JP3465909B2

JP3465909B2 - ディーゼルエンジンの燃料噴射装置

Info

Publication number: JP3465909B2
Application number: JP10065892A
Authority: JP
Inventors: 吾道小沢
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1992-03-26
Filing date: 1992-03-26
Publication date: 2003-11-10
Anticipated expiration: 2018-11-10
Also published as: JPH05272424A

Description

【発明の詳細な説明】【０００１】【産業上の利用分野】本発明は、ディーゼルエンジンの
燃料噴射装置に関する。【０００２】【従来の技術】従来、エンジンの燃料噴射ノズルにおい
ては、列型燃料噴射ポンプを用いる独立式や共同噴射方
式（コモンレール・インジェクション・システム）が用
いられ、その燃料噴射時期は一定であり、噴射圧も数十
ＭＰａ（≒数百ｋｇ／ｃｍ^２）程度である。【０００３】しかしながら、最近の燃料噴射ノズルは出
力性能の向上、燃料消費量の低減、排気色の改善、排気
ガスの清浄化等の要求から、(１)回転数及び負荷に応じ
た燃料噴射時期の制御が可能なこと、(２)１５０ＭＰａ
（≒１５００ｋｇ／ｃｍ^２）以上の高圧噴射が得られる
こと、(３)噴射初期には噴射圧が低く、噴射後期には噴
射圧が高いこと、(４)閉弁時には燃料が高圧状態からシ
ャープカットされること、(５)エンジン低速域において
も高圧噴射が得られること、(６)開弁圧を制御可能なこ
とが求められている。【０００４】上記要求に対し種々の発明考案がなされて
きたが、いずれも要求を十分満足させるものではなかっ
た。図６（ａ）は上記要求を最も良く満たしていると思
われるコモンレール・インジェクション・システムの一
例である。５０は燃料タンク、５１は燃料フィードポン
プ、５２は１２０ＭＰａ（≒１２００ｋｇ／ｃｍ^２）の
燃料圧を発生する高圧ポンプである。高圧ポンプ５２か
ら燃料噴射ノズル６０に燃料を供給する回路５３上には
蓄圧室５４が設けられる。尚、高圧ポンプ５２の吐出圧
は図示しない制御装置により制御される。【０００５】噴射ノズル６０の上部には電磁弁６１、弁
座６２及びドレン回路６３が設けられ、中間部にはピス
トン６４が設けられ、下方にはニードルバルブ６５が設
けられ、先端には燃料噴射口６６が設けられている。ま
た、回路５３は電磁弁６１への回路５５と、ニードルバ
ルブ６５への回路５６とに分岐している。【０００６】燃料無噴射時は、図６（ａ）に示すよう
に、電磁弁６１を作動させない。すると、電磁弁６１が
弁座６２に当接する。これにより、回路５５はドレン回
路６３から遮断されるが、ピストン６４頭部の受圧室に
連通して蓄圧室５４からの高圧燃料をピストン６４頭部
に与えてニードルバルブ６５を下方に押し下げ、これに
よりニードルバルブ６５の先端が噴射口６６を閉ざして
燃料無噴射とする。【０００７】燃料噴射時は、図６（ｂ）に示すように、
電磁弁６１を作動させる。すると、電磁弁６１が弁座６
２から離れる。これにより、回路５５はドレン回路６３
及びピストン６４頭部の受圧室に対して閉じられるが、
受圧室がドレン回路６３と連通するので、ピストン６４
頭部に加わっていた燃料圧が低下し、一方、回路５６を
経て来た蓄圧室５４からの高圧燃料がニードルバルブ６
