(57)【要約】【課題】  噴射率が高く設定された燃料噴射装置において、燃料噴射制御の精度を向上させると共に、消費電力の増大を抑制することを課題とする。【解決手段】  バルブボディ１１、１２に挿入されたニードルバルブ１４をコイルへの通電により吸引して開弁する燃料噴射弁１０において、前記コイルとして第１コイル１６１と第２コイル１６２とを備え、第１コイル１６１への通電による前記ニードルバルブ１４の吸引ストロークを第２コイル１６２への通電による前記ニードルバルブ１４の吸引ストロークより小さく設定すると共に、要求噴射量が少ない領域では、前記第１コイル１６１にのみ通電し、要求噴射量が多い領域では、前記第１コイル１６１と第２コイル１６２とに通電するように構成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンに備えられ、バルブボディに挿入されたニードルバルブをコイルへの通電により吸引して開弁し、前記バルブボディの先端の噴孔から燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射装置であって、
前記コイルとして第１コイルと第２コイルとが備えられ、
第１コイルへの通電による前記ニードルバルブの吸引ストロークが、第２コイルへの通電による前記ニードルバルブの吸引ストロークより小さくされていると共に、
要求噴射量が少ない領域では、前記第１コイルにのみ通電し、要求噴射量が多い領域では、前記第１コイルと第２コイルとに通電する通電制御手段を備えたことを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項２】
前記通電制御手段は、第１、第２コイルに通電する領域において、第１コイルへの通電により発生する前記ニードルバルブに対する吸引力が、第２コイルの通電により発生する吸引力より大きくなるように、これらのコイルへの通電を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射装置。
【請求項３】
前記通電制御手段は、第１、第２コイルに通電する領域において、第１コイルへの通電により発生する前記ニードルバルブに対する吸引力が、該ニードルバルブの開弁動作開始に要する吸引力より大きくなり、第２コイルの通電により発生する前記ニードルバルブに対する吸引力が、該ニードルバルブの開弁動作開始に要する前記吸引力より小さくなるように、これらのコイルへの通電を制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの燃料噴射装置、特に噴射時間の短縮化に適した燃料噴射装置に関し、エンジンの燃料供給技術の分野に属する。
【背景技術】
【０００２】
近年、車両用等のガソリンエンジンとして、圧縮比を高く設定し、圧縮工程で混合気の温度を高めることにより、低負荷領域で該混合気を圧縮着火させるようにしたものが提案されており、この着火方式によれば、低負荷領域における熱効率が高くなり、従来の希薄混合気を火花点火させるリーンバーン方式よりもさらに燃費性能の向上が期待される。
【０００３】
このエンジンにおいては、高負荷領域では火花点火により着火されるが、圧縮比が高く設定されているために、特に高負荷低回転領域で、圧縮行程中に未燃混合気が自己着火する過早着火や、燃焼開始後に混合気の未燃部分が局部的に自己着火するノッキングが発生しやすくなるという問題がある。
【０００４】
これに対しては、燃料噴射弁の噴射率（単位時間当たりの噴射量）を大きくし、圧縮上死点付近のタイミングで短時間に噴射することにより、燃料噴射開始から点火までの時間を短くすることが有効であると考えられる。つまり、噴射開始から点火までの時間を短縮することにより過早着火が抑制され、また、噴射時間の短縮による噴霧速度の上昇により混合気の攪拌が促進されてノッキングが抑制されると考えられるのである。
【０００５】
そして、燃料噴射弁の噴射率を高くし、燃料噴射時間を短縮するために、開弁時における弁体のストローク量を大きくすることが考えられている。
