JP3801394B2

JP3801394B2 - 蓄圧式燃料噴射装置

Info

Publication number: JP3801394B2
Application number: JP26841199A
Authority: JP
Inventors: 圭樹田邊; 晋纐纈; 正二郎琴岡
Original assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Current assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Priority date: 1999-09-22
Filing date: 1999-09-22
Publication date: 2006-07-26
Anticipated expiration: 2019-09-22
Also published as: JP2001090626A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蓄圧式燃料噴射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関であるディーゼルエンジンの燃料噴射装置として、蓄圧室に蓄圧した高圧燃料をエンジンの各気筒に供給して低速域から高速域までの広い運転領域においてエンジン性能を向上可能とする蓄圧式燃料噴射装置（コモンレールシステム）がある。このような燃料噴射装置を用いた場合でも、燃料噴射開始直後における燃料噴射率が過大であると、燃焼の初期に急激な爆発燃焼が行われ、エンジン騒音が増大するばかりでなく排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）が増大する。
【０００３】
このような不具合を解消するため、各回の燃料噴射サイクルの初期段階において、低めの燃料噴射率で燃料を噴射する蓄圧式燃料噴射装置が提案されている。この蓄圧式燃料噴射装置は、高圧燃料ポンプと、高圧燃料ポンプからの高圧燃料を貯溜する高圧蓄圧室（高圧コモンレール）と、低圧燃料を貯溜する低圧蓄圧室（低圧コモンレール）と、低圧蓄圧室又は高圧蓄圧室を燃料噴射弁に選択的に連通させて燃料噴射率を切り換える切換弁と、燃料噴射弁の圧力制御室と燃料タンクとを連通・遮断して燃料噴射時期を制御する開閉弁とを備え、燃料噴射開始時期が到来した時に開閉弁を開弁させて燃料噴射弁を開弁させ、低圧燃料を噴射させて低圧初期噴射（以下「低圧噴射」という）を行い、低圧噴射期間が経過した時に切換弁を高圧側へ切り換え、高圧蓄圧室からの高圧燃料を噴射させて高圧主噴射（以下「高圧噴射」という）を行い、噴射終了時期が到来すると切換弁を低圧側へ切り換えると共に開閉弁を閉弁する。即ち、切換弁により低圧蓄圧室と高圧蓄圧室とを燃料噴射中に切り換えて燃料の噴射波形の制御を行う。低圧蓄圧室では、前記切換弁が閉弁した後当該切換弁と燃料噴射弁の燃料室との間に溜まった高圧燃料を調圧して低圧燃料を得る。
【０００４】
切換弁は、針弁先端と背面（ピストン）の圧力バランスを操作して、開閉操作を行っている。即ち、閉弁するときには、針弁背面（ピストン）の圧力室に高圧燃料を供給して付勢し、閉弁方向の力を発生させて針弁を便座に押し付けて閉弁し、開弁するときには、電磁弁を開弁することで圧力制御室の高圧燃料を排出して針弁背面の圧力を減圧して閉弁方向の力を減少させ、針弁を上昇させて開弁させるように構成されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、低圧蓄圧室と高圧蓄圧室とを燃料噴射中に切り換えて噴射波形の制御を行う上記構成の蓄圧式燃料噴射装置において、切換弁は、開弁時には圧力制御室から解放した燃料のリーク（以下「スイッチングリーク」という）が必ず存在する。そして、このスイッチングリークは、燃料タンクに還流される。従って、スイッチングリークは、高圧の圧力制御室から大気圧の燃料タンクに解放されるためにその差圧が極めて大きく、圧力損失が非常に大きい。このため、圧力損失相当分だけ高圧燃料ポンプを余分に駆動させる必要がある。しかも、スイッチングリーク量は、噴射圧（コモンレール圧）を高圧にしていくとこれに伴い増大する。一方、エンジンは、高圧燃料ポンプを駆動するために駆動力を損失する。従って、切換弁のスイッチングリーク量が増大すると、増大した分エンジンの駆動力の損失となり、燃費の悪化の要因となる。
