JP2009264332A - 燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料噴射装置において、燃焼騒音の低減をするとともに、排気を改善することを課題とする。
【解決手段】燃料噴射装置（１）は、燃料噴霧を噴射する噴孔（２ｃ）が穿設された燃料噴射弁（２）と、燃料噴射弁（２）の噴射量及び噴射時期を制御するＥＣＵ（８）とを備え、このＥＣＵ（８）は、燃料を複数回に分割して噴射させ、噴射量が増加する過程にあるときに、分割した各噴射のそれぞれの噴射量を増加させるとともに、各噴射のインターバルを拡大させる。これにより、予混合燃焼する燃料を増加し、燃焼室内の空気の利用率を向上させて、急速な燃焼の進行を抑制し、燃焼騒音の低減とＮＯｘ、ＣＯ、スモークの発生を抑制することができる。
【選択図】図１

Description

予混合燃焼運転と拡散燃焼運転とを行うディーゼルエンジンの燃料噴射装置に関する。

ディーゼルエンジンは、シリンダ内が高温、高圧となるピストンの上死点付近で、シリンダ内へ燃料を噴射する構成となっている。シリンダ内へ噴射された燃料は、燃料の噴射が継続されている間に着火し、火炎を形成する。このような火炎が形成されると、後続の燃料が火炎に供給されて燃焼が継続される。このような燃料の噴射中に燃料の燃焼が開始される燃焼形態は、拡散燃焼と称されている。この拡散燃焼は、燃料の噴射中に燃焼が起こるため、燃料と空気が十分混合される前に燃焼が進行し、ＣＯ、スモーク等が発生する。

一方、このような拡散燃焼に対して、燃料の噴射を燃料の着火前に終了する予混合燃焼が提案されている。拡散燃焼では、燃焼により生成されるＮＯｘやスモーク等の低減に限界があるが、予混合燃焼は、このようなＮＯｘやスモークの発生を低減することができる。予混合燃焼では、燃料の噴射中に燃料が着火しないため、燃焼室内へ噴射された燃料は空気と混合し、予混合気が生成される。この予混合気は、着火までに充分に希薄、均一化されるため、局所的な燃焼温度が下がりＮＯｘ排出量が低減され、空気不足によるスモーク発生も抑制される。

ところが、予混合燃焼は、燃料噴射終了後にある程度混合時間を確保して初めて成立する燃焼形態であり、筒内の温度が低く、燃料噴射中に着火しないことが要求される。少なくとも現状では、予混合燃焼は低負荷領域という限られた運転領域でしか行うことができない。従って、高負荷領域では通常の拡散燃焼を行う必要があり、エンジンの運転状態に応じてこれら予混合燃焼と拡散燃焼とを切り替える必要がある。そしてこの切り替えを好適に行わないと燃焼騒音やトルク変動が発生してしまう。このような予混合燃焼と拡散燃焼との切り替え時には、燃焼騒音の増加や音色の変化が生じるが、このような課題を解決し、燃焼形態の切り替えをスムーズに行うディーゼルエンジンの制御装置が特許文献１に開示されている。

特開２００６−１０５０４６号公報

ところで、エンジンの筒内へ燃料を噴射する燃料噴射弁の噴孔径が小径であると、噴霧の粒径が小さくなるため、噴霧の微粒化、蒸発が促進される。一方、噴霧の粒径が小さくなることにより、噴霧の貫徹力は弱くなる。このため、燃料が筒内の広範囲に拡散せず、ノズル近傍において濃度が高く、シリンダ外周側で濃度が低い燃料の分布が形成されることになる。このため、燃料濃度の高い領域においてリッチな燃焼が生じ、ＣＯやスモーク排出量が増加することが考えられる。さらに、燃料噴霧の粒径が小さくなると、従来の予混合燃焼運転から拡散燃焼運転への切り替えを行う技術では、燃焼騒音を減少させることができても、ＮＯｘやスモークの排出量の増加、音色の大きな変化を避けることができない。

そこで、本発明は、燃料噴射装置において、燃焼騒音の低減をするとともに、排気を改善することを課題とする。

かかる課題を解決する本発明の燃料噴射装置は、燃料を噴射する噴孔が穿設された燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁の噴射量及び噴射時期を制御する制御手段とを備え、当該制御手段は、燃料を２回に分割して噴射させ、噴射量が増加過程にあるときに、１回目の噴射の噴射量及び２回目の噴射の噴射量を増加させるとともに、１回目の噴射と２回目の噴射とのインターバルを拡大させることを特徴とする（請求項１）。このような構成とすることにより、燃料噴射装置は、例えば、１回目の燃料噴射による燃料を予混合燃焼させ、２回目の燃料噴射による燃料を拡散燃焼させることができる。これにより、１回目の噴射燃料が希薄になり、噴射量を増加させても騒音が大きくならないため、予混合燃焼する燃料を増加し、燃焼室内の空気の利用率を向上させることができる。さらに、１回目の噴射時期と２回目の噴射時期とのインターバルを拡大させることにより、１回目の噴射による燃焼で発生するＨＣ、ＣＯは、２回目の燃料噴射による燃料とともに燃焼させることができる。このように、本発明の燃料噴射装置は、燃焼騒音の低減及び排気を改善することができる。

