JPH0235149B2 - Nainenkikannonenryofunshaseigyosochi - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、内燃機関を停止することなく、また
内燃機関の回転速度に依存せず、燃料噴射時期お
よび燃料噴射量、燃料噴射圧力を容易に調節でき
る内燃機関の燃料噴射制御装置に関する。

背景技術 一般に内燃機関特にデイーゼル機関において
は、燃料噴射時期は内燃機関性能特に燃料消費率
に大きく影響する。また燃料噴射圧力は高圧力化
して噴射期間を短縮して燃焼効率を高めることに
より燃料消費率の低減が図れるが、内燃機関が低
負荷のときの高圧力噴射は、デイーゼルノツクの
原因となり内燃機関に無理が生じ、内燃機関の寿
命の短縮や過大な騒音につながる。噴射の時期や
圧力の最適値は、内燃機関の運転状態や燃料油の
質により大きく変化するので、内燃機関の運転中
でも燃料噴射時期や燃料噴射圧力が自由に調節で
きれば、燃料の大幅な節約が内燃機関に無理を強
いることなく可能となり、石油価格の高騰する現
状から考え、大きな利益を生む。

従来、内燃機関の運転に同期して駆動される定
行程式燃料噴射ポンプと、閉止弁付自動噴射ノズ
ルとを直接燃料噴射管を介して接続して構成され
る内燃機関の燃料噴射装置は、広く世界で採用さ
れている。この従来式の燃料噴射装置において、
燃料噴射時期はカム設定位置により定まり、燃料
噴射時期を変更する場合、カムのカム軸への設定
位置を変えることが必要であり、一旦内燃機関を
停止しなければならなかつた。

この問題を解決するために、当出願人において
すでに出願中の特願昭57−42391および特願昭57
−46619における燃料噴射装置によれば、定行程
式燃料噴射ポンプと閉止弁付自動噴射ノズルとの
間に進角装置付カムにより駆動される燃料制御弁
を設け、定行程式燃料噴射ポンプと閉止弁付自動
噴射ノズルとの間の通路を接続時期を前記進角装
置付カムを用いて変更し、もつて燃料噴射時期の
調節が内燃機関を停止することなく行なえる。し
かし、このような装置においては、燃料噴射圧力
は、内燃機関の回転速度と噴射ノズルの寸法とに
よつて定まり、自由に調節することはできない。

一方、特開昭56−143344においてすでに公知で
ある燃料噴射装置では、閉止弁付噴射ノズルに電
気油圧式サーボ弁を装備し、燃料とは別の液体圧
を利用して燃料流路を切換えることにより、高圧
力燃料源に蓄圧された燃料を噴射ノズルから気筒
内に噴射供給し、その噴射の開始および終了は前
記電気油圧式サーボ弁に与える電気パルス信号で
制御される。このような装置によれば、燃料噴射
時期および燃料噴射量は前記電気パルス信号の送
出時期とパルス幅とにより決まり、また高圧力燃
料源に蓄圧された燃料圧力により燃料噴射圧力が
決まるので、燃料噴射時期、燃料噴射量および燃
料噴射圧力は内燃機関の速度やカムの取付けに関
係なく自由に調節することができる。しかしなが
ら、このような装置では、高価な電気油圧式サー
ボ弁のほか該弁を作動せしめる油圧源が必要であ
り、初期コストが嵩み、さらに電気油圧式サーボ
弁は一般に油中の不純物による汚損に弱いので、
油圧油の汚れを管理する必要があり、運転コスト
が嵩むという問題がある。

前記装置において、電気油圧式サーボ弁の代り
に、安価で汚損にも強い電磁弁を採用すれば、初
期コストや運転コストを軽減することができるで
あろうが、電気油圧式サーボ弁に匹敵するような
応答性（たとえば１ｍｓ）を有した電磁弁は入手
不可能である。

さらに、以上３種の燃料噴射装置において燃料
噴射の高圧力化を実現しようと試みる場合、燃料
噴射用ポンプを始め、燃料噴射管、燃料噴射弁等
燃料噴射圧力が作用する部材や接続部の強度を増
す必要があり、装置が高価となる。

このような先行技術の問題を解決するために、
本件発明者は、第１図〜第７図に示される内燃機
関の燃料噴射制御装置を提案した。

第１図は、本件発明者が先に提案した本発明の
基礎となる構成を示す構成図である。第１圧力源
１は電磁弁７を介して給油導管３８により燃料弁
３に接続されており、また第２圧力源２も制御弁
４を介して制御導管４９により燃料弁３に接続さ
れている。制御弁４は内燃機関の主軸６と同期し
て動くカム５によつて駆動され、電磁弁７は制御
回路８からの電気信号によつて制御される。構成
品の個々について順次説明を行なう。

第２図は、燃料弁３の構成を示す断面図であ
る。この燃料弁３は、第１の部分、第２の部分お
よび第３の部分から成り、これらはねじによつて
螺合されて１つの燃料弁３を形成している。すな
わち第１の部分は蓋１０であり、ボルト１４によ
つて第２の部分に取付けられている。蓋１０の中
央部に穿設された制御孔１５は、制御導管４９を
介して制御弁４に接続されている。この制御孔１
５の内部には、絞り部材１９とチエツク弁２０と
が配設されており、作動油が制御導管４９から燃
料弁３に自由に流入するが、流出するときは絞ら
れるように構成されている。

