JPH04308356A - 圧縮着火式内燃機関の燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は圧縮着火式内燃機関の燃
料噴射装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より圧縮着火式内燃機関において良
好な燃焼を得るためには噴射燃料の霧化を向上させて噴
霧油滴のザウター平均粒径を小さくすることが必須であ
ると考えられている。このザウター平均粒径は噴射燃料
の流速が速くなるほど小さくなるので噴射圧を高くする
ほどザウター平均粒径が小さくなる。また、このザウタ
ー平均粒径はノズル口の径に比例するのでノズル口の径
が小さくなるほどザウター平均粒径は小さくなる。従っ
てザウター平均粒径を小さくするためには噴射圧を高く
してノズル口の径を小さくすればよいのであるが従来で
は噴射圧を高くすると言っても限度があり、噴射圧をそ
れほど高くすることはできなかった。具体的に言うと従
来の通常の圧縮着火式内燃機関では噴射圧は３００から
５００（ｋｇ／ｃｍ２）程度であって各ノズル口の径は
大きくても０．３ｍｍ程度であり、この場合のザウター
平均粒径はほぼ０．０５ｍｍ程度となる。

【０００３】これに対して最近では例えば実開昭６３−
１２６５８号公報に記載されているようなコモンレール
式噴射装置が開発されている。このようなコモンレール
式噴射装置では噴射圧を１０００　（ｋｇ／ｃｍ２）以
上とすることができるのでザウター平均粒径を更に小さ
くすることができる。 このようにザウター平均粒径が小さい場合には燃料噴射
時に必然的にかなり細かな燃料粒子も生成され、これら
の粒子がガス化してノズル口近傍の燃料噴霧周りに混合
気が形成される。このように混合気が形成されるとこの
混合気はただちに着火せしめられ、これが火種となって
噴射燃料が順次燃焼せしめられる。即ち、燃料噴射中に
圧縮着火が行われ、燃料噴射が完了するまでにかなりの
部分の燃料が燃焼せしめられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
に燃料噴霧周りに混合気が形成されるとこの混合気は一
気に着火燃焼せしめられる。その結果燃焼圧が急激に上
昇するために燃焼騒音が発生するばかりでなく、燃焼温
が高くなって多量のＮＯｘ　が発生するという問題を生
じる。また、このように混合気が一気に着火燃焼せしめ
られると燃料噴霧内の油滴が油滴の状態で燃焼せしめら
れるために多量のすすおよび未燃ＨＣが発生するという
問題がある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明によれば筒内圧を基準とした噴射圧をほぼ４
００（ｋｇ／ｃｍ２）以下に設定すると共に噴霧油滴の
ザウター平均粒径がほぼ０．２ｍｍからほぼ１ｍｍの間
となるようにノズル口の面積を設定して機関高負荷運転
時であっても全燃料噴射完了後暫らくしてから圧縮着火
を生じさせるようにしている。

【０００６】

【作用】従来に比べて噴射時期を早めると共に噴霧油滴
のザウター平均粒径を大きくすることによって個々の油
滴が蒸発燃焼せしめられる。

【０００７】

【実施例】図１を参照すると、１はディーゼル機関本体
、２はシリンダブロック、３はピストン、４はシリンダ
ヘッド、５は燃焼室、６は燃料噴射弁を夫々示す。燃料
噴射弁６はそのハウジング７内に燃焼室５内に開口する
ノズル口８と、ノズル口８の開閉制御を行うニードル９
とを具備する。ニードル９の頂面上には背圧室１０が形
成され、背圧室１０内にはニードル９を常時ノズル口８
に向けて付勢する圧縮ばね１１が挿入される。ニードル
９の下端部周りには燃料溜まり１２が形成され、この燃
料溜まり１２は燃料通路１３を介して環状をなす大容量
の燃料貯留室１４に連通せしめられる。一方、ハウジン
グ７内にはピエゾ圧電素子１５によって駆動されるピス
トン１６が摺動可能に挿入され、このピストン１６の先
端面によって圧力制御室１７が画定される。この圧力制
御室１７は燃料通路１８を介して背圧室１０に連通せし
められる。燃料貯留室１４は燃料貯留室１４に向けての
み流通可能な逆止弁１９を介して圧力制御室１７に連結
され、圧力制御室１７は圧力制御室１７に向けてのみ流
通可能な逆止弁２０を介して燃料供給ポンプ２１に連結
される。図１に示されるように燃料貯留室１４はニード
ル９とピストン１６間に設けられており、従ってこの燃
料貯留室１４はノズル口８の近傍に形成されていること
になる。ピエゾ圧電素子１５は電荷が充電されると軸方
向に伸長し、電荷が放電されると軸方向に収縮する。こ
のピエゾ圧電素子１５に対する充放電作用は電子制御ユ
ニット３０の出力信号に基いて制御される。

