JP2006342731A - 内燃機関用燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な２位置アクチュエータを１つ用いながら、アクチュエータを１つにすることで生ずる制御自由度低下などの性能低下を防ぐ。また、作動油の垂れ流しを抑制し、増圧制御と噴射制御を高自由度かつ高精度に実施する。
【解決手段】 制御弁５０は、２位置アクチュエータ５２によって駆動される１つの２方制御弁であり、背圧室３４の油圧を直接制御して、噴射ノズル３０の噴射作動を制御する。また、制御弁５０の制御圧力で作動する２位置３方弁構造の流路切替え弁７０を介して増圧器２０の制御室２５を蓄圧器１０に至る燃料供給通路６１または低圧系への圧力開放通路６２に選択的に接続し、制御室２５の油圧を間接的に制御する。流路切替え弁７０は、噴射作動に対して増圧圧送作動の開始が遅れを有し、圧力供給時には、増圧停止および復帰作動が噴射作動に対して遅れを有しない。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関、特にディーゼルエンジン用の燃料噴射装置に関し、詳しくは、増圧機構を備えた燃料噴射装置に関する。

ディーゼルエンジン用燃料噴射装置として、コモンレールシステムが知られている。コモンレールシステムは、共通の蓄圧器を設けて、燃料供給ポンプから圧送される加圧燃料を蓄え、油圧制御弁で噴射ノズルを開閉して各気筒に噴射するシステムで、噴射圧力と噴射量を独立に制御できるなど、優れた性能を有する。

このようなコモンレールシステムに対し、近年、排気ガス浄化、燃費向上の見地から、さらに高性能化の要求がなされている。これを簡易に実現するため、例えば特許文献１に記載されるように、燃料の噴射圧力を高める増圧機構を備え、かつコモンレールシステムの長所であるノズル開閉を油圧で制御する機構を有する新しいシステムが提案されている。
特許第２８８５０７６号公報

特許文献１の燃料噴射装置では、増圧機構を用いて、より高圧での噴射ができるだけでなく、増圧と噴射の両方を制御することで、１噴射サイクルの中で噴射圧力を変えることができ、また、低圧での微小噴射や超高圧での主噴射といった複数の噴射モードを可能にする。従って、運転状態に応じたきめ細かい制御を行って、燃焼の最適化ができるようになる。

ところが、この種のシステムにおいては、本質的に２つの作動、すなわち増圧作動と噴射作動を各々独立に制御する必要があるために、アクチュエータが少なくとも２個必要になる。このため、システムの構成が複雑になりやすく、その結果、コストが高くなるという問題があり、同等の機能をより簡易に実現することが望まれている。

そこで、この問題点を改良するための別のシステムが、例えば、特許文献２に提案されている。このシステムは、ノズル背圧室への流路と増圧制御室への流路を制御弁で選択的に開閉するもので、制御自由度が制限されるものの、アクチュエータは１個でよく、かつ全体の構成も簡素なものとすることができる。
特許公開２００３−１０６２３５号公報

図１１は、特許文献１に提案される従来例としての燃料噴射装置の概略模式図である。燃料噴射装置１は、蓄圧器１０、増圧器２０、噴射ノズル３０、逆止弁４０およびこれらの作動を制御する制御弁５０から構成されている。増圧器２０は、大径ピストン２１と小径プランジャ２２からなる増圧ピストンを駆動して高圧室２４の燃料を増圧し、噴射ノズル３０に供給する。これらを接続する燃料通路にはいくつかの絞りが設けられている。例えば、増圧器２０の制御室２５は、絞り９１を介して蓄圧器１０に連通するとともに、絞り９２を介して制御弁５０に連通し、制御室２５への圧力供給または低圧系への圧力開放を制御している。また、噴射ノズル３０の背圧室３４は、絞り９１、９２、９３を介して蓄圧器１０に連通するとともに、絞り９３を介して制御弁５０に連通し、背圧室２５への圧力供給または低圧系への圧力開放を制御している。

上記従来構成では、制御弁５０が１個であるのに対し、制御すべき圧力は、増圧器２０の制御室２５と噴射ノズル３０の背圧室３４の２個であるため、これらを合流させる油圧回路として構成されている。従って絞り９１、９２、９３の３個の絞りを用いても、その全てを最適にすることは困難である。特に、制御弁５０の開弁時には蓄圧器１０から増圧制御のための大流量が垂れ流し状態になること、増圧器２０の圧送行程と戻り行程の特性については各々設定できるものの、噴射特性と独立していないため絞りの値が制約を受けることが、さらに最適化を困難にしている。

しかも前記した通り、制御すべき圧力は、増圧器２０の制御室２５とノズルの背圧室３４の２個であるにもかかわらず、これらを合流させる油圧回路となっているため、増圧作動と噴射作動は必ず同時になる。このため、例えば低圧で（増圧しないで）噴射することは不可能である。このことは排気ガス浄化の点から望まれる低圧での多段噴射等ができないことを意味し、より高度な制御を行って燃焼を最適化することが望まれている。

本発明では、簡易な２位置アクチュエータを１つ用いる構成で、しかも、アクチュエータを１つにすることで生ずる制御自由度低下などの性能低下を防ぐこと、さらに増圧器作動油としての燃料圧力が垂れ流しになることを防ぎながら、増圧制御と噴射制御を高自由度かつ高精度に実施できる、高性能かつ安価なシステムを提供することを目的としている。

