JP2003343383A

JP2003343383A - 燃料噴射弁

Info

Publication number: JP2003343383A
Application number: JP2002149065A
Authority: JP
Inventors: Eiji Ito; 栄次伊藤
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-05-23
Filing date: 2002-05-23
Publication date: 2003-12-03

Abstract

(57)【要約】【課題】少量噴射量領域の噴射量のばらつきを抑制す
るとともに、ニードルの着座時の衝撃荷重を低減して、
シート摩耗を抑制し、シート径の変化による噴射特性の
経時変化を防止する。【解決手段】電磁弁５によって制御室４の圧力を増減
し、コマンドピストン２を駆動してニードル１を昇降さ
せる構成において、コマンドピストン２を、大径ピスト
ン２１と、大径ピストン２１内に摺動自在に収容される
小径ピストン２２で構成する。大径ピストン２１の下方
への移動を、ハウジングＨ内周面に設けた段差部２４に
よって規制することで、噴射開始初期には、ニードルの
リフトが一旦停止し、噴射終了時に、閉弁速度が上昇す
る噴射特性が得られる。

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弁
に関する。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジンにおいて、各気筒に
共通のコモンレールに高圧燃料を蓄圧し、所定のタイミ
ングで燃料噴射弁を駆動して対応する気筒に高圧燃料を
噴射するコモンレール燃料噴射システムが採用されてい
る。コモンレール燃料噴射システム用の燃料噴射弁に
は、一般に、電磁弁が装着されており、電磁弁がＯＦＦ
の状態では、電磁弁が制御室と低圧通路の間を閉鎖し
て、制御室の圧力を上昇させている。この時、制御室の
圧力がノズル背圧として作用しニードルをノズルシート
に押圧しているため、燃料が噴射されることはない。

【０００３】電磁弁がＯＮの状態では、インオリフィス
を介して高圧通路から制御室へ流入する燃料の量よりも
アウトオリフィスを介して低圧通路へ流出する量の方が
多くなる。このため、制御室の圧力が降下し、ノズル内
圧力による押し上げ力が制御室圧力による押し下げ力に
打ち勝つと、ニードルが離座して、燃料が噴射される仕
組みになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、電磁弁に通
電した時の、制御室の圧力降下のパターンは、通常、電
磁弁の開弁とともに圧力が大きく低下した後、徐々に圧
力低下速度が小さくなる。このような特性のため、ニー
ドル開弁圧付近では、圧力低下が緩やかになり、ノズル
の有効シート面積が変化すると、噴射タイミングが変化
する。特に、パイロット噴射等の低噴射量領域にて噴射
量変化が大きくなる問題があった。このため、生産時に
おけるシート径の加工ばらつきによって、燃料噴射弁の
噴射量の個体間ばらつきが大きくなるとともに、運転時
にニードルが着座・離座を繰り返すことにより、ノズル
シート部が摩耗してシート径が変化した場合には、噴射
量制御性が低下するおそれがあった。

【０００５】本発明は上記問題点に鑑みてなされたもの
で、パイロット噴射等の少量噴射量領域の噴射量のばら
つきを抑制するとともに、ニードルの着座時の衝撃荷重
を低減して、シート摩耗を抑制することで、シート径の
変化による噴射特性の経時変化を防止し、噴射量制御を
精度よく行うことが可能な燃料噴射弁を実現することを
目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１の燃料噴射弁
は、電気的に駆動されて制御室の圧力を増減する制御弁
と、該制御室の圧力の増減に伴いシリンダ内を摺動する
コマンドピストンと、上記コマンドピストンとともに昇
降して噴孔を開閉するニードルとを備える。上記コマン
ドピストンは、大径ピストンと、該大径ピストン内に摺
動自在に収容され先端部が上記大径ピストンの下端より
突出して上記ニードルに当接する小径ピストンからな
り、上記大径ピストンの下方への移動は規制部によって
規制されている。また、上記小径ピストンが下端位置に
ある時に、上記大径ピストンと上記小径ピストンの上端
面との間に空間が形成される構成としてあり、該空間と
上記制御室を連通させる連通路を設けている。