第２の部分は前記制御孔１５を介して導入され
る油圧によつて駆動されるポンプ１１である。ポ
ンプ１１は、ケーシング１６の内部にサーボピス
トン１７、ポンプピストン１８および逆流防止弁
４９を有している。ポンプピストン１８は、その
外径よりも大きな外径を有するサーボピストン１
７とともに、ケーシング１６内の軸線方向に案内
されており、サーボピストン１７とポンプピスト
ン１８とは互いに作用を及ぼし合うように接続さ
れている。このためサーボピストン１７の上面と
蓋１０とに制限されるサーボ圧力室２１に導入さ
れる油圧は、サーボピストン１７とポンプピスト
ン１８との断面積比だけ倍圧され、ポンプピスト
ン１８の下面によつて制限されるポンプ室３３に
作用する。

なお、蓋１０に内設された絞り部材１９の流路
断面積は制御孔１５や制御導管４９に比べ充分小
さく、このためサーボ圧力室２１からの排油の速
度はこの絞り部材１９で規定可能になつている。
排油に要する時間はt_Mは噴射に要する時間t_Eより
充分に長く、しかしt_M＋t_Eが内燃機関の１サイク
ルに要する時間t_Zよりも小さくするように選ぶ必
要がある。ポンプ室３３に充填する燃料量すなわ
ち噴射量の調量は、電磁弁７の作動時間を調節す
ることにより成されるので、t_Mの値を大きくする
ことは制御制度の向上に役立つ。

第３の部分は周知の閉止弁付の自動噴射ノズル
１２であり、ばねケーシング２２、ニードルケー
シング２３およびノズル２４が袋ナツト２５によ
り包み行まれており、ポンプ１１の下部すなわち
ケーシング１６に螺合して取付けられている。ニ
ードルケーシング２３内には閉止ニードル２７が
案内されており、この閉止ニードル２７の上部２
７ａには、ばねケーシング２２内のばね室２８の
内部において、ばね受け皿２９が嵌合されてい
る。ばね室２８の上部にあり、閉止ニードル２７
の開行程を制限するばね受け３０と、前記ばね受
け皿２９との間には、ばね３１が閉止ニードル２
７を閉止方向に付勢して取付けられている。閉止
ニードル２７の下部２７ｂには、燃料貯め２６と
ノズル２４とが配設されており、閉止ニードル２
７と協働して閉止弁を形成している。燃料貯め２
６は、ばねケーシング２２内およびニードルケー
シング２３内に形成された通路３６ａ，３６ｂを
介して、ポンプ１１のポンプ室３３に連通してい
る。

ポンプ１１のケーシング１６内には、給油孔３
４ａ，３４ｂが形成されており、その一方端は蓋
１０に設けられた供給孔３５に接続されており、
他方端はばねケーシング２２の上面に設けられた
凹部３７を介してポンプ室３３に接続されてい
る。この給油孔３４内に逆流防止弁４６が設けら
れており、自動噴射ノズル１２から燃料が噴射す
るとき、燃料が給油導管３８に逆流するのを防ぐ
とともに、給油導管３８を介して供給される燃料
がポンプ室３３に充填可能となつている。

ポンプピストン１８内部には、ポンプ室３３に
開口する通路３９が形成されており、ポンプピス
トン１８の上部側面に形成された環状通路４０と
連通している。これらの通路３９，４０は、ポン
プピストン１８の下降行程の終り近くにおいて、
ポンプ室３３内の燃料を供給側に排油し、もつて
いわゆる燃料の“切れ”をよくするために有効に
作用する。すなわち、ケーシング１６内に形成さ
れた横孔４１の一端は、給油孔３４内で逆流防止
弁４６の上流側に開口しており、他端は前記環状
通路４０と連通可能になつている。

閉止ニードル２７に沿つてばね室２８に洩出し
た燃料は、排油路４２およびそれに接続している
排油孔４３を介して排油導管４４から燃料弁３外
のタンク８６（第１図参照）に流出する。サーボ
ピストン１７やポンプピストン１８に沿つて洩出
する燃料は、サーボピストン１７が嵌挿されてい
る縦穴３２の下端よりもわずかに上部に形成され
た環状隙間４５に集められる。この環状隙間４５
は前記排油路４２に開口している。

他の構成として、排油路４２の途中にチエツク
弁（図示せず）を設けてもよい。このチエツク弁
は、一旦排油導管４４に排油された燃料が環状隙
間４５やばね室２８に逆流するのを防ぎ、したが
つて洩出燃料がサーボピストン１７の下降を妨げ
ることを防いている。

なお、ポンプピストン１８が下降してばねケー
シング２２に衝突する位置、すなわちサーボピス
トン１７の下限位置よりもやや上部に環状隙間４
５が位置しているので、縦穴３２の下面３２ａと
サーボピストン１７の内面との間に封入された燃
料はサーボピストン１７の下限位置で圧縮され、
サーボピストン１７およびポンプピストン１８の
その下限位置における衝撃を緩和している（第３
図参照） ポンプ室３３に導入される燃料の最大量、すな
わち最大噴射量EVは蓋１０の突出部４８の高さ
により制限されるので、この高さを変えることに
より、種々の内燃機関に対し、その最大噴射量を
規制することができる。最大噴射量の規制のため
の他の構造として、サーボピストン１７とポンプ
ピストン１８との間に中間片４７を配設し、この
中間片４７の長さを選定してもよい。

