JP2004308479A - 内燃機関の燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】制御油圧室の圧力脈動を抑制することにより、ノズルニードルの動作を安定させ、噴射制御性を向上させること、これにより、制御油圧室に至る導通路の長さの制約をなくし、設計の自由度を向上させることを目的とする。
【解決手段】内燃機関の燃料噴射弁１は、噴孔５１を開閉するノズルニードル５に閉弁方向の圧力を作用させる制御油圧室６の圧力を、ピエゾアクチュエータ２で、油圧制御部１０２の弁体４を駆動することにより増減させる。制御油圧室６は、メイン通路７１にて油圧制御部１０２と連通する一方、サブ通路７５にて高圧通路１２１と連通しており、これら通路７１，７５には、それぞれメインオリフィス７２、サブオリフィス７６が設けてある。メインオリフィス７２、サブオリフィス７６は、制御油圧室６側の開口端の、制御油圧室６における圧力脈動を抑止可能な位置に配置される。
【選択図】 図１

Description

【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式燃料噴射システムに用いられる燃料噴射弁構造に関し、詳しくは、ノズルニードルの背圧の脈動を抑制するための背圧媒体の流路構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射装置では、コモンレールに蓄圧された燃料を燃料噴射弁の燃料供給路に供給し、燃料噴射弁の先端に形成した噴孔をノズルニードルで開閉して、燃料を噴射するようになっている。ノズルニードルの背面には、油圧制御弁で圧力制御される制御油圧室が設けられ、ピエゾアクチュエータを用いた駆動部によって油圧制御弁を駆動して、ノズルニードルを昇降させる。この構成において、コモンレールからの燃料は、インジェクタの燃料通路に導入されて噴孔へ供給される一方で、ノズルニードルの後端面を室壁とする油圧制御室に導入され、ノズルニードルに閉弁方向の圧力を作用させる制御油として使用される。
【０００３】
油圧制御弁としては、二方弁または三方弁が用いられる。例えば、特許文献１に記載される燃料噴射弁は、三方弁構造の油圧制御弁を有し、ドレーン通路側の低圧シートまたは高圧通路側の高圧シートに選択的に着座する弁体を備えて、着座位置によって制御油圧室とドレーン通路または高圧通路との連通を切り替えている。すなわち、油圧制御弁が制御油圧室をドレーン通路に連通させると、制御油圧室から燃料が流出し圧力が低下してノズルニードルが離座する。油圧制御弁が制御油圧室を高圧通路に連通させると、コモンレールから高圧通路を経て導入される燃料によって制御油圧室の圧力が上昇しノズルニードルが着座する。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３５５５３４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように、ノズルニードルの背圧は、ニードル背後に設けた制御油圧室の油圧を制御することによってその大きさが可変とされる。そのために、制御油圧室は、高圧通路やドレーン通路と直接に、または油圧制御弁を介して導通している。ところが、これらの導通路と制御油圧室とが連携して圧力振動の共振系を構成するために、制御油圧室で圧力脈動が発生し、その影響でノズルニードルの動作が不安定になる問題が生じた。特に、特許文献１の構成では、制御油圧室が三方弁とメインオリフィス通路を介して連通するとともに、高圧通路とサブオリフィス通路を介して連通しており、加振源が複数あるために圧力脈動が大きくなり、ノズル開閉の制御性を低下させるおそれがある。また、これらの導通路は、長さが長いほど圧力脈動を大きくするため、導通路を短くすることで圧力脈動を抑制可能であるが、設計の自由度が制限される。
