JP2011001940A - 内燃機関の燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】機関始動時において早期に燃料噴射制御を可能にする。
【解決手段】噴孔と、ニードル弁１３と、内部の噴射燃料によってニードル弁１３を開弁方向に付勢するノズル室１７と、内部の作動油によってニードル弁１３を閉弁方向に付勢する圧力制御室１６と、圧力制御室１６に作動油を供給する作動油供給路と、作動油排出路と、作動油排出路への作動油の流れを制御する制御弁とを有する燃料噴射弁を具備し、予め定められた所定圧力以上で供給された作動油による圧力制御室１６内の内部圧力ａを制御弁２５により制御してニードル弁１３のリフトを制御する燃料噴射装置において、蓄圧部から供給される作動油が所定圧力よりも小さい機関始動時には、圧縮行程であって予め定められた開弁圧力到達時期以前に制御弁２５を開弁して圧力制御室１６内の内部圧力ａを低下させる。
【選択図】図２

Description

本発明は内燃機関の燃料噴射装置に関する。

内燃機関の運転を利用して駆動するように構成された燃料ポンプによって蓄圧室に高圧燃料を圧送し、高圧燃料を燃料噴射弁から各気筒内に噴射するようにした内燃機関の燃料噴射装置が公知である（特許文献１）。

ところで、特許文献１の燃料噴射装置とは異なるタイプの内燃機関の燃料噴射装置として、ニードル弁と噴孔との間に形成されたノズル室内の噴射燃料の内部圧力による付勢力及び燃焼室内の圧力による付勢力の合力によりニードル弁の開弁方向に作用する開弁力と、ニードル弁のノズル室とは反対側の端面によって形成される圧力制御室内の作動油の内部圧力による付勢力及びスプリングの付勢力の合力によりニードル弁の閉弁方向に作用する閉弁力との均衡を制御することによって、燃料噴射の制御を行う内燃機関の燃料噴射装置がある。このタイプの燃料噴射装置では、ノズル室内の内部圧力を一定にし、圧力制御室内の内部圧力を制御することによって、燃料噴射の制御を行っている。

特開平５−２０９５２３号公報 実開平１−９９９６７号公報 特開２００６−３７７９２号公報

しかし、燃料ポンプが内燃機関の運転を利用して駆動するように構成されているため、機関始動時はノズル室内及び圧力制御室内の内部圧力が低く、その結果、所定の圧力が得られるまではニードル弁に作用する開弁力と閉弁力とが均衡せず、適切な燃料噴射制御ができないという問題がある。そのため、所定の内部圧力が得られるようになるまで、始動時間が長くなるという問題がある。

そこで本発明は、機関始動時において早期に燃料噴射制御を可能にする内燃機関の燃料噴射装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために請求項１に記載の発明によれば、機関燃焼室内に向けて燃料を噴射する噴孔と、該噴孔を開閉するニードル弁と、内部の噴射燃料によって前記ニードル弁を開弁方向に付勢するノズル室と、内部の作動油によって前記ニードル弁を閉弁方向に付勢する圧力制御室と、作動油を供給する蓄圧部から前記圧力制御室に作動油を供給する作動油供給路と、前記圧力制御室内の作動油を排出する作動油排出路と、該作動油排出路への作動油の流れを制御する制御弁であって、燃料を噴射すべきときには開弁し前記圧力制御室内の内部圧力を低下させ、燃料を噴射すべきでないときには閉弁し前記圧力制御室内の内部圧力を蓄圧する制御弁とを有する燃料噴射弁を具備し、予め定められた所定圧力以上で供給された作動油による前記圧力制御室内の内部圧力を前記制御弁により制御して前記ニードル弁のリフトを制御する燃料噴射装置において、前記蓄圧部から供給される作動油が前記所定圧力よりも小さい機関始動時には、圧縮行程であって予め定められた開弁圧力到達時期以前に前記制御弁を開弁して前記圧力制御室内の内部圧力を低下させることを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置が提供される。