【０００６】
このため、本発明では、燃料噴射弁から噴射させる低圧燃料と高圧燃料とを切り換える切換弁のスイッチングリーク量を低減し、高圧燃料ポンプを駆動する機関の駆動損失の増大を抑制して燃費の向上を図るようにした蓄圧式燃料噴射装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明では、燃料ポンプで加圧された高圧燃料は、第１蓄圧室に貯溜され、第１電磁式弁装置、燃料通路を介して内燃機関の燃焼室内に噴射する燃料噴射弁に供給されると共に、前記燃料通路に接続された分岐通路のオリフィスを介して前記第１蓄圧室の燃圧よりも低圧の第２蓄圧室に供給されて貯溜される。第２蓄圧室の低圧燃料は、逆止弁を通して分岐通路から燃料通路を経て燃料噴射弁に供給される。
【０００８】
噴射開始時期において第２電磁式弁装置が開弁されると第２蓄圧室の低圧燃料が燃料噴射弁から噴射される。噴射途中で、第１電磁式弁装置が開弁されると、第１蓄圧室の高圧燃料が前記燃料噴射弁に供給され、燃料噴射弁から高圧燃料が噴射される。第１電磁式弁装置は、圧力制御室の高圧燃料をリーク通路にリークさせることで開弁する。圧力制御室からリークした高圧燃料（スイッチングリーク）は、燃料リーク通路を通して第２蓄圧室に供給される。圧力制御室の出口側圧力が第２蓄圧室の圧力相当まで増大することで、圧力制御室の入力側の圧力と出力側の圧力との差圧が小さくなり、これに伴い前記スイッチングリーク量が低減する。スイッチングリーク量の低減により、燃料供給ポンプを駆動する内燃機関の高圧燃料噴射時における駆動損失が抑制され、燃費の向上が図られる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。
図１は、本発明の実施形態としての蓄圧式燃料噴射装置の概略構成図、図２は、図１の低・高圧蓄圧室切換弁の拡大図、図３は、図２の低・高圧蓄圧室切換弁の作動説明図である。
【００１０】
図１において、蓄圧式燃料噴射装置は、内燃機関としてのディーゼルエンジン（図示せず）に搭載されるもので、燃料供給ポンプとしての高圧燃料ポンプ１、第１蓄圧室としての高圧蓄圧室（高圧ＣＲ）２、第２蓄圧室としての低圧蓄圧室（低圧ＣＲ）３、低圧蓄圧室３からの低圧燃料と高圧蓄圧室２からの高圧燃料とを切り換える第１電磁式弁装置としての低・高圧蓄圧室切換弁（以下、単に「切換弁」という）４、低圧蓄圧室３の圧力を制御する圧力制御弁５、逆止弁６、オリフィス７、燃料噴射弁８、燃料噴射弁８の噴射開始・終了時期を制御する第２電磁式弁装置としての開閉弁９、燃料タンク１０、燃料通路３０〜３３、及び制御手段としての電子制御装置（ＥＣＵ）４０等により構成されている。
【００１１】
高圧燃料ポンプ１は、内燃機関としてのエンジンにより駆動されて燃料タンク１０の燃料を吸入、加圧して吐出する。電子制御装置４０は、エンジン回転センサにより検出されたエンジン回転数Ｎｅと、アクセル開度センサにより検出されたアクセルペダル踏込量（アクセル開度）Ａccとに応じて高圧燃料ポンプ１を制御して圧送ストロークを可変調整し、更に、高圧蓄圧室２に設けられている圧力センサにより検出された燃圧（Ｐ_HP）に応じて圧送ストローク（吐出圧）をフィードバック制御することにより、エンジン運転状態に適合する高圧燃料を得るようになっている。
【００１２】
高圧燃料ポンプ１から吐出された高圧燃料は、高圧蓄圧室２に貯溜される。この高圧蓄圧室２は、前記エンジンの各気筒に共通するものであり、燃料通路３０を介して燃料噴射弁８に接続されており、当該燃料通路３０の途中に切換弁４が介装されている。
