JP2005330961A

JP2005330961A - 内燃機関の燃料供給装置

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Publication number: JP2005330961A
Application number: JP2005118443A
Authority: JP
Inventors: Eriko Matsumura; 恵理子松村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-04-21
Filing date: 2005-04-15
Publication date: 2005-12-02
Anticipated expiration: 2025-04-15
Also published as: DE602005012373D1; US7201145B2; US20050235958A1; EP1738064B1; EP1738064A1; WO2005103470A1; JP4492421B2

Abstract

【課題】気筒内へ直接的に燃料を噴射する第一燃料噴射弁と、吸気通路へ燃料を噴射す
る第二燃料噴射弁とを具備する内燃機関の燃料供給装置において、機関アイドル時の均質
燃焼において、第一燃料噴射弁のデポジット堆積を防止すると共に、良好な均質混合気の
形成を可能とする。
【解決手段】機関アイドル時の均質燃焼に際しては、第二燃料噴射弁１２により燃料を
噴射すると共に低圧ポンプ２１により加圧された燃料を高圧ポンプ２３により加圧するこ
となく第一燃料噴射弁１１によって噴射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の燃料供給装置に関する。

成層燃焼のために気筒内へ直接的に燃料を噴射する第一燃料噴射弁と、均質燃焼のために吸気通路へ燃料を噴射する第二燃料噴射弁とを具備する内燃機関が公知である。

このような内燃機関において、均質燃焼時に第一燃料噴射弁による燃料噴射を停止すると、気筒内に開口する第一燃料噴射弁の噴孔温度が上昇して噴孔内にデポジットが堆積し、噴孔の目詰まりを発生させる可能性がある。これを防止するために、均質燃焼時において、第二燃料噴射弁に加えて第一燃料噴射弁によっても燃料を噴射し、第一燃料噴射弁の噴孔温度の上昇を抑制することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、第二燃料噴射弁により吸気通路へ噴射される燃料は、吸気と共に微粒化されながら気筒内へ供給されるために、もちろん、第一燃料噴射弁により気筒内へ直接的に噴射される燃料に比較して、良好な均質混合気の形成に有利である。しかしながら、第一燃料噴射弁により吸気行程で気筒内へ燃料を噴射すると、燃料の気化潜熱により気筒内温度が低下するために、ノッキングを抑制することができ、また、吸気充填効率を向上させることができる。

それにより、成層燃焼を実施しない内燃機関においても、気筒内へ直接的に燃料を噴射するための第一燃料噴射弁と吸気通路へ燃料を噴射するための第二燃料噴射弁とを設けることが考えられる。こうして第一燃料噴射弁が設けられると、第一燃料噴射弁による燃料噴射が特に必要とされない運転状態においても、前述同様に、噴孔温度の上昇を抑制するために第一燃料噴射弁により燃料を噴射することが好ましい。

いずれの内燃機関においても、機関アイドル時には均質燃焼が実施され、この時には良好な均質混合気の形成に有利な第二燃料噴射弁により大部分の燃料を噴射し、第一燃料噴射弁からは噴孔温度の上昇を抑制するだけの燃料を噴射して、第二燃料噴射弁の燃料噴射割合を大きく設定することが好ましい。
特開２００２−３６４４０９号公報

ところで、第一燃料噴射弁は、成層燃焼のために圧縮行程の高圧の気筒内へ燃料を噴射しなければならず、噴射圧力が高くされている。また、成層燃焼を実施しない場合においても、気筒内へ噴射される燃料の微粒化を促進するために第一燃料噴射弁の噴射圧力は高くされている。それにより、第一燃料噴射弁において、燃料噴射量の制御が可能な最小開弁時間に対応する最少燃料噴射量は、あまり少量とはならない。これに対して、特に、機関アイドル時の均質燃焼においては、燃焼温度がそれほど高くないために、第一燃料噴射弁のデポジット堆積防止に必要な噴射量が非常に少なく、第一燃料噴射弁の最少燃料噴射量を下回ってしまう。それにより、機関アイドル時には、第一燃料噴射弁により必要以上の燃料が噴射され、また、機関運転に必要な燃料量も比較的少ないために、第二燃料噴射弁の燃料噴射割合を大きく設定することはできず、良好な均質混合気の形成が困難となる。

