JP3913375B2 - インジェクタ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はインジェクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の燃料噴射用等として、先端に噴孔が形成された筒状のケーシング内に直線動して噴孔を開閉するニードルを挿通し、ケーシング内には、ニードルの外周に、噴孔と連通し高圧の流体である高圧燃料が導入される弁室と、ニードルと摺接するガイド孔とを形成したインジェクタが用いられる。ニードルの開閉駆動用に、ソレノイドに代えて作動応答性のよい圧電式等の電歪アクチュエータを用いたものがある。電歪アクチュエータは変位量が大きくないので、十分なリフト量を確保するには次の構成がとられる。すなわち、例えば、ニードルと摺接するガイド孔とニードルの後端面とで圧力室を形成し、これに、ポンプ室から流体を供給して圧力室の流体圧によりニードルを駆動する。電歪アクチュエータの作動によりポンプ室の容積を拡縮して圧力室の流体圧を増減しニードルの開閉制御を行う。
【０００３】
図５は、かかるインジェクタを模式的に表したもので、ポンプ室９４の容積変化量が圧力室９３の逆の容積変化量となるので、ニードル９１の変位量（開弁量）ｘn とピストン９２の変位量ｘp の比率である変位拡大率ｘn ／ｘp は、ピストン９２の断面積Ａp とニードル９１の断面積Ａc の比率Ａp ／Ａc で与えられる。ここで、ピストン９２の径をニードル９１の径よりも大きくすることで、上記電歪アクチュエータによるピストン９２の変位量を拡大してニードル９１に与えられるようにしている（特公平４−５４０６５号公報）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ニードル９１に作用する油圧力（開弁力）Ｆc とピストン９２に作用する油圧力Ｆp の比率Ｆc ／Ｆp は、逆にＡc ／Ａp で与えられる。したがって、開弁量ｘn が大きくなるようにニードル９１の断面積Ａc を小さくすると、開弁力Ｆc が小さくなってしまう。この開弁力の低下を補うためには規模の大きな電歪アクチュエータが必要であり、インジェクタを小型にできないという問題があった。
【０００５】
本発明は上記実情に鑑みなされたもので、開弁力と開弁量とを両立することのできるインジェクタを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、先端に噴孔が形成された筒状のケーシング内に直線動して噴孔を開閉するニードルを挿通し、ケーシング内には、ニードルの外周に、噴孔と連通し高圧の流体が導入される弁室と、ニードルと摺接するガイド孔とを形成する。ガイド孔には、ニードルを駆動せしめる流体がポンプ室から供給される圧力室を形成し、圧力室の流体圧の増減によりニードルの開閉制御を行う。かかる構成に加え、上記ガイド孔の途中に拡径部を環状に形成して上記圧力室となす。上記ニードルには上記圧力室と対応する位置に、上記圧力室に突出し圧力室のニードル移動方向幅よりも薄い鍔部を形成して鍔部により上記圧力室を仕切るとともに仕切られた両圧力室を絞りを介して連通せしめ、両圧力室のうち鍔部よりも先端側の圧力室と上記ポンプ室とを連通せしめる。かつ、鍔部よりも上記先端側のニードルおよびガイド孔の径を鍔部の基端側よりも小さくする。
【０００７】
開弁時にはポンプ室の容積を縮小し、ポンプ室の圧力を上昇せしめる。鍔部よりも上記先端側の圧力室（第１の圧力室）ではポンプ室の圧力上昇と同程度に上昇するが、絞りにより流体の流通が規制されている基端側の圧力室（第２の圧力室）では圧力上昇が抑制される。しかして、ポンプ室の容積縮小により発生する開弁力は、実質的に、第１の室の圧力が、鍔部の上記先端側の端面にかかる力となり、この端面の面積に比例する。
