JP2010048181A - 燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料の微粒化と、エンジンの運転状態に応じて貫徹力の異なる燃料噴射を行うことができる燃料噴射装置を提供することを目的とする。
【解決手段】燃料噴射装置１は、エンジン１００の筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁２と、この燃料噴射弁２に高圧燃料を供給するコモンレール３を備える。コモンレール３は、コモンレール圧Ｐ_ＣＲを測定するコモンレール圧センサ３ａを備えている。各燃料噴射弁２には、リターン燃料が流通するリターン経路を形成するリターンパイプ６が接続されて、リターンパイプ６には、圧力センサ７が装着されている。リターンパイプ６の圧力センサ７の下流側には、調圧弁８、チェック弁９がこの順で装着されている。調圧弁８は、その開度が調節されることにより、リターンパイプ６内の圧力の調整を行い、燃料噴射弁２の背圧を調節する。燃料噴射弁２の背圧を調節し、貫徹力の調節を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料噴射装置に関する。

一般に、スモークの排出抑制には、高圧燃料噴射による燃料の微粒化が有効であると考えられている。
しかし、ボア径の小さいエンジンなどでは、高圧で燃料を噴射することによってボア壁面に燃料が付着することがある。ボア壁面へ燃料が付着したときに、エンジンの運転状態が軽負荷状態であると、ボア壁面の近傍の温度は低く、燃焼反応が緩慢となる。この結果、ボア壁面に付着した燃料は、中間生成物である未燃炭化水素や一酸化炭素の形で外部へ排出されるおそれがある。また、ボア壁面に付着した燃料がオイル希釈を起こすことも懸念される。

このように、燃料噴射に求められる貫徹力の強度は、エンジンの運転状態によって異なる。すなわち、エンジンの運転状態が高負荷状態であるときは高貫徹力の燃料噴射が望まれ、エンジンの運転状態が軽負荷状態であるときは低貫徹力の燃料噴射が望まれる。

特許文献１には、このようなエンジンの運転状態に応じた貫徹力の実現を目的とした燃料噴射ノズルが開示されている。また、特許文献２には、ニードルのリフト量を変えることによって気体燃料の流速を変え、高貫徹力噴射と低貫徹力噴射とを実現しようとする技術が開示されている。特許文献２開示の技術は、ニードルのリフト量によってサック室への流入燃料量と流出燃料量のバランスを調整し、サック室圧力を可変とすることで、筒内へ噴射する高圧気体燃料の流速レンジを切換えることができるとしている。

特開２００６−８３７６４号公報 特開２００７−５１５８９号公報

しかしながら、特許文献１に開示された技術は、高貫徹力の燃料噴射形態を得るための第１噴孔流路と低貫徹力の燃料噴射形態を得るための第２噴孔流路とを備えた複雑な内部構造を有する特殊な燃料噴射ノズルを準備しなければならない。
また、特許文献２に開示された技術は、気体燃料を噴射する燃料噴射装置に関するものであり、この技術をそのまま液体燃料の噴射に応用しようとすると、燃料の微粒化という要請に応えられない場合が想定される。

そこで、本発明は、燃料噴射弁に対する適用範囲が広く、燃料の微粒化と、エンジンの運転状態に応じて貫徹力の異なる燃料噴射を行うことができる燃料噴射装置を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するために、本明細書開示の燃料噴射装置は、筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、当該燃料噴射弁に高圧燃料を供給するコモンレールと、前記燃料噴射弁からのリターン燃料が流通するリターン経路と、当該リターン経路内の圧力を検知する圧力検知手段と、前記リターン経路に設置された調圧弁と、エンジンの運転状態に応じて前記調圧弁の開度調節を行い、前記燃料噴射弁の背圧を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。

燃料噴射弁の背圧を調節することによって、燃料噴射弁が内部に備えるニードルのリフト速度、リフト量を調節することができる。これにより、燃料噴射の貫徹力を調節することができる。一方、コモンレールから燃料噴射弁に供給される燃料の圧力は高圧状態を維持することができる。これにより、燃料噴射弁から噴射される燃料の微粒化を促進することができる。すなわち、本明細書開示の燃料噴射装置によれば、コモンレールから供給される燃料の圧力を高圧状態に維持しつつ、燃料噴射弁の背圧を調節することによってニードルのリフト速度、リフト量を制御し、燃料噴射の貫徹力を調節することができる。このように、燃料噴射弁の背圧を調節することによって貫徹力を調節するので、特別な構造を有する燃料噴射弁を準備する必要がなく、燃料噴射弁に対する適用範囲が広い。

