JP3991756B2 - 燃料噴射装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料噴射装置に関し、詳細には燃料噴射弁からの燃料噴射により生じる燃料通路内の圧力の脈動を低減可能な燃料噴射装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料ポンプから高圧の燃料をコモンレール(蓄圧室)に供給し、コモンレールから内燃機関の各燃料噴射弁に燃料を分配供給する、コモンレール式燃料噴射装置が知られている。コモンレール式燃料噴射装置では、コモンレール内の燃料圧力を比較的自由に設定できるため、燃料噴射圧を運転状態に応じて変化させることが可能となり運転状態に応じて燃料噴射を適切に制御することが可能となる。
【0003】
ところが、コモンレール式燃料噴射装置ではコモンレールと各燃料噴射弁とを接続する燃料供給配管は常に高圧燃料が充填されており、燃料噴射弁が開弁すると燃料供給配管が燃料噴射孔に急激に連通する。このため、燃料噴射弁の開弁とともに、燃料噴射弁内の燃料通路には急激な圧力降下(負の圧力波)が発生する。この圧力波は、燃料噴射弁内の燃料通路から燃料供給配管に伝播し、更にはコモンレールに到達するが、コモンレールは比較的容積が大きいため燃料供給配管の開放端として作用する。このため、コモンレールとの接続部に到達した圧力波はコモンレールとの接続部で反射し、再び燃料供給配管中を燃料噴射弁に向って進行する。
【0004】
また、燃料噴射弁の燃料噴射孔に到達した圧力波は噴射孔部分で反射し、再度コモンレールに向けて進行する。このため、一旦燃料噴射が行われると燃料噴射により生じた圧力波が両端で反射して往復し、コモンレールから燃料噴射弁に至る反射波の通路の各部分では反射波が通過する毎に大きく圧力が変動する、いわゆる水撃現象が生じるようになる。
【0005】
このように、燃料噴射毎に水撃が生じるとコモンレールと燃料噴射弁とを接続する比較的細径の燃料供給配管が振動し騒音の原因となるのみならず、燃料噴射自体にも影響が生じる場合がある。
【0006】
例えば、ディーゼルエンジンなどでは燃焼騒音低減のために主燃料噴射に先だって少量の燃料を燃焼室内に噴射するパイロット噴射が行われる。ところが、パイロット噴射と主燃料噴射との時間間隔は比較的短いため、パイロット噴射後の水撃により生じた圧力波が減衰する前に主燃料噴射が行われる場合がある。この場合、コモンレール接続部で反射した圧力波が主燃料噴射時に燃料噴射弁に到達すると燃料噴射圧力が変動してしまい、主燃料噴射の意図した噴射率や噴射量を得ることができなくなる問題が生じるのである。
【0007】
このような燃料噴射による燃料供給配管中の圧力変動をを防止する手段を設けたコモンレール式燃料噴射装置の例としては、例えば特開平10−30521号公報に記載されたものがある。
【0008】
同公報の燃料噴射装置では、コモンレールと燃料噴射弁とを接続する燃料供給配管に、分岐通路を介してある程度の容積を有する緩衝室を接続した構成の脈動低減手段が設けられている。
燃料供給配管の途中に緩衝室を設けたことにより、燃料供給配管の分岐通路接続部では圧力変動が緩衝室の容積によって緩和される。すなわち、同公報の送致では、緩衝室が圧力変動を吸収するダンパとして作用するするため、燃料噴射により生じた燃料供給配管内の圧力脈動が緩和されるようになる。
【0009】
同公報の装置では、上記緩衝室を設けることにより、燃料噴射により燃料供給配管内に生じる圧力脈動を吸収、緩和し、燃料供給配管に振動や騒音が生じることを防止している。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記特開平10−30521号公報の装置は容積型のダンパとしての緩衝室を用いて燃料圧力の脈動を吸収する形式のものであるため、配管の振動や騒音が生じない程度に圧力脈動を低減することは可能であるものの、燃料噴射弁からの燃料噴射に影響が生じない程度まで燃料供給配管内の圧力脈動を低減することは困難な問題がある。
【0011】
すなわち、上記公報の装置では、圧力脈動を生じさせる圧力波が通過する毎に緩衝室内と燃料供給配管の分岐通路接続部分との間に圧力差が生じ、この圧力差に応じて燃料油が緩衝室内と燃料供給配管との間の分岐通路を流れるようになり、圧力脈動の振幅が減衰されるものの、圧力脈動の振幅を大幅には低減できない。
【0012】
特に、圧力波の振幅としてもっとも大きいものは、燃料噴射開始時に燃料噴射弁の燃料噴射孔で発生する負の圧力波である。この負圧波は、コモンレール接続部で反射して正の圧力波となって燃料噴射弁に戻って来るが、上記特開平10−30521号公報で用いているような、容積型のダンパでこの圧力波を燃料噴射に影響が出ない程度まで減衰させるためには緩衝室の容積をかなり大きく設定する必要があり、装置の設置スペースや重量の増大などの問題が生じる。
【0013】
このため、上記公報の装置では燃料噴射により生じる燃料供給配管内の圧力変動、特に燃料開始の第1回の反射波による燃料噴射圧力への影響を充分に排除することができず、燃料噴射量、噴射率などが変動してしまう問題がある。
【0014】
本発明は上記問題に鑑み、設置スペースや重量の増大を伴うことなく、燃料噴射開始直後の第1回の反射波を含めて燃料噴射による燃料供給配管内の圧力変動を効果的に抑制可能な燃料噴射装置を提供することを目的としている。
