JP2010168911A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料噴射弁において、初期噴射率勾配の直立化を達成し、さらに、動的リーク量を低減する。
【解決手段】燃料噴射弁は、流入側絞り１３の流路面積（入側絞り面積）を可変する流入側絞り弁体２６を備え、流出流路１１の燃料圧は、流入側絞り弁体２６に対して、入側絞り面積を小さくする方向に作用する。これにより、流出流路１１が制御室９に対して開放されると、入側絞り面積は、開放前よりも小さくなる。このため、制御室９への燃料の流入が抑制されるので、制御室９の燃料圧を、より早期に低下できるようになって初期噴射率勾配の直立化を達成できる。また、噴射期間中、流出流路１１は制御室９に対して開放した状態を続け、入側絞り面積は小さい状態に維持される。このため、噴射期間中においても制御室９への燃料の流入を抑制できるので、動的リーク量を低減することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関に燃料を噴射して供給する燃料噴射弁に関する。

従来から、燃料噴射弁による内燃機関への燃料の噴射供給では、ディーゼル排ガスにおける黒煙低減やＰＭ低減等のために噴射圧の高圧化が進んでいる。そして、噴射圧の高圧化に応じて、１噴射における初期噴射率勾配の直立化が要請されている。すなわち、図５に示すように、１噴射における噴射率の時間推移（以下、噴射パターンと呼ぶ）について、初期噴射率勾配が緩やかなパターンＡから、初期噴射率勾配がより急激なパターンＢへの転換が要請されている。

つまり、初期噴射率勾配を直立化することで、同一の噴射量であっても、より短時間に集中して噴射できるようになり、噴射圧の高圧化により適した噴射パターンとすることができるのである。
そして、初期噴射率勾配の直立化を達成できる燃料噴射弁として、例えば、特許文献１に記載のような燃料噴射弁が考えられている。

特許文献１の燃料噴射弁は、噴孔を開閉する弁体と、弁体を開弁方向に駆動する駆動力を発生するアクチュエータとしての電磁弁とを備え、弁体に対し閉弁方向に燃料圧を作用させるための制御室、制御室へ燃料を流入させるための流入流路、制御室から燃料を流出させるための流出流路、ならびに、制御室と流出流路および流入流路とを接続する流出入共通の共通流路を形成する。

また、流入流路には第１の絞りが設けられ、共通流路には、第１の絞りよりも燃料の通過抵抗が小さい第２の絞りが設けられている。
そして、特許文献１の燃料噴射弁は、電磁弁の動作に応じて流出流路を制御室に対し開閉することで、制御室における燃料の流出入状態を可変して、弁体を開弁方向または閉弁方向に駆動する。

すなわち、電磁弁が開弁して流出流路が制御室に対して開放されると、第１、第２の絞りの通過抵抗の差に基づき、流入流路から制御室への燃料の流入が抑えられる一方、流出流路を通る制御室からの燃料の流出が進行し、制御室の燃料圧が低下する。この結果、弁体は開弁方向に駆動されて、噴孔から燃料が噴射される。また、電磁弁が閉弁して流出流路が制御室に対して閉鎖されると、制御室からの燃料の流出が止まって制御室への燃料の流入が進行し、制御室の燃料圧が上昇する。この結果、弁体は閉弁方向に駆動されて、噴孔からの燃料の噴射が止まる。

そして、特許文献１の燃料噴射弁によれば、初期噴射率勾配の直立化を達成するべく、制御室が第１、第２制御室の２つに分けて設けられている。ここで、第１制御室は、第２の絞りを介して燃料が流出入するように設けられ、第２制御室は第２の絞りを介することなく燃料が流出入するように設けられている。このため、電磁弁が開弁して第１、第２制御室から燃料が流出する際、第２制御室の燃料は、第２の絞りを介さないで流出できるため、第１制御室の燃料よりも速やかに流出することができる。

