JP2002004970A - 燃料噴射装置 - Google Patents

燃料噴射装置

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JP2002004970A JP2000187466A JP2000187466A JP2002004970A JP 2002004970 A JP2002004970 A JP 2002004970A JP 2000187466 A JP2000187466 A JP 2000187466A JP 2000187466 A JP2000187466 A JP 2000187466A JP 2002004970 A JP2002004970 A JP 2002004970A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 コモンレール設定圧に応じてスプリングを変
更する必要がなく、かつ開弁に必要な制御室の圧力の増
加量を一定にすることで、開弁に必要なピエゾスタック
の伸び量を最小にし、装置の小型化を可能にする。 【解決手段】 噴孔を開閉するニードル３と一体に摺動
する変位拡大ピストン２の上端面２ｃに面して背圧室６
を設けてコモンレール圧を導入し、ピストン２の下端面
２ｂに加わる燃料圧およびニードル３に加わる燃料圧と
バランスさせる。これにより、ニードル２にはスプリン
グ１３の閉弁方向の付勢力のみが作用するので、コモン
レール圧によらず一定のスプリング力で作動が可能とな
る。また、背圧室６を噴孔３３に供給する燃料を蓄える
蓄圧室１１に連通させたので、開弁時に背圧室６の燃料
を速やかに排出して、圧力増加を抑制し、ニードル２を
速やかにリフトさせる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関のコモン
レール燃料噴射システムに好適に用いられる燃料噴射装
置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来技術として、特開平１１−２００９
８１号公報に記載されるピエゾ駆動式の燃料噴射装置が
あり、コモンレール内の高圧燃料を内燃機関の各気筒に
噴射供給するために用いられている。図５に示すよう
に、この燃料噴射装置は、ハウジング１００の上半部内
に収容したピエゾスタック１０２を伸縮させることによ
り、制御室１０１内の燃料を増減し、これに伴ってニー
ドル１０３を駆動する構成を有している。制御室１０１
はレギュレータを介して高圧ポンプに連通し、ピエゾス
タック１０２の収縮時にほぼコモンレール圧となるよう
に制御されている。この時、ニードル１０３は、下端部
１０３ｃがシート部１１１に着座して、燃料溜まり１０
５と噴孔１１２の連通を遮断している。
【０００３】ニードル１０３は、中間部１０３ｂがハウ
ジング１００の第１ガイド穴１０４内に摺動可能に保持
され、大径の上端部１０３ａが第２ガイド穴１０６内に
摺動可能に位置している。上端部１０３ａ上方のスプリ
ング室１０７には、スプリング１０９が収容されて、ニ
ードル１０３に閉弁方向の力を作用させている。一方、
ニードル１０３には、上端部１０３ａと中間部１０３ｂ
の段差面１１０に加わる制御室１０１内の燃料圧、中間
部１０３ｂと下端部１０３ｃの段差面１０８に加わる燃
料溜まり１０５の燃料圧、および下端部１０３ｃの直径
とシート部の直径の差に相当する面積に加わる燃料溜ま
り１０５の燃料圧とによる開弁方向の力が作用してお
り、この開弁力が、スプリング１０９の閉弁力を上回る
とニードル１０３がリフトする。
【０００４】従来の燃料噴射装置の作動を図６のタイム
チャートに基づいて説明する。図中、時間(1) は駆動回
路から電圧が印加されてピエゾスタック１０２が伸長を
始める時間を、時間(2) はニードル１０３がリフトを開
始する時間を、時間(3) はニードル１０３のリフト量が
最大になる時間を示している。図６（ａ）において、ピ
エゾスタック１０２が収縮状態にある、時間(1) 以前で
は、スプリング１０９による閉弁方向の力が、開弁方向
に作用する力の総和より大きく、ニードル１０３はシー
ト部１１１に押圧されて閉弁している。また、制御室１
０１および燃料溜まり１０５内はコモンレール圧に保た
