JPH01294958A - 内燃機関の燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は内燃期間の燃料噴射装置に関するものである
。

［従来の技術］ ディーゼルエンジンの燃料噴射装置においては、エンジ
ン内に設けたクランクと同期して回転されるカム板にて
移動されるプランジャの往動にて加圧室内の燃料を加圧
し、加圧燃料を低圧側へ開放する通路を閉止するスピル
リングの位置を機械的手段にて制御することにより噴射
ノズルが行う１回の燃料噴射の量を調整していた。

ところが、この機械的な調整では、噴射量の調整は可能
なものの、カム板が一定角度回転した時における噴射燃
料の量の選択、すなわち噴射率の変化を行うことは不可
能であった。このため、着火遅れの間に噴射された燃料
の爆発的燃焼による圧力上昇に起因するノッキング現象
、加速時に生ずるスモークの増加等に対して適宜に対応
することができず、この点になお改良の余地を残してい
た。

上記した噴射率の変化を行うため、例えば特開昭６２−
１７４５６１号及び特開昭６２−３１３３号において、
下記のようなディーゼル機関の燃料噴射装置が開示され
ている。

すなわち、特開昭６２−１７４５６１号における燃料噴
射装置は、プランジャポンプと噴射ノズルとの間に設け
た高圧通路に対して制御弁を連通させたものである。こ
の制御弁はピエゾスタックを内蔵するものであり、これ
を電圧操作して伸縮させることにより同制御弁が開閉さ
れる。

そして、カムの回転により、プランジャポンプ内のプラ
ンジャにて加圧室内の燃料を加圧させ、この加圧燃料を
高圧通路に圧送し、前記制御弁の開放時には加圧燃料は
制御弁内を通過してドレイン通路に流すことにより、噴
射ノズルに燃料噴射を行わせない構成としている。

上記の状態で制御弁を閉鎖させると、加圧燃料は噴射ノ
ズルの流入路内に流れ、針弁に圧力を加えて、これを開
放することによりノズルが燃料噴射を行う。このあと、
所定のデユーティ−比に従ってピエゾスタックに電位が
印加され、制御弁が断続的に開閉され、噴射率の調整が
行われる。

また、特開昭６２−３１３３号に開示される燃料噴射装
置では、カム作用により駆動されるプランジャにて加圧
室内の燃料を加圧し、同加圧室に連通して設けた圧力調
整室の容積をピエゾ素子により可変的に設定したもので
ある。そして、プランジャを往動して加圧室内の燃料を
加圧し、この加圧燃料を噴射ノズルから噴射して、パイ
ロット噴射が行われる。上記したプランジャの往動途中
でピエゾ素子の端子を短絡させることにより、これを急
激に収縮させて圧力調整室の容積を急増させ、加圧室内
を一気に降圧させる。これにより、噴射ノズルからの燃
料噴射は一時的に停止されたのち、圧力調整室の容積増
加分に相当する距離までプランジャが往動すると、加圧
室内の燃料は再び加圧され、ノズルによる燃料の主噴射
が行われる。

［発明が解決しようとする課題］ 上記した２つの燃料噴射装置のうち、前者は非噴射時に
は制御弁を開放して、加圧燃料をドレインする構成とし
ているため、噴射率の制御にあたって動力損失が極めて
大きなものとなる。

加えて、吸入行程においては、高圧通路内の圧力は燃料
供給設定圧力にまで低下する。この圧力低下は高圧通路
のみならず、噴射ノズルにまで及ぶ。従って、プランジ
ャの次のストロークで燃料が加圧されるとき、高圧通路
及び噴射ノズルの圧力が低下していることから圧力の立
ち上がり特性が非常に悪く、圧力の応答遅れによって所
望の制御ができない。

また、後者の燃料噴射装置はパイロット噴射に主眼を置
いて構成されたものであり、燃料噴射時間全体にわたっ
て任意に噴射率を制御することができず、例えばエンジ
ンの高回転時におけるスモークの対策が不可能である。

さらに、圧力調整室を加圧室の上流側に配置したことに
より、デリバリバルブと噴射ノズルとの間の残留圧力を
制御することができない。従って、噴射管路内の圧力は
運転状態に左右された値となりサージ現象等を生じ、ド
ライバビリティが悪化するとともに、残留圧力値によっ
ては次の噴射の応答遅れが発生する。

また、噴射終了後に加圧室及び噴射ノズル間に滞留する
燃料が噴射ノズルから噴射を続けたり、滴下したりして
、振動や騒音の悪化、不完全燃焼によるＨＣ等排ガス中
の有害成分の増加、燃料の空費等を招来することがある
。

