JP3758727B2 - 燃料噴射装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁弁の開閉により燃料噴射時期を制御する燃料噴射装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ディーゼルエンジンの蓄圧式燃料噴射装置において、インジェクタに収容された制御ピストンの反噴射側に制御圧力室を設け、制御圧力室と燃料低圧側とを電磁弁で断続することにより燃料噴射時期を制御するものが知られている。このような燃料噴射装置では、制御圧力室の燃料流入側および流出側にそれぞれ流入絞りおよび流出絞りを設け、流出絞りの流路面積を流入絞りの流路面積よりも大きくすることにより、電磁弁の開弁時、制御圧力室の燃料圧力を低下させ、制御ピストンとともにニードル弁をリフトさせ燃料を噴射させている。
【０００３】
このような燃料噴射装置では、流出絞りと流入絞りの流路面積差、つまり流路の径差を小さくすることにより初期噴射率を低減し、制御圧力室の圧力低下速度を減少させて排ガス中のＮＯｘ等を低減することが考えられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述したような従来の燃料噴射装置では、流出絞りと流入絞りの流路の径差を小さくすると、制御圧力室の圧力低下限界値が上昇し、コモンレールから供給される圧力が低圧の場合、燃料噴射不能となることがある。エンジン性能上必要な最低噴射圧を満たしつつ、排ガスを浄化するために流出絞りと流入絞りの流路径差を小さくした燃料噴射装置を定性的に、かつ容易に設計する手法は知られておらず、噴射装置毎に多くの設計工数を必要としている。
【０００５】
本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、要求仕様に応じて容易に設計可能な燃料噴射装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１記載の燃料噴射装置の設計手法によると、制御ピストンの径をｄ_P、ニードル弁のガイド径をｄ_NG、ニードル弁のシート径をｄ_NS、エンジンにて性能上必要な最低噴射圧であるインジェクタの必要最低噴射圧をＰ_IL、ニードル弁の開弁圧をＰ₀、流入絞りの径をｄ₁、流出絞りの径をｄ₂とすると、
ｄ₂／ｄ₁＞｛ｄ_P ²×Ｐ_IL／（（ｄ_NG ²−ｄ_NS ²）×（Ｐ_IL−Ｐ₀））−１｝^1/4
という式を満たすように流入絞りの径ｄ₁および流出絞りの径ｄ₂を設定することにより、コモンレールからインジェクタに供給される燃料供給圧が必要最低噴射圧Ｐ_ILとなるときにおいても、インジェクタから燃料噴射を可能としている。したがって、エンジン性能上必要な最低噴射圧やインジェクタの体格等、要求仕様に応じて燃料噴射可能な燃料噴射装置を定性的に容易に設計することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を示す実施例を図面に基づいて説明する。
本発明の一実施例によるディーゼルエンジンの蓄圧式燃料噴射装置を図１および図２に示す。
図１に示すように、インジェクタ１の下端部に設けられた噴射ノズル２のノズルボディ１１には図示しない噴孔を開閉するニードル弁２０が往復移動可能に収容されている。ノズルボディ１１およびインジェクタボディ１３はディスタンスピース１２を挟んでリテーニングナット１４により結合されている。ニードル弁２０の反噴射側にはプレッシャピン２１、およびこのプレッシャピン２１と反噴射側で接触あるいは連結する制御ピストン２２が配設されている。プレッシャピン２１はスプリング２３内に貫挿されており、スプリング２３はプレッシャピン２１を図１の下方に付勢している。制御ピストン２２の反噴射側には制御圧力室４０が設けられている。
