JP2016151237A

JP2016151237A - 燃料噴射装置

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Publication number: JP2016151237A
Application number: JP2015029805A
Authority: JP
Inventors: 川上　淳; Atsushi Kawakami; 淳川上
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-02-18
Filing date: 2015-02-18
Publication date: 2016-08-22
Anticipated expiration: 2035-02-18
Also published as: DE102016102773A1; US20160237972A1; JP5962795B1

Abstract

【課題】時間差で閉じる複数の噴孔を有する燃料噴射弁において、燃焼状態を改善する。【解決手段】ニードルの動作量が大きいときには小さいときよりも総噴孔面積が大きくなる燃料噴射弁を備え、総噴孔面積が大きい状態から小さい状態へ切り替わるときに、総噴孔面積が大きい状態のときよりも小さい状態のときの方が燃料の圧力が大きくなるように燃料の圧力を増加する。【選択図】図５

Description

本発明は、燃料噴射装置に関する。

第一噴孔を開閉するアウタニードルと、第二噴孔を開閉するインナニードルとを備え、アウタニードルが所定量上昇すると、インナニードルがアウタニードルと共に上昇する機構を備える燃料噴射弁が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

アウタニードルとインナニードルとを有する一般的な燃料噴射弁では、まずアウタニードルが上昇して第一噴孔から燃料が噴射され、アウタニードルが所定量上昇すると、アウタニードルがインナニードルを押すことでインナニードルが上昇する。インナニードルが上昇すると、第一噴孔及び第二噴孔から燃料が噴射される。その後に、アウタニードルが下降すると、インナニードルも同様に下降する。アウタニードル及びインナニードルが下降してアウタニードルのリフト量が所定量になると、インナニードルが着座して第二噴孔からの燃料噴射が終了し、第一噴孔のみから燃料が噴射される。最後にアウタニードルが着座して第一噴孔からの燃料の噴射が終了する。

特開２００６−１６１６７８号公報特開２００７−０１６７７３号公報

上記のような機構を有する燃料噴射弁では、インナニードルが着座した後で且つ燃料噴射の終了前に第一噴孔のみから燃料を噴射する期間がある。この期間は、第一噴孔及び第二噴孔から燃料が噴射されるときと比較して、単位時間当たりの燃料噴射量（すなわち、噴射率）が小さくなる。ここで、ニードルを１本のみ有する燃料噴射弁では、噴射率が低下するのはニードルが着座する直前の比較的短い期間だけである。一方、上記のアウタニードルとインナニードルとを有する燃料噴射弁では、インナニードルが着座する直前からアウタニードルが着座するまでの期間において噴射率が低下する。このため、燃料の噴射が完了するまでにより長い時間を要する。ここで、燃料噴射の期間が長くなると、燃料噴射の終期には、燃料噴射の初期に噴射された燃料が燃焼して高温且つ高圧となった気筒内に燃料が噴射されるようになるため、燃料と空気との混合が不十分のうちに燃焼が始まってしまうので、スモークが発生しやすくなる。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、時間差で閉じる複数の噴孔を有する燃料噴射弁において、燃焼状態を改善することにある。

上記課題を解決するために本発明に係る燃料噴射装置は、ニードルの動作量が大きいときには小さいときよりも総噴孔面積が大きくなる燃料噴射弁と、前記総噴孔面積が大きい状態から小さい状態へ変わるときに、前記総噴孔面積が大きい状態のときよりも小さい状態のときの方が燃料の圧力が大きくなるように燃料の圧力を増加する制御装置と、を備える。

総噴孔面積が大きい状態から小さい状態へ変わることにより噴射率が低下し得るが、こ
のときに噴射される燃料の圧力を増加させることにより、実際に噴射率が低下することを抑制できる。すなわち、噴射率が高い状態を維持することができる。その結果、燃料噴射量の総量を変化させずに、ニードルを下降させる時期を早くすることができるので、燃料の噴射期間を短縮することができる。このため、スモークが発生することを抑制できる。また、燃料の圧力の増加により、燃料の微粒化を促進させることもできるので、燃焼を促進させることができ、これによっても、スモークの発生を抑制できる。なお、燃料の圧力は、ニードルの動作量に連動して機械的に増加させてもよいが、以下のようにしてもよい。

また、前記燃料噴射弁が、第一噴孔と、第二噴孔と、該第一噴孔を開閉する第一ニードルと、該第二噴孔を開閉し該第一ニードルのリフト量が第一所定量以上のときに該第一ニードルと共にリフトする第二ニードルと、を有する燃料噴射装置において、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の圧力を変化させる圧力変化部をさらに備え、前記制御装置は、前記第一ニードルのリフト量が前記第一所定量以上になった後、前記第一ニードル及び前記第二ニードルが下降して、前記第二ニードルのリフト量が、第二所定量になるときに、前記圧力変化部による燃料の圧力の増加を開始することもできる。

第二噴孔の燃料の噴射率の低下開始時から、噴射される燃料の圧力を増加させることにより、実際に噴射率が低下することを抑制できる。すなわち、噴射率が高い状態を維持することができる。その結果、燃料噴射量の総量を変化させずに、第一ニードル及び第二ニードルを下降させる時期を早くすることができるので、燃料の噴射期間を短縮することができる。このため、スモークが発生することを抑制できる。また、燃料の圧力の増加により、燃料の微粒化を促進させることもできるので、燃焼を促進させることができ、これによっても、スモークの発生を抑制できる。第一所定量は、第二ニードルが上昇を開始するときの第一ニードルのリフト量である。第一ニードルのリフト量が第一所定量以上であれば、第一噴孔及び第二噴孔から燃料が噴射され、第一ニードルのリフト量が第一所定量未満であれば、第一噴孔のみから燃料が噴射される。

また、前記第二所定量は、仮に燃料の圧力を増加しないと前記第二噴孔から噴射される燃料の噴射率が低下するリフト量であってもよい。第二所定量は、第二ニードルと弁座との間の燃料の通路の断面積が、第二噴孔の断面積と等しくなるときの第二ニードルのリフト量ともいえる。

