JP2976356B2 - エンジンの高圧燃料噴射装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば高速ディーゼル
エンジンに好適の高圧燃料噴射装置に関し、特にエンジ
ンの低速回転時における噴射量の制御精度を向上でき、
かつ高速回転時に必要な最大噴射量を確保できるように
した燃料圧力−燃料噴射量特性の改善に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば高速ディーゼルエンジンに採用さ
れる高圧燃料噴射装置として、いわゆる蓄圧式のものが
ある（例えば特開平１-36971号公報参照）。この公報記
載の高圧噴射装置は、高圧燃料が導入される蓄圧室と、
該蓄圧室に連通孔で連通する背圧室と、該背圧室に細孔
で連通するとともに該細孔を開閉する電磁弁を収容する
バルブ室と、後端が上記背圧室内に位置するように上記
蓄圧室内に配置され、先端で噴射ノズルを開閉する噴射
弁体と、該噴射弁体を閉方向に付勢する付勢ばねとを備
えている。この従来装置では、上記電磁弁で上記細孔を
開いて背圧室内の圧力を逃がすことにより燃料圧力によ
る開弁力が大きくなり、これによって上記噴射弁体が後
退して噴射ノズルを開く。一方、上記電磁弁で上記細孔
を閉じて背圧室内の圧力を上昇させることにより背圧室
圧力，及び付勢ばねによる閉弁力が大きくなり、これに
よって上記噴射弁体が前進して噴射ノズルを閉じる。こ
のようにして噴射ノズルが開いている期間に燃料が噴射
される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが上記従来の蓄
圧式高圧燃料噴射装置では、特にエンジンの低速回転時
における噴射量の制御精度が確保しにくく、アイドリン
グが不安定になり易いという問題がある。この点を図６
(a) の蓄圧室燃料圧力−燃料噴射量特性曲線を参照して
説明する。図中、特性曲線ａは一回当たりの噴射時間
（具体的には駆動パルス幅）が長い低速回転側の特性
を、特性曲線ｄは駆動パルス幅の短い高速回転側の特性
を示している。同図からも明らかなように、低速回転・
低負荷領域では駆動パルス幅の長い特性曲線ａに沿って
噴射することから燃料圧力−噴射量の関係が敏感であ
り、そのため噴射量をＱmin に設定するアイドリング調
整を行う場合、僅かに設定圧力を変化させただけで噴射
量が大きく変動し、結局アイドリング回転が不安定にな
り易い。一方、高速回転側では駆動パルス幅の短い特性
曲線ｄに沿って噴射することから燃料の許容最大圧力Ｐ
max の如何によっては噴射量が必要最大噴射量Ｑmax に
達しない場合が生じる。

【０００４】本発明は上記従来の問題点に鑑みてなされ
たもので、低速回転・低負荷領域における燃料噴射量の
制御精度を向上でき、かつ高速回転・高負荷時に必要な
最大燃料噴射量を確保できるようにしたエンジンの高圧
燃料噴射装置を提供することを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、高圧
燃料が導入される蓄圧室と、該蓄圧室に連通孔で連通す
る背圧室と、該背圧室に細孔で連通するバルブ室と、該
バルブ室内に収容され上記細孔を開閉する電磁弁と、上
記蓄圧室内に配置され、先端で噴射ノズルを開閉する噴
射弁体と、該噴射弁体をノズル閉方向に付勢する付勢ば
ねとを備え、上記電磁弁で上記細孔を開いて背圧室内の
圧力を逃がすことにより上記噴射弁体で噴射ノズルを開
き、上記電磁弁で上記細孔を閉じて背圧室内の圧力を上
昇させることにより上記噴射弁体で噴射ノズルを閉じる
ことにより、単位時間当たりの噴射量（噴射率δｑ／δ
ｔ）の噴射期間内における時間変化である噴射パターン
に沿って燃料を噴射するようにしたエンジンの高圧燃料
噴射装置において、上記付勢ばねのばね定数を、ばねの
撓み量が大きくなるにつれて小さくなるように設定する
ことにより、上記噴射パターンを、低速回転・低負荷領
域では上記噴射率が噴射期間の途中で略一定となり、高
速回転・高負荷領域では上記噴射率が噴射期間の後半に
て最大となるように設定したことを特徴としている。