【0015】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明によれば、高圧燃料を貯留するコモンレールと、該コモンレールに燃料通路を介して連結され該燃料通路を通じて供給されるコモンレール内燃料を噴射する燃料噴射弁とを備えた燃料噴射装置であって、一端が前記燃料通路上の所定の分岐点に接続された分岐通路を備え、前記分岐点からコモンレール接続部までの前記燃料通路長さと、前記分岐点から前記分岐通路の他端までの分岐通路長さが等しく、かつ分岐通路の前記他端が分岐通路側からコモンレール側に向う燃料の流れのみを許容する逆止弁を介して前記コモンレールに接続された燃料噴射装置が提供される。
【0016】
すなわち、請求項1の発明では従来技術のような容積室(緩衝室)による圧力脈動の吸収によるのではなく、反射波の相互干渉により圧力脈動を除去するアクティブキャンセレーション(Active Cancellation)による圧力脈動の減衰が行われる。
【0017】
燃料噴射開始時に燃料噴射弁で発生した圧力降下(負の圧力波)は、燃料供給通路を通って燃料噴射弁から分岐点に向けて進行する。この負の圧力波は分岐点で燃料供給通路をコモンレールに向って進行する圧力波と、分岐通路に入って分岐通路内を進行する圧力波とに別れる。コモンレールは燃料供給通路に比較して容積が大きく開放端として機能するため、燃料供給通路のコモンレール接続部に到達した負の圧力波はコモンレール接続部で反射する際に振幅の正負が反転し正の圧力波(圧力上昇)となる。
【0018】
一方、分岐通路に入った負の圧力波は分岐通路の逆止弁でコモンレールに接続された端部に到達するが、負の圧力波到達時には分岐通路側の圧力がコモンレール側の圧力より低いため逆止弁は開弁しない。すなわち、負の圧力波到達時には逆止弁は閉鎖端として機能するため、反射した圧力波は振幅の正負は同一のまま負の圧力波として分岐通路を分岐点に向けて進行する。
【0019】
コモンレールから分岐点までの燃料供給通路長さと逆止弁側端部から分岐点までの分岐通路長さとは等しくされているため、燃料供給通路のコモンレール接続部で反射した正の圧力波と分岐通路の逆止弁端で反射した負の圧力波とは同時に分岐点に到達する。このため、分岐点では正の圧力波と負の圧力波とが互いに干渉し、圧力の変動がうち消される。このため、分岐点から燃料噴射弁には圧力脈動が伝達されない。
【0020】
また、分岐通路を進行した負の圧力波は分岐点通過後燃料供給通路に入り、コモンレール接続部に到達するとそこで反射して振幅の正負が反転し、正の圧力波となって燃料供給通路を分岐点に向う。
【0021】
一方、燃料供給通路を進行した正の圧力波は同様に分岐点通過後分岐通路に入り、分岐通路の逆止弁端に到達する。ところが、この場合には正の圧力波到達により分岐通路の逆止弁端では分岐通路内の圧力がコモンレール内圧力より高くなるため逆止弁が開弁する。このため、正の圧力波が分岐通路の逆止弁端に到達すると逆止弁は開放端として機能し、逆止弁端での反射波は振幅の正負が反転して負の圧力波となる。
【0022】
従って、この場合も燃料供給通路のコモンレール接続部で反射した正の圧力波と分岐通路の逆止弁端で反射した負の圧力波とが同時に分岐点に到達するため、圧力波が互いに干渉して圧力脈動が相殺される。
このように、分岐点端部を逆止弁を介してコモンレールに接続したことにより、1回目の反射波のみならず2回目以降にコモンレール接続部で発生する反射波も分岐点で干渉により消去され燃料噴射弁には到達しない。
すなわち、燃料噴射弁からの燃料噴射に影響を与える噴射圧の変動が生じることが防止される。
【0023】
請求項2に記載の発明によれば、高圧燃料を貯留するコモンレールと、該コモンレールに燃料通路を介して連結され該燃料通路を通じて供給されるコモンレール内燃料を噴射する燃料噴射弁とを備えた燃料噴射装置であって、一端が前記燃料通路上の所定の分岐点に接続され、他端が閉鎖端とされた分岐通路を備え、前記分岐点からコモンレール接続部までの前記燃料通路長さと、前記分岐点から前記閉鎖端までの分岐通路長さが等しく、かつ前記分岐通路上に燃料の流れを制限する絞り部が設けられた燃料噴射装置が提供される。
【0024】
すなわち、請求項2の発明では請求項1の発明と同様アクティブキャンセレーションにより圧力脈動を減衰させる。本発明では、分岐通路の端部は常に閉鎖端となっているため端部で反射する圧力波は振幅の正負は反転しないまま分岐点に戻ることになる。しかし、分岐通路上には絞りが設けられているため絞りを通過する圧力波はその振幅が低下し、分岐通路に進入した圧力波は分岐通路端部で反射して振幅の正負は同一のままで振幅のみが減衰して分岐点に戻るようになる。
【0025】
例えば、分岐通路端部で反射した圧力波の振幅がが分岐通路に進入したときの振幅のα倍(α<1)になって分岐点に戻るとする。この場合には燃料供給通路のコモンレール接続部で燃料噴射後1回目に反射して分岐点に戻る圧力波の振幅を+1(プラス記号は正の圧力波であることを示す)とすると、分岐通路端部で燃料噴射後1回目に反射して分岐点に戻る圧力波の振幅は−α(マイナス記号は負の圧力波であることを示す)となる。このため、これらの圧力波が分岐点で干渉するとその振幅は(1−α)となる。すなわち、燃料噴射弁には1回目の圧力波の反射により(1−α)倍の振幅の圧力波が戻ることになる。
【0026】
この場合、2回目の反射以降の圧力波の振幅の計算は後に詳述するが、分岐通路に絞りを設けたことにより分岐通路端で反射する圧力波の振幅が小さくなり、更には分岐通路から燃料供給通路に進入する圧力波の振幅も小さくなるため、2回目以降の反射では燃料噴射弁に戻る圧力波の振幅は急激に減衰するようになる。
本発明では分岐通路と絞りとを設けたことにより、燃料噴射後の1回目の反射波から分岐点での干渉により振幅が減衰して燃料噴射弁に到達するようになり、燃料噴射弁からの燃料噴射に影響を生じる噴射圧力の変動が生じることが防止される。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図1は、本発明の燃料噴射装置を自動車用ディーゼル機関に適用した場合の実施形態の概略構成を示す図である。
