JP2016065501A - 燃料供給装置及びその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 内燃機関の燃料供給装置1は、燃料タンク2から汲み上げた燃料を燃料加圧ポンプ3により加圧し、インジェクタ10から内燃機関に噴射する。電極として機能するインジェクタ10のニードル弁とノズル本体は、インジェクタ10から噴射される燃料を帯電させる。ECU30は、インジェクタ10に供給される燃料の誘電率又は電気伝導率に基づき、上記の電極から燃料に印加する電圧及び電圧印加時間を制御する。これにより、ECU30は、インジェクタ10から高圧噴射される燃料を十分に帯電させることが可能である。
【選択図】図1
Description
特許文献1に記載された内燃機関の制御装置は、内燃機関に吸入される吸気の流速に応じて、燃料を帯電させるために設けられた電極に印加する電圧の周波数を変えている。具体的に、この制御装置は、吸気の流速が所定の速度範囲よりも小さいとき、電極に印加する電圧の周波数を高め、吸気の流速の低下により燃料噴霧の微粒化が悪化することを抑制している。一方、制御装置は、吸気の流速が所定の速度範囲よりも大きいとき、電極に印加する電圧の周波数を低くし、燃料噴霧の過度な微粒化により燃料がガス化することを抑制している。
これにより、内燃機関に噴射された燃料噴霧が微粒化・広拡散することなく、貫徹力(ペネトレーション)が高まると、燃焼が悪化すると共に、一酸化炭素(CO)及び炭化水素(HC)、粒子状物質(Particulate Matter)等の排出量が増加するおそれがある。
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、内燃機関に噴射供給する燃料噴霧の微粒化・広拡散及び低ペネトレーションを実現可能な燃料供給装置及びその制御方法を提供することを目的とする。
インジェクタから噴射される燃料圧力が高くなるに従い、インジェクタ内を流れる燃料の流量が増大し、燃料が電極間を通過する時間が短くなる。その場合、制御手段は、燃料に印加する電圧を高め、又は電圧印加時間を長くすることで、燃料を十分に帯電させることが可能である。
これにより、第3発明は、第1発明と同様の作用効果を奏することが可能である。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態を図1〜図5に示す。第1実施形態の燃料供給装置1は、図示していないディール機関またはガソリン機関等の内燃機関に燃料を供給するものである。
まず、燃料供給装置1の構成について、図1及び図2を参照して説明する。
燃料タンク2は、内燃機関の種類に対応し、軽油、ガソリン又はバイオ燃料等を貯留する。
燃料加圧ポンプ3は、燃料タンク2から低圧燃料配管4を経由して汲み上げられた燃料を加圧し、高圧燃料配管5からコモンレール6に圧送する。コモンレール6に貯留された燃料は、そこに接続されたインジェクタ10から、内燃機関の燃焼室に直接噴射供給される。
燃料加圧ポンプ3、コモンレール6及びインジェクタ10から排出される余剰燃料は、それぞれ、第1リターン通路7、第2リターン通路8、第3リターン通路9を通り、燃料タンク2に戻される。
ニードル弁12が弁座14から離座すると噴孔15から燃料が噴射される。一方、ニードル弁12が弁座14に着座すると噴孔15からの燃料噴射が停止する。
昇圧回路20は、バッテリ又は蓄電池22の電圧を昇圧し、インジェクタ10が有するニードル弁12とノズル本体11に電位差を与える。このニードル弁12とノズル本体11は、燃料に電荷を与える電極として機能する。これにより、ニードル弁12とノズル本体11との間の燃料通路13に電界が形成される。したがって、インジェクタ10は、その燃料通路13を流れる燃料を帯電させることが可能である。
上述した昇圧回路20、並びに、電極として機能するニードル弁12及びノズル本体11は、特許請求の範囲に記載の「帯電手段」の一例に相当する。
また、絶縁材16による表面処理に代えて、電極として機能するニードル弁12及びノズル本体11よりも燃料の下流側に位置する燃料通路13の内壁または噴孔15の内壁を、絶縁材16から形成してもよい。
