(57)【要約】【課題】堆積したデポジットによるコアンダ効果による噴霧の拡散を予測し、噴霧の拡散によるスモークの発生及びデポジットの堆積を抑制する。【解決手段】この発明において燃料噴射弁は、通路孔が、圧力室に開口する第１孔部と、第１孔部に連通し、第１孔部より径方向に広がって、通路孔出口において気筒内に開口する第２孔部とで構成されている。制御装置は、ノズルボディの温度と燃料噴射圧とを推定又は検出し、デポジットの堆積幅と堆積高とを算出する。デポジットの堆積幅は、ノズルニードルの軸方向に垂直な方向における、第２孔部に堆積するデポジットの通路孔出口の外周縁部からの長さであり、堆積高は、軸方向に水平な方向における、第２孔部に堆積するデポジットの外周縁部からの長さである。内燃機関の制御装置は、算出された堆積幅と堆積高とを用いて算出される、噴霧に働く拡散方向の力に関連する値が、基準値より大きい場合に、噴射圧が所定圧より高くなるように制御する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状のノズルボディと、
前記ノズルボディの内部を軸方向に移動するノズルニードルと、
前記ノズルニードルと前記ノズルボディとの間に形成された、燃料が流入する空間である圧力室と、
前記ノズルボディに形成され、前記圧力室と内燃機関の気筒内とを連通させる通路孔と、を備え、
前記通路孔は、前記圧力室に開口する第１孔部と、
前記第１孔部に連通し、前記第１孔部より径方向に広がって、通路孔出口において前記気筒内に開口する第２孔部と、を備える燃料噴射弁と、
前記ノズルボディの温度を推定又は検出する手段と、
前記通路孔から前記気筒内に噴射される燃料の噴射圧を推定又は検出する手段と、
前記軸方向に垂直な方向における、前記第２孔部に堆積するデポジットの前記通路孔出口の外周縁部からの長さを、堆積幅として算出する手段と、
前記軸方向に水平な方向における、前記第２孔部に堆積するデポジットの前記外周縁部からの長さを、堆積高として算出する手段と、
前記軸方向に水平な方向における、前記ノズルボディの中心軸から前記外周縁部までの長さから、前記堆積幅を減算した値に対する、前記軸方向に垂直な方向における前記第２孔部の長さと前記堆積高とを加算した値の割合が、基準値より大きい場合に、前記噴射圧が、所定圧より高くなるように制御する手段と、
を備える内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は内燃機関の制御装置に関する。より具体的には、気筒内に燃料を噴射する燃料噴射弁を有する内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には燃料噴射弁が開示されている。特許文献１の燃料噴射弁において、ノズルニードルとノズルボディとの間に形成される圧力室と気筒内とを連通させる通路孔は、第１孔部と第２孔部とで構成されている。第１孔部は圧力室に連通し、第１孔部に連通する第２孔部は、第１孔部より大きな径で気筒内に開口する。
【０００３】
特許文献１の燃料噴射弁のように、通路孔の出口に径の大きな座繰り部（即ち、第２孔部）を設けるのは、燃料の噴霧を拡散させ気化を促進するためである。また特許文献１では、噴霧の拡散性の安定化を図るため、噴霧角度を考慮して第１、第２孔部の径と高さが決定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１６１２７１号公報
【特許文献２】特開２０１５−２１４８９２号公報
【特許文献３】特開２０１１−２３６８７４号公報
【特許文献４】特開２００９−００２２２９号公報
【特許文献５】特開２００９−００２１９６号公報
【特許文献６】特開２００８−１５７０３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のように、通路孔の座繰り部が、噴霧角度を考慮して決定されている場合であっても、例えば低負荷・低回転域での運転が継続されたような場合には、座繰り部に徐々にデポジットが堆積することがある。その結果、座繰り部に堆積したデポジットにより発生するコアンダ効果によって、噴霧が拡散し運動能力が低下することで、スモークが増加し、デポジットの堆積速度が増加することが考えられる。
