JP2010190181A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】噴射期間中のノズルニードルの過剰なリフトをダンパ部材２７によって抑制することにより、部品同士の衝突による破損を防止できる燃料噴射弁を提供する。
【解決手段】制御ピストンには、ピストン頭部７ｂの端面にダンパ部材２７が配置されている。このダンパ部材２７は、例えば、荷重が加わった時に弾性変形できるバネ材によって形成することができる。このダンパ部材２７は、ノズルニードルが予め決められた所定量以上リフトした時に、ピストン頭部７ｂとオリフィスプレート１２との間で弾性変形することにより、制御ピストンに制動を掛ける働きを有する。但し、ノズルニードルのリフト量が所定量に達するまでは、ダンパ部材２７がオリフィスプレート１２に当接することはなく、制御ピストンの動きに制動が掛かることはない。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射弁に関する。

従来、コモンレールに蓄圧された高圧燃料を内燃機関の燃焼室に噴射する燃料噴射弁が知られている。例えば、図３に示す燃料噴射弁１００は、噴孔１０１を有するノズルボディ１１０と、このノズルボディ１１０に収容されて噴孔１０１を開閉するノズルニードル１２０と、このノズルニードル１２０に連結された制御ピストン１３０と、この制御ピストン１３０を摺動自在に保持するシリンダ１４０と、このシリンダ１４０に対し制御ピストン１３０を図示下方（ノズルニードル１２０の閉弁方向）へ付勢するスプリング１５０と、シリンダ１４０の側壁に開口するインオリフィス１６０を通じて高圧燃料が供給され、その燃料圧力がノズルニードル１２０を閉弁方向へ付勢する背圧として制御ピストン１３０の端面に作用する制御室１７０と、シリンダ１４０の図示上端に配置されるオリフィスプレート１８０と、このオリフィスプレート１８０に形成されるアウトオリフィス１９０を開閉できる弁体２００と、この弁体２００の開閉動作を制御する電磁アクチュエータ２１０等より構成される。

電磁アクチュエータ２１０は、例えば、電磁コイル２２０への通電により電磁石を形成してアーマチャ２３０を吸引するソレノイド装置である。電磁コイル２２０への通電によりアーマチャ２３０が吸引されて図示上方へ移動すると、そのアーマチャ２３０の動きに応じて弁体２００がアウトオリフィス１９０を開くことにより、制御室１７０の燃料が低圧側へ排出されて、制御ピストン１３０の端面に作用する背圧が低減する。電磁コイル２２０への通電が停止されると、スプリング２４０の反力でアーマチャ２３０が図示下方へ押し戻され、そのアーマチャ２３０の動きに応じて弁体２００がアウトオリフィス１９０を閉じることで、制御室１７０の燃料圧力が上昇して、制御ピストン１３０の端面に作用する背圧が増大する。

ノズルニードル１２０は、制御ピストン１３０と一体に可動（図示上下動）し、制御室１７０の燃料圧力（制御ピストン１３０の端面に作用する背圧）の増減に応じて噴孔１０１を開閉する。つまり、弁体２００がアウトオリフィス１９０を開いて制御室１７０の燃料圧力が低減し、ノズルニードル１２０を図示上方へ付勢する油圧力が開弁圧より高くなると、ノズルニードル１２０が制御ピストン１３０と一体に図示上方へリフトして、ノズルニードル１２０に形成されたシート部が、ノズルボディ１１０に形成されたシート面から離れる（開弁する）ことで、噴孔１０１より燃料が噴射される。
また、弁体２００がアウトオリフィス１９０を閉じて制御室１７０の燃料圧力が増大し、ノズルニードル１２０を図示上方へ付勢する油圧力が閉弁力より低くなると、ノズルニードル１２０が制御ピストン１３０と一体に図示下方へ押し戻されて、ノズルニードル１２０のシート部が、ノズルボディ１１０のシート面に着座する（閉弁する）ことで、燃料の噴射が終了する。