本明細書開示の燃料噴射装置によれば、燃料の微粒化と、エンジンの運転状態に応じて貫徹力の異なる燃料噴射を行うことができる。

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。

図１は、実施例の燃料噴射装置１が組み込まれたエンジン１００の概略構成を示す説明図である。エンジン１００は、４気筒ディーゼルエンジンである。

燃料噴射装置１は、エンジン１００の筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁２と、この燃料噴射弁２に高圧燃料を供給するコモンレール３を備えている。コモンレール３には燃料サプライポンプ４が接続されており、燃料タンク５内の燃料が供給される。コモンレール３は、コモンレール圧Ｐ_ＣＲを測定するコモンレール圧センサ３ａを備えている。各燃料噴射弁２には、燃料噴射弁２に燃料噴射の信号を送るＥＤＵ（Electronic driver unit）１１を介して、制御手段に相当するＥＣＵ（Electronic control unit）１０に電気的に接続されている。ＥＣＵ１０は、燃料噴射制御に必要となる種々の情報、例えば、エンジン回転数ＮＥに関する情報、エンジン負荷ＴＱに関する情報を取得する。これらの情報により、エンジン１００の運転状態が判断されることになる。

各燃料噴射弁２には、リターン燃料が流通するリターン経路を形成するリターンパイプ６が接続されている。このリターンパイプ６の他端は、燃料タンク５に接続されている。リターンパイプ６には、圧力センサ７が装着されている。圧力センサ７は、圧力検知手段の一例であり、リターン経路内の圧力を検知する。圧力センサ７は、ＥＣＵ１０に電気的に接続されている。

リターンパイプ６の圧力センサ７の下流側には、調圧弁８、チェック弁９がこの順で装着されている。調圧弁８は、その開度が調節されることにより、リターンパイプ６内の圧力の調整を行う。これにより、燃料噴射弁２の背圧を調節することができる。調圧弁８は、ＥＣＵ１０と電気的に接続されており、ＥＣＵ１０の開閉指令に基づいて開閉動作を行う。調圧弁８は、圧力センサ７から取得される情報と、エンジン状態に応じて開度調節される。

リターンパイプ６に装着されたチェック弁９は、自らの上流側の圧力が所定値Ｐ１を越えたときに開弁するように設定されている。この所定値Ｐ１は、調圧弁８による調圧可能範囲の最低圧力よりも低い圧力に設定されている。これにより、調圧弁８を用いた背圧調整が可能ととなると共に、圧力センサ７のセンサ不良時や、調圧弁８の故障時に燃料噴射弁２を作動させることができる最低限の背圧を確保することができる。例えば、ＥＣＵ１０が圧力センサ７の故障を検知したときに、調圧弁８を全開とする制御を行う。これにより、チェック弁９による背圧の確保が可能となる。

エンジン１００の各筒内には、筒内圧力センサ１２が装着されている。筒内圧力センサ１２は、ＥＣＵ１０と電気的に接続されている。なお、筒内圧力センサ１２は、４つの気筒のうち、いずれかの気筒に装着した構成とすることもできる。

次に、以上のような燃料噴射装置１における噴射制御について説明する。噴射制御は、ＥＣＵ１０によって行われる。図２は、ＥＣＵ１０が行う燃料噴射の制御の一例を示すフロー図である。まず、ＥＣＵ１０が行う制御の方針について説明する。

図３は、燃料噴射弁２が備えるニードルリフト速度と燃料の噴射率と関係を示したグラフである。例えば、ニードルリフト速度がａであり、燃料の噴射率がｃであるときに、ニードルリフト速度をｂへ低下させる。すると、燃料の噴射率は、ｄに低下する。
このグラフから明らかなように、ニードルリフト速度を低下させることにより、燃料の噴射率を低下させることができる。ここで、燃料の噴射率は、燃料噴射の貫徹力と相関関係を有している。すなわち、燃料の噴射率が高くなると貫徹力が強くなり、燃料の噴射率が低くなると貫徹力が弱くなる。従って、ニードルリフト速度を制御することにより、燃料噴射の貫徹力を制御することができる。

