JP2014222053A

JP2014222053A - 燃料噴射弁の制御装置

Info

Publication number: JP2014222053A
Application number: JP2013102218A
Authority: JP
Inventors: 洋志坂井; Hiroshi Sakai
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-05-14
Filing date: 2013-05-14
Publication date: 2014-11-27

Abstract

【課題】燃料の微粒化を促進することができる燃料噴射弁の制御装置を提供する。【解決手段】燃料噴射弁の制御装置（１００）は、燃焼室（１５）に流入した吸気が燃焼室において旋回流となる内燃機関（１０）の燃焼室に燃料を噴射する噴孔（４８）を有するノズルボディ（４２）と、ノズルボディの内部にリフト可能に配置されたニードル（４４）と、噴孔から噴射される前の燃料をニードルの周りを旋回する燃料旋回流にする燃料旋回流生成部（５８）と、を有する燃料噴射弁（４０）に適用される制御装置であって、燃焼室における吸気の旋回流の強度が強いほどニードルのリフト量が小さくなるようにニードルを制御する制御部（１０１）を備えることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料噴射弁の制御装置に関する。

従来、内燃機関の燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁が知られている。このような燃料噴射弁として、例えば特許文献１には、燃料を噴射する噴孔を有するノズルボディと、ノズルボディ内に配置されて噴孔からの燃料の噴射を制御するニードルと、ノズルボディ内に配置されたニードルガイドとを備え、ニードルガイドに螺旋溝を設けた燃料噴射弁が開示されている。特許文献１に係る燃料噴射弁によれば、燃料が螺旋溝を通過することで、燃料をニードルの周りを旋回させてから噴射することができる。

特開２０１２−１３７０５３号公報

特許文献１に係る技術によれば、燃料を旋回させることで燃料中に気泡を発生させることができる。そして、この燃料中の気泡が燃焼室において圧壊することで、燃料の微粒化を図ることができると考えられる。しかしながら、燃焼室における気泡の圧壊は、燃焼室における吸気の旋回流の影響を受けると考えられる。特許文献１に係る技術では、この燃焼室における旋回流の影響が考慮されていないため、燃料の微粒化が十分に図れているとはいえなかった。

本発明は、燃料の微粒化を促進することができる燃料噴射弁の制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料噴射弁の制御装置は、燃焼室に流入した吸気が前記燃焼室において旋回流となる内燃機関の前記燃焼室に燃料を噴射する噴孔を有するノズルボディと、前記ノズルボディの内部にリフト可能に配置されたニードルと、前記噴孔から噴射される前の燃料を前記ニードルの周りを旋回する燃料旋回流にする燃料旋回流生成部と、を有する燃料噴射弁に適用される制御装置であって、前記燃焼室における前記吸気の前記旋回流の強度が強いほど前記ニードルのリフト量が小さくなるように前記ニードルを制御する制御部を備えることを特徴とする。

本発明に係る燃料噴射弁の制御装置によれば、燃焼室における吸気の旋回流の強度が強いほどニードルのリフト量を小さくすることができる。その結果、燃焼室における吸気の旋回流の強度が強いほど、燃料を燃焼室のより外側の領域に向けて噴射することができる。ここで、燃焼室における吸気の旋回流の強度が強いほど、燃焼室における吸気の旋回流の高せん断領域（これは、燃焼室における吸気の旋回流が燃料噴射弁から噴射された燃料中の気泡に付与するせん断力が最も高い領域である）は、燃焼室のより外側の領域に位置する傾向がある。したがって、本発明によれば、燃焼室における吸気の旋回流の強度が強いほど、燃料を燃焼室のより外側の領域に向けて噴射することで、燃料中の気泡を吸気の旋回流のせん断力によって効率的に圧壊させることができる。その結果、燃料の微粒化を促進することができる。

上記構成に係る前記内燃機関において、前記内燃機関において、前記吸気の前記旋回流の強度は、前記内燃機関の吸気弁のバルブリフト量が小さいほど強くなり、前記制御部は、前記吸気弁のバルブリフト量が小さいほど前記ニードルのリフト量が小さくなるように前記ニードルを制御することで、前記吸気の前記旋回流の強度が強いほど前記ニードルのリフト量を小さくしてもよい。

上記構成において、前記内燃機関は、前記吸気の前記旋回流の強度を制御する気流制御弁を備え、前記気流制御弁は、前記気流制御弁の開度が大きいほど前記吸気の前記旋回流の強度を強くし、前記制御部は、前記気流制御弁の前記開度が大きいほど前記ニードルのリフト量が小さくなるように前記ニードルを制御することで、前記吸気の前記旋回流の強度が強いほど前記ニードルのリフト量を小さくしてもよい。

上記構成において、前記燃料噴射弁は、前記燃料噴射弁の内部において燃料が通過する内部燃料通路と、前記ニードルがリフトした場合において前記内部燃料通路を通過した後であって前記噴孔から噴射される前の燃料を一時的に滞留させる一時滞留室と、を有し、前記燃料旋回流生成部は、前記ノズルボディの前記内部燃料通路に面した部分に形成され、前記ニードルの軸線を中心軸とする螺旋状に形成された溝であってもよい。

この構成によれば、内部燃料通路の燃料がノズルボディの溝を通過することで、噴孔から噴射される前の燃料をニードルの周りを旋回する燃料旋回流にして噴孔から噴射させることができる。また、この構成によれば、一時滞留室を有することから、溝を通過した燃料旋回流の旋回を一時滞留室において安定させてから噴孔から噴射させることができる。それにより、燃料の微細化を効果的に促進させることができる。

