JPH03160149A - 燃料噴射方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は内燃機関、とくにディーゼルエンジンの燃料噴
射方法に関するものである。

［従来の技術］ 現在の内燃機関、とくにディーゼルエンジンにおいては
、排気煙および窒素酸化物の低減が強く求められており
、その実現方法のひとつとして現在の燃料噴射装置で得
られるよりも格段に高い圧力で燃料を噴射するいわゆる
高圧噴射によって排気煙の低減が有望とみられており、
・燃料噴射の高圧化が望まれている。

しかし、プランジャが逃がし穴を閉じることによって燃
料を加圧する通常のジャーク式噴射ポンプによって高圧
噴射を行わせようとすると、ブランジャに働く力は極め
て大きくなってプランジ中とバレルとの隙間の燃料漏れ
が多くなり、またカムに過大な力が働いてその実現は容
易でない。

そのため、例えば断面積の違うピストンを使って圧力を
高める増圧ピストン方式や噴射管を使わないで直接ポン
プを駆動するユニット噴射方式などが研究、開発され、
あるいは一部のエンジンではすでに実用に供されている
ものの、機構の複雑さや摺動部における燃料漏れのため
実施上のかなりの困難を伴っている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、ジャーク式噴射ポンプでは、かりに全速
全負荷時に高圧の噴射を達成することができたとしても
、低い回転速度における燃料送出速度が小さいため噴射
圧力が低く、そのため低速高負荷では排気煙濃度が高い
うえ、一定のラック位置では噴射量が回転速度とともに
増加する現象が起こるためエンジンの作動状態の制御が
困難に陥ったり、さらには不整噴射、前噴射、後噴射な
どの異常噴射が起こりやすい。また、きめ細かい制御を
行うにはこれらの異常噴射の除去が先決となる。

本発明は上記問題を解決するものであって、（イ）低回
転数での噴射圧力の低下、不整噴射、前噴射などの異常
噴射の発生を避け、低回転数においても高回転数に劣ら
ない良好な噴射特性を得るとともに、　（ロ）噴射時期
の制御が容易な内燃機関用燃料噴射方法を実現すること
を目的としている。

［課題を解決するための手段］ そのために、本発明は、燃料噴射ポンプの基本動作が工
冫ジンの回転数に依存しないで独立に行うことを解決す
るための手段を骨子としたものである。すなわち、本発
明による燃料噴射方法においては、圧力室を開閉する弁
と先端がプランジャパレルに嵌合されているプランジャ
から構成されている運動体に、直接あるいは流体の圧力
を介して弾性体が接続され、この弾性体に予め変形を与
えるとともに、その変形を弁によって隔てられている圧
力室内の作動流体の圧力と釣り合わせることによって保
持しておき、ある時刻において運動体に力を加えて運動
を開始させ、そののちは運動体の一部である弁が動くに
連れて拡大する通路を通り圧力室内の作動流体が流出す
ることによってその圧力が低く保たれ、弾性体に蓄えら
れている力によって運動体を加速し、それによってプラ
ンジャバレル内の燃料の加圧を行うようにしている。

いいかえれば、カム軸によって燃料噴射ポンプのプラン
ジャを直接駆動するかわりに、いったんバネのような弾
性体に蓄えられた弾性エネルギーを短時間に解放させる
ことにようてプランジャを急速に加速し、エンジン回転
数に依存しないで燃料の加圧を可能にすることが課題解
決の手段である。

［作用コ 上述の手段を用いれば、低回転数においても高回転数の
場合とほぼ同じ噴射特性を実現でき、在来の燃料噴射装
置で起こりやすい低速での異常噴射を防止することがで
きる。これによって課題（イ）の解決を図ることができ
る。

噴射時期の制御については圧力室内の作動流体の圧力と
弾性体の変形と釣り合わせて運動体が静止しているので
、これに適当な弱い力を加えて釣合を崩すことによって
運動体の起動は容易に行うことができ、希望する時期に
これを行うことによって噴射時期を変えることは容易で
あり、課題（口）を解決することができる。とくに、電
磁力により開閉を制御する電磁式開閉弁を用いて静止状
態にある圧力室内の若干の液体を排出させることによっ
て力の釣合を崩すことによって行う運動体の起動は、エ
ンジンの電子制御化に役立つのでより細かい制御が可能
になる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説明する。

