JPH09126031A - ディーゼルエンジンの燃料噴射方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 噴射圧を低下させずに初期噴射率を抑制
でき、以てＮＯ_X とスモークを低減できるディーゼルエ
ンジンの燃料噴射方法を提供する。 【解決手段】 エンジンの運転状態を検出するステップ
と、蓄圧器内の燃料圧力を検出するステップと、運転状
態に応じて目標噴射量及び目標噴射率特性を求めるステ
ップと、目標噴射率特性及び燃料圧力に応じてインジェ
クタの開弁回数及び各回の開弁時間を求めるステップ
と、開弁回数及び各開弁時間に応じてインジェクタのア
クチュエータに駆動信号を与え、全開と全閉を繰り返す
ステップと、からなるディーゼルエンジンの燃料噴射方
法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、蓄圧式（コモンレ
ール式）燃料噴射装置を備えたディーゼルエンジンにお
いて、着火遅れ期間を短縮することによりＮＯ_X 生成量
を低減できるディーゼルエンジンの燃料噴射方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジンの燃料噴射システム
として、各種の装置が提案されているが、その中でも、
排気ガス規制をクリアするため、或いは、燃費を改善す
るために、コモンレール式燃料噴射システムが有望であ
ると考えられている。このコモンレール式燃料噴射シス
テムは、高圧ポンプ、蓄圧器（コモンレール）、インジ
ェクタからなり、コモンレール内の燃料圧力を任意に制
御しながら、インジェクタの開弁時間で噴射量を制御す
ることができるものの、図１０に示すように、インジェ
クタの開弁初期（噴射初期）から高圧の燃料が噴射され
ることになり、初期噴射率が高くなるため、着火遅れが
増大して、ＮＯ_X が大量に発生する。

【０００３】そこで、特開平５−３２１７３２号公報に
は、インジェクタのアクチュエータ（ソレノイド）へ印
加する電圧（駆動パルス）を２回に分割し、１回目のパ
ルスを極小とする、即ち、ニードルがフルリフトする前
に給電を停止することにより、噴射初期のニードルリフ
ト量を小さく抑え、単位時間当たりの噴射量、即ち噴射
率を抑制する燃料噴射装置が提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記公報に
提案されている装置では、噴射初期を低噴射率とするた
めにニードルリフト量を小さく抑えるように制御してい
るのであるが、このようにすると、噴射に伴って噴射ノ
ズルのサック部内の圧力が低下し、実質的な噴射圧は、
コモンレール圧に比して大幅に低下してしまう。

【０００５】これは、図１１に示すようなフルリフト時
には、ニードル１のバルブシート部２とケーシング３と
の間に形成されるシート絞り４の通路断面積が、噴孔５
の通路断面積よりも十分に大きいため、サック部６の内
圧は略コモンレール圧と等しくなるのに対して、図１２
に示すように、ニードルリフト量が小さい場合には、前
記シート絞り４の通路断面積が噴孔５の通路断面積より
も小さくなり、噴射に伴って噴射ノズルのサック部６の
内圧が低下し、実質的な噴射圧は、コモンレール圧に比
して大幅に低下してしまう。そのため、燃料噴霧の微粒
化が阻害され、燃焼が悪化してスモークの発生が誘発さ
れるという問題がある。

【０００６】本発明は以上の問題点に鑑みて、噴射圧を
低下させることなく噴射初期の噴射率を抑制することが
でき、以てＮＯ_X 生成量の減少を図りつつも、スモーク
を低減することができるディーゼルエンジンの燃料噴射
方法を提供することを目的とするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
の本発明のディーゼルエンジンの燃料噴射方法は、蓄圧
式燃料噴射装置を備えたディーゼルエンジンにおいて、
エンジンの運転状態を検出するステップと、蓄圧器内の
燃料圧力を検出するステップと、前記運転状態に応じて
目標噴射量及び目標噴射率特性を求めるステップと、目
標噴射率特性及び燃料圧力に応じて、インジェクタの開
弁回数及び各回の開弁時間を求めるステップと、開弁回
数及び各開弁時間に応じて、インジェクタのアクチュエ
ータに駆動信号を与え、全開と全閉を繰り返すステップ
と、からなる方法である。

【０００８】前記運転状態を検出するステップでは、エ
ンジン回転数、及びエンジン負荷の代用特性としてアク
セル開度等の検出を行うが、これ以外の運転条件、例え
ば、冷却水温、吸気温、吸気圧等を検出して補正するよ
うに構成しても良い。また、クランク角センサを設け、
インジェクタのアクチュエータへ駆動信号を送る際に、
このクランク角センサの出力信号に基づいて噴射時期を
決定すると好ましい。

