JP3812684B2

JP3812684B2 - エンジンの燃料噴射装置

Info

Publication number: JP3812684B2
Application number: JP02703996A
Authority: JP
Inventors: 秀年影山; 博野崎
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 1996-02-14
Filing date: 1996-02-14
Publication date: 2006-08-23
Anticipated expiration: 2016-02-14
Also published as: JPH09217644A

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、燃料噴射弁を燃焼室内に燃料を直接噴射するようにシリンダヘッド等に取付けたエンジンの燃料噴射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、燃料噴射弁により燃料を燃焼室内に直接噴射するようにしたいわゆる直噴式ガソリンエンジンが提供されるようになってきている。この直噴式ガソリンエンジンにより、燃費の大幅な向上，排出ガスの清浄化等が期待されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、燃焼室内に燃料を直接噴射するには、燃料噴射弁をその噴射口が燃焼室内に臨むようにシリンダヘッド等に取り付けることとなり、そのため燃料噴射弁が高温となり、燃料噴射弁の作動が不安定となり、噴射量が変動することが懸念される。
【０００４】
上記噴射量変動の原因は、燃料噴射弁自体が高温になることによって内部の磁気ギャップが設計値から変化する点にあると考えられる。この磁気ギャップは燃料噴射弁を正確に作動させるために極めて重要であり、生産時には一個一個精密に調整されている程であり、この磁気ギャップが変化すると噴射特性も大きく変化する。
【０００５】
そして上記磁気ギャップ変動の原因は、弁箱と弁体との熱膨張率の差，及び両者の温度差に起因する熱膨張量の差にあると考えられる。従って、上記磁気ギャップの変動を防止するには、▲１▼温度の高い側の弁箱を熱膨張率の小さい材料とし、温度の低い側の弁体の熱膨張率を相対的に大きい材料とする、▲２▼燃料噴射弁自体の温度を吸気管噴射並みの１００°Ｃ以下に下げることが必要がある。
【０００６】
上記▲１▼の方法は簡便であるが、弁体の温度を正確に把握するのは困難であり、運転条件によって対応できない場合が生じる。また上記▲２▼の方法は、燃料噴射弁をシリンダヘッド，シリンダブロック等高温部位に装着せざるを得ない点からしてこれも困難である。
【０００７】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、燃料噴射弁の磁気ギャップが変化しても、適量の燃料を噴射することができるエンジンの燃料噴射装置を提供することを課題としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、燃焼室内に燃料を直接噴射するように配設された燃料噴射弁と、燃料噴射量がエンジンの運転状態に応じて求められた目標噴射量となるように上記燃料噴射弁を制御する噴射制御手段とを備えたエンジンの燃料噴射装置において、上記燃料噴射弁の磁気ギャップを検出する磁気ギャップ検出手段と、燃料噴射量が上記目標噴射量となるよう上記磁気ギャップに基づいて上記燃料噴射弁の駆動条件を補正する補正手段とを備えたことを特徴としている。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１において、上記磁気ギャップ検出手段が、燃料噴射弁の温度に基づいて磁気ギャップを求めるように構成されていることを特徴としている。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１において、上記磁気ギャップ検出手段が、燃料噴射弁のインダクタンスに基づいて磁気ギャップを求めるように構成されていることを特徴としている。