JP2006242060A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】流量不足を生じることなく、バルブ室１３の容積を小さくして、ノズルニードルの応答性を向上でき、キャビテーションエロージョンの発生を防止すること。
【解決手段】バルブボディは、ボディ本体３８の上端面にバルブプレート３９を液密に重ね合わせて構成される。ボディ本体３８には、バルブ室１３が凹設されると共に、そのバルブ室１３の周方向の一部でバルブ室１３の半径方向外側にバルブ溝４０が凹設されている。バルブプレート３９は、ボディ本体３８の上端面に配置されて、バルブ室１３の上面を区画している。このバルブプレート３９には、ボディ本体３８に形成された燃料通路４１とバルブ溝４０とを連通する連通溝４２が凹設されている。この構成によれば、バルブ室１３の容積を小さくして、ノズルニードルの応答性を向上できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ニードルの背圧を制御することによって、燃料の噴射を断続する燃料噴射弁に関する。

従来技術として、特許文献１に開示されたインジェクタが公知である。このインジェクタは、ニードルを閉弁方向に付勢する燃料圧力が導入される背圧室と、この背圧室の燃料圧力（背圧）を制御する背圧制御部とを有している。
背圧制御部は、図５に示す様に、バルブボディ１００に形成されるバルブ室１１０と、このバルブ室１１０に収容される弁体１２０とを有している。バルブ室１１０は、背圧通路１３０を介して背圧室（図示せず）に連通すると共に、低圧ポート１４０と高圧ポート１５０とを有している。弁体１２０は、低圧ポート１４０と高圧ポート１５０を選択的に開閉できる。この弁体１２０が低圧ポート１４０を開いて高圧ポート１５０を閉じると、背圧室の燃料圧力がバルブ室１１０を介して低圧側に開放されるため、ニードル（図示せず）が開弁して燃料が噴射される。一方、弁体１２０が低圧ポート１４０を閉じて高圧ポート１５０を開くと、バルブ室１１０を介して背圧室に高圧燃料が導入されて背圧が上昇するため、ニードルが閉弁して燃料噴射を終了する。
特開２００４−３２４４４３号公報

上記の背圧制御部は、バルブボディ１００が一方のボディ部材１０１と他方のボディ部材１０２とで形成され、両者の端面同士が液密に当接して構成されている。
一方のボディ部材１０１には、自身の端面から内側にバルブ室１１０が凹設されると共に、背圧室に連通する燃料通路１６０が形成され、この燃料通路１６０の一端が自身の端面に開口している。
他方のボディ部材１０２は、自身の端面を一方のボディ部材１０１の端面に当接してバルブ室１１０の一面を区画している。また、他方のボディ部材１０２の端面には、一方のボディ部材１０１に形成された燃料通路１６０とバルブ室１１０とを連通する連通溝１７０が形成され、この連通溝１７０と燃料通路１６０とで前記背圧通路１３０が形成されている。

上記の構成では、一方のボディ部材１０１と他方のボディ部材１０２との合わせ面においてバルブ室１１０と連通溝１７０とが連通しているため、バルブ室１１０と連通溝１７０との相対位置が図示左右方向にずれると、バルブ室１１０に開口する連通溝１７０の開口面積が変化する。特に、連通溝１７０がバルブ室１１０に対し図示右方向へずれると、前記開口面積が小さくなって流量不足を生じる。このため、上記の公知技術では、バルブ室１１０と連通溝１７０との位置ずれによる流量不足を防ぐために、バルブ室１１０の内径を大きく設定する必要があった。

ところが、バルブ室１１０の内径を大きくすると、必然的にバルブ室１１０の容積が大きくなるため、弁体１２０が低圧ポート１４０と高圧ポート１５０とを切り替える際に、バルブ室１１０を流れる燃料の流速が低下して背圧室の圧力変動が緩慢になり、その結果、ニードルの応答性が悪化する問題が生じる。
また、背圧通路１３０は、燃料通路１６０と連通溝１７０との間が直角に曲がり、更に連通溝１７０とバルブ室１１０との間が直角に曲がって形成されているため、例えば、弁体１２０が低圧ポート１４０を開いた時に、図示矢印で示す様に、背圧通路１３０を流れる燃料の流れ方向が急激に変化する。このため、連通溝１７０の角部（図示破線領域）等にキャビテーションエロージョンが発生する恐れがある。

