JP4269913B2 - 蓄圧式燃料噴射装置 - Google Patents
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Description
従来より、例えばディーゼルエンジン用の燃料噴射システムとして、燃料供給ポンプによって加圧圧送された高圧燃料をコモンレール内に蓄圧すると共に、このコモンレール内に蓄圧された高圧燃料を、燃料配管を経てインジェクタ内部の燃料通路に導き、所定の噴射タイミングでインジェクタを開弁駆動することで、高圧燃料をエンジンの各気筒の燃焼室内に噴射供給するようにした蓄圧式燃料噴射装置が知られている。また、蓄圧式燃料噴射装置において、近年の排気ガス規制、騒音規制の対応として、具体的には、主噴射の開始時から安定した燃焼を行ってエンジンの騒音、振動の低減、更には排気ガス性能の向上を目的として、エンジンの各気筒の上死点近傍で、主噴射(後噴射:メイン噴射)の前に微少の先立ち噴射(前噴射:パイロット噴射またはプレ噴射)を実施する多段噴射(マルチ噴射)が行われている。
ところが、従来の蓄圧式燃料噴射装置においては、コモンレール内の燃料圧力や燃料配管内の燃料圧力が極めて高く、常時燃料配管内に高圧燃料が充満しているため、インジェクタの開弁動作および閉弁動作に伴って発生する圧力波がインジェクタ内部の燃料通路内の燃料および燃料配管内の燃料に脈動を発生させ易い。また、マルチ噴射を行う場合、前噴射〜メイン噴射間インターバルは比較的に短いため、メイン噴射よりも先行して前噴射が実施されることにより発生する圧力脈動が減衰する前にメイン噴射が実施されると、前噴射の実施により発生する圧力脈動の影響で、同一のメイン噴射用指令噴射量にも関わらず、実際の燃料噴射量(メイン噴射量)が変動する。つまり、メイン噴射よりも先行して前噴射を実施する場合には、前噴射の実施により発生する圧力脈動の影響でメイン噴射量に脈動変動(うねり)が生じ、噴射量精度が悪化するという問題があった。
図1ないし図9は本発明の実施例1を示したもので、図4はコモンレール式燃料噴射システムの全体構成を示した図である。
なお、本実施例のインジェクタ5では、チップパッキン27よりも図示下方の部分が噴射部を構成し、また、チップパッキン27よりも図示上方の部分が駆動部を構成している。
次に、本実施例のエンジンの各気筒のインジェクタ5の開弁時期と開弁期間を制御するインジェクタ噴射量制御方法を図1ないし図9に基づいて簡単に説明する。ここで、図5および図6は、インジェクタ噴射量制御方法を示したフローチャートである。この図5および図6のメインルーチンは、イグニッションスイッチがオン(IG・ON)となった後に、所定のタイミング毎に繰り返される。
すなわち、インジェクタ5の電磁弁7への通電開始時刻から通電終了時刻までの時間間隔である指令噴射期間(TQ)を算出する。そして、指令噴射時期(T)に対応して開弁指令値がセットされ、指令噴射時期(T)および指令噴射期間(TQ)に対応して閉弁指令値がセットされる。なお、開弁指令値は、エンジンのクランク角度が特定の角度となった後の経過時間によって決定される。
これによって、エンジンの各気筒の上死点近傍で、インジェクタ5の電磁弁7が1回開弁駆動されてノズルニードル6が1回開弁してリフトすることで、エンジンの各気筒の燃焼室内に高圧燃料が噴射供給される。
続いて、メイン噴射量(QMain)およびコモンレール圧力(PC)に基づいて、後噴射用噴射量指令値としてのメイン噴射期間(TQMain)を算出する。続いて、パイロット噴射量(QPilot)およびコモンレール圧力(PC)に基づいて、前噴射用噴射量指令値としてのパイロット噴射期間(TQPilot)を算出する。続いて、メイン噴射時期(TMain)に、パイロットインターバル(TINT)およびパイロット噴射期間(TQPilot)を加算して、前噴射時期としてのパイロット噴射時期(TPilot)を算出する。
