燃料噴射装置
【課題】噴霧粒径の微細化を促進することを課題とする。
【解決手段】燃料噴射装置は、ＥＣＵに接続された燃料噴射弁、クランク角センサ、筒内圧センサ及びノッキングセンサを備える。燃料噴射弁は、先端部に設けられた旋回安定室に旋回した燃料とともに空気を導入する空気導入路を備える。空気導入路は、空気ポンプ、制御弁が配設された空気管によりサージタンクと接続される。ＥＣＵは、クランク角センサ、筒内圧センサから取得したデータに基づいてピーク筒内圧となったクランク角が閾値となるクランク角よりも遅れて観測されたときに、空気ポンプ、制御弁を制御して旋回安定室へ導入される空気供給圧力を低下させる。また、ノッキングセンサによりノッキングが観測されたときに、空気ポンプ、制御弁を制御して旋回安定室へ導入される空気供給圧力を上昇させる。これにより、燃料量に見合った量の気泡を生成し、燃料の微粒化を図る。
【解決手段】燃料噴射装置は、ＥＣＵに接続された燃料噴射弁、クランク角センサ、筒内圧センサ及びノッキングセンサを備える。燃料噴射弁は、先端部に設けられた旋回安定室に旋回した燃料とともに空気を導入する空気導入路を備える。空気導入路は、空気ポンプ、制御弁が配設された空気管によりサージタンクと接続される。ＥＣＵは、クランク角センサ、筒内圧センサから取得したデータに基づいてピーク筒内圧となったクランク角が閾値となるクランク角よりも遅れて観測されたときに、空気ポンプ、制御弁を制御して旋回安定室へ導入される空気供給圧力を低下させる。また、ノッキングセンサによりノッキングが観測されたときに、空気ポンプ、制御弁を制御して旋回安定室へ導入される空気供給圧力を上昇させる。これにより、燃料量に見合った量の気泡を生成し、燃料の微粒化を図る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃焼室内での燃料と空気との混合を促進することを目的とした提案がされている。例えば、ノズル本体の中空穴の壁面と針弁の摺動面との間に螺旋状通路が形成された燃料噴射ノズルが提案されている（例えば、特許文献１）。この提案において、螺旋状通路を通過した燃料は、ノズル本体の先端部に設けられた燃料溜まりで回転流となって加速される。そして、燃料は、単噴孔の接線方向速度を持ち、燃焼室内に拡散して空気との混合が行われるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１４１１８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、内燃機関の燃費や排気エミッションの改善に対し、噴射燃料の噴霧粒径の微細化が有効であることが知られている。前記特許文献１は、燃料と空気との混合を促進することができるものであるが、その混合は、燃焼室内で行われるため、点火までに燃料の十分な微粒化、霧化が行われず、燃料の壁面付着のおそれがあった。
【０００５】
そこで本発明は、噴霧粒径の微細化を促進することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために本明細書開示の燃料噴射装置は、先端部に噴孔が設けられたノズルボディと、前記ノズルボディ内に摺動自在に配置され、前記ノズルボディとの間に燃料導入路を形成するとともに、前記ノズルボディ内の着座位置に着座するシート部を備えたニードルと、前記ニードルの前記シート部の上流側に形成され、前記燃料導入路から導入された燃料に旋回成分を付与する螺旋溝が形成された旋回流生成部と、前記ノズルボディの先端部に形成され、前記旋回流生成部を通過した燃料が導入される旋回安定室と、前記旋回安定室内に空気を導入する空気導入手段と、を備えた燃料噴射弁と、前記旋回安定室に導入される燃料に対する気泡濃度を認識する気泡濃度認識手段と、前記気泡濃度認識手段によって認識された気泡濃度に基づいて前記旋回安定室へ導入される空気供給圧力を調整する空気圧調整手段と、を、備えたことを特徴としている。
【０００７】
燃料導入路から螺旋溝に導入された燃料は、旋回安定室内で旋回流を形成する。燃料が作り出す旋回流の中心付近は圧力が低下する。この圧力が低下した領域に、空気導入手段を通じて空気が導入される。導入された空気は、燃料中に微細気泡を作り出す。空気は、圧力が低下した領域に導入されるため、高圧燃料が供給される旋回安定室内に容易に導入することができる。空気は、内燃機関本体の外部、例えば、サージタンクから導入することができ、また、燃焼室内に残留した既燃ガスが、空気として導入されるようにすることもできる。
【０００８】
燃料の旋回流速は、旋回安定室内において、中心側が速く、壁面に近づくに従って、遅くなる。また、旋回安定室内において、内部の圧力は、中心側が低圧であり、壁面に近づくに従って、高圧となる。このような環境下、微細気泡は、粒径が小さいほど、壁面側に集中して存在する。このように粒径の小さい微細気泡が集中して存在する領域に噴孔を設けておくことにより、微細気泡を噴射することができる。噴射された微細気泡は、噴射された後、破裂し、微粒化した燃料となる。
【０００９】
このように、燃料中に発生した微細気泡は、噴孔から噴射される際に、気泡の気液境界面にある燃料によって殻状の膜を持った燃料バブルを形成する。このとき、燃料の表面張力により、燃料バブルの膜厚は一定かつ一様となる。このため、余分な燃料は微細気泡が混入した状態の元の燃料中に残存し、次回以降の燃料バブルの形成に用いられる。このように、一つの微細気泡が一つの燃料バブルを形成するのに必要な燃料の量はほぼ一定となる。このため、燃料と混合される気泡の量は、燃料量に対して適切な量であることが求められる。従って、燃料量が多い場合は、多量の気泡量が必要となり、一方、燃料量が少ない場合は、少量の気泡量で済む。気泡量が多すぎれば気泡が密になって気泡間の液膜が薄くなり、気泡の結合が起こってしまうことが考えられる。一方、気泡量が少なすぎれば、単なる液滴として噴射されてしまう燃料が存在し、粒径の大きい噴霧となってしまうおそれがある。気泡数は、供給空気量が増せば増える。また、供給空気量は、空気圧に応じて変化する。そこで、本明細書開示の内燃機関の噴射制御装置は、燃料量に対する適切な気泡量となるように、空気供給圧力を調整する。
【００１０】
前記気泡濃度認識手段は、クランク角とともに筒内圧を観測し、前記空気圧調整手段は、前記気泡濃度認識手段により、ピーク筒内圧となったクランク角が閾値となるクランク角よりも遅れて観測されたときに、前記空気供給圧力を低下させることができる。例えば、クランク角センサと筒内圧センサにより、クランク角と筒内圧を観測する。ピーク筒内圧となったクランク角が所定のクランク角よりも遅れている場合、燃料量に対して気泡数が過多の状態であると考えることができる。そこで、この場合、空気供給圧力を低下させる操作を行う。これにより、気泡量を減少させ、燃料量と気泡量との整合を図ることができる。
【００１１】
前記気泡濃度認識手段は、内燃機関に発生するノッキングを観測し、前記空気圧調整手段は、前記気泡濃度認識手段により、ノッキングが観測されたときに、前記空気供給圧を上昇させることができる。例えば、ノッキングセンサにより、ノッキングの発生を観測する。ノッキングの発生が観測された場合、燃料量に対して気泡数が過少の状態であると考えることができる。そこで、この場合、空気供給圧力を上昇させる操作を行う。これにより、気泡量を増量し、燃料量と気泡量との整合を図ることができる。
【００１２】
前記空気導入手段は、前記ニードルの内部に形成された空気導入路であり、前記空気圧調整手段は、前記空気導入路へ導入する空気の圧力を調整することができる。例えば、空気導入路とサージタンクとを接続し、この接続経路中に、空気ポンプを設置することによって空気圧を調整することができる。空気ポンプとともに、前記接続経路に制御弁や、空気圧センサを設け、これらを協働させて空気圧を調整するようにすることもできる。
【００１３】
