JP3969156B2

JP3969156B2 - 内燃機関の燃料噴射制御装置

Info

Publication number: JP3969156B2
Application number: JP2002096231A
Authority: JP
Inventors: 崇新城
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2002-03-29
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2022-03-29
Also published as: JP2003293836A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の直接噴射式ディーゼルエンジンにおいて、特開平１０−２８８０３８ではスワールを強めた条件では燃料噴射率を低下させ、混合気分布領域を制御することで空気利用率の向上を図っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、筒内の空気流動は、スワール強度によって異なることのほかにピストン位置によっても異なる。図４、５に示すように、圧縮行程（領域Ｉ、II）では筒内の空気はピストンの燃焼室内に流れ込み、逆に、膨張行程（領域III）ではピストンの燃焼室内からピストン冠面へ流れ出していく。
【０００４】
したがって、燃料噴射を開始してから終了するまでの期間（噴射期間）が、筒内の空気がピストンの燃焼室内に流れ込む領域Ｉ、IIにあるか、それとも、ピストンの燃焼室内からピストン冠面へ流れ出していく領域IIIにあるかによって、筒内に噴射された燃料の分布（混合気分布）は異なる。例えば、領域IIとIIIとで比較すると、領域IIIで噴射された燃料がピストン壁面に到達しないように噴射率を設定すると、領域Ｉではピストンの燃焼室内に流れ込む空気の流速に対して噴射率が小さく、噴射された燃料が噴射弁付近に留まって局所的に燃料過濃領域が形成されるため、空気利用率が低下してしまう。
【０００５】
しかしながら、上記従来技術では、燃料の噴射率を制御する際に、スワール強度のみを考慮したもので、燃料の噴射期間を考慮したものではないため、場合によっては燃料過濃領域が形成されて空気利用率の低下によってスモークが発生するといった恐れがあった。
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、燃料の噴射期間を考慮して燃料噴射率を制御することにより、空気利用率を十分に高めることができる内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、請求項１に係る発明は、
筒内に燃料を直接噴射可能であり、かつ、噴射率を制御可能な燃料噴射手段と、
燃料噴射を開始してから終了するまでの期間の圧縮上死点に対する位置に基づき前記噴射率を制御し、該噴射率を、前記燃料噴射期間が圧縮上死点を含むときは、圧縮上死点で最大であるように圧縮上死点近傍で大きくし、また、前記燃料噴射期間が圧縮上死点後を含むときは、圧縮上死点後の噴射率は、圧縮上死点での噴射率に対し、段差を有して減少させるように制御する噴射率制御手段と、
を備えたことを特徴とする。
【０００７】
請求項１に係る発明によると、圧縮上死点に対する位置によって、筒内の空気流動特性が変化し、燃焼室壁面への付着や燃料過濃領域の形成を抑制しつつ、できるだけ空気利用率を高めることができる噴射率が、前記空気流動特性によって異なる。そこで、燃料噴射期間の圧縮上死点に対する位置によって、そのときの空気流動特性に見合った最適な噴射率に制御することができる。
また、圧縮行程でも圧縮上死点から離れているときは、燃料噴射方向に対向する空気流動が比較的弱く、圧縮上死点に近づくにつれて急激に強くなるので、圧縮上死点で最大であるように圧縮上死点近傍で大きくして燃料貫徹力を大きくすることで噴霧到達距離を増大して良好な混合気分布を確保することができる。これにより、燃料過濃領域の発生を抑制でき、スモーク発生を防止できる。
