JPH0561459B2

JPH0561459B2 -

Info

Publication number: JPH0561459B2
Application number: JP21467185A
Authority: JP
Inventors: Daisaku Sawada; Hiromichi Yanagihara; Teruo Kumai; Satoru Iguchi; Masaki Mitsuyasu; Sumio Ito; Shizuo Sasaki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1985-09-30
Filing date: 1985-09-30
Publication date: 1993-09-06
Also published as: JPS6275049A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はデイーゼル機関の燃料噴射装置に関す
る。

〔従来の技術〕従来より各気筒が夫々一個の燃料噴射弁を具備
し、各燃料噴射弁を共通の高圧燃料蓄圧室に連結
したデイーゼル機関が公知である（米国特許第
3587547号明細書参照）。また、燃料噴射弁をピエ
ゾ圧電素子を用いて高速で開閉制御することによ
り燃料噴射を複数回に分割して行なうようにした
デイーゼル機関も公知である（特開昭60−17250
号公報参照）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら機関高速高負荷運転時には大量の
燃料を短時間のうちに噴射する必要があり、その
ために上述の如く高圧燃料蓄圧室を具備したデイ
ーゼル機関においては高圧燃料蓄圧室内に蓄積し
た燃料をかなり高圧まで昇圧させなければならな
い。しかしながら実際には高圧燃料蓄圧室内に蓄
積した燃料を高圧に昇圧維持するための燃料圧送
ポンプの実現が困難であり、そのために高圧燃料
蓄圧室を用いたデイーゼル機関の実用化が遅れて
いるのが実情である。本発明はこのような実情に
鑑み、自発火を起こさない程度の燃料を事前に噴
射することにより高圧燃料蓄圧室内の燃料圧を低
下可能とし、それによつて高圧燃料蓄圧室を用い
たデイーゼル機関の実用化を図つたものである。

なお、このように主噴射に先立つて事前噴射を
行うようにすると事前噴射を行うときの燃焼室内
の圧力、空気密度は主噴射が行われるときの燃料
室内の圧力、空気密度に比べて低くなる。従つて
事前噴射を行うときの噴射圧を主噴射を行うとき
の噴射圧と等しくしておくと事前噴射時には噴霧
が燃焼室壁まで到達して燃焼室壁に付着し、斯く
して未燃物（HC）の発生量が増加してしまう。
従つて事前噴射を行う際には噴霧が燃焼室壁に到
達しないように噴射圧を低下させる必要がある。

ところが高圧燃料蓄圧室内の燃料を燃料噴射弁
に供給するようにした場合には主噴射時であろう
と事前噴射時であろうと噴射圧は高圧燃料蓄圧室
内の燃料圧となる。従つて高圧燃料蓄圧室を用い
た場合、事前噴射を行うときの噴射圧を低下させ
るには高圧燃料蓄圧室内の燃料圧を低下させれば
よいことになるが高圧燃料蓄圧室内の燃料圧を低
下させるには時間を要し、斯くして応答遅れを生
ずる。従つて、高圧燃料蓄圧室を用いた場合に噴
射圧を低下させるには高圧燃料蓄圧室を用いた場
合に適した他の噴射圧の低下方法が必要とされ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決するために各気筒がピエゾ圧
電素子により制御される夫々一個の燃料噴射弁８
を具備し、各燃料噴射弁８を共通の高圧燃料蓄圧
室１２に連結し、圧縮下死点から圧縮上死点前90
度以内に行なわれる等量比で0.3以下の事前燃料
噴射の噴射時期および噴射量を設定する事前噴射
設定手段７０と、主噴射の噴射時期および噴射量
を設定する主噴射設定手段７１とを具備し、更に
各燃料噴射弁８と高圧燃料蓄圧室１２間に可変絞
り弁１９を設けて事前噴射時に各燃料噴射弁８に
供給される高圧燃料の流路を絞るようにしてい
る。

