(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射弁を制御する制御装置において、
前記内燃機関には、前記燃料噴射弁とは別体で構成され、流体を噴射する機能を有する流体噴射弁が設けられ、
エンジン回転数の判定を実行し、高回転と判定した場合には前記流体噴射弁からは流体を噴射せず前記燃料噴射弁から燃料を噴射し、低回転と判定した場合には前記燃料噴射弁から燃料を噴射するように制御した後、前記流体噴射弁から流体を噴射し、前記燃料噴射弁から噴射された燃料を撹拌するように前記流体噴射弁を制御する制御部を備えたことを特徴とする制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の制御装置において、
前記制御部は、前記内燃機関のピストンが下降している状態において、前記燃料噴射弁を噴射するように制御した後、前記流体噴射弁から流体を噴射し、前記燃料噴射弁から噴射された燃料を撹拌するように前記流体噴射弁を制御することを特徴とする制御装置。
【請求項３】
請求項１に記載の制御装置において、
前記燃料噴射弁の噴孔軸と前記流体噴射弁の噴孔軸が、ピストンが下死点にいる状態で、ピストンよりも点火プラグ側において交わるように前記燃料噴射弁及び前記流体噴射弁が配置されることを特徴とする制御装置。
【請求項４】
請求項１に記載の制御装置において、
前記流体噴射弁は前記燃料噴射弁とは別体の撹拌用燃料噴射弁であり、
前記燃料噴射弁は前記内燃機関の上部に取り付けられ、前記撹拌用燃料噴射弁は前記内燃機関の側面に取り付けられたことを特徴とする制御装置。
【請求項５】
請求項１に記載の制御装置において、
前記流体噴射弁は前記燃料噴射弁とは別体の撹拌用燃料噴射弁であり、
前記制御部は、前記燃料噴射弁からの噴霧のペネトレーションに対し、前記撹拌用燃料噴射弁からの噴霧のペネトレーションが長くなるように前記燃料噴射弁及び前記撹拌用燃料噴射弁を制御することを特徴とする制御装置。
【請求項６】
請求項１に記載の制御装置において、前記流体噴射弁は前記燃料噴射弁とは別体の撹拌用燃料噴射弁であり、前記燃料噴射弁に形成される噴孔に対し、前記撹拌用燃料噴射弁に形成される噴孔の方がＬ／Ｄが大きくなるように構成されたことを特徴とする制御装置。
【請求項７】
請求項１に記載の制御装置において、前記流体噴射弁は前記燃料噴射弁とは別体の撹拌用燃料噴射弁であり、前記燃料噴射弁に形成される噴孔に対し、前記撹拌用燃料噴射弁に付与される燃圧が大きくなるように構成されることを特徴とする制御装置。
【請求項８】
請求項１に記載の制御装置において、前記流体噴射弁は前記燃料噴射弁とは別体の撹拌用気体噴射弁であり、前記制御部は前記撹拌用気体噴射弁から空気又は還流した排気を噴射し、前記燃料噴射弁から噴射された燃料を撹拌するように制御することを特徴とする制御装置。
【請求項９】
請求項１に記載の制御装置において、前記流体噴射弁は前記燃料噴射弁とは別体の撹拌用気体噴射弁であり、前記制御部は前記撹拌用気体噴射弁から気体燃料を噴射し、前記燃料噴射弁から噴射された燃料を撹拌するように制御することを特徴とする制御装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の制御装置において、
前記制御部は前記内燃機関の始動時に、前記内燃機関のピストンの１ストロークにおいて、前記燃料噴射弁を噴射するように制御した後、前記内燃機関のピストンが下死点付近にいる状態で、前記流体噴射弁を前記燃料噴射弁から噴射される燃料を撹拌するように制御し、前記内燃機関が暖気運転となったら、点火タイミングをリタードさせる制御に切り替えることを特徴とする制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガソリンエンジン等の内燃機関に用いられる燃料噴射弁の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車におけるガソリンエンジンは燃費改善の要求が高まっており、燃費に優れたエンジンとして、燃焼室内に燃料を直接噴射し、噴射された燃料と吸入空気との混合気を点火プラグで点火して爆発させる筒内噴射式エンジンが普及してきている。しかし、筒内噴射式エンジンは噴射地点から壁面までの距離が短いため燃料が燃焼室内に付着しやすく、温度の低い壁面に付着した燃料が不完全燃焼することで発生する粒子状物質（Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｍａｔｔｅｒ：ＰＭ）の抑制が課題となっている。この課題を解決し、低燃費かつ低排ガスの直噴エンジンを開発するためには、燃焼室内の燃焼の最適化が必要である。
