JP2006118370A - 内燃機関の燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】全運転領域で安定した燃焼が可能なディーゼルエンジンを提供する。
【解決手段】冠部に凹状に窪むキャビティ３ａを形成したピストン３と、燃焼室天井面の略中央に配置され、複数の傘角度で燃料を噴射することが可能な燃料噴射弁１０と、燃料噴射弁１０の傘角度の切り替え制御を行う制御手段１１と、を備え、内燃機関が高負荷運転時には低負荷運転時よりも大きい傘角度に切り替え、かつ、１回の燃料噴射期間中に前記キャビティ３ａ内に燃料噴射を行う期間と、キャビティ３ａ外へ燃料噴射を行う期間と、からなる高負荷用燃料噴射モードで燃料を噴射する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、筒内直接噴射式内燃機関の燃焼性の向上に関する。

ディーゼルエンジンの燃焼性を向上させる方法として、ピストンの冠部をキャビティ状に形成し、燃料噴射方向を可変に制御可能な燃料噴射弁を燃焼室天井面の略中央に配置し、キャビティ内に向けて燃料噴射を行うことによって、キャビティ形状に沿って隆起されるガス流動を利用して燃料と空気との混合を促進させる方法が知られている。

燃料噴射角を可変にする方法としては、複数の噴射孔を設け、ニードルのリフト量を制御することによって開閉する噴射孔を切り替える方法が知られている。

特許文献１には、ニードルのリフト量を、高リフト量、低リフト量の２つに加えて、さらにその中間のリフト量でも保持することを可能とし、１回の燃料噴射中の燃料噴射角を概ね一定に保つことが可能な燃料噴射弁の構造が開示されている。
特開２０００−３０３９３６号公報

ところで、ディーゼルエンジンでは、高回転高負荷運転時には燃料と空気とが十分に混合されずにスモークの発生量が増大する傾向がある。特に、高回転高負荷時に燃料噴射角を狭角に設定してキャビティ内に向けて燃料を噴射すると、燃料と空気とが混合する前にキャビティ上部の空気がガス流動によってキャビティ外へ流出し、流動の弱いキャビティ底部には燃料が空気と混合せずに残るため、この傾向が強くなる。

しかし、特許文献１では、エンジン負荷に応じて燃料噴射角を切り替える構成は記載されているものの、エンジン回転数、負荷と噴射角との関係、特にエンジンが高回転高負荷で運転されているときの具体的な燃料噴霧形状について特定するような記載はなく、また、それを示唆するような記載もない。

したがって、特許文献１に記載の構成では、高回転高負荷運転時にスモーク発生量が増大する可能性がある。

そこで、本発明では、ディーゼルエンジンの燃焼性を全運転領域で安定させ、かつ高回転高負荷運転時のスモーク発生量を抑制することを目的とする。

本発明の内燃機関の燃料噴射装置は、冠部に凹状に窪むキャビティを形成したピストンと、燃焼室天井面の略中央に配置され、複数の傘角度で燃料を噴射することが可能な燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁の傘角度の切り替え制御を行う制御手段と、を備え、前記内燃機関の高負荷運転時には低負荷運転時よりも大きい傘角度に切り替え、かつ、１回の燃料噴射期間中に前記キャビティ内に燃料噴射を行う期間と、キャビティ外へ燃料噴射を行う期間と、からなる高負荷用燃料噴射モードで燃料を噴射する。

本発明によれば、高負荷運転時には１回の燃料噴射期間中に前記キャビティ内に燃料噴射を行う期間と、キャビティ外へ燃料噴射を行う期間とからなる高負荷用燃料噴射モードで燃料噴射を行うので、例えば燃料噴射初期にはキャビティ内に、燃料噴射後期にはキャビティ外に向けて燃料噴射するように設定すれば、ピストンの下降とともに発生するガス流動によってキャビティ内からキャビティ外へ向けての空気が流れ出ても、この流れ出た空気に向けて燃料を噴射することになるので、燃焼室全体の空気を効率的に利用してスモークの少ない、安定した燃焼をすることが可能となる。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本実施形態を適用するエンジンの概略図である。１ａはシリンダヘッド、１ｂはシリンダブロック、２はシリンダブロック１ｂに設けられたシリンダ、３はシリンダ２内に摺挿されたピストンである。

