JP6003985B2 - 燃料噴射装置 - Google Patents

Description

この発明は、燃料噴射装置に係り、特に、燃料噴射弁によって噴射される前の燃料を加熱するためのヒータを備える燃料噴射装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、内燃機関用の燃料噴射装置が開示されている。この従来の燃料噴射弁は、噴射される直前の燃料を加熱するヒータを内蔵している。このヒータは、所定の電力源から電力の供給を受けることによって発熱するように構成されている。上記燃料噴射弁では、ヒータの表面温度がデポジットの付着しない所定の温度範囲内の値となるように、ヒータの抵抗値が所定の範囲内の値に設定されている。

ヒータの温度は、ヒータの抵抗値との間の一義的な関係に基づいて推定可能なものである。そして、ヒータの抵抗値は、ヒータに印加された電圧（ヒータの両端電圧）とヒータを流れる電流とに基づいて算出することができる。しかしながら、ハードウェア上のばらつき要因（ヒータの抵抗値のばらつき、および、ヒータに電力を供給するワイヤーハーネスの抵抗値のばらつきなど）によって、ヒータ温度の推定値に誤差が生じ得る。

日本特開２００４−３１６５２０号公報

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、噴射される前の燃料がヒータによって加熱される燃料噴射弁を備える場合に、ヒータ温度の推定精度を良好に向上させることのできる燃料噴射装置を提供することを目的とする。

本発明は、燃料噴射装置であって、燃料噴射弁と、ヒータと、ヒータ温度推定手段と、ヒータ温度補正手段とを備えている。
燃料噴射弁は、燃料を噴射するものである。ヒータは、所定の電力源から電力の供給を受け、燃料噴射弁から噴射される前に燃料を加熱するものである。ヒータ温度推定手段は、ヒータの抵抗値に基づいてヒータの温度を推定する。ヒータ温度補正手段は、ヒータへの通電開始後にヒータの抵抗値の変曲点が生じたときのヒータ温度の推定値と燃料の核沸騰開始点温度との差を小さくする補正を、ヒータ温度推定手段により推定されるヒータの温度に対して施す。

ヒータにより加熱される燃料に核沸騰が発生し始める核沸騰開始点が到来すると、ヒータの抵抗値に変曲点が生ずる。また、燃料の核沸騰開始点温度は、燃料性状と燃料圧力とに基づいて一義的に定まるものである。本発明によれば、ヒータへの通電開始後にヒータの抵抗値の変曲点が生じたときのヒータ温度の推定値と燃料の核沸騰開始点温度との差を小さくする補正が、ヒータ温度推定手段により推定されるヒータの温度に対して施される。これにより、ハードウェア上のばらつき要因によって生じ得るヒータ温度の推定誤差を、ヒータの抵抗値の変曲点の到来時、すなわち、核沸騰開始点の到来時に好適に補正することができる。そして、このようなヒータ温度推定値の補正処理によって、ヒータ温度の推定精度を高めることができる。

また、本発明における前記ヒータ温度補正手段は、上記差を小さくするための補正値を、上記変曲点が生じた時以降にヒータ温度推定手段により推定されるヒータの温度に対して反映させるものであってもよい。
上記構成によれば、本発明におけるヒータ温度の補正が、上記変曲点が生じた時以降にヒータ温度推定手段により推定されるヒータの温度に対して継続的に実行されるようになる。これにより、ヒータ温度の推定精度を効果的に高めることができる。

また、本発明における前記ヒータ温度補正手段による補正は、上記差をゼロとするための補正を、ヒータ温度推定手段により推定されるヒータの温度に対して施すものであってもよい。
上記構成によれば、本発明におけるヒータ温度の補正の好適な態様として、ヒータの抵抗値の変曲点が生じたときに、上記差をゼロとするための補正を行われる。これにより、ヒータ温度の推定精度を効果的に高めることができる。