れている。時間(1) において、ピエゾスタック１０２が
伸び始めると、制御室１０１内の容積が減少して圧力が
上昇し、段差面１１０に作用する開弁方向の力が次第に
増加する。
【０００５】時間(2) で開弁方向の力の総和が閉弁方向
の力より大きくなると、ニードル１０３がシート部１１
１から離れてリフトし始め、燃料の噴射が開始される。
時間(2) から時間(3) にかけて、制御室１０１の圧力は
スプリング１０９が収縮することによる反発力の増加に
より徐々に増加する。時間(3) でピエゾスタック１０２
の伸び量が最大になり、ニードル１０３のリフト量が最
大になる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上記構成の燃料噴射装
置では、上述したように、開弁方向に作用する力を燃料
圧が受持ち、閉弁方向に作用する力をスプリング１０９
が受持つ構造となっている。ところが、この構造では、
制御室１０１および燃料溜まり１０５の圧力がコモンレ
ール圧によって変動し、図６（ａ）に示すように、コモ
ンレール圧が高くなると、制御室１０１および燃料溜ま
り１０５の圧力が増加して開弁方向の力が増加する。こ
のため、装置によって異なるコモンレールの設定圧に合
わせて、閉弁方向に作用する力を受持つスプリング力を
増加させる、つまりスプリング１０９を交換する必要が
生じる。
【０００７】一方、図６（ｂ）に示すように、スプリン
グ１０９を交換せずに設定圧の変化に対応した場合を考
えると、コモンレール圧が高い状態でも閉弁を維持する
必要から、スプリング１０９は閉弁力（スプリング力）
の大きいものを用いる必要がある。この時、コモンレー
ル圧が低い状態では、閉弁力が燃料圧による開弁力より
はるかに大きくなり、時間 (2)´で開弁するまでに必要
な制御室１０１圧力の増加量が大きくなる。つまり、制
御室１０１の容積を大きく減少させる必要があるため
に、ピエゾスタック１０２の伸び量が大きくなり、ピエ
ゾスタック１０２を含む駆動部の体格が大きくなって、
装置全体が大型化する問題がある。
【０００８】そこで、本発明では、コモンレールに設定
圧に応じてスプリング１０９を変更する必要がなく、か
つ開弁に必要な制御室の圧力の増加量を一定にすること
で、開弁に必要なピエゾスタックの伸び量を最小にし、
装置の小型化を可能にすることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の請求項１の燃料
噴射装置は、噴孔を開閉するニードルに開弁方向の燃料
圧を作用させる制御室と、上記ニードルに閉弁方向の付
勢力を作用させるスプリング部材を有し、該制御室内の
燃料をピエゾ駆動部により加圧して上記ニードルをリフ
トさせるものである。そして、上記ニードルと一体に摺
動するピストン部材を設けて、該ピストン部材の下端面
に上記制御室内の燃料圧を作用させる一方、上端面に閉
弁方向の燃料圧を作用させる背圧室を設けて、該背圧室
を燃料供給路に連通させ、かつ上記噴孔に供給する燃料
を蓄える蓄圧室を設けて、上記背圧室と上記蓄圧室とを
連絡穴にて連通させたことを特徴とする。
【００１０】上記構成によれば、上記ニードルと一体の
ピストン部材の上端面に、閉弁方向の燃料圧を作用させ
る背圧室を設けたので、開弁方向の燃料圧とほぼバラン
スし、上記ニードルには、上記スプリング部材の閉弁力
のみが作用する。よって、コモンレール圧の設定圧変化
に応じて、上記スプリング部材を変更する必要がなく、
開弁に必要な制御室の圧力増加量を一定とできる。しか
も、上記背圧室を連絡穴にて上記蓄圧室に連通させたの
で、例えば、上記ピストン部材の移動に伴い上記背圧室
の容積が縮小しても、上記背圧室内の燃料が上記連絡穴
から上記蓄圧室に排出されて、上記背圧室の圧力上昇を
抑制する。従って、上記ニードルを速やかにリフトさせ
ることができ、開弁に必要なピエゾの伸び量を最小にし
て、ピエゾ駆動部の体格を小型にすることができる。
【００１１】請求項２の構成では、上記連絡穴を複数設
ける。これにより、開弁時の上記背圧室から上記蓄圧室
への燃料の排出、あるいは、閉弁時の上記蓄圧室から上
記背圧室への燃料の導入がより速やかになされる。
