JPH1182221A

JPH1182221A - 内燃機関用の燃料噴射装置

Info

Publication number: JPH1182221A
Application number: JP24106797A
Authority: JP
Inventors: Akikazu Kojima; 昭和小島; Toshio Kondo; 利雄近藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-09-05
Filing date: 1997-09-05
Publication date: 1999-03-26

Abstract

(57)【要約】【課題】内燃機関用の蓄圧式燃料噴射装置において、
制御応答性の低下を伴うことなく初期の噴射率を低減さ
せて、ＮＯx の排出量を減少させる。【解決手段】ニードルと連結された制御ピストン９の
上部に形成される制御室８から、低圧油路１６と制御弁
を介して低圧側へ燃料の圧力を解放する途中の通路１７
の有効面積を、制御ピストン９の上昇に応じて減少させ
る。制御ピストン９の頂部に設けられた突起部９ｂに深
さが変化する溝１８が形成されているので、制御ピスト
ン９の上昇と共に突起部９ｂが通路１７内に進入すると
実質的な通路となる溝１８の有効面積が漸次減少する。
噴射開始前は溝１８の有効面積が大きいので、低圧油路
１６の制御弁が開弁すると制御ピストン９は急速に上昇
して時間遅れなく噴射を開始するが、噴射率は最初は低
く抑えられ、その後は緩やかに増大する形となるので、
ＮＯx 低減に有効なパイロット噴射等が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関用燃料噴射
装置に係り、特に該装置に用いられる燃料噴射弁に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジン用の燃料噴射装置と
して、図６に示すような電子制御式の高圧燃料噴射装置
が提案されている。即ち、燃料タンク１から高圧ポンプ
２により燃料を吸上げ、高圧に加圧してコモンレール３
に供給する。燃料噴射圧力に近いコモンレール圧力は、
コモンレールに取付けられた圧力センサ４によって検出
され、その信号が入力される電子式制御装置（ＥＣＵ）
５によってそれが所望の圧力値となるように、ポンプ２
からの圧送量を制御する。燃料噴射弁６は、制御装置５
により制御される三方電磁弁７と、ノズル２０を含む噴
射弁本体１０とから構成される。以下このようなシステ
ムを三方弁式と呼ぶことにする。

【０００３】次に、燃料噴射弁６の作動を説明する。三
方電磁弁７は、ポンプ２によって高圧に加圧された燃料
の蓄圧容器であるコモンレール３からの高圧油路３ａ
と、低圧側である燃料タンク１へつながる低圧油路１６
とを、絞り３０ａを介して選択的に制御室８に接続す
る。制御ピストン９は制御室８の圧力によって発生する
力Ｆ_CPによって図６において下方向に押されるため、ロ
ッド１３を介して、ニードル１４を下方向に押し下げ
る。さらに、スプリング１１がニードル１４を力Ｆ_SPで
下方向に押している。

【０００４】従って、下向きの力Ｆ_CP＋Ｆ_SPと、ニード
ル室（燃料溜り）１２に導かれる高圧によってニードル
１４を押上げようとする力Ｆ_NDとの大小関係によって、
ニードル１４が上昇（燃料噴射）するか、あるいは下降
（噴射終了）するかということが決まる。

【０００５】噴射終了、即ち無噴射時においては、三方
電磁弁７が制御室８に高圧油路３ａの高圧を導入するよ
うになっているため、Ｆ_CPが大きく、Ｆ_CP＋Ｆ_SP≫Ｆ_ND となってニードル１４は下方に押されて、ノズル２０の
噴孔１５からの燃料噴射は停止している。

【０００６】噴射時には、三方電磁弁７が制御室８を低
圧油路１６に接続して、制御室８が低圧となるようにす
るため、Ｆ_CPが小さくなり、Ｆ_CP＋Ｆ_SP＜Ｆ_ND となって、ニードル１４は上方へ押上げられ、弁座２０
ａが開口することによってノズル２０の噴孔１５から高
圧の燃料が噴射される。

【０００７】また、三方電磁弁７を使用しない例として
は、図７に示すような制御室８と、低圧油路１６とを結
ぶ油路に電磁弁のような開閉弁１９を設けたものが知ら
れている。これを二方弁式と呼ぶことにする。この場
合、無噴射時には、開閉弁１９を閉じておくことにより
制御室８の圧力は高圧に保たれており、前述の例と同様
にニードル１４は下方向に押さえ付けられている。

