JP3823540B2

JP3823540B2 - 内燃機関用燃料噴射弁

Info

Publication number: JP3823540B2
Application number: JP15793898A
Authority: JP
Inventors: 昭和小島; 英嗣竹本; 義広楢原
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-06-05
Filing date: 1998-06-05
Publication date: 2006-09-20
Anticipated expiration: 2018-06-05
Also published as: JPH11351105A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関への燃料噴射を行う燃料噴射ノズル等の内燃機関用燃料噴射弁に関するもので、特にディーゼルエンジンへの燃料噴射を電子制御する電子制御燃料噴射システムの燃料噴射弁に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
近年、内燃機関、特にディーゼルエンジンより排出される排気ガスのエミッションの低減を図ることで排気規制強化や地球環境保護を目的としたり、ドライバビリティの向上を目的としたりするために、ディーゼルエンジンへの燃料噴射を電子制御する電子制御燃料噴射システムの開発が盛んに行われている。その一例を図４に示す。この電子制御燃料噴射システムによれば、燃料タンク１００からフィードポンプ１０１の作用により吸い上げられた燃料は、電子制御される高圧ポンプ１０２で高圧燃料としてコモンレール１０３に圧送される。
【０００３】
ここで、コモンレール１０３への圧送量は、エンジン制御装置（以下ＥＣＵと呼ぶ）１０４からの制御信号により高圧ポンプ１０２に取り付けた電磁弁を制御することで調整される。燃料噴射量は、ディーゼルエンジンの各気筒にそれぞれ設置されたインジェクタの電磁弁１０５への通電をＥＣＵ１０４から制御することにより決められる。
【０００４】
このような電子制御燃料噴射システムに用いられる燃料噴射ノズル（以下インジェクタと呼ぶ）１０６の概略構造を図５に示す。コモンレール１０３から供給される高圧燃料は、絞り１０７を介してコマンドピストン１０８の図示上方に設けられた制御室１０９とインジェクタ１０６のノズル本体１１０に設けられた小径の燃料孔１１１を介して油溜まり室１１２に供給される。
【０００５】
一方、ＥＣＵ１０４からの制御信号を受けてドライブ回路等からなるＥＤＵ１１３によってコイル１１４に電流が流れて電磁弁１０５のバルブ１１５が開弁すると、制御室１０９内に充填された高圧燃料が、絞り１１６を介してリーク経路１１７に流出する。このため、制御室１０９の内部圧力が低下し、油溜まり室１１２内の高圧燃料がノズルニードル１１９を図示上方に押し上げる力が、コマンドピストン１０８を図示下方に押し下げる力に打ち勝つ。これにより、ノズルニードル１１９が図示上方に上昇し、ノズル本体１１０の先端に設けられた噴孔１１８から高圧燃料がエンジン燃焼室に噴射される。
【０００６】
ここで、理想的な噴射を考えた場合に、エンジン負荷が低負荷の時等の小噴射量時は、ＨＣやスモーク等の微粒子を低減するために、ディーゼルエンジンに噴射する高圧燃料の微粒化が必要であり、そのためには噴孔１１８の孔径をより小さくするのが有効である。
一方、エンジン負荷が高負荷の時等の大噴射量時には、燃費向上およびスモーク抑制の観点から噴射期間をなるべく短くする必要があり、そのためには、噴孔１１８の孔径をより大きくするのが有効である。このように燃料噴射量の多少によって要求される噴孔１１８の孔径が異なるという矛盾が生じる。
【０００７】
また、特にエンジン回転速度がアイドル回転速度の時には、騒音低減等の観点から着火遅れ期間中の燃料噴射量を抑える必要がある。これらのことを、燃料噴射量に対する噴射期間というまとめ方をしたものを、図６のグラフに示す。
通常の燃料噴射ノズルでは、図６のグラフ中に破線で示すように、燃料噴射量と噴射期間とはリニアな関係にあるが、図６のグラフ中に実線で示すように、燃料噴射量の少ない領域では着火遅れ期間中の燃料噴射量を抑えるために噴射期間を長く、燃料噴射量の多い領域では燃費、スモークを抑えるために噴射期間を短くする必要があるが、これを達成するには噴射圧力を変えるか、噴孔面積を変える方法がある。なお、噴射圧力では高圧化が必要であり、製品コスト、耐久性の面で不利となってしまう。