第１図および第２図は本発明の燃料噴射装置の１実施例
を示し、第１図は燃料噴射ポンプの断面図、第２図は燃
料噴射装置の構成図である。

第１図において、本発明に係わる燃料噴射ポンプｌは、
ポンプ本体２内の一側に固定されるプランジャバレル３
と、該パレル３内に摺動自在に嵌合されるプランジャ４
と、該プランジャ４と一体に形成されるピストン弁５と
、ボンブ本体２内の他側に摺動自在に嵌合されるカム従
動部材６とを有シ、プランジャバレル３、ピストン弁５
およびカム従動部材６との間に、圧力室７およびスプリ
ング室８を区画形成すると共に、プランジャバレル３と
ピストン弁５の間にリターンスプリング９を固定し、ピ
ストン弁５とカム従動部材６との間に付勢用スプリング
１０を固定している。

前記プランジャバレル３内には、圧縮室１１および送出
口１２が形成され、プランジャ４には、その先端と側面
を連通ずる絞り通路４ａが形成されている。また、ボン
ブ本体内には小径の段部２ａが形成され、該段部２ａに
ピストン弁５が嵌合されている。さらに、ポンプ本体２
には、それぞれ圧力室７、スプリング室８および圧縮室
１１に連通するボート１３、１４、１５が形成されてい
る。前記カム従動部材６には、回動ローラ６ａが枢支さ
れ、該回動ローラ６ａをエンジンの主軸に同期して回転
するカム１６に当接させている。

第２図は上記燃料噴射ポンプを使用した燃料供給系を示
し、圧力室７に連通ナるポート１３は、電磁式開閉弁１
７、逆止弁１９、フィードポンプ２０を経て燃料タンク
２１に接続されると共に、逆止弁１９と燃料夕冫ク２ｌ
の間にはオリフィス２２が設けられている。また、スプ
リング室８に連通するボート１４は、燃料タンク２１に
接続され、圧縮室１１に連通ずるボート１５は、逆止弁
１９とフィードポンプ２０の間に接続されている。

さらに、送出口１２には、絞り調節弁２４を介してドレ
ーンに通じる通路並びに噴射管２３を介して自動弁２５
が接続される。この自動弁は周知のもので、スプリング
２５ａにより付勢される弁体２５ｂにより噴射ノズル２
５ｃを形成している。

上記構成からなる本発明の作用について説明する。

先ず、第２図において、カム従動部材６が最も左側に位
置し、かつ、電磁式開閉弁１７が閉じて作動流体（燃料
）の圧力がポート１３から圧力室７内に加えられ、ピス
トン弁５がポンプ本体の段部２ａ内に嵌合している状態
であるとする。

この状態からエンジンの主軸に同期して回転するカム１
６の回動により、カム従動部材６が右側に摺動し、付勢
用スプリング１０に抗してその他端に接続されているピ
ストン弁５およびプランジャ４からなる運動体を押し、
圧力室７に満たされている作動流体が加圧される。これ
によって付勢用スプリング１０に予め与えられた変形は
、ピストン弁５によって隔たれた圧力室７の作動流体の
圧力と釣合って静止している。

この状態において、電磁式開閉弁１７を開くことによっ
てボート１３から圧力室７内の作動流体の一部を排出さ
せると、圧力室７の圧力低下によりピストン弁５が右側
に摺動し、ピストン弁５がポンプ本体２の段部２ａから
僅かに離れると、付勢用スプリング１０に蓄えられてい
た弾性力によりピストン弁５とそれに連結されたプラン
ジャ４とが運動を始める。圧力室７は、スプリング室８
、ポート１４を介して大気に通じているので、以後はピ
ストン弁５の変位とともにポンプ本体２の段部２ａとピ
ストン弁５の端面との間に形成される流路の通過断面積
が増すため、流動抵抗が小さく圧力室７の圧力が常に低
く保たれたままの状態でスプリングカにより加速が続く
。