前記空気導入手段は、前記旋回安定室と燃焼室とを連通する連通孔であり、前記空気圧調整手段は、吸気行程初期に開始される燃料噴射の開始時期を噴射燃料量の増加に伴って進角させることができる。気泡を発生させる空気として既燃ガスを用いる場合に、空気の導入量を増加するためには、筒内圧が高いタイミングで燃料噴射すればよい。吸気行程初期に開始される燃料噴射の開始時期を進角させると、筒内圧が高いタイミングで燃料噴射を開始することになる。従って、燃料量の増加に伴って、進角量を増すことにより、燃料量と気泡量との整合を図ることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本明細書に開示された燃料噴射弁によれば、噴射される燃料に微細気泡を混入させ、噴霧粒径の微細化を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は実施例１の燃料噴射装置を備えたエンジンシステムの一構成例を示した図である。
【図２】図２は実施例１の燃料噴射弁のノズルボディとニードルとを分離した状態を示す説明図であり、図２（Ｂ）は実施例の燃料噴射弁のノズルボディにニードルを組み合わせた状態を示す説明図である。
【図３】図３は実施例１の燃料噴射弁が備えるニードルの断面図である。
【図４】図４は実施例１の燃料噴射装置が行う制御の一例を示すフロー図である。
【図５】図５はクランク角とピーク筒内圧との関係を示す説明図である。
【図６】図６は実施例１の燃料噴射装置が行う制御の一例を示すフロー図である。
【図７】図７は実施例２の燃料噴射弁の説明図である。
【図８】図８はエンジンのＰ−Ｖ線図である。
【図９】図９は燃料噴射装置の制御に用いられるマップの一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されている場合もある。
【実施例１】
【００１７】
本明細書開示の実施例１について図面を参照しつつ説明する。図１は、燃料噴射制御弁３０を含む燃料噴射装置２を搭載したエンジンシステム１の一構成例を示した図である。なお、図１にはエンジン１００の一部の構成のみが示されている。
【００１８】
図１に示すエンジンシステム１は、動力源であるエンジン１００を備えており、エンジン１００の運転動作を総括的に制御するエンジンＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１０を備えている。エンジンシステム１は、エンジン１００の燃焼室１１内へ燃料を噴射する燃料噴射弁３０を備えている。エンジンＥＣＵ１０は、制御部の機能を備える。エンジンＥＣＵ１０は、演算処理を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、プログラム等を記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、データ等を記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）やＮＶＲＡＭ（Ｎｏｎ Ｖｏｌａｔｉｌｅ ＲＡＭ）と、を備えるコンピュータである。
【００１９】
エンジン１００は、車両に搭載されるエンジンであって、燃焼室１１を構成するピストン１２を備えている。ピストン１２は、エンジン１００のシリンダに摺動自在に嵌合されている。そして、ピストン１２は、コネクティングロッドを介して出力軸部材であるクランクシャフトに連結されている。
【００２０】
吸気ポート１３から燃焼室１１内へ流入した吸入空気は、ピストン１２の上昇運動により燃焼室１１内で圧縮される。エンジンＥＣＵ１０は、クランク角センサからのピストン１２の位置、および吸気カム角センサからのカム軸回転位相の情報に基づき、燃料噴射タイミングを決定し燃料噴射弁３０に信号を送る。燃料噴射弁３０は、エンジンＥＣＵ１０の信号に従って、指示された噴射タイミングで燃料を噴射する。燃料噴射弁３０より噴射された燃料は、霧化して圧縮された吸入空気と混合される。そして、吸入空気と混合された燃料は、点火プラグ１８によって点火されることで燃焼し、燃焼室１１内を膨張させてピストン１２を下降させる。この下降運動がコネクティングロッドを介してクランクシャフトの軸回転に変更されることにより、エンジン１００は動力を得る。
【００２１】
燃焼室１１には、それぞれ燃焼室１１と連通する吸気ポート１３と、吸気ポート１３に連結し、吸入空気を吸気ポート１３から燃焼室１１へと導く吸気通路１４とが接続されている。更に、各気筒の燃焼室１１には、それぞれ燃焼室１１と連通する排気ポート１５と、燃焼室で発生した排気ガスをエンジン１００の外部へと導く排気通路１６が接続されている。吸気通路１４には、サージタンク２２が配置されている。
【００２２】
吸気通路１４には、エアフロメータ、スロットルバルブ１７およびスロットルポジションセンサが設置されている。エアフロメータおよびスロットルポジションセンサは、それぞれ吸気通路１４を通過する吸入空気量、スロットルバルブ１７の開度を検出し、検出結果をエンジンＥＣＵ１０に送信する。エンジンＥＣＵ１０は、送信された検出結果に基づいて吸気ポート１３および燃焼室１１へ導入される吸入空気量を認識し、スロットルバルブ１７の開度を調整することで吸入空気量を調節する。
【００２３】
スロットルバルブ１７は、ステップモータを用いたスロットルバイワイヤ方式を適用することが好ましいが、例えばステップモータの代わりにワイヤなどを介してアクセルペダル（図示しない）と連動し、スロットルバルブ１７の開度が変更されるような機械式スロットル機構を適用することもできる。
【００２４】
排気通路１６には、ターボチャージャ１９が設置されている。ターボチャージャ１９は、排気通路１６を流通する排気ガスの運動エネルギーを利用してタービンを回転させ、エアクリーナーを通過した吸入空気を圧縮してインタークーラへと送り込む。圧縮された吸入空気は、インタークーラで冷却された後に一旦サージタンク２２に貯留され、その後、吸気通路１４へと導入される。この場合、エンジン１００は、ターボチャージャ１９を備える過給機付エンジンに限られず、自然吸気（Ｎａｔｕｒａｌ Ａｓｐｉｒａｔｉｏｎ）エンジンであってもよい。
【００２５】
ピストン１２は、その頂面にキャビティを有する。キャビティは、燃料噴射弁３０の方向から点火プラグ１８の方向へと連続するなだらかな曲面によってその壁面が形成されており、燃料噴射弁３０から噴射された燃料を壁面形状に沿って点火プラグ１８近傍へと導く。この場合、ピストン１２は、その頂面の中央部分に円環状にキャビティが形成されるリエントラント型燃焼室等、エンジン１００の仕様に応じて任意の位置・形状でキャビティを形成することができる。
【００２６】
燃料噴射弁３０は、吸気ポート１３下部の燃焼室１１に斜め方向に装着されている。燃料噴射弁３０は、エンジンＥＣＵ１０の指示に基づいて、燃料ポンプから燃料流路を通じて高圧供給された燃料をノズルボディ３１先端部の円周方向に等間隔で設けられた噴孔３２より燃焼室１１内へ直接噴射する。噴射された燃料は、燃焼室１１内で霧化し吸入空気と混合されつつキャビティの形状に沿って点火プラグ１８近傍へと導かれる。燃料噴射弁３０のリーク燃料は、リリーフ弁からリリーフ配管を通じて燃料タンクへと戻される。
【００２７】
この場合、燃料噴射弁３０は、吸気ポート１３下部に限られず燃焼室１１の任意の位置に設置することができる。更に、燃料噴射弁３０は、燃焼室１１に限られず吸気ポート１３に設けてもよいし、燃焼室１１と吸気ポート１３との両方に設けてもよい。
【００２８】
なお、エンジン１００は、ガソリンを燃料とするガソリンエンジンに限られず、軽油を燃料とするディーゼルエンジン、ガソリンとアルコールとを任意の割合で混合した燃料を使用するフレキシブルフューエルエンジンのいずれでもよい。また、エンジンシステム１は、エンジン１００と複数の電動モータとを組み合わせたハイブリッドシステムであってもよい。
【００２９】