この結果、第２制御室の燃料圧は第１制御室の燃料圧よりも早期に低下するので、第１、第２制御室を自在に設定することで、所望の初期噴射率勾配を得ることができる。
しかし、特許文献１の燃料噴射弁によれば、共通流路を分岐させて第１、第２制御室に個別に接続させたり、第２制御室に接続する共通流路には絞りを設けずに第１制御室に接続する共通流路にのみ第２の絞りを設けたりする必要があり、制御室周囲のボディ構成が複雑になってしまう。

また、噴射圧の高圧化に伴って、電磁弁の開弁中に制御室から流出流路を経て燃料タンクに戻される燃料の量（以下、動的リーク量と呼ぶ）の増大が課題視されるようになっている。しかし、特許文献１の燃料噴射弁は、動的リーク量を抑制する機構等を備えておらず、動的リーク量に関して大いに改善の余地がある。

特開平１１−１７３２３４号公報

本発明は、燃料噴射弁による燃料噴射に関して噴射圧の高圧化に伴う問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、第１に制御室周囲のボディ構成を複雑にすることなく初期噴射率勾配の直立化を達成すること、第２に動的リーク量を低減することにある。

〔請求項１の手段〕
請求項１に記載の燃料噴射弁は、噴孔を開閉する噴射弁体と、噴射弁体を開弁方向に駆動する駆動力を発生するアクチュエータとを備え、噴射弁体に対し閉弁方向に燃料圧を作用させるための制御室、制御室へ燃料を流入させるための流入流路、および、制御室から燃料を流出させるための流出流路を形成し、アクチュエータの動作に応じ流出流路を制御室に対して開閉することで、制御室への燃料の流出入状態を可変して、噴射弁体を開弁方向または閉弁方向に駆動する。

また、燃料噴射弁は、制御室に対する流入流路の開度である流入側開度を可変する流入側絞り弁体を備え、流出流路を制御室に対して開放するときに、開放前よりも流入側開度が小さくなるように流入側絞り弁体を駆動する。
これにより、噴射開始のために流出流路が制御室に対して開放されると、流入側開度が低下して制御室への燃料の流入が抑制される。このため、制御室の燃料圧を、より早期に低下できるようになるので、初期噴射率勾配の直立化を達成できる。

また、この燃料噴射弁によれば、制御室に接続する流路構造を１本の流入流路および１本の流出流路のみで構成できるので、特許文献１のように制御室を分割したり、流路を分岐させたりしなくてもよい。
以上により、制御室周囲のボディ構成を複雑にすることなく初期噴射率勾配の直立化を達成することができる。

〔請求項２の手段〕
請求項２に記載の燃料噴射弁によれば、流出流路を制御室に対して開放しているときには、開放前よりも流入側開度が小さい状態を持続するように流入側絞り弁体を保持する。
これにより、所定の噴射期間、噴射状態を維持するために、流出流路を制御室に対して開放した状態を継続しても、流入側開度は小さい状態に維持される。このため、噴射期間中においても制御室への燃料の流入を抑制できるので、動的リーク量を低減することができる。

〔請求項３の手段〕
請求項３に記載の燃料噴射弁によれば、流出流路の燃料圧は、流入側絞り弁体に対して流入側開度を小さくする方向に作用する。
これにより、流出流路の開放と同時に、流出流路の燃料圧は、流出流路を通過する燃料の動圧の分だけ増圧し、流出流路の開放中には増圧された状態が持続する。このため、流出流路の開放と同時に、流入側開度を小さくすることができるとともに、流出流路の開放中には、流入側開度を小さい状態に維持することができる。

以上により、噴射弁体を駆動するためのアクチュエータとは別に、流入側絞り弁体を駆動するためのアクチュエータ等を装備する必要がなくなるので、より低コストで、制御室周囲のボディ構成を複雑にすることなく初期噴射率勾配の直立化を達成することができ、かつ、動的リーク量を低減することができる。

