JP2010144535A

JP2010144535A - 内燃機関の燃料噴射装置

Info

Publication number: JP2010144535A
Application number: JP2008319890A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Shimizu; 信幸清水; Tomojiro Sugimoto; 知士郎杉本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-12-16
Filing date: 2008-12-16
Publication date: 2010-07-01

Abstract

【課題】燃料の最少噴射量を低減しつつ高燃圧時でも確実に燃料を噴射することができる内燃機関の燃料噴射装置を提供する。
【解決手段】同一の気筒２に開口する２つの吸気ポート３のうちの一方にセット荷重が高い高セット荷重燃料噴射弁５ａを、他方にセット荷重が低い低セット荷重燃料噴射弁５ｂをそれぞれ設け、デリバリパイプ６内の燃圧が低い場合に高セット荷重燃料噴射弁５ａのニードル弁１０が開弁し、かつ低セット荷重燃料噴射弁５ｂのニードル弁１０が閉弁するように各燃料噴射弁５を制御し、デリバリパイプ６内の燃圧が高い場合に、低セット荷重燃料噴射弁５ｂのニードル弁１０が開弁するように低セット荷重燃料噴射弁５ｂを制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の吸気ポートのそれぞれに燃料噴射弁を備えた内燃機関の燃料噴射装置に関する。

内燃機関の燃料噴射装置として、同一の気筒に開口する２つの吸気ポートのそれぞれに燃料噴射弁を設けたものが知られている（特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２〜４が存在する。

特開２００７−２９２０５８号公報特開昭６１−２４７８４１号公報特開昭６２−７５０６４号公報特開平７−１３３７５０号公報

吸気ポート毎に設ける燃料噴射弁として同一のものを用いた場合、燃料噴霧の微粒化を図るために燃料噴射弁に導かれる燃料の圧力を高い状態に設定すると、単位時間当たりの燃料噴射量が増加するので最小燃料噴射量の要求に対応できなくなることがある。そのため、最小燃料噴射量の要求を満足させるには、燃料の圧力を十分に高めることができない。

そこで、本発明は、燃料噴霧の微粒化と最小燃料噴射量の要求への対応とを両立することができる内燃機関の燃料噴射装置を提供することを目的とする。

本発明の燃料噴射装置は、同一の気筒に開口する２つの吸気ポートのそれぞれに設けられ、かつニードル弁がスプリングにて弁座に押し付けられた状態から開弁することにより燃料を噴射する２つの燃料噴射弁を備える内燃機関の燃料噴射装置において、前記２つの燃料噴射弁として、前記ニードル弁を前記弁座に押し付ける前記スプリングのセット荷重が高い第１の燃料噴射弁及び低い第２の燃料噴射弁が設けられ、前記第１及び第２の燃料噴射弁に導かれる燃料の圧力が低い場合に、前記第１の燃料噴射弁のニードル弁が開弁し、かつ前記第２の燃料噴射弁のニードル弁が閉弁するように前記第１及び第２の燃料噴射弁を制御し、前記第１及び第２の燃料噴射弁に導かれる燃料の圧力が高い場合に、前記第２の燃料噴射弁のニードル弁が開弁するように前記第２の燃料噴射弁を制御する制御手段を備えているものである（請求項１）。

