JP2014015894A - 燃料噴射弁の制御装置 - Google Patents
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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
【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。
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。
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。
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
30 ECU(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
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
30 ECU(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 (6)
- 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。
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JP2012153759A JP2014015894A (ja) | 2012-07-09 | 2012-07-09 | 燃料噴射弁の制御装置 |
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-
2012
- 2012-07-09 JP JP2012153759A patent/JP2014015894A/ja active Pending
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