また、前記制御装置は、前記第一ニードルのリフト量が前記第一所定量以上になった後、前記第一ニードル及び前記第二ニードルが下降して、前記第二ニードルのリフト量が前記第二所定量になるときに、前記第一噴孔及び前記第二噴孔を合わせた燃料の噴射率が変化しないように、前記圧力変化部により燃料の圧力を増加させることができる。

ここで、第二ニードルが下降することにより、燃料の噴射率が低下し得るときに、燃料の圧力を増加させることにより、噴射率の低下を抑制できる。このときに、第一噴孔及び第二噴孔を合わせた燃料の噴射率が変化しないように燃料の圧力を調整することにより、燃料の圧力を増加させる前後においてトルク変動が発生することを抑制できる。

本発明によれば、時間差で閉じる複数の噴孔を有する燃料噴射弁において、燃焼状態を改善することができる。

実施例における燃料噴射弁の断面図である。アウタ噴孔から燃料が噴射され、インナ噴孔からは燃料が噴射されていない状態での燃料噴射弁を示している。アウタ噴孔及びインナ噴孔から燃料が噴射されている状態での燃料噴射弁を示している。本実施例に係る噴射制御時の噴射信号、増圧部駆動信号、増加圧力、ニードルリフト量、燃料の噴射率の推移を示したタイムチャートである。実施例１に係る増圧部の制御フローを示したフローチャートである。アウタ噴孔及びインナ噴孔を使用する運転領域を示した図である。従来の燃料噴射時の噴射率と、本実施例に係る燃料噴射時の噴射率と、を比較するためのタイムチャートである。実施例２に係る増圧部の制御フローを示したフローチャートである。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の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１＞
図１は、本実施例における燃料噴射弁１の断面図である。燃料噴射弁１は、例えば、ディーゼルエンジン等の内燃機関に適用される。燃料噴射弁１は、気筒毎に設けられ、気筒内に燃料を直接噴射する。なお、本実施例においては、燃料噴射弁１を簡潔に表示するため、一部の構成要素の表示を省略している。

燃料噴射弁１は、ノズル部２、背圧部３、増圧部４を備えている。背圧部３及び増圧部４には、図示しないコモンレール等から燃料が供給される。そして、背圧部３、及び増圧部４では、夫々、圧電素子等を利用して燃料の圧力が調整される。なお、背圧部３及び増圧部４は、ノズル部２の内部に設けられていてもよく、ノズル部２の外部に設けられていてもよい。増圧部４には、燃料の圧力を検出する圧力センサ１９が設けられている。圧力センサ１９は、増圧部４から流出する燃料の圧力を検出し、この燃料の圧力は燃料噴射弁１から噴射される燃料の圧力と等しい。本実施例に係る増圧部４は、所定の比率で燃料の圧力を増加させる。なお、背圧部３及び増圧部４の構造は周知であるため説明を省略する。本実施例においては増圧部４が、本発明における圧力変化部に相当する。

ノズル部２は、プレート１１およびノズルボディ２１を備えている。ノズルボディ２１は、プレート１１側の一端が開口し、他端が閉じている円筒形状の部材であり、この中には、アウタニードル６、インナニードル７、シリンダ４２、アウタスプリング４３、およびインナスプリング４４が備わる。ノズルボディ２１の上端部には、プレート１１が図示しないリテーニングナット等で固定されている。

また、ノズルボディ２１の底部には、アウタ噴孔２２と、インナ噴孔２３が形成されている。アウタ噴孔２２およびインナ噴孔２３は、共にノズルボディ２１の中心軸を中心とした、径の異なる同心円に沿って複数個形成されている。アウタ噴孔２２は、インナ噴孔２３が形成されているよりもノズルボディ２１の中心軸側から見て外側に形成されている。なお、本実施例においてはアウタ噴孔２２が、本発明における第一噴孔に相当し、インナ噴孔２３が、本発明における第二噴孔に相当する。

アウタニードル６とインナニードル７は、これらの噴孔側端部でそれぞれアウタ噴孔２２、インナ噴孔２３の開放、閉塞を行う弁体である。アウタニードル６及びインナニードル７の中心軸は、ノズルボディ２１の中心軸と同軸上にある。アウタニードル６は、その中心軸の周りに中空部を有する円筒状の弁体である。インナニードル７は、アウタニード
ル６の中空部に該アウタニードル６の中心軸方向に移動可能に挿入される円柱状の弁体である。なお、本実施例においてはアウタニードル６が、本発明における第一ニードルに相当し、インナニードル７が、本発明における第二ニードルに相当する。

アウタニードル６の軸方向で噴孔２２，２３側とは反対側（以下、反噴孔側という。）には、アウタニードル６の移動を案内する円筒状のシリンダ４２が配置されている。シリンダ４２の反噴孔側端部は、プレート１１の壁面４１に当接している。シリンダ４２の噴孔側端部とアウタニードル６との間には、アウタニードル６を噴孔方向に付勢するアウタスプリング４３が配置されている。プレート１１の壁面４１とインナニードル７との間には、インナニードル７を噴孔方向に付勢するインナスプリング４４が配置されている。

ノズルボディ２１内には、いくつかの空間が形成される。ノズルボディ２１の内壁とアウタニードル６の側壁との間には、ノズル室３２が形成される。このノズル室３２の一端は、プレート１１に形成されている通路１２を介して燃料供給通路２８の一端に通じており、該このノズル室３２の他端は、アウタ噴孔２２及びインナ噴孔２３に通じている。燃料供給通路２８の他端は、増圧部４に接続されている。燃料供給通路２８を通じてノズル室３２に導入される高圧燃料は、アウタ噴孔２２およびインナ噴孔２３から噴射される。