本発明の燃料噴射装置は、噴射する燃焼を分割したことにより、燃料と空気との混合を促進し、燃焼室内の空気利用率を向上する。さらに、エンジンの負荷が増加するとともに、噴射量を増加することにより噴霧の貫徹力を高め、噴射と噴射とのインターバルを拡張することにより先に噴射された噴霧と後に噴射された噴霧との燃焼室内における位置的な間隔を広げる。これにより、空気との混合を容易にし、燃焼室内の全域に亘って、理想的な空燃比に近い状態で燃焼を起こすことができる。また、従来、エンジンが低負荷状態から高負荷状態へ移行する際に、高負荷において燃焼の困難な予混合燃焼から拡散燃焼への切り替えが行われている。このような切り替えが行われることにより、燃焼による音色の変化が生じていた。本発明では、噴射を複数回に分割したことにより、明確な切り替えを行うことなく、高負荷状態に対応する噴射形態とすることができる。これにより、燃焼形態の切り替えによる騒音増加、音色の変化を抑制することができる。

また、このような燃料噴射装置は、従来の燃料噴射弁よりも小径の噴孔が穿設された燃料噴射弁を備える構成とすることができる。このような直径の噴孔から噴射される燃料の噴霧は、粒径が小さいため、拡散、混合が容易に行われる。一方、このような小径の噴孔からの噴霧は、貫徹力が低く、噴射から着火までの時間が短い場合、噴孔付近の領域で燃料がリッチな状態となる。このように、燃料がリッチな状態で燃焼する場合、燃焼が急速に進行し、排気が悪化する。これに対し、本発明のような噴射を分割する燃料噴射装置は、分割した噴射によるそれぞれの噴霧が形成する混合気が燃焼室内で占める領域が異なる。このため、燃焼室内の一部の領域に噴霧が集中することが避けられ、燃焼室内の空気を効率よく利用することができる。これにより、予混合燃焼が実現できるので、この結果、燃焼騒音を低下し、ＮＯｘ、ＣＯ、スモークの発生を抑制することができる。

このような燃料噴射装置において、前記制御手段は、噴射量が増加過程にあるときに、１回目の噴射の噴射時期を進角することにより、１回目の噴射と２回目の噴射とのインターバルを拡大させる構成とすることができる（請求項２）。このような構成とすることにより、１回目の噴射による噴霧の位置を噴射弁から遠ざけ、１回目の噴射による噴霧と２回目の噴射による噴霧が重畳することを回避することができる。これにより、燃焼室内の空気の利用率を向上することができる。この結果、１回目の噴射の急速な燃焼の進行が抑制され、燃焼騒音の低下、２回目の噴射からのＮＯｘ、ＣＯ、スモークの発生が抑制される。

さらに、このような燃料噴射装置において、前記制御手段は、噴射量が増加過程にあるときに、１回目の噴射の噴射時期を進角することにより、１回目の噴射と２回目の噴射とのインターバルを拡大させるとともに、１回目の噴射の噴射量が、予混合燃焼を成立させる噴射量の範囲を超える場合、２回目の噴射の噴射量のみを増加させる構成とすることができる（請求項３）。このような構成とすることにより、可能な限り多くの燃料を予混合燃焼によって、燃焼させることができる。これにより、拡散燃焼する燃料を減らし、１回目の噴射のＮＯｘ、ＣＯ、スモークの発生を抑制することができる。

本発明の燃料噴射装置において、前記制御手段は、ＴＤＣ以前に２回目の噴射を終了することができる（請求項４）。また、このような燃料噴射装置において、前記制御手段は、ＴＤＣを含む期間に２回目の噴射を行うことができる（請求項５）。さらに、前記制御手段は、ＴＤＣ以後に２回目の噴射を開始することができる（請求項６）。本発明の燃料噴射装置は、噴射を分割することにより、噴霧の気化、混合が容易となり、着火遅れを短くすることができる。このため、ＴＤＣ付近で噴射した燃料は、速やかに着火することができる。

また、このような燃料噴射装置において、前記制御手段は、１回目の噴射の燃料噴射量を、２回目の噴射の燃料噴射量よりも多量とすることができる（請求項７）。このような構成とすることにより、２回目の噴射の噴射量を減少することができる。これにより、拡散燃焼する燃料を減らし、ＮＯｘ、ＣＯ、スモークの発生を抑制することができる。

本発明の燃料噴射装置は、シリンダ内にＥＧＲガスを還流し、シリンダ内の外周側にＥＧＲガスを偏在させる排気偏在手段を備えた構成とすることができる（請求項８）。このような構成とすることにより、スモークの発生を抑制し、排気を改善することができる。本発明の燃料噴射装置では、着火以前に噴射された燃料噴霧は、燃焼室内において噴射弁からシリンダ壁へ向かって拡散する。この拡散した燃料はシリンダ内の外周部に偏在するＥＧＲガスと混合する。燃料は、ＥＧＲガスと混合することにより燃焼が緩慢になるため、燃焼騒音を低下することができる。さらに、このように燃焼が緩慢になるため、着火以前の噴射、すなわち、予混合燃焼となる時期における噴射量を増加することができる。これにより、着火後の燃焼中に噴射していた燃料の一部を着火前の予混合時に噴射することができる。このように、予混合燃焼する燃料を増加することができる。この結果、拡散燃焼時の燃焼の急速な進行を低減し、ＮＯｘ、ＣＯ、スモークの発生を抑制することができる。

また、燃料噴射装置において、シリンダ内にＥＧＲガスを還流させる排気還流手段と、燃焼騒音を検出する検出手段と、を備え、前記制御手段は、前記検出手段により検出される燃焼騒音に基づき、実ＥＧＲ量と目標ＥＧＲ量との差分を算出し、算出した実ＥＧＲ量と目標ＥＧＲ量との差分に基づき、予混合燃焼運転における噴射量および噴射時期を決定することができる（請求項９）。このような構成とすることにより、ＥＧＲガスの量が変動し、燃焼騒音が変化する場合、予混合燃焼に寄与する噴射燃料の噴射量を調節し、燃焼の速度を調整する。これにより、急速な燃焼の進行を抑制することができるので、燃焼騒音を抑制することができる。また、燃焼の速度を緩慢にするためにＥＧＲガスを導入することがあるが、過剰なＥＧＲガスの導入により、失火のおそれがある。このように、進角することで、燃焼の速度を調整することにより、過剰なＥＧＲガスの導入を抑制でき、失火を防ぐことができる。