【０００３】
自動車の運転には、高負荷運転、低負荷運転、冷間始動等、様々な運転状況が存在する。
そのため、筒内噴射式エンジンでは、運転状況によって最適な燃焼を行うために、筒内に均質な混合気を形成させて燃焼させる均質燃焼と、点火プラグの周りに濃い混合気を形成する成層燃焼を使い分けている。
【０００４】
均質燃焼と成層燃焼を両立するために、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を１気筒当り複数設ける方法が提案されている。例えば、特許文献１では、1気筒当り２本の燃料噴射弁を備え、第1の燃料噴射弁を均質燃焼時に使用し、第２の燃料噴射弁を成層燃焼時に使用する技術が記載されている。特許文献１では、均質燃焼時に、燃料噴射弁の静流が大きい燃料噴射弁を使用し、成層燃焼時に静流が小さくペネトレーションの短い燃料噴射弁を使用する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１９６５０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
筒内噴射式エンジンには、高負荷での運転時には吸気行程に燃料を噴射し、筒内に均質な混合気を形成し燃焼させる均質燃焼モードと、負荷が比較的に低い場合に圧縮行程の後期に燃料を噴射し、点火プラグ周りに濃い混合気を成層化させて燃焼させる成層燃焼モードが知られている。
【０００７】
成層燃焼モードでは、筒内全体の空燃比は理論空燃比よりも大きな空燃比で燃焼させるため、安定に着火させるためには、点火プラグ周りに適切な濃度の燃料を配置させる必要がある。このため、燃焼室上部の中央部に燃料噴射弁と点火プラグを近接に配置し、燃料噴射弁から点火プラグの電極の近傍に向かって燃料を噴射し、この燃料に点火プラグで点火させる、スプレーガイド方式が考案されている。この方式では、噴射地点から点火プラグまでの距離が近接しているため、要求される噴霧の到達距離は非常に小さい。このため、噴霧の貫徹力（ペネトレーション）が小さい燃料噴射弁が求められる。
【０００８】
一方、均質燃焼モードでは、吸気弁が開弁している状態で燃料噴射を行い、吸気ポートから燃焼室内に向かって流れるガス流動（タンブル流）によって燃料を混合し、均質な混合気を形成する。この際に、噴霧の貫徹力が十分でないとタンブル流により噴霧が筒内の壁面側に流され、均質な混合気を形成することができないため、大きい貫徹力（長いペネトレーション）を持つ燃料噴射弁が求められる。
【０００９】
このような、相反する燃料噴射弁への要求を解決するために、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を１気筒当り複数設ける方法が提案されている。
【００１０】
特許文献１に開示されている技術では、1気筒当り２本の燃料噴射弁を備え、ペネトレーションの長い第1の燃料噴射弁を均質燃焼時に使用し、ペネトレーションの短い第２の燃料噴射弁を成層燃焼時に使用することで、均質燃焼モードと成層燃焼モードのそれぞれのモードにおいて最適な噴霧を形成し、高い性能を出すことができる。
【００１１】
ところで、吸気行程では、タンブル流の強さがエンジンの回転数によって変化する。エンジンが高回転時にはピストンの移動速度が速く、単位時間当たりに気筒に流入する気体の流量が大きくなるため、タンブル流は強くなる。そのため、タンブル流に流されないためにペネトレーションの長い噴霧が要求される。
【００１２】
一方、エンジン低回転時には、ピストンの移動速度が遅く、単位時間当たりに気筒に流入する気体の流量が小さくなるため、タンブル流は弱くなる。そのため、タンブル流による混合力が小さくなり、筒内に均質な混合気が形成されにくくなる。
