JP2008002306A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】制御室の燃料圧力によりノズルニードルが閉弁向きに付勢され、制御弁の弁体にて制御室の圧力を制御してノズルニードルの開閉弁作動を制御する燃料噴射弁において、弁体リフト量の経時変化による噴射量の変化を低減する。
【解決手段】高圧燃料通路１３中に高圧部絞り５０を設け、高圧シート部３４の周長さと弁体３１のリフト量との積で求められる高圧シート部３４の流路面積をＳ１とし、高圧部絞り５０の流路面積をＳ２とし、高圧燃料通路１３の流路面積をＳ３としたとき、Ｓ３＞Ｓ１＞Ｓ２とする。これによると、燃料流入速度は主に高圧部絞り５０の流路面積Ｓ２によって決定され、したがって、弁体リフト量の経時変化による噴射量の変化を低減することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料を熱機関に噴射するための燃料噴射弁に関する。

従来の燃料噴射弁は、ノズルニードルにより噴孔を開閉するノズルと、バルブ室内に配置され、低圧シート部に接離して前記バルブ室と低圧燃料通路との間を開閉するとともに、高圧シート部に接離して前記バルブ室と高圧燃料通路との間を開閉する弁体と、弁体を駆動するアクチュエータと、連絡通路を介してバルブ室と常時連通する制御室とを備え、制御室の燃料圧力によりノズルニードルが閉弁向きに付勢され、弁体にて制御室の圧力を制御してノズルニードルの開閉弁作動を制御するようになっている。また、高圧燃料通路には高圧部絞りが設けられている（例えば、特許文献１参照）。

そして、このような構成の燃料噴射弁は、制御室へ流入する燃料の単位時間当たり流量（以下、燃料流入速度という）によりノズルニードルの閉弁速度が決まる。また、燃料流入速度は、弁体が高圧シート部から離れているときの高圧シート部の流路面積（＝高圧シート部の周長さ×弁体のリフト量。以下、高圧シート部の流路面積という）や高圧部絞りの流路面積等によって決まる。
特表２００１−５００２１８号公報

しかしながら、特許文献１には、高圧シート部の流路面積と高圧燃料通路の流路面積との大小関係や、高圧シート部の流路面積と高圧部絞りの流路面積との大小関係等が開示されていない。そして、高圧シート部の流路面積を高圧部絞りの流路面積よりも小さくすると、経時劣化により弁体リフト量が変化した場合、高圧シート部の流路面積が変化し、燃料流入速度が変化し、ノズルニードルの閉弁速度が変化し、それにより噴射量が変化することになる。すなわち、弁体リフト量の経時変化により噴射量が変化するという問題が発生する。

本発明は上記点に鑑みて、制御室の燃料圧力によりノズルニードルが閉弁向きに付勢され、制御弁の弁体にて制御室の圧力を制御してノズルニードルの開閉弁作動を制御する燃料噴射弁において、弁体リフト量の経時変化による噴射量の変化を低減することを目的とする。

本発明は、低圧シート部（３３）に接離してバルブ室（１４）と低圧燃料通路（１６）との間を開閉するとともに、高圧シート部（３４）に接離してバルブ室（１４）と高圧燃料通路（１３）との間を開閉する弁体（３１）を備え、バルブ室（１４）と常時連通する制御室（２６）の燃料圧力によりノズルニードル（２１）が閉弁向きに付勢される燃料噴射弁において、高圧燃料通路（１３）中に高圧部絞り（５０）を備え、高圧シート部（３４）の周長さと弁体（３１）のリフト量との積で求められる高圧シート部（３４）の流路面積をＳ１とし、高圧部絞り（５０）の流路面積をＳ２とし、高圧燃料通路（１３）の流路面積をＳ３としたとき、Ｓ３＞Ｓ１＞Ｓ２であることを特徴とする。

このように、Ｓ１＞Ｓ２にしているため、燃料流入速度は主に高圧部絞り（５０）の流路面積Ｓ２によって決定され、したがって、弁体リフト量の経時変化による噴射量の変化を低減することができる。また、高圧シート部（３４）の流路面積Ｓ１および高圧部絞り（５０）の流路面積Ｓ２を高圧燃料通路（１３）の流路面積Ｓ３よりも小さくしているため、すなわち、高圧シート部（３４）と高圧部絞り（５０）との２重絞りにしているため、燃料流入速度の大幅な低下を防止することができ、ひいてはノズルニードル（２１）の閉弁速度の大幅な低下を防止することができる。