ニードルリフト速度は、燃料噴射弁２の背圧、すなわち、リターン経路の圧力を制御することによって制御することができる。燃料噴射弁２の背圧を高くすればニードルリフト速度は遅くなり、この結果、燃料噴射の貫徹力は弱まる。一方、燃料噴射弁２の背圧を低くすればニードルリフト速度は速くなり、この結果、燃料噴射の貫徹力は強まる。燃料噴射弁２の背圧は、調圧弁８の開度調節を行うことにより、実現することができる。

ＥＣＵ１０は、以上の方針に基づいて、具体的な燃料噴射の制御行う。
まず、ステップＳ１において、ＥＣＵ１０は、エンジン１００の運転状態を把握すべく、エンジン回転数ＮＥ、エンジン負荷ＴＱを取得する。また、このステップＳ１に引き続き、ステップＳ２において、コモンレール圧力Ｐ_ＣＲを取得する。このコモンレール圧力Ｐ_ＣＲは、レール圧センサ３ａによる測定値として取得される。また、このタイミングで、燃料噴射弁２へ指令する通電期間τを算出しておく。但し、この時点で算出された通電期間τは、暫定的なものであり、その後、補正されることがある。

ステップＳ２の処理に引き続き行われるステップＳ３では、要求ニードルリフト速度Ｖ０_ＯＰＥＮを算出する。要求ニードルリフト速度Ｖ０_ＯＰＥＮは、ステップＳ１で取得したエンジン回転数ＮＥ、エンジン負荷ＴＱとをパラメータに有するマップを参照することによって取得する。図４は、要求ニードルリフト速度Ｖ０_ＯＰＥＮを算出するためのマップの一例を示すものである。
要求ニードルリフト速度Ｖ０_ＯＰＥＮは、エンジン回転数ＮＥが低く、エンジン負荷ＴＱが低いほど速い。エンジン回転数ＮＥが高く、エンジン負荷ＴＱが高いほど遅い。すなわち、エンジン回転数ＮＥが低く、エンジン負荷ＴＱが低いほど、ニードルリフト速度を遅くし、燃料噴射の貫徹力を弱める方向に作用させ、エンジン回転数が高く、エンジン負荷ＴＱが高いほど、ニードルリフト速度を速くし、燃料噴射の貫徹力を強める方向に作用させる趣旨である。

次に、ＥＣＵ１０は、ステップＳ４において、筒内圧力Ｐ_ｃｌを取得する。筒内圧力Ｐ_ｃｌは筒内圧力センサ１２により測定された値が用いられる。なお、本実施例の燃料噴射装置１は、筒内圧力センサ１２を備えているため、その測定値を利用した形態となっているが、筒内の体積変化や、過給圧（インマニ圧力）を考慮した計算式から筒内圧力を算出し、その算出した値を採用するようにしてもよい。

ここで、筒内圧力Ｐ_ｃｌがニードルリフト速度に与える影響につき、図５に示したグラフを参照しつつ説明する。図５は、横軸に筒内圧力Ｐ_ｃｌをとり、縦軸にニードルリフト速度を取ったグラフである。ニードルリフト速度は、筒内圧力Ｐ_ｃｌの上昇に従って速くなる。これは、以下の理由による。筒内圧力Ｐ_ｃｌは、先端部を筒内に露出させてエンジン１００に装着される燃料噴射弁２が備えるニードルの先端部に作用する。ニードルの先端に作用する圧力はニードルを上昇させる方向に作用する。従って、筒内圧力Ｐ_ｃｌが大きくなると、ニードルリフト速度は上昇する。