【００１２】請求項３の構成では、上記蓄圧室を、上記
ニードルまたは上記ニードルと上記ピストン部材を連結
する軸部材の外周に設け、上記蓄圧室内に上記スプリン
グ部材を配設する。このようにすると、ハウジング径を
大きくすることなく、上記蓄圧室の容積を確保でき、装
置の小型化が可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、図１、２により本発明の第
１の実施の形態を説明する。図１は、本実施の形態の燃
料噴射装置の全体構成図で、高圧ポンプで加圧した高圧
燃料をコモンレールに蓄圧し、エンジンの各気筒に対応
して設けたインジェクタＩに供給する構成を有してい
る。高圧ポンプには図略の燃料タンクからフィードポン
プを経て燃料が供給される。インジェクタＩは、ピスト
ン部材である変位拡大ピストン２が摺動自在に配設され
る本体ハウジング１を有し、ハウジング１の下端にはニ
ードル３を収容するノズルボデー３１が、上端にはピエ
ゾ駆動部４を構成するピエゾスタック４１を収容するピ
エゾカバー４２が固定してある。ノズルボデー３１はノ
ズルリテーナ３２で、ピエゾカバー４２はリテーナ４３
を用いてハウジング１にそれぞれ固定される。
【００１４】ピエゾ駆動部４は、ハウジング１の上端開
口部内に嵌着される容器状のホルダ４４と、ホルダ４４
内に収容されるピストン４５を有する。ホルダ４４の上
端面はピエゾカバー４２の下端面に当接している。リテ
ーナ４３はこれらピエゾカバー４２およびホルダ４４に
外挿されてハウジング１に螺結されており、ピエゾカバ
ー４２およびホルダ４４には下向きの力が作用してハウ
ジング１に密着している。ピストン４５はホルダ４４内
周面とわずかなクリアランスを有して摺動可能であり、
その上面はピエゾスタック４１の下面に当接している。
そして、ピストン４５下面とホルダ４４との空間４６に
配したスプリング４７の付勢力がピストン４５を介して
ピエゾスタック４１に上向きに作用してピエゾスタック
４１上面をピエゾカバー４２頂面に密着させている。よ
って、外部の駆動回路により、ピエゾスタック４１上面
に接続するリード線４８を介してピエゾスタック４１を
伸縮させると、これと密着を保持しつつピストン４５が
一体に上下動する。
【００１５】筒状のノズルボデー３１は、リテーナ３２
から突出する先端部に噴孔３３を有し、ニードル３がシ
ート面３４に着座することにより噴孔３３とその上流側
とを遮断するようになしてある。ニードル３の上端は、
変位拡大ピストン２の下面に一体に設けた軸部材２ａの
下端に、コネクタ２１によって連結されており、連結端
面を密着させていることによりニードル３と変位拡大ピ
ストン２は一体となって上下動する。ハウジング１の下
半部内には、小径の軸部材２ａ周りに高圧燃料を蓄える
蓄圧室１１が形成してあり、ニードル３とノズルボデー
３１との間隙によって形成される燃料溜まり３５に高圧
燃料を供給している。
【００１６】蓄圧室１１内は、仕切り部材１２によって
上下に区画され、スプリング室を兼ねる下室内には、変
位拡大ピストン２周りにスプリング１３が配設されて、
変位拡大ピストン２およびこれと一体のニードル３を下
方（すなわち閉弁方向）に付勢している。蓄圧室１１の
上下室は仕切り部材１２に設けた複数の通路１４によっ
て連通している。
【００１７】軸部材２ａは、上端部が、蓄圧室１１上方
の第１のガイド穴１５内にわずかなクリアランスを有し
て摺動可能に保持されており、第１のガイド穴１５の上
方に設けた大径の第２のガイド穴１６内に、軸部材２ａ
より大径の変位拡大ピストン２が位置している。この変
位拡大ピストン２の下面２ｂと、軸部材２ａ、第２のガ
イド穴１６の底部内壁面との間に形成される環状空間に
よって、制御室５が形成され、制御室５はハウジング１
およびホルダ４４内に形成される連通路５１を介して、
ピストン４５下方の空間４６に連通している。制御室５
と連通路５１および空間４６は、図略のオリフィス通路
を介してコモンレールから供給される高圧燃料が満たさ
れ、変位拡大ピストン２に対し上向き（開弁方向）の燃
料圧を作用させている。
【００１８】変位拡大ピストン２の上面２ｃと、第２の
ガイド穴１６の上部内壁面との間に形成される空間は、
背圧室６としてある。この背圧室６は、ハウジング側方
