JP4618257B2 - Fuel injection valve - Google Patents
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Description
本発明は、燃料を熱機関に噴射するための燃料噴射弁に関する。 The present invention relates to a fuel injection valve for injecting fuel into a heat engine.
特許文献1にて提案された燃料噴射弁は、噴孔を開閉するノズルニードルの摺動軸部(ピストン部)が圧区画摺動部品(筒状部材)に摺動自在に挿入されている。また、この圧区画摺動部品をノズルボデーとは別部品にすることで、摺動軸部と圧区画摺動部品の摺動部クリアランスが高圧時に拡大して摺動部クリアランスからのリーク量が増加するのを抑制するようにしている。
しかしながら、従来の燃料噴射弁は、摺動部クリアランスからのリーク量は、摺動部クリアランスを流れる流体の粘度の温度依存性により温度特性を生じ、ひいては燃料噴射量の温度特性を生じさせる。 However, in the conventional fuel injection valve, the amount of leakage from the sliding portion clearance produces a temperature characteristic due to the temperature dependence of the viscosity of the fluid flowing through the sliding portion clearance, and thus the temperature characteristic of the fuel injection amount.
本発明は上記点に鑑みて、摺動部クリアランスからのリーク量が温度に応じて変化することを抑制することを目的とする。 In view of the above points, an object of the present invention is to suppress the amount of leakage from the sliding portion clearance from changing according to temperature.
本発明は、弁座(25)に接離して噴孔(24)を開閉するシート部(21b)が一端側に形成されるとともに、円筒状のノズルスリーブ(23)に挿入される円柱状のピストン部(21a)が他端側に設けられたノズルニードル(21)と、ノズルニードル(21)およびノズルスリーブ(23)を内部に収容するノズルボデー(1)と、ノズルスリーブ(23)の内周面とピストン部(21a)とによって形成され、ノズルニードル(21)の他端側の面に燃料の圧力を付与する制御室(26)と、ノズルニードル(21)を噴孔(24)側の方向に付勢するとともに、ノズルスリーブ(23)を噴孔(24)と反対側の方向に付勢するノズルスプリング(22)とを備え、制御室(26)の燃料圧力を制御してノズルニードル(21)の開閉弁作動を制御する燃料噴射弁であって、ノズルスリーブ(23)の線膨張係数をα1、ノズルニードル(21)の線膨張係数をα2としたとき、α1<α2であることを特徴とする。 In the present invention, a seat portion (21b) that opens and closes a nozzle hole (24) by contacting and separating from a valve seat (25) is formed on one end side, and a columnar shape inserted into a cylindrical nozzle sleeve (23) A nozzle needle (21) having a piston portion (21a) provided on the other end side, a nozzle body (1) for accommodating the nozzle needle (21) and the nozzle sleeve (23), and an inner periphery of the nozzle sleeve (23) A control chamber (26) formed by the surface and the piston portion (21a) for applying fuel pressure to the surface on the other end side of the nozzle needle (21), and the nozzle needle (21) on the nozzle hole (24) side. And a nozzle spring (22) for urging the nozzle sleeve (23) in the direction opposite to the nozzle hole (24), and controlling the fuel pressure in the control chamber (26) to make the nozzle needle (21) A fuel injection valve for controlling the opening and closing valve operation, the linear expansion coefficient of the nozzle sleeve (23) [alpha] 1, when the linear expansion coefficient of the nozzle needle (21) and the [alpha] 2, characterized in that it is a [alpha] 1 <[alpha] 2 .
この場合、ノズルスリーブ(23)とピストン部(21a)の摺動部クリアランスからのリーク量の変化が抑制されるため、ノズルニードル(21)の開閉弁作動時の制御室(26)の圧力変化速度が温度に応じて変化することが抑制される。その結果、ノズルニードル(21)の開閉弁速度が温度に応じて変化して燃料噴射特性が変化することが抑制される。 In this case, since the change in the leak amount from the sliding portion clearance between the nozzle sleeve (23) and the piston portion (21a) is suppressed, the pressure change in the control chamber (26) when the on-off valve of the nozzle needle (21) is operated. It is suppressed that a speed changes according to temperature. As a result, it is possible to prevent the fuel injection characteristic from changing due to the opening / closing valve speed of the nozzle needle (21) changing according to the temperature.