ところで、噴射量を増大したい場合は、電磁コイル２２０への通電時間を長くする、つまり、ノズルニードル１２０の開弁時間を長くする必要がある。しかし、弁体２００がアウトオリフィス１９０を開いている間は、ノズルニードル１２０が制御ピストン１３０と共にリフトを継続するため、シリンダ１４０と制御ピストン１３０との間に配設されるスプリング１５０の変形が許容できる範囲内でリフトを停止する機構が必要となる。
これに対し、特許文献１に記載された燃料噴射弁は、ノズルニードル１２０のリフト量を機械的に規制するリフトストップ機構を設けている。このリフトストップ機構は、ノズルニードル１２０の上端面に対向する位置にノズルリフトストッパを設けて、ノズルニードル１２０の開弁時（リフト時）に、ノズルニードル１２０の上端面がノズルリフトストッパの下端面に当接することで、それ以上のリフトを規制する構造である。

特開２００１−３５５５３４号公報（図６参照）

ところが、上記の特許文献１に開示されたリフトストップ機構では、ノズルニードル１２０の上端面がノズルリフトストッパの下端面に衝突する際に、非常に大きな衝撃力が発生する。このため、両部品の接触面に異常摩耗が生じると、噴射を終了する際に、ノズルニードル１２０が下降を開始して閉弁するまでの時間が長くなり、閉弁応答性が低下する。また、ノズルニードル１２０とノズルリフトストッパとの接触面に生じる異常摩耗が進行して、ノズルニードル１２０のリフト量を所定以下に規制できなくなると、ノズルニードル１２０を閉弁方向へ付勢するスプリング１５０が変形する。つまり、スプリング１５０の変形が許容できる範囲内でノズルニードル１２０のリフト量を規制できなくなるため、安定した噴射特性が得られなくなる恐れがある。

さらには、ノズルニードル１２０の上端面がノズルリフトストッパの下端面に衝突する時の衝撃力により、両部品に割れや亀裂が発生する等の不具合が生じることもあり、信頼性の点でも問題がある。
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、噴射期間中のノズルニードルの過剰なリフトをダンパ手段よって抑制することにより、部品同士の衝突による破損を防止できる燃料噴射弁を提供することにある。

（請求項１の発明）
本発明は、噴孔を開閉するノズルニードルと、このノズルニードルに連結される制御ピストンと、この制御ピストンを摺動自在に保持するシリンダと、制御ピストンを介してノズルニードルを閉弁方向へ付勢するスプリングと、インオリフィスを通じて高圧燃料が供給されると共に、この燃料圧力がノズルニードルを閉弁方向へ付勢する背圧として制御ピストンに作用する制御室と、制御ピストンの反噴孔側の端面と対向して配置され、且つ、制御室に通じるアウトオリフィスが形成されたオリフィスプレートと、アウトオリフィスを開閉するオリフィス開閉手段とを備え、噴射の開始および終了に応じてアウトオリフィスを開閉することにより、制御室の燃料圧力（背圧）を増減させて、ノズルニードルにより噴孔を開閉する燃料噴射弁であって、制御ピストンとオリフィスプレートとの間にダンパ手段を配設し、このダンパ手段は、ノズルニードルが所定量以上リフトした時に、制御ピストンとオリフィスプレートとの間で弾性変形することにより、制御ピストンに制動を掛けることを特徴とする。

本発明の燃料噴射弁は、アウトオリフィスを開くと、制御室の燃料圧力が低圧側へ排出されて、制御ピストンの端面に作用する背圧が低減する。これにより、ノズルニードルをリフト方向（開弁方向）へ付勢する油圧力が開弁圧より高くなると、ノズルニードルが制御ピストンと一体にリフト（開弁）して、噴孔より燃料が噴射される。ここで、ノズルニードルが所定量以上リフトすると、ダンパ手段が制御ピストンとオリフィスプレートとの間で弾性変形して制御ピストンの動きに制動を掛けることができ、噴射期間中のノズルニードルの過剰なリフトを抑制できる。その結果、制御ピストンの端面がオリフィスプレートに当接することなく制御ピストンの動きを止めることができるので、両部品（制御ピストンとオリフィスプレート）の衝突による破損（割れや亀裂の発生等）を未然に防止できる。