切換弁４は、図２に示すように弁装置１１と、電磁弁１２とにより構成され、弁装置１１は、バルブホルダ１３に弁体としての針弁１４とスプリング１５が収納されている。針弁１４は、入口ポート１３ａと出口ポート１３ｂとの間に介在されてこれら間を連通・遮断するもので、スプリング１５により付勢されて閉弁されている。入口ポート１３ａは、燃料通路１３ｃ、制御オリフィスとしての入口側オリフィス１３ｄを通して針弁１４の背面（ピストン）と電磁弁１２の弁体１８との間に形成されている圧力制御室１７に連通されている。この圧力制御室１７は、制御オリフィスとしての出口側オリフィス１３ｅ、電磁弁１２を通して燃料リーク通路１３ｆに接続されている。
【００１３】
弁装置１１の入口ポート１３ａは、燃料通路３０を介して高圧蓄圧室２に、出口ポート１３ｂは、燃料通路３０ａを介して燃料噴射弁８に接続され、燃料リーク通路１３ｆは、リーク燃料通路３１を介して低圧蓄圧室３に接続されている。また、電磁弁１２は、電子制御装置４０により制御される。
図３に示すように、高圧蓄圧室２の高圧燃料は、入口側オリフィス１３ｄを通して圧力制御室１７に供給される。電磁弁１２が閉弁しているときには圧力制御室１７の高圧燃料が針弁１４を押し下げ、スプリング１５のばね力と協働して閉弁し、入口ポート１３ａと出口ポート１３ｂとを遮断する。電磁弁１２が開弁すると、圧力制御室１７の高圧燃料が出口側オリフィス１３ｅを通して燃料リーク通路１３ｆに排出され、これに伴い圧力制御室１７の圧力が低下し、高圧燃料により針弁１４がスプリング１５のばね力に抗して押し上げられて開弁し、入口ポート１３ａと出口ポート１３ｂとが連通される。これにより、高圧蓄圧室２の高圧燃料が燃料噴射弁８の燃料室２２に供給される。電磁弁１２の開弁時に出口側オリフィス１３ｅからリークした高圧燃料は、リーク燃料通路３１を通して低圧蓄圧室３に供給される。
【００１４】
図１に戻り、燃料通路３０には切換弁４の下流において燃料通路３０ａから分岐した分岐通路３２を介して各気筒に共通の低圧蓄圧室３が接続されている。この低圧蓄圧室３には、高圧蓄圧室２の燃圧Ｐ_HPよりも十分に低い燃圧Ｐ_LPの燃料を貯溜する。分岐通路３２の途中には逆止弁６とオリフィス７とが並列に接続されており、逆止弁６は、低圧蓄圧室３から燃料通路３０方向にのみ燃料の流れを許容する。燃料通路３０ａ内の燃料圧が分岐通路３２内の燃料圧よりも高い場合、燃料通路３０ａ内の燃料がオリフィス７を通して分岐通路３２に流入し、更に低圧蓄圧室３に流入する。分岐通路３２の低圧蓄圧室３と燃料タンク１０との間には電子制御装置４０の制御下で動作して低圧蓄圧室３の燃圧（Ｐ_LP）を制御する圧力制御弁５が設けられている。電子制御装置４０は、低圧蓄圧室３内の燃圧が、エンジン回転数とアクセルペダル踏込量とによって表されるエンジン運転状態に適合した圧力になるように圧力制御弁５を制御する。
【００１５】
尚、切換弁４の燃料リーク通路１３ｆは、リーク燃料通路３１を介して低圧蓄圧室３に接続したが、逆止弁６とオリフィス７との並列回路と低圧蓄圧室３との間の分岐通路３２に接続しても良い。
エンジンの各気筒に設けられている燃料噴射弁８は、燃料通路３０ａにオリフィス２０を介して接続された圧力制御室２１及び燃料室（燃料溜まり）２２を有し、圧力制御室２１は、オリフィス２３、燃料戻り通路３３を介して燃料タンク１０に接続されている。そして、燃料戻り通路３３の途中に例えば、二方電磁弁からなる燃料噴射時期制御用の開閉弁９が接続されている。
【００１６】
燃料噴射弁８は、ノズル（噴孔）８ａを開閉する針弁２５と、圧力制御室２１内に摺動可能に収納された油圧ピストン２６とを有し、針弁２５は、スプリング（図示せず）によりノズル８ａ側に付勢されて閉弁されている。燃料通路３０ａから圧力制御室２１と燃料室２２とに燃料が供給されると共に噴射時期制御用の開閉弁９を閉弁されている場合には前記スプリングのばね力と圧力制御室２１の燃圧による力との合力が針弁２５に加わり、当該針弁２５は、燃料室２２内の燃圧による力に抗してノズル８ａを閉塞する。開閉弁９が開弁して圧力制御室２１内の燃料が燃料タンク１０側（大気開放側）へ排出されると、燃料室２２内の燃圧により針弁２５が前記スプリングのばね力に抗して油圧ピストン２６側へ移動してノズル８ａが開口し、燃料室２２内の燃料がノズル８ａからエンジンの燃焼室へ噴射される。
【００１７】
以下、上記構成の燃料噴射装置の動作を説明する。