【０００６】
本発明は上記実情に鑑みなされたもので、制御油圧室の圧力脈動を抑制することにより、ノズルニードルの動作を安定させ、噴射制御性を向上させることを第１の目的とする。また、これにより、制御油圧室に至る導通路の長さの制約をなくし、設計の自由度を向上させることを第２の目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明において、内燃機関の燃料噴射弁は、噴孔を開閉するノズルニードルに閉弁方向の圧力を作用させる制御油圧室と、上記制御油圧室と低圧源との間に位置してこれらの間を連通・遮断のいずれかの状態に切り替え、上記制御油圧室の油圧を増減する油圧制御弁と、上記油圧制御弁を駆動する駆動部とを備えている。上記制御油圧室は、第１の通路にて上記油圧制御弁と連通する一方、第２の通路にて高圧源と連通しており、上記第１の通路および上記第２の通路には、それぞれ第１の絞り部および第２の絞り部が設けてある。本発明では、これら第１、第２の絞り部を、上記第１、第２の通路の上記制御油圧室側の開口端近傍で上記制御油圧室における圧力脈動を抑止可能な位置に配置している。
【０００８】
従来構成における圧力脈動の問題は、容積部である制御油圧室とここに開口する通路とが共振現象を起こすことにより発生する。これに対し、請求項１の構成によれば、上記第１、第２の通路の上記制御油圧室への開口端近傍に、それぞれ第１、第２の絞り部を設けたので、各通路と上記制御油圧室の圧力振動に対する連携を断ち切ることができる。従って、上記制御油圧室の圧力脈動が抑制されるので、上記ノズルニードルの動作が安定し、ノズル開閉の制御性を向上させることができる。また、これにより、上記第１、第２の通路の長さの制約がなくなり、設計の自由度が向上する。
【０００９】
請求項２記載の発明では、上記第１の絞り部の断面積と上記第１の通路の断面積の比、および上記第２の絞り部の断面積と上記第２の通路の断面積の比を、それぞれ０．００２５〜０．０９の範囲とする。
【００１０】
圧力脈動を抑制する上記効果を得るには、上記絞り部の断面積が小さい方がよいが、ノズルニードルの開閉弁に要する時間が増加し、応答性が低下する。これを回避するには、上記第１、第２の絞り部と上記第１、第２の通路の断面積の比を上記範囲とするとよく、制御性と応答性を両立させることができる。
【００１１】
請求項３記載の発明では、上記第１、第２の絞り部をオリフィスで形成し、該オリフィス径と上記第１、第２の通路径の比を、それぞれ０．０５〜０．３の範囲とする。
【００１２】
具体的には、上記第１、第２の絞り部をオリフィスで形成することができる。この場合も、応答性が低下しない程度にオリフィス径を小さく設定するのがよく、オリフィス径と上記第１、第２の通路径の比を、上記範囲とすることで、制御性と応答性を両立させることができる。
【００１３】
請求項４記載の発明では、上記油圧制御弁が、弁室内に配設された弁体を上記低圧源に連通する低圧シートおよび上記高圧源に連通する高圧シートのいずれか一方に選択的に着座させることにより、上記制御油圧室を上記低圧源および上記高圧源のいずれか一方に連通させる三方弁構造を有しており、上記弁室と上記制御油圧室とを常時連通する通路を設けて上記第１の通路とし、上記弁室を介さずに上記高圧源と上記制御油圧室とを常時連通する通路を設けて上記第２の通路としている。
【００１４】
