(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料を燃料タンクから噴射弁に供給するための燃料通路内に絞り部を設け、液体燃料と異なる被混合流体を被混合流体タンクから供給するための被混合流体通路を該絞り部周りの燃料通路内に開口せしめて液体燃料が絞り部を流通したときに該絞り部周りに生ずる減圧作用により被混合流体タンクから被混合流体を燃料通路内に導き、それにより液体燃料に被混合流体を混合させた混合体を形成し、被混合流体通路の開口部よりも下流の燃料通路内に配置された超臨界状態生成手段により該混合体中の被混合流体を超臨界状態にし、該混合体を燃料噴射弁から噴射するようにし、燃料通路内に開口せしめられた被混合流体通路の流出端に多孔質体を配置した内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項２】
前記被混合流体通路内に開弁割合を制御可能な制御弁を配置し、該制御弁の開弁割合を機関運転状態に基づいて制御するようにした請求項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】
燃料ポンプを用いて液体燃料を燃料タンクから混合室内に供給し、被混合流体ポンプを用いて液体燃料と異なる被混合流体を被混合流体タンクから混合室内に供給し、それによりこれら液体燃料及び被混合流体の混合体を形成し、混合室内の圧力及び温度を被混合流体の臨界圧力及び臨界温度よりも高くして混合体中の被混合流体を超臨界状態にし、次いで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】
混合室内に流入する液体燃料の量は燃料ポンプの吐出圧に依存し、混合室内に流入する被混合流体の量は被混合流体ポンプの吐出圧に依存する。このため、これらポンプの吐出圧の脈動により混合室内に流入する液体燃料及び被混合流体の量が変動し、その結果液体燃料量に対する混合用燃料量の混合割合が変動することになる。上述した液体燃料の微粒化作用はこの混合割合に依存し、従って混合割合が変動すると安定した微粒化作用を得ることができないという問題点がある。
【０００５】
そこで本発明の目的は液体燃料の微粒化作用を安定して得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、液体燃料を燃料タンクから噴射弁に供給するための燃料通路内に絞り部を設け、液体燃料と異なる被混合流体を被混合流体タンクから供給するための被混合流体通路を該絞り部周りの燃料通路内に開口せしめて液体燃料が絞り部を流通したときに該絞り部周りに生ずる減圧作用により被混合流体タンクから被混合流体を燃料通路内に導き、それにより液体燃料に被混合流体を混合させた混合体を形成し、被混合流体通路の開口部よりも下流の燃料通路内に配置された超臨界状態生成手段により該混合体中の被混合流体を超臨界状態にし、該混合体を燃料噴射弁から噴射するようにし、燃料通路内に開口せしめられた被混合流体通路の流出端に多孔質体を配置している。即ち１番目の発明によれば、混合割合がほぼ一定に維持されるので、液体燃料の安定した微粒化作用が確保される。
【０００７】
また、１番目の発明では、被混合流体が微粒子（液滴又は気泡）の形で多孔質体から流出せしめられ、従って液体燃料と混合用液体とが均一に混合せしめられる。
２番目の発明によれば１番目の発明において、前記被混合流体通路内に開弁割合を制御可能な制御弁を配置し、該制御弁の開弁割合を機関運転状態に基づいて制御するようにしている。即ち３番目の発明では、機関運転状態に基づいて混合割合が変更せしめられる。
【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ポンプ６の吐出側に接続され、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９内には、燃料と異なる被混合流体が収容されている。被混合流体にはどのような流体を用いてもよい。しかしながら、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。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。
【００１１】
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、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。
【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、ポンプ６、及び制御弁１５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】
ポンプ６が作動せしめられると、燃料タンク８内の液体燃料がポンプ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ポンプ６に向かう。
【００１６】
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。
【００１７】
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、被混合流体が液滴又は気泡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。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。
【００１８】
ここで、上述した超臨界状態生成環境はポンプ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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
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。
【００２２】
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。
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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、本実施態様では、単一のポンプ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。なお、絞り部１２と燃料タンク８間の燃料供給管７内に、液体燃料をポンプ６に圧送するための補助ポンプを設けることもできる。
【００２９】
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。
【００３０】
【発明の効果】
液体燃料の微粒化作用を安定して得ることができる。
【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
６…ポンプ
８…燃料タンク
９…被混合流体タンク
１２…絞り部
【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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