JP3775498B2 - 蓄圧式燃料噴射装置 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、蓄圧式燃料噴射装置に関する。
背景技術
蓄圧器に貯留した高圧燃料をディーゼルエンジンの各気筒に安定供給して広い運転域においてエンジン性能を向上可能とする蓄圧式燃料噴射装置が知られている。但し、この様な燃料噴射装置を用いた場合にも、燃料噴射開始直後における燃料噴射率が過大、すなわち着火遅れ期間中に噴射される燃料量が多い場合、燃焼の初期に急激な爆発燃焼が行われ、エンジン運転騒音が増大するばかりでなく排ガス中のＮＯｘが増大する。
この様な不具合を解消する対策の一つとして、各回の燃料噴射サイクルにおいて主噴射に先行して補助噴射を実施することがある。この場合、着火遅れ期間が短くなるので着火遅れ期間中に主噴射行程で噴射される燃料量が少なくなるため、急激な燃焼が防止され、運転騒音やＮＯｘ排出量を低減可能になる。しかしながら、補助噴射に続く主噴射の開始時から高圧噴射を行う装置構成の場合には、運転騒音やＮＯｘ排出量を充分に低減できないことがある。また、補助噴射では着火遅れ低減効果を得るのに必要最小量の燃料を噴射することが望ましいが、比較的高い噴射圧で補助噴射を行う装置構成の場合、燃料噴射量を必要最小量に抑制するには補助噴射時間を短くしなければならず、要求される制御精度が高くなる。そして、所要の制御精度が得られなければ、補助噴射での燃料噴射量が過小あるいは過大となり、本来の補助噴射の効果が得られず、かえって排出ガス、燃費の悪化を招く。
また、運転騒音やＮＯｘ排出量低減のための別の対策として、各回の燃料噴射サイクルでの燃料噴射の初期段階において、低めの燃料噴射率で燃料を噴射する蓄圧式燃料噴射装置が提案されている。この提案に係る装置は、例えば、低圧燃料を貯留する低圧蓄圧器と、高圧燃料を貯留する高圧蓄圧器と、低圧蓄圧器又は高圧蓄圧器をインジェクタ（燃料噴射ノズル）に選択的に連通させて噴射率を切換える切換弁と、インジェクタの制御室と燃料タンクとを連通・遮断して噴射開始・終了時期を制御する開閉弁とを備えている。
この種の蓄圧式燃料噴射装置たとえば国際公開ＷＯ９８／０９０６８号公報のものは、噴射時期制御用の開閉弁および噴射率切換用の切換弁のそれぞれの開閉時期を制御することにより、各燃料噴射サイクル毎に主噴射のみを実施し或いは主噴射および補助噴射を実施するようにしている。更には、主噴射の初期段階において低圧噴射を行った後に高圧噴射を行う技術も開示されている。
本発明に関連して、上記公報に記載の装置では、低圧の補助噴射を短時間にわたって実施し、補助噴射終了時点から所定時間が経過した時点で主噴射を開始し、この主噴射の初期段階では低圧噴射を行い、主噴射の残りの期間にわたって高圧噴射を行うことがある。
この場合、噴射時期制御用の開閉弁および噴射率切換用の切換弁を閉じることにより、切換弁とインジェクタの燃料室とを接続する燃料通路に低圧燃料を満たすと共に燃料通路に連通するインジェクタの制御室に燃料を供給してインジェクタを閉弁状態に保持し、補助噴射開始時期が到来したときに開閉弁を開いて制御室内の燃料を燃料タンクへ排出させ、これによりインジェクタを開弁させて低圧の補助噴射を行い、また、補助噴射時間が経過したときに開閉弁を閉じるようにしている。そして、補助噴射終了時点から所定時間が経過して主噴射開始時期が到来すると、開閉弁を再び開いて低圧の主噴射を開始し、更に、主噴射の途中で切換弁を開いて高圧蓄圧器からの高圧燃料をノズルから噴射させて高圧噴射を行うようにしている。
上述のように、低圧の補助噴射と低圧噴射及び高圧噴射からなる主噴射とを各燃料噴射サイクルで実施することにより、エンジンの燃費や排ガス特性が向上する。しかしながら、燃費や排ガス特性の更なる向上の要請がある。
発明の開示
本発明の目的は、低圧の補助噴射に続いて実施される主噴射の初期段階での噴射圧をより適正化して更なる燃費や排ガス特性の向上を図れる蓄圧式燃料噴射装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の蓄圧式燃料噴射装置は、高圧の燃料を貯留する第１蓄圧器と、第１蓄圧器内の高圧燃料を燃料通路の下流側へ排出制御する制御弁と、この制御弁より下流側の燃料通路に接続され低圧の燃料を貯留する第２蓄圧器と、燃料通路に接続された燃料噴射ノズルに主噴射とこれに先行する低圧の補助噴射とを行わせる際に、制御弁を、補助噴射と主噴射との間に短時間開弁させ且つ主噴射の途中から開弁させ、主噴射の終了に合わせて閉弁させる燃料制御手段とを備えることを特徴とする。