燃料噴射弁の構成図である（実施例）。 燃料噴射弁の要部拡大図である（実施例）。 （ａ）は流入側絞り弁体の弁部が流入側絞りから後退した状態を示す要部拡大図であり、（ｂ）は流入側絞り弁体の弁部が流入側絞りに突出した状態を示す要部拡大図である（実施例）。 （ａ）はソレノイドコイルへの通電の経時変化を示すタイムチャートであり、（ｂ）は流出流路の開度の経時変化を示すタイムチャートであり、（ｃ）は制御室の燃料圧の経時変化を示すタイムチャートであり、（ｄ）は流出流路の燃料圧の経時変化を示すタイムチャートであり、（ｅ）は入側絞り面積の経時変化を示すタイムチャートである（実施例）。 噴射パターンを示すタイムチャートである（従来例）。

燃料噴射弁は、噴孔を開閉する噴射弁体と、噴射弁体を開弁方向に駆動する駆動力を発生するアクチュエータとを備え、噴射弁体に対し閉弁方向に燃料圧を作用させるための制御室、制御室へ燃料を流入させるための流入流路、および、制御室から燃料を流出させるための流出流路を形成し、アクチュエータの動作に応じ流出流路を制御室に対して開閉することで、制御室への燃料の流出入状態を可変して、噴射弁体を開弁方向または閉弁方向に駆動する。

また、燃料噴射弁は、制御室に対する流入流路の開度である流入側開度を可変する流入側絞り弁体を備え、流出流路を制御室に対して開放するときに、開放前よりも流入側開度が小さくなるように流入側絞り弁体を駆動する。

また、この燃料噴射弁は、流出流路を制御室に対して開放しているときには、開放前よりも流入側開度が小さい状態を持続するように流入側絞り弁体を保持する。
さらに、流出流路の燃料圧は、流入側絞り弁体に対して流入側開度を小さくする方向に作用する。

〔実施例の構成〕
実施例の燃料噴射弁１の構成を、図面に基づいて説明する。
燃料噴射弁１は、例えば、内燃機関（図示せず）の気筒内に燃料を噴射して供給するものであり、内燃機関の気筒ごとに装着されている。そして、燃料噴射弁１は、例えば、燃料を高圧状態で蓄圧するコモンレール、燃料を高圧化してコモンレールに供給する燃料供給ポンプ（図示せず）、および燃料噴射弁１や燃料供給ポンプの動作を制御する電子制御装置（図示せず：以下、ＥＣＵと呼ぶ）等とともに、燃料噴射装置を構成する。

燃料噴射弁１は、例えば、図１に示すように、噴孔２を開閉する噴射弁体３と、噴射弁体３に当接して噴射弁体３と一体的に移動するコマンドピストン４と、噴射弁体３を閉弁方向に付勢するスプリング５と、噴射弁体３を開弁方向に駆動する駆動力を発生するアクチュエータ６とを備える。また、燃料噴射弁１は、噴射弁体３に対し閉弁方向に燃料圧を作用させるための制御室９、制御室９へ燃料を流入させるための流入流路１０、および、制御室９から燃料を流出させるための流出流路１１を形成する。

ここで、流入、流出流路１０、１１には、それぞれ、制御室９への燃料の流入を規制する流入側絞り１３、制御室９からの燃料の流出を規制する流出側絞り１４が設けられている。また、流出側絞り１４は、流入側絞り１３よりも燃料の通過抵抗が小さくなるように設けられている。

噴射弁体３は、弁ボディ１６に摺動自在に支持されて開弁方向または閉弁方向に移動する。また、噴射弁体３は、弁ボディ１６との間に、コモンレールから受け入れた高圧の燃料が溜まるノズル室１７を形成し、ノズル室１７に対して噴孔２を開閉する。なお、ノズル室１７の燃料圧は、噴射弁体３に対し開弁方向に作用する。

コマンドピストン４は、弁ボディ１６に摺動自在に支持されて制御室９を封鎖する。これにより、制御室９は、コマンドピストン４の移動に応じて容積が可変され、制御室９の燃料圧は、コマンドピストン４を介して噴射弁体３に作用する。
なお、制御室９およびノズル室１７から摺動隙間を経てリークした燃料は、スプリング５を収容するスプリング室１８に流入する。そして、スプリング室１８に流入した燃料は、制御室９から流出流路１１を経て流出した動的リークに伴う燃料とともに、燃料タンクに戻される。

