JP4297879B2 - インジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に高圧燃料を噴射するインジェクタに関する。

ピエゾアクチュエータを用いたインジェクタの従来技術として、例えば、特許文献１がある。この特許文献１に開示されたインジェクタは、図６に示す様に、ニードル１００の上部に連結されたニードルピン１１０を有し、このニードルピン１１０の上側には、高圧通路１２０に通じる上部室１３０が形成され、この上部室１３０に高圧燃料が導入されている。一方、ニードルピン１１０の下側には、高圧燃料に満たされた下部室１４０が形成され、この下部室１４０が連通路１５０を介して油圧室１６０に連通している。

上記の構成において、図示しないピエゾアクチュエータに通電されると、ピエゾアクチュエータに連結されたピエゾピストン１７０が押し下げられて、油圧室１６０の燃料が加圧されるため、下部室１４０の燃料圧力が上昇してニードル１００を押し上げる開弁力が大きくなり、その開弁力がニードル１００を押し下げる閉弁力を上回った時点で、ニードル１００が押し上げられて開弁する。
米国特許第６５２０４２３号明細書

ところが、上記のインジェクタは、油圧室１６０の高圧がピエゾピストン１７０を介して常時ピエゾアクチュエータに作用しているため、ピエゾアクチュエータが高圧に耐えきれず、圧縮破壊することがある。
また、上記の対応策として、ピエゾピストン１７０の断面積をピエゾアクチュエータの断面積より小さくして、ピエゾアクチュエータに作用する力を小さくする方法が考えられる。しかしながら、この方法では、油圧室１６０の作動油の圧縮性によって伝達ロスが大きくなり、ニードル１００のリフト量が低下するため、圧送量を増加させるためには、大きなピエゾアクチュエータが必要となる。

上記の結果から、ピエゾアクチュエータが破損したり、ピエゾアクチュエータの大型化に伴い、インジェクタの体格が大きくなる問題があった。
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、アクチュエータを小型化して、インジェクタの体格を小さくすることにある。

（請求項１の発明）
本発明は、燃料を噴射するための噴孔を有するボディと、このボディの内部に挿入されるニードルピストンを有し、このニードルピストンと一体にボディの内部を往復動可能に設けられた弁ユニットと、この弁ユニットを閉弁方向に付勢するスプリングと、ニードルピストンの一端側に低圧が導入される低圧室と、ニードルピストンの他端側に低圧の制御油圧が導入される制御室と、この制御室とボディの内部に形成される低圧空間とを連通する連通路と、この連通路に設けられ、制御室の制御油圧が連通路を通って低圧空間へ流出することを防止する逆止弁と、制御室の制御油圧を制御する油圧制御手段とを備えるインジェクタであって、弁ユニットは、ニードルピストンの一端側に連結されるバランスピストンと、ニードルピストンの他端側に連結されるニードルとを有し、バランスピストンの一端面に高圧が作用して閉弁方向に付勢されると共に、バランスピストンの断面積が、ニードルの断面積より小さく設けられ、油圧制御手段は、ボディの内部に往復動可能に挿入される制御ピストンと、制御室に連通すると共に、制御ピストンの変位に応じて油圧が増減する油密室と、制御ピストンを駆動するピエゾアクチュエータとを備え、逆止弁は、制御ピストンに組み込まれていることを特徴とする。

上記の構成によれば、ニードルピストンの一端側と他端側にそれぞれ低圧が作用しているため、油圧制御手段に係る初期荷重を小さくできる。また、高圧が作用するバランスピストンの断面積をニードルの断面積より小さくしているので、弁ユニットに働く閉弁力を低減できる。これにより、ニードルを開弁させる際に、制御室の制御油圧を加圧するために必要な加圧力を小さくできるので、油圧制御手段を小型化でき、延いてはインジェクタの体格を小さくできる。
また、制御ピストンを駆動する手段としてピエゾアクチュエータを用いることで、制御指令に対して応答性に優れたインジェクタを提供できると共に、バランスピストンの断面積をニードルの断面積より小さくして、弁ユニットに働く閉弁力を小さくすることで、ピエゾアクチュエータを小型化でき、延いてはインジェクタの体格を小さくできる。
さらに、制御室には、作動油である燃料が満たされているが、その制御室の燃料が、ニードルピストンとボディとの摺動隙間からリークする恐れがある。これに対し、制御室と低圧空間とを連通する連通路に逆止弁を設けることにより、制御室の燃料がリークした場合に、逆止弁を開いて低圧空間から制御室に燃料を補充することができ、且つ、その逆止弁を制御ピストンに組み込むことで、逆止弁の配置スペースを新たに設ける必要がないので、インジェクタの小型化に寄与できる。

