JP2008014159A - 内燃機関 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃焼室8に高圧燃料を直接噴射するインジェクタ21と、駆動カム31の回転によって往復変位されるプランジャ32で燃料タンク22から導入される燃料を加圧してインジェクタ21側へ供給する高圧フューエルポンプ24とを備える内燃機関1において、外形や重量を大型化することなく、二次慣性力Fに起因する振動を低減または無くすようにする。
【解決手段】駆動カム31が、クランクシャフト7で駆動されるように設置される。高圧フューエルポンプ24は、プランジャ32による燃料加圧に伴う反力Pを、クランクシャフト7の回転に伴い内燃機関1の中心Oに発生する二次慣性力Fに対し逆位相としてクランクシャフト7に作用させる形態で設置されている。
【選択図】図1
【解決手段】駆動カム31が、クランクシャフト7で駆動されるように設置される。高圧フューエルポンプ24は、プランジャ32による燃料加圧に伴う反力Pを、クランクシャフト7の回転に伴い内燃機関1の中心Oに発生する二次慣性力Fに対し逆位相としてクランクシャフト7に作用させる形態で設置されている。
【選択図】図1
Description
本発明は、燃焼室に高圧燃料を直接噴射するインジェクタと、燃料タンクからの燃料を加圧してインジェクタ側へ供給するためのプランジャ式の高圧フューエルポンプとを備える内燃機関に関する。
一般的に公知のように、内燃機関においてピストンやコネクティングロッド系の往復運動に起因した往復慣性力により機関本体に振動が発生する。例えば直列四気筒内燃機関では、四つの気筒を二つずつ気筒群に分割し、これら二つの気筒群のピストンを互いに逆位相で往復運動させている。これにより各気筒から生じる往復慣性力を互いに相殺し、振動を低減しようとしている。
しかしながら、往復動中のピストンの速度は上死点と下死点との間において上死点側で最大となるため、往復慣性力も上死点側で最大となる。そのために、上述したようにピストンを互いに逆位相で運動するように配置しても、二次慣性力が相殺されずに残ってしまう。
この二次慣性力の発生に伴い、内燃機関が上下振動して、それが内燃機関マウントを介して車室内で騒音となる。
そこで、このような振動対策として、直列四気筒内燃機関にバランサーシステムを配置することが提案されている(例えば非特許文献1参照。)。
バランサーシステムは、二つのバランスシャフトを有し、各バランスシャフトにはその中心軸線に関し非対称な重りが取り付けられる。二つのシャフトは、重りが互いに同位相で回転するように互いに逆方向へ回転される。これにより、二次慣性力と逆位相の慣性力を発生させ、二次慣性力を低減または打ち消すようにしている。
トヨタ自動車株式会社編集・サービス部発行の『ハイラックサーフ新型車解説書(1995年12月1日発行、品番61475)』の1−13頁参照
トヨタ自動車株式会社編集・サービス部発行の『ハイラックサーフ新型車解説書(1995年12月1日発行、品番61475)』の1−13頁参照
上記従来例では、バランスシャフトを設置するための占有スペースを確保する必要があるために、内燃機関の外形や重量が大型化してしまう等、改善の余地がある。
本発明は、高圧フューエルポンプを備える内燃機関において、外形や重量を大型化することなく、二次慣性力に起因する振動を低減または無くすようにすることを目的としている。
本発明は、燃焼室に高圧燃料を直接噴射するインジェクタと、駆動カムの回転によって往復変位されるプランジャで燃料タンクから導入される燃料を加圧して前記インジェクタ側へ供給する高圧フューエルポンプとを備える内燃機関であって、前記駆動カムが、クランクシャフトで駆動されるように設置され、前記高圧フューエルポンプが、プランジャによる燃料加圧に伴う反力を、クランクシャフトの回転に伴い内燃機関の中心に発生する二次慣性力に対し逆位相として前記クランクシャフトに作用させる形態で設置されていることを特徴としている。
この構成によれば、内燃機関中心に発生する二次慣性力を、内燃機関にもともと装備される高圧フューエルポンプによる燃料加圧の反力を利用して低減または打ち消すようにしている。これにより、従来において用いられているバランサーシステムを小型化または排除することが可能になる。
好ましくは、前記駆動カムは、前記クランクシャフトのジャーナル部の前端側に同軸上に設けられ、前記高圧フューエルポンプは、前記駆動カムの上方に配置されるとともに、気筒の中心軸線と略平行でかつ駆動カムの回転中心を通る直線に沿ってプランジャを往復変位させる姿勢とされる。
