JP2011085103A - 内燃機関の燃料噴射システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、内燃機関の気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射システムにおいて、内燃機関の始動時及び始動完了後の通常運転時の双方で排気の特性を向上させることを課題とする。
【解決手段】本発明に係る内燃機関の燃料噴射システムは、燃料噴射弁による燃料噴射時期を制御する燃料噴射時期制御手段と、燃料噴射弁から燃料を噴射する際に使用する燃料噴射孔の数を制御する噴射孔数制御手段と、を備え、内燃機関の始動時においては、始動完了後の通常運転時に比べて、燃料噴射時期を遅角して圧縮上死点により近い時期とし、且つ、燃料噴射に使用する燃料噴射孔の数をより少なくする。
【選択図】図６

Description

本発明は、内燃機関の気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射システムに関する。

特許文献１には、内燃機関の気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁として、２つのニードルを有する可変噴射孔式のものが開示されている。該燃料噴射弁は、ボデーと、該ボデーに収容された第１及び第２ニードルとを備えている。ボデーは、その内部に燃料溜り室が形成されており、且つ、該燃料溜り室と燃料噴射弁の外部とを連通する複数の噴孔が形成されている。第１ニードルは、ボデーに軸方向へ移動自在に収容されており、前記複数の噴孔の内、一部の噴孔を開閉する。第２ニードルは、第１ニードルの内周側で同軸的に移動することができるとともに、第１ニードルによって開閉される噴孔以外の噴孔を開閉する。そして、該燃料噴射弁では、内燃機関の負荷が低いときは第１ニードルのみがリフトし、内燃機関の負荷が高いときは第１ニードルとともに第２ニードルもリフトすることで、負荷が高いときほど噴孔の総開口面積を増加させる。

特開２００８−２８０９５８号公報 特開２００４−２７０６７６号公報

本発明は、内燃機関の気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射システムにおいて、内燃機関の始動時及び始動完了後の通常運転時の双方で排気の特性を向上させることが可能な技術を提供することを目的とする。

本発明では、内燃機関の始動時と始動完了後の通常運転時とで、燃料噴射時期を変更するとともに、燃料噴射に使用する燃料噴射孔の数も変更する。

より詳しくは、本発明に係る内燃機関の燃料噴射システムは、
内燃機関の気筒内に燃料を直接噴射するものであって、複数の燃料噴射孔を有する燃料噴射弁と、
該燃料噴射弁による燃料噴射時期を制御する燃料噴射時期制御手段と、
該燃料噴射弁から燃料を噴射する際に使用する燃料噴射孔の数を制御する噴射孔数制御手段と、を備え、
内燃機関の始動時においては、始動完了後の通常運転時に比べて、燃料噴射時期を遅角して圧縮上死点により近い時期とし、且つ、燃料噴射に使用する燃料噴射孔の数をより少なくすることを特徴とする。

本発明によれば、始動時は、燃焼室における燃料の拡散を抑制することができ、以って燃料の着火性を向上させることができる。また、始動完了後の通常運転時は、始動時に比べて、燃料噴射時期が進角され、且つ、燃料噴射に使用される燃料噴射孔の数がより多くされる。これにより、燃焼室における燃料の拡散を促進でき、以って混合気の燃料濃度分布をより均一にすることができる。これらの結果、始動時及び通常運転時の双方において排気の特性を向上させることができる。

本発明に係る内燃機関の燃料噴射システムにおいては、通常運転時に、始動時の燃料噴射に使用していた燃料噴射孔における燃料の流量を始動時に比べて減少させる流量制御手段を更に備えてもよい。

これにより、通常運転時に、使用する燃料噴射孔の数が始動時に比べて増加しても、燃料噴射弁からの単位時間当たりの燃料噴射量を始動時と略同等とすることができる。

また、本発明においては、複数の燃料噴射孔を、始動時及び通常運転時に使用する第一燃料噴射孔と、通常運転時にのみ使用する第二燃料噴射孔とによって構成してもよい。この場合、燃料噴射弁の先端部において、第一燃料噴射孔と第二燃料噴射孔とを上下方向にずらして設けてもよい。さらに、第一燃料噴射孔と第二燃料噴射孔とを円周方向にずれた位置に配置してもよい。

これによれば、通常運転時における燃焼室での燃料の拡散をより促進できる。

本発明によれば、内燃機関の気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射システムにおいて、内燃機関の始動時及び始動完了後の通常運転時の双方で排気の特性を向上させることができる。

