JP2006257874A - インジェクタ - Google Patents

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Abstract

【課題】 ノズルニードルの背圧を発生するニードル背圧室の圧力の高低を制御バルブの作動で切替えるインジェクタにおいて、制御バルブの駆動時におけるアクチュエータの負担を軽減する。
【解決手段】 制御バルブ33の背圧を発生するバルブ背圧室55を設けるとともに、バルブ背圧室55を通る油圧通路61,64,332,331,55,66,56,62を設け、該油圧通路61〜62を別の制御バルブ35により低圧源と連通した状態と遮断した状態とに切替える油圧駆動により制御バルブ33を制御する。別の制御バルブ35はアクチュエータ121による作動で駆動する。制御バルブ33を開閉する駆動力を油圧によって得ることで、アクチュエータの負担を軽減する。
【選択図】 図2

Description

本発明はインジェクタに関し、特に燃料の噴射と停止とを切替えるノズルニードルの制御構造に関する。
今日、ディーゼルエンジン用のコモンレール式燃料噴射装置に用いられるインジェクタは、高度な燃料噴射を実現すべく、燃料の噴射と停止とを切替えるノズルニードルをソレノイドなどのアクチュエータにより制御して噴射時期および噴射量を自在に設定できるものが広く用いられている。かかるインジェクタとして、従来より、加圧された燃料が供給されてノズルニードルの背圧を発生させるノズルニードル背圧室を備え、ノズルニードル背圧室の圧力を増減することでノズルニードルの着座と離座とを切替えるものがある(下記特許文献1)。このものでは、該ノズルニードル背圧室の圧力を低圧源に開放するための開放通路と、該開放通路の途中部分をなす制御弁室とが形成され、制御弁室に配設された制御バルブがノズルニードル背圧室と低圧源との連通と遮断とを切替えることで、ノズルニードル背圧室の圧力を増減する。制御バルブは、ノズルニードル背圧室側に通じる制御弁室のポートの外周部のシートに着座するようになっている。制御バルブには前記ポートの燃料の圧力が開弁方向に作用し、一方、閉弁方向にはスプリング力が作用している。そして、ソレノイドが制御バルブと一体のアーマチャを吸引すると、スプリング力に抗して制御バルブがリフトする。
ここで、スプリング力は、ソレノイド非通電(オフ)時に制御バルブを閉弁状態に保持し得る大きさに設定され、スプリング力に応じて必要なソレノイドの吸引力が決まることになる。
特開平08−49620号公報
ところで、アクチュエータの小型化、例えばソレノイドを小径化しようとすれば、磁極面積の低下に伴い吸引力も低下するから、その分、スプリング力を一緒に下げるとともに制御バルブに作用するリフト方向の燃料圧力を小さくする必要がある。
前記制御バルブに作用するリフト方向の燃料圧力を小さくするには、十分に制御バルブのシート径を小さくして受圧面積を小さくすればよいが、その絞り作用によりノズルニードル背圧室の圧力の低下速度が過剰に低速側にシフトしノズルニードルの応答性に影響を与えるおそれがある。また、開放通路にオリフィスを設けてノズルニードル背圧室の圧力の低下速度を調整しようとしても前記絞り作用で調整範囲がごく限られたものになってしまう。制御バルブの開弁状態における通路断面積を確保するだけであれば制御バルブのリフト量を大きくすればよいが、前記ソレノイドの吸引力はアーマチャと磁極との距離の二乗に反比例するので、結局、大きな吸引力が必要になり、ソレノイドの小径化という当初の目的を達成することができない。
本発明は前記実情に鑑みなされたもので、制御バルブ開弁時の通路断面積を確保しつつアクチュエータの小型化を図ることのできるインジェクタを提供することを目的とする。
請求項1記載の発明では、棒状の基体に、燃料噴射用の噴孔が形成され加圧された燃料が供給されるノズル室と、加圧された燃料が導入され噴射と停止とを切替えるノズルニードルの背圧を発生するノズルニードル背圧室と、該ノズルニードル背圧室の圧力を低圧源に開放するための開放通路と、該開放通路の途中部分をなす制御弁室とが形成されるとともに、該制御弁室に配設され前記ノズルニードル背圧室と低圧源との連通と遮断とを切替える制御バルブと、アクチュエータの作動により前記制御バルブを駆動するバルブ駆動手段とを有するインジェクタにおいて、
前記バルブ駆動手段は、加圧された燃料が供給され前記制御バルブに燃料を制御油として作用せしめる油圧通路を前記基体に形成するとともに、前記アクチュエータによる駆動で作動し前記油圧通路の燃料の流通を制御する別の制御バルブを設けてなる油圧駆動手段により構成する。
制御バルブを開閉する駆動力は油圧によって得られ、制御バルブのリフト量をアクチュエータの駆動力に依存することなく十分な大きさに設定することができる。したがって、噴射特性が前記制御バルブのリフト量に依存するのを回避することができる。アクチュエータの駆動力は油圧通路の燃料の流通を制御する別の制御バルブの駆動力として足りればよいから、アクチュエータを小型化することができる。
請求項2記載の発明では、請求項1の発明の構成において、前記油圧通路に、上流側より、前記制御バルブの背圧を発生するバルブ背圧室、および前記別の制御バルブが配設される別の制御弁室を形成し、前記別の制御バルブが前記バルブ背圧室と前記油圧通路の下流の低圧源との間の遮断と連通とを切替えることで前記バルブ背圧室の圧力を増減する構成とする。
別の制御バルブにバルブ背圧室と低圧源との間の遮断と連通との二値変位をさせることで、制御バルブの駆動を行い得る。
請求項3記載の発明では、請求項2の発明の構成において、前記制御弁室は、前記低圧源に通じるとともに前記制御弁室の壁面に開口するポートであって前記制御バルブとその変位方向に対向するポートが形成されるとともに、前記バルブ背圧室の圧力を高側とするときには前記制御バルブが前記ポートを閉鎖する構造であり、かつ、前記油圧通路の途中で前記ポートの直下流には絞りを設ける。
制御バルブが開弁しても絞りの作用により制御バルブとポートとの間隙における圧力が急には低下せず、比較的高い圧力が残る。この残圧が、制御バルブのリフトをアシストし開弁速度を速める方向に作用するとともに、リフト状態を保持する方向に作用し、制御バルブを安定的に作動せしめることができる。
