JP5260222B2 - 蓄圧式燃料噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、高圧ポンプから吐出され蓄圧手段で蓄圧された高圧燃料を燃料噴射弁に供給し、該燃料噴射弁の針弁をリフトさせることによりノズルの噴孔からエンジンの燃焼室内に高圧燃料を噴射するように構成された蓄圧式燃料噴射装置の燃料噴射弁に関する。

ディーゼルエンジンなどに用いられる燃料噴射装置として、蓄圧式（コモンレール式）燃料噴射装置が知られている。蓄圧式燃料噴射装置は、高圧ポンプにより加圧された高圧燃料をコモンレール（蓄圧器）内にて所定の圧力に保持して蓄え、該コモンレール内に蓄えられた高圧燃料をエンジンの燃料噴射弁に送給し、該燃料噴射弁を電磁式アクチュエータを備えた制御弁で開閉制御することにより該燃料噴射弁からエンジンの燃焼室へ高圧燃料を噴射する構成を備えている。このような蓄圧式燃料噴射装置は、噴射圧力の高圧化を図りつつ噴射タイミング等の噴射条件を最適に制御可能で高精度の燃料噴射制御を可能としており、エンジンの高出力化、低燃費化、及びＮＯｘ排出量の抑制が図れることから、近年多く採用されてきている。

図４は、従来の蓄圧式燃料噴射装置の一例を示す断面図である。同図に示すように蓄圧式燃料噴射装置は、燃料タンク２０から汲み上げられた燃料が順次送られる高圧ポンプ２１と蓄圧器２２と、該蓄圧器２２から送給された高圧燃料が供給される燃料噴射弁１００とから構成される。前記燃料噴射弁１００は、先端部にノズル１が設けられ、ノズル先端部には燃料を噴射する噴孔４が設けられている。ノズル１の内周穴には針弁２が往復摺動可能に嵌合されている。燃料の無噴射時には、針弁２の先端部がノズル１のシート部５ａに当接して噴孔４が閉じられ、高圧燃料が燃料溜り５に貯留される。前記ノズル１は、ノズル支持リング３により噴射弁本体７に固定されている。

前記噴射弁本体７の中央の孔７ｂには、コマンドピストン８が往復摺動可能に嵌入され、コマンドピストン８と針弁２は一体に往復動作する。該コマンドピストン８の下部には針弁ばね９ａが介装され、該コマンドピストン８の背後には燃料が導入される制御室３２が形成されている。前記蓄圧器２２から供給される高圧燃料は、燃料入口管１２ａ、燃料入口通路１２を通って噴射弁本体７内に導入され、該噴射弁本体７内で分岐された２つの燃料通路のうち、燃料通路１４ａを通って燃料溜り５に燃料が供給されるとともに、他方の燃料通路１４ｂを通ってインレットオリフィス１３から制御室３２に燃料が供給される。該制御室３２内の燃料は、アウトレットオリフィス１０からリーク通路１６を通って外部へ流出するようになっている。

前記制御室３２とリーク通路１６は、制御弁ユニット１５ｓにより開閉される。該制御弁ユニット１５ｓは、ソレノイドコイル１５及び制御弁９及び該制御弁９が固定されたアーマチュア１５ａによって構成される。
このような燃料噴射弁１００において、燃料噴射時には、ソレノイドコイル１５により、アーマチュア１５ａ及び制御弁９が引き上げられ開くと、前記制御室３２内がリークライン１６に開放されて燃料通路１４ｂをオープンにする。
これにより、燃料通路１４ａを通して燃料溜り５内に送られていた高圧燃料の圧力は、上記したように燃料通路１４ｂがオープンになっているため、該高圧燃料の圧力が針弁２の下側から作用して、該針弁２をシート部５ａから上方に離間させて該針弁２を開弁させる。そして、燃料溜り５内の高圧燃料は、シート部５ａを通してノズル１の噴孔４からエンジンの燃焼室内に噴射される。

