JP3904445B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蓄圧燃料が供給される燃料噴射弁に関するものであり、粘性の低い燃料（例えば、ＬＰＧやＤＭＥ等の液化ガス燃料）を噴射する燃料噴射弁に用いて好適な技術である。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、ディーゼルエンジン用のコモンレール式燃料噴射装置では、一般に燃料噴射弁として電磁力を用いた電磁式が使用される。この場合、弁体の背面に設けた圧力制御室に高圧燃料を導入し、この圧力制御室内の高圧燃料を噴射毎に低圧側にリークさせることで弁体の開弁動作を実現させている。そのため、噴射毎に高圧燃料のリークが発生する。
【０００３】
一方、近年では、軽油の代替燃料として、燃料の気化性や発火燃焼性、エミッション等を考慮してＤＭＥ（ジメチルエーテル）や、セタン価向上のための添加剤を加えたＬＰＧ（液化石油ガス）といった液化ガス燃料を使用することが検討されている。なお、以下の記載においてＬＰＧと称するものは、特に指示しない限りセタン価向上剤を加えたものを指す。
【０００４】
液化ガス燃料を用いる場合、噴射燃料の漏れ量が特に増える傾向にあり、燃料噴射弁から漏れ燃料を回収するための装置が必要になる。具体的な例を示すと、気化した液化燃料を回収するためのパージタンクや、パージタンク内のガス燃料（気体）を圧縮して液化させるための圧縮ポンプ等が必要になる。このため、燃料噴射装置としてコストの上昇を招いてしまう。
【０００５】
そこで、燃料のリークレス化を図るべく、電磁ソレノイド（アクチュエータ）により弁体を直接動かす、いわゆる直接駆動方式の燃料噴射弁を採用することが考えられる。その構成を図５に示す。
【０００６】
図５に示す燃料噴射弁１００の弁体１０１は、図中上下方向に延びる長尺状をなし、弁体１０１の上端には、アーマチャ１０２がレーザー溶接等により固着されている。ボディ１０３およびノズルボディ１０４には、貫通孔１０５、１０６が設けられ、その貫通孔１０５、１０６に弁体１０１が収容されている。アーマチャ１０２に対向してステータ１０７が設けられており、コイル１０８の通電時にアーマチャ１０２がステータ１０７に吸引されると、弁体１０１がスプリング１０９の付勢力に抗して図示の閉弁位置から開弁位置に移動する。これにより、噴孔１１０が開放されて、コモンレール等より供給される高圧燃料が噴射される。
上記図５の構成の燃料噴射弁１００では、燃料リークが生じないことから、漏れ燃料の回収装置（パージタンク、圧縮ポンプ等）が不要になり、高コスト化が抑制できる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記燃料噴射弁１００は、コイル１０８に通電がなされてアーマチャ１０２がステータ１０７に吸引されて弁体１０１が開弁する際、弁体１０１がストッパ１１１にぶつかってバウンスが生じてしまう。この開弁時のバウンスによって、図３の破線に示すように、駆動信号幅（τ）に対して噴射量（Ｑ）が波打ち、噴射制御が困難という問題があった。
また、コイル１０８の通電が停止されて、ステータ１０７によるアーマチャ１０２の吸引力が失われて、スプリング１０９の付勢力により弁体１０１が閉弁する際、弁体１０１がノズルボディ１０４のシート部にぶつかってバウンスが生じてしまう。この閉弁時のバウンスによって噴射終了後の再噴射（２次噴射）が発生し、噴射特性が悪化する不具合が生じる。
【０００８】
一方、多くの場合、エンジンヘッドの吸気バルブのレイアウト等から、弁体１０１を長尺状としなくてはならず、その結果、弁体１０１が重くなり、上記バウンスが顕著に生じてしまう。