に突出する燃料供給路１７、およびバーフィルタ１８を
介してコモンレールに連通し、コモンレールから供給さ
れる高圧燃料によって、変位拡大ピストン２に対し下向
き（閉弁方向）の燃料圧を作用させている。また、蓄圧
室１１から上方に延びる連絡穴２２が、背圧室６近傍に
て燃料供給路１７に接続し、この連絡穴２２により背圧
室６と蓄圧室１１とが連通している。
【００１９】上記構成の燃料噴射装置の作動を図２のタ
イムチャートを用いて説明する。図において、時間よ
り以前は、駆動回路からピエゾスタック４１への電圧が
印加がなく、ピエゾスタック４１は収縮している。この
時、制御室５と背圧室６および蓄圧室１１内の圧力はコ
モンレール内の圧力と等しく、変位拡大ピストン２の上
面２ｃに作用する背圧室６内の燃料圧による閉弁方向の
力と、下面２ｂに作用する制御室５内の燃料圧、ニード
ル２とシート面３４の直径差に相当する面積に作用する
燃料溜まり３５内の燃料圧による開弁方向の力とは、ほ
ぼバランスしている。従って、ニードル２には、スプリ
ング１３の付勢力による閉弁方向の力のみが作用し、ニ
ードル２がシート部３４に着座するため、燃料の噴射は
行われない。
【００２０】次いで、ニードル２を開弁させるべく、時
間においてピエゾスタック４１への印加電圧を増加さ
せると、ピエゾスタック４１が伸長し、これと一体のピ
ストン４５がスプリング４７の付勢力に抗して下方に移
動する。これに伴いピストン４５下方の空間４６の容積
が減少し、連通路５１を介してこれと連通する制御室５
内の圧力が上昇して、変位拡大ピストン２の下面２ｂに
作用する開弁方向の力が増加する。この開弁方向の力
が、スプリング１３による閉弁方向の力より大きくなる
と、時間で、変位拡大ピストン２がリフトし始める。
同時に、変位拡大ピストン２と一体のニードル２がリフ
トを開始し、シート面３４から離れると、蓄圧室１１か
ら燃料溜まり３５に供給される燃料が噴孔３３から噴射
される。
【００２１】ここで、変位拡大ピストン２がリフトを開
始すると、背圧室６の容積が減少して圧力が増加する
が、本発明では、背圧室６が連絡穴２２を介して蓄圧室
１１と連通させているため、変位拡大ピストン２に作用
する閉弁方向の圧力増加が抑制される。すなわち、ニー
ドル２がリフトして燃料が噴射されることによって、蓄
圧室１１内の圧力が減少するため、連絡穴２２の径を十
分大きくすれば、背圧室６の燃料を速やかに蓄圧室１１
に排出することができる。よって、変位拡大ピストン２
に作用する閉弁方向の圧力増加を抑制し、瞬間的なピエ
ゾスタック４１の動きに合わせた変位拡大ピストン２の
リフトが可能になる。
【００２２】しかも、コモンレール圧の設定圧が変化し
た場合でも、変位拡大ピストン２に作用する開弁方向の
燃料圧と閉弁方向の燃料圧とはバランスされており、ス
プリング１３の閉弁方向の力のみが変位拡大ピストン２
に作用することになる。よって、コモンレール圧にかか
わらず、必要な制御室５の圧力増加量を一定とすること
ができ、時間でピエゾスタック１０２の伸び量が最大
になり、ニードル１０３のリフト量が最大になる。従っ
て、コモンレール圧に応じてスプリング１３を変更する
必要がなく、ピエゾスタック４１の伸び量が最小となる
ようにスプリング力を設定して、ピエゾ駆動部の体格を
小型にすることができる。また、蓄圧室１１を軸部材２
ａ周りに設け、スプリング１３を配設する構成としたこ
とにより、装置全体をより小型にすることが可能であ
る。
【００２３】図３に本発明の第２の実施の形態を示す。
本実施の形態では、背圧室６と蓄圧室１１を連通する連
絡穴２２を複数設けている。これにより、変位拡大ピス
トン２のリフト時に、背圧室６から蓄圧室１１への燃料
の排出をより速やかに行うことができる。また、図３に
おいて、背圧室６には、図示しないハウジング１内に、
コモンレールから背圧室６へ至る燃料供給通路が形成さ
れている。その他の構成は、上記第１の実施の形態と同
様である。
【００２４】図４は、本発明の第２の実施の形態におけ
る作動を説明するためのタイムチャートで、第１の実施
の形態と比較して示している。図中、時間以前は、第
１の実施の形態と同様である。時間で、ニードル３が
リフトを開始すると、連絡穴２２を複数設けた第２の実
