JP2000240493A - ディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】エンジンがいかなる運転条件であっても、きめ
細かく噴射期間の噴射率を制御することで、ＮＯxの低
減、スモークの低減、燃費の低減、騒音の低減を確実に
実現する。 【解決手段】燃料噴射ノズル７の内側に、駆動位置に応
じて噴孔１７の流入口に流入する流量を変化させる駆動
部材１５が設けられる。そして噴射期間Ｔ中の時間経過
に応じて燃料の噴射率が大きくなるように、ディーゼル
エンジン１の運転条件に応じた変化パターンＰ１…Ｐｍ
…Ｐｎで、駆動部材１５の駆動位置を連続的に変化させ
ることによって燃料の噴射率が連続的に変化される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ディーゼルエンジ
ンの燃料噴射ノズルから噴射される燃料の噴射率を制御
する燃料噴射制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】ディ
ーゼルエンジンは、ガソリンエンジンに比較して熱効率
に優れていて過酷な条件（高負荷連続運転）に耐えるな
どの利点を有している。しかし一方で窒素酸化物ＮＯx
がガソリンエンジンの２〜３倍程度排出されたり、スモ
ーク（粒子状排出物）が排出されたりするなど排気が清
浄ではなく、環境的に好ましくないなどの不利な点もあ
る。したがってＮＯxの低減、スモークの低減がディー
ゼルエンジンには要求されている。またディーゼルエン
ジンの燃費を更に向上させ、騒音を低減させることが望
まれている。

【０００３】ディーゼルエンジンでは、ピストンによっ
て圧縮した圧縮室（燃焼室）内に燃料噴射ノズルの噴孔
から燃料を噴射させることで燃料を燃焼させる。

【０００４】ここでエンジンの運転条件に応じて燃料の
噴射率を変化させ燃焼状態を変えることで、ＮＯxの低
減、スモークの低減、燃費の向上、騒音の低減を図る試
みがなされている。

【０００５】エンジンの運転条件に応じて燃料の噴射率
を制御することに関する発明として、特開昭６１−２２
３２６３号公報に記載されたものがある。

【０００６】一般的に燃料の噴射率ｑは、燃料噴射ノズ
ルの噴孔の面積をＡとし、流速をｖとすると下記（１）
式で表される。

【０００７】ｑ＝Ａ・ｖ …（１） また流速ｖは、ｃを流量係数、ΔＰを噴孔の前後差圧、
ρを燃料の密度として、下記（２）式で表される。

【０００８】ｖ＝ｃ・√（２・ΔＰ/ρ） …（２） 上記公報に記載された発明は、燃料噴射率ｑを変化させ
るために噴孔の前後差圧ΔＰを変化させるというもので
ある。したがって燃料噴射率ｑを小さくするためには噴
孔の前後差圧ΔＰを小さくする必要がある。

【０００９】しかし噴孔の前後差圧ΔＰを小さくする
と、上記（２）式から明らかなように噴孔からの燃料の
噴霧流速ｖについても小さくなってしまう。このため燃
焼室に噴射される燃料の微粒化が妨げられる。

【００１０】燃料の微粒化がなされないと、スモーク
（黒煙）の増加や予混合期間（燃料が噴射されてから着
火されるまでの遅れ時間）の増加によって初期燃焼が激
化してＮＯxの増加や騒音の増大を招く。

【００１１】したがって燃料噴射ノズルの噴孔の前後差
圧ΔＰを変化させる制御は、これを採用することができ
ない。

【００１２】また特開平８−４６２５号公報には、燃料
噴射ノズルに、面積の異なる２種類の噴孔を設け、ノズ
ル先端に設けたバルブにより、運転条件に応じて噴孔を
切り換えるという発明が記載されている。

【００１３】しかし異なる２つの面積の噴孔に切り換え
るだけであるので、２値的にしか燃料噴射率を変化させ
ることができない。このためエンジンの運転条件に応じ
てきめの細かい噴射率の制御を行うことができない。

【００１４】またこの発明は燃料の噴射期間毎に噴孔を
切り換えることを前提とする発明である。仮に噴射期間
の途中で噴孔の切換えがなされると、急激な噴孔面積の
変化により燃料噴射ノズル内での燃圧が急激に変化して
しまう。このため安定した噴射が行われなくなる。また
キャビテーションエロージョンが発生して燃料噴射ノズ
ルの破損を招くおそれがある。

【００１５】したがって燃料噴射ノズルの噴孔の面積を
２値的に急激に変化させる制御は、これを採用すること
ができない。

【００１６】また特開平９−２８０１３４号公報には、
燃料噴射ノズルの針弁の先端にロータリバルブを設け、
このロータリバルブの回転角に応じて噴孔面積を変化さ
せるという発明が記載されている。ただし噴射期間毎に
噴孔面積を変化させるという制御を行っており、噴射期
間中は一定の面積に保たれる。

【００１７】ここで図６はディーゼルエンジンの燃焼モ
デルを示している。横軸はクランクシャフトの角度（時
間）を示し、縦軸はエンジンの圧縮室内の圧力（筒内
圧）を示している。燃料噴射ノズルの噴孔からは上死点
（Ｔ．Ｄ．Ｃ）付近の所定の噴射期間中に燃料が圧縮室
内（筒内）に噴射される。図７は燃料噴射ノズルの噴孔
からの単位時間当たりの噴射量つまり噴射率の時間変化
を示している。横軸は図６と同様にクランク角度（時
間）を示し、縦軸は噴射率を示している。

【００１８】図６、図７においてＬ2は噴孔の面積が大
きい燃料噴射ノズルを使用した場合を示し、Ｌ3は噴孔
の面積が小さい燃料噴射ノズルを使用した場合を示して
いる。図７において燃料噴射ノズルから噴射期間中に噴
射される燃料の合計量（燃料噴射量）は、Ｌ2、Ｌ3とも
に同じである。