【０００８】噴射時には開閉弁１９を開くことにより、
絞り３０ｂを介して制御室８の高圧燃料が燃料タンク１
へ流出する。この量Ｑ_OUTを、絞り３０ｃを介して制御
室８内へ流れ込む高圧燃料の量Ｑ_INよりも多くなるよう
に、絞り３０ｂ，ｃの寸法を決めておけば、開閉弁１９
の開弁時に制御室８の圧力が低くなり、ニードル１４は
上方に押上げられて燃料が噴射される。

【０００９】さらに、噴射終了時には開閉弁１９を閉じ
ることにより、絞り３０ｂからの高圧燃料の流出が停止
して、絞り３０ｃから高圧燃料が制御室８内へ流れ込む
ため、制御室８の圧力が高くなって、ニードル１４が押
し下げられ、噴射は終了する。

【００１０】このような従来の燃料噴射装置において
は、三方弁式あるいは二方弁式とも、油路に設置した絞
り３０ａ〜ｃの径を選択することにより制御室８の圧力
の変化の速さを調節することができるので、それによっ
てニードル１４の上昇および下降の速度を変えることが
できる。つまり、絞り３０ａ〜３０ｃを変えることはニ
ードル１４によって開閉される弁座２０ａの開口面積の
変化率を変えることになるので、結果として燃料の噴射
率（時間当りの噴射量）を変えることになる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ここで、エンジンに要
求される噴射特性を考えてみると、噴射開始時は、着火
遅れによる予混合燃料量を抑えてＮＯx の排出量を低減
させるために、初期の噴射率を小さくすること、即ち、
図８の左辺に示すように、「寝かせた」立ち上がり波形
のパターンをとることが望ましい。しかし噴射終了時
は、燃料の後ダレによる、スモークやＨＣの排出量の増
加を防ぐために、図８の波形の右辺に示すように、なる
べくシャープに噴射を停止するのがよい。

【００１２】これに対し図に示した三方弁式では、制御
室８に出入りする燃料は単一のオリフィス３０ａを通っ
て流れるため、流入、流出の流量特性は略同じになる。
この様子を図９に示す。図９は上から燃料噴射率、ニー
ドルリフト、制御室圧力をそれぞれ示しており、実線は
初期の噴射率を高くした場合、即ち矩形に近い噴射率パ
ターンとなるように絞り３０ａのオリフィス径を大きく
したものである。これを前述の図８に示すように、初期
噴射率が低くなるようにオリフィス径を小さくすると、
噴射終了時の噴射率も、図９の上段に破線で示すように
緩やかな下り勾配となって、前述の望ましい噴射率パタ
ーンが得られないという問題がある。

【００１３】一方、図７の二方弁式では、２つの絞り３
０ｂ，３０ｃを用いているので、各々の絞りを通過する
燃料の流量の差によって初期の噴射率が決まると共に、
流入側の絞り３０ｃを通過する流量の大きさによって噴
射終了時の噴射率パターンが決まるため、前述の三方弁
式のような問題は回避することができる。しかしなが
ら、初期噴射率を寝かせるために絞り３０ｂ，３０ｃの
オリフィス径の差を小さくすると、図１０に示すよう
に、二方弁１９の開弁及び閉弁に対するニードル１４の
作動遅れ時間が長くなり、噴射時期の制御性が悪くなる
という問題がある。

【００１４】また、主噴射に先立って少量のパイロット
噴射を行う場合や、分割噴射を行う場合において、噴射
の間隔が長い時は、図１１に破線で示すように問題がな
いが、噴射の間隔を短くすると、実線で示すように、制
御室８の圧力がノズルの閉弁圧に達する前に二方弁１９
が開いて圧力が下降し始めるので、ノズルの弁座２０ａ
がニードル１４によって閉じることがなく、噴射が継続
する。従って、二方弁式には分割噴射の間隔が短いと分
割噴射が不可能になる場合があるという問題もある。

