JP2012241663A - 燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アフター噴射における燃料の燃焼を促進し、スモークを低減し、ディーゼルエンジンの性能を高める燃料噴射装置を提供する。
【解決手段】インジェクタ４０から噴射される燃料は、アフター噴射の噴射初期における燃料噴射率の変化がメイン噴射よりも大きく設定されている。これにより、インジェクタ４０の噴孔から噴射される燃料の流速は増大するので、燃料の微粒化が促進されるとともに、燃料の貫徹力が高められる。そのため、噴射された燃料は、噴孔の近傍にとどまらず、噴孔からより離れた位置まで到達する。これにより、噴射された燃料の噴霧は、空気との混合が促進され、希薄化が促される。その結果、着火遅れが短いアフター噴射であっても、燃料は、速やか、かつ均一な燃焼が図られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料噴射制御装置に関する。

ディーゼルエンジンでは、排気中に含まれる窒素酸化物を低減しつつ、排出されるＰＭ（Particulate Matter）を低減するため、燃料を複数回に分けて噴射する多段噴射が採用されている。この場合、燃料は、パイロット噴射、メイン噴射およびアフター噴射の順に分けて噴射される。さらに、パイロット噴射、メイン噴射およびアフター噴射は、それぞれ複数回に分けて実行される場合もある。

ところで、このように燃料を複数回に分けて噴射する場合、燃料の噴射量は精密に制御する必要がある。そこで、特許文献１は、ピエゾアクチュエータを用いるインジェクタにおいて、ピエゾアクチュエータの作動時間に対する噴射量の感度を低下させている。これにより、引用文献１では、ピエゾアクチュエータによって駆動されるニードルの速度を低下、またはニードルのリフト量を小さくしている。その結果、引用文献１では、インジェクタから噴射される燃料の貫徹力を低減しつつ噴霧の角度を拡大し、着火性の向上および燃焼性の向上を図っている。

しかしながら、引用文献１の場合、噴射量が精密に制御された燃料は、貫徹力が小さいため、インジェクタの噴孔の近傍に滞留して燃料する。そのため、メイン噴射における燃料の燃焼によって高温高圧となった環境下でアフター噴射を実行すると、アフター噴射による燃料は着火遅れが短くなる。その結果、引用文献１の場合、アフター噴射の燃料は、インジェクタの噴孔の近傍で燃焼し、高温高圧下の燃焼によってスモークの発生を招くおそれがある。特に、メイン噴射とアフター噴射との間隔が小さくなると、燃焼室内の気流による燃焼ガスの拡散が期待できず、発生するスモークが増大する。したがって、噴射量の精密な制御のためにニードルの速度を低下させると、スモークの増大を招き、結果としてディーゼルエンジンの性能が低下するという問題がある。

特開２０００−８８８３号公報

そこで、本発明の目的は、アフター噴射における燃料の燃焼を促進し、スモークを低減し、ディーゼルエンジンの性能を高める燃料噴射制御装置を提供することにある。

請求項１記載の発明では、アフター噴射の噴射初期における燃料噴射率の変化がメイン噴射よりも大きく設定されている。すなわち、アフター噴射における燃料噴射率の立ち上がりは、メイン噴射よりも大きくなる。ここで、燃料噴射率とは、単位時間当たりの燃料噴射量である。
燃料を噴射するインジェクタは、例えばノズルに形成されたシートにニードルが着座またはシートからニードルが離座することにより、燃料流れ方向においてシートの下流側に設けられた噴孔からの燃料の噴射を断続する。そのため、インジェクタから噴射される燃料は、噴孔に至る前に、ニードルとシートとの間に形成される微少な通路を通過する。このニードルとシートとの間に形成される隙間は、燃料噴射率の変化が大きい、すなわち立ち上がりが大きくなるほど拡大する。また、ニードルとシートとの間に形成される隙間が大きくなるほど、噴孔を通過する燃料の流速は増大し、噴孔から噴射される燃料の微粒化が促進されるとともに、燃料の貫徹力は増大する。

そこで、請求項１記載の発明では、アフター噴射における燃料噴射率の変化をメイン噴射よりも大きくすることにより、噴孔から噴射される燃料の流速を増大させ、噴孔から噴射される燃料の微粒化を促進しつつ、燃料の貫徹力を高めている。そのため、噴射された燃料は、噴孔の近傍にとどまらず、噴孔からより離れた位置まで到達する。これにより、噴射された燃料の噴霧は、空気との混合が促進され、希薄化が促される。その結果、着火遅れが短いアフター噴射であっても、燃料は、速やか、かつ均一な燃焼が図られる。したがって、スモークの発生を低減することができ、ディーゼルエンジンの性能を高めることができる。

請求項２記載の発明では、インジェクタ制御手段は、アフター噴射のとき、シートから離座するニードルの移動速度をメイン噴射に比較して大きくしている。そのため、ニードルとシートとの間に形成される隙間はニードルの移動開始から迅速に拡大し、噴孔を通過する燃料の流速は増大する。その結果、燃料の微粒化および希薄化が促進される。したがって、燃料の均一な燃焼が図られ、スモークの発生を低減することができる。

ところで、アフター噴射は、設定した燃料噴射量のうち大部分を噴射するメイン噴射の後に実行される。そのため、例えばコモンレールなどに貯えられた燃料や、燃料ポンプから供給される燃料は、メイン噴射にともなって圧力の変化が大きくなっている。これにより、インジェクタからの燃料の噴射量も変化しやすく、メイン噴射に続くアフター噴射における燃料の噴射量にばらつきが生じやすい。そこで、請求項３記載の発明では、インジェクタは流入する燃料の圧力を検出する圧力センサを有しており、噴射期間補正手段は圧力センサで検出した燃料の圧力に基づいて噴孔からの燃料の噴射期間を補正する。そして、インジェクタ制御手段は、この噴射期間補正手段によって補正された燃料の噴射期間に基づいてニードルを駆動する。これにより、メイン噴射に続くことにより圧力の変化が大きなアフター噴射であっても、インジェクタからの燃料の噴射量は、供給される燃料の圧力に基づいて制御される。したがって、アフター噴射であっても燃料の噴射量を調整することができ、ディーゼルエンジンの性能を高めることができる。