好ましくは、燃料制御手段は、主噴射の初期段階において、第２蓄圧器内の低圧燃料の圧力よりも高く且つ第１蓄圧器内の高圧燃料の圧力よりも低い中圧を、制御弁の下流側の上記燃料通路内に形成する。
本発明の蓄圧式燃料噴射装置によれば、低圧の補助噴射が行われた後に制御弁が短時間開弁すると、第１蓄圧器からの高圧燃料が燃料通路に短時間供給され、燃料通路内の燃料圧力は補助噴射圧よりも高くなる。このため、燃料噴射ノズルによる主噴射の初期段階では、補助噴射圧よりも高い圧力で、好ましくは、補助噴射圧よりも高く且つ高圧燃料圧力よりも低い中圧で、燃料噴射が実施される。そして、主噴射の途中で制御弁が開弁すると、高圧燃料が燃料通路を介して燃料噴射ノズルに供給され、高圧噴射が実施される。
この様に、低圧の補助噴射に続く主噴射の初期段階での燃料噴射を補助噴射圧よりも高い圧力で、好ましくは、補助噴射圧よりも高く且つ高圧燃料圧力よりも低い中圧で行うようにすると、主噴射の初期段階で低圧噴射が行われる場合に比べて、主噴射の初期段階での燃料噴射量が増大し、主噴射の残りの期間において噴射させるべき燃料量が、初期段階での噴射量増大分だけ少なくなり、主噴射時間が全体として短縮される。この様に主噴射の初期段階において適量の燃料が噴射されると共に主噴射時間が短くなると、燃料噴射が早期に終了し、従って、燃費が向上する。しかも、主噴射の初期段階から高圧噴射を開始する場合のように着火までに過度の燃料供給が行われることが防止され、運転騒音およびＮＯｘ排出量が低減する。
また、補助噴射を低圧で実施すると、補助噴射を高圧で行う場合に比べて、補助噴射時間制御に係る要求精度が緩和されるので、補助噴射における燃料噴射量をより正確に必要最小量に制御でき、燃費向上に寄与する。
更に、燃料制御手段は、例えば噴射時期制御用の弁と噴射率切換用の弁の開閉タイミングを制御するもので良く、装置構成が特に複雑になることはない。
図１ないし図３は、本発明者らが実施した燃焼観察実験の結果に基づき、補助噴射ならびに主噴射の初期段階及びそれ以降のそれぞれにおける燃料噴霧状態を模式的に示す。この燃焼観察実験では、４つのノズル孔を備えた燃料噴射ノズルから噴射された燃料の噴霧状態を気筒の上方から観察した。図中、小さい円は燃料噴射ノズルを示し、大きい半円は気筒の半分を示す。
上述のように、本発明では主噴射に先行して低圧の補助噴射が行われる。この補助噴射は、ピストンが気筒内で下方に位置して気筒内のガス密度が低く、従って、燃料噴霧が気筒半径方向外方へ拡散し易い状態で行われるが、補助噴射圧力が低いので燃料噴霧の拡散が適度に抑制される。すなわち、燃料噴霧は、図１に示すように、燃料噴射ノズルの近傍から気筒の半径方向中間部までの間に分布する。
さて、上記の如く従来の蓄圧式燃料噴射装置には主噴射の初期に補助噴射圧力と同等の低圧で燃料噴射を行うものがあるが、この場合、燃料噴霧の到達領域（分布）が補助噴射に係る燃料噴霧の分布と重なるため、この領域では燃料過濃になり、補助噴射に係る燃料噴霧と低圧主噴射に係る燃料噴霧が同領域で略同時に或いは順次燃焼する際に必要になる空気が十分に供給されないおそれがある。特に、補助噴射に係る燃料噴霧がピストン上昇に伴う気筒内の圧力・温度上昇によって主噴射開始前後に着火した場合には、低圧主噴射に係る燃料噴霧の燃焼に供すべき空気が補助噴射に係る燃料噴霧の燃焼中に消費されてしまうので、空気が不足する。いずれにしても、主噴射初期の燃料噴射が低圧で行われる場合には、低圧主噴射に係る燃料噴霧の拡散や、燃料噴霧の燃焼に要する新気の導入が、補助噴射に係る燃料噴霧や火炎によって阻害されるので、燃料噴霧が良好に燃焼し難い。このため、黒煙が発生し易く、黒煙がエンジンから排出され易くなる。
これに対して、本発明では、既述のとおり、制御弁下流側の燃料通路内に補助噴射圧よりも高い燃料圧力が形成された状態で主噴射を開始するので、主噴射初期の燃料噴射圧は補助噴射圧よりも高く、燃料噴霧は図２に示すように気筒半径方向にみて補助噴射による燃料噴霧やその火炎よりも外方の領域に到達する。この外方領域には充分な空気が残存しており、燃料噴霧は良好に燃焼可能である。また、中圧噴射燃料が上記の如く補助噴射による燃料噴霧やその火炎を突き抜けて飛散する間に周辺の空気を燃料噴霧内に巻き込むので、燃料噴霧の体積が全体として増大する。すなわち、燃料噴霧が気筒内で良好に拡散し、気筒内での燃料噴霧の空間分布が適正になる。