【０００６】

【作用】本発明に係る高圧燃料噴射装置によれば、噴射
パターンを、低速回転・低負荷領域では、例えば図１に
実線で示すように、噴射期間θ２の途中で噴射率が略一
定となるように設定したので、燃料圧力の増大に対して
燃料噴射量は緩やかに増加することとなり、一回当たり
の駆動パルスの幅の長い低速回転・低負荷領域における
燃料圧力−燃料噴射量特性は、図６(b) に曲線ａ′で示
すように従来のものより緩やかになる。そのため燃料圧
力をある程度大きく変化させて始めて噴射量が大きく変
化することとなり、それだけ噴射量制御精度が向上し、
アイドリング調整が容易となる。

【０００７】一方、上記噴射パターンを、高速回転・高
負荷領域では、例えば図２に実線で示すように、噴射期
間θ４の後半で噴射率が最大となるように設定したの
で、その駆動パルス幅は上記最大値が後半側に移行した
分だけ長くなる。そのためより低い燃料圧力で必要最大
噴射量が得られる特性、例えば図６(b)の特性曲線ｃ′
に沿って噴射できることとなり、許容最大燃料圧力Ｐma
xの範囲で必要な最大燃料噴射量Ｑmax の確保が容易と
なる。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図について説明す
る。図１ないし図９は本発明の成立過程及び第１実施例
による高速ディーゼルエンジン用高圧燃料噴射装置を説
明するための図であり、特に図７ないし図９は第１実施
例の特徴部分を示している。図において、１０は高圧燃
料噴射装置であり、これはケーシング２５を仕切プレー
ト２８でバルブ室２９と蓄圧室３８とに画成し、蓄圧室
３８内に噴射弁体２６を、バルブ室２９内に電磁弁２７
をそれぞれ配置した構造となっている。上記ケーシング
２５は、図示上端が閉塞された筒状のインナケース２３
と、図示下端にノズルキャップ３０が、上端に上記イン
ナケース２３がそれぞれ螺挿された円筒状のアウタケー
ス２４とから構成されている。

【０００９】上記仕切プレート２８は円板状のもので、
そのフランジ部２８ｇが上記アウタケース２４の段部２
４ａと上記インナケース２３の図示下端とで挾持されて
いる。上記蓄圧室３８は、上記仕切プレート２８に形成
された燃料供給孔２８ｃ、リング状の溝２８ｄ，及び上
記インナケース２３に形成された燃料導入孔２３ｄ，２
３ｃを介して高圧パイプ７に連通している。この高圧パ
イプ７は燃料タンク５に接続されており、該高圧パイプ
７の途中には高圧ポンプ５が介設されている。

【００１０】また上記仕切プレート２８の軸芯部分には
小径円筒状空間である背圧室２８ａが形成されており、
該背圧室２８ａは細孔２８ｂで上記バルブ室２９に連通
している。またこの背圧室２８ａ内には上記噴射弁体２
６の上端のピストン部２６ｂが摺動可能に挿入されてお
り、該ピストン部２６ｂに形成された連通孔２６ａによ
って上記背圧室２８ａと上記蓄圧室３８とが連通してい
る。