すなわち、請求項１に記載の発明では、ノズル室内及び圧力制御室内の内部圧力の低い機関始動時であっても、圧縮行程であって予め定められた開弁圧力到達時期以前に制御弁を開弁して圧力制御室内の内部圧力による付勢力を減少させ、ノズル室内の内部圧力による付勢力及び燃焼室内の圧力による開弁方向の付勢力を利用することによって、ニードル弁を開弁させ、早期の燃料噴射制御を可能にしている。

また、請求項２に記載の発明によれば請求項１に記載の発明において、前記機関始動時には、膨張行程で前記制御弁を閉弁して前記圧力制御室内の内部圧力を蓄圧することを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置が提供される。

すなわち、請求項２に記載の発明では、膨張行程で制御弁を閉弁させ、内燃機関の運転によって直前の圧縮行程よりも高くなった圧力制御室の内部圧力を利用してニードル弁を閉弁し、燃料の過噴射を防止している。また、制御弁の開弁期間を最小限にし、本制御を行った場合でも速やかにノズル室内及び圧力制御室内の内部圧力を高めることが可能となる。

各請求項に記載の発明によれば、機関始動時において早期に燃料噴射制御が可能になるという効果を奏する。

本発明の燃料噴射装置の概略図である。 制御弁の制御と内部圧力との関係を示すタイムチャートである。

以下、図面を参照して、本発明をコモンレール式燃料噴射装置に適用した場合の実施形態について説明する。図１は、本発明の燃料噴射装置の概略図である。本実施形態の燃料噴射装置は、燃料ポンプによって燃料タンクから高圧燃料が供給されるコモンレール（燃料蓄圧部）１と、コモンレール１から高圧燃料が供給され且つ機関燃焼室（図示せず）内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁２と、噴射すべき燃料を貯留する燃料タンク（燃料回収部）３とを有する。通常運転時、コモンレール１内の圧力はリリーフ弁（図示せず）により所定の圧力に保持される。

燃料噴射弁２は、図１に示したように、先端に噴孔１１を有する筒状のノズルボディ１２と、このノズルボディ１２の内部にそれと同軸で且つ往復動可能に配置された中実のニードル弁１３とを有する。噴孔１１はニードル弁１３の往復動に応じて開閉し、ニードル弁１３は、噴孔側とは反対側に配置されたメインピストン１３ａと、噴孔側に配置されたサブピストン１３ｂとを有する。また、メインピストン１３ａとサブピストン１３ｂとの間に形成された中間室１４内にスプリング１５が配置され、ニードル弁１３を閉弁方向に付勢している。メインピストン１３ａの端面とノズルボディ１２の内面との間には、圧力制御室１６が形成され、サブピストン１３ｂの外周面とノズルボディ１２の内面との間には、ノズル室１７が形成されている。

更に、燃料噴射弁２は、コモンレール１から供給される高圧の噴射燃料を、圧力制御室１６内へ導く供給路１８と、供給路１８から分岐しノズル室１７を経由して噴射燃料を噴孔１１へ導くための供給路１９と、連通路２０を経由して圧力制御室１６内の噴射燃料をタンク３へ排出し、圧力制御室１６内の内部圧力を低下させる排出路２１とを有する。連通路２０は中間室１４とも連通している。

なお、本実施形態では、圧力制御室１６内にはノズル室１７内に導入される噴射燃料と、同じ燃料（軽油）を導入しているが、その他の実施形態として、蓄圧部から異なる供給路を通って別のオイルを導入し、また、噴射燃料として軽油ではなく、燃料ガスを用いるようにしてもよい。これはすなわち油圧式の高圧ガスの燃料噴射弁である。

従って、以下、圧力制御室１６内に導入される噴射燃料又はその他オイル等を作動油と称し、供給路１８を作動油供給路１８と、供給路１９を燃料供給路１９と、排出路２１を作動油排出路２１と称する。

燃料供給路１９には圧力制御室１６への作動油の流入量を決定する入口側オリフィス２２と、作動油排出路２１には作動油の流出量を決定する出口側オリフィス２３とが設けられている。出口側オリフィス２３は入口側オリフィス２２よりも大きく形成され、単位時間当たりに圧力制御室１６に流入する作動油の流量よりも、圧力制御室１６から流出する作動油の流量の方が多くなるように構成されている。

