JP2005171854A

JP2005171854A - 燃料噴射弁

Info

Publication number: JP2005171854A
Application number: JP2003412107A
Authority: JP
Inventors: Takafumi Yamada; 貴文山田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-12-10
Filing date: 2003-12-10
Publication date: 2005-06-30

Abstract

【課題】実際に噴射される燃料の量を正規の量に確実に維持する。
【解決手段】燃料噴射弁は、ニードルを小さな第１のリフト量ＬＬだけ変位させて燃料を噴射する低リフト噴射と、ニードルを大きな第２のリフト量ＬＨだけ変位させて燃料を噴射する高リフト噴射とを選択的に切り換え可能になっている。ニードルのリフト量Ｌがゼロから大きくなるにつれてニードル周りに形成される環状燃料通路の流路面積Ｓが次第に大きくなり、次いでニードルのリフト量Ｌがしきい量ＬＸよりも大きくなると流路面積Ｓがほぼ最大値ＭＡＸに維持されるようになっている。第１のリフト量ＬＬをしきい量ＬＸよりも大きく設定する。
【選択図】図４

Description

本発明は燃料噴射弁に関する。

軸線方向に変位可能なニードルを具備し、ニードルを小さな第１のリフト量だけ変位させて燃料を噴射する低リフト噴射と、ニードルを大きな第２のリフト量だけ変位させて燃料を噴射する高リフト噴射とを選択的に切り換え可能な燃料噴射弁が公知である（特許文献１参照）。この燃料噴射弁では、ニードル周りに形成される燃料通路の流路面積が低リフト噴射時と高リフト噴射時とで互いに異なるように、第１および第２のリフト量が設定されている（特許文献１の［００２９］参照）。

特開２００３−２５４１８９号公報特開平１０−２７４１２７号公報特開２００３−１１３７５４号公報特開２００３−１８４６９１号公報

しかしながら、低リフト噴射時と高リフト噴射時とで燃料通路の流路面積が互いに異なるということは単位時間当たりの噴射量すなわち噴射率が互いに異なるということを意味している。このため、低リフト噴射から高リフト噴射またはその逆に切り換えられると噴射率が変動し、その結果燃料噴射弁から実際に噴射される燃料の量が正規の量に維持するのが困難になり、機関出力トルクが好ましくなく変動するおそれがあるという問題点がある。

そこで本発明は、実際に噴射される燃料の量を正規の量に確実に維持することができる燃料噴射弁を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために本発明によれば、軸線方向に変位可能なニードルを具備し、ニードルを小さな第１のリフト量だけ変位させて燃料を噴射する低リフト噴射と、ニードルを大きな第２のリフト量だけ変位させて燃料を噴射する高リフト噴射とを選択的に切り換え可能な燃料噴射弁において、ニードルのリフト量がゼロから大きくなるにつれてニードル周りに形成される燃料通路の流路面積が次第に大きくなり、次いでニードルのリフト量がしきい量よりも大きくなると該流路面積がほぼ最大値に維持されるようになっており、第１のリフト量を該しきい量よりも大きく設定している。

実際に噴射される燃料の量を正規の量に確実に維持することができる。

以下では、本発明を内燃機関用燃料噴射弁に適用した場合を説明する。

図１を参照すると、燃料噴射弁１はハウジング２を具備し、このハウジング２はその先端にノズルないし噴孔３を備えたノズルホルダ４、ケーシング５、および燃料供給管６から構成される。燃料供給管６にはコモンレールから加圧された燃料が供給され、ハウジング２内は加圧燃料で満たされている。また、ハウジング２内には、それぞれソレノイドコイル７Ｌ，７Ｈを含む環状固定コア８Ｌ，８Ｈが長手軸線Ｋ−Ｋ方向に互いに離間して固定されると共に、ニードル９が長手軸線Ｋ−Ｋ方向に変位可能に保持される。

