JP2007024016A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】摺動部箇所を減らす構造を設けることによって、リーク量の低減および小型化を図った燃料噴射弁１を提供する。
【解決手段】シリンダ２１内に配設する制御ピストン４１を、その後端に摺動部を設けることなく圧力制御室４０に臨ませ、先端はばね受座４１Ｂを設けて、ばね室４４Ａにばね４４を介装してノズルニードル４２に当接させ、そしてノズルニードル４２の摺動部の略中央付近の適正な位置に、有効な容量を有する回収溝４５Ｄを設け、リーク通路４７に連通させる。これにより、ばね室４４Ａが圧力制御室４０を兼ねることとなって、圧力制御室４０の制御圧は、直接ノズルニードル４２の摺動部４５Ａの後端面に印加されるので、高圧燃料の摺動部が一箇所にまとめられ、リーク量を低減でき、通電時においても最小のリーク量に抑制して、全量を確実にドレンタンクに戻すことができる。また、制御ピストン４１の摺動部の廃止により全長も短く小型化できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁弁を駆動することにより燃料噴射を断続する燃料噴射弁に関し、例えば、高圧供給ポンプによって加圧し、コモンレール内に蓄圧した高圧燃料を、内燃機関の燃焼室に噴射するための電磁制御式燃料噴射弁に適用して好適なものである。

〔従来の技術〕
従来の燃料噴射弁としては、ディーゼルエンジンなどの蓄圧（コモンレール）式燃料噴射装置に用いられ、コモンレールから供給される高圧燃料をエンジンの燃焼室に噴射する図２に示すものがよく知られている。

この燃料噴射弁１００は、噴射弁本体１０２の内部のシリンダ１２１に収容された制御ピストン１４１の反噴射側に圧力制御室１４０を設け、圧力制御室１４０と燃料低圧側とを電磁弁１０３で断続することにより燃料噴射時期を制御するものである。圧力制御室１４０はオリフィスプレート１０７に設けられ、圧力制御室１４０の燃料入口側および出口側にそれぞれ入口オリフィス１７４および出口オリフィス１７３を備え、出口オリフィス１７３の流路面積を入口オリフィス１７４の流路面積よりも大きく設定している。電磁弁１０３の通電（オン）時、ばね１３６により先端方向（閉弁方向）に付勢されるアーマチャ（可動子）１０５が吸引され、弁体が開弁し、出口オリフィス１７３が開放される。これにより高圧燃料が燃料低圧側に逸早く多量に流れ出し、圧力制御室１４０の燃料圧力が略瞬時に低下する。

制御ピストン１４１は、噴射弁本体１０２の軸心に設けられたシリンダ１２１の摺動部１２１Ａにおいて摺動可能にシールされており、後端は圧力制御室１４０に臨み、先端はノズルニードル１４２の後端部と当接して配置されている。上記圧力制御室１４０の燃料圧力の略瞬時の低下に伴い両端方向の圧力バランスが崩れ、制御ピストン１４１は後端方向に摺動移動をする。これと同時にノズルニードル１４２も後端方向に摺動移動を起こし、リフトが生じてノズルニードル１４２が開弁し、インレット部１２６から供給される高圧燃料流入路１１１と連通する高圧燃料通路１２２を経由して、高圧燃料が噴射されるものが知られている（特許文献１参照）。なお、電磁弁１０３内は低圧燃料油に満されており、出口オリフィス１７３より流出した低圧燃料は流出路１１３を経由して、電磁弁１０３内のばね室１３６Ａを通過してドレンパイプ１３１より図示しないドレンタンクに戻される。

上記の特許文献１で開示される燃料噴射弁１００は、噴射圧力の高圧化、噴射制御の高精度化に伴い、入口オリフィス１７４の流量の高精度・安定化が要望される中で、入口、出口の二段オリフィス１７４、１７３の中間圧力を利用して、噴射を制御しているため、入口オリフィス１７４の下流端を直接圧力制御室１４０に接続させ、このために圧力制御室１４０を可能な限り大きな空間を確保して、入口オリフィス１７４の下流端への流れのエネルギを減衰させ、入口オリフィス１７４の流れを安定させている。そして、このために圧力制御室１４０に通じる入口オリフィス１７４のオリフィス径やオリフィス長さを自由に変更可能なように、入口オリフィス１７４をオリフィスプレート１０７と別体とするのではなく、オリフィスプレート１０７と一体に設けることで、加工精度の向上を図り、少流量の要求オリフィス流量に対しても、適正かつ容易に流量を設定できることを特徴としている。