（請求項２の発明）
請求項１に記載したインジェクタにおいて、ニードルピストンの断面積をＳａ、バランスピストンの断面積をＳｂ、ニードルの断面積をＳｎ、ニードルが閉弁した時のシート内側の断面積をＳｓ、制御室の制御油圧をＰａ、低圧室の低圧をＰｂ、弁ユニットに作用する高圧をＰｃ、スプリングの荷重をＦｂとした時に、

バランスピストンの断面積Ｓｂは、上記（数１）の範囲に設定されていることを特徴とする。バランスピストンの断面積Ｓｂを小さくし過ぎると、弁ユニットの閉弁動作において、制御室の圧力が低圧室の圧力と同じレベルまで低下しても、ニードルに作用する上向きの燃料圧力が、弁ユニットに働く閉弁力を上回り、ニードルが閉弁しなくなる恐れがある。そこで、バランスピストンの断面積Ｓｂを、上記（数１）式の範囲に設定することにより、ニードルが閉弁するために必要な閉弁力を確保できるため、小さな閉弁力でも確実に閉弁できる。

（請求項３の発明）
請求項１または２に記載したインジェクタにおいて、低圧空間からボディの外部に通じる低圧通路を有すると共に、低圧空間の圧力を大気圧より高く保つための圧力調整弁が低圧通路に設けられていることを特徴とする。
この場合、圧力調整弁によって低圧空間の圧力を大気圧より高く保つことができるので、制御室の燃料がリークした場合に、低圧空間が大気に開放されている場合と比較して、低圧空間から制御室への燃料補充を早期に行うことができる。

（請求項４の発明）
請求項１〜３に記載した何れかのインジェクタにおいて、ボディには、制御室に通じるガイド孔が形成され、このガイド孔にニードルが摺動自在に挿入されており、ガイド孔の内周面に環状溝が凹設され、この環状溝がボディの内部に形成される低圧空間に連通していることを特徴とする。

本発明のインジェクタは、ニードルの先端側に高圧燃料が供給されているため、その高圧燃料が、ガイド孔とニードルとの摺動隙間を通って制御室に流入する恐れがある。
これに対し、ガイド孔の内周面に環状溝を設けて、その環状溝をボディの内部に形成される低圧空間に連通させることにより、ガイド孔とニードルとの摺動隙間に流れ込んだ高圧燃料を環状溝から低圧空間へリークさせることができる。その結果、高圧燃料が制御室に流入することを防止できる。

（請求項５の発明）
請求項１〜４に記載した何れかのインジェクタにおいて、ニードルピストンは、低圧室側が凹形状に設けられ、この凹形状の内側空間にバランスピストンおよびスプリングが収納されていることを特徴とする。
この構成によれば、ニードルピストンとバランスピストンおよびスプリングとを軸方向に突き合わせて配置する必要がないため、インジェクタの全長を短くできる。

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はインジェクタ１の全体断面図である。
実施例１に示すインジェクタ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に用いられ、コモンレール（図示せず）より供給される高圧燃料をディーゼル機関の筒内に噴射する燃料噴射弁であり、以下に説明するノズル部と油圧制御部とを備える。
ａ）ノズル部は、ボディの内部に往復動可能に収納される弁ユニットを有する。
なお、ボディは、図１に示す上側から順に、ピエゾボディ２、第１中間ボディ３、第２中間ボディ４、ノズルボディ５の４部品に分割して設けられ、全体がリテーニングナット６によって固定されている。

弁ユニットは、ニードル７とニードルピストン８およびバランスピストン９の３部品によって構成され、この３部品が一体に可動する。
ニードル７は、燃料の噴射および噴射終了に係わる周知の部品であり、大径部７ａと小径部７ｂとを有する段付き状に設けられ、ノズルボディ５の内部に形成されたガイド孔１０に挿入されている。

