JP2004044453A - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室内での燃焼の不均一を抑制して、排気エミッションを向上させることが可能な内燃機関の燃料噴射制御装置を提供する。
【解決手段】気筒の内周へ流れを形成するように第１吸気ポートに設けた大粒径の燃料を噴射する第１燃料噴射弁と、気筒内外周へ流れを形成するように第２吸気ポートに設けた小粒径の燃料を噴射する第２燃料噴射弁と、気筒内に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁と、を有する。排気行程の終わりに第２燃料噴射弁から燃料を噴射した後、筒内燃料噴射弁によるＶＩＧＯＭ噴射を行い、次に第１燃料噴射弁から燃料を噴射し、その後、上死点または上死点近傍で気筒内の燃料噴射弁から燃料を噴射する
【選択図】図８

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
気筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射エンジンにおける燃料噴射弁は、吸気管内に燃料噴射する燃料噴射弁に比較して燃料圧力が高く、小噴射量から大噴射量までの広い範囲でこれを制御することは難しい。
【０００３】
また、ディーゼルエンジンの出力は、排気中に排出される煤の量によって制限されてしまう。
【０００４】
そこで、内燃機関の高負荷状態では、ピストンキャビティ内での空気利用率を向上させた燃焼が行えるようにして上記の問題を解決することが望まれる。その一例として、気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と吸気管内に燃料を噴射する燃料噴射弁とを、それぞれ別に備えた内燃機関が知られている。例えば、特開平１１−２９４２４２号公報に開示されたものは、気筒内に燃料を噴射する第１燃料噴射弁と、吸気通路内に燃料を噴射する第２燃料噴射弁とを備え、第２燃料噴射弁を一対の吸気バルブの各々に向けて分岐した吸気通路の分岐部上流側に配設し、分岐通路の一方に、この通気通路を開閉する吸気制御弁を設けたものである。このような構成によって、第２燃料噴射弁で燃料噴射をする際には、吸気制御弁を開いてから噴射をするようにしている。そして、吸気制御弁を開いてから第２燃料噴射弁による燃料噴射をするまでに遅れ時間を設けることで、吸気流速が充分に上昇してから噴射燃料を気流に乗せて気筒内に導くようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来の燃料噴射制御装置では、高負荷時には、気筒内に第２燃料噴射弁から噴射をした後、第１燃料噴射弁から気筒内に燃料を噴射し、双方の燃料噴射弁から噴射された燃料が均一に混合されて気筒内で燃焼することになる。
【０００６】
しかしながら、気筒内の内側と外側では温度差があり、通常、気筒内壁はエンジン冷却水の循環等による放熱で温度が低下するため、気筒内の外側は内側に比べて温度が低い。そのため、気筒内の内側温度に適合させて燃料噴射をすると外側での燃料の燃焼が不完全となり、煤が発生することがある。
【０００７】
本発明はかかる事情に鑑みてされたもので、その課題は、燃焼室内での燃焼の不均一を抑制して、排気エミッションを向上させることが可能な内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために本発明の燃料噴射制御装置は、燃焼室キャビティ内には液滴大の燃料を配し、燃焼室の外側には液滴小の燃料を配するものとした。通常、燃焼室キャビティ内では、燃焼室内の燃料液滴が外にあふれないことが要求されるので、液滴が大きいことが望ましく、他方、燃焼室の外側では、空気を有効に利用、すなわち燃料と空気を充分に混合することが要求されるので液滴が小さいことが好ましい。
【０００９】
そこで、第１の発明は、気筒内内周へ流れを形成するように第１吸気ポートに設けた大粒径の燃料を噴射する第１燃料噴射弁と、
気筒内外周へ流れを形成するように第２吸気ポートに設けた小粒径の燃料を噴射する第２燃料噴射弁と、
気筒内に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁と、を有する内燃機関であって、
排気行程の終わりに前記第２燃料噴射弁から燃料を噴射した後、前記筒内燃料噴射弁によるＶＩＧＯＭ噴射を行い、次に前記第１燃料噴射弁から燃料を噴射し、その後、上死点または上死点近傍で前記筒内燃料噴射弁から燃料を噴射する構成とした。
【００１０】
