JP4273676B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関の燃料噴射弁における、噴射率の適正化、噴霧の微粒化および噴射圧の低減に関する。
【０００２】
【従来の技術】
米国特許第５６９４９０３号公報に、高圧燃料供給源から燃料噴射弁（インジェクタ）へ高圧燃料を供給し、燃料圧によりニードルのリフト量を変化させて噴射率の特性（パターン）を可変にする蓄圧式燃料噴射装置の燃料噴射弁が提案されている。これは、電磁ソレノイドへの通電電流と２個のバネによりパイロットバルブステムのリフト距離を制御して制御室の燃料圧を変化させ、この制御室の燃料圧によりニードルのリフト量を階段状に制御している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この燃料噴射弁では、ニードルのリフト量は、制御室の圧力変化と、該ニードルに付与されるバネ荷重と、ニードルに加わる燃料圧との均衡で決定される。制御室の圧力は、温度変化による電磁ソレノイドの吸引力の変化および燃料の粘性変化により、不安定になり易い。このため、パイロットバルブステムのリフト量のように正確な階段状の制御は困難であり、ニードルのリフト特性が変化して噴射率が不安定になる。
【０００４】
このため、従来の燃料噴射弁では、噴射率を全運転条件において適正に実現するとともに、噴霧角度や噴霧の到達距離などの噴霧状態の適正な可変制御が困難である。また、低噴射率のときに噴霧が悪化しないように噴射孔面積を絞り込んでいるため、高噴射率のときに高い噴射圧が要求され、装置が大型化し、重量の増加、ポンプ駆動トルクおよび燃料噴射弁駆動電圧の増大で機関の燃料消費が増大する問題がある。
【０００５】
この発明の目的は、機関の広範囲な運転条件に応じて安定した噴射率が得られるとともに、噴霧の微粒化、噴霧角度や噴霧の到達距離など適正な噴霧を噴射でき、ＮＯ_X 、黒煙、ＨＣの排出が低減するとともに燃費の向上と出力の増大が可能な燃料噴射弁の提供にある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明の燃料噴射弁は、高圧燃料が供給されるとともに複数の噴孔が設けられたノズルボディと、該ノズルボディ内にリフト自在に設けられ、リフト量の増減により前記複数の噴孔を選択的に開閉するニードルと、該ニードルを開弁方向に付勢する燃料圧付与手段、前記ニードルを開弁方向に付勢する電気制御式アクチュエータ、および前記ニードルを閉弁方向に付勢する複数のバネと、機関の運転条件に応じて前記電気制御式アクチュエータへの通電を制御し、前記複数の噴孔を開閉させる制御手段とからなる。
【０００７】
【発明の作用効果】
請求項１に記載の発明では、ニードルのリフト量の増減によって開閉制御できる複数の噴孔を備えたノズル部を有し、ニードルのリフト量は、ニードルの受圧面積、電気制御式アクチュエータへの通電量およびニードルに配設した複数のバネで増減される。この構成では、電気制御式アクチュエータへの通電量の増減でニードルのリフト量を直接的に制御している。このため、構造が簡単にできるとともに正確にニードルのリフト量を制御できる。この結果、噴射率制御と噴霧制御を適正に実施でき、全運転領域で所定の噴霧を形成し、エミッションが少なく、静粛で高性能な内燃機関が得られる。
【０００８】
また、ニードルは、電気制御式アクチュエータによって駆動される駆動部材とボールジョイントで連結されている。このため、ニードルと駆動部材との寸法精度を別々に設定でき、製造および組み付けが容易にできる。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、ニードルに設けた燃料圧付与手段は、閉弁時は、開弁方向の受圧面積が閉弁方向の受圧面積より小さく、開弁時は、開弁方向の受圧面積と閉弁方向の受圧面積とが同等であり、開弁後は受圧面積が変化しないことを特徴とする。これにより、ニードルのリフト量の二段制御が簡単にできる。