【０００６】
なお、特許文献１には、低負荷時における希薄燃焼による低燃費化と、高負荷時における均質燃焼による高出力化とを実現するために、外開き式の燃料噴射弁において、プランジャのストロークを大小切り換え可能としたものが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−１９１９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、燃料噴射弁は、噴射率を高くすると、噴射量の少ない低負荷領域で噴射量の制御精度が低下するという性質がある。
【０００９】
つまり、図７（ａ）に示すように、燃料噴射弁の噴射率は、噴射指令の出力後、開弁開始時からニードルバルブ等の弁体のストロークに従って増大し、最大ストローク量で一定噴射率に達した後、噴射指令出力時から所定時間が経過した時点から減少し、その結果、時間に対する変化の特性が台形状をなすのであるが、開弁時における噴射率が増大する期間、及び閉弁時における噴射率が減少する期間は、開弁速度の個体差等によってばらつきが生じやすいという特性がある。
【００１０】
これを、開弁開始時からのトータルの噴射量で見ると、同図（ｂ）に示すように、噴射量の特性は、前記図（ａ）の開弁時及び閉弁時における斜線を施した面積に相当する噴射量で変曲点Ｐを形成し、この変曲点Ｐより噴射量が少ない領域は、噴射量に対するばらつき量の比率が大きくなる領域となる。
【００１１】
したがって、同図（ｂ）に示すように、低負荷時における最低噴射量Ｑｍｉｎが前記変曲点Ｐにおける噴射量より高噴射量側に位置するように設定することが必要となるが、前述のように、噴射時間を短くするために、弁体のストロークを大きくして噴射率を高くすると、同図（ａ）に斜線を施した面積が広くなり、同図（ｂ）に符合Ｐ’で示すように、前記変曲点が最低噴射量Ｑｍｉｎより高くなる。この場合、噴射量が少ない低負荷時に、符号ｘで示すように、ばらつきが大きい領域だけで噴射する状態が発生し、燃料噴射量の制御精度が低下化することになる。
【００１２】
そこで、本発明は、例えば前述のような圧縮比が高く設定されたエンジン等で用いられる噴射率が高く設定された燃料噴射装置において、低負荷時における噴射量のばらつきを抑制して、燃料噴射制御の精度を向上させると共に、消費電力の増大を抑制することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記課題を解決するため、本願発明は次のように構成したことを特徴とする。
【００１４】
まず、請求項１に係る発明は、エンジンに備えられ、バルブボディに挿入されたニードルバルブをコイルへの通電により吸引して開弁し、前記バルブボディの先端の噴孔から燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射装置であって、前記コイルとして第１コイルと第２コイルとが備えられ、第１コイルへの通電による前記ニードルバルブの吸引ストロークが、第２コイルへの通電による前記ニードルバルブの吸引ストロークより小さくされていると共に、要求噴射量が少ない領域では、前記第１コイルにのみ通電し、要求噴射量が多い領域では、前記第１コイルと第２コイルとに通電する通電制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１５】
また、請求項２に係る発明は、前記請求項１に係る発明において、前記通電制御手段は、第１、第２コイルに通電する領域において、第１コイルへの通電により発生する前記ニードルバルブに対する吸引力が、第２コイルの通電により発生する吸引力より大きくなるように、これらのコイルへの通電を制御することを特徴とする。
【００１６】
