(57)【要約】【課題】燃料噴射弁の制御装置において、キャビテーションの発生及び抑制を容易に操作することができる技術を提供する。【解決手段】噴孔１５が形成されているサック１４への燃料の流れを遮断する第１ニードル１１と、該第１ニードル１１を貫通し該第１ニードル１１よりもサック内側へ突出可能で且つ該第１ニードル１１とは独立して進退可能な第２ニードル１２と、を備え、第１ニードル１１が開いているときの第１ニードル１１と第２ニードル１２との相対位置を変化させることにより、サック１４内の流れ場を変化させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
噴孔が形成されているサックへの燃料の流れを遮断する第１ニードルと、
該第１ニードルを貫通し該第１ニードルよりもサック内側へ突出可能で且つ該第１ニードルとは独立して進退可能な第２ニードルと、
を備え、
前記第１ニードルが開いているときの前記第１ニードルと前記第２ニードルとの相対位置を変化させることにより、前記サック内の流れ場を変化させることを特徴とする燃料噴射弁の制御装置。
【請求項２】
内燃機関の負荷が大きくなることに応じて、前記第１ニードルと前記第２ニードルとの相対位置の変化量を大きくすることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁の制御装置。
【請求項３】
前記第１ニードルのリフト量が大きくなることに応じて、前記第１ニードルと前記第２ニードルとの相対位置の変化量を大きくすることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料噴射弁の制御装置。
【請求項４】
要求される燃料量を複数回の燃料噴射に分割して供給する場合に、燃料噴射の分割回数が多くなることに応じて、前記第１ニードルと前記第２ニードルとの相対位置の変化量を大きくすることを特徴とする請求項１から３の何れか１に記載の燃料噴射弁の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料噴射弁の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
二重構造のニードルを備えた燃料噴射弁において、２つのニードルの相対位置を変化させることにより噴孔への燃料の導入経路を制御し、このときに燃料の貫徹力と拡散範囲とのどちらを重視するのかを負荷に応じて決定し、この結果に従って導入経路を切り替える技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００４−２０４７９５号公報
【特許文献２】特開２００６−１０５１４５号公報
【特許文献３】特開平９−３０３２３４号公報
【特許文献４】特開２００７−３２３６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、ニードルを通過した後に一旦サックに流入し、該サックから噴孔を介して燃料が噴射される場合、サック内の流れ場の状態によってはキャビテーションが発生する。そして例えば、軽負荷で均質なリーン空燃比にて内燃機関を運転させるときには、燃料の霧化を促進させることが有効になる。このような場合には、キャビテーションが発生するように設計されたインジェクターが効果を発揮する。
【０００４】
しかし、キャビテーションにより燃圧が不安定となったり、ペネトレーションが短縮し若しくは不安定となったりする。例えば高負荷になると、噴射された燃料の勢いによりタンブル比を高めたほうがより効果的である。このような場合には、キャビテーションが発生しないほうが良い。また、燃圧の安定が要求される場合にもキャビテーションが発生しないほうが良い。
【０００５】
つまり、内燃機関の運転状態によってキャビテーションの発生が必要となったり、不要となったりする。
【０００６】
ここで、キャビテーションが発生するか否かは、サック内の流れ場、特に噴孔に流れ込む燃料の流れの両側に発生する２つの渦により影響を受ける。ここで、軽負荷時における燃料の霧化の促進のために、キャビテーションが発生するように燃料噴射弁を設計した場合には、あらゆる条件下でキャビテーションが発生する。そのため、内燃機関の運転状態によっては燃圧が不安定となったり、ペネトレーションの短縮化等を誘発したりする虞がある。