【０００８】
インジェクタの噴孔面積を変える方法の一例としては、図７に示したように、ノズルニードル１２１の先端部に突起部１２２を設け、ノズル本体１２３の先端部に内部で突起部１２２が摺動する筒状の摺動部１２４を設け、その摺動部１２４にノズルニードル１２１の上昇量（リフト量）に応じて開放される第１、第２噴孔１２５、１２６を設けたインジェクタ（一般に「可変噴孔ノズル」と呼ばれる。特開平７−３３２１９９号公報等）１２０がある。
【０００９】
このインジェクタ１２０によれば、ノズルニードル１２１のリフトが小さい時には、図８に示したように、ノズルニードル１２１の突起部１２２内に設けた連通路１２７を介して高圧燃料がサック室１２８に流入して図示下方の第１噴孔１２５のみから高圧燃料の噴射が行われる。また、ノズルニードル１２１のリフトが大きくなると、図９に示したように、図示上方の第２噴孔１２６からも高圧燃料の噴射が行われる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のインジェクタ１２０のような可変噴孔ノズル構造では、エンジン負荷が低負荷の時等の小リフト時において、本来燃料噴射を行うべき、図示下方の第１噴孔１２５のみだけでなく、燃料噴射をしてはいけない第２噴孔１２６からも燃料が噴出されてしまうことが分かった。
【００１１】
この理由は、ノズルニードル１２１を閉弁方向に押し付けるためのコイルスプリング１２９を収納するスプリング室１３０の内部圧力が油溜まり室１３１の内部圧力に対して低圧であるため、高圧のかかる油溜まり室１３１からのリークを防ぐために摺動部Ｓ１においては、ノズルニードル１２１とノズル本体１２３とのクリアランスを詰める必要がある。
【００１２】
ところが、摺動部Ｓ１および摺動部Ｓ２の２箇所ともクリアランスを詰めるのは加工上難しく、どちらかのクリアランスを多少犠牲にしなければならない。この場合、クリアランスに対する漏れ面積の小さい突起部１２２側の摺動部Ｓ２をラフにすると、本来、ノズルニードル１２１が小リフト時に第１噴孔１２５のみから燃料噴射されるべき時でも、高圧燃料が摺動部Ｓ２を通って第２噴孔１２６からも漏出してしまう。
【００１３】
この際、クリアランスを通って燃料が噴出するため、噴射圧力はかなり低く、微粒化の劣った噴霧となり、燃焼が悪くなる。このため、ディーゼルエンジンより排出される排気ガス中の黒煙（スモーク）や炭化水素（ＨＣ）等が多くなり、エミッションの悪化を招くという問題が生じる。
【００１４】
【発明の目的】
本発明の目的は、ノズルニードルのリフトを段階的に変更することにより、噴孔面積を変えることのできる内燃機関用燃料噴射弁を提供することにある。また、ノズルニードルのリフトの小さい時に第１噴孔のみから確実な燃料噴射を行うことができ、且つ第２噴孔から低い圧力の燃料が漏出することを防止することのできる内燃機関用燃料噴射弁を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明によれば、第１噴孔のみから高圧燃料を噴射する際に、スプリングを収納するスプリング室と摺動部の先端側に設けられた第１噴孔付近とを同一圧力とすることにより、内燃機関の負荷が低負荷の時等の小噴射量の時のようにノズルニードルが少し上昇した場合に、第１噴孔のみから高圧燃料の噴射を確実に行うことができ、且つノズルニードルの突起部と摺動部とのクリアランスを通って低圧力の燃料が漏出することはない。したがって、内燃機関より排出される排気ガス中のスモークやＨＣ等が少なくなり、エミッションの低減を図ることができる。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、ノズルニードルが少し上昇した場合に、高圧燃料は、ノズルニードルを閉弁方向に付勢するスプリングを収納するスプリング室から、ノズルニードルの外周に設けた燃料通路を介して第１噴孔に供給される。スプリング室の内部圧力が高圧であるため、燃料通路をシールする必要はなく、燃料通路の通路面積を噴孔面積以上となるように比較的に大きなクリアラスに設定することが可能となる。
【００１７】
この結果、精度が必要なのは、ノズルニードルの先端に設けた突起部とノズル本体の摺動部とのクリアランスを詰めることが可能となる。これにより、内燃機関の負荷が低負荷の時等の小噴射量の時のようにニードルリフトが小さい場合に、第１噴孔のみから高圧燃料の噴射を確実に行うことができ、且つノズルニードルの突起部と摺動部とのクリアランスを通って低圧力の燃料が漏出することはない。したがって、内燃機関より排出される排気ガス中のスモークやＨＣ等が少なくなり、エミッションの低減を図ることができる。
