JP2015140681A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】制御室の圧力を制御してノズルニードルを作動させる形式の燃料噴射弁において、燃料噴射開始時や燃料噴射終了時の燃料噴射弁の応答性を向上させる。
【解決手段】制御室２６の高圧燃料が中間室３２３および排出通路３１３、３１５を介して低圧部に排出される燃料噴射弁において、中間室３２３に連通するスプリング室３２５を設け、弁体３３の軸部３３２をスプリング室３２５における中間室３２３側の部位に摺動自在に挿入して、スプリング３４が配置されるスプリング室３２５と中間室３２３とを分離する。これにより、中間室３２３の容積を小さくすることができるため、中間室３２３の圧力低下や圧力上昇が速くなり、燃料噴射開始時や燃料噴射終了時の燃料噴射弁の応答性を向上させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料を内燃機関の燃焼室に噴射するための燃料噴射弁に関する。

従来、この種の燃料噴射弁として、例えば特許文献１に記載されたものがある。この特許文献１に記載された燃料噴射弁は、噴孔を開閉するノズルニードルを備え、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ている。また、高圧燃料を制御室に供給する高圧供給通路と、制御室の燃料を低圧部に排出させる排出通路とを備え、制御室と排出通路との間に中間室が形成され、中間室に制御弁が配置されている。この制御弁は、中間室と排出通路との間を開閉する弁体およびその弁体を閉弁向きに付勢するスプリングを備えている。

そして、制御弁を開弁させて制御室の燃料を低圧部に排出させることにより、ノズルニードルを開弁向きに作動させて燃料噴射を開始し、また、制御弁を閉弁させて制御室に高圧燃料を流入させることにより、ノズルニードルを閉弁向きに作動させて燃料噴射を終了させるようになっている。

特許第３８２７００３号明細書

しかしながら、従来の燃料噴射弁は、弁体およびスプリングがともに中間室に配置されているため中間室の容積が増加する。その結果、燃料噴射を開始させる際には、制御弁の開弁後の中間室圧の低下が遅れ、ひいては制御室圧の低下が遅れて、燃料噴射開始時の燃料噴射弁の応答性が低下する。また、燃料噴射を終了させる際には、制御弁の閉弁後の中間室圧の上昇が遅れ、ひいては制御室圧の上昇が遅れて、燃料噴射終了時の燃料噴射弁の応答性が低下する。

本発明は上記点に鑑みて、制御室の圧力を制御してノズルニードルを作動させる形式の燃料噴射弁において、燃料噴射開始時や燃料噴射終了時の燃料噴射弁の応答性を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、高圧燃料を内燃機関の燃焼室に噴射するための噴孔（２１１）を有するノズルボデー（２１）と、ノズルボデー内で往復動して噴孔を開閉するノズルニードル（２２）と、ノズルニードルに閉弁向きの燃料圧力を作用させる制御室（２６）と、制御室と連通する中間室（３２３）と、中間室の燃料を低圧部に排出させる排出通路（３１３、３１５）と、高圧燃料を制御室に供給する高圧供給通路（３２２）と、中間室に連通するスプリング室（３２５）と、中間室に配置され、中間室と排出通路との間を開閉する弁部（３３１）、および、スプリング室における中間室側の部位に摺動自在に挿入され、中間室とスプリング室とを分離する軸部（３３２）を有する弁体（３３）と、スプリング室内に配置され、軸部に当接して弁体を付勢するスプリング（３４）とを備えることを特徴とする。

これによると、中間室にはスプリングが配置されないため中間室の容積を小さくすることができる。したがって、弁体の開弁後の中間室圧の低下が速くなり、また、弁体の閉弁後の中間室圧の上昇が速くなり、燃料噴射開始時や燃料噴射終了時の燃料噴射弁の応答性を向上させることができる。

なお、この欄および特許請求の範囲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係る燃料噴射弁の構成を示す断面図である。 一実施形態に係る燃料噴射弁の要部の拡大断面図である。 一実施形態に係る燃料噴射弁および従来の燃料噴射弁の作動特性を比較するためのタイムチャートである。 一実施形態に係る燃料噴射弁の第１変形例を示す要部の断面図である。 一実施形態に係る燃料噴射弁の第２変形例を示す要部の断面図である。