〔実施例〕

第２図および第３図を参照すると、１はデイー
ゼル機関本体、２はシリンダブロツク、３はシリ
ンダヘツド、４はピストン、５は燃焼室、６は吸
気弁、７は排気弁、８は燃焼室５内に配置された
燃料噴射弁、９は吸気マニホルドを夫々示し、燃
料噴射弁８は燃料供給管１０を介して各気筒に共
通の燃料蓄圧管１１に連結される。燃料蓄圧管１
１はその内部に容積一定の蓄圧室１２を有し、こ
の蓄圧室１２内の燃料が燃料供給管１０を介して
燃料噴射弁８に供給される。一方、蓄圧室１２は
燃料供給管１３を介して燃料供給ポンプ１４の吐
出口に連結される。燃料供給ポンプ１４の吸込口
は燃料ポンプ１５の吐出口に連結され、この燃料
ポンプ１５の吸込口は燃料リザーバタンク１６に
連結される。また、燃料供給ポンプ１４の吐出口
は燃料返戻導管１７を介して燃料供給ポンプ１４
の吸込側に連結され、この燃料返戻導管１７内に
燃料供給ポンプ１４の吐出圧を制御可能な調圧弁
１８が配置される。従つてこの調圧弁１８によつ
て蓄圧室１２内の燃料圧が制御される。この調圧
弁１８は電子制御ユニツト４０に接続される。燃
料ポンプ１５は燃料リザーバタンク１６内の燃料
を燃料供給ポンプ１４内に送り込むために設けら
れており、燃料ポンプ１５がなくても燃料供給ポ
ンプ１４内に燃料を吸込むことが可能な場合には
燃料ポンプ１５を特に設ける必要はない。これに
対して燃料供給ポンプ１４は高圧の燃料を吐出す
るために設けられており、燃料供給ポンプ１４か
ら吐出された高圧の燃料は蓄圧室１２内に蓄積さ
れる。

なお、燃料供給ポンプ１４として可変容量型ポ
ンプを用いると更に好ましい。一方、各燃料供給
管１０内には夫々可変絞り弁１９が配置され、こ
れら可変絞り弁１９によつて各燃料供給管１０の
流路面積が制御される。第２図に示されるように
各燃料噴射弁８および可変絞り弁１９は電子制御
ユニツト４０に接続され、これら燃料噴射弁８お
よび可変絞り弁１９は電子制御ユニツト４０の出
力信号によつて制御される。また、機関本体１に
はクランクシヤフトの回転速度の1/2の速度で回
転する角度信号デイスク２０，２１が取付けら
れ、これら角度信号デイスク２０，２１の外周縁
に対面して圧縮下死点センサ２２と角度信号セン
サ２３が配置される。圧縮下死点センサ２２は例
えば１番気筒が圧縮下死点にあることを示す出力
パルスを発生し、従つてこの圧縮下死点センサ２
２の出力パルスからいずれの気筒の燃料噴射弁８
を作動せしめるかを決定することができる。角度
信号センサ２３はクランクシヤフトが一定角度回
転する毎に出力パルスを発生し、従つて角度信号
センサ２３の出力パルスから機関回転数を計算す
ることができる。これらのセンサ２２，２３は電
子制御ユニツト４０に接続される。また、アクセ
ルペダル２４にはアクセルペダル２４の踏込み量
に比例した出力電圧を発生する負荷センサ２５が
取付けられる。この負荷センサ２５は電子制御ユ
ニツト４０に接続される。

第４図に燃料噴射弁８と可変絞り弁１９の側面
断面図を示す。第４図を参照すると２６はノズ
ル、２７はノズルホルダ、２８はデイスタンスピ
ース、２９はスペーサ、３０はケースを夫々示
す。ノズル２６、デイスタンスピース２８および
スペーサ２９内には直列に配置されたニードル３
１とプランジヤ３２が摺動可能に挿入される。ノ
ズル２６の先端部にはニードル３１によつて開閉
制御されるノズル孔３３が形成される。ニードル
３１は円錐状をなす受圧面３４を有し、この受圧
面３４の周りにニードル加圧室３５ａが形成され
る。ニードル加圧室３５ａは一方では燃料通路３
５ｂおよび燃料導入孔３５ｃを介して燃料供給管
１０に連結され、他方ではニードル３１の周りに
形成された環状の燃料通路３５ｄを介してノズル
孔３３に連結される。プランジヤ３２の上端部は
プレート３６に当接しており、このプレート３６
とケース３０の頂部内壁面間にピエゾ圧電素子３
７が挿入される。また、スペーサ２９とプレート
３６間にはプレート３６を常時上方に向けて付勢
する皿ばね３８が挿入される。このピエゾ圧電素
子３７は薄板状の圧電素子を多数枚積層した積層
構造をなしており、このピエゾ圧電素子３７に電
圧を印加するとピエゾ圧電素子３７は電歪効果に
よつて長手方向の歪を生ずる、即ち長手方向に伸
びる。このときの応答性は極めて良好であり、電
圧を印加してから伸びるまでの応答時間は80μsec
程度である。電圧の印加を停止すればピエゾ圧電
素子３７はただちに縮む。ピエゾ圧電素子３７が
伸びるとニードル３１はプランジヤ３２を介して
下方に押圧され、その結果ニードル３１がノズル
孔３３を閉鎖する。従つてこのとき燃料の噴射が
停止される。一方、ニードル３１の受圧面３４に
は高圧の燃料圧が加わつているためにピエゾ圧電
素子３７が縮むとニードル３１はただちに上昇す
る。その結果、ニードル３１がノズル孔３３を開
口し、斯くして燃料噴射が行なわれる。このとき
のニードル３１の上昇量はニードル３１がデイス
タンスピース２８に当接することによつて規制さ
れる。このようにピエゾ圧電素子３７に印加する
電圧を制御することによつて燃料噴射を制御する
ことができる。ケース３０には燃料ポンプ１５の
吐出口に連結された燃料導入口３９ａと、リザー
バタンク１６に連結された燃料排出口３９ｂとが
形成され、燃料導入孔３９ａからケース３０内に
流入した燃料によつてピエゾ圧電素子３７が冷却
される。ピエゾ圧電素子３７はリード線３７ａを
介して電子制御ユニツト４０に接続される。