特に、ＬＰＧやＤＭＥ等の液化ガス燃料は、燃料の粘度が低いため、弁体１０１のバウンスが大きくなってしまうとともに、バウンスが減衰するまでの時間が長くなり、上記の不具合が顕著に発生してしまう。
【０００９】
【発明の目的】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、燃料噴射弁内に生じる差圧や燃料の流れによって、弁体のバウンスを抑制する燃料噴射弁の提供にある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
〔請求項１の手段〕
請求項１の手段を採用する発明は、次の作用効果を奏する。
（開弁時）
電気的アクチュエータ（例えば、電磁ソレノイド、ピエゾアクチュエータ等）がアーマチャ（駆動子）を開弁方向に変位させると、蓄圧燃料がノズルから噴射される。
この噴射により、絞り部よりもノズル側の圧力が低下し、第２室の圧力が第１室より低くなる。圧力の低い第２室は反ノズル側（開弁方向）にあるので、受圧部が差圧によって反ノズル側（開弁方向）に付勢される。この差圧による付勢力によって開弁時における弁体のバウンスが抑制される。
【００１１】
（閉弁時）
電気的アクチュエータがアーマチャを閉弁方向に変位させると、燃料の噴射が停止される。
噴射が停止されると、噴射燃料の流れが急激に遮断されるため、絞り部よりもノズル側の圧力が供給される蓄圧燃料の圧力よりも上昇し、第２室の圧力が第１室より高くなる。この時、圧力の低い第１室はノズル側（閉弁方向）にあるので、受圧部が差圧によってノズル側（閉弁方向）に付勢される。この差圧による付勢力によって閉弁時における弁体のバウンスが抑制される。
【００１２】
このように、開弁時および閉弁時のバウンスが抑制されるため、噴射特性が向上する。
また、弁体が長尺状で弁体が重い場合であっても、差圧によりバウンスの発生が抑制されるため、噴射特性の向上を図ることができる。
さらに、ＬＰＧやＤＭＥ等の液化ガス燃料のように、燃料の粘度が低い場合であっても、差圧によりバウンスの発生が抑制されるため、噴射特性の向上を図ることができる。
【００１３】
〔請求項２の手段〕
請求項２の手段を採用する発明は、次の作用効果を奏する。
（開弁時）
電気的アクチュエータがアーマチャを開弁方向に変位させると、蓄圧燃料がノズルから噴射される。
この噴射により、燃料が第１室からアーマチャの側面の通路を通って反ノズル側（開弁方向）の第２室へ流れる。この開弁方向の流れによってアーマチャが反ノズル側（開弁方向）に向かう力を受けるため、開弁時における弁体のバウンスが抑制される。
【００１４】
（閉弁時）
電気的アクチュエータがアーマチャを閉弁方向に変位させると、燃料の噴射が停止される。
噴射が停止されると、噴射燃料の流れが急激に遮断されるため、絞り部よりもノズル側の圧力が供給される蓄圧燃料よりも上昇し、第２室の圧力が第１室より高くなる。すると、圧力の高い第２室からアーマチャの側面の通路を通ってノズル側（閉弁方向）の第１室に流れる。この閉弁方向の流れによってアーマチャがノズル側（閉弁方向）に向かう力を受けるため、閉弁時における弁体のバウンスが抑制される。
【００１５】
このように、請求項１の発明と同様、開弁時および閉弁時のバウンスが抑制されるため、噴射特性が向上する。
また、弁体が長尺状で弁体が重い場合であっても、差圧によりバウンスの発生が抑制されるため、噴射特性の向上を図ることができる。
さらに、ＬＰＧやＤＭＥ等の液化ガス燃料のように、燃料の粘度が低い場合であっても、差圧によりバウンスの発生が抑制されるため、噴射特性の向上を図ることができる。
【００１６】
〔請求項３の手段〕
請求項３の手段を採用し、アーマチャのノズル側（閉弁方向）からアーマチャの反ノズル側（開弁方向）に燃料を導く通路に、差圧を生じさせるための絞り部を設けても良い。
このように設けることにより、請求項２の発明において、請求項１の発明の作用効果を得ることができる。