ニードル９には、固定コア８Ｌの底端面に対面するようアーマチャ１０Ｌが取り付けられ、固定コア８Ｈの底端面に対面するようアーマチャ１０Ｈが取り付けられる。ここで、アーマチャ１０Ｈはニードル９に対し固定的に取り付けられるのに対し、アーマチャ１０Ｌはニードル９から着脱可能に取り付けられる。詳しく説明すると、ニードル９には下向き係合面９ａが形成されており、アーマチャ１０Ｌには上向き係合面１０Ｌａが形成されており、ニードル９に下向きの力が作用した場合には、ニードル９の下向き係合面９ａとアーマチャ１０Ｌの上向き係合面１０Ｌａとが互いに係合してアーマチャ１０Ｌがニードル９と共に下向きに変位する。これに対し、ニードル９に上向きの力が作用した場合には、ニードル９の下向き係合面９ａがアーマチャ１０Ｌの上向き係合面１０Ｌａから離脱してニードル９のみが上向きに変位する。

ニードル９にはさらに、半径方向外向きに延びる突起９ｂが形成され、この突起９ｂとアーマチャ１０Ｌとの間には、アーマチャ１０Ｌの上向き係合面１０Ｌａをニードル９の下向き係合面９ａに向けて付勢する圧縮バネ１１が挿入される。また、ニードル９の
燃料供給管６に固定された管状部材６ａとニードル９の頂端間には、ニードル９をノズル３に向けて付勢する圧縮バネ１２が挿入される。なお、図１において符号１３は電気コネクタを表している。

図１は燃料噴射停止時を示している。この場合、ソレノイドコイル７Ｌ，７Ｈは共に消勢されており、ニードル９は圧縮バネ１２のバネ力により、ノズル３周りのノズルホルダ４内周面に形成されたニードルシート４ａに着座せしめられ、ノズル３が閉鎖されている。また、この場合、アーマチャ１０Ｌとソレノイドコイル７Ｌ間には比較的小さな初期間隙ＧＬが形成されており、アーマチャ１０Ｈとソレノイドコイル７Ｈ間には比較的大きな初期間隙ＧＨが形成されている。

さて、本発明による実施例では、ニードル９を小さな第１のリフト量ＬＬだけ変位させて燃料を噴射する低リフト噴射と、ニードル９を大きな第２のリフト量ＬＨだけ変位させて燃料を噴射する高リフト噴射とを、機関運転状態に応じて選択的に切り換えるようにしている。

低リフト噴射を行うべきときには、ソレノイドコイル７Ｈを消勢しつつソレノイドコイル７Ｌが付勢される。その結果、図２に示されるように、ソレノイドコイル７Ｌの磁気吸引力でもってアーマチャ１０Ｌがニードル９と共に上向きに変位し、ニードル９がニードルシート４ａから離脱してノズル３が開放され、斯くして燃料噴射が開始される。このとき、ニードル９とニードルシート４ａ間に形成される環状の燃料通路１３を介し燃料が流通する。次いで、図２に示されるようにアーマチャ１０Ｌが固定コア８Ｌの底端面に衝突すると、アーマチャ１０Ｌは固定コア８Ｌの底端面上に保持され、アーマチャ１０Ｌおよびニードル９の上向き変位が制限される。したがって、低リフト噴射時には初期間隙ＧＬ（図１参照）だけニードル９が変位され、上述した第１のリフト量ＬＬは初期間隙ＧＬに一致するということになる。なお、このとき固定コア８Ｈの底端面とアーマチャ１０Ｈ間には（ＧＨ−ＧＬ）の間隙が依然として形成されている。

一方、高リフト噴射を行うべきときには、たとえば両方のソレノイドコイル７Ｌ，７Ｈが付勢される。その結果、ソレノイドコイル７Ｌ，７Ｈの磁気吸引力でもってアーマチャ１０Ｌ，１０Ｈがニードル９と共に上向きに変位し、ニードル９がニードルシート４ａから離脱してノズル３が開放され、斯くして燃料噴射が開始される。次いで、図２に示されるようにアーマチャ１０Ｌが固定コア８Ｌの底端面に衝突すると、アーマチャ１０Ｌは固定コア８Ｌの底端面上に保持され、アーマチャ１０Ｌの上向き変位が制限される。しかしながら、アーマチャ１０Ｈにソレノイドコイル７Ｈの磁気吸引力が作用しているので、ニードル９はアーマチャ１０Ｌから離脱してアーマチャ１０Ｈと共にさらに上向きに変位し続ける。次いで、図３に示されるようにアーマチャ１０Ｈが固定コア８Ｈの底端面に衝突すると、アーマチャ１０Ｈは固定コア８Ｈの底端面上に保持され、アーマチャ１０Ｈおよびニードル９の上向き変位が制限される。したがって、高リフト噴射時には初期間隙ＧＨだけニードル９が変位され、上述した第２のリフト量ＬＨは初期間隙ＧＨに一致する。

