JP4140184B2

JP4140184B2 - 燃料噴射装置

Info

Publication number: JP4140184B2
Application number: JP2000306150A
Authority: JP
Inventors: 涼桂; 賢二船井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-10-05
Filing date: 2000-10-05
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2020-10-05
Also published as: JP2002115617A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の燃料噴射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジン等に高圧燃料を噴射するために、従来より、ピエゾアクチュエータ等を用いた油圧駆動式の燃料噴射装置が用いられている。かかる燃料噴射装置は、一般に、ピエゾアクチュエータの伸縮に伴って変位する大径のピストン部材と、作動油を充填した変位拡大室、および制御弁を駆動する小径のピストン部材を、この順に同軸的に配置しており、大径のピストン部材の変位を変位拡大室で油圧変換し、拡大して小径のピストン部材に伝達することができる。
【０００３】
上記従来の燃料噴射装置において、ピエゾアクチュエータの伸長時、大径のピストン部材および変位拡大室を介して小径のピストン部材が下降し、制御弁を開弁すると、ノズルニードルの背圧室の圧力が低下し、ノズルニードルが上昇して噴孔から燃料が噴射される。その後、ピエゾアクチュエータを収縮させると、大径のピストン部材の上昇するのに伴い、小径のピストン部材が上昇し、制御弁が閉弁して燃料が停止される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来の燃料噴射装置において、ピエゾアクチュエータの収縮時に、制御弁が再開弁して過剰な燃料が噴射されることがあった。これは、小径のピストン部材が上昇する際に、慣性によってオーバーシュートするためで、その反動で再下降して、制御弁を再開弁する現象が発生する。変位拡大室を有する上記構造では、小径のピストン部材が浮いた状態にあるため振動が収まりにくく、また、この振動の振幅が、ピエゾアクチュエータに印加される通電パルス幅に対して周期的に増減することから、噴射量も増減してしまう。すなわち、本来、通電パルス幅に比例して増加する噴射量が、振動の影響を受けて変動し、制御性が低下する問題があった。
【０００５】
本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、その目的は、小径のピストン部材の振動を抑制して、制御弁の再開弁による過剰な燃料噴射を抑制し、通電パルス幅に応じた精度よい噴射量制御を可能にすることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の燃料噴射装置は、アクチュエータによって駆動される大径の第１のピストン部材と、制御弁を駆動する小径の第２のピストン部材の間に、作動流体を充填した変位拡大室を設けて、上記第１のピストン部材の変位を拡大して上記第２のピストン部材に伝達し、上記第２のピストン部材で上記制御弁を開閉することによりノズルニードルを上下動させる燃料噴射装置であり、上記第１のピストン部材を収容する大径の第１のシリンダと、上記第２のピストン部材を収容する小径の第２のシリンダとを、連続的にかつ偏心させて配置し、上記第１のシリンダと上記第２のシリンダの接続部に上記変位拡大室を設ける。そして、上記第１のシリンダと上記第２のシリンダの接続部に段差面を形成して、上記第２のピストン部材の上記変位拡大室側への移動量を規制するストッパ部となしたものである。
【０００７】
上記ストッパ部を設けることで、噴射終了時、上記第２のピストン部材の上方への移動量が制限されるので、振動の振幅がそれ以上大きくならず、ストッパ部に当接することで、振動の減衰が行われやすくなる。よって制御弁の再開弁による過剰な燃料噴射が抑制され、精度よい噴射量制御が可能になる。また、上記第１のシリンダと上記第２のシリンダの接続部に段差面を形成して上記ストッパ部とすると、別部材を設ける必要がないので、簡易な構成で、ストッパ機能が得られる。
【０００８】
