JP3289504B2 - ディーゼル機関 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はディーゼル機関に関し、
特に、燃焼室を構成する部材を改良して、燃焼を良好に
したディーゼル機関に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、燃焼室内の空気をピストンで圧縮
し、そこに燃料を噴射して自己着火させるディーゼル機
関は、熱効率の良い内燃機関として知られている。近
年、このようなディーゼル機関に対して、排気ガス中の
ＮＯｘとパティキュレートの低減を行う必要が生じてい
る。

【０００３】このような要求に対し、副燃焼室付のディ
ーゼル機関においては、ＮＯｘやパティキュレートの低
減のために副燃焼室の全燃焼容積に対する容積比を大き
くして副燃焼室内の燃焼を良くすることが有効であるこ
とが知られている。また、燃焼室内の燃焼を良くするた
めには、燃焼室内にスワールを適正に発生させて燃焼室
内の空気を有効に利用することも有効であることが知ら
れている。

【０００４】そして、燃焼室内での燃焼を良くするため
に、特開昭５７−１９５８１９号公報において、副燃焼
室とピストン頂部の主燃焼室とを連通する連通孔を、主
燃焼室側から副燃焼室側に向かって通路断面積を拡大し
た副燃焼室付ディーゼル機関が提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開昭
５７−１９５８１９号公報に提案の副燃焼室付ディーゼ
ル機関では、副燃焼室と主燃焼室とを連絡する連通孔の
副燃焼室側への通路断面積が拡大されているために、ピ
ストンの圧縮行程において空気が主燃焼室側から副燃焼
室側に送り込まれる際に、副燃焼室内における実スワー
ルが弱くなり、副燃焼室内での燃焼が悪化する恐れがあ
った。

【０００６】そこで、本発明は、燃焼室内での燃焼を良
好にすることができるディーゼル機関を提供することを
目的とする。

【０００７】

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明のディーゼル機関は、燃料噴射ポンプから供給される
高圧燃料を、第１の部材と第２の部材とから構成される
ニードル弁の初期リフトと主リフトによって、二段階に
噴射する燃料噴射弁を備えたディーゼル機関であって、
燃料噴射弁が、燃料噴射弁のハウジング内に設けられ、
高圧燃料を噴射弁の先端部に設けられた燃料溜まりまで
導く高圧燃料通路と、燃料溜まり内にリフト受圧面を有
し、燃料溜まり内に高圧燃料が導かれた時にリフトし
て、先端部に設けられた噴口から燃料噴射を行うニード
ル弁の第１の部材と、この第１の部材を噴口を塞ぐ方向
に付勢する第１の付勢手段と、第１の部材の非リフト時
に、その一端と第１の部材との間に所定の隙間が存在す
るように、ハウジング内に設けられたニードル弁の第２
の部材と、第２の部材の他端を収容する圧力室内に設け
られ、受圧面の面積がリフト受圧面の面積より小さく形
成された第２の部材の他端を第１の部材方向に付勢する
第２の付勢手段と、高圧燃料通路から分岐され、圧力室
に接続された分岐通路、及び、分岐通路の分岐部におい
て、分岐通路と高圧燃料通路とを接続する第１の動作、
又は、分岐通路と燃料噴射弁の外部に設けられた低圧力
室とを接続する第２の動作を行う三方制御弁とから構成
され、三方制御弁の切り換え制御を行う制御手段が、機
関の低負荷時に三方制御弁に第１の動作を行わせ、ニー
ドル弁の初期リフトを、第１の付勢手段のみの付勢力に
抗して素早くリフトする第１の部材のリフトにより行
い、ニードル弁の主リフトは、第１の部材と第２の部材
に作用する、第１の付勢手段と第２の付勢手段の付勢力
と、リフト受圧面と第２の部材の受圧面の面積差に作用
する高圧燃料の圧力により、ゆっくりと行うようにした
ことを特徴としている。

【０００９】

【００１０】

【作用】本発明のディーゼル機関によれば、制御手段の
制御によって、第２の付勢手段を収容する圧力室が三方
制御弁を介して、機関の軽負荷時には燃料噴射弁のハウ
ジング内の高圧燃料通路に接続され、機関の高負荷時に
は燃料噴射弁の外部に設けられた低圧力室に接続され
る。この結果、軽負荷時には圧力室に燃料噴射ポンプか
らの高圧燃料の圧力が導入されるので、ニードル弁の初
期リフトを素早く行ってから主リフト動作をゆっくり行
わせ、高負荷時には圧力室の圧力が低圧力室に流れて低
下するので、ニードル弁の初期リフトと主リフト動作と
を共に素早く行わせることになり、燃焼室での燃焼が良
好になると共に、スモークの発生が抑えられる。

【００１１】

【実施例】以下添付図面を用いて本発明の実施例を詳細
に説明する。まず、本発明のディーゼル機関について説
明する。図１は、本発明の一実施例の副燃焼室付ディー
ゼル機関の部分拡大断面図であり、チャンバ部材６を装
着した副燃焼室付ディーゼル機関における副燃焼室４の
部位を拡大して示している。図１に示すように、シリン
ダブロック５０にはピストン１が上下動可能に収容され
ており、ピストン１の頂部には主燃焼室２が形成されて
いる。また、シリンダブロック５０の上部にはシリンダ
ヘッド６０があり、このシリンダヘッド６０の一部に、
燃料噴射弁１０を備えた副燃焼室４がチャンバ部材６を
嵌め込むことによって形成されている。主、副燃焼室
２，４は、チャンバ部材６に設けられた連通孔５によっ
て連通されている。４８は冷間始動時に通電されて機関
の始動を確実にするグロープラグ、４９はシリンダブロ
ック５０とシリンダヘッド６０の間に介装されたガスケ
ットである。