【０００８】
開弁量は次の通りである。第１室の、縮径したニードルの外周の環状の空間にポンプ室の容積減少に応じた流体が流入し、鍔部が変位する。ここで、上記環状空間の外径はニードルの第２の室側の径である。したがって、開弁量は、（ニードルの第２室側の断面積−ニードルの第１室側の断面積）に反比例する。この面積は、開弁力に寄与する上記鍔部の上記先端側の端面の面積よりも、鍔部の第２室側の端面の面積分、小さい。
【０００９】
したがって、従来の、開弁量が、開弁力がかかるニードルの受圧面の面積に反比例するインジェクタ（図５参照）と比べ、開弁量が同じとすると、本発明の方が大きな開弁力を得ることができ、開弁力を損なうことなく十分な開弁量を確保することができる。
【００１０】
請求項２記載の発明では、上記鍔部の径を上記圧力室よりも小さくし、上記鍔部の外周端面と上記圧力室の周面との間隙で上記絞りを形成する。
【００１１】
これにより、絞りを別途設ける必要がないので、構成が簡単になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１に本発明のインジェクタの断面を示し、図２に図１におけるＡ−Ａ線に沿う断面を示す。コモンレール式のディーゼルエンジンの燃料噴射用に適用したものとして説明する。
【００１３】
インジェクタはノズル部１ａとアクチュエータ部１ｂとからなり、ノズル部１ａは、複数の円形のケーシング部材２１，２２，２３，２４と下部リテーナ２５によりケーシング２が構成されている。ケーシング部材２１〜２４は下方からノズルケーシング２１、制御室ケーシング２２、バランスピストンケーシング２３、隔離板２４であり、重ねられた状態で下部リテーナ２５によりアクチュエータ部１ｂのアクチュエータケーシング４１に固定されている。
【００１４】
アクチュエータケーシング４１の上方には抑え板４２とジョイント４３が設けられ、上部リテーナ４４によりアクチュエータケーシング４１に固定されている。
【００１５】
ノズル部１ａのノズルケーシング２１、制御室ケーシング２２内には、ニードル３１が挿通せしめてあり、ニードル３１の外周には、弁室６３と、ニードル３１と摺接するガイド孔６６とが形成される。弁室６３はガイド孔６６直下位置に拡径部が形成され、燃料溜まり６３１としてある。燃料溜まり６３１は燃料通路６４と連通している。燃料通路６４の上流端はアクチュエータ部１ｂのジョイント４３先端に開口し燃料入口６５としてある。ジョイント４３には図示しないコモンレールと通じる供給配管が接続され、コモンレールから高圧燃料が燃料通路６４を介して燃料溜まり６３１に導入される。
【００１６】
またノズルケーシング２１には、下端部にサック部６２が形成され、ノズルケーシング２１下端部に形成した噴孔６１において外部に開口している。サック部６２の上端はニードル３１の先端の円錐状のシート部３１１を受ける弁座６２ａとなっており、ニードル３１がガイド孔６６に沿って上下動することにより、燃料溜まり６３１とサック部６２との連通と遮断とを切り替え、燃料の噴射制御を行うようになっている。
【００１７】
ニードル３１の上部には軸状のスプリングガイド３１２が形成され、その外周にスプリング３２が配設される。スプリング３２はニードル３１の上端面とバランスピストンケーシング２３の間に圧縮状態で介設され、ニードル３１を常時、下方へ付勢している。
【００１８】
バランスピストンケーシング２３内にはバランスピストン３３が液密かつ摺動自在に保持されている。バランスピストン３３はニードル３１と同軸位置に設けられ、下端面がニードル３１のスプリングガイド３１２の上端面と当接している。またバランスピストン３３の上方には、バランスピストンケーシング２３および隔離板２４で画成される空間７１が形成され、空間７１には常時、燃料通路６４を介して上記コモンレールからの高圧燃料が導入され、常時、バランスピストン３３を介してニードル３１を下方へ付勢している。