一実施形態による燃料噴射制御装置を適用したディーゼルエンジンシステムを示す模式図 ディーゼルエンジンシステムのインジェクタの概略構成を示す断面図 図２に示すインジェクタの要部を示す断面図であって、ニードルがノズルに着座している状態を示す図 図２に示すインジェクタの要部を示す断面図であって、ニードルがノズルから離座している状態を示す図 一実施形態による燃料噴射制御装置を示すブロック図 一実施形態による燃料噴射制御装置において、クランクシャフトの角度と燃料噴射率との関係を示す模式図 一実施形態による燃料噴射制御装置において、ニードルの速度と燃料噴射の開始から燃料噴射率の変化との関係を示す模式図 一実施形態による燃料噴射制御装置において、ニードル速度と噴霧の粒径との関係を示す模式図 ニードル速度と噴霧長の時間変化との関係を示す模式図 一実施形態による燃料噴射制御装置の処理の流れを示す概略図

以下、一実施形態による燃料噴射制御装置を適用したディーゼルエンジンシステムを図面に基づいて説明する。
図１に示すディーゼルエンジンシステム１０の構成について説明する。ディーゼルエンジンシステム１０は、機関本体１１、吸気部１２、排気部１３、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）部１４、燃料噴射部１５および燃料噴射制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）１６を備えている。機関本体１１は、シリンダブロック１７、シリンダヘッド１８およびピストン１９などを有している。シリンダブロック１７は、内側に複数のシリンダ２１を形成している。シリンダヘッド１８は、シリンダブロック１７の上端に設けられている。ピストン１９は、シリンダブロック１７が形成するシリンダ２１の内側を軸方向へ往復移動する。このピストン１９のシリンダヘッド１８側の端面と、シリンダ２１の内壁と、シリンダヘッド１８のピストン１９側の端面とに囲まれた空間は、燃焼室２２となる。ピストン１９は、図示しないクランクシャフトに接続している。ピストン１９がシリンダ２１の軸方向すなわち図１の上下方向へ移動することにより、クランクシャフトは回転する。ピストン１９がシリンダ２１において図１の最も上方まで移動したとき、すなわち燃焼室２２の体積が最小となるとき、クランクシャフトの回転角度は上死点にある。一方、ピストン１９がシリンダ２１において図１の最も下方まで移動したとき、すなわち燃焼室２２の体積が最大となるとき、クランクシャフトの回転角度は下死点にある。

吸気部１２は、吸気管部材２３および図示しない吸気バルブを有している。吸気管部材２３は、吸気通路２４を形成している。吸気通路２４の一方の端部からは、図示しないエアクリーナを経由して大気が導入される。吸気通路２４の他方の端部は、燃焼室２２に接続している。図示しない吸気バルブは、吸気通路２４と燃焼室２２との間を開閉する。また、吸気通路２４の途中には、吸気の流量を調整するスロットルバルブ２５が設けられている。排気部１３は、排気管部材２６および図示しない排気バルブを有している。排気管部材２６は、排気通路２７を形成している。排気通路２７の一方の端部は、図示しない排気浄化装置および消音装置を経由して大気に開放されている。排気通路２７の他方の端部は、燃焼室２２に接続している。これにより、燃焼室２２の排気は、排気通路２７を経由して大気中へ排出される。図示しない排気バルブは、燃焼室２２と排気通路２７との間を開閉する。

機関本体１１は、４サイクルのディーゼルエンジンである。機関本体１１は、吸気バルブが開き、かつ排気バルブが閉じた状態でピストン１９が上死点から下死点へ下降するとき、燃焼室２２へ吸気を導入する吸気行程となる。そして、機関本体１１は、吸気バルブおよび排気バルブがいずれも閉じた状態でピストン１９が下死点および上死点へ上昇するとき、燃焼室２２に吸入された吸気を圧縮する圧縮行程となる。この圧縮行程の後半で燃焼室２２では燃料の燃焼が生じ、燃焼室２２の圧力が上昇する。そのため、ピストン１９は、再び上死点から下死点側へ下降する。このとき、機関本体１１は、吸気バルブおよび排気バルブがいずれも閉じた状態でピストン１９が上死点から下死点へ下降する。したがって、機関本体１１は、燃焼室２２の体積が増加する燃焼行程となる。燃焼行程によって下死点まで下降したピストン１９は、再び上死点側へ上昇する。このとき、機関本体１１は、吸気バルブが閉じ、かつ排気バルブが開いた状態でピストン１９が移動する。これにより、機関本体１１は、燃焼室２２の燃焼ガスを排気通路２７へ排出する排気行程となる。なお、吸気バルブおよび排気バルブが開閉する時期すなわちバルブタイミングは、機関本体１１の運転状態に応じて上記した時期から進角側または遅角側へずらされたり、吸気バルブの開閉と排気バルブの開閉とがオーバーラップする場合がある。

ＥＧＲ部１４は、排気通路２７を流れる排気の一部を吸気通路２４へ戻す排気再循環を実施する。ＥＧＲ部１４は、ＥＧＲ管部２８およびＥＧＲ弁２９を有している。ＥＧＲ管部２８は、ＥＧＲ通路３１を形成している。ＥＧＲ通路３１は、一方の端部が排気通路２７に接続し、他方の端部が吸気通路２４に接続している。ＥＧＲ弁２９は、ＥＧＲ通路３１を開閉し、排気通路２７から吸気通路２４へ戻される排気の流量を制御する。

