JP5942797B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

本発明は、燃料を内燃機関の燃焼室に噴射する燃料噴射弁に関するものである。

従来の燃料噴射弁は、ノズルニードルに閉弁向きの燃料圧力を作用させるニードル制御室を備え、ニードル制御室の燃料圧力を制御することにより、ノズルニードルを開弁作動または閉弁作動させるようになっている（例えば、特許文献１参照）。

具体的には、高圧部の高圧燃料をニードル制御室に供給する高圧供給通路が、ニードル制御室内に配置された高圧制御弁により開閉されるようになっている。この高圧制御弁は、ニードル制御室の圧力により高圧供給通路を閉じる向きに付勢される。

そして、高圧制御弁を開弁（すなわち、高圧供給通路が開）させてニードル制御室の燃料圧力を上げることにより、ノズルニードルが閉弁向きに移動して噴孔が閉じられる。

一方、ニードル制御室の燃料を外部の低圧部に排出させる排出通路が、排出制御弁によって開閉されるようになっている。

そして、排出制御弁を開弁（すなわち、排出通路を開）させてニードル制御室の燃料圧力を下げることにより、ノズルニードルが開弁向きに移動して噴孔が開かれ、燃料が噴孔から内燃機関の燃焼室に噴射される。

また、排出制御弁を閉弁（すなわち、排出通路を閉）させると、高圧制御弁が開弁してニードル制御室の燃料圧力が上がり、ノズルニードルが閉弁向きに移動して噴孔が閉じられる。

この排出制御弁の作動は、ＥＣＵにより制御される。より詳細には、ＥＣＵは、内燃機関の運転状態に基づいて噴射指令期間を算出して排出制御弁に駆動信号を出力する。なお、噴射指令期間は排出制御弁への駆動信号出力時間に相当する。そして、排出制御弁は駆動信号を受けている間は開弁し、その間は燃料が噴射される。

特表２００９−５２８４８０号公報

しかしながら、排出制御弁が開弁してノズルニードルがフルリフトした後に、ニードル制御室の圧力が低下、高圧制御弁が開弁、ニードル制御室の圧力が復帰、高圧制御弁が閉弁、の作動を繰り返すために、高圧制御弁の位置が安定しない。

したがって、排出制御弁が閉弁した際の高圧制御弁の位置のばらつきにより、排出制御弁が閉弁してからノズルニードルが閉弁向きに移動を開始するまでの時間がばらついてしまい、噴射指令期間と実噴射量の線形性が悪化するという問題があった。

本発明は上記点に鑑みて、噴射指令期間と実噴射量の線形性を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、高圧燃料を貯留するコモンレール（３）から供給された高圧燃料を内燃機関の燃焼室に噴射するための噴孔（４１２）を有するノズルボデー（４１）と、ノズルボデー内で往復動して噴孔を開閉するノズルニードル（４３）と、高圧燃料が常時供給されるとともにノズルニードルに開弁向きの燃料圧力を作用させる燃料溜まり室（４１３）と、ノズルニードルに閉弁向きの燃料圧力を作用させるニードル制御室（４６）と、ニードル制御室の燃料を外部の低圧部に排出させる排出通路（４１６）と、排出通路を開閉する排出制御弁（４７）と、高圧燃料をニードル制御室に供給する高圧供給通路（４１５）と、ニードル制御室内に配置され、ニードル制御室と排出通路とを連通させる低圧連通路（４８１）が形成されるとともに、ニードル制御室の圧力により高圧供給通路を閉じる向きに付勢される高圧制御弁（４８）と、ノズルニードルがフルリフト位置にあるときに、ニードル制御室と燃料溜まり室とを連通させて高圧制御弁の閉弁状態を維持する連通手段（４３３、４４１）とを備えることを特徴とする。

これによると、連通手段を備えることにより、ノズルニードルがフルリフト位置にあるときのニードル制御室の圧力低下が防止されるため、高圧制御弁は閉弁位置に留まる。

したがって、排出制御弁が閉弁した際の高圧制御弁の位置のばらつきがなくなり、ひいては、排出制御弁が閉弁してからノズルニードルが閉弁向きに移動を開始するまでの時間のばらつきがなくなるため、噴射指令期間と実噴射量の線形性が向上する。