通常、燃料噴射弁に導かれる燃料の圧力が一定である場合、ニードル弁を弁座に押し付けるスプリングのセット荷重が高いほど、ニードル弁が閉弁状態から全開状態まで移動する開弁動作期間が長くなる一方で、ニードル弁が全開状態から閉弁状態まで移動する閉弁動作期間が短くなる。本発明の燃料噴射装置によれば、第１の燃料噴射弁のセット荷重が高く、第２の燃料噴射弁のセット荷重が低いので、第１の燃料噴射弁の開弁動作期間が第２の燃料噴射弁のそれよりも長く、かつ第１の燃料噴射弁の閉弁動作期間が第２の燃料噴射弁のそれよりも短くなる。そのため、各燃料噴射弁のニードル弁が同じタイミングで開弁及び閉弁を行った場合、第１の燃料噴射弁から噴射される燃料量が第２の燃料噴射弁から噴射される燃料量よりも少なくなる。つまり、第１の燃料噴射弁の最小燃料噴射量が第２の燃料噴射弁の最小燃料噴射量よりも小さくなる。また、燃料噴射弁に導かれる燃料の圧力が低いほど、単位時間当たりに燃料噴射弁から噴射される燃料量が少なくなる。各燃料噴射弁に導かれる燃料の圧力が低い場合に、第１の燃料噴射弁のニードル弁が開弁し、第２の燃料噴射弁のニードル弁が閉弁するので、単位時間当たりの燃料噴射量が少ない状態で最小燃料噴射量の小さい第１の燃料噴射弁のみから燃料を噴射することができる。これにより、最小燃料噴射量の要求に対応することができる。また、各燃料噴射弁に導かれる燃料の圧力が高い場合に、第２の燃料噴射弁のニードル弁が開弁するように第２の燃料噴射弁を制御するので、燃料噴霧の微粒化を確実に行うことができる。よって、燃料噴霧の微粒化と最小燃料噴射量の要求への対応とを両立することができる。また、ニードル弁の閉弁時に、燃料噴射弁に導かれる燃料の圧力及びスプリングのセット荷重にてニードル弁が弁座に押し付けられているので、燃料噴射弁に導かれる燃料の圧力が高い場合にニードル弁が開弁できなくなることがある。しかし、本発明の燃料噴射弁によれば、燃料噴射弁に導かれる燃料の圧力が高い場合にセット荷重の低い第２の燃料噴射弁のニードル弁が開弁するので、第２の燃料噴射弁のニードル弁が燃圧及びセット荷重にて弁座に押し付けられて開弁できなくなることを防止できる。

本発明の一形態において、前記制御手段は、前記第１及び第２の燃料噴射弁に導かれる燃料の圧力が高い場合に、前記第２の燃料噴射弁に続いて前記第１の燃料噴射弁のニードル弁が開弁するように前記第１の燃料噴射弁を制御してもよい（請求項２）。この形態によれば、単位時間当たりの燃料噴射量が多い状態で第１及び第２の燃料噴射弁から燃料を噴射するので、第２の燃料噴射弁だけでは燃料噴射量の要求を満たせないときでも対応することができる。また、第１及び第２の燃料噴射弁に燃料を分配するデリバリパイプが設けられた内燃機関に本発明を適用した場合には、第２の燃料噴射弁から燃料を噴射すると、デリバリパイプ内の燃料の圧力が低下して第１の燃料噴射弁のニードル弁を弁座に押し付ける燃料の圧力が小さくなる。よって、第２の燃料噴射弁のニードル弁が開弁する前に、第１の燃料噴射弁のニードル弁が開弁できない程度の燃料の圧力が生じていた場合でも、第２の燃料噴射弁のニードル弁を先に開弁することで第１の燃料噴射弁に導かれる燃料の圧力が低下するので、第１の燃料噴射弁から燃料を噴射することができる。

本発明の一形態においては、前記第１及び第２の燃料噴射弁に導かれる燃料の圧力を変更する燃圧可変機構をさらに備え、前記制御手段は、内燃機関の負荷が高い場合に前記第１及び第２の燃料噴射弁に導かれる燃料の圧力が高い状態に、前記内燃機関の負荷が低い場合に前記第１及び第２の燃料噴射弁に導かれる燃料の圧力が低い状態になるように前記燃圧可変機構を制御してもよい（請求項３）。通常、燃料噴射弁に導かれる燃料の圧力は、内燃機関の回転数が高くなるほど高くなるように設定されている。また、燃料噴射弁の要求燃料噴射量は、内燃機関の負荷が高くなるほど多くなる。そのため、内燃機関が低回転数で高負荷状態の時（例えば、内燃機関の始動時）に、燃料噴射弁に導かれる燃料の圧力が低い状態になり燃料噴射量の要求を満たすことができない可能性がある。この形態では、内燃機関の負荷が高い場合に各燃料噴射弁に導かれる燃料の圧力が燃圧可変機構によって高い状態になるので、内燃機関が低回転数で高負荷状態の時でも燃料噴射量の要求を満たすことができる。一方、内燃機関の負荷が低い場合に各燃料噴射弁に導かれる燃料の圧力が燃圧可変機構によって低い状態になるので、内燃機関が高回転数で低負荷状態の時でも燃料噴射量の要求を満たすことができる。

