JP3924942B2 - 内燃機関の燃料噴射装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の気筒内に燃料を直接噴射供給する燃料噴射装置に関し、詳しくは、その燃料噴射を、内燃機関の１サイクル当たりに複数回に分けて行う燃料噴射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、燃料ポンプから供給される高圧燃料をコモンレールに一旦蓄積して、その蓄積した高圧燃料を燃料噴射弁に供給し、所定の燃料噴射時期に燃料噴射弁を開弁させることにより、燃料噴射弁から内燃機関の気筒内に燃料を直接噴射供給するようにした燃料噴射装置が知られている。
【０００３】
この種の燃料噴射装置は、所謂直噴式の内燃機関であれば、燃料混合気を圧縮着火させるディーゼルエンジンに限らず、燃料混合気を点火プラグにより発生させた点火火花により着火させるガソリンエンジンでも使用されるが、近年では、燃料噴射弁からの燃料噴射を、内燃機関の１サイクル当たりに早期噴射と後期噴射とに分けて実行させることにより、燃焼効率を向上することが考えられている（例えば、特開平４−２５２８３０号公報，ＳＡＥ９８０５０５参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、こうした従来の燃料噴射装置では、早期噴射で、内燃機関の気筒内に噴射すべき全燃料の半分以上を噴射し、且つ、気筒内全域に燃料を配分するようにされていることから、早期噴射により気筒内全域が希薄混合気となり、その後のピストンの移動による気筒内の圧縮により燃料混合気が部分的に過早着火して、ノッキングが発生し易くなり、ノッキングの発生を抑えようとすると、良好なエンジン性能が得られなくなるという問題があった。
【０００５】
例えば、特開平４−２５２８３０号公報に開示された装置では、火花点火式のガソリンエンジンにおいて、アイドル運転時等、エンジンの軽負荷・低回転時に、燃料噴射を早期噴射と後期噴射とに分けて行い、早期噴射によって、気筒内全域を希薄な燃料混合気にし、その後の後期噴射によって、燃料混合気の着火に用いられるピストン頂面部分の燃焼室内に燃料を噴射供給することにより、気筒内全域では希薄となる比較的少ない燃料供給量でも、燃料混合気を確実に燃焼させて、必要トルクが得られるようにしている。また、エンジンの高負荷・高回転時には、気筒内で均一な混合気を形成する時間に余裕がないため、全量を早期噴射にして、気筒内での燃料混合気の均一化を図っている。
【０００６】
しかし、この装置では、早期噴射による燃料混合気の過早着火によるノッキングを避けるために、圧縮比を下げているため、高負荷・高回転時のエンジン出力が低下し、また燃費も悪化するという問題がある。
また例えば、ＳＡＥ９８０５０５にて提案された装置では、圧縮着火式のディーゼルエンジンにおいて、早期噴射でエンジンの運転に必要な略半分の燃料を気筒内に噴射することにより、気筒内全体に均一な燃料混合気を形成し、エンジンの圧縮行程で着火条件に達した際に、その燃料混合気を冷炎着火させる。そして、この冷炎着火により気筒内の燃料混合気が低温燃焼しているときに、後期噴射により残りの燃料を噴射して、この燃料を着火遅れなく燃焼させる。この結果、気筒内の温度上昇を抑制して、ＮＯｘ、黒煙を同時に低減することができる。
【０００７】
しかし、この提案の装置でも、エンジン高負荷時等には、ノッキングが発生するため、早期噴射と後期噴射とで、噴射に用いる燃料を低セタン価燃料と通常燃料とに使い分けている。この結果、燃料噴射系統が二系統必要であるばかりでなく、ピストンが上死点に達する前の熱発生が多く、燃費が悪化するという問題がある。また、後期噴射による燃料の微粒化と噴射率を高く維持するために、後期噴射時の燃料圧を高圧にしなければならず、噴射装置が大型且つ高価になり、更に、燃料供給量の少ない軽負荷時には、早期噴射による気筒内の燃料混合気が希薄になり過ぎ、失火，ＨＣの増大を招くという問題もある。
【０００８】
本発明は、こうした問題に鑑みなされたもので、内燃機関の気筒内に燃料を直接噴射供給する燃料噴射を、早期噴射と後期噴射とに分けて行う燃料噴射装置において、早期噴射後の燃料混合気の過早着火によるノッキングの発生を抑制しつつ、内燃機関から排出されるＮＯｘ、ＨＣ、黒煙を低減し、更に、内燃機関の燃費及び出力を向上させることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するためになされた請求項１記載の内燃機関の燃料噴射装置においては、前述した従来装置と同様、制御手段が、燃料噴射弁からの気筒内への燃料の直接噴射を、早期噴射と後期噴射とに分けて実行させるが、制御手段は、この早期噴射と後期噴射とを実行させるに当たって、早期噴射された燃料が、早期噴射後の着火時期に、前記気筒内の所定領域にて、均質な混合気濃度の噴霧を層状に形成し、早期噴射の後に無噴射期間を隔てて後期噴射された燃料が、早期噴射により形成された層状の噴霧の燃焼域にて着火した後、その燃焼域を貫通して、前記所定領域外の気筒内の未利用空気を利用するよう（つまり未利用空気の残るピストン内燃焼室に到達するよう）、燃料噴射弁を制御する。
【００１０】
つまり、本発明は、前述した従来技術の問題が、早期噴射の噴霧が気筒内全域で混合されることに起因することに着目し、早期噴射による噴霧が気筒内の所定領域にて層状に形成されるように早期噴射を実行し、その早期噴射により形成された層状の噴霧が着火して燃焼状態にあるときに、その燃焼域を後期噴射による燃料噴霧が貫通するように、後期噴射を実行するようにしている。
【００１１】
