JP2013104329A - 内燃機関の燃料噴射システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料噴射弁のニードル部を中間リフトさせる場合に生じ得るボアへの燃料付着による内燃機関への悪影響を軽減する。
【解決手段】内燃機関の運転状態に基づいて、噴射弁本体の内部におけるニードル部のリフト位置を、燃料噴孔が全開状態となる全開位置又は該燃料噴孔が全閉状態となる全閉位置と該全開位置との間の任意の中間位置となるように該リフト位置を制御する燃料噴射システムにおいて、内燃機関の機関温度が所定温度以下となるときに、リフト制御手段がニードル部のリフト位置を中間位置とすることを禁止する。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射システムに関する。

内燃機関の燃料噴射について、気筒での所望の燃焼を実現するために、燃料噴射弁からの燃料噴射を適切に調整する構成が望まれる。たとえば、気筒内に燃料を直接噴射する直噴型燃料噴射では、燃料噴射弁からの燃料噴射率（単位時間当たりの燃料噴射量）を調整することで、気筒内に形成される燃料噴霧の状態を内燃機関の運転状態に適合したものとすることができる。そこで、燃料噴射率を調整できる構成として、燃料噴射弁内のノズルニードルのリフト位置（燃料噴孔を開閉するための燃料噴射弁内部でのノズルニードルの移動後の位置）を、全閉位置と全開位置の間の中間位置に制御する技術が開発されている（例えば、特許文献１を参照。）。当該技術では、燃料噴射の初期と後期とで燃料噴射率を変更するために、または燃料噴射率を適宜切り替えるために、ノズルニードルのリフト位置の制御が行われる。

特開２００２−７０６８２号公報 特表２００５−５３５８３２号公報 特開２０００−８８８３号公報

燃料噴射弁の構成としては、燃料噴孔の近くのシート部に対して接触、離間をして当該噴孔の開閉を行うニードル部が、燃料噴射弁本体の内部でリフトすることで燃料の噴射が実行される構成が、一般には採用されている。ここで、ニードル部が燃料噴孔を全閉状態とする全閉位置と全開状態とする全開位置との間の任意の中間位置に、そのリフト位置が制御されることで、全開状態にあるときの燃料噴射とは異なった燃料噴射を実現することができる。その一例として、上記の通り燃料噴射率をニードル部のリフト位置を介して制御したり、燃料噴射弁による最小噴射量の改善を図ったりすることが可能となる。

しかしながら、ニードル部が中間位置にリフトされた場合（以下、「中間リフト」という）、全開位置にリフトされた場合と比べて、噴霧における燃料密度の偏りが起こりやすく、その結果、気筒ボアへの燃料付着量が増加する可能性がある。中間リフト時には、ニードル部先端の、燃料噴孔につながる燃料噴射弁内部の空間が比較的小さい状態で、燃料が当該空間に流れ込んでくるため、全開位置での燃料噴射時と比べて燃料噴孔近傍で局所的に燃料のよどみが発生しやすくなる。その結果、そのよどみ部分を避けるように燃料が噴射されるため、噴霧での燃料密度の偏りが生じてしまい、特に燃料密度が高くなっている噴霧によって、ボアへの燃料付着量が増加するおそれがある。

本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、燃料噴射弁のニードル部を中間リフトさせる場合に生じ得るボアへの燃料付着による内燃機関への悪影響を軽減することを目的とする。

本発明において、上記課題を解決するために、特に、内燃機関の機関温度が低くなる際に、燃料噴射弁におけるニードル部の中間リフト制御を禁止する構成を採用することとし
た。これは、内燃機関の機関温度が低い場合には、その気筒のボア温度も低くなると想定され、その場合、ボアに付着した燃料が気化しにくくなることを考慮したものである。

そこで、詳細には、本発明は、内燃機関の燃料噴射システムにおいて、燃料噴孔を介して内燃機関の燃料を気筒内に直接噴射する噴射弁本体と、前記噴射弁本体の内部をその軸方向にリフト可能に配置され、前記燃料噴孔の開閉を行うニードル部と、前記内燃機関の運転状態に基づいて、前記噴射弁本体の内部における前記ニードル部のリフト位置を、前記燃料噴孔が全開状態となる全開位置又は該燃料噴孔が全閉状態となる全閉位置と該全開位置との間の任意の中間位置となるように該リフト位置を制御するリフト制御手段と、内燃機関の機関温度が所定温度以下となるときに、前記リフト制御手段が前記ニードル部のリフト位置を前記中間位置とすることを禁止する中間リフト禁止手段と、を備える。