請求項4記載の発明では、請求項1ないし3の発明の構成において、前記基体には、前記ノズル室に加圧された燃料を供給する燃料供給通路が前記基体の軸方向に形成されるとともに、前記燃料供給通路に拡径部を設けて燃料の噴射期間中の前記ノズル室の圧力低下を改善するアキュムレータ室とされており、かつ、前記基体は、前記アキュムレータ室を横切る位置よりも先端側の部分と基端側の部分とが拡散接合により接合してなる構造とし、前記先端側の部分に形成されて前記燃料供給通路の一部となる孔と前記基端側の部分に形成されて前記燃料供給通路の一部に連なる前記燃料供給通路の別の一部となる孔との少なくとも一方を、接合端面から一定の深さだけ拡径して、拡径部により前記アキュムレータ室を形成する。
アキュムレータ室を、基体の薄肉化や構成の複雑化を伴うことなく形成することができる。
請求項5記載の発明では、請求項1ないし4いずれか記載のインジェクタにおいて、前記ノズル室に加圧された燃料を供給する燃料供給通路と、前記制御弁室とを、途中に絞りを有する連絡通路にて常時連通させる。
制御弁室を介してノズルニードル背圧室の圧力が開放される時に、連絡通路から流入する加圧燃料により制御弁室の圧力が過度に低下するのを抑制し、制御バルブのリフトを維持する。制御バルブの振動を防止して、噴射量バラツキを小さくすることができる。
請求項6記載の発明では、請求項1ないし5いずれか記載のインジェクタにおいて、前記アクチュエータを、前記別の制御バルブと一体に変位するアーマチャを吸引駆動するソレノイドとする。前記アーマチャが収容される室を前記開放通路に連通させる通路の途中には、前記室の圧力が予め設定した所定の低圧を超えると開弁して前記室の圧力を開放するとともに前記室方向への燃料の流入を制限する逆止弁を設ける。
アクチュエータの駆動に伴い別の制御バルブが開弁すると、バルブ背圧室の燃料が別の制御弁室を介して流出するとともに、制御弁室を介してノズルニードル背圧室の燃料が開放通路へ流出する。この燃料がアーマチャ収容室に流入すると圧力脈動が発生するおそれがあるが、逆止弁を設けたので前記室への燃料の流入が制限される。一方、アーマチャのリフトに伴うアーマチャ収容室の圧力変動やリーク燃料の流入による圧力上昇に対しては逆止弁が開弁してアーマチャ収容室の燃料を排出する。よって、アーマチャの動作への影響を小さくして、噴射バラツキ等を防止できる。
(第1実施形態)
図1、図2に本発明を適用した第1実施形態になるインジェクタの構成を示す。インジェクタは例えば、コモンレール式の燃料噴射システムを備えたディーゼルエンジンに適用され、インジェクタがエンジンの各気筒に1対1に対応して設けられる。そして、ECUによる制御で、所定の期間にコモンレールが供給する燃料を噴射する。
インジェクタは、ノズルボディ21、ディスタンスピース22、第1のバルブボディ23、ホルダ24、およびリテーニングナット25により、インジェクタに略丸棒状の全体形状を与える基体2が構成される。ノズルボディ21、ディスタンスピース22、バルブボディ23、およびホルダ24は対向端面で当接しリテーニングナット25により互いに結合している。
棒状の基体2には内部に種々の凹所や孔が形成されて、これに構成部材が収容されるとともに、燃料の流路が形成される。インジェクタの下端部(以下、「上」「下」というときは図中の天側を指すものとする)は前記各気筒の燃焼室内に突出するノズル部11であり、そのノズルボディ21には基体2の軸方向に縦孔211が形成され、これにノズルニードル31が収容されている。ノズルニードル31はその上端部で縦孔211に圧入した筒状部材21a内に摺動自在に保持されている。縦孔211の図中、下端側の底部はノズルボディ21の先端部に達しており、該先端部がノズル室51となっている。ノズル室51の室壁を貫通して噴孔52が形成してある。縦孔211はノズルニードル31の摺動部よりも下端側で、ディスタンスピース22、第1のバルブボディ23、およびホルダ24に形成された燃料供給通路である高圧通路61と連通しており、ノズルニードル31の離座時には前記コモンレールからの加圧された燃料(以下、適宜、高圧燃料という)が噴孔52から噴射される。
縦孔211にはまた、ノズルニードル31の外周にコイルばね32が収容され、常時、ノズルニードル31を下方すなわち着座方向に付勢している。縦孔211のノズルニードル31の摺動部よりも上側部分により、ノズルニードル31の背圧を発生させるノズルニードル背圧室53がディスタンスピース22を上壁とするとともにノズルニードル31の上端部を下壁として形成される。また、ノズルニードル31には前記高圧通路61からの燃料の圧力が離座方向に付勢されており、前記ニードル背圧室53の圧力が所定の開弁開始圧力以下になったときにノズルニードル31が離座して燃料が噴射され、前記ニードル背圧室53の圧力が所定の閉弁開始圧力以上になったときにノズルニードル31が着座して燃料噴射が停止する。
ノズルニードル背圧室53の圧力の高低の切替えは次の構成によりなされる。第1のバルブボディ23には下端部で拡径する縦孔231がインジェクタの軸方向に形成され、縦孔231の拡径部により制御バルブである第1バルブニードル33が配設される制御弁室である第1制御弁室54が形成される。第1バルブニードル33は棒状で下端寄りにくびれ部を有しており、くびれ部よりも上端部側の軸部33bで前記縦孔231の小径部に摺動自在に保持されている。第1バルブニードル33のくびれ部よりも下端側は第1制御弁室54内に突出して、弁体部33aとなっている。第1バルブニードル弁体部33aは軸部33bよりもやや大径で、かつ第1制御弁室54の側壁面との間に環状の間隙が形成される大きさとしてある。また、その上端部および下端部はテーパ状に面とりされている。第1バルブニードル33はコイルばね34のスプリング力により常時、下方に付勢されている。