本発明の実施の形態１における燃料噴射装置の主要部の構成を説明するための図である。 燃料の沸騰曲線を表した図である。 ヒータへの通電開始後のヒータの抵抗値Ｒ_Ｈｔｒおよび温度の時間変化を表した図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における燃料噴射装置の主要部の構成を説明するための図である。
本実施形態の燃料噴射装置は、図１に示すように燃料噴射弁１０を備えている。燃料噴射弁１０は、内燃機関の燃焼室もしくは吸気通路に対して燃料を噴射するために用いられる。燃料噴射弁１０には、図示省略する燃料ポンプにより加圧された燃料が燃料入口１２から供給されるようになっている。燃料噴射弁１０は、略円筒形状であり、一端（燃料入口１２）から供給された燃料は、燃料噴射弁１０の内部を流通した後に、他端に形成された噴孔１４から噴射される。

燃料噴射弁１０の内部には、軸方向に移動自在にニードル弁１６が収容されている。ニードル弁１６は、電磁駆動部１８によって駆動されて軸方向に移動することで、噴孔１４を開閉する。電磁駆動部１８は、電磁コイル１８ａ、アーマチャ１８ｂおよび圧縮スプリング１８ｃを主たる構成要素としている。

更に、燃料噴射弁１０には、その内部に形成された燃料流れ経路を流れる燃料と接触する位置に、ヒータ２０が内蔵されている。ヒータ２０は、所定の電力源（燃料噴射弁１０を備える内燃機関を搭載する車両のバッテリなど）から電力の供給を受けるものであり、温度が高くなると電気抵抗値が大きくなる特性（ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient））を有する発熱抵抗体を備えるものである。

図１に示すシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）３０を備えている。ＥＣＵ３０は、図示省略するＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ、入力ポートおよび出力ポートを相互に双方向性バスで接続した公知の構成のマイクロコンピュータとして構成されている。ＥＣＵ３０は、上記バッテリ等の電源を用いて、燃料噴射弁１０のターミナル２２への通電開始および通電停止を行うことで、燃料噴射弁１０への通電期間を制御する。また、ＥＣＵ３０は、上記バッテリ等の電源を用いて、通電端子２４を介してヒータ２０に所定時間電流を流すことによって所定の電力量を供給する。より具体的には、ＥＣＵ３０は、内燃機関の運転状態（エンジン回転数、吸入空気量および冷却水温度など）を検出する各種センサ（図示省略）の信号を読み込み、所定のプログラムに従って、燃料噴射弁１０およびヒータ２０の通電を制御する。

以上説明したように、本実施形態の燃料噴射弁１０では、内蔵したヒータ２０によって、噴孔１４から噴射される直前の燃料が加熱されるようになっている。例えば、ＥＣＵ３０は、内燃機関が冷間始動する場合に、イグニッションスイッチ（図示省略）がＯＮ状態とされたことを検出すると、ヒータ２０への通電を開始する。このようにヒータ２０に通電された状態で燃料噴射弁１０からの燃料噴射が行われると、燃料噴射弁１０の内部を流通する燃料が、ヒータ２０によって加熱されたうえで噴孔１４から噴射される。加熱された燃料を噴孔１４から噴射することによって、燃料の微粒化（霧化）を促進することができる。これにより、排気エミッションを効果的に低減することができる。

次に、ヒータ２０の抵抗値Ｒ_Ｈｔｒに基づくヒータ温度の推定手法について説明する。
ヒータ２０には、駆動電圧（ここでは、一例としてバッテリ電圧）が図示省略するワイヤーハーネス（電線）を介して印加される。ここでいうワイヤーハーネスの一部には、上記通電端子２４が含まれるものとする。ＥＣＵ３０は、バッテリ電圧と、ワイヤーハーネスの全体での電圧降下Ｖ_ＷＨという２つの入力を検知可能に構成されている。このワイヤーハーネスの全体としての電気抵抗値をＲ_ＷＨとする。この電気抵抗値Ｒ_ＷＨ自体は、設計上の値としてＥＣＵ３０に記憶されている。ＥＣＵ３０は、この電気抵抗値Ｒ_ＷＨをいわゆるシャント抵抗として利用し、電圧降下Ｖ_ＷＨに基づいて、ヒータ２０を流れる電流値Ｉを算出する。

そのうえで、ＥＣＵ３０は、算出された電流値Ｉとヒータ２０の両端電圧Ｖ_Ｈｔｒ（バッテリ電圧から電圧降下Ｖ_ＷＨを引いて得られる値）とからヒータ２０の抵抗値（内部抵抗値）Ｒ_Ｈｔｒを算出する。ヒータ２０の抵抗値Ｒ_Ｈｔｒと温度との間には、一義的な関係が存在する。ＥＣＵ３０には、そのような関係を記憶されている。このため、ＥＣＵ３０は、そのような関係と、算出されたヒータ２０の抵抗値Ｒ_Ｈｔｒとに基づいてヒータ温度の推定値を算出することができる。