【００１５】そこで本発明は、蓄圧室を有する燃料噴射
装置において、噴射の制御性を損なうことなく、初期の
噴射率を低減する手段を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、特許請求の範囲の各請求項に記載された手段を採
用することができる。即ち、本発明は、その基本的な特
徴として、内燃機関用の蓄圧式燃料噴射装置において、
燃料の噴射を開始する前に、ノズルニードルと連動する
制御ピストンの上部に形成された制御室の圧力が制御弁
の作動によって減少し始める時から、その制御室を低圧
油路側に連通させる通路の有効面積が制御ピストンの移
動に応じて漸次小さくなるように構成されているので、
制御ピストンとノズルニードルが上昇を開始する時まで
は通路の有効面積が大きいために噴射開始が時間遅れな
く行われるが、噴射開始時には通路の有効面積が小さい
ために初期の噴射率は低く抑えられている。従って、Ｎ
Ｏx 排出量の低減のために有効な低い初期の噴射率が得
られる。

【００１７】この場合、通路を直線、或いは指数関数の
ような曲線に従って深さの変化する溝として構成するこ
とにより、通路の有効面積を制御ピストンの上昇に従っ
て連続的に変化させることができるので、噴射率の変化
のモードを自由に設定することができる。また、通路
を、低圧側に連通する複数個の孔から構成し、それらの
孔をニードルと連動する制御ピストンそれ自体、または
制御ピストンに設けられた突起部からなる小ピストンに
よって、制御ピストンの移動に応じて順次開閉させるこ
とにより、通路の有効面積が段階的に変化するようにし
て、連続的変化に近い形の噴射率の変化モードを設定す
ることもできる。さらに、制御ピストンの頂部に設けら
れた突起部をテーパ状にする等により、低圧油路側の開
口とのクリアランスによって、有効面積が制御ピストン
の移動に応じて自動的に増減変化する通路を構成するこ
ともできる。

【００１８】また、制御室に通じているこれらの通路か
ら制御弁までの低圧油路に、油路の断面積を絞るオリフ
ィスを設けることができる。それによって、噴射率の変
化のモードを任意の形に設定することができる。制御室
と低圧側を接続する低圧油路に設けられる制御弁は、二
方弁或いは三方弁によって構成することができ、それら
を電磁弁とすることもできる。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１に本発明の第１実施形態とし
ての燃料噴射装置を例示する。その構成要素のうちで、
図６および図７に図示され先に説明した従来の燃料噴射
装置における対応部分と実質的に同じものについては同
じ参照符号を付している。即ち、３ａは高圧の燃料を導
入する高圧油路、８は制御室であって、制御ピストン９
の頂面側に形成され、高圧油路３ａの他方の分岐部３
ａ”から制御ピストン９を噴射停止位置に向かって押し
下げる燃料圧力を受入れる。１１はノズルニードル１４
を噴射停止位置に向かって押圧するスプリング（一般的
には付勢手段）、１２はノズルニードル１４を燃料圧力
によって押し上げるために高圧油路３ａの一部に形成さ
れた高圧燃料溜まりであって、ノズルニードル１４は高
圧油路の一方の分岐部３ａ’と先端に開口する噴孔１５
との間の通路を開閉する。１６は制御室８を選択的に低
圧側に解放することができるようにそれに接続される低
圧油路、１９は低圧油路１６に設けられてそれを選択的
に開閉する二方電磁弁（三方電磁弁等を含めて一般的に
は制御弁と言う）、をそれぞれ示している。

【００２０】図１に示す本発明の第１実施形態は二方弁
式のもので、制御室８と燃料タンク１を二方弁１９を介
してつなぐ低圧油路１６に、制御室８からの高圧燃料の
流出流量を制御するオリフィス３０ｄが設けられてい
る。なお、三方弁式の場合には、オリフィス３０ｄは流
入および流出流量を制御するものとなる。

【００２１】制御ピストン９にはその頂部に突起部９ａ
が設けられており、制御ピストン９ａの上昇とともに、
クリアランスｈ、即ち制御室８と低圧油路１６を連通す
る通路１７の開口面積が減少するようになっている。

【００２２】これにより二方弁１９が開いて噴射開始前
の制御室８の圧力がノズル開弁圧まで低下する時まで
は、制御室８から流出する流量は実質的にオリフィス３
０ｄの開口径のみによって決まるため比較的多くなる。
そして、ニードル１４の上昇によってノズルの弁座２０
ａが開き始める時、即ち噴射を開始する時にはクリアラ
ンスｈが小さくなるため、制御室８から流出する流量は
オリフィス３０ｄの外にこのクリアランスｈによっても
絞られることになるので減少する。従って初期の噴射率
を低減することが可能となる。