【００１３】
特許文献１に開示されている技術では、低回転高負荷時に均質燃焼モードになった場合、タンブル流が弱く、混合力が小さい状態でペネトレーションの長い燃料噴射弁を使うために、壁面への燃料の付着が多くなってしまい、均質性が悪化する恐れがある。
【００１４】
以上の課題を鑑みて、本発明の目的は、エンジン低回転時の均質燃焼において、均質な混合気を形成可能な燃料噴射弁及びその制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明の燃料噴射弁の制御装置は、燃料噴射弁とは別体で構成され、流体を噴射する機能を有する流体噴射弁が設けられ、エンジン回転数の判定を実行し、高回転と判定した場合には流体噴射弁からは流体を噴射せず燃料噴射弁から燃料を噴射し、低回転と判定した場合には燃料噴射弁から燃料を噴射するように制御した後、流体噴射弁から流体を噴射し、燃料噴射弁から噴射された燃料を撹拌するように流体噴射弁を制御する制御部を備えた。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、エンジン低回転時の均質燃焼において、均質な混合気を形成することが可能である。本発明のその他の構成、作用、効果については以下の実施例において詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る内燃機関の構成の概要を示した図である。
【図２】本発明の第１実施例に係る内燃機関の気筒中心断面での構成を示した図である。
【図３】本発明の第１実施例に係る燃料噴射弁を示した図である。
【図４】本発明の第１実施例に係る燃料噴射弁下端部の拡大断面図である。
【図５】本発明の第１実施例に係る噴射制御のフローチャートである。
【図６】本発明の第１実施例に係る燃焼モードマップである。
【図７】本発明の第１実施例に係る燃料噴射弁及び流体噴射弁を動作させる電流パルスの概略図である。
【図８】本発明の第１実施例に係る内燃機関の燃焼室を示した図である。
【図９】本発明に係る燃料噴射弁の噴射速度とペネトレーションの関係を示した図である。
【図１０】本発明に係る内燃機関の筒内運動エネルギの総和と噴射速度の関係を示した図である。
【図１１】本発明の第１実施例に係る撹拌用燃料噴射弁を用いた噴射制御のフローチャートである。
【図１２】本発明の第１実施例に係る燃料噴射弁を動作させる電流パルスを示した図である。
【図１３】本発明の第１実施例に係る燃料噴射弁の弁体先端の近傍を拡大した断面図である。
【図１４】本発明の第１実施例に係る内燃機関の気筒中心断面での構成を示した図である。
【図１５】本発明の第２実施例に係る内燃機関の気筒中心断面での構成を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る実施例を説明する。
【実施例１】
【００１９】
本発明の第１の実施例に係る燃料噴射弁の制御装置について、図１と図２を用いて以下説明する。
【００２０】
図１は、筒内噴射式エンジンの構成の概要を示した図である。図１を用いて筒内噴射式エンジンの基本的な動作を説明する。図１において、シリンダヘッド１０１とシリンダブロック１０２、シリンダブロック１０２に挿入されたピストン１０３により燃焼室１０４が形成され、燃料室１０４に向けて吸気管１０５と排気管１０６がそれぞれ２つに分岐して接続されている。吸気管１０５の開口部には吸気弁１０７が、排気管１０６の開口部には排気弁１０８がそれぞれ設けられ、カム動作方式により開閉するように動作する。
【００２１】
ピストン１０３はコンロッド１１４を介してクランク軸１１５と連結されており、クランク角センサ１１６によりエンジン回転数を検知できる。回転数の値はＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）１１８に送られる。クランク軸１１５には図示しないセルモータが連結され、エンジン始動時にはセルモータによりクランク軸１１５を回転させ始動することができる。シリンダブロック１０２には水温センサ１１７が備えられ、図示しないエンジン冷却水の温度を検知できる。エンジン冷却水の温度はＥＣＵ１１８に送られる。
