JPH0712003A - 直噴式ディーゼルエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 直噴式ディーゼルエンジンにおいて、排気還
流を行うことなくＮＯｘを低減する。 【構成】 エンジン運転状態に応じて一つのサイクルで
ピストンの上死点前と上死点後に分けて略等量の燃料を
噴射する等量二段噴射パターンと、一つのサイクルでピ
ストンの上死点前に燃料の噴射を終える単噴射パターン
とを切換える構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、直噴式ディーゼルエン
ジンの燃料供給装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】排気ガス中の有害成分であるＮＯｘの発
生を抑制するために、吸気管に不活性の排気ガスを再循
環させる、いわゆる排気還流装置が周知である。

【０００３】この排気還流装置では、排気ガスの一部を
吸気管に戻す排気還流通路を開いて一定量の排気ガスを
吸入空気に混合させることにより燃焼時の最高温度を下
げるのである。

【０００４】また、排気行程中に吸気弁を僅かに開いて
排気ガスの一部を吸気通路に戻し、次の吸気行程で新気
と排気の混合ガスを燃焼室に吸入して、内部的な排気還
流を行うものがある(特開昭６１−１８２４３０号公
報、参照)。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の排気還流装置にあっては、吸気系にパティキ
ュレート等の粒子状物質が堆積して性能の悪化を来した
り、吸気弁のスティック等が生じる可能性がある。

【０００６】本発明は上記の問題点に着目し、直噴式デ
ィーゼルエンジンにおいて、排気還流を行うことなくＮ
Ｏｘを低減することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
燃焼室に直接燃料を噴射する直噴式ディーゼルエンジン
において、一つのサイクルでピストンの上死点前と上死
点後に分けて燃料を噴射する構成とする。

【０００８】請求項２記載の発明は、エンジン運転状態
を検出する手段と、エンジン運転状態に応じて一つのサ
イクルでピストンの上死点前と上死点後に分けて略等量
の燃料を噴射する噴射パターンと、一つのサイクルでピ
ストンの上死点前に燃料の噴射を終える噴射パターンと
を切換える制御手段を備える。

【０００９】

【作用】請求項１記載の発明において、ピストンが上昇
する行程で噴射される燃料が燃焼することにより、燃焼
室には不活性の既燃焼ガスが発生し、ピストンが下降す
る行程で噴射される燃料は、実質的に排気ガスを再循環
させたのと同じ状態で燃焼し、燃焼温度が低くなり、Ｎ
Ｏｘの生成量は減少する。

【００１０】請求項２記載の発明において、エンジン運
転状態に応じて一つのサイクルでピストンの上死点前と
上死点後に分けて略等量の燃料を噴射することにより、
ＮＯｘの生成量を減少させる一方、一つのサイクルでピ
ストンの上死点前に燃料の噴射を終えることにより、エ
ンジンの発生出力を高めることが可能となる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて
説明する。

【００１２】まず、図３に蓄圧式ユニットインジェクタ
１の具体的な構成を示すが、これ自体は本出願人により
特願平４−１２１４９５号として、既に提案されてい
る。

【００１３】この蓄圧式ユニットインジェクタ１は、燃
料供給圧を利用して燃料を圧縮する増圧機構として、フ
ィードポンプから所定圧力の燃料が供給される燃料入口
６と、燃料入口６から通路７および逆止弁４を介して燃
料が充填される加圧室３と、加圧室３の容積を可変とす
るプランジャ１１と、プランジャ１１の上端に連結され
る増圧ピストン１２と、増圧ピストン１２を加圧室３が
拡大する上方向に付勢するスプリング１５と、増圧ピス
トン１２によって画成される増圧室９と、増圧室９を燃
料入口６とリリーフ側とにエンジン回転に同期して選択
的に連通する三方切換電磁弁２１を備えている。

【００１４】蓄圧ボディ２内にアキュームレータバルブ
１８が摺動可能に設けられ、このアキュームレータバル
ブ１８によって加圧室３と蓄圧室１３が仕切られる。ア
キュームレータバルブ１８は加圧室３と蓄圧室１３の差
圧がスプリング１４の付勢力を越えて高まると、中間ハ
ウジング２３の下面から離れて加圧室３と蓄圧室１３を
連通するようになっている。