また、請求項３に係る発明は、前記請求項１又は請求項２に係る発明において、前記通電制御手段は、第１、第２コイルに通電する領域において、第１コイルへの通電により発生する前記ニードルバルブに対する吸引力が、該ニードルバルブの開弁動作開始に要する吸引力より大きくなり、第２コイルの通電により発生する前記ニードルバルブに対する吸引力が、該ニードルバルブの開弁動作開始に要する前記吸引力より小さくなるように、これらのコイルへの通電を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
上記の構成により、請求項１に係る発明によれば、コイルへの通電によりニードルバルブを吸引して開弁させるように構成された燃料噴射装置において、要求噴射量が少ない領域では第１コイルにのみ通電されるので、ニードルバルブの吸引ストロークが小さくされ、開弁時における噴射率が増大する期間、及び閉弁時における噴射率が減少する期間の噴射量がストローク量が大きい場合に比べて少なくなる。つまり、ばらつきやすい期間における噴射量が少なくなり、トータルの噴射量に対するばらつき量の比率が小さくなって、燃料噴射制御の精度が向上することになる。
【００１８】
また、要求噴射量が多い領域では、第２コイルが通電されることによりニードルバルブの吸引ストロークが大きくなり、したがって、噴射率が高くなって要求された量の燃料を短時間で噴射することが可能となり、例えば、高圧縮比化に伴って高負荷領域で燃料噴射時間を短くすることが要求されるエンジンなどで、その要求が満足されることになる。
【００１９】
そして、この発明によれば、要求噴射量が多い領域では、前記第２コイルに加えて前記第１コイルにも通電するようにしたので、第２コイルへの通電だけで開弁して大きな吸引ストロークを実現する場合に比べて、消費電力が低減されることになる。
【００２０】
つまり、閉弁状態にあるニードルバルブの開弁動作を開始させるためには、そのストローク量に相当する距離の空隙を介して、該ニードルバルブに閉方向に作用するスプリングの付勢力とバルブボディ内の燃圧とに打ち勝つだけの吸引力を該ニードルバルブに作用させる必要があるが、ニードルバルブの吸引ストロークが大きく、前記空隙が大きくなると、コイルに通電する電流値を高くして該コイルで発生する吸引力、換言すれば磁場の強さを大きくしなければならず、それだけ、開弁時の消費電力が増大するのである。
【００２１】
また、コイルへの通電により発生する磁力をニードルバルブに対する吸引力として効率よく作用させるために、コイルが大型化することにもなる。
【００２２】
そこで、請求項１に係る発明では、ニードルバルブの大きなストロークが要求されるときに、前記第２コイルと共に、ニードルバルブに対する吸引ストローク、即ち前記空隙が小さい第１コイルにも通電し、この第１コイルへの通電によって開弁動作開始に必要な吸引力を発生させ、これにより、吸引ストロークが大きい第２コイルへの通電で開弁動作を開始させる場合に比較して、低い電流値で開弁させることが可能となる。
【００２３】
そして、開弁動作が開始し、ニードルバルブの先端が座面から離間すれば、前記燃圧による付勢力が消滅するので、その後は、第２コイルへの比較的低い電流値の通電により、必要とされている大きなストロークが実現されることになる。これにより、要求噴射量が多い領域での開弁に必要なトータルの消費電力が低減されると共に、コイルのコンパクト化ないしバルブボディの小型化が達成される。
【００２４】
また、請求項２に係る発明によれば、前記第１、第２コイルとも通電されるときに、第１コイルへの通電により発生する吸引力が第２コイルへの通電により発生する吸引力より大きくなるように制御されるので、第１コイルへの通電による吸引力によって開弁動作を開始させることができると共に、その後、第２コイルへの通電による小さな吸引力でニードルバルブを所定ストローク移動させることができるので、第２コイルへの通電電流値を低くすることが可能となり、無駄な電力消費が抑制される。
【００２５】
また、請求項３に係る発明によれば、前記第１、第２コイルとも通電されるときに、第１コイルへの通電により発生する吸引力が前記ニードルバルブの開弁動作の開始に要する吸引力より大きくされるので、該第１コイルへの通電によって確実に開弁動作が開始されることになる。
