JP4188539B2

JP4188539B2 - 蓄圧式燃料噴射装置

Info

Publication number: JP4188539B2
Application number: JP2000137688A
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: 2000-05-10
Publication date: 2008-11-26
Anticipated expiration: 2020-05-10
Also published as: JP2001159379A

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】
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安定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し、機関の運転状態に応じて噴射率を制御する蓄圧式燃料噴射装置が提案されている。
このような燃料噴射装置として例えば、特開平８−２１８９６７号公報に開示されたものがある。この燃料噴射装置は、燃料噴射期間が長い燃料噴射特性を要求される低速低負荷運転時には、燃料噴射開始直後から噴射量が緩やかに増加する噴射率（以下「デルタ型噴射率」という）と、燃料噴射期間が短い燃料噴射特性を要求される高速高負荷運転時には、燃料噴射開始直後から急峻に噴射量を増加させ短期間に大量の燃料を噴射させる噴射率（以下「矩形型噴射率」という）とを選択可能としたものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記燃料噴射装置は、高圧燃料蓄圧室としてのコモンレールと燃料噴射弁の燃料溜室とを連通する燃料通路に介装した電磁弁を開弁して前記燃料通路の高圧燃料を低圧側に排出し、次いで、前記電磁弁を閉弁して前記燃料通路に高圧燃料蓄圧室から高圧燃料を供給して燃料噴射弁の燃料溜室の内圧を低圧から高圧へ徐々に上昇させる即ち、燃料通路の油圧的応答遅れの時間を利用して燃料噴射率を緩やかな傾きで増加させてデルタ型噴射率を得るようにしており、そのため噴射開始時期は、燃料通路の油圧的応答遅れを利用することから精度的に好ましくなく、また、噴射初期の圧力は開弁圧により決まるため噴射率制御の自由度が低く、運転状態に応じて最適な燃料噴射率を得ることができず、従って、蓄圧式燃料噴射装置本来のメリットを十分に発揮することができない。
【０００５】
このため、本発明では、機関の運転状態に応じた噴射率制御を実現し、且つ構造の簡略化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。
更に、機関の各運転条件で要求される排出ガス・燃費性能を実現する最適な燃料噴射率形状を得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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため請求項１の発明では、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、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、第１電磁式弁装置よりも下流の燃料通路側に対して燃料通路側にのみ燃料の流れを許容する逆止弁を介し接続され、第１蓄圧室よりも低圧の燃料を貯留する第２蓄圧室と、燃料噴射弁から燃料タンクまで連通する燃料戻り通路上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、第１電磁式弁装置及び第２電磁式弁装置の開閉を制御し、且つ第１蓄圧室の圧力を切り換えるよう燃料供給ポンプの供給状態を制御する制御手段とを備え、機関は過給機及びＥＧＲ装置を具備し、制御手段が、機関が低負荷運転状態で且つ排ガスを再循環させるＥＧＲ制御を実行する第１の運転状態のときに、第２電磁式弁装置の開作動に対し第１電磁式弁装置を先行して開作動させて、燃料噴射開始直後から急峻に噴射量を増加させる略矩形型噴射率で燃料噴射を行う第１の制御モードを実行するものである。