従って、本発明の目的は、気筒内へ直接的に燃料を噴射する第一燃料噴射弁と、吸気通路へ燃料を噴射する第二燃料噴射弁とを具備する内燃機関の燃料供給装置において、機関アイドル時の均質燃焼において、第一燃料噴射弁のデポジット堆積を防止すると共に、良好な均質混合気の形成を可能とすることである。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の燃料供給装置は、低圧ポンプにより加圧された燃料を高圧ポンプによりさらに加圧して気筒内へ直接的に噴射する第一燃料噴射弁と、吸気通路へ燃料を噴射する第二燃料噴射弁とを具備する内燃機関の燃料供給装置において、機関アイドル時の均質燃焼に際しては、前記第二燃料噴射弁により燃料を噴射すると共に低圧ポンプにより加圧された燃料を高圧ポンプにより加圧することなく前記第一燃料噴射弁によって噴射することを特徴とする。

本発明による請求項２に記載の内燃機関の燃料供給装置は、低圧ポンプにより加圧された燃料を高圧ポンプによりさらに加圧して気筒内へ直接的に噴射する第一燃料噴射弁と、吸気通路へ燃料を噴射する第二燃料噴射弁とを具備する内燃機関の燃料供給装置において、機関アイドル時に際しては、低圧ポンプにより加圧された燃料を高圧ポンプにより加圧することなく前記第一燃料噴射弁のみによって噴射することを特徴とする。

本発明による請求項３に記載の内燃機関の燃料供給装置は、低圧ポンプにより加圧された燃料を高圧ポンプによりさらに加圧して気筒内へ直接的に噴射する第一燃料噴射弁と、吸気通路へ燃料を噴射する第二燃料噴射弁とを具備する内燃機関の燃料供給装置において、機関アイドル時の均質燃焼に際しては、低圧ポンプにより加圧された燃料を高圧ポンプにより加圧することなく前記第一燃料噴射弁のみによって、吸気行程において噴射することを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の燃料供給装置によれば、機関アイドル時の均質燃焼に際して、第二燃料噴射弁により燃料を噴射すると共に第一燃料噴射弁によって燃料を噴射するようになっているために、第一燃料噴射弁のデポジットの堆積を防止することができる。また、第一燃料噴射弁により噴射される燃料は、低圧ポンプにより加圧されて高圧ポンプにより加圧されないものであり、噴射圧力が低くされるために、第一燃料噴射弁により噴射される燃料量がデポジット堆積防止のために必要な噴射量を超えないようにすることができ、機関アイドル時の均質燃焼に必要な燃料量に対して第二燃料噴射弁から噴射される燃料量を比較的多くして良好な均質混合気の形成が可能となる。

本発明による請求項２に記載の内燃機関の燃料供給装置によれば、機関アイドル時のに際して、第二燃料噴射弁により燃料を噴射しないで第一燃料噴射弁のみによって燃料を噴射するようになっているために、第一燃料噴射弁からの燃料噴射量をより多く（最少燃料量よりも多くデポジット対策のための最少燃料よりも多い）することができ、デポジットの堆積をより確実に防止することができる。

本発明による請求項３に記載の内燃機関の燃料供給装置によれば、機関アイドル時の均質燃焼に際して、第二燃料噴射弁により燃料を噴射しないで第一燃料噴射弁のみによって燃料を吸気行程において噴射するようになっている。このため、第一燃料噴射弁からの燃料噴射量をより多く（最少燃料量よりも多くデポジット対策のための最少燃料よりも多い）することができ、デポジットの堆積をより確実に防止することができる。さらに、第一燃料噴射手段からの燃料噴射を吸気行程噴射とすることで、第二燃料噴射弁から噴射を停止しても、良好な均質混合気の形成が可能となる。

図１は本発明による燃料供給装置が取り付けられる内燃機関を示す概略図である。同図において、１は機関本体であり、２は各気筒共通のサージタンクである。３はサージタンク２と各気筒とを連通する吸気通路であり、４はサージタンク２の上流側の各気筒共通の吸気管である。吸気管４におけるサージタンク２の直上流側にはスロットル弁５が配置されている。６は各気筒に連通する排気通路である。

機関本体１において、７は吸気弁、８は排気弁、９はピストン、１０は点火プラグである。１１は気筒内へ直接的に燃料を噴射するための第一燃料噴射弁であり、１２は各吸気通路３に配置された第二燃料噴射弁である。

