JPH10281039A - 燃料噴射装置とその制御方法 - Google Patents

燃料噴射装置とその制御方法

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JPH10281039A
JPH10281039A JP9083541A JP8354197A JPH10281039A JP H10281039 A JPH10281039 A JP H10281039A JP 9083541 A JP9083541 A JP 9083541A JP 8354197 A JP8354197 A JP 8354197A JP H10281039 A JPH10281039 A JP H10281039A
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fuel
spray
speed
injection device
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Toshiji Nogi
利治 野木
Takuya Shiraishi
拓也 白石
Yoko Nakayama
容子 中山
Minoru Osuga
大須賀  稔
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】燃焼室内の空気流動(スワール/タンブル)に
よる、噴霧の偏向の影響を受けずに点火プラグ近傍に混
合気を安定して供給すると共に燃焼室壁面への燃料の付
着を低減し、すすの発生を防止する。 【解決手段】燃焼室内にノズル開口部をもつ燃料噴射
弁,点火プラグを備え、燃料噴射弁は平均速度の異なる
燃料噴霧を形成する。燃料噴射弁は少なくとも燃料噴射
期間前半に速度大きな噴霧を形成し、それ以降に速度の
小さな噴霧を形成し、速度の大きな噴霧より形成された
混合気が点火プラグ近傍に供給される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は燃料噴射装置とその
制御方法に関し、特に燃焼室内に燃料を直接噴射するシ
ステムに好適である。
【0002】
【従来の技術】従来の装置は、特開平2−169834 号公報
に、燃焼室内に開口するノズルを有する燃料噴射弁を備
えたエンジンが開示されている。この燃料噴射弁は燃料
に旋回力を加え、微粒化を向上させると共に噴霧速度を
低下させ、燃焼室壁面への燃料の付着を防止しようとし
ている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術のような
噴霧速度を低下させた噴霧は燃焼室内の空気流動(スワ
ール/タンブル)によって、噴霧が偏向されやすく、点
火プラグ近傍に混合気を安定して供給することができな
いため、燃焼が不安定になりやすいという問題があっ
た。
【0004】本発明の目的は、燃焼室内の空気流動(ス
ワール/タンブル)による、噴霧の偏向の影響を受けず
に点火プラグ近傍に混合気を安定して供給すると共に燃
焼室壁面への燃料の付着を低減し、すすの発生を防止す
ることにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
には、燃焼室内にノズル開口部をもつ燃料噴射弁,点火
プラグを備え、燃料噴射弁は平均速度の異なる燃料噴霧
を形成するように構成する。また燃料噴射弁は少なくと
も燃料噴射期間前半に速度大きな噴霧を形成し、それ以
降に速度の小さな噴霧を形成し、速度の大きな噴霧より
形成された混合気が点火プラグ近傍に供給される。
【0006】この様に構成した本発明によれば速度の小
さな噴霧は燃焼室,ピストン壁面に付着せずに、燃焼室
内に拡散し、混合気を形成する。点火プラグ近傍に供給
された速度の大きな噴霧より形成された混合気に点火が
行われ、生じた火炎核が伝搬すると共に噴霧力,空気流
動によって速度の小さな噴霧によって形成された混合気
に分散する。これにより、燃焼の安定化及び燃焼室,ピ
ストン壁面への燃料の付着低減によりすすの発生防止の
両立を図ることができる。
【0007】
【発明の実施の形態】図1に本発明の一実施例の構成を
示す。エンジンヘッド50に燃料噴射弁1,点火プラグ
2が取り付けられている。空気はエアフロメータ43で
計量された後、絞り弁41を介し、吸気管47,吸気弁
46を通って、燃焼室51に吸入される。燃料噴射弁よ
り燃料噴霧3はピストン7に設けられたキャビテイ6に
向けて噴射される。燃料噴射弁はコントローラ45によ
