JP6673158B2 - 燃料噴射制御装置 - Google Patents
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Description
特許文献2の構成では、黒煙センサを設ける必要があり、燃料噴射制御装置の重量が増加する可能性がある。また、フィードバック制御が実施されており、燃料と空気との燃焼における初期段階での黒煙の発生量は多くなる。このため、黒煙の発生量が収束しない可能性があり、黒煙の発生量が低減できない虞がある。
燃料噴射制御装置は、燃料噴射弁(31、80、90)、リフト量検出部(51)、筒内圧力検出部(52)、壁面衝突時間演算部(54)および噴射制御部(55)を備える。
リフト量検出部は、ニードルが移動する量であるリフト量(L)を検出可能である。
筒内圧力検出部は、燃焼室の圧力である筒内圧力(Pc)を検出可能である。
噴射制御部は、壁面衝突時間に、サック室の圧力であるサック圧力(Ps)を高くするように、または、燃料噴射弁が噴射する噴射角度(θ、θ1、θ2)を変更するように、または、噴孔が開口する面積である噴孔面積(A、A1、A2)を大きくするように、燃料噴射弁を制御する。
図1に示すように、エンジン1は、例えば、車両に搭載され、軽油等の燃料が燃焼室12に直接噴射されるディーゼルエンジンである。ピストン13が上死点に到達した後、燃料噴射弁としてのインジェクタ31が燃料を噴射すると、吸気マニホールド11から供給される空気と燃料との混合気が燃焼室12で自己着火し、燃焼する。燃焼時の爆発力によりピストン13が往復運動し、ピストン13の往復運動はクランクシャフト19の回転運動に変換される。燃焼により生じた燃焼ガスは、排気マニホールド14を経由して大気中に放出される。
燃焼室12の入口であるシリンダヘッド16の吸気ポートに吸気弁17が設けられている。
また、燃焼室12の出口であるシリンダヘッド16の排気ポートに排気弁18が設けられている。
吸気弁17および排気弁18は、図示しないバルブ駆動機構により開閉可能である。
また、車両のアクセルペダル6に接続されているアクセルセンサ7が外部に、設けられている。
クランク角センサ5は、クランクシャフト19のクランク角およびクランクシャフト19のクランク角速度を検出し、エンジン1の回転速度Nを検出する。
アクセル開度Rcは、運転者がアクセルペダル6を踏むとともに増加する。
運転者がアクセルペダル6を踏んでいないとき、アクセル開度Rcをゼロとする。
運転者が全開にアクセルペダル6を踏んだとき、アクセル開度Rcを1とする。ここで、「ゼロ」は常識的な誤差範囲を含む。本明細書中では、「ゼロ」は同様に拡大解釈するものとする。
燃料噴射制御装置21は、インジェクタ31および電子制御ユニット50を有する。以下、電子制御ユニット50を「ECU」と記載する。
まず、第1実施形態のインジェクタ31について説明する。
第1実施形態のインジェクタ31は、アウタニードル34とインナニードル35とをハウジング32内に同軸に収容する、所謂、ツインニードル式の燃料噴射弁である。
また、ハウジング32は、サック室321、弁座322、第1噴孔323および第2噴孔324を先端側に有する。
さらに、ハウジング32は、燃料通路325、330および圧力調整室326を後端側に有する。
弁座322は、底部327の円錐状の面に形成されている。
第1噴孔323および第2噴孔324は、円形形状の断面を含み、ハウジング32の周方向に所定の間隔で複数形成されている。
第1噴孔323は、第2噴孔324よりも後端側に形成されており、第2噴孔324は、ハウジング32の軸中心O側に形成されている。
ハウジング32は、第1角度θ1が第2角度θ2よりも小さくなるように、形成されている。第1角度θ1または第2角度θ2によって、インジェクタ31の燃料の噴射角度θが設定される。なお、ハウジング32は、第1角度θ1が第2角度θ2よりも大きくなるように、形成されていてもよい。
噴射された燃料は、周囲の空気と混合しながら燃料噴霧流Sを形成する。
燃料噴霧流Sの拡がり角度を噴霧拡がり角度2αとする。なお、αは、燃料噴霧流Sの中心線から燃料噴霧流Sの端面までの角度であり、噴霧拡がり角度2αの半分の値を示す。
1つの第2噴孔324が開口する径を第2噴孔径d2とし、1つの第2噴孔324が開口する面積を第2噴孔面積a2とし、複数の第2噴孔324の開口面積の和を第2面積和A2とする。インジェクタ31の噴孔が開口している面積を噴孔面積Aとする。
第1面積和A1または第2面積和A2によって、噴孔面積Aが設定される。
燃料通路330は、圧力調整室326に連通している。燃料通路330を経由して、圧力調整室326内の燃料が流出する。
アウタニードル34の後端部をアウタニードル後端部341とし、インナニードル35の後端部をインナニードル後端部351とする。
