JP2000329027A

JP2000329027A - インジェクタ駆動装置

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Publication number: JP2000329027A
Application number: JP11135923A
Authority: JP
Inventors: Terukazu Nishimura; 輝一西村
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1999-05-17
Filing date: 1999-05-17
Publication date: 2000-11-28
Anticipated expiration: 2019-05-17
Also published as: JP3777871B2

Abstract

(57)【要約】【課題】初期噴射率抑制に際し、部品点数及びコスト
の増加を防止すると共に、弁バネの経時変化による噴射
特性への影響を少なくする。【解決手段】本発明に係るインジェクタ駆動装置は、
エンジン運転状態に基づき所定のコマンドパルス及び高
電圧要求パルスを発生する制御装置８２と、コマンドパ
ルスの入力によりインジェクタの電磁ソレノイド８５を
バッテリ２５に導通させる第一のスイッチ手段２９と、
コマンドパルス及び高電圧要求パルスの入力により、電
磁ソレノイド８５を、バッテリ電圧Ｖ_Bより高電圧Ｖ_C
を蓄電するコンデンサ２７に導通させる第二のスイッチ
手段２８，３５とを備え、上記制御装置８２がエンジン
運転状態に基づき高電圧要求パルス発生の有無を切り換
えるものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コモンレール式デ
ィーゼルエンジン等に適用されるインジェクタ駆動装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】直噴式ディーゼルエンジンや直噴式ガソ
リンエンジン等においては、高圧噴射が可能で噴霧微粒
化に有利なコモンレール式燃料噴射装置が用いられる。
特に噴霧微粒化には噴孔径縮小という方法もあるが、加
工上限界があるので噴射圧は益々高まる傾向にある。こ
ういった意味でコモンレール方式は近年さらに注目視さ
れている。

【０００３】一般にコモンレール式燃料噴射装置では高
圧ポンプで加圧された燃料をコモンレール（蓄圧室）に
一旦貯留し、これをインジェクタから所定タイミングで
所定量ずつ、各気筒内に噴射するようになっている。

【０００４】インジェクタは、その下端ないし先端に設
けられた噴孔を、ニードル（針弁）の昇降により開閉
し、燃料噴射を実行する。特にインジェクタのうち圧力
バランス式と称されるものがある。これはニードル後端
側の圧力制御室（バランスチャンバ）の圧力を制御する
ことによりニードルを昇降させるものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ディーゼル
燃焼の場合、燃料噴射開始から所定の着火遅れ期間を経
て初期燃焼が開始する。この初期燃焼の際に急激な燃焼
が行われると、筒内温度が急上昇し、NOx 発生量が増大
する。そこで初期燃焼を比較的緩慢に行いつつ後の主燃
焼に繋げたいという要請がある。

【０００６】通常、コモンレール式インジェクタでは、
ニードル上昇と同時にインジェクタ内に待機していた加
圧燃料が一気に大量に噴射される傾向にある。これだと
初期噴射率が増大し、初期燃焼が急激となって先の要請
に合わない。そこで、初期噴射率を抑制し得る圧力バラ
ンス式インジェクタが種々提案されている（特開平11-2
2584号公報等）。

【０００７】一般に、圧力バランス式インジェクタで
は、高圧燃料が常時供給される圧力制御室を備え、この
室内燃料を選択的にリークさせることで室内圧を低圧に
し、ニードル上昇を開始させる。そしてこの燃料リーク
の制御は電磁弁で行われる。電磁弁は圧力制御室のリー
ク穴を開閉する開閉弁と、開閉弁を閉弁方向に付勢する
弁バネと、当該バネ力に抗じて開閉弁を開弁方向に駆動
する電磁ソレノイドとからなる。