【００１２】このような副燃焼室付ディーゼル機関にお
いて、本発明では、チャンバ部材６に設けられた連通孔
５の断面形状を、副燃焼室４側では、ピストン１が上昇
する時に副燃焼室４内で発生するスワールの回転中心軸
方向に拡大すると共に、主燃焼室２側では、ピストン１
が下降する時に主燃焼室２内で発生するスワールの回転
中心軸方向に縮小している。しかしながら、このように
主燃焼室２側と副燃焼室４側とで断面形状の異なる連通
孔５の断面積は、どの部位においても略一定に形成して
いる。

【００１３】図２は本発明における連通孔５の形状を説
明する図であり、図２(a) には図１のチャンバ部材６
を、その一部切り欠いた斜視図として示してあり、図２
(b) には図２(a) のチャンバ部材６を副燃焼室４側から
見た時の連通孔５の形状を実線で示してあり、図２(c)
には図２(a) のチャンバ部材６を主燃焼室２側から見た
時の連通孔５の形状を実線で示してある。

【００１４】これらの図から分かるように、連通孔５の
断面形状は、副燃焼室４側では、副燃焼室４内で発生す
るスワールＳ１の回転中心軸Ａ１の方向に拡大してあ
り、また、主燃焼室２側では、主燃焼室２内で発生する
スワールの回転中心軸の方向に縮小している。このよう
に連通孔５の断面積を変えずに連通孔５の副燃焼室４へ
の開口をスワールＳ１の回転軸方向に伸ばすと、主燃焼
室２から副燃焼室４内に空気が流入する際のスワールＳ
１を強くすることができる。また、連通孔５を副燃焼室
４の壁に沿って滑らかに形成すれば、更にスワールＳ１
を強くすることができる。なお、図２(b) ，(c) に示し
た連通孔５に重なって示される破線は、従来の断面形状
が一定の連通孔の形状を示している。

【００１５】図３は、図１のように構成された副燃焼室
４に対応するピストン１の位置、およびピストン１の頂
面に形成された主燃焼室２の形状を示している。ピスト
ン１の頂面に設けられる主燃焼室２は、双葉状に窪んだ
形状をしており、副燃焼室４に連通する連通孔５の主燃
焼室２側の出口に対応する部分には、案内溝２ａが設け
られている。この案内溝２ａの周囲の破線は、図２(c)
に示した従来の連通孔に対する案内溝２ｂの形状を示し
ており、本発明の案内溝２ａは従来の案内溝２ｂに対し
て幅が狭く形成されていることが分かる。

【００１６】ここで、連通孔５の断面形状を、副燃焼室
４側では副燃焼室４内で発生するスワールＳ１の回転中
心軸Ａ１の方向に拡大し、また、主燃焼室２側では主燃
焼室２内で発生するスワールの回転中心軸の方向に縮小
する理由について説明する。副燃焼室付ディーゼル機関
において、排気ガス中のＮＯｘとパティキュレート（排
気微粒子）を同時に低減させようとした場合、副燃焼室
４の容積を増大させて燃焼室４内の酸素量を増やすと共
に、副燃焼室４内の空気を有効に利用できるよう、副燃
焼室４側の連通孔５の開口部の形状を、副燃焼室４内で
発生するスワールＳ１の回転軸Ａ１の方向に長くして副
燃焼室４の端部にも空気が十分に行き渡るようにするこ
とが重要である。この両者を満たそうとすると、ピスト
ン１の頂面に設ける案内溝２ａの幅を大きくする必要が
あり、ディーゼル機関の圧縮比を維持する場合、主燃焼
室２の容積を縮小せざるを得ず、案内溝２ａの深さも浅
くなってしまう。このように、案内溝２ａの深さを浅く
すると、副燃焼室４から連絡孔５を通って噴出される火
炎がスムーズに双葉状の主燃焼室２内に排出されなくな
り、主燃焼室２の燃焼が悪化してしまう。そこで、主燃
焼室２の燃焼を促進させるためには、ピストン１の頂面
の案内溝２ａの深さを従来程度に確保する必要がある。
このような相反する条件を満たすために、連通孔５の断
面積を略一定にして連通孔５の断面形状を、副燃焼室４
側では副燃焼室４内で発生するスワールＳ１の回転中心
軸Ａ１の方向に拡大し、副燃焼室４内の空気の流通を良
くし、一方、主燃焼室２側では連通孔５の断面形状を、
主燃焼室２内で発生するスワールの回転中心軸の方向に
縮小することにより、案内溝２ａの深さを確保するよう
にして、前述の相反する条件をクリアしている。

【００１７】以上連通孔５の断面積を略一定にして、チ
ャンバ部材６に設けられた連通孔５の断面形状を、副燃
焼室４側ではスワールＳ１の回転中心軸Ａ１の方向に拡
大し、主燃焼室２ではスワールの回転軸方向に縮める
と、主燃焼室２内におけるスワールが強くなると共に、
副燃焼室４から主燃焼室２内に噴出する混合ガスや火炎
の流速が速くなるので、良好なスモーク特性が得られ、
エミッションが低減されて機関の運転性能が向上する。