この発明は上記した問題点を解決するためになされたも
のであり、その目的は動力の損失を回避するとともに、
エンジンの運転状態等に対応して任意の噴射率にて稼動
し、さらには優れた応答性を備えるとともに振動や騒音
の低減、排ガス中の有害成分の低減、燃料空費低減等が
可能な内燃機関の燃料噴射装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ この発明は上記した目的を達成するために、プランジャ
の往動時に加圧室内の燃料を加圧するプランジャポンプ
と、前記プランジャポンプの加圧室に対して連通され、
同加圧室から送られる加圧燃料を噴射する噴射ノズルと
、前記プランジャポンプと噴射ノズルとを結ぶ管路に介
在され、開放量を調整する調整手段と、前記管路内にお
いて、調整手段よりも上流側の高圧燃料通路とドレイン
タンクとを遮断可能に連通ずる切換手段と、前記エンジ
ンの運転状態及び管路内の圧力状態のうちすくなくとも
いずれか一方を検出する検出手段と、前記検出手段の検
出結果に従って噴射開始時及び噴射終了時を設定し、噴
射開始時には前記切換手段を切換駆動して高圧燃料通路
とドレインタンクとを遮断させたのち、調整手段の開放
量を指示する信号を前記調整手段に出力するとともに、
噴射終了時には調整手段の閉鎖を支持する信号をこれに
出力したのち、前記切換手段を駆動して高圧燃料通路と
ドレインタンクとを連通させる制御手段とを設けたこと
をその要旨とする。

［作用］ 検出手段の検出結果に基き、制御手段により設定された
噴射開始時には、制御手段が出力する信号に従って切換
手段が駆動され、高圧燃料通路とドレインタンクとの連
通が遮断されて管路内の圧力が上昇されたのち、調整手
段の開放量が調整されて、この開放量に従う燃料の通過
断面積の変化により噴射ノズルの噴射時間全体にわたっ
て噴射率を制御される。さらに、検出手段の検出結果に
基いて制御手段が設定した噴射終了時には、制御手段の
出力する信号に基き調整手段が閉鎖されたのち、同調整
手段と噴射ノズルとの間の残留圧力が適正値に保持され
切換手段が駆動されて等圧燃料通路とドレインタンクと
が連通され、管路内の圧力が再び下降される。

［実施例］ 以下、この発明の第１の実施例を第１〜５図に従って詳
述する。

第１図において、燃料増圧装置１ではエンジンの稼動に
従い回転されるカム２にはプランジャポンプ３内で出没
するプランジャ４の外端当接板５が圧縮バネ６の付勢力
により圧接されている。前記プランジャポンプ３内には
プランジャ４の移動により容積が可変的に変化される加
圧室７が構成されている。

前記加圧室７は燃料供給装置８の燃料ポンプ９に対し逆
止弁１０を介して接続され、回転するカム２のカム形状
に従ってプランジャ４が二点鎖線にて示す吸入位置に移
動されたとき、ポンプ９から吐出される燃料（軽油）が
予めリリーフ弁９ａにて設定された圧力値に調整され、
逆止弁１０を通過して加圧室７内に吸入されるようにな
っている。

前記燃料増圧装置１の加圧室７は高圧通路１１を介して
常には開放されている電磁式の切換弁１２及び高速応答
可変容量機構１３に接続されている。この可変容量機構
１３は高圧通路１１に連通された流量調整室１４と、こ
れに後方から圧力伝達路１５を介して連通された圧力付
与室１６とから構成されている。そして、前記圧力付与
室１６内においてピエゾ素子１７の前端部に取付けた摺
動部材１８の前側面と、同付与室１６の前方内壁との間
の圧力発生室１９の容積がピエゾ素子１７の伸縮にて変
化されることによりって生ずる変圧が伝達路１５に伝わ
るようになっている。

また、流量調整室１４内には絞り弁２０が配置され、そ
の周面には大径状のバネ受は部２１が形成されるととも
に、後端部には前記伝達路１５内に突出する小径状の受
圧部２２が突設されている。

また、前記調整室１４の前方内壁とバネ受は部２０との
間に架設された圧縮バネ２３によって絞り弁２０が常に
は後方に付勢されることにより、絞り弁２０の前端に形
成した尖鋭状のシール部２４は弁座２５を開放し、吸引
行程時には高圧通路１１に発生する負圧により二点鎖線
で示すようにこれを閉鎖する。