本発明に係る燃料噴射システムでは、リフト制御手段によってニードル部のリフト位置が制御される。例えば、比較的多量の燃料噴射量を噴射する必要がある場合には、ニードル部を全開位置までリフトするとともにその状態を必要噴射量に応じた時間だけ保持することがリフト制御手段によって行われる。一方で、燃料噴射量を少なくする必要がある場合には、リフト制御手段が、その必要噴射量に応じてニードル部が到達すべき所定の中間位置まで該ニードル部を制御する。また、気筒内への燃料噴射率を小さくするような場合にも、リフト制御手段によるニードル部の中間リフト位置へのリフト位置制御が行われる。このように、リフト制御手段は、内燃機関の運転状態、すなわち気筒内に必要とされる燃料の噴射形態に応じて、ニードル部のリフト位置を制御する。なお、本発明におけるニードル部に関する中間位置とは、全閉位置と全開位置との間の特定の位置を示すものではなく、内燃機関の運転状態に応じて必要とされる燃料噴射の形態の実現のために採るべき位置であって、その位置は、当該燃料噴射の形態に応じて適宜変更されてもよい。

このようにリフト制御手段によるニードル部のリフト位置の制御が行われることで、本発明に係る燃料噴射システムでは、内燃機関の運転状態に応じた適切な燃料噴射の形態を実現することが可能となる。しかしながら、リフト制御手段によってニードル部が中間位置に位置制御された場合（中間リフト時）、ニードル部の先端と燃料噴孔との間の空間が、ニードル部が全開位置に位置制御された場合（フルリフト時）と比べて狭くなる。そのため、中間リフト時では、その比較的狭い空間において燃料がよどみやすくなる。そうすると、噴射されるべき燃料が、そのよどみを避けるようにして燃料噴孔から噴射されることになるため、噴射後の噴霧において、燃料密度の偏りが顕著になってしまう。燃料密度が高い場所の噴霧（部分的な噴霧）は、低い場所の噴霧（別の部分的な噴霧）と比べて、ボアに対して多くの燃料を付着させるため、付着燃料による悪影響、例えば、内燃機関の潤滑油の希釈等を引き起こしやすい。

そこで、本発明に係る燃料噴射システムでは、中間リフト禁止手段によって、ボアに燃料が付着した際にその燃料が気化しにくい条件下に置かれる、内燃機関の機関温度が所定温度以下となる場合には、リフト制御手段による中間リフトの実行が禁止される。内燃機関の機関温度が所定温度を超えているときは、仮に中間リフトが実行されてボアに比較的多くの燃料が付着したとしても、その多くは内燃機関から受ける熱エネルギーによって気化するため、潤滑油の希釈等の悪影響を引き起こす可能性は低いと考えられる。したがって、上記の通り、内燃機関の機関温度が所定温度以下となる場合に限って中間リフトの実行が禁止されることで、潤滑油の希釈を防ぎながらも中間リフトの実行による最適な燃料噴射形態を最大限に実現することが可能となる。

なお、中間リフト禁止手段によってニードル部の中間リフトが禁止されているときは、リフト制御手段は、ニードル部を全開位置までリフトする位置制御のみを行ってもよい。また別法として、中間リフト禁止手段は、中間リフト時の燃料のよどみによる燃料噴霧に
おける燃料密度の偏りが顕著となる、一部の中間リフトのみを禁止し、当該燃料密度の偏りが比較的小さい場合の中間リフトについては、内燃機関の機関温度が所定温度以下であっても実行するように構成してもよい。

ここで、上記内燃機関の燃料噴射システムにおいて、前記所定温度は、前記燃料噴孔から噴射された燃料が前記内燃機関の気筒内壁面（ボア）に付着することによって生じる気筒内オイルの希釈程度に基づいて設定されてもよい。このように設定されることで、内燃機関の機関温度が低い場合における、中間リフト時のボアへの付着燃料によるオイル希釈を適切に防ぐことが可能となる。

本発明によれば、内燃機関の燃料噴射システムにおいて、燃料噴射弁のニードル部を中間リフトさせる場合に生じ得るボアへの燃料付着による内燃機関への悪影響を軽減することができる。

