JP2013053571A

JP2013053571A - 内燃機関の燃料噴射装置

Info

Publication number: JP2013053571A
Application number: JP2011192841A
Authority: JP
Inventors: Takuro Mita; 拓朗三田
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2011-09-05
Filing date: 2011-09-05
Publication date: 2013-03-21

Abstract

【課題】内燃機関の燃料噴射装置に関し、燃料噴射量及び噴射時期の制御精度を効果的に向上する。
【解決手段】噴孔２１が形成されたインジェクタボディ２０と、インジェクタボディ２０の先端側に形成された燃料室２２と、インジェクタボディ２０の基端側に形成された圧力制御室２３と、圧力制御室２３内に導入された高圧燃料を排出する排出路２６と、インジェクタボディ２０の基端部に設けられて排出路２６を開閉する電磁弁３０と、インジェクタボディ２０内に収容された第１ニードル４０と、燃料室２２内に収容されて噴孔２１を開閉する第２ニードル５０と、第１ニードル４０と第２ニードル５０との間に設けられた磁歪素子６０と、インジェクタボディ２０の外周面に設けられたコイル６１と、電磁弁３０及びコイル６１への電流の印加を制御する制御手段１０とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射装置に関し、特にインジェクタのニードル全長を可変にした内燃機関の燃料噴射装置に関する。

一般的に、コモンレールに畜圧した高圧燃料をインジェクタの燃料室及び、ニードルの背圧を発生させる圧力制御室に供給し、ソレノイドを用いて圧力制御室の圧力を増減させてニードルを軸方向に移動させることで、燃料の噴射と停止とを切替えるコモンレール式の燃料噴射装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−９８０９号公報

ところで、上述のコモンレール式の燃料噴射装置においては、内燃機関の運転状態に応じて燃料噴射の開始初期における噴射率波形の傾きや噴射回数を変化させることで、有害排出ガス等の低減が可能である。そのため、高速かつ噴射バラツキの少ない燃料噴射を行うべく、ソレノイドに替えてピエゾ素子を用いた燃料噴射装置も実用化されている。

しかしながら、ピエゾ素子を用いた燃料噴射装置では、コストの増大や耐久性の低下を招く可能性がある。また、ピエゾ素子の変位量が小さいことから、ピエゾ素子自体の寸法を大きく確保する必要があり、インジェクタ内部の燃料流路が小さくなることで、インジェクタの耐圧や圧力損失の増大による噴射率低下を招く可能性もある。

本発明はこのような点に鑑みてなされたもので、その目的は、燃料噴射量及び噴射時期の制御精度を効果的に向上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にある。

上述の目的を達成するため、本発明の内燃機関の燃料噴射装置は、先端部に高圧燃料を噴射する噴孔が形成されたインジェクタボディと、前記インジェクタボディの先端側に形成されて前記高圧燃料が導入される燃料室と、前記インジェクタボディの基端側に形成されて前記高圧燃料が導入される圧力制御室と、前記インジェクタボディに前記圧力制御室と連通して形成され、前記圧力制御室に導入された前記高圧燃料を排出する排出路と、前記インジェクタボディの基端部に設けられ、電流が印加されると前記排出路を開放する一方、電流の印加が停止されると前記排出路を閉鎖する電磁弁と、前記インジェクタボディ内に移動可能に収容されると共に、前記燃料室内の前記高圧燃料から基端側に向けた圧力を受ける一方、前記圧力制御室内の前記高圧燃料から先端側に向けた圧力を受ける第１ニードルと、前記燃料室内に移動可能に収容されると共に、その先端部が前記燃料室の先端側内壁に着座した際に前記噴孔を閉鎖する一方、前記燃料室の先端側内壁から離間した際に前記噴孔を開放する第２ニードルと、前記第１ニードルの先端部と前記第２ニードルの基端部との間に設けられ、その外周に磁界が形成されると先端側及び基端側に向けて伸びる磁歪素子と、前記インジェクタボディの外周面に設けられ、電流が印加された際に前記磁歪素子の外周に磁界を形成するコイルと、内燃機関の運転状態に応じて前記電磁弁及び前記コイルへの電流の印加を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。