なお、制御ピストン１４１とシリンダ１２１の摺動部１２１Ａとの高圧燃料のシール性は維持されるものの、長時間の稼動状況下では燃料油圧はもとより燃料油温も高くなって、繰返しの摺動動作に連れて大量のリーク燃料が発生して、シリンダ１２１の燃料流通部１２１Ｂを経由して噴射弁本体１０２の先端に設けられたばね室１４４Ａに入り込み、ここから連通溝１２３Ｂを経由して低圧燃料通路１２３に流れ込むこととなる。

また、ノズルニードル１４２の開弁、閉弁動作である図中上下の摺動移動は、ノズルニードル１４２を内包するニードル穴１４５のニードル摺動部１４５Ａとの高圧燃料のシール性は維持されるものの、長時間の繰返し稼動状況下ではやはり大量のリーク燃料が発生して、ばね室１４４Ａに入り込み、同様に連通溝１２３Ｂを経由して低圧燃料通路１２３に流れ込むこととなる。

つまり、インレット部１２６から供給される高圧燃料は、高圧燃料流入路１１１を経由し、これと連通する高圧燃料通路１２８、１２２に分岐し、前者は入口オリフィス１７４から流入して圧力制御の用に供され、一方、後者は、傾斜する高圧燃料流路１４６を経由して燃料溜り１４５Ｃからニードル燃料通路１４５Ｂを通って噴射孔１４３から噴霧の用に供されると共に、噴射や圧力制御に使用されなかった燃料はそれぞれの摺動部１４５Ａ、１２１Ａからリークして低圧燃料通路１２３へ合流して、電磁弁１０３内のばね室１３６Ａを経由してドレンパイプ１３１から排出され、ドレンタンクへ戻される構成となっている。

〔従来技術の不具合〕
しかしながら、入口、出口の二段オリフィスの中間圧力（背圧）を利用して、制御ピストンの移動を制御し、これに連動するノズルニードルのリフトを制御して、噴射燃料制御を図る燃料噴射弁では、噴射圧力の高圧化が益々進行する環境下においては、制御ピストンおよびノズルニードルの各摺動部からのリーク燃料がますます増えることが懸念される。

つまり、燃料圧力が高圧化になればリーク燃料が増え、リーク燃料が増えれば所望の高圧化にならずさらに圧力増加が必要となり、またリーク燃料は増える。結果、ロスが増えてポンプ効率が悪化することとなり、所要動力が大幅に増える。また、悪化したポンプ効率での燃料の高圧化は、当然、燃料自体の温度上昇となって、結果、燃料噴射弁自体の温度上昇が起こって、摺動部からのリーク燃料が益々増加するという悪循環に陥ることとなり、本制御方式の燃料噴射弁のリーク燃料の低減は、燃料高圧化に向けて本制御方式の存立に係わる基本的な重要課題である。

このため各摺動部長さを長く設定することによりシール性を改善してリーク量を減少させたり、また隙間管理を厳しくしてリーク量を減少させることは可能であるが、前者では起動初期と長時間稼動後においても燃料圧力および温度の全範囲にわたって均等にリーク量の減少を図ることは難しく、燃料噴射弁の全長が大型化することは避けられないこととなり、また後者では滑らかな摺動維持が困難になり、同じ背圧での滑らかな摺動確保には制御ピストンもしくはノズルニードルの径を大きくする必要があり、共に燃料噴射弁が大型化する問題がある。
特開２００３−１６６４５７号公報

燃料噴射弁は、噴射圧力の高圧化が益々進行する環境下においては、制御ピストンおよびノズルニードルの各摺動部からのリーク燃料を低減させることが必要となってくる。燃料圧力の高圧化と、高圧燃料の高温化に対し、摺動部の長さや隙間管理の適正化は、起こり得る圧力および温度範囲において成立させても効果は少なく、摺動部箇所自体を減らす根本的な構造もしくは構成の見直しが重要な課題となる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、摺動部箇所を減らす構造を設けることによって、リーク量の低減および小型化を図った燃料噴射弁を提供することを目的とする。

