JP5333918B2 - 燃料噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関の気筒に高圧燃料を噴射供給する燃料噴射装置に関する。

例えばディーゼルエンジン等の内燃機関（エンジン）の気筒に高圧燃料を噴射供給する燃料噴射装置として、ノズルと、ノズル内に収容されたノズルニードルを開弁方向に駆動する電磁弁と、ノズルニードルを閉弁方向に付勢するコイルスプリングとによって構成されたインジェクタが知られている。ノズルは、噴射孔を有するノズルボディと、ノズルボディ内で摺動して噴射孔を開閉するノズルニードルとを備え、電磁弁は、ソレノイドコイルと、ソレノイドコイルの起磁力により上方へ吸引されるアーマチャ付きの弁体と、弁体を閉弁方向に付勢するリターンスプリング等を備えている。インジェクタ駆動回路（ＥＤＵ）から電磁弁のソレノイドコイルにインジェクタ駆動電流が印加され、電磁弁の弁体がオリフィスを介して制御室に連通する連通孔を開弁すると、制御室内に供給されている燃料が、オリフィス、燃料排出路、燃料排出口を経て、燃料系の低圧側である燃料タンクに溢流し、制御室内の燃料圧力が低下する。そして、燃料溜まり内の燃料圧力がノズルニードルを上昇させる方向に作用するコイルスプリングの付勢力に打ち勝つと、ノズルニードルが弁座よりリフト（離間）し、噴射孔と燃料溜まりとが連通し、コモンレール内に蓄圧された高圧燃料がエンジンの各気筒の燃焼室内に噴射供給される。

特開２００４−１５６５７８号公報

上記従来の燃料噴射装置では、オリフィスを開閉する弁体の下面は平面状に形成されており、弁体が上方へ移動してオリフィスの開口面積が急増すると、制御室内の圧力は、ポンプ等によって昇圧された所定の高圧状態から低圧状態へ瞬時に降下する。制御室内の圧力が急激に低下すると、オリフィスを流通する燃料にキャビテーション（流体の流れの中で圧力差により短時間に泡の発生と消滅が起きる現象）が起こり、発生した泡は衝撃派を伴って崩壊する。

ここで、キャビテーションが起こる指標として用いられるキャビテーション係数は、下記式（１）によって表され、この係数が小さいほどキャビテーションが起こり易いことが知られている。

Ｋ＝（Ｐ_∞−Ｐ_ｖ）／（ρＶ^２／２）…（１）
Ｋ：キャビテーション係数、Ｐ_∞：一様流れにおける圧力、Ｐ_ｖ：飽和蒸気圧、ρ：密度、Ｖ：一様流れにおける速度
燃料の噴射速度を上げるために制御室を高圧化させるほど、オリフィスを流通する燃料の流速も上がり、キャビテーション係数Ｋが低くなり、キャビテーションが起こり易い状態となる。

キャビテーションによる泡の発生及び崩壊は、エロージョン（流体が繰り返して衝突することにより、表面が機械的に損傷を受け、その一部が離脱していく現象（壊食））の要因となり、オリフィスを高強度のセラミックス等で形成した場合であっても、その強度によっては、オリフィスの摩耗や損傷を招くおそれがある。エロージョンによりオリフィスが摩耗し、弁体によるオリフィスのシール性が低下すると、制御室を所定の高圧状態に維持するために消費されるポンプ等の駆動エネルギーが増大し、燃費が悪化する。また、エロージョンが進行してオリフィスが破損すると、燃料の噴射機能の低下や不能を招く。

そこで、本発明は、制御室からオリフィスを流通する燃料のキャビテーションを抑制することが可能な燃料噴射装置の提供を目的とする。

上記目的を達成すべく、本発明の燃料噴射装置は、高圧状態の燃料が供給される制御室と、制御室に連通する一端を有する連通孔と、連通孔の他端に設けられたオリフィスと、オリフィスを開閉する弁部材とを備える。弁部材は、燃料の非噴射時にはオリフィスを閉塞して制御室を高圧状態に維持し、燃料の噴射時にはオリフィスから離間する方向へ移動してオリフィスを開放する。

弁部材は、オリフィスとの対向面から突出して先細りする錐体状の突起を有する。弁部材がオリフィスに最も近接した状態で、突起の先端はオリフィス内へ侵入し、突起の外周面はオリフィスの開口周縁と接触してオリフィスを閉塞する。また、燃料噴射装置は、突起の外周面とオリフィスの開口周縁との間に間隙を形成してオリフィスを開放することで、燃料を噴射する。

