JP2013139712A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】着座によって引き起こされるシート部の耐久性低下や摩耗促進を抑制可能な燃料噴射弁を提供する。
【解決手段】燃料噴射弁１００は噴孔１７を開閉するノズルニードル５と、噴射指令に応じて駆動するコマンドピストン６と、ノズルニードル５とコマンドピストン６とを接続するとともに、フランジ部５ａを軸線方向においてクリアランスを有して保持し、ノズルニードル５を軸線方向に沿って移動可能に接続するコネクタ７と、ノズルニードル５が着座した状態でコネクタ７が着座可能な位置に設けられるストッパ８とを備える。コネクタ７はさらにフランジ部５ａを軸線方向に直交する方向においてクリアランスを有して保持し、ノズルニードル５を軸線方向に直交する方向に沿って移動可能に接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料噴射弁に関する。

燃料噴射弁は一般に噴孔を開閉する弁体がシート部に着座することで閉弁するように構成されている。この点、弁体の構成上、本発明と関連性があると考えられる技術が例えば特許文献１または２で開示されている。特許文献１では相互に移動自在に連結されたガイド部とシート部とで構成されたニードルが弁体として開示されている。特許文献２ではノズルニードルとコントロールピストンとを接続部材によって一体的に保持する弁体構成が開示されている。

特開平６−２４９１０４号公報 特開平９−３２６８１号公報

弁体が噴孔を開閉するノズルニードルと噴射指令に応じて駆動するコマンドピストンとに分離されていないか、或いはノズルニードルとコマンドピストンとに分離されていても一体となって着座する場合には、重量が大きい分、弁体が着座する際にシート部に作用する衝撃力が大きくなる。このため、この場合には重量が大きい分、シート部の耐久性低下や摩耗促進を招く虞がある。

本発明は上記課題に鑑み、着座によって引き起こされるシート部の耐久性低下や摩耗促進を抑制可能な燃料噴射弁を提供することを目的とする。

本発明は噴孔を開閉するノズルニードルと、噴射指令に応じて駆動するコマンドピストンと、前記ノズルニードルと前記コマンドピストンとを接続するとともに、前記ノズルニードルの被接続部を軸線方向においてクリアランスを有して保持することで、前記ノズルニードルを軸線方向に沿って移動可能に接続するコネクタと、前記ノズルニードルが着座した状態で前記コネクタが着座可能な位置に設けられるストッパとを備える燃料噴射弁である。

本発明は前記コネクタがさらに前記被接続部を軸線方向に直交する方向においてクリアランスを有して保持することで、前記ノズルニードルを軸線方向に直交する方向に沿って移動可能に接続する構成とすることができる。

本発明によれば、着座によって引き起こされるシート部の耐久性低下や摩耗促進を抑制できる。

燃料噴射弁の概略構成図である。 コネクタの単体図である。 燃料噴射弁の動作説明図である。 各種の変化をタイミングチャートで示す図である。

図面を用いて、本発明の実施例について説明する。

図１は燃料噴射弁１００の概略構成図である。燃料噴射弁１００は第１のボディ１、第２のボディ２、第３のボディ３および第４のボディ４を備えている。また、主な構成として例えばノズルニードル５とコマンドピストン６とコネクタ７とストッパ８と磁気回路９と第１のスプリング１９と第２のスプリング３７とを備えている。ボディ１、２、３、４は燃料噴射弁１００の先端側からこの順に設けられている。ボディ１、２、３、４は図示しないリテーニングナットを締結することで一体化されている。

第１のボディ１には第１の収容部１０が設けられている。第１の収容部１０は燃料噴射弁１００の軸線方向に沿って延伸しており、ノズルニードル５を摺動自在に収容する。第１の収容部１０には先端側から順にシート部１１、第１の燃料通路部１２、燃料溜まり部１３、第１の摺動部１４、第１の拡径部１５および第１のストッパ設置部１６が隣接して設けられている。第１のボディ１には第１の収容部１０のほか、噴孔１７や第２の燃料通路部１８が設けられている。また、ストッパ８や第１のスプリング１９が設けられている。