請求項１の発明において、内燃機関用燃料噴射装置は、
燃料を蓄圧する蓄圧器と、制御室の油圧によって増圧ピストンを作動させ、上記蓄圧器から高圧室に供給される燃料を増圧する増圧器と、背圧室の油圧によって開閉が制御され、前記蓄圧器から供給される燃料を直接または前記増圧器によって増圧して噴射する噴射ノズルを有しており、前記増圧器の増圧作動と前記噴射ノズルの噴射作動は、制御弁により制御される。
前記制御弁は、２位置アクチュエータによって駆動される１つの２方制御弁であり、該制御弁によって前記背圧室の油圧を直接制御することにより、前記噴射ノズルの噴射作動を制御する。また、前記制御弁により制御される制御圧力で作動する２位置３方弁構造の流路切替え弁を設けて、この流路切替え弁を介して、前記制御室を圧力供給源からの供給通路または低圧系への圧力開放通路のいずれかに選択的に接続して、前記制御室の油圧を間接的に制御することにより、前記増圧器の増圧作動を制御する。
かつ、前記制御室の圧力開放時には、前記流路切替え弁の作動圧力が設定作動圧力に低下するまでその作動開始が遅れることで、噴射作動に対して増圧圧送作動の開始が遅れを有し、一方、圧力供給時には、前記流路切替え弁の遅れ期間中、前記圧力開放通路を介して前記制御室へ圧力供給することで、増圧停止および復帰作動が噴射作動に対して遅れを有さずになされる構成としている。

上記構成において、２位置アクチュエータに通電すると、まず、制御弁による噴射作動が開始される。流路切替え弁は、制御室の油圧が設定作動圧力に低下するまで作動しないので、この遅れ期間中に噴射を停止すれば、増圧しない圧力での少量噴射が可能となる。遅れ期間が経過すると増圧作動が開始され、増圧された高圧燃料を噴射することができる。噴射終了時は、２位置アクチュエータへの通電を停止することで、ノズル背圧を速やかに上昇させて噴射を停止させることができる。また、増圧作動が遅れを有さずに速やかに停止し増圧ピストンが初期位置に復帰するので、増圧器をむだに作動させることがない。

このように、２位置アクチュエータで駆動される制御弁を簡易な２方弁構造として噴射作動を直接制御し、２位置３方弁構造でかつ遅れ時間が設定された流路切替え弁を用いて増圧作動を間接制御することで、安価な構成で、噴射作動と増圧作動を高度に制御することができる。また、制御室は、圧力供給源からの供給通路と低圧系への圧力開放通路のいずれかに選択的に接続されるので、両通路が連通して燃料が垂れ流しとなるのを回避し、噴射停止と増圧停止がほぼ同時になされるので、駆動エネルギーのロスがない。よって、安価で高性能なシステムを提供することができる。

請求項２の発明において、前記制御弁は、低圧系への圧力開放通路を開閉するものであり、前記流路切替え弁を介して、増圧器の制御室を低圧系に開放することにより増圧ピストンを増圧作動させる。

前記制御弁を開閉することにより、噴射ノズルの背圧室の油圧を増減させて、噴射の開始および停止を容易に制御できる。増圧器の制御室油圧は、増圧作動時には流路切替え弁を介して遅れを有して低圧系に開放されるので、噴射作動と増圧作動が同時になされず、制御自由度が向上する。

請求項３の発明において、前記流路切替え弁は、前記制御室へ接続される切替えポート、前記圧力供給源からの供給通路へ接続される供給ポートおよび前記制御弁へ接続される開放ポートと、これらポート間を開閉する弁体を有している。

前記流路切替え弁の切替えポートを制御弁への開放ポートに接続すると、増圧器の制御室圧が低下して増圧ピストンが作動し、増圧した燃料が噴射ノズルから噴射される。切替えポートを圧力供給源からの供給通路に接続すると、増圧器の制御室圧が上昇し、増圧作動が終了して増圧ピストンが復帰する。このようにすると、圧力供給源からの供給通路と低圧系が直接接続されないので、増圧制御のための作動油が垂れ流しとならず、エネルギーロスを防止できる。

請求項４の発明において、前記流路切替え弁の前記弁体は、前記制御弁の制御ポートの圧力と前記蓄圧器の圧力との差圧で作動するものとする。

流路切替え弁の弁体の一端に制御弁の制御圧を、他端に蓄圧器の圧力を作用させると、制御弁の開弁により一端側の圧力が低下するのに伴い、他端側の圧力によって弁体を駆動させることができる。この時の圧力低下速度や作動を開始する圧力により、増圧作動の遅れ時間を適宜設定し、所望の増圧特性を実現することができる。

請求項５の発明において、前記制御弁が閉弁状態の時には、前記流路切替え弁の切替え位置によらず、前記圧力供給源と前記制御室の間を、前記流路切替え弁を経由して連通させる。

このようにすると、噴射終了時に制御室圧を速やかに上昇させて、増圧作動を停止することができ、エネルギーロスを抑制することができる。

請求項６の発明において、前記制御弁が開弁状態の時には、前記流路切替え弁の切替え位置によって、前記制御室の圧力を高圧か低圧に制御する。

制御弁が開弁している時、流路切替え弁が作動を開始するまでは、切替えポートを介して制御室の圧力が高圧に制御され、増圧作動はなされない。所定の遅れ時間後に流路切替え弁が作動を開始すると、切替えポートを介して制御室の圧力が低圧となり、増圧作動が開始する。このようにして、増圧制御が容易になされる。

