(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料噴射装置を駆動するカム形状を見直すとともに、戻り管に設けられる電磁弁を１個としてシステムを簡単化し、コスト低減及び信頼性の向上を図るとともに、前記電磁弁の開閉制御によってエンジン負荷に適した噴射率制御により低燃費率、低排気ガス化を達成すること。【解決手段】戻り管１１および電磁弁５は１つの通路及び電磁弁よって構成し、作動カム２によって形成されるカム速度が、立ち上がりから頂部まで等速度部を有さずに徐々に増加する特性を有し、電磁弁５の開閉タイミングをエンジン負荷・回転に応じて制御してカム速度特性の使用期間を変更せしめるコントローラ６を備えたことを特徴とする。【選択図】図１
2011106273.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディーゼルエンジンのクランクシャフトの回転に連動する作動カムによって駆動され燃料を圧送する燃料噴射ポンプのプランジャと、燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記プランジャから前記燃料を前記燃料噴射弁に導く噴射管と、燃料タンクから燃料を前記噴射管に送出する燃料送出手段と、前記噴射管から燃料を前記燃料タンクに戻す戻り管と、該戻り管を断続する電磁弁とを備えた燃料噴射装置において、
前記戻り管および電磁弁は１つの通路及び電磁弁よって構成され、前記作動カムによって形成されるカム速度が立ち上がりから頂部まで等速度部を有さずに増加する特性を有し、前記電磁弁の開閉タイミングをエンジン負荷・回転に応じて制御してカム速度特性の使用期間を変更せしめるコントローラを備えたことを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項２】
前記コントローラは、エンジン負荷・回転センサからの信号を基に、エンジンの高負荷時には、カム速度特性の前半部を使用し、低負荷時にはカム速度特性の後半部を使用して燃料の噴射率制御を行うことを特徴とする請求項１記載の燃料噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直接噴射式ディーゼルエンジンの燃料噴射弁から燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンの燃焼は燃料の燃焼室への噴射状況、特に燃料噴射率に大きく左右される。排気ガスをクリーンにして、且つ、高効率とするためには、燃料噴射装置側の燃料噴射率制御の自由度を高くすることが望まれている。しかし、従来のカム、プランジャ、燃料噴射弁からなる燃料噴射装置ではカムの幾何学的形状によって、燃料噴射率が略一定に決まり、多段階に燃料噴射率を制御することが困難であった。
【０００３】
これを解決するための技術として、図５及び図６に示す燃料噴射システムが知られており、該システムの概略構成をまず説明する。
燃料を噴射する燃料噴射装置５１は燃料噴射弁５３と、燃料噴射弁５３に燃料を導く噴射管５９と、燃料タンク６３からの燃料を送出管６０によって噴射管５９に送出する燃料送出手段（燃料ポンプ）５７と、噴射管５９から燃料を燃料タンク６３に戻す第一戻り管６１及び第二戻り管６２と、第一戻り管６１を断続（開閉）する第一弁機構５５と、第二戻り管６２を断続（開閉）する第二弁機構５８と、燃料送出手段５７から送油された燃料を燃料噴射弁５３に圧送する燃料噴射ポンプのプランジャ５４と、同プランジャ５４を駆動するカム５２を備えている。
【０００４】
第一弁機構５５、および第二弁機構５８はそれぞれ電磁弁からなり、第一弁機構５５の開放時の燃料流量が、第二弁機構５８の開放時の燃料流量よりも少なく設定され、燃料噴射弁５３への燃料供給にあたっては第一弁機構５５を先行して閉鎖し、続いて第二弁機構５８を閉鎖するのと同時に第一弁機構５５を開放して、続いて第一弁機構５５を閉鎖する燃料噴射装置が提案されている。
【０００５】