【００２２】
図１は1気筒のみの記述だが、吸気管１０５の上流には図示しないコレクタが備えられ、気筒ごとに空気を分配する。コレクタの上流には図示しないエアフローセンサとスロットル弁が備えられ、燃料室１０４に吸入される空気量をスロットル弁の開度によって調節できる。
【００２３】
燃料は燃料タンク１０９に貯蔵され、フィードポンプ１１０によって高圧燃料ポンプ１１１に送られる。フィードポンプ１１０は燃料を０．３ＭＰａ程度まで昇圧して高圧燃料ポンプ１１１に送る。高圧燃料ポンプ１１１により昇圧された燃料はコモンレール１１２に送られる。高圧燃料ポンプ１１１は燃料を３０ＭＰａ程度まで昇圧してコモンレール１１２に送る。コモンレール１１２には燃圧センサ１１３が設けられ、燃料圧力を検知する。燃料圧力の値はＥＣＵ１１８に送られる。
【００２４】
図２は、筒内噴射式エンジンの気筒中心断面での構成を示した図である。気筒の軸方向上部で、且つ径方向中央部に燃料噴射弁１１９が備えられている。さらに、径方向側面部に流体噴射弁１２１が備えられている。点火プラグ１２０は排気管１０６の近傍に備えられている。ＥＣＵ１１８はセンサの信号をモニタし、燃料噴射弁１１９や点火プラグ１２０、高圧燃料ポンプ１１１といったデバイスの作動を制御できる。ＥＣＵ１１８のＲＯＭには一般的に用いられるエンジン回転数や水温、空燃比に応じた各種デバイスの設定値がマップデータとして記録されている。
【００２５】
図３は、本実施例に係る燃料噴射弁の概要を示した図である。燃料は燃料供給口２００から供給され、燃料噴射弁の内部に供給される。図３に示す電磁式燃料噴射弁１１９は、通常時閉型の電磁駆動式であって、通電がないときには燃料がシールされるようになっている。このとき、筒内噴射用燃料噴射弁では、供給される燃料圧力がおよそ１ＭＰａから５０ＭＰａの範囲である。通電状態となると、燃料の噴射が開始される。燃料の噴射が開始されると、燃料圧力として与えられたエネルギは運動エネルギに変換され、燃料噴射弁下端部に空いた燃料噴射孔に至り噴射される。噴射された燃料は雰囲気とのせん断力により微粒化され、燃料噴霧２０１を形成する。
【００２６】
次に、燃料噴射弁の詳細形状について図４を用いて説明する。図４は、燃料噴射弁下端部の拡大断面図であり、シート部材２０２と弁体２０３などから構成されている。シート部材２０２は、弁座面２０４と、複数の燃料噴孔２０５から構成されている。弁座面２０４及び弁体２０３は弁体中心軸２０６を中心に軸対称に延在している。燃料は、シート部材２０２と弁体２０３の隙間を通り、噴孔２０５から噴射される。燃料は、噴孔軸２０７の方向に噴射され、気体とのせん断力により微粒化される。筒内噴射式エンジン用燃料噴射弁では、噴射される燃料液滴のザウタ平均粒径は、概ね３０μm以下になるよう、燃料噴射弁１１９のノズル形態、燃圧などが設定されている。
【００２７】
次に、本実施例の燃料噴射弁を用いた均質燃焼の制御方法について図５を用いて説明を行う。図５は、本実施例に係る噴射制御のフローチャートである。燃料を噴射する際、まず制御Ｓ０１で示される燃焼モードの判定を行う。燃焼モードは図６で示す燃焼モードマップにより、エンジントルクと回転数から決定される。制御Ｓ０１において成層燃焼モードに判定された場合は、通常の成層燃焼モードにより制御Ｓ０８以降を行う。均質燃焼モードに判定された場合は、回転数の判定を制御Ｓ０２において行う。ここであらかじめ決定された回転数以下の場合、制御Ｓ０３以降を行い、その他の場合は通常の均質燃焼モードにより制御Ｓ０６以降を行う。
【００２８】
制御Ｓ０３では吸気行程において燃料噴射弁から噴射を行った後に流体噴射弁から噴射を行い、制御Ｓ０３で吸気行程において流体噴射弁から噴射を行った後に、圧縮行程後期に制御Ｓ０５によって点火を行う。
【００２９】
図７は、本実施例における燃料噴射弁及び流体噴射弁を動作させる電流パルスの概略図である。本実施例に係る内燃機関には、燃料噴射弁とは別体で構成され、流体を噴射する機能を有する流体噴射弁が設けられている。
【００３０】