【０００８】従来、開閉弁を二段階で開放し、初期燃料
リーク速度を遅くしてニードルの二段階上昇を行わせ、
初期噴射率抑制を図ったインジェクタがある。

【０００９】しかし、これは弁バネを二つ設ける手法を
採っていた。これだと当然弁バネの数が増え、部品点数
増加によるコスト上昇を招く。また互いの弁バネのバネ
定数の差に基づいて噴射特性が決定されるため、弁バネ
のへたり等、経時変化により噴射特性に影響が及ぶ可能
性がある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明に係るインジェク
タ駆動装置は、エンジン運転状態に基づき所定のコマン
ドパルス及び高電圧要求パルスを発生する制御装置と、
コマンドパルスの入力によりインジェクタの電磁ソレノ
イドをバッテリに導通させる第一のスイッチ手段と、コ
マンドパルス及び高電圧要求パルスの入力により、電磁
ソレノイドを、バッテリ電圧より高電圧を蓄電するコン
デンサに導通させる第二のスイッチ手段とを備え、上記
制御装置がエンジン運転状態に基づき高電圧要求パルス
発生の有無を切り換えるものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を添付
図面に基いて説明する。

【００１２】図４は本発明が適用される直噴ディーゼル
エンジンのコモンレール式燃料噴射装置を示す。エンジ
ンの各気筒毎にインジェクタ１が設けられ、各インジェ
クタ１には、高圧管７３を通じ、コモンレール７２に貯
留されたコモンレール圧（数10〜数100MPa）の高圧燃料
が常時供給されている。コモンレール７２への燃料圧送
は主に高圧ポンプ７８によって行われる。即ち、燃料タ
ンク７４の常圧程度の燃料が燃料フィルタ７５を通じて
フィードポンプ７６に吸引され、これにより燃料がフィ
ード管７７を通じて高圧ポンプ７８に送られる。ここで
燃料が高圧に加圧され、高圧管７９を通じてコモンレー
ル７２に送られる。インジェクタ１は前述の圧力バラン
ス式コモンレールインジェクタである。よってインジェ
クタ１内の圧力制御室からリークされた燃料がリーク管
８１を通じて燃料タンク７４に戻される。また高圧ポン
プ７８は出口圧を制御するための圧力制御部を有してい
るため、高圧ポンプ７８から排出された燃料が戻り管８
０を通じて燃料タンク７４に戻されるようになってい
る。

【００１３】インジェクタ１の燃料噴射量と噴射時期と
が電子制御装置（以下ＥＣＭという）８２及びドライバ
ユニット８４によって制御される。なおＥＣＭ８２が本
発明の制御装置をなす。ＥＣＭ８２は、図示しない各セ
ンサ類からエンジン運転状態（回転数、負荷等）を検知
し、これに見合った目標噴射量及び目標噴射時期を決定
すると共に、これらに相当する小電圧パルスをドライバ
ユニット８４に送出する。これを受けてドライバユニッ
ト８４は、比較的大きな駆動電圧を電磁ソレノイド８５
に印加し、インジェクタ１を開作動させる。また、ＥＣ
Ｍ８２は、エンジン運転状態に応じてコモンレール圧を
フィードバック制御する。即ち、コモンレール２にコモ
ンレール圧センサ８３が設けられ、この値に基づき高圧
ポンプ７８の出口圧を制御する。

【００１４】次に、ここで用いる圧力バランス式コモン
レールインジェクタの作動原理を説明する。図５に示す
ように、インジェクタ１においては、ノズルボディ５１
内の穴５２にニードル５３が昇降自在に収容され、これ
ら穴５２とニードル５３との隙間を通じて噴孔５５にコ
モンレール圧Ｐｃの高圧燃料が導かれる。燃料入口は５
６で示される。ニードル５３後端側に圧力制御室５７が
設けられ、これは絞り５８を境に噴孔５５側の燃料通路
６１と連通状態で仕切られる。圧力制御室５７にはリー
ク穴５９が設けられ、リーク穴５９の出口が開閉弁６０
により開閉される。開閉弁６０は電磁ソレノイドと弁バ
ネとの協同作用により昇降駆動される。ニードル５３は
バネ定数の比較的低いバネ（図示せず）でインジェクタ
閉弁方向（下向き）に常時付勢されている。