【００２６】
そして、第２コイルの通電による吸引力は開弁動作開始に要する吸引力より小さくされるので、該第２コイルへの通電電流値を必要以上に高くすることによる無駄な電力消費が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態における燃料噴射弁の断面図である。
【図２】同噴射弁の要部拡大断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る燃料噴射装置の制御ブロック図である。
【図４】吸引ストロークと開弁動作開始に必要な吸引力及び電流値との関係の説明図である。
【図５】各コイルに対する通電制御を示すタイムチャートである。
【図６】燃料噴射弁の開弁動作状態を示す断面図である。
【図７】従来技術の問題点の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明に係る燃料噴射装置の実施形態について説明する。
【００２９】
図１は、燃料噴射装置を構成する燃料噴射弁１０の構成を示すもので、この燃料噴射弁１０の本体は、大径筒状の第１バルブボディ（以下、「第１ボディ」という）１１と、該第１ボデイ１１の一端から延び、先端が閉じられた小径筒状の第２バルブボディ（以下、「第２ボディ」という）１２とを結合部材１３で連結した構成とされている。
【００３０】
そして、前記第１、第２ボディ１１、１２内に、その中心線に沿って第１ボディ１１の中間部から第２ボディ１２の先端部まで延びるニードルバルブ（以下、「ニードル」という）１４が挿入されており、前記第２ボディ１２の先端部１２ａとニードル１４の先端部１４ａとで燃料噴射部１５が構成されている。
【００３１】
また、前記第１ボディ１１内には、第２ボディ１２側から第１コイル１６１と第２コイル１６２とが収納されていると共に、第１コイル１６１の内側には筒状の第１固定鉄心１７１が、第２コイル１６２の内側には同じく筒状の第２固定鉄心１７２がそれぞれ配設されている。
【００３２】
さらに、第１固定鉄心１７１とその反第２固定鉄心１７２側に配設されたスペーサ１８との間、及び、第１固定鉄心１７１と第２固定鉄心１７２との間に、それぞれ軸方向の空隙Ｘ１、Ｘ２（図２参照）を設けて、リング状の第１、第２可動鉄心１９１、１９２がそれぞれ配設されている。
【００３３】
そして、前記ニードル１４の第１ボディ１１内に位置する部分が、先端部１４ａ側から、第１可動鉄心１９１、第１固定鉄心１７１、第２可動鉄心１９２をそれぞれ貫通し、かつ、該ニードル１４の後端部側に、該ニードル１４を前記先端部１４ａ側へ、即ち、閉弁方向に付勢するスプリング２０が備えられている。
【００３４】
また、前記ニードル１４の第１可動鉄心１９１を貫通する部位の第１固定鉄心１７１側と、第２可動鉄心１９２を貫通する部位の第２固定鉄心１７２側とに、第１、第２段付部１４１、１４２がそれぞれ設けられている。
【００３５】
これにより、前記第１コイル１６１の通電によって発生する吸引力により第１可動鉄心１９１が第１固定鉄心１７１側へ吸引されると共に、前記第１段付部１４１を介して、ニードル１４が前記スプリング２０の付勢力等に抗して前記空隙Ｘ１に相当する距離だけ開弁方向へストロークし、同様に、前記第２コイル１６２の通電によって発生する吸引力により第２可動鉄心１９２が第１固定鉄心１７２側へ吸引されると共に、前記第２段付部１４２を介して、ニードル１４が前記スプリング２０の付勢力等に抗して前記空隙Ｘ２に相当する距離だけ開弁方向へストロークするようになっている。
【００３６】
その場合に、図２に拡大して示すように、前記空隙Ｘ１、Ｘ２は、Ｘ１＜Ｘ２の関係に設定されており、したがって、第１コイル１６１への通電によるニードル１４の開弁方向へのストローク量が、第２コイル１６２への通電によるニードル１４の同方向へのストローク量より小さくなる。
【００３７】
