WO2007097052A1

WO2007097052A1 - 内燃機関の燃料噴射システム

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Publication number: WO2007097052A1
Application number: PCT/JP2006/312223
Authority: WO
Inventors: Hiroaki Kato; Takao Iwasaki; Teruo Ohsawa
Original assignee: Bosch Corp
Current assignee: Bosch Corp
Priority date: 2006-02-24
Filing date: 2006-06-19
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2008-08-24
Also published as: EP1990531A1; US20090025686A1; JP2007224833A; EP1990531A4; CN101384815A; KR20080072964A

Abstract

　高圧燃料を内燃機関の燃料噴射部に対して効率的に供給できるとともに、ポンプの汎用化が可能であって、修理、交換脱着等のメンテナンス性に優れた燃料噴射システムを提供する。　カムを備えた内燃機関に脱着可能であり、カムの回転に伴って燃料を高圧化して圧送する一つのカセット式ポンプと、一つのカセット式ポンプから圧送される高圧燃料を蓄積するとともに複数の燃料噴射部に対して高圧燃料を供給するコモンレールと、を備えた内燃機関の燃料噴射システムであって、カムはカムシャフトに固定され、当該カムシャフトは内燃機関のクランクシャフトに対して所定のギア比で接続されており、一つのカセット式ポンプは、カムの回転に伴って燃料を加圧するためのプランジャと、プランジャによって加圧された燃料を吐出するための吐出弁と、をそれぞれ一つのみ備えることを特徴とする。

Description

明細書

内燃機関の燃料噴射システム

技術分野

[0001] 本発明は、内燃機関の燃料噴射システムに関し、主として、農業機械や建設機械、船舶等の産業用エンジンに用いられる内燃機関の燃料噴射システムに関する。背景技術

[0002] 従来、農業機械や建設機械等に用いられる産業用エンジンでは、ディーゼルェンジンの燃料噴射部カゝら燃料を噴射する燃料噴射システムとして、カセット式ポンプと燃料噴射弁とを備えた燃料噴射システムが用いられて、る。この燃料噴射システムは、エンジンに取り付けられたカセット式ポンプによって高圧化した燃料を圧送するとともに、圧送された燃料を燃料噴射弁によって内燃機関の気筒内に噴射するものである。

[0003] この燃料噴射システムにおいて、燃料噴射弁は、燃料の圧力が所定値を超えた場合に開放される一方、所定値を下回る場合に閉じられる、逆支弁構造の弁が用いられており、燃料の噴射量及び噴射タイミングは、主として、カセット式ポンプ側で制御されている。

力かるカセット式ポンプとして、図 5に示すように、カムを備えたディーゼルエンジンに脱着可能なポンプ 300であって、ハウジング 301内に保持された円筒状のバレル 3 03と、バレル 303内を往復動自在に配置されカムの回転に応じて燃料を加圧するためのプランジャ 305と、プランジャ 305を、燃料を加圧する方向とは反対方向へ付勢するスプリング 307と、プランジャ 305によって加圧された燃料を吐出するための吐出弁 309と、を備えたポンプがある（例えば、特許文献 1参照)。

このカセット式ポンプは、プランジャが下降している状態で、ハウジングに設けられた燃料通路を介して燃料加圧室に燃料が送り込まれるとともに、エンジンに備えられたカムの回転に伴いプランジャが上昇し、吸入ポートが閉じられ、燃料加圧室内の燃料を高圧化する。そして、燃料が所定圧力を超えた場合には、吐出弁を介して、対応する燃料噴射部に燃料が圧送される。 [0004] このようなカセット式ポンプにおいて、圧送する燃料の流量の制御は、プランジャに設けられた、軸方向に対して斜め方向に形成された溝からなるリードと、当該プランジャを、軸を中心に回転させるためのラック機構とを用いて行われている。詳細には、プランジャにリードが設けられて、るため、プランジャが所定位置まで上昇した場合には、燃料加圧室と燃料通路が連通し、燃料加圧室内の燃料がリードを介して燃料通路側にスピルされ、圧送される燃料の流量が規定される。また、リードがプランジャの軸方向に対して斜め方向に設けられているため、プランジャの回転位置によって、燃料加圧室内の燃料が戻される時点での燃料加圧室内の容量が規定され、吐出する燃料の流量が所望の値に制御される。力かるプランジャの回転位置は、エンジンに接続されたガバナ機構等によってラック機構を制御することにより決定される。

また、このようなカセット式ポンプにおいて、燃料の噴射タイミングの制御は、例えば、タイマを設け、カムシャフトを進角させてプランジャの上昇タイミングの調整を図ることにより行われている。

[0005] また、従来のカセット式ポンプを用いた燃料噴射システムでは、エンジンの気筒数に対応させたポンプの筒数 (プランジャの数)が採用されている。そして、吸気カも排気までの 1サイクル中に 2回転するエンジンの場合、エンジンの回転数に対するボンプの回転数を規定するギア比を 1Z2に設定し、 1サイクルで、エンジンのそれぞれの気筒内にメイン噴射を 1回ずつ行うように設定されて!、る。力かる従来の構成にぉヽては、複数の筒数のポンプを用いたり、さらには、一つ又は複数の筒数のポンプを複数用いたりするとともに、必要とされるエンジンの出力に応じて、プランジャ径やプラン