また、前記制御手段は、ブーツ噴射を行う時に、初期の噴射率の傾きが小さくなるように、前記電磁弁に所定期間の電流を印加して前記第１ニードルを基端側に移動させると共に、該所定期間よりも短い期間の電流を前記コイルに印加して前記第２ニードルを先端側に移動させるようにしてもよい。

また、前記制御手段は、プレ噴射を含む多段噴射を行う時に、プレ噴射とメイン噴射とが近接するように、前記電磁弁に所定期間の電流を印加して前記第１ニードルを基端側に移動させると共に、該所定期間よりも短い期間、次第に大きくなる電流を前記コイルに印加して前記第２ニードルを先端側に移動させるプレ噴射を行うようにしてもよい。

また、前記制御手段は、燃料噴射終了時に、前記磁歪素子を伸ばして前記第２ニードルを早期に着座させるように、前記電磁弁への所定期間の電流の印加を中止した後に、前記コイルに該所定期間よりも短い期間の電流を印加するようにしてもよい。

また、前記制御手段は、燃料噴射時に、前記噴孔から噴射される前記高圧燃料にキャビテーションを生じさせるように、前記電磁弁に所定期間の電流を印加すると共に、前記コイルに所定周期で変化する電流を印加するようにしてもよい。

本発明の内燃機関の燃料噴射装置によれば、燃料噴射量及び噴射時期の制御精度を効果的に向上することができる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の燃料噴射装置の全体構成図において、インジェクタが閉弁した状態を示す模式的な部分断面図である。図１のソレノイドコイルに電流が印加されてインジェクタが開弁した状態を示す図である。図１のソレノイドコイル及び磁歪用コイルに電流が印加されてインジェクタが開弁した状態を示す図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関の燃料噴射装置によるブーツ噴射制御の噴射特性を示す図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関の燃料噴射装置による多段噴射制御の噴射特性を示す図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関の燃料噴射装置による噴射終了制御の噴射特性を示す図である。本発明の一実施形態に係る内燃機関の燃料噴射装置による微粒化噴射制御の噴射特性を示す図である。他の実施形態に係る内燃機関の燃料噴射装置の全体構成を示す模式的な部分断面図である。

以下、図１〜７に基づいて、本発明の一実施形態に係る内燃機関の燃料噴射装置について説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

本実施形態の燃料噴射装置１は、内燃機関としての図示しないディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）に適用されるもので、図１に示すように、燃料タンクＴから高圧ポンプＰにより汲み上げられると共に、コモンレールＣで畜圧された高圧燃料を燃焼室内に噴射するインジェクタＩと、制御手段としてのコントロールユニット１０と、電力を供給する電力供給源１１とを備えている。

インジェクタＩは、先端部に噴孔２１が形成された中空状のインジェクタボディ２０と、インジェクタボディ２０の先端側に形成された燃料室２２と、インジェクタボディ２０の基端側に形成された圧力制御室２３と、インジェクタボディ２０の基端部に設けられたソレノイド（電磁弁）３０と、インジェクタボディ２０内に移動可能に収容された第１ニードル４０と、燃料室２２内に移動可能に収容された第２ニードル５０と、第２ニードル５０の中空部５２内に伸縮可能に収容された磁歪素子６０と、インジェクタボディ２０の外周面に設けられた磁歪用コイル６１とを備えている。

燃料室２２は噴孔２１を介してエンジンの燃焼室と連通すると共に、その先端側の内壁面には第２ニードル５０の円錐面５１が着座するシート面２４が設けられている。また、燃料室２２及び圧力制御室２３には、インジェクタボディ２０に形成された供給路２５を介してコモンレールＣからの高圧燃料が導入されるように構成されている。さらに、圧力制御室２３には、圧力制御室２３内の高圧燃料を排出するための排出路２６が接続されている。この排出路２６から排出された燃料は、インジェクタボディ２０に形成された回収路２７を介して燃料タンクＴに回収されるように構成されている。