なお、特許請求の範囲およびこの欄で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each means described in a claim and this column shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
本発明の一実施形態について説明する。図1は本発明の一実施形態に係る燃料噴射弁を備える燃料噴射装置の全体構成を示す断面図、図2は図1のA部の拡大断面図である。 An embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the overall configuration of a fuel injection device including a fuel injection valve according to an embodiment of the present invention, and FIG.
燃料噴射弁は、内燃機関(より詳細にはディーゼルエンジン。図示せず)のシリンダヘッドに装着され、蓄圧器(図示せず)内に蓄えられた高圧燃料を内燃機関の気筒内に噴射するものである。 The fuel injection valve is mounted on a cylinder head of an internal combustion engine (more specifically, a diesel engine, not shown) and injects high-pressure fuel stored in a pressure accumulator (not shown) into the cylinder of the internal combustion engine. It is.
図1、図2に示すように、燃料噴射弁のノズルボデー1は、蓄圧器からの高圧燃料が導入される燃料入口部11と、燃料噴射弁内部の燃料を燃料タンク100に向けて流出させる燃料出口部12とを備えている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
ノズルボデー1の軸方向一端側に、開弁時に燃料を噴射するノズル2が配置されている。このノズル2は、ノズルボデー1に摺動自在に保持されたノズルニードル21と、ノズルニードル21を閉弁向きに付勢するノズルスプリング22と、ノズルニードル21のピストン部21aが挿入された円筒状のノズルスリーブ23とを有している。なお、ノズルスリーブ23は、本発明の筒状部材に相当する。
A
ノズルボデー1の軸方向一端には、高圧燃料通路13を介して燃料入口部11と連通する噴孔24が形成され、この噴孔24から高圧燃料を内燃機関の気筒内に噴出させるようになっている。ノズルボデー1には噴孔24の上流側にテーパ状の弁座25が形成され、また、ノズルニードル21には反ピストン部側にシート部21bが形成され、このシート部21bが弁座25に接離することにより噴孔24が開閉される。
At one end in the axial direction of the
円柱状のピストン部21aは、ノズルスリーブ23に摺動自在に且つ液密的に挿入されており、ピストン部21aとノズルスリーブ23とにより、内部の燃料圧力が高圧と低圧に切り替えられる制御室26が形成されている。そして、ノズルニードル21は、制御室26内の燃料圧力により閉弁向きに付勢されるとともに、燃料入口部11から高圧燃料通路13を介して噴孔24側に導かれる高圧燃料により開弁向きに付勢される。
The
ここで、ノズルニードル21とノズルスリーブ23の摺動部クリアランス(以下、単に摺動部クリアランスという)が、低温時は大きく、高温時は小さくなるように、ノズルスリーブ23の線膨張係数α1をノズルニードル21の線膨張係数α2よりも小さくしている。換言すると、ノズルニードル21とノズルスリーブ23の線膨張係数比λ(但し、λ=α1/α2)を、λ<1にしている。
Here, the linear expansion coefficient α1 of the
具体的には、例えば、ノズルスリーブ23の材質をFe−36Ni合金(α1=2×10−6/℃)とし、ノズルニードル21の材質を高速度工具鋼(SKH材、α2=10.7×10−6/℃)とすることができる。この場合、λ≒0.19である。
Specifically, for example, the material of the
ノズルボデー1の軸方向中間部には、制御室26の圧力を制御する制御弁3が収納されるバルブ室14が形成されている。制御室26は、連絡通路15を介してこのバルブ室14と常時連通されている。
A
バルブ室14は、高圧燃料通路13を介して燃料入口部11と接続されている。また、バルブ室14は、低圧燃料通路16を介して燃料出口部12に接続されている。
The
制御弁3は、低圧シート部33に接離してバルブ室14と低圧燃料通路16との間を開閉するとともに、高圧シート部34に接離してバルブ室14と高圧燃料通路13との間を開閉する弁体31と、バルブ室14と高圧燃料通路13との間が開かれるとともにバルブ室14と低圧燃料通路16との間が閉じられる向きに弁体31を付勢するバルブスプリング32とを有している。
The
ノズルボデー1の軸方向他端側には、制御弁3を駆動するアクチュエータ4が収納されるアクチュエータ室17が形成されている。このアクチュエータ室17は、低圧連絡通路16aを介して低圧燃料通路16に接続されている。
An
