JP2009526157A

JP2009526157A - 燃料噴射装置

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Publication number: JP2009526157A
Application number: JP2008553577A
Authority: JP
Inventors: デービッド、ジェームズ、カレイ
Original assignee: 0RBITAL ENGINE COMPANY(AUSTRALIA)PTY.LIMITED
Current assignee: 0RBITAL ENGINE COMPANY(AUSTRALIA)PTY.LIMITED
Priority date: 2006-02-06
Filing date: 2007-02-06
Publication date: 2009-07-16
Anticipated expiration: 2027-02-06
Also published as: US8166953B2; CN101405503B; JP5352241B2; CN101405503A; EP1982069A4; EP1982069A1; US20100043758A1; EP1982069B1; WO2007090228A1

Abstract

開示されている燃料噴射装置は、ソレノイドコイル（４０）と、付勢手段（４２）によって閉鎖位置に付勢されている弁要素（３４）に連結されるとともに、前記ソレノイドコイル（４０）が電流によって選択的に励磁されかつ励磁が遮断されたときに燃料弁（３２）を開閉するように作動可能なアーマチュア（４１）と、制御手段（１７０）と、を備え、前記制御手段（１７０）は、前記ソレノイドコイル（４０）を励磁させて磁気力を生じさせることにより前記アーマチュア（４１）および弁要素（３４）を移動させ、燃料を供給するための開放位置へと弁を開放させ、前記開放位置は、弁の開放を促す力と弁の閉鎖を促す力とが釣り合っていると前記制御手段（１７０）が算出したときに達成される。開放位置の制御は、ガス燃料エンジン（２０）に対する燃料流量を制御するために、あるいはまた様々なタイプのエンジンにおけるノイズ、振動、ハーシュネスを減少させるために用いることができる。弁の閉鎖に対する力の釣り合いによる制御は、弁要素（３４）の物理的なストッパ（１０６）に対する衝突を減少させあるいは回避させ、それによってエンジンノイズを減少させる。そのような制御はまた、燃料の調節に用いることができる。

Description

本発明はソレノイドで作動する燃料噴射装置に関する。

エンジンの燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射装置は周知である。ソレノイドで作動する燃料噴射装置もまた周知である。

例えば、本願出願人の米国特許第４，９３４，３２９号に開示されている燃料噴射装置が備える本体部分のポートは、この本体部分の内側ポートキャビティを通って延びるステムに接続されたソレノイド駆動の弁要素の作動に従って、エンジンの燃焼室との連通をもたらすようになっている。本体部分の内側の電磁手段は、弁ステムの回りに配置るとともにそれに作動的に接続されている。したがって、電磁手段を選択的に励磁しかつ励磁を遮断すると、弁要素が移動してポートを開閉する。この場合、電磁手段はポートを開閉する弁要素だけを移動させる。ポートキャビティに対する燃料の送給は、燃料計量ユニットの制御に従って生じる。典型的に、燃料計量ユニットは別個のソレノイド作動燃料調整弁を有している。

米国特許第４，９３４，３２９号のソレノイドは、弁ステムに同軸に取り付けられたアーマチュアを具備する、弁ステムに同軸に配置されたコイルを有している。アーマチュアの軸方向の移動量は限定されており、かつ特定の位置、典型的には閉鎖状態に向かってばねで付勢されている。ソレノイドコイルを励磁すると、アーマチュアが引っ張られて弁ステムが変位しポートが開放するので、エンジンの燃焼室に燃料が供給される。

この種のソレノイドには「ハードランディング(hard landing)」の問題がある。すなわち、弁の開放位置への周期的な移動の間に、いくつかの障害を伴う高い周波数での衝突が発生する。第１に、ノイズ−振動−ハーシュネス（ＮＶＨ）の特性が劣っている。すなわち、ノイズが大きい。疲労ストレスもまた増加し得る。これは、現在においてもソレノイド噴射器の課題となっている。

本発明の一つの目的は、「ハードランディング」の問題の影響をより受けにくい噴射器を提供することにある。

本発明のさらなる目的、あるいは別の目的は、そのストロークを変化させることができる噴射器を提供することにある。

この目的に鑑みて、本発明が提供する燃料噴射装置は、ソレノイドコイルと、付勢手段によって閉鎖位置に付勢されている弁要素に連結されるとともに、前記ソレノイドコイルが電流によって選択的に励磁されかつ励磁が遮断されたときに燃料弁を開閉するように作動可能なアーマチュアと、前記アーマチュアおよび弁要素を移動させて開放位置へと前記弁を開放させるための磁気力を生じさせるソレノイドコイルの励磁を制御する制御手段と、を備える。そして、前記開放位置は、弁の開放を促す力と弁の閉鎖を促す力との間の差が所定値にあると前記制御手段が算出したときに達成される。