つづいて、本発明の一実施例である燃料噴射弁３０の内部構成について詳細に説明する。図２（Ａ）は実施例の燃料噴射弁３０のノズルボディ３１とニードル３３とを分離した状態を示す説明図である。図２（Ｂ）は実施例の燃料噴射弁３０のノズルボディ３１にニードル３３を組み合わせた状態を示す説明図である。なお、図２（Ａ）、図２（Ｂ）には燃料噴射弁３０の先端部分の構成のみを示している。
【００３０】
燃料噴射弁３０は、先端部に噴孔３２が設けられたノズルボディ３１を備えている。噴孔３２の入口は、後述する旋回安定室４５の底面と側面とが交差する角部に開口している。ノズルボディ３１は、内部にシート位置３１ａを備えている。また、燃料噴射弁３０は、このノズルボディ３１内に摺動自在に配置されたニードル３３を備えている。ニードル３３は、図２（Ｂ）に示すように、ノズルボディ３１との間に燃料導入路３４を形成する。ニードル３３は、先端側に第１の偏心抑制部３５を備えており、その先端側にノズルボディ３１の内部のシート位置３１ａに着座するシート部３３ａを備えている。第１の偏心抑制部３５は、ノズルボディ３１の内周壁とわずかな隙間を保ってノズルボディ３１内に嵌め込まれることによってニードル３３の偏心を抑制する。ニードル３３は、ピエゾアクチュエータで駆動される。
【００３１】
ニードル３３は、第１の偏心抑制部３５に旋回流生成部３６を備えている。旋回流生成部３６は、シート部３３ａの上流側に形成されている。旋回流生成部３６には、燃料導入路３４から導入された燃料に旋回成分を付与する螺旋溝３６ａを備えている。螺旋溝３６ａは一列以上であればよく、本実施例では２列の螺旋溝３６ａが設けられている。
【００３２】
ニードル３３の内部には、図３に示すように後述する旋回安定室４５内に空気を導入する空気導入手段としての空気導入路３７が形成されている。空気導入路３７の出口側の口部３８は、ニードル３３の先端部に位置している。空気導入路３７は、燃料と同様に燃料噴射弁３０の基端側から先端側に向かって空気を導入する。空気導入路３７の口部３８の近傍には、スプリング４０で付勢された球状のチェック弁３９が備えられている。チェック弁３９は、後述する旋回安定室４５内が負圧状態となったときに開弁する。
【００３３】
ニードル３３は、第１の偏心抑制部３５よりも基端側に第２の偏心抑制部４１を備えている。第２の偏心抑制部４１の外周壁には、周状に溝４２が設けられている。そして、溝４２には、空気導入路３７の入口側の口部４３が露出している。ノズルボディ３１には、空気導入孔４４が設けられている。この空気導入孔４４は、図１に示すように空気管２１によりサージタンク２２と接続されている。空気導入孔４４が溝４２と対向する状態となると、空気導入路３７とサージタンク２２とが連通した状態となる。なお、空気導入孔４４は、空気導入路３７に空気を導入することができればよく、接続先は、サージタンク２２に限定されない。
【００３４】
ノズルボディ３１は、図２（Ａ）、図２（Ｂ）に示すように、先端部に旋回安定室４５を備えている。この旋回安定室４５には、旋回流生成部３６を通過した燃料と空気導入路３７を通過した空気とが導入される。旋回安定室４５内では、旋回流生成部３６において生成された燃料の旋回流速が高められ、旋回流は旋回安定室４５の内周壁に沿い、安定した状態となる。旋回流が安定すると、旋回安定室４５の中央部に負圧部が生じる。空気導入路３７の口部３８は、この負圧部に露出するように旋回安定室４５の中央部に臨ませる。これにより、負圧部に空気を導入する。負圧部は、圧力が低いため、容易に空気を導入することができる。また、負圧部に空気導入路３７の口部３８を露出させて空気を導入することにより、旋回流の乱れを抑制することにもなる。
【００３５】
旋回安定室４５内に導入された燃料は空気を取り込んで微細気泡を生成する。微細気泡は、噴孔３２から噴射される。噴射後、噴射された微細気泡を形成する燃料の膜は分裂し、燃料が超微細化状態となる。燃料が超微細化状態となることにより、着火遅れ期間の短縮、燃焼速度の増加、燃料によるオイル希釈の抑制、デポジット堆積の抑制、ノッキング発生の抑制を高い次元でバランスよく実現することができる。
【００３６】
以上のような燃焼噴射弁３０とサージタンク２２とを接続する空気管２１には、図１、図２に示すように、空気ポンプ２３、空気圧センサ２４、制御弁２５が配置されている。空気ポンプ２３、空気圧センサ２４、制御弁２５は、いずれも、ＥＣＵ１０に電気的に接続されている。ＥＣＵ１０と、空気ポンプ２３及び制御弁２５は、協働して空気導入路３７へ導入する空気の圧力を調整する空気圧調整手段の機能を担う。なお、ＥＣＵ１０と空気ポンプ２３との組み合わせのみによって空気圧調整手段の機能を担わせることもできるし、ＥＣＵ１０と制御弁２５との組み合わせのみによって空気圧調整手段の機能を担わせることもできる。本実施例の場合、過給機の一例であるターボチャージャ１９及びインタークーラの下流側に設けられたサージタンク２２と空気導入路３７とが接続されている。この場合、ターボチャージャ１９の圧力を利用することができるため、空気ポンプ２３を廃止し、制御弁２５の開度調整によって空気圧を調整するようにしてもよい。空気ポンプ２３を廃することができればコストダウンとなる。また、空気ポンプ２３の駆動時に生じる駆動損失がなくなるため、燃費改善が期待される。
【００３７】
空気圧を調整するときに、ＥＣＵ１０は、エンジンの負荷から求められる燃料噴射量に応じて空気ポンプ２３の回転数や制御弁２５の開度を、単独、または、併せて制御することができる。すなわち、燃料噴射量の増加に応じて供給気体圧を高め、供給空気量を増す。これにより、燃料量に対する空気量を調整し、燃料量に対する気泡濃度を調整することができる。これにより、適切に燃料の微粒化を促進することができる。
【００３８】
このように、空気圧を調整する場合、空気圧センサ２４をモニタしつつ、空気ポンプ２３の回転数や制御弁２５の開度を制御することができる。すなわち、ＥＣＵ１０は、空気圧センサ２４が示す値が予め燃料量と関連づけられた値となるように、空気ポンプ２３や制御弁２５を制御することができる。このように、燃料量と空気圧とは、関連づけることができる。そして、空気圧と供給空気量、ひいては空気圧と気泡量とは関連づけることができる。このため、空気圧センサ２４を気泡濃度認識手段として機能させることができる。空気圧センサ２４を用いることにより精密な制御が可能となり、空気ポンプ２３の効率的な稼動が可能となるなど、電力消費の低減、ひいては、燃費の改善が期待される。
【００３９】
また、空気圧センサ２４を用いることなく、他の気泡濃度認識手段を採用することもできる。燃料噴射装置２は、筒内圧センサ２６とクランク角センサ２８を備えている。筒内圧センサ２６とクランク角センサ２８は、それぞれＥＣＵ１０と電気的に接続されている。これらの筒内圧センサ２６、クランク角センサ２８は、ＥＣＵ１０とともに、気泡濃度認識手段として機能する。具体的には、ＥＣＵ１０は、クランク角とともに筒内圧を観測し、ピーク筒内圧となったクランク角が所定のクランク角よりも遅れて観測されたときに気泡濃度が過大であると判断する。そして、空気ポンプ２３や制御弁２５を制御して空気供給圧を低下させる。
【００４０】
また、燃料噴射装置２は、ノッキングセンサ２７を備えている。ノッキングセンサ２８は、ＥＣＵ１０と電気的に接続されている。ノッキングセンサ２７は、ＥＣＵ１０とともに、気泡濃度認識手段として機能する。具体的には、ＥＣＵ１０は、エンジン１００に発生するノッキングを観測し、ノッキングが観測されたときに、気泡濃度が過小であると判断する。そして、空気ポンプ２３や制御弁２５を制御して空気供給圧を上昇させる。
【００４１】