５は押し上げ、これにより大略すれば蓄圧室５４からの
１２０ＭＰａ（≒１２００ｋｇ／ｃｍ^２）なる高圧燃料
が噴射口６６から噴射される。【０００８】従って、電磁弁６１の作動時期により上記
(１)なる燃料噴射時期の制御が可能である。また、上記
(４)なる閉弁時には燃料が高圧状態からシャープカット
され、上記(５)なるエンジン低速域においても高圧噴射
が得られ、また上記(６)なる開弁圧を制御可能である
等、優れた特性を有している。【０００９】【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成によると、上記(２)なる１５０ＭＰａ以上の高圧噴射
を容易に得られない。そして、噴射時期に係らず噴射圧
が１２０ＭＰａと高圧であるため、噴射初期に噴射圧が
低く、噴射後期には噴射圧が高いとの上記(３)も得られ
ず、そこで、燃焼温度が高くなり、ＮＯｘの発生を抑制
できない。また、常時１２０ＭＰａ（≒１２００ｋｇ／
ｃｍ^２）なる高圧燃料が高圧ポンプ５２から蓄圧室５４
を経て噴射ノズル６０に導入されるため、この流路での
高圧燃料に対する高度なシール技術を必要としコスト的
にも負担がかかる。【００１０】【産業上の利用分野】本発明は、上記従来技術の問題点
に着目し、各種要求特性を満足できるディーゼルエンジ
ンの燃料噴射装置の提供を目的としている。【００１１】【課題を解決するための手段】上記の目的達成のため、
本発明に係るディーゼルエンジンの燃料噴射装置は、第
１に、フィードポンプより供給される燃料圧力により、
噴射口への回路を閉鎖するニードルバルブを開放して、
燃焼室へ燃料を噴射するディーゼルエンジンの燃料噴射
装置において、フィードポンプより供給される燃料圧力
をニードルバルブ室へ供給する燃料供給回路と、前記燃
料供給回路に設けた逆止弁と、前記ニードルバルブを閉
弁する方向に付勢し、燃料噴射装置の開弁圧を設定する
ばねと、ニードルバルブが閉弁する方向に助勢するニー
ドルバルブの径より大きい径を有する増圧ピストンと、
前記増圧ピストンを駆動させる前記ニードルバルブを閉
弁させる方向の受圧室と、前記受圧室をフィードポンプ
の燃料吐出回路、またはドレーン回路のいずれかに連通
切換可能な電磁弁を設けたことを特徴としている。第２
に、上記第１のエンジンの燃料噴射ノズルにおいて、前
記燃料噴射装置本体内に設けた蓄圧室と、フィードポン
プより供給される燃料圧力をニードルバルブ室へ供給す
る燃料供給回路を前記蓄圧室を介して供給する燃料供給
回路と、蓄圧室とニードルバルブ室間の燃料流路に設け
た逆止弁と、前記電磁弁の前記受圧室に前記フィードポ
ンプよりの燃料圧力を導入する側の弁を前記蓄圧室(30)
内に設けたことを特徴としている。第３に、上記第１ま
たは第２のエンジンの燃料噴射ノズルにおいて、前記フ
ィードポンプより供給される燃料圧力を制御する燃料圧
制御弁を設けたことを特徴としている。第４に、上記第
１または第２または第3のエンジンの燃料噴射ノズルに
おいて、前記電磁弁の弁が、中空部材の両端に弁座を有
し、その一端を受圧室の入口の弁座に、他端をドレーン
回路壁の弁座に離着可能に構成し、受圧室とドレーン回
路とを連通遮断するようにしたことを特徴としている。【００１２】【作用】上記構成によれば、第1に、従来技術のコモン
レール式噴射系に対し、燃料供給回路に逆止弁を設けた
ので、噴射後期から閉弁までの期間において、１５０Ｍ
Ｐａ以上の高圧の噴射圧力が得られる。また、噴射初期
の噴射圧力を低くし、噴射後期の噴射圧力を高くするこ