本発明は、ディーゼルエンジンにおける燃料の燃焼が急速に進行することを抑制することにより、燃焼騒音を低減し、ＮＯｘ、ＣＯ、スモークの排出を改善することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

本発明の実施例１について図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の燃料噴射装置１の概略構成を示した説明図である。図２は、燃料噴射装置１が備える燃料噴射弁２の先端部を断面にして示した説明図である。燃料噴射装置１は、燃料噴射弁２、コモンレール３、フューエルポンプ４、燃料タンク５を備えている。燃料噴射弁２は、図２に示すように、先端に燃料噴霧を噴射する噴孔が穿設されている。燃料噴射弁２は、ノズルボディ２ａと弁体２ｂを備えている。ノズルボディ２ａには、比較例の噴孔よりも小さな噴孔径ｄの噴孔２ｃが形成されている。ノズルボディ２ａ内に配置された弁体２ｂが軸方向に移動することにより、噴孔２ｃが開口し、燃料が燃焼室６内へ噴射される。このように噴射される燃料は、瞬間的に噴霧が拡散し、空気と混合する。コモンレール３は、高圧状態に燃料を蓄圧し、燃料噴射弁２へ高圧燃料を供給する。また、このコモンレール３には、レール圧センサ３ａが装着されている。フューエルポンプ４は、燃料タンク５内の燃料をコモンレール３へ供給する。また、燃料噴射装置１は、燃焼室６内の圧力を検出する圧力センサ７を備えている。さらに、燃料噴射装置１は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）８と駆動ユニット９とを備えている。ＥＣＵ８は、レール圧センサ３ａにより取得されるコモンレール３内の燃料の圧力情報や圧力センサ７により取得される燃焼室６内の圧力情報を取得し、これらの情報に基づいて、運転状態に適したフィードバック制御を行う。ＥＣＵ８と駆動ユニット９とは電気的に接続されて、情報の通信を可能にしている。駆動ユニット９は、ＥＣＵ８から送信される信号に基づいて、燃料噴射弁２の燃料の噴射を制御している。ここでは、ＥＣＵ８は、本発明の制御手段に相当し、燃料噴射装置１の燃料の噴射状態を制御する。さらに、燃料噴射装置１は、排気の一部をＥＧＲガスとして取り出して吸気通路に導入する排気還流装置１０を備えている。排気還流装置１０は、本発明の排気還流手段に相当し、ＥＣＵ８の指令に従って、吸気通路へＥＧＲガスを還流する。なお、燃料噴射弁２の噴孔の数は、エンジンの大きさに合わせて変更することができる。

次に、本発明の燃料噴射装置１の燃料の噴射状態について説明する。まず、エンジンが低負荷で運転される場合の燃料噴射装置１の噴射時期について、比較例の燃料噴射装置の場合と対比しつつ説明する。図３及び図４は、エンジンが低負荷で運転している場合における燃料の噴射のタイミングと噴射による燃焼の熱発生率とを示した説明図である。図３は、比較例の燃料噴射装置による噴射タイミング及び熱発生率の関係を示し、図４は、本発明の燃料噴射装置１による噴射タイミング及び熱発生率の関係を示している。比較例の燃料噴射装置は、エンジンが低負荷で運転している場合、予混合燃焼が可能となるタイミングで、燃焼に寄与する燃料の全量を一度に噴射する。一方、燃料噴射装置１は、燃焼に寄与する燃料を２回に分割して噴射する。この場合、１回目の噴射は予混合燃焼が可能となるタイミングで行われる。２回目の噴射も予混合燃焼が可能となるタイミングで、かつ、ＴＤＣの直前で行われ、ＴＤＣ以前に噴射が終了する。

予混合燃焼では、燃料の噴射が終了した後に燃焼が生じるため、熱発生率を示すグラフは、噴射終了後に上昇する。図４に示したように、燃料を２回に分割して噴射する場合、熱発生率はグラフ上において二つの山を形成する。一つ目の山は１回目に噴射した燃料の燃焼による熱発生率を示し、二つ目の山は２回目に噴射した燃料の燃焼による熱発生率を示している。このような熱発生率の山の立ち上がる以前に燃料の噴射が完了している。本実施例では、噴射を開始する当初、１回目の噴射における噴射量が総噴射量の６０％、２回目の噴射における噴射量が総噴射量の４０％に設定されている。

次に、燃料噴射装置１の噴霧の状態について、比較例の燃料噴射装置の場合と比較しつつ説明する。図５及び図６は、図３及び図４に示したタイミングで燃料を噴射した場合の燃焼室６内における燃焼直前の混合気の分布の状態であって、燃焼室６内を燃料噴射弁２側から見た状態を示した説明図である。図５は図３の場合、すなわち、比較例の燃料噴射装置における混合気の分布の状態を示し、図６は図４の場合、すなわち、本発明の燃料噴射装置１における混合気の分布の状態を示した説明図である。