このように構成を明確にすることにより、上述したような二次慣性力を低減または打ち消すために必要な反力の把握が容易になるとともに、当該反力のセッティングが行いやすくなる。
そもそも、内燃機関とそれに付設される変速機とを組み合わせたパワープラントの重心は、内燃機関の中心に対し変速機側にオフセットされる。その一方で、上記本発明構成のように、プランジャによる燃料加圧に伴う反力が駆動カムを通じてクランクシャフトの前端側に作用するようになるので、この反力の作用点が前記二次慣性力の発生点とオフセットされる。つまり、内燃機関の中心に対するパワープラントの重心のオフセットと、内燃機関の中心に対する前記反力の作用点のオフセットとの関係によって、前記二次慣性力を打ち消すのに必要な前記反力を二次慣性力より小さく設定することが可能になる。これにより、高圧フューエルポンプの容量を無駄に大きくせずに済む。
好ましくは、前記クランクシャフトに対する駆動カムの設置は、前記プランジャによる加圧室の圧縮上死点を、ピストンの上死点または下死点より遅角側とするように位置決めされる。
この構成によれば、高圧フューエルポンプのプランジャによる燃料の最大加圧時における反力を、ピストンの上死点または下死点で発生させることが可能になる。これにより、二次慣性力を効果的に低減または打ち消すことが可能になる。
本発明では、内燃機関の外形や重量を大型化することなく、二次慣性力に起因する振動を低減または無くすことが可能になる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1から図6に本発明の一実施形態を示している。この実施形態では、内燃機関として、自動車等に搭載される筒内直噴式の直列四気筒ガソリンエンジンを例に挙げて説明する。
図1において、1は内燃機関、2は変速機であり、内燃機関1と変速機2とでパワープラントが構成される。
内燃機関1の各気筒(シリンダボア)4には、ピストン5A〜5Dが収納配置されており、各ピストン5A〜5Dがコネクティングロッド6を介してクランクシャフト7のクランクピン7aに取り付けられている。クランクシャフト7は、そのジャーナル部7bがシリンダブロック1Aに回転自在に支持されている。
シリンダブロック1Aの各気筒4と各ピストン5A〜5Dとシリンダヘッド1Bとで所定容量の燃焼室8が形成されている。各燃焼室8には、吸気ポート9と排気ポート10が接続されている。吸気ポート9は、吸気カムシャフト11で駆動される吸気バルブ12で、また、排気ポート10は、排気カムシャフト13で駆動される排気バルブ14でそれぞれ開閉される。
各燃焼室8には、それぞれインジェクタ21により直接的に燃料が噴射されるようになっている。このような直噴式内燃機関1の場合、各インジェクタ21へ供給する燃料を高圧とする必要がある。
この直噴式内燃機関1に用いる燃料供給系としては、図2に示すように、燃料タンク22から燃料を送り出すフィードポンプ23、このフィードポンプ23によって送り出された燃料を加圧する高圧フューエルポンプ24、この高圧フューエルポンプ24によって加圧された燃料を蓄積するとともに各インジェクタ21が接続されるデリバリパイプ(蓄圧容器)25等を含む。
ここで、本発明の特徴を適用した部分の説明に先立ち、この実施形態で例示する高圧フューエルポンプ24の構成や動作について説明する。
高圧フューエルポンプ24は、図2に示すように、一般的に公知のプランジャ式と呼ばれるものとされ、回転する駆動カム31からの押圧力を受けてプランジャ32がシリンダ33内で往復変位して加圧室34の容積を拡大及び縮小させて燃料を加圧するようになっている。
プランジャ32の下端部と有底円筒形状のリフタ35との間には、リテーナ36が装着されている。このリテーナ36には、コイルスプリング37によってプランジャ32を押し下げる方向(加圧室34の容積を拡大させる方向)の付勢力が与えられている。駆動カム31は、リフタ35の下面に当接される。
なお、加圧室34は、低圧燃料配管26を介してフィードポンプ23に接続されており、また、高圧燃料配管27を介してデリバリパイプ25内に接続されている。
デリバリパイプ25には、デリバリパイプ25内の燃料圧力(実燃圧)を検出する燃圧センサ41が配設されている。また、このデリバリパイプ25には、リリーフバルブ42を介してリターン配管43が接続されている。このリリーフバルブ42は、デリバリパイプ25内の燃料圧力が所定圧(例えば13MPa)を越えたときに開弁する。この開弁により、デリバリパイプ25に蓄えられた燃料の一部がリターン配管43を介して燃料タンク22に戻されるようになる。これにより、デリバリパイプ25内の燃料圧力の過上昇が防止される。