なお、これらの筒内圧センサ２６、ノッキングセンサ２７、クランク角センサ２８を用いて燃料量に対する気泡量を認識するようにした場合、空気センサ２４は、廃止してもよい。筒内圧センサ２６、ノッキングセンサ２７、クランク角センサ２８を用いて燃料量に対する気泡量を認識する場合、燃料の組織変化や温度、圧力の変化に精度よく対応することができ、ロバスト性の高い噴射制御を行うことができる。すなわち、燃料量に基づいて直接的に空気供給圧力を制御する場合、燃料の組織変化や温度、圧力といった周辺環境に応じた適切な制御を行おうとすると、マップのデータ量が膨大なものとなるおそれがあるが、燃料量に対して気泡量が過不足する場合に実際に観測される現象に基づいて制御を行うことにより、精度の高い制御を行うことができる。
【００４２】
まず、ＥＣＵ１０、筒内圧センサ２６及びクランク角センサ２８を旋回安定室４５に導入される燃料に対する気泡濃度を認識する気泡濃度認識手段として機能させる場合の制御の一例について、図４、図５を参照しつつ説明する。図４は燃料噴射装置２が行う制御の一例を示すフロー図である。図５はクランク角とピーク筒内圧との関係を示す説明図である。
【００４３】
ＥＣＵ１０は、筒内圧センサ２６から筒内圧に関するデータを継続的に収集し、また、クランク角センサ２８から、クランク角に関するデータを継続的に収集する。そして、ピーク筒内圧が観測された時点でのクランク角Ｘ°を観測する（ステップＳ１）。図５中、Ｘ０°は、閾値となるクランク角である。クランク角Ｘ０°は、気泡量が燃料量に対して過不足ない状態のときに観測されるべき値として規定されている。
【００４４】
ステップＳ１に引き続き行われるステップＳ２では、観測されたＸ°がＸ０°よりも遅角側であるか否かの判断を行う。図５に示すように、Ｘ°がＸ０°よりも遅角側であるときは、ステップＳ２においてＹＥＳと判断してステップＳ３へ進み、気泡濃度が過大であるとする。Ｘ°がＸ０°よりも遅角側となる現象は、気泡数過多に起因して、気泡が結合し、燃料の微粒度が悪化したが原因であると考えられるからである。一方、ステップＳ２でＮＯと判断したときは、処理は終了となる。
【００４５】
ステップＳ３で気泡濃度が過大であるとしたときは、引き続き行われるステップＳ４において、空気供給圧力低下措置を採る。具体的には、空気ポンプ２３の回転数を低下させたり、制御弁２５の開度を低下させたりする。また、噴射遅角措置を採ることもできる。
【００４６】
つぎに、ＥＣＵ１０及びノッキングセンサ２７を旋回安定室４５に導入される燃料に対する気泡濃度を認識する気泡濃度認識手段として機能させる場合の制御の一例について、図６を参照しつつ説明する。図６は燃料噴射装置２が行う制御の一例を示すフロー図である。
【００４７】
ＥＣＵ１０は、ノッキングセンサ２７からノッキングに関するデータを継続的に収集する。そして、ノッキングが観測されたか否かの判断を行う（ステップＳ１１）。ノッキングが観測され、ステップＳ１１においてＹＥＳと判断したときは、ステップＳ１２へ進み、気泡濃度が過小であるとする。ノッキングの発生は、気泡数過小に起因して、液的燃料が燃焼室１１周辺でのノックを誘発したことが原因であると考えられるからである。一方、ステップＳ１１でＮＯと判断したときは、処理は終了となる。
【００４８】
ステップＳ１２で気泡濃度が過小であるとしたときは、引き続き行われるステップＳ１３において、空気供給圧力上昇措置を採る。具体的には、空気ポンプ２３の回転数を増大させたり、制御弁２５の開度を増大させたりする。また、噴射進角措置を採ることもできる。
【００４９】
以上のように、実際に発生した事象に基づく制御を行うことで、ロバスト性の高い燃料噴射を行うことができる。
【実施例２】
【００５０】
つぎに、実施例２について、図７乃至図９を参照しつつ説明する。図７は実施例２の燃料噴射弁５０の説明図である。図８はエンジン１００のＰ−Ｖ線図である。図９は燃料噴射装置２の制御に用いられるマップの一例を示す説明図である。実施例２が実施例１と異なる点は、まず、実施例２が燃料噴射弁３０に代えて、燃料噴射弁５０を備えている点である。燃料噴射弁５０は、燃料噴射弁３０における空気導入路３７に代えて、連通孔５１を備えている。連通孔５１は、吸気導入手段の一例であり、旋回安定室４５と燃焼室１１とを連通することによって既燃ガスを空気として旋回安定室４５へ導入する。実施例２は、空気導入路３７が廃止されたことに伴って、空気管２１及び空気管２１状に配設されていた空気ポンプ２３、空気圧センサ２４及び制御弁２５は廃止されている。実施例２のその他の構成は、実施例１と異なるところがないので、共通する構成要素については図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００５１】
実施例２において、ＥＣＵ１０が空気圧調整手段の機能を担い、図８に示すように、吸気行程初期に開始される燃料噴射の開始時期を噴射燃料量の増加に伴って進角させる。進角量は、図９に示すマップを参照することによって決定する。すなわち、燃料噴射量が増すに従って進角量を増す。
【００５２】
燃焼室１１内の圧力は、排気行程後期のピストンによる既燃ガスの押し出し遅れに起因して燃焼室１１内に残留した既燃ガスの残圧によって高くなる。この残圧は、燃料量が増す高負荷時はその負荷増加に伴って高くなる。従って、吸気行程初期に行う噴射開始時期を噴射燃料の増加に応じて進角することで、旋回安定室４５内へ導入される既燃ガス量を増量する。すなわち、筒内圧が高いタイミングで燃料噴射を開始することにより、旋回安定室４５内に多量の既燃ガスを取り込んで燃料量に見合った気泡量とする。これにより、適切な燃料の微粒化を行うことができる。マップは、運転条件毎に噴射条件を設定するようにしてもよい。
【００５３】
実施例２は、空気ポンプ２３、空気圧センサ２４、制御弁２５、その他、これらに付随する設備が不要であるので、安価なシステムを構築することができる。
【００５４】
上記実施例は本発明を実施するための一例にすぎない。よって本発明はこれらに限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１ エンジンシステム
２ 燃料噴射装置
２２ サージタンク
３０、５０ 燃料噴射弁
３１ ノズルボディ
３１ａ シート位置
３１ｂ 内周壁
３２ 噴孔
３３ ニードル
３３ａ シート部
３３ｂ 内周壁
３４ 燃料流路
３５ 第１の偏心抑制部
３６ 旋回流生成部
３６ａ、３６ｂ 螺旋溝
３７ 空気導入路
３８ 口部
３９ チェック弁
４０ スプリング
４１ 第２の偏心抑制部
４２ 溝
４５ 旋回安定室
５１ 連通孔
１００ エンジン
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃焼室内での燃料と空気との混合を促進することを目的とした提案がされている。例えば、ノズル本体の中空穴の壁面と針弁の摺動面との間に螺旋状通路が形成された燃料噴射ノズルが提案されている（例えば、特許文献１）。この提案において、螺旋状通路を通過した燃料は、ノズル本体の先端部に設けられた燃料溜まりで回転流となって加速される。そして、燃料は、単噴孔の接線方向速度を持ち、燃焼室内に拡散して空気との混合が行われるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１４１１８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、内燃機関の燃費や排気エミッションの改善に対し、噴射燃料の噴霧粒径の微細化が有効であることが知られている。前記特許文献１は、燃料と空気との混合を促進することができるものであるが、その混合は、燃焼室内で行われるため、点火までに燃料の十分な微粒化、霧化が行われず、燃料の壁面付着のおそれがあった。
【０００５】