第1制御弁室54が形成される第1のバルブボディ23と前記ノズルニードル背圧室53が形成されるニードルボディ21との間に挟まれ、第1制御弁室54の下壁部およびノズルニードル背圧室53の上壁部を形成するディスタンスピース22には、インジェクタの軸方向に貫通する孔が形成されており、第1制御弁室54とニードル背圧室53とを常時、連通する連通路63となっている。連通路63には途中にオリフィス631が形成されている。
第1制御弁室54が形成される前記第1のバルブボディ23には、高圧通路61から分岐して第1制御弁室54に通じる高圧分岐通路64が形成されている。高圧分岐通路64の先端は第1バルブニードル33の前記くびれ部位置で縦孔231の側壁面に開口しており、第1バルブニードル33のくびれ部の外周環状空間333と常時、連通している。また、ディスタンスピース22には、低圧通路62から分岐して第1制御弁室54に通じる低圧分岐通路65が形成されている。低圧分岐通路65は、第1バルブニードル弁体部33aの下端面と対向する位置で第1制御弁室54の下壁面に開口しており、この開口端は第1バルブニードル33が下方変位して第1制御弁室54の下壁面と当接すると第1バルブニードル33により閉鎖されるポート65aとなっている。この開口端の外周縁部が第1バルブニードルが着座するシート(以下、下側シートという)541となる。また、第1バルブニードル33が上方変位すると、第1バルブニードル弁体部33aの上側のテーパ部が第1制御弁室54の段面をシート(以下、上側シートという)542として着座する。
低圧分岐通路65には、ポート65aの直下流に絞りであるオリフィス651が形成してある。
第1バルブニードル33を制御するバルブ駆動手段であるバルブ駆動部12について説明する。第1バルブニードル33はその軸部33bよりも上方に形成されるバルブ背圧室55の圧力の増減により変位する。バルブ背圧室55は、第1バルブニードル33の上面側から穿成し底部が前記くびれ部位置まで達する縦孔331と、前記くびれ部位置で第1バルブニードル33の側面から縦孔331の底部に達する横孔332とにより、前記高圧通路61および高圧分岐通路64から高圧燃料が供給されるようになっている。
バルブ背圧室55は、連通路66を介して別の制御弁室である第2制御弁室56に通じている。連通路66は第1のバルブボディ23の前記縦孔231の底部から第1のバルブボディ23の上端面に達する小孔により構成され、途中にオリフィス661が設けてある。
第2制御弁室56は、第1のバルブボディ23と、その上方の第2のバルブボディ26の下端面に形成した凹所により形成される。第1のバルブボディ23は第2制御弁室56の下端壁をなしている。第2のバルブボディ26の下端面は凹所の外周縁部26aが環状に突出して、第1のバルブボディ23の上端面の環状溝に圧入され、第1のバルブボディ23と第2のバルブボディ26とが係合している。
第2制御弁室56において、その下壁面に開口する前記連通路66の開口端は、バルブ背圧室55に通じるポート66aとなる。第2制御弁室56はまた、その周縁部位置で低圧通路62と常時、連通している。
第2のバルブボディ26には、第2制御弁室56の上壁部を貫通する縦孔261が形成されており、縦孔261に第2バルブニードル36が摺動自在に保持されている。第2バルブニードル36の下端部は第2制御弁室56内に突出し、第2バルブニードル36の上端部が第2のバルブボディ26の上方のソレノイド室57内に突出している。
第2バルブニードル36は、下端部に半球状の別の制御バルブである弁体部35を保持し一体に変位するようになっている。弁体部35は、平坦な下端面が第2制御弁室56の下壁面とポート66a位置で対向している。ポート66aの外周縁部は弁体部35が着座するシート面561であり、弁体部35が着座することで、第2制御弁室56とバルブ背圧室55とが遮断される。
ソレノイド室57内に突出する第2バルブニードル36の上端部には円盤状のアーマチャ37が固定されており、ソレノイド室57内に配設したソレノイド121の磁極面と対向している。ソレノイド121は二重筒状のステータ41の環状空間部にコイル42を巻回したもので、コイル42にリード線43から通電される。ステータ41の内周にはコイルばね38が収容されて、アーマチャ37と弾接し、アーマチャ37に対し、常時、ステータ41から離間する方向に付勢されている。ソレノイド121は第2のバルブボディ26と閉鎖部材24との間に挟持され、これらとともにホルダ24の縦穴241に収容されている。閉鎖部材27とホルダ24との間はシール部材44によりシールされている。
図3は本インジェクタの作動を説明するタイミングチャートである。ソレノイド121のオンによりノズルニードル31が開弁し、ソレノイド121のオフによりノズルニードル31が閉弁する。図4(A)は開弁時の状態を示し、図4(B)は閉弁時の状態を示している。ソレノイド121に通電されると、ソレノイド121がアーマチャ37を吸引して、第2バルブニードル36が上方変位する。これにより、高圧通路61〜高圧分岐通路64〜第1バルブニードル33の横孔332〜縦孔331〜バルブ背圧室55〜連通路66〜第2制御弁室56〜低圧通路62という油圧通路において、バルブ背圧室55の燃料が連通路66〜第2制御弁室56〜低圧通路62という経路で低圧源である燃料タンクへと還流し、バルブ背圧室55の圧力が低下する。第1バルブニードル33は下側シート541から離座するとともに上側シート542に着座する。この状態では、上側シート542への着座により第1制御弁室54と高圧通路61との間が遮断されて、第1制御弁室54への高圧燃料の供給が禁止されるとともに、下側シート541からの離座によりノズルニードル背圧室53の燃料が連通路63〜第1制御弁室54〜低圧分岐通路65〜低圧通路62という開放通路が開成することにより燃料タンクに還流するため、ノズルニードル背圧室53の圧力が燃料タンクに開放されて低下する。開弁開始圧力以下になるとノズルニードル31は開弁する。
