JP3746655B2 - ユニットインジェクタ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のユニットインジェクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関において良好な燃焼を達成するには、燃料を高圧でシリンダ内に噴射する事が有効である。このために燃料噴射ポンプと燃料噴射弁を一体化したものが、ユニットインジェクタと呼ばれている。
【０００３】
図９は、従来の機械式ユニットインジェクタの断面構造図である。このユニットインジェクタは、カム１の回転によりローラタペット２１が押し上げられ、プッシュロッド２２を介してロッカーアーム２３を駆動する。ロッカーアーム２３は、てこの動きで、プッシュロッド３、タペット４を介してプランジャ６をリフトさせる。カム１のリフトが減少するとタペット４に挿入したスプリング５によりプランジャ６はカム回転初期の状態に戻る。
【０００４】
このプランジャ６の上下の動きによって、ユニットインジェクタのプランジャ室７に供給された燃料が圧縮され、圧力がスプリングケージ９からディスタンスピース１３を通り、ノズル１５に伝達する。この噴射圧力が針弁１４に伝わり、針弁スプリング１１の力に打ち勝つと針弁１４が開き、燃料がノズル１５を介して図示しないエンジンのシリンダ内に噴射される。
【０００５】
燃料噴射量の制御は、バレル８に設けたフィードホール８１とプランジャ６に切り欠いたリード６１とを用いて、ラック１７がピニオン１６を介してプランジャ６を回転させる事で、プランジャ６がフィードホール８１を塞ぐストロークが変化することにより行なわれる。
【０００６】
図１０は、従来の電子制御式ユニットインジェクタの断面構造図とシステム構成図である。この電子制御式ユニットインジェクタは、上述した機械式ユニットインジェクタと同様に、カム１の回転によりローラタペット２１が押し上げられ、プッシュロッド２２を介してロッカーアーム２３を駆動する。ロッカーアーム２３は、てこの動きで、プッシュロッド３、タペット４を介してプランジャ６をリフトさせる。カム１のリフトが減少するとタペット４に挿入したスプリング５によりプランジャ６はカム回転初期の状態に戻る。
【０００７】
このプランジャ６の上下の動きによって、ユニットインジェクタのプランジャ室７に供給された燃料が圧縮され、圧力がスプリングケージ９からディスタンスピース１３を通り、ノズル１５に伝わる。針弁１４に作用する噴射圧力が針弁スプリングの力１１に打ち勝つと針弁１４が開き、燃料がノズル１５を介して図示しないエンジンのシリンダ内に噴射される。
【０００８】
燃料噴射量の制御は、電磁弁１８により、ポペット弁２５を開閉しプランジャ室７からの燃料の流れをＯＮ，ＯＦＦする事で行なっている。ポペット弁２５を閉じている間はプランジャ室７が閉空間になるので、噴射圧力が上昇し、針弁１４が針弁スプリング１１の力に抗して開き、燃料を噴射する。また、ポペット弁２５を開くと、プランジャ室７からポペット弁２５を介して噴射圧力が開放されるので、針弁１４が針弁スプリング１１の力によって閉じ、燃料噴射が終了する。
【０００９】
電子制御式の場合、機械式のラックが電磁弁１８の通電期間に相当する。この通電期間は、各種センサ信号に基づいて、ＥＣＵ１００により適正な噴射タイミングと噴射期間が計算されることで、ポペット弁開閉タイミング信号として電磁弁１８に送られる。
【００１０】
図１１は、上記電子制御式ユニットインジェクタにおけるＥＣＵ１００の制御手順を示すフローチャートである。まず、ステップＳ２１で、エンジン停止スイッチがＯＮにされるまで、ＥＣＵ１００は、ステップＳ２２で、エンジンの回転数の検出を行ない、ステップＳ２３で、電磁弁１８の基本通電期間の算出、基本通電タイミングの算出を行ない、ステップＳ２４で、吸気圧力、油圧、大気圧の検出、吸気温度、油温、燃温の検出、バッテリ電圧の検出、アクセル開度の検出を行なう。続いてＥＣＵ１００は、ステップＳ２５で、通電タイミングの補正、ステップＳ２６で、通電電流値の補正を行なう。