また、リターン配管43と高圧フューエルポンプ24とは、余剰燃料戻し配管44(図2では破線で示している)によって接続されており、プランジャ32とシリンダ33との間隙から漏出した燃料がオイルシール45の上部の燃料収容室39に蓄積され、その後、この燃料収容室39に接続された上記余剰燃料戻し配管44に戻される。
なお、低圧燃料配管26には、フィルタ46及びプレッシャレギュレータ47が設けられている。このプレッシャレギュレータ47は、低圧燃料配管26内の燃料圧力が所定圧(例えば0.4MPa)を越えたときに低圧燃料配管26内の燃料を燃料タンク22に戻すことによって、この低圧燃料配管26内の燃料圧力を所定圧以下に維持している。
また、低圧燃料配管26には、パルセーションダンパ48が備えられており、このパルセーションダンパ48によって高圧フューエルポンプ24の作動時における低圧燃料配管26内の燃圧脈動が抑制されるようになっている。
また、高圧燃料配管27には、高圧フューエルポンプ24から吐出された燃料が逆流することを阻止するための逆止弁49が設けられている。
さらに、低圧燃料配管26と加圧室34との間には、それらを連通または遮断するための電磁スピル弁50が設けられている。
この電磁スピル弁50は、電磁ソレノイド51への通電を制御することにより開閉動作するもので、いわゆるノーマリーオープンタイプ、つまり電磁ソレノイド51への通電を停止しているとコイルスプリング52の付勢力によって開く状態となるが、電磁ソレノイド51へ通電するとコイルスプリング52の付勢力に抗して閉じる状態になる。
次に、上述したような構成の高圧フューエルポンプ24の動作を説明する。
クランクシャフト7と共に駆動カム31が回転することに伴い、駆動カム31のカムノーズ31a,31bがリフタ35に当接することによって、リフタ35およびプランジャ32が上昇しながらコイルスプリング37を圧縮して加圧室34の容積を縮小する一方、カムノーズ31a,31bがリフタ35から離れることによって、コイルスプリング37の伸張復元力によりリフタ35およびプランジャ32が下降させられて加圧室34の容積を拡大する。
ここで、上述したプランジャ32の下降過程において、電磁スピル弁50を開弁して低圧燃料配管26と加圧室34とを連通させると、フィードポンプ23から送り出された燃料が低圧燃料配管26を経て加圧室34内に吸入される(吸入行程)。
一方、上述したプランジャ32の上昇過程において、電磁スピル弁50を閉弁して低圧燃料配管26と加圧室34とを遮断させると、加圧室34内の燃料が加圧され、この燃料圧力が所定値に達した時点でチェック弁53が開放して、高圧の燃料が高圧燃料配管27を通じてデリバリパイプ25に向けて吐出される(加圧行程)。
なお、加圧行程において、電磁スピル弁50の閉弁開始時期を早めて閉弁期間を長くすれば燃料吐出量を増加することができ、また、電磁スピル弁50の閉弁開始時期を遅らせて閉弁期間を短くすれば燃料吐出量を減少することができる。このように加圧行程での電磁スピル弁50の閉弁期間を制御することによって高圧フューエルポンプ24による燃料吐出量を調節することができ、この燃料吐出量によってデリバリパイプ25内の燃料圧力を制御できるのである。
ここで、本発明の特徴を適用した部分について詳細に説明する。
要するに、高圧フューエルポンプ24を、内燃機関1のクランクシャフト7で直接的に駆動するようにしたうえで、この高圧フューエルポンプ24の設置状態や駆動タイミングを以下のように工夫している。
まず、駆動カム31は、クランクシャフト7のジャーナル部7bの前端部に同軸上に取り付けられることによって、クランクシャフト7と同期回転するようになっている。この駆動カム31には、クランクシャフト7の回転軸線回りに180°の角度間隔をもって二つのカムノーズ31a,31bが設けられている。
これにより、クランクシャフト7が一回転すると、二つのカムノーズ31a,31bによってそれぞれプランジャ32をリフトするので、高圧フューエルポンプ24からの燃料吐出動作を二回行える。その一方で、内燃機関1の一サイクルつまりクランクシャフト7が二回転すると、四つの気筒4に対応する各インジェクタ21から各一回の燃料噴射を行えるようになる。このように、高圧フューエルポンプ24による一回の燃料吐出で、四つのインジェクタ21のうちのいずれか一つから燃料を噴射させる形態とすることができる。これを、一吐出一噴射形態と言うことにする。
そして、図3に示すように、高圧フューエルポンプ24は、駆動カム31の上方に配置されているとともに、各気筒4の中心軸線Xと略平行でかつ駆動カム31の回転中心Zを通る直線Yに沿ってプランジャ32を往復変位させる姿勢とされている。
さらに、クランクシャフト7に対する駆動カム31の設置は、高圧フューエルポンプ24のプランジャ32による加圧室34の圧縮上死点を、ピストン5A〜5Dの上死点または下死点より遅角側とするように、位置決めされている。