一方、ソレノイド121がオフし、第2バルブニードル36が下方変位すると、前記油圧通路において、バルブ背圧室55と低圧通路62とが遮断されて、バルブ背圧室55の圧力が、高圧通路61〜高圧分岐通路64〜第1バルブニードル33の横孔332〜縦孔331という経路でバルブ背圧室55に供給される高圧燃料により上昇する。これにより、第1バルブニードル33が上側シート542から離座するとともに下側シート541に着座する。この状態では、第1制御弁室54と低圧通路62とが遮断されるとともに、高圧通路61〜高圧分岐通路64〜第1の制御弁室54〜連通路63という経路でニードル背圧室53に高圧燃料が供給されるので、ニードル背圧室53の圧力が上昇し、閉弁開始圧力以上になると、ノズルニードル31は閉弁状態とされる。
本インジェクタ(以下、適宜、発明例という)はこのように構成されており、ノズルニードル31の制御系の概略は図5のようになる。図6に示す従来のインジェクタ(以下、適宜、従来例という)と比較すると、ノズルニードルの背圧の高低を切替えてノズルニードルを制御するためにバルブニードルが三方弁を構成している点で共通しているが、本インジェクタでは前記バルブニードル33の制御を油圧駆動としているので、従来例と異なり、必要な駆動力をソレノイド121の仕様に依存することなく設定することができる。これにより、ソレノイド121の体格によらず、第1バルブニードル33のシート径やリフト量を十分大きなものとすることができる。したがって、ノズルニードル31の作動特性をノズルニードル背圧室53と第1制御弁室54とを連通する連通路63に設けたオリフィス631により大きな自由度のもとで調整できる。
図7はバルブをソレノイドにより駆動するものにおいて、バルブのリフト量とそれに要する時間(バルブ開弁時間)との関係を示すもので、アーマチャを吸引する磁力の小さい小径ソレノイドと、磁力の大きい大径ソレノイドとでは、吸引力の分、大径ソレノイドの方がバルブ開弁時間は短いが、バルブリフトが小さければ、小径ソレノイドと大径ソレノイドとでバルブ開弁時間に大差はない。したがって、バルブを直接駆動するには能力不足の小径ソレノイドを用いても、本インジェクタのように制御バルブを油圧駆動として駆動力を確保し、油圧通路を開閉する別の制御バルブを小径ソレノイドによる駆動とすることで、開弁時間を悪化させることなく、ソレノイドの小径化が可能となる。なお、作動応答特性を予め測定しておき測定結果に基づいて要求される燃料噴射時期に対してソレノイドの通電時期を補正することで、作動応答誤差を相殺するのも勿論よい。
また、本インジェクタでは、第1制御弁室54のポート65aから低圧通路62に到る低圧分岐通路65の、ポート65aの直下流にオリフィス651が形成されているので、第1バルブニードル33が下側シート541から離座してもオリフィス651の絞り作用により第1バルブニードル33と下側シート541との間隙における圧力が急には低下せず、比較的高い圧力が残る。この残圧が、第1バルブニードル33のリフトをアシストしてその開弁を速める方向に作用するとともに、第1バルブニードル33のリフト状態を保持する方向に作用する。第1バルブニードル33の作動安定性を高め、インジェクタの作動ばらつきを軽減することができる。
(第2実施形態)
図8に本発明の第2実施形態になるインジェクタを示す。第1実施形態の構成において、一部の構成を別の構成に変えたもので、第1実施形態と実質的に同じ作動をする部分には同じ番号を付して第1実施形態との相違点を中心に説明する。
基体2Aは基本的に第1実施形態のものと同じで、これを構成するディスタンスピース22A、閉鎖部材27Aを第1実施形態とは別の構成としている。ディスタンスピース22Aにおいて、高圧通路61から分岐しニードル背圧室53に通じる高圧分岐通路67が形成され、ニードル背圧室53が高圧通路61と常時、連通している。高圧分岐通路67の途中にはオリフィス671が設けてある。これにより、前掲図3に示すように、ノズルニードル31の開弁時において、第1バルブニードル33が下側シート541から離座し上側シート542に着座してもノズルニードル背圧室53には高圧分岐通路67を介して一定量の高圧燃料が流入するので、ノズルニードル31の開弁は緩やかなものとなる。一方、第1バルブニードル33が上側シート542から離座し下側シート541に着座したときには第1実施形態のものに比して高圧分岐通路67からの燃料流入の分、ノズルニードル背圧室53の圧力は速やかに上昇し、ノズルニードル31は速やかに着座する。ノズルニードル31が緩やかに開弁することで排気中のNOxが低減し、ノズルニードル31が速やかに閉弁することで排気中の煙が低減する。なお、ノズルニードル31の開弁速度、および閉弁速度は連通路67のオリフィス671の通路断面積により調整できる。
アーマチャ37Aは第1実施形態のものと基本構造は同じで、ステータ41との対向面にはスペーサ39が設けてある。スペーサ39はコイルばね38よりもやや大径の円板状の部材で、その周縁部には環状に凸部39aが形成してある。凸部39aの段上面とステータ41とが当接した状態が、第2バルブニードル36のフルリフトの状態となる。凸部39aの高さを適宜、設定することで、フルリフト時のアーマチャ37Aとステータ41とのエアギャップが調整されるようにしている。
また、閉鎖部材27Aは第1実施形態のものに対しシール部材を省略して、縦穴241に圧入しシールする構造となっており、部品数の低減を図っている。
(第3実施形態)
図9は例えば第1実施形態のインジェクタにおけるノズルニードル31のリフトおよびノズル室51圧力の燃料噴射期間における経時変化を示す。噴射開始後にノズル室51圧力が低下している(圧力ドロップ)。圧力ドロップを抑制するにはアキュムレータ室を高圧通路の途中に設けるのが有効である。例えば第1実施形態のインジェクタにおいて、基体を構成する部材間の対向端面を利用して、図10に示すように、高圧通路61用の縦孔242を、ホルダ24の第1のバルブボディ23との対向端面から一定の深さだけ拡径するとすれば、第2バルブニードル36やソレノイド121用のスペースのために縦孔241の外周でホルダ24が相当、薄肉とならざるを得ない。また、アキュムレータ室の形成だけのためにホルダをインジェクタの軸方向にさらに分割して両部材をリテーニングナットなどで機械的に結合するのも構造を複雑化し、インジェクタの大径化を招く。本実施形態はかかる課題を解消し、さらに実用性を高めたものである。