ノズルボディ５には、上記ガイド孔１０がノズルボディ５の上端面から先端部まで穿設されると共に、ガイド孔１０の他に、高圧燃料が流入する燃料通路１１と、この燃料通路１１とガイド孔１０とを連通する燃料溜め室１２と、ガイド孔１０の先端部に連通する噴孔１３等が形成されている。なお、前記ニードル７は、燃料溜め室１２より上側のガイド孔１０にニードル７の大径部７ａが摺動自在に挿入され、燃料溜め室１２より下側のガイド孔１０とニードル７の小径部７ｂとの間に環状の燃料通路１４が形成されている。

ニードルピストン８は、ニードル７より外径が大きい円柱形状に設けられ、ニードル７の上部に配置されて、第２中間ボディ４に形成された断面円形のピストン室に摺動自在に収納されている。ピストン室は、ニードルピストン８の上端面より上側の空間（本発明の低圧室：以下、上部室１５と呼ぶ）が、連通路１６を介して、ピエゾボディ２に形成されるピエゾ室１７（本発明の低圧空間）に連通している。また、上部室１５には、スプリング１８が配設され、このスプリング１８の荷重がニードルピストン８の上端面に作用して、ニードルピストン８を図示下方（閉弁方向）へ付勢している。一方、ニードルピストン８の下端面より下側の空間（本発明の制御室：以下、下部室１９と呼ぶ）には、後述の油圧制御部によって制御される制御油圧が導入される。

バランスピストン９は、ニードル７の大径部７ａより外径が小さい円柱形状に設けられ、ニードルピストン８の上部に配置されて、上部室１５に連通する小径シリンダに摺動自在に挿入されている。小径シリンダは、バランスピストン９の上端面より上側の空間（以下、高圧室２０と呼ぶ）が、連通路２１を介して高圧通路２２に連通しており、その高圧通路２２より高圧燃料が導入される。高圧室２０に導入された高圧燃料の圧力は、バランスピストン９の上端面に作用して、バランスピストン９を図示下方へ付勢している。
なお、高圧通路２２は、ピエゾボディ２と第１中間ボディ３および第２中間ボディ４に連続して形成され、ノズルボディ５に形成された燃料通路１１に接続されている。

ｂ）油圧制御部は、第１中間ボディ３に形成されたピストン室に摺動自在に挿入される制御ピストン２３と、この制御ピストン２３を駆動するピエゾアクチュエータ２４等より構成される。
ピストン室には、制御ピストン２３の下側に油密室２５が形成され、この油密室２５が連通路２６を介して前記下部室１９に連通している。油密室２５と下部室１９および連通路２６は、閉ざされた空間（以下、閉空間と呼ぶ）を形成しており、その閉空間に作動油である低圧燃料が満たされている。
制御ピストン２３は、油密室２５に配設される皿ばね２７によって図示上方（油密室２５の容積を拡大する方向）へ付勢され、ピエゾアクチュエータ２４の下端部に押圧されている。

制御ピストン２３には、油密室２５とピエゾ室１７とを連通する連通路２８が形成されると共に、この連通路２８を開閉できる逆止弁２９が組み込まれている。この逆止弁２９は、油密室２５（閉空間）に燃料を補充する際に開弁する。すなわち、前記閉空間には燃料が満たされているが、例えば、油密室２５の燃料が制御ピストン２３によって加圧された時に、ニードルピストン８とピストン室との摺動隙間あるいはバランスピストン９とピストン室との摺動隙間から次第に燃料がリークする。このため、閉空間に燃料を補充する必要が生じる。そこで、燃料のリークによって油密室２５の圧力がピエゾ室１７の圧力（大気圧）より低くなった時に逆止弁２９が開弁することで、ピエゾ室１７から油密室２５に燃料が補充される。

ピエゾアクチュエータ２４は、上記ピエゾ室１７に収容されている。このピエゾアクチュエータ２４は、例えば、ＰＺＴ等の圧電セラミック層と電極層とを交互に積層したコンデンサ構造を有する一般的なもので、図示しない駆動回路を介して充放電されることにより、図１の上下方向に伸縮する。
なお、ピエゾ室１７を形成するピエゾボディ２には、例えば、燃料タンクに通じるドレン通路３０が形成され、このドレン通路３０にピエゾ室１７が連通している。

