JPS6287609A - 直噴式デイ−ゼル機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は直噴式ディーゼル機関に関する。

〔従来の技術］ 現在一般的に使用されているディーゼル機関においては
燃料噴射弁が多数のノズル孔を具えているもの、或いは
燃料噴射弁が単一のノズル孔を具えているものがある。

しかしながら燃料噴射弁が多数のノズル孔を具えている
場合には噴射ノズルサックボリューム内に燃料が滞留し
、この滞留燃料により未燃炭化水素が発生したり、或い
は多点において同時に着化燃焼が行なわれるために燃焼
騒音が発生したり、ＮＯｘが増大するという問題がある
。これに対して燃料噴射弁が単一のノズル孔を具えてい
る場合にはこれらの問題を回避することができるが燃料
の分散、混合が不十分なためにスモークが増大し、高負
荷域における燃料消費率が悪化すると共にスワールを強
める必要があるために高速域において吸入空気量が不足
し、十分高い出力が得られないという問題がある。

これに対して燃料噴射を複数回に分割して行ない、機関
運転状態に応じて各噴射の間隔を制御するようにしたデ
ィーゼル機関が公知である（特開昭６０−１７２５０号
公報参照）。このように燃料噴射を複数回に分割して行
なうと空気利用率を高めることができ、噴射燃料と空気
との混合を促進することができる。

゛〔発明が解決しようとする問題点〕 しかしながらこのように燃料噴射を単に分割しただけで
は噴射燃料が燃焼室の同一領域に噴射されるので噴霧が
互いに重なってスモークが発生したり、また空気利用率
を高めるためにはスワールを強くしなければならないの
で吸入空気量が不足し、高出力が得られないという問題
がある。

〔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本発明によればピストン頂
部に凹溝を形成して凹溝内に燃焼室を形成するようにし
た直噴式ディーゼル機関において、燃料噴射弁の単孔ノ
ズルを燃焼室の一例周辺部に配置し、単孔ノズルを燃焼
室の他側周辺部に指向せしめると共に単孔ノズルを噴射
燃料が燃焼室中心の側方を通過するように配置し、燃料
噴射弁からの燃料噴射率を始めは高くし次いで低くする
ようにしている。

〔実施例〕

第１図から第４図を参照すると、１はディー（ｆル機関
本体、２はシリンダブロック、３はシ１１ンダヘッド、
４はピストン、５は燃焼室５，６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
ニホルドを夫々示す。ピストン４の頂部には凹溝４ａが
形成され、この凹溝４ａ内に燃焼室５が形成される。燃
料噴射弁８は後述するように単一のノズル孔、即ち単孔
ノズル２５を有し、この単孔ノズル２５ば燃焼室５の一
側周辺部に配置される。、０の単孔ノズ７１・２５は燃
焼室５の他側周辺部に向けて指向され、ｊ７かもこの単
孔ノズル２５は第２図に示すように噴射燃杆ｉＦが燃焼
室中心Ｇの側方を通るように配置される。

第１図に示されるように燃料噴射弁８はシリングヘッド
３に傾斜して取付けられているので用孔ノズル２５から
噴射された燃料は燃焼室５の一例周辺部の上方から燃焼
室５の他側周辺部の下方に向けて噴射されることになる
。第１図および第４図に示されるように燃料噴射弁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１１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
に一定圧で開弁するリリーフ弁１８が配置される。従っ
てこのリリーフ弁１８によって蓄圧室１２内の燃料圧は
一定に保持される。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（でも燃料供給
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。