本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、流量不足を生じることなく、バルブ室の容積を小さくして、ニードルの応答性を向上できると共に、キャビテーションエロージョンの発生を防止できる燃料噴射弁を提供することにある。

（請求項１の発明）
本発明の燃料噴射弁は、噴孔を開閉するニードルと、このニードルを閉弁方向に付勢する油圧が導入される背圧室と、バルブボディに形成され、背圧通路を介して背圧室に連通すると共に、背圧室の圧力を低圧側へ開放する低圧ポートを有するバルブ室と、このバルブ室に収容され、低圧ポートと背圧通路との連通および遮断を切り替える弁体とを備える。また、バルブボディは、互いの端面同士が液密に当接する一方のボディ部材と他方のボディ部材とを有し、一方のボディ部材は、自身の端面から内側にバルブ室が凹設され、他方のボディ部材は、自身の端面を一方のボディ部材の端面に当接して、バルブ室の一面を区画している。

上記の燃料噴射弁において、一方のボディ部材には、バルブ室の周方向の少なくとも一部でバルブ室の半径方向外側にバルブ溝が凹設されると共に、背圧室に通じる燃料通路が形成されて、この燃料通路の反背圧室側である一端が自身の端面に開口しており、他方のボディ部材には、一方のボディ部材の端面に当接する自身の端面に通路状の連通溝が凹設され、この連通溝が一方のボディ部材の端面に開口する燃料通路とバルブ溝とを連通して背圧通路が形成されていることを特徴とする。

上記の構成によれば、バルブ室と連通溝との間にバルブ溝を設けているので、バルブ室の内径を大きくすることなく、必要な流量を確保できる。つまり、連通溝とバルブ室との相対位置に係わりなく、連通溝とバルブ溝との間で流量を確保できれば良いので、バルブ室と連通溝との位置ずれによる流量不足を防ぐためにバルブ室の内径を大きくする必要がない。その結果、バルブ室の内径を小さくして、バルブ室の容積を小さくできるので、ニードルの応答性を向上できる。
また、バルブ室と連通溝との間にバルブ溝を設けることにより、例えば、弁体が低圧ポートを開いた時に、連通溝から直接バルブ室に燃料が流入するのではなく、連通溝からバルブ溝を通ってバルブ室に流入できるため、燃料の流れが緩やかになる。その結果、連通溝等におけるキャビテーションエロージョンの発生を防止できる。

（請求項２の発明）
請求項１に記載した燃料噴射弁において、バルブ溝は、一方のボディ部材の端面からバルブ室の周側面に向かって斜めに凹設されていることを特徴とする。
この場合、バルブ溝と連通溝とが交わる角部およびバルブ溝とバルブ室とが交わる角部を、それぞれ鈍角に形成できるので、高圧に対する前記角部の応力を低減できる。

（請求項３の発明）
請求項１に記載した燃料噴射弁において、バルブ溝は、一方のボディ部材の端面からバルブ室の周側面に向かって球面状に湾曲して凹設されていることを特徴とする。
この場合、バルブ溝と連通溝とが交わる角部およびバルブ溝とバルブ室とが交わる角部を、それぞれ鈍角に形成できるので、高圧に対する前記角部の応力を低減できる。

本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。

図１は（ａ）ボディ本体に設けられる背圧制御部の平面図、（ｂ）背圧制御部の断面図であり、図２は燃料噴射弁１の全体断面図である。
実施例１に示す燃料噴射弁１は、例えば、ディーゼル機関用の蓄圧式燃料噴射システムに用いられ、コモンレール（図示せず）より供給される高圧燃料をディーゼル機関の筒内に噴射する燃料噴射弁であり、以下に説明するノズル部、背圧制御部、およびピエゾ駆動部を有している。

