JP3777871B2

JP3777871B2 - インジェクタ駆動装置

Info

Publication number: JP3777871B2
Application number: JP13592399A
Authority: JP
Inventors: 輝一西村
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1999-05-17
Filing date: 1999-05-17
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2019-05-17
Also published as: JP2000329027A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コモンレール式ディーゼルエンジン等に適用されるインジェクタ駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
直噴式ディーゼルエンジンや直噴式ガソリンエンジン等においては、高圧噴射が可能で噴霧微粒化に有利なコモンレール式燃料噴射装置が用いられる。特に噴霧微粒化には噴孔径縮小という方法もあるが、加工上限界があるので噴射圧は益々高まる傾向にある。こういった意味でコモンレール方式は近年さらに注目視されている。
【０００３】
一般にコモンレール式燃料噴射装置では高圧ポンプで加圧された燃料をコモンレール（蓄圧室）に一旦貯留し、これをインジェクタから所定タイミングで所定量ずつ、各気筒内に噴射するようになっている。
【０００４】
インジェクタは、その下端ないし先端に設けられた噴孔を、ニードル（針弁）の昇降により開閉し、燃料噴射を実行する。特にインジェクタのうち圧力バランス式と称されるものがある。これはニードル後端側の圧力制御室（バランスチャンバ）の圧力を制御することによりニードルを昇降させるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ディーゼル燃焼の場合、燃料噴射開始から所定の着火遅れ期間を経て初期燃焼が開始する。この初期燃焼の際に急激な燃焼が行われると、筒内温度が急上昇し、NOx 発生量が増大する。そこで初期燃焼を比較的緩慢に行いつつ後の主燃焼に繋げたいという要請がある。
【０００６】
通常、コモンレール式インジェクタでは、ニードル上昇と同時にインジェクタ内に待機していた加圧燃料が一気に大量に噴射される傾向にある。これだと初期噴射率が増大し、初期燃焼が急激となって先の要請に合わない。そこで、初期噴射率を抑制し得る圧力バランス式インジェクタが種々提案されている（特開平11-22584号公報等）。
【０００７】
一般に、圧力バランス式インジェクタでは、高圧燃料が常時供給される圧力制御室を備え、この室内燃料を選択的にリークさせることで室内圧を低圧にし、ニードル上昇を開始させる。そしてこの燃料リークの制御は電磁弁で行われる。電磁弁は圧力制御室のリーク穴を開閉する開閉弁と、開閉弁を閉弁方向に付勢する弁バネと、当該バネ力に抗じて開閉弁を開弁方向に駆動する電磁ソレノイドとからなる。
【０００８】
従来、開閉弁を二段階で開放し、初期燃料リーク速度を遅くしてニードルの二段階上昇を行わせ、初期噴射率抑制を図ったインジェクタがある。
【０００９】
しかし、これは弁バネを二つ設ける手法を採っていた。これだと当然弁バネの数が増え、部品点数増加によるコスト上昇を招く。また互いの弁バネのバネ定数の差に基づいて噴射特性が決定されるため、弁バネのへたり等、経時変化により噴射特性に影響が及ぶ可能性がある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るインジェクタ駆動装置は、エンジン運転状態に応じて燃料の初期噴射率を低初期噴射率と高初期噴射率とに切り換えるようにしたインジェクタ駆動装置であって、印加電圧に応じてインジェクタを開作動するための電磁ソレノイドと、該電磁ソレノイドに接続され、その電磁ソレノイドにバッテリ電圧を印加するためのバッテリと、上記電磁ソレノイドに接続され、その電磁ソレノイドに上記バッテリ電圧より高いコンデンサ電圧を印加するためのコンデンサと、上記初期噴射率を低初期噴射率に切り換える際には、上記バッテリを上記電磁ソレノイドに導通し、一方上記初期噴射率を高初期噴射率に切り換える際には、上記コンデンサを上記電磁ソレノイドに導通するドライバユニットとを備えたものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基いて説明する。