燃料供給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、前記燃料通路の第１電磁式弁装置の下流側に逆止弁を介して接続された第２蓄圧室には、前記第１蓄圧室の燃圧よりも低い一定圧の低圧燃料が貯溜される。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。
【０００７】
そして、機関が低負荷運転状態で且つ排ガスを再循環させるＥＧＲ制御を実行する第１の運転状態にあるときには、過給圧が小さく、ＥＧＲ量が多いために、制御手段は、第２電磁式弁装置の開作動に対し前記第１電磁式弁装置を先行して開作動させて略矩形型噴射率で燃料噴射を行う第１の制御モードを実行し、燃焼速度の低下する高ＥＧＲ雰囲気での高圧・短期間噴射による燃焼速度増大効果により、ＮＯｘと燃費のトレードオフを改善する。
【０００８】
請求項２の発明では、請求項１の蓄圧式燃料噴射装置において、制御手段が、第１の制御モードに加えて、機関が中・高速高負荷運転状態で且つ第１の運転状態に比して排ガスの再循環量を減少させたＥＧＲ制御を実行する第２の運転状態のときに、第２電磁式弁装置の開作動に対して第１電磁式弁装置を第１の制御モードよりも短時間だけ先行して開作動させて、燃料噴射開始直後から緩やかに噴射量を増加させるデルタ型噴射率で燃料噴射を行う第２の制御モードを実行するものである。
従って、機関が中・高速高負荷運転状態で且つ第１の運転状態に比して排ガスの再循環量を減少させたＥＧＲ制御を実行する第２の運転状態にあるときには、過給圧が大きく、ＥＧＲ量が少ないために、制御手段は、第２電磁式弁装置の開作動に対して第１電磁式弁装置を第１の制御モードよりも短時間だけ先行して開作動させてデルタ型噴射率で燃料噴射を行う第２の制御モードを実行し、筒内最大圧力を抑えた定圧燃焼によりＮＯｘと燃費のトレードオフを改善し、主噴射後半を高圧・高噴射率としてスモークを低減させる。
【００１０】
請求項３の発明では、請求項１の蓄圧式燃料噴射装置において、制御手段が、第１の制御モードに加えて、機関が低・中速高負荷運転状態で且つ第１の運転状態に比して排ガスの再循環量を減少させたＥＧＲ制御を実行する第３の運転状態のときに、第２電磁式弁装置の開作動に対して第１電磁式弁装置を遅らせて開作動させて、低圧初期噴射に続いて高圧噴射させるブーツ型噴射率で燃料噴射を行う第３の制御モードを実行するものである。
従って、機関が低・中速高負荷運転状態で且つ第１の運転状態に比して排ガスの再循環量を減少させたＥＧＲ制御を実行する第３の運転状態にあるときには、過給圧が中程度で、ＥＧＲ量が少ないために、制御手段は、第２電磁式弁装置の開作動に対して第１電磁式弁装置を遅らせて開作動させてブーツ型噴射率で燃料噴射を行う第３の制御モードを実行し、初期噴射量を低減させることで低騒音、低ＮＯｘを実現させ、主噴射後半を高圧・高噴射率とすることでスモークの低減を図る。
【００１１】
【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。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施形態としての蓄圧式燃料噴射装置の概略構成図である。
【００１２】
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。尚、低圧蓄圧室３は、連設する噴射管を蓄圧室に置き換えることも可能である。
【００１３】
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（燃料供給量）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。
【００１４】
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、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（図示せず）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）に形成された圧力制御室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。
【００１５】
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を介して燃料タンク１０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。