アクチュエータ６は、ＥＣＵからの指令に応じて通電開始または停止されるソレノイドコイル２０、ソレノイドコイル２０への通電により励磁されて一方側に駆動されるアーマチャ２１、アーマチャ２１を他方側に付勢するスプリング２２、アーマチャ２１の先端に保持され、アーマチャ２１とともに変位して流出流路１１を制御室９に対して開閉する弁体２３を有する（以下、アクチュエータ６を電磁弁６と呼ぶ）。

そして、電磁弁６は、ＥＣＵからの指令に応じて、弁体２３を一方側または他方側に変位させて流出流路１１を制御室９に対して開閉することで、制御室９への燃料の流出入状態を可変して、噴射弁体３を開弁方向または閉弁方向に駆動する。

以上の構成により、ソレノイドコイル２０に通電が開始されると、アーマチャ２１および弁体２３が一方側に変位して流出流路１１が制御室９に対して開放される。ここで、流出側絞り１４の方が流入側絞り１３よりも燃料が通過しやすいため、流出流路１１が制御室９に対して開放されると、流入流路１０から制御室９への燃料の流入量よりも、制御室９から流出流路１１への燃料の流出量が大きくなって制御室９の燃料圧が低下する。このため、噴射弁体３に作用する合力は開弁方向に強くなり、噴射弁体３が開弁方向に駆動されて噴孔２を開放し、燃料の噴射が開始される。

そして、ソレノイドコイル２０への通電が停止されると、アーマチャ２１および弁体２３が他方側に変位して流出流路１１が制御室９に対して閉鎖される。これにより、制御室９から流出流路１１への燃料の流出が止まり、流入流路１０から制御室９への燃料の流入により制御室９の燃料圧が上昇する。このため、噴射弁体３に作用する合力は閉弁方向に強くなり、噴射弁体３が閉弁方向に駆動されて噴孔２を閉鎖し、燃料の噴射が停止される。

〔実施例の特徴〕
実施例の燃料噴射弁１の特徴を、図面に基づいて説明する。
実施例の燃料噴射弁１は、図１〜図３に示すように、制御室９に対する流入流路１０の開度である流入側開度を可変する流入側絞り弁体２６を備える。流入側絞り弁体２６は、流入側絞り１３の流路面積（以下、入側絞り面積と呼ぶ）を可変できるように組み込まれており、入側絞り面積を可変することで、流入側開度を可変する。

そして、流入側絞り弁体２６は、流出流路１１が制御室９に対して開放されるときに、開放前よりも流入側開度が小さくなるように駆動される。
すなわち、流入側絞り弁体２６は、流入側絞り１３の内部に配されて入側絞り面積を可変する弁部２８、弁ボディ１６に摺動自在に支持されるとともに流出流路１１の燃料圧を受ける受圧部２９を有する。そして、流入側絞り弁体２６に対し、流出流路１１の燃料圧は、入側絞り面積を小さくする方向に作用する。なお、弁部２８に作用する燃料圧（流入側絞り１３の燃料圧）は、入側絞り面積を大きくする方向に作用する。

そして、流出流路１１が制御室９に対して開放され、流出流路１１において燃料の通過が始まると、受圧部２９には燃料の動圧が作用する。同時に、流入側絞り１３においても燃料の通過が始まり、弁部２８にも燃料の動圧が作用する。ここで、流出流路１１の方が流入側絞り１３よりも燃料の通過量が大きいので、受圧部２９に作用する動圧の方が弁部２８に作用する動圧よりも大きくなる。

この結果、受圧部２９に作用する燃料圧の方が弁部２８に作用する燃料圧よりも大きくなり、流入側絞り弁体２６全体が流入側絞り１３の方に駆動されて弁部２８が流入側絞り１３の内部に突出し、入側絞り面積が小さくなる（図３（ｂ）参照）。
また、流出流路１１の制御室９に対する開放状態が持続し、流出流路１１および流入側絞り１３において一定量の燃料の通過が続いているとき、弁部２８は、流入側絞り１３の内部に突出した状態を保ち、入側絞り面積は小さい状態を持続する。

