(57)【要約】【課題】冷間運転時、排ガス中の煤を抑制でき、高い商品性を確保することができる内燃機関の燃料噴射装置を提供する。【解決手段】燃料を燃料噴射弁１０から気筒内に直接噴射する内燃機関の燃料噴射装置１はＥＣＵ２を備える。燃料噴射弁１０の噴孔１１における軸線方向の長さＬと直径Ｄとの比である寸法比Ｒが値１．０以下に設定されており、ＥＣＵ２は、内燃機関の冷間運転時、燃料噴射弁１０による燃料噴射時間Ｔｉが、内燃機関の運転状態に応じて決定される燃料量を噴射可能で、寸法比Ｒが値１．０を超えているときと比べて排ガス中の煤が急減する煤急減領域内の値になるように、燃料噴射弁１０を制御する。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を燃料噴射弁から気筒内に直接噴射する内燃機関の燃料噴射装置において、
当該燃料噴射弁の噴孔における軸線方向の長さと直径との比である寸法比が値１．０以下に設定されており、
前記内燃機関の冷間運転時、前記燃料噴射弁による燃料噴射時間が、前記内燃機関の運転状態に応じて決定される燃料量を噴射可能で、前記寸法比が値１．０を超えているときと比べて排ガス中の煤が急減する煤急減領域内の値に設定されることを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項２】
前記内燃機関の前記冷間運転時、前記燃料噴射弁による燃料噴射を１燃焼サイクル中に複数回に分割して実行するとともに、１回当たりの燃料噴射時間が前記煤急減領域内の値になるように、前記燃料噴射弁を制御する第１噴射制御手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項３】
前記内燃機関の前記冷間運転時、前記気筒のピストンが下死点近傍にあるときに前記燃料噴射弁による燃料噴射を前記煤急減領域内の燃料噴射時間で実行するように、当該燃料噴射弁を制御する第２噴射制御手段を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料を燃料噴射弁から気筒内に直接噴射する内燃機関の燃料噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関の燃料噴射装置として、特許文献１に記載されたものが知られている。この内燃機関は、車両に動力源として搭載されたものであり、燃料が燃料噴射弁から気筒内に直接噴射される、いわゆる直噴式内燃機関として構成されている。
【０００３】
この燃料噴射装置の場合、内燃機関の冷間運転時には、燃料圧を、暖機完了後の通常運転時よりも低い値に制御することによって、燃料噴霧のペネトレーションが短くなるように構成されている。これは、冷間運転時、燃料噴霧のペネトレーションが長いと、気筒の壁面に付着する燃料量が増大し、排ガス中の煤（スモーク）が増大するので、それを抑制するためである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２７４９４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１の燃料噴射装置によれば、冷間運転時、燃料圧を低下させることによって、燃料噴霧の低ペネトレーション化を図っているものの、煤の抑制効果が十分ではなく、煤をより効果的に抑制できる技術が望まれている。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、冷間運転時、排ガス中の煤を抑制でき、高い商品性を確保することができる内燃機関の燃料噴射装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、燃料を燃料噴射弁１０から気筒内に直接噴射する内燃機関の燃料噴射装置１において、燃料噴射弁１０の噴孔１１における軸線方向の長さＬと直径Ｄとの比である寸法比Ｒが値１．０以下に設定されており、内燃機関の冷間運転時、燃料噴射弁１０による燃料噴射時間Ｔｉが、内燃機関の運転状態に応じて決定される燃料量を噴射可能で、寸法比Ｒが値１．０を超えているときと比べて排ガス中の煤が急減する煤急減領域内の値に設定されることを特徴とする。
