発明によれば、被混合流体が超臨界状態でなくなったとしてもこの被混合流体が分配通路内に流入するのが阻止されるので、燃焼が悪化するのが阻止される。また、容積部内に新たに供給される液体燃料又は混合体が超臨界状態にない被混合流体を同伴して分配通路内に流入するのが更に阻止される。
【０００７】
２番目の発明によれば１番目の発明において、前記容積部をその長手軸線がほぼ鉛直方向を指向するように配置している。即ち２番目の発明では、分配通路の流入端から被混合流体層までの距離を大きく設定することが可能となり、超臨界状態にない被混合流体が分配通路内に流入するのがさらに阻止される。
【０００８】
なお、ある物質の圧力がその臨界圧力よりも高くかつこの物質の温度がその臨界温度よりも高い場合にこの物質が超臨界状態にあるというのが一般的である。しかしながら、本明細書にいう超臨界状態には、物質の圧力及び温度がその臨界圧力及び臨界温度よりもわずかばかり低い場合も含まれる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明を車両用ディーゼル機関に適用した場合を示している。しかしながら、火花点火式ガソリン機関又は車両用でない内燃機関に本発明を適用することもできる。
図１を参照すると、機関本体１は複数例えば四つの気筒１ａを具備し、各気筒１ａは例えば電磁式の噴射弁２を具備する。これら噴射弁２はそれぞれ対応する分配管３を介してこれら噴射弁２に対し共通の混合体用容積部又はコモンレール４に接続される。コモンレール４は高圧管５を介して例えば機関駆動式の、吐出圧を制御可能な加圧ポンプ６の吐出側に接続され、加圧ポンプ６の吸入側は燃料供給管７を介して燃料タンク８に接続される。燃料タンク８内には液体燃料、本実施態様では軽油が収容されている。
【００１０】
一方、被混合流体タンク（ボンベ）９内には、比重が燃料と異なる被混合流体が液体の形で収容されている。被混合流体として、例えば水、二酸化炭素、水素、アルコール、メタンやエタンなどの炭化水素のなかから選択された少なくとも一つを用いることができる。なお、図１に示す実施態様では液体燃料よりも比重が小さい液体を被混合流体として用いた場合が示されている。
【００１１】
被混合流体タンク９から被混合流体供給管１０が延びており、その流出端が燃料供給管７に接続される。次にこの接続部分について説明する。
図１と共に図２を参照すると、燃料供給管７は燃料タンク８から延びる上流管７ａと、加圧ポンプ６から延びる下流管７ｂと、これら上流管７ａと下流管７ｂとを互いに接続する接続管７ｃとを具備し、被混合流体供給管１０はこの接続管７ｃに接続される。詳しく説明すると、接続管７ｃ内には上流管７ａと下流管７ｂとを互いに連通せしめる燃料通路１１が形成されており、この燃料通路１１内には絞り部１２が形成されている。更に接続管７ｃ内には、絞り部１２内の燃料通路１１から延びる被混合流体通路１３が形成されており、これが被混合流体供給管１０と連通せしめられる。即ち、被混合流体通路１３の流出端が絞り部１２において燃料通路１１内に開口せしめられている。
【００１２】
被混合流体通路の流出端の部分拡大図を示す図３を参照すると、この流出端には多孔質体１４が取付けられている。この多孔質体１４は例えばセラミックから形成されうるが、多数の細孔を有する金属板、金属繊維又はセラミック繊維からなる繊布又は不繊布から多孔質体１４を形成することもできる。
再び図１を参照すると、被混合流体供給管１０内には例えばデューティ比を制御することにより開弁割合を制御可能な電磁式の制御弁１５が配置されている。また、接続部分と燃料タンク８との間の燃料供給管７、即ち上流管７ａ内には例えば電動式の、吐出圧を制御可能なフィードポンプ１６が配置される。このフィードポンプ１６は燃料タンク８内の燃料を加圧ポンプ６に供給する。
【００１３】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１を介して相互に接続された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、および出力ポート３７を具備する。コモンレール４にはコモンレール４内の圧力に比例した出力電圧を発生する圧力センサ３８が取り付けられる。また、例えば吸入空気量やアクセルペダルの踏み込み量などの機関負荷を表す出力電圧を発生する負荷センサ３９が設けられる。これらセンサ３８，３９の出力電圧はそれぞれ対応するＡＤコバータ４０を介して入力ポート３６に入力される。更に、機関回転数を表す出力パルスを発生する回転数センサ４１が入力ポート３６に接続される。
【００１４】
一方、出力ポート３７はそれぞれ対応する駆動回路４２を介して噴射弁２、加圧ポンプ６、制御弁１５、及びフィードポンプ１６に接続されている。