【００１９】ディーゼルエンジンにおいて騒音を低減
し、ＮＯxを低減するためには、図６のＡに示すように
燃焼に伴う筒内圧の立ち上がりを緩やかにすることが必
要である。また燃費を低減し、スモークの発生を少なく
するためには、Ｂに示すように燃焼の終期を早めること
が必要である。

【００２０】しかし噴孔面積の大きい燃料噴射ノズルを
使用した場合（Ｌ2の場合）には、燃焼に伴う筒内圧の
立ち上がりが急となり、燃焼の終期が早められる。

【００２１】このため燃費が低減し、スモークの発生が
少なくはなるものの、騒音の低減、ＮＯxの低減は図れ
ない。これは噴射期間の初期に過剰の燃料が供給され、
この過剰の燃料の蒸気が予混合燃焼により燃焼して圧力
と温度が急上昇して音を発生するからである。また温度
が高くなることに伴ってＮＯxが増大するからである。
一方噴射期間が短いため、予混合燃焼が火種となって後
から噴射されてくる燃料を燃やす拡散燃焼の期間が短
い。このため拡散燃焼の期間中に噴射された燃料が局所
的に濃くなり酸素が欠乏するという現象が回避される。
これにより燃料の炭化水素のうち水素だけが燃えて炭素
成分だけが残りすすとなって排気されることが少なくな
る。また拡散燃焼の期間が短くなり熱効率が向上しパワ
ー、燃費は良くなる。

【００２２】これに対して噴孔面積の小さい燃料噴射ノ
ズルを使用した場合（Ｌ3の場合）には、燃焼に伴う筒
内圧の立ち上がりが緩やかとなり、燃焼の終期が遅くな
る。

【００２３】このため騒音が低減し、ＮＯxが低減する
ものの、燃費の低減、スモークの発生抑止が図れなくな
る。

【００２４】以上のように噴射期間中に燃料噴射ノズル
の噴孔の面積を一定の面積に固定する従来技術を適用し
た場合には、騒音の低減およびＮＯxの低減の効果が得
れなかったり、燃費の低減およびスモークの発生抑止の
効果が得られないことになっていた。

【００２５】また特開平１０−２５９７７３号公報に
は、同様にロータリバルブの回転角に応じて噴孔面積を
変化させる発明が記載されており、この公報記載のもの
では噴射期間内に噴孔面積が変化する。

【００２６】しかし噴射期間内に噴孔面積を変化させる
ことはできても、その変化のパターンは、ロータリバル
ブの機械的構造により定める一義的なものである。エン
ジンの運転条件に応じて噴孔面積の変化パターンを変化
させることはできない。エンジンの運転条件に応じて噴
孔面積の変化パターンを変化させることができないと、
エンジン運転条件によってはＮＯxの低減、スモークの
低減、燃費の向上、騒音の低減に対処することはできな
い。したがって噴孔面積を一義的な変化パターンで変化
させる制御は、これを採用することができない。

【００２７】また特開平１０−２６６９３０号公報に
は、ノズルの外側に弁体を設け、この弁体を駆動するこ
とで噴孔の面積を変化させるという発明が記載されてい
る。

【００２８】しかし弁体をノズルの外側に設けた場合に
は、 （ａ）エンジンの圧縮室内の高温雰囲気に曝される弁体
の冷却が困難となる。

【００２９】（ｂ）弁体とノズルとの間の空間にカーボ
ンが蓄積され、弁体の移動が困難になる。

【００３０】（ｃ）ノズルと弁体との隙間を確実にシー
ルする必要があるが、シールを確実に行うことは困難で
ある。

【００３１】という問題が招来する。

【００３２】したがって弁体をノズルの外側に設けると
いう構成は、これを採用することができない。

【００３３】本発明はこうした実状に鑑みてなされたも
のであり、エンジンがいかなる運転条件であっても、き
め細かく噴射期間の噴射率を制御することで、ＮＯxの
低減、スモークの低減、燃費の低減、騒音の低減を確実
に実現することを解決課題とするものである。

【００３４】

【課題を解決するための手段および作用、効果】そこで
本発明の第１発明は上記解決課題を達成するために、デ
ィーゼルエンジンの圧縮室内に、燃料を噴孔の流出口を
介して噴射期間中に噴射する燃料噴射ノズルを備え、前
記燃料噴射ノズルから噴射される燃料の噴射率を制御す
るようにしたディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置に
おいて、前記燃料噴射ノズルの内側に設けられ、駆動位
置に応じて前記噴孔の流入口に流入する流量を変化させ
る駆動部材と、前記噴射期間中の時間経過に応じて前記
燃料の噴射率が大きくなるように、前記ディーゼルエン
ジンの運転条件に応じた変化パターンで、前記駆動部材
の駆動位置を連続的に変化させることによって前記燃料
の噴射率を連続的に変化させる制御手段とを備えたこと
を特徴とする。

【００３５】第１発明を図３、図５、図６、図７を参照
して説明する。

【００３６】第１発明によれば、図３に示すように、噴
射期間Ｔ中の時間経過に応じて燃料の噴射率が大きくな
るように、ディーゼルエンジン１の運転条件に応じた変
化パターンＰ１…Ｐｍ…Ｐｎで、燃料の噴射率が連続的
に変化される。

