JP4071694B2 - 内燃機関の燃料噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、機関の吸気通路に設けられた燃料噴射弁によって、機関に燃料を噴射する燃料噴射装置に関する。

従来、燃料噴射弁の先端に延長管を設け、該延長管の先端に設けられた開閉機構で燃料の噴射・遮断を制御すると共に、吸気バルブの傘裏の中心に向けて噴射することで、吸気通路壁面への燃料付着を防止する技術が知られている（特許文献１参照）。
特開２００１−２９５７３８号公報

しかし、上記従来技術では、噴霧形状，噴射方向は機関の運転状態に関わらず固定である。
このため、機関温度，機関負荷などの機関運転状態により変化する燃料の気化特性に対応する最適な噴射状態を得ることができず、エミッションや燃費等の各要求を高レベルに両立させることができなかった。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、機関温度，機関負荷などの機関運転状態により変化する燃料の気化特性に対応する最適な噴射状態を得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。

そのため請求項１記載の発明は、各気筒に２つの吸気バルブを備えると共に、前記吸気バルブ上流の吸気通路に燃料噴射弁を備えた内燃機関の燃料噴射装置であって、冷機時においては、前記燃料噴射弁による燃料の噴射タイミングを吸気行程中とし、かつ、前記燃料噴射弁から噴射された燃料が、前記２つ並んだ吸気バルブの傘裏の内側に当たるようにし、かつ、前記燃料噴射弁に供給される燃料の圧力を増大補正する一方、暖機後の低中負荷領域においては、前記燃料噴射弁による燃料の噴射タイミングを排気行程中とし、かつ、前記燃料噴射弁から噴射された燃料が、前記２つ吸気バルブの傘裏全体及び吸気通路の壁面に当たるようにし、かつ、前記燃料の圧力の増大補正をキャンセルするようにした。
かかる構成によると、始動直後などの機関温度が低く、壁面に付着した燃料が気化し難いときには、吸気行程中に２つの吸気バルブの傘裏の内側に燃料を当てる。従って、冷機時に、吸気ポート壁面やシリンダ壁面に付着する燃料を減少させることができ、これにより燃焼性を向上させてエミッション・燃費を向上させることができる。更に、燃圧を増大補正することで、燃料をより微粒化し、気化が促進されるようにする。
一方、暖機後の低中負荷領域では、燃料を吸気バルブの傘裏全体及び吸気通路の壁面に当てるので、温まっている吸気バルブ及び吸気通路の壁面を積極的に利用して、燃料の気化を促進させることができる。また、燃圧の増大補正によって微粒化を促進しなくとも、充分な気化促進を図れるため、燃圧の増大補正はキャンセルする。更に、燃料噴射タイミングを、排気行程中とする設定を行い、吸気バルブが閉じられた状態での燃料噴射によって、吸気バルブの熱による気化促進が充分に図られるようにする。

請求項２記載の発明では、請求項１記載の発明において、暖機後の高負荷領域においては、前記燃料噴射弁による燃料の噴射タイミングを吸気行程中とし、かつ、前記燃料噴射弁から噴射された燃料が、前記２つ吸気バルブの傘裏の排気ポート寄りの部分に当たるようにし、かつ、前記燃料の圧力を増大補正するようにした。
かかる構成によると、暖機後であっても、高負荷であるときには、２つ吸気バルブの傘裏の排気ポート寄りの部分に燃料が当たるようにし、かつ、吸気行程噴射を行わせるため、低中負荷時に比べて、吸気バルブの熱を利用した気化促進効果が低下するため、これを補うべく、燃圧を高くして燃料微粒化を図る。また、吸気バルブ傘裏の排気ポート寄りの部分に燃料が当たることで、気化燃料ガスによって排気バルブ付近の筒内温度が低下し、これにより点火時期をより進角側に設定して、出力を向上させることができる。

請求項３記載の発明では、請求項１又は２記載の発明において、前記燃料噴射弁の噴霧角を変更する手段と、前記吸気通路内における吸気流を偏らせる手段とを備え、これら手段によって前記燃料噴射弁から噴射された燃料が当たる部分を変更するようにした。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図１は、実施形態における内燃機関のシステム構成図である。
図に示す内燃機関１０１は、吸気通路１０２に燃料噴射弁１０３が設けられ、吸気バルブ１０４が開くと、前記燃料噴射弁１０３から噴射された燃料と空気とが燃焼室１０５内に吸入される。