請求項７の発明において、前記流路切替え弁を介して前記制御室へ供給される供給圧力の圧力源は前記蓄圧器とする。

流路切替え弁を介して蓄圧器と制御室を連通させることで、エネルギーロスを抑制しながら、容易に増圧作動が制御できる。

請求項８の発明において、前記流路切替え弁を介して前記制御室へ供給される供給圧力の圧力源は前記高圧室とする。

高圧室の増圧された高圧燃料を制御室へ供給することで、増圧作動の終了を速やかにかつ確実に行うことができる。

請求項９の発明において、前記噴射ノズルの前記背圧室へ供給される供給圧力の圧力源は前記蓄圧器とする。

ノズル背圧の供給源を蓄圧器とすることで、エネルギーロスを抑制しながら、容易に噴射作動が制御できる。

請求項１０の発明において、前記噴射ノズルの前記背圧室へ供給される供給圧力の圧力源は前記高圧室とする。

高圧室の増圧された高圧燃料をノズル背圧室へ供給することで、噴射作動の終了を速やかにかつ確実に行うことができる。

請求項１１の発明において、前記噴射ノズルの前記背圧室に連通する燃料通路を途中分岐させて、その一方を前記圧力供給源、他方を前記制御弁に接続する。

制御弁閉弁時には、圧力供給源からの燃料供給によってノズル背圧が増加し、噴射ノズルを閉弁させる。制御弁開弁時には、圧力供給源からの燃料供給に対し制御弁への流出燃料が多くなるように設定することで、ノズル背圧を低下させて噴射ノズルを開弁させることができる。

以下、図面に基づいて本発明を車両ディーゼルエンジンの燃料噴射装置として適用した例について説明する。図１〜５に本発明の第１実施形態を示す。図１は本発明の燃料噴射装置の概略構成図であり、主な構成要素として、燃料を蓄圧する蓄圧器１０と、蓄圧器１０からの燃料を増圧する増圧器２０と、蓄圧器１０からの燃料を直接噴射または増圧器２０によって増圧された燃料を噴射する噴射ノズル３０と、増圧器２０および噴射ノズル３０の作動を制御する制御弁５０と、制御弁５０により制御される制御圧力で作動する流路切替え弁７０を備えている。また、これら構成要素を連通する燃料通路６１〜６７、７５〜７７が設けられ、燃料通路の途中には逆止弁４０およびいくつかの絞り８３、８４、８５が配設してある。

増圧器２０は、大径ピストン２１および小径プランジャ２２からなる増圧ピストンを有し、制御室２５の油圧によって増圧ピストンを駆動して、高圧室２４に供給される燃料を増圧する。高圧室２４には、蓄圧器１０から圧力供給通路６１、６４および逆止弁４０を介して燃料が供給される。噴射ノズル３０は、蓄圧器１０に連通する背圧室３４の油圧によって開閉が制御され、高圧室２４を介して供給される燃料を噴射する。

制御弁５０は、１つの２位置アクチュエータ５２によって駆動される２方弁として構成される。制御弁５０の制御ポートは、増圧器２０の制御室２５と流路切替え弁７０を介して連結されるとともに、噴射ノズル３０の背圧室３４と直接連結される。制御弁５０の排出ポートは、低圧系である燃料タンクＴに至る圧力開放通路６２に連結される。

流路切替え弁７０は２位置３方弁であり、その供給ポートは蓄圧器１０と連結され、開放ポートは制御弁５０の制御ポートと連結される。また、流路切替え７０の切り替えポートは増圧器２０の制御室２５と接続される。流路切替え弁７０は、蓄圧器１０の圧力と制御弁５０の制御ポートの圧力との差圧によって作動し、その位置に応じて切り替えポートを供給ポートまたは排出ポートと選択的に接続する。ここでは、制御弁５０の制御ポートが蓄圧器１０の圧力より所定の圧力だけ低くなった時に、切り替えポートが開放ポートと接続し、それ以外では供給ポートと接続するように構成する。

噴射初期に流路切替え弁７０を供給状態にすることで、制御弁５０の開弁と絞り８３、８４により、増圧制御とは無関係に噴射特性を設定することが可能である。噴射後半には流路切替え弁７０を排出状態とすることで、図では省略した絞りにより増圧特性が設定できる。また、増圧器２０の戻り行程では、流路切替え弁７０を供給状態とすることで、図では省略した絞りによって、増圧器２０の戻り特性が設定される。一方、制御弁５０と絞り８３でノズル閉弁特性が設定される。

図２は、図１の実施形態について、制御弁５０と流路切替え弁７０の具体的構成例を示すものであり、これを含む燃料噴射装置１の全体構成例を図５に示している。図５において、燃料噴射装置１は、増圧器２０が収容されるボデーＢの上端側に、制御弁５０および流路切替え弁７０が収容される第１ボデーＢ１および第２ボデーＢ２を、ボデーＢの下端側に、噴射ノズル３０を構成する第３ボデーＢ３および第４ボデーＢ４を配設し、リテーナＢ５、Ｂ６で油密に固定してなる。ボデーＢの側部には、蓄圧器１０に至る圧力供給通路６１が接続される燃料導入管１１（図１の左側部）と、燃料タンクＴに至る圧力開放通路６２が接続される燃料導出管１２（図１の右側部）が突出形成されている。

