JP5831301B2 - 内燃機関の燃料噴射システム - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射システムに関する。

内燃機関の気筒内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁においては、気筒内に臨む先端部が燃焼室での燃焼による火炎に晒されることになる。そのため、その先端部に燃料に由来する煤等のデポジットが堆積し易い。燃料噴射弁の先端部に形成された噴孔にデポジットが堆積し、該噴孔が塞がれる又は狭くなると、実際の燃料噴射量を目標噴射量に制御することが困難となったり、噴霧の燃料粒子径や噴霧角度、噴霧の貫徹力等の噴霧特性が変化したりする虞がある。

そのため、従来、燃料噴射弁の噴孔に堆積したデポジットを除去するための種々の技術が開発されている。例えば、特許文献１には、燃料安定度回復モードでは、燃料ポンプからの燃圧をノーマルモードより上昇させることで、噴孔から噴射される燃料の噴射圧力を高め、これによって、噴孔またはその近傍に堆積したデポジットを吹き飛ばす技術が開示されている。

また、特許文献２には、燃料噴射弁において弁体が弁座を離れてから着座するまでの燃料噴射期間に、弁体のリフト高さを第一の高さに制御した後、該第一の高さよりも低い第二の高さに制御する期間を所定期間設ける技術が開示されている。これによれば、弁体の高さが第二の高さとなることで、開口面積が縮小するため、噴孔内壁近傍の燃料速度が上昇する。そのため、噴孔に堆積したデポジットを除去することができる。

また、特許文献３及び４には、燃料噴射弁内部のシート部近傍におけるデポジットの生成を抑制するための技術が開示されている。

特開２００８−２６７２５２号公報 特開２０１１−１３２８４９号公報 特開２００８−０２５４８４号公報 特開２００３−２１４２９４号公報

内燃機関の燃料噴射弁においては、噴孔のみならず、その先端部の内部にもデポジットが堆積する。そして、燃料噴射弁の先端部の内部にデポジットが堆積した場合においても、噴孔にデポジットが堆積した場合と同様の問題が生じる虞がある。しかしながら、上記のような従来技術では、燃料噴射弁の先端部の内部に堆積したデポジットを十分に除去することは困難であった。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであって、燃料噴射弁の先端部の内部に堆積したデポジットをより効果的に除去することを目的とする。

本発明は、燃料噴射弁の先端部に堆積したデポジットを除去すべきときに、開弁状態時における弁座部と弁体との間の開口面積が噴孔面積よりも小さくなるように弁体の弁座部
からのリフト量を低減するものである。

より詳しくは、本発明に係る内燃機関の噴射システムは、
噴射弁本体の先端部に噴孔が形成されており、噴射弁本体内部に形成された弁座部から弁体が離間すると該噴孔に燃料が供給される開弁状態となり、弁座部に弁体が着座すると噴孔への燃料の供給が遮断される閉弁状態となる燃料噴射弁と、
前記燃料噴射弁の先端部に堆積したデポジットを除去すべき所定の条件が成立した場合、開弁状態時における弁座部と弁体との間の開口面積が噴孔面積よりも小さくなるように弁体の弁座部からのリフト量を低減する低リフト制御を実行するリフト制御部と、
を備える。

燃料噴射弁では、通常、開弁状態時における弁座部と弁体との間の開口面積は、噴孔面積よりも大きくなっている。つまり、燃料を最も絞る最小絞り部は噴孔となっている。そのため、燃料の流速は噴孔内で最も大きくなり、燃料噴射弁の先端部の内部における燃料の流速は相対的に小さい。

これに対し、本発明においては、燃料噴射弁の先端部に堆積したデポジットを除去すべき所定の条件が成立した場合、開弁状態時における弁座部と弁体との間の開口面積が噴孔面積よりも小さくなるように弁体の弁座部からのリフト量を低減する低リフト制御が実行される。

開弁状態時における弁座部と弁体との間の開口面積が噴孔面積よりも小さくなると、最小絞り部は噴射弁本体内部の弁座部部分となる。これにより弁座部部分における燃料の流速が大きくなり、その結果、燃料噴射弁の先端部の内部における燃料の流速が大きくなる。