【００３７】このため図７のＬ1に示すように噴射期間
の初期に供給される燃料噴射量が小さくなるため、図６
のＬ1に示すように燃焼に伴う筒内圧の立ち上がりが緩
やかになる。この結果噴射期間の初期に過剰の燃料が供
給されることがないので、過剰の燃料の蒸気が予混合燃
焼により燃焼して圧力と温度が急上昇して騒音が発生す
ることが回避される。また温度が高くなることがないの
でＮＯxが低減する。

【００３８】また図７のＬ1に示すように噴射期間の後
期にいくほど燃料噴射率が増大するため、図６のＬ1に
示すように燃焼の終期が早められる。この結果噴射期間
が短くなり、拡散燃焼の期間も短くなる。これにより拡
散燃焼の期間中に噴射された燃料が局所的に濃くなり酸
素が欠乏するという現象が回避される。よって燃料の炭
化水素のうち水素だけが燃えて炭素成分だけが残りすす
となって排気されることが少なくなる。また燃焼初期の
熱発生率が小さくなり、中期〜後期の熱発生率が大きく
なるので熱効率が向上し、パワー、燃費が良くなる。

【００３９】以上のように本第１発明によれば噴射期間
Ｔ中の時間経過に応じて燃料の噴射率が大きくなるよう
に制御しているため、騒音の低減、ＮＯxの低減、燃費
の低減、スモークの発生抑止が同時に達成される。

【００４０】また第１発明によれば、ディーゼルエンジ
ン１の運転条件に応じた変化パターンＰ１…Ｐｍ…Ｐｎ
で燃料の噴射率が制御される。このためエンジン１の運
転条件いかんにかかわらずＮＯxの低減、スモークの低
減、燃費の向上、騒音の低減に対処することができる。

【００４１】また第１発明によれば、燃料の噴射率が連
続的に変化されるように制御される。このためエンジン
の運転条件に応じてきめの細かい噴射量の制御を行うこ
とができる。また噴射期間の途中で噴射率が急激に変化
することがないので、急激な噴射率の変化により燃料噴
射ノズル内での燃圧が急激に変化してしまうことがなく
なる。このため安定した噴射が行われるとともに、燃料
噴射ノズルに破損を来すこともない。

【００４２】また第１発明によれば、図５の矢印に示す
ように、燃料噴射ノズル７の噴孔１７の面積Ａを連続的
に変化させることによって、燃料の噴射率が連続的に変
化される。

【００４３】このように噴孔１７の面積Ａを変化させる
ことによって燃料の噴射率を変化させるようにしている
ので、上述した（１）式（ｑ＝Ａ・ｖ）、（２）式（ｖ
＝ｃ・√（２・ΔＰ/ρ）から明らかなように、噴孔１
７からの燃料の噴霧流速ｖを高い値に維持したまま噴射
率ｑを低くすることができる。このため圧縮室２に噴射
される燃料の微粒化を促進することができる。燃料の微
粒化が促進されることで、スモーク（黒煙）の抑止、予
混合期間の増加による予混合燃焼の激化に伴うＮＯxの
増加、騒音の増大を防ぐことができる。

【００４４】また第１発明によれば、図５に示すように
燃料噴射ノズル７の内側に、駆動位置に応じて噴孔１７
の流入口に流入する流量を変化させる駆動部材１５が設
けられ、この駆動部材１５の駆動位置が変化されること
によって燃料の噴射率が変化される。

【００４５】このように駆動部材１５を燃料噴射ノズル
７の内側に設ける構成としているので、弁体をノズルの
外側に設けるという従来技術と比較して、 （ａ）′圧縮室２内の高温雰囲気に曝されることなく駆
動部材１５の冷却が容易となる。 （ｂ）′ノズル７（ノズルボディ１３）との間にカーボ
ンが蓄積されることがなく駆動部材１５の駆動が蓄積さ
れたカーボンにより阻害されることがない。

【００４６】（ｃ）′ノズル７（ノズルボディ１３）と
駆動部材１５との間のシールが不要となる。

【００４７】という効果が得られる。

【００４８】また第２発明では、上記第１発明におい
て、前記燃料噴射ノズルは、当該燃料噴射ノズルの内側
に設けられた噴孔開閉部材を、燃圧に応じて開側へ移動
させる燃料噴射ノズルであり、前記噴孔開閉部材の前記
開側への移動を検出する検出手段を備え、前記検出手段
で前記噴孔開閉部材の前記開側への移動が検出された際
に、前記制御手段による制御を開始するようにしたこと
を特徴とする。

【００４９】第２発明を図３、図４を参照して説明す
る。

【００５０】図４に示すように、燃料噴射ノズル７で
は、燃圧に応じて噴孔開閉部材１４が開側へ移動され
る。そして検出手段８によって噴孔開閉部材１４の開側
への移動が検出される。

【００５１】そして図３に示すように検出手段８で噴孔
開閉部材１４の開側への移動が検出された際に、変化パ
ターンＰ１…によって燃料噴射率を連続的に変化させる
制御が開始される。具体的には検出手段８で噴孔開閉部
材１４の開側への移動が検出された時点を実噴射開始時
期ｔ0としてこの時点ｔ0から駆動部材１５の駆動位置を
変化させることで噴射率を変化パターンに従い連続的に
変化させていく。

【００５２】本第２発明によれば、従来検出することが
できなかった実噴射開始時期ｔ0を確実に検出すること
ができ、燃料噴射率を連続的に変化させる制御を正確に
行うことができる。

【００５３】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明に係る
ディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置の実施形態につ
いて説明する。

【００５４】図１はディーゼルエンジンの燃料噴射制御
装置の第１の実施形態の構成を示す。

【００５５】すなわちディーゼルエンジン１は、シリン
ダと、シリンダ内に摺動自在に配設され、シリンダ内を
上下に往復移動するピストンとから構成されている。ピ
ストンの上部のシリンダ室が圧縮室２を構成する。圧縮
室２はピストンによって混合気が圧縮される室でもあ
り、混合気中の燃料が燃焼する燃焼室でもある。シリン
ダ内で燃焼された後の排気ガスは排気マニホールド４を
介して外気に排出される。なお本実施形態ではレシプロ
エンジンを想定しているがロータリエンジンにも適用可
能である。