なお、燃料物性センサ23は、燃料タンク2に限らず、燃料タンク2からインジェクタ10までの燃料経路のいずれの場所に設けてもよい。これにより、燃料物性センサ23は、燃料タンク2からインジェクタ10までの燃料経路を流れる燃料の誘電率又は電気伝導率を検出することが可能である。
これに対し、図3に示すように、燃料の電気伝導率は、同じ軽油であっても、例えば硫黄の含有量などにより、電気伝導率が大きく異なる。また、電気伝導率が異なると、燃料が帯電するために必要となる緩和時間は大きく異なる。
そのため、ECU30は、予め記憶された燃料の誘電率と、燃料物性センサ23により検出された電気伝導率に基づき、昇圧回路20から電極としてのニードル弁12及びノズル本体11を介して燃料に印加する電圧及び電圧印加時間を制御する。
この静電噴霧制御において、ECU30は、メモリに記憶されたプログラムをCPUが実行することにより、目標時間算出手段32、目標電圧算出手段33、許容電圧算出手段34、電圧設定手段35、及び時間設定手段36等として機能する(図1参照)。
ステップ11でECU30は、メモリに予め記憶された燃料の誘電率を読み出す。
また、ステップ12でECU30は、エンジン回転数、及び、アクセル開度により、インジェクタ10を流れる燃料の流量を検出する。
次に、ステップ13でECU30は、目標時間算出手段32として機能し、インジェクタ10を流れる燃料の流量、電気伝導率および誘電率に基づき、燃料を十分に帯電させることの可能な目標印加時間を算出する。
目標印加時間は、インジェクタ10から所望の燃料噴射を行うために必要な電荷を燃料に与えることの可能な緩和時間τに設定される。
緩和時間τは、τ=ε/κ により算出可能である。ここで、εは誘電率であり、κは電気伝導率である。
具体的に、目標印加時間が限界時間より短い場合(ステップ16:YES)、処理はステップ18に移行する。一方、限界時間が目標印加時間と同じか、それより短い場合(ステップ16:NO)、処理はステップ19に移行する。
このようにして、ECU30は、燃料に印加する電圧及び電圧印加時間を設定することが可能である。
なお、上述したステップ10の処理が特許請求の範囲に記載の「物性検出ステップ」の一例に相当し、上述したステップ13の処理が特許請求の範囲に記載の「電圧又は電圧印加時間設定ステップ」の一例に相当する。
第1実施形態の燃料供給装置1は、次の作用効果を奏する。
(1)第1実施形態では、ECU30は、インジェクタ10に供給される燃料の誘電率又は電気伝導率に基づき、燃料に印加する電圧及び電圧印加時間を制御する。
燃料を帯電させることの可能な緩和時間は、燃料の誘電率と電気伝導率に応じて変化する。また、電極に印加する電圧を高くするほど、燃料の帯電量を増加することが可能である。そのため、制御手段は、燃料の誘電率又は電気伝導率に基づき電圧及び電圧印加時間を制御することで、高圧噴射される燃料を十分に帯電させることが可能である。したがって、この燃料供給装置1は、インジェクタ10から内燃機関に噴射する燃料噴霧を静電気力により微粒化・広拡散させると共に、低ペネトレーションを実現することができる。
インジェクタ10から噴射される燃料圧力が高くなるに従い、インジェクタ10内を流れる燃料の流量が増大し、燃料が電極間を通過する時間が短くなる。その場合、ECU30は、燃料に印加する電圧を高め、又は電圧印加時間を長くすることで、燃料を十分に帯電させることが可能である。
これにより、ECU30は、燃料物性センサ23の出力に応じて、燃料に印加する電圧又は電圧印加時間を調整することが可能である。
一般に、同種の燃料の場合、燃料の誘電率は電気伝導率に比べて変化が小さい。そのため、ECU30は、メモリに予め記憶された誘電率に基づき、燃料に印加する電圧又は電圧印加時間を制御することが可能である。したがって、燃料供給装置1は、電気伝導率のみを検出する燃料物性センサ23を備えることで、その構成を簡素にすることができる。
目標時間算出手段32は、燃料の誘電率および電気伝導率に基づき、インジェクタ10から所望の燃料噴射を行うために必要な電荷を燃料に与えることの可能な緩和時間を算出する。
