JP4357772B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼル機関のコモンレールシステムに用いられる燃料噴射弁に関し、詳しくはニードルのリフト量を検出する手段を備えた燃料噴射弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼル機関のコモンレール式燃料噴射システムでは、各気筒に共通のコモンレールに高圧燃料を蓄圧し、機関の運転状態に応じた所定のタイミングで燃料噴射弁のノズルニードルをリフトして、燃料を噴射している。燃料噴射弁は、ノズルニードルに背圧を与える制御室を有し、この制御室の圧力を、電子制御弁で増減することによってノズルニードルのリフトを制御する構成となっている。電子制御弁を開閉駆動する制御部は、エンジン回転数やアクセル開度等に基づいて、最適な燃料噴射量を算出し、所定の燃料噴射時期に所定の時間だけ燃料噴射弁が開弁するように、電子制御弁に指令信号を出力する。
【０００３】
近年、この燃料噴射制御の精度をより高めるために、ノズルニードルのリフト量を直接検出することが検討されている。従来技術としては、例えば、ノズルニードルまたはノズルニードルと連動する部材の周りに、誘導コイルを配設し、誘導コイルのインダクタンス変化からリフト量を計測するものがあるが、燃料噴射弁の高圧部に誘導コイルが配設されるために、導線を引き出す際の燃料シールが問題となる。
【０００４】
一方、高圧燃料から隔離するためにノズルニードルを取り囲むようにディスタンスピースを設け、高圧燃料と接触しないディスタンスピースの内部に、リフト量を検出するコイルを配置するとともに、ディスタンスピースの内周に永久磁石を配置して、ディスタンスピース、ノズルボディ、ノズルニードル、プレッシャピン、永久磁石等で構成される磁気回路の抵抗値から、リフト量を検出するようにしたものがある。このようにすると、ノズルニードル全体が高圧燃料中に位置する構成であっても、高圧燃料部には永久磁石のみが配置され、コイルは高圧燃料と接触しないようにできるので、燃料シールの必要はない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この方式では、ノズルニードルがリフトした時に、磁気回路を構成する部材間のギャップが変化し、永久磁石からの磁束が通る磁気回路抵抗が変化するのを利用している。しかしながら、磁気回路抵抗の変化を測定する方式は、検出の応答性が必ずしも十分ではないという問題があった。一方、検出の応答性は、磁気回路を構成する部材の磁気応答性に大きく依存することが知られており、このため、より磁気応答性に優れる材料を用いることが検討されている。
【０００６】
ところが、上記従来の構成では、強度が要求されるディスタンスピース、ノズルボディ、ノズルニードル、プレッシャピンといった構造部材や摺動部材で磁気回路を構成している。このため、磁気応答性を重視して材料を選択すると、強度が低下する問題があり、強度を維持しつつ、磁気応答性を高めることは、現状では困難であった。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、背圧制御方式の燃料噴射弁のように、ノズルニードル全体が高圧燃料中に位置する構成において、ノズルニードルのリフト量を高応答に検出可能であり、かつ十分な強度を維持できる燃料噴射弁を得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１の燃料噴射弁は、噴孔を開閉するノズルニードルに油圧を作用させる制御室と、上記制御室の油圧を増減する制御弁を備え、上記制御弁をアクチュエータで駆動して上記制御室の圧力を制御することにより上記ノズルニードルをリフトさせるもので、上記ノズルニードルのリフト量を検出するリフト量検出部として、非磁性体または弱磁性体材料よりなり上記ノズルニードルと一体に変位する可動部材を設け、該可動部材に高透磁性材料よりなる磁気プレートを固定するとともに、この磁気プレートの近傍に、磁石および検出コイルを間隔をおいて配設する。そして、上記磁気プレートと上記磁石を含み上記検出コイル内を通る磁気回路を構成して、上記磁気プレートの変位に伴う上記磁気回路抵抗変化から、上記ノズルニードルのリフト量を検出する。
上記検出コイル内には高透磁性材料よりなる磁気バーを挿通固定し、上記磁石と上記磁気バーを、上記ノズルニードルのリフト方向と直交する方向に、上記磁気プレートを挟んで対向配置する。