燃料噴射部１５は、コモンレール３２、インジェクタ４０および図示しないサプライポンプを有している。図示しないサプライポンプは、図示しない燃料タンクに貯えられている燃料を所定の圧力まで加圧する。サプライポンプで加圧された燃料は、コモンレール３２に圧力を維持した状態で貯えられる。コモンレール３２に貯えられている高圧の燃料は、インジェクタ４０から機関本体１１の燃焼室２２へ噴射される。

インジェクタ４０は、周知の構成であり、図２に示すように主にボディ４１、ニードル４２、駆動部４３および駆動力伝達部４４を有している。ボディ４１は、第一ボディ４５、第二ボディ４６、第三ボディ４７およびノズル４８から構成され、内側にニードル４２、駆動部４３および駆動力伝達部４４を収容している。ノズル４８は、筒状に形成され、内側にニードル４２を軸方向へ移動可能に収容するとともに、先端に燃料を噴射する噴孔４９を有している。第一ボディ４５、第二ボディ４６、第三ボディ４７およびノズル４８は、リテーニングナット５１によって一体に接続されている。

ニードル４２と、駆動力伝達部４４のニードルストッパ５２およびバランスピストン５３とは、ボディ４１の内側を軸方向へ一体に移動可能である。すなわち、ニードル４２は駆動部４３側において筒状のノズル４８と摺動し、ニードルストッパ５２およびバランスピストン５３は筒状の第三ボディ４７と摺動する。ボディ４１を貫く高圧通路５４は、コモンレール３２から高圧の燃料が供給される。この高圧通路５４は、コモンレール３２とは反対側の端部がノズル４８の先端、およびバランスピストン５３の駆動部４３側の高圧室５５に接続している。ボディ４１は、ピエゾピストン５６のニードル４２側の端部に加圧室５７を形成し、ニードルストッパ５２のニードル４２側の端部に下部室５８を形成している。この加圧室５７と下部室５８とは、加圧通路５９を経由して接続している。また、ボディ４１は、ピエゾピストン５６の駆動部４３側に低圧室６１を形成し、ニードルストッパ５２の駆動部４３側に上部室６２を形成している。この上部室６２と低圧室６１とは、低圧通路６３を経由して接続している。ボディ４１の低圧室６１には、駆動部４３のピエゾアクチュエータ６４が収容されている。上部室６２は、弾性部材としてのスプリング６５を収容している。このスプリング６５は、ニードルストッパ５２をニードル４２方向へ押し付ける。ピエゾピストン５６は、内側に加圧室５７と低圧室６１とを接続する接続通路６６を有するとともに、この接続通路６６に加圧室５７から低圧室６１への燃料の流れを遮断する逆止弁６７を有している。加圧室５７には弾性部材としての皿ばね６８が収容されており、この皿ばね６８はピエゾピストン５６を常にピエゾアクチュエータ６４側へ押し付けている。

ニードル４２は、図３に示すように先端の近傍に円環状のシール部７１を有している。また、ノズル４８は、内周面に円環状のシート部７２を有している。噴孔４９は、燃料の流れ方向においてこのシート部７２の下流側でノズル４８を貫いてノズル４８の内周壁と外壁との間を接続している。ニードル４２の外壁とノズルの内壁とは、図４に示すように高圧通路５４に接続する燃料通路７３を形成する。シート部７２にシール部７１が着座すると、燃料通路７３が閉じられる。そのため、高圧通路５４と噴孔４９との間における燃料の流れが遮断され、燃料は噴孔４９から噴射されない。一方、シート部７２からシール部７１が離座すると、燃料通路７３が開かれる。そのため、高圧通路５４と噴孔４９との間は、燃料通路７３を経由して接続され、燃料は噴孔４９から噴射される。

さらに、インジェクタ４０は、図２に示すように圧力センサ７４を有している。圧力センサ７４は、高圧通路５４のコモンレール３２側の端部近傍に設けられており、コモンレール３２から高圧通路５４へ供給される燃料の圧力を検出する。圧力センサ７４は、検出した燃料の圧力を電気信号としてＥＣＵ１６へ出力する。

ＥＣＵ１６からピエゾアクチュエータ６４に駆動エネルギーが印加されると、ピエゾアクチュエータ６４は軸方向へ伸張する。そのため、ピエゾアクチュエータ６４に接しているピエゾピストン５６は、ピエゾアクチュエータ６４に押されてニードル４２側へ移動し、加圧室５７の体積を縮小する。逆止弁６７が加圧室５７から低圧室６１側への燃料の流れを遮断しているため、加圧室５７の圧力、および加圧通路５９を経由して加圧室５７に接続する下部室５８の圧力は上昇する。下部室５８の圧力が上昇すると、高圧室５５から燃料の圧力を受けるバランスピストン５３と下部室５８から燃料の圧力を受けるニードルストッパ５２との力のバランスは変化する。すなわち、下部室５８からニードルストッパ５２に加わる力は、高圧室５５からバランスピストン５３が受ける力とスプリング６５の押し付け力との和よりも大きくなる。これにより、ニードル４２を下方すなわちシール部７１がシート部７２に着座する方向へ押し付ける力は減少し、ニードル４２は上方すなわち駆動部４３側へ上昇する。その結果、シール部７１はシート部７２から離座し、燃料は噴孔４９から噴射される。