【００１７】
〔請求項４の手段〕
請求項４の手段を採用し、絞り部を、アーマチャと、とその周囲のステータとのクリアランスによって形成しても良い。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、２つの実施例と変形例を用いて説明する。
なお、以下の実施例では、ＤＭＥやＬＰＧ等の液体ガスを燃料とする車両用ディーゼルエンジンに燃料噴射を行う燃料噴射弁に本発明を適用した例を示す。ここで、燃料噴射弁は、電磁ソレノイド（電気的アクチュエータの一例）によって弁体を直接駆動する直動タイプであり、コモンレール内に蓄えられた高圧の蓄圧燃料が供給され、開弁動作に伴ってエンジン燃焼室内に液化ガス燃料を噴射供給するようになっている。
また、以下の実施例では、ノズル側（閉弁方向）を下、反ノズル側（開弁方向）を上として説明するが、説明の便宜上の上下であって、実際の搭載時とは異なるものである。
【００１９】
〔第１実施例の構成〕
図１は、燃料噴射弁１の断面構造および燃料噴射周りの構成を示す図面である。この図１において、燃料タンク２内に貯蔵された液化ガス燃料（ＤＭＥあるいはＬＰＧ）は、図示しない低圧ポンプから高圧ポンプ３に供給され、この高圧ポンプ３にて高圧に圧縮された後にコモンレール４に供給される。コモンレール４では、噴射圧相当（例えば、４０ＭＰａ程度）の高圧燃料が蓄圧される。
コモンレール４には、エンジンの気筒数分の燃料噴射弁１が接続されており、これら燃料噴射弁１はＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）５からの駆動信号に従って噴射作動を行う。
【００２０】
以下において燃料噴射弁１の構成を詳しく説明する。
燃料噴射弁１のケーシングは、ボディ６およびノズルボディ７を結合したものであり、それらはリテーニングナット８の締め付けにより一体化されている。ボディ６およびノズルボディ７には、同軸の貫通孔９、１０が設けられ、その貫通孔９、１０には、長尺状の弁体１１が収容されている。
【００２１】
弁体１１は、上記貫通孔９、１０内を上下方向に摺動するものであり、上下２箇所に摺動部１２、１３を有する。
ノズルボディ７の先端部には、複数の噴孔１４が設けられており、弁体１１の先端がノズルボディ７に当接（着座）することで噴孔１４が閉じ、弁体１１の先端がノズルボディ７から離間（離座）することで噴孔１４が開くようになっている。
弁体１１の上端部には、圧縮コイルスプリング１５が配置されており、弁体１１はスプリング１５の復元力によって常に下方へ付勢されている。
【００２２】
また、弁体１１の上側には、燃料孔１６が形成されており、インレット１７から供給された燃料は、ボディ６内の通路→アーマチャ１８の直下に形成される第１室２０→アーマチャ１８とその周囲の部材とのクリアランスによって形成される絞り部２１→アーマチャ１８の直上に形成される第２室２２を通って、アーマチャ１８の中心の燃料孔１６内に導かれる。
絞り部２１は、具体的にはアーマチャ１８の側面と、ステータ２３の下部を構成するインナコア・ロウア３４とのクリアランスによって形成されるものであり、このクリアランスは、径方向寸法で６０〜３００μｍの範囲以内に設定されている。
【００２３】
弁体１１の中間部に、燃料孔１６から導かれる燃料を、ボディ６の貫通孔９と弁体１１の間に形成される燃料通路２５に導く分岐孔２６が形成されている。なお、この燃料通路２５に導かれた燃料は、ノズルボディ７の貫通孔１０と弁体１１の間に形成されるノズル室２７を介して噴孔１４側に導かれる。
【００２４】
次に、インレット１７を説明する。
インレット１７は、ガスケット３０を挟むようにしてボディ６に組み付けられており、コモンレール４からの入口となっている。このインレット１７には、異物の進入を防止するためのバーフィルタ３１が圧入固定されている。