（請求項２の発明）
請求項１に記載した燃料噴射弁において、ダンパ手段は、制御ピストンの反噴孔側の端面上に配置され、ノズルニードルが所定量リフトした時点で、オリフィスプレートに当接し、さらにノズルニードルがリフトすることで弾性変形することを特徴とする。
上記の構成によれば、ノズルニードルが所定量以上リフトした時にのみ、ダンパ手段により制御ピストンに制動を掛けることができる。つまり、ノズルニードルの静止時（閉弁時）およびリフト量が所定量に達していない時は、ダンパ手段がオリフィスプレートに当接していないため、制御ピストンに制動が掛かることはない。これにより、開弁時の応答性が損なわれることはなく、安定した噴射特性を維持できる。

（請求項３の発明）
請求項１に記載した燃料噴射弁において、ダンパ手段は、オリフィスプレートに取り付けられ、ノズルニードルが所定量リフトした時点で、制御ピストンの反噴孔側の端面に当接し、さらにノズルニードルがリフトすることで弾性変形することを特徴とする。
上記の構成によれば、ノズルニードルが所定量以上リフトした時にのみ、ダンパ手段により制御ピストンに制動を掛けることができる。つまり、ノズルニードルの静止時（閉弁時）およびリフト量が所定量に達していない時は、ダンパ手段が制御ピストンの端面に当接していないため、制御ピストンに制動が掛かることはない。これにより、開弁時の応答性が損なわれることはなく、安定した噴射特性を維持できる。

（請求項４の発明）
請求項１〜３に記載した何れかの燃料噴射弁において、ダンパ手段は、コイルばね、板ばね、ゴム等の弾性体を用いて構成されていることを特徴とする。
この場合、コイルばね、板ばね、ゴム等の弾性体だけでダンパ手段を構成することもできるが、弾性体の過度な変形を抑制する手段を設けることもできる。つまり、弾性体が過度に変形して、弾性体の反力が必要以上に大きくなると、制御ピストンに制動を掛けるだけでなく、制御ピストンを押し返す力が発生する。この場合、制御ピストンに連結されるノズルニードルが噴孔を閉弁方向（反リフト方向）に動くと、例えば、噴射量や噴射率等の特性が変化する恐れがある。
本発明のダンパ手段は、ノズルニードルが所定量以上リフトした時に、制御ピストンに制動を掛けることで、制御ピストンがオリフィスプレートに衝突することを防止する機能を持たせたものであり、制御ピストンを押し返すことはない。

（請求項５の発明）
請求項１に記載した燃料噴射弁において、ダンパ手段は、オリフィスプレートに対向する制御ピストンの頭部（ピストン頭部と呼ぶ）を弾性変形が可能な形状に加工して設けられ、ノズルニードルが所定量リフトした時点で、ピストン頭部の端面がオリフィスプレートに当接し、さらにノズルニードルがリフトすることで弾性変形することを特徴とする。 本発明は、ダンパ手段を別部品として用いるのではなく、制御ピストンのピストン頭部にダンパ手段を加工して設けることもできる。

燃料噴射弁の断面図である。 本発明に係る要部を示す断面図である。 従来技術に係る燃料噴射弁の断面図である。

本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。

実施例１では、本発明の燃料噴射弁を、ディーゼル機関のコモンレール式燃料噴射システムに適用した一例を説明する。
燃料噴射弁１は、コモンレール（図示せず）に蓄圧された高圧燃料をエンジンの各気筒に噴射するもので、図１に示す様に、噴射弁本体２と、この噴射弁本体２の図示下端に取り付けられる噴射ノズル３と、噴射弁本体２の図示上部に取り付けられる電磁弁４等より構成される。
噴射弁本体２は、弁ボディ５と、この弁ボディ５の内部に組み込まれるシリンダ６、制御ピストン７、スプリング８等を備える。

弁ボディ５には、コモンレールより供給される高圧燃料を導入する燃料導入路９と、この燃料導入路９に連通して弁ボディ５の内部を図示上下方向に貫通する貫通孔１０と、燃料噴射システムの低圧側に通じる燃料排出路１１等が形成されている。また、貫通孔１０の一端が開口する弁ボディ５の図示上端には、オリフィスプレート１２が配設されている。このオリフィスプレート１２には、後述する制御室１３の燃料圧力を低圧側へ開放するためのアウトオリフィス１４が形成されている。
シリンダ６は、貫通孔１０の上部内周にクリアランスを有して挿入され、スプリング８の反力により、シリンダ６の上端面がオリフィスプレート１２の下端面に押し付けられて液密に当接している。