本発明によれば、燃料の微粒化を促進することができる燃料噴射弁の制御装置を提供することができる。

図１（ａ）は実施例１に係る車両を示す模式図である。図１（ｂ）〜図１（ｄ）は燃料噴射弁の構成を説明するための模式図である。図２（ａ）〜図２（ｄ）は、燃料噴射弁のニードルのリフト量と燃料噴射弁から噴射される燃料の形状との関係を説明するための模式図である。図２（ｅ）は実施例１に係る制御装置の制御のフローチャートの一例を示す図である。図３（ａ）は、燃焼室における吸気の旋回流の強度が相対的に強い場合の燃焼室の様子を示す模式図である。図３（ｂ）は燃焼室における吸気の旋回流の強度が相対的に弱い場合の燃焼室の様子を示す模式図である。図４（ａ）は実施例２に係る車両を示す模式図である。図４（ｂ）は実施例２に係る内燃機関の燃焼室の近傍を拡大して示す模式図である。図５（ａ）は実施例２に係る制御装置の制御のフローチャートの一例を示す図である。図５（ｂ）は、実施例２に係る制御装置がニードルの制御の際に用いるマップの一例を示す模式図である。図５（ｃ）および図５（ｄ）は実施例２に係る制御装置の作用効果を説明するための模式図である。図６（ａ）は実施例３に係る車両を示す模式図である。図６（ｂ）は実施例３に係る内燃機関の燃焼室の近傍を拡大して示す模式図である。図７（ａ）は実施例３に係る制御装置の制御のフローチャートの一例を示す図である。図７（ｂ）は、実施例３に係る制御装置がニードルの制御の際に用いるマップの一例を示す模式図である。図７（ｃ）および図７（ｄ）は実施例３に係る制御装置の作用効果を説明するための模式図である。図８（ａ）は実施例１の変形例１に係る車両を示す模式図である。図８（ｂ）および図８（ｃ）は実施例１の変形例１に係る制御装置の作用効果を説明するための模式図である。図９（ａ）および図９（ｂ）は、燃焼室の天井部に燃料噴射弁が配置された内燃機関において、燃焼室にスワール流（Ｓ）が形成された場合の燃焼室を上方側から見た模式図である。

以下、本発明を実施するための形態を説明する。

本発明の実施例１に係る燃料噴射弁の制御装置１００について説明する。本実施例に係る制御装置１００は、車両に搭載された内燃機関の燃料噴射弁に適用される制御装置である。まず、本実施例に係る制御装置１００が適用される内燃機関が搭載された車両の全体構成について説明し、次いで制御装置１００の詳細について説明する。図１（ａ）は本実施例に係る制御装置１００が搭載された車両５を示す模式図である。車両５は、内燃機関１０と制御装置１００とを備えている。内燃機関１０の具体的な種類は特に限定されるものではなく、燃料としてガソリンを用いるガソリンエンジン、燃料として軽油を用いるディーゼルエンジン等、種々の内燃機関を用いることができる。本実施例においては、内燃機関１０の一例としてディーゼルエンジンを用いることとする。

内燃機関１０は、シリンダブロック１１と、シリンダブロック１１の上方に配置されたシリンダヘッド１２と、シリンダブロック１１に形成された気筒１３に配置されたピストン１４とを備えている。なお、本実施例に係る上方および下方は、必ずしも重力方向における上方および下方と一致している必要はない。例えば、本実施例に係る上方および下方は水平方向であってもよい。シリンダブロック１１とシリンダヘッド１２とピストン１４とによって囲まれた領域に、燃焼室１５が形成されている。

また内燃機関１０は、燃焼室１５に導かれる吸気が通過する通路である吸気通路２０と、燃焼室１５から排出された排気が通過する通路である排気通路３０とを有している。吸気通路２０は、シリンダヘッド１２に形成された孔である吸気ポート２１と、吸気ポート２１に接続した吸気管２２とによって構成されている。また排気通路３０は、シリンダヘッド１２に形成された孔である排気ポート３１と、排気ポート３１に接続した排気管３２とによって構成されている。また内燃機関１０は、吸気通路２０の下流側端部を開閉する吸気弁２５と、排気通路３０の上流側端部を開閉する排気弁３５とを備えている。

ここで本実施例に係る内燃機関１０は、吸気通路２０を通過して燃焼室１５に流入した吸気が燃焼室１５において旋回流（旋回する流れ）となる構成を有している。このような構成の一例として、本実施例に係る内燃機関１０は、吸気通路２０の形状が、吸気通路２０を通過した燃料が燃焼室１５において縦方向に旋回するタンブル流（図１（ａ）においてタンブル流の主流がＴによって図示されている）となるように湾曲した形状を有している。すなわち、本実施例において燃焼室１５に形成される吸気の旋回流はタンブル流である。

また内燃機関１０は、燃焼室１５に燃料を噴射する燃料噴射弁４０を備えている。すなわち本実施例に係る内燃機関１０は、いわゆる筒内直接噴射式の内燃機関である。本実施例に係る燃料噴射弁４０は、吸気通路２０の下流側端面よりも燃焼室１５における高さ方向で下方の箇所に配置されている。そして燃料噴射弁４０は、斜め下方に向けて燃料を燃焼室１５に噴射している。但し、燃料噴射弁４０の内燃機関１０における具体的な配置態様は、燃焼室１５に燃料を噴射できるような配置態様であれば、これに限定されるものではない。燃料噴射弁４０には、コモンレール（図示せず）を経由した燃料が供給される。燃料噴射弁４０は制御装置１００からの指示を受けて作動する。なお、燃料噴射弁４０の具体的な構成は後述する。