また、燃料噴射弁の先端部の内部においては、通常、液体燃料が単相流として流れることとなる。これに対し、開弁状態時における弁座部と弁体との間の開口面積が噴孔面積よりも小さくなると、噴射弁本体内部における弁座部部分より上流側とそれより下流側との圧力差が大きくなるため、キャビテーションが生じ易くなる。そのため、燃料噴射弁の先端部の内部においては、液体燃料と気泡との二相流（気液混合流）が生じることとなる。

本発明によれば、燃料噴射弁の先端部に堆積したデポジットを除去すべきときに、低リフト制御を実行することによる上記のような作用によって、燃料噴射弁の先端部の内部におけるデポジットの剥離を促進させることができる。従って、燃料噴射弁の先端部の内部に堆積したデポジットをより効果的に除去することが可能となる。

尚、噴射弁本体に噴孔が複数形成されている場合、本発明に係る「噴孔面積」とは、全ての噴孔の噴孔面積の総和のことである。

本発明において、前記所定の条件は、燃料噴射弁の先端部におけるデポジットの堆積量が所定堆積量以上となったことが検知又は推定されたことであってもよい。所定堆積量とは、噴射弁本体の先端部に堆積したデポジットを除去すべきか否かを判別するためのデポジット堆積量の閾値である。これによれば、好適なタイミングで低リフト制御を実行することができる。

また、本発明に係る内燃機関の燃焼噴射システムは、リフト制御部によって低リフト制御を実行するときに、燃料噴射弁に供給される燃料の圧力を上昇させる燃圧制御部をさらに備えてもよい。

また、本発明に係る内燃機関の燃焼噴射システムは、リフト制御部によって低リフト制御を実行するときに、該低リフト制御を実行せずに燃料噴射を行う場合の一回の燃料噴射分の燃料を、複数回の燃料噴射に分割して噴射する分割噴射実行部をさらに備えてもよい。

これらによれば、燃料噴射弁の先端部の内部に堆積したデポジットの除去をより促進させることができる。

本発明によれば、燃料噴射弁の先端部の内部に堆積したデポジットをより効果的に除去することができる。

実施例に係る内燃機関の燃料噴射弁近傍の構成を示す図である。 実施例に係る燃料噴射弁の構成を示す図である。 実施例に係る燃料噴射弁の先端部の構成を示す図である。 実施例に係る、低リフト制御での燃料噴射を実行する場合のフローを示すフローチャートである。 実施例に係る低リフト制御、燃圧上昇制御、及び分割噴射制御を実行しつつ燃料噴射を実行したときと、通常の燃料噴射を実行したときと、における、燃料噴射弁駆動信号、燃料噴射弁駆動電流、ニードル弁リフト量、燃料噴射弁への供給燃料圧力、サック内圧力、噴孔デポジット洗浄力、及び噴射弁内部デポジット洗浄力の推移を示すタイムチャートである。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜実施例＞
［システムの概略構成］
本実施例に係る内燃機関の燃料噴射システムの概略構成について図１〜３に基づいて説明する。図１は、本実施例に係る内燃機関の燃料噴射弁近傍の構成を示す図である。図２は、本実施例に係る燃料噴射弁の構成を示す図である。図３は、本実施例に係る燃料噴射弁の先端部の構成を示す図である。

本実施例に係る内燃機関１は、車両駆動用の多気筒内燃機関であり、筒内噴射型の火花点火式内燃機関である。ただし、本発明に係る内燃機関は火花点火式内燃機関に限られず、圧縮着火式内燃機関であってもよい。内燃機関１において、各気筒８には吸気ポート２および排気ポート３がそれぞれ二つずつ接続されている。吸気ポート２は吸気弁４の開閉を通して吸気を気筒８内に送り込み、排気ポート３は排気弁５の開閉を通して燃焼ガス等を排気として内燃機関１の排気系へ送り出す。気筒８内にはピストン９が摺動自在に設けられている。

また、内燃機関１には、点火プラグ６及び燃料噴射弁７が設けられている。点火プラグ６は、気筒８の略中心軸上に設けられており、気筒８内の頂面の略中心から気筒８内に臨む放電部を有している。この点火プラグ６によって、気筒８内の混合気への点火が行われる。