【００１１】
そしてＥＣＵ１００は、ステップＳ２７で、エンジンの回転数がアクセル開度相当の回転数である場合、ステップＳ２８で、気筒を判別し、ステップＳ２９で、ポペット弁開閉タイミング信号を出力し、電磁弁１８の通電を行なう。またステップＳ２７で、エンジンの回転数がアクセル開度相当の回転数でない場合、ステップＳ３０で、電磁弁１８の通電期間の補正を行なった後、ステップＳ２８で、気筒を判別する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ユニットインジェクタの場合、列型ポンプの様に吸い戻し機構を持たないため、微少噴射量を制御する事が困難になるという問題がある。
【００１３】
図１２は、従来の機械式ユニットインジェクタのプランジャリードの展開図上に、噴射量特性との関係をグラフで示した図である。また図１３は、従来の電子制御式ユニットインジェクタの噴射量特性をグラフで示した図である。
【００１４】
図１２において、Ｂで示したグラフは、エンジン回転数がローアイドル回転数相当の時の噴射量とラックの関係を示し、Ａで示したグラフは、エンジン回転数がハイアイドル回転数相当の時の噴射量とラックの関係を示す。点線Ｃは、ラックの展開図から求めた、静的吐出噴射量を示す。
【００１５】
理想的には、静的吐出噴射量と実際の噴射量は一致するが、現実には燃料の弾性や、プランジャクリアランスからの燃料漏れ、動的な圧力の発生により、図１２に示すような傾向になる。すなわち、ローアイドル時とハイアイドル時のラック位置が異なるのは、カム回転速度が異なるので送油率が異なるためと、同じリードを用いていても、燃料がプランジャクリアランスから漏れる量が時間に依存することにより、カム回転速度の速いハイアイドルでは漏れ量が少なく、逆にローアイドルでは多くなるためである。
【００１６】
そのため、ハイアイドルでは、ローアイドルと同量の噴射量を噴射するためにより小さな有効ストローク範囲を使用する事になり、ローアイドルでは漏れ分により大きな有効ストローク範囲を利用する事になる。同一噴射量でも利用するラック位置が大きく異なる事と、噴射量の少ない領域でラックの移動量に対し噴射量の変化割合が大きくなる領域がある事が、エンジンのハンチングを発生しやすくし、対策を困難なものにしている。
【００１７】
本発明の目的は、エンジンにおけるハンチングの発生を抑えるユニットインジェクタを提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し目的を達成するために、本発明のユニットインジェクタは以下の如く構成されている。
【００１９】
本発明のユニットインジェクタは、機械式ユニットインジェクタにおいて、ラックの移動量に対するプランジャリードの高さの変化率を、燃料噴射量の少ない方から順に、リード高さが低い領域ではθ３、それよりリード高さが高い領域でθ２、その後θ１へと変化させ、０＜θ２＜θ３＜θ１とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る機械式ユニットインジェクタのプランジャリード（3段階）の展開図上に、噴射量特性との関係をグラフで示した図である。本第１の実施の形態におけるプランジャリードは、図９に示したユニットインジェクタのプランジャ６に切り欠いたリード６１として用いられる。
【００２３】
本実施の形態では、図１に示すように、プランジャのリード角度を噴射量の少ない領域で小さくし、３段階に変化させる。すなわち、噴射量の多い領域では、従来とほぼ同じリード角度θ１で良い。Ｂの領域ではローアイドルの噴射特性に合わせたリード傾きθ２、Ｃの領域ではハイアイドルの噴射特性に合わせたリード傾きθ３とする。すなわち、θ１＞θ３≧θ２となるように設計すれば、θ２、θ３の領域では、ラック当りのストローク変化量が少なくなるため、燃料変化量も少なくなるので、従来見られたような、噴射量の急変が抑えられた緩やかな噴射特性が得られる。
【００２４】