【０００６】
この発明は上記課題を解決することを目的とし、堆積したデポジットによるコアンダ効果による噴霧の拡散を予測し、噴霧の拡散によるスモークの発生及びデポジットの堆積を抑制する制御を実行するよう改良された内燃機関の制御装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、内燃機関の制御装置であって、内燃機関は、気筒内に燃料を噴射するための燃料噴射弁を備える。燃料噴射弁は、筒状のノズルボディと、ノズルボディの内部を軸方向に移動するノズルニードルとを備える。ノズルニードルとノズルボディとの間には、燃料が流入する空間である圧力室が形成されている。ノズルボディには、圧力室と気筒内とを連通させる通路孔とが形成されている。通路孔は、第１孔部と第２孔部とを有する。第１孔部は、圧力室に開口する。第２孔部は、第１孔部に連通し、第１孔部より径方向に広がって、通路孔出口において気筒内に開口する。
【０００８】
内燃機関の制御装置は、ノズルボディの温度を推定又は検出する手段と、通路孔から気筒内に噴射される燃料の噴射圧を推定又は検出する手段と、第２孔部に堆積するデポジットの堆積幅を算出する手段と、該デポジットの堆積高を算出する手段とを有する。ここで、デポジットの堆積幅は、ノズルニードルの軸方向に垂直な方向における、通路孔出口の外周縁部からのデポジットの長さである。軸方向に水平な方向における、外周縁部からのデポジットの長さである。また内燃機関の制御装置は、軸方向に水平な方向における、ノズルボディの中心軸から外周縁部までの長さから、堆積幅を減算した値に対する、軸方向に垂直な方向における第２孔部の長さと堆積高とを加算した値の割合が、基準値より大きい場合に、噴射圧が所定圧より高くなるように制御する手段を有する。
【０００９】
本発明において、制御装置が有する各手段は、コンピュータによって具現化することができる。より詳しくは、各手段の有する機能を実現するための処理を記述したプログラムを記憶したメモリと、同メモリからプログラムを読みだして実行するプロセッサとを備えたコンピュータによって本発明に係る制御装置を構成することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、デポジットの堆積量を予測することができる。予測された堆積量は燃料噴霧にかかる拡散方向の力に相関するため、拡散方向の力が許容範囲を越える事態を予測することができる。このような場合に、噴射圧が所定圧より高くなるように制御することで、デポジットを除去し、噴霧の拡散を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態の燃料噴射弁の通路孔について説明するための図である。
【図２】燃料の噴霧にかかる力について説明するための図である。
【図３】燃料噴射弁の通路孔に堆積するデポジットについて説明するための図である。
【図４】燃料噴射弁の通路孔の座繰り部の幅ごとの、デポジットの堆積高の変化について説明するための図である。
【図５】燃料噴射弁のノズルボディの温度に対する燃料噴射弁の通路孔のデポジット堆積量の変化量について説明するための図である。
【図６】燃料噴射弁からの燃料の噴射圧に対する燃料噴射弁の通路孔のデポジットの堆積量の変化量について説明するための図である。
【図７】燃料噴射弁の通路孔のデポジット堆積量の変化について説明するための図である。
【図８】実施の形態におけるデポジット堆積抑制のための制御の実行域について説明するための図である。
【図９】本実施の形態において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。
【００１３】
実施の形態．
＜実施の形態のシステム構成について＞
図１は、実施の形態における燃料噴射弁の通路孔について説明するための図である。本実施の形態において、燃料噴射弁は内燃機関の気筒に直接燃料を噴射するための燃料噴射弁であり、内燃機関の各気筒に設置され用いられる。図示を省略するが燃料噴射弁はノズルボディと、ノズルボディに挿入されて軸方向に移動するノズルニードルを有する。ノズルボディとノズルニードルとの間には、燃料が流入する空間である圧力室が形成される。圧力室には、ノズルボディに形成された通路孔２の一端が連通する。
