JP2014015894A

JP2014015894A - 燃料噴射弁の制御装置

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Publication number: JP2014015894A
Application number: JP2012153759A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Ueda; 和明上田; Mari Ikemoto; 雅里池本
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2012-07-09
Filing date: 2012-07-09
Publication date: 2014-01-30

Abstract

【課題】排気エミッションの悪化を抑制しつつ燃料噴射の開始時から高い燃料圧力で燃料噴射を行うことができる燃料噴射弁の制御装置を提供する。
【解決手段】燃料噴射弁１０は、ノズルボディ４１と、ノズルボディ内で摺動可能なニードル弁４２と、ノズルボディの先端部に設けられた燃料噴射孔４３と、ニードル弁の着座時にニードル弁先端部とノズルボディ内面との間に形成されるサック部５０とを具備する。燃料噴射弁の制御装置は、内燃機関の各サイクルにおいて燃料噴射弁から燃焼室５内に複数回の燃料噴射を行うようにニードル弁をリフトさせる噴射制御手段と、サック部内が燃料で満たされるようにニードル弁の微少リフトを行う微少リフト手段とを具備し、微少リフト手段は、各サイクルにおいて、噴射制御手段による複数回の燃料噴射のうち少なくとも最初の燃料噴射の前にニードル弁の微少リフトを行う。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料噴射弁の制御装置に関する。

直噴式の内燃機関に使用される燃料噴射弁の多くは、内燃機関の燃焼室に先端部分が露出した状態でシリンダヘッドに配置される。このような燃料噴射弁では、ニードル弁の着座中に、すなわち燃料噴射弁からの燃料噴射停止中に、燃焼室内のガスが燃料噴射孔からサック部内に侵入する。

このように燃料噴射停止中に燃焼室内のガス、特にカーボン等の固体浮遊物を含んだ燃焼ガスが燃料噴射孔からサック部内に侵入すると、燃料噴射孔等に固体浮遊物が付着、堆積し、その結果、デポジットが形成される。燃料噴射孔へのデポジットの形成が進行すると、燃料噴射孔の閉塞による燃料噴射量の低下や噴霧形状の変形が生じるため、内燃機関の失火やエミッションの悪化が生じる。

そこで、燃料噴射弁による燃料噴射の実行後にニードル弁を微少リフトさせることで、サック部及び燃料噴射孔内を燃料で満たすようにすることが提案されている（例えば、特許文献１）。特許文献１によれば、このように燃料噴射の実行後にサック部及び燃料噴射孔内を燃料で満たすようにすることにより、燃料の噴射停止中に燃焼室内のガスがサック部内に向かって侵入することが抑制され、その結果、燃料噴射孔やサック部内にデポジットが形成されるのを抑制することができるとされている。

特開２０１１−１９６２２８号公報特開２００４−１９７５９７号公報

ところで、内燃機関の燃焼室に先端部分が露出した状態でシリンダヘッドに配置される燃料噴射弁では、一般的に、上述したように、燃料噴射停止中に燃焼室内のガスが燃料噴射孔からサック部内に侵入する。このため、その後に行われる燃料噴射は、サック部内にガス（気泡）が存在する状態で開始される。

ところが、このようにサック部内にガスが存在する状態で燃焼室内へ燃料噴射を行うべくニードル弁を上昇させても、このガスによりサック部内の燃料圧力の上昇が阻害される。すなわち、サック部内に残るガスは燃料に比べて圧縮性が高いため、ニードル弁の上昇に伴ってサック部に流入した燃料の一部はサック部内に残るガスの圧縮に用いられ、その分だけサック部内の燃料圧力の上昇が遅れてしまう。この結果、燃料噴射の開始時には燃料噴射弁から低い燃料圧力で燃料噴射が行われることになる。

一方、特許文献１では、上述したように、燃料噴射弁による燃料噴射の実行直後にニードル弁を微少リフトさせることで、サック部及び燃料噴射孔内を燃料で満たし、これによりサック部内のガスを除去することが提案されている。しかしながら、燃料噴射の実行直後、すなわち燃料噴射すべくニードル弁がリフトした後に着座した直後は、サック部内の燃料圧力が高い上、慣性によりサック部及び燃料噴射孔内には燃料噴射孔の出口へ向かう燃料の流れが生じている。このため、燃料噴射の実行直後にニードル弁を微少リフトさせても、サック部内の燃料圧力をより高めてしまうと共に、サック部及び燃料噴射孔内における燃料噴射孔の出口へ向かう燃料の流れを継続させてしまう。この結果、微少リフトによって比較的多くの燃料が燃料噴射孔から流れ出る可能性があり、この場合、排気エミッションの悪化を招いてしまう。

そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、排気エミッションの悪化を抑制しつつ燃料噴射の開始時から高い燃料圧力で燃料噴射を行うことができる燃料噴射弁の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明では、ノズルボディと、該ノズルボディ内で摺動可能なニードル弁と、ノズルボディの先端部に設けられた燃料噴射孔と、前記ニードル弁の着座時にニードル弁先端部とノズルボディ内面との間に形成されるサック部とを具備する内燃機関の燃料噴射弁の制御装置において、内燃機関の各サイクルにおいて燃料噴射弁から燃焼室又は吸気ポート内に１回又は複数回の燃料噴射を行うようにニードル弁をリフトさせる噴射制御手段と、前記サック部への燃料供給量が該サック部及び燃料噴射孔の総容積以下となるように且つ該サック部内が燃料で満たされるようにニードル弁の微少リフトを行う微少リフト手段とを具備し、前記微少リフト手段は、各サイクルにおいて、噴射制御手段による１回又は複数回の燃料噴射のうち少なくとも最初の燃料噴射の前にニードル弁の微少リフトを行う。

第２の発明では、第１の発明において、前記微少リフト手段は、前記燃料噴射孔から燃料が流れ出ないように前記ニードル弁の微少リフトを行う。

第３の発明では、第１又は第２の発明において、前記微少リフト手段は、前記ニードル弁の微少リフト時におけるニードル弁のリフト期間を燃料噴射弁内に流入した燃料の圧力に基づいて設定する。

第４の発明では、第１〜第３のいずれか一つの発明において、前記微少リフト手段は、各燃料噴射の前にそれぞれニードル弁の微少リフトを行う。

第５の発明では、第１〜第４のいずれか一つの発明において、前記微少リフト手段は、ニードル弁の微少リフトの直後に行われる燃料噴射を行うためのニードル弁のリフトが前記ニードル弁の微少リフトに連続して行われるようなタイミングでニードル弁の微少リフトを行う。

第６の発明では、第１〜第５のいずれか一つの発明において、前記燃料噴射孔の入口は、前記サック部内の領域をニードル弁側の領域とニードル弁から離れている側の領域とに二分した場合に、ニードル弁側の領域内に位置するように配置される。

本発明によれば、排気エミッションの低下を抑制しつつ燃料噴射の開始時から高い燃料圧力で燃料噴射を行うことができる燃料噴射弁の制御装置が提供される。

図１は本発明に係る燃料噴射弁の制御装置を備えた内燃機関を概略的に示す図である。図２は、燃料噴射弁の先端部の概略的な断面図である。図３は、内燃機関で実施し得る燃料噴射パターンのうちの四つの例について示したタイムチャートである。図４は、微少リフトを行った場合における制御信号とリフト量とを示すタイムチャートである。図５は、燃料噴射弁の先端部を拡大して示した図である。図６は、制御信号とリフト量とを示すタイムチャートである。図７は、微少リフトを行った場合における制御信号とリフト量とを示すタイムチャートである。図８は、本実施形態の燃料噴射弁の制御装置による燃料噴射制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図９は、図８に示した燃料噴射制御において用いられる制御信号算出制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

図１は本発明に係る燃料噴射弁の制御装置を圧縮自着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）に適用した場合を示している。しかしながら、本発明に係る燃料噴射弁の制御装置は、火花点火式内燃機関（ガソリンエンジン）等、他の内燃機関に用いることも可能である。

図１を参照すると、機関本体１は、シリンダブロック２と、シリンダブロック２上に配置されたシリンダヘッド３とを具備する。シリンダブロック２の各気筒内には往復運動を行うピストン４が設けられ、ピストン４の上面とシリンダヘッド３の下面とシリンダブロック２の各気筒の内壁面とによって燃焼室５が形成される。シリンダヘッド３には燃焼室５に連通する吸気ポート６と、この吸気ポート６を開閉するための吸気弁７が設けられる。同様に、シリンダヘッド３には燃焼室５に連通する排気ポート８と、この排気ポート８を開閉するための排気弁９が設けられる。

加えて、シリンダヘッド３には、各燃焼室５の上面中央に、燃焼室５内に燃料を噴射する燃料噴射弁１０が設けられる。燃料噴射弁１０は各気筒毎に設けられ、よって例えば４気筒内燃機関ではシリンダヘッド３に４つの燃料噴射弁１０が配置されることになる。図１から分かるように、燃料噴射弁１０はその先端部が燃焼室５内に突出するように配置される。

なお、図示した例では、燃料噴射弁１０は、燃焼室５の上面中央に配置されているが、燃焼室５上面の周辺領域等、燃焼室５内に直接燃料を噴射できるようにシリンダヘッド３又はシリンダブロック２の任意の位置に配置することができる。また、内燃機関として火花点火式内燃機関を用いた場合には、燃料噴射弁１０から吸気ポート６に燃料噴射を行うように燃料噴射弁を吸気ポート６や吸気ポート６に接続される吸気マニホルド（図示せず）等に設けることも可能である。

各燃料噴射弁１０は燃料供給管１１を介して燃料リザーバ、いわゆるコモンレール１２に連結される。コモンレール１２内は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ１３を介して燃料タンク１４に接続される。燃料タンク１４内の燃料は燃料ポンプ１３によりコモンレール１２内に供給され、コモンレール１２内に供給された燃料は各燃料供給管１１を介して燃料噴射弁１０に供給される。