【００１１】上記電磁弁２７は、内側，外側部分に分解
可能のホルダ３１内にリング状のコイル３２を配置する
とともに、該ホルダ３１の軸芯に弁軸３３ａを摺動可能
に挿入した構造のものである。上記ホルダ３１の下端部
は上記仕切プレート２８の上部外周に嵌合固着されてお
り、また上記弁軸３３ａの下端に一体形成された弁板３
３ｂが上記背圧室２８ａと連通する細孔２８ｂを開閉す
るようになっている。また上記弁軸３３ａの上端面には
押圧ばね３９が当接しており、該押圧ばね３９の一端は
位置決ボルト４０でホルダ３１上に位置決めされてお
り、他端は調整ロッド４１で押圧されている。この調整
ロッド４１はインナケース２３に螺挿されて外方に突出
しており、該突出部４１ａにはキャップ４２が装着され
ている。この調整ロッド４１をケーシング２５の外側か
ら回転させることによって上記押圧ばね３９の押圧力を
調整できるようになっている。なお、３４は上記コイル
３２に電圧を印加するための外部接続端子であり、これ
は上記インナケース２３の上端部にシールして装着され
ている。

【００１２】そして上記インナケース２３の周壁には、
導入通路２３ａ，排出通路２３ｂが軸方向に延びるよう
形成されており、導入通路２３ａは上記ホルダ３１の下
端外周に凹設されたリング状の溝，貫通孔を介して上記
バルブ室２９の底面付近に連通しており、上記排出通路
２３ｂは上記バルブ室２９の上端付近に連通している。
さらに上記導入通路２３ａは、接続パイプ４３ａ，循環
パイプ８を介して、排出通路２３ｂは接続パイプ４３
ｂ，戻りパイプ９を介してそれぞれ上記燃料タンク２に
接続されており、循環パイプ８の途中にはフィードポン
プ６が介設されている。なお４は燃料フィルタである。
これにより、燃料タンク２とバルブ室２９との間で燃料
を循環させる燃料循環系が構成されている。

【００１３】上記噴射弁体２６の下部は、上記ノズルキ
ャップ３０に形成されたガイド孔３０ａ内に摺動可能に
挿入され、その先端部は上記ノズルキャップ３０の噴射
ノズル３０ｂを開閉するようになっている。また上記噴
射弁体２６の中程に装着固定された下ばね座３７と、上
記仕切プレート２８の下面に当接するように装着された
上ばね座３５との間には付勢ばね３６が介設されてお
り、これによりこの噴射弁体２６は噴射ノズル３０ｂを
閉じる方向に付勢されている。

【００１４】ここで上記噴射ノズル３０ｂから噴射され
る燃料の時間当たりの噴射量（噴射率＝δｑ／δｔ）の
時間的変化を示す噴射パターンは、低速回転・低負荷領
域では図１に示すように、高速回転・高負荷領域では図
２に示すように、それぞれ設定されている。図中、Ａ，
Ｂは本発明成立過程における噴射パターンを、Ａ´，Ｂ
´は従来の噴射パターンをそれぞれ示し、またＴＷ１〜
ＴＷ４は駆動パルス幅を、θ１〜θ４は実噴射期間をそ
れぞれ示す。なお、各駆動パルスにおけるＯＮは各噴射
パターンの噴射開始時ｔ１に対応しているのに対し、駆
動パルスのＯＦＦは噴射終了時ではなく噴射率減少開始
時Ｔ２に対応している。低速回転・低負荷領域では、図
１に示すように、従来の噴射パターンＡ´では減少して
いるのに対し、本発明成立過程における噴射パターンＡ
では、噴射率は実噴射期間θ２の初期において所定値に
達した後、略全域において一定になっている。そしてこ
の場合、本発明成立過程における駆動パルス幅ＴＷ２は
従来の駆動パルス幅ＴＷ１と同一長さに設定されてい
る。

【００１５】一方、高速回転・高負荷領域では、図２に
示すように、従来の噴射パターンＢ´では、実噴射期間
θ３の略中央に噴射率のピークが位置しているのに対
し、本発明成立過程における噴射パターンＢでは、噴射
率のピークが実噴射期間θ４の後半部に位置している。
このように噴射率のピークを後半部に位置させるため駆
動パルス幅ＴＷ４は従来のＴＷ３に比べて長く設定され
ている。