また、従来の燃料噴射ポンプを駆動する噴射用カム５２のカム形状は、カム速度が最大となる部分が一定期間等速度（カム形状の頂部５２１）となる部分を有している。これは燃料噴射ポンプの燃料を圧送するプランジャ５４を最大量ストローク（カムリフト量）させる部分である頂部５２１を一定のＲ形状にすることにより、カム面に対するプランジャスプリング（図省略）からの大きな反力により生ずるカム面の面圧が高くなるのを防止している（カム５２駆動中においてカム形状の頂部５２１の面圧が一番高くなる）。
【０００６】
このように形成されたカムによって、図５に示した燃料噴射システムが駆動されている。
図６（Ａ）は燃料噴射装置５１の弁機構の作動手順を説明するタイミングチャートである。図６（Ｂ）は燃料吸入行程１回あたりの燃料噴射率の変化を示す。この燃料噴射装置５１では第一及び第二弁機構５５，５８の断続（開閉）操作が制御装置５６によって自由に制御可能であり、第一及び第二弁機構５５，５８は開放時の燃料流量が異なっている。
図６（Ａ）に示すように、最初第一及び第二弁機構は開放状態でプランジャが上昇する。燃料の噴射を開始したい時期（Ｔ１）に第一弁機構５５が閉じる。これにより燃料噴射率は図６（Ｂ）に示す通りＴ１からＴ２に示す第一段階の噴射率となる。すなわち、第一弁機構５５が閉じることで、噴射管５９からの燃料を燃料タンク６３に戻すのが、第二戻り管６２だけとなり、噴射管５９内の燃料圧力が上昇して、燃料噴射弁５３の針弁の開弁圧を超えた時点で噴射が開始される。
【０００７】
続いて任意の時間経過後（Ｔ２）において、第一弁機構５５を開放すると同時に第二弁機構５８を閉じる。第一弁機構５５の開放時の燃料流量が、第二弁機構５８の開放時の燃料流量よりも少ないため、第一弁機構５５の開放により燃料噴射率は図６（Ｂ）に示す通りＴ２からＴ３に示す第二段階目の噴射率となる。
更に、任意の時間経過後（Ｔ３）において、第一弁機構も閉じる。これにより燃料噴射率は図６（Ｂ）に示す通りＴ３からＴ４に示す第三段階目の噴射率となる。
更に、任意の時間（Ｔ４）において再び第一弁機構５５及び第二弁機構５８を開放することで、燃料噴射は完了する。
このような先行技術が示された特許文献として、特開２００３−２１４２７９号公報（特許文献１）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】公報特開２００３−２１４２７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１では燃料噴射率を３段階に制御することができるため、燃料噴射率の自由度が増し、低排気ガス（有害物質含有量の少ない排気ガス）と高効率とを両立し易くなる。  特に、着火性のよい燃料の場合には、早めに多くの燃料を噴射すると、燃焼室内が高温・高圧になり、ＮＯｘの生成が多くなるために、燃料噴射率を３段階に制御することで、低排気ガス化と、高効率化とを実現できる。
しかし、図６（Ｂ）で示すような３段階の噴射率特性は、コントローラ５６によって、第一及び第二弁機構５５，５８の開閉タイミングをコントロールすることによって、達成されている。
このため、高圧の燃料配管５９、第一戻り管６１及び第二戻り管６２の配管と、回路中に開閉を行う弁機構（電磁弁）を設置するとともに、弁機構は開閉タイミングを高速で且つ精度良く作動する必要があるため、部品の製造コストが高くなると共に、２個の弁機構を使用するため開閉タイミングの制御および配管構造も複雑化し、装置全体の複雑化およびコスト高を招く問題を有していた。
【００１０】
そこで、本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、燃料噴射装置を駆動するカム形状を見直すとともに、戻り管に設けられる弁機構（以後、電磁弁と記載する）を１個としてシステムを簡単化し、コスト低減及び信頼性の向上を図るとともに、前記電磁弁の開閉制御によってエンジン負荷に適した噴射率制御により低燃費率、低排気ガス化を達成できる内燃機関の燃料噴射装置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】
【００１１】