【００１４】
図１に示されるように、通路孔２は、第１孔部１０と第２孔部２０とで構成されている。第１孔部１０は、一端において圧力室に連通し、他端において第２孔部２０に連通している。第２孔部２０は、第１孔部から径方向（即ち、軸方向とは垂直な方向）に広がって、第１孔部とは反対側の端部において気筒内に開口する。
【００１５】
本実施の形態において燃料噴射弁の通路孔２の出口に、径の大きな座繰り部（即ち、第２孔部２０）が設けられているのは、燃料の噴霧３０を拡散させ気化を促進するためである。しかし、座繰り部にデポジットが堆積すると、コアンダ効果が発生し、噴霧の過剰な拡散を招くおそれがある。これに対し本実施の形態の制御装置は、座繰り部に堆積するデポジットの量の推定値を算出し、デポジット堆積によるコアンダ効果抑制のための制御を実行する。以下、具体的に説明する。
【００１６】
＜コアンダ効果について＞
図２は、燃料噴射弁から噴射される燃料の噴霧にかかる力について説明するための模式図である。図２に示されるように、噴霧３２には、噴射方向（ｖ方向）の力に対し、噴霧拡散方向の力Ｆがかかる。この力は、これはコアンダ効果、即ち、噴霧と座繰り部との間に生じる圧力低下によって、噴霧が拡散方向に引き付けられる効果によるものである。コアンダ効果による噴霧の拡散方向にかかる力Ｆは、座繰り部の幅Ｄと高さＨの比に相関する。具体的に、拡散方向の力Ｆは、噴霧の直径をｄｓ、噴霧３２の噴射方向への噴射初速度をｖ、噴射角度をα、燃料噴射弁の通路孔の座繰り部の高さをＨ、座繰り部の幅をＤとすると、以下数１式により表すことができる。
【数１】
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なお、本実施の形態において「高さ」はノズルニードルの軸方向に平行な方向の長さを、「幅」は軸方向に垂直な方向の長さを意味するものとする。
【００１７】
＜座繰り部の幅及び高さについて＞
ところで、燃料噴射弁の座繰り部、即ち第２孔部２０の、ノズルニードル中心軸から第２孔部２０の側面２２までの幅Ｄ０と、第２孔部２０の第１孔部１０との接続面２４から、第２孔部２０が開口する側のノズルボディ端面２６までの距離Ｈ０とは、燃料噴射弁ごとの固有値である。従って、座繰り部にデポジットの堆積がない状態であれば、上記数１式における座繰り部の幅と高さの比Ｈ/Ｄも一定値となる。
【００１８】
しかしながら、第２孔部２０には、噴霧が拡散することで、デポジットが堆積している場合がある。この場合、デポジットの堆積により、燃料噴射弁の座繰り部の事実上の幅Ｄ及び高さＨは、燃料噴射弁の座繰り部の幅Ｄ０と高さＨ０とは異なるものとなっている。
【００１９】
図３にはデポジットの堆積の増加状況が示されており、ｄ１から順にｄ５に向かってデポジットの堆積量が多くなっている。デポジットの堆積が増加すれば、座繰り部の事実上の幅Ｄは小さくなり、高さＨは高くなる。従って、噴霧の拡散方向の力Ｆをより正確に予測するため、本実施の形態における制御装置は、デポジットの堆積を踏まえた事実上の座繰り部の幅と高さを推定する。
【００２０】
具体的には、通路孔２の出口の外周縁部２８からのデポジットの幅を、堆積幅Ｄｄとして算出し、座繰り部の幅Ｄ０から堆積幅Ｄｄを減算した値を、事実上の座繰り部の幅Ｄと考える。また、通路孔２の出口の外周縁部２８からのデポジットの高さを、堆積高Ｈｄとして算出し、座繰り部の高さＨ０に堆積高Ｈｄを加算した値を、事実上の座繰り部の高さＨとして考える。これにより、数１式におけるＨ/Ｄは、数２式と考えることができる。
【数２】
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【００２１】
＜デポジットの堆積幅Ｄｄと堆積高Ｈｄの推定方法について＞