シート部１１は第１の収容部１０の底部をなしており、円錐内面状の面を有している。シート部１１には噴孔１７を開閉するノズルニードル５が着座する。噴孔１７は第１のボディ１の先端部で内外を連通しており、ノズルニードル５がシート部１１に着座した状態で燃料供給が遮断され、ノズルニードル５がリフトした状態で燃料供給が可能になる位置に設けられている。

第１の燃料通路部１２はノズルニードル５とともに燃料通路を形成している。この燃料通路は第１の燃料通路部１２と第１の摺動部１４の径を互いに等しくする一方で、ノズルニードル５のうち、第１の燃料通路部１２に対応する部分を第１の摺動部１４に対応する部分よりも縮径させることで設けられている。燃料溜まり部１３は第１の燃料通路部１２よりも拡径した部分となっており、燃料溜まり部１３には第２の燃料通路部１８が連通している。第１のボディ１において、燃料は第２の燃料通路部１８、燃料溜まり部１３、第１の燃料通路部１２および噴孔１７の順に流通する。

第１の摺動部１４はノズルニードル５が摺動する部分となっている。第１の拡径部１５は第１のスプリング室Ｒ１を形成している。第１の拡径部１５の径は第１の摺動部１４の径よりも大きく設定されている。第１のスプリング室Ｒ１にはノズルニードル５を挿通した状態で第１のスプリング１９が設けられている。第１のスプリング１９はノズルニードル５をシート部１１に向かって付勢する。この点、第１のスプリング１９に対しては先端側にプレート５１および固定プレート５２が、後端側にストッパ８がそれぞれ配置されている。

プレート５１と固定リング５２とはノズルニードル５に設けられている。プレート５１は第１のスプリング１９のうち、先端側の端部が当接する部分となっており、固定リング５２を介して第１のスプリング１９の荷重をノズルニードル５に伝達する。ストッパ８は第１のストッパ設置部１６に設けられており、ストッパ８には第１のスプリング１９のうち、後端側の端部が当接する。ストッパ８はノズルニードル５を挿通可能なリング状の形状を有しており、ボディ１、２に挟まれることで固定されている。第１のストッパ設置部１６の径は第１の拡径部１５の径よりも大きく設定されている。

第２のボディ２には第２の収容部２０と第３の燃料通路部２１とが設けられている。第２の収容部２０は燃料噴射弁１００の軸線方向に沿って延伸しており、コネクタ７を移動自在に収容する。第２の収容部２０は第１の収容部１０と同心になるように設けられている。第２の収容部２０の径は第１の拡径部１５の径よりも大きく、且つ第１のストッパ設置部１６の径よりも小さく設定されている。第３の燃料通路部２１は下流側で第２の燃料通路部１８に接続されるように設けられており、第２の燃料通路部１８に燃料を供給する。

コネクタ７はノズルニードル５とコマンドピストン６とを接続している。この点、ノズルニードル５は後端部にフランジ部５ａを、コマンドピストン６は先端部にフランジ部６ａを備えている。フランジ部５ａ、６ａはともに被接続部であり、コネクタ７はフランジ部５ａを保持するとともにフランジ部６ａを保持することで、ノズルニードル５とコマンドピストン６とを接続する。コネクタ７は具体的にはフランジ部６ａについては軸線方向に沿った移動を規制した状態で保持する一方、フランジ部５ａについては移動自在に保持する。この点については後に詳述する。

第３のボディ３には第３の収容部３０が設けられている。第３の収容部３０は燃料噴射弁１００の軸線方向に沿って延伸しており、コマンドピストン６を摺動自在に収容する。第３の収容部３０は第１の収容部１０と同心になるように設けられている。第３の収容部３０には先端側から順に第２の拡径部３１、第４の燃料通路部３２、第２の摺動部３３、ダンパー部３４および第２のストッパ設置部３５が隣接して設けられている。第３のボディ３には第３の収容部３０のほか、第５の燃料通路部３６が設けられている。また、第２のスプリング３７やストッパプレート３８やオリフィスブロック３９が設けられている。