【００５６】エンジン１には空気を供給する吸気マニホ
ールド３が設けられている。この吸気マニホールド３を
介して圧縮室２内に空気が供給される。

【００５７】一方燃料タンク１０にはエンジン１の燃料
が貯留されている。燃料タンク１０内の燃料は燃料噴射
ポンプ１１によって吸い込まれ燃料噴射管１２を介して
燃料噴射ノズル７に吐出される。燃料噴射ポンプ１１は
エンジン１の回転に応じて駆動されるポンプであり一回
転当たり一定容積の燃料を吐出する。燃料噴射ポンプ１
１はジャーク式列型ポンプを想定している。なおコモン
レイル式システムやユニットインジェクタシステムを用
いてもよい。

【００５８】燃料噴射ノズル７からは、図４に示すよう
に先端に設けられた複数（たとえば４つ）の噴孔１７を
介してエンジン１のシリンダ内（気筒内）に燃料が噴射
される。

【００５９】燃料噴射ノズル７の構造を図４を参照して
説明する。

【００６０】図４は燃料噴射ノズル７の縦断面図を示し
ている。同図４においてノズルボディ１３内には針弁１
４が図中上下に移動自在に内装されている。さらに針弁
１４内にはスリーブ１５が図中上下に移動自在に内装さ
れている。スリーブ１５の上端部は針弁１４の上方へ突
出され、スリーブ１５の下端部は針弁１４の下方へ突出
されている。スリーブ１５の上端は噴孔制御アクチュエ
ータとしての圧電アクチュエータ８に接続されている。
また圧電アクチュエータ８と針弁１４の上端との間には
スプリング１６が介在されている。したがって圧電アク
チュエータ８が駆動されてスプリング１６によるバネ力
に打ち勝つ力が発生すると針弁１４に対してスリーブ１
５が相対的に変位する。

【００６１】ノズルボディ１３には燃料通路１９が形成
されている。燃料通路１９の上流は燃料噴射管１２に連
通している。そして燃料通路１９の下流はノズルボディ
１３に形成された油だまり２２に連通している。ノズル
ボディ１３の先端にはノズル噴孔１７が形成されてい
る。油だまり２２は針弁１４のテーパ面に臨む位置に設
けられている。

【００６２】スリーブ１５の下端部内には、油だまり２
２に連通可能な燃料通路２０と、ノズル噴孔１７に連通
可能なスリーブ噴孔１８が形成されている。燃料通路２
０とスリーブ噴孔１８はスリーブ１５内において連通し
ている。なおスリーブ１５の先端はノズルサック２１に
面している。

【００６３】ここで燃料通路１９に燃料が供給され、油
だまり２２に燃料が満たされ、燃圧が高まると、針弁１
４の上記テーパ面に上向きの力が作用して針弁１４が上
昇する。すると燃料は油だまり２２から燃料通路２０、
スリーブ噴孔１８を介してノズル噴孔１７より圧縮室２
内に噴射される。燃料通路１９に燃料が供給されなくな
り、油だまり２２の燃料がなくなり、燃圧が低くなる
と、針弁１４のテーパ面に上向きの力が作用しなくなり
針弁１４が下降する。針弁１４が上昇している間燃料が
圧縮室２内に供給される。この燃料の噴射開始から噴射
終了までの期間のことを「噴射期間」という。エンジン
１のピストンが上死点（Ｔ．Ｄ・Ｃ）付近にある所定の
期間内に燃料が噴射される。燃料は、圧縮室２内に吸気
マニホールド３を介して供給される空気に対して所定の
比率をもって圧縮室２内に噴射される。

【００６４】燃料噴射ノズル７から噴射された燃料は、
圧縮室２内の熱い空気の中を蒸発しながら飛んでいく。
そして燃料の蒸気が空気によって熱せられる。つまり予
混合気が形成される。そして着火温度になると蒸発した
燃料は燃焼する。つまり予混合気が急激に燃焼する。こ
こで圧力と温度が急上昇することで騒音が発生する。ま
たこのときの温度の上昇によって窒素と酸素が結合して
ＮＯxが発生する。予混合気の燃焼の過程を予混合燃焼
という。また燃料を噴射してから予混合気に着火するま
での予混合期間つまり燃料の噴射開始から予混合燃焼が
開始されるまでの期間のことを着火遅れ期間という。

【００６５】ディーゼルエンジン１の場合にはガソリン
エンジンと異なり、予混合燃焼に引き続き拡散燃焼がな
される。拡散燃焼とは、予混合燃焼が火種となって後か
ら噴射されてくる燃料を燃やし続ける燃焼のことをい
う。拡散燃焼の過程では噴射された燃料は局所的に濃く
なり酸素欠乏状態となる。このため燃料の炭化水素のう
ちで水素ばかりが燃えて炭素の鎖が形成されている。こ
の炭素の鎖が結合することですすが形成される。すすは
燃焼を終えた排気ガスとともに排気マニホールド４を介
して外気に排出される。

【００６６】さて図１に示すようにエンジン１にはエン
ジン１のクランクシャフトの回転位置（クランク角度）
を検出するクランク位置検出センサ５が設けられてい
る。このクランク回転位置検出センサ５で検出されたク
ランク角度を示す信号はエンジンコントローラ６に出力
される。エンジンコントローラ６には、エンジン回転速
度設定ダイヤル等の外部操作信号に基づいてエンジン目
標回転速度（ｒ．ｐ．ｍ）およびエンジン目標トルクを
示す信号が入力される。

