(57)【要約】【課題】燃焼室８に高圧燃料を直接噴射するインジェクタ２１と、駆動カム３１の回転によって往復変位されるプランジャ３２で燃料タンク２２から導入される燃料を加圧してインジェクタ２１側へ供給する高圧フューエルポンプ２４とを備える内燃機関１において、外形や重量を大型化することなく、二次慣性力Ｆに起因する振動を低減または無くすようにする。【解決手段】駆動カム３１が、クランクシャフト７で駆動されるように設置される。高圧フューエルポンプ２４は、プランジャ３２による燃料加圧に伴う反力Ｐを、クランクシャフト７の回転に伴い内燃機関１の中心Ｏに発生する二次慣性力Ｆに対し逆位相としてクランクシャフト７に作用させる形態で設置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に高圧燃料を直接噴射するインジェクタと、駆動カムの回転によって往復変位されるプランジャで燃料タンクから導入される燃料を加圧して前記インジェクタ側へ供給する高圧フューエルポンプとを備える内燃機関であって、
前記駆動カムが、クランクシャフトで駆動されるように設置され、
前記高圧フューエルポンプが、プランジャによる燃料加圧に伴う反力を、クランクシャフトの回転に伴い内燃機関の中心に発生する二次慣性力に対し逆位相として前記クランクシャフトに作用させる形態で設置されていることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関において、
前記駆動カムは、前記クランクシャフトのジャーナル部の前端側に同軸上に設けられ、
前記高圧フューエルポンプは、前記駆動カムの上方に配置されるとともに、気筒の中心軸線と略平行でかつ駆動カムの回転中心を通る直線に沿ってプランジャを往復変位させる姿勢とされることを特徴とする内燃機関。
【請求項３】
請求項１または２に記載の内燃機関において、
前記クランクシャフトに対する駆動カムの設置は、前記プランジャによる加圧室の圧縮上死点を、ピストンの上死点または下死点より遅角側とするように位置決めされることを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室に高圧燃料を直接噴射するインジェクタと、燃料タンクからの燃料を加圧してインジェクタ側へ供給するためのプランジャ式の高圧フューエルポンプとを備える内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に公知のように、内燃機関においてピストンやコネクティングロッド系の往復運動に起因した往復慣性力により機関本体に振動が発生する。例えば直列四気筒内燃機関では、四つの気筒を二つずつ気筒群に分割し、これら二つの気筒群のピストンを互いに逆位相で往復運動させている。これにより各気筒から生じる往復慣性力を互いに相殺し、振動を低減しようとしている。
【０００３】
しかしながら、往復動中のピストンの速度は上死点と下死点との間において上死点側で最大となるため、往復慣性力も上死点側で最大となる。そのために、上述したようにピストンを互いに逆位相で運動するように配置しても、二次慣性力が相殺されずに残ってしまう。
【０００４】
この二次慣性力の発生に伴い、内燃機関が上下振動して、それが内燃機関マウントを介して車室内で騒音となる。
【０００５】
そこで、このような振動対策として、直列四気筒内燃機関にバランサーシステムを配置することが提案されている（例えば非特許文献１参照。）。
【０００６】
バランサーシステムは、二つのバランスシャフトを有し、各バランスシャフトにはその中心軸線に関し非対称な重りが取り付けられる。二つのシャフトは、重りが互いに同位相で回転するように互いに逆方向へ回転される。これにより、二次慣性力と逆位相の慣性力を発生させ、二次慣性力を低減または打ち消すようにしている。
【非特許文献１】トヨタ自動車株式会社編集・サービス部発行の『ハイラックサーフ新型車解説書（１９９５年１２月１日発行、品番６１４７５）』の１−１３頁参照