このような構成により、最初に第２燃料噴射弁から噴射された粒径小の燃料を、気筒内においてＶＩＧＯＭ噴射することで外側に吹き飛ばす。続いて、第１燃料噴射弁から粒径大の燃料を噴射することで、粒径大の燃料が外側に大きく拡がらずに気筒内中央に保持された状態とすることが可能である。このようにして、燃焼室キャビティ内に液滴大の燃料を配し、燃焼室の外側に液滴小の燃料を配してから主噴射を行う。
【００１１】
ＶＩＧＯＭ噴射とは、圧縮上死点の手前３６０度前後の行程でされる燃料噴射であり、その目的は吸気と燃料の予混合であるが、上述のように、ここでは第２燃料噴射弁から噴射された燃料を気筒内の外側に吹き飛ばすという作用がある。
【００１２】
前記第１燃料噴射弁からの燃料噴射を複数回にわたり行う際には、それぞれの燃料噴射の後、前記気筒内噴射弁からのＶＩＧＯＭ噴射をそれぞれ実行することが好ましい。すなわち、第２燃料噴射弁からの燃料噴射がされたら、続けてＶＩＧＯＭ噴射をして、第２燃料噴射弁から燃料噴射がされる都度、噴射された燃料を外側に吹き飛ばす。
【００１３】
なお、前記の第１燃料噴射弁、第２燃料噴射弁、気筒内噴射弁から噴射される燃料の合計が、ここで要求される総噴射量である。
【００１４】
第２の発明は、気筒内の内周へ流れを形成するように第１吸気ポートに設けた大粒径噴霧の第１燃料噴射弁と、
気筒内外周へ流れを形成するように第２吸気ポートに設けた小粒径噴霧の第２燃料噴射弁と、
を有する内燃機関であって、
高負荷時は、前記第２燃料噴射弁からの燃料噴射を多段噴射とする構成とした。
【００１５】
すなわち、第２燃料噴射弁から噴射される燃料の粒径を微粒化するには、その噴射を多段噴射とすることが有効である。このとき、前記ＶＩＧＯＭ噴射は前記第２燃料噴射弁の燃料の噴射信号に同期し、第２燃料噴射弁による噴射の後に続けて実行されるようにすることが好ましい。
【００１６】
第３の発明は、気筒内の内周へ流れを形成するように第１吸気ポートに設けた大粒径噴霧の第１燃料噴射弁と、
気筒内外周へ流れを形成するように第２吸気ポートに設けた小粒径噴霧の第２燃料噴射弁と、
を有する内燃機関であって、
前記第２燃料噴射弁からの噴射される燃料がエマルジョン燃料であることを特徴とする。エマルジョン燃料とは、燃料中に水を微粒化させて分散、混合させた燃料であり、界面活性剤を添加することで燃料と水を均一化させたものである。このようなエマルジョン燃料をディーゼルエンジン等の燃焼に用いると、水の作用によって燃焼温度が低下し、煤及び窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を低減させることができる。
【００１７】
内燃機関の高負荷時には、前記エマルジョン燃料に含まれる水の割合を低下させることが好ましい。高負荷時には、出力を上昇させるために、本来の燃料が多量に燃焼することが要求されるからである。
【００１８】
本発明の内燃機関、すなわち、気筒内の内周へ流れを形成するように第１吸気ポートに設けた大粒径噴霧の第１燃料噴射弁と、気筒内の外周へ流れを形成するように第２吸気ポートに設けた小粒径噴霧の第２燃料噴射弁と、を有するものでは、第２燃料噴射弁からの燃料噴射がされた後に、ＶＩＧＯＭ噴射をして燃料を外側に吹き飛ばすこと、噴射される燃料の粒滴径を調整すること、及び第２燃料噴射弁から噴射される燃料としてエマルジョン燃料を使用することは、可能な限り組み合わせることができる。
【００１９】
前記第１燃料噴射弁及び／又は第２燃料噴射弁から噴射される燃料の粒径をコントロールするためには、次のような制御をすることが例示できる。
【００２０】
前記噴射弁において、燃料を噴射する噴孔の径を変えることができる可変噴孔ノズルを用いて燃料粒滴の大きさをコントロールし、第１燃料噴射弁については、高負荷領域では噴孔径を大として燃料粒滴が大となるようにし、反対に低負荷領域では噴孔径を小として燃料粒滴を小とすることができる。
【００２１】
また、前記燃料噴射弁からの噴射圧力を変化させ、第１燃料噴射弁については、低負荷領域では噴射圧力を大として燃料粒滴を小とし、高負荷領域では噴射圧力を小として燃料粒滴を大とすることができる。
【００２２】
さらに、加熱の有無によって燃料粒滴の大きさをコントロールし、第１燃料噴射弁については、低負荷領域では加熱により気化を促進させて燃料粒滴を小とし、高負荷領域では非加熱とすることで燃料粒滴を大とすることができる。
【００２３】
これらの噴射燃料の粒径のコントロールは、必要に応じて第２燃料噴射弁について実行することもできる。
【００２４】