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかにおいて、上記補正手段が、上記磁気ギャップ検出手段によって検出された磁気ギャップが大きいときの駆動電圧又は駆動電流を磁気ギャップが小さいときの駆動電圧又は駆動電流より大きくすることを特徴としている。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項１〜３の何れかにおいて、上記補正手段が、磁気ギャップ検出手段によって検出された磁気ギャップが大きいときの燃料噴射時間を磁気ギャップが小さいときの燃料噴射時間より長くすることを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。
図１〜図９は、請求項１，２，４の発明の第１実施形態によるエンジンの燃料噴射装置を説明するための図であり、図１はそのブロック構成図、図２，図３，は上記エンジンの断面側面図、図４はシリンダヘッドの底面図、図５は燃料噴射弁の断面側面図、図６は燃料供給系のブロック構成図、図７は温度−磁気ギャップ特性図、図８は磁気ギャップ−電圧・電流特性図、図９は燃料噴射量補正係数−磁気ギャップ特性図である。
【００１４】
図１において、１は燃料供給系の各種アクチュエータを制御するＣＰＵであり、該ＣＰＵ１は、エンジン回転数センサ２からのエンジン回転数信号、スロットル開度センサ３からのエンジン負荷信号、温度センサ４からの燃料噴射弁周囲温度信号、電圧測定回路７からの燃料噴射弁の電磁コイルの両端電圧波形信号及び電流センサ１２からの燃料噴射弁駆動電流信号が入力され、燃料噴射弁用駆動回路６、インダクタンス検出用高周波電流発生回路８、点火制御回路９に後述する各種の制御信号を出力する。なお５は各種制御データが格納されたメモリである。
【００１５】
また、１７は後述する燃料噴射弁１４の電磁コイル、１３は駆動電源（バッテリ）１５から燃料噴射弁１４への電力供給を制御するスイッチングトランジスタである。
【００１６】
エンジン２０への燃料噴射弁１４の取付け状態を示す図２〜図４において、該エンジン２０は、シリンダブロック２２のヘッド側合面上にシリンダヘッド２３をヘッドボルト１９で結合し、該シリンダヘッド２３の上部に形成されたカム室２４をヘッドカバー２５で覆った構造を有している。
【００１７】
上記シリンダブロック２２内にはピストン２７が摺動自在に挿入されており、該ピストン２７の頂部２７ａにはシリンダヘッド２３のブロック側合面２３ｇに凹設された燃焼凹部２３ａとで燃焼室を構成するキャビティ２８が凹設されている。該キャビティ２８の先端側傾斜面２８ａの上方に点火プラグ２９の電極２９ａが位置している。
【００１８】
上記シリンダヘッド２３の燃焼凹部２３ａには、２つの左，右吸気弁開口３０ａ，３０ｂと、２つの左，右排気弁開口３１ａ，３１ｂが開口しており、それぞれ吸気弁３５，３５，吸気カム軸３８、排気弁３６，３６排気カム軸３９で開閉される。
【００１９】
上記左，右吸気弁開口３０ａ，３０ｂは、図４に示すように、二股状の吸気ポート３２ａにより合流しつつシリンダヘッド２３の後壁２３ｂに導出されている。ここで上記吸気ポート３２ａは、カム軸方向に見ると（図２参照）、吸気弁３５の弁軸３５ｂと同軸をなすスロート部３２ｂが比較的長く形成されており、そのため該吸気ポート３２ａの直線部３２ｃとブロック側合面２３ｇとの間に燃料噴射弁１４の配置スペースが確保可能となっている。
【００２０】
また上記吸気ポート３２ａには、吸気マニホールド３２の分岐部３２ｄが接続されている。この分岐部３２ｄには、偏流弁３７が配設されている。偏流弁３７は切欠部３７ａを有し、カム軸と平行の弁軸３７ｂ回りに全開位置と図３に実線で示す閉位置との間で回動可能となっており、図示しないアクチュエータにより開閉駆動される。上記偏流弁３７を閉位置に回動させると、吸気は上記吸気ポート３２ａの天壁と上記切欠部３７ａとの間を通って天壁側に偏って流れ、気筒中心側寄りからシリンダボア２６ｄの排気側内面に沿って軸方向に流れてピストン頂面２７ａで反転し、これによりシリンダボア２６ｄ内にて縦方向の渦、いわゆるタンブルが左，右一対発生する。
【００２１】