〔請求項１の手段〕
先端側に燃料の噴射孔が開孔したノズルボディ内に、摺動部を有するノズルニードルを摺動自在に収容した噴射ノズルと、ノズルニードルの後端に当接して連動変位する制御ピストンを収容した弁ボディを同軸的に接合した噴射弁本体と、噴射弁本体の後端部に設置されると共に、制御ピストンを先端方向に付勢する制御圧を発生させる圧力制御室と、圧力制御室と低圧通路との連通を開閉する電磁弁とを備え、制御圧と、制御ピストンを先端方向に付勢するばねの付勢力と、ノズルニードルを後端方向に付勢する燃料圧力とにより、ノズルニードルおよび制御ピストンが駆動される燃料噴射弁において、ノズルボディにおけるノズルニードルの摺動部にリーク通路の入口を形成し、入口と制御ピストンのばね室との間に、ノズルニードルの摺動部を設けたことを特徴としている。

この構成によれば、制御ピストンの摺動部が廃止でき、これにより、今まで制御ピストンの摺動部により密閉されて低圧燃料のリーク燃料溜りとして使用されていたばね室が、逆に高圧燃料の制御圧が付加されることとなって、直接ノズルニードルの摺動部の後端面に印加されるので、高圧燃料の摺動部が一箇所にまとめられ、その分低圧燃料側へのリーク量も低減できるとともに、制御ピストンの摺動部の廃止により全長も短く、小型化できることとなる。

〔請求項２の手段〕
請求項１に記載の燃料噴射弁において、ばねは、弁ボディ内に収容した制御ピストンに設けたばね室に配設され、制御圧はばね室を通じてノズルニードルの摺動部の後端面に印加されることを特徴としている。

この構成によれば、今まで制御ピストンの摺動部により密閉されて低圧燃料のリーク燃料溜りとして使用されていたばね室が、逆に高圧燃料の制御圧が付加されることとなって、直接ノズルニードルの摺動部の後端面に印加されるので、高圧燃料の摺動部が一箇所にまとめられ、その分低圧燃料側へのリーク量も低減できるとともに、ばね室にて圧力制御ができることとなって、従来の独立した大容量の圧力制御室の廃止により全長も短く、小型化できることとなる。

〔請求項３の手段〕
請求項１または２に記載の燃料噴射弁において、ノズルボディにおけるノズルニードルの摺動部の外周に、リーク通路に連通する回収溝を設けたことを特徴としている。

この構成によれば、ノズルニードルの摺動部の略中央付近の適正な位置に、摺動部の後端半分からリークする制御圧力の燃料と、先端半分からリークする燃料圧力の燃料を捕集する十分な容量を有する回収溝を設けたので、全量を確実にリーク通路に流出させることができる。これにより、リーク燃料による背圧異常が抑制でき、制御圧に依存する正常なノズルニードルのリフトによる所望の噴射量が確保できる。

この発明の最良の実施形態を、図に示す実施例１とともに説明する。

〔実施例１の構成〕
図１（ａ）は、本発明の実施例１における電磁制御式の燃料噴射弁の全体構成断面図である。
燃料噴射弁１は噴射弁本体２と、噴射弁本体２の後端に装着した電磁弁３と、先端に締結した燃料の噴射ノズル４とからなる。電磁弁３は、図示しないエンジン制御装置（ＥＣＵ）からのワイヤーハーネスに接続されるコネクタＣが設けられており、ＥＣＵから送出される制御信号により制御される。

噴射弁本体２は、棒状を呈し、軸心に貫通したシリンダ２１が設けられるとともに、シリンダ２１に並行して高圧燃料通路２２、および低圧燃料通路２３が設けられた弁ボディ２０を有する。弁ボディ２０の後端には、円筒状の電磁弁設置室１０が設けられ、電磁弁設置室１０には電磁弁３が装着されてリテーニングナット２４により固定されている。弁ボディ２０の先端には、噴射ノズル４が、リテーニングナット２５により同心に締結されている。弁ボディ２０の後部には横方向に突出た高圧燃料を供給する筒状のインレット部２６が設けられている。