ソレノイド３０は、導電性のアーマチャ３１と、アーマチャ３１を電磁力により吸引する固定用コア３２と、固定用コア３２に電磁力を付与するソレノイドコイル３３と、アーマチャ３１を先端側に向けて付勢するリターンスプリング３４とを備えている。すなわち、ソレノイド３０は、ソレノイドコイル３３に電流が印加されると、電磁力によりアーマチャ３１を吸引（リフト）して排出路２６を開放する一方、ソレノイドコイル３３への電流の印加が停止されると、リターンスプリング３４の付勢力によりアーマチャ３１を先端側に移動（降下）させて排出路２６を閉鎖するように構成されている。

第１ニードル４０は、略円柱状に形成されており、圧力制御室２３内の高圧燃料から先端側に向けた圧力を受けるサーボピストン４１と、燃料室２２内の高圧燃料から基端側に向けた圧力を受けると共に、ニードルスプリング４２から先端側に向けた付勢力を受けるノズルピストン４３とを備えている。すなわち、アーマチャ３１が排出路２６を閉鎖して、圧力制御室２３及びニードルスプリング４２による先端側に向けた力が燃料室２２による基端側に向けた力よりも大きくなると、第１ニードル４０は先端側へ移動（降下）する（図１参照）。一方、アーマチャ３１が排出路２６を開放して、圧力制御室２３及びニードルスプリング４２による先端側に向けた力が燃料室２２による基端側に向けた力よりも小さくなると、第１ニードル４０は基端側へ移動（リフト）するように構成されている（図２，３参照）。

第２ニードル５０は、基端側を略円柱状に形成されると共に、先端側にシート面２４と接触する円錐面５１が設けられている。また、第２ニードル５０には、磁歪素子６０を収容する中空部５２が形成されている。さらに、第２ニードル５０の基端部には中空部５２と連通する開口部５３が形成されている。

磁歪素子６０は中空部５２内に伸縮自在に収容されている。また、磁歪素子６０の上部には、下端側を中空部５２内に摺動自在に収容されると共に、上端側を開口部５３に挿通させた磁歪用ピストン６２が設けられている。この磁歪用ピストン６２の上端部は、第１ニードル４０の先端部に固定されている。さらに、中空部５２内には、磁歪素子６０及び磁歪用ピストン６２を先端側に向けて付勢する磁歪用スプリング６３が介装されている。そして、インジェクタボディ２０の外周面に設けられた磁歪用コイル６１に電流が印加されて磁歪素子６０の外周に磁界が形成されると、磁歪素子６０は軸方向に伸びた状態に維持される。これにより、第２ニードル５０の円錐面５１と燃料室２２のシート面２４との間の隙間Ｇは、磁歪用コイル６１に印加される電流量に応じた所定の間隔に調整されるように構成されている（図３参照）。

電力供給源１１は、例えば車両の電装系に電力を供給するバッテリーであって、コントロールユニット１０を介してソレノイドコイル３３及び磁歪用コイル６１と電気的に接続されている。

コントロールユニット１０は、エンジンの運転状態に応じて燃料噴射量や燃料噴射時期等の噴射制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備え構成されている。この噴射制御を行うために、コントロールユニット１０には、ソレノイドコイル３３、磁歪用コイル６１、何れも図示しないエンジン回転センサやアクセル開度センサ等が電気的に接続されている。以下、本実施形態のコントロールユニット１０による各噴射制御について具体的に説明する。

図４に示すようなブーツ噴射制御を行う場合、アーマチャ３１をリフトさせて排出路２６を開放すべく、まずＴ₀の時点でソレノイドコイル３３に所定量の電流を印加する。その後、Ｔ₁でアーマチャ３１がリフトを開始すると、このアーマチャ３１のリフト中であるＴ₂の時点で磁歪用コイル６１に所定量の電流を印加する。この時、磁歪用コイル６１に印加する電流の初期値は、磁歪素子６０の初期動作が滑らかとなるように大きめに設定されている。また、その後の所定期間は磁歪素子６０を伸ばした状態にして、円錐面５１とシート面２４との間の隙間Ｇが一定に保たれるように、磁歪用コイル６１に印加される電流は初期値よりも小さい所定の一定値に維持される。その後、Ｔ₃の時点で磁歪用コイル６１への電流の印加を停止して磁歪素子６０を縮める（元に戻す）ことで、円錐面５１とシート面２４との間の隙間Ｇを最大にする。さらに、所定期間が経過したＴ₄の時点で、ソレノイドコイル３３への電流の印加を停止してブーツ噴射を終了する。