燃料噴射弁１４は、図３に示すように、シリンダヘッド２３の吸気ポート３２ａとブロック側合面２３ｇとの間に該吸気ポート３２ａの直線部３２ｃと平行に挿入配設されており、該挿入部分は冷却ジャケット２３ｆに囲まれている。そして該冷却ジャケット２３ｆ内の冷却水温度が温度センサ４によって燃料噴射弁１４の周囲温度（弁箱温度）として検出されるようになっている。
【００２２】
上記燃料噴射弁１４は、図５に示すように、略円筒状の弁箱１５内に略棒状の弁体１６を進退自在に挿入配置し、該弁体１６を電磁コイル１７で進退駆動するように構成されている。
【００２３】
上記弁箱１５は、上，下端部が開口した筒状のケーシング１５ａの上，下開口内に筒体１５ｂ，ノズル体１５ｃを挿入固着したものであり、筒体１５ｂの軸心には燃料導入孔１５ｄが形成され、ノズル体１５ｃの下端部には弁座１５ｅが形成されている。また該ノズル体１５ｃにはガイド１５ｆが固着されており、該ガイド１５ｆには燃料を点火プラグ方向，ピストン頂面方向にガイドしつつ噴射させる噴射孔１５ｇ，１５ｈが形成されている。
【００２４】
上記弁体１６は、先端部で上記弁座１５ｅに着脱するバルブ１６ａと、磁気回路の一部を形成するアーマチャ１６ｂとで構成されている。該磁気回路は筒体１５ｂ，アーマチャ１６ｂ，及びケーシング１５ａにより形成される。そして該アーマチャ１６ｂの上端部と上記筒体１５ｂの下端部との間には弁体１６を噴射口１５ｅを閉じる方向に付勢するリターンばね１８が介挿されている。
【００２５】
またバルブ１６ａの途中にはフランジ部１６ｃが形成されており、該フランジ部１６ｃが上記ノズル１５ｃに形成されたストッパ１５ｉに当接することにより上記噴射口１５ｅの開度が規制される。そしてバルブ１６ａが弁座１５ｅに密着した状態で、上記アーマチャ１６ｂの上端面と上記筒体１５ｂの下端面との間には磁気ギャップＧが設けられており、該磁気ギャップＧは上記磁気回路を分断することとなるので、製造時には該磁気ギャップＧが所定の設計値に精度良く一致するように調整される。
【００２６】
上記磁気ギャップＧは、上述のように磁気回路を分断するので、上記電磁コイル１７が弁体１６を引き寄せる際の駆動力の大きさに大きな影響を与える。該磁気ギャップＧが過大の場合には上記駆動力が弱くなり、極端な場合には弁体１６が移動不能となることがあり、逆に過小の場合には駆動力は十分となるが、駆動信号オフ時の磁力消滅時間が長くなり、弁体１６の戻りが悪くなる。
【００２７】
燃料噴射弁１４への燃料供給系４１を示す図６において、燃料タンク４２内の燃料は燃料供給ポンプ４４によりフィルタ４５を介して高圧燃料ポンプ４３に供給される。該高圧燃料ポンプ４３はエンジン２０により無段変速機５４を介して回転駆動され、上記供給ポンプ４４から供給された燃料を高圧にしてチェック弁４６を介して蓄圧室（コモンレール）４７に供給する。燃料供給ポンプ４４の送量を高圧燃料ポンプ４３の吐出量より常に多くしており、余剰量は戻り路４１ａを通って燃料タンク４２に戻される。該蓄圧室４７内の燃料は、燃料噴射弁１４内に高圧でもって供給され、図５に矢印で示すように、筒体１５ｂ，アーマチャ１６ｂを通ってバルブ１６ａで閉じられた弁座１５ｅの上流側の空間１５ｊ内に高圧の状態で充満している。従って、燃料は、弁体１６が弁座１５ｅを開いている期間中噴射される。
【００２８】
なお上記蓄圧室４７には、該蓄圧室４７内圧力が所定値以上になると燃料を燃料タンク４２に戻すことにより、燃料噴射弁１４内の燃料圧力を所定値に保持するためのレギュレータ４９及びリリーフ弁５０が接続されている。
【００２９】
本実施形態の燃料噴射装置では、上記燃料噴射弁１４の磁気ギャップＧを検出し、燃料噴射量がエンジン２０の運転状態に応じて求められた目標噴射量となるよう上記検出された磁気ギャップＧに基づいて上記燃料噴射弁１４の駆動条件、例えば駆動電圧値，駆動電流値を補正するようになっている。
【００３０】
上記磁気ギャップの検出は以下の要領で行われる。
燃料噴射弁１４の周囲温度と、磁気ギャップＧの大きさとの関係を、予め実験によって求める。これは例えば、図７に示すように、周囲温度に比例して磁気ギャップが大きくなるというような特性を有する。この周囲温度−磁気ギャップ特性は、マップ値として上記メモリ５に記憶される。