【００６７】エンジンコントローラ６では、クランク回
転位置検出センサ５の逐次の検出値に基づいてエンジン
１の実際の回転速度（ｒ．ｐ．ｍ）が演算される。

【００６８】エンジンコントローラ６ではエンジン１の
実際の回転速度をエンジン目標回転速度にもっていきエ
ンジン１のトルクをエンジン目標トルクにするために必
要な燃料噴射量および燃料噴射率が決定される。そして
決定された燃料噴射量を得るための燃料噴射量指令値が
燃料噴射ポンプ１１に出力される。このため燃料噴射ポ
ンプ１１では、エンジンコントローラ６で決定された噴
射量の燃料が燃料噴射管１２に吐出される。また後述す
るようにエンジンコントローラ６からは、決定された燃
料噴射率に対応する噴孔開度パターンＰを示す信号が噴
孔制御コントローラ９に対して出力される。

【００６９】噴孔制御コントローラ９では、入力された
噴孔開度パターンＰにしたがい燃料噴射ノズル７から噴
射される燃料の噴射率が連続的に変化するように燃料噴
射ノズル７の圧電アクチュエータ８に対してアクチュエ
ータ駆動信号を出力する。

【００７０】以下図２、図３、図４、図５を併せ参照し
て上記エンジンコントローラ６および噴孔制御コントロ
ーラ９で行われる燃料噴射の制御の処理内容について説
明する。図５は図４におけるノズル先端要部を拡大して
示している。

【００７１】エンジンコントローラ６では、クランク位
置検出センサ５から出力される検出クランク角度信号に
基づいて現在のエンジン回転速度Ｎが算出される。また
エンジンコントローラ６からは燃料噴射ポンプ１１に対
して燃料噴射量を指示する燃料噴射量指令値を出力して
いる。よって現在の燃料噴射量Ｆ（トルク）を取得する
ことができる。

【００７２】つぎにこうして取得されたエンジン１の現
在の運転条件（エンジン回転速度Ｎ、燃料噴射量Ｆ）に
対応する噴孔開度パターンＰが求められる。具体的には
図２に示すように運転条件に対応する噴孔開度パターン
Ｐを求めるマップが予め用意されており、このマップか
ら噴孔開度パターンＰが読み取られる。

【００７３】図２において横軸はエンジン回転速度Ｎで
あり縦軸は燃料噴射量Ｆ（トルク）を示している。エン
ジン回転速度Ｎおよび燃料噴射量Ｆはそれぞれ所定のし
きい幅に分割されている。したがってエンジン回転速度
Ｎおよび燃料噴射量Ｆの２次元平面は２次元の分割要素
に分割されている。各分割要素には、それぞれ異なる噴
孔開度パターンＰ１…Ｐｍ…Ｐｎ…が対応づけられてい
る。噴孔開度パターンＰ１、Ｐｍ、Ｐｎを図３（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）にそれぞれ示す。

【００７４】よってエンジン回転速度Ｎと燃料噴射量Ｆ
が定まれば噴孔開度パターンＰが一義的に定まる。こう
してエンジン回転速度Ｎ、燃料噴射量Ｆに対応する噴孔
開度パターンＰがマップから読み取られる。

【００７５】つぎに噴孔制御コントローラ９では、上記
読みとられた噴孔開度パターンＰに従いアクチュエータ
駆動信号を出力する。

【００７６】図３に示す各噴孔開度パターンＰ１、Ｐ
ｍ、Ｐｎのうち開度パターンＰ１を代表させて説明す
る。

【００７７】図３（ａ）において実線は、クランク角度
つまり時間の経過に伴い噴孔１７の開度が連続的に変化
する様子を示す。この噴孔１７の開度の変化パターン
は、燃料噴射率の変化パターンに対応している。ここで
「噴孔１７の開度」とは、図５に示すように、ノズル噴
孔１７とスリーブ噴孔１８とが重なり合った部分の面積
Ａのことである。また図３（ａ）において破線は、クラ
ンク角度（時間）の変化に伴いアクチュエータ駆動出力
の値が連続的に変化する様子を示している。

【００７８】噴孔１７の開度が０よりも大きい値で変化
している期間（アクチュエータ駆動出力値が０よりも大
きい値で変化している期間）が燃料噴射期間Ｔに対応し
ている。噴噴１７の開度の変化パターンＰ１は噴射期間
Ｔ中の時間経過に応じて燃料噴射率が大きくなるように
設定されている。変化パターンＰ１を時間で積分した値
が燃料噴射量Ｆに対応している。

【００７９】図３（ａ）の破線に示すように連続的にア
クチュエータを駆動させる信号が燃料噴射ノズル７の圧
電アクチュエータ８に対して出力されると、図５の矢印
に示すようにノズルボディ１３に対してスリーブ１５の
先端部が相対的に連続的に変位する。このためノズル噴
孔１７とスリーブ噴孔１８との重なり部分の面積Ａが連
続的に変化し、図５の実線に示すように噴孔１７の開度
が連続的に変化する。これによりノズル噴孔１７の流入
口に流入する流量が連続的に変化し、ノズル噴孔１７の
流出口からエンジン１の圧縮室２内に噴射される燃料の
流量が連続的に変化する。

【００８０】このようにしてエンジン１の現在の運転条
件に最適な燃料噴射率の変化パターンをもって、噴射期
間Ｔ中の時間経過に伴い噴射率が大きくなるように、噴
射率が連続的に変化することになる。