シリンダヘッド１ａには、吸気ポート６および排気ポート７が開口しており、それぞれの開口部は、吸気バルブ４および排気バルブ５によって開閉される。吸気バルブ４および排気バルブ５は、それぞれ吸気カムシャフト８、排気カムシャフト９により駆動されて、以下のようにピストン３に応動する。

まず、排気バルブ５は閉、吸気バルブ４は開の状態で、ピストン３が下死点まで降下する（吸気行程）。ピストン３が下死点付近にあるときに吸気バルブ４が閉じ、ピストン３が上昇する（圧縮行程）。ピストン３が上死点付近まで上昇したときに、後述する燃料噴射弁１０から燃料が噴射され、この燃料が高圧のシリンダ２内で空気とともに爆発し、ピストン３を押し下げる（爆発行程）。ピストン３が下死点まで降下したら排気バルブ５が開き、ピストン３が上昇する（排気行程）。

ピストン３の冠部には、冠部の中心から所定の半径位置まで凹状のキャビティ３ａが設けられている。キャビティ３ａは中心から外周方向に向けて徐々に深くなっており、これによって、吸気バルブ４から吸入した空気が、キャビティ３ａの形状に沿って、シリンダ２内に例えばタンブル流のようなガス流動を生起するような形状となっている。

シリンダ２の壁面とピストン３の冠部とシリンダヘッド１ａの下面とで形成される燃焼室の天井面略中央部には、燃料噴射弁１０が配置される。

上記のように構成されるエンジン１の燃料噴射量、燃料噴射時期、燃料噴射角等は、クランク角センサやアクセル開度センサ等の検出信号に基づいて、制御手段としてのエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１１により後述するように制御される。

ここで、本実施形態で用いる燃料噴射弁１０について説明する。

図３は燃料噴射弁１０の先端部分の断面図である。

１９は燃料噴射弁１０の先端部分に形成されたニードルホルダ、１４はニードルホルダ１９内に軸線Ａ−Ａ方向に摺動可能に挿入された中空管形状の第２ニードル弁、１２は第２ニードル弁１４の内側に同軸状に挿入された第１ニードル弁である。２０はニードルホルダ１９と第２ニードル弁１４および第１ニードル弁１２と第２ニードル弁１４の間に形成され、燃料で満たされる燃料室である。

燃料室２０は図示しない燃料ラインに接続されており、図示しない燃料ポンプによって所定の圧力がかけられた状態で燃料が供給される。そして、第１ニードル弁１２もしくは第２ニードル弁１４が駆動されることによって後述する第１噴孔１３もしくは第２噴孔１５が開かれると、開かれた噴孔からシリンダ２内に向けて所定の圧力で燃料が噴出する。

第１ニードル弁１２、第２ニードル弁１４はそれぞれ電磁式のアクチュエータによって駆動され、アクチュエータへの通電時間を変えることによって開弁時間が制御される。なお、アクチュエータは、空圧、油圧等の流体力により駆動するものであっても構わない。

第１ニードル弁１２の先端部にはテーパ面１２ａが形成されており、このテーパ面１２ａがニードルホルダ１９の先端部内側にテーパ状に形成された第１シート位置１７に着座する。

第１シート位置１７には、燃料噴射弁１０の外部と燃料室２０とを連通する第１噴孔１３が設けられており、この第１噴孔１３は第１ニードル弁１２が着座したときに閉鎖される。

第２ニードル弁１４の先端部にも同様にテーパ面１４ａが形成されており、テーパ面１４ａはニードルホルダ１９の先端部内側にテーパ状に形成された第２シート位置１８に着座する。

第２シート位置１８には、燃料噴射弁１０の外部と燃料室２０とを連通する第２噴孔１５が設けられており、この第２噴孔１５は第２ニードル弁１４が着座したときに閉鎖される。

