JP4229070B2 - 制御弁および制御弁を備えた燃料噴射弁 - Google Patents

Description

本発明は、３方弁構造の制御弁に関し、特に内燃機関用の燃料噴射弁に用いて好適である。

従来技術として、特許文献１に記載された制御弁がある。
この制御弁１００は、図４に示す様に、高圧ポート１１０と低圧ポート１２０及び制御ポート１３０を有する弁室１４０と、この弁室１４０に収容される弁体１５０とを備え、この弁体１５０が駆動されて、高圧ポート１１０と低圧ポート１２０の何方か一方を選択的に閉じることで、制御ポート１３０の圧力を制御している。
特開２００４−２０４８１３号公報

ところで、図５に示す様に、弁体１５０の低圧側シート部１６０が低圧ポート１２０側の弁シート１７０に着座して低圧ポート１２０を閉じる時に、シート部１６０が弁シート１７０に面接触すると、実際のシート位置がＤａ（シート外径）〜Ｄｂ（シート内径）の間で定まらず、低圧ポート１２０を開く際に弁体１５０の挙動が不安定になる恐れがある。そこで、図６に示す様に、シート部１６０の内周側に凹部１８０を形成して、シート内径Ｄを規定することにより、閉弁時のシート位置を安定化することが考えられる。

しかし、シート部１６０の内周側に凹部１８０を形成すると、弁体１５０が低圧ポート１２０を閉じる過程において、高圧ポート１１０より弁室１４０に流入した燃料が凹部１８０に流れ込むため、燃料の流れに大きな乱れが生じる恐れがある。つまり、高圧ポート１１０の圧力（〜２００ＭＰａ）と、凹部１８０の圧力（数ＭＰａ）との間に大きな圧力差があるため、凹部１８０を流れる燃料の流れが大きく乱れることが予想される。このため、乱れた流体力が弁体１５０に作用すると、弁体１５０の滑らかな復帰（低圧ポート１２０を閉じる動作）を阻害することになる。

特に、上記の制御弁を燃料噴射弁に用いた場合、すなわち、ニードルの背圧を制御弁によって制御する場合は、弁体１５０の復帰が安定しないと、ニードルの復帰も安定しないため、燃料噴射の停止時期が安定しなくなる。その結果、噴射量がサイクル間ごとに変動して、噴射の繰り返し安定性が損なわれる問題が生じる。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、作動の安定性を向上できる制御弁およびこの制御弁を備えた燃料噴射弁を提供することにある。

（請求項１の発明）
本発明は、低圧ポートと高圧ポートおよび制御ポートを有する弁室と、この弁室に収容され、低圧ポートと高圧ポートの何方か一方を選択的に閉じることができる弁体とを備え、弁体を駆動して、高圧ポートと低圧ポートの何方か一方を選択的に閉じることで、制御ポートの圧力を制御する制御弁であって、弁体は、低圧ポートを閉じる時に、低圧ポート側の弁シートに着座する低圧シート部を有すると共に、この低圧シート部の内周側に低圧シート部から所定の深さｈを有する凹部が形成され、この凹部は、深さｈが０．０５ｍｍ以上、且つ、０．３ｍｍ以下であり、さらに、深さｈが一定となる平坦な底面を有していることを特徴とする。

上記の構成によれば、凹部の深さｈを０．３ｍｍ以下に設定することで、凹部に流れ込んだ燃料の乱れ（渦）が成長することはなく、その流体力の乱れ幅が小さくなる。その結果、弁体が低圧ポートを閉じる際に、流体力の乱れが大きく影響することはなく、弁体の復帰（低圧ポートを閉じる動作）が安定する。
また、凹部の深さｈが小さ過ぎると、弁体が低圧ポートを閉じる際に、燃料中に含まれる異物を挟み込んで、シートが不完全になる恐れがある。このため、凹部の深さｈを０．０５ｍｍ以上に設定することで、異物の挟み込みを防止できる。

