JP2535215B2

JP2535215B2 - 内燃機関の燃料噴射装置

Info

Publication number: JP2535215B2
Application number: JP63506743A
Authority: JP
Inventors: プローベルガ，ディサルト; ヘルツォーク，ペータ; エリオット，ケイス; フィッシャ，クリストフ，デー; グライア，ヨセフ
Original assignee: AA Fuau Eru G Fuyua Fueaburenungusu Kurafutomashiinen Unto Mesutehiniku Purofuetsusaa Dokutaa Dokutaa Haa Tsuee Hansu Risuto GmbH
Current assignee: AA Fuau Eru G Fuyua Fueaburenungusu Kurafutomashiinen Unto Mesutehiniku Purofuetsusaa Dokutaa Dokutaa Haa Tsuee Hansu Risuto GmbH
Priority date: 1987-08-12
Filing date: 1988-08-09
Publication date: 1996-09-18
Anticipated expiration: 2011-09-18
Also published as: KR950003761B1; WO1989001568A1; EP0328602B1; US5119779A; EP0328602A1; DE3872217D1; US5020494A; JPH02500925A; KR890701899A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、あるサイクルで燃焼室から圧縮ガスを取り
出して一旦貯留し、次のサイクルでこれを燃料と共に燃
焼室へ噴射する内燃機関のこれに使用される燃料噴射装
置に関する。

〔従来の技術〕

内燃機関、特に火花点火式の内燃機関において、熱効
率をできるだけ高め且つ汚染物質の排出をできるだけ少
なくするために、燃焼がピストン上死点で急速に行わ
れ、しかも完全燃焼することが必要である。燃料が燃焼
室に噴射され、又は燃料と空気の混合が外部で行われて
その混合ガスが燃焼室に噴射される場合、混合のための
十分な時間が与えられなければ燃焼は不完全なものとな
る。このため点火タイミングは上死点のある程度前に設
定されなければならない。

混合ガスの形成を前もって高温下において外部で行な
い、次のサイクルで燃焼室に噴射するようにすれば有利
である。

このような燃料噴射方法を実施する燃料噴射装置は独
国特許公報1751524号に開示されており、この従来例で
は燃料の注入を全シリンダに共通の回転弁によって行
う。この回転弁は円板状ロータと薄い円板状供給板とマ
ッシュルーム状制御滑り弁とを備え、ロータと共通の回
転軸に取りつけられた偏心ポンプといっしょにハウジン
グに収納されている。このロータ及びポンプの回転軸は
４サイクルエンジンの場合カム軸と同じ回転数で回転す
る。ロータの内部には径方向に広がる定量供給室が備え
られ、その供給板側の制御面には複数の制御孔が形成さ
れている。さらに、ロータには軸方向に延びる貯留孔が
形成され、これは噴射路を通して逆にシリンダから取り
出される圧縮ガスの貯留を御する。このようにして各シ
リンダからその圧縮行程において圧縮ガスが取り出さ
れ、次のサイクルで燃料と共に各シリンダに噴射される
ことになる。

〔発明が解決すべき課題〕

この従来装置は、構造が複雑である点、そして、多気
筒エンジンの全てのシリンダを共通の単一の定量供給手
段及び制御手段が司る点において不利である。つまり、
噴射路兼取出路が長くなるので、噴射過程において燃料
・空気混合ガス中の燃料が管路内壁に沈着し、取出過程
において詰まりがちとなり、その結果、燃料の定量供給
に制御困難なエラーが生じる。さらにシリンダに接続す
る噴射路がエンジンの爆発行程において排気の逆流を受
け、吸入から排気までの行程において燃料を多く含む混
合ガスのシリンダへの流れを生じ、これにより炭化水素
の排出が多くなる。

燃料噴射及びガス取出の制御はカム軸即ちクランク軸
の回転速度で回転する制御手段及び定量供給手段によっ
て行われる。従って、燃料の消費と汚染物質の排出を抑
えるために噴射開始タイミングをエンジンに合わせて調
整することは不可能である。

従来装置の定量供給手段は交互に燃料圧（噴射路即ち
取出路の空気圧より低い）と空気圧が加えられる定量供
給室を用いている。定量供給室に燃料を入れるために、
先ず吸引管に接続された管路を通して定量供給室を減圧
する必要がある。この減圧のためにエンジンによって吸
い込まれた空気が圧縮され、取り出され、吸引管に戻さ
れることになるので熱力学的な損失が生ずる。

そこで、本発明の目的は、上述の従来装置の欠点を改
善し、内燃機関の効率を高めると共に有害物質の排出を
低減することができる燃料噴射装置を提供することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

本発明による燃料噴射装置は、燃料供給用ポンプと、
圧縮ガスをシリンダの燃焼室から取り出すガス取出手段
と、取り出したガスを貯留するガス溜と、貯留したガス
と注入された燃料とを前記燃焼室に噴射する噴射手段と
を備えているものであって、その特徴構成は、前記ガス
取出手段及び前記噴射手段としての噴射弁の内部が前記
燃焼室側の前室と反対側の後室とに仕切られ、前記燃焼
室側に開く弁体が、前記ガス溜として機能する前記前室
と前記燃焼室とのガス交換を制御し、前記前室と前記後
室とを仕切る可動壁である駆動手段が前記弁体を開閉駆
動し、前記前室と前記後室とが逆止弁を有する接続路に
よって接続され、前記ポンプを含む圧力発生ユニットが
前記後室に燃料を供給する点にある。

他の好ましい構成については作用と共に後述する。

〔作用〕

上記特徴構成によれば、燃料噴射弁はガス取出弁をも
兼ね、その内部は燃焼室側の前室と反対側の後室とに仕
切られている。前室はシリンダの燃焼室から取り出され
たガスを貯留するガス溜として用いられ、燃焼室側に開
く弁体によって前室と燃焼室との連通が開閉される。こ
の弁体は、前室と後室とを仕切る可動壁である駆動手段
によって駆動される。つまり、前室と後室とがピストン
によって仕切られ、このピストンが弁軸を介して弁体に
接続されている。そして、例えば圧縮ばねによって弁体
が閉成方向に付勢されている場合に、ピストンの後室側
の面に加えられる圧力が上記付勢力より大きくなれば弁
体が燃焼室側に開くことになる。

