JP2016008505A - 燃料噴射弁及び燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料噴射初期の燃料噴射圧が低い状態において、燃料噴射弁内の針弁の挙動を安定化させることが可能な燃料噴射弁及び燃料噴射装置を提供することを目的とする。
【解決手段】燃料噴射弁２は、内部に燃料流路７が形成され、先端部６ａに燃料噴射孔８が形成されるハウジング６と、ハウジング６の内部に配置され、燃料供給圧に応じて燃料流路７を開閉する針弁１１と、針弁１１の第１のリフト量を規定する第１支持部１７と、第１支持部１７に対して針弁１１を付勢する第１コイルばね１５と、針弁１１の第２のリフト量を規定する第２支持部１８と、第２支持部１８に対して針弁１１及び第１支持部１７を付勢する第２コイルばね１６とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関に適用される燃料噴射弁及び燃料噴射装置に関するものである。

燃料噴射装置は、ディーゼル機関等の内燃機関に適用され、燃料を加圧し、シリンダ内に燃料を噴射させる。燃料噴射装置は、シリンダヘッドに設けられる燃料噴射弁と、燃料噴射管を介して燃料噴射弁へ燃料を圧送する燃料噴射ポンプを備える。燃料は、燃料タンク及び燃料供給ポンプから燃料供給管を介して燃料噴射ポンプへ供給され、燃料噴射ポンプのプランジャバレル内に溜まった所定量の燃料が、燃料噴射ポンプのプランジャによって加圧され、燃料噴射弁へ圧送される。

特許文献１には、舶用エンジンの燃料噴射制御装置の発明であって、燃料噴射の精度を向上させるため、燃料噴射用サーボ弁とバルブ制御部が一体に形成され、バルブ制御部が他の機器に影響されることなく、噴射タイミングのずれを生じさせず、所望の噴射パターンを形成する技術が開示されている。

特開２０１２−５２４２８号公報 特開２００２−６１５５０号公報

図４に示すように、一般に、単位時間当たりに噴射される燃料の量である燃料噴射率が高いほど、燃料消費率（燃費）を低減できるが、ＮＯｘ排出濃度が高くなる。一方、燃料噴射率が低いほど、ＮＯｘ排出濃度を低減できるが、燃料消費率が高くなる。そこで、図５の上段のグラフの実線で示すように、燃料噴射初期の燃料噴射圧を低くし（１段目）、その後、燃料噴射圧を高くする（２段目）という２段噴射制御を実施する場合がある。これにより、図４の破線や一点鎖線で示すように、実線で示された従来の噴射制御よりも、燃料噴射初期に燃料消費率を低減しつつＮＯｘ排出濃度を下げることができる。

しかし、２段噴射の噴射初期など、燃料噴射ポンプから燃料噴射弁へ供給される燃料の供給量が少なく、燃料供給圧が燃料噴射弁内の針弁の開弁圧に比べて十分に高くないと、図５の下段のグラフの破線で示すように、針弁の挙動が不安定になる。その結果、燃料噴射制御のロバスト性を確保できないという問題がある。

図６は、従来の燃料噴射装置の燃料噴射弁３２を示す縦断面図である。なお、後述する本発明の一実施形態に係る燃料噴射弁２と構成及び作用が重複する構成要素は、同一の符号で示している。燃料噴射弁３２は、ハウジング６において、針弁１１の上方にはばね収容部３４が形成されている。ばね収容部３４には、コイルばね３５と支持部３７が収容される。ばね収容部３４は、例えば円筒形状の内面を有する。コイルばね３５は、下端が針弁１１の上面に接触し、上端がばね収容部３４の上面に接触している。これにより、コイルばね３５は、ばね収容部３４の上面に対し、針弁１１を付勢している。