また、コモンレール４にはコモンレール４内の混合体の温度を制御するための温度制御装置４３が取り付けられる。この温度制御装置４３は例えば加熱装置としての電気ヒータからなり、対応する駆動回路４２を介して出力ポート３７に接続されている。
【００１５】
コモンレール４は例えば円筒状をなし、その長手軸線がほぼ鉛直方向を指向するように配置されている。このコモンレール４にはその長手軸線に沿って下側の燃料領域４ａと、燃料領域４ａ上方の被混合流体領域４ｂとが設定されており、燃料領域４ａ内に各分配管３の流入端及び高圧管５の流出端が開口せしめられている。ここで、高圧管５の流出端は分配管３の流入端と被混合流体領域４ｂとの間に開口せしめられている。
【００１６】
加圧ポンプ６及びフィードポンプ１６が作動せしめられると、燃料タンク８内の液体燃料が加圧ポンプ６に向けて燃料供給管７内を流通せしめられる。その結果、絞り部１２周りに生ずる減圧作用によって被混合流体タンク９内の被混合流体が被混合流体供給管１０を介し燃料通路１１内に導かれる。従って、液体燃料内に被混合流体が混合された混合体が形成され、この混合体は次いで加圧ポンプ６に向かう。
【００１７】
ここで、燃料通路１１内に流入する被混合流体の流量は被混合流体通路１３の流出端に作用する減圧作用又は圧力低下が増大するにつれて増大し、この減圧作用は燃料通路１１内を流通する液体燃料の流量が増大するにつれて増大する。従って本実施態様では、制御弁１５の開弁割合が一定であれば、液体燃料の量に対する被混合流体の量である混合割合をほぼ一定に維持することができることになる。
【００１８】
また、このとき被混合流体は多孔質体１４の細孔内を流通した後に燃料通路１１内に流入する。その結果、被混合流体が液滴の形で液体燃料の流れ内に流入せしめられる。その結果、液体燃料と被混合流体とを均一に混合せしめることができる。
このようにして形成された混合体は次いで加圧ポンプ６により加圧され、コモンレール４内に流入せしめられる。加圧ポンプ６の吐出圧はコモンレール４内の圧力が被混合流体の臨界圧力ＰＣよりも高い圧力Ｐ１に維持されるように制御されており、ヒータ４３の出力はコモンレール４内の混合体の温度が被混合流体の臨界温度ＴＣよりも高い温度Ｔ１に維持されるように予め設定されている。即ち、コモンレール４内において混合体は被混合流体を超臨界状態にする超臨界状態生成環境に晒されることになる。その結果、コモンレール４内において被混合流体が超臨界状態にせしめられ、即ち混合体が液体燃料と超臨界状態にある被混合流体とから形成されることになる。
【００１９】
ここで、上述した超臨界状態生成環境は加圧ポンプ６及びヒータ４３によって形成される。従って、これら加圧ポンプ６及びヒータ４３は超臨界状態生成装置を形成しているという見方もできる。
この混合体は次いで分配管３を介し噴射弁２に供給され、次いで噴射弁２から機関燃焼室内に噴射される。このようにすると液体燃料の微粒化を促進することができ、従って良好な燃焼を確保することができる。
【００２０】
この場合の微粒化促進作用のメカニズムは必ずしも明らかにされていない。しかしながら、このメカニズムは次のように説明できると考えられている。
即ち、超臨界状態になると被混合流体の分子は液体状態にある場合に比べてはるかに自由に動くことができる。このため、被混合流体分子が液体燃料の分子間に容易に入り込み、それにより液体燃料の表面張力を低下せしめる。その結果、液体燃料は噴射された後に、寸法が大きい液滴を形成することができず、即ち寸法が小さい液滴を形成する。このようにして微粒化が促進される。
【００２１】
このメカニズムによれば、微粒化促進作用は液体燃料量に対する被混合流体量の混合割合に依存する。即ち、混合割合が大きくなるにつれて微粒化促進作用が大きくなる。従って、混合割合が変動すると、微粒化促進作用が変動することになり、好ましくない。
これに対し本実施態様では、上述したように制御弁１５の開弁割合が一定である限り、混合割合がほぼ一定に維持される。従って、安定した微粒化促進作用を得ることができる。
【００２２】
一方、冒頭で述べたように、被混合流体が液体燃料と混合される前に、又は混合された後であっても超臨界状態にされる前に気化（蒸発）すると、液体燃料と被混合流体とを均一に混合できない。超臨界状態にされた被混合流体分子が自由に移動できるとしても、このような不均一な混合体では良好な微粒化促進作用を得ることが困難になる。
【００２３】
また、被混合流体が気化するとその体積が大きくなるので十分な量の被混合流体を供給するのが困難になる。
そこで本実施態様では、被混合流体タンク９から加圧ポンプ６に到るまで被混合流体を液体の状態に維持するようにしている。