、る。

[0006] 一方、自動車や大型車用に用いられるエンジンの燃料噴射システムとして、蓄圧器

(コモンレール）を用いた蓄圧式燃料噴射システム（以下、コモンレールシステムと称する場合がある。）が各種提案されている。この蓄圧式燃料噴射システムは、図 6〖こ示すよう〖こ、ポンプ本体 411と、フィードポンプ 407と、調量弁 419とを備免るととちに、ポンプ自体にカム 415を備えた燃料供給用ポンプ 410と、燃料供給用ポンプ 410 力圧送される高圧燃料を蓄積するとともに複数のインジヱクタに対して圧送する蓄圧器 420と、圧送される燃料を内燃機関の気筒に対して噴射するインジヱクタ（図示せず）とを備えている。

[0007] 力かる蓄圧式燃料噴射システム 400にお、て、燃料の噴射量制御は、燃料供給用ポンプ 410の調量弁や、インジェクタにおける弁の開度を電磁的に制御することにより行われている。また、燃料の噴射タイミングの制御は、インジェクタにおける弁を開放するタイミングを電磁的に制御することにより行われている。

このような蓄圧式燃料噴射システムは、燃料の圧力をより高圧化できるとともに、燃料の噴射量や噴射タイミングを精密に制御できるため、エンジンの運転状態の制御や放出される排気ガスの清浄ィ匕を容易に実現できるものである。

特許文献 1 :特公平 7— 117017号公報（図 6)

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0008] しカゝしながら、特許文献 1に記載されたカセット式ポンプを用いた燃料噴射システムは、カセット式ポンプの機械的な構成によって噴射量や噴射タイミングの制御を行うものであり、制御を精度よく行うためには、それぞれの部材の構造が複雑化する一方、ポンプやカムの高精度な設計が要求されて、た。

また、近年における燃料のさらなる高圧化の要請に対応するためには、プランジャの径ゃストローク量を大きくしたり、あるいは、エンジン側のカム山の形状を改良したりする必要があった。さらに、従来のカセット式ポンプは、高圧燃料がスピルされることによる磨耗や損傷を防ぐ対策を講じる必要があり、さらなる高圧化に応えるためには、部材の構造をより複雑ィ匕する必要があった。一方、それらの部材の構成を複雑ィ匕した場合には、強度が低下し、燃料の高圧化に限界がみられたり、耐久性が低下したりするおそれがあった。

[0009] また、従来のカセット式ポンプは、筒数（プランジャの数）やプランジャ径、プランジャのストローク量が異なる複数の種類のポンプを準備しつつ、エンジン出力や気筒数等に対応させて用いるポンプを異ならせていた。また、その結果として、それぞれ用 V、られる部品も異なってくるために、生産コストを低下させられな、要因となって!/ヽた。さらに、複数のプランジャを備えたポンプの場合、小型化にも限界があるため、内燃機関における搭載スペースも大きくなつて、内燃機関を小型化しづらいという問題もあった。

[0010] 一方、図 6に示すような蓄圧式燃料噴射システムは、調量弁やインジェクタ等によつてより緻密な噴射タイミングや噴射量の制御が可能であるものの、用いられるポンプがフィードポンプ、ポンプ本体、調量弁等を備えた比較的大型のものである。したがつて、産業用エンジンの分野においては、カセット式ポンプと比較して搭載時のレイアウト設計が困難であったり、修理や交換脱着等のメンテナンスに手間が力かったりするといつた問題があった。

さら〖こ、図 6に示す蓄圧式燃料噴射システムの場合、ポンプは独自にカムを備えており、プランジャとプランジャバレルとの摺動面やカムとタペット等との摺動面に満たす潤滑油として、エンジン燃料を循環させるカゝ、又は別途潤滑オイルを投入する必要があった。したがって、エンジン燃料を用いる場合には当該エンジン燃料に高い潤滑性が要求され、燃料清浄度が低い場合には潤滑性が低下するおそれがあった。一方、別途潤滑オイルを投入する場合には、エンジン燃料とエンジンオイル以外にも潤滑オイルの管理が必要になり、できるだけ簡易な構成で高耐久性が望まれる産業用エンジンの分野にぉヽては非効率である。

[0011] そこで、本発明の発明者らは鋭意検討した結果、コモンレールを備えた蓄圧式燃料噴射システムに一つのカセット式ポンプを採用する一方、カセット式ポンプにはプランジャを一つのみ備えた構成とすることにより、このような問題を解決できることを見出した。

すなわち、本発明は、ポンプの汎用化、及び部品の共通化により、生産コストを低減させることができるととも〖こ、修理、交換脱着時等のメンテナンス性に優れ、全体として小型化を図ることができる燃料噴射システムを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0012] 本発明によれば、カムを備えた内燃機関に脱着可能であり、カムの回転に伴って燃料を高圧化して圧送する一つのカセット式ポンプと、一つのカセット式ポンプから圧送される高圧燃料を蓄積するとともに複数の燃料噴射部に対して高圧燃料を供給するコモンレールと、を備えた内燃機関の燃料噴射システムであって、カムはカムシャフトに固定され、当該カムシャフトは内燃機関のクランクシャフトに対して所定のギア比で接続されており、一つのカセット式ポンプは、カムの回転に伴って燃料を加圧するためのプランジャと、プランジャによって加圧された燃料を吐出するための吐出弁と、をそれぞれ一つのみ備えることを特徴とする内燃機関の燃料噴射システムが提供され、上述した問題を解決することができる。

