JP3794141B2 - 差圧式燃料噴射弁 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ニードル弁前後の差圧によりニードル弁を進退させて燃料噴孔を開閉する差圧式燃料噴射弁の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平６−２８０７１１号公報には、燃料が満たされた差圧室に先端が臨んだピストンと、この差圧室に後面が臨んだニードル弁とを備え、電歪アクチュエータでピストンを進退させることにより、ニードル弁前後に燃料圧の差圧を発生させ、この差圧によってニードル弁を進退させて燃料噴孔を開閉するように構成した差圧式の燃料噴射弁が開示されている。
【０００３】
このような差圧式燃料噴射弁は、アクチュエータの駆動制御による高精度の燃料噴射時期制御と、ニードル弁の前後に作用する燃料圧を利用した高い燃料噴射圧とを両立できるため、特に燃焼室内に直接燃料を噴射する直噴式ガソリンエンジンのような内燃機関に適している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の差圧式燃料噴射弁は、電歪アクチュエータの伸縮によりピストンを進退させているから、ピストンのストローク調整が困難であり、かつ、ピストンを瞬間的に進退させて差圧室の圧力を変化させ、これにより生じるニードル弁前後の差圧によってニードル弁を進退させる構成となっているため、例えば差圧室の内部容積，アクチュエータの変位量，ニードル弁を閉弁方向に付勢するリターンスプリングのバネ力等のばらつきに起因して、製品間でニードル弁のリフト特性や噴射燃料の流量（燃料噴射量）に、ばらつきを生じ易いという問題があった。このため、各部材を極めて高精度に製造する必要があり、製造コストの大幅な上昇を招いていた。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
そこで、請求項１の発明は、燃料が満たされた差圧室に先端が臨んだピストンと、差圧室に臨んだ後面及びこの後面に作用する燃料圧に対向する燃料圧を受ける受圧面を有するニードル弁とを備え、アクチュエータでピストンを進退させることにより生じるニードル弁前後の差圧により、このニードル弁を進退させて燃料噴孔を開閉する差圧式燃料噴射弁において、上記差圧室のみに連通する密閉空間である調整室が設けられるとともに、この調整室内部の容積を変化させる容積調整手段を有することを特徴としている。
【０００６】
容積調整手段によって調整室内部の容積を変化させることにより、この調整室が連通する差圧室の内部容積が調整される。このため、ピストンの進退に伴って発生するニードル弁前後の差圧が調整され、ひいてはニードル弁のリフト特性及び噴射燃料の流量を調整することができる。
【０００７】
また、請求項２の発明では、上記差圧室は、ピストンの先端が臨んだ変圧室と、ニードル弁の後面が臨んだ背圧室と、これら変圧室と背圧室とを連通する連通路と、を有し、この連通路の途中に上記調整室が連通している。
【０００８】
請求項３の発明では、上記容積調整手段は、一端部が調整室内に臨み、自身が進退されることにより調整室内の容積を増減するアジャストスクリュである。
【０００９】
また請求項４の発明は、アジャストスクリュに、調整室内に臨んだ弾性体が取り付けられていることを特徴としている。
【００１０】
【発明の効果】
本発明によれば、容積調整手段によって調整室内部の容積を変化させることにより、この調整室が連通する差圧室の内部容積を調整することができる。このため、ピストンの進退に伴って発生するニードル弁前後の差圧が調整され、ひいてはニードル弁のリフト特性及び噴射燃料の流量を簡単に調整することができる。この結果、製品間でニードル弁のリフト特性及び噴射燃料の流量を簡単に適正化することができる。
【００１１】
また、容積調整手段による調整室の容積調整を、燃料を噴射させながら行うことにより、短時間で簡単かつ正確な調整が可能である。
【００１２】
加えて請求項２の発明によれば、調整室が、差圧室の中で変圧室と背圧室とを連通する連通路に連通しているため、調整室の容積が変圧室や背圧室の圧力分布に与える悪影響が最小限に抑制され、例えば変圧室の圧力分布が不均一となることによって生じるピストンの傾動、ひいてはピストン摺動抵抗の増大やスティック現象の発生が効果的に抑制される。
【００１３】