このよろな動作を行う燃料噴射ポンプに、送出口１２を
介して在来のジャーク式燃料噴射装置と同様の噴射管２
３と自動弁２５とを接続して燃料噴射装置を構成すると
ともに、あらかじめフィードポンプ２０によってこれに
燃料を横たしておけば、プランジャ４が逃がし穴（ポー
ト１５）を閉じたのちに、プランジャバレル３の圧縮室
１１内およびこれに接続されている噴射系内に満たされ
ている燃料をプランジャ４で圧縮し、自動弁２５に高い
圧力を発生しエンジン燃焼室内に高速で燃料噴射を行う
ことができる。

また、プランジャ４の停止前に逃がし穴であるポート１
５が開くようにした通路４ａをプランジャ４の先端に設
けているため、燃料送入過程の途中で噴射を終了すると
ともに２次噴射の発生を抑制することができる。なお、
噴射量を調整する方法としては絞り調節弁２４を設けて
プランジャ４による圧縮を所要の噴射量に応じて適当に
殺減してやればこれを達成することができる。

噴射終了後、時間が経つとカム従動部材６は、左側に摺
動しその揚程が小さくなるため、村勢用スプリング１０
の圧縮は解除され、ふたたびピストン弁５がポンプ本体
２の段部２ａに嵌合し通路を閉じる。そこで電磁式開閉
弁１７を開いたままにしておいて圧力室７に作動流体が
再び流入できるようにしておけば、リターンスプリング
９の力も受けて元の状態に復帰させることができる。

この燃料噴射装置では、一旦、付勢用スプリング１０に
一定量の変形を加えたのちにプランジャ４を加速するの
で、その速度は工冫ジンの回転速度には依存しない。し
たがって低い工冫ジン回転数であっても高回転数のとき
と変わらない燃料噴射特性が得られ、これによって課題
（イ）の解決、すなわち、低回転数での噴射圧力の低下
、不整噴射、前噴射などの異常噴射の発生を避け低回転
数においても高回転数に劣らない良好な噴射特性を得る
ことができる。その際、プランジャ４による燃料の圧縮
にともなって噴射系内に圧力上昇が起こり、ピストン弁
５およびプランジャ４はしだいに減速されるので、本装
置の設計に際しては、この点を考慮にいれて付勢用スプ
リング１０のバネ定数、カム１６の揚程、プランジャ４
の径などの諸元を見いだす必要がある。

第３図は、第２図の燃料噴射装置の作動状況を電子計算
機によりシミュレーシーン計算した結果を例示している
。カム揚程は１５．．、村勢用スプリング１０のバネ定
数は２　０　ｋｇ　ｆ／　ｓ璽、リターンスプリング９
のバネ定数はｌｋｇｆ／璽１、プランジ￥４の外径は６
．５ｓＩ１１　付勢用スプリング１０の有効質奇とピス
トン弁５およびプランジャ４の質量の和は２０ｇであり
、この燃料噴射ポンプに長さ１，０　０　０　ｓｕｂで
その入口から５００ｍ■にわたって管径が６．５−から
距離とともに減るようにした縮小断面噴射管２３を取付
け、さらに孔径０．１８．．をもつ４孔ノズルを収め、
開弁圧３００ｋｇｆ／ｃＴ／に調整された自動弁が接続
されているものとした。

シミュレーシーン計算の結果は回転数が１２００ｒｐｗ
＋において絞り調節弁２４を全閑にした場合の結果を示
しており、これによれば後述の動作がなされる。

すなわち、カム従動部材６の揚程ｈ０が増すにつれて付
勢用スプリング１０が圧縮を受け、それに伴って圧力室
７内の流体圧力ｐ，は増加する。ある時刻において電磁
式開閉弁１７が開くと、ただちに圧力ｐ１は降下し、そ
れに伴ってプランジャ４が加速されｈ１として描かれる
ようにその揚程が増す。