【００１６】上記噴射パターンを実現するために、本発
明の成立過程の例では、従来のものより、噴射弁体２６
のピストン部２６ｂの直径を従来の４．２ｍｍфから
２．５ｍｍфにして断面積を小さくすることにより背圧
室２８ａの容積を小さくするとともに、ニードル部２６
ｃの直径を上記ピストン部直径に近似させて該部分の断
面積を相対的に大きく設定し、付勢ばね３６のばね定数
を従来の５ｋｇ／ｃｍから４０ｋｇ／ｃｍに大きくする
とともに、該付勢ばね３６のセット荷重を従来の５ｋｇ
から１．５ｋｇに小さくしている。なお、このセット荷
重を小さくしたのは、噴射弁体２６の開き始めの燃料圧
力を従来と等しくするためである。

【００１７】上記噴射パターンについて図５を参照して
さらに詳細に説明する。図５において、Ｆｏは有効開弁
力、Ｆｃは有効閉弁力、Ｐａは蓄圧室３８内の燃料圧
力、Ｐｂは背圧室２８ａ内の燃料圧力、Ｐｇは燃焼室内
圧力、Ａ１，Ａ２は噴射弁体２６のピストン部２６ｂ，
ニードル部２６ｃの断面積、Ｂは付勢ばねのばね力（ば
ね定数×収縮代）である。上記、有効開弁力Ｆｏ，有効
閉弁力Ｆｃは概略下記式の通りとなる。

【００１８】 Ｆｏ＝〔Ｐａ×（Ａ１−Ａ２）＋Ｐｇ×Ａ２〕−〔Ｂ＋Ｂｓ〕−Ｐｂ×Ａ１

【００１９】 Ｆｃ＝〔Ｐｂ×Ａ１＋Ｂ＋Ｂｓ〕−〔Ｐａ×（Ａ１−Ａ２）＋Ｐｇ×Ａ２〕

【００２０】なお、Ｂ_S は付勢ばね３６のセット荷重で
ある。上記両式からも明らかなように本発明の成立過程
の例では、従来のものに比較して、噴射弁体２６のピス
トン部２６ｂの断面積Ａ１を小さくし、ニードル部２６
ｃの断面積Ａ２を大きくし、またばね定数を大きくした
ので、背圧室２８ａの圧力Ｐｂを抜いた際の有効開弁力
Ｆｏは小さくなり、かつ背圧室２８ａ内を圧力Ｐｂにし
た際の有効閉弁力Ｆｃは大きくなっている。

【００２１】まず、低速回転・低負荷領域では、セット
荷重Ｂｓが小さく設定されていることから噴射開始時に
は噴射率が従来のものより比較的速く立ち上がるが、ば
ね定数が大きく設定されているため有効開弁力Ｆｏが小
さく、かつ燃料圧力が比較的低いことから、噴射弁体２
６が少し開くと開度が直ちに頭打ちとなり、その結果こ
の噴射パターンでは実噴射期間θ２の略全域に渡って噴
射率が略一定となる。

【００２２】一方、高速回転・高負荷領域では、断面積
Ａ１とＡ２との差が小さく設定されており、かつばね定
数が大きく設定されているため有効開弁力Ｆｏが小さい
ことから、噴射開始時には噴射率の立ち上がりが緩やか
になっている。また上記背圧室２８ａの容積が小さく設
定されていることから、細孔２８ｂが閉じた際に背圧室
２８ａ内が極短時間で燃料で満杯になって圧力が速く上
昇する点，及びばね定数が大きく設定されていることか
ら有効閉弁力Ｆｃが大きくなっている点から、噴射終了
時には噴射率の立ち下がりが急になっている。そして噴
射率の最大値を従来のものと同様に設定するために駆動
パルス幅ＴＷ４を大きく設定しており、これらの結果、
この噴射パターンでは図２に示すようにそのピークが後
半部にずれている。

