JP2005171775A - 内燃機関の燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料噴射弁の作動自体に起因する機械騒音を低減する。
【解決手段】燃料噴射弁２の本体７あるいは本体７に固定された部材に針弁８あるいは針弁８とともに動く部材が衝突した際の衝撃加振力によって機関構造に振動を発生する内燃機関の燃料噴射装置において、１燃焼サイクル中に燃料噴射弁２に複数回の衝突を発生させる。かつ、複数回の衝突の干渉で加振力が極小となる周波数が機関構造の主たる共振周波数の１つに略一致するよう複数回の衝突の発生時間間隔を設定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、内燃機関の燃料噴射装置に関する。

内燃機関において、パイロット燃焼とメイン燃焼の時間差を制御することにより、パイロット燃焼時圧力波とメイン燃焼時圧力波との干渉を利用して特定周波数成分の燃焼騒音を低減するものがある（例えば、特許文献１）。
特開２００２−４７９７５

しかしながら、燃料を噴射する燃料噴射弁の作動自体に起因して発生する機械騒音を低減することはできなかった。

この発明は、このような機械騒音の低減を目的としている。

本発明は、燃料噴射弁の本体あるいは本体に固定された部材に針弁あるいは針弁とともに動く部材が衝突した際の衝撃加振力によって機関構造に振動を発生する内燃機関の燃料噴射装置において、１燃焼サイクル中に燃料噴射弁に複数回の衝突を発生させる。かつ、複数回の衝突の干渉で加振力が極小となる周波数が機関構造の主たる共振周波数の１つに略一致するよう複数回の衝突の発生時間間隔を設定する。

本発明によれば、機関構造の共振の影響を低減して、機関の振動を低減でき、機械騒音を低減できる。

以下、第１の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１に示すように、１はエンジン（ディーゼルエンジン）、２は燃料噴射装置の燃料噴射弁、３はコントローラ（ＥＣＵ）である．
燃料噴射弁２は、エンジン１の各設けている。各燃料噴射弁２には、燃料導管４を接続して所定高圧の燃料を導いている。コントローラ３は、各燃料噴射弁２の燃料噴射を制御する。

図２には、燃料噴射弁２の構成を表す。

燃料噴射弁２は、電磁弁５を開くと、針弁６がリフトして、本体７の先端の噴口を開き、電磁弁５を閉じると、針弁６が先端部の弁座８に着座して、噴口を閉じる。

コントローラ３は、燃料噴射弁２の電磁弁５の開閉を制御して、燃料噴射を制御する。すなわち、燃料噴射弁２は、コントローラ３から開弁の信号を受けると、電磁弁６が開き、閉弁圧室１０が開放して開弁圧室１１との圧力差によって針弁６がリフトして開弁し、燃料を噴射する。所定量噴射した後、閉弁の信号を受けると、電磁弁６が閉じ、閉弁圧室１０の圧力が高まって開弁圧室１１との圧力差によって針弁６が弁座８に着座して閉弁し、噴射終了となる。

この着座時に針弁６が弁座８に衝突して、噴射終了時の衝撃加振力となる。

コントローラ３は、気筒毎に、１燃焼サイクル中にメイン噴射とパイロット噴射とを行うように燃料噴射弁２の電磁弁５の開閉を制御する。

パイロット噴射は、メイン噴射に先立って、メイン噴射の噴射量より少量にて行い、メイン噴射は、圧縮上死点近傍にて行う。メイン噴射の急峻な燃焼を抑制して、燃焼騒音の低減、排気性能の向上を図る。

この一方、パイロット噴射とメイン噴射とを行うと、図２の燃料噴射弁２の場合、それぞれの噴射終了時に衝撃加振力を発生して、機械騒音となる。

この衝撃加振力による機械騒音の低減について説明する。

図３（ａ）〜（ｅ）は、燃料噴射弁２（電磁弁５）の駆動電圧、メイン噴射およびパイロット噴射の衝撃加振力、エンジン１の構造の振動伝達特性およびこの衝撃加振力により生じるエンジン１の振動の特性図である。

図３（ａ）に示すパルス状の駆動電圧により燃料噴射弁２は稼動し、図３（ｂ）に示すようにパイロット噴射およびメイン噴射の衝撃加振力には時間差ｔｐがある。

この時間差ｔｐにより衝撃加振力は干渉して、図３（ｃ）に示すように、時間差ｔｐが波長の長さに比例する周波数では加振力が低減せずに（図中の極大部分）、時間差ｔｐが波長の長さに比例＋半波長となる周波数では加振力が低減する（図中の極小部分）。