【００２３】一方、噴射終了時には、二方弁（制御弁）
１９が閉じるために、制御室８に流入する高圧燃料の流
れはオリフィス３０ｄ’のみに依存することになるの
で、通常の噴射終了の場合と変わることはない。

【００２４】ここで、初期のクリアランスｈを精度良く
設定できるのであれば、それをオリフィス３０ｄの開口
面積相当となるように設定して、オリフィス３０ｄを省
略することもできる。

【００２５】このように、制御ピストン９の頂面に突起
９ａをつけるという比較的簡単な構成によって、ニード
ル１４の作動を遅らせることなく、初期の噴射率を低減
させることができるという優れた効果を奏する。

【００２６】図２（ａ）（ｂ）は本発明の第２実施形態
としての燃料噴射弁の要部を示すもので、図２（ａ）に
示すように、制御ピストン９の頂部には、制御室８と低
圧油路１６とを連通する小シリンダ状の通路１７に対し
て摺動可能に嵌合するような小ピストン状の突起部９ｂ
が設けられている。この突起部９ｂには、Ｂ部を拡大し
て図２（ｂ）に示すように、制御ピストン９の上昇とと
もに、その断面積が減少するような形状を有する溝１８
が形成されている。

【００２７】これにより、第２実施形態の燃料噴射弁
は、第１実施形態のそれと同様な効果を奏することがで
きるばかりでなく、溝１８の形状を変更すること、例え
ば、図２（ｃ）に示すように、深さを直線的に変化させ
るとか、指数関数的に変化させることにより、制御室８
の圧力の減少の仕方を任意に変えることができるという
優れた特徴を有する。

【００２８】図３は本発明の第３実施形態を示すもの
で、制御室８のシリンダ状の側壁の高さが異なる位置に
複数個のオリフィス３０ｅ，３０ｆ，（…）が設けられ
ており、それらが低圧油路１６によって燃料タンク１に
接続されている。

【００２９】これにより、ノズルの弁座が閉じている初
期状態では、オリフィス３０ｅ，３０ｆ，（…）の合計
の面積によって制御室８と低圧通路１６が連通している
が、制御ピストン９の上昇に伴ってオリフィス３０ｆの
孔が制御ピストン９により塞がれると、残りはオリフィ
ス３０ｅのみとなるように、合計のオリフィス面積は制
御ピストン９の上昇とともに段階的に小さくなる。従っ
て、第１および第２の実施形態と同様な効果を得ること
ができる。

【００３０】図４に示したものは図３に示した第３の実
施形態の変形例に相当するものである。制御室８の側壁
にオリフィスを設けるのが困難な場合には、このように
制御ピストン９の頂部に小ピストン状の突起部９ｃを設
けるとともに、制御室８と低圧油路１６とを連通する小
シリンダ状の通路１７に嵌合させる。通路１７の異なる
高さの位置には複数のオリフィス３０ｇ，３０ｈ，
（…）が設けられており、ピストン９の上昇とともに突
起部９ｃがこれらのオリフィスを順次に閉塞するため、
オリフィスの合計面積は段階的に減少することになる。
従って、第１ないし第３の実施形態と同様な効果を得る
ことができる。

【００３１】図５は、第３実施形態のように段階的にオ
リフィス面積を増減させた場合の制御室８の圧力の変
化、およびニードル１４のリフトの変化を示すもので、
二方弁１９あるいは三方弁７の開弁から噴射開始まで
は、オリフィス３０ｅ，３０ｆ，…、あるいは３０ｇ，
３０ｈ，…の合計の開口面積を大きくしてあれば、弁１
９または７の開弁によって制御室８の圧力が急激に低下
するため、作動遅れ時間は実用上問題がない程度まで短
くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態の構成を示す概念的な断
面図である。

【図２】（ａ）〜（ｃ）はいずれも第２実施形態を説明
するための図で、（ａ）は要部の構成を示す概念的な断
面図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ部を拡大して示す斜視
図、（ｃ）は選択し得る溝の形状を示す線図である。

