(57)【要約】【課題】燃料噴射率の一時的な低下を容易にかつ安定して制御可能にする。【解決手段】所定範囲の中間リフト位置における針弁２６の先端の突起部３３とノズルケース２５の内側壁２９との間に、噴射孔３０の噴孔面積より小さい隙間３４が形成されており、針弁２６が中間リフト位置に位置しているときに、シート面３１とシート部３５との間を通過した燃料が隙間３４を介して噴射孔３０から噴射される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端に噴射孔を備えるとともに先端部の内壁にシート面を備えた筒状のノズルケースと、前記ノズルケース内に移動可能に内蔵され、先端部に前記シート面に密接して前記噴射孔への燃料の流通を遮断するシート部が形成されている針弁と、を備えた燃料噴射弁において、
所定範囲の中間リフト位置における前記針弁の先端部と前記ノズルケースの内壁との間に、前記噴射孔の噴孔面積より小さい隙間が形成され、
前記針弁が前記中間リフト位置に位置しているときに、前記シート面とシート部との間を通過した燃料が前記隙間を介して前記噴射孔から噴射されることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項２】
前記針弁が前記中間リフト位置に位置しているときに形成される前記隙間は、前記針弁の前記シート部より先端側に形成された柱状体と前記ノズルケースの内壁との間に形成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
【請求項３】
前記針弁の柱状体と前記ノズルケースの内壁との間に形成される前記隙間は、前記針弁の移動方向に所定長さ平行に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射弁。
【請求項４】
エンジンの筒内に直接燃料を噴射する前記請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料噴射弁と、
前記エンジンのトルク発生に寄与するメイン噴射中において、前記燃料噴射弁の針弁のリフト量を制御して燃料噴射率を一旦低下させ、その後に増加させる制御手段と、を備えたことを特徴とするエンジンの燃料噴射制御装置。
【請求項５】
前記制御手段は、前記メイン噴射の開始後の燃料噴射率の増加に対して前記筒内での噴射燃料の燃焼による熱発生率が追従して増加しなくなったタイミングで、前記燃料噴射率の低下を開始することを特徴とする請求項４に記載のエンジンの燃料噴射制御装置。
【請求項６】
前記制御手段は、前記メイン噴射期間中の後半で前記燃料噴射率の低下を開始することを特徴とする請求項５に記載のエンジンの燃料噴射制御装置。
【請求項７】
前記制御手段は、前記メイン噴射中において、前記燃料噴射弁の針弁のリフト量を前記中間リフト位置に制御して、燃料噴射率を一旦低下させることを特徴とする請求項４に記載のエンジンの燃料噴射制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料噴射弁及びこれを用いた内燃機関の燃料噴射制御装置に係り、詳しくは燃料噴射弁のノズル部の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の燃料噴射弁は、中空空間を有するノズルケースと、該ノズルケースに同軸上に移動可能に内蔵された針弁とを備えており、針弁をリフト作動させてノズルケースの先端に設けられた噴射孔を開放することで、内部の空間に供給されている燃料を噴射孔から外部に噴射する機能を有する。
詳しくは、針弁の先端部には例えば三角錐状や円錐状に形成されたシート部が備えられている。一方ノズルケースの内壁には、針弁の先端部と密接可能なテーパ状のシート面が形成されている。そして、針弁のシート部とノズルケースのシート面とが当接あるいは離間することで開口面積が調整され、噴射孔からの燃料噴射量が制御される（特許文献１）。
【０００３】
ところで、発明者は、ディーゼルエンジンのように拡散燃焼を主体とする内燃機関において、燃料噴射弁による筒内への燃料噴射中に燃料噴射量を一時的に低下させる技術について先に出願した。この技術では、メイン噴射において、燃料噴射率、延いては燃料噴射量を一時的に低下させることで、筒内での燃料過濃領域の発生を抑制し、燃焼効率を改善するとともにスモークの発生を抑制させる（特許文献２）。
【特許文献１】特開２００５−３２０８７０号公報