一方、可変絞り弁１９はハウジング８０と、ケ
ース８１と、ハウジング８０の中心軸線に沿つて
形成された軸孔８２内に摺動可能に挿入された弁
体８３と、軸孔８２を横切つて延びる燃料通路８
４と、プレート８５と、プレート８５とケース８
１の頂部内壁面間に挿入されたピエゾ圧電素子８
６と、プレート８５を常時上方に向けて押圧する
皿ばね８７とを具備し、ピエゾ圧電素子８６はリ
ード線８６ａを介して電子制御ユニツト４０に接
続される。弁体８３下方の軸孔８２内には弁体８
３を常時プレート８５に向けて押圧する圧縮ばね
８８が挿入される。更に、弁体８３下方の軸孔８
２はドレーンポート８２ａを介してリザーバタン
ク１６に連結され、それによつて漏洩した燃料を
リザーバタンク１６内に返戻するようにしてい
る。更に図面には示さないが弁体８３内にはその
中心軸線に沿つて延びる軸孔が形成されており、
ハウジング８０とプレート８５間に漏洩した燃料
をこの軸孔およびドレーンポート８２ａを介して
リザーバタンク１６内に返戻するようにしてい
る。弁体８３の外周面上には巾広の大溝８９と巾
狭の小溝９０とが隣接して形成される。ピエゾ圧
電素子８６に電圧が印加されていないとき、即ち
ピエゾ圧電素子８６が収縮しているときには第４
図に示すように大溝８９が燃料通路８４と整列し
ている。このときには燃料通路８４の絞り作用は
全く行なわれない。一方、ピエゾ圧電素子８６に
電圧が印加されてピエゾ圧電素子８６が伸びると
小溝９０が燃料通路８４と整列する。このときに
は燃料通路８４の流路面積が小溝９０によつて絞
られることになる。このようにピエゾ圧電素子８
６に印加する電圧を制御することによつて燃料通
路８４の流路面積、即ち燃料供給管１０の流路面
積の絞り制御を行なうことができる。