（請求項２の発明）
請求項１に記載した制御弁において、凹部の外周側壁面は、凹部の底面外周径から低圧シート部の内周径に向かって上り傾斜するテーパ形状に設けられていることを特徴とする。
本発明の制御弁は、弁体が低圧ポートを開く際に、弁室から低圧ポートを通ってドレン通路へ高圧燃料が流れるため、低圧シート部の内周側に凹部が形成されていると、凹部で燃料の流れが大きく乱れることにより、急激な圧力変化が生じてキャビテーションが発生する可能性がある。これに対し、凹部の外周側壁面をテーパ形状にすることで、燃料の流れが大きく乱れることなく、急激な圧力変化を抑制できるので、キャビテーションの発生を低減できる。

（請求項３の発明）
請求項１または２に記載した制御弁を備えた燃料噴射弁であって、噴孔を有するボディと、このボディの内部に挿入され、噴孔に通じる燃料通路を開閉するニードルと、制御ポートを介して弁室に連通すると共に、制御ポートより導入される圧力がニードルを閉弁方向に付勢する背圧室とを備え、制御弁により背圧室の圧力を増減させてニードルを駆動することを特徴とする。
本発明の制御弁は、高圧ポートと低圧ポートとを切り替えて制御ポートに連通させることで、制御ポートの圧力を制御（増減）できるので、この制御弁を内燃機関用の燃料噴射弁に用いて、背圧室の圧力を制御（増減）することで、ニードルの開閉動作を良好に制御できる。

（請求項４の発明）
請求項３に記載した燃料噴射弁において、制御弁の弁体を駆動する駆動手段を備え、この駆動手段は、ピエゾアクチュエータであることを特徴とする。
弁体の駆動手段としてピエゾアクチュエータを用いることにより、制御指令に対して応答性に優れた燃料噴射弁を提供できる。

本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。

図１は燃料噴射弁１に設けられる背圧制御部の要部拡大断面図、図２は燃料噴射弁１の全体構成を示す断面図である。
実施例１に示す燃料噴射弁１は、例えば、ディーゼル機関用の蓄圧式燃料噴射システム（図示せず）に使用されるもので、ディーゼル機関の各気筒に取り付けられ、共通のコモンレール（蓄圧室）より高圧燃料が供給される。
この燃料噴射弁１は、以下に説明するノズル部、背圧制御部、ピエゾ駆動部、および変位伝達部等より構成されると共に、これらの構成部品を収納するハウジング２を備える。

ａ）ノズル部は、ハウジング２の先端部に形成された噴孔３よりディーゼル機関の筒内に燃料を噴射する役割を有し、燃料の噴射および噴射終了に係わるニードル４を備えている。
ハウジング２には、ニードル４を保持する筒孔５と、この筒孔５の上部に連通する背圧室６と、筒孔５の下部に連通する燃料溜め室７と、この燃料溜め室７の下方に穿設されたサック室８等が形成され、このサック室８に噴孔３が通じている。
背圧室６と燃料溜め室７は、それぞれ高圧通路９に接続され、コモンレールより供給される高圧燃料が高圧通路９を通じて導入される。但し、背圧室６の燃料圧力は、後述の背圧制御部を介して制御される。なお、ハウジング２には、前記高圧通路９と、燃料タンク（図示せず）に接続されるドレン通路１０等の燃料通路が形成されている。

ニードル４は、大径部４ａの下側に小径部４ｂを有する段付き状に設けられ、大径部４ａがハウジング２の筒孔５に摺動可能に挿入されている。また、小径部４ｂの先端には、サック室８の入口を開閉可能な円錐状の弁部４ｃが設けられている。このニードル４には、弁部４ｃがサック室８の入口を閉じた状態（閉弁状態）で、背圧室６の燃料圧力と、背圧室６に配設されたスプリング１１の反力とがニードル４の上端面に作用して、ニードル４を閉弁方向（図２の下向き）に付勢する閉弁力として働き、燃料溜め室７の燃料圧力が大径部４ａと小径部４ｂとの段差面等に作用して、ニードル４を開弁方向に付勢する開弁力として働く。

ｂ）背圧制御部は、オリフィス１２ａを有する制御用通路１２を介して背圧室６に連通する弁室１３と、この弁室１３に収容される弁体１４と、弁室１３に連通するガイド穴１５と、このガイド穴１５に摺動可能に挿入されるガイド部１６等より構成される。
弁室１３には、弁室１３の下端面に開口して高圧通路９に連通する高圧ポート１７と、弁室１３の上端面に開口してドレン通路１０に連通する低圧ポート１８と、弁室１３の側面に開口して制御用通路１２に接続される制御ポート１９とが形成されている。