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記従来例では、バランスシャフトを設置するための占有スペースを確保する必要があるために、内燃機関の外形や重量が大型化してしまう等、改善の余地がある。
【０００８】
本発明は、高圧フューエルポンプを備える内燃機関において、外形や重量を大型化することなく、二次慣性力に起因する振動を低減または無くすようにすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、燃焼室に高圧燃料を直接噴射するインジェクタと、駆動カムの回転によって往復変位されるプランジャで燃料タンクから導入される燃料を加圧して前記インジェクタ側へ供給する高圧フューエルポンプとを備える内燃機関であって、前記駆動カムが、クランクシャフトで駆動されるように設置され、前記高圧フューエルポンプが、プランジャによる燃料加圧に伴う反力を、クランクシャフトの回転に伴い内燃機関の中心に発生する二次慣性力に対し逆位相として前記クランクシャフトに作用させる形態で設置されていることを特徴としている。
【００１０】
この構成によれば、内燃機関中心に発生する二次慣性力を、内燃機関にもともと装備される高圧フューエルポンプによる燃料加圧の反力を利用して低減または打ち消すようにしている。これにより、従来において用いられているバランサーシステムを小型化または排除することが可能になる。
【００１１】
好ましくは、前記駆動カムは、前記クランクシャフトのジャーナル部の前端側に同軸上に設けられ、前記高圧フューエルポンプは、前記駆動カムの上方に配置されるとともに、気筒の中心軸線と略平行でかつ駆動カムの回転中心を通る直線に沿ってプランジャを往復変位させる姿勢とされる。
【００１２】
このように構成を明確にすることにより、上述したような二次慣性力を低減または打ち消すために必要な反力の把握が容易になるとともに、当該反力のセッティングが行いやすくなる。
【００１３】
そもそも、内燃機関とそれに付設される変速機とを組み合わせたパワープラントの重心は、内燃機関の中心に対し変速機側にオフセットされる。その一方で、上記本発明構成のように、プランジャによる燃料加圧に伴う反力が駆動カムを通じてクランクシャフトの前端側に作用するようになるので、この反力の作用点が前記二次慣性力の発生点とオフセットされる。つまり、内燃機関の中心に対するパワープラントの重心のオフセットと、内燃機関の中心に対する前記反力の作用点のオフセットとの関係によって、前記二次慣性力を打ち消すのに必要な前記反力を二次慣性力より小さく設定することが可能になる。これにより、高圧フューエルポンプの容量を無駄に大きくせずに済む。
【００１４】
好ましくは、前記クランクシャフトに対する駆動カムの設置は、前記プランジャによる加圧室の圧縮上死点を、ピストンの上死点または下死点より遅角側とするように位置決めされる。
【００１５】
この構成によれば、高圧フューエルポンプのプランジャによる燃料の最大加圧時における反力を、ピストンの上死点または下死点で発生させることが可能になる。これにより、二次慣性力を効果的に低減または打ち消すことが可能になる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では、内燃機関の外形や重量を大型化することなく、二次慣性力に起因する振動を低減または無くすことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１から図６に本発明の一実施形態を示している。この実施形態では、内燃機関として、自動車等に搭載される筒内直噴式の直列四気筒ガソリンエンジンを例に挙げて説明する。
【００１９】
図１において、１は内燃機関、２は変速機であり、内燃機関１と変速機２とでパワープラントが構成される。
【００２０】
内燃機関１の各気筒（シリンダボア）４には、ピストン５Ａ〜５Ｄが収納配置されており、各ピストン５Ａ〜５Ｄがコネクティングロッド６を介してクランクシャフト７のクランクピン７ａに取り付けられている。クランクシャフト７は、そのジャーナル部７ｂがシリンダブロック１Ａに回転自在に支持されている。
【００２１】