この結果、本発明によれば、早期噴射による燃料噴霧が気筒内全域に分散されることによって、その燃料噴霧が過早着火してノッキングが発生したり、或いは気筒内の燃料混合気が希薄になり過ぎ、その希薄燃料混合気の燃焼によりＨＣが発生したり、着火できなくなる（換言すれば、失火する）、といったことを防止することができ、早期噴射の噴霧を所望の着火時期に確実に着火させることができる。
【００１２】
また、後期噴射では、早期噴射により形成された層状の燃焼域を貫通するように燃料が噴射されるので、後期噴射による燃料噴霧は、着火遅れなく確実に着火して、気筒内のピストンに至り、早期噴射した燃料の燃焼に使用されていないピストン側の空気から酸素の供給を受けて燃焼する。そして、この後期噴射による燃料の燃焼により、ピストンに大きな力が加わることから、内燃機関の出力（延いては燃費）を向上できる。
【００１３】
ここで、早期噴射による噴霧を層状に形成するには、例えば、燃料噴射弁からの燃料噴霧の角度を広くし、燃料噴霧の貫通力を弱くして、燃料噴射後に燃料噴霧が広範囲に拡散しないようにすればよい。また、後期噴射による燃料噴霧は、早期噴射により形成される層状の噴霧の燃焼域を貫通させるために、燃料噴射弁からの燃料噴霧の角度を狭くし、燃料噴霧の貫通力を強くすればよい。
【００１４】
そして、このためには、例えば、早期噴射用の燃料噴射弁と後期噴射用の燃料噴射弁との２種類の燃料噴射弁を用いるようにしてもよいが、これでは燃料噴射装置の大型化、延いてはコストアップを招く。
そこで、本発明（請求項１）を実現するには、請求項２に記載のように、燃料噴射により形成される燃料噴霧の角度を調整可能に構成した燃料噴射弁を用いるようにするとよい。つまり、このように構成された燃料噴射弁を使用するようにすれば、制御手段側で、早期噴射時には燃料噴射弁の噴霧角度が広くなり、後期噴射時には燃料噴射弁の噴霧角度が狭くなるように、燃料噴射弁を制御することにより、請求項１記載の発明を実現できる。
【００１５】
そして、請求項２に記載の燃料噴射装置によれば、一つの燃料噴射弁を使って請求項１記載の発明を実現できることから、燃料噴射装置の大型化，コストアップを招くことなく、内燃機関の運転性能を向上できる。
また次に、早期噴射により形成される層状の噴霧は、過早着火や失火を招くことなく、所望の着火時期に確実に着火できればよく、その着火時期には、層状の噴霧が理論空燃比近傍になるようにしてもよいが、ＮＯｘ，黒煙の発生を抑制するには、着火により発生する熱を抑えて、冷炎燃焼させることが望ましく、このためには、制御手段を、請求項３に記載のように構成するとよい。
【００１６】
つまり、請求項３に記載の装置では、制御手段が、早期噴射によって形成された層状の燃料噴霧が可燃混合気範囲の希薄側となって冷炎燃焼するように、内燃機関の運転状態に応じて早期噴射時の燃料噴射量及び燃料噴射時期を制御する。このため、請求項３に記載の装置によれば、早期噴射により形成された層状の噴霧は、着火時期には希薄燃料混合気となり、着火すると冷炎燃焼して燃焼により発生する熱が抑えられる。
【００１７】
従って、請求項３に記載の装置によれば、濃い混合気の着火による急激な燃焼で発生するＮＯｘ，黒煙を低減でき、更には、騒音も抑制できる。また、請求項３に記載の装置によれば、早期噴射により形成される層状の噴霧が着火する際の空燃比を、可燃混合気範囲の希薄側に制御するが、早期噴射による噴霧を気筒内全域に分散させる従来装置のように、燃料噴霧が可燃混合気範囲の希薄限界を越えることはないため、この希薄限界を越えた空燃比領域で燃料混合気が着火し、燃焼することにより、ＨＣが発生するといったことも防止できる。
【００１８】
また、後期噴射された燃料は、早期噴射による噴霧の冷炎燃焼域で着火し、酸素不足の混合気の中で燃焼を開始するので、後期噴射による燃料の燃焼時にも、着火直後の熱発生を抑制して、ＮＯｘが発生するのを抑制できる。また、後期噴射された燃料は、早期噴射による噴霧の冷炎燃焼域で着火した後、冷炎燃焼域を抜けて、ピストン側の空気から酸素の供給を受けて燃焼することから、黒煙の発生防止、出力及び燃費の向上を図ることもできる。
【００１９】
尚、この後期噴射による燃料を完全燃焼させて、機関出力をより高めるには、制御手段を、請求項４記載のように構成すればよい。つまり、請求項４記載の燃料噴射装置においては、制御手段は、後期噴射による燃料が気筒内で完全燃焼し、且つ、その燃焼による熱発生がピストンの上死点以降に最大となるように、内燃機関の運転状態に応じて後期噴射時の燃料噴射量及び燃料噴射時期を制御する。このため、請求項４に記載の装置によれば、黒煙の発生をより確実に防止し、また内燃機関の出力及び燃費をより確実に向上することができる。
【００２０】
また、制御手段は、基本的には、燃料噴射弁からの燃料噴射を、早期噴射と後期噴射とに分けて実行させるものであるが、内燃機関のアイドル運転時等の軽負荷時には、燃料噴射を早期噴射と後期噴射とに分けて実行すると、噴射１回当たりの燃料噴射量が少なくなり過ぎ、早期噴射により所望空燃比の噴霧を層状に形成することができない虞があるので、請求項５に記載のように、内燃機関の軽負荷時には、燃料噴射弁からの燃料噴射を内燃機関の１サイクル当たりに１回の割で実行させるように、制御手段を構成してもよい。
【００２１】
尚、この場合、軽負荷時に行う１回の燃料噴射のタイミングは、燃料噴射を早期噴射と後期噴射とに分けて行う際の早期噴射のタイミングで燃料噴射を実行するように設定してもよく、或いは、後期噴射のタイミングで燃料噴射を実行するように設定してもよい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例を図面と共に説明する。
図１は実施例のディーゼルエンジン用蓄圧式燃料噴射装置全体の構成を表す概略構成図である。
