JP4855946B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

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。

特許文献１に示された従来の燃料噴射弁は、ニードルにより噴孔を開閉するノズルと、バルブ室内に配置されてバルブ室を低圧燃料通路または高圧燃料通路に選択的に連通させる制御弁と、制御弁を駆動するアクチュエータと、連絡通路を介してバルブ室と常時連通する制御室とを備え、制御室の燃料圧力によりニードルが閉弁向きに付勢され、制御弁にて制御室の圧力を制御してノズルの開閉弁作動を制御するようになっている。

また、ノズルの開閉弁速度を独立して設定可能にするために、以下のような構成を採用している。すなわち、バルブ室と高圧燃料通路との間が開かれた状態のときに、制御室には連絡通路のみを介して高圧燃料通路の高圧燃料が導入されるようになっている。さらに、低圧燃料通路にアウトオリフィスを備え、高圧燃料通路にインオリフィスを備えている。これによると、ノズル開弁速度はアウトオリフィスにより設定することができ、ノズル閉弁速度はインオリフィスにより設定することができ、したがって、ノズルの開閉弁速度を独立して設定することができるとともに、ノズル開閉弁速度の設定自由度が高いという特徴を有している。
特表２００１−５００２１８号公報

しかしながら、特許文献１に記載された燃料噴射弁は、図８に示すように、ノズルの開弁時に制御室にて圧力脈動が発生し、ニードルが圧力脈動と共振して振動しながらリフトすることがある。このときには、駆動パルス時間（噴射期間指令値に相当）に対してニードルのリフト量が比例せず、図９に示すように、結果として駆動パルス時間に対する燃料噴射量の特性がリニアにならないという問題が発生する。

本発明は上記点に鑑みて、駆動パルス時間に対する燃料噴射量の特性をリニアなものにすることを目的とする。

本発明は、制御弁（３）によりバルブ室（１４）が低圧燃料通路（１６）または高圧燃料通路（１３）に選択的に連通され、制御室（２６）の燃料圧力によりノズル（２）のニードル（２１）が閉弁向きに付勢され、バルブ室（１４）と制御室（２６）が連絡通路（１５）により常時連通され、制御室（２６）には連絡通路（１５）のみを介して高圧燃料通路（１３）の高圧燃料が導入される燃料噴射弁において、連絡通路（１５）に、連絡通路（１５）の径よりも小さな径のコモンオリフィス（５０）を備え、低圧燃料通路（１６）にアウトオリフィス（６０）を備え、コモンオリフィス（５０）の径がアウトオリフィス（６０）の径よりも大きく、コモンオリフィス（５０）の径をφｄ１、アウトオリフィス（６０）の径をφｄ２としたとき、φｄ１／φｄ２≧２．７であることを特徴とする。

このようにすれば、ノズル開弁時における制御室（２６）からバルブ室（１４）への圧力伝播がコモンオリフィス（５０）にて抑制され（制御室のデッドボリュームの減少を意味する）、制御室（２６）の圧力脈動の振動数が高められることによりニードル（２１）の共振が抑制され、その結果、駆動パルス時間に対してニードル（２１）のリフト量が略比例するようになり、駆動パルス時間に対する燃料噴射量の特性をリニアなものにすることができる。

また、制御室（２６）に導入される燃料の流速を高圧連絡通路（１３ａ）、高圧側シート面（３４）、コモンオリフィス（５０）の経路を流れる流量により制御してノズル閉弁速度を任意に設定し、制御室（２６）から排出される燃料の流速をアウトオリフィス（６０）により制御してノズル開弁速度を任意に設定することができる。

さらに、コモンオリフィス（５０）の径がアウトオリフィス（６０）の径よりも大きいため、コモンオリフィス（５０）とアウトオリフィス（６０）の二重絞りで決まる制御室（２６）から排出される燃料の流速、すなわちノズル開弁速度について、アウトオリフィス（６０）の寄与率を大きくすることができる。

また、コモンオリフィス（５０）の径をφｄ１、アウトオリフィス（６０）の径をφｄ２としたとき、φｄ１／φｄ２≧２．７であるため、制御室（２６）から排出される燃料の流速を、コモンオリフィス（５０）の影響を殆ど受けることなくアウトオリフィス（６０）により設定することができる。したがって、ノズル開弁速度およびノズル閉弁速度を独立して設定することができる。

また、コモンオリフィス（５０）の径をφｄ１としたとき、φｄ１≦φ０．３５ｍｍとすることができる。

このようにすれば、ノズル開弁時における制御室（２６）からバルブ室（１４）への圧力伝播がコモンオリフィス（５０）にて確実に抑制され、駆動パルス時間に対する燃料噴射量の特性を一層リニアなものにすることができる。