この燃料噴射装置は、アーマチュアと物理的ストッパとの間の衝撃を減少させ、あるいは無くしつつ、開放位置を達成する。例えば、いくつかの作動モードにおいては、弁が減少した力、したがって減少したＮＶＨレベルで端部ストッパに到達できることが望ましい。衝撃を制御する場合、開放力は閉鎖力より大きいが、これらの力の差は制御手段によって最小限となるように制御されて所望の結果を達成する。（この限りにおいて、この力は、ゼロに設定することもできるが、実際的な目的および製造における許容誤差を許容するためには小さな正味のプラスの力であることが望ましい）。本発明無しでは、端部ストッパへの衝撃力は制御できず、ＮＶＨを低減させることはできないであろう。

弁の開放位置は、弁の開放を促す力と弁の閉鎖を促す力とが釣り合っていると制御手段が算出したときに達成される。

好ましくは、使用の際に、弁の開放位置は噴射器の燃料流量の要求に応じて変化する。従って、噴射器のストロークは制御パラメータとなり、この噴射器を適用するエンジンの異なる運転要求を満たすべく、噴射器を介した燃料流量を制御するために用いることができる。

他の関連する態様において、本発明は、ソレノイドコイルと、付勢手段によって閉鎖位置に付勢されている弁要素に連結されるとともに、前記ソレノイドコイルが電流によって選択的に励磁されかつ励磁が遮断されたときに燃料弁を開閉するように作動可能なアーマチュアと、制御手段と、を備えた燃料噴射装置を作動させる方法を提供する。そして、この方法は、前記制御手段によって前記ソレノイドコイルを励磁させて磁気力を生じさせることにより前記アーマチュアおよび弁要素を移動させ、前記開放位置へと弁を開放させることを含み、前記開放位置への到達は、弁の開放を促す力と弁の閉鎖を促す力との間の差が所定値にあると前記制御手段が算出したときになされる。

好ましくは、弁の開放位置への到達は、弁の開放を促す力と弁の閉鎖を促す力とが釣り合っていると制御手段が算出したときになされる。

好ましくは、使用の際に、燃料弁は噴射器の一部を形成し、弁の開放位置は噴射器の燃料流量の要求に従って変化する。したがって、噴射器のストロークは制御パラメータとなり、この噴射器を適用するエンジンの異なる運転要求を満たすべく、噴射器を介した燃料流量を制御するために用いることができる。

弁の開放を促す最も重要な力は、磁気力またはソレノイド力である。燃料圧力もまた弁の開放を促す力を作り出すことができる。

弁の開放を促す力と釣り合う、弁の閉鎖を促す力には、付勢手段によって負荷される付勢力ばかりでなく閉鎖側に付勢する他のあらゆる力が含まれる。そのような力には、この燃料噴射装置が燃料をエンジンに供給する気筒内のガス圧力によって誘起される変動する力が含まれ、そのような気筒内のガス圧力はエンジンが作動する間に大きく変化する。摩擦力もまた含めることができる。開放力および閉鎖力が弁に作用する領域は異ならせることができる。すなわち、弁の開放を促す力の大部分は弁の内側表面上に作用する一方、弁の閉鎖を促す力の大部分は弁の外側表面上に作用する。制御手段はそれに応じて力を算出し、あるいは評価する。制御手段は力が変動すること、すなわちそれらが動的であることを考慮する。最も普通に用いる付勢手段はばね、最も便利にはコイルばねである。あるいは、ばねをディスク状のばねとすることができる。複数のばねを用いることができる。ばねは一定なばね定数あるいは剛さ特性を有することができる。しかしながら、好ましくは、ばねは、弁が開放するにつれて閉鎖力が増加するように、可変なばね定数あるいは剛さ特性を有することができる。この剛さは、用途および釣り合う力の性質に対応させて変化させることができる。ばね定数は、有利には、ソレノイド力と閉鎖力とがより小さい変位で釣り合う位置に弁が開放するように、ソレノイド力より高い割合あるいは値に選択することができる。

アーマチュアの軸方向の移動量あるいはストロークは制限されるが、その長さは本発明によって変更することができる。すなわち、制御手段は、ソレノイドコイルに供給する電流の制御によって磁気力を制御することができる。ばね力および他の力は、所与の燃料噴射装置において既知であり、あるいは算出することができる。したがって、アーマチュアのストロークのうち力が釣り合う位置に対する制御を達成することができ、そのような制御はまた、ストローク長および弁の開放位置あるいはリフトに対する制御を可能とする。このことは、ＮＶＨの大幅な減少を達成することができる制御方法論を提供する。

燃料噴射装置がエンジンの燃焼室に直接燃料を供給するための供給噴射器として用いられる場合、ストローク長の制御はまた、計量制御のパラメータとして用いることができる。ストローク長あるいは弁のリフト量の変化は、弁ポートにおける燃料流れ領域、したがって弁ポートを通過する燃料の流れ、すなわち燃料流量を変化させる。選択的に、燃料流量に対する更なる制御を達成するために、流れ絞り、例えば固定面積オリフィスを供給噴射器に組み込むことができる。