第２の拡径部３１は第２の収容部２０とともに第２のスプリング室Ｒ２を形成している。第２の拡径部３１の径は第２の収容部２０の径と同等の大きさに設定されている。第２のスプリング室Ｒ２には、コマンドピストン６を挿通した状態で第２のスプリング３７が設けられている。第２のスプリング３７はコネクタ７をシート部１１に向かって付勢する。この点、第２のスプリング３７は先端側でコネクタ７に当接するとともに、後端側で第２の拡径部３１と第４の燃料通路部３２との段差部に当接するように設けられている。

第４の燃料通路部３２はコマンドピストン６とともに燃料通路を形成している。この燃料通路は第４の燃料通路部３２の径を第２の拡径部３１の径よりも小さく、且つ第２の摺動部３３の径よりも大きく設定することで設けられている。第２の摺動部３３はコマンドピストン６が摺動する部分となっている。ダンパー部３４はコマンドピストン６の円板部６１を摺動自在に収容している。円板部６１はコマンドピストン６のうち、第２の摺動部３３に対応する部分よりも後端側で当該部分よりも径が大きく設定された部分となっている。ダンパー部３４の径は円板部６１の径と同等に設定されている。

ストッパプレート３８は第２のストッパ設置部３５に設けられている。ストッパプレート３８には円板部６１が先端側から当接する。そしてこれにより、コマンドピストン６のリフト量が規制されると同時にノズルニードル５のリフト量が規制される。ストッパプレート３８はコマンドピストン６のうち、円板部６１よりも後端側の部分を挿通可能なリング状の形状を有しており、ボディ３、４に挟まれることで固定されている。第２のストッパ設置部３５の径はダンパー部３４の径よりも大きく設定されている。

ダンパー部３４が形成する空間のうち、円板部６１によって仕切られる部分はダンパー室Ｒ３となっている。ダンパー室Ｒ３はオリフィスブロック３９を介して第５の燃料通路部３６と連通している。オリフィスブロック３９はオリフィス３９ａを有しており、ダンパー室Ｒ３と第５の燃料通路部３６との間で燃料の出入りを調整する。そしてこれにより、コマンドピストン６の移動速度が過度に大きくなることを防止する。

第５の燃料通路部３６は燃料入口部３６ａを備えている。第５の燃料通路部３６は燃料入口部３６ａからダンパー室Ｒ３、第３の燃料通路部２１および第４の燃料通路部３２に分岐接続している。第５の燃料通路部３６のうち、第３の燃料通路部２１に分岐接続している部分は第３の燃料通路部２１に燃料を供給する。第５の燃料通路部３６のうち、第４の燃料通路部３２に分岐接続している部分は第４の燃料通路部３２を介してスプリング室Ｒ１、Ｒ２と連通している。

第４のボディ４には第４の収容部４０が設けられている。また、磁気回路９と固定リング４１とが設けられている。第４の収容部４０は燃料噴射弁１００の軸線に沿って延伸しており、第１の収容部１０と同心になるように設けられている。第４の収容部４０の径はダンパー部３４の径と同等に設定されている。第４の収容部４０にはコマンドピストン６のうち、円板部６１よりも後端側の部分が磁気回路９とともに収容されている。

磁気回路９は固定リング４１によって第４の収容部４０の後端側に固定されている。第４の収容部４０の先端側には図示しない燃料通路を介して燃料入口部３６ａと連通する空間が設けられている。この点、開弁時に円板部６１がストッパプレート３８に衝突することで発生し得る跳ね返りに対しては、円板部６１、ストッパプレート３８間に存在する燃料にスクイーズ力が作用することで防止される。

磁気回路９はアーマチャ９１と内部ステータ９２と外周ステータ９３とボビン９４とコイル９５とを備えている。磁気回路９ではコイル９５に通電することで、アーマチャ９１が内部ステータ９２に吸引されるようになっており、アーマチャ９１にはコマンドピストン６の後端部が固定されている。このため、燃料噴射弁１００では噴射指令に応じてコイル９５に通電することで、噴射指令に応じてコマンドピストン６が駆動する。

コマンドピストン６は具体的には噴射指令に応じてリフトする。そして、このときコネクタ７で接続されたノズルニードル５もコマンドピストン６とともにリフトする。なお、第４のボディ４は非磁性体であることが好ましい。これにより、磁束の漏れを低減することで磁気回路９の性能を高めることができる。