制御ピストン７は、図２に示す様に、シリンダ６の内周に摺動自在に保持される摺動部７ａと、この摺動部７ａより外径が小さく形成され、且つ、摺動部７ａの図示上側に形成されるピストン頭部７ｂと、摺動部７ａより外径が小さく形成され、且つ、摺動部７ａの図示下側に形成される細軸部７ｃと、この細軸部７ｃより外径が大きく形成され、貫通孔１０の略下端まで延びているピストン軸部７ｄなどが設けられている。
スプリング８は、シリンダ６の図示下端面と、制御ピストン７の細軸部７ｃとピストン軸部７ｄとの間に形成される段差との間に反力を蓄えた状態で配設されている。
上記の制御室１３は、図２に示す様に、シリンダ６の内周に制御ピストン７とオリフィスプレート１２とで区画された空間であり、シリンダ６に形成されたインオリフィス１５を通じて高圧燃料が常時供給される。

噴射ノズル３は、先端部に噴孔１６ａを有するノズルボディ１６と、このノズルボディ１６の内部に収容されて噴孔１６ａを開閉するノズルニードル１７とで構成され、リテーニングナット１８により噴射弁本体２に固定されている。
ノズルボディ１６には、ノズルニードル１７を収容するガイド孔が穿設され、このガイド孔の先端部に円錐状のシート面が形成されている。
ノズルニードル１７は、ガイド孔の内周に摺動自在に保持されるニードルガイド部１７ａと、このニードルガイド部１７ａより図示下方へ延びるニードル軸部１７ｂとを有し、このニードル軸部１７ｂの先端部にシート部が形成されている。ニードル軸部１７ｂは、ガイド孔の内周にクリアランスを持って挿入され、ニードルガイド部１７ａには、噴射弁本体２より供給される高圧燃料を上記クリアランスへ供給するための燃料供給通路１９が形成されている。

このノズルニードル１７は、ジョイント２０を介して制御ピストン７に連結され、制御室１３の燃料圧力（制御ピストン７の端面に作用する背圧）の増減に応じて噴孔１６ａを開閉する。つまり、制御室１３の燃料圧力が低減して、ノズルニードル１７をリフト方向（開弁方向）へ付勢する油圧力が開弁圧より高くなると、ノズルニードル１７が制御ピストン７と一体にリフトして開弁する（シート部がシート面から離れる）ことにより、噴孔１６ａより燃料が噴射される。
一方、制御室１３の燃料圧力が増大して、ノズルニードル１７をリフト方向へ付勢する油圧力が閉弁力より低くなると、ノズルニードル１７が制御ピストン７と一体に押し戻されて閉弁する（シート部がシート面に着座する）ことにより、燃料の噴射が終了する。

電磁弁４は、アウトオリフィス１４を開閉できる弁体２１と、この弁体２１の開閉動作を制御するソレノイド装置（以下に説明する）により構成され、リテーニングナット２２により噴射弁本体２に固定されている。ソレノイド装置は、外部のＥＣＵ（図示せず）により通電制御される電磁コイル２３と、この電磁コイル２３への通電によって磁化されるステータ２４と、このステータ２４に対向して可動するアーマチャ２５と、このアーマチャ２５を反ステータ方向（図示下方）へ付勢するスプリング２６等より構成される。
この電磁弁４は、電磁コイル２３に通電されると、磁化されたステータ２４にアーマチャ２５が吸引されて図示上方へ移動することにより、制御室１３の燃料圧力に弁体２１が押圧されてアウトオリフィス１４を開く。一方、電磁コイル２３への通電が停止されると、電磁石の吸引力が失われるため、スプリング２６によりアーマチャ２５が押し戻されて、弁体２１がアウトオリフィス１４を閉じる。