燃焼室１０５内の混合気は、点火栓１０６による火花点火によって燃焼し、燃焼排気は、排気バルブ１０７を介して排出される。
前記燃料噴射弁１０３は、電磁コイルの磁気吸引力によって弁体をリフトさせることで開弁する電磁式燃料噴射弁である。
前記燃料噴射弁１０３には、燃料タンク１０８内の燃料（ガソリン）が燃料ポンプ１０９によって圧送されるようになっており、燃料の供給圧は、燃料ポンプ１０９の吐出量の制御によって目標圧に制御される。

また、前記吸気通路１０２の燃料噴射弁１０５の噴孔部よりも上流側の部分には、吸気通路１０２をシリンダ軸方向に上下に仕切る仕切り板１１０が設けられていて、該仕切り板１１０で仕切られる上側通路１１０ａは下側通路１１０ｂに比べて開口面積がより広くなるようにしてある。
そして、前記開口面積の狭い下側通路１１０ｂに、吸気制御弁１１１が設けられており、該吸気制御弁１１１はアクチュエータ１１２によって開閉駆動される。

マイクロコンピュータを内蔵するエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１２０は、各種センサからの検出信号に基づいて、前記燃料噴射弁１０３，点火栓１０６，燃料ポンプ１０９，アクチュエータ１１２を制御する。
前記各種センサとしては、図示省略したスロットルバルブの開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサ１２１，機関１０１の吸入空気量Ｑａを検出するエアフローメータ１２２，機関１０１の冷却水温度Ｔｗを検出する水温センサ１２３，機関回転速度Ｎｅを検出する回転センサ１２４，燃料圧力を検出する燃圧センサ１２５が設けられている。

ここで、前記燃料噴射弁１０３を、図２〜図４に基づいて詳細に説明する。
図において、磁性体で形成されたケーシングパイプ１の外側に、電磁コイル２が固定され、ケーシングパイプ１の内側には、筒状のアンカー３１とボール３２とを溶接して一体化した弁体３が軸方向に摺動自由に嵌挿される。
前記アンカー３１の下部周壁には、燃料通し孔３１ａが開口されており、また、前記ボール３２の周側に、複数の平面３２ａが切削され、燃料通し孔３１ａを介してアンカー３１の外部に流れた燃料が、前記平面３２ａと後述する弁座部材７の内壁との隙間を通って噴射弁先端側に流れるようになっている。

前記弁体３（アンカー３１）の上方に所定のクリアランスを持たせて、筒状のスプリングハウジング４がケーシングパイプ１の内壁に固定されている。
該スプリングハウジング４内には、筒状のスプリングストッパ５が嵌挿して固定され、該スプリングストッパ５の下端と前記アンカー３１の段付部との間にリターンスプリング６が圧縮状態で嵌挿されている。

前記ケーシングパイプ１の下端部内側には、弁体３のボール３２を着座し、中心部に噴口を開口した弁座部材７が溶接結合され、該弁座部材７の下端（下流側）には、複数のノズル孔８ａを開口したノズルプレート８が配設される。
前記ケーシングパイプ１の下端部外側には、キャップ部材９が固定され、前記電磁コイル２の外側を覆うコイルカバー１０の下端部がケーシングパイプ１に溶接結合されている。

前記キャップ部材９の上端フランジ部と前記コイルカバー１０の段付部との間には、シール部材１１が嵌挿されている。
前記ケーシングパイプ１の上端部には、燃料フィルタ１２が嵌挿して固定されている。
前記コイルカバー１０の上端部から前記ケーシングパイプ１の上端部に至る部分と前記電磁コイル２のリード２ａの端部を除く部分が、樹脂ケーシング１３でモールドされ、該樹脂ケーシング１３の上端面と前記ケーシングパイプ１の上端フランジ面との間にシール部材１４が嵌挿されている。