【００１５】図５に示す噴孔閉鎖状態では、リーク穴５
９が閉じられ、ニードル５３は下方のシート部６２に着
座している。このときニードル５３は下向きの燃圧力Ｆ
₁と下向きのバネ力Ｆ₃と上向きの燃圧力Ｆ₂とを受け
ている。下向きを正とするとニードル５３が受ける力Ｆ
はＦ₁＋Ｆ₃−Ｆ₂である。ここでコモンレール圧をＰ
ｃ、ニードル断面積をＡ₁、シート部断面積をＡ₂とす
ると、Ｆ₁＝Ｐｃ×Ａ₁ Ｆ₂＝Ｐｃ×（Ａ₁−Ａ₂）よってＦ＝Ｆ₁＋Ｆ₃−Ｆ₂＝Ｆ₃＋Ｐｃ×Ａ₂とな
り、一旦噴孔５５が閉まってしまえば仮にバネ力Ｆ₃が
なくても理論的には閉弁が維持される。ただしバネ力Ｆ
₃があることでニードル５３の着座即ち閉弁は完全とな
る。

【００１６】Ａ₂は微小であり、Ｐｃ×Ａ₂も小さい値
である。よってバネ力Ｆ₃がないとすれば、ニードル５
３は燃圧でバランスされたいわば浮いた状態に近い。こ
のバランス状態を崩すことによりニードル５３が上昇し
燃料噴射が実行されるのである。

【００１７】この燃料噴射実行中ないし噴孔開放状態を
示したのが図６である。このときリーク穴５９が開か
れ、圧力制御室５７の燃料がリークされる。絞り５８が
あるため圧力制御室５７への燃料供給がリークに追いつ
かず、圧力制御室５７の圧力がコモンレール圧Ｐｃより
低圧のＰｌとなる。これによって圧力バランスが崩れ、
ニードル５３が上昇し燃料噴射が実行される。この実行
中はＦ₁＝Ｐｌ×Ａ₁ Ｆ₂＝Ｐｃ×Ａ₁ Ｆ＝Ｆ₁＋Ｆ₃−Ｆ₂＝（Ｐｌ−Ｐｃ）×Ａ₁＋Ｆ₃ となり、Ｆ＜０つまりニードル５３は上昇される。

【００１８】この状態からリーク穴５９が閉じられると
圧力制御室５７がコモンレール圧Ｐｃに復帰する。する
とニードル５３は燃圧によっては完全バランスされてい
るが、バネ力Ｆ₃を受けているためこれによって下降す
る。つまりバネ力Ｆ₃は主にニードル下降に必要とな
る。ただしその値自体は小さな値で済むのでバネ定数の
低いバネが使用できる。こうしてＦが負の値から正の値
に転じた時点でニードル５３の下降が開始し、ニードル
５３がシート部６２に着座すれば燃料噴射が停止する。

【００１９】かかる原理に基づくインジェクタの具体的
態様を図３に示す。インジェクタ１は、そのノズルボデ
ィ３内の穴３ａにニードル４を昇降自在に収容させる。
またインジェクタ１は、先の高圧管７３に通ずる燃料入
口２からコモンレール圧の燃料を導入し、その高圧燃料
を穴３ａとニードル４との隙間を通じて下方の噴孔１６
に導く。穴３ａ内では前述の如くニードル４が高圧燃料
に浸漬され、いわば浮いた状態となっている。ニードル
４はバネ８によって下方即ちインジェクタ閉弁方向に常
時付勢される。バネ８はコイルスプリングからなり、ニ
ードル４に固定されたバネ受け５と、穴３ａの段差部６
下面との間に圧縮状態で挟まれる。

【００２０】ニードル４の頂面９が小容積の圧力制御室
１０に臨まされ、圧力制御室１０には燃料入口２から分
岐された入口通路７と絞り通路１４とを通じて高圧燃料
が常時導かれる。頂面９付近ではニードル４と穴３ａの
隙間がほとんどなく、その隙間を通じた下方から圧力制
御室１０への燃料供給は行われない。そこで別系統の入
口通路７及び絞り通路１４を設け、ここから圧力制御室
１０に燃料供給を行うようにしたものである。よってこ
こでは絞り通路１４が前記絞り５８をなす。