なお、高リフト噴射を行うために、ソレノイドコイル７Ｈのみを付勢するようにしてもよいし、あるいは、まずソレノイドコイル７Ｌのみを付勢し次いでソレノイドコイル７Ｈのみを付勢するようにしてもよい。

燃料噴射を停止すべきときにはソレノイドコイル７Ｌ，７Ｈが消勢される。その結果、圧縮バネ１２のバネ力によってニードル９が下向きに変位せしめられ、図１に示されるようにニードル９がニードルシート４ａに着座するとノズル３が閉鎖される。

なお、ニードル９を上昇または下降させるために背圧室を形成して背圧室内の油圧を制御する形式の燃料噴射弁が知られている。しかしながら、本発明による実施例の燃料噴射弁１では、ソレノイドコイル７Ｌ，７Ｈの磁気吸引力によってニードル９が駆動され、背圧室が設けられていない。

ところで、ニードル９がニードルシート４ａから離脱すると上述したようにニードル９周りに環状燃料通路１３が形成される。この環状燃料通路１３の流路面積Ｓは図４に示されるように、ニードル９のリフト量Ｌがゼロから大きくなるにつれて、大きくなり、次いでニードル９のリフト量Ｌがしきい量ＬＸよりも大きくなるとほぼ最大値ＭＡＸに維持される。すなわち、ニードル９のリフト量Ｌがゼロからしきい量ＬＸまでの間では、環状燃料通路１３は絞りとして作用する。

その上で、本発明による実施例では図４に示されるように、第１のリフト量ＬＬがしきい量ＬＸよりも大きく設定されている。言い換えると、初期間隙ＧＬがしきい量ＬＸよりも大きくなるようにアーマチャ１０Ｌが固定コア８Ｌに対し位置決めされている。

このようにすると、低リフト噴射時における噴射率と高リフト噴射時における噴射率とを互いにほぼ等しくすることができる。その結果、低リフト噴射から高リフト噴射またはその逆に切り換えられても噴射率が変動しないので、燃料噴射弁１から実際に噴射される燃料の量を正規の量に維持することができ、斯くして機関出力トルクが変動するのを阻止することができる。また、低リフト噴射時の噴射率と高リフト噴射時の噴射率が互いに異なるときに必要な複雑な制御ないし構成を設ける必要がなくなる。

さらに、本発明による実施例では別の観点からも、燃料噴射弁１から実際に噴射される燃料の量を正規の量に維持することができる。このことを図５および６を参照しながら説明する。

図５はソレノイドコイル７Ｌ，７Ｈへの通電期間ｔと実際の燃料噴射量ＱＦとの関係を示している。図５において、実線は低リフト噴射時の燃料噴射量ＱＦを、点線は高リフト噴射時の燃料噴射量ＱＦを、それぞれ示している。なお、本発明による実施例の内燃機関では、たとえば機関運転状態に応じて要求燃料量が算出され、この要求燃料量だけ燃料を噴射するのに必要な通電時間ｔが算出され、この通電時間ｔだけソレノイドコイル７Ｌ，７Ｈに通電される。

図５を参照すると、低リフト噴射時にはＹＬで、高リフト噴射時にはＹＨでそれぞれ示されるように、燃料噴射量ＱＦが通電期間ｔに対し不安定になる通電期間ｔの範囲が存在する。このことは、要求燃料量が範囲ＺＬ内にあるときに低リフト噴射を行うと実際の燃料噴射量が要求噴射量に一致しないおそれがあり、要求燃料量が範囲ＺＨ内にあるときに高リフト噴射を行うと実際の燃料噴射量が正規の要求噴射量に一致しないおそれがあることを意味している。