上記油圧制御弁としては三方弁を用いることができる。この時、三方弁の上記弁体が収容される上記弁室に上記第１の通路を接続すると、上記弁体のシート位置を切り替えることにより、上記制御油圧室の圧力が増減する。また、上記第２の通路により、上記弁室を介さずに上記高圧源から上記制御油圧室に燃料を導入されるので、上記ノズルニードルの緩やかな開弁と迅速な閉弁が両立し、良好な燃料噴射特性が得られる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の第１実施形態を説明する。図１は本発明の燃料噴射弁１の全体構成図で、ここでは、ディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射装置への適用例として説明する。燃料噴射弁１は、ディーゼルエンジンの各気筒に対応して設けられ、共通のコモンレール （図略）から燃料の供給を受けるようになっている。コモンレールには燃料タンクの燃料が高圧サプライポンプにより圧送されて噴射圧力に相当する所定の高圧（例えば２０〜２００ＭＰａ）で蓄えられる。
【００１６】
燃料噴射弁１は、下端部をノズルニードル５を有するノズル部１０１としており、該ノズル部１０１が、図略の燃焼室内に突出するように取り付けられる。燃料噴射弁１の中間部は油圧制御部１０２（油圧制御弁）、上端部は駆動部１０３を構成し、駆動部１０３にて油圧制御部１０２の弁体４を駆動することにより、ノズルニードル５の背圧を制御する。燃料噴射弁１はハウジング１１を有し、ハウジング１１内には上記各部１０１〜１０３を構成する各部品が収納されるとともに、高圧ポート１２を介して高圧源であるコモンレールに連通する高圧通路１２１、低圧ポート１３を介して低圧源である燃料タンクに連通するドレーン通路１３１等の通路が形成される。
【００１７】
ノズル部１０１は、ハウジング１１の下端部内に形成した縦穴１４に、段付きのノズルニードル５を摺動自在に保持しており、ノズルニードル５の下半小径部の外周には環状の油溜まり５４が形成されている。油溜まり５４は常時高圧通路１２と連通しコモンレールからの高圧燃料が供給されている。縦穴１４の下方には、これに連なってサック部が形成され、サック部形成壁を貫通して燃料噴射用の噴孔５１が形成される。
【００１８】
ノズルニードル５は下端位置にある時に、円錐形の先端部を有するニードル弁部５２が、サック部と縦穴１４の境界の段部をノズルシート５５としてこれに着座し、油溜まり５４から噴孔５１への燃料供給を遮断する。ノズルニードル５が上昇してノズルシート５５から離座すると、油溜まり５４から噴孔５１に燃料が供給される。
【００１９】
ノズルニードル５の上端面および縦穴１４の壁面により画成される空間は、制御油圧室６としてある。制御油圧室６は、第２の通路であるサブ通路７５を介して高圧通路１２１と常時、連通しており、また、第１の通路であるメイン通路７１および油圧制御部１０２の弁室４２を介して、高圧通路１２１から高圧の燃料が導入されて、ノズルニードル５の背圧を発生している。この背圧はノズルニードル５に下向きに作用して、制御油圧室６内に収納されたスプリング６１とともにノズルニードル５を着座方向に付勢する。一方、油溜まり５４の高圧燃料がノズルニードル５のニードル段差部５３および円錐状の先端面に上向きに作用しノズルニードル５を離座方向に付勢している。
【００２０】
メイン通路７１の制御油圧室６側の開口端には、第１の絞り部であるメインオリフィス７２が設けられ、サブ通路７５の制御油圧室６側の開口端には、第２の絞り部であるサブオリフィス７６が設けられている。本実施形態では、これらメインオリフィス７２およびサブオリフィス７６を、制御油圧室６に直接開口させることで、容積部である制御油圧室６とメイン通路７１、サブ通路７５とが共振現象を起こすのを抑制し、圧力脈動の発生を防止している。なお、メインオリフィス７２およびサブオリフィス７６を、制御油圧室６に直接開口させる必要はなく、制御油圧室６側の開口端の近接位置で、共振現象を起こさない位置であれば、いずれに設置してもよい。メインオリフィス７２およびサブオリフィス７６の設置位置、構成等は、本発明の特徴部分であり、詳細を後述する。なお、サブオリフィス７６を設けることで、噴射率の最適化、最低噴射圧を低くできる、等の効果が得られる。