再び第１図を参照して、燃料弁３以外の構成部
分の説明を続ける。第１圧力源１は、燃料導管５
０、電磁弁７およ給油導管３８を介して、燃料弁
３の供給孔３５に接続されている。第１圧力源１
は、燃料タンク５１とこの燃料タンク５１からの
燃料を昇圧し、燃料導管５０に燃料を送り出す燃
料ポンプ５２と、燃料導管５０内の燃料圧力を一
定に保つための圧力調整弁５３とが設けられて構
成される。燃料導管５０内の圧力の脈動を防ぐた
めに、アキユムレータ５４を燃料導管の途中に設
けてもよい。燃料導管５０と給油導管３８との流
路の接続を制御する電磁弁７は、制御回路８から
の電気信号により駆動される。つまり、電磁弁７
の駆動時間が調量時間t_Mとなり、この間燃料弁３
に燃料が充填される。充填速度は燃料の粘度にも
影響を受けるので、調量の制御精度を向上させる
ために、第１圧力源１に温度制御装置（図示せ
ず）を設けてもよい。

第２圧力源２は、圧力導管５５を介して制御弁
４の入口孔５６に接続され、また制御弁４の出口
孔５７は制御導管４９を介して燃料弁３の制御孔
１５に接続される。第２圧力源２は、タンク５８
と、このタンク５８からの燃料を昇圧し圧力導管
５５に燃料を送り出す昇圧ポンプ５９と、圧力導
管５５内の圧力を調節するための圧力調節弁６０
とが設けられて構成される。圧力導管５５内の圧
力の脈動を防ぐためにアキユムレータ６１を圧力
導管５５の途中に設けてもよい。タンク５８は、
燃料タンク５１を第１圧力源１と第２圧力源２と
で共用することにより省略可能である。

制御弁４には、バレル６２内において軸線方向
にスプール６３が摺動可能でかつ回転可能に案内
されており、このスプール６３はタペツト６４に
より支持されている。バレル６２とタペツト６４
との間には、ばね６５が介在されており、スプー
ル６３をローラ６を介してカム５に押し付ける役
目を果している。スプール６３はばね６５の力に
抗してカム５によつて駆動され、圧力導管５５ま
たは戻し導管７１を制御導管４９に接続する。な
お戻し導管７１の他端はタンク５８に接続されて
いる。スプール６３には軸線方向に斜めの制御線
６７があり、斜めの制御縁６７の下方には軸線方
向に直角なもう１つの制御縁６８がある。この２
つの制御縁６７，６８に面して制御溝６９が形成
されている。一方バレル６２の側面には、圧力導
管５５に接続されている入口孔５６と、戻し導管
７１に接続されている戻し孔７０と、制御導管４
９に接続されている出口孔５７とが設けられてい
る。入口孔５６は斜めの制御縁６７により開閉可
能になつており、また戻し孔７０は下方の制御縁
６８により開閉可能になつている。

また出口孔５７はバレル６２内で前記制御溝６
９に常に開口している。第１図示の状態では、出
口孔５７は制御溝６９を介して戻し孔７０に連通
している。スプール６３が軸線方向に移動する
と、すなわち上昇すと、出口孔５７と入口孔５６
とが制御溝６９を介して連通し、戻し孔７０は閉
じる。スプール６３に沿つて洩出する燃料は、バ
レル６２内部の空洞７４に集められ通路７５を介
して戻し孔７０に流れる。バレル６２下部の空気
孔７６はスプール６３の駆動力を軽減するのに役
立つ。

制御弁４の下方には、ピニオン７２がスプール
６３と同軸に内設されており、このピニオン７２
はスプール６３の軸線方向の動きには滑動する
が、回転方向には結合されているので、ピニオン
７２に噛合するラツチ７３を移動することにより
スプール６３が回転可能になつている。このラツ
ク７３は制御弁４を軸線方向に直角に貫通してお
り、図示しない駆動装置を介してこのラツク７３
を操作することにより制御弁４の作動タイミング
すなわち燃料噴射時期が調節可能となつている。

一方カム５を取付けたカム軸７７は、歯車７８
ａ，７８ｂ，７８ｃ，７８ｄおよびチエン７９
ａ，７９ｂを介して主軸６によつて駆動される
が、カム軸７７の駆動方法は本発明において本質
的なものではなく、内燃機関の回転に同期してい
るならば、他の方法でもよい。

多気筒より成る内燃機関の場合は、燃料導管５
０の分岐管５０ａ，５０ｂ，５０ｃに電磁弁およ
び燃料弁を、また圧力導管５５の分岐管５５ａ，
５５ｂ，５５ｃに制御弁を、第１図を同様にして
それぞれ接続して構成可能である。

第１圧力源１は、燃料弁３内の絞り部材１９に
おける排油時の圧力損失を考慮した上で、少なく
ともサーボピストン１７やポンプピストン１８
を、その摩擦力に抗して押し上げるに足るだけの
圧力を必要とする。また圧力調整弁５３の設定圧
力を内燃機関の回転数および負荷もしくはそのど
ちらか一方に応動して制御するこをも考えられ
る。設定圧力の変更には、圧力調整弁５３のばね
の設定位置を図示しない周知のポジシヨナを利用
するか、圧力調整弁５３の弁体に斜めの切欠きを
設け、その弁体を回動させることによつて、弁座
に形成された排油孔と前記切欠きとが連通する弁
ストロークを変更せしめて構成してもよい。

第２圧力源２の圧力は、噴射の噴射圧力を規定
し、たとえばサーボピストン１７とポンプピスト
ン１８との直径の比を2.5：１とすると、第２の
圧力源の圧力を200気圧に選定すれば、200×2.5²
＝1250気圧の高圧噴射が達成できる。また圧力調
整弁６０の設定圧力を内燃機関の回転数および負
荷もしくはそのどちらか一方に応動して制御する
ことも考えられる。このことは、内燃機関が低温
状態にあるときに噴射圧力を下げて、したがつて
燃料噴射率を下げることによつて、デイーゼルノ
ツクを防止するのに有効に働く。設定圧力の変更
には、圧力調節弁６０のばねの設定位置を図示し
ない周知のポジシヨナを利用するか、圧力調節弁
６０の弁体に斜めの切欠きを設け、その弁体を回
動させることによつて、弁座に形成された排油孔
と前記切欠きとが連通する弁ストロークを変更せ
しめて構成してもよい。