そこで本発明は、噴霧粒径の微細化を促進することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために本明細書開示の燃料噴射装置は、先端部に噴孔が設けられたノズルボディと、前記ノズルボディ内に摺動自在に配置され、前記ノズルボディとの間に燃料導入路を形成するとともに、前記ノズルボディ内の着座位置に着座するシート部を備えたニードルと、前記ニードルの前記シート部の上流側に形成され、前記燃料導入路から導入された燃料に旋回成分を付与する螺旋溝が形成された旋回流生成部と、前記ノズルボディの先端部に形成され、前記旋回流生成部を通過した燃料が導入される旋回安定室と、前記旋回安定室内に空気を導入する空気導入手段と、を備えた燃料噴射弁と、前記旋回安定室に導入される燃料に対する気泡濃度を認識する気泡濃度認識手段と、前記気泡濃度認識手段によって認識された気泡濃度に基づいて前記旋回安定室へ導入される空気供給圧力を調整する空気圧調整手段と、を、備えたことを特徴としている。
【０００７】
燃料導入路から螺旋溝に導入された燃料は、旋回安定室内で旋回流を形成する。燃料が作り出す旋回流の中心付近は圧力が低下する。この圧力が低下した領域に、空気導入手段を通じて空気が導入される。導入された空気は、燃料中に微細気泡を作り出す。空気は、圧力が低下した領域に導入されるため、高圧燃料が供給される旋回安定室内に容易に導入することができる。空気は、内燃機関本体の外部、例えば、サージタンクから導入することができ、また、燃焼室内に残留した既燃ガスが、空気として導入されるようにすることもできる。
【０００８】
燃料の旋回流速は、旋回安定室内において、中心側が速く、壁面に近づくに従って、遅くなる。また、旋回安定室内において、内部の圧力は、中心側が低圧であり、壁面に近づくに従って、高圧となる。このような環境下、微細気泡は、粒径が小さいほど、壁面側に集中して存在する。このように粒径の小さい微細気泡が集中して存在する領域に噴孔を設けておくことにより、微細気泡を噴射することができる。噴射された微細気泡は、噴射された後、破裂し、微粒化した燃料となる。
【０００９】
このように、燃料中に発生した微細気泡は、噴孔から噴射される際に、気泡の気液境界面にある燃料によって殻状の膜を持った燃料バブルを形成する。このとき、燃料の表面張力により、燃料バブルの膜厚は一定かつ一様となる。このため、余分な燃料は微細気泡が混入した状態の元の燃料中に残存し、次回以降の燃料バブルの形成に用いられる。このように、一つの微細気泡が一つの燃料バブルを形成するのに必要な燃料の量はほぼ一定となる。このため、燃料と混合される気泡の量は、燃料量に対して適切な量であることが求められる。従って、燃料量が多い場合は、多量の気泡量が必要となり、一方、燃料量が少ない場合は、少量の気泡量で済む。気泡量が多すぎれば気泡が密になって気泡間の液膜が薄くなり、気泡の結合が起こってしまうことが考えられる。一方、気泡量が少なすぎれば、単なる液滴として噴射されてしまう燃料が存在し、粒径の大きい噴霧となってしまうおそれがある。気泡数は、供給空気量が増せば増える。また、供給空気量は、空気圧に応じて変化する。そこで、本明細書開示の内燃機関の噴射制御装置は、燃料量に対する適切な気泡量となるように、空気供給圧力を調整する。
【００１０】
前記気泡濃度認識手段は、クランク角とともに筒内圧を観測し、前記空気圧調整手段は、前記気泡濃度認識手段により、ピーク筒内圧となったクランク角が閾値となるクランク角よりも遅れて観測されたときに、前記空気供給圧力を低下させることができる。例えば、クランク角センサと筒内圧センサにより、クランク角と筒内圧を観測する。ピーク筒内圧となったクランク角が所定のクランク角よりも遅れている場合、燃料量に対して気泡数が過多の状態であると考えることができる。そこで、この場合、空気供給圧力を低下させる操作を行う。これにより、気泡量を減少させ、燃料量と気泡量との整合を図ることができる。
【００１１】
前記気泡濃度認識手段は、内燃機関に発生するノッキングを観測し、前記空気圧調整手段は、前記気泡濃度認識手段により、ノッキングが観測されたときに、前記空気供給圧を上昇させることができる。例えば、ノッキングセンサにより、ノッキングの発生を観測する。ノッキングの発生が観測された場合、燃料量に対して気泡数が過少の状態であると考えることができる。そこで、この場合、空気供給圧力を上昇させる操作を行う。これにより、気泡量を増量し、燃料量と気泡量との整合を図ることができる。
【００１２】
前記空気導入手段は、前記ニードルの内部に形成された空気導入路であり、前記空気圧調整手段は、前記空気導入路へ導入する空気の圧力を調整することができる。例えば、空気導入路とサージタンクとを接続し、この接続経路中に、空気ポンプを設置することによって空気圧を調整することができる。空気ポンプとともに、前記接続経路に制御弁や、空気圧センサを設け、これらを協働させて空気圧を調整するようにすることもできる。
【００１３】
前記空気導入手段は、前記旋回安定室と燃焼室とを連通する連通孔であり、前記空気圧調整手段は、吸気行程初期に開始される燃料噴射の開始時期を噴射燃料量の増加に伴って進角させることができる。気泡を発生させる空気として既燃ガスを用いる場合に、空気の導入量を増加するためには、筒内圧が高いタイミングで燃料噴射すればよい。吸気行程初期に開始される燃料噴射の開始時期を進角させると、筒内圧が高いタイミングで燃料噴射を開始することになる。従って、燃料量の増加に伴って、進角量を増すことにより、燃料量と気泡量との整合を図ることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本明細書に開示された燃料噴射弁によれば、噴射される燃料に微細気泡を混入させ、噴霧粒径の微細化を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は実施例１の燃料噴射装置を備えたエンジンシステムの一構成例を示した図である。
【図２】図２は実施例１の燃料噴射弁のノズルボディとニードルとを分離した状態を示す説明図であり、図２（Ｂ）は実施例の燃料噴射弁のノズルボディにニードルを組み合わせた状態を示す説明図である。
【図３】図３は実施例１の燃料噴射弁が備えるニードルの断面図である。
【図４】図４は実施例１の燃料噴射装置が行う制御の一例を示すフロー図である。
【図５】図５はクランク角とピーク筒内圧との関係を示す説明図である。
【図６】図６は実施例１の燃料噴射装置が行う制御の一例を示すフロー図である。
【図７】図７は実施例２の燃料噴射弁の説明図である。
【図８】図８はエンジンのＰ−Ｖ線図である。
【図９】図９は燃料噴射装置の制御に用いられるマップの一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されている場合もある。
【実施例１】
【００１７】
本明細書開示の実施例１について図面を参照しつつ説明する。図１は、燃料噴射制御弁３０を含む燃料噴射装置２を搭載したエンジンシステム１の一構成例を示した図である。なお、図１にはエンジン１００の一部の構成のみが示されている。
【００１８】
図１に示すエンジンシステム１は、動力源であるエンジン１００を備えており、エンジン１００の運転動作を総括的に制御するエンジンＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１０を備えている。エンジンシステム１は、エンジン１００の燃焼室１１内へ燃料を噴射する燃料噴射弁３０を備えている。エンジンＥＣＵ１０は、制御部の機能を備える。エンジンＥＣＵ１０は、演算処理を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、プログラム等を記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）と、データ等を記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）やＮＶＲＡＭ（Ｎｏｎ Ｖｏｌａｔｉｌｅ ＲＡＭ）と、を備えるコンピュータである。
【００１９】
エンジン１００は、車両に搭載されるエンジンであって、燃焼室１１を構成するピストン１２を備えている。ピストン１２は、エンジン１００のシリンダに摺動自在に嵌合されている。そして、ピストン１２は、コネクティングロッドを介して出力軸部材であるクランクシャフトに連結されている。