電磁弁３は、電磁弁設置室１０の後端部に設置された電磁ソレノイド３０、および電磁弁設置室１０の先端部に設置された開閉弁機構５０からなる。開閉弁機構５０は、可動子５と、可動子５を保持する可動子ホルダ６とを有する。可動子ホルダ６の先端部（電磁弁設置室１０の先端部）はやや小径のプレート室７０となっており、略円盤状のオリフィスプレート７が収容されている。
開閉弁機構５０の開閉弁動作とオリフィスプレート７の圧力調整動作を併せて、圧力制御手段と称する。

電磁ソレノイド３０は、強磁性材製で後端が鍔状の円筒の外周に、複合磁性材を積層した磁気コアを配し、磁気コアの外周を強磁性材製外筒で包囲し、磁気コア内に電磁コイル３５を配設した構造を有する。電磁ソレノイド３０の先端面は、可動子５を吸引する吸引面となっており、鍔状の円筒の先端部は、可動子５が衝突（当接）するストッパー面となっている。

可動子５は、平板部５１およびシャフト部５２とを有し、平板部５１は、その後端面が略平面であり、電磁ソレノイド３０の先端面に吸着される吸着面となっており、可動子室６０内に配されている。シャフト部５２は円柱状を呈し、可動子ホルダ６の中心穴に摺動自在に嵌め込まれている。可動子ホルダ６は、電磁弁設置室１０の内周に螺合され、締結軸力を生じ、オリフィスプレート７をプレート室７０の端面に接合させている。

シャフト部５２の先端面の中心には、円筒部および円錐部からなる弁体室７７が設けられ、弁体室７７には窒化珪素製のボール弁７８が収容されている。ボール弁７８は上面が球状であるが、下面はオリフィスプレート７の上面の出口オリフィス７３を塞ぐシール平面状となっている。可動子５は、電磁ソレノイド３０の軸心内に配されたばね３６で先端方向（閉弁方向）に付勢され、電磁コイル３５で生じた磁力により後端方向（開弁方向）に吸引されて先後端方向（図中上下）に変位する。

オリフィスプレート７は、その外周端面の一部が切り欠いてある略円形の円盤であり、その先端面には、その中心に円錐形状の凹所が形成され、圧力制御室４０を形成し、この中心の後端側に出口オリフィス７３が設けられている。

インレット部２６の内部には、高圧燃料流入路１１が設けられ、高圧燃料通路２２、２８に枝分かれして連通する。高圧燃料通路２２はノズルボディ４８に設けられた傾斜する高圧燃料流路４６を経由して袋穴部（燃料溜り）４５Ｃと連通し、噴射のための高圧燃料を供給すると共に、供給された高圧燃料がノズルニードル４２の受圧面に作用し開弁方向に付勢している。また、高圧燃料通路２８は、オリフィスプレート７に設けられた入口オリフィス７４と連通し、圧力制御室４０の回復圧力を制御している。

また、アウトレット部を構成するドレンパイプ３１は、低圧燃料通路２３と連通するプレート室７０および可動子室６０を経て電磁弁３の略中心部に配せられたばね室３６Ａを経由して流れる余剰燃料を図示しないドレンタンクへ戻すためのものであり、圧力制御室４０に設けられた出口オリフィス７３から流出路１３を経由して流出する制御用燃料と、低圧燃料通路２３を経由して流れるノズルニードル４２の摺動部からリークして噴射されなかった余剰燃料とをまとめて外部に排出する。

弁ボディ２０の中心には、シリンダ２１が貫通している。シリンダ２１は、制御ピストン４１を収容している。制御ピストン４１は、摺動部を有しない円筒形の移動可能なプレッシャピンであり、制御ピストン４１の後端は円錐台形状等を有して圧力制御室４０に臨み、先端は常に法線方向に当接可能な球状接合面を有し、後端より径大であるが、ばね室４４Ａの内周より径小の所定クリアランスを有するばね受座４１Ｂが設けられており、噴射ノズル４内に収容されるノズルニードル４２の後端に当接している。