【００２１】圧力制御室１０の燃料が開閉弁１１の昇降
によりリーク穴１２から選択的にリークされる。開閉弁
１１は弁バネ１１ａにより常時下方（閉弁方向）に付勢
され、通常はリーク穴１２を閉じている。これにより圧
力制御室１０がコモンレール圧となり、ニードル４がシ
ート部に着座して噴孔１６を閉じ、噴射停止状態とな
る。電磁ソレノイド８５が励磁されると開閉弁１１が弁
バネ１１ａのバネ力に抗じて上方（開弁方向）に駆動さ
れ、リーク穴１２を開く。これにより圧力制御室１０の
燃料がリークし、圧力制御室１０が低圧となり、ニード
ル４が上昇してシート部から離れ、噴孔１６が開き、燃
料噴射が実行される。なおリーク燃料はリーク通路１７
を通じて先のリーク管８１に至る。

【００２２】これら開閉弁１１、弁バネ１１ａ及び電磁
ソレノイド８５によりインジェクタ１の電磁弁２０が構
成される。開閉弁１１は所謂フラットシートバルブで、
円形平板状に形成されると共に電磁弁２０のアーマチュ
アを兼ねる。開閉弁１１の上方に微小な隙間があり、開
閉弁１１が微小ストローク（ 0.1〜0.2mm 程度）だけ昇
降できるようになっている。リーク穴１２は、穴３ａに
挿入固定された弁座部材２１の中心に穿設される。弁座
部材２１は、リーク穴出口を区画する中心突起２２と、
外周端縁部に位置する外周突起２３とを有する。これら
突起２２，２３の上面が同一高さ位置で同一平面をな
し、フラットに形成される。これにより開閉弁１１が突
起２２，２３の上面に均一に着座する。こうすることに
よって開閉弁１１が中心突起２２のみに押しつけられ
ず、開閉弁１１の湾曲、凹み等が防止される。

【００２３】次に、図１を用いて本発明に係るインジェ
クタ駆動装置を説明する。図示するように、かかる駆動
装置はＥＣＭ８２、ドライバユニット８４、電磁ソレノ
イド８５及びバッテリ２５を備えて構成される。電磁ソ
レノイド８５にはバッテリ２５で発生するバッテリ電圧
Ｖ_B（ここでは12V ）がダイオード２６を介して印加供
給されるようになっている。また電磁ソレノイド８５に
は、選択的に、コンデンサ２７に蓄電された電圧Ｖ
_C（ここでは100V）がトランジスタ２８を介して印加供
給されるようになっている。Ｖ_B＜Ｖ_Cである。

【００２４】電磁ソレノイド８５の低電位側（アース
側）にもトランジスタ２９が設けられる。これは電磁ソ
レノイド８５に対するメインスイッチとなり、ＥＣＭ８
２からコマンドパルスが送られたときのみONとなる。か
かるトランジスタ２９が本発明の第一のスイッチ手段を
なす。

【００２５】バッテリ２５とコンデンサ２７との間にコ
ンデンサ充電回路３０が設けられる。これはコイルＬと
抵抗ＲからなるＬＲ回路３１と、ＬＲ回路３１の低電位
側に設けられたスイッチとしてのトランジスタ３２と、
これからコンデンサ２７に至る回路の途中に設けられた
ダイオード３３と、トランジスタ３２のON/OFF信号を発
生するクロック３４とからなる。クロック３４は、ＥＣ
Ｍ８２から常時発生する小電圧（ここでは5V程度）を与
えられて極めて短い時間間隔毎に電圧パルスを発生す
る。これとＬＲ回路３１との協同作用によって、コンデ
ンサ２７には高電圧（ここでは100V以上）によるチョッ
ピング電流が与えられ、コンデンサ２７は充電される。