圧力調整室326は、アウタニードル後端部341およびインナニードル後端部351を収容している。
さらに、圧力調整室326は、力Foと同様に、インナニードル鍔部352に作用する全圧力である力Fiを調整可能である。なお、力Foおよび力Fiは、閉方向に作用する力である。
受圧面342は、燃料通路325を経由した燃料の圧力によって作用する全圧力である力Fioが作用されている。なお、力Fioは、開方向に作用する力である。
インナニードル鍔部352は、インナニードル35の径方向内側から径方向外側に延びており、インナニードル鍔部352の外径がアウタニードル後端部341の内径以上となるように形成されている。
圧力調整部40は、ECU50の指令により通電されたとき、磁気吸引力を発生し制御弁を開く。制御弁が開いたとき、燃料通路330を経由して、圧力調整室326内の燃料が流出する。圧力調整室326内の燃料が流出することによって、圧力調整室326内の圧力が低下する。
コモンレール70から燃料通路325に高圧燃料が供給される。燃料通路325を経由した高圧燃料は、圧力調整室326に供給される。また、燃料通路325を経由した高圧燃料は、受圧面342に力Fioを作用する。
Fo+Fso>Fio ・・・(1)
Fi+Fsi>0 ・・・(2)
Fo+Fso<Fio ・・・(3)
Fi+Fsi<Fii ・・・(7)
特許文献1の構成では、後半の燃料噴射率を大きくするタイミングが明確になっていないため、タイミングズレにより、黒煙の発生量が低減されない虞がある。
特許文献2の構成では、黒煙センサを設ける必要があり、燃料噴射制御装置の重量が増加する可能性がある。また、フィードバック制御が実施されており、燃料と空気との燃焼における初期段階での黒煙の発生量は多くなる。このため、黒煙の発生量が収束しない可能性があり、黒煙の発生量が低減できない虞がある。
リフト量検出部51は、アウタニードル34またはインナニードル35が移動する量であるリフト量Lを検出可能である。圧力調整部40に流れる電流量によってリフト量Lが推定される。
また、リフト量検出部51は、例えば、渦電流式変位センサであって、アウタニードル34またはインナニードル35に設けて、リフト量Lを直接検出してもよい。
筒内圧力検出部52は、例えば、圧電式センサであり、圧電効果を利用したものである。圧電式センサで用いられる材料は、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛、ポリフッ化ビニリデンまたはポリフッ化ビニル等である。
サック圧力検出部53は、サック圧力Psを検出可能である。
サック圧力検出部53は、リフト量Lに基づき、サック圧力Psを検出する。
壁面衝突時間演算部54は、リフト量L、サック圧力Psまたは筒内圧力Pに基づき、壁面衝突時間t_wallを演算する。
インジェクタ31が燃料の噴射を開始する時間を噴射開始時間tsとする。噴射開始時間ts後における任意の時間を時間tとし、噴射開始時間ts後において任意に設定されている2つの時間を第1時間t1および第2時間t2とする。第1時間t1は、第2時間t2よりも先の時間、すなわち、t1<t2 とする。
ステップ101において、時間t1に、サック圧力検出部53は、リフト量Lに基づいて、または、直接測定することによって、サック圧力Psを検出する。また、筒内圧力検出部52は、筒内圧力Pcを検出する。
壁面衝突時間演算部54は、検出されたサック圧力Psおよび検出された筒内圧力Pcに基づき、圧力差ΔP(t1)を演算し、時間t1の噴射速度Vf(t1)を演算する。
ステップ102において、時間t1の噴射速度Vf(t1)から第1混合気体距離x1を演算する。
壁面衝突時間演算部54は、検出されたサック圧力Psおよび検出された筒内圧力Pcに基づき、圧力差ΔP(t2)を演算し、時間t2の噴射速度Vf(t2)を演算する。
ステップ104において、時間t2の噴射速度Vf(t2)から第2混合気体距離x2を演算する。
ステップ106において、壁面衝突時間演算部54は、第1混合気体距離x1、第2混合気体距離x2および壁面距離x_wallの連立方程式を解く。
壁面衝突時間演算部54は、第1壁面衝突時間t1_wallと第2壁面衝突時間t2_wallとを比較することによって、壁面衝突時間t_wallを演算する。
図11に示すように、第2壁面衝突時間t2_wallが第1壁面衝突時間t1_wall以前であった場合、壁面衝突時間演算部54は、壁面衝突時間t_wallを第2壁面衝突時間t2_wallとする。
また、噴射制御部55は、壁面衝突時間t_wallに基づき、噴孔面積Aを大きくするように変更する。
ステップ201において、噴射制御部55は、アクセル開度Rc、回転速度Nまたは筒内圧力Pc等のエンジン1の運転状態を取得する。