実施例に係る内燃機関の燃料噴射システムの概略構成を示す図である。 実施例に係る、ボディの先端部における第一及び第二燃料噴射孔の円周方向の配置を示す図である。 内燃機関の始動時に、燃料噴射弁から燃料が噴射されるときのアウターニードル及びインナーニードルの状態を示す図である。 内燃機関の通常運転時に、燃料噴射弁から燃料が噴射されるときのアウターニードル及びインナーニードルの状態を示す図である。 実施例に係る燃料噴射時期及び燃料噴射孔数の制御を実行した場合の効果の一例を示す図である。 実施例に係る燃料噴射時期及び燃料噴射孔数の制御のフローを示すフローチャートである。

以下、本発明に係る内燃機関の燃料噴射システムの具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜実施例＞
（概略構成）
図１は、本実施例に係る内燃機関の燃料噴射システムの概略構成を示す図である。燃料噴射弁１は、ディーゼルエンジン等の車両駆動用の内燃機関の各気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁である。燃料噴射弁１のボディ２の先端部には、複数の第一燃料噴射孔５及び第二燃料噴射孔６が形成されている。図１に示すように、ボディ２の先端部において、第二燃料噴射孔６は第一燃料噴射孔５よりも下方に形成されている。

図２は、ボディ２の先端部における第一及び第二燃料噴射孔５、６の円周方向の配置を示す図である。図２（ａ）は、第一燃料噴射孔５の配置を示しており、図２（ｂ）は、第二燃料噴射孔６の配置を示している。図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、第一及び第二
燃料噴射孔５、６はそれぞれ円周方向に等間隔に並んで形成されており、且つ、第一燃料噴射孔５と第二燃料噴射孔６との円周方向の位置が互いにずれるように配置されている。

ボディ２には、第一燃料噴射孔５を開閉するためのアウターニードル３及び第二燃料噴射孔６を開閉するためのインナーニードル４が収納されている。アウターニードル３は、ボディ２と同軸の円柱形状を有し、ボディ２の内部に上下方向に摺動可能に収納されている。インナーニードル４は、ボディ２及びアウターニードル３と同軸の円柱形状を有している。インナーニードル４における該円柱形状部分がアウターニードル３に摺動自在に収納されている。また、インナーニードル４の下方の先端部分がアウターニードル３からボディ２の内部に突出している。第一及び第二燃料噴射孔５、６は、このようなアウターニードル３及びインナーニードル４を収納するボディ２の内部と燃料噴射弁１の外部（内燃機関の気筒内）とを連通している。

アウターニードル３の上端部にはアウターニードル用ピストン１１が接続されている。アウターニードル用ピストン１１は、油圧制御室１２に上下方向に摺動自在に接続されている。油圧制御室１２にはオイル通路１３が接続されている。オイル通路１３には油圧制御弁１４が設けられている。油圧制御弁１４によって油圧制御室１２へのオイルの供給が制御されることで油圧制御室１２内の油圧が制御される。油圧制御室１２内の油圧が制御されることで、アウターニードル３の上下方向の摺動が制御される。

インナーニードル４の上端部にはインナーニードル用ピストン１５が接続されている。インナーニードル用ピストン１５は、油圧制御室１６に上下方向に摺動自在に接続されている。油圧制御室１６にはオイル通路１７が接続されている。オイル通路１７には油圧制御弁１８が設けられている。油圧制御弁１８によって油圧制御室１６へのオイルの供給が制御されることで油圧制御室１６内の油圧が制御される。油圧制御室１６内の油圧が制御されることで、インナーニードル４の上下方向の摺動が制御される。尚、図１は、アウターニードル３及びインナーニードル４が共にボディ２内部の底部に着座した状態を示している。

ボディ２内部の側面には第一燃料溜り部８となる凹部が形成されている。第一燃料溜り部８には第一燃料通路７が接続されている。第一燃料溜り部８には、第一燃料通路７を介してコモンレール（図示せず）から高圧燃料が供給される。

また、ボディ２内部の底部には、該底部壁面とアウターニードル３の底面とで囲まれることで第二燃料溜り部１０が形成されている。第一燃料溜り部８と第二燃料溜り部１０とは第二燃料通路９によって連通されている。第二燃料溜り部１０には、第二燃料通路９を介して第一燃料溜り部８から高圧燃料が供給される。