時間設定手段36は、インジェクタ10による直前の燃料噴射の終了時から当該燃料噴射の終了時までの限界時間と、目標時間算出手段32が算出した目標印加時間のうち、いずれか短い方の時間に電圧印加時間を設定する。
これにより、インジェクタ10から断続的に噴射される燃料噴霧において、所定の燃料噴射時期に噴射される燃料に対して行われる電圧の印加が、その前後の燃料噴射時期に噴射される燃料に影響を与えることを防ぐことが可能である。したがって、インジェクタ10から噴射されるそれぞれの燃料噴霧毎に、内燃機関の燃焼室内における燃焼位置などを制御することが可能である。
目標電圧算出手段33は、インジェクタ10から所望の燃料噴射を行うために必要な電荷を燃料に与えることの可能な目標印加電圧を算出する。
許容電圧算出手段34は、燃料の電気伝導率と、電極として機能するニードル弁12とノズル本体11との距離との関係に基づき、電極として機能するニードル弁12とノズル本体11との間で絶縁破壊が生じることを防ぐことの可能な許容印加電圧を算出する。
電圧設定手段35は、燃料に印加する電圧を、目標印加電圧と許容印加電圧のうちいずれか低い方の電圧に設定する。
これにより、ECU30は、燃料に電圧を印加する際に絶縁破壊が生じることを防ぐことができる。
また、第1実施形態では、電極として機能するニードル弁12及びノズル本体11よりも燃料の下流側に位置する燃料通路13または噴孔15は、絶縁材16から形成することも可能である。
これにより、燃料に帯電した電荷の放出が抑制される。したがって、燃料供給装置1は、燃料噴霧の微粒化・広拡散及び低ペネトレーションを実現することができる。
本発明の第2実施形態を図6及び図7に基づいて説明する。なお、以下に説明する第2〜第6実施形態は、ディーゼル機関の1サイクルでインジェクタ10の燃料噴射を複数回行う多段噴射において、燃料に電圧を印加する時期と、それによって形成される燃料噴霧の状態を例示するものである。
図6(A)に示すように、第2実施形態では、時刻t1−t2の間に第1プレ噴射が行われ、時刻t4−t6の間に第2プレ噴射が行われ、時刻t8−t10の間にメイン噴射が行われる。
また、図6(B)に示すように、時刻t3−t5の間に第2プレ噴射用の燃料に対し電圧印加が行われ、時刻t7−t9の間にメイン噴射用の燃料に対し電圧印加が行われる。
次に、図7(B)に示すように、第2プレ噴射用の燃料噴霧は帯電しているので、低ペネトレーション且つ微粒化・広拡散となり、インジェクタ10に近くに燃料が噴射される。これにより、燃焼室54に燃料噴霧と空気の最適な予混合状態が形成される。なお、図7(B)では、第1プレ噴射で噴射された燃料噴霧を破線で示している。
続いて、図7(C)に示すように、メイン噴射用の燃料噴霧は帯電しているので、低ペネトレーション且つ広拡散となり、着火、燃焼する。なお、図7(C)では、第1プレ噴射と第2プレ噴射で噴射された燃料噴霧をそれぞれ破線で示している。
(1)第2実施形態では、ECU30は、内燃機関の燃焼室54内での燃料噴霧の燃焼位置に応じて、燃料に印加する電圧及び電圧印加時間を制御する。
これにより、内燃機関の燃焼室54内において、燃料噴霧を所望の位置で燃焼させることが可能である。
これにより、それぞれの燃料噴射毎に、燃焼室54内の所望の位置で燃料噴霧を燃焼させることが可能である。
本発明の第3実施形態を図8及び図9に基づいて説明する。
図8(A)に示すように、第3実施形態では、時刻t22−t24の間に第1プレ噴射が行われ、時刻t25−t26の間に第2プレ噴射が行われ、時刻t28−t30の間にメイン噴射が行われる。
また、図8(B)に示すように、時刻t21−t23の間に第1プレ噴射用の燃料に対し電圧印加が行われ、時刻t27−t29の間にメイン噴射用の燃料に対し電圧印加が行われる。
次に、図9(B)に示すように、第2プレ噴射用の燃料噴霧は帯電していないので、高ペネトレーションとなり、燃焼室54の壁面付近の空気を巻き込んで燃焼する。
続いて、図9(C)に示すように、メイン噴射用の燃料噴霧は帯電しているので、低ペネトレーション且つ広拡散となり、燃焼室54の中心部と壁面付近の空気を有効に利用して燃焼する。
第3実施形態の燃料供給装置1は、第2実施形態と同様の作用効果を奏する。