って間けつ駆動される。エアフロメータの信号,回転数
信号N,アクセル開度信号α,絞り弁開度信号センサ4
4の信号をコントローラに読み取り、燃料噴射量,燃料
噴射時期,点火時期,絞り弁開度を制御する。絞り弁は
モータ42によってアクセルとは切り離して制御しても
よい。
【0008】図2,図3を用いて、本発明の作用を説明
する。図2は噴霧速度大きな噴霧を供給した例である。
燃料噴射弁から噴霧をピストン7に設けられたキャビテ
イ6に向けて噴射する。燃料の噴射時期は噴霧がピスト
ンのキャビテイに収まるような時期であり、例えば圧縮
上死点前30−60度である。キャビテイに衝突した噴
霧は蒸発し、燃料蒸気4を形成し、空気と混合しながら
点火プラグ2近くに可燃性混合気を作る。噴霧速度が大
きいため噴霧のエネルギによって、さらに圧縮行程時の
空気流動によって点火プラグ方向に混合気を吹き上げ
る。一方、蒸発しなかった燃料は液膜となり、空気との
混合が低下し、すすを伴う燃焼を生じる。このため、噴
霧速度大きな噴霧は点火プラグ近くに混合気を安定して
供給できるが、その量が多過ぎると蒸発しきれずに、す
すを発生することがわかる。
【0009】図3は噴霧速度の小さな噴霧を供給した例
である。噴霧速度が小さいため、ピストンへの燃料の付
着が少なく、燃焼室内に分散する。分散した燃料は圧縮
行程に蒸発するので、空気と混合し、すすの少ない燃焼
となる。しかしながら、噴霧自体のエネルギが小さいた
め、燃焼室内の空気流動によって偏向されやすく、点火
プラグ近くに混合気を安定して供給するのが困難であ
る。
【0010】図4は横軸にクランク角度、縦軸に上死点
からの距離をとったグラフである。横軸の0は圧縮上死
点を意味する。噴霧速度の大きな噴霧パターンAではク
ランク角度約40度でキャビテイに到達し、その後ピス
トン上昇及び噴霧のエネルギによって点火プラグ方向に
混合気が形成される。一方、噴霧速度の小さな噴霧パタ
ーンBではクランク角度35付近でキャビテイ位置に到
達するが、噴霧のエネルギが小さいため点火プラグ方向
に吹き上がらない。また、キャビテイ位置に噴霧が到達
するがキャビテイヘの付着は少ない。
【0011】図5に本発明の噴霧構造の一例である。速
度の大きな噴霧3bが速度の小さな噴霧3aの内側に形
成する。速度の小さな噴霧は空気との混合を促進するた
めに噴霧の広がり角度を大きくする。一方、噴霧速度の
大きな噴霧は点火プラグへの方向性を高めるために、や
や噴霧角度狭くする。噴霧速度の大きな噴霧は下流方向
に進行する過程において、負圧を発生するため、噴霧速
度の小さな噴霧3aの内側へ噴霧を引き込む影響があ
り、噴霧速度の小さな噴霧の広がり角度を小さくする。
この現象は周囲の抵抗の大きい、雰囲気圧力の高い場合
に顕著である。例えば、希薄燃焼を行うために、圧縮行
程で燃料を噴射するときには、雰囲気圧力は0.3−0.
5MPa程度になるため、吸気行程に燃料を噴射した場
合に比べて、噴霧の広がり角度が小さくなる。希薄燃焼
では点火プラグ周りに混合気を集め、高負荷時のように
空気の利用率を大きくしたい場合には噴霧の広がり角度
大きくしたいので、この現象は燃焼室燃料噴射エンジン
において、望ましい。
【0012】図6に噴射弁の構成の例を示す。弁体21
はプランジャ24と接続され、コイル28によって引き
上げられる。コイルにはコネクタ29より間けつ的に電
圧が印加される。電圧が印加されない場合、スプリング
30によって弁体21を弁座20に押しつける。弁体の
周囲には燃料に旋回を加える燃料スワラ23が配置さ
れ、噴出する燃料に旋回を加え、微粒化を図ると共に噴
霧を広げる効果がある。プランジャに段差部24を設
け、ストッパ25により、弁体のストロークを制限して
もよい。
【0013】図7に燃料スワラの構成を示す。燃料に旋
回を加えるため、ノズル31の中心からL1,L2オフ
セットした溝を設ける。この例ではL2のオフセットの
方が大きく設定してあり、燃料に加わる旋回力が大き
い。そのため、噴霧が広がり易く、かつ軸方向の噴霧速
度が小さい。オフセットの小さな溝34をオフセットの
大きな溝33に比べて、下流方向に配置することによっ
て、旋回力の小さな、噴霧広がり角の狭い、軸方向速度
の大きな噴霧を先に形成し、その後旋回力の大きな、噴
霧広がり角の広い、軸方向速度の小さな噴霧を後に形成
することができる。
【0014】図8に燃料スワラの他の構成例を示す。燃
料に旋回を加えるため、ノズル31の中心からL1,L
2オフセットした溝を設ける。この例ではL2のオフセ