以下、本発明の一実施形態について図に基づいて説明する。

図１、図２に示す本実施形態の燃料噴射弁は、コモンレール（図示せず）から供給される高圧燃料を、圧縮着火式内燃機関（以下、内燃機関という。図示せず）の燃焼室に噴射するものである。

燃料噴射弁は、インジェクタボデー１、ノズル２、制御弁機構３、アクチュエータ４、変位伝達機構５、リテーニングナット６を、主要構成要素として備えている。

略円筒状のインジェクタボデー１には、コモンレールから供給される高圧燃料が流通する高圧燃料通路１１と、アクチュエータ４および変位伝達機構５が収納される収納室１２が形成されている。この収納室１２は、図示しない燃料タンクに接続されており、常に低圧になっている。なお、収納室１２は、本発明の低圧部に相当する。

ノズル２は、略有底円筒状のノズルボデー２１、ノズルボデー２１に摺動自在に挿入された略円柱状のノズルニードル２２、ノズルニードル２２を閉弁向きに付勢するノズルスプリング２３、および円筒状のノズルシリンダ２４を備えている。

ノズルボデー２１には、高圧燃料を内燃機関の燃焼室に噴出させる噴孔２１１が形成され、ノズルニードル２２の先端部（すなわち、噴孔側端部）がノズルボデー２１に接離することにより噴孔２１１が開閉されるようになっている。

ノズルボデー２１内には、コモンレールから高圧燃料が常時供給される高圧部としての燃料溜まり室２５が形成され、コモンレールからの高圧燃料は燃料溜まり室２５を介して噴孔２１１に向かって流れるようになっている。

ノズルシリンダ２４は、ノズルスプリング２３によって後述する第２中間ボデー３２に押し付けられ、ノズルニードル２２の後端部（すなわち、反噴孔側端部）がノズルシリンダ２４に挿入されている。

このノズルシリンダ２４内には、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２２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、燃料溜まり室２５の燃料圧力により開弁向きに付勢される。また、ノズルシリンダ２４には、制御室２６を区画する内壁面にストッパ面２４１が形成されている。

制御室２６の圧力を制御する制御弁機構３は、第１中間ボデー３１、第２中間ボデー３２、弁体３３、弁体スプリング３４、ロッド３５、制御プレート３６、およびプレートスプリング３７を備えている。

そして、第１中間ボデー３１および第２中間ボデー３２をインジェクタボデー１とノズル２との間に挟持し、インジェクタボデー１とリテーニングナット５とを螺合させることにより、燃料噴射弁の構成要素が一体化されている。

第１中間ボデー３１と第２中間ボデー３２は積層され、第１中間ボデー３１がインジェクタボデー１と当接し、第２中間ボデー３２がノズルボデー２１と当接している。

第１中間ボデー３１および第２中間ボデー３２には、インジェクタボデー１の高圧燃料通路１１とノズルボデー２１内の燃料溜まり室２５とを連通させる高圧燃料通路３１１、３２１が形成されている。

第２中間ボデー３２には、高圧燃料通路３２１と制御室２６とを連通させて高圧燃料を制御室２６に供給する高圧供給通路３２２が形成されている。

第２中間ボデー３２における第１中間ボデー３１側には、中間室３２３が形成されている。この中間室３２３は、第２中間ボデー３２に形成された第１連絡通路３２４を介して制御室２６と常時連通している。

第２中間ボデー３２には、中間室３２３の底部からノズルボデー２１側に向かって延びるスプリング室３２５が形成されている。このスプリング室３２５は、第２中間ボデー３２に形成された第２連絡通路３２６を介して燃料溜まり室２５と常時連通している。

第２中間ボデー３２には、高圧供給通路３２２における制御室２６側の開口部周囲に、平坦なボデー高圧シート面３２７が形成されている。

第１中間ボデー３１には、一端側が収納室１２に連通し、且つロッド３５が摺動自在に挿入されるロッド挿入孔３１２が形成されている。第１中間ボデー３１には、一端側が中間室３２３に連通し、他端側がロッド挿入孔３１２に連通する第１排出通路３１３が形成されている。この第１排出通路３１３は、ロッド挿入孔３１２よりも大径であり、ロッド３５の外周側を燃料が容易に流通可能になっている。