シリンダブロック１Ａの各気筒４と各ピストン５Ａ〜５Ｄとシリンダヘッド１Ｂとで所定容量の燃焼室８が形成されている。各燃焼室８には、吸気ポート９と排気ポート１０が接続されている。吸気ポート９は、吸気カムシャフト１１で駆動される吸気バルブ１２で、また、排気ポート１０は、排気カムシャフト１３で駆動される排気バルブ１４でそれぞれ開閉される。
【００２２】
各燃焼室８には、それぞれインジェクタ２１により直接的に燃料が噴射されるようになっている。このような直噴式内燃機関１の場合、各インジェクタ２１へ供給する燃料を高圧とする必要がある。
【００２３】
この直噴式内燃機関１に用いる燃料供給系としては、図２に示すように、燃料タンク２２から燃料を送り出すフィードポンプ２３、このフィードポンプ２３によって送り出された燃料を加圧する高圧フューエルポンプ２４、この高圧フューエルポンプ２４によって加圧された燃料を蓄積するとともに各インジェクタ２１が接続されるデリバリパイプ（蓄圧容器）２５等を含む。
【００２４】
ここで、本発明の特徴を適用した部分の説明に先立ち、この実施形態で例示する高圧フューエルポンプ２４の構成や動作について説明する。
【００２５】
高圧フューエルポンプ２４は、図２に示すように、一般的に公知のプランジャ式と呼ばれるものとされ、回転する駆動カム３１からの押圧力を受けてプランジャ３２がシリンダ３３内で往復変位して加圧室３４の容積を拡大及び縮小させて燃料を加圧するようになっている。
【００２６】
プランジャ３２の下端部と有底円筒形状のリフタ３５との間には、リテーナ３６が装着されている。このリテーナ３６には、コイルスプリング３７によってプランジャ３２を押し下げる方向（加圧室３４の容積を拡大させる方向）の付勢力が与えられている。駆動カム３１は、リフタ３５の下面に当接される。
【００２７】
なお、加圧室３４は、低圧燃料配管２６を介してフィードポンプ２３に接続されており、また、高圧燃料配管２７を介してデリバリパイプ２５内に接続されている。
【００２８】
デリバリパイプ２５には、デリバリパイプ２５内の燃料圧力（実燃圧）を検出する燃圧センサ４１が配設されている。また、このデリバリパイプ２５には、リリーフバルブ４２を介してリターン配管４３が接続されている。このリリーフバルブ４２は、デリバリパイプ２５内の燃料圧力が所定圧（例えば１３ＭＰａ）を越えたときに開弁する。この開弁により、デリバリパイプ２５に蓄えられた燃料の一部がリターン配管４３を介して燃料タンク２２に戻されるようになる。これにより、デリバリパイプ２５内の燃料圧力の過上昇が防止される。
【００２９】
また、リターン配管４３と高圧フューエルポンプ２４とは、余剰燃料戻し配管４４（図２では破線で示している）によって接続されており、プランジャ３２とシリンダ３３との間隙から漏出した燃料がオイルシール４５の上部の燃料収容室３９に蓄積され、その後、この燃料収容室３９に接続された上記余剰燃料戻し配管４４に戻される。
【００３０】
なお、低圧燃料配管２６には、フィルタ４６及びプレッシャレギュレータ４７が設けられている。このプレッシャレギュレータ４７は、低圧燃料配管２６内の燃料圧力が所定圧（例えば０．４ＭＰａ）を越えたときに低圧燃料配管２６内の燃料を燃料タンク２２に戻すことによって、この低圧燃料配管２６内の燃料圧力を所定圧以下に維持している。
【００３１】
また、低圧燃料配管２６には、パルセーションダンパ４８が備えられており、このパルセーションダンパ４８によって高圧フューエルポンプ２４の作動時における低圧燃料配管２６内の燃圧脈動が抑制されるようになっている。
【００３２】
また、高圧燃料配管２７には、高圧フューエルポンプ２４から吐出された燃料が逆流することを阻止するための逆止弁４９が設けられている。
【００３３】
さらに、低圧燃料配管２６と加圧室３４との間には、それらを連通または遮断するための電磁スピル弁５０が設けられている。
【００３４】
この電磁スピル弁５０は、電磁ソレノイド５１への通電を制御することにより開閉動作するもので、いわゆるノーマリーオープンタイプ、つまり電磁ソレノイド５１への通電を停止しているとコイルスプリング５２の付勢力によって開く状態となるが、電磁ソレノイド５１へ通電するとコイルスプリング５２の付勢力に抗して閉じる状態になる。
