JP2007107417A - 燃料噴射弁 - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料噴射弁の始動後の正常作動を早期に達成すること。
【解決手段】 アクチュエータとしてのピエゾスタック2と、高圧燃料が供給される高圧通路17と、ピエゾスタック2の変位量を拡大させる変位拡大室6を含むと共に高圧燃料のリーク流体の圧力が所定圧力に保持される低圧通路8とを有し、変位拡大室6によって生じた拡大変位に基因して高圧通路17の高圧燃料が導入される背圧室14の圧力を制御し、背圧室14の圧力制御によりノズルニードル13を変位させて燃料を噴射する燃料噴射弁Jであって、減圧弁Iによって減圧されたコモンレールE内の高圧燃料の減圧燃料を、供給通路60を通して低圧通路8の変位拡大室6に供給加圧し、始動時変位拡大室6内の大きな気泡を早期に小さな気泡にして正常作動を行う。
【選択図】 図1

Description

本発明は、アクチュエータの変位量を拡大させる変位拡大室を含むと共に高圧通路の高圧燃料のリーク燃料圧力が低圧通路に所定圧力で保持され、変位拡大室によって生じた拡大変位に基因して高圧通路の高圧燃料が導入される背圧室の圧力を制御し、背圧室の圧力制御によりノズルニードルを変位させて燃料を噴射する燃料噴射弁に関し、特に自動車用ディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射装置おいて燃料を噴射する燃料噴射弁に好適なものである。
ディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射装置における燃料噴射弁においては、アクチュエータの変位量の拡大を低圧通路に設けられた変位拡大室の作用で行っており、この拡大された変位に基因してノズルニードルを変位させ燃料を噴射している。ところで燃料タンク内に燃料が充分満たされている場合は、フィードポンプは燃料のみを吸引するが、いわゆるガス欠のように燃料タンク内の燃料が極めて少量になった場合、フィードポンプは空気も吸い込む。吸い込まれた空気は高圧燃料供給ポンプにより燃料と共に供給され燃料噴射装置のシステム通路(配管)内に細かな気泡として存在する。燃料噴射装置が作動しているときは、燃料噴射弁の低圧通路には高圧通路の高圧燃料のリーク燃料が所定圧力で充填されているため、変位拡大室内の気泡も小さく油密が高い状態に保たれ変位拡大室としての正常な機能を発揮する。
しかし、エンジンを停止した場合、低圧通路の所定の燃料圧力が、所定圧力を保つためのチェック弁からのリークにより低下し変位拡大室内の圧力も低下する。そのため圧力低下によって変位拡大室内の気泡が大きくなり油密が低下(変位拡大室内の気泡が占める割合が増加する)する。そして、エンジンを始動した場合、高圧通路の高圧燃料のリーク燃料が変位拡大室内に充填され所定圧力に達するまでに所要時間を必要とする。従って、エンジン始動時は、変位拡大室内の大きな気泡を圧縮することになり、変位拡大室の変位拡大機能が発揮できず、ノズルニードルも変位せず燃料噴射弁は燃料を噴射しないという不具合が生じる。
この不具合を解消する手段として、下記特許文献1にはフィードポンプ13の吐出液体の一部を、抑制制御通路38を介して系領域21に供給し、系領域21内の液圧室29にピストン24と孔25との間隙を通して液体を充填する技術が提案されている。
特表2005−507053公報
そもそもフィードポンプ13の主機能は高圧燃料供給ポンプ12への吐出液体の供給であるため、液圧室29に供給されるフィードポンプ13の吐出液体の一部は少量であり、液圧室29の充填に要する時間がかかるという問題が生じる。液圧室29に供給する吐出流体の量を増やせば高圧燃料供給ポンプ12への供給量が減り、本来の目的である高圧液体の量を確保できない。
本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、その目的は燃料噴射弁の始動後の正常作動を早期に達成することにある。
