JP5780581B2 - コモンレール式燃料噴射制御装置用圧力制御弁 - Google Patents

Description

本発明は、コモンレール式燃料噴射制御装置において用いられる圧力制御弁に係り、特に、制御特性の改善等を図ったものに関する。

従来、ディーゼルエンジンなどの内燃機関の燃料噴射制御装置としては、高圧ポンプによって燃料を加圧して蓄圧器であるコモンレールに圧送して蓄圧し、蓄圧された高圧燃料をインジェクタへ供給することにより、インジェクタによる内燃機関への高圧燃料の噴射を可能としたコモンレール式燃料噴射制御装置が多数用いられている。

かかるコモンレール式燃料噴射制御装置においては、コモンレールの余剰燃料を燃料タンクへ戻すリターン通路とコモンレールとの間に圧力制御弁が設けられ、レール圧制御の一つの手段としてレール圧の制御に供されるものとなっている。
かかる圧力制御弁は、その通電電流の増加と共に、弁開度が小さくなる動作特性が一般的であり、その場合、レール圧は、圧力制御弁への通電電流の増加と共に増大されるよう制御されるものとなっている。

ところで、いわゆるリンプホーム走行モードが所望されるトラックなどの車両においては、例えば、圧力制御弁の通電系統の断線などにより通電が不可能な状態にあっても、最低限の走行状態を確保する必要があるために、圧力制御弁の動作特性は、上述とは逆に、通電電流の増加に伴い弁開度が小さくなるような、逆特性のものが用いられる構成となっている（例えば、特許文献１等参照）。

特開２００３−３２２０６７号公報（第４−９頁、図１−図１０）

しかしながら、上述のような逆特性の圧力制御弁を用いた場合、圧力制御弁に通電しない状態で、エンジンが始動された際に、レール圧が必要以上に上昇し、油圧系統に大きな物理的ダメージを与える事態を招く可能性がある。
また、エンジン始動時などに、圧力制御弁の弁開度を急激に大きくして、必要なレール圧を得ようとするような制御を行うと、圧力制御弁内の可動部、すなわち、通電によって生ずる磁力によって変位可能に設けられた可動部が、本来の可動位置からオーバーシュートして、弁開度が最大となるような位置で可動部が吸引部に引っ付いてしまい、レール圧が必要以上に低下して、結局は、エンジン内の燃料状態が悪化して、失火に至る可能性がある。

本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、無通電状態とされても、エンジンの始動時に適切な開弁圧を確保できるコモンレール式燃料噴射制御装置用圧力制御弁を提供するものである。

上記本発明の目的を達成するため、本発明に係るコモンレール式燃料噴射制御装置用圧力制御弁は、
励磁コイルの通電によって弁体を弁座方向へ押圧可能として前記弁座が形成された流入通路から流出通路へ流通する高圧燃料の圧力を制御可能に構成されてなるコモンレール式燃料噴射制御装置用圧力制御弁であって、
前記弁体を前記弁座方向へ押圧する押圧ばねを設け、当該押圧ばねは、前記流入通路から流入した高圧燃料の圧力が所定の低圧を超えた場合に、前記弁体の前記弁座からの離間を可能とする初期設定荷重が設定されてなる一方、
前記励磁コイルが設けられる磁性材は、磁気ヒステリシス特性を有し、当該磁気ヒステリシス特性は、前記励磁コイルの通電流が所定の小電流域にある場合、前記弁体を前記弁座へ押圧する押圧力を生じない不感帯を有し、前記不感帯の範囲は、前記初期設定荷重によるレール圧が定まる範囲に対応し、かつ、車両動作制御に用いられる電子制御ユニットの自己故障診断が実行される領域に対応するよう選定されてなるものである。