予混合燃焼を行う場合、比較例の燃料噴射装置では、噴射された燃料の微粒化、霧化にある程度の時間が必要なため、着火が開始するよりも早期に燃料を噴射しておく必要がある。本発明の燃料噴射装置１は、小径の噴孔２ｃを備えているため、比較例の燃料噴射装置と比較して、粒径の小さな燃料噴霧を噴射する。このため、短時間で燃料の噴霧を微粒化、霧化することができる。しかし、その一方で、噴霧の貫徹力が小さく、燃焼室６内の広範囲に亘って、混合気を分布させることが困難である。このため、燃料噴射装置１は、噴射を２回に分割し、先の噴霧が燃焼室６内を拡散する間に、後の噴霧を形成する。これにより、１回目に噴射した燃料は、燃焼室６内の燃料噴射弁２から離れた領域まで到達し、図６に示すように燃焼室６内の空間に広範囲に亘って混合気を分布させる。また、燃料噴射弁２の噴霧は短時間で微粒化、霧化するため、２回目の噴射による燃料の気化、及び空気との混合が行われる。このため、１回目の噴射による燃料噴霧が燃焼室６内の外側、２回目の噴射による燃料噴霧が燃焼室６内の内側へ分布するので、燃焼室６内の空気の利用率が向上する。これにより、燃焼室６内の全域において、良好な空燃比の混合気が得られる。このように、燃料噴射装置１では、燃焼室６内は良好な空燃比が得られ、急速な燃焼の進行が抑制される。このため、騒音が低減され、スモークやＣＯの発生が抑制される。

次に、エンジンの負荷の増加に伴う燃料噴射装置１の噴射状態の移行について説明する。比較例の燃料噴射装置では、エンジンの運転状態が低負荷である場合に、早期に燃料を噴射し、予混合燃焼を行っている。このような状態から負荷が増加すると、燃料が空気と混合する前に着火が始まるため、予混合燃焼が困難となる。このため、エンジンの負荷が、予混合燃焼が困難となる状態まで増加した場合、燃料の噴射をＴＤＣ付近へ戻し、拡散燃焼を行っていた。この場合、予混合燃焼から拡散燃焼へ燃焼形態を切り替える際に燃焼によって発生する音色の変化が不快感を与えることがある。

一方、本発明の燃料噴射装置１は、比較例のような予混合燃焼から拡散燃焼へというような燃焼形態の明確な切り替えを行わない。図７は、燃料噴射装置１において、エンジンの異なる負荷の状態における燃料の噴射タイミングとその噴射による燃料噴霧の分布とを示した説明図である。図７（ａ１）、（ｂ１）、（ｃ１）、（ｄ１）、（ｅ１）は、エンジンの各負荷の状態における燃料の噴射タイミング及び噴射量を示し、図７（ａ１）から、（ｂ１）、（ｃ１）、（ｄ１）、（ｅ１）の順にエンジンの負荷が増加していく状態を示している。（ｂ１）、（ｃ１）、（ｄ１）、（ｅ１）の各図中の斜線で塗りつぶした部分は、増加した噴射量を示している。図７（ａ２）、（ｂ２）、（ｃ２）、（ｄ２）、（ｅ２）は、燃焼開始直前の燃料噴霧の形状を示し、（ａ２）は、図７（ａ１）の噴射タイミングによる噴霧形状を示し、（ｂ２）は図７（ｂ１）の、（ｃ２）は図７（ｃ１）の、（ｄ２）は図７（ｄ１）の、（ｅ２）は図７（ｅ１）の噴射タイミングによる噴霧形状を示している。

図７（ａ１）乃至（ｅ１）に示すように、本実施例の燃料噴射装置１は、エンジンの負荷の増加に伴い、各噴射の噴射量、すなわち、１回目及び２回目の噴射のそれぞれにおける噴射量を増加させる。本実施例では、増加する燃料を等分し、そのそれぞれを１回目の噴射と２回目の噴射とに増加させる。但し、このような配分比率はエンジンの使用状態などで様々に変更することができる。また、エンジンの負荷の増加に伴い、１回目の噴射時期を進角させて、１回目の噴射と２回目の噴射とのインターバルを拡大させる。このような進角は、エンジンの負荷が増加するほど早期とする。このようなタイミング、噴射量とすることにより、エンジンの負荷が増加する場合の噴霧の分布は、エンジンが低負荷状態の場合に形成される噴霧の分布の形状をそのまま拡大した形状となる。

しかしながら、燃料噴射装置１は、１回目の噴射量が所定量を超える場合、２回目の噴射量のみを増加する。ここでの所定量は、予混合燃焼が可能となる閾値を示している。上述したように、エンジンの負荷の増加に伴い、１回目の噴射、２回目の噴射の両方の噴射量を増加し、１回目の噴射を進角する。しかしながら、１回目の噴射における噴射量がここでの所定量を超えると、予混合燃焼が困難となる。燃料噴射装置１は、１回目の噴射量がこのような所定量を超える場合には、１回目の噴射量をこのような上限の最大量Ｑｍ、１回目の噴射の進角をこの場合の進角θｍとする。そして、１回目の噴射として計算された噴射量のうち最大量Ｑｍを超える残りの燃料は、２回目の噴射時に噴射する。図７（ｄ１）、（ｅ１）にこのような場合の噴射タイミングを示している。

このように燃料噴射装置１による燃料噴射は、エンジンの負荷が増加しても、燃焼形態が急激に変わることがない。このため、燃焼騒音による音色の変化が抑制されている。

また、燃料噴射装置１は、エンジンの負荷が増加すると噴射タイミングを早めるため、噴霧がシリンダ壁側へ拡散する。このため、図７に示すように、負荷が増加するほど、燃焼室６内の噴霧の分布範囲が拡大する。これにより、燃料と空気とが混合しやすくなり、空気の利用率が向上する。燃料噴射装置１は、噴射を分割して早期噴射による予混合燃焼を行うことにより、拡散燃焼する燃料を減少させ、燃焼の急速な進行を抑制し、燃焼騒音の低減、ＮＯｘ、ＣＯ、スモークの改善を図っている。