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からリークした燃料は、リーク燃料通路３１を通して燃料タンク１０に排出される。
【００１６】
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３０内の燃圧が分岐通路３２内の燃圧よりも高い場合、燃料通路３０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との間には低圧蓄圧室３の燃圧（Ｐ_LP）を調整する圧力制御弁５が設けられている。この圧力制御弁５は、自動弁例えば、リリーフ弁により構成されており、低圧蓄圧室３の燃圧を一定圧に調整する。
【００１７】
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３０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）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。
【００１８】
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内の燃圧による力により針弁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。
【００１９】
以下、上記構成の蓄圧式燃料噴射装置の作動の一例を説明する。
電子制御装置４０の制御下で、高圧蓄圧室２内の燃料圧即ち、高圧燃料ポンプ１の吐出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）が設定される。
【００２０】
切換弁４（電磁弁１２）及び開閉弁９が共に閉弁されているときには、高圧蓄圧室２の高圧燃料が入口側オリフィス１３ｄを通して圧力制御室１７に供給されており、圧力制御室１７の高圧燃料が針弁１４を押し下げ、この圧力制御室１７の圧力による力とスプリング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。
【００２１】
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ており、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による力が油圧ピストン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。
【００２２】
この状態で開閉弁９のみが開弁されると、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。
【００２３】
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（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の背面に作用する圧力とスプリング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。
【００２４】
従って、低圧燃料の噴射量は、開閉弁９を開弁したときから切換弁４を開弁するまでの時間が長い程多くなり、短くなる程少なくなる。そして、切換弁４が開閉弁９よりも早く開弁すると高圧蓄圧室２の高圧燃料が燃料噴射前に燃料噴射弁８へ供給されるため初期噴射圧が高くなる。初期噴射圧は、切換弁４を開閉弁９よりも早く開弁する程高くなる。切換弁４を開弁（電磁弁１２を開弁）した時から燃料噴射弁８の開閉弁９を開弁するまでの期間ΔＴｉと燃料噴射開始圧力（初期噴射圧力）との関係は、図２に示すように表される。従って、前記期間ΔＴｉを長くする程噴射開始圧力が高くなる。そこで、本発明においては、切換弁４を開弁したときの噴射開始圧力の圧力上昇勾配を利用して、噴射率を制御する。
【００２５】