[0013] また、本発明の内燃機関の燃料噴射システムを構成するにあたり、内燃機関が 1サイタル回転した場合におけるカセット式ポンプ力もの高圧燃料の圧送回数を、ギア比とカムのカム山の数との組み合わせによって、内燃機関の気筒数に一致させることが好ましい。

[0014] また、本発明の内燃機関の燃料噴射システムを構成するにあたり、コモンレール内の圧力を調整する圧力調整部と、コモンレール内の圧力値をもとに圧力調整部を制御する圧力制御手段とを備えることが好ま、。

[0015] また、本発明の内燃機関の燃料噴射システムを構成するにあたり、燃料噴射部が電磁制御弁であることが好まし、。

[0016] また、本発明の内燃機関の燃料噴射システムを構成するにあたり、建設機械、農業機械、船舶、発電機のいずれか〖こ用いられる燃料噴射システムであることが好ましい

発明の効果

[0017] 本発明の燃料噴射システムによれば、カセット式ポンプを備えた内燃機関の燃料噴射システムにおいて、機械的構造を省略した所定構造のカセット式ポンプと、コモンレールとを備えたコモンレールシステムを採用することにより、カセット式ポンプの設計製造が容易であって、従来のコモンレールシステムと比較してシステム全体を簡素化した燃料噴射システムとすることができる。したがって、産業用エンジンの分野で、より高圧な燃料を供給する場合であっても、機械的強度の向上や耐久性の向上を図ることができる。また、このような構成とすることにより、従来のコモンレールシステムと比較した場合においても、システム全体をコンパクトィ匕することができる。

また、一つのプランジャを備えたカセット式ポンプを一つのみ用いることにより、内燃機関の気筒数にかかわらずポンプを汎用化させることができるとともに、ポンプを構成する部品や内燃機関に用いられる部品を共通化させることができる。したがって、生産コストの低減を図ることができる。さらに、プランジャ数が一つのポンプであれば、ポンプの小型化を図ることができるため、内燃機関への搭載スペースを小さくでき、内燃機関全体の小型化を図ることができる。

[0018] また、プランジャを一つのみ備えるシステム構成にした場合であっても、クランタシャフトとカムシャフトとのギア比と、カム山数とを所定の組み合わせとすることにより、燃料噴射部における燃料噴射と、ポンプ力の圧送との同期を取った同期噴射が可能になる。したがって、内燃機関の運転状態を安定化させることができるとともに、運転時の騒音を減少させたり、排気ガスを清浄化させたりすることができる。

[0019] また、コモンレールシステムのポンプとしてカセット式ポンプを採用することにより、ポンプの修理、交換脱着等のメンテナンス性の向上を図ることができる。また、ポンプのプランジャを往復動させるためのカムを内燃機関に備えていることから、ポンプ取り付け時に、内燃機関のギア等と同期させる手間を省略でき、取り付け作業を効率ィ匕できるとともに、ポンプの動作安定性を向上させることができる。

さらに、コモンレールシステムのポンプとしてカセット式ポンプを採用することにより、カムとプランジャ、スプリングシート、タペットとの接触面ゃタペットの摺動面に満たす潤滑油として、内燃機関内に投入されるエンジンオイルを利用することができるため、使用するエンジン燃料の清浄度にかかわらず潤滑性を確保できる。そして、それぞれの部位の潤滑性が向上するために、従来よりも高圧の燃料を供給する場合であつても、耐久性に優れたポンプとすることができる。

図面の簡単な説明

[0020] [図 1]本発明の燃料噴射システムの構成を説明するために供する図である。

[図 2]本発明のカセット式ポンプの断面図である。

[図 3]三気筒エンジンでのコモンレール圧と噴射時期との関係を説明するために供する図である。

[図 4]四気筒エンジンでのコモンレール圧と噴射時期との関係を説明するために供する図である。

[図 5]従来のカセット式ポンプの構成を説明するために供する図である。

[図 6]従来のコモンレールシステムの構成を説明するために供する図である。発明を実施するための最良の形態

[0021] 以下、図面を参照して、本発明の内燃機関の燃料噴射システムに関する実施形態について具体的に説明する。ただし、力かる実施形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなぐ本発明の範囲内で任意に変更することが可能である。

[0022] 本発明の実施の形態は、カムを備えた内燃機関に脱着可能であり、カムの回転に伴って燃料を高圧化して圧送する一つのカセット式ポンプと、一つのカセット式ポンプから圧送される高圧燃料を蓄積するとともに複数の燃料噴射部に対して高圧燃料を供給するコモンレールと、を備えた内燃機関の燃料噴射システムであって、カムはカムシャフトに固定され、当該カムシャフトは内燃機関のクランクシャフトに対して所定のギア比で接続されており、一つのカセット式ポンプは、カムの回転に伴って燃料を加圧するためのプランジャと、プランジャによって加圧された燃料を吐出するための吐出弁と、をそれぞれ一つのみ備えることを特徴とする内燃機関の燃料噴射システムである。

以下、内燃機関の燃料噴射システムについて、それぞれの部位ごとに分けて具体的に説明する。

[0023] 1.燃料噴射システムの全体構成

まず、図 1を参照して、本実施形態の燃料噴射システムの全体構成について説明する。この燃料噴射システム 10は、ディーゼルエンジン等の内燃機関に備えられた燃料噴射部 (インジェクタと称する場合がある） 15に燃料を供給し噴射させるためのシステムであり、基本的に、カム 19を備えた内燃機関（図示せず）に脱着可能なカセット式ポンプ（以下、単にポンプと称する場合がある） 20と、蓄圧器としてのコモンレール 11とを含んで構成される。