さらに、燃料噴射装置１は、従来から行われているように、ＥＧＲガスの導入により、燃焼速度の進行速度を抑制することができるが、このような噴射量の増加、噴射のインターバルの拡大とともに、ＥＧＲ率を減少させることができる。このように、燃料噴射装置１は、ＥＧＲ率を減少させるため、エンジンの失火を抑制することができる。

また、燃料噴射装置１は、従来の燃料噴射装置と比較して、未燃損失を低減する。未燃損失とは、未燃燃料と不完全燃焼の燃料とが完全燃焼した際の発熱量を示す。図８は、本発明の燃料噴射装置１における未燃損失と従来の燃料噴射装置における未燃損失とを比較して示した説明図である。未燃燃料は少ないほど、理想的な燃焼が行われていると考えられる。図８に示すように、本発明の燃料噴射装置１は、従来の燃料噴射装置と比較して約３０％ほどの未燃損失を低減することができ、燃費を改善することができる。

次に、本発明の実施例２について説明する。本実施例の燃料噴射装置は、実施例１の燃料噴射装置１と同様の構成をしている。本実施例は、１回目の噴射と２回目の噴射との燃料の配分が実施例１の燃料噴射装置１と異なっている。なお、本実施例の燃料噴射装置の構成は実施例１と同一であるため、実施例１と同一の構成要素については、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。

図９は、本実施例の燃料噴射装置１による燃料の噴射タイミングと熱発生効率とを示した説明図である。図９に示すように、燃料噴射装置１は、１回目の噴射の噴射量を、２回目の噴射の噴射量よりも多量としている。エンジンの負荷が増加した場合、２回目の噴射は拡散燃焼となる。すなわち、燃料噴射装置１は、拡散燃焼となる燃料を減少させ、予混合燃焼となる燃料を増加している。これにより、燃焼の急速な進行を抑制し、燃焼騒音を抑制し、ＮＯｘ、ＣＯ、スモークの発生を抑制している。また、このように拡散燃焼となる燃料を減少し、予混合燃焼となる燃料を増加することにより、ＴＤＣ付近での噴射量が多くなり、サイクル効率が向上し、燃費を改善する。

次に、本発明の実施例３について説明する。本実施例の燃料噴射装置は、実施例１の燃料噴射装置１と同様の構成をしている。本実施例は、燃焼騒音を検出し、検出した燃焼騒音に基づき決定した噴射量および噴射時期の噴射を行う。なお、燃料の噴射形態は、実施例１と同様に１サイクルにおける噴射燃料を２回に分割し、噴射が行われる。また、本実施例の燃料噴射装置の構成は実施例１と同一であるため、実施例１と同一の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。

本実施例の燃料噴射装置１は吸気管へ還流させるＥＧＲ量を制御することにより、燃焼速度を調整し、燃焼騒音の低減を図っている。しかし、燃料噴射装置１は、ＥＧＲガスの燃焼室６内への到達が遅れることにより、燃焼速度の制御が困難となる場合がある。そこで、燃焼噴射装置１は、１回目の噴射における噴射量および噴射時期を調節し、燃焼速度の制御を行う。具体的には、本発明の燃焼騒音を検出する検出手段により、検出される実燃焼騒音に基づき、実ＥＧＲ量と目標ＥＧＲ量との差分を算出し、算出された実ＥＧＲ量と目標ＥＧＲ量との差分に基づき、１回目の噴射の噴射量及び噴射時期を決定する。燃料噴射装置１は、決定した噴射量及び噴射時期の噴射を行い、燃焼速度を制御する。以下、詳細をＥＣＵ８による制御の処理手順とともに説明する。また、検出手段は、圧力センサ７とＥＣＵ８とにより構成されている。図１０は、ＥＣＵ８の制御の一例を示したフローチャートである。

ＥＣＵ８は、ステップＳ１において、エンジンの回転数及び負荷等のエンジン運転条件を読み込み、燃料噴射弁２による１回目の噴射量及び噴射時期を算出し、内部に組み込まれたメモリに記憶する。次に、ＥＣＵ８は、ステップＳ２において、圧力センサ７から燃焼室６内の圧力を計測し、実燃焼騒音を算出する。ＥＣＵ８は、ステップＳ２の処理を終えるとステップＳ３へ進む。

ＥＣＵ８は、ステップＳ３において、ステップＳ２で算出した実燃焼騒音と、予め設定されている目標燃焼騒音との差分を算出する。ここで、目標燃焼騒音とは、ＥＧＲガスを導入することによって低下させる燃焼騒音の目標となる値である。次に、ＥＣＵ８はステップＳ４において、目標燃焼騒音と実燃焼騒音との差分から目標ＥＧＲ量と実ＥＧＲ量の差分ΔＶを算出する。ここで、目標ＥＧＲ量とは、目標燃焼騒音とするために必要なＥＧＲ量である。また、差分ΔＶは、実ＥＧＲ量から目標ＥＧＲ量を減じた差を示すものとする。ＥＣＵ８は、ステップＳ４の処理を終えるとステップＳ５へ進む。

ＥＣＵ８は、ステップＳ５において、目標ＥＧＲ量と実ＥＧＲ量の差分ΔＶが許容範囲以下であるか否かを判断する。ＥＣＵ８は、ステップＳ５において、ＹＥＳと判断する場合、すなわち、目標ＥＧＲ量と実ＥＧＲ量の差分ΔＶが許容範囲である場合、ステップＳ６へ進む。ここで、許容範囲は、実際の燃焼騒音と目標燃焼騒音との差分として許容される範囲から換算される目標ＥＧＲ量と実ＥＧＲ量との差分の範囲を示し、予めＥＣＵ８に設定されている。