図２はコネクタ７の説明図である。図２（ａ）はコネクタ７の上面図である。図２（ｂ）はコネクタ７の正面図である。図２（ｃ）はコネクタ７の下面図である。図２（ｄ）はノズルニードル５とコマンドピストン６とを接続した状態でコネクタ７を示す図である。コネクタ７は円柱状の部材を軸方向に沿って中央の部分を残しつつ面で切り落とした形状を有しており、第１の溝部７ａ、第２の溝部７ｂ、第３の溝部７ｃおよび第４の溝部７ｄを備えている。第１の溝部７ａはフランジ部５ａを、第２の溝部７ｂは首部５ｂを、第３の溝部７ｃフランジ部６ａを、第４の溝部７ｄは首部６ｂを軸線方向に直交する方向に沿って挿入可能に設けられている。

首部５ｂはノズルニードル５のうち、フランジ部５ａを形成するにあたって縮径された部分であり、フランジ部５ａとノズルニードル５の本体部（ノズルニードル５のうち、フランジ部５ａおよび首部５ｂを除く部分）とを連結する連結部となっている。首部６ｂはコマンドピストン６のうち、フランジ部６ａを形成するにあたって縮径された部分であり、フランジ部６ａとコマンドピストン６の本体部（コマンドピストン６のうち、フランジ部６ａおよび首部６ｂを除く部分）とを連結する連結部となっている。

溝部７ａから７ｄは具体的にはコネクタ７のうち、切り落とした部分に形成される平面から、フランジ部５ａ、首部５ｂ、フランジ部６ａおよび首部６ｂのうち、対応する部位の径に応じた幅で径方向に沿ってそれぞれ延伸するように設けられている。そして、コネクタ７の中央で対応する部位の周縁部に沿った形状の端部を有するように設けられている。

第３の溝部７ｃの軸線方向に沿った幅はフランジ部６ａの軸線方向に沿った全長と同等に設定されている。そしてこれにより、コネクタ７は軸線方向に沿った移動を規制した状態でフランジ部６ａを保持する。一方、第１の溝部７ａの軸線方向に沿った幅はフランジ部５ａの軸線方向に沿った幅よりも大きく設定されている。そしてこれにより、コネクタ７はフランジ部５ａを軸線方向に沿って移動自在に保持する。すなわち、コネクタ７は具体的にはこのようにしてフランジ部５ａを軸線方向においてクリアランスを有して保持し、ノズルニードル５を軸線方向に沿って移動可能に接続する。

このようにノズルニードル５を接続するにあたり、首部５ｂの軸線方向に沿った長さは第２の溝部７ｂの軸線方向に沿った長さよりも大きくなるように設定されている。そしてこれにより、コネクタ７がフランジ部５ａを軸線方向に沿って移動自在に保持することを可能にする。首部５ｂの軸線方向に沿った長さは具体的には首部５ｂの軸線方向に沿った長さから第２の溝部７ｂの軸線方向に沿った長さを引いた長さが上記クリアランスの大きさよりも大きくなるように設定されている。これにより、上記クリアランスの大きさの範囲内でノズルニードル５を軸線方向に沿って移動自在に保持することができる。

フランジ部５ａはさらにコネクタ７と軸芯を合わせた状態で周縁部が第１の溝部７ａに当接しないように径が設定されている。そしてこれにより、コネクタ７はフランジ部５ａを軸線方向に直交する方向に沿って移動自在に保持する。すなわち、コネクタ７は具体的にはこのようにしてフランジ部５ａを軸線方向に直交する方向においてクリアランスを有して保持し、ノズルニードル５を軸線方向に直交する方向に沿って移動可能に接続する。

このようにノズルニードル５を接続するにあたり、首部５ｂもフランジ部５ａと同様にコネクタ７と軸芯を合わせた状態で周縁部が第２の溝部７ｂに当接しないように径が設定されている。そしてこれにより、コネクタ７がフランジ部５ａを軸線方向に直交する方向に沿って移動自在に保持することを可能にする。この点、ノズルニードル５の軸線方向に直交する方向に沿った移動はフランジ部５ａが第１の溝部７ａに当接する前に首部５ｂが第２の溝部７ｂに当接することによって規制されるようになっていてよい。