斯かる状態で燃料噴射圧が中圧から高圧へ切り替わる。高圧の燃料噴霧は、周辺空気と共に補助噴射や中圧主噴射に係る燃え残り物質たとえば煤を巻き込んで体積を増大させつつ、図３に黒で示すように気筒内で良好に拡散する。そして、高圧燃料噴霧の拡散により気筒内の燃焼が活性化されるので、燃料噴霧全体が良好に燃焼し、黒煙の生成が抑制される。図３中、高圧燃料噴霧の分布領域が中圧燃料噴霧に関して気筒周方向にずれているが、これは気筒内に生じるスワール流の作用によるものと解される。
以上のように、本発明は、低圧補助噴射による燃料噴霧の気筒内での拡散を適度に抑制した状態で、中圧主噴射および高圧主噴射を順次実施して噴射燃料を良好に燃焼させるので、エンジンの燃費や排ガス特性が向上すると共にエンジン運転騒音が低減する。
本発明において、好ましくは、燃料制御手段によって主噴射初期段階で制御弁下流側の燃料通路内に形成される中圧は、エンジン運転域が低回転側且つ低負荷側であるほど第２蓄圧器内の低圧燃料の圧力に近い値をとり、また、エンジン運転域が高回転側且つ高負荷側であるほど第１蓄圧器内の高圧燃料の圧力に近い値をとる。
一般に、低回転・低負荷運転域では筒内圧力が低いため噴射燃料の飛散距離が増大する一方、筒内圧力が高まる高回転・高負荷域では飛散距離が減少する。上記の好適態様では、中圧主噴射における噴射圧がエンジン運転状態に応じて変化し、主噴射初期における噴射燃料の圧力・飛散距離ひいては燃料噴霧の拡散状態がエンジン運転状態に適合したものになる。
好ましくは、燃料制御手段は、第１蓄圧器内の高圧燃料の圧力値および第２蓄圧器内の低圧燃料の圧力値を、エンジンの運転状態たとえば回転数及び負荷に応じて制御する。この場合、主噴射の初期段階に制御弁下流側の燃料通路内に形成される中圧はエンジン運転状態に即したものとなる。
好ましくは、燃料制御手段は、補助噴射と主噴射との間における制御弁の開弁時間を可変制御する。この場合、主噴射の初期段階に制御弁下流側の燃料通路内に形成される中圧は、制御弁の開弁時間に応じたものとなる。すなわち、開弁時間の可変制御により中圧を簡便且つ正確に可変できる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の一実施形態による蓄圧式燃料噴射装置を説明する。
蓄圧式燃料噴射装置は、例えば直列６気筒のディーゼルエンジン（図示略）に搭載されるもので、図４および図５に示すように高圧ポンプ１を備えている。高圧ポンプ１は、エンジンにより駆動され燃料タンク１７内の燃料を汲み上げて加圧するもので、例えば容積形プランジャポンプからなり、その圧送ストロークの有効区間を調整することにより燃料吐出圧力を調整可能になっている。圧送ストローク調整は、例えば、図示しない電磁弁の閉弁時期を調整することによって行われ、この電磁弁が開いている間は圧送動作が無効になるようになっている。６気筒エンジンに係る本実施態様の装置における高圧ポンプ１は、例えば２つのプランジャを備える。各プランジャは、３つの気筒に関連しており、高圧ポンプ軸が１回転する間に各プランジャから３回の圧送ストロークを実施するようになっている。
蓄圧式燃料噴射装置のコントローラ（ＥＣＵ）８は、エンジン回転数センサ８ａにより検出されたエンジン回転数Ｎｅとアクセル開度センサ８ｂにより検出されたアクセルペダル踏込量（アクセル開度）_ＡＣＣとに応じてポンプ１の圧送ストロークを可変調整し、更に、圧力センサ３ａ（図２）により検出された高圧蓄圧器（第１蓄圧器）３内の実際圧力Ｐ_ＨＰに応じて圧送ストローク（燃料圧力）をフィードバック制御することにより、エンジン運転状態に適合する高圧燃料を得るようになっている。
ポンプ１により加圧された燃料は、高圧蓄圧器３に貯留される。この高圧蓄圧器３は各気筒に共通するものであり、燃料通路１０ａに連通している。燃料通路１０ａの途中には、例えば二方電磁弁からなる燃料噴射率切換用の切換弁（制御弁）５が各気筒毎に設けられ、また、燃料通路１０ａにおいて切換弁５の直ぐ下流には逆止弁３２が設けられている。
燃料通路１０ａには、逆止弁３２の下流において燃料通路１０ａから分岐した燃料通路１０ｂを介して、各気筒に共通の低圧蓄圧器（第２蓄圧器）４が接続されている。燃料通路１０ｂの途中には逆止弁６が設けられ、この逆止弁６は、低圧蓄圧器４側の燃料通路１０ｂ内の燃料圧力が逆止弁３２の下流側の燃料通路１０ａ内の燃料圧力よりも高い場合に開弁するようになっている。また、燃料通路１０ｂには逆止弁６をバイパスするバイパス燃料通路が付設され、このバイパス燃料通路にオリフィス６ａが設けられている。燃料通路１０ａ内の燃料圧力が燃料通路１０ｂ内のものよりも高い場合、燃料通路１０ａ内の燃料がオリフィス６ａを介して燃料通路１０ｂに流入し、更に、低圧蓄圧器４に流入する。低圧蓄圧器４と燃料タンク１７との間には、低圧蓄圧器４内の燃料圧力を所定圧に制御する圧力制御電磁弁３４（図４）が設けられている。