【００２５】
次に、電磁ソレノイド３２を説明する。
電磁ソレノイド３２のアーマチャ１８は、上記弁体１１の上部に圧入等により固着されるものであり、そのアーマチャ１８に対向してステータ２３が配置され、いわゆるプランジャ型ソレノイドを構成している。
【００２６】
ステータ２３は、吸引面を持つインナコア・アッパ３３、アーマチャ１８側面側の磁極面を持つインナコア・ロウア３４、およびインナコア・アッパ３３とインナコア・ロウア３４に挟み込まれるリング状のインナコア・ミドル３５から構成される。
インナコア・アッパ３３とインナコア・ロウア３４は、電磁ソレノイド３２の磁路となるため、軟磁性材料により形成されている。また、インナコア・ミドル３５は、非磁性材料により形成されて磁束を通さないようになっている。
そして、インナコア・アッパ３３、インナコア・ロウア３４、インナコア・ミドル３５は、積み重ねた状態で、レーザー溶接等の接合手段により一体的に固着されて、ステータ２３を形成している。
【００２７】
ステータ２３の外周には、磁力を発生してアーマチャ１８をステータ２３に吸引させるためのコイル３６が配置され、ソレノイドハウジング３７内において接続端子３８とともに樹脂によってモールド固定さている。
ステータ２３とボディ６の間には、ストッパ４０が配置されている。このストッパ４０は、弁体１１の全開位置を決める役目と、全開時のアーマチャ１８とステータ２３の間隔（つまり、ファイナルギャップ）を調整するシムの役目を果たす。
【００２８】
〔第１実施例の作動および効果〕
次に、本実施例における燃料噴射弁１の作動と効果を、図１とともに図２、図３を参照して説明する。
ここで、図２は、下側の第１室２０と上側の第２室２２との圧力挙動を示すタイムチャートである。なお、図２中において、本実施例におけるリフトと噴射率は実線で示し、従来技術におけるリフトと噴射率は破線で示す。
また、図３は、駆動信号幅（τ）に対する噴射量（Ｑ）を示すτ−Ｑ特性図である。
【００２９】
（開弁時）
ＥＣＵ５から与えられる駆動信号がONしてコイル３６が通電されると（図２の通電開始）、アーマチャ１８がステータ２３に吸引され、スプリング１５の付勢力に抗して弁体１１が上方にリフトする。そして、弁体１１がストッパ４０に当接すると、開弁動作が終わり、それ以降は開弁状態が保持される。なお、弁体１１の上昇によって弁体１１の先端がノズルボディ７から離間（離座）し、噴孔１４が開いて液体燃料が噴孔１４より噴射される。
【００３０】
ここで、図５に示した従来の燃料噴射弁１００では、開弁時における弁体１０１とストッパ１１１との衝突により、図２の破線に示すように弁体１０１に数回のバウンスが発生する。この結果、噴射率もバウンスの影響によって低下する部分が出てくる。そして、図３の破線に示すように、駆動信号幅（τ）に対して噴射量（Ｑ）が波打ち、安定した噴射制御が行えない。
【００３１】
上記の従来技術に比較し、本実施例の燃料噴射弁１は、噴射開始に伴って、ノズル室２７と、このノズル室２７に連通している第２室２２（アーマチャ１８の上面）の圧力が低下する。この時、第１室２０（アーマチャ１８の下面）の圧力は、アーマチャ１８の側面の絞り部２１による圧力伝播が抑えられるためにほとんど変化しない。このため、アーマチャ１８の上下に油圧差が働き、その油圧差によってアーマチャ１８（受圧部に相当する）が上側（開弁方向）に付勢される。この差圧による付勢力によって開弁時における弁体１１のバウンスが抑制される。
また、噴射時は、燃料が第１室２０（アーマチャ１８の下側）からアーマチャ１８の側面の通路（絞り部２１）を通って上方の第２室２２（アーマチャ１８の上側）へ流れる。この上に向かう流れによってアーマチャ１８が上（開弁方向）に向かう力を受けるため、この作用によっても開弁時における弁体１１のバウンスが抑制される。