一方、前記第２ボディ先端部１２ａとニードル先端部１４ａとで構成される燃料噴射部１５は、図２に拡大して示すように、第２ボディ先端部１２ａの壁面の内側に設けられた円錐状の座面１２ｂに、同じく円錐状とされたニードル先端部１４ａが、該ニードル１４の移動に応じて対接、離間することにより、閉弁、開弁するように構成されている。
【００３８】
そして、開弁時には、第１ボディ１１の後端のコネクタ２１に接続されたパイプ（図示せず）から該第１ボディ１１内の燃料通路（図示せず）を経由して、第２ボディ１２とニードル１４との間の燃料溜り部１２ｃまで圧送されている高圧の燃料が、前記第２ボディ先端部１２ａの壁面に設けられた複数の噴孔１２ｄ…１２ｄから外部（燃焼室内）へ霧状とされて噴射されるようになっている。
【００３９】
以上の構成の燃料噴射弁１０に加えて、図３に示すように、本実施形態に係る燃料噴射装置１は燃料制御部３０を有する。
【００４０】
この燃料制御部３０は、エンジンコントロールユニット内に設けられ、エンジンの運転状態を示す各種信号を入力し、これらの信号が示す運転状態に応じて要求される噴射量となるように、燃料噴射弁１０の第１、第２コイル１６１、１６２にパルス状の制御電流を出力する。
【００４１】
次に、この燃料制御部３０の制御電流出力動作を具体的に説明する。
【００４２】
まず、コイルへの通電量とニードルのストローク量との関係を説明すると、一般に、閉弁状態にあるニードルの開弁動作を開始させるためには、いずれもニードルに閉方向に作用するスプリングの付勢力とバルブボディ内の燃圧とに打ち勝つだけの吸引力をニードルに作用させる必要があり、その場合に、コイルへの通電によって発生する吸引力が同一であっても、ストローク量が大きいほど可動鉄心と固定鉄心との間の空隙が大きいので、実際にニードルに作用する吸引力は小さくなる。
【００４３】
したがって、図４（ａ）に示すように、開弁動作開始に必要な吸引力をニードルに作用させるためには、コイルへの通電によって発生する吸引力、換言すれば、コイルへの通電電流値ないしこれによって生じる磁場の強さを、ストローク量が大きくなるほど大きくしなければならないことになる。
【００４４】
その結果、同図（ｂ）に示すように、ストローク量が小さい第１コイル１６１への通電で開弁させるときの電流値Ｉ１に比べて、ストローク量が大きい第２コイル１６２への通電で開弁させるときの方が通電開始初期に供給する電流値Ｉ２を高くしなければならず、後者の場合、開弁時の電力消費量が増大し、また、コイルで発生した磁力をニードルに対する吸引力として効率的に作用させるために、第２コイル１６２の大型化を招くことになる。
【００４５】
そこで、前記燃料噴射装置１の制御部３０は、まず、要求噴射量が少ないとき、即ち、ニードル１４のストローク量が小さい方の空隙Ｘ１に等しいストローク量で足りるときは、図５（ａ）に示すように、第１コイル１６１に対して、まず、ストローク量が小さいときの開弁動作開始に必要な前記電流値Ｉ１で通電し、その後、電流値を、ニードル１４をストローク量Ｘ１だけ移動させ、その状態で保持するのに必要な電流値Ｉ１’まで低下させる。そして、この状態を要求噴射量に対応する時間Ｔ１が経過するまで保持する。なお、このとき、第２コイル１６２に対しては制御電流を出力しない。
【００４６】
これにより、燃料噴射弁１０においては、図６（ａ）に示すように、第１コイル１６１への前記電流値Ｉ１の通電によって生じた磁力により、第１可動鉄心１９１が第１固定鉄心１７１側に吸引され、第１段付部１４１を介して、スプリング２０の付勢力および燃圧に抗してニードル１４の先端部１４ａが座面１２ｂから離間されると共に、符号ａで示すように、ニードル１４が空隙Ｘ１に相当するストローク量だけ移動し、第１可動鉄心１９１が第１固定鉄心１７１の端面に吸着される。
【００４７】
そして、この状態が前記時間Ｔ１が経過するまで保持されることにより、前記ストローク量Ｘ１に応じた噴射率で、第２ボディ１２の先端の噴孔１２ｄ…１２ｄから、要求された比較的少量の燃料が噴射される。
【００４８】