【０００９】
上記構成において、上記可動部材とともに上記磁気プレートが上記ノズルニードルと一体に変位すると、上記磁気プレートを含む磁気回路全体の抵抗が変化するため、上記磁石により誘起される磁束も変化し、この磁束変化を上記検出コイルで検出することができる。本発明では、磁気回路を構成し、上記ノズルニードルとともに変位する上記磁気プレートを高透磁性材料としたので、上記磁束は高応答に変化可能で、上記検出コイルの出力から上記ノズルニードルのリフト量を高応答に検出することができる。また、この構成では、上記ノズルニードルやノズルボディ、上記可動部材といった摺動部材、構造部材を除いて上記磁気回路を構成できるので、その材料が制限されない。よって、上記磁気回路の構成部材には磁気応答性の大きな材料を、構造部材には強度の大きな材料を用いることができ、高応答性と高強度とを両立させることができる。
【００１０】
さらに、上記検出コイル内に高透磁性材料よりなる磁気バーを挿通固定すると、上記検出コイル内を通る磁束が増す。この時、上記磁石と上記磁気バーを、上記ノズルニードルのリフト方向と直交する方向に、上記磁気プレートを挟んで対向配置することで、上記磁石から上記磁気プレートを経由して上記磁気バーへ至る磁気回路が形成され、上記磁気プレートの変位による抵抗変化を高応答に検出できる。
【００１１】
請求項２のように、さらに、上記磁石および上記磁気バーの外側を取り囲むように高透磁性材料よりなる磁気リングを配設すると、上記磁石から上記磁気プレートを経由して上記磁気バーを通過し、上記磁気リングを経て上記磁石へ至る磁気回路が形成され、高透磁性材料を用いることで、応答性を向上できる。
【００１２】
請求項３のように、具体的には、上記可動部材を上記ノズルニードルの上端に当接して一体に変位するピン部材とし、該ピン部材の外周に上記磁気プレートを固定する構成とすることができる。この時、上記ピン部材および上記磁気プレートの周囲に非磁性体または弱磁性体材料よりなるボディ部材を配置して、該ボディ部材に上記磁石、上記検出コイル、上記磁気バーおよび上記磁気リングを埋設固定すれば、上記検出コイルを高圧燃料と接触しない部位に保持し、かつ容易に磁気回路の形成ができる。
【００１３】
請求項４のように、上記ピン部材の上端部を、非磁性体または弱磁性体材料よりなるガイド部材にて摺動自在に支持すると、上記ピン部材および上記磁気プレートの変位が安定する。また、上記ガイド部材の一部を高透磁性材料よりなる磁気チップとし、上記磁気回路にギャップが生じる上記磁気プレートと上記磁石または上記磁気バーの間に配置することで、上記磁気回路のギャップを小さくし、より高応答にリフト量を検出できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した第１の実施の形態を図面に従って説明する。図１は、本発明の燃料噴射弁の概略構成図で、例えば、ディーゼルエンジンのコモンレール噴射システムに好適に使用される。燃料噴射弁は、電歪アクチュエータ５１を収容する第１ボディＢ１の下端面に接して制御弁３を構成する第２ボディＢ２を配設し、その下方に第３、第４ボディＢ３、Ｂ４を介してノズルニードル１を摺動自在に収容する第５ボディＢ５を配設してなる。第４ボディＢ４には、本発明の特徴であるリフト量検出部６が設けられ、第５ボディＢ５の先端には、噴孔１１が形成される。
【００１５】
第１ボディＢ１の側壁には、図略のコモンレールに連通する高圧燃料入口１０１が開口し、第１〜第５ボディＢ１〜Ｂ５内を上下方向に延びる高圧燃料通路１０２を経て、ノズルニードル１の中間部周りに設けた燃料溜まり１２に高圧燃料が供給される。第１、第２ボディＢ１、Ｂ２内に形成される低圧燃料通路１０４は、第１ボディＢ１側壁の低圧燃料出口１０３を経て図略の燃料タンクに連通している。なお、第１〜第５ボディＢ１〜Ｂ５は、外周にリテーナ１３を外挿して締結することにより互いに油密に固定される。また、本実施の形態では、第４ボディＢ４を、セラミックスや銅・アルミニウム系材料のような非磁性体あるいは弱磁性体材料で構成し、それ以外の構造部材（第１〜第５ボディＢ１〜Ｂ５およびリテーナ１３）は、鉄系材料等の強磁性体材料で構成している。
【００１６】