燃料流量に対するそのような制御は、空燃比の制御と統合することができる。目標空燃比があり、かつ空気流量が既知である場合、燃料弁は、目標空燃比を達成するために必要な燃料流量に対応する特定のリフト量へと制御手段によって開放させることができる。そのような制御は、アダプティブ制御とすることができる。例えば米国特許第４，９３４，３２９号に記載されているような液体燃料を用いる空気アシスト噴射システムにおいては、専用の計量ユニットあるいは計量噴射器を用いて独立した計量が達成されるので、これは必要ない。なお、この特許の内容は、この参照によって本願明細書に組み込まれるものとする。ガス燃料で作動するエンジンの場合には、特に好ましいが、供給噴射器の開放期間の制御によって計量制御の主要な形態が達成される。そして、この制御は、燃料流量を制御するために、上述した方法で、ストローク長および燃料流れ領域の制御によって補うことができる。

付勢手段あるいはばねを磁性体から製造して供給噴射器のアーマチュアとして用いることにより、部品の数および運動質量を減少させることができる。

弁を閉鎖するときには、ソレノイド電流を有利に減少させる制御により弁要素の閉鎖速度を減少させる。これは、ＮＶＨを減少させる目的に対する別の態様の取り組みである。電流を減少させる複数の形態および特性が可能である。例えば、電流は、変化する割合で、単一の一定割合の傾斜で、あるいはそれぞれの傾斜における割合が一定である複数の傾斜で減少させることができる。閉鎖の際には、物理的なストッパに到達させることができる。開放位置に対する制御はまた、閉鎖の際の衝撃の減少を助けることができる。典型的な噴射装置においては、開放位置と閉鎖状態との間のストローク長を減少させることにより、閉鎖の際の衝撃力を減少させることができるからである。

この燃料噴射装置は、２ストロークあるいは４ストロークで作動する、液体あるいはガス燃料を用いる、かつマニフォールド噴射あるいは直接噴射といった、あらゆる種類のエンジンに用いることができる。このエンジンは、少なくともいくつかのエンジン運転状態において、火花点火内燃エンジンとして作動させることができる。しかしながら、ガス燃料を用いる場合に特別な利益が得られる。ガス燃料噴射の実行は、典型的に、衝撃力がより大きなものになりやすい大型の噴射器を必要とする。開放および閉鎖のプロセス、したがって衝撃力の制御は、この種の噴射器におけるＮＶＨの減少に特に有利である。この態様において、この装置は、エンジンのノイズ、振動およびハーシュネスを減少させる方法に用いられる。そのような方法論は、ガス燃料が供給されるエンジンに特有なわけではない。しかしながら、この用途においては、燃料噴射器を介した燃料の計量を制御するために有益な制御パラメータ、ストローク長を提供する能力、およびガス燃料が供給されるエンジンのために噴射、特に直接噴射を使用することの可能性が高まる。

更なる背景として、近年における自動車産業の発展および動向は、エンジンの燃焼室に直接ガス燃料を噴射できるシステムが有するある種の潜在的な利点にハイライトを当てている。従来技術のシステムに比較すると、より少ない機械部品を必要とするより簡単なシステムにつながることに加えて、エンジンに対するガス燃料の改良された計量制御を容易にするので、そのようなシステムは、ユーザがある種のコスト上の利益について理解できるようにする。

また、ポート噴射あるいはマルチポイント噴射エンジンのマニフォールドにガス燃料、典型的に水素を噴射する、ガス燃料システムを開発するための試みがなされてきた。ポート噴射システムには、燃料供給装置からエンジンの各インレットポートに燃料を供給するポート噴射器によって、エンジンのインテークマニホルドあるいはインレットポートに燃料を噴射することが含まれる。シングルポイントあるいはマルチポイントポート噴射もまた用いることができる。ポート燃料噴射は、燃料噴射の際に比較的大きいタイミングウインドウを利用できるので、アイドル状態から最高出力状態において必要な範囲（高性能エンジンにおいては比較的広い範囲）の燃料供給を提供するために広く応用されている。。しかしながら、ポート燃料噴射装置、特にピストンで制御される排気ポートを用いる２ストロークエンジンでは、空気および燃料供給の短絡と一般的に呼ばれているものによる劣等な燃費が問題となっている。これらのエンジンはまた、劣等な排ガスエミッションが問題となる傾向がある。他のエンジン、例えば４ストロークエンジンもまた、例えば米国特許第４，９３４，３２９号に記載されているようなポート燃料噴射装置を使用することの結果として、劣等な燃費あるいはまたエミッションの増加が問題となっている。加えて、そのようなポート噴射システムにおけるガス燃料の使用は、吸気装置へのガス燃料の供給の結果として変位する空気の存在により、高回転および高負荷領域における出力損失に結びつく。水素ガスを使用する場合、吸入空気が変位する結果として３０％のオーダーの出力損失が予想される。圧縮天然ガス（ＣＮＧ）においては、出力損失は約１０％に達する。