【００２６】一方、ＥＣＭ８２とトランジスタ２８との
間にＡＮＤ素子３５が設けられ、ＡＮＤ素子３５の出力
に応じてトランジスタ２８がON/OFFするようになってい
る。このＡＮＤ素子３５とトランジスタ２８とにより本
発明の第二のスイッチ手段が構成される。

【００２７】ＥＣＭ８２は、前述の目標噴射量及び目標
噴射時期相当のコマンドパルスをＡＮＤ素子３５及びト
ランジスタ２９に送出する。またＥＣＭ８２は、エンジ
ン運転状態に基づき選択的に高電圧要求パルスをＡＮＤ
素子３５に送出する。ＡＮＤ素子３５は、これら両方の
パルスが入力されたときのみ電流を出力し、トランジス
タ２８をONする。いずれか一方のパルス（特にコマンド
パルス）が入力されただけでは電流を出力せず、トラン
ジスタ２８をOFF の状態とする。電磁ソレノイド８５に
対しそれぞれ高電位側にあるバッテリ２５側回路とコン
デンサ２７側回路とは互いに並列の関係にある。

【００２８】この駆動装置によるインジェクタ駆動方法
を図２を用いて説明する。同図は上からコマンドパル
ス、要求パルス、電磁ソレノイド８５への印加電圧及び
燃料噴射率を示す。また左側は高電圧要求のある場合、
右側はない場合を示す。特に左側の様子は従来のインジ
ェクタ駆動方法と同様である（特開平10-18888号公報参
照）。高電圧要求の有無判断はＥＣＭ８２が現在のエン
ジン運転状態に基づいて行う。これについては後述す
る。

【００２９】まず高電圧要求のある場合を説明する。Ｅ
ＣＭ８２は、目標噴射開始時期になった時、目標噴射量
に応じた時間長さの矩形のコマンドパルスを発生する。
そしてこれと同時に、迅速な初期噴射を実現する、所定
時間長さを有する高電圧要求パルスを発生する。なおコ
マンドパルス及び高電圧要求パルスの電圧値はバッテリ
電圧Ｖ_Bより低い小電圧である（ここでは5V程度）。

【００３０】図１も参照して、コマンドパルスの発生に
よりトランジスタ２９がONとなる。またコマンドパルス
及び高電圧要求パルスの発生によりトランジスタ２８が
ONとなる。こうなると、電磁ソレノイド８５にバッテリ
電圧Ｖ_Bとコンデンサ電圧Ｖ_Cとが同時に印加される。
Ｖ_B＜Ｖ_Cなので導通初期にはコンデンサ電圧Ｖ_Cが印
加されるが、ニードルリフトを迅速に行う為の所定時間
の経過で高電圧要求パルスがOFF になる為、バッテリ電
圧Ｖ_Bのみが印加されるようになる。

【００３１】図３も参照して、高電圧であるコンデンサ
電圧Ｖ_Cが印加されると電磁ソレノイド８５の電磁力が
一気に立ち上がるため、開閉弁１１が一気に上昇し、急
速に圧力制御室１０の燃料リークが開始する。これによ
りニードル４も急上昇し、燃料噴射が噴射開始初期から
高噴射率で行われるようになる。後はバッテリ電圧Ｖ_B
のみで開閉弁１１の上昇が維持され、高噴射率の噴射が
継続される。

【００３２】コマンドパルス及び高電圧要求パルスが同
時に消失すると、トランジスタ２８，２９がOFF とな
り、電磁ソレノイド８５が消磁して電磁弁２０の開閉弁
１１が閉じる。これにより燃料リークが停止され、ニー
ドル４が下降されて燃料噴射が停止される。そして次回
の噴射までにコンデンサ２７が充電される。

【００３３】次に、高電圧要求のない場合を説明する。
図１乃至図３に示すように、このときはコマンドパルス
のみが発生し高電圧要求パルスが発生しない。よってト
ランジスタ２９のみがONとなり、トランジスタ２８はOF
F のままとなる。こうなると電磁ソレノイド８５にはバ
ッテリ電圧Ｖ_Bのみが印加される。これが低電圧なの
で、電磁ソレノイド８５の電磁力はゆっくり立ち上が
る。このため、開閉弁１１がゆっくり上昇し、燃料リー
ク量も緩やかに増え続け、ニードル上昇速度も遅くな
り、燃料噴射率は緩やかに立ち上がる。これにより初期
噴射率が抑制される。