【００１８】また、連通孔５の主燃焼室２側の断面形状
がピストン１の頂面に形成される案内溝２ａの幅内で、
且つ、その形成方向に長くなるため、案内溝２ａの幅を
従来に比べて小さくしても、絞り損失が大きくなること
がない。次に、本発明の燃料噴射弁について説明する。
ディーゼル機関の着火遅れを少なくして、円滑な燃焼を
行わせるために、燃料噴射弁から燃料を段階的に噴射す
ることは従来から知られている。即ち、燃料噴射弁のニ
ードル弁を閉弁付勢する第１ばねと第２ばねとがニード
ル弁に対して並列に介装され、ニードル弁の初期リフト
時には第１ばねのみがニードル弁を閉弁方向に付勢し、
初期リフトを過ぎて主リフトになると、これに加えて第
２ばねがニードル弁を閉弁方向に付勢することにより、
燃料噴射圧力に対してニードル弁を段階的にリフトさせ
て燃料を段階的に噴射する２段階噴射式の燃料噴射弁は
公知である。

【００１９】また、このような２段階噴射式の燃料噴射
弁において、補機の動作によって機関の負荷が増大した
時のスモークの悪化を防止するために、機関の補機の動
作時にニードル弁の２段目の開弁圧を減少させる制御手
段（コントローラと圧電素子）を設け、補機の動作時に
燃料噴射量を増大補正すると共に、ニードル弁の２段目
の開弁圧を減少制御することにより、初期噴射機関を短
縮してスモークの発生量を抑制することが提案されてい
る（特開平４−１９４３６０号公報参照）。

【００２０】更に、従来の２段階噴射式の燃料噴射弁で
は、機関の低速軽負荷運転領域（以後低速軽負荷域とい
う）や高速高負荷運転領域（以下高速高負荷域という）
では良好なエミッションが得られるが、機関の低速高負
荷運転領域（以後低速高負荷域という）ではスモークが
大きくなって十分な性能が得られなかった。このような
問題点に対して、特開平４−１９４３６０号公報に開示
の２段階噴射式の燃料噴射弁を使用し、低速高負荷域に
おいてニードル弁の２段目の開弁圧を減少させることに
よって１段目による初期噴射機関を短くしてスモークの
低減を図ることが考えられる。

【００２１】しかしながら、特開平４−１９４３６０号
公報に開示の２段階噴射式の燃料噴射弁は、ニードル弁
の２段目の開弁圧を制御するために圧電素子を使用して
いるために、耐久性、信頼性に乏しく、また、システム
が複雑になってコストが高くなってしまう。また、ニー
ドル弁の２段目の開弁圧を無くそうとした場合、圧電素
子の全長がかなり長くなり、燃料噴射弁が大型化してし
まう。一方、小型の圧電素子を使用すると、ニードル弁
の２段目の開弁圧を要求の開弁圧まで下げることが出来
なくなってしまう。

【００２２】そこで、本発明では、簡単な構成で機関の
低速高負荷域における燃料噴射量をすみやかに増大させ
て、燃焼室での燃焼を良好にすると共に、スモークを低
減させて低速高負荷域の機関の性能を向上させることが
できる燃料噴射弁を提供する。図４は本発明の一実施例
の燃料噴射弁１０の構成を示すものである。この実施例
の燃料噴射弁１０には噴射時期に高圧燃料が供給される
ようになっており、この高圧燃料は、燃料タンク１９内
からフィードポンプ７によって吸い上げられ、フィルタ
８を通って燃料噴射ポンプ９に供給された燃料が、燃料
噴射ポンプ９によって加圧されたものである。

【００２３】この実施例の燃料噴射弁１０は、そのハウ
ジング１１内に、ニードル１２Ａとプッシャーピン１２
Ｂとからなるニードル弁１２が設けられており、ニード
ル１２Ａはハウジング１１の先端部に設けられた噴口２
１を開閉するようになっている。ニードル１２Ａはハウ
ジング１１内に設けられたばね室２２に内装された第１
のばね１３によって噴口２１を閉じる方向に付勢されて
いる。プレッシャーピン１２Ｂは、その主たる部分がば
ね室２２内にニードル１２Ａに隣接して設けられてお
り、プレッシャーピン１２Ｂとニードル１２Ａとの間に
は所定の隙間２３がある。

【００２４】また、プレッシャーピン１２Ｂは、ハウジ
ング１１内にばね室２２に隣接して設けられた圧力室１
５側まで延長されており、プレッシャーピン１２Ｂの圧
力室１５内の端部にはストッパ１２Ｓが設けられてい
る。このストッパ１２Ｓは、ニードル１２Ａが噴口２１
を閉弁している状態で、プレッシャーピン１２Ｂとニー
ドル１２Ａとの間に前述の隙間２３を確保するためのも
のである。このストッパ１２Ｓの背面側には受圧面１２
ｂが形成されており、この受圧面１２ｂは圧力室１５内
で第２のばね１４によってニードル１２Ａ側に付勢され
ている。この実施例の第２のばね１４のばね定数は小さ
く設定されており、プレッシャーピン１２Ｂの開弁圧は
低く設定されている。