これらの欠陥のいくつかを克服するために、直接燃料噴射が開発され、かつこれらのエンジンに首尾よく適用されてきた。本願の出願人は、２流体直接燃料噴射装置を用いるそのようなエンジンを開発してきた。しかしながら、アイドル状態から高出力状態へと燃料を制御し供給するための、必要な絞り比を有した直接燃料噴射装置の経済的な設備は、一つの挑戦である。この挑戦を解決する一つの方法には、エンジンの目標出力および目標トルクのために必要な燃料を満たすべく燃料噴射器弁のストロークを変化させることによって必要な追加の燃料供給範囲を提供する、本発明の使用が含まれる。

本発明に対する背景技術の上記の議論は、本発明の理解を容易にすることを目的としている。しかしながら、上記の議論が、この出願の優先日において、言及した資料のいずれかが発行され、知られ、あるいはオーストラリアにおける一般的な知識の一部となっていることを承認しまたは容認するものでないことは認められるべきである。

本発明の方法および装置は、添付の図面に示されている燃料噴射装置の１つの好ましい実際的な構成の以下の説明からより容易に理解される。

図１は、燃料噴射システムを備えた直接噴射４サイクル多気筒内燃エンジン２０の一つの気筒２１を示している。この内燃エンジン２０は、ガス燃料が供給されるとともに、少なくともいくつかの運転状態において火花点火内燃エンジンとして作動する。この気筒２１は、燃焼室６０、シリンダヘッド４０およびエアインテークマニホールド２２を有している。この燃料噴射システムは、燃焼室６０にガス燃料を供給する。ガス燃料は、例えば貯蔵源またはフューエルタンクからのＬＰＧとすることができる。この燃料噴射システムが備える燃料供給手段は、従来のタイプ、あるいは本願出願人の係属中の国際特許出願である２００６年１月２７日に出願されたＰＣＴ／ＡＵ２００６／００００９７（国際特許公開ＷＯ２００６／０７９１７２）およびＰＣＴ／ＡＵ２００６／００００９８（国際特許公開ＷＯ２００６／０７９１７３）に記載されているようなものとし得る燃料レール装置１１の形態とすることができる。なお、これらの特許出願の内容はこの参照によって本願明細書に組み込まれるものとする。したがって、本願明細書においては更には説明しない。燃料噴射システムは、ソレノイド作動タイプである燃料噴射器あるいは供給噴射器９にガス燃料を供給する。燃料ポンプを用いる必要はない。

ここでより詳細な説明のために図２を参照すると、供給噴射器９のハウジング３０は、その下端から突出する円筒状の差込部３１を有している。そして、この差込部３１の噴射弁ポート３２は、その一部３３よりも大きな環状流れ領域の下側部分１９を具備している燃料流路を介して、燃料供給のための燃料レール装置１１に連通している。弁ポート３２と協動するポペット弁要素または頭部３４は、管状の弁ステム３５に固定されている。燃料噴射器９はソレノイドで作動する。

弁シートは、例えば溶接のような適切な手段によって差込部３１の端部に取り付けられた弁シート要素６１によって形成されている。差込部３１のボア６３には溝付軸受６２が圧入されている。この軸受を貫通する溝は、弁ポート３２の近傍における流路面積１９の増加を可能としている。溝付軸受が有している環状スリーブ６４は、噴射器の脚部３５のための軸受面をもたらすとともに、弁シート６１上へ弁３４の正確な着座を確かなものとする案内をもたらしている。

ソレノイドコイル４０は、管状の弁ステム３５と同軸にハウジング３０内に配置されるとともに、ハウジング３０のベース部３７とカバープレート３８との間に保持されている。ソレノイドのアーマチュア４１は、管状の弁ステム３５の上端に取り付けられている。アーマチュア４１は、隙間３９で示されているようにその軸方向の最大移動量が制限されており、かつばね４２によって上方に付勢されて通常は弁ヘッド３４が弁ポート３２を閉鎖する状態に維持されている。ばね４２は、コイルばねであるが（皿ばねが図８に変形例として示されている）、その特性およびばね定数は変更可能であって、特定の燃料噴射システムへの適用に際しての試行錯誤により、あるいは特定の燃料噴射システムへの適用に際してのばね定数の設計アルゴリズムによって決定される。皿ばねの形態のときには、このばね４２はポペット弁のヘッド３４の半径方向の位置決めのために用いることができる。

ばね４２は、その通常状態において、弁ステム３５に対して上向きの力を負荷するように応力が加えられており、弁ヘッド３４を閉鎖状態に保っている。調節ナット４３は、ばね４２上への予応力あるいは予圧（プレロード）を調整するべく調節することができる。