するとブランジャ４の前面の圧力ｐ２は高くなり、それ
が自動弁２５内の噴射ノズル２５ｃに伝わってその圧力
はｐｓのようにさらに高められる。これによって、１　
ｒ　Ｏ　０　０　ｋｇ　ｆ／　ｃ＋／を越える高い圧力
の噴射がｌｍｓ以下の短時間で行われ、噴射の高圧化に
役立っていることがわかる。プランジャの動きが停止し
たのちは、バネ／質量系の過渡振動のためプランジャ速
度Ｖ，には振動が残っているが、噴射系内の残留圧力は
通路４ａからの燃料の流出によって下がるので、２次噴
射は生じない。

次に第４図および第５図により本発明の他の実施例につ
いて説明する。第４図は燃料噴射ポンプの断面図、第５
図は燃料噴射装置の構成図である。

第４図において、本実施例に係わる燃料噴射ポンプ５１
は、ポンプ本体５２内の一側に固定されるプランジャパ
レル５３と、該パレル５３内に摺動自在に嵌合されるプ
ランジャ５４と、該プランジャ５４と一体に形成される
ピストン５５および弁５６と、ポンプ本体５２内の他側
と係止部５２ｂの間で摺動自在に嵌合されるアキュムレ
ータピストン５７とを有し、プランジャバレル５３と弁
５６との間に圧力室５８を形成し、ピストン５５と弁５
８との間に低圧室５９を形成し、ピストン５５とアキュ
ムレータピストン５７との間に高圧室６０を形成し、さ
らに、アキュムレータピストン５７とポンプ本体５２の
他側との間には、アキ一ムレータスプリング６２を配設
すると共にアキュムレータ室６１を形成している。

前記プランジャパレル５３内には、圧縮室６４および送
出口６５が形成され、また、ポンプ本体５２内には弁座
５２ａが形成され、該弁座５２ａに弁５６がリターンス
プリング６６の付勢により当接可能にされている。さら
に、ポンプ本体５２には、それぞれ圧力室５８、低圧室
５９、高圧室６０、アキュムレータ室６１、圧縮室６４
に連通するポート６７、６８、６９、７０、７１が形成
されている。

第５図は上記燃料噴射ポンプを使用した燃料噴射装置を
示している。図中、電磁式開閉弁７２は、スプール７３
、スプリング７４および電磁石７Ｓで構成され、スプー
ル７３によって三つの状態に切換可能な電磁一油圧スブ
ール制御弁であり、高圧室６０のポート６９および圧力
室５８のポート６７を油圧源７６もしくは低圧ドレン７
７に接続あるいは遮断することによって駆動が制御され
る。

７８は逆止弁、７９は圧力調整絞り弁であり、圧縮室６
４に連通するポート７１は、油圧源７６に接続され、さ
らに、送出口６５は噴射管８１を介して自動弁８０に接
続される。

上記構成からなる本実施例の作用について説明する。

本実施例においては、カムにより直接バネに変形を与え
るかわりに、弾性体の役目をするアキュムレー夕を高圧
油圧源からの圧力で蓄圧し、油圧によってプランジャを
駆動するようにするものである。すなわち、アキュムレ
ータスプリング６２とアキュムレータピストン５７から
なり該ピストン５７の背後がボート７０を介して外気圧
に保たれているピストン式アキュムレータにより、高圧
室６０に満たされている作動流体を介して、ピストン５
５、弁５６およびプランジャ５４から構成されている運
動体を駆動できるようにしている。

静止状態においては、弁５６はリターンスプリング６６
の力によって着座しており、低圧室５９と圧力室５８と
の間の通路は閉じている。

電磁石７５に通電されていない初期の静止状態（Ａ）で
は、スプール７３がスプリング７４の力を受けているた
め図で右側に位置しており、高圧室６０は圧力調整絞り
弁７９を介して、圧力室５８は直接、それぞれ油圧源７
６に連通している。

そのため圧力調整絞り弁７９を介して作動油が高圧室６
０に流入し、その間、高圧室６０は圧力室５８よりも低
い圧力に保たれる。そのためピストン５５、弁５６およ
びブランジャ５４からなる運動体は静止したままである
。また、その間、アキュミュレータピストン５７は、高
圧室６０内の圧力上昇にとも池って左方向に動き、・ア
キュムレータスプリング６２に変形が加えられる。

