JP3831970B2

JP3831970B2 - 内燃機関の燃料噴射装置

Info

Publication number: JP3831970B2
Application number: JP08582296A
Authority: JP
Inventors: 敦哉岡本; 樹志中島; 二郎高木
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1996-03-14
Filing date: 1996-03-14
Publication date: 2006-10-11
Anticipated expiration: 2016-03-14
Also published as: JPH09250412A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の燃料噴射装置に関し、特に燃料圧力の脈動防止構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日の内燃機関は複数の気筒を有するのが一般的で、各気筒の燃料噴射弁に燃料を分配する分配配管が設けられている。この分配配管が設けられた内燃機関において燃料噴射弁のノズル開閉時に発生する水撃波が燃料噴射弁の燃料導入路より分配配管に伝幡し、分配配管内で燃料圧力の脈動が発生する。燃料圧力の脈動により分配配管が機械的に振動し、この振動がエンジン騒音を起こすという問題があった。その対策として分配配管の肉厚を厚くして剛性を高め、分配配管の機械的な振動を抑えることが考えられるが、実際には相当肉厚を厚くする必要があり現実的ではない。そこで実開昭６０−３２７１号公報には分配配管壁にて内側を流れる燃料と分配配管壁の外側の大気とを隔てる可動体を設けるとともに、この可動体をスプリングにより分配配管内に向けて付勢せしめるようにした燃料圧力脈動防止装置が開示されている。この燃料圧力脈動防止装置では分配配管内の燃料圧力の脈動をスプリングの付勢力で吸収することで、燃料圧力の脈動の防止効果を得ている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記実開昭６０−３２７１号公報記載の燃料圧力脈動防止装置は分配配管壁の内側を流れる燃料と分配配管壁の外側大気とを可動体が隔てる構造のため燃料の漏れ防止等で構造が複雑であり、必ずしも実用的とは言えない。
【０００４】
そこで本発明では、燃料圧力の脈動を防止する効果が十分で、しかも構造が簡単な内燃機関の燃料噴射装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明によれば、燃料噴射弁の燃料導入路と燃料を各燃料噴射弁に分配する分配配管とで燃料通路を形成し、上記燃料導入路の先端のノズル部より燃料を噴射せしめる内燃機関の燃料噴射装置において、上記分配配管と上記燃料噴射弁の燃料導入路の境界域に上記分配配管から上記燃料導入路へ流れる燃料の流量を制御する流量制御手段を設け、該流量制御手段は、上記燃料通路のうち上記流量制御手段から上記燃料噴射弁の上記ノズル部までの容積と上記燃料通路の全容積の差の上記全容積に対する比率と、上記流量制御手段で制御される燃料の流量の上記燃料噴射弁の上記ノズル部から噴射される燃料の流量に対する比率とが等しくなるように設定することを特徴とする。
【０００６】
かかる構成とすることにより、ノズル部の開閉で上記燃料通路に圧力波が発生するが、上記分配配管を伝幡する圧力波と上記燃料噴射弁の燃料導入路を伝幡する圧力波が等しくなる。したがってこれらの圧力波が上記境界域で反射しても上記境界域における燃料の圧力分布は変化しない。この結果、上記燃料通路を流れる燃料の流量が変動せず、上記燃料通路において燃料圧力が脈動することが防止される。
【０００７】
請求項２記載の発明によれば、上記流量制御手段を上記分配配管と上記燃料噴射弁の接続部に設けることにより、圧力波の多重反射が発生しにくく燃料圧力の脈動を防止する高い効果が得られる。
【０００８】