【０００７】
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、燃料噴射弁の制御装置において、キャビテーションの発生及び抑制を容易に操作することができる技術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】
【０００８】
上記課題を達成するために本発明による燃料噴射弁の制御装置は、以下の手段を採用した。すなわち、本発明による燃料噴射弁の制御装置は、
噴孔が形成されているサックへの燃料の流れを遮断する第１ニードルと、
該第１ニードルを貫通し該第１ニードルよりもサック内側へ突出可能で且つ該第１ニードルとは独立して進退可能な第２ニードルと、
を備え、
前記第１ニードルが開いているときの前記第１ニードルと前記第２ニードルとの相対位置を変化させることにより、前記サック内の流れ場を変化させることを特徴とする。
【０００９】
ここで、第１ニードルのリフト時、すなわち第１ニードルが開いているときには、燃料がサック内に流れ込み、さらにサック内と外部とを連通する噴孔へ燃料が流れ込む。噴孔へ流れ込んだ燃料は、燃料噴射弁の外部へと噴射される。このときに、サック内に流入した燃料は噴孔へ向かって流れるが、その一部は、サック内で渦を発生させる。一方、燃料が噴孔に流れ込むとキャビテーションが発生することがある。そして、サック内で発生する渦の渦度と、キャビテーションの発生若しくはキャビテーションにより発生する気泡の量と、には相関関係がある。つまり、渦度が大きくなるほど発生する気泡の量が多くなる。
【００１０】
そして、第１ニードルと第２ニードルとの相対位置を変化させることにより、サック内の流れ場が変化するため、該サック内で発生する渦の渦度が変わる。そのため、発生する気泡の量も変化する。つまり、２つのニードルの相対位置を変化させることにより、サック内の流れ場を変えることができるため、キャビテーションの発生または抑制を容易に操作できる。また、そのときに必要となる気泡の量に合わせてニードルの相対位置を変化させることができる。
【００１１】
本発明においては、内燃機関の負荷が大きくなることに応じて、前記第１ニードルと前記第２ニードルとの相対位置の変化量を大きくすることができる。
【００１２】
ここで、第２ニードルが第１ニードルよりもサック内へ突出することにより、サック内での燃料の流れが阻害されるため、渦の渦度が小さくなる。そして、第２ニードルの突出量を大きくすることにより、キャビテーションの発生が抑制されたり、気泡の発生量が少なくなったりする。
【００１３】
ここで、内燃機関の低負荷運転時には、燃料の霧化を促進させることにより、燃焼状態を安定させることができる。そして、第１ニードルと第２ニードルとの相対位置の変化量を小さくすることにより、サック内への第２ニードルの突出量が小さくなるため、サック内で発生する渦の渦度がより大きくなる。これにより、発生する気泡の量も多くなるため、燃料の霧化を促進させることができる。
【００１４】
また、内燃機関の高負荷運転時には、燃料の噴射により燃焼室内にタンブル流を発生させると良い。そして、キャビテーションが発生しないようにしたり、気泡の発生量を減少させたりすることにより、燃料をより勢い良く噴射させることができるため、タンブル比を高くすることができる。ここで、第１ニードルと第２ニードルとの相対位置の変化量を大きくすることにより、サック内への第２ニードルの突出量が大きくなる。そのため、サック内で発生する渦の渦度は小さくなる。これにより、キャビテーションの発生を抑制したり、気泡の発生を抑制したりすることができるため、燃料をより勢い良く噴射させることができるので、タンブル比を高くすることができる。
【００１５】
なお、内燃機関の低負荷運転時には、２つのニードルを連動して進退させてもよい。つまり、２つのニードルの相対位置を変化させないようにしてもよい。また、第１ニードルと第２ニードルとの相対位置の変化量は、内燃機関の負荷に対して段階的に変化させてもよい。
【００１６】
本発明においては、前記第１ニードルのリフト量が大きくなることに応じて、前記第１ニードルと前記第２ニードルとの相対位置の変化量を大きくすることができる。