ットの方が大きく設定してあり、燃料に加わる旋回力が
大きい。そのため、噴霧が広がり易く、かつ軸方向の噴
霧速度が小さい。オフセットの小さな溝34をオフセッ
トの大きな溝33に比べて、下流方向に配置する。この
例では溝34が斜め下流に設けられているので、図7に
比べて、旋回力の小さな、噴霧広がり角の狭い、軸方向
速度の大きな噴霧を先に形成することができる。
【0015】図9に燃料スワラの他の構成例を示す。燃
料に旋回を加えるため、ノズル31の中心からL1,L
2オフセットした溝を設ける。この例ではL1とL2の
オフセットを同じに設定してある。燃料に加わる旋回力
が大きく、噴霧が広がり易く、かつ軸方向の噴霧速度が
小さい。溝33,34の出口部には拡大容積部34があ
る。このため、開弁初期には拡大容積部に溜っている燃
料が噴出する。この部分はノズル中心に対して、オフセ
ットが小さくする効果があり、噴射初期には噴霧の広が
り角の小さな、軸方向速度の大きい噴霧が噴出する。そ
の後溝33,34を通った旋回力が大きく、噴霧が広が
り易く、かつ軸方向の噴霧速度が小さい噴霧が形成でき
る。
【0016】図10に燃料スワラの他の構成例を示す。
燃料に旋回を加えるため、ノズル31の中心からL1,
L2オフセットした溝を設ける。この例ではL1とL2
のオフセットを同じに設定してある。燃料に加わる旋回
力が大きく、噴霧が広がり易く、かつ軸方向の噴霧速度
が小さい。溝33,34の出口部には拡大容積部36が
ある。このため、開弁初期には拡大容積部に溜っている
燃料が噴出する。この部分はノズル中心に対して、オフ
セットが小さくする効果があり、噴射初期には噴霧の広
がり角の小さな、軸方向速度の大きい噴霧が噴出する。
その後溝33,34を通った旋回力が大きく、噴霧が広
がり易く、かつ軸方向の噴霧速度が小さい噴霧が形成で
きる。図9に比べて、拡大部36が円周方向に連続して
設けられているので、加工が容易である。
【0017】図11に燃料噴射時期と点火時期の関係を
示す。図11(a)では燃料を吸気行程で噴射し、その
後吸気,圧縮行程で空気と混合された混合気に圧縮上死
点より前に点火する。エンジンのトルクが大きく、燃料
噴射量の多い運転条件ではこのように予混合気を形成す
る。図11(b)は希薄燃焼を行うために成層燃焼を行
う場合の例である。圧縮上死点近く、例えば40度前に
噴射を終了すると、点火プラグ位置では輸送遅れの後、
まず高速成分の噴霧が到達し、その後低速成分の噴霧が
到達する。前述のように高速成分は燃焼室内の空気流動
の影響を受けにくいので、安定した混合気を点火プラグ
近くに形成することができる。点火は高速成分が点火プ
ラグに到達した時点に行うのが望ましい。
【0018】図12に動作状況をエンジンと関連づけて
説明する。図12(a)では高速成分の噴霧がピストン
キャビテイに向かって、燃料噴射弁1より噴射される。
ピストンキャビテイに衝突,蒸発した燃料が噴霧自体の
エネルギ及び燃焼室内空気流動によって、点火プラグ方
向に吹き上がる(図12(a))。その後燃焼室内に低
速成分の噴霧が分散され、高速成分の噴霧に点火が行わ
れ、それにより形成された火炎核が低速成分によって形
成された混合気に伝ぱするとともに、火炎核が噴霧,空
気流動によって分散される。
【0019】図13に低速成分噴射量と燃焼安定度,ス
モークの関係の一例を示す。低速成分の噴射量が多くな
ると、燃焼の安定度がよくなる。しかし、多過ぎた場合
にはピストン冠面への燃料の付着が多くなり、スモーク
が多くなると共に、燃焼の安定度が低下する。この例で
は部分付加時の燃料噴射量が15mm3/pulse程度である
ので、50%以上を噴霧広がり角度の小さな、速度の大
きな噴霧とするとスモークが増大する。ここで、燃料圧
力が70MPaでは高速成分の平均速度は雰囲気圧力
0.3MPa において、12m/s、低速成分は6m/
s程度である。噴霧広がり角度としては、噴霧の燃焼室
内への分散を考慮して、低速成分で60−90度が望ま
しい。高速成分は20−50度が望ましい。
【0020】図14に燃料噴射時期と点火時期をパラメ
ータとした時の、燃焼安定度(平均有効圧力またはエン
ジントルクの変動),スモーク排出量の関係を示す。こ
の例では燃料噴射時期から約30度程度過ぎた点で点火
すると燃焼が安定している。燃料の噴射時期を早めると
空気との混合時間が長くなり、空気の利用率が高くなる
ので、スモークは少なくなる。このため、スモークの増
大しない範囲で、燃焼の安定度をよくする燃料の噴射時
期,点火時期を選択する。