また内燃機関１０は、制御装置１００の動作に必要な情報を検出するセンサ類を備えている。図１（ａ）においては、このセンサ類の一例として、クランクポジションセンサ６０とエアフロメータ６１とが図示されている。クランクポジションセンサ６０は、内燃機関１０のクランク軸の位置を検出し、検出結果を制御装置１００に伝える。制御装置１００は、クランクポジションセンサ６０の検出結果に基づいて内燃機関１０のクランク角を取得する。内燃機関１０の吸気行程、圧縮行程等の各行程、燃料噴射時期、ピストン１４の位置等の内燃機関１０の運転状態を示す指標は、クランク角を基準単位としている。したがって制御装置１００は、クランク角を取得することで内燃機関１０の運転状態を取得することができる。エアフロメータ６１は、吸気通路２０の吸気管２２に配置されている。エアフロメータ６１は、吸気通路２０を通過する吸気の流量（ｍ^３／ｓ）を検出し、検出結果を制御装置１００に伝える。なお内燃機関１０は、図１（ａ）に図示されているこれらセンサ以外にも、例えばアクセルポジションセンサ、スロットルポジションセンサ等、種々のセンサを備えている。

制御装置１００は燃料噴射弁４０を制御する装置である。本実施例においては、制御装置１００の一例として、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）１０１、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）１０２およびＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）１０３を備える電子制御装置（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）を用いる。ＣＰＵ１０１は、燃料噴射弁４０を制御する制御部としての機能を有している。ＲＯＭ１０２およびＲＡＭ１０３は、ＣＰＵ１０１の動作に必要なデータ等を記憶する記憶部としての機能を有している。

続いて燃料噴射弁４０の構成について説明する。図１（ｂ）〜図１（ｄ）は燃料噴射弁４０の構成を説明するための模式図である。具体的には図１（ｂ）は、燃料噴射弁４０の全体構成と制御装置１００とを模式的に図示しており、図１（ｃ）および図１（ｄ）は燃料噴射弁４０の先端部付近を拡大して模式的に断面図示している。図１（ｂ）を参照して、燃料噴射弁４０は、ノズルボディ４２と、ノズルボディ４２の内部にリフト可能に配置されたニードル４４と、ニードル４４を駆動する駆動部４６とを備えている。ノズルボディ４２の先端には、燃料を噴射する孔である噴孔４８が形成されている。噴孔４８は燃焼室１５に配置されている。すなわち、本実施例に係るノズルボディ４２は、燃焼室１５に燃料を噴射する噴孔４８を有している。なお図１（ｂ）において軸線５０が図示されているが、この軸線５０は、ニードル４４の軸線（軸線とは中心軸を示す線をいう）であるとともにノズルボディ４２の軸線でもある。本実施例に係る噴孔４８は、ノズルボディ４２の先端の端面において、噴孔４８の中心軸が軸線５０と一致するように形成されている。

駆動部４６は、制御装置１００からの指示を受けてニードル４４を駆動する。具体的には駆動部４６は、制御装置１００からの指示を受けて、ニードル４４をニードル４４の軸線５０に沿った方向（軸線方向）に移動させる。このような機能を有する装置であれば、駆動部４６の具体的構成は特に限定されるものではなく、圧電素子、電磁石等を備えるアクチュエータ等を用いることができる。なお駆動部４６としては、例えば特許文献１に開示されているような公知の燃料噴射弁の駆動機構を用いることができるため、駆動部４６のこれ以上詳細な説明は省略する。

本実施例に係るノズルボディ４２は、ノズルボディ４２の噴孔４８の近傍箇所に、噴孔４８に近づくほど内径が小さくなるノズル形状に形成された部分を有している。このノズル形状の部分を、シート面５２と称する。このシート面５２には、ニードル４４の先端部が着座する。図１（ｄ）には、ニードル４４の先端部がシート面５２に着座した様子が示されている。また図１（ｃ）には、ニードル４４の先端部がシート面５２から離座した様子が図示されている。図１（ｃ）において、ニードル４４のシート面５２からのリフト量がｌ_ａによって図示されている。ニードル４４のリフト量（ｌ_ａ）がゼロの場合、ニードル４４はシート面５２に着座した状態になり、噴孔４８からの燃料噴射は停止される。ニードル４４のリフト量（ｌ_ａ）が大きくなるほど、ニードル４４の先端部の噴孔４８からの距離は大きくなる。

図１（ｂ）を参照して、燃料噴射弁４０は、内部燃料通路５４と、サック室５６と、溝５８とを有している。本実施例に係るノズルボディ４２の内周側面（本実施例において、これはノズルボディ４２の内周面のうち軸線５０に平行な面の部分である）とニードル４４の外周側面との間には、隙間（すなわち空間）が形成されており、この隙間が内部燃料通路５４となっている。ニードル４４がリフトした場合（具体的にはニードル４４のリフト量がゼロより大きくなった場合）、燃料は内部燃料通路５４を通過した後にサック室５６に流入する。本実施例に係るサック室５６は、噴孔４８よりも燃料の流動方向で上流側であり且つ内部燃料通路５４よりも下流側に設けられた空間によって構成されている。具体的には本実施例に係るサック室５６は、ノズルボディ４２のノズル形状部分によって区画された空間によって構成されている。サック室５６は、ニードル４４がリフトした場合において、内部燃料通路５４を通過した後であって噴孔４８から噴射される前の燃料を一時的に滞留させる一時滞留室としての機能を有している。

溝５８は、ノズルボディ４２の内部燃料通路５４に面した部分に形成されている。本実施例に係る溝５８は、ニードル４４の軸線５０を螺旋の中心軸とする螺旋状に形成された溝である。図１（ｃ）を参照して、内部燃料通路５４の燃料がノズルボディ４２の螺旋状の溝５８を通過することで、噴孔４８から噴射される前の燃料をニードルの周りを旋回させてから噴孔４８から噴射させることができる（図１（ｃ）においてＦが燃料である）。すなわち、本実施例に係る溝５８は、噴孔４８から噴射される前の燃料（具体的には噴孔４８よりも上流側の燃料であり、より具体的には内部燃料通路５４を通過する燃料である）をニードル４４の周りを旋回する燃料旋回流にする燃料旋回流生成部としての機能を有している。