【００１８】
請求項３に記載の発明によれば、ノズル本体の先端部に、ノズルニードルを摺動自在に支持する摺動部を設け、ノズルニードルの先端部に、ノズルニードルが少し上昇した際に、燃料通路と第１噴孔とをサック室を介して連通する連通路が形成された突起部を設けている。それによって、ノズルニードルが多く上昇した際に、燃料通路と第１噴孔および第２噴孔とがサック室および連通路を介して連通することで、高圧燃料が第１噴孔および第２噴孔の両方から噴射される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
〔実施例の構成〕
発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して説明する。ここで、図１はインジェクタの概略構造を示した図で、図２はインジェクタの主要構造を示した図である。
【００２０】
本実施例の電子制御燃料噴射システムのインジェクタ１は、本発明の内燃機関用燃料噴射弁に相当するもので、例えばディーゼルエンジン（以下エンジンと略す）の各気筒に取り付けられたノズル本体２と、このノズル本体２内を摺動するノズルニードル３と、このノズルニードル３と一体的に往復変位するコマンドピストン４と、ノズルニードル３およびコマンドピストン４を閉弁方向に付勢するコイルスプリング５と、図示しないＥＣＵにより電子制御される二方電磁弁６とから構成される。
【００２１】
ノズル本体２の先端部には、内周でノズルニードル３を摺動自在に保持する筒状の摺動部１０が設けられている。この摺動部１０の先端側の外周には、高圧燃料をエンジンの各気筒内に噴射する複数の第１噴孔１１が形成されている。そして、摺動部１０の後端側の外周には、高圧燃料をエンジンの各気筒内に噴射する複数の第２噴孔１２が形成されている。
【００２２】
ノズル本体２の中間部には、摺動部１０よりも内径の大きい筒状の胴体部１３が設けられている。また、ノズル本体２には、胴体部１３内にコモンレールで蓄圧された高圧燃料を供給するための燃料孔１４、ノズル本体２の後端側に設けられる制御室２ａ内にコモンレールで蓄圧された高圧燃料を供給するための燃料孔１５、および制御室２ａからリーク通路（低圧通路）に排出するための燃料孔１６が形成されている。その燃料孔１５の途中には通路断面積を絞る絞り部１７が設けられ、燃料孔１６の途中には通路断面積を絞る絞り部１８が設けられている。ここで、絞り部１７、１８には、例えばオリフィス等の固定絞りが使用されている。
【００２３】
ノズルニードル３は、先端側にノズル本体２の摺動部１０内を摺動自在に変位する突起部２１を有し、且つ後端側にノズル本体２の胴体部１３内を往復変位すると共に、突起部２１よりも外径の大きい大径部２２を有している。なお、大径部２２の外周とノズル本体２の胴体部１３の内周との間には、図３（ａ）および図３（ｂ）に示したように、燃料通路２３が形成されている。
【００２４】
また、突起部２１には、ノズルニードル３が少し上昇した際に、燃料通路２３と第１噴孔１１とを摺動部１０の先端に設けられたサック室２４を介して連通すると共に、ノズルニードル３が多く上昇した際に、燃料通路２３と第１、第２噴孔１１、１２とを摺動部１０の先端に設けられたサック室２４を介して連通する連通路２５、２６が形成されている。なお、連通路２５は、突起部２１の径方向を一文字状または十文字状に貫通する貫通孔で、連通路２６は、突起部２１の軸方向に形成されて連通路２５と突起部２１の先端面とを連通する連通孔である。
【００２５】
コマンドピストン４は、ノズルニードル３の大径部２２の後端面に連結された軸状部２７、およびこの軸状部２７よりも後端側に設けられて、ノズル本体２の胴体部１３よりも後端側の摺動部２８内に摺動自在に支持された大径部２９を有している。なお、大径部２９の後端側には、燃料孔１５を介してコモンレールから高圧燃料が供給される上記の制御室（背圧室）２ａが形成されている。
【００２６】
コイルスプリング５は、コマンドピストン４の軸状部２７の外周に配されており、先端（一端）がノズルニードル３の大径部２２の後端面（他端面）に保持され、後端（他端）がノズル本体２の胴体部１３と摺動部２８とを区画する区画部３１に保持されている。そして、コイルスプリング５は、ノズル本体２の胴体部１３内に形成されるスプリング室３２内に収容されている。