第１中間ボデー３１には、第１排出通路３１３における中間室３２３側の開口部周囲に、平坦なボデー低圧シート面３１４が形成されている。第１中間ボデー３１には、収納室１２と第１排出通路３１３とを連通させる第２排出通路３１５が形成されている。そして、中間室３２３の燃料は、第１排出通路３１３および第２排出通路３１５を介して収納室１２に排出可能になっている。なお、第１排出通路３１３および第２排出通路３１５は、本発明の排出通路を構成している。

弁体３３は、弁部３３１と、軸部３３２とを備えている。弁部３３１は、円板状であり、中間室３２３に配置され、ボデー低圧シート面３１４に対向する部位に平坦な弁部低圧シート面３３１ａが形成されている。そして、弁部３３１は、弁部低圧シート面３３１ａがボデー低圧シート面３１４と接離して中間室３２３と第１排出通路３１３との間を開閉するようになっている。

軸部３３２は、円柱状であり、スプリング室３２５における中間室３２３側の部位に摺動自在に挿入され、スプリング室３２５における反中間室側の空間と中間室３２３とを分離している。

弁体スプリング３４は、スプリング室３２５に配置され、軸部３３２に当接して弁体３３をボデー低圧シート面３１４に向かって付勢している。

制御プレート３６は、円板状であり、制御室２６に配置され、ボデー高圧シート面３２７に対向する部位に平坦なプレートシート面３６１が形成されている。そして、制御プレート３６は、ボデー高圧シート面３２７とストッパ面２４１との間で往復変位し、プレートシート面３６１がボデー高圧シート面３２７と接離して制御室２６と高圧供給通路３２２との間を開閉するようになっている。

なお、制御プレート３６がストッパ面２４１に当接した状態では、制御プレート３６により制御室２６は２つの空間に分離される。具体的には、制御プレート３６と第２中間ボデー３２との間に形成される制御室（以下、必要に応じてこの空間を中間ボデー側制御室という）と、制御プレート３６とノズルニードル２との間に形成される制御室（以下、必要に応じてこの空間をニードル側制御室という）とに分離される。

プレートスプリング３７は、制御室２６に配置され、制御プレート３６をボデー高圧シート面３２７に向かって付勢している。

制御プレート３６の径方向中心部には、制御プレート３６の軸方向に貫通する連通孔３６２が形成されている。

そして、制御プレート３６がボデー高圧シート面３２７に当接することにより、高圧供給通路３２２が閉塞されて、制御室２６と高圧供給通路３２２との間が閉じられるようになっている。また、制御プレート３６がボデー高圧シート面３２７に当接した状態のとき、連通孔３６２と第１連絡通路３２４は連通している。

駆動手段としてのアクチュエータ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円柱状のピエゾ素子積層体にて構成されている。

変位伝達機構５は、ピストンシリンダ５１と、ピストンシリンダ５１内に摺動自在に挿入された２つのピストン５２、５３とを備えている。２つのピストン５２、５３間には、燃料が充填された液室５４が形成されている。

第１ピストン５２は、アクチュエータ４により直接駆動されるようになっている。そして、アクチュエータ４の伸長時には、第１ピストン５２により液室５４の圧力が高められるようになっている。

第２ピストン５３は、第１ピストン５２よりも小径で、液室５４の圧力を受けて作動し、第２ピストン５３の変位は、ロッド３５を介して弁体３３に伝達されるようになっている。

そして、アクチュエータ４の伸長時には、アクチュエータ４により弁体３３がボデー低圧シート面３１４から離れる向きに駆動されるようになっている。その際、アクチュエータ４の長さの変化は、第１ピストン５２と第２ピストン５３の受圧面積比分拡大されて、弁体３３に伝達される。

次に、上記燃料噴射弁の作動を説明する。まず、ニードル閉弁状態（すなわち、噴孔２１１が閉状態）のときに、アクチュエータ４に電荷が充電されると、アクチュエータ４が伸長して第１ピストン５２が駆動され、第１ピストン５２により液室５４の圧力が高められる。高圧化された液室５４の圧力により、第２ピストン５３が弁体３３側に向かって駆動される。

また、第２ピストン５３の変位がロッド３５を介して弁体３３に伝達されることにより、弁体３３が弁体スプリング３４の付勢力に抗して、ボデー低圧シート面３１４から離れる向きに駆動される。

そして、この弁体３３の移動により、弁体３３がボデー低圧シート面３１４から離れて中間室３２３と第１排出通路３１３との間が連通すると、中間室３２３や第１連絡通路３２４の燃料が収納室１２に流出して、制御室２６のうち中間ボデー側制御室の圧力が下がる。