この場合、１．５≦Ｓ１／Ｓ２≦２．５とすることができる。このようにすれば、弁体リフト量の経時変化による噴射量変化の低減効果、および燃料流入速度低下の防止効果を確実に得ることができる。

また、１．５≦Ｓ１／Ｓ２≦２とすることができる。このようにすれば、弁体リフト量の経時変化による噴射量変化の低減効果、および燃料流入速度低下の防止効果を、一層確実に得ることができる。

なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の一実施形態について説明する。図１は本発明の一実施形態に係る燃料噴射弁を備える燃料噴射装置の全体構成を示す断面図、図２は図１のＡ部の拡大断面図、図３は図２のＢ部の拡大断面図である。

燃料噴射弁は、内燃機関（より詳細にはディーゼルエンジン。図示せず）のシリンダヘッドに装着され、蓄圧器（図示せず）内に蓄えられた高圧燃料を内燃機関の気筒内に噴射するものである。

図１〜図３に示すように、燃料噴射弁のボデー１は、蓄圧器からの高圧燃料が導入される燃料入口部１１と、燃料噴射弁内部の燃料を燃料タンク１００に向けて流出させる燃料出口部１２とを備えている。

ボデー１の軸方向一端側に、開弁時に燃料を噴射するノズル２が配置されている。このノズル２は、ボデー１に摺動自在に保持されたノズルニードル２１と、ノズルニードル２１を閉弁向きに付勢するノズルスプリング２２と、ノズルニードル２１のピストン部２１ａが挿入されたノズルシリンダ２３とを有している。

ボデー１の軸方向一端には、高圧燃料通路１３を介して燃料入口部１１と連通する噴孔２４が形成され、この噴孔２４から高圧燃料を内燃機関の気筒内に噴出させるようになっている。この噴孔２４の上流側にテーパ状の弁座２５が形成されており、ノズルニードル２１に形成されたシート部２１ｂが弁座２５に接離することにより噴孔２４が開閉される。

ピストン部２１ａは、ノズルシリンダ２３に摺動自在に且つ液密的に挿入されており、ピストン部２１ａとノズルシリンダ２３とにより、内部の燃料圧力が高圧と低圧に切り替えられる制御室２６が形成されている。そして、ノズルニードル２１は、制御室２６内の燃料圧力により閉弁向きに付勢されるとともに、燃料入口部１１から高圧燃料通路１３を介して噴孔２４側に導かれる高圧燃料により開弁向きに付勢される。

ボデー１の軸方向中間部には、制御室２６の圧力を制御する制御弁３が収納されるバルブ室１４が形成されている。制御室２６は、連絡通路１５を介してこのバルブ室１４と常時連通されている。

バルブ室１４は、高圧燃料通路１３を介して燃料入口部１１と接続されている。この、高圧燃料通路１３には、高圧部絞り５０が設けられている。また、バルブ室１４は、低圧燃料通路１６を介して燃料出口部１２に接続されている。この低圧燃料通路１６には、低圧部絞り６０が設けられている。

制御弁３は、低圧シート部３３に接離してバルブ室１４と低圧燃料通路１６との間を開閉するとともに、高圧シート部３４に接離してバルブ室１４と、高圧燃料通路１３との間を開閉する弁体３１と、バルブ室１４と高圧燃料通路１３との間が開かれるとともにバルブ室１４と低圧燃料通路１６との間が閉じられる向きに弁体３１を付勢するバルブスプリング３２とを有している。

ここで、高圧シート部３４の周長さと弁体３１が高圧シート部３４から離れているときの弁体３１のリフト量（以下、弁体リフト量という）との積で求められる高圧シート部３４の流路面積をＳ１とし、高圧部絞り５０の流路面積をＳ２とし、燃料入口部１１から高圧シート部３４までの高圧燃料通路１３のうち流路面積が最も小さい部位（但し、高圧部絞り５０を除く）の流路面積を高圧燃料通路１３の流路面積Ｓ３としたとき、Ｓ３＞Ｓ１＞Ｓ２としている。

ボデー１の軸方向他端側には、制御弁３を駆動するアクチュエータ４が収納されるアクチュエータ室１７が形成されている。このアクチュエータ室１７は、低圧連絡通路１６ａを介して低圧燃料通路１６に接続されている。

アクチュエータ４は、ピエゾ素子が多数積層されて電荷の充放電により伸縮するピエゾスタック４１と、ピエゾスタック４１の伸縮変位を制御弁３の弁体３１に伝達する伝達部とを備えている。