【００３５】
次に、上述したような構成の高圧フューエルポンプ２４の動作を説明する。
【００３６】
クランクシャフト７と共に駆動カム３１が回転することに伴い、駆動カム３１のカムノーズ３１ａ，３１ｂがリフタ３５に当接することによって、リフタ３５およびプランジャ３２が上昇しながらコイルスプリング３７を圧縮して加圧室３４の容積を縮小する一方、カムノーズ３１ａ，３１ｂがリフタ３５から離れることによって、コイルスプリング３７の伸張復元力によりリフタ３５およびプランジャ３２が下降させられて加圧室３４の容積を拡大する。
【００３７】
ここで、上述したプランジャ３２の下降過程において、電磁スピル弁５０を開弁して低圧燃料配管２６と加圧室３４とを連通させると、フィードポンプ２３から送り出された燃料が低圧燃料配管２６を経て加圧室３４内に吸入される（吸入行程）。
【００３８】
一方、上述したプランジャ３２の上昇過程において、電磁スピル弁５０を閉弁して低圧燃料配管２６と加圧室３４とを遮断させると、加圧室３４内の燃料が加圧され、この燃料圧力が所定値に達した時点でチェック弁５３が開放して、高圧の燃料が高圧燃料配管２７を通じてデリバリパイプ２５に向けて吐出される（加圧行程）。
【００３９】
なお、加圧行程において、電磁スピル弁５０の閉弁開始時期を早めて閉弁期間を長くすれば燃料吐出量を増加することができ、また、電磁スピル弁５０の閉弁開始時期を遅らせて閉弁期間を短くすれば燃料吐出量を減少することができる。このように加圧行程での電磁スピル弁５０の閉弁期間を制御することによって高圧フューエルポンプ２４による燃料吐出量を調節することができ、この燃料吐出量によってデリバリパイプ２５内の燃料圧力を制御できるのである。
【００４０】
ここで、本発明の特徴を適用した部分について詳細に説明する。
【００４１】
要するに、高圧フューエルポンプ２４を、内燃機関１のクランクシャフト７で直接的に駆動するようにしたうえで、この高圧フューエルポンプ２４の設置状態や駆動タイミングを以下のように工夫している。
【００４２】
まず、駆動カム３１は、クランクシャフト７のジャーナル部７ｂの前端部に同軸上に取り付けられることによって、クランクシャフト７と同期回転するようになっている。この駆動カム３１には、クランクシャフト７の回転軸線回りに１８０°の角度間隔をもって二つのカムノーズ３１ａ，３１ｂが設けられている。
【００４３】
これにより、クランクシャフト７が一回転すると、二つのカムノーズ３１ａ，３１ｂによってそれぞれプランジャ３２をリフトするので、高圧フューエルポンプ２４からの燃料吐出動作を二回行える。その一方で、内燃機関１の一サイクルつまりクランクシャフト７が二回転すると、四つの気筒４に対応する各インジェクタ２１から各一回の燃料噴射を行えるようになる。このように、高圧フューエルポンプ２４による一回の燃料吐出で、四つのインジェクタ２１のうちのいずれか一つから燃料を噴射させる形態とすることができる。これを、一吐出一噴射形態と言うことにする。
【００４４】
そして、図３に示すように、高圧フューエルポンプ２４は、駆動カム３１の上方に配置されているとともに、各気筒４の中心軸線Ｘと略平行でかつ駆動カム３１の回転中心Ｚを通る直線Ｙに沿ってプランジャ３２を往復変位させる姿勢とされている。
【００４５】
さらに、クランクシャフト７に対する駆動カム３１の設置は、高圧フューエルポンプ２４のプランジャ３２による加圧室３４の圧縮上死点を、ピストン５Ａ〜５Ｄの上死点または下死点より遅角側とするように、位置決めされている。
【００４６】
具体的には、図４に示すように、ピストン５Ａ〜５Ｄが上死点（または下死点）に位置するときに、内燃機関１の前端側から見て、ピストン５Ａ〜５Ｄからクランクシャフト７のジャーナル部７ｂまでが一直線となって気筒４の中心軸線Ｘと一致するが、この状態での直線Ｌ１に対し、駆動カム３１のカムノーズ３１ａ，３１ｂの頂点間を結ぶ直線Ｌ２が、所定角度θ傾いた状態となるように、駆動カム３１がクランクシャフト７のジャーナル部７ｂの前端部に固定されるのである。