具体的には、まず、被混合流体タンク９から加圧ポンプ６に到る被混合流体供給管１０及び燃料供給管７内の温度が被混合流体の臨界温度ＴＣよりも低く維持される。温度が臨界温度ＴＣよりも高くなるとどんなに圧力を高くしても被混合流体が液体になり得ないからである。図１の実施態様では、被混合流体の温度が臨界温度ＴＣよりも高くなることはないので、被混合流体の温度制御装置又は冷却装置が設けられていない。しかしながら、必要に応じてこの温度制御装置又は冷却装置を設けることができる。
【００２４】
更に、少なくとも被混合流体タンク９から加圧ポンプ６までの被混合流体の圧力が被混合流体の温度により定まる気化圧（液化圧）よりも高く維持される。即ち、本実施態様ではフィードポンプ１６の吐出圧が被混合流体の気化圧よりも高く設定されている。このようにすると、フィードポンプ１６から加圧ポンプ６までの燃料供給管７内及び被混合流体供給管１０内の圧力を被混合流体の気化圧よりも高く維持することができ、従って被混合流体が気化するのを阻止することができる。
【００２５】
ただし、厳密に言うと、本実施態様では被混合流体通路１３の流出端に作用する減圧作用を用いて被混合流体を供給しているので、この流出端における圧力も被混合流体の気化圧よりも高くなるようにフィードポンプ１６の吐出圧が設定されている。
被混合流体だけでなく液体燃料も超臨界状態にしてもよい。しかしながら、上述のメカニズムを考えると被混合流体だけを超臨界状態にすれば微粒化促進作用を確保できる。また、両方を超臨界状態にするのはエネルギ消費の観点から好ましくない。
【００２６】
そこで本実施態様では、超臨界状態にない燃料と、超臨界状態にある被混合流体との混合体を形成し、この混合体を噴射するようにしている。言い換えると、被混合流体は超臨界状態になるが液体燃料は超臨界状態にならないように、コモンレール４内の圧力及び温度が設定されている。
これを可能にするには被混合流体は次の条件を満たしていなければならない。即ち、被混合流体の臨界圧力と臨界温度とのうち少なくとも一方は液体燃料の対応する値よりも小さくなければならない。
【００２７】
次に、図４を参照して制御弁１５のデューティ比Ｄの制御方法について説明する。
図４からわかるように、機関負荷Ｌが予め定められた第１の設定負荷Ｌ１よりも高くかつ第１の設定負荷Ｌ１よりも高く定められた第２の設定負荷Ｌ２よりも低い通常運転時には、デューティ比Ｄが例えば最大（１００％）のＤ０とされる。別の見方をすると、Ｄ＝Ｄ０のときに液体燃料量に対する被混合流体量の混合割合が最適となるように、例えば絞り部１２及び被混合流体通路１３の断面積が設定されているということになる。
【００２８】
これに対し、Ｌ≦Ｌ１である機関低負荷運転時にはデューティ比ＤはＤ０よりも小さいＤ１とされる。その結果、混合割合が低下せしめられる。機関低負荷運転時には噴射弁２から噴射される液体燃料量が少ないので燃焼が不安定になりやすい。そこで、混合割合を低下せしめて被混合流体の絶対量を減少せしめ、それにより燃焼が安定するようにしている。
【００２９】
一方、Ｌ≧Ｌ２である機関高負荷運転時には、デューティ比ＤはＤ０よりも小さいＤ２とされる。その結果、この場合にも混合割合が低下せしめられる。機関高負荷運転時には噴射弁２から噴射すべき液体燃料量が多いので、この多量の液体燃料量とこれに見合った量の被混合流体との混合体を噴射しようとすると、噴射弁２の噴射期間が極めて長くなる。そこで、混合割合を低下せしめて噴射時間が短くなるようにしている。
【００３０】
なお、Ｄ１，Ｄ２はゼロであってもよい。即ち、機関低負荷又は高負荷運転時には液体燃料と被混合流体との混合を停止するようにしてもよい。また、機関停止時に制御弁１５を閉弁に保持することもできる。このようにすると、特に被混合流体が常温で気化しうる物質の場合に、被混合流体タンク９から被混合流体が流出するのを阻止できる。
【００３１】
図５は制御弁１５のデューティ比Ｄの算出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５を参照すると、まずステップ１００では機関負荷Ｌが第１の設定負荷Ｌ１以下であるか否かが判別される。Ｌ≦Ｌ１のときにはステップ１０１に進み、デューティ比ＤがＤ１とされる。これに対し、Ｌ＞Ｌ１のときには次いでステップ１０２に進み、Ｌが第２の設定負荷Ｌ２以上であるか否かが判別される。Ｌ≧Ｌ２のときにはステップ１０３に進み、ＤがＤ２とされる。
【００３２】
一方、ステップ１０２においてＬ＜Ｌ２のとき、即ちＬ１＜Ｌ＜Ｌ２のときには次いでステップ１０４に進み、ＤがＤ０とされる。なお、制御弁１５はそのデューティ比がＤとなるように制御される。
ところで、冒頭で述べたように例えば機関が停止されて被混合流体が超臨界状態でなくなると、コモンレール４内に下層の液体燃料層と、上層の被混合流体層とが形成される。機関運転中であっても、加圧ポンプ６又はヒータ４３が故障したときには同様なことが生じうる。