この加振力に、図３（ｄ）に示すエンジン１の構造の振動伝達特性（共振特性）を重ねると、エンジン１の振動は図３（ｅ）に示すようになる。

図３（ｄ）中のＡ、Ｂ等は、エンジン１の共振周波数を表しており、図３（ｅ）中のＡ、Ｂの振動加速度が大きいのは、干渉によって加振力が低減しない周波数（周波数域）がエンジン１の共振周波数に重なることによる。

これに対して、干渉によって加振力が低減する周波数（周波数域）のエンジン１の振動は図３（ｅ）のＫのように低減している。

この加振力が低減する周波数ｆｍは、パイロット噴射およびメイン噴射の衝撃加振力の時間差ｔｐが波長の長さに比例＋半波長となるもので、（１）式から算出できる。また、この場合これらの衝撃加振力が等しいとき、加振力の低減する効果が最大となる。

ｆｍ＝（−０．５＋ｎ）／ｔｐ （ｎは自然数） …（１）
衝撃加振力が極大となる周波数ｆｚは（２）式から算出できる。

ｆｚ＝ｎ／ｔｐ （ｎは自然数） …（２）
すなわち、干渉によって加振力が低減する周波数ｆｍがエンジン１の共振周波数にほぼ一致するように、パイロット噴射およびメイン噴射の衝撃加振力の時間差ｔｐを設定すれば、エンジン１の振動は減少する。

次に、パイロット噴射およびメイン噴射の開始時期（開弁時期）、噴射時間から衝撃加振力の時間差ｔｐ（パイロット噴射の終了時期（閉弁時期）からメイン噴射の終了時期（閉弁時期）までの時間）を算出する方法を説明する。

燃料噴射にともなう衝撃加振力は燃料噴射弁２の針弁６の閉弁時に最も大きく発生する。針弁６は図３（ａ）に示すパルス状の駆動電圧がかかる時期に開弁し、電圧がかかっている間は開弁している。そして、パルス状の駆動電圧が終わる時期で閉弁する。この閉弁時期は、開弁時期と噴射時間により決定され、開弁時期＋噴射時間が閉弁時期となる。

よって、図３（ａ）に示すパイロット噴射およびメイン噴射の開弁時期差ｔａとパイロット噴射時間ｔ１とメイン噴射時間ｔ２から、衝撃加振力の時間差ｔｐは、（３）式より算出できる。

ｔｐ＝ｔａ−ｔ１＋ｔ２ …（３）
これらの（１）式および（３）式より（４）式を得る。

ｆｍ＝（−０．５＋ｎ）／（ｔａ−ｔ１＋ｔ２） （ｎは自然数） …（４）
したがって、加振力が低減する周波数ｆｍがエンジン１の共振周波数にほぼ一致するように、パイロット噴射の終了時期およびメイン噴射の終了時期を設定すれば、あるいはパイロット噴射の開始時期およびメイン噴射の開始時期を設定すれば、エンジン１の振動は減少する。

図３（ｅ）では、エンジン１の構造の主な共振周波数のピークがエンジン１の振動に表れていて大きな振動となっており、機械騒音に影響している。

よって、（１）式および（４）式を用い、この衝撃加振力が低減する周波数ｆｍをエンジン１の構造の主な共振周波数と略一致させることで、構造の共振の影響を低減しエンジン１の振動および機械騒音を低減できる。

図４（ａ）〜（ｄ）は、エンジン１の構造の主な共振周波数のうちの１つの共振周波数ｆｒと加振力の低減する周波数ｆｍが略一致できるようにパイロット噴射およびメイン噴射の開弁時期差ｔａを設定したときの効果図である．
図４（ａ）、図４（ｂ）にエンジン１の構造の１つの主な共振周波数ｆｒと加振力の低減する周波数ｆｍを略一致させた衝撃加振力を示す。図中、点線で囲まれた周波数ｆｒに加振力の低減する周波数ｆｍが略一致するように開弁時期差ｔａを設定している。この衝撃加振力と図４（ｃ）に示すエンジン１の構造の振動伝達特性を重ね合わせ、図４（ｄ）にそのときの振動を示す。