このように、ハイアイドルとローアイドルで、それぞれに適したリード角度を選定する３段階のリードを設計すれば、従来の問題を解決できる。リードの角度を低噴射領域で小さくしたので、ラック当り有効ストロークの変化量は少なくなる。有効ストロークに応じて燃料噴射量が決まるので、ラック当り噴射量の変化割合が少なくなり、緩やかな噴射量特性が得られる。
【００２５】
さらに、図１ではθ３＞θ２としたので、ハイアイドル時のラック位置とローアイドル時のラック位置を、後述する図２に示すようにθ３＝θ２とするよりも、近付いた位置に設計する事ができる。この工夫によって、少ないラック移動量で、噴射量をハイアイドルから定格点まで制御できる。または、ラック移動量はそのままで、最大噴射量を多くするリード設計が可能になる。
【００２６】
図２は、機械式ユニットインジェクタのプランジャリード（２段階）の展開図上に、噴射量特性との関係をグラフで示した図である。図２に示すように、図１に対してθ２＝θ３としても基本的な改善効果を得る事ができる。
【００２７】
図２に示すようにリード角度を２段階に変化させても、図１と同様の効果は得られるが、ハイアイドルで噴射量が変化するラック位置と、ローアイドルで噴射量が変化するラック位置とが離れているため、ハイアイドルからローアイドルまで全域を同一の小さいリード角度でカバーするとなると、ラックのストロークの大部分を小さなリード角度で設計しなければならない。これは、最大噴射量を減少する事につながり、エンジン本来の目的を果さなくなりかねない。そこで図１では、θ１＞θ３≧θ２となるように設計している。ここでθ３＝θ２である場合、図２の２段リードと同様になる。
【００２８】
以上のように本第１の実施の形態によれば、機械式ユニットインジェクタにおいて、ラックの移動量に対するプランジャリードの高さの変化率を部分的に変化させている。すなわち、ハイアイドル時に用いるリード部分のリード角度をθ３、ローアイドル時に用いるリード部分のリード角度をθ２、定格点で用いるリード部分のリード角度をθ１とし、θ２≦θ３＜θ１の関係で設計している。これにより、内燃機関（エンジン）のハンチングの発生が抑えられる。
【００２９】
本第１の実施の形態では、展開図上で直線となるリードを３段階に分割して説明を容易としているが、必ずしも直線である必要はない。直線から直線へと移行する際に緩やかな曲線でつないだり、多項式で表示されるような曲線状であっても問題はない。すなわち、ラックの移動量に対するプランジャリードの高さの変化率が部分的に変化することを特徴としている。
【００３０】
（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る電子制御式ユニットインジェクタの断面構造図とシステム構成を示す図であり、図４は、この電子制御式ユニットインジェクタの噴射量特性をグラフで示した図である。図３において図１０と同一な部分には同符号を付してある。
【００３１】
図１３に示したように、従来の電子制御式ユニットインジェクタは、機械式ユニットインジェクタと同様の特性を示している。そこで本第２の実施の形態では、図３に示すように、一度試験によって、噴射量特性が急変する通電期間を調べておき、その情報を持ったデータベース１０３をＥＣＵ（electronic control unit）１００のＣＰＵ１０１と接続する。
【００３２】
図４に示すように、通常問題のない範囲（噴射量の大きな領域）での外乱に対する通電期間の変化量をＺとすると、急変領域でエンジンを制御する際は、その変化量をＺ／Ｎ（Ｎ＞１）として、同じ外乱でも低噴射領域では通電期間の変化量を少なくする。Ｎの値は急変する通電期間と同様にデータベース１０３に入力しておき、エンジン回転数に応じてＮを決め、エンジン負荷、アクセル開度に応じた通電期間に応じて変化量を決めて制御するよう、ＥＣＵ１００にプログラムを組んでおく。
【００３３】