高圧室６０の圧力が適当に高められた後の希望する時期
に電磁石７５に通電すると、スプール７３が左に移動し
て中立位置の状態（Ｂ）を通過する。そのとき、高圧室
６０と油圧源７６との連通は断たれ、同時に圧力室５８
が低圧ドレーン７７に通じて若干の作動流体が流出され
る。それによって圧力室５８の圧力は高圧室６０よりも
低くなり、ピストン５５および弁５６は右方向に移動を
開始するとともに、高圧室６０の圧力は保持されたまま
の状態で、開いた弁５６から圧力室５８内の作動流体が
低圧室５９を介して常時外気に通じているポー［３８へ
流出し、ピストン６５および弁５６からなる運動体が加
速される。

この動作と同時に、スプール７３はさらに左方向に動く
ので、高圧室６０は油圧源７６との連通が遮断され、ま
た、逆止弁７８を介して低圧ドレー７７７と連通し、圧
力室５８は何れにも連通しない状態（Ｃ）に移る。また
、弁５６に連結されているプランジャ５４が動いて変位
すると、油圧源７６に通じている圧縮室８４、ボート７
１が閉ササレ、プランジャバレル５３および送出口６５
を介して接続されている噴射管８１に満たされた燃料が
圧縮を受け、高圧を発生して自動弁８０によって燃料噴
射がなされる。また、この圧力上昇のためピストン５５
、弁５６およびプランジャ５４から成る運動体は減速さ
れる。

さらにアキュミエレータピストン５７が係止部５２ｂに
衝突して静止した後は、高圧室６０内の作動流体は、逆
止弁７８および電磁式開閉弁７２を経て低圧ドレー７７
７に流出してその圧力が低下し、プランジャバレル５３
内の圧力のため運動体は最初と逆向きに動き、その速度
は高圧室６０、電磁式開閉弁７２、ドレーン７７からな
る経路の流動抵抗によって定まり、最終的に弁５６が弁
座５２ａに達して着座する。

この状態に達した後に電磁石７５の通電を止めれば、ス
プリング７４の復帰力によってスプール７３を最初の位
置（状態Ａ）に復帰させることができる。スプール７３
は復帰動作中に中立位置（状態Ｂ）を経由するものの、
高圧室６０の圧力はそのとき低い圧力であるため、弁５
６が再び開弁ずることはない。また、弁５６が着座する
直前でポート７１が油圧源７６と連通ずるので、噴射管
８１内の圧力はその圧力まで下がる。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、２つの実施例で示したよ
うに、一旦、バネのような弾性体に蓄えられた弾性エネ
ルギーを短時間に解放することによってブランジャを急
加速する本発明の手段により、エンジンの回転数に依存
しない噴射特性を得ることができ、低速、中速時の異常
噴射や圧力低下から免れる。さらにこの手段によって噴
射時期の制御をきめ細かく行うことができ課題が解決さ
れた。

これらの課題解決のほかにも各実施例においては、次の
ような利点が派生する。

（イ）上記の手段によれば運動体は極めて高い速度にま
で加速することが可能なため、この燃料噴射ポンプに適
当な長さの噴射管を取り付けるならば、その管路を圧縮
波が伝播する時間のあいだに噴射に必要な燃料の圧縮を
終了させることができる。非粘性流体の微小振幅波に関
するｌ次元振動の理論によると、一定の体積速度で急に
流体の送入を始め圧力波の往復時間以内に送入を終える
ならば、閉止管路終端では送入端の２倍の圧力に達する
。すなわち、管路の圧力伝播時間の会倍以内に燃料退出
を行えば動的効果によって圧力変化を２倍に増加させる
ことができる。実際の場合は噴射ノズルからの燃料流出
、管路抵抗、付加容積など種々の影響によって２倍の増
圧は期待できないが、少なくとも送入時間を短くすると
燃料噴射ポンプ内の圧力よりもはるかに高い圧力で噴射
を行うことは可能であり、逆に必要な噴射圧力よりも低
い圧力で燃料噴射ポンプが作動することができるため燃
料漏れを軽減できる。本願の発明者の一部が既に特許出
願した特願昭６３−２６２１７８号に提案したように、
管路断面積が入口からの距離とともに減少する縮小管を
噴射管として用いるならば、さらに大きな動的圧力増幅
が得られるので、高圧噴射時において燃料噴射ポンプの
出口圧力を一層低く保つことが可能である。これによっ
て、プランジャに働く圧力が低くても高圧の噴射を実現
することが可能となる。