次に、上記構成を有するインジェクタ１の作動を説明する。
駆動回路を介してピエゾアクチュエータ２４に通電され、ピエゾアクチュエータ２４に変位が発生（伸張）すると、その変位が制御ピストン２３に伝達され、制御ピストン２３がピストン室の下方に押し下げられて、油密室２５の燃料が加圧される。油密室２５は、連通路２６および下部室１９と共に閉空間を形成しているため、油密室２５の燃料が加圧されることで、下部室１９の制御油圧が上昇する。その結果、弁ユニットを閉弁方向へ付勢する閉弁力より、開弁方向へ付勢する開弁力の方が上回ると、ニードル７がリフトして、噴孔１３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、ピエゾアクチュエータ２４への通電が停止されると、ピエゾアクチュエータ２４の電荷が放出されて、ピエゾアクチュエータ２４が収縮することにより、制御ピストン２３を押し下げる力が解除される。これにより、皿ばね２７の反力で制御ピストン２３が押し上げられると、油密室２５の圧力が低下するため、それに伴って下部室１９の制御油圧も低下する。その結果、弁ユニットに作用する開弁力より閉弁力の方が上回った時点で、弁ユニットが押し戻され、ニードル７が閉弁して噴射が終了する。

（実施例１の効果）
実施例１に記載したインジェクタ１は、ニードルピストン８の上側と下側にそれぞれ低圧が作用しているため、ピエゾアクチュエータ２４の初期荷重を小さくできる。また、弁ユニットは、バランスピストン９の外径がニードル７の大径部７ａの外径より小さく設定されている。つまり、バランスピストン９の断面積がニードル７の大径部７ａの断面積より小さく設けられているので、弁ユニットに働く閉弁力を低減できる。これにより、ニードル７を開弁させる際に、下部室１９の制御油圧を加圧するために必要な加圧力を小さくできるので、ピエゾアクチュエータ２４を小型化でき、延いてはインジェクタ１の体格を小さくできる。

但し、バランスピストン９の断面積を小さくし過ぎると、弁ユニットの閉弁動作において、下部室１９の圧力が上部室１５の圧力と同じレベルまで低下しても、ニードル７に作用する上向きの燃料圧力が、弁ユニットに働く閉弁力を上回り、ニードル７が閉弁しなくなる恐れがある。そこで、ニードル７が確実に閉弁できる様に、バランスピストン９の断面積を以下の様に設定する。
ニードル７が閉弁状態の時に、弁ユニットに作用する力をＦ１とすると、そのＦ１を以下の（数２）にて求めることができる。

なお、弁ユニットに作用する力と各部の断面積を以下に規定する。
Ｐａ：下部室１９の制御油圧
Ｐｂ：上部室１５の低圧
Ｐｃ：弁ユニットに作用する高圧
Ｆｂ：スプリング１８の荷重
Ｓａ：ニードルピストン８の断面積
Ｓｂ：バランスピストン９の断面積
Ｓｎ：ニードル７の大径部７ａの断面積
Ｓｓ：ニードル７が閉弁した時のシート内側の断面積

弁ユニットに作用する上向きの力を正数、下向きの力を負数として表した場合、ニードル７が閉弁状態から開弁するために必要な力は、以下の（１）式で示される。
Ｆ１＞０…………………………………（１）
一方、ニードル７が開弁状態の時に、弁ユニットに作用する力をＦ２とすると、そのＦ２を以下の（数３）にて求めることができる。

従って、ニードル７が開弁状態から閉弁するために必要な力は、以下の（２）式で示される。
Ｆ２＜０…………………………………（２）
上記（１）、（２）式より、バランスピストン９の断面積Ｓｂの設定範囲を以下の（数４）にて求めることができる。

これにより、バランスピストン９の断面積を小さくし過ぎることはなく、弁ユニットの閉弁動作において、下部室１９の圧力が上部室１５の圧力と同じレベルまで低下した時には、弁ユニットに働く閉弁力が開弁力に打ち勝つことができ、ニードル７が確実に閉弁できる。