このように、磁歪素子６０を用いて第１ニードル４０及び第２ニードル５０を含むニードル全長を可変とした噴射制御を実行することにより、初期の噴射率の傾きが小さい理想的な噴射波形のブーツ噴射を実現可能に構成されている。

次に本実施形態の燃料噴射装置１による多段噴射制御について説明する。図５に示すようなプレ噴射を行う場合、アーマチャ３１をリフトさせて排出路２６を開放すべく、まずＴ₀の時点でソレノイドコイル３３に所定量の電流を印加する。その後、Ｔ₁でアーマチャ３１がリフトを開始して、Ｔ₂でリフト量が最大になると、Ｔ₃の時点で磁歪用コイル６１に所定量の電流を印加する。この時、磁歪用コイル６１に印加する電流の初期値は、磁歪素子６０の初期動作が滑らかとなるように大きめに設定されている。また、その後の所定期間は第１ニードル４０のリフト速度よりも磁歪素子６１の伸びる速度が速くなるように、磁歪用コイル６１に印加する電流は次第に大きくなるように設定される。その後、Ｔ₄で磁歪素子６０が伸び切ると、磁歪素子６０を縮めて円錐面５１とシート面２４との間の隙間Ｇを最大にするメイン噴射を行うように、磁歪用コイル６１への電流の印加を停止する。さらに、所定期間が経過したＴ₅の時点で、ソレノイドコイル３３への電流の印加を停止してメイン噴射を終了する。

このように、磁歪素子６０を用いてニードル全長を可変とした多段噴射制御を実行することにより、プレ噴射とメイン噴射とが近接した精度の高い多段噴射を実現可能に構成されている。

次に本実施形態の燃料噴射装置１による噴射終了制御について説明する。図６に示すような通常噴射（メイン噴射が１回）を行う場合、アーマチャ３１をリフトさせて排出路２６を開放すべく、まずＴ₀の時点でソレノイドコイル３３に所定量の電流を印加する。Ｔ₁でアーマチャ３１がリフトを開始すると、Ｔ₂の時点でアーマチャ３１のリフト量は最大になると共に、円錐面５１とシート面２４との間の隙間Ｇも最大になる。その後、排出路２６を閉鎖すべく、Ｔ₃の時点でソレノイドコイル３３への電流の印加を停止すると、Ｔ₄の時点でアーマチャ３１の降下が開始される。この際、磁歪素子６０を伸ばして円錐面５１とシート面２４との間の隙間Ｇが早期に閉鎖されるように、Ｔ₄の直後であるＴ₅の時点で、磁歪用コイル６１に所定量の電流を印加する。さらに、第２ニードル５０の着座時に、円錐面５１とシート面２４との接触による衝撃を抑制すべく、磁歪用コイル６１への電流の印加は閉弁直前のＴ₆の時点で停止される。

このように、燃料噴射を終了する閉弁動作時に磁歪素子６０を伸ばすことで、従来の噴射終了制御（図６の破線参照）よりも早期の閉弁動作が可能に構成されている。また、閉弁直前に磁歪用コイル６１への電流の印加を停止することで、第２ニードル５０の着座速度が低減され、接触部の摩耗や衝撃力を効果的に低減することが可能に構成されている。なお、この噴射終了制御はメイン噴射のみならず、前述のブーツ噴射や多段噴射等の噴射終了時に適用することもできる。