上記構成では、燃料の噴射時に弁部材が開方向へ移動する。この弁部材の移動に伴って、突起の外周面がオリフィスの開口周縁から離れ、オリフィスが閉塞状態から開口状態に変わり、さらにその開口面積が増大する。

ここで、弁部材の対向面によってオリフィスを閉塞した場合、開口初期におけるオリフィスの開口部分は、オリフィスの開口周縁と対向面との間に形成される間隙であり、オリフィスの開口周縁と対向面との距離は弁部材の移動量となる。

一方、上記構成におけるオリフィスの開口部分は、オリフィスの開口周縁と突起の外周面との間に形成される間隙であり、オリフィスの開口周縁と突起の外周面との距離は弁部材の移動量よりも小さい。

すなわち、上記構成では、弁部材の対向面によってオリフィスを閉塞した場合に比べてオリフィスの開口面積の増大速度が遅くなり、制御室内の急激な圧力変化を抑えることができる。このため、オリフィスを流通する燃料にキャビテーションが起こり難く、エロージョンによるオリフィスの摩耗や損傷が抑制され、オリフィスの耐久性が向上する。従って、燃費の悪化を防止することができるとともに、燃料の噴射機能を良好に維持させることができる。

本発明によれば、制御室からオリフィスを流通する燃料のキャビテーションを抑制することができる。

本発明の一実施形態の燃料噴射装置を模式的に示す全体側断面図である。 図１の要部拡大図である。 図１の要部斜視図である。 図２の要部拡大図である。 オリフィスの開口状態を示す図４の要部拡大図である。 アーマチャの移動量とオリフィスの開口面積との関係を示す図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態の燃料噴射装置を模式的に示す全体側断面図、図２は図１の要部拡大図、図３は図１の要部斜視図、図４は図２の要部拡大図、図５はオリフィスの開口状態を示す図４の要部拡大図である。なお、以下の説明で使用する上下方向は、図１中の上下方向に対応している。

図１に示すように、インジェクタ１は、ディーゼルエンジン（図示省略）の各気筒に対応して設けられ、コモンレール（図示省略）から分岐する複数の分岐管（図示省略）の下流端に接続される。インジェクタ１は、コイルスプリング（図示省略）によって閉弁方向に付勢されたニードル３を開弁方向に駆動する電磁式燃料噴射装置である。

インジェクタボディ２内の一端側（下端側）には、ニードル３を上下方向に摺動自在に収容するニードル収容空間５が区画形成されている。ニードル収容空間５は、インジェクタボディ２の一端側（下方）の太径部６と他端側（上方）の細径部７とを有する。太径部６の内径は細径部７の内径よりも大きく設定され、ニードル３は細径部７の内周面上を摺動する。ニードル３は、その中間部に、太径部６の内周面上を摺動する受圧部８を有する。太径部６は、受圧部８によって、一端側（下方）の燃料溜まり９と他端側（上方）の受圧部移動空間１０とに分けられ、細径部７は受圧部移動空間１０と連通する。インジェクタボディ２の一端（下端）には、燃料溜まり９と連通する複数の噴射孔１１が形成されている。ニードル３が最下方の閉弁位置にある状態で、ニードル３の下端の弁開閉部１２が噴射孔１１を閉止し、ニードル３が閉弁位置から開弁方向（上方）へ移動することにより、弁開閉部１２が噴射孔１１を開口する。

インジェクタボディ２の他端面（上端面）には、ニードル収容空間５の上端側と連通する凹部４が形成され、凹部４内には、制御室形成部材１３と連通孔形成部材１４と支持部材１５とアーマチャ（弁部材）１６とが収容されている。インジェクタボディ２の他端（上端）には、凹部４を上方から閉止するカバー２４が装着され、カバー２４の内面にはアーマチャ１６と対向するようにソレノイドコイル１７が固定されている。

制御室形成部材１３は、略円柱形状を有し、凹部４の下端でニードル収容空間５の上端を閉止するようにインジェクタボディ２に対して固定される。ニードル収容空間５の上端部分（ニードル３の上面と制御室形成部材１３の下面との間の部分）は、制御室１８を構成する。

支持部材１５は、略円筒形状を有し、インジェクタボディ２の内周面（凹部４の内周面）に固定される。連通孔形成部材１４は、略円柱形状を有し、支持部材１５の内径部分に挿入されて固定される。連通孔形成部材１４の下面と支持部材１５の下面とは、略同一面上に配置されて制御室形成部材１３の上面に面接触する。

支持部材１５の上面の中央部分は下方に凹み、この中央部分で連通孔形成部材１４の上部が突出する。凹部４の上部（連通孔形成部材１４及び支持部材１５の上方）には、空洞部１９が設けられ、空洞部１９にアーマチャ１６が収容される。