すなわち、インジェクタ5の電磁弁7へのパイロット噴射用通電開始時刻からパイロット噴射用通電終了時刻までの時間間隔であるパイロット噴射期間(TQPilot)、およびインジェクタ5の電磁弁7へのメイン噴射用通電開始時刻からメイン噴射用通電終了時刻までの時間間隔であるメイン噴射期間(TQMain)を算出する。
〔数1〕
T=(4×高圧部配管長さ)/(燃料の圧力脈動の伝播速度)
但し、Tは燃料の圧力脈動の周期である。なお、高圧部配管長さとは、コモンレール4内の蓄圧室から分岐する分岐通路の長さ、燃料分配配管13内に形成される高圧燃料通路の長さ、インジェクタ5の継ぎ手部から燃料通路31、33、34を経て弁座(シート部)37までの長さを加算した、高圧燃料通路の長さである。
〔数2〕
燃料の圧力脈動の伝播速度=√(燃料の体積弾性係数/燃料密度)
また、燃料の体積弾性係数は、下記の数3の演算式により求められ、燃料密度は、下記の数4の演算式により求められる。
〔数3〕
燃料の体積弾性係数=f(PC,THF)
〔数4〕
燃料密度=f(THF)
但し、PCは燃料の噴射圧力に相当するコモンレール圧力であり、THFは燃料温度である。
次に、無次元化インターバルに対するメイン噴射量補正量およびメイン噴射時期補正量を求める(ステップS23)。ここで、メイン噴射量補正量およびメイン噴射時期補正量は、メイン噴射よりも先行して1つ以上の前噴射を実施することにより発生する燃料の圧力脈動を要因とする、エンジンの運転条件に対応して設定されたメイン噴射量(QMain)またはメイン噴射期間(TQMain)およびメイン噴射時期(TMain)に対する実際のメイン噴射量および実際のメイン噴射時期の脈動変動(うねり)の位相とは逆位相となるように設定されており、これらの無次元化インターバルに対するメイン噴射量補正量およびメイン噴射時期補正量は、予めROM42等のメモリに格納(記憶)されている。
そして、最終のメイン噴射時期(TMain)に対応してメイン噴射用開弁指令値がセット(補正)され、最終のメイン噴射時期(TMain)および最終のメイン噴射期間(TQMain)に対応してメイン噴射用閉弁指令値がセット(補正)される(ステップS24)。その後に、図7のサブルーチンを抜ける。
これによって、エンジンの各気筒の圧縮行程または膨張行程(爆発行程)中に、インジェクタ5の電磁弁7が2回開弁駆動されてノズルニードル6が2回開弁してリフトすることで、メイン噴射よりも先行して微少の前噴射(パイロット噴射)を実施するマルチ噴射が実行される。
続いて、(b)ROM42等のメモリ(脈動周期または変動周期記憶手段)に格納(記憶)されている特性図(例えば2次元マップ:図示せず)から、エンジンの運転条件およびマルチ噴射回数に対応した、2つ以上の前噴射(例えばパイロット噴射)により発生する燃料の圧力脈動の影響を受けて、メイン噴射量(QMain)に対して変動する実際のメイン噴射量の脈動変動の周期(変動周期、うねり周期)の、整数倍数およびその半周期を読み込む。
続いて、(c)噴射系の条件(燃料の噴射圧力:PCと指令噴射量:Q)を読み込む(ステップS10)。
但し、nは1以上の整数であり、Tは2つの前噴射(例えばパイロット噴射)により発生する燃料の圧力脈動の周期、あるいは2つの前噴射(例えばパイロット噴射)により発生する燃料の圧力脈動の影響を受けて、メイン噴射量(QMain)に対して変動する実際のメイン噴射量の変動周期(うねり周期)である。
また、その第2の特性図(MAP)には、前噴射2の噴射終了時刻からメイン噴射の噴射開始時刻までの時間間隔として、(n+1/2)Tが書き込まれている。
但し、nは1以上の整数であり、Tは3つの前噴射(例えばパイロット噴射)により発生する燃料の圧力脈動の周期、あるいは3つの前噴射(例えばパイロット噴射)により発生する燃料の圧力脈動の影響を受けて、メイン噴射量(QMain)に対して変動する実際のメイン噴射量の変動周期(うねり周期)である。