【０００９】また、インジェクタのアクチュエータを駆
動する際、各噴射間の全閉時間を均等に割り振るように
制御すると好ましい。尚、前記インジェクタとしては、
特に圧電素子を利用した圧電アクチュエータを備えたも
のが好ましく、それにより、駆動信号パルスに対する開
閉の応答性を向上させることができ、噴射間隔を約５０
〜１００μｓｅｃまで短縮することができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】次に図面を参照して本発明の実施
形態につき説明する。図１には、本実施形態におけるデ
ィーゼルエンジンの燃料噴射装置の全体構成が示されて
おり、高圧ポンプ11から供給される高圧燃料は、高圧燃
料パイプ12を通って蓄圧器（コモンレール）13に蓄えら
れ、このコモンレール13とそれぞれの気筒毎に設けられ
たインジェクタ14との間は、インジェクションパイプ15
で接続されている。

【００１１】コモンレール13の内圧は、圧力センサ16に
より検出され、制御ユニット17に検出信号が入力され
る。また、この制御ユニット17には、アクセル開度セン
サ18とエンジン回転センサ19から検出信号が入力され、
制御ユニット17内のＲＯＭに記憶されたマップに基づい
て、エンジン回転数及びエンジン負荷の代用特性として
のアクセル開度に対応する目標圧力を読み出す。

【００１２】この目標圧力と、前記圧力センサ16の検出
値とを比較することにより、高圧ポンプ11の圧力制御電
磁弁20に制御信号を出力し、この圧力制御電磁弁20を開
弁した時に高圧ポンプ11からコモンレール13へ高圧燃料
を吐出し、閉弁した時に図示していない燃料タンクに接
続されたリターン通路21に連通するように制御して、常
にコモンレール13の内圧が適正になるように高圧ポンプ
11を制御している。

【００１３】また、アクセル開度センサ18とエンジン回
転センサ19の検出信号に基づき、制御ユニット17内のＲ
ＯＭに記憶されたマップから、目標噴射量、噴射時期及
び噴射率特性が読み出され、更に、この目標噴射量、噴
射率特性と、コモンレール13の内圧（圧力センサ16の検
出信号）とから、インジェクタ14の開弁回数と各開弁タ
イミングが算出される。

【００１４】また、クランク角センサ22の信号入力に対
応して、制御ユニット17のクロックが作動し、このクロ
ックによって噴射時期が確認されるように構成されてい
るので、目標噴射時期になると制御ユニット17からイン
ジェクタ14に開弁時期相当の駆動パルスが送られる。
尚、本実施形態では、インジェクタ14の駆動アクチュエ
ータとして、作動応答性の高い圧電アクチュエータ（圧
電素子を積層したもの）を用いている。

【００１５】この圧電素子としては、ジルコン酸チタン
酸鉛、チタン酸バリウムなどの圧電セラミックスが一般
的に用いられるが、ポリフッ化ビニリデンなどの高分子
圧電体なども使用することができ、要は、電歪効果を有
する強誘電体であれば良い。また、ニードルの変位量を
大きく設定できるように、電気機械結合係数の大きな圧
電素子を使用すると好ましい。

【００１６】本実施形態では、図２又は図３に示すよう
なインジェクタ14を使用している。これらは、いずれも
圧電素子（ピエゾ素子）を駆動アクチュエータとして使
用したものである。図２に示すものは、本体23の内部及
びこの本体23の下部に袋ナット24によって固定されるノ
ズル部25の内部に、噴孔26を開閉するニードル27を収容
し、このニードル27の上部を、本体23の内部に収容した
コントロールスリーブ28によって摺動自在に案内し、下
部をノズル部25によって摺動自在に案内している。ま
た、ニードル27の軸方向中央部に突設したスプリングシ
ート29と、コントロールスリーブ28の下面30との間にス
プリング31を介装している。

【００１７】コントロールスリーブ28の上部にはバラン
スチャンバ32が形成されており、このバランスチャンバ
32に導入される燃料の圧力によってニードル27を閉弁方
向に付勢し、前記スプリングシート29の下面に作用する
開弁方向の燃料圧力とバランスさせるようにしている。
また、このコントロールスリーブ28の上方には、前記バ
ランスチャンバ32を低圧側（燃料タンク等）に開放可能
な弁体33が設けられており、この弁体33の上方には、圧
電アクチュエータ34が設けられている。また、コントロ
ールスリーブ28の上面35と弁体33との間にはスプリング
36が介装されている。前記圧電アクチュエータ34の変位
（上下方向の伸縮）により、弁体33がコントロールスリ
ーブ28から離間すると、バランスチャンバ32の内圧が低
下し、ニードル27が開弁して、燃料が噴射される。