以上に説明したように、本発明の燃料噴射装置によれば、第１の燃料噴射弁の最小燃料噴射量が第２の燃料噴射弁の最小燃料噴射量よりも小さくなる。また、単位時間当たりに燃料噴射弁から噴射される燃料量が少ない状態で最小燃料噴射量の小さい第１の燃料噴射弁のみから燃料を噴射するので、最小燃料噴射量の要求に対応することができる。また、各燃料噴射弁に導かれる燃料の圧力が高い場合に、第２の燃料噴射弁のニードル弁が開弁するように第２の燃料噴射弁を制御するので、燃料噴霧の微粒化を確実に行うことができる。

（第１の形態）
図１は本発明の第１の形態に係る燃料噴射装置が適用された内燃機関の要部を示した図である。内燃機関１は、複数（図１では１つのみ示す。）の気筒２と、各気筒２に２つずつ設けられて、気筒２に開口する吸気ポート３とを備えている。燃料噴射装置４は、各吸気ポート２に１つずつ設けられた燃料噴射弁５と、それら燃料噴射弁５の後端部に接続されて不図示の燃料タンクから導かれる燃料を燃料噴射弁５のそれぞれに分配するデリバリパイプ６と、デリバリパイプ６内の燃料の圧力（燃圧）を変更する燃圧可変機構としての燃料ポンプ７とを備えている。燃料ポンプ７は、電動ポンプで吐出量を変更できる。

燃料噴射弁５は、内部に弁室８が形成されたノズルボディ９と、弁室８に挿入されたニードル弁１０とを備えている。ノズルボディ９には、電流が流れることにより電磁力を発生する電磁コイル１１が設けられている。ニードル弁１０の先端には、テーパ状に先細りのテーパ部１２が形成され、弁室８にはそのテーパ部１２に対応して弁座１３が形成されている。ニードル弁１０の後端には、ニードル弁１０のテーパ部１２を弁座１３に押し付けるためのスプリング１４が設けられている。スプリング１４としては圧縮コイルばねが用いられる。各燃料噴射弁５のスプリング１４の弾性率は同一に設定されている。また、各燃料噴射弁５は、単位時間当たりに噴射される燃料の流量が同一に設定されている。

同一の気筒２に対して設けられた２つの燃料噴射弁５のうちの一方の燃料噴射弁（図１では、右側に位置する燃料噴射弁）５は、スプリング１４の一端が接した状態で弁室８に設けられてノズルボディ９に固定された調整部材１５を有している。これにより、バネレートが同じであるが、調整部材１５を有する燃料噴射弁５は調整部材１５を有さない燃料噴射弁５よりも縮んだ状態でスプリング１４が取り付けられている。よって、調整部材１５を有する燃料噴射弁５のニードル弁１０のテーパ部１２を弁座１３に押し付けるスプリング１４のセット荷重が、調整部材１５を有しない燃料噴射弁５のセット荷重よりも高くなる。以下、セット荷重が高い側の燃料噴射弁５を高セット荷重燃料噴射弁５ａと、セット荷重が低い側の燃料噴射弁５を低セット荷重燃料噴射弁５ｂと呼ぶことがある。