【0028】
図1において、1は内燃機関(本実施形態では#1から#4の4つの気筒を備えた4気筒4サイクルディーゼル機関が使用される)、10aから10d は機関1の#1から#4の各気筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を示している。燃料噴射弁10aから10dは、それぞれ燃料通路(高圧燃料配管)11aから11dを介して共通の蓄圧室(コモンレール)3に接続されている。コモンレール3は、高圧燃料噴射ポンプ5から供給される加圧燃料を貯留し、貯留した高圧燃料を高圧燃料配管11aから11dを介して各燃料噴射弁10aから10d に分配する機能を有する。
【0029】
本実施形態では、高圧燃料噴射ポンプ5は、例えば吐出量調節機構を有するプランジャ形式のポンプとされ、図示しない燃料タンクから供給される燃料を所定の圧力に昇圧しコモンレール3に供給する。ポンプ5からコモンレール3への燃料圧送量は、コモンレール3圧力が目標圧力になるようにECU20によりフィードバック制御される。このため、コモンレール3燃料圧力(すなわち各燃料噴射弁の燃料噴射圧力)は機関低回転時にも高い圧力に設定することができる。また、各燃料噴射弁10aから10dが開弁すると、コモンレール3から高圧燃料が各燃料噴射弁を通じて各気筒に噴射されるが、コモンレール3の容積は1回の燃料噴射量に較べてはるかに大きいため、各燃料噴射弁10の燃料噴射期間中、コモンレール3燃料圧力(すなわち燃料噴射圧力)はほぼ一定に維持される。
【0030】
図1に20で示すのは、機関の制御を行う電子制御ユニット(ECU)である。ECU20は、リードオンリメモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)、マイクロプロセッサ(CPU)、入出力ポートを双方向バスで接続した公知の構成のマイクロコンピュータとして構成されている。ECU20は、本実施形態では、燃料ポンプ5の吐出量を制御してコモンレール3圧力を機関運転条件に応じて定まる目標値に制御する燃料圧制御を行っている他、燃料噴射弁10aから10dの開弁時期、時間等の開弁動作を制御してメイン燃料噴射の噴射時期及び噴射量を制御する燃料噴射制御等の機関の基本制御を行う。
【0031】
これらの制御を行なうために、本実施形態ではコモンレール3にはコモンレール内燃料圧力を検出する燃料圧センサ27が設けられている他、機関1のアクセルペダル(図示せず)近傍にはアクセル開度(運転者のアクセルペダル踏み込み量)を検出するアクセル開度センサ21が設けられている。また、図1に23で示すのは機関1のカム軸の回転位相を検出するカム角センサ、25で示すのはクランク軸の回転位相を検出するクランク角センサである。カム角センサ23は、機関1のカム軸近傍に配置され、クランク回転角度に換算して720度毎に基準パルスを出力する。また、クランク角センサ25は、機関1 のクランク軸近傍に配置され所定クランク回転角毎(例えば15度毎)にクランク角パルスを発生する。
【0032】
ECU20は、クランク各センサ25から入力するクランク回転角パルス信号の周波数から機関回転数を算出し、アクセル開度センサ21から入力するアクセル開度信号と、機関回転数とに基づいて燃料噴射弁10aから10dの燃料噴射時期と燃料噴射量とを算出する。
【0033】
なお、本実施形態では、燃料噴射弁からの燃料噴射時期と燃料噴射量との算出は公知のいずれの方法をも使用することができるため、ここでは詳細な説明は省略する。
【0034】
燃料噴射が行われていないとき、すなわち燃料噴射弁の閉弁中高圧燃料配管11aから11d(以下、高圧燃料配管11と総称する)にはコモンレール3内と同じ圧力の高圧燃料が充満している。燃料噴射が開始され、燃料噴射弁のニードル弁体が弁座から離れると高圧燃料が燃料噴射弁内のノズル室から燃料噴射孔を介して噴射され、ノズル室圧力は急激に低下する。このノズル室急激な圧力降下は圧力波となってノズル室に連通する高圧燃料配管11を通ってコモンレール3に戻り、コモンレール3入口で反射して再度燃料噴射弁10に伝播する。通常、この反射波は燃料噴射終了後に燃料噴射弁のノズル室に到達し、ノズル室内の圧力は圧力波の到達時に大きく変動する。
【0035】
このため、パイロット噴射により生じた圧力波のコモンレール入口での反射波がノズル室に到達する時期と主燃料噴射の時期とが一致するような場合が生じると、ノズル室内の圧力変動のために主燃料噴射の噴射率や噴射量に影響が生じ、機関運転状態に適合した主燃料噴射を行うことができなくなる可能性がある。
本発明では、図1に示すように各高圧燃料配管11a〜11dには、それぞれ分岐通路13a〜13d(以下、「分岐通路13」と総称する)を設けることにより、反射波による主燃料噴射への影響が生じることを防止している。
【0036】
図2は、本発明の一実施形態による分岐通路13の概略構成を説明する図である。図2において、図1と同じ参照符号は図1と同様な要素を表すものとする。
【0037】
本実施形態では、高圧燃料配管11上の点(分岐点)Cには分岐配管(分岐通路)13が接続されている。また、本実施形態では分岐配管13の分岐点Cとは反対側の端部Bは弁15を介してコモンレール3に接続されている。弁15は、分岐配管13からコモンレール3側への方向の流れのみを許容する弁、すなわち分岐配管13内の燃料圧力がコモンレール3内の燃料圧力より高いときに開弁する逆止弁として構成され、分岐配管13とコモンレール3との差圧に応じて迅速に開閉可能な適宜な形式のものが使用されている。