請求項1に係る発明では、アクチュエータと、高圧燃料が供給される高圧通路と、前記アクチュエータの変位量を拡大させる変位拡大室を含むと共に前記高圧燃料のリーク燃料の圧力が所定圧力に保持される低圧通路とを有し、前記変位拡大室によって生じた拡大変位に基因して前記高圧通路の高圧燃料が導入される背圧室の圧力を制御し、ノズルニードルを変位させて燃料を噴射する燃料噴射弁において、前記低圧通路に、前記高圧通路の高圧燃料の減圧燃料を供給加圧する手段を設ける。
上記構成によれば、高圧燃料の減圧燃料を低圧通路に供給加圧しているので、低圧通路内の変位拡大室内の燃料圧力を短時間に上昇させ、始動後の燃料の噴射を早期に達成することができる。
請求項2に係る発明では、前記手段を、前記高圧通路の高圧燃料を所定圧力に調整する調整弁及び前記調整弁と前記低圧通路とを連通する供給通路で構成している。
上記構成によれば、調整弁によって低圧通路へ供給する所定圧力の燃料に調整されるので、低圧通路への確実な供給加圧を行うことができる。
請求項3に係る発明では、前記調整弁を、高圧燃料を蓄積保持するコモンレールに取付けられた減圧弁としている。
上記構成によれば、既設の減圧弁で高圧燃料を減圧しているので、新たな減圧手段を設けることなく実施でき、安価である。
請求項4に係る発明では、ディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射装置における燃料を噴射する燃料噴射弁に適用している。
上記構成によれば、エンジン始動後、早期に安定した燃料噴射を行うことができ、高品位なディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射装置を提供することができる。
以下、本発明の実施形態を図に基づき説明する。図2は本発明になる燃料噴射弁を自動車用ディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射装置の燃料噴射弁に適用した例を模式的に示すシステム構成図である。燃料タンクA内の燃料は、フィルタBを通してフィードポンプCにより汲み上げられ高圧燃料供給ポンプDへ供給される。高圧燃料供給ポンプDで高圧化された燃料は、コモンレールEへ供給され蓄積される。高圧燃料供給ポンプDは図示しないエンジンによって駆動され、高圧燃料の吐出量は多く、エンジンの始動により短時間にコモンレールE内を充填させる。コモンレールE内の燃料圧力は圧力センサFで検知され、その信号は制御回路(ECU)Gに送られる。制御回路Gからの信号により駆動回路(EDU)Hが作動してコモンレールEに取り付けられている調整弁としての減圧弁Iを駆動し、コモンレールE内の高圧燃料の一部を逃がし、内部の燃料圧力を所定圧力に調節する。
コモンレールE内の高圧燃料は、燃料噴射弁Jへ供給され、駆動回路Hからの信号により燃料噴射弁Jが作動し、高圧燃料を噴射する。燃料噴射弁Jの作動により、燃料噴射弁J内には高圧燃料のリーク燃料が生じ、低圧燃料としてチェック弁Kへ供給される。チェック弁Kは低圧燃料が所定圧力に達すると開弁し、リーク燃料を燃料タンクAへ戻すことによって低圧燃料の圧力を所定圧力に維持する作用を行っている。
コモンレールE内の高圧燃料は、減圧弁Iの開弁により減圧され、減圧燃料はチェック弁Kの上流の低圧燃料に供給加圧される。このチェック弁Kの上流の低圧燃料の圧力は、エンジンを停止するとチェック弁Kからのリークで圧力が低下するが、エンジンを始動させると、高圧燃料供給ポンプDの充分なる吐出量でコモンレールE内を短時間で所定圧力以上に充填されるため減圧弁Iも開弁し、減圧弁Iからの減圧燃料は短時間に低圧燃料に供給加圧され、低圧燃料の圧力を所定圧力まで短時間に回復させる。
高圧燃料供給ポンプDは、制御回路Gに入力されるエンジンの状態(回転数等)を検出する各センサの信号やコモンレールEの圧力センサFの信号によって制御され、最適な吐出量を供給する。なお、フィードポンプCから高圧燃料供給ポンプDへは充分な量のフィード燃料が供給されるため、その一部はオーバーフロー燃料として燃料タンクAへ戻される。