第１噴孔１３は第２噴孔１５よりも先端側に設けられており、また、軸線Ａ−Ａに対する角度は、第１噴孔１３の方が第２噴孔１５よりも大きい。

次に、燃料噴射弁１０の燃料噴霧について図４を参照して説明する。

図４（ａ）は広傘角での燃料噴射を行う場合、（ｂ）は狭傘角での燃料噴射を行う場合を表す。なお、傘角とは、シリンダ２内に形成される燃料噴霧の、軸線Ａ−Ａからの広がり角度のことであり、これが大きい場合を広傘角、小さい場合を狭傘角という。

広傘角で燃料噴射を行う場合には、図４（ａ）に示すように、第１ニードル弁１２がリフトして、第１噴孔１３から燃料が噴射される。このとき燃料噴霧が軸線Ａ−Ａと成す角度をθ１とする。

狭傘角で燃料噴射を行う場合には、図４（ｂ）に示すように、第２ニードル弁１４がリフトして、第２噴孔１５から燃料が噴射される。このとき燃料噴霧が軸線Ａ−Ａと成す角度をθ２とする。

なお、燃料噴射時には、第１ニードル弁１２、第２ニードル弁１４はそれぞれ第１噴孔１３、第２噴孔１５が開いた状態となる所定の位置に保持される。これにより、燃料噴射中に傘角は略一定に保たれる。

また、燃料噴射弁１０の構造はこれに限られるものではなく、１回の燃料噴射中に傘角を略一定に保つことができる構造であればよい。
上記のように構成される燃料噴射弁１０を用いた燃料噴射制御について、図２を参照して説明する。

図２は、エンジン１の運転状態に応じて、ＥＣＵ１１の構成要素である傘角判定部１１ａ、広傘角制御部１１ｂ、狭傘角制御部１１ｃにより実行される制御を表すフローチャートである。

まず、傘角判定部１１ａにおいて、運転状態から定まる燃料噴射量に基づいて燃料噴射角を広くするか狭くするかを判定し、広くすると判定した場合には広傘角制御部１１ｂ、狭くすると判定した場合には狭傘角制御部１１ｃで燃料噴射時期等を決定する。これらの構成要素はハードワイヤードの理論回路で構成することもできるが、本実施形態ではマイクロコンピュータのプログラムとして実現する。

以下、図２のステップにしたがって詳細に説明する。

ステップＳ１１では、クランク角センサの検出信号からエンジン回転数Ｎ、アクセル開度センサの検出信号からアクセル開度Ｖｎを検知する。

ステップＳ１２では、ステップＳ１１で検知したエンジン回転数Ｎ、アクセル開度Ｖｎから目標燃料噴射量Ｑ０を算出する。これは、目標燃料噴射量Ｑ０をエンジン回転数Ｎ、アクセル開度Ｖｎに割り付けたマップを予め作成しておき、これを検索することによって求めることができる。

ステップＳ１３では、傘角について判定する。すなわちエンジン回転数、目標燃料噴射量Ｑ０に基づいて、広傘角、狭傘角のいずれの傘角で燃料噴射を行うかを判定する。具体的には、例えば、エンジン回転数、目標燃料噴射量Ｑ０に予め所定の閾値を設定しておき、閾値を超えた場合には広傘角、超えない場合には狭傘角、と判定する。広傘角、狭傘角の設定方法については後述する。

ステップＳ１３で広傘角で燃料噴射を行うと判定した場合にはステップＳ２１に進み、狭傘角で燃料噴射を行うと判定した場合にはステップＳ３１に進む。

ステップＳ２１では、燃料噴射時期およびレール圧力の目標値を決定する。

ステップＳ２２では目標燃料噴射量Ｑ０、噴射時期、レール圧力から、燃料噴射弁１０の通電時間を決定し、燃料噴射を行う。

ステップＳ３１、Ｓ３２については、ステップＳ２１、Ｓ２２と同様の演算なので説明を省略する。

上記の制御によって行われる燃料噴射時の燃料噴霧について図５を参照して説明する。

図５は広傘角、狭傘角のそれぞれの場合について、燃料噴射中の初期と後期における燃料噴霧とピストン３との関係を表した図である。

図に示すように、広傘角の場合、つまりエンジン１の運転負荷が所定値より高い場合には、燃料噴射初期には燃料噴霧はキャビティ３ａ内に収まるように噴射される。これにより、噴射された燃料はキャビティ３ａ内の空気と混合されることになる。