ここで、本発明に係るダンパ手段について説明する。
制御ピストン７には、図２に示す様に、ピストン頭部７ｂの図示上端面に、本発明のダンパ手段を構成するダンパ部材２７が配置されている。このダンパ部材２７は、例えば、荷重が加わった時に弾性変形できるバネ材（板ばね、コイルばね等）、あるいは、ゴム等の弾性体によって形成することができる。このダンパ部材２７は、ノズルニードル１７が予め決められた所定量以上リフトした時に、図２（ｃ）に示す様に、ピストン頭部７ｂとオリフィスプレート１２との間で弾性変形することにより、制御ピストン７の動きに制動を掛ける働きを有する。但し、ノズルニードル１７のリフト量が所定量に達するまでは、図２（ａ）、（ｂ）に示す様に、ダンパ部材２７がオリフィスプレート１２に当接することはなく、制御ピストン７に制動が掛かることはない。

なお、図２は、ノズルニードル１７のリフト量に応じた制御ピストン７のリフト位置を示すもので、同図（ａ）は、ノズルニードル１７の閉弁時（リフト量＝０）、同図（ｂ）は、リフト量が小さい時（リフト量が所定量に達していない時）、同図（ｃ）は、リフト量が所定量を超えた状態を示している。
ダンパ部材２７の形状は、図２に示される様な円弧状に限定されるものではなく、ノズルニードル１７が所定量以上リフトした時に、制御ピストン７に制動を掛ける働きが得られる形状であれば良い。また、図２（ｃ）では、ダンパ部材２７がアウトオリフィス１４を塞いでいる様に示されているが、ダンパ部材２７がオリフィスプレート１２に当接しても、アウトオリフィス１４を塞ぐことはなく、アウトオリフィス１４の開閉は弁体２１の開閉動作によってのみ行われる。

次に、燃料噴射弁１の作動を説明する。
電磁コイル２３への通電が停止されている状態では、弁体２１がアウトオリフィス１４を閉じているので、制御室１３の燃料圧力は高圧に保たれている。これにより、ノズルニードル１７と制御ピストン７に掛かるリフト方向の油圧力より、ノズルニードル１７を反リフト方向へ付勢する力（ノズルニードル１７と制御ピストン７に掛かる反リフト方向の油圧力＋スプリング８の反力）の方が大きくなる。その結果、ノズルニードル１７が閉弁状態を維持するため、噴孔１６ａより燃料が噴射されることはない。
一方、電磁コイル２３に通電されると、弁体２１がアウトオリフィス１４を開くことで、インオリフィス１５を通じて制御室１３へ流入する燃料流量より、制御室１３からアウトオリフィス１４を通じて流出する燃料流量の方が多くなる。その結果、制御室１３の圧力が低下するため、ノズルニードル１７をリフト方向へ付勢する油圧力が開弁圧より高くなった時点で、ノズルニードル１７がリフトして開弁することにより、噴孔１６ａから燃料が噴射される。

ノズルニードル１７のリフト量が予め決められた所定量に達すると、ダンパ部材２７がオリフィスプレート１２の下端面に当接し、さらにリフト量が大きくなるに連れて、図２（ｃ）に示す様に、ダンパ部材２７がピストン頭部７ｂとオリフィスプレート１２との間で弾性変形する。これにより、ダンパ部材２７は、弾性変形によってばね力を発生し、制御ピストン７に制動を掛ける、つまりブレーキとして作用する。その結果、制御ピストン７は、ピストン頭部７ｂの端面がオリフィスプレート１２の下端面に当接することなく停止することができる。なお、弾性変形によってダンパ部材２７に発生するばね力は、制御ピストン７を押し戻す略の大きさではなく、あくまでも、制御ピストン７の動きに制動を掛けるだけである。

（実施例１の効果）
本実施例の燃料噴射弁１は、ノズルニードル１７が所定量以上リフトすると、ダンパ部材２７によって制御ピストン７に制動が掛かるため、噴射期間中のノズルニードル１７の過剰なリフトを抑制できる。これにより、ピストン頭部７ｂの上端面がオリフィスプレート１２の下端面に当接することなく制御ピストン７の動きを止めることができるので、両部品（制御ピストン７とオリフィスプレート１２）の衝突による破損（割れや亀裂の発生等）を未然に防止できる。また、両部品が直接衝突することはないので、両部品に異常摩耗が発生することもなく、ノズルニードル１７の閉弁応答性が低下することもない。
さらに、ダンパ部材２７は、ノズルニードル１７が所定量以上リフトした時にのみ制御ピストン７に制動を掛ける働きを有し、ノズルニードル１７の静止時（閉弁時）およびリフト量が所定量に達していない時は、ダンパ部材２７がオリフィスプレート１２に当接することはなく、よって、制御ピストン７に制動が掛かることもないので、開弁時の応答性が損なわれることはなく、安定した噴射特性を維持できる。