次に第１図〜第３図示の構成の動作について説
明をする。第１図に示す状態において、制御弁４
のスプール６３は下死点にあり、制御導管４９は
制御溝６９を介して戻し孔７０に接続されている
ので、燃料弁３のサーボ圧力室２１はタンク５８
の圧力（大気圧）に開放され、第２図に示す状態
に留まつている。ポンプ室３３には燃料が充填さ
れている。カム５が回転をし、ローラ６６を介し
てばね６５の力に抗してスプール６３を押し上げ
ると、スプール６３の制御縁６８は戻し孔７０を
閉じ、一方スプール６３の斜めの制御縁６７は入
口孔５６を開く、これによつて制御弁４の出口孔
５７と入口孔５６とが制御溝６９を介して連通す
る。第２の圧力源２の昇圧ポンプ５９から圧力導
管５５に流れる作動油（燃料油）は、制御弁４を
介して制御導管４９に流れる。

第２図を参照して、制御導管４９に流れた作動
油は、燃料弁３の制御孔１５に流れチエツク弁２
０を介してサーボ圧力室２１に流れ、サーポピス
トン１７を下方に付勢する。このためサーポピス
トン１７と互いに作用を及ぼし合うように配設さ
れたポンプピストン１８も下方に付勢され、ポン
プ室３３に充填された燃料を圧縮するのでポンプ
室３３内の燃料は昇圧する。サーポピストン１７
の外径は、ポンプピストン１８の外径よりも大き
いので、その断面積比だけサーボ圧力室２１の圧
力が倍圧され、ポンプ室３３に作用する。ポンプ
室３３内で昇圧した燃料は、逆流防止弁４６が介
在されるため給油孔３４には逆流せずに、通路３
６ａ，３６ｂを介して周知の閉止弁付の自動噴射
ノズル１２の燃料貯め２６に流れ、ノズル２４か
ら図示しない気筒内に噴射される。

燃料噴射によりポンプピストン１８が下降し、
第３図に示す状態になると、ポンプピストン１８
の側面に形成された環状通路４０と横孔４１とが
連通する。ポンプ室３３内の燃料は、ポンプピス
トン１８内の通路３９から横孔４１を介して給油
孔３４に流れる。そうすると、ポンプ室３３内の
燃料の圧力は急激に低下するので、閉止弁付の自
動噴射ノズル１２から図示しない気筒内へ噴射し
ていた燃料は、ばね３１で付勢された閉止ニード
ル２７によつて遮断され、噴射は終了する。燃料
の噴射が終了するまで制御弁４の入口孔５６と出
口孔５７とが連通するようにカム５のプロフイー
ルは設計されている。たとえば最大負荷における
噴射期間がクランク角度で35度の４サイクル内燃
機関の場合、制御弁４のスプール６３が戻し孔７
０を閉じてから入口孔５６を開くまでの期間すな
わち、いわゆる切換え“しろ”をクランク角度に
換算して10度程度見込むと、クランク角度で45度
程のカムが必要であり、カム幅の全周に対する割
合は45度／720度＝１／16程度となる。

カム５が回転を続け上死点を過ぎると、スプー
ル６３はカム５のプロフイールに沿つてばね６５
の反力に抗して下降を始め、制御弁４は遂には制
御弁４と第２圧力源２との間の通路を切換える。
すなわちスプール６３が下降してスプール６３の
斜めの制御縁６７が入口孔５６を閉じ、一方スプ
ール６３の制御縁６８は戻し孔７０を開く。これ
によつて制御溝６９を介して連通していた出口孔
５７と入口孔５６とが遮断され、代りに出口孔５
７を戻し孔７０とが制御溝６９を介して連通する
ので、燃料弁３内のサーボ圧力室２１内の作動油
は戻し導管７１を介してタンク５８に流れ、サー
ボ圧力室２１は大気圧となる。

制御回路８から送出される電気信号によつて電
磁弁７が励磁されると、第１圧力源１の燃料は、
燃料導管５０から電磁弁７を介して給油導管３８
に流れ、燃料弁３に供給される。再び第２図を参
照して、給油導管３８から供給孔３５に流れる燃
料は、逆流防止弁４６を介してポンプ室３３に流
れる。一部の燃料は、逆流防止弁４６をバイパス
して、横孔４１、環状通路４０および通路３９を
通つてポンプ室３３に、横孔４１がポンプピスト
ン１８の側面で塞がれるまで流入する。

ポンプ室３３に流れた燃料は、ポンプピストン
１８を上方に付勢し、ポンプピストン１８および
これに連接しているサーポピストン１７は、摩擦
力に抗して押し上げられる。サーポピストン１７
の上昇によりサーボ圧力室２１内で排除された作
動油は、絞り部材１９を介して制御孔１５から制
御導管４９へ流出し、戻し導管７１からタンク５
８に流れる。なおポンプ室３３に連通する自動噴
射ノズル１２にも燃料が流れるけれども、第１圧
力源１の圧力は自動噴射ノズル１２の啓開圧力
（たとえば200気圧）よりも低いので、噴射は起こ
らない。

制御回路８からの電気信号が遮断して電磁弁７
が消磁すると、第１圧力源１から燃料導管５０と
給油導管３８とを介して燃料弁３に流れていた燃
料は遮断され、ポンプピストン１８の上昇行程は
停止し、第１図示の状態に戻る。このようにして
電磁弁７が励磁しているときに、ポンプ室３３に
充填された燃料が、次回のサイクルで噴射される
燃料量となる。そしてその最大量は、中間片４７
の長さや突出部４８の高さにより決まるので、内
燃機関の規模に応じた最大噴射量が規制でき、電
磁弁７が故障したときでも内燃機関が破壊する程
のトルクを発生することはない。