弁体１４は、低圧ポート１８を閉じる初期位置と、高圧ポート１７を閉じる駆動位置との間で弁室１３の内部を移動可能に設けられ、低圧ポート１８と高圧ポート１７の何方か一方を選択的に閉じることができる。
この弁体１４には、図１に示す様に、低圧ポート１８を閉じる時に、低圧ポート１８側の弁シート２０（弁室１３の上端面）に着座する上シート部１４ａと、高圧ポート１７を閉じる時に、高圧ポート１７側の弁シート２１（高圧ポート１７の開口周縁部）に着座する下シート部１４ｂとが設けられている。また、上シート部１４ａの内周側には、凹部２２が形成されている。この凹部２２は、図１に示す様に、上シート部１４ａから所定の深さｈを有し、且つ、その深さｈが一定となる平坦な底面を有している。この凹部２２によって上シート部１４ａのシート内径が規定されている。
なお、高圧ポート１７側の弁シート２１には、下シート部１４ｂの円錐面と平行に面取りが形成されている（図１参照）。

ガイド穴１５は、高圧ポート１７と同一径で、高圧ポート１７から反弁室方向（図２の下方向）へ筒状に穿設され、ガイド穴１５の側面に接続される連通路２３を介して高圧通路９に連通している。
ガイド部１６は、ガイド穴１５の内周面に微小なクリアランスを有して挿入される円柱形状を有し、ガイド部１６より小径の連結部２４を介して、弁体１４の下シート部１４ｂ側に連結され、弁体１４と一体に可動する。
ガイド穴１５の反高圧ポート側には、スプリング室２５が形成され、このスプリング室２５に配設されるスプリング２６の反力がガイド部１６の底面に付与されて、ガイド部１６と一体に弁体１４を図２の上方（低圧ポート１８を閉じる方向）に付勢している。

ｃ）ピエゾ駆動部は、図示しない駆動回路を介して充放電されるピエゾスタック２７を備える。このピエゾスタック２７は、例えば、ＰＺＴ等の圧電セラミック層と電極層とが交互に積層されてコンデンサ構造を有する一般的なもので、ハウジング２の上部に形成されるピエゾ室２８に収容される。このピエゾスタック２７には、スプリング２９によって、収縮方向（図２の上方向）に所定の初期荷重が付与されている。

ｄ）変位伝達部は、ピエゾスタック２７の変位がピエゾピストン３０を介して伝達される大径ピストン３１と、この大径ピストン３１の変位が拡大されて伝達される小径ピストン３２と、この小径ピストン３２の変位を弁体１４に伝達するプッシュピン３３等より構成される。ピエゾピストン３０は、ピエゾスタック２７の下端に配設され、ピエゾスタック２７の変位を受けて可動する。
大径ピストン３１は、ピエゾ室２８の下方に連通する大径シリンダに摺動自在に挿入され、大径ピストン３１の上部に突設されたピストンピン３１ａが、上記スプリング２９の反力を受けてピエゾピストン３０の下端面に押圧されている。

小径ピストン３２は、大径シリンダの下方に連通する小径シリンダに摺動自在に挿入され、大径ピストン３１との間に油で満たされた油密室３４を形成している。
プッシュピン３３は、小径ピストン３２と一体（別体でも良い）に設けられ、小径シリンダの下方に連通するスピル室３５に配設されると共に、同じくスピル室３５に配設されたスプリング３６により図示下方に付勢されて、プッシュピン３３の先端が低圧ポート１８を通って弁体１４の上面に当接している。スピル室３５は、低圧ポート１８を介して弁室１３に連通すると共に、ドレン通路１０にも通じている。

次に、上記構成を有する燃料噴射弁１の作動を説明する。
ピエゾスタック２７の非通電時には、ピエゾスタック２７は放電状態となり収縮している。この場合、プッシュピン３３を介して弁体１４を押圧する力が発生しないため、弁体１４に作用する燃料圧力とスプリング２６の反力とで弁体１４が上方に付勢され、弁体１４の上シート部１４ａが低圧ポート１８側の弁シート２０に着座して低圧ポート１８を閉じている。これにより、背圧室６とドレン通路１０との間が遮断され、背圧室６の燃料圧力が高圧になるため、ニードル４に作用する開弁力より閉弁力の方が上回り、ニードル４の弁部４ｃがサック室８の入口を閉じて閉弁状態を維持することで、噴射は行われない。