ＥＣＵ（電子制御ユニット）３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。シリンダヘッド３には各気筒の燃焼室５内の圧力を検出する筒内圧センサ５１が設けられており、この筒内圧センサ５１の出力信号はＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、コモンレール１２にはコモンレール１２内の燃料の圧力を検出する燃圧センサ５２が設けられ、この燃圧センサ５２の出力信号はＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。なお、燃圧センサ５２は、必ずしもコモンレール１２に取り付けられたものでなくてもよく、例えば、燃料噴射弁１０に取り付けられて燃料噴射弁１０に供給される又は燃料噴射弁１０に供給された燃料の圧力を検出するものであってもよい。加えて、燃料噴射弁１０には燃料噴射弁１０内のニードル弁のリフト量を検出するためのリフト量検出センサ５３が設けられ、このリフト量検出センサ５３の出力信号もＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５４が接続され、このクランク角センサ５４により機関回転数が検出される。

一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁１０及び燃料ポンプ１３に接続される。したがって、燃料噴射弁１０からの燃料噴射及び燃料ポンプ１３の駆動は、ＥＣＵ３０によって制御される。

図２は、燃料噴射弁１０の一つの構成例を示す断面図であり、燃料噴射弁１０の先端側の一部のみを示している。図２に示したように、燃料噴射弁１０は、内部に中空空間を有するほぼ円筒状のノズルボディ４１と、ノズルボディ４１の中空空間内に摺動（移動）可能に配置されたニードル弁４２とを具備する。ノズルボディ４１とニードル弁４２とはこれらの軸線が同軸になるように配置される。なお、以下の説明では、図２に基づいて、ノズルボディ４１の先端側を下方、ノズルボディ４１の先端側とは反対側を上方として説明するが、ノズルボディ４１の配置方向はこれに限定されるものではなく、任意の方向に配置可能である。

ノズルボディ４１には、先端部に形成された複数の燃料噴射孔４３と、燃料供給管１１を介してコモンレール１２に連通すると共にコモンレール１２から高圧の燃料が供給される燃料供給通路４４と、ニードル弁４２の基端側に形成された制御室４５と、ニードル弁４２の先端部が着座する弁座４６と、制御室４５に連通するリリーフ通路４７とが設けられる。制御室４５内には燃料噴射孔４３を閉鎖させる方向にニードル弁４２を付勢するスプリング４８が設けられると共に、ノズルボディ４１内には制御室４５とリリーフ通路４７との連通を制御するソレノイド弁４９が設けられる。燃料噴射孔４３は、ノズルボディ４１先端部の円周方向に６０°間隔で設けられた６孔の貫通孔である。しかしながら、燃料噴射孔４３の数は６孔に限られず、任意の孔数とすることができる。

ノズルボディ４１の先端部には、ニードル弁４２の弁座４６からノズルボディ４１の先端に向かって延びるサック部５０が形成される。サック部５０は、ノズルボディ４１内部の、弁座４６からノズルボディ４１の下方に向かって延びる中空状の燃料溜まり部であり、ニードル弁４２の着座時にニードル弁４２先端部とノズルボディ４１の内面との間に形成される。サック部５０は、燃料噴射孔４３と連通する。特に、本実施形態では、燃料噴射孔４３は、燃料噴射孔４３の入口がサック部５０の上方、すなわちサック部５０内において弁座４６に近接した位置に配置されるように設けられる。

燃料噴射弁１０では、ニードル弁４２が閉弁方向に移動して弁座４６に着座するときには、燃料供給通路４４からサック部５０へ、ひいては燃料噴射孔４３への燃料の流れが遮断される。その結果、燃料噴射弁１０から燃料噴射が行われなくなる。一方、ニードル弁４２がリフトせしめられて、ニードル弁４２の先端部が弁座４６から離間されると、燃料供給通路４４からサック部５０へ、ひいては燃料噴射孔４３へと燃料が流れる。その結果、燃料噴射弁１０からの燃料噴射が可能となる。

このように構成された燃料噴射弁１０では、ソレノイド弁４９によってリリーフ通路４７が閉鎖されると、燃料供給通路４４から供給される燃料によって制御室４５内の燃料圧力が上昇せしめられる。そして、制御室４５内の燃料圧力とニードル弁４２先端側の燃料圧力との差分がスプリング４８の付勢力よりも小さくなると、ニードル弁４２は閉弁方向（弁座４６側）に移動する。一方、ソレノイド弁４９によってリリーフ通路４７が開放されると、制御室４５内の燃料がリリーフ通路４７を通って流出せしめられる。この結果、制御室４５内の燃料圧力は低下せしめられる。そして、制御室４５内の燃料圧力とニードル弁４２先端側の燃料圧力との差分がスプリング４８の付勢力を超えるとニードル弁４２は開弁方向（ニードル弁４２の基端側）に移動する。燃料噴射弁１０のソレノイド弁４９は、ＥＣＵ３０の駆動回路３８に接続され、ＥＣＵ３０はソレノイド弁４９への電流制御値を変化させることで、ソレノイド弁４９の開弁・閉弁や弁速度を調整し、それによってニードル弁４２の開弁・閉弁や移動速度を制御する。