なお、この欄および特許請求の範囲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。

本発明の第１実施形態に係る燃料噴射弁を備える燃料噴射装置の構成を示す図である。 図１の燃料噴射弁の開弁状態を示す要部の図である。 図１のノズルニードルのリフト量および図１の高圧制御弁の挙動を示す図である。 図１の燃料溜まり室とニードル制御室が連通し始めるときのノズルニードルのリフト量とリターン燃料量との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料噴射弁を備える燃料噴射装置の構成を示す図である。 図５の燃料噴射弁の開弁状態を示す要部の図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１に示すように、燃料噴射装置は、燃料を低圧状態で蓄える低圧部としての燃料タンク１、燃料タンク１から吸い上げた燃料を高圧化し吐出する燃料ポンプ２、燃料ポンプ２から吐出された燃料を貯留するコモンレール３、コモンレール３から供給された高圧燃料を多気筒圧縮着火式内燃機関（以下、内燃機関という。図示せず）の燃焼室に噴射させる燃料噴射弁４、内燃機関の運転状態に基づいて噴射指令期間を算出して燃料噴射弁４に駆動信号を出力するＥＣＵ５を備えている。

燃料噴射弁４には、高圧配管６を介してコモンレール３から高圧燃料が供給され、燃料噴射弁４内のリーク燃料は、低圧配管７を介して燃料タンク１に戻されるようになっている。

燃料噴射弁４は、略円筒状のノズルボデー４１を備え、ノズルボデー４１の一端側にはテーパ状の弁座４１１が形成され、この弁座４１１に、高圧燃料を内燃機関に噴出させる噴孔４１２が開口している。

ノズルボデー４１内には、コモンレール３から高圧燃料が常時供給される燃料溜まり室４１３が形成され、コモンレール３からの高圧燃料は燃料溜まり室４１３を介して噴孔４１２に向かって流れるようになっている。

燃料溜まり室４１３には、略円柱状のノズルニードル４３、円筒状のシリンダ４４、およびノズルスプリング４５が配置されている。

ノズルニードル４３はノズルボデー４１に摺動自在に挿入されている。ノズルニードル４３の一端側にはテーパ状のシート部４３１が形成され、ノズルニードル４３の往復動に伴ってシート部４３１が弁座４１１に接離することにより、噴孔４１２が開閉される。なお、シート部４３１と弁座４１１との当接部よりも下流側にサック部４１４が形成され、このサック部４１４に噴孔４１２が接続されている。

ノズルニードル４３の他端側には円柱状のピストン部４３２が形成され、このピストン部４３２がシリンダ４４に摺動自在に挿入されている。また、ノズルニードル４３は、燃料溜まり室４１３の燃料の圧力によって開弁向きに付勢されるようになっている。

シリンダ４４内にはニードル制御室４６が区画形成され、このニードル制御室４６には、ノズルボデー４１に形成された高圧供給通路４１５を介してコモンレール３からの高圧燃料が供給されるようになっている。そして、ニードル制御室４６の燃料の圧力がピストン部４３２に作用し、その燃料の圧力によりノズルニードル４３が閉弁向きに付勢されるようになっている。

ノズルボデー４１には、ニードル制御室４６の燃料を燃料タンク１側に排出させる排出通路４１６、および排出制御弁４７が収容される弁室４１７が形成され、排出通路４１６は、弁室４１７および低圧配管７を介して燃料タンク１に接続されている。

排出制御弁４７は、排出通路４１６を開閉する弁体４７１、ＥＣＵ５から駆動電流が供給されると電磁力を発生して弁体４７１を開弁向きに吸引するソレノイド４７２、および弁体４７１を閉弁向きに付勢するバルブスプリング４７３を備えている。

ノズルボデー４１には、燃料溜まり室４１３と弁室４１７とを仕切る仕切り板部４１８が形成されている。そして、ノズルスプリング４５は、ノズルニードル４３とシリンダ４４とに挟持されて、ノズルニードル４３を閉弁向きに付勢するとともに、シリンダ４４を仕切り板部４１８に押し付けている。

ニードル制御室４６内には、高圧供給通路４１５を開閉する高圧制御弁４８が配置されている。この高圧制御弁４８は、ニードル制御室４６の圧力により高圧供給通路４１５を閉じる向きに付勢されている。また、高圧制御弁４８には、ニードル制御室４６と排出通路４１６とを常時連通させる低圧連通路４８１が形成されている。この低圧連通路４８１の有効流路断面積は、排出通路４１６の有効流路断面積よりも小さく設定されている。

ノズルニードル４３のピストン部４３２には、ピストン部４３２におけるニードル制御室４６側の端面と外周面とを連通させるノズル高圧連通路４３３が形成されている。

シリンダ４４には、その内周面と外周面とを連通させるシリンダ高圧連通路４４１が形成されている。なお、ノズル高圧連通路４３３およびシリンダ高圧連通路４４１は、本発明の連通手段を構成している。