この状態から、ピエゾスタック２７に電荷が注入されると、ピエゾスタック２７に変位が発生（伸張）して、大径ピストン３１が大径シリンダ内を押し下げられるため、油密室３４の燃料が加圧されて、その加圧された燃料圧力を受けて小径ピストン３２が小径シリンダ内を押し下げられる。この時、大径ピストン３１と小径ピストン３２との断面積比に応じて、大径ピストン３１の変位量が拡大されて小径ピストン３２に伝達される。これにより、小径ピストン３２の変位がプッシュピン３３を介して弁体１４に伝達されるため、弁体１４が弁室１３の内部を押し下げられる。

弁体１４の移動により、低圧ポート１８が開いて、高圧ポート１７が閉じることにより、弁室１３とスピル室３５とが連通して、背圧室６がドレン通路１０に連通するため、背圧室６の燃料がドレン通路１０へ排出される。なお、背圧室６には、高圧通路９よりオリフィス３７（図２参照）を介して高圧燃料が流入するが、その背圧室６に流入する燃料量より、背圧室６から流出する燃料量の方が多いため、背圧室６の燃料圧力が次第に低下する。これにより、ニードル４に作用する閉弁力より開弁力の方が上回ると、ニードル４がリフトしてサック室８の入口を開くことにより、燃料溜め室７からサック室８に高圧燃料が流入して、噴孔３よりディーゼル機関の筒内（燃焼室）に燃料が噴射される。

その後、ピエゾスタック２７の電荷が放出されると、ピエゾスタック２７が収縮することにより、プッシュピン３３を介して弁体１４を押圧する力が解除される。その結果、スプリング２６の反力と燃料圧力とで弁体１４が押し上げられると、高圧ポート１７が開いて、低圧ポート１８が閉じることで、背圧室６とドレン通路１０との間が遮断される。これにより、背圧室６の燃料圧力が速やかに上昇して、ニードル４に作用する開弁力より閉弁力の方が上回ると、ニードル４が押し戻され、ニードル４の弁部４ｃがサック室８の入口を閉じることにより、噴射が終了する。

ところで、背圧制御部に使用される弁体１４には、上シート部１４ａの内周側に凹部２２が形成され、この凹部２２によって上シート部１４ａのシート内径が規定されている。しかし、上シート部１４ａの内周側に凹部２２を形成すると、弁体１４が低圧ポート１８を閉じる過程において、高圧ポート１７の圧力（〜２００ＭＰａ）と、凹部２２の圧力（数ＭＰａ）との間に大きな圧力差が生じるため、弁室１３から低圧ポート１８を通ってスピル室３５へ流出する燃料の流れが凹部２２で大きく乱れる。この場合、前述した様に、弁体１４の復帰（低圧ポート１８を閉じる動作）が不安定になり、ニードル４の復帰（閉弁動作）も安定しなくなるため、噴射量がサイクル間ごとに変動して、噴射の繰り返し安定性が損なわれる。

弁体１４の復帰が不安定になる原因は、凹部２２の形成によって燃料の流れが乱れるためであり、凹部２２の深さが大きく（深く）なる程、燃料の乱れも大きくなることが想像できる。言い換えると、凹部２２の深さが小さく（浅く）なれば、燃料の乱れも小さくなり、その結果、弁体１４の復帰が安定して、噴射の繰り返し安定性も向上することが予想される。すなわち、噴射の繰り返し安定性は、凹部２２の深さに密接に関係していると考えることができる。
そこで、凹部２２の深さｈと、噴射量のサイクル間変動幅との関係をシミュレーションにより求めると、図３に示す様に、所定の深さｈ１以下では、噴射量のサイクル間変動幅が急激に小さくなり、噴射精度が向上することが分かった。