【００２３】
図１に示す如く本実施例の燃料噴射装置１は、図示しないディーゼルエンジンの各気筒に燃料を噴射供給する燃料噴射弁（インジェクタ）３と、このインジェクタ３に供給する高圧燃料を蓄える蓄圧室（コモンレール）５と、コモンレール５に高圧燃料を供給する燃料ポンプ７と、これらを制御する制御手段としての電子制御装置（ＥＣＵ）９とを備える。
【００２４】
ＥＣＵ９は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等を中心とするマイクロコンピュータにて構成されており、ディーゼルエンジンの回転角度を検出する回転センサ１１、運転者によるアクセル操作量（アクセル開度）を検出するアクセルセンサ１３，ディーゼルエンジンの冷却水温を検出する水温センサ１５等、エンジンの運転状態を検出する各種センサからの検出信号を取り込み、これら各センサからの検出信号により得られるディーゼルエンジンの回転速度ＮＥ、アクセル開度Ａccp 、冷却水温Ｔｗ等に基づき、インジェクタ３からエンジン気筒内への燃料噴射量及び噴射時期等を制御する。
【００２５】
また、コモンレール５には内部の燃料圧（以下、コモンレール圧という）Ｐｃを検出するための圧力センサ１７が設けられ、燃料ポンプ７には、コモンレール５への供給燃料量を調整するための調量弁１９が設けられている。そして、ＥＣＵ９は、圧力センサ１７からの検出信号を取り込み、コモンレール圧Ｐｃ（換言すればインジェクタ３からの燃料噴射圧）が、ディーゼルエンジンの運転状態に応じた最適な圧力となるように、調量弁１９の開度を制御する。
【００２６】
次に、インジェクタ３は、コモンレール５から供給された高圧燃料を、ディーゼルエンジンの気筒（シリンダ）内を往復動するピストンに形成された燃焼室に向けて噴射するように、ディーゼルエンジンのシリンダヘッドに挿入搭載されている。
【００２７】
インジェクタ３の基本構成は、蓄圧式（換言すればコモンレール式）の燃料噴射装置に従来から使用されているインジェクタと略同じであるが、本実施例では、燃料噴射時の噴霧角度を、ＥＣＵ９から出力される駆動パルスのパルス幅により変化させることができるようにされている。
【００２８】
以下、このインジェクタ３の構成を説明する。
図１に示すように、インジェクタ３は、ニードル３１が収納されたノズルボディ３３と、ニードル３１をコモンレール５内の高圧燃料を利用して変位させることによりインジェクタ３を開閉させる駆動系を内蔵したインジェクタ本体３５とから構成されている。そして、ノズルボディ３３には、コモンレール５から供給された高圧燃料を一時的に蓄える油室３３ａと、油室３３ａ内の高圧燃料を噴孔３３ｂに導く燃料通路３３ｃと、ニードル３１を油室３３ａの燃料通路３３ｃとは反対側から挿入可能で、挿入されたニードル３１を燃料通路３３ｃと同軸上に摺動自在に支持するニードル挿入孔３３ｄとが形成されている。
【００２９】
また、ニードル３１の油室３３ａ側先端部は、燃料通路３３ｃの油室３３ａ側開口部に当接して、油室３３ａから燃料通路３３ｃ（延いては噴孔３３ｂ）への燃料の流入を遮断できるようにするため、テーパ状に形成されており、その先端部中心からは、燃料通路３３ｃを通って噴孔３３ｂに至る高圧燃料を旋回させるためのガイド部５０が突設されている。尚、このガイド部５０の構成については、後に詳しく説明する。
【００３０】
一方、インジェクタ本体３５には、ノズルボディ３３の後端が嵌合固定されている。そして、インジェクタ本体３５には、ノズルボディ３３の後端より突出したニードル３１を受け入れるための大径の第１孔部３５ａが穿設され、更に、この第１孔部３５ａのニードル３１とは反対側には、ピストン３７が摺動自在に設けられた第１孔部３５ａよりも小径の第２孔部３５ｂが穿設されている。
【００３１】
また、ニードル３１とピストン３７との間には、第１孔部３５ａの中心を通ってこれら両者を接続するロッド３９が設けられている。そして、第１孔部３５ａの内壁には、ニードル３１が後方に移動した際に（換言すれば、ニードル３１が油室３３ａから噴孔３３ｂに至る燃料通路３３ｃを解放して噴孔３３ｂから燃料を噴射させる際に）、ニードル３１の後端に当接することにより、ニードル３１の後方への移動を阻止し、噴孔３３ｂから噴射される高圧燃料の通路の最大開口面積を規制する中空の規制板３５ｃが設けられ、更に、第１孔部３５ａの規制板３５ｃよりも後方の第２孔部３５ｂ側には、一端が、第１孔部３５ａから第２孔部３５ｂに至る段部に当接されたコイル状の第１ばね４１ａが設けられている。
【００３２】
また、ロッド３９には、ニードル３１の後端が規制板３５ｃに当接するまでの間のニードル３１の後方への移動途中で第１ばね４１ａの他端に当接されて、第１ばね４１ａの付勢力により、ニードル３１の後方への移動を一時的に阻止する鍔部３９ａが設けられている。
【００３３】
また、第２孔部３５ｂの第１孔部３５ａとは反対側は、三方弁４３及びワンウェイオリフィス４５により油圧が制御される制御室４６に連通しており、ピストン３７のロッド３９とは反対側端面は、この制御室４６に設けられたコイル状の第２ばね４１ｂから、ニードル３１を燃料通路３３ｃ側に付勢する付勢力を受けている。尚、第２ばね４１ｂは、第１ばね４１ａよりも径が小さく、発生する付勢力も小さくなっている。
【００３４】
次に、三方弁４３は、コモンレール５から燃料タンク４７に至る燃料経路に設けられており、ソレノイド４３ａへの通電が遮断される通常時には、弁体４３ｂが燃料タンク４７側のポートを閉じて、コモンレール５からの高圧燃料を、ワンウェイオリフィス４５を介して制御室４６に導き、ソレノイド４３ａが通電されると、弁体４３ｂをコモンレール５側のポートに移動させて、このポートを閉じ、ワンウェイオリフィス４５と燃料タンク４７とを連通させて、制御室４６内の燃料圧を低下させる。