請求項２では、上記変位拡大室内に、上記第２のピストン部材の振動を減衰させるダンパ部を設ける。上記ストッパ部に加えて、上記ダンパ部を設けることで、さらに、振動を減衰する効果が大きくなり、より精度よい噴射量制御が可能になる。
【０００９】
請求項３では、上記ダンパ部を、上記変位拡大室内に配設したリング状部材の穴とする。上記変位拡大室内にリング状部材を固定あるいは遊嵌させて配すると、上記第２のピストン部材の変位に伴い、上記穴内を燃料が流通する際に、振動が減衰される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をディーゼルエンジンのコモンレール噴射システムに適用した例について説明する。図１は、本発明の燃料噴射装置の第１の実施の形態を示すもので、燃料噴射装置は、ピエゾアクチュエータ１が収容されるハウジングＨ１を有し、その下端に、流路形成部材Ｈ２、Ｈ３を介してノズルボディＨ４を配設し、リテーナＨ５で油密に固定してなる。ハウジングＨ１内には、上下方向に高圧燃料通路６２が形成され、上側部に突設した燃料導入管６３を介して、外部のコモンレール（図略）に連通している。ハウジングＨ１上側部には、また、ドレーン通路６４に連通する燃料導出管６５が突設され、燃料導出管６５から流出する燃料は、燃料タンク（図略）へ戻される。
【００１３】
ハウジングＨ１は略円柱状で、中心軸に対し偏心する縦穴６１内に、上記ピエゾアクチュエータ１が脱着可能に挿通配設されている。縦穴６１は、高圧燃料通路６２の側方に平行に設けられ、ドレーン通路６４は、縦穴６１とピエゾアクチュエータ１の間の隙間を経由してさらに下方に延びている。ピエゾアクチュエータ１は、薄肉の金属管１１内に収容されるピエゾスタック１２と、ピエゾスタック１２と一体に上下動するロッド部材１３、ロッド部材１３によって駆動されるプレート状の変位伝達部材１４を有し、ロッド部材１３周りには、金属管１１下端に連続するベローズ１５が延出して変位伝達部材１４の外周に接続している。ベローズ１５は、駆動部材１３の変位に追従して上下方向に伸縮することにより変位伝達部１４を変位可能となすとともに、ピエゾスタック１２への予荷重を与える。
【００１４】
ピエゾスタック１２は、金属管１１の上端に固定したコネクタ部１６のリード線１６ａ、１６ｂに接続され、また、外周に絶縁部材（図略）を配設して金属管１１との間の絶縁を確保している。ピエゾアクチュエータ１は、コネクタ部１６の外周に配したリテーニングナット１７を締め付けることによって縦穴２１の上端に固定される。コネクタ部１６外周のフランジ部と縦穴６１の段付部の間には、リング状のシム１８が介設されてこれらの間をシールするとともに、ピエゾアクチュエータ１の取付け高さの調整を行っている。
【００１５】
図２は燃料噴射装置の下半部拡大図で、ピエゾアクチュエータ１の変位伝達部材１４の変位は、ロッド２１を介して第１のピストン部材である大径ピストン２に伝達される。大径ピストン２の下方には、変位拡大室３、第２のピストン部材である小径ピストン４が、同軸的に設けられ、小径ピストン４によって、制御弁である３方弁５の弁体５１を駆動するようになしている。大小ピストン２、４は、これらの外径に対応する２つの異なる内径を有するシリンダ部材６６内に摺動自在に配設され、変位拡大室３は、大小ピストン２、４間に形成される空間に、作動流体としての燃料を充填することにより形成される。変位拡大室３は、ピエゾアクチュエータ１の変位を油圧変換し、大小ピストン２、４の径差によって拡大して、小径ピストン４に伝達する。
【００１６】
大径ピストン２の下端部には、逆止弁２２が一体に設けられている。図３（ａ）に示すように、逆止弁２２は、プレート状の弁体２４と、弁体２４を大径ピストン２側に付勢する皿ばね２５と、これらを保持する逆止弁ホルダ２６からなり、弁体２４は、大径ピストン２内に設けられドレーン通路６４に連通する低圧通路２３を開閉する。逆止弁ホルダ２６は、断面凹状で、断面凸状の大径ピストン２の下端部外周に固定され、中央に逆止弁ホルダ２６内空間と変位拡大室３を連通させる貫通穴２７を有している。燃料リーク等により、変位拡大室３内の圧力が低下すると、皿ばね２５の付勢力に抗して弁体２４が下降し、低圧通路２３から変位拡大室３へ燃料が補充される。これにより、変位拡大室３内の気泡の発生等を防止することができる。なお、大径ピストン２は、ロッド２１周りに設けたスプリング２８によってアクチュエータ１側に付勢され、小径ピストン４は、その下端部周りに設けたスプリング２９によって、弁体５１側へ付勢されている。
【００１７】