そして、燃料噴射後期になるとピストン３が下降し、かつ傘角が広いために、図に示すように燃料噴霧はキャビティ３ａの外、つまりピストン３頂面のキャビティ３ａより外周側の部分とシリンダヘッド１ａ下面とシリンダ２内壁面とで囲まれた部分（以下、スキッシュという）２１に向けて噴射されることになる。これにより、噴射された燃料はスキッシュ２１の空気と混合されることになる。この燃料噴射初期にはキャビティ３ａ内に向けて、燃料噴射後期にはキャビティ３ａ外に向けて燃料噴射を行う燃料噴射モードを高負荷用燃料噴射モードという。

このように、燃料噴射の初期と後期とで燃料を噴射する位置を変えるのは、以下の理由による。

ピストン３が上死点付近まで上昇したときには、スキッシュ２１にある空気がピストン３に押しつぶされるようにしてシリンダ２の軸心に向けて流動する、いわゆるスキッシュ流が形成される。そして上死点付近から下降するときには、逆に、シリンダ２軸心側からスキッシュ２１に空気が引き込まれる、いわゆる逆スキッシュ流が形成される。

したがって、燃料噴射初期には、キャビティ３ａに向けて噴射された燃料が、キャビティ３ａの形状によって発生するガス流動とピストン３が上死点到達直前に発生したスキッシュ流によって、空気と燃料とが十分に混合する。ところが、燃料噴射後期には逆スキッシュ流が発生するので、キャビティ３ａ内に向けて燃料噴射すると、特に高回転高負荷運転時にはキャビティ３ａの上部にある空気が燃料と混合する前にスキッシュ２１へと吸い出されてしまい、キャビティ３ａ内には高濃度の混合気が残されてスモーク排出の原因となる。そこで、逆スキッシュ流による空気の流れと燃料との混合を促進させるために、燃料噴射後期にはスキッシュ２１に向けて燃料噴射している。

したがって、１回の燃料噴射において、初期はキャビティ３ａ内、後期はスキッシュ２１にそれぞれ燃料が噴射されるので、シリンダ２内全体の空気を活用して安定した燃焼をさせることができる。

これに対して、狭傘角の場合、つまりエンジン１の運転負荷が所定値より低い場合には、燃料噴射の初期、後期ともに、キャビティ３ａ内に向けて燃料噴射する。

低中負荷・低中回転の場合には、シリンダ２内のガス流動が弱いため、シリンダ壁面等に付着した燃料が気化せずに未燃ガスとなりやすく、これによってＨＣの排出量が増大する。そこで、キャビティ３ａ内に形成されるガス流動を利用して空気との混合を促進し、未燃ガスの発生を抑制するために、すべての燃料をキャビティ３ａ内に向けて噴射する。

次に、高負荷、低中負荷それぞれの場合の噴霧の傘角の設定方法について説明する。

図６は傘角とスモークおよび未燃ガスの発生量との関係を表す図であり、（ａ）は高負荷、（ｂ）は低中負荷の場合である。

なお、傘角を大きくするとキャビティ３ａ外に噴射される燃料量が増加し、傘角を小さくするとその逆でキャビティ内に噴射される燃料量が増加する。したがって、傘角はキャビティ３ａの内外に噴射される燃料の割合を表すパラメータと考えることもできる。

高負荷の場合、傘角が大きくなるに連れてスモーク発生量は徐々に少なくなる。また、未燃ガス発生量は、傘角が所定の大きさまでは略一定であるが、所定の大きさを超えると急激に多くなる。

そこで、高負荷運転時には、傘角をスモークおよび未燃ガスの発生量をともに少なくできるような範囲（図中にθＨで示した範囲）内の値に設定する。これによりキャビティ３ａ内とキャビティ３ａ外に噴射された燃料の割合が定まる。

低中負荷の場合、スモーク発生量は所定角度までは傘角が大きくなるに連れて少なくなり、所定角度を超えると傘角が大きくなるに連れて多くなる。未燃ガス発生量は、傘角が大きくなるに連れて徐々に多くなる。