燃焼室12に必要とされる燃料噴射量を要求燃料噴射量Hとし、コモンレール70から供給される燃料の圧力をコモンレール圧力Prとする。
ステップ202において、噴射制御部55は、エンジン1の運転状態に基づき、要求燃料噴射量H、コモンレール圧力Pr、噴射開始時間tsおよび噴霧拡がり角度2αを決定する。
噴霧拡がり角度2αは、燃料密度ρfが大きくなるに伴い、大きくなるように設定されている。
また、噴霧拡がり角度2αは、筒内圧力Pcが高くなるに伴い、大きくなるように設定されている。
噴射制御部55は、これらの関係図から要求燃料噴射量H、コモンレール圧力Pr、噴射開始時間tsおよび筒内圧力Pcを決定する。
ステップ204において、壁面衝突時間演算部54は、壁面衝突時間t_wallを演算し、噴射制御部55に出力する。
ステップ205において、噴射制御部55は、壁面衝突時間t_wallに、噴射角度θまたは噴孔面積Aを変更するように、インジェクタ31を制御する。
噴射完了時間teに、インジェクタ31は、アウタニードル34およびインナニードル35を閉弁し、燃料の噴射を完了する。
図15(b)に示すように、壁面衝突時間t_wallに、燃料噴射率Qは、第1燃料噴射率Q1から全燃料噴射率Q_allに変更される。
噴射制御部55は、第1面積和A1または第2面積和A2に基づき、期間K2を決定している。
本実施形態の燃料噴射制御装置21は、壁面衝突時間t_wallを演算し、壁面衝突時間t_wallに、燃料噴射率Qを大きくしている。後半の燃料噴射率Qを変更するタイミングが明確になり、タイミングズレが生じることがなくなる。
また、壁面衝突時間t_wallの演算により、フィードフォワード制御が可能になる。燃料噴射率Qを変更するタイミングを予測でき、黒煙センサを設ける必要なく、燃料と空気との燃焼における初期段階での黒煙の発生量も低減できる。
第2実施形態では、インジェクタの形態および噴射制御部の制御が異なる点を除き、第1実施形態と同様である。
図16に示すように、第2実施形態のインジェクタ80は、ハウジング81、ニードル83およびサック圧力制御部86を有する。
ハウジング81は、サック室811、弁座812および噴孔813を先端側に有する。
さらに、ハウジング81は、燃料通路814、815および第1圧力調整室816および第2圧力調整室817を後端側に有する。
弁座812は、底部818に形成されている。
噴孔813は、円形形状の断面を含み、ハウジング81の周方向に所定の間隔で複数形成されている。
また、燃料通路814は、サーボ弁862に接続されている。燃料通路814を経由して、コモンレール70からの高圧燃料が第1圧力調整室816およびサック室811に流入される。
また、燃料通路815は、サーボ弁862に接続されている。燃料通路815を経由して、第1圧力調整室816または第2圧力調整室817内の燃料が流出する。
第2圧力調整室817は、ハウジング81の後端部の内壁とニードル83とで区画形成されている。
ニードル83は、ハウジング81の軸方向へ往復摺動可能であり、ハウジング81に収容されている。ニードル83が弁座812に離座または着座することによって、噴孔813が開閉される。
サック圧力制御部86は、電磁弁861、サーボ弁862、インジェクタピストン863、逆止弁864および絞り通路865を含む。
電磁弁861は、ハウジング81内に収容され、第1圧力調整室816と低圧側の排出される通路との連通または遮断を切替可能である。
サーボ弁862は、第1圧力調整室816が電磁弁861によって低圧側に連通されることによって、第1圧力調整室816が低圧側へ切り替わる。
また、サーボ弁862は、第1圧力調整室816が電磁弁861によって低圧側への連通を遮断されることによって、第1圧力調整室816の圧力が調整される。
逆止弁864は、燃料通路814に設けられ、インジェクタピストン863によって増圧された燃料がコモンレール70側へ逆流することを防止する。
ステップ301−304は、第1実施形態のステップ201−204と同様である。
ステップ305において、噴射制御部55は、壁面衝突時間t_wallに、サック圧力Psを変更するように、インジェクタ80を制御する。
噴射完了時間teに、インジェクタ80は、ニードル83を閉弁し、燃料の噴射を完了する。
図18(b)に示すように、燃料噴射率Qは、サック圧力Psと同様に挙動を示す。
第2実施形態においても、第1実施形態と同様の効果を奏する。
第3実施形態では、インジェクタの形態および噴射制御部の制御が異なる点を除き、第1実施形態と同様である。
図19に示すように、第3実施形態の燃料噴射制御装置23のインジェクタ90は、第1実施形態のインジェクタ31と、第2実施形態のサック圧力制御部86とを組み合わせた形態である。