このように構成された内燃機関では、燃料噴射弁１０の動作はＥＣＵ３０によって制御される。したがって、ＥＣＵ３０は、燃料噴射弁１０の制御装置として作用する。以下では、ＥＣＵ３０による燃料噴射弁１０の制御について説明する。

本実施形態では、燃料噴射弁１０からは様々な噴射パターンで燃料噴射を行うことが可能である。図３は、図１に示した内燃機関で実施し得る燃料噴射パターンのうちの四つの例について示したタイムチャートであり、ＥＣＵ３０から燃料噴射弁１０に伝達される制御信号と、ニードル弁４２のリフト量とを示している。

なお、燃料噴射弁１０では制御信号がＯＮにされると、ソレノイド弁４９が開弁され、その結果、ニードル弁４２が開弁方向に移動（リフト）せしめられる。一方、制御信号がＯＦＦにされると、ソレノイド弁４９が閉弁され、その結果、ニードル弁４２が閉弁方向に移動せしめられる。

図３（ａ）に示した噴射パターンでは、主燃料の噴射（主噴射）Ｑｍのみが圧縮上死点付近で行われる。図３（ａ）に示したような噴射パターンで燃料噴射を行うためには、各サイクルにおいて制御信号が１回のみ比較的長くＯＮにされ、その間にニードル弁４２のリフト量が増大し、その後、制御信号がＯＦＦにされると、ニードル弁４２のリフト量が減少せしめられる。このときの制御信号がＯＮにされている時間及び時期（タイミング）は、機関運転状態（機関負荷や機関回転数等）に基づいて算出された燃焼室５内に供給すべき燃料量及び燃圧センサ５２によって算出された燃料の圧力等に基づいてＥＣＵ３０により設定される。

図３（ｂ）に示した噴射パターンでは、圧縮上死点付近の主噴射Ｑｍに加え、その直前に主噴射Ｑｍよりも少量のパイロット噴射Ｑｐｉが行われる。パイロット噴射Ｑｐｉは、一般に、予め燃焼室５内に混合気を作って混合気全体を燃焼しやすくするために行われる。パイロット噴射Ｑｐｉは、主噴射と同一サイクルにおいて（主に、圧縮行程において）主噴射よりも前に行われる燃料噴射であり、図３（ｂ）に示した噴射パターンでは、パイロット噴射Ｑｐｉが１回のみ行われているが、パイロット噴射Ｑｐｉは複数回行われてもよい。図３（ｂ）に示したような噴射パターンで燃料噴射を行うためには、各サイクルにおいて制御信号が１回のみ比較的長くＯＮにされると共に、その前に、短くＯＮにされる。このとき、パイロット噴射を行うために制御信号がＯＮにされている時間及び時期（タイミング）は、機関運転状態（機関負荷や機関回転数等）に基づいて算出された燃焼室５内に供給すべき燃料量及び燃圧センサ５２によって算出された燃料の圧力等に基づいてＥＣＵ３０により設定される。

図３（ｃ）に示した噴射パターンでは、圧縮上死点付近の主噴射Ｑｍに加えて、その直後に主噴射Ｑｍよりも少量のポスト噴射Ｑｐｏが行われる。ポスト噴射Ｑｐｏは、一般に、燃え残った燃料を一吹き噴射することで混合気を完全燃焼させるため及び排出ガスの後処理装置の昇温等をさせるために行われる。ポスト噴射Ｏｐｏは主噴射Ｑｍと同一サイクルにおいて（主に、膨張行程において）主噴射よりも後に行われる噴射であり、図３（ｃ）に示した噴射パターンでは、ポスト噴射Ｑｐｏが１回のみ行われているが、パイロット噴射Ｑｐｏは複数回行われてもよい。図３（ｃ）で示したような噴射パターンで燃料噴射を行うためには、各サイクルにおいて制御信号が１回のみ比較的長くＯＮにされると共に、その後に、短くＯＮにされる。このときポスト噴射を行うために制御信号がＯＮにされている時間及び時期（タイミング）は、機関運転状態（機関負荷や機関回転数等）に基づいて算出された燃焼室５内に供給すべき燃料量及び燃圧センサ５２によって算出された燃料の圧力等に基づいてＥＣＵ３０により設定される。

図３（ｄ）に示した噴射パターンでは、圧縮上死点付近の主噴射Ｑｍに加えて、その直前に２回のパイロット噴射Ｑｐｉが行われ、その直後に１回のポスト噴射Ｑｐｏが行われる。このように、主噴射Ｑｍに加えて、パイロット噴射Ｑｐｉ及びポスト噴射Ｑｐｏの両方の噴射を行うことが可能である。図３（ｄ）で示したような噴射パターンで燃料噴射を行うためには、各サイクルにおいて制御信号が１回のみ比較的長くＯＮにされると共に、比較的長くＯＮにされる前に短く２回ＯＮにされ、且つ比較的長くＯＮにされた後に短く１回ＯＮにされる。