【００２５】一方、燃料噴射弁１０のハウジング１１内
の噴口２１に隣接する部位には燃料溜まり２４が形成さ
れており、ニードル１２Ａのこの燃料溜まり２４内の部
位にはニードル１２Ａをリフトさせるための受圧面１２
ａが形成されている。この受圧面１２ａの面積は、前述
のストッパ１２Ｓの背面に設けられた受圧面１２ｂの面
積よりも大きく形成されている。そして、この燃料溜ま
り２４には、燃料噴射弁１０のハウジング１１内に設け
られた高圧燃料通路１６が接続されている。この高圧燃
料通路１６はハウジング１１内で分岐され、分岐された
分岐通路１７は第２のばね１４が収容される圧力室１５
に接続されている。

【００２６】更に、本発明では、この分岐通路１７の途
中に三方制御弁１８が設けられている。この三方制御弁
１８は、圧力室１５側の分岐通路１７を、高圧燃料通路
１６に接続するか、或いは、燃料噴射弁１０の外部に設
けられた低圧室である燃料タンク１９に接続するように
動作するものである。三方制御弁１８は、この実施例で
は、燃料噴射弁１０のハウジング１１の側面に取り付け
られており、そのハウジング内に切換弁１８ａ、ばね１
８ｂ、およびソレノイド１８ｃを備えている。図４の状
態はソレノイド１８ｃに通電が行われていない状態であ
り、切換弁１８ａは開弁してソレノイド１８ｃ側に移動
している。この状態では分岐通路１７が高圧燃料通路１
６に接続されており、圧力室１５内には燃料噴射時期に
高圧燃料が供給される。

【００２７】図５は図４の状態でソレノイド１８ｃに通
電が行われた時の状態を示すものである。ソレノイド１
８ｃに通電が行われると、切換弁１８ａは閉弁位置に移
動し、切換弁１８ａの内部に形成された通路を通じて、
圧力室１５側の分岐通路１７が低圧の燃料タンク１９に
接続される。ソレノイド１８ｃへの通電は制御手段であ
るＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）２０に
よって行われる。

【００２８】ＥＣＵ２０は図示しないセンサからの信号
によって機関の運転状態を監視しており、例えば、機関
の低速軽負荷域ではソレノイド１８ｃに通電を行なわ
ず、機関の低速高負荷域、高速高負荷時域を検出する
と、ソレノイド１８ｃに通電を行なうように動作する。
そして、ソレノイド１８ｃに通電が行なわれた時は、切
換弁１８ａが図５に示す位置に移動するので、圧力室１
５内の圧力は燃料タンク１９側に抜け、プレッシャーピ
ン１２Ｂはばね定数の小さい第２のばね１４によっての
み付勢された状態となる。

【００２９】以上のように構成された実施例の燃料噴射
弁１０では、図４の状態において燃料噴射時期になる
と、高圧燃料が高圧燃料通路１６を通じて燃料溜まり２
４に導入されると共に、分岐通路１７を通じて圧力室１
５にも導入される。高圧燃料が燃料溜まり２４に導入さ
れると、高圧燃料の圧力をリフト受圧面１２ａに受けた
ニードル１２Ａが第１のばね１３に抗して初期リフト
し、噴口２１を開口させて燃料噴射が行われる。

【００３０】ニードル１２Ａの初期リフトが終了する
と、ニードル１２Ａがプレッシャーピン１２Ｂに当接
し、以後、ニードル１２Ａとプレッシャーピン１２Ｂと
は一体のニードル弁１２として主リフトを行う。この状
態では圧力室１５内にも燃料溜まり２４内の燃料圧力と
同じ圧力の高圧燃料が導入されており、この実施例で
は、プレッシャーピン１２Ｂの受圧面１２ｂに印加され
る高圧燃料の付勢力と、ばね定数の低い第２のばね１４
の付勢力とを合わせた付勢力が、従来の第２のばねの付
勢力と同じ程度になるように、ばね定数およびプレッシ
ャーピン１２Ｂの受圧面１２ｂの面積が設定されてい
る。従って、この実施例の燃料噴射弁１０によれば、ソ
レノイド１８ｃに通電していない状態で、ニードル弁１
２の主リフト時に従来の２段階噴射式の燃料噴射弁と同
じ特性が得られることになる。

【００３１】一方、ソレノイド１８ｃに通電が行なわれ
た図５の状態の燃料噴射弁１０では、圧力室１５内の圧
力は、分岐通路１７と三方制御弁１８を通じて燃料タン
ク１９に抜けている。そして、燃料噴射時期になると高
圧燃料は高圧燃料通路１６を通じて燃料溜まり２４のみ
に導入される。この状態では、ニードル１２Ａとプレッ
シャーピン１２Ｂとは離れているので、燃料溜まり２４
に導入された高圧燃料の圧力をリフト受圧面１２ａに受
けたニードル１２Ａが第１のばね１３に抗して初期リフ
トし、噴口２１を開口させて燃料噴射が行われる。

【００３２】ニードル１２Ａの初期リフトが終了する
と、ニードル１２Ａがプレッシャーピン１２Ｂに当接
し、以後、ニードル１２Ａとプレッシャーピン１２Ｂと
は一体のニードル弁１２として主リフトを行う。この状
態では圧力室１５内の圧力は抜けているので、主リフト
時にニードル弁１２に働く付勢力は、第１のばね１２の
付勢力と、第２のばね１４の付勢力とを合わせた付勢力
である。ところが、第２のばねのばね定数は低く、付勢
力は小さいので、ニードル弁１２はほぼ第１のばね１３
の付勢力のみに抗して主リフトを行なう。従って、この
実施例の燃料噴射弁１０によれば、ソレノイド１８ｃの
通電状態では、ニードル弁１２の主リフト時に従来の１
段階噴射式の燃料噴射弁と略同じ特性が得られることに
なる。