【００１５】ノズルボディ５はその先端に複数のノズル
噴孔５ａが燃焼室に臨んで開口し、その内側に各ノズル
噴孔５ａを開閉するニードル１７が収装される。ニード
ル１７はアキュームレータバルブ１８を摺動可能に貫通
し、その上端が加圧室３に臨んでいる。ニードル１７と
アキュームレータバルブ１８の間にはスプリング１４が
介装され、それぞれを閉弁方向に付勢している。

【００１６】三方切換電磁弁２１のバルブ２１ａは図の
ように燃料入口６と増圧室９を連通する開ポジション
と、増圧室９とリリーフ側を連通する閉ポジションを有
し、コントロールユニット１０からの信号に基づきエン
ジン回転に同期したタイミングで切換えられる。

【００１７】ニードル１７の閉弁時期を調整するため
に、上部ハウジング２２の上部には圧電アクチュエータ
２９が設けられ、この圧電アクチュエータ２９に従動し
てニードル１７を押し下げる伝達ロッド３０が設けられ
る。圧電アクチュエータ２９は、変位制御素子として、
電界によって誘起される歪みを利用して変位するセラミ
ックスシートを積層して形成され、伝達ロッド３０の上
端に対峙してヘッド部３７が設けられる。圧電アクチュ
エータ２９はコントロールユニット１０からの信号に基
づいて通電されることにより、歪変形してヘッド部３７
が下降し、伝達ロッド３０を介してニードル１７を押し
下げるようになっている。

【００１８】伝達ロッド３０はニードル１７と同軸上に
配置され、プランジャ１１、増圧ピストン１２、上部ハ
ウジング２２、アクチュエータハウジング３１をそれぞ
れ貫通して摺動可能に設けられる。

【００１９】図４にも示すように、アクチュエータハウ
ジング３１は伝達ロッド３０を貫通させる筒部３１ａを
有し、この筒部３１ａの外周に形成されたネジ部３１ｃ
を上部ハウジング２２のネジ穴２２ｃに螺合させて取付
けられる。アクチュエータハウジング３１と上部ハウジ
ング２２の間には油溜室３６が画成され、筒部３１ａの
下端面３１ｄと上部ハウジング２２の段部２２ｄの間に
は環状のシールプレート３５が介装される。シールプレ
ート３５と上部ハウジング２２には、この油溜室３６と
リリーフ側とを連通する通孔４１，４２がそれぞれ形成
される。これにより、増圧室９から伝達ロッド３０と上
部ハウジング２２の隙間を通って油溜室３６に漏れ出し
た燃料が各通孔４１，４２を通ってタンクへと戻され
る。また、アクチュエータハウジング３１と上部ハウジ
ング２２の間にはシール材３２が介装されている。

【００２０】伝達ロッド３０の下端は加圧室３に臨み、
その上端はアクチュエータハウジング３１の内部に臨
み、アクチュエータハウジング３１の内部には大気圧が
導かれており、伝達ロッド３０は加圧室３の燃料圧力に
より上方へ付勢されている。

【００２１】伝達ロッド３０の途中には鍔状の突起３０
ａが形成され、この突起３０ａがシールプレート３５に
当接することにより、上方への変位が規制される。伝達
ロッド３０は、この突起３０ａがシールプレート３５に
当接した状態で、非通電状態の圧電アクチュエータ２９
のヘッド部３７に対して所定の間隙を有するとともに、
図５のａ図に示すように、閉弁位置にあるニードル１７
に対して所定の間隙Ｌ₁がニードル１７の最大リフト量
Ｌｍａｘの１．１〜１．５倍の大きさに設定され、伝達
ロッド３０に対する各部材３１，２２，２３の熱膨張差
を吸収するようになっている。