また、ノズルボディ２１の反噴孔側端部には、アウタ反噴孔側受圧面６２、インナ反噴孔側受圧面７２、壁面４１、およびシリンダ４２の内壁によって背圧室３１が区画されている。この背圧室３１は、プレート１１に形成されている通路１３を介して燃料通路３０の一端に通じている。この燃料通路３０の他端は、背圧部３に接続されている。背圧部３を駆動させることで、背圧室３１内の圧力を調整することができる。ここで、背圧部３に駆動信号を入力すると、背圧室３１内の圧力が低下する。これにより、両反噴孔側受圧面６２、７２にかかる力が低下し、アウタニードル６を反噴孔側へ引き寄せる。

アウタニードル６の内壁には、環状の溝６３が形成されている。この溝６３は、内周面がアウタニードル６の中心軸方向と平行となるように、そして、噴孔側及び反噴孔側の内壁面がアウタニードル６の中心軸方向と直交するように形成されている。この溝６３の反噴孔側の壁面を溝上端面６４と称し、噴孔側の壁面を溝下端面６５と称する。

一方、インナニードル７には、該インナニードル７と同軸で且つ該インナニードル７よりも径の大きな円柱形状の突起７３が形成されている。この突起７３の反噴孔側の端面を突起上端面７４と称し、噴孔側の端面を突起下端面７５と称する。

溝上端面６４と突起上端面７４とは対向配置され、溝下端面６５と突起下端面７５とは対向配置されている。また、突起７３の高さ、すなわち突起上端面７４と突起下端面７５との距離は、溝上端面６４から溝下端面６５までの距離よりも短くなっている。

図１に示すように、両ニードル６、７が両噴孔２２、２３を閉じている状態の場合には、突起上端面７４と溝上端面６４との間、及び、突起下端面７５と溝下端面６５との間には、隙間が形成されている。

アウタ噴孔２２及びインナ噴孔２３周辺のノズルボディ２１内壁面には、アウタニードル６及びインナニードル７の夫々が着座する弁座２６が形成されている。図１は、アウタニードル６及びインナニードル７が着座している状態を示しており、アウタ噴孔２２がアウタニードル６により閉塞され、インナ噴孔２３がインナニードル７により閉塞されている。

アウタニードル６及びインナニードル７の動作について説明する。図２は、アウタ噴孔
２２から燃料が噴射され、インナ噴孔２３からは燃料が噴射されていない状態での燃料噴射弁１を示している。図３は、アウタ噴孔２２及びインナ噴孔２３から燃料が噴射されている状態での燃料噴射弁１を示している。

背圧部３に駆動信号を入力すると、背圧室３１内の圧力が低下して、アウタ反噴孔側受圧面６２にかかる圧力が低下する。これにより、噴孔方向の力よりも反噴孔方向の力が大きくなり、アウタニードル６は、反噴孔方向に移動する。その結果、アウタニードル６は弁座２６から離れ、アウタ噴孔２２から高圧燃料が噴射される（図２）。

アウタニードル６が反噴孔方向にさらに移動すると、溝下端面６５と突起下端面７５とが当接する。その後にインナニードル７は、アウタニードル６と共に、壁面４１方向に移動する。このとき、インナニードル７は、弁座２６から離れるので、インナ噴孔２３からも高圧燃料が噴射される（図３）。したがって、本実施例に係る燃料噴射弁１は、ニードルの動作量が大きいときには小さいときよりも総噴孔面積が大きくなる燃料噴射弁といえる。

次に、背圧部３への駆動信号の入力を終了すると、背圧室３１内の圧力が高くなり、アウタ反噴孔側受圧面６２及びインナ反噴孔側受圧面７２にかかる圧力が上昇する。したがって、アウタニードル６及びインナニードル７が共に噴孔方向に移動する。その後、先ずインナニードル７が弁座２６に着座してインナ噴孔２３から燃料噴射が停止され（図２）、その後に、アウタニードル６が弁座２６に着座してアウタ噴孔２２からの燃料噴射が停止される（図１）。

以上述べたように構成された燃料噴射弁１には、該燃料噴射弁１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、内燃機関の運転条件や運転者の要求に応じて燃料噴射弁１を制御する。ＥＣＵ１０には、上記センサの他、運転者がアクセルペダルを踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し機関負荷を検知するアクセル開度センサ１７、および機関回転速度を検知するクランクポジションセンサ１８が電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がＥＣＵ１０に入力される。一方、ＥＣＵ１０には、背圧部３及び増圧部４が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ１０によりこれらの機器が制御される。なお、ＥＣＵ１０は、燃料噴射弁１の背圧部３及び増圧部４を制御しているが、以下では、ＥＣＵ１０が燃料噴射弁１を制御しているものとする。ＥＣＵ１０は、増圧部４を操作することにより、燃料の圧力を調整する。さらに、ＥＣＵ１０は、背圧部３を操作することにより、アウタニードル６及びインナニードル７を上昇若しくは下降させる。なお、本実施例では、アウタニードル６及びインナニードル７の反噴孔側への移動を「上昇」といい、噴孔側への移動を「下降」という。また、アウタニードル６及びインナニードル７の着座位置からの反噴孔側への移動量を「リフト量」という。

このように構成された燃料噴射弁１では、アウタニードル６のリフト量と、インナニードル７のリフト量と、には相関関係があり、アウタニードル６のリフト量に応じてインナニードル７のリフト量が決まる。したがって、インナニードル７をアウタニードル６から独立して操作することはできない。このため、燃料噴射を終了させるときには、先ずインナニードル７が着座し、その後にアウタニードル６が着座することになるため、アウタ噴孔２２のみから燃料が噴射される期間が存在する。

ここで噴射期間が長くなると、スモークが発生する虞がある。すなわち、噴射期間が長くなると、噴射期間の終わり近くでは初期の燃焼により気筒内がすでに高温高圧の状態となっているため、燃料を噴射後に直ぐに燃焼が始まってしまい、空気との混合が不十分な状態で燃料が燃焼するため、スモークが発生しやすい。このような理由から、インナニー
ドル７が着座した後、アウタニードル６が着座するまでの間は、スモークが発生し易い。