コイル４０は、コア４５の周りに配置されて、アーマチュア４１を引き下げるために励磁されたときに磁場を生じさせるように巻回されている。アーマチュア４１の下向きの移動は、弁ステム３５の対応した移動を生じさせて噴射弁ポート３２を開放させる。コイル４０の励磁が遮断されると、ばね４２が弁ステム３５を持ち上げて噴射弁ポート３２を閉鎖する。従来のソレノイドで作動する燃料噴射器においては、アーマチュア４１の下方への移動の度合いは、コア４５の上側肩部１０６に係合するアーマチュア４１によって制限されている。これが「ハードランディング」問題の原因である。

燃料噴射装置の作動は、電子制御手段またはコントロールユニット（ＥＣＵ）１７０の制御下にある。ＥＣＵ１７０は、エンジンの運転状態の範囲を検出するとともにエンジンの運転状態を処理してエンジン２０に供給する燃料の量を調節するべく、ソレノイドまたは類似の装置を作動させるのに適した電気信号を生じさせる様々な周知のプログラムによって、ソレノイドの励磁を調整するための適切なプロセスのためにプログラムすることができる。

ＥＣＵ１７０は、エンジン２０からの燃料要求に応答し、その特定の期間におけるエンジンからの要求を満たすべく、エンジン２０の運転状態を参照しつつ、燃料噴射弁ポート３２から必要な量のガス燃料が供給されるようにその期間は励磁させたままとする。燃料供給の調節は、ソレノイドを励磁する時間を変更することによって、あるいは固定された（一定）期間の間にソレノイドを励磁させるもののエンジン２０の各サイクル毎にソレノイドを励磁させる期間の数を変更することによって達成することができる。

ＥＣＵ１７０はまた、ソレノイドを作動させて衝撃を減少させあるいは回避させ、またはアーマチュアのストローク長を変化させる。ＥＣＵ１７０には、皿ばね４２のばね特性あるいはばね定数がプログラムされる。ＥＣＵ１７０はまた、コイル４０への電流供給を制御し、そこれによってアーマチュア４１に負荷される磁気的な「開放」力を制御するが、この誘起される磁気的な力は電流に直接的に関連している。ＥＣＵ１７０はまた、例えばエンジン回転速度、エンジン要求、気筒２１内の圧力、あるいはまたクランクシャフト位置といった他のデータを検出し、ばね力以外の供給噴射器９を閉鎖を促す力を算出できるようにする。これらのパラメータは、提案されたＥＣＵ１７０の複雑さを参照して選別することができる。いくつかの小さな力を無視しあるいは単純に推定する場合でも、いくつかの利点を達成することができる。

供給噴射器９は、ソレノイドコイル４０の励磁によって開放（開口）する。既知の電流によるこの励磁は、決定可能な磁気力あるいはソレノイド力（Ｂ）を作り出す。ＥＣＵ１７０にはばね定数がプログラムされているので、アーマチュア４１のストロークに沿った任意の位置においてばね４２によって負荷される閉鎖力Ｓを知ることができる。図３ａは、コイル４０の励磁によって増加した、ばね４２によって負荷される閉鎖力を上回るソレノイド力を示している。供給噴射器９は開放している。しかしながら、ばね４２によって負荷される閉鎖力は、コイル４０に０．７Ａの電流を流したときにソレノイド力が増加する割合よりも高い割合で増加している。これは、可変ばね定数のばね４２を用いたことによる効果である。

ポート３２を介して所望の状態で燃料を供給できる弁の開放に対応する、燃料噴射装置のために調整された０．１５ｍｍの変位において、力が釣り合う。アーマチュア４１とコア４５の肩部１００との衝突が発生しないため、衝突によって誘起する騒音は回避される。それに応じてＮＶＨも減少する。

図３ａはまた、３Ａにおける電流制御が閉鎖ばね力よりも常に大きいソレノイド力をどのように生じさせるかを示しているが、この場合、アーマチュア４１が物理的なストッパに衝突する有利ではない態様となる。図３ａおよび図３ｂの図面は、ソレノイド力およびばね力だけが示されている、説明的なものである。それでも、これらの図面からは、ばね特性および（図示するような）制御電流を適切に選択すると、ばね力とソレノイド力が釣り合ってハードランディングなしに開放するように制御できることを容易に認めることができる。

例えば図３ｂは、適切に電流を制御すると、ばね力とソレノイド力とが釣り合いって、フルストロークのときに、無視できる衝撃若しくは衝撃無しに柔らかな停止が達成されることを示している。

エンジン２０内において燃料噴射装置に作用する力は動的であり、エンジンの動作状態の変動に従って短時間で急激に変化する。供給噴射器９の閉鎖を促す他の重要かつ可変な力は、気筒内のガス圧（Ｃ）によって負荷されるものであるが、それはまたエンジン２０の既知の運転状態下におけるエンジンサイクルの所与の時点にＥＣＵ１７０によって算出することができる。ＥＣＵ１７０は、気筒内のガス圧によって負荷される閉鎖力を算出するときにそのようなエンジン２０の運転状態を考慮し、力ＣおよびＳの合計と釣り合うために必要な力Ｂを生じさせるために求められる電流を制御する。それから、電流を、例えば多かれ少なかれ一定な値に電流を保持することによって制御すると、力の釣り合いによって、物理的なストッパとの衝突無しにアーマチュア４１の開放位置が達成される。図４ａ、図６および図７は、開放動作および期間の間にあり得る電流の形態を示しているが、それらは必要な開放期間の間に電流が一定となる目標保持電流への急激な上向きの傾斜によって特徴付けられる。