本発明では、噴射される燃料の粒径分布を内燃機関の運転状態に基づいてコントロールし、また煤の発生しにくいエマルジョン燃料を気気筒内の外周側に配すること等によって、内燃機関の燃焼室内での燃焼の不均一を抑制し、また燃焼効率を向上させることができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。ここでは、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置を車両駆動用のディーゼル機関に適用した場合を例に挙げて説明する。
【００２６】
図１は、本実施の形態に係る燃料噴射制御装置を備えた内燃機関１の概略構成を示す図である。
【００２７】
図１に示す内燃機関１は、４つの気筒２を有する水冷式の４サイクル・ディーゼル機関である。
【００２８】
内燃機関１は、各気筒２の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁３を備えている。この燃料噴射弁３は気筒２の中央部に噴射口を臨ませている。また、この内燃機関１には、吸気枝管８が接続されており、吸気枝管８の各枝管は、各気筒２の燃焼室と吸気ポートを介して連通している。この気筒２には、２つの吸気ポートが接続されており、図３に示すように、一方の第１吸気ポート１０は、気筒２内の中央へ吸気の流れを形成するものである。また、他方の第２吸気ポート１１は、気筒２内の外側へ吸気の流れを形成する。この第１吸気ポート１０内には、第１燃料噴射弁１２が設けられ、これは粒滴が大きい燃料を噴射する。一方、第２吸気ポート１１内には第２燃料噴射弁１３設けられ、これは粒滴小の燃料を噴射する。
【００２９】
したがって図４に示すように、第１吸気ポート１０及び第１の燃料噴射弁１２により、気筒２の中央に粒滴大の燃料ａが配され、第２吸気ポート１１及び第２燃料噴射弁１３によって、気筒２の外側に粒滴が小さい燃料ｂが配されることになる。
【００３０】
これらの第１燃料噴射弁１２と第２燃料噴射弁１３は、図１に示すように、前記燃料噴射弁３とともにコモンレール４に接続され、このコモンレール４は、燃料供給管５を介して燃料ポンプ６と連通している。この燃料ポンプ６は、内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）の回転トルクを駆動源として作動するポンプであり、この燃料ポンプ６の入力軸に取り付けられたポンププーリ６ａが内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）に取り付けられたクランクプーリ１ａとベルト７を介して連結されている。
【００３１】
このように構成された燃料噴射系では、クランクシャフトの回転トルクが燃料ポンプ６の入力軸へ伝達されると、燃料ポンプ６は、クランクシャフトからこの燃料ポンプ６の入力軸へ伝達された回転トルクに応じた圧力で燃料を吐出する。
【００３２】
前記燃料ポンプ６から吐出された燃料は、燃料供給管５を介してコモンレール４へ供給され、コモンレール４にて所定圧まで蓄圧されて各気筒２の燃料噴射弁３、第１燃料噴射弁１２、第２燃料噴射弁１３へそれぞれ分配される。そして、第１燃料噴射弁１２，第２燃料噴射弁１３、又は燃料噴射弁３に駆動電流が印加されると、各燃料噴射弁が開弁し、その結果、それぞれの燃料噴射弁から燃料が噴射される。
【００３３】
一方、内燃機関１には、排気枝管２１が接続され、排気枝管２１の各枝管が排気ポート（図示省略）を介して各気筒２の燃焼室と連通し、排気は図示しない排気通路を通り、排気浄化装置等を通過して外部に排出される。
【００３４】
次に、エマルジョン燃料の供給システムについて説明する。
【００３５】
図５に示すシステムでは、内燃機関１の燃料である軽油を貯蔵する燃料タンク３０と、水を貯蔵する水タンク３１が設けられている。また、燃料中に水を分散させ、燃料と水を混合するための乳化剤を貯蔵する乳化剤タンク３２が並設されている。これらの燃料タンク３０，水タンク３１，及び乳化剤タンク３２は、それぞれエマルジョン燃料製造・貯蔵タンク３３に接続されており、燃料タンク３０とエマルジョン燃料製造・貯蔵タンク３３の間には、燃料タンク３０から流出する燃料の量を調節するための第１バルブ３６が設けられている。同様に、水タンク３１とエマルジョン燃料製造・貯蔵タンク３３の間、及び乳化剤タンク３２とエマルジョン燃料製造・貯蔵タンク３３の間にも、それぞれ各タンクからの水、及び乳化剤の流出量を調節するための第２バルブ３７、及び第３バルブ３８が設けられている。
【００３６】