具体的には、図4に示すように、ピストン5A〜5Dが上死点(または下死点)に位置するときに、内燃機関1の前端側から見て、ピストン5A〜5Dからクランクシャフト7のジャーナル部7bまでが一直線となって気筒4の中心軸線Xと一致するが、この状態での直線L1に対し、駆動カム31のカムノーズ31a,31bの頂点間を結ぶ直線L2が、所定角度θ傾いた状態となるように、駆動カム31がクランクシャフト7のジャーナル部7bの前端部に固定されるのである。
これにより、高圧フューエルポンプ24の吐出動作と、クランクシャフト7の位相との関係については、図5に示すようになるので、以下で説明する。
例えば図1に示すように、直列四気筒の内燃機関1において、1番ピストン5Aおよび4番ピストン5Dと、2番ピストン5Bおよび3番ピストン5Cとが逆位相の状態で往復動するようにクランクシャフト7に取り付けられている場合、内燃機関1の駆動に伴い内燃機関1の中心Oに二次慣性力Fが発生する。
つまり、1番ピストン5Aおよび4番ピストン5Dの上下往復動作に伴い、図5の(a)に示すような二次慣性力F1が発生し、また、2番ピストン5Bおよび3番ピストン5Cの上下往復動作に伴い、図5の(b)に示すような二次慣性力F2が発生する。これらの二次慣性力F1,F2は逆位相で、かつ、F1>F2となるので、これらの二次慣性力F1,F2の合力Fは、図5の(c)に示すようになる。なお、この合力Fが図1に示す二次慣性力Fであり、以下では単に二次慣性力Fとする。
このような状況において、1番ピストン5Aおよび4番ピストン5Dが上死点に到達するタイミングや、2番ピストン5Bおよび3番ピストン5Cが上死点に到達するタイミングで、図5の(d)に示すように、高圧フューエルポンプ24のプランジャ32が加圧室34の圧縮上死点に到達する直前までリフトされる。つまり、各ピストン5A〜5Dの上死点の位置に対し、プランジャ32が加圧室34の圧縮上死点がTRずらされている。なお、電磁スピル弁50は、例えば図5の(e)に示すタイミングで開閉されるものとし、この閉時間が高圧フューエルポンプ24の燃料吐出時間となる。
このように高圧フューエルポンプ24のプランジャ32が、加圧室34の圧縮上死点に到達する直前までリフトされた状態では、加圧室34内の燃料加圧が最大となり、そのため、最大の反力Pが、駆動カム31を通じてクランクシャフト7の前端部に作用することになる。
このクランクシャフト7に作用する反力Pは、図1に示すように、内燃機関1の駆動に伴い内燃機関1の中心Oに発生する二次慣性力Fに対し逆位相となっているので、この二次慣性力Fが低減または打ち消される結果となる。
特に、そもそも、内燃機関1とそれに付設される変速機2とを組み合わせたパワープラントの重心Gは、内燃機関1の中心Oに対し変速機2側にオフセットされる。その一方で、上記したように、プランジャ32による燃料加圧に伴う反力Pが駆動カム31を通じてクランクシャフト7の前端側に作用するようになるので、この反力Pの作用点が前記二次慣性力Fの発生点(O)に対してオフセットされる。つまり、内燃機関1の中心Oに対するパワープラントの重心Gのオフセットと、内燃機関1の中心Oに対する前記反力Pの作用点のオフセットとの関係によって、前記二次慣性力Fを打ち消すのに必要な前記反力Pを二次慣性力Fより小さく設定することが可能になる。これにより、高圧フューエルポンプ24の容量を無駄に大きくせずに済む。
以上説明したように、この実施形態の内燃機関1では、その動作に伴い発生する二次慣性力Fを、内燃機関1にもともと装備される高圧フューエルポンプ24による燃料加圧の反力Pを利用して低減または打ち消すようにしている。
これにより、従来において必要であったバランサーシステムを小型化または無くすことが可能になる。したがって、内燃機関1の外形や重量を大型化することなく、二次慣性力に起因する振動を低減または無くすことが可能になる。
しかも、上記実施形態では、高圧フューエルポンプ24の吐出動作とインジェクタ21の噴射動作とを一吐出一噴射形態にしているので、例えば図6に示すように、例えば駆動カム31を排気カムシャフト13で駆動することによって一吐出二噴射形態とする従来例(図6の二点鎖線参照)に比べると、デリバリパイプ25のレール圧PLに関し、目標圧力P0に対する変動幅を約1/2と小さくすることができる。
以下、本発明の他の実施形態について説明する。
(1)上記実施形態では、内燃機関1として筒内直噴型四気筒ガソリンエンジンを例に挙げているが、本発明はこれに限らず、任意の気筒数のガソリンエンジンやディーゼルエンジンに適用可能であり、また、自動車用の内燃機関に限らず、いろいろな用途の内燃機関にも適用できる。
