JP3903927B2 - Injector - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジンのコモンレール燃料噴射システムに用いられるインジェクタに関し、詳しくはアクチュエータで駆動される3方弁を備えるインジェクタに関する。
【0002】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンにおいて、各気筒に共通のコモンレールに高圧燃料を蓄圧するコモンレール燃料噴射システムが注目されている。コモンレール燃料噴射システム用のインジェクタは、例えば、噴孔を開閉するノズルニードルの背面に制御弁で圧力制御される制御室を設け、アクチュエータによって制御弁を駆動してノズルニードルを昇降するようになっている。この構成において、コモンレールからの燃料は、インジェクタの燃料通路に導入されて噴孔へ供給される一方で、ノズルニードルの後端面を室壁とする制御室に導入され、ノズルニードルに閉弁方向の圧力を作用させる制御油として使用される。
【0003】
制御弁としては、通常、2方弁または3方弁が使用され、例えば、特許文献1には、3方弁構造の制御弁が記載されている。特許文献1において、3方弁は、低圧通路に至る第1のシートまたはコモンレールに至る第2のシートにそれぞれ着座し得る大径の弁部と摺動部を有し、着座位置によって制御室と低圧ポートまたは高圧ポートとの連通を切換えている。3方弁を用いると、燃料噴射中は制御室と低圧ポートが連通し、高圧ポートは閉鎖されるので、燃料の流出を制限することができる。また、摺動部と2つのシート径を等しくして圧力バランスさせるようになっている。
【0004】
【特許文献1】
特開2000−130614号公報
【0005】
上記構成において、アクチュエータの非作動時には、3方弁は制御室と高圧ポートを連通させる位置にあり、制御室が高圧となるために、ノズルニードルは下降して噴孔を閉鎖している。この状態からアクチュエータを作動させると、3方弁が低圧ポートを開放し、次いで高圧ポートを閉鎖するために制御室の圧力が低下し、ノズルニードルが離座して燃料噴射がなされる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記3方弁構造の制御弁をコモンレール燃料噴射システム用のインジェクタに適用したところ、作動が不安定となるといった不具合があることが判明した。また、アクチュエータの種類によって駆動力発生特性が異なるにもかかわらず、これを考慮していないため、エネルギーロスが大きくなる問題があった。
【0007】
本発明は上記実情に鑑みなされたもので、アクチュエータの種類によって出力特性が大きく異なることに着目し、それぞれの出力特性と相性のよい制御弁構成を提案することにより、制御弁の安定かつ確実な作動を実現し、信頼性に優れるエネルギー効率の高いインジェクタを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明請求項1のインジェクタは、ノズルニードルに閉弁方向の圧力を作用させる制御室と、該制御室と高圧通路および低圧通路との連通・遮断を切換える3方弁を備え、アクチュエータで上記3方弁を駆動して上記制御室の圧力を増減することにより、上記ノズルニードルを昇降させる。
上記3方弁は、その下端部がシリンダ内に摺動自在に配設されて上下方向に摺動する摺動部となり、上端部が弁室内に位置し上記摺動部よりも大径の弁部となっている。また、上記弁部と上記摺動部を結ぶ細径部を有し、該細径部と上記シリンダの間に形成される空間に上記高圧通路へ至る通路を接続している。該弁部は、上記弁室の上記シリンダ側に設けられ上記高圧通路に連通する高圧シートおよびその対向位置に設けられ上記低圧通路に連通する低圧シートのいずれかに選択的に着座させるようになっており、上記摺動部の下方には上記3方弁を上方に付勢するスプリングを有している。
上記3方弁を駆動する駆動部には、上記アクチュエータとしてのソレノイドと、該ソレノイドの上端面に対向されるアーマチャとを設けており、上記アーマチャは、その下端面より下方に突出し、上記弁部の頂面に当接するロッド部を有し、
上記ソレノイドに通電すると、上記アーマチャが下方に吸引され、上記ロッド部が下降して上記3方弁を押し下げ、上記3方弁の上記弁部が上記低圧シートから離座するとともに、上記高圧シートに着座し、
上記ソレノイドへの通電を停止すると、上記アーマチャが上方に移動し、上記3方弁への押し下げ力が解除され、上記3方弁の上記弁部が上記高圧シートから離座するとともに、上記低圧シートに着座するものであって、
上記摺動部の摺動径、上記高圧シートのシート径、上記低圧シートのシート径の関係は、摺動径<低圧シート径<高圧シート径となっている。
【0009】
上記構成において、上記ソレノイドに通電すると、上記3方弁が押し下げられて、上記弁部が上記低圧シートから離座し、次いで上記高圧シートに着座する。この時、上記制御室が上記低圧通路と連通するために上記制御室の圧力が降下し、上記ノズルニードルがリフトして燃料が噴射される。ここで、上記3方弁に加わる作動油圧をバランスさせるために、従来は、上記弁部と上記摺動部を同一径とすることが行われているが、この場合、上記低圧シートの開弁に必要な力がごく小さくなるために、ソレノイドの非駆動時に上記低圧シートが開弁してしまうおそれがある。これを回避するには、上記低圧シート径を上記摺動部の径よりも大きくするとよい。また、一般にソレノイドは変位が大きくなるほど大きな駆動力を発揮するため、上記低圧シートの開弁時よりも上記高圧シートの閉弁時の駆動力を大きくする、すなわち高圧シートのシート径を大きくすることができる。これによりソレノイドへの通電終了時に上記3方弁を押し下げる力が解除されて上記弁部が上記高圧シートから離座し、次いで上記低圧シートに着座する場合、上記弁部を上記高圧シートから速やかに離座させることができる。よって、作動の安定性を向上させ、エネルギー効率を高めて、高性能で信頼性に優れるインジェクタが得られる。
【0010】
本発明請求項2のインジェクタは、上記制御室と上記3方弁を備えるインジェクタであって、上記アクチュエータをピエゾスタックを用いたアクチュエータとする。上記3方弁は、その下端部がシリンダ内に摺動自在に配設されて上下方向に摺動する摺動部となり、上端部が弁室内に位置し上記摺動部よりも大径の弁部となっており、該弁部を上記弁室の上記シリンダ側に設けられ上記高圧通路に連通する高圧シートおよびその対向位置に設けられ上記低圧通路に連通する低圧シートに選択的に着座させるものであり、
上記アクチュエータとしての上記ピエゾスタックが充電され上記ピエゾスタックが伸長すると、上記3方弁の上記弁部が上記低圧シートから離座するとともに、上記高圧シートに着座し、
上記ピエゾスタックが放電され上記ピエゾスタックが収縮すると、上記3方弁の上記弁部が上記高圧シートから離座するとともに、上記低圧シートに着座するものであって、
上記摺動部の摺動径、上記高圧シートのシート径、上記低圧シートのシート径の関係は、摺動径<高圧シート径<低圧シート径となっている。