【００３５】
また、ワンウェイオリフィス４５は、三方弁４３のワンウェイオリフィス４５側のポートと制御室４６とを連通する２系統の油路４５ａ，４５ｂと、一方の油路４５ａに設けられ、三方弁４３から第２孔部３５ｂ側に燃料が流入するのを許容し、逆方向への燃料の流れを阻止する逆止弁４８と、他方の油路４５ｂに設けられて、この油路４５ｂを流れる燃料量を制限する絞り部４９とから構成されている。
【００３６】
次に、ガイド部５０は、図２に示すように、燃料通路３３ｃ内を摺動可能に構成されており、その側壁中央には、燃料通路３３ｃを通って噴孔３３ｂに至る高圧燃料に旋回流れを与えるための斜め溝５２が形成されている。
そして、従来のインジェクタでは、図２（ｂ）に示すように、斜め溝５２が形成されたガイド部５０の中央から噴孔３３ｂの内壁に当接される先端部分までの間を、先端部分に向けて徐々に径が細くなるテーパ面５４とすることにより、ニードルリフト量に関係なく略一定の旋回流を形成できるようにされているが、本実施例のインジェクタ３では、図２（ａ）に示すように、斜め溝５２が形成されたガイド部５０の中央から噴孔３３ｂの内壁に当接される先端部分までの間を、ガイド部５０の中心軸に沿った円柱状に形成することにより、この円柱部５６の外壁と燃料通路３３ｃの内壁との間で、渦巻き室５８が形成されるようにしている。
【００３７】
この結果、本実施例のインジェクタ３では、ニードルリフト量によって渦巻き室５８の形状（詳しくは軸方向に沿った高さｈ）が変化することになる。そして、この渦巻き室５８の高さｈが変化すると、斜め溝５２より流入し、斜め方向の速度ベクトルを持つ燃料流れが、その速度ベクトルのガイド部５０の軸方向速度成分と渦巻き室５８の円周方向速度成分との比を変化させる。これは、渦巻き室５８の高さｈｏにより生じる、斜め溝５２から噴孔３３ｂ側に流れ出す燃料出口部分での半径方向整流作用の差と、渦巻き室容積による燃料慣性の差とに起因する。そして、この速度方向成分比の変化が、噴孔３３ｂより噴射される燃料の噴霧角度の変化として現れる。
【００３８】
以上のように構成された本実施例のインジェクタ３では、三方弁４３のソレノイド４３ａが非通電状態であるとき、コモンレール５内の高圧燃料が、三方弁４３及びワンウェイオリフィス４５を介して、制御室４６に流れ込む。この結果、ピストン３７，ロッド３９及びニードル３１は、制御室４６に流れ込んだ高圧燃料によって、噴孔３３ｂ側に付勢され、ニードル３１のテーパ面が燃料通路３３ｃの油室３３ａ側開口に当接して、燃料通路３３ｃを閉じ、インジェクタ３は燃料停止状態となる。
【００３９】
一方、ソレノイド４３ａが通電されると、制御室４６は絞り部４９を介して燃料タンク４７に連通される。そして、ニードル３１のテーパ面は、コモンレール５からノズルボディ３３の油室３３ａに供給された高圧燃料の圧力を受けていることから、この圧力によって、ニードル３１，ロッド３９，及びピストン３７が後方に移動する。この結果、燃料通路３３ｃが解放され、噴孔３３ｂからの燃料噴射が開始される。
【００４０】
またこの移動時、最初は第２ばね４１ｂの付勢力がピストン３７に加わっているだけであるため、上記各部は速やかに後方に移動するが、その移動量（以下、ニードルリフト量ともいう。）Ｌが所定量（図１に示すＬ１）に達し、鍔部３９ａが第１ばね４１に当接すると、第１ばね４１ａの付勢力により、上記各部の移動が一時的に停止する。
【００４１】
そして、このとき、渦巻き室５８の高さｈは、噴孔３３ｂが閉じた初期状態の高さｈｏに、ニードルリフト量Ｌ１を加えた高さ「ｈｏ＋Ｌ１」となるが、この状態では、渦巻き室５８内の容積が少なく、燃料慣性が小さいため、ガイド部５０の斜め溝５２から噴孔３３ｂ側に流入する燃料の円周方向速度成分が強く維持され、噴孔３３ｂから噴射される燃料の噴霧角度は、広い噴霧角α１となる（図３参照）。
【００４２】
次に、このようにニードルリフト量Ｌが所定量Ｌ１になって、上記各部が停止した状態で、ソレノイド４３ａへの通電が継続されると、制御室４６内の燃料圧力が徐々に低下する。そして、ソレノイド４３ａへの通電時間が所定時間に達した時点で、ニードル３１，ロッド３９，及びピストン３７は、ニードル３１がテーパ面に受けた燃料圧力により、第１ばね４１ａの付勢力に抗して再び後方に移動し、ニードル３１の後端が規制板３５ｃに当接した位置（換言すれば、ニードルリフト量が図１に示すＬ２に達した位置）で停止する。
【００４３】
このとき、渦巻き室５８の高さｈは、噴孔３３ｂが閉じた初期状態の高さｈｏに、ニードルリフト量Ｌ２を加えた高さ「ｈｏ＋Ｌ２」となる。そして、この状態では、渦巻き室５８の容積が増加し、燃料慣性が大きくなるため、ガイド部５０の斜め溝５２から噴孔３３ｂ側に流入する燃料の円周方向速度成分が維持できず低下して、軸方向速度成分が増加し、噴孔３３ｂから噴射される燃料の噴霧角度は、狭い噴霧角α２となる（図３参照）。
【００４４】
このように、本実施例のインジェクタ３は、三方弁４３のソレノイド４３ａへの通電時間が短い場合には、広い噴霧角α１で燃料を噴射し、ソレノイド４３ａへの通電時間を長くすれば、燃料の噴霧角度を広い噴霧角α１から狭い噴霧角α２へと変化させる。
【００４５】
そして、ＥＣＵ９は、このインジェクタ３の特性を利用して、ソレノイド４３ａへの通電を指令する三方弁４３の駆動パルスのパルス幅を設定することにより、燃料の主噴射（後期噴射）と、主噴射に先だって行う着火用の早期噴射とで、インジェクタ３からの燃料の噴霧角度を切り替える。
【００４６】