次に、燃料噴射弁５のニードル弁１０の動作について説明する。電磁コイル１１に電流が流れていない場合、スプリング１４の弾性力及び燃圧にてニードル弁１０のテーパ部１２が弁座１３に押し付けられてニードル弁１０が閉弁している。一方、電磁コイル１１に電流が流れると、ニードル弁１０のテーパ部１２が弁座１３から離れる方向の電磁力がニードル弁１０に作用して、その電磁力が弾性力及び燃圧の合力に打ち勝つことによりニードル弁１０が開弁する。そして、弾性力及び燃圧の合力と電磁力とが釣り合う位置でニードル弁１０が全開となる。

図２は、スプリング１４のセット荷重と開弁可能燃圧との関係及びセット荷重と最小燃料噴射量との関係を示したグラフである。グラフ中のＡは高セット荷重燃料噴射弁５ａのスプリング１４のセット荷重を、Ｂは低セット荷重燃料噴射弁５ｂのスプリング１４のセット荷重をそれぞれ示し、直線Ｃは開弁可能燃圧の変化を、直線Ｄは最小燃料噴射量の変化をそれぞれ示している。このグラフからも分かるように、セット荷重が大きくなるほどニードル弁１０のテーパ部１２を弁座１３に押し付ける力が大きくなるので、高セット荷重燃料噴射弁５ａの開弁可能燃圧が低セット荷重燃料噴射弁５ｂの開弁可能燃圧よりも小さくなる。また、デリバリパイプ６内の燃圧が一定である場合、燃料噴射弁５のスプリング１４のセット荷重が高いほど、ニードル弁１０が閉弁状態から全開状態まで移動する開弁動作期間が長くなり、ニードル弁１０が全開状態から閉弁状態まで移動する閉弁動作期間が短くなる。よって、高セット荷重燃料噴射弁５ａのセット荷重が高く、低セット荷重燃料噴射弁５ｂのセット荷重が低いので、高セット荷重燃料噴射弁５ａの開弁動作期間が低セット荷重燃料噴射弁５ｂのそれよりも長く、かつ高セット荷重燃料噴射弁５ａの閉弁動作期間が低セット荷重燃料噴射弁５ｂのそれよりも短くなる。そのため、各燃料噴射弁５のニードル弁１０が同じタイミングで開弁及び閉弁を行った場合、高セット荷重燃料噴射弁５ａから噴射される燃料量が低セット荷重燃料噴射弁５ｂから噴射される燃料量よりも少なくなる。つまり、高セット荷重燃料噴射弁５ａの最小燃料噴射量が低セット荷重燃料噴射弁５ｂの最小燃料噴射量よりも小さくなる。

図１に示すように、燃料噴射弁５のニードル弁１０及び燃料ポンプ７の動作は、制御手段としてのエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１６により制御される。ＥＣＵ１６はマイクロプロセッサ及びその動作に必要なＲＯＭ、ＲＡＭ等の周辺装置を備えたコンピュータとして構成される。本発明に関連するセンサとしては、吸入空気量に応じた信号を出力するエアフローメータが１７利用される。

図３は本発明のＥＣＵ１６が実行する制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは内燃機関１の運転中に所定の周期で繰り返し実行される。まず、ステップＳ１において、ＥＣＵ１６はエアフローメータ１７の出力信号を参照して吸入空気量を取得する。

ステップＳ２では、内燃機関１が高負荷状態であるか否かを判断する。この判断にはステップＳ１で取得した吸入空気量が利用され、その吸入空気量が所定値を超えるか否かにより高負荷状態であるか否かを判断する。所定値は、内燃機関１の始動時からファーストアイドリング時までの期間やＷＯＴ（ＷｉｄｅＯｐｅｎＴｈｒｏｔｔｌｅ）時には高負荷状態に、ホットアイドリング時には低負荷状態になるように設定されている。高負荷状態である場合はステップＳ３に進み、否定判断である場合はステップＳ５に進む。