また、調整室の連通路がいわゆる絞り部として機能し、変圧室と背圧室との間で伝達される圧力脈動を効果的に低減することができる。
【００１４】
請求項３の発明によれば、調整治具等を用いてアジャストスクリュを回動することにより、このアジャストスクリュを進退させて、調整室ひいては差圧室の内部容積を更に簡単に調整することができる。
【００１５】
請求項４の発明によれば、弾性体が調整室内の燃料圧に応じて弾性変形することにより、調整室を含めた差圧室内に生じる圧力脈動を効果的に低減することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係わる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
図１は、この発明の第１実施例に係わる燃料噴射弁を示す断面図である。この燃料噴射弁は、例えば筒内直接噴射式のガソリンエンジンのような内燃機関に好適に使用されるもので、ノズルホルダ１０の先端部に螺合するノズルナット１２によって、先端部に燃料噴孔１４が貫通形成されたノズルボディ１６が固定され、かつ、ノズルホルダ１０の内部に差圧室１８が隔成されている。なお、ノズルボディ１６の外周に凹設された周方向溝には、ノズルホルダ１０内部壁面との間をシールするＯリング２０が配設されている。
【００１８】
差圧室１８は、アクチュエータとしてのピエゾ素子２１の伸縮に応じて軸方向に進退駆動されるピストン２２の先端２２ａが臨んだ変圧室２６と、ノズルボディ１６の内部に摺動可能に収容されているニードル弁２４の後面２４ａが臨んだ背圧室２８と、変圧室２６と背圧室２８とを連通する連通路３０と、を有している。
【００１９】
そしてニードル弁２４には、その後面２４ａに背圧室２８内の燃料圧が作用するとともに、この燃料圧に対向する燃料圧がその前面側の傾斜する受圧面２４ｂに作用する。このため、ピストン２２の進退に応じて差圧室１８内の容積及び内圧が変化し、これに伴ってニードル弁２４前後に差圧が生じる。そして、この差圧によって、ニードル弁２４を進退させて燃料噴孔１４を開閉するように構成されている。
【００２０】
なお、この実施例では、ニードル弁２４が図１において最も左方向（閉弁方向）に移動すると、円錐状に形成されたニードル弁２４の先端面２４ｃが同じく円錐状に形成されたノズルボディ１６のシート面に着座して燃料噴孔１４を閉じるとともに、ニードル弁２４が図１の右方向（開弁方向）に移動すると燃料噴孔１４が開くように構成されている。
【００２１】
詳述すると、ノズルホルダ１０に穿設された燃料導入通路３２を通って環状溝３４に圧送されてくる燃料は、ノズルボディ１６に形成された径方向孔１６ａを通って、ノズルボディ１６の内部壁面とニードル弁２４との間に隔成される燃料溜まり室３６内に導入されるとともに、例えばニードル弁２４の後部外周面とノズルボディ１６の内周面との間の微少隙間を通って差圧室１８内へ導入される。
【００２２】
ここで、ニードル弁２４は、受圧面２４ｂが形成された後部が前部に比して大径に形成されているから、燃料溜まり室３６内の高い燃料圧は、全体として受圧面２４ｂを介して開弁方向に作用する。一方、ニードル弁２４の後面２４ａには閉弁方向の高い燃料圧が作用する。この後面２４ａの受圧面積は受圧面２４ｂの受圧面積よりも大きいので、両者の燃料圧が等しい状態では、ニードル弁２４は閉状態に保たれる。
【００２３】
また、ピエゾ素子２１は、図外のコントロールユニットの制御により印加される電圧のオン，オフに応じて伸縮するもので、内燃機関が稼動している状態では、通常、図１に示すように所定の電圧が印加されて最も伸張した状態にある。このとき、ピストン２２は差圧室１８内の燃料圧に対向して最も前進した位置にあり、また、上述したように燃料噴孔１４は閉じられている。
【００２４】
この伸張状態でピエゾ素子２１への電圧印加を一時的にオフにすると、図２（ａ）に示すようにピエゾ素子２１が収縮し、これに伴ってピストン２２が差圧室１８内の燃料圧により後退方向に移動する。これにより差圧室１８内の容積が増加し、図２（ｂ）に示すように差圧室１８の内圧が即座に低下する。この結果、上述したようにニードル弁２４の前後で差圧が生じ、図２（ｃ）に示すようにニードル弁２４が若干の位相遅れを伴って開弁方向にリフトする。
【００２５】
そして、再びピエゾ素子２１に電圧を印加することにより、ピエゾ素子２１が伸張してピストン２２が前進し、差圧室１８における内部容積が減少するとともに内圧が増加し、これに伴うニードル弁２４前後の差圧によりニードル弁２４が閉弁方向に移動する。