【００３４】このように、噴射初期に電磁ソレノイド８
５に低電圧を印加できるため、ニードル上昇速度を遅く
し初期噴射率を抑制することができる。また噴射初期に
電磁ソレノイド８５に高電圧を印加することもできるた
め、初期噴射率を通常通り高くすることも可能である。
さらに、これら低初期噴射率、高初期噴射率をエンジン
運転状態に応じて切り換えられるので、実際のエンジン
運転状態に即した噴射率制御を実行できる。

【００３５】即ち、ＥＣＭ８２が通常運転である低中速
回転・負荷運転中と判断したときは、ＥＣＭ８２が高電
圧要求パルスの発生を止め、低初期噴射率とする。これ
によりNOx の少ないローエミッション運転が可能とな
る。他方、ＥＣＭ８２が高速回転・負荷運転中と判断し
たときは、ＥＣＭ８２が高電圧要求パルスを発生し、高
初期噴射率とする。

【００３６】元々、初期噴射率を低下させるのは着火遅
れ期間中の噴射量を減らすためだが、高回転・負荷のと
きこれを行うと噴射時間が過剰に長くなり、全噴射量を
許容時間内に噴射しきれなくなる可能性がある。この傾
向は高回転になればなるほど許容時間が短くなるため顕
著である。こういった理由から高回転・負荷のときは高
初期噴射率としているのである。

【００３７】いずれにせよ、切換条件や切換点は実機試
験等で定めるのが良く、切換点を回転・負荷に応じてマ
ップ化してもよい。

【００３８】このように、本発明では回路の簡単な変更
により低初期噴射率を達成できる。このため電磁弁の弁
バネを追加するという従来方法に比べ部品点数、コスト
の上で有利である。また弁バネの経時変化に伴う噴射特
性への影響が少なく、長期間安定して所望の性能を得ら
れる。

【００３９】なお、高電圧要求のある場合に最初に高電
圧を、次に低電圧を印加するのは、最初は静止状態の開
閉弁１１を急上昇させるため、高電圧が必要であり、後
は上昇した開閉弁１１を保持するだけなので、低電圧で
済むからである。

【００４０】以上、本発明は上記以外にも様々な実施形
態を採ることができる。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば以下の如き優れた効果が
発揮される。

【００４２】(1) 初期噴射率抑制に際し、部品点数及び
コストの増加を防止できる。

【００４３】(2) 弁バネの経時変化による噴射特性への
影響を少なくできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るインジェクタ駆動装置の回路図で
ある。

【図２】同駆動装置による燃料噴射の態様を示すタイム
チャートである。

【図３】インジェクタの全体を示す縦断面図である。

【図４】コモンレール式燃料噴射装置のシステム図であ
る。

【図５】実施形態に係る圧力バランス式インジェクタの
作動原理を示し、インジェクタ閉弁状態である。

【図６】同開弁状態である。

【符号の説明】

１インジェクタ２５バッテリ２７コンデンサ２８トランジスタ２９トランジスタ３５ＡＮＤ素子８２制御装置８５電磁ソレノイドＶ_B バッテリ電圧Ｖ_C コンデンサ電圧

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】エンジン運転状態に基づき所定のコマン
ドパルス及び高電圧要求パルスを発生する制御装置と、
コマンドパルスの入力によりインジェクタの電磁ソレノ
イドをバッテリに導通させる第一のスイッチ手段と、コ
マンドパルス及び高電圧要求パルスの入力により、電磁
ソレノイドを、バッテリ電圧より高電圧を蓄電するコン
デンサに導通させる第二のスイッチ手段とを備え、上記
制御装置がエンジン運転状態に基づき高電圧要求パルス
発生の有無を切り換えることを特徴とするインジェクタ
駆動装置。