図２（ａ）〜図２（ｄ）は、燃料噴射弁４０のニードル４４のリフト量と燃料噴射弁４０から噴射される燃料の形状との関係を説明するための模式図である。具体的には、図２（ａ）はニードル４４のリフト量が相対的に小さい場合の燃料噴射弁４０を模式的に断面図示し、図２（ｃ）はニードル４４のリフト量が相対的に大きい場合の燃料噴射弁４０を模式的に断面図示している。また図２（ｂ）は図２（ａ）に係る噴孔４８から噴射された燃料（Ｆ）を下方側から見た様子を模式的に図示し、図２（ｄ）は図２（ｃ）に係る噴孔４８から噴射された燃料（Ｆ）を下方側から見た様子を模式的に図示している。図２（ａ）および図２（ｃ）を参照して、本実施例に係る燃料噴射弁４０から噴射された燃料の外観形状は、噴孔４８を頂点とし、噴孔４８からの距離が長くなるほど内径が大きくなるコーン形状を有している。なお、このコーン形状の燃料の側面の角度を噴霧角（α）と称する。なお、一般に、この噴霧角はコーン角と称されている場合もある。図２（ｂ）および図２（ｄ）を参照して、本実施例に係る噴孔４８から噴射された燃料を下方から見た形状はリング形状である。

ここで、図２（ａ）と図２（ｃ）とを比較すると分るように、本実施例に係る燃料噴射弁４０において、ニードル４４のリフト量が小さい場合の方が（図２（ａ））、ニードル４４のリフト量が大きい場合（図２（ｃ））よりも、噴孔４８から噴射された燃料の噴霧角（α）が大きくなっている。したがって、本実施例に係る燃料噴射弁４０によれば、ニードル４４のリフト量が小さくなるほど、燃料を燃焼室１５のより外側の領域に向けて噴射することができる。

続いて本実施例に係る制御装置１００による燃料噴射弁４０の制御の詳細について説明する。制御装置１００の制御部（具体的にはＣＰＵ１０１）は、燃焼室１５における吸気の旋回流の強度が強いほどニードル４４のリフト量が小さくなるようにニードル４４を制御する。この制御装置１００の制御の詳細についてフローチャートを用いて説明すると次のようになる。図２（ｅ）は制御装置１００の制御のフローチャートの一例を示す図である。制御装置１００の制御部は、図２（ｅ）のフローチャートを内燃機関１０の吸気行程において実行する。また制御部は、図２（ｅ）を所定周期で繰り返し実行する。まず制御部は、燃焼室１５における吸気の旋回流の強度を取得する（ステップＳ１０）。なお、本実施例において吸気の旋回流の強度とは、単位時間当たりの吸気の旋回流の回転数をいう。吸気の旋回流の強度が強いほど、吸気の旋回流の主流（吸気の旋回流のうち最も流速が早い部分）は燃焼室１５のより外側の領域を旋回することになる。

本実施例に係る制御部は、吸気の旋回流の強度と相関を有する指標に基づいて、吸気の旋回流の強度を取得する。この指標の一例として、本実施例に係る制御部は、吸気の流量を用いる。吸気の流量が大きくなるほど、吸気の旋回流の強度も強くなるため、吸気の流量と吸気の旋回流との強度とは正の相関を有しているからである。具体的には制御部はステップＳ１０において、エアフロメータ６１の検出結果を取得することで、吸気の流量を取得する。

次いで制御部は、ステップＳ１０で取得した吸気の旋回流の強度に基づいてニードル４４のリフト量を制御する（ステップＳ２０）。具体的には制御部は、ステップＳ１０において取得した吸気の旋回流の強度が強いほど（具体的には本実施例では吸気の流量が大きいほど）、ニードル４４のリフト量が小さくなるように駆動部４６を制御する。この制御が実行されることで、ニードル４４のリフト量は吸気の旋回流の強度が強いほど小さくなる。

なお本実施例に係る制御部はステップＳ２０を実行するにあたり、具体的には、ステップＳ１０で取得した吸気の流量が所定の基準値以上である場合に、ステップＳ１０で取得した吸気の流量が所定の基準値未満である場合に比較して、ニードル４４のリフト量が小さくなるように駆動部４６を制御する。それにより、結果的に制御部は、吸気の流量が大きいほどニードル４４のリフト量が小さくし、以って、燃焼室１５における吸気の旋回流の強度が強いほどニードル４４のリフト量を小さくしている。あるいは制御装置１００の記憶部は、吸気の流量が大きいほどニードル４４のリフト量が小さくなるように、ニードル４４のリフト量を吸気の流量に関連付けて規定したマップを記憶しておき、制御部はこのマップに基づいてニードル４４のリフト量を制御してもよい。ステップＳ２０の後に制御部はフローチャートの実行を終了する。

続いて制御装置１００の作用効果について説明する。まず、図１（ｂ）〜図１（ｃ）において説明したように、本実施例に係る燃料噴射弁４０によれば、燃料を旋回させてから噴孔４８から噴射させることができる。このように燃料を旋回させてから噴孔４８から噴射させることにより、燃料中に気泡を発生させることができる。噴孔４８から噴射される燃料は噴霧状になって燃焼室１５に供給されるため、本実施例において、燃焼室１５には気泡を多く含んだ噴霧状の燃料が供給されることになる。この燃料中の気泡（具体的には燃料噴霧中の気泡）が燃焼室１５において圧壊することで、燃料は微細化する。また、この燃料中の気泡が、燃焼室１５において吸気の旋回流からせん断力を受けて圧壊した場合、燃料はより微細化する。