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。

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。

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。

図１、図２に示すように、燃料噴射弁のボデー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。

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、ボデー１に摺動自在に保持されたニードル２１と、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、ニードル２１のピストン部２１ａが挿入されたノズルシリンダ２３とを有している。

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。この噴孔２４の上流側にテーパ状の弁座２５が形成されており、ニードル２１に形成されたシート部２１ｂが弁座２５に接離することにより噴孔２４が開閉される。

ピストン部２１ａは、ノズルシリンダ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とノズルシリンダ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、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。

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。より詳細には、制御室２６は、バルブ室１４のみと連通している。この連絡通路１５には、コモンオリフィス５０が設けられている。

バルブ室１４は、高圧燃料通路１３から分岐された高圧連絡通路１３ａが接続されている。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。この低圧燃料通路１６には、アウトオリフィス６０が設けられている。

制御弁３は、低圧側シート面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、高圧側シート面３４に接離してバルブ室１４と高圧連絡通路１３ａとの間を開閉する弁体３１と、バルブ室１４と高圧連絡通路１３ａ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。

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。

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。

伝達部は以下のように構成されている。アクチュエータシリンダ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。

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。

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と高圧連絡通路１３ａ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。

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。

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。

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。

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。

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が高圧側シート面３４に当接してバルブ室１４と高圧連絡通路１３ａとの間が閉じられるとともに、弁体３１が低圧側シート面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、コモンオリフィス５０、連絡通路１５、バルブ室１４、アウトオリフィス６０、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。

これにより、制御室２６の圧力が低下してニードル２１を閉弁向きに付勢する力が小さくなるため、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。

この開弁作動時には、制御室２６からバルブ室１４への圧力伝播がコモンオリフィス５０にて抑制される（制御室２６のデッドボリュームの減少を意味する）ため、図３に示すように、制御室２６の圧力脈動の振動数が高められてニードル２１の共振が抑制され、その結果、駆動パルス時間に対してニードル２１のリフト量が略比例するようになり、図４に示すように、駆動パルス時間に対する燃料噴射量の特性がリニアなものになる。

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。

これにより、弁体３１が高圧側シート面３４から離れてバルブ室１４と高圧連絡通路１３ａとの間が開かれるとともに、弁体３１が低圧側シート面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、高圧連絡通路１３ａ、バルブ室１４、連絡通路１５、およびコモンオリフィス５０を介して制御室２６に導入される。

これにより、制御室２６の圧力が上昇してニードル２１を閉弁向きに付勢する力が大きくなるため、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。

次に、コモンオリフィス５０の径をφｄ１、アウトオリフィス６０の径をφｄ２、オリフィス径の比をＲｏｒｉ（Ｒｏｒｉ＝φｄ１／φｄ２）、制御室２６から両オリフィス５０、６０等を介して燃料タンク１００へ排出される燃料の単位時間当たり流量（以下、燃料排出速度という）をＱｏｕｔ、オリフィス径の比Ｒｏｒｉが無限大のときの燃料排出速度を基準燃料排出速度Ｑｏｕｔ・ｓｔｄ、燃料排出速度比をＲｑ（Ｒｑ＝Ｑｏｕｔ／Ｑｏｕｔ・ｓｔｄ）としたときの、オリフィス径の比Ｒｏｒｉと燃料排出速度比Ｒｑとの関係について説明する。

図５はその検討結果を示すもので、Ｒｏｒｉ≧２．７の場合、Ｒｑ≧０．９９となり、燃料排出速度比Ｒｑは殆ど変化しないことが分かった。したがって、オリフィス径の比Ｒｏｒｉを２．７以上に設定することにより、ノズル開弁速度に相関のある燃料排出速度Ｑｏｕｔを、コモンオリフィス５０の影響を殆ど受けることなくアウトオリフィス６０により設定することができる。

因みに、ノズル閉弁時に制御室２６に導入される燃料はアウトオリフィス６０を通らないため、ノズル閉弁速度は高圧連絡通路１３ａ、高圧側シート面３４、コモンオリフィス５０の経路を流れる流量により設定することができる。したがって、オリフィス径の比Ｒｏｒｉを２．７以上に設定することにより、ノズル開弁速度およびノズル閉弁速度を独立して設定することができる。

次に、コモンオリフィス５０の径φｄ１と、駆動パルス時間ＴＱと燃料噴射量Ｑのリニアリティ（以下、ＴＱ−Ｑリニアリティという）との関係について説明する。

まず、ＴＱ−Ｑリニアリティの定義を説明する。図６に示すように、駆動パルス時間に対する燃料噴射量の実測値（以下、測定噴射量という）から近似直線を求める。そして、測定噴射量と近似直線から求めた噴射量との差を噴射量誤差ΔＱとしたとき、噴射量誤差ΔＱの標準偏差をＴＱ−Ｑリニアリティと定義する。因みに、ＴＱ−Ｑリニアリティの数値が小さくなるほど、駆動パルス時間と燃料噴射量との関係がより比例的な関係にあり、駆動パルス時間と燃料噴射量との特性線がより直線的になる。