【００３２】
上記のように、第１室２０と第２室２２の油圧差と、第１室２０から第２室２２へ向かう燃料の流れによって、図２の実線に示すように、開弁時における弁体１１のバウンスが抑えられ、噴射率の低下が防止できる。また、図３のτ−Ｑ特性図の実線に示すように、駆動信号幅（τ）に対して燃料の噴射量（Ｑ）が単調に増加する。
【００３３】
（閉弁時）
ＥＣＵ５から与えられる駆動信号がOFF してコイル３６の通電が停止されると（図２の通電遮断）、ステータ２３によるアーマチャ１８の吸引力が無くなり、スプリング１５の付勢力によって弁体１１が下方に変位する。そして、弁体１１がノズルボディ７のシートに当接すると、閉弁動作が終わり、それ以降は閉弁状態が保持される。なお、弁体１１が下降して弁体１１の先端がノズルボディ７に当接（着座）することで、噴孔１４が閉じて液体燃料の噴射が停止される。
【００３４】
ここで、図５に示した従来の燃料噴射弁１００では、開弁時における弁体１０１とノズルボディ１０４との衝突により、図２の破線に示すように弁体１０１に数回のバウンスが発生する。この結果、閉弁後の２次噴射が起こってしまう。
【００３５】
上記の従来技術に比較し、本実施例の燃料噴射弁１は、噴射が停止されると、噴射燃料の流れが急激に遮断されるため、水撃作用によって、ノズル室２７と、このノズル室２７に連通している第２室２２（アーマチャ１８の上面）の圧力が上昇する。この時、第１室２０（アーマチャ１８の下面）の圧力は、アーマチャ１８の側面の絞り部２１による圧力伝播が抑えられるためにほとんど変化しない。このため、アーマチャ１８の上下に油圧差が働き、その油圧差によってアーマチャ１８（受圧部）が下側（閉弁方向）に付勢される。この差圧による付勢力によって閉弁時における弁体１１のバウンスが抑制される。
また、噴孔１４が遮断されて第２室２２の圧力が上昇すると、燃料が第２室２２（アーマチャ１８の上側）からアーマチャ１８の側面の通路（絞り部２１）を通って下方の第１室２０（アーマチャ１８の下側）へ流れる。この下に向かう流れによってアーマチャ１８が下（閉弁方向）に向かう力を受けるため、この作用によっても閉弁時における弁体１１のバウンスが抑制される。
【００３６】
上記のように、第１室２０と第２室２２の油圧差と、第２室２２から第１室２０へ向かう燃料の流れによって、図２の実線に示すように、閉弁時における弁体１１のバウンスが抑えられ、２次噴射の発生が防がれる。
【００３７】
一方、上記で示した燃料噴射弁１は、電磁ソレノイド３２によって弁体１１を直接駆動する直動式の構成を採用するため、燃料漏れの少ない構成が実現でき、液化ガス燃料用の燃料噴射弁１として好適である。
また、この実施例のように、弁体１１が長尺状で弁体１１が重い場合であっても、弁体１１のバウンスの発生が抑制されるため、噴射特性の向上を図ることができる。
さらに、ＬＰＧやＤＭＥ等の液化ガス燃料のように、燃料の粘度が低い場合は弁体１１のバウンスによる問題が顕著であるが、燃料粘性が低い場合であってもバウンスを抑えることができる。
【００３８】
〔第２実施例〕
図４に示す燃料噴射弁１の断面構造図を参照して第２実施例を説明する。なお、この第２実施例では、第１実施例に対して異なる主要部分を説明するが、第１実施例に対して同一符号は同一機能物を示すものである。
【００３９】
上記の第１実施例では、第１室２０と第２室２２をアーマチャ１８の下と上に設け、アーマチャ１８が差圧を受けるように設けた。
これに対し、この第２実施例では、アーマチャ１８よりも上方に延ばした弁体１１の上端に差圧を受ける円板体４１（受圧部に相当する）を設け、その円板体４１の下に第１室２０、円板体４１の上に第２室２２を設けたものである。そして、円板体４１と、その周囲の部材（ボディ６）との間にクリアランスによる絞り部２１を設けたものである。