そして、弁ボディ２０の先端面に設けられたばね室４４Ａにばね４４が、制御ピストン４１のばね受座４１Ｂとの間に介装され、ノズルニードル４２を先端方向（閉弁）に付勢している。よって、シリンダ２１内においては、圧力制御室４０は、ばね室４４Ａと、ばね室４４Ａの先端側の制御ピストン４１のばね受座４１Ｂとノズルニードル４２の後端面とで囲まれる空間部まで連通することとなり、圧力制御室４０の制御圧（背圧）は均等にノズルニードル４２の後端面に作用できる構成となっている。

噴射ノズル４は大径部のノズルボディ４８および小径部のノズル４９を有する二段筒型形状であり、ノズルボディ４８および小径部のノズル４９の段差部にリテーニングナット２５を掛け、弁ボディ２０の先端に締結されている。ノズルボディ４８の中心に、ノズルニードル４２を収容するニードル穴４５が形成され、ノズルニードル４２を摺動するニードル摺動部４５Ａと高圧燃料油の通路となるニードル燃料通路４５Ｂとを構成する。また、ニードル燃料通路４５Ｂの上流側のニードル穴４５の中間位置には径大の大容積を有する袋穴部（燃料溜り）４５Ｃが、傾斜する高圧燃料流路４６と交差して設けられている。また、ノズルボディ４８に設けられたニードル摺動部４５Ａの略中間位置の外周側にニードル摺動部４５Ａより径大の容積を有する回収溝４５Ｄが、傾斜するリーク通路４７と交差して設けられている。

また、ニードル燃料通路４５Ｂの下流側にはニードル穴４５の先端を塞ぐ、適度に薄肉のテーパ構造を有するノズル先端室４９Ａが構成され、ノズル先端室４９Ａには１個もしくは複数個適切な数の噴射孔４３が適切な位置に設けられ、高圧燃料を噴霧する。

ノズルニードル４２は、圧力制御室４０の制御圧、およびばね４４のばね荷重による先端方向への付勢力と、噴射ノズル４内の袋穴部４５Ｃの燃料圧によりノズルニードル４２に加わる後端方向への付勢力とのバランスで先後端方向に移動（図中上下）し、噴射孔４３を開閉する。すなわち、圧力制御室４０が低圧になったとき、制御ピストン４１とノズルニードル４２とが後端方向に移動し、噴射孔４３が開いて、高圧燃料通路２２から噴射ノズル４に供給された高圧燃料が燃焼室に噴射される。

実施例１では、ばね室４４Ａに制御圧が付加されて、また略ノズルニードル４２の摺動部の中間位置に回収溝４５Ｄを設けたが、これに限ることなく、制御圧が通電時には低圧に曝されやすく、ノズルニードル４２の摺動部からの燃料リークが少し減少するとの理由から、回収溝４５Ｄの配置位置を中間位置より少し後端側にしても構わない。要は燃料圧力に応じ、摺動部のシール長さによってリーク量を抑制し、シール長さの比率が全リーク量を最小とするように任意の位置に決めることができる。

〔実施例１の作用〕
実施例１の燃料噴射弁１の作用を、図１を用いて説明する。
この燃料噴射弁１は、電磁ソレノイド３０へ通電されると、可動子５は電磁力により吸引されて後端方向に移動し、そして、可動子５に連動してボール弁７８は上位に変位し、出口オリフィス７３が開放されて低圧燃料の流出路１３に連通するため、圧力制御室４０内の圧力は略瞬時に低圧となり、この圧力は即ばね室４４Ａに作用し、ノズルニードル４２に作用する付勢力バランスが崩れ、ノズルニードル４２は制御ピストン４１と共に後端方向へ移動し、噴射孔４３を開放するとともに、袋穴部４５Ｃからの高圧燃料が噴射孔４３から噴霧する。このとき、出口オリフィス７３のオリフィス径より径小の入口オリフィス７４は高圧燃料を供給させながら圧力制御室４０の圧力回復を開始し、この圧力回復パターンが燃料噴射の噴射率プロフィールを決めることとなる。