請求項３に記載の発明では、ニードルは、電気制御式アクチュエータによって駆動される駆動部材とボールジョイントで連結されている。このため、ニードルと駆動部材との寸法精度を別々に設定でき、製造および組み付けが容易にできる。
【００１０】
請求項４に記載の発明では、電気制御式アクチュエータは、電磁吸引力とバネ力との組み合わせ、圧電素子または磁歪素子と、これらに印加する電力、電圧、あるいは磁場を増減する制御手段とからなることを特徴とする。これにより、ニードルのリフト量の増減が正確に行える。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明にかかる燃料噴射弁１を示し、軸孔２１が貫通して設けられた弁ボディ２と、該弁ボディ２の図示下端に取り付けられたノズル３とを備えている。軸孔２１には、ロッド４が遊嵌して挿通され、軸孔２１の下端に径大の第２バネ室２２が形成されている。弁ボディ２の図示上端には、円筒形の凹所２３が設けられるとともに、電磁アクチュエータ５が取り付けられている。
【００１２】
弁ボディ２の上部には、軸孔２１に傾斜して交差する高圧燃料供給路１１、および燃料コネクタ１２の締結座２４が設けられている。燃料コネクタ１２内には、フィルタ１３が嵌め込まれた燃料通路１４が設けられており、燃料通路１４はコモンレールなど高圧燃料源Ｃに連通している。
【００１３】
ノズル３は、弁ボディ２の下端に同軸的に配されたノズルボディ３１を備えている。ノズルボディ３１は、リテーニングナット３２により弁ボディ２の下端部の外周に螺合により締結されている。ノズルボディ３１は、上端面３３が弁ボディ２の下端面に当接して配され、内径、外径ともに径大の基部３４と、該基部３４から下方に延長され、内径、外径ともに径小のノズル部３５とからなる。ノズル部３５の下部は、リテーニングナット３２から下方に突き出している。ノズルボディ３１内には、ニードル６が軸方向に摺動（リフト）自在に嵌め込まれている。
【００１４】
図２に示す如く、ノズル部３５の先端（下端）には、内側にテーパー状のシート面３６が設けられ、該シート面３６の下方には、径小円筒状のサック部３７が設けられている。シート面３６の下部には、第１噴孔３８が開けられ、サック部３７の中間には第２噴孔３９が開けられている。第１噴孔３８と第２噴孔３９とは、それぞれ所定の傾斜で上下２段に形成された噴孔群からなり、請求項１に記載の複数の噴孔を形成している。
【００１５】
ニードル６は、ノズルボディ３１の径大の基部３４に摺動自在に嵌め込まれた径大のガイド部６１、該ガイド部６１から下方に延長されノズル部３５内に遊嵌された脚長部６２を有する。ガイド部６１は、センター保持を行うとともに、燃料通路を確保するための平面６ａが形成され、脚長部６２の外周隙間に設けた燃料通路６ｂに連通している。脚長部６２の下端には、逆円錐台形のシート部６３が形成され、該シート部６３の下端にはサックピン部６４が設けられている。サックピン部６４の下半には、図２の（ロ）に示す円筒面を３つの平面で切欠いた３面カット６５が形成され、センター保持がなされるとともに燃料通路が設けられている。なお、３面カット６５は、４面カット、５面カットなど３面カット以外であってもよく、平面によるカット以外に、断面が略円弧の円弧カット、断面が略Ｕ字形のＵカットまたは断面が略Ｖ字形のＶカットであってもよい。
【００１６】