前記第１燃料噴射弁１２は、前記燃料タンク３０に接続されており、燃料である軽油のみを噴射するようになっている。他方、第２燃料噴射弁１３は、エマルジョン燃料製造・貯蔵タンク３３に接続されている。第１バルブ３６、第２バルブ３７及び第３バルブ３８の開閉、または開度の調節によって、エマルジョン燃料製造・貯蔵タンク３３には、軽油のみ、または軽油と水を所定の割合で混合したエマルジョン燃料が貯蔵され、これは第２燃料噴射弁１３から噴射される。
【００３７】
以上述べたように構成された内燃機関１には、この内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）３５が併設されている。このＥＣＵ３５は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。
【００３８】
図２に示すように、ＥＣＵ３５には、燃料噴射弁３、クランクポジションセンサ２０、アクセル開度センサ９、等が電気配線を介して接続され、これらをＥＣＵ３５が制御することが可能になっている。
【００３９】
ここで、ＥＣＵ３５は、双方向性バス３５０によって相互に接続された、ＣＰＵ３５１と、ＲＯＭ３５２と、ＲＡＭ３５３と、バックアップＲＡＭ３５４と、入力ポート３５６と、出力ポート３５７とを備えるとともに、前記入力ポート３５６に接続されたＡ／Ｄコンバータ（Ａ／Ｄ）３５５を備えている。
【００４０】
前記入力ポート３５６は、クランクポジションセンサ２０のようにデジタル信号形式の信号を出力するセンサの出力信号を入力し、それらの出力信号をＣＰＵ３５１やＲＡＭ３５３へ送信する。
【００４１】
前記入力ポート３５６は、コモンレール圧センサ４ａ、アクセル開度センサ９等のように、アナログ信号形式の信号を出力するセンサのＡ／Ｄ３５５を介して入力し、それらの出力信号をＣＰＵ３５１やＲＡＭ３５３へ送信する。
【００４２】
前記出力ポート３５７は、燃料噴射弁３等と電気配線を介して接続され、ＣＰＵ３５１から出力される制御信号を、燃料噴射弁３等へ送信する。
【００４３】
前記ＲＯＭ３５２は燃料噴射弁３等を制御するための燃料噴射制御ルーチン、等のアプリケーションプログラムを記憶している。
【００４４】
前記ＲＯＭ３５２は、上記したアプリケーションプログラムに加え、各種の制御マップを記憶している。前記制御マップは、例えば、内燃機関１の運転状態と基本燃料噴射量（基本燃料噴射時間）との関係を示す燃料噴射量制御マップ、内燃機関１の運転状態と基本燃料噴射時期との関係を示す燃料噴射時期制御マップ、等である。
【００４５】
前記ＲＡＭ３５３は、各センサからの出力信号やＣＰＵ３５１の演算結果等を格納する。前記演算結果は、例えば、クランクポジションセンサ３３がパルス信号を出力する時間的な間隔に基づいて算出される機関回転数である。これらのデータは、クランクポジションセンサ３３がパルス信号を出力する都度、最新のデータに書き換えられる。
【００４６】
前記バックアップＲＡＭ３５４は、内燃機関１の運転停止後もデータを記憶可能な不揮発性のメモリである。
【００４７】
前記ＣＰＵ３５１は、前記ＲＯＭ３５２に記憶されたアプリケーションプログラムに従って動作して、燃料噴射弁制御、吸気絞り制御、等を実行する。
【００４８】
次に、本発明の燃料噴射制御装置による噴射制御について説明する。
（実施形態１）
この実施形態１によれば、第１吸気ポート１０及び第１の燃料噴射弁１２により、気筒２の中央、すなわち燃焼室キャビティ内に粒滴が大きい燃料ａを配し、第２吸気ポート１１及び第２燃料噴射弁１３によって、気筒２の外側に粒滴が小さい燃料ｂを供給するようになっている。
【００４９】
先ず、この噴射制御では、排気行程の終わりに第２燃料噴射弁１３から燃料を噴射する。それに続いて、気筒２内の燃料噴射弁３によるＶＩＧＯＭ噴射を実行する。第２燃料噴射弁１３から噴射される燃料は、気筒２内の外側に噴射されるが、これに続いて行われるＶＩＧＯＭ噴射によって空気との予混合がされるとともに、気筒２内の中心に向かって拡がらないように、外側に吹き飛ばされる。
【００５０】
続いて、第１燃料噴射弁１２から燃料を噴射して、この燃料を気筒２内の中央に保持し、その後、上死点または上死点近傍、すなわち、−２０度から＋１０度の間で、燃料噴射弁３から燃料を噴射する。
【００５１】
ここで各燃料噴射弁による燃料噴射量の割合の一例を示せば、次の通りである。
【００５２】
第１燃料噴射弁１１からの噴射　　　１
第２燃料噴射弁１３からの噴射　　　１
燃料噴射弁３によるＶＩＧＯＭ噴射　　　　　　０．５〜１
燃料噴射弁３によるメイン噴射　　　　　　１〜２
また、各燃料噴射弁からの噴射時期は次の通りである（クランクアングル）。
【００５３】
第１燃料噴射弁１１からの噴射　　　−３００〜２６０度
第２燃料噴射弁１３からの噴射　　　−３８０〜３４０度