絞り部材１９はポンプ室３３への燃料の充填速
度を規制する働きをし、燃料の充填量の制御（調
量）の精度の向上に役立つ。すなわち絞り部材１
９を用いて調量をゆつくり行なえば精密な調量が
可能となり、さらに電磁弁７の高い応答性（たと
えば１ｍｓ）は必要なくなる。たとえば1000rpm
で噴射期間がクランク角度35度の４サイクル内燃
機関の場合、噴射時間t_Eは、 t_E＝35／６×1000＝5.8ｍｓ となり、前述の特開昭56−143344に示されている
ように、この期間t_Eを直接電磁弁で制御しようと
する場合には、電磁弁の応答性としては少なくと
も0.5ｍｓが必要であり、電気油圧式サーボ弁を
採用する方法しかなかつた。しかし本発明に係る
調量構造によれば、調量構造によれば、調整時間
t_Mは、１サイクル内で終了すればよいので、 t_M≦60×２／1000−t_E＝114.2ｍｓ となり、10ｍｓ程度の応答性があればよく、電気
油圧式サーボ弁は必要なくなり、したがつて汚損
に強くしかも安価な電磁弁により調量が可能とな
る。

なおポンプ室３３への燃料の充填速度を規定す
るために、本発明のようにポンプ１１の排油側に
絞り部材を設ける構造は、流入側に絞り部材を設
ける構造に比べて、次のような点で優れている。
すなわち、後者の構造は絞り部材１９を制御孔１
５にではなく、給油孔３４内部に設ける構造であ
るが、この構造では燃料の調量に際し外乱の影響
を受け易く、制御精度の向上に限界がある。以下
このことに関して第４図を参照して説明する。ポ
ンプ１１に関する諸量の関係は次の方程式群で表
わせる。

P₁・A₁＋（A₂−A₁）Pm＝P₂・A₂＋Ｆ …(1) ΔP₁＝P₀−P₁＝K₁・Q₁ …(2) ΔP₂＝P₂＝K₂・Q₀ …(3) Q₁／A₁＝Q₀／A₂ …(4) ここに、 A₁；ポンプピストン１８の断面積 A₂；サーボピストン１７の断面積 P₀；第１圧力源１の圧力（一定） P₁；ポンプ室３３の圧力 P₂；サーボ圧力室２１の圧力 Pm；排油路４２の圧力 Ｆ；ポンプ作業の摩擦力 Q₁；充填流量 Q₂；排油流量 K₁；流入側の流路抵抗 K₂；排油側の流路抵抗 ただしタンク圧力は０とし、第１圧力源１の圧
力は一定とする。今、流入側および排油側の流路
抵抗を一定とすると（K₁、K₂＝一定）、ポンプ室
３３への充填速度Q₁は差圧ΔP₁により定まるが、
P₀が一定に調節されているのでP₁により支配さ
れる（第２式）。また燃料弁３からの排油の速度
Q₀を規定しても充填速度Qiは定まるので（第４
式）、同様にP₂によりQiが規定される（第３式）。
したがつてP₁またはP₂を一定にすれば、充填速
度は一定の値に規定できるが、ポンプ作業に伴な
う摩擦力Ｆや排油路４２内の圧力Pmの変動が外
乱として働くのでP₁およびP₂は変動し（第１
式）、電磁弁７の作動時間をt_Mを規定しても充填
量は変化する。このような外乱の影響を小さくす
るたにはP₁、P₂を大きくすればよい。すなわち、
第１式を変形して、 P₂・A₂＋｛Ｆ−（A₂−A₁）Pm｝＝P₁・A₁
…（1a） において、 P₂・A₂≫Ｆ−（A₂−A₁）Pm …(5) であれば、外乱（第1a式の左辺第２項）の影響
は無視できる。燃料弁３の寸法を変えずにP₁、
P₂を大きくするためには、P₀を大きくするか、
またはK₂を大きくするかの２通り考えられるが、
P₀を大きくすれば充填速度Q₁が大きくなり、調
量時間t_Mが短くなるという不都合を生ずる。この
ことは、調量時間t_Mが長い方が調量の精度の向上
を図れるという理由による。したがつて調量時間
t_Mを短くすることなく、外乱の影響を小さくする
ためにはK₂を大きくすればよい。さらにK₁を小
さくすれば、P₁も大きくなる。以上のように、
流入側の絞り部材を廃し、排油側に絞り部材を配
置する方が調量の制御精度の向上に効果がある。

電磁弁７を励磁する電気信号の送出時期は、第
１図に示されたカム軸７７に図示しない角度検出
器を取付け、その検出器の信号を制御回路８で解
読することにより制御可能である。制御回路８か
ら送出される電気信号のパルス幅は、主軸６に取
付けられた図示しない回転数計と図示しない指令
信号とを比較し、その大小に応じてパルス幅を増
減する周知の制御装置（たとえばPI制御装置な
ど）を用いればよい。

燃料弁３から燃料が噴射される時期、すなわち
燃料噴射時期の調整は、ラツク７３を操作するこ
とにより可能である。ラツク７３を操作すれば、
ピニオン７２が回転するので、これに伴ないスプ
ール６３も回転し、したがつて斜めの制御縁６７
と入口孔５６とのリード量が変わり、入口孔５６
の開くタイミングが制御できるので、燃料噴射時
期が内燃機関の運転中でも可能となる。また、内
燃機関の回転数および負荷またはそのどちらか一
方に応じて、ラツク７３を図示しない駆動装置を
介して駆動することにより、回転数や負荷に応じ
た最適燃料消費率運転が可能となる。