また、その第3の特性図(MAP)には、前噴射2の噴射終了時刻からメイン噴射の噴射開始時刻までの時間間隔として、(n+3/2)Tが書き込まれている。また、その第3の特性図(MAP)には、前噴射3の噴射終了時刻からメイン噴射の噴射開始時刻までの時間間隔として、(n+1/2)Tが書き込まれている。
但し、nは1以上の整数であり、Tは3つの前噴射(例えばパイロット噴射)により発生する燃料の圧力脈動の周期、あるいは3つの前噴射(例えばパイロット噴射)により発生する燃料の圧力脈動の影響を受けて、メイン噴射量(QMain)に対して変動する実際のメイン噴射量の変動周期(うねり周期)である。なお、メイン噴射よりも先行して5つ以上の前噴射を実施する場合も、上記と同様であるが、前噴射が増える毎に時間間隔を1周期分ずつ加算する。
続いて、メイン噴射量(QMain)およびコモンレール圧力(PC)に基づいて、メイン噴射期間(TQMain)を算出する。続いて、パイロット噴射量(QPilot)およびコモンレール圧力(PC)に基づいて、パイロット噴射期間(TQPilot)を算出する。続いて、メイン噴射時期(TMain)に、パイロットインターバル(TINT)およびパイロット噴射期間(TQPilot)を加算して、メイン噴射の直前に実施される前噴射(例えば第2パイロット噴射または第3パイロット噴射または第4パイロット噴射)のパイロット噴射時期(TPilot)を算出する。続いて、メイン噴射時期(TMain)に、上記の前噴射〜メイン噴射間インターバル(時間間隔:例えば(n+1/2)T、(n+5/2)T、(n+3/2)T、……)およびパイロット噴射期間(TQPilot)を加算して、その前噴射より先行して実施される前噴射(例えば第1パイロット噴射または第2パイロット噴射または第3パイロット噴射)のパイロット噴射時期(TPilot)を算出する。
そして、パイロット噴射時期(TPilot)に対応してパイロット噴射用開弁指令値がセットされ、パイロット噴射時期(TPilot)およびパイロット噴射期間(TQPilot)に対応してパイロット噴射用閉弁指令値がセットされる。また、メイン噴射時期(TMain)に対応してメイン噴射用開弁指令値がセットされ、メイン噴射時期(TMain)およびメイン噴射期間(TQMain)に対応してメイン噴射用閉弁指令値がセットされる。なお、パイロット噴射用開弁指令値およびメイン噴射用開弁指令値は、エンジンのクランク角度が特定の角度となった後の経過時間によって決定される。また、本実施例では、2つ以上の前噴射のパイロット噴射量(QPilot)および2つ以上の前噴射のパイロット噴射期間(TQPilot)は、全ての前噴射で略同一値として算出している。
そして、パイロットインターバルが経過した後に、メイン噴射時期(TMain)からメイン噴射期間(TQMain)が終了するまで、出力回路45に内蔵されたインジェクタ駆動回路(EDU)からインジェクタ5の電磁弁7の励磁コイルにインジェクタ駆動信号(パルス状のインジェクタ駆動電流)を印加する。
これによって、エンジンの各気筒の圧縮行程または膨張行程(爆発行程)中に、インジェクタ5の電磁弁7が3回以上開弁駆動されてノズルニードル6が3回以上開弁してリフトすることで、メイン噴射よりも先行して3回以上の前噴射(パイロット噴射)を実施するマルチ噴射が実行される。
前噴射〜メイン噴射間インターバルの設定値の設定方法を説明する。ここで、図1は、エンジンの特定気筒(例えば#1気筒)の圧縮行程または膨張行程(爆発行程)中にマルチ噴射を実施した際の、メイン噴射よりも先行して2つの前噴射を実施する場合の燃料噴射パターン(燃料噴射率波形)の一例である。
すなわち、エンジンの運転条件に対応して変化すると共に、エンジンの燃焼状態および排気ガス性能に影響を及ぼすパラメータに基づいて、上記の前噴射〜メイン噴射間インターバルの近似値を取るように、前噴射〜メイン噴射間インターバルを補正するようにしても良い。