上記したように、燃料噴射弁において燃料噴射期間中は、制御弁をリフトさせることによって制御室内の燃料を流出させて圧力を低下させ、コマンドピストンを上方にリフトさせていた。このとき、制御室内の圧力、即ち制御室内に溜められた燃料がコマンドピストンの上端部を上方から押圧する圧力と、燃料溜り内に溜められた燃料が針弁を下方から押圧する圧力との圧力バランスを変化させることによって、コマンドピストンを上下させている。
ここで、制御室内の燃料の圧力により発生する力は通常ある一定値に定まる。その場合、コマンドピストンが移動する加速度は、一般的な物理の式 Ｆ＝ｍ×ａ（ここで、Ｆ：力、ｍ：質量、ａ：加速度）で示されるように、対象物体の質量ｍに依存する。

コマンドピストンの加速度は、燃焼から考えられる適正値があるが、自由度としては加速度が大きい方がよく、その他のパラメータ（インレットオリフィス及びアウトレットオリフィス）によってコントロールされることが好ましい。
そこで、特許文献１（特開平９−４２１０７号公報）には、コマンドピストンを、少なくとも制御室の油密が確保できる最小限の摺動部をなすコマンドピストンアウタ部と、それよりも小径で軽量の連結部をなすロッド部１９とで形成することにより、コマンドピストンの重量を軽量にし、応答遅れをなくすようにした構成が開示されている。

特開平９−４２１０７号公報

上記したように、従来の燃料噴射弁においては、コマンドピストンが縦方向に長く、質量が大きいものであった。このため、コマンドピストンの加速度を十分に得られず、開弁速度が遅くなり燃焼性能が悪化するという問題があった。特許文献１に記載されるように、コマンドピストンの一部を細くすることにより該コマンドピストンの質量を小さくすることができるが、コマンドピストンの長さは変わらないため加速度の増加量は僅かであった。
従って、本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、コマンドピストンの加速度を大きくすることができ、燃焼性能を向上させることが可能な蓄圧式燃料噴射装置の燃料噴射弁を提供することを目的とする。

そこで、本発明はかかる課題を解決するために、高圧ポンプから吐出され蓄圧手段にて蓄圧された燃料が供給される燃料噴射弁であって、
前記燃料噴射弁は、ノズル先端部に形成された噴孔を開閉する針弁と、該針弁と一体に往復動するコマンドピストンと、前記噴孔に連通した燃料溜りに前記燃料を供給する燃料通路と、前記コマンドピストンの背後に形成され前記燃料通路から分岐された燃料が導入される制御室と、制御弁を備えて前記制御室と外部との間を連通する燃料流出通路を開閉する制御弁ユニットとを備え、
前記制御弁ユニットにて前記流出通路を開放することにより前記針弁及び前記コマンドピストンをリフトさせて開弁し、前記燃料溜り内の燃料を前記噴孔から燃焼室内に噴射するように構成された蓄圧式燃料噴射装置の燃料噴射弁において、
前記制御弁ユニットがその上方に上部空間を介して配置されるとともに、
前記コマンドピストンの長さＬｃと径Ｄｃの比がＬｃ／Ｄｃ＝５以下となるように該コマンドピストンを構成したことを特徴とする。

本発明によれば、コマンドピストンの長さＬｃと径Ｄｃの比をＬｃ／Ｄｃ＝５以下とすることによりコマンドピストンを短小化でき、該コマンドピストンの質量が小さくなることによりコマンドピストンの加速度を大きくでき、燃焼性能を向上させることが可能となる。さらにその他の制御要素を燃料噴射弁の下方に集中させ、該制御弁ユニットの上方に上部空間を設けた構成とすることにより、制御ユニットへの電気配線等を収容するなど該上部空間を有効活用することが可能となる。