次に本実施形態の燃料噴射装置１による燃料の微粒化噴射制御について説明する。図７に示すような通常噴射（メイン噴射が１回）を行う場合、アーマチャ３１をリフトさせて排出路２６を開放すべく、まずＴ₀の時点でソレノイドコイル３３に所定量の電流を印加する。Ｔ₁でアーマチャ３１がリフトを開始すると、Ｔ₂の時点でアーマチャ３１のリフト量は最大になると共に、円錐面５１とシート面２４との間の隙間Ｇも最大になる。その後、Ｔ₃からＴ₄の所定期間、磁歪用コイル６１に印加する電流を所定周期で変化させる。その後、排出路２６を閉鎖すべく、Ｔ₅の時点でソレノイドコイル３３への電流の印加を停止すると、Ｔ₆でアーマチャ３１が降下を開始して燃料噴射を終了する。

このように、燃料噴射期間中に磁歪用コイル６１に印加する電流を所定周期で変化させて、円錐面５１とシート面２４との間の隙間Ｇを高速で微量変化させることで、噴孔２１から噴射される燃料にキャビテーションが生じ、燃焼室内に噴霧される燃料の微粒化が促進されるように構成されている。

以上のような構成により、本実施形態に係る内燃機関の燃料噴射装置１によれば、以下のような作用効果を奏する。

ブーツ噴射や多段噴射を行う場合、磁歪素子６０を伸ばして第１ニードル４０及び第２ニードル５０を含むニードル全長を変更することで、円錐面５１とシート面２４との間の隙間Ｇは所定の間隔に精度良く調整される。すなわち、燃料噴射量や噴射時期の制御精度が効果的に向上され、初期の噴射率の傾きが小さいブーツ噴射や、プレ噴射とメイン噴射とが近接した噴射形状の多段噴射等、エンジンの運転状態に応じた任意の噴射形状に適宜変更することができる。このように、任意の噴射形状に可変とすることで、有害排出ガスや燃焼音が効果的に低減されると共に、エンジンの燃費性能も効果的に向上される。

また、噴射終了時に噴射率の傾きが滑らかになると、エンジン筒内で燃料噴霧が貫徹力を失い、筒内の雰囲気ガスとの混合が抑制されるため、煤や未燃炭化水素、一酸化炭素等の有害排出ガスが生成されることになる。本実施形態の燃料噴射装置１によれば、インジェクタＩの閉弁時に、磁歪素子６０を伸ばして円錐面５１とシート面２４との間の隙間Ｇを早期に閉鎖することで、燃料噴射を瞬時に終了することが可能に構成されている。したがって、噴射終了時における煤や未燃炭化水素、一酸化炭素等の有害排出ガスの生成が抑制され、エンジンの排ガス性能を効果的に向上することができる。

また、噴射終了時において、磁歪用コイル６１への電流の印加を閉弁直前に停止することで、第２ニードル５０の着座速度は低減される。したがって、第２ニードル５０の円錐面５１とインジェクタボディ２０のシート面２４との接触部の摩耗や着座による衝撃力を効果的に低減することができる。

また、通常噴射等の燃料噴射期間中においては、磁歪用コイル６１に印加する電流を所定周期で変化させることで、円錐面５１とシート面２４との間の隙間Ｇは高速かつ微量に変化される。すなわち、噴孔２１から噴射される燃料にキャビテーションが生じ、燃焼室内に噴霧される燃料の微粒化が促進されることで、燃焼過程で生じる煤を効果的に低減することができる。

また、磁歪素子６０に圧力をかけた際、インダクタンスが変化することにより磁歪用コイル６１に起電力が発生する。このような起電力を検知して、第１ニードル４０や第２ニードル５０のリフト時及び、第２ニードル５０の着座時における磁歪素子６０への圧力を検出することで、これらニードル４０，５０の動作位置を適宜検出することが可能となり、燃料噴射量や燃料噴射時期等の噴射制御の精度（個体間のバラツキ低減を含む）を効果的に向上することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、上述の実施形態において、第１ニードル４０がサーボピストン４１及びニードルピストン４３を備えるものとして説明したが、図８に示すように、第１ニードル４０がサーボピストン４１を備える一方、第２ニードル５０がニードルピストン４３を備えるように構成してもよい。