【0011】
上記構成において、一般にピエゾスタックは変位が大きくなるほど発生力が小さくなる特性を有するため、これを効率よく利用するには、上記低圧シート径を上記高圧シート径より大きくするとよい。上記3方弁を上記低圧シートに着座させる力は、上記低圧シート径が大きい方が大きくなるため、前述のように上記低圧シート径を上記高圧シート径より大きくすることによって、作動の安定性を向上させ、エネルギー効率を高めて、高性能で信頼性に優れるインジェクタが得られる。
【0012】
請求項3記載の発明では、上記請求項2の発明において、上記3方弁に、上記弁部と上記摺動部を結ぶ細径部を設け、該細径部と上記シリンダの間に形成される空間に上記高圧通路へ至る通路を接続する。
【0013】
上記構成とすると、上記高圧通路からの油圧が上記弁部の上記高圧シート側および上記摺動部に作用するので、上記高圧シート径と上記摺動部の径を上述したように適切に設定することで、上記3方弁の開弁および閉弁動作を確実にしかも効率よく行うことができる。
【0014】
請求項4記載の発明では、上記高圧通路をディーゼルエンジンのコモンレールに接続する一方、上記低圧通路を燃料タンクへ至るドレーン通路に接続する。
【0015】
本発明のインジェクタは、ディーゼルエンジンのコモンレール燃料噴射システム用として好適に使用される。具体的には、上記高圧通路を上記コモンレールに上記低圧通路を上記ドレーン通路に接続して、上記3方弁で上記制御室との連通を切り換えることで、燃料噴射を高精度に制御できる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の第1の実施形態を説明する。図1は本発明を適用したインジェクタ10の概略構成図である。インジェクタ10は、例えば、ディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射システムに使用され、エンジンの各気筒に対応して設けられて、共通のコモンレールから燃料の供給を受けるようになっている。コモンレールには高圧サプライポンプにより圧送される燃料が噴射圧力に相当する所定の高圧で蓄えられる。
【0017】
図1において、インジェクタ10は、ノズルニードル3を有するノズル部101(下端部)、3方弁構造の背圧制御部102(中間部)、アクチュエ−タとしてのソレノイド51を有する駆動部103(上半部)からなる。インジェクタ10は、図略の燃焼室壁に取付けられるハウジング14を有し、ハウジング14内には上記各部101〜103の構成部品が収納されるとともに、図略のコモンレールに連通する高圧通路15、図略の燃料タンクに至るドレーン通路へ連通する低圧通路16等の通路が形成される。
【0018】
ノズル部101は、ハウジング14の下端部内に形成した縦穴31に、段付きのノズルニードル3を摺動自在に保持しており、ノズルニードル3の下半小径部の外周には環状の油溜まり室32が形成されている。油溜まり室32は常時高圧通路15と連通しコモンレールからの高圧燃料が供給されている。縦穴31の下方には、これに連なってサック部33が形成され、サック部33形成壁を貫通して燃料噴射用の噴孔34が形成される。
【0019】
ノズルニードル3は下端位置にある時に、円錐形の先端部がサック部33と縦穴31の境界部に設けたシート35に着座し、サック部33を閉じて油溜まり室32から噴孔34への燃料供給を遮断する。ノズルニードル3が上昇してシート35から離座し、サック部33を開くと燃料が噴射される。
【0020】
ノズルニードル3の上端面および縦穴31の壁面により画成される空間は、ノズルニードル3に背圧を与える制御室4としてある。制御室4には、後述する背圧制御部102の弁室21およびオリフィス24を介して、また、高圧通路15からサブオリフィス41を介して、制御油としての燃料が導入されており、ノズルニードル3の背圧を発生している。この背圧はノズルニードル3に下向きに作用して、制御室4内に収納されたスプリング42とともにノズルニードル3を着座方向に付勢する。一方、油溜まり室32の高圧燃料がノズルニードル3の段差面に上向きに作用しノズルニードル3を離座方向に付勢している。なお、サブオリフィス41は、噴射開始時に制御室4の圧力降下を緩和し、噴射停止時には制御室4の圧力上昇を促進して、ノズルニードル3を緩やかに開弁し、迅速に閉弁させる機能を有する。
【0021】
背圧制御部102は、3方弁であるバルブニードル1を備え、バルブニ−ドル1は、弁部11が弁室21の天井面に設けた低圧シートとしての第1シ−ト22または底面に設けた高圧シートとしての第2シ−ト23に選択的に着座するようになっている。第1シート22と第2シート23は弁室21天井面と底面中央部の対向位置に設けられ、第1シート22は低圧部26を介して低圧通路16と連通し、第2シート23は通路25を介して高圧通路15と連通している。弁室21は、オリフィス24を介してノズル部101の制御室4と常時連通している。
【0022】
バルブニードル1は圧力バランス型の基本構造で、下端部が第2シート23に続くシリンダ27内に配設されて上下方向に摺動する摺動部12となっている。上端部はこれより大径の弁部11として弁室21内に位置し、弁部11と摺動部12をつなぐ細径部13とシリンダ27内の間に形成される環状空間に高圧通路15へ至る通路25が開口している。
【0023】
バルブニードル1が上端位置にある時には、弁部11のフラットな頂面が、弁室21天井面の第1シート22に着座して低圧通路16との連通を遮断する。バルブニードル1が下端位置にある時には、弁部11の下部テーパ面が、弁室21底面の第2シート23に着座して、高圧通路15との連通を遮断する。バルブニードル1は、駆動部103により押圧駆動されることで上下動するようになっており、作動状態が切り換わるのに伴い、弁室21に連通する制御室4の圧力、すなわちノズルニードル3の背圧が増減する。
【0024】
バルブニードル1の摺動部12下方には、バルブスプリング18を収容するスプリング室17が設けられ、バルブニードル1は、バルブスプリング18によって上方に付勢されている。なお、スプリング室17は、連通路を介して低圧部26に接続されている。これにより、バルブニードル1の下方への移動が抑制されることがなく、噴射開始時に弁部11が第1シート22から速やかに離座する。
【0025】
駆動部103は、弁室21の上方に形成した縦穴内にソレノイド51を収容し、その上端面に対向させてアーマチャ52を設けている。ソレノイド51は、コイルボビンに巻回した筒状コイルからなる公知の構造で、通電によりアーマチャ52を下方に吸引するようになっている。アーマチャ52は下端面中央より下方に突出するロッド部53を有し、ロッド部53の下端はバルブニードル1の弁部11頂面に当接している。従って、ソレノイド51に通電すると、アーマチャ52が下方に吸引され、これに伴いロッド部53が下降してバルブニードル1を押し下げる。
【0026】