【００２６】
ここで、変圧室２６は、ピストン２２のストロークに対する差圧室１８内の容積変化が大きくなるように、少なくとも背圧室２８より大径で、ピストン２２と略同径に形成されている。なお、ピストン２２の外周に凹設された周方向溝にはノズルホルダ１０内周面との間をシールするＯリング３８が介装されている。また、変圧室２６内部には、主にピストン２２の後退方向への移動応答性を向上する目的で、ピストン２２を常時後退方向に付勢する皿バネ４０をピストン２２の先端２２ａと変圧室２６の壁面との間に介在させてある。
【００２７】
また、背圧室２８内には、ニードル弁２４を常時閉弁方向に付勢するリターンスプリング４２が配設されており、例えば内燃機関を停止した状態で燃料噴孔１４が確実に閉じられようになっている。このリターンスプリング４２に対応してニードル弁２４の後面２４ａ及びノズルホルダ１０の内部底面が段付形状に凹設されている。更に、背圧室２８内には、ノズルボディ１６の端面とノズルホルダ１０の壁面との間に介装されるディスタンスピース４４が配設されており、このディスタンスピース４４とニードル弁２４の後面２４ａとの間にはニードル弁２４のリフト量に対応する間隙が形成されている。
【００２８】
連通路３０は、差圧室１８内の圧力分布が不均一とならないように、変圧室２６の軸方向中心と背圧室２８の軸方向中心とを連通している。また連通路３０は、少なくとも変圧室２６や背圧室２８よりも小径な細い管状に形成されており、変圧室２６と背圧室２８との間で伝達される圧力脈動を低減する絞り部として機能している。
【００２９】
そして、本実施例にあっては、連通路３０の途中に連通する調整室５０がノズルホルダ１０の内部に形成されるとともに、この調整室５０内の容積を調整する容積調整手段としてのアジャストスクリュ５２の先端５２ａが調整室５０に臨んでいる。すなわち、調整室５０を含めた差圧室１８内に燃料が満たされており、調整室５０は差圧室１８の一部を構成している。
【００３０】
詳述すると、調整室５０は、一端が連通路３０の中央部に開口する小径部５０ａと、この小径部５０ａより大径に形成され、一端がノズルホルダ１０の側面に開口する大径部５０ｂと、小径部５０ａの他端と大径部５０ｂの他端とを接続する円錐形状の接続部５０ｃとにより構成されている。小径部５０ａ及び大径部５０ｂは連通路３０と直交する方向に延びており、また大径部５０ｂの開口部側の内周面には雌ネジ部５０ｄが形成されている。
【００３１】
アジャストスクリュ５２は、その後端側外周面に雌ネジ部５０ｄに螺合する雄ネジ部５２ｂが形成されるとともに、ノズルホルダ１０の外部に突出する後端面に調整用治具（図示省略）が係合する係合部５２ｃが凹設されている。そして、係合部５２ｃに嵌合する治具を介してアジャストスクリュ５２を回動することにより、アジャストスクリュ５２が軸方向に進退移動し、これに伴って調整室５０ひいては差圧室１８内の容積が増減する。
【００３２】
なお、アジャストスクリュ５２の先端側の平滑な外周面に凹設された周方向溝には、調整室５０の大径部５０ｂの平滑な内周面との間をシールするＯリング５４が介装されている。
【００３３】
次に、本実施例の作用効果を説明する。
【００３４】
差圧室１８内の容積をＶ，差圧室１８の容積変化量をΔＶ，燃料の体積弾性率をＫ，差圧室１８内の圧力変化量をΔＰとすると、次式が成立する。
【００３５】
【数１】
ΔＰ＝Ｋ・ΔＶ／Ｖ …（１）
つまり、差圧室１８内の圧力変化量ΔＰは、差圧室１８内の容積Ｖに反比例し、差圧室１８内の容積変化量ΔＶに比例している。
【００３６】
ここで、ニードル弁２４のリフト特性及び噴射燃料の流量は、差圧室１８内の圧力変化量ΔＰに応じたニードル弁２４前後の差圧に応じて変化することから、差圧室１８内の容積Ｖ，差圧室１８内の容積変化量ΔＶに比例するピエゾ素子２１の変位量，リターンスプリング４２のバネ付勢力等のばらつきに起因して、製品間でばらつきを生じ易い。
【００３７】
本実施例によれば、アジャストスクリュ５２を介して調整室５０内の容積を調整することによって、差圧室１８内の容積Ｖを変化させ、これにより差圧室１８内の圧力変化量ΔＰを調整し、ひいてはニードル弁２４のリフト特性及び噴射流量を調整することができる。従って、差圧室１８内の容積Ｖ，ピエゾ素子２１の変位量，リターンスプリング４２の付勢力等のばらつきを相殺して、製品間におけるリフト特性ばらつきや噴射燃料の流量ばらつきを容易に修正することができる。
