JP5853935B2

JP5853935B2 - 燃料噴射装置

Info

Publication number: JP5853935B2
Application number: JP2012244431A
Authority: JP
Inventors: 雅里池本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-11-06
Filing date: 2012-11-06
Publication date: 2016-02-09
Anticipated expiration: 2032-11-06
Also published as: JP2014092126A

Description

本発明は、燃料噴射装置に関する。

昨今、筒内噴射内燃機関、例えば、ディーゼル内燃機関に装備される燃料噴射装置において、結露により筒内残留ガス中の酸性分がインジェクタの先端部に付着し、インジェクタの先端部に設けられた噴孔部に腐食が発生することが懸念されている。噴孔部に腐食が発生すると、噴霧が影響を受け、スモークが発生する可能性がある。このようなインジェクタにおける結露の発生は、エンジン停止時のインジェクタノズル先端部温度に依存していると考えられる。インジェクタノズル先端部温度を精度良く把握することは、インジェクタの先端部の結露に対する適切な対策を講じる上で重要である。また、インジェクタノズル先端部温度を把握することは、インジェクタにおけるデポジット対策にも有効である。従来、インジェクタノズル先端部温度を推定する提案として、例えば、特許文献１が知られている。特許文献１には、インジェクタノズル先端部温度をデリバリパイプ内の燃料温度によって推定する内燃機関の燃料噴射装置が開示されている。また、特許文献２には、燃料噴射量等の燃焼温度に関わるパラメータ、エンジン回転数等の被熱時期、被熱時間に関わるパラメータ、減圧に伴う発熱量に関すパラメータを用いてインジェクタの先端温度を推定することが開示されている。

特開２００６−１３２５１７号公報特開２００９−２２２９号公報

しかしながら、前記特許文献１や特許文献２に開示された提案によってインジェクタノズル先端部温度を把握しようとすると、例えば、インジェクタの先端部にデポジットが付着しているような場合に正確な温度把握が困難になると考えられる。すなわち、インジェクタの先端部にデポジットが付着すると、デポジットとインジェクタとの隙間に空気層が形成されることがある。空気層が形成されるとインジェクタノズル先端部温度が低下する。しかしながら、前記特許文献１や特許文献２に開示された提案では、デポジット堆積に起因する温度の低下が反映されない。

そこで、本明細書開示の燃料噴射装置は、インジェクタノズル先端部温度を適切に把握することを課題とする。

かかる課題を解決するために、本明細書に開示された燃料噴射装置は、インジェクタに燃料を供給する高圧燃料部と、前記インジェクタ内から返送される燃料が流通する低圧燃料部と、前記高圧燃料部を流通する燃料に関する温度と、前記低圧燃料部に燃料を返送することで前記インジェクタに生じる前記インジェクタ内における燃料減圧に伴う上昇温度の和である第１温度を取得する第１温度取得部と、前記低圧燃料部を流通する燃料に関する第２温度を取得する第２温度取得部と、前記第１温度取得部により取得された第１温度と、前記第２温度取得部により取得された第２温度の差分に基づいてインジェクタノズル先端部温度を取得する演算部と、を備える。

低圧燃料部を流通する燃料には、インジェクタ内の余剰燃料や、インジェクタが備えるニードル弁をリフトさせるときに排出される燃料が含まれる。すなわち、低圧燃料部を流通する燃料は、インジェクタ内を通過した燃料であるため、インジェクタ先端部の温度の影響を受けている。従って、第１温度と第２温度の差分は、インジェクタ先端部の受熱量、すなわち、インジェクタノズル先端部温度に該当し、これにより、インジェクタノズル先端部温度を適切に把握することができる。

本明細書開示の燃料噴射装置は、前記インジェクタノズル先端部温度とＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）率とに基づいて、エンジン停止中燃料噴射が必要であるか否かの判断を行い、エンジン停止中燃料噴射が必要であると判断したときに、燃料噴射を行う燃料噴射指令部をさらに備えてもよい。

エンジン停止中燃料噴射は、噴孔腐食対策となる。インジェクタノズル先端部温度とＥＧＲ率とに基づいてエンジン停止中燃料噴射が必要であるか否かを適切に判断することにより、エンジン停止中燃料噴射を適切な頻度に抑えることができる。なお、ＥＧＲ率が参照されるのは、ＥＧＲガスには、噴孔周辺を腐食させる凝縮水の水分や強酸が含まれており、ＥＧＲガスの導入が噴孔腐食に影響を与えることがあると考えられるためである。

