(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関運転状態を検出する手段と、燃料噴射弁の開弁期間と開弁時期とを機関運転状態に応じて制御する燃料噴射制御手段とを備え、燃料噴射制御手段は機関が所定の運転域にあるときには燃料を主に圧縮行程後半に噴射して成層燃焼を行い、前記以外の運転状態にあるときには燃料を主に吸気行程に噴射して均質燃焼を行うようにした直噴式の火花点火機関の燃料噴射装置において、
前記燃料噴射弁にその最大ストローク量を変化させる可変ストローク機構と、
少なくとも前記成層燃焼時の機関運転状態に応じて燃料噴射弁の最大ストローク量を制御し、成層運転時の高負荷域では最大ストローク量を低負荷域よりも小さくするストローク量制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項２】
ストローク量制御手段は、成層運転時の高回転域では燃料噴射弁の最大ストローク量を低回転域よりも大きく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】
ストローク量制御手段は、均質運転時の高回転かつ高負荷域では燃料噴射弁の最大ストローク量を低回転または低負荷域よりも大きくすることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料噴射装置。
【請求項４】
ストローク量制御手段は、成層運転時のアイドル状態では燃料噴射弁の最大ストローク量を小さくすることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料噴射装置。
【請求項５】
燃料噴射弁に供給する燃料の圧力を機関運転状態に応じて制御する圧力制御手段を備え、
圧力制御手段は、成層運転時の高回転域では低回転域よりも燃料圧力を上昇させるように構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料噴射装置。
【請求項６】
圧力制御手段は、均質運転時の高回転かつ高負荷域では低回転または低負荷域よりも燃料圧力を上昇させるように構成されていることを特徴とする請求項５に記載の燃料噴射装置。
【請求項７】
圧力制御手段は、成層運転時のアイドル状態では燃料圧力を低減させるように構成されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の燃料噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は直噴式の火花点火式内燃機関に適合する燃料噴射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術と解決すべき課題】
火花点火式内燃機関において、主として圧縮行程以降に筒内に直接燃料を噴射供給して成層燃焼させることにより燃費、出力、排気エミッション性能を改善するようにしたものが知られている。こうした直噴式機関の特徴を充分に発揮させるためには、筒内に噴射供給する燃料粒子を運転状態に応じて適切に制御することが望ましく、このために例えば特開平７−１６６９２７号公報に開示されているように、燃料噴射弁に供給する燃料の圧力を可変制御することにより燃料の微粒化の程度を制御するようにしたものが提案されている。。
【０００３】
ところで、本出願人は、成層運転時の燃焼安定性が成層化の度合いの影響を強く受けるため同じ成層運転時であっても運転状態によって適切な燃料噴射率（単位時間当たりの燃料噴射量）が異なることを実験により確認した。燃料圧力を変化させれば、燃料の微粒化だけでなく燃料噴射率も変化するのであるが、上記従来技術では燃料の微粒化のみに着目しているため、成層燃焼時は一律に燃料圧力を高くするだけであった。また、燃料圧力だけで適切な燃料噴射率を得ようとすると、非常に幅広い燃料圧力と高燃圧に対応させるために容量の大きな燃料ポンプが必要となるためコストが上昇し、同時にその駆動負担が大きくなるため燃費が悪化するという問題が生じる。
【０００４】
また、上記従来技術とは別に、燃料噴射弁の弁体のストローク量を可変制御することによって燃料噴射率を制御する技術が特開平５−３２１７８６号公報に開示されているが、これは単位重量当たりの発熱量が異なる２種類の燃料を切り換えて使用する場合に燃料噴射率を可変制御するものであり、成層燃焼を行わせる直噴式内燃機関への適用については開示がない。