【０００８】
この内燃機関の燃料噴射装置によれば、燃料噴射弁の噴孔における軸線方向の長さと直径との比である寸法比が値１．０以下に設定されている。このように、燃料を気筒内に直接噴射する燃料噴射弁の場合、本出願人の実験によって、寸法比を値１．０以下に設定したときには、冷間運転時の燃料噴射時間において、内燃機関の運転状態に応じて決定される燃料量を噴射可能で、寸法比が値１．０を超えているときと比べて、排ガス中の煤が急減する煤急減領域が存在することが確認できた（後述する図７参照）。したがって、この内燃機関の燃料噴射装置によれば、内燃機関の冷間運転時、燃料噴射弁による燃料噴射時間がそのような煤急減領域内の値に設定されるので、冷間運転時、排ガス中の煤を抑制でき、高い商品性を確保することができる。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射装置１において、内燃機関の冷間運転時、燃料噴射弁１０による燃料噴射を１燃焼サイクル中に複数回に分割して実行するとともに、１回当たりの燃料噴射時間Ｔｉが煤急減領域内の値になるように、燃料噴射弁１０を制御する第１噴射制御手段（ＥＣＵ２、ステップ６）を備えることを特徴とする。
【００１０】
一般に、燃料噴射弁による燃料噴射を１燃焼サイクル中に複数回に分割して実行した場合、ペネトレーションを短縮できることが知られている。したがって、この内燃機関の燃料噴射装置によれば、内燃機関の冷間運転時、燃料噴射弁による燃料噴射を１燃焼サイクル中に複数回に分割して実行するとともに、１回当たりの燃料噴射時間が煤急減領域内の値になるように、燃料噴射弁が制御されるので、ペネトレーションの短縮化によって、気筒の壁面に付着する燃料量をさらに抑制することができ、排ガス中の煤をさらに効果的に抑制することができる。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の内燃機関の燃料噴射装置１において、内燃機関の冷間運転時、気筒のピストンが下死点近傍にあるときに燃料噴射弁１０による燃料噴射を煤急減領域内の燃料噴射時間Ｔｉで実行するように、燃料噴射弁１０を制御する第２噴射制御手段（ＥＣＵ２、ステップ６）を備えることを特徴とする。
【００１２】
この内燃機関の燃料噴射装置によれば、内燃機関の冷間運転時、気筒のピストンが下死点近傍にあるときに燃料噴射弁による燃料噴射を煤急減領域内の燃料噴射時間で実行するように、燃料噴射弁が制御されるので、ピストン上面に付着する燃料量を抑制することができ、排ガス中の煤をより一層、効果的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料噴射装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】（ａ）燃料噴射弁の噴孔を示す正面図と、（ｂ）そのＡ−Ａ断面を示す図である。
【図３】（ａ）噴孔の寸法比が大きい場合の燃料噴霧の状態と、（ｂ）噴孔の寸法比が小さい場合の燃料噴霧の状態を模式的に示す図である。
【図４】噴孔の寸法比とペネトレーションの関係を示す図である。
【図５】噴孔の寸法比Ｒを所定値Ｒ１に設定した実施形態の燃料噴射弁と、比較のために噴孔の寸法比Ｒを所定値Ｒ２に設定した燃料噴射弁とにおける、燃料噴霧の粒径の測定結果を示す図である。
【図６】噴孔の寸法比Ｒを所定値Ｒ１に設定した実施形態の燃料噴射弁と、比較のために噴孔の寸法比Ｒを所定値Ｒ２に設定した燃料噴射弁とにおける、燃料噴霧のペネトレーションの測定結果を示す図である。
【図７】噴孔の寸法比Ｒを所定値Ｒ１に設定した実施形態の燃料噴射弁と、比較のために噴孔の寸法比Ｒを所定値Ｒ２に設定した燃料噴射弁とにおける、内燃機関の冷間運転時における燃料噴射時間Ｔｉに対する、排ガス中の単位体積当たりの煤の粒子数ｎの測定結果を示す図である。