【０００７】上記構成において、上記制御弁により上記
制御室の圧力を上昇させると、上記大径ピストンと小径
ピストンが一体に下降して、上記ニードルを閉弁方向に
駆動する。ただし、上記大径ピストンの移動は、ある位
置で上記規制部により規制され、その後は、上記連通路
を介して上記制御室の圧力が加わる上記小径ピストンの
みが上記ニードルとともに下降する。上記大径ピストン
の移動が停止すると、上記コマンドピストンの移動によ
る制御室容積の拡大率が減少するため、上記制御室の圧
力が急激に上昇し、閉弁速度が増大する。また、上記小
径ピストンによる閉弁力のみが上記ニードルに作用する
ため、閉弁時に上記ニードルをシートに押し付ける力が
小さくなる。よって、閉弁時のシャープカットが可能と
なり、シート摩耗も抑制できる。

【０００８】一方、開弁時に、上記制御弁により上記制
御室の圧力を降下させると、まず、上記ニードルと上記
小径ピストンが一体に上昇し、上記小径ピストンが上記
大径ピストンに当接すると、一旦上昇が停止する。さら
に上記制御室の圧力が降下すると、上記大径ピストンが
移動を開始し、上記ニードルが再び上昇する。このよう
に、噴射初期に上記ニードルのリフトを一定時間停止
し、その後、全量噴射することで、１噴射工程中におけ
る少量噴射量領域の噴射量制御性が向上する。また、こ
の１噴射工程中のメイン噴射量領域において、上記ニー
ドルは開弁状態にあるため、シート径のばらつきや、摩
耗によるシート径変化の影響を受けず、精度よい噴射量
制御を長期に渡り実現できる。

【０００９】請求項２のように、具体的には、上記規制
部を、上記シリンダ内壁面に形成される段差部で構成す
ることができる。上記大径ピストンが下降して上記段差
部に当接すると、それ以上下降することができず、移動
が停止する。

【００１０】また、請求項３のように、上記段差部の上
記大径ピストンと当接する面を、下方に向けて縮径する
テ−パ面とすると、上記大径ピストンが上記段差部に当
接した時に、上記大径ピストンの外周から燃料が漏れる
ことを防止する効果が高い。

【００１１】請求項４のように、上記制御弁は、上記制
御室と低圧通路の間を開閉する弁体を有する構成とする
ことができる。この時、上記弁体が上記制御室と低圧通
路の間を遮断すると、上記制御室の圧力が上昇し、上記
コマンドピストンを介して上記ニードルに閉弁方向の力
を作用させる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施の形態
を図１〜４を基に説明する。図２は本発明の燃料噴射弁
の全体構成図で、例えば、ディーゼルエンジンのコモン
レール式噴射システムに適用される。図２中、燃料噴射
弁は、略円筒状の本体ハウジングＨの下端面に接して、
ニードル１が収容される凸形断面の筒状のノズルボデー
Ｈ１を配設し、リテーナＨ２で油密に固定してなる。本
体ハウジングＨの筒内には、詳細を後述するコマンドピ
ストン２が収容されるとともに、図の上下方向に平行に
延びる高圧通路３１と低圧通路３２が設けられる。高圧
通路３１の上端は、本体ハウジングＨ上側部に突設した
燃料導入管部３３を介して、外部のコモンレール（図
略）に連通しており、低圧通路３２の上端は、本体ハウ
ジングＨ上側部に突設した燃料導出管部３４を介して、
外部の燃料タンク（図略）に連通している。