更に、ソレノイドアクチュエータ２４によって開閉される制御弁２５によって、圧力制御室１６は開放又は閉鎖される。ソレノイドアクチュエータ２４は電子制御ユニット（ＥＣＵ）（図示せず）によって制御される。制御弁２５が閉弁時には、コモンレール１から供給される高圧の噴射燃料である作動油を圧力制御室１６に封じ込めて圧力制御室１６内の内部圧力を蓄圧し、制御弁２５が開弁時には圧力制御室１６から作動油排出路２１へと作動油を排出して圧力制御室１６内の内部圧力を低下させる。

制御弁２５の閉弁時は、作動油の流入によって圧力制御室１６内の内部圧力が上昇し、その内部圧力によってメインピストン１３ａが閉弁方向に付勢される。その際、作動油供給路１８から分岐した燃料供給路１９を通って、ノズル室１７にも圧力制御室１６内に印加された圧力と同じ圧力の高圧の噴射燃料が導入されているため、ノズル室１７の内部圧力によってサブピストン１３ｂが開弁方向に付勢される。しかし、メインピストン１３ａが圧力制御室１６内の内部圧力を受ける受圧面積は、サブピストン１３ｂがノズル室１７内の内部圧力を受ける受圧面積よりも大きく設定されているため、ニードル弁に作用する力は、全体として閉弁方向に作用する力の方が大きくなるよう設定される。

一方、制御弁２５が開弁されると、作動油排出路２１から圧力制御室１６内の作動油が排出されるが、このとき、出口側オリフィス２３が入口側オリフィス２２よりも大きいため、圧力制御室１６内への作動油の流入量よりも圧力制御室１６内からの作動油の流出量の方が多くなり、その結果、圧力制御室１６内の内部圧力は低下する。また、制御弁２５はスプリングによって閉弁方向に付勢され、ソレノイドアクチュエータ２４がオフの状態で制御弁２５は通常閉弁状態にある。

ニードル弁１３の開閉は、ニードル弁１３に作用する力のバランスを制御することによって行われる。すなわち、ニードル弁１３には、スプリング１５によりサブピストン１３ｂが受ける閉弁方向の付勢力であるＦｓと、圧力制御室１６内の内部圧力によりメインピストン１３ａが受ける閉弁方向の付勢力であるＦｐと、ノズル室１７内の内部圧力によりサブピストン１３ｂが受ける開弁方向の付勢力であるＦｎと、更に、噴孔１１が機関燃焼室内に面していることから燃焼室内の圧力（以下、「筒内圧力」と称す）によりニードル弁１３の先端部が受ける開弁方向の付勢力Ｆｃとの４つの力が作用している。

ニードル弁１３を閉弁方向に付勢する、スプリング１５による付勢力Ｆｓ及び圧力制御室１６内の内部圧力による付勢力Ｆｐの合力をニードル弁１３の閉弁力（Ｆｓ＋Ｆｐ）と称し、ニードル弁１３を開弁方向に付勢する、ノズル室１７内の内部圧力による付勢力Ｆｎ及び筒内圧力によるＦｃの合力をニードル弁１３の開弁力（Ｆｎ＋Ｆｃ）と称する。なお、通常運転時は、Ｆｓ＜Ｆｎの関係が成立するよう構成されている。

制御弁２５の閉弁時には、圧力制御室１６内の内部圧力が高いためＦｓ＋Ｆｐ≧Ｆｎ＋Ｆｃ（式１）の関係が成立、すなわち、ニードル弁１３の閉弁力の方が開弁力よりも大きくなり、ニードル弁１３は閉弁される。一方、制御弁２５を開弁すると、圧力制御室１６内の内部圧力が低下し続け、付勢力Ｆｐも徐々に低下する。その結果、Ｆｓ＋Ｆｐ＜Ｆｎ＋Ｆｃ（式２）の関係が成立、すなわち、ニードル弁１３の開弁力の方が閉弁力よりも大きくなると、ニードル弁１３は開弁され、燃料噴射が開始される。その後、再び制御弁２５を閉弁すると、圧力制御室１６内の内部圧力が蓄圧されて上昇し、ニードル弁１３の閉弁力の方が開弁力よりも大きくなると、ニードル弁１３は閉弁される。