電子制御装置４０の制御下で、高圧蓄圧室２内の燃料圧及び低圧蓄圧室３内の燃圧がエンジン運転状態に適合するように制御され、エンジン運転状態（エンジン回転数、アクセルペダル踏込量等）に応じて燃料噴射期間（燃料噴射開始・終了時期）及び低圧噴射期間が設定される。
【００１８】
図４に示すように、燃料噴射開始時期が到来するまでの間、切換弁４（電磁弁１２）、及び開閉弁９は、共に閉弁されている。高圧蓄圧室２の高圧燃料は、入口側オリフィス１３ｄを通して圧力制御室１７に供給されている。電磁弁１２が閉弁されているときには、圧力制御室１７の高圧燃料により針弁１４を押し下げようとする力とスプリング１５のばね力との合力が針弁１４の先端に加わる高圧蓄圧室２の燃圧により針弁１４を押し上げようとする力よりも大きく、針弁１４を押し下げて入口ポート１３ａと出口ポート１３ｂとを遮断している。
【００１９】
切換弁４の下流側の燃料通路３０ａには低圧蓄圧室３から低圧燃料が供給され、この低圧燃料が燃料噴射弁８の圧力制御室２１及び燃料室２２に供給されている。開閉弁９が閉弁されていることで圧力制御室２１内に供給された燃圧が油圧ピストン２６を介して針弁２５に加わり、当該針弁２５によりノズル８ａが閉塞されて閉弁されている。
【００２０】
燃料噴射開始時期になると、開閉弁９のみが開弁され、燃料噴射弁８の圧力制御室２１内の低圧燃料がオリフィス２３及び燃料戻り通路３３を通して燃料タンク１０に排出される。これにより油圧ピストン２６を介して針弁２５に加わる燃圧による力とスプリングのばね力との合力が、当該針弁２５を押し上げるように作用する燃料室２２内の燃圧による力よりも小さくなった時点で針弁２５が上昇してノズル８ａが開口され、低圧燃料が噴射される。即ち、噴射初期において比較的小さい燃料噴射率（単位時間当たりの燃料噴射量）での低圧噴射が実行される。この低圧噴射により、燃料噴射期間の初期段階での燃焼は、比較的緩慢に行われ、排気ガス中のＮＯｘ量の低減が図られる。
【００２１】
低圧噴射を開始してから所定時間が経過すると、噴射時期制御用の開閉弁９が開弁された状態のまま噴射率切換用の切換弁４が開弁される。即ち、切換弁４の電磁弁１２が開弁すると、圧力制御室１７の高圧燃料が出口側オリフィス１３ｅを通して燃料リーク通路１３ｆに排出され、これに伴い圧力制御室１７の圧力が低下する。そして、圧力制御室１７の針弁１４の背面に作用する燃料圧力による力とスプリング１５のばね力との合力が、針弁１４の先端に加わる高圧燃料圧による力よりも小さくなると、針弁１４が押し上げられて開弁し、入口ポート１３ａと出口ポート１３ｂとが連通される。これにより、高圧蓄圧室２の高圧燃料が燃料噴射弁８の燃料室２２に供給されて噴射される。即ち、低圧噴射での燃料噴射率よりも大きい噴射率での高圧噴射が実行される。
【００２２】
電磁弁１２の開弁時に圧力制御室１７から出口側オリフィス１３ｅを通して燃料リーク通路１３ｆにリークした高圧燃料は、リーク燃料通路３１を通して低圧蓄圧室３に供給される。図５に示すように針弁１４の開弁時に必要な燃料のリーク（スイッチングリーク）量Qoutは、圧力制御室１７の入口圧力Pin（＝Ｐ_HP）と出口側圧力Poutとの差圧ΔＰ^1/2（＝（Pin−Pout）^1/2）に比例する（Qout∝Ain・ΔＰ^1/2、ここにAinは入口側オリフィス１３ｄの開口面積）。従って、差圧ΔＰが小さい程即ち、出口側圧力Poutを高くする程スイッチングリーク量Qoutを低減することが可能である。
【００２３】
本願発明では、出口側オリフィス１３ｅからリークした燃料は、低圧蓄圧室３に供給されることで、圧力制御室１７の出口側圧力Poutを低圧蓄圧室３の圧力（Ｐ_LP）相当まで増大することにより、スイッチングリーク量Qoutを低減することができる。図５において、差圧ΔＰａは、出口側圧力Poutが略大気圧の場合を、差圧ΔＰｂは、出口側圧力Poutが低圧蓄圧室３の圧力Ｐ_LP相当の場合を示し、差圧ΔＰが小さくなった分（ΔＰａ−ΔＰｂ）だけスイッチングリーク量ΔQoutが低減（Qoutａ−Qoutｂ）される。
【００２４】