【図８】同一の燃料量を噴射する場合において、その燃料量を１回で噴射したときと、２回に均等に分割して噴射したときと、３回に均等に分割して噴射したときの燃料噴霧の最大到達距離の測定結果を示す図である。
【図９】燃料噴射制御処理の冷間時制御処理において実行される３回の燃料噴射期間を示す図である。
【図１０】燃料噴射制御処理を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る内燃機関の燃料噴射装置について説明する。図１に示すように、この燃料噴射装置１は、燃料噴射弁１０及びＥＣＵ２を備えており、燃料噴射弁１０は、ＥＣＵ２に電気的に接続されている。このＥＣＵ２により、燃料噴射弁１０の開弁タイミング及び開弁時間（すなわち燃料噴射期間）が制御されることによって、後述するように燃料噴射制御処理が実行される。
【００１５】
この内燃機関（以下「エンジン」という）は、図示しないが、車両（図示せず）に動力源として搭載されている。燃料噴射弁１０は、エンジンの図示しない気筒ごとに設けられ、燃料を気筒内に直接噴射する筒内噴射タイプのものであり、図示しないシリンダヘッドに取り付けられている。
【００１６】
図２に示すように、燃料噴射弁１０の先端部には、複数の噴孔１１（図２（ａ）に１つのみ図示）が形成されており、噴孔１１の軸線方向の長さＬと直径Ｄ（図２（ｂ）参照）との比である寸法比Ｒ（＝Ｌ／Ｄ）は、以下に述べる理由により、値１以下の所定値Ｒ１（＝０．９）に設定されている。
【００１７】
すなわち、図３（ａ）に示すような、寸法比Ｒが比較的、大きい燃料噴射弁１０Ａの場合、噴孔１１Ａから噴射された燃料噴霧は、空気せん断及び内部乱流が小さい状態となることで、噴霧の粒子が大きくなってしまうとともに、ペネトレーションも長くなる。
【００１８】
これに対して、図３（ｂ）に示すような、燃料噴射弁１０Ａよりも寸法比Ｒが小さい燃料噴射弁１０Ｂの場合、噴孔１１Ｂから噴射された燃料噴霧は、空気せん断及び内部乱流が燃料噴射弁１０Ａよりも大きい状態となることで、噴霧がより微粒化されるとともに、ペネトレーションもより短くなる。
【００１９】
これに関連して、寸法比Ｒを変更しながら、寸法比Ｒとペネトレーションとの関係を測定した結果、図４に示す測定結果が得られた。同図に示すように、寸法比Ｒが小さいほど、ペネトレーションを小さくできることが判る。
【００２０】
また、寸法比Ｒ＝Ｒ１に設定した本実施形態の燃料噴射弁１０における燃料噴霧の粒径及びペネトレーションと、比較のために寸法比Ｒを値１より大きい所定値Ｒ２（＝１．１）に設定した燃料噴射弁における燃料噴霧の粒径及びペネトレーションとをそれぞれ測定したところ、図５〜７に示す測定結果が得られた。これらの図５〜７において、四角で示す測定データが本実施形態の燃料噴射弁１０の測定結果（以下「本測定結果」という）のものであり、丸で示すデータが比較のためにＲ＝Ｒ２としたときの測定結果（以下「比較測定結果」という）である。
【００２１】
図５を参照すると明らかなように、燃料噴霧の粒径は、燃圧の全領域において、本測定結果の方が比較測定結果よりも小さくなっており、燃料噴霧の微粒化が実現されていることが判る。また、図６を参照すると明らかなように、燃料噴霧のペネトレーションは、燃圧の全領域において、本測定結果の方が比較測定結果よりも短くなっており、燃料噴霧のペネトレーションの短縮化が実現されていることが判る。
【００２２】
また、エンジンの冷間運転時において、燃料噴射時間に対する、排ガス中の単位体積当たりの煤の粒子数ｎを測定したところ、図７に示す測定結果が得られた。この場合、エンジンの運転状態に応じて燃料量が決定されたときに、それを噴射可能な噴射時間は、燃料噴射弁の構造上の理由によって制限される。同図において、Ｔｉｘは、冷間運転時にエンジンに要求された要求燃料量を噴射するのに必要な最小開弁時間を表しており、すなわち、燃料噴射時間が最小開弁時間Ｔｉｘよりも小さい領域は、要求燃料量を噴射不可能であり、非実用的な領域に相当する。
【００２３】