【００３３】
上述した燃料領域４ａ及び被混合流体領域４ｂはこれら液体燃料層及び被混合流体層がそれぞれ占める領域に概ね一致している。その結果、分配管３の流入端及び高圧管５の流出端が液体燃料層内に開口されることになる。
分配管３の流入端が液体燃料層内に開口されると、被混合流体層内の超臨界状態にない被混合流体が分配管３内に流入するのが阻止される。また、高圧管５の流出端が液体燃料層内に開口されると、高圧管５からコモンレール４内に新たに供給される混合体が被混合流体層内の被混合流体を同伴して分配管３内に流入するのが阻止される。従って、例えば機関再始動時に燃焼が悪化するのが阻止される。
【００３４】
機関が再始動されると、コモンレール４内の温度が次第に上昇するので、被混合流体層内の被混合流体が少しずつ超臨界状態になる。この被混合流体は液体燃料と混合し、最終的には二層がなくなる。
機関停止時に形成される液体燃料層及び被混合流体層が占めるコモンレール４内の領域、又はこれらの二層間の界面の高さ位置は機関停止直前における混合割合に依存し、この混合割合は図４及び５を参照して説明したように変動しうる。そこで本実施態様では、混合割合が変動したとしても燃料領域４ａ内に被混合流体層が形成されないように燃料領域４ａ及び被混合流体領域４ｂが予め設定されている。
【００３５】
なお、再始動直後に高圧管５から新たに供給される混合体中の被混合流体も超臨界状態になっていない。しかしながらこの被混合流体は例えば多孔質体１４（図３）によって液体燃料と混合されているので、液体燃料から分離した被混合流体層内の被混合流体とは性質を異にしていると考えられる。
高圧管５から新たに供給された混合体中の被混合流体が液体燃料から分離したとしても、高圧管５が被混合流体領域４ｂと分配管３の流入端との間に開口せしめられているので、この分離した被混合流体は被混合流体層に向け上昇し、即ち分配管３に向わない。
【００３６】
コモンレール４を例えば球状にしてもよく、又は筒状に形成してその長手軸線が例えば水平方向を指向するように配置してもよい。しかしながら、本実施態様におけるように、コモンレール４を筒状に形成してその長手軸線をほぼ鉛直方向に指向させると、分配管３の流入端又は高圧管５の流出端から被混合流体層までの距離を大きくすることができ、又は二層間の界面の面積を小さく維持することができる。従って、超臨界状態にない被混合流体が分配管３内に流入するのをさらに阻止できる。
【００３７】
ところで、本実施態様では、結局のところ加圧ポンプ６により液体燃料と被混合流体との両方を圧送するようにしている。又は、燃料圧送用のポンプによって被混合流体を圧送しているという見方もできる。いずれにしても、被混合流体のためのポンプを設ける必要がない。その結果、必要とされる空間が少なくて済む。
【００３８】
これまで述べてきた実施態様では、被混合流体通路１３の流出端は絞り部１２内に開口せしめられている（図２参照）。しかしながら、減圧作用が適用される限り、この流出端を絞り部１２の下流に開口せしめることもできる。
また、上述したように本実施態様では、被混合流体通路１３の流出端に多孔質体１４を設けて液体燃料と被混合流体とが均一に混合されるようにしている。このような均一混合をさらに促進するために、絞り部１２下流の例えば燃料供給管７内に、混合体をかくはんするためのかくはん装置を設けることもできる。このかくはん装置は例えば燃料供給管７の内壁面上をその長手軸線に沿いつつらせん状に延びるリブから形成される。
【００３９】
更に、被混合流体として、液体燃料よりも比重が大きい流体を用いることもできる。この場合には、コモンレール４の上方に燃料領域４ａが設定され、下方に被混合流体領域４ｂが設定されることになる。
【００４０】
【発明の効果】
容積部内の被混合流体が超臨界状態でないときに燃焼が悪化するのを阻止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ディーゼル機関の全体図である。
【図２】図１のII部の拡大断面図である。
【図３】図２のIII 部の拡大断面図である。
【図４】制御弁のデューティ比Ｄを示す線図である。
【図５】デューティ比Ｄの算出ルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…機関本体
２…噴射弁
３…分配管
４…コモンレール
８…燃料タンク
９…被混合流体タンク
【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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