第１ボディＢ１に設けた中空部内には、上半部に印加電圧に応じて伸縮する電歪アクチュエータ５１が、下半部に電歪アクチュエータ５１の下端面に接して大径ピストン５２が摺動自在に配設されている。大径ピストン５２は、その下方の変位拡大室５３内に配したスプリング４２によって上方に付勢されており、これにより、電歪アクチュエータ５１と一体に変位するようになしてある。変位拡大室５３は、第１ボディＢ１と第２ボディＢ２の衝合部に形成されて、電歪アクチュエータ５１の変位を油圧変換し、第２ボディＢ２内を摺動するピストンとしての小径ピストン５４に伝達するもので、この際、大小ピストン５２、５４の受圧面積比に応じて変位が拡大される。
【００１７】
大径ピストン５２には、中間部外周に、リーク燃料を低圧部へ逃がすための低圧環状溝１０６が設けられ、低圧排出通路１０７を介して低圧燃料通路１０４に連通している。大径ピストン５２の上端部外周には、シール用のＯリング４１が配設されて、電歪アクチュエータ５１との間をシールしている。
【００１８】
変位拡大室５３は、チェック弁７１および中間圧通路７２を介して、第３ボディＢ３下端部に設けられる中間圧室７に連通している。中間圧室７は、中間圧入口ピン７３周囲のクリアランスによって高圧燃料通路１１５、１０２に、中間圧出口ピン７４周囲のクリアランスによって低圧燃料通路１０４に連通しており、中間圧入口ピン７３、中間圧出口ピン７４周囲のクリアランスを適切に設定することによって、所定の中間圧に制御される。この中間圧は、変位拡大室５３の設定圧に等しく、リーク等によって変位拡大室５３の油圧が低下すると、チェック弁７１が開弁して燃料を補充し、所定の中間圧に保持している。
【００１９】
小径ピストン５４は、大径の摺動部５４ａとその下方に延びる細径部５４ｂからなり、細径部５４ｂ周りには、アウト通路１０５を介して低圧燃料通路１０４に連通するアウトボリューム５５が設けられる。
【００２０】
制御弁３は、第２ボディＢ２の下端部に形成される弁室３１と、弁室３１内に配設され、小径ピストン５４によって駆動される略球状の弁体３２を有している。弁室３１の頂面中央には、弁体３２によって開閉される低圧ポート３３が開口し、低圧ポート３３は、上方のアウトボリューム５５に連通している。小径ピストン５４は細径部５４ｂの先端が低圧ポート３３を貫通して弁体３２に当接し、弁体３２が低圧ポート３３を開放すると、弁室３１内の油圧がアウトボリューム５５、アウト通路１０５を経て低圧燃料通路１０４に排出される。
【００２１】
弁室３１は、底面外周部に開口するアウトオリフィス１１４とこれに連続するアウトオリフィス通路１１３によって、第５ボディＢ５の上端部に形成される制御室２と、常時連通している。制御室２は、制御室イン通路１１７、インオリフィス１１２およびインオリフィス通路１１１を介して高圧燃料通路１０２に連通しており、高圧燃料通路１０２から流入する高圧燃料によって、ノズルニードル１に下向き（閉方向）の油圧力を付与している。また、制御室２内には、スプリング２１が配設されて、ノズルニードル１を下向き（閉方向）に付勢している。
【００２２】
ノズルニードル１の中間部周りには、高圧燃料通路１０２に連通する燃料溜まり１２が形成されており、ノズルニードル１の下半部外周と第５ボディＢ５との間隙を通って、燃料溜まり１２から噴孔１１へ燃料が供給されるようになっている。ノズルニードル１のリフトは、制御弁３を用いて、制御室２の油圧を増減することによって制御される。すなわち、電歪アクチュエータ５１を駆動して制御弁３の弁体３２を下降させると、低圧ポート３３が開放され、弁室３１および制御室２の圧力が低下する。制御室２の圧力が所定圧以下となると、ノズルニードル１がリフトを開始し、噴孔１１から燃料が噴射される。
【００２３】
次に、本発明の特徴であるリフト量検出部６の詳細を図２で説明する。図２（ｂ）は図１と異なる断面を示し、図２（ａ）は図２（ｂ）のＡ−Ａ断面図である。図中、ノズルニードル１上方の第４ボディＢ４には、制御室２に連通する中空部からなるピン室１４を設けてあり、このピン室１４内に、非磁性体または弱磁性体材料よりなるピン部材（可動部材）としてのストップピン６１を収容している。ストップピン６１は、下端がノズルニードル１の上端に当接して一体にリフトするようになしてあり、上半部は非磁性体または弱磁性体材料よりなるガイド部材としてのピンガイド１５のガイド穴１５１内に摺動自在に挿通保持されている。ストップピン６１の下半部外周にはフランジ６１１が設けられ、該フランジ６１１上に、高透磁性材料よりなるリング状の磁気プレート６２が支持されている。