次に図1に基づき本発明になる燃料噴射弁J及び減圧弁I、チェック弁Kの構造、これら関連作用について詳述する。先ず、燃料噴射弁Jの構造を説明する。ケーシング1内にはアクチュエータとしてのピエゾスタック2が収納され、上端部2aはケーシング1に当接している。ピエゾスタック2はPZT等圧電セラミック層と電極層とを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いる。大径ピストン3はケーシング1の大径シリンダ1a内を上下方向摺動自在に配設され、上部の鍔部3aは大径ピストンスプリング4の付勢力によりピエゾスタック2の底部2bと当接している。さらにケーシング1内には小径シリンダ1bが設けられ、この小径シリンダ1b内を小径ピストン5が上下方向摺動自在に配設されている。
6は変位拡大室であり、大径ピストン3の下端面と小径ピストン5の上端面と大径シリンダ1aの内周面と小径シリンダ1bの内周面とで囲まれて形成される空間である。この変位拡大室6内には小径ピストンスプリング7が配設されており、この小径ピストンスプリング7は小径ピストン5を下方に付勢している。
変位拡大室6内には、大径ピストン3の外壁と大径シリンダ1aの内壁との間隙から低圧通路8の燃料が充填され、ピエゾスタック2の伸長により大径ピストン3が下方に変位し、変位拡大室6内の燃料を押圧し小径ピストン5を下方に変位させる。この時、大径ピストン3の径が小径ピストン5の径より大径としてあるので、大径ピストン3の変位が拡大されて小径ピストン5の変位に変換される。また、変位拡大室6内の燃料は、大径ピストン3が下方に移動して燃料を圧縮する時は、間隙からリークするが、大径ピストン3が上方に移動した時は、変位拡大室6内は負圧となり、間隙から低圧通路8の燃料が流入し変位拡大室6内は常に所定量の燃料が充填される。小径ピストン5は、上半部が小径シリンダ1b内を摺動し、下半部は低圧通路8の低圧ポート9下流の小径ピストン下室10に位置している。
バルブ室11内には3方弁構造のバルブ12が配設されており、ノズルニードル13の背圧室14とメインオリフィス15を介して制御通路16で常時連通している。バルブ12は上下動可能なピストン状で、バルブ室11内に配設される大径の弁部12aと、高圧通路17の高圧ポート18に続く縦穴内を摺動するバルブ摺動部12bを有している。弁部12aとバルブ摺動部12bをつなぐ細径部12cは高圧ポート18内に位置し、その周囲の空間からバルブ室11へ高圧通路17からの高圧燃料が流入するようになっている。また、バルブ12のバルブ摺動部12b下方の空間19にはバルブスプリング20が収納されてバルブ12を上方に付勢している。
背圧室14はノズルニードル13の上端面と縦穴21の壁面により画成される空間で、サブオリフィス22を介して高圧通路17と常時連通しており、また、メインオリフィス15、制御通路16、バルブ室11を介して高圧通路17から制御油としての燃料が導入され、ノズルニードル13の背圧を発生させている。この背圧はノズルニードル13を下向きに作用して、背圧室14内に収納されたスプリング24と共にノズルニードル13を着座方向に付勢する。一方、油溜まり室23の高圧燃料がノズルニードル13の段差面13a及び円錐状の先端面13bに上向きに作用し、ノズルニードル13を離座方向に付勢し、噴孔25より燃料を噴射する。
バルブ12の上昇時には、弁部12aの上面が低圧ポート9に続くバルブシート上座12dに着座し、バルブ室11と低圧通路8の間を遮断する。これにより、背圧室14がバルブ室11、制御通路16、メインオリフィス15を介して高圧通路17と連通し、高圧燃料が背圧室14内に流入しノズルニードル13の背圧が上昇してノズルニードル13を下降、着座させる(図1の状態)。
バルブ12の下降時には、弁部12aの下部テーパ面が高圧ポート18外周部のバルブ下シート12eに着座し、バルブ室11を高圧ポート18と遮断する。これにより、背圧室14がメインオリフィス15、制御通路16、バルブ室11、小径ピストン下室10を介して低圧通路8と連通し、背圧室14の背圧が低下してノズルニードル13が離座する。