上述した原理はまた、燃料流量の制御を達成するために用いることができる。燃料噴射装置は、アーマチュア４１の変位が弁ポート３２を介した既知の燃料流量に対応するように調整することができる。すなわち、弁要素３４を特定の位置まで開放させあるいは持ち上げることは既知の燃料流れ領域に対応し、したがって燃料流量と燃料流れ領域との間の関係を介して燃料流量に対応する。これにより、ＥＣＵ１７０は、ポート３２における燃料流れ領域を変化させるべく、弁要素３４のリフトまたはストローク長、したがって弁ポート３２を通過し得る燃料流れ、すなわち燃料流量を制御することができる。このようにして、燃料の量は、制御パラメータとしてのストローク長を用いることにより、供給噴射器９の弁ポート３２によって計量することができる。一点鎖線３２０は、弁ポート３２によって計量された燃料がたどる経路を示している。また、ばね力（Ｓ）は既知であり、かつ気筒２１内のガス圧によって負荷される力（Ｃ）もまたエンジン２０の所与の運転状態において既知である。そして、ＥＣＵ１７０は、コイル４０に供給する電流を制御し、燃焼室６０に供給されるべき所望の燃料流量に対応する位置あるいはリフト量に弁要素３４を開放させる力の釣り合いを可能とするソレノイド力（Ｂ）を達成させる。次いで、ＥＣＵ１７０は、供給噴射器９の開放期間またはパルス幅を制御して、必要な量の燃料が燃焼室６０に供給されるようにする。図４ｂは、コイル４０に供給される電流によって弁リフトがどのように変化するかを示している。電流が低いとソレノイド力が小さく、したがってリフトは小さい。図４ｂにおける電流とそれに対応するリフトとの比較がこのことを示している。

図５は、燃料圧力が変化するときに、供給噴射器９のパルス幅によって燃料流量がどのように変化するかを示している。所与の燃料圧力において供給可能な燃料流量が、弁リフトの増加によって増加することが判る。また、ある最小パルス幅より上においてグラフが線形になることが判る。したがって、パルス幅を約２ｍｓより大きくすることが制御戦略において有利である。

燃料流量の制御は、例えば空気先導戦略による燃料噴射装置の制御を可能とする。ＥＣＵ１７０には空気流量データが提供され、かつルックアップマップが様々なエンジン運転条件における所望の目標空燃比を提供する。空気流量が公知のときには、目標空燃比を達成するために燃料供給を設定することができる。ＥＣＵ１７０は、上述した方法で、燃料供給率および目標空燃比を達成するための供給噴射器９の開放期間を制御することができる。ラムダセンサを用いる場合、ＥＣＵ１７０は、空燃比に対する適切な制御を可能とするために必要な弁リフトを達成するべく、電流制御の戦略およびソレノイド力を応用することができる。

ＥＣＵ１７０は、エンジン２０の所与の運転状態において適切でありかつ燃焼の安定性およびドライバビリティに必要な量の燃料が供給されるように、噴射イベントをスケジュール化する。

燃料噴射器９を閉鎖するときには、ＥＣＵ１７０の制御下において電流を減少させ、その開放位置に向かうアーマチュア４１の移動を促す磁気的な力を減少させる。アーマチュア４１のストロークに沿った各位置におけるばね力が既知であるので、ＥＣＵ１７０は、ばね力および結果としての閉鎖力に対抗して、アーマチュア４１の制御された移動速度での弁の閉鎖を可能にする磁気的な力Ｂを、電流を制御することによって作り出すことができる。これは、弁を閉鎖するときにアーマチュア４１が「柔らかい停止」に至ることを可能にする。ＥＣＵ１７０は、この柔らかい停止を達成するために、様々な方法で電流を制御することができる。図６および図７は、閉鎖時におけるアーマチュア４１の速度を減少させるべく、制御された割合で電流が傾斜して低下する部分に組み込まれた、可能な電流制御の戦略を示している。図７によると、電流を急激に遮断するよりも電流を傾斜させて低下させた方が、弁の跳ね上がりが少ないことが判る。電流が０電流へとその全体にわたって傾斜を付けるのではなく、最初の傾斜の後にスイッチオフした場合であっても、弁の小さな跳ね上がりが生じる。電流を、理論的に、比較的遅い速度で減少させると、弁の跳ね上がりを回避することができる。

