JP4803399B2 - 筒内噴射型内燃機関の燃料噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、筒内噴射型内燃機関に関し、特にニードルを複数備えた燃料噴射弁の作動制御技術に関する。

筒内噴射型内燃機関(以下、単にエンジンという)において、吸気行程に燃料噴射して筒内の空燃比を均一にして点火する均一混合燃焼、圧縮行程に燃料を噴射して拡散の少ない層状化した状態で混合気に点火する層状燃焼、均一混合燃焼と層状燃焼との中間の領域で実行され、吸気行程と圧縮行程との両方において燃料噴射を行うことで、均一混合燃焼と層状燃焼との間での移行時にトルク変動をスムーズに可能とする弱成層燃焼が実現されている。

筒内への燃料噴射装置として用いられる燃料噴射弁は、一般的に先端に設けられた噴孔をニードルによって開閉する構造であって、ニードルが作動制御されることで、燃料噴射量、噴射時期を制御する。噴孔は、燃料噴射量及び噴射範囲を確保するために、通常は複数設けられている。更に、燃料噴射初期の噴射圧を上昇させることで排気性能を向上しつつ燃料噴射量を確保するために、ニードルを２個備えこれら複数の噴孔を開閉する燃料噴射弁が開発されている（特許文献１）。
特開平９−３２６８７号公報

上記のように噴孔が複数設けられた燃料噴射弁では、燃料の噴射方向及び噴射圧によっては、ライナに直接当たってスモークを発生させる虞がある。特に、上記のように、均一混合燃焼、層状燃焼及び弱成層燃焼といった複数の燃焼方式を実現可能なエンジンでは、各種燃焼方式により、燃料噴射量、燃料噴射方向、燃料噴射時期が大きく異なり、幅広い制御範囲を精度良く行うことが困難であった。

そこで、上記特許文献１に記載されているようなニードルを２個備えた燃料噴射弁を採用することが考えられるものの、特許文献１に記載の燃料噴射弁では、２つのニードルは機械的に時間差をおいて開閉するに過ぎず、複数の燃焼方式に精度良く対応することは困難である。
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、複数の燃焼方式に対応して、精度のよい燃料噴射を実現可能な筒内噴射型内燃機関の燃料噴射装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、複数の噴孔及び該噴孔を開閉する複数のニードルを備えた燃料噴射弁により筒内に燃料を噴射する筒内噴射型内燃機関の燃料噴射装置において、筒内噴射型内燃機関の運転状態に基づいて選択された筒内の燃焼方式に応じて、複数のニードルの開作動本数を制御する制御手段を備え、前記制御手段は、選択された燃焼方式が弱成層燃焼である場合に、複数のニードルの開作動に時間差を設けるとともに、筒内の混合気の層状化が進むに応じて、複数のニードルの開作動の時間差を大きくすることを特徴とする。

また、請求項２の発明は、請求項１において、制御手段は、選択された燃焼方式が層状燃焼である場合に、複数のニードルの一部を開作動することを特徴とする。

また、請求項３の発明は、請求項１または２において、制御手段は、選択された燃焼方式が層状燃焼である場合に、点火プラグの電極近傍に向かって開口する噴孔を開閉するニードルを断続的に開作動させることを特徴とする。

本発明の請求項１の筒内噴射型内燃機関の燃料噴射装置によれば、ニードルの開作動本数を制御することで、筒内への燃料噴射量を大きく変更することができ、燃料噴射弁のダイナミックレンジを拡大することができる。そして、このニードルの開作動本数を筒内の燃焼方式に応じて制御するので、複数の燃焼方式に対応して精度の良い燃料噴射制御が可能となり、内燃機関の最高出力の向上とアイドル時での低燃費との両立を図ることができる。

更に、複数のニードルを時間差を設けて開作動するので、例えば吸気行程と圧縮行程とで燃料を分けて噴射することで、弱成層燃焼を効果的に実現することができる。
また、筒内の混合気の層状化が進むに応じて、複数のニードルの開作動の時間差を大きくするので、筒内の混合気の層状状態に応じて適切な時期に燃料噴射が行なわれ、良好な弱成層燃焼を実現することができる。