【００２４】
ピンガイド１５は第４ボディＢ４の上部中央に嵌着固定され、ストップピン６１の上方には、第３ボディＢ３との間にピン上部室１７が形成される。ピン上部室１７は、ピン上部通路１１６を介してアウトオリフィス通路１１３に連通している（図１参照）。なお、ストップピン６１の上下端面、ノズルニードル１の上端面は曲面状としてあって、ピンガイド１５のガイド穴１５１とノズルニードル１の摺動穴の軸のずれを吸収できるようにしてある。
【００２５】
ピンガイド１５は二重筒状で、内筒内をガイド穴１５１とするとともに、内外筒間に形成される環状溝内にスプリング１６を収容している。スプリング１６は下端が当接する磁気プレート６２を介して、ストップピン６１を下向きに付勢しノズルニードル１に押付けている。磁気プレート６２の外周縁部は、ピンガイド１５の外筒下端部の一部を構成する磁気チップ６３ａ、６３ｂと間隔をおいて対向している。磁気チップ６３ａ、６３ｂは、図４（ａ）に示すように、ピンガイド１５の外筒下端面を周方向に４分割し、水平方向に対向する１／４円弧状の部分を高透磁性材料に変更することにより形成される。
【００２６】
第４ボディＢ４の外周部には、ピンガイド１５を挟んで対向する位置に、棒状の永久磁石６４とボビン６６に巻回された検出コイル６７が埋設される。検出コイル６７内には、高透磁性材料からなる磁気バー６５が挿通位置している。これら永久磁石６４および磁気バー６５は、ピンガイド１５の中心と磁気チップ６３ａ、６３ｂを結ぶ線の延長線上に配置され、磁気チップ６３ａと永久磁石６４が、磁気チップ６３ｂと磁気バー６５がそれぞれ所定の間隔で対向している。また、永久磁石６４および磁気バー６５の外側に、第４ボディＢ４を取り囲むように、高透磁性材料からなる磁気リング６８が配設されている。この時、図に点線で示すように、永久磁石６４、磁気チップ６３ａ、磁気プレート６２、磁気チップ６３ｂ、磁気バー６５、磁気リング６８によって、磁気回路が形成される。
【００２７】
本発明では、磁気回路を形成する各部材（磁気チップ６３ａ、磁気プレート６２、磁気チップ６３ｂ、磁気バー６５、磁気リング６８）を、高透磁性材料にて構成する。高透磁性材料としては、例えば、パーマロイ（Ｆｅ−Ｎｉ合金）等が挙げられ、磁化曲線における初透磁率が大きいほど、高い磁気応答性を示す。パーマロイに他の金属を添加したモリブデン・パーマロイ、バナジウム・パーマロイ、タングステン・パーマロイやその他の材料を用いることもできる。磁気回路構成部材の周辺部材は、必要な特性に応じて、セラミックや樹脂等の非磁性体材料、または銅・アルミニウム系の弱磁性体材料等で構成することができる。
【００２８】
以下に、本発明の燃料噴射弁の作動について説明する。電歪アクチュエータ５１に通電しない状態では、電歪アクチュエータ５１は収縮しており、大小ピストン５２、５４は変位しないので、制御弁３の弁体３２が低圧ポート３３を閉鎖して、弁室３１とアウトオリフィス１１４を介して連通する制御室２は高圧となる。この時、ノズルニードル１は、制御室２の油圧力とスプリング２１のバネ力で下降し、噴孔１１を閉鎖している。
【００２９】
ここで、電歪アクチュエータ５１に通電すると、印加電圧に応じて電歪アクチュエータ５１が伸長し、大径ピストン５２を下降させる。これに伴い、変位拡大室５３の圧力が上昇し、小径ピストン５４が下降して、制御弁３の弁体３２が低圧ポート３３が開放する。アウトオリフィス１１４の開度は、弁体３２のリフトとともに上昇し、同時に制御室２の圧力が低下する。制御室２の圧力が所定圧以下となると、ノズルニードル１がリフトを開始する。
【００３０】
その後、電歪アクチュエータ５１の印加電圧を低下させると、電歪アクチュエータ５１が収縮する。これに応じて変位拡大室５３の圧力が低下し、小径ピストン５４が上昇して制御弁３の弁体３２が低圧ポート３３を閉鎖する。これに伴い、制御室２の圧力が上昇して所定圧を越えると、ノズルニードル１が降下し、閉弁する。
【００３１】
次に、リフト量検出部６によるリフト量の検出原理を説明する。図２において、永久磁石６４、磁気チップ６３ａ、磁気プレート６２、磁気チップ６３ｂ、磁気バー６５、磁気リング６８にて磁気回路が形成されており、ノズルニードル１のリフトに伴い、これと一体のストップピン６１および磁気プレート６２が上下動すると、磁気チップ６３ａ、６３ｂと磁気プレート６２の相対距離が変化する。すると、磁気プレート６２を含む上記磁気回路全体の抵抗が変化するため、永久磁石６４により誘起される磁束も変化し、磁気回路を構成する磁気バー６５中の磁束変化を検出コイル６７で検出することができる。