次に、燃焼室内の形態について説明する。図８は本実施例に係る内燃機関の燃焼室を示した図である。燃料室１０４には撹拌機構として燃料噴射弁１１９とは別体の流体噴射弁１２１が備えられており、流体噴射弁１２１の駆動はＥＣＵ１１８により制御される。より具体的にはＥＣＵ１１８はＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）を備え、ＥＣＵ１１８のＣＰＵ（制御部）からの指令により燃料噴射弁１１９から燃料を噴射するように制御した後、流体噴射弁１２１から流体を噴射し、燃料噴射弁から噴射された燃料を撹拌するように燃料噴射弁１１９、及び流体噴射弁１２１を制御する。
【００３１】
ＥＣＵ１１８のＣＰＵ（制御部）は図５で示す制御Ｓ０３によって、燃料噴射弁１１９を制御して燃料を燃焼室１０４に噴射させ、噴霧３００を形成する。このとき、燃料噴射弁から噴射される噴霧３００のペネトレーションＬＡは、壁面に付着しないようにペネトレーションと噴射タイミングを設定するとよい。低回転時には、筒内のタンブル流が弱いため、噴霧３００はタンブル流によって流されず、気筒内に漂う。
【００３２】
次に、ＥＣＵ１１８のＣＰＵ（制御部）は制御Ｓ０４によって流体噴射弁１２１を制御して燃焼室１０４に流体を噴射させる。噴射された流体３０２が燃料噴射弁から噴射された噴霧３００を撹拌し、燃焼室１０４内に均質な混合気を形成する。一般的に、エンジンが低回転数時には、筒内の空気流動が不十分であり、均質な混合気が形成されにくい。本実施例では、流体噴射弁を燃料噴射弁に遅らせて噴射することにより、燃焼室内で燃料を撹拌する。これにより、筒内の空気流動が緩慢な際にも、均質な混合気を形成することができる。本実施例により、エンジン低回転時の均質燃焼において、均質な混合気を形成することができる。
【００３３】
ＥＣＵ１１８のＣＰＵ（制御部）は図５で示す制御Ｓ０５によって、点火プラグ１２０を制御して火花点火によって点火させ、燃焼室１０４内の混合気を燃焼させる。なお、本実施例は点火プラグを備えた内燃機関を一例として説明しているが、本実施例による効果は点火プラグを備えない、圧縮自着火式の内燃機関においても同様に得られる。
【００３４】
なお、本実施例は燃料噴射弁の位置を限定するものではないが、燃料噴射弁１１９を内燃機関の上部に配置することで、より広範囲に燃料を噴射することができる。広範囲に燃料を噴射することで、混合気の均質度を高めることができる。さらに、燃料噴射弁１１９を点火プラグの近くに配置することで、成層燃焼時の燃焼安定性を高めることができる。
【００３５】
一般に、成層燃焼をスプレーガイド方式で行う場合、圧縮行程時に噴射を行うと、噴霧角が小さくなる。成層燃焼に用いる燃料噴射弁を吸気行程中に用いる場合、噴霧角が広くなるため、噴霧角θ１の設定は、吸気行程においてシリンダ壁面に付着せず、かつ圧縮行程中に噴射した際に十分な噴霧角を得られるように設計するのがよい。
【００３６】
一方、流体噴射弁１２１は、側面に備え付けることで筒内に縦方向の渦３０３を形成する。縦方向の渦を形成することで、燃料噴射弁１１９から噴射された噴霧３００を好適に撹拌することができる。さらに流体噴射弁１２１と壁面の距離をできるだけ大きくすることで、流体噴射弁１２１から噴射する流体が燃料の場合に、壁面への燃料の付着量を低減することができる。
【００３７】
高回転における均質燃焼は、タンブル流が縦方向に渦を形成しており、この渦により筒内に均質な混合気を形成する。低回転時においてはタンブル流が弱く縦方向の渦が形成されにくいが、流体噴射弁１２１によって縦方向の渦を形成することで、高回転時に得られるような均質な混合気を形成することができる。
【００３８】
すなわち、燃料噴射弁１１９が内燃機関の上部に取り付けられ、流体噴射弁１２１が内燃機関の側面に取り付けられることで、混合気の均質度を高めることができる。
【００３９】
しかしながら、発明の効果は燃料噴射弁の配置と点火プラグの配置を限定するものではない。例えば、燃料噴射弁１１９と流体噴射弁１２１の配置が逆の場合でも発明の効果は有効である。ただし、燃料噴射弁を側部に配置し、点火プラグを中央に配置する場合、成層燃焼時の燃焼安定性を高めるために、少なくとも１つの噴霧方向を点火プラグに指向するとよい。
【００４０】