図１に示すように、アウターニードル３がボディ２内部の底部に着座すると第一燃料溜り部８と第一燃料噴射孔５との間が遮断された状態となる。アウターニードル３が該底部から上方にリフトされると第一燃料溜り部８と第一燃料噴射孔５との間が開通し、これによって第一燃料噴射孔５から燃料が噴射される。

また、インナーニードル４がボディ２内部の底部に着座すると第二燃料溜り部１０と第二燃料噴射孔６との間が遮断された状態となる。インナーニードル４が該底部から上方にリフトされると第二燃料溜り部１０と第二燃料噴射孔６との間が開通し、これによって第二燃料噴射孔６から燃料が噴射される。

燃料噴射弁１を備えた内燃機関にはＥＣＵ２０が併設されている。該ＥＣＵ２０には、油圧制御弁１４、１８が電気的に接続されており、これらがＥＣＵ２０によって制御され
る。また、ＥＣＵ２０には、アクセル開度センサ２１、クランクポジションセンサ２２及び冷却水温度センサ２３が電気的に接続されており、各センサの出力信号がＥＣＵ２０に入力される。

アクセル開度センサ２１は、内燃機関を搭載した車両のアクセル開度を検出するセンサである。クランクポジションセンサ２２は、内燃機関のクランク角を検出するセンサである。冷却水温度センサ２３は、内燃機関の冷却水温度を検出するセンサである。ＥＣＵ２０は、アクセル開度センサ２１の検出値に基づいて内燃の機関負荷を算出し、クランクポジションセンサ２２の検出値に基づいて内燃機関の機関回転速度を算出する。

（燃料噴射時期及び燃料噴射孔数の制御）
本実施例に係る燃料噴射システムでは、内燃機関の始動時と始動完了後の通常運転時とで、燃料噴射弁１による燃料噴射時期及び燃料噴射弁１において燃料噴射に使用する燃料噴射孔の数を変更する。ここで、本実施例に係る燃料噴射時期及び燃料噴射孔数の制御について図３及び４に基づいて説明する。

図３及び４は、燃料噴射弁１から燃料が噴射されるときのアウターニードル３及びインナーニードル４の状態を示している。図３は内燃機関の始動時の場合を示しており、図４は内燃機関の始動完了後の通常運転時の場合を示している。また、図３及び４において、実線の矢印は燃料の流れを表している。

内燃機関の始動時は通常運転時に比べて気筒内の温度が低い。そのため、燃料の着火性が低く、排気中の未燃ＨＣが増加し易い。そこで、本実施例では、内燃機関の始動時は、燃料噴射弁１による燃料噴射時期を、圧縮上死点近傍から圧縮行程中であって気筒内においてピストンが比較的上方にある所定時期ｔ１（例えば、圧縮上死点前２０ｄｅｇ）までの間とする。更に、内燃機関の始動時は、図３に示すように、アウターニードル３のみをリフトさせることで、燃料噴射に使用する燃料噴射孔を第一燃料噴射孔５のみとする。

燃料噴射時期を上記のような時期とすることで、気筒内の温度が比較的高い状態で燃料が噴射されることとなり、また、燃焼室における燃料の拡散が抑制される。さらに、燃料噴射に使用する燃料噴射孔を第一燃料噴射孔５のみとする、即ち第二燃料噴射孔６を併用する場合よりも燃料噴射に使用する燃料噴射孔の数を少なくすることで、燃焼室における燃料の拡散を更に抑制することができる。これらにより、燃料の着火性を向上させることができる。その結果、内燃機関の始動時における未燃ＨＣの生成量を低減することができる。

一方、内燃機関の通常運転時は、より多くの燃料を燃焼させつつ、未燃ＨＣのみならずＮＯｘやスモークの生成量も抑制する必要がある。そこで、本実施例では、内燃機関の通常運転時は、燃料噴射弁１による燃料噴射時期を、圧縮行程中における所定時期ｔ１よりも前の時期とする。更に、内燃機関の通常運転時は、図４に示すように、アウターニードル３及びインナーニードル４の両方をリフトさせることで、第一燃料噴射孔５及び第二燃料噴射孔６の両方を使用して燃料噴射を行なう。このとき、アウターニードル３のリフト量を始動時に比べて小さくする。

