JP3774894B2 - ノズルニードルの制御構造を備えた燃料噴射弁 - Google Patents

Description

本発明はノズルニードルの制御構造を備えた燃料噴射弁にかかるもので、とくに蓄圧器（コモンレール）などから供給される高圧燃料を所定のタイミングで噴射するノズルニードルの制御構造を備えた燃料噴射弁に関するものである。

従来の燃料噴射弁およびそのノズルニードルの制御構造について図２ないし図５にもとづき概説する。
図２は、燃料噴射弁１の断面図であって、燃料噴射弁１は、インジェクターハウジング２と、ノズルボディ３と、ノズルニードル４と、バルブピストン５と、バルブボディ６と、背圧制御部７と、コネクティングロッド８と、を有する。

インジェクターハウジング２には、その先端部にノズルボディ３をノズルナット９により取り付けるとともに、その上方部にコネクティングロッド８を取り付ける。
燃料タンク１０からの燃料を燃料ポンプ１１により高圧としてコモンレール１２（蓄圧器）に蓄え、コネクティングロッド８から燃料噴射弁１に高圧燃料を供給する。
すなわち、コネクティングロッド８からインジェクターハウジング２およびノズルボディ３にかけて燃料通路１３を形成し、ノズルニードル４の受圧部４Ａに対向して燃料溜まり室１４を形成する。さらに、コネクティングロッド８から燃料通路１３の一部を図２中上方に延ばして、背圧制御部７部分から燃料還流路１５を形成し、燃料タンク１０に燃料を還流可能とする。

ノズルボディ３には、その先端部に燃料の噴射孔１６を任意の数だけ形成し、噴射孔１６につながるシート部１７にノズルニードル４の先端部がシートして噴射孔１６を閉鎖し、ノズルニードル４がシート部１７からリフトすることにより噴射孔１６を開放して燃料を噴射可能とする。

ノズルニードル４の上方部には、ノズルニードル４をシート部１７へのシート方向に付勢するノズルスプリング１８を設け、ノズルニードル４に一体のバルブピストン５をさらに上方に延ばし、このバルブピストン５をインジェクターハウジング２の摺動孔２Ａおよびバルブボディ６の摺動孔６Ａ内に摺動可能に挿入してある。

図３は、バルブボディ６および背圧制御部７の要部拡大断面図であって、バルブボディ６は、その上方中央部に制御圧室１９を形成し、バルブピストン５の先端部を下方側からこの制御圧室１９に臨ませる。
制御圧室１９は、バルブボディ６に形成した導入側オリフィス２０に連通している。導入側オリフィス２０は、バルブボディ６とインジェクターハウジング２との間に形成した圧力導入室２１を介して燃料通路１３に連通し、コモンレール１２からの導入圧力を制御圧室１９に供給している。
圧力導入室２１の下端部には、樹脂材、ゴム材あるいは銅材その他の軟質材によるシール部材２２を設けて、圧力導入室２１の高圧側と、インジェクターハウジング２およびバルブボディ６の間の低圧側とを遮断している。

制御圧室１９は、開閉用オリフィス２３にも連通し、開閉用オリフィス２３は背圧制御部７のバルブボール２４（制御弁体）がこれを開閉可能としている。
なお、制御圧室１９におけるバルブピストン５の頂部５Ａの受圧面積は、ノズルニードル４の受圧部４Ａ（図２）の受圧面積より大きくしてある。

図２に示すように、背圧制御部７は、マグネット２５と、バルブスプリング２６と、アーマチュア２７と、このアーマチュア２７に一体の上記バルブボール２４と、上述の制御圧室１９と、を有する。
マグネット２５への駆動信号の供給により、マグネット２５はバルブスプリング２６の付勢力に抗してアーマチュア２７を吸引し、バルブボール２４を開閉用オリフィス２３からリフトさせ、制御圧室１９の圧力を燃料還流路１５側に解放可能とする。
したがって、バルブボール２４の動作により、制御圧室１９の圧力を制御して、バルブピストン５を介してノズルニードル４の背圧を制御し、ノズルニードル４のシートおよびリフトを操作する。