第５図に燃料噴射弁８の側面断面図を示す。第５図を参
照すると、２０は燃料噴射弁本体、２１はノズル、２２
はスペーサ、２３はノズル２１およびスペーサ２２を燃
料噴射弁本体２０に固定Ｊるためのノズルホルダ、２４
は燃料流入口、２５はノズル２１の先端部に形勢された
単孔ノズルを夫々示す。燃料噴射弁本体２０、スペーサ
２２、ノズル２１内には互いに直列に配置された制？′
！Ａロンド２６、加圧ビン２７およびニードル２８が摺
動可能に挿入される。制御！−］ソド２６の上方には燃
料室２９が形成され、この燃料室２９は燃料流入口２４
および燃料供給管１０を介して蓄圧室１２（第２図）に
連結される。従って燃料室２９内には蓄圧室１２内の燃
料圧が加わっており、燃料室２９内の燃料圧が制御ロッ
ド２６の−ｈ面に作用する。ニードル２８は円錐状をな
す受圧面３０を有し、この受圧面３Ｃの周りにニードル
加圧室３１が形成される。ニードル加圧室３１は一方で
は燃料通路３２を介して燃料室２９に連結され、他方で
はニードル２８の枯１りに形成された環状の燃料通路３
３を介して単孔ノズル２５に連結される。燃料噴射弁本
体２０内Ｑこは加圧ビン２７を下方に向けて付勢する圧
縮ばね３４が挿入され、ニードル２８はこの圧縮ばね３
４によって下方に押圧される。制御ロンド２６はその中
間部に円錐状をなす受圧面３５を有し、この受圧面３５
の周りに制御ロッド加圧室３６が形成される。加圧室３
６は燃料噴射弁本体２０内に形成されたシリンダ３７内
に連通せしめられ、このシリンダ３７内には油圧ピスト
ン３８が摺動可能に挿入される。

この油圧ピストン３８にはＯリング３９が取付けられて
いる。

一方、燃料噴射弁本体２０には油圧ピストン３８を駆動
するための駆動装置４０が取付けられる。この駆動装置
４０は燃料噴射弁本体２０に固締されたケーシング４１
と、油圧ピストン３８およびケーシング４０間に挿入さ
れたピエゾ圧電素子４２からなる。このピエゾ圧電素子
４２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４２に電圧を印加すると
ピエゾ圧電素子４２は電歪効果によって長手方向の歪を
生ずる。即ち長手方向に伸びる。この伸び量は例えば５
０μｍ程度の少量であるが応答性が極めて良好であり、
電圧を印加してから伸びるまでの応答時間は８０μＳｅ
Ｃ程度である。電圧の印加を停止すればピエゾ圧電素子
４２はただちに縮む。第５図に示されるように油圧ピス
トン３８と燃料噴射弁本体２０間には皿ばね４３が挿入
され、この皿ばね４３のばね力によって油圧ピストン３
８はピエゾ圧電素子４２に向けて押圧される。

第６図に示すように油圧ピストン３８内には燃料通路４
４が形成され、この燃料通路４４内には逆止弁４５が挿
入される。ケーシング４１とピエゾ圧電素子４２間には
ピエゾ圧電素子４２を冷却するために図示しない装置に
よって燃料が循環せしめられ、制御ロッド加圧室３６内
の燃料が漏洩するとケーシング４１内の燃料が燃料通路
４４および逆止弁４５を介して制御ロンド加圧室３６内
に補給される。

制御ロッド加圧室３６内の燃料が加圧されていない場合
にはニー・ドル２８には制御ロンド２６の上面に作用す
る下向きの力と、圧縮ばね３４による下向きの力と、ニ
ー・ドル２８の受圧面３０に作用する上向きの力が加わ
る。このとき下向きの力の総和が上向きの力よりも若干
大きくなるように制御ロッド２６の経、圧縮ばね３４の
ばね力およびニードル２８の受圧面３０の面積が設定さ
れている。従って通常ニードル２８には下向きの力が作
用しており、斯くして通常ニードル２８は単孔ノズル２
５を閉鎖している。次いでピエゾ圧電素子４２に電圧が
印加されるとピエゾ圧電素子４２が伸びるために油圧ピ
ストン３８が左方に移動し、その結果制御ロンド加圧室
３６内の圧力が上昇する。このとき制御ロッド２６の受
圧面３５に上向きの力が作用するために制御ロッド２６
が上昇し、斯くしてニードル２８が上昇するために単孔
ノズル２５から燃料が噴射される。このときの応答性は
上述したように８０μＳｅｃ程度であって掻めて速い。

