JP3777637B2 - 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を小さくすることにより制御圧力室の圧力低下速度を減少させ、ニードル弁を緩やかにリフトさせて初期噴射率を低減することにより排ガス中の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面積差を小さくすると、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。
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、燃料供給圧の低圧時においても燃料噴射可能な燃料噴射装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【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構成によると、電磁弁が開弁し第２制御圧力室と燃料低圧側とが連通すると、絞りピストンに設けた流通絞りの流路抵抗により第１制御圧力室よりも第２制御圧力室の燃料圧力が低くなるので、絞りピストンが反噴射側に移動し、第１制御圧力室の容積が増加する。したがって、電磁弁の開弁時、絞りピストンが停止した状態において到達する第１制御圧力室の一定の最低圧よりも第１制御圧力室の燃料圧力がさらに低下するので、インジェクタへの燃料供給圧が低い場合にも燃料供給通路と噴孔とを断続する弁部材がリフトし、燃料を噴射することができる。
【０００６】
【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の反噴射側には圧力室３０が設けられている。
【０００７】
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に供給されており、ニードル弁２０がリフトすると燃料供給通路６１の高圧燃料が噴射ノズル２の噴孔から噴射される。
図２に示すように、絞りピストン４０は、圧力室３０に往復移動可能に収容されており、スプリング４３によりインジェクタボディ１３の内壁に設けた係止部１３ａに向けて付勢されている。絞りピストン４０は円筒部４１と円筒部４１の噴射側に円筒部４１と一体に形成される底部４２とからなり、円筒部４１の外壁はインジェクタボディ１３の内壁と摺動可能である。絞りピストン４０は制御ピストン側から第１制御圧力室３１、第２制御圧力室３２の順に圧力室３０を区画している。後述する電磁弁５０の開閉により、絞りピストン４０は係止部１３ａと電磁弁５０のバルブボディ５３の端面との間で往復移動する。
【０００８】
底部４２には流通絞り４２ａが設けられ、この流通絞り４２ａが第１制御圧力室３１と第２制御圧力室３２とを連通している。流通絞り４２ａは、第１制御圧力室３１から第２制御圧力室３２に流入する燃料流量を規制する。第１制御圧力室３１は流入絞り４４を介して燃料供給通路６１と連通しており、第２制御圧力室３２は圧力制御弁５１内に形成された圧力バランス室５１ａと連通している。連通絞り４２ａの流路面積は流入絞り４４の流路面積よりも大きくなるように設定されている。
【０００９】
図１に示すように、電磁弁５０は二方電磁弁であり、インジェクタボディ１３の上方に配設されている。電磁弁５０の圧力制御弁５１は、バルブボディ５３に往復移動可能に支持されており、スプリング５７により弁座５３ａに向けて付勢されている。圧力制御弁５１が弁座５３ａに着座することにより、第２制御圧力室３２および圧力バランス室５１ａと低圧の燃料排出通路６２との連通が遮断される。圧力制御弁５１内には軸方向両端に開口する圧力バランス室５１ａが設けられている。圧力バランス室５１ａの反噴射側の一方の開口部は圧力バランス室５１ａを形成する圧力制御弁５１の内壁と摺動するバランスピストン５２により封止されている。圧力バランス室５１ａの他方の開口部は第２制御圧力室側に開口しており、圧力バランス室５１ａは第２制御圧力室３２と連通している。
【００１０】
圧力制御弁５１のシート面積とバランスピストン５２の断面積とはほぼ等しい。つまり、圧力制御弁５１が弁座５３ａに着座した図１に示す状態では、圧力制御弁５１が第１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５１ａの高圧燃料から弁座５３ａへの着座方向に受ける力はほぼ等しくなっている。圧力制御弁５１の他の受圧面に働く燃料圧力は、第１制御圧力室側の高圧燃料および圧力バランス室５１ａの高圧燃料に比較して極めて小さいので、圧力制御弁５１が電磁弁５０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５７の付勢力を小さくしても圧力制御弁５１は弁座５３ａに着座可能である。さらに、スプリング５７の付勢力に抗して圧力制御弁５１をリフトするコイル５４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。
【００１１】
バランスピストン５２は、圧力バランス室５１ａの他方の開口部を封止しており、圧力バランス室５１ａを形成する圧力制御弁５１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５２は圧力バランス室５１ａの圧力によりストッパ５８に当接する。
【００１２】