とができるため、燃焼温度を低くすることができ、ＮＯ
ｘの発生を低減できる。また、閉弁時には高い噴射圧か
らシャープカットされるため、燃料のあとだれがなくな
り、排気色が良好である。第2に、燃料噴射装置内に蓄
圧室と電磁弁の受圧室側の弁を蓄圧室内に設けたので、
蓄圧室を噴射ノズルに内蔵したため燃料漏れの恐れがな
い。また、受圧室側の弁を明けると、受圧室に燃料圧が
抵抗なく導入できる。第３に、燃料初期噴射圧力が制御
可能である。第４に、開口面積が瞬時に大きくなり、圧
損の少ない電磁弁にできる。【００１３】【実施例】以下、本発明に係るディーゼルエンジンの燃
料噴射装置の実施例を図面を参照し説明する。図１
（ａ）は燃料噴射装置の断面模式図であり、１は燃料タ
ンク、２は燃料フィードポンプ、３は燃料圧制御弁であ
って本実施例では形式的には電磁式可変リリーフバルブ
であり、５は圧力検出センサ、６は制御装置である。【００１４】燃料噴射ノズル１０の上部には、ソレノイ
ド１２と、孔１４を有する弁１３と、弁１３を上向きに
付勢するばね１５とよりなる電磁弁１１を設けてある。
電磁弁１１の下方には、フィードポンプ２からの燃料を
受ける蓄圧室３０と、増圧ピストン２０を収納するシリ
ンダとを設けてある。シリンダは蓄圧室３０の中央で開
口し、下方に向けて設けてある。そして、シリンダのピ
ストン２０頭部上方は開口を経て蓄圧室３０から燃料圧
を受け入れ自在とされた受圧室１６となっている。【００１５】ピストン２０は、下向き付勢力を有するば
ね２１により下向きに付勢され、ピストン２０の下端は
ニードルバルブ２２の上端に当接し、ニードルバルブ２
２の先端で燃料噴射口２３を開閉自在としている。尚、
図１（ａ）の状態は、ニードルバルブ２２の先端が噴射
口２３を閉じ、これにより噴射ノズル１０を無噴射状態
としている。【００１６】蓄圧室３０とニードルバルブ室３２とを連
通させる燃料流路３１には、蓄圧室３０からニードルバ
ルブ室３２への燃料流れのみを許容する逆止弁３３を設
けてある。【００１７】図１（ａ）はソレノイド１２の不作動状態
を示すが、この不作動状態では、弁１３はばね１５の上
向き付勢力により、弁１３の上端でドレン回路１７を閉
じると共に、弁１３の下端で蓄圧室３０と受圧室１６と
の間を開いて蓄圧室３０と受圧室１６とを連通させてい
る。尚、弁１３の上下端による燃料流路の各開閉構成
は、図示する通り、必要流量を確保するに好適な、かつ
応答性のよいポペット弁構成としてある。この不作動状
態では、ピストン２０の頭部が受圧室１６を介して蓄圧
室３０の燃料圧を受けてピストン２０が下方に移動し、
前記の通り、ニードルバルブ２２の先端が噴射ノズルの
噴射口２３近傍に着座して噴射口２３を閉じ、これによ
り、噴射ノズル１０を無噴射状態としている。【００１８】ソレノイド１２を作動させると、ソレノイ
ド１２は、ばね１５の上向き付勢力に抗して弁１３を下
方に移動させ、これにより、弁１３の上端で受圧室１６
とドレン回路１７とを孔１４を介して連通させると共
に、弁１３の下端で蓄圧室３０と受圧室１６との間を閉
じてそれまでの蓄圧室３０と受圧室１６との間の連通を
遮断させる。【００１９】次に全体作動を説明する。図２は、図１
（ａ）の不作動状態のソレノイド１２に対しソレノイド
１２を作動させた瞬間の状態（燃料噴射開始直前状態）
を示す。この瞬間時、燃料流路３１及びニードルバルブ
室３２には先の燃料噴射圧が残圧として残っている。こ
こに、残圧とは、追って詳細を理解できる通り、蓄圧室