これにより、中間ボデー側制御室の圧力にて制御プレート３６がノズルニードル２側に向かって付勢される力よりも、ニードル側制御室の圧力にて制御プレート３６が第２中間ボデー３２側に向かって付勢される力の方が大きくなるため、制御プレート３６が第２中間ボデー３２側に向かって移動する。

そして、制御プレート３６がボデー高圧シート面３２７に当接し、制御プレート３６により高圧供給通路３２２が閉塞されて、中間ボデー側制御室への高圧燃料の供給が停止される。また、ニードル側制御室の燃料が、連通孔３６２や第１連絡通路３２４等を介して収納室１２に流出し、ニードル側制御室の圧力が下がる。これにより、ノズルニードル２２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２２が開弁向きに移動し、噴孔２１１から内燃機関の燃焼室内に燃料が噴射される。

その後、アクチュエータ４の電荷を放電させると、アクチュエータ４が収縮して液室５４の圧力が低下するため、弁体３３、ロッド３５、および第２ピストン５３が、弁体スプリング３４により押し戻される。

この弁体３３の移動により、弁体３３がボデー低圧シート面３１４に当接して中間室３２３と第１排出通路３１３との間が閉じられると、中間室３２３や第１連絡通路３２４の燃料の流出が止まり、第１連絡通路３２４と中間ボデー側制御室が同圧になる。

これにより、ニードル側制御室の圧力にて制御プレート３６が第２中間ボデー３２側に向かって付勢される力よりも、第１連絡通路３２４および高圧供給通路３２２の圧力にて制御プレート３６がノズルニードル２側に向かって付勢される力の方が大きくなるため、制御プレート３６がノズルニードル２側に向かって移動する。

そして、制御プレート３６がストッパ面２４１に当接し、高圧供給通路３２２から中間ボデー側制御室に流入した高圧燃料は、連通孔３６２を介してニードル側制御室に流入する。このように、ニードル側制御室に高圧燃料が流入することにより、ノズルニードル２が閉弁向きに移動し、噴孔２１１が閉じられて燃料噴射が終了する。

次に、本実施形態の燃料噴射弁および従来の燃料噴射弁の作動特性の違いを、図３に基づいて説明する。

なお、図３において、実線は本実施形態に係る燃料噴射弁の特性線であり、一点鎖線は従来の燃料噴射弁の特性線である。また、図３において、Ｐｌは、制御プレート３６がノズルニードル２側に向かって移動を開始する際の制御室２６（より詳細には、中間ボデー側制御室）の燃料圧力である。

本実施形態に係る燃料噴射弁は、中間室３２３には弁体スプリング３４が配置されないため中間室３２３の容積を小さくすることができる。したがって、本実施形態に係る燃料噴射弁は、燃料噴射開始時には、弁体３３の開弁後の中間室３２３の圧力低下が従来の燃料噴射弁よりも速くなり（（ｃ）中間室圧を参照）、ひいては制御室２６の圧力低下が速くなる（（ｅ）制御室圧を参照）。

その結果、本実施形態の燃料噴射弁は、従来の燃料噴射弁よりも、ノズルニードル２のリフト開始時期が早くなり（（ｆ）ニードルリフトを参照）、ひいては噴射開始が時間ａの分早くなる（（ｇ）噴射率を参照）。

また、本実施形態に係る燃料噴射弁は、燃料噴射終了時には、弁体３３の閉弁後の中間室３２３の圧力上昇が従来の燃料噴射弁よりも速くなり（（ｃ）中間室圧を参照）、ひいては制御室２６の圧力上昇が速くなる（（ｅ）制御室圧を参照）。

その結果、本実施形態の燃料噴射弁は、従来の燃料噴射弁よりも、ノズルニードル２の下降終了時期が早くなり（（ｆ）ニードルリフトを参照）、ひいては噴射終了が時間ｂの分早くなる（（ｇ）噴射率を参照）。

したがって、本実施形態によると、中間室３２３の容積を小さくすることができるため、中間室３２３の圧力低下や圧力上昇が速くなり、燃料噴射開始時や燃料噴射終了時の燃料噴射弁の応答性を向上させることができる。