【００２２】三方切換電磁弁２１が増圧室９とリリーフ
側を連通する閉ポジションにあるとき、燃料入口６と増
圧室９の連通は断たれ、燃料は通路７を通って加圧室３
に充填される。

【００２３】続いて三方切換電磁弁２１が燃料入口６と
増圧室９を連通する開ポジションに切換えられると、増
圧ピストン１２は燃料供給圧力を受けてプランジャ１１
を押し下げる。加圧室３に充填された燃料は、増圧ピス
トン１２とプランジャ１１の面積比だけ増圧され、燃料
の体積弾性によって圧縮された分の燃料が加圧室３から
アキュームレータバルブ１８を介して蓄圧室１３へ圧送
される。蓄圧室１３と加圧室３の燃料圧力が平衡する
と、スプリング１４の付勢力によりアキュームレータバ
ルブ１８が閉じ、蓄圧室１３は密閉される。このとき、
図３のａ図のように、ニードル１７の先端はスプリング
１４の付勢力によりノズルボディ５の弁座に着座して、
各ノズル噴孔５ａを閉じている。

【００２４】続いて三方切換電磁弁２１が増圧室９とリ
リーフ側とを連通する閉ポジションに切換えられると、
増圧室９は大気圧に解放され、増圧ピストン１２はスプ
リング１５の付勢力により上昇する。同時に加圧室３の
燃料圧力はフィードポンプから導かれる燃料圧力まで下
がる。このように加圧室３の燃料圧力が下がると、蓄圧
室１３の燃料圧力によってニードル１７を押し上げよう
とする力が、ニードル１７を押し下げようとする加圧室
３の燃料圧力とニードルスプリング１４の付勢力の合力
を上回るので、図３のｂ図に示すように、ニードル１７
が上昇し、ニードル１７の先端がノズルボディ５の弁座
から離れることにより、燃焼室に直接臨むノズル噴孔５
ａから燃料が超高圧で噴射される。

【００２５】燃料噴射が行われている過程で、図３のｃ
図で示すように、圧電アクチュエータ３３によって伝達
ロッド３０を介してニードル１７を蓄圧室１３の燃料圧
力に抗して強制的に押し下げることにより、燃料噴射を
終了する。

【００２６】一つのサイクルで再び圧電アクチュエータ
３３の通電が止められることにより図３のｂ図に示すよ
うに、伝達ロッド３０を介してニードル１７を上昇さ
せ、ニードル１７の先端がノズルボディ５の弁座から離
れて、ノズル噴孔５ａから燃焼室に燃料が超高圧で噴射
される。

【００２７】２回目の燃料噴射が行われている過程で、
図３のｃ図で示すように、圧電アクチュエータ３３によ
って伝達ロッド３０を介してニードル１７を蓄圧室１３
の燃料圧力に抗して強制的に押し下げることにより、２
回目の燃料噴射を終了する。

【００２８】このように、三方切換電磁弁２１が増圧室
９とリリーフ側とを連通する閉ポジションに切換えるこ
とにより１回目の燃料噴射が行われ、圧電アクチュエー
タ３３によりニードル１７を介してノズル噴孔５ａを一
旦閉じた後に再び開くことにより２回目の燃料噴射が行
われる。コントロールユニット１０によって上記三方切
換電磁弁２１と圧電アクチュエータ３３の作動タイミン
グが調節されることにより、一つのサイクルにおける燃
料噴射が行われる回数、噴射時期、噴射量がそれぞれ変
えられる。

【００２９】コントロールユニット１０は、エンジン運
転状態を代表する信号としてエンジン回転数とエンジン
負荷の検出信号が入力され、エンジン運転状態に応じて
図１に示すように燃料噴射パターンを切換える制御を行
う。

【００３０】エンジン回転数またはエンジン負荷が所定
値より高い運転時に一つのサイクルでピストンの上死点
前に１回で燃料を噴射し終えるする単噴射パターンに切
換えられる。