【0038】
本実施形態では分岐点Cから高圧燃料配管11とコモンレール3との接続部Aまでの高圧燃料配管の部分112の配管長さ及び配管断面積と、分岐点Cから端部Bまでの分岐配管13の配管長さ及び断面積はそれぞれ同一になるようにされている。、また、分岐点Cから燃料噴射弁10までの高圧燃料配管部分111の配管断面積A1と高圧燃料配管部分112の断面積A2及び分岐配管13の断面積A3との関係は、A1=A2+A3となるようにされており、本実施形態ではA2=A3=A1/2に設定されている。
後述するように、このように配管の断面積A1、A2、A3を設定することにより、燃料噴射弁10で発生した圧力波が分岐点Cで反射して燃料噴射弁10に戻ることが防止される。
【0039】
次に、本実施形態のアクティブキャンセレーションによる圧力脈動の減衰(消去)原理について説明する。
図3、図4はアクティブキャンセレーションの原理を説明するためにコモンレール3から燃料噴射弁10までの高圧燃料配管11と分岐配管13とを単純化して描いた図であり、図3は分岐配管13を備えていない従来の高圧燃料配管、図4は分岐配管13を設けた場合を示している。
【0040】
図3の(1)から(5)は従来の高圧燃料配管11における燃料噴射時の圧力波伝播の様子を模式的に示すものである。
まず、燃料噴射弁10で燃料噴射が行われると高圧燃料配管11の燃料噴射弁側端部Dでは振幅Rの負の圧力波が発生し(図3(1))、高圧燃料配管11をコモンレール3に向けて進行する(図3(2))。
この負の圧力波は高圧燃料配管11のコモンレール3接続部(A点)で反射するが、A点は開放端であるため反射の際に振幅の正負が反転し振幅Rの正圧波となる(図3(3))。この正圧波は高圧燃料配管11を燃料噴射弁10方向に向けて戻り(図3(4))、燃料噴射弁10に到達する(図3(5))。このため、燃料噴射弁10ではパイロット燃料噴射終了後に反射波による圧力変動が生じることになる。
【0041】
一方、図4は分岐配管13を設けた場合を示している。但し、図4はアクティブキャンセレーションの原理を単純化して説明するため、分岐配管13の端部Bを閉鎖端とした場合を示している。
この場合、燃料噴射弁側端部D点で発生し、コモンレール3に向けて高圧燃料配管11を進行する振幅Rの負の圧力波(図4(1))は、分岐点Cに到達すると、ここで2つに別れて高圧燃料配管部分112を進行する振幅Rの負圧波と、分岐配管13を進行する振幅Rの負圧波とになる。
【0042】
高圧燃料配管部分112のA端(開放端)では、上記負圧波が到達すると振幅の正負が反転した振幅Rの正圧波として反射し、分岐配管13のB端(閉鎖端)では、振幅の正負は同一のまま振幅Rの負圧波として反射する。
【0043】
高圧燃料配管部分112の配管長と分岐配管13の配管長は同一であるため、A端とB端とで反射した反射波は同時に分岐点Rに到達する。このため、C点では振幅の等しい正圧波と負圧波とが互いに打消しあってC点からD点に向う圧力波は消滅する。このため、1回目の反射により生じる反射波は燃料噴射弁10には到達せず、燃料噴射弁10では1回目の反射波による圧力脈動は生じない。
【0044】
ところが、A点で反射してC点に向う反射と、B点で反射してC点に向う反射波は干渉して消滅する訳ではなく、A点からの反射波にはC点を通過して高圧燃料配管部分112から分岐配管13に進入してB点に向うものが、B点からの反射波にはC点を通過して分岐配管13から高圧燃料配管112に進入してA点に向うものとがそれぞれ存在し、これらが再度A点とB点とで反射波(2回目)を生成する。
【0045】
図5は、これらの反射波の干渉により分岐点Cで生成される合成波の振幅の大きさの計算方法を示しており、ここでは、説明の都合上反射により振幅が減衰しないと仮定してして合成波の振幅を算出している。
図5において、矢印は圧力波の伝播経路を、その下の数値は(−R等)は経路伝播時の各部分での圧力波振幅を表している。図5に1回目の反射として示した各振幅(図5、(1))は図4で説明したものである。すなわち、D点で発生し、C点から高圧燃料配管112に入りA点で反射してC点に戻る圧力波(D→C→A→Cの経路)の振幅は、図5(1)上段に示すように、D→C、及びC→Aでは−R(負圧波)、A→Cでは+Rとなる。
【0046】
同様にD点で発生し、C点から分岐配管13に入りB点で反射してC点に戻る圧力波(D→C→B→C)の振幅は、図5(1)下段に示すように、D→C、C→B、B→Cとも−Rである。このため1回目の反射による反射波は分岐点Cで互いに打消し合い、C→Dに戻る反射波は消滅する。
【0047】
ところが、2回目の反射では、1回目でB点で反射した反射波(図5(1)の(B))がそのまま高圧燃料配管112に進入してA点で反射するため、B→C→A→Cの経路で反射波が到達する。
【0048】
また、同様に1回目にA点で反射した反射波はA→C→B→Cの経路でC点に到達する。
【0049】
このため、図5(2)に示すようにB→C→A→Cの各部分での振幅は、それぞれ−R、−R、+Rとなり、A→C→B→Cの各部分での振幅は、+R、+R、+Rとなる。従って、C点では2回目の反射により振幅+2Rの圧力波が合成されD点に向けて進行するようになる。すなわち、B点を閉鎖端とした分岐通路を設けた場合には図4、図5のように単純化して考えた場合でも2回目の反射波の干渉により振幅が増幅されて2Rとなった圧力波が燃料噴射弁に到達することになり、圧力脈動が大きくなる。
【0050】
図4、図5では説明を簡単にするために反射波の生成を単純化しているが、実際には分岐通路13が存在する場合の反射波の生成はもっと複雑になっている。図6は、流路が分岐する場合の反射波と通過波の生成を説明する図である。