【００２１】
油圧制御部１０２は３方弁構造で、弁室４２内に配設される弁体４が、弁室４２の天井面に設けた低圧シート４ａまたは弁室４２の底面に設けた高圧シート４ｂのいずれかに選択的に着座するようになっている。低圧シート４ａは、スピル室４４を介してドレーン通路１３１と連通しており、高圧シート４ｂは、高圧室４３および連通路７３を介して高圧通路１２１に連通している。制御油圧室６はメインオリフィス７２およびメイン通路７１を介して常時、この弁室４２と連通している。
【００２２】
弁体４は上下動可能なピストン状で、上端部が弁室４２内に配設される大径の弁部となり、下端部は、高圧室４３の下方に形成されるシリンダ内を摺動するガイド部となっている。弁部とガイド部をつなぐ細径部は高圧室４３内に位置し、その周囲の空間から弁室４２への高圧燃料が流入するようになっている。ここで、低圧シート４ａの径および高圧シート４ｂの径と、弁体４のガイド部の径を略同径とすれば、弁体４に作用する油圧力がほぼ釣り合い、開閉弁時に要求される駆動力を小さくできる。
【００２３】
弁体４下方の空間には、弁体スプリング４１が収容されて弁体４を上方に付勢している。なお、弁体スプリング４１が収容される空間は連通路によってスピル室４４に連通している。これにより弁体４の下方への移動が抑制されず、噴射開始時に低圧シート４ｂから速やかに離座させることができる。
【００２４】
油圧制御部１０２は弁体４が駆動部１０３により押圧駆動されることで、作動状態が切り換わるようになっている。駆動部１０３は、弁室４２の上方に形成した縦穴内に、上側から順にピエゾアクチュエータ２、ピエゾピストン２１、大径ピストン３１、小径ピストン３２が同軸に配設されてなる。大径ピストン３１と小径ピストン３２は、縦穴内に配設したシリンダ形成部材１５に設けたシリンダ内に摺動自在に保持される。大径ピストン３１と小径ピストン３２の間の空間には、燃料が充填されて変位拡大室３を形成している。
【００２５】
ピエゾアクチュエータ２はＰＺＴ等の圧電セラミック層と電極層とが交互に積層してコンデンサ構造を有する一般的なもので、積層方向すなわち上下方向を伸縮方向としており、図示しない駆動回路により充放電されるようになっている。ピエゾアクチュエータ２には、大径ピストン３１の外周に設けられた大径ピストンスプリング３３により、大径ピストン３１およびピエゾピストン２１を介して一定の初期荷重が印加されるようになっている。これにより、大径ピストン３１およびピエゾピストン２１は、ピエゾアクチュエータ２の伸縮に伴って一体に上下動する。
【００２６】
小径ピストン３２は、下端部に設けたプッシュピン３２１が弁室４２内に延出して弁体４の上面に当接している。スピル室４４内に位置する小径ピストン３２の中間部外周にはフランジが形成され、該フランジとシリンダ形成部材１５底面の間に配設したスプリングによって、小径ピストン３２が下方に付勢されてプッシュピン３２１が弁体４を押圧するようになっている。この時、ピエゾアクチュエータ２の伸長量は、大径ピストン３１と小径ピストン３２および変位拡大室３からなる変位拡大機構によって、大小ピストン３１、３２の径差に応じて拡大されている。
【００２７】
次に、上記構成の燃料噴射弁１の基本作動を、図１、２により説明する。ピエゾアクチュエータ２に正の高電圧（１００〜２００Ｖ）を印加すると（図２の時間ａ）、ピエゾアクチュエータ２はその電圧に比例して軸方向に伸長（１０〜４０μｍ）し、ピエゾピストン２４を変位させる。ピエゾピストン２４はその変位に従って大径ピストン３１を駆動し、変位拡大室３の油圧を上昇させる。この油圧上昇により小径ピストン３２が駆動され、その下端のプッシュピン３２１が弁体スプリング４１に抗して弁体４を低圧シート４ａから離座させ（図２の時間ｂ）、次いで高圧シート４ｂに着座させる（図２の時間ｃ）。つまり、弁体４は駆動されることにより、弁室４２を高圧室４３から遮断するとともに弁室４２をスピル室４４に連通させる。