【００１３】高圧通路３１の下端は、ノズルボデーＨ１
内へ延び、ニードル１の外周に設けられる燃料溜まり１
１に連通している。通常状態（非通電時）において、ニ
ードル１は、ノズルボディＨ１先端に設けたノズルシー
ト１３に着座して、噴孔１２と燃料溜まり１１の間を遮
断している。ニードル１がリフトしてノズルシート１３
から離座すると、噴孔１２と燃料溜まり１１とが連通
し、コモンレールから燃料溜まり１１に供給される高圧
燃料が、ニードル１周囲のクリアランスを介して噴孔１
２から噴射される。なお、コモンレールには、図略の高
圧ポンプから高圧燃料が送出され、所定の噴射圧に制御
されている。

【００１４】本体ハウジングＨの上端部内には、制御室
４を構成するオリフィスプレートＰが配設され、その上
方に制御室４の圧力を増減するための制御弁となる電磁
弁５が固定されている。電磁弁５は、本体ハウジングＨ
の上端開口に装着されるソレノイドボデーＨ３内に、筒
状のソレノイド５１を収容し、ソレノイド５１と制御室
４との間にＴ字断面のアーマチャ６を配設してなる。ア
ーマチャ６は、上端面がソレノイド５の下端面に対向
し、先端の半球状の中空部内に、弁体としてのボール弁
６１を保持している。また、アーマチャ６の先端部周り
には、低圧通路３２に連通する低圧室６２が設けられ
る。一方、制御室４は、インオリフィス４１を介して高
圧通路３１と常時連通するとともに、頂部にボール弁６
１によって開閉されるアウトオリフィス４２を有し、ア
ーマチャ６がソレノイド５１に吸引されて上方へ移動す
ると、制御室４内の高圧燃料がボール弁６１を押し上げ
て低圧室６２に流出するようになっている。なお、ソレ
ノイド５１の筒内には、アーマチャ６を下方へ付勢する
スプリング５２が配設してある。

【００１５】制御室４の圧力は、その下方のコマンドピ
ストン２を介してニードル１に作用する。コマンドピス
トン２の下端部外周には、ニードル１を下方に付勢する
スプリング１４が配設され、ボール弁６１がアウトオリ
フィス４２を閉鎖し、制御室４が高圧となっている時に
は、ニードル１は制御室４の圧力とスプリング１４の付
勢力によってノズルシート１３に押し付けられている。
ボール弁６１がアウトオリフィス４２を開放し、制御室
４の圧力が降下してニードル１に閉弁方向に作用する力
が、開弁方向に作用する燃料溜まり１１の燃料圧力を下
回ると、ニードル１がノズルシート１３から離座し、コ
マンドピストン２とともに上昇する。

【００１６】ここで、本発明では、図１に概略構造を示
すように、コマンドピストン２を、上端閉鎖の筒状の大
径ピストン２１と、該大径ピストン２１内に摺動自在に
収容される小径ピストン２２とで構成する。小径ピスト
ン２２は、下半部が大径ピストン２１の下端より突出し
ており、突出部の先端はニードル１に当接している（図
２）。シリンダとなる本体ハウジングＨの内周面には、
大径ピストン２１の下端縁に対向して、規制部となる段
差部２４が設けられ、大径ピストン２１の下方への移動
を規制している。また、大径ピストン２１の上端面に
は、中央部を貫通して連通路となる連通穴２３が設けて
ある。従って、図示するように、制御室４の圧力によ
り、大径ピストン２１の下端が段差部２４に当接する
と、大径ピストン２１はそれ以上、下降することができ
ず、連通穴２３から流入する高圧燃料の圧力によって、
小径ピストン２２のみが下降することになる。この時、
大径ピストン２１と小径ピストン２２の上端面との隙間
によって形成される空間７と、制御室４とが、連通穴２
３を介して連通する。