燃料噴射弁７は、気筒８内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁である。燃料噴射弁７は気
筒８の吸気ポート２側に設けられており、その先端部が、気筒８内の頂面の側方における二つの吸気ポート２の開口部の間の位置に臨んでいる。この燃料噴射弁７の先端部には複数の噴射孔が形成されている。該噴射孔から気筒８の中心軸方向に向かって図１における斜め下方に燃料が噴射される。図１においては、１０が燃料噴射弁７から噴射された燃料の噴霧を表している。尚、燃料噴射弁７の詳細な構成については後述する。

内燃機関１には、電子制御装置であるＥＣＵ３０が併設されている。このＥＣＵ３０には、燃料噴射弁７の他、図示しない燃料タンクからデリバリパイプへ燃料を圧送する燃料ポンプ３４等の各種装置が電気的に接続されている。そして、ＥＣＵ３０によって各種制御が実行される。

また、ＥＣＵ３０には、アクセル開度センサ３１、クランク角センサ３２、及びＡ／Ｆセンサ３３等の各種センサが電気的に接続されている。アクセル開度センサ３１は、内燃機関１を搭載した車両のアクセル開度を検出する。クランク角センサ３２は、内燃機関１のクランク角を検出する。Ａ／Ｆセンサ３３は、内燃機関１から排出される排気の空燃比を検出する。そして、各種センサの検出値がＥＣＵ３０に入力される。

［燃料噴射弁の構成］
燃料噴射弁７はソレノイド駆動方式の燃料噴射弁である。燃料噴射弁７の噴射弁本体（ボディ）７８内には燃料が流れる通路７１が形成されている。この通路７１には導入口７７を介してデリバリパイプから燃料が供給される。供給された燃料は後述するニードル弁７３の動作に伴って、ボディ７８の先端部に形成された噴孔７６から噴射される。

通路７１の内部にはプランジャ７２が摺動自在に設けられている。プランジャ７２の先端にはニードル弁７３が形成されている。ニードル弁７３は、コイルスプリング７４によって燃料噴射弁７の先端方向（図２における下方向）に付勢されている。また、プランジャ７２を囲むように環状のソレノイドコイル７５がボディ７８内に設けられている。このソレノイドコイル７５が励磁されると、プランジャ７２に対して吸引力が働き、コイルスプリング７４の付勢力に抗してプランジャ７２を燃料噴射弁７の先端方向とは逆方向（図２における上方向）に変位させることが可能となる。また、燃料噴射弁７においては、ソレノイドコイル７５への供給電流量を調整することでプランジャ７２に作用する吸引力が制御される。

ボディ７８の先端部の内部には、シート部７９及びサック８０が形成されている。コイルスプリング７４の付勢力によってニードル弁７３がシート部７９に着座すると、通路７１から噴孔７６への燃料の供給が遮断される。つまり、燃料噴射弁７が閉弁状態となり、燃料噴射が停止される。一方、ソレノイドコイル７５が励磁されることによってプランジャ７２に対して吸引力が生じ、それによって、ニードル弁７３が上方（図２における上方向）にリフトされ、該ニードル弁７３がシート部７９から離間すると、通路７１からサック８０を介して噴孔７６へ燃料が供給される。つまり、燃料噴射弁７が開弁状態となり、燃料が噴射される。
尚、図３において、破線はニードル弁７３がシート部７９に着座した状態を示している。燃料噴射時におけるニードル弁７３のシート部７９からリフト量の制御については後述する。

［リフト制御］
次に、本実施例に係る燃料噴射時のニードル弁のリフト制御について説明する。 上述したように、燃料噴射弁７から燃料が噴射される際には、ニードル弁７３が上方にリフトされることで、該ニードル弁７３がシート部７９から離間する。これにより、通路７１からサック８０を介して噴孔７６へ燃料が供給されて、該噴孔７６から燃料が噴射される。

そして、本実施例に係る燃料噴射弁７においては、ソレノイドコイル７５への供給電流量を調整することでプランジャ７２に作用する吸引力を制御し、それによって、開弁状態時におけるニードル弁７３のリフト量を可変に制御することが可能となっている。尚、ここでのニードル弁７３のリフト量とは、ニードル弁７３がシート部７９から離間してから次にシート部７９に着座するまでの間において、ニードル弁７３の位置がシート部７９から最も離れた時のリフト量のことである。