【００３３】ここで、以上のように構成された本発明の
燃料噴射弁１０の機関の回転数と負荷に応じた動作を、
従来の２段噴射式の燃料噴射弁９０の動作と対比しなが
ら説明する。なお、本発明の燃料噴射弁１０と従来の燃
料噴射弁９０の構造は、図６(a) ，(b) に示すように、
模式化した構造としてあり、図４，図５で説明した実施
例の構成部材と同じ構成部材には同じ符号を付して説明
する。

【００３４】図６(a) は従来の燃料噴射弁９０の非噴射
時の状態を示しており、図６(b) は本発明の燃料噴射弁
１０の非噴射時の状態を示している。図において、１１
はハウジング、１２はニードル１２Ａとプレッシャーピ
ン１２Ｂとからなるニードル弁、１３は第１のばね、１
４は第２のばね、１５は圧力室、１６は高圧燃料通路、
１７は分岐通路、１８は三方制御弁、２１は噴口、２３
は隙間、２４は燃料溜まりである。従来の燃料噴射弁９
０と本発明の燃料噴射弁１０との構成上の違いは、圧力
室１５内の第２のばね１４のばね定数が従来の燃料噴射
弁９０では大きく、また、設定開弁圧が高い点と、高圧
燃料通路１６が本発明では三方制御弁１８を途中に有す
る分岐通路１７を通じて圧力室１５に接続されている点
である。

【００３５】(1) 低速軽負荷域〔図７(a) ，(b) 〕 この状態では、本発明の燃料噴射弁１０の分岐通路１７
が三方制御弁１８によって連通されている。従って、初
期リフト状態では、従来の燃料噴射弁９０、本発明の燃
料噴射弁１０共に、高圧燃料通路１６を通じて燃料溜ま
り２４に導入される高圧燃料によりニードル１２Ａが同
じリフトを行い、噴口２１から高圧燃料が噴射される。
即ち、この初期リフト状態ではニードル１２Ａは図６
(a) ，(b)に示した隙間２３内でリフトを行なってお
り、プレッシャーピン１２Ｂには当接していないので、
燃料噴射弁１０，９０は全く同じように動作する。

【００３６】初期リフトが終了して主リフトに移ると、
ニードル１２Ａとプレッシャーピン１２Ｂとが一体のニ
ードル弁１２となってリフトを行なう。この状態では、
従来の燃料噴射弁９０のニードル弁１２は、第１のばね
１３と第２のばね１４の付勢力とが合わさった付勢力に
抗してリフトされる。一方、本発明の燃料噴射弁１０で
は、第１のばね１３と第２のばね１４の付勢力に加え
て、圧力室１５に加わる高圧燃料の付勢力が合わさった
付勢力に抗してリフトされる。そして、本発明の燃料噴
射弁１０では、プレッシャーピン１２Ｂの背面に加わる
高圧燃料による付勢力と第２のばね１４の付勢力とを合
わせたものが、従来の燃料噴射弁９０の第２のばね１４
の付勢力にほぼ一致するようになっているので、主リフ
ト状態でも燃料噴射弁１０，９０は全く同じように動作
する。

【００３７】図１０(a) は低回転軽負荷域における本発
明の燃料噴射弁１０と従来の燃料噴射弁９０の、クラン
ク角度に対する燃料噴射率特性を示すものであり、実線
が本発明の燃料噴射弁１０の噴射率、点線が従来の燃料
噴射弁９０の噴射率である。このように、本発明の燃料
噴射弁１０と従来の燃料噴射弁９０とは低回転軽負荷域
において同じように動作する。

【００３８】(2) 低速高負荷域〔図８(a) ，(b) 〕 この状態では、本発明の燃料噴射弁１０の高圧燃料通路
１６側の分岐通路１７が三方制御弁１８によって遮断さ
れ、圧力室１５は分岐通路１７と三方制御弁１８を介し
て低圧室１９に連通している。初期リフト状態では、ニ
ードル１２Ａはプレッシャーピン１２Ｂには当接してい
ないので、従来の燃料噴射弁９０、本発明の燃料噴射弁
１０共に、高圧燃料通路１６を通じて燃料溜まり２４に
導入される高圧燃料によりニードル１２Ａが同じリフト
を行い、噴口２１から高圧燃料が噴射される。即ち、こ
の初期リフト状態では燃料噴射弁１０，９０は全く同じ
ように動作する。

【００３９】初期リフトが終了して主リフトに移ると、
ニードル１２Ａとプレッシャーピン１２Ｂとが一体のニ
ードル弁１２となってリフトを行なう。この状態では、
従来の燃料噴射弁９０のニードル弁１２は、第１のばね
１３と第２のばね１４の付勢力とが合わさった付勢力に
抗してリフトされる。一方、本発明の燃料噴射弁１０も
第１のばね１３と第２のばね１４の付勢力とが合わさっ
た付勢力に抗してリフトされるが、本発明の燃料噴射弁
１０の第２のばね１４のばね定数は従来の燃料噴射弁９
０の第２のばね１４のばね定数に比べて低く、その付勢
力は小さいので、ニードル弁１２はほぼ第１のばね１３
の付勢力のみに抗して主リフトを行なう。従って、本発
明の燃料噴射弁１０では、主リフトにおけるニードル弁
１２のリフトが従来の燃料噴射弁９０のニードル弁１２
の主リフトよりも速く、１段階噴射式の燃料噴射弁と略
同じ特性が得られる。