こうした構成の燃料噴射弁１において、コモンレール１２からの高圧燃料は、コネクティングロッド８から燃料通路１３を介して燃料溜まり室１４におけるノズルニードル４の受圧部４Ａに供給されるとともに、圧力導入室２１および導入側オリフィス２０を介して制御圧室１９におけるバルブピストン５の頂部５Ａに供給される。
したがって、ノズルニードル４は、バルブピストン５を介して制御圧室１９の背圧を受け、ノズルスプリング１８の付勢力と併せて、ノズルボディ３のシート部１７にシートし、噴射孔１６を閉鎖している。

マグネット２５に所定タイミングで駆動信号を供給することによりアーマチュア２７を吸引し、バルブボール２４が開閉用オリフィス２３を解放すると、制御圧室１９の高圧が開閉用オリフィス２３を介し燃料還流路１５を通って燃料タンク１０に還流するため、制御圧室１９におけるバルブピストン５の頂部５Ａに作用していた高圧が解放され、ノズルニードル４は受圧部４Ａの高圧によりノズルスプリング１８の付勢力に抗してシート部１７からリフトし、噴射孔１６を解放して燃料を噴射する。
マグネット２５を消磁することにより、バルブボール２４が開閉用オリフィス２３を閉鎖すれば、制御圧室１９内の圧力がバルブピストン５を介してノズルニードル４をそのシート位置（シート部１７）にシートさせ、噴射孔１６を閉鎖し、燃料噴射を終了させる。

しかして、図４のグラフに示すように、マグネット２５の通電時間ＥＴに対する燃料噴射量Ｑの関係は、理想的には、図示のような直線的な変化を示すことが望ましいが、実際には、図５のグラフに示すような脈動ないしうねりを発生している。
すなわち、高圧側の導入側オリフィス２０から制御圧室１９に導入されている高圧燃料は、低圧側の開閉用オリフィス２３の開放によるバルブピストン５のリフトにともなって、その頂部５Ａの平坦部５Ｂと、開閉用オリフィス２３の開口部２３Ａが位置する、同じく平坦な対向面２３Ｂとの間から開閉用オリフィス２３に圧力が逃げてゆくが、この平坦部５Ｂと対向面２３Ｂとが互いに平行で、互いの間の絞り断面積が一定であるために、導入側オリフィス２０および制御圧室１９から開閉用オリフィス２３への圧力抜けの途中において、バルブピストン５への圧力に脈動を生じてしまう。
とくに図５に示すように、バルブピストン５（ノズルニードル４）のリフト途中でのうねり、およびバルブピストン５の平坦部５Ｂが開閉用オリフィス２３の開口部２３Ａ（対向面２３Ｂ）に突き当たるフルリフト寸前のコブ、ならびにフルリフト域のうねり、などが発生してしまうという問題がある。このうねりの発生は当然のことながら、燃料噴射弁１の噴射特性の安定性を乱す原因となる。
しかも、コモンレール１２（蓄圧器）に接続している各燃料噴射弁１ごとに噴射量Ｑのばらつきがあるという問題がある。

なお、この種の燃料噴射弁についての特許文献１、２、３などは、いずれの技術も、上述のようなバルブピストン５における頂部５Ａの平坦部５Ｂ、および開閉用オリフィス２３の対向面２３Ｂに対応する構成部分が互いに平行で、互いの間の絞り断面積が一定であるために、高圧側の導入側オリフィス２０および制御圧室１９から低圧側の開閉用オリフィス２３への圧力抜けの途中において、バルブピストン５に相当する部材への圧力脈動の発生を防止することが困難である。

特開平８−３１９９１７号公報 特開平９−３２６８３号号公報 特開平１１−２１８０６２号公報

本発明は以上のような諸問題にかんがみなされたもので、バルブピストンないしノズルニードルの作動を安定化させることができるノズルニードルの制御構造を備えた燃料噴射弁を提供することを課題とする。

また本発明は、ノズルニードルのリフト時の燃料噴射量の不規則な変動を低減可能としたノズルニードルの制御構造を備えた燃料噴射弁を提供することを課題とする。

また本発明は、背圧制御部のマグネットの通電時間に対する燃料噴射量の割合を理想形に近づけることができるノズルニードルの制御構造を備えた燃料噴射弁を提供することを課題とする。

また本発明は、コモンレール（蓄圧器）に接続した各燃料噴射弁ごとの噴射量のばらつきを解消可能としたノズルニードルの制御構造を備えた燃料噴射弁を提供することを課題とする。