また、前記上部空間を前記燃料通路と連通し、該上部空間を前記蓄圧手段として機能する蓄圧室としたことを特徴とする。
これにより、上部空間を有効利用でき、また装置の小型化が可能となる。
さらに、前記コマンドピストンの長さＬｃと前記針弁の長さＬｎの比がＬｃ／Ｌｎ＝１．５以下となるように前記コマンドピストンを構成したことを特徴とする。
このようにコマンドピストンを構成することにより、該コマンドピストンの加速度をより一層大きくすることが可能となる。

以上記載のごとく本発明によれば、コマンドピストンの長さＬｃと径Ｄｃの比をＬｃ／Ｄｃ＝５以下とすることによりコマンドピストンを短小化でき、該コマンドピストンの質量が小さくなることによりコマンドピストンの加速度を大きくでき、燃焼性能を向上させることが可能となる。さらにその他の制御要素を燃料噴射弁の下方に集中させ、該制御弁ユニットの上方に上部空間を設けた構成とすることにより、制御ユニットへの電気配線等を収容するなど該上部空間を有効活用することが可能となる。

また、制御ユニットの上方の上部空間を蓄圧室とすることにより、該上部空間を有効利用でき、また装置の小型化が可能となる。
さらにまた、コマンドピストンの長さＬｃと針弁の長さＬｎの比がＬｃ／Ｌｎ＝１．５以下となるようにコマンドピストンを構成することにより、該コマンドピストンの加速度をより一層大きくすることが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１は本発明の実施形態に係る燃料噴射装置の軸心線に沿う断面図である。図１に示すように実施形態に係る燃料噴射装置は、燃料供給源である燃料タンク２０から燃料を汲み上げて所定圧力で送り出す高圧ポンプ２１と、該高圧ポンプ２１から供給される燃料を所定の供給圧力に蓄圧する蓄圧器（コモンレール）２２と、該蓄圧器２２と燃料入口管１２ａで接続された燃料噴射弁１００と、を備えている。

前記燃料噴射弁１００は、蓄圧器２２から供給された高圧燃料をエンジンの燃焼室内に噴射する弁であり、以下のように構成される。
前記燃料噴射弁１００は、先端部に燃料を噴射する噴孔４が形成されたノズル１を備えている。該ノズル１は、その内周に針弁２が往復摺動可能に嵌合されており、燃料の無噴射時には、該針弁２の先端部が該ノズル１のシート部５ａに当接されることにより噴孔４が閉じた状態となり、燃料が燃料溜り５に貯留される。
前記ノズル１は、ノズル支持リング３により噴射弁本体７に固定されている。

前記噴射弁本体７の中央の孔７ｂには、コマンドピストン８が往復摺動可能に嵌入されている。該コマンドピストン８の下部８ａは前記針弁２の上端部に当接している。該コマンドピストン８と前記針弁２により弁体が形成され、これらは一体に往復動作する。該コマンドピストン８の下部８ａと噴射弁本体７の間には針弁ばね９ａが介装され、該針弁ばね９ａは、無噴射時においては、針弁２の先端部をノズル１のシート部５ａに圧接している。前記コマンドピストン８の背後には制御室３２が形成されている。
前記制御室３２は、前記コマンドピストン８の上部８ｂに臨んで形成されるとともに、インレットオリフィス１３を通して後述する燃料通路１４ｂに連通している。

前記噴射弁本体７の側部にはインレットコネクタ１１が連結されており、該インレットコネクタ１１内には燃料入口通路１２が形成されている。該燃料入口通路１２の入口側は、前記蓄圧器２２から延設される燃料入口管１２ａに接続されている。
前記燃料入口通路１２の出口側は噴射弁本体７内にて２つに分岐される。この分岐された一方の通路は制御室３２に通じる燃料通路１４ｂで、他方の通路は針弁２が臨む燃料溜り５に通じる燃料通路１４ａである。
前記燃料通路１４ｂは制御室３２に連通しており、該制御室３２はアウトレットオリフィス１０を介してリークライン１６に連通している。また、前記燃料通路１４ａは燃料溜り５を介して噴孔４に連通している。