本発明の第4実施形態を図10及び図11に基づいて説明する。
図10(A)に示すように、第4実施形態では、時刻t31−t32の間にプレ噴射が行われ、時刻t33−t35の間にメイン噴射が行われる。
また、図10(B)に示すように、時刻t34−t36の間にメイン噴射用の燃料に対し電圧印加が行われる。
次に、図11(B)に示すように、メイン噴射用の燃料噴霧は噴射開始初期の時刻t33から時刻t34までは帯電しておらず、噴射開始から所定時間経過後の時刻t34以降に帯電する。そのため、噴射開始初期は高ペネトレーションとなり、燃焼室54の壁面付近の空気を巻き込んで燃焼する。そして時刻t34以降は低ペネトレーション且つ広拡散となり、燃焼が広がる。したがって、図11(C)に示すように、燃焼室54の中心部と壁面付近の空気を有効に利用した燃焼が可能である。なお、図11(B)では、第1プレ噴射で噴射された燃料噴霧を破線で示している。
第4実施形態の燃料供給装置1は、第2及び第3実施形態と同様の作用効果を奏する。
本発明の第5実施形態を図12に基づいて説明する。
図12(A)に示すように、第5実施形態では、時刻t41−t42の間にプレ噴射が行われ、時刻t44−t46の間にメイン噴射が行われる。
また、図12(B)に示すように、時刻t43−t45の間にメイン噴射用の燃料に対し電圧印加が行われる。
次に、メイン噴射用の燃料噴霧は噴射開始から所定時間経過後の時刻t45まで帯電しており、低ペネトレーション且つ広拡散となる。時刻t45以降は、高ペネトレーションとなり、燃焼室54の壁面付近の空気を巻き込んで燃焼する。
第5実施形態の燃料供給装置1は、第2から第4実施形態と同様の作用効果を奏する。
本発明の第6実施形態を図13に基づいて説明する。
図13(A)に示すように、第6実施形態では、時刻t51−t52の間にプレ噴射が行われ、時刻t54−t55の間にメイン噴射が行われる。
また、図13(B)に示すように、時刻t53−t55の間にメイン噴射用の燃料に対し電圧印加が行われる。
次に、メイン噴射用の燃料噴霧は噴射開始から噴射終了まで帯電しており、低ペネトレーション且つ広拡散となる。
第6実施形態の燃料供給装置1は、第2から第5実施形態と同様の作用効果を奏する。
(1)上述した実施形態では、燃料供給装置1は、ニードルとノズルに電圧を印加して燃料に電荷を直接与える構成とした。これに対し、他の実施形態では、燃料供給装置1は、噴孔15の下流側にドーナツ状の電極を設け、誘導磁界により燃料を帯電させる構成としてもよい。
(7)また、他の実施形態では、燃料供給装置1は、燃料物性センサ23を備えることなく、ECU30に予め記憶した燃料の電気伝導率と誘電率に基づき、燃料に印加する電圧又は電圧印加時間の少なくともいずれか一方を制御してもよい。
このように、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。
2 ・・・燃料タンク
3 ・・・燃料加圧ポンプ
10・・・インジェクタ
11・・・ノズル本体(帯電手段)
12・・・ニードル弁(帯電手段)
20・・・昇圧回路(帯電手段)
30・・・電子制御装置(ECU、制御手段)
Claims (12)
- 燃料を貯留する燃料タンク(2)と、
前記燃料タンクから汲み上げた燃料を加圧する燃料加圧ポンプ(3)と、
前記燃料加圧ポンプにより加圧された燃料を内燃機関に噴射するインジェクタ(10)と、
前記インジェクタから噴射される燃料を帯電させる帯電手段(11,12,20)と、
前記インジェクタに供給される燃料の誘電率又は電気伝導率に基づき、前記帯電手段から燃料に印加する電圧又は電圧印加時間の少なくともいずれか一方を制御する制御手段(30)と、を備えることを特徴とする内燃機関の燃料供給装置(1)。 - 前記制御手段は、前記インジェクタを流れる燃料の流量に基づき、前記帯電手段から燃料に印加する電圧又は電圧印加時間の少なくともいずれか一方を制御することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の燃料供給装置。