コイルばね３５によって、針弁１１は下方に押し下げられ、針弁１１が燃料噴射孔８を閉鎖している。針弁１１が完全に下方に押し下げられているとき、針弁１１の上面と支持部３７の下面の間には、フルリフト量分のギャップＬ３がある。針弁１１が上方に移動可能な距離は、フルリフト量分であり、ギャップＬ３である。このような従来の燃料噴射弁３２において、２段噴射制御を実施すると、２段噴射の噴射初期など、燃料噴射ポンプから燃料噴射弁へ供給される燃料の供給量が少なく、燃料供給圧が燃料噴射弁内の針弁１１の開弁圧に比べて十分に高くないと、針弁１１が着座したままになる等、図５の下段のグラフの破線で示すように、針弁１１の挙動が不安定になる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、燃料噴射初期の燃料噴射圧が低い状態において、燃料噴射弁内の針弁の挙動を安定化させることが可能な燃料噴射弁及び燃料噴射装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の燃料噴射弁及び燃料噴射装置は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明に係る燃料噴射弁は、内部に燃料流路が形成され、先端部に燃料噴射孔が形成されるハウジングと、前記ハウジングの内部に配置され、燃料供給圧に応じて前記燃料流路を開閉する針弁と、前記針弁の第１のリフト量を規定する第１支持部と、前記第１支持部に対して前記針弁を付勢する第１弾性部と、前記針弁の第２のリフト量を規定する第２支持部と、前記第２支持部に対して前記針弁及び前記第１支持部を付勢する第２弾性部とを備える。

この構成によれば、燃料供給圧が低いとき、第１弾性部のみが針弁を付勢しており、燃料供給圧の上昇に伴って、針弁が第１のリフト量分を上昇すると、針弁が第１支持部に当たる。そして、さらに燃料供給圧が上昇すると、第２弾性部が針弁及び第１支持部を受けて、針弁及び第１支持部が第２のリフト量分を上昇する。第１支持部が第２支持部にあたると、針弁は、第１のリフト量分と第２のリフト量分を上昇し終える。
よって、燃料供給圧が低い場合であっても、第１弾性部のばね力によって決まる開弁圧を超えれば針弁は第１のリフト量分リフトするため、針弁の挙動を安定化させることができる。

また、本発明に係る燃料噴射装置は、上記の燃料噴射弁と、前記燃料供給圧を調整しながら前記燃料噴射弁へ燃料を供給する燃料噴射ポンプとを備える。
この構成によれば、燃料噴射弁へ供給される燃料は、燃料噴射ポンプによって、燃料供給圧が調整される。

上記発明において、前記燃料供給圧は、前記燃料供給圧が低く設定された１段目と、前記１段目の後、前記燃料供給圧が高く設定された２段目とを有する。
この構成によれば、燃料供給圧が低い場合であっても、第１弾性部のばね力によって決まる開弁圧を超えれば針弁は第１のリフト量分リフトするため、針弁の挙動を安定化させることができる。

本発明によれば、燃料噴射初期の燃料噴射圧が低い状態において、燃料噴射弁内の針弁の挙動を安定化させることができ、燃料噴射制御のロバスト性を確保することができる。また、燃料噴射初期の燃料噴射圧を確実に低くできることから、燃料消費率を低減しつつＮＯｘ排出濃度を下げることができる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関及び燃料噴射装置を示す概略構成図である。 本発明の一実施形態に係る燃料噴射装置の燃料噴射弁を示す縦断面図である。 本発明の一実施形態に係る燃料噴射装置の燃料噴射ポンプを示す構成図である。 ＮＯｘ排出濃度と燃料消費率の関係を示すグラフである。 燃料噴射圧とクランク角度の関係を示すグラフ（上段）、及び、針弁リフト量とクランク角度の関係を示すグラフ（下段）である。 従来の燃料噴射装置の燃料噴射弁を示す縦断面図である。

以下に、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。
本発明の一実施形態に係る燃料噴射装置１について説明する。燃料噴射装置１は、図１に示すように、例えば２サイクル型の船舶用大型ディーゼル機関等の内燃機関１０に適用される。
燃料噴射装置１は、図１に示すように、燃料噴射弁２と、燃料噴射ポンプ３と、燃料噴射管４とを備える。燃料噴射弁２は、円筒形状を有するハウジング６が内燃機関１０のシリンダヘッドに設置される。