３０の燃料圧よりも高い圧力となっており、予め説明す
れば、本実施例ではほぼ２００ＭＰａ（≒２０００ｋｇ
／ｃｍ ^２）の圧力である。一方、蓄圧室３０の燃料圧と
は、本実施例では例えば６１ＭＰａ（≒６１０ｋｇ／ｃ
ｍ^２）であり、燃料圧制御弁３による制御圧である。
尚、燃料圧制御弁３は本実施例では電磁式可変リリーフ
バルブであるから、制御圧はソレノイドが制御装置６か
らの制御信号を受けることにより燃料圧設定ばねの設定
荷重を自在変更して得られる値となる。【００２０】即ち、図示しない制御装置からの信号によ
りソレノイド１２が作動すると、図２を参照して説明し
たように、ドレン回路１７が開き、受圧室１６内の燃料
が孔１４を経てドレン回路１７に燃料タンク１に逃げ、
これにより受圧室１６の燃料圧が燃料タンク１の内圧と
ほぼ同圧（本実施例では０）まで低下する。このとき、
上記の通り、ニードルバルブ室３２には蓄圧室３０の燃
料圧よりも高い残圧２００ＭＰａが残っているために、
図３に示すように、ニードルバルブ２２は、残圧によっ
て上向きの力を受けてばね２１の下向き付勢力に抗し、
ピストン２０と共に上昇し、噴射口２３を開いて燃料噴
射を開始する。詳しくは、次の通り。【００２１】燃料等の液体は内部に気泡を含むから実際
は圧縮性であるものの、非圧縮性と見做してもかまわな
い。従って、２００ＭＰａなる残圧がニードルバルブ２
２を増圧ピストン２０と共に僅かでも上昇させると、そ
の途端、残圧は低圧化する。つまり、ニードルバルブ２
２及び増圧ピストン２０の僅かな上昇によって噴射口２
３へ至る隙間が僅かに生ずる。ところが、隙間が僅かな
ため噴射口２３からの大々的な燃料噴射までには至ら
ず、低下した残圧の燃料が隙間を濡す程度となる（尤
も、噴射ノズルの仕様によっては噴射されるものもあろ
う）。そして、残圧の低下が蓄圧室３０の燃料圧６１Ｍ
Ｐａ以下になると、蓄圧室３０の燃料圧が逆止弁３３を
押し開き、フィードポンプ２からの燃料が蓄圧室３０
と、逆止弁３３と、燃料流路３１とを経てニードルバル
ブ室３２に導入され、噴射口２３から噴射する。このと
きの燃料噴射圧（つまり、燃料噴射開始圧）は、ばね２
１の設定荷重で定まり（いわゆる「開弁圧」である）、
本実施例では後述する通り２５ＭＰａ（≒２５０ｋｇ／
ｃｍ ^２）である。但し、蓄圧室３０の燃料圧は本実施例
では６１ＭＰａであり、一方、ばね２１の設定荷重で定
まる開弁圧は本実施例では２５ＭＰａであるから、両者
を比較すれば、蓄圧室３０の燃料圧は極めて高圧であ
り、しかも、噴射口２３等では燃料流れ抵抗が存在す
る。また、フィードポンプ２からの燃料供給量も当然に
充分であるから、ニードルバルブ室３２の燃料圧は漸増
してばね２１をさらに押し縮め、そして、ばね２１がさ
らに押し縮められれば、ニードルバルブ室３２の燃料圧
はさらに上昇してニードルバルブ２２をピストン２０と
共にさらに上昇させる。そして、ピストン２０が受圧室
１６の図示上面に当接してその上昇を終えると、ニード
ルバルブ２２もまたその上昇を終え、以降のニードルバ
ルブ室３２の燃料圧は蓄圧室３０の燃料圧と略同圧の６
１ＭＰａとなって燃料噴射する。尚、上昇途中にソレノ
イド１２の作動を停止させると、その時の噴射圧は、２
５ＭＰａ〜６１ＭＰａの間となる。このように２５ＭＰ
ａ〜６１ＭＰａの間となるのは、前記の通り、蓄圧室３
０の燃料圧が本実施例では６１ＭＰａとばね２１の設定
荷重で定まる開弁圧なる２５ＭＰａよりも高圧であり、
噴射口２３等での燃料流れ抵抗が存在し、かつフィード