本実施例では、4サイクル・4気筒ディーゼルエンジン等の内燃機関(エンジン)の各気筒毎に対応して搭載されるインジェクタ5のノズルニードル6を開弁方向に駆動する電磁弁として、2方弁式の電磁弁7を用いた例を説明したが、3方弁式の電磁弁を使用しても良い。これによって、インジェクタ5として電磁式燃料噴射弁が使用されることになる。また、燃料噴射弁を開弁方向に駆動するアクチュエータとして、電磁弁の他に、圧電素子等を使用しても良い。
3 高圧供給ポンプ(サプライポンプ)
4 コモンレール
5 インジェクタ(燃料噴射弁)
6 インジェクタのノズルニードル
7 インジェクタの電磁弁(弁体駆動手段)
8 インジェクタの制御室
9 インジェクタのコイルスプリング(弁体付勢手段)
10 ECU(エンジン制御装置)
12 燃料圧力センサ(燃料圧力検出手段)
16 燃料排出路
35 燃料溜まり室
Claims (10)
- (a)燃料の噴射圧力に相当する高圧燃料を蓄圧するコモンレールと、
(b)このコモンレールから燃料配管を経て供給される燃料圧力の作用に基づいて、内燃機関の気筒に高圧燃料を噴射供給する燃料噴射弁と、
(c)前記内燃機関の運転条件、および前記コモンレール内の燃料圧力または前記燃料配管内の燃料圧力に対応して設定される噴射量指令値に基づいて、前記燃料噴射弁を開弁駆動して、前記燃料噴射弁から前記内燃機関の気筒に噴射供給される燃料噴射量を制御する噴射量制御装置と
を備え、
前記内燃機関の気筒の圧縮行程中または膨張行程中に、前記燃料噴射弁を3回以上開弁駆動して、2つ以上の前噴射を繰り返した後に、後噴射を実施するマルチ噴射を実行することが可能な蓄圧式燃料噴射装置において、
前記噴射量制御装置は、前記後噴射よりも先行して実施される前記前噴射の噴射回数が2回以上のマルチ噴射実施時に、
前記2つ以上の前噴射の実施により発生する燃料の圧力脈動を要因とする、後噴射用指令噴射量に対する実際の後噴射量の脈動を、前記2つ以上の前噴射の実施により発生する燃料の圧力脈動が、前記後噴射が開始されるまでの時点で互いに打ち消し合うことにより減衰するように、
前噴射・後噴射間インターバルを設定するインターバル設定手段を有していることを特徴とする蓄圧式燃料噴射装置。 - 請求項1に記載の蓄圧式燃料噴射装置において、
前記インターバル設定手段は、前記後噴射用指令噴射量に対する実際の後噴射量の変動幅の大きさが打ち消され前記後噴射用指令噴射量に対応した狙いの噴射量が得られるように、前記2つ以上の前噴射の各々と前記後噴射との間のインターバルである前記前噴射・後噴射間インターバルおよび前記2つ以上の前噴射同士間のインターバルである前噴射・前噴射間インターバルを選択して組み合わせ設定することを特徴とする蓄圧式燃料噴射装置。 - 請求項1または請求項2に記載の蓄圧式燃料噴射装置において、
前記噴射量制御装置は、
前記2つ以上の前噴射の実施により発生する燃料の圧力脈動の周期、あるいは前記燃料の圧力脈動の影響を受けて、前記内燃機関の運転条件に対応して設定される後噴射用指令噴射量に対して変動する実際の後噴射量の変動周期の、半周期およびその整数倍数を、前記内燃機関の運転条件および前記前噴射の噴射回数またはマルチ噴射回数に対応させて記憶する脈動周期または変動周期記憶手段を備え、
前記インターバル設定手段は、前記内燃機関の運転条件、前記前噴射の噴射回数またはマルチ噴射回数、および前記燃料の圧力脈動の周期の半周期および整数倍数、あるいは前記実際の後噴射量の変動周期の、半周期およびその整数倍数に基づいて、前記前噴射・後噴射間インターバルを設定することを特徴とする蓄圧式燃料噴射装置。 - 請求項1ないし請求項3のうちのいずれか1つに記載の蓄圧式燃料噴射装置において、 前記後噴射よりも先行して2つの前噴射1および前噴射2を順次実施する場合には、