また、可変容量機構１３には流量調整室１４を迂回して
高圧通路１１及び伝達路１５を連通ずる圧力バランス通
路２６が設けられ、高圧通路１１の圧力はこのバランス
通路２６によりバランス室４６に導かれ、絞り弁２０に
加わる燃料圧力による軸方向の力が相殺される。従って
、同絞り弁２０は圧縮バネ２３と伝達路１４の圧力にて
適切な位置に保持される。また、高圧通路１１及び調整
室１４にはこれらの内部圧力を検出するための圧力セン
サ２８．２９がそれぞれ付設されている。

さらに、流量調整室１４ば噴射通路３０を介して噴射ノ
ズル３１に接続され、そのニードル弁３２が圧縮バネ３
３にて常には閉鎖方向に付勢されている。そして、前記
可変容量機構１３の調整室１４から加圧された燃料が噴
射ノズル３１に供給されると、この圧力によりニードル
弁３２を圧縮バネ３３の力に抗して開放方向に移動させ
、噴射孔３４から燃料噴射を行わせる。そして、この噴
射燃料は別事段によって吸入されたのち圧縮された空気
と燃焼室内で混合されて燃焼する。

また、コントローラ４０には前記圧力センサ２８．２９
のほか、吸入空気の温度を監視する温度センサ３５、噴
射燃料が燃焼室内で燃焼する時間を温度等の監視によっ
て検出する着火時期センサ３６、アクセルの操作量を検
出するアクセル位置センサ３７、エンジンのクランク角
を検出するクランク角センサ３８、エンジン回転数セン
サ３９がそれぞれ接続されている。さらに、前記コント
ローラ４０は前記切換弁１２及びドライバ４１を介して
可変容量機構１３のピエゾ素子１７の端子に接続されて
いる。

前記コントローラ４０は制御手段を、また各種センサ２
８，２９．３５〜３９は検出手段を構成するものであり
、管路内の圧力及びエンジン程動時に各種の運転特性信
号がこれら圧力センサ２８゜２９及びセンサ３５〜３９
からコントローラ４０に出力される。すると、コントロ
ーラ４０はこれらの運転特性信号に従って予め記憶され
たプログラムからデータを読出し、エンジンの運転状態
に適合する噴射率、噴射時期、噴射時間、噴射量を演算
し、この演算結果に基く信号を切換弁１２に出力し、こ
れを閉鎖させる。このあと、コンローラ４０はドライバ
４１に信号をし、ドライバ４１はこの信号に基いて可変
容量機構１３のピエゾ素子１７に電圧信号を出力して同
素子１７を伸縮させる。

前記ピエゾ素子１７の伸縮により圧力発生室１９の容積
が変化され、これに伴う同発生室１９内の燃料の圧縮に
よって発生する変圧が伝達路１５内において絞り弁２０
の受圧部２２端面に伝達され、絞り弁２０が調整室１４
内で変位して高圧通路１１を開閉する。

さて、前記エンジンのクランクが所定角度回動じ、これ
に従うカム２の回転によりプランジャポンプ３内のプラ
ンジャ４が実線位置に向かって移動を開始する。前記し
たクランクの回動はクランク角センサ３８にて検出され
、同クランク角センサ３８からの検出信号に基きコント
ローラ４０が切換弁１２に電圧信号を出力してこれを閉
鎖させ（第２図■）、高圧通路１１とドレインタンクと
の連通を遮断させる。そして、これに先立ちコントロー
ラ４０が出力する信号によりドライバ４１を介してピエ
ゾ素子１７が所定量伸長されて、調整室１４内において
絞り弁２０が変位し、そのシール部２４により高圧通路
１１と噴射通路３０とが遮断されている。

このあと、カム２がさらに回転すると、加圧室７内の燃
料が圧縮加圧され、高圧通路１１内が昇圧される。そし
て、クランク角センサ３８は噴射前の所定の角度を検出
すると、コントローラ４０に検出信号を出力する。する
と、コントローラ４０は回転数センサ３９等からの信号
に従って噴射時期を演算し、この演算結果に基くタイミ
ングでピエゾ素子１７に印加された電圧を低下させ（第
３図■）、これを収縮させて調整室１４内の絞り弁２０
を後退させる。これにより、同絞り弁２０のシール部２
４が後方に押圧されて弁座２５が開放され、高圧通路１
１から調整室】４を介して噴射通路３０内に加圧流体が
流入し、同噴射通路３０内の圧力が上昇する（第４図■
）。そして、この圧力が噴射ノズル３１にかかり、圧縮
バネ３３の力に抗してニードル弁３２が開放され、適正
なタイミングにて燃料のパイロット噴射が開始される（
第５図■）。