【００２０】
吸気ポート１３から燃焼室１１内へ流入した吸入空気は、ピストン１２の上昇運動により燃焼室１１内で圧縮される。エンジンＥＣＵ１０は、クランク角センサからのピストン１２の位置、および吸気カム角センサからのカム軸回転位相の情報に基づき、燃料噴射タイミングを決定し燃料噴射弁３０に信号を送る。燃料噴射弁３０は、エンジンＥＣＵ１０の信号に従って、指示された噴射タイミングで燃料を噴射する。燃料噴射弁３０より噴射された燃料は、霧化して圧縮された吸入空気と混合される。そして、吸入空気と混合された燃料は、点火プラグ１８によって点火されることで燃焼し、燃焼室１１内を膨張させてピストン１２を下降させる。この下降運動がコネクティングロッドを介してクランクシャフトの軸回転に変更されることにより、エンジン１００は動力を得る。
【００２１】
燃焼室１１には、それぞれ燃焼室１１と連通する吸気ポート１３と、吸気ポート１３に連結し、吸入空気を吸気ポート１３から燃焼室１１へと導く吸気通路１４とが接続されている。更に、各気筒の燃焼室１１には、それぞれ燃焼室１１と連通する排気ポート１５と、燃焼室で発生した排気ガスをエンジン１００の外部へと導く排気通路１６が接続されている。吸気通路１４には、サージタンク２２が配置されている。
【００２２】
吸気通路１４には、エアフロメータ、スロットルバルブ１７およびスロットルポジションセンサが設置されている。エアフロメータおよびスロットルポジションセンサは、それぞれ吸気通路１４を通過する吸入空気量、スロットルバルブ１７の開度を検出し、検出結果をエンジンＥＣＵ１０に送信する。エンジンＥＣＵ１０は、送信された検出結果に基づいて吸気ポート１３および燃焼室１１へ導入される吸入空気量を認識し、スロットルバルブ１７の開度を調整することで吸入空気量を調節する。
【００２３】
スロットルバルブ１７は、ステップモータを用いたスロットルバイワイヤ方式を適用することが好ましいが、例えばステップモータの代わりにワイヤなどを介してアクセルペダル（図示しない）と連動し、スロットルバルブ１７の開度が変更されるような機械式スロットル機構を適用することもできる。
【００２４】
排気通路１６には、ターボチャージャ１９が設置されている。ターボチャージャ１９は、排気通路１６を流通する排気ガスの運動エネルギーを利用してタービンを回転させ、エアクリーナーを通過した吸入空気を圧縮してインタークーラへと送り込む。圧縮された吸入空気は、インタークーラで冷却された後に一旦サージタンク２２に貯留され、その後、吸気通路１４へと導入される。この場合、エンジン１００は、ターボチャージャ１９を備える過給機付エンジンに限られず、自然吸気（Ｎａｔｕｒａｌ Ａｓｐｉｒａｔｉｏｎ）エンジンであってもよい。
【００２５】
ピストン１２は、その頂面にキャビティを有する。キャビティは、燃料噴射弁３０の方向から点火プラグ１８の方向へと連続するなだらかな曲面によってその壁面が形成されており、燃料噴射弁３０から噴射された燃料を壁面形状に沿って点火プラグ１８近傍へと導く。この場合、ピストン１２は、その頂面の中央部分に円環状にキャビティが形成されるリエントラント型燃焼室等、エンジン１００の仕様に応じて任意の位置・形状でキャビティを形成することができる。
【００２６】
燃料噴射弁３０は、吸気ポート１３下部の燃焼室１１に斜め方向に装着されている。燃料噴射弁３０は、エンジンＥＣＵ１０の指示に基づいて、燃料ポンプから燃料流路を通じて高圧供給された燃料をノズルボディ３１先端部の円周方向に等間隔で設けられた噴孔３２より燃焼室１１内へ直接噴射する。噴射された燃料は、燃焼室１１内で霧化し吸入空気と混合されつつキャビティの形状に沿って点火プラグ１８近傍へと導かれる。燃料噴射弁３０のリーク燃料は、リリーフ弁からリリーフ配管を通じて燃料タンクへと戻される。
【００２７】
この場合、燃料噴射弁３０は、吸気ポート１３下部に限られず燃焼室１１の任意の位置に設置することができる。更に、燃料噴射弁３０は、燃焼室１１に限られず吸気ポート１３に設けてもよいし、燃焼室１１と吸気ポート１３との両方に設けてもよい。
【００２８】
なお、エンジン１００は、ガソリンを燃料とするガソリンエンジンに限られず、軽油を燃料とするディーゼルエンジン、ガソリンとアルコールとを任意の割合で混合した燃料を使用するフレキシブルフューエルエンジンのいずれでもよい。また、エンジンシステム１は、エンジン１００と複数の電動モータとを組み合わせたハイブリッドシステムであってもよい。
【００２９】
つづいて、本発明の一実施例である燃料噴射弁３０の内部構成について詳細に説明する。図２（Ａ）は実施例の燃料噴射弁３０のノズルボディ３１とニードル３３とを分離した状態を示す説明図である。図２（Ｂ）は実施例の燃料噴射弁３０のノズルボディ３１にニードル３３を組み合わせた状態を示す説明図である。なお、図２（Ａ）、図２（Ｂ）には燃料噴射弁３０の先端部分の構成のみを示している。
【００３０】
燃料噴射弁３０は、先端部に噴孔３２が設けられたノズルボディ３１を備えている。噴孔３２の入口は、後述する旋回安定室４５の底面と側面とが交差する角部に開口している。ノズルボディ３１は、内部にシート位置３１ａを備えている。また、燃料噴射弁３０は、このノズルボディ３１内に摺動自在に配置されたニードル３３を備えている。ニードル３３は、図２（Ｂ）に示すように、ノズルボディ３１との間に燃料導入路３４を形成する。ニードル３３は、先端側に第１の偏心抑制部３５を備えており、その先端側にノズルボディ３１の内部のシート位置３１ａに着座するシート部３３ａを備えている。第１の偏心抑制部３５は、ノズルボディ３１の内周壁とわずかな隙間を保ってノズルボディ３１内に嵌め込まれることによってニードル３３の偏心を抑制する。ニードル３３は、ピエゾアクチュエータで駆動される。
【００３１】
ニードル３３は、第１の偏心抑制部３５に旋回流生成部３６を備えている。旋回流生成部３６は、シート部３３ａの上流側に形成されている。旋回流生成部３６には、燃料導入路３４から導入された燃料に旋回成分を付与する螺旋溝３６ａを備えている。螺旋溝３６ａは一列以上であればよく、本実施例では２列の螺旋溝３６ａが設けられている。
【００３２】
ニードル３３の内部には、図３に示すように後述する旋回安定室４５内に空気を導入する空気導入手段としての空気導入路３７が形成されている。空気導入路３７の出口側の口部３８は、ニードル３３の先端部に位置している。空気導入路３７は、燃料と同様に燃料噴射弁３０の基端側から先端側に向かって空気を導入する。空気導入路３７の口部３８の近傍には、スプリング４０で付勢された球状のチェック弁３９が備えられている。チェック弁３９は、後述する旋回安定室４５内が負圧状態となったときに開弁する。
【００３３】
ニードル３３は、第１の偏心抑制部３５よりも基端側に第２の偏心抑制部４１を備えている。第２の偏心抑制部４１の外周壁には、周状に溝４２が設けられている。そして、溝４２には、空気導入路３７の入口側の口部４３が露出している。ノズルボディ３１には、空気導入孔４４が設けられている。この空気導入孔４４は、図１に示すように空気管２１によりサージタンク２２と接続されている。空気導入孔４４が溝４２と対向する状態となると、空気導入路３７とサージタンク２２とが連通した状態となる。なお、空気導入孔４４は、空気導入路３７に空気を導入することができればよく、接続先は、サージタンク２２に限定されない。
【００３４】
ノズルボディ３１は、図２（Ａ）、図２（Ｂ）に示すように、先端部に旋回安定室４５を備えている。この旋回安定室４５には、旋回流生成部３６を通過した燃料と空気導入路３７を通過した空気とが導入される。旋回安定室４５内では、旋回流生成部３６において生成された燃料の旋回流速が高められ、旋回流は旋回安定室４５の内周壁に沿い、安定した状態となる。旋回流が安定すると、旋回安定室４５の中央部に負圧部が生じる。空気導入路３７の口部３８は、この負圧部に露出するように旋回安定室４５の中央部に臨ませる。これにより、負圧部に空気を導入する。負圧部は、圧力が低いため、容易に空気を導入することができる。また、負圧部に空気導入路３７の口部３８を露出させて空気を導入することにより、旋回流の乱れを抑制することにもなる。