上記のような弁の開閉制御のための圧力は、ポンプを
含む圧力発生ユニットで加圧された燃料が後室に供給さ
れることによって行われる。又、前室と前記後室とが逆
止弁を有する接続路によって接続されており、後室に供
給される燃料は、所定の圧力を越えるに伴って、逆止弁
を通って前室、即ちガス溜に注入（噴射）される。そし
て、燃焼室に噴射される前のガス混合がこの前室で行わ
れることになる。

尚、圧力発生ユニットは、ポンプの他に必要な弁を備
え、これらが例えばエンジンのクランク角情報に基づい
て制御されることにより、後室に供給される燃料の圧力
がクランク角に応じて制御される。その結果、上記のよ
うにしてガス溜への燃料注入とガス溜から燃焼室への混
合ガスの噴射、そして燃焼室からガス溜への高圧ガスの
取り出しが行われることになる。その具体的な種々の実
施態様については以下に述べる。

好ましくは、後室と圧力路によって接続された往復動
式のポンプが備えられ、燃料タンクから前記ポンプへの
燃料供給路に第１の電磁弁が介装される。そして、上記
圧力路と燃料タンクとは第２の電磁弁を有する燃料戻り
路によって接続される（図２参照）。あるいは、第１の
電磁弁を、例えばパルス幅変調によって２通り以上の強
さの電流で駆動することにより２通り以上の動作力で操
作するようにすれば、第２の電磁弁を含む燃料戻り路を
省略することもできる（図１及び３参照）。この場合の
作用を例にとって以下に説明する。

まず、弱い電流によって、噴射弁を開成するのに必要
な燃料圧p₁に相当する動作力より少し大きい低動作力F₁
で電磁弁を閉成方向に駆動すると、燃料圧がp₁を越える
に伴って噴射弁が開く。吸入行程では、噴射弁が開くこ
とによって前室の混合ガスが燃焼室に噴射され、所定時
間後に電磁弁の駆動を停止することによって噴射弁は閉
じられる。圧縮行程では、噴射弁が開くことによって燃
焼室の高圧ガスの一部が前室（ガス溜め）へ流入する。
引き続き燃料圧が上昇して電磁弁の低動作力F₁に相当す
る圧力を越える圧力p₂になると電磁弁はもはや閉成状態
を維持できなくなり、過剰燃料が電磁弁を通ってタンク
に戻る。

次に、圧縮行程では強い電流に切り換え、電磁弁に燃
料圧p₂より大きい圧力に相当する高動作力F₂を与えて電
磁弁を再び閉じる。すると燃料圧はさらに上昇し、後室
から前室（ガス溜）への接続路の逆止弁の開成圧力P
₃（F₂に相当する圧力より小さい）を燃料圧が越える
と、逆止弁が開いてガス溜への燃料の注入が始まる。こ
の際、燃焼室は圧縮によって圧力がさらに上昇している
ので、ガス溜へ注入された燃料が燃焼室へ直接流出する
ことはほとんど無い。燃料の注入は電磁弁の電流を下げ
て電磁弁の動作力をF₁又はゼロまで下げることにより終
了する。さらに燃料圧をp₁より下げると噴射弁も閉じ
る。噴射弁の閉成は点火前に行われる。

第２の電磁弁を含む燃料戻り路を備えている実施態様
（図２）の場合は、第１及び第２の電磁弁を各別に開閉
制御することによって、上記の場合と同様に燃焼室への
混合ガスの噴射、燃焼室からガス溜への高圧ガスの取り
出し、そしてガス溜への燃料注入を制御することができ
る（詳しくは後述の実施例参照）。また、この場合、燃
料戻り路に逆止弁を介装し、圧力路の過剰燃料が燃料戻
り路を通して燃料タンクに戻されることが好ましい（図
２参照）。

定量供給器をポンプと共に用いて圧力発生ユニットを
構成してもよい（図４、4a、５参照）。この定量供給器
はハウジング内を案内される定量供給ピストンとそのス
トロークを規制して供給量を決める一対のストッパとを
有し、定量供給ピストンがハウジング内を供給室と駆動
室とに分け、供給室は圧力路によって噴射弁の後室に接
続され、駆動室は三方弁によって前記燃料ポンプ又は戻
り路に切換接続され、圧力路とポンプとが逆止弁を有す
る管路で接続されている。

これによって、燃料ポンプとしてローラポンプやギヤ
ポンプ等の吐出量を制御できない低圧の固定吐出量ポン
プを用いることができる。また、定量供給ピストンが軸
方向に圧力を受ける駆動室側の断面積A₁を供給室側の断
面積A₂より大きくすることによって１より大きい流体圧
増幅率A₁/A₂が得られる。

さらに、駆動室をダイヤフラムによって仕切り、この
ダイヤフラムが燃料ポンプからの燃料圧によって定量供
給ピストンを駆動するようにしてもよい。つまり、燃料
ポンプからの駆動室への燃料供給と駆動室からの燃料排
出とを上記の三方弁によって切り換えることにより定量
供給ピストンを駆動することができる。駆動室は上記ダ
イヤフラムによって三方弁を有する管路に接続された環
状室と注入用バネを収納するばね室とに仕切られる（図
４参照）。

定量供給ピストンのストロークを規制する一対のスト
ッパのうちの一方のストップ位置を調節する手段を備
え、これによって１サイクル当たりの燃料注入量を調節
することができる。例えば、偏心カムとこれを回転駆動
するサーボモータ等を用いてストップ位置を調節するこ
とができる。

定量供給器の駆動室に接続する管路に流量調節ユニッ
トを介装することも好ましく、これによって噴射弁の弁
体の開成速度を調節することができる（図６参照）。流
量調節ユニットは、電子制御によって単位時間当たりの
流量を無段階に調節するものである。例えば部分負荷の
場合に全負荷の場合より燃料噴射を遅くする制御が上記
のように開成速度を調節することによって実現する。こ
れにより、高負荷時にはガス溜に注入される燃料の一部
が同じサイクルで燃焼室に直接噴射されるので内部冷却
が促進され、一方、低負荷時には注入される燃料の全部
がガス溜で予め気化されるので完全燃焼が促進され排気
特性が向上する。又、弁開成速度の調節により燃焼室へ
のガス噴射の勢いが変化し、内燃機関の排気特性に影響
を与える充填ガスの層化が制御される。