この場合、磁歪素子６０の伸縮制御により、圧力制御室２３の容積を即座に変更することが可能となり、第２ニードル５０の移動速度（インジェクタＩの開閉弁速度）を可変とすることができる。さらに、アーマチャ３１が動作した際の圧力制御室２３の圧力を検出することで、アーマチャ３１が開閉動作しない場合等の状況把握が可能となり、磁歪素子６０をインジェクタＩの故障検知に利用することもできる。

また、磁歪素子６０は第２ニードル５０の中空部５２内に収容されるものとして説明したが、例えば、磁歪素子６０を第１ニードル４０の先端部と第２ニードル５０の基端部との間に介装させる単純な構成としてもよい。この場合も上述の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

また、圧力制御室２３の制御にソレノイド３０を用いるものと説明したが、このソレノイド３０に替えてピエゾ素子や磁歪素子を適用してもよい。

また、本実施形態の燃料噴射装置１は、ディーゼルエンジンに適用されるものとして説明したが、例えばガソリンエンジン等の他の内燃機関にも広く適用することが可能である。

１燃料噴射装置
１０コントロールユニット（制御手段）
２０インジェクタボディ
２１噴孔
２２燃料室
２３圧力制御室
２６排出路
３０ソレノイド（電磁弁）
４０第１ニードル
５０第２ニードル
６０磁歪素子
６１磁歪用コイル（コイル）

Claims

先端部に高圧燃料を噴射する噴孔が形成されたインジェクタボディと、
前記インジェクタボディの先端側に形成されて前記高圧燃料が導入される燃料室と、
前記インジェクタボディの基端側に形成されて前記高圧燃料が導入される圧力制御室と、
前記インジェクタボディに前記圧力制御室と連通して形成され、前記圧力制御室に導入された前記高圧燃料を排出する排出路と、
前記インジェクタボディの基端部に設けられ、電流が印加されると前記排出路を開放する一方、電流の印加が停止されると前記排出路を閉鎖する電磁弁と、
前記インジェクタボディ内に移動可能に収容されると共に、前記燃料室内の前記高圧燃料から基端側に向けた圧力を受ける一方、前記圧力制御室内の前記高圧燃料から先端側に向けた圧力を受ける第１ニードルと、
前記燃料室内に移動可能に収容されると共に、その先端部が前記燃料室の先端側内壁に着座した際に前記噴孔を閉鎖する一方、前記燃料室の先端側内壁から離間した際に前記噴孔を開放する第２ニードルと、
前記第１ニードルの先端部と前記第２ニードルの基端部との間に設けられ、その外周に磁界が形成されると先端側及び基端側に向けて伸びる磁歪素子と、
前記インジェクタボディの外周面に設けられ、電流が印加された際に前記磁歪素子の外周に磁界を形成するコイルと、
内燃機関の運転状態に応じて前記電磁弁及び前記コイルへの電流の印加を制御する制御手段と、を備え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、
ブーツ噴射を行う時に、初期の噴射率の傾きが小さくなるように、前記電磁弁に所定期間の電流を印加して前記第１ニードルを基端側に移動させると共に、該所定期間よりも短い期間の電流を前記コイルに印加して前記第２ニードルを先端側に移動させる請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
前記制御手段は、
プレ噴射を含む多段噴射を行う時に、プレ噴射とメイン噴射とが近接するように、前記電磁弁に所定期間の電流を印加して前記第１ニードルを基端側に移動させると共に、該所定期間よりも短い期間、次第に大きくなる電流を前記コイルに印加して前記第２ニードルを先端側に移動させるプレ噴射を行う請求項１又は２に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
前記制御手段は、
燃料噴射終了時に、前記磁歪素子を伸ばして前記第２ニードルを早期に着座させるように、前記電磁弁への所定期間の電流の印加を中止した後に、前記コイルに該所定期間よりも短い期間の電流を印加する請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の燃料噴射装置。
前記制御手段は、
燃料噴射時に、前記噴孔から噴射される前記高圧燃料にキャビテーションを生じさせるように、前記電磁弁に所定期間の電流を印加すると共に、前記コイルに所定周期で変化する電流を印加する請求項１から４の何れかに記載の内燃機関の燃料噴射装置。