【００１７】
ここで、第１ニードルのリフト量が可変である場合には、サック内の流れ場が第１ニードルのリフト量によって変わる。これにより、サック内で渦が発生する位置や渦度が変わる。そのため、２つのニードルの相対位置の変化量の適正値が変わる。そして、負荷が大きくなるほど第１ニードルのリフト量が大きくなる。つまり、負荷が大きくなるほど、第２ニードルから渦に影響を与える流れ場までの距離が長くなる。これに対し、第１ニードルからの第２ニードルの突出量を大きくすることにより、渦の発生を抑制したり、渦度を小さくしたりできる。つまり、第１ニードルのリフト量が大きくなるほど、２つのニードルの相対位置の変化量を大きくすることにより、気泡の発生を抑制できる。なお、第１ニードルと第２ニードルとの相対位置の変化量は、第１ニードルのリフト量に対して段階的に変化させてもよい。
【００１８】
本発明においては、要求される燃料量を複数回の燃料噴射に分割して供給する場合に、燃料噴射の分割回数が多くなることに応じて、前記第１ニードルと前記第２ニードルとの相対位置の変化量を大きくすることができる。
【００１９】
燃料を１回の噴射で供給する場合には、燃料噴射時間は内燃機関の負荷によって決定される。しかし、内燃機関の高負荷運転時には、タンブル比を高くするため等の理由により燃料噴射を複数回に分けて行なうことがある。このような場合には、内燃機関の負荷の大きさと、１回あたりの燃料の噴射時間と、の関係が変わる。
【００２０】
ここで、サック内の流れ場は、燃料の噴射時間によって変化する。つまり、燃料の噴射時間が変わると、サック内で発生する渦の位置や渦度が変化する。そして、燃料の噴射時間が短いほど、すなわち燃料噴射の分割回数が多いほど、２つのニードルの相対位置の変化量を大きくすると良い。これにより、内燃機関の負荷に見合った渦度の渦を発生させることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係る燃料噴射弁の制御装置は、キャビテーションの発生及び抑制を容易に操作することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明に係る燃料噴射弁の制御装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。
【実施例１】
【００２３】
図１は、本実施例に係る燃料噴射弁の概略構成を示す図である。図１（Ａ）は先端の拡大図、図１（Ｂ）は駆動部の拡大図を示している。
【００２４】
燃料噴射弁１は、第１ニードル１１、第２ニードル１２、およびノズルホルダ１３を備えて構成されている。ノズルホルダ１３の先端部には、燃料が一時貯留されるサック１４が形成されている。このサック１４には、噴孔１５が設けられている。噴孔１５は、サック１４の内部と外部とを連通している。また、噴孔１５は、断面が長方形となっている。
【００２５】
第１ニードル１１には、該第１ニードル１１を進退させる第１駆動素子２１が接続されている。また、第２ニードル１２には、該第２ニードル１２を進退させる第２駆動素子２２が接続されている。第１駆動素子２１及び第２駆動素子２２には、例えばソレノイドまたは圧電効果を利用した素子を採用することができる。
【００２６】
この第１駆動素子２１及び第２駆動素子２２は、電気配線を介してＥＣＵ２へ接続され
ている。このＥＣＵ２は、内燃機関を制御するための電子制御ユニットであり、内燃機関の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関の運転状態を制御する。
【００２７】
そして、第２ニードル１２は、円柱形状で且つ先端が円錐形状に尖っておりノズルホルダ１３の中心軸上に備わる。第２ニードル１２は、ノズルホルダ１３の内壁に接しないように設置されている。第１ニードル１１は、円筒形状で第２ニードル１２よりも直径が大きく、内部に第２ニードル１２を摺動可能に格納している。第１ニードル１１も先端は円錐形状となっているが中心軸周りに第２ニードル１２を収めるための貫通穴が開けられている。第１ニードル１１の先端の円錐面は、サック１４を塞ぐように、ノズルホルダ１３の内壁に接している。
【００２８】