ここで、本発明に係る内燃機関１では、燃料噴射弁７の先端部が気筒８内に臨んでいる。このような構成では、燃料噴射弁７の先端部が燃焼室での燃焼による火炎に晒されることになる。そのため、燃料噴射弁７の先端部に燃料に由来する煤等のデポジットが堆積し易い。このデポジットは、噴孔７６内のみならず、燃料噴射弁７の先端部の内部（例えば、サック８０内、シート部７９、及びニードル弁７３の先端部等）にも堆積する。燃料噴射弁７の先端部の内部に過剰な量のデポジットが堆積すると、実際の燃料噴射量を目標噴射量に制御することが困難となったり、燃料の噴霧特性が変化したりする虞がある。

そこで、本実施例においては、燃料噴射弁７の内部に堆積したデポジットを除去するために、開弁状態時におけるニードル弁７３のリフト量を最大リフト量よりも低減する低リフト制御を実行する。

通常の燃料噴射時においては、開弁状態時におけるニードル弁７３のリフト量は最大リフト量に制御される。尚、最大リフト量とは、燃料噴射弁７の構成に応じて定まるニードル弁７３のリフト量の最大値である。ニードル弁７３のリフト量が最大リフト量に制御された場合、開弁状態時におけるシート部７９とニードル弁７３との間の開口面積は噴孔７６の噴孔面積よりも大きくなる。

これに対し、低リフト制御では、開弁状態時におけるシート部７９とニードル弁７３との間の開口面積が噴孔７６の噴孔面積よりも小さくなるようにニードル弁７３のリフト量を制御する。尚、噴射弁本体に噴孔が複数形成されている場合は、開弁状態時におけるシート部とニードル弁との間の開口面積が全ての噴孔の噴孔面積の総和よりも小さくなるようにニードル弁のリフト量が制御される。

開弁状態時におけるシート部７９とニードル弁７３との間の開口面積が噴孔７６の噴孔面積よりも小さくなると、噴孔７６から燃料が噴射されるまでの該燃料の流路における最小絞り部はボディ７８内部のシート部７９部分となる。これによりシート部７９部分における燃料の流速が大きくなり、その結果、サック８０内における燃料の流速も大きくなる。

また、通常の燃料噴射時、つまり、ニードル弁７３のリフト量が最大リフト量に制御されている場合は、ボディ７８内部のシート部７９部分やサック８０内においては、液体燃料が単相流として流れることとなる。これに対し、開弁状態時におけるシート部７９とニードル弁７３との間の開口面積が噴孔７６の噴孔面積よりも小さくなると、ボディ７８内部におけるシート部７９部分よりも上流側とそれよりも下流側との圧力差（つまり、通路７１内とサック８０内との圧力差）が大きくなる。その結果、キャビテーションが生じ易くなる。そのため、ボディ７８内部のシート部７９部分やサック８０内において、液体燃料と気泡との二相流（気液混合流）が生じることとなる。

低リフト制御を実行することによって生じる上記のような作用によれば、サック８０内、シート部７９、及びニードル弁７３の先端部等の燃料噴射弁７の先端部の内部に堆積したデポジットの剥離を促進させることができる。従って、燃料噴射弁７の先端部の内部に
堆積したデポジットをより効果的に除去することが可能となる。

［その他の制御］
また、本実施例においては、燃料噴射弁７の内部に堆積したデポジットを除去すべく低リフト制御を実行するときには、それに加えて、燃圧上昇制御及び分割噴射制御を実行する。

燃圧上昇制御は、デリバリパイプから燃料噴射弁７に供給される燃料の圧力を通常の燃料噴射時よりも上昇させる制御である。この燃圧上昇制御は、ＥＣＵ３３によって燃料ポンプ３４の回転数を上昇させて、燃料タンクからデリバリパイプへの燃料の供給量を増加させることで実現される。尚、このような燃圧上昇制御を実行しなくとも、低リフト制御を実行すると、シート部７９より上流側の圧力は上昇することとなる。