【００２８】
弁室４２は、ノズルニードル５の背後に形成される制御油圧室６と、メインオリフィス７２を有するメイン通路７１を介して連通しており、弁室４２がスピル室４４と連通することにより、制御油圧室６の油圧が低下し、ノズルニードル５の背圧が低下する。ノズルニードル５は、制御油圧室６の油圧が背圧として作用する上端部の径よりも、その下方の噴孔５１を閉じるためのニードル弁部５２の径を小さくして段差部５３を設けており、高圧通路１２１と連通する油溜まり５４内の高圧の油圧がノズルニードル５をリフトさせる方向に作用している。従って、制御油圧室６が所定の低圧となると、ノズルニードル５はノズルシート５５からリフトして噴孔５１と油溜まり５４を連通させる（図２の時間ｄ）。これにより、油溜まり５４は噴孔５１と連通し、燃料噴射弁１から図略の燃焼室内に外部空間への燃料噴射が開始される。
【００２９】
次いで、ピエゾアクチュエータ２の電圧をゼロまで下げると（図２の時間ｅ）、ピエゾアクチュエータ２は元の長さまで縮小し、ピエゾピストン２４、大径ピストン３１、小径ピストン３２、弁体４も元の位置に復帰する。弁体４が高圧シート４ｂから離座して、低圧シート４ａに着座する結果、弁体４は弁室４２をスピル室４４から遮断するとともに、弁室４２を高圧室４３に連通させる。ここで、高圧室４３は、連通路７３を介して高圧通路１２１と連通しており、弁室４２およびメインオリフィス７２を有するメイン通路７１を介して、また、サブオリフィス７６を有するサブ通路７５を介して、制御油圧室６に高圧燃料が導入される。よって、制御油圧室６は再び高圧となり（図２の時間ｆ）、ノズルニードル５をノズルシート５５に着座させて、燃料噴射を停止させる（図２の時間ｇ）。
【００３０】
ここで、オリフィス諸元の影響を図２、図３、図４、図５によって説明する。図２の点線は、オリフィス（７２、７６）の位置が、制御油圧室６への開口端から離れた場合の、制御油圧室６内の圧力脈動とノズルニードル５の挙動を示す。制御油圧室６（容積部）とオリフィス（７２、７６）までの通路が共振現象（ヘルムホルツ共振）をおこし、圧力脈動が発生し、ノズルニードル５の動きに影響を及ぼすことがわかる。
【００３１】
図３は、オリフィス（７２、７６）の位置が、制御油圧室６への開口端から離れるほど、制御油圧室６内の圧力脈動が大きくなることを示す。そこで、本発明では、メインオリフィス７２、サブオリフィス７６を、それぞれメイン通路７１、サブ通路７５の制御油圧室６への開口端に近接するように設ける。オリフィス（７２、７６）の位置は、圧力脈動による影響を抑制できる位置であればよいが、図示されるように、開口端から離れるほど圧力脈動は加速度的に大きくなるので、制御油圧室６への開口端にできるだけ近く、望ましくはオリフィス（７２、７６）が制御油圧室６に直接開口するように設けるとよい。
【００３２】
図４は、オリフィス（７２、７６）径とそれぞれの通路（７１、７５）径の比が圧力脈動、開弁応答時間に与える影響を示す。この比が大きいと圧力伝播を抑止する効果が薄れてくる。よってラインａよりも小さな比が望ましい。また、この比が小さいと、制御油圧室６からの圧力開放の速度が小さくなり、開弁時間が大きくなってしまう。よって、ラインｂよりも大きな比が望ましい。上記図１の構成の燃料噴射弁１において、本発明者等が検討を行ったところ、オリフィス径／通路径は、０．０５〜０．３の範囲、より望ましくは、０．１〜０．２の範囲とすると、上記圧力脈動の抑制効果と応答性が両立できることが分かった。本発明では、通常、メイン通路７１の直径を１〜２ｍｍ、メインオリフィス７１の直径を０．１〜０．３ｍｍとし、両者の比が０．０５〜０．３の範囲となるように設定する。サブ通路７５の直径、サブオリフィス７８の直径も同様に設定する。