【０００５】
本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたもので、直噴式の火花点火式機関において、少なくとも成層燃焼運転時に燃料噴射弁の弁体のストローク量を精度良く可変制御することにより幅広い機関運転域にて最適燃料噴射が可能な燃料噴射弁および燃料噴射装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するために、請求項１の発明は、機関運転状態を検出する手段と、燃料噴射弁の開弁期間と開弁時期とを機関運転状態に応じて制御する燃料噴射制御手段とを備え、燃料噴射制御手段は機関が所定の運転域にあるときには燃料を主に圧縮行程後半に噴射して成層燃焼を行い、前記以外の運転状態にあるときには燃料を主に吸気行程に噴射して均質燃焼を行うようにした直噴式の火花点火機関の燃料噴射制御装置において、前記燃料噴射弁にその最大ストローク量を変化させる可変ストローク機構と、少なくとも前記成層燃焼時の機関運転状態に応じて燃料噴射弁の最大ストローク量を制御し、成層運転時の高負荷域では最大ストローク量を低負荷域よりも小さくするストローク量制御手段と、を備える。
【０００８】
請求項２の発明は、上記請求項１において、成層運転時の高回転域では燃料噴射弁の最大ストローク量を低回転域よりも大きくするものとした。
【０００９】
請求項３の発明は、上記請求項１又は２の発明において、均質運転時の高回転かつ高負荷域では燃料噴射弁の最大ストローク量を低回転または低負荷域よりも大きくするものとした。
【００１０】
請求項４の発明は、上記請求項１から３の発明において、成層運転時のアイドル状態では燃料噴射弁の最大ストローク量を小さくするものとした。
【００１１】
請求項５の発明は、上記請求項１から４の発明において、燃料噴射弁に供給する燃料の圧力を機関運転状態に応じて制御する圧力制御手段を備え、成層運転時の高回転域では低回転域よりも燃料圧力を上昇させるものとした。
【００１２】
請求項６の発明は、上記請求項５の発明において、均質運転時の高回転かつ高負荷域では低回転または低負荷域よりも燃料圧力を上昇させるものとした。
【００１３】
請求項７の発明は、上記請求項５又は６の発明において、成層運転時のアイドル状態では燃料圧力を低減させるものとした。
【００１４】
【作用・効果】
請求項１の発明によれば、可変ストローク機構を有する燃料噴射弁を用いたことにより、直噴式火花点火機関の成層燃焼時の運転状態に応じて最適な噴射率にて高精度な燃料噴射制御を行うことができるので、機関に幅広い運転域にて良好な出力、運転性および排気エミッション性能を発揮させることが可能である。そして、ストローク量制御手段は、成層運転時の高負荷域では燃料噴射弁の最大ストローク量を低負荷域よりも小さくするものとしたことから、要求燃料量の噴射期間を長くして、多量の燃料が集中しすぎることによるスモークの発生を回避することができる。
【００１６】
請求項２の発明によれば、ストローク量制御手段を、成層運転時の高回転域では燃料噴射弁の最大ストローク量を低回転域よりも大きくするものとしたことから、空気流動が活発で燃料が拡散しやすい高回転域にて要求燃料量を短時間内に供給して燃料をある程度集中させ、これにより適切な成層燃焼を行わせることができる。また、請求項５の発明によれば、成層運転時の高回転域では低回転域よりも燃料圧力を上昇させるようにしたことから、噴射弁ノズル部からの燃料の噴霧角を小さくするとともに燃料粒子の貫通力を強めてピストンキャビティ部等への燃料の集中をより促すことができる。
【００１７】
請求項３の発明によれば、ストローク量制御手段を、均質運転時の高回転かつ高負荷域では燃料噴射弁の最大ストローク量を低回転または低負荷域よりも大きくするものとしたことから、燃料の量が多くてスモークを生じやすいこの運転域での噴射率を高めてスモークの発生を抑制することができる。また、請求項６の発明によれば、均質運転時の高回転かつ高負荷域では低回転または低負荷域よりも燃料圧力を上昇させるので、噴射率をより高めることが可能である。
【００１８】
