JP2020051368A - Fuel injection device and work machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、エンジンのシリンダに燃料を噴射する燃料噴射装置、及び燃料噴射装置を有するエンジンを備えた作業機械に関する。 The present invention relates to a fuel injection device that injects fuel into a cylinder of an engine, and a work machine including an engine having the fuel injection device.
特許文献1には、コモンレールを介して供給される燃料を電気的な制御で噴射する燃料噴射装置が記載されている。特許文献1に記載の燃料噴射装置は、コモンレールから供給される燃料が溜まる燃料溜まり室、及び燃料を噴射する燃料噴射孔が形成されたノズルボディと、ノズルボディ内を上下動して燃料噴射孔を開閉する弁ニードルと、弁ニードルの上下動を制御するソレノイドとを備える。
近年のディーゼルエンジンの排出ガス規制値の厳格化に伴って、燃料の低硫黄化が進んでいる。そのため、従来は潤滑剤として機能していた硫黄成分に代えて、潤滑性向上剤を添加することによって、燃料噴射装置内の摺接部の摩耗を防いでいる。また、上記構成の燃料噴射装置において、摺接するノズルボディと弁ニードルとの間の油膜形成を促すために、弁ニードルの外面に円周溝を形成することが考えられる。 With the stricter exhaust gas regulation values of diesel engines in recent years, fuel sulfur has been reduced. Therefore, abrasion of the sliding contact portion in the fuel injection device is prevented by adding a lubricity improver instead of the sulfur component which has conventionally functioned as a lubricant. Further, in the fuel injection device having the above-described configuration, it is conceivable to form a circumferential groove on the outer surface of the valve needle in order to promote the formation of an oil film between the nozzle body and the valve needle in sliding contact.
しかしながら、従来技術の構成では、潤滑性向上剤と弁ニードルの円周溝とを併用すると、変質した潤滑性向上剤が円周溝に付着して、燃料噴射装置内のニードルがノズルボディに対し固着する虞がある。 However, in the configuration of the prior art, when the lubricity improver and the circumferential groove of the valve needle are used together, the deteriorated lubricity improver adheres to the circumferential groove, and the needle in the fuel injection device is moved to the nozzle body. There is a risk of sticking.
本発明は、上記した実状に鑑みてなされたものであり、その目的は、ノズルボディ内でニードルが円滑に摺動可能な構成の燃料噴射装置、及びこのような燃料噴射装置を有するエンジンを備えた作業機械を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above situation, and has as its object to provide a fuel injection device having a configuration in which a needle can slide smoothly in a nozzle body, and an engine having such a fuel injection device. To provide a working machine.
上記目的を達成するために、本発明は、エンジンのシリンダに燃料を噴射する燃料噴射装置であって、高圧状態の燃料が貯留される蓄圧室、前記蓄圧室に貯留された燃料を噴射する噴射孔を有するノズルボディと、前記噴射孔を閉塞させる閉塞位置、及び前記噴射孔を開放する開放位置の間を、前記ノズルボディの内壁に沿って摺動するニードルとを備え、前記ニードルは、前記噴射孔に向けて直径が小さくなるように、摺動方向に縮径する円錐部を含むことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides a fuel injection device for injecting fuel into a cylinder of an engine, comprising: a pressure accumulating chamber in which fuel in a high pressure state is stored; and an injector for injecting fuel stored in the pressure accumulating chamber. A nozzle body having a hole, a needle that slides along an inner wall of the nozzle body between a closed position that closes the injection hole and an open position that opens the injection hole, wherein the needle is It is characterized in that it includes a conical portion whose diameter decreases in the sliding direction so that the diameter decreases toward the injection hole.
本発明によれば、ノズルボディ内でニードルが円滑に摺動可能な構成の燃料噴射装置を得ることができる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel injection device of a structure which a needle can slide smoothly in a nozzle body can be obtained. In addition, problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following description of the embodiments.