分割噴射制御は、通常の燃料噴射時においては一回の燃料噴射によって噴射している量の燃料を複数回の燃料噴射に分割して噴射する制御である。この分割噴射制御は、ＥＣＵ３０によってニードル弁７３の開閉タイミング変更し、その開閉回数を増加させることで実現される。

燃圧上昇制御を実行すると、ボディ７８内部のシート部７９部分やサック８０内における燃料の流速が上昇する。また、分割噴射制御を実行すると、サック８０内における圧力変動の回数が増加する。そのため、低リフト制御に加えてこれらの制御を実行することで、燃料噴射弁７の先端部の内部に堆積したデポジットの除去をより促進させることができる。

［燃料噴射制御フロー］
以下、低リフト制御での燃料噴射を実行する場合の制御フローについて図４に基づいて説明する。図４は、本実施例に係る低リフト制御での燃料噴射を実行する場合のフローを示すフローチャートである。本フローは、ＥＣＵ３０に予め記憶されており、ＥＣＵ３０によって繰り返し実行される。

本フローでは、ステップＳ１０１において、内燃機関１から排出される排気の空燃比Ｆａｆが所定の閾値ｔｈ以上であるか否かが判別される。燃料噴射弁７の先端部にデポジットが堆積することで、実際の燃料噴射量が目標噴射量よりも少なくなると排気の空燃比が高くなる。ここで、所定の閾値ｔｈは、燃料噴射弁７の先端部におけるデポジットの堆積量が所定堆積量以上となったと推定できる空燃比の閾値である。また、所定堆積量は、燃料噴射弁７の先端部に堆積したデポジットの除去を実行すべきと判断できるデポジット堆積量の閾値である。

尚、燃料噴射弁７の先端部に堆積したデポジットの除去を実行すべきか否かについては、排気の空燃比以外のパラメータを用いて判別することもできる。例えば、燃料噴射弁７からの燃料噴射量の積算値及び内燃機関１の温度履歴等に基づいて燃料噴射弁７の先端部におけるデポジットの堆積量を推定し、その推定値に基づいて、その判別を行ってもよい。また、内燃機関１の運転中において所定時間が経過する毎に、燃料噴射弁７の先端部に堆積したデポジットの除去を実行すべきと判定するようにしてもよい。

ステップＳ１０１において否定判定された場合、本フローの実行は一旦終了される。この場合、通常の燃料噴射（即ち、ニードル弁７３のリフト量を最大リフト量に制御して行なわれる燃料噴射）を実行するためのフローが実行される。一方、ステップＳ１０１において肯定判定された場合、次にステップＳ１０２〜Ｓ１０６の処理が実行される。

ステップＳ１０２においては、低リフト制御におけるニードル弁７３の目標リフト量Ｌ１が算出される。この目標リフト量Ｌ１は、弁状態時におけるシート部７９とニードル弁７３との間の開口面積が噴孔７６の噴孔面積よりも小さくなり、且つ、内燃機関１の運転状態に応じて要求される燃料噴射量を満たすことができる範囲内の値として算出される。

ステップＳ１０３においては、上記の燃圧上昇制御における目標燃料圧力Ｐｒが算出される。ステップＳ１０４においては、通常の燃料噴射を実行する場合に一回の燃料噴射によって噴射する目標燃料噴射量ｑｓｔｒが算出される。ステップＳ１０５では、上記分割噴射制御における燃料噴射の目標分割数ｎが算出される。目標燃料圧力Ｐｒ、目標燃料噴射量ｑｓｔｒ、及び目標分割数ｎは、いずれも、ニードル弁７３のリフト量を目標リフト量Ｌ１とする低リフト制御が実現でき、且つ、内燃機関１の運転状態に応じて要求される燃料噴射量を満たすことができる範囲内の値として算出される。尚、目標リフト量Ｌ１、目標燃料圧力Ｐｒ、目標燃料噴射量ｑｓｔｒ、及び目標分割数ｎは、いずれも内燃機関１の運転状態をパラメータとするマップ又は関数を用いて算出することができる。