請求項４の発明によれば、ストローク量制御手段を、成層運転時のアイドル状態では燃料噴射弁の最大ストローク量を小さくするものとしたことから、シリンダ内の空気流動が弱いアイドル運転域での噴射期間を長くして燃料の適度な拡散を促し良好な燃焼性を確保することができる。また、請求項７の発明によれば、成層運転時のアイドル状態では燃料圧力を低減させるものとしたことから、噴射燃料の噴霧角を広げつつ燃料粒子の貫通力を低減させて燃料の拡散をより促すことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１は本発明が適用可能な直噴式内燃機関の概略構成を示したものである。図において、１は直噴式内燃機関の本体（シリンダブロック）、２はシリンダヘッド、３はピストン、４は点火プラグ、５は燃料噴射弁、６は吸気通路、７は排気通路、８は絞り弁、９は吸気弁、１０は排気弁を示している。１１はＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ｉ／０等からなるマイクロコンピュータにより構成された制御装置であり、上記本発明の圧力制御手段、燃料噴射制御手段、ストローク量制御手段等を構成するものである。この制御装置１１は、以下の運転状態検出手段からの信号に基づいて燃料噴射量、噴射時期、燃料圧力および噴射弁の開弁ストローク量を制御する。
【００２１】
運転状態検出手段としては、吸入空気量を検出するエアフロメータ１２、機関回転数を検出するクランク角センサ１３、冷却水温を検出する水温センサ１４、排気酸素濃度を検出する排気酸素センサ１５、スロットルバルブの開度を検出するスロットル開度センサ１６、車両の走行速度を検出する車速センサ１７、燃料噴射弁５に供給する燃料の圧力を検出する燃圧センサ１８を備えている。２０は制御装置からの指令に基づいて燃料噴射弁５に供給する燃料の圧力を可変制御する燃圧制御装置である。
【００２２】
図２に上記燃料噴射弁５の詳細を示す。図において、５１は噴射弁のハウジング、５２はハウジング５１の先端部に嵌合されたノズル部、５３はハウジング５１内のノズル部背後側に嵌合されたコア部である。ハウジング５１とコア部５３によって形成される空間にはソレノイドコイル５４が設置されている。
【００２３】
コア部５３の中心部の筒内にはばねシート５７が螺合されており、このばねシート５７にはばね５８が一端を固定され、このばね５８の他端部はノズル部５２に収装された弁体（針弁）５９に背後から当接している。
【００２４】
ソレノイドコイル５４に通電してない状態では針弁５９はばね５８の付勢力によってノズル部５２の先端部に設けられた噴孔６３の内側に押しつけられており、閉弁状態を維持している。これに対してソレノイドコイル５４に通電するとコア部５３とその周囲の磁性体により磁気回路が形成され、ばね５８の張力に抗して弁体５９が上昇して噴孔６３が開放する。
【００２５】
燃料はコア部５３の端部に設けられた燃料入口部５５からばねシート５７およびばね８の中空部を通り、さらに弁体５９とノズル部５２との間に設けられた隙間ないし溝部を経由して噴孔６３部分に導かれる。
【００２６】
弁体５９の中間部にはフランジ状に係止部６４が設けられており、この係止部６４と所定の間隙を隔てて対向する位置にはピエゾ素子からなる環状の規制部６５が設置され、これらによって弁体５９の閉弁位置からの最大ストローク量を変化させる可変ストローク機構が構成される。すなわち、コイル４に電流が流れたときの弁体５９の変位量は係止部６４と規制部６５が接触することによって規制され、このときピエゾ素子からなる規制部６５に制御電流を付与してその軸方向の長さを増大させることによりこの増大分だけ弁体５９のストローク量が減少して噴射弁は小流量特性となる。これに対して、規制部６５に制御電流を付与しない場合または前記と逆方向の制御電流を付与した場合には規制部６５の軸方向の長さが小となり、それだけ弁体５９のストローク量が大となるため噴射弁は大流量特性となる。
【００２７】