本明細書開示の燃料噴射装置によれば、インジェクタノズル先端部温度を適切に把握することができる。

図１は実施形態の燃料噴射装置が組み込まれたエンジンの概略構成を示す説明図である。図２はインジェクタの概略構成を模式的に示す説明図である。図３は燃料噴射装置の制御の一例を示すフロー図である。図４はＥＧＲ率を算出するマップの一例である。図５はインジェクタノズル先端部温度とＥＧＲ率との関係に基づき、エンジン停止中燃料噴射の実行可否を決定するマップの一例である。インジェクタ入口部における燃料の圧力脈動のＦＦＴ結果の一例を示すグラフである。図７は圧力脈動のピーク値と燃料温度との関係の一例を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されて描かれている場合もある。

（実施形態）
図１は実施形態の燃料噴射装置１が組み込まれたエンジン１００の概略構成を示す説明図である。図２はインジェクタ１０７の概略構成を模式的に示す説明図である。

エンジン１００は、筒内噴射を行うエンジン、より具体的にはディーゼルエンジンである。エンジン１００は４気筒である。エンジン１００は、エンジン本体１０１を備え、そのエンジン本体１０１に♯１気筒〜♯４気筒を備える。燃料噴射装置１は、このエンジン１００に組み込まれている。燃料噴射装置１は、♯１気筒〜♯４気筒に対応して、♯１インジェクタ１０７−１〜♯４インジェクタ１０７−４を備える。具体的に、♯１気筒には、♯１インジェクタ１０７−１が装着され、♯２気筒には♯２インジェクタ１０７−２が装着されている。♯３気筒には♯３インジェクタ１０７−３が装着され、♯４気筒には♯４インジェクタ１０７−４が装着されている。♯１インジェクタ１０７−１〜♯４インジェクタ１０７−４はそれぞれコモンレール１２０に接続され、コモンレール１２０から高圧の燃料が供給される。

エンジン１００は、エンジン本体１０１に取り付けられたインテークマニホールド１０２、エキゾーストマニホールド１０３を備える。インテークマニホールド１０２には、吸気管１０４が接続されている。エキゾーストマニホールド１０３には排気管１０５が接続されると共に、ＥＧＲ通路１０８の一端が接続されている。ＥＧＲ通路１０８の他端は、吸気管１０４に接続されている。ＥＧＲ通路１０８には、ＥＧＲクーラ１０９が設けられている。また、ＥＧＲ通路１０８には、排気ガスの流通状態を制御するＥＧＲバルブ１１０が設けられている。吸気管１０４には、エアフロメータ１０６が接続されている。エアフロメータ１０６は、ＥＣＵ１１１に電気的に接続されている。ＥＣＵ１１１には、インジェクタ１０７−ｉ（ｉは気筒番号を示す）、具体的に、♯１インジェクタ１０７−１〜♯４インジェクタ１０７−４が電気的に接続されている。ＥＣＵ１１１は、♯１インジェクタ１０７−１〜♯４インジェクタ１０７−４に対し、別個にエンジン停止中燃料噴射を指示する燃料噴射指令部として機能する。

ＥＣＵ１１１には、エンジンの回転数を測定するＮＥセンサ１１２、冷却水の水温を測定する水温センサ１１３及び燃料の温度を測定する燃温センサ１１４が電気的に接続されている。ＥＣＵ１１１は、燃料噴射指令部として機能するだけでなく、エンジン周辺の種々の制御を行う。

図２を参照すると、インジェクタ１０７は、先端部にノズルボディ１０７ａを備えている。ノズルボディ１０７ａには、噴孔が設けられている。インジェクタ１０７には、内部にニードル弁が摺動自在に収納されている。ノズルボディ１０７ａの温度が、インジェクタノズル先端部温度Ｔｎｚｌとなる。このようなノズルボディ１０７ａの先端部に凝縮水が付着すると腐食が発生する可能性がある。噴孔の周辺が腐食すると、噴孔の噴孔径が変化する可能性がある。噴孔径が変化すると、適切な燃料噴射に影響を与えることになる。

インジェクタ１０７は、基端側に内部に燃料を供給する高圧燃料部１０７ｂを備える。この高圧燃料部１０７ｂは、コモンレール１２０と接続されており、その接続経路中に高圧燃料部温度Ｔｉｎを測定する温度計１１５を備える。ここで、高圧燃料部温度Ｔｉｎは、高圧燃料部１０７ｂを流通する燃料に関する温度である。すなわち、燃料の温度を取得するために、高圧燃料部１０７ｂを流通する燃料の温度を直接測定する以外の方法、例えば、燃料の温度と相関性を有する高圧燃料部１０７ａの温度を測定する方法を採用してもよい。温度計１１５は、ＥＣＵ１１１と電気的に接続されている。