そして、ノズルニードル４３が閉弁位置にあるときには、ノズル高圧連通路４３３とシリンダ高圧連通路４４１は連通しない位置関係になっている。

一方、図２に示すように、ノズルニードル４３が少なくともフルリフト位置にあるとき、より詳細には、ノズルニードル４３が中間リフト位置からフルリフト位置にあるときには、ノズル高圧連通路４３３とシリンダ高圧連通路４４１が連通するようになっている。

これにより、ノズルニードル４３が中間リフト位置からフルリフト位置にあるときには、ノズル高圧連通路４３３およびシリンダ高圧連通路４４１を介して、燃料溜まり室４１３とニードル制御室４６が連通状態になる。

次に、上記構成になる燃料噴射装置の作動を説明する。燃料ポンプ２は内燃機関により駆動されて、燃料タンク１から吸い上げた燃料を高圧にして蓄圧器２に供給する。また、コモンレール３内の燃料圧力が目標圧力になるように、燃料ポンプ２の燃料吐出量が制御される。

まず、ソレノイド４７２への通電が停止されると、バルブスプリング４７３に付勢される弁体４７１により排出通路４１６が閉じられ、排出制御弁４７が閉弁する。

そして、排出制御弁４７の閉弁により、ニードル制御室４６の圧力が低圧連通路４８１を介して排出通路４１６に伝わり、排出通路４１６の圧力が上昇する。これにより、高圧制御弁４８は、仕切り板部４１８から離れ、高圧供給通路４１５を開いて開弁する。

この高圧制御弁４８の開弁により、高圧供給通路４１５からニードル制御室４６へ燃料が流入し、ニードル制御室４６の圧力が回復することで、ノズルニードル４３は閉弁向きに移動し始める。そして、シート部４３１が弁座４１１に当接して噴孔４１２が閉じられ、燃料噴射が終了する。

次に、ソレノイド４７２に通電されると、弁体４７１がソレノイド４７２に吸引されて排出通路４１６が開かれ、排出制御弁４７が開弁する。そして、ニードル制御室４６の燃料は、低圧連通路４８１、排出通路４１６、弁室４１７、および低圧配管７を介して燃料タンク１に戻され、ニードル制御室４６の圧力が低下する。

この際、高圧制御弁４８は、ニードル制御室４６の圧力により仕切り板部４１８に押し付けられ、高圧供給通路４１５を閉じて閉弁する。この高圧制御弁４８の閉弁により、高圧供給通路４１５からニードル制御室４６への燃料の流入を遮断して、低圧配管７に流出する燃料量を低減する。

そして、排出制御弁４７の開弁によりニードル制御室４６の圧力がノズルニードル４３の開弁圧まで低下すると、ノズルニードル４３がノズルスプリング４５に抗してリフトを開始し、シート部４３１が弁座４１１から離れて噴孔４１２が開かれ、噴孔４１２からの燃料噴射が開始される。ノズルニードル４３のリフトに伴ないニードル制御室４６の圧力が回復し、ノズルニードル４３のリフト期間中はニードル制御室４６の圧力が所定圧以上に維持され、高圧制御弁４８の閉弁状態が維持される。

ここで、連通手段（ノズル高圧連通路４３３およびシリンダ高圧連通路４４１）を備えていない場合は、以下述べるようにノズルニードル４３がフルリフトまで達するような噴射指令期間となる高負荷運転領域において、高圧制御弁４８のハンチングが発生する（図３参照）。

すなわち、ソレノイド４７２に通電されてノズルニードル４３がフルリフトに達すると、ニードル制御室４６の圧力は低下し始め、高圧制御弁４８を閉弁向きに付勢する力は弱くなる。高圧制御弁４８は、高圧供給通路４１５から開弁向きの力を受けており、ニードル制御室４６の圧力が所定圧未満まで低下してニードル制御室４６側からの力が小さくなったところで、高圧供給通路４１５を開いて開弁する。

高圧供給通路４１５が開かれるとニードル制御室４６の圧力が回復し、高圧制御弁４８は再度高圧供給通路４１５を閉塞する。このように、ノズルニードル４３がフルリフトのまま保持されると、高圧制御弁４８の開閉作動が繰り返し発生する（すなわちハンチングが発生する）。