請求項３記載の発明によれば、上記流量制御手段を上記分配配管と上記燃料噴射弁の境界域の燃料通路に設けたオリフィスで形成することにより、上記燃料通路のうち上記境界域から上記ノズル部までの容積と上記燃料通路の全容積の差の上記全容積に対する比率と、上記オリフィスで制御される燃料の流量の上記燃料噴射弁の上記ノズル部における燃料の流量に対する比率とが等しくなるように設定することが上記オリフィスの径を設定するだけで簡単にできる。
【０００９】
請求項４記載の発明によれば、上記オリフィスの上記燃料噴射弁側の出口の周縁部を上記燃料噴射弁側が拡径するテーパ状に形成することにより、上記ノズル部から混入した空気が上記周縁部に案内され上記オリフィスを通過して上記分配配管の方へ逃がすことができる。これにより燃料の噴射不良が防止できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本発明の内燃機関の燃料噴射装置を図１に示す。図１（Ａ）は全体図で、本発明の内燃機関の燃料噴射装置は、内燃機関１にその各気筒ごとに燃料を噴射する燃料噴射弁たるインジェクタ２と、これらに燃料を分配する分配配管たるデリバリパイプ３が付設してある。デリバリパイプ３は上流側が燃料フィルタ６を介して燃料タンク５２内の燃料ポンプ５１と接続してあり、燃料タンク５２の燃料がデリバリパイプ３内に供給されるようになっている。一方デリバリパイプ３の下流側はプレッシャレギュレータ７と接続してあり、燃料ポンプ５１から供給される燃料の圧力を一定に保つようになっている。
【００１１】
図１（Ｂ）はインジェクタ２とデリバリパイプ３の一部の詳細を示す断面図で、デリバリパイプ３壁に接続部たる横穴３１が形成してあり、デリバリパイプ３壁の外側の表面には横穴３１を囲み円筒上の段部３２が設けてある。段部３２にはインジェクタ２が嵌合してある。インジェクタ２はデリバリパイプ３から直角方向に立ち上がる略棒状体で、その内部には長手方向に燃料導入路２ａが形成してある。燃料導入路２ａは、一端がデリバリパイプ３と連通し、他端がインジェクタ２の先端のノズル部２１に達している。燃料タンク５から燃料がデリバリパイプ３およびインジェクタ２の燃料導入路２ａよりなる燃料通路Ｐを通ってノズル部２１に供給され、ノズル部２１から図略の上記気筒の吸気管内に向けて噴射するようになっている。
【００１２】
またインジェクタ２は、燃料導入路２ａにノズル部２１を開閉するノズルニードル２２と、これを電動で作動せしめるソレノイド２３が設けてある。
【００１３】
デリバリパイプ３とインジェクタ２の接続部４は、デリバリパイプ３の横穴３１とインジェクタ２の間に空間が形成してあり、そこに本発明の特徴部分である円盤状のオリフィス８Ａが設けてある。オリフィス８Ａの流通孔８１はデリバリパイプ３とインジェクタ２の燃料導入路２ａの間の燃料の流通を規制しており、流通孔８１の径がオリフィス８Ａを通過する燃料の流量をＱr 、インジェクタ２のノズル部２１から噴射される燃料の流量（噴射流量）をＱi 、インジェクタ２の燃料導入路２ａの容積とデリバリパイプ３の容積の比率を１：ｋとして次式（１）を満たすように設定してある。すなわちオリフィス８を通過する燃料の流量Ｑr のノズル部２１から噴射される噴射流量Ｑi に対する比率がデリバリパイプ３の容積のインジェクタ２の燃料導入管２ａおよびデリバリパイプ３の全容積に対する比率と等しくなるように設定している。
Ｑr ／Ｑi ＝ｋ／（ｋ＋１）………（１）
【００１４】
本発明の燃料噴射装置の作動をシミュレーションにより説明する。本発明の燃料噴射装置の作動の説明に先立ち、比較のため図５〜図７に示す従来の燃料噴射装置のシミュレーションの結果について説明する。
【００１５】
図５はシミュレーションのモデルとインジェクタのノズル部が開いた後の燃料通路における燃料の圧力分布を示すもので、燃料通路９はインジェクタの燃料導入路（以下、インジェクタ側通路という）９２、デリバリパイプ（以下、デリバリパイプ側通路という）９４を直列に接続したもので、インジェクタ側通路９２の端部にインジェクタのノズル部９１が設けてあり、デリバリパイプ側通路９４の端部（以下、閉端という）９５は閉鎖している。インジェクタ側通路９２、デリバリパイプ側通路９４は図に示すようにそれぞれ長さがＬで等しく、断面積が接続部９６を境に異なるようにしてある。