なお、図2に第2の実施形態として示すように、駆動部103を、アクチュエータとしてのピエゾスタック61を用いて構成することもできる。この構成において、駆動部103は、弁室21の上方に形成した縦穴内にピエゾスタック61を収容し、その下方に、大径のピエゾピストン62、小径のバルブピストン64を同軸に配設してなる。ピエゾピストン62とバルブピストン64は、縦穴内に設けたシリンダに摺動自在に保持され、これらピエゾピストン62とバルブピストン54の間の空間は油密室63としてある。
【0027】
ピエゾスタック61はPZT等の圧電セラミック層と電極層を交互に積層した公知の構造を有し、積層方向(上下方向)を伸縮方向として、図示しない駆動回路により充放電されるようになっている。ピエゾスタック61には、ピエゾピストン62の上端部外周に設けられたピエゾスプリング65により一定の初期荷重が印加される。これにより、ピエゾピストン62はピエゾスタック61の伸縮に伴い、一体に上下動する。
【0028】
バルブピストン64は、ピン状の下端部が3方弁の第1シート22付近へ延び、弁室21内のバルブニードル1頂面に当接している。バルブピストン64の中間部外周にはフランジが形成され、該フランジ上に支持されるスプリングによってバルブピストン64が下方に付勢されている。ピエゾピストン62とバルブピストン64の間には、燃料が充填されて油密室63を形成している。油密室63は、ピエゾピストン62側の室とバルブピストン64側の室を油密室絞り631で連結した構成としてあり、この油密室絞り631により、ピエゾスタック61伸縮時の圧力変動が伝達されるのを防止している。
【0029】
従って、ピエゾスタック61が伸長してピエゾピストン62を押圧すると、その押圧力が油密室63の燃料を介してバルブピストン64に伝えられる。この時、バルブピストン64は、ピエゾピストン62よりも小径としてあるので、ピエゾスタック61の変位を拡大してバルブピストン64に伝達することができる。駆動部103以外の構成は、上記第1の実施形態と同様である。
【0030】
次に、上記各実施形態におけるインジェクタ10の作動を説明する。まず、第1の実施形態において、図1はソレノイド51に非通電の状態を示しており、アーマチャ52が上端位置にあるために、バルブニードル1は、弁室21内の燃料圧力とスプリング18力により上方に付勢されて、弁部11が第1シート22に着座している。第1シート22に対向する第2シート23は開弁している。従って、制御室4は、オリフィス24、弁室21、第2シート23を介して高圧通路15に連通するとともに、サブオリフィス41を介して高圧通路15に連通し、高圧通路15から流入する燃料により高圧となっている。この燃料圧力とスプリング42力によりノズルニードル3はシート35に着座しており、燃料噴射はなされない。
【0031】
この状態から、ソレノイド51に通電すると、アーマチャ52が下方に吸引され、ロッド53がバルブニードル1を押し下げる。これにより、弁部11が第1シート22から離座し、さらに下方変位して第2シート23に着座する。これにより、制御室4が弁室21を介して第1シート22に連通し、制御室4の圧力が降下して、ノズルニードル3の下向きの付勢力が上向きの付勢を下回ると、ノズルニードル3が離座して燃料噴射が開始される。次に、ソレノイド51への通電を停止すると、アーマチャ52が上方へ移動し、バルブニードル1の押し下げ力が解除される。これにより、弁部11が第2シート23から離座し、次いで第1シート22に着座する。従って、制御室4にオリフィス24、サブオリフィス41を介して流入する高圧燃料により、制御室4圧力が再び上昇し、ニードル3が着座して噴射が終了する。
【0032】
図2に示す第2の実施形態では、ピエゾスタック61が放電状態で縮小している状態(図示の状態)から、ピエゾスタック61に充電すると、ピエゾスタック61が伸長し、ピエゾピストン62を押し下げて油密室63の圧力を上昇させる。この圧力がバルブピストン64を作動させてバルブニードル1を押し下げると、弁部11が第1シート22から離座し、さらに下方変位して第2シート23に着座する。これにより、制御室4が弁室21を介して第1シート22に連通し、制御室4の圧力が降下し、ノズルニードル3の下向きの付勢力が上向きの付勢を下回ると、ノズルニードル3が離座して燃料噴射が開始される。次に、ピエゾスタック61を再び放電させると、ピエゾスタック61が収縮してピエゾピストン62が上方へ移動し、油密室63の圧力が降下してバルブニードル1の押し下げ力が解除される。よって、制御室4にオリフィス24、サブオリフィス41を介して流入する高圧燃料により、制御室4圧力が再び上昇し、ニードル3が着座して噴射が終了する。
【0033】
ここで、3方弁であるバルブニードル1構成、特にシート径と摺動径の関係について検討する。本発明では、油圧による駆動負荷をできるだけ小さくするために、バルブニードル1をほぼ圧力バランスする構造としている。つまり、バルブニードル1を弁部11と摺動部12とで構成し、これらを結ぶ細径部13外周に高圧燃料を導入したので、第1シート22、第2シート23、摺動径をほぼ同一径とすれば、バルブニードル1の弁部11に上向きに作用する油圧と摺動部12に下向きに作用する油圧とをバランスさせ、第1シート22の開弁、第2シート23の閉弁に要する力を小さくすることができる。
【0034】
しかしながら、例えば、第1シート22がごく僅かな力で開弁する場合、アクチュエータの非駆動時に、バルブニードル1が意図しない動作により第1シート22を開弁し、誤噴射につながるおそれがある。これを回避するには、第1シート22径を摺動径より大きくし、第1シート22閉弁時には、第1シート22を閉弁する方向に油圧が作用するようにするのがよい。一方、アクチュエータの駆動を停止した時には、バルブニードル1が第2シート23から速やかに離座して初期位置(第1シート22閉弁位置)へ復帰することが好ましい。このためには、第2シート23径を摺動径より大きくし、第2シート23開弁時に、第2シート23を開弁する方向に油圧が作用するようにするのがよい。
【0035】
すなわち、バルブニードル1の安定した作動のためには、第1シート22径、第2シート23径を共に摺動径より大きくし、バルブニードル1に上向きの油圧負荷をかけるようにしておく必要がある。この関係は、駆動部103に用いるアクチュエータの種類に依存せず、上記第1、第2の実施形態のいずれにも適用される。
【0036】
次に、第1シート22径と第2シート23径の関係について検討する。図3に示すように、アクチュエータの種類によって出力特性が大きく異なることから、本発明では、それぞれの出力特性に応じたシート部構成を提案する。まず、上記第1の実施形態のアクチュエータがソレノイド51である場合について説明する。図3(a)、(c)に示されるように、ソレノイド51は一般的に変位Xが大きくなるほど、大きな駆動力Fを発生する。ソレノイド51への通電時、バルブニードル1は、まず、第1シート22を開弁してから、さらに下方へ変位して第2シート23を閉弁するから、第1シート22を開弁する時よりも第2シート23を閉弁する時に大きな駆動力を発生できることになる。
【0037】