燃料供給ポンプ（図示せず。）は、燃料供給管５を介して、燃料噴射ポンプ３のプランジャバレル（図示せず。）に接続される。プランジャバレルは、燃料噴射管４の一端と接続され、燃料噴射管４の他端は、燃料噴射弁２のハウジング６に形成された燃料流路７（図２参照）と接続される。プランジャバレルの内部には、作動油の油圧制御によって往復動するプランジャ（図示せず。）が設けられる。燃料供給ポンプからプランジャバレルに燃料が供給され、プランジャバレル内の燃料は、プランジャの上昇によって燃料流路７に供給される。

ハウジング６は、先端部６ａに複数の燃料噴射孔８が設けられる。先端部６ａは、内燃機関１０において、シリンダヘッドの下面から燃焼室内に突出している。ハウジング６は、軸線上に沿って円筒状の中心穴９が内部に形成され、中心穴９内には針弁１１が収納されている。なお、例として、ハウジング６内部の中心穴９は円筒状としたが、これに限られず、例えば角筒状であってもよい。

ハウジング６の上部から下部に向けて燃料流路７が形成され、燃料流路７は、チャンバー１２に連通している。また、ハウジング６には、リーク油流路１３が形成され、リーク油流路１３は、ばね収容部１４と外部のリーク油回収管（図示せず。）とに接続される。

ハウジング６において、針弁１１の上方にはばね収容部１４が形成されている。ばね収容部１４には、第１コイルばね１５と第２コイルばね１６と第１支持部１７と第２支持部１８が収容される。ばね収容部１４は、例えば円筒形状の内面を有する。

第１コイルばね１５は、第１弾性部の一例であり、下端が針弁１１の上面に接触し、上端が第１支持部１７の突出部１７ａの下面に接触している。

第２コイルばね１６は、第２弾性部の一例であり、下端が第１支持部１７の突出部１７ａの上面に接触し、上端がばね収容部１４の上面に接触している。これにより、第２コイルばね１６は、ばね収容部１４の上面に対し、針弁１１及び第１支持部１７を付勢している。

第１支持部１７は、突出部１７ａと棒状部１７ｂとを有し、突出部１７ａは棒状部１７ｂの外周面に円板状に形成される。棒状部１７ｂの下端は、針弁１１の上面と対向し、棒状部１７ｂの上端は、第２支持部１８の下端と対向している。第１支持部１７の突出部１７ａよりも下方部分の棒状部１７ｂに第１コイルばね１５が挿入され、第１支持部１７の突出部１７ａよりも下方部分の棒状部１７ｂの周囲には第１コイルばね１５が設置される。

第２支持部１８は、棒状部材であり、ばね収容部１４の上面から下方に延設され、ハウジング６に対して固定されている。第２支持部１８に第２コイルばね１６が挿入され、第２支持部１８の周囲には第２コイルばね１６が設置される。
第１支持部１７と第２支持部１８はほぼ同軸上に設置される。第１支持部１７の棒状部１７ｂの外径と、第２支持部１８の外径は、略同一であり、ばね収容部１４の内径よりも小さい。

燃料の供給圧が低い状態では、第１コイルばね１５と第２コイルばね１６によって、針弁１１と第１支持部１７は下方に押し下げられ、針弁１１が燃料噴射孔８を閉鎖している。針弁１１と第１支持部１７が完全に下方に押し下げられているとき、針弁１１の上面と第１支持部１７の下面の間には、第１リフト量分のギャップＬ１があり、第１支持部１７の上面と第２の支持部の下面の間には、第２リフト量分のギャップＬ２がある。