伝達部は以下のように構成されている。アクチュエータシリンダ４２に第１ピストン４３および第２ピストン４４が摺動自在に且つ液密的に挿入されており、第１ピストン４３と第２ピストン４４との間には、燃料が充填された液室４５が形成されている。

第１ピストン４３は、第１スプリング４６によりピエゾスタック４１側に向かって付勢されており、ピエゾスタック４１により直接駆動されるようになっている。そして、ピエゾスタック４１の伸長時には、第１ピストン４３により液室４５の圧力が高められるようになっている。

第２ピストン４４は、第２スプリング４７により制御弁３の弁体３１側に付勢されており、液室４５の圧力を受けて作動して弁体３１を駆動するようになっている。そして、第２ピストン４４は、ピエゾスタック４１の伸長時には、高圧化された液室４５の圧力を受けて作動して、バルブ室１４と高圧燃料通路１３との間が閉じられるとともにバルブ室１４と低圧燃料通路１６との間が開かれる位置に弁体３１を駆動する。一方、ピエゾスタック４１の収縮時、すなわち液室４５の圧力が低いときには、第２ピストン４４は、第２スプリング４７に抗して制御弁３のバルブスプリング３２により第１ピストン４３側に押し戻される。

燃料タンク１００と燃料出口部１２とを接続するリターン経路１１０には、低圧燃料通路１６側の圧力を制御する背圧弁１２０が配置されている。因みに、蓄圧器内に蓄えられた高圧燃料の圧力が１００ＭＰａ以上であるのに対し、背圧弁１２０は低圧燃料通路１６側の圧力を１ＭＰａ程度に制御する。

ピエゾスタック４１には、ピエゾ駆動回路１３０を介して電力が供給されるようになっている。このピエゾ駆動回路１３０は、ピエゾスタック４１への通電タイミングが、電子制御回路（以下、ＥＣＵという）１４０により制御される。

ＥＣＵ１４０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータを備え、マイクロコンピュータに記憶したプログラムに従って演算処理を行うものである。そして、ＥＣＵ１４０には、吸入空気量、アクセルペダルの踏み込み量、内燃機関回転数、蓄圧器内の燃料圧等を検出する各種センサ（図示せず）から信号が入力される。

次に、上記燃料噴射弁の作動を説明する。ピエゾスタック４１に通電されると、ピエゾスタック４１が伸長して第１ピストン４３が駆動され、第１ピストン４３により液室４５の圧力が高められる。高圧化された液室４５の圧力により第２ピストン４４が制御弁３の弁体３１側に向かって駆動される。

そして、第２ピストン４４にて弁体３１が駆動されることにより、弁体３１が高圧シート部３４に当接してバルブ室１４と高圧燃料通路１３との間が閉じられるとともに、弁体３１が低圧シート部３３から離れてバルブ室１４と低圧燃料通路１６との間が開かれる。したがって、制御室２６の燃料は、連絡通路１５、バルブ室１４、低圧部絞り６０、および低圧燃料通路１６を介して燃料タンク１００へ戻される。

これにより、制御室２６の圧力が低下してノズルニードル２１を閉弁向きに付勢する力が小さくなるため、ノズルニードル２１が開弁向きに移動し、シート部２１ｂが弁座２５から離れて噴孔２４が開かれ、噴孔２４から内燃機関の気筒内に燃料が噴射される。

その後、ピエゾスタック４１への通電が停止されると、ピエゾスタック４１が縮むため第１ピストン４３は第１スプリング４６によりピエゾスタック４１側に戻される。また、バルブスプリング３２により、弁体３１および第２ピストン４４が第１ピストン４３側に戻される。

これにより、弁体３１が高圧シート部３４から離れてバルブ室１４と高圧燃料通路１３との間が開かれるとともに、弁体３１が低圧シート部３３に当接してバルブ室１４と低圧燃料通路１６との間が閉じられる。したがって、蓄圧器からの高圧燃料が、高圧燃料通路１３、高圧部絞り５０、バルブ室１４、および連絡通路１５を介して制御室２６に導入される。

これにより、制御室２６の圧力が上昇してノズルニードル２１を閉弁向きに付勢する力が大きくなるため、ノズルニードル２１が閉弁向きに移動し、シート部２１ｂが弁座２５に着座して噴孔２４が閉じられ、燃料噴射が終了する。

ここで、Ｓ１＞Ｓ２にしているため、制御室２６へ流入する燃料の単位時間当たり流量（燃料流入速度）は、主に高圧部絞り５０の流路面積Ｓ２によって決定され、したがって、弁体リフト量の経時変化による噴射量の変化を低減することができる。また、高圧シート部３４の流路面積Ｓ１および高圧部絞り５０の流路面積Ｓ２を高圧燃料通路１３の流路面積Ｓ３よりも小さくしているため、すなわち、高圧シート部３４と高圧部絞り５０との２重絞りにしているため、燃料流入速度の大幅な低下を防止することができる。