図4は、図3の駆動力特性を基に、第1シート22径と第2シート23径の設定可能な範囲を示したもので、第2シート径の方が設定可能な上限値が大きくなることが分かる。図4に示す下限値は、安定作動に必要な油圧負荷がかかるように摺動径より大きく設定される。また、加工性向上のためには、シート径公差をできるだけ大きく許容できるように、設定値を設定可能範囲の中央値とするのがよく、これを満足するように第1シート22径と第2シート23径を設定すると、第1シート22径より第2シート23径が大きくなる。以上より、アクチュエータがソレノイド51である場合には、
摺動部12径<第1シート22径<第2シート23径
の関係が成立するように、背圧制御部102を構成することで、作動の安定性を確保し、かつエネルギー効率に優れたインジェクタが実現できる。
【0038】
一方、上記第2の実施形態のアクチュエータがピエゾスタック61である場合について説明する。図3(b)、(c)に示されるように、ピエゾスタック61はソレノイド51とは逆の駆動力特性を示し、一般的に変位Xが大きくなると駆動力Fは小さくなる。つまり、バルブニードル1が第1シート22を開弁する時よりも第2シート23を閉弁する時に発生する駆動力の方が小さくなる。従って、図4のように、第2シート23径よりも第1シート22径の方が設定可能な上限値が大きくなる。同様に、シート径公差をできるだけ大きく許容できるように、設定値を設定可能範囲の中央値とすれば、第1シート22径の方が第2シート23径より大きくなる。以上より、アクチュエータがピエゾスタック61である場合には、
摺動部12径<第2シート23径<第1シート22径
の関係が成立するように、背圧制御部102を構成することで、作動の安定性を確保し、かつエネルギー効率に優れたインジェクタが実現できる。
【0039】
このように、本発明によれば、アクチュエータの種類に応じてその出力特性が異なることに着目し、インジェクタ構成、特に3方弁のシート径と摺動径の関係を最適化することができる。よって、インジェクタの作動の安定性を確保し、制御性を向上するとともに、アクチュエータの発生力を有効に活用してエネルギー効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態を示すインジェクタの全体構成を示す断面図である。
【図2】本発明の第2の実施形態を示すインジェクタの全体構成を示す断面図である。
【図3】(a)はアクチュエータとしてのソレノイドの断面図、(b)はアクチュエータとしてのピエゾスタックの断面図、(c)はソレノイドとピエゾスタックの駆動力特性を示す図である。
【図4】アクチュエータがソレノイドである場合のシート径の設定可能範囲を示す図である。
【図5】アクチュエータがピエゾスタックである場合のシート径の設定可能範囲を示す図である。
【符号の説明】
10 インジェクタ
101 ノズル部
102 背圧制御部
103 ピエゾ駆動部
1 バルブニードル(3方弁)
11 弁部
12 摺動部
13 細径部
14 ハウジング
15 高圧通路
16 低圧通路
22 第1シート(低圧シート)
23 第2シート(高圧シート)
3 ノズルニードル
32 油溜まり室
34 噴孔
4 制御室
51 ソレノイド(アクチュエータ)
52 アーマチャ
53 ロッド
61 ピエゾスタック(アクチュエータ)
62 ピエゾピストン
63 油密室
64 バルブピストン[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an injector used in a common rail fuel injection system of a diesel engine, and more particularly to an injector including a three-way valve driven by an actuator.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art In a diesel engine, a common rail fuel injection system that accumulates high pressure fuel on a common rail common to each cylinder has attracted attention. In the injector for the common rail fuel injection system, for example, a control chamber whose pressure is controlled by a control valve is provided on the back of the nozzle needle that opens and closes the nozzle hole, and the nozzle is moved up and down by driving the control valve by an actuator. Yes. In this configuration, the fuel from the common rail is introduced into the fuel passage of the injector and supplied to the nozzle hole, while it is introduced into the control chamber having the rear end surface of the nozzle needle as the chamber wall, and the nozzle needle is closed in the valve closing direction. Used as control oil to apply pressure.
[0003]
As the control valve, a two-way valve or a three-way valve is usually used. For example, Patent Document 1 describes a control valve having a three-way valve structure. In Patent Document 1, the three-way valve has a large-diameter valve portion and a sliding portion that can be respectively seated on the first seat leading to the low pressure passage or the second seat leading to the common rail, and depending on the seating position, The communication with the low-pressure port or high-pressure port is switched. When the three-way valve is used, the control chamber and the low-pressure port communicate with each other during fuel injection, and the high-pressure port is closed, so that the outflow of fuel can be limited. The sliding portion and the two sheet diameters are made equal to balance the pressure.