ここで、バルブ上シート12dのシート径、バルブ下シート12eのシート径、バルブ摺動部12bの摺動径を略同径とすれば、バルブ12が低圧ポート9を閉鎖した状態において、バルブ室11内の高圧燃料が弁部12aを上向きに付勢する力とバルブ摺動部12bを下向きに付勢する力とがほぼ釣り合い、燃料噴射時に弁部12aを押し下げてバルブ上シート12dから離座させるために必要な駆動力を小さくできる。好ましくは、バルブ上シート12dのシート径、バルブ下シート12eのシート径を、バルブ摺動部12bの摺動径よりも僅かに大きくする。
ピエゾスタック2が縮小している時、バルブ12は、バルブ室11内の燃料圧力やスプリング20力により上方に付勢されて、バルブ上シート12dに着座し低圧ポート9を閉鎖している。一方、背圧室14は低圧通路8との間が遮断されて高圧となっており、ノズルニードル13は着座して噴射はなされない。噴射時には、ピエゾスタック2に電荷を供給することで、ピエゾスタック2が伸長し、これに接触する大径ピストン3を押し下げて変位拡大室6の圧力を上昇させる。この圧力で小径ピストン5が下方に変位し、バルブ12を押し下げてバルブ上シート12dから離座させ、さらに下方に変位させてバルブ下シート12eに着座させる。これにより、高圧ポート18が閉鎖され、背圧室14がメインオリフィス15、制御通路16、バルブ室11、低圧ポート9、小径ピストン下室10を介して低圧通路8に連通するため、背圧室14の圧力が低下し、ノズルニードル13が離座し噴孔25から燃料噴射が開始される。
噴射停止時には、ピエゾスタック2を放電により収縮させると、大径ピストン3が大径ピストンスプリング4の付勢力により、大径ピストン3がピエゾスタック2と一体的に上方へ変位するため、変位拡大室6の圧力が降下する。これにより、小径ピストン5の押し下げ力が解除され、バルブ12がバルブ下シート12eから離座して、再びバルブ上シート12dに着座する。これにより、低圧ポート9が閉鎖されると、背圧室14の圧力が、メインオリフィス15、サブオリフィス22を介して高圧通路17から供給される高圧燃料によって上昇し、ノズルニードル13が着座し噴射が停止する。この時、バルブ下シート12eの径をバルブ摺動部12bの径より若干大きくすると、高圧ポート18の高圧力がバルブ12に上向きに作用するため、バルブ下シート12eからの離座が容易になる。
燃料噴射弁Jが作動している時は、低圧通路8内には高圧通路17からの高圧燃料のリーク燃料すなわち低圧流体が充填され、このリーク燃料が低圧通路8内を通りチェック弁Kへ流動する。チェック弁Kは通常用いられている構造のもので、チェック弁本体51内に収納されたボール状の弁52がスプリング53の付勢力によりシート部54に通常着座し、低圧通路8のリーク燃料の流動を堰き止める。これにより、低圧通路8内のリーク燃料の圧力は上昇し、スプリング53の付勢力以上になると、弁52がシート部54から離座し、リーク燃料は燃料タンクAに戻る。このチェック弁Kの作用により、低圧通路8内の圧力はスプリング53の付勢力に応じた所定圧力の低圧流体が保持され、上述の燃料噴射弁Jの変位拡大室6にも低圧燃料の所定圧力が作用している。なお、55はチェック弁Kと燃料タンクAへの配管とを接続するユニオン、56はチェック弁本体51とユニオン55との気密を保つためのガスケットである。
ところで、フィードポンプCは、燃料タンクA内の燃料が適量な時は、燃料を吸い上げるが、燃料が極めて少量になった場合たとえばガス欠状態では空気も吸い込み、気泡となって高圧燃料供給ポンプDへ供給される。この気泡は高圧化された高圧燃料内に細かな気泡となって存在し、高圧通路8内を通って燃料噴射弁Jの低圧通路8の変位拡大室6に蓄積する。この変位拡大室6内の圧力は、燃料噴射弁Jが作動している時は、所定圧力に保持されているため、変位拡大室6内の気泡は図3(a)で示すように細かな状態で存在している。この状態では変位拡大室6の油密は高く、大径ピストン3による液圧縮は正常に行われる。