一方、ピエゾアクチュエータ６４の駆動エネルギーを回収すると、ピエゾアクチュエータ６４は軸方向へ縮小する。そのため、ピエゾアクチュエータ６４に接しているピエゾピストン５６は、皿ばね６８の押し付け力によってピエゾアクチュエータ６４とともに駆動部４３側へ移動する。これにより、加圧室５７の体積が増加し、加圧室５７および下部室５８の圧力は低下する。下部室５８の圧力が低下すると、下部室５８からニードルストッパ５２へ加わる力は、高圧室５５からバランスピストン５３が受ける力とスプリング６５の押し付け力との和よりも小さくなる。その結果、ニードル４２を下方すなわちシール部７１がシート部７２へ着座する方向へ押し付ける力が増大し、ニードル４２は下方すなわち駆動部４３と反対側へ移動する。その結果、シール部７１はシート部７２に着座し、噴孔４９からの燃料の噴射は停止される。
このように、ＥＣＵ１６からの指示に基づくピエゾアクチュエータ６４への駆動エネルギーの印加または駆動エネルギーの回収によって、ニードル４２は軸方向へ往復移動する。これにより、噴孔４９からの燃料の噴射および停止が制御される。

ＥＣＵ１６は、図５に示すようにＣＰＵ８１、ＲＯＭ８２およびＲＡＭ８３からなるマイクロコンピュータ８４で構成されている。ＥＣＵ１６は、ＲＯＭ８２に記憶されているコンピュータプログラムを実行することにより、回転角度取得部８５、運転状態取得部８６、噴射量設定部８７、インジェクタ制御部８８および噴射期間補正部８９として機能する。すなわち、回転角度取得部８５、運転状態取得部８６、噴射量設定部８７、インジェクタ制御部８８および噴射期間補正部８９は、ＥＣＵ１６でコンピュータプログラムを実行することによりソフトウェア的に実現されている。なお、これら回転角度取得部８５、運転状態取得部８６、噴射量設定部８７、インジェクタ制御部８８および噴射期間補正部８９は、ハードウェア的に実現してもよい。

ＥＣＵ１６は、上述の圧力センサ７４に加えて、図１および図５に示すようにアクセル開度センサ９１、吸入空気量センサ９２、クランク角センサ９３、圧力センサ９４、吸気温度センサ９５、水温センサ９６および吸気圧力センサ９７などの各種のセンサに接続している。アクセル開度センサ９１は、図示しないアクセルペダルの踏み込み量を検出し、検出した踏み込み量を電気信号としてＥＣＵ１６へ出力する。吸入空気量センサ９２は、吸気通路２４を流れる空気の流量を検出し、検出した空気の流量を電気信号としてＥＣＵ１６へ出力する。クランク角センサ９３は、図示しないクランクシャフトの回転角度を検出し、検出した回転角度を電気信号としてＥＣＵ１６へ出力する。圧力センサ９４は、コモンレール３２に貯えられている燃料の圧力を検出し、検出した燃料の圧力を電気信号としてＥＣＵ１６へ出力する。吸気温度センサ９５は、吸気通路２４を流れる吸気の温度を検出し、検出した吸気の温度を電気信号としてＥＣＵ１６へ出力する。水温センサ９６は、機関本体１１の冷却水の温度を検出し、検出した冷却水の温度を電気信号としてＥＣＵ１６へ出力する。吸気圧力センサ９７は、吸気通路２４を流れる空気の圧力を検出し、検出した空気の圧力を電気信号としてＥＣＵ１６へ出力する。圧力センサ７４は、上述のようにコモンレール３２からインジェクタ４０へ供給される燃料の圧力を検出し、検出した燃料の圧力を電気信号としてＥＣＵ１６へ出力する。

ＥＣＵ１６が実現する回転角度取得部８５は、クランク角センサ９３から出力された電気信号に基づいて、機関本体１１のクランクシャフトの回転角度を取得する。運転状態取得部８６は、回転角度取得部８５で取得したクランクシャフトの回転角度、およびアクセル開度センサ９１から出力された電気信号に基づいて、機関本体１１の負荷や回転数などの機関本体１１の運転状態を取得する。噴射量設定部８７は、運転状態取得部８６で取得した機関本体１１の運転状態に基づいてインジェクタ４０からの燃料の噴射量を基礎噴射量として設定する。これとともに、噴射量設定部８７は、設定した基礎噴射量を、吸入空気量センサ９２、吸気温度センサ９５、水温センサ９６および吸気圧力センサ９７などの各種センサから出力された吸入される空気量、吸気の温度、冷却水の温度および吸気の圧力などに基づいて補正し、最終的な決定噴射量Ｑｄを設定する。噴射期間補正部８９は、圧力センサ７４で検出したインジェクタ４０へ流入する燃料の圧力に基づいて、燃料の噴射期間を補正する。噴射期間補正部８９は、例えば圧力センサ７４で検出した燃料の圧力が予め設定した下限圧力より小さいとき、インジェクタ４０からの燃料噴射期間を延長する。この場合、噴射期間補正部８９は、ピエゾアクチュエータ６４に対する駆動エネルギーの印加期間を延長する。一方、噴射期間補正部８９は、例えば圧力センサ７４で検出した燃料の圧力が予め設定した上限圧力より大きいとき、インジェクタ４０からの燃料噴射期間を短縮する。この場合、噴射期間補正部８９は、ピエゾアクチュエータ６４に対する駆動エネルギーの印加期間を短縮する。

インジェクタ制御部８８は、回転角度取得部８５で取得したクランクシャフトの回転角度、および噴射量設定部８７で設定し噴射期間補正部８９で補正した燃料の噴射量に基づいて、インジェクタ４０からの燃料噴射の断続を制御する。すなわち、インジェクタ制御部８８は、インジェクタ４０へ出力する駆動エネルギーを制御することにより、噴孔４９からの燃料の噴射を制御する。また、ＥＣＵ１６は、圧力センサ９４で検出したコモンレール３２における燃料の圧力、運転状態取得部８６で取得した機関本体１１の運転状態、および噴射量設定部８７で設定した決定噴射量に基づいて、コモンレール３２の圧力をフィードバック制御する。すなわち、ＥＣＵ１６は、図示しないサプライポンプから吐出される燃料の流量を制御することにより、コモンレール３２における燃料の圧力を目標とする圧力に制御する。