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2000-130614
In the above configuration, when the actuator is not operated, the three-way valve is in a position where the control chamber communicates with the high pressure port, and since the control chamber becomes high pressure, the nozzle needle is lowered to close the nozzle hole. When the actuator is operated from this state, the three-way valve opens the low pressure port, and then closes the high pressure port, the pressure in the control chamber decreases, the nozzle needle moves away, and fuel injection is performed.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the control valve having the three-way valve structure is applied to an injector for a common rail fuel injection system, it has been found that there is a problem that the operation becomes unstable. In addition, although the driving force generation characteristics differ depending on the type of actuator, since this is not taken into consideration, there is a problem that energy loss increases.
[0007]
The present invention has been made in view of the above circumstances, paying attention to the fact that the output characteristics vary greatly depending on the type of actuator, and by proposing a control valve configuration that is compatible with the respective output characteristics, the control valve is stable and reliable. An object is to provide an energy efficient injector that realizes operation and is excellent in reliability.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
An injector according to a first aspect of the present invention includes a control chamber for applying a pressure in a valve closing direction to the nozzle needle, and a three-way valve for switching communication / blocking between the control chamber and the high-pressure passage and the low-pressure passage. The nozzle needle is raised and lowered by driving the direction valve to increase or decrease the pressure in the control chamber.
The three-way valve has a lower end portion slidably disposed in the cylinder to be a sliding portion that slides in the vertical direction. The upper end portion is located in the valve chamber and has a larger diameter than the sliding portion. Has become a department. Moreover, it has a narrow diameter portion connecting the valve portion and the sliding portion, and a passage leading to the high pressure passage is connected to a space formed between the narrow diameter portion and the cylinder. The valve portion is selectively seated on either a high-pressure seat provided on the cylinder side of the valve chamber and communicating with the high-pressure passage and a low-pressure seat provided at an opposite position and communicating with the low-pressure passage. A spring for urging the three-way valve upward is provided below the sliding portion.