図４は、本実施形態の燃料噴射弁において、面積比（＝Ｓ１／Ｓ２）とリフト−噴射量感度との関係の解析結果を示している。なお、高圧シート部３４の流路面積Ｓ１を固定し、高圧部絞り５０の流路面積Ｓ２を変化させて、面積比を設定している。縦軸のリフト−噴射量感度は、弁体リフト量が２１μｍに設定された初期状態の燃料噴射弁において噴射量が８０ｍｍ^３／ｓｔとなる噴射条件（以下、評価用噴射条件という）を設定し、弁体リフト量が増加した燃料噴射弁を評価用噴射条件で作動させた場合に、弁体リフト量の増加量１μｍ当たり噴射量がどれだけ減少するかを示している。

図４に示すように、面積比を大きくすることによりリフト−噴射量感度を小さくすることができるが、実機における経時劣化による弁体リフト量の変化量を考慮すると、１．５≦Ｓ１／Ｓ２が望ましい。

図５は、本実施形態の燃料噴射弁において、面積比（＝Ｓ１／Ｓ２）と流量比との関係の解析結果を示している。なお、流量比は、高圧部絞り５０を設けない場合の燃料流入速度に対する、各面積比における燃料流入速度の比である。

図５に示すように、面積比を大きくすると流量比が小さくなる。そして、流量比が小さくなるとノズルニードル２１の閉弁速度が低下するという問題が発生するため、実用上は、Ｓ１／Ｓ２≦２．５が望ましく、さらには、Ｓ１／Ｓ２≦２がより望ましい。

したがって、リフト−噴射量感度およびノズルニードル２１の閉弁速度を考慮すると、１．５≦Ｓ１／Ｓ２≦２．５が望ましく、さらには、１．５≦Ｓ１／Ｓ２≦２がより望ましい。このようにすれば、ノズルニードル２１の閉弁速度の大幅な低下を回避しつつ、弁体リフト量の経時変化による噴射量変化を低減することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料噴射弁を備える燃料噴射装置の全体構成を示す断面図である。 図１のＡ部の拡大断面図である。 図２のＢ部の拡大断面図である。 本実施形態の燃料噴射弁において、面積比（＝Ｓ１／Ｓ２）とリフト−噴射量感度との関係の解析結果を示す図である。 本実施形態の燃料噴射弁において、面積比（＝Ｓ１／Ｓ２）と流量比との関係の解析結果を示す図である。

符号の説明

２…ノズル、４…アクチュエータ、１３…高圧燃料通路、１４…バルブ室、
１６…低圧燃料通路、２１…ノズルニードル、２４…噴孔、２６…制御室、
３１…弁体、３３…低圧シート部、３４…高圧シート部、５０…高圧部絞り、
Ｓ１…高圧シート部の流路面積、Ｓ２…高圧部絞りの流路面積、
Ｓ３…高圧燃料通路の流路面積。

Claims (3)

1. バルブ室（１４）内に配置され、低圧シート部（３３）に接離して前記バルブ室（１４）と低圧燃料通路（１６）との間を開閉するとともに、高圧シート部（３４）に接離して前記バルブ室（１４）と高圧燃料通路（１３）との間を開閉する弁体（３１）と、
   前記弁体（３１）を駆動するアクチュエータ（４）と、
   前記バルブ室（１４）と常時連通する制御室（２６）と、
   ノズルニードル（２１）により噴孔（２４）を開閉するノズル（２）とを備え、
   前記制御室（２６）の燃料圧力により前記ノズルニードル（２１）が閉弁向きに付勢される燃料噴射弁において、
   前記高圧燃料通路（１３）中に高圧部絞り（５０）を備え、
   前記高圧シート部（３４）の周長さと前記弁体（３１）が前記高圧シート部（３４）から離れているときの前記弁体（３１）のリフト量との積で求められる前記高圧シート部（３４）の流路面積をＳ１とし、前記高圧部絞り（５０）の流路面積をＳ２とし、前記高圧燃料通路（１３）の流路面積をＳ３としたとき、Ｓ３＞Ｓ１＞Ｓ２であることを特徴とする燃料噴射弁。
2. １．５≦Ｓ１／Ｓ２≦２．５であることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
3. １．５≦Ｓ１／Ｓ２≦２であることを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射弁。

Images