ステップＳ３では、高燃圧制御を行う。高燃圧制御では、デリバリパイプ６内の燃圧が高い状態になるように燃料ポンプ７を制御する。

ステップＳ４では、低セット荷重噴射制御を行う。低セット荷重噴射制御では、低セット荷重燃料噴射弁５ｂの電磁コイル１１に電流が流れ、高セット荷重燃料噴射弁５ａの電磁コイル１１に電流が流れないように、各燃料噴射弁５を制御する。これにより、スプリング１４の弾性力及び燃圧にてニードル弁１０のテーパ部１２が弁座に１３押し付けられて開弁できなくなることを防止して確実に燃料を噴射することができる。また、デリバリパイプ６内の燃圧が高い状態で燃料を噴射しているので、燃料噴霧を微粒化させることができる。ステップＳ４の処理後、ＥＣＵ１６は今回のルーチンを終了する。

ステップＳ５では、低燃圧制御を行う。低燃圧制御では、デリバリパイプ６内の燃圧が低い状態になるように燃料ポンプ７を制御する。これにより、単位時間当たりに燃料噴射弁５から噴射される燃料量が少なくなる。

ステップＳ６では、高セット荷重噴射制御を行う。高セット荷重噴射制御では、高セット荷重燃料噴射弁５ａの電磁コイル１１に電流が流れ、低セット荷重燃料噴射弁５ｂの電磁コイル１１に電流が流れないように、各燃料噴射弁５を制御する。これにより、単位時間当たりに燃料噴射弁５から噴射される燃料量が少ない状態で最小燃料噴射量の小さい高セット荷重燃料噴射弁５ａのみから燃料を噴射することができる。これにより、最小燃料噴射量の要求に対応することができる。ステップＳ６の処理後、ＥＣＵ１６は今回のルーチンを終了する。

通常、デリバリパイプ内の燃圧は、内燃機関の回転数が高くなるほど高くなるように設定されている。また、各燃料噴射弁の要求燃料噴射量は、内燃機関の負荷が高くなるほど多くなる。そのため、内燃機関が低回転数で高負荷状態の時に、デリバリパイプ内の燃圧が低い状態になり燃料噴射量の要求を満たすことができない可能性がある。本形態では、内燃機関１が高負荷状態の場合にデリバリパイプ６内の燃圧が高い状態になるので、内燃機関１が低回転数で高負荷状態の時でも燃料噴射量の要求を満たすことができる。一方、内燃機関１の負荷が低い場合にデリバリパイプ６内の燃圧が低い状態になるので、内燃機関１が高回転数で低負荷状態の時でも、燃料噴射量の要求を満たすことができる。

（第２の形態）
本形態は、上述した第１の形態に係る制御ルーチンの一部を変更したものである。そのため、第１の形態と重複する説明を省略する。図４は本発明の第２の形態に係る制御ルーチンの一例を示したフローチャートである。なお、図４は図３に対応しており、上述した図３と共通する部分には同一の参照符号を付している。本形態の制御ルーチンでは、ステップＳ４の処理後ステップＳ１０において、ＥＣＵ１６は連続噴射制御を行う。連続噴射制御では、低セット荷重燃料噴射弁５ｂに続いて高セット荷重燃料噴射弁５ａの電磁コイル１１に電流が流れるように高セット荷重燃料噴射弁５ａを制御する。ステップＳ１０の処理後、ＥＣＵ１６は今回のルーチンを終了する。この制御により、単位時間当たりの燃料噴射量が多い状態で高セット荷重燃料噴射弁５ａ及び低セット荷重燃料噴射弁５ｂから燃料を噴射することができるので、低セット荷重燃料噴射弁５ｂだけでは要求燃料噴射量を満たせないときでも対応することができる。

