JPH01195969A - 内燃機関の燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はディーゼルエンジン等の内燃機関に使用される
燃料噴射弁に関し、特に、その燃料噴射特性や針弁の移
動特性を改善した燃料噴射弁を対象としている。

［従来の技術］ 一般ニ、この種の燃料噴射弁では、エンジンの燃焼性能
を高めるために、燃料噴射圧力を高くすることが望まし
く、そのためには開弁圧力を高（設定することが必要で
ある。一方、針弁や弁座の耐久性を高めるためには、閉
弁圧力を低く設定し、針弁が弁座に着座する際の衝撃を
小さくすることが必要である。

このような条件を満たす技術としては、実公昭５３−６
４８号に記載の構造がある。その構造では、ノズルスプ
リングのばね受けを利用して油圧ダンパーを構成し、閉
弁動作において針弁に及ぼされる力を油圧ダンパーによ
り制限するようになっている。

〔発明が解決しようとする課題］ ところがこの構造では、油圧ダンパー用の油圧室として
、燃料通路の途中に容積の広い部分を設ける必要があり
、その部分が燃料に対して蓄圧作用を及ぼす。そのため
に、燃料噴射弁に供給される燃料の圧力変化（入口圧力
の変化）と噴口での実際の噴射動作との間に時間的なず
れが生じ、噴射動作を正確に制御することが困難な場合
がある。

又、前述の条件を満たす技術としては、特開昭６０−１
２２２６９号に記載の構造もある。この構造では、燃料
油圧により付勢される差動ピストン（プランジャー）を
設け、主に開弁動作だけにおいて差動ピストンから針弁
に対して閉鎖方向の力が（すなわち開弁開始圧力を高め
るための力）が効果的に及ぼされるようになっている。

ところが、この特開昭６０−１２２２６９号に記載の構
造では、開弁開始と同時に噴射率が急激に増加するよう
になっており、初期段階で噴射率の低い噴射動作を行う
ようにはなっていない。従って、エンジンの燃焼特性を
充分に改善することができない。

更にこの構造では、上述の如く開弁開始と同時に噴射率
を急増させるために、開弁動作において、針弁上昇にと
もなう燃料通路の容積増加を、差動ピストンの燃料通路
内への突出による燃料通路の容積減少により相殺するよ
うに構成されている（公開公報４７７頁右下欄１６行〜
２０行）。

ところがこの構造によると、上述の相殺作用を効果的に
実現するためには、以下に詳細に説明するように、燃料
通路の容積を広げることが必須となる。

すなわち、上記従来技術構造でも、主要な閉鎖力付加手
段としてノズルスプリングが設けてあり、差動ピストン
はいわゆる補助的な閉鎖力付加手段であるので、その断
面積（受圧面積）は針弁の断面積よりも充分に小さく（
本件発明者が本発明に関連して検討した結果では例えば
約１／２以下）程度にする必要があり、差動ピストンの
断面積を針弁の断面積に近い値に設定すると、針弁を弁
座から離すことが不可能になる。このように針弁と差動
ピストンとの受圧面積に差が生じ、従って両者の移動容
積にも差が生じることは避けられない。

このように大きい容積差が生じるにもかかわらず、前述
の如く容積変化相殺効果を得るためには、−般に、燃料
通路全体の容積を大きくし、通路全体の容積変化率（燃
料通路全体の容積に対する上記容積差の割合）をできる
だけ小さくする必要がある。

この点を考慮して特開昭６０−１２２２６９号に記載の
構造を検討すると、明細書には明確には記載されていな
いが、その図面には、作動ピストン（セントラルブラン
ジャー）の近傍において、他の通路部分よりも非常に広
い燃料通路部分を長い範囲にわたって形成した構造が記
載されている。

この図面の記載内容及び上記説明から、この従来技術で
も通路容積を広げた構造が採用されていることは明らか
であり、換言すれば、この公報に記載されたような作用
効果を得るためには、通路容積を、通路本来の輸送機能
に必要な容積よりも大幅に広く設定することが必須であ
ることは明らかである。従って、この公報記載の構造も
、前記実公昭５３−６４８号に記載の構造と同様に、大
きい容積の燃料通路が燃料に対して蓄圧作用を及ぼすの
で、噴射動作を正確に制御することが困難な場合がある
。