【０００８】電子制御ユニット３０はディジタルコンピ
ュータからなり、双方向性バス３１によって相互に接続
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、入力ポート３５および出力ポート３６を具
備する。アクセルペダル３７はアクセルペダル３７の踏
込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ３８に
接続され、負荷センサ３８の出力電圧はＡＤ変換器３９
を介して入力ポート３５に入力される。また入力ポート
３５には機関回転数を表わす出力信号を発生する回転数
センサ４０が接続される。一方、出力ポート３６は駆動
回路４１を介してピエゾ圧電素子１５に接続される。

【０００９】燃料供給ポンプ２１から吐出された加圧燃
料は逆止弁２０を介して圧力制御室１７内に供給され、
圧力制御室１７に供給された加圧燃料は一方では逆止弁
１９を介して燃料貯留室１４内に供給され、他方では燃
料通路１８を介して背圧室１０内に供給される。従って
燃料貯留室１４内の燃料圧と背圧室１０内の燃料圧とは
等しくなっており、このときニードル９はノズル口８を
閉鎖している。ピエゾ圧電素子１５から電荷が放電され
るとピエゾ圧電素子１５が軸方向に収縮するためにピス
トン１６が上昇し、圧力制御室１７内の燃料圧が急激に
低下すると共に背圧室１０内の燃料圧が急激に低下する
。その結果ニードル９が上昇するためにノズル口８から
の燃料噴射が開始される。なお、圧力制御室１７内の燃
料圧が急激に低下すると逆止弁２０を介して加圧燃料が
圧力制御室１７内に供給されるので圧力制御室１７内の
燃料圧は徐々に上昇する。しかしながらこの間ニードル
９は開弁した状態に保持される。次いでピエゾ圧電素子
１５に電荷が充電されるとピエゾ圧電素子１５が軸方向
に伸長する。その結果ピストン１６が下降するために圧
力制御室１７内の燃料圧が急激に上昇し、同時に背圧室
１０内の燃料圧が急激に上昇する。その結果ニードル９
が下降するためにノズル口８からの燃料噴射が停止せし
められる。

【００１０】冒頭で述べたように燃料噴霧の油滴のザウ
ター平均粒径は噴射燃料の流速が速くなるほど小さくな
り、またノズル口８の径が小さくなるほど小さくなる。 筒内圧を基準とした噴射圧をΔＰとすると噴射燃料の流
速はΔＰの平方根に比例するのでノズル口８の径をＤと
するとザウター平均粒径は

【数１】 にほぼ比例することになる。従来では例えばΔＰ＝４０
０（ｋｇ／ｃｍ２）のときに最大でもＤ＝０．３ｍｍ程
度であるので

【数２】 は最大でも　０．０１５（ｍｍ・ｋｇ／ｃｍ２）程度と
なり、このときのザウター平均粒径は０．０５ｍｍ程度
となる。ところがザウター平均粒径がこの程度であると
図４（Ｂ）に示されるようにノズル口Ｃから噴射された
燃料噴霧Ｄの周りに混合気Ｅが形成され、この混合気Ｅ
がただちに着火せしめられる。即ち、噴射率Ｑを示す図
４（Ａ）からわかるように噴射が開始されて混合気Ｅが
形成されると噴射中にこの混合気Ｅによって着火が行わ
れる。このような燃焼方法を用いると燃焼騒音が発生す
ると共に多量のＮＯｘ　およびすすが発生し、多量の未
燃ＨＣが発生することは前述した通りである。