【０００８】
燃料インレット７０を通して図示しないコモンレールから高圧燃料が燃料供給通路６１に供給され、この高圧燃料は、後述する流入絞り４１を介して制御圧力室４０に供給される。インジェクタ１内の余剰燃料は燃料排出通路６４からインジェクタ外部に排出される。
電磁弁３０は二方電磁弁であり、インジェクタボディ１１の上方に配設されている。電磁弁３０の弁部材３１は、バルブボディ３３に往復移動可能に支持されており、バルブボディ３３に設けた弁座３３ａに着座可能である。弁部材３１はスプリング３７により弁座３３ａに向けて付勢されている。弁部材３１内には軸方向両端に開口する圧力バランス室３１ａが設けられている。圧力バランス室３１ａの反制御圧力室側の一方の開口部は圧力バランス室３１ａを形成する弁部材３１の内壁と摺動するバランスピストン３２により封止されている。圧力バランス室３１ａの他方の開口部は制御圧力室側に開口しており、圧力バランス室３１ａは制御圧力室３０と連通している。
【０００９】
弁部材３１のシート面積とバランスピストン３２の断面積とはほぼ等しい。つまり、弁部材３１が弁座３３ａに着座した図１に示す状態では、弁部材３１が制御圧力室側の高圧燃料からリフト方向に受ける力と、圧力バランス室３１ａの高圧燃料から弁座３３ａへの着座方向に受ける力はほぼ等しくなっている。弁部材３１の他の受圧面に働く燃料圧力は、制御圧力室側の高圧燃料および圧力バランス室３１の高圧燃料に比較して極めて小さいので、弁部材３１が電磁弁３０の開弁方向および閉弁方向に受ける力はほぼ等しいと考えることができる。したがって、スプリング３７の付勢力を小さくしても弁部材３１は弁座３３ａに着座可能である。さらに、スプリング３７の付勢力に抗して弁部材３１をリフトするコイル３４の吸引力も小さくできるので、電磁弁全体の体格を小型化できる。
【００１０】
バランスピストン３２は、圧力バランス室３１ａの他方の開口部を封止しており、圧力バランス室３１ａを形成する弁部材３１の内壁と摺動可能である。エンジンが始動し、コモンレールからインジェクタ１に燃料が供給されると、バランスピストン３２は圧力バランス室３１ａの圧力によりストッパ３８に当接する。コイル３４はコア３５に巻回されており、コネクタ５０のピン５１からコイル３４に駆動パルスが供給される。コイル３４への通電をオンしたときに発生する磁力によりスプリング３７の付勢力に抗してアーマチャ３６とともに弁部材３１が吸引され、弁部材３１は弁座３３ａから離座する。
【００１１】
図２に示すように、制御ピストン２２の反噴射側に設けられた制御圧力室４０は流入絞り４１を介して燃料供給通路６１と連通しているとともに、流出絞り４２を介して圧力バランス室３１ａと連通している。流出絞り４２の流路径は流入絞り４１の流路径よりも大きい。つまり、流出絞り４２の流路面積は流入絞り４１の流路面積よりも大きい。弁部材３１が弁座３３ａに着座している場合、制御圧力室４０および圧力バランス室３１ａは燃料低圧側としての燃料排出通路６２との連通を遮断されている。
【００１２】
図１に示すように弁部材３１が弁座３３ａに着座した状態では、制御圧力室４０および圧力バランス室３１ａは燃料排出通路６２との連通を遮断されている。弁部材３１が弁座３３ａから離座すると、制御圧力室４０の高圧燃料は流出絞り４２から燃料排出通路６２、６３、６４に流出し、インジェクタ１から例えば燃料タンクに還流される。