【００２３】次に本発明の成立過程の例の作用効果につ
いて説明する。電磁弁２７の非通電時には、弁板３３ｂ
が細孔２８ｂを閉じており、これにより上述の有効閉弁
力Ｆｃでもって噴射弁体３６が噴射ノズル３０ｂを閉
じ、燃料は噴射されない。一方、電磁弁２７が通電され
ると弁板３３ｂが上昇して細孔２８ｂを開く。すると背
圧室２８ａ内の高圧燃料が細孔２８ｂを通ってバルブ室
２９に逃げることにより上記背圧は急激に低下し、これ
により上述の有効開弁力Ｆｏでもって噴射弁体２６が噴
射ノズル３０ｂを開き、燃料が噴射される。

【００２４】このように本発明の成立過程の例では、噴
射弁体２６のピストン部断面積Ａ１，ニードル部断面積
Ａ２，及び付勢ばね３６のばね定数，セット荷重当を適
宜設定することによって噴射パターンを、低速回転・低
負荷領域では図１に示すように実噴射期間の略全域で噴
射率が略一定となるように、高速回転・高負荷領域では
図２に示すようにその噴射率のピークが実噴射期間の後
半部にくるように設定した。そのため、噴射時間（駆動
パルス幅）の長い低速回転・低負荷領域においても燃料
圧力−噴射量特性（図６（ｂ）の特性曲線ａ´）を緩や
かにでき、噴射量制御精度を向上してアイドリング調整
を容易化できる。また高速回転・高負荷領域において
も、比較的噴射時間の長い特性曲線ｃ´に沿って燃料を
噴射でき、従って許容最大燃料圧力Ｐｍａｘの範囲内で
必要最大燃料噴射量Ｑｍａｘを確保できる。

【００２５】ところで、本発明の成立過程の例では、低
速時，高速時の噴射パターンを図１，図２のように設定
するために、噴射弁体２６のピストン部２６ｂ，ニード
ル部２６ｃの断面積Ａ１，Ａ２，ばね定数，セット荷重
等を上述のように設定したが、本発明は、要は噴射パタ
ーンを低速域では略一定に、高速域では噴射期間の後半
部にピークがくるようにすればよく、その実現方法は上
記本発明の成立過程の例に限定されるものではない。図
７〜図９、図１０及び図１１はそれぞれ上記噴射パター
ンを本発明の方法で実現する第１実施例，第２実施例を
示し、図中、図３，図４と同一符号は同一又は相当部分
を示す。この第１，第２実施例は、噴射弁体２６を閉方
向に付勢する付勢ばねのばね定数を、ばねの撓み量が大
きくなるにつれて小さくなるように設定し、これにより
噴射弁体のリフト量が大きくなるにつれて付勢ばねの反
力が過大になるのを防止するようにした例である。な
お、付勢ばねを除く他の部分の基本的構成は、上記発明
成立過程の例と同一である。

【００２６】第１実施例を示す図７〜図９において、４
６は環状の皿ばね部４６ａの内周縁に多数の片持はりば
ね部４６ｂを一体形成してなる付勢ばねであり、該各付
勢ばね４６は皿ばね部４６ａ同士が対向するように二枚
重ねに配設されている。なお、この付勢ばね４６は、通
常の皿ばねの内部にスリット３６ｃを形成することによ
って製作されたものである。上記付勢ばね４６のばね特
性は、図９に示すように、片持はりばね部４６ｂによる
ばね特性ｅ１と皿ばね部４６ａによるばね特性ｅ２とを
合成したばね特性ｅ３となる。なお、図９中、荷重，た
わみはそれぞれ燃料圧力，噴射量に対応している。その
結果、燃料圧力−噴射量特性は、図６（ｂ）に示す特性
となり、上記発明の成立過程の例と同様の効果が得られ
る。