そこで、低中負荷運転時の傘角は、スモークおよび未燃ガスの発生量をともに少なくできるような範囲（図中にθＬで示した範囲）内の値に設定する。

以上により本実施形態では、１回の燃料噴射期間中に、キャビティ３ａ内に燃料噴射を行う期間と、キャビティ３ｂ外へ燃料噴射を行う期間と、を有する燃料噴射モードを備えるので、燃料がキャビティ３ａないだけではなく、キャビティ３ａ外の空気とも混合し、シリンダ２全体の空気を効率的に利用し、高回転の運転条件下でもスモークの少ないクリーンで安定した燃焼を可能とすることができ、高負荷による運転が可能な領域を拡大することができる。

１回の燃焼期間中の燃料噴霧の傘角を略一定に保つので、キャビティ３ａの中に噴射する燃料と外に噴射する割合を精度よく制御することができ、安定した燃焼を可能にできる。

運転負荷に応じて傘角を変更することにより、広範囲の運転領域において、クリーンで安定した燃焼を可能にする。

エンジン１が高回転高負荷運転時には、キャビティ３ａの中に噴射される燃料と外に噴射される燃料の割合が、スモークの発生量と未燃ガス発生量とがともに少なくなるような所定の割合となるように傘角を設定することにより、キャビティ３ａ内およびスキッシュ２１において燃料と空気の混合を促進し、スモーク排出量の少ない安定した燃焼を可能にできる。

エンジン１が低中負荷運転時には、傘角を狭める方向に制御することによって、燃料噴霧がすべてキャビティ３ａ内に噴射されるようにするので、キャビティ３ａ内で燃料と空気との混合を促進し、ＨＣ排出量の少ない、クリーンで安定した燃焼を可能にできる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

本発明は、燃料を筒内に直接噴射する内燃機関に適用可能である。

本実施形態のシステム構成の概略図である。 本実施形態の制御のフローチャートである。 本実施形態で使用する燃料噴射弁の構造を説明するための図である。 (ａ)は広傘角、（ｂ）は狭傘角で噴射を行うときの燃料噴射弁の状態を説明するための図である。 燃料噴射初期と後期における燃料噴霧とピストンとの関係を説明するための図である。 傘角の設定方法を説明するための図である。

符号の説明

１ エンジン
１ａ シリンダヘッド
１ｂ シリンダブロック
２ シリンダ
３ ピストン
３ａ キャビティ
４ 吸気バルブ
５ 排気バルブ
６ 吸気ポート
７ 排気ポート
８ 吸気カムシャフト
９ 排気カムシャフト
１０ 燃料噴射弁
１１ エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
１２ 第１ニードル弁
１３ 第１噴孔
１４ 第２ニードル弁
１５ 第２噴孔
１７ 第１シート位置
１８ 第２シート位置
１９ ニードルホルダ
２０ 燃料室

Claims (4)

1. 冠部に凹状に窪むキャビティを形成したピストンと、
   燃焼室天井面の略中央に配置され、複数の傘角度で燃料を噴射することが可能な燃料噴射弁と、
   前記燃料噴射弁の傘角度の切り替え制御を行う制御手段と、を備え、
   前記内燃機関の高負荷運転時には低負荷運転時よりも大きい傘角度に切り替え、
   かつ、１回の燃料噴射期間中に前記キャビティ内に燃料噴射を行う期間と、キャビティ外へ燃料噴射を行う期間と、からなる高負荷用燃料噴射モードで燃料を噴射することを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
2. 前記燃料噴射弁は、１回の燃料噴射期間中に燃料噴霧の傘角度を概ね一定に保持する請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
3. 前記高負荷用燃料噴射モード中の前記キャビティ内に噴射する燃料量と前記キャビティ外に噴射する燃料量との割合は、燃料噴霧の傘角度によって制御される請求項１または２に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
4. 内燃機関が低中負荷運転時には、１回の燃料噴射期間中に噴射される燃料のすべてが前記キャビティ内に噴射されるような傘角度で燃料噴射を行う請求項１〜３のいずれか一つに記載の内燃機関の燃料噴射装置。
   

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