次に、ソレノイド４７２への通電を停止すると、排出制御弁４７が閉弁し、ノズルニードル４３は閉弁向きに移動を開始する。

このとき、高圧制御弁４８のハンチングが発生していると、排出制御弁４７が閉弁した際の高圧制御弁４８の位置のばらつきにより、排出制御弁４７が閉弁してからノズルニードル４３が閉弁向きに移動を開始するまでの時間がばらついてしまう。

その結果、ノズルニードル４３がフルリフトまで達するような噴射指令期間となる高負荷運転領域において、噴射指令期間と実噴射量の線形性が悪化してしまう。

これに対し、本実施形態では、連通手段（ノズル高圧連通路４３３およびシリンダ高圧連通路４４１）を備えることにより、以下述べるようにノズルニードル４３がフルリフトまで達するような噴射指令期間となる高負荷運転領域において、高圧制御弁４８のハンチングが発生せず（図３参照）、噴射指令期間と実噴射量の線形性が向上する。

すなわち、ノズルニードル４３がフルリフト位置にあるときには、ノズル高圧連通路４３３とシリンダ高圧連通路４４１が連通し、ノズル高圧連通路４３３およびシリンダ高圧連通路４４１を介して燃料溜まり室４１３とニードル制御室４６が連通状態になり、ニードル制御室４６の圧力低下が防止される。このようにしてニードル制御室４６の圧力を所定圧以上に維持することにより、高圧制御弁４８の閉弁状態が維持され、高圧制御弁４８のハンチングが防止される。

したがって、排出制御弁４７が閉弁した際の高圧制御弁４８の位置のばらつきがなくなり、ひいては、排出制御弁４７が閉弁してからノズルニードル４３が閉弁向きに移動を開始するまでの時間のばらつきがなくなるため、噴射指令期間と実噴射量の線形性が向上する。

ところで、燃料溜まり室４１３とニードル制御室４６が連通し始めるときのノズルニードル４３のリフト量が小さいほど、低圧配管７に流出するリターン燃料量が増加する。そして、そのリターン燃料量が増加するとポンプ仕事が増加し、燃費が悪化する。

一方、ノズルニードル４３が少なくともフルリフト位置にあるときに、燃料溜まり室４１３とニードル制御室４６が連通していれば、高圧制御弁４８のハンチングを防止することができる。

図４は、燃料溜まり室４１３とニードル制御室４６が連通し始めるときのノズルニードル４３のリフト量を種々設定したときの、リターン燃料の量を示している。この図４によると、燃料溜まり室４１３とニードル制御室４６が連通し始めるときのノズルニードル４３のリフト量を、フルリフトの８０％以上に設定することにより、高圧制御弁４８のハンチングを防止しつつ、リターン燃料の量を低減することができる。

また、本実施形態では、低圧連通路４８１の有効流路断面積をＣＡｏｕｔ、ノズル高圧連通路４３３およびシリンダ高圧連通路４４１の有効流路断面積をＣＡｉｎ、ノズルスプリング４５のセット荷重をＦ、ノズルニードル４３におけるニードル制御室４６の圧力を受ける部位の面積をＡ、コモンレール３内の圧力をＰｃ、高圧制御弁４８が開弁するときのニードル制御室４６の圧力をＰｏとしたとき、〔Ｐｏ／（Ｐｃ−Ｐｏ）〕^1/2×ＣＡｏｕｔ＜ＣＡｉｎ＜（Ａ／Ｆ×Ｐｃ−１）^1/2×ＣＡｏｕｔ、にしている。

これにより、ノズルニードル４３がフルリフト位置にあるときに、高圧制御弁４８の閉弁状態が維持され、且つ、ノズルニードル４３の開弁状態が維持されるように、ニードル制御室４６の圧力を制御することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。以下、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図５、図６に示すように、シリンダ４４は、シリンダ高圧連通路４４１（図１参照）が廃止されている。

ノズルニードル４３のピストン部４３２には、ピストン部４３２におけるニードル制御室４６側と燃料溜まり室４１３とを連通させるノズル高圧連通路４３４が形成されると共に、ノズル高圧連通路４３４を開閉するチェック弁５０が配置されている。なお、ノズル高圧連通路４３４およびチェック弁５０は、本発明の連通手段を構成している。

チェック弁５０は、ノズル高圧連通路４３４を開閉する弁体５０１と、弁体５０１を閉弁向きに付勢するチェック弁スプリング５０２とを備え、ニードル制御室４６の圧力が燃料溜まり室４１３の圧力よりも所定値以上低くなったときに開弁して、ニードル制御室４６側と燃料溜まり室４１３とを連通させるようになっている。より詳細には、ニードル制御室４６の圧力が、高圧制御弁４８の閉弁状態が維持され且つノズルニードル４３の開弁状態が維持される圧力になるように、チェック弁５０の開弁圧が設定されている。