本発明はかかる目的を達成するもので、ディーゼルエンジンのクランクシャフトの回転に連動する作動カムによって駆動され燃料を圧送する燃料噴射ポンプのプランジャと、燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記プランジャから前記燃料を前記燃料噴射弁に導く噴射管と、燃料タンクから燃料を前記噴射管に送出する燃料送出手段と、前記噴射管から燃料を前記燃料タンクに戻す戻り管と、該戻り管を断続する電磁弁とを備えた燃料噴射装置において、
前記戻り管および電磁弁は１つの通路及び電磁弁よって構成され、前記作動カムによって形成されるカム速度が立ち上がりから頂部まで等速度部を有さずに増加する特性を有し、電磁弁の開閉タイミングをエンジン負荷・回転に応じて制御してカム速度特性の使用期間を変更せしめるコントローラを備えたことを特徴とする。
【００１２】
かかる発明によれば、作動カムによるカム速度の立ち上がりから頂部までカム速度が徐々に増加するように形成され、さらに等速度部分がないので、カムリフト頂部の手前部分は前半部分の立ち上がり部分よりカム速度が高く設定されている。
言い換えると、カムの立ち上がり初期の部分は後半部分よりカム速度が低くなっている。従って、燃料噴射の初期は燃焼室への燃料噴霧量が抑制されることから、燃焼速度が穏やかになり、燃焼室内の高温領域の発生を抑え、ＮＯｘの発生を抑制すると共に、燃料噴射の後期はカム速度が増大し、燃料噴射率及び燃料噴射圧が高くなるので、燃料の微細化が行われ、燃料の燃焼が促進されてＰＭ（Particulate  Matter）の排出（生成）を抑制できる。
従って、電磁弁の開閉タイミングをエンジン負荷・回転に応じて前記のようなカム速度に応じた燃焼特性を用いるようにして、運転状況に応じた適切な噴射率制御を可能にして低燃費率、低排気ガス化を達成することができる。
【００１３】
また、本願発明において好ましくは、前記コントローラは、エンジン負荷・回転センサからの信号を基に、エンジンの高負荷時には、カム速度特性の前半部を使用し、低負荷時にはカム速度特性の後半部を使用して燃料の噴射率制御を行うようにするとよい。
【００１４】
このような構成により、燃料の噴射量の多い高負荷域では噴射タイミングを進角させて従来に比べて噴射率を抑制することにより燃焼室内の高温高圧を避けて、ＮＯｘ発生を低減させる。
また、燃料の噴射量の少ない低負荷域では噴射タイミングを遅角させて、低負荷域の噴射圧を高くして、燃料の微細化による燃焼促進を行い、ＰＭ生成の低減を図ることが可能となる。
【００１５】
また、本願発明において好ましくは、カム速度特性は、横軸にカム角度をとり縦軸にカム速度をとった場合、カム速度の増加時における上昇率が２段階に変化し、最大速度に達した後に等速部を有さずに低下するような鋭角に突出した特性形状を有するとよい。
【００１６】
このようにカム速度の増加時における上昇率を２段階に変化させることで、従来のカム速度頂部が等速度のカム速度特性から後高となるカム速度特性への変更が容易となり、カム速度の使用領域を、エンジンの使用状況に対応して適切に選択することが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ディーゼルエンジンの燃料噴射装置を駆動する作動カムのカム形状を変えることにより、燃料の噴射率を高め、ディーゼルエンジンの低燃費率、低排気ガス化を達成することが可能となると共に、従来技術に対し電磁弁が１個（２⇒１個）になることに加え、電磁弁の数が減少した分、配管も減少するので、配管代及び組立工数の低減、各部品の信頼度、組立て不具合等による累積信頼度の向上も得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料噴射システムの概略構成図を示す。
【図２】本発明の実施形態に係るカム形状の設計方法。
【図３】本発明の実施形態に係るカム特性を示し、（Ａ）はクランク角度に対するカムのリフト量を示し、（Ｂ）はクランク角度に対する角速度を示す。
【図４】本発明の実施形態に係る従来カム形状との特性比較を示し、（Ａ）はクランク角度に対するカム速度の本発明・従来比較を示し、（Ｂ）はクランク角度に対するカム加速度の本発明・従来比較示す。
【図５】従来技術の燃料噴射システムの概略構成図を示す。
【図６】従来技術の燃料噴射率特性を示し、（Ａ）は電磁弁の開閉タイミングを示し、（Ｂ）は電磁弁の開閉に基づく燃料噴射率特性を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。