図４の圧力制御弁３４に代えて、コントローラ８の制御下で低圧蓄圧器４内の燃料圧力を所定圧に調節する圧力制御弁３４（図５）を用いても良く、以下、図５の圧力制御弁３４を備えた燃料噴射装置について説明する。図５中、符号４ａは、低圧蓄圧器４内の燃料圧力Ｐ_ＬＰを検出するための圧力センサを表す。
コントローラ８は、低圧蓄圧器４内の燃料圧力が、エンジン回転数Ｎｅとアクセルペダル踏込量_ＡＣＣとによって表されるエンジン運転状態に適合した圧力になるように、圧力センサ４ａ（図５）により検出した実際燃料圧力Ｐ_ＬＰに基づいて、圧力制御弁３４を制御する。
エンジンの各気筒毎のインジェクタ（燃料噴射ノズル）９は、燃料通路１０ａに接続された制御室１１及び燃料室１２を有し、制御室１１は、燃料戻り通路１０ｃを介して燃料タンク１７に接続されている。符号１５、１６はオリフィスを表す。また、符号７は、燃料戻り通路１０ｃの途中に配され例えば二方電磁弁からなる噴射時期制御用の開閉弁を表す。なお、開閉弁７はインジェクタに組み込まれても良い。
インジェクタ９は、燃料室１２内に供給される燃料圧力を受けてノズル孔を開く方向へ移動可能なニードル弁１３と、制御室１１内に供給される燃料圧力を受けてノズル孔を閉じる方向に移動可能な油圧ピストン１４と、ノズル孔を閉じる方向にニードル弁を付勢する図示しないスプリングとを有している。
従って、燃料通路１０ａから制御室１１と燃料室１２とに同一圧の燃料が供給されると共に噴射時期制御用の開閉弁７が閉じられている場合、油圧ピストン１４に加わる燃料圧力による作用力とスプリングによる作用力との合力がニードル弁１３に加わる燃料圧力による作用力を上回って、ニードル弁１３によりノズル孔が閉鎖されることになる。一方、開閉弁７が開いて制御室１１内の燃料が燃料タンク１７側へ排出されると、油圧ピストン１４に加わる作用力が減少または消滅し、ニードル弁１３が油圧ピストン１４を押し上げてノズル孔を開き、燃料室１２内の燃料がエンジンの燃焼室（図示略）へ噴射されることになる。
本実施形態の蓄圧式燃料噴射装置は、主噴射とこれに先行する補助噴射とを実施するものであり、主噴射の初期段階における噴射圧とくに着火までの噴射圧を過度に増大せずに主噴射時間を短くすることを主に企図すると共に、主噴射により供給された燃料の着火遅れを防止するのに必要最小量の燃料を補助噴射により供給することを企図し、これにより燃費向上とエンジン運転騒音ならびにＮＯｘ排出量の低減とを同時に達成するようにしている。
具体的には、燃料噴射装置は、図６の最上部に示すように、各回の燃料噴射サイクルにおいて、低圧の補助噴射を完了した時点から所定時間が経過したときに中圧の主噴射を開始し、主噴射の途中で噴射圧を中圧から高圧に切り換えるようにしている。
上記の燃料噴射制御に関連して、コントローラ８は、例えばエンジン回転数_Ｎｅおよびアクセルペダル踏込量_ＡＣＣに基づいてエンジン運転状態を判定し、斯く判定したエンジン運転状態に応じて圧送ストローク調節用の電磁弁（図示略）の開閉タイミングを制御して高圧ポンプ１の圧送ストロークを調節し、これにより、高圧蓄圧器３内の燃料圧力をエンジン運転状態に適合するものに制御し、また、エンジン運転状態に応じて圧力制御弁３４の作動を制御して低圧蓄圧器４内の燃料圧力をエンジン運転状態に適合するものに制御するようになっている。そして、コントローラ８は、例えばマップに基づいて噴射制御パラメータの値をエンジン運転状態に応じて決定するようになっている。図６に示すように、噴射制御パラメータは、例えば、補助噴射開始時期ｔ１、補助噴射時間ΔＴＬ（＝ｔ２−ｔ１）、中圧形成のための高圧燃料導入開始時期ｔ３、高圧燃料導入時間ΔＴｍ（＝ｔ４−ｔ３）、主噴射開始時期ｔ５、中圧噴射時間ΔＴＭ（＝ｔ６−ｔ５）および主噴射時間ΔＴＭＨ（＝ｔ７−ｔ６）を含む。更に、コントローラ８は、噴射制御パラメータ値に基づいて、インジェクタ駆動信号オンタイミングｔ１、ｔ５とインジェクタ駆動信号オフタイミングｔ２、ｔ７と切換弁駆動信号オンタイミングｔ３、ｔ６と切換弁駆動信号オフタイミングｔ４、ｔ８とを決定するように構成されている。
以下、上記構成の燃料噴射装置の動作を説明する。