本実施例では、燃料を噴射する時期は、上死点を０ｄｅｇとすると、例えば６０ｄｅｇとしている。すなわち、ＥＣＵ１１８のＣＰＵ（制御部）はピストンが下降している状態において、燃料噴射弁１１９から噴射するように制御した後、流体噴射弁１２１から流体を噴射し、燃料噴射弁から噴射された燃料を撹拌するように燃料噴射弁１１９及び流体噴射弁１２１を制御する。ピストン移動方向３０５で示されるようにピストンが下降することにより、流体が筒内に下向きに流れ込み、流体３０２の流動を補助することができる。結果として、筒内の縦方向の渦３０３が強化され、燃料噴射弁１１９から噴射された噴霧３００を好適に撹拌することができる。
【００４１】
また、燃料噴射弁１１９の噴孔軸と、流体噴射弁１２１の噴孔軸は、ピストンが下死点にいる状態で、ピストンよりも点火プラグ側において交わるようにすることが望ましい。すなわち、図８で示されるように、交点３０４がピストンよりも点火プラグ側において存在するようにするとよい。また、流体３０２が角度θ２を持つ時、角度θ２の範囲内で交点が存在するようにするとよい。交点が存在する場合、流体噴射弁から噴射された流体３０２が、噴霧３００に衝突する。流体３０２が噴霧３００に衝突することで、運動量の交換が起こり、筒内で燃料がより好適に撹拌する。以上より、均質な混合気を好適に形成することができる。
【００４２】
なお、上で述べた流体噴射弁は燃料噴射弁とは別体の撹拌用の燃料噴射弁でもよく、ＥＣＵ１１８のＣＰＵ（制御部）は燃料噴射弁からの噴霧のペネトレーションに対し、撹拌用燃料噴射弁からの噴霧のペネトレーションが長くなるように制御すると良い。これにより、同様の発明の効果が得られる。以下にその原理を述べる。図９は、噴射速度とペネトレーションの一般的な関係を示した概略図である。噴射速度ＶＡとＶＢにＶＡ＜ＶＢの関係があるとき、ペネトレーションはＬＡ＜ＬＢとなる。このため、噴射速度が大きいとき、ペネトレーションは大きくなる。次に、図１０に流体の運動エネルギと噴射速度の関係を表す概略図を示す。噴射速度ＶＡとＶＢにＶＡ＜ＶＢの関係があるとき、流体の運動エネルギはＥＡ＜ＥＢとなる。
【００４３】
図８において、燃料噴射弁１１９から噴射された噴霧３００は、流体噴射弁１２１（本実施例では撹拌用燃料噴射弁）から噴射された流体３０２（本実施では撹拌用燃料噴霧３０２）の運動エネルギが、燃料噴射弁１１９から噴射された噴霧３００の運動エネルギよりも大きいことで、流体が筒内に下向きに流れ込み、縦方向の渦３０３が形成されることで、燃料噴射弁１１９から噴射された噴霧３００を撹拌し、筒内に均質な混合気を形成することができる。
【００４４】
次に、本実施例の撹拌用燃料噴射弁を用いた均質燃焼の制御方法について図１０を用いて説明を行う。図１１は、本実施例に係る噴射制御のフローチャートであり、図５と同様の図である。制御Ｓ１３では、吸気行程において燃料噴射弁１１９から噴射を行った後に、制御Ｓ１４によって撹拌用燃料噴射弁から流体を噴射する。噴射された噴霧３０２が燃料噴射弁１１９から噴射された噴霧３００を撹拌し、燃焼室１０４内に均質な混合気を形成する。
【００４５】
なお、制御Ｓ１２によって高回転と判定された場合は、制御Ｓ１６によって撹拌用燃料噴射弁から燃料を噴射するように制御することが望ましい。これは、エンジンが高回転時にはタンブル流が強くなり、タンブル流に流されないためにペネトレーションの長い噴霧が要求されるためである。このため、高回転時にはペネトレーションの長い撹拌用燃料噴射弁から燃料を噴射することで、均質な混合気を形成することができる。
【００４６】
図１２に、燃料噴射弁１１９と攪拌用燃料噴射弁１２１を動作させる電流パルスとピストン位置との関係を示す。時間Ｔ１は燃料噴射弁１１９の噴射開始時間であり、時間Ｔ２は燃料噴射弁１２１の噴射開始時間である。図１１における時間Ｔ２はピストン下死点付近になるように制御することで、壁面への燃料の付着を低減させることができる。本実施例では、燃料噴射弁１２１の噴射時期は、例えば下死点から−２０ｄeｇ〜＋２０ｄeｇの間としている。以上の制御により、壁面への燃料付着量の低減と、筒内の空気流動強化を両立することができる。なお、時間Ｔ１及び時間Ｔ２噴射時期は吸気行程に制限されるものではないが、混合と気化を十分に行うためには、ピストンが下降中の吸気行程において行われることが望ましい。