一方、ピエゾ圧電素子４２への電圧の印加が停止せしめ
られるとピエゾ圧電素子４２は縮み、その結果制御ロッ
ド加圧室３６内の燃料圧が低下するために制御ロッド２
６およびニードル２８が下降して燃料噴射が停止せしめ
られる。このときの応答性も８０μｓｅｃ程度であって
極めて速い。

なお、上述したように制御ロッド加圧室３６内の燃料が
加圧されていない場合にニードル２８に作用する下向き
の力の総和は上向きの力よりも若干太き（なるように制
御ロッド２６の径、圧縮ばね３４のばね力およびニード
ル２８の受圧面３０の面積が定められている。従って制
御ロッド２６の受圧面３５に小さな上向きの力を加えれ
ばニードル２８を上昇させることができる。即ち、ニー
ドル２８を上昇させるために昇圧すべき制御ロッド加圧
室３６内の燃料圧は小さくてずみ、斯くしてピエゾ圧電
素子４２に加えるべき電力も小電力で足りる。

再び第４図を参照すると、燃料噴射弁８を制御するため
の電子制御ユニット５０が設けられる。

この電子制御ユニット５０はディジタルコンピュータか
らなり、双方向性バス５１によって相互に接続されたＲ
ＯＭ　　（リードオンメモリ）５２、ＲＡＭ（ランダム
アクセスメモリ）５３、ｃｐｕ　　ｃマイクロプロセッ
サ）５４、入力ボート５６を具備する。

第４図に示されるように機関クランクシャフトには一対
のディスク６０　、６１が取付けられ、これらのディス
ク６０　、６１の歯付外周面に対向して一対のクランク
角センサ６２　、６３が配置される。一方クランク角セ
ンサ６２は例えば１番気筒が吸気上死点にあることを示
す出力パルスを発生し、従ってこのクランク角センサ６
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。他方のクランク角
センサ６３はクランクシャフトが一定角度回転する毎に
出力パルスを発生し、従ってクランク角センサ６３の出
力パルスから機関回転数を計算することができる。

これらのクランク角センサ６２　、６３は入力ボート５
５に接続される。また、アクセルペダル６４已こはアク
セルペダル６４の踏込み量に比例した出力電圧を発生す
る負荷センサ６５が取付けられる。

この負荷センサ６５はＡＤ変換器６６を介して入力ボー
ト５５に接続される。一方、出力ポート５６は各燃料噴
射弁８のピエゾ圧電素子４２を駆動制御するための駆動
回路７０に接続される。

第７図にピエゾ圧電素子４２を駆動制御するた・めの駆
動回路７０の回路図を示す。なお、第７図において各燃
料噴射弁８のピエゾ圧電素子４２を夫々４２ａ、　４２
ｂ、　４２ｃ、　４２ｄで示す。第７図において各端子
７１ａ、　７１ｂ、　７１ｃ、　７１ｄは対応するピエ
ゾ圧電素子４２ａ、　４２ｂ、　４２ｃ、　４２ｄに電
圧を印加するための端子であり、各ピエゾ圧電素子４２
ａ、　４２ｂ、　４２ｃ、　４２ｄの他の端子？２ａ、
　７２ｂ、　７２ｃ、　７２ｄは接地される。また、第
７図においてＳＩ〜Ｓ４は充電側のスイッチング素子、
Ｓ、〜Ｓ３は放電側のスイッチング素子であってこれら
のスイッチング素子＄１−３ｌｌとし７て例えばサイリ
スタが用いられる。また、Ｌ、は充電側のコイル、Ｌ、
〜Ｌ４は放電側のコイル、Ｃ０はコンデンサ、■。は直
流電源、Ｔはトランジスタ、ＣＯＭはコンパレータを示
す。トランジスタＴのコレクタは電源ｖ０に接続され、
トランジスタＴのエミッタはコイルＬ０を介して各サイ
リスタＳ、〜Ｓ４に接続される。また、トランジスタＴ
のエミッタはコンデンサＣ０を介して接地される。トラ
ンジスタＴのベースは抵抗Ｒを介してコンパレータＣＯ
Ｍの出力端子に接続される。