前記燃料噴射弁１００の上方には制御弁ユニット１５ｓが配置されている。該制御弁ユニット１５ｓは、ソレノイドコイル１５及び制御弁９及び該制御弁９が固定されたアーマチュア１５ａ等によって構成される。前記制御弁９は、ソレノイドコイル１５に供給する電流を制御することにより、アウトレットオリフィス１０からリークライン１６に繋がる燃料流出通路を開閉するようになっている。

上記構成を備えた蓄圧式燃料噴射装置において、燃料タンク２０から汲み出されて高圧ポンプ２１から所定圧力で送給された高圧燃料は、蓄圧器２２にて蓄圧される。該蓄圧された高圧燃料は燃料入口管１２ａ、燃料入口通路１２を通って燃料噴射弁１００に供給される。
燃料の無噴射時には、制御弁９が下方に位置して制御室３２とリークライン１６が閉じた状態にあり、制御室３２内に保持された燃料の圧力、即ちコマンドピストン８と針弁２を下方に押し下げる圧力が、これらを押し上げる圧力よりも大となって、コマンドピストン８及び針弁２が下方に位置し、噴孔４を閉じている。

燃料の噴射時には、ソレノイドコイル１５によりアーマチュア１５ａ及び制御弁９が引き上げられ開くと、制御室３２内がリークライン１６に開放されて制御室３２をオープンにする。これにより、制御室３２内の高圧燃料がリークライン１６に排出され、制御室３２内の圧力降下が起きる。よって針弁２の下側から作用する高圧燃料の圧力が、制御室圧によりコマンドピストン８を下方に押圧する圧力と針弁ばね９ａにより針弁を下方に押圧する圧力に打ち勝って、該針弁２をシート部５ａから上方に離間させ該針弁２を開弁させる。そして、燃料溜り５内の高圧燃料はシート部５ａを通してノズル１の噴孔４からエンジンの燃焼室内に噴射せしめられる。

このような燃料噴射弁１００においては、制御室３２内の圧力を変えることにより、コマンドピストン８及び針弁２に作用する上向き、下向きの力のバランスを変化させ、コマンドピストン８及び針弁２を上下させている。このとき、コマンドピストン８の加速度が大きい方が燃焼性能が高くなる。
そこで本実施形態では、コマンドピストン８の加速度を大きくする構成として、該コマンドピストン８を以下のように構成する。
該コマンドピストン８の長さは、図１中、コマンドピストンの下部８ａから上部８ｂまでの長さＬｃであり、この長さＬｃとコマンドピストンの径Ｄｃの比がＬｃ／Ｄｃ＝５以下となるように構成する。

上記構成を備えることによりコマンドピストン８は従来より短小化されるが、燃料噴射弁１００自体の軸方向長さは、エンジンの大きさを含む設計事項により決まっているため、本実施形態では、前記制御弁ユニット１５ｓの上方に上部空間５０を形成している。
さらに好適には、前記コマンドピストン８の長さＬｃと前記針弁２の長さＬｎの比がＬｃ／Ｌｎ＝１．５以下となるようにコマンドピストン８を構成する。

図２に、本発明の実施形態と従来のコマンドピストンの加速度を比較した図を示す。図２（ａ）はコマンドピストンの長さＬｃと径Ｄｃの比Ｌｃ／Ｄｃに対する加速度比を示すグラフ、（ｂ）はコマンドピストン長さＬｃと針弁長さＬｎの比Ｌｃ／Ｌｎに対する加速度比を示すグラフである。
図２（ａ）に示すように従来のコマンドピストンはＬｃ／Ｄｃが１７〜２０の範囲にあり、一方、本実施形態のコマンドピストンはＬｃ／Ｄｃが５以下であるため、本実施形態のコマンドピストンは従来に比べて加速度を約４倍にすることができる。