前記樹脂ケーシング１３は、前記電磁コイル２のリード２ａの端部周囲を囲んでコネクタ部１３ａを形成している。
そして、前記電磁コイル２の非通電時は、前記リターンスプリング６の弾性圧縮力によって弁体３が前記弁座部材７の着座面に着座して閉弁している。
一方、前記電磁コイル２に通電すると、その磁気吸引力が、前記リターンスプリング６の弾性付勢力に抗して前記弁体３をリフトさせ、弁体３が前記弁座部材７の着座面から離間して開弁する。

ここで、前記弁座部材７に対して前記ノズルプレート８は一体的に固定される構成ではなく、弁座部材７を固定端として、軸方向に変位可能に支持される。
図３，４に示すように、変形部材５１を、前記弁座部材７の下端外周に設けた切り欠き部７ａ内に収容すると共に、該変形部材５１の一端を、前記切り欠き部７ａの端面に連結固定し、他端を前記ノズルプレート８の端面に連結固定してある。

前記変形部材５１は、温度で形状が変化する形状記憶合金を用いており、温度に応じて燃料噴射弁の軸方向に伸縮する一方、前記ノズルプレート８はケーシングパイプ１及び弁座部材７のいずれに対しても固定されることなく、ケーシングパイプ１の内周壁に摺接しつつ軸方向へ変位可能に構成される。
従って、変形部材５１の変形に応じてノズルプレート８は噴射弁の軸方向に平行移動し、これにより、弁座部材７の下端とノズルプレート８との間隔、換言すれば、弁座部材７の弁座部とノズルプレート８との間の空間形状が変化する。

弁座部材７の下端とノズルプレート８との間隔（弁座部材７の弁座部とノズルプレート８との間の空間形状）が変化すると、燃料流れ方向とノズル孔８ａとの相対角度が変化することで、図３，４に示すように燃料の噴霧角が変化する。
また、ノズルプレート８を基準位置（図３に示す位置）に向けて付勢する戻しばね５２（弾性部材）を、ケーシングパイプ１とノズルプレート８との間に設けてある。

更に、前記変形部材５１を加熱するヒータ５５を、キャップ部材９の内側に一体的に設けてある。
かかる構成によると、要求される噴霧角に応じてヒータ５５への通電を制御することで、変形部材５１の温度条件を制御することができ、以って、ノズルプレート８の変位量（位置）を制御することができる。

本実施形態では、ヒータ５５をＯＦＦすると、図４に示すように、弁座部材７とノズルプレート８とが離間して噴霧角が狭くなり、ヒータ５５をＯＮすると、図３に示すように、弁座部材７とノズルプレート８とが接近して噴霧角が広くなるようにしてある。
尚、燃料噴射弁１０３の噴霧角を変化させる機構としては、上記変形部材５１を用いる構成の他、図５に示すように、ノズルプレート８自体を形状記憶合金で形成する構成とすることができる。

図５において、形状記憶合金で形成されるノズルプレート８の周縁は、ケーシングパイプ１の内周壁に溶接結合され、該ノズルプレート８が温度に応じて変形することで、ノズル孔８ａが設けられる中央部が軸方向に変位するようにしてある。
この場合、ヒータ５５に対する通電制御で温度条件が変化すると、ノズルプレート８が変形することで、弁座部材７とノズルプレート８のノズル孔８ａが設けられる中央部との間隔（弁座部材７の弁座部とノズルプレート８との間の空間形状）が変化すると同時に、ノズル孔８ａの形状自体が変化し、これによって噴霧特性が変化する。

次に、前記ＥＣＵ１２０による燃料噴射制御を、図６及び図７のフローチャートに従って説明する。
図６のフローチャートは、燃料噴射制御のメインルーチンを示し、まず、ステップＳ１では、各センサの検出信号を読み込む。
ステップＳ２では、機関温度を代表する冷却水温度Ｔｗが所定温度を超えているか否かを判別する。

前記所定温度は、機関を暖機後と冷機状態とに判別するための値であり、完暖後の温度又はそれ以下に設定される。
冷却水温度Ｔｗが所定温度以下である冷機時には、ステップＳ３へ進む。
ステップＳ３では、燃料噴射弁１０３の噴霧角を制御するヒータ５５の通電制御デューティ（ＯＮ時間割合）を０とすることで、ヒータ５５への通電を遮断し、噴霧角を狭くする。