このように筒内圧力Ｐ_ｃｌは、ニードルリフト速度に影響を及ぼす。そこで、ＥＣＵ１０は、この筒内圧力Ｐ_ｃｌの影響を加味した制御を行う。具体的には、筒内圧力Ｐ_ｃｌが高く、筒内圧力Ｐ_ｃｌがニードルリフト速度を速くする側に作用するときほど、ステップＳ３で取得した要求ニードルリフト速度Ｖ０_ＯＰＥＮよりも遅いニードルリフト速度Ｖ_ＯＰＥＮを設定する。このように、ニードルリフト速度Ｖ_ＯＰＥＮは、要求ニードルリフト速度Ｖ０_ＯＰＥＮに対して筒内圧力Ｐ_ｃｌを加味し、補正された値である。

ステップＳ５では、このようにして設定されるニードルリフト速度Ｖ_ＯＰＥＮから必要背圧Ｐ_ＢＰを算出する。必要背圧Ｐ_ＢＰは、図６にその一例を示すマップによって求める。図６に示すマップは、横軸がコモンレール圧Ｐ_ＣＲであり、縦軸がニードルリフト速度Ｖ_ＯＰＥＮとなっている。同一のニードルリフト速度Ｖ_ＯＰＥＮが要求されている場合、コモンレール圧Ｐ_ＣＲが高いほど必要背圧Ｐ_ＢＰは高くなる。これを別の角度から説明すると、同一のコモンレール圧Ｐ_ＣＲである場合は、ニードルリフト速度Ｖ_ＯＰＥＮの値が大きいほど、必要背圧Ｐ_ＢＰは低くなる。必要背圧Ｐ_ＢＰはこのようなマップを参照して決定される。

ステップＳ５において、必要背圧Ｐ_ＢＰが算出された後は、ステップＳ６へ進み、調圧弁８の開度θ_ＴＨを決定する。開度θ_ＴＨは、ステップＳ５で算出した必要背圧Ｐ_ＢＰと、圧力センサ７によって取得されたリターン経路内の圧力、すなわち、実測された背圧とを比較することによって決定される。このとき、リターン燃料の流量を加味することで、より正確な制御を行うことができる。

ＥＣＵ１０は、ステップＳ６の処理の後、ステップＳ７の処理を行う。ステップ７では、燃料噴射弁２への通電期間τを補正する通電期間補正量Δτを算出する。調圧弁８の開度調節を行い、ニードルリフト速度を変更した場合、所望の燃料噴射量を確保するためには、燃料噴射弁２の通電期間τを補正する必要がある。ニードルリフト速度が変更されると、これに伴って燃料の噴射率が変化する。これの噴射率の変化を加味して、所望の噴射量を確保することができる通電期間τとする趣旨である。具体的には、ニードルリフト速度Ｖ_ＯＰＥＮが遅いときは、通電期間を長期化させる。

ＥＣＵ１０は、ステップ７において通電期間補正量Δτを算出した後、ステップＳ８に進み、燃料噴射指令、及び、調圧弁解度調節指令を行う。燃料噴射指令は、ステップＳ２で取得した通電期間τにステップＳ７で算出した通電期間補正量Δτを加味した期間の噴射指令を出すことによって行われる。また、調圧弁開度調節指令は、ステップＳ６で算出した開度θ_ＴＨを調圧弁８に対して指示することのよって行われる。なお、調圧弁解度調節指令は、背圧の応答時間、応答遅れを考慮して、噴射指令に先立って行っておくこともできる。

以上のステップを経ることにより、燃料噴射装置１は、燃料噴射の所望の貫徹力を実現することができる。エンジン負荷ＴＱが低いときに、低貫徹力の燃料噴射とすることもでき、これにより、燃料のボア壁への付着を抑制することができる。その一方で、燃料噴射装置１は、所望の貫徹力を得るためにコモンレール圧Ｐ_ＣＲ自体は制御していない。すなわち、所望の貫徹力を得るためにコモンレール圧Ｐ_ＣＲを低下させることがなく、高いコモンレール圧力Ｐ_ＣＲを維持することができる。この結果、燃料の微粒化を促進し、又は、維持することができる。

なお、燃料噴射弁２は、従来、公知の種々の燃料噴射弁を用いることができる。すなわち、燃料噴射装置１は、燃料噴射弁２１の背圧を制御することによって貫徹力の調節を行う。このため、燃料噴射弁自体は、ニードルの昇降動作に背圧を利用する形式のものであればどのようなものであってもよい。