[0024] また、本発明に力かる燃料噴射システムは、主として、建設機械や農業機械、小型船舶、発電機等の小型産業用エンジンに用いられるものであることが好ましい。上述した産業分野で用いられるエンジンでは、使用環境、低コスト性等の理由から、ェンジン用燃料として粗悪燃料や低潤滑性燃料が使用される場合が多ヽため、燃料潤滑方式を採用すると、部品の磨耗を生じやすいためである。すなわち、本発明のように、内燃機関に取り付けられるカセット式ポンプを採用することにより、潤滑性の高いエンジンオイルを潤滑油として用いることができ、ポンプの耐久性を向上させることができる。

[0025] 2. 内燃機関

内燃機関は、クランクシャフト（図示せず）に対して所定のギア比で接続されたカムシャフト 18を備えている。また、カムシャフト 18には、取り付けられるカセット式ポンプ 20に備えられた一本のプランジャを往復動させるための一つのカム 19を備えて!/、る。さらに、図示しないものの、内燃機関のハウジングには、カム 19の位置に対応してカセット式ポンプ 20の取り付け箇所となる開口が設けられている。例えば、後述するように、カセット式ポンプのハウジングの外形形状が真円形状である場合には、当該開口部も実質的に真円形状とされている。

[0026] また、本発明の燃料噴射システム 10は、ポンプ 20側ではなく内燃機関側にカム 19 を備える構成であるため、ポンプ側に備えられるカムと比較して、カムのベース径の選択幅が広がり、カム設計が容易にできるようになる。また、カムのベース径を大きくできることから、ポンプを駆動させる際に力かる応力を緩和させることができる。また、本発明の燃料噴射システムでは、後述のように、カセット式ポンプはひたすら燃料を高圧化して圧送する機能のみが要求されることから、従来のカセット式ポンプで採用されていたようなカム山の複雑な設計を省略することができる。したがって、燃料流量を増やすためにカムを高速回転させた場合であっても、カムの耐久性が向上し、信頼'性の向上を図ることができる。

さらに、カムを内燃機関側に備えていることから、ポンプの取り付け時に、内燃機関のギア等とカムを同期させる手間を省略でき、取り付け作業を効率ィ匕できるとともに、ポンプの動作安定性を向上させることができる。

[0027] 3.カセット式ポンプ

(1)基本構成

カセット式ポンプ 20は、燃料を高圧化してコモンレール 11に圧送するための部位である。本実施形態の燃料噴射システム 10に用いられるカセット式ポンプ 20の構成例を図 2に示す。図 2は、図 1中に示すカセット式ポンプ 20の XX断面を矢印方向に見た断面図であり、両端が開放された円柱空間 21aを有するハウジング 21と、当該ハウジング 21の円柱空間 21aに挿入された実質的に円筒状のバレル 23と、当該バレル 23によって往復動自在に保持され、内燃機関に備えられたカム 19の回転に応じて燃料を加圧するためのプランジャ 25と、当該プランジャ 25を、燃料を加圧する方向とは反対方向へ付勢するスプリング 27と、プランジャ 25によって加圧された燃料を吐出するための吐出弁 29と、を備えている。

この吐出弁 29は、プランジャ 25によって加圧される、燃料加圧室 33内の高圧燃料が所定の圧力値を超えた場合に開放される一方、燃料加圧室 33内の圧力が所定値を下回った場合に閉じられる、いわゆる逆止弁型の弁であり、上方力もホルダ 28によつてネジ止めされることにより固定されて、る。

[0028] 力かるカセット式ポンプ 20は、スプリング 27の付勢力によってプランジャ 25が押し下げられている状態において、燃料タンク力も圧送されてきた燃料は、ノ、ウジング 21 に設けられた燃料通路 35を介して、ハウジング 21の円柱空間 21aとバレル 23の外周面の溝部 23aとで形成された圧力導入室 31に流入する。その後、バレル 23に設けられた、燃料加圧室 33と圧力導入室 31をつなぐ燃料通路 37を介して燃料加圧室 33内に流入する。

そして、内燃機関に備えられたカム 19の回転に伴ってプランジャ 25が押し上げられると、燃料加圧室 33に臨んでいたバレル 23の燃料通路 37がプランジャ 25によつて閉じられるとともに、燃料加圧室 33内の燃料が高圧化される。その後、燃料加圧室 33内の燃料の圧力が所定のしきい値を超えると、吐出弁 29が開放され、燃料がコモンレール側へ圧送される。

[0029] このように本発明の燃料噴射システムに用いられるカセット式ポンプは、燃料を高圧化して継続的に圧送する機能のみが要求され、従来のカセット式ポンプのように、流量制御や圧力調整を行うベぐプランジャにリードを設けたり、プランジャの回転位置を制御するためのラックゃガバナ機構を設けたりする必要がなくなる。したがって、高圧燃料のスピル対策を施したり、プランジャのストローク量や噴射タイミングを緻密に制御したりする必要がなくなる。よって、それぞれの部材の機械的構成を省略して著しく簡素化することができるため、機械的強度が向上され、より高圧の燃料を供給する場合であっても磨耗や損傷を少なくすることができる。また、ポンプの構成を著しく簡素化することができるために、内燃機関の種類、仕様等に限らずポンプの部品を汎用化することができ、経済的な設計や生産が可能となる。