前記前噴射1の噴射終了時刻から前記後噴射の噴射開始時刻までの時間間隔を、前記前噴射・後噴射間インターバルとして採用することを特徴とする蓄圧式燃料噴射装置。 - 請求項1ないし請求項3のうちのいずれか1つに記載の蓄圧式燃料噴射装置において、 前記後噴射よりも先行して3つの前噴射1、前噴射2および前噴射3を順次実施する場合には、
前記前噴射1の噴射終了時刻から前記後噴射の噴射開始時刻までの時間間隔、および前記前噴射2の噴射終了時刻から前記後噴射の噴射開始時刻までの時間間隔を、前記前噴射・後噴射間インターバルとして採用することを特徴とする蓄圧式燃料噴射装置。 - 請求項1ないし請求項3のうちのいずれか1つに記載の蓄圧式燃料噴射装置において、 前記後噴射よりも先行して4つの前噴射1、前噴射2、前噴射3および前噴射4を順次実施する場合には、
前記前噴射1の噴射終了時刻から前記後噴射の噴射開始時刻までの時間間隔、前記前噴射2の噴射終了時刻から前記後噴射の噴射開始時刻までの時間間隔、および前記前噴射3の噴射終了時刻から前記後噴射の噴射開始時刻までの時間間隔を、前記前噴射・後噴射間インターバルとして採用することを特徴とする蓄圧式燃料噴射装置。 - 請求項1ないし請求項6のうちのいずれか1つに記載の蓄圧式燃料噴射装置において、 前記インターバル設定手段は、前記内燃機関の運転条件および前記前噴射の噴射回数またはマルチ噴射回数に対応して、前記前噴射・後噴射間インターバルを設定すると共に、 前記内燃機関の運転条件に対応して変化すると共に、前記内燃機関の燃焼状態または前記内燃機関の気筒より排出される排気ガス性能に影響を及ぼすパラメータに基づいて、前記前噴射・後噴射間インターバルの近似値を取るように、前記前噴射・後噴射間インターバルを補正することを特徴とする蓄圧式燃料噴射装置。
- 請求項1ないし請求項7のうちのいずれか1つに記載の蓄圧式燃料噴射装置において、 前記噴射量制御装置は、
前記燃料噴射弁から噴射される燃料の噴射圧力を検出する噴射圧力検出手段と、
前記内燃機関の運転条件に基づいて、前記前噴射用指令噴射量および前記後噴射用指令噴射量を算出する指令噴射量決定手段と、
前記前噴射用指令噴射量および前記噴射圧力に基づいて、前噴射用噴射量指令値を算出すると共に、前記後噴射用指令噴射量および前記噴射圧力に基づいて、後噴射用噴射量指令値を算出する噴射量指令値決定手段と
を有していることを特徴とする蓄圧式燃料噴射装置。 - 請求項1ないし請求項8のうちのいずれか1つに記載の蓄圧式燃料噴射装置において、 前記噴射量制御装置は、
前記内燃機関の運転条件に基づいて、前記前噴射の噴射回数またはマルチ噴射回数を設定する噴射回数決定手段と、
前記内燃機関の運転条件および前記前噴射・後噴射間インターバルに基づいて、前記2つ以上の前噴射の噴射時期を設定する前噴射時期決定手段と、
前記内燃機関の運転条件に基づいて、前記後噴射の噴射時期を設定する後噴射時期決定手段と
を有していることを特徴とする蓄圧式燃料噴射装置。 - 請求項1ないし請求項9のうちのいずれか1つに記載の蓄圧式燃料噴射装置において、 前記燃料噴射弁は、前記内燃機関の各気筒毎に対応して搭載されており、
前記内燃機関の各気筒毎の燃焼室に連通する噴射孔を開閉する弁体、
前記コモンレールから前記燃料配管を経て燃料が導入される燃料通路、
この燃料通路から導入される燃料圧力が前記弁体の開弁方向に作用する燃料溜まり室、 前記燃料通路から導入される燃料圧力が前記弁体の閉弁方向に作用する制御室、
前記弁体を閉弁方向に付勢する弁体付勢手段、
および自身が開弁することで前記コモンレールから前記制御室内に導入される燃料を燃料系の低圧側に溢流させて前記弁体を開弁方向に駆動する電磁弁
を有していることを特徴とする蓄圧式燃料噴射装置。
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