本発明に係る作業機械の実施形態について、図面を用いて説明する。図1は本発明に係る作業機械の代表例である油圧ショベル1の側面図である。なお、本明細書中の前後左右は、特に断らない限り、油圧ショベル1に搭乗して操作する作業者の視点を基準としている。また、作業機械の具体例は油圧ショベル1に限定されず、ダンプトラック、モータグレーダー、ホイールローダー等であってもよい。
An embodiment of a work machine according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a side view of a
図1に示すように、油圧ショベル1は、走行体2と、この走行体2の上側に旋回可能に取り付けられる旋回体3とを備える。旋回体3は、ベースとなる旋回フレーム5と、この旋回フレーム5の前方左側に配置されるキャブ7と、旋回フレーム5の前方中央に上下方向に回動可能に取り付けられるフロント作業機4と、旋回フレーム5の後方に配置されるカウンタウェイト6と、油圧ショベル1を動作させるための駆動力を発生させるエンジン10とを備える。
As shown in FIG. 1, the
キャブ7には、油圧ショベル1を操作する作業者が搭乗する内部空間が形成されている。フロント作業機4は、ブーム4a、アーム4b、バケット4c、及び油圧シリンダ(油圧アクチュエータ)4d〜4fを含む。カウンタウェイト6は、フロント作業機4との重量バランスを取るためのもので、円弧状をした重量物である。
The
キャブ7の内部空間には、走行体2を走行させ、旋回体3を旋回させ、フロント作業機4の動作させるための作業者の操作を受け付け、受け付けた操作に対応する信号をコントローラ(図示省略)に出力する操作装置(ステアリング、ペダル、レバー、スイッチなど)が配置されている。すなわち、キャブ7に搭乗した作業者が操作装置を操作することによって、油圧ショベル1が動作する。
In the internal space of the
図2は、エンジン10の構成を示す概略図である。図2に示すように、エンジン10は、内部にシリンダ11が形成されたシリンダブロック12と、シリンダ11の内部を長手方向に往復動するピストン13と、ピストン13の直線運動を回転運動に変換してクランクシャフト14を回転させるコンロッド15と、シリンダ11に空気を供給する吸気ポート16を開閉する吸気バルブ17と、シリンダ11から空気を排出する排気ポート18を開閉する排気バルブ19と、シリンダ11に燃料(例えば、軽油)を噴射するインジェクタ(燃料噴射装置)20とを備える。
FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of the
エンジン10は、吸入行程、圧縮行程、燃焼行程、排気行程を繰り返すことによって、走行体2を走行させ、旋回体3を旋回させ、フロント作業機4を動作させるための駆動力を発生させる。走行体2、旋回体3、及びフロント作業機4は、本発明の「動作部」に相当する。
The
吸入行程は、吸気バルブ17を開き且つ排気バルブ19を閉じた状態で、シリンダ11内でピストン13を降下させる行程である。これにより、吸気ポート16を通じてシリンダ11内に空気が流入する。圧縮行程は、吸気バルブ17及び排気バルブ19を閉じた状態で、シリンダ11内でピストン13を上昇させる行程である。これにより、シリンダ11内の空気が圧縮されて高温高圧の状態となる。
The suction stroke is a stroke in which the
燃焼行程は、インジェクタ20から噴射された燃料を燃焼させる行程である。具体的には、インジェクタ20からシリンダ11内に燃料を噴射すると、高温高圧の空気と混ざって自然着火する。これにより、シリンダ11内の空気が膨張してピストン13を押し下げる。排気行程は、吸気バルブ17を閉じ且つ排気バルブ19を開いた状態で、シリンダ11内でピストン13を上昇させる行程である。これにより、燃焼した後の燃料及び空気が排気ポート18を通じてシリンダ11から排出される。
The combustion stroke is a stroke in which the fuel injected from the
吸入行程、圧縮行程、燃焼行程、排気行程において、シリンダ11内を上下動するピストン13は、コンロッド15を介してクランクシャフト14を回転させる。このクランクシャフト14の回転で、駆動輪、発電機、油圧ポンプなどを駆動することによって、油圧ショベル1が動作する。
In the intake stroke, the compression stroke, the combustion stroke, and the exhaust stroke, the