さらに他の構成として、制御縁６８を斜めの制
御縁６７と平行になるように設ければ、スプール
６３の上昇行程において制御溝６９内が負圧にな
るのが防止でき、しがつて制御弁４を駆動する力
は軽減できる。しかし、このようなスプールは第
１図に示されたスプール６３に比べて製造価格は
高くなる。

この構成における燃料の噴射圧力に関しては、
サーボ圧力室２１内の作動油の圧力により規定さ
れるので、第２圧力源２の圧力を調節することに
よつて、従来の噴射装置のように内燃機関回転数
に依存せず、噴射圧力を自由に選ぶことが可能で
ある。そのため内燃機関の運転の経済性および操
作性が向上される。また第２圧力源２の作動油の
圧力は、燃料弁３の内部でサーボピストン１７と
ポンプピストン１８との断面積比だけ倍圧されて
燃料噴射されるので、燃料の高圧噴射（たとえば
1200気圧）が容易にかつ安価に実現できる。すな
わち、第２圧力源２や制御弁４を始め、圧力導管
５５や制御導管４９の耐圧は小さくてもよく（た
とえば350気圧）、各部のシール方法や管継手も特
に開発を要せず、従来の技術がそのまま使用でき
る。

第５図は、本件発明者が先に提案した本発明の
基礎となる他の構成を示す構成図であり、前述の
構成と対応する部分には同一の参照符を付す。こ
の構成では、燃料導管５０の途中に流量計８７を
配置したところが前述の実施例と異なる。前述の
構成において充填速度は絞り部材１９により規制
されるが、その速度は燃料の温度や第１圧力源１
の圧力により影響を受け、制御回路８からの電気
信号のパルス幅が同じであつても充填される燃料
の量に若干の差が生ずる。流量計８７からの信号
は制御回路８に与えられ、この流量計８７からの
信号に応じて制御回路８から送出される電気信号
のパルス幅の最大値を制限することにより、期待
しないまたは望ましくない程多量の燃量が気筒内
に噴射供給されるのを防ぐことが可能となる。す
なわち、流量計８７は制御回路８と協働して内燃
機関のトルクリミツトを実現し、オーバロードを
未然に防ぐ。流量計８７の他に温度計を燃量導管
５０の途中に設け、この信号を制回回路８に接続
することによつて、さらに密度補正することもで
きる。

第６図は、燃料弁３の他の構成を示す断面図で
ある。第２図示の燃料弁３の構成とは、絞り部材
の形が異なつており、この実施例においては薄刃
オリフイスにより絞り部材８８が形成される。前
述の実施例の絞り部材１９は寿命および強度にお
いて優れるが、燃料油の温度が変化すれば粘度が
変わるので充填速度が変わるという欠点を有して
いる。この実施例において採用した薄刃オリフイ
スによれば、強度的には劣るが、燃料油の温度に
より充填速度は変化しない。

第７図は、燃料弁３のさらに他の構成を示す断
面図である。この構成で注目すべき点は、ケーシ
ング１６の内部に位置検出器８９が設けられてい
るところにある。前述のごとく、充填速度は燃料
の温度や第１圧力源１の圧力により影響を受ける
ので、第２図示の構成では噴射量の制御精度にも
限界がある。この構成によれば、位置検出器８９
からの信号は制御回路８に与えられる。この位置
検出器８９の信号に応じて電気信号のパルス幅を
制御すれば、燃料の温度や第１圧力源１の圧力に
依存せず、精密に噴射量を希望する値に調節する
ことが可能となる。

さらに他の構成として、ポンプ１１と噴射ノズ
ル１２は一体構造としたが、ポンプ１１と噴射ノ
ズル１２を分離し、それらを噴射管により接続す
る構造をとつてもよい。

一般に、燃料噴射パターンすなわち噴射される
燃料流量の時間経過は、気筒内の熱発生パターン
を与える。熱発生パターンは気筒内の圧力パター
ンを決定し、燃費に大きな影響を与える。具体的
には上死点において、一気に燃料を噴射し、それ
が瞬時に燃焼すれば、理論上、最大の機関効率を
得ることができる。そして、このとき気筒内の圧
力は極端に大きくなり、機関の強度限界を超え
る。一般的に、熱発生期間を短くすれば燃費は向
上し、反面、気筒内圧力は大きくなる。大きな気
筒内圧力に対抗するには、機関を堅牢に製作する
必要があり、製作費用が嵩む。

第１４図は、第１図〜第７図に関連して説明し
た構成の動作を説明するためのグラフである。第
１４図１は内燃機関の燃焼室に、燃料弁３から噴
射される燃料流量の時間経過を示し、第１４図２
は、その気筒内の圧力、すなわち燃料室内の圧力
の時間経過を示す。この第１４図から明らかなよ
うに、第１図〜第７図の構成では、気筒内の最大
圧力P10（第１４図２参照）の持続期間が短く、
したがつて効率、すなわち燃費が悪い。