図７はコモンオリフィス５０の径φｄ１とＴＱ−Ｑリニアリティとの関係を示すもので、φｄ１≧φ０．３５ｍｍの場合、ＴＱ−Ｑリニアリティが０．５となり、コモンオリフィス５０の径φｄ１をφ０．３５ｍｍ以下にすることにより、駆動パルス時間に対する燃料噴射量の特性をリニアなものにすることができる。

本実施形態によれば、ノズル開弁時におけるニードル２１の共振が抑制され、その結果、駆動パルス時間に対してニードル２１のリフト量が略比例するようになり、駆動パルス時間に対する燃料噴射量の特性をリニアなものにすることができる。

また、制御室２６に導入される燃料の流速を高圧連絡通路１３ａ、高圧側シート面３４、コモンオリフィス５０の経路を流れる流量により制御してノズル閉弁速度を任意に設定し、制御室２６から排出される燃料の流速をアウトオリフィス６０により制御してノズル開弁速度を任意に設定することができる。

この際、コモンオリフィス５０の径をアウトオリフィス６０の径よりも大きくすることにより、コモンオリフィス５０とアウトオリフィス６０の二重絞りで決まる制御室２６から排出される燃料の流速、すなわちノズル開弁速度について、アウトオリフィス６０の寄与率を大きくすることができる。

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である。 図１のＡ部の拡大断面図である。 図１の燃料噴射弁における制御室２６の圧力およびニードル２１のリフト量を示す特性図である。 図１の燃料噴射弁における駆動パルス時間と燃料噴射量との関係を示す特性図である。 図１の燃料噴射弁におけるオリフィス径の比と燃料排出速度比との関係を示す図である。 ＴＱ−Ｑリニアリティの説明に供するための駆動パルス時間と燃料噴射量との関係を示す図である。 図１の燃料噴射弁におけるコモンオリフィス５０の径とＴＱ−Ｑリニアリティとの関係を示す図である。 従来の燃料噴射弁における制御室の圧力およびニードルのリフト量を示す特性図である。 従来の燃料噴射弁における駆動パルス時間と燃料噴射量との関係を示す特性図である。

符号の説明

２…ノズル、４…アクチュエータ、１３…高圧燃料通路、１４…バルブ室、
１５…連絡通路、１６…低圧燃料通路、２１…ニードル、２４…噴孔、
２６…制御室、３１…制御弁、３３…低圧側シート面、３４…高圧側シート面、５０…コモンオリフィス。

Claims (3)

1. バルブ室（１４）内に配置され、低圧側シート面（３３）に接離して前記バルブ室（１４）と低圧燃料通路（１６）との間を開閉するとともに、高圧側シート面（３４）に接離して前記バルブ室（１４）と高圧燃料通路（１３）との間を開閉する制御弁（３）と、
   前記制御弁（３）を駆動するアクチュエータ（４）と、
   連絡通路（１５）を介して前記バルブ室（１４）と常時連通される制御室（２６）と、
   ニードル（２１）により噴孔（２４）を開閉するとともに、前記制御室（２６）の燃料圧力により前記ニードル（２１）が閉弁向きに付勢されるノズル（２）とを備え、
   前記バルブ室（１４）と高圧燃料通路（１３）との間が開かれた状態のときに、前記制御室（２６）には前記連絡通路（１５）のみを介して前記高圧燃料通路（１３）の高圧燃料が導入される燃料噴射弁において、
   前記連絡通路（１５）に、前記連絡通路（１５）の径よりも小さな径のコモンオリフィス（５０）を備え、
   前記低圧燃料通路（１６）にアウトオリフィス（６０）を備え、
   前記コモンオリフィス（５０）の径が前記アウトオリフィス（６０）の径よりも大きく、
   前記コモンオリフィス（５０）の径をφｄ１、前記アウトオリフィス（６０）の径をφｄ２としたとき、φｄ１／φｄ２≧２．７であることを特徴とする燃料噴射弁。
2. 前記コモンオリフィス（５０）の径をφｄ１としたとき、φｄ１≦φ０．３５ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
3. 前記バルブ室（１４）と高圧燃料通路（１３）との間が閉じられるとともに、前記バルブ室（１４）と前記低圧燃料通路（１６）との間が開かれた状態のときに、前記制御室（２６）の燃料が前記連絡通路（１５）および前記バルブ室（１４）を介して低圧燃料通路（１６）に排出されることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料噴射弁。

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