燃料流路７に供給される燃料の油圧、すなわち供給圧に応じて、針弁１１が上方へ移動し、燃料流路７とチャンバー１２と燃料噴射孔８とが連通する。その結果、燃料噴射孔８から燃料が噴射される。針弁１１が上方に移動可能な距離は、第１リフト量と第２リフト量の合計値であり、ギャップＬ１とギャップＬ２の合計値である。第１支持部１７が上方に移動可能な距離は、第２リフト量であり、ギャップＬ２である。
なお、ギャップＬ２は、第１リフト量と第２リフト量の合計値に対して略半分、すなわちギャップＬ１とギャップＬ２を略同一とすることで、燃料噴射初期に燃料噴射率を抑制して、燃料消費率を低減しつつＮＯｘ排出濃度を下げることができる。

第１コイルばね１５の弾性力は、針弁１１の１段目の開動作を開始させる供給圧との関係で決定され、第１コイルばね１５と第２コイルばね１６の合計の弾性力は、針弁１１の２段目の開動作を開始させる供給圧との関係で決定される。第１コイルばね１５の弾性力は、供給圧が低い状態で針弁１１を動作させることができればよく、比較的小さい値である。
第２コイルばね１６の弾性力は、供給圧が極力高い状態となったときに、針弁１１の２段目の開動作を開始させる値とすることで、燃料噴射率が抑制された期間を長くすることができＮＯｘ排出濃度を低減できる。ただし、燃料噴射率が抑制された期間が長くなりすぎると噴射期間が延びてしまうため、適切な供給圧を選定する必要がある。

燃料噴射孔８が針弁１１によって閉鎖された状態から、燃料供給圧が上昇し始めると、第１コイルばね１５の弾性力に逆らって針弁１１が中心穴９に沿って上昇する。このとき、第１コイルばね１５が針弁１１に係る力を吸収するため、第２コイルばね１６は、ほとんど収縮せず、第１支持部１７の位置はほぼ一定のままである。そして、さらに燃料供給圧が上昇すると、針弁１１の上面が第１支持部１７の下面に当接する。

当接後、燃料供給圧は、針弁１１及び第１支持部１７に直接伝達される。そして、燃料供給圧が所定圧以上に上昇すると、第２コイルばね１６の弾性力に逆らって針弁１１及び第１支持部１７が中心穴９に沿って上昇する。したがって、燃料供給圧が所定圧に達するまでは、針弁１１は第１リフト量が維持される。針弁１１及び第１支持部１７が上昇し始めた後、さらに、燃料供給圧が上昇すると、第１支持部１７の上面が第２支持部１８の下面に当接する。これにより、針弁１１及び第１支持部１７は第２リフト量分上昇することになり、第２リフト量を超えて上昇することがない。

反対に、燃料供給圧が低下すると、第１コイルばね１５と第２コイルばね１６が針弁１１及び第１支持材を付勢して、最終的に、針弁１１が燃料噴射孔８を閉鎖する。その結果、燃料の噴射が終了する。

以上、本実施形態によれば、燃料供給圧が低い場合であっても、第１コイルばね１５のばね力によって決まる開弁圧を超えれば針弁１１は第１リフト量分リフトするため、針弁１１の挙動を安定化させることができる。

次に、図３を参照して、燃料噴射ポンプ３の構成及び動作について説明する。
燃料噴射ポンプ３には、作動油が流通する作動油流路２１が設けられ、作動油流路２１は、メインバルブ２２によって開閉される。作動油は、作動油ポンプ（図示せず。）によって加圧されており、メインバルブ２２が開状態となると、燃料噴射ポンプ３のプランジャを押し上げる。その結果、燃料噴射ポンプ３から燃料噴射弁２へ燃料が供給される。閉状態となると、プランジャが下がる。その結果、燃料噴射ポンプ３からの燃料の供給が停止される。