燃料噴射弁１０３の噴霧角が狭く設定されると、燃料噴霧は、吸気バルブ１０４の傘裏の内側（中央部分）に当たるようになっている。
従って、燃料は吸気通路１０２の壁面を避けるように狭い範囲に噴射されることになり、冷機時に吸気ポート壁面やシリンダ壁面に付着する燃料を減少させることができ、これにより燃焼性を向上させてエミッション・燃費を向上させることができる。

ステップＳ４では、燃圧制御の基本目標燃料圧力をそのときの冷却水温度Ｔｗが低いほど高い値に設定する。
ステップＳ５では、前記基本目標燃料圧力に予め設定された燃料微粒化用の増量補正分（１）を加算して、最終的な目標燃料圧力を設定する。
燃料の気化性能が低下する冷機時に燃圧を高くすることで、燃料をより微粒化し、気化が促進されるようにする。

ステップＳ６では、燃料の噴射タイミングを吸気行程中とする設定を行い、噴射された燃料が吸気流に乗ることで、壁流量が低減されるようにする。
ステップＳ７では、前記吸気制御弁１１１を開状態に制御して、吸気流の偏流発生を阻止し、燃料噴射弁１０３から噴射された燃料が吸気流に乗って、吸気バルブ１０４の傘裏の内側（中央部分）に当たるようにする。

ステップＳ２０では、前記目標燃料圧力に実際の燃圧を一致させるべく、燃料ポンプ１０９の吐出量をフィードバック制御し、ステップＳ２１では、前記燃料噴射弁１０３による吸気行程中の燃料噴射を制御する。
上記のように、冷機時には、燃圧の増大により燃料噴霧の微粒化促進すると共に、燃料噴射弁１０３の噴霧角を狭くして吸気バルブ１０４の傘裏の内側に向けて噴射させ、かつ、吸気行程中の噴射によって燃料噴霧を吸気流に乗せるようにするので壁流量を少なくでき、以って、燃焼性が向上し、冷機時のエミッションが改善される。

前記ステップＳ２で冷却水温度Ｔｗが所定温度を超えていると判断される完暖時には、ステップＳ８へ進む。
ステップＳ８では、機関負荷を代表するスロットル開度ＴＶＯが所定値を超えているか否かを判別する。
前記所定値は、ノッキングが発生し易くなる高負荷領域の下限境界に相当する。

そして、スロットル開度ＴＶＯが所定値以下である完暖後の低〜中負荷領域であるときには、ステップＳ９へ進む。
ステップＳ９では、ヒータ５５の通電制御デューティを、そのときの冷却水温度Ｔｗが低いほど高く設定し、ステップＳ１０では、前記通電制御デューティに基づいてヒータ５５に通電させる。

上記のように、燃料噴射弁１０３のノズルプレート８の温度を代表する冷却水温度Ｔｗに基づいて通電制御デューティを設定することで、変形部材５１の一定温度に加熱し、噴霧角としては広くなるようにする。
噴霧角を冷機時に比べて広げることで、燃料噴霧は、吸気バルブ１０４の傘裏の全体を指向して噴射されることになり、温まっている吸気バルブ１０４及び吸気通路１０２の壁面を積極的に利用して、燃料の気化を促進させる。

ステップＳ１１では、燃圧制御の基本目標燃料圧力をそのときの冷却水温度Ｔｗが低いほど高い値に設定する。
ステップＳ１２では、前記基本目標燃料圧力をそのまま最終的な目標燃料圧力を設定する。これは、微粒化を促進しなくとも、充分な気化促進を図れるためである。
ステップＳ１３では、燃料噴射タイミングを、排気行程中とする設定を行い、吸気バルブ１０４が閉じられた状態での燃料噴射によって、吸気バルブ１０４の熱による気化促進が充分に図られるようにする。