すなわち本発明は、バルブピストンの頂部と開閉用オリフィスを形成している相手側のバルブボディの対向面部分との間の形状を最適化すること、具体的には、開閉用オリフィスの開口部に向かって両者の間を少しずつ絞ることができる形状を採用することに着目したもので、第一の発明は、高圧側につながる導入側オリフィスから高圧燃料の供給を受けるとともに、低圧側につながる開閉用オリフィスに連通可能な制御圧室をバルブボディに形成し、ノズルニードルを制御するためのバルブピストンをこの制御圧室に臨ませ、上記開閉用オリフィスを制御弁体により開閉して、上記バルブピストンを介した上記ノズルニードルによる噴射孔の開閉作用を可能としたノズルニードルの制御構造を備えた燃料噴射弁であって、上記バルブピストンは、凸の断面弧状頂部を有するとともに、この断面弧状頂部が上記開閉用オリフィスの開口部に凸に向かっており、上記バルブピストンのこの断面弧状頂部と上記開閉用オリフィスの上記開口部との間における絞り断面積を、この断面弧状頂部におけるその外縁部から上記開口部に近づくにしたがって漸減することで上記バルブピストンに加わる圧力脈動を低減させるようにしたことを特徴とするノズルニードルの制御構造を備えた燃料噴射弁である。

第二の発明は、高圧側につながる導入側オリフィスから高圧燃料の供給を受けるとともに、低圧側につながる開閉用オリフィスに連通可能な制御圧室をバルブボディに形成し、ノズルニードルを制御するためのバルブピストンをこの制御圧室に臨ませ、上記開閉用オリフィスを制御弁体により開閉して、上記バルブピストンを介した上記ノズルニードルによる噴射孔の開閉作用を可能としたノズルニードルの制御構造を備えた燃料噴射弁であって、上記バルブピストンは、その直径より大きな直径の円弧による凸の断面弧状頂部を有するとともに、この断面弧状頂部が上記開閉用オリフィスの開口部に凸に向かっており、上記バルブピストンのこの断面弧状頂部と上記開閉用オリフィスの上記開口部との間における絞り断面積を、この断面弧状頂部におけるその外縁部から上記開口部に近づくにしたがって漸減することで上記バルブピストンに加わる圧力脈動を低減させるようにしたことを特徴とするノズルニードルの制御構造を備えた燃料噴射弁である。

上記バルブピストンの断面弧状頂部と上記開閉用オリフィスの上記開口部が位置する上記バルブボディの対向面との間に、上記外縁部から上記開口部に向かって、互いの間の間隔が漸減する絞り通路を形成することができる。

上記バルブピストンのリフトにともなって、その上記断面弧状頂部が上記開閉用オリフィスの上記開口部、たとえ閉鎖することができるようにこの開口部に当接したとしても、上記開口部からわずかずつ燃料が上記低圧側に漏れるようにすることができる。

本発明によるノズルニードルの制御構造を備えた燃料噴射弁においては、バルブピストンの頂部（断面弧状頂部）と、開閉用オリフィスを形成しているその相手側のバルブボディの対向面部分との間を開閉用オリフィスの開口部に向かって少しずつ絞ることができる形状を採用するようにしたので、バルブピストンが開閉用オリフィス方向にリフトした際に制御圧室内の高圧燃料が少しずつ開閉用オリフィス側に漏れ出るようになり、制御圧室内に脈動の原因となる増加するような圧力を発生させない状態で絞りを発生させ、わずかずつ圧力を低下させつつ燃料を低圧側に流すことが可能となり、制御圧室内において脈動を発生させる傾向を抑制可能である。また、バルブピストンの断面弧状頂部が開口部を遮断したのちは、高圧燃料をわずかずつ低圧側に流すこととすれば、バルブピストンの頂部における圧力脈動をさらに低減することができる。
したがって、図４に示した理想形に近い噴射特性を得ることができ、図５のような燃料噴射量のコブ、うねりの発生を防止し、噴射の安定性を確保することができる。
さらに、コモンレールに接続している燃料噴射弁ごとのばらつきも、従来より少なくこれを抑えることができる。
かくして、安定したトルク出力特性を得ることができ、エンジンの耐久性の向上はもとより、マージンの適正化も可能である。
また、噴射量の精度を向上させることにより、排気ガス浄化システムの最適制御も可能となる。
なお、可変ターボシステムと燃料噴射弁とを組み合わせたときには、出力のばらつきを少なくすることができるため、良好な加速特性を得ることができ、燃料噴射弁の制御噴射量を最小とすることができる。