本発明の燃料噴射装置および方法に対する修正および変更は、この開示の熟練した読者にとって明らかである。そのような修正および変更は、本発明の範囲内にあるとみなされる。例えば、図８は、皿ばね４２がアーマチュアとして作用して部品および運動質量を減少させる燃料噴射器を示している。作動隙間３９もまた図示されており、かつ皿ばね４２の周縁は非磁性部分または絶縁体１４０上に当接している。ガス燃料以外の燃料もまた、本発明の範囲内の燃料噴射器に直ちに用いることができる。

本発明の一実施形態の燃料噴射装置を有した直接燃料噴射システムを備える内燃エンジンを模式的に示す要部横断面図。図１の直接燃料噴射システムに使用する燃料噴射器を模式的に示す横断面図。図２Ａに示した燃料噴射器の弁を詳細に示す図。図１および図２に示した燃料噴射装置における開放力および閉鎖力とアーマチュアの変位との関係を示す図。図１および図２に示した燃料噴射装置における開放力および閉鎖力とアーマチュアの変位との関係を示す図。図１および図２に示した燃料噴射装置が開放している間における電流と時間との関係を示す図。図１および図２に示した燃料噴射装置が開放している間における弁リフトまたはストロークを示す図。図１および図２に示した燃料噴射装置の燃料圧力および弁リフトあるいは弁ストロークを変化させたときの、燃料流量と開放時間との関係を示す図。図１および図２に示した燃料噴射装置が閉鎖している間における電流制御の戦略を示す、電流と時間との関係を示す図。図７ａ〜図７ｃは、図１および図２に示した燃料噴射装置に対するいくつかの他の電流供給方法を例示する、電流と時間との関係を示す図。皿ばねがアーマチュアとなっている、図２に示したものとは別の燃料噴射器を詳細に示す横断面図。