なお、上述したように、燃料噴射弁１０からの各噴射（主噴射、パイロット噴射及びポスト噴射）は、ＥＣＵ３０から燃料噴射弁１０への制御信号によって行われる。したがって、ＥＣＵ３０は、燃料噴射弁１０から燃焼室５内に１回又は複数回の燃料噴射を行うようにニードル弁をリフトさせる噴射制御手段として機能するといえる。

さらに、本実施形態の燃料噴射弁１０の制御装置では、燃料噴射弁１０から燃料噴射を行うべくニードル弁４２をリフトさせることに加えて、サック部５０内が燃料で満たされつつサック部５０から燃料が流出しないようにニードル弁４２を微少量だけリフトさせている。

図４は、図３（ｂ）に示した噴射パターンで燃料噴射を行った場合に、燃料噴射を行うためのニードル弁４２のリフトに加えて、上述したニードル弁４２の微少リフトを行った場合における、ＥＣＵ３０から燃料噴射弁１０に伝達される制御信号と、ニードル弁４２のリフト量とを示すタイムチャートである。

図４から分かるように、本実施形態では、各燃料噴射のためのニードル弁４２のリフトの直前、すなわちパイロット噴射Ｑｐｉを行うためのニードル弁４２のリフトの直前及び主噴射Ｑｍを行うためのニードル弁４２のリフトの直前それぞれに微少量のニードル弁４２のリフト（「微少リフト」という）が行われる。

本実施形態では、微少リフトは、微少リフトによりサック部５０内に供給される燃料量が予め定められた目標燃料供給量となるように行われる。したがって、燃料噴射弁１０への制御信号をＯＮとする時間、すなわち燃料噴射弁１０の開弁時間は、予め定められた目標燃料供給量と、燃圧センサ５２によって検出された燃料圧力（すなわち、燃料噴射弁１０内に流入した燃料の圧力）とに基づいて算出される。具体的には、燃料供給量を予め定められた目標燃料供給量とするのに必要な、燃料圧力と燃料噴射弁１０への制御信号をＯＮとする時間との関係を予めマップとしてＥＣＵ３０のＲＯＭ３２に保存しておき、燃圧センサ５２によって検出された燃料圧力に基づいて燃料噴射弁１０への制御信号をＯＮとする時間が算出される。

或いは、サック部５０内に供給すべき燃料量は、内燃機関の運転状態及び微少リフトの実行時期（すなわち、主噴射の直前であるのか或いはパイロット噴射の直前であるのか等）に応じて変化するようにしてもよい。本実施形態では、後述するように燃料噴射停止中にサック部５０内に侵入したガスを減少、除去させるために微少リフトを行うのであるが、微少リフトの実行前にサック部５０内に侵入するガスの量は機関運転状態及び微少リフトの実行時期等で変化する。したがって、各機関運転状態及び微量リフトの実行時期毎にサック部５０内に侵入・残存しているガスの量を予め推定又は算出し、このサック部５０内に侵入・残存しているガスを除去することができるような燃料量を目標燃料供給量とするようにしてもよい。この場合、目標燃料供給量は、内燃機関の運転状態及び微少リフトの実行時期等に基づいて算出されることになる。

この場合、具体的には、各機関運転状態、微少リフトの実行時期及び燃料圧力と燃料噴射弁１０への制御信号をＯＮとする時間との関係を予めマップとしてＥＣＵ３０のＲＯＭ３２に保存しておき、機関運転状態、微少リフトの実行時期、及び燃圧センサ５２によって検出された燃料圧力等に基づいて燃料噴射弁１０への制御信号をＯＮとする時間が算出される。

なお、いずれにせよ、微少リフトを実行する際には、燃料噴射孔４３から燃料ができるだけ流れ出ないようにサック部５０への燃料供給を行うのが好ましい。したがって、サック部５０への燃料供給量は少なくともサック部５０及び燃料噴射孔４３の総容積以下とされる。また、上述したように、微少リフトは、ＥＣＵ３０から燃料噴射弁１０への制御信号によって行われる。したがって、ＥＣＵ３０は、ニードル弁を微少リフトさせる微少リフト手段として機能するといえる。

ここで、このように各燃料噴射のためのニードル弁４２のリフトの前にニードル弁４２の微少リフトを行うことの利点について説明する。燃料噴射弁１０の燃料噴射孔４３が設けられた先端部分は燃焼室５内に露出しているため、燃料噴射停止中には燃焼室５内のガスが燃料噴射孔４３からサック部５０内に侵入する。この結果、燃料噴射弁１０からの各燃料噴射前にはサック部５０内に燃料のみならずガス（気泡）が存在し、この気泡の存在により燃料噴射開始時にサック部５０内の燃料圧力の上昇が阻害される。