高圧燃料部１０７ｂとコモンレール１２０との接続経路中には、インジェクタ１０７の入口圧力Ｐｃｒを計測する圧力計１１６を備えている。これにより、コモンレール１２０からインジェクタ１０７に供給され、噴射される燃料の圧力を計測する。入口圧力Ｐｃｒは、インジェクタ１０７の燃料噴射動作に伴って、変動する。圧力計１１６は、ＥＣＵ１１１と電気的に接続されている。ＥＣＵ１１１、温度計１１５及び圧力計１１６は、第１温度取得部に含まれる。この第１温度取得部により、高圧燃料部１０７ｂを流通する燃料に関する温度（高圧燃料部温度Ｔｉｎ）と、インジェクタ１０７内における燃料減圧に伴う上昇温度ΔＴｌｅａｋの和である第１温度を取得する。すなわち、
第1温度＝Ｔｉｎ＋ΔＴｌｅａｋ
ここで、ΔＴｌｅａｋは、以下の式１、
ΔＴｌｅａｋ＝ｆ（Ｐｃｒ,Ｐｌｅａｋ）式１
Ｐｌｅａｋ＝ｃｏｎｓｔ．
によって求められる。
Ｐｌｅａｋは、インジェクタ１０７内で減圧された燃料の圧力である。ΔＴｌｅａｋは、高圧であるＰｃｒがインジェクタ１０７内で減圧されることにより、圧力として蓄えられたエネルギの熱エネルギへの変換に起因する上昇温度を示す。Ｐｌｅａｋは、インジェクタ１０７の機種（仕様）毎に適合値が定められる一定値（ｃｏｎｓｔ．）である。
なお、入口圧力Ｐｃｒの挙動を解析することにより、高温燃料部温度Ｔｉｎを推定することができる。この高温燃料部温度Ｔｉｎの推定については、後に説明する。

インジェクタ１０７は、インジェクタ１０７内から返送される燃料が流通する低圧燃料部１０７ｃを備える。低圧燃料部１０７ｃには、インジェクタ１０７内の余剰の燃料や、内部に収納されたニードル弁をリフトさせるときに排出させる燃料、すなわち、リターン燃料が流通する。燃料噴射装置１は、この低圧燃料部１０７ｃを流通する燃料に関する第２温度、すなわち、リターン燃料温度Ｔｌｅａｋを取得する温度計１１７を備える。温度計１１７は、ＥＣＵ１１１と電気的に接続されており、ＥＣＵ１１１とともに第２温度取得部に含まれる。ここで、Ｔｌｅａｋは、以下の式、
Ｔｌｅａｋ＝Ｔｉｎ＋ΔＴｌｅａｋ＋ｋ・Ｔｎｚｌ式２
ｋ＝ｃｏｎｓｔ．（係数）
で表現される。
従って、インジェクタノズル先端部温度Ｔｎｚｌは、以下の式３、
ｋ・Ｔｎｚｌ＝Ｔｌｅａｋ−（Ｔｉｎ＋ΔＴｌｅａｋ）式３
によって算出される。
すなわち、インジェクタノズル先端部温度Ｔｎｚｌは、第１温度と第２温度の差分に基づいて取得される。この演算は、ＥＣＵ１１１によって行われる。すなわち、ＥＣＵ１１１は、演算部として機能する。ここで、係数ｋは、インジェクタノズル先端部温度Ｔｎｚｌがリターン燃料温度Ｔｌｅａｋにどれだけ影響するかを示す係数であり、インジェクタ１０７の機種（仕様）毎に適合値が定められる一定値（ｃｏｎｓｔ．）である。

以下、燃料噴射装置１の制御の一例について、図３に示すフロー図を参照しつつ説明する。燃料噴射装置１の制御は、ＥＣＵ１１１が主体的に行う。

まず、ステップＳ１では、温度計１１５により高圧燃料部温度Ｔｉｎを取得する。次いで、ステップＳ２では、低圧燃料部１０７ｃを流通する燃料に関する温度Ｔｌｅａｋを取得する。さらに、ステップＳ３では、インジェクタ入口圧力Ｐｃｒを取得する。なお、ステップＳ１〜Ｓ３の措置は、必ずしも、この順序で行う必要はなく、順序を入れ換えてもよいし、同時並行的に行ってもよい。