【００４７】
これにより、高圧フューエルポンプ２４の吐出動作と、クランクシャフト７の位相との関係については、図５に示すようになるので、以下で説明する。
【００４８】
例えば図１に示すように、直列四気筒の内燃機関１において、１番ピストン５Ａおよび４番ピストン５Ｄと、２番ピストン５Ｂおよび３番ピストン５Ｃとが逆位相の状態で往復動するようにクランクシャフト７に取り付けられている場合、内燃機関１の駆動に伴い内燃機関１の中心Ｏに二次慣性力Ｆが発生する。
【００４９】
つまり、１番ピストン５Ａおよび４番ピストン５Ｄの上下往復動作に伴い、図５の（ａ）に示すような二次慣性力Ｆ１が発生し、また、２番ピストン５Ｂおよび３番ピストン５Ｃの上下往復動作に伴い、図５の（ｂ）に示すような二次慣性力Ｆ２が発生する。これらの二次慣性力Ｆ１，Ｆ２は逆位相で、かつ、Ｆ１＞Ｆ２となるので、これらの二次慣性力Ｆ１，Ｆ２の合力Ｆは、図５の（ｃ）に示すようになる。なお、この合力Ｆが図１に示す二次慣性力Ｆであり、以下では単に二次慣性力Ｆとする。
【００５０】
このような状況において、１番ピストン５Ａおよび４番ピストン５Ｄが上死点に到達するタイミングや、２番ピストン５Ｂおよび３番ピストン５Ｃが上死点に到達するタイミングで、図５の（ｄ）に示すように、高圧フューエルポンプ２４のプランジャ３２が加圧室３４の圧縮上死点に到達する直前までリフトされる。つまり、各ピストン５Ａ〜５Ｄの上死点の位置に対し、プランジャ３２が加圧室３４の圧縮上死点がＴRずらされている。なお、電磁スピル弁５０は、例えば図５の（ｅ）に示すタイミングで開閉されるものとし、この閉時間が高圧フューエルポンプ２４の燃料吐出時間となる。
【００５１】
このように高圧フューエルポンプ２４のプランジャ３２が、加圧室３４の圧縮上死点に到達する直前までリフトされた状態では、加圧室３４内の燃料加圧が最大となり、そのため、最大の反力Ｐが、駆動カム３１を通じてクランクシャフト７の前端部に作用することになる。
【００５２】
このクランクシャフト７に作用する反力Ｐは、図１に示すように、内燃機関１の駆動に伴い内燃機関１の中心Ｏに発生する二次慣性力Ｆに対し逆位相となっているので、この二次慣性力Ｆが低減または打ち消される結果となる。
【００５３】
特に、そもそも、内燃機関１とそれに付設される変速機２とを組み合わせたパワープラントの重心Ｇは、内燃機関１の中心Ｏに対し変速機２側にオフセットされる。その一方で、上記したように、プランジャ３２による燃料加圧に伴う反力Ｐが駆動カム３１を通じてクランクシャフト７の前端側に作用するようになるので、この反力Ｐの作用点が前記二次慣性力Ｆの発生点（Ｏ）に対してオフセットされる。つまり、内燃機関１の中心Ｏに対するパワープラントの重心Ｇのオフセットと、内燃機関１の中心Ｏに対する前記反力Ｐの作用点のオフセットとの関係によって、前記二次慣性力Ｆを打ち消すのに必要な前記反力Ｐを二次慣性力Ｆより小さく設定することが可能になる。これにより、高圧フューエルポンプ２４の容量を無駄に大きくせずに済む。
【００５４】
以上説明したように、この実施形態の内燃機関１では、その動作に伴い発生する二次慣性力Ｆを、内燃機関１にもともと装備される高圧フューエルポンプ２４による燃料加圧の反力Ｐを利用して低減または打ち消すようにしている。
【００５５】
これにより、従来において必要であったバランサーシステムを小型化または無くすことが可能になる。したがって、内燃機関１の外形や重量を大型化することなく、二次慣性力に起因する振動を低減または無くすことが可能になる。
【００５６】
しかも、上記実施形態では、高圧フューエルポンプ２４の吐出動作とインジェクタ２１の噴射動作とを一吐出一噴射形態にしているので、例えば図６に示すように、例えば駆動カム３１を排気カムシャフト１３で駆動することによって一吐出二噴射形態とする従来例（図６の二点鎖線参照）に比べると、デリバリパイプ２５のレール圧ＰＬに関し、目標圧力Ｐ0に対する変動幅を約１／２と小さくすることができる。
【００５７】
以下、本発明の他の実施形態について説明する。
【００５８】