また、燃料噴射を終了させる際に、制御プレート３６により高圧供給通路３２２を閉塞して制御室２６への高圧燃料の供給を停止するため、制御室２６の圧力低下が一層速くなり、燃料噴射開始時の燃料噴射弁の応答性をさらに向上させることができる。

なお、上記実施形態においては、スプリング室３２５を燃料溜まり室２５と常時連通させたが、図４に示す第１変形例のように、スプリング室３２５を、第２連絡通路３２６を介して収納室１２と常時連通させてもよい。

そして、第１変形例の場合、弁体３３が中間室３２３と第１排出通路３１３との間を閉じた状態のとき、中間室３２３の高圧燃料がスプリング室３２５および第２連絡通路３２６を介して収納室１２側へ洩れるといういわゆる静リークが発生する。

しかし、第１変形例の場合、スプリング室３２５の圧力が低いため、スプリング室３２５の容積が減少する向きに弁体３３を駆動する際の駆動力を小さくすることができ、アクチュエータ４の駆動エネルギーを少なくすることができるという利点がある。

一方、上記実施形態の場合、第１変形例のような静リークが発生しないため、コモンレールに高圧燃料を供給するサプライポンプの高圧燃料供給量を少なくすることができ、サプライポンプの駆動エネルギーを少なくすることができる。

また、上記実施形態においては、ボデー低圧シート面３１４および弁部低圧シート面３３１ａをともに平坦な面にしたが、図５に示す第２変形例のように、ボデー低圧シート面３１４および弁部低圧シート面３３１ａをともにテーパ面にしてもよい。

因みに、ロッド挿入孔３１２とスプリング室３２５の同軸度の許容量は、上記実施形態の方が第２変形例よりも大きいため、上記実施形態の方が製作が容易である。

（他の実施形態）
上記実施形態では、弁部３３１と軸部３３２を一体にしたが、弁部３３１と軸部３３２を別体にしてもよい。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

また、上記実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

また、上記実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。

また、上記実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。

１２ 収納室（低圧部）
２１ ノズルボデー
２２ ノズルニードル
２６ 制御室
３３ 弁体
３４ スプリング
２１１ 噴孔
３１３ 第１排出通路（排出通路）
３１５ 第２排出通路（排出通路）
３２２ 高圧供給通路
３２３ 中間室
３２５ スプリング室
３３１ 弁部
３３２ 軸部

Claims (5)

1. 高圧燃料を内燃機関の燃焼室に噴射するための噴孔（２１１）を有するノズルボデー（２１）と、
   前記ノズルボデー内で往復動して前記噴孔を開閉するノズルニードル（２２）と、
   前記ノズルニードルに閉弁向きの燃料圧力を作用させる制御室（２６）と、
   前記制御室と連通する中間室（３２３）と、
   前記中間室の燃料を低圧部（１２）に排出させる排出通路（３１３、３１５）と、
   高圧燃料を前記制御室に供給する高圧供給通路（３２２）と、
   前記中間室に連通するスプリング室（３２５）と、
   前記中間室に配置され、前記中間室と前記排出通路との間を開閉する弁部（３３１）、および、前記スプリング室における前記中間室側の部位に摺動自在に挿入され、前記中間室と前記スプリング室とを分離する軸部（３３２）を有する弁体（３３）と、
   前記スプリング室内に配置され、前記軸部に当接して前記弁体を付勢するスプリング（３４）とを備えることを特徴とする燃料噴射弁。
2. 前記スプリング室は、前記高圧燃料が流通する高圧部（２５）に連通していることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
3. 前記スプリング室は、前記低圧部に連通していることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
4. 前記排出通路が形成された第１中間ボデー（３１）と、
   前記第１中間ボデーに形成され、前記排出通路における前記中間室側の開口部を囲む平坦なボデー低圧シート面（３１４）と、
   前記弁部に形成され、前記ボデー低圧シート面と接離して前記中間室と前記排出通路との間を開閉する平坦な弁部低圧シート面（３３１ａ）とを備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料噴射弁。
5. 前記高圧供給通路が形成された第２中間ボデー（３２）と、
   前記第２中間ボデーに形成され、前記高圧供給通路における前記制御室側の開口部を囲むボデー高圧シート面（３２７）と、
   前記制御室に配置され、前記中間室と前記排出通路が連通した際に、前記ボデー高圧シート面に当接して前記制御室と前記高圧供給通路との間を閉じる制御プレート（３６）とを備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料噴射弁。

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