図１に示すニードル６の閉弁位置では、シート部６３はシート面３６に圧接しており、図２に示す右半のニードル６の第１リフト位置では、シート部６３はシート面３６から離れて第１噴孔３８が開口し、図２に示す左半のニードル６の第２リフト位置では、サックピン部６４がサック部３７より上方に出て３面カット６５がサック部３７内に留まることにより、第１噴孔３８および第２噴孔３９の両方が開口している。
【００１７】
ニードル６のガイド部６１からは、上方に連結ピン６６が同軸的に延設され、連結ピン６６の上端にはボール６７が設けられている。図３に示す如く、ロッド４の下端には、半球型部４ａ、逆円錐面部４ｂ、筒面部４ｃ、および円錐面部４ｄからなる凹所４１が形成され、凹所４１にはすり割り４２が設けられている。ボール６７は、凹所４１に嵌め込まれて、頂点６ｃおよび下側球面６ｄが半球型部４ａおよび逆円錐面部４ｂに略点接触および略線接触してボールジョイント６８を構成している。
【００１８】
ロッド４とニードル６とがボールジョイント６８により連結していることによって、ロッド４と軸孔２１とのセンター出し、ニードル６とノズルボディ３１のセンター出しとが、微小な誤差を許容して別々に行える。このため、それぞれの部品の加工および組み付けの精度管理が容易になるとともに、摺動部の片摩耗を補い、ロッド４およびニードル６の作動を長期間にわたって補償する。なお、すり割り４２は、ボールジョイント６８の組み付け作業を容易にする作用を有する。
【００１９】
第２バネ室２２には、ロッド４（ニードル６）を閉弁方向に付勢するバネ付勢手段７の第２スプリング７１と、第２スプリング７１の下端を係止する円環板状の座金７２とが収容されている。座金７２内は、連結ピン６６が挿通しており、ニードル６の閉弁位置では、座金７２とガイド部６１との間には、ｈ1 の大きさの隙間（ニードルリフト量）が設けられている。図２に示す右半のニードル６の第１リフト位置では、ガイド部６１は座金７２に係合し、ニードル６が第１リフト位置を越えてリフトすると第２スプリング７１が圧縮される。
【００２０】
ロッド４の上端には、軸孔２１に摺接する径大のガイド部４６が同軸的に設けられ、ガイド部４６の上は径小の首部４７、径大の頭部４８および径中の頂部４９となっている。頭部４８および頂部４９には、燃料通路を確保するための平面４ｅが設けられている。ガイド部４６には、燃料通路を確保するための平面４ｆが設けられ、燃料潤滑を確保するための潤滑溝４ｇが周設されている。
【００２１】
電磁アクチュエータ５は、弁ボディ２の上端部に設けた凹所２３の外周に螺合された袋ナット５１により締結されている。図４に示す如く、凹所２３内にはニードル６の最大リフト量を規制する係止板８が設置され、係止板８と凹所２３の底との間には係止板８の位置を調整するシム８１が介装されている。係止板８には、略ダルマ型の穴８２が開けられ、ロッド４の頭部４８を挿通して首部４７への取り付けが可能になっている。
【００２２】
凹所２３内には、係止板８の上面を押させるように磁性体リング５２が嵌め込まれており、磁性体リング５２と凹所２３との嵌合面にはＯリング５３が介装されている。係止板８の下面とガイド部４６の上面との間の隙間（ニードルリフト量）の大きさは、ｈ1 ＋ｈ2 に設定され、ｈ1 ＋ｈ2 はニードル６の最大リフト量となっている。
【００２３】
磁性体リング５２の内側には中心穴５４を有するアーマチャ５５が上下動可能に嵌め込まれている。袋ナット５１の天井と磁性体リング５２との間には下面の中心に円筒状の第1 バネ室５６が設けられたコア５７が嵌め込まれている。コア５７の外周には電磁コイル５８が設置されるとともに、電磁コイル５８の内周にはシール筒５９が設けられている。
【００２４】