一方、筒内の空気流動方向が反転する圧縮上死点後は、噴射率を大きくすると短時間で噴射しつくされた燃料が局部的に存在して燃料過濃領域を形成しやすくなるので、噴射率を段差を有して減少させ時間かけて噴射することにより空気利用率を高めることができる。
【０００８】
また、請求項２に係る発明は、
前記噴射率制御手段は、圧縮行程開始から圧縮行程上死点前の所定時期までの期間における噴射率は、圧縮行程上死点後の噴射率と同等とし、前記所定時期から圧縮行程上死点までの期間における噴射率を、前記それ以外の期間における噴射率より大きく制御することを特徴とする。
請求項２に係る発明によると、
請求項１の条件を満たす噴射率制御を行える。
【００１０】
また、請求項３に係る発明は、
前記噴射率制御手段は、燃料噴射を開始してから終了するまでの期間が圧縮上死点前に位置するとき、燃料噴射を開始してから終了するまでの間、圧縮上死点に近づくほど噴射率を大きくすることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に係る発明によると、
圧縮行程でも圧縮上死点から離れているときは、燃料噴射方向に対向する空気流動が比較的弱く、圧縮上死点に近づくにつれて急激に強くなるので、圧縮上死点に近づくほど噴射率を大きくして燃料貫徹力を大きくすることで良好な混合気分布を確保することができる。
【００１２】
また、請求項４に係る発明は、
前記噴射率制御手段は、スワール比が低いときほど、前記噴射率を大きくする度合いを大きくすることを特徴とする。
請求項４に係る発明によると、燃料に対する空気流動の影響はスワールに応じて変化し、スワール比が低い（スワールが弱い）ときほど空気利用率が低下する。そこで、スワール比が低いときほど、前記噴射率を大きくする度合いを大きくすることにより、より正確に燃料の空気利用率の低下を防止できる。
【００１３】
また、請求項５に係る発明は、
前記噴射率制御手段は、エンジン回転数が大きいときほど、前記噴射率を大きくする度合いを大きくすることを特徴とする。燃料に対する空気流動の影響はエンジン回転数に応じて変化し、エンジン回転数が高いときほど空気利用率が低下する。そこで、エンジン回転数が高いほど、前記噴射率を大きくする度合いを大きくすることにより、より正確に燃料の空気利用率の低下を防止できる。
【００１４】
また、請求項６に係る発明は、
前記燃料噴射手段は、針弁のリフト量を制御することで前記噴射期間中の噴射率を制御することを特徴とする。
請求項６に係る発明によると、
圧電素子を内蔵するなど針弁のリフト量を制御できるものでは、該リフト量を制御することによって噴射期間中の噴射率を直接可変制御することができる。
【００１５】
また、請求項７に係る発明は、
前記燃料噴射手段は、燃料を複数回に分割して噴射することで前記噴射期間中の噴射率を制御することを特徴とする。
請求項７に係る発明によると、
針弁のリフト量を制御できないものでも、針弁の開閉タイミングを制御して燃料を複数回に分割して噴射することにより、噴射期間中の噴射率を擬似的に可変制御することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係るディーゼルエンジン全体の構成を示した概略図である。
このディーゼルエンジン１は、いわゆるコモンレール式燃料噴射装置を備え、高圧燃料ポンプ２によって所定圧力に加圧された燃料は、コモンレール３に導入され、該コモンレール３を介して、各気筒の燃料噴射ノズル４に供給される。上記燃料噴射ノズル４は、コントロールユニット１１からの制御信号によって開閉制御され、燃料噴射量、噴射時期、ならびに噴射回数を気筒毎に独立して制御することが可能である。
【００１７】
また、このディーゼルエンジン１は、可変ノズル型のターボ過給機５を備え、排気通路６にタービンが、吸気通路７にコンプレッサが、それぞれ配置されるとともに、上記吸気通路７のコンプレッサ下流に、インタークーラー８を備える。上記ターボ過給機５の可変ノズルのノズル開度は、図示しないセンサによって検出され、ノズル開度信号としてコントロールユニット１１に入力される。
【００１８】