そして、流出流路１１が制御室９に対して閉鎖され、流出流路１１において燃料の通過が止まると、弁部２８に作用する燃料圧（流入側絞り１３の燃料圧）の方が、受圧部２９に作用する燃料圧（流出流路１１の燃料圧）よりも大きくなる。そして、燃料圧の差により、流入側絞り弁体２６全体が流出流路１１の方に駆動されて弁部２８が流入側絞り１３の内部から後退し、入側絞り面積が大きくなる（図３（ａ）参照）。

なお、受圧部２９には、ストッパ３０が設けられており、ストッパ３０により弁部２８の後退が規制される。また、弁ボディ１６には、受圧部２９を係止することができる段３１が設けられており、段３１により弁部２８の突出が規制される。

〔実施例の作用〕
実施例の燃料噴射弁１の作用を、図４に基づいて説明する。
まず、ソレノイドコイル２０への通電が開始されると（時間ｔ１参照）、弁体２３による流出流路１１の開放が始まるととともに制御室９から流出流路１１への燃料の流出が始まり、制御室９の燃料圧の低下が始まる（時間ｔ２参照）。これにより、流出流路１１の燃料圧の上昇が始まり、流入側絞り弁体２６の流入側絞り１３の方への移動が始まって入側絞り面積の縮小が始まる（時間ｔ３参照）。

そして、流入側絞り弁体２６は、流出流路１１の燃料圧と流入側絞り１３の燃料圧との差に応じた位置まで移動するか、または、受圧部２９が段３１に係止されて停止する。これにより、流出流路１１における燃料の通過量が一定になって流出流路１１の燃料圧も一定になり、入側絞り面積も一定になる（時間ｔ４参照）。なお、制御室９の燃料圧は、流出流路１１における燃料の通過量と流入側絞り１３における燃料の通過量の差に基づき低下し続ける。

そして、ソレノイドコイル２０への通電が停止されると、弁体２３による流出流路１１の閉鎖が始まる（時間ｔ５参照）。なお、弁体２３が全閉位置に向かって移動している間も、流出流路１１の燃料圧、および入側絞り面積は一定に保たれ、制御室９の燃料圧は低下し続ける。
やがて、弁体２３が全閉位置に達して流出流路１１の開度がゼロになると、制御室９から流出流路１１への燃料の流出が止まるので、制御室９の燃料圧は低下を終えて上昇を開始し、流出流路１１の燃料圧は低下を開始する（時間ｔ６参照）。

また、流出流路１１の燃料圧が低下を開始することにより、流入側絞り弁体２６の流出流路１１の方への移動が始まって入側絞り面積の拡大が始まる（時間ｔ６参照）。
そして、流入側絞り弁体２６は、ストッパ３０により移動が規制されるまで流出流路１１の方へ移動して停止する。これにより、制御室９の燃料圧、流出流路１１の燃料圧、および入側絞り面積は、ソレノイドコイル２０への通電開始前の状態に戻る（時間ｔ７参照）。

〔実施例の効果〕
実施例の燃料噴射弁１は、入側絞り面積を可変する流入側絞り弁体２６を備え、流出流路１１を制御室９に対して開放するときに、開放前よりも入側絞り面積が小さくなるように流入側絞り弁体２６を駆動する。
これにより、噴射開始のために流出流路１１が制御室９に対して開放されると、入側絞り面積が低下して制御室９への燃料の流入が抑制される。このため、制御室９の燃料圧を、より早期に低下できるようになるので、初期噴射率勾配の直立化を達成できる（図５参照）。

また、燃料噴射弁１によれば、制御室９に接続する流路構造を１本の流入流路１０および１本の流出流路１１のみで構成できるので、制御室９を分割したり、流路を分岐させたりしなくてもよい。
以上により、制御室９の周囲のボディ構成を複雑にすることなく初期噴射率勾配の直立化を達成することができる。

また、燃料噴射弁１は、流出流路１１を制御室９に対して開放しているときに、開放前よりも入側絞り面積が小さい状態を持続するように流入側絞り弁体２６を保持する。
これにより、所定の噴射期間、噴射状態を維持するために、流出流路１１を制御室９に対して開放した状態を継続しても、入側絞り面積は小さい状態に維持される。このため、噴射期間中においても制御室９への燃料の流入を抑制できるので、動的リーク量を低減することができる。