次に、インジェクタ制御部８８について詳細に説明する。
インジェクタ制御部８８は、上述のようにインジェクタ４０のピエゾアクチュエータ６４に出力する駆動エネルギーを制御することにより、インジェクタ４０からの燃料噴射を制御する。具体的には、インジェクタ制御部８８は、インジェクタ４０からの燃料の噴射を、クランクシャフトの回転角度にあわせて所定の時期に実行する。本実施形態の場合、インジェクタ制御部８８は、燃焼室２２における一回の燃焼行程のために、図６に示すようにパイロット噴射１０１、メイン噴射１０２およびアフター噴射１０３の少なくとも三回の燃料噴射を実行する。すなわち、インジェクタ制御部８８は、噴射量設定部８７で設定された燃料の決定噴射量Ｑｄに基づいて、パイロット噴射１０１時にパイロット噴射量Ｑｐ、メイン噴射１０２時にメイン噴射量Ｑｍ、およびアフター噴射１０３時にアフター噴射量Ｑａを噴射する。つまり、決定噴射量Ｑｄは、Ｑｄ＝Ｑｐ＋Ｑｍ＋Ｑａとなる。なお、インジェクタ制御部８８は、パイロット噴射１０１に先立つ予備噴射を実行する構成としてもよい。このように、インジェクタ制御部８８は、これらパイロット噴射１０１、メイン噴射１０２およびアフター噴射１０３の時期以外にもインジェクタ４０から燃料を噴射する構成としてもよい。また、パイロット噴射１０１、メイン噴射１０２およびアフター噴射１０３などの燃料の噴射は、各燃料噴射時期に各噴射量に相当する燃料を一段的に噴射する構成としてもよく、燃料を複数回に分けて多段的に噴射する構成としてもよい。

メイン噴射１０２では、噴射量設定部８７で設定した決定噴射量Ｑｄのうち大部分が噴射される。つまり、Ｑｍ＞Ｑｐ、Ｑｍ＞Ｑａである。また、メイン噴射１０２は、機関本体１１のクランクシャフトの回転角度が圧縮行程の末期から燃焼行程の初期、すなわち圧縮行程においてピストンが上死点から下死点へ下降する際に実行される。このメイン噴射１０２を実行する時期は、機関本体１１の負荷状態などによって進角側または遅角側へ変動する。パイロット噴射１０１は、このメイン噴射１０２に先立って実行される。すなわち、パイロット噴射１０１は、クランクシャフトの回転角度がメイン噴射１０２時よりも進角側にあるとき実行される。一方、アフター噴射１０３は、メイン噴射１０２に後続して実行される。すなわち、アフター噴射１０３は、クランクシャフトの回転角度がメイン噴射１０２時よりも遅角側にあるとき実行される。本実施形態の場合、アフター噴射１０３におけるアフター噴射量Ｑａは、パイロット噴射１０１におけるパイロット噴射量Ｑｐよりも大きく設定している。

パイロット噴射１０１は、続くメイン噴射１０２における燃料の着火を促進する火種となる核を形成することを目的とする。そのため、パイロット噴射１０１は、メイン噴射１０２の直前に実行される。一方、アフター噴射１０３は、メイン噴射１０２の際に生じたＰＭや一酸化炭素（ＣＯ）を再燃焼させることを目的とする。上述の通りメイン噴射１０２は、噴射量設定部８７で設定した決定噴射量Ｑｄのうち大部分が噴射される。そのため、メイン噴射１０２時において燃料の燃焼が不十分になると、排気にはＰＭやＣＯなどの物質が含まれる。特に、機関本体１１の負荷が大きな高負荷のとき、燃料の噴射量、すなわちメイン噴射１０２におけるメイン噴射量Ｑｍは増大する。そこで、メイン噴射１０２に後続してアフター噴射１０３を実行することにより、燃焼室２２における未燃焼物質の燃焼が促進され、メイン噴射１０２において生成したＰＭやＣＯは再燃焼する。その結果、アフター噴射１０３を実行することにより、排気に含まれるＰＭおよびＣＯは低減される。

ところで、このアフター噴射１０３を実行するとき、既にメイン噴射１０２による燃料は燃焼している。これにより、燃焼室２２は、高温および高圧となっている。ここにアフター噴射１０３で燃料を噴射すると、噴射された燃料は高温および高圧の燃焼室２２において噴射してすぐに、すなわち噴孔４９の近傍で着火しやすい。つまり、アフター噴射１０３において噴射された燃料は、着火遅れが極めて小さくなる傾向にある。そのため、アフター噴射１０３における噴射率をメイン噴射１０２と同等に設定すると、噴孔４９から噴射された燃料は、燃焼室２２において高温の燃焼ガスに晒され、却ってＰＭの生成を招くおそれがある。また、アフター噴射１０３時において燃料の噴射率を大きくするためにコモンレール３２における燃料の圧力を高めると、メイン噴射１０２においても燃料の噴射率が大きくなる。その結果、メイン噴射１０２において燃料の急激な燃焼を招き、機関本体１１から発生する騒音が増大する原因となる。