図11に本実施形態になるインジェクタを示す。第1実施形態の構成において、一部の構成を別の構成に変えたもので、第1実施形態と実質的に同じ作動をする部分には同じ番号を付して第1実施形態との相違点を中心に説明する。
基体2Bに形成される高圧通路61Bは第1実施形態の高圧通路と基本的に同じもので、相違点は途中にアキュムレータ室58が設けられている点である。アキュムレータ室58は、ソレノイド121よりも上方で、縦穴241のリード線43が挿通する小径部分のみが形成された位置に、縦穴241の側方に形成してあり、アキュムレータ室58の外周の肉厚を確保している。
さて、アキュムレータ室58は次のように形成される。本実施形態では、ホルダ24Bは、図12に示すように、2つの部材7a,7bがその製作時に用意される。部材7a,7bは実質的にホルダ24Bをインジェクタの軸方向に2つに分割した形状を有するもので、一体化した状態で高圧通路61Bの一部となる孔71a,71b、第2のバルブボディ26などが収容される縦穴241の一部となる孔72a,72bが形成される。ホルダ24Bの上側部分となる部材7bは、高圧通路61Bとなる前記孔71bを、他方の部材7aとの当接端面から一定の深さだけ拡径してある。そして、両部材7a,7bの当接端面同士を清浄化した後、突き合わせ、高温に加熱する。両部材7a,7bの対向端面を中心とする範囲で部材7a,7bの原子の拡散により両部材7a,7bが接合し、一体化する。前記孔71bの拡径部711によりアキュムレータ室58が形成される。
これにより、アキュムレータ室58を、その外周で基体2Bを薄肉とすることなく設けることができる。しかも、部材7a,7b間を機械的に結合するものではないので、インジェクタが大径化しない。
(第4実施形態)
図13を用いて第1バルブニードル33のリフトへの第1制御弁室54の圧力の影響について説明する。前掲図3にて説明したように、第1バルブニードル33は、その上面側のバルブ背圧室55圧力の低下に伴って下側シート541から離座して上側シート542に着座する。この時、図13に示すように、第1バルブニードル33のリフト方向に作用する第1制御弁室54の圧力が安定せず、第1バルブニードル33を振動させる要因となることがある。例えば第1実施形態のインジェクタ構成において、第1制御弁室54の圧力は、開放されるポート65a直下にオリフィス651を有することにより比較的高く保たれるが、バルブ背圧室55の圧力による力(+コイルばね34のスプリング力)が第1制御弁室54の圧力による力より大きくなると、第1バルブニードル33は上側シート542から離れる。上側シート542は大きな開口面積を持つので, 高圧通路61〜高圧分岐通路64〜第1の制御弁室54へと高圧燃料が流入して第1の制御弁室54は圧力上昇する。この圧力上昇により、第1バルブニードル33は再び上昇し、上側シート542を塞ぐ。
この現象の繰返しにより第1バルブニードル33が振動し、その結果、噴射量のバラツキが生じたり、振動による弁シート部の摩耗が生じたりするおそれがある。本実施形態はかかる課題を解消し、さらに実用性を高めたものである。
図14に本実施形態になるインジェクタを示す。第1実施形態の構成において、一部の構成を別の構成に変えたもので、第1実施形態と実質的に同じ作動をする部分には同じ番号を付して第1実施形態との相違点を中心に説明する。
基体2Cは基本的に第1実施形態のものと同じで、これを構成する第1のバルブボディ23Cを第1実施形態とは別の構成としている。第1のバルブボディ23Cにおいて、高圧通路61からの高圧分岐通路64は、第1バルブニードル33のくびれ部の外周環状空間333に開口する手前でさらに分岐し、第1制御弁室54の側壁面に開口して両者を常時、連通させる常時連絡通路68を形成している。常時連絡通路68は、外周環状空間333を経由せずに高圧分岐通路64を第1制御弁室54に直接連通する連絡通路となっており、途中には絞りとしてのオリフィス681が設けてある。これにより、第1バルブニードル33が上側シート542に着座している時も、常時連絡通路68からオリフィス68で流量が制限される少量の高圧燃料が流入するので、第1制御弁室54の圧力が過度に低下することがなく、第1バルブニードル33のシート位置が不安定になるのを防止できる。
図15は本実施形態の常時連絡通路68の効果をインジェクタ作動シミュレーションにより確認したもので、図14中に各波形A〜Fの発生箇所を示している。また、比較のため、常時連絡通路68を設けない図16の構成(第1実施形態の構成)につき、同条件でシミュレーションを実施した結果を図17に示している。なお、図15、17のグラフ中、インジェクタ各部圧力(A、C〜F)は図中左側の第1縦軸、インジェクタ各部リフト(B、G)は右側の第2縦軸を適用する。図中、曲線Eが第1バルブニードル33に上向きに働く第1制御弁室54の圧力を、曲線Dが第1バルブニードル33に下向きに働くバルブ背圧室55の圧力を示しており、図17では両曲線が近付いてくると第1制御弁室54の圧力(曲線E)が上昇下降を繰り返し、バルブニードル33の動き(曲線B)が振動的になってくるのが分る。これに対し、図15では図17に比べてバルブニードル33の動き(曲線B)が安定しており、常時連絡通路68の作用で第1制御弁室54の圧力(曲線E)の変動が抑制されているのが分る。その結果、噴射バラツキや振動による弁シート部の摩耗が防止できる。
(第5、6実施形態)
常時連絡通路68は、第4実施形態で示した位置に限らず、第1制御弁室54と高圧通路61を連通させる他の位置に形成してもよい。図18の第5実施形態では、常時連絡通路68を第1バルブニードル33の弁部33a内に、外周環状空間333と第1制御弁室54とが直接連絡するように設けている。第1制御弁室54は、高圧分岐通路64により高圧通路61と常時連通する外周環状空間333から、常時連絡通路68に設けたオリフィス681を介して一定量の高圧燃料が流入する。図19の第6実施形態では、常時連絡通路68を高圧分岐通路64とノズルニードル背圧室53とを連通するように設けている。この構成では、ノズルニードル背圧室53を経由し連通路63に設けたオリフィス631を介して第1制御弁室54に連絡している。