一方、本実施例においては、インナニードル７の下降に伴って燃料の噴射率が低下することを抑制するように、増圧部４により燃料の圧力を増加させる。噴射率の低下を抑制することで、燃料噴射量の総量を変えずに燃料の噴射期間を短くすることができるため、空気と燃料との混合が不十分な状態での燃焼を抑制することができるので、スモークの発生を抑制することができる。

図４は、本実施例に係る噴射制御時の噴射信号、増圧部駆動信号、増加圧力、ニードルリフト量、燃料の噴射率の推移を示したタイムチャートである。噴射信号は、背圧部３の駆動信号であり、背圧部３に入力される信号である。この信号が送られているときに背圧部３が背圧室３１内の圧力を低下させる。増圧部駆動信号は、増圧部４の駆動信号であり、増圧部４へ駆動信号が入力されているときに増圧部４が燃料の圧力を増加させる。増圧部４は、図示しないコモンレールから送られてくる燃料に対して増圧を行う。増加圧力は、コモンレールの圧力からの増加量を示している。ニードルリフト量における実線はアウタニードル６のリフト量を示し、一点鎖線はインナニードル７のリフト量を示している。噴射率は、アウタ噴孔２２及びインナ噴孔２３を合わせた燃料の単位時間当たりの噴射量を示している。なお、噴射率における一点鎖線は、本実施例と同じ期間に背圧部３を駆動させた場合で、且つ、増圧部４による燃料の圧力の増加を実施しない場合を示している。

図４において、Ｔ１は、噴射信号の始点である。Ｔ２は、アウタ噴孔２２からの燃料の噴射が開始される時点、すなわち、アウタニードル６が上昇を開始する時点である。Ｔ３は、アウタニードル６と弁座２６との間の燃料の通路の断面積が、アウタ噴孔２２の断面積と等しくなる時点である。このときのアウタ噴孔２２の断面積は、複数のアウタ噴孔２２の全ての断面積を合わせた値である。Ｔ４は、インナ噴孔２３からの燃料噴射が開始される時点、すなわち、インナニードル７が上昇を開始する時点である。このＴ４におけるアウタニードル６のリフト量が、本発明における第一所定量に相当する。Ｔ５は、インナニードル７と弁座２６との間の燃料の通路の断面積が、インナ噴孔２３の断面積と等しくなる時点である。このときのインナ噴孔２３の断面積は、複数のインナ噴孔２３の全ての断面積を合わせた値である。

Ｔ６は、噴射信号の入力が終了する時点である。Ｔ７は、アウタニードル６及びインナニードル７が下降を開始する時点である。Ｔ８は、インナニードル７と弁座２６との間の燃料の通路の断面積が、インナ噴孔２３の断面積と等しくなる時点であり、増圧部４により燃料の増圧を実施しない場合に、噴射率が低下する時点である。また、Ｔ８は、増圧部４による燃料の増圧を開始する時点である。このＴ８におけるインナニードル７のリフト量が、本発明における第二所定量に相当する。Ｔ９は、インナ噴孔２３からの燃料噴射が終了する時点、すなわち、インナニードル７が弁座２６に着座する時点である。Ｔ１０は、増圧部４への駆動信号の入力が終了する時点である。Ｔ１１はアウタ噴孔２２からの燃料噴射が終了する時点、すなわち、アウタニードル６が弁座２６に着座する時点を示している。これら、Ｔ１からＴ１１の各時点は、燃料噴射量及び燃料圧力に応じて決まる。

Ｔ１においてＥＣＵ１０から燃料噴射弁１へ噴射信号が入力されると、Ｔ２においてアウタニードル６が上昇を開始する。Ｔ１からＴ２の期間は、アウタニードル６の応答遅れといえる。Ｔ２からＴ３の期間は、アウタニードル６のニードルリフト量が増加するにしたがって、噴射率が増加していく。Ｔ３からＴ４の期間は噴射率がＤＱ１で一定となる。このときには、アウタニードル６は上昇を続けているものの、アウタ噴孔２２の断面積によって噴射率が決まってしまうため、噴射率は増加しない。そして、Ｔ４においてアウタニードル６のリフト量が第一所定量になると、溝下端面６５と突起下端面７５とが当接し、インナニードル７が上昇を開始する。Ｔ４からＴ５の期間は、インナニードル７のニー
ドルリフト量が増加するにしたがって、噴射率が増加していく。

その後、Ｔ５からは噴射率がＤＱ２で略一定となる。このときには、アウタニードル６及びインナニードル７が上昇を続けているものの、アウタ噴孔２２及びインナ噴孔２３の断面積によって噴射率が決まってしまうため、Ｔ８までは噴射率が略一定となっている。

Ｔ６において噴射信号が終了しても、アウタニードル６及びインナニードル７はリフト状態にあるため、噴射率はすぐには低下しない。噴射信号の終了によりＴ７においてアウタニードル６及びインナニードル７が下降を始める。Ｔ６からＴ７の期間は、噴射信号の終了から実際にアウタニードル６及びインナニードル７が下降を始めるまでの応答遅れといえる。このときには、アウタ噴孔２２及びインナ噴孔２３の断面積によって噴射率が決まっているため、アウタニードル６及びインナニードル７が下降してはいるが、噴射率は減少しない。

Ｔ８は、仮に燃料の圧力を増加させないと、噴射率が低下を始める時点である。Ｔ８からＴ９までの期間は、インナ噴孔２３は開いており、且つ、インナ噴孔２３の断面積よりも、インナニードル７と弁座２６との間の燃料の通路の断面積のほうが小さい。このため、インナ噴孔２３からの燃料の噴射率が、インナ噴孔２３の断面積ではなく、インナニードル７と弁座２６との間の燃料の通路の断面積によって変化し得る。したがって、Ｔ８以降はインナニードル７の下降に応じてインナ噴孔２３からの燃料の噴射率が低下し得るが、本実施例では、インナ噴孔２３からの燃料の噴射率が低下を開始する時点であるＴ８から増圧部４を駆動させることで燃料の圧力を増加させている。すなわち、Ｔ８の時点から増圧部４に駆動信号が入力され、該増圧部４により燃料の圧力が増加される。これにより、燃料の圧力の増加分である「増加圧力」がＴ８からＴ９の期間において徐々に増加している。