別の噴射弁構造として、ピストンが段部を有し、この
段部とハウジング内壁との間に環状室が形成され、前記
段部は弁体の閉成方向に燃料圧を受け、前記環状室は逆
止弁を介して後室と接続すると共に別の逆止弁を介して
前室と接続するように構成することもできる（図８参
照）。この場合、噴射弁のリフトが燃料注入量に応じて
変化する。従って、リフトが一定のものに比べて低負荷
時又は全負荷時において有利である。

又、上記構造とは異なる段部がピストンに形成され、
この段部が弁体の開成方向に燃料圧を受け、段部とハウ
ジング内壁との間に形成された環状室が逆止弁を介して
圧力路と接続すると共に別の逆止弁を介して前室と接続
している構造によって弁リフトを可変とすることもでき
る（図10参照）。この場合は、ガス溜への燃料注入は噴
射弁が閉じる直前、つまりガス溜へのガス取出過程の最
後で行われる。従って、燃焼室のガスがガス溜へ流入し
た後に注入された燃料は次のサイクル（吸入行程）にお
いて噴射弁が開いて燃焼室へ噴射されるまでガス溜に留
まる。

噴射弁の閉成用ばねを保護するために、このばねが前
室から仕切壁によって分離されたばね室に収納され、仕
切壁に弁軸が挿通される開口が形成されている構造とす
ることができる（図５参照）。噴射弁の閉成力をも燃料
圧によって与え、閉成用ばねを不要とする構造も可能で
ある。

さらに構造を簡素化するために、噴射弁のハウジング
内に定量供給室を有する定量供給器を形成し、その定量
供給ピストンを噴射弁のピストンと同軸に連結し、噴射
弁の後室に定量供給器の駆動室を兼ねさせ、定量供給室
を減圧弁を介して後室に接続すると共に逆止弁を介して
前室に接続し、後室を圧力発生ユニットからの圧力路に
接続する構成とすることもできる（図12参照）。つま
り、この構造では噴射弁と定量供給器とが一体になって
いる。

上記圧力発生ユニットは、固定吐出量ポンプとその後
に接続された流量調節ユニットと過剰燃料を燃料タンク
に戻すリリーフ弁とを備え、後室を流量調節ユニット又
は燃料タンクへの戻り路に切換接続する三方弁が設けら
れている。この構成では、噴射弁は全負荷条件で全開と
なり、部分負荷条件では弁開成速度に応じて部分的に戻
される。弁リフトは燃料の注入量に比例し、燃料注入は
弁が閉じる際に行われる。噴射弁の閉成速度の上限を制
限するために、流動調節ユニットと三方弁との接続路及
び前記戻り路に固定絞りをそれぞれ介装することもでき
る。

上記の流量調節ユニットを除いて、代わりに圧力調節
ユニットを固定吐出量ポンプと並列に接続してもよい
（図14参照）。

噴射弁の後室を弁軸と垂直なダイヤフラムによって上
下に仕切り、このダイヤフラムが定量供給ピストン及び
弁体を駆動するように構成することができる（図12、14
参照）。さらに、ダイヤフラムの下側の室に固定吐出量
ポンプからの別の管路を介して燃料圧を与えることによ
り（図14参照）、噴射弁の閉成用ばねを不要にすると共
に、多気筒エンジンにおいて全部の弁に均一な閉成力を
与えることができる。又、全シリンダについて燃料注入
量を均一にすることができる効果も得られる。

又、弁軸とそのガイドとの間に形成された円筒状隙間
を介して、後室からの接続路を前室に接続させ、燃料が
後室から接続路及びこの円筒状隙間を通って前室へ注入
される構造とすることにより（図15参照）、ガス溜のガ
ス圧に対して弁軸を仕切壁からシールするシール部材を
保護することができる。

さらに簡素化した構造として、弁軸とそのガイドとの
間に形成された円筒状隙間によって後室と前室とを直接
接続することにより上記接続路を省略することもできる
（図16参照）。この場合、弁軸を囲むシール部材を円筒
状隙間の拡径部に設け、このシール部材がリングばね等
の付勢手段を備えて逆止弁として働くように構成するこ
とができる（図17参照）。このシール部材は下から上へ
即ち前室から後室へは高圧に対してもシール作用を有
し、上から下へは低圧に対してのみシール作用を有す
る。

〔発明の効果〕

前述のように、本発明の燃料噴射弁によれば、燃料噴
射弁をガス取出弁として兼用し、弁の開閉駆動を燃料圧
によって行うので、燃料噴射システム全体の構成が簡素
化される。そして、ソレノイドやカムによる駆動に比べ
て大きい駆動力、速い開成速度、大きいリフトが得られ
る点で有利である。又、シリンダから長い管路を通して
圧縮ガスの取り出しと混合ガスの噴射を行っていた従来
装置で問題となっていた炭化物の管路内壁への沈着が生
じ得ないので、効率や制御の安定性の面でも有利であ
る。

〔実施例〕

以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

図１に示す往復動ポンプと一定リフトを有するシステ
ムの実施例において、内燃機関の燃焼室３に連通する噴
射弁２は弁体16に隣接する前室18を備え、この前室18が
ガス溜４として機能する。取出弁は用いられず、燃料は
噴射弁２のガス溜４に直接注入される。燃焼室３からの
ガスの取り出しは噴射弁２そのものによって行われる。
噴射弁２はハウジング13と、その内部を軸方向に摺動す
るピストン14と、このピストン14を弁閉成方向に付勢す
る閉成用ばね15とを備えている。ガス溜内のガス圧によ
って弁が自動的に閉じるようにピストンの有効面積と弁
の寸法を設計することにより、閉成用ばね15を省略する
ことも可能である。燃焼室３側に開く弁体16は弁軸17に
よってピストン14に連結している。ピストン14の上側の
後室20は逆止弁32を有する接続路37によってガス溜４に
接続されている。但し、接続路37を後室20に直接接続す
る代わりに、後室20に接続された圧力路35に接続路37を
接続してもよい。