メインバルブ２２は、パイロットオイルの油圧によって駆動される。以下では、燃料の２段噴射を可能とする燃料噴射ポンプ３のパイロットオイル系統の一例を示す。

パイロットオイル系統には、メインソレノイドバルブ２３と、サブソレノイドバルブ２４が設けられる。メインソレノイドバルブ２３とサブソレノイドバルブ２４の間の接続管２５には、比較的流量を多く流すことができる第１のオリフィス２６が設置される。また、メインソレノイドバルブ２３とサブソレノイドバルブ２４の間の接続管２５には、分岐管２７が設けられ、分岐管２７には、第１のオリフィス２６よりも流量が少なく設定された第２のオリフィス２８が設置される。

本実施例のパイロットオイル系統によるメインバルブ２２の開閉動作は以下のとおりである。まず、メインソレノイドバルブ２３を開くことで、メインバルブ２２の背面のパイロットオイルの油圧を下げる。その結果、メインバルブ２２が開動作を開始し、プランジャ下部の作動油の油圧が上昇する。これにより、プランジャがゆっくりと押し上げられて、燃料噴射ポンプ３から燃料噴射弁２へ燃料が供給される。このとき、１段目の比較的燃料噴射圧が低い噴射が行われる。

次に、サブソレノイドバルブ２４を開くことで、メインバルブ２２の背面のパイロットオイルの油圧を更に下げる。その結果、メインバルブ２２の開度が大きくなり、プランジャ下部の作動油の油圧がさらに上昇する。これにより、プランジャが速く押し上げられて、高い供給圧で、燃料噴射ポンプ３から燃料噴射弁２へ燃料が供給される。このとき、１段目よりも噴射圧が高い２段目の噴射が行われる。

メインソレノイドバルブ２３の開時期に対して、サブソレノイドバルブ２４の開時期を遅らせるとともに、分岐管２７に設けられた第２のオリフィス２８を通過するパイロットオイルの流量を絞ることによって、燃料供給圧を低下させることができ、燃料噴射率も抑制できる。その結果、燃料噴射初期に燃料消費率を低減しつつＮＯｘ排出濃度を下げることができる。

以上、説明した２段噴射を可能とする燃料噴射ポンプ３を用いつつ、上述した燃料噴射弁２を適用することによって、燃料噴射率が抑制された燃料噴射初期において、燃料供給圧が低い状態にあったとしても、図５の下段のグラフの実線に示すように、燃料噴射弁２内部の針弁１１の挙動を安定化させることができる。

本実施形態によれば、針弁１１がフルリフトしないことによる針弁１１の不安定挙動をなくし、着座したまま上がらないという不具合をなくしたり低減でき、燃料噴射制御のロバスト性を確保することができる。その結果、燃料噴射初期の燃料噴射圧を確実に低くできることから、燃料消費率を低減しつつＮＯｘ排出濃度を下げることができる。

１ 燃料噴射装置
２ 燃料噴射弁
３ 燃料噴射ポンプ
４ 燃料噴射管
６ ハウジング
６ａ 先端部
７ 燃料流路
８ 燃料噴射孔
１０ 内燃機関
１１ 針弁
１５ 第１コイルばね（第１弾性部）
１６ 第２コイルばね（第２弾性部）
１７ 第１支持部
１８ 第２支持部

Claims (3)

1. 内部に燃料流路が形成され、先端部に燃料噴射孔が形成されるハウジングと、
   前記ハウジングの内部に配置され、燃料供給圧に応じて前記燃料流路を開閉する針弁と、
   前記針弁の第１のリフト量を規定する第１支持部と、
   前記第１支持部に対して前記針弁を付勢する第１弾性部と、
   前記針弁の第２のリフト量を規定する第２支持部と、
   前記第２支持部に対して前記針弁及び前記第１支持部を付勢する第２弾性部と、
   を備える燃料噴射弁。
2. 請求項１に記載の燃料噴射弁と、
   前記燃料供給圧を調整しながら前記燃料噴射弁へ燃料を供給する燃料噴射ポンプと、
   を備える燃料噴射装置。
3. 前記燃料供給圧は、前記燃料供給圧が低く設定された１段目と、前記１段目の後、前記燃料供給圧が高く設定された２段目とを有するように制御される請求項２に記載の燃料噴射装置。
   

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