[0030] また、本発明のように、一つのカセット式のポンプを備える構成であれば、従来コモンレールシステムに用いられて、るような独立した形態のポンプと比較して搭載スぺースが小さく済むため、ポンプのレイアウト設計を比較的容易にできる。また、ポンプを容易に脱着できるために、ポンプの修理、交換脱着等のメンテナンス作業の効率ィ匕を図ることができる。

さらに、コモンレールシステムのポンプとしてカセット式ポンプを採用することにより、カムとプランジャ、スプリングシート、タペットとの接触面ゃタペットの摺動面に満たす潤滑油として、内燃機関内に投入されるエンジンオイルを利用することができるため、従来のコモンレールシステムに使用される独立型のポンプと比較して、潤滑油の管理、メンテナンスが容易になる。また、従来は潤滑油としてエンジン燃料を使用する場合もあったが、エンジンオイルを潤滑油として使用することにより、エンジン燃料の清浄度にかかわらず潤滑性を確保できる。そして、それぞれの部位の潤滑性が向上するために、従来よりも高圧の燃料を供給する場合であっても、耐久性に優れ、信頼性の高、ポンプとすることができる。

[0031] (2)ハウジング

図 2に示すカセット式ポンプのハウジング 21の外形は特に制限されるものではない力プランジャ径等が異なる場合であってもハウジング 21の外形を所定形状に統一するとともに、内燃機関に設けるポンプ 20の取付箇所としての開口の形状を、ハウジング 21の外形に対応させておくことにより、異なる種類の内燃機関において、仕様等が異なるポンプを自由に選択して使用することができると、う利点が得られる。

また、ハウジング 21は、両端が開放され、バレル 23が挿入される円柱空間 21aを有している。当該円柱空間 21aは、形成する際の加工性を容易にすべぐ内周面に段差や溝が設けられて、な、ことが好ま、。 [0032] (3)バレル

バレル 23は、ハウジング 21の円柱空間 21aに適合する外形を有する、実質的に円筒状の部材である。このバレル 23の外周面には、ハウジング 21の内周面とともに圧力導入室を形成する第 1溝部 23aと、ハウジング 21の内周面との間からの燃料漏れを防ぐための複数のシールリング用溝部 23bとを備えている。また、バレル 23の内部には、プランジャ 25が挿入されるとともに燃料加圧室 33を形成する要素である小径空間 23cと、吐出弁 29が配置される大径空間 23dとを有している。そして、小径空間 23cには、下方側力もプランジャ 25が挿入され、摺動可能に保持される一方、大径空間 23dには、上方側から吐出弁 29が挿入されるとともに、上方カゝらホルダをネジ止めすることによって固定されている。

[0033] ここで、図 5に示すような従来のカセット式ポンプでは、プランジャを内部に摺動可能に保持するバレルを、プランジャが摺動する小径空間に近い箇所で、ホルダとハウジングとによって上下方向から狭持する構成であるため、吐出弁を固定する際にか力る応力を受けてバレルが変形するおそれがある。このバレルの変形が生じると、プランジャが摺動する小径空間が変形し、プランジャの往復動を阻害することになる。すなわち、バレルとプランジャの間には、それらの摺動面での磨耗を抑えるためにクリアランスが設けられて潤滑油が満たされるが、従来の小型産業エンジンのように圧送する燃料の圧力が比較的低圧である場合はともかぐ従来と比較して 1. 5倍以上の圧力値を要求されるような本発明の燃料噴射システムにおいては、バレルの小径空間の変形によって、プランジャとバレルとの間のクリアランスが狭められると、潤滑油が欠乏して焼きつきを生じるおそれが高くなる。特に、本発明の燃料噴射システムでは、ポンプに発生する応力が大きくなつたり、ポンプの駆動速度が速くなつたりして、バレル及びプランジャの損傷の可能性が高くなると考えられる。

[0034] そこで、本実施形態の燃料噴射システムに用いられるカセット式ポンプは、バレル 2 3の外周面にフランジ部 30を備え、当該フランジ部 30をノヽウジング 21と固定用プレート 40とによって狭持することにより、バレル 23がハウジング 21に固定されている。したがって、フランジ部 30のみに応力が力かる以外、バレル 23の上方側及び下方側は開放されているため、固定プレート 40からの応力や、吐出弁 29を固定する際の応力が、プランジャ 25が往復動する小径空間 23cにまで及ぶことを防ぐことができる。よつて、小径空間 23cが変形することがなぐプランジャ 25の往復動が阻害されることがないために、コモンレールシステムに採用され、カム 19の高速回転に伴って高圧燃料を大量に圧送する場合であっても、ポンプの耐久性を向上させることができる。そのため、本発明の燃料噴射システムにおいては、バレルにカゝかる応力をできる限り小さくして、小径空間の変形を防止している。