これは、凹部２２が所定の深さｈ１以下になると、燃料の乱れ（渦）が成長せず、その流体力の乱れ幅が、弁体１４を復帰させる力（スプリング２６の反力）に比べて、十分小さくなるためと考えられる。実際の評価では、所定の深さｈ１は約０．３ｍｍであった。加工上のばらつき等を考慮すると、ｈ≦０．２ｍｍに設定するのが好ましい。
また、凹部２２の深さｈが小さ過ぎると、低圧ポート１８側の弁シート２０と凹部２２との間に、燃料中に含まれる異物等を挟み込んで、低圧シートが不完全になる恐れがあるため、実際上は、０．０５ｍｍ以上とするのが好ましい。すなわち、凹部２２の深さｈは、０．０５ｍｍ≦ｈ≦０．２ｍｍの範囲に設定することで、弁体１４の復帰が安定して、噴射精度が向上すると共に、異物等の挟み込みによるシート不良も防止できる。

この実施例２は、実施例１に記載した凹部２２の外周側壁面２２ａをテーパ形状に設けた一例である。つまり、凹部２２の外周側壁面２２ａは、図１に示す様に、凹部２２の底面外周径からシート内径に向かって上り傾斜するテーパ形状に設けられている。これにより、弁室１３から凹部２２に流れ込む燃料の流れが大きく変化することはなく、急激な圧力変化を抑制できるので、キャビテーションの発生を低減できる。

燃料噴射弁に設けられる背圧制御部の要部拡大断面図である。 燃料噴射弁の全体構成を示す断面図である。 背圧制御部の弁体に形成される凹部の深さと噴射量のサイクル間変動幅との関係を示す特性図である。 燃料噴射弁に設けられる背圧制御部の断面図である（従来技術）。 背圧制御部の要部拡大断面図である（従来技術）。 背圧制御部に用いられる弁体の要部拡大断面図である（従来技術）。

符号の説明

１ 燃料噴射弁
２ ハウジング（ボディ）
３ 噴孔
４ ニードル
６ 背圧室
７ 燃料溜め室（噴孔に通じる燃料通路）
８ サック室（噴孔に通じる燃料通路）
１３ 弁室（制御弁）
１４ 弁体（制御弁）
１４ａ 上シート部（低圧シート部）
１７ 高圧ポート
１８ 低圧ポート
１９ 制御ポート
２０ 低圧ポート側の弁シート
２２ 凹部
２２ａ 凹部の外周側壁面
２７ ピエゾスタック（駆動手段、ピエゾアクチュエータ）
ｈ 凹部の深さ

Claims (4)

1. 低圧ポートと高圧ポートおよび制御ポートを有する弁室と、
   この弁室に収容され、前記低圧ポートと前記高圧ポートの何方か一方を選択的に閉じることができる弁体とを備え、
   前記弁体を駆動して、前記高圧ポートと前記低圧ポートの何方か一方を選択的に閉じることで、前記制御ポートの圧力を制御する制御弁であって、
   前記弁体は、前記低圧ポートを閉じる時に、前記低圧ポート側の弁シートに着座する低圧シート部を有すると共に、この低圧シート部の内周側に前記低圧シート部から所定の深さｈを有する凹部が形成され、この凹部は、前記深さｈが０．０５ｍｍ以上、且つ、０．３ｍｍ以下であり、さらに、前記深さｈが一定となる平坦な底面を有していることを特徴とする制御弁。
2. 請求項１に記載した制御弁において、
   前記凹部の外周側壁面は、前記凹部の底面外周径から前記低圧シート部の内周径に向かって上り傾斜するテーパ形状に設けられていることを特徴とする制御弁。
3. 請求項１または２に記載した制御弁を備えた燃料噴射弁であって、
   噴孔を有するボディと、
   このボディの内部に挿入され、前記噴孔に通じる燃料通路を開閉するニードルと、
   前記制御ポートを介して前記弁室に連通すると共に、前記制御ポートより導入される圧力が前記ニードルを閉弁方向に付勢する背圧室とを備え、
   前記制御弁により前記背圧室の圧力を増減させて前記ニードルを駆動することを特徴とする燃料噴射弁。
4. 請求項３に記載した燃料噴射弁において、
   前記制御弁の弁体を駆動する駆動手段を備え、
   この駆動手段は、ピエゾアクチュエータであることを特徴とする燃料噴射弁。

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