次に第５図を参照して電子制御ユニツト４０に
ついて説明する。第５図を参照すると波形整形回
路４２，４３にはそれぞれ圧縮下死点信号と角度
信号が導かれる。負荷センサ２５の信号はＡ／Ｄ
変換器４４を介してバスライン４５にデイジタル
化して伝えられる。回転周期カウンタ４６は波形
整形回路４２の信号によりリセツトされながら、
クロツク発信器４７からの時間信号をカウント
し、圧縮下死点信号の周期（＝エンジン回転周期
の1/2）でバスライン４５に信号を送る。角度カ
ウンタ４８は、波形整形回路４２からの圧縮下死
点信号によりリセツトされた後のエンジン回転角
度の経過を波形整形回路４３からの角度信号によ
りカウントし、コンパレータ４７に伝える。ラツ
チ５０は、事前噴射時期に対応した数値を保持
し、コンパレータ４９に伝える。コンパレータ４
９は角度カウンタ４８のカウント数がラツチ５０
の指示した事前噴射時期と一致した時に信号を発
生し、ダウンカウンタ５１及びフリツプフロツプ
６０に伝達する。ラツチ５２は、事前噴射時間に
対応した信号をバスライン４５から受けて保持
し、ダウンカウンタ５１にインプツトする。ダウ
ンカウンタ５１はコンパレータ４９からの信号に
よりカウントをスタートさせ、ラツチ５２から伝
達された数値からクロツク発信器４７からのクロ
ツク信号に対応して、ダウンカウントし、カウン
ト値が零となつたときに信号を発生し、フリツプ
フロツプ６０に信号を伝える。フリツプフロツプ
６０はコンパレータ４９からの信号（＝事前噴射
開始信号）により出力をハイレベルに切りかえ、
ダウンカウンタ５１の信号（＝事前噴射終了信
号）により出力をローレベルに切りかえる。５３
〜５８の回路は、主噴射の開始終了を出力する回
路であるが構成、作動は４８〜５２，６０と同一
なので説明を省略する。オア回路６６はフリツプ
フロツプ６０，５８から信号を受けて事前噴射期
間及び、主噴射期間に対応してハイレベル信号を
出す。駆動回路６４はオア回路６６の出力信号に
基いて昇圧電源回路６２から伝えられてきた数百
ボルトの電圧を燃料噴射弁８のピエゾ圧電素子３
７に印加する。オア回路６６がハイレベル信号を
出しているときにはピエゾ圧電素子３７に対する
電圧の印加が停止され、それによつて事前噴射、
続いて主噴射が行なわれる。

フリツプフロツプ６１は波形整形回路４２から
の圧縮下死点信号によりハイレベルとなり、ダウ
ンカウンタ５１からの事前噴射終了信号によりロ
ーレベルとなる。駆動回路６３はフリツプフロツ
プ６１の出力信号に基いて昇圧電源回路６２から
伝えられてきた数百ボルトの電圧を可変絞り弁１
９のピエゾ圧電素子８６に印加する。フリツプフ
ロツプ６１がハイレベル信号を出しているときに
はピエゾ圧電素子３７に電圧が印加され、それに
よつて事前噴射時には燃料供給管１０の流路面積
が絞られる。

Ｄ／Ａ変換器５９はバスライン４５から設定す
べき燃料供給ポンプ１４の燃料吐出圧に対応した
信号を受けてアナログ値に変換して出力する。駆
動回路６５はＤ／Ａ変換器５９からの信号に対応
した、電流又は電圧信号を調圧弁１８に出力し、
燃料供給ポンプ１４の吐出圧を制御する。

CPU６６は、波形整形回路４２からの圧縮下
死点信号により割込み演算をスタートする。
ROM６７はプログラムを記憶し、RAM６８は
プログラム演算処理過程の数値記憶を行う。

第７図に電子制御ユニツト４０の各部ａ〜ｈに
おける信号波形を夫々ａ〜ｈに示す。また、第７
図においてｉは可変絞り弁１９下流の燃料圧（噴
射圧）を示しており、ｊは燃料噴射弁８の燃料噴
射率を示す。事前噴射時は可変絞り弁１９による
絞り作用が行なわれるために可変絞り弁１９後流
の燃料圧（噴射圧）が低下し、その結果燃料噴射
弁８から噴射される燃料の噴射率が低下して噴射
燃料の貫徹力が小さくなる。

次に第６図を参照して処理ルーチンについて説
明する。まず始めにステツプ100においてイニシ
ヤライズ処理が行なわれ、次いでステツプ101に
おいて割込みが許可されると以下の処理が行なわ
れる。まず始めに、ステツプ102においてアクセ
ル踏込量θ_aを表わす負荷センサ２５の出力信号を
読込む。次いでステツプ103で回転周期を読込ん
でステツプ104において機関回転数NEを計算す
る。次いでステツプ105では事前噴射開始角度θ₁
が求められ、ステツプ106において事前噴射時間
t₁が求められる。事前噴射開始角度θ₁は第９図に
おいてＰで示されるように事前噴射が圧縮下死点
から圧縮上死点前90°の範囲に終了するように、
アクセル開度と機関回転数の関数（又はマツプ）
としてあらかじめプログラムされている。演算時
は、この値を算出又は読み出す。一方、事前噴射
時間t₁はアクセル開度及び機関回転数に対応して
必要な全噴射量の中のどの程度を事前噴射すべき
かを、別に定まる噴射圧を考慮して噴射期間とし
て定め、アクセル開度及び、機関回転数の関数又
はマツプとして、プログラムされている。このと
きの事前噴射量は圧縮着火を起し得ない等量比
0.3以下に定められる。なお、この事前噴射期間
は噴射量確保のために燃料圧を、特に高圧化する
必要のない低回転負荷では零として、事前噴射を
高速高負荷運転時においてのみ行ない、事前噴射
に起因して起こりやすい全噴射量のバラツキによ
る機関の不安定をこれが問題となりやすい低回転
低負荷運転時に回避するように構成することも可
能である。