【００１２】
図４は本発明が適用される直噴ディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射装置を示す。エンジンの各気筒毎にインジェクタ１が設けられ、各インジェクタ１には、高圧管７３を通じ、コモンレール７２に貯留されたコモンレール圧（数10〜数100MPa）の高圧燃料が常時供給されている。コモンレール７２への燃料圧送は主に高圧ポンプ７８によって行われる。即ち、燃料タンク７４の常圧程度の燃料が燃料フィルタ７５を通じてフィードポンプ７６に吸引され、これにより燃料がフィード管７７を通じて高圧ポンプ７８に送られる。ここで燃料が高圧に加圧され、高圧管７９を通じてコモンレール７２に送られる。インジェクタ１は前述の圧力バランス式コモンレールインジェクタである。よってインジェクタ１内の圧力制御室からリークされた燃料がリーク管８１を通じて燃料タンク７４に戻される。また高圧ポンプ７８は出口圧を制御するための圧力制御部を有しているため、高圧ポンプ７８から排出された燃料が戻り管８０を通じて燃料タンク７４に戻されるようになっている。
【００１３】
インジェクタ１の燃料噴射量と噴射時期とが電子制御装置（以下ＥＣＭという）８２及びドライバユニット８４によって制御される。ＥＣＭ８２は、図示しない各センサ類からエンジン運転状態（回転数、負荷等）を検知し、これに見合った目標噴射量及び目標噴射時期を決定すると共に、これらに相当する小電圧パルスをドライバユニット８４に送出する。これを受けてドライバユニット８４は、比較的大きな駆動電圧を電磁ソレノイド８５に印加し、インジェクタ１を開作動させる。また、ＥＣＭ８２は、エンジン運転状態に応じてコモンレール圧をフィードバック制御する。即ち、コモンレール２にコモンレール圧センサ８３が設けられ、この値に基づき高圧ポンプ７８の出口圧を制御する。
【００１４】
次に、ここで用いる圧力バランス式コモンレールインジェクタの作動原理を説明する。図５に示すように、インジェクタ１においては、ノズルボディ５１内の穴５２にニードル５３が昇降自在に収容され、これら穴５２とニードル５３との隙間を通じて噴孔５５にコモンレール圧Ｐｃの高圧燃料が導かれる。燃料入口は５６で示される。ニードル５３後端側に圧力制御室５７が設けられ、これは絞り５８を境に噴孔５５側の燃料通路６１と連通状態で仕切られる。圧力制御室５７にはリーク穴５９が設けられ、リーク穴５９の出口が開閉弁６０により開閉される。開閉弁６０は電磁ソレノイドと弁バネとの協同作用により昇降駆動される。ニードル５３はバネ定数の比較的低いバネ（図示せず）でインジェクタ閉弁方向（下向き）に常時付勢されている。
【００１５】
図５に示す噴孔閉鎖状態では、リーク穴５９が閉じられ、ニードル５３は下方のシート部６２に着座している。このときニードル５３は下向きの燃圧力Ｆ₁と下向きのバネ力Ｆ₃と上向きの燃圧力Ｆ₂とを受けている。下向きを正とするとニードル５３が受ける力ＦはＦ₁＋Ｆ₃−Ｆ₂である。ここでコモンレール圧をＰｃ、ニードル断面積をＡ₁、シート部断面積をＡ₂とすると、
Ｆ₁＝Ｐｃ×Ａ₁
Ｆ₂＝Ｐｃ×（Ａ₁−Ａ₂）
よってＦ＝Ｆ₁＋Ｆ₃−Ｆ₂＝Ｆ₃＋Ｐｃ×Ａ₂となり、一旦噴孔５５が閉まってしまえば仮にバネ力Ｆ₃がなくても理論的には閉弁が維持される。ただしバネ力Ｆ₃があることでニードル５３の着座即ち閉弁は完全となる。
【００１６】
Ａ₂は微小であり、Ｐｃ×Ａ₂も小さい値である。よってバネ力Ｆ₃がないとすれば、ニードル５３は燃圧でバランスされたいわば浮いた状態に近い。このバランス状態を崩すことによりニードル５３が上昇し燃料噴射が実行されるのである。
【００１７】