【００４０】図１０(b) は低回転軽負荷域における本発
明の燃料噴射弁１０と従来の燃料噴射弁９０の、クラン
ク角度に対する燃料噴射率特性を示すものであり、実線
が本発明の燃料噴射弁１０の噴射率、点線が従来の燃料
噴射弁９０の噴射率である。このように、本発明の燃料
噴射弁１０は従来の燃料噴射弁９０に比べて、低回転高
負荷域における燃料噴射時期の早い時期に燃料噴射量を
すみやかに増大させて、燃焼室での燃焼を良好にすると
共に、スモークを低減させて機関の性能を向上させるこ
とができる。

【００４１】(3) 高速高負荷域〔図９(a) ，(b) 〕 この状態では、本発明の燃料噴射弁１０の高圧燃料通路
１６側の分岐通路１７が三方制御弁１８によって遮断さ
れ、圧力室１５は分岐通路１７と三方制御弁１８を介し
て低圧室１９に連通している。従って、初期リフト状態
における従来の燃料噴射弁９０と本発明の燃料噴射弁１
０の動作は同じで、主リフト状態における本発明の燃料
噴射弁１０の動作は従来の燃料噴射弁９０よりも速くな
る。

【００４２】ところが、高速高負荷域では、図５に示す
燃料分はポンプ９からの高圧燃料の時間当たりの圧送量
が多く、噴口２１の絞りが大きいので燃料溜まり２４の
圧力上昇が速く、第２のばね１４のばね定数が大きくて
も、小さくてもニードル弁１２のリフト速度は速く、本
発明の燃料噴射弁１０のニードル弁１２の主リフト速度
が従来の燃料噴射弁９０のニードル弁１２の主リフト速
度に対して若干速い程度である。従って、高速高負荷域
では、燃料噴射弁１０，９０は略同じように動作する。

【００４３】図１０(c) は低回転軽負荷域における本発
明の燃料噴射弁１０と従来の燃料噴射弁９０の、クラン
ク角度に対する燃料噴射率特性を示すものであり、実線
が本発明の燃料噴射弁１０の噴射率、点線が従来の燃料
噴射弁９０の噴射率である。このように、本発明の燃料
噴射弁１０と従来の燃料噴射弁９０とは高回転高負荷域
においては同じように動作する。

【００４４】図１１は、図４，５に示したＥＣＵ２０が
三方制御弁１８のソレノイド１８ｃに通電を行なうか行
なわないかの制御切換マップの一例を示すものである。
この実施例では、機関回転数が所定回転数以上、または
負荷率が所定負荷率以上の機関の運転領域をＡ域とし、
それ以外の領域をＢ域としている。そして、ＥＣＵ２０
は機関がＢ域で運転されていると判定した時には、三方
制御弁１８のソレノイド１８ｃに通電を行なわない。こ
の結果、燃料噴射弁１０の圧力室１５には高圧燃料の圧
力が印加され、主リフトにおけるニードル弁１２のリフ
トが抑えられる２段階燃料噴射弁の特性が燃料噴射弁１
０に与えられる。

【００４５】一方、ＥＣＵ２０が機関がＢ域で運転され
ていると判定した時には、特に大量ＥＧＲを実施してい
る時に、スモークの生成を抑制するために、燃料噴射弁
１０の噴射開始前に三方制御弁１８のソレノイド１８ｃ
に通電を行う。この結果、燃料噴射弁１０の圧力室１５
の圧力が抜かれ、１段階噴射式の燃料噴射弁の特性が燃
料噴射弁１０に与えられる。

【００４６】図１２は、図１１の２つの領域Ａ，Ｂにお
ける燃料噴射弁１０の燃料溜まり２４の内圧に対するノ
ズル流量の特性を示す特性図である。この図から分かる
ように、Ｂ域では本発明の燃料噴射ノズル１０は従来の
２段階噴射燃料噴射弁と同様の特性が得られており、Ａ
域では１段階噴射燃料噴射弁と同様の特性が得られてい
る。

【００４７】図１３(a) は図１１の点ａにおける本発明
の燃料噴射弁１０のクランク角度に対する燃料圧力（実
線）を、従来の燃料噴射弁９０の同じ点における燃料圧
力（点線）と比較して示す特性図である。また、図１３
(b) は本発明の燃料噴射弁１０に設けられた三方制御弁
１８のクランク角度に対するリフト特性を示す特性図で
ある。更に、図１３(c) は図１１の点ａにおける本発明
の燃料噴射弁１０のクランク角度に対するニードル弁１
２のリフト量（実線）を、従来の燃料噴射弁９０の同じ
点におけるニードル弁１２のリフト量（点線）と比較し
て示す特性図である。そして、図１３(d) は図１１の点
ａにおける本発明の燃料噴射弁１０のクランク角度に対
する噴射率（実線）を、従来の燃料噴射弁９０の同じ点
における噴射率（点線）と比較して示す特性図である。