コネクタ７はフランジ部５ａと同様にして、或いはフランジ部５ａの代わりにフランジ部６ａを軸線方向に直交する方向においてクリアランスを有して保持し、コマンドピストン６を軸線方向に直交する方向に沿って移動可能に接続することができる。この場合にもコネクタ７と軸芯を合わせた状態で周縁部が第４の溝部７ｄに当接しないように首部６ｂの径を設定することで、コネクタ７がフランジ部６ａを軸線方向に直交する方向に沿って移動自在に保持することを可能にすることができる。

図３は燃料噴射弁１００の動作説明図である。図３（ａ）は閉弁時、ノズルニードル５が下降中の状態を示す。図３（ｂ）は図３（ａ）に示す状態に続き、ノズルニードル５がシート部１１に着座した瞬間の状態を示す。図３（ｃ）は図３（ｂ）に示す状態に続き、コネクタ７がストッパ８に衝突した状態を示す。図３（ｄ）は図３（ｃ）に示す状態に続き、コネクタ７が跳ね返った状態を示す。

図３（ａ）に示す状態からノズルニードル５がシート部１１に着座した瞬間においては、図３（ｂ）に示すようにフランジ部５ａの後端側の面と第１の溝部７ａの後端側の面と間にギャップＡが存在している。また、コネクタ７の先端側の面とストッパ８の後端側の面との間にギャップＢが存在している。ノズルニードル５とコマンドピストン６とはギャップＡを最大離間距離として一体的に動作することができる。ギャップＡはギャップＢよりも大きくなるように設定されている。

そしてかかる設定のもと、ストッパ８はノズルニードル５が着座した状態でコネクタ７が着座可能な位置に設けられている。したがって、ノズルニードル５は単体でシート部１１に衝突し、その後にコネクタ７がコマンドピストン６とともにノズルニードル５に衝突することで、シート部１１に衝撃が加わることはない。

図３（ｂ）に示す状態から時間が経過すると、図３（ｃ）に示すようにコネクタ７がストッパ８に衝突する。このとき、コネクタ７はコマンドピストン６と一体となってストッパ８に衝突する。コネクタ７がストッパ８に衝突した状態においては、フランジ部５ａの先端側の面と第１の溝部７ａの先端側の面との間にギャップＢ相当のギャップＢ´が形成される。

図３（ｃ）に示す状態から時間が経過すると、図３（ｄ）に示すようにコネクタ７がコマンドピストン６と一体となって跳ね返る。コネクタ７が跳ね返った状態においては、コネクタ７の先端側の面とストッパ８の後端側の面との間にギャップＣが形成される。そして、ギャップＣがギャップＢよりも小さい場合には、フランジ部５ａの先端側の面と第１の溝部７ａの先端側の面との間にギャップＤが形成される。

この点、ギャップＢはコネクタ７の跳ね返りによって形成されるギャップＣよりも大きくなるように設定されている。ギャップＢがギャップＣよりも大きくなるように設定するには、ギャップＢを例えば２０μｍから５０μｍ程度の大きさに設定できる。このように設定することで、コネクタ７の跳ね返りに応じてノズルニードル５がリフトする結果、二次噴射が発生することを防止できる。

図４は燃料噴射弁１００の動作に応じた各種のパラメータの変化をタイミングチャートで示す図である。図４では各種のパラメータの変化として、燃料噴射時の指令信号の変化、コマンドピストン６のリフト量の変化、ノズルニードル５のリフト量の変化および噴射率の変化を示す。図４ではノズルニードル５とコマンドピストン６とが一体となって着座する場合の変化についても細線で併せて示す。

図４に示すように指令信号が出力されると、これに応じてコマンドピストン６がリフトする。そしてこれにより、コネクタ７を介してノズルニードル５がリフトする結果、燃料噴射弁１００が開弁する。噴射率はコマンドピストン６およびノズルニードル５のリフト量が増加するに従って上昇し、コマンドピストン６およびノズルニードル５のリフト量が最大になると一定となる。その後、指令信号の出力が停止すると、ノズルニードル５やコネクタ７は閉弁方向に付勢される。結果、コマンドピストン６およびノズルニードル５のリフト量が減少するとともに、噴射率が低下する。