図３に切換弁４の開弁から開閉弁９の開弁までの時間ΔＴｉと噴射率波形の変化の一例を示す。図３（Ａ）に示すように時間ΔＴｉが短い（噴射弁開弁時期に対する切換弁４の開弁時期を少し前に（早く）する）場合には、燃料噴射開始直後から噴射量が緩やかに増加するデルタ型噴射率となり、同図（Ｂ）に示すように時間ΔＴｉが長い（噴射弁開弁時期に対する切換弁４の開弁時期を大幅に前にする）場合には、燃料噴射開始直後から急峻に噴射量を増加させ短期間に大量の燃料を噴射させる略矩形型噴射率となる。また、同図（Ｃ）に示すように噴射弁開弁時期に対する切換弁４の開弁時期を後にする場合には、低圧初期噴射に続いて高圧噴射が行われる所謂ブーツ型噴射率となる。
【００２６】
そして、噴射率立ち上がり勾配、及び最高噴射圧は、高圧蓄圧室２の燃圧により制御され、当該燃圧は、高圧燃料ポンプ１の燃料供給量（吐出圧）により決定され、高圧燃料ポンプ１の燃料供給量は、エンジンの運転状態に応じて電子制御装置４０により制御される。図３において、点線で示すように高圧蓄圧室２の燃圧が高い場合には、これに応じて噴射率波形も高くなる。
【００２７】
例えば、燃料噴射期間が長い燃料噴射特性を要求される低速低負荷運転時には、燃料噴射開始直後から噴射量が緩やかに増加するデルタ型噴射率とし、燃料噴射期間が短い燃料噴射特性を要求される高速高負荷運転時には、燃料噴射開始直後から急峻に噴射量を増加させ短期間に大量の燃料を噴射させる矩形型噴射率とし、更に、運転状態に応じて最高噴射圧を制御する。これにより、噴射率制御の自由度が高くなり、エンジンの運転状態に応じた最適な燃料噴射率を得ることができ、蓄圧式燃料噴射装置本来のメリットを失うことなく、低排出ガス化及び燃費の改善に有効な手段である噴射率制御をすることが可能となる。
【００２８】
燃料噴射終了時期になると、図３に示すように噴射時期制御用の開閉弁９が閉弁され、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。
【００２９】
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３０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３０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。
（第２の実施の形態）
上述したように第１の実施の形態によれば、低圧・高圧蓄圧室（コモンレール）の圧力と切換弁の燃料噴射弁の開弁時期に対する切換時期を変化させることで、噴射率の形状を任意の噴射率形状に制御することが可能である。しかしながら、噴射率形状制御の効果を更に得るためには、エンジンの運転条件に対応した最適な噴射率形状を選定することが好ましい。
【００３０】
ところで、一般的にエンジンの高出力化を図るために過給機を用いることが知られている。また、ディーゼルエンジンの排気ガス中のＮＯｘを低減させる方法の一つとして、燃焼済みの排気ガスの一部を吸入側へ混入することにより燃焼を緩慢にして最高燃焼温度を下げてＮＯｘを低減するＥＧＲ（排気ガス再循環）装置がある。そして、ＥＧＲ装置を備えたエンジンにおいては、排気ガスの一部を吸気側に戻すためにエンジンの運転条件によって噴射率の制御が第１の実施の形態の場合と異なる制御が必要となる。
【００３１】
そこで、過給機及びＥＧＲ装置を備えたエンジンにおいて、どのような運転状態のときに（シリンダ内の雰囲気がどうなっているかによって）要求される噴射率形状が最適であるかを、エンジン回転数と負荷とにより設定して、各運転条件で要求される排出ガス・燃費特性を実現する噴射率形状の制御を行う。燃費的には、噴射率形状を矩形として上死点近傍（ＴＤＣ）で一挙に燃焼させることが最も有利であるが、初期の熱発生率が高くなり、ＮＯｘが多くなる。従って、これを改善するために運転状態に応じた最適な噴射率形状を見い出すことが必要である。
【００３２】
そこで、図４に示すように低・中速高負荷運転領域では、ブーツ型噴射率波形とし、中・高速高負荷運転領域では、デルタ型噴射率波形とし、低負荷転領域では矩形型噴射率波形とする。
低・中速高負荷運転領域においては、過給圧は、低負荷運転領域に比べて少し高く、高速高負荷に比べて低い中程度である。また、負荷が高くなると、燃料が多くなり、その分大量の空気が必要となる。従って、ＥＧＲ量を多くすると空気量が少なくなるために相対的に負荷が高いときにはＥＧＲ量を少なくしている（第３の運転状態）。このときエンジン回転数が低いと、高速高負荷運転領域のときよりも着火遅れ時間が長くなるので、初期噴射量を多くすると、着火時に一度に燃焼する燃料が多くなるためにＮＯｘの発生が多くなり、騒音が大きくなる。