この燃料噴射実行中ないし噴孔開放状態を示したのが図６である。このときリーク穴５９が開かれ、圧力制御室５７の燃料がリークされる。絞り５８があるため圧力制御室５７への燃料供給がリークに追いつかず、圧力制御室５７の圧力がコモンレール圧Ｐｃより低圧のＰｌとなる。これによって圧力バランスが崩れ、ニードル５３が上昇し燃料噴射が実行される。この実行中は
Ｆ₁＝Ｐｌ×Ａ₁
Ｆ₂＝Ｐｃ×Ａ₁
Ｆ＝Ｆ₁＋Ｆ₃−Ｆ₂＝（Ｐｌ−Ｐｃ）×Ａ₁＋Ｆ₃
となり、Ｆ＜０つまりニードル５３は上昇される。
【００１８】
この状態からリーク穴５９が閉じられると圧力制御室５７がコモンレール圧Ｐｃに復帰する。するとニードル５３は燃圧によっては完全バランスされているが、バネ力Ｆ₃を受けているためこれによって下降する。つまりバネ力Ｆ₃は主にニードル下降に必要となる。ただしその値自体は小さな値で済むのでバネ定数の低いバネが使用できる。こうしてＦが負の値から正の値に転じた時点でニードル５３の下降が開始し、ニードル５３がシート部６２に着座すれば燃料噴射が停止する。
【００１９】
かかる原理に基づくインジェクタの具体的態様を図３に示す。インジェクタ１は、そのノズルボディ３内の穴３ａにニードル４を昇降自在に収容させる。またインジェクタ１は、先の高圧管７３に通ずる燃料入口２からコモンレール圧の燃料を導入し、その高圧燃料を穴３ａとニードル４との隙間を通じて下方の噴孔１６に導く。穴３ａ内では前述の如くニードル４が高圧燃料に浸漬され、いわば浮いた状態となっている。ニードル４はバネ８によって下方即ちインジェクタ閉弁方向に常時付勢される。バネ８はコイルスプリングからなり、ニードル４に固定されたバネ受け５と、穴３ａの段差部６下面との間に圧縮状態で挟まれる。
【００２０】
ニードル４の頂面９が小容積の圧力制御室１０に臨まされ、圧力制御室１０には燃料入口２から分岐された入口通路７と絞り通路１４とを通じて高圧燃料が常時導かれる。頂面９付近ではニードル４と穴３ａの隙間がほとんどなく、その隙間を通じた下方から圧力制御室１０への燃料供給は行われない。そこで別系統の入口通路７及び絞り通路１４を設け、ここから圧力制御室１０に燃料供給を行うようにしたものである。よってここでは絞り通路１４が前記絞り５８をなす。
【００２１】
圧力制御室１０の燃料が開閉弁１１の昇降によりリーク穴１２から選択的にリークされる。開閉弁１１は弁バネ１１ａにより常時下方（閉弁方向）に付勢され、通常はリーク穴１２を閉じている。これにより圧力制御室１０がコモンレール圧となり、ニードル４がシート部に着座して噴孔１６を閉じ、噴射停止状態となる。電磁ソレノイド８５が励磁されると開閉弁１１が弁バネ１１ａのバネ力に抗じて上方（開弁方向）に駆動され、リーク穴１２を開く。これにより圧力制御室１０の燃料がリークし、圧力制御室１０が低圧となり、ニードル４が上昇してシート部から離れ、噴孔１６が開き、燃料噴射が実行される。なおリーク燃料はリーク通路１７を通じて先のリーク管８１に至る。
【００２２】
これら開閉弁１１、弁バネ１１ａ及び電磁ソレノイド８５によりインジェクタ１の電磁弁２０が構成される。開閉弁１１は所謂フラットシートバルブで、円形平板状に形成されると共に電磁弁２０のアーマチュアを兼ねる。開閉弁１１の上方に微小な隙間があり、開閉弁１１が微小ストローク（ 0.1〜0.2mm 程度）だけ昇降できるようになっている。リーク穴１２は、穴３ａに挿入固定された弁座部材２１の中心に穿設される。弁座部材２１は、リーク穴出口を区画する中心突起２２と、外周端縁部に位置する外周突起２３とを有する。これら突起２２，２３の上面が同一高さ位置で同一平面をなし、フラットに形成される。これにより開閉弁１１が突起２２，２３の上面に均一に着座する。こうすることによって開閉弁１１が中心突起２２のみに押しつけられず、開閉弁１１の湾曲、凹み等が防止される。
【００２３】
次に、図１を用いて本発明に係るインジェクタ駆動装置を説明する。図示するように、かかる駆動装置はＥＣＭ８２、ドライバユニット８４、電磁ソレノイド８５及びバッテリ２５を備えて構成される。電磁ソレノイド８５にはバッテリ２５で発生するバッテリ電圧Ｖ_B（ここでは12V ）がダイオード２６を介して印加供給されるようになっている。また電磁ソレノイド８５には、選択的に、コンデンサ２７に蓄電された電圧Ｖ_C（ここでは100V）がトランジスタ２８を介して印加供給されるようになっている。Ｖ_B＜Ｖ_Cである。