The drive unit for driving the three-way valve is provided with a solenoid as the actuator and an armature opposed to the upper end surface of the solenoid, and the armature protrudes downward from the lower end surface of the valve unit. Having a rod portion that contacts the top surface of
When the solenoid is energized, the armature is attracted downward, the rod portion is lowered to push down the three-way valve, the valve portion of the three-way valve is separated from the low pressure seat, and the high pressure seat is Sit down and
When the energization to the solenoid is stopped, the armature moves upward, the pressing force to the three-way valve is released, the valve portion of the three-way valve is separated from the high-pressure seat, and the low-pressure seat To sit on
The relationship between the sliding diameter of the sliding portion, the high-pressure sheet, and the low-pressure sheet is such that sliding diameter <low-pressure sheet diameter <high-pressure sheet diameter.
[0009]
In the above configuration, when the solenoid is energized, the three-way valve is pushed down, the valve portion is separated from the low pressure seat, and then seated on the high pressure seat. At this time, since the control chamber communicates with the low-pressure passage, the pressure in the control chamber drops, the nozzle needle lifts, and fuel is injected. Here, in order to balance the hydraulic pressure applied to the three-way valve, conventionally, the valve portion and the sliding portion have the same diameter. In this case, the valve opening of the low-pressure seat is performed. Since the force required for the operation is extremely small, the low-pressure seat may open when the solenoid is not driven. In order to avoid this, the low-pressure sheet diameter may be larger than the diameter of the sliding portion. Moreover, since generally a solenoid which exerts a large driving force as the displacement increases, to increase the driving force at the time of closing of the high-pressure seat than when the valve is opened the pressure seat, i.e. increase the seat diameter of the high-pressure seat can and child. As a result, when the energization of the solenoid is finished, the force to push down the three-way valve is released, and the valve portion is separated from the high pressure seat, and then the valve portion is quickly removed from the high pressure seat. Can be separated. Therefore, it is possible to obtain a high-performance and highly reliable injector with improved operational stability and energy efficiency.
[0010]
An injector according to a second aspect of the present invention is an injector including the control chamber and the three-way valve, and the actuator is an actuator using a piezo stack. The 3-way valve has its lower end is a sliding portion you slide up and down direction is slidably disposed in the cylinder, diameter than the sliding portion upper end is positioned in the valve chamber The valve portion is selectively seated on the high-pressure seat provided on the cylinder side of the valve chamber and communicating with the high-pressure passage and the low-pressure seat provided at the opposite position and communicating with the low-pressure passage. It is what
When the piezo stack as the actuator is charged and the piezo stack is extended, the valve portion of the three-way valve is separated from the low pressure seat, and is seated on the high pressure seat,
When the piezo stack is discharged and the piezo stack contracts, the valve portion of the three-way valve separates from the high pressure seat and sits on the low pressure seat,
Upper SL sliding portion of the slide diameter, seat diameter of the high-pressure seat, the relation between the seat diameter of the low-pressure seat, the slide diameter <has a high-pressure seat diameter <low-pressure seat diameter.
[0011]
In the above configuration, since the piezo stack generally has a characteristic that the generated force decreases as the displacement increases, in order to efficiently use this, the low pressure sheet diameter is preferably larger than the high pressure sheet diameter. Since the force with which the three-way valve is seated on the low-pressure seat is larger when the low-pressure seat diameter is larger, the stability of operation is improved by making the low-pressure seat diameter larger than the high-pressure seat diameter as described above. Improve and increase energy efficiency, resulting in high performance and reliable injectors.
[0012]
According to a third aspect of the present invention, in the second aspect of the invention, the three-way valve is provided with a small diameter portion connecting the valve portion and the sliding portion, and is formed between the small diameter portion and the cylinder. A passage leading to the high-pressure passage is connected to the space.
[0013]
With the above configuration, since the hydraulic pressure from the high pressure passage acts on the high pressure seat side and the sliding portion of the valve portion, the high pressure seat diameter and the sliding portion diameter are appropriately set as described above. As a result, the opening and closing operations of the three-way valve can be performed reliably and efficiently.
[0014]
According to a fourth aspect of the present invention, the high pressure passage is connected to a common rail of a diesel engine, while the low pressure passage is connected to a drain passage leading to a fuel tank.
[0015]
The injector of the present invention is suitably used for a common rail fuel injection system of a diesel engine. Specifically, fuel injection can be controlled with high accuracy by connecting the high-pressure passage to the common rail and the low-pressure passage to the drain passage and switching the communication with the control chamber using the three-way valve.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an
[0017]
In FIG. 1, an
[0018]
The
[0019]
When the nozzle needle 3 is in the lower end position, the conical tip is seated on a
[0020]
A space defined by the upper end surface of the nozzle needle 3 and the wall surface of the
[0021]
The back
[0022]
The valve needle 1 has a basic structure of a pressure balance type, and a lower end portion thereof is disposed in a
[0023]
When the valve needle 1 is in the upper end position, the flat top surface of the
[0024]
A
[0025]
The
[0026]
Note that, as shown in FIG. 2 as a second embodiment, the
[0027]
The piezo stack 61 has a known structure in which piezoelectric ceramic layers such as PZT and electrode layers are alternately stacked, and is charged and discharged by a drive circuit (not shown) with the stacking direction (vertical direction) as an expansion / contraction direction. . A constant initial load is applied to the piezo stack 61 by a piezo spring 65 provided on the outer periphery of the upper end portion of the piezo piston 62. As a result, the piezo piston 62 moves up and down as the piezo stack 61 expands and contracts.