インジェクタ20には、油圧ポンプ52及びコモンレール53を介して、燃料タンク51に貯留された燃料が供給される。油圧ポンプ52は、燃料タンク51に貯留された燃料をコモンレール53に圧送する。コモンレール53は、油圧ポンプ52から供給された燃料を高圧状態で蓄積し、高圧流路54を通じてインジェクタ20に供給する。また、インジェクタ20は、コモンレール53から供給された燃料をシリンダ11に噴射すると共に、リークした燃料を低圧流路55を通じて燃料タンク51に還流させる。
The fuel stored in the
油圧ポンプ52及びインジェクタ20を含む油圧ショベル1の動作は、ECM(Engine Control Module)56によって制御される。図示は省略するが、ECM56は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、及びRAM(Random Access Memory)を備える。
The operation of the
ECM56は、ROMに格納されたプログラムコードをCPUが読み出して実行することによって、ソフトウェアとハードウェアとが協働して油圧ショベル1の動作を制御する。ただし、ECM56の具体的な構成はこれに限定されず、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field−Programmable Gate Array)などのハードウェアによって実現されてもよい。
The ECM 56 controls the operation of the
次に、図3〜図5を参照して、本実施形態に係るインジェクタ20の構成を説明する。図3は、インジェクタ20の内部構造を模式的に示す縦断面図である。図4は、開放位置のニードル21を示す図である。図5は、閉塞位置のニードル21を示す図である。図3に示すように、インジェクタ20は、ノズルボディ30と、ニードル21と、制御ピストン22と、制御バルブ23と、ソレノイド24とを主に備える。ノズルボディ30は、蓄圧室31と、噴射孔32と、背圧制御室33と、制御弁室34とを主に備える。
Next, the configuration of the
蓄圧室31は、高圧流路54を通じてコモンレール53から供給された燃料を、高圧状態を維持したまま貯留する空間である。噴射孔32は、ノズルボディ30の外壁を貫通して、蓄圧室31をノズルボディ30の外部に連通させる。噴射孔32の先端は、シリンダ11内に配置される。背圧制御室33は、入口オリフィス35を通じて高圧流路54に接続され、出口オリフィス36を通じて制御弁室34に接続された空間である。また、背圧制御室33を区画する壁の一部は、制御ピストン22によって構成される。制御弁室34は、出口オリフィス36を通じて背圧制御室33に接続され、低圧流路55を通じて燃料タンク51に接続されている。
The
ニードル21は、蓄圧室31内に配置されている。そして、ニードル21は、図4に示す開放位置と、図5に示す閉塞位置との間を、蓄圧室31の円筒形状の内壁に沿って、摺動可能に構成されている。また、ニードル21の先端には、噴射孔32を開閉するノズルシート25が設けられている。ニードル21が閉塞位置に位置しているとき、ノズルシート25は、噴射孔32の外縁に当接して噴射孔32を閉塞させる。一方、ニードル21が開放位置に位置しているとき、ノズルシート25は、噴射孔32から離間して噴射孔32を開放する。
制御ピストン22は、一端が背圧制御室33の内壁の一部を構成し、他端がニードル21に接続されている。すなわち、制御ピストン22は、ニードル21と一体となって、ノズルボディ30内を移動可能に構成されている。
One end of the
制御バルブ23は、制御弁室34内に配置されて、出口オリフィス36を開閉する。また、制御バルブ23は、付勢部材の一形態であるコイルバネ27によって、出口オリフィス36を閉塞する向きに付勢されている。制御バルブ23は、磁性材料(例えば、金属)によって形成されている。ソレノイド24は、ECM56から電力が供給されると磁力を発生させ、EMC56からの電力の供給が停止すると磁力を消失する電磁石である。
The
上記構成のインジェクタ20において、ニードル21は、蓄圧室31に貯留された燃料の圧力によって、開放位置に向けて付勢されている。また、ニードル21は、付勢部材の一形態であるコイルバネ26によって、閉塞位置に向けて付勢されている。さらに、制御ピストン22は、背圧制御室33に貯留された燃料の圧力によって、ニードル21を閉塞位置に向けて付勢する。
In the
そして、ソレノイド24に電力が供給されていないとき、制御バルブ23によって出口オリフィス36が閉じられて、背圧制御室33内の燃料が高圧に保たれる。その結果、制御ピストン22及びコイルバネ26の付勢力が蓄圧室31の付勢力より大きくなって、ニードル21が閉塞位置に保持される。すなわち、噴射孔32から燃料が噴射されない。