【００２４】
電磁ソレノイド８５の低電位側（アース側）にもトランジスタ２９が設けられる。これは電磁ソレノイド８５に対するメインスイッチとなり、ＥＣＭ８２からコマンドパルスが送られたときのみONとなる。
【００２５】
バッテリ２５とコンデンサ２７との間にコンデンサ充電回路３０が設けられる。これはコイルＬと抵抗ＲからなるＬＲ回路３１と、ＬＲ回路３１の低電位側に設けられたスイッチとしてのトランジスタ３２と、これからコンデンサ２７に至る回路の途中に設けられたダイオード３３と、トランジスタ３２のON/OFF信号を発生するクロック３４とからなる。クロック３４は、ＥＣＭ８２から常時発生する小電圧（ここでは5V程度）を与えられて極めて短い時間間隔毎に電圧パルスを発生する。これとＬＲ回路３１との協同作用によって、コンデンサ２７には高電圧（ここでは100V以上）によるチョッピング電流が与えられ、コンデンサ２７は充電される。
【００２６】
一方、ＥＣＭ８２とトランジスタ２８との間にＡＮＤ素子３５が設けられ、ＡＮＤ素子３５の出力に応じてトランジスタ２８がON/OFFするようになっている。
【００２７】
ＥＣＭ８２は、前述の目標噴射量及び目標噴射時期相当のコマンドパルスをＡＮＤ素子３５及びトランジスタ２９に送出する。またＥＣＭ８２は、エンジン運転状態に基づき選択的に高電圧要求パルスをＡＮＤ素子３５に送出する。ＡＮＤ素子３５は、これら両方のパルスが入力されたときのみ電流を出力し、トランジスタ２８をONする。いずれか一方のパルス（特にコマンドパルス）が入力されただけでは電流を出力せず、トランジスタ２８をOFF の状態とする。電磁ソレノイド８５に対しそれぞれ高電位側にあるバッテリ２５側回路とコンデンサ２７側回路とは互いに並列の関係にある。
【００２８】
この駆動装置によるインジェクタ駆動方法を図２を用いて説明する。同図は上からコマンドパルス、要求パルス、電磁ソレノイド８５への印加電圧及び燃料噴射率を示す。また左側は高電圧要求のある場合、右側はない場合を示す。特に左側の様子は従来のインジェクタ駆動方法と同様である（特開平10-18888号公報参照）。高電圧要求の有無判断はＥＣＭ８２が現在のエンジン運転状態に基づいて行う。これについては後述する。
【００２９】
まず高電圧要求のある場合を説明する。ＥＣＭ８２は、目標噴射開始時期になった時、目標噴射量に応じた時間長さの矩形のコマンドパルスを発生する。そしてこれと同時に、迅速な初期噴射を実現する、所定時間長さを有する高電圧要求パルスを発生する。なおコマンドパルス及び高電圧要求パルスの電圧値はバッテリ電圧Ｖ_Bより低い小電圧である（ここでは5V程度）。
【００３０】
図１も参照して、コマンドパルスの発生によりトランジスタ２９がONとなる。またコマンドパルス及び高電圧要求パルスの発生によりトランジスタ２８がONとなる。こうなると、電磁ソレノイド８５にバッテリ電圧Ｖ_Bとコンデンサ電圧Ｖ_Cとが同時に印加される。Ｖ_B＜Ｖ_Cなので導通初期にはコンデンサ電圧Ｖ_Cが印加されるが、ニードルリフトを迅速に行う為の所定時間の経過で高電圧要求パルスがOFF になる為、バッテリ電圧Ｖ_Bのみが印加されるようになる。
【００３１】
図３も参照して、高電圧であるコンデンサ電圧Ｖ_Cが印加されると電磁ソレノイド８５の電磁力が一気に立ち上がるため、開閉弁１１が一気に上昇し、急速に圧力制御室１０の燃料リークが開始する。これによりニードル４も急上昇し、燃料噴射が噴射開始初期から高噴射率で行われるようになる。後はバッテリ電圧Ｖ_Bのみで開閉弁１１の上昇が維持され、高噴射率の噴射が継続される。
【００３２】
コマンドパルス及び高電圧要求パルスが同時に消失すると、トランジスタ２８，２９がOFF となり、電磁ソレノイド８５が消磁して電磁弁２０の開閉弁１１が閉じる。これにより燃料リークが停止され、ニードル４が下降されて燃料噴射が停止される。そして次回の噴射までにコンデンサ２７が充電される。
【００３３】