【００３３】
これを防ぐために、噴射率波形をブーツ型として、先端の噴射率波形（領域Ｉ）により低圧噴射率を維持して初期噴射量を少なく抑え一度に燃焼する燃料を少なくする（第３の制御モード）。そして、噴射期間を長めに設定していたことを回復するためにあるタイミングで高圧・高噴射率波形（領域II）として一挙に燃料を噴射させて噴射量を確保する。このように低・中速高負荷運転領域においてブーツ型噴射率波形とすることで、初期噴射量低減効果により低騒音、低ＮＯｘを実現し、主噴射後半は高圧・高噴射率によりスモークを低減させる。
【００３４】
しかしながら、デルタ型噴射率波形とした場合には、エンジン回転数が低いと燃焼期間に余裕がでるためにこの間に高噴射率の燃料が多量に噴射されるので、ＮＯｘの低減、低騒音のメリットが無くなってしまう。
中・高速高負荷領域においては、過給圧が大きく、ＥＧＲ量が少ないので着火遅れ期間が短くなってくるためにできるだけ速く燃料を噴射させる必要がある（第２の運転状態）。しかしながら、噴射率波形が矩形の場合には、一度に大量の燃料が噴射されてしまうのでＮＯｘの発生が多くなり、騒音も大きくなる。また、一度に大量の燃料が燃焼すると筒内圧Pmaxが高くなってしまうので、エンジンにも悪影響が出る。
【００３５】
従って、ＮＯｘの発生を低減させ、最大筒内圧Pmaxを抑えるために、噴射率波形をデルタ型にし、更に、必要な燃料を噴射するために後半は高圧・高噴射率となるように噴射させる（第２の制御モード）。
このとき、噴射率波形をブーツ型にすると、低圧噴射と高圧噴射との境の段差部分で一度燃焼が終了してしまい、これに伴い筒内圧が一度下がってしまう。しかしながら、段差のないデルタ型波形とすることで、一定圧を保ったままで筒内圧が推移する燃焼となる（領域III）。これにより、燃費の悪化を抑えることが可能となる。また、エンジンの小型化、軽量化が可能となる。これは、筒内圧力線図から、圧縮→ＴＤＣ→着火において、燃料を一挙に噴射すると一度に燃焼して最大筒内圧Pmaxが急激に高くなり、エンジンの許容圧力限界を超えてしまうような悪影響が出るために、エンジンの堅牢化が必要となり、大型化、重量が嵩む等の問題がある。従って、同じ最大筒内圧Pmaxであれば、デルタ型波形として緩やかに燃焼させる方がエンジンに悪影響を及ぼすことが無く、その分出力を上げることが可能となる。
【００３６】
また、緩やかな燃焼として熱発生率の波形をなだらかにすると、ＮＯｘの発生を抑えることができる。これは、着火遅れの期間中にシリンダ内に噴射された燃料が蒸発（気化）すると一挙に燃焼してしまうので、熱発生率が大きくなり、ＮＯｘが発生しやすくなる。そこで、デルタ型波形として初期噴射率を少なくし（領域III）、後半で噴射量を多くする（領域IV）。初期噴射率を少なくすると燃焼時間が長くなり燃費が悪くなるが、後半の噴射量を多くすることにより燃費の悪化を少なくする。
【００３７】
このように中・高速高負荷運転領域において噴射率波形をデルタ型とすることで、最大筒内圧Pmaxを抑えた定圧燃焼でＮＯｘの発生、燃費のトレードオフを改善し（領域III）、主噴射後半では、高圧・高噴射率によりスモークを低減する（領域IV）。
低負荷運転領域においては、過給圧が小さく、ＥＧＲ量が多く、これに伴い空気量が少ない状態であるために着火遅れが長い（第１の運転状態）。そのため着火遅れ期間中に燃料を一気に噴射することにより予混合燃焼主体の燃焼状態にすることができる。即ち、ＥＧＲの効果が発揮される運転領域であるから、ＥＧＲガスが入っていることで燃焼期間が延びるのを、噴射期間を短期間として予混合燃焼主体の燃焼状態とすることで補っている（第１の制御モード）。このようにＥＧＲ量が多いので、噴射率波形が矩形でもPmaxの問題はなくなだらかな燃焼となり、燃費が向上する。また、ＥＧＲ量が多いのでＮＯｘの問題はない。従って、低負荷運転領域では、噴射率波形を矩形とすることで、高ＥＧＲの雰囲気で燃焼速度を速くして、ＮＯｘの発生を抑え、燃費のトレードオフを改善することができる。
【００３８】
この低負荷運転領域において、噴射率波形を矩形以外のブーツ型、或いはデルタ型波形とすると、燃焼期間が長くなり一挙に燃焼させることができない。