蓄圧器１０には、吐出量の可変機構を持つ公知の燃料ポンプ（図示せず）にて加圧された燃料が供給される。蓄圧器１０内に蓄えられる燃料の圧力は、図示しない制御装置によって、燃料ポンプからの吐出量を変更することで制御される。このように、蓄圧器１０を用いることで、運転状態によらず、安定した圧力を維持できる利点がある。蓄圧器１０の燃料は、圧力供給通路６１から分岐する燃料通路６３、６４を経て増圧器２０に供給されるとともに、燃料通路６１、６４から燃料通路６５、６６を経て噴射ノズル３０に供給される。

増圧器２０は、大径ボア２ａ内を油密を保って摺動可能な大径ピストン２１と、小径ボア２ｂ内を油密を保って摺動可能な小径プランジャ２２を有する。これら大径ピストン２１および小径プランジャ２２は軸線を一致させて実質的に一体となって上下方向に摺動するように設けられ、増圧ピストンとして機能する。大径ピストン２１の上端面（小径プランジャ２２と反対側の端面）と大径ボア２ａの上端内周面とで囲まれる空間は、駆動室２３を形成している。駆動室２３には、燃料通路６３から高圧燃料が導入されて増圧ピストンに下向きの油圧を作用させるようになっている。

一方、小径プランジャ２２の下端面（大径ピストン２１と反対側の端面）と小径ボア２ｂ下端内周面とで囲まれる空間は、高圧室２４を形成している。高圧室２４は、燃料通路６６を介して噴射ノズル３０の燃料溜まり部３６に連通するとともに、逆止弁４０を介して燃料通路６４に連通している。逆止弁４０は、高圧室２４および噴射ノズル３０方向への燃料流れのみを許容するもので、例えば、燃料通路６４の途中に設けた大径部にボール状の弁体を配設してなる。弁体は、通常、図２のように戻りバネによって閉弁方向（上方）に付勢されるが、ここでは、戻りバネを省略した実施例を示している。

また、大径ピストン２１の下端面（小径プランジャ２２側の端面）と、大径ボア２ａの下端内周面と、小径プランジャ２２の上端外周面とで、制御室２５が形成される。制御室２５には、大径ピストン２１を上向きに付勢する戻りバネ２６が配設される。制御室２５の圧力は、燃料通路７６を介して連通する流路切替え弁７０によって制御され、圧力を増減させるのに伴って増圧ピストン（大径ピストン２１および小径プランジャ２２）がボア内を摺動し、高圧室２４の燃料を増圧することができる。

噴射ノズル３０は、噴孔３５を開閉するニードル弁３１と、ニードル弁３１に背圧を作用させる背圧室３４を有している。ニードル弁３１は、第４ボデーＢ４に設けたボア３２内を油密を保って図の上下方向に摺動する。背圧室３４は、ニードル弁３１の上端面とボア３２の上端内周面とで形成され、背圧室３４内にはニードル弁３１を閉弁方向に付勢するバネ３３が配設される。噴射燃料は、燃料通路６６からニードル弁３１の中間部周りに設けた燃料溜まり部３６を介して噴孔３５へと供給される。背圧室３４への燃料通路６５には、絞り８３を介して蓄圧室１０に至る燃料供給通路６１が接続されるとともに、絞り８４を介して制御弁５０に至る圧力開放通路としての燃料通路６７が接続される。

制御弁５０は２つの制御機能を有し、弁体５１が、第１ボデーＢ１に設けたボア内を油密を保って図の上下方向に摺動することにより、噴射ノズル３０からの噴射を直接制御するとともに、増圧器２０の増圧ピストンの駆動を間接的に制御する。弁体５１の上端には、円板状のアーマチャ５５が結合されており、電磁コイル５４、戻りバネ５６との協働により２位置の電磁アクチュエータ５２として作動する。アーマチャ５５、電磁コイル５４、戻りバネ５６は、第２ボデーＢ２内に収容されている。

弁体５１は、上下端部に円筒状の摺動部を有し、中間部に細径部とこれに続く逆円錐部を設けてその間の段付部にて平面シート５１ａを形成している。細径部と逆円錐部周囲のボア内周面には環状溝１０１、１０２が設けられ、その間の段付部に形成される平面シート５３と弁体５１の平面シート５１ａとが２方弁として開閉作動をするようになっている。すなわち、噴射ノズル３０または流路切替え弁７０に至る燃料通路６７が接続される環状溝１０１が制御ポートとして、圧力開放通路６２が接続される環状溝１０２が開放ポートとして機能して、弁体５１の位置によってこれらポートの連通・遮断が切り替わる。

図中の制御弁５０において、弁体５１の下端摺動部の下方に形成される部屋５７は、制御弁５０に必要な吸引力を低減するため、図示しない通路によって低圧回路に連結され、圧力バランスするようになっている。

なお、図２では、この制御弁５０形状の変形例を示しており、細径部に続く円錐部の下端面を平面シート５１ａとし、下端摺動部を有しない簡易な構成としている。また、図５の例ではアーマチャ５５の下方に電磁コイル５４と戻りバネ５６を配してアーマチャ５５を下方に吸引駆動し、図２の例ではアーマチャ５５の上方に電磁コイル５４と戻りバネ５６を配してアーマチャ５５を上方に吸引駆動する構成となっているが、これにより平面シート５３を開放して制御ポートを低圧回路に接続する同様の機能を有する。