【００１３】
次に、インジェクタ１の作動について説明する。
(1) コイル３４への通電オフ時、弁部材３１は弁座３３ａに着座しているので制御圧力室４０および圧力バランス室３１ａと燃料排出通路６２との連通は遮断されており、制御圧力室４０および圧力バランス室３１ａの燃料圧力は高圧である。このとき、前述したように電磁弁３０の開弁方向および閉弁方向に燃料圧力から弁部材３１が受ける力はほぼ等しくなっている。
【００１４】
(2) コイル３４への通電をオンすると、弁部材３１は弁座３３ａから離座し制御圧力室４０は低圧側の燃料排出通路６２と連通する。このとき、流出絞り４２の流路面積が流入絞り４１の流路面積よりも大きいので、制御圧力室４０の燃料圧力が低下する。制御圧力室４０の圧力が低下すると制御ピストン２２とともにニードル弁２０がリフトし、噴孔から燃料が噴射される。
【００１５】
ここで、制御ピストン２２の径をｄ_P 、ニードル弁２０のガイド径をｄ_NG、ニードル弁２０のシート径をｄ_NS、コモンレールからインジェクタ１に供給される燃料供給圧をＰ_C 、ニードル弁２０の開弁圧をＰ₀ とすると、噴射を開始するために必要な制御圧力室４０の圧力Ｐ_CC1 は次式(1) で示される。
Ｐ_CC1 ＝（ｄ_NG ² −ｄ_NS ² ）×（Ｐ_C −Ｐ₀ ）／ｄ_P ² ・・・(1)
式(1) において、開弁圧Ｐ₀ は、制御圧力室４０の圧力を考慮しない場合にニードル弁２０をリフトさせるのに必要な燃料供給圧を示している。スプリング２３の付勢力Ｆ_S は、開弁圧Ｐ₀ 、ニードル弁２０のガイド径ｄ_NGおよびニードル弁２０のシート径ｄ_NSから次式(2) で表され、式(2) から開弁圧Ｐ₀ を求めることができる。
【００１６】
Ｆ_S ＝（π／４）×（ｄ_NG ² −ｄ_NS ² ）×Ｐ₀ ・・・(2)
本実施例では、ｄ_NG＝４mm、ｄ_NS＝２．２５mm、ｄ_P ＝５mm、Ｆ_S ＝１０．３kgf 、Ｐ₀ ＝１２０kgf/cm² である。
また、弁部材３１が弁座３３ａから離座した状態において、図３に示すように、流入絞り４１の流量をＱ₁ 、流量係数をＣ₁ 、流出絞り４２の流量をＱ₂ 、流量係数をＣ₂ とすると、制御圧力室４０への流入量と制御圧力室４０からの流出量とが平衡し、図４に示すように制御圧力室４０の圧力Ｐ_CCが一定の最低圧Ｐ_CC2 となる定常状態ではＱ₁ ＝Ｑ₂ となり、最低圧Ｐ_CC2 は次式(3) で表される。
【００１７】
Ｃ₁ ×ｄ₁ ²×（Ｐ_C −Ｐ_CC2 ）^1/2 ＝Ｃ₂ ×ｄ₂ ²×Ｐ_CC2 ^1/2 ・・・(3)
Ｃ₁ ＝Ｃ₂ と仮定すると、Ｐ_CC2 は次式(4) のように表され、燃料供給圧Ｐ_C とともにｄ₂ ／ｄ₁ の値によっても変化する。
Ｐ_CC2 ＝Ｐ_C ／｛１＋（ｄ₂ ／ｄ₁ ）⁴ ｝ ・・・(4)
図５において、点線は式(1) を示し、実線はｄ₂ ／ｄ₁ を変化させたときの式(4) を示す。インジェクタ１はＰ_CC1 ＞Ｐ_CC2 の領域で噴射可能であるから、図５において点線と各実線との交点における値よりも燃料供給圧Ｐ_C が高くなれば噴射可能である。図５から判るように、ｄ₂ ／ｄ₁ の値を大きくすると噴射可能な燃料供給圧Ｐ_C の最小値が低下する。
【００１８】
式(1) および式(4) をＰ_CC1 ＞Ｐ_CC2 に代入すると、次式(5) になる。
（ｄ_NG ² −ｄ_NS ² ）×（Ｐ_C −Ｐ₀ ）／ｄ_P ²
＞Ｐ_C ／｛１＋（ｄ₂ ／ｄ₁ ）⁴ ｝ ・・・(5)