本発明の請求項２の筒内噴射型内燃機関の燃料噴射装置によれば、複数のニードルの一部を開作動することで、燃料噴射量を抑制しつつ燃料を集約して噴射することができるので、良好な層状燃焼を実現することができる。
本発明の請求項３の筒内噴射型内燃機関の燃料噴射装置によれば、層状燃焼時に燃料を複数回かつ点火プラグの電極近傍に集約して噴射することができるので、層状燃焼を維持しつつエンジン負荷が増加しても迅速に出力トルクを上昇させて対応することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
図１は、本発明に係るエンジン（筒内噴射型内燃機関）１の筒内の概略構成図である。
図１に示すように、エンジン１のシリンダヘッド２には、気筒毎に点火プラグ３とともに電磁式の燃料噴射弁４が取り付けられており、これにより、燃焼室５内に燃料を直接噴射可能とされている。燃料噴射弁４には、燃料パイプ６を介して燃料タンクを備えた燃料供給装置から燃料が供給される。

エンジン１のピストン７の上面には、燃料噴射弁４から噴射した燃料が混合気として滞留し易いように、キャビティ８が形成されている。
図２は、燃料噴射弁４の概略構造図である。
燃料噴射弁４は、その先端（下端）に複数の噴孔１０が設けられており、後端（上端）の供給口１１を介して外部から供給された燃料を噴孔１０から噴射する機能を有する。本実施形態の噴孔１０は、第１の噴孔群１０ａ及び第２の噴孔群１０ｂといった２つの噴孔群に分けられる。第１の噴孔群１０ａは、その噴孔から噴射する燃料が点火プラグ３の電極９付近に到達するように配置されている。一方、第２の噴孔群１０ｂは、その噴孔から噴射する燃料がピストン上面のキャビティ８に向かうように配置されている。また、燃料噴射弁４の筐体１２内には、２個のニードル１３、１４が備えられている。第１のニードル１３は、第１のコイル１５により上下駆動されて第１の噴孔群１０ａを開閉する。第２のニードル１４は第２のコイル１６により上下駆動されて第２の噴孔群１０ｂを開閉する。第２のニードル１４は中空構造となっており、その内部に第１のニードル１３が挿入され、互いに上下方向に移動可能に配置されている。第１のコイル１５及び第２のコイル１６は、筐体１２内で上下方向に並べて配置されている。このように、第１のコイル１５と第２のコイル１６とを配置することと、第２のニードル１４を中空構造として第１のニードル１３を挿入する構造としたことで、２系統の燃料噴射装置が１つの筐体１２内でコンパクトに構成されている。

ＥＣＵ（電子コントロールユニット）２０は、入出力装置、記憶装置（ＲＯＭ、ＲＡＭ、不揮発性ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を含んで構成されている。ＥＣＵ２０の入力側には、エンジン１に設けられたエアフローセンサ２１、スロットルセンサ２２、クランク角センサ２３の他に、図示しない空燃比センサ等の各種センサ類が接続されており、これらセンサ類から、吸入空気量、アクセル開度及びクランク角等の検出情報が入力される。一方、ＥＣＵ２０の出力側には、燃料噴射弁４の第１のコイル１５及び第２のコイル１６や点火プラグ３等の各種出力デバイスが接続されている。

本実施形態に係るエンジン１では、燃料噴射及び点火の制御により、均一混合燃焼モード、層状燃焼モード及び弱成層燃焼モードといった３種類の燃焼モード（燃焼方式）が実現可能となっている。均一混合燃焼モードでは、吸気行程で燃料を噴射して筒内で十分に予混合した後に点火することで、燃料噴射量を増加させ高出力を得ることができる。層状燃焼モードでは、圧縮行程に燃料を噴射して拡散の少ない状態で混合気に点火することで、燃料噴射量を抑制して燃費を向上させる。弱成層燃焼モードでは、吸気行程及び圧縮行程の２回に分けて燃料を噴射して、均一混合燃焼モードと層状燃焼モードとの間でトルク変動を抑えてスムーズに移行可能にする。

図３は、各種燃焼方式を実現させるための燃料噴射弁４の駆動方式の選択要領を示すフローチャートである。
本フローチャートは、エンジン運転時に繰り返し実行される。
先ずステップ１０では、エアフローセンサ２１から吸入空気量を入力するとともに、スロットルセンサ２２により検出したアクセル開度をエンジン負荷として入力し、燃料噴射量を演算して決定する。燃料噴射量は、単位時間あたりの噴射量であって、例えばあらかじめ確認の上記憶しておいたマップから読み出すことで求めればよい。そして、ステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０では、クランク角センサ２３から入力したクランク角の推移からエンジン回転速度を計測し、このエンジン回転速度とステップＳ１０において入力したエンジン負荷とに基づいて、上記均一混合燃焼モード、層状燃焼モード及び弱成層燃焼モードのいずれかを燃焼モードとして決定する。この燃焼モードの決定は、例えばあらかじめ確認の上記憶しておいたマップを用いて読み出すことで行えばよい。そして、ステップＳ３０に進む。