（１）上記実施形態では、内燃機関１として筒内直噴型四気筒ガソリンエンジンを例に挙げているが、本発明はこれに限らず、任意の気筒数のガソリンエンジンやディーゼルエンジンに適用可能であり、また、自動車用の内燃機関に限らず、いろいろな用途の内燃機関にも適用できる。
【００５９】
（２）上記実施形態では、駆動カム３１のカムノーズ３１ａ，３１ｂの数は二つに限らず、それよりも多くしてもよい。
【００６０】
（３）上記実施形態では、高圧フューエルポンプ２４として、電磁スピル弁５０を備えたものを例に挙げているが、例えば図７に示すように、電磁スピル弁５０の代わりに逆止弁５５を用いるものを用いることも可能である。
【００６１】
この図６に示す高圧フューエルポンプ２４では、例えば図８の（ｄ）に示すように、プランジャ３２がリフト開始位置Ｌｓからリフト最大位置Ｌｍａｘに到達するまでの期間、図８の（ｅ）に示すように燃料導入側の逆止弁５５が閉弁状態となる一方で、図８の（ｆ）に示すように燃料吐出側の逆止弁４９が開弁状態になる。
【００６２】
このような場合、プランジャ３２がリフト開始位置Ｌｓからリフト最大位置Ｌｍａｘに到達するまでの期間（燃料加圧期間）の中点位置Ｌｘで、プランジャ３２による燃料加圧力が最大となるので、この中点位置Ｌｘを、１番ピストン５Ａおよび４番ピストン５Ｄが上死点に到達するタイミングや、２番ピストン５Ｂおよび３番ピストン５Ｃが上死点に到達するタイミングに合致させるように設定する。
【００６３】
これにより、プランジャ３２による最大加圧時の反力Ｐが、図８の（ｃ）に示す二次慣性力Ｆのピークポイントで発生するようになるから、二次慣性力Ｆを低減または打ち消すことが可能になる。
【００６４】
（４）上記実施形態では、高圧フューエルポンプ２４として、ノーマリーオープンタイプの電磁スピル弁５０を備えたものを例に挙げているが、例えば前記電磁スピル弁をノーマリークローズタイプとしたものを用いることも可能である。
【００６５】
この場合も、上記各実施形態と同様に、高圧フューエルポンプのプランジャによる燃料加圧期間を、１番ピストン５Ａおよび４番ピストン５Ｄが上死点に到達するタイミングや、２番ピストン５Ｂおよび３番ピストン５Ｃが上死点に到達するタイミングに合致させるようにすればよい。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明に係る内燃機関の一実施形態の概略構成を示す図である。
【図２】図１の高圧フューエルポンプの概略構成を示す図である。
【図３】図１の内燃機関を１番気筒を断面にして模式的に示した図である。
【図４】図２の駆動カムの位相を説明するための説明図である。
【図５】図２の高圧フューエルポンプの駆動タイミングを説明するための図である。
【図６】図２の高圧フューエルポンプの燃料噴射に伴うデリバリパイプのレール圧を説明するための図である。
【図７】本発明に係る内燃機関の他実施形態の概略構成を示す図である。
【図８】図７の高圧フューエルポンプの駆動タイミングを説明するための図である。
【符号の説明】
【００６７】
１      内燃機関
２      変速機
７      クランクシャフト
８      燃焼室
２１      インジェクタ
２２      燃料タンク
２４      高圧フューエルポンプ
３１      駆動カム
３２      プランジャ
３３      シリンダ
３４      加圧室
【図１】
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【図２】
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【図３】
2008014159.tif 000005
【図４】
2008014159.tif 000006
【図５】
2008014159.tif 000007
【図６】
2008014159.tif 000008
【図７】
2008014159.tif 000009
【図８】
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