Ｔ９は、インナニードル７が弁座２６に着座する時点である。すなわち、Ｔ９においてインナ噴孔２３からの燃料噴射が終了する。Ｔ８からＴ９の期間は、インナニードル７と弁座２６との間の燃料の通路の断面積の減少に応じて燃料の圧力が高くなる期間であり、図４においては結果として噴射率がＤＱ２で略一定となっている。なお、Ｔ８からＴ９の期間において噴射率の下降に応じて増加圧力が上昇するように、増圧部４を構成しておいてもよい。すなわち、増圧部４に駆動信号が入力されてから燃料の圧力が徐々に増加していくときに、噴射率の下降を補うように燃料の圧力が増加するように、増圧部４の仕様を決定してもよい。

Ｔ９からＴ１０の期間は、アウタ噴孔２２の断面積よりも、アウタニードル６と弁座２６との間の燃料の通路の断面積のほうが大きくなっている。このため、アウタ噴孔２２からの燃料の噴射率は一定となる。このときに、図４においては、増加圧力が一定となっている。なお、Ｔ９からＴ１０の期間に増加圧力が一定となるように、増圧部４の仕様を決定してもよい。

Ｔ１０において増圧部４への駆動信号が停止される。したがって、Ｔ１０から増加圧力が下降する。ここで、増加圧力が０となるときに、アウタニードル６と弁座２６との間の燃料の通路の断面積が、アウタ噴孔２２の断面積と等しくなるように、Ｔ１０を決定してもよい。そして、Ｔ１０からＴ１１の期間は、アウタニードル６のリフト量の減少または燃料圧力の減少により、アウタ噴孔２２からの噴射率が下降する。そして、Ｔ１１においてアウタニードル６が弁座２６に着座することで燃料噴射弁１からの燃料噴射が終了する。

図４に示した噴射率においては、Ｔ８から燃料の圧力を増加させた場合（実線の場合）
には、燃料の圧力を増加させない場合（一点鎖線の場合）よりも、ハッチングを施した部分の面積Ａ１の分だけ燃料の噴射量が多くなる。したがって、従来のように燃料の圧力を増加させない場合には、本願と同じ量の燃料を噴射するために、噴射信号をより長く入力する必要がある。このため、燃料の噴射期間が長くなってしまう。一方、本実施例では、燃料噴射率の低下を抑制することで燃料の噴射期間を短縮することができる。

なお、図４に示した例では、Ｔ１０において増圧部４への駆動信号の入力を停止させているが、これに代えて、他の時期に増圧部４への駆動信号の入力を停止させてもよい。例えば、アウタニードル６が弁座２６に着座する時点Ｔ１１まで、増圧部４へ駆動信号を入力してもよいし、Ｔ１１において増加圧力が０となるように、増圧部４へ駆動信号を入力してもよい。また、Ｔ８よりも後で且つＴ１０よりも前に増圧部４への駆動信号を停止させてもよい。これらの場合であっても、噴射率の低下を抑制することができるため、燃料の噴射期間を短縮することができる。

また、本実施例では、Ｔ８から燃料の圧力の増加を開始しているが、これに代えて、インナニードル７が下降を始める時期であるＴ７から燃料の圧力の増加を開始してもよい。図４に示した例では、Ｔ７からＴ８の期間が比較的長くなっているが、燃料噴射量が少ない場合や、燃料噴射弁１の仕様によっては、Ｔ７とＴ８との期間が短くなる場合がある。このような場合には、Ｔ７から増圧部４へ駆動信号を入力しても噴射率の変動を抑制できる。さらに、制御を簡略化することもできる。さらに、Ｔ８から燃料の圧力の増加を開始することに代えて、Ｔ９から燃料の圧力の増加を開始してもよい。燃料の圧力は、アウタ噴孔２２及びインナ噴孔２３から燃料を噴射している状態のときよりも、その後のアウタ噴孔２２のみから燃料を噴射している状態のときの方が燃料の圧力が大きくなっていればよい。すなわち、総噴孔面積が大きい状態から小さい状態へ変わるときに、総噴孔面積が大きい状態のときよりも小さい状態のときの方が燃料の圧力が大きくなるように燃料の圧力を増加すればよい。このようにすることで、燃料の噴射期間を短縮することができる。

また、Ｔ８の時点は、燃料の圧力及び燃料噴射量と相関関係にあるため、これらの値によって予め推定することができるので、実際に噴射率が低下する前に増圧部４へ駆動信号を入力することができる。一方、噴射率の低下により燃料の圧力が増加するため、この燃料の圧力の増加が圧力センサ１９により検出された時点で増圧部４へ駆動信号を入力してもよい。

図５は、本実施例に係る増圧部４の制御フローを示したフローチャートである。本フローチャートは、ＥＣＵ１０により、燃焼サイクル毎に実施される。なお、アウタニードル６及びインナニードル７の制御は、別途ＥＣＵ１０により実行される。また、本フローチャートは、燃料噴射前から開始する。本実施例においては図５に示したフローチャートを実行するＥＣＵ１０が、本発明における制御装置に相当する。

ステップＳ１０１では、内燃機関の運転状態が検出される。ここでは、機関負荷及び機関回転速度が検出される。本ステップは、燃料噴射量と相関関係にある物理量が検出される。