そこで、本実施形態の場合、インジェクタ制御部８８は、図７に示すようにアフター噴射１０３での噴射初期における燃料噴射率の変化すなわち増加割合を、メイン噴射１０２よりも大きく設定している。ここで、噴射初期とは、インジェクタ４０から燃料の噴射が開始されてから噴射率が最大となるまでの時期を意味する。また、燃料噴射率とは、単位時間当たりの燃料噴射量である。インジェクタ４０から燃料の噴射を実行するとき、燃料噴射率は、図７に示すように噴射開始から増加し、最大値に到達した後、減少する。本実施形態の場合、このようにアフター噴射１０３の噴射初期における燃料噴射率の勾配、すなわち燃料噴射率の増加割合は、メイン噴射１０２に比較して大きい。つまり、アフター噴射１０３の噴射初期における燃料噴射率の立ち上がりは、メイン噴射１０２よりも大きい。

噴射初期における燃料噴射率の勾配を大きくする場合、インジェクタ４０のニードル４２の駆動速度は速くする必要がある。すなわち、インジェクタ制御部８８は、ピエゾアクチュエータ６４へ供給する駆動エネルギーを大きくし、ピエゾアクチュエータ６４の伸張速度を大きくする。ニードル４２の駆動速度が大きくなると、図７に示すように時間当たりの燃料噴射率の変化、すなわち燃料噴射率の勾配は大きくなる。

そして、ニードル４２の駆動速度を大きくすると、図８に示すように噴孔４９から噴射される燃料が形成する噴霧の粒径は小さくなる。すなわち、ニードル４２の駆動速度を大きくすると、燃料の微粒化は促進される。また、ニードル４２の駆動速度を大きくすると、図９に示すように噴霧の噴霧長すなわち噴孔４９から噴射された噴霧が到達する距離である貫徹力は大きくなる。これは、ニードル４２の駆動速度が大きくなると、ニードル４２とノズル４８との間の燃料通路７３を燃料が通過しやすくなるためである。すなわち、高圧通路５４に供給された燃料は、ニードル４２の上昇にともなってニードル４２とノズル４８との間の隙間、すなわち燃料通路７３を経由して噴孔４９へ流入する。そのため、高圧通路５４から噴孔４９へ流入する燃料は、燃料通路７３で流路が絞られた後、噴孔４９へ流入する。ここで、ニードル４２の駆動速度が大きくなると、燃料通路７３の断面積は、迅速に拡大し、噴孔４９の断面積よりも大きくなる。その結果、噴孔４９へ流入する燃料の流速は、燃料の噴射開始から早期に大きくなる。これにより、噴孔４９から噴射される燃料噴霧は、微粒化が促進されるともに、速度および噴霧長つまり貫徹力が増大する。

アフター噴射１０３のようにメイン噴射１０２に比較して少量の燃料を噴射する場合、噴射された燃料は運動量が小さく噴孔４９の近傍にとどまりやすい。そのため、噴孔４９の近傍にとどまっている燃料は、高温の燃焼ガスに晒され、ＰＭを生成する原因となる。そこで、本実施形態のように噴孔４９から噴射される燃料の速度および貫徹力が増大すると、噴孔４９から噴射された燃料は、噴孔４９の近傍にとどまることなく噴孔４９から遠い位置まで到達する。これにより、本実施形態の場合、アフター噴射１０３によって噴孔４９から噴射された燃料は、噴孔４９の近傍にとどまることなく、燃焼室２２内に分散する。これと同時に、本実施形態では噴孔４９から噴射された燃料の微粒化が促進されるため、アフター噴射１０３によって噴孔４９から噴射された燃料は、燃焼室２２における空気との混合も促進される。そのため、アフター噴射１０３によって噴射された燃料は、燃焼室２２の広い領域で燃焼する。その結果、メイン噴射１０２で生成したＰＭやＣＯなどは、アフター噴射１０３によって供給され燃料によって再燃焼される。

ここで、ニードル４２の駆動速度を大きくすると、上述の通りインジェクタ４０から噴射される燃料の噴霧長つまり貫徹力は大きくなる。しかし、最終的な燃料噴霧の全長、すなわち燃料噴霧の到達距離は、ニードル４２の駆動速度の影響をほとんど受けない。また、アフター噴射１０３時における燃焼室２２の圧力は、メイン噴射１０２における燃料の燃焼によって大きくなっている。そのため、噴孔４９から噴射された燃料は、ピストン１９の端面やシリンダ２１を形成するシリンダブロック１７の壁面まで到達しにくい。

ところで、コモンレール３２における燃料の圧力は、インジェクタ４０からの燃料の噴射によって変化する。すなわち、コモンレール３２における燃料の圧力は、インジェクタ４０から燃料が噴射されると低下し、サプライポンプからの燃料の供給によって上昇する。ここで、上述の通り燃料は、パイロット噴射１０１、メイン噴射１０２およびアフター噴射１０３の順で実行される。パイロット噴射１０１では比較的少量の燃料が噴射されるため、コモンレール３２における燃料の圧力の変化が小さい。これに対し、メイン噴射１０２では設定された決定噴射量Ｑｄの大部分が噴射されるため、コモンレール３２における燃料の圧力の変化が大きくなる。つまり、メイン噴射１０２に引き続いて実行されるアフター噴射１０３では、メイン噴射１０２時に比較してコモンレール３２における燃料の圧力が大きく低下している。

本実施形態の場合、噴射期間補正部８９は、インジェクタ４０の圧力センサ７４で検出した燃料の圧力に基づいてインジェクタ４０のピエゾアクチュエータ６４に対する駆動エネルギーの印加期間を調整する。噴射期間補正部８９は、インジェクタ４０の圧力センサ７４から、コモンレール３２からインジェクタ４０へ供給される燃料の圧力を取得する。そして、噴射期間補正部８９は、アフター噴射１０３のようにメイン噴射１０２によってコモンレール３２における燃料の圧力が低下しているとき、ピエゾアクチュエータ６４に対する駆動エネルギーの印加期間を延長する。これにより、コモンレール３２における燃料の圧力変化が大きなメイン噴射１０２に後続してアフター噴射１０３を実行する場合でも、アフター噴射１０３においてインジェクタ４０から噴射される燃料の量は供給される燃料の圧力に応じて適切に補正される。