（変形例）
実施例１では、ダンパ部材２７を制御ピストン７のピストン頭部７ｂに設置しているが、ピストン頭部７ｂに対向するオリフィスプレート１２の下端面に取り付けることも可能である。あるいは、ダンパ部材２７をピストン頭部７ｂと一体に設けることも可能である。つまり、実施例１に示されるダンパ部材２７は、制御ピストン７とは別部品であるが、例えば、ピストン頭部７ｂに複数のスリットを入れる、または、蛇腹状等に加工して、ダンパ手段を別部品ではなく、ピストン頭部７ｂ自体に設けることも出来る。

１ 燃料噴射弁
４ 電磁弁（オリフィス開閉手段）
６ シリンダ
７ 制御ピストン
７ａ 制御ピストンの摺動部
７ｂ ピストン頭部（制御ピストンの頭部）
７ｄ ピストン軸部
８ スプリング
１３ 制御室
１４ アウトオリフィス
１５ インオリフィス
１６ａ 噴孔
１７ ノズルニードル
２７ ダンパ部材（ダンパ手段）

Claims (5)

1. 噴孔を開閉するノズルニードルと、
   このノズルニードルに連結される制御ピストンと、
   この制御ピストンを摺動自在に保持するシリンダと、
   前記制御ピストンを介して前記ノズルニードルを閉弁方向へ付勢するスプリングと、
   インオリフィスを通じて高圧燃料が供給されると共に、この燃料圧力が前記ノズルニードルを閉弁方向へ付勢する背圧として前記制御ピストンに作用する制御室と、
   前記制御ピストンの反噴孔側の端面と対向して配置され、且つ、前記制御室に通じるアウトオリフィスが形成されたオリフィスプレートと、
   前記アウトオリフィスを開閉するオリフィス開閉手段とを備え、
   噴射の開始および終了に応じて前記アウトオリフィスを開閉することにより、前記制御室の燃料圧力（前記背圧）を増減させて、前記ノズルニードルにより前記噴孔を開閉する燃料噴射弁であって、
   前記制御ピストンと前記オリフィスプレートとの間にダンパ手段を配設し、このダンパ手段は、前記ノズルニードルが所定量以上リフトした時に、前記制御ピストンと前記オリフィスプレートとの間で弾性変形することにより、前記制御ピストンに制動を掛けることを特徴とする燃料噴射弁。
2. 請求項１に記載した燃料噴射弁において、
   前記ダンパ手段は、前記制御ピストンの反噴孔側の端面上に配置され、前記ノズルニードルが所定量リフトした時点で、前記オリフィスプレートに当接し、さらに前記ノズルニードルがリフトすることで弾性変形することを特徴とする燃料噴射弁。
3. 請求項１に記載した燃料噴射弁において、
   前記ダンパ手段は、前記オリフィスプレートに取り付けられ、前記ノズルニードルが所定量リフトした時点で、前記制御ピストンの反噴孔側の端面に当接し、さらに前記ノズルニードルがリフトすることで弾性変形することを特徴とする燃料噴射弁。
4. 請求項１〜３に記載した何れかの燃料噴射弁において、
   前記ダンパ手段は、コイルばね、板ばね、ゴム等の弾性体を用いて構成されていることを特徴とする燃料噴射弁。
5. 請求項１に記載した燃料噴射弁において、
   前記ダンパ手段は、前記オリフィスプレートに対向する前記制御ピストンの頭部（ピストン頭部と呼ぶ）を弾性変形が可能な形状に加工して設けられ、前記ノズルニードルが所定量リフトした時点で、前記ピストン頭部の端面が前記オリフィスプレートに当接し、さらに前記ノズルニードルがリフトすることで弾性変形することを特徴とする燃料噴射弁。

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