ステップＳ１０２では、内燃機関の運転領域が、インナ噴孔２３を使用する領域であるか否か判定される。図６は、アウタ噴孔２２及びインナ噴孔２３を使用する運転領域を示した図である。横軸は機関回転速度であり、縦軸は機関負荷である。図６において「アウタ噴孔」で示される領域が、アウタ噴孔２２のみを使用する領域であり、「インナ噴孔」で示される領域が、アウタ噴孔２２及びインナ噴孔２３を使用する領域である。図６の関係は予め実験またはシミュレーション等により求めてＥＣＵ１０に記憶させておく。インナ噴孔２３は、燃料噴射量が比較的多い運転領域で使用される。ＥＣＵ１０は、ステップ
Ｓ１０１で検出される運転状態に基づいて、図６に示した関係から、内燃機関の運転領域が、アウタ噴孔２２を使用する領域であるか否か判定する。ステップＳ１０２で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０３へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本フローチャートを終了させる。

ステップＳ１０３では、燃料噴射量が算出される。燃料噴射量は、ステップＳ１０１で検出される内燃機関の運転状態に基づいて算出される。この燃料噴射量は、１気筒で１サイクルに噴射する燃料の総量である。内燃機関の運転状態と燃料噴射量との関係は予め実験またはシミュレーション等により求めてマップ化しておいてもよい。

ステップＳ１０４では、ステップＳ１０３で算出される燃料噴射量に基づいて、仮に増圧部４により燃料の増圧を実施しない場合に噴射率が低下を開始する時期が算出される。本ステップでは、増圧部４への駆動信号の入力を開始する時期を求めている。すなわち、本ステップでは、上記Ｔ８を求めている。燃料噴射量と、上記Ｔ８と、には相関関係があるため、この関係を予め求めておきＥＣＵ１０に記憶させておく。ここで、燃料噴射量と噴射信号を入力する期間とには相関関係がある。そして、噴射信号を入力する期間が決まれば、噴射信号の入力開始からのアウタニードル６及びインナニードル７のリフト量の推移も決まる。したがって、燃料噴射量と、噴射信号の入力開始から上記Ｔ８までの期間と、にも相関関係がある。このため、インナニードル７のリフト量が第二所定量となる時期を燃料噴射量に応じて求めることができる。なお、燃料噴射量は内燃機関の運転状態に基づいて設定されるため、内燃機関の運転状態に基づいて、仮に増圧部４により燃料の増圧を実施しない場合に噴射率が低下を開始する時期を算出することもできる。また、燃料噴射量と、噴射信号の入力開始時期及び噴射信号の入力期間は、増圧部４による増圧を前提として、内燃機関の運転状態と関連付けて予め実験またはシミュレーション等により求めてＥＣＵ１０に記憶させておく。また、仮に増圧部４により燃料の増圧を実施しない場合に噴射率が低下を開始する時期を、内燃機関の運転状態と関連付けて予め実験またはシミュレーション等により求めてマップ化し、ＥＣＵ１０に記憶させておいてもよい。

ステップＳ１０５では、増圧部４への駆動信号の入力が終了する時期が算出される。例えば、増加圧力が０となるときに、アウタニードル６と弁座２６との間の燃料の通路の断面積が、アウタ噴孔２２の断面積と等しくなるように、増圧部４への駆動信号の入力が終了する時期を決定してもよい。この時期に代えて、アウタニードル６が弁座２６に着座する時点を、増圧部４への駆動信号の入力が終了する時期としてもよいし、アウタニードル６が弁座２６に着座する時点において増加圧力が０となるように増圧部４への駆動信号の入力が終了する時期を決定してもよい。さらに、増圧部４への駆動信号の入力が終了する最適な時期を、内燃機関の運転状態と関連付けて予め実験またはシミュレーション等により求めておいてもよい。燃料噴射量と、増圧部４への駆動信号の入力が終了する時期と、の関係をマップ化してＥＣＵ１０に記憶させておいてもよい。

ステップＳ１０６では、ステップＳ１０４で算出された時期まで待ってから増圧部４へ駆動信号を入力する。すなわち、仮に増圧部４により燃料の増圧を実施しない場合に噴射率が低下を開始する時期（Ｔ８）に増圧部４の駆動を開始する。この時期（Ｔ８）は、噴射信号の入力開始時点からの経過時間を例えばタイマによってカウントすることで知ることができる。

ステップＳ１０７では、ステップＳ１０５で算出された時期まで待ってから増圧部４への駆動信号の入力を終了する。増圧部４への駆動信号の入力が終了する時期は、噴射信号の入力開始時点からの経過時間を例えばタイマによってカウントすることで知ることができる。

なお、図５に示すフローチャートでは、増圧部４への駆動信号の入力開始時期及び入力終了時期をサイクル毎に算出しているが、これに代えて、複数サイクル毎に算出してもよい。また、過去の複数サイクルの燃料噴射量の平均値を用いて増圧部４への駆動信号の入力開始時期及び入力終了時期を算出してもよい。

また、図５に示すフローチャートでは、ステップＳ１０４において、仮に増圧部４により燃料の増圧を実施しない場合に噴射率が低下を開始する時期を算出しているが、これに代えて、インナニードル７のリフト量を検出するセンサを設け、センサにより検出されるリフト量が第二所定量に達したときに増圧部４による燃料の増圧を開始してもよい。また、圧力センサ１９の検出値に基づいて、インナニードル７のリフト量が第二所定量に達したことを知ることもできるため、圧力センサ１９の検出値に基づいて、増圧部４による燃料の増圧を開始してもよい。

このようにして、インナ噴孔２３の噴射率の低下開始時期に合わせて燃料圧力を増加させることにより、燃料の噴射率が低下することを抑制できる。ここで、図７は、従来の燃料噴射時の噴射率と、本実施例に係る燃料噴射時の噴射率と、を比較するためのタイムチャートである。実線は本実施例に係る噴射率を示し、破線は従来の噴射率を示している。また、一点鎖線は、本実施例と同じ期間に背圧部３を駆動させた場合で、且つ、増圧部４による燃料の圧力の増加を実施しない場合を示している。Ｔ２，Ｔ８，Ｔ１０，Ｔ１１の時点は、図４と同じである。ハッチング部分のＡ２の面積と、ハッチング部分のＡ３の面積と、は等しい。したがって、図７は、本実施例に係る燃料噴射量と従来に係る燃料噴射量とが等しい場合を示している。