【００３５】
旋回安定室４５内に導入された燃料は空気を取り込んで微細気泡を生成する。微細気泡は、噴孔３２から噴射される。噴射後、噴射された微細気泡を形成する燃料の膜は分裂し、燃料が超微細化状態となる。燃料が超微細化状態となることにより、着火遅れ期間の短縮、燃焼速度の増加、燃料によるオイル希釈の抑制、デポジット堆積の抑制、ノッキング発生の抑制を高い次元でバランスよく実現することができる。
【００３６】
以上のような燃焼噴射弁３０とサージタンク２２とを接続する空気管２１には、図１、図２に示すように、空気ポンプ２３、空気圧センサ２４、制御弁２５が配置されている。空気ポンプ２３、空気圧センサ２４、制御弁２５は、いずれも、ＥＣＵ１０に電気的に接続されている。ＥＣＵ１０と、空気ポンプ２３及び制御弁２５は、協働して空気導入路３７へ導入する空気の圧力を調整する空気圧調整手段の機能を担う。なお、ＥＣＵ１０と空気ポンプ２３との組み合わせのみによって空気圧調整手段の機能を担わせることもできるし、ＥＣＵ１０と制御弁２５との組み合わせのみによって空気圧調整手段の機能を担わせることもできる。本実施例の場合、過給機の一例であるターボチャージャ１９及びインタークーラの下流側に設けられたサージタンク２２と空気導入路３７とが接続されている。この場合、ターボチャージャ１９の圧力を利用することができるため、空気ポンプ２３を廃止し、制御弁２５の開度調整によって空気圧を調整するようにしてもよい。空気ポンプ２３を廃することができればコストダウンとなる。また、空気ポンプ２３の駆動時に生じる駆動損失がなくなるため、燃費改善が期待される。
【００３７】
空気圧を調整するときに、ＥＣＵ１０は、エンジンの負荷から求められる燃料噴射量に応じて空気ポンプ２３の回転数や制御弁２５の開度を、単独、または、併せて制御することができる。すなわち、燃料噴射量の増加に応じて供給気体圧を高め、供給空気量を増す。これにより、燃料量に対する空気量を調整し、燃料量に対する気泡濃度を調整することができる。これにより、適切に燃料の微粒化を促進することができる。
【００３８】
このように、空気圧を調整する場合、空気圧センサ２４をモニタしつつ、空気ポンプ２３の回転数や制御弁２５の開度を制御することができる。すなわち、ＥＣＵ１０は、空気圧センサ２４が示す値が予め燃料量と関連づけられた値となるように、空気ポンプ２３や制御弁２５を制御することができる。このように、燃料量と空気圧とは、関連づけることができる。そして、空気圧と供給空気量、ひいては空気圧と気泡量とは関連づけることができる。このため、空気圧センサ２４を気泡濃度認識手段として機能させることができる。空気圧センサ２４を用いることにより精密な制御が可能となり、空気ポンプ２３の効率的な稼動が可能となるなど、電力消費の低減、ひいては、燃費の改善が期待される。
【００３９】
また、空気圧センサ２４を用いることなく、他の気泡濃度認識手段を採用することもできる。燃料噴射装置２は、筒内圧センサ２６とクランク角センサ２８を備えている。筒内圧センサ２６とクランク角センサ２８は、それぞれＥＣＵ１０と電気的に接続されている。これらの筒内圧センサ２６、クランク角センサ２８は、ＥＣＵ１０とともに、気泡濃度認識手段として機能する。具体的には、ＥＣＵ１０は、クランク角とともに筒内圧を観測し、ピーク筒内圧となったクランク角が所定のクランク角よりも遅れて観測されたときに気泡濃度が過大であると判断する。そして、空気ポンプ２３や制御弁２５を制御して空気供給圧を低下させる。
【００４０】
また、燃料噴射装置２は、ノッキングセンサ２７を備えている。ノッキングセンサ２８は、ＥＣＵ１０と電気的に接続されている。ノッキングセンサ２７は、ＥＣＵ１０とともに、気泡濃度認識手段として機能する。具体的には、ＥＣＵ１０は、エンジン１００に発生するノッキングを観測し、ノッキングが観測されたときに、気泡濃度が過小であると判断する。そして、空気ポンプ２３や制御弁２５を制御して空気供給圧を上昇させる。
【００４１】
なお、これらの筒内圧センサ２６、ノッキングセンサ２７、クランク角センサ２８を用いて燃料量に対する気泡量を認識するようにした場合、空気センサ２４は、廃止してもよい。筒内圧センサ２６、ノッキングセンサ２７、クランク角センサ２８を用いて燃料量に対する気泡量を認識する場合、燃料の組織変化や温度、圧力の変化に精度よく対応することができ、ロバスト性の高い噴射制御を行うことができる。すなわち、燃料量に基づいて直接的に空気供給圧力を制御する場合、燃料の組織変化や温度、圧力といった周辺環境に応じた適切な制御を行おうとすると、マップのデータ量が膨大なものとなるおそれがあるが、燃料量に対して気泡量が過不足する場合に実際に観測される現象に基づいて制御を行うことにより、精度の高い制御を行うことができる。
【００４２】
まず、ＥＣＵ１０、筒内圧センサ２６及びクランク角センサ２８を旋回安定室４５に導入される燃料に対する気泡濃度を認識する気泡濃度認識手段として機能させる場合の制御の一例について、図４、図５を参照しつつ説明する。図４は燃料噴射装置２が行う制御の一例を示すフロー図である。図５はクランク角とピーク筒内圧との関係を示す説明図である。
【００４３】
ＥＣＵ１０は、筒内圧センサ２６から筒内圧に関するデータを継続的に収集し、また、クランク角センサ２８から、クランク角に関するデータを継続的に収集する。そして、ピーク筒内圧が観測された時点でのクランク角Ｘ°を観測する（ステップＳ１）。図５中、Ｘ０°は、閾値となるクランク角である。クランク角Ｘ０°は、気泡量が燃料量に対して過不足ない状態のときに観測されるべき値として規定されている。
【００４４】
ステップＳ１に引き続き行われるステップＳ２では、観測されたＸ°がＸ０°よりも遅角側であるか否かの判断を行う。図５に示すように、Ｘ°がＸ０°よりも遅角側であるときは、ステップＳ２においてＹＥＳと判断してステップＳ３へ進み、気泡濃度が過大であるとする。Ｘ°がＸ０°よりも遅角側となる現象は、気泡数過多に起因して、気泡が結合し、燃料の微粒度が悪化したが原因であると考えられるからである。一方、ステップＳ２でＮＯと判断したときは、処理は終了となる。
【００４５】
ステップＳ３で気泡濃度が過大であるとしたときは、引き続き行われるステップＳ４において、空気供給圧力低下措置を採る。具体的には、空気ポンプ２３の回転数を低下させたり、制御弁２５の開度を低下させたりする。また、噴射遅角措置を採ることもできる。
【００４６】
つぎに、ＥＣＵ１０及びノッキングセンサ２７を旋回安定室４５に導入される燃料に対する気泡濃度を認識する気泡濃度認識手段として機能させる場合の制御の一例について、図６を参照しつつ説明する。図６は燃料噴射装置２が行う制御の一例を示すフロー図である。
【００４７】
ＥＣＵ１０は、ノッキングセンサ２７からノッキングに関するデータを継続的に収集する。そして、ノッキングが観測されたか否かの判断を行う（ステップＳ１１）。ノッキングが観測され、ステップＳ１１においてＹＥＳと判断したときは、ステップＳ１２へ進み、気泡濃度が過小であるとする。ノッキングの発生は、気泡数過小に起因して、液的燃料が燃焼室１１周辺でのノックを誘発したことが原因であると考えられるからである。一方、ステップＳ１１でＮＯと判断したときは、処理は終了となる。
【００４８】
ステップＳ１２で気泡濃度が過小であるとしたときは、引き続き行われるステップＳ１３において、空気供給圧力上昇措置を採る。具体的には、空気ポンプ２３の回転数を増大させたり、制御弁２５の開度を増大させたりする。また、噴射進角措置を採ることもできる。
【００４９】
以上のように、実際に発生した事象に基づく制御を行うことで、ロバスト性の高い燃料噴射を行うことができる。
【実施例２】