ａ）ノズル部は、ノズルボディ２とノズルニードル３とで構成される。
ノズルボディ２には、ノズルニードル３を保持するガイド穴４と、このガイド穴４の下部に形成される燃料溜め室５と、この燃料溜め室５に高圧燃料を導入する燃料通路６と、燃料溜め室５の下部に穿設されたサック室７と、このサック室７に連通する噴孔８等が形成されている。
ノズルニードル３は、前記ガイド穴４に摺動自在に挿入され、ノズルボディ２の内部を図１の上下方向に往復動可能に設けられると共に、ノズルニードル３の上側に配置されるスプリング９によって閉弁方向（図１の下向き）に付勢されている。ノズルニードル３の先端部（図１に示す下端部）には、サック室７の入口を開閉可能な円錐状の弁部３ａが設けられている。

ガイド穴４には、ノズル部の上部に配置されるバルブボディ１０（後述する）の下端面とノズルニードル３の上端面との間に背圧室１１が形成されている。この背圧室１１には、前記燃料通路６よりオリフィス１２を介して高圧燃料が導入され、その燃料圧力がノズルニードル３の上端面に作用して、前記スプリング９と共にノズルニードル３を閉弁方向に付勢している。一方、燃料溜め室５の燃料圧力は、ノズルニードル３の段差面等に作用して、ノズルニードル３を開弁方向に付勢している。

ｂ）背圧制御部は、前記バルブボディ１０の内部に形成されるバルブ室１３と、このバルブ室１３の下側に穿設される縦孔１４と、バルブ室１３に収容される弁体１５と、縦孔１４に挿入されるガイド部１６等より構成される。
バルブ室１３は、背圧通路１７を介して背圧室１１に連通すると共に、バルブ室１３の上端中央部に低圧ポート１８が開口し、バルブ室１３の下端中央部に高圧ポート１９が開口している。
低圧ポート１８は、ピエゾ駆動部のボディ内部に形成される低圧室２０を介してリーク通路２１に連通している。高圧ポート１９は、縦孔１４によって形成され、この縦孔１４の側面に開口する連通路２２を介して高圧通路２３に連通している。

弁体１５は、バルブ室１３の内部を上下方向に可動して、低圧ポート１８と高圧ポート１９とを選択的に開閉できる。
ガイド部１６は、縦孔１４の内周に摺動自在に挿入される円柱形状を有し、ガイド部１６より小径の括れ部２４を介して弁体１５の下側に連結されている。
縦孔１４の内部でガイド部１６より下側の容積室には、スプリング２５が配設され、このスプリング２５の反力がガイド部１６の底面に付与されて、ガイド部１６と弁体１５を上方に付勢している。また、ガイド部１６より下側の容積室は、弁体１５の作動時にダンパ力が発生しない様に、連通路２６を介して前記低圧室２０に連通している。

ｃ）ピエゾ駆動部は、背圧制御部の上部に配置されるピエゾボディ２７を備え、このピエゾボディ２７の内部に形成される低圧室２０と、この低圧室２０の上部に収容されるピエゾスタック２８と、このピエゾスタック２８の下側に収容される駆動力伝達部（下述する）より構成される。
ピエゾボディ２７には、低圧室２０の他に、弁体１５が低圧ポート１８を開いた時に流出するリーク燃料を外部に排出するリーク通路２１と、コモンレールより高圧燃料が供給される高圧通路２３とが形成されている。高圧通路２３は、ピエゾボディ２７とバルブボディ１０とに連続して形成され、ノズルボディ２の燃料通路６に接続されている。
低圧室２０は、ピエゾボディ２７の内部に断面円形の縦穴が穿設され、その縦穴が開口するピエゾボディ２７の下端面に配置されるバルブボディ１０によって縦穴の開口部を閉じることにより区画されている。

ピエゾスタック２８は、例えば、ＰＺＴ等の圧電セラミック層と電極層とを交互に積層したコンデンサ構造を有する一般的なもので、図示しない駆動回路を介して充放電されることにより、図１の上下方向に伸縮する。
駆動力伝達部は、ピエゾスタック２８の変位を弁体１５に伝達するもので、ピエゾスタック２８の変位を受けて可動するピエゾピストン２９と、このピエゾピストン２９と一体に可動する大径ピストン３０と、油密室３１に満たされた燃料を介して大径ピストン３０の変位が伝達される小径ピストン３２等より構成される。