本発明によれば、エンジン始動時に圧力制御弁が無通電状態とされても、適切な開弁圧を確保でき、そのため、レール圧をいわゆるリンプホーム走行を可能とする必要最低限の大きさに保持することができるという効果を奏するものである。
また、本発明によれば、押圧ばねによる初期設定荷重により、弁体を弁座方向へ押圧するようにしたので、エンジン始動時に圧力制御弁が無通電状態とされても、弁が全開となりレール圧が不用意に高圧に上昇するようなことがなく、急激な高圧に晒されることによる高圧系統の部品の損傷等を確実に回避でき、従来に比して、より信頼性、安全性の高いレール圧制御を提供することができる。
さらに、励磁コイルによる電磁力による弁体を押圧する方向と、押圧ばねによる弁体を押圧する方向が同一方向となるようにしたので、励磁コイルに通電電流を小さくすることができ、省電力化、長寿命化を図ることができる。

本発明の実施の形態における圧力制御弁が用いられるコモンレール式燃料噴射制御装置の構成例を示す構成図である。 本発明の実施の形態における圧力制御弁の縦断面図である。 本発明の実施の形態における圧力制御弁に用いられる本体部材の磁気ヒステリシス特性例を示す特性線図であって、図３（Ａ）は、従来の本体部材の磁気ヒステリシス特性例を示す特性線図、図３（Ｂ）は、本発明の実施の形態における圧力制御弁に用いられる電磁コイル収納部材のＢＨ特性例を示す特性線図である。 本発明の実施の形態における圧力制御弁の通電電流と保持レール圧との関係を示す特性線図である。

以下、本発明の実施の形態について、図１乃至図４を参照しつつ説明する。
なお、以下に説明する部材、配置等は本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
最初に、本発明の実施の形態における圧力制御弁が用いられるコモンレール式燃料噴射制御装置の構成例について、図１を参照しつつ説明する。
このコモンレール式燃料噴射制御装置は、高圧燃料の圧送を行う高圧ポンプ装置５０と、この高圧ポンプ装置５０により圧送された高圧燃料を蓄えるコモンレール１と、このコモンレール１から供給された高圧燃料をエンジン３の気筒へ噴射供給する複数の燃料噴射弁２−１〜２−ｎと、燃料噴射制御処理や後述するレール圧オフセット制御処理などを実行する電子制御ユニット（図１においては「ＥＣＵ」と表記）４を主たる構成要素として構成されたものとなっている。
かかる構成自体は、従来から良く知られているこの種の燃料噴射制御装置の基本的な構成と同一のものである。

高圧ポンプ装置５０は、供給ポンプ５と、調量弁６と、高圧ポンプ７とを主たる構成要素として構成されてなる公知・周知の構成を有してなるものである。
かかる構成において、燃料タンク９の燃料は、供給ポンプ５により汲み上げられ、調量弁６を介して高圧ポンプ７へ供給されるようになっている。調量弁６には、電磁式比例制御弁が用いられ、その通電量が電子制御ユニット４に制御されることで、高圧ポンプ７への供給燃料の流量、換言すれば、高圧ポンプ７の吐出量が調整されるものとなっている。

なお、供給ポンプ５の出力側と燃料タンク９との間には、戻し弁８が設けられており、供給ポンプ５の出力側の余剰燃料を燃料タンク９へ戻すことができるようになっている。
また、供給ポンプ５は、高圧ポンプ装置５０の上流側に高圧ポンプ装置５０と別体に設けるようにしても、また、燃料タンク９内に設けるようにしても良いものである。
燃料噴射弁２−１〜２−ｎは、エンジン３の気筒毎に設けられており、それぞれコモンレール１から高圧燃料の供給を受け、電子制御ユニット４による噴射制御によって燃料噴射を行うようになっている。

本発明のコモンレール１には、余剰高圧燃料をタンク９へ戻すリターン通路（図示せず）に、電磁式の圧力制御弁１１が設けられており、調量弁６と共にレール圧の制御に用いられるようになっている。
本発明の実施の形態においては、エンジン３の動作状態に応じて、調量弁６と圧力制御弁１１のそれぞれの動作状態を変えることで、適切なレール圧制御の実現を図っている。