３方弁５は、ノズルニードル７の背圧室７１への連通路５２を、高圧通路５３または低圧通路５４に選択的に連通させることにより、背圧室７１の圧力を増減する。高圧通路５３は高圧燃料通路６２に、低圧通路５４はドレーン通路６４にそれぞれ連通している。ピエゾアクチュエータ１が通電パルスの入力により伸長すると、その変位が大径ピストン２に伝えられ、変位拡大室３の燃料圧力を利用して変位を拡大して小径ピストン４に伝える。これにより、小径ピストン４とともに弁体５１が下降すると、低圧流路５４が開放されて、背圧室７１内の燃料が３方弁５からドレーン通路６４に流出し、ノズルニードル７が上昇して燃料が噴射される。一方、通電を終了して、ピエゾアクチュエータ１を収縮させると、大径ピストン２が上昇するのに伴い、小径ピストン４が上昇し、次いで弁体５１が高圧通路５３の燃料圧で上昇して、背圧室７１に高圧燃料通路６２から高圧燃料が流入し、ノズルニードル７を下降させる。
【００１８】
通路７２は、３方弁５を介さずに高圧燃料通路６２と背圧室７１を連通させる高圧通路で、高圧燃料通路６２から高圧通路５３へ至る通路の途中に、オリフィスを介して連通している。この通路により、高圧燃料通路６２と背圧室７１が常時連通するため、噴射開始時は、背圧室７１の圧力低下を緩和し、ノズルニードル７を緩やかに開弁させる。一方、噴射終了時は、圧力を直ちに上昇させて、ノズルニードル７を迅速に閉弁させる効果がある。
【００１９】
本発明では、変位拡大室３内に、中央の穴径が小径ピストン４の外径より小さい所定厚のリング状部材８（図３（ｂ））を圧入固定し、一方の端面（下端面）を所定間隔で小径ピストン４に対向させて、小径ピストン４の上方への移動量を所定範囲に規制するストッパ部８１となしている。また、リング状部材８中央の穴を、燃料の流通によって小径ピストン４の振動を減衰するダンパ部８２としている。リング状部材８の上端面は、大径ピストン２と干渉しない位置にあり、その駆動を妨げることはない。
【００２０】
大小ピストン２、４間に変位拡大室３を設けた構成において、ストッパ部８１がない場合、大小ピストン２が上方に移動して駆動から開放されると、小径ピストン４は摺動方向に浮いた状態となる。このため、小径ピストン４が振動して再下降し、３方弁５の再開弁が生じやすくなるが、本発明では、ストッパ部８１を設けたので、小径ピストン４の上方への移動量が規制され、それ以上、大きな振幅で振動できなくなる。従って、小径ピストン４による３方弁５の再開弁を抑制し、ノズルニードル７が下降し始めた後に、背圧室７１の圧力低下により再び上昇すること、あるいは一時的に下降しなくなるのを防止して、噴射量が過剰に増加するのを防止できる。さらに、小径穴よりなるダンパ部８２内を燃料が流通することにより、小径ピストン４の振動の減衰効果が高まる。
【００２１】
図４は、本発明の効果を、リング状部材８を設けない従来構成と比較して示す図である。縦軸の噴射量は、本来、横軸の通電パルス幅に比例して増加することが望ましいが、ストッパ部がない従来構成では、小径ピストン４の振動により、３方弁５が再開弁し過剰な燃料が噴射される現象が生じる。しかも、この小径ピストン４の振幅は、周辺部品の質量とばね定数の関係から通電パルス幅に対し周期的に増減するため、図のように、通電パルス幅に対し噴射量が細かく増減することになり、これを繰り返しながら全体としては噴射量が増加するという関係にあった。これに対し、リング状部材８を設けた本実施の形態の構成では、小径ピストン４の振動が抑制され、かつ減衰が行われやすいために、通電パルス幅に対し噴射量がよりリニアに増加する。よって、噴射間の噴射量ばらつき、特に微小噴射量ばらつきが小さくなる利点がある。
【００２２】
図５に本発明の第２の実施の形態を示す。図５（ａ）に示すように、本実施の形態では、ハウジングＨ１に大径ピストン２を摺動自在に保持する第１のシリンダ６７を、縦穴６１と同軸的に連続させて設け、小径ピストン４を摺動自在に保持する保持する第２のシリンダ６８を、別部材Ｈ６に設ける。第１のシリンダ６７は、ハウジングＨ１の中心軸と同軸上にあり、第１のシリンダ６７と第２のシリンダ６８は連続的に、かつ偏心させて設けられる。変位拡大室３は、第１のシリンダ６７と第２のシリンダ６８の接続部に設けられる。
【００２３】
また、この時、第２のシリンダ６８の外周縁が第１のシリンダ６７の外周縁よりも外側に位置するように、つまり、図５（ｂ）に示すように、第１および第２のシリンダ６７、６８の接続部の開口面積Ａが上記第２のシリンダ６８の断面積よりも小さくなるようにする。そして、本実施の形態では、第１のシリンダ６７と第２のシリンダ６８の接続部に形成され、小径ピストン４の上端面に対向位置する段差面を、ストッパ部８３とする。このようにしても、上記第１の実施の形態と同様の振動防止効果が得られる。