ピエゾピストン２９は、低圧室２０の内周にＯリング３３を介して液密に、且つ摺動可能に保持されている。
大径ピストン３０は、低圧室２０の内部にシリンダ部材３４が配設されて、そのシリンダ部材３４に形成された大径シリンダに摺動自在に挿入されると共に、大径シリンダより上方へ突き出るピストン頭部にフランジ部３０ａが設けられ、このフランジ部３０ａとシリンダ部材３４との間に配設されるスプリング３５に付勢されて、ピエゾピストン２９に押し付けられている。

小径ピストン３２は、前記シリンダ部材３４に形成された小径シリンダに摺動自在に挿入されると共に、小径シリンダより下方へ突き出るピストン下部にフランジ部３２ａが設けられ、更にフランジ部３２ａの下方へ突出するピストンピン３２ｂが一体に設けられている。この小径ピストン３２は、フランジ部３２ａとシリンダ部材３４との間に配設されるスプリング３６により下方に付勢されて、ピストンピン３２ｂの先端が低圧ポート１８を通って弁体１５の上端面に押し付けられている。

シリンダ部材３４には、図２に示す様に、シリンダ部材３４の上端面から図示下方に向かって大径シリンダが凹設され、シリンダ部材３４の下端面から図示上方に向かって小径シリンダが凹設されて、両シリンダが連通孔３７によって連通している。
油密室３１は、大径シリンダの内部で大径ピストン３０の下側に形成される容積室３１ａと、小径シリンダの内部で小径ピストン３２の上側に形成される容積室３１ｂと、両容積室３１ａ、３１ｂを連通する連通孔３７とで構成され、作動油である燃料が満たされている。

次に、本発明の特徴であるバルブボディ１０の構成について説明する。
バルブボディ１０は、ボディ本体３８とバルブプレート３９とを有し、ボディ本体３８の上端面にバルブプレート３９を液密に重ね合わせて構成される。
ボディ本体３８には、上端面から下方に向かってバルブ室１３と縦孔１４とが凹設されると共に、バルブ室１３の周方向の一部でバルブ室１３の半径方向外側にバルブ溝４０が凹設されている。このバルブ溝４０は、ボディ本体３８の上端面から所定の深さ（例えば、バルブ室１３の深さの１／２程度、またはバルブ室１３と同じ深さでも良い）まで凹設されて、バルブ室１３に連通している。
また、ボディ本体３８には、バルブ溝４０より外側に背圧通路１７の一部を成す燃料通路４１が形成されている。この燃料通路４１は、ボディ本体３８を上下方向に貫通しており、ボディ本体３８の上端面に開口する一端側に通路径を絞ったオリフィス４１ａが設けられ、ボディ本体３８の下端面に開口する他端側が背圧室１１に連通している。

バルブプレート３９は、ボディ本体３８の上端面に重ね合わせて配置されることで、バルブ室１３の上面を区画している。このバルブプレート３９には、バルブ室１３の中央部に開口する低圧ポート１８が形成され、その低圧ポート１８がバルブプレート３９を貫通している。また、バルブプレート３９には、ボディ本体３８の上端面に当接する当接面に通路状の連通溝４２が凹設されている。この連通溝４２は、一端がボディ本体３８の上端面に開口する燃料通路４１に接続され、他端がボディ本体３８の上端面に開口するバルブ溝４０に接続されて、燃料通路４１とバルブ溝４０とを連通している。この連通溝４２と燃料通路４１およびバルブ溝４０とで背圧通路１７が形成されている。