[0028]
The valve piston 64 has a pin-like lower end extending to the vicinity of the first seat 22 of the three-way valve, and is in contact with the top surface of the valve needle 1 in the
[0029]
Therefore, when the piezo stack 61 extends and presses the piezo piston 62, the pressing force is transmitted to the valve piston 64 through the fuel in the oil-tight chamber 63. At this time, since the valve piston 64 has a smaller diameter than the piezo piston 62, the displacement of the piezo stack 61 can be enlarged and transmitted to the valve piston 64. The configuration other than the
[0030]
Next, the operation of the
[0031]
When the solenoid 51 is energized from this state, the armature 52 is attracted downward, and the
[0032]
In the second embodiment shown in FIG. 2, when the piezo stack 61 is charged from the state where the piezo stack 61 is contracted in the discharged state (shown state), the piezo stack 61 is extended and the piezo piston 62 is pushed down. The pressure in the oil tight chamber 63 is increased. When this pressure actuates the valve piston 64 and pushes down the valve needle 1, the
[0033]
Here, the configuration of the valve needle 1 which is a three-way valve, particularly the relationship between the seat diameter and the sliding diameter will be examined. In the present invention, the valve needle 1 is substantially pressure balanced in order to make the drive load by hydraulic pressure as small as possible. That is, since the valve needle 1 is constituted by the
[0034]
However, for example, when the first seat 22 opens with a very small force, when the actuator is not driven, the valve needle 1 may open the valve due to an unintended operation, leading to erroneous injection. In order to avoid this, it is preferable that the diameter of the first seat 22 is made larger than the sliding diameter so that when the first seat 22 is closed, the hydraulic pressure acts in the direction in which the first seat 22 is closed. On the other hand, when the driving of the actuator is stopped, it is preferable that the valve needle 1 is quickly separated from the second seat 23 and returned to the initial position (first seat 22 valve closing position). For this purpose, the diameter of the second seat 23 is preferably made larger than the sliding diameter so that the hydraulic pressure acts in the direction in which the second seat 23 is opened when the second seat 23 is opened.
[0035]
That is, for stable operation of the valve needle 1, it is necessary to make both the first seat 22 diameter and the second seat 23 diameter larger than the sliding diameter so that an upward hydraulic load is applied to the valve needle 1. is there. This relationship does not depend on the type of actuator used in the
[0036]
Next, the relationship between the diameter of the first sheet 22 and the diameter of the second sheet 23 will be examined. As shown in FIG. 3, since the output characteristics vary greatly depending on the type of actuator, the present invention proposes a seat portion configuration corresponding to each output characteristic. First, a case where the actuator of the first embodiment is a solenoid 51 will be described. As shown in FIGS. 3A and 3C, the solenoid 51 generally generates a greater driving force F as the displacement X increases. When energizing the solenoid 51, the valve needle 1 first opens the first seat 22, and then displaces further downward to close the second seat 23. Therefore, when the first seat 22 is opened. Therefore, a larger driving force can be generated when the second seat 23 is closed.
[0037]
FIG. 4 shows a settable range of the first sheet 22 diameter and the second sheet 23 diameter based on the driving force characteristics of FIG. 3, and the upper limit value that can be set is larger for the second sheet diameter. I understand that The lower limit value shown in FIG. 4 is set larger than the sliding diameter so that a hydraulic load necessary for stable operation is applied. In order to improve the workability, the set value is preferably set to the median value of the settable range so that the sheet diameter tolerance can be as large as possible, and the first sheet 22 diameter and the second value are satisfied so as to satisfy this. When the diameter of the sheet 23 is set, the diameter of the second sheet 23 becomes larger than the diameter of the first sheet 22. From the above, when the actuator is the solenoid 51,
By configuring the back
[0038]
On the other hand, the case where the actuator of the second embodiment is a piezo stack 61 will be described. As shown in FIGS. 3B and 3C, the piezo stack 61 exhibits a driving force characteristic opposite to that of the solenoid 51. Generally, when the displacement X increases, the driving force F decreases. In other words, the driving force generated when the valve needle 1 closes the second seat 23 is smaller than when the valve needle 1 opens the first seat 22. Therefore, as shown in FIG. 4, the upper limit value that can be set for the first sheet 22 diameter is larger than the second sheet 23 diameter. Similarly, if the set value is set to the median of the settable range so that the sheet diameter tolerance can be allowed as large as possible, the diameter of the first sheet 22 is larger than the diameter of the second sheet 23. From the above, when the actuator is the piezo stack 61,
By configuring the back
[0039]
Thus, according to the present invention, it is possible to optimize the injector configuration, particularly the relationship between the seat diameter and the sliding diameter of the three-way valve, focusing on the fact that the output characteristics differ depending on the type of actuator. Therefore, stability of the operation of the injector can be ensured, controllability can be improved, and energy efficiency can be increased by effectively utilizing the generated force of the actuator.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an overall configuration of an injector showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an overall configuration of an injector showing a second embodiment of the present invention.
3A is a cross-sectional view of a solenoid as an actuator, FIG. 3B is a cross-sectional view of a piezo stack as an actuator, and FIG. 3C is a diagram showing driving force characteristics of the solenoid and the piezo stack.
FIG. 4 is a diagram showing a settable range of the sheet diameter when the actuator is a solenoid.