【００１９】
また制御室ケーシング２２およびバランスピストンケーシング２３と、ニードル３１とバランスピストン３３とで囲まれた空間７２は、その一部しか図示しない燃料リターン通路６８と連通しており、燃料リターン通路６８は図示しない外部の燃料リターン配管を介して図示しない燃料タンクと連通している。かくして空間７２の圧力が、ニードル３１を下方へ付勢する一方、バランスピストン３３を上方へ付勢している。
【００２０】
かかる、ニードル３１への上向き荷重と下向き荷重とのバランスを制御してニードル３１を開閉制御するべく、上記アクチュエータ部１ｂと圧力室７４等の構成を備えている。
【００２１】
アクチュエータ部１ｂのアクチュエータケーシング４１内は段付き形状をなし上側が大径で下側が小径としてある。小径部にはピストン５１が挿通せしめてある。ピストン５１の下方には、アクチュエータケーシング４１と隔離板２４とで画成される空間によりポンプ室たる第１制御圧力室７３が形成される。第１制御圧力室７３はピストン５１の上下動により容積が拡縮するようになっている。
【００２２】
アクチュエータケーシング４１の内周面には環状溝６７が形成され、これとピストン５１の間にＯリング５２が設けられており、第１制御圧力室７３から上部への燃料の漏洩を防止している。
【００２３】
ピストン５１は上端部がアクチュエータケーシング４１の大径部に突出し、上端部には円板部５１１を有している。円板部５１１とアクチュエータケーシング４１の段面の間にピストンスプリング５３が配設され、ピストン５１を常時、上方に付勢している。
【００２４】
アクチュエータケーシング４１の大径部にはピストン５１の円板部５１１の上方に電歪アクチュエータ５４が嵌挿され、その下端面は上記円板部５１１の上端面と当接し、電歪アクチュエータ５４の上端面は抑え板４２により位置決めされている。電歪アクチュエータ５４は圧電式のもので、その側面上部から通電用のリード線５５が出ており、抑え板４２およびジョイント４３の内部を通ってインジェクタ外部の図示しない駆動回路と接続されている。電歪アクチュエータ５４は上記駆動回路からの通電制御により伸縮して下端面位置が上下し、ピストン５１を上下動せしめ、第１制御圧力室７３の容積を拡縮する。
【００２５】
また、ガイド孔６６の途中には拡径部６６１が形成してある。拡径部６６１は次のように形成される。インジェクタの、制御室ケーシング２２の下端面位置における断面を示す図２により知られるように、制御室ケーシング２２の下端面に小判形の穴２２１を形成する。穴２２１は長寸方向には制御室ケーシング２２の周縁部まで形成される広い穴である。この穴２２１とノズルケーシング２１の上端面とで拡径部６６１が形成される。ニードル３１の外周には拡径部６６１により圧力室７４が形成される。
【００２６】
一方、ニードル３１の周面には、圧力室７４に突出する鍔部３１３が形成してある。鍔部３１３は、上記穴２２１よりもやや小振りの小判形で、その端面は、ニードル３１がガイド穴６６と摺接する部分の断面積よりもかなり大きな面積を有する。また、鍔部３１３は、圧力室７４の高さよりも薄く成形され、圧力室７４を仕切っている。以下、鍔部３１３により仕切られた下側の圧力室７４ａを第２制御圧力室７４ａと、鍔部３１３により仕切られた上側の圧力室７４ｂを第３制御圧力室７４ｂという。
【００２７】
ニードル３１の鍔部３１３よりも下側部分（第１のガイド部）３１ａおよび上側部分（第２のガイド部）３１ｂは、径を違えてあり、第１のガイド部３１ａの方が小さくしてある。したがってこれら第１のガイド部３１ａと摺接するガイド孔６６の圧力室７４よりも下側部分の径は、第２のガイド部３１ｂと摺接するガイド孔６６の圧力室７４よりも上側部分の径よりも小さくなっている。