本発明の実施例に係る内燃機関の燃料噴射システムの概略構成を示す図である。 図１に示す燃料噴射システムで用いられる燃料噴射弁の構成を示す図である。 燃料噴射弁においてニードル弁がフルリフトした場合と中間リフトした場合の、ニードル弁先端近傍の燃料の流れを比較した図である。 燃料噴射弁においてニードル弁がフルリフトした場合と中間リフトした場合の、燃料噴霧の形状を比較した図である。 図１に示す燃料噴射システムにおいて実行される燃料噴射制御のフローチャートである。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜実施例＞
本発明に係る内燃機関の燃料噴射システムの実施例について、本願明細書に添付された図に基づいて説明する。図１は、本実施例に係る燃料噴射システム１の概略構成であり、特に燃料噴射弁７の近傍に着目した縦断面の概略構成を示す図である。燃料噴射システム１が搭載される内燃機関は車両駆動用の筒内噴射型の火花点火式内燃機関である。当該内燃機関において、気筒８には吸気ポート２および排気ポート３がつながれている。吸気ポート２は吸気弁３の開閉を通して吸気を気筒８内に送り込み、排気ポート３は排気弁５の開閉を通して燃焼ガス等を排気として内燃機関の排気系へ送り出す。気筒８内にはピストン９が配され、ピストン９に対向する気筒８の頂部には点火プラグ６が、気筒内の混合気に点火可能となるように配されている。また、内燃機関１では、燃料噴射弁７が吸気ポート２の下側（すなわち、吸気ポート２が設けられるシリンダヘッドにおいて、よりシリンダブロック側に近い側）に設けられている。そして、燃料噴射弁７の噴射方向は、概略的には気筒８の内部において斜め下方向に設定されている。

ここで、燃料噴射弁７の詳細な構成について、図２に基づいて説明する。図２は燃料噴射弁７の概略断面図である。燃料噴射弁７はソレノイド駆動方式の燃料噴射弁であり、そのボディ７８内に燃料が流れる通路７１が形成されており、その通路７１には導入口７７を介して図示しない内燃機関のデリバリパイプから燃料が供給され、供給された燃料は後
述するニードル弁７３の動作に伴って燃料噴孔７６から噴射される。ここで、この通路７１の内部にはプランジャ７２が摺動自在に設けられている。プランジャ７２の先端には、ニードル弁７３が形成されており、通常はコイルスプリング７４でニードル弁７３が燃料噴孔７６を閉じる方向に付勢されている（図中の下方への付勢）。また、プランジャ７２を囲むように環状のソレノイドコイル７５がボディ７８内に設けられており、このソレノイドコイル７５が励磁されると、プランジャ７２に対して吸引力が働き、コイルスプリング７４の付勢力に抗してプランジャ７２を上昇させることが可能となる。したがって、燃料噴射弁７においては、ソレノイドコイル７５への供給電流量を調整することでプランジャ７２に作用する吸引力が制御され、当該吸引力とコイルスプリング７４による付勢力とのバランスによって、ニードル弁７３による燃料噴孔７６の開閉が制御されることになる。なお、ニードル弁７３のリフト位置制御については、後述する。

また、図１に示す燃料噴射システム１には、電子制御装置であるＥＣＵ３０が搭載されており、燃料噴射システム１およびそれを搭載する内燃機関における各種の制御が実行される。また、当該内燃機関の吸気系にはエアフローメータ３１が搭載され、また内燃機関を冷却するための冷却水温度を検出する水温センサ３２等が搭載されている。そして、エアフローメータ３１、水温センサ３２や、図示しない内燃機関の機関回転速度を検出する回転速度センサ等からの各検出値はＥＣＵ３０に電気的に引き渡され、燃料噴射装置７からの燃料噴射量や燃料噴射時期等の制御、その他のＥＣＵ３０における各種の制御に供される。