一方、要求噴射量が多く、これを短時間で噴射する必要があるとき、即ち、ニードル１４を大きなストローク量Ｘ２だけ移動させる必要があるときは、図５（ｂ）に示すように、第１コイル１６１に対し、まず、要求噴射量が少ないときと同様、前記電流値Ｉ１で通電し、その後、該第１コイル１６１に対する通電を終了する。
【００４９】
また、第２コイル１６２に対しては、第１コイルへの通電開始と同時に又はこれより多少タイミングを遅らせて、ニードル１４を先端部１４ａが座面１２ｂから離間した状態でストローク量Ｘ２だけ移動させるのに要する電流値Ｉ２’で通電し、この状態を要求噴射量に対応する時間Ｔ２が経過するまで保持する。
【００５０】
なお、この電流値Ｉ２’は、スプリング２０の付勢力に抗してニードル１４を移動させるだけで足りるので、前記第１コイル１６１に通電する開弁動作開始のための電流値Ｉ１より小さく、該第１コイル１６１に対するその後の電流値Ｉ１’と大差がない。
【００５１】
これにより、燃料噴射弁１０においては、図６（ｂ）に示すように、第１コイル１６１への電流値Ｉ１の通電によって発生した吸引力により、要求噴射量が少ないときと同様、第１可動鉄心１９１が第１固定鉄心１７１側に吸引され、第１段付部１４１を介して、スプリング２０の付勢力および燃圧に抗してニードル１４の先端部１４ａが座面１２ｂから離間される。
【００５２】
そして、これと並行して、第２コイル１６２への電流値Ｉ２’の通電によって発生した吸引力により、第２可動鉄心１９２が第２固定鉄心１７２側に吸引され、第２段付部１４２を介して、スプリング２０の付勢力に抗してニードル１４が空隙Ｘ２に相当するストローク量だけ移動し、符号ｂで示すように、第２可動鉄心１９２が第２固定鉄心１７２の端面に吸着される。
【００５３】
そして、この状態が上記時間Ｔ２だけ保持されることにより、前記ストローク量Ｘ２に応じた大きな噴射率で、第２ボディ１２の先端の噴孔１２ｄ…１２ｄから、要求された多量の燃料が噴射される。
【００５４】
以上のようにして、要求噴射量に応じてニードル１４のストローク量が変更されることになるが、大きなストローク量Ｘ２が要求される場合に、小ストローク用の第１コイル１６１への通電によって、ニードル１４の先端部１４ａを座面１２ｂから離間させるので、図４（ｂ）に示す大ストローク用の第２コイル１６２への通電のみによって開弁動作を開始する場合に比べて、トータルとしての通電量を低減することが可能となる。
【００５５】
これにより、特に噴射時間の短縮のため高噴射率が要求される場合に、開弁時の電力消費量が低減されると共に、コイルで発生した磁力を吸引力としてニードルに効率よく作用させるためにコイルを大型化する必要もなくなる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
以上のように、本発明によれば、例えば高圧縮比を採用するエンジンにおいて、高負荷低回転領域で過早装着火やノッキングを抑制するなどのために、ニードルのストローク量を大きくして噴射率を高めるようにした場合に、燃料噴射弁の電力消費量の増大及び大型化が回避されることになる。したがって、この種のエンジンの製造産業分野ないしこの種のエンジンを搭載した車両の製造技術分野において、好適に利用される可能性がある。
【符号の説明】
【００５７】
１              燃料噴射装置
１０            燃料噴射弁
１４            ニードル
１６１、１６２    第１、第２コイル
３０            制御部
【図１】
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【図２】
2013224630.tif 000004
【図３】
2013224630.tif 000005
【図４】
2013224630.tif 000006
【図５】
2013224630.tif 000007
【図６】
2013224630.tif 000008
【図７】
2013224630.tif 000009