- 前記燃料タンクから前記インジェクタまでの燃料経路を流れる燃料の誘電率又は電気伝導率に対応する信号を前記制御手段に出力する燃料物性センサ(23)を備えることを特徴とする請求項1または2に記載の内燃機関の燃料供給装置。
- 前記制御手段は、前記燃料タンクに貯留される燃料の誘電率を予め記憶しており、
前記燃料物性センサは、電気伝導率に対応する信号のみを前記制御手段に出力することを特徴とする請求項3に記載の内燃機関の燃料供給装置。 - 前記制御手段は、
燃料の誘電率および電気伝導率に基づき、前記インジェクタから所望の燃料噴射を行うために必要な電荷を燃料に与えることの可能な緩和時間を算出する目標時間算出手段(32)と、
前記インジェクタによる直前の燃料噴射の終了時から当該燃料噴射の終了時までの時間と前記目標時間算出手段が算出した前記緩和時間のうち、いずれか短い方の時間に電圧印加時間を設定する時間設定手段(36)と、を有することを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の内燃機関の燃料供給装置。 - 前記制御手段は、
前記インジェクタから所望の燃料噴射を行うために必要な電荷を燃料に与えることの可能な目標印加電圧を算出する目標電圧算出手段(33)と、
前記帯電手段が有する電極間の距離と燃料の電気伝導率とに基づき、前記帯電手段から燃料に印加する電圧による前記電極間の絶縁破壊を防ぐことの可能な許容印加電圧を算出する許容電圧算出手段(34)と、
前記帯電手段から燃料に印加する電圧を、前記目標印加電圧と許容印加電圧のうちいずれか低い方の電圧に設定する電圧設定手段(35)と、を有することを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の内燃機関の燃料供給装置。 - 前記制御手段は、前記内燃機関の燃焼室内での燃料噴霧の燃焼位置に応じて、前記帯電手段から燃料に印加する電圧又は電圧印加時間の少なくともいずれか一方を制御することを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の内燃機関の燃料供給装置。
- 前記制御手段は、前記内燃機関の1サイクルで前記インジェクタの燃料噴射を複数回行う場合、それぞれの燃料噴射毎に、前記帯電手段から燃料に印加する電圧又は電圧印加時間の少なくともいずれか一方を制御することを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載の内燃機関の燃料供給装置。
- 前記帯電手段よりも燃料の下流側に位置する燃料通路(13)または噴孔(15)は、燃料に帯電した電荷の放出を抑制可能な絶縁材(16)による表面処理がされていることを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の内燃機関の燃料供給装置。
- 前記帯電手段よりも燃料の下流側に位置する燃料通路または噴孔は、燃料に帯電した電荷の放出を抑制可能な絶縁材から形成されていることを特徴とする請求項1から8のいずれか一項に記載の内燃機関の燃料供給装置。
- 燃料を貯留する燃料タンクと、
前記燃料タンクから汲み上げた燃料を加圧する燃料加圧ポンプと、
前記燃料加圧ポンプにより加圧された燃料を内燃機関に噴射するインジェクタと、
前記インジェクタから噴射される燃料を帯電させる帯電手段と、
前記インジェクタを流れる燃料の流量に基づき、前記帯電手段から燃料に印加する電圧又は電圧印加時間の少なくともいずれか一方を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の燃料供給装置。 - 請求項1から10のいずれか一項に記載の前記燃料供給装置の駆動を制御する制御方法であって、
燃料の誘電率または電気伝導率を検出する物性検出ステップ(S10)と、
物性検出ステップにより検出された燃料の誘電率または電気伝導率に基づき、前記帯電手段から燃料に印加する電圧又は電圧印加時間の少なくともいずれか一方を設定する電圧又は電圧印加時間設定ステップ(S13)と、を含むことを特徴とする燃料供給装置の制御方法。
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