これに対して、本実施形態のように、各燃料噴射の直前にニードル弁４２の微少リフトを行うことにより、サック部５０内の気泡を減少又は除去することができる。このため、微少リフトに続いて行われる燃料噴射では、ニードル弁４２のリフト開始直後からサック部５０内の燃料圧力を迅速に上昇させることができる。この結果、燃料噴射の開始から比較的高い圧力で燃料噴射を行うことができるようになり、燃料噴射における貫徹力を向上させることができると共に、噴射された燃料の微粒化を促進させることができる。

また、本実施形態では、図５（ａ）に示したように、燃料噴射孔４３の入口がサック部５０の上方、すなわちサック部５０内において弁座４６に近接した位置に配置されている。これにより、微少リフトを行った際に、サック部５０内に残存しているガス（気泡）が排出され易くなる。

すなわち、燃料噴射停止時にサック部５０内にガスが残存していると、ガスはサック部の上方に溜まりやすくなる。ここで、図５（ｂ）に示したように、燃料噴射孔４３の入口がサック部５０の下方、すなわちサック部５０内において弁座４６から離れた位置に配置されている場合、微少リフトを行うと、サック部５０内に残存しているガスが燃料噴射孔４３に到達するまでに攪拌されてしまい、燃料噴射孔４３から抜けにくくなる。

これに対して、本実施形態では、図５（ａ）に示したように、燃料噴射孔４３の入口がサック部５０内において弁座４６に近接した位置に配置されているため、微少リフトを行っても、サック部５０内に残存しているガスは燃料噴射孔４３に到達するまでにほとんど攪拌されず、その結果、微少リフトを行った際に、サック部５０内に残存しているガスを容易に排出することができるようになる。

なお、サック部５０内に残存しているガスの排出を考慮すると、燃料噴射孔４３の入口は弁座４６のできるだけ近くに配置されているのが好ましい。しかしながら、燃料噴射孔４３の入口は、少なくとも、サック部５０内の領域をニードル弁側の領域とニードル弁から離れている側の領域とに二分した場合に、ニードル弁側の領域内に位置するように配置されればよい。或いは、燃料噴射孔４３の入口は、サック部５０内の領域を弁座４６側からノズルボディ４１の先端側に向かう方向において３分割又は４分割した場合に、最も弁座４６に近い領域内に位置するように配置されてもよい。

なお、上記実施形態では、各燃料噴射の直前に微少リフトを行っている。しかしながら、必ずしも全ての燃料噴射の直前に微少リフトを行う必要はない。例えば、図６に示したように、パイロット噴射Ｑｐｉと主噴射Ｑｍとが極めて近接して行われている場合、主噴射Ｑｍの前には燃料噴射停止期間は存在せず、よってサック部５０内にもガスは侵入しない。このため、このように各サイクルにおいて２回目以降の燃料噴射がその前の燃料噴射の直後に行われることによって、両燃料噴射間に燃料噴射停止期間が存在しないか或いはほとんど存在しない場合には、後の燃料噴射の直前には微少リフトを行わないようにしている。

したがって、本実施形態では、各サイクルにおいて１回又は複数回の燃料噴射のうち少なくとも最初の燃料噴射の直前には微少リフトが行われるが、それ以降の燃料噴射直前の微少リフトについては必ずしも行う必要はないといえる。

また、図４に示した例では、各燃料噴射のためのニードル弁４２のリフト開始よりも僅かに前にニードル弁４２の微少リフトが終了している。しかしながら、必ずしもこのようなタイミングで微少リフトを行わなくてもよく、例えば、図７に示したように、ニードル弁４２の微少リフトと各燃料噴射のためのニードル弁４２のリフトとが連続的に行われてもよい。

ただし、各ニードル弁４２の微少リフトは、微少リフトの直前に行われた燃料噴射の影響を受けない時期に行うのが好ましい。すなわち、各燃料噴射の実行直後、すなわち燃料噴射すべくニードル弁４２がリフトした後に着座した直後は、上述したように、サック部５０内の燃料圧力が高い上、慣性によりサック部５０及び燃料噴射孔４３内には燃料噴射孔の出口へ向かう燃料の流れが生じている。このため、この時期に微少リフトを行うと、微少リフトによって比較的多くの燃料が燃料噴射孔から流れ出る可能性があり、この場合、排気エミッションの低下を招いてしまう。このため、各ニードル弁４２の微少リフトは、微少リフトの直前に行われた燃料噴射の影響を受けない時期、具体的には、微少リフトの直前に行われた燃料噴射によるサック部５０内の圧力上昇が終了し、サック部５０及び燃料噴射孔４３内の燃料噴射孔４３の出口へ向かう燃料の流れが停止した時期に行うのが好ましい。