上述した各運転領域（運転条件）における噴射率波形は、図５及び図６に示すようなマップにより設定する。図５は、図１に示す燃料噴射弁８の開弁時期（開閉弁９の開弁時期）を基準として切換弁４の開弁時期を、エンジン回転数と負荷とにより最適な状態に設定するためのマップである。また、図６は、各運転領域における要求噴射圧力を設定するためのマップで、定圧蓄圧室圧力ＬＰを一定としてエンジン回転数と負荷とにより高圧蓄圧室の圧力を制御して噴射圧力を設定する。これらの設定は、図１に示す制御装置（ＥＣＵ）４０より行われる。
【００３９】
例えば、エンジン回転数が一定で、負荷が低くなると、切換弁４の開弁時期を燃料噴射弁８の開弁時期に対して前にしてデルタ型波形から矩形にして低速・低負荷の状態とし（図３（Ｂ）参照）、高圧蓄圧室圧力ＨＰを要求噴射圧力に下げて噴射圧力を低くする。
また、高速・低負荷のときには、高圧蓄圧室の圧力を高くして、噴射率を高くし、切換弁４の開弁時期を燃料噴射弁８よりもかなり前にして、矩形でありながら、一挙に噴射圧が高くなったようにする（図３（Ｂ）破線部分参照）。このようにして、エンジン回転数と負荷に応じて切換弁４の燃料噴射弁８の開弁時期に対する開弁時期を制御すると共に噴射圧力を制御することで、最適な噴射率波形を実現することができる。このように、低圧・高圧の燃料圧並びに低・高圧室切換弁の切換時期をマップで与えて、噴射率波形を所望の噴射率波形に制御する。
【００４０】
次に、ディーゼルエンジンの燃焼形態について図７〜図９を参照し説明する。
先ず、一般的なディーゼルエンジンの燃焼形態を図７により説明する。
図７（ａ）の曲線Ｉに示すように圧縮行程において筒内圧力が高くなり、これに伴い同図（ｂ）の曲線IIに示すように燃焼室の空気温度が上昇し、曲線IIIのように燃料の発火温度が徐々に低くなる。一方、同図（ｃ）のように矩形噴射率波形の燃料が燃焼室に噴射され、所定のクランク角度で着火する。燃料の着火により、筒内圧力が最大圧力Pmaxに上昇し（領域Ｉａで示す）、膨張行程において徐々に低下する。また、曲線IVで示すように燃焼室内の燃焼による熱発生率は、着火遅れ期間中に噴射された燃料噴射量が多く、予混合燃焼量が多くなるために、着火した時点から急激に上昇し（領域IVａで示す）、ＮＯｘの主な発生要因となっている。そして、後燃えが長いために（領域IVｂで示す）スモークの発生要因となっている。
【００４１】
次に、本発明における燃焼形態について図８及び図９により説明する。
先ず、中・高速高負荷領域における燃焼形態について図８により説明する。
中・高速高負荷運転領域において図８（ｃ）のようにデルタ型噴射率波形とすると、初期噴射率が低減されていることで、同図（ａ）の曲線Ｖで示すように最大筒内圧力Pmaxが低減されると共に（領域Ｖａで示す）、同図（ｂ）の曲線VIで示すように熱発生率がなだらかに変化する。この結果、ＮＯｘの発生が抑えられ（領域VIａで示す）、燃焼後期活性化が図られてスモークの低減が図られる（領域VIｂ、領域VIｃで示す）。
【００４２】
また、低・中速高負荷運転領域において同図（ｅ）のようにブーツ型噴射率波形とすると、初期噴射率が低減され、上述と同様に最大筒内圧力Pmaxが低減されると共に（同図（ａ））、同図（ｄ）の曲線VIIに示すように熱発生率がなだらかに変化し、ＮＯｘの発生が抑えられ（領域VIIａで示す）、燃焼後期活性化が図られてスモークの低減が図られる（領域VIIｂ、領域VIIｃで示す）。尚、図中点線で示す曲線は、図７に示す従来の燃焼形態を表している。
【００４３】
次に、低負荷領域における燃焼形態について図９により説明する。
低負荷領域においては、ＥＧＲの効果が発揮される運転領域であるから、図９（ｃ）のように矩形噴射率波形とすることにより、ＥＧＲガスが入っていることで燃焼期間が延びるのを、噴射期間を短期間とすることで補っている。即ち、予混合燃焼が増大し、燃焼速度が増大する。また、予混合燃焼量が多くても、最大筒内圧Pmaxは低減されて同図（ａ）の曲線VIIIで示すように測定範囲内にある（領域VIIIａで示す）。
【００４４】
上述したように、エンジンの各運転条件に応じた噴射率に制御することで、燃焼の最適化が図られ、低排出ガス・低騒音、及び低燃費を実現することが可能となる。
【００４５】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、機関が低負荷運転状態で且つ排ガスを再循環させるＥＧＲ制御を実行する第１の運転状態にあるときには、過給圧が小さく、ＥＧＲ量が多いために矩形の噴射率波形を形成して燃焼速度の低下する高ＥＧＲ雰囲気での高圧・短期間噴射による燃焼速度増大効果により、ＮＯｘと燃費のトレードオフを改善することができる。