【００３８】
図２及び図３において、破線は、実線の状態からアジャストスクリュ５２を所定量だけ図１の上方向に後退させて、調整室５０内の容積を増加させた状態を示している。この破線の状態では、図３に示すように噴射流量が実線の状態より所定量だけ小さくなっていることが分かる。つまり、調整室５０内の容積を変化させることによって、噴射流量を比例的に変化させることができ、その調整作業が極めて容易である。
【００３９】
更に、アジャストスクリュ５２は、ノズルホルダ１０の外部から操作可能であり、実際に燃料を噴射しながら調整することができるから、短時間で簡単かつ正確な流量調整が可能である。
【００４０】
加えて、調整室５０は、差圧室１８の中で変圧室２６と背圧室２８とを連通する小径な連通路３０に連通しているから、変圧室２６や背圧室２８の圧力分布に与える悪影響が最小限に抑制されている。この結果、変圧室２６内の圧力分布が不均一となってピストン２２が傾動し、これによりピストン２２の摺動抵抗が増大してスティック現象を生じるような事態が効果的に回避される。
【００４１】
図４は、本発明の第２実施例に係わる燃料噴射弁のアジャストスクリュ近傍の断面図で、この第２実施例は、アジャストスクリュ５２の先端５２ａに、調整室５０内に臨んだ弾性体５６を固着してある点で、第１実施例と異なっている。そして、この弾性体５６が調整室５０内の燃料圧に応じて弾性変形することにより、調整室５０を含めた差圧室内の圧力脈動を吸収し、この圧力脈動を効果的に低減することができる。
【００４２】
図５は本発明の第３実施例に係わる燃料噴射弁のアジャストスクリュ近傍の断面図で、この第３実施例は、調整室５０内に臨んだ弾性体５８が、リング状に形成されるとともに、相対的に小径となったアジャストスクリュ５２の先端部６０外周に凹設された周方向溝６０ａに嵌合している点、及び調整室５０の大径部５０ｂがアジャストスクリュ５２の先端部６０の形状に応じて段付き形状に形成されている点で、第２実施例と異なっている。この第３実施例では、第２実施例と同様、弾性体５８により調整室５０を含めた差圧室内の脈動を吸収できることに加え、弾性体５８を周方向溝６０ａに嵌合するだけでよいから、その取付作業が簡素化されるという実用的な効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施例に係わる燃料噴射弁を示す断面図。
【図２】（ａ）がピエゾアクチュエータの変位を示す特性図、（ｂ）が差圧室の内圧変化を示す特性図、（ｃ）がニードル弁のリフト特性図。
【図３】噴射燃料の流量を示す特性図。
【図４】第２実施例に係わる燃料噴射弁のアジャストスクリュ近傍の断面図。
【図５】第３実施例に係わる燃料噴射弁のアジャストスクリュ近傍の断面図。
【符号の説明】
１８…差圧室
２１…ピエゾ素子（アクチュエータ）
２２…ピストン
２４…ニードル弁
２４ａ…後面
２４ｂ…受圧面
２６…変圧室
２８…背圧室
３０…連通路
５０…調整室
５２…アジャストスクリュ（容積調整手段）

Claims (4)

1. 燃料が満たされた差圧室に先端が臨んだピストンと、差圧室に臨んだ後面及びこの後面に作用する燃料圧に対向する燃料圧を受ける受圧面を有するニードル弁とを備え、アクチュエータでピストンを進退させることよって生じるニードル弁前後の差圧により、このニードル弁を進退させて燃料噴孔を開閉する差圧式燃料噴射弁において、
   上記差圧室のみに連通する密閉空間である調整室が設けられるとともに、この調整室内部の容積を変化させる容積調整手段を有することを特徴とする差圧式燃料噴射弁。
2. 上記差圧室は、ピストンの先端が臨んだ変圧室と、ニードル弁の後面が臨んだ背圧室と、これら変圧室と背圧室とを連通する連通路と、を有し、この連通路の途中に上記調整室が連通していることを特徴とする請求項１に記載の差圧式燃料噴射弁。
3. 上記容積調整手段が、一端部が調整室内に臨み、自身が進退されることにより調整室内の容積を増減するアジャストスクリュであることを特徴とする請求項１又は２に記載の差圧式燃料噴射弁。
4. 上記アジャストスクリュに、上記調整室に臨んだ弾性体が取り付けられていることを特徴とする請求項３に記載の差圧式燃料噴射弁。

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