【００３３】
図５は、ピエゾアクチュエータ２へ加える電圧の指令パルス幅と噴射量の関係を示す。前述したように、制御油圧室６への開口端から離れた場合には、点線のように一様な漸増関係がくずれ、指令パルス幅が増えているににもかかわらず噴射量が減ってしまうなど、噴射量の制御精度が悪化する。これに対し、本発明の構成とした場合には、実線のように一様な漸増関係を保たれ、圧力脈動を抑制して噴射量の制御精度を向上させる効果が得られることがわかる。
【００３４】
なお、本実施形態では、油圧制御弁を三方弁構造としたが、高圧通路に連通する制御油圧室とドレーン通路との間を連通状態と遮断状態とに切り替える二方弁構造とした燃料噴射弁にも適用し得る。この場合も、制御油圧室と高圧通路を導通させる通路、制御油圧室と油圧制御弁を導通させる通路の開口端に近接して、それぞれ絞り部を設けることで、同様の効果が得られる。また、油圧制御弁以外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】本発明を適用した第１実施形態の燃料噴射弁の断面図である。
【図２】第１実施形態の燃料噴射弁の作動を説明するための図である。
【図３】開口端からのオリフィス位置と圧力脈動との関係を示す図である。
【図４】オリフィスの通路に対する直径比と圧力脈動との関係を示す図である。
【図５】指令パルス幅と噴射量の関係を示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料噴射弁
１０１ ノズル部
１０２ 油圧制御部（油圧制御弁）
１０３ 駆動部
１２１ 高圧通路
１３１ ドレーン通路
２ ピエゾアクチュエータ
３１ 大径ピストン
３２ 小径ピストン
４ 弁体
４ａ 低圧ポート
４ｂ 高圧ポート
４２ 弁室
４３ 高圧室
４４ スピル室
５ ノズルニードル
５１ 噴孔
５４ 油溜まり
６ 制御油圧室

Claims (4)

1. 噴孔を開閉するノズルニードルに閉弁方向の圧力を作用させる制御油圧室と、上記制御油圧室と低圧源との間に位置してこれらの間を連通・遮断のいずれかの状態に切り替え、上記制御油圧室の油圧を増減する油圧制御弁と、上記油圧制御弁を駆動する駆動部とを備える内燃機関の燃料噴射弁であって、上記制御油圧室は、第１の通路にて上記油圧制御弁と連通する一方、第２の通路にて高圧源と連通しており、上記第１の通路および上記第２の通路にそれぞれ第１の絞り部および第２の絞り部を設けるとともに、これら第１、第２の絞り部を、上記第１、第２の通路の上記制御油圧室側の開口端近傍で上記制御油圧室における圧力脈動を抑止可能な位置に配置したことを特徴とする内燃機関の燃料噴射弁。
2. 上記第１の絞り部の断面積と上記第１の通路の断面積の比、および上記第２の絞り部の断面積と上記第２の通路の断面積の比が、それぞれ０．００２５〜０．０９の範囲にある請求項１記載の内燃機関の燃料噴射弁。
3. 上記第１、第２の絞り部がオリフィスで形成され、該オリフィス径と上記第１、第２の通路径の比が、それぞれ０．０５〜０．３の範囲にある請求項１記載の内燃機関の燃料噴射弁。
4. 上記油圧制御弁が、弁室内に配設された弁体を上記低圧源に連通する低圧シートおよび上記高圧源に連通する高圧シートのいずれか一方に選択的に着座させることにより、上記制御油圧室を上記低圧源および上記高圧源のいずれか一方に連通させる三方弁構造を有しており、上記弁室と上記制御油圧室とを常時連通する通路を設けて上記第１の通路とし、上記弁室を介さずに上記高圧源と上記制御油圧室とを常時連通する通路を設けて上記第２の通路とした請求項１ないし３のいずれか記載の内燃機関の燃料噴射弁。

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