次に、上記の構成によるディーゼルエンジンシステム１０の作動の流れについて図１０に基づいて説明する。
ＥＣＵ１６は、ディーゼルエンジンシステム１０が運転されているとき、機関本体１１の運転状態に基づいて決定噴射量Ｑｄを設定する（Ｓ１０１）。具体的には、噴射量設定部８７は、運転状態取得部８６で取得した機関本体１１の運転状態に基づいてインジェクタ４０からの燃料の噴射量を基礎噴射量として設定する。そして、噴射量設定部８７は、設定した基礎噴射量を、吸入空気量センサ９２から出力された空気量、吸気温度センサ９５から出力された吸気の温度、水温センサ９６から出力された冷却水の温度、および吸気圧力センサ９７から出力された吸気の圧力などに基づいて補正する。これにより、噴射量設定部８７は、設定した基礎噴射量を補正した決定噴射量Ｑｄを設定する。また、ＥＣＵ１６は、機関本体１１の運転状態に基づいて噴射時期を設定する（Ｓ１０２）。すなわち、ＥＣＵ１６は、機関本体１１の回転数や負荷状態などに基づいて、インジェクタ４０から燃料を噴射する噴射時期を設定する。

ＥＣＵ１６は、燃料の決定噴射量Ｑｄおよび噴射時期を設定すると、コモンレール３２における目標となる燃料の圧力、すなわち目標レール圧を設定する（Ｓ１０３）。この目標レール圧は、燃料の決定噴射量Ｑｄおよび噴射時期などに応じて設定される。ＥＣＵ１６は、設定した目標レール圧に基づいて、図示しないサプライポンプから吐出する燃料の流量を制御する。ＥＣＵ１６は、コモンレール３２の圧力センサ７４で検出した燃料の圧力に基づいて、サプライポンプをフィードバック制御して、コモンレール３２における燃料の圧力を目標レール圧に制御する。

ＥＣＵ１６は、運転状態取得部８６で取得した機関本体１１の運転状態に基づいて、アフター噴射１０３が要求されているか否かを判断する（Ｓ１０４）。ＥＣＵ１６は、機関本体１１の運転状態に基づいて、Ｓ１０１で決定された決定噴射量Ｑｄをメイン噴射１０２において一段噴射するか、パイロット噴射１０１やアフター噴射１０３を含めて多段噴射するかを判断する。

ＥＣＵ１６は、Ｓ１０４においてアフター噴射１０３が要求されていると判断すると（Ｓ１０４：Ｙｅｓ）、アフター噴射量Ｑａおよびアフター噴射１０３を実行する時期を設定する（Ｓ１０５）。ＥＣＵ１６は、決定噴射量Ｑｄのうちアフター噴射１０３で噴射するアフター噴射量Ｑａとともに、メイン噴射１０２からどの程度遅角した時期にアフター噴射１０３を実行するかを設定する。ＥＣＵ１６は、アフター噴射量Ｑａおよびアフター噴射１０３の時期を設定すると、アフター噴射１０３におけるニードル４２の移動速度を設定する（Ｓ１０６）。ニードル４２の移動速度は、メイン噴射１０２における移動速度よりも大きく、アフター噴射量Ｑａに基づいて決定される。すなわち、アフター噴射量Ｑａが小さくなるほど、ニードル４２の移動速度は大きく設定される。これは、アフター噴射量Ｑａが小さくなるほど、シール部７１とシート部７２との間の燃料通路７３において燃料が絞られる期間の割合が増加し噴霧の長さが減少するため、ニードル４２の移動速度を大きくし、十分な噴霧の長さを確保するためである。一方、ＥＣＵ１６は、Ｓ１０４においてアフター噴射１０３が要求されていないと判断すると（Ｓ１０４：Ｎｏ）、Ｓ１０５以降の処理を実行しない。

ＥＣＵ１６は、ニードル４２の移動速度を設定すると、アフター噴射１０３の期間を設定する（Ｓ１０７）。すなわち、ＥＣＵ１６は、アフター噴射１０３を、クランクシャフトの回転角度がどの位置からどの位置までの間に実行するかを設定する。ＥＣＵ１６は、アフター噴射１０３の期間が設定されると、アフター噴射１０３を実行する（Ｓ１０８）。具体的には、インジェクタ制御部８８は、Ｓ１０５で設定したアフター噴射１０３の実行時期になると、Ｓ１０６で設定されたニードル４２の移動速度となるようにインジェクタ４０のピエゾアクチュエータ６４へ駆動エネルギーを印加する。インジェクタ制御部８８は、Ｓ１０７で設定したアフター噴射１０３の期間に応じてピエゾアクチュエータ６４へ駆動エネルギーを印加する期間を制御する。ピエゾアクチュエータ６４に駆動エネルギーが印加されると、ニードル４２はピエゾアクチュエータ６４側へ移動する。これにより、シール部７１はシート部７２から離座し、燃料は噴孔４９から噴射される。インジェクタ制御部８８は、Ｓ１０７で設定したアフター噴射１０３の期間が経過すると、ピエゾアクチュエータ６４からエネルギーを回収する。ピエゾアクチュエータ６４からエネルギーを回収すると、ニードル４２は下方へ移動する。これにより、シール部７１はシート部７２に着座し、噴孔４９からの燃料の噴射は停止される。Ｓ１０８においてアフター噴射１０３が実行されると、ＥＣＵ１６は、Ｓ１０１へリターンし、ディーゼルエンジンシステム１０が運転されている間、Ｓ１０１以降の処理を繰り返す。以上の手順によって、インジェクタ４０から燃焼室２２への燃料の噴射が制御される。