【００４８】この図から分かるように、Ａ域のａ点にお
いては、本発明の燃料噴射弁１０の噴射率波形が噴射初
期において上昇し、燃料圧力が低下しているため、噴射
率のピークもかなり抑えられていることがわかる。即
ち、Ａ域のａ点においては、従来の噴射率波形に比べて
本発明の噴射率波形が好ましい方向に変化しているた
め、スモークが低減され、機関の性能が向上する。

【００４９】図１４(a) は図１１の点ｂにおける本発明
の燃料噴射弁１０のクランク角度に対する燃料圧力（実
線）を、従来の燃料噴射弁９０の同じ点における燃料圧
力（点線）と比較して示す特性図である。また、図１４
(b) は本発明の燃料噴射弁１０の圧力室１５内の圧力の
クランク角度に対する変化を示す特性図である。更に、
図１４(c) は図１１の点ｂにおける本発明の燃料噴射弁
１０のクランク角度に対するニードル弁１２のリフト量
（実線）を、従来の燃料噴射弁９０の同じ点におけるニ
ードル弁１２のリフト量（点線）と比較して示す特性図
である。そして、図１４(d) は図１１の点ｂにおける本
発明の燃料噴射弁１０のクランク角度に0 する噴射率
（実線）を、従来の燃料噴射弁９０の同じ点における噴
射率（点線）と比較して示す特性図である。

【００５０】この図から分かるように、Ｂ域において
は、本発明の燃料噴射弁１０の噴射率波形が、従来の噴
射率波形とほぼ同様の波形となるので、良好なエミッシ
ョンが維持されて機関の性能が向上する。このように、
本発明では、燃料噴射弁１０の改良により、エミッショ
ンの良いディーゼル機関が提供される。

【００５１】なお、以上説明した実施例では、本発明の
燃料噴射弁１０を、副燃焼室付のディーゼル機関に適用
した例を説明したが、本発明の燃料噴射弁１９は、図１
５に示すようなホールノズル２５をハウジング１１の先
端部に備えた直噴式ディーゼル機関にも適用することが
可能である。

【００５２】

【００５３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のディーゼ
ル機関によれば、低負荷時には第２ばねを収容する圧力
室に燃料噴射ポンプからの高圧燃料の圧力が導入される
ので、ニードル弁の初期リフトを素早く行ってから主リ
フト動作をゆっくり行わせることができ、高負荷時には
圧力室の圧力が低圧力室に流れて低下するので、ニード
ル弁の初期リフトと主リフト動作とを共に素早く行わせ
ることができる。この結果、噴霧が悪く燃費が悪化し易
い初期リフト時には、初期リフトを素早く行うことによ
り、初期リフト状態を少なくすることができる。また、
主リフト時にゆっくりとリフトさせることで、初期の燃
焼が抑制され、ＮＯｘの生成が抑えられるので、燃焼後
期には燃焼が活発になる。 このように、本発明によれ
ば、初期噴射率の向上、噴射期間の短縮が図れるので、
燃焼室での燃焼が良好になって燃費が向上すると共に、
スモークの発生が抑えられるという効果がある。

【００５４】そして、本発明の燃料噴射弁を採用したデ
ィーゼル機関では、実施例に記載した主燃焼室の効果で
機関のエミッション性能、燃費が大幅に向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例のチャンバ部材を装着したデ
ィーゼル機関における副燃焼室の部位を拡大して示す部
分拡大断面図である。

【図２】(a) は図１のチャンバ部材の構成を示す一部切
り欠き斜視図、(b) は(a) のチャンバ部材を副燃焼室側
から見た平面図、(c) は(a) のチャンバ部材を主燃焼室
側から見た底面図である。

【図３】図１のように構成された副燃焼室に対応する窪
みを持ったピストンの頂部の平面図である。

【図４】図１の副燃焼室に取り付けられる本発明の一実
施例の燃焼噴射弁の、低負荷時の状態を示す断面図であ
る。

【図５】図１の副燃焼室に取り付けられる本発明の一実
施例の燃焼噴射弁の、高負荷時の状態を示す断面図であ
る。

【図６】(a) は初期リフトと主リフト動作をする従来の
燃料噴射弁を模式化した構造、および非噴射時の状態を
示す断面図、(b) は本発明の燃料噴射弁を模式的に表し
た構造および非噴射時の状態を示す断面図である。

【図７】(a) は図６(a) に示した従来の燃料噴射弁の低
速軽負荷時の動作を示す断面図、(b) は図６(b) の本発
明の燃料噴射弁の低速軽負荷時の動作を示す断面図であ
る。

【図８】(a) は図６(a) に示した従来の燃料噴射弁の低
速高負荷時の動作を示す断面図、(b) は図６(b) の本発
明の燃料噴射弁の低速高負荷時の動作を示す断面図であ
る。

【図９】(a) は図６(a) に示した従来の燃料噴射弁の高
速高負荷時の動作を示す断面図、(b) は図６(b) の本発
明の燃料噴射弁の高速高負荷時の動作を示す断面図であ
る。

【図１０】(a) は本発明の燃料噴射弁による低速軽負荷
時のクランク角度に対する燃料噴射率特性を、従来の同
条件の燃料噴射特性と比較して示す特性図、(b) は本発
明の燃料噴射弁による低速高負荷時のクランク角度に対
する燃料噴射率特性を、従来の同条件の燃料噴射特性と
比較して示す特性図、(c) は本発明の燃料噴射弁による
高速軽高荷時のクランク角度に対する燃料噴射率特性
を、従来の同条件の燃料噴射特性と比較して示す特性図
である。