FIG. 5 is a diagram showing a settable range of the sheet diameter when the actuator is a piezo stack.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
11
23 Second sheet (high pressure sheet)
3
52
62 Piezo piston 63 Oil tight chamber 64 Valve piston
Claims (4)
上記3方弁は、その下端部がシリンダ内に摺動自在に配設されて上下方向に摺動する摺動部となり、上端部が弁室内に位置し上記摺動部よりも大径の弁部となっており、上記弁部と上記摺動部を結ぶ細径部を有し、該細径部と上記シリンダの間に形成される空間に上記高圧通路へ至る通路を接続し、該弁部を上記弁室の上記シリンダ側に設けられ上記高圧通路に連通する高圧シートおよびその対向位置に設けられ上記低圧通路に連通する低圧シートのいずれかに選択的に着座させるものであり、上記摺動部の下方には上記3方弁を上方に付勢するスプリングを有し、
上記3方弁を駆動する駆動部には、上記アクチュエータとしてのソレノイドと、該ソレノイドの上端面に対向されるアーマチャとを設けており、上記アーマチャは、その下端面より下方に突出し、上記弁部の頂面に当接するロッド部を有し、
上記ソレノイドに通電すると、上記アーマチャが下方に吸引され、上記ロッド部が下降して上記3方弁を押し下げ、上記3方弁の上記弁部が上記低圧シートから離座するとともに、上記高圧シートに着座し、
上記ソレノイドへの通電を停止すると、上記アーマチャが上方に移動し、上記3方弁への押し下げ力が解除され、上記3方弁の上記弁部が上記高圧シートから離座するとともに、上記低圧シートに着座するものであって、
上記摺動部の摺動径、上記高圧シートのシート径、上記低圧シートのシート径の関係が、摺動径<低圧シート径<高圧シート径であることを特徴とするインジェクタ。A control chamber that applies pressure in the valve closing direction to the nozzle needle, and a three-way valve that switches between communication and blocking between the control chamber and the high-pressure passage and the low-pressure passage. An injector for raising and lowering the nozzle needle by increasing or decreasing the pressure of
The three-way valve has a lower end portion slidably disposed in the cylinder to be a sliding portion that slides in the vertical direction. The upper end portion is located in the valve chamber and has a larger diameter than the sliding portion. A small diameter portion connecting the valve portion and the sliding portion, and connecting a passage leading to the high pressure passage to a space formed between the small diameter portion and the cylinder, The seat is selectively seated on either the high-pressure seat provided on the cylinder side of the valve chamber and communicating with the high-pressure passage and the low-pressure seat provided on the opposite position and communicating with the low-pressure passage. Below the moving part, there is a spring that urges the three-way valve upward,
The drive unit for driving the three-way valve is provided with a solenoid as the actuator and an armature opposed to the upper end surface of the solenoid, and the armature protrudes downward from the lower end surface of the valve unit. Having a rod portion that contacts the top surface of
When the solenoid is energized, the armature is attracted downward, the rod portion is lowered to push down the three-way valve, the valve portion of the three-way valve is separated from the low pressure seat, and the high pressure seat is Sit down and
When the energization to the solenoid is stopped, the armature moves upward, the pressing force to the three-way valve is released, the valve portion of the three-way valve is separated from the high-pressure seat, and the low-pressure seat To sit on
The injector characterized in that the sliding diameter of the sliding part, the sheet diameter of the high-pressure sheet, and the sheet diameter of the low-pressure sheet satisfy the following relationship: sliding diameter <low-pressure sheet diameter <high-pressure sheet diameter.
アクチュエータで上記3方弁を駆動して上記制御室の圧力を増減することにより、上記ノズルニードルを昇降させるインジェクタであって、
上記3方弁は、その下端部がシリンダ内に摺動自在に配設されて上下方向に摺動する摺動部となり、上端部が弁室内に位置し上記摺動部よりも大径の弁部となっており、該弁部を上記弁室の上記シリンダ側に設けられ上記高圧通路に連通する高圧シートおよびその対向位置に設けられ上記低圧通路に連通する低圧シートに選択的に着座させるものであり、
上記アクチュエータとしてピエゾスタックが用いられ、上記ピエゾスタックが充電され上記ピエゾスタックが伸長すると、上記3方弁の上記弁部が上記低圧シートから離座するとともに、上記高圧シートに着座し、
上記ピエゾスタックが放電され上記ピエゾスタックが収縮すると、上記3方弁の上記弁部が上記高圧シートから離座するとともに、上記低圧シートに着座するものであって、
上記摺動部の摺動径、上記高圧シートのシート径、上記低圧シートのシート径の関係が、摺動径<高圧シート径<低圧シート径であることを特徴とするインジェクタ。A control chamber that applies a pressure in the valve closing direction to the nozzle needle, and a three-way valve that switches communication / blocking between the control chamber and the high-pressure passage and the low-pressure passage;
An injector that raises and lowers the nozzle needle by driving the three-way valve with an actuator to increase or decrease the pressure in the control chamber;
Diameter upper Symbol 3-way valve becomes a sliding portion that slides vertically its lower end portion is slidably disposed in the cylinder, than the sliding portion upper end is positioned in the valve chamber The valve portion is selectively seated on the high-pressure seat provided on the cylinder side of the valve chamber and communicating with the high-pressure passage and the low-pressure seat provided at the opposite position and communicating with the low-pressure passage. It is what
When the piezo stack is used as the actuator, and the piezo stack is charged and the piezo stack is extended, the valve portion of the three-way valve is separated from the low pressure seat and is seated on the high pressure seat,
When the piezo stack is discharged and the piezo stack contracts, the valve portion of the three-way valve separates from the high pressure seat and sits on the low pressure seat,
Upper SL sliding portion of the slide diameter, seat diameter of the high-pressure seat, the relationship of the seat diameters of the low-pressure seat, the injector, characterized in that the slide diameter <a high pressure seat diameter <low-pressure seat diameter.
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