（ロ）第２の実施例においては、次の噴射開始時におけ
る高圧室６０の圧力は、圧力調整絞り弁７９の開度の設
定によって定まり、これを固定した状態で回転数が下が
った場合は高い圧力に、回転数が高い場合は低い圧力に
なる。そのため、あるエンジンの運転状態においてなん
らかの原因で回転数が低下したとしても噴射開始時の圧
力は高くなって噴射量が増し回転数を高めるように負の
フィードバックが働く、いいかえるとこの噴射ポンプは
回転数を自動調節するガバナー機能を内蔵しているとい
うことができ、好ましい運転制御性が得られる。

（ハ）第２の実施例において、一つのポンプから分配器
を介して複数のシリンダに噴射管を接続しておき、カム
軸に同期して所定のシリンダに流体を分配可能に前記分
配器を駆動させるようにすれば、複数のシリンダの燃料
噴射を単一のポンプで受け待たせることが可能であり、
噴射装置の大幅なコストダウンに役立つ。

（二）運動体に接続される弾性体として、工冫ジン本体
のシリンダ内の気体自体を用い、圧總行程でピストンに
よって受ける圧縮により、弾性体である気体に変形を与
え、本発明の方法によって所定の時期に燃料噴射するこ
とが可能である。この方法を実施するには、第１の実施
例におけるスプリング室８を工冫ジンシリンダとし、適
切な方法を講じてピストン弁５からの燃料がシリンダに
入ることを避けるようにしておけばよく、付勢用スプリ
ング１０の役目はシリンダ内の気体が果たし、カム１Ｂ
の役割はクランク機構が代行するため、カムを持たない
所謂カムレス燃料噴射ボンブを横或することができ、製
作費を著しく低減させることができる。この方法は特に
、間接噴射式ディーゼルエンジンやシリンダ内噴射火花
点火式エンジンなど低い噴射圧でよい場合の燃料噴射装
Ｗとして有効に利用するこどができる。

【図面の簡単な説明】 第ｌ図および第２図は本発明に係わる燃料噴射装置の１
実施例を示し、第１図は燃料噴射ボンブの断面図、第２
図は燃料噴射装置の構成図、第３図は本発明の燃料噴射
装置の作用を説明するための図、第４図および第５図は
本発明に係わる燃料噴射装置の他の実施例を示し、第４
図は燃料噴朗ボンプの断面図、第５図は燃料噴射装置の
構成図である。 ３、５３・・・プランジャバレノレ、４、５４・・・プ
ランジャ、５、５Ｂ・・・弁、６・・・カム従動部材、
７、５８・・・圧力室、　ｔｏ，ｅ２・・・４＝ｆ　ｅ
　Ｊ．ｌスプリング、５５・・・ピストン、５７・・・
７キュムレータピス１・ン、６０・・・高圧室、１７、
７２・・・電磁式開閉弁。 第 １ 図 第２図 第３図 ｔｉｍｅ ｍｓ 第４図 ５１

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）圧力室を開閉する弁とプランジャバレルに嵌合さ
   れているプランジャから構成されている運動体に、直接
   あるいは流体の圧力を介して弾性体が接続され、この弾
   性体に予め変形を与えるとともに、その変形を弁によっ
   て隔てられている圧力室内の作動流体の圧力と釣り合わ
   せることによって保持しておき、ある時刻において運動
   体に力を加えて運動を開始させ、そののちは運動体の一
   部である弁が動くにつれて拡大する通路を通り圧力室内
   の作動流体が流出することによってその圧力が低く保た
   れ、弾性体に蓄えられている力によって運動体を加速し
   、それによってプランジャバレル内の燃料の加圧を行う
   ことを特徴とする燃料噴射方法。
2. （２）前記圧力室に取り付けられた電磁式開閉弁を開き
   適当量の作動流体を流出させることによつてピストンお
   よびプランジャの運動を開始させることを特徴とする請
   求項１記載の燃料噴射方法。