【００１１】これに対して本発明では例えばΔＰ＝　１
００（ｋｇ／ｃｍ２）においてノズル口８の径Ｄは０．
４ｍｍ以上とされる。この場合ノズル口８の径Ｄを０．
４ｍｍとしても

【数３】 は０．０４となり、このときのザウター平均粒径はほぼ
０．１５ｍｍとなる。図２の実線Ａは本発明における

【
数４】 の最小限を示しており、破線Ｂは従来における

【数５】 の最大限を示している。本発明におけるようにザウター
平均粒径を大きくすると燃料噴霧の貫徹力が増大するた
めに図３（Ｂ）の燃料噴霧Ｄで示されるように油滴は従
来に比べて遠くまでかつ広範に拡散することになる。こ
のように油滴が広範に拡散されるまでには時間を要する
ので噴射率Ｑを示す図３（Ａ）に示すように上死点ＴＤ
Ｃよりもかなり前に噴射が行われる。ザウター平均粒径
を大きくすると燃料噴霧Ｄの周りに形成される混合気Ｅ
は少量となり、しかも噴射時期が早められているのでこ
の混合気Ｅは形成後ただちに着火されることはない。噴
射が完了して暫らくすると混合気Ｅおよび油滴からの蒸
発作用によって形成された混合気が着火せしめられるが
これらの混合気量は少ないために燃焼圧が急激に上昇せ
ず、斯くして燃焼騒音の発生が抑制されることになる。 着火が行われると油滴が加熱されて油滴から少しずつ燃
料が蒸発し、この蒸発した燃料が徐々に燃焼せしめられ
る。油滴から燃料が蒸発すると周囲から蒸発潜熱を奪う
ので燃焼温度はさほど高くならず、斯くしてＮＯｘの発
生が抑制されることになる。また、油滴が広範に拡散し
ており、しかも油滴から蒸発した燃料が順次燃焼せしめ
られるのですすや未燃ＨＣの発生が抑制されることにな
る。

【００１２】このように本発明は全燃料噴霧が十分に拡
散した後に燃料噴霧が圧縮着火せしめられることを特徴
としており、従って図３（Ａ）に示すように燃料噴射の
完了後、拡散に必要な時間、即ち拡散時間αを経過した
後に圧縮着火が行われるように燃料噴射時期が定められ
ている。この拡散時間αは図５に示されるようにザウタ
ー平均粒径Ｓ．Ｍ．Ｄが大きくなるほど長くなり、従っ
てこの拡散時間αは噴射圧ΔＰおよびノズル口８の径Ｄ
から定められることになる。拡散時間αが長くなればそ
れに伴って燃料噴射時期が早まり、運転状態によって異
なるが燃料噴射時期は上死点前４０度から　１００度程
度に設定される。

【００１３】ところで上述したようにΔＰ＝１００（ｋ
ｇ／ｃｍ２）とし、Ｄ＝０．４ｍｍとするとザウター平
均粒径はほぼ０．１５ｍｍとなる。しかしながら油滴の
蒸発燃焼を良好に行うためには油滴の体積に対する表面
積の割合をもう少し小さくして燃料の蒸発作用を抑制す
ることが好ましく、そのためにはザウター平均粒径はほ
ぼ０．２ｍｍから１ｍｍの範囲にあることが好ましい、
従って油滴はかなり大粒となる。ザウター平均粒径は

【数６】 に正比例するわけではないのでノズル口８の径Ｄを０．
５〜０．６ｍｍ以上にすればザウター平均粒径は０．２
ｍｍ以上となる。なお、ザウター平均粒径が大きくなる
と油滴の貫徹力が大きくなるので油滴がシリンダボア内
壁面やピストン３の頂面に付着しないように噴射圧ΔＰ
は低くする必要がある。従って本発明では噴射圧ΔＰは
４００（ｋｇ／ｃｍ２）以下に設定されている。