ＥＣＵ８はステップＳ６で、ＥＣＵ８のメモリに保存された情報に基づき、噴射を実行する。ＥＣＵ８は、ステップＳ６の処理を終えると、リターンする。

一方、ＥＣＵ８は、ステップＳ５において、ＮＯと判断する場合、すなわち、目標ＥＧＲ量と実ＥＧＲ量の差分ΔＶが許容範囲内でない場合、ステップＳ７へ進む。

ここで、目標ＥＧＲ量と実ＥＧＲ量の差分ΔＶが許容範囲を超える場合であって、実燃焼騒音が目標燃焼騒音よりも大きいと判断される場合、燃焼室内へ導入される実ＥＧＲ量が目標ＥＧＲ量よりも少量であると推定される。このような場合、ＥＣＵ８は、燃焼を緩慢にするように燃料の噴射量、噴射時期を制御する。一方、実燃焼騒音が目標燃焼騒音よりも小さいと判断される場合、実ＥＧＲ量が目標ＥＧＲ量よりも多量であると推定される。このような場合、ＥＣＵ８は、燃焼を促進させるように燃料の噴射量、噴射時期を制御する。このような判断及び措置が以下の処理手順において行われる。

ＥＣＵ８は、ステップＳ７において、実ＥＧＲ量が目標ＥＧＲ量を超えるか否かを判断する。ＥＣＵ８は、ステップＳ７において、ＹＥＳと判断する場合、すなわち、実ＥＧＲ量が目標ＥＧＲ量を超える場合、ステップＳ８へ進む。

ＥＣＵ８は、ステップＳ８において、実ＥＧＲ量と目標ＥＧＲ量との差分からＥＣＵ８が予め備えるマップに基づいて噴射量の補正値、及び噴射時期の補正値を算出する。図１１はこのようなマップの一例を示した説明図である。なお、図１１のマップ中、実線は、噴射量の補正値について示し、破線は噴射時期の補正値について示している。次に、ＥＣＵ８は、ステップＳ９において、ステップＳ８において算出した噴射量の補正値、及び噴射時期の補正値に基づき、メモリに保存した噴射量及び噴射時期を更新する。このステップＳ８における補正は、噴射量を増加する補正と噴射時期を遅角する補正である。ＥＣＵ８は、ステップＳ９の処理を終えると、ステップＳ６へ進み、ステップＳ８で更新した情報に基づき、噴射を実行する。

ところで、ＥＣＵ８は、ステップＳ７において、ＮＯと判断する場合、すなわち、実ＥＧＲ量が目標ＥＧＲ量以下の場合、ステップＳ１０へ進む。ＥＣＵ８は、ステップＳ１０において、図１１に示すマップに基づいて、噴射量の補正値、及び噴射時期の補正値を算出する。次に、ＥＣＵ８は、ステップＳ１１において、ステップＳ１０において算出した噴射量の補正値、及び噴射時期の補正値に基づき、保存した噴射量及び噴射時期を更新する。このステップＳ１０における補正は、噴射量を減少する補正と噴射時期を進角する補正である。ＥＣＵ８は、ステップＳ８の処理を終えると、ステップＳ６へ進み、ステップＳ１１で更新した情報に基づき、噴射を実行する。

燃料噴射装置１において、ＥＧＲガス量が不足する場合、噴射された燃料の燃焼は過早着火となり、燃焼騒音が大きくなる。このような場合には、噴射時期を進角することにより、噴射による噴霧をより希薄な状態にし、燃焼を緩慢にする。これにより、燃焼騒音を抑制する。一方、ＥＧＲガスが過剰な場合、燃焼が不安定になり失火することがある。そのため、噴射時期を遅角することにより、噴射の混合気を濃密な状態にし、後に続く２回目の噴射の燃焼を安定させる。

以上のように、燃料噴射装置１は、燃料を分割して噴射することにより、燃料と空気との混合を促進し、燃焼の急速な進行を抑制する。これにより、燃焼騒音を低減し、ＣＯ、スモークの発生を抑制している。なお、燃焼噴射装置１は、圧力センサ７に代えて、燃焼室６内の圧力変動を感知するような計測器、例えば、Ｇセンサなどを備えることができる。また、燃料噴射装置１は、燃焼騒音に対する措置として、噴射時期のみを変更するような処理を行うことができる。

次に、本発明の実施例４について説明する。図１２は、本実施例の燃料噴射装置に含まれる排気偏在装置２０を示した説明図である。本実施例の燃料噴射装置は、実施例１の燃料噴射装置１と同様の構成をしている。排気偏在装置２０は、本発明の排気偏在手段の一例である。排気偏在装置２０は、一般的な燃料噴射装置に装着されて機能を奏するものである。

排気偏在装置２０は、シリンダ２３一つに対して、二つの吸気ポート２１、２２を備えている。一方の吸気ポート２１は、シリンダ２３内へ空気を導く過程で、シリンダ２３の内周面の接線方向に向かう接線流Ｓｔを生成し、かつシリンダ２３の軸方向中心線ＣＬと交差する面内を旋回しながら中心線ＣＬの方向へ向かう旋回流Ｓｒを生成できるように構成されている。他方の吸気ポート２２は、周知のヘリカルポートとして構成され、上記と同様の旋回流Ｓｒを生成し、主にシリンダ２３内へ導かれる空気の流量を確保する。