アクチュエータ4は、ピエゾ素子が多数積層されて電荷の充放電により伸縮するピエゾスタック41と、ピエゾスタック41の伸縮変位を制御弁3の弁体31に伝達する伝達部とを備えている。
The
伝達部は以下のように構成されている。アクチュエータスリーブ42に第1ピストン43および第2ピストン44が摺動自在に且つ液密的に挿入されており、第1ピストン43と第2ピストン44との間には、燃料が充填された液室45が形成されている。
The transmission unit is configured as follows. A
第1ピストン43は、第1スプリング46によりピエゾスタック41側に向かって付勢されており、ピエゾスタック41により直接駆動されるようになっている。そして、ピエゾスタック41の伸長時には、第1ピストン43により液室45の圧力が高められるようになっている。
The
第2ピストン44は、第2スプリング47により制御弁3の弁体31側に付勢されており、液室45の圧力を受けて作動して弁体31を駆動するようになっている。そして、第2ピストン44は、ピエゾスタック41の伸長時には、高圧化された液室45の圧力を受けて作動して、バルブ室14と高圧燃料通路13との間が閉じられるとともにバルブ室14と低圧燃料通路16との間が開かれる位置に弁体31を駆動する。一方、ピエゾスタック41の収縮時、すなわち液室45の圧力が低いときには、第2ピストン44は、第2スプリング47に抗して制御弁3のバルブスプリング32により第1ピストン43側に押し戻される。
The
燃料タンク100と燃料出口部12とを接続するリターン経路110には、低圧燃料通路16側の圧力を制御する背圧弁120が配置されている。因みに、蓄圧器内に蓄えられた高圧燃料の圧力が100MPa以上であるのに対し、背圧弁120は低圧燃料通路16側の圧力を1MPa程度に制御する。
A
ピエゾスタック41には、ピエゾ駆動回路130を介して電力が供給されるようになっている。このピエゾ駆動回路130は、ピエゾスタック41への通電タイミングが、電子制御回路(以下、ECUという)140により制御される。
Electric power is supplied to the
ECU140は、図示しないCPU、ROM、EEPROM、RAM等からなる周知のマイクロコンピュータを備え、マイクロコンピュータに記憶したプログラムに従って演算処理を行うものである。そして、ECU140には、吸入空気量、アクセルペダルの踏み込み量、内燃機関回転数、蓄圧器内の燃料圧等を検出する各種センサ(図示せず)から信号が入力される。
The ECU 140 includes a well-known microcomputer including a CPU, ROM, EEPROM, RAM, and the like (not shown), and performs arithmetic processing according to a program stored in the microcomputer. The
次に、上記燃料噴射弁の作動を説明する。ピエゾスタック41に通電されると、ピエゾスタック41が伸長して第1ピストン43が駆動され、第1ピストン43により液室45の圧力が高められる。高圧化された液室45の圧力により第2ピストン44が制御弁3の弁体31側に向かって駆動される。
Next, the operation of the fuel injection valve will be described. When the
そして、第2ピストン44にて弁体31が駆動されることにより、弁体31が高圧シート部34に当接してバルブ室14と高圧燃料通路13との間が閉じられるとともに、弁体31が低圧シート部33から離れてバルブ室14と低圧燃料通路16との間が開かれる。したがって、制御室26の燃料は、連絡通路15、バルブ室14、および低圧燃料通路16を介して燃料タンク100へ戻される。
Then, when the
これにより、制御室26の圧力が低下してノズルニードル21を閉弁向きに付勢する力が小さくなるため、ノズルニードル21が開弁向きに移動し、シート部21bが弁座25から離れて噴孔24が開かれ、噴孔24から内燃機関の気筒内に燃料が噴射される。
As a result, the pressure in the
この開弁作動時には、制御室26の圧力が低下するため、高圧燃料通路13側から摺動部クリアランスを介して制御室26に燃料がリークする。ここで、燃料、ノズルニードル21、およびノズルスリーブ23の温度(以下、単に燃料等温度という)の上昇に伴って、燃料の粘度は低下し、本実施形態のようにλ<1にしている場合は摺動部クリアランスは小さくなる。
During this valve opening operation, the pressure in the
そして、燃料の粘度の低下は摺動部クリアランスからのリーク量(以下、単に摺動部リーク量という)を増加させる要因となるのに対し、摺動部クリアランスの減少は摺動部リーク量を減少させる要因となる。したがって、温度変化に伴う摺動部リーク量の変化を抑制することができる。このため、開弁作動時の制御室26の圧力変化速度が温度に応じて変化することが抑制される。その結果、ノズルニードル21の開弁速度が温度に応じて変化して燃料噴射特性が変化することが抑制される。