そして、第１ニードル１１と第２ニードル１２とは別々に作動することも連動して作動することも可能である。また、第１ニードル１１とノズルホルダ１３との間には、加圧された燃料が供給されている。
【００２９】
このように構成された燃料噴射弁１では、第１ニードル１１をリフトさせることにより、サック１４内に燃料が流入する。この燃料は噴孔を通って燃料噴射弁１の外部へ噴射される。このときに、サック１４内では燃料が渦を巻く。
【００３０】
図２は、第２ニードル１２の位置とサック１４内で発生する渦の渦度との関係を示した図である。図２（Ａ）は第１ニードル１１と第２ニードル１２とが連動してリフトすることにより、第１ニードル１１と第２ニードル１２との相対位置に変化がない場合を示し、図２（Ｂ）は第２ニードル１２のリフト量を第１ニードル１１のリフト量よりも小さくすることにより、第１ニードル１１から第２ニードル１２を突出させた場合を示している。
【００３１】
なお、第１ニードル１１の先端の面と、第２ニードル１２の先端の面と、により１つの円錐面が形成されているときを、第２ニードル１２の突出量が０（すなわち、第１ニードルと第２ニードルとの相対位置に変化がない）とする。
【００３２】
ここで、第１ニードル１１がリフトすることにより、該第１ニードル１１とノズルホルダ１３との隙間からサック１４内に燃料が流入する。そして、燃料が噴孔１５へ向かう間に、その燃料の一部によってサック１４内で渦Ｘが発生する。そして、第１ニードル１１からの第２ニードル１２の突出量Ｌ（以下、単に第２ニードル１２の突出量Ｌという。）が大きくなるほど、発生する渦Ｘの渦度は小さくなる。
【００３３】
一方、噴孔１５の入口付近では、キャビテーションにより気泡Ｙが発生する。この気泡Ｙの発生量は、渦Ｘの渦度が大きくなるほど多くなる。つまり、第２ニードル１２の突出量Ｌが大きくなるほど、渦Ｘの渦度が小さくなるため、気泡Ｙの発生量が少なくなる。
【００３４】
このように、第２ニードル１２の突出量Ｌを変化させることにより、サック１４内の流れ場、および気泡Ｙの発生量を制御することができる。これにより、ペネトレーション、燃料の噴射率、燃料の霧化の度合い等を制御することができる。
【００３５】
そして、本実施例では、内燃機関の運転状態に応じて第２ニードル１２の突出量Ｌを変化させる。具体的には、内燃機関の低負荷時ほど第２ニードル１２の突出量Ｌを小さくし、高負荷ほど第２ニードル１２の突出量Ｌを大きくする。
【００３６】
図３は、内燃機関の負荷と第２ニードル１２の突出量Ｌとの関係を示した図である。この関係は、シミュレーション又は実験等により得ることができる。
【００３７】
内燃機関の低負荷時には、第２ニードル１２の突出量Ｌを小さくすることによりサック１４内に大きな渦度の渦Ｘを発生させて、積極的にキャビテーションを発生させる。これにより、燃料の霧化を促進させる。また、内燃機関の高負荷時には、第２ニードル１２の突出量Ｌを大きくすることによりサック１４内に渦Ｘを発生させないか、渦Ｘの渦度を小さくする。これにより、タンブル比を高くすることができる。
【００３８】
なお、内燃機関の負荷が特に低いときには、第２ニードル１２の突出量Ｌを０としてもよい。また、内燃機関の負荷に応じて、第２ニードル１２の突出量Ｌを段階的に変化させてもよい。
【００３９】
以上説明したように本実施例によれば、内燃機関の負荷に応じて第２ニードル１２の突出量Ｌを変化させることにより、サック１４内の流れ場を制御することができる。これにより、内燃機関の低負荷時にはキャビテーションを発生させ、高負荷時にはキャビテーションの発生を抑制できる。
【実施例２】
【００４０】
本実施例では、第１ニードル１１のリフト量を内燃機関の負荷に応じて変更可能とする。この場合、サック１４内の流れ場は、第１ニードル１１のリフト量によって変わる。そのため、渦Ｘの発生する位置や渦度も変わるので、本実施例では、それに応じて第２ニードル１２の突出量Ｌを変更する。
【００４１】
すなわち、実施例１で説明した制御に加えて以下の制御を行う。図４は、本実施例に係る内燃機関の負荷と第２ニードル１２の突出量Ｌと第１ニードル１１のリフト量との関係を示した図である。この関係は、シミュレーション又は実験等により得ることができる。
【００４２】