これら第5、6実施形態においても、第4実施形態と同様、第1制御弁室54の圧力変動を抑制して、第1バルブニードル33の振動を防止する効果が得られる。なお、第6実施形態は、図8に示す第2実施形態とほぼ同じ構成であり、第1バルブニードル33の開閉弁速度の調整による排気エミッション低減と、噴射バラツキの低減、摩耗防止による耐久性向上を同時に実現できる。第4〜第6実施形態の常時連絡通路68に設けたオリフィス681径は、第1制御弁室54を低圧分岐通路65に接続するポート65aの直下流に設けられるオリフィス651との調整により決定される。第6実施形態では、さらに、ノズルニードル背圧室53への連通路63に設けられるオリフィス631との調整を行って決定する。
(第7実施形態)
図20を用いて制御バルブのスイッチングリークについて説明する。前記実施形態においてアーマチャ37が収容される室であるソレノイド室57には、下方の第2制御室56から第2バルブニードル36の摺動隙間を経てリーク燃料が流入する。このリーク燃料の蓄積によりソレノイド室57が高圧になるのを防ぐため、通常、ソレノイド室57を低圧通路62に連通させるリーク回収通路が設けられる。例えば、第2のバルブボディ26の外周に第1のバルブボディ23の上端にて低圧通路62に接続する低圧通路262を設け、第2のバルブボディ26内に設けた低圧通路263を経てソレノイド室57に連通させることで、リーク回収が可能である。この構成では、アーマチャ37が吸引されて第2バルブニードル36とともにリフトすると、まずバルブ背圧室55の燃料が流出し、さらに僅かの時間差をおいて、第1バルブニードル33がリフトすることにより、第1バルブニードル33下方のノズルニードル背圧室53の燃料が連通路63を介して流出する(この開弁時に発生するリークを以降、スイッチングリークという)。
ここで、アーマチャ37と第1バルブニードル33のリフトの時間差は、僅かなので、バルブ背圧室55の燃料とノズルニードル背圧室53の燃料は、ほぼ合流する形でソレノイド室57へ流入する(図中、矢印)。このため、ソレノイド室57に圧力脈動が発生し、アーマチャ37に作用する油圧力が変化する。この変化により第1バルブニードル33下端の弁体部35の閉弁速度が変化すると、噴射量バラツキにつながるおそれがある。特に短時間で数回噴射するパイロット噴射では、前回の噴射によるスイッチングリークの脈動により、次の開弁速度も変化するなど影響が大きくなる。本実施形態はかかる課題を解消し、さらに実用性を高めたものである。
図21に本実施形態になるインジェクタを示す。第1実施形態の構成において、一部の構成を別の構成に変えたもので、第1実施形態と実質的に同じ作動をする部分には同じ番号を付して第1実施形態との相違点を中心に説明する。
第2のバルブボディ26の外周には、第1のバルブボディ23の上端にて低圧通路62に接続する低圧通路262が設けられる。第2のバルブボディ26内には、一端がソレノイド室57の底壁に開口し他端が第2のバルブボディ26外周に開口して低圧通路262に接続する低圧通路263が設けられる。低圧通路263には、低圧通路262との接続側端部に逆止弁8が設けてある。逆止弁8は、ソレノイド室57から低圧通路62方向への燃料流れのみを許容するもので、図22(A)に示すように、低圧通路263を開閉する弁体81と、その外側に配設されて低圧通路263に設けた段部に弁体81に押圧するスプリング82を有している。スプリング82は、所定の低圧で弁体81が開弁するように比較的弱いばね力に設定されている。また、弁体81には低圧通路262と低圧通路263を常時連通させるオリフィス83が設けられる。
この構成において、スイッチングリークが発生すると、バルブ背圧室55の燃料とノズルニードル背圧室53の燃料は、ほぼ合流する形で低圧通路262へ流入するが、逆止弁8を設けているので、低圧通路263へ流入するのはオリフィス83を通過する僅かな燃料のみとなる(図中、矢印)。したがって、ソレノイド室57に圧力脈動が発生することはなく、アーマチャ37に作用する油圧力の変化で閉弁速度が変化するのを防止する。よって短時間で数回噴射するパイロット噴射を行う場合においても、噴射量バラツキが生じることがなく、噴射性制御性が向上する。
一方、図22(B)に示すように、リーク燃料によりソレノイド室57の圧力が上昇すると、スプリング82の付勢力に抗して弁体81が開弁し、圧力を開放する。また、アーマチャ37のリフトに伴う圧力脈動についても、弁体81が開閉して燃料が排出され、これを抑制する。さらに、高圧部から低圧部へのリーク燃料の流入が少なくなるので、ソレノイド室57の温度上昇を抑制する効果がある。これにより、部材の熱変形が小さくなり、耐熱温度の低い材料を使用できるといった利点がある。
なお、オリフィス83は、インジェクタ組付け後のソレノイド室57のエア抜きのために設けられるものである(摺動部リークが少ないので低圧通路262、263を介して燃料を供給してエア抜きをする)。その必要がない場合は、不要である。
(第8実施形態)
図23〜25を用いて、前記各実施形態の基本構造における主要各部材の配置と構成の好適な態様について説明する。図23(A)は前掲図2と同じ図であり、図23(B)、(C)はそのI−I断面、II−II断面を簡略化して示す図である。図23(B)には高圧通路61と第2バルブニードル36の配置を示しており、基体2の中心点2aを通る線分上に、高圧通路61の中心点61aおよび第2バルブニードル36の中心点36aを配置している。かつ、高圧通路61と第2バルブニードル36は重ならないように、中心点2aを挟んで反対側に配置する。
このように第2バルブニードル36を基体2の中心点2aに対し偏心させて配置すると、高圧通路61の径方向外方に形成されるスペースを最大限に大きくすることができる。つまり、高圧通路61は高圧流体が通過するため、強度上、通路壁を十分な肉厚で形成することが不可欠であるが、図の配置とすれば、高圧通路61の周囲に大きなスペースを確保して、高圧通路61の壁厚を十分大きくし、強度を向上できる。
図23(C)には高圧通路61と第1バルブニードル33の配置を示しており、基体2の中心点2bを通る線分上に、高圧通路61の中心点61bおよび第1バルブニードル33の中心点33cを配置している。かつ、高圧通路61と第1バルブニードル33は重ならないように、中心点2bを挟んで反対側に配置する。