【００２８】
第２制御圧力室７４ａの圧力は鍔部３１３の下端面を受圧面として上向きに作用し、第３制御圧力室７４ｂの圧力は鍔部３１３の上端面を受圧面として下向きに作用する。
【００２９】
また、第２制御圧力室７４ａは制御室連通孔６９により、アクチュエータ部１ｂの第１制御圧力室７３と連通している。また、鍔部３１３の径を圧力室７４よりも小さくし、鍔部３１３の外周端面と圧力室７４の周面との間の隙間により絞り７５が形成してあり、第２制御圧力室７４ａと第３制御圧力室７４ｂとは流通が制限された状態で連通している。第１制御圧力室７３、第２制御圧力室７４ａ、第３制御圧力室７４ｂ、制御室連通孔６９には燃料が充填されており、電歪アクチュエータ５４の伸縮による第１制御圧力室７３の容積の拡縮で第２制御圧力室７４ａ、第３制御圧力室７４ｂの圧力を増減し、ニードル３１の開閉制御を行う。
【００３０】
本インジェクタの作動を説明する。図３はインジェクタ各部の作動を示すタイムチャートであり、（ａ）が電歪アクチュエータ５４の印加電圧、（ｂ）が第１制御圧力室７３の圧力、（ｃ）が第２制御圧力室７４ａの圧力、（ｄ）が第３制御圧力室７４ｂの圧力、（ｅ）がニードル３１のリフト量を示している。無噴射時には、電歪アクチュエータ５４の印加電圧は低く（基準電圧）、電歪アクチュエータ５４は長さが基準長となっている。
【００３１】
また、第１制御圧力室７３、第２制御圧力室７４ａ、第３制御圧力室７４ｂは圧力が互いに等しく、その圧力は、上記コモンレールからの直接の供給圧である燃料噴射圧にある燃料溜まり６３１の圧力と、上記燃料リターン配管の燃料リターン圧と等しい圧力にある、ニードル３１とバランスピストン３３の間の空間７２の圧力の中間の圧力であり、その大きさは両圧力の大きさとともに、ニードル３１の第１のガイド部４１ａとガイド孔６６の間のクリアランスと、ニードル３１の第２のガイド部３１ｂとノズルケーシング２３の間のクリアランスの比率により決定される。
【００３２】
また、バランスピストン３３の上方の空間７１は上記コモンレールからの直接の供給圧である燃料噴射圧にある。
【００３３】
この状態でニードル３１に対する直線動方向の荷重をみると、先ず、上向き荷重は、サック部６２の圧力が、ニードル３１のシート部３１１の断面積分にかかり、弁室６３の燃料噴射圧が、（ニードル３１の第１ガイド部３１ａの断面積−シート部３１１の断面積）分にかかり、第２制御圧力室７４ａ、第３制御圧力室７４ｂの中間圧が、（ニードル３１の第２ガイド部３１ｂの断面積−ニードル３１の第１ガイド部３１ａの断面積）分にかかっている。一方、下向き荷重は、バランスピストン３３上方の空間７１の燃料噴射圧が、バランスピストン３３の断面積分にかかり、ニードル３１とバランスピストン３３の間の空間７２の燃料リターン圧が、（ニードル３１の第２ガイド部３１ｂの断面積−バランスピストン３３の断面積）分にかかり、ニードルスプリング３２のバネ力がかかっている。無噴射時はこの下向き荷重が優勢であるが、ニードル３１がリフトして、ニードル３１のシート部３１１の断面積分にかかる上向き圧力が、サック部６２の圧力から、これよりも高い燃料噴射圧になっても下向き荷重が優勢となるように各部を設定しておく。
【００３４】
さて、所望する開弁時期に電歪アクチュエータ５４の印加電圧を上昇せしめる（噴射電圧）と、電歪アクチュエータ５４が伸びてピストン５１を押し下げ第１制御圧力室７３の容積が減少して圧力が上昇する。第１制御圧力室７３の圧力上昇と同時に、第１制御圧力室７３と制御圧力室連通孔６９を介して通じている第２制御圧力室７４ａの圧力が第１制御圧力室７３と同程度に上昇し、鍔部３１３の広い下端面に作用する。一方、第３制御圧力室７４ｂの圧力上昇は絞り７５による流通規制作用で小さく抑えられるから、開弁力に実質的に寄与する受圧面面積は鍔部３１３の下端面の面積となる。