ステップＳ１〜３に引き続き行われるステップＳ４では、上記式１に基づいてΔＴｌｅａｋを算出する。そして、ステップＳ５において、上記式３に基づいてインジェクタノズル先端部温度Ｔｎｚｌを算出する。本実施形態において、インジェクタノズル先端部温度Ｔｎｚｌは、インジェクタ１０７毎に取得されている。ここで、代表して一のインジェクタ１０７のインジェクタノズル先端部温度Ｔｎｚｌを取得し、他のインジェクタ１０７については、代表して取得したインジェクタ１０７のインジェクタノズル先端部温度Ｔｎｚｌを参酌してもよい。このとき、気筒の位置によって温度環境が異なることを考慮して、気筒の位置に応じてインジェクタノズル先端温部度Ｔｎｚｌを補正してもよい。

ステップＳ５に引き続き行われるステップＳ６では、エンジン１００が停止する前のＥＧＲ率γを取得する。ＥＧＲ率γは図４に一例を示すマップにより決定される。ＥＣＵ１１１は、自らＥＧＲ率γを決定するため、エンジン停止直前のＥＧＲ率γの値を保持している。

ステップＳ６に引き続き行われるステップＳ７では、噴孔腐食判定を行う。噴孔腐食判定は、インジェクタノズル先端部温度ＴｎｚｌとＥＧＲ率γとに基づいて行われる。図５は、インジェクタノズル先端部温度ＴｎｚｌとＥＧＲ率γとの関係に基づき、エンジン停止中燃料噴射の実行可否を決定するマップの一例である。図５を参照すると、ＥＣＵ１１１は、ＥＧＲ率γが低いほど、エンジン停止中燃料噴射を抑制する制御を行う。ＥＧＲ率γが低ければ、噴孔周辺での腐食が発生しにくいことを考慮したものである。すなわち、インジェクタ１０７が備える噴孔周辺を腐食させる凝縮水の水分や強酸は、ＥＧＲの導入に起因すると考えられる。このため、ＥＧＲ率γが高くなると凝縮水による噴孔周辺の腐食が進行し易くなると考えられる。一方、ＥＧＲ率γが低ければ凝縮水による噴孔周辺の腐食は生じにくい状態にあると考えられ、腐食対策の要求は弱くなる。そこで、ＥＧＲ率γが低いほど、エンジン停止中燃料噴射を抑制するように制御されている。具体的にインジェクタノズル先端部温度Ｔｎｚｌが同じであっても、ＥＧＲ率γが低いほど、凝縮水回避領域に入り易くなっている。この結果、エンジン停止中燃料噴射が回避され易くなり、エンジン停止中燃料噴射の頻度が低下する。このように、噴孔腐食判定が、インジェクタノズル先端部温度ＴｎｚｌとＥＧＲ率γとに基づいて行われることにより、その精度が向上し、ひいては、エンジン停止中燃料噴射の要否が精度良く判断される。この結果、無駄な燃料噴射を回避することでき、燃費や排気エミッションの悪化を抑制することができる。なお、噴孔腐食判定も、インジェクタ毎に行われる。

ステップＳ７でＮｏと判断したインジェクタ１０７については、処理は終了となる（エンド）。一方、ステップＳ７でＹｅｓと判断したインジェクタ１０７については、ステップＳ８へ進んでエンジン停止中燃料噴射を実行する。

このようにエンジン停止中燃料噴射が実行されることにより、凝縮水の付着が判定されたインジェクタ１０７−ｉの先端部、特に噴孔周辺への凝縮水の付着が抑制され、腐食が回避される。

本実施形態の燃料噴射装置１によれば、インジェクタ１０７の先端部（ノズルボディ１０７ａ）に凝縮水が付着するか否か、換言すれば、エンジン停止中燃料噴射の要否が精度良く判断される。この結果、インジェクタ１０７の噴孔周辺への凝縮水の付着を抑制することができる範囲内でエンジン停止時燃料噴射の回数を低減し、燃料噴射量を低減することができる。これにより、異常燃焼、白煙排出、燃費や排気エミッションの悪化を抑制することができる。また、エンジン停止中燃料噴射は、エンジン停止中のピストン位置によっては、オイル希釈や燃焼室損傷の可能性があるが、エンジン停止中燃料噴射の頻度が低減されるため、これらの可能性を低下することができる。