次に、デポジットの堆積幅Ｄｄ及び堆積高Ｈｄの推定方法について説明する。図４は、異なる座繰り部の幅Ｄごとの、デポジットの堆積高Ｈｄの変化を表す図であり、図４において線ａは、線ｂの場合に比べて、座繰り部の幅Ｄ０が小さい例を示している。図４に示されるように、時間経過と共に、堆積高Ｈｄは増加するが、座繰り部の幅Ｄ０が大きい場合の方が、その増加速度は緩やかである。
【００２２】
図５は、ノズルボディの座繰り部付近の温度とデポジットの堆積幅及び堆積高の単位時間あたりの変化量との関係について説明するための図であり、図５（ａ）は堆積幅の変化量ΔＤｄを表し、図５（ｂ）は堆積高の変化量ΔＨｄを表している。ノズルボディの座繰り部付近の温度（以下、単に「ノズル温度」とする）と堆積幅の変化量ΔＤｄとは図５（ａ）に示されるような相関を有し、ノズル温度が高くなると堆積幅の変化量ΔＤｄは次第に減少する。一方、ノズル温度と堆積高の変化量ΔＨｄとは図５（ｂ）に示されるような相関を有し、あるノズル温度に堆積高の変化量ΔＨｄのピークを有する。
【００２３】
図６は、燃料噴射圧とデポジット堆積幅及び堆積高の単位時間あたりの変化量ΔＤｄ、ΔＨｄとの関係について説明するための図であり、図６（ａ）は堆積幅の変化量ΔＤｄ、図６（ｂ）は堆積高の変化量ΔＨｄを表している。噴射圧と堆積幅の変化量ΔＤｄ、及び、噴射圧と堆積高の変化量ΔＨｄは、それぞれ、図６（ａ）（ｂ）に示されるような相関を有し、噴射圧が高くなるにつれて、変化量ΔＤｄ、ΔＨｄが小さくなる関係を示す。
【００２４】
以上より、デポジットの堆積の進行は、座繰り部の形状によって異なると共に、幅方向と高さ方向とで異なっている。また、デポジットの幅、高さ方向の変化量ΔＤｄ、ΔＨｄは、それぞれ、ノズル温度と燃料の噴射圧とに相関を有する。従って、制御装置は、幅、高さ方向の堆積量の変化量ΔＤｄ、ΔＨｄそれぞれについて、ノズル温度と噴射圧と変化量との関係を特定したマップを使用して、変化量を算出する。ノズル温度と噴射圧と各変化量との関係は、実験やシミュレーション等によって燃料噴射弁ごとに求めることができ、求められた関係をもとにマップが作成されあらかじめ制御装置に記憶される。
【００２５】
図７は、デポジットの堆積幅Ｄｄ及び堆積高Ｈｄの時間変化について説明するための図であり、図７（ａ）は堆積幅Ｄｄの変化、図７（ｂ）は堆積高Ｈｄの変化を示している。図７（ａ）（ｂ）に示されるように、堆積幅Ｄｄ、堆積高Ｈｄは時間経過と共に、堆積速度を加速させながら増加した後、一定値で概ね安定する。
【００２６】
ここで、堆積速度が加速するのは、デポジット堆積により座繰り部の事実上の寸法が変化するためである。したって、本実施の形態の制御装置は、ノズル温度と噴射圧に応じてマップから算出される変化量ΔＤｄ、ΔＨｄを、それぞれデポジット堆積量に応じた補正値により補正する。これにより幅方向、高さ方向の変化量ΔＤｄ１とΔＨｄ１を求め、過去の堆積幅の積算値Ｄｄ_total、堆積高の積算値ΔＨｄ_totalにそれぞれ加算することで、デポジットの堆積幅Ｄｄと堆積高Ｈｄを算出する。なお、デポジット堆積量と各変化量ΔＤｄ、ΔＨｄに対する補正値との関係は、実験やシミュレーション等によって燃料噴射弁ごとに求めることができ、求められた関係はマップや計算式として定められあらかじめ制御装置に記憶される。
【００２７】
＜デポジット堆積抑制の制御の実行域について＞
図８は、本実施の形態における、デポジット堆積抑制のための制御の実行域について説明するための図である。上述したように、噴霧拡散方向の力Ｆが大きくなると、デポジット堆積が増加し、スモーク等が増加する。噴霧拡散方向の力Ｆは、座繰り部の事実上の幅Ｄに対する高さＨの割合Ｈ/Ｄの増加に伴い増加し、スモークもＨ/Ｄの増加に伴って増加する。従って、図８に示されるように、スモークが許容限界値に対応するＨ/Ｄの値を基準値Ａとして設定する。制御装置は、算出された堆積幅Ｄｄと堆積高Ｈｄとを用いて、事実上の座繰り部の幅Ｄ（＝Ｄ０−Ｄｄ）に対する、事実上の高さＨ（＝Ｈ０＋Ｈｄ）の割合Ｈ/Ｄを算出し、Ｈ/Ｄが基準値Ａを越えた場合に、デポジット堆積を抑制する制御を実行する。
【００２８】