【００３１】これにより、大量の燃料を短時間で噴射し
て燃焼させるため、スモーク発生を抑制しつつ、エンジ
ンの高出力化がはかれる。

【００３２】エンジン回転数またはエンジン負荷が所定
の中間値にある運転時に一つのサイクルでピストンの上
死点前１２°と同じく上死点前２°のクランンク角時の
２回に分けて燃料を噴射する二段噴射パターンに切換え
られる。

【００３３】このように、ピストンが上昇する行程で２
回に分けて燃料が噴射されることにより、着火遅れの少
ない円滑な燃焼が行われるとともに、燃焼温度が低くな
り、ＮＯｘ濃度は減少する。

【００３４】そして、本発明の要旨とするところである
が、所定の低速低負荷時に一つのサイクルでピストンの
上死点前８°と上死点後２°のクランンク角時の２回に
分けて略等量の燃料を噴射する等量二段噴射パターンに
切換えられる。

【００３５】この等量二段噴射パターンでは、ピストン
が上昇する行程で噴射された燃料が燃焼した後に、ピス
トンの上死点を挟んで２回の燃料噴射が行われることに
より、図２に示すように燃焼室における熱発生率はピス
トン上死点（ＴＤＣ）を挟んで２回のピークが存在し、
燃焼室に不活性の既燃焼ガスが発生した高温状態で２回
目の燃焼が始まるため、未燃焼ＨＣの生成を減らすとと
もに、ＮＯｘ濃度を減少することができる。

【００３６】このように、ピストン上死点を挟んで２回
に分けて等量の燃料が噴射されることにより、実質的に
排気ガスを再循環させたのと同じ状態で燃焼し、ＮＯｘ
濃度は減少するため、排気還流を行う必要がなく、従来
の排気還流装置における吸気系へのパティキュレート等
の堆積や吸気弁のスティク等の不具合を解消することが
できる。

【００３７】次に、図６に基づいて、本発明を分配型の
燃料噴射ポンプ４１を用いて実施する例を説明する。

【００３８】４気筒エンジンに備えられる分配型燃料噴
射ポンプ４０を構成する低圧フィードポンプ４３はドラ
イブシャフト４２によりエンジン回転に同期して駆動さ
れる。フィードポンプ４３から吐出される燃料はポンプ
ハウジング内部のポンプ室４５へと供給され、ポンプ室
４５の燃料はフィードホール４６、吸入溝４７を通って
高圧プランジャポンプ５６に送られる。

【００３９】高圧プランジャポンプ５６のプランジャ４
８は、カムディスク４９が固定されており、継手４４を
介してドライブシャフト４２により回転駆動される。

【００４０】カムディスク４９はスプリング５１の付勢
力によって常に図の左方向に押圧されている。カムディ
スク４９はエンジンの気筒数と同数のフェィスカム５０
を持ち、これと同数のローラ５３を乗り越えて回転す
る。

【００４１】これにより、プランジャ４８は、図中矢印
で示すように回転しながら所定のカムリフトだけ軸方向
に往復運動することになり、この回転往復運動に伴い各
気筒の噴射ノズル６５毎に圧送される。

【００４２】図７に示すように、プランジャ４８には２
つの通路５８と５９が形成される。プランジャ４８の回
転往復運動に伴って、一方の通路５８が各気筒毎に設け
られた一方の分配ポート６０に連通することにより、デ
リバリバルブ６２を通過して燃料配管６４を通って噴射
ノズル６５へと供給され、噴射ノズル６５から燃焼室に
燃料噴射が行われる。続いて他方の通路５９が各気筒毎
に設けられた他方の分配ポート６１に連通することによ
り、デリバリバルブ６３を通過して共通の燃料配管６４
を通って噴射ノズル６５へと供給され、噴射ノズル６５
から燃焼室に燃料噴射が行われる。

【００４３】また、図示しないタイマーピストン（アク
チュエータ）を介してローラ５３をカムディスク４９の
周方向に動かしてプランジャポンプ２６の圧縮時期（燃
料噴射時期）を進角あるいは遅角するようになってい
る。