しかしながら、エンジンを切り燃料噴射装置のシステムを停止させると、チェック弁Kの弁52とシート部54との僅かな隙間から所定圧の低圧燃料がリークし、徐々に低圧燃料の圧力が大気圧近傍まで低下する。この低圧通路8内の圧力低下により、低圧通路8と連通している変位拡大室6内の圧力も低下し、変位拡大室6内に存在していた細かな気泡が図3(b)に示すごとく大きく膨らみ、変位拡大室6内の燃料の油密が低くなる。すなわち、変位拡大室6内の気泡が占める割合が大きくなる。
このような状態になると、エンジンを始動し燃料噴射装置のシステムを作動させた時、燃料噴射弁Jの作用により低圧通路8及び変位拡大室6内の燃料圧力は、リーク燃料とチェック弁Kの作用で上昇するが、変位拡大室6内の気泡が小さくなるまでには時間がかかる。そのため大径ピストン3は、変位拡大室6内の大きな気泡のみを圧縮して燃料を圧縮しないので、小径ピストン5を下方へ変位させることが出来ない。従って、バルブ12は下方へ変位せず、背圧室14には高圧燃料が導入されたままで、ノズルニードル13は下降せず高圧燃料は噴射されず、エンジン停止後の始動時のエンジン作動が不調となる。
本発明は、このようなエンジン始動時の燃料噴射の不調を改善するためになされたものである。本発明では、高圧通路17の一部であるコモンレールEに取付けられた減圧弁Iによって減圧された減圧燃料を、供給通路60を通して低圧通路8に供給している。これを図1により詳述する。なお、減圧弁Iは通常用いられている構造のものである。
高圧燃料が保持されているコモンレールEには減圧弁本体61が螺着されており、減圧弁本体61の中央部には高圧燃料を取り入れる燃料導入穴62があり、その上部には弁座63が減圧弁本体61に螺着される蓋64により固定されている。蓋64の中央部には磁性体でアーマチュアをなす弁棒65が摺動自在に配設され、その下部にはボール状の弁66が取り付けられている。弁棒65は通常スプリング67の付勢力によりロッド68を介して下方に押し付けられ、弁66をテーパシート部63aに着座させる。69は駆動回路Hによって通電、非通電されるソレノイドコイルである。
ソレノイドコイル69への非通電時は、図示するようにスプリング67の付勢力で弁66が弁座63のテーパシート部63aに着座しているため、減圧弁本体61の燃料導入穴62内の高圧燃料は、その流通を遮断されている。
ソレノイドコイル69への通電時は、電磁誘導作用により弁棒65が上方に吸引され、弁66がテーパシート部63aから離座し、燃料導入穴62と供給通路60は連通する。供給通路60と低圧通路8は接続管80で連通されている。
エンジンの停止時は、減圧弁Iは非作動状態であるため、図1に示すように弁66がテーパシート部63aに着座しているので、コモンレールE内の高圧燃料は流通を遮断されている。一方、低圧通路8内の低圧燃料は、チェック弁Kの弁52とシート部54の僅かな隙間からリークし、低圧燃料の圧力が低下する。この圧力低下に伴い低圧通路8と連通している変位拡大室6内の圧力も低下し、図3(b)に示すように変位拡大室6内の細かな気泡が大きな気泡に膨張する。
エンジンを始動させると、フィードポンプC、高圧燃料供給ポンプDの作動により、燃料は高圧化され高圧通路17を通りコモンレールEに圧送され蓄圧される。通常、高圧燃料供給ポンプDの供給容量は充分大きく設定されているので、コモンレールE内の圧力は所定圧力以上に短時間で到達する。コモンレールE内の圧力が所定圧力以上になると、図2に示す圧力センサFからの信号が制御回路Gに送られ駆動回路Hにより減圧弁Iが作動して開弁する。減圧弁Iの作動により、高圧燃料はテーパシート部63aの小径部を流通するため減圧される。この減圧された燃料が供給通路60を通して低圧通路8に供給される。そして減圧燃料は高圧燃料の圧力より低いものの、その圧力はフィードポンプCのフィード圧より高く、且つ、量も多いため、変位拡大室6内の燃料圧力は、所定圧力すなわち正常復帰圧力に短時間で到達し、この復帰圧力で図3(c)に示すように変位拡大室6内の気泡は細かくなり油密が高くなる。