【００１７】本発明の燃料噴射弁は、コマンドピストン
２を、大径ピストン２１と小径ピストン２２の組み合わ
せて構成し、大径ピストン２１の移動を規制すること
で、噴射特性の制御を容易にする。図３は、上記構成の
燃料噴射弁の作動を説明するためのタイムチャートで、
図３のａの時点以前は、電磁弁５のソレノイド５１に非
通電の状態であり、アーマチャ６がボール弁６１を押し
下げてアウトオリフィス４２と低圧通路３２の連通を遮
断している。制御室４は、インオリフィス４１を介して
高圧燃料が流入するために高圧となっている。図１のよ
うに、この時、高圧の制御室４に面するコマンドピスト
ン２の大径ピストン２１は、制御室４の圧力を受けて段
差部２４に押し付けられて、移動が規制されている。小
径ピストン２２は、大径ピストン２１との間に形成され
る空間７に、制御室４から連通穴２３を介して供給され
る燃料の圧力によって、ニードル１を閉弁方向に押圧し
ており、ニードル１はノズルシート１３に着座してい
る。

【００１８】次に、図３のａの時点において、電磁弁５
のソレノイド５１に通電し、アーマチャ６が上方に吸引
されると、ボール弁６１がアウトオリフィス４１を介し
て上向きに作用する制御室４の燃料圧力によって開弁
し、制御室４および空間７の圧力が低下し始める。やが
て、ニードル１の開弁方向に作用する燃料溜まり１１の
燃料圧力が、小径ピストン２２およびスプリング１４に
よる閉弁方向の力を上回ると、ニードル１が離座して、
燃料噴射が開始される（図３のｂの時点）。

【００１９】その後、ニードル１はリフトを続け、これ
に伴い小径ピストン２２が上昇するが、小径ピストン２
２の上端面が大径ピストン２１に当接する位置まで上昇
すると、大径ピストン２１による閉弁力が加わるため
に、ニードル１のリフトが一旦停止する（図３のｃの時
点）。この時点で、大径ピストン２１と小径ピストン２
２の間の空間７が消失する。制御室４の圧力がさらに降
下し、大径ピストン２１と小径ピストン２２およびスプ
リング１４による閉弁合力が減少して、ニードル１を押
し上げようとする燃料溜まり１１の燃料圧力を下回ると
（図３のｄの時点）、再びニードル１が上昇する。

【００２０】図３のｅの時点で、電磁弁５のソレノイド
５１への通電を停止すると、アーマチャ６がボール弁６
１を押し下げ、アウトオリフィス４２と低圧通路３２の
連通を再び遮断する。制御室４の圧力が、インオリフィ
ス４１を介して流入する高圧燃料によって上昇し、ニー
ドル１に作用する閉弁方向の力が開弁方向の力を上回る
と、コマンドピストン２がニードル１を徐々に押し下げ
る。この時、大径ピストン２１と小径ピストン２２が一
体となってニードル１とともに下降するが、大径ピスト
ン２１は段差部２４に当接すると、移動を停止し（図３
のｆの時点）、大径ピストン２１と小径ピストン２２の
間の空間７に連通孔２３から流入する燃料圧力によっ
て、小径ピストン２２のみが下降する。すなわち、大径
ピストン２１と小径ピストン２２が一体に移動する場合
の制御室４容積の拡大率に比べて、小径ピストン２２の
みが移動する場合は、空間７の容積が大きく拡大しない
ため、制御室４および空間７の圧力が急上昇する。これ
により、ニードル１の閉弁速度が上昇し、速やかにノズ
ルシート１３に着座して閉弁する（図３のｇの時点）。
しかも、着座時に、コマンドピストン２からニードル１
に作用する力は、小径ピストン２２による押圧力のみと
なるため、ニードル１をノズルシート１３に押し付ける
力の絶対値を必要最小限に小さくするとができる。