【特許文献２】特願２００７−３３２１３３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載されている従来の燃料噴射弁では、閉弁状態から少しリフトさせただけでシート部の開口面積が大きく増加してしまう。したがって、このような燃料噴射弁を用いた内燃機関において、特許文献２に記載されているように燃料噴射率を低下させようとしても、燃料噴射率を一時的に安定して低下させることが困難であり、燃焼効率の改善やスモークを抑制する効果が十分に得られないといった問題点がある。
【０００５】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、燃料噴射率の一時的な低下を容易にかつ安定して制御可能な燃料噴射弁とこれを用いた燃料噴射制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記した目的を達成するために、請求項１は、先端に噴射孔を備えるとともに先端部の内壁にシート面を備えた筒状のノズルケースと、ノズルケース内に移動可能に内蔵され、先端部にシート面に密接して噴射孔への燃料の流通を遮断するシート部が形成されている針弁と、を備えた燃料噴射弁において、所定範囲の中間リフト位置における針弁の先端部とノズルケースの内壁との間に、噴射孔の噴孔面積より小さい隙間が形成され、針弁が中間リフト位置に位置しているときに、シート面とシート部との間を通過した燃料が隙間を介して噴射孔から噴射されることを特徴とする。
【０００７】
また、請求項２では、請求項１において、針弁が中間リフト位置に位置しているときに形成される隙間は、針弁のシート部より先端側に形成された柱状体とノズルケースの内壁との間に形成されることを特徴とする。
また、請求項３では、請求項２において、針弁の柱状体とノズルケースの内壁との間に形成される隙間は、針弁の移動方向に所定長さ平行に形成されていることを特徴とする。
【０００８】
また、請求項４では、エンジンの筒内に直接燃料を噴射する請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料噴射弁と、エンジンのトルク発生に寄与するメイン噴射中において、燃料噴射弁の針弁のリフト量を制御して燃料噴射率を一旦低下させ、その後に増加させる制御手段と、を備えたことを特徴とする。
また、請求項５では、請求項４において、制御手段は、メイン噴射の開始後の燃料噴射率の増加に対して筒内での噴射燃料の燃焼による熱発生率が追従して増加しなくなったタイミングで、燃料噴射率の低下を開始することを特徴とする。
【０００９】
また、請求項６では、請求項５において、制御手段は、メイン噴射期間中の後半で燃料噴射率の低下を開始することを特徴とする。
また、請求項７では、請求項４において、制御手段は、メイン噴射中において、燃料噴射弁の針弁のリフト量を中間リフト位置に制御して、燃料噴射率を一旦低下させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１の燃料噴射弁によれば、所定範囲の中間リフト位置において噴射孔への燃料の流路面積が噴射孔の噴孔面積より小さい隙間によって規定されるので、この中間リフト位置において燃料噴射率を全開時より低い値に容易に且つ安定して制御することができる。
請求項２の燃料噴射弁によれば、針弁が所定範囲の中間リフト位置に位置しているときに噴射孔から噴射される燃料が通過する隙間は、針弁の先端に同軸上に形成された柱状体とノズルケースの内壁との間に形成されるので、この隙間を適宜設定することで中間リフ位置での燃料噴射率を正確に設定させることができる。
【００１１】
請求項３の燃料噴射弁によれば、針弁が所定範囲の中間リフト位置に位置しているときに形成される隙間は、針弁の移動方向に所定長さ平行に形成されるので、この所定長さを針弁が移動する期間において燃料噴射率を一定に維持させることができる。
請求項４のエンジンの燃料噴射制御装置によれば、メイン噴射中において燃料噴射率が一時的に低下し、その低下した状態が一定期間維持されるので、筒内への燃料供給量の一時的な減少により拡散燃焼における燃料過濃領域の形成が確実に抑制され、スモーク排出量を低減できるととともに燃焼状態の改善により燃費を向上することができる。
【００１２】
請求項５、６のエンジンの燃料噴射制御装置によれば、最適なタイミングで燃料噴射率の低下を開始できるので、燃焼状態の悪化を防止した上で、燃料過濃領域の形成をより確実に抑制することができる。