燃料噴射弁３によるＶＩＧＯＭ噴射　　　　　　−３４０〜３００度
燃料噴射弁３によるメイン噴射　　　　　　−２０〜＋１０度
この場合の各燃料噴射弁に対する燃料噴射指令信号を、図６に示す。
【００５４】
また、上述した例では、第２燃料噴射弁１３から噴射される燃料は、一回の噴射により要求量が全て噴射されていた。しかし、第２燃料噴射弁１３から噴射される燃料をさらに微粒化して空気との混合を促進させるため、この噴射を複数回に分割して行うことができる。一般に、噴射を複数回に分割すると、短時間で噴射弁の噴射口の開閉動作をする必要があることから、噴射口を開閉するニードル弁のリフト量が小さくなる。すると燃料通路の中でニードル弁とノズルボディの間の空間が最も狭い箇所となり、この部分でキャビテーションが生じて燃料の微粒化がさらに促進される。このようなシートチョークと称される現象を利用して燃料の粒滴径をさらに微小化することができる。
【００５５】
この場合の各燃料噴射弁に対する燃料噴射指令信号を、図７に示す。ここでは、ＶＩＧＯＭ噴射は、ｎ回にわたる第２燃料噴射弁１３の噴射信号に同期し、その噴射が実行されたら引き続きＶＩＧＯＭ噴射を行う。すなわち、分割された噴射がされる毎に続けてＶＩＧＯＭ噴射が実行される。
【００５６】
しかしながら、第２燃料噴射弁１３の噴射回数（ｎ回）が増加し、かつ第２燃料噴射弁１３の要求噴射終了時期が決定している場合には、第２燃料噴射弁１３の一回あたりの噴射時間ｔ１が、先の噴射開始から次の噴射開始までの時間ｔ２に対して大きくなる。すなわち、ｔ１とｔ２の関係が、ｔ１＞１／２ｔ２となった場合には、ｎ回に分割する噴射は実施しないこととして、第２燃料噴射弁１３及びＶＩＧＯＭ噴射をする燃料噴射弁３による燃料噴射量をできる限り増加させるようにすることが好ましい。特に、最大の燃料噴射量が要求されるときは、分割することなく１回の燃料噴射をすることで要求燃料噴射量が満たされるようにする。
【００５７】
次に、図８に従って上記の燃料噴射制御を説明する。図８は、燃料噴射制御装置の基本制御の流れを示すフローチャート図である。
【００５８】
最初にＳ１０１では、ＥＣＵ３５が、内燃機関１に対する負荷が１／２以上であるか否かを判断する。ここでは負荷が１／２以上であれば高負荷状態であると判断し、Ｓ１０２に進み、一方、負荷が１／２以下であれば低負荷状態であると判断し、Ｓ１０３に進み通常制御とする。通常制御とは、気筒２内の燃料噴射弁３による燃料噴射のみとする場合である。ここで、負荷が１／２とは、経験値であって煤の発生量が１／２となるポイントである。
【００５９】
次に、Ｓ１０２では、要求される燃料噴射量に基づいて第２燃料噴射弁の噴射回数（ｎ）を決定すると共に、Ｓ１０４では、ＶＩＧＯＭ噴射のフラグをセットする。
【００６０】
Ｓ１０２で噴射回数（ｎ）が決定したら、Ｓ１０５に進み、第２燃料噴射弁１３の一回あたりの噴射時間ｔ１と、先の噴射開始から次の噴射開始までの時間ｔ２との間に、ｔ１＞１／２ｔ２の関係が成立するか否かを判断する。
【００６１】
Ｓ１０５でｔ１＞１／２ｔ２の関係が成立する判断されたときは、Ｓ１０６に進みＶＩＧＯＭ噴射の回数をｎ回としてＳ１０８でＶＩＧＯＭ噴射を実行する。
【００６２】
一方で、ｔ１＞１／２ｔ２の関係は成立しないと判断されたら、Ｓ１０７でＶＩＧＯＭ噴射の回数を１回として、Ｓ１０９でＶＩＧＯＭ噴射を実行する。次に、Ｓ１１０に進んで第１噴射弁１１からの噴射を行い、その後、Ｓ１１１に進んで圧縮上死点付近で筒内噴射をする。
【００６３】
なお、要求される全燃料噴射量は、内燃機関１の吸入空気量、アクセルペダル開度、及び機関回転数等によって、ＥＣＵ３５が算出する。
【００６４】
本実施の形態では、内燃機関１の高負荷時に、このような制御を実施することで、気筒２内の混合気が温度が低い外側に燃料の粒滴径が小さいもの、また、中心の温度が比較的高い燃焼室キャビティ内に粒滴径が大きいものが配されるので、それぞれの部位において効率良い燃焼が行える。
【００６５】
また、要求噴射量に応じて第２燃料噴射弁による燃料噴射を複数回に分割することで、燃料の粒滴の微小化を促進させることができる。したがって、内燃機関の出力を上昇させながら煤の発生を抑制することができる。
（実施形態２）