同図に示すように、燃料噴射時間が最小開弁時間Ｔｉｘ以上の領域では、本測定結果の方が比較測定結果と比べて、排ガス中の煤の粒子数ｎがかなり減少していることが判る。すなわち、図中のハッチングで示す領域は、寸法比Ｒを値１以下の値に設定したときに、寸法比Ｒが値１よりも大きいときと比べて、排ガス中の煤が急減する煤急減領域に相当する。
【００２４】
さらに、本実施形態の燃料噴射弁１０を用いて、同一の燃料量を、１回で噴射した場合、２回に均等に分割して噴射した場合、及び３回に均等に分割して噴射した場合における燃料噴霧の最大到達距離を測定したところ、図８に示す測定結果が得られた。同図に示すように、分割回数が多くなるほど、最大到達距離すなわちペネトレーションをより短くできることが判る。
【００２５】
これに加えて、気筒のピストンが下死点近傍にあるときに燃料噴射を実行すると、ピストン上面と燃料噴霧との距離が長くなることで、ピストン上面に付着する燃料量を抑制でき、排ガス中の煤をより効果的に抑制できることになる。以上の理由により、本実施形態の燃料噴射装置１の場合、後述する燃料噴射制御処理において、冷間運転時には、図９に示す３回の噴射期間（噴射時期）に分割して燃料噴射が実行されるとともに、その１回分の燃料噴射に要する噴射時間Ｔｉは、前述した煤急減領域内の値に設定される。
【００２６】
すなわち、ＢＤＣ（下死点）近傍でＢＤＣよりも所定クランク角度分、進角側の位置を中心として、１回目の燃料噴射を実行し、次いで、ＢＤＣを中心として２回目の燃料噴射を実行するとともに、ＢＤＣ近傍でＢＤＣよりも所定クランク角度分、遅角側の位置を中心として、３回目の燃料噴射が実行される。
【００２７】
一方、図１に示すように、ＥＣＵ２には、クランク角センサ２０、水温センサ２１及びエアフローセンサ２２が電気的に接続されている。このクランク角センサ２０は、マグネットロータ及びＭＲＥピックアップで構成されており、エンジンのクランクシャフト（図示せず）の回転に伴い、いずれもパルス信号であるＣＲＫ信号及びＴＤＣ信号をＥＣＵ２に出力する。
【００２８】
このＣＲＫ信号は、所定クランク角（例えば２゜）ごとに１パルスが出力され、ＥＣＵ２は、このＣＲＫ信号に基づき、エンジンの回転数（以下「エンジン回転数」という）ＮＥを算出する。また、ＴＤＣ信号は、気筒のピストン（図示せず）が吸気行程のＴＤＣ位置よりも若干、手前の所定のクランク角位置にあることを表す信号であり、所定クランク角ごとに１パルスが出力される。
【００２９】
また、水温センサ２１は、例えばサーミスタなどで構成され、エンジンのシリンダブロック（図示せず）内を循環する冷却水の温度であるエンジン水温ＴＷを検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。
【００３０】
さらに、エアフローセンサ２２は、エンジンの吸気通路（図示せず）内を流れる吸入ガスの流量（以下「吸気流量」という）Ｇｉｎを検出して、それを表す検出信号をＥＣＵ２に出力する。
【００３１】
ＥＣＵ２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ及びＩ／Ｏインターフェース（いずれも図示せず）などからなるマイクロコンピュータで構成されており、前述した各種のセンサ２０〜２２の検出信号に応じて、以下に述べるように、燃料噴射制御処理などを実行する。なお、本実施形態では、ＥＣＵ２が、第１噴射制御手段及び第２噴射制御手段に相当する。
【００３２】
次に、図１０を参照しながら、本実施形態の燃料噴射制御処理について説明する。この燃料噴射制御処理は、燃料噴射弁１０による燃料噴射を制御するものであり、ＥＣＵ２によって、ＴＤＣ信号の発生タイミングに同期して気筒ごとに実行される。
【００３３】
同図に示すように、まず、ステップ１（図では「Ｓ１」と略す。以下同じ）で、エンジン始動時であるか否かを判別する。この判別結果がＹＥＳで、エンジン始動時であるときには、ステップ２に進み、始動時制御処理を実行した後、本処理を終了する。この始動時制御処理では、エンジン始動に最適な噴射時間及び噴射タイミング（すなわ噴射期間）になるように、燃料噴射弁１０による燃料噴射が制御される。
【００３４】