同様に、図２（ｂ）に示すように従来のコマンドピストンはＬｃ／Ｌｎが１．６〜２の範囲にあり、一方、本実施形態のコマンドピストンはＬｃ／Ｌｎが１．５以下であるため、本実施形態のコマンドピストンは従来に比べて加速度を約２倍にすることができる。このように、本実施形態によれば、コマンドピストン８の全高を短小化することができ、質量を小さくすることが可能で、延いては従来のコマンドピストンに比べてその加速度を２〜４倍にすることが可能となる。即ち、コマンドピストン８の質量を低減できることから、制御室３２内の燃料による圧力が同じ場合、より大きな加速度を得ることができるものである。

図３に、本発明の実施形態と従来のコマンドピストンの針弁リフト時間を比較した図を示す。図３（ａ）は実施形態における針弁リフト位置と時間のグラフ、（ｂ）は従来における針弁リフト位置と時間のグラフである。
図３（ｂ）を参照して、図４に示した従来の燃料噴射弁を用いて、針弁２の開弁開始時からフルリフト時（Ｌ＝０．５ｍｍ）までの時間Ｔ_２を実測した結果、時間Ｔ_２は１．４ｍｓｅｃであった。ここから速度、加速度を計算すると、速度Ｖ_２＝０．３６（ｍｍ／ｍｓｅｃ）、加速度ａ_２＝０．２５（ｍｍ／ｍｓｅｃ^２）となった。

針弁２の開弁速度が遅いと燃料噴霧が大きくなり、燃焼性能に悪影響を及ぼすため、開弁速度を速くすることが求められる。そこで、針弁２の開弁開始時からフルリフト時までの時間を従来の半分にするため、リフト時間の目標値である時間Ｔ_１を０．７ｍｓｅｃとすると、速度Ｖ_１＝０．７１（ｍｍ／ｍｓｅｃ）、加速度ａ_１＝１．０２（ｍｍ／ｍｓｅｃ^２）となる。ここから、従来の加速度に比べて４倍の加速度とすることで、針弁２の開弁開始時からフルリフト時までの時間を従来の半分にでき、燃焼性能を確実に向上させることが可能であることがわかる。
従って、上記図２に示したように、本実施形態の構成を採用することでコマンドピストン８の加速度を４倍にすることができるため、燃焼性能を向上させることが可能となった。

また、上記したようにコマンドピストン８を短小化した構成とし、その他の制御要素を燃料噴射弁１００の下方に集中させ、該制御弁ユニット１５ｓの上方に上部空間５０を設けた構成とすることにより、ソレノイドコイル１５等への電気配線を収容するなど、該上部空間５０を有効活用することが可能となる。また、コマンドピストン８の短小化に伴い変更される他の配置については、燃料噴射弁１００に対する各種入出力の位置関係が従来系と変わらないまま上部空間５０を介して下方に移動させた状態となっているため、本実施形態の蓄圧式燃料噴射装置を従来式噴射系（例えば機械式）に入れ替えて使用するレトロフィットが容易に可能となる。
また、前記上部空間５０を前記燃料通路１４ａ、１４ｂと連通させ、蓄圧器２２に変わって該上部空間５０を蓄圧手段（レール）として機能する蓄圧室としてもよい。これにより、上部空間５０を有効利用でき、また装置の小型化が可能となる。