ステップＳ３０では、ステップＳ２０において決定された燃焼モードが、均一混合燃焼モードであるか否かを判別する。均一混合燃焼モードである場合は、ステップＳ４０に進む。
ステップＳ４０では、ステップＳ１０において決定された燃料噴射量が所定値より大きいか否かを判別する。所定値より大きい場合は、ステップＳ５０に進む。なお、この所定値は、例えば、第１の噴孔群１０ａから噴射可能な燃料噴射量の範囲内でその上限値近傍に設定すればよい。

ステップＳ５０では、第１のニードル１３及び第２のニードル１４を開作動させる。そして、本ルーチンをリターンする。
ステップＳ４０において燃料噴射量が所定値以下であると判定された場合には、ステップＳ６０に進む。
ステップＳ６０では、第２のニードル１４を閉作動させるとともに、第１のニードル１３を開作動させる。そして、本ルーチンをリターンする。

ステップＳ３０において、燃焼モードが均一混合燃焼モードでないと判定された場合には、ステップＳ７０に進む。
ステップＳ７０では、ステップＳ２０において決定された燃焼モードが、層状燃焼モードであるか否かを判別する。層状燃焼モードである場合は、ステップＳ８０に進む。
ステップＳ８０では、第１のニードル１３を閉作動させるとともに、第２のニードル１４を開作動させる。そして、ステップＳ９０に進む。

ステップＳ９０では、ステップＳ１０において入力したエンジン負荷が所定値より大きいか否かを判別する。エンジン負荷が所定値より大きい場合は、ステップＳ１００に進む。一方、エンジン負荷が所定値以下の場合は、本ルーチンをリターンする。なお、この所定値は、第２の噴孔群１０ｂからの燃料噴射により対応可能なエンジン負荷の範囲内でその上限値近傍に設定すればよい。

ステップＳ１００では、第２のニードル１４を開作動させたまま、第１のニードル１３を１行程で複数回開作動させる。そして、本ルーチンをリターンする。
ステップＳ７０において、燃焼モードが層状燃焼モードでないと判定された場合は、ステップＳ１１０に進む。
ステップＳ１１０では、第２のニードル１４を吸気行程で開作動させ、時間差をおいて第１のニードル１３を圧縮行程で開作動させる。そして、本ルーチンを終了する。

図４は、燃料噴射弁４の駆動方式における燃料噴射態様を示す参考図である。
図４（Ａ）は、上記ルーチンのステップＳ５０で実施されるように、第１のニードル１３及び第２のニードル１４を開作動させた場合であって、燃料は第１の噴孔群１０ａ及び第２の噴孔群１０ｂから筒内へ広範囲かつ多量に噴射される。
同図（Ｂ）は、ステップＳ６０で実施されるように、第１のニードル１３のみ開作動させた場合であって、燃料は第１の噴孔群１０ａから点火プラグ３に向かって噴射される。

同図（Ｃ）は、ステップＳ８０で実施されるように、第２のニードル１４のみ開作動させた場合であって、燃料は第２の噴孔群１０ｂからキャビティ８内に向かって噴射される。
同図（Ｄ）は、ステップＳ１１０で実施されるように、第２のニードル１４を開作動させた後に時間差を置いて第１のニードル１３を開作動させた場合であって、第２のニードル１４を吸気行程に開作動させるとともに第１のニードル１３を圧縮行程に開作動させることで吸気行程及び圧縮行程の両方で筒内に燃料が噴射される。

同図（Ｅ）は、ステップＳ１００に示すように、第２のニードル１４を開作動させつつ、第１のニードル１３を複数回噴射させた場合であって、第２の噴孔群１０ｂからキャビティ８内に向かって燃料が噴射されるとともに、第１の噴孔群１０ａから点火プラグ３に向かって燃料が複数回噴射される。
以上のように、本実施形態では、エンジン回転速度及び負荷から決定した燃焼モードが均一混合燃焼モードである場合では、第１のニードル１３を開作動して筒内に燃料を噴射する。このような場合では吸気行程で燃料を噴射するとよい。これにより、筒内で燃料が
拡散されて均一混合燃焼を適切に行うことができる。また、この均一混合燃焼モードにおいて、燃料噴射量を多量に必要とする場合では、第２のニードル１４も合わせて開作動させるので、燃料噴射圧を上げずに十分に対応することができる。したがって、燃料がライナに直接当たることが抑えられスモークの発生を抑制することができる。