一方、ステップ１の判別結果がＮＯで、エンジン始動が完了しているときには、ステップ３に進み、エンジン水温ＴＷが所定暖機完了値ＴＷ＿Ｌよりも低いか否かを判別する。この判別結果がＹＥＳで、エンジンの暖機が完了していない冷間運転時であるときには、ステップ４に進み、吸気流量Ｇｉｎなどに応じて、図示しないマップを検索することにより、吸入空気量ＧＣＹＬを算出する。
【００３５】
次いで、ステップ５に進み、エンジン回転数ＮＥ、エンジン水温ＴＷ及び吸入空気量ＧＣＹＬなどに応じて、図示しないマップを検索することにより、総噴射時間Ｔｉ＿ｔｏｔａｌを算出する。このマップの場合、総噴射時間Ｔｉ＿ｔｏｔａｌは、これを均等に３分割したときの値が前述した煤急減領域の値になるように設定されている。
【００３６】
次に、ステップ６で、冷間時制御処理を実行した後、本処理を終了する。この冷間時制御処理では、１回当たりの燃料噴射時間Ｔｉが、上記総噴射時間Ｔｉ＿ｔｏｔａｌを均等に３分割した値になるとともに、３回の噴射期間が前述した図９の噴射期間（噴射時期）になるように、燃料噴射弁１０による燃料噴射が制御される。
【００３７】
一方、前述したステップ３の判別結果がＮＯで、暖機が完了しているときには、ステップ７に進み、通常制御処理を実行した後、本処理を終了する。この通常制御処理では、エンジン回転数ＮＥ、エンジン水温ＴＷ、吸入空気量ＧＣＹＬ及び排ガスの空燃比などに応じて、燃料噴射弁１０による燃料噴射が制御される。
【００３８】
以上のように、本実施形態の燃料噴射装置１によれば、燃料噴射弁１０の噴孔１１の寸法比Ｒが値１．０以下の所定値Ｒ１に設定されており、冷間時制御処理において、燃料が３回に分割して噴射されるとともに、１回当たりの燃料噴射時間Ｔｉが図７に示す煤急減領域内の値になるように、燃料噴射弁１０が制御される。このように、１回当たりの燃料噴射時間Ｔｉが煤急減領域内の値になることで、排ガス中の煤を効果的に抑制することができる。さらに、燃料が３回に分割して噴射されるので、ペネトレーションの短縮化によって、気筒の壁面に付着する燃料量を抑制することができ、排ガス中の煤をさらに効果的に抑制することができる。これに加えて、３回の燃料噴射が、前述した図９に示すＢＴＤ近傍の３つの噴射期間でそれぞれ実行されるので、ピストン上面に付着する燃料量を抑制することができ、排ガス中の煤をより一層、効果的に抑制することができる。
【００３９】
なお、実施形態は、寸法比Ｒを所定値Ｒ２に設定した例であるが、本発明の寸法比はこれに限らず、値１．０以下の値であればよい。
【００４０】
また、実施形態は、内燃機関の冷間運転時、燃料噴射弁による燃料噴射を１燃焼サイクル中に３回に分割して実行した例であるが、本発明の燃料噴射の手法はこれに限らず、１燃焼サイクル中に１回のみや、２回又は４回以上に分割して実行してもよい。その場合にも、燃料噴射時間を、内燃機関の冷間運転時、内燃機関の運転状態に応じて決定される燃料量を噴射可能で、寸法比が値１．０を超えているときと比べて、排ガス中の煤が急減する煤急減領域内の値になるように設定すればよい。
【００４１】
さらに、実施形態は、３回の燃料噴射をＢＤＣ近傍で実行した例であるが、それ以外のタイミングで燃料噴射を実行してもよい。
【００４２】
また、実施形態は、本発明の燃料噴射装置を車両用の内燃機関に適用した例であるが、本発明の燃料噴射装置は、これに限らず、船舶用の内燃機関や、他の産業機器用の内燃機関にも適用可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１  燃料噴射装置
２  ＥＣＵ（第１噴射制御手段、第２噴射制御手段）
１０  燃料噴射弁
１１  噴孔
Ｌ  噴孔の軸線方向の長さ
Ｄ  直径
Ｒ  寸法比
Ｒ１  所定値
Ｒ２  所定値
Ｔｉ  １回当たりの燃料噴射時間
【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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