【００３２】
本発明では、上記磁気回路を磁気応答性の良好な高透磁性材料で構成したので、その磁束は高応答に変化可能で、検出コイル６７の出力から直接ノズルニードル１のリフト速度、ならびにその積分値からリフト量を高応答に検出することができる。また、強度が必要なノズルニードル１やストップピン６１、これらが摺動または当接する第３、第５ボディＢ３、Ｂ５、ピンガイド１５等は、上記磁気回路を構成しないので、従来の鉄系材料や比較的高強度の非磁性体または弱磁性体材料（セラミック等）を用いることができる。よって、強度を確保しながら、磁気応答性を高めて、ノズルニードル１のリフト量を高応答に検出できる。
【００３３】
上記実施の形態では、アクチュエータとして電歪アクチュエータ５１を用いたが、その他、電磁アクチュエータ等を用いることももちろんできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の燃料噴射弁の全体縦断面図である。
【図２】（ａ）は第１の実施の形態の燃料噴射弁の横断面図で（ｂ）のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は図１の要部拡大断面図である。
【符号の説明】
Ｂ１〜Ｂ５ 第１ないし第５ボディ（ボディ部材）
１ ノズルニードル
１１ 噴孔
１０１ 高圧燃料入口
１０２ 高圧燃料通路
１０３ 低圧燃料出口
１０４ 低圧燃料通路（低圧通路）
１１１ インオリフィス通路
１１２ インオリフィス
１１３ アウトオリフィス通路
１１４ アウトオリフィス
１２ 燃料溜まり
１３ リテーナ
１４ ピン室
１５ ピンガイド（ガイド部材）
１６ スプリング
２ 制御室
２１ スプリング
３ 制御弁
３１ 弁室
３２ 弁体
３３ 低圧ポート
５１ 電歪アクチュエータ（アクチュエータ）
５２ 大径ピストン
５３ 変位拡大室
５４ 小径ピストン
６ リフト量検出部
６１ ストップピン（可動部材、ピン部材）
６２ 磁気プレート
６３ａ、６３ｂ 磁気チップ
６４ 永久磁石（磁石）
６５ 磁気バー
６６ ボビン部材
６７ 検出コイル
６８ 磁気リング

Claims (4)

1. 噴孔を開閉するノズルニードルに油圧を作用させる制御室と、上記制御室の油圧を増減する制御弁を備え、上記制御弁をアクチュエータで駆動して上記制御室の圧力を制御することにより上記ノズルニードルをリフトさせる燃料噴射弁において、非磁性体または弱磁性体材料よりなり上記ノズルニードルと一体に変位する可動部材を設け、該可動部材に高透磁性材料よりなる磁気プレートを固定するとともに、この磁気プレートの近傍に、磁石および検出コイルを間隔をおいて配設し、上記磁気プレートと上記磁石を含み上記検出コイル内を通る磁気回路を構成して、上記磁気プレートの変位に伴う上記磁気回路抵抗変化から、上記ノズルニードルのリフト量を検出するリフト量検出部となし、
   上記検出コイル内に高透磁性材料よりなる磁気バーを挿通固定し、上記磁石と上記磁気バーを、上記ノズルニードルのリフト方向と直交する方向に、上記磁気プレートを挟んで対向配置したことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 上記磁石および上記磁気バーの外側を取り囲むように高透磁性材料よりなる磁気リングを配設した請求項１記載の燃料噴射弁。
3. 上記可動部材が上記ノズルニードルの上端に当接して一体に変位するピン部材であり、該ピン部材の外周に上記磁気プレートを固定するとともに、上記ピン部材および上記磁気プレートの周囲に非磁性体または弱磁性体材料よりなるボディ部材を配置し、該ボディ部材に上記磁石、上記検出コイル、上記磁気バーおよび上記磁気リングを埋設固定した請求項２記載の燃料噴射弁。
4. 上記ピン部材の上端部を、非磁性体または弱磁性体材料よりなるガイド部材にて摺動自在に支持するとともに、上記ガイド部材の一部を、上記磁気プレートと上記磁石または上記磁気バーの間に位置して上記磁気回路を構成し、高透磁性材料よりなる磁気チップとなした請求項３記載の燃料噴射弁。

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