これより、衝撃加振力が低減するように開弁時期差ｔａを設定したエンジン１の構造の主たる共振周波数ｆｒにおいてエンジン１の振動を低減でき、機械騒音が低減する。

本実施形態は、燃料噴射に起因する機械騒音を低減できるため、機械騒音の寄与が比較的高いアイドル運転時において、より大きい効果を得ることができる。

また、パイロット噴射とメイン噴射とを行うエンジンにあって、両噴射による衝撃加振力が低減するので、メイン噴射の燃焼騒音の低減を図りつつ、機械騒音を低減できる。

また、本実施形態は、低温予混合燃焼を行うエンジンに適用できる。

この場合、パイロット噴射による燃料の着火遅れ期間内にパイロット噴射およびメイン噴射を完了するように制御すると共に、エンジンの構造の１つの主な共振周波数ｆｒと加振力の低減する周波数ｆｍを略一致させるように、パイロット噴射およびメイン噴射の終了時期あるいはパイロット噴射およびメイン噴射の開始時期を設定する。

低温予混合燃焼のようにメイン噴射の燃焼とパイロット噴射の燃焼を分離することが困難な条件であっても、機械騒音に関しては、燃料噴射は２回行うので分離することができ、低減できる。

このようにすれば、燃焼騒音を十分に低減できると共に、燃焼騒音に対して機械騒音が大きくなることを回避でき、騒音低減の効果は大きい。

また、パイロット噴射とメイン噴射とによる衝撃加振力の低減は、アイドル運転時に行うようにして良い。

次に、第２の実施形態を説明する。

図５（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態の衝撃加振力、エンジン１の構造の振動伝達特性およびエンジン１の振動の特性図である。燃料噴射装置の構成は図１、図２に同じである。

本実施形態は、エンジン１の構造の主たる共振周波数ｆｒ１と衝撃加振力が低減する周波数ｆｍを略一致させるが、別の主たる共振周波数ｆｒ２と衝撃加振力が極大となる周波数ｆｚ（およびその近くの領域）が一致しないように、パイロット噴射およびメイン噴射の開弁時期差ｔａを設定したものである。

衝撃加振力が極大となる周波数ｆｚは、（２）式および（３）式より（５）式が得られ、算出できる。

ｆｚ＝ｎ／（ｔａ−ｔ１＋ｔ２） （ｎは自然数） …（５）
図５（ａ）、図５（ｂ）にエンジン１の構造の主たる共振周波数ｆｒ１と衝撃加振力が低減する周波数ｆｍが略一致し、別の主たる共振周波数ｆｒ２と衝撃加振力が極大となる周波数ｆｚ（およびその近くの領域）が一致しない衝撃加振力を示す。図中、細点線で囲まれた周波数つまり主たる共振周波数ｆｒ１に衝撃加振力が低減する周波数ｆｍが略一致するように、かつ太点線で囲まれた周波数つまり別の主たる共振周波数ｆｒ２に衝撃加振動が極大となる周波数ｆｚ（およびその近くの領域）が一致しないようにパイロット噴射およびメイン噴射の開弁時期差ｔａを設定している。すなわち、パイロット噴射およびメイン噴射の衝撃加振力の時間差ｔｐが主たる共振周波数ｆｒの周期の整数倍に近似しないようにする。

この衝撃加振力と図５（ｃ）に示すエンジン１の構造の振動伝達特性を重ね合わせ、図５（ｄ）にそのときの振動を示す。

これより、衝撃加振力が低減するように開弁時期差ｔａを設定した共振周波数ｆｒ１でエンジン１の振動を低減でき、また、別の共振周波数ｆｒ２でエンジン１の振動を増加することはなく、振動の低減、機械騒音の低減の高い効果を得ることができる。

次に、第３の実施形態を説明する。

本実施形態は、１燃焼サイクル中に燃料噴射弁２が多段噴射を行う。燃料噴射装置の構成は図１、図２に同じである。

図６（ａ）、（ｂ）は、本実施形態の燃料噴射弁２の多段噴射の衝撃加振力の時間差における特性を示す図である。本実施形態の燃料噴射弁２の多段噴射は、一例としてパイロット噴射Ｄ１およびメイン噴射Ｄ２を終了した後、排気昇温のために３段目の噴射Ｄ３を行うものを説明する。

図６（ａ）にそれぞれの噴射Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３における衝撃加振力の時間差を示し、図６（ｂ）に３段噴射の衝撃加振力の干渉による影響を示す。

通常、排気昇温のための３段目の噴射Ｄ３はメイン噴射Ｄ２から大きく遅れて噴射される。衝撃加振力は最後に大きく遅れている３段目の噴射Ｄ３の時間差により、少ない周波数間隔で変動しているが、エンベロープ（包絡）Ｅはパイロット噴射Ｄ１とメイン噴射Ｄ２の衝撃加振力の時間差に影響されており、そのために、３段噴射の衝撃加振力がパイロット噴射Ｄ１とメイン噴射Ｄ２の衝撃加振力の時間差によって周期的に低減する周波数ｆｅが存在する。