このあと、ディーゼルノックを抑制すべく、噴射ノズル
３１への燃料供給が遮断される。即ち、コントローラ４
０はプログラムに従いドライバ４１に信号を出力し、ピ
エゾ素子１７に電圧を印加してく第３図■）、バイロフ
ト噴射を終了させるべく、高圧通路１１と噴射通路３０
との連通を遮断する。このとき、噴射通路３０及び噴射
ノズル３１内の圧力はなお上昇中であり（第４図■）、
バイロフト噴射は！ｌ！続されている（第５■）が、前
記した両通路１１．３０間の遮断に基き若干の遅れをも
って高圧通路１１内の圧力は再び上昇し噴射通路３０及
び噴射ノズル３１内の圧力はニードル弁３２が閉鎖する
まで下降する。

前記ピエゾ素子１７の伸長からやや遅れて、パイロット
噴射が終了したのち、コントローラ４０は主噴射を行う
べく、ドライバ４１に信号を出力し、ピエゾ素子１７に
印加されている電圧値を低下させる（第３図■）。これ
により、加圧燃料が噴射通路３０を介して噴射ノズル３
１内に流入し、噴射ノズル３１内においてニードル弁３
２の圧縮バネ３３のバネ圧より低下していた噴射通路３
０内の圧力が徐々に上昇されて同バネ圧を上回り（第４
図■）、ニードル弁３２を開放し、主噴射が開始される
（第５図■）。

主噴射時において、コントローラ４０は予め各種センサ
２８，２９．３５〜３９からの信号により、エンジンの
運転状況を的確に把握し、これに適合する噴射率を演算
する。そして、この演算結果に従う信号をドライバ４１
に出力し、ピエゾ素子１７に印加する電圧値を適宜に変
化させながら低下させる（第３図■）。これに応じて、
調整室１４内における絞り弁２０の変位に伴い、高圧通
路１１と噴射通路３０との連通量が連続的に微細な変化
を示し、噴射通路３０及び噴射ノズル３１内の圧力の変
化を招来する（第４図■）。そして、噴射ノズル３１内
の圧力変化に伴う噴射ノズル３１内のニードル弁３２の
開放量の変化に従い、噴射率を変化させながら主噴射が
行われる（第５図■）。

そして、クランク角センサ３８からの信号に基き、コン
トローラ４０は噴射終了時期が近いことを認識すると、
切換弁１２に信号を出力し、これを開放する（第２図■
）。これと同時に、コントローラ４０はドライバ４１に
信号を出力し、ピエゾ素子１７に所定の電圧を印加して
これを伸長させ（第３図■）、調整室１４内で絞り弁２
０を移動させることにより高圧通路１１と噴射通路３０
との連通を遮断する。このとき、噴射通路３０及び噴射
ノズル３１内の圧力は低下しつつあり（第４図■）、主
噴射も噴射圧を弱めながら糧続されている。そして、こ
れより若干遅れたタイミングで主噴射が終了されて（第
５図■）。

このあと、コントローラ４０はドライバ４１を介してピ
エゾ素子１７に印加されている電圧を低下させ（第２図
■）、調整室１４内の絞り弁２０を若干後退させる。こ
れにより、噴射通路３０及び噴射ノズル３１内の残留圧
力が適正値に保持されて、プランジャ４の次のストロー
クにおける圧縮行程を待機する。

また、エンジンの高速運転時には、第６図に示すように
、Δ形の噴射率波形で適切なタイミング、時間、量にな
るように制御が行われる。これにより、加速時のスモー
ク発生という従来の欠陥が克服される。

なお、上記の実施例において、噴射率の制御は流量調整
室１４内の絞り弁２０の変位による加圧燃料の流量調整
にのみ依存するものであり、噴射率制御時に加圧室７か
ら噴射ノズル３１へと流れる加圧燃料を流路の途中でド
レインさせることはないので、動力損失が回避される。

また、噴射の終了とともに切換弁１２を開放し、高圧通
路１１内の加圧燃料をドレインさせる構成としたことに
より、終了後に調整室１４及び噴射通路３０に加圧燃料
が流れることが回避される。

よって、噴射終了後に噴射ノズル３１に達する加圧燃料
の量は極めて少ないものとなり、余剰燃料が噴射ノズル
３１から噴射されたり、滴下されたリすることが少なく
なる。

次に、この発明の第２の実施例を第７，８図に従って説
明する。この実施例では高圧通路１１にアキュームレー
タ４２を設け、調整室１４内の絞り弁２０により高圧通
路１１と噴射通路３０とが遮断されて、高圧通路１１内
が昇圧されているとき、ここに滞留する加圧燃料をアキ
ュームレータ４２内に吸収して、蓄圧を行う構成とした
ものである。