次に、ステップＳ１０６において、ニードル弁７３のリフト量を目標リフト量Ｌ１に制御する低リフト制御、デリバリパイプから燃料噴射弁７に供給される燃料の圧力を目標燃料圧力Ｐｒに制御する燃圧上昇制御、及び、燃料噴射の分割数を目標分割数ｎに制御する分割噴射制御を実行しつつ、燃料噴射弁７からの燃料噴射が実行される。

［タイムチャート］
図５は、上記のような低リフト制御、燃圧上昇制御、及び分割噴射制御を実行しつつ燃料噴射を実行したとき（低リフト・高燃圧・分割噴射）と、通常の燃料噴射を実行したとき（通常噴射）と、における、燃料噴射弁駆動信号、燃料噴射弁駆動電流、ニードル弁のリフト量、燃料噴射弁への供給燃料圧力、サック内圧力、噴孔デポジット洗浄力、及び噴射弁内部デポジット洗浄力の推移を示すタイムチャートである。尚、噴孔デポジット洗浄力とは、噴孔７６内に堆積したデポジットの除去に寄与する力ことであり、噴射弁内部デポジット洗浄力とは、燃料噴射弁７の先端部の内部に堆積したデポジットの除去に寄与する力のことである。また、図５は、分割噴射制御における分割回数を３回とした場合を示している。ただし、分割噴射制御における分割回数は３回に限られるものではない。

図５に示すように、低リフト・高燃圧・分割噴射を実行した場合、サック内圧力が繰り返し負圧となるため、通路７１内とサック８０内との圧力差が繰り返し大きくなる。これによりキャビテーションが生じ易くなる。その結果、通常噴射を実行した場合に比べて、噴射弁内部デポジット洗浄力が大きくなる。

尚、低リフト・高燃圧・分割噴射を実行した場合、通常噴射を実行した場合に比べて、噴孔デポジット洗浄力が小さくなる可能性がある。そのため、低リフト・高燃圧・分割噴射を実行するタイミングとは異なるタイミングで、噴孔に堆積したデポジットを優先的に除去するために通常噴射によるデポジットの除去を実行してもよい。

また、本実施例に係る低リフト制御を実行する場合には、燃圧上昇制御および分割噴射制御を必ず実行しなければいけないわけではない。しかしながら、上記のように、これらの制御のいずれか一方又は両方を低リフト制御と合わせて実行することで、燃料噴射弁７の内部に堆積したデポジットをより効果的に除去することが可能となる。

１・・・内燃機関
２・・・吸気ポート
４・・・吸気弁
６・・・点火プラグ
７・・・燃料噴射弁
７１・・通路
７２・・プランジャ
７３・・ニードル弁
７４・・コイルスプリング
７５・・ソレノイドコイル
７６・・噴孔
７７・・導入口
７８・・噴射弁本体（ボディ）
７９・・シート部
８・・・気筒
９・・・ピストン
３０・・ＥＣＵ

Claims (4)

1. 噴射弁本体の先端部に噴孔が形成されており、噴射弁本体内部に形成された弁座部から弁体が離間すると該噴孔に燃料が供給される開弁状態となり、弁座部に弁体が着座すると噴孔への燃料の供給が遮断される閉弁状態となる燃料噴射弁と、
   前記燃料噴射弁の先端部に堆積したデポジットを除去すべき所定の条件が成立した場合、開弁状態時における弁座部と弁体との間の開口面積が噴孔面積よりも小さくなるように弁体の弁座部からのリフト量を低減する低リフト制御を実行するリフト制御部と、
   を備える内燃機関の燃料噴射システム。
2. 前記所定の条件が、前記燃料噴射弁の先端部におけるデポジットの堆積量が所定堆積量以上となったことが検知又は推定されたことである請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射システム。
3. 前記リフト制御部によって低リフト制御を実行するときに、前記燃料噴射弁に供給される燃料の圧力を上昇させる燃圧制御部をさらに備える請求項１又は２に記載の内燃機関の燃料噴射システム。
4. 前記リフト制御部によって低リフト制御を実行するときに、該低リフト制御を実行せずに燃料噴射を行う場合の一回の燃料噴射分の燃料を、複数回の燃料噴射に分割して噴射する分割噴射実行部をさらに備える請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関の燃料噴射システム。

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