図２は、燃料の沸騰曲線を表した図である。より具体的には、図２は、液体である燃料の沸騰現象を、伝熱面（ヒータ２０の表面）と燃料との間の熱流束と、液体の飽和温度（沸点）に対する伝熱面の温度（ヒータ２０の表面温度）の差（過熱度）との関係で表したものである。

燃料噴射弁１０に内蔵されたヒータ２０で燃料を加熱すると、図２に示すように、過熱度（ヒータ２０の表面温度と燃料沸点との差）に応じて燃料の沸騰状態が変化する。具体的には、加熱初期の自然対流による非沸騰領域（図２中に「対流」と付した領域）に対してヒータ２０による燃料の加熱が進行すると、伝熱面の温度が核沸騰開始点Ａに達し、核沸騰領域に差し掛かる。核沸騰領域に入ると、図２に示すように、熱流束が急激に大きくなる。核沸騰開始点Ａを超えて熱流束が大きくなると、ヒータ２０に与えた熱が燃料に伝わり易くなる。このため、少ないエネルギで燃料を効果的に温めるには、熱流束の大きな核沸騰領域を使用することが最も有効であるといえる。そして、効果的に核沸騰領域を使用するためには、ヒータ２０の温度（表面温度）を核沸騰が発生する温度内に制御することが必要となる。

既述した推定手法によれば、ヒータ２０の抵抗値Ｒ_Ｈｔｒに基づいてヒータ温度の推定値を算出することができる。しかしながら、ヒータ２０の通電経路には、ハードウェア上のばらつき要因（ヒータ２０の抵抗値Ｒ_Ｈｔｒのばらつき、および、上記ワイヤーハーネスの抵抗値Ｒ_ＷＨのばらつきなど）が存在する。このようなばらつき要因によって、上記のように算出されるヒータ２０の電流値Ｉや抵抗値Ｒ_Ｈｔｒにばらつきが生じ得る。その結果、ヒータ温度の推定値に誤差が生じ得る。

核沸騰領域を利用すべくヒータ温度を制御する際には、ヒータ２０の過熱防止のために上記のような推定誤差の存在によって実際のヒータ温度が推定値よりも高い状況となり得ることを想定しておく必要がある。そうすると、ヒータ温度を低めの温度範囲内で制御することが必要となり、その結果、核沸騰領域を広く（上限近くまで）利用することが難しくなる。そこで、本実施形態では、ヒータ温度の推定精度を高めるために、ヒータ２０の使用中に上記の手法を用いて推定されるヒータ温度に対して次のような補正を行うようにした。

図３は、ヒータ２０への通電開始後のヒータ２０の抵抗値Ｒ_Ｈｔｒおよび温度の時間変化を表した図である。
図３中の時刻ｔ_Ａは、ヒータ２０への通電開始後に核沸騰開始点(Onset of Nucleate Boiling)Ａが到来するタイミングを示している。上述したように、核沸騰開始点Ａを超えて熱流束が大きくなると、ヒータ２０に与えた熱が燃料に伝わり易くなる。その結果、図３に示すように、時刻ｔ_Ａが到来した後の核沸騰発生期間では、ヒータ２０の温度上昇が鈍くなる（停滞する）。そして、このようなヒータ２０の温度上昇の停滞（プラトー）が発生する時刻ｔ_Ａが到来した時には、図３に示すように、ヒータ２０への通電開始後のヒータ２０の抵抗値Ｒ_Ｈｔｒの時間変化曲線に変曲点が現れる。

そこで、本実施形態では、ヒータ温度の推定のために算出している抵抗値Ｒ_Ｈｔｒの時間変化曲線に対してヒータ２０への通電開始後に（最初の）変曲点を検出した時に、ヒータ２０により加熱される燃料に核沸騰が発生し始める核沸騰開始点Ａが到来したと判断するようにした。ここで、この判断がなされた時点のヒータ温度の推定値を、「核沸騰開始時のヒータ温度推定値」と称する。本実施形態では、上記判断がなされた時に、核沸騰開始点Ａの燃料の温度（以下、「核沸騰開始点温度」と称する）に対する核沸騰開始時のヒータ温度推定値の差（ずれ量）をゼロとするための補正を、ヒータ２０の抵抗値Ｒ_Ｈｔｒの変曲点が生じた時（核沸騰開始点Ａが到来したと判断した時）以降に推定されるヒータの温度に対して施すようにした。