ステップＳ１４では、吸気の偏流を発生させることなく、吸気バルブ１０４の傘裏に広く燃料を当てるべく、前記吸気制御弁１１１を開制御する。
上記のように、暖機後の低〜中負荷運転時には、吸気バルブ１０４の熱による気化促進を図るために、噴霧角を広くし、かつ、排気行程噴射を行わせる一方、不要である燃料微粒化のための燃圧の増大設定を停止させる。

また、ステップＳ８で、スロットル開度ＴＶＯが所定値を超えていると判別されると、ステップＳ１５へ進む。
ステップＳ１５では、ヒータ５５の通電制御デューティを０にしてヒータ５５をＯＦＦにすることで、噴霧角が狭くなるようにする。
ステップＳ１６では、燃圧制御の基本目標燃料圧力をそのときの冷却水温度Ｔｗが低いほど高い値に設定する。

ステップＳ１７では、前記基本目標燃料圧力に予め設定された高負荷時燃料微粒化用の増量補正分（２）を加算して、最終的な目標燃料圧力を設定する。
尚、増量補正分（１）＞増量補正分（２）であるものとする。
暖機後であっても、高負荷であるときには、前述のように、噴霧角を狭め、かつ、後述するように吸気行程噴射を行わせるため、低〜中負荷時に比べて、吸気バルブ１０４の熱を利用した気化促進効果が低下するため、これを補うべく、燃圧を高くして燃料微粒化を図る。

ステップＳ１８では、噴射タイミングを吸気行程中とする設定を行い、ステップＳ１９では、吸気制御弁１１１を閉じる制御を行い、吸気流が吸気通路１０２の上側に偏って流れるようにする。
吸気行程噴射では、燃料噴霧が吸気流に乗って進むことになるが、吸気流が上側に偏っていることで、狭い噴射角で噴射された燃料は、吸気バルブ１０４傘裏の排気ポート寄りの部分に当たるようになる。

この結果、気化燃料ガスによって排気バルブ１０７付近の筒内温度が低下し、これによりノッキングの発生を防止できる点火時期をより進角側に設定でき、以って、出力を向上させることができる。
図７のフローチャートは、前記ステップＳ２１の処理内容を詳細に示すものである。
図７のフローチャートにおいて、ステップＳ３１では、各センサの検出信号を読み込む。

そして、ステップＳ３２では、吸入空気量Ｑａ，機関回転速度Ｎｅ及び定数Ｋに基づいて基本燃料噴射量Ｔｐを算出する。
ステップＳ３３では、前記基本燃料噴射量Ｔｐを、混合気の空燃比を目標空燃比に一致させるための空燃比フィードバック補正係数LAMBDA，燃圧補正係数FPHOSE及びバッテリ電圧補正分Ｔｓで補正して、最終的な噴射量（噴射パルス幅）Ｔｉを算出する。

ステップＳ３４では、吸気行程噴射・排気行程噴射の設定を示すフラグを判定し、吸気行程噴射の要求時にはステップＳ３５へ進んで、吸気行程にタイミングを合わせて、前記噴射パルス幅Ｔｉの噴射パルス信号を燃料噴射弁１０３に出力し、排気行程噴射の要求時にはステップＳ３６へ進んで、排気行程にタイミングを合わせて前記噴射パルス幅Ｔｉの噴射パルス信号を燃料噴射弁１０３に出力する。

尚、上記実施形態では、機関温度を代表するパラメータとして、冷却水温度を検出したが、潤滑油温度や吸気ポート温度、更には、始動後の経過時間で機関温度を推定させる構成としても良い。
また、機関負荷はスロットル開度の他、吸入空気量，吸気負圧，アクセル開度などから判断することが可能である。

更に、燃料噴霧を微粒化する手段として、燃圧を増大させる構成のほか、アシストエアを燃料噴霧に衝突させて微粒化させる構成であっても良い。
また、低温時には、吸気バルブ１０４の傘裏の中央部分に円形に燃料噴霧が当たり、高温時（暖機後）の低〜中負荷域では、前記中央付近を囲む外側の環状部分に燃料噴霧が当たるようにしても良い。