このように構成すれば、噴射率は第８図に実線で示すよ
うな曲線を描き、鎖線にて示すアキュームレータ４２の
不使用時における高圧通路１１内で過大圧力の発生を回
避する（梨地状領域）とともに、不使用時にはカム形状
によりほぼ決まっていた噴射時間幅を広げることが可能
となり、過大圧力骨を噴射率制御に有効に活用できる（
第８図斜線部）。

続いて、この発明の第３の実施例を第９図に従って説明
する。この実施例は燃料増圧装置１の変更例を示すもの
であり、エンジンの運動を伝達する手段として前記第１
実施例乃至第３実施例におけるカム２に代えて油圧機構
を採用したものである。

即ち、コントローラ４０はクランク角センサ３８及びエ
ンジン回転数センサ３９からの信号により噴射時期を認
識し、三方弁４３に信号を出力してこれを図示する連通
位置に保持する。すると、アキュームレータ４４が三方
弁４３を介してプランジャポンプ３の低圧室４５に連通
され、この低圧室４５の容積を増大させることにより、
加圧室７内の燃料を加圧して高圧通路に送り、燃料噴射
を行う構成としている。

また、燃料噴射を行わない時には、プランジャ４が圧縮
バネ６の付勢力によって上方位置に保持され、加圧室７
内に生ずる負圧によりポンプ９が吐出する燃料が吸引さ
れるようになっている。

このように構成すると、燃料増圧装置１は前記実施例群
のカムを備える必要がなくなり、複雑なカムの設計及び
製造を行うことなく、製造過程の簡略化を図ることが可
能となる。

［効果コ 以上詳述したように、この発明によると、動力の損失を
回避するとともに、エンジンの運転状態等に対応して任
意の噴射率にて稼動し、さらには優れた応答性を備える
とともに燃料の振動や騒音の低減、排ガス中の有害成分
の低減、燃料空費の低減等を実現することができるとい
う効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１の実施例を示す油圧系及び電気
系の回路図、第２図はその切換弁にかけられる電圧の変
化を示す線図、第３図は第２図に関連してピエゾ素子に
印加される電圧の変化を示す線図、第４図は第２．３図
に関連して噴射通路及び噴射ノズル内の圧力を示す線図
、第５図は第２〜４図に関連して燃料噴射率の変化を示
す線図、第６図は高速運転時における噴射率を示す線図
、第７図はこの発明の第２の実施例を示す油圧系及び電
気系の回路図、第８図は同じく第２の実施例における噴
射率の変化を示す線図、第９図は第３の実施例を示す油
圧系及び電気系の回路図である。 プランジャポンプ３、プランジャ４、加圧室７、調整手
段として高速応答可変容量機構１３、切換手段としての
切換弁１２、検出手段としての圧力センサ２８，２９及
び温度センサ３５及び着火時期センサ３６及びアクセル
位置センサ３７及びクランク角センサ３８及びエンジン
回転数センサ３９、噴射ノズル３１、制御手段としての
コントローラ４０゜ 特許出願人　　株式会社　豊田自動織機製作所代理人　
　　弁理士　　　　　恩　１）博　宣第６図 第８図 噴射ｖ１間 ■　　　　兜 噴射時間　　　□ 噴射時間　　　−チ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．プランジャの往動時に加圧室内の燃料を加圧するプ
   ランジャポンプと、 前記プランジャポンプの加圧室に対して連通され、同加
   圧室から送られる加圧燃料を噴射する噴射ノズルと、 前記プランジャポンプと噴射ノズルとを結ぶ管路に介在
   され、開放量を調整する調整手段と、前記管路内におい
   て、調整手段よりも上流側の高圧燃料通路とドレインタ
   ンクとを遮断可能に連通する切換手段と、 前記エンジンの運転状態及び管路内の圧力状態のうち少
   なくとも一方を検出する検出手段と、前記検出手段の検
   出結果に従って噴射開始時及び噴射終了時を設定し、噴
   射開始時には前記切換手段を切換駆動して高圧燃料通路
   とドレインタンクとを遮断させたのち、調整手段の開放
   量を指示する信号を前記調整手段に出力するとともに、
   噴射終了時には調整手段の閉鎖を支持する信号をこれに
   出力したのち、前記切換手段を駆動して高圧燃料通路と
   ドレインタンクとを連通させる制御手段と を設けてなる内燃機関の燃料噴射装置。