ここで、ＥＣＵ３０による制御の一例として、内燃機関の運転状態としての機関負荷に応じた燃料噴射量の制御が挙げられる。燃料噴射弁７において燃料噴孔７６の開閉を直接制御しているのはニードル弁７３である。このニードル弁７３が燃料噴孔７６を開くように上方にリフトし、再び下降して燃料噴孔７６を塞ぐことで、燃料噴射弁７による一回の燃料噴射が実現されることになる。ここで、仮にニードル弁７３のリフト量が一定であると、燃料噴射弁７による一回当たりの最小の燃料噴射量は、ニードル弁７３が燃料噴孔７６を塞いでいる全閉位置から燃料噴孔７６を全開とする全開位置（すなわち、最上昇位置）を、該全開位置に停止することなく一往復したときの噴射量となる。したがって、このようにニードル弁７３のリフト量が一定となってしまうと、当該最小の燃料噴射量よりも少ない燃料を噴射することが実質的に困難となる。そこで、本発明に係る燃料噴射システム１では、内燃機関の機関負荷に応じた量の燃料噴射を実現できるように、ニードル弁７３のリフト量を可変とする制御、すなわち、燃料噴射時のニードル弁７３のリフト位置（全閉位置から上昇して到達する位置）を、全閉位置と全開位置の間の任意の位置とすることを可能とする制御が行われる。本明細書では、ニードル弁７３を全閉位置から全開位置へリフトさせるケースを「フルリフト」と称し、全閉位置から上記の中間位置までリフトさせるケースを「中間リフト」と称することとする。

なお、ニードル弁７３の中間リフトは、ソレノイドコイル７５に供給する駆動電流を調整することで実行される。たとえば、中間リフトの実行時には、ニードル弁７３がコイルスプリング７４を圧縮するために必要な押圧力および通路７１内でプランジャ７２に作用する摩擦力等を考慮して、フルリフト時のソレノイドコイル７５への供給電流を調整しソレノイドコイル７５に供給すればよい。

このように燃料噴射弁７においてはニードル弁７３の中間リフトを実行することで、内燃機関の運転状態に応じた適切な量の燃料噴射が実現できる。しかしながら、図３Ａに示すように、中間リフト時には、ニードル弁７３の先端部７３ａと燃料噴射弁本体の内部のサック７６ａの底部との距離Ｘｍが、フルリフト時の距離Ｘｆと比べて短くなる。例えば、図３Ａに示すように、燃料噴孔７６がサック７６ａの底部の概ね中央部分に接続している場合には、中間リフト時においては距離Ｘｍが短くなることにより、当該中央部分近傍
の空間Ｒｂは、加圧燃料がよどみやすい形状となっている。そのため、ニードル弁７３の中間リフト時には、比較的燃料が流れやすい当該空間Ｒｂを避けた領域を介して、燃料噴孔７６からの燃料噴射が行われることになる。

このような中間リフト時の燃料噴射によれば、図３Ｂに示すように、燃料噴孔７６において偏って燃料が流れ込むことから、燃料噴霧において燃料密度に大きな偏りが生じてしまう。例えば、中間リフト時では、上記空間Ｒｂを避けるように燃料噴孔７６に燃料が流れ込むことで、燃料噴霧の外周近傍の燃料密度Ｄｐと燃料噴霧の中心の燃料密度Ｄｃを比べると、Ｄｐ＞Ｄｃとなる傾向があり、この傾向はフルリフト時と比べて中間リフト時の方が顕著となっている。このように燃料噴霧における燃料密度の偏りが顕著となると、中間リフト時に燃料噴射弁７から噴射された燃料が気筒８の内壁面（ボア）に付着する付着量が多くなってしまう。

ここで、気筒８のボアへの燃料付着量が多くなると、内燃機関で使用されている潤滑油の希釈化が促進され得るが、特に、内燃機関の機関温度が低い場合には、ボアに付着した燃料の気化が促進されないことから潤滑油の希釈化が懸念される。そこで、図４に、中間リフトによる燃料噴射が可能な燃料噴射弁７を有する燃料噴射システム１において、中間リフト時に懸念される潤滑油の希釈化を抑制するための燃料噴射制御のフローを示す。当該燃料噴射制御は、ＥＣＵ３０によって実行されるものである。

先ず、Ｓ１０１では、内燃機関が機関始動される。この機関始動にともなって燃料噴射弁７からの燃料噴射が開始されることになる。ここで、一般的には、内燃機関の始動時には機関負荷は比較的低いため、機関負荷に応じて燃料噴射弁７から噴射すべき燃料の量は比較的少量でよい。そのため、少量の燃料噴射を実現可能な中間リフトによる燃料噴射が好適に行い得るが、上述したように内燃機関の機関温度が低い場合には、気筒８のボアへの燃料付着による潤滑油の希釈化が懸念される。