【００４４】図８に示すように、プランジャ４８には各
通路５８，５９をポンプ室４５に連通する２つのスピル
ポート６６，６７が形成される。プランジャ４８には各
スピルポート６６，６７を開閉する２つのコントロール
スリーブ６８，６９が嵌められる。プランジャ４８の回
転往復運動に伴って、各スピルポート６６，６７が各コ
ントロールスリーブ６８，６９によって閉塞されている
状態で燃料の噴射が行われ、各スピルポート６６，６７
が各コントロールスリーブ６８，６９から外れることに
より、各通路５８，５９の圧力が逃がされることにより
燃料の噴射が終了する。

【００４５】コントロールスリーブ６８，６９はコント
ロールレバー７１等を介してアクセルに連動するととも
に、ドライブシャフト４２に駆動されるガバナ機構７２
の作動によっても制御され、アクセル開度と機関回転数
に対応して燃料噴射終了時期が調節されるとともに、ア
クチュエータ７３を介して各コントロールスリーブ６
８，６９の位置が調節されることにより、燃料噴射パタ
ーンが切換えられる。

【００４６】図９に示すように、アクチュエータ７３を
介して各コントロールスリーブ６８，６９の位置が調節
されることにより、一つのサイクルで２回に分けて略等
量の燃料を噴射する等量二段噴射パターンに切換えられ
る。

【００４７】プランジャ４８の回転往復運動に伴って、
Ａ図に示すように、一方の通路５８が各気筒毎に設けら
れた一方の分配ポート６０に連通することにより、デリ
バリバルブ６２を通過して燃料配管６４を通って噴射ノ
ズル６５へと供給され、噴射ノズル６５から燃焼室に１
回目の燃料噴射が開始される。

【００４８】続いてＢ図に示すように、一方のスピルポ
ート６６がコントロールスリーブ６８から外れることに
より、通路５８の圧力が逃がされることにより１回目の
燃料の噴射が終了する。

【００４９】続いてＣ図に示すように、他方の通路５９
が各気筒毎に設けられた他方の分配ポート６１に連通す
ることにより、デリバリバルブ６３を通過して共通の燃
料配管６４を通って噴射ノズル６５へと供給され、噴射
ノズル６５から燃焼室に２回目の燃料噴射が行われる。

【００５０】続いてＤ図に示すように、他方のスピルポ
ート６７がコントロールスリーブ６９から外れることに
より、通路５９の圧力がポンプ室４５に逃がされること
により２回目の燃料の噴射が終了する。

【００５１】図１０に示すように、アクチュエータ７３
を介して各コントロールスリーブ６８，６９の位置が調
節されることにより、一つのサイクルで１回で燃料を噴
射する単噴射パターンに切換えられる。

【００５２】プランジャ４８の回転往復運動に伴って、
Ｅ図に示すように、一方の通路５８が各気筒毎に設けら
れた一方の分配ポート６０に連通することにより、デリ
バリバルブ６２を通過して燃料配管６４を通って噴射ノ
ズル６５へと供給され、噴射ノズル６５から燃焼室に燃
料噴射が開始される。

【００５３】続いてＦ図に示すように、他方の通路５９
が各気筒毎に設けられた他方の分配ポート６１に連通す
ることにより、デリバリバルブ６３を通過して共通の燃
料配管６４を通って噴射ノズル６５へと供給される。こ
のとき、引き続いて一方のスピルポート６６がコントロ
ールスリーブ６８によって閉塞されていることにより、
燃料の噴射が途切れることなく継続される。

【００５４】続いてＧ図に示すように、一方の通路５８
と分配ポート６０に連通が遮断されるが、このとき、引
き続いて他方の通路５９が分配ポート６１に連通してい
ることにより、燃料の噴射が途切れることなく継続され
る。

【００５５】続いてＨ図に示すように、他方のスピルポ
ート６７がコントロールスリーブ６９から外れることに
より、通路５９の圧力がポンプ室４５に逃がされること
により燃料の噴射が終了する。

【００５６】コントロールユニット７４は、エンジン運
転状態を代表する信号としてエンジン回転数とエンジン
負荷の検出信号が入力され、エンジン運転状態に応じて
前記図１に示すように燃料噴射パターンを切換える制御
を行う。