インジェクタ側通路９２の断面積とデリバリパイプ側通路９４の断面積の比率が１：ｋとしてあり、インジェクタ側通路９２の容積とデリバリパイプ側通路９４の容積も１：ｋである。図の（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）はインジェクタ側通路９２とデリバリパイプ側通路９４の燃料の圧力分布を時間Ｔ／４（＝Ｌ／ａ、ａ：燃料中の音速）おきに時系列的に追跡したものである。時間ｔ＝０にノズル部２１において燃料の噴射（噴射流量Ｑi ＝Ｑ0 ）が起きると、デリバリパイプ側通路９４の方向へ進行する圧力波（負圧）が発生する。圧力波の大きさは、インジェクタ側通路９２の断面積をＡ、燃料密度をρとしてρａ×（燃料の流速）であるから次式（２）で表される。
Ｐ0 ＝ρａＱ0 ／Ａ………（２）
【００１６】
図の（ａ）はノズル部９１において燃料の噴射が生じた直後（ｔ＝ΔＴ）の状態で、圧力波がノズル部９１から接続部９６に向けて音速ａで伝幡する。圧力波が接続部９６に達すると接続部９６における燃料の流量Ｑr が生じるが、燃料通路の断面積がデリバリパイプ側通路９４ではＡからｋＡに拡大するため接続部９６における燃料の流量Ｑr は噴射流量Ｑi より大きな値となる。接続部９６における燃料の流量Ｑr は次式（３）で表される。これによりデリバリパイプ側通路９４を接続部９６から閉端９５の方向に伝幡する圧力波（負圧）は大きさが変化する。圧力波の大きさＰ１は次式（４）で表される。
Ｑr ＝２ｋＱ0 ／（１＋ｋ）………（３）
Ｐ1 ＝ρａ×｛２ｋＱ0 ／（１＋ｋ）｝／ｋＡ＝２Ｐ0 ／（１＋ｋ）…（４）
【００１７】
一方、接続部９６における燃料の流量Ｑr が発生するためインジェクタ側通路９２にはノズル部９１の噴射流量Ｑi に対する余剰の流量（Ｑr −Ｑi ）が生じる。余剰の流量（Ｑr −Ｑi ）は次式（５）で表される。これにより接続部からノズル部２１へ進行する圧力波（正圧）が発生する。圧力波の大きさＰ2 は、次式（６）で表される。
Ｑr −Ｑi ＝（ｋ−１）Ｑ0 ／（１＋ｋ）………（５）
Ｐ2 ＝（ｋ−１）Ｐ0 ／（１＋ｋ）………（６）
【００１８】
このようにノズル部９１で発生した圧力波が、接続部９６においてデリバリパイプ側通路９４を閉端９５の方向へ伝幡する圧力波と、接続部９６で反射しインジェクタ側通路９２をノズル部９１の方向へ伝幡する圧力波に変化する（図の（ｂ）、ｔ＝Ｔ／４＋ΔＴ）。その一方の圧力波はノズル部９１に達するとノズル部９１で反射して再び接続部９６の方向に伝幡する。多方、デリバリパイプ側通路９４を伝幡する圧力波もデリバリパイプ側通路９４の閉端９５で反射して再び接続部９６の方向に伝幡する。（図の（ｃ）、ｔ＝Ｔ／２＋ΔＴ）。
【００１９】
そしてこれら圧力波が接続部９６に達すると、その時の燃料の圧力分布はこれら圧力波が発生した時の圧力分布と逆転しており、インジェクタ側通路９２の燃料の圧力が高くなる。しかして接続部９６における燃料の流量Ｑr は再び０になる。そして接続部９６からノズル部９１へ進行する圧力波（負圧）が発生し、インジェクタ側通路９２を伝幡する（図の（ｄ）、ｔ＝３Ｔ／４＋ΔＴ）。この圧力波の大きさはＰ0 で、ノズル部９１に達すると反射して再び接続部９６に向けて伝幡する。図の（ｄ）の圧力分布は燃料の圧力が図の（ａ）の圧力に比して４Ｐ0 ／（ｋ＋１）低いことを除けば図の（ａ）の状態と同一で、図の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）が繰り返される。
【００２０】
図６は接続部９６、ノズル部９１における燃料の圧力の経時変化を示すもので、上記のごとく接続部９６では圧力波が接続部９６で反射をする時間Ｔ／２ごとに階段状に低下していき、ノズル部９１では周期Ｔのパルス状の振動を伴いつつ階段状に低下していく。図７は接続部９６、ノズル部９１における燃料の流量Ｑr ，Ｑi を示すもので、ノズル部９１において燃料の流量が一定であっても、接続部９６では過剰な流量の燃料が流れる期間と、流量が０の期間とが交互に現れる周期Ｔの振動現象が見られる。この結果、デリバリパイプにおいて燃料の圧力の脈動が生じる。
【００２１】