アーマチャ５５内にはロッド４の頂部４９が差し込まれ、アーマチャ５５の下面は頭部４８に係合している。第１バネ室５６には、ロッド４を介してニードル６を閉弁方向（図示下方）に付勢するバネ付勢手段７の第１スプリング７４が収容されている。第１スプリング７４は、頂部４９を下方に付勢し、これにより、ニードル６の閉弁位置では、シート部６３はシート面３６に圧接している。
【００２５】
つぎに作用を説明する。図５の（イ）は電磁コイル５８に印加される駆動電流を示し、図５の（ロ）は、電磁コイル５８に発生する吸引力を示す。図５の（ハ）は、ニードル５のリフト量を示し、図５の（ニ）はニードル５が受ける閉弁方向のバネ荷重を示す。
【００２６】
高圧燃料源Ｃから所定の高圧燃料が、燃料コネクタ１２を経て軸孔２１に供給され、ノズルボディ３１内に至る。第1 バネ室５６にも、燃料圧が供給されている。制御手段ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）から機関の運転条件に応じて、電磁コイル５８に駆動電流が供給される。
【００２７】
電磁コイル５８は、アーマチャ５５を第１スプリング７４のバネ荷重ＦS1に抗して上方（開弁方向）に付勢する吸引力ＦC1を生じる。吸引力ＦC1が所定値より大きく、かつバネ荷重ＦS1と、シート部６３の受圧面に作用する燃料圧の合計より小さいときニードル６はリフト量ｈ1 の位置で停止する。このとき、シート部６３がシート面３６を離れ、第１噴孔３８が開口して燃料が噴射される。
【００２８】
ニードル６のリフト量はつぎのような付勢力Ｆの釣り合いによって決定される。
１）ニードル６のリフト量ｈがｈ1 より小さい時（ｈ＜ｈ1 ）
［閉弁時ｈ＝０］
閉弁力Ｆc1は、シート部６３に働く燃料圧Ｆctと第１スプリング７４の初期設定荷重Ｆs1との和である。
Ｆc1＝Ｆct＋Ｆs1＝Ｐc ×Ａs ＋Ｆs1 （１）
Ｐc は燃料圧、Ａs はシート部６３の受圧面積
Ｆ＝−Ｆc1＝−Ｐc ×Ａs −Ｆs1
【００２９】
［開弁条件］
電磁コイル５８に通電され発生する吸引力Ｆｍがニードル６に作用して
Ｆ＝Ｆｍ−Ｐc ×Ａs −Ｆs1 （２）
式（２）のＦが正になると開弁する。
【００３０】
［開弁時０＜ｈ＜ｈ1 ］
第１スプリング７４のバネ荷重が加わり、バネ力Ｆs はバネ定数をｋ1 とすると
Ｆs ＝Ｆs1＋ｋ1 ×ｈとなる。燃料圧はニードル６の上下に等しく負荷されるために均衡している。閉弁力は、
Ｆc1＝Ｆs ＝Ｆs1＋ｋ1 ×ｈ
開弁力は吸引力Ｆｍである。
ニードル６に加わる力Ｆは、
Ｆ＝Ｆｍ−Ｆc1＝Ｆｍ−Ｆs1−ｋ1 ×ｈ （３）
式（３）のＦが正になるとニードル６は更に上昇する。
【００３１】
２）ニードル６のリフト量がｈ＝ｈ1 となるとき。
閉弁力は第１スプリング７４のＦs1＋ｋ1 ×ｈ1 と、第２スプリング７１の初期設定荷重Ｆs2の合力で、吸引力Ｆｍが、
Ｆs1＋ｋ1 ×ｈ1 ＜Ｆｍ＜Ｆs1＋ｋ1 ×ｈ1 ＋Ｆs2 （４）
であるとき、ニードル６は、第１リフト量ｈ1 で停止する。
【００３２】
３）ニードル６のリフト量ｈが第１リフト量ｈ1 以上のとき。
バネ力Ｆs は、第２スプリング７１の初期設定荷重Ｆs2の収縮分が加わり、第２スプリング７１のバネ定数をｋ2 とすると
Ｆs ＝ｋ1 ×ｈ＋Ｆs1＋ｋ2 （ｈ−ｈ1 ）＋Ｆs2 となる。
閉弁力Ｆcl＝Ｆs ＝ｋ1 ×ｈ＋Ｆs1＋ｋ2 （ｈ−ｈ1 ）＋Ｆs2
Ｆ＝Ｆｍ−Ｆcl＝Ｆｍ−｛ｋ1 ×ｈ＋Ｆs1＋ｋ2 （ｈ−ｈ1 ）＋Ｆs2｝（５）
である。式（５）で、Ｆ≧０であればニードル６は最大リフト量ｈ1 ＋ｈ2 を維持する。
【００３３】
電磁コイル５８に通電されると、アーマチャ５５が上方に吸引されて、ロッド４を引っ張り、ニードル６が上方に変位して開弁する。これは、式（２）のニードル６に加わる力Ｆ≧０が成立したときであり、第１リフト量ｈ1 まで上昇する。