エンジン運転中、図示しない燃料圧力制御ルーチンと図７に示すインジェクタ・切換弁制御ルーチンとがコントローラ８により互いに平行にかつ周期的に実行される。両制御ルーチンは、例えば、図示しない気筒判別信号やクランク軸回転位置信号の立ち上がりからの経過時間に基づいて各気筒での燃料噴射サイクルの開始時点の到来が判定される度に開始される。
図示および説明の便宜上、図７の制御ルーチンには一つの気筒についての制御手順のみを示す。なお、制御手順の一部たとえばエンジン運転状態判定については全気筒に共通に一燃料噴射サイクルに一度だけ実施しても良い。
燃料圧力制御ルーチンでは、判定したエンジン運転状態に応じて圧送ストローク調整用の電磁弁および圧力制御弁の開閉タイミングや弁開度が制御され、蓄圧器３、４内の燃料圧力がエンジン運転状態に適合した目標圧に制御される。本実施形態の燃料圧力制御ルーチンにおいて、ＥＣＵ８は、エンジン回転数センサ８ａにより検出されたエンジン回転数Ｎｅとアクセル開度センサ８ｂにより検出されエンジン負荷を表すアクセル開度_ＡＣＣとをエンジン運転状態パラメータとして読込み、検出エンジン回転数Ｎｅ及び検出アクセル開度_ＡＣＣに対応する目標高圧燃料圧および目標低圧燃料圧のそれぞれを、図９に示すＨＰマップおよびＬＰマップに基づいて決定する。
図９に示すように、ＬＰマップでの目標低圧燃料圧は、エンジン回転数の増大につれて増大すると共にエンジン負荷の増大につれて増大する。ＨＰマップでの目標高圧燃料圧は、同一エンジン回転数且つ同一エンジン負荷においてＬＰマップでの目標低圧燃料圧よりも大きい値をとる。また、目標高圧燃料圧は、エンジン回転数やエンジン負荷の増大に伴う目標低圧燃料圧の増大率よりも大きい増大率をもって、エンジン回転数及びエンジン負荷の増大につれて増大する。一般に、ＬＰマップ及びＨＰマップは図９の３次元座標系における湾曲面で表される。
補助噴射及び主噴射における適正な燃料噴射量は、一般には、エンジン回転数やエンジン負荷（アクセル開度）といった主たるエンジン運転状態パラメータに応じて変化するばかりではなく、エンジン冷却水温、燃料温度、吸気温度、ＥＧＲ量などのその他のエンジン運転状態パラメータにも依存する。そこで、燃料噴射量に関与する目標燃料圧の決定に用いられるＬＰマップ及びＨＰマップを、上記その他のエンジン運転状態パラメータの少なくとも一部を反映するように設定するのが好ましい。例えば、ＥＧＲ量はエンジン運転域（エンジン回転数及び負荷）に応じて変化するので、ＥＧＲ量を考慮したＬＰマップ及びＨＰマップ（ＥＧＲ量補正済みマップ）を作成することは比較的容易である。また、温度パラメータについては温度領域毎にＬＰマップ及びＨＰマップを作成する等の対策を講じることができる。上記に代えて、ＬＰマップ及びＨＰマップから求めた目標燃料圧に対してＥＧＲ量補正ならびに各種温度補正を加えるようにしても良い。
上記の目標燃料圧の決定に続き、ＥＣＵ８は、圧力センサ３ａにより検出される高圧蓄圧器３内の実際圧力Ｐ_ＨＰが目標高圧燃料圧に合致するように圧送ストローク調整用の電磁弁の閉弁時期を調整し、また、圧力センサ４ａにより検出される低圧蓄圧器４内の実際圧力Ｐ_ＬＰが目標低圧圧力に合致するように圧力制御弁３４の開閉タイミングや弁開度を制御する。
図７のインジェクタ・切換弁制御ルーチンは、各回の燃料噴射サイクルの開始時点が到来する度に開始される。このとき、例えばコントローラ８に内蔵のタイマ（図示略）が起動され、燃料噴射サイクル開始時点からの経過時間が計時される。
図７の制御ルーチンでは、エンジン回転数Ｎｅ及びアクセルペダル踏込量_ＡＣＣが読み込まれ、エンジン運転状態が判定される（ステップＳ１）。そして、補助噴射開始時期ｔ１、補助噴射時間ΔＴＬ、高圧燃料導入開始時期ｔ３、高圧燃料導入時間ΔＴｍ、主噴射開始時期ｔ５、中圧噴射時間ΔＴＭおよび主噴射時間ΔＴＭＨのそれぞれの値が、ステップＳ１で判定されたエンジン運転状態に基づいてマップから決定され、更に、これらの噴射制御パラメータ値に基づいてインジェクタ・切換弁駆動信号オンオフタイミングｔ１〜ｔ８が決定される（ステップＳ２）。
本実施形態では、中圧形成のための高圧燃料導入時間ΔＴｍの決定に際して、ＥＣＵ８は、図９に示すＭＰマップを参照してエンジン回転数Ｎｅ及びアクセル開度_ＡＣＣに適合する目標主噴射初期圧力（要求噴射圧力）を決定し、次に、この要求噴射圧力に対応する高圧燃料導入時間ΔＴｍを図１０に示すΔＴｍマップから求めるようにしている。