【００４６】
請求項２の発明では、機関が中・高速高負荷運転状態で且つ第１の運転状態に比して排ガスの再循環量を減少させたＥＧＲ制御を実行する第２の運転状態にあるときには、過給圧が大きく、ＥＧＲ量が少ないためにデルタ型の噴射率波形を形成して筒内最大圧力を抑えることで、定圧燃焼によりＮＯｘと燃費のトレードオフを改善し、主噴射後半を高圧・高噴射率としてスモークを低減させることができる。
【００４８】
請求項３の発明では、機関が低・中速高負荷運転状態で且つ第１の運転状態に比して排ガスの再循環量を減少させたＥＧＲ制御を実行する第３の運転状態にあるときには、過給圧が中程度で、ＥＧＲ量が少ないためにブーツ型の噴射率波形として初期噴射量を低減させることで低騒音、低ＮＯｘを実現し、主噴射後半を高圧・高噴射率とすることでスモークの低減を図ることができる。
【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に示す蓄圧式燃料噴射装置の第１の実施の形態における低・高圧蓄圧室切換弁の開弁から噴射弁の開閉弁の開弁までの時間と噴射開始圧力との関係を示す図である。
【図３】図１に示す蓄圧式燃料噴射装置の作動及び噴射率波形の一例を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態における機関の各運転領域に対する噴射率波形の一例を示す図である。
【図５】図１に示す蓄圧式燃料噴射装置の切換弁の開弁時期を最適な状態に設定するためのマップの一例を示す図である。
【図６】図１に示す蓄圧式燃料噴射装置の燃料噴射弁の各運転領域における要求噴射圧力を最適な状態に設定するためのマップの一例を示す図である。
【図７】一般的なディーゼルエンジンの燃焼形態の説明図である。
【図８】本発明における中・高速高負荷運転領域及び低・中速高負荷領域における燃焼形態の説明図である。
【図９】本発明における低負荷領域における燃焼形態の説明図である。
【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
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側に対して該燃料通路側にのみ燃料の流れを許容する逆止弁を介し接続され、前記第１蓄圧室よりも低圧の燃料を貯留する第２蓄圧室と、
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上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電磁式弁装置及び前記第２電磁式弁装置の開閉を制御し、且つ前記第１蓄圧室の圧力を切り換えるよう燃料供給ポンプの供給状態を制御する制御手段とを備え、
機関は過給機及びＥＧＲ装置を具備し、前記制御手段は、前記機関が低負荷運転状態で且つ排ガスを再循環させるＥＧＲ制御を実行する第１の運転状態のときに、前記第２電磁式弁装置の開作動に対し前記第１電磁式弁装置を先行して開作動させて、燃料噴射開始直後から急峻に噴射量を増加させる略矩形型噴射率で燃料噴射を行う第１の制御モードを実行することを特徴とする蓄圧式燃料噴射装置。
請求項１の蓄圧式燃料噴射装置において、
前記制御手段は、前記第１の制御モードに加えて、前記機関が中・高速高負荷運転状態で且つ前記第１の運転状態に比して排ガスの再循環量を減少させたＥＧＲ制御を実行する第２の運転状態のときに、前記第２電磁式弁装置の開作動に対して前記第１電磁式弁装置を前記第１の制御モードよりも短時間だけ先行して開作動させて、燃料噴射開始直後から緩やかに噴射量を増加させるデルタ型噴射率で燃料噴射を行う第２の制御モードを実行することを特徴とする蓄圧式燃料噴射装置。
請求項１の蓄圧式燃料噴射装置において、
前記制御手段は、前記第１の制御モードに加えて、前記機関が低・中速高負荷運転状態で且つ前記第１の運転状態に比して排ガスの再循環量を減少させたＥＧＲ制御を実行する第３の運転状態のときに、前記第２電磁式弁装置の開作動に対して前記第１電磁式弁装置を遅らせて開作動させて、低圧初期噴射に続いて高圧噴射させるブーツ型噴射率で燃料噴射を行う第３の制御モードを実行することを特徴とする蓄圧式燃料噴射装置。