変位拡大室6内の燃料の油密が高くなると、大径ピストン3による変位拡大室6内の液圧縮が正常に行われ、小径ピストン5を拡大変位させてバルブ12を下方に移動させる。バルブ12の下方への移動により、背圧室14はメインオリフィス15、制御通路16、バルブ室11、低圧ポート9を介し低圧通路8と連通するため、背圧室14内の背圧が低下しノズルニードル13は上方に移動し、噴孔25から燃料を噴射する。
このように本発明になる燃料噴射弁Jでは、エンジン始動時の減圧弁Jの開弁による減圧燃料を短時間に低圧通路8に供給加圧するので、図4のグラフYで示すように変位拡大室6内の圧力上昇の度合いが高く、従来(図4のグラフXで示す)に比べて正常(エンジンの作動時の状態)に復帰する時間を短縮し、早期に燃料噴射を行うことができる。
なお、本発明の実施形態において、高圧通路17とは、高圧燃料供給ポンプDの吐出側から燃料噴射弁Jの内部の高圧通路17までの通路を言い、低圧通路8とは、燃料噴射弁J内の変位拡大室6を含む低圧通路8からチェック弁Kまでの通路を言う。また、供給通路60とは、減圧弁Iの内部の供給通路60から低圧通路8に至る接続管80までの通路を言う。また、上記の実施形態では、低圧通路8への減圧燃料の供給加圧を、コモンレールEから減圧弁Iで減圧して行っていたが、減圧燃料の低圧通路8への供給加圧する手段はこれに限定されず、高圧通路17の適当な箇所から調整弁により減圧し、その減圧燃料を低圧通路8へ供給加圧するようにしてもよい。
さらに本発明になる燃料噴射弁は、自動車用ディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射装置の燃料噴射弁に適用した例であったが、ガソリンエンジンの燃料噴射装置に適用してもよく、さらに自動車以外のエンジンの燃料噴射装置の燃料噴射弁にも適用することができる。
本発明になる燃料噴射弁を、自動車用ディーゼルエンジンの燃料噴射装置に適用した要部構成図である。 本発明になる燃料噴射弁を、自動車用ディーゼルエンジンの燃料噴射装置に適用した模式的システム構成図である。 本発明燃料噴射弁における変位拡大室内の気泡の発生状態の説明に供する図である。 本発明燃料噴射弁の作用効果の説明に供するグラフである。
符号の説明
D 高圧燃料供給ポンプ
E コモンレール
I 減圧弁
J 燃料噴射弁
K チェック弁
1 ケーシング
2 アクチュエータとしてのピエゾスタック
3 大径ピストン
5 小径ピストン
6 変位拡大室
8 低圧通路
12 バルブ(三方弁)
13 ノズルニードル
14 背圧室
17 高圧通路
25 噴孔

Claims (4)

  1. アクチュエータと、
    高圧燃料が供給される高圧通路と、
    前記アクチュエータの変位量を拡大させる変位拡大室を含むと共に前記高圧燃料のリーク燃料の圧力が所定圧力に保持される低圧通路とを有し、
    前記変位拡大室によって生じた拡大変位に基因して前記高圧通路の高圧燃料が導入される背圧室の圧力を制御し、
    前記背圧室の圧力制御によりノズルニードルを変位させて燃料を噴射する燃料噴射弁において、
    前記低圧通路に前記高圧通路の高圧燃料の減圧燃料を供給加圧する手段が設けられていることを特徴とする燃料噴射弁。
  2. 前記手段は、前記高圧通路の高圧燃料を所定圧力に調整する調整弁及び前記調整弁と前記低圧通路とを連通する供給通路で構成されていることを特徴とする請求項1記載の燃料噴射弁
  3. 前記調整弁は、高圧燃料を蓄積保持するコモンレールに取付けられた減圧弁であることを特徴とする請求項2記載の燃料噴射弁
  4. ディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射装置における燃料を噴射する燃料噴射弁に適用されていることを特徴とする請求項1から3のいずれか一つに記載の燃料噴射弁。
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