図6では、断面積A1の流路Iが断面積A2の流路IIと断面積A3の流路IIIとに分岐している場合に、流路Iから振幅F1の圧力波が進行して来た場合について説明している。
【0051】
流路Iを進行してきた圧力波は、分岐点に到達すると流路IIとIIIに別れて進行するそれぞれ振幅F2とF3の圧力波を生成する他、分岐点で反射して流路Iを戻る反射波f1を生成する。
この場合、それぞれの流路(配管)の弾性変形を無視すると、それぞれの圧力波の振幅F2、F3、f1の振幅は断面積A1、A2、A3と振幅F1のみの関数となり、以下の式で表される。
【0052】
F2=F3=F1×2A1/(A1+A2+A3)…(1)
f1=F1×(A1−A2−A3)/(A1+A2+A3)…(2)
【0053】
本実施形態では、前述のようにA2=A3=A1/2に配管の流路断面積が設定されている。従って、D点で発生して高圧燃料配管部分111をC点に向う圧力波(振幅F1)により発生する、高圧燃料配管部分112に進入する圧力波の振幅F2及び分岐配管13に進入する圧力波の振幅F3は上記の(1)式より、F2=F3=F1となる。また、C点で反射してD点に向う反射波の振幅f1は上記(2)式よりf1=0となる。すなわちA2=A3=A1/2の場合には反射波f1は発生しない。
【0054】
さて、次に高圧燃料配管部分のA点と分岐配管13のB点で反射した反射波がC点に到達した場合について考える。例えば分岐配管13のB点で反射した反射波がC点に到達した場合も、分岐して高圧燃料配管部分112をA点に向けて進行する圧力波と、高圧燃料配管部分111をD点に向けて進行する圧力波が発生する他、C点で反射して分岐配管13をB点に向けて逆行する反射波が発生することになる。
【0055】
この場合には、図6の流路IIから圧力波が分岐点に到達した場合に相当するため、例えば上記(1)式と(2)式とでA1=A2/2=A3とおくことにより、分岐して進行する圧力波の振幅はどちらの流路に進入するものについてもC点に到達した圧力波の振幅の0.5倍、反射波はC点に到達した圧力波の振幅の−0.5倍となる。
【0056】
すなわち、上記をまとめると各点での反射と分岐の法則は以下のようになる。
(イ)D点で発生し高圧燃料配管111を進行してC点に到達した振幅Rの圧力波は、C点で高圧燃料配管112をA点に向う振幅Rの圧力波と、分岐配管13をB点に向う振幅Rの圧力波に分岐し、C点での反射波は発生しない。
【0057】
(ロ)A点から高圧燃料配管部分112を進行してC点に振幅Rの圧力波が到達すると、C点では高圧燃料配管部分111をD点に向う振幅0.5Rの圧力波と分岐配管13をB点に向う振幅0.5Rの圧力波の他にC点で反射してA点に戻る振幅−0.5Rの反射波が発生する。
【0058】
(ハ)B点から分岐配管13を進行してC点に振幅Rの圧力波が到達すると、C点では高圧燃料配管部分111をD点に向う振幅0.5Rの圧力波と高圧燃料配管部分112をA点に向う振幅0.5Rの圧力波の他にC点で反射してB点に戻る振幅−0.5Rの反射波が発生する。
【0059】
図7は、図5で単純化して説明した閉鎖端を有する分岐通路13を設けた場合について、分岐点Cでの反射波と通過波とを考慮した場合の各時点における分岐点CからD点に向う圧力波の状態を説明する図である。
図7(1)はA点とB点で1回目に反射する圧力波による圧力波の合成を示している。
【0060】
この場合、D点(燃料噴射弁)で発生した振幅−Rの圧力波(負圧波)がC点に到達すると分岐点Cでは、この圧力波は高圧燃料配管部分112と分岐配管13とをそれぞれ進む振幅−Rの2つの圧力波に分岐し、反射波は発生しない(上記法則(イ))。
【0061】
この振幅−Rの圧力波は高圧燃料配管部分112では、C点からA点には振幅−Rのままで進行するが、A点(開放端)で反射するときに振幅の正負が逆転してA点からC点に向けて戻る際にはその振幅は+Rとなる。
一方、分岐配管13では、この圧力波はC点→B点では−Rの振幅で進行し、B点(閉鎖端)では反射しても振幅の正負は変化しないため、B点→C点も−Rの振幅で進行する。
【0062】
従って、C点にはA点から+Rの振幅の圧力波が、また、B点からは−Rの圧力波が同時に到達するため、これらの圧力波の合成波の振幅はゼロとなり、C点からD点には圧力波は到達しなくなる。すなわち、1回目の反射によってはD点(燃料噴射弁)には圧力変動は生じない。
【0063】
次に、2回目の反射について考える。この場合、C点からA点に到達する圧力波は、1回目の反射でA点からC点に到達した反射波が更にC点で反射してA点に戻るもの(A→C→A)と、1回目の反射でB点からC点に到達した反射波がC点を通過して高圧配管部分112に進入してA点に到達するもの(B→C→A)との2つになり、これらの合成波がA点で反射する(図7(2)(A))。
【0064】
また、B点では、上記と同様に1回目の反射でB点からC点に到達した反射波が更にC点で反射してB点に戻るもの(B→C→B)と、1回目の反射でA点からC点に到達した反射波がC点を通過して分岐配管13に進入してB点に到達するもの(A→C→B)との2つになり、これらの合成波がB点で反射する(図7(2)(B))。
【0065】
これらのうち、A→C→Aの経路でA点に到達する圧力波は、1回目のA点での反射により振幅が+Rとなっていたものが、C点で反射することにより振幅が−0.5RになってA点に到達する(上記法則(ロ))。また、B→C→Aの経路でA点に到達する圧力波は、1回目のB点での反射した振幅−Rの圧力波が、C点通過時に振幅が0.5倍になったものであり、−0.5Rの振幅となっている。