【００３１】
そしてエンジン２０の運転状態において、上記ＣＰＵ１は、上記温度センサ４の検出値を読み込み、上記図７のマップに基づいて検出温度に対応した磁気ギャップを求める。なお、予め周囲温度と磁気ギャップの関係を求めるための周囲温度測定点に近い位置に、温度センサ４が配置される。
【００３２】
一方、燃料噴射弁１４の駆動条件の補正については以下の要領で行われる。
図８に示すように、燃料噴射弁１４の磁気ギャップが境界値Ｇo より大, 小の場合には燃料噴射弁１４への駆動電圧Ｖ又は駆動電流Ｉを大，小に切り替える。
【００３３】
エンジン２０の運転状態において、検出された磁気ギャップＧが境界値Ｇo より大の場合には燃料噴射弁１４の駆動電圧Ｖ，駆動電流Ｉを大きい値に制御する。これにより、磁気ギャップが大きい場合にも十分な駆動力が得られ、燃料噴射弁１４は正常に作動し、目標噴射量が確保される。
【００３４】
駆動条件の補正方法には各種の態様が採用可能であり、例えば図９に示すように、検出された磁気ギャップＧが大きいほど噴射量補正係数Ｋを大きい側に補正するようにしてもよい。これにより燃料噴射時間がエンジンの運転状態に応じて求められた目標噴射量に応じた噴射時間より長い側に補正され、結果的に磁気ギャップが大きい場合でも目標燃料噴射量が確保される。このようにしたのが本願の請求項５の発明である。
【００３５】
また上記磁気ギャップＧの検出方法には各種の態様が採用可能であり、例えば図１０〜１３に第２実施形態を示すように、上記燃料噴射弁１４の電磁コイル１７のインダクタンスによって検出することも可能であり、このようにしたのが本願の請求項３の発明である。
【００３６】
この第２実施形態では、燃料噴射弁１４のインダクタンスに基づいて磁気ギャップＧを求める。燃料噴射弁１４のインダクタンスを求めるには、図１０に示すように、燃料噴射弁１４の電磁コイル１７の両端に高周波電流発生回路８，及び電圧測定回路７からなる測定回路を接続し、電磁コイル１７に駆動信号がローの期間において高周波電流を流し、該電磁コイル１７の両端電圧波形（振幅）を計測する。
【００３７】
上記電圧波形は、磁気ギャップが小の場合はインダクタンスが大きいために電圧振幅も大きくなり（図１２（Ａ）参照）、磁気ギャップが大の場合はインダクタンスが下がるために電圧振幅も小さくなり（図１２（Ｂ）参照）、磁気ギャップとインダクタンス（電圧振幅）との関係は図１１に示すようになり、この関係をマップとして上記メモリ５に記憶しておく。
【００３８】
そしてエンジン運転中において、駆動信号のロー期間において上記高周波電流発生回路８から高周波電流を流し、電圧測定回路７により端子間電圧振幅（インダクタンス）を計測し、図１１に基づいてインダクタンスから磁気ギャップを求める。そして、求められた磁気ギャップが境界値Ｇo より大か小かによって駆動電圧, 駆動電流を大, 小に切り替える。
【００３９】
また上記インダクタタンスの計測方法には、図１３に示すように、駆動電流の立ち上がり波形や立ち下がり波形に基づいて求める方法が採用可能である。即ち、磁気ギャップが小さい場合はインダクタンスが大きいために上記立ち上がり時間ｔが小さくなり、逆に磁気ギャップが大きいほどインダクタンスが小さくなるため立ち上がり時間ｔが大きくなる。
【００４０】
従って上記立ち上がり時間ｔを計測することによりインダクタンス、ひいては磁気ギャップが得られる。そして該磁気ギャップが境界値Ｇｏより大，小かにより駆動電圧，電流を大，小に切り替えるようにすれば良い。
【００４１】
なお、磁気ギャップＧが設計許容値より大きくなった場合にも燃料噴射弁１４の作動を確実にするために、磁力に充分な余裕を持たせておくことが考えられるが、磁力に十分な余裕を持たせた場合、磁気ギャップＧが小さい側にばらついた場合に、駆動信号がオフになった後の磁力の消滅時間が長くなり、弁体１６の戻りが悪くなるという問題が生じる。弁体１６の戻りを良くするためには、リターンばね１８を強くすれば良いが、このうよにする磁力の余裕は相殺される。従って結局、磁力に余裕を持たせる方法は現実的ではない。
【００４２】
【発明の効果】