本内燃機関は、全ての機関運転状態において、第二燃料噴射弁１２により吸気同期（吸気弁開弁中）又は吸気非同期（吸気弁開弁以前）で燃料を噴射して吸気と共に微粒化された燃料を気筒内へ供給する均質燃焼を実施する。第一燃料噴射弁１１は、低回転高負荷時にノッキングを抑制するために、及び、高回転高負荷時に吸気充填効率を高めるために、吸気行程で気筒内へ燃料を噴射して筒内温度を低下させるために設けられている。

それにより、図２に示す運転領域Ｂにおいては、必要燃料量に対する第一燃料噴射弁１１の燃料噴射割合及び第二燃料噴射弁１２の燃料噴射割合を、それぞれ、例えば５０％としている。一方、低回転低負荷時を含む図２に示す運転領域Ａでは、機関運転にとって第一燃料噴射弁１１による燃料噴射は特に必要ではなく、良好な均質混合気の形成には必要燃料の全てを第二燃料噴射弁１２により噴射することが好ましい。

しかしながら、第一燃料噴射弁１１は、気筒内に開口する噴孔を有するために、燃料噴射を停止すると、噴孔が高温度となってデポジットが堆積し易く、最悪の場合にはデポジットの堆積によって噴孔が詰まることがある。それにより、機関運転にとって必要なくても燃料噴射を実施しなければならない。本内燃機関において、運転領域Ａにおいては、第一燃料噴射弁１１は、デポジットの堆積を防止する最少量の燃料が噴射されるように、必要燃料量に対して第一燃料噴射弁及び第二燃料噴射弁の燃料噴射割合が設定されている。

ところで、図１において、２０は燃料タンクであり、２１は低圧ポンプ（一般的には電動式）であり、２２は低圧ポンプ２１により加圧された燃料を蓄える各気筒共通の低圧側蓄圧室である。第二燃料噴射弁１２は、吸気通路３へ燃料を噴射するものであるために、低圧側蓄圧室２２内の低圧燃料を噴射する。一方、第一燃料噴射弁１１は、噴射燃料を気筒内で十分に微粒化させて気化を促進しなければならず、そのためには、噴射圧力を高めて燃料噴霧の貫徹力を強くすることにより気筒内の吸気との間で十分な摩擦力を発生させることが好ましい。本実施形態においては、低圧側蓄圧室２２内の燃料をさらに加圧するための高圧ポンプ２３（一般的には機関駆動式）が設けられ、高圧ポンプ２３により加圧された燃料は各気筒共通の高圧側蓄圧室２４に蓄えられ、第一燃料噴射弁１１は、この高圧側蓄圧室２４内の高圧燃料を噴射するようになっている。

こうして、運転領域Ｂにおいては、筒内温度が比較的高くなるために、第一燃料噴射弁１１により噴射された高圧燃料は、吸気との摩擦によって微粒化されると良好に気化し、第二燃料噴射弁１２により微粒化されて気筒内へ供給される燃料と共に十分に均質化された均質混合気を形成するために、良好な均質燃焼を実現することができる。一方、運転領域Ａにおいても、第一燃料噴射弁１１によりデポジットの堆積防止のために噴射された高圧燃料は、吸気とも摩擦による微粒化によって気化が促進されるために、第二燃料噴射弁１２により気筒内へ供給される燃料と共に比較的良好な均質混合気を形成することができる。

ところで、運転領域Ａにおいて、第一燃料噴射弁１１のデポジット堆積防止に必要な最少量の燃料は、機関運転状態に応じて筒内温度が低くなるほど少なくなり、機関アイドル時において最も少なくなる。いずれの燃料噴射弁においても、燃料噴射量の制御を可能とする最小開弁時間に対応した最少燃料噴射量ｑｍｉｎが存在する。図３は、同じ最少開弁時間において、燃料噴射圧力の１／２乗Ｐ^1/2に対する最少燃料噴射量ｑｍｉｎの関係を示している。図３に示すように、最少燃料噴射量ｑｍｉｎは、燃料噴射圧力が高いほど多くなり、高圧側蓄圧室２４内の高圧Ｐ２の燃料が噴射される場合の最少燃料噴射量ｑｍｉｎ２はそれほど少なくない。