また、排気偏在装置２０は、排気マニホールド（図示しない）から取り出したＥＧＲガスをシリンダ２３へ導く排気還流通路２５を備えている。排気還流通路２５の入口側は、排気マニホールドに接続されている。図１２に示すように、排気還流通路２５の出口側は、二つの通路、上側分岐通路２５ａと下側分岐通路２５ｂとに分岐されている。上側分岐通路２５ａは、吸気ポート２１と吸気マニホールド３２との間に介在する筒状のスペーサ２６に形成された上側の開口部２６ａに接続される。下側分岐通路２５ｂは、スペーサ２６に形成され下側の開口部２６ｂに接続される。すなわち、吸気ポート２１の上側と下側とにＥＧＲガスが導入される構成となっている。さらに、上側分岐通路２５ａには調整弁２７が、下側分岐通路２５ｂには調整弁２８がそれぞれ設けられている。調整弁２７、調整弁２８は、開度を自在に変更してＥＧＲガスの導入量を変化させることができる。

図１３は、図１２の矢示２９の方向から見たスペーサ２６の周囲を示した説明図である。上側分岐通路２５ａは矢示３０で示すＥＧＲガスを吸気ポート２１の上側、つまり上層部２１ａへ導入する。このように導入されるＥＧＲガスは、旋回流Ｓｒに混合し、シリンダ２３へ導入される。一方、下側分岐通路２５ｂは矢示３１で示すＥＧＲガスを吸気ポート２１の下側、つまり下層側２１ｂへ導入する。これにより、ＥＧＲガスは、吸気ポート２１が生成する接線流Ｓｔに混合し、シリンダに導入される。調整弁２７、調整弁２８の開度を変更し、上側分岐通路２５ａへ導入するＥＧＲ量と下側分岐通路２５ｂへ導入するＥＧＲ量との比率を調整することにより、シリンダ２３内にＥＧＲガスの濃度が半径方向に変化する濃度分布を形成することができる。特に、下側分岐通路２５ｂへのＥＧＲガスの導入量の比率が高いほど、吸気ポート２１が生成する接線流ＳｔにＥＧＲガスが混合する量が増加し、シリンダ２３内の外周側に近い領域に高濃度のＥＧＲガスを偏在させることができる。なお、その他の構成は実施例１と同一であるため、実施例１と同一の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。

本実施例の燃料噴射装置は、燃焼に寄与する燃料を２回に分割して噴射する。この場合、１回目の噴射は予混合燃焼を可能とするタイミングで行われる。２回目の噴射は予混合燃焼の起こるタイミングで、ＴＤＣの直前で行われる。燃料噴射装置は、１回目の噴射における噴射量が総噴射量の６０％、２回目の噴射における噴射量を総噴射量の４０％で噴射する。本実施例では、実施例１と同様に、エンジンの運転負荷の増加に伴い、各噴射の噴射量、すなわち、１回目及び２回目の噴射のそれぞれにおける噴射量を増加させる。また、エンジンの負荷の増加に伴い、１回目の噴射時期を進角させて、１回目の噴射と２回目の噴射とのインターバルを拡大させる。このような進角は、エンジンの負荷が増加するほど早期となる。

図１４は、このような噴射によるシリンダ２３内における噴霧、及びＥＧＲガスの分布の状態であって、燃料噴射弁２側から燃焼室６内を見た状態を示した説明図である。図１４（ａ）は、比較例の排気還流装置を備えた燃料噴射装置における噴霧とＥＧＲガスの分布とを示し、図１４（ｂ）は、本実施例の排気偏在装置２０を備えた燃料噴射装置における噴霧とＥＧＲガスの分布とを示した説明図である。

図１４（ａ）に示すように、比較例の排気還流装置を備えた燃料噴射装置では、ＥＧＲガスは、シリンダ２３内の広範囲に亘って拡散する。これに対し、図１４（ｂ）に示すように、本実施例の排気還流装置を備えた燃料噴射装置では、調整弁２８、調整弁２９の開度を調節することにより、ＥＧＲガスをシリンダ２３内の外周側へ偏在させる。これにより、１回目の噴霧が形成する混合気は、ＥＧＲガスにより燃焼が緩慢になる。このように、燃焼が緩慢になるため、燃焼騒音を低減することができる。さらに、騒音が低減されることにより、許容される騒音の範囲内で、１回目の噴射の噴射量を増加することができ、２回目の噴射量を減少することができる。２回目の噴射はエンジンの高負荷運転時には拡散燃焼となり、ＣＯ、スモークが発生する。本実施例の燃料噴射装置は、高負荷運転時における２回目の噴射量を減少することにより、ＣＯ、スモークの発生を抑制する。また、このようにシリンダ内においてＥＧＲガスを偏在させる場合もシリンダ内の平均の空燃比は比較例の場合と同等であり、安定した燃焼が行われ、安定した出力を得ることができる。

上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、さらに本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。例えば、燃料噴射装置は、噴射回数を３回以上に分割することもできる。このような燃料噴射装置は、燃料噴射量が増加過程にあるとき、最後の噴射（分割回数が３回ならば３回目の噴射、分割回数が５回ならば５回目の噴射）を除く各噴射（分割回数が３回ならば１回目の噴射と２回目の噴射、分割回数が５回ならば１乃至４回目の噴射）のそれぞれを進角することにより、各噴射のインターバルを拡大するとともに、最後の噴射を除く各噴射における噴射量をそれぞれ増加することができる。