【００５７】エンジン回転数またはエンジン負荷が所定
値より高い運転時に一つのサイクルでピストンの上死点
前に１回で燃料を噴射し終えるする単噴射パターンに切
換えられる。

【００５８】エンジン回転数またはエンジン負荷が所定
の中間値にある運転時に一つのサイクルでピストンの上
死点前１２°と同じく上死点前２°のクランンク角時の
２回に分けて燃料を噴射する二段噴射パターンに切換え
られる。

【００５９】そして、本発明の要旨とするところである
が、所定の低速低負荷時に一つのサイクルでピストンの
上死点前８°と上死点後２°のクランンク角時の２回に
分けて略等量の燃料を噴射する等量二段噴射パターンに
切換えられる。

【００６０】この等量二段噴射パターンでは、ピストン
が上昇する行程で噴射された燃料が燃焼した後に、ピス
トンの上死点を挟んで２回の燃料噴射が行われることに
より、図２に示すように燃焼室における熱発生率はピス
トン上死点（ＴＤＣ）を挟んで２回のピークが存在し、
燃焼室に不活性の既燃焼ガスが発生した高温状態で２回
目の燃焼が始まるため、未燃焼ＨＣの生成を減らすとと
もに、ＮＯｘ濃度を減少することができる。

【００６１】

【発明の効果】以上説明したように請求項１記載の発明
は、燃焼室に直接燃料を噴射する直噴式ディーゼルエン
ジンにおいて、一つのサイクルでピストンの上死点前と
上死点後に分けて燃料を噴射する構成としたため、排気
還流を行うことなく、ＮＯｘの排出量を低減することが
でき、従来の排気還流装置における吸気系へのパティキ
ュレート等の堆積や吸気弁のスティク等の不具合を解消
することができる。

【００６２】請求項２記載の発明は、エンジン運転状態
を検出する手段と、エンジン運転状態に応じて一つのサ
イクルでピストンの上死点前と上死点後に分けて略等量
の燃料を噴射する噴射パターンと、一つのサイクルでピ
ストンの上死点前に燃料の噴射を終える噴射パターンと
を切換える制御手段を備えたため、エミッションの低減
とエンジンの高出力化を両立することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例において、燃料噴射パターンを
切換える運転域を示す図。

【図２】同じく一つのサイクルにおける燃料噴射量およ
び熱発生率の特性図。

【図３】同じく蓄圧式ユニットインジェクタの断面図。

【図４】同じく蓄圧式ユニットインジェクタの一部を拡
大した断面図。

【図５】同じく蓄圧式ユニットインジェクタの動作を示
す説明図。

【図６】他の実施例を示す分配型燃料噴射ポンプの断面
図。

【図７】同じく図６のＡ−Ａ線に沿う断面図。

【図８】同じく図６のＢ−Ｂ線に沿う断面図。

【図９】同じく等量二段噴射パターンにおけるプランジ
ャポンプの動作を示す説明図。

【図１０】同じく単噴射パターンにおけるプランジャポ
ンプの動作を示す説明図。

【符号の説明】

１ 蓄圧式ユニットインジェクタ １０ コントロールユニット ４０ 分配型燃料噴射ポンプ ７４ コントロールユニット

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｍ 47/00 Ｂ 7604−3Ｇ Ｌ 7604−3Ｇ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼室に直接燃料を噴射する直噴式ディ
   ーゼルエンジンにおいて、一つのサイクルでピストンの
   上死点前と上死点後に分けて燃料を噴射する構成とした
   ことを特徴とする直噴式ディーゼルエンジン。
2. 【請求項２】 エンジン運転状態を検出する手段と、エ
   ンジン運転状態に応じて一つのサイクルでピストンの上
   死点前と上死点後に分けて略等量の燃料を噴射する噴射
   パターンと、一つのサイクルでピストンの上死点前に燃
   料の噴射を終える噴射パターンとを切換える制御手段を
   備えたことを特徴とする請求項１記載の直噴式ディーゼ
   ルエンジン。