流路切替え弁７０は、弁体７１が第１ボデーＢ１に設けたボア内を油密を保って図の上下方向に摺動する。弁体７１は、上下端部に円筒状の摺動部を有し、中間部の２つの細径部の間に円錐部を有している。これら２つの細径部と円錐部周囲のボア内周面には３つの環状溝１０３〜１０５が設けられ、環状溝１０３と１０４、環状溝１０４と１０５の間の段付部に形成される平面シート７２、７３と、円錐部の円錐シート７１ａおよび平面シート７１ｂとで、３方弁として切替え作動をするようになっている。ここで、中央の環状溝１０４は、増圧器２０の制御室２５と燃料通路７６を介して連通し、上環状溝１０３は燃料通路７５を介して制御弁５０の制御ポートに至る燃料通路６７に、下環状溝１０５は燃料通路７７を介して蓄圧器１０に至る燃料供給通路６１にそれぞれ連通している。すなわち中央の環状溝１０４が切替えポートとして機能し、弁体７１の位置によって開放ポートとなる上環状溝１０３および供給ポートとなる下環状溝１０５のいずれかと選択的に連通して、増圧器２０の制御圧を切替える。

ここで弁体７１は、上端側に燃料通路７７を介して蓄圧室１０に連通する圧力室８１を有し、下端側に設けた作動室８２は、絞り８５を介して制御弁５０に至る燃料通路６７および噴射ノズル３０の背圧室３４に至る燃料供給通路６５に接続している。作動室８２内にはバネ７４が配設されて弁体７１に上方向の荷重を負荷している。これにより、弁体７１は、上端側に蓄圧器１０の圧力を受け、下端側に制御弁５０の制御ポートの圧力を絞り８５を介して受けることになり、その差圧とこれに対抗するバネ７４のバネ力によって作動する。従って、制御弁５０が開弁しても流路切替え弁７０は直ちに作動せず、遅れを有して作動を開始することになる。この時の作動圧力をバネ７４の付勢力と絞り８５の開口面積により設定することができ、作動圧力の設定を変更することによって、この切り替え作動の遅れ時間を調整することができる。

本発明の構成上の特徴は、２位置アクチュエータとしての制御弁５０の構成が２方弁であり、噴射ノズル３０の背圧室３４の圧力を開閉制御することである。また前記２方弁の制御ポートが、流路切替え弁７０を介して増圧器２０の制御室２５に連結されることである。さらに流路切替え７０の構成が３方弁であり、制御室２５に接続する切り替えポートが蓄圧器２０または制御弁５０の制御ポートに選択的に接続することである。

このように構成すると、制御弁５０の開弁時（噴射期間）に発生するわずかなリーク以外の垂れ流しはない。また、増圧器２０の流路切替え弁７０は、上述したように設定圧力以下となるまで作動しないので、増圧しない圧力での噴射が可能となるなど、増圧特性と噴射特性の制御の自由度が向上する。

上記構成の燃料噴射装置の作動について、図２〜４を用いて詳細に説明する。図２は、制御弁５０の弁体５１が戻りバネ５６によって初期位置にある状態である。この状態において、制御弁５０は平面シート５１ａがシート５３に着座して閉状態にある。すなわち、燃料通路６７と圧力開放通路６２の連通が遮断されるので、噴射ノズル３０の背圧室３４の圧力が流出することがなく、一方、絞り８３、燃料通路６１を介して蓄圧器１０の圧力を受けることで、背圧室３４の圧力は高くなっている。

この状態で、流路切替え弁７０は、両端の圧力室８１と作動室８２が蓄圧器１０の圧力を受けて同じ高圧になるため、バネ７４の付勢力で図示する上端位置にあり、上環状溝１０３と中環状溝１０４の間が遮断されてシート７２は閉状態となり、下環状溝１０５と中環状溝１０４が連通してシート７３が開状態になっている。そのため、蓄圧器１０からの高圧が、燃料通路６１、流路切替え弁７０の環状溝１０５、シート７３、環状溝１０４、燃料通路７６を介して、増圧器２０の制御室２５に供給されている。一方、燃料通路６１、６４、逆止弁４０を通って蓄圧器１０からの同じ圧力が、高圧室２４にも供給されているため、増圧器２０の増圧ピストンが上下の各室から受ける力はバランスする。この時、戻りバネ２６（図５参照）によってピストン２１、プランジャ２２は図の上方に移動し、高圧室２４に燃料が充填される。この状態ではノズル背圧が高圧室２４すなわち蓄圧器１０と同じ圧力になるので噴射ノズル３０は開弁せず、従って噴射しない。

次に、アクチュエータ５２の電磁コイル５４に通電すると吸引力が発生し、制御弁５０の弁体５１は図の上方に移動を始める。図３は移動後の状態を示しており、制御弁５０が開弁して、背圧室３４は燃料通路６５、絞り８４、燃料通路６７を介してドレン側の圧力開放通路６２と連通する。ここで、絞り８４が蓄圧室１０に至る絞り８３より大きく設定されているため、制御弁５０の開弁によって背圧室３４内の圧力が開放される。これに伴い、ニードル弁３１に加わる油圧力のバランスがくずれて下からの力の方が大きくなり、バネ３３（図５参照）のバネ力に打ち勝って噴射ノズル３０が開弁すると、噴孔３５から燃料が噴射される。

