JP2005320871A

JP2005320871A - ディーゼルエンジンの燃料噴射システム

Info

Publication number: JP2005320871A
Application number: JP2004137521A
Authority: JP
Inventors: Masayoshi Kawakami; 川上雅由
Original assignee: Niigata Power Systems Co Ltd
Current assignee: Niigata Power Systems Co Ltd
Priority date: 2004-05-06
Filing date: 2004-05-06
Publication date: 2005-11-17

Abstract

【課題】ディーゼルエンジンの燃料噴射システムにおいて低負荷側での性能悪化を防止する。
【解決手段】コモンレール２５に接続した燃料弁２８は、高負荷用及び低負荷用の径の異なる一対の噴孔３１、３１と、各噴孔３１に連通する一対の燃料入口ポート３６、３６と、両者を結ぶ経路内に介在された開閉手段３５、３５とを有する。ＥＣＵ４２は、エンジンの負荷及び回転センサ４３、４４の検出信号を受けてエンジンの負荷状態を判定し、前記開閉手段の一方を選択する。高負荷の領域だけでなく、低負荷時には低負荷側の噴孔に自動的に切り替わり、これによって低負荷側での燃費、スモーク、排気エミッション改善を行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明はディーゼルエンジンの燃料噴射システムに関し、特にコモンレールシステムとマルチニードル弁を組み合わせて応用することにより低負荷側及び高負荷側での効率及びエミッションの性能を両立させるよう改善した技術に係るものである。

ディーゼルエンジンでは吸入された空気を圧縮して高温・高圧になったシリンダ空気内に高圧で噴射した燃料を自然着火させている。このために燃料弁及びポンプを必要としている。

図４は従来の機械式のシングルニードル型噴射弁を用いた燃料噴射システムを示す。図において、燃料弁１は、シリンダヘッドに装着された燃料弁本体２の先端に装着され、その先端の噴孔３を閉鎖するニードル４と、燃料弁１内におけるニードル４の上部にあって、ニードル４を常時噴孔３の閉鎖側に付勢する弁バネ５と、燃料弁本体２の一側部に開口された燃料ポート６に一端を連通し、他端をニードルシート面上部に設けられた油溜７に連通する油孔８とを備えている。

そして、エンジンのクランク軸からギヤリングによって駆動される燃料カム９が燃料ポンプ１０のプランジャ１０ａを突き上げて燃料圧力を上昇させ、燃料は油孔８を経由して油溜７に到達し、その圧力が弁バネ５に設定された開弁圧より高くなるとニードル４が上昇し、噴射孔３よりシリンダ内に噴射される。

従来は、高出力ディーゼル機関では、１００％負荷での燃料噴射圧力が許容最高噴射圧力以下になるように、噴孔径、噴射角度などを変化させて各負荷の性能を確認し、これらの仕様を最適化している。

しかし、このように噴孔径、噴射角度等を設定すると、許容圧力以下において燃料を噴射させるため、低負荷に対しては噴孔径が大きすぎる傾向となるので、低負荷での微粒化が悪化し、エンジン性能が悪化する傾向となる。

これに対し１シリンダに２つの燃料弁を用意しておき、その一方を高負荷用、他方を低負荷用としたり、図５に示すように一つの燃料弁本体２内に前述したものと同一の噴射機構を二組並列させ、それぞれを高負荷用及び低負荷用に対応させたマルチニードル弁タイプの燃料弁１’も考えられる。この燃料弁１’はそれぞれ噴孔３の口径や弁バネ５のバネ圧をそれぞれの負荷の状態に応じて最適化させておき、負荷に応じて一方を高負荷用に、他方を低負荷用することで、それぞれの領域で効率やスモーク等の性能を上げることができる。

しかしながら、以上の燃料弁で噴孔３を負荷の状態に応じて使い分けるには、一つの噴孔３毎に一つのポンプ１０が必要であり、かつ一方のポンプ１０の駆動中には他方のポンプ１０を停止する制御を行わなければならず、機械式に切り替えるのではその制御が煩雑になると同時にガバナーなどの部品数も増すため、システムそのものが非常に複雑且つ高価となり、実用化には難があった。

これに対し、最近ではコモンレールシステムにより、燃料を均等な高圧に保持しつつ、エンジンコントロールユニットからの電気信号により各シリンダーに設けた燃料弁から順次噴射させることで、最適タイミングでエンジンを駆動することが可能となり、これによって燃費や排気エミッションを従来より向上することができるようになってきた。

しかし、本システムにおいても燃料弁の噴孔径が１００％負荷で最適化されているため、低負荷におけるエンジン性能の低下は完全には解消されてはいなかった。

本発明は以上の課題を解決するものであり、その目的は、コモンレールを用いた燃料噴射システムにおける低負荷領域の効率・スモークや排気エミッションを改善できるようにした燃料噴射システムを提供するものである。