以上より、制御弁２５の開閉を制御することによって、ニードル弁１３の開閉、すなわち燃料噴射を制御することが可能となる。

ところで、上述のように、機関始動時は圧力制御室１６内の内部圧力が低く、所定の内部圧力が得られない。従って、通常運転時と同様の制御を行ったのでは、ニードル弁１３の閉弁力に抗してニードル弁１３を開弁させるだけのノズル室１７内の内部圧力による付勢力Ｆｎを得ることができない。

そこで、本発明では、圧縮行程における筒内圧力の上昇を利用し、低いノズル室１７内の内部圧力でも燃料噴射が可能となるように制御弁２５の制御を行う。

図２は、本発明の実施形態による制御弁２５の制御と内部圧力との関係を示すタイムチャートであり、図２（Ａ）は機関始動時の制御を示し、図２（Ｂ）は機関通常運転時の制御を示す。

まず、図２（Ｂ）に示される機関通常運転時の制御について説明する。機関通常運転時には、制御弁２５の開弁又は閉弁によって、ニードル弁１３の閉弁力又は開弁力の大小関係、すなわち、上記式１又は式２を切り替えることが可能な所定圧力Ｐ０以上の燃料がコモンレール１から供給されている。図２（Ｂ）を参照すると、上からニードル弁１３のリフト量、制御弁２５の制御信号、内部圧力を示す。また、圧力制御室１６内の内部圧力をａ、ノズル室１７内の内部圧力をｂとする。制御弁２５の制御信号はＥＣＵによって制御され、制御信号をオン（ＯＮ）にするとソレノイドアクチュエータ２４によって制御弁２５を開弁する信号を送り、制御信号をオフ（ＯＦＦ）にすると信号の送信を停止し制御弁２５を閉弁する。

図２（Ｂ）において、圧縮上死点ＴＤＣの直前で制御弁２５の制御信号をＯＮにして制御弁２５を開弁し、それによって圧力制御室１６内の内部圧力ａを低下させる。一方、コモンレール１からは高圧の噴射燃料の供給が継続しているため、ノズル室１７の内部圧力ｂは一定のまま維持される。従って、圧力制御室１６内の内部圧力ａが低下するにつれ、ニードル弁１３の開弁力が閉弁力を上回るようになり、その結果、ニードル弁１３が開弁し、燃料噴射が開始される。

その後、膨張行程初期で制御弁２５の制御信号をＯＦＦにして制御弁２５を閉弁し、それによって圧力制御室１６内の内部圧力ａを徐々に蓄圧する。圧力制御室１６内の内部圧力ａが回復するにつれ、ニードル弁１３の閉弁力が開弁力を再び上回るようになり、その結果、ニードル弁１３が閉弁し、燃料噴射が停止する。

次に、図２（Ａ）に示される機関始動時の制御について説明する。機関始動時には、コモンレール１から供給される燃料の圧力が上述の所定圧力Ｐ０よりも小さく、上述のように制御弁２５の開弁又は閉弁だけでは、ニードル弁１３の閉弁力又は開弁力の大小関係を切り替えることができない。従って、本発明では、圧縮行程における筒内圧力の上昇をニードル弁１３の開弁に利用する。図２（Ａ）を参照すると、上から筒内圧力、ニードル弁１３のリフト量、制御弁２５の制御信号、内部圧力を示す。内部圧力は、機関始動時のゼロの状態から徐々に上昇しているが、所定圧力Ｐ０よりは小さい。圧力制御室１６内の内部圧力をａ、ノズル室１７内の内部圧力をｂとする。

図２（Ａ）において、上述の機関通常運転時よりも早い時期、例えば、圧縮行程の前半で制御弁２５の制御信号をＯＮにして制御弁２５を開弁し、それによって圧力制御室１６内の内部圧力ａを低下させる。機関通常運転時よりも早い時期に、制御弁を開弁することによって、圧力制御室１６内の内部圧力ａを十分低下させることが可能となり、ニードル弁１３の閉弁力をより軽減させることができる。しかし、機関始動時は、ノズル室１７内の内部圧力ｂが低いため、圧力制御室１６内の内部圧力ａが低下しても、ニードル弁１３の開弁力が閉弁力を上回らない。