請求項１の発明にかかるエンジンの燃料噴射装置によれば、燃料噴射弁の磁気ギャップを検出し、該磁気ギャップに基づいて駆動条件を補正するようにしたので、燃料噴射弁の磁気ギャップが変化しても、運転状態に適応した目標燃料噴射量を確保できる効果がある。
【００４３】
請求項２の発明によれば、燃料噴射弁の温度に基づいて磁気ギャップを検出するようにしたので、磁気ギャップを簡単且つ正確に検出することができる。
【００４４】
請求項３の発明によれば、磁気ギャップを燃料噴射弁のインダクタンスに基づいて検出するようにしたので、電磁コイルとアーマチャ自体がインダクタンス型変位計を形成していることから、例えば静電容量の変化によってインダクタンスを検出する場合のような新たな電極は不要であり、それだけ構造が簡単であり、コスト，サイズ的に有利である。
【００４５】
請求項４の発明によれば、検出された磁気ギャップが大きいときの駆動電圧又は駆動電流を磁気ギャップが小さいときの駆動電圧又は駆動電流より大きくするようにしたので、磁気ギャップが大きい場合にも必要な駆動力を得ることができ、目標量の燃料を噴射供給できる。
【００４６】
請求項５の発明によれば、検出された磁気ギャップが大きいときの燃料噴射時間を磁気ギャップが小さいときの燃料噴射時間より長くしたので、磁気ギャップが大きく、駆動力が小さくなった場合でも目標量の燃料を噴射供給できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるエンジンの燃料噴射装置のブロック構成図である。
【図２】上記第１実施形態装置を備えたエンジンの縦断面側面図である。
【図３】上記エンジンの縦断面側面図である。
【図４】上記エンジンのシリンダヘッドの底面図である。
【図５】上記第１実施形態装置の燃料噴射弁の縦断面側面図である。
【図６】上記第１実施形態装置の燃料供給系を示すブロック構成図である。
【図７】上記第１実施形態装置の周囲温度−磁気ギャップ特性図である。
【図８】上記第１実施形態装置の磁気ギャップ−駆動電圧、駆動電流特性図である。
【図９】上記第１実施形態装置の変形例による噴射量補正係数−磁気ギャップ特性図である。
【図１０】本発明の第２実施形態によるインダクタンス計測用の回路図である。
【図１１】上記第２実施形態装置のインダクタンス−磁気ギャップ特性図である。
【図１２】上記第２実施形態装置のインダクタンス計測方法を説明するための図であり、（Ａ）は磁気ギャップが小さいときの駆動信号，燃料噴射弁端子電圧波形，弁リフトを示す波形図、（Ｂ）は磁気ギャップが大きいときの電圧波形を示す波形図である。
【図１３】上記第２実施形態装置におけるインダクタンス計測方法の変形例を説明するための、駆動信号、電流波形、弁リフト波形図である。
【符号の説明】
１ＣＰＵ（噴射制御手段，補正手段）
４温度センサ（磁気ギャップ検出手段）
１４燃料噴射弁
２０エンジン
２３ａ燃焼室
Ｇ磁気ギャップ

Claims

燃焼室内に燃料を直接噴射するように配設された燃料噴射弁と、燃料噴射量がエンジンの運転状態に応じて求められた目標噴射量となるように上記燃料噴射弁を制御する噴射制御手段とを備えたエンジンの燃料噴射装置において、上記燃料噴射弁の磁気ギャップを検出する磁気ギャップ検出手段と、燃料噴射量が上記目標噴射量となるよう上記磁気ギャップに基づいて燃料噴射弁の駆動条件を補正する補正手段とを備えたことを特徴とするエンジンの燃料噴射装置。
請求項１において、上記磁気ギャップ検出手段が、燃料噴射弁の温度に基づいて磁気ギャップを求めるように構成されていることを特徴とするエンジンの燃料噴射装置。
請求項１において、上記磁気ギャップ検出手段が、燃料噴射弁のインダクタンスに基づいて磁気ギャップを求めるように構成されていることを特徴とするエンジンの燃料噴射装置。
請求項１〜３の何れかにおいて、上記補正手段が、上記磁気ギャップ検出手段によって検出された磁気ギャップが大きいときの駆動電圧又は駆動電流を磁気ギャップが小さいときの駆動電圧又は駆動電流より大きい側に補正することを特徴とするエンジンの燃料噴射装置。
請求項１〜３の何れかにおいて、上記補正手段が、磁気ギャップ検出手段によって検出された磁気ギャップが大きいときの燃料噴射時間を磁気ギャップが小さいときの燃料噴射時間より長い側に補正することを特徴とするエンジンの燃料噴射装置。