なお、デポジットの堆積を抑制する制御としては、燃料噴射圧を増加させて所定圧以上（例えば１２０Ｍｐａ以上）に高くするなど制御がある。また、燃料噴射量、燃料噴射期間、燃料噴射時期等の燃料噴射条件を制御し、あるいはＥＧＲを減量する等の制御をするものとしてもよい。あるいは、スス排出量を推定するマップを切り替えて、スモークの悪化を各種制御に反映させるものでもよい。
【００２９】
＜具体的な制御ルーチン＞
図９は本実施の形態において制御装置が実行する制御のルーチンについて説明する図である。図９に示されるルーチンでは、まず、現在までのデポジットの堆積幅の積算値Ｄｄ_totalと堆積高の積算値Ｈｄ_totalとが読み込まれる（Ｓ２）。この値は初期値においてゼロであり、後述する処理により堆積幅Ｄｄ、堆積高Ｈｄが算出されるたびに、その値に更新される。
【００３０】
次に、燃料噴射圧が読み込まれる（Ｓ４）。燃料噴射圧は、例えば、トルクと燃料噴射圧との関係を示すマップから読み込むことができる。また、例えば、燃料噴射量を自動で補正するシステム等、実噴射圧を算出又は検出するシステムを有するような場合には、そのシステムで算出又は検出される実噴射圧を読み込むようにしてもよい。
【００３１】
次に、ノズル温度が読み込まれる（Ｓ６）。ノズル温度は排気温度とノズル温度との関係を定めるマップから読み込むことができる。あるいは、エンジン回転速度、トルク、燃料噴射量、ＥＧＲ率等から算出するものとしてもよい。
【００３２】
次に、堆積幅Ｄｄ、堆積高Ｈｄが算出される（Ｓ８）。堆積幅Ｄｄ、堆積高Ｈｄの算出においては、まず、マップに従って、ノズル温度と噴射圧とに応じた変化量ΔＤｄ、ΔＨｄが読み出される。その値が、現在までの堆積量積算値ΔＤｄ_total、ΔＨｄ_totalに応じた補正値によってそれぞれ補正されて、変化量ΔＤｄ１、ΔＨｄ１が求められる。算出された変化量ΔＤｄ１、ΔＨｄ１がそれぞれ、現在記憶されている積算値ΔＤｄ_total、ΔＨｄ_totalに加算されて算出された値が、それぞれ堆積幅Ｄｄ、堆積高Ｈｄとされる。堆積量積算値ΔＤｄ_total、ΔＨｄ_totalは、算出された堆積幅Ｄｄ、堆積高Ｈｄの値に更新される（Ｓ１０）。
【００３３】
次に、算出された堆積幅Ｄｄ、堆積高Ｈｄを用いて数２式により求められるＨ/Ｄが、基準値Ａより大きいか否かが判別される（Ｓ１２）。Ｈ/Ｄが基準値Ａより大きい場合には、所定のデポジット堆積を抑制する制御が実行される（Ｓ１４）。
【００３４】
以上説明したように、本実施の形態によれば、デポジットの堆積量が増加するとデポジット堆積を抑制する制御が実行されるため、更なるスモークの発生を抑制することができる。また、本実施の形態では、デポジットの幅方向と高さ方向での堆積の特性の違いを考慮して幅方向と高さ方向とを分けてデポジットの堆積量を推定する。従って、より正確にデポジットの堆積を推定することができ、効果的にデポジット堆積及びスモークの発生を抑制する制御を実行することができる。
【００３５】
なお、デポジット堆積を抑制する制御の実行を判断する値としてＨ/Ｄを算出する場合について説明した。ここでＤはデポジットの堆積を加味した事実上の座繰り部の幅であり、Ｈは事実上の座繰り部の高さである。しかし、本発明において制御の実行を判断するための値は、このような事実上の座繰り部の幅Ｄｄに対する高さＨｄの割合に限られない。即ち、噴霧に働く拡散方向の力に相関する他の値を、デポジットの堆積幅Ｄｄと堆積高Ｈｄを用いて算出し、この値を用いて、デポジット制御の実行を判断することとしてもよい。
【００３６】
なお、以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、この実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【符号の説明】
【００３７】
２  通路孔
１０  第１孔部
２０  第２孔部
２２  側面
２４  接続面
２６  ノズルボディ端面
２８  外周縁部
３０  噴霧
３２  噴霧
【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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