図３は実施例２に係るインジェクタ１の全体断面図である。
この実施例２に示すインジェクタ１は、ニードルピストン８の形状が実施例１と異なる。具体的には、図３に示す様に、ニードルピストン８の上部室１５側を凹形状にして、この凹形状の内側空間にバランスピストン９およびスプリング１８を収納した一例である。 この構成によれば、ニードルピストン８とバランスピストン９およびスプリング１８とを軸方向に突き合わせて配置する必要がないため、弁ユニットを軸方向（図３の上下方向）に短く構成でき、その結果、インジェクタ１の全長を短縮できる。

なお、バランスピストン９の断面積をニードル７の大径部７ａの断面積より小さくして、弁ユニットを閉弁方向に押す力を低減することで、ピエゾアクチュエータ２４を小型化できることは実施例１と同じである。
また、実施例１および実施例２に記載したインジェクタ１では、バランスピストン９の上側に形成される高圧室２０と高圧通路２２とを繋ぐ連通路２１、またはニードルピストン８の上側に形成される上部室１５とピエゾ室１７とを繋ぐ連通路１６に絞りを配置することで、ニードル７の急峻な動きをダンピングさせる効果を得ることもできる。

図４は実施例３に係るインジェクタ１の全体断面図である。
この実施例３は、実施例１および実施例２に記載したインジェクタ１のドレン通路３０に圧力調整弁３１を設けたことを特徴とする。圧力調整弁３１は、ピエゾ室１７の圧力が大気圧より高い所定の圧力を超えると開弁する。つまり、ピエゾ室１７は、圧力調整弁３１によって大気圧より高い所定の圧力に保たれている。これにより、閉空間の燃料がリークした場合に、ピエゾ室１７が大気に開放されている場合（圧力調整弁３１が無い場合）と比較して、逆止弁２９の開弁時期が早くなるため、ピエゾ室１７から油密室２５への燃料補充を早期に行うことができる。

また、圧力調整弁３１によってピエゾ室１７の圧力が大気圧より高く保たれることにより、ピエゾアクチュエータ２４の収縮時における下部室１９の圧力を噴射前の状態である上部室１５の圧力よりも大きく低下させることが可能となる。その結果、ニードル７の閉弁条件であるＦ２＜０を満たすバランスピストン９の断面積Ｓｂをさらに小さくでき、ピエゾアクチュエータ２４を更に小型化できる。
なお、図４に示すインジェクタ１の構成は、実施例１に記載したものであるが、実施例２に記載したインジェクタ１（図３参照）にも同様に圧力調整弁３１を適用できる。

図５は実施例４に係るインジェクタ１の全体断面図である。
この実施例４に示すインジェクタ１は、図５に示す様に、ノズルボディ５に形成されたガイド孔１０の内周面に環状溝３２が凹設され、この環状溝３２がボディ内部の低圧側（例えば、ピエゾ室１７）に連通していることを特徴とする。
実施例１に記載したインジェクタ１は、ノズルボディ５の燃料溜め室１２から環状の燃料通路１４まで高圧燃料が供給されているため、その高圧燃料が、ガイド孔１０とニードル７の大径部７ａとの摺動隙間を通って下部室１９に流入する恐れがある。

これに対し、ガイド孔１０の内周面に環状溝３２を設けて、その環状溝３２をボディ内部の低圧側に連通させることにより、ガイド孔１０とニードル７との摺動隙間に流れ込んだ高圧燃料を環状溝３２から低圧側（例えば、ピエゾ室１７）へリークさせることができる。その結果、高圧燃料が下部室１９に流入することを防止できる。
なお、図５に示すインジェクタ１の構成は、実施例１に記載したものであるが、実施例４の特徴、つまり、ガイド孔１０の内周面に環状溝３２を設けて、その環状溝３２をボディ内部の低圧側に連通させることは、実施例２に記載したインジェクタ１（図３参照）にも、同様に適用できる。

インジェクタの全体断面図である（実施例１）。 弁ユニットの断面図である。 インジェクタの全体断面図である（実施例２）。 インジェクタの全体断面図である（実施例３）。 インジェクタの全体断面図である（実施例４）。 インジェクタの要部断面図である（公知技術）。