また、流出流路１１の燃料圧は、流入側絞り弁体２６に対して入側絞り面積を小さくする方向に作用する。
これにより、流出流路１１の開放と同時に、流出流路１１の燃料圧は、流出流路１１を通過する燃料の動圧の分だけ増圧し、流出流路１１の開放中には増圧された状態が持続する。このため、流出流路１１の開放と同時に、入側絞り面積を小さくすることができるとともに、流出流路１１の開放中には、入側絞り面積を小さい状態に維持することができる。

以上により、電磁弁６とは別に、流入側絞り弁体２６を駆動するためのアクチュエータ等を装備する必要がなくなるので、より低コストで、制御室９の周囲のボディ構成を複雑にすることなく初期噴射率勾配の直立化を達成することができ、かつ、動的リーク量を低減することができる。

〔変形例〕
実施例の燃料噴射弁１は、流出流路１１の燃料圧に基づく付勢力を、流入側絞り弁体２６を流入側絞り１３の方に移動させるための駆動力として利用していたが、流入側絞り弁体２６を流入側絞り１３の方に移動させるための駆動力は、このような態様に限定されない。例えば、電磁ソレノイドによる磁気吸引力やピエゾ素子の伸長力等を、上記の駆動力として利用してもよい。

また、実施例の燃料噴射弁１によれば、流入側絞り弁体２６の弁部２８は、流入側絞り１３の内部に配されていたが、流入側絞り１３以外の流入流路１０に弁部２８を配してもよい。
また、実施例の燃料噴射弁１によれば、制御室９の燃料圧は、コマンドピストン４を介して噴射弁体３に作用していたが、コマンドピストン４を介することなく、制御室９の燃料圧が噴射弁体３に直接作用するように、燃料噴射弁１を設けてもよい。

また、実施例の燃料噴射弁１を有する燃料噴射装置によれば、燃料噴射弁１は、内燃機関の気筒ごとに搭載され、コモンレールから燃料の分配を受けて各気筒内に燃料を直接噴射するものであったが、燃料噴射弁１を有する燃料噴射装置の構成は、このような態様に限定されるものではない。例えば、燃料噴射弁１を吸気管に配し、吸気管内に燃料を噴射して混合気を形成し、この混合気を内燃機関に供給するようにしてもよい。また、燃料噴射弁１は、コモンレールを介さずに燃料供給ポンプから、直接、燃料の供給を受けるものでもよい。

１ 燃料噴射弁
２ 噴孔
３ 噴射弁体
６ 電磁弁（アクチュエータ）
９ 制御室
１０ 流入流路
１１ 流出流路
２６ 流入側絞り弁体

Claims (3)

1. 噴孔を開閉する噴射弁体と、この噴射弁体を開弁方向に駆動する駆動力を発生するアクチュエータとを備え、
   前記噴射弁体に対し閉弁方向に燃料圧を作用させるための制御室、前記制御室へ燃料を流入させるための流入流路、および、前記制御室から燃料を流出させるための流出流路を形成し、
   前記アクチュエータの動作に応じ前記流出流路を前記制御室に対して開閉することで、前記制御室への燃料の流出入状態を可変して、前記噴射弁体を開弁方向または閉弁方向に駆動する燃料噴射弁において、
   前記制御室に対する前記流入流路の開度である流入側開度を可変する流入側絞り弁体を備え、
   前記流出流路を前記制御室に対して開放するときに、開放前よりも前記流入側開度が小さくなるように前記流入側絞り弁体を駆動する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、
   前記流出流路を前記制御室に対して開放しているときには、開放前よりも前記流入側開度が小さい状態を持続するように前記流入側絞り弁体を保持することを特徴とする燃料噴射弁。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料噴射弁において、
   前記流出流路の燃料圧は、前記流入側絞り弁体に対して前記流入側開度を小さくする方向に作用することを特徴とする燃料噴射弁。

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