コンパレータＣＯＭの反転入力端子はトランジスタＴの
エミッタとコンデンサＣ０間に接続され、コンパレータ
ＣＯＭの非反転入力端子は駆動回路７３に接続される。

各サイリスタＳ　Ｉ−Ｓ　ｓのゲートＧｌ　””’ＯＢ
および駆動回路７３の入力端子Ｏは電子制御ユニット５
０の出力ポート５６に接続される。駆動回路７３は出力
ポート５６に出力される出力信号に応じた出力電圧を発
生し、この出力電圧がコンパレータＣＯＭの非反転入力
端子に印加される。

次に第８図に示すタイムチャートを参照しつつ燃料噴射
弁８の基本的な燃料噴射制御について説明する。なお、
第８図においてＣＧは充電側サイリスタ３１〜Ｓ４のゲ
ートＧ、〜Ｇ４４ご人力される噴射開始信号、ＤＧは放
電側サイリスタＳ、〜Ｓｓのゲー）Ｇｓ””Ｇｅに入力
される噴射停止ト信号、０は燃料噴射弁８のニードルリ
フｂｉｔを定める駆動回路７３の出力電圧、Ｃはコンデ
ンサｃ０に蓄えられる電荷量、Ｌはニードル２８　（第
５図）のリフト量、Ｒは燃料噴射率を夫々示す７以下、
説明を理解しやすくするためにピエゾ圧電素子４２ａを
制御する場合についてのみ説明する。

噴射開始信号ＣＧ、が発生する前は後述するように駆動
回路７３の出力電圧によって定まる電荷量がコンデンサ
Ｃ０に蓄えられている。次いで噴射開始信号ＣＧ、がゲ
ートＧ、に入力されるとサイリスタＳ１は一時的にター
ンオンする。このときコンデンサＣ０とコイルＬ０とが
共振回路を構成するためにピエゾ圧電素子４２ａに印加
される電圧が昇圧され、コンデンサＣｏに蓄えられた電
荷がピエゾ圧電素子４２ａに供給されてピエゾ圧電素子
４２ａが充電される。このときの充電量はコンデンサＣ
０に蓄えられていた電荷量に比例する。一方、ピエゾ圧
電素子４２ａの伸び量はピエゾ圧電素子４２ａへの充電
量に比例するのでピエゾ圧電素子４２ａの伸び量はコン
デンサＣ０に蓄えられた電荷量に比例する。一方、第５
図かられかるように油圧ピストン３８の変位量はピエゾ
圧電素子４２ａの伸び量に比例しており、制御ロンド２
６のリフト量は油圧ピストン３８の変位量に比例するの
でニードル２８のリフト量はピエゾ圧電素子４２ａの伸
び量に比例する。結局、ニードル２８のリフト量はコン
デンサＣ６に蓄えられる電荷量に比例することになる。

また、ニードル２８のリフト量が多くなるほど単位時間
当りに単孔ノズル２５から噴射される燃料量が増大し、
従ってニードル２日のリフト量が多くなるほど燃料噴射
率が大きくなる。