【００８１】エンジン１の運転条件に応じて図３
（ｂ）、（ｃ）に示す他の噴孔開度パターンＰｍ、Ｐｎ
が選択された場合も同様である。

【００８２】以上のように本実施形態によれば、噴射期
間Ｔ中の時間経過に応じて燃料の噴射率が大きくなるよ
うに、ディーゼルエンジン１の運転条件に応じた変化パ
ターンＰ１…Ｐｍ…Ｐｎで、燃料の噴射率が連続的に変
化される。

【００８３】このため図７のＬ1に示すように噴射期間
Ｔの初期に供給される燃料噴射量が小さくなるため、図
６のＬ1に示すように燃焼に伴う筒内圧の立ち上がりが
緩やかになる。この結果噴射期間Ｔの初期に過剰の燃料
が供給されることがないので、過剰の燃料の蒸気が予混
合燃焼により燃焼して圧力と温度が急上昇して騒音が発
生することが回避される。また温度が高くなることがな
いのでＮＯxが低減する。

【００８４】また図７のＬ1に示すように噴射期間Ｔの
後期にいくほど燃料噴射率が増大するため、図６のＬ1
に示すように燃焼の終期が早められる。この結果噴射期
間Ｔを短くでき、拡散燃焼の期間も短くなる。これによ
り拡散燃焼の期間中に噴射された燃料が局所的に濃くな
り酸素が欠乏するという現象が回避される。よって燃料
の炭化水素のうち水素だけが燃えて炭素成分だけが残り
すすとなって排気されることが少なくなる。また燃焼初
期の熱発生率が小さくなり、中期〜後期の熱発生率が大
きくなるので熱効率が向上し、パワー、燃費が良くな
る。

【００８５】以上のように本実施形態によれば噴射期間
Ｔ中の時間経過に応じて燃料の噴射率が大きくなるよう
に制御しているため、騒音の低減、ＮＯxの低減、燃費
の低減、スモークの発生抑止が同時に達成される。

【００８６】また本実施形態によれば、ディーゼルエン
ジン１の運転条件に応じた変化パターンＰ１…Ｐｍ…Ｐ
ｎで燃料の噴射率が制御される。このためエンジン１の
運転条件いかんにかかわらずＮＯxの低減、スモークの
低減、燃費の向上、騒音の低減に対処することができ
る。

【００８７】また本実施形態によれば、燃料の噴射率が
連続的に変化するように制御される。このためエンジン
１の運転条件に応じてきめの細かい噴射量の制御を行う
ことができる。また噴射期間Ｔの途中で噴射率が急激に
変化することがないので、急激な噴射率の変化により燃
料噴射ノズル７内での燃圧が急激に変化してしまうこと
がなくなる。このため安定した噴射が行われるととも
に、燃料噴射ノズル７に破損を来すこともない。

【００８８】さらに本実施形態によれば、噴孔１７の開
度Ａを変化させることによって燃料の噴射率を変化させ
るようにしているので、上述した（１）式（ｑ＝Ａ・
ｖ）、（２）式（ｖ＝ｃ・√（２・ΔＰ/ρ）から明ら
かなように、噴孔１７からの燃料の噴霧流速ｖを高い値
に維持したまま噴射率ｑを低くすることができる。この
ため圧縮室２に噴射される燃料の微粒化を促進すること
ができる。燃料の微粒化が促進されると、着火遅れ期間
が短縮され予混合気の生成量を抑えることができる。よ
って燃焼初期の予混合燃焼による急激な熱発生量を抑制
でき、騒音の低減、ＮＯxの低減、さらにはスモーク
（黒煙）の抑止が図られる。

【００８９】なお燃料噴射率の制御を高精度に行うため
には、図５においてノズル噴孔１７に対するスリーブ噴
孔１８の位置決めの精度が高精度に要求される。このた
め燃料噴射ノズル７を製作する際には、スリーブ１５と
ノズルボディ１３をアッセンブリにした状態で２つの噴
孔１７、１８を同時に孔あけ加工することが望ましい。

【００９０】また本実施形態によれば、上述した（１）
式（ｑ＝Ａ・ｖ）と（２）式（ｖ＝ｃ・√（２・ΔＰ/
ρ））に示すように、噴孔１７の流量係数ｃを変えるこ
とで燃料噴射率ｑを変えることができるという効果が得
られる。

【００９１】噴孔１７の流量係数ｃは噴孔１７の入口部
の微小な形状の変化で大きく変わる。本実施形態の場合
には流量係数ｃは、スリーブ噴孔１８とノズル噴孔１７
を組み合わせた噴孔全体の入口部の形状で変化する。噴
孔全体の入口部の形状は、ノズル噴孔１７に対するスリ
ーブ噴孔１８の相対的な変位に応じて変化する。この場
合噴孔全体としての流量係数ｃを実用的な範囲で変更す
るために要するスリーブ１５の変位量は噴孔径（０．１
ｍｍ〜０．２ｍｍ程度）に比べて遙かに小さい。このた
め既存の積層型圧電アクチュエータ８を使用したとして
も流量係数ｃを実用的な範囲で変更することができる。
ただし、より微小なスリーブ１５の変位量で流量係数ｃ
の可変効果を上げるためには、噴孔の径は小さい方が望
ましい。

【００９２】さて図４に示す燃料噴射ノズル７では、ス
リーブ１５上端に設けられた圧電アクチュエータ８と針
弁１４の上端との間にスプリング１６を介在させて、圧
電アクチュエータ８に、スプリング１６によるバネ力に
打ち勝つ力を発生させてスリーブ１５を変位させてい
る。この図４に示す構造の燃料噴射ノズル７の代わり
に、図８に示す構造の燃料噴射ノズル７を採用してもよ
い。