When power is not supplied to the solenoid 24, the
次に、ソレノイド24に電力を供給すると、制御バルブ23がコイルバネ27の付勢力に抗してソレノイド24に引き寄せられて、出口オリフィス36を開放する。その結果、背圧制御室33に貯留された燃料が制御弁室34を通じて低圧流路55に流出する。ここで、入口オリフィス35を通じて背圧制御室33に流入する燃料より、出口オリフィス36を通じて背圧制御室33から流出する燃料が大きくなるように設計されているので、背圧制御室33に貯留されている燃料の圧力が減少する。その結果、蓄圧室31の付勢力が制御ピストン22及びコイルバネ26の付勢力より大きくなって、ニードル21が閉塞位置から開放位置に移動する。すなわち、噴射孔32から燃料が噴射される。
Next, when electric power is supplied to the solenoid 24, the
さらに、ソレノイド24への電力の供給を停止すると、コイルバネ27の付勢力によって制御バルブ23が出口オリフィス36を閉塞する。これにより、入口オリフィス35を通じて背圧制御室33に高圧の燃料が供給されて、制御ピストン22の付勢力が上昇する。その結果、制御ピストン22及びコイルバネ26の付勢力が蓄圧室31の付勢力より大きくなって、ニードル21が開放位置から閉塞位置に移動する。すなわち、噴射孔32からの燃料噴射が停止する。
Further, when the supply of electric power to the solenoid 24 is stopped, the
このように、ソレノイド24への電力の供給を開始及び停止すると、閉塞位置と開放位置との間をニードル21が移動することによって、インジェクタ20からの燃料の噴射を開始及び停止させることができる。そして、ECM56の制御に従って高精度に燃料の噴射を開始及び停止するためには、蓄圧室31の内壁に沿ってニードル21がスムーズに摺動することが必要である。
As described above, when the supply of electric power to the solenoid 24 is started and stopped, the injection of the fuel from the
そこで、図4及び図5に示すように、本実施形態に係るニードル21は、円錐部21aと、円柱部21bとを有する。なお、円錐部21aは、円柱部21bよりノズルシート25(換言すれば、噴射孔32)に近い位置に配置される。典型例として、円柱部21bの先端に円錐部21aが配置され、円錐部21aの先端にノズルシート25が配置される。
Therefore, as shown in FIGS. 4 and 5, the
円錐部21aは、例えば、円錐台形状の外形を呈する。円錐部21aは、噴射孔32に向けて直径が小さくなるように、ニードル21の摺動方向(軸方向)に縮径してテーパ状を成している。すなわち、図4及び図5に示すように、円錐部21aの縦断面を側面視すると、円錐部21aの外面は、噴射孔32に近づくほど幅が狭くなる平滑な傾斜面となる。換言すれば、円錐部21aは、先細り形状となっている。さらに換言すれば、円錐部21aと蓄圧室31の内壁との間隔は、噴射孔32に近づくほど大きくなる。
The
ここで、本実施形態において「縮径する」とは、円錐部21aの基端側から先端側に向かって、直径が大きくなる部分が存在しないことを指す。換言すれば、円錐部21aの任意の二箇所で直径を測定すれば、先端側で測定した直径が、基端側で測定した直径より常に小さくなる。すなわち、本実施形態に係る円錐部21aには、円周溝などが形成されていない。また、「平滑な傾斜面」との表現も同様のことを表すものとする。
Here, in the present embodiment, “reducing the diameter” indicates that there is no portion whose diameter increases from the base end side to the tip end side of the
円柱部21bは、例えば、円柱形状の外形を呈する。円柱部21bは、円錐部21aの基端から連続して、ニードル21の摺動方向において直径が同一の部分である。すなわち、図4及び図5に示すように、円柱部21bの縦断面を側面視すると、円柱部21bの外形線は平行になる。換言すれば、円柱部21bと蓄圧室31の内壁との間隔は、ニードル21の摺動方向において同一である。
The