即ち、ＥＣＵ９は、ディーゼルエンジン１行程当たりの燃料噴射を、早期噴射と主噴射とに分けて行う際には、早期噴射の際の燃料噴霧角度を広い噴霧角α１とし（図４（ｂ）参照）、主噴射の際の燃料噴霧角度を狭い噴霧角α２とする（図４（ｃ）参照）。
【００４７】
また、早期噴射のタイミング（燃料噴射時期）は、早期噴射後の燃料噴霧がシリンダ内を拡散して層状となったときに（図４（ｂ）参照）、ピストン６０の下死点から上死点への移動に伴うシリンダ内の圧力上昇によって、その層状の燃料噴霧が着火するように設定され、主噴射のタイミング（燃料噴射時期）は、早期噴射により形成された層状の燃料噴霧が着火して燃焼しているときに主噴射が実行されて、主噴射による狭い噴霧角度の燃料噴霧がこの燃焼域で着火しながら燃焼域を貫通し（図４（ｃ）参照）、ピストン端面に形成された燃焼室６２に到達して、この燃焼室６２内で燃焼し、更にこの燃焼により発生する熱がピストン６０の上死点以降に最大となるように設定される。
【００４８】
また早期噴射の燃料噴霧角度を広くするために、インジェクタ３の駆動パルスを短くすると、早期噴射による燃料噴射量は少なくなるが、本実施例では、早期噴射の駆動パルスを短くして、早期噴射の燃料噴射量を少なくすることにより、早期噴射後に層状となった燃料噴霧が着火して燃焼する際の燃料噴霧の空燃比（Ａ／Ｆ）が、ＮＯｘやＨＣを発生することのない、図４（ａ）に示す可燃範囲内の希薄空燃比（Ａ／Ｆ；２０〜２２）となり、早期噴射による燃料噴霧が低い温度で燃焼（つまり冷炎燃焼）するようにする。
【００４９】
一方、主噴射の燃料噴霧角度を狭くするために、インジェクタ３の駆動パルスを長くすると、主噴射による燃料噴射量は早期噴射に比べて極めて多くなるが、本実施例では、主噴射による燃料噴射量を多くすることにより、ディーゼルエンジンの運転に必要な燃料量を主噴射にて確保し、しかも、主噴射による燃料噴霧の燃焼時の空燃比（Ａ／Ｆ）が、黒煙（Ｓｏｏｔ）やＮＯｘを発生することのない、図４（ａ）に示す理論空燃比近傍の空燃比（Ａ／Ｆ；１３〜１５）となって、燃料がシリンダ内で完全燃焼できるようにする。
【００５０】
尚、図４（ａ）は、インジェクタ３から噴射された燃料噴霧がシリンダ内で徐々に拡散して、燃空比（Ｆ／Ａ；空燃比の逆数を表す）が徐々に低下してゆく様子（換言すれば、空燃比（Ａ／Ｆ）が徐々に増加してゆく様子）と、その変化の過程で、黒煙（Ｓｏｏｔ），ＮＯｘ，ＨＣを発生することなく燃焼し得る空燃比領域と、各空燃比（Ａ／Ｆ）で燃料噴霧が着火した時の燃焼の応答速度Ｖｒとの関係を模式的に表したものである。
【００５１】
また次に、ＥＣＵ９は、上記のようにディーゼルエンジン１行程当たりの燃料噴射を早期噴射と主噴射とに分けて実行する運転領域を、図５に示すように、エンジンの中・高負荷領域に制限し、アイドル運転時等の軽負荷領域では、ディーゼルエンジン１行程当たりに１回の割で燃料噴射を実行する。
【００５２】
以下、このようにＥＣＵ９が燃料噴射制御を行う際の手順を、フローチャートに沿って説明する。
まず図６は、ＥＣＵ９において繰り返し実行されるメインルーチンを表す。
図６に示すように、ＥＣＵ９は、Ｓ１００（Ｓはステップを表す）にて、前述した各種センサからの検出信号を取り込み、ディーゼルエンジンの回転速度ＮＥ，アクセル開度Ａccp ，冷却水温Ｔｗ，コモンレール圧Ｐｃ等の運転状態を検出する。そして続くＳ２００では、その検出した運転状態に基づき、インジェクタ３からシリンダ内に噴射供給する燃料噴射量を算出し、ソレノイド４３ａの通電時間を設定する燃料噴射量制御処理を実行する。
【００５３】
また続くＳ３００では、インジェクタ３からの燃料噴射圧を運転状態に対応した最適値にするために、コモンレール圧Ｐｃを調整する燃料噴射圧制御処理を実行し、更に、続くＳ４００にて、上記検出したディーゼルエンジンの運転状態に基づき、インジェクタ３からシリンダ内に燃料を噴射供給するタイミング（燃料噴射時期）を制御する燃料噴射時期制御処理を実行する。そして、このＳ４００の燃料噴射時期制御が終了すると、再度Ｓ１００に移行し、上記処理を繰り返す。
【００５４】
次に、図７は、上記Ｓ２００にて実行される燃料噴射量制御処理を表すフローチャートである。
図７に示す如く、この処理では、まずＳ２１０にて、ディーゼルエンジンの回転速度ＮＥと機関負荷を表すアクセル開度Ａccp とに基づき、図１０（ａ）に示すマップを用いて、エンジン１サイクル当たりにシリンダ内に噴射供給すべき目標噴射量Ｑｔを算出する。また、続くＳ２２０では、回転速度ＮＥとアクセル開度Ａccp とに基づき、図１０（ｂ）に示すマップを用いて、燃料噴射を早期噴射と主噴射とに分けて実行する際の燃料の早期噴射量Ｑpre を算出する。
【００５５】
ここで、図１０（ａ）に示す目標噴射量算出用マップは、従来より一般に使用されているマップであり、機関負荷を表すアクセル開度Ａccp が大きい程、目標噴射量Ｑｔが多くなるように設定されている。
また、図１０（ｂ）に示す早期噴射量算出用マップは、回転速度ＮＥが始動判定速度Ｎstart 以上で、かつ、アクセル開度Ａccp が所定開度ＡccpL以上の領域では、回転速度ＮＥとアクセル開度Ａccp とに応じて、早期噴射量Ｑpre を設定し、これ以外の領域では、早期噴射量Ｑpre を「０」に設定するようにされている。
【００５６】
これは、アクセル開度Ａccp が所定開度ＡccpL未満で機関負荷が小さいとき（つまりエンジン軽負荷時）や、エンジン始動直後で回転速度ＮＥが始動判定速度Ｎstart よりも低いときに、燃料噴射を早期噴射と主噴射とに分けて実行すると、燃料噴射１回当たりの燃料噴射量が小さくなり過ぎ、着火時の燃料噴霧が可燃範囲を超えた希薄側となり、失火，ＨＣの増大、といった問題を引き起こすことが考えられるためである。そして、本実施例では、この問題を防止するために、上記領域での早期噴射量Ｑpre を「０」に設定することで、早期噴射を禁止するようにしている。