図９に示すように、ＭＰマップでの目標主噴射初期圧力（目標中圧燃料圧）は、同一エンジン回転数且つ同一エンジン負荷においてＬＰマップでの目標低圧燃料圧よりも大きく且つＨＰマップでの目標高圧燃料圧よりも小さい値をとる。また、目標主噴射初期圧力は、エンジン回転数やエンジン負荷の増大に伴う目標低圧燃料圧や目標高圧燃料圧の増大率よりも大きい増大率をもって、エンジン回転数及びエンジン負荷の増大につれて増大する。そして、図９のＭＰマップにおいて、目標主噴射初期圧力は、エンジン運転域が低回転側且つ低負荷側であるほど目標低圧燃料圧に近い値をとり、エンジン運転域が高回転側且つ高負荷側であるほど目標高圧燃料圧に近い値をとる。この様な目標圧力値の設定は、低回転・低負荷域ではブースト圧や筒内ガス密度が低くて噴射燃料の飛散距離が大きい一方、高回転・高負荷域ではブースト圧や筒内ガス密度が高くて飛散距離が小さいという事実に即したものであり、この結果、気筒内での燃料噴霧分布が適正化され、良好な燃焼に寄与する。なお、ＭＰマップは一般には図９の３次元座標系における湾曲面で表される。また、ＬＰマップやＨＰマップの場合と同様、ＭＰマップ作成に際してＥＧＲ量や各種温度パラメータの影響が考慮され、或いは、ＭＰマップから求めた目標圧力値に各種の補正が加えられる。
図１０中、記号ＨＰ及びＬＰは、高圧燃料導入時間ΔＴｍの決定時点における目標高圧燃料圧及び目標低圧燃料圧にそれぞれ対応し、当該時点のエンジン回転数及びアクセル開度に応じて変化する。なお、高圧燃料導入時間ΔＴｍと当該時間にわたる高圧燃料導入により形成される中圧との関係は、蓄圧式燃料噴射装置における燃料通路１０ａを含む配管の体積や切換弁５が開弁状態にあるときの高圧燃料流量などの諸元によって定まる。換言すれば、所要の中圧を得るための高圧燃料導入期間ΔＴｍは実験により求めることができる。
図７を再び参照すると、制御ルーチンのステップＳ２におけるインジェクタ・切換弁駆動信号オンオフタイミングｔ１〜ｔ８の決定に続いて、燃料噴射サイクル開始時点からの経過時間に基づいて補助噴射開始時期ｔ１が到来したか否かが判別される。図６に示すように、補助噴射開始時期ｔ１が到来するまでの間、切換弁５および開閉弁７は共に閉じられ、切換弁５の下流側の燃料通路１０ａには低圧蓄圧器４から低圧燃料が供給され、この低圧燃料が制御室１１および燃料室１２に供給される。開閉弁７が閉じているので、制御室１１内の燃料圧力による油圧ピストン１４に対する作用力とニードル弁に対するスプリングの作用力との合力が燃料室１２内の燃料圧力によるニードル弁１３に対する作用力を上回って、ニードル弁１３によりインジェクタ９のノズル孔が閉塞される。
このとき、燃料室１２内の燃料圧力（インジェクタ入口圧力）は、低圧蓄圧器４内の低圧燃料と略同一圧に維持されている。すなわち、逆止弁３２よりも下流側の燃料通路１０ａ内の燃料圧力が低圧燃料の圧力を下回ると燃料通路１０ｂ内の逆止弁６が開いて低圧蓄圧器４から燃料通路１０ａへ低圧燃料が供給される一方、下流側燃料通路１０ａ内の燃料圧力が低圧燃料の圧力を上回ると燃料通路１０ａ内の燃料がオリフィス６ａを介して低圧蓄圧器４へ流入する。
補助噴射開始時期ｔ１が到来すると、インジェクタ駆動信号がオンされて開閉弁７のみが開かれ（ステップＳ３）、制御室１１内の低圧燃料がオリフィス１６及び燃料戻り通路１０ｃを介してドレーンされ、油圧ピストン１４に加わる作用力とニードル弁に対するスプリングの作用力との合力がニードル弁１３に加わる作用力よりも小さくなった時点でニードル弁１３が上昇してノズル孔が開き、低圧燃料がインジェクタ９から噴射される。比較的低い噴射圧での、すなわち比較的小さい燃料噴射率（単位時間あたりの燃料噴射量）での補助噴射が開始される。
その後、補助噴射開始時点ｔ１から補助噴射時間ΔＴＬが経過して補助噴射終了時期ｔ２が到来すると、インジェクタ駆動信号がオフされて開閉弁７が閉じ（ステップＳ３）、ニードル弁１３によりノズル孔が閉鎖される。この結果、低圧での補助噴射が終了する。
この様にしてエンジンの燃焼室内へ噴射された燃料は、必ずしも直ちに燃焼するとは限らないが、化学的な活性化が進行し、その後の主噴射によりエンジンに供給される燃料への着火を容易にする。すなわち、着火遅れを小さくする。補助噴射時間ΔＴＬは、着火遅れ防止に必要最小量の燃料を供給するように設定され、燃費向上が図られる。また、図１に基づいて既に説明したように、低圧補助噴射に係る燃料噴霧は、燃料噴射ノズルの近傍から気筒の半径方向中間部までの間に分布する。この様な燃料噴霧分布によれば、気筒内での火炎伝播が好適に行われる。すなわち、燃料への着火が気筒の半径方向内方側から開始され、火炎が気筒内方から外方へ向けて気筒内全体に拡がる。