【００２７】
ここで、本実施例では、ノズルニードル３が少しリフトして、第１噴孔１１のみから高圧燃料を噴射する際に、スプリング室３２と第１噴孔１１付近のサック室２４とが同一圧力となる構造にするために、図１ないし図３に示したように、コモンレールから高圧燃料が供給される上記の燃料通路２３を形成している。
【００２８】
二方電磁弁６は、燃料孔１６の途中に設けられており、最適な時期に燃料孔１６を開くようにＥＣＵにより電子制御される開閉弁である。この二方電磁弁６は、具体的には、燃料孔１６を開閉するバルブ、通電されるとバルブを開弁させる電磁コイル、およびこの電磁コイルへの通電が停止された際にバルブを閉弁させるためのリターンスプリング（いずれも図示せず）等よりなる周知の構造を有している。
【００２９】
〔実施例の作用〕
次に、本実施例のインジェクタ１の作用を図１ないし図３に基づいて簡単に説明する。
【００３０】
１）無噴射時
二方電磁弁６が燃料孔１６を閉じているため、コモンレールからの高圧燃料が燃料孔１５の絞り部１７を通って制御室２ａ内に満たされる。ここで、ノズル本体２の胴体部１３の内部、すなわち、スプリング室３２および燃料通路２３には、燃料孔１４を介して常にコモンレールから高圧燃料が導入されているが、コイルスプリング５の図示下方への付勢力およびコマンドピストン２９とノズル３にかかる油圧力によってノズルニードル３がノズル本体２のシート部に着座している。これにより、ノズルニードル３はリフトせず、エンジンへの高圧燃料の噴射は成されない。
【００３１】
２）噴射時
二方電磁弁６がＥＣＵからの指令により開弁するため、燃料孔１６が開かれる。このため、制御室２ａ内の高圧燃料が燃料孔１６を通ってリーク通路に排出され、制御室２ａの内部圧力が低圧となる。すると、ノズルニードル３は、燃料孔１４を通って燃料通路２３内に導入される高圧燃料により図示上向きの力を受けて、少しだけリフトする。これにより、燃料通路２３内の高圧燃料が、ノズルニードル３の突起部２１に形成された連通路２５、２６、およびノズル本体２の先端に設けられたサック室２４を介して第１噴孔１１のみからエンジンに噴射される。
【００３２】
さらに、二方電磁弁６の電磁コイルへの通電が続くと、更に制御室２ａの内部圧力が低圧となり、ノズルニードル３のリフト量が大きくなる。これにより、燃料通路２３内の高圧燃料が、連通路２５、２６およびサック室２４を介して第１噴孔１１および第２噴孔１２の両方からエンジンに噴射される。
【００３３】
３）噴射終了時
二方電磁弁６がＥＣＵからの指令により閉弁すると、制御室２ａの内部圧力が回復するため、コマンドピストン４が図示下方に押し付けられ、コイルスプリング５の図示下方への付勢力により、ノズルニードル３がノズル本体２のシート部に着座して噴射が終了する。
【００３４】
〔実施例の効果〕
以上のように、本実施例の電子制御燃料噴射システムのインジェクタ１は、エンジン負荷が低負荷の時等の小噴射量時に、ＨＣやスモーク等の微粒子を低減するために、エンジンに噴射する高圧燃料の微粒化が必要な際、第１噴孔１１のみの燃料噴射とすることで、噴孔の孔径をより小さくすることができる。また、エンジン負荷が高負荷の時等の大噴射量時には、燃費向上およびスモーク抑制の観点から噴射期間をなるべく短くする必要があるため、第１、第２噴孔１１、１２の両方で燃料噴射することで、見掛け上噴孔の孔径を大きくすることができる。
【００３５】
ここで、ノズルニードル３がリフトする際に、高圧燃料は、スプリング室３２から燃料通路２３および連通路２５、２６を通ってサック室２４に供給される。このため、燃料通路２３は、スプリング室３２の内部圧力が高圧であるため、シールをする必要はなく、燃料通路２３の通路面積（胴体部１３の内周と大径部２２の外周との隙間）を噴孔面積以上となるように比較的に大きなクリアランスに設定できる。この結果、精度が必要なのは、ノズルニードル３の先端部に設けた突起部２１とノズル本体２の先端部に設けた摺動部１０（軸方向寸法Ｓ３）のみとなるため、この部分のクリアランスを詰めることが可能となる。
【００３６】
したがって、エンジン負荷が低負荷の時等の小噴射量時のように、ノズルニードル３のリフトが小さい場合には、第１噴孔１１のみから燃料噴射が行われ、従来の技術のような第２噴孔１２からの漏出を防止することができ、確実な燃料噴射を行うことができる。これにより、噴射初期に高圧化が図れるために燃料の微粒化が良く、エンジンより排出される排気ガス中の黒煙（スモーク）や炭化水素（ＨＣ）等の排出を低減でき、エミッションの低減を図ることができる。