電子制御ユニット４は、例えば、公知・周知の構成を有してなるマイクロコンピュータ（図示せず）を中心に、ＲＡＭやＲＯＭ等の記憶素子（図示せず）を有すると共に、燃料噴射弁２−１〜２−ｎを駆動するための駆動回路（図示せず）や、調量弁６や圧力制御弁１１への通電を行うための通電回路（図示せず）を主たる構成要素として構成されたものとなっている。
かかる電子制御ユニット４には、コモンレール１の圧力、エンジン回転数、アクセル開度、燃料温度などが、それぞれに適するセンサ（図示せず）によって検出、入力されてエンジン３の動作制御や燃料噴射制御に供されるようになっている。

図２には、本発明の実施の形態における圧力制御弁１１の構成例を示す縦断面図が示されており、以下、同図を参照しつつ、圧力制御弁１１の構成等について説明する。
本発明の実施の形態における圧力制御弁１１は、まず、流入通路２１及び流出通路２２が形成されてなるハウジング２３内に、励磁コイル３３、弁棒３４等（詳細は後述）が設けられた本体部材２４の一部が収納されたものとなっている。

ハウジング２３は、ほぼ中央部を長手軸方向（図２において紙面上下方向）に貫通する中空部２５が形成されており、その中空部２５は、大径の第１中空部２５ａと、これより小径の第２中空部としての流入通路２１とからなり、第１中空部２５ａには、本体部材２４の一部、すなわち、後述する流通部３１が収納されたものとなっている。
また、ハウジング２３には、第１中空部２５ａに対して直交する方向に、この第１中空部２５ａに連通し、外部に開口する流出通路２２が形成されたものとなっている。
そして、図示は省略してあるが、流入通路２１は、コモンレール１に接続される一方、流出通路２２は、図示されない接続管を介してタンク９に連通せしめられるようになっている。

一方、磁性材を用いてなる本体部材２４は、後述するように流入通路２１と流出通路２２とを連通する連通部３６が形成される流通部３１と、連通部３６が形成された部位とは反対側に延設されて流通部３１よりも大径に形成された励磁部３２とに大別されて構成されたものとなっている。

かかる本体部材２４の中央部には、長手軸方向（図２において紙面上下方向）に沿って、弁棒３４が摺動自在に配設される軸孔３５、軸孔３５より大径の連通部３６、さらに、連通部３６及び流入通路２１よりも大径のシート嵌合部３７が、励磁部３２側から順に、相互に連通するように穿設されている。
そして、ハウジング２３内部において、本体部材２４と流入通路２１との間には、シート部材３８が、その一部をシート嵌合部３７に嵌合せしめられるようにして設けられたものとなっている。

このシート部材３８は、本体部材２４のシート嵌合部３７に嵌合される大径シート部３８ａと、この大径シート部３８ａより小径に形成された小径シート部３８ｂからなり、小径シート部３８ｂは、流入通路２１内に突出するように設けらたものとなっている。
そして、シート部材３８の中央部には、大径シート部３８ａから小径シート部３８ｂを貫くように通孔３９が穿設されており、大径シート部３８ａ側の開口部分に、弁座４０が形成されたものとなっている。かかる通孔３９は、弁座４０側の端部が連通部３６に連通する一方、他方の端部が流入通路２１と連通するものとなっている。

一方、本体部材２４の励磁部３２には、軸孔３５を囲むように環状溝４１が本体部材２４の端部に開口するように形成されており、励磁コイル３３が埋設されたものとなっている。この励磁部３２の端部外周縁には、長手軸方向（図２において紙面上下方向）に適宜な長さを有する周壁４２が周方向に形成されており、励磁部３２の他面とこの周壁４２で囲まれた部分は、後述する係止部材４４、押圧ばね４５、及び、ばねカバー部材４６が収納されるようになっている。

また、弁棒３４は、一方の端部に球状の弁体４３が形成されたものとなっており、弁体４３が弁座４０に着座した状態で、他方の端部が軸孔３５から突出する長さとなっている。本発明の実施の形態における弁棒３４は、その長手軸方向（図２において紙面上下方向）の長さが従来に比して比較的長く設定されている。これは、従来に比して長くすることにより軸孔３５内を摺動する際のフリクションを増やし、励磁コイル３３の通電電流が微弱な範囲で摺動し難くするためである。
そして、かかる弁棒３４の軸孔３５から突出した部分には、大凡円盤状の係止部材４４が取着されている。かかる係止部材４４は、磁性材からなり、励磁コイル３３の通電により励磁コイル３３側へ吸引されるようになっている。