【００１８】一方、図３に示す別のインジェクタ14は、
圧電アクチュエータ37の変位を直接ニードル38に伝達さ
せるタイプであり、皿バネ39の付勢力に伴って圧電アク
チュエータ37が縮小した場合に、この圧電アクチュエー
タ37の下端部に固定されたニードル38が開弁し、燃料が
噴射される。また、このインジェクタ14には、ホール素
子を使用したリフトセンサ40が設けられており、このリ
フトセンサ40によってニードル38の変位量を検出して、
フィードバック制御するようにしている。

【００１９】このインジェクタ14のノズル先端を拡大し
て図４に示す。下端部を内側へ向けて湾曲させたケーシ
ング41により、ノズル基部42を支持し、このノズル基部
42に当接する中間部43及びノズル先端部44を袋ナット45
により、前記ノズル基部42に螺着している。また、ノズ
ル基部42に形成した燃料通路46とノズル先端部44に形成
した燃料通路47とが連通するように、中間部43に燃料通
路48を斜設し、これらがインジェクションパイプ15に連
通するように構成している。

【００２０】また、ニードル38はノズル基部42とノズル
先端部44とにより摺動自在に案内されており、このニー
ドル38の上部が前記リフトセンサ40に対峙している。こ
のニードル38はネジ部49により、圧電アクチュエータ37
に連結されており、圧電アクチュエータ37による直接駆
動方式となっている。上記のような圧電アクチュエータ
34、37を使用することにより、作動応答性は５０〜１０
０μｓｅｃとすることができるので、燃料を数回に分け
て分割噴射するのが容易になる。

【００２１】次に、図５及び図６に示すフローチャート
に基づいて、本実施形態における燃料噴射方法について
説明する。まず、燃料圧力制御に関しては、図５に示す
ような制御が行われており、イグニッションキーをＯＮ
にするとプログラムがスタートし、ステップＳ₁ におい
てアクセル開度とエンジン回転数が読み込まれる。次の
ステップＳ₂ では、アクセル開度とエンジン回転数に対
応するコモンレール目標圧を、制御ユニット17内のＲＯ
Ｍに記憶されたマップから読み込む。

【００２２】ステップＳ₃ では、圧力センサ16の検出信
号、即ちコモンレール13の実圧を読み込む。そして、ス
テップＳ₄ では、ステップＳ₃ で読み込まれた実圧と、
ステップＳ₂ で読み込まれた目標圧とが比較される。実
圧が目標圧未満の場合には、ステップＳ₅ において圧力
制御電磁弁20を閉じ、高圧ポンプ11から吐出される燃料
をコモンレール13に送り出し、実圧が目標圧以上の場合
には、ステップＳ₆ において圧力制御電磁弁20を開き、
高圧ポンプ11から吐出される燃料を燃料タンクに戻す。
これによりコモンレール13内の燃料圧力を運転状態に応
じて任意にコントロールしている。

【００２３】一方、燃料噴射制御に関しては、図６に示
すような制御が行われており、イグニッションキーをＯ
Ｎにするとプログラムがスタートし、ステップＳ₁ にお
いてアクセル開度センサ16及びエンジン回転センサ19の
出力に基づいて、エンジン負荷の代用特性としてアクセ
ル開度とエンジン回転数が読み込まれる。アクセル開度
とエンジン回転数に対応して、図７に斜線で示す領域、
即ち、エンジン負荷とエンジン回転数が共に所定値より
も低い領域にある場合には、後述する分割噴射を行い、
それ以外の領域では、通常の一括噴射で対応するように
制御される。

【００２４】次のステップＳ₂ では、圧力センサ16の検
出信号、即ちコモンレール13の実圧を読み込む。ステッ
プＳ₃ では、前記アクセル開度とエンジン回転数に対応
する目標噴射量、噴射時期、噴射率特性を、制御ユニッ
ト17内のＲＯＭに記憶されたマップから読み込む。読み
出された噴射率特性の一例を図８に示すが、これは分割
噴射を行う場合の特性であって、初期の噴射率は低く、
後期の噴射率は高くなるように、右肩上がりの特性とな
っている。

【００２５】そして、ステップＳ₄ では、ステップＳ₂
において読み込まれたコモンレール実圧と、ステップＳ
₃ で読み込まれた目標噴射量、噴射時期、噴射率特性か
ら、インジェクタの開弁回数と各回の開弁時間を算出す
る。その後、ステップＳ₅ において、クランク角センサ
22の信号を読み込み、ステップＳ₆ でクランク角に対応
する噴射時期を決定する。