ここで、本実施例に係る制御装置１００によれば、燃焼室１５における吸気の旋回流の強度が強いほどニードル４４のリフト量が小さくなるようにニードル４４を制御することで、燃焼室１５における吸気の旋回流の強度が強いほど、噴孔４８から噴射された燃料の噴霧角を大きくすることができる。その結果、制御装置１００によれば、燃焼室１５における吸気の旋回流の強度が強いほど、燃料を燃焼室１５のより外側の領域に向けて噴射することができる。

燃焼室１５における吸気の旋回流の強度が強いほど、燃焼室１５における吸気の旋回流の高せん断領域（これは、燃焼室１５における吸気の旋回流が燃料噴射弁４０から噴射された燃料中の気泡に付与するせん断力が最も高い領域である）は、燃焼室１５のより外側の領域に位置する傾向がある。これは、燃焼室１５における吸気の旋回流の強度が強いほど、燃焼室１５における吸気の旋回流の主流がより燃焼室１５の外側の領域を通過することに起因するものと考えられる。したがって、本実施例のように、燃焼室１５における吸気の旋回流の強度が強いほど、燃料を燃焼室１５のより外側の領域に向けて噴射することで、燃料中の気泡を吸気の旋回流のせん断力によって効率的に圧壊させることができる。その結果、燃料の微粒化を促進することができる。

上記作用効果を図を用いて具体的に説明すると次のようになる。図３（ａ）は、燃焼室１５における吸気の旋回流の強度が相対的に強い場合の燃焼室１５の様子を示す模式図であり、図３（ｂ）は燃焼室１５における吸気の旋回流の強度が相対的に弱い場合の燃焼室１５の様子を示す模式図である。なお図３（ａ）および図３（ｂ）において、ピストン１４の図示は省略されている。また図３（ａ）および図３（ｂ）において、燃料中の気泡が吸気の旋回流の主流（Ｔ）によって効率的に圧壊すると考えられる箇所が丸によって図示されている。

図３（ａ）と図３（ｂ）とを比較すると分るように、吸気の旋回流の強度が強くなるほど、吸気の旋回流（本実施例ではタンブル流）の主流（Ｔ）は燃焼室１５のより外側の領域を通過している。その結果、吸気の旋回流の高せん断領域は、図３（ａ）の方が図３（ｂ）よりも燃焼室１５のより外側に位置することになる。そして、本実施例では、吸気の旋回流の強度が強いほどニードル４４のリフト量を小さくすることで、燃料を燃焼室１５のより外側の領域に向けて噴射しているため、吸気の旋回流の強度が強い場合には、吸気の旋回流の高せん断領域に向けて燃料を効果的に噴射することができ（図３（ａ））、吸気の旋回流の強度が弱い場合にも旋回流の高せん断領域に向けて効果的に燃料を噴射することができる（図３（ｂ））。その結果、燃料中の気泡を吸気の旋回流のせん断力によって効率的に圧壊させることができることから、燃料の微粒化を促進することができる。

なお、図１（ｂ）等において説明したように本実施例に係る燃料噴射弁４０はサック室５６（一時滞留室）を有しているが、燃料噴射弁４０はサック室５６を有していなくてもよい。しかしながら、本実施例のように燃料噴射弁４０がサック室５６を有することにより、溝５８を通過することで旋回した燃料の旋回をサック室５６において安定させてから噴孔４８から噴射させることができる。それにより、燃料の微細化を効果的に促進させることができる。すなわち、サック室５６は、溝５８を通過することで旋回した燃料の旋回を安定させる燃料旋回流安定室としての機能を有している。そのため、燃料噴射弁４０はサック室５６を有することが好ましい。

続いて本発明の実施例２に係る燃料噴射弁の制御装置１００ａについて説明する。本実施例に係る説明において、他の実施例に係る部材と同じ部材には同じ符号を付すことで、重複する説明を省略する（この重複説明の省略は、実施例２以降の実施例についても同様である）。図４（ａ）は本実施例に係る制御装置１００ａが搭載された車両５ａを示す模式図である。車両５ａは、内燃機関１０に代えて内燃機関１０ａを備えている点と、制御装置１００に代えて制御装置１００ａを備えている点とにおいて、図１（ａ）に示す実施例１に係る車両５と異なっている。内燃機関１０ａは可変動弁装置７０をさらに備えている点において、実施例１に係る内燃機関１０と異なっている。図４（ｂ）は内燃機関１０ａの燃焼室１５の近傍を拡大して示す模式図である。なお図４（ｂ）において、ピストン１４の図示は省略されている。可変動弁装置７０は、制御装置１００ａの制御部（ＣＰＵ１０１）からの指示を受けて、内燃機関１０ａの吸気弁２５のバルブリフト量を変更する。なお、吸気弁２５のバルブリフト量とは、吸気弁２５が吸気通路２０の下流側端部を閉にしている状態からの吸気弁２５の移動距離をいい、図４（ｂ）においてはｌ_ｂによって図示されている。

ここで、本実施例に係る内燃機関１０ａにおいて、吸気弁２５のバルブリフト量が小さいほど、燃焼室１５に流入した吸気が燃焼室１５において旋回流となったときの吸気の旋回流の強度は強くなる。すなわち、吸気弁２５のバルブリフト量は吸気の旋回流の強度と負の相関を有している。具体的には、吸気弁２５のバルブリフト量がゼロよりも大きい第１の値と、第１の値よりも大きい第２の値とを比較した場合、バルブリフト量が第１の値の方が第２の値の場合よりも、燃焼室１５に流入する吸気は燃焼室１５のより外側をより高速で通過する。その結果、吸気弁２５のバルブリフト量が小さいほど、燃焼室１５に流入した吸気が燃焼室１５において旋回流となったときの旋回流の強度は強くなる。

そこで、本実施例に係る制御装置１００ａの制御部は、吸気弁２５のバルブリフト量を小さくすることで、燃焼室１５における吸気の旋回流の強度を制御している。そして、本実施例に係る制御装置１００ａの制御部は、吸気弁２５のバルブリフト量が小さいほどニードル４４のリフト量が小さくなるようにニードル４４を制御することで、吸気の旋回流の強度が強いほどニードル４４のリフト量を小さくしている。