A decrease in the viscosity of the fuel increases the amount of leakage from the sliding portion clearance (hereinafter simply referred to as the sliding portion leakage amount), whereas a decrease in the sliding portion clearance reduces the sliding portion leakage amount. It becomes a factor to decrease. Therefore, it is possible to suppress a change in the sliding portion leak amount accompanying the temperature change. For this reason, it is suppressed that the pressure change speed of the
その後、ピエゾスタック41への通電が停止されると、ピエゾスタック41が縮むため第1ピストン43は第1スプリング46によりピエゾスタック41側に戻される。また、バルブスプリング32により、弁体31および第2ピストン44が第1ピストン43側に戻される。
Thereafter, when energization to the
これにより、弁体31が高圧シート部34から離れてバルブ室14と高圧燃料通路13との間が開かれるとともに、弁体31が低圧シート部33に当接してバルブ室14と低圧燃料通路16との間が閉じられる。したがって、蓄圧器からの高圧燃料が、高圧燃料通路13、バルブ室14、および連絡通路15を介して制御室26に導入される。
As a result, the
これにより、制御室26の圧力が上昇してノズルニードル21を閉弁向きに付勢する力が大きくなるため、ノズルニードル21が閉弁向きに移動し、シート部21bが弁座25に着座して噴孔24が閉じられ、燃料噴射が終了する。
As a result, the pressure in the
この閉弁作動時にも高圧燃料通路13側から摺動部クリアランスを介して制御室26に燃料がリークするが、開弁作動時と同様の理由により、閉弁作動時の制御室26の圧力変化速度が温度に応じて変化することが抑制される。その結果、ノズルニードル21の閉弁速度が温度に応じて変化して燃料噴射特性が変化することが抑制される。
Even during this valve closing operation, fuel leaks from the high-
図3は、本実施形態の燃料噴射弁において、ノズルニードル21およびノズルスリーブ23の線膨張係数比λをパラメータとする、燃料等温度と摺動部リーク量との関係の解析結果を示している。ここでは、燃料噴射弁の実用上の使用温度域である−30℃〜120℃の範囲について解析している。
FIG. 3 shows the analysis result of the relationship between the fuel temperature and the sliding portion leakage amount, using the linear expansion coefficient ratio λ of the
図3の横軸は燃料等温度であり、縦軸は燃料等温度が0℃のときの摺動部リーク量に対する各燃料等温度での摺動部リーク量の割合である。 The horizontal axis in FIG. 3 is the fuel isothermal temperature, and the vertical axis is the ratio of the sliding part leak amount at each fuel isothermal temperature to the sliding part leak amount when the fuel isothermal temperature is 0 ° C.
なお、この解析では、ノズルニードル21のピストン部21aの外径およびノズルスリーブ23の内径をφ3.5mmに設定し、燃料等温度が0℃のときの摺動部クリアランスは、燃料噴射弁において標準的な値の8μmに設定している。また、燃料は軽油である。
In this analysis, the outer diameter of the
図3に示すように、λ=1の場合は、温度上昇に伴って摺動部リーク量が2次曲線的に急激に増加する。λ=0.5の場合は、温度上昇に伴って摺動部リーク量が略直線的に緩やかに増加する。λ=0.2やλ=0.1の場合は、温度上昇に伴って摺動部リーク量が緩やかに増加した後、ある温度域からは温度上昇に伴って摺動部リーク量が緩やかに減少する。 As shown in FIG. 3, in the case of λ = 1, the sliding portion leak amount increases rapidly in a quadratic curve as the temperature rises. In the case of λ = 0.5, the sliding portion leakage amount gradually increases linearly with increasing temperature. In the case of λ = 0.2 or λ = 0.1, the sliding part leak amount gradually increases as the temperature rises, and then the sliding part leak amount gradually increases as the temperature rises from a certain temperature range. Decrease.