燃料噴射時期を上記のような時期とすることで、燃焼室における燃料の拡散を促進でき、燃料濃度分布がより均一な予混合気を形成することができる。さらに、第一燃料噴射孔５及び第二燃料噴射孔６の両方を使用して燃料噴射を行なうことで、即ち第一燃料噴射孔５のみを使用する場合よりも燃料噴射に使用する燃料噴射孔の数を多くすることで、燃焼室における燃料の拡散を更に促進させることができる。これらにより、燃焼温度の上昇を抑制しつつ、より多くの燃料の燃焼を促進させることができる。その結果、内燃機関の通
常運転時における未燃ＨＣ、ＮＯｘ及びスモークの生成量を低減することができる。

また、本実施例においては、上述したように、燃料噴射弁１の先端部において、第一燃料噴射孔５と第二燃料噴射孔６とが上下方向にも円周方向にも互いにずれた位置に配置されている。これにより、通常運転時において第一燃料噴射孔５及び第二燃料噴射孔６の両方を使用して燃料噴射を行なったときに、燃焼室における燃料の拡散をより促進させることができる。

また、通常運転時において第一燃料噴射孔５及び第二燃料噴射孔６の両方を使用して燃料噴射を行うときは、上述したように、始動時、即ち第一燃料噴射孔５のみを使用して燃料噴射を行うときに比べてアウターニードル３のリフト量を小さくする。これによれば、第一燃料噴射孔５における燃料の流量が始動時に比べて減少する。そのため、使用する燃料噴射孔の数が始動時に比べて増加しても、燃料噴射弁１からの単位時間当たりの燃料噴射量を始動時と略同等とすることができる。従って、使用する燃料噴射孔の数が変化しても、総燃料噴射量自体はより容易且つ高精度で制御することが可能となる。

図５は、本実施例に係る燃料噴射時期及び燃料噴射孔数の制御を実行した場合の効果の一例を示す図である。図５において、縦軸は排気中の未燃ＨＣ量を表しており、横軸は燃料噴射時期を表している。また、Ｌ１は、第一燃料噴射孔５のみを使用して燃料噴射を実行した場合を示しており、Ｌ２は、第一燃料噴射孔５及び第二燃料噴射孔６の両方を使用して燃料噴射を実行した場合を示している。

図５に示すように、内燃機関の始動時に燃料噴射時期を圧縮上死点近傍から所定時期ｔ１の間としたときは、第一燃料噴射孔５及び第二燃料噴射孔６の両方を使用して燃料噴射を実行した場合に比べて第一燃料噴射孔５のみを使用して燃料噴射を実行した場合の方が排気中の未燃ＨＣ量が少なくなる。一方、内燃機関の通常運転時に燃料噴射時期を所定時期ｔ１より前の時期としたときは、第一燃料噴射孔５のみを使用して燃料噴射を実行した場合に比べて第一燃料噴射孔５及び第二燃料噴射孔６の両方を使用して燃料噴射を実行した場合の方が排気中の未燃ＨＣ量が少なくなる。

以上説明したように、本実施例によれば、内燃機関の始動時及び始動完了後の通常運転時の双方で排気の特性を向上させることができる。

（制御フロー）
本実施例に係る燃料噴射時期及び燃料噴射孔数の制御のフローについて図６に示すフローチャートに基づいて説明する。本フローは、ＥＣＵ２０に予め記憶されており、ＥＣＵ２０によって所定の間隔で繰り返し実行される。

本フローでは、先ずステップＳ１０１において、内燃機関の始動中であるか否かが判別される。ステップＳ１０１において肯定判定された場合、次にステップＳ１０２の処理が実行される。一方、ステップＳ１０１において否定判定された場合、内燃機関の始動は完了しており、通常運転中であると判定され、次にステップＳ１０５の処理が実行される。

尚、ステップＳ１０１においては、内燃機関の機関回転速度が所定速度以上となっていること、又は、内燃機関の冷却水温度が所定温度以上となっていること等に基づいて、内燃機関の始動が完了していると判定してもよい。

ステップＳ１０２においては、燃料噴射弁１による燃料噴射時期ｔｉｎｊが圧縮行程上死点ＴＤＣ近傍から所定時期ｔ１との間に設定される。尚、所定時期ｔ１は、始動時であっても燃料の着火性を確保できる時期として、実験等に基づいて予め定められ、ＥＣＵ２
０に記憶されている。