流路切替え弁７０は、背圧室３４内の圧力が低下し所定の圧力になるまで、弁体７１がシート７２を閉弁したままであるため、増圧器２０の制御室２５も高圧のままとなる。つまり、大径ピストン２１、小径プランジャ２２は停止したままであるので、この時の噴射圧力は蓄圧器１０の圧力にほぼ等しい。

背圧室３４内の圧力がさらに開放されると、流路切替え弁７０の弁体７１が、図４に示す下端位置まで移動する。すなわち、背圧室内の圧力開放後、絞り８５にて設定される所定の遅れをもって、弁体７１下側の作動室８２の圧力も低下する。 作動室８２の圧力が所定の設定圧力以下になると、弁体７１がその両端の差圧によってバネ７４に抗して下方に移動する。そして、図示の状態になると、流路切替え弁７０の上環状溝１０３と中環状溝１０４が連通してシート７２が開状態となり、下環状溝１０５と中環状溝１０４の間が遮断されてシート７３が閉状態となるために、増圧器２０の制御室２５が、燃料通路６７を介して圧力開放通路６２と連通する。すなわち、制御室２５の圧力が開放されるため、大径ピストン２１と小径プランジャ２２は下方に移動を始める。

この増圧ピストンの移動によって高圧室２４の圧力が上昇を始める。最終的には駆動室２３の圧力に対し、大径ピストン２１と小径プランジャ２２の断面積比倍、例えば蓄圧器１０の圧力が１３０ＭＰａで断面積比を２に設定すれば、高圧室２４の圧力は２倍の２６０ＭＰａになる。そして、増圧された超高圧の燃料が噴射ノズル３０から噴射される。

図４の状態を続けることによって増圧作動を進めることで、超高圧での主噴射が可能になる。微小噴射時には、図３の状態からすぐに図２の状態に戻ることで、増圧が開始しないうちに、従って低圧での噴射が可能になる。

また、噴射を終了するには、アクチュエータ５２への通電を停止して制御弁５０を初期位置へ戻し、図２の状態にする。この時、制御弁５０の閉弁に遅れて流路切替え弁７０が作動するため、流路切替え弁７０としては、一時増圧作動状態のままになるが（図４の状態）、流出先である制御弁５０が閉じることで流出が止まり、さらに絞り８３、８４を通って供給される燃料が、開状態となっている流路切替え弁７０のシート７２から制御室２５に逆流することで、制御室２５への圧力供給が遅れを有さずに開始される。次いで、遅れて流路切替え弁７０の弁体７１が作動し、図２の状態に戻ると、シート７２が閉状態となるが、開状態のシート７３を介して引きつづき燃料が供給されるため、流路切替え弁７０の状態によらず、制御室２５へ燃料供給可能となる。

従って噴射作動の終了と増圧作動の終了は同時にでき、すばやい噴射終了を実現することができる。このすばやい噴射終了は、よく知られているように、内燃機関の排出黒煙を低減する効果がある。

以上のように、本実施形態によれば、大流量の垂れ流しを防止して、エネルギーロスをなくし、内燃機関の燃費を向上できるという効果を発揮する。なお、制御弁５０が開弁している時、噴射期間の一瞬ではあるが供給圧力が低圧回路といくつかの絞りを介して連通状態になる。ただし、この噴射時リークは極めて微量であり、ロスとしては少ないものとなる。

図６は、本実施形態の燃料噴射装置の作動をタイミングチャートで示したものである。図中、ａ）のタイミングは、上述した図２の初期状態、ｂ）のタイミングは、図３の低圧噴射状態、ｃ）のタイミングは図４の超高圧噴射状態にそれぞれ対応している。図中、ａ）の状態から、駆動信号が出力されると制御弁５０が作動して、平面シート５３（背圧開放ポート）が開弁する。これによって噴射ノズル３０の背圧室３４の圧力が開放され、噴射が開始される。このｂ）の時点では、流路切替え弁７０は作動せず、噴射圧力は低圧のままである。引き続き前記図４のように流路切替え弁７０が作動し、シート７２（増圧開放ポート）が開くと増圧器２０が作動を開始し、増圧が始まる。ｃ）の時点では、噴射圧力は超高圧となる。次に、所定の噴射量になったところで駆動信号を停止すると、制御弁５０の平面シート５３が閉弁し、ノズル背圧が高くなるため、噴射ノズル３０が閉弁する。この時、流路切替え弁７０が遅れて作動するが、前記した通り、流路切替え弁７０の状態によらず背圧室３４に燃料が供給されるため、遅れることなく増圧を即時停止して増圧器２０の戻り行程を開始することができる。

本発明で注目すべき点は、増圧器２０の制御室２５の圧力を開放する時と、加圧する時の通路が別になっているという点であり、これを利用して、圧力開放速度によって増圧時の圧力上昇速度を変えることができる（図６の破線Ａ）とともに、加圧速度によって増圧器２０の戻り速度を変えることができる（図６の破線Ｂ）。また、絞り８５と流路切替え弁７０の設定圧によって、増圧の開始位相を変えることができる（図６の破線Ｃ）。これらにより、図６の破線Ａ、Ｃで示すように圧力上昇速度、増圧開始時期によって噴射率パターンを変えることができる。この最適化はよく知られているように、内燃機関の排気ガス浄化・出力向上に効果的である。また、破線Ｂで示すように増圧器２０の戻り速度が変えられることで、特に、高速の内燃機関において初期位置に戻す時間を速めるなどの設定が他の特性に影響することなく可能になる。