インジェクタ90は、ハウジング91、アウタニードル92、インナニードル93およびサック圧力制御部86を有する。
ステップ401およびステップ402は、第1実施形態のステップ201およびステップ202と同様である。
ステップ404において、壁面衝突時間演算部54は、壁面衝突時間t_wallを演算し、噴射制御部55に出力する。
ステップ405において、噴射制御部55は、壁面衝突時間t_wallに、サック圧力Ps、噴射角度θまたは噴孔面積Aを変更するように、インジェクタ90を制御する。
噴射完了時間teに、インジェクタ90は、アウタニードル92およびインナニードル93を閉弁し、燃料の噴射を完了する。
また、壁面衝突時間t_wallに、第1角度θ1から第1角度θ1または第2角度θ2に変更される。
図21(c)に示すように、噴射開始時間tsから噴射完了時間teまで、燃料噴射率Qは、時間tが経過するに伴い、徐々に増加するように、サック圧力Psおよび噴孔面積Aが設定されている。
壁面衝突時間t_wallから噴射完了時間teまでの期間K4において、予め設定されるサック圧力Psの増加分を設定増圧割合ΔPs_K4とする。
噴射制御部55は、設定増圧割合ΔPs_K3または設定増圧割合ΔPs_K4に基づき期間K4を決定している。
(i)本実施形態の燃料噴射制御装置は、ディーゼルエンジンの熱サイクルであるディーゼルサイクルまたはサバテサイクルに限定されない。本実施形態の燃料噴射制御装置は、エリクソンサイクルまたはガスタービンサイクルといった熱サイクルにおいても適用可能である。
(ii)本実施形態の燃料噴射制御装置は、オットーサイクルを有するガソリンエンジンに適用してもよい。
以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。
12 ・・・燃焼室、
13 ・・・ピストン、
31、80、90 ・・・燃料噴射弁、
32、81 ・・・ハウジング、
327、818 ・・・底部、
321、811 ・・・サック室、
323、324、813 ・・・噴孔、
34、92 ・・・ニードル(アウタニードル)、
35、93 ・・・ニードル(インナニードル)、
83 ・・・ニードル
51 ・・・リフト量検出部、
52 ・・・筒内圧力検出部、
54 ・・・壁面衝突時間演算部、
55 ・・・噴射制御部。
Claims (5)
- シリンダ(15)およびピストン(13)によって区画形成される燃焼室(12)を有する内燃機関(1)に用いられる燃料噴射制御装置であって、
ハウジング(32、81、91)の底部(327、818)およびニードル(34、35、83、92、93)で区画形成されるサック室(321、811)に連通する噴孔(323、324、813)から前記燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁(31、80、90)と、
前記ニードルが移動する量であるリフト量(L)を検出可能なリフト量検出部(51)と、
前記燃焼室の圧力である筒内圧力(Pc)を検出可能な筒内圧力検出部(52)と、
前記燃料噴射弁が燃料の噴射を開始してから燃料が前記ピストンの壁面(130)に到達する時間である壁面衝突時間(t_wall)を、前記リフト量および前記筒内圧力に基づいて演算する壁面衝突時間演算部(54)と、
前記壁面衝突時間に、前記サック室の圧力であるサック圧力(Ps)を高くするように、または、前記燃料噴射弁が噴射する噴射角度(θ、θ1、θ2)を変更するように、または、前記噴孔が開口する面積である噴孔面積(A、A1、A2)を大きくするように、前記燃料噴射弁を制御する噴射制御部(55)と、
を備える燃料噴射制御装置。 - 前記サック圧力を検出するサック圧力検出部(53)をさらに備え、
前記壁面衝突時間演算部は、前記サック圧力および前記筒内圧力に基づき、前記壁面衝突時間を演算する請求項1に記載の燃料噴射制御装置。 - 前記噴射制御部は、前記壁面衝突時間に変更した後の前記噴孔面積に基づき、前記壁面衝突時間後に前記燃料噴射弁が燃料を噴射する期間(K2)を決定する請求項1または2に記載の燃料噴射制御装置。
- 前記サック圧力を増圧可能なサック圧力制御部(86)をさらに備え、
前記サック圧力制御部は、前記噴射制御部の指令により、前記壁面衝突時間に前記サック圧力を高くし、
前記サック圧力制御部が前記サック圧力を高くする割合を設定増圧割合(ΔPs_K3、ΔPs_K4)とすると、
前記噴射制御部は、前記設定増圧割合に基づき、前記壁面衝突時間後に前記燃料噴射弁が燃料を噴射する期間(K4)を決定する請求項1から3のいずれか一項に記載の燃料噴射制御装置。 - 前記サック圧力制御部は、時間(t)が経過するに伴い、前記サック圧力を高くする請求項4に記載の燃料噴射制御装置。
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