【0066】
従って、A点に到達する合成波の振幅は(−0.5R)+(−0.5R)=−Rとなる。この−Rの振幅の圧力波はA点(開放端)で反射してC点に到達するため振幅の正負が反転し、C点到達時には+Rの振幅を有することになる。
【0067】
一方、B点に到達する圧力波の振幅は、上記と同様な考え方で、B→C→Bの経路を通るものは+0.5R、A→C→Bの経路を通るものは+0.5Rとなり、合成波の振幅は+Rとなる。B端(閉鎖端)では反射により振幅の正負は変化しないため、この波がB点で反射してC点に到達する時にはその振幅は+Rのままである。
【0068】
従って、2回目の反射では、C点にはA点とB点との両方から振幅+Rの圧力波が同時に到達する。これらの圧力波のうち、C点を通過してD点に向かう圧力波は、それぞれ振幅が0.5倍になるため(上記(ロ)、(ハ))、C点からD端(燃料噴射弁)に向う圧力波き振幅は0.5R+0.5R=Rとなる。すなわち、単に閉鎖端を有する分岐配管を設けただけでは、2回目の反射波により燃料噴射弁に大きな圧力変動が生じることになる。
【0069】
次に3回目の反射について考える。
この場合、図7(3)(A)に示すように、A点ではA→C→Aの経路で到達する圧力波の振幅は−0.5R、B→C→Aの経路で到達する圧力波の振幅は+0.5Rとなり、A点では圧力波が互いに干渉して消滅する。このため、3回目の反射でA点からC点に戻る反射波は存在しない。
【0070】
同様に、B点では、B→C→Bの経路で到達する圧力波の振幅は−0.5R、A→C→Bの経路で到達する圧力波の振幅は+0.5Rとなるため、B点でも圧力波は互いに干渉して消滅する。このため、3回目の反射ではB点からC点に戻る反射は存在しない。
従って、3回目の反射以降は、A点及びB点で反射してC点に戻る反射波はなくなるため、C点からD点(燃料噴射弁)に到達する反射波も存在しなくなる。
【0071】
すなわち、上記から、閉鎖端を有する分岐配管13を設けた場合には、1回目の反射、及び3回目以後の圧力波の反射による燃料噴射弁での圧力変動は効果的に消滅させることは可能であるが、2回目の噴射時には燃料噴射弁での圧力変動が増大するようになる。このため、閉鎖端を有する分岐配管13を設けたのみでは、パイロット噴射による圧力変動が主燃料噴射に大きな影響を与える場合が生じるのである。
【0072】
次に上記の解析を基礎として本実施形態の場合について説明する。
図2に示すように、本発明では分岐配管13の端部Bは閉鎖端ではなく、逆止弁15を介してコモンレール3に接続されている。また、逆止弁15は分岐配管13内の圧力がコモンレール3内の圧力より高い場合に開弁して分岐配管13を容積部としてのコモンレール3に接続する。
【0073】
このため、分岐配管13の端部Bに正の圧力波が到達すると逆止弁15が開弁するため、B点は開放端として機能し、B点で反射する圧力波は振幅の正負が逆転し反射波は負の圧力波となる。一方、B点に負の圧力波が到達した場合にはB点の圧力はコモンレール3内圧力より低くなるため逆止弁15は開弁せずB点は閉鎖端として機能する。このため、B点に負の圧力波が到達した場合には、反射波も負の圧力波となる。
すなわち、逆止弁15をB点に設けたことにより、B点で反射する圧力波は常に負の圧力波となる。
【0074】
図8は、本実施形態においてD端に到達する圧力波の状態を説明する図7と同様な図である。
図8において、1回目の反射(図8(1))については、図7の場合と同様にD点には反射波は戻らない。
一方、2回目の反射について見ると、本実施形態ではB点で反射してC点に戻る圧力波は常に負の圧力波となる。このため、2回目の反射以後は常にA点からの反射波とB点からの反射波がC点で互いにうち消すようになり、1回目のみならず2回目以後の反射においてもD点(燃料噴射弁)には圧力波は到達しない。
【0075】
すなわち、本実施形態によれば、パイロット噴射による圧力変動が主燃料噴射に影響を及すことを完全に防止することが可能となる。
【0076】
次に、本発明の別の実施形態について図9を用いて説明する。
前述の図2、図8の実施形態ではコモンレール3と燃料噴射弁10とを接続する高圧燃料配管11に分岐配管13を設け、その端部Bを逆止弁15を介してコモンレール3に接続することにより、燃料噴射に伴う燃料圧力の変動を除去していた。図9の実施形態では、図2、図8の実施形態と同様に高圧燃料配管11に分岐配管13を設けてアクティブキャンセレーションにより燃料圧力の変動を除去するが、分岐配管13の端部Bは閉鎖端としている点が図2、図8の実施形態と相違している。また、単に端部Bを閉鎖端とするのみでは、図7で説明したように2回目の圧力波反射により大きな燃料圧力変動が発生する。本実施形態ではこの圧力変動を防止するために分岐配管13の分岐点C付近には絞り(オリフィス)17を設けている。
【0077】
いま、図9に示すように分岐点Cからコモンレール接続部A点に至る高圧燃料配管部分112の流路断面積A2と、分岐配管13に設けたオリフィス17の孔面積A3との比を4:1(すなわちA2=4A3)、分岐点Cから燃料噴射弁端Dに至る高圧燃料配管部分111の流路断面積A1を、A1=A2+A3とすると、前述の反射波と通過波の振幅の式(1)及び(2)を用いて、それぞれの通路からC点を通過及びC点で反射する圧力波の振幅は図10に示したようになる。
【0078】
すなわち、
(イ′)D点で発生し高圧燃料配管111を進行してC点に到達した振幅Rの圧力波は、C点で高圧燃料配管112をA点に向う振幅Rの圧力波と、分岐配管13をB点に向う振幅Rの圧力波に分岐し、C点での反射波は発生しない。
【0079】