請求項７のエンジンの燃料噴射制御装置によれば、メイン噴射中において燃料噴射率を隙間によって規定される全開時より低い値に容易に且つ安定して一時的に低下させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面に基づいて、本発明の燃料噴射弁の一実施形態を説明する。
図１は本実施形態の燃料噴射弁を備えたエンジンの概略構成図である。
本実施形態に係るエンジン１はディーゼルエンジンである。エンジンのシリンダヘッド２には、吸気ポート３及び排気ポート４が形成されているとともに、吸気ポート３及び排気ポート４を開閉する吸気弁５及び排気弁６が備えられている。
【００１４】
また、シリンダヘッド２には、筒内７に燃料を噴射する燃料噴射弁１０が備えられている。燃料噴射弁１０は、コモンレール１１に貯留されている高圧の燃料が供給される。コモンレール１１には、燃料タンク１２から燃料ポンプ１３により高圧化された燃料が供給される。
燃料噴射弁１０には、ＥＣＵ（エンジン制御ユニット、制御手段）２０により作動制御される。ＥＣＵ２０は、アクセルセンサ２１やクランク角センサ２２等からエンジン１の運転状況に関する検出情報を入力して、燃料噴射量及び燃料噴射時期を演算し、燃料噴射弁１０のソレノイド２３を作動制御することで、燃料噴射制御を行う。
【００１５】
図２は、燃料噴射弁１０のノズル部２４の詳細を示す断面図である。
図２に示すように、燃料噴射弁１０は、筒状のノズルケース２５と、該ノズルケース２５に同軸上に移動可能に内蔵された針弁２６とを備えている。針弁２６は、前述のソレノイド２３により直接あるいは間接的に図中上下方向にリフト制御される。ノズルケース２５の先端中央部には、円柱状に突出した突出部２７が設けられている。突出部２７の内部には、ノズルケース２５と同軸上に円柱状の空間である燃料分配室２８が形成されている。燃料分配室２８を区分するノズルケース２５の突出部２７の内側壁２９は、ノズルケース２５の軸線と平行に形成されている。突出部２７には、燃料分配室２８と外部とを連通する噴射孔３０が数箇所形成されている。また、ノズルケース２５の燃料分配室２８より上方側の内壁には円環形状のシート面３１が形成されている。ノズルケース２５のシート面３０より上方の内部空間である燃料溜まり３２には、前述のコモンレール１１から高圧の燃料が供給される。
【００１６】
針弁２６の先端中央部には、同軸上に突出し円柱状に形成された突起部（柱状体）３３が備えられている。突起部３３は、燃料分配室２８内に挿入可能に配置され、その外径は燃料分配室２８より若干小さく設定されている。即ち、突起部３３とノズルケース２５の内側壁２９との間には、針弁２６の軸方向に延びる円筒状の隙間３４が形成されている。隙間３４の断面積は、噴射孔３０の総面積である噴孔面積より小さく設定されている。なお、針弁２６のリフト量（上下移動量）は、針弁２６が最も上方に移動したときに突起部３３が燃料分配室２８から上方に完全に脱するように設定されている。
【００１７】
針弁２６の突起部３３より図中上方の基部側にはテーパ状に拡径されたシート部３５が形成されている。針弁２６を図中下方に移動させたときに、シート部３５とシート面３１とが全周に亘って密接する。
図３〜５は、針弁２６の移動状態を示す参考図であり、図３は全閉時、図４は中間開度時、図５は全開時である。
【００１８】
図３に示すように、針弁２６を図中下方に最も移動させたリフト量０の場合に、上述のように針弁２６のシート部３５がノズルケース２５のシート面３１に密接し、燃料溜まり３２と燃料分配室２８との燃料の流通が遮断される。このようにして、燃料噴射弁１０は閉弁状態になり、噴射孔３０からの燃料噴射量は０となる。
図４に示すように、針弁２６を最下方位置から上方へ少し移動させた場合（中間開度時：中間リフト位置）には、シート部３５とシート面３１とが離間し、燃料溜まり３２と燃料分配室２８との空間が連通する。このとき、針弁２６の先端の突起部３３は燃料分配室２８から完全に脱していないので、燃料溜まり３２と燃料分配室２８とは噴射孔３０の噴孔面積より小さい隙間３４を介して連通する。
【００１９】
図５に示すように、針弁２６を図中上方に最も移動させたリフト量最大の場合には、突起部３３が燃料分配室２８から完全に脱し、燃料溜まり３２と燃料分配室２８との連通路が最大限大きくなる。