【００３７】
さらに、インジェクタ１を上記のような構成とすることで、従来の技術では油溜まりに高圧燃料を導くための燃料孔が不要となるため、インジェクタ１の先端部の細径化が可能となると共に、燃料孔の加工コストも削減できる。
また、高圧部（スプリング室３２および燃料通路２３）の容積を大きくできるため、噴射による燃料噴射圧力の低下を抑えることもできる。
【００３８】
〔変形例〕
本実施例では、所謂可変噴孔ノズルと呼ばれるインジェクタ１を備えた電子制御燃料噴射システム（コモンレールシステム）に適用した例を説明したが、可変噴孔ノズルを使用していればコモンレールシステムに限らず適用できる技術であることは言うまでもない。
本実施例では、燃料孔１６の途中に設ける電磁弁として二方電磁弁６を利用したが、燃料孔１６の途中に設ける電磁弁として三方電磁弁を利用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】インジェクタの概略構造を示した断面図である（実施例）。
【図２】図１のインジェクタの主要構造を示した断面図である（実施例）。
【図３】（ａ）、（ｂ）は燃料通路の形状を示した断面図である（実施例）。
【図４】電子制御燃料噴射システムの全体構造を示した概略図である（第１従来例）。
【図５】電子制御燃料噴射システムの主要構造を示した概略図である（第１従来例）。
【図６】燃料噴射量と噴射期間との関係を示したグラフである。
【図７】電子制御燃料噴射システムの主要構造を示した概略図である（第２従来例）。
【図８】図７のインジェクタの小リフト時を示した説明図である（第２従来例）。
【図９】図７のインジェクタの大リフト時を示した説明図である（第２従来例）。
【符号の説明】
１インジェクタ（内燃機関用燃料噴射弁）
２ノズル本体
２ａ制御室
３ノズルニードル
５コイルスプリング
６二方電磁弁
１０摺動部
１１第１噴孔
１２第２噴孔
１４制御室
２１突起部
２２大径部
２３燃料通路
２４サック室
２５連通路
２６連通路
３２スプリング室

Claims

（ａ）先端に設けられた突起部、およびこの突起部よりも後端側に設けられて前記突起部よりも外径の大きい大径部を有するノズルニードルと、
（ｂ）内部を前記ノズルニードルの突起部が摺動する筒状の摺動部と、
（ｃ）この摺動部の先端側に設けられて、前記ノズルニードルが少し上昇した際に、内燃機関に高圧燃料を噴射するための第１噴孔と、
（ｄ）この第１噴孔よりも先端側に対して逆側の前記摺動部に設けられて、前記ノズルニードルが多く上昇した際に、前記内燃機関に高圧燃料を噴射するための第２噴孔と、
（ｅ）前記ノズルニードルを、前記突起部にて前記第１噴孔および前記第２噴孔を閉塞する閉弁方向に付勢するスプリングと、
（ｆ）前記ノズルニードルの大径部よりも後端側に設けられて、前記スプリングを収納するスプリング室と
を備え、
前記第１噴孔のみから高圧燃料を噴射する際に、前記スプリング室と前記第１噴孔付近とが同一圧力となる構造にしたことを特徴とする内燃機関用燃料噴射弁。
（ａ）先端に設けられた突起部、およびこの突起部よりも後端側に設けられて前記突起部よりも外径の大きい大径部を有するノズルニードルと、
（ｂ）内部を前記ノズルニードルの突起部が摺動する筒状の摺動部と、
（ｃ）この摺動部の先端側に設けられて、前記ノズルニードルが少し上昇した際に、内燃機関に高圧燃料を噴射するための第１噴孔と、
（ｄ）この第１噴孔よりも先端側に対して逆側の前記摺動部に設けられて、前記ノズルニードルが多く上昇した際に、前記内燃機関に高圧燃料を噴射するための第２噴孔と、
（ｅ）前記ノズルニードルを、前記突起部にて前記第１噴孔および前記第２噴孔を閉塞する閉弁方向に付勢するスプリングと、
（ｆ）前記ノズルニードルの大径部よりも後端側に設けられて、前記スプリングを収納すると共に、内部に高圧燃料が供給されるスプリング室と、
（ｇ）前記大径部の周囲に設けられて、前記スプリング室と連通する燃料通路と
を備えた内燃機関用燃料噴射弁。
請求項２に記載の内燃機関用燃料噴射弁において、
前記摺動部は、前記ノズルニードルを摺動自在に支持するノズル本体の先端部に設けられ、
前記突起部は、前記ノズルニードルが少し上昇した際に、前記燃料通路と前記第１噴孔とを前記摺動部の先端に設けられたサック室を介して連通する連通路を設けたことを特徴とする内燃機関用燃料噴射弁。