【００５７】
こうして、燃料の目標噴射量Ｑｔと早期噴射量Ｑpre とが算出されると、今度はＳ２３０に移行し、目標噴射量Ｑｔから早期噴射量Ｑpre を減じることにより、燃料の主噴射量Ｑmain（＝Ｑｔ−Ｑpre ）を算出する。そして、続くＳ２４０では、Ｓ２２０及びＳ２３０にて求めた燃料の早期噴射量Ｑpre と主噴射量Ｑmainとを、冷却水温Ｔｗをはじめとする各種運転状態（例えば、吸気温，吸気圧，燃料温度等）に基づき補正する。また、続くＳ２５０では、Ｓ２４０による補正後の早期噴射量Ｑpre 及び主噴射量Ｑmainを、夫々、実際にインジェクタ３のソレノイド４３ａを通電して早期噴射及び主噴射を実行させるためのインジェクタ３の駆動パルス幅に変換し、これをメモりに記憶した後、当該処理を一旦終了する。
【００５８】
次に、図８は、上記Ｓ３００にて実行される燃料噴射圧制御処理を表すフローチャートである。
図８に示す如く、この処理が開始されると、まずＳ３１０にて、ディーゼルエンジンの回転速度ＮＥとアクセル開度Ａccp とに基づき、図１１に示すマップを用いて、目標噴射圧Ｐｔを算出し、続くＳ３２０にて、この算出した目標噴射圧Ｐｔから調量弁１９に流す基本電流量Ｉｂを算出する。
【００５９】
尚、この基本電流量Ｉｂや後述の目標電流量Ｉｐは、調量弁１９のソレノイドに流す電流量に対応するものであり、調量弁１９は、この電流量により開度が制御されて、コモンレール５に供給する燃料量が決定される。
また、続くＳ３３０では、圧力センサ１７からの検出信号により得られたコモンレール圧Ｐｃと、Ｓ３１０で求めた目標噴射圧Ｐｔとの偏差の絶対値が、予め設定された判定値△Ｐを越えているか否かを判断する。そして、コモンレール圧Ｐｃと目標噴射圧Ｐｔとの偏差の絶対値が判定値△Ｐを越えている場合には、Ｓ３４０に移行し、目標噴射圧Ｐｔがコモンレール圧Ｐｃよりも大きければ、コモンレール圧Ｐｃを上昇させるために、基本電流量Ｉｂに対する補正電流量Ｉfbを所定値△Ｉだけ増加させ、逆に、目標噴射圧Ｐｔがコモンレール圧Ｐｃよりも小さければ、コモンレール圧Ｐｃを低下させるために、基本電流量Ｉｂに対する補正電流量Ｉfbを所定値△Ｉだけ減少させる、といった手順で、補正電流量Ｉfbを更新する。
【００６０】
そして、Ｓ３４０にて補正電流量Ｉfbが更新されるか、Ｓ３３０にてコモンレール圧Ｐｃと目標噴射圧Ｐｔとの偏差の絶対値が判定値△Ｐを越えていないと判断された場合には、Ｓ３５０に移行して、上記算出した基本電流量Ｉｂと補正電流量Ｉfbとを加算することにより、調量弁１９の制御に用いる最終的な制御量である目標電流量Ｉｐを決定し、当該処理を一旦終了する。
【００６１】
次に、図９は、上記Ｓ４００にて実行される燃料噴射時期制御処理を表すフローチャートである。
図９に示す如く、この処理では、まずＳ４１０にて、ディーゼルエンジンの回転速度ＮＥとアクセル開度Ａccp とに基づき、図１２（ａ）に示すマップを用いて、燃料噴射を早期噴射と主噴射とに分けて実行する際の燃料の早期噴射時期Ｔpre を算出し、続くＳ４２０では、ディーゼルエンジンの回転速度ＮＥとアクセル開度Ａccp とに基づき、図１２（ｂ）に示すマップを用いて、燃料の主噴射時期Ｔmainを算出する。尚、早期噴射時期Ｔpre 及び主噴射時期Ｔmainは、ピストン上死点に対する進角量（詳しくはエンジンの回転角）にて規定される。
【００６２】
ここで、図１2（ａ）に示す早期噴射時期算出用マップは、回転速度ＮＥが始動判定速度Ｎstart 以上で、かつ、アクセル開度Ａccp が所定開度ＡccpL以上の領域では、回転速度ＮＥとアクセル開度Ａccp とに応じて、回転速度ＮＥが大きく、またアクセル開度Ａccp が大きい程、早期噴射時期Ｔpre が多くなるように、早期噴射時期Ｔpre を設定し、これ以外の領域では、早期噴射時期Ｔpre を「０」に設定するようにされている。これは、上述したように、アクセル開度Ａccp が所定開度ＡccpL未満で機関負荷が小さいときや、エンジン始動直後で回転速度ＮＥが始動判定速度Ｎstart よりも低いときには、早期噴射を禁止するためである。
【００６３】
また、図１２（ｂ）に示す主噴射時期算出用マップは、回転速度ＮＥが始動判定速度Ｎstart 未満の領域では、主噴射時期Ｔmainを予め設定された固定値とし、回転速度ＮＥが始動判定速度Ｎstart 以上の領域では、回転速度ＮＥとアクセル開度Ａccp とに応じて主噴射時期Ｔmainを設定するようにされている。また、回転速度ＮＥが始動判定速度Ｎstart 以上の領域でも、アクセル開度Ａccp が所定開度ＡccpL以上で早期噴射が実行される領域と、アクセル開度Ａccp が所定開度ＡccpL未満で早期噴射が禁止される領域とでは、主噴射時期が異なるように（図５参照）、主噴射時期算出用のパターンが設定されている。
【００６４】
次に、上記のように燃料の早期噴射時期Ｔpre と主噴射時期Ｔmainとが算出されると、今度はＳ４３０に移行し、これら各値を、冷却水温Ｔｗをはじめとする各種運転状態（例えば、吸気温，吸気圧，燃料温度等）に基づき補正する。そして、続くＳ４４０では、Ｓ４３０による補正後の早期噴射時期Ｔpre 及び主噴射時期Ｔmainを、夫々、実際にインジェクタ３のソレノイド４３ａを通電して早期噴射及び主噴射を実行させるためのインジェクタ３の駆動タイミングとしてメモりに記憶し、当該処理を一旦終了する。
【００６５】