図５は、連続噴射制御を行った時の各燃料噴射弁５のニードル弁１０の開弁状態とデリバリパイプ６内の燃圧変化との関係を示す図である。この図からもわかるように、本形態では、低セット荷重燃料噴射弁５ｂが開弁することでデリバリパイプ６内の燃圧が低下するので、高セット荷重燃料噴射弁５ａのニードル弁１０のテーパ部１２を弁座１３に押し付ける燃圧が小さくなる。これにより、低セット荷重燃料噴射弁５ｂが開弁する前に、高セット荷重燃料噴射弁５ａのニードル弁１０が開弁できない程度の燃圧がデリバリパイプ６内に生じていた場合でも、低セット荷重燃料噴射弁５ｂを先に開弁することでデリバリパイプ６内の燃圧が低下するので、高セット荷重燃料噴射弁５ａから燃料を噴射することができる。

本発明は、上記の実施形態に限定されず、種々の形態で実施することができる。本発明の燃料噴射装置は、調整部材を省略した上で、同一の気筒に開口する２つの吸気ポートのうちの一方の吸気ポートに弾性率の高いスプリングを有する燃料噴射弁を、他方の吸気ポートに弾性率の低いスプリングを有する燃料噴射弁を設けてもよい。この場合、各スプリングは同程度に圧縮された状態で配置される。これにより、弾性率の高いスプリングを有する燃料噴射弁のセット荷重が弾性率の低いスプリングを有する燃料噴射弁のセット荷重よりも大きくすることができる。

本発明の第１の形態に係る燃料噴射装置が適用された内燃機関の要部を示す図。スプリングのセット荷重に対する開弁可能燃圧及び最小燃料噴射量の関係を示したグラフ。本発明の第１の形態に係る制御ルーチンの一例を示すフローチャート。本発明の第２の形態に係る制御ルーチンの一例を示すフローチャート。連続噴射制御を行った時の各燃料噴射弁のニードル弁の開弁状態とデリバリパイプ内の燃圧変化との関係を示す図。

符号の説明

１内燃機関
２気筒
３吸気ポート
４燃料噴射装置
５燃料噴射弁
５ａ高セット荷重燃料噴射弁（第１の燃料噴射弁）
５ｂ低セット荷重燃料噴射弁（第２の燃料噴射弁）
７燃料ポンプ（燃圧可変機構）
１０ニードル弁
１２テーパ部
１３弁座
１４スプリング
１５調整部材
１６エンジンコントロールユニット（制御手段）

Claims

同一の気筒に開口する２つの吸気ポートのそれぞれに設けられ、かつニードル弁がスプリングにて弁座に押し付けられた状態から開弁することにより燃料を噴射する２つの燃料噴射弁を備える内燃機関の燃料噴射装置において、
前記２つの燃料噴射弁として、前記ニードル弁を前記弁座に押し付ける前記スプリングのセット荷重が高い第１の燃料噴射弁及び低い第２の燃料噴射弁が設けられ、
前記第１及び第２の燃料噴射弁に導かれる燃料の圧力が低い場合に、前記第１の燃料噴射弁のニードル弁が開弁し、かつ前記第２の燃料噴射弁のニードル弁が閉弁するように前記第１及び第２の燃料噴射弁を制御し、前記第１及び第２の燃料噴射弁に導かれる燃料の圧力が高い場合に、前記第２の燃料噴射弁のニードル弁が開弁するように前記第２の燃料噴射弁を制御する制御手段を備えていることを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
前記制御手段は、前記第１及び第２の燃料噴射弁に導かれる燃料の圧力が高い場合に、前記第２の燃料噴射弁に続いて前記第１の燃料噴射弁のニードル弁が開弁するように前記第１の燃料噴射弁を制御する請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
前記第１及び第２の燃料噴射弁に導かれる燃料の圧力を変更する燃圧可変機構をさらに備え、前記制御手段は、内燃機関の負荷が高い場合に前記第１及び第２の燃料噴射弁に導かれる燃料の圧力が高い状態に、前記内燃機関の負荷が低い場合に前記第１及び第２の燃料噴射弁に導かれる燃料の圧力が低い状態になるように前記燃圧可変機構を制御する請求項１又は２に記載の内燃機関の燃料噴射装置。