とくに第一の発明によれば、バルブピストンの断面弧状頂部が開閉用オリフィスの開口部に向かって凸になっており、バルブピストンの断面弧状頂部が開口部を遮断するときに一気に遮断することなく徐々に絞ることが可能となり、バルブピストンに加わる圧力脈動を低減させるようにしたので、制御圧室内において脈動を発生させる傾向を抑制可能である。

とくに第二の発明によれば、バルブピストンは、その直径より大きな直径の円弧による凸の断面弧状頂部を有するので、断面弧状頂部と開閉用オリフィスの開口部との間における絞り断面積を漸減させ、バルブピストンに加わる圧力脈動をより確実に低減させることができる。

本発明は、バルブピストンの頂部に、その直径より大きな直径の円弧による凸の断面弧状頂部を形成し、この断面弧状頂部と開閉用オリフィスの開口部との間における絞り断面積を、この断面弧状頂部におけるその外縁部から開口部に近づくにしたがって漸減するようにしたので、制御圧室内の圧力の脈動を抑制可能な燃料噴射弁を実現した。

つぎに本発明の実施例によるノズルニードルの制御構造を備えた燃料噴射弁３０を図１にもとづき説明する。ただし、図２ないし図５と同様の部分には同一符号を付し、その詳述はこれを省略する。
図１は、図３と同様の、燃料噴射弁１におけるノズルニードル４の制御構造３０におけるバルブボディ６および背圧制御部７の要部拡大断面図であって、ノズルニードル４の制御構造３０は、そのバルブピストン３１の頂部を開口部２３Ａに向かって凸の断面弧状頂部３１Ａとしている。
図１は、バルブピストン３１が開閉用オリフィス２３の開口部２３Ａに当接するそのフルリフト状態を示している。
バルブボディ６は、従来のものをそのまま使用可能である。

図示のように、バルブピストン３１は、その直径より大きな直径の円弧による凸の断面弧状頂部３１Ａを有するとともに、この断面弧状頂部３１Ａが開閉用オリフィス２３の開口部２３Ａに凸に向かっている。
すなわち、バルブピストン３１は、バルブボディ６の摺動孔６Ａに摺動可能なその外周面が、この断面弧状頂部３１Ａとの間の外縁部３１Ｂを介して曲率が変化するようにこの断面弧状頂部３１Ａに連続している。
換言すれば、バルブピストン３１は、バルブボディ６の摺動孔６Ａに摺動可能なその外周面が、外縁部３１Ｂを境にして曲率が変化するようにこの断面弧状頂部３１Ａに連続している。

かくして、断面弧状頂部３１Ａが開閉用オリフィス２３の開口部２３Ａに向かうにしたがって、すなわち、バルブピストン３１の外縁部３１Ｂからこの開口部２３Ａに近づくにしたがって、バルブピストン３１の断面弧状頂部３１Ａと開閉用オリフィス２３の対向面２３Ｂとの間における絞り通路３２の絞り断面積を流れ方向に向かって漸減するようにしてある。
さらに、バルブピストン３１のリフトにともなって当該断面弧状頂部３１Ａが開口部２３Ａに当接した際には、断面弧状頂部３１Ａと開口部２３Ａとは限りなく線接触に近く開口部２３Ａを閉鎖可能ではあるが、実際には微小間隙３３があいていて、この微小間隙３３部分に油膜が形成され、制御圧室１９内の圧力が開閉用オリフィス２３方向にわずかずつ逃げることができるようになっている。

こうした構成のノズルニードルの制御構造を備えた燃料噴射弁３０においては、バルブピストン３１がリフトして、その断面弧状頂部３１Ａが開閉用オリフィス２３の開口部２３Ａに当接する方向に移動する際に、断面弧状頂部３１Ａと平坦な対向面２３Ｂとの間の絞り通路３２の絞り断面積が徐々に減少するようにしているので、バルブピストン３１のリフトにともなっても制御圧室１９内において圧力の変動ないし増減を極力少なくするとともに、制御圧室１９内の圧力が絞り通路３２の最先端部ないし微小間隙３３および開閉用オリフィス２３を通って低圧側（燃料タンク１０側）に抜けていくことができる。
したがって、マグネット２５への通電時間ＥＴに対する噴射孔１６からの噴射量Ｑの関係を、図５のコブおよびうねりのあるものから、図４の理想形に近いものとすることができる。