それにより、機関アイドル時において、第一燃料噴射弁１１のデポジット堆積防止に必要な最少量の燃料は、高圧燃料が噴射される場合の第一燃料噴射弁１１の最少燃料噴射量ｑｍｉｎ２より少なくなる。それにより、機関アイドル時においては、高圧側蓄圧室２４内の高圧燃料が第一燃料噴射弁１により噴射されると、開弁時間を最小としてもデポジット堆積防止に必要な最少量の燃料より多くの燃料（ｑｍｉｎ２）が噴射されることとなり、その分、第二燃料噴射弁１２による燃料噴射量を減少させなければならない。機関アイドル時には、機関運転のための必要燃料量が比較的少ないために、こうして第二燃料噴射弁１２の燃料噴射量を減少させると、良好な均質混合気の形成に有利な第二燃料噴射弁１２の燃料噴射割合が大きく低下することとなって、この時の均質燃焼が悪化してしまう。

この問題を解決するために、本実施形態では、第一燃料噴射弁１１を高圧側蓄圧室２４及び低圧側蓄圧室２２の選択された一方へ接続可能な切換弁２５が設けられ、機関アイドル時の均質燃焼に際しては、第一燃料噴射弁１１を低圧側蓄圧室２２へ接続させるようになっている。それにより、機関アイドル時には、第一燃料噴射弁１１から低圧側蓄圧室２２内の低圧Ｐ１の燃料がデポジット堆積防止のために噴射され、この場合の最小開弁時間に対する最少燃料噴射量ｑｍｉｎ１は、図３に示すように、前述のｑｍｉｎ２よりかなり少なくなるために、開弁時間の制御によって、この時のデポジット堆積防止に必要な最少量の燃料を過不足なく噴射することができる。

こうして、均質混合気の形成に有利な第二燃料噴射弁１２による燃料噴射量を十分に確保することができ、機関アイドル時の均質燃焼を良好なものとすることができる。この機関アイドル時においては、高圧ポンプ２３の作動を停止させても良く、それにより、高圧ポンプ２３の作動騒音を低減することができる。

本実施形態は、機関アイドル時において、第一燃料噴射弁１１により低圧側蓄圧室２２内の低圧燃料を噴射するようにしたが、もちろん、デポジットの堆積防止を主な目的として第一燃料噴射弁１１により燃料噴射を実施する運転領域Ａにおいては、機関アイドル時以外でもデポジットの堆積防止に必要な燃料量を過不足なく確実に噴射するために、第一燃料噴射弁１１により低圧側蓄圧室２２内の低圧燃料を噴射するようにしても良い。こうして、第一燃料噴射弁１１による燃料噴射圧力を低下させると、噴射燃料の微粒化には不利となるが、その一方で、噴射燃料がピストン頂面との衝突によりピストン頂面に液状燃料として付着したままとなることを抑制することができ、それに伴う未燃燃料の排出量を低減することができる。

本実施形態では、内燃機関１は、全ての機関運転状態で均質燃焼を実施するものとしたが、これは本発明を限定するものではなく、機関アイドル時に均質燃焼を実施するのであれば、例えば、それ以外の低負荷側運転領域において、均質燃焼ではなく成層燃焼を実施するようにしても良い。成層燃焼時には、第一燃料噴射弁１１により高圧側蓄圧室２４内の高圧燃料を圧縮行程後半の高圧の気筒内へ噴射することとなる。こうして噴射された燃料は、ピストン９の頂面に形成されたキャビティ９ａにより点火プラグ１０近傍に導かれて、又は、直接的に、点火プラグ１０近傍に可燃混合気を形成する。

＜変形例＞
上述した実施形態においては、機関アイドル時において、第一燃料噴射弁１１により低圧側蓄圧室２２内の低圧燃料を噴射するとともに、第二燃料噴射弁１２により燃料を噴射するようにしたが、本変形例においては、以下のように燃料を噴射する。

本変形例においては、機関アイドル時には、第一燃料噴射弁１１により低圧側蓄圧室２２内の低圧燃料を噴射するが、第二燃料噴射弁１２からは燃料を噴射しない。このようにした場合、良好な均質混合気の形成に有利であった第二燃料噴射弁１２からの燃料噴射が停止することになる。これに対して、均質混合気を形成させるために、第一燃料噴射弁１１からの燃料噴射タインミングを吸気行程として、均質混合気を形成するようにしてもよい。

さらに、第二燃料噴射弁１２から燃料を噴射しないので、機関アイドル時の要求燃料量の全量を第一の燃料噴射弁１１から噴射することができる。そのため、機関アイドル時において、第一燃料噴射弁１１のデポジット堆積防止に必要な最少量の燃料よりも確実に多くの燃料を噴射することができ、噴口を十分に冷却できて、デポジットの堆積を回避することができる。