【００２１】以上のように、上記構成では、ニードル１
を駆動するコマンドピストン２を、大径ピストン２１と
小径ピストン２２に分割し、昇降が２段階でなされるよ
うにしている。そして、噴射開始初期にニードルの開弁
動作を一定の時間停止し、その後、全量噴射すること
で、１噴射工程中における少量噴射量領域の噴射量制御
性が向上する。また、この１噴射工程中のメイン噴射量
領域は、ニードル１が開弁している状態から開始される
ため、シート径のばらつきや摩耗によるシート径変化の
影響を受けず、有効シート面積が変化しても噴射量が変
化しない特性が得られる。図４は、電磁弁の開弁時間と
噴射量の関係を示す図で、小噴射量領域で、電磁弁の開
弁時間に対し、噴射量の変化が少なく、制御性が良好で
あることが分かる。さらに、噴射終了時は、ニードルの
閉弁速度が上昇するため、、シャープカットが可能であ
り、シート押し付け力を低減できるため、シート摩耗を
抑制する効果が得られる。

【００２２】図５に本発明の第２の実施の形態を示す。
本実施の形態の基本構成および作動は、上記第１の実施
の形態と同じであり、規制部となる段差部２４の形状が
異なっている。図５のように、本実施の形態では、段差
部２４の大径ピストン２１と当接する面を水平面とせ
ず、下方に向けて縮径するテーパ面としている。このよ
うに、当接面をテーパ面とすると、大径ピストン２１が
押し下げられた時に、大径ピストン２１の下端縁が段差
部２４により密着するので、シール性が向上し、大径ピ
ストン２１外周からの燃料漏れ量をより低減することが
できる。

【００２３】上記実施の形態では、制御弁として電磁弁
を用いたが、これに限るものではなく、同様に通電によ
り駆動されて制御室の圧力を増減する弁であればよい。
また、ハウジング内周面に段差を設けて規制部とした
が、大径ピストンの移動を規制する構成であれば、それ
以外の形状であってもよい。また、電磁弁や制御室等の
構成を変更することももちろんできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態における燃料噴射弁
の主要部断面図である。

【図２】第１の実施の形態の燃料噴射弁の全体断面図で
ある。

【図３】第１の実施の形態の燃料噴射弁のニードルリフ
トと制御室圧の関係を示す図である。

【図４】第１の実施の形態の燃料噴射弁の電磁弁開弁時
間と噴射量の関係を示す図である。

【図５】本発明の第２の実施の形態における燃料噴射弁
の主要部断面図である。

【符号の説明】

Ｈ本体ハウジングＨ１ノズルボデーＨ３ソレノイドボデー１ニードル１１燃料溜まり１２噴孔１３ノズルシート２コマンドピストン２１大径ピストン２２小径ピストン２３連通穴（連通路）２４段差部（規制部）３１高圧通路３２低圧通路４制御室４１インアリフィス４２アウトアリフィス５電磁弁（制御弁）５１ソレノイド６アーマチャ６１ボール弁（弁体）７空間

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気的に駆動されて制御室の圧力を増減
する制御弁と、該制御室の圧力の増減に伴いシリンダ内
を摺動するコマンドピストンと、上記コマンドピストン
とともに昇降して噴孔を開閉するニードルとを備える燃
料噴射弁であって、上記コマンドピストンが、大径ピス
トンと該大径ピストン内に摺動自在に収容され先端部が
上記大径ピストンの下端より突出して上記ニードルに当
接する小径ピストンからなり、上記大径ピストンの下方
への移動を規制する規制部を設けるとともに、上記小径
ピストンが下端位置にある時に、上記大径ピストンと上
記小径ピストンの上端面との間に空間が形成される構成
とし、かつ該空間と上記制御室を連通させる連通路を設
けたことを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項２】上記規制部が、上記シリンダ内壁面に形
成される段差部からなる請求項１記載の燃料噴射弁。
【請求項３】上記段差部の上記大径ピストンと当接す
る面が、下方に向けて縮径するテ−パ面となっている請
求項２記載の燃料噴射弁。
【請求項４】上記制御弁が、上記制御室と低圧通路の
間を開閉する弁体を有し、上記弁体が上記制御室と低圧
通路の間を遮断した時に、上記制御室の圧力が上昇し
て、上記コマンドピストンを介して上記ニードルに閉弁
方向の力を作用させる請求項１ないし３のいずれか記載
の燃料噴射弁。