そして、電磁ソレノイド３０の通電がオフされると、可動子５がばね３６の付勢力で先端方向に移動し、ボール弁７８が出口オリフィス７３を塞ぎ、入口オリフィス７４から高圧燃料圧が圧力制御室４０に作用し、この圧力は即ばね室４４Ａに伝わりノズルニードル４２は制御ピストン４１と共に先端方向に移動し、噴射孔４３を塞いで、燃料の噴射は終了する。そして、噴射に使用されなかった余剰の燃料は回収溝４５Ｄに溜まってリーク通路４７および低圧燃料通路２３を経由して、出口オリフィス７３から流出する制御用燃料と共にドレンパイプ３１から排出される。

〔実施例１の効果〕
本実施例では、シリンダ２１内に配設する制御ピストン４１を、その後端に摺動部を設けることなく圧力制御室４０に臨ませ、先端はばね受座４１Ｂを設けて、ばね室４４Ａにばね４４を介装してノズルニードル４２に当接させているので、今まで制御ピストン４１の摺動部により密閉されて低圧燃料のリーク燃料溜りとして使用されていたばね室４４Ａが、逆に高圧燃料の制御圧が付加されることとなって、直接ノズルニードル４２の摺動部の後端面に印加されるので、高圧燃料の摺動部が一箇所にまとめられ、その分低圧燃料側へのリーク量も低減できるとともに、制御ピストン４１の摺動部の廃止により燃料噴射弁１の全長も短く、小型化できることとなる。

また、ノズルニードル４２の摺動部の略中央付近の適正な位置に、有効な容量を有する回収溝４５Ｄを設けているので、通電時において最小のリーク量に抑制して、確実に全量をドレンタンクに戻すことができる。

は燃料噴射弁の全体構成断面図である（実施例１）。 は燃料噴射弁の全体構成断面図である（従来例）。

符号の説明

１ 燃料噴射弁
２ 噴射弁本体
３ 電磁弁
４ 噴射ノズル
５ 可動子（アーマチャ）
６ 可動子ホルダ
７ オリフィスプレート
１１ 高圧燃料流入路
１３ 流出路
２０ 弁ボディ
２１ シリンダ
２２、２８ 高圧燃料通路
２３ 低圧燃料通路
３０ 電磁ソレノイド
３６、４４ ばね（付勢手段）
４０ 圧力制御室
４１ 制御ピストン
４２ ノズルニードル
４３ 噴射孔
４４Ａ ばね室
４５ ニードル穴
４５Ｄ 回収溝
４７ リーク通路
４８ ノズルボディ
４９ ノズル
５０ 開閉弁機構
６０ 可動子室
７０ プレート室
７３ 出口オリフィス
７４ 入口オリフィス

Claims (3)

1. 先端側に燃料の噴射孔が開孔したノズルボディ内に、摺動部を有するノズルニードルを摺動自在に収容した噴射ノズルと、
   前記ノズルニードルの後端に当接して連動変位する制御ピストンを収容した弁ボディを同軸的に接合した噴射弁本体と、
   該噴射弁本体の後端部に設置されると共に、前記制御ピストンを先端方向に付勢する制御圧を発生させる圧力制御室と、
   該圧力制御室と低圧通路との連通を開閉する電磁弁とを備え、
   前記制御圧と、
   前記制御ピストンを先端方向に付勢するばねの付勢力と、
   前記ノズルニードルを後端方向に付勢する燃料圧力とにより、
   前記ノズルニードルおよび前記制御ピストンが駆動される燃料噴射弁において、
   前記ノズルボディにおける前記ノズルニードルの前記摺動部にリーク通路の入口を形成し、該入口と前記制御ピストンのばね室との間に、前記ノズルニードルの前記摺動部を設けたことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 請求項１に記載の燃料噴射弁において、
   前記ばねは、前記弁ボディ内に収容した前記制御ピストンに設けたばね室に配設され、
   前記制御圧は前記ばね室を通じて前記ノズルニードルの前記摺動部の後端面に印加されることを特徴とする燃料噴射弁。
3. 請求項１または２に記載の燃料噴射弁において、
   前記ノズルボディにおける前記ノズルニードルの前記摺動部の外周に、前記リーク通路に連通する回収溝を設けたことを特徴とする燃料噴射弁。

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