実施例１の燃料噴射装置の概略構成を示した説明図である。 燃料噴射装置が備える燃料噴射弁の先端部を断面にして示した説明図である。 比較例の燃料噴射装置について、エンジンが低負荷で運転している場合における燃料の噴射のタイミングと噴射による燃焼の熱発生率とを示した説明図である。 本発明の燃料噴射装置について、エンジンが低負荷で運転している場合における燃料の噴射のタイミングと噴射による燃焼の熱発生率とを示した説明図である。 比較例の燃料噴射装置について、図３に示したタイミングで燃料を噴射した場合の燃焼室内における燃焼直前の混合気の分布を示した説明図である。 本発明の燃料噴射装置について、図４に示したタイミングで燃料を噴射した場合の燃焼室内における燃焼直前の混合気の分布を示した説明図である。 燃料噴射装置において、エンジンの異なる負荷の状態における燃料の噴射タイミングとその噴射による燃料噴霧の燃焼開始直前の形状とを示した説明図である。（ａ１）、（ｂ１）、（ｃ１）、（ｄ１）、（ｅ１）は、エンジンの各負荷の状態における燃料の噴射タイミングを示し、（ａ２）、（ｂ２）、（ｃ２）、（ｄ２）、（ｅ２）は、燃焼開始直前の燃料噴霧の形状を示し、（ａ２）は、（ａ１）の噴射タイミングによる噴霧形状を示し、（ｂ２）は（ｂ１）の、（ｃ２）は（ｃ１）の、（ｄ２）は（ｄ１）の、（ｅ２）は（ｅ１）の噴射タイミングによる噴霧形状を示した説明図である。 未燃燃料と不完全燃焼の燃料とが燃焼した際の発熱量（未燃損失）の、本発明の燃料噴射装置と従来の燃料噴射装置とを比較して示した説明図である。 実施例２の燃料噴射装置における燃料の噴射のタイミングと噴射による燃焼の熱発生率とを示した説明図である。 ＥＣＵの処理手順の一例を示したフローチャートである。 ＥＧＲ量の差分に基づいて、噴射量及び噴射時期を算出するマップの一例を示した説明図である。 実施例４の燃料噴射装置の一部を拡大して示した説明図である。 図１２の矢示２９の方向から見た実施例４の燃料噴射装置の一部を示した説明図である。 シリンダ内における噴霧、及びＥＧＲガスの分布の状態であって、燃料噴射弁２側から見た状態を示した説明図である。（ａ）は、比較例の排気還流装置を備えた燃料噴射装置における噴霧とＥＧＲガスの分布とを示し、（ｂ）は、本実施例の排気還流装置を備えた燃料噴射装置における噴霧とＥＧＲガスの分布とを示した説明図である。

符号の説明

１ 燃料噴射装置
２ 燃料噴射弁
２ａ ノズルボディ
２ｂ 弁体
２ｃ 噴孔
３ コモンレール
６ 燃焼室
７ 圧力センサ
８ ＥＣＵ
９ 駆動ユニット
１０ 排気還流装置
２０ 排気偏在装置
２１ 吸気ポート
２２ 吸気ポート
２３ シリンダ
２５ 排気還流通路
２５ａ 上側分岐通路
２５ｂ 下側分岐通路
２６ スペーサ
２７ 調整弁
２８ 調整弁
Ｓｔ 接線流
Ｓｒ 旋回流

Claims (9)

1. 燃料を噴射する噴孔が穿設された燃料噴射弁と、
   前記燃料噴射弁の噴射量及び噴射時期を制御する制御手段とを備え、
   当該制御手段は、燃料を２回に分割して噴射させ、噴射量が増加する過程にあるときに、１回目の噴射の噴射量及び２回目の噴射の噴射量を増加させるとともに、１回目の噴射と２回目の噴射とのインターバルを拡大させることを特徴とする燃料噴射装置。
2. 請求項１記載の燃料噴射装置において、
   前記制御手段は、噴射量が増加する過程にあるときに、１回目の噴射の噴射時期を進角することにより、１回目の噴射と２回目の噴射とのインターバルを拡大させることを特徴とする燃料噴射装置。
3. 請求項１記載の燃料噴射装置において、
   前記制御手段は、噴射量が増加過程にあるときに、１回目の噴射の噴射時期を進角することにより、１回目の噴射と２回目の噴射とのインターバルを拡大させるとともに、
   １回目の噴射の噴射量が、予混合燃焼を成立させる噴射量の範囲を超える場合、２回目の噴射の噴射量のみを増加させることを特徴とする燃料噴射装置。
4. 請求項１記載の燃料噴射装置において、
   前記制御手段は、ＴＤＣ以前に２回目の噴射を終了することを特徴とした燃料噴射装置。
5. 請求項１記載の燃料噴射装置において、
   前記制御手段は、ＴＤＣを含む期間に２回目の噴射を行うことを特徴とした燃料噴射装置。
6. 請求項１記載の燃料噴射装置において、
   前記制御手段は、ＴＤＣ以後に２回目の噴射を開始することを特徴とした燃料噴射装置。
7. 請求項１記載の燃料噴射装置において、
   前記制御手段は、１回目の噴射の燃料噴射量を、２回目の噴射の燃料噴射量よりも多量としたことを特徴とする燃料噴射装置。
8. 請求項１記載の燃料噴射装置において、
   シリンダ内にＥＧＲガスを還流し、シリンダ内の外周側にＥＧＲガスを偏在させる排気偏在手段を備えたことを特徴とする燃料噴射装置。
9. 請求項１記載の燃料噴射装置において、
   シリンダ内にＥＧＲガスを還流させる排気還流手段と、
   燃焼騒音を検出する検出手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記検出手段により検出される燃焼騒音に基づき、実ＥＧＲ量と目標ＥＧＲ量との差分を算出し、算出した実ＥＧＲ量と目標ＥＧＲ量との差分に基づき、予混合燃焼運転における噴射量および噴射時期を決定することを特徴とする燃料噴射装置。

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