上記構成のニードル21において、円錐部21aの先端(噴射孔32側の端部)の直径aは、円錐部21aの基端(噴射孔32と反対側の端部)の直径bより小さい。より好ましくは、直径a、bは、0.1μm≦(b−a)≦3μmを満たす。また、ニードル21の摺動方向(軸方向)において、円錐部21a及び円柱部21bを合わせた長さL0と、円柱部21bの長さLとは、0.1×L0≦L≦0.4×L0を満たす。
In the
上記の実施形態によれば、例えば以下の作用効果を奏する。 According to the above-described embodiment, for example, the following effects can be obtained.
上記構成のインジェクタ20において、蓄圧室31には、高圧流路54を通じて供給された高圧状態の燃料が貯留される。ただし、蓄圧室31内の燃料の一部は、ニードル21に対して噴射孔32と反対側(例えば、コイルバネ26の設置位置周辺)の隙間からリークして、低圧流路55を通じて燃料タンク51に還流する。そのため、蓄圧室31内の燃料の圧力は、噴射孔32に近いほど高く、噴射孔32から離れるほど低くなる。その結果、特にニードル21が閉塞位置に位置している場合において、蓄圧室31内の燃料は、図5に矢印で示すように、高圧側から低圧側に移動する。
In the
そこで上記の実施形態のように、噴射孔32に向かって円錐部21aを縮径することによって、ニードル21と蓄圧室31の内壁との間隔は、噴射孔32に近い位置ほど大きくなる。これにより、前述した高圧側から低圧側への燃料の移動がスムーズとなり、ニードル21と蓄圧室31の内壁との間に油膜が形成されやすくなる。その結果、蓄圧室31の内壁に対するニードル21の焼き付きが防止され、ニードル21がスムーズに摺動可能になる。
Thus, as in the above-described embodiment, by reducing the diameter of the
なお、(b−a)が小さすぎると、前述した燃料の移動をスムーズにする機能を十分に発揮できない。一方、(b−a)が大きすぎると、蓄圧室31内でニードル21が偏る「片当たり」が発生する可能性が高まる。また、ニードル21と蓄圧室31の内壁との間隔が大きすぎると、油膜が形成されにくくなる。そこで、円錐部21aの両端の直径a、bは、前述の関係を満たすのが望ましい。
If (ba) is too small, the function of smoothing the fuel movement described above cannot be sufficiently exhibited. On the other hand, if (ba) is too large, the possibility that “one-side contact” in which the
また、上記の実施形態において、円柱部21bの外面は、ニードル21の摺動をガイドするガイド面として機能する。そのため、円柱部21bを設けることによって、片当たりを防いで、ニードル21をさらに安定して摺動させることができる。ただし、円柱部21bは省略可能である。
Further, in the above embodiment, the outer surface of the
なお、円柱部21bの長さLが短すぎると、ガイド面としての機能を十分に発揮できない。一方、円柱部21bの長さLが長すぎると、相対的に円錐部21aが短くなるので、前述の燃料の移動をスムーズにする機能を十分に発揮できない。そこで、ニードル21の摺動方向の長さL0、Lは、前述の関係を満たすのが望ましい。
If the length L of the
上述した実施形態は、本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をそれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。当業者は、本発明の要旨を逸脱することなしに、他の様々な態様で本発明を実施することができる。 The embodiments described above are examples for describing the present invention, and are not intended to limit the scope of the present invention only to those embodiments. Those skilled in the art can implement the present invention in various other modes without departing from the gist of the present invention.