さらに、このディーゼルエンジン１は、排気還流装置を備える。すなわち、排気通路６と吸気通路７との間にＥＧＲ通路１２を備え、該ＥＧＲ通路１２にＥＧＲバルブ１３が介装されている。このＥＧＲバルブ１３の開度は、コントロールユニット１１が出力するＥＧＲバルブ制御信号によって制御される。
また、上記ディーゼルエンジン１は、クランク角を検出するクランク角センサ１４と、運転者により操作されるアクセル開度を検出するアクセル開度センサ１５とを備え、これらの検出信号もコントロールユニット１１に入力されている。なお。前記クランク角センサ１４により、検出されるクランク角によりエンジン回転数Ｎｅを検出可能であると共に、前記噴射時期を制御可能である。
【００１９】
前記燃料噴射ノズル４としては、例えば、噴孔を開閉する針弁に燃料背圧を加える背圧室と、燃料タンクに通じる燃料戻し通路とを、別に内蔵された電磁弁によって開閉することにより、前記燃料背圧を高圧と低圧とに切り換えて針弁を開閉駆動するものがある。このものでは、電磁弁への通電間隔、時期を制御することにより、燃料噴射量、噴射時期を自由に制御でき、１サイクルの通電回数を複数に制御することができる。これによって、噴射率を擬似的に可変制御することができる。
【００２０】
また、燃料噴射ノズル４の別のタイプとして、針弁に連係する圧電素子を備えたものがあり、該圧電素子への印加電圧を大きくすると圧電素子の伸び量が増大して針弁が閉弁し、燃料噴射が停止する。このものでは、圧電素子への印加電圧、時期を制御することにより、燃料噴射量、噴射時期自由に制御でき、１サイクルの通電回数を複数にすることができる。また、印加電圧の制御により、噴射率を制御することができる。
【００２１】
次に、本発明にかかわる噴射率制御について説明する。図２に、本発明に対応した噴射時期の３つの領域について示す。領域Ｉは、圧縮行程期間である。領域IIは、圧縮行程中の上死点前近傍、例えば上死点前１０度から上死点までの期間である。領域IIIは、圧縮上死点以降の膨張行程期間である。
図３に、図２に対応したクランク時期における筒内空気流動を示す。領域ＩおよびIIでは、筒内の空気はピストン冠面上に設置された燃焼室内に流れこみ、その流速は領域Ｉに比べ領域IIの場合に大きくなる。領域IIIでは、圧縮行程中に流れ込んだ空気、および燃料混合気が、燃焼室内からピストン冠面上部へ流れ出していく。
【００２２】
図４は、本発明の噴射率制御を示す。前述したように、噴射時期を領域Ｉ〜IIIに分割する。燃焼室への空気流動が弱い領域Ｉ（図４−ａ）、および空気流動が燃焼室から流出する領域III（図４−ｅ）で燃料噴射を行う場合は、噴射率を小さく設定する。
一方、燃料噴射方向に対向する空気流動が強くなる領域II（図４−ｃ）では、噴射率を大きく設定する。
【００２３】
また、燃料噴射期間が長く、領域Ｉ−II、あるいは領域II−IIIの双方を含む場合（図４−ｂ、ｄ）は、領域IIの期間中の燃料噴射率を大きく設定する。
さらに、燃料噴射期間が長く、領域Ｉ−II−IIIに跨る場合（図４−ｆ）は、領域IIの期間中の燃料噴射率を大きく設定し、領域Ｉ、領域IIIの期間中の燃料噴射率を小さく設定する。
【００２４】
本発明では、燃焼室に流入する空気流動によらず、所望の領域に混合気を形成することを目的としており、その効果が大きい低スワール時について図を用いて詳細に説明する。
図５に示すように、領域Ｉで噴射された燃料は、燃焼室壁面近傍かつ壁面に付着しない領域まで到達し所望の領域に燃料混合気分布を形成する。本発明を用いず、領域IIでも領域Ｉと同一の小さい噴射率に制御した場合、図６（Ａ）に示すように、領域IIで噴射された燃料は、燃焼室に流れ込む空気流動速度が増大し、かつ低スワール時には旋回方向の流速が小さいので、燃焼室中心部へ流入する空気流の流速と噴霧の噴射方向とが対向する形態となるため噴霧到達距離が短くなる。これにより噴霧先端部に燃料混合気が留まるため、局所的に燃料過濃領域（図中ハッチング部）が形成され、スモーク発生などにつながる。
【００２５】
図６（Ｂ）は、領域IIに本発明を適用したときの改善効果を示す。燃焼室内に流れ込む空気流動は強くなっているが、燃料噴射率を高めた効果により燃料噴霧の貫徹力が増し、燃料過濃領域の形成が抑制され、領域Ｉと同様の広い領域にわたって燃料混合気の形成が可能となる。