請求項１に係るディーゼルエンジンの燃料噴射システムは、
所定圧力に保持された燃料を保持するコモンレールと、エンジンに取り付けられた前記コモンレールから燃料の供給を受けるように接続された燃料弁と、エンジンの負荷状態を検出するセンサからの検出信号を受けて高負荷用か低負荷用噴孔を選択された前記燃料弁に所定の噴射仕様（噴射量、噴射時期、噴射圧力、噴射回数、噴射間隔など）で噴射信号を出力するエンジンコントロール手段とを備えたディーゼルエンジンの燃料噴射システムにおいて、
前記燃料弁は、高負荷用および低負荷用のニードルを持ち、それぞれのニードルについて複数の噴孔と、前記各噴孔に連通する燃料入口ポートと、前記各噴孔と入口ポート間の経路内に設けられて前記エンジンコントロール手段からの噴射信号により前記各経路を開閉する複数の開閉手段とを有し、
前記エンジンコントロール手段は、前記センサの信号を受けてエンジンの負荷状態を判定し、判定結果に応じて特定の前記開閉手段を選択して用いることを特徴としている。

請求項２に記載されたディーゼルエンジンの燃料噴射システムは、請求項１記載のディーゼルエンジンの燃料噴射システムにおいて、
前記燃料弁の噴孔は、高負荷噴射用の大口径噴孔と、低負荷噴射用の小口径噴孔の２つの噴孔群からなることを特徴としている。

請求項３に記載されたディーゼルエンジンの燃料噴射システムは、請求項１又は２記載のディーゼルエンジンの燃料噴射システムにおいて、
前記センサは、回転センサと燃料噴射期間等の負荷センサから選択された１以上のセンサであることを特徴としている。

したがって本発明の燃料噴射システムによれば、高負荷時には高負荷側に最適化された噴孔の開閉手段が選択され、低負荷時には低負荷側に最適化された噴孔の開閉手段が選択され、一方を閉止状態に保ったまま他方の開閉制御がなされるので、いずれの領域においても効率がよく低エミッションな駆動を行うことができる。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面を用いて説明する。
図１は本発明が適用される燃料噴射システムを示し、図２は同システムに用いられる燃料弁の断面図を示し、図３は同燃料弁をシリンダヘッドに装着したエンジンのシリンダヘッド付近の断面図を示す。

まず図１に示すように、このシステムは、燃料タンク２０に燃料供給管２１及び油クリーナ２２を介して接続したサプライポンプ２３と、ポンプ２３の吐出端に燃料供給管２４を介して接続したコモンレール２５を備えている。

ポンプ２３によりコモンレール２５内は常時高圧に保持されるとともに、余剰の燃料は戻し管２６を経由してポンプ２３及び燃料タンク２０に戻される。

前記コモンレール２５に複数設けた燃料供給用の吐出ポート２５ａには一対の燃料分配管２７を介して燃料弁２８が接続されている。なお、図では一つの燃料弁２８しか示されていないが、シリンダ数に応じた数だけ接続されている。

燃料弁２８は図２に示すごとく、燃料弁本体３０と、この燃料弁本体３０の先端に開口した小噴孔と大噴孔３１と、燃料弁本体３０の先端部に挿通され、前記各噴孔３１を閉鎖する一対のニードル３２と、燃料弁本体３０内における各ニードル３２の上部にあって各ニードル３２を常時噴孔３１の閉鎖側に付勢する弁バネ３３と、各弁バネ３３の上部に配置され、かつ接続端を燃料弁本体３０の上部に突出させた三方電磁弁３５と、燃料弁本体３０の両側部に開口され、前記燃料分配管２７に接続した一対の燃料入口ポート３６に一端を連通し、他端をニードルシート面上部に設けられた油溜３７に連通する油孔３８とを備えている。

そして、電磁弁３５がオフの状態では、一方の入口３６から流入した燃料は矢印のごとく油圧ピストン３９と油溜３７の両方を加圧し、弁バネ３３によりニードル３２は噴孔３１を閉止した状態となる。

また、電磁弁３５がオンされると入口ポート３６から流入した燃料は矢印のごとく油圧ピストン上部の燃料はリーク通路５３からリークするので、油溜３７の圧力が弁バネ３３に勝りニードル３２が上昇して噴孔３１よりシリンダ内部に燃料を噴射する。

以上の作用は左右いずれの電磁弁３５とも同じであるが、各噴孔３１の孔径、弁バネ３３のバネ定数をそれぞれ高負荷側、及び低負荷側領域に応じて最適化された設定としている。