また、上記実施形態では、微少リフトにおいて燃料噴射弁１０への制御信号をＯＮとする時間を算出するにあたって、燃料圧力と燃料噴射弁１０への制御信号をＯＮとする時間との関係を示すマップを用いている。しかしながら、燃料噴射弁１０への制御信号をＯＮとする時間Ｔは、例えば、以下の式（１）に基づいて算出してもよい。
Ｑ＝｛ｃＡ（２ΔＰ／ρ）^1/2｝ …（１）
なお、式（１）中のＱは単位時間当たりにサック部５０内に供給される燃料量（ｍ³／ｓ）、ｃは流量係数、Ａはニードル弁４２の先端部と弁座４６との間に形成される流路の流路面積（ｍ³）、ΔＰは弁座４６の上流側と下流側との間の差圧（Ｐａ）、ρは燃料の密度（ｋｇ／ｍ³）をそれぞれ示している。

ここで、燃料噴射弁１０への制御信号をＯＮとする時間Ｔとニードル弁４２のリフト量との関係を予め差圧ΔＰ毎に求めて、マップとしてＥＣＵ３０のＲＯＭ３２に保存しておく。同様に、ニードル弁４２のリフト量と流路断面積Ａとの関係、流路面積Ａと流量係数ｃとの関係も予め差圧ΔＰ毎に求めて、マップとしてＥＣＵ３０のＲＯＭ３２に保存しておく。

また、差圧ΔＰは、燃圧センサ５２によって検出された燃料圧力（すなわち、コモンレール１２内の燃料圧力又は燃料噴射弁１０に供給された燃料の圧力）と筒内圧センサ５１によって検出された燃焼室５内の圧力との差を算出することによって求められる。このように差圧ΔＰを求めることにより、燃料噴射弁１０への制御信号をＯＮとする時間Ｔに基づいてニードル弁４２のリフト量が算出され、ニードル弁４２のリフト量に基づいて流路断面積Ａが算出され、流路断面積Ａに基づいて流量係数が算出される。これらの値を上記式（１）に代入することにより、サック部５０に供給される燃料の体積流量Ｑが算出され、これと燃料噴射弁１０への制御信号をＯＮとする時間Ｔとに基づいてサック部５０への燃料供給量が算出される。このようにして算出された燃料供給量が予められた目標燃料供給量よりも多い場合には時間Ｔを短くして再計算が行われ、目標燃料供給量よりも少ない場合には時間Ｔを長くして再計算が行われ、最終的に燃料噴射弁１０への制御信号をＯＮとする時間Ｔが求められる。

加えて、上記実施形態では、サック部５０への目標燃料供給量を予め定められた一定にしている。このように目標燃料供給量を一定値にすると、場合によっては、微少リフトによってサック部５０に燃料供給を行った際に、燃料の一部が燃料噴射孔４３から流れ出てしまう場合がある。このように、燃料噴射孔４３から燃料が流れ出ると、各サイクルにおける燃焼室５内への燃料供給量は、機関運転状態等に基づいて設定された目標燃料供給量よりも多くの燃料が燃焼室５内に流入することになり、その結果、燃焼室５内での燃料燃焼量も増大することになる。

そこで、本実施形態では、各サイクルにおいて燃焼室５内で燃焼した燃料の実際の燃焼量と、燃焼室５内への燃焼供給量が機関運転状態等に基づいて設定された目標総燃料供給量に等しい場合に燃焼室５内で燃焼すると予想される燃料の予想燃焼量とを算出すると共に、実際の燃焼量が予想燃焼量よりも多いときには微少リフト時に燃料噴射孔４３から燃料が流れ出ているとして、微少リフト時におけるサック部５０への目標燃料供給量を減少させる補正を行うようにしてもよい。

図８は、本実施形態の燃料噴射弁１０の制御装置による燃料噴射制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。

図８に示したように、まず、ステップＳ１１では、機関運転状態の検出が行われる。具体的には、例えば、クランク角センサ５４によって機関回転数が検出されると共に、アクセルペダルに接続された負荷センサ（図示せず）によって機関負荷が検出される。次いで、ステップＳ１２では、ステップＳ１１で検出された機関運転状態に基づいて燃料噴射弁１０からの燃料噴射条件が算出される。具体的には、例えば、図３に示したような燃料噴射パターンのうち実際に燃料噴射を行う燃料噴射パターンが選択されると共に、燃料噴射パターンの各燃料噴射の時期及び燃料噴射量（或いは燃料噴射期間）が算出される。

次いで、ステップＳ１３では、ステップＳ１２で算出された今回の制御ルーチンにおける燃料噴射条件が前回の制御ルーチンにおける燃料噴射条件と同一であるか否かが判定される。ステップＳ１３において今回の制御ルーチンにおける燃料噴射条件が前回の制御ルーチンにおける燃料噴射条件と同一ではないと判定された場合にはステップＳ１４へと進む。ステップＳ１４では、後述する制御信号算出制御を用いて制御信号の算出が行われる。次いで、ステップＳ１５では、ステップＳ１４で算出された制御信号がＥＣＵ３０のＲＡＭ３３に保存され、ステップＳ１７へと進む。一方、ステップＳ１３において今回の制御ルーチンにおける燃料噴射条件が前回の制御ルーチンにおける燃料噴射条件と同一であると判定された場合にはステップＳ１６へと進む。ステップＳ１６では、前回の制御ルーチンのステップＳ１５においてＲＡＭ３３に保存された制御信号の読込が行われる。