その後、コマンドピストン６のリフト量はコマンドピストン６がコネクタ７とともに着座時に跳ね返る結果、ゼロになった後に上下に変動し、減衰しながらゼロになる。一方、ノズルニードル５のリフト量はゼロになった後、そのまま安定する。これは、コマンドピストン６がコネクタ７とともに着座する場合には、重量が大きいことから跳ね返りが抑制し切れなくなっている一方で、ノズルニードル５が単体で着座する場合には軽量であることから、跳ね返りが抑制されることによる。この場合には噴射率もゼロになった後、そのまま安定する。

ノズルニードル５およびコマンドピストン６が一体となって着座する場合には、ノズルニードル５がコマンドピストン６とともに着座時に跳ね返る結果、細線で示すようにノズルニードル５のリフト量がコマンドピストン６と同様に変化することで噴射率も変化し、二次噴射が発生する。すなわち、ノズルニードル５およびコマンドピストン６が一体となって着座する場合には、重量が大きいことから跳ね返りを抑制し切れない結果、二次噴射が発生するようになっている。

次に燃料噴射弁１００の作用効果について説明する。燃料噴射弁１００では、ノズルニードル５とコマンドピストン６とを接続するコネクタ７がフランジ部５ａを軸線方向においてクリアランスを有して保持し、ノズルニードル５を軸線方向に沿って移動可能に接続している。そして、ノズルニードル５が着座した状態でコネクタ７が着座可能な位置にストッパ８を設けている。

このため、燃料噴射弁１００は閉弁時にノズルニードル５を単体でシート部１１に衝突させるとともに、コネクタ７をコマンドピストン６とともにストッパ８に衝突させることができる。結果、着座時にシート部１１に作用する衝撃力を緩和できることから、着座によって引き起こされるシート部１１の耐久性低下や磨耗促進を抑制できる。また、軽量となるノズルニードル５単体をシート部１１に着座させることから、ノズルニードル５単体の跳ね返りに起因する二次噴射の発生も容易に防止できる。

燃料噴射弁１００ではコネクタ７がさらにフランジ部５ａを軸線方向に直交する方向においてクリアランスを有して保持し、ノズルニードル５を軸線方向に直交する方向に沿って移動可能に接続する。このため、燃料噴射弁１００は製造時に発生するノズルニードル５とコマンドピストン６との軸芯のずれを吸収することもできる。

燃料噴射弁１００はストッパ８に着座したコネクタ７が跳ね返ることでコネクタ７、ストッパ８間に形成されるギャップＣよりも、ノズルニードル５が着座した瞬間にコネクタ７、ストッパ８間に形成されるギャップＢのほうが大きくなるようにギャップＢを設定することで、コネクタ７の跳ね返りに応じてノズルニードル５がリフトすることも防止できる。結果、コネクタ７の跳ね返りに起因して二次噴射が発生することも防止できる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

ノズルニードル ５
フランジ部 ５ａ
コマンドピストン ６
コネクタ ７
ストッパ ８
燃料噴射弁 １００

Claims (2)

1. 噴孔を開閉するノズルニードルと、
   噴射指令に応じて駆動するコマンドピストンと、
   前記ノズルニードルと前記コマンドピストンとを接続するとともに、前記ノズルニードルの被接続部を軸線方向においてクリアランスを有して保持し、前記ノズルニードルを軸線方向に沿って移動可能に接続するコネクタと、
   前記ノズルニードルが着座した状態で前記コネクタが着座可能な位置に設けられるストッパとを備える燃料噴射弁。
2. 請求項１記載の燃料噴射弁であって、
   前記コネクタがさらに前記被接続部および前記コマンドピストンの被接続部のうち、少なくともいずれか一方を軸線方向に直交する方向においてクリアランスを有して保持し、前記ノズルニードルおよび前記コマンドピストンのうち、少なくともいずれか一方を軸線方向に直交する方向に沿って移動可能に接続する燃料噴射弁。

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