図５（ａ）は制御装置１００ａの制御のフローチャートの一例を示す図である。制御装置１００ａの制御部は図５（ａ）のフローチャートを所定周期で繰り返し実行する。図５（ａ）は、ステップＳ１０に代えてステップＳ１０ａを備える点と、ステップＳ２０に代えてステップＳ２０ａを備える点とにおいて、図２（ｅ）のフローチャートと異なっている。ステップＳ１０ａにおいて制御装置１００ａの制御部は、燃焼室１５における吸気の旋回流の強度を取得するにあたり、具体的には吸気弁２５のバルブリフト量を取得する。具体的には本実施例に係る制御部は、制御部が可変動弁装置７０に与えた吸気弁２５のバルブリフト量の指令値をステップＳ１０ａにおいて取得することで、吸気弁２５のバルブリフト量を取得する。

次いで制御部はステップＳ２０ａにおいて、ステップＳ１０ａで取得した吸気の旋回流の強度（具体的には本実施例では吸気弁２５のバルブリフト量である）に基づいてニードル４４のリフト量を制御する。具体的には本実施例に係る制御部はステップＳ２０ａを実行するにあたり、次に説明するマップを用いてニードル４４のリフト量を制御する。図５（ｂ）は、本実施例に係る制御装置１００ａの制御部がニードル４４の制御の際に用いるマップの一例を示す模式図である。図５（ｂ）の縦軸はニードル４４のリフト量を示し、横軸は吸気弁２５のバルブリフト量を示している。図５（ｂ）に図示されているライン２００は、吸気弁２５のバルブリフト量が小さいほどニードル４４のリフト量も小さくなるようにニードル４４のリフト量を吸気弁２５のバルブリフト量に関連付けて規定したマップを示している。このマップは、予め実験、シミュレーション等によって求めておき、記憶部が記憶しておく。制御装置１００ａの制御部は、ステップＳ２０ａにおいて、この記憶部に記憶されているマップに基づいてニードル４４のリフト量を制御する。このようなマップに基づいてニードル４４のリフト量が制御された場合、結果的に、吸気弁２５のバルブリフト量が小さいほどニードル４４のリフト量は小さく制御される。このようにして本実施例に係る制御部は、吸気弁２５のバルブリフト量が小さいほどニードル４４のリフト量を小さく制御している。それにより制御部は、旋回流の強度が強いほどニードル４４のリフト量を小さく制御している。

図５（ｃ）および図５（ｄ）は本実施例に係る制御装置１００ａの作用効果を説明するための模式図である。具体的には図５（ｃ）は、吸気弁２５のバルブリフト量が相対的に小さくなることで、燃焼室１５における吸気の旋回流の強度が相対的に強くなった場合の燃焼室１５の様子を模式的に示している。また図５（ｄ）は、吸気弁２５のバルブリフト量が相対的に大きくなることで、燃焼室１５における吸気の旋回流の強度が相対的に弱くなった場合の燃焼室１５の様子を示す模式的に示している。なお図５（ｃ）および図５（ｄ）において、ピストン１４の図示は省略されている。

図５（ｃ）と図５（ｄ）とを比較すると分るように、本実施例においても、実施例１と同様に、吸気の旋回流の強度が強くなるほど吸気の旋回流の主流（Ｔ）は、燃焼室１５のより外側の領域を通過している。そして、本実施例に係る制御装置１００ａは、吸気弁２５のバルブリフト量が小さいほどニードル４４のリフト量を小さくすることで、吸気の旋回流の強度が強いほどニードル４４のリフト量を小さくして、燃料を燃焼室１５のより外側の領域に向けて噴射している。その結果、本実施例に係る制御装置１００ａにおいても、実施例１と同様に、吸気の旋回流の強度が強い場合には吸気の旋回流の高せん断領域に向けて燃料を効果的に噴射することができ（図５（ｃ））、吸気の旋回流の強度が弱い場合にも吸気の旋回流の高せん断領域に向けて効果的に燃料を噴射することができる（図５（ｄ））。その結果、燃料中の気泡を吸気の旋回流のせん断力によって効率的に圧壊させることができることから、燃料の微粒化を促進することができる。

続いて本発明の実施例３に係る燃料噴射弁の制御装置１００ｂについて説明する。図６（ａ）は本実施例に係る制御装置１００ｂが搭載された車両５ｂを示す模式図である。車両５ｂは、内燃機関１０に代えて内燃機関１０ｂを備えている点と、制御装置１００に代えて制御装置１００ｂを備えている点とにおいて、図１（ａ）に示す実施例１に係る車両５と異なっている。内燃機関１０ｂは、気流制御弁８０をさらに備えている点において、実施例１に係る内燃機関１０と異なっている。図６（ｂ）は内燃機関１０ｂの燃焼室１５の近傍を拡大して示す模式図である。なお図６（ｂ）において、ピストン１４の図示は省略されている。

図６（ａ）および図６（ｂ）を参照して、気流制御弁８０は、燃焼室１５における旋回流の強度を制御する弁である。本実施例においては、気流制御弁８０の一例として、タンブルコントロールバルブを用いる。気流制御弁８０は、制御装置１００ｂからの指示を受けて開閉する。気流制御弁８０は、その開度（図６（ｂ）においてθで図示されている）が大きいほど、燃焼室１５における吸気の旋回流の強度を強くすることができる。すなわち、気流制御弁８０の開度は、燃焼室１５における吸気の旋回流の強度と正の相関を有している。なお本実施例に係る気流制御弁８０は吸気ポート２１の軸線よりも下方側の内面に配置されているが、気流制御弁８０の具体的な配置箇所は燃焼室１５における吸気の旋回流の強度を制御できるような箇所であれば、図６（ｂ）に図示されている箇所に限定されるものではない。