本発明の目的は、定められた機関強度のもと
で、最大の効率、すなわち燃費を得ることができ
るようにした内燃機関の燃料噴射制御装置を提供
することである。

本発明は、燃料弁３のポンプピストン１８がそ
れよりも直径の大きなサーボピストン１７により
駆動されかつポンプピストン１８の一端面によつ
て規定されるポンプ室３３が閉止弁付自動噴射ノ
ズル１２に接続され、第１圧力源１は前記ポンプ
室３３に電磁弁７を介して燃料を供給し、一方、
第２圧力源２と燃料弁３における前記サーボピス
トン１７の一端面によつて規定されるサーボ圧力
室２１との間に内燃機関と同期して動くカム５に
より軸線方向に駆動されるスプール６３を有する
制御弁４が接続され、 さらにスプール６３は軸線まわりに角変位調整
可能となつていて、 制御弁４は、第１切換え位置で、燃料弁３のサ
ーボ圧力室２１が出口孔５７から戻し孔７０を経
て燃料を排油し、制御弁４の第２切換え位置で、
第２圧力源２の燃料を、入口孔５６から出口孔５
７を経て、サーボ圧力室２１に供給する制御溝６
９がバレル６２に形成されており、 入口孔５６は、制御弁４のバレル６２の周方向
１カ所に形成され、 前記制御弁４の前記スプール６３に、周方向に
対し斜めに２つの前制御縁１００，１０１を軸線
方向に間隔をあけて有する前制御溝１０２が形成
されており、 スプール６３には、前制御溝１０２と制御溝６
９とを連通する連通孔１０３が形成されており、
サーボ圧力室２１への流路が戻し孔７０から入口
孔５６に切換わるときにサーボ圧力室２１と第２
圧力源２との間の流路が、スプール６３の前制御
溝１０２と制御溝６９との間に形成されたカラー
１０４によつて一時的に遮断され、 ポンプピストン１８の充填の期間が前記電磁弁
７によつて制御可能であり、充填の速度が絞り部
材１９，９０で規制可能であることを特徴とする
内燃機関の燃料噴射制御装置である。

第８図は、本発明の一実施例の制御弁４の断面
図である。制御弁４以外の構成は、第１図〜第７
図の構成と同一である。この実施例における第８
図の制御弁４は、スプール６３に周方向に対し斜
めに２つの前制御縁１００，１０１を有する前制
御溝１０２が形成されており、第２圧力源２に接
続された入口孔５６と協働して、スプール６３が
上昇するとき、入口孔５６と出口孔５７との間の
接続が一時的に遮断されるように構成されてい
る。なおスプール６３には、前制御溝１０２と制
御溝６９とを連絡する連通孔１０３が穿設されて
いる。

次にこの実施例の作動状態について説明する。
第８図示の制御弁４において、出口孔５７と戻し
孔７０とは制御溝６９を介して連通しており、ス
プール６３の前制御縁１００が入口孔５６を閉じ
ている。２つの前制御縁１００，１０１に面した
前制御溝１０２は、連通孔１０３を介して制御溝
６９に連通している。スプール６３が上方に移動
すると、制御縁６８が戻し孔７０を閉じる。

一方、前制御縁１００が入口孔５６を開くの
で、入口孔５６は２つの前制御縁１００，１０１
に面した前制御溝１０２から連通孔１０３を介し
て制御溝６９に連通する。このため圧力導管５５
を介して入口孔５６に達した第２圧力源２の作動
油は、制御溝６９から出口孔５７に流れ、制御導
入管４９を介して燃料弁３のサーボ圧力室２１に
至り、サーボピストン１７を押し下げ、前述の構
成で説明したごとく噴射が行われる。

スプール６３がさらに上昇すると、前制御溝１
０２と制御溝６９との間に形成されたカラー１０
４によつて入口孔５６が閉じるので、入口孔５６
から制御溝６９に流れていた作動油は一時的に遮
断される。これによつて、燃料弁３のサーボピス
トン１７の下降も一時的に中断され、この結果噴
射も停止する。しかしスプール６３がさらに上昇
すると、カラー１０４により閉鎖させていた入口
孔５６が開くので、遮断されていた作動油が再び
出口孔５７へと流れ、噴射は再開される。

そして噴斜の中断される期間は、前制御溝１０
２と制御溝６９との間にあるカラー１０４の幅す
なわち前制御縁１０１と制御縁６７との間の長さ
により規制される。このとき燃料噴射は、第９図
に示されるように２段に分かれた形となり、先行
した短い前噴射とそれに続く長い主噴射が形成さ
れる。なお燃料の調量は、この前噴射と主噴射と
の合計した値として行なわれることはいうまでも
ない。第１２図は、第８図に示される実施例にお
ける動作を説明するためのグラフである。第１２
図１は、燃料弁３によつて噴射される燃料流量の
時間経過を示す噴射パターンであり、第１２図２
は気筒内の圧力の時間経過を示すグラフであり、
この第１２図２のグラフは、前述の第９図のグラ
フに対応している。本発明では、第１２図１に示
される燃料の噴射パターンを加減調整することに
よつて、気筒内の最大圧力P11（第１２図２参照）
を、機関強度の限界内に抑え、しかもよりよい効
果を得ることができる。たとえば前制御溝１０２
の第８図における上下の長さを短くすると、第１
３図１で示される気筒内の圧力パターンを実現す
ることができる。また前制御溝１０２の長さを短
くし、しかも前制御縁１０１と制御縁６７との間
の長さ、すなわちカラー１０４の長さを短くする
と、第１３図２の気筒内の圧力パターンを得るこ
とができる。さらに前制御溝１０２の長さを長く
すると、第１３図３で示される気筒内の圧力パタ
ーンを実現することができる。

第８図の実施例で示されるような前噴射とそれ
に続く主噴射は、中速または高速内燃機関におい
て、燃焼の焼焼効率を高めるのに役立ち、特に高
速内燃機関においてその効果は著しい。

また本発明において、ラツク７３を気筒毎に独
立に操作できるように構成すれば、気筒毎に燃料
噴射時期の調節が可能となり、気筒間の負荷や燃
焼圧力のアンバランスを、内燃機関を停止するこ
となく修正できるという利点も有している。