ここでは、図４のように第１吸気ポート１０及び第１の燃料噴射弁１２により、気筒２の中央に粒滴大の燃料ａを配し、第２吸気ポート１１及び第２燃料噴射弁１３によって、気筒２の外側に粒滴小の燃料ｂが配することが前提である。この場合に、第１燃料噴射弁１１について、これを燃料を噴射する噴孔の径を変えることが可能な可変噴孔ノズルを用いて燃料粒滴の大きさをコントロールする例を示す。可変噴孔ノズルは、例えば、燃料の噴孔を、先端側では小径で、基端側では大径のものを配置してなり、ニードル弁の位置の変化によって開口する噴孔の大きさを変化させるもの等である。低負荷時には、ニードル弁のリフト量を少なくして先端の小径の噴孔のみから燃料噴射をする。また、高負荷時には、ニードルリフト量を大きくして大径の噴孔から燃料噴射をする。この場合は、ほとんどの燃料が大径の噴孔から噴射されて粒滴が大となる。
【００６６】
或いは、ニードルリフト量の変化に伴って、噴孔の面積が変化する構造として噴射される燃料の粒滴の大きさをコントロールしてもよい。
【００６７】
上記のように、第１燃料噴射弁１１から噴射される燃料について、ＥＣＵ３５は、内燃機関１の高負荷領域では噴孔径を大として燃料粒滴が大となるようする一方で、低負荷領域では噴孔径を小として燃料粒滴を小とする調節を行う。具体的には、図９に示すフローチャートによって噴射制御を実行する。
【００６８】
最初に、Ｓ２０１で内燃機関１の負荷が１／２以下であるか否かを判断する。負荷が１／２以下であれば、Ｓ２０２に進み、燃料噴射弁のニードル弁のリフト量の可変機構を作動させるＥＤＵ電流を小とし、ニードルのリフト量を少なくして燃料の噴孔径を小とする。
【００６９】
Ｓ２０１で内燃機関１の負荷が１／２を超えていれば、Ｓ２０３に進み、前記ＥＤＵ電流を大として、ニードルのリフト量を多くして噴孔径を小とする。その後、Ｓ２０４に進み、所定時期にそれぞれ燃料噴射を実行する。
【００７０】
ここで、内燃機関１の負荷を示す値である「１／２」は、経験値であって、内燃機関１から排出される煤の量に基づいて定められる。すなわち、運転時に煤の量が半減するポイントを１／２として設定した。
【００７１】
このようにすれば、要求燃料噴射量が増大する高負荷時に多量の燃料を短期間に噴射することができ、また、高負荷時には、気筒内の中央の燃料が燃焼室から外側に漏れる量が多くなり易いので、粒滴を大きくしてこれを抑制することができる。他方、低負荷時には粒滴が小さい燃料が気筒２の中心に供給される。
【００７２】
したがって、燃焼室キャビティ内から燃料液滴が外にあふれることが抑制され、効率的な燃焼が実現する。
（実施形態３）
実施形態２と同様に、第１吸気ポート１０及び第１の燃料噴射弁１２により、気筒２の中央に粒滴大の燃料ａを配し、第２吸気ポート１１及び第２燃料噴射弁１３によって、気筒２の外側に粒滴小の燃料ｂが配する場合である。
【００７３】
第１燃料噴射弁１１について、燃料を噴射する際の圧力を変化させ、低負荷領域では噴射圧力を高くして燃料粒滴を小とし、高負荷領域では噴射圧力を低くして燃料粒滴を大とする。噴射の際の圧力が高ければ燃料粒滴の大きさが小さくなり、反対にこれが低ければ粒滴は大きくなる。
【００７４】
このような制御は、ＥＣＵ３５によって実行されるが、図１０に示すように、内燃機関１の負荷と回転数が１／２以下であれば、噴射圧力を最大にする。負荷と回転数が１／２を超えていれば、噴射圧力は最小とされる。負荷が１／２を超え、回転が１／２以下であるとき、または回転が１／２を超え、負荷が１／２以下であるときは、噴射圧力はそれぞれ１／２とされる。
【００７５】
ＥＣＵ３５は、クランクポジションセンサ３３からの信号によって機関回転数を演算し、また、アクセル開度センサ９からの信号によるアクセル開度等によって把握された運転状態に基づき、第１燃料噴射弁１１の噴射圧力を上記のようにコントロールして所定圧で噴射される。
【００７６】
このようにすれば、実施形態２と同様に、要求燃料噴射量が増大する高負荷時に多量の燃料を短期間に噴射することができ、また、高負荷時には、気筒内の中央の燃料が燃焼室から外側に漏れる量が多くなり易いので、粒滴を大きくしてこれを抑制することができる。他方、低負荷時には粒滴が小さい燃料が気筒２の中心に供給される。
（実施形態４）
この実施形態では、第１燃料噴射弁１１の噴射孔の周囲に電気ヒータを設けた加熱式のものを使用し、このヒータによる加熱の有無によって燃料粒滴の大きさをコントロールするものとした。この場合は、加熱により燃料の気化を促進させることで燃料粒滴を小とし、反対に、非加熱とすることで燃料粒滴を大とすることができる。
【００７７】
このような制御は、ＥＣＵ３５によって実行されるが、図１１に示すように、内燃機関１の負荷と回転数が１／２以下であれば、電気ヒータに印加する電圧値を大とする。この場合は、加熱によって燃料の粒滴が小となる。反対に、負荷と回転数が１／２を超えていれば、印加する電圧値を小とする。
【００７８】
負荷が１／２を超え、回転が１／２以下であるとき、または回転が１／２を超え、負荷が１／２以下であるときは、電圧値はそれぞれ１／２とする。