図６は、全閉状態から全開状態へ移行したときの燃料噴射率の推移を示すタイムチャートである。
【００２０】
燃料噴射率は、全開時に対する燃料噴射量の割合を示しており、例えば図３のように全閉時では燃料噴射率は０に、図５に示すように全開時では１００となる。図４に示すように、中間開度時には、燃料噴射率は前開時より若干低下する。これは、中間開度時における針弁２６の突起部３３とノズルケース２６の内側壁２９との間の隙間３４の面積が噴射孔３０の噴孔面積より小さいためであって、燃料溜まり３２と噴射孔３０との間に絞りを備えたものと同じ効果が得られる。そして、この燃料噴射率の若干の上昇は、所定期間維持される。これは、突起部３３と内側壁２９とが針弁２６の軸線と平行に形成され、突起部３３が燃料分配室２８から脱するまでの間、隙間３４の面積が一定に維持されるためである。図５に示される全開時には、燃料噴射量は噴孔面積により規定される。このように、針弁２６を全閉状態から全開状態に移動させるだけで、中間開度時に所定リフト量の間、針弁２６の突起部３３とノズルケース２６の内側壁２９との間の隙間３４の面積により規定される燃料噴射率の低下した状態が維持されることとなる。
【００２１】
図７は、全開状態から一時的にリフト量を低下させたときの燃料噴射率の推移を示すタイムチャートである。
全開開度時（リフト量最大時）からリフト量を徐々に低下させ、その後中間開度時でリフト量を単純に反転して増加させることで、図７に示すように、中間開度時において、燃料噴射率が隙間３４の面積により規定される所定値に一定時間維持される。
【００２２】
以上のように、本実施形態の燃料噴射弁１０では、燃料噴射のオンオフ切り換えや、リフト量の一時的な低下により、燃料噴射率が低下するが、その量は針弁２６の突起部３３とノズルケース２５の内側壁２９との間の隙間３４の面積によって規定されるので、従来技術のように、シート面３１とシート部３５との間の開口面積を制御する方法より、燃料噴射率を高精度に制御し且つ一定期間安定して維持することが可能となる。
【００２３】
次に、上記燃料噴射弁１０を用いたエンジンの燃料噴射制御装置の最適な一実施形態について説明する。
図８は、機関トルク発生に寄与するメイン噴射における、針弁リフト量、燃料噴射率及び熱発生量の推移を示すタイムチャートである。図中、本実施形態を実線で示し、比較例として、燃料噴射率を噴射期間中一定とする従来技術を破線で示している。
【００２４】
本燃料噴射制御装置を構成するＥＣＵ２０は、クランク角に基づき、ある気筒が図中に示すタイミングａで開弁開始時期に至ったと判断すると、対応する気筒の燃料噴射弁１０の針弁２６のリフト量を０から増加させ始める（タイミングａ）。このときの針弁２６の制御は最大速度でリフト量を変化させてもよいし、所定の変化率に基づきリフト量を増加側に制御してもよい。リフト量の増加に追従して筒内７への燃料噴射率は急増して最大値に達し、筒内７に噴射された燃料が燃焼することにより筒内７での熱発生率が次第に増加する。
【００２５】
従来技術のように噴射期間中の燃料噴射率を一定とした場合には、燃料噴射率が最大値に保持されているにも拘わらず、あるタイミングｂ’で破線に示すように熱発生率の増加が頭打ち傾向に陥ることがある。この現象は、拡散燃焼による可燃混合気層で燃料と空気とが良好に混合せずに燃料過濃領域が形成され、結果として燃料過濃領域に過剰に存在する燃料が空気の不足により完全に燃焼せずに燃焼状態が悪化するためであり、燃料過濃領域の形成は筒内でのスモーク生成量の増大にも繋がる。
【００２６】
本実施形態では、タイミングｂ’より先行するタイミングｂでＥＣＵ２０が燃料噴射弁１０の針弁２６のリフト量を減少させ、リフト量が0に達しないタイミングｃに達した時点から図中タイミングｄに至るまでリフト量を増加させる。
上記のようにタイミングｂ’は、可燃混合気層で燃料と空気とが良好に混合せずに燃料過濃の領域が形成されて、筒内７での熱発生率が頭打ちになる時点であり、換言すれば、燃料噴射率の増加に対して熱発生率の増加が追従しなくなる時点である。このタイミングｂ’に対してタイミングｂは、燃料の慣性等の要因により針弁２６のリフト量の変化に対して燃料噴射率の追従が遅れたときの応答遅れ相当分だけ先行した時点であり、このタイミングｂで針弁２６のリフト量を減少し始めることにより、燃料過濃領域が形成され始めるタイミングｂ’に略一致した最適な時期で燃料噴射率が低下し始める。
【００２７】