次に、上記構成を有する燃料噴射弁１の作動を説明する。
ピエゾスタック２８は、非通電時に放電状態となって収縮している。この時、ピエゾスタック２８に弁体１５を駆動する力（変位）が発生しないため、弁体１５は、高圧ポート１９に掛かる燃料圧力とスプリング２５の反力とを受けて低圧ポート１８を閉じている（図１に示す状態）。
駆動回路を介してピエゾスタック２８に通電され、ピエゾスタック２８に変位が発生（伸張）すると、その変位がピエゾピストン２９を介して大径ピストン３０に伝達され、大径ピストン３０が大径シリンダ内を図示下方に押し下げられる。その結果、油密室３１に満たされている燃料が加圧され、その加圧された燃料圧力が小径ピストン３２に作用して、小径ピストン３２が小径シリンダ内を図示下方に押し下げられる。この時、大径ピストン３０と小径ピストン３２との断面積比に応じて、大径ピストン３０の変位量が拡大されて小径ピストン３２に伝達される。

小径ピストン３２が押し下げられると、ピストンピン３２ｂを介して弁体１５が駆動され、その弁体１５が低圧ポート１８を開いて高圧ポート１９を閉じることにより、バルブ室１３が低圧ポート１８及び低圧室２０を介してリーク通路２１に連通する。その結果、背圧通路１７を介してバルブ室１３に連通する背圧室１１の燃料圧力がリーク通路２１に開放されるため、背圧室１１の燃料圧力が低下する。これにより、ノズルニードル３を開弁方向へ付勢する開弁力が閉弁力を上回った時点で、ノズルニードル３が開弁（弁部３ａがサック室７の入口を開く）して、燃料溜め室５の燃料がサック室７に流れ込み、噴孔８よりディーゼル機関の筒内（燃焼室）に燃料が噴射される。

その後、ピエゾスタック２８への通電停止により、ピエゾスタック２８の電荷が放出されて、ピエゾスタック２８が収縮すると、駆動力伝達部を介して弁体１５に作用していた力が解除される。これによって、スプリング２５の反力と高圧ポート１９に掛かる燃料圧力とで弁体１５が押し上げられ、高圧ポート１９を開いて低圧ポート１８を閉じることにより、バルブ室１３が高圧通路２３に連通する。その結果、バルブ室１３に連通する背圧室１１の燃料圧力が上昇するため、ノズルニードル３に作用する閉弁力が開弁力を上回った時点で、ノズルニードル３が閉弁（弁部３ａがサック室７の入口を閉じる）して噴射が終了する。

（実施例１の効果）
実施例１に記載した燃料噴射弁１は、バルブ室１３の半径方向外側にバルブ溝４０を設けて、このバルブ溝４０を介して連通溝４２とバルブ室１３とを連通しているので、バルブ室１３の内径を大きくすることなく、必要な流量を確保できる。つまり、連通溝４２とバルブ室１３との相対位置に係わりなく、連通溝４２とバルブ溝４０との間で流量を確保できれば良いので、バルブ室１３と連通溝４２との位置ずれによる流量不足を防ぐためにバルブ室１３の内径を大きくする必要がない。その結果、バルブ室１３の内径を小さくして、バルブ室１３の容積を小さくできるので、弁体１５が低圧ポート１８と高圧ポート１９とを切り替える際に、燃料の流速が低下することはなく、従って、ノズルニードル３の応答性を向上できる。

また、バルブ室１３と連通溝４２との間にバルブ溝４０を設けることにより、例えば、背圧室１１の燃料圧力が低圧側に開放される時（弁体１５が低圧ポート１８を開いた時）に、背圧室１１から流出するリーク燃料が連通溝４２から直接バルブ室１３に流れ込むのではなく、連通溝４２からバルブ溝４０を通ってバルブ室１３に流入できる。その結果、燃料の流れ方向が急激に変化することはなく、図１（ｂ）に矢印で示す様に、燃料の流れが緩やかになるため、連通溝４２の角部等におけるキャビテーションエロージョンの発生を防止できる。

図３及び図４はバルブ室１３とバルブ溝４０の平面図（ａ）と断面図（ｂ）である。
この実施例２に係るバルブ溝４０は、実施例１に記載したバルブ溝４０の底面形状が異なるものであり、例えば、図３（ｂ）に示す様に、ボディ本体３８の上端面からバルブ室１３の周側面に向かって斜めに凹設されていることを特徴とする。あるいは、図４（ｂ）に示す様に、ボディ本体３８の上端面からバルブ室１３の周側面に向かって球面状に湾曲して凹設されていることを特徴とする。