図23(B)の配置と同様に、このようにすると、高圧通路61の径方向外方に形成されるスペースを最大限に大きくすることができる。よって、高圧流体が通過する高圧通路61の周囲に大きなスペースを確保して、高圧通路61の壁厚を十分大きくし、強度を向上できる。
なお、ノズルニードル31(図1参照)の中心と基体2の中心は一致させておく。また、バルブ背圧室55と第2制御弁室56との連通路66に設けるオリフィス661は、バルブ背圧室55に高圧燃料を供給する横穴332と同等以上の径(あるいは流出流量)となるように設定するとよい。
オリフィス661径(流出流量)≧横穴332径(流入流量)
これにより、ソレノイド121通電による第2バルブニードル36の上方変位時に、バルブ背圧室55の圧力を、確実に降圧できる。
図24に示すように、第1バルブニードル33により開閉されるポート65aの径をD1、その直下流のオリフィス651の径をD2、第1バルブニードル33リフト時の高さをHとした時、オリフィス651の断面積(π/4×D2×D2)より、第1バルブニードル33の下端面334とポート65aで定まる面積(π×D1×H)が大きくなるように設定する。
オリフィス651の断面積<下端面334とポート65aで定まる面積
かつ、オリフィス651の径D2<ポート65aの径D1に設定する。
第1バルブニードル33が下側シート541から離座した時、燃料流れは図中、矢印で示すようになる。この時、上記のように設定すると、第1バルブニードル33とポート65aとの間の狭い隙間(リフト高さH)が、オリフィス651より大きくなり、流体流れを阻害する流体抵抗にならないようにできる。
図25に示すように、第1バルブニードル33の弁部33aの外径は、軸部33bが摺動する縦孔231の径D3よりも大きくなるように設定する。
弁部33a外径>縦孔231の径D3
可動部材である第1バルブニードル33は、軸部33bで、第1のバルブボディ23の縦孔231と摺接している。上記のように設定すると、第1バルブニードルの弁部33aのテーパ面33dと、縦孔231下端の角部231aとが当接する。つまり、第1バルブニードル33が、第1のバルブボディ23によって、リフト規制されるようにできる。
また、ニードル背圧室53へ至る連通路63に設けたオリフィス631の径をD4とした時、オリフィス631の断面積(π/4×D4×D4)より、角部231aとテーパ面33dで定まる面積(π×D3×H)が大きくなるように設定する。
第1バルブニードル33が上側シート542から離座した時、燃料流れは図中、矢印で示すようになる。この時、縦孔231と弁部33aという複数部材の精度よい加工が要求される流路よりも、加工上の管理が容易な連通路63途中に最小面積のオリフィス631を設定することで、製造上のばらつきを低減できる。
このオリフィス631の断面積(π/4×D4×D4)と、前掲図24のオリフィス651の断面積(π/4×D2×D2)の関係は次のように設定する。
オリフィス651の断面積<オリフィス631の断面積
これにより、ノズルニードル背圧室53(図23参照)の昇圧速度と降圧速度を、それぞれ独立に別々のオリフィス631とオリフィス651で設定できる。
ノズルニードル背圧室53は、図25のように、高圧通路61からの高圧流体が、オリフィス631を通過して流入し昇圧される。これに対して、降圧時には、図24のように、ノズルニードル背圧室53からオリフィス631およびオリフィス651の両方を通過して流出し、さらに低圧通路62へ流出することで降圧される。よって、オリフィス631の断面積がオリフィス651より十分大きければ、降圧速度(流出時)は、オリフィス651の断面積のみにより設定できる。昇圧速度(流入時)は、オリフィス631の断面積のみにより設定できる。
図23において、第1バルブニードル33およびアーマチャ37をそれぞれ付勢するコイルばね34,38と、ノズルニードル31を付勢するコイルばね32(図1参照)は、予荷重が以下の順に小さくなるように設定する。
コイルばね32>コイルばね38>コイルばね34
これは、以下の理由による。まず、コイルばね32には、ノズルニードル31の閉弁速度を規定するため、最大の予荷重が必要とされる。つまり、ノズルニードル31が閉弁を開始するとき、ノズル室51の圧力と、ノズルニードル背圧室53の圧力がほぼ同等であり、受圧面積も同等であるため、圧力による力はほぼバランスしている。よって、コイルばね32の付勢力に応じて、ノズルニードルの閉弁速度が設定されることになる。
次に、コイルばね38には、ポート66aに付加する高圧流体を閉塞させる予荷重が必要とされる。ここで、ポート66aの直径をD5とし、付加する流体の圧力をP(例えば200MPa)とおくと、コイルばね38に必要な予荷重は、次のようになる。
コイルばね38の予荷重>π/4×D5×D5×P+α
(α:余裕度分の力)
コイルばね34は、バルブ背圧室55と第1制御弁室54の圧力が同等であり、ほぼ油圧力バランスしているために、予荷重は僅かでよい。ここで、第1バルブニードル33を下向きに付勢する力は、π/4×D3×D3×P1+ばね予荷重(D3:軸部33bの直径、P1:バルブ背圧室55の圧力)で表される。また、第1バルブニードル33を上向きに付勢する力は、π/4×(D3×D3−D1×D1)×P2(D1:ポート65aの直径、P1:第1制御弁室54の圧力)D3>D1であり、P1=P2と考えられるため、第1バルブニードル33に付加する油圧力は、ほぼバランスしている。