なお、上述のように補助噴射を低圧で実施すると、補助噴射を高圧で行う場合に比べて、補助噴射時間制御に係る要求精度が緩和されるので、補助噴射における燃料噴射量をより正確に必要最小量に制御でき、燃費向上に寄与する。
次に、主噴射の初期段階での中圧噴射に供される中圧燃料をインジェクタ９の燃料室１２および燃料通路１０ａの下流側部分に満たすべく、中圧形成のための高圧燃料を高圧蓄圧器３から燃料通路１０ａの下流側部分に導入する。
具体的には、ステップＳ２において決定された高圧燃料導入開始時期ｔ３が到来すると、切換弁駆動信号がオンされる。この結果、噴射率切換用の切換弁５が開弁され（ステップＳ４）、高圧蓄圧器３からの高圧燃料が逆止弁３２を開いて燃料通路１０ａの下流側部分へ流入し、更に、インジェクタ９の制御室１１及び燃料室１２へ流入する。この結果、図６の最下方部分に示すように、インジェクタ入口圧力が補助噴射での噴射圧（低圧）から上昇する。
その後、高圧燃料導入開始時期ｔ３から高圧燃料導入時間ΔＴｍが経過して高圧燃料導入終了時期ｔ４が到来すると、燃料室１２及び燃料通路１０ａの下流側部分における中圧形成が完了したとの判断の下で切換弁駆動信号がオフされて切換弁５が閉弁され（ステップＳ４）、中圧形成のための高圧燃料の導入が終了する。
燃料室１２及び燃料通路１０ａの下流側部分内の中圧の燃料の一部は、その後、オリフィス６ａを介して低圧蓄圧器４へ徐々に流入するため、インジェクタ入口圧力は図６に示すように徐々に僅かに減少する。なお、図６からは明確ではないが、ｔ５時点でのインジェクタ駆動信号オンにより開閉弁７が開弁すると、インジェクタ入口圧力の減少度合いはそれまでよりも急峻になる。
そして、主噴射開始時期ｔ５が到来すると、インジェクタ駆動信号がオンされて噴射時期制御用の開閉弁７が開弁され（ステップＳ５）、インジェクタ９のノズル孔が開き、燃料室１２内に満たされた中圧の燃料がエンジン燃焼室へ噴射される。補助噴射に係る燃料が活性化した状態で主噴射燃料が供給されるので、主噴射燃料の着火が速やかに行われる。典型的には、中圧噴射から高圧噴射への移行時あるいはその前後において着火する。図２に基づいて既に説明したように、中圧主噴射に係る燃料噴霧は、気筒半径方向にみて低圧補助噴射に係る燃料噴霧やその火炎よりも外方領域に到達し、当該領域に残存している空気を消費しつつ良好に燃焼する。しかも、本実施形態では、上述のＭＰマップに基づいて中圧主噴射時の噴射圧力をエンジンの運転条件に応じて変化させるので、主噴射燃料の燃焼初期の燃焼速度が適正になる。
この様に、低圧の補助噴射に続く主噴射の初期段階において図６および図８に実線で示すように中圧噴射を行うと、主噴射の初期段階で低圧噴射が行われる場合（図８に破線で示す）に比べて、主噴射の初期段階での燃料噴射量が増大し、主噴射の残りの期間において噴射させるべき燃料量が、初期段階での噴射量増大分だけ少なくなり、主噴射時間が全体として短縮される。従って、燃料噴射が早期に終了して燃費が向上する。しかも、主噴射の初期段階から高圧噴射を直ちに開始する場合のように着火までに過度の燃料供給が行われることが防止され、エンジン運転騒音及びＮＯｘ排出量が低減する。更には、補助噴射と主噴射との間に噴射率切換用の切換弁５を開閉するだけで中圧噴射を実施できるので、装置構成が特に複雑になることもない。
その後、主噴射開始時期ｔ５から中圧噴射時間ΔＴＭが経過して切換弁駆動信号オンタイミングｔ６が到来すると、噴射時期制御用の開閉弁７が開弁状態に維持されたまま噴射率切換用の切換弁５がオンされて開弁し（ステップＳ６）、燃料通路１０ａを介して高圧蓄圧器３から燃焼室１２に高圧燃料が供給され、インジェクタ９から高圧燃料が噴射される（図６および図８）。すなわち、中圧噴射での燃料噴射率よりも大きい噴射率での燃料噴射（高圧主噴射）が実施される。図３に基づいて既に説明したように、高圧噴射された燃料は、周辺空気や補助噴射及び中圧主噴射に係る燃料噴霧とくに煤などの燃え残り物質を巻き込みつつ気筒内を良好に拡散し、これにより気筒内の燃焼を活性化して良好な燃焼ならびに黒煙の低減に寄与する。
そして、主噴射開始時期ｔ５から主噴射時間ΔＴＭＨが経過して燃料噴射終了時期ｔ７が到来すると、インジェクタ駆動信号がオフされて噴射時期制御用の開閉弁７が閉弁する（ステップＳ７）。この結果、制御室１１に供給された高圧燃料による油圧ピストン１４への作用力とニードル弁に対するスプリングの作用力との合力が燃料室１２内でニードル弁１３に加わる作用力を上回って、ニードル弁１３がノズル孔を閉塞し、主噴射が終了する。