従来では、Ｔ１２で示す時点においてインナ噴孔２３からの燃料の噴射率の低下が始まる。従来では、燃料の増圧は行っていないため、Ｔ１２からインナ噴孔２３の噴射率が低下すると、燃料噴射弁１の全体としての噴射率も低下する。そして、Ｔ１３で示す時点において、アウタ噴孔２２が閉塞されて噴射率が０になる。一方、本実施例では、従来よりも噴射信号の入力期間を短くしているため、アウタニードル６及びインナニードル７が従来よりも早く下降を始める。このため、Ｔ８で示す時点においてインナ噴孔２３からの燃料の噴射率が低下し得る。しかし、本実施例では、Ｔ８から燃料の圧力を増加させているため、噴射率の低下は抑制される。そして、従来よりも早い時期にアウタニードル６及びインナニードル７が下降を始めるため、従来において噴射率が０となる時点Ｔ１３よりも前に、本実施例に係る噴射率が０となる時点Ｔ１１が到来する。このため、本実施例では従来と同じ量の燃料を噴射させる場合であっても、噴射期間を短くすることができる。そして、本実施例のように噴射期間を短縮すれば、燃料と空気との混合が不十分のまま燃焼が行われることを抑制できるため、スモークを低減することができる。また、燃料の圧力を増加させることにより燃料の微粒化が可能となるため、これによってもスモークを低減することができる。さらに、燃料状態の改善により、燃費を向上させることもできる。

ところで、燃料噴射開始時から燃料の圧力を増加することによっても、燃料噴射期間を短縮することができる。しかし、燃料噴射開始時に燃料の噴射率が高いと、急激な燃焼が起こり得るために騒音が発生する虞がある。また、燃焼温度が高くなりすぎてＮＯｘの排出量が増加する虞もある。これに対し、本実施例のように、燃料噴射開始時には比較的低い圧力で燃料を噴射することにより、騒音の発生を抑制することができ、また、ＮＯｘの発生も抑制することができる。

＜実施例２＞
本実施例では、増圧部４により燃料の圧力を増加させるときに、噴射率が一定となるように増圧部４を制御する。そのため、本実施例に係る増圧部４は、燃料の圧力を任意に調整することができるものとする。その他の装置等は実施例１と同じため説明を省略する。

実施例１に係る増圧部４は、所定の比率で燃料の圧力を増加させるものであり、燃料の圧力に応じた制御を行ってはいない。燃料の圧力は内燃機関の運転状態によって変化し得るため、所定の比率で燃料の圧力を増加させる場合には、増圧部４により燃料の増圧を行う前後で噴射率が変化する虞がある。噴射率が変化すると、トルク変動が起こる虞がある。本実施例では、噴射率が一定となるような燃料の増圧量を算出し、この算出した燃料の増圧量が得られるように、増圧部４を駆動する。

図８は、本実施例に係る増圧部４の制御フローを示したフローチャートである。本フローチャートは、ＥＣＵ１０により、燃焼サイクル毎に実施される。なお、アウタニードル６及びインナニードル７の制御は、別途ＥＣＵ１０により実行される。上記のフローチャートと同じ処理がなされるステップについては、同じ符号を付して説明を省略する。本実施例においては図８に示したフローチャートを実行するＥＣＵ１０が、本発明における制御装置に相当する。

図８に示すフローチャートでは、ステップＳ１０４の処理が終了するとステップＳ２０１へ進む。ステップＳ２０１では、増圧部４への駆動信号の入力が終了する時期が算出される。例えば、増加圧力が０となるときに、アウタニードル６と弁座２６との間の燃料の通路の断面積が、アウタ噴孔２２の断面積と等しくなるように、増圧部４への駆動信号の入力が終了する時期を決定してもよい。この時期に代えて、アウタニードル６が弁座２６に着座する時点を、増圧部４への駆動信号の入力が終了する時期としてもよいし、アウタニードル６が弁座２６に着座する時点において増加圧力が０となるように増圧部４への駆動信号の入力が終了する時期を決定してもよい。さらに、増圧部４への駆動信号の入力が終了する最適な時期を、内燃機関の運転状態と関連付けて予め実験またはシミュレーション等により求めておいてもよい。燃料噴射量と、増圧部４への駆動信号の入力が終了する時期と、の関係をマップ化してＥＣＵ１０に記憶させておいてもよい。

ステップＳ２０２では、燃料の圧力が取得される。この燃料の圧力は、仮に増圧部４による燃料の増加を実施しない場合の燃料の圧力であって、図４におけるＴ９からＴ１０の期間における燃料の圧力である。本ステップでは、増圧部４により増圧する前の燃料の圧力を求めている。この燃料の圧力は内燃機関の運転状態と相関関係にあることから、内燃機関の運転状態に基づいて燃料の圧力を取得することができる。なお、内燃機関の運転状態と燃料の圧力との関係は、予め実験等により求めてＥＣＵ１０に記憶させておく。

ステップＳ２０３では、必要増圧量が算出される。必要増圧量は、増圧部４により燃料の圧力を増加させるときの燃料の圧力の増加量である。本ステップでは、アウタ噴孔２２のみから燃料が噴射されているときの燃料の噴射率（図４におけるＴ９からＴ１０の期間の噴射率）が、アウタ噴孔２２及びインナ噴孔２３の両方から燃料が噴射されているときの燃料の噴射率（図４におけるＴ８の噴射率）と等しくなるように、必要増圧量が算出される。ここで、必要増圧量は、以下の関係に基づいて算出される。