以上の実施例において、絞り部材を燃料弁３に
内蔵する場合について示したが、本発明の他の実
施例として絞り部材は制御弁４や戻し導管７１に
配置してもよい。第１０図は戻し導管７１の途中
に絞り部材９０を配置した本発明の基礎となる構
成を示す構成図である。絞り部材９０を戻し孔７
０に螺合すれば取付けの費用が節減できる。この
ような実施例において、燃料弁３は第１１図に示
されるようになり、絞り部材とチエツト弁は不要
となる。

以上のように本発明によれば内燃機関を一旦停
止することなく、容易に気筒毎に燃料噴射時期、
噴射量および噴射圧力の調節が可能となる。燃料
弁３のポンプピストン１８がそれよりも直径の大
きいサーボピストン１７によつて駆動されるの
で、噴射圧力を高圧力にすることができる。さら
に燃料の噴射は、一時的に停止して中断するのが
可能であり、燃焼状態を良好にすることができ
る。

さらに本発明によれば、絞り部材１９，９０を
燃料の排油側に設けたので、燃料弁３におけるポ
ンプ室３３の圧力を高圧力にすることができ、し
たがつて摩擦力等の影響を受けず精密な調量が可
能となる。

さらにまた本発明によれば制御弁４のスプール
６３には２つの前制御縁１００，１０１を形成
し、これによつてサーボ圧力室２１への流路が戻
し孔７０から入口孔５６、すなわち第２圧力源２
に切換わるとき、サーボ圧力室２１と第２圧力源
２との間の流路が一時的に遮断される。そのため
燃料噴射の動作は、先行した短い前噴射と、それ
に続く長い主噴射とが形成される。これによつて
中速または高速の内燃機関において、燃料の燃焼
効率を高めることができ、特に高速内燃機関にお
いてその効果は著しい。また本発明によれば、制
御弁４では、前述の第９図に示されるように前噴
射とそれに続く主噴射が行われるので、特に中速
または高速内燃機関において、定められた機関強
度のもとで燃料の燃焼効果を高めることが可能に
なる。すなわち本発明では、気筒内の最大圧力を
制限しつつ、気筒内の高い圧力を長期間発生させ
るように、燃料の噴射パターンを設定することが
可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基礎となる構成を示す構成
図、第２図は燃料弁３を示す断面図、第３図は第
２図示のポンプピストン１８が下降した状態を示
す断面図、第４図は第１図〜第３図の構成の原理
を説明するための図、第５図は本発明の基礎とな
る他の構成を示す構成図、第６図は燃料弁３の他
の構成を示す断面図、第７図は燃料弁３のさらに
他の構成を示す断面図、第８図は本発明に係る制
御弁４の一実施例を示す断面図、第９図は第８図
示の実施例の燃料噴射における時間と圧力との関
係を示すグラフ、第１０図は本発明のさらに他の
基礎となる構成を示す構成図、第１１図は第１０
図示の燃料弁３の断面図、第１２図は本発明の動
作を説明するためのグラフ、第１３図は本発明の
他の動作の燃料噴射パターンを示すグラフ、第１
４図は先行技術の動作を説明するためのグラフで
ある。 １……第１圧力源、２……第２圧力源、３……
燃料弁、４……制御弁、５……カム、７……電磁
弁、１２……自動噴射ノズル、１７……サーボピ
ストン、１８……ポンプピストン、１９，９０…
…絞り部材、２１……サーボ圧力室、３３……ポ
ンプ室、５６……入口孔、６２……バレル、６３
……スプール、６７，６８，８４……制御縁、７
１……戻し導管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 燃料弁３のポンプピストン１８がそれよりも
   直径の大きなサーボピストン１７により駆動され
   かつポンプピストン１８の一端面によつて規定さ
   れるポンプ室３３が閉止弁付自動噴射ノズル１２
   に接続され、第１圧力源１は前記ポンプ室３３に
   電磁弁７を介して燃料を供給し、一方、第２圧力
   源２と燃料弁３における前記サーボピストン１７
   の一端面によつて規定されるサーボ圧力室２１と
   の間に内燃機関と同期して動くカム５により軸線
   方向に駆動されるスプール６３を有する制御弁４
   が接続され、 さらにスプール６３は軸線まわりに角変位調整
   可能となつていて、 制御弁４は、第１切換え位置で、燃料弁３のサ
   ーボ圧力室２１が出口孔５７から戻し孔７０を経
   て燃料を排油し、制御弁４の第２切換え位置で、
   第２圧力源２の燃料を、入口孔５６から出口孔５
   ７を経て、サーボ圧力室２１に供給する制御溝６
   ９がバレル６２に形成されており、 入口孔５６は、制御弁４のバレル６２の周方向
   １カ所に形成され、 前記制御弁４の前記スプール６３に、周方向に
   対し斜めに２つの前制御縁１００，１０１を軸線
   方向に間隔をあけて有する前制御溝１０２が形成
   されており、 スプール６３には、前制御溝１０２と制御溝６
   ９とを連通する連通孔１０３が形成されており、
   サーボ圧力室２１への流路が戻し孔７０から入口
   孔５６に切換わるときにサーボ圧力室２１と第２
   圧力源２との間の流路が、スプール６３の前制御
   溝１０２と制御溝６９との間に形成されたカラー
   １０４によつて一時的に遮断され、 ポンプピストン１８の充填の期間が前記電磁弁
   ７によつて制御可能であり、充填の速度が絞り部
   材１９，９０で規制可能であることを特徴とする
   内燃機関の燃料噴射制御装置。