【００７９】
電圧値が高ければ電気ヒータによって燃料の粒滴が加熱されて気化するので、燃料の粒滴は小さくなり、電圧値が低くなるに従い粒滴は大きくなる。
【００８０】
このようにすれば、高負荷時には、燃焼室キャビティに粒滴の大きな燃料が供給され、一方、低負荷時には粒滴が小さい燃料が供給される。このようにして、燃焼室キャビティ内から燃料の粒滴が外にあふれることを抑制できる。
（実施形態５）
この実施形態では、第２燃料噴射弁１３の噴射の制御を行う。
実施形態１で説明したように、第２燃料噴射弁１３から噴射される燃料をシートチョークを利用して、さらに微粒化して空気との混合を促進させるため、この噴射を複数回に分割して行う。
【００８１】
その際、図１２に示すように、第２燃料噴射弁１３に対する燃料の噴射回数を、低負荷、低回転の領域では１回噴射とする。他方、高負荷、高回転の領域では、燃料噴射を多段とし、シートチョークによるキャビテーションを利用して燃料の微粒化を促進させる。
【００８２】
負荷が１／２を超え、回転が１／２以下であるとき、または回転が１／２を超え、負荷が１／２以下であるときは、燃料噴射は、数回に分けて行い、燃料の微小化を促進させ、かつ必要な噴射量を確保する。
【００８３】
このようにして、微小化した燃料を比較的低温である筒内の外側に配することによって、気化を促進させる。また、高負荷時には、微小化した燃料を外側に配するとともに、多段噴射を行いさらに噴射量を増大できるようにした。
（実施形態６）
この実施形態では、第２燃料噴射弁１３の噴射の制御を行う。
【００８４】
図５に示すエマルジョン燃料の供給システムによって生成されたエマルジョン燃料は、エマルジョン製造・貯蔵部３３から第２燃料噴射弁１３に到達し、所定量が噴射される。気筒２内の温度が低い外側に、エマルジョン燃料が噴射されることで、煤の発生が抑制される。エマルジョン燃料は、軽油に所定量の水を混合させたものであるので燃焼温度が低下し、煤が発生しやすい燃焼温度領域での燃焼は生じない。
【００８５】
ここでは、エマルジョン燃料は、第１バルブ３６，第２バルブ３７、及び第３バルブ３８の開度を調節して、軽油に対する水の含有量が１０％から３０％の範囲で使用する。図１３に示すように、内燃機関１の負荷と回転数が１／２以下であれば、エマルジョン燃料の水の割合を大きくし、水の含有量を３０重量％としたものをエマルジョン燃料製造・貯蔵タンク３３にて生成する。このようなエマルジョン燃料を第２燃料噴射弁１３から噴射する場合は、気筒２内の外側の温度が低くでも、水の含有量が多いために燃料の燃焼温度も低いので、煤の発生が有効に抑制される。
【００８６】
一方、負荷と回転数が１／２を超えており高負荷状態であれば、エマルジョン燃料の水の割合を低負荷状態の場合より少なくして、水の含有量を１０重量％としたエマルジョン燃料を生成する。この場合は、出力の上昇が求められるので要求される燃料量、すなわち内燃機関の駆動源となる燃焼に供される軽油をより多く噴射可能なように、水の割合を低くしてこれに対応する。
【００８７】
また、負荷が１／２を超え、回転が１／２以下であるとき、または回転が１／２を超え、負荷が１／２以下であるときは、エマルジョン燃料中の水の量を１５重量％とする。
【００８８】
このように、燃焼時に煤の発生しにくいエマルジョン燃料を気筒２内の外周側に配することによって、燃焼状態を悪化させることなく、安定した燃焼を維持しながら燃焼室内での温度差による煤の発生を抑制することができる。
（その他の実施形態）
上述した実施形態１から実施形態６において述べた制御は、可能な限り組み合わせて実施することができる。すなわち、第１燃料噴射弁から噴射される燃料の粒径をコントロールしながら、第２噴射弁での噴射の回数を１回または複数回とすること、第２燃料噴射弁から噴射する燃料をエマルジョン燃料とすること、等を適宜組合せ、内燃機関１の運転状態に最も合致した燃料噴射を設定することができる。
【００８９】
以上のように、本発明の燃料噴射弁の制御装置は、燃焼室キャビティ内の燃料を外側にあふれさせないようにして粒滴を大とし、また燃焼室外側では粒滴を小とすること、及びエマルジョン燃料を使用することで煤の発生を抑制させた燃焼を実現することができる。特に、ディーゼルエンジンにおいては、全体としてバランスが良く、空気利用率を上昇させた燃焼を行うことで、煤の発生を抑制しつつ出力を向上させることができる。
【００９０】
【発明の効果】
本発明によれば、燃焼室キャビティ内には液滴大の燃料を配し、燃焼室の外側には液滴小の燃料を配することで、燃焼室内での燃焼の不均一を抑制して、排気エミッションを向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料噴射制御装置を備えた内燃機関の概略構成図である。