【００３４】
この第１リフト量ｈ1 から第２スプリング７１の初期設定荷重Ｆs2が負荷されるために、ニードル６は第１リフト量ｈ1 で停止する。図５のニードルリフト線図の（Ａ）または（Ｃ）の（ａ）の状態である。式（４）が成立している間は、ニードル６は第１リフト量ｈ1 で停止している。
【００３５】
さらに、電磁コイル５８に高い電流が流れると吸引力が増大し式（５）のＦ≧０が成立してニードル６はリフトを開始し、第２リフト量ｈ2 だけ上昇し係止板８で係止されて最大リフト量ｈ1 ＋ｈ2 で停止する。これは図５の（Ｂ）あるいは（Ｃ）の（ｂ）の状態である。
【００３６】
駆動パルス時間が経過すると電磁コイル５８への通電が停止し、ニードル６は閉弁方向に移動を開始する。第２リフト量ｈ2 だけ降下したところで、第２スプリング７１のバネ荷重の負荷がなくなり、第１スプリング７４の初期設定荷重Ｆs1のみとなる。このため、ニードル６に加わる閉弁力は減少してシート部６３はシート面３６に速度を落として着座する。このため、衝撃と騒音とが低減される。
【００３７】
このように、電磁コイル５８の電流量で制御される吸引力と、ニードル６のシートの受圧面積による燃料圧、および第１スプリング７４、第２スプリング７１のバネ荷重により、ニードル６を段階的に開閉制御する。
【００３８】
開弁時は、第１リフト量ｈ1 だけ、あるいは最大リフト量ｈ1 ＋ｈ2 まで、さらには、第１リフト量ｈ1 での期間を長くし、第２リフト量ｈ2 へとつなぐという段階的なリフト特性を得ることも可能である。さらに、閉弁時の第１リフト量ｈ1 の期間をなくすか短く設定して、燃焼初期の燃料噴射量を減少させて窒素酸化物、燃焼騒音を低下させることもできる。さらに、噴射終わりの燃料噴射率の終了を短時間で行うことで黒煙の発生を防止できる。
【００３９】
つぎに、図示した実施例の作用効果を説明する。ニードル６のリフト量がｈ1 のとき、図２に示す如く、シート部６３とシート面３６とは隙間が存在する。このとき第１噴孔３８だけが開口し低い噴射率で、かつ噴孔径を小さく設定することで低い圧力で微粒化された燃料噴霧が実現される。
【００４０】
機関運転条件の低中負荷域で、この第１噴孔３８だけの噴霧で燃焼させると、低噴射率ゆえに予混合燃焼が低減し、窒素酸化物と騒音とを低減できる。さらに、微粒化されていることで空気との混合が促進され黒煙の低減と熱効率の向上とが実現できる。
【００４１】
また、ニードル６のリフト量が、ｈ1 ＋ｈ2 のときには、第２噴孔３９まで開口しており、第１噴孔３８からの噴射と合わせて高噴射率が可能になり、微粒化された燃料噴射が可能になる。高負荷高速域の運転条件では、この噴霧は拡散燃焼を促進するために短い噴射期間の要求に合致し出力の向上が達成できる。
【００４２】
さらに、微粒化と短時間噴射を実現するために従来は小噴孔径と非常に高い噴射圧力を必要とするが、この発明では噴孔数を実質２倍以上にできることで小噴孔径で、かつ噴射圧を低減できるという利点があり、高噴射圧を発生させる駆動トルクが低減でき燃料消費を軽減する。
【００４３】
［効果］
この発明では、ニードル６のリフト量を安定して２段階に制御でき、リフト量の変化により噴孔数を切り換えている。このため、適正に微粒化した噴霧を維持しながら噴射率を変化させることができる。これにより、排気の浄化と出力の向上および燃料消費の低減が実現する。さらに、低噴射圧を実現できるので、噴射系の不要な圧力上昇を少なくでき、機械効率を向上させ、ノズルの信頼性を改善できる。
【００４４】