以上の説明から明らかなように、噴射の初期を低圧にでき、その期間が絞り８５と油圧弁７０の設定圧で変えられるだけでなく、超高圧を必要としない微小噴射などの時は、噴射状態になる時間が極めて短いため、加圧されないままの噴射にすることが可能である。また回路構成上、その作動から燃料の垂れ流し状態は２方弁である制御弁５０の噴射時リークのみとなり、しかも増圧終了が噴射終了と同時にできるため、むだな増圧器２０の作動をせず、つまりむだな駆動エネルギーが不要となるという効果が発揮できる。

従って、本発明では、２位置アクチュエータの制御弁を１個用いるだけという簡易な構成で、ロスのない超高圧噴射を実現するとともに、低圧、超高圧の噴射などの各種の噴射パターンを実現できる。さらに、増圧器２０の作動を最適化できることで前記最適な噴射特性を作り込むことができ、戻り時間の最適化ができるという特徴を併せ有する。

図７にコンピュータシミュレーションによる数値解析結果例を示す。図示されるように、制御弁５０に遅れて流路切替え弁７０が作動を開始し、噴射開始時には、増圧ピストンが作動せずに高圧室２４の圧力が低い状態となっている。その後、増圧ピストンがリフトして高圧室２４の圧力が上昇し、初期噴射率が低くその後高くなる噴射特性が実現できる。さらに噴射終了時には流路切替弁が増圧位置にあるにもかかわらず、噴射終了と同時に増圧を停止し復帰を開始している。このように、上述した模式図により説明した作動と、ほぼ同等の作動・性能が得られることが確認された。

図８に第２の実施形態の構成を示す。第２の実施形態の基本構成は、上記第１実施形態と同様であり、以下、相違点を中心に説明する。本実施形態と上記第１実施形態との違いは、噴射ノズル３０の背圧室３４への供給通路の構成にある。上記第１実施形態では、ノズル背圧の供給通路となる燃料通路６５を蓄圧室１０に至る燃料供給通路６１に接続していたのに対し、本実施形態では、増圧器２０の高圧室２４に至る燃料通路９１を設けて、絞り８３を介して燃料通路６５を接続する。その他の構成は上記第１実施形態と同様であり、説明を省略する。

本実施形態の構成によれば、噴射終了時に背圧室３４へ高圧室２４からの超高圧が供給され、作動圧力が高圧になるため確実な終了作動とすることができる。なお、この構成によっても噴射終了後の安定期には高圧は残らず、各部の圧力は蓄圧器１０の圧力となる。従って、駆動エネルギーのロスを抑制しながら、噴射終了を迅速に行うことができる。

図９に第３の実施形態の構成を示す。第３の実施形態の基本構成は、上記第２実施形態と同様であり、以下、相違点を中心に説明する。本実施形態と上記第２実施形態との違いは、流路切替え弁７０の供給ポートの通路構成にある。上記第２実施形態では、流路切替え弁７０の供給ポートに蓄圧器１０に至る燃料供給通路６１を接続し、蓄圧器１０から増圧器２０の制御室２５に供給していたのに対し、本実施形態では、増圧器２０の高圧室２４に至る燃料通路９１に接続される燃料通路９２を設けて、供給ポートに高圧を供給する。その他の構成は上記第１実施形態と同様であり、説明を省略する。

本実施形態の構成によれば、増圧器２０の制御室２５へも超高圧が供給されるので、増圧作動の終了がより確実になる。さらに第２実施形態と同様に、高圧室２４の増圧された超高圧が噴射制御に使われるため、噴射圧力を急激に低下させて噴射の迅速な終了が実現できる。

図１０に第４の実施形態の構成を示す。第４の実施形態の基本構成は、上記第３実施形態と同様であり、以下、相違点を中心に説明する。本実施形態と第３実施形態との違いは、噴射ノズル３０の背圧室３４への燃料通路６５が、上記第１実施形態と同様、蓄圧器１０に至る燃料供給通路６１に接続されることである。また、流路切替え弁７０の供給ポートに増圧器２０の高圧室２４に至る燃料通路９３を接続し、供給ポートに高圧を供給する。その他の構成は上記第３実施形態と同様であり、説明を省略する。

本実施形態では、ノズル背圧の供給源を高圧室２４ではなく蓄圧器１０にすることで、制御力が小さくなるものの、高圧室２４から高圧を流出させる必要がなくなるため、エネルギーロスが小さくできる。また、上記第３の実施形態と同様、増圧器２０の制御室２５へは高圧室２４から超高圧が供給されるので、増圧作動の終了をより確実にできる。

このように、噴射ノズル３０の背圧室３４および流路切替え弁７０の供給ポートへの供給源は、蓄圧器１０または高圧室２４のいずれかを選択してもよく、これらを組み合わせることで、所望の特性あるいはエネルギーロス低減効果を発揮できる。