本実施例に係る制御装置１００ｂの制御部は、気流制御弁８０の開度を制御することで、燃焼室１５における吸気の旋回流の強度を制御している。そして、制御装置１００ｂの制御部は、気流制御弁８０の開度が大きいほどニードル４４のリフト量が小さくなるようにニードル４４を制御することで、燃焼室１５における吸気の旋回流の強度が強いほどニードル４４のリフト量を小さくしている。この制御の詳細をフローチャートを用いて説明すると次のようになる。

図７（ａ）は制御装置１００ｂの制御のフローチャートの一例を示す図である。制御装置１００ｂの制御部は図７（ａ）のフローチャートを所定周期で繰り返し実行する。図７（ａ）は、ステップＳ１０に代えてステップＳ１０ｂを備える点と、ステップＳ２０に代えてステップＳ２０ｂを備える点とにおいて、図２（ｅ）のフローチャートと異なっている。ステップＳ１０ｂにおいて制御装置１００ｂの制御部は、燃焼室１５における吸気の旋回流の強度を取得するにあたり、具体的には気流制御弁８０の開度を取得する。具体的には制御部は、制御部が気流制御弁８０に与えた開度の指令値をステップＳ１０ｂにおいて取得することで、気流制御弁８０の開度を取得する。

次いで制御部はステップＳ２０ｂにおいて、ステップＳ１０ｂで取得した吸気の旋回流の強度（本実施例では気流制御弁８０の開度である）に基づいてニードル４４のリフト量を制御する。本実施例に係る制御部はステップＳ２０ｂを実行するにあたり、具体的には次に説明するマップを用いてニードル４４のリフト量を制御する。図７（ｂ）は、本実施例に係る制御装置１００ｂの制御部がニードル４４の制御の際に用いるマップの一例を示す模式図である。図７（ｂ）の縦軸はニードル４４のリフト量を示し、横軸は気流制御弁８０の開度（θ）を示している。図７（ｂ）に図示されているライン２０１は、気流制御弁８０の開度が大きいほどニードル４４のリフト量が小さくなるようにニードル４４のリフト量を気流制御弁８０の開度に関連付けて規定したマップを示している。このマップは、予め実験、シミュレーション等によって求めておき、記憶部が記憶しておく。制御装置１００ｂの制御部は、ステップＳ２０ｂにおいて、この記憶部に記憶されているマップに基づいてニードル４４のリフト量を制御することで、結果的に気流制御弁８０の開度が大きいほどニードル４４のリフト量を小さくしている。それにより、本実施例に係る制御部は、旋回流の強度が強いほどニードル４４のリフト量を小さく制御している。

図７（ｃ）および図７（ｄ）は本実施例に係る制御装置１００ｂの作用効果を説明するための模式図である。具体的には図７（ｃ）は、気流制御弁８０の開度が相対的に大きくなることで、燃焼室１５における吸気の旋回流の強度が相対的に強くなった場合の燃焼室１５の様子を模式的に図示している。また図７（ｄ）は、気流制御弁８０の開度が相対的に小さくなることで、燃焼室１５における吸気の旋回流の強度が相対的に弱くなった場合の燃焼室１５の様子を模式的に図示している。なお図７（ｃ）および図７（ｄ）において、ピストン１４の図示は省略されている。

図７（ｃ）と図７（ｄ）とを比較すると分るように、本実施例においても、実施例１と同様に、吸気の旋回流の強度が強くなるほど吸気の旋回流の主流（Ｔ）は、燃焼室１５のより外側の領域を通過している。そして、本実施例に係る制御装置１００ｂは、気流制御弁８０の開度が大きいほどニードル４４のリフト量を小さくすることで、吸気の旋回流の強度が強いほどニードル４４のリフト量を小さくして、燃料を燃焼室１５のより外側の領域に向けて噴射している。その結果、本実施例に係る制御装置１００ｂにおいても、実施例１と同様に、吸気の旋回流の強度が強い場合には吸気の旋回流の高せん断領域に向けて燃料を効果的に噴射することができ（図７（ｃ））、吸気の旋回流の強度が弱い場合にも吸気の旋回流の高せん断領域に向けて効果的に燃料を噴射することができる（図７（ｄ））。その結果、燃料中の気泡を吸気の旋回流のせん断力によって効率的に圧壊させることができることから、燃料の微粒化を促進することができる。

（実施例１〜実施例３の変形例１）
なお、実施例１〜実施例３において、燃料噴射弁４０は、燃焼室１５のサイド側（横方向側）から燃焼室１５に燃料を噴射しているが、燃料噴射弁４０の配置箇所はこれに限定されるものではない。燃料噴射弁４０の配置箇所の他の例として、次に説明するように燃焼室１５の天井部を用いることもできる。図８（ａ）は、実施例１の変形例１に係る車両５ｃを示す模式図である。車両５ｃは、内燃機関１０に代えて内燃機関１０ｃを備えている点において、図１（ａ）に示す実施例１に係る車両５と異なっている。内燃機関１０ｃは、燃料噴射弁４０の配置箇所が燃焼室１５の天井部になっている点において実施例１に係る内燃機関１０と異なっている。具体的には本変形例に係る燃料噴射弁４０は、燃焼室１５の天井部の中央に配置されている。なお、燃焼室１５の天井部とは、シリンダヘッド１２の燃焼室１５に露出した部分をいう。本変形例に係るシリンダヘッド１２の天井部はペントルーフ形状を有しており、燃料噴射弁４０は、このペントルーフ形状の天井部の頂点の部分に配置されている。