【００２６】このステップＳ₆ で決定された噴射時期に
対応して、ステップＳ₇ でインジェクタ14の圧電アクチ
ュエータ34，37に、図９示す駆動パルスを送り、図８に
示した噴射率特性をパルス幅変調した代用特性として、
これに対応して燃料を分割噴射する。図９に示す実施形
態では、インジェクタ14に送られる駆動パルスが４回に
分割されている。これにより、インジェクタ14は目標噴
射量に相当する燃料を噴射するために、ノズルニードル
を４回繰り返して開閉させ、目標とする噴射率特性に近
似させて最適な噴射を行う。特にこの実施形態では、低
負荷・低回転領域で初期の噴射率を抑えた特性とするた
めに、初回の開弁時間を最短とし、２回目以降の開弁時
間を徐々に長くするように設定している。

【００２７】このような構成及び制御により、インジェ
クタ14を駆動するパルス幅に対応した噴射を行うことが
可能となり、尚且つ、噴射圧を高圧に保ったままで噴射
率を適切に制御することができるので、着火遅れ期間を
短縮して、ＮＯ_X の低減を図ることができる。

【００２８】

【発明の効果】本発明のディーゼルエンジンの燃料噴射
方法は、蓄圧式燃料噴射装置を備えたディーゼルエンジ
ンにおいて、エンジンの運転状態を検出するステップ
と、蓄圧器内の燃料圧力を検出するステップと、前記運
転状態に応じて目標噴射量及び目標噴射率特性を求める
ステップと、目標噴射率特性及び燃料圧力に応じて、イ
ンジェクタの開弁回数及び各回の開弁時間を求めるステ
ップと、開弁回数及び各開弁時間に応じて、インジェク
タのアクチュエータに駆動信号を与え、全開と全閉を繰
り返すステップと、からなるので、以下の効果を奏する
ことができる。

【００２９】エンジンの運転状態に対応して、目標とす
る燃料噴射量及び噴射率特性を求め、この目標とする噴
射率特性に対応するパルス幅で、燃料噴射量を複数に分
割することができる。更に、インジェクタの開弁（噴
射）回数と開弁（噴射）時間を算出して、インジェクタ
を全開または全閉の２値制御により駆動することによっ
て、一定圧力の燃料噴射を実行することができる。

【００３０】従って、最適な噴射率に制御するために、
噴射初期の噴射率を低くしても、ノズルニードルは常に
フルリフトするため、燃料を略コモンレール圧に等しい
高圧で噴射することが可能となり、それ故、燃料噴霧の
微粒化が阻害される恐れがなくなるので、燃焼悪化やス
モーク発生を防止することができる。また、インジェク
タのアクチュエータに送る駆動パルスを３回以上の多数
回に分割して噴射制御を行うことができ、しかも、パル
ス幅も任意に設定できるので、拡散燃焼時（噴射後期）
の噴射率をも抑制することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態におけるディーゼルエンジ
ンの燃料噴射装置の構成図である。

【図２】図１に示す燃料噴射装置に使用するインジェク
タの断面図である。

【図３】図１に示す燃料噴射装置に使用する別のインジ
ェクタの断面図である。

【図４】図３に示すインジェクタのノズル先端の拡大断
面図である。

【図５】図１に示す燃料噴射装置の燃料圧力制御のフロ
ーチャートである。

【図６】図１に示す燃料噴射装置の燃料噴射制御のフロ
ーチャートである。

【図７】図７に示す制御ステップにおいて用いられるマ
ップの特性図である。

【図８】図７に示す制御ステップにおいて用いられるマ
ップの特性図である。

【図９】図７に示す制御ステップにより出力されるイン
ジェクタの駆動信号パルスの特性図である。

【図１０】従来のディーゼルエンジンの燃料噴射装置の
インジェクタの駆動信号パルスの特性図である。

【図１１】従来のディーゼルエンジンのインジェクタに
用いられるノズルニードルのフルリフト時の断面図であ
る。

【図１２】従来のディーゼルエンジンのインジェクタに
用いられるノズルニードルの微小リフト時の断面図であ
る。

【符号の説明】

13 蓄圧器（コモンレール） 14 インジェクタ 34 圧電アクチュエータ 37 圧電アクチュエータ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 蓄圧式燃料噴射装置を備えたディーゼル
   エンジンにおいて、エンジンの運転状態を検出するステ
   ップと、蓄圧器内の燃料圧力を検出するステップと、前
   記運転状態に応じて目標噴射量及び目標噴射率特性を求
   めるステップと、目標噴射率特性及び燃料圧力に応じ
   て、インジェクタの開弁回数及び各回の開弁時間を求め
   るステップと、開弁回数及び各開弁時間に応じて、イン
   ジェクタのアクチュエータに駆動信号を与え、全開と全
   閉を繰り返すステップと、からなるディーゼルエンジン
   の燃料噴射方法。