【００３５】
しかも、ニードル３１の第１のガイド部３１ａは第２のガイド部３１ｂよりも小径であるから、その分、鍔部３１３の下端面の面積の方が上端面の面積よりも大きく、第２制御圧力室７４ａの圧力上昇によるニードル３１への上向き荷重の増加量は、第３制御圧力室７４ｂの圧力上昇によるニードル３１への下向き荷重の上昇よりもはるかに大きくなり、上向き荷重が下向き荷重よりも優勢となってニードル３１は上昇し、開弁する。
【００３６】
ニードル３１の上昇により第２制御圧力室７４ａの容積が増大するので、第２制御圧力室７４ａおよびこれと連通する第１制御圧力室７３は、ニードル３１上昇開始時をピークに圧力が減少するが、開弁によりサック部６２は燃料溜まり６３１と連通して高圧燃料が流入し、サック部６２の圧力は燃料噴射圧近くまで上昇し、ニードル３１のシート部３１１に働く上向き荷重が増加する。ここで、この上向き荷重の増加分が第２制御圧力室７４ａの圧力減少分を上回るように各部を設定しておけば、第２制御圧力室７４ａは、開弁以後は、高い開弁力を維持する必要はなくなる。しかして、ニードル３１への上向き荷重は下向き荷重に対する優勢を維持し、ニードル３１は上昇を続ける。
【００３７】
一方、開弁後、しばらくすると、第２制御圧力室７４ａから第３制御圧力室７４ｂへの燃料リークにより、第２制御圧力室７４ａ、第３制御圧力室７４ｂ（および第１制御圧力室７３）の圧力は互いに等しくなる圧力（噴射時圧力）に向けて収斂する。このとき、ニードル３１は第１制御圧力室７３の容積減少量に応じた変位量まで上昇している。
【００３８】
この変位量は次のようになる。第１制御圧力室７３の容積減少に応じて圧力室７４の容積が増加するが、容積増加するのは、第２制御圧力室７４ａの、第１のガイド部３１ａの外周の、第２のガイド部３１ｂの直径を外径とする環状空間である。したがって、変位量は、この環状空間の断面積すなわち（第２ガイド部３１ｂの断面積−第１ガイド部３１ａの断面積）に反比例する。この断面積は、開弁力に寄与する実質的な面積である鍔部３１３の下端面の面積よりも鍔部３１３の上端面の面積分、小さい。
【００３９】
これを、従来のインジェクタ（図５参照）では開弁量を規定する面積と開弁力に寄与する面積とが同じであることと比べると、同じ開弁量を得ようとすれば、開弁力に寄与する面積の大きい本発明の方が大きな開弁力を得ることができる。このように、本発明では、開弁力を損なうことなく十分大きなニードル３１の開弁量を確保することができる。
【００４０】
さて、閉弁時には、電歪アクチュエータ５４の印加電圧を無噴射時の電圧まで下げることにより、電歪アクチュエータ５４が基準長まで縮むとともにピストン５１も上昇し、第１制御圧力室７３が容積拡大により圧力が低下する。このとき、制御室連通孔６９により連通した第２制御圧力室７４ａも同程度に圧力が低下し、第３制御圧力室７４ｂは絞り７５の流通規制作用により圧力低下は抑えられる。また、上記のごとく鍔部３１３の下端面は上端面よりも面積が大きいから、鍔部３１３において、第２制御圧力室７４ａの圧力による上向き荷重が第３制御圧力室７４ｂの圧力による下向き荷重よりも大幅に減少し、ニードル３１への下向き荷重が上向き荷重よりも優勢となってニードル３１は下降する。
【００４１】
しばらくすると、第３制御圧力室７４ｂからの燃料の移動により第２制御圧力室７４ａの圧力と第３制御圧力室７４ｂの圧力とは等しくなり、開弁前の圧力である、噴射燃料圧と燃料リターン圧の中間の圧力に戻る。上記のごとく、第２制御圧力室７４ａ、第３制御圧力室７４ｂの圧力が上記中間圧のときには、ニードル３１のシート部３１１に作用するサック部６２の圧力が閉弁時の圧力よりも高い燃料噴射圧になっていても下向き荷重が上向き荷重よりも優勢となるように設定されているから、ニードル３１は下降を続け、ついに着座、閉弁する。