次に本発明の燃料噴射装置の燃料圧力をシミュレーションした結果を図２により説明する。インジェクタ側通路９２とデリバリパイプ側通路９４の接続部９６にオリフィス９３を設けたことで接続部９６における燃料の流量Ｑr が上記式（１）に従うことを条件としたものである。オリフィス９３以外の条件はすべて図５に示したものと同じである。。図の（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）はインジェクタ側通路９２、デリバリパイプ側通路９４の燃料の圧力分布を時系列的に追跡したものである。ｔ＝０でノズル部９１において燃料の噴射（噴射流量Ｑi ＝Ｑ0 ）が生じると、従来の燃料噴射装置と同様に圧力波（負圧）が発生し、接続部９６の方向に伝幡する（図の（ａ））。
【００２２】
圧力波が接続部９６に達すると、接続部９６において燃料の流量Ｑr が発生するが燃料の流量Ｑr はオリフィス９３により制御がされてその大きさが次式（７）で表される。これによりデリバリパイプ側通路９４を伝幡する圧力波は次式（８）で表される大きさＰ３に変化する。この圧力波はデリバリパイプ側通路９４を閉端９５方向へ伝幡する。
Ｑr ＝ｋＱ0 ／（１＋ｋ）………（７）
Ｐ３＝ρａ×｛ｋＱ0 ／（１＋ｋ）｝／ｋＡ＝Ｐ0 ／（１＋ｋ）……（８）
【００２３】
一方、インジェクタ側通路９２にはノズル部９６における噴射流量Ｑi と接続部９６における燃料の流量Ｑr の差の流量（Ｑi −Ｑr ）が発生する。差の流量（Ｑi −Ｑr ）は次式（９）で表される。これにより接続部９６からノズル部９１の方向へ進行する圧力波（負圧）が発生する。圧力波の大きさＰ４は、次式（１０）で表される。
Ｑi −Ｑr ＝Ｑ0 −Ｑr ＝Ｑ0 ／（１＋ｋ）………（９）
Ｐ４＝Ｐ0 ／（１＋ｋ）………（１０）
【００２４】
このようにノズル部９１で発生した圧力波が、接続部９６においてデリバリパイプ側通路９４を閉端９５の方向へ伝幡する圧力波と、接続部９６で反射しインジェクタ側通路９２をノズル部２１の方向へ伝幡する圧力波に変化する（図の（ｂ）、ｔ＝Ｔ／４＋ΔＴ）。これらの圧力波の大きさＰ1 ，Ｐ2 はいずれもＰ0 ／（１＋ｋ）である。その一方のデリバリパイプ側通路９４を伝幡する圧力波は閉端９５で反射して再び接続部９６の方向に伝幡する。多方、インジェクタ側通路９２を伝幡する圧力波はノズル部９１に達すると反射して再び接続部９６の方向に伝幡する。（図の（ｃ）、ｔ＝Ｔ／２＋ΔＴ）。
【００２５】
これらの圧力波が接続部９６に達した時、燃料の圧力分布はこれらの圧力波が発生した時と同じである。そして再度反射が起きるが、ノズル部９１、閉端９５で反射した各圧力波は大きさが同じ（Ｐ1 ＝Ｐ2 ）であるから接続部９６における燃料の流量Ｑr および燃料の圧力に影響を与えない。したがって再度反射が起きた後の圧力波は大きさを保持したまま、それぞれデリバリパイプ側通路９４、インジェクタ側通路９２を閉端９５、ノズル部９１に向かって伝幡する（図の（ｄ）、ｔ＝３Ｔ／４＋ΔＴ）。図の（ｄ）の示す圧力分布は燃料の圧力が図の（ｂ）の燃料の圧力に比してＰ0 ／（ｋ＋１）低いことを除けば図の（ｂ）の状態と同一で、図の（ｂ）、（ｃ）が繰り返される。
【００２６】
図３は接続部９６、ノズル部９１における燃料の圧力の経時変化を示すもので、上記のごとくいずれも圧力波が接続部９６で反射をする時間Ｔ／２ごとに階段状に低下していく。そして１回に低下する大きさは圧力波の大きさを示しており、接続部９６、ノズル部９１とで同じになっている。図４は接続部９６、ノズル部９１における燃料の流量を示すもので、接続部９６においても圧力波によって燃料の圧力分布が変化しないから燃料の流量が一定に保たれる。この結果、燃料の圧力の脈動が低減できる。
【００２７】
（第２実施形態）
図８は別の実施形態を示すもので、基本的には図１の装置と同じである。図中、図１と同一番号を付したものは実質的に同じ作用をするので相違点を中心に説明する。オリフィス８Ｂをインジェクタ２の燃料導入路２ａのややノズル部２１側に設けてあり、オリフィス８Ｂの流通孔８２の径を、オリフィス８Ｂで制御される燃料の流量のノズル部２１における燃料の噴射流量に対する比率が、デリバリパイプ３とインジェクタ２の燃料導入路２ａよりなる全容積のノズル部２１からオリフィス８Ｂまでの燃料導入路２ａの容積の比率となるように設定してある。このようにオリフィス８Ｂの位置がデリバリパイプ３とインジェクタ２の燃料導入路２ａの接続部４ではなく、本実施形態のごとく接続部４に近いデリバリパイプ３とインジェクタ２の燃料導入路２ａの境界域であれば燃料の圧力脈動を防止する良好な効果が得られる。