なお、このときの第一燃料噴射弁１１に供給される燃料の圧力は、第二燃料噴射弁１２における燃料圧力と同じ程度の、２００ｋＰａ〜６００ｋＰａである。

また、この機関アイドル時においては、上述の実施形態と同様に、切換弁２５により、第一燃料噴射弁１１を低圧側蓄圧室２２へ接続される。また、高圧ポンプ２３の作動を停止させて、高圧ポンプ２３の作動騒音を低減することができる。

さらに、図１に示す概略図においては、切換弁２５が設けられ、機関アイドル時の均質燃焼に際しては、第一燃料噴射弁１１を低圧側蓄圧室２２へ接続させるようになっているが、本発明はこのような構成に限定されない。一般的に、機関駆動式の高圧ポンプ２３は、エンジンにより駆動されるカムによりポンププランジャーが下方向に移動しているときであって電磁スピル弁が開いているときに燃料が導入され（吸い込まれ）、カムによりポンププランジャーが上方向に移動しているときの電磁スピル弁を閉じるタイミングを変更して、高圧ポンプ２３から吐出される燃料量を制御する。ポンププランジャーが上方向に移動している加圧行程中における電磁スピル弁を閉じる時期が早いほど多くの燃料が吐出され、遅いほど少ない燃料が吐出される。この最も多く吐出される場合の電磁スピル弁の駆動デューティを１００％とし、この最も少なく吐出される場合の電磁スピル弁の駆動デューティを０％としている。電磁スピル弁の駆動デューティが０％の場合には、電磁スピル弁は閉じることなく開いたままの状態になり、カムが回転している限り（エンジンが回転している限り）ポンププランジャーは上下方向に摺動するが、電磁スピル弁が閉じないので、燃料は加圧されない。このことから、機関アイドル時の均質燃焼に際しては、電磁スピル弁の駆動デューティを０％にして、加圧しないようにして、第一燃料噴射弁１１に低圧の燃料を供給することができる。このようにすると、切換弁２５や高圧ポンプ２３および高圧側蓄圧室２４をバイパスする通路を設ける必要がない。さらに、高圧が発生しないので、高圧ポンプ２３の作動音を低減させることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明による燃料供給装置が取り付けられる内燃機関を示す概略図である。機関回転数と機関負荷とに基づく二つの運転領域Ａ，Ｂを示すマップである。燃料噴射圧力の１／２乗と最少燃料噴射量との関係を示すグラフである。

符号の説明

１機関本体、３吸気通路、１１第一燃料噴射弁、１２第二燃料噴射弁、２１低圧ポンプ、２２低圧側蓄圧室、２３高圧ポンプ、２４高圧側蓄圧室、２５切換弁。

Claims

低圧ポンプにより加圧された燃料を高圧ポンプによりさらに加圧して気筒内へ直接的に噴射する第一燃料噴射弁と、吸気通路へ燃料を噴射する第二燃料噴射弁とを具備する内燃機関の燃料供給装置において、機関アイドル時の均質燃焼に際しては、前記第二燃料噴射弁により燃料を噴射すると共に低圧ポンプにより加圧された燃料を高圧ポンプにより加圧することなく前記第一燃料噴射弁によって噴射することを特徴とする内燃機関の燃料供給装置。
低圧ポンプにより加圧された燃料を高圧ポンプによりさらに加圧して気筒内へ直接的に噴射する第一燃料噴射弁と、吸気通路へ燃料を噴射する第二燃料噴射弁とを具備する内燃機関の燃料供給装置において、機関アイドル時に際しては、低圧ポンプにより加圧された燃料を高圧ポンプにより加圧することなく前記第一燃料噴射弁のみによって噴射することを特徴とする内燃機関の燃料供給装置。
低圧ポンプにより加圧された燃料を高圧ポンプによりさらに加圧して気筒内へ直接的に噴射する第一燃料噴射弁と、吸気通路へ燃料を噴射する第二燃料噴射弁とを具備する内燃機関の燃料供給装置において、機関アイドル時の均質燃焼に際しては、低圧ポンプにより加圧された燃料を高圧ポンプにより加圧することなく前記第一燃料噴射弁のみによって、吸気行程において噴射することを特徴とする内燃機関の燃料供給装置。