JP4608555B2 - 燃料噴射組立体 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本願は2005年2月22日付け米国仮出願第60/655,301号に基づく優先権を主張する。

本発明は広義では内燃機関用燃焼噴射装置に係わる。具体的には、本発明は能動的に閉じるニードル弁を有する燃料噴射装置に係わる。

燃料噴射システムは複数の燃料噴射装置に燃料を連通させる燃料レールを含む。用途によっては、燃料噴射装置が制御ピストンを含まず、従って、定常的な漏れがなく、ディーゼルエンジン用として有益である。別設の制御ピストンがなければ、燃料噴射装置が所要の迅速さで閉じない。燃料噴射装置内のニードル弁は、燃料圧力が所定の圧力以下に降下すると閉じる偏倚バネを介して閉じる。従来の燃料噴射装置は閉鎖プロセスを支援するスロットル弁を含む。スロットル弁を使用すると噴射圧を低下させることになる。しかし、性能及び燃料効率を高めるには燃料噴射圧を高くすることが望ましい。

従って、噴射圧を低下させることなく所要の開閉時間を可能にする燃料噴射装置を開発し、設計することが望ましい。

発明の概要

本発明によると、燃料噴射組立体であって、入口、出口及び計量エッジを備えた計量腔を含む腔を画定するハウジングと；燃料が出口を通って流動することを可能にする開位置と、燃料が出口を通って流動するのを阻止する閉位置との間を移動可能であり、上部及び直径が上部より大きい下部を含むニードル弁と；ニードル弁の上部と下部との間の圧力差を選択的に制御することによってニードル弁の移動を制御する弁と；ニードル弁に装着され、計量腔の計量エッジと選択的にオーバーラップする計量ランドを有し、計量ランドの上面と下面との間にニードル弁を閉位置に向かって偏倚させる所要の圧力差を発生させる流路を計量エッジと計量ランドとの間に選択的に画定する計量スリーブと；計量スリーブの下方に配置され、計量スリーブを計量腔の計量エッジと整列させるためのスペーサとから成る燃料噴射組立体が提供される。

燃料噴射装置が作動すると、弁がニードル弁を挟んで圧力差を発生させ、その結果、ニードル弁が開く。計量ランドは計量腔の計量エッジと協働して計量ランドの上面と下面との間に所要の圧力差を発生させる流路を画定することによりニードル弁の開放時間を微調整するための反対方向の力を発生させる。

また、計量ランド及び計量腔はニードル弁の閉鎖時間短縮を可能にする。計量ランド及び計量腔の計量エッジによって画定される流路は計量ランドを挟んで圧力差を発生させ、この圧力差がニードル弁を閉じる方向の液圧偏倚力を発生させる。この偏倚力がニードル弁閉鎖時間の短縮を可能にする。

従って、本発明の燃料噴射装置は燃料噴射装置の腔内に画定される計量エッジと必要に応じて協働する計量ランドを有するニードル弁を含む。

本発明の上記の、及びその他の特徴を添付の図面を参照して以下に説明する。

図1において、燃料噴射組立体10は（図示しない）車両コントローラと交信するための電気的結線11を含む。燃料噴射組立体10は入口12及び出口48を画定する本体14を含む。入口12は通路18、20、22、24及び26を介して弁40及び計量腔56と連通する。

弁40はニードル弁36への燃料流量を制御するための圧電アクチュエータ42を含む。弁40は圧電アクチュエータ42の作動に応答して選択的にニードル弁36と燃料を連通させる通路41、43、45、及び47を含む。

圧電アクチュエータ42が作動されると燃料が通路41、43、45、47のうち選択された通路と連通しニードル弁36を挟んで圧力差が発生する。ニードル弁36を挟んで発生する圧力差によって制御下にニードル弁36が開閉する。ニードル弁36はバネ46によって閉位置に向かって偏倚させられる。バネ46は第1端側のバネ座44と第2端側のハウジング・インサート４９との間に保持されている。ニードル弁36は制御ピストン部38を含む。ニードル弁36は出口座部34と協働することによって複数の出口開口48の１つを閉ざす。