1 油圧ショベル(作業機械)
2 走行体
3 旋回体
4 フロント作業機
5 旋回フレーム
10 エンジン
11 シリンダ
12 シリンダブロック
13 ピストン
14 クランクシャフト
15 コンロッド
16 吸気ポート
17 吸気バルブ
18 排気ポート
19 排気バルブ
20 インジェクタ(燃料噴射装置)
21 ニードル
21a 円錐部
21b 円柱部
22 制御ピストン
23 制御バルブ
24 ソレノイド
25 ノズルシート
26,27 コイルバネ
30 ノズルボディ
31 蓄圧室
32 噴射孔
33 背圧制御室
34 制御弁室
35 入口オリフィス
36 出口オリフィス
51 燃料タンク
52 油圧ポンプ
53 コモンレール
54 高圧流路
55 低圧流路
56 ECM
1 Hydraulic excavator (work machine)
2 Running
DESCRIPTION OF
Claims (5)
高圧状態の燃料が貯留される蓄圧室、前記蓄圧室に貯留された燃料を噴射する噴射孔を有するノズルボディと、
前記噴射孔を閉塞させる閉塞位置、及び前記噴射孔を開放する開放位置の間を、前記ノズルボディの内壁に沿って摺動するニードルとを備え、
前記ニードルは、前記噴射孔に向けて直径が小さくなるように、摺動方向に縮径する円錐部を含むことを特徴とする燃料噴射装置。 A fuel injection device for injecting fuel into a cylinder of an engine,
A pressure accumulating chamber in which fuel in a high pressure state is stored, a nozzle body having an injection hole for injecting the fuel stored in the pressure accumulating chamber,
A needle that slides along an inner wall of the nozzle body between a closed position that closes the injection hole and an open position that opens the injection hole,
The fuel injection device according to claim 1, wherein the needle includes a conical portion whose diameter decreases in a sliding direction so that the diameter decreases toward the injection hole.
前記円錐部における前記噴射孔側の端部の直径と前記円錐部における前記噴射孔に対し反対側の端部の直径との差が、0.1μm以上で3μm以下の条件を満たすことを特徴とする燃料噴射装置。 The fuel injection device according to claim 1,
The difference between the diameter of the end of the conical portion on the side of the injection hole and the diameter of the end of the conical portion on the side opposite to the injection hole satisfies the condition of 0.1 μm or more and 3 μm or less. Fuel injector.
前記ニードルは、前記円錐部の前記噴射孔に対し反対側の端部と連続して、摺動方向において直径が同一の円柱部を備えることを特徴とする燃料噴射装置。 The fuel injection device according to claim 1,
The fuel injection device is characterized in that the needle has a cylindrical portion having the same diameter in the sliding direction, continuing from an end of the conical portion opposite to the injection hole.
前記円柱部における軸方向の長さは、前記円錐部における軸方向の長さ及び前記円柱部における軸方向の長さを合わせた長さの10%以上で且つ40%以下の長さに設定されることを特徴とする燃料噴射装置。 The fuel injection device according to claim 3,
The axial length of the cylindrical portion is set to be 10% or more and 40% or less of the combined axial length of the conical portion and the axial length of the cylindrical portion. A fuel injection device characterized in that:
前記燃料噴射装置から噴射された燃料を燃焼させて駆動力を発生させるエンジンと、
前記エンジンが発生させた駆動力で動作する動作部とを備えることを特徴とする作業機械。 A fuel injection device according to claim 1,
An engine that generates driving force by burning fuel injected from the fuel injection device,
A working unit comprising: an operating unit that operates with a driving force generated by the engine.
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