本発明の第１の実施形態を示す燃料噴射装置の概略構成を示す模式図である。 本発明の第１の実施形態の作動を説明するための燃料噴射装置の概略構成図（初期状態）である。 第１の実施形態の作動を説明するための燃料噴射装置の概略構成図（噴射制御状態）である。 第１の実施形態の作動を説明するための燃料噴射装置の概略構成図（増圧制御状態）である。 第１の実施形態の燃料噴射装置の全体構成を示す断面図である。 第１の実施形態の作動を説明するためのタイムチャート図である。 本発明の効果を確認するためのコンピュータシミュレーションによる数値解析結果を示す図である。 本発明の第２の実施形態を示す燃料噴射装置の概略構成図である。 本発明の第３の実施形態を示す燃料噴射装置の概略構成図である。 本発明の第４の実施形態を示す燃料噴射装置の概略構成図である。 従来例を示す燃料噴射装置の概略構成図である。

符号の説明

Ｔ 燃料タンク
１０ 蓄圧器
２０ 増圧器
２１ 大径ピストン（増圧ピストン）
２２ 小径プランジャ（増圧ピストン）
２３ 駆動室
２４ 高圧室
２５ 制御室
３０ 噴射ノズル
３１ ニードル弁
３４ 背圧室
３５ 噴孔
３６ 燃料溜まり部
４０ 逆止弁
５０ 制御弁
５１ 弁体
５２ 電磁アクチュエータ
５４ 電磁コイル
５５ アーマチャ
６１ 供給通路
６２ 圧力開放通路
６３〜６６ 燃料通路
７０ 流路切替え弁
７１ 弁体
７２、７３ シート
７５〜７７ 燃料通路
８１ 圧力室
８２ 作動室
８３〜８５ 絞り
９１〜９３ 燃料通路
１０１〜１０５ 環状溝

Claims (11)

1. 燃料を蓄圧する蓄圧器と、
   制御室の油圧によって増圧ピストンを作動させ、上記蓄圧器から高圧室に供給される燃料を増圧する増圧器と、
   背圧室の油圧によって開閉が制御され、前記蓄圧器から供給される燃料を直接または前記増圧器によって増圧して噴射する噴射ノズルと、
   前記増圧器の増圧作動と前記噴射ノズルの噴射作動を制御する制御弁とを備える内燃機関用燃料噴射装置において、
   前記制御弁が、２位置アクチュエータによって駆動される１つの２方制御弁であり、
   該制御弁によって前記背圧室の油圧を直接制御することにより、前記噴射ノズルの噴射作動を制御するとともに、
   前記制御弁により制御される制御圧力で作動する２位置３方弁構造の流路切替え弁を設けて、
   前記流路切替え弁を介して、前記制御室を圧力供給源からの供給通路または低圧系への圧力開放通路のいずれかに選択的に接続して、前記制御室の油圧を間接的に制御することにより、前記増圧器の増圧作動を制御し、
   かつ前記制御室の圧力開放時には、前記流路切替え弁の作動圧力が設定作動圧力に低下するまでその作動開始が遅れることで、噴射作動に対して増圧圧送作動の開始が遅れを有し、一方、圧力供給時には、前記流路切替え弁の遅れ期間中、前記圧力開放通路を介して前記制御室へ圧力供給することで、増圧停止および復帰作動が噴射作動に対して遅れを有さずになされる構成としたことを特徴とする内燃機関用燃料噴射装置。
2. 前記制御弁は、前記低圧系への圧力開放通路を開閉するものであり、前記流路切替え弁を介して、前記制御室を低圧系に開放することにより前記増圧ピストンを増圧作動させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用燃料噴射装置。
3. 前記流路切替え弁は、前記制御室へ接続される切替えポート、前記圧力供給源からの供給通路へ接続される供給ポートおよび前記制御弁へ接続される開放ポートと、これらポート間を開閉する弁体を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関用燃料噴射装置。
4. 前記流路切替え弁の前記弁体は、前記制御弁の制御ポートの圧力と前記蓄圧器の圧力との差圧で作動することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関用燃料噴射装置。
5. 前記制御弁が閉弁状態の時、前記流路切替え弁の切替え位置によらず、前記圧力供給源と前記制御室の間が、前記流路切替え弁を経由して連通していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の内燃機関用燃料噴射装置。
6. 前記制御弁が開弁状態の時、前記流路切替え弁の切替え位置によって、前記制御室の圧力が高圧か低圧に制御されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の内燃機関用燃料噴射装置。
7. 前記流路切替え弁を介して前記制御室へ供給される供給圧力の圧力源は前記蓄圧器であることを特徴とする請求の範囲１から６のいずれかに記載の内燃機関用燃料噴射装置。
8. 前記流路切替え弁を介して前記制御室へ供給される供給圧力の圧力源は前記高圧室であることを特徴とする請求の範囲１から６のいずれかに記載の内燃機関用燃料噴射装置。
9. 前記噴射ノズルの前記背圧室へ供給される供給圧力の圧力源は前記蓄圧器であることを特徴とする請求の範囲１から８のいずれかに記載の内燃機関用燃料噴射装置。
10. 前記噴射ノズルの前記背圧室へ供給される供給圧力の圧力源は前記高圧室であることを特徴とする請求の範囲１から８のいずれかに記載の内燃機関用燃料噴射装置。
11. 前記噴射ノズルの前記背圧室に連通する燃料通路は途中分岐して、その一方は前記圧力供給源、他方は前記制御弁に接続されることを特徴とする請求の範囲９または１０に記載の内燃機関用燃料噴射装置。
    
    

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