したがって、その周波数ｆｅがエンジン１の共振周波数にほぼ一致するように、パイロット噴射およびメイン噴射の開弁時期差ｔａを設定すれば、前記形態（この場合、第１の実施形態）と同様な効果を得ることができる。

なお、各形態は、燃料噴射弁の本体に形成された座に針弁が着座する際に発生する衝撃加振力に対して適用したものであるが、この他、燃料噴射弁の本体あるいは本体に固定された部材に針弁あるいは針弁とともに動く部材が衝突した際の衝撃加振力に対して適用するようにできる。

車両用ならびに車両用以外の燃料噴射式内燃機関に適用できる。

第１の実施形態の燃料噴射装置の配置図である。 燃料噴射弁の断面構成図である。 燃料噴射弁の駆動電圧の特性図である。 メイン噴射およびパイロット噴射の衝撃加振力を示す図である。 メイン噴射およびパイロット噴射の衝撃加振力の特性図である。 エンジンの構造の振動伝達特性図である。 衝撃加振力により生じるエンジンの振動の特性図である。 メイン噴射およびパイロット噴射の衝撃加振力を示す図である。 メイン噴射およびパイロット噴射の衝撃加振力の特性図である。 エンジンの構造の振動伝達特性図である。 衝撃加振力により生じるエンジンの振動の特性図である。 第２の実施形態の衝撃加振力を示す図である。 衝撃加振力の特性図である。 エンジンの構造の振動伝達特性図である。 衝撃加振力により生じるエンジンの振動の特性図である。 第３の実施形態の多段噴射の衝撃加振力を示す図である。 多段噴射の衝撃加振力の特性図である。

符号の説明

１ エンジン
２ 燃料噴射弁
３ コントローラ
５ 電磁弁
６ 針弁
７ 本体
８ 弁座

Claims (9)

1. 燃料噴射弁の本体あるいは本体に固定された部材に針弁あるいは針弁とともに動く部材が衝突した際の衝撃加振力によって機関構造に振動を発生する内燃機関の燃料噴射装置において、
   １燃焼サイクル中に燃料噴射弁に複数回の衝突を発生させ、かつ、複数回の衝突の干渉で加振力が極小となる周波数が機関構造の主たる共振周波数の１つに略一致するよう複数回の衝突の発生時間間隔を設定することを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
2. 前記衝撃加振力は、燃料噴射弁の本体に形成された座に針弁が着座する際に発生することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
3. １燃焼サイクル中に燃料噴射弁は複数回の燃料噴射を行うことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
4. 前記内燃機関はディーゼル機関であり、
   前記複数回の燃料噴射は、圧縮上死点の近傍で実行されるメイン噴射と、このメイン噴射に先立って実行されかつ噴射量がメイン噴射の噴射量より少量のパイロット噴射とを含むことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
5. 前記パイロット噴射による燃料の着火遅れ期間内に前記パイロット噴射と前記メイン噴射とを完了させることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
6. 機関構造の主たる共振周波数の１つをｆｒ、１回目の燃料噴射の噴射終了から２回目の燃料噴射の噴射終了までの時間差をｔｐとしたとき、以下の関係
   ｔｐ≒（−０．５＋ｎ）／ｆｒ （ｎは自然数）
   が成立するよう１回目の燃料噴射の噴射終了時期と２回目の燃料噴射の噴射終了時期とを設定することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
7. 機関構造の主たる共振周波数の１つをｆｒ、１回目の燃料噴射の噴射時間をｔ１、２回目の燃料噴射の噴射時間をｔ２、１回目の燃料噴射の噴射開始から２回目の燃料噴射の噴射開始までの時間差をｔａとしたとき、以下の関係
   ｔａ−ｔ１＋ｔ２≒（−０．５＋ｎ）／ｆｒ （ｎは自然数）
   が成立するよう１回目の燃料噴射の噴射開始時期と２回目の燃料噴射の噴射開始時期とを設定することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
8. 機関構造の主たる共振周波数の１つをｆｒ、１回目の燃料噴射の噴射終了から２回目の燃料噴射の噴射終了までの時間差をｔｐとしたとき、ｔｐがｆｒの周期の整数倍に近似しないよう１回目の燃料噴射の噴射終了時期と２回目の燃料噴射の噴射終了時期とを設定することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
9. 少なくともアイドル運転時の１燃焼サイクル中に燃料噴射弁に複数回の衝突を発生させることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料噴射装置。