以上において、各電磁弁３５は図１に示すごとく、制御手段としてのエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）４２にリード線４２ａを介して接続されている。

このＥＣＵ４２は、エンジンの負荷状態を検知するセンサである負荷センサ４３や回転センサ４４からの検出信号及び前記コモンレール２５に設けた圧力センサ４５からの検出信号を受けて、エンジン負荷に応じたポンプ２３の駆動制御を行い、コモンレール２５内の圧力を適正値に保つほか、負荷に応じて前記燃料弁２８のいずれか一方の電磁弁３５を選択して適度なタイミングで噴射信号を出力し、他方を閉止状態に保つための切替機能を備えている。

例えば、アイドル状態から５０％負荷までを低負荷側とし、５０％から１００％までを高負荷側とする判定基準を設けておくことで、エンジン負荷の状態が高負荷であると判断されると、ＥＣＵ４２は高負荷側の噴射に適合した電磁弁３５を稼働状態とし、他方をオフの状態に固定し、図３（ａ）に示すように、エンジン４６におけるシリンダ４７の上死点前等の適正化されたタイミングでオン信号を出力することで一方の噴孔３１から燃焼室４９内に燃料が噴射され、高圧空気と混合して爆発し、エンジンを高負荷で駆動することになる。

また、各センサからの信号を受けてエンジン負荷の状態が低負荷であると判定された場合には、ＥＣＵ４２は低負荷に適合した電磁弁３５を稼働状態、他方をオフの状態に切替え、これによって噴射時には図３（ｂ）に示すように他方の噴孔３１から少量でも良好に微粒化された燃料が燃焼室４９内に噴射されるため、低負荷に適合した駆動が可能となる。

したがって、以上のシステムでは１００％高負荷の領域だけでなく、低負荷時には低負荷側の噴孔に自動的に切り替わり、これによって低負荷側での燃費、スモーク、排気エミッションの改善を行うことができるのである。

なお、以上の実施形態では、コモンレールの吐出ポート２５ａ１つに、燃料弁２８の入口ポート３６１つを対応したが、分岐管などにより１つの吐出ポート２５ａに両入口ポート３６を共用させることもできる。

なお、以上の実施形態では、１つの燃料弁２８に高負荷用と低負荷用の２つの噴孔３１、３１を設けたが、これを３以上とし、例えば１つの燃料弁２８に高負荷用、中負荷用、低負荷用の３つの噴孔３１、３１、３１を設ける構成とすることも可能である。

本発明の燃料弁を適用した燃料噴射システムを示す説明図である。本発明に係る燃料弁の断面図である。（ａ），（ｂ）は同燃料弁をシリンダヘッドに装着した状態での高負荷時及び低負荷時の噴出状態を示す説明図である。従来の機械式のシングルニードル型燃料弁の説明図である。同マルチニードル型燃料弁の説明図である。

符号の説明

２０…燃料タンク
２３…サプライポンプ
２５…コモンレール
２５ａ…吐出ポート
２８…燃料弁
３０…弁ケース
３１…噴孔
３２…ニードル
３５…電磁弁（開閉手段）
３６…燃料入口ポート
４２…ＥＣＵ（エンジンコントロール手段）
４３…エンジン負荷センサ
４４…回転センサ

Claims

所定圧力に保持された燃料を保持するコモンレールと、エンジンに取り付けられた前記コモンレールから燃料の供給を受けるように接続された燃料弁と、エンジンの負荷状態を検出するセンサからの検出信号を受けて高負荷用か低負荷用噴孔を選択された前記燃料弁に所定の噴射仕様で噴射信号を出力するエンジンコントロール手段とを備えたディーゼルエンジンの燃料噴射システムにおいて、
前記燃料弁は、高負荷用及び低負荷用のニードルを持ち、それぞれのニードルについて複数の噴孔と、前記各噴孔に連通する燃料入口ポートと、前記各噴孔と入口ポート間の経路内に設けられて前記エンジンコントロール手段からの噴射信号により前記各経路を開閉する複数の開閉手段とを有し、
前記エンジンコントロール手段は、前記センサの信号を受けてエンジンの負荷状態を判定し、判定結果に応じて特定の前記開閉手段を選択して用いることを特徴とするディーゼルエンジンの燃料噴射システム。
前記燃料弁の噴孔は、高負荷噴射用の大口径噴孔と、低負荷噴射用の小口径噴孔の２つの噴孔からなることを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジンの燃料噴射システム。
前記センサは、回転センサと燃料噴射期間等の負荷センサから選択された１以上のセンサであることを特徴とする請求項１又は２記載のディーゼルエンジンの燃料噴射システム。