圧力路35によって噴射弁２の後室20に接続されている
圧力発生手段、即ち往復動ポンプ５は、ポンプシリンダ
22と、その内部を摺動するプランジャ23と、このプラン
ジャ23を駆動するカム25と、プランジャ23をカム25に押
し付けるばね24とを備えている。カム25はカム軸26を介
して内燃機関によって回転駆動される。燃料は、燃料タ
ンク28から管路29及び電磁弁60を通ってポンプシリンダ
22に吸い込まれる。燃料の量を調節するための制御手
段、例えば、ストローク調節可能なストッパを有する補
助プランジャをポンプシリンダ22内に設けることも可能
である。

図２の実施例は図１の実施例を一部変形したものであ
る。単一の電磁弁60を用いて噴射量及び噴射時間（即ち
噴射弁の開成時間）を制御する場合は、噴射時間及び噴
射量はタイミング及び時間長さに関して結び付いてい
る。図２の構成にあっては、上記電磁弁60と独立に制御
される第２の電磁弁61及び逆止弁63を備える別の管路62
によって燃料タンク28と圧力路35とが接続され、これに
よって上記二つの変数が分離される。この結果、内燃機
関を燃料消費及び排気に関して一層好ましい状態に調節
することが可能になる。

以下の説明において、噴射弁２の開成圧力をp₁、管路
62の逆止弁63の開成圧力をp₂、接続路37の逆止弁32の開
成圧力をp₃とする。所定量の燃料がポンプ５に吸い込ま
れたのち電磁弁60は閉じられる。電磁弁61は開いたまま
である。噴射弁２が圧力p₁に達するとピストン14がスト
ッパに当たるまで動いて噴射弁２は開成する。さらに圧
力がp₂まで上昇すると逆止弁63が開いて過剰燃料がタン
ク28に戻される。ガス溜４への燃料の注入は電磁弁61を
閉じることによって始まる。つまり、電磁弁61を閉じる
ことにより管路37の圧力（管路62、圧力路35、後室20の
圧力に等しい）がp₃まで上昇して逆止弁32が開くことに
より後室20からガス溜４へ燃料が注入される。燃料注入
は電磁弁61又は電磁弁60の開成によって終了する。燃料
の定量供給は電磁弁60の所定期間の開成とカム５による
プランジャ23の往復動とによって行われる。

図３のグラフは電磁弁の駆動電圧Ｕ〔Ｖ〕のクランク
角αに対する変化、及びその結果としての動作力Ｆの変
化を示しており、このような特別な駆動によれば、図１
のような単一の電磁弁60を用いる場合にも噴射時間と注
入時間、そして定量供給を独立に制御することができ
る。図１の電磁弁60は２段階の大きさの電流で駆動され
る。これは、例えば図３に示すように、電磁弁の駆動電
圧をパルス幅変調によってオン・オフ制御することによ
って行われる。このようにして電磁弁60に２段階の大き
さの動作力F₁,F₂が生み出される。小さい電流によって
小さい動作力（p₁より大きい）F₁で電磁弁60が閉じられ
ると燃料圧がp₁を越えるに伴って噴射弁２が全開する。
引き続いて燃料圧が上昇して電磁弁60の動作力F₁を越え
るp₂になると電磁弁60はもはや閉成状態を維持できなく
なり、過剰燃料は電磁弁60を通ってタンクに戻る。次に
大きい電流によってp₂より大きい動作力F₂が与えられる
と電磁弁60は再び閉じる。そして圧力がP₃（F₂より小さ
い）まで上昇すると逆止弁32が開いて燃料の注入が始ま
る。燃料の注入は電磁弁60の電流を下げて電磁弁60の動
作力をF₁又はゼロまで下げることにより終了する。燃料
圧がp₁より下がれば噴射弁２は閉じる。

図４に、図１によるシステムの変形例であって低圧駆
動と一定リフトを有するものを示す。高圧ピストンポン
プ５の代わりに固定吐出量ポンプ５′（例えばローラポ
ンプやギアポンプ）が流体圧増幅器を兼ねる定量供給器
（metering device）64と共に用いられている。定量供
給器64はハウジング65内を案内される定量供給ピストン
66を備え、このピストンがハウジング65内を駆動室67と
定量供給室68とに分けている。流体圧増幅は高圧側の狭
い面積A₂を有するピストンと低圧側の広い面積A₁を有す
るダイヤフラム又はピストンとによって達成される。定
量供給ピストン66及びダイヤフラム69は１ユニットにな
っている。このユニットは固定ストッパと可変ストッパ
70との間を動き、可変ストッパ70は図示の如く低圧側
に、又は高圧側に置かれる。両ストッパ間の距離によっ
て注入されるべき燃料の量が決まる。固定吐出量ポンプ
５′で発生した通常２〜８バールの圧力は流体圧増幅に
よって、A₁/A₂/A₄の比で燃料噴射システムに必要な10〜
40バールの圧力に高められる。ここでA₄は噴射弁２を作
動させるピストン14の断面積である。定量供給ピストン
66は１サイクルに１回往復運動し、１サイクル当たりの
燃料注入量を決めるストロークの可変ストッパ70は偏心
カムとこれを回転駆動する位置検出付サーボモータ又は
ステッピングモータを用いて構成される。

圧力増幅器兼定量供給器64の制御（即ち注入プロセス
の制御）は適当な制御回路によって駆動される三方弁71
によって行われる。定量供給ピストン66の周囲に形成さ
れたダイヤフラム69によって閉じられた環状の室73（即
ち駆動室67）に連通する管路72が三方弁71によってポン
プ５′に接続されると、ポンプ５′によって発生しリリ
ーフ弁74によって一定に維持される圧力が注入用バネ78
を圧縮しながら定量供給ピストン66を可変ストッパ70の
方へ動かす（吸入行程）。すると燃料が管路75及び逆止
弁76を通って圧力路35、後室20及び定量供給室68を満た
す。続いて三方弁71が切り換えられて環状室73が戻り路
77に接続され、環状室73の圧力は戻り路77を通ってタン
ク28に開放される。これにより注入用バネ78が伸長して
定量供給ピストン66を順方向に動かし、所定量の燃料が
噴射弁２の後室20に供給される（供給行程）。この行程
の初期において燃料圧が噴射弁２の開成圧力を越えるこ
とにより噴射弁２即ち弁体16が開く。さらに圧力が上昇
して逆止弁32の開成圧力を越えると、燃料が後室20から
ガス溜（前室18）に注入される。可変ストッパ70によっ
て定量供給ピストン66のストロークを調節することによ
り、燃料の注入量を調節することができる。