図４中の実線は第１ニードル１１のリフト量が比較的小さいとき、破線は第１ニードル１１のリフト量が中程度のとき、一点鎖線は第１ニードル１１のリフト量が比較的大きいときを示している。図４では、第１ニードル１１のリフト量を三段階に分けて表しているが、さらに段階を多くしてもよく、また、段階を無限としてもよい。
【００４３】
ここで、第１ニードル１１のリフト量が大きくなるほど、流れ場を変化させるために要する第２ニードル１２の突出量Ｌが大きくなる。つまり、第１ニードル１１のリフト量が大きくなるほど、第２ニードル１２の突出量Ｌを大きくする。このようにすることで、例え第１ニードル１１のリフト量が変化したとしても、低負荷運転時には渦Ｘを発生させ、高負荷運転時には渦Ｘの発生を抑制することができる。
【実施例３】
【００４４】
本実施例では、１回の燃焼に必要となる燃料を複数に分割して噴射可能とする。すなわち、１回の燃焼に対して複数回の燃料噴射を行なう。ここで、燃料噴射を分割して行なうと、タンブル比を高くすることができる。そのため、内燃機関の高負荷運転時には、燃料噴射を分割して行なうことがある。
【００４５】
ところで、燃料噴射の分割を行なわず、第１ニードル１１のリフト量が一定の場合、すなわち１回の燃焼に対して燃料噴射を１回のみ行なう場合には、燃料噴射時間は内燃機関の負荷により決まる。つまり、図３に示した関係は、燃料噴射時間を含めた最適な関係となっている。
【００４６】
しかし、燃料噴射を分割して行なう場合には、図３に示した関係が成り立たなくなる。つまり、図３に示した第２ニードル１２の突出量Ｌでは、最適な値を得ることができなくなるため、該第２ニードル１２の突出量Ｌを変更する必要が生じる。
【００４７】
ここで、燃料噴射の分割回数が多くなるほど、１回当たりの燃料噴射時間は短くなる。そして、本実施例では、同じ負荷のときには、燃料噴射の分割回数が多いほど、第２ニードル１２の突出量Ｌを大きくする。すなわち、本実施例では、第１ニードル１１のリフト量に応じて、第２ニードル１２の突出量Ｌを変更する。
【００４８】
図５は、本実施例に係る内燃機関の負荷と第２ニードル１２の突出量Ｌと燃料の分割回数との関係を示した図である。この関係は、シミュレーション又は実験等により得ることができる。
【００４９】
図５中の実線は分割回数が１回のとき、破線は分割回数が中程度のとき、一点鎖線は分割回数が比較的多いときを示している。図５では、分割回数を三段階に分けて表しているが、さらに段階を多くしてもよい。
【００５０】
ここで、燃料噴射時間が短いほど、第２ニードル１２の突出量Ｌの理想的な値が大きくなる。そのため、燃料噴射の分割回数が多くなるほど、第２ニードル１２の突出量Ｌを大きくする。このようにすることで、例え燃料噴射の分割回数が変化したとしても、低負荷運転時には渦Ｘを発生させ、高負荷運転時には渦Ｘの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】実施例に係る燃料噴射弁の概略構成を示す図である。図１（Ａ）は先端の拡大図、図１（Ｂ）は駆動部の拡大図を示している。
【図２】第２ニードルの位置とサック内で発生する渦の渦度との関係を示した図である。図２（Ａ）は第１ニードルと第２ニードルとの相対位置に変化がない場合を示し、図２（Ｂ）は第１ニードルから第２ニードルを突出させた場合を示している。
【図３】内燃機関の負荷と第２ニードルの突出量との関係を示した図である。
【図４】実施例２に係る内燃機関の負荷と第２ニードルの突出量と第１ニードルのリフト量との関係を示した図である。
【図５】実施例３に係る内燃機関の負荷と第２ニードルの突出量と燃料の分割回数との関係を示した図である。
【符号の説明】
【００５２】
１     燃料噴射弁
２     ＥＣＵ
１１   第１ニードル
１２   第２ニードル
１３   ノズルホルダ
１４   サック
１５   噴孔
２１   第１駆動素子
２２   第２駆動素子
【図１】
2009068479.tif 000003
【図２】
2009068479.tif 000004
【図３】
2009068479.tif 000005
【図４】
2009068479.tif 000006
【図５】
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