このように、出口側オリフィス１３ｅ（制御オリフィス）の出口側圧力Poutが低圧蓄圧室３の圧力Ｐ_LP相当まで増大することにより、電磁弁１２が開弁した際の圧力制御室１７の差圧を低減することができることから、噴射期間中のスイッチングリーク量Qoutが低減する。そして、スイッチングリーク量の総量を低減することができることで、燃料ポンプ１の駆動損失を低減することができ、燃費の向上が図られる。
【００２５】
燃料噴射終了時期になると、図４に示すように噴射時期制御用の開閉弁９が閉弁され、図１に示す燃料通路３０ａからオリフィス２０を通して圧力制御室２１に供給された高圧燃料が油圧ピストン２６を介して針弁２５に作用し、当該針弁２５がノズル８ａを閉塞して、燃料噴射が終了する。燃料噴射終了時点で燃料噴射率が急速に立ち下がってエンジンからの黒煙（スモーク）やパティキュレート（粒状物質ＰＭ）の排出量が低減される。噴射率切換用の切換弁４は、燃料噴射終了時期における開閉弁９の閉弁と同時に閉弁され、或いは、燃料噴射時期終了時期から所定時間が経過した時点で閉弁される。
【００２６】
燃料噴射弁８の燃料室２２と噴射率切換用の切換弁４との間において、燃料通路３０ａ内の高圧燃料は、分岐通路３２のオリフィス７を通して低圧蓄圧室３に流入し、これにより、燃料通路３０ａ内の燃料圧は、各回の燃料噴射サイクルでの燃料噴射が終了した時点から漸減して、次回の燃料噴射サイクルでの燃料噴射が開始されるまでに圧力制御弁５により設定される低圧噴射に適合する燃料圧に低下し、次回の低圧噴射での噴射率は、所要のものとなる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、第１電磁式弁装置の開弁時におけるリーク燃料出口側圧力を第２蓄圧室の圧力相当まで増大することにより、噴射期間中のスイッチングリーク量を低減することができ、燃料供給ポンプの駆動損失を低減することができ、燃費の向上が図られる。また、第１蓄圧室の高圧化の際に問題となるスイッチングリーク量の増大にも有効に対処することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る蓄圧式燃料噴射装置を示す概略図である。
【図２】図１の低・高圧蓄圧室切換弁の概略構成図である。
【図３】図２に示す低・高圧蓄圧室切換弁の作動説明図である。
【図４】図１に示す蓄圧式燃料噴射装置における噴射率波形の一例を示す図である。
【図５】図１に示す低・高圧蓄圧室切換弁の圧力制御室の入・出口側圧力の差圧とスイッチングリーク量との関係を示す説明図である。
【符号の説明】
１高圧燃料ポンプ（燃料供給ポンプ）
２高圧蓄圧室（第１蓄圧室）
３低圧蓄圧室（第２蓄圧室）
４低・高圧蓄圧室切換弁（第１電磁式弁装置）
５圧力制御弁
６逆止弁
７オリフィス
８燃料噴射弁
９開閉弁（第２電磁式弁装置）
１３ｆ燃料リーク通路
１７圧力制御室
３０燃料通路
３１リーク燃料通路
３２分岐通路
４０電子制御装置（制御手段）

Claims

燃料供給ポンプにより供給された燃料を高圧状態で蓄圧する第１蓄圧室と、
前記第１蓄圧室と燃料噴射弁とを接続する燃料通路に介装され該燃料通路を連通と遮断とに切り換える第１電磁式弁装置と、
前記第１電磁式弁装置よりも下流の燃料通路から分岐した分岐通路に接続され前記第１蓄圧室よりも十分に低い圧力で燃料が貯溜される第２蓄圧室と、
前記燃料通路と前記第２蓄圧室との間の前記分岐通路に配置され前記燃料通路側への流通のみを許容する逆止弁と、
前記分岐通路に前記逆止弁と並列に配置されたオリフィスと、
前記燃料噴射弁から燃料タンクまで連通する燃料戻り通路に介装され燃料の噴射状態を噴射と無噴射とに切り換える第２電磁式弁装置と、
前記第１及び第２電磁式弁装置を機関運転状態に応じて駆動制御する制御手段とを備え、
前記第１電磁式弁装置を、弁部材の後方側に配置された圧力制御室に前記第１蓄圧室からの燃料圧力を付勢することにより前記燃料通路を遮断し、該付勢する燃料をリークさせることにより前記燃料通路を連通状態に切り換える弁装置で構成すると共に、前記燃料をリークさせる燃料リーク通路を前記第２蓄圧室、若しくは前記逆止弁及び前記オリフィスと前記第２蓄圧室との間の前記分岐通路に接続したこと
を特徴とする蓄圧式燃料噴射装置。