図4aに示す実施例では管路72は定量供給器64のハウジ
ング65内のダイヤフラム69よりストッパ70側に連通して
いる。従って図４の実施例とは逆に、三方弁71が管路72
をポンプ５′に接続すれば供給行程となり、管路72を戻
り路77に接続すると吸入行程となる。ハウジング65内の
注入用バネは必要ない。

噴射弁２はピストン14の下面、即ち弁体16側の面99に
作用する燃料圧によって閉じる。逆止弁32は閉じたまま
である。管路37の圧力が上昇してp₃に達すると逆止弁32
が開き燃料がガス溜（前室18）に注入される。このプロ
セスは定量供給ピストン66が固定ストッパ側（図の左
側）に達すると終了する。

噴射プロセスは三方弁71が駆動室67に連通する管路72
を戻り路77に接続することによって始まる。タンク28へ
の戻り路77には流量調節ユニット100が介装され、これ
によって噴射弁２の開成速度が制御される。噴射弁２の
開成はピストン14の上面側のばね室85′に収納された圧
縮ばね15によって行われる。この圧縮ばね15の復元力は
定量供給ピストン66のリセット（戻り移動）にも寄与す
る。注入されるべき量の燃料はポンプ５′によって逆止
弁76を通って圧力路35に送り出される。

図4bに噴射弁のリフト（開度）Ｓ及び注入される燃料
量βのグラフを示す。この実施例が図４の実施例より優
れている点は、燃料の注入が噴射弁の閉成ガスの噴射後
にはじめて行われること、そして圧力比と面積比との所
定の関係により高圧側の圧力をいくらか下げ、ひいては
燃料ポンプに要求される出力を下げることができること
である。

固定吐出量ポンプによる低圧供給ユニットの代わりに
往復動ポンプによる高圧ユニットを用いてもよく、これ
によって流体圧増幅は不要になる。さらに、電子制御に
よる固定吐出量でない高圧ピストンポンプを用いてもよ
い。いずれにせよ弁体16の開成速度は戻り路77に介装さ
れた流量調節ユニット100によって調節される。

上記のいずれの場合においても「高圧」とは10バール
以上の圧力を意味する。

図４の実施例を簡略化することにより別の利点が得ら
れる。必要な流体圧増幅率が噴射弁２のピストン14の適
当な断面積A₄によって得られる場合は、図５に示すよう
に、定量供給器64の面積A₁を有するダイヤフラム69と定
量供給ピストン66を駆動するばね78とを省略することが
できる。この場合、面積A₂を有する定量供給ピストン66
は定量供給の目的のみで使用される。この実施例におい
て噴射弁２は、三方弁71が駆動室67に連通する管路72を
固定吐出量ポンプ５′に接続することにより開き始め全
開状態になる。引き続いて前室18への燃料注入が行われ
る。燃料注入は、三方弁71の切り換えによって駆動室67
がタンク28に開放する戻り管路77に接続されるに伴って
噴射弁２の開成期間と共に終了する。これに続いて、圧
力路35は減圧弁としても機能する逆止弁76を介して燃料
で満たされ、定量供給ピストン66は可変ストッパ70側へ
押し戻される。この実施例では、燃料圧によって噴射弁
２が開くことがないように、逆止弁76による減圧量を決
める必要がある。

図５による実施例の変形例を図６に示す。図示しない
制御ユニットによって制御される流量調節ユニット79を
用いて、弁の開成速度が図７にα、β、γで示すように
制御される。部分負荷、即ち遅い開成速度の条件下では
全負荷、即ち速い開成速度の条件下に比べて遅い時点で
燃料の注入が開始される。この利点は高負荷において燃
料の一部が同じサイクルで燃焼室に直接入ることにより
内部を冷却し、一方、部分負荷においては全燃料がガス
溜にて予め気化されるので汚染物質の排出が最少になる
ことである。さらに、弁リフトの可変速度によって入口
における燃焼室へのガス噴射の勢い、ひいては内燃機関
の排気特性に影響を与える充填ガスの層化が制御され
る。

図８は図５の実施例の変形例を示し、噴射弁２のリフ
トが注入される燃料の量に比例して変化し得る（同時制
御）。弁リフトが可変でない実施例に比べて本実施例は
部分負荷又は全負荷の条件下での内燃機関の動作に関し
て有利である。つまり、図６及び図７で説明したのと同
じことがいえる。

図８の実施例では、噴射弁２のピストン14は段部80を
有し、これとハウジング13の内壁とによって環状室81が
形成されている。環状室81は逆止弁82を介して後室20に
接続されると共に逆止弁32を介して前室18に接続されて
おり、ピストン段部80の環状の面A₆が弁の閉成方向に圧
力を受ける。

有効面積A₆を有する環状室81は逆止弁82を介して後室
20の圧力即ち圧力路35の圧力を受ける。注入開始時、即
ち定量供給ピストンが供給方向に動き始めた時に、噴射
弁２のピストン14が下方へ動いて弁体16が開く。同時に
燃料が環状室81から追い出され、逆止弁32を介してガス
溜４（前室18）へ注入される。弁体16は定量供給器から
供給される注入量に比例する量だけ開かれるので、弁リ
フトが内燃機関の負荷の増加に応じて増加する。

図８の噴射弁の構造によれば、図９に示すように、ガ
ス溜４への燃料注入は、全て弁体16が開く際の噴射初期
において行われる。この間にガス溜４から燃焼室３へガ
スが噴射され、注入された燃料の多くはガス流と共に燃
焼室へ直接噴射される。図中、Ｖは全負荷時、Ｔは部分
負荷時を示す。

図10に示す実施例では、ピストン14の段部83が弁体16
の開成方向に圧力を受ける。図11に示すように、ガス溜
４への燃料注入は弁が閉じる際のガス溜４への圧縮ガス
取出過程の最後に行われる。弁が閉じる際、燃焼室３か
らガス溜４へのガス流が生じ、注入された燃料は次のサ
イクルまでガス溜４にとどまる。