[0035] (4)固定用プレート

図 2に示す固定用プレート 40は、バレル 23の外周面に形成されたフランジ部 30を押さえ込むようにして、ハウジング 21に対してネジ止めすることにより、ノレル 23をノヽウジング 21に対して固定するための部材である。この固定用プレートは、バレル 23の外周形状に対応する一方、バレル 23に設けられたフランジ部 30の直径よりも小さい直径の開口部 40a、及びネジ 41が挿入される複数の固定穴 40bを有している。また、固定用プレートの平面形状は特に制限されるものではないが、例えば、縦長の楕円形状あるいは長方形状の平面形状であって、中央部に開口部を、両端部に固定穴を設けた構成とすることができる。これによつて、複数のプランジャ 25が並列配置される場合であっても、隣接するプランジャ間の距離を近付けて省スペース化を図ることができる。

なお、この固定用プレートは、従来のポンプには無い、新たに追加される部材である力複雑な設計は必要とされず、例えば、プレス材を用いてプレス成形等することにより容易に製造できるものであり、生産コストが上昇することもな、。

[0036] (5)プランジャ、スプリング、スプリングシート

図 2に示すプランジャ 25は、バレル 23の小径空間 23cに適合する外形を有する棒状部材である。そして、燃料加圧室 33側とは反対側の端部にツバ部 25aを備え、当該ツバ部 25aにスプリングシート 43が係止され、このスプリングシート 43とバレル 23 の下方端とによってスプリング 27を狭持することによって、プランジャ 25が下方側 (燃料を加圧する方向とは反対方向）に付勢されている。また、本発明に用いられるカセット式ポンプは一つのプランジャ 25を備える構成であり、これに対応して、スプリング 2 7及びスプリングシート 43もそれぞれ一つ備えられている。さらに、吐出弁 29についても、プランジャ 25に対応させて一つのみ備えられている。

[0037] ここで、本発明の燃料噴射システムでは、プランジャと吐出弁とをそれぞれ一つのみ備えたカセット式ポンプを、一つのみ用いることを特徴としている。これによつて、ポンプを小型化することができるとともに、当該ポンプが一つのみ取り付けられる内燃機関全体の小型化を図ることができる。

また、プランジャ及び吐出弁が一つのみ備えられる場合であっても、後述するように、クランクシャフト及びカムシャフトのギア比と、プランジャを往復動させるカムのカム山の数とを、所定の組み合わせとすることにより、ポンプからの圧送と内燃機関の噴射との同期を取ることができる。したがって、燃料の噴射圧のばらつきを生じることなく燃料を噴射させることができる。そして、内燃機関の気筒数にかかわらず上述のような同期噴射が可能になることから、内燃機関の気筒数等に応じて複数の種類のボンプを用意する必要がなくなり、用いるカセット式ポンプを汎用化させることができる。また、ポンプを汎用化させることができることから、ポンプや内燃機関で使用する部品を共通化できるため、生産コストやメンテナンスコストを低減させることができるとともに、修理や交換脱着等のメンテナンス性に優れた燃料噴射システムとすることができる。

[0038] なお、本実施形態の燃料噴射システムは、燃料の圧力を圧力調整部で調整するものであるため、従来のカセット式ポンプとは異なり、プランジャにリードは設けられていない。したがって、燃料加圧室からリードを介して低圧側に燃料が戻されたりすることがないため、高圧燃料によるプランジャゃバレル、ハウジングの磨耗や損傷を無くすことができる。また、プランジャにリードを設ける必要がないことから、プランジャの回転位置を制御するためのラック機構をポンプに備える必要がなぐまた、システム全体としても、ラック機構を動作させるガバナ機構を備える必要がない。したがって、カセット式ポンプ、あるいはシステム全体の機械的構成を簡素化することができるとともに、機械的強度及び耐久性の向上を図ることができる。

[0039] (6)タペット

図 2に示すタペット 45は、内燃機関に備えられたカム 19と、カセット式ポンプ 20に備えられたプランジャ 25若しくはスプリングシート 43との間に介在し、カム 19の上下動に伴ってプランジャ 25を押し上げるための部位である。このタペット 45は、ポンプ 2 0のハウジング 21の円柱空間 21 aの内周面に適合する外周形状を有し、プランジャ 2 5とバレル 23の小径空間 23cとの芯出しを行う機能も併せ持つている。また、タペット 45は、カム 19との接触による磨耗を低減させるために、タペットローラ 47を含む構成とすることちでさる。

本発明の燃料噴射システムにおいては、このタペットを、ポンプ側のプランジャあるいはスプリングシートに接続させておくこともでき、また、内燃機関側に備えておくこともできる。一方、タペットを一切使用しない構成であっても構わない。

[0040] 3.コモンレール（蓄圧器）

図 1に示すように、コモンレール 11は、カセット式ポンプ 20から圧送されてくる高圧燃料を蓄積するとともに、複数のインジェクタ 15に対して、均等な圧力で供給するための部位である。このコモンレールは公知のものを適宜使用することができる。

また、このコモンレール 11の一部には、圧力センサ 12が取り付けられており、後述の圧力調整部 13を制御する制御手段 (ECU) 14によって、コモンレール圧を検知できるように構成されている。

力かるコモンレールによって、高圧燃料を蓄圧して、それぞれのインジェクタに対して、常に高圧の燃料を供給することができるため、カセット式ポンプには、ひたすら燃料を圧送させる機能のみを持たせれば足り、ポンプの構成を著しく簡素化させることができる。また、より高圧の燃料を噴射させることができるために、内燃機関の運転時の騒音を低減することができる。