かくして、設計とおりの噴射量を安定して得ることが可能となるとともに、コモンレール１２（蓄圧器）に接続した各燃料噴射弁１ごとのばらつきも回避可能である。

以上のように本発明によれば、バルブピストンと開閉用オリフィスとの間を少しずつ絞るような構成としたので、制御圧室内の圧力の脈動を抑制し、バルブピストンのリフトにともなう燃料噴射量を安定して得ることができ、燃料噴射弁個々のばらつきを低減することができる。

本発明の実施例によるノズルニードルの制御構造を備えた燃料噴射弁３０におけるバルブボディ６および背圧制御部７の要部拡大断面図である。 燃料噴射弁１の断面図である。 同、バルブボディ６および背圧制御部７の要部拡大断面図である。 同、マグネット２５の通電時間ＥＴに対する燃料噴射量Ｑの理想的な関係を示すグラフである。 同、図２および図３による燃料噴射弁１における、マグネット２５の通電時間ＥＴに対する燃料噴射量Ｑの関係を示すグラフである。

符号の説明

１ ノズルニードルの制御構造を備えた燃料噴射弁（図２）
２ インジェクターハウジング
２Ａ インジェクターハウジング２の摺動孔
３ ノズルボディ
４ ノズルニードル
４Ａ ノズルニードル４の受圧部
５ バルブピストン
５Ａ バルブピストン５の頂部（図３）
５Ｂ 頂部５Ａの平坦部（図３）
６ バルブボディ
６Ａ バルブボディ６の摺動孔
７ 背圧制御部
８ コネクティングロッド
９ ノズルナット
１０ 燃料タンク
１１ 燃料ポンプ
１２ コモンレール（蓄圧器）
１３ 燃料通路
１４ 燃料溜まり室
１５ 燃料環流路
１６ 噴射孔
１７ シート部
１８ ノズルスプリング
１９ 制御圧室
２０ 導入側オリフィス
２１ 圧力導入室
２２ シール部材
２３ 開閉用オリフィス
２３Ａ 開閉用オリフィス２３の開口部（図１、図３）
２３Ｂ 開閉用オリフィス２３の開口部２３Ａが位置する対向面（図１、図３）
２４ バルブボール（制御弁体）
２５ マグネット
２６ バルブスプリング
２７ アーマチュア
３０ ノズルニードルの制御構造を備えた燃料噴射弁（実施例、図１）
３１ バルブピストン
３１Ａ バルブピストン３１の断面弧状頂部
３１Ｂ バルブピストン３１の外縁部
３２ 絞り通路
３３ 微小間隙

Claims (3)

1. 高圧側につながる導入側オリフィスから高圧燃料の供給を受けるとともに、低圧側につながる開閉用オリフィスに連通可能な制御圧室をバルブボディに形成し、
   ノズルニードルを制御するためのバルブピストンをこの制御圧室に臨ませ、
   前記開閉用オリフィスを制御弁体により開閉して、前記バルブピストンを介した前記ノズルニードルによる噴射孔の開閉作用を可能としたノズルニードルの制御構造を備えた燃料噴射弁であって、
   前記バルブピストンは、その直径より大きな直径の円弧による凸の断面弧状頂部を有するとともに、この断面弧状頂部が前記開閉用オリフィスの開口部に凸に向かっており、
   前記バルブピストンのこの断面弧状頂部と前記開閉用オリフィスの前記開口部との間における絞り断面積を、この断面弧状頂部におけるその外縁部から前記開口部に近づくにしたがって漸減することで前記バルブピストンに加わる圧力脈動を低減させるようにしたことを特徴とするノズルニードルの制御構造を備えた燃料噴射弁。
2. 前記バルブピストンの断面弧状頂部と前記開閉用オリフィスの前記開口部が位置する前記バルブボディの対向面との間に、前記外縁部から前記開口部に向かって、互いの間の間隔が漸減する絞り通路を形成したことを特徴とする請求項１記載のノズルニードルの制御構造を備えた燃料噴射弁。
3. 前記バルブピストンのリフトにともなって、その前記断面弧状頂部が前記開閉用オリフィスの前記開口部に当接したとしても、前記開口部からわずかずつ燃料が前記低圧側に漏れるようにすることを特徴とする請求項１記載のノズルニードルの制御構造を備えた燃料噴射弁。