低圧システムの場合は、各圧力がかかる各面積を適当
な値にして圧力増幅率、従って注入路の圧力上昇を十分
大きくすることにより、逆止弁や噴射弁の摩擦力による
圧力低下を十分に補うことができる。

図4,5,6,8,10に示したように、シリンダユニットごと
に必要な可変ストローク定量供給器及び三方向電磁弁は
噴射弁２と独立の制御ブロック内で組み合わされ、管路
によって噴射弁２に接続している。かかる構造は定量供
給器の調節及び同期にとって有利である。しかし、定量
供給器を噴射弁２に一体に取り付けて、定量供給ピスト
ンのストッパの可変機構を内燃機関のシリンダヘッドに
配置してもよい。前者の構造は多気筒内燃機関に適し、
後者の構造は単気筒内燃機関に適している。

可変リフトの噴射弁を図１や図２の高圧ピストンポン
プと共に使用することも可能である。

すべての実施例において、噴射弁２の閉成用ばね15が
収納されたばね室85は、断熱のために仕切壁84によって
前室18から分離されている。又、ばね室85はリリーフ路
（漏洩管）91を介して低圧領域に接続している。

図12は可変開成速度を有する混合噴射システムの他の
実施例を示している。この実施例では噴射弁２のハウジ
ング内に定量供給室68′を有する定量供給器64′が備え
られている。その定量供給ピストン66′は噴射弁２のピ
ストン14と同軸に連結している。噴射弁２の後室20は定
量供給器64′の駆動室を兼ねている。定量供給室68′は
減圧弁86を介して後室20に接続すると共に逆止弁32を介
して前室（ガス溜４）に接続している。この実施例で
は、弁リフトは全負荷条件で最大になり部分負荷条件で
は弁開成速度に応じて部分的に戻される。弁リフトは燃
料の注入量に比例し、燃料注入は弁が閉じる際に行われ
る。

圧力発生ユニットは固定吐出量ポンプ５′（約６バー
ル）と、開成圧力p₂を有するリリーフ弁74と、主管路に
おける流量を電子的に制御するユニット79とを備えてい
る。流量制御ユニット79は例えば通過断面が可変の絞り
で構成できる。噴射弁２は弁体16を備え、この弁体16は
弁軸を介して面積A₁のダイヤフラム87又はピストンによ
って駆動される。閉成用ばね15が弁体16を閉成状態に維
持する。三方弁71が主管路と圧力路35との接続を開くと
後室20に主管路の圧力がかかり、弁体16が開き始める。
弁体16の開成速度は後室20への燃料流入によって決まる
が、この燃料流入は流量制御ユニット79と閉成用ばね15
の復元力によって制限される。従って、弁の開成速度は
流量が多いほど速くなる。図14に示すように圧力調節ユ
ニット88を備えたバイパスを設けることによっても制御
可能である。

流量制御ユニット79と三方弁71との間の固定絞り89は
最大開成速度を制限する。噴射弁２が開く際に定量供給
室68′が減圧弁86を介して燃料で満たされる。充填圧力
は接続路37の逆止弁32の開成圧力より小さい。噴射弁２
の開成状態は三方弁71が圧力路35の接続を戻り路77に切
り換えることにより終了する。つまり、ダイヤフラムの
上側の室、即ち後室20の圧力がが戻り路77を介してタン
ク28に開放されることにより閉成用ばね15の復元力で弁
体16が閉じる。戻り路77の絞り90は弁体16が閉じる速度
を制限する。

弁体16が閉じる際に、定量供給ピストン66′がそのス
トークに対応する量の燃料を定量供給室68′から追い出
す。追い出された燃料は逆止弁32を介してガス溜４に注
入される。燃料注入は閉成用ばね15の復元力によって行
われる。定量供給ピストン66′を変更することによっ
て、弁体16が閉じる際ではなく開く際に燃料注入を行う
ようにすることも可能である。前者の場合はガス溜での
燃料の一時的な貯留によって排気中の炭化水素の含有量
が減少するので、主に排気規制が厳しい内燃機関に適し
ている。一方、後者の場合はシリンダ（燃焼室）に直接
入る燃料の気化熱がシリンダ充填ガスから直接奪われる
ので高性能内燃機関における内部冷却の改善を図ること
ができる。

各動作に必要な最大の弁リフトは開成速度と三方弁71
の開成時間で決まる。図13はクランク角αに対する弁リ
フトＳと燃料注入量βとのグラフを示している。ガス溜
４への燃料注入は弁体16が閉じる際に行われ、弁体16が
完全に閉じれば燃料注入は終了する。燃料注入の始ま
り、従って注入される量は開成線ａの傾きδ及び閉成線
ｂの傾きγ、そして噴射開始EBから噴射終了EEまでの弁
の開成時間によって決まる。閉成線ｂの傾きγに相当す
る注入速度は閉成用ばねの復元力と絞り90の通過断面に
よって決まる。

図14の実施例では、前述のように流量制御ユニットが
圧力調節ユニット88を有するバイパスで置き換えられて
いる。この圧力調節ユニット88は、絞り90とダイヤフラ
ムの下の室92の圧力と共働して図13の開成線ａの傾きδ
を決める。ダイヤフラムの下の室92にかかる圧力は図12
の閉成用ばね15に代わるものである。このような構成は
多気筒内燃機関において、全ての弁について閉成力を一
定にし、この結果、ばねを用いた場合のようにその復元
力のばらつきの影響を受けることなく閉成線ｂの傾きγ
を一定にする。このことは各シリンダにおいて一定の注
入量を得るために重要である。弁94は弁体16が開く際に
ダイヤフラムの下の室92にかかる圧力を制御し、全ての
弁についての開成線ａの傾きδを同時に決める。他の動
作については図12の構成の場合と同様である。

低圧力構成の一般的利点は、ピストンポンプや高圧電
磁弁のような高価な部品が不要になることによりシステ
ム全体のコストが低減されることにある。ピストンによ
る定量供給によって、電磁弁を用いる場合のように流路
特性や動作タイミングのばらつきを気にすることなく正
確な量の燃料を注入することが可能となり、これによっ
ても製造コストを低減することができる。