また、インジェクタノズル先端部温度Ｔｎｚｌを正確に把握することにより、噴孔腐食の発生以外、例えば、噴孔周辺のデポジット堆積の推定も精度良く行うことができるようになる。また、インジェクタノズル先端部温度Ｔｎｚｌは、温度特性による燃料噴射量補正等にも利用することができる。

ここで、インジェクタノズル先端部温度Ｔｎｚｌの算出の例について示す。測定値であるリターン燃料温度Ｔｌｅａｋ、高温燃料部温度Ｔｉｎ、燃料減圧に伴う上昇温度ΔＴｌｅａｋがそれぞれ、
Ｔｌｅａｋ＝５５℃、Ｔｉｎ＝４０℃、ΔＴｌｅａｋ＝１０℃
であったとする。このとき、式３に基づいて算出されたｋ・Ｔｎｚｌは、
ｋ・Ｔｎｚｌ＝５℃となる。
そして、係数ｋが例えば、ｋ＝１／２０であったとすると、インジェクタノズル先端部温度ＴｎｚｌはＴｎｚｌ＝１００℃となる。

一方、例えば、噴孔周辺にデポジットが堆積している場合には、ノズル先端部温度Ｔｎｚｌは低くなる。例えば、リターン燃料温度Ｔｌｅａｋの測定値が５４℃であった場合、Ｔｉｎ、ΔＴｌｅａｋが同値であれば、ｋ・Ｔｎｚｌ＝４℃となり、Ｔｎｚｌ＝５４℃となる。

このように、本実施形態の燃料噴射装置によれば、インジェクタノズル先端部温度Ｔｎｚｌを適切に把握することができる。

（変形例）
上記実施形態では、高圧燃料部温度Ｔｉｎを温度計１１５により、計測していた。ここでは、この温度計１１５による実測に代えて、入口圧力Ｐｃｒの挙動を解析することにより、高温燃料部温度Ｔｉｎを取得する例について説明する。図６は、インジェクタ入口部における燃料の圧力脈動のＦＦＴ結果の一例を示すグラフである。図７は圧力脈動のピーク値と燃料温度との関係の一例を示すグラフ出ある。図６を参照すると、インジェクタノズル先端部温度Ｔｎｚｌを異なる温度（３種類）とした場合の、入口圧力Ｐｃｒの圧力脈動のＦＦＴ（Fast Fourier transform）が示されている。図６を参照すると、インジェクタノズル先端部温度Ｔｎｚｌが異なると、異なるピーク位置ａ、ｂ、ｃが示される。図７を参照すると、ピーク位置に応じた燃料温度（インジェクタノズル先端部温度Ｔｎｚｌ）ａ１、ｂ１、ｃ１が求められ、ピーク位置と燃料温度とが相関関係を有していることがわかる。従って、入口圧力Ｐｃｒを把握することにより、燃料温度（インジェクタノズル先端部温度Ｔｎｚｌ）を推定することが可能となる。高温燃料部温度Ｔｉｎはこのように取得することもできる。入口圧力Ｐｃｒを利用して高温燃料部温度Ｔｉｎを取得すれば、温度計１１５を廃止することができる。

上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。

１燃料噴射装置１００エンジン
１０１エンジン本体１０２インテークマニホールド
１０３エキゾーストマニホールド１０４吸気管
１０５排気管１０７インジェクタ
１１１ＥＣＵ１１５、１１７温度計
１１６圧力計

Claims

インジェクタに燃料を供給する高圧燃料部と、
前記インジェクタ内から返送される燃料が流通する低圧燃料部と、
前記高圧燃料部を流通する燃料に関する温度と、前記低圧燃料部に燃料を返送することで前記インジェクタに生じる前記インジェクタ内における燃料減圧に伴う上昇温度の和である第１温度を取得する第１温度取得部と、
前記低圧燃料部を流通する燃料に関する第２温度を取得する第２温度取得部と、
前記第１温度取得部により取得された第１温度と、前記第２温度取得部により取得された第２温度の差分に基づいてインジェクタノズル先端部温度を取得する演算部と、
を備えた燃料噴射装置。
前記インジェクタノズル先端部温度とＥＧＲ率とに基づいて、エンジン停止中燃料噴射が必要であるか否かの判断を行い、エンジン停止中燃料噴射が必要であると判断したときに、燃料噴射を行う燃料噴射指令部をさらに備える請求項１記載の燃料噴射装置。