圧電アクチュエータ42は通路41、43、45、47の1つを選択的に開放することによってニードル弁36を挟んで圧力差を発生させる。ニードル弁36を挟んで発生する圧力差は制御ピストン38の上部における圧力を低下させる。この圧力降下の結果、バネ46との圧力均衡が崩れ、ニードル弁36を開放することになる。開閉は計量ランド50と計量エッジ52との間に画定される流路によっても制御される。

図2及び3において、ニードル弁36にさらに作用する力は、計量ランド50と出口開口48の近傍に画定される計量エッジ52との間の関係によって制御される。ニードル弁36は計量腔56内に配置されており、その計量ランド50を含む。計量ランド50は計量エッジ52と協働して環状の計量ギャップ54を画定する外周面を含む。計量ギャップ54は計量腔56と出口腔58との間で明確に圧力を低下させる燃料流路を画定する。この圧力降下の結果、計量腔56と
比較して出口腔58内での圧力が低くなる。計量腔56と出口腔56との間の圧力差がニードル弁36を下方へ偏倚させ、その結果、ニードル弁36の開放を遅らせる。計量ランド50が間隔55を保って計量エッジ52とオーバーラップし、この間隔55が計量ギャップ54と協働して所要の燃料流量及び計量腔56と出口腔58との間の圧力降下を可能にする。

図3は開状態のニードル弁36を示す。この状態では計量ランド50が計量エッジ52とオーバーラップする関係にはない。計量ランド5０と計量エッジ52との間のギャップ5７は圧力降下を惹起する程大きくはなく、燃料の自由な流動を可能にする。尚、計量ランド50と計量エッジ52との関係から生ずる圧力降下に起因する力は弁40を移動させる力に寄与するがその力を圧倒するものではない。計量ランド50及び計量エッジ52はニードル弁56を挟んで発生する圧力差によって既に作用している偏倚力に寄与することにより、燃料噴射組立体10を開閉する応答時間の微調整を可能にする。

作用については、圧電アクチュエータ42が作動してニードル弁36を挟んで圧力降下を発生させる。ニードル弁36に作用する圧力のうち、ニードル弁36よりも上方に位置する制御ピストン部38における圧力がニードル弁36よりも下方における圧力よりも低い。この圧力差が偏倚バネ46に抗して作用することにより、ニードル弁36をその座34から上方へ乖離させる。これと同時に、計量ギャップ54を通過する燃料流れが圧力降下を発生させ、この圧力降下がニードル弁36を開放する力に抗して作用し、ニードル弁36の開放を必要な時間遅らせる。計量ランド50と計量エッジ52との間のギャップ54及びオーバーラップ間隔55を特定値に設定することによって、所要の圧力降下を惹起させ、ニードル弁36の所要の開放時間を設定する。

ニードル弁36がさらに開放されると、計量ランド50と計量腔56の内壁との間のギャップ59、即ち、環状通路を流動する燃料は所要の燃料流量を減少させるほど顕著な圧力降下を発生させることはない。

アクチュエータ42の作動が止むと、制御ピストン38とニードル弁36において作用する圧力は平衡状態となる。平衡状態となった圧力は偏倚バネ46によって加えられる力よりも弱く、従って、ニードル弁36は降下して座34に当接する。ニードル弁36の降下は計量ランド50が再び計量エッジ52とのオーバーラップ関係に戻ることによって助けられる。計量ランド50が再び計量エッジ52とのオーバーラップ関係に戻るのに伴って、ギャップ54を介して圧力降下が発生する。圧力降下は局所的な比較的高い圧力を計量ランド50の上側に発生させ、次いで、計量ランド50の下側に発生させる。計量ランド50の上側と下側との間の圧力差によって生ずる液圧の不均衡が結果としてニードル弁36を座34に向かって移動させる力を増大させる。ニードル弁36の閉鎖時間は計量ランド50と計量エッジ52との間のギャップ54のサイズ及びオーバーラップ間隔55を調整することによって設定することができる。