但し、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２０】
図１は本実施形態における燃料噴射装置の概略構成図を示す。
燃料噴射装置１は次の構成部品を備えている。ディーゼルエンジン（以後エンジンと記載する）（図示省略）のクランク軸の回転に連動して回転する作動カム２を備え、該カム２の回転により燃料噴射ポンプ（図示省略）内に配置されているプランジャ４を上下動させて、噴射管９を介して燃料を燃料噴射弁３に圧送する。
燃料は燃料タンク８から燃料送出手段（燃料ポンプ）７によって逆止弁７１を通って噴射管９に送油される。
【００２１】
一方、噴射管９と燃料タンク８間を連結して、燃料噴射弁３にて噴射されなかった燃料を燃料タンク８に戻す戻り管１１が設けられ、戻り管１１には常開型の電磁弁５が介装されている。電磁弁５はエンジンの運転条件によりコントロール装置６によって、断続操作を制御される。電磁弁５が断（閉塞）されると、噴射管９内の燃料はプランジャ４の上昇に伴い高圧となり、燃料噴射弁３の針弁の開弁圧を超えた時点で噴射が開始されて燃料噴射弁３からエンジンの燃焼室内に噴射される。
【００２２】
また、エンジンの負荷状況を検知する負荷・回転センサ１２が設けられ、この負荷・回転センサ１２はエンジンの回転数とトルク（燃料噴射量）等から推測するものである。負荷・回転センサ１２からの検出値によりコントロール装置６内に記憶されている制御方法に基づいて電磁弁５の閉鎖タイミングが制御される。
【００２３】
本発明の実施形態に用いる作動カム２のカム形状の設定方法について、図２及び図３を参照して説明する。
図２は本発明の実施形態に係るカム形状であり、図３はクランク角度に対するカムリフトとカム速度の特性を示すものである。
最初に、ベースサークル径を求める。図２のａの範囲に相当する。
次に、図２のＩに示す第１段目の立上がり部分のプロフィールを求める。カムのクランク角度に対する立上がり位置は各エンジンの仕様により異なる。
図２のIIに示す第２段目の加速域に対応した部分のカムプロフィール（半径）は、ヘルツ面圧（プランジャとカム面との当接面圧）の許容値から求める。この範囲はプランジャからの反力が最も大きくなる部分なので、カム面へのヘルツ面圧が高くなり、カムの耐久性の面からの制約を考慮する。
図２のIIIに示す第３段目の減速域に対応した部分のカムプロフィール（半径）は、プランジャ４のプランジャスプリングに作用する慣性力の許容値から求める。プランジャ４のプランジャピストンの立ち上がりが速いと、プランジャピストンがカム面に追従できなくなるので、追従できるカム速度になるような半径に設定する。
この範囲はカム形状の頂部に近づくため、プランジャは上昇するがカム速度としては遅くなる。
図２のｂの範囲はエンジンの仕様によって異なるが、ベースサークル中心からカムリフト方向へ移動した位置に半径の中心が設定される。
【００２４】
図４は本実施形態におけるカム形状による特性、即ち、エンジンのクランク角度に対するカム加速度及び、カム速度について、従来のカムとの比較を表したものである。
カム速度〔図４（Ａ）〕は後半部分においては速度の割合（加速度）を落としているが、カム形状の頂部に向かい、徐々に増加している。そして頂部にはカムの等速度部分を有さない特性となっている。
カム加速度においても〔図４（Ｂ）〕に示す通り、カム速度の頂部手前部分では従来に比べ加速度は高くなっており、カム速度およびカム加速度が従来より高く、従って噴射率が高くなるカム形状になっている。
また、本実施形態では、〔図４（Ａ）〕に示しているように、エンジンの負荷状況によって燃料の噴射時期を調整している。
エンジンの負荷状況は負荷・回転センサ１２によって検出して、エンジンが高負荷状態なのか、低または中負荷状態なのかをコントロール装置６で判断して、電磁弁５の閉塞タイミングを制御する。
【００２５】
図４（Ａ）に示すように、負荷・回転センサ１２によって検出した負荷が１００％負荷の領域にある場合には、クランク角度がＴ１〜Ｔ２の範囲のカム速度特性を使用して噴射を行う。すなわち、Ｔ１時点で電磁弁５を閉弁し、Ｔ２時点で電磁弁５を開弁することで、その間のカム速度に応じた燃料噴射率によって燃料噴射弁３から噴射される。