以上説明した一実施形態では、インジェクタ４０から噴射される燃料は、アフター噴射１０３の噴射初期における燃料噴射率の変化がメイン噴射１０２よりも大きく設定されている。すなわち、アフター噴射１０３における燃料噴射率の立ち上がりは、メイン噴射１０２よりも大きくなる。これにより、噴孔４９から噴射される燃料の流速は増大するので、噴孔４９から噴射される燃料の微粒化が促進されるとともに、燃料の貫徹力が高められる。そのため、噴射された燃料は、噴孔４９の近傍にとどまらず、噴孔４９からより離れた位置まで到達する。これにより、噴射された燃料の噴霧は、空気との混合が促進され、希薄化が促される。その結果、着火遅れが短いアフター噴射であっても、燃料は、速やか、かつ均一な燃焼が図られる。したがって、ＰＭにともなうスモークの発生を低減することができ、ディーゼルエンジンシステム１０の性能を高めることができる。

また、一実施形態では、インジェクタ制御部８８は、アフター噴射１０３のとき、シート部７２から離座するニードル４２の移動速度をメイン噴射１０２に比較して大きくしている。そのため、ニードル４２とシート部７２との間に形成される燃料通路７３はニードル４２の移動開始から迅速に拡大し、噴孔４９を通過する燃料の流速は増大する。その結果、燃料の微粒化および希薄化が促進される。したがって、燃料の均一な燃焼が図られ、スモークの発生を低減することができる。

さらに、一実施形態では、インジェクタ４０は、流入する燃料の圧力を検出する圧力センサ７４を有している。そして、噴射期間補正部８９は、圧力センサ７４で検出した燃料の圧力に基づいて噴孔４９からの燃料の噴射期間を補正する。すなわち、インジェクタ制御部８８は、この噴射期間補正部８９によって補正された燃料の噴射期間に基づいてニードル４２を駆動する。これにより、メイン噴射１０２に続くことによってコモンレール３２における燃料の圧力の変化が大きなアフター噴射１０３であっても、インジェクタ４０からの燃料の噴射量は、供給される燃料の圧力に基づいて制御される。したがって、アフター噴射１０３であっても燃料の噴射量を調整することができ、ディーゼルエンジンシステム１０の性能を高めることができる。

（その他の実施形態）
上述の一実施形態では、インジェクタ４０に圧力センサ７４を設ける例について説明した。しかし、コモンレール３２に設けられている圧力センサ９４でコモンレール３２における燃料の圧力を検出し、噴射期間補正部８９は検出したコモンレール３２の圧力に基づいて燃料の噴射期間を補正する構成としてもよい。
以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。

図面中、１０はディーゼルエンジンシステム、１１は機関本体（ディーゼルエンジン）、１６はＥＣＵ（燃料噴射制御装置）、２２は燃焼室、４０はインジェクタ、４２はニードル、４８はノズル、４９は噴孔、７２はシート部、７４は圧力センサ、８５は回転角度取得部（回転角度取得手段）、８６は運転状態取得部（運転状態取得手段）、８７は噴射量設定部（噴射量設定手段）、８８はインジェクタ制御部（インジェクタ制御手段）、８９は噴射期間補正部（噴射期間補正手段）を示す。

Claims (3)

1. ディーゼルエンジンにおいてインジェクタの噴孔から燃焼室への燃料の噴射を制御する燃料噴射制御装置であって、
   前記ディーゼルエンジンのクランクシャフトの回転角度を取得する回転角度取得手段と、
   前記ディーゼルエンジンの運転状態を取得する運転状態取得手段と、
   前記運転状態取得手段で取得した前記ディーゼルエンジンの運転状態に基づいて、前記インジェクタから噴射する燃料の量を設定する噴射量設定手段と、
   前記回転角度取得手段で取得した前記クランクシャフトの回転角度、および前記噴射量設定手段で設定した燃料の噴射量とに基づいて、前記インジェクタからの燃料の噴射を断続するインジェクタ制御手段とを備え、
   前記インジェクタ制御手段は、前記回転角度取得手段で取得した前記クランクシャフトの回転角度が前記ディーゼルエンジンの圧縮行程の末期にあるとき前記噴射量設定手段で設定した燃料の噴射量のうち大部分を噴射するメイン噴射、および前記クランクシャフトの回転角度が前記メイン噴射よりも遅角側にあるときに前記メイン噴射に引き続いて燃料を噴射するアフター噴射を実行し、
   前記アフター噴射での燃料の噴射開始から噴射量が最大となるまでの噴射初期における燃料の噴射率の変化を、前記メイン噴射の噴射初期における燃料噴射率の変化よりも大きくする燃料噴射制御装置。
2. 前記インジェクタは、前記噴孔および前記噴孔の燃料入口側にシートを形成するノズルと、前記シートに着座または前記シートから離座して前記噴孔からの燃料の噴射を断続するニードルと、を有し、
   前記インジェクタ制御手段は、前記アフター噴射のとき、前記シートから離座する前記ニードルの移動速度を前記メイン噴射に比較して大きくする請求項１記載の燃料噴射制御装置。
3. 前記インジェクタは、流入する燃料の圧力を検出する圧力センサを有し、
   前記圧力センサで検出した前記インジェクタへ流入する燃料の圧力に基づいて前記噴孔から噴射する燃料の噴射期間を補正する噴射期間補正手段をさらに備え、
   前記インジェクタ制御手段は、前記噴射期間補正手段で補正された燃料の噴射期間に基づいて前記ニードルを駆動する請求項２記載の燃料噴射制御装置。

Images