次に、高電圧要求のない場合を説明する。図１乃至図３に示すように、このときはコマンドパルスのみが発生し高電圧要求パルスが発生しない。よってトランジスタ２９のみがONとなり、トランジスタ２８はOFF のままとなる。こうなると電磁ソレノイド８５にはバッテリ電圧Ｖ_Bのみが印加される。これが低電圧なので、電磁ソレノイド８５の電磁力はゆっくり立ち上がる。このため、開閉弁１１がゆっくり上昇し、燃料リーク量も緩やかに増え続け、ニードル上昇速度も遅くなり、燃料噴射率は緩やかに立ち上がる。これにより初期噴射率が抑制される。
【００３４】
このように、噴射初期に電磁ソレノイド８５に低電圧を印加できるため、ニードル上昇速度を遅くし初期噴射率を抑制することができる。また噴射初期に電磁ソレノイド８５に高電圧を印加することもできるため、初期噴射率を通常通り高くすることも可能である。さらに、これら低初期噴射率、高初期噴射率をエンジン運転状態に応じて切り換えられるので、実際のエンジン運転状態に即した噴射率制御を実行できる。
【００３５】
即ち、ＥＣＭ８２が通常運転である低中速回転・負荷運転中と判断したときは、ＥＣＭ８２が高電圧要求パルスの発生を止め、低初期噴射率とする。これによりNOx の少ないローエミッション運転が可能となる。他方、ＥＣＭ８２が高速回転・負荷運転中と判断したときは、ＥＣＭ８２が高電圧要求パルスを発生し、高初期噴射率とする。
【００３６】
元々、初期噴射率を低下させるのは着火遅れ期間中の噴射量を減らすためだが、高回転・負荷のときこれを行うと噴射時間が過剰に長くなり、全噴射量を許容時間内に噴射しきれなくなる可能性がある。この傾向は高回転になればなるほど許容時間が短くなるため顕著である。こういった理由から高回転・負荷のときは高初期噴射率としているのである。
【００３７】
いずれにせよ、切換条件や切換点は実機試験等で定めるのが良く、切換点を回転・負荷に応じてマップ化してもよい。
【００３８】
このように、本発明では回路の簡単な変更により低初期噴射率を達成できる。このため電磁弁の弁バネを追加するという従来方法に比べ部品点数、コストの上で有利である。また弁バネの経時変化に伴う噴射特性への影響が少なく、長期間安定して所望の性能を得られる。
【００３９】
なお、高電圧要求のある場合に最初に高電圧を、次に低電圧を印加するのは、最初は静止状態の開閉弁１１を急上昇させるため、高電圧が必要であり、後は上昇した開閉弁１１を保持するだけなので、低電圧で済むからである。
【００４０】
以上、本発明は上記以外にも様々な実施形態を採ることができる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば以下の如き優れた効果が発揮される。
【００４２】
(1) 初期噴射率抑制に際し、部品点数及びコストの増加を防止できる。
【００４３】
(2) 弁バネの経時変化による噴射特性への影響を少なくできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るインジェクタ駆動装置の回路図である。
【図２】同駆動装置による燃料噴射の態様を示すタイムチャートである。
【図３】インジェクタの全体を示す縦断面図である。
【図４】コモンレール式燃料噴射装置のシステム図である。
【図５】実施形態に係る圧力バランス式インジェクタの作動原理を示し、インジェクタ閉弁状態である。
【図６】同開弁状態である。
【符号の説明】
１インジェクタ
２５バッテリ
２７コンデンサ
８４ドライバユニット
８５電磁ソレノイド
Ｖ_B バッテリ電圧
Ｖ_C コンデンサ電圧

Claims

エンジン運転状態に応じて燃料の初期噴射率を低初期噴射率と高初期噴射率とに切り換えるようにしたインジェクタ駆動装置であって、印加電圧に応じてインジェクタを開作動するための電磁ソレノイドと、該電磁ソレノイドに接続され、その電磁ソレノイドにバッテリ電圧を印加するためのバッテリと、上記電磁ソレノイドに接続され、その電磁ソレノイドに上記バッテリ電圧より高いコンデンサ電圧を印加するためのコンデンサと、上記初期噴射率を低初期噴射率に切り換える際には、上記バッテリを上記電磁ソレノイドに導通し、一方上記初期噴射率を高初期噴射率に切り換える際には、上記コンデンサを上記電磁ソレノイドに導通するドライバユニットとを備えたことを特徴とするインジェクタ駆動装置。