【0021】図15に燃焼室上部から燃料を噴射し、横
より点火する例を示す。高速成分はピストン冠面衝突
し、蒸発した燃料を矢印で示した空気流動によって点火
プラグ近くにに方向づけると共に低速成分によって燃焼
室内に燃料を分散させて、スモークの発生を防止する。
この例では高速成分で確実にピストンに衝突,蒸発させ
るので、空気流動(例えばタンブル流)によって、可燃
性混合気を点火プラグ方向に安定供給できる。
【0022】
【発明の効果】本発明によれば平均速度の異なる燃料噴
霧を形成し、燃焼室内に供給することによって燃焼の安
定化及び燃焼室,ピストン壁面への燃料の付着低減によ
るすすの発生防止の両立を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の構成図。
【図2】本発明の動作説明図。
【図3】本発明の動作説明図。
【図4】本発明の動作説明図。
【図5】本発明の噴霧構造。
【図6】本発明の噴射弁の断面図。
【図7】本発明の燃料スワラの構成。
【図8】本発明の燃料スワラの構成。
【図9】本発明の燃料スワラの構成。
【図10】本発明の燃料スワラの構成。
【図11】本発明の燃料噴射時期と点火時期の関係。
【図12】本発明の動作説明図。
【図13】本発明の低速噴霧量と燃焼安定度,スモーク
の関係。
【図14】本発明の燃料噴射時期,点火時期と燃焼安定
度,スモークの関係。
【図15】本発明の他の実施例の構成図。
【符号の説明】
1…燃料噴射弁、2…点火プラグ、21…弁体、23…
燃料スワラ、45…コントローラ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI F02M 61/18 360 F02M 61/18 360J // F02M 45/02 45/02 (72)発明者 大須賀 稔 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】燃焼室内にノズル開口部をもつ燃料噴射
    弁,点火プラグを備え、燃料噴射弁は平均速度の異なる
    燃料噴霧を形成することを特徴とする燃料噴射装置。
  2. 【請求項2】請求項1において、燃料噴射弁は少なくと
    も燃料噴射期間前半に速度大きな噴霧を形成し、それ以
    降に速度の小さな噴霧を形成することを特徴とする燃料
    噴射装置。
  3. 【請求項3】請求項1において、速度の大きな噴霧より
    形成された混合気が点火プラグ近傍に供給されることを
    特徴とする燃料噴射装置。
  4. 【請求項4】請求項1において、速度の大きな噴霧より
    形成された混合気が点火プラグ近傍に供給されたときに
    点火を行うことを特徴とする燃料噴射装置。
  5. 【請求項5】請求項1において、速度の大きな噴霧より
    形成された混合気がピストン冠面に、設けたキャビテイ
    に収まるような燃料噴射時期とすることを特徴とする燃
    料噴射装置。
  6. 【請求項6】請求項1において、速度の小さな噴霧がシ
    リンダ壁面に衝突しないような噴射時期とすることを特
    徴とすることを特徴とする燃料噴射装置。
  7. 【請求項7】請求項1において、燃料噴射弁をエンジン
    ヘッドの側面に設け、点火プラグをエンジンヘッドの中
    心近くに設けることを特徴とする燃料噴射装置。
  8. 【請求項8】請求項1において、点火手段をエンジンヘ
    ッドの側面に設け、燃料噴射手段をエンジンヘッドの中
    心近くに設けることを特徴とする燃料噴射装置。
  9. 【請求項9】請求項8において、ピストン下死点におい
    て、ピストン冠面に収まるように速度の小さな噴霧の広
    がり角を選択することを特徴とする燃料噴射装置。
  10. 【請求項10】請求項7において、タンブルまたはスワ
    −ル空気流を加えることを特徴とする燃料噴射装置。
  11. 【請求項11】請求項1において、燃料噴射弁は弁体上
    流に燃料旋回部を有し、燃料旋回部の燃料通路のうち、
    ノズル中心に対して、オフセットの大きな通路をオフセ
    ットの小さな通路に比べて上流側に配置することを特徴
    とする燃料噴射装置。
  12. 【請求項12】請求項1において、燃料噴射弁は弁体上
    流に燃料旋回部を有し、燃料旋回部の燃料通路の出口部
    に、拡大部を有することを特徴とする燃料噴射装置。
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