そこで、本燃料噴射制御では、Ｓ１０２〜Ｓ１０３の処理が行われた上で、中間リフトによる燃料噴射が実行されることになる。具体的には、内燃機関の機関始動後、Ｓ１０２で、水温センサ３２による検出値に基づいて算出される内燃機関の機関温度Ｔが、所定の温度Ｔ０以下であるか否かが判定される。当該所定温度Ｔ０は、燃料噴孔７６から噴射された燃料が気筒８のボアに付着することによって生じる潤滑油の希釈程度に基づいて設定される閾値であり、換言すれば、所定温度Ｔ０は、機関温度が低温であるために中間リフトによって潤滑油の希釈が起こると想定される閾値である。Ｓ１０２で肯定判定されるとＳ１０３へ進み、否定判定されるとＳ１０４へ進む。

ここでＳ１０３では、燃料噴射弁７におけるニードル弁７３の中間リフトが禁止される。したがって、この場合には、ニードル弁７３においては、全閉位置と全開位置との間の往復動、すなわちフルリフトによる燃料噴射が行われることになる。一方で、Ｓ１０２で否定判定された場合、すなわち、内燃機関の機関温度が所定温度Ｔ０より高くなり、仮に中間リフトによってボアに燃料が付着したとしても、潤滑油の希釈のおそれが低い場合には、Ｓ１０３で禁止された中間リフトが、Ｓ１０４において解除され、その実行が許可される。その結果、Ｓ１０５において、内燃機関の運転状態に応じた燃料噴射、すなわち、必要とされる燃料噴射量に適合すべくニードル弁７３のリフト位置制御が行われる。

このように、本燃料噴射制御によれば、内燃機関の機関温度が比較的低い場合には中間リフトによる燃料噴射が禁止されるため、ボアへの燃料付着による潤滑油の希釈を抑制することが可能となる。なお、図４に示す燃料噴射制御では、一律に中間リフトによる燃料噴射が禁止されるが、中間リフトであってもそのリフト位置が全開位置に比較的近い場合には、図３Ｂに示したような燃料噴霧における燃料密度の偏りが起こりにくい場合もある
。そこで、そのような場合には、内燃機関の機関温度が比較的低い場合であっても中間リフトによる燃料噴射を実行しても構わず、リフト位置が全閉位置に近い一部の中間リフトによる燃料噴射のみを実行禁止とすればよい。

また、本実施例では、内燃機関の運転状態に基づいた中間リフトによる燃料噴射については、燃料噴射量を比較的少量とする必要がある場合について言及したが、その他に、気筒８内での燃焼状態を所望の状態とするために、燃料噴射率を調整する必要がある場合に、フルリフトによる燃料噴射と中間リフトによる燃料噴射を適宜切り替えてもよく、また中間リフトにおけるリフト量を適宜調整してもよい。

１・・・・燃料噴射システム
２・・・・吸気ポート
３・・・・排気ポート
４・・・・吸気弁
５・・・・排気弁
６・・・・点火プラグ
７・・・・燃料噴射弁
７ａ・・・・燃料噴霧
８・・・・気筒
９・・・・ピストン
３０・・・・ＥＣＵ
３１・・・・エアフローメータ
３２・・・・水温センサ
７３・・・・ニードル弁
７３ａ・・・・先端部
７６・・・・燃料噴孔
７６ａ・・・・サック

Claims (2)

1. 燃料噴孔を介して内燃機関の燃料を気筒内に直接噴射する噴射弁本体と、
   前記噴射弁本体の内部をその軸方向にリフト可能に配置され、前記燃料噴孔の開閉を行うニードル部と、
   前記内燃機関の運転状態に基づいて、前記噴射弁本体の内部における前記ニードル部のリフト位置を、前記燃料噴孔が全開状態となる全開位置又は該燃料噴孔が全閉状態となる全閉位置と該全開位置との間の任意の中間位置となるように該リフト位置を制御するリフト制御手段と、
   内燃機関の機関温度が所定温度以下となるときに、前記リフト制御手段が前記ニードル部のリフト位置を前記中間位置とすることを禁止する中間リフト禁止手段と、
   を備える、内燃機関の燃料噴射システム。
2. 前記所定温度は、前記燃料噴孔から噴射された燃料が前記内燃機関の気筒内壁面に付着することによって生じる気筒内オイルの希釈程度に基づいて設定される、
   請求項１に記載の、内燃機関の燃料噴射システム。

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