このような燃料噴射装置１は、上述のような貫徹力の実現のみならず、ガス欠後等、燃料噴射弁２内にエアが混入したときに、早期に燃料噴射弁２の機能を復帰させることができる。この点につき、図７を参照しつつ説明する。

図７は、燃料噴射弁２の内部構成の一部を模式的に示した説明図である。燃料噴射弁２は、ノズルボディ２１内に、アクチュエータ２２によって駆動される大径ピストン２３を備え、この大径ピストン２３よりも先端側に小径ピストン２４を有している。そして、大径ピストン２３と小径ピストン２４との間に油密室２５が形成されている。小径ピストン２４には、油密室２５に充填される燃料を介して大径ピストン２３の動きが伝達される。図示しないニードルは、小径ピストン２４の動きに応じてノズルボディ２１内で上下動し、燃料の噴射行う。油密室２５は、リターンパイプ６に通じており、背圧が作用する。

このように、油密室２５に充填される燃料は、燃料の噴射に重要な役割を有するが、この油密室２５にエアが混入すると、大径ピストン２３の動きの小径ピストン２４へ伝達が妨げられる。すなわち、大径ピストン２３が移動しても油密室２５内のエアを圧縮するだけで、小径ピストン２４を適切に駆動することができなくなる。

そこで、燃料噴射装置１は、エア混入を検したときに調圧弁８の開度調節を行って背圧を高める制御を行う。背圧を高めることによって油密室２５内の圧力を高め、これにより多くの燃料を油密室２５内に導入し、エア混入状態からの早期復帰を補助することができる。

なお、ＥＣＵ１０は、エア混入を検知したときに背圧を高める制御を行うが、エア混入の検知は、例えば、以下のように行うことができる。
例えば、コモンレール圧センサ３ａによって把握されるコモンレール圧の変化に基づいてエア混入を判断する構成とすることができる。すなわち、コモンレール圧センサ３ａとＥＣＵ１０との組み合わせが、エア混入検値手段となる。

ＥＣＵ１０が燃料噴射弁２に噴射指令を発し、これによって燃料が噴射されると、コモンレール圧は低下する。従って、ＥＣＵ１０が噴射指令を発しているにもかかわらず、コモンレール圧の低下が観察されない時は、エア混入が起こっており、これに起因して噴射不良が発生しているものとしている。

このように、燃料噴射装置１は、エア混入状態からの早期復帰が可能である。

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、更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。

図１は、実施例の燃料噴射装置が組み込まれたエンジンの概略構成を示す説明図である。 図２は、ＥＣＵが行う燃料噴射の制御の一例を示すフロー図である。 図３は、燃料噴射弁が備えるニードルのリフト速度と燃料の噴射率と関係を示したグラフである。 図４は、要求ニードルリフト速度Ｖ０_ＯＰＥＮを算出するためのマップの一例を示す図である。 図５は、筒内圧力とニードルリフト速度との関係を示すグラフである。 図６は、必要背圧Ｐ_ＢＰを算出するマップの一例を示す図である。 図７は、燃料噴射弁２の内部構成の一部を模式的に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
３…コモンレール
３ａ…コモンレール圧センサ
４…燃料サプライポンプ
５…燃料タンク
６…リターンパイプ
７…圧力センサ
８…調圧弁
９…チェック弁
１０…ＥＣＵ
１１…ＥＤＵ

Claims (3)

1. 筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   当該燃料噴射弁に高圧燃料を供給するコモンレールと、
   前記燃料噴射弁からのリターン燃料が流通するリターン経路と、
   当該リターン経路内の圧力を検知する圧力検知手段と、
   前記リターン経路に設置された調圧弁と、
   エンジンの運転状態に応じて前記調圧弁の開度調節を行い、前記燃料噴射弁の背圧を制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする燃料噴射装置。
2. 前記制御手段は、筒内圧力に基づいて、前記調圧弁の開度調節の補正を行うことを特徴とした請求項１記載の燃料噴射装置。
3. 燃料経路中のエア混入検知手段を備え、
   前記制御手段は、当該エア混入検知手段の検知結果に基づいて前記調圧弁の開度調節を行うことを特徴とした請求項１又は２記載の燃料噴射装置。

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