また、閉弁開始には、第１スプリング７４の荷重と、第２スプリング７１の荷重で閉弁速度を大きくでき、第１リフト量ｈ1 以下では、第１スプリング７４の小さい初期設定荷重により、着座直前のニードル６の閉弁速度を低減し、閉弁衝撃をやわらげて、信頼性を向上させる。さらに、第１リフト量だけの噴射時期で済む低中負荷時には、ノズルの噴射率が低く押さえられるために、微小噴射量を安定して制御できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料噴射弁の断面図である。
【図２】ノズル先端部の拡大断面図である。
【図３】ニードルジョイント部の拡大断面図である。
【図４】ロッド上部の拡大断面図である。
【図５】作動説明のタイムチャートである。
【符号の説明】
１ 燃料噴射弁
２ 弁ボディ
３ ノズル
４ ロッド（駆動部材）
５ 電磁アクチュエータ（電気制御式アクチュエータ）
６ ニードル
７ バネ付勢手段
３１ ノズルボディ
３８ 第１噴孔（複数の噴孔）
３９ 第２噴孔（複数の噴孔）
６８ ボールジョイント
７１ 第２スプリング（複数のバネ）
７４ 第１スプリング（複数のバネ）
Ｃ 高圧燃料源
ＥＣＵ 制御手段

Claims (4)

1. 高圧燃料が供給されるとともに複数の噴孔が設けられたノズルボディと、
   該ノズルボディ内にリフト自在に設けられ、リフト量の増減により前記複数の噴孔を選択的に開閉するニードルと、
   該ニードルを開弁方向に付勢する燃料圧付与手段、前記ニードルを開弁方向に付勢する電気制御式アクチュエータ、および前記ニードルを閉弁方向に付勢する複数のバネと、
   機関の運転条件に応じて前記電気制御式アクチュエータへの通電を制御し、前記複数の噴孔を開閉させる制御手段とからなり、
   前記ニードルの上端にボールが設けられ、
   前記電気制御式アクチュエータの駆動部材の下端には、半球型部、前記半球型部の下方に接続する逆円錐面部、前記逆円錐面部の下方に接続する筒面部、および前記筒面部の下方に接続する円錐面部からなる凹所が形成され、
   前記ボールが前記凹所に嵌め込まれて、前記ボールの頂点および下側球面が前記半球型部および前記逆円錐面部に接触して構成されるボールジョイントにより、前記ニードルが、前記電気制御式アクチュエータの駆動部材と連結されていることを特徴とする燃料噴射弁。
2. 高圧燃料が供給されるとともに複数の噴孔が設けられたノズルボディと、
   該ノズルボディ内にリフト自在に設けられ、リフト量の増減により前記複数の噴孔を選択的に開閉するニードルと、
   該ニードルを開弁方向に付勢する燃料圧付与手段、前記ニードルを開弁方向に付勢する電気制御式アクチュエータ、および前記ニードルを閉弁方向に付勢する複数のバネと、
   機関の運転条件に応じて前記電気制御式アクチュエータへの通電を制御し、前記複数の噴孔を開閉させる制御手段とからなり、
   前記ニードルに設けた前記燃料圧付与手段は、
   閉弁時は、開弁方向の受圧面積が閉弁方向の受圧面積より小さく、
   開弁時は、開弁方向の受圧面積と閉弁方向の受圧面積とが同等であり、
   前記開弁後は受圧面積が変化しないことを特徴とする燃料噴射弁。
3. 請求項２に記載の燃料噴射弁において、前記ニードルは、前記電気制御式アクチュエータの駆動部材と、ボールジョイントで連結されていることを特徴とする燃料噴射弁。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の燃料噴射弁において、前記電気制御式アクチュエータは、電磁吸引力とバネ力との組み合わせ、圧電素子または磁歪素子と、これらに印加する電力、電圧、あるいは磁場を増減する制御手段とからなることを特徴とする燃料噴射弁。

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