【００４２】
次に開弁力および開弁量の、絞り７５によるリーク量に対する特性について説明する。図４に開弁力および開弁量と上記リーク量の関係を示す。
【００４３】
開弁力に関しては、リーク量が少ないほど、第２制御圧力室７４ａと第３制御圧力室７４ｂの差を大きく維持できるため、大きな開弁力が得られる。逆にリーク量が多いと、開弁力は小さくなる。つまり、リーク量は、確保すべき必要な開弁力に対応する上限値以下である必要がある。
【００４４】
一方、リフト量に関しては、リーク量が少ないと、変位拡大率は、ピストン５１断面積と、鍔部３１３の下端面の面積の比率（一般に１よりも小さい値）となり、変位は拡大されず、開弁量は小さくなる。逆にリーク量が多いと、変位拡大率は、ピストン５１断面積と、（ニードル３１の第２ガイド部３１ｂの断面積−ニードル３１の第１ガイド部３１ａの断面積）の比率となり、大きな拡大率が得られる。つまり、リーク量は、確保すべき必要な開弁量に対応する下限値以上である必要がある。
【００４５】
したがって、必要な開弁力と開弁量との両方を確保するには、リーク量は開弁量から決まる下限値と開弁力から決まる上限値との間の範囲で管理するのが望ましい。
【００４６】
なお、本実施形態では、上記鍔部の外周端面と上記圧力室の周面との間隙で絞りを形成することで構成を簡単にしているが、鍔部の径を上記圧力室と略同じとして鍔部の外周端面と圧力室の周面とを摺接せしめ、絞りは別途設ける構成でもよい。
【００４７】
また、本実施形態では、燃料噴射用に適用したものを示したが、本発明の主旨に反しない限り他の用途に適用できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のインジェクタの全体断面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】本発明のインジェクタの作動を説明するタイムチャートである。
【図４】本発明のインジェクタの作動を説明するグラフである。
【図５】従来のインジェクタの概念図である。
【符号の説明】
２ ケーシング
３１ ニードル
３１ａ 第１のガイド部
３１ｂ 第２のガイド部
３１３ 鍔部
６１ 噴孔
６３ 弁室
６６ ガイド孔
６６１ 拡径部
７３ 第１制御圧力室（ポンプ室）
７４ 圧力室
７４ａ 第２制御圧力室
７４ｂ 第３制御圧力室
７５ 絞り

Claims (2)

1. 先端に噴孔が形成された筒状のケーシング内に直線動して噴孔を開閉するニードルを挿通し、ケーシング内には、ニードルの外周に、噴孔と連通し高圧の流体が導入される弁室と、ニードルと摺接するガイド孔とを形成するとともに、ニードルを駆動せしめる流体がポンプ室から供給される圧力室を形成し、圧力室の流体圧の増減によりニードルの開閉制御を行うようにしたインジェクタにおいて、上記ガイド孔の途中に拡径部を環状に形成して上記圧力室となし、上記ニードルには上記圧力室と対応する位置に、上記圧力室に突出し圧力室のニードル移動方向幅よりも薄い鍔部を形成して鍔部により上記圧力室を仕切るとともに仕切られた両圧力室を絞りを介して連通せしめ、両圧力室のうち鍔部よりも先端側の圧力室と上記ポンプ室とを連通せしめ、かつ、鍔部よりも上記先端側のニードルおよびガイド孔の径を鍔部の基端側よりも小さくしたことを特徴とするインジェクタ。
2. 請求項１記載のインジェクタにおいて、上記鍔部の径を上記圧力室よりも小さくし、上記鍔部の外周端面と上記圧力室の周面との間隙で上記絞りを形成してなるインジェクタ。

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