符号の説明

１ インジェクタ
２ ピエゾボディ（ボディ）
３ 第１中間ボディ（ボディ）
４ 第２中間ボディ（ボディ）
５ ノズルボディ（ボディ）
７ ニードル（弁ユニット）
８ ニードルピストン（弁ユニット）
９ バランスピストン（弁ユニット）
１０ ガイド孔
１３ 噴孔
１５ 上部室（低圧室）
１７ ピエゾ室（低圧空間）
１８ スプリング
１９ 下部室（制御室）
２３ 制御ピストン（油圧制御手段）
２４ ピエゾアクチュエータ（油圧制御手段）
２５ 油密室（油圧制御手段）
２８ 制御ピストンに形成された連通路
２９ 逆止弁
３０ ドレン通路（低圧通路）
３１ 圧力調整弁
３２ 環状溝

Claims (5)

1. 燃料を噴射するための噴孔を有するボディと、
   このボディの内部に挿入されるニードルピストンを有し、このニードルピストンと一体に前記ボディの内部を往復動可能に設けられた弁ユニットと、
   この弁ユニットを閉弁方向に付勢するスプリングと、
   前記ニードルピストンの一端側に低圧が導入される低圧室と、
   前記ニードルピストンの他端側に低圧の制御油圧が導入される制御室と、
   この制御室と前記ボディの内部に形成される低圧空間とを連通する連通路と、
   この連通路に設けられ、前記制御室の制御油圧が前記連通路を通って前記低圧空間へ流出することを防止する逆止弁と、
   前記制御室の制御油圧を制御する油圧制御手段とを備え、
   前記油圧制御手段により前記制御室の制御油圧が増大されて、前記弁ユニットを閉弁方向へ付勢する閉弁力より、開弁方向へ付勢する開弁力の方が上回ると、前記弁ユニットが開弁して前記噴孔より燃料が噴射されるインジェクタであって、
   前記弁ユニットは、前記ニードルピストンの一端側に連結されるバランスピストンと、前記ニードルピストンの他端側に連結されるニードルとを有し、前記バランスピストンの一端面に高圧が作用して閉弁方向に付勢されると共に、前記バランスピストンの断面積が、前記ニードルの断面積より小さく設けられ、
   前記油圧制御手段は、前記ボディの内部に往復動可能に挿入される制御ピストンと、前記制御室に連通すると共に、前記制御ピストンの変位に応じて油圧が増減する油密室と、前記制御ピストンを駆動するピエゾアクチュエータとを備え、
   前記逆止弁は、前記制御ピストンに組み込まれていることを特徴とするインジェクタ。
2. 請求項１に記載したインジェクタにおいて、
   前記ニードルピストンの断面積をＳａ、
   前記バランスピストンの断面積をＳｂ、
   前記ニードルの断面積をＳｎ、
   前記ニードルが閉弁した時のシート内側の断面積をＳｓ、
   前記制御室の制御油圧をＰａ、
   前記低圧室の低圧をＰｂ、
   前記弁ユニットに作用する高圧をＰｃ、
   前記スプリングの荷重をＦｂとした時に、
   

   

   前記バランスピストンの断面積Ｓｂは、上記（数１）の範囲に設定されていることを特徴とするインジェクタ。
3. 請求項１または２に記載したインジェクタにおいて、
   前記低圧空間から前記ボディの外部に通じる低圧通路を有すると共に、前記低圧空間の圧力を大気圧より高く保つための圧力調整弁が前記低圧通路に設けられていることを特徴とするインジェクタ。
4. 請求項１〜３に記載した何れかのインジェクタにおいて、
   前記ボディには、前記制御室に通じるガイド孔が形成され、このガイド孔に前記ニードルが摺動自在に挿入されており、前記ガイド孔の内周面に環状溝が凹設され、この環状溝が前記ボディの内部に形成される低圧空間に連通していることを特徴とするインジェクタ。
5. 請求項１〜４に記載した何れかのインジェクタにおいて、
   前記ニードルピストンは、前記低圧室側が凹形状に設けられ、この凹形状の内側空間に前記バランスピストンおよび前記スプリングが収納されていることを特徴とするインジェクタ。

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