本発明の第1実施形態になるインジェクタの断面図である。 前記インジェクタの要部の断面図である。 前記インジェクタの作動状態を示すタイミングチャートである。 (A)は前記インジェクタの要部の断面図であり、(B)は(A)とは別の状態における前記インジェクタの要部の断面図である。 制御油としての燃料の流れを示す前記インジェクタの概略図である。 制御油としての燃料の流れを示す前記インジェクタと比較する従来のインジェクタの代表例の概略図である。 本発明の前記第1実施形態になるインジェクタの作動を説明するである。 本発明の第2実施形態になるインジェクタの要部の断面図である。 本発明の第3実施形態になるインジェクタの特徴部分に関する技術的な背景を説明するタイミングチャートである。 本発明の第3実施形態になるインジェクタの特徴部分に関する技術的な背景を説明するタイミングチャートである。 本発明の第3実施形態になるインジェクタの断面図である。 前記インジェクタの製造過程を示す前記インジェクタの断面図である。 本発明の第3実施形態になるインジェクタの特徴部分に関する技術的な背景を説明するタイミングチャートである。 本発明の第4実施形態になるインジェクタの要部の断面図で、図15に示す各波形の発生箇所を示す図である。 常時連絡通路の効果をインジェクタ作動シミュレーションにより確認した結果を示す図である。 常時連絡通路を有しないインジェクタ構成を示す要部断面図で、図17に示す各波形の発生箇所を示す図である。 常時連絡通路を有しないインジェクタの作動をシミュレーションにより確認した結果を示す図である。 本発明の第5実施形態になるインジェクタの要部の断面図である。 本発明の第6実施形態になるインジェクタの要部の断面図である。 逆止弁を有しないインジェクタの要部の断面図である。 本発明の第7実施形態になるインジェクタの要部の断面図である (A)、(B)は逆止弁の作動を説明するための図で、図21のI部拡大図である。 (A)は本発明の第8実施形態になるインジェクタの要部の断面図、(B)、(C)は(A)のI−I断面、II−II断面をそれぞれ簡略化して示す図である。 本発明の第8実施形態になるインジェクタの流路構成を説明するための要部拡大断面図である。 本発明の第8実施形態になるインジェクタの流路構成を説明するための要部拡大断面図である。
符号の説明
11 ノズル部
12 バルブ駆動部(バルブ駆動手段)
121 ソレノイド(アクチュエータ)
2,2A,2B 基体
21 ノズルボディ
22,22A ディスタンスピース
23,26 バルブボディ
24,24B ホルダ
25 リテーニングナット
262、263 低圧通路(通路)
31 ノズルニードル
33 第1バルブニードル(制御バルブ)
331 縦孔(油圧通路)
332 横穴(油圧通路)
35 弁体部(別の制御バルブ)
37 アーマチャ
41 ステータ
42 コイル
51 ノズル室
52 噴孔
53 ノズルニードル背圧室
54 第1制御弁室(制御弁室、開放通路)
55 バルブ背圧室(油圧通路)
56 第2制御弁室(別の制御弁室、油圧通路)
57 ソレノイド室(室)
58 アキュムレータ室
61,61B 高圧通路(油圧通路)
62 低圧通路(開放通路、油圧通路)
63 連通路(開放通路)
64 高圧分岐通路(油圧通路)
65 低圧分岐通路(油圧通路)
65a ポート
651 絞り
66 連通路(油圧通路)
7a,7b 部材
71a,71b 孔
711 拡径部
8 逆止弁


Claims (6)

  1. 棒状の基体に、燃料噴射用の噴孔が形成され加圧された燃料が供給されるノズル室と、加圧された燃料が導入され噴射と停止とを切替えるノズルニードルの背圧を発生するノズルニードル背圧室と、該ノズルニードル背圧室の圧力を低圧源に開放するための開放通路と、該開放通路の途中部分をなす制御弁室とが形成されるとともに、該制御弁室に配設され前記ノズルニードル背圧室と低圧源との連通と遮断とを切替える制御バルブと、アクチュエータの作動により前記制御バルブを駆動するバルブ駆動手段とを有するインジェクタにおいて、
    前記バルブ駆動手段は、加圧された燃料が供給され前記制御バルブに燃料を制御油として作用せしめる油圧通路を前記基体に形成するとともに、前記アクチュエータによる駆動で作動し前記油圧通路の燃料の流通を制御する別の制御バルブを設けてなる油圧駆動手段により構成したことを特徴とするインジェクタ。
  2. 請求項1記載のインジェクタにおいて、前記油圧通路に、上流側より、前記制御バルブの背圧を発生するバルブ背圧室、および前記別の制御バルブが配設される別の制御弁室を形成し、前記別の制御バルブが前記バルブ背圧室と前記油圧通路の下流の低圧源との間の遮断と連通とを切替えることで前記バルブ背圧室の圧力を増減するようにしたインジェクタ。
  3. 請求項2記載のインジェクタにおいて、前記制御弁室は、前記低圧源に通じるとともに前記制御弁室の壁面に開口するポートであって前記制御バルブとその変位方向に対向するポートが形成されるとともに、前記バルブ背圧室の圧力を高側とするときには前記制御バルブが前記ポートを閉鎖する構造であり、かつ、前記油圧通路の途中で前記ポートの直下流には絞りを設けたインジェクタ。
  4. 請求項1ないし3いずれか記載のインジェクタにおいて、前記基体には、前記ノズル室に加圧された燃料を供給する燃料供給通路が前記基体の軸方向に形成されるとともに、前記燃料供給通路に拡径部を設けて燃料の噴射期間中の前記ノズル室の圧力低下を改善するアキュムレータ室とされており、かつ、前記基体は、前記アキュムレータ室を横切る位置よりも先端側の部分と基端側の部分とが拡散接合により接合してなる構造とし、前記先端側の部分に形成されて前記燃料供給通路の一部となる孔と前記基端側の部分に形成されて前記燃料供給通路の一部に連なる前記燃料供給通路の別の一部となる孔との少なくとも一方を、接合端面から一定の深さだけ拡径して、拡径部により前記アキュムレータ室を形成したインジェクタ。
  5. 請求項1ないし4いずれか記載のインジェクタにおいて、前記ノズル室に加圧された燃料を供給する燃料供給通路と、前記制御弁室とを、途中に絞りを有する連絡通路にて常時連通させたインジェクタ。
  6. 請求項1ないし5いずれか記載のインジェクタにおいて、前記アクチュエータが、前記別の制御バルブと一体に変位するアーマチャを吸引駆動するソレノイドであり、前記アーマチャが収容される室を前記開放通路に連通させる通路の途中に、前記室の圧力が予め設定した所定の低圧を超えると開弁して前記室の圧力を開放するとともに前記室方向への燃料の流入を阻止する逆止弁を設けたインジェクタ。

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