そして、同様に、負荷・回転センサ１２によって検出した負荷が７５％負荷の領域にある場合には、クランク角度がＴ３〜Ｔ４の範囲のカム速度特性を使用して噴射を行う。すなわち、Ｔ３時点で電磁弁５を閉弁し、Ｔ４時点で電磁弁５を開弁することで、その間のカム速度に応じた燃料噴射率によって燃料噴射弁３から噴射される。
さらに、負荷・回転センサ１２によって検出した負荷が５０％負荷の領域にある場合には、クランク角度がＴ５〜Ｔ６の範囲のカム速度特性を使用して噴射を行う。すなわち、Ｔ５時点で電磁弁５を閉弁し、Ｔ６時点で電磁弁５を開弁することで、その間のカム速度に応じた燃料噴射率によって燃料噴射弁３から噴射される。
【００２６】
従って、電磁弁５の断（閉塞）操作により燃料の噴射タイミングが調整できるため、
エンジンの稼働状況が高負荷時は噴射タイミングを進角（カム立ち上がりの早い時期）させるために電磁弁の閉塞時期を早めることによって、燃料噴射時期を早める。
これは、カム形状における後部分でカム速度が高くなっているので、燃料の噴射率も、カム形状における後部分で高くなるようになっており、従って、初期の燃料噴射量が抑制されて、燃焼が抑制されることから、燃焼室内の高温領域の発生を抑えて、ＮＯｘの発生を抑制することが可能となる。
【００２７】
エンジンが中・低負荷時の場合は燃料の噴射時期を遅角させてカム速度の速い部分（噴射率が高い部分）を使用することで、燃料の噴射圧を高くすることにより、燃料噴射弁３から燃焼室内に噴射される燃料が微細化されることから、燃料の燃焼が完全燃焼に近い状態となり、ＰＭの発生を抑制できる。
【００２８】
本実施形態によれば、作動カム２のカム形状がカム速度の立ち上がりからカム速度の頂部まで等速度部を有さずに徐々に増加する特性を有するように形成されているので、カム形状の全リフト量のうちカムリフト頂部の部分は前半部分の立ち上がり部分よりカム速度が高く設定されて、初期の燃焼室への燃料の噴霧量が抑制されることから、燃焼速度が穏やかになり、燃焼室内の高温領域の発生を抑え、ＮＯｘの発生を抑制すると共に、燃料噴射の後期は燃料噴射率及び燃料噴射圧が高く（カム速度が高く）なるので、燃料の微細化が行われ、燃料の燃焼が促進されてＰＭ（Particulate  Matter）の排出を抑制できる。
従って、電磁弁５の開閉タイミングをエンジン負荷・回転に応じて制御して前記のようなカム速度に応じた燃焼特性を用いるようにして、運転状況に応じた適切な噴射率制御を可能にして低燃費率、低排気ガス化を達成することができる。
【００２９】
プランジャ速度の過大による焼き付き防止とプランジャのジャンピング防止の観点からカム速度の増大に制約を設ける必要がある。高速舶用ディーゼルエンジンにおいては、基本的には舶用３乗カーブ上での運転となるため部分負荷域の回転数が低く、時間ベースのカム速度が低くなるため、カム速度後半の速度を高めることによるプランジャの焼き付きやジャンピングの問題は生じない。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明によれば、ディーゼルエンジンの燃料噴射装置を駆動する作動カムのカム形状を変えることにより、部分負荷条件での燃料噴射率を高め、ディーゼルエンジンの低燃費率、低排気ガス化を達成することが可能となると共に、従来技術に対し電磁弁が１個になることに加え、電磁弁の数が減少した分、配管が減少、制御も簡素化するので、配管代及び組立工数の低減、各部品の信頼度、組立て不具合等による累積信頼度の向上も得られるので、ディーゼルエンジンの燃料噴射装置へ用いることに適している。
【符号の説明】
【００３１】
１    燃料噴射装置
２    作動カム
３    燃料噴射弁
４    プランジャ
５    電磁弁
６    コントロール装置（コントローラ）
９    噴射管
１２  負荷・回転センサ
【図１】
2011106273.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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