このような現象が生ずるのは、アーマチャ１０Ｌ，１０Ｈがニードル９と共に上昇し次いで対応する固定コア８Ｌ，８Ｈに衝突したときにはね返りが発生し、ニードル９が上下に振動するからであると考えられている。

一方、図６に示されるように、通電期間ｔを範囲ＷＨ内に設定して高リフト噴射を行うと燃料噴射量ＱＦを範囲ＺＬ内にすることができ、通電期間ｔを範囲ＷＬ内に設定して低リフト噴射を行うと燃料噴射量ＱＦを範囲ＺＨ内にすることができ、このとき燃料噴射量ＱＦは不安定にならない。

そこで本発明による実施例では、要求燃料量が範囲ＺＬ内にあるときには高リフト噴射を行うようにしている。この場合の通電期間ｔは高リフト噴射のもとで要求燃料量だけ噴射するのに必要な通電期間であって、範囲ＷＨ内にある。また、要求燃料量が範囲ＺＨ内にあるときには低リフト噴射を行うようにしている。この場合の通電期間ｔは低リフト噴射のもとで要求燃料量だけ噴射するのに必要な通電期間であって、範囲ＷＬ内にある。その結果、燃料噴射弁１から実際の燃料噴射量を要求燃料量に維持することができる。

なお、本発明による実施例では上述したように、機関運転状態に応じて低リフト噴射と高リフト噴射とが選択的に切り換えられる。したがって、要求燃料量が範囲ＺＬ内にあるときには機関運転状態にかかわらず高リフト噴射が行われ、要求燃料量が範囲ＺＨ内にあるときには機関運転状態にかかわらず低リフト噴射が行われるということになる。

図７は本発明による実施例の燃料噴射制御ルーチンを示している。このルーチンは予め定められた設定時間ごとの割り込みによって実行される。

図７を参照すると、まずステップ１００では、機関運転状態に基づいて要求燃料量が算出される。続くステップ１０１では、要求燃料量が範囲ＺＬ外にあるか否かが判別される。要求燃料量が範囲ＺＬ内にあるときには次いでステップ１０２に進み、通電期間ｔを範囲ＷＨ内に設定して高リフト噴射が行われる。要求燃料量が範囲ＺＬ外にあるときにはステップ１０１からステップ１０３に進み、要求燃料量が範囲ＺＨ外にあるか否かが判別される。要求燃料量が範囲ＺＨ内にあるときには次いでステップ１０４に進み、通電期間ｔを範囲ＷＬ内に設定して低リフト噴射が行われる。要求燃料量が範囲ＺＨ外にあるときにはステップ１０３からステップ１０５に進み、機関運転状態に応じて低リフト噴射または高リフト噴射が行われる。

燃料噴射弁の縦断面図である。低リフト噴射を説明するための燃料噴射弁の縦断面図である。高リフト噴射を説明するための燃料噴射弁の縦断面図である。環状燃料通路の流路面積Ｓとニードルのリフト量Ｌとの関係を示す線図である。燃料噴射量ＱＦと通電期間ｔとの関係を示す線図である。本発明による実施例の燃料噴射制御を説明するための図である。本発明による実施例の燃料噴射制御ルーチンを示すフローチャートである。

符号の説明

１…燃料噴射弁
９…ニードル
１３…環状燃料通路
Ｋ…長手軸線
ＬＬ…第１のリフト量
ＬＨ…第２のリフト量
ＬＸ…しきい量

Claims

軸線方向に変位可能なニードルを具備し、ニードルを小さな第１のリフト量だけ変位させて燃料を噴射する低リフト噴射と、ニードルを大きな第２のリフト量だけ変位させて燃料を噴射する高リフト噴射とを選択的に切り換え可能な燃料噴射弁において、ニードルのリフト量がゼロから大きくなるにつれてニードル周りに形成される燃料通路の流路面積が次第に大きくなり、次いでニードルのリフト量がしきい量よりも大きくなると該流路面積がほぼ最大値に維持されるようになっており、第１のリフト量を該しきい量よりも大きく設定した燃料噴射弁。