アーマチャ１６の下面にはガイド部材２３の円筒部分が下方へ突設され、この円筒部分の内径面が連通孔形成部材１４の上端部の外周面上を摺動自在となるように、アーマチャ１６が連通孔形成部材１４の上面上方に配置されている。アーマチャ１６は、コイルスプリング（図示省略）によって下方へ付勢されている。

制御室形成部材１３及び連通孔形成部材１４には、上下方向に延びて制御室１８と空洞部１９とを連通する連通孔２０が形成されている。連通孔形成部材１４の上面の連通孔２０の上端開口部分には、セラミックス製のオリフィス形成部材２１が固定され、連通孔２０の上端開口部分は、オリフィス形成部材２１のオリフィス２２を介して空洞部１９に連通する。

アーマチャ１６は、最下位置でオリフィス２２を閉止し、最下位置から上方へ移動することによりオリフィス２２を開口する。

インジェクタボディ２には、コモンレールからの高圧燃料を燃料溜まり９及び制御室１８へ供給する燃料流入路２５と、ニードル３とインジェクタボディとの摺動部分から受圧部移動空間１０内に溢流した燃料を燃料タンク（図示省略）へ戻す静的リーク用の燃料排出路２６と、オリフィス２２から空洞部１９内に溢流した燃料を燃料タンクへ戻す動的リーク用の燃料排出路２７とが形成されている。燃料流入路２５は、オリフィス（図示省略）を介して制御室１８に連通する。

ソレノイドコイル１７は、インジェクタ駆動回路（ＥＤＵ・図示省略）に内蔵された常開型スイッチ（図示省略）を介して車載電源（図示省略）と電気的に接続され、アーマチャ１６は、ソレノイドコイル１７の起磁力により上方へ吸引される。インジェクタ１からエンジンの各気筒の燃焼室内への燃料の噴射は、ＥＣＵからインジェクタ駆動回路（ＥＤＵ）への電磁弁制御信号により電子制御される。

図２に示すように、アーマチャ１６は、有底円筒状のガイド部材２３を有する。ガイド部材２３の底壁部分は、アーマチャ１６の本体側に固定されてオリフィス２２と対向するアーマチャシート部２３ａを構成し、ガイド部材２３の周壁部分は、連通孔形成部材１４の外周面上を摺動してアーマチャ１６の移動方向を上下方向に規制するガイド２３ｂとして機能する。

図３〜図５に示すように、アーマチャシート部２３ａには、先細りする円錐体状の突起３０がオリフィス２２に向かって突設されている。アーマチャ１６がオリフィス２２に最も近接した状態で、突起３０の先端はオリフィス２２内へ侵入し、突起３０の外周面３０ａはオリフィス２２の開口周縁２２ａと接触してオリフィス２２を閉塞する。

次に、作用を説明する。

エンジンの各気筒の燃焼室内に燃料を噴射しない非噴射時には、ソレノイドコイル１７にインジェクタ駆動電流が印加されず、アーマチャ１６はコイルスプリングの付勢力によって最下位置に維持される。この状態で、オリフィス２２は閉止され、燃料溜まり９及び制御室１８の内部は高圧燃料の供給によって高圧状態に維持され、ニードル３は閉弁位置
に維持される。

エンジンの各気筒の燃焼室内に燃料を噴射する噴射時には、インジェクタ駆動回路（ＥＤＵ）からソレノイドコイル１７にインジェクタ駆動電流が印加され、アーマチャ１６がコイルスプリングの付勢力に抗して開方向（上方）へ移動する。アーマチャ１６が開方向へ移動すると、オリフィス２２及び連通孔２０を介して制御室１８が開放され、制御室１８内の燃料が連通孔２０及びオリフィス２２を介して空洞部１９内へ流入し、制御室１８内の燃料圧力が低下する。制御室１８内の燃料圧力の低下が進行し、上方へ向かって受圧部８に作用する燃料溜まり９内の燃料圧力がコイルスプリングの付勢力に打ち勝つと、ニードル３が閉弁位置から上方へリフト（離間）し、噴射孔１１と燃料溜まり９とが連通して、コモンレール内に蓄圧された高圧燃料がエンジンの各気筒の燃焼室内に噴射供給され
る。

この燃料の噴射供給時には、アーマチャ１６の開移動に伴って、突起３０の外周面３０ａがオリフィス２２の開口周縁２２ａから離れ、オリフィス２２が閉塞状態から開口状態に変わり、さらにその開口面積が増大する。