燃料噴射率の低下に伴って筒内７に供給される燃料が減少するため、燃料過濃領域内の過剰燃料の燃焼が促進されて燃料過濃領域が次第に縮小し、この燃料過濃領域に起因する筒内７でのスモークの生成が抑制される。また、結果として燃料と空気との混合が理論等量比に近いものとなって燃焼温度が上昇するため、既に燃料過濃領域で生成されているスモークの再燃焼も促進される。これらの２つの要因により、筒内７からのスモーク排出量が大幅に低減される。また、燃焼温度の上昇は、結果として図８のタイミングｂ’以降に示すように熱発生率の増加に繋がり、筒内７での燃焼状態が改善されることから燃費が大幅に向上する。
【００２８】
燃料過濃領域の形成による熱発生率の頭打ちは、燃料噴射の開始からかなり経過した時点で発生するため、必然的に燃料噴射率を減少させ始めるタイミングｂ’は燃料噴射率波形（メイン噴射期間）の後半の時期に設定される。換言すれば、燃料噴射率の立上がりタイミングａ’からタイミングｂ’までの期間ｔ１と、タイミングｂ’から燃料噴射率の立下がりタイミングｄ’までの期間ｔ２との間にｔ１＞ｔ２の関係が成立するように、タイミングｂ’は設定される。
【００２９】
一方、針弁２６のリフト量はタイミングｂからタイミングｃに亘って減少した後、タイミングｃからタイミングｄに亘って増加する。このとき、燃料噴射率は、図８に示すように最高値から減少し所定値ｅに達すると一定時間保持された後に増加する。これは、上記のように、本実施形態の燃料噴射弁１０ではその構造上、リフト量を減少から増加に単純に切り換えるだけで、所定範囲の中間リフト時（中間開度時）で一定時間燃料噴射率が一定になるためである。更に、このときの燃料噴射率は隙間３４の面積に応じて設定される。燃料噴射率が一定となる時間は、リフト量の増減速度を変更したり、リフト量を減少から増加に反転する位置（図８中ｃ）を中間開度内で変更したりすることで設定可能であり、燃料過濃領域を形成する燃料が完全に燃焼し終えるように設定すればよい。また、リフト量を減少から増加に反転する際に一定時間リフト量を維持するように制御してもよく、このようにすれば燃料噴射率が一定になる時間を増加させることができる。
【００３０】
本実施形態では、燃料噴射率の低下量が隙間３４の面積に応じて容易に設定されるとともに、その燃料噴射率の低下する期間が確保されるので、針弁２６のリフト制御の煩雑化を抑制しつつ燃料過濃領域を確実に抑制することができる。
また、燃料噴射率の低下を開始する時期を、燃料噴射率の増加に対して熱発生率の増加が追従しなくなるタイミングｂ’（必然的に燃料噴射率波形の後半）に設定しているため、結果として燃料過濃領域が形成され始める最適な時期に燃料噴射率の低下を開始でき、もって、燃料過濃領域の形成をより確実に抑制することができる。
【００３１】
なお、燃料噴射量を低下させるために、例えば燃料ポンプ１３を制御して燃圧を低下させる方法も考えられるが、本実施形態ではこのために燃圧を低下させる必要がない。したがって、燃料ポンプ１３の燃圧制御の煩雑化を防止するだけでなく、噴霧の微粒化が確保され、混合気を理論等量比に近づけて燃焼温度を上昇させることができ、燃費の向上及びスモークの再燃焼を促進させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本実施形態の燃料噴射弁を備えたエンジンの概略構成図である。
【図２】燃料噴射弁のノズル部の詳細を示す断面図である。
【図３】全閉時の針弁の移動状態を示す参考図である。
【図４】中間開度時の針弁の移動状態を示す参考図である。
【図５】全開時の針弁の移動状態を示す参考図である。
【図６】全閉状態から全開状態へ移行する際の燃料噴射率の推移を示すタイムチャートである。
【図７】全開状態から一時的にリフト量を低下させたときの燃料噴射率の推移を示すタイムチャートである。
【図８】メイン噴射における、針弁リフト量、燃料噴射率及び熱発生量の推移を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
【００３３】
１  エンジン
１０  燃料噴射弁
２０  ＥＣＵ
２５  ノズルケース
２６  針弁
２９  内側壁
３１  シート面
３３  突起部
３４  隙間
３５  シート部
【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１】
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