【図３】第３実施形態の要部の構成を示す概念的な断面
図である。

【図４】第３実施形態の変形例の構成を示す概念的な断
面図である。

【図５】第３実施形態の作動の特性を示す線図である。

【図６】一つの従来例を示す概念的なシステム構成図で
ある。

【図７】他の従来例を概念的に示す構成図である。

【図８】内燃機関において望まれる噴射率の変化モード
を示す線図である。

【図９】図７に示す従来例の噴射率の変化を含む作動特
性を示す線図である。

【図１０】図６に示す従来例の噴射率の変化を含む作動
特性を示す線図である。

【図１１】図７に示す従来例において分割噴射を行う場
合の噴射率の変化を含む作動特性を示す線図である。

【符号の説明】

１…燃料タンク２…高圧ポンプ３…コモンレール（高圧燃料の蓄圧容器）３ａ…高圧油路４…圧力センサ５…電子式制御装置６…燃料噴射弁７…三方電磁弁（制御弁）８…制御室９…制御ピストン９ａ，９ｂ，９ｃ…突起部１１…スプリング（付勢手段）１２…燃料溜まり１４…ノズルニードル（ニードル）１５…噴孔１６…低圧油路１７…通路１８…溝１９…二方電磁弁（制御弁）２０…ノズル２０ａ…弁座３０ａ，３０ｂ，３０ｃ…絞り３０ｄ，３０ｄ’，３０ｅ，３０ｆ，３０ｇ，３０ｈ…
オリフィスｈ…クリアランス

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高圧の燃料を導入する高圧油路と、先端
に開口して高圧の燃料を噴射する噴孔と、噴射される燃
料を前記噴孔へ導く前記高圧油路の一方の分岐部と、該
高圧油路の一方の分岐部に設けられて該油路を開閉する
ノズルニードルと、該ノズルニードルと連動する制御ピ
ストンと、該制御ピストンの頂面側に形成されて前記高
圧油路から前記制御ピストンを噴射停止位置に向かって
押し下げる燃料圧力が加えられる制御室と、該制御室に
接続されて高圧の燃料を導入することができる前記高圧
油路の他方の分岐部と、前記制御室を選択的に低圧側に
解放することができるように前記制御室に接続される低
圧油路と、該低圧油路に設けられてそれを選択的に開閉
する制御弁と、前記ノズルニードルを燃料圧力によって
押し上げるために前記高圧油路の一部に形成される高圧
燃料溜まりと、前記ノズルニードルを噴射停止位置に向
かって押圧する付勢手段とよりなる燃料噴射弁を備えて
いる内燃機関用の燃料噴射装置において、前記制御室を
前記低圧油路側に連通させる通路の有効面積が、前記制
御弁の作動によって前記制御室の圧力が減少し始める時
から、前記制御ピストンの移動に応じて漸次小さくなる
ように構成されていることを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項２】前記通路の有効面積が連続的に変化する
ことを特徴とする請求項１に記載された燃料噴射装置。
【請求項３】前記通路が、直線的に深さの変化する溝
から構成されていることを特徴とする請求項２に記載さ
れた燃料噴射装置。
【請求項４】前記通路が、指数関数的に深さの変化す
る溝から構成されていることを特徴とする請求項２に記
載された燃料噴射装置。
【請求項５】前記通路の有効面積が段階的に変化する
ことを特徴とする請求項１に記載された燃料噴射装置。
【請求項６】前記通路が、低圧側に連通する複数個の
孔から構成されていることを特徴とする請求項５に記載
された燃料噴射装置。
【請求項７】前記複数個の孔が、ニードルと連動する
少なくとも１つのピストンによって順次開閉されるよう
に構成されていることを特徴とする請求項６に記載され
た燃料噴射装置。
【請求項８】有効面積が前記制御ピストンの移動に応
じて自動的に増減変化する前記通路が、前記制御ピスト
ンの頂部に設けられた突起部と前記低圧油路側の開口と
のクリアランスによって構成されることを特徴とする請
求項１に記載された燃料噴射装置。
【請求項９】前記通路から前記制御弁までの前記低圧
油路に油路の断面積を絞る少なくとも１つのオリフィス
が設けられていることを特徴とする請求項１ないし８の
いずれかに記載された燃料噴射装置。
【請求項１０】前記制御弁が二方弁からなることを特
徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載された燃料
噴射装置。
【請求項１１】前記制御弁が三方弁からなることを特
徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載された燃料
噴射装置。
【請求項１２】前記制御弁が電磁弁からなることを特
徴とする請求項１０または１１のいずれかに記載された
燃料噴射装置。