図４は、本発明の実施の形態１におけるヒータ温度の特徴的な補正処理を実現するために、ＥＣＵ３０が実行するルーチンを示すフローチャートである。尚、本ルーチンは、所定の制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。

図４に示すルーチンでは、先ず、ヒータ２０がＯＮ状態であるか（ヒータ２０への通電中であるか）否かが判定される（ステップ１００）。その結果、ヒータ２０がＯＮ状態にあると判定された場合には、既述した手法によって、ヒータ２０の抵抗値Ｒ_Ｈｔｒが算出される（ステップ１０２）。次いで、算出された抵抗値Ｒ_Ｈｔｒと、ＥＣＵ３０が記憶している抵抗値Ｒ_Ｈｔｒとヒータ温度との関係に従って、ヒータ温度の推定値が算出される（ステップ１０４）。

次に、ステップ１０２の処理によってヒータ２０への通電開始後に繰り返し算出されることによって得られていくヒータ２０の抵抗値Ｒ_Ｈｔｒの時間変化曲線に、（通電開始後に最初に到来する）変曲点が現れたか否かが判定される（ステップ１０６）。その結果、本ステップ１０６の判定が不成立である場合には、ステップ１００以降の処理が繰り返し実行される。

一方、ステップ１０６において上記変曲点が検出された場合、つまり、核沸騰開始点Ａが到来したと判断できる場合には、核沸騰開始点温度に対する核沸騰開始時のヒータ温度推定値の差をゼロとするための補正が、ヒータ２０の抵抗値Ｒ_Ｈｔｒの変曲点（核沸騰開始点Ａ）が到来したと判断した時以降に推定されるヒータの温度に対して施される（ステップ１０８）。すなわち、本ステップ１０８による補正は、ステップ１０６の判定が成立した後にヒータ２０への通電が継続される期間中に継続して実行されることになる。

核沸騰開始点Ａは、燃料の種類（すなわち、燃料の物性）と燃料圧力とで一義的に決まるものである。例えば、アルコール１００％の燃料が使用されている場合に燃料圧力が３００ｋＰａ程度であれば、核沸騰開始点温度は約１３０℃となる。

使用燃料が特定の燃料（例えば、ガソリン）で固定され、かつ、燃料圧力が内燃機関の仕様によって所定の固定値に設定されている内燃機関の場合には、本ステップ１０８で用いる核沸騰開始点温度としては、ＥＣＵ３０に予め記憶された値（規定の燃料種類および燃料圧力に応じた値）が使用される。一方、例えば、炭化水素燃料とアルコール燃料との混合燃料を任意の混合比率範囲内で使用する内燃機関のように、給油の仕方によって燃料タンク内の燃料の性状が変化することのある車両に搭載された内燃機関の場合には、アルコール濃度センサや空燃比センサ等を利用して推定した現在の使用燃料の性状に応じた核沸騰開始点温度が本ステップ１０８において使用されることになる。また、燃料圧力を運転中に変更可能な内燃機関の場合には、燃料圧力センサによって検知される現在の燃料圧力に応じた核沸騰開始点温度が本ステップ１０８において使用されることになる。

本ステップ１０８のヒータ温度の補正によれば、核沸騰開始点Ａの到来時において、ヒータ２０への通電開始後に抵抗値Ｒ_Ｈｔｒに基づいて推定されてきたヒータ温度が、核沸騰開始点温度（上記の例の場合には、１３０℃）に直ちに置き換えられるようになる。更に、この時点以降のヒータ温度が、核沸騰開始点Ａの値を基準として推定されることになる。より具体的には、核沸騰開始点Ａの到来時のヒータ温度の推定値を核沸騰開始点温度に補正するために必要な補正量がＸであるとすると、この時点以降のヒータ２０への通電期間中のヒータ温度は、抵抗値Ｒ_Ｈｔｒに基づいて逐次推定される値に上記補正値Ｘが反映された値として算出されていく。