図15は上述のような噴射弁２を簡素化したものを示
す。ハウジング内部は上下２室に分かれ、弁体16の弁軸
17がその隔壁を貫通して摺動する。弁体16は閉成用ばね
15によって閉成位置に保持される。後室20に燃料圧がか
かることにより弁体16が開く。ガス溜４、即ち前室18は
例えばオーリングのような弾性シール部材95によって後
室20からシールされている。このシール部材を高温ガス
から保護するために、ガス溜４に注入される燃料はシー
ル部材95のすぐ下から注入される。注入された燃料は弁
軸17とそのガイドとの間の円筒状の隙間94を通ってガス
溜４へ入り気化する。

弁軸のシール構造の別実施例を説明するために図１〜
６の噴射弁の実施例を再度参照する。これらの実施例で
は後室20に圧力がかけられると弁体16が開き、さらに圧
力が上昇して逆止弁32が開くと燃料がガス溜４に注入さ
れる。図16及び17に示す弁軸のシール構造では、この逆
止弁32がシール部材96で置き換えられている。このシー
ル部材96は下から上へは高圧に対してもシール作用を有
し、上から下へは低圧に対してのみシール作用を有す
る。弁体16が開いたのち後室20の燃料圧がさらに上昇す
ると、シール部材96のシールリップ97を径方向外方へ押
す力がリングばね98によって調整されている径方向内方
へのシール力F_rに勝るようになる。この結果シールリッ
プ97と弁軸17との間に隙間が開いて、燃料がこの隙間を
通って上から下へ、即ち後室20からガス溜４へ流れる。
この場合シールリップ97を径方向外方へ押す力と釣り合
うシール力はF_r＋ΔF_rに上昇し、これによって上記隙間
の幅Ｗが決まる。この隙間幅Ｗは数千分の1mmから数百
分の1mmといった範囲の小さい値であり、従ってシール
部材96は負荷サイクルの繰り返しに対して耐久性を有す
る。ガス溜への燃料注入が終わると、後室20の圧力低下
に伴ってシールリップ97は再び閉じてガスの逆流を防
ぐ。

図面の簡単な説明図１は本発明による燃料噴射装置の一実施例を示す。

図2,4,4a,5,6,8,10,12,14は図１の燃料噴射装置の別
実施例をそれぞれ示す。

図３は図１における電磁弁の駆動電圧及び動作力のク
ランク角に対する変化を示す。

図4b,7,9,11,13は弁リフト及び燃料注入量のクランク
角に対する変化を示す。

図15は本発明による燃料噴射装置に使用する燃料噴射
弁の一実施例を示す。

図16は図15の燃料噴射弁の別実施例を示す。

図17は図16の部分拡大図である。

２……噴射弁、３……燃焼室、４……ガス溜、5;5′
……ポンプ、14……駆動手段（ピストン）、16……弁
体、17……弁軸、18……前室、20……後室、28……燃料
タンク、29……燃料供給路、35……圧力路、37……接続
路、60……電磁弁、62……燃料戻り路、63……逆止弁、
64;64′……定量供給器、66;66′……定量供給ピスト
ン、67……駆動室、68;68′……供給室、69……ダイヤ
フラム、71……三方弁、72……管路、73……環状室、75
……管路、76……逆止弁、77……戻り路、79……流量調
節ユニット、80,83……段部、81……環状室、82……逆
止弁、84……仕切壁、85……ばね室、87……駆動手段
（ダイヤフラム）、88……圧力調節ユニット、89,90…
…固定絞り、94……円筒状隙間、96……シール部材。