【００５０】
つぎに、実施例２について、図７乃至図９を参照しつつ説明する。図７は実施例２の燃料噴射弁５０の説明図である。図８はエンジン１００のＰ−Ｖ線図である。図９は燃料噴射装置２の制御に用いられるマップの一例を示す説明図である。実施例２が実施例１と異なる点は、まず、実施例２が燃料噴射弁３０に代えて、燃料噴射弁５０を備えている点である。燃料噴射弁５０は、燃料噴射弁３０における空気導入路３７に代えて、連通孔５１を備えている。連通孔５１は、吸気導入手段の一例であり、旋回安定室４５と燃焼室１１とを連通することによって既燃ガスを空気として旋回安定室４５へ導入する。実施例２は、空気導入路３７が廃止されたことに伴って、空気管２１及び空気管２１状に配設されていた空気ポンプ２３、空気圧センサ２４及び制御弁２５は廃止されている。実施例２のその他の構成は、実施例１と異なるところがないので、共通する構成要素については図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００５１】
実施例２において、ＥＣＵ１０が空気圧調整手段の機能を担い、図８に示すように、吸気行程初期に開始される燃料噴射の開始時期を噴射燃料量の増加に伴って進角させる。進角量は、図９に示すマップを参照することによって決定する。すなわち、燃料噴射量が増すに従って進角量を増す。
【００５２】
燃焼室１１内の圧力は、排気行程後期のピストンによる既燃ガスの押し出し遅れに起因して燃焼室１１内に残留した既燃ガスの残圧によって高くなる。この残圧は、燃料量が増す高負荷時はその負荷増加に伴って高くなる。従って、吸気行程初期に行う噴射開始時期を噴射燃料の増加に応じて進角することで、旋回安定室４５内へ導入される既燃ガス量を増量する。すなわち、筒内圧が高いタイミングで燃料噴射を開始することにより、旋回安定室４５内に多量の既燃ガスを取り込んで燃料量に見合った気泡量とする。これにより、適切な燃料の微粒化を行うことができる。マップは、運転条件毎に噴射条件を設定するようにしてもよい。
【００５３】
実施例２は、空気ポンプ２３、空気圧センサ２４、制御弁２５、その他、これらに付随する設備が不要であるので、安価なシステムを構築することができる。
【００５４】
上記実施例は本発明を実施するための一例にすぎない。よって本発明はこれらに限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。
【符号の説明】
【００５５】
１ エンジンシステム
２ 燃料噴射装置
２２ サージタンク
３０、５０ 燃料噴射弁
３１ ノズルボディ
３１ａ シート位置
３１ｂ 内周壁
３２ 噴孔
３３ ニードル
３３ａ シート部
３３ｂ 内周壁
３４ 燃料流路
３５ 第１の偏心抑制部
３６ 旋回流生成部
３６ａ、３６ｂ 螺旋溝
３７ 空気導入路
３８ 口部
３９ チェック弁
４０ スプリング
４１ 第２の偏心抑制部
４２ 溝
４５ 旋回安定室
５１ 連通孔
１００ エンジン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端部に噴孔が設けられたノズルボディと、前記ノズルボディ内に摺動自在に配置され、前記ノズルボディとの間に燃料導入路を形成するとともに、前記ノズルボディ内の着座位置に着座するシート部を備えたニードルと、前記ニードルの前記シート部の上流側に形成され、前記燃料導入路から導入された燃料に旋回成分を付与する螺旋溝が形成された旋回流生成部と、前記ノズルボディの先端部に形成され、前記旋回流生成部を通過した燃料が導入される旋回安定室と、前記旋回安定室内に空気を導入する空気導入手段と、を備えた燃料噴射弁と、
前記旋回安定室に導入される燃料に対する気泡濃度を認識する気泡濃度認識手段と、
前記気泡濃度認識手段によって認識された気泡濃度に基づいて前記旋回安定室へ導入される空気供給圧力を調整する空気圧調整手段と、
を、備えたことを特徴とした燃料噴射装置。
【請求項２】
前記気泡濃度認識手段は、クランク角とともに筒内圧を観測し、
前記空気圧調整手段は、前記気泡濃度認識手段により、ピーク筒内圧となったクランク角が閾値となるクランク角よりも遅れて観測されたときに、前記空気供給圧力を低下させることを特徴とした請求項１記載の燃料噴射装置。
【請求項３】
前記気泡濃度認識手段は、内燃機関に発生するノッキングを観測し、
前記空気圧調整手段は、前記気泡濃度認識手段により、ノッキングが観測されたときに、前記空気供給圧を上昇させることを特徴とした請求項１又は２記載の燃料噴射装置。
【請求項４】
前記空気導入手段は、前記ニードルの内部に形成された空気導入路であり、前記空気圧調整手段は、前記空気導入路へ導入する空気の圧力を調整することを特徴とした請求項１乃至３のいずれか一項記載の燃料噴射装置。
【請求項５】
前記空気導入手段は、前記旋回安定室と燃焼室とを連通する連通孔であり、前記空気圧調整手段は、吸気行程初期に開始される燃料噴射の開始時期を噴射燃料量の増加に伴って進角させることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射装置。
【請求項１】
先端部に噴孔が設けられたノズルボディと、前記ノズルボディ内に摺動自在に配置され、前記ノズルボディとの間に燃料導入路を形成するとともに、前記ノズルボディ内の着座位置に着座するシート部を備えたニードルと、前記ニードルの前記シート部の上流側に形成され、前記燃料導入路から導入された燃料に旋回成分を付与する螺旋溝が形成された旋回流生成部と、前記ノズルボディの先端部に形成され、前記旋回流生成部を通過した燃料が導入される旋回安定室と、前記旋回安定室内に空気を導入する空気導入手段と、を備えた燃料噴射弁と、
前記旋回安定室に導入される燃料に対する気泡濃度を認識する気泡濃度認識手段と、
前記気泡濃度認識手段によって認識された気泡濃度に基づいて前記旋回安定室へ導入される空気供給圧力を調整する空気圧調整手段と、
を、備えたことを特徴とした燃料噴射装置。
【請求項２】
前記気泡濃度認識手段は、クランク角とともに筒内圧を観測し、
前記空気圧調整手段は、前記気泡濃度認識手段により、ピーク筒内圧となったクランク角が閾値となるクランク角よりも遅れて観測されたときに、前記空気供給圧力を低下させることを特徴とした請求項１記載の燃料噴射装置。
【請求項３】
前記気泡濃度認識手段は、内燃機関に発生するノッキングを観測し、
前記空気圧調整手段は、前記気泡濃度認識手段により、ノッキングが観測されたときに、前記空気供給圧を上昇させることを特徴とした請求項１又は２記載の燃料噴射装置。
【請求項４】
前記空気導入手段は、前記ニードルの内部に形成された空気導入路であり、前記空気圧調整手段は、前記空気導入路へ導入する空気の圧力を調整することを特徴とした請求項１乃至３のいずれか一項記載の燃料噴射装置。
【請求項５】
前記空気導入手段は、前記旋回安定室と燃焼室とを連通する連通孔であり、前記空気圧調整手段は、吸気行程初期に開始される燃料噴射の開始時期を噴射燃料量の増加に伴って進角させることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−２４７１７２（Ｐ２０１１−２４７１７２Ａ）
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１２１０１３（Ｐ２０１０−１２１０１３）
【出願日】平成２２年５月２６日（２０１０．５．２６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月８日（２０１１．１２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２６日（２０１０．５．２６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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