式(5) を整理し燃料供給圧Ｐ_C に代えてエンジン性能上必要な最低噴射圧Ｐ_ILを代入すると、次式(6) になる。
【００１９】

したがって、制御ピストンの径ｄ_P 、ニードル弁のガイド径ｄ_NG、ニードル弁のシート径ｄ_NS、ニードル弁の開弁圧Ｐ₀ 、必要最低噴射圧Ｐ_ILが変更されても、式(6) を満足するようにｄ₂ ／ｄ₁ の値を設定することにより、インジェクタから燃料を噴射することができる。
【００２０】
(3) コイル３４への通電をオフすると、スプリング３７の付勢力により弁部材３１は弁座３３ａに着座し圧力バランス室４０と燃料排出通路６２との連通が遮断される。そして、制御圧力室４０の圧力Ｐ_CCが上昇し制御ピストン２２とともにニードル弁２０は噴孔閉塞方向に移動する。これにより噴孔からの燃料噴射が終了する。
【００２１】
したがって、本発明の上記実施例で述べたことから判るように、制御ピストンの反噴射側に設けた制御圧力室と燃料低圧側とを電磁弁で断続し、燃料噴射量および燃料噴射時期を制御する燃料噴射装置において、式(6) を満たすように流出絞りおよび流入絞りの径を決定すれば、インジェクタの仕様やエンジン性能から要求される必要最低噴射圧が変化しても燃料を噴射可能な燃料噴射装置を容易に設計することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による燃料噴射装置を示す断面図である。
【図２】本実施例の主要部分を示す拡大断面図である。
【図３】燃料の流入側と流出側とに絞りを設けた制御圧力室の作動を示す模式的説明図である。
【図４】制御圧力室の圧力変化を示す特性図である。
【図５】流入絞りに対する流出絞りの流路径の比を変化させたときの噴射可能領域および噴射不可能領域を示す特性図である。
【符号の説明】
１ インジェクタ（燃料噴射装置）
２０ ニードル弁
２２ 制御ピストン
３０ 電磁弁
４０ 制御圧力室
４１ 流入絞り
４２ 排出絞り
６１ 燃料供給通路

Claims (1)

1. インジェクタの噴射ノズルの噴孔にコモンレールから供給される高圧燃料を供給可能な燃料供給通路と、
   前記燃料供給通路と前記噴孔とを断続するニードル弁と、
   前記ニードル弁の反噴射側に前記ニードル弁とともに往復移動可能に設けられた制御ピストンと、
   前記制御ピストンの反噴射側に設けられ前記燃料供給通路と連通する制御圧力室と、
   前記制御圧力室と燃料低圧側とを断続する電磁弁とを備え、
   前記燃料供給通路と前記制御圧力室との間に流入絞りを設けるとともに前記制御圧力室と燃料低圧側との間に前記流入絞りよりも流路径の大きい流出絞りを設けたエンジンの燃料噴射装置の設計手法において、
   前記制御ピストンの径をｄ_P、前記ニードル弁のガイド径をｄ_NG、前記ニードル弁のシート径をｄ_NS、前記エンジンにて性能上必要な最低噴射圧である前記インジェクタの必要最低噴射圧をＰ_IL、前記ニードル弁の開弁圧をＰ₀、前記流入絞りの径をｄ₁、前記流出絞りの径をｄ₂とすると、
   ｄ₂／ｄ₁＞｛ｄ_P ²×Ｐ_IL／（（ｄ_NG ²−ｄ_NS ²）×（Ｐ_IL−Ｐ₀））−１｝^1/4
   という式を満たすように前記流入絞りの径ｄ₁、前記流出絞りの径ｄ₂を設定することにより、前記コモンレールから前記インジェクタに供給される燃料供給圧が前記必要最低噴射圧Ｐ_ILとなるときにおいても、前記インジェクタから燃料噴射を可能とすることを特徴とする燃料噴射装置の設計手法。

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