図８（ｂ）および図８（ｃ）は本変形例に係る制御装置１００の作用効果を説明するための模式図である。具体的には図８（ｂ）は燃焼室１５における吸気の旋回流の強度が相対的に強い場合の燃焼室１５の様子を模式的に図示し、図８（ｃ）は燃焼室１５における吸気の旋回流の強度が相対的に弱い場合の燃焼室１５の様子を模式的に図示している。なお図８（ｂ）および図８（ｃ）において、ピストン１４の図示は省略されている。

図８（ｂ）と図８（ｃ）とを比較すると分るように、本変形例においても、実施例１と同様に、燃焼室１５における吸気の旋回流の強度が強くなるほど吸気の旋回流の主流（Ｔ）は燃焼室１５のより外側の領域を通過している。そして、制御装置１００は、吸気の旋回流の強度が強いほどニードル４４のリフト量を小さくして、燃料を燃焼室１５のより外側の領域に向けて噴射している。その結果、本変形例においても、実施例１と同様に、吸気の旋回流の強度が強い場合には吸気の旋回流の高せん断領域に向けて燃料を効果的に噴射することができ（図８（ｂ））、吸気の旋回流の強度が弱い場合にも吸気の旋回流の高せん断領域に向けて効果的に燃料を噴射することができる（図８（ｃ））。その結果、燃料中の気泡を吸気の旋回流のせん断力によって効率的に圧壊させることができることから、燃料の微粒化を促進することができる。

なお、実施例２および実施例３に係る燃料噴射弁４０が図８（ａ）に示すように燃焼室１５の天井部に配置されていてもよい。

（実施例１〜実施例３の変形例２）
また実施例１〜実施例３において、燃焼室１５に形成される吸気の旋回流の一例としてタンブル流を用いているが、燃焼室１５に形成される吸気の旋回流はこれに限定されるものではない。実施例１〜実施例３において、燃焼室１５に形成される吸気の旋回流の他の例として、例えば横方向の旋回流であるスワール流を用いることもできる。なお実施例１〜実施例３において燃焼室１５にスワール流が形成される場合、吸気通路２０は、吸気通路２０を通過した燃料が燃焼室１５においてスワール流となるように湾曲した形状を有していればよい。また、実施例３において燃焼室１５にスワール流が形成される場合、気流制御弁８０としてスワールコントロールバルブを用いればよい。

図９（ａ）および図９（ｂ）は、燃焼室１５の天井部に燃料噴射弁４０が配置された内燃機関１０ｃにおいて、燃焼室１５にスワール流が形成された場合の燃焼室１５を上方側から見た模式図である。なお図９（ａ）におけるスワール流の強度は、図９（ｂ）よりも強くなっている。燃焼室１５にスワール流が形成される場合においても、スワール流の強度が強いほど、スワール流の主流（Ｓ）は燃焼室１５のより外側の領域を通過することになる。その結果、スワール流の高せん断領域も、スワール流の強度が強いほど燃焼室１５のより外側の領域に位置する。したがって、本変形例のように燃焼室１５に吸気の旋回流としてスワール流が形成される場合であっても、制御装置１００がスワール流の強度が強いほどニードル４４のリフト量を小さくして、燃料を燃焼室１５のより外側の領域に向けて噴射することで、スワール流の強度が強い場合にはスワール流の高せん断領域に向けて燃料を効果的に噴射することができ（図９（ａ））、スワール流の強度が弱い場合にもスワール流の高せん断領域に向けて効果的に燃料を噴射することができる（図９（ｂ））。その結果、燃料中の気泡をスワール流のせん断力によって効率的に圧壊させることができることから、燃料の微粒化を促進することができる。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

５車両
１０内燃機関
１５燃焼室
４０燃料噴射弁
４２ノズルボディ
４４ニードル
４６駆動部
４８噴孔
５０軸線
５４内部燃料通路
５８溝
７０可変動弁装置
８０気流制御弁
１００制御装置
１０１ＣＰＵ

Claims

燃焼室に流入した吸気が前記燃焼室において旋回流となる内燃機関の前記燃焼室に燃料を噴射する噴孔を有するノズルボディと、前記ノズルボディの内部にリフト可能に配置されたニードルと、前記噴孔から噴射される前の燃料を前記ニードルの周りを旋回する燃料旋回流にする燃料旋回流生成部と、を有する燃料噴射弁に適用される制御装置であって、
前記燃焼室における前記吸気の前記旋回流の強度が強いほど前記ニードルのリフト量が小さくなるように前記ニードルを制御する制御部を備えることを特徴とする燃料噴射弁の制御装置。
前記内燃機関において、前記吸気の前記旋回流の強度は、前記内燃機関の吸気弁のバルブリフト量が小さいほど強くなり、
前記制御部は、前記吸気弁のバルブリフト量が小さいほど前記ニードルのリフト量が小さくなるように前記ニードルを制御することで、前記吸気の前記旋回流の強度が強いほど前記ニードルのリフト量を小さくする請求項１記載の燃料噴射弁の制御装置。
前記内燃機関は、前記吸気の前記旋回流の強度を制御する気流制御弁を備え、
前記気流制御弁は、前記気流制御弁の開度が大きいほど前記吸気の前記旋回流の強度を強くし、
前記制御部は、前記気流制御弁の前記開度が大きいほど前記ニードルのリフト量が小さくなるように前記ニードルを制御することで、前記吸気の前記旋回流の強度が強いほど前記ニードルのリフト量を小さくする請求項１記載の燃料噴射弁の制御装置。
前記燃料噴射弁は、前記燃料噴射弁の内部において燃料が通過する内部燃料通路と、前記ニードルがリフトした場合において前記内部燃料通路を通過した後であって前記噴孔から噴射される前の燃料を一時的に滞留させる一時滞留室と、を有し、
前記燃料旋回流生成部は、前記ノズルボディの前記内部燃料通路に面した部分に形成され、前記ニードルの軸線を中心軸とする螺旋状に形成された溝である請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料噴射弁の制御装置。