【００４７】
さらに、燃料噴射弁１２１のペネトレーションの長さは、ピストンへ付着しない範囲で、均質度が高くなるように最適化されることが望ましい。エンジンの回転数が低い場合は、燃焼室１０４内の空気流動が緩慢であり、燃料が燃焼室壁面やピストンに付着しやすい。図８において、燃料噴霧３０２はペネトレーションが短くなるように設定されることで、ピストン及びシリンダ壁面への付着が低減する。例えば、ペネトレーションＬＢをあるクランク角θにおける燃料噴射弁からピストンまでの距離と設定すると、付着を好適に抑えつつ、混合気の均質度を高めることができる。
【００４８】
次に、ペネトレーションの長さを設定する方法について述べる。図１３は図４と同様の断面における、噴孔２０５近傍の拡大図である。弁体２０６と弁座面２０４は、閉弁時には接地点４００で接しており、開弁時にはストローク量Ｓｔだけ離れている。燃料は、弁体の中心軸２０６に向かって半径内側方向に流入し、流線４０１の経路を通り、噴孔入口４０４から噴孔４０２に流入し、噴孔出口４０５から噴射される。一部の燃料はサック室４０３に一度流入し、その後噴孔４０２に流れ込む。流れ込む燃料の量はストローク量Ｓｔにより制御され、Ｓｔが小さい場合に比べて、Ｓｔが大きい場合に流量が大きい。流体速度は流量が大きい場合に長くなるので、ペネトレーションはストローク量Ｓｔによって設定できる。
【００４９】
また、噴孔の長さＬと出口径Ｄの比Ｌ／Ｄによっても、ペネトレーションを設定可能である。一般に、Ｌ／Ｄが大きい場合に噴射速度が大きくなり、ペネトレーションが長くなる。このため、流体噴射弁１２１が燃料噴射弁１１９とは別体の撹拌用燃料噴射弁であり、燃料噴射弁１１９に対し、撹拌用燃料噴射弁に形成される噴孔の方がＬ／Ｄが大きくなるように構成することで、燃料噴射弁１１９から噴射された噴霧３００を撹拌し、筒内に均質な混合気を形成することができる。
【００５０】
その他、短パルス噴射や短パルス噴射を使用した多段噴射でもペネトレーションを変えることが可能である。短パルス噴射ではペネトレーションが短くなるため、より壁面への付着量を低減することができる。一方、短パルス噴射では1パルスあたりの噴射量が減るので、多段噴射により必要な燃料量を噴射するのが良い。
【００５１】
さらに、本発明を用いることによって、混合気の均質度を高めつつ、燃焼速度を高めることができる。燃焼速度を向上させることで、燃焼を短い期間で行うことができ、燃焼過程の等容度を高めることが可能である。等容度が高まることで熱効率が向上し、燃費効率が改善する。
【００５２】
流れの平均的な運動の大きさを表す運動エネルギが大きいほど、流れの乱れの大きさを表す乱流運動エネルギも大きくなる。火炎の伝播速度は乱流運動エネルギと相関があり、乱流運動エネルギが大きいほど、燃焼速度の向上効果が期待できる。
【００５３】
すなわち、燃料噴射弁から燃料を噴射するように制御した後、流体噴射弁から流体を噴射し、燃料噴射弁から噴射された燃料を撹拌するように流体噴射弁を制御することで、筒内の乱流運動エネルギが大きくなり、混合気の均質度を高めつつ、燃焼速度を高めることができる。
【００５４】
本実施例は、エンジンの回転数が低く、筒内の空気流動が緩慢な場合に好適に作用する。このため、例えばエンジンの始動時に用いることができる。エンジンの始動時においては、触媒の暖機を行う目的で暖機運転を行うことがある。エンジンの回転数が上がり暖機運転モードになった場合には、点火時期をリタードさせるなどして排気温度を上げる制御を行うことで、混合気の均質度を高めつつ、触媒の暖機を好適に行うことができる。
【００５５】
すなわち、ＥＣＵ１１８のＣＰＵ（制御部）はピストンの１ストロークにおいて、燃料噴射弁を噴射するように制御した後、内燃機関のピストンが下死点付近にいる状態で、流体噴射弁を燃料噴射弁から噴射される燃料を撹拌するように制御し、内燃機関が暖気運転となったら、点火タイミングをリタードさせる制御に切り替える。これにより、混合気の均質度を高めつつ、触媒の暖機を好適に行うことができる。
【００５６】