Claims

ソレノイドコイルと、
付勢手段によって閉鎖位置に付勢されている弁要素に連結されるとともに、前記ソレノイドコイルが電流によって選択的に励磁されかつ励磁が遮断されたときに燃料弁を開閉するように作動可能なアーマチュアと、
制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記ソレノイドコイルに通電して磁気力を生じさせることにより前記アーマチュアおよび前記弁要素を移動させて燃料を供給するための開放位置へと弁を開放させ、前記開放位置への到達が、弁の開放を促す力と弁の閉鎖を促す力との間の差が所定値にあると前記制御手段が算出したときになされることを特徴とする燃料噴射装置。
前記弁の開放位置への到達は、弁の開放を促す力と弁の閉鎖を促す力とが釣り合っていると前記制御手段が算出したときになされることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射装置。
前記弁の開放位置への到達は、物理的ストッパとの衝突なしになされることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料噴射装置。
前記弁が燃料噴射器の一部を形成しており、前記燃料噴射器を介して計量される燃料の量が前記燃料弁のストロークの制御によって制御されることを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
前記燃料がガス燃料であることを特徴とする請求項４に記載の燃料噴射装置。
前記燃料噴射器が直接燃料噴射器であり、前記燃料が内燃エンジンの燃焼室へと前記直接燃料噴射器を介して計量されることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料噴射装置。
前記内燃エンジンは、少なくともいくつかのエンジン運転状態において、火花点火内燃エンジンとして作動することを特徴とする請求項４から６のうちのいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
前記燃料弁は前記燃料噴射器の一部を形成し、使用の際に、前記燃料弁の開放位置が前記燃料噴射器の燃料流量の要求にしたがって変化することを特徴とする請求項１から７のうちのいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
弁の開放を促す力の大部分が弁の内側表面上に作用することを特徴とする請求項１から８のうちのいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
前記弁の閉鎖を促す力の大部分が前記弁の外側表面上に作用することを特徴とする請求項１から９のうちのいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
前記付勢手段は、一定のばね定数または剛さ特性を有したばねであることを特徴とする請求項１から１０のうちのいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
前記付勢手段は、可変ばね定数または剛さ特性を有したばねであり、前記弁が開放するにつれてその閉鎖力が増加するようになっていることを特徴とする請求項１から１０のうちのいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
前記ばね定数の値は、励磁されたソレノイドコイルが発生させる磁気力よりも高くなるように選択されることを特徴とする請求項１１または１２に記載の燃料噴射装置。
前記アーマチュアの軸方向のストロークが限定されていることを特徴とする請求項１から１３のうちのいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
前記軸方向のストロークは、制御されたアーマチュアの変位において前記弁要素に作用する他の力と釣り合うように、磁気力によって制御されることを特徴とする請求項１４に記載の燃料噴射装置。
力の釣り合いの制御が、弁の開放位置あるいはリフトを制御することを特徴とする請求項１５に記載の燃料噴射装置。
前記燃料噴射装置が、燃料流量に対する調整制御を提供するための流れ絞りを具備した、ソレノイドで作動する燃料供給噴射器を有していることを特徴とする請求項１から１６のうちのいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
前記付勢手段が磁性体から製造されることを特徴とする請求項１から１７のうちのいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
前記付勢手段がアーマチュアとして作用することを特徴とする請求項１８に記載の燃料噴射装置。
請求項１から１９のうちのいずれか一項に記載の燃料噴射装置を備えたエンジン。
前記エンジンが気体燃料を燃料とすることを特徴とする請求項１から１９のうちのいずれか一項に記載の燃料噴射装置を備えたエンジン。
燃料噴射装置を作動させる方法であって、
前記燃料噴射装置は、
ソレノイドコイルと、
付勢手段によって閉鎖位置に付勢されている弁要素に連結されるとともに、前記ソレノイドコイルが電流によって選択的に励磁されかつ励磁が遮断されたときに燃料弁を開閉するように作動可能なアーマチュアと、
制御手段と、を備え、
前記方法は、前記制御手段によって前記ソレノイドコイルを励磁させて磁気力を生じさせることにより前記アーマチュアおよび弁要素を移動させ、燃料を供給するための開放位置へと弁を開放させることを含み、
前記開放位置への到達が、弁の開放を促す力と弁の閉鎖を促す力との間の差が所定値にあると前記制御手段が算出したときになされることを特徴とする方法。
前記開放位置への到達は、弁の開放を促す力と弁の閉鎖を促す力とが釣り合っていると前記制御手段が算出したときになされることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
前記開放位置への到達は、物理的ストッパとの衝突なしになされることを特徴とする請求項２２または２３に記載の方法。
前記燃料弁は前記燃料噴射器の一部を形成し、前記燃料弁の開放位置が前記燃料噴射器の燃料流量の要求にしたがって変化することを特徴とする請求項２２から２４のうちのいずれか一項に記載の方法。
弁の開放を促す力と弁の閉鎖を促す力とが、ストローク長さおよび開放位置を制御するために励磁されるソレノイドコイルが発生させる磁気力の制御により、所望の位置において釣り合うことを特徴とする請求項２２から２５のうちのいずれか一項に記載の方法。
ストローク長に対する制御が、制御された燃料計量のためのパラメータとして用いられることを特徴とする請求項２２から２６のうちのいずれか一項に記載の方法。
前記燃料弁は前記燃料噴射器の一部を形成し、前記燃料噴射器を介して計量される燃料の量が前記燃料弁のストロークの制御によって制御されることを特徴とする請求項２２から２６のうちのいずれか一項に記載の方法。
前記燃料噴射器が直接燃料噴射器であり、前記燃料が内燃エンジンの燃焼室へと前記直接燃料噴射器を介して計量されることを特徴とする請求項２８に記載の方法。
閉鎖する時の弁要素の速度を減少させるためにソレノイド電流を制御可能に減少させることを特徴とする請求項２２から２９のうちのいずれか一項に記載の方法。
変化する減少レートまたは一定の減少レートでソレノイド電流を減少させることを特徴とする請求項３０に記載の方法。
単一の一定レートの傾斜による一定のレートで、若しくは一定レートの複数の傾斜を用いて、ソレノイド電流を減少させることを特徴とする請求項３０に記載の方法。
前記弁要素は、制御された速度で物理的ストッパに対して閉鎖されることを特徴とする請求項２２から３２のうちのいずれか一項に記載の方法。
前記燃料噴射装置が燃料供給噴射器であり、前記噴射器を介した燃料流量が空燃比に対する制御と共に制御されることを特徴とする請求項２２から３３のうちのいずれか一項に記載の方法。
空燃比は、エンジンに対する空気流量を決定するとともにエンジンに対する燃料供給を制御して目標空燃比を設定し、かつ弁の開放を促す力と弁の閉鎖を促す力との制御された釣り合いによって弁の開放位置と燃料流れ領域および燃料流量とを制御することにより制御されることを特徴とする請求項３４に記載の方法。
前記燃料がガス燃料であることを特徴とする請求項２２から３５のうちのいずれか一項に記載の方法。
エンジンのノイズ、振動およびハーシュネスを減少させる方法であって、
前記エンジンは、ソレノイドコイルと、前記ソレノイドコイルに選択的に通電しかつ通電を遮断することによって燃料弁を開閉するように操作可能で付勢手段によって閉鎖位置に付勢されている弁要素に連結されたアーマチュアと、前記アーマチュアおよび弁要素を移動させて開放位置へと弁を開放させるための磁気力を生じさせるソレノイドコイルの励磁を制御する制御手段と、を具備する燃料噴射装置を有した燃料噴射装置を備え、
前記開放位置への到達は、弁の開放を促す力と弁の閉鎖を促す力との間の差が所定値にあると前記制御手段が算出したときになされることを特徴とする方法。
前記開放位置への到達は、弁の開放を促す力と弁の閉鎖を促す力とが釣り合っていると前記制御手段が算出したときになされることを特徴とする請求項３７に記載の方法。
前記弁要素は、励磁されたソレノイドコイルに発生する磁気力の制御によって制御される速度で物理的ストッパに接触することを特徴とする請求項３８に記載の方法。
弁要素の開閉状態が、物理的ストッパに頼ることなしに電磁力の制御によって決定されることを特徴とする請求項３７または３８に記載の方法。