ステップＳ１７では、噴射制御が行われる。このとき、燃料噴射弁１０におけるニードル弁４２のリフトは、ステップＳ１２において算出された燃料噴射条件で燃料噴射が行われるように、且つステップＳ１４で算出された制御信号に併せてニードル弁４２の微少リフトが行われるように制御される。

次いで、ステップＳ１８では、予想燃焼量に対する実際の燃焼量の超過分である過多燃焼量の算出が行われ、制御ルーチンが終了せしめられる。過多燃焼量の算出は、燃焼室５内への総燃料供給量が燃料噴射条件に基づく目標総燃料供給量に等しい場合に燃焼室５内で燃焼が行われると予想される燃料の予想燃焼量を、燃焼室５内への吸入空気量及び燃焼室５から排出された排気ガスの空燃比等に基づいて算出される実際に燃焼室５内で燃焼した燃料の燃焼量から減算することによって算出される。

図９は、図８に示した燃料噴射制御において用いられる制御信号算出制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。

図９に示したように、まずステップＳ２１では、各微少リフトにおいてサック部５０へ供給すべき目標燃料供給量の算出が行われる。目標燃料供給量は、例えば、各微少リフト実行時においてサック部５０内に侵入していると予想されるガス（気泡）量に基づいて算出され、各微少リフト実行時においてサック部５０内に侵入しているガス量は機関運転状態及び微少リフトの実行時期等に基づいて算出される。

次いで、ステップＳ２２では、図８に示した燃料噴射制御のステップＳ１８において算出された過多燃焼量が読み込まれる。次いで、ステップＳ２３では、燃圧センサ５２によってコモンレール１２内の燃料圧力が検出されると共に、筒内圧センサ５１によって燃焼室５内の圧力（筒内圧力）が検出される。次いで、ステップＳ２４では、ステップＳ２１で算出された目標燃料供給量、ステップＳ２２で読み込まれた過多燃焼量、及びステップＳ２３で検出された燃料圧力及び燃焼室５内の圧力に基づいて微少リフトを実行するための制御信号が算出される。このようにして算出された制御信号は、図８に示した燃料噴射制御のステップＳ１７において用いられる。

次いで、ステップＳ２５では、微少リフトの実行タイミングと燃料噴射制御における燃料噴射条件から定まるニードル弁４２のリフトの実行タイミングとの間に重なっている部分があるか否かが判定される。これらの間に重なっている部分がないと判定された場合には、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ２５において、これらの間に重なっている部分があると判定された場合には、ステップＳ２６においてこの重なっている部分に対応する制御信号が削除され、制御ルーチンが終了せしめられる。

１機関本体
２シリンダブロック
３シリンダヘッド
４ピストン
５燃焼室
１０燃料噴射弁
１２コモンレール
１３燃料ポンプ
３０ＥＣＵ（電子制御ユニット）
４１ノズルボディ
４２ニードル弁
４３燃料噴射孔
５０サック部
５１筒内圧センサ
５２燃圧センサ

Claims

ノズルボディと、該ノズルボディ内で摺動可能なニードル弁と、ノズルボディの先端部に設けられた燃料噴射孔と、前記ニードル弁の着座時にニードル弁先端部とノズルボディ内面との間に形成されるサック部とを具備する内燃機関の燃料噴射弁の制御装置において、
内燃機関の各サイクルにおいて燃料噴射弁から燃焼室又は吸気ポート内に１回又は複数回の燃料噴射を行うようにニードル弁をリフトさせる噴射制御手段と、前記サック部への燃料供給量が該サック部及び燃料噴射孔の総容積以下となるように且つ該サック部内が燃料で満たされるようにニードル弁の微少リフトを行う微少リフト手段とを具備し、
前記微少リフト手段は、各サイクルにおいて、噴射制御手段による１回又は複数回の燃料噴射のうち少なくとも最初の燃料噴射の前にニードル弁の微少リフトを行う、燃料噴射弁の制御装置。
前記微少リフト手段は、前記燃料噴射孔から燃料が流れ出ないように前記ニードル弁の微少リフトを行う、請求項１に記載の燃料噴射弁の制御装置。
前記微少リフト手段は、前記ニードル弁の微少リフト時におけるニードル弁のリフト期間を燃料噴射弁内に流入した燃料の圧力に基づいて設定する、請求項１又は２に記載の燃料噴射弁の制御装置。
前記微少リフト手段は、各燃料噴射の前にそれぞれニードル弁の微少リフトを行う、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料噴射弁の制御装置。
前記微少リフト手段は、ニードル弁の微少リフトの直後に行われる燃料噴射を行うためのニードル弁のリフトが前記ニードル弁の微少リフトに連続して行われるようなタイミングでニードル弁の微少リフトを行う、請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料噴射弁の制御装置。
前記燃料噴射孔の入口は、前記サック部内の領域をニードル弁側の領域とニードル弁から離れている側の領域とに二分した場合に、ニードル弁側の領域内に位置するように配置される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料噴射弁の制御装置。