従って燃料噴射率はコンデンサＣ０に蓄えられる電荷量
に比例することになる。

次いで噴射停止信号ＤＧＩがゲートＧｓに入力されると
サイリスタＳ５は一時的にターンオンする。このときコ
イルＬ１による逆起電力によってピエゾ圧電素子４２ａ
には負の電圧が印加し、その結果ピエゾ圧電素子４２ａ
の電荷がただちに放電せしめられるためにピエゾ圧電素
子４２ａがただちに収縮して燃料噴射が停止せしめられ
る。一方、噴を 射開始信号ＣＧ　＋の立下りをトリガとして駆動回路７
３の出力電圧が変化せしめられる。噴射開始信号ＣＧ、
がゲートＧＩに入力されるとコンデンサＣ０の端子電圧
が低下するためにコンパレータＣＯＭの出力電圧が高レ
ベルとなり、その結果トランジスタＴがオンとなってコ
ンデンサＣ０が徐々に充電される。次いでコンデンサＣ
０の端子電圧が駆動回路７３の出力電圧を越えるとコン
パレータＣＯＭの出力電圧は低レベルとなる。その結果
、トランジスタＴはオフとなり、コンデンサＣ０への充
電が停止せしめられる。次いで再び噴射開始信号ＣＧ　
ｚが発生せしめられるが噴射開始信号ＣＧｔが発生する
直前のコンデンサＣ０の充電量は噴射開始信号ＣＧＩが
発生する直前コンデンサＣ０の充電量よりも多いために
噴射開始信号ＣＧ　ｚがゲートＧＩに入力されたときに
はニードル２８のリフトＩＬが大きくなり、従って燃料
噴射率Ｒも増大する。以上の説明かられかるように各ゲ
ートＧ　＋〜Ｇ８に入力される噴射開始信号および噴射
停止信号によって任意の時期に噴射を開始できると共に
噴射期間を自由に定めることができ、更に駆動回路７３
の出力電圧によってニードル２８のリフト量りを変化さ
せて燃料噴射率Ｒを自由に制御することができる。

次に第９図に示すフローチャートに基いて本発明による
燃料噴射方法について説明する。なお、第９図に示す噴
射制御は所定のクランク角毎に実行される。第９図を参
照するとまず始めにステップ１００において機関回転数
ＮＥを表わすクランク角センサ６３の出力信号と、機関
負荷りを表わす負荷センサ６５の出力信号が取込まれる
。次いでステップ１０１では先噴射時期ＴＩ　、先噴射
期間り４、先噴射のニードルリフトｔＶｌ　、後噴射時
期Ｔ２、後噴射期間Ｌ２および後噴射のニードルリフト
ｆｆｉ　ｖ　ｚが求められる。これらのＴ１．ＬＩ。

Ｖ　＋　、　Ｔ　ｚ、Ｌ　２およびＶ２は機関回転数Ｎ
Ｅおよび負荷りの関数として予めＲＯＭ　５２内に記憶
されている。次いでステップ１０２ではこれらのＴ　＋
、　Ｌ　１．　Ｖ　ｌ。

Ｔ　ｚ、　Ｌ　ｚ、Ｖ　ｚを表わすデータが出力ポート
５６に書き込まれ、このデータに基いて燃料噴射が行な
われる。第１０図は燃料噴射の一例を示す。第１０図に
おいて縦軸は燃料噴射率Ｒを示し、横軸はクランク角θ
を示す。第１０図に示されるように本発明においては２
回に分割して噴射が行なわれ、先噴射Ａの燃料噴射率Ｒ
が後噴射Ｂの燃料噴射率Ｂよりも高いことがわかる。即
ち、本発明では燃料噴射弁８の単孔ノズル２５から始め
に高い燃料噴射率で燃料が噴射され、次いで低い燃料噴
射率で燃料が噴射される。

次に第１１図を参照して先噴射Ａおよび後噴射Ｂの噴射
時期および燃料噴射率について説明する。

第１１図（ａｌは先噴射Ａを行なったところを示す。

先噴射Ａはニードルリフト量が大きく、従って燃料噴射
率が高いために噴射燃料の貫徹力が大きい。

その結果、燃料噴霧は単孔ノズル２５と反対側の燃焼室
５の周辺部に集まる。この燃料量ｉＡは拡敗しつつスワ
ールｗ４ご乗って旋回する。この燃料噴霧Ａが第１０図
（ｂｌ　ａこ示す上・）に燃焼室５の中心に対して単孔
ノズル２５とほぼ反対側に達したときに後噴射Ｂが行な
われる。この後噴射Ｂはニードルリフト量が小さく、従
って燃料噴射率が低い。