コイル５４はコア５５に巻回されており、コネクタ７１のピン７１ａからコイル５４に駆動パルスが供給される。コイル５４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５７の付勢力に抗してアーマチャ５６とともに圧力制御弁５１が吸引され、圧力制御弁５１は弁座５３ａから離座する。
図１および図２に示すように、圧力制御弁５１が弁座５３ａに着座している状態では、圧力室４０および圧力バランス室５１ａ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。圧力制御弁５１が弁座５３ａから離座すると、第１制御圧力室３１の高圧燃料は流通絞り４２ａから第２制御圧力室３２、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。以下に説明する本実施例の作動はコモンレールからの燃料供給圧Ｐ_C が低圧の場合について述べたものである。
(1) 図３の（Ａ）に示すコイル５４への通電オフ時、圧力制御弁５１は弁座５３ａに着座しているので、第１制御圧力室３１、第２制御圧力室３２および圧力バランス室５１ａと燃料排出通路６２との連通は遮断されており、第１制御圧力室３１、第２制御圧力室３２および圧力バランス室５１ａ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５０の開弁方向および閉弁方向に燃料圧力から圧力制御弁５１が受ける力はほぼ等しくなっている。
【００１４】
(2) 図３の（Ｂ）に示すように、コイル５４への通電をオンすると、圧力制御弁５１は弁座５３ａから離座し第２制御圧力室３２は低圧側の燃料排出通路６２と連通し、第１制御圧力室３１は連通絞り４２ａおよび第２制御圧力室３２を介して燃料排出通路６２と連通する。第１制御圧力室３１から第２制御圧力室３２へ流入する燃料流量は連通絞り４２ａにより規制されるとともに、連通絞り４２ａの流路面積は流入絞り４４の流路面積よりも大きいので、第１制御圧力室３１および第２制御圧力室３２の燃料圧力が低下するとともに、第２制御圧力室３２の燃料圧力は第１制御圧力室３１の燃料圧力よりも低くなる。したがって、第１制御圧力室３１と第２制御圧力室３２との圧力差から絞りピストン４０が受ける力の方がスプリング４３の付勢力よりも大きくなるので、絞りピストン４０の底部４２が係止部１３ａから離れ円筒部４１の端部がバルブボディ５３に当接する方向に移動することにより第１制御圧力室３１の容積が増加する。
【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、制御ピストン２２とともにニードル弁２０がリフトし燃料が噴射されるときの第１制御圧力室３１の圧力Ｐ_CC1 は次式(1) で示される。
【００１６】
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、第１制御圧力室３１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おり、ニードル弁２０のガイド径ｄ_NG、ニードル弁２０のシート径ｄ_NSおよびスプリング２３の付勢力Ｆ_S により決定される。
【００１７】
また、圧力制御弁５１が弁座５３ａから離座し円筒部４１がバルブボディ５３に当接した状態において、図５に示すように、流入絞り４４の流路径をｄ₁ 、流量をＱ₁ 、流量係数をＣ₁ 、連通絞り４２ａの流路径をｄ₂ 、流量をＱ₂ 、流量係数をＣ₂ とすると、第１制御圧力室３１への流入量と第１制御圧力室３１からの流出量とが平衡し、図４に示すように第１制御圧力室３１の圧力が一定の最低圧Ｐ_CC2 となる定常状態ではＱ₁ ＝Ｑ₂ となり、最低圧Ｐ_CC2 は次式(2) で表される。
【００１８】
Ｃ₁ ×ｄ₁ ²×（Ｐ_C −Ｐ_CC2 ）^1/2 ＝Ｃ₂ ×ｄ₂ ²×Ｐ_CC2 ^1/2 ・・・(2)
Ｃ₁ ＝Ｃ₂ と仮定すると、Ｐ_CC2 は次式(3) 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 ｝ ・・・(3)
絞りピストン４０の停止状態では、燃料供給圧Ｐ_C が低くなり図６に示すようにＰ_CC1 ＜Ｐ_CC2 となる領域では燃料を噴射できない。しかし本実施例では、電磁弁５０が開弁した状態で絞りピストン４０が移動し第１制御圧力室３１の容積が増加することにより、図４に示すように、第１制御圧力室３１の圧力Ｐ_CCがＰ_CC1 ＜Ｐ_CC2 となるＰ_CC1 よりも低下する。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。
【００１９】
ニードル弁２０が一端リフトすると、燃料供給通路６１から供給される高圧燃料からニードル弁２０がリフト方向に圧力を受ける受圧面積が大きくなるので、ニードル弁２０を噴孔閉塞方向に移動させるのに必要な第１制御圧力室３１の燃料圧力Ｐ_CC3 はＰ_CC1 およびＰ_CC2 よりも高圧である。燃料圧力Ｐ_CC3 を次式(4) に示す。
【００２０】
Ｐ_CC3 ＝｛ｄ_NG ² ×Ｐ_C −（ｄ_NG ² −ｄ_NS ² ）×Ｐ₀ ｝／ｄ_P ² ・・・(4)
このため、円筒部４１がバルブボディ５３に当接して第１制御圧力室３１の容積増加が停止した後、第１制御圧力室３１の燃料圧力が上昇して一定の最低圧Ｐ_CC2 になっても、噴孔からの燃料噴射が継続される。