尚、この燃料噴射時期制御処理にてメモリに記憶されたインジェクタ３の駆動タイミングと、燃料噴射量制御処理にてメモリに記憶されたインジェクタ３の駆動パルス幅は、ディーゼルエンジンの回転に同期して実行される割込処理にて、駆動パルス出力用のタイマに駆動パルスの出力タイミング及び出力時間をセットするのに使用され、インジェクタ３は、このタイマから出力される駆動パルスに従い開閉弁される。
【００６６】
以上説明したように、本実施例の燃料噴射装置１においては、インジェクタ３からの燃料噴射時の噴霧角度を、ソレノイド４３ａへの通電時間によって、広い噴霧角α１と、狭い噴霧角α２とに切り替えることができるようにし、インジェクタ３からの燃料噴射を早期噴射と主噴射（後期噴射）とに分けて実行させる際には、制御手段としてのＥＣＵ９が、次のように動作するようにされている。
【００６７】
即ち、ＥＣＵ９は、燃料の早期噴射時には、インジェクタ３から広い噴霧角α１にて燃料が噴射されて、その燃料噴霧の着火時に、燃料噴霧がシリンダ内で層状となり、しかもその燃料噴霧の空燃比が可燃範囲内の希薄空燃比となるように、早期噴射量及び早期噴射時期を制御し、主噴射時には、インジェクタ３から狭い噴霧角α２にて燃料が噴射されて、その噴射された燃料噴霧が、早期噴射による層状の燃料噴霧の燃焼域で着火して、ピストン６０に形成された燃焼室６２に到達し、燃焼室６２内で燃焼するように、主噴射量及び主噴射時期を制御する。
【００６８】
このため、本実施例によれば、早期噴射による燃料噴霧が気筒内全域に分散されることによって、その燃料噴霧が過早着火してノッキングが発生したり、或いは気筒内の燃料混合気が希薄になり過ぎ、その希薄燃料混合気の燃焼によりＨＣが発生したり、着火できなくなる（換言すれば、失火する）、といったことを防止することができ、早期噴射の噴霧を所望の着火時期に確実に着火させることができる。
【００６９】
また、早期噴射により形成される層状の燃料噴霧は、空燃比が可燃混合気範囲の希薄側となるので、着火により発生する熱を抑えて、冷炎燃焼させることができる。よって、濃い混合気の着火による急激な燃焼で発生するＮＯｘ，黒煙を低減でき、更には、騒音も抑制できる。
また、主噴射された燃料は、早期噴射による層状の燃料噴霧の冷炎燃焼域で着火するが、この着火時には、酸素不足の混合気の中で燃焼を開始することになるので、主噴射による燃料の燃焼時にも、着火直後の熱発生を抑制して、ＮＯｘが発生するのを抑制できる。そして、主噴射された燃料は、早期噴射による冷炎燃焼域で着火した後、冷炎燃焼域を抜けて、ピストン６０の燃焼室６２周囲に存在する空気から酸素の供給を受けて燃焼することから、黒煙の発生防止、出力及び燃費の向上を図ることもできる。また、燃料の主噴射量は、シリンダ内の空気と混ざって略理論空燃比となるように設定されるので、エンジン出力も十分確保できる。
【００７０】
また更に、ＥＣＵ９は、燃料噴射を早期噴射と主噴射とに分けて実行する領域を、ディーゼルエンジンの中・高負荷時に制限し、軽負荷時には、主噴射のみを実行するようにしているので、ディーゼルエンジンの全運転領域で、燃料噴射１回当たりの燃料噴射量が少なくなり過ぎて失火したりＨＣが増加するといった問題を防止することができる。
【００７１】
以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明は、上記実施例に限定されることはなく、種々の態様を採ることができる。
例えば、上記実施例では、インジェクタ３を、コモンレール５内の燃料圧を利用してニードル３１を移動させるように構成したが、図１３に示すように、通電によりソレノイド７２が発生する磁力によってニードル７４を直接移動させるインジェクタ７０を用いるようにしてもよい。
【００７２】
即ち、図１３に示したインジェクタ７０では、ニードル７４が、その周囲に形成されたインジェクタ本体７６側の油室７６ａから、ノズルボディ７８側の燃料通路７８ａに至る開口部分を開閉することにより、図示しないコモンレールから供給された高圧燃料が、油室７６ａを通って、ノズルボディ７８側の燃料通路７８ａに流入するのを調整できるようにされている。また、ニードル７４は、通常は、インジェクタ本体７４に組み込まれたコイル状のばね７９の付勢力により、燃料通路７８ａの開口部分に着座して、燃料通路７８ａに燃料が流入するのを阻止し、周囲に設けられたソレノイド７２が通電されたときに、その通電電流量に応じてソレノイド７２が発生する磁力によって、燃料通路７８ａの開口部分を解放する方向に移動するようにされている。また、ノズルボディ７８の燃料通路７８ａには、ニードル７４に突設されたロッド７４ａが収納されており、そのロッド７４ａの先端には、上記実施例と同様に構成されたガイド部８０が設けられている。
【００７３】
このため、図１３に示すインジェクタ７０によれば、図１４に示すように、ソレノイド７２に流す駆動電流ｉにより、ニードルリフト量（延いては、ガイド部８０により形成される渦巻き室８２の高さ）を調整し、ノズルボディ７８の噴孔７８ｂから噴射される燃料の噴霧角αを変化させることができる。
【００７４】
そして、このインジェクタ７０を用いて、上記実施例と同様の制御を実行するのであれば、早期噴射時には、ソレノイド７２に流す駆動電流ｉを、ニードルリフト量Ｌが「Ｌ１」となり、渦巻き室８２の高さｈが「ｈｏ＋Ｌ１」となって、噴霧角αが広い噴霧角「α１」となる電流値ｉ１に設定し、主噴射時には、ソレノイド７２に流す駆動電流ｉを、ニードルリフト量Ｌが「Ｌ２」となり、渦巻き室８２の高さｈが「ｈｏ＋Ｌ２」となって、噴霧角αが狭い噴霧角「α２」となる電流値ｉ２に設定するようにすればよい。
【００７５】
また、このインジェクタ７０によれば、ソレノイド７２に流す駆動電流ｉを変化させることにより、渦巻き室８２の高さｈ，延いては噴霧角αを連続的に変化させることができるので、早期噴射や主噴射の際の噴霧角αを、エンジンの運転状態に応じて制御し、燃料噴霧の燃焼特性をより最適に設定することも可能である。