その結果、噴射燃料（、−）貫徹力は弱（、斯くして燃
料噴霧Ｂは単孔）【ル２５の周りに形成される。

従って燃焼室５内に１；いて先噴射による燃料噴霧Ａと
後噴射による燃料噴霧が空間的に分離されることになる
。先噴射および後噴射の噴射時期および燃料噴射率は、
−のＪ−・らル、：燃料噴霧Ａと燃料噴霧Ｂとが空間的
に分離されるように設定される。

次いで、第１１図（ｃ）に示すように先噴射による燃料
へが着火燃焼）↓“・！７められ、次いで第１１図（ｄ
）に示すように後噴射Ｇこよる燃料Ｂが着火燃焼せしめ
られる。第１２図は熱発生率を示す。第１２図において
破線は従来の単一・−噴射のディーゼル機関における熱
発生率を承ｊ７、ａは先噴射Ａによる熱発生率を示し、
ｂ　＋、ま後噴射による熱発生率を示す。

従って本発明では熱発生率はａとｂとの和であって曲線
Ｃで示される。このように本発明では燃焼が時間遅れを
もって２段階で行なわれるので燃焼がおだやかとなり、
斯くして燃焼騒音の発生が抑制される。

〔発明の効果〕

先噴射による燃料噴霧と後噴射による燃料噴霧とが空間
的に分離さｆｌ、　′Ｉ）ので空気利用率が高められ、
斯くしてスモークの発生を抑制することができる。また
、燃焼が時間遅れをり１、て２段階で行なわれるので燃
焼騒音の発生を抑制ずイ）ことができ、し、かも燃焼温
度のピークイ直が低下するのでＮＯｘの発生を抑制する
ことができる。また、それほど強力なスワールを必要と
しないので低スマフールを発生しうる吸気ボート構１・
：にとずれ）、ヨよく、従って高い吸入空気量を確保で
きるので高出力を得ることができる。更に、燃料噴射弁
を燃焼室の周辺部に配置することができるので吸排気弁
の配置に関して燃料噴射弁との干渉を考燈する必要がな
く１、従って吸排気弁を最適な位置に配置することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図はディーゼル機関の側面断面図、第２図はピスト
ン頂面の平面図、第３図は第１図のｍ−１Ｉｌ線に沿っ
てみた側面断面図、第４図はディーゼル機関の全体図、
第５図は燃料噴射弁の側面断面図１、第６図は油圧ビス
１−ンの平面断面図、第７図はピエゾ圧電素子を駆動す
るための駆動回路の回路図、第８図は夕、イムチャート
、第９図は本発明に係る燃料噴射方法を実行するための
フローチャート、第１０図は燃料噴射率を示す線図、第
１１閑は燃料噴射作用を説明するだめの図、第１２図！
、よ熱発生率を示す線図である。 ４ａ・・・凹溝、　　　　　５・・・燃焼室、８・・・
燃料噴射弁、　　２５・・・単孔ノズル。 第２図 第３図 第４図 第５図 も６図 第７図 第８図 第９図 ｅ 第１０図 第１１図 第１２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ピストン頂部に凹溝を形成して該凹溝内に燃焼室を形成
   するようにした直噴式ディーゼル機関において、燃料噴
   射弁の単孔ノズルを燃焼室の一側周辺部に配置し、該単
   孔ノズルを燃焼室の他側周辺部に指向せしめると共に該
   単孔ノズルを噴射燃料が燃焼室中心の側方を通過するよ
   うに配置し、該燃料噴射弁からの燃料噴射率を始めは高
   くし次いで低くするようにした直噴式ディーゼル機関。