図５は、ＣＰＵ１０１の制御ブロック図である。ＣＰＵ１０１は、各種センサからのＴＤＣ、クランク角度、各部圧力、各部温度等の信号を入力し、駆動ＵＩ選定と運転モード判定を行なう。ＣＰＵ１０１は、運転モード判定を行なった後、データベース１０３の判別データ、基本開弁時間、タイミングデータ等を基に、駆動タイミング設定と駆動時間設定を行なう。その後ＣＰＵ１０１は、データベース１０３の補正データ、加減速データ、デッドタイム、バッテリー電圧等を基に、駆動タイミング補正と駆動時間補正を行なう。そしてＣＰＵ１０１は、インジェクタ駆動パルスを発生する。
【００３４】
図６は、上記電子制御式ユニットインジェクタにおけるＥＣＵ１００の制御手順を示すフローチャートである。まず、ステップＳ１で、エンジン停止スイッチがＯＮにされるまで、ＥＣＵ１００は、ステップＳ２で、エンジンの回転数の検出を行ない、ステップＳ３で、電磁弁１８の基本通電期間の算出、基本通電タイミングの算出を行ない、ステップＳ４で、吸気圧力、油圧、大気圧の検出、吸気温度、油温、燃温の検出、バッテリ電圧の検出、アクセル開度の検出を行なう。続いてＥＣＵ１００は、ステップＳ５で、通電タイミングの補正、ステップＳ６で、通電電流値の補正を行なう。
【００３５】
そしてＥＣＵ１００は、ステップＳ７で、エンジンの回転数がアクセル開度相当の回転数である場合、ステップＳ８で、気筒を判別し、ステップＳ９で、ポペット弁開閉タイミング信号を出力し、電磁弁１８の通電を行なう。またステップＳ７で、エンジンの回転数がアクセル開度相当の回転数でない場合、ステップＳ１０で、基本通電期間が噴射量の急変領域であれば、ステップＳ１１で、補正量をＺ／Ｎ（Ｎ＞１）とし、ステップＳ１０で、基本通電期間が噴射量の急変領域でなければ、ステップＳ１２で、補正量をＺとする。その後、ステップＳ８で、気筒を判別する。
【００３６】
以上のように本第２の実施の形態によれば、外乱に対する通電期間の変化率（変化割合）をデータベースの情報に応じてＥＣＵで部分的に制御することで、外乱当りの噴射量の変化割合を少なくする。これにより、エンジンのハンチングが抑えられる。
【００３７】
（第３の実施の形態）
図７は、本発明の第３の実施の形態に係る機械式ユニットインジェクタの断面構造図とシステム構成図であり、図８は、この機械式ユニットインジェクタの噴射量特性をグラフで示した図である。図７において、図９と同一な部分には同符号を付してある。
【００３８】
本第３の実施の形態では、図７に示すように、機械式ユニットインジェクタのラックを制御するガバナアクチュエータを、電子制御式ユニットインジェクタのデータベースと同様のデータベース１０３を利用して電気的に制御する。プランジャに切り欠いたリードが、図１２に示したような一直線のリードであっても、一度試験によって、噴射量特性が急変するラック位置とガバナアクチュエータ位置の関係、及びエンジン回転数の関係を調べておき、その情報を持ったデータベース１０３をＥＣＵ１００のＣＰＵ１０１と接続し、ガバナアクチュエータを制御する。
【００３９】
図８に示すように、通常問題のない範囲（噴射量の大きな領域）での外乱に対するラック位置の変化量をＺとすると、急変領域でエンジンを制御する際は、その変化量をＺ／Ｎ（Ｎ＞１）として、同じ外乱でも低噴射領域ではラック位置の変化量を少なくする。Ｎの値は急変するラック位置と同様にデータベース１０３に入力しておき、エンジン回転数に応じてＮを決め、エンジン負荷、アクセル開度に応じたラック位置に応じて変化量を決めて制御する。ガバナアクチュエータを電気的に制御すれば、噴射量の少ない領域の外乱に対するラック変化量が少なくなるので、外乱に対する噴射量の変化量が少なくなる。
【００４０】
以上のように本第３の実施の形態によれば、従来の機械式ユニットインジェクタを制御するガバナアクチュエータに送る情報に、噴射量が急変するガバナアクチュエータ位置すなわちラック位置の情報を持たせ、噴射量急変領域でのラック移動割合を少なくなる様に変化させている。すなわち、外乱に対するガバナアクチュエータ位置（ラック位置）の変化率（変化割合）を、データベースの情報に応じてＥＣＵで制御することで、外乱に対する噴射量の変化割合が少なくなり、緩やかな噴射量特性が得られる。これにより、エンジンのハンチングの発生が抑えられる。