(2)上記実施形態では、駆動カム31のカムノーズ31a,31bの数は二つに限らず、それよりも多くしてもよい。
(3)上記実施形態では、高圧フューエルポンプ24として、電磁スピル弁50を備えたものを例に挙げているが、例えば図7に示すように、電磁スピル弁50の代わりに逆止弁55を用いるものを用いることも可能である。
この図6に示す高圧フューエルポンプ24では、例えば図8の(d)に示すように、プランジャ32がリフト開始位置Lsからリフト最大位置Lmaxに到達するまでの期間、図8の(e)に示すように燃料導入側の逆止弁55が閉弁状態となる一方で、図8の(f)に示すように燃料吐出側の逆止弁49が開弁状態になる。
このような場合、プランジャ32がリフト開始位置Lsからリフト最大位置Lmaxに到達するまでの期間(燃料加圧期間)の中点位置Lxで、プランジャ32による燃料加圧力が最大となるので、この中点位置Lxを、1番ピストン5Aおよび4番ピストン5Dが上死点に到達するタイミングや、2番ピストン5Bおよび3番ピストン5Cが上死点に到達するタイミングに合致させるように設定する。
これにより、プランジャ32による最大加圧時の反力Pが、図8の(c)に示す二次慣性力Fのピークポイントで発生するようになるから、二次慣性力Fを低減または打ち消すことが可能になる。
(4)上記実施形態では、高圧フューエルポンプ24として、ノーマリーオープンタイプの電磁スピル弁50を備えたものを例に挙げているが、例えば前記電磁スピル弁をノーマリークローズタイプとしたものを用いることも可能である。
この場合も、上記各実施形態と同様に、高圧フューエルポンプのプランジャによる燃料加圧期間を、1番ピストン5Aおよび4番ピストン5Dが上死点に到達するタイミングや、2番ピストン5Bおよび3番ピストン5Cが上死点に到達するタイミングに合致させるようにすればよい。
1 内燃機関
2 変速機
7 クランクシャフト
8 燃焼室
21 インジェクタ
22 燃料タンク
24 高圧フューエルポンプ
31 駆動カム
32 プランジャ
33 シリンダ
34 加圧室
2 変速機
7 クランクシャフト
8 燃焼室
21 インジェクタ
22 燃料タンク
24 高圧フューエルポンプ
31 駆動カム
32 プランジャ
33 シリンダ
34 加圧室
Claims (3)
- 燃焼室に高圧燃料を直接噴射するインジェクタと、駆動カムの回転によって往復変位されるプランジャで燃料タンクから導入される燃料を加圧して前記インジェクタ側へ供給する高圧フューエルポンプとを備える内燃機関であって、
前記駆動カムが、クランクシャフトで駆動されるように設置され、
前記高圧フューエルポンプが、プランジャによる燃料加圧に伴う反力を、クランクシャフトの回転に伴い内燃機関の中心に発生する二次慣性力に対し逆位相として前記クランクシャフトに作用させる形態で設置されていることを特徴とする内燃機関。 - 請求項1に記載の内燃機関において、
前記駆動カムは、前記クランクシャフトのジャーナル部の前端側に同軸上に設けられ、
前記高圧フューエルポンプは、前記駆動カムの上方に配置されるとともに、気筒の中心軸線と略平行でかつ駆動カムの回転中心を通る直線に沿ってプランジャを往復変位させる姿勢とされることを特徴とする内燃機関。 - 請求項1または2に記載の内燃機関において、
前記クランクシャフトに対する駆動カムの設置は、前記プランジャによる加圧室の圧縮上死点を、ピストンの上死点または下死点より遅角側とするように位置決めされることを特徴とする内燃機関。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2006183568A JP2008014159A (ja) | 2006-07-03 | 2006-07-03 | 内燃機関 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
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ID=39071429
Family Applications (1)
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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2006
- 2006-07-03 JP JP2006183568A patent/JP2008014159A/ja active Pending
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