【００２７】第２実施例を示す図１０，図１１におい
て、５６はばね定数ｋ１，セット荷重ｆ１の第１ばね５
６ａと、ばね定数ｋ２，セット荷重ｆ２の第２ばね５６
ｂとからなる付勢ばねであり、ｋ１＞ｋ２、ｆ１＜ｆ２
に設定されている。この付勢ばね５６は、荷重の増加に
対して初期においては、（ｆ２＞ｆ１＋ｋ１×ｘ）とな
り、ばね定数ｋ１で撓む。一方、後期においては、（ｆ
２＜ｆ１＋ｋ１×ｘ）となった時点以降はｋ１とｋ２と
を合成したばね定数ｋｅ＝１／（１／ｋ１＋１／ｋ２）
で撓むこととなる。なお、ｘは撓み量である。その結
果、ばね特性は図１１（ａ）に示す特性となり、燃料圧
力−噴射量特性は図１１（ｂ）に示す特性となり、この
場合も上記本発明成立過程の例と同様の効果が得られ
る。なお、図１１（ｂ）における荷重，たわみはそれぞ
れ燃料圧力，噴射量に対応している。

【００２８】以上のように本発明に係るエンジンの高圧
燃料噴射装置によれば、付勢ばねのばね定数を、ばねの
撓みが大きくなるにつれて小さくなるように設定するこ
とにより、噴射パターンを、低速域では噴射期間の途中
から略一定になるように、かつ高速域では噴射期間の後
半部にピークがくるように設定したので、低速域での燃
料圧力−噴射量特性が緩やかになり、噴射量制御精度が
向上してアイドリング調整を容易化でき、かつ高速域で
は比較的噴射時間の長い噴射特性に沿って噴射でき、必
要最大燃料噴射量の確保が容易になる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の成立過程におけるエンジンの高圧燃料
噴射装置における高速域での噴射パターンを示す特性図
である。

【図２】上記本発明の成立過程の例における低速域での
噴射パターンを示す特性図である。

【図３】上記本発明の成立過程の例の断面正面図であ
る。

【図４】上記本発明の成立過程の例の断面側面図であ
る。

【図５】上記本発明の成立過程の例の作用を説明するた
めの模式図である。

【図６】上記本発明の成立過程の例の効果を説明するた
めの燃料圧力−燃料噴射量特性図である。

【図７】本発明の第１実施例装置の付勢ばね部分を示す
断面正面図である。

【図８】上記第１実施例装置の付勢ばねの平面図であ
る。

【図９】上記第１実施例装置のばね特性を示す図であ
る。

【図１０】本発明の第２実施例装置の付勢ばね部分を示
す断面正面図である。

【図１１】上記第２実施例装置のばね特性，噴射特性を
示す図である。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高圧燃料が導入される蓄圧室と、該蓄圧
   室に連通孔で連通する背圧室と、該背圧室に細孔で連通
   するバルブ室と、該バルブ室内に収容され上記細孔を開
   閉する電磁弁と、上記蓄圧室内に配置され、先端で噴射
   ノズルを開閉する噴射弁体と、該噴射弁体をノズル閉方
   向に付勢する付勢ばねとを備え、上記電磁弁で上記細孔
   を開いて背圧室内の圧力を逃がすことにより上記噴射弁
   体で噴射ノズルを開き、上記電磁弁で上記細孔を閉じて
   背圧室内の圧力を上昇させることにより上記噴射弁体で
   噴射ノズルを閉じることにより、単位時間当たりの噴射
   量（噴射率δｑ／δｔ）の噴射期間内における時間変化
   である噴射パターンに沿って燃料を噴射するようにした
   エンジンの高圧燃料噴射装置において、上記付勢ばねの
   ばね定数を、ばねの撓み量が大きくなるにつれて小さく
   なるように設定することにより、上記噴射パターンを、
   低速回転・低負荷領域では上記噴射率が噴射期間の途中
   で略一定となり、高速回転・高負荷領域では上記噴射率
   が噴射期間の後半にて最大となるように設定したことを
   特徴とするエンジンの高圧燃料噴射装置。