このように設けることによっても、第１実施例と同等の効果を得ることができる。なお、差圧を受ける円板体４１は、アーマチャ１８よりも上方でなくとも良い。また、円板体４１は、円板状でなくても良い。
【００４０】
〔変形例〕
上記の実施例では、ＤＭＥやＬＰＧ等の液化燃料を噴射する燃料噴射弁１を例に示したが、それ以外の燃料を噴射する燃料噴射弁１に本発明を適用しても良い。すなわち、軽油やガソリンを噴射する燃料噴射弁１に本発明を適用して弁体１１のバウンスの発生を防ぐようにしても良い。
上記の実施例では、電気的アクチュエータの一例として電磁ソレノイド３２を用いた例を示したが、ピエゾ素子を多数積層したピエゾアクチュエータ等、他の電気的アクチュエータを用いても良い。
また、絞り部２１に燃料の通過抵抗を増大させる通過抵抗手段を設けて、絞り部２１を流れる燃料の力を弁体１１に大きく作用するように設けても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料噴射弁の断面構造および燃料噴射周りの構成を示す図である（第１実施例）。
【図２】実施例の作動を説明するタイムチャートである（第１実施例）。
【図３】駆動信号幅に対する噴射量を示すτ−Ｑ特性図である（第１実施例）。
【図４】燃料噴射弁の断面構造図である（第２実施例）。
【図５】燃料噴射弁の断面構造図である（従来例）。
【符号の説明】
１ 燃料噴射弁
１１ 弁体
１６ 燃料孔（弁体の中心を通してノズル側に導く通路）
１７ インレット
１８ アーマチャ（第１実施例の受圧部）
２０ 第１室
２１ 絞り部（アーマチャのノズル側から反ノズル側に燃料を導く通路）
２２ 第２室
２３ ステータ
３２ 電磁ソレノイド（電気的アクチュエータ）
４１ 円板体（第２実施例の受圧部）

Claims (4)

1. 電気的アクチュエータによって弁体を直接駆動する燃料噴射弁であって、
   この燃料噴射弁は、蓄圧燃料の供給圧を受ける第１室と、この第１室よりも反ノズル側に形成されてノズル側の燃料圧力を受ける第２室と、前記第１室と前記第２室との間に差圧を生じさせる絞り部とを備えるとともに、
   前記ノズルを開閉変位させる部材には、前記差圧を受ける受圧部を備え、
   前記燃料噴射弁内の燃料流路は、外部から蓄圧燃料が供給されるインレット側と燃料の噴射を行う前記ノズル側とが、前記絞り部を介してのみ連通するものであり、
   噴射時は、前記燃料噴射弁に供給された蓄圧燃料が、前記第１室、前記絞り部、前記第２室および前記弁体に形成された燃料孔の順を辿って前記ノズル側に流れ、
   噴射が停止されると、前記ノズル側で噴射停止時に生じた水撃作用による圧力上昇と、前記絞り部の圧力伝播を抑える作用とにより、前記第２室の圧力が上昇することを特徴とする燃料噴射弁。
2. 電気的アクチュエータによって弁体を直接駆動する燃料噴射弁であって、
   この燃料噴射弁は、供給された蓄圧燃料を、アーマチャのノズル側に形成された第１室から前記アーマチャの側面を通して前記アーマチャの反ノズル側に形成された第２室に流し、その後前記弁体の中心を通してノズル側に導く通路を備えることを特徴とする燃料噴射弁。
3. 請求項２の燃料噴射弁において、
   前記アーマチャのノズル側から前記アーマチャの反ノズル側に燃料を導く通路には、前記アーマチャのノズル側と反ノズル側との間に差圧を生じさせるための絞り部が設けられたことを特徴とする燃料噴射弁。
4. 請求項３の燃料噴射弁において、
   前記絞り部は、前記アーマチャと、とその周囲のステータとのクリアランスによって形成されたことを特徴とする燃料噴射弁。

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