ポンプ２からの燃料供給量が当然に充分であるからであ
る。参考ながら、この期間中に制御装置６が燃料圧制御
弁３の燃料圧設定ばねの設定荷重を変更する指令信号を
燃料圧制御弁３に入力すると、この間の単位時間当たり
の燃料噴射量は増減する。例えば６１ＭＰａ以上の指令
信号を入力すると、単位時間当たりの燃料噴射量は６１
ＭＰａ時よりも増加する。一方、６１ＭＰａ以下の指令
信号を入力すると、単位時間当たりの燃料噴射量は６１
ＭＰａ時よりも減少する。さらに参考ながら、この期間
自体（即ち、ソレノイド１２の作動期間自体）を長くす
ると、単位時間当たりの燃料噴射量は増加し、一方、短
くすると、単位時間当たりの燃料噴射量は減少する。説
明を元に戻す。本実施例でのニードルバルブ２２の上昇
開始時の燃料噴射圧は、２５ＭＰａを噴射開始圧（開弁
圧）として、上昇中は漸増し、上昇限に達して６１ＭＰ
ａとなる。尚、燃料噴射圧が開始圧２５ＭＰａから６１
ＭＰａに至る時間は、エンジン回転数に応じて変化する
もののは短時間であるから、ニードルバルブ２２の上昇
中の燃料噴射圧は、総じて６１ＭＰａであると見做して
も構わない。【００２２】次に図４に示すように、ソレノイド１２の
作動を停止させると、弁１３はばね１５の上向き付勢力
によって上方に戻り、ドレン回路１７を閉じると共に、
蓄圧室３０と受圧室１６とを連通させてピストン２０の
頭部に受圧室１６の燃料圧６１ＭＰａを加える。このと
き、上記の通り、弁１３はその上下端による燃料流路の
各開閉構成を、必要流量を確保するに好適な、かつ応答
性のよいポペット弁構成としてあるために、さらには、
これもまた上記の通り、シリンダを（即ち受圧室１６
を）蓄圧室３０の中央で開口させてあるために、蓄圧室
３０の燃料が受圧室１６に応答性よく流入して増圧ピス
トン２０の頭部に６１ＭＰａの燃料圧を加え、ピストン
２０を応答性よく押し下げる。【００２３】ここに、本実施例においては、図１（ｂ）
に示すように、ピストン２０のＤ部の面積をニードルバ
ルブ２２のｄ部の面積の３倍としてあり、また、ばね２
１は、前記の通り、２５ＭＰａ（≒２５０ｋｇ／ｃ
ｍ^２）相当の設定荷重としてある。そして、その他の例
えばニードルバルブ２２の受圧面積等から、ピストン２
０の下向きの力は前記２００ＭＰａ（≒２０００ｋｇ／
ｃｍ^２）相当となっている。即ちこのときのニードルバ
ルブ室３２の燃料圧は２００ＭＰａとなるから逆止弁３
３は閉じ、従って、ニードルバルブ２２の下降時の噴射
圧は２００ＭＰａ（≒２０００ｋｇ／ｃｍ^２）となる。【００２４】そして、ニードルバルブ２２は下降し続
け、図５に示すように着座して噴射口２３を閉じ、燃料
噴射を終了する。このとき、燃料流路３１とニードルバ
ルブ室３２とにはほぼ２００ＭＰａの残圧が残り、噴射
ノズル１０は閉弁し、保持状態となって次の燃料噴射に
備えることとなる。尚、この時の燃料噴射量は、図２か
ら図３で示したニードルバルブ２２の揚程量、即ちソレ
ノイド１２の作動時間で定まる。即ち、燃料噴射ノズル
１０の噴射一回当たりの噴射量は、制御装置６が燃料圧
制御弁３に入力する燃料圧設定ばねの設定荷重のための
制御信号の大小及び図示しない制御装置がソレノイド１
２に入力するソレノイド１２の作動時間の長短との各単
独制御又は組み合わせ制御で定まることとなる。【００２５】【発明の効果】本発明は、上記実施例の構成及びその作
動説明から明らかな通り、下記のごとき効果を奏する。 (１)回転数、負荷に応じて噴射時期を制御できる。 (２)噴射後期から開弁までの期間において、１５０ＭＰ