【００１４】上述したように従来の圧縮着火式内燃機関
ではザウター平均粒径が小さいことによって種々の問題
が生じるがこれ以外にも次のような問題がある。即ち、
従来の燃料噴射弁ではニードルが開弁して燃料噴射が開
始されると燃料噴射弁内の燃料圧が一時的に落ち込むた
めに図４（Ａ）に示すように噴射開始後、ただちに噴射
圧が上昇しない。従って噴射圧の低い初期に噴射された
燃料を噴射圧の高くなったときに噴射された燃料が追い
越していくことになる。即ち、図４（Ｂ）において各燃
料噴霧に付した１，２，３，４，５，６は噴射順序を表
わしており、従って最初に噴射された燃料が次に噴射さ
れた燃料によって追い越されていくことがわかる。しか
しながらこのように燃料噴霧の追い越しが行われると燃
料噴霧が重なった領域は過濃な状態となり、斯くして多
量のすすや未燃ＨＣが発生するという問題を生じる。

【００１５】このような燃料噴霧の追い越しを防止する
ために本発明による実施例では図１に示すようにノズル
口８の近傍に燃料貯留室１４を設けている。このような
燃料貯留室１４を設けるとニードル９が開弁するや否や
高い噴射圧で噴射され、しかも燃料貯留室１４は大きな
容積を有するために噴射中においても噴射圧はさほど低
下しない。従って図３（Ａ）に示すように立上りおよび
立下りがシャープな噴射率Ｑとなる。この場合には図３
（Ｂ）に示すように後から噴射された燃料噴霧が先に噴
射された燃料噴霧を追いかける形となり、後から噴射さ
れた燃料噴霧が先に噴射された燃料噴霧を追い越すこと
がなくなる。従って燃料噴霧が重なることがないので過
濃領域が形成されず、斯くしてすすや未燃ＨＣが発生す
るのが阻止される。

【００１６】図６は燃料噴射制御を実行するためのメイ
ンルーチンを示している。図６を参照するとまず初めに
ステップ５０において圧縮着火が行われる着火クランク
角θｂ　が算出される。この着火クランク角θｂ　は図
７に示すようにアクセルペダル３７の踏込み量Ｌを機関
回転数Ｎの関数として予めＲＯＭ　３２内に記憶されて
いる。次いでステップ５１では着火クランク角θｂ　か
らクランク角度で表わした拡散時間αを減算することに
よって噴射完了時期θｐ　が算出される。次いてステッ
プ５２では燃料噴射時間ＴＡＵが算出される。この燃料
噴射時間ＴＡＵは図８に示すようにアクセルペダル３７
の踏込み量Ｌと機関回転数Ｎの関数として予めＲＯＭ　
３２内に記憶されている。次いでステップ５３では噴射
完了時期θｐ　と燃料噴射時間ＴＡＵから噴射開始時期
θａ　が算出される。

【００１７】

【発明の効果】燃焼騒音、ＮＯｘ　、すすおよび未燃Ｈ
Ｃの発生を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】燃料噴射弁および燃焼室の側面断面図である。

【図２】従来における

【数７】 と本発明における

【数８】 を示す線図である。

【図３】本発明における噴射方法を説明するための図で
ある。

【図４】従来における噴射方法を説明するための図であ
る。

【図５】拡散時間を示す線図である。

【図６】メインルーチンを示すフローチャートである。

【図７】着火クランク角を示す図である。

【図８】燃料噴射時間を示す図である。

【符号の説明】

６…燃料噴射弁 ８…ノズル口 １４…燃料貯留室

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　筒内圧を基準とした噴射圧をほぼ４０
   ０（ｋｇ／ｃｍ２）以下に設定すると共に噴霧油滴のザ
   ウター平均粒径がほぼ０．２ｍｍからほぼ１ｍｍの間と
   なるようにノズル口の面積を設定して機関高負荷運転時
   であっても全燃料噴射完了後暫らくしてから圧縮着火を
   生じさせるようにした圧縮着火式内燃機関の燃料噴射装
   置。