(3) 図３の（Ｃ）に示すように、コイル５４への通電をオフすると、スプリング５７の付勢力により圧力制御弁５１は弁座５３ａに着座し、第２制御圧力室３２および圧力バランス室５１ａと燃料排出通路６２との連通が遮断される。すると、流入絞り４４および連通絞り４２ａから流入する燃料により、図４に示すように第１制御圧力室３１および第２制御圧力室３２の燃料圧力が上昇し始める。しかし、コイル５４への通電をオフした直後では第１制御圧力室３１と第２制御圧力室３２との差圧により絞りピストン４０は直ぐに下降を開始せず、円筒部４１はバルブボディ５３に当接したままである。ニードル弁２０は第１制御圧力室３１の燃料圧力Ｐ_CCが燃料圧力Ｐ_CC3 よりも高圧になるまで下降しない。
【００２１】
(4) コイル５４への通電オフ状態が継続すると、第１制御圧力室３１と第２制御圧力室３２との圧力差が小さくなるので、スプリング４３の付勢力により絞りピストン４０が下降し始める。第１制御圧力室３１の燃料圧力Ｐ_CCが上昇を続け燃料圧力Ｐ_CC3 よりも高圧になると制御ピストン２２とともにニードル弁２０が噴孔閉塞方向に移動する。すると、第１制御圧力室３１の容積が増加し第１制御圧力室３１の燃料圧力が低下しようとするので、それに追随して図４に示すように絞りピストン４０が急激に下降し、第２制御圧力室３２の容積も増加する。したがって、第１制御圧力室３１および第２制御圧力室３２の圧力上昇率は一旦鈍るが、図３の（Ｄ）に示すように絞りピストン４０の底部４２が係止部１３ａに着座すると、第１制御圧力室３１および第２制御圧力室３２の圧力上昇率は上昇する。そして、ニードル弁２０が噴孔を閉塞し燃料噴射が終了する。
【００２２】
ここで、図７に示す比較例と比較して本実施例の作動および効果を述べる。本実施例と実質的に同一構成部分には同一符号を付す。
図７に示す比較例は、本実施例の絞りピストン４０をもたいないものであり、制御ピストン２２の反噴射側に制御圧力室４５が設けられている。制御圧力室４５は流入絞り４６を介して燃料供給通路６１と連通している。また、制御圧力室４５は流出絞り４７を介して圧力バランス室５１ａと連通し、燃料排出通路６２と連通可能である。
【００２３】
比較例の制御圧力室４５は容積が変化しないので、図８に示すように、制御圧力室４５の燃料圧力Ｐ_CCが最低圧Ｐ_CC2 よりも下がらないため、Ｐ_CC1 ＞Ｐ_CC2 の範囲でしか噴射できない。
これに対して本実施例は、電磁弁５０の開弁時絞りピストン４０が移動し第１制御圧力室３１の容積が増加することにより、絞りピストン４０の停止状態における最低圧Ｐ_CC2 よりも第１制御圧力室３１の燃料圧力Ｐ_CCが低下可能である。したがって本実施例では、図６に示すように、比較例よりも燃料供給圧Ｐ_C が低くなりＰ_CC1 ＜Ｐ_CC2 となる条件下でもＰ_CC3 ＞Ｐ_CC2 の範囲内で燃料を噴射可能である。
【００２４】
以上説明した本発明の上記実施例では、燃料供給圧が低圧の場合について説明したが、燃料供給圧が高圧になるとＰ_CC1 ＞Ｐ_CC2 が成立するため燃料噴射可能である。
【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】本実施例の作動を示す断面図であり、（Ａ）は通電オフ時を示し、（Ｂ）は通電オン時を示し、（Ｃ）は通電オフ直後を示し、（Ｄ）は通電オフ継続時を示している。
【図４】コイルへの通電オン、オフにともなう第１制御圧力室の圧力変化を示す特性図である。
【図５】第１制御圧力室の作動を示す模式的説明図である。
【図６】燃料供給圧の変化による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。
【図７】（Ａ）は本実施例の比較例を示す断面図であり、（Ｂ）は比較例の主要部を示す断面図である。
【図８】比較例の制御圧力室の圧力変化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（弁部材）
２１ プレッシャピン（弁部材）
２２ 制御ピストン（弁部材）
３０ 圧力室
３１ 第１制御圧力室
３２ 第２制御圧力室
４０ 絞りピストン
４２ａ 連通絞り
４４ 流入絞り
５０ 電磁弁
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高圧燃料を供給可能な燃料供給通路と前記噴孔とを断続する弁部材と、
   前記弁部材の反噴射側に設けられた圧力室に軸方向に往復移動可能に収容され、前記弁部材側から第１制御圧力室、第２制御圧力室の順に前記圧力室を区画する絞りピストンと、
   前記弁部材側に前記絞りピストンを付勢する付勢手段と、
   前記第２制御圧力室と燃料低圧側とを断続する電磁弁とを備え、
   前記第１制御圧力室と前記第２制御圧力室との間に位置し前記第１制御圧力室と前記第２制御圧力室とを連通する流通絞りを前記絞りピストンに設け、前記燃料供給通路と前記第１制御圧力室との間に前記流通絞りよりも流路面積の小さな流入絞りを設け、
   前記電磁弁が前記第２制御圧力室と燃料低圧側とを断続するときに、前記燃料供給通路、前記流入絞り、前記第１制御圧力室、前記流通絞り、前記第２制御圧力室の順に燃料が流れることを特徴とする燃料噴射装置。

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