【００４１】
なお、本発明は上記各実施の形態のみに限定されず、要旨を変更しない範囲で適宜変形して実施できる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明のユニットインジェクタによれば、ローアイドル、ハイアイドル等の噴射特性に合わせてラックの移動量に対するプランジャリードの高さの変化率を変化させることで、エンジンにおけるハンチングの発生を抑えることができる。
【００４３】
本発明のユニットインジェクタによれば、外乱に対する通電期間の変化率を部分的に制御することで、外乱当りの噴射量の変化割合を少なくすることができ、エンジンにおけるハンチングの発生を抑えることができる。
【００４４】
本発明のユニットインジェクタによれば、外乱に対するガバナアクチュエータ位置の変化率を制御することで、外乱に対する噴射量の変化割合が少なくなり、緩やかな噴射量特性が得られ、エンジンにおけるハンチングの発生を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る機械式ユニットインジェクタのプランジャリード（3段階）の展開図上に、噴射量特性との関係をグラフで示した図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る機械式ユニットインジェクタのプランジャリード（２段階）の展開図上に、噴射量特性との関係をグラフで示した図。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る電子制御式ユニットインジェクタの断面構造図とシステム構成を示す図。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る電子制御式ユニットインジェクタの噴射量特性をグラフで示した図。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る電子制御式ユニットインジェクタのＣＰＵの制御ブロック図。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る電子制御式ユニットインジェクタにおけるＥＣＵの制御手順を示すフローチャート。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係る機械式ユニットインジェクタの断面構造図とシステム構成図。
【図８】本発明の第３の実施の形態に係る機械式ユニットインジェクタの噴射量特性をグラフで示した図。
【図９】従来の機械式ユニットインジェクタの断面構造図。
【図１０】従来の電子制御式ユニットインジェクタの断面構造図とシステム構成図。
【図１１】従来の電子制御式ユニットインジェクタにおけるＥＣＵの制御手順を示すフローチャート。
【図１２】従来の機械式ユニットインジェクタのプランジャリードの展開図上に、噴射量特性との関係をグラフで示した図。
【図１３】従来の電子制御式ユニットインジェクタの噴射量特性をグラフで示した図。
【符号の説明】
１…カム
３…プッシュロッド
４…タペット
５…スプリング
６…プランジャ
７…プランジャ室
８…バレル
９…スプリングケージ
１１…針弁スプリング
１３…ディスタンスピース
１４…針弁
１５…ノズル
１６…ピニオン
１７…ラック
１８…電磁弁
２１…ローラタペット
２２…プッシュロッド
２３…ロッカーアーム
２４…ポペット弁
６１…リード
８１…フィードホール
１００…ＥＣＵ
１０１…ＣＰＵ
１０２…ＲＯＭ
１０３…データベース

Claims (1)

1. 機械式ユニットインジェクタにおいて、ラックの移動量に対するプランジャリードの高さの変化率を、燃料噴射量の少ない方から順に、リード高さが低い領域ではθ３、それよりリード高さが高い領域でθ２、その後θ１へと変化させ、０＜θ２＜θ３＜θ１とすることを特徴とするユニットインジェクタ。

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