以上説明した図４に示すルーチンによれば、通電開始後のヒータ２０の抵抗値Ｒ_Ｈｔｒの挙動に基づいて核沸騰開始点Ａが到来したか否かが判断される。そして、このような判断がなされた時に、上記ステップ１０８のヒータ温度の補正が実行される。このような補正によれば、燃料の核沸騰開始点温度が燃料性状と燃料圧力とに基づいて一義的に定まることを利用して、上述したハードウェア上のばらつき要因によって生じ得るヒータ温度の推定誤差を、核沸騰開始点Ａの到来時に好適に補正することができる。そして、このようなヒータ温度推定値の補正処理によって、ヒータ温度の推定精度を高めることができる。これにより、核沸騰領域を広く（上限近くまで）利用してヒータ２０によって燃料を効果的に加熱させられるようになる。その結果、燃料の微粒化（霧化）を効果的に促進することができるので、排気エミッションを効果的に低減することができる。

また、上記ルーチンによれば、核沸騰開始点Ａの到来時にヒータ２０の抵抗値Ｒ_Ｈｔｒの時間変化曲線に変曲点が現れることを利用して、核沸騰開始点Ａの到来を正確に判断できるようになる。

ところで、上述した実施の形態１においては、ヒータ２０の抵抗値Ｒ_Ｈｔｒの変曲点が生じた時（核沸騰開始点Ａが到来したと判断した時）に、核沸騰開始点温度に対する核沸騰開始時のヒータ温度推定値の差をゼロとするための補正を、ヒータ２０の抵抗値Ｒ_Ｈｔｒの変曲点が生じた時（核沸騰開始点Ａが到来したと判断した時）以降に推定されるヒータの温度に対して施すようにしている。しかしながら、本発明におけるヒータ温度推定手段により推定されるヒータの温度の補正手法は、上記の態様に限定されるものではない。すなわち、本発明におけるヒータの温度の補正手法は、上述した手法のように、上記差を必ずしも正確にゼロとするための補正を施す態様のものに限らず、上記差を小さくする補正を施すものであってもよい。

また、上述した実施の形態１においては、噴射される直前の燃料を加熱するためのヒータ２０が内蔵された燃料噴射弁１０を例に挙げて説明を行った。しかしながら、本発明の対象となる燃料噴射装置は、上記構成のものに限らず、例えば、燃料噴射弁に供給される燃料を加熱するためのヒータを燃料噴射弁の外部に備えたものであってもよい。

尚、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ３０がステップ１０２および１０４の処理を実行することにより本発明における「ヒータ温度推定手段」が実現されており、ＥＣＵ３０がステップ１０６の判定の成立時にステップ１０８の処理を実行することにより本発明における「ヒータ温度補正手段」が実現されている。

１０ 燃料噴射弁
１２ 燃料入口
１４ 噴孔
１６ ニードル弁
１８ 電磁駆動部
１８ａ 電磁駆動部の電磁コイル
１８ｂ 電磁駆動部のアーマチャ
１８ｃ 電磁駆動部の圧縮スプリング
２０ ヒータ
２２ ターミナル
２４ 通電端子
３０ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)

Claims (3)

1. 燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   所定の電力源から電力の供給を受け、前記燃料噴射弁から噴射される前に燃料を加熱するヒータと、
   前記ヒータの抵抗値に基づいて前記ヒータの温度を推定するヒータ温度推定手段と、
   前記ヒータへの通電開始後に前記ヒータの抵抗値の変曲点が生じたときの前記ヒータの温度推定値と燃料の核沸騰開始点温度との差を小さくする補正を、前記ヒータ温度推定手段により推定される前記ヒータの温度に対して施すヒータ温度補正手段と、
   を備えることを特徴とする燃料噴射装置。
2. 前記ヒータ温度補正手段は、前記差を小さくするための補正値を、前記変曲点が生じた時以降に前記ヒータ温度推定手段により推定される前記ヒータの温度に対して反映させることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射装置。
3. 前記ヒータ温度補正手段による補正は、前記差をゼロとするための補正を、前記ヒータ温度推定手段により推定される前記ヒータの温度に対して施すものであることを特徴とする請求項１または２記載の燃料噴射装置。

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