一方、燃焼モードが層状燃焼モードである場合では、第２のニードル１４が開作動する。このような場合では圧縮行程で燃料を噴射するとよい。これにより第２の噴孔群１０ｂから噴射された燃料はキャビティ８内で滞留し、層状燃焼を可能とする。更に層状燃焼モード時に高負荷である場合には、第１のニードル１３が開作動して複数回噴射するので、点火プラグ３の電極３ａ近傍に燃料が供給されて、層状燃焼を確保しつつエンジン出力を迅速に上昇させて対応することができる。

燃焼モードが均一混合燃焼モード及び層状燃焼モードでない場合、即ち弱成層燃焼モード時には、第２の噴孔群１０ｂから噴射した後、時間差を於いて第１の噴孔群１０ａから噴射するので、例えば吸気行程で第１の噴孔群１０ａから燃料を噴射させ、圧縮行程で第２の噴孔群１０ｂから燃料を噴射するよう設定することで、弱成層燃焼が効果的に実現可能となる。なお、この時間差は層状状態が進むに応じて大きくなるように設定するとよい。このようにすれば、層状状態に応じた適切な時期に燃料噴射が行われるので、良好な弱成層燃焼を実現することができる。

以上のようにして、燃料噴射弁４のニードルの作動本数を切り換えることで、燃料噴射弁における噴射量制御に関してダイナミックレンジが拡大され、均一混合燃焼、層状燃焼及び弱成層燃焼といった各種燃焼モードに対応して精度の良い燃料噴射が可能となるので、エンジンの最高出力の向上とアイドル時での低燃費とを両立することができる。
次に、図５を用いて本発明の第２の実施形態について説明する。

本実施形態は、第１の実施形態とは燃料噴射弁の駆動方式の選択要領が異なる。
図５は、第２の実施形態での駆動方式の選択要領を示すフローチャートであり、以下第１の実施形態と異なる部分のみ説明する。
ステップＳ８０において、第１のニードル１３を閉作動させたまま、第２のニードル１４を開作動させた後は、本ルーチンを終了する。

即ち、本実施形態では、第２のニードル１４を開作動させたまま、第１のニードル１３を複数回開作動させる制御がなく、エンジン負荷の増加に応じニードル１から追加噴射はしないものの、層状燃焼を実行することはできる。
なお、本実施形態では、均一混合燃焼、層状燃焼及び弱成層燃焼といった３種類の燃焼モードを選択しこれを実行可能としているが、本発明はこれに限定するものではなく、例えば、均一混合燃焼及び層状燃焼といった２種類の燃焼モードを選択するものでもよい。

本発明に係る筒内燃料噴射型エンジンの筒内の概略構成図である。 燃料噴射弁の概略構造図である。 本発明の第１の実施形態に係る燃料噴射弁の駆動方式の選択要領を示すフローチャートである。 各種燃料噴射弁の駆動方式における燃料噴射態様を示す参考図であり、（Ａ）は第１のニードル及び第２のニードルを開作動させた場合、（Ｂ）は第１のニードルのみ開作動させた場合、（Ｃ）は第２のニードルのみ開作動させた場合、（Ｄ）は第２のニードルを開作動させた後に時間差を置いて第１のニードルを開作動させた場合、（Ｅ）は第２のニードルを開作動させつつ、第１のニードルを複数回噴射させた場合を示す。 本発明の第２の実施形態に係る駆動方式の選択要領を示すフローチャートである。

符号の説明

１ エンジン
３ 点火プラグ
４ 燃料噴射弁
３ａ 電極
１０ａ 第１の噴孔群
１０ｂ 第２の噴孔群
１３ 第１のニードル
１４ 第２のニードル
２０ ＥＣＵ

Claims (3)

1. 複数の噴孔及び該噴孔を開閉する複数のニードルを備えた燃料噴射弁により筒内に燃料を噴射する筒内噴射型内燃機関の燃料噴射装置において、
   前記筒内噴射型内燃機関の運転状態に基づいて選択された筒内の燃焼方式に応じて、前記複数のニードルの開作動本数を制御する制御手段を備え、
   前記制御手段は、選択された前記燃焼方式が弱成層燃焼である場合に、前記複数のニードルの開作動に時間差を設けるとともに、前記筒内の混合気の層状化が進むに応じて、前記複数のニードルの開作動の時間差を大きくすることを特徴とする筒内噴射型内燃機関の燃料噴射装置。
2. 前記制御手段は、選択された前記燃焼方式が層状燃焼である場合に、前記複数のニードルの一部を開作動することを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射型内燃機関の燃料噴射装置。
3. 前記制御手段は、選択された前記燃焼方式が層状燃焼である場合に、点火プラグの電極近傍に向かって開口する噴孔を開閉するニードルを、圧縮行程で複数回開作動させることを特徴とする請求項１または２に記載の筒内噴射型内燃機関の燃料噴射装置。

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