次に、ステップＳ１０３において、燃料噴射を実行する際のアウターニードル３のリフト量ＱＬがその最大値ＱＬｍａｘに設定される。

次に、ステップＳ１０４において、アウターニードル３をリフトすることによる、第一燃料噴射孔５のみを使用した燃料噴射が実行される。このとき、燃料噴射時期ｔｉｎｊは、ステップＳ１０２において設定された時期に制御される。

一方、ステップＳ１０５においては、燃料噴射弁１による燃料噴射時期ｔｉｎｊが圧縮行程における所定時期ｔ１よりも前の時期に設定される。

次に、ステップＳ１０６において、燃料噴射を実行する際のアウターニードル３のリフト量ＱＬが所定値ＱＬ１に設定される。ここで、所定値ＱＬ１は、最大値ＱＬｍａｘよりも小さい値であって、第一燃料噴射孔５及び第二燃料噴射孔６の量を使用して燃料噴射を行なっても、燃料噴射弁１からの単位時間当たりの燃料噴射量が第一燃料噴射孔５のみを使用して燃料噴射を行なったときと略同等となるような値として、実験等に基づいて予め定められ、ＥＣＵ２０に記憶されている。

次に、ステップＳ１０７において、アウターニードル３及びインナーニードル４をリフトすることによる、第一燃料噴射孔５及び第二燃料噴射孔６の両方を使用した燃料噴射が実行される。このとき、燃料噴射時期ｔｉｎｊは、ステップＳ１０５において設定された時期に制御される。

本実施例においては、上記フローのステップＳ１０４において燃料噴射時期をステップＳ１０２にて設定された時期に制御するＥＣＵ２０及び上記フローのステップＳ１０７において燃料噴射時期をステップＳ１０５にて設定された時期に制御するＥＣＵ２０が、本発明に係る燃料噴射時期制御手段に相当する。また、上記フローのステップＳ１０４及びＳ１０７において、使用する燃料噴射孔を制御するＥＣＵ２０が、本発明に係る噴射孔数制御手段に相当する。また、上記フローのステップＳ１０７において、アウターニードル３のリフト量をステップＳ１０６にて設定されたリフト量ＱＬを所定値ＱＬ１に制御するＥＣＵ２０が本発明に係る流量制御手段に相当する。

また、本発明に係る内燃機関の燃料噴射システムにおいて、燃料噴射弁における燃料噴射孔の数及び配置は図１及び２に示すものに限られるものではない。

１・・・燃料噴射弁
２・・・ボディ
３・・・アウターニードル
４・・・インナーニードル
５・・・第一燃料噴射孔
６・・・第二燃料噴射孔
７・・・第一燃料通路
８・・・第一燃料溜り部
９・・・第二燃料通路
１０・・第二燃料溜り部
１１・・アウターニードル用ピストン
１２・・油圧制御室
１３・・オイル通路
１４・・油圧制御弁
１５・・インナーニードル用ピストン
１６・・油圧制御室
１７・・オイル通路
１８・・油圧制御弁
２０・・ＥＣＵ
２１・・アクセル開度センサ
２２・・クランクポジションセンサ
２３・・冷却水温度センサ

Claims (3)

1. 内燃機関の気筒内に燃料を直接噴射するものであって、複数の燃料噴射孔を有する燃料噴射弁と、
   該燃料噴射弁による燃料噴射時期を制御する燃料噴射時期制御手段と、
   該燃料噴射弁から燃料を噴射する際に使用する燃料噴射孔の数を制御する噴射孔数制御手段と、を備え、
   内燃機関の始動時においては、始動完了後の通常運転時に比べて、燃料噴射時期を遅角して圧縮上死点により近い時期とし、且つ、燃料噴射に使用する燃料噴射孔の数をより少なくすることを特徴とする内燃機関の燃料噴射システム。
2. 通常運転時に、始動時の燃料噴射に使用していた燃料噴射孔における燃料の流量を始動時に比べて減少させる流量制御手段を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射システム。
3. 前記複数の燃料噴射孔が、始動時及び通常運転時に使用する第一燃料噴射孔と、通常運転時にのみ使用する第二燃料噴射孔とによって構成されており、
   前記燃料噴射弁の先端部において、前記第一燃料噴射孔と前記第二燃料噴射孔とが上下方向にずらして設けられており、且つ、前記第一燃料噴射孔と前記第二燃料噴射孔とが円周方向にもずれた位置に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の燃料噴射システム。

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