図３は上記制御装置１１の動作の概要を示した流れ図である。まず運転状態検出手段（１２〜１８）からの信号を受け、制御装置１１は現在の機関運転状態を判断する（ステップ３０１〜３０２）。ここで、例えば図４に示したような運転域設定に基づいてまず成層燃焼を行うか均質燃焼を行うかを決定し、それぞれの運転状態に応じて噴射弁ストローク量（規制部６５への制御電圧）、燃料圧力、噴射時期、噴射量（噴射パルス幅）を決定する（ステップ３０３〜３０６、３０８〜３１１）。この各種制御量の設定は、機関回転数と負荷とに応じて図４に示したような設定を付与するマップをあらかじめ形成しておき、これを検索することで行うようにしている。このようにして設定した前記各制御量は最終的に燃料噴射弁５または燃圧制御装置２０に出力する（ステップ３０７）。このような制御ループが所定の周期で繰り返して実行され、これにより燃料噴射量等が常に機関運転状態に応じた適切な量に制御される。
【００２８】
図４は、本実施形態の成層燃焼および均質燃焼領域と燃料圧力、噴射弁ストロークの設定例を示したものである。図において斜線を施した比較的負荷および回転数の低い領域で成層燃焼を行い、それよりも負荷または回転数の高い領域で均質燃料を行う設定となっている。また、それぞれの領域内で予め設定した運転状態のときに燃料圧力と噴射弁ストローク量とを制御している。
【００２９】
図４において▲１▼は成層燃焼域での比較的負荷の高い領域であり、この領域では燃料噴射量が多いので噴射率が高いと燃料が集中しすぎてスモークの発生が増え、燃焼の安定度も低下しがちとなる。そこでこの領域では噴射弁ストローク量を小さくして低流量特性とすることにより噴射時間を長くする。
【００３０】
▲２▼は成層燃焼域での比較的回転数の高い領域であり、この領域ではシリンダ内の空気流動が活発になって燃料が拡散しやすくなるため噴射率を高めて燃料を集中傾向としたほうがよい。そこで噴射弁ストローク量を大きくして大流量特性とし、短時間のあいだに必要燃料を噴射供給できるように図る。また、燃料圧力を高めることにより噴射弁ノズル部からの噴霧角が小さくなり、噴射燃料粒子の貫通力も強くなるのでピストンキャビティ部に燃料をより集中させることができる。
【００３１】
▲３▼は成層燃焼域でのアイドル回転域であり、この領域ではシリンダ内の空気流動が弱くて燃料が集中しすぎる傾向があるので噴射弁ストローク量を小さくして噴射期間を長くすることにより燃料をある程度拡散させるのが好ましい。また、このようにすることにより燃料噴射弁のダイナミックレンジが小流量方向に広がって小流量域での噴射量制御精度が高められる。このアイドル域では同時に燃料圧力を低下させることにより噴射弁ノズル部からの燃料噴霧角が大きくなり、噴射燃料粒子の貫通力も弱くなるので燃料の拡散を促すことができる。
【００３２】
▲４▼は均質燃焼域での比較的負荷および回転数が高い領域であり、このように燃料の絶対量が多い領域では燃料噴射期間が長いとスモークを発生しやすくなるので、噴射弁ストローク量を増やして燃料の噴射率を高めるのが好ましい。また、このストローク量の増大により燃料噴射弁のダイナミックレンジを大流量方向に拡大することができる。この運転域にてさらに燃料圧力を増大させると、噴射率をより高めて良好な燃焼性を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用可能な直噴式機関の実施形態を示す概略構成図。
【図２】燃料噴射弁の実施形態を示す縦断面図。
【図３】本発明の実施形態の制御動作の概略を示す流れ図。
【図４】上記実施形態における機関運転状態と燃料圧力および燃料噴射弁ストローク量の関係を示す説明図。
【符号の説明】
１    直噴式内燃機関の本体（シリンダブロック）
２    シリンダヘッド
３    ピストン
４    点火プラグ
５    燃料噴射弁
６    吸気通路
７    排気通路
８    絞り弁
９    吸気弁
１０    排気弁
１１    制御装置
１２    エアフロメータ
１３    クランク角センサ
１４    水温センサ
１５    排気酸素センサ
１６    スロットル開度センサ
１７    車速センサ
１８    燃圧センサ
２０    燃圧制御装置
５１  燃料噴射弁のハウジング
５２  ノズル部
５３  コア部
５４  ソレノイドコイル
５５  燃料入口部
５７  ばねシート
５８  ばね
５９  弁体
６２  ノズル部
６３  噴孔
６４  係止部
６５  規制部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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