【図２】ＥＣＵの内部構成を示すブロック図である。
【図３】２つの吸気ポートが接続された気筒の概略構成図である。
【図４】気筒内の燃焼室キャビティ内に粒滴の大きい燃料が供給され、気筒内の外側に粒滴の小さい燃料が供給される様子を示す概念図である。
【図５】エマルジョン燃料の製造システムを示す図である。
【図６】燃料噴射弁に対する燃料噴射指令信号を示す図である。
【図７】第２燃料噴射弁からの燃料噴射を分割する場合の燃料噴射指令信号を示す図である。
【図８】実施形態１における燃料噴射制御のフローチャート図である。
【図９】実施形態２おける燃料噴射制御のフローチャート図である。
【図１０】実施の形態３における燃料噴射制御の分布を示す図である。排気循環路を示す図である。
【図１１】実施形態４における燃料噴射制御マップを示す図である。
【図１２】実施形態５における燃料噴射制御マップを示す図である。
【図１３】実施形態６における燃料噴射制御マップを示す図である。
【符号の説明】
１・・・・内燃機関
１ａ・・・クランクプーリ
２・・・・気筒
３・・・・燃料噴射弁
４・・・・コモンレール
４ａ・・・コモンレール圧センサ
５・・・・燃料供給管
６・・・・燃料ポンプ
６ａ・・・ポンププーリ
８・・・・吸気枝管
９・・・・アクセル開度センサ
１０・・・・第１吸気ポート
１１・・・・第２吸気ポート
１２・・・・第１燃料噴射弁
１３・・・・第２燃料噴射弁
２０・・・・クランクポジションセンサ
２１・・・・排気枝管
３０・・・・燃料タンク
３１・・・・水タンク
３２・・・・乳化剤タンク
３３・・・・エマルジョン燃料製造・貯蔵タンク
３５・・・・ＥＣＵ
３６・・・・第１バルブ
３７・・・・第２バルブ
３８・・・・第３バルブ

Claims (7)

1. 気筒内の内周へ流れを形成するように第１吸気ポートに設けた大粒径の燃料を噴射する第１燃料噴射弁と、
   気筒内の外周へ流れを形成するように第２吸気ポートに設けた小粒径の燃料を噴射する第２燃料噴射弁と、
   気筒内に燃料を噴射する筒内燃料噴射弁と、を有する内燃機関であって、
   排気行程の終わりに前記第２燃料噴射弁から燃料を噴射した後、前記筒内燃料噴射弁によるＶＩＧＯＭ噴射を行い、次に前記第１燃料噴射弁から燃料を噴射し、その後、上死点または上死点近傍で前記筒内燃料噴射弁から燃料を噴射することを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
2. 前記第２燃料噴射弁からの燃料噴射を分割して行う際には、それぞれの噴射の後、前記気筒内噴射弁からＶＩＧＯＭ噴射を実行する請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
3. 気筒内内周へ流れを形成するように第１吸気ポートに設けた大粒径の燃料を噴射する第１燃料噴射弁と、
   気筒内外周へ流れを形成するように第２吸気ポートに設けた小粒径の燃料を噴射する第２燃料噴射弁と、を有する内燃機関であって、
   高負荷時は、前記第２燃料噴射弁からの燃料噴射を多段噴射とすることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
4. 低負荷時には、前記第１燃料噴射弁から噴射される燃料の粒径を小さくする請求項３に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
5. 気筒内内周へ流れを形成するように第１吸気ポートに設けた大粒径の燃料を噴射する第１燃料噴射弁と、
   気筒内外周へ流れを形成するように第２吸気ポートに設けた小粒径の燃料を噴射する第２燃料噴射弁と、を有する内燃機関であって、
   前記第２燃料噴射弁からの噴射される燃料がエマルジョン燃料であることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
6. 高負荷時には、前記エマルジョン燃料に含まれる水の割合を低下させる請求項５に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
7. 高負荷時には、前記第１燃料噴射弁から噴射される燃料の粒滴を大きくする請求項１から６のいずれかに記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。

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