フロントページの続き (72)発明者ヘルツォーク，ペータオーストリア国 8052 グラーツブロナーベーク 10 (72)発明者エリオット，ケイスオーストリア国 8043 グラーツヨハンヘーエ 12 (72)発明者フィッシャ，クリストフ，デーオーストリア国 8010 グラーツステイラーガッセ 96 (72)発明者グライア，ヨセフオーストリア国 8010 グラーツハインリヒシュトラーセ 112デー (56)参考文献特開昭61−8465（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−5546（ＪＰ，Ａ) 実開平１−174570（ＪＰ，Ｕ) 実開昭58−30767（ＪＰ，Ｕ) 実開昭58−30770（ＪＰ，Ｕ) 実開昭58−30766（ＪＰ，Ｕ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料供給用ポンプ（5;5′）と、圧縮ガス
をシリンダの燃焼室（３）から取り出すガス取出手段
と、取り出したガスを貯留するガス溜（４）と、貯留し
たガスと注入された燃料とを前記燃焼室（３）に噴射す
る噴射手段とを備えている内燃機関の燃料噴射装置であ
って、前記ガス取出手段及び前記噴射手段としての噴射弁
（２）の内部が前記燃焼室（３）側の前室（18）と反対
側の後室（20）とに仕切られ、前記燃焼室（３）側に開
く弁体（16）が、前記ガス溜（４）として機能する前記
前室（18）と前記燃焼室（３）とのガス交換を制御し、前記前室（18）と前記後室（20）とを仕切る可動壁であ
る駆動手段（14;87）が前記弁体（16）を開閉駆動し、前記前室（18）と前記後室（20）とが逆止弁（32;96）
を有する接続路（37）によって接続され、前記ポンプ
（5;5′）を含む圧力発生ユニットが前記後室（20）に
燃料を供給することを特徴とする内燃機関の燃料噴射装
置。
【請求項２】前記後室（20）と圧力路（35）によって接
続された往復動式のポンプ（５）が備えられ、燃料タン
ク（28）から前記ポンプ（５）への燃料供給路（29）に
電磁弁（60）が介装されている請求項１記載の内燃機関
の燃料噴射装置。
【請求項３】前記圧力路（35）と前記燃料タンク（28）
とが第２の電磁弁（61）を有する燃料戻り路（62）によ
って接続されている請求項２記載の内燃機関の燃料噴射
装置。
【請求項４】前記燃料戻り路（62）に逆止弁（63）が介
装され、前記圧力路（35）の過剰燃料が前記燃料戻り路
（62）を通して前記燃料タンク（28）に戻る請求項３記
載の内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項５】前記燃料供給路（29）の電磁弁（60）が、
２通り以上の強さの電流で駆動されることにより２通り
以上の動作力を与えられる請求項２記載の内燃機関の燃
料噴射装置。
【請求項６】前記ポンプ（５′）と共に定量供給器（6
4）が備えられ、この定量供給器（64）はハウジング（6
5）内を案内される定量供給ピストン（66）とそのスト
ロークを規制して供給量を決める一対のストッパとを有
し、前記定量供給ピストン（66）がハウジング（65）内を供
給室（68）と駆動室（67）とに分け、供給室（68）は圧
力路（35）によって前記噴射弁（２）の後室（20）に接
続され、駆動室（67）は三方弁（71）によって前記燃料
ポンプ（５′）又は戻り路（77）に切換接続され、前記圧力路（35）と前記燃料ポンプ（５′）とが逆止弁
（76）を有する管路（75）で接続されている請求項１記
載の内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項７】前記燃料ポンプ（５′）としてローラポン
プやギアポンプ等の固定吐出量ポンプ（５′）を用い、
前記定量供給ピストン（66）が軸方向に圧力を受ける駆
動室（67）側の断面積A₁が供給室（68）側の断面積A₂よ
り大きいことにより１より大きい流体圧増幅率A₁/A₂が
得られる請求項６記載の内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項８】前記駆動室（67）がダイヤフラム（69）に
よって仕切られ、このダイヤフラム（69）が前記燃料ポ
ンプ（５′）からの燃料圧によって前記定量供給ピスト
ン（66）を駆動する請求項７記載の内燃機関の燃料噴射
装置。
【請求項９】前記駆動室（67）が、前記ダイヤフラム
（69）によって、前記三方弁（71）を有する管路（72）
に接続された環状室（73）と注入用バネ（78）を収納す
るばね室とに仕切られている請求項７記載の内燃機関の
燃料噴射装置。
【請求項１０】前記定量供給ピストン（66）のストロー
クを規制する一対のストッパのうちの一方のストップ位
置を調節する手段（70）が備えられている請求項6,7,8
又は９記載の内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項１１】前記定量供給器（64）の駆動室（67）に
接続する管路（72）に、流量調節ユニット（79）が介装
され、これによって前記噴射弁（２）の弁体（16）の開
成速度が調節される請求項６記載の内燃機関の燃料噴射
装置。
【請求項１２】前記噴射弁（２）のピストン（14）が段
部（80）を有し、この段部（80）とハウジング内壁との
間に環状室（81）が形成され、前記段部（80）は前記弁
体（16）の閉成方向に燃料圧を受け、前記環状室（81）
は逆止弁（82）を介して前記後室（20）と接続すると共
に別の逆止弁（32）を介して前記前室（18）と接続して
いる請求項６記載の内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項１３】記噴射弁（２）のピストン（14）が段部
（83）を有し、この段部（83）とハウジング内壁との間
に環状室が形成され、前記段部（83）は前記弁体（16）
の開成方向に燃料圧を受け、前記環状室は逆止弁を介し
て前記圧力路（35）と接続すると共に別の逆止弁（32）
を介して前記前室（18）と接続している請求項６記載の
内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項１４】前記噴射弁（２）の閉成用ばね（15）が
前記前室（18）から仕切壁（84）によって分離されたば
ね室（85）に収納され、前記仕切壁（84）に弁軸（17）
が挿通される開口が形成されている請求項１〜13のいず
れか１項記載の内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項１５】前記噴射弁（２）の閉成力が閉成用ばね
を使用せずに燃料圧によって与えられる請求項１記載の
内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項１６】前記噴射弁（２）のハウジング内に定量
供給室（68′）を有する定量供給器（64′）が形成さ
れ、その定量供給ピストン（66′）が前記噴射弁（２）
のピストン（14）と同軸に連結し、噴射弁（２）の後室
（20）が定量供給器（64′）の駆動室を兼ねており、定
量供給室（68′）は減圧弁（86）を介して前記後室（2
0）に接続すると共に逆止弁（32）を介して前記前室に
接続し、前記後室（20）が前記圧力発生ユニットからの
圧力路（35）と接続している請求項１記載の内燃機関の
燃料噴射装置。
【請求項１７】前記圧力発生ユニットは、固定吐出量ポ
ンプ（５′）と、その後に接続された流量調節ユニット
（79）と、過剰燃料を燃料タンク（28）に戻すリリーフ
弁（74）とを備え、前記後室（20）を前記流量調節ユニ
ット（79）又は前記燃料タンク（28）への戻り路（77）
に切換接続する三方弁（71）が設けられている請求項16
記載の内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項１８】前記流量調節ユニット（79）と前記三方
弁（71）との接続路及び前記戻り路（77）に固定絞り
（89,90）がそれぞれ介装されている請求項17記載の内
燃機関の燃料噴射装置。
【請求項１９】請求項17記載の燃料噴射装置において、
前記流量調節ユニット（79）を除き、代わりに圧力調節
ユニット（88）を前記固定吐出量ポンプ（５′）と並列
に接続した内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項２０】前記噴射弁（２）の後室（20）が弁軸
（17）と垂直なダイヤフラム（87）によって上下に仕切
られ、このダイヤフラム（87）が前記定量供給ピストン
（66′）及び前記弁体（16）を駆動する請求項16〜19の
いずれか１項記載の内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項２１】前記ダイヤフラム（87）の下側の室（9
2）が前記固定吐出量ポンプ（５′）によって管路93を
介して燃料圧を加えられる請求項20記載の内燃機関の燃
料噴射装置。
【請求項２２】前記弁軸（17）とそのガイドとの間に形
成された円筒状隙間（94）を介して前記接続路（37）が
前記前室（18）に接続し、燃料がこの円筒状隙間（94）
を通って前記前室（18）へ注入される請求項１〜21のい
ずれか１項記載の内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項２３】前記弁軸（17）とそのガイドとの間に形
成された円筒状隙間（94）によって前記後室（20）と前
記前室（18）とが接続され、前記弁軸（17）を囲むシー
ル部材（96）が前記円筒状隙間（94）の拡径部に設けら
れ、このシール部材（96）はリングばね等の付勢手段
（98）を備えており逆止弁として働く請求項１〜22のい
ずれか１項記載の内燃機関の燃料噴射装置。