ここで、突起３０を設けずにアーマチャシート部２３ａによってオリフィス２２を閉塞した場合、開口初期におけるオリフィス２２の開口部分は、オリフィス２２の開口周縁２２ａとアーマチャシート部２３ａとの間に形成される間隙であり、オリフィス２２の開口周縁２２ａとアーマチャシート部２３ａとの距離はアーマチャ１６の移動量Ｌ１（図５に示す）となる。

一方、アーマチャシート部２３ａの突起３０によってオリフィス２２を閉塞する本実施形態では、オリフィス２２の開口部分は、オリフィス２２の開口周縁２２ａと突起３０の外周面３０ａとの間に形成される間隙であり、オリフィス２２の開口周縁２２ａと突起３０の外周面３０ａとの距離Ｌ２（図５に示す）はアーマチャ１６の移動量Ｌ１よりも小さい。

すなわち、本実施形態では、アーマチャシート部２３ａによってオリフィス２２を閉塞した場合に比べて、オリフィス２２の開口面積の増大速度が遅くなる。

例えば、本件サンプルと比較サンプルとのそれぞれにおいて、アーマチャ１６の移動量（ストローク）とオリフィス２２の開口面積との関係を求めた結果を図６に示す。

比較サンプルは、オリフィス２２をアーマチャシート部２３ａによって閉塞するものであり、オリフィス径は０．３８ｍｍに、アーマチャ１６のストロークは０．２ｍｍに設定されている。一方、本件サンプルは、オリフィス２２を突起３０によって閉塞する本実施形態の構造を有し、オリフィス径は０．４２８ｍｍに、アーマチャ１６のストロークは０．２ｍｍ（比較サンプルと同じ）に、突起３０の先端の角度θ（図４に示す）は６０°にそれぞれ設定されている。なお、本件サンプルの突起３０の高さ（アーマチャシート部２３ａからの突出量）はアーマチャ１６のストローク（０．２ｍｍ）を超えており、アーマチャ１６を最上限位置まで移動させても突起３０の先端はオリフィス２２の外側へ移動せず、突起３０の先端部分がオリフィス２２内に残る。一方、比較サンプルと本件サンプルとを適正に比較するためには、オリフィス２２の最大開口面積を両者間で等しく設定する必要がある。このため、本件サンプルのオリフィス径は比較サンプルよりも大きく設定されている。

図６に示す関係から、オリフィス２２を突起３０によって閉塞する本件サンプルの方が、アーマチャシート部２３ａによって閉塞する比較サンプルよりも、アーマチャ１６のストロークに対するオリフィス２２の開口面積の変化割合（増加割合）が緩やかであり、オリフィス２２の開口面積の増大速度が遅くなっていることが判る。

このように、本実施形態では、アーマチャシート部２３ａによってオリフィス２２を閉塞した場合に比べて、オリフィス２２の開口面積の増大速度が遅くなり、制御室１８内の急激な圧力変化を抑えることができる。このため、オリフィス２２を流通する燃料にキャビテーションが起こり難く、エロージョンによるオリフィス２２の摩耗や損傷が抑制され、オリフィス２２の耐久性が向上する。従って、燃費の悪化を防止することができるとともに、燃料の噴射機能を良好に維持させることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、突起を角錐体状など傾斜面を有する他の形状とし、オリフィスを突起に合わせた形状としてもよい。

本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関の気筒に高圧燃料を噴射供給する燃料噴射装置に広く適用可能である。

１：インジェクタ（燃料噴射装置）
１６：アーマチャ
１８：制御室
２０：連通孔
２３ａ：アーマチャシート部
２２：オリフィス
２２ａ：オリフィスの開口周縁
２３ａ：オリフィスシート部
３０：突起
３０ａ：突起の外周面

Claims (1)

1. 高圧状態の燃料が供給される制御室と、
   前記制御室に連通する一端を有する連通孔と、
   前記連通孔の他端に設けられたオリフィスと、
   燃料の非噴射時には前記オリフィスを閉塞して前記制御室を高圧状態に維持し、燃料の噴射時には前記オリフィスから離間する方向へ移動して該オリフィスを開放する弁部材と、を備え、
   前記弁部材は、前記オリフィスとの対向面から突出して先細りする錐体状の突起を有し、
   前記弁部材が前記オリフィスに最も近接した状態で、前記突起の先端は前記オリフィス内へ侵入し、前記突起の外周面は前記オリフィスの開口周縁と接触して該オリフィスを閉塞し、
   前記突起の外周面と前記オリフィスの開口周縁との間に間隙を形成して該オリフィスを開放することで、燃料を噴射する
   ことを特徴とする燃料噴射装置。

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