この係止部材４４の中央部分には、軸孔３５側と反対側の面に、ボス部４４ａが突出形成されており、このボス部４４ａには、押圧ばね４５が、その一部が外装されるようにして載置されており、押圧ばね４５は、次述するように弁座４０方向へ押圧されるようになっている。

すなわち、ばねカバー部材４６は、全体外観形状が大凡円盤状に形成されると共に、中央部分にばね係止凹部４７が凹設されたものとなっており、このばね係止凹部４７に押圧ばね４５の殆どが挿入された状態とされ、かかる状態で、ばねカバー部材４６の係止凹部４７と反対側の面の外周縁が、周壁４２の端部近傍でかしめられて、固定されるようになっている。
なお、弁体４３が弁座４０に着座した状態にあって、係止部材４４とばねカバー部材４６との間には、若干の距離が確保されようになっており、弁体４３が弁座４０から離間した場合のばねカバー部材４６側への弁棒３４の変位が確保できるものとなっている。

かかる構成において、コモンレール１からの高圧燃料は、流入通路２１から通孔３９へ流れ込むが、後述するように弁棒３４を介して弁体４３が弁座４０側へ押しつけられる押圧力よりも、高圧燃料の圧力が大となると、弁体４３が弁座４０から離間し、高圧燃料が連通部３６へ流れ込み、さらには、流出通路２２へ至り、図示されないリターン通路を介して燃料タンク９へ、高圧燃料が戻されることとなる。すなわち、高圧燃料は、流入通路２１から流出通路２２へ流通するようになっている。

ここで、本発明の実施の形態における押圧ばね４５の初期設定荷重、本体部材２４の磁気ヒステリシス特性について説明する。
まず、押圧ばね４５の初期設定荷重について説明する。
本発明の実施の形態における押圧ばね４５は、その初期設定荷重が、励磁コイル３３の通電がなされない状態にあって、エンジン３を始動した場合に、コモンレール１からの高圧燃料が、弁体４３を弁座４０側へ押圧する押圧力（ばね力）に抗して弁座４０から離間せしめて開弁状態となった際に、車両の走行を可能とする最低限のレール圧が確保できる大きさに設定されたものとなっている。さらに、この最低限のレール圧は、アイドリング制御の際のレール圧よりも低い値となるように設定するのが好適である。

一方、磁性材からなる本体部材２４は、次述するように磁気ヒステリシス特性を有するものとなっている。
すなわち、本体部材２４の磁気ヒステリシス特性は、図３（Ｂ）に示されたように、従来（図３（Ａ）参照）に比して、磁気ヒシテリシス曲線に囲まれた面積が大きなものとなっている。換言すれば、本体部材２４の磁気ヒステリシス特性は、残留磁気、保持力共に、従来に比して大きな値を有するものとなっている。

これによって、励磁コイル３３の通電による発生する磁界Ｈの大きさが、図３（Ｂ）に示された本体部材２４の磁気ヒステリシス曲線の内側の磁界Ｈの大きさである間は、通電により発生した磁気エネルギーは、ヒステリシス損となり、弁棒３４を弁座４０方向へ変位せしめる電磁力を生むには至らず、いわば不感帯となる。その結果、かかる状態にあっては、押圧ばね４５によってのみ制御し得るレール圧が定められることとなり、具体的には、先に述べたように、レール圧は、押圧ばね４５の初期設定荷重に対応する圧力に保持されることとなる。
したがって、励磁コイル３３の通電による電磁力が生じない不感帯の範囲は、押圧ばね４５の初期設定荷重によるレール圧が定まる範囲に対応させるのが好適である。