[0041] 4.圧力調整部及び圧力制御手段

圧力調整部 13は、例えば公知の電磁弁 (圧力制御弁)等を用いて構成され、上述のコモンレール 11に備えられた圧力センサ 12によって検知された圧力値に応じて制御手段 (ECU) 14から送られてくる信号をもとに弁体の開度が設定される。そして、力セット式ポンプ 20から圧送されてきた燃料の一部が適宜放出されることにより、コモンレール内の圧力が所望の値に制御される。

すなわち、本発明の燃料噴射システムは、カセット式ポンプにおいては、流量、噴射タイミング、及び圧力の制御を行うことなぐひたすら高圧燃料を圧送し続けるとともに、圧力調整部で所望の圧力値に調整してインジェクタに供給し、インジヱクタで噴射量や噴射タイミングを計りながら内燃機関の気筒内に燃料を供給すべく噴射するものである。

[0042] このような圧力調整部を備えることにより、カセット式ポンプにおいて、圧送する高圧燃料の圧力や燃料流量を制御する必要がなくなり、ポンプでは、単に高圧化した燃料をひたすら圧送し続けるだけで足りるようになる。したがって、従来のコモンレールシステムと比較して、ポンプに対する複雑な電子制御を省略できる一方、カムとブランジャの設計のみでポンプ力の圧送量の調整が可能となり、ポンプの構成を著しく簡素化することができる。

また、カムの回転速度やカム山の設計を変えることによって、ポンプからの燃料吐出量を制御できることから、カセット式ポンプ自体については内燃機関の仕様にかかわらず汎用化させることができるため、経済的な設計、生産が可能となる。

さらに、燃料圧力を自由に制御できることから、冷寒時の始動性や運転状態の安定性を向上させることができる。

[0043] 力かる圧力調整部を取り付ける位置に関し、ポンプの吐出弁と燃料噴射部との間であれば特に制限されるものではないが、例えば、コモンレールの端部位置に取り付けることができる。コモンレールの本体に取り付けることにより、コモンレール圧を直接的に変ィ匕させることができる。

なお、放出される余剰の燃料は、燃料循環通路を介して、燃料タンクに還流される

[0044] 5.燃料噴射部 (インジェクタ)及び制御手段

燃料噴射部 15は、コモンレール 11に接続され、コモンレール 11から圧送される高圧燃料を噴射して、内燃機関の気筒内に燃料を供給するための部位である。インジェクタ 15の形態は特に制限されるものでは無いが、例えば、ニードル弁体が着座する着座面と、この着座面の弁体当接部位よりも下流側に形成される噴孔と、を有するノズルボディを備え、ニードル弁体のリフト時に着座面の上流側から供給される燃料を噴孔へ導くような構成とすることができる。

なお、図示しないものの、コモンレールを過度に大型化することなぐかつ、任意時期に、コモンレール圧を有する燃料によって効果的に機械式ピストンを押圧できるように増圧手段を設けても構わな!/、。

[0045] 上述のインジェクタ 15は、スプリング等によって-一ドル弁体を着座面に向力つて常時付勢しておき、ニードル弁体をソレノイドの通電、非通電の切り替えによって開閉する電磁弁型とすることができる。この場合、電磁弁の通電のタイミングゃ通電時間を制御するための制御手段 (ECU) 14によって、噴射量や噴射タイミングを容易に制御することができる。より具体的には、内燃機関のインジェクタにおける燃料噴射タイミングは、カムセンサーとインジェクタと ECUの制御によって、任意に対応させることができる。したがって、エンジン運転時の騒音や、排気ガスに含まれる粒子状物質や NO (窒素酸ィ匕物)等を低減させることができる。

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[0046] 6.燃料噴射システムの動作

(1)基本動作

以上説明した本実施形態の燃料噴射システムにおける燃料の流れを、図 1及び図 2を参照して説明すると以下のとおりとなる。

まず、燃料タンク 17内の燃料が、異物を捕集するプレフィルタ（図示せず)を介して、サプライポンプ 51によって汲み上げられるとともに、さらにメインフィルタ 53を介して、カセット式ポンプ 20の圧力導入室 31に圧送される。圧力導入室 31内に圧送された燃料は、ポンプ 20のバレル 23に設けられた燃料通路 37を介して燃料加圧室 33内に送られる。そして、内燃機関に備えられたカム 19の回転に伴ってプランジャ 25が押し上げられることにより、燃料加圧室 33に面するバレル 23の燃料通路 37が閉じられるとともに、燃料加圧室 33内の燃料が高圧化され、吐出弁 29を介してコモンレール 11に圧送される。圧送された高圧燃料は、コモンレール 11内に蓄積されるとともに、圧力調整弁 13によって圧力が調整された状態で、それぞれのインジェクタ 15に対して、均等な圧力で供給される。この状態でインジェクタ 15の噴射孔を開放することにより、高圧燃料を噴射することができるため、所望のタイミングで内燃機関の気筒内に高圧燃料を供給することができる。

[0047] すなわち、カセット式ポンプでは、ひたすら燃料を高圧化してコモンレール側に吐出する作業が繰り返されるため、コモンレール内の圧力を、常に高圧状態に保持することができる。また、高圧状態にされたコモンレール圧を、圧力調整部を用いて比較的容易に所望の圧力値に制御して、インジヱクタに供給することができる。その上で、インジェクタにおける噴射タイミングや噴射時間を制御することによって、従来のカセット式ポンプでは得られな力つた高圧及び多段噴射を実現することができる。また、ポンプの構成が簡略化されているため、高圧燃料の圧力に対する優れた耐久性を発揮し、安定的に燃料を噴射することができる。