図4に示す本発明の燃料噴射組立体80の他の実施例は第1腔84、第2腔86及び第3腔88を画定するハウジング82を含む。これらの腔84、86、88は燃料を計量腔108に連通させる。計量腔108はバネ102を内蔵する。ニードル弁90は開位置と閉位置との間を移動して選択的に燃料を制御して出口118を通過させる。ニードル弁90は座92で密封して出口118を通過する燃料を阻止する。ニードル弁90は直径83を有する上部81と直径83よりも大きい直径85を有する下部87を含む。

ニードル弁90の周りに計量スリーブ94が配置され、計量腔108内に配置された計量エッジ98と協働する計量ランド96を画定する。計量スリーブ94はニードル弁90上に装着され、計量ランド96を計量エッジ98と整列させるようにスペーサ112によって計量エッジ98に対して位置決めされる。スペーサ112はオーバーラップ116の調整を可能にする。スペーサ112の厚さを変更することによってオーバーラップ116の調整を可能にし、これによって計量エッジ98を通過する流量特性を変更することを可能にする。スリーブ94の上方には、スペーサ100とインサート104の間にバネ102を支持するための別のスペーサを配置する。バネ102は、ニードル弁90が座92によって密封されて燃料の通過を阻止する閉位置への偏倚力を提供する。

図5、6及び7に示すように、計量スリーブ94は腔108内に画定される計量エッジ98と協働する計量ランド96を画定する。計量スリーブ94は半径方向に突出して腔108の内面と摺動接触するガイド95を含む。ガイド95とガイド95との間にはスロット97が存在する。スロット97は計量ランド96と計量エッジ98との間に画定される計量ギャップ114を通過した後、燃料が通過する開口を画定する。ガイド95は計量スリーブ94を周方向に計量腔と整合させる。

図6にはニードル弁90を、燃料が計量ランド96と計量エッジ98との間に画定される計量ギャップ114を燃料が流動する閉状態で示す。計量ギャップ114は燃料通過に伴って所要の圧力降下を発生させるように所要のオーバーラップ間隔116で画定される。所要の圧力降下はニードル弁90の開閉応答時間の制御及び設定をさらに補足する。

図7にはニードル弁90を、ニードル弁90が距離117だけ上昇し、計量ランド96と計量エッジ98との間にオーバーラップ関係が存在しない開状態で示す。明確な圧力降下を伴うことなく燃料が自由にスロット97を通って流動する。圧力降下が起こらないから、ニードル弁90の上下における圧力がほぼ均衡し、ニードル弁90に対して下向き偏倚力が作用せず、所要の燃料流量が確保される。

作用については、アクチュエータ42が作動し、ニードル弁90に作用する圧力の不均衡が不均衡な力を発生させ、この不均衡な力がニードル弁90を座92から持ち上げ、計量ギャップ114を挟んだ圧力差が減速効果を補足する力を発生させ、ニードル弁90の開放応答時間を遅らせる。計量ギャップ114を挟んで発生する圧力差は開放応答時間を遅らせるだけであって、開放方向の全体的な偏倚作用を圧倒することはないが、ニードル弁90の開閉応答時間の正確な設定を可能にする。

アクチュエータ42が作動を止めると、ニードル弁90に作用する圧力が均衡状態となり、バネ102による偏倚力がニードル弁90を閉位置へ移動させ始める。計量ランド96が再び計量エッジ98とオーバーラップ関係になると、圧力差がニードル弁90の閉鎖を早める。閉鎖力を増大させるのはニードル弁90に作用する圧力の不均衡であり、この不均衡はニードル弁90の上部に作用する比較的高い圧力とニードル弁90の底部の出口腔110における比較的低い圧力との差によるものである。結果として生ずる圧力偏倚がニードル弁90の閉鎖応答時間に影響する。

図8はニードルのリフト量とランドの燃料流動圧作用面積との関係例120を示すグラフである。流動圧作用面積が増大するに従ってニードルのリフトが増大し、最終的に安定状態に達する。用途に合わせて具体的な流動圧作用面積を修正することによって所要の時点における所要のリフト量を設定することができる。