前述したように、λ<1の場合は、摺動部クリアランスが低温時は大きく高温時は小さくなるため、温度変化による摺動部リーク量の変化を抑制することができる。そして、λ≦0.2にした場合は、温度上昇に伴って摺動部リーク量は緩やかに増加した後に緩やかに減少する傾向になり、温度変化による摺動部リーク量の変化をさらに小さくすることができる。特に、λ≦0.1にした場合は、実用上の使用温度域での摺動部リーク量の変化は、λ=1の時の10%程度に低減される。 As described above, when λ <1, the sliding part clearance is large when the temperature is low and small when the temperature is high, so that the change in the sliding part leakage due to the temperature change can be suppressed. When λ ≦ 0.2, the amount of leakage at the sliding portion tends to gradually increase after the temperature rises, and then gradually decreases, and the change in the amount of leakage at the sliding portion due to temperature change is further reduced. be able to. In particular, when λ ≦ 0.1, the change in the sliding portion leakage amount in the practical operating temperature range is reduced to about 10% when λ = 1.
(他の実施形態)
上記実施形態では、ノズルスリーブ23の材質をFe−36Ni合金とし、ノズルニードル21の材質を高速度工具鋼としたが、それらの材質は適宜変更することができる。
(Other embodiments)
In the above embodiment, the
また、上記実施形態では、ノズルスリーブ23をノズルボデー1とは別部品にする例を示したが、ノズルスリーブ23がノズルボデー1に一体化された構成の燃料噴射弁にも、本発明は適用することができる。
In the above embodiment, an example in which the
21…ノズルニードル、23…ノズルスリーブ(筒状部材)、24…噴孔。 21 ... Nozzle needle, 23 ... Nozzle sleeve (tubular member), 24 ... Injection hole.
Claims (1)
前記ノズルニードル(21)および前記ノズルスリーブ(23)を内部に収容するノズルボデー(1)と、
前記ノズルスリーブ(23)の内周面と前記ピストン部(21a)とによって形成され、前記ノズルニードル(21)の他端側の面に燃料の圧力を付与する制御室(26)と、
前記ノズルニードル(21)を前記噴孔(24)側の方向に付勢するとともに、前記ノズルスリーブ(23)を前記噴孔(24)と反対側の方向に付勢するノズルスプリング(22)とを備え、
前記制御室(26)の燃料圧力を制御して前記ノズルニードル(21)の開閉弁作動を制御する燃料噴射弁であって、
前記ノズルスリーブ(23)の線膨張係数をα1、前記ノズルニードル(21)の線膨張係数をα2としたとき、α1<α2であることを特徴とする燃料噴射弁。 A seat portion (21b ) that opens and closes the nozzle hole (24 ) in contact with and away from the valve seat (25) is formed on one end side, and a columnar piston portion (21a) inserted into the cylindrical nozzle sleeve (23). ) Is provided on the other end side of the nozzle needle (21) ,
A nozzle body (1) for accommodating the nozzle needle (21) and the nozzle sleeve (23) therein;
A control chamber (26) formed by the inner peripheral surface of the nozzle sleeve (23) and the piston portion (21a), and for applying fuel pressure to the other end surface of the nozzle needle (21);
A nozzle spring (22) for urging the nozzle needle (21) in the direction toward the nozzle hole (24) and urging the nozzle sleeve (23) in a direction opposite to the nozzle hole (24); With
A fuel injection valve for controlling the fuel pressure in the control chamber (26) to control the on-off valve operation of the nozzle needle (21) ;
A fuel injection valve characterized in that α1 <α2 where α1 is a linear expansion coefficient of the nozzle sleeve (23) and α2 is a linear expansion coefficient of the nozzle needle (21).
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