次いでステツプ107では主噴射開始角度θ₂が求
められ、次いでステツプ108では主噴射時間t₂が
求められる。主噴射開始角度θ₂は主噴射によつて
起る着火燃焼の開始が機関性能上最適となるよう
に実験的に確認された値をアクセル開度、機関回
転数のマツプとしてプログラムしておくのが一般
的である。主噴射時間t₂は事前噴射後の残りの必
要燃料量を別に定めた燃料圧を前提として、調量
噴射するようにアクセル開度機関回転数のマツプ
としてプログラムされている。第９図のＭは主噴
射を示す。

次いでステツプ109では噴射圧Ｐが求められる。
噴射圧Ｐは主噴射が機関性能上適した噴射期間で
行なわれるようにアクセル開度、機関回転数のマ
ツプとしてプログラムされている。

次いでステツプ110ではθ₁、θ₂、t₁、t₂、Ｐが出
力されて処理サイクルが完了する。

なお、上述の実施例ではアクセル開度と機関回
転数に基いて噴射制御を行なうようにしている
が、噴射精度を高めたり、その他の条件によるエ
ラーを修正するために温度、吸気圧等の信号を加
えて噴射制御を行なうことも可能である。

第８図は噴射圧MP_aと機関回転数NEとの関係
を示している。例えば、60mm³の燃料を噴射する場
合（噴孔径0.24×４穴の多噴孔ノズル使用）燃焼
に適した噴射期間として30°を想定すると、従来
のシステムでは、Ａに示される様に高速側で過大
な噴射圧が必要となり、5000rpmでは80MP_a以上
となる。これに対し、本発明では約1/3の18mm³を
事前噴射すればＢのように噴射圧は約1/2で噴射
可能となる。

〔発明の効果〕

噴射圧を低く設計できるので、高圧燃料供給ポ
ンプの設計が容易となり、しかもポンプの耐久
性、信頼性を向上することができる。また、高圧
燃料供給ポンプの駆動々力が低減されるので機関
全体としての出力、燃費を向上することができ
る。また、圧縮行程前半に事前噴射する場合、燃
料室内の圧力、空気密度が低いために通常の噴射
圧で燃料を噴射すると噴霧が燃焼室壁まで到達し
て付着し、燃焼の悪化、排気未燃物（HC）増加
の可能性があるが、本発明では、事前噴射時のみ
の噴射圧を低下させることにより、これらの問題
を回避することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成図、第２図はデイーゼル
機関の全体図、第３図はデイーゼル機関の側面断
面図、第４図は燃料噴射弁および可変絞り弁の側
面断面図、第５図は電子制御ユニツトの回路図、
第６図は噴射制御を実行するためのフローチヤー
ト、第７図は電子制御ユニツトの各部の作動を示
すタイムチヤート、第８図は噴射圧と機関回転数
の関係を示す線図、第９図は噴射時期を示す線図
である。８……燃料噴射弁、１０……燃料供給管、１２
……燃料蓄圧室、１４……燃料供給ポンプ、１９
……可変絞り弁。

Claims

【特許請求の範囲】

１各気筒がピエゾ圧電素子により制御される
夫々一個の燃料噴射弁を具備し、各燃料噴射弁を
共通の高圧燃料蓄圧室に連結し、圧縮下死点から
圧縮上死点前90度以内に行なわれる等量比で0.3
以下の事前燃料噴射の噴射時期および噴射量を設
定する事前噴射設定手段と、主噴射の噴射時期お
よび噴射量を設定する主噴射設定手段とを具備
し、更に各燃料噴射弁と高圧燃料蓄圧室間に可変
絞り弁を設けて事前噴射時に各燃料噴射弁に供給
される高圧燃料の流路を絞るようしたデイーゼル
機関の燃料噴射装置。