一方、圧縮行程における筒内のピストンの上昇によって、筒内圧力が徐々に上昇している。筒内圧力の上昇は、すなわち、ニードル弁１３に対する開弁方向の付勢力Ｆｃの上昇を意味する。従って、筒内圧力が上昇した結果、所定の圧力Ｐｃ（以下、「開弁圧力」と称す）に達したとき、ニードル弁１３の開弁力が閉弁力を上回るだけ開弁方向の付勢力Ｆｃが大きくなり、ニードル弁１３が開弁し、燃料噴射が開始される。

その後、膨張行程で、好ましくは膨張行程初期で、制御弁２５の制御信号をＯＦＦにして制御弁を閉弁し、それによって圧力制御室１６内の内部圧力ａを徐々に蓄圧する。この時、内燃機関の運転によって、コモンレール１から供給される燃料の圧力は圧縮行程時よりも更に上昇している。従って、圧力制御室１６内の内部圧力ａが回復するにつれ、ニードル弁１３の閉弁力が開弁力を再び上回るようになり、その結果、ニードル弁１３が閉弁し、燃料噴射が停止する。膨張行程初期の段階で、制御弁２５の制御信号をＯＦＦにすることによって、直前の圧縮行程よりも高くなった内部圧力ａを利用してニードル弁１３を閉弁し、燃料の過噴射を防止している。また、制御弁２５の開弁期間を最小限にし、本制御を行った場合でも速やかに内部圧力を高めることが可能となる。

なお、制御弁２５の制御信号をＯＮにする時期は、圧縮行程であって筒内圧力が開弁圧力Ｐｃに達する開弁圧力到達時期より前であり、開弁圧力到達時期により近い方が好ましい。これにより制御弁２５の開弁期間を必要最小限にすることで、本制御を行った場合であっても圧力制御室１６内の内部圧力ａを速やかに回復させることが可能となる。なお、開弁圧力到達時期は、予め実験又は計算により求めておく。

また、本発明の燃料噴射装置を火花点火式内燃機関に適用した場合、ニードル弁１３が閉弁し燃料噴射が終了してから点火することが好ましい。点火時期をニードル弁１３閉弁後とすることで、内部圧力と筒内圧力との差圧の大きい期間を延ばし、良好な始動に必要な燃料噴射量を確保することが可能となる。それによって、筒内のガスの空燃比が過度にリーンになることを防止し、点火不良や失火を防止することができ、機関の始動性も改善される。

２ 燃料噴射弁
５ 噴孔
１３ ニードル弁
１７ ノズル室
１６ 圧力制御室
１８ 作動油供給路
１９ 燃料供給路
２１ 作動油排出路
２５ 制御弁

Claims (2)

1. 機関燃焼室内に向けて燃料を噴射する噴孔と、該噴孔を開閉するニードル弁と、内部の噴射燃料によって前記ニードル弁を開弁方向に付勢するノズル室と、内部の作動油によって前記ニードル弁を閉弁方向に付勢する圧力制御室と、作動油を供給する蓄圧部から前記圧力制御室に作動油を供給する作動油供給路と、前記圧力制御室内の作動油を排出する作動油排出路と、該作動油排出路への作動油の流れを制御する制御弁であって、燃料を噴射すべきときには開弁し前記圧力制御室内の内部圧力を低下させ、燃料を噴射すべきでないときには閉弁し前記圧力制御室内の内部圧力を蓄圧する制御弁とを有する燃料噴射弁を具備し、予め定められた所定圧力以上で供給された作動油による前記圧力制御室内の内部圧力を前記制御弁により制御して前記ニードル弁のリフトを制御する燃料噴射装置において、前記蓄圧部から供給される作動油が前記所定圧力よりも小さい機関始動時には、圧縮行程であって予め定められた開弁圧力到達時期以前に前記制御弁を開弁して前記圧力制御室内の内部圧力を低下させることを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
2. 前記機関始動時において、膨張行程で前記制御弁を閉弁して前記圧力制御室内の内部料圧力を蓄圧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。

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