【００２８】
（第３実施形態）
図９はさらに別の実施形態を示すもので、基本的には図１の装置と同じであり万一ノズル部２１から空気が混入しても燃料の噴射不良が起こらないようにしたものである。図中、図１と同一番号を付したものは実質的に同じ作用をするので相違点を中心に説明する。デリバリパイプ３の横穴３１とインジェクタ２の間の空間に設けたオリフィス８Ｃは肉厚の円型で、流通孔８３のインジェクタ２側の出口８３ａに凹部８４が形成してあり、凹部８４はインジェクタ２側が拡径したテーパ状をしている。流通孔８３の径が第１実施形態の式（１）を満たすように設定してある。
【００２９】
本実施形態は燃料の圧力脈動を防止する良好な効果が得られるとともに、ノズル部２１より混入した空気がオリフィス８Ｃの凹部８４のテーパ状の表面に案内されて流通孔８３からデリバリパイプ３へ抜けるため、空気がインジェクタ２の燃料導入路２ａに溜まることがなく燃料の噴射不良が防止される。
【００３０】
なお上記各実施形態は流量制御手段を燃料通路に形成したオリフィスで形成したが燃料の流量を制御できるものであれば実施が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明の内燃機関の燃料噴射装置の全体概要図であり、（Ｂ）は本発明の内燃機関の燃料噴射装置の要部の拡大断面図である。
【図２】本発明の内燃機関の燃料噴射装置の作動を説明する概念図である。
【図３】（Ａ）、（Ｂ）は本発明の内燃機関の燃料噴射装置の作動を説明する第１、第２のグラフである。
【図４】（Ａ）、（Ｂ）は本発明の内燃機関の燃料噴射装置の作動を説明する第３、第４のグラフである。
【図５】従来の内燃機関の燃料噴射装置の作動を説明する概念図である。
【図６】（Ａ）、（Ｂ）は従来の内燃機関の燃料噴射装置の作動を説明する第１、第２のグラフである。
【図７】（Ａ）、（Ｂ）は従来の内燃機関の燃料噴射装置の作動を説明する第３、第４のグラフである。
【図８】本発明の別の内燃機関の燃料噴射装置の要部の拡大断面図である。
【図９】本発明の更に別の内燃機関の燃料噴射装置の要部の拡大断面図である。
【符号の説明】
１内燃機関
２インジェクタ（燃料噴射弁）
２ａ燃料導入路
２１ノズル部
３デリバリパイプ（分配配管）
４接続部
８Ａ，８Ｂ，８Ｃオリフィス（流量制御手段）
８３ａ出口
Ｐ燃料通路

Claims

内燃機関の複数の気筒のそれぞれに燃料噴射弁を設け、供給される燃料を各燃料噴射弁に分配する分配配管を設け、上記燃料を上記分配配管から上記燃料噴射弁の燃料導入路を経て該燃料導入路の先端のノズル部に輸送し、該ノズル部から上記燃料が噴射される内燃機関の燃料噴射装置において、上記分配配管および上記燃料導入路よりなる燃料通路の途中であって上記分配配管と上記燃料導入路の境界域に上記分配配管から上記燃料導入路へ流れる燃料の流量を制御する流量制御手段を設け、該流量制御手段は、上記燃料通路のうち上記流量制御手段から上記燃料噴射弁の上記ノズル部までの容積と上記燃料通路の全容積の差の上記全容積に対する比率と、上記流量制御手段で制御される燃料の流量の上記燃料噴射弁の上記ノズル部から噴射される燃料の流量に対する比率とが等しくなるように設定したことを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
請求項１記載の内燃機関の燃料噴射装置において、上記流量制御手段を上記境界域の上記分配配管と上記燃料噴射弁の接続部に設けた内燃機関の燃料噴射装置。
請求項１または２いずれかに記載の内燃機関の燃料噴射装置において、上記流量制御手段を上記分配配管と上記燃料噴射弁の境界域の燃料通路に設けたオリフィスで形成した内燃機関の燃料噴射装置。
請求項３記載の内燃機関の燃料噴射装置において、上記オリフィスの上記燃料噴射弁側の出口の周縁部を上記燃料噴射弁側が拡径するテーパ状に形成した内燃機関の燃料噴射装置。