実施例１に記載したバルブ溝４０は、断面矩形に凹設されているため、バルブ溝４０と連通溝４２とが交わる角部およびバルブ溝４０とバルブ室１３とが交わる角部がそれぞれ直角に形成されている。これに対し、実施例２の構成によれば、バルブ溝４０と連通溝４２とが交わる角部Ａおよびバルブ溝４０とバルブ室１３とが交わる角部Ｂの角度を、それぞれ鈍角に形成できるので、高圧に対する角部Ａ、Ｂの応力を低減できる。

（他の実施例）
本発明の燃料噴射弁１は、実施例１に記載したディーゼル機関用に限定されるものではなく、例えば、ガソリン機関に用いることもできる。
また、実施例１では、燃料噴射弁１のアクチュエータとして、ピエゾスタック２８を記載したが、ピエゾスタック２８以外のアクチュエータを用いることもできる。例えば、ピエゾスタック２８と同様に、通電によって変位を発生する磁歪素子を用いた磁歪アクチュエータ、またはソレノイドアクチュエータ等を採用することができる。
更に、燃料噴射弁１の背圧制御部は、実施例１に記載した３方弁に限定されるものではなく、例えば、弁体１５が低圧ポート１８のみを開閉する２方弁構造であっても良い。

（ａ）ボディ本体に設けられる背圧制御部の平面図、（ｂ）背圧制御部の断面図である（実施例１）。 燃料噴射弁の全体断面図である。 （ａ）バルブ室とバルブ溝の平面図、（ｂ）同断面図である（実施例２）。 （ａ）バルブ室とバルブ溝の平面図、（ｂ）同断面図である（実施例２）。 背圧制御部の断面図である（従来技術）。

符号の説明

１ 燃料噴射弁
３ ノズルニードル
８ 噴孔
１０ バルブボディ
１１ 背圧室
１３ バルブ室
１５ 弁体
１７ 背圧通路
１８ 低圧ポート
１９ 高圧ポート
３８ ボディ本体（一方のボディ部材）
３９ バルブプレート（他方のボディ部材）
４０ バルブ溝（背圧通路の一部）
４１ 燃料通路（背圧通路の一部）
４２ 連通溝（背圧通路の一部）

Claims (3)

1. 噴孔を開閉するニードルと、
   このニードルを閉弁方向に付勢する油圧が導入される背圧室と、
   バルブボディに形成され、背圧通路を介して前記背圧室に連通すると共に、前記背圧室の圧力を低圧側へ開放する低圧ポートを有するバルブ室と、
   このバルブ室に収容され、前記低圧ポートと前記背圧通路との連通および遮断を切り替える弁体とを備え、
   前記バルブボディは、互いの端面同士が液密に当接する一方のボディ部材と他方のボディ部材とを有し、前記一方のボディ部材は、自身の端面から内側に前記バルブ室が凹設され、前記他方のボディ部材は、自身の端面を前記一方のボディ部材の端面に当接して、前記バルブ室の一面を区画している燃料噴射弁であって、
   前記一方のボディ部材には、前記バルブ室の周方向の少なくとも一部で前記バルブ室の半径方向外側にバルブ溝が凹設されると共に、前記背圧室に通じる燃料通路が形成されて、この燃料通路の反背圧室側である一端が自身の端面に開口しており、
   前記他方のボディ部材には、前記一方のボディ部材の端面に当接する自身の端面に通路状の連通溝が凹設され、この連通溝が前記一方のボディ部材の端面に開口する前記燃料通路と前記バルブ溝とを連通して前記背圧通路が形成されていることを特徴とする燃料噴射弁。
2. 請求項１に記載した燃料噴射弁において、
   前記バルブ溝は、前記一方のボディ部材の端面から前記バルブ室の周側面に向かって斜めに凹設されていることを特徴とする燃料噴射弁。
3. 請求項１に記載した燃料噴射弁において、
   前記バルブ溝は、前記一方のボディ部材の端面から前記バルブ室の周側面に向かって球面状に湾曲して凹設されていることを特徴とする燃料噴射弁。
   

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