本発明の燃料噴射弁は、コマンドピストンの加速度を大きくすることができ、燃焼性能を向上させることが可能であるため、蓄圧式燃料噴射装置に好適に用いることができる。

本発明の実施形態に係る燃料噴射装置の軸心線に沿う断面図である。 本発明の実施形態と従来のコマンドピストンの加速度を比較した図で、（ａ）はコマンドピストンの長さＬｃと径Ｄｃの比Ｌｃ／Ｄｃに対する加速度比を示すグラフ、（ｂ）はコマンドピストン長さＬｃと針弁長さＬｎの比Ｌｃ／Ｌｎに対する加速度比を示すグラフである。 本発明の実施形態と従来のコマンドピストンの針弁リフト時間を比較した図で、（ａ）は実施形態における針弁リフト位置と時間のグラフ、（ｂ）は従来における針弁リフト位置と時間のグラフである。 従来の燃料噴射装置の軸心線に沿う断面図である。

符号の説明

１ ノズル
２ 針弁
４ 噴孔
７ 噴射弁本体
８ コマンドピストン
９ 制御弁
１０ アウトレットオリフィス
１３ インレットオリフィス
１５ｓ 制御弁ユニット
１５ ソレノイドコイル
２０ 燃料タンク
２１ 高圧ポンプ
２２ 蓄圧器
５０ 上部空間
１００ 燃料噴射弁
Ｌｃ コマンドピストン長さ
Ｄｃ コマンドピストン径
Ｌｎ 針弁長さ

Claims (2)

1. 高圧ポンプと、該高圧ポンプから吐出された燃料を蓄圧する蓄圧手段と、該蓄圧手段にて蓄圧された燃料が供給される燃料噴射弁と、を含む蓄圧式燃料噴射装置であって、
   前記燃料噴射弁は、ノズル先端部に形成された噴孔を開閉する針弁と、該針弁と一体に往復動するコマンドピストンと、前記噴孔に連通した燃料溜りに前記燃料を供給する燃料通路と、前記コマンドピストンの背後に形成され前記燃料通路から分岐された燃料が導入される制御室と、制御弁を備えて前記制御室と外部との間を連通する燃料流出通路を開閉する制御弁ユニットとを備え、
   前記制御弁ユニットにて前記流出通路を開放することにより前記針弁及び前記コマンドピストンをリフトさせて開弁し、前記燃料溜り内の燃料を前記噴孔から燃焼室内に噴射するように構成された蓄圧式燃料噴射装置の燃料噴射弁において、
   前記制御弁ユニットの上方に上部空間を形成し、該上部空間を前記蓄圧手段として機能する蓄圧室として、該上部空間と前記燃料通路とを連通するとともに、
   前記コマンドピストンの長さＬｃと径Ｄｃの比がＬｃ／Ｄｃ＝５以下となるように該コマンドピストンを構成したことを特徴とする蓄圧式燃料噴射装置。
2. 高圧ポンプと、該高圧ポンプから吐出された燃料を蓄圧する蓄圧手段と、該蓄圧手段にて蓄圧された燃料が供給される燃料噴射弁と、を含む蓄圧式燃料噴射装置であって、
   前記燃料噴射弁は、ノズル先端部に形成された噴孔を開閉する針弁と、該針弁と一体に往復動するコマンドピストンと、前記噴孔に連通した燃料溜りに前記燃料を供給する燃料通路と、前記コマンドピストンの背後に形成され前記燃料通路から分岐された燃料が導入される制御室と、制御弁を備えて前記制御室と外部との間を連通する燃料流出通路を開閉する制御弁ユニットとを備え、
   前記制御弁ユニットにて前記流出通路を開放することにより前記針弁及び前記コマンドピストンをリフトさせて開弁し、前記燃料溜り内の燃料を前記噴孔から燃焼室内に噴射するように構成された蓄圧式燃料噴射装置の燃料噴射弁において、
   前記制御弁ユニットの上方に上部空間を形成し、該上部空間を前記蓄圧手段として機能する蓄圧室として、該上部空間と前記燃料通路とを連通するとともに、
   前記コマンドピストンの長さＬｃと前記針弁の長さＬｎの比がＬｃ／Ｌｎ＝１．５以下となるように前記コマンドピストンを構成したことを特徴とする蓄圧式燃料噴射装置。

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