図9はニードル弁の座の燃料流動圧作用面積とニードルのリフトとの他の関係122を示すグラフである。これは円滑な推移であり、ニードル弁座の流動圧作用面積と、ニードル弁の移動量またはストロークに応じて異なるニードル弁開口を通過する燃料の流動圧作用面積との関係を示している。

図10は圧力とニードルのリフトとの関係124を示すグラフである。図示のように、ニードルまたは計量ランドが充分に開いてそれ以上の圧力降下が発生せず、最大限の燃料流量が開口を通過できるようになる時点まで初期圧力が降下する。

図11は閉じる力とニードルのリフトとの関係126を示すグラフである。計量ランドが計量エッジとオーバーラップ関係にある間に閉じる力が急激に増大する。計量ランドが計量エッジとオーバーラップ関係でなくなると、閉じる力が急激に低下し、低い力のレベルに安定化する。

従って、本発明の燃料噴射装置用のニードル弁は開閉応答時間の正確且つ好適な較正を可能にすることによってエンジンの性能及び効率を高める。

本発明の好ましい実施態様を以上に説明したが、当業者には明らかなように、本発明の範囲内で種々の変更が可能である。従って、本発明の真の範囲と内容を確認するためには後記する特許請求項を検討すべきである。

本発明の一実施例としての燃料噴射装置の断面図である。 この燃料噴射装置を閉状態で示す部分拡大断面図である。 この燃料噴射装置を開状態で示す部分拡大断面図である。 本発明の他の実施例としての燃料噴射装置の断面図である。 本発明の一実施例としての燃料噴射装置の部分拡大断面図である。 この燃料噴射装置を閉状態で示す部分拡大断面図である。 この燃料噴射装置を開状態で示す部分拡大断面図である。 燃料の流動圧作用面積とニードルのリフトとの関係の1例を示すグラフである。 ニードル座の燃料流動圧作用面積とニードルのリフトとの関係の1例を示すグラフである。 圧力とニードルのリフトとの関係の1例を示すグラフである。 閉じる力とニードルのリフトとの関係の1例を示すグラフである。

Claims (5)

1. 燃料噴射組立体（８０）であって、
   入口、出口（１１８）及び計量エッジ（９８）を備えた計量腔（１０８）を含む腔を画定するハウジング（８２）と；
   燃料が出口（１１８）を通って流動することを可能にする開位置と、燃料が出口（１１８）を通って流動するのを阻止する閉位置との間を移動可能であり、上部（８１）及び直径が上部より大きい下部（８７）を含むニードル弁（９０）と；
   ニードル弁（９０）の上部（８１）と下部（８７）との間の圧力差を選択的に制御することによってニードル弁（９０）の移動を制御する弁（４０）と；
   ニードル弁（９０）に装着され、計量腔（１０８）の計量エッジ（９８）と選択的にオーバーラップ（１１６）する計量ランド（９６）を有し、計量ランド（９６）の上面と下面との間にニードル弁（９０）を閉位置に向かって偏倚させる所要の圧力差を発生させる流路を計量エッジ（９８）と計量ランド（９６）との間に選択的に画定する計量スリーブ（９４）と；
   計量スリーブ（９４）の下方に配置され、計量スリーブを計量腔（１０８）の計量エッジ（９８）と整列させるためのスペーサ（１１２）とから成る燃料噴射組立体（８０）。
2. 計量スリーブ（９４）が計量スリーブを計量腔（１０８）と環状に整合させるためのガイド（９５）を含む請求項１に記載の燃料噴射組立体。
3. ニードル弁（９０）を閉位置に向かって偏倚させる偏倚部材（１０２）を含む請求項１または２に記載の燃料噴射組立体。
4. 計量スリーブ（９４）上に支持されて偏倚部材（１０２）の一端を支持する別のスペーサ（１００）を含む請求項１、２または３に記載の燃料噴射組立体。
5. 弁（４０）が圧電弁である請求項１、２、３または４に記載の燃料噴射組立体。

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