【００９３】この図８に示す燃料噴射ノズル７では、ノ
ズルボディ１３内壁と針弁１４の上端との間にスプリン
グ１６が介在され、圧電アクチュエータ８によるスリー
ブ１５の動きと、針弁１４の動きとが独立するように構
成している。圧電アクチュエータ８に力が発生すると、
針弁１４を変位させることなくスリーブ１５を変位させ
ることができる。よって圧電アクチュエータ８の作動に
伴う針弁１４の不要な変位を防止することができる。

【００９４】なお上述した燃料噴射ノズル７では、図５
に示すようにノズル噴孔１７とノズル内側のスリーブ噴
孔１８とが重なり合った部分の面積Ａを変化させること
によって燃料噴射率を変化させているが、図９に示すよ
うにノズル噴孔１７とノズル内側のスリーブ３４とが重
なり合った部分の面積を変化させることによって燃料噴
射率を変化させてもよい。

【００９５】図９は燃料噴射ノズル７の縦断面図を示し
ている。同図９においてノズルボディ１３内には針弁３
３が図中上下に移動自在に内装されている。さらに針弁
３３の下端にはスリーブ３４が設けられている。針弁３
３の上端は図示せぬ圧電アクチュエータ８に接続されて
いる（図１１参照）。

【００９６】スリーブ３４内には燃料通路２０が形成さ
れている。スリーブ３４の外壁上方には燃料通路２０の
一方の開口が形成されており、この開口はシート面３５
を介して油だまり２２に連通可能となっている。スリー
ブ３４の下端面には燃料通路２０の他方の開口が形成さ
れており、この開口はノズルサック２１を介してノズル
噴孔１７の流入口に連通している。

【００９７】針弁３３がリフトしていない状態では針弁
３３はノズルボディ１３のシート面３５に接している。
また針弁３３がリフトしていない状態ではノズル噴孔１
７の流入口がスリーブ３４の側壁によって大部分が閉塞
された状態になっている。

【００９８】針弁３３がリフトしこれに伴いスリーブ３
４が上昇すると、噴孔１７の流入口の閉塞部分が小さく
なり、噴孔１７の流入口面積Ａが大きくなる。噴孔１７
の流入口面積Ａが大きくなるにつれて燃料噴射率が大き
くなる。

【００９９】図１０（ａ）の実線は図９に示す燃料噴射
ノズル７の針弁３３のリフト量の変化に伴う噴孔１７の
流入口面積Ａの変化の特性を示している。また図１０
（ｂ）は図９に示す燃料噴射ノズル７の針弁３３のリフ
ト量の変化に伴う燃料噴射率の変化の特性を示してい
る。破線は従来の燃料噴射ノズルの特性を示している。

【０１００】同図１０に示すように針弁３３がリフトさ
れるに伴い噴孔１７の流入口の面積Ａが従来のノズルと
比較して緩やかに徐々に上昇していく。したがって針弁
３３がリフトされるに伴い燃料噴射率が従来のノズルと
比較して緩やかに徐々に上昇していくことになる。図１
０には変化パターンを一種類しか示していないが、エン
ジン１の運転条件に応じて圧電アクチュエータ８を駆動
制御することにより、様々なパターンに変化させること
ができる。

【０１０１】また上述した燃料噴射ノズル７では、ノズ
ル噴孔１７の流入口の面積Ａを変化させることによって
燃料噴射率を変化させているが、図１１に示すようにノ
ズル７内に設けた絞りの絞り量を変化させることによっ
て燃料噴射率を変化させてもよい。

【０１０２】図１１は燃料噴射ノズル７の縦断面図を示
している。同図１１においてノズルボディ１３内には針
弁３６が図中上下に移動自在に内装されている。さらに
針弁３６の下端にはスロットル３７が設けられている。
針弁３６の上端は圧電素子３８に接続されている。圧電
素子３８以外にも高速、高応答性の力発生アクチュエー
タであれば、代わりにこれを使用することができる。

【０１０３】スロットル３７は、ノズルサック２１にお
けるノズルボディ１３の内壁とスロットル３７の外壁と
の間で絞りが形成されるように、針弁３６に設けられて
いる。

【０１０４】針弁３６がリフトしていない状態では針弁
３６はノズルボディ１３のシート面３５に接している。
このときノズルサック２１の壁面とスロットル３７の壁
面とで形成される絞りの絞り面積（開口面積）が最小と
なる。

【０１０５】針弁３６がリフトしこれに伴いスロットル
３７が上昇すると、上記絞りの絞り面積が大きくなる。
上記絞りの絞り面積が大きくなり流量が大きくなるにつ
れて燃料噴射率が大きくなる。

【０１０６】図１２の実線は図１１に示す燃料噴射ノズ
ル７の針弁３６のリフト量の変化に伴う燃料噴射率の変
化の特性を示している。破線は従来の燃料噴射ノズルの
特性を示している。

【０１０７】同図１２に示すように針弁３６がリフトさ
れるに伴い燃料噴射率が従来のノズルと比較して緩やか
に徐々に上昇していくことになる。図１２では変化パタ
ーンを一種類しか示していないが、エンジン１の運転条
件に応じて圧電素子３８を駆動制御し針弁３６のリフト
を制御することにより様々なパターンに変化させること
ができる。

【０１０８】図１に示す第１の実施形態に対しては種々
の変形が可能である。針弁１４がリフトしたことを検出
し、この検出信号をトリガとして噴孔開度パターンＰを
出力させるようにしてもよい。すなわち、針弁１４がリ
フトを開始すると、針弁１４に上向きの力が作用し加速
度が生じるため、圧電アクチュエータ８に起電力が発生
する。この圧電アクチュエータ８で発生した起電力を検
出することによって針弁１４がリフトし始めたことを検
出することができ、実噴射開始時期ｔ0を検出すること
ができる。この圧電アクチュエータ８で検出された針弁
１４のリフト開始を示す針弁リフト信号は噴孔制御コン
トローラ９に出力される。