(ロ′)A点から高圧燃料配管部分112を進行してC点に振幅Rの圧力波が到達すると、C点では高圧燃料配管部分111をD点に向う振幅0.8Rの圧力波と分岐配管13をB点に向う振幅0.8Rの圧力波の他にC点で反射してA点に戻る振幅−0.2Rの反射波が発生する。
【0080】
(ハ′)B点から分岐配管13を進行してC点に振幅Rの圧力波が到達すると、C点では高圧燃料配管部分111をD点に向う振幅0.2Rの圧力波と高圧燃料配管部分112をA点に向う振幅0.2Rの圧力波の他にC点で反射してB点に戻る振幅−0.8Rの反射波が発生する。
【0081】
図11は、上記のC点における反射波と通過波のルールを考慮にいれた本実施形態の圧力波の減衰を説明する図7と同様な図である。
図11(1)はA点とB点で1回目に反射する圧力波による圧力波の合成を示している。
この場合、D点(燃料噴射弁)で発生した振幅−Rの圧力波(負圧波)は分岐点Cで高圧燃料配管部分112と分岐配管13とに進振幅−Rの2つの圧力波に分岐し、反射波は発生しない(上記(イ′))。
【0082】
この振幅−Rの圧力波は高圧燃料配管部分112では、A点(開放端)で反射して振幅の正負が逆転して+Rの振幅でC点に到達する。
一方、分岐配管13では、B点(閉鎖端)では反射後も振幅の正負は変化せず、B点で反射した反射波は振幅−RのままC点に到達する。
【0083】
従って、C点にはA点から+Rの振幅の圧力波が、また、B点からは−Rの圧力波が到達するが、このうちA点からC点に到達した振幅+Rの圧力波は、C点を通過する際に振幅が0.8倍になり(上記(ロ′))、+0.8Rの振幅でD点に向う。また、B点からC点に到達した振幅−Rの圧力波は、C点を通過する際に振幅が0.2倍になり(上記(ハ′))、−0.2Rの振幅でD点に向う。
【0084】
従って、D点にはこれらの圧力波の合成波である振幅+0.6Rの圧力波が到達する。すなわち、本実施形態では1回目の反射によってD点(燃料噴射弁)には+0.6R(Rは燃料噴射により燃料噴射弁で発生する負の圧力波の振幅)の圧力変動が生じるようになる。
【0085】
次に、2回目の反射について考える。この場合、C点からA点に到達する圧力波は、1回目の反射でA点からC点に到達した反射波が更にC点で反射してA点に戻るもの(A→C→A)と、1回目の反射でB点からC点に到達した反射波がC点を通過して高圧配管部分112に進入してA点に到達するもの(B→C→A)との2つになり、これらの合成波がA点で反射する(図11(2)(A))。
【0086】
これらのうち、A→C→Aの経路でA点に到達する圧力波は、1回目のA点での反射により振幅が+Rとなっていたものが、C点で反射することにより振幅が−0.2倍になり−0.2Rの振幅でA点に到達する(上記(ロ′))。
また、B→C→Aの経路でA点に到達する圧力波は、1回目のB点での反射した振幅−Rの圧力波が、C点通過時に振幅が0.2倍になり−0.2Rの振幅でA点に到達する(上記(ハ′))。
【0087】
従って、A点に到達する合成波の振幅は(−0.2R)+(−0.2R)=−0.4Rとなる。この−0.4Rの振幅の圧力波はA点(開放端)で反射して振幅の正負が反転してC点に到達するため、C点到達時には+0.4Rの振幅を有することになる。
【0088】
一方、B点では、上記と同様に1回目の反射でB点からC点に到達した反射波が更にC点で反射してB点に戻るもの(B→C→B)と、1回目の反射でA点からC点に到達した反射波がC点を通過して分岐配管13に進入してB点に到達するもの(A→C→B)との2つになり、これらの合成波がB点で反射する(図11(2)(B))。
【0089】
これらの圧力波の振幅は、上記と同様な考え方で、B→C→Bの経路を通るものは+0.8R、A→C→Bの経路を通るものは+0.8Rとなり、合成波の振幅は+1.6Rとなる。
B端(閉鎖端)では反射により振幅の正負が変化しないため、この波がB点で反射してC点に到達する時にはその振幅は+1.6Rのままである。
【0090】
従って、C点にはA点からは+0.4Rの振幅の圧力波が、また、B点からは+1.6Rの圧力波が到達し、このうちA点からC点に到達した振幅+Rの圧力波は、C点を通過する際に振幅が0.8倍になり(上記(ロ′))、+0.32Rの振幅でD点に向う。また、B点からC点に到達した振幅−Rの圧力波は、C点を通過する際に振幅が0.2倍になり(上記(ハ′))、−0.32Rの振幅でD点に向う。
従って、D点にはこれらの圧力波の合成波である振幅+0.64Rの圧力波が到達する。すなわち、本実施形態では2回目の反射によってD点(燃料噴射弁)には+0.64Rの圧力変動が生じるようになる。
【0091】
上記と同じ考え方で、3回目の反射と4回目の反射により燃料噴射弁に到達する圧力波の振幅は、図11(3)、(4)に示すように、3回目の反射では−0.384R、4回目の反射では+0.230Rとなり、以後の反射では急激に振幅が小さくなる。
【0092】
本実施形態では、上記のように完全には反射圧力波の振幅をゼロにはできないものの、燃料噴射弁部分における圧力変動を1回目の反射から比較的小さくすることができ、特にオリフィス17を設けない場合(図7)に較べて2回目の反射による圧力変動を大幅に低減することが可能となっている。
【0093】
なお、本実施形態では、図9、図10で説明したように各配管の流路面積を、A3=4A2、かつA1=A2+A3としている。前述したように、D点からの圧力波が分岐点Cで反射してD点に戻ることを防止するためには、A1=A2+A3の関係であることが必要とされるが、この関係を満たすものであれば、A3とA2との比率を4:1以外とすることも可能である。但し、発明者の実験の結果ではA3とA2の比率が4:1であるときに圧力脈動の抑制の上で最も効果的であることが確認されている。