施の形態では、背圧室６から蓄圧室１１へ燃料が排出し
やすいために、背圧室６の圧力上昇が小さく、制御室５
の圧力上昇が速やかになされるために、第１の実施の形
態よりも早い時間´において、変位拡大ピストン２の
リフト量が最大となる。
【００２５】閉弁時も同様であり、時間でピエゾスタ
ック４１への印加電圧を減少させてこれを収縮させる
と、ピストン４４の上方への移動に伴い、制御室５の圧
力が低下して変位拡大ピストン２が下降を開始する。そ
して、開弁方向の力がスプリング１３による閉弁方向の
力より小さくなると、ニードル３がシート面３４に着座
して噴射が終了する。この時、変位拡大ピストン２の下
降とともに、背圧室６の容積が増加するが、複数の連通
穴２２を有する第２の実施の形態では、容積増加分の燃
料が蓄圧室１１から直ちに供給されて、背圧室６の圧力
低下が微小であるために、変位拡大ピストン２が速やか
に下降し、ピエゾスタック４１の収縮が終了する時間
より以前に、噴射が終了する。
【００２６】このように、本実施の形態によれば、開閉
弁をより迅速に行うことができ、噴射特性を向上させる
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す、コモンレー
ル燃料噴射装置の全体構成図である。
【図２】第１の実施の形態の作動を説明するためのタイ
ムチャートである。
【図３】第２の実施の形態の燃料噴射装置の全体構成図
である。
【図４】第２の実施の形態の作動を説明するためのタイ
ムチャートである。
【図５】従来の燃料噴射装置の全体構成図である。
【図６】従来の燃料噴射装置の作動を説明するためのタ
イムチャートで、（ａ）はコモンレール圧が変化した場
合の影響を示す図、（ｂ）はスプリングを変更しない場
合のコモンレール圧変化の影響を示す図である。
【符号の説明】
Ｉ インジェクタ １ ハウジング １１ 蓄圧室 １３ スプリング（スプリング部材） ２ 変位拡大ピストン（ピストン部材） ２ａ 軸部材 ２２ 連絡穴 ３ ニードル ３１ ノズルボデー ３３ 噴孔 ３４ シート部 ３５ 燃料溜まり ４ ピエゾ駆動部 ４１ ピエゾスタック ４２ ピエゾカバー ４５ ピストン ５ 制御室 ５１ 連通路 ６ 背圧室
フロントページの続き (72)発明者 松岡 弘芝 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 高木 二郎 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 大木 久 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 Ｆターム(参考） 3G066 AB02 AC09 AD07 BA67 CC01 CC08T CC08U CC14 CC61 CC63 CC70 CE13 CE27 CE35

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 噴孔を開閉するニードルに開弁方向の燃
    料圧を作用させる制御室と、上記ニードルに閉弁方向の
    付勢力を作用させるスプリング部材を有し、該制御室内
    の燃料をピエゾ駆動部により加圧して上記ニードルをリ
    フトさせる燃料噴射装置において、上記ニードルと一体
    に摺動するピストン部材を設けて、該ピストン部材の下
    端面に上記制御室内の燃料圧を作用させる一方、上端面
    に閉弁方向の燃料圧を作用させる背圧室を設けて、該背
    圧室を燃料供給路に連通させ、かつ上記噴孔に供給する
    燃料を蓄える蓄圧室を設けて、上記背圧室と上記蓄圧室
    とを連絡穴にて連通させたことを特徴とする燃料噴射装
    置。
  2. 【請求項２】 上記連絡穴を複数設けた請求項１記載の
    燃料噴射装置。
  3. 【請求項３】 上記蓄圧室を、上記ニードルまたは上記
    ニードルと上記ピストン部材を連結する軸部材の外周に
    設け、上記蓄圧室内に上記スプリング部材を配設した請
    求項１または２記載の燃料噴射装置。
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