次いで、励磁コイル３３の通電による発生する磁界Ｈの大きさが、図３（Ｂ）に示された本体部材２４の磁気ヒステリシス曲線の内側の磁界Ｈの大きさを超えると、その超えた分に対応して弁棒３４を弁座４０方向へ変位せしめる電磁力が生じ、先の押圧ばね４５による初期設定荷重による押圧力と共に、弁体４３を弁座４０方向へ押圧する押圧力となる。そのため、流入通路２１に流入してきた高圧燃料が弁体４３を弁座４０から押し上げて開弁状態を保つに必要なレール圧（保持レール圧）は増すこととなる。
なお、本発明の実施の形態においては、励磁コイル３３への通電駆動は、従来同様、いわゆるＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御によって行われるものとなっている。

その結果、本発明の実施の形態における圧力制御弁１１の通電電流と保持レール圧との関係は、図４に示された如くとなる。
すなわち、全体としては、励磁コイル３３への通電電流の増加と共に保持レール圧が増加する特性曲線となっているが、通電電流が所定の小電流域にある場合、すなわち、所定電流ＩHを超えるまでの範囲（図４において符号Ａが付された範囲）は、先に述べたように本体部材２４の磁気ヒステリシス損により、励磁コイル３３の通電による電磁力が生じない範囲であり、いわば不感帯となっている。

しかし、先に述べた押圧ばね４５の初期設定荷重により、最低保持レール圧ＰSが確保されるため、通電電流に対する保持レール圧の変化は、図４に示されたように、一見すると連続的に変化しているような特性が確保されるものとなっている。
したがって、例えば、通電回路の故障や、通電のための電線の断線などにより励磁コイル３３の通電不能となった場合であっても、レール圧は、いわゆるリンプホーム走行を可能とするレール圧ＰSに保持されるため、リンプホーム走行が可能となる。

また、図４において、符号Ａが付された励磁電流が比較的小さく、且つ、レール圧が比較的低い範囲は、電子制御により車両の動作制御が行われるよう構成された近年の車両においては、車両動作制御に用いられる電子制御ユニットの自己故障診断等が実行される領域に設定されているものがあり、このような車両においては、この領域は、レール圧制御が実質的に不可能となっている。
しかしながら、本発明の実施の形態における圧力制御弁１１を用いた場合には、既に述べたように車両走行に必要な最低限のレール圧が確保されるため、レール圧制御が実質的に可能なものとなる。

レール圧制御のさらなる信頼性、安全性が所望されるコモンレール式燃料噴射制御装置に適する。

１…コモンレール
１１…圧力制御弁
２１…流入通路
２２…流出通路
３３…励磁コイル
４５…押圧ばね
４０…弁座
４３…弁体

Claims (3)

1. 励磁コイルの通電によって弁体を弁座方向へ押圧可能として前記弁座が形成された流入通路から流出通路へ流通する高圧燃料の圧力を制御可能に構成されてなるコモンレール式燃料噴射制御装置用圧力制御弁であって、
   前記弁体を前記弁座方向へ押圧する押圧ばねを設け、当該押圧ばねは、前記流入通路から流入した高圧燃料の圧力が所定の低圧を超えた場合に、前記弁体の前記弁座からの離間を可能とする初期設定荷重が設定されてなる一方、
   前記励磁コイルが設けられる磁性材は、磁気ヒステリシス特性を有し、当該磁気ヒステリシス特性は、前記励磁コイルの通電流が所定の小電流域にある場合、前記弁体を前記弁座へ押圧する押圧力を生じない不感帯を有し、前記不感帯の範囲は、前記初期設定荷重によるレール圧が定まる範囲に対応し、かつ、車両動作制御に用いられる電子制御ユニットの自己故障診断が実行される領域に対応するよう選定されたものであることを特徴とするコモンレール式燃料噴射制御装置用圧力制御弁。
2. 初期設定荷重は、リンプホーム走行を可能とするレール圧の確保を可能とする大きさに設定されてなることを特徴とする請求項１記載のコモンレール式燃料噴射制御装置用圧力制御弁。
3. 磁性材による励磁コイルの不感帯は、押圧ばねの初期設定荷重により弁体の弁座からの離間を可能とする高圧燃料の圧力が定まる範囲に対応して設定されてなることを特徴とする請求項２記載のコモンレール式燃料噴射制御装置用圧力制御弁。

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