【００２４】
さらに、本実施の形態では、逆止弁２２の逆止弁ホルダ２６を、大径ピストン２に固定せず、変位拡大室３内（第１のシリンダ６７の下端部内）に遊嵌させる。このようにすると、大径ピストン２に追従して逆止弁ホルダ２６が上昇しないので、小径ピストン４の変位に伴い貫通穴２７内を燃料が流通し、ダンパ部として機能させることができる。また、シリンダ６７、６８の接続部の開口面積が上記第２のシリンダの断面積よりも小さいため、この開口部を燃料が流通することによっても、ダンパ効果が得られる。
【００２５】
逆止弁２２としての機能は、上記第１の実施の形態と同様で、図６（ａ）のように、変位拡大室３に燃料が十分にある場合には、大径ピストン２が上昇しても、弁体２４を大径ピストン２側に押圧する力〔皿ばね２５のばね力＋油圧力（大）〕が大きく、低圧通路２３は閉鎖される。一方、変位拡大室３に燃料が十分ない場合、図６（ｂ）のように、大径ピストン２が上昇すると、押圧力〔皿ばね２５のばね力＋油圧力（小）〕が小さくなり、弁体２４は大径ピストン２から離れる。よって、低圧通路２３が開放され、変位拡大室３が燃料の供給を受ける。変位拡大室３の、第１のシリンダ６７側と第２のシリンダ６８側とは、逆止弁ホルダ２６外周クリアランスおよび中央の貫通穴２７によって連通している。
【００２６】
このように、本実施の形態では、シリンダ６７、６８の段差面によってストッパ部８３を形成したので、ストッパ部の構成部材を別に設けて組付ける必要がなく、部品点数、組付けコストの削減が可能である。また、小径ピストン４を縦穴６１内に設けず、別部材Ｈ６に設けたので、偏心穴で加工しにくい縦穴６１の長さが短くなり、加工が容易になる。なお、本実施の形態では、高圧燃料通路６２形状を変更することにより、流路形成部材Ｈ２、Ｈ３を一体化して流路形成部材Ｈ７とし、さらに部品点数を削減している。
【００２７】
上記実施の形態では、ピエゾアクチュエータを用いたが、ピエゾ式に限らず、通電により変位を発生するものであれば、いずれのアクチュエータを用いてもよい。また、制御弁として３方弁を用いる必要はなく、他の方式でノズルニードルを開閉させる構成でもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における燃料噴射装置の全体断面図である。
【図２】第１の実施の形態の燃料噴射装置の下半部拡大図である。
【図３】（ａ）は第１の実施の形態の燃料噴射装置の要部拡大図、（ｂ）は筒状部材の全体斜視図である。
【図４】第１の実施の形態の効果を説明するための図である。
【図５】（ａ）は本発明の第２の実施の形態における燃料噴射装置の下半部拡大図、（ｂ）はその要部拡大図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）は本発明の第２の実施の形態における逆止弁の作動を説明するための燃料噴射装置の要部拡大図である。
【符号の説明】
Ｈ１ハウジング
１ピエゾアクチュエータ（アクチュエータ）
１１金属管
１２ピエゾスタック
１４変位伝達部材
１５ベローズ
２大径ピストン（第１のピストン部材）
２２逆止弁
２６逆止弁ホルダ
２７貫通穴（ダンパ部）
３変位拡大室
４小径ピストン（第２のピストン部材）
５３方弁（制御弁）
５１弁体
６１縦穴
６２高圧燃料通路
６３導入管
６４ドレーン通路
６５導出管
６７第１のシリンダ
６８第２のシリンダ
７ノズルニードル
７１背圧室

Claims

アクチュエータによって駆動される大径の第１のピストン部材と、制御弁を駆動する小径の第２のピストン部材の間に、作動流体を充填した変位拡大室を設けて、上記第１のピストン部材の変位を拡大して上記第２のピストン部材に伝達し、上記第２のピストン部材で上記制御弁を開閉することによりノズルニードルを上下動させる燃料噴射装置において、上記第１のピストン部材を収容する大径の第１のシリンダと、上記第２のピストン部材を収容する小径の第２のシリンダとを、連続的にかつ偏心させて配置して、上記第１のシリンダと上記第２のシリンダの接続部に上記変位拡大室を設け、上記第１のシリンダと上記第２のシリンダの接続部に形成した段差面を、上記第２のピストン部材の上記変位拡大室側への移動量を規制するストッパ部となしたことを特徴とする燃料噴射装置。
上記変位拡大室内に、上記第２のピストン部材の振動を減衰するダンパ部を設けた請求項１記載の燃料噴射装置。
上記ダンパ部が、上記変位拡大室内に固定または遊嵌されたリング状部材の穴よりなる請求項２記載の燃料噴射装置。