図７は、スワール比やエンジン回転数によって噴射率を可変制御する実施形態を示す。
【００２６】
すなわち、スワール比（強度）が小さいときほど、または、エンジン回転数が大きいときほど、領域IIで噴射率（の平均値）を大きくする度合いを大きくする。図３に示した領域IIでの燃料に対する空気の流れの影響はスワールに応じて変化し、スワールが強いときより弱いときの方が空気利用率が低下する。よって、スワールが小さいときは大きいときより噴射率を大きくすることにより、より正確に燃料の空気利用率の低下を防止できる。
【００２７】
同様に、領域IIでの燃料に対する空気の流れの影響はエンジン回転数に応じて変化し、エンジン回転数が小さいときより大きいときの方が、空気利用率が低下する。よって、エンジン回転数が高いときは低いときより噴射率を大きくすることにより、より正確に燃料の空気利用率の低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の全体構成を示す図。
【図２】本発明の実施形態に対応した噴射時期の３つの領域を示す図。
【図３】上記３つの領域における筒内の空気流動状態を示す縦断面図。
【図４】同上実施形態における噴射時期による噴射率の各種制御を示す図。
【図５】同上実施形態のスワールが弱いときの特定の領域Ｉにおける燃料噴霧分布状態を示す横断面図。
【図６】同上実施形態のスワールが弱いときの特定の領域IIにおける燃料噴霧分布状態（Ｂ）を、本発明を適用しない場合（Ａ）と比較して示す横断面図。
【図７】スワール強度またはエンジン回転数に応じて噴射時期領域毎の噴射率を変える実施形態を示す図。
【符号の説明】
１ディーゼルエンジン
３コモンレール
４燃料噴射ノズル
１１コントロールユニット
１４クランク角センサ
１５アクセル開度センサ

Claims

筒内に燃料を直接噴射可能であり、かつ、噴射率を制御可能な燃料噴射手段と、
燃料噴射を開始してから終了するまでの期間の圧縮上死点に対する位置に基づき前記噴射率を制御し、該噴射率を、前記燃料噴射期間が圧縮上死点を含むときは、圧縮上死点で最大であるように圧縮上死点近傍で大きくし、また、前記燃料噴射期間が圧縮上死点後を含むときは、圧縮上死点後の噴射率は、圧縮上死点での噴射率に対し、段差を有して減少させるように制御する噴射率制御手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
前記噴射率制御手段は、圧縮行程開始から圧縮行程上死点前の所定時期までの期間における噴射率は、圧縮行程上死点後の噴射率と同等とし、前記所定時期から圧縮行程上死点までの期間における噴射率を、前記それ以外の期間における噴射率より大きく制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
前記噴射率制御手段は、燃料噴射を開始してから終了するまでの期間が圧縮上死点前に位置するとき、燃料噴射を開始してから終了するまでの間、圧縮上死点に近づくほど噴射率を大きくすることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の燃料制御装置。
前記噴射率制御手段は、スワール比が低いときほど、前記噴射率を大きくする度合いを大きくすることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
前記噴射率制御手段は、エンジン回転数が大きいときほど、前記噴射率を大きくする度合いを大きくすることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
前記燃料噴射手段は、針弁のリフト量を制御することで前記噴射期間中の噴射率を制御することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。
前記燃料噴射手段は、燃料を複数回に分割して噴射することで前記噴射期間中の噴射率を制御することを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料噴射制御装置。