上記構成において、ノズルニードル４３のフルリフト後にニードル制御室４６の圧力が低下しても、高圧制御弁４８が開弁する前にチェック弁５０が開弁することで、ノズル高圧連通路４３４を介して燃料溜まり室４１３とニードル制御室４６が連通状態になり、ニードル制御室４６の圧力低下が防止される。そして、ニードル制御室４６の圧力を所定圧以上に維持することにより、高圧制御弁４８の閉弁状態が維持され、高圧制御弁４８のハンチングが防止される。

したがって、排出制御弁４７が閉弁した際の高圧制御弁４８の位置のばらつきがなくなり、ひいては、排出制御弁４７が閉弁してからノズルニードル４３が閉弁向きに移動を開始するまでの時間のばらつきがなくなるため、噴射指令期間と実噴射量の線形性が向上する。

（他の実施形態）
上記各実施形態は、実施可能な範囲で任意に組み合わせが可能である。

また、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。

また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。

３ コモンレール
４１ ノズルボデー
４３ ノズルニードル
４６ ニードル制御室
４７ 排出制御弁
４８ 高圧制御弁
４１２ 噴孔
４１３ 燃料溜まり室
４１５ 高圧供給通路
４１６ 排出通路
４３３ ノズル高圧連通路（連通手段）
４４１ シリンダ高圧連通路（連通手段）
４８１ 低圧連通路

Claims (4)

1. 高圧燃料を貯留するコモンレール（３）から供給された高圧燃料を内燃機関の燃焼室に噴射するための噴孔（４１２）を有するノズルボデー（４１）と、
   前記ノズルボデー内で往復動して前記噴孔を開閉するノズルニードル（４３）と、
   高圧燃料が常時供給されるとともに前記ノズルニードルに開弁向きの燃料圧力を作用させる燃料溜まり室（４１３）と、
   前記ノズルニードルに閉弁向きの燃料圧力を作用させるニードル制御室（４６）と、
   前記ニードル制御室の燃料を外部の低圧部に排出させる排出通路（４１６）と、
   前記排出通路を開閉する排出制御弁（４７）と、
   高圧燃料を前記ニードル制御室に供給する高圧供給通路（４１５）と、
   前記ニードル制御室内に配置され、前記ニードル制御室と前記排出通路とを連通させる低圧連通路（４８１）が形成されるとともに、前記ニードル制御室の圧力により前記高圧供給通路を閉じる向きに付勢される高圧制御弁（４８）と、
   前記ノズルニードルがフルリフト位置にあるときに、前記ニードル制御室と前記燃料溜まり室とを連通させて前記高圧制御弁の閉弁状態を維持する連通手段（４３３、４４１）とを備えることを特徴とする燃料噴射弁。
2. 前記ニードル制御室を区画形成するとともに前記ノズルニードルが摺動自在に挿入されるシリンダ（４４）を備え、
   前記連通手段は、前記ノズルニードルおよび前記シリンダに形成されて、前記ノズルニードルが閉弁位置にあるときには前記燃料溜まり室と前記ニードル制御室との連通を遮断し、前記ノズルニードルが中間リフト位置からフルリフト位置にあるときには前記燃料溜まり室と前記ニードル制御室とを連通させる高圧連通路（４３３、４４１）を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
3. 前記ノズルニードルを閉弁向きに付勢するノズルスプリング（４５）を備え、
   前記低圧連通路の有効流路断面積をＣＡｏｕｔ、
   前記高圧連通路の有効流路断面積をＣＡｉｎ、
   前記ノズルスプリングのセット荷重をＦ、
   前記ノズルニードルにおける前記ニードル制御室の圧力を受ける部位の面積をＡ、
   前記コモンレール内の圧力をＰｃ、
   前記高圧制御弁が開弁するときの前記ニードル制御室の圧力をＰｏとしたとき、
   〔Ｐｏ／（Ｐｃ−Ｐｏ）〕^１／２×ＣＡｏｕｔ＜ＣＡｉｎ＜（Ａ／Ｆ×Ｐｃ−１）^１／２×ＣＡｏｕｔ、であることを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射弁。
4. 前記連通手段は、前記ノズルニードルのリフト量がフルリフトの８０％以上の領域で、前記ニードル制御室と前記燃料溜まり室とを連通させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料噴射弁。

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