[0048] (2)同期噴射

また、一つのプランジャ及び吐出弁を備えた一つのカセット式ポンプを備えた本発明の燃料噴射システムであっても、プランジャを往復動させるカムのカム山の数と、力ムシャフト及びクランクシャフトのギア比とを所定の組み合わせとすることにより、ボンプカもの圧送タイミングとインジヱクタの噴射タイミングとの同期をとることができる。すなわち、コモンレールによってそれぞれのインジェクタに供給される燃料を常に高圧に維持しておくことができるものの、コモンレール内の圧力は、ポンプからの高圧燃料の圧送に応じて、常に変化している。したがって、ポンプの圧送の時期と、インジェクタからの噴射時期との関係によっては、それぞれのインジエタタカゝら噴射される燃料の圧力にバラつきが生じるおそれがある。そのため、上述した同期噴射を行うことが重要であり、均一な噴射が可能になる。

[0049] 例えば、内燃機関の気筒数が三気筒であり、内燃機関の 1サイクル中に内燃機関が二回転する場合において、カム山数を三つとし、カムシャフトとクランクシャフトとのギア比を 1Z2とする組み合わせを採用することにより、ポンプからは、 1サイクルで内燃機関の気筒数と同じ三回の圧送が可能になる。また、同じ内燃機関において、力を採用することによつても、上記と同様、ポンプからは、 1サイクルで内燃機関の気筒数と同じ三回の圧送が可能になる。

[0050] このように、内燃機関の 1サイクル中において、ポンプ力高圧燃料が圧送される回数を、内燃機関の気筒数と一致させることにより、ポンプ力もの高圧燃料の圧送タイミングとインジエタタカもの燃料噴射タイミングとの同期をとることができる。したがって、図 3に示すように、インジエタタカの噴射時期力例えば、タイミング A、タイミング B 等、どの時期を選択しても、それぞれの噴射時におけるコモンレール圧をほぼ等しい状態とできるため、それぞれの気筒内に対して、均一な圧力での燃料噴射を行うことができるようになる。

[0051] また、内燃機関の気筒数が四気筒であり、内燃機関の 1サイクル中に内燃機関が 2 回転する場合には、カム山数を二つとし、カムシャフトとクランクシャフトとのギア比を 1 とする組み合わせを採用することにより、ポンプからは、 1サイクルで内燃機関の気筒数と同じ四回の圧送が可能になる。さらに、同じ内燃機関において、カム山数を三つとによっても、上記と同様、ポンプからは、 1サイクルで内燃機関の気筒数と同じ四回の圧送が可能になる。

この場合であっても、図 4に示すように、インジェクタからの噴射時期力例えば、タイミング A、タイミング B等、どの時期を選択しても、それぞれの噴射時におけるコモンレール圧をほぼ等しい状態とできるため、それぞれの気筒内に対して、均一な圧力での燃料噴射を行うことができるようになる。

[0052] このように、ポンプからの圧送時期とインジェクタからの燃料噴射時期とを同期させることにより、内燃機関の運転状態が安定ィ匕するとともに、運転時の騒音を低減させることができる。また、排気ガスに含まれる粒子状物質や NOの量を減らして、排気

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ガスの清浄ィ匕を図ることができる。

したがって、上述したように、内燃機関の気筒数にかかわらず、ポンプを汎用化させることができ、生産コストやメンテナンスコストの低減を図ることができるとともに、修理や交換脱着等のメンテナンス性に優れた燃料噴射システムとすることができる。

Claims

請求の範囲

[1] カムを備えた内燃機関に脱着可能であり、前記カムの回転に伴って燃料を高圧化して圧送する一つのカセット式ポンプと、前記一つのカセット式ポンプから圧送される高圧燃料を蓄積するとともに複数の燃料噴射部に対して前記高圧燃料を供給するコモンレールと、を備えた内燃機関の燃料噴射システムであって、

前記カムはカムシャフトに固定され、当該カムシャフトは前記内燃機関のクランクシャフトに対して所定のギア比で接続されており、

前記一つのカセット式ポンプは、前記カムの回転に伴って燃料を加圧するためのプランジャと、前記プランジャによって加圧された燃料を吐出するための吐出弁と、をそれぞれ一つのみ備えることを特徴とする内燃機関の燃料噴射システム。

[2] 前記内燃機関が 1サイクル回転した場合における前記カセット式ポンプからの前記高圧燃料の圧送回数を、前記ギア比と前記カムのカム山の数との組み合わせによつて、前記内燃機関の気筒数に一致させることを特徴とする請求の範囲第 1項に記載の内燃機関の燃料噴射システム。

[3] 前記コモンレール内の圧力を調整する圧力調整部と、前記コモンレール内の圧力値をもとに前記圧力調整部を制御する圧力制御手段とを備えることを特徴とする請求の範囲第 1項又は第 2項に記載の内燃機関の燃料噴射システム。

[4] 前記燃料噴射部が電磁制御弁であることを特徴とする請求の範囲第 1項〜第 3項のいずれか一項に記載の内燃機関の燃料噴射システム。

[5] 建設機械、農業機械、船舶、発電機の！/ヽずれかに用いられる燃料噴射システムであることを特徴とする請求の範囲第 1項〜第 4項のいずれか一項に記載の内燃機関の燃料噴射システム。