ａ（≒１５００ｋｇ／ｃｍ^２）以上の高圧の噴射圧が得
られる。 (３)噴射初期の噴射圧を低くし、噴射後期の噴射圧を高
くできるため、燃焼温度を低くすることができ、ＮＯｘ
の発生を低減できる。 (４)閉弁時に高い噴射圧がシャープカットされるため、
燃料の後だれがなく、排気色が良好である。 (５)低速域から高圧噴射を得ることができ、低速、高負
荷時の排気色の改善や低速トルクの確保が可能である。 (６)開弁圧が制御可能である。 (７)噴射ノズルまでの流路の燃料圧を噴射圧よりも低く
できるので、この流路での燃料圧に対するシール技術が
高度である必要がなく、コスト的負担を抑えることがで
きる。

【図面の簡単な説明】【図１】本発明の燃料噴射装置の断面模式図である。【図２】本発明の燃料噴射装置の噴射開始直前の状態を
示す断面模式図である。【図３】本発明の燃料噴射装置の噴射開始の状態を示す
断面模式図である。【図４】本発明の燃料噴射装置の噴射終了直前の状態を
示す断面模式図である。【図５】本発明の燃料噴射装置の噴射終了の状態を示す
断面模式図である。【図６】従来の燃料噴射ノズルの断面模式図である。【符号の説明】２：フィードポンプ、３：燃料圧制御弁、６：制御装
置、１０：噴射ノズル、１１：電磁弁、１３：弁、１
４：孔、１６：受圧室、１７：ドレン回路、２０：増圧
ピストン、２２：ニードルバルブ、２３：噴射口、３
０：蓄圧室、３１：燃料流路、３２：ニードルバルブ
室、３３：逆止弁。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＦ０２Ｍ 47/00 Ｆ０２Ｍ 47/00 Ｐ (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02M 47/02 F02M 47/00 F02M 61/20

Claims

(57)【特許請求の範囲】【請求項１】外部の燃料圧源（２，３，６）から燃料
圧を受ける受圧室（１６）を備え、受圧室（１６）が燃
料圧を受けて先端が弁座に着座したとき燃料噴射口（２
３）を閉弁するニードルバルブ（２２）と、燃料圧源
（２，３，６）から燃料を受けてこの燃料を溜める燃料
溜（３２）であり、かつニードルバルブ（２２）が閉弁
したとき燃料噴射口（２３）に対して遮断され、開弁し
たとき燃料噴射口（２３）に対して連通する燃料溜（３
２）と、余剰燃料を外部の低圧の燃料タンク（１）へド
レンするドレン回路（１７）と、蓄圧室（３０）と受圧
室（１６）とを連通させると共にこれら蓄圧室（３０）
と受圧室（１６）とをドレン回路（１７）から遮断させ
る第１状態、及び、受圧室（１６）とドレン回路（１
７）とを連通させると共にこれら受圧室（１６）とドレ
ン回路（１７）とを蓄圧室（３０）から遮断させる第２
状態を外部からの信号により切換自在とされてなる切換
弁（１１）とを有するエンジンの燃料噴射ノズルにおい
て、燃料圧源（２，３，６）から燃料溜（３２）に至る
燃料流路（３１）に、燃料溜（３２）の方向への燃料流
れのみを許容する逆止弁（３３）を設け、ニードルバル
ブ（２２）を閉弁方向に常時付勢する付勢力を有するば
ね（２１）を設けると共に、受圧室（１６）が直接開口
する蓄圧室（３０）を備えて受圧室（１６）が燃料圧源
（２，３，６）からの燃料圧を蓄圧室（３０）を介して
受けるようにし、この切換弁（１１）を、受圧室が蓄圧
室に対し開口した開口部から離間させることにより第１
状態とし、該開口部に当接させることにより第２状態と
したことを特徴とするエンジンの燃料噴射ノズル。