なお、オリフィス１６の流路断面積を比較的大きくすると、燃料噴射終了時点ｔ７で燃料噴射率が急速に立ち下がって、エンジンからの黒煙やパーティキュレートの排出量の低減に寄与する。
更に、噴射率切換用の切換弁５は、燃料噴射時期終了時期ｔ７から所定時間が経過した時点ｔ８で閉じられる（ステップＳ８）。なお、切換弁５をｔ７時点で閉弁するようにしても良い。
切換弁５の閉弁時点ｔ８以降において、逆止弁３２よりも下流側の燃料通路１０ａ内の高圧燃料の相当の部分は、オリフィス６ａを設けたバイパス燃料通路を介して低圧蓄圧器４に流入して低圧蓄圧器４での低圧燃料の形成に供され、高圧燃料の残部は、制御室１１内へ流入したり制御室１１回りから燃料タンク１７側へ漏出する。この結果、燃料通路１０ａの下流側部分およびインジェクタ入口圧力は、図６に示すように、次回の燃料噴射サイクルでの補助噴射が開始されるまでの間に時間経過につれて低圧まで減少する。
本発明は、上記実施形態に限定されず、種々に変形可能である。
例えば、上記実施形態では、各燃料噴射サイクルにおいて低圧補助噴射に続く主噴射の初期段階で図８に実線で示すように中圧噴射を必ず実施するようにしたが、この様に低圧補助噴射と中圧・高圧主噴射との組合せを各燃料噴射サイクルで常に実施することは必須ではない。すなわち、図８に実線で示す低圧補助噴射と中圧・高圧主噴射との組合せまたは図８に破線で示す低圧補助噴射と低圧・高圧主噴射との組合せのいずれか一方をエンジン運転状態に応じて選択的に実施するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
図１は、補助噴射時の燃料噴霧状態を気筒の半分について示す模式図、
図２は、中圧主噴射時の燃料噴霧状態を示す模式図、
図３は、高圧主噴射時の燃料噴霧状態を示す模式図、
図４は、本発明の一実施形態に係る蓄圧式燃料噴射装置を示す概略図、
図５は、図４に示した燃料噴射装置の主要要素とエンジンの各気筒のインジェクタとの接続を示す概略図、
図６は、図４及び図５に示した燃料噴射装置において実施される一燃料噴射サイクルにおける噴射波形を、インジェクタ駆動信号および切換弁駆動信号のオンオフ状態ならびにインジェクタ入口圧力の時間経過に伴う変化と共に示す図、
図７は、図４および図５に示すコントローラが実施するインジェクタ・切換弁制御ルーチンのフローチャート、
図８は、低圧補助噴射に続いて中圧・高圧主噴射を実施した場合の主噴射時間短縮効果を示す図、
図９は、エンジン回転数及びエンジン負荷に応じた要求圧力を決定するための低圧補助噴射用、中圧主噴射用および高圧主噴射用のマップを示す図、および
図１０は、中圧主噴射における要求圧力と中圧形成のための高圧燃料導入時間ΔＴｍとの関係を示すグラフである。

Claims (3)

1. ポンプにより加圧された高圧の燃料を貯留する第１蓄圧器と、
   燃料通路を介して上記第１蓄圧器に接続され燃料をエンジンの燃焼室内に噴射する燃料噴射ノズルと、
   上記第１蓄圧器内の高圧燃料を上記燃料通路の下流側へ排出制御する制御弁と、
   上記制御弁より下流側の上記燃料通路に分岐通路を介して接続され上記第１蓄圧器内の高圧燃料よりも低圧の燃料を貯留する第２蓄圧器と、
   上記燃料噴射ノズルに主噴射とこの主噴射に間隔をおいて先行させた短い補助噴射とを行わせる際に、上記制御弁を、上記補助噴射と上記主噴射との間に短時間開弁させ且つ上記主噴射の途中から開弁させる燃料制御手段と
   を備えることを特徴とする蓄圧式燃料噴射装置。
2. 上記燃料制御手段は、上記主噴射の初期段階において、上記第２蓄圧器内の低圧燃料の圧力よりも高く且つ上記第１蓄圧器内の高圧燃料の圧力よりも低い中圧を、上記制御弁の下流側の上記燃料通路内に形成する
   ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の蓄圧式燃料噴射装置。
3. 上記主噴射の初期段階に上記制御弁の下流側の上記燃料通路内に形成される上記中圧は、上記エンジンの運転域が低回転側且つ低負荷側であるほど上記第２蓄圧器内の低圧燃料の圧力に近い値をとり、また、上記エンジンの運転域が高回転側且つ高負荷側であるほど上記第１蓄圧器内の高圧燃料の圧力に近い値をとる
   ことを特徴とする請求の範囲第２項に記載の蓄圧式燃料噴射装置。

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