なお、本発明の効果は回転数が低い場合に限られず、筒内の空気流動が緩慢である場合には同様の効果を得られる。例えば、吸気バルブを上死点付近で開弁し、気筒内部の負圧が十分でない場合などである。
【実施例２】
【００５７】
本発明の第２の実施例に係る燃料噴射弁について、図１４を用いて以下説明する。
図１４に示す第２の実施例では、混合気撹拌手段として、燃料噴射弁１１９とは別体の、撹拌用の燃料噴射弁１２１を備える。その他の構成は第１の実施例と同様である。
【００５８】
図１４に示す第２の実施例では、高圧燃料ポンプ１１１とは別体の高圧燃料ポンプ３１０が備えられており、燃料は燃料タンク１０９からフィードポンプ１１０に高圧燃料ポンプ３１０に送られる。高圧燃料ポンプ３１０により昇圧された燃料はコモンレール３１１に送る。コモンレール３１１には燃圧センサ３１２が設けられ、燃料圧力を検知する。このとき、燃料噴射弁１１９に比べて撹拌用燃料噴射弁１２１に高い燃圧を付与することで、撹拌用燃料噴射弁１２１から噴射される噴霧のペネトレーションを長くすることができる。すなわち、撹拌用流体噴射弁１２１が燃料噴射弁１１９とは別体の撹拌用の燃料噴射弁であり、燃料噴射弁１１９に対し、撹拌用燃料噴射弁１２１に付与される燃圧が大きくなるように構成されることで、燃料噴射弁１１９から噴射された噴霧３００を撹拌し、筒内に均質な混合気を形成することができる。
【実施例３】
【００５９】
本発明の第３の実施例に係る燃料噴射弁について、図１５を用いて以下説明する。図１５に示す第３の実施例では、混合気撹拌手段として、燃料噴射弁１１９とは別体の、撹拌用気体噴射弁５０１と、気体を噴射するためのコモンレール５００と、気体を貯蔵するタンク５０１と、気体の流量を調整する圧力調整弁５０３と、流量計５０４を備える。その他の構成については、実施例１と同様である。
【００６０】
気体噴射弁５０１からは、例えばＣＮＧ等の気体燃料を噴射する。制御の方法は、実施例１と同様である。
【００６１】
また、気体噴射弁５０１からは、空気を噴射しても良い。空気を噴射する場合、気体を貯蔵するタンクの代わりにコンプレッサを備え、吸気ポートから空気を供給するとよい。また、気体噴射弁５０１からは還流した排気ガスの一部を噴射しても良い。つまりＥＣＵ１１８のＣＰＵ（制御部）は撹拌用気体噴射弁５０１から空気又は還流した排気を噴射し、燃料噴射弁１１９から噴射された燃料を撹拌するように制御する。この場合も空気と同様に、還流した排気ガスをコンプレッサによって昇圧し、気体噴射弁５０１から噴射する。
【００６２】
気体噴射弁から気体を噴射する場合、ピストンへの燃料の付着はない。そのため、流体噴射弁からの噴射時期は、ピストンの位置に関わらない。例えば、ＥＣＵ１１８のＣＰＵ（制御部）はピストンが４０ｄｅｇから６０ｄｅｇにいる状態において燃料噴射弁から燃料を噴射し、その後、ピストンが６０ｄｅｇから８０ｄｅｇにいる状態において流体噴射弁を噴射するように制御すると、燃料が気体と早期に混合し気化することで、壁面への燃料の付着を好適に低減することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１０１…シリンダヘッド
１０２…シリンダブロック
１０３…ピストン
１０４…燃焼室
１０５…吸気管
１０６…排気管
１０７…吸気弁
１０８…排気弁
１０９…燃料タンク
１１０…フィードポンプ
１１１…高圧燃料ポンプ
１１２…コモンレール
１１３…燃圧センサ
１１４…コンロッド
１１５…クランク軸
１１６…クランク角センサ
１１７…水温センサ
１１８…ＥＣＵ
１１９…燃料噴射弁
１２０…点火プラグ
１２１…流体噴射弁（実施例１では撹拌用燃料噴射弁）
２００…燃料供給口
２０１…燃料噴霧
２０２…シート部材
２０３…弁体
２０４…弁座面
２０５…噴孔
２０６…弁体中心軸
２０７…噴孔軸
４００…接地点
４０１…流線
４０２…噴孔
４０３…サック室
４０４…噴孔入口
４０５…噴孔出口
４０６…噴孔中心軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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