ＤＱは、図４におけるＴ８の時点での燃料の噴射率であり内燃機関の運転状態と相関関係にあることから、該内燃機関の運転状態に基づいて求められる。内燃機関の運転状態と、ＤＱとの関係は予め実験またはシミュレーション等により求めることができる。ＣＤは、流量係数であり予め求めておく。Ａは、アウタ噴孔２２の断面積であり予め求めておく
。ＰＣＲは、増圧後の燃料圧力であって、噴射率を一定に保つために必要とされる燃料圧力である。ＰＡは、燃料噴射時の雰囲気圧力（燃焼室内圧力）であり、内燃機関の運転状態に基づいて推定することができるが、燃料圧力ＰＣＲと比較して十分に小さいため、本実施例では０とする。Ｄは、燃料の密度であり、想定される燃料の密度を予め求めておく。この式に基づいて燃料圧力ＰＣＲを算出することができる。この燃料圧力ＰＣＲから、ステップＳ２０２で取得される燃料圧力を減算することで、必要増圧量が算出される。

ステップＳ２０４では、ステップＳ１０４で算出された時期まで待ってから増圧部４へ駆動信号を入力する。すなわち、インナ噴孔２３からの燃料の噴射率が低下を開始する時期（Ｔ８）に増圧部４の駆動を開始する。インナ噴孔２３からの燃料の噴射率が低下を開始する時期（Ｔ８）は、噴射信号の入力開始時点からの経過時間を例えばタイマによってカウントすることで知ることができる。このときには、必要増圧量分だけ燃料の圧力が高くなるように、増圧部４が制御される。

ステップＳ２０５では、ステップＳ２０１で算出された時期まで待ってから増圧部４への駆動信号の入力を終了する。増圧部４への駆動信号の入力が終了する時期は、噴射信号の入力開始時点からの経過時間を例えばタイマによってカウントすることで知ることができる。

なお、図８に示したフローチャートでは、ステップＳ２０３で算出される必要増圧量の分だけ燃料の圧力を増加させているため、圧力センサ１９による検出値を用いた制御は行っていない。すなわち、アウタ噴孔２２のみから燃料が噴射されているときに、予め求めておいた必要増圧量分だけ燃料の圧力を増加している。これに代えて、本実施例では、ステップＳ２０５まで燃料の噴射率が一定となるように燃料の圧力をフィードバック制御してもよい。すなわち、圧力センサ１９により検出される圧力が、ステップＳ２０３で算出される燃料圧力ＰＣＲとなるように、増圧部４を制御してもよい。

以上説明したように本実施例によれば、インナニードル７の下降時において噴射率が変化することを抑制できるため、トルク変動が起こることを抑制できる。

１燃料噴射弁
２ノズル部
３背圧部
４増圧部
６アウタニードル
７インナニードル
１０ＥＣＵ
１７アクセル開度センサ
１８クランクポジションセンサ
１９圧力センサ
２１ノズルボディ
２２アウタ噴孔
２３インナ噴孔
２６弁座
３１背圧室
３２ノズル室
６３溝
７３突起

総噴孔面積が大きい状態から小さい状態へ変わることにより噴射率が低下し得るが、このときに噴射される燃料の圧力を増加させることにより、実際に噴射率が低下することを抑制できる。すなわち、噴射率が高い状態を維持することができる。その結果、燃料噴射
量の総量を変化させずに、ニードルを下降させる時期を早くすることができるので、燃料の噴射期間を短縮することができる。このため、スモークが発生することを抑制できる。また、燃料の圧力の増加により、燃料の微粒化を促進させることもできるので、燃焼を促進させることができ、これによっても、スモークの発生を抑制できる。

また、前記燃料噴射弁が、第一噴孔と、第二噴孔と、該第一噴孔を開閉する第一ニードルと、該第二噴孔を開閉し該第一ニードルのリフト量が第一所定量以上のときに該第一ニードルと共にリフトする第二ニードルと、を有する燃料噴射装置において、前記燃料噴射弁から噴射される燃料の圧力を変化させる圧力変化部をさらに備え、前記制御装置は、前記第一ニードルのリフト量が前記第一所定量以上になった後、前記第一ニードル及び前記第二ニードルが下降して、前記第二ニードルのリフト量が、第二所定量になるときに、前記圧力変化部による燃料の圧力の増加を開始する。

Claims

ニードルの動作量が大きいときには小さいときよりも総噴孔面積が大きくなる燃料噴射弁と、
前記総噴孔面積が大きい状態から小さい状態へ変わるときに、前記総噴孔面積が大きい状態のときよりも小さい状態のときの方が燃料の圧力が大きくなるように燃料の圧力を増加する制御装置と、
を備える燃料噴射装置。
前記燃料噴射弁が、第一噴孔と、第二噴孔と、該第一噴孔を開閉する第一ニードルと、該第二噴孔を開閉し該第一ニードルのリフト量が第一所定量以上のときに該第一ニードルと共にリフトする第二ニードルと、を有する燃料噴射装置において、
前記燃料噴射弁から噴射される燃料の圧力を変化させる圧力変化部をさらに備え、
前記制御装置は、前記第一ニードルのリフト量が前記第一所定量以上になった後、前記第一ニードル及び前記第二ニードルが下降して、前記第二ニードルのリフト量が、第二所定量になるときに、前記圧力変化部による燃料の圧力の増加を開始する請求項１に記載の燃料噴射装置。
前記第二所定量は、仮に燃料の圧力を増加しないと前記第二噴孔から噴射される燃料の噴射率が低下するリフト量である請求項２に記載の燃料噴射装置。
前記制御装置は、前記第一ニードルのリフト量が前記第一所定量以上になった後、前記第一ニードル及び前記第二ニードルが下降して、前記第二ニードルのリフト量が前記第二所定量になるときに、前記第一噴孔及び前記第二噴孔を合わせた燃料の噴射率が変化しないように、前記圧力変化部により燃料の圧力を増加させる請求項３に記載の燃料噴射装置。