【0094】
次に、分岐配管13を用いたアクティブキャンセレーションによる燃料噴射圧力変動抑制の別の例について図12を用いて説明する。
前述の各実施形態では、分岐配管13を設ける際に、分岐点Cから分岐配管13端部Bまでの長さと、分岐点Cからコモンレール3接続までの高圧燃料配管部分112の長さが等しくなるように分岐点Cと分岐配管13長さを選定することにより、A点とB点とで反射した圧力波がほぼ同時に分岐点Cに到達するようにして、反射波を互いに干渉させていた。これに対して、図12の例では、分岐配管13の分岐点Cをコモンレール3にできるだけ近い位置に設けるようにしている点、すなわち分岐点Cから分岐配管13端部Bまでと、分岐点Cからコモンレール接続部Aまでの距離が大幅に異なるようにされている点が前述の各実施形態と相違している。
【0095】
図12は、分岐管13(前述の各実施形態の分岐配管と区別するため、図12の例では「分岐管13」と呼ぶ)の接続部近傍の構成を示す断面図である。
【0096】
図12において、3はコモンレール、121はコモンレールのハウジング内に穿設され、燃料噴射弁(図示せず)にコモンレール内の燃料を供給する高圧燃料通路、123は高圧燃料通路121をコモンレール3に接続する細径の燃料供給通路である。燃料供給通路123は、高圧燃料通路に較べて径が小さく設定されている。
また、13は分岐管である、図12の例では、分岐管13はコモンレールハウジングに内に穿設した部分13aとコモンレールハウジングにねじ込み等により取付けたプラグ13c内に形成された部分13bとからなる。このように、コモンレールハウジングに直接プラグ13cを取付けて分岐管を形成する構造としたことにより、分岐管の設置のための装置設置スペースの増大が最小限になる。
【0097】
図12の例では、圧力脈動の抑制効果は、分岐管13長さ(図12にLで示す)、燃料供給通路長さ(コモンレール3と分岐管13の分岐点Cとの距離)M及び径Dにより定まる。図8で説明したように、分岐管13と、燃料供給通路123のコモンレール接続部、分岐点Cではそれぞれ圧力波が反射と通過とを繰返して複雑に干渉する。このため、図12のような構成ではL、M、Dの各寸法を理論的に決定することは困難であり、実際の燃料噴射系を用いた実験によりこれらの寸法を設定することが好ましい。
【0098】
発明者による実験の結果、L、M、Dの各寸法については以下のような条件で設定すると好ましい結果が得られることが判明している。
分岐管13の長さLは50〜100mm程度、燃料供給通路123の長さMは5〜10mm程度、径Dは1mm程度とすることにより、分岐管端部での反射波(負圧波)とコモンレールからの反射波(正圧波)とのC点到達タイミングが略一致するようになり、良好な圧力脈動抑制効果を得ることができる。
【0099】
また、この場合も分岐管13の流路断面積と燃料供給通路123の流路断面積との和が高圧燃料通路121の流路断面積と等しくなるようにして、燃料噴射弁からの圧力波が分岐点Cで反射することを防止することが好ましいことはいうまでもない。
【0100】
【発明の効果】
各請求項に記載の発明によれば、コモンレール式燃料噴射装置における燃料噴射に伴う圧力波の反射により生じる燃料噴射圧力の変動を効果的に抑制することが可能となる共通の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の燃料噴射装置を自動車用ディーゼル機関に適用した場合の実施形態の概略構成を示す図である。
【図2】本発明の一実施形態における分岐配管の配置を説明する図である。
【図3】本発明の圧力脈動の抑制原理を説明する図である。
【図4】本発明の圧力脈動の抑制原理を説明する図である。
【図5】本発明の圧力脈動の抑制原理を説明する図である。
【図6】本発明の圧力脈動の抑制原理を説明する図である。
【図7】本発明の圧力脈動の抑制原理を説明する図である。
【図8】図2の実施形態における圧力脈動の抑制効果を説明する図である。
【図9】本発明の図2とは別の実施形態における分岐配管の配置を説明する図である。
【図10】図9の実施形態における圧力波の反射を説明する図である。
【図11】図9の実施形態における圧力脈動の抑制効果を説明する図である。
【図12】分岐配管による圧力脈動の別の例を説明する図である。
【符号の説明】
3…コモンレール
10…燃料噴射弁
11…高圧燃料配管
13…分岐配管
15…逆止弁
17…オリフィス
Claims (2)
- 高圧燃料を貯留するコモンレールと、該コモンレールに燃料通路を介して連結され該燃料通路を通じて供給されるコモンレール内燃料を噴射する燃料噴射弁とを備えた燃料噴射装置であって、
一端が前記燃料通路上の所定の分岐点に接続された分岐通路を備え、
前記分岐点からコモンレール接続部までの前記燃料通路長さと、前記分岐点から前記分岐通路の他端までの分岐通路長さが等しく、かつ分岐通路の前記他端が分岐通路側からコモンレール側に向う燃料の流れのみを許容する逆止弁を介して前記コモンレールに接続された燃料噴射装置。 - 高圧燃料を貯留するコモンレールと、該コモンレールに燃料通路を介して連結され該燃料通路を通じて供給されるコモンレール内燃料を噴射する燃料噴射弁とを備えた燃料噴射装置であって、
一端が前記燃料通路上の所定の分岐点に接続され、他端が閉鎖端とされた分岐通路を備え、
前記分岐点からコモンレール接続部までの前記燃料通路長さと、前記分岐点から前記閉鎖端までの分岐通路長さが等しく、かつ前記分岐通路上に燃料の流れを制限する絞り部が設けられた燃料噴射装置。
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