【０１０９】コントローラ９は、この入力された針弁リ
フト信号に応じて圧電アクチュエータ８に対して駆動電
圧を出力する。なお針弁リフト信号を他のエンジン制御
のためのトリガとして用いてもよい。

【０１１０】本実施形態の場合には、コントローラ９に
実噴射開始時期ｔ0を示す針弁リフト信号が入力された
時点で、図３（ａ）の破線に示すアクチュエータ駆動指
令が燃料噴射ノズル７の圧電アクチュエータ８に出力さ
れ始める。なお針弁リフト信号が入力された時点より所
定時間経過した時点でアクチュエータ駆動指令を出力し
始めてもよい。

【０１１１】本実施形態では、燃料噴射ノズル７で、針
弁１４が開側（図面中上方）へ移動したこと、つまり針
弁１４がリフトし始めたことを検出して、この検出信号
に応じて噴射率に対応する開度パターンＰを出力するよ
うにしている。このため従来検出することができなかっ
た実噴射開始時期ｔ0を確実に検出できるようになり、
燃料噴射率を連続的に変化させる制御を正確に行うこと
ができる。

【０１１２】なお本実施形態では圧電アクチュエータ８
で発生した起電力によって針弁１４のリフトを検出する
ようにしているが、これ以外に、変位、加速度などを検
出するセンサを用いて針弁１４のリフトを検出してもよ
い。

【０１１３】なお以上説明した実施形態では、図２に示
すようにエンジン１の燃料噴射率の変化パターンを、エ
ンジンの回転数、燃料噴射量に応じて変えるようにして
いるが、冷却水温度、吸入空気温度、吸入空気圧力など
各種エンジン運転状態を示すパラメータをさらに考慮し
て、燃料噴射率の変化パターンを変えるようにしてもよ
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は燃料噴射制御装置の第１の実施形態を示
す図である。

【図２】図２はエンジン運転条件に応じた変化パターン
のマップを示す図である。

【図３】図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は噴孔開度とアク
チュエータ駆動出力の変化パターンをそれぞれ示す図で
ある。

【図４】図４は燃料噴射ノズルの構造を示す縦断面図で
ある。

【図５】図５は図４に示す燃料噴射ノズルの先端部分の
要部を拡大して示す図である。

【図６】図６はディーゼルエンジンの筒内圧がクランク
角度に応じて変化する様子を示す図である。

【図７】図７は噴射率の変化を示す図である。

【図８】図８は燃料噴射ノズルの構造を示す縦断面図で
ある。

【図９】図９は燃料噴射ノズルの構造を示す縦断面図で
ある。

【図１０】図１０（ａ）は、図９に示す燃料噴射ノズル
の針弁のリフト量の変化に伴う噴孔の流入口面積の変化
の特性を示す図で、図１０（ｂ）は、図９に示す燃料噴
射ノズルの針弁のリフト量の変化に伴う燃料噴射率の変
化の特性を示す図である。

【図１１】図１１は燃料噴射ノズルの構造を示す縦断面
図である。

【図１２】図１２は、図１１に示す燃料噴射ノズルの針
弁のリフト量の変化に伴う燃料噴射率の変化の特性を示
す図である。

【符号の説明】

１ エンジン ２ 圧縮室 ７ 燃料噴射ノズル ８ 噴孔制御アクチュエータ ９ 噴孔制御コントローラ １４ 針弁 １５ スリーブ １７ 噴孔 １８ スリーブ噴孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｍ 47/00 Ｆ０２Ｍ 47/00 Ｅ 61/10 61/10 Ｆ 61/18 ３３０ 61/18 ３３０Ｃ Ｆターム(参考） 3G066 AA07 AB02 AC06 AC07 AC09 AD12 BA16 BA17 BA22 BA24 BA25 CC06T CC08U CC14 CC18 CC23 CC26 CC70 CD25 CD26 CD30 CE27 DA11 DA12 DC05 DC06 DC09 DC11 DC13 DC14 DC19 3G301 HA02 JA02 JA24 JA25 JA37 LB11 LC05 MA27 NC02 PB05Z PE01Z PE03Z

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ディーゼルエンジンの圧縮室内に、
   燃料を噴孔の流出口を介して噴射期間中に噴射する燃料
   噴射ノズルを備え、前記燃料噴射ノズルから噴射される
   燃料の噴射率を制御するようにしたディーゼルエンジン
   の燃料噴射制御装置において、 前記燃料噴射ノズルの内側に設けられ、駆動位置に応じ
   て前記噴孔の流入口に流入する流量を変化させる駆動部
   材と、 前記噴射期間中の時間経過に応じて前記燃料の噴射率が
   大きくなるように、前記ディーゼルエンジンの運転条件
   に応じた変化パターンで、前記駆動部材の駆動位置を連
   続的に変化させることによって前記燃料の噴射率を連続
   的に変化させる制御手段とを備えたことを特徴とするデ
   ィーゼルエンジンの燃料噴射制御装置。
2. 【請求項２】 前記燃料噴射ノズルは、当該燃料噴射
   ノズルの内側に設けられた噴孔開閉部材を、燃圧に応じ
   て開側へ移動させる燃料噴射ノズルであり、 前記噴孔開閉部材の前記開側への移動を検出する検出手
   段を備え、 前記検出手段で前記噴孔開閉部材の前記開側への移動が
   検出された際に、前記制御手段による制御を開始するよ
   うにしたことを特徴とする請求項１記載のディーゼルエ
   ンジンの燃料噴射制御装置。