ここで、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術思想について、以下にその効果と共に記載する。

（イ）請求項３記載の内燃機関の燃料噴射装置において、前記吸気通路内における吸気流を偏らせる手段が、燃料噴射弁上流近傍の吸気ポートを上下に仕切る手段と、上下に仕切られた吸気ポートの少なくとも一方に備えられた開閉弁とで構成され、前記開閉弁の制御によって吸気流を偏流させることで、燃料噴霧の方向を変更することを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。

かかる構成によると、吸気流を偏流させることで、吸気流に乗る燃料噴霧の流れ方向を制御する。
（ロ）請求項３記載の内燃機関の燃料噴射装置において、
前記燃料噴射弁の噴霧角を変更する手段が、形状記憶合金で形成されたノズルプレートと、前記ノズルプレートを加熱する加熱手段とで構成され、前記加熱手段でノズルプレートを加熱してノズルプレートに開口した噴射孔の角度を変更することを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。

かかる構成によると、加熱手段の制御によって噴射孔の角度が変更され、運転条件に応じた噴霧角，噴射方向に設定できる。
（ハ）請求項３記載の内燃機関の燃料噴射装置において、
燃料噴射弁がノズルプレートを備えると共に、該ノズルプレートと弁座部との間の距離を変更するために、前記ノズルプレートを燃料噴射弁の軸方向に移動させる駆動手段を、前記燃料噴射弁の噴霧角を変更する手段として備え、前記駆動手段を駆動して前記距離を変更することで燃料の噴霧角を変更することを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。

かかる構成によると、ノズルプレートと弁座部との間の距離が変化することで、燃料流れに対する噴孔の相対角度が変化し、以って、噴霧角が変更される。

実施形態における内燃機関のシステム構成図。 実施形態における燃料噴射弁の全体断面図。 前記燃料噴射弁の部分拡大断面図。 前記燃料噴射弁の部分拡大断面図。 燃料噴射弁の別の構成を示す部分拡大断面図。 実施形態における噴射制御のメインルーチンを示すフローチャート。 実施形態における噴射制御のサブルーチンを示すフローチャート。

符号の説明

２…電磁コイル，３…弁体，６…リターンスプリング，７…弁座部材，８…ノズルプレート，８ａ…ノズル孔，５１…変形部材，５２…戻しばね，５５…ヒータ，１０１…内燃機関，１０２…吸気通路，１０３…燃料噴射弁，１０４…吸気バルブ，１０５…燃焼室，１０６…点火栓，１０７…排気バルブ，１０９…燃料ポンプ，１１０…仕切り板，１１１…吸気制御弁，１２０…エンジンコントロールユニット，１２１…スロットルセンサ，１２２…エアフローメータ，１２３…水温センサ，１２４…回転センサ，１２５…燃圧センサ

Claims (3)

1. 各気筒に２つの吸気バルブを備えると共に、前記吸気バルブ上流の吸気通路に燃料噴射弁を備えた内燃機関の燃料噴射装置であって、
   冷機時においては、前記燃料噴射弁による燃料の噴射タイミングを吸気行程中とし、かつ、前記燃料噴射弁から噴射された燃料が、前記２つ並んだ吸気バルブの傘裏の内側に当たるようにし、かつ、前記燃料噴射弁に供給される燃料の圧力を増大補正する一方、
   暖機後の低中負荷領域においては、前記燃料噴射弁による燃料の噴射タイミングを排気行程中とし、かつ、前記燃料噴射弁から噴射された燃料が、前記２つ吸気バルブの傘裏全体及び吸気通路の壁面に当たるようにし、かつ、前記燃料の圧力の増大補正をキャンセルすることを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
2. 暖機後の高負荷領域においては、前記燃料噴射弁による燃料の噴射タイミングを吸気行程中とし、かつ、前記燃料噴射弁から噴射された燃料が、前記２つ吸気バルブの傘裏の排気ポート寄りの部分に当たるようにし、かつ、前記燃料の圧力を増大補正することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃料噴射装置。
3. 前記燃料噴射弁の噴霧角を変更する手段と、前記吸気通路内における吸気流を偏らせる手段とを備え、これら手段によって前記燃料噴射弁から噴射された燃料が当たる部分を変更することを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の燃料噴射装置。

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