【００７６】
また次に、上記実施例では、エンジン軽負荷時には、早期噴射を禁止し、主噴射のみを行うことにより、エンジン軽負荷時に失火やＨＣの増加といった問題が生じるのを防止するものとして説明したが、図１５に示す如く、エンジン軽負荷時には、早期噴射のみを行い、主噴射を禁止するようにしてもよい。
【００７７】
また例えば、上記実施例では、ディーゼルエンジンに対して燃料供給を行なう燃料噴射装置について説明したが、本発明は、ガソリンエンジンのシリンダ内に直接燃料を噴射供給する直噴式ガソリンエンジンの燃料噴射装置にも適用できるのはいうまでもない。
【００７８】
また上記実施例では、早期噴射と主噴射（後期噴射）とを、夫々、１回の燃料噴射にて実現するものとしたが、早期噴射及び主噴射（後期噴射）を、夫々、複数回の燃料噴射にて実現するようにしてもよい。つまり、本発明は、早期噴射にて層状の燃料噴霧を形成し、それが着火した後、後期噴射による燃料噴霧が、層状の燃焼域で着火した後、シリンダ内の未燃焼の空気から酸素の供給を受けて完全燃焼できればよく、早期噴射及び後期噴射を行う燃料噴射回数については、適宜設定すればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例の燃料噴射装置全体の構成を表す構成図である。
【図２】 インジェクタの燃料の噴霧角度を変化させる実施例のガイド部の構造を従来装置と比較して表す説明図である。
【図３】 実施例のインジェクタの動作を説明する動作説明図である。
【図４】 実施例の燃料噴射装置において実行される燃料噴射制御の概要を説明する説明図である。
【図５】 実施例の燃料噴射装置における機関負荷に応じた早期噴射及び主噴射の実行パターンを説明する説明図である。
【図６】 実施例のＥＣＵにおいて燃料噴射制御のために実行されるメインルーチンを表すフローチャートである。
【図７】 図６のＳ２００にて実行される燃料噴射量制御処理を表すフローチャートである。
【図８】 図６のＳ３００にて実行される燃料噴射圧制御処理を表すフローチャートである。
【図９】 図６のＳ４００にて実行される燃料噴射時期制御処理を表すフローチャートである。
【図１０】 図７の燃料噴射量制御処理にて使用されるマップを表す説明図である。
【図１１】 図８の燃料噴射圧制御処理にて使用されるマップを表す説明図である。
【図１２】 図９の燃料噴射時期制御処理にて使用されるマップを表す説明図である。
【図１３】 燃料の噴霧角度を調整可能なインジェクタの他の構成例を表す構成図である。
【図１４】 図１３に示したインジェクタの動作を説明する動作説明図である。
【図１５】 機関負荷に応じた早期噴射及び主噴射の実行パターンの他の例を説明する説明図である。
【符号の説明】
１…燃料噴射装置、３，７０…インジェクタ、５…コモンレール、７…燃料ポンプ、９…ＥＣＵ（電子制御装置）、１１…回転センサ、１３…アクセルセンサ、１７…圧力センサ、１９…調量弁、３１，７４…ニードル、３３，７８…ノズルボディ、３５，７６…インジェクタ本体、３７…ピストン、３９…ロッド、４３…三方弁、４３ａ，７２…ソレノイド、４５…ワンウェイオリフィス、４６…制御室、４７…燃料タンク、４８…逆止弁、４９…絞り部、５０，８０…ガイド部、５２…斜め溝、５８，８２…渦巻き室、６０…ピストン、６２…燃焼室。

Claims (5)

1. 内燃機関の気筒内に燃料を直接噴射供給する燃料噴射弁と、
   該燃料噴射弁からの燃料噴射を、内燃機関の１サイクル当たりに、早期噴射と後期噴射とに分けて実行させる制御手段と、
   を備えた内燃機関の燃料噴射装置において、
   前記制御手段は、
   前記早期噴射された燃料が、早期噴射後の着火時期に、前記気筒内の所定領域にて均質な混合気濃度の噴霧を層状に形成し、該早期噴射の後の無噴射期間を隔てて前記後期噴射された燃料が、前記早期噴射により形成された層状の噴霧の燃焼域にて着火した後、該燃焼域を貫通して、前記所定領域外の前記気筒内の未利用空気を利用するように、前記燃料噴射弁を制御することを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
2. 前記燃料噴射弁は、燃料噴射により形成される燃料噴霧の角度を調整可能に構成され、
   前記制御手段は、前記早期噴射時には前記燃料噴霧角度が広く、前記後期噴射時には前記燃料噴霧角度が狭くなるよう、前記燃料噴射弁を制御することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃料噴射装置。
3. 前記制御手段は、前記早期噴射によって形成された層状の燃料噴霧が可燃混合気範囲の希薄側となって冷炎燃焼するよう、内燃機関の運転状態に応じて、前記早期噴射時の燃料噴射量及び燃料噴射時期を制御することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関の燃料噴射装置。
4. 前記制御手段は、前記後期噴射による燃料が気筒内で完全燃焼し、且つ、その燃焼による熱発生がピストンの上死点以降に最大となるように、内燃機関の運転状態に応じて、前記後期噴射時の燃料噴射量及び燃料噴射時期を制御することを特徴とする請求項１〜請求項３いずれか記載の内燃機関の燃料噴射装置。
5. 前記制御手段は、内燃機関の軽負荷時には、前記燃料噴射弁からの燃料噴射を内燃機関の１サイクル当たりに１回の割で実行させることを特徴とする請求項１〜請求項４いずれか記載の内燃機関の燃料噴射装置。

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