【図１１】図４の燃料噴射弁に設けられた三方制御弁内
の切換弁を、機関回転数と負荷率の領域に応じて開閉制
御する際の、制御切換用の一実施例のマップを示す制御
特性図である。

【図１２】図１１の２つの領域における油溜まり内圧に
対するノズル流量の特性を示す特性図である。

【図１３】(a) は図１１の点ａにおける本発明の燃料噴
射弁のクランク角度に対する燃料圧力を、従来の燃料噴
射弁の同じ点における燃料圧力と比較して示す特性図、
(b) は本発明の燃料噴射弁に設けられた三方制御弁のク
ランク角度に対するリフト特性を示す特性図、(c) は図
１１の点ａにおける本発明の燃料噴射弁のクランク角度
に対するニードル弁のリフト量を、従来の燃料噴射弁の
同じ点におけるニードル弁のリフト量と比較して示す特
性図、(d) は図１１の点ａにおける本発明の燃料噴射弁
のクランク角度に対する噴射率を、従来の燃料噴射弁の
同じ点における噴射率と比較して示す特性図である。

【図１４】(a) は図１１の点ｂにおける本発明の燃料噴
射弁のクランク角度に対する燃料圧力を、従来の燃料噴
射弁の同じ点における燃料圧力と比較して示す特性図、
(b) は本発明の燃料噴射弁の圧力室内の圧力のクランク
角度に対する変化を示す特性図、(c) は図１１の点ｂに
おける本発明の燃料噴射弁のクランク角度に対するニー
ドル弁のリフト量を、従来の燃料噴射弁の同じ点におけ
るニードル弁のリフト量と比較して示す特性図、(d) は
図１１の点ｂにおける本発明の燃料噴射弁のクランク角
度に対する噴射率を、従来の燃料噴射弁の同じ点におけ
る噴射率と比較して示す特性図である。

【図１５】本発明の燃料噴射弁を直噴式ディーゼル機関
に適用した場合の、燃料噴射弁の噴口部分の構造を示す
部分拡大断面図である。

【符号の説明】

１…ピストン ２…主燃焼室 ２ａ…案内溝 ４…副燃焼室 ５…連通孔 ６…チャンバ部材 ９…燃料噴射ポンプ １０…本発明の燃料噴射弁 １１…ハウジング １２…ニードル弁 １２Ａ…ニードル １２Ｂ…プレッシャーピン １２ａ，１２ｂ…受圧面 １３…第１の付勢手段（ばね） １４…第２の付勢手段（ばね） １５…圧力室 １６…高圧燃料通路 １７…分岐通路 １８…三方制御弁 １９…低圧力室（燃料タンク） ２０…制御手段（ＥＣＵ） ２１…噴口 ２２…ばね室 ２３…隙間 ２４…燃料溜まり

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−51215（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−90921（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−21332（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−133747（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−54730（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−101591（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−321785（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−339170（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−222859（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−218358（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−147858（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭60−162270（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02M 37/00 - 71/00 F02B 19/08

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料噴射ポンプから供給される高圧燃料
   を、第１の部材と第２の部材とから構成されるニードル
   弁の初期リフトと主リフトによって、二段階に噴射する
   燃料噴射弁を備えたディーゼル機関であって、前記燃料
   噴射弁が、 燃料噴射弁 のハウジング内に設けられ、前記高圧燃料を
   噴射弁の先端部に設けられた燃料溜まりまで導く高圧燃
   料通路と、前記燃料溜まり内にリフト受圧面を有し、前記燃料溜ま
   り内に 高圧燃料が導かれた時にリフトして、前記先端部
   に設けられた噴口から燃料噴射を行う前記ニードル弁の
   第１の部材と、 この第１の部材を前記噴口を塞ぐ方向に付勢する第１の
   付勢手段と、前記第１の部材の非リフト時に、その一端と前記第１の
   部材との間に所定の隙間が存在するように、前記ハウジ
   ング内に設けられた前記ニードル弁の第２の部材と、 前記第２の部材の他端を収容する圧力室内に設けられ、
   受圧面の面積が前記リフト受圧面の面積より小さく形成
   された前記第２の部材の他端を前記第１の部材方向に付
   勢 する第２の付勢手段と、前記高圧燃料通路から分岐され、 前記圧力室に接続され
   た分岐通路、及び、前記分岐通路の分岐部において、前記分岐通路と前記高
   圧燃料通路とを接続する第１の動作、又は、前記分岐通
   路と前記燃料噴射弁の外部に設けられた低圧力室とを接
   続する第２の動作を行う 三方制御弁とから構成され、前記三方制御弁の切り換え制御を行う 制御手段が、機関
   の低負荷時に前記三方制御弁に前記第１の動作を行わ
   せ、前記ニードル弁の初期リフトを、前記第１の付勢手
   段のみの付勢力に抗して素早くリフトする前記第１の部
   材のリフトにより行い、前記ニードル弁の主リフトは、
   前記第１の部材と第２の部材に作用する、前記第１の付
   勢手段と第２の付勢手段の付勢力と、前記リフト受圧面
   と前記第２の部材の受圧面の面積差に作用する前記高圧
   燃料の圧力により、ゆっくりと行うようにしたことを特
   徴とするディーゼル機関。