本発明は、上記問題を解決した構造を提供することを目
的としており、より具体的には、閉弁圧力に比べて開弁
圧力を高く設定するために差動ピストンを使用し、しか
も、噴射動作の初期段階では低噴射率の噴射動作を行う
ことができ、又、燃料通路の容積をできる限り小さくで
きる燃料噴射弁を提供することを目的としている。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明による燃料噴射弁で
は、先端にノズルボディを有する概ね筒状の弁本体組立
体を設け、弁本体組立体の内部に、ノズルボディの噴口
を開閉する針弁と、針弁を閉鎖方向に付勢するノズルス
プリングと、針弁に連結する差動ピストンと、外部の高
圧油供給通路の出口から上記噴口まで延びる燃料通路と
、針弁に開放方向の油圧を及ぼすための作動室と、差動
ピストンに針弁閉鎖方向の油圧を及ぼすための油圧室と
が設けてあり、又、上記作動室と油圧室が上記燃料通路
に連通している。更に本発明では、上述の構造において
、差動ピストンの受圧面積が針弁の受圧面積の２５％〜
６４％に設定しである。

［作用］ 上記の如く各部を構成すると、針弁開放動作の初期段階
において、針弁が燃料に対して絞り作用を及ぼしながら
全開位置から全開位置まで移動する。この動作では、差
動ピストンの油圧室に達した油圧が針弁の作動室に達す
るまでに時間的な遅れが生じ、上記油圧室の油圧が作動
室の油圧よりも高くなる。又、作動室は燃料が噴出する
噴口に近接しており、しかも、針弁の開度が次第に増加
するので（すなわち、ノズル部の流路面積や流量係数が
燃料の流通を促進する方向に変化するので）、作動室の
圧力上昇率（単位時間当りの圧力上昇値）は油圧室の圧
力上昇率よりも低い。

これらの理由等により針弁の開放動作は規制され、針弁
は比較的低速で移動する。その結果、初期段階、すなわ
ち針弁の開放開始からある時間が経過するまでは、燃料
噴射率（単位時間当りの噴射量）が低い状態で微量の燃
料が噴射される。

上記初期段階が終了して針弁が全開位置に達すると、上
記初期段階での噴射率の増加率よりも高い増加率で（す
なわち急激に）燃料噴射率が最高値まで上昇する。この
ような動作は、上記初期段階での動作の結果として生じ
る。すなわち、初期段階が終了すると、針弁の開度は増
加しない（すなわち、ノズル部の流路面積や流量係数が
燃料の流通を促進する方向には変化せず）、又、燃料通
路へ供給される燃料の油圧及び量は初期段階終了後も増
加する。しかも、初期段階が終了した段階では、それま
での針弁での絞り動作の結果、弁座よりも上流側の油圧
は高められている。それらの結果、初期段階が終了する
と、高圧の燃料が作動室を経て噴ロヘ流れ、噴口での燃
料噴射圧力及び燃料噴射率（単位時間当りの噴射量）は
所定の最大値まで急激に上昇する。

このようにして最大値まで上昇した燃料噴射圧力及び燃
料噴射率は、所定時間にわたって維持され、この動作段
階が、主噴射段階となる。

主噴射段階は、燃料噴射弁に対する・供給圧力が低下す
ることにより終了する。噴射率が上記最大値からゼロま
で下降する段階を後期噴射段階と呼ぶ。この後期噴射段
階では、油圧室の油圧とノズルスプリングの弾力とによ
り針弁は閉鎖方向へ速やかに移動させられ、その結果、
主噴射終了後は急激に燃料噴射動作が停止する。すなわ
ち、後だれの無い状態で噴射動作を終了でき乞。但し、
針弁が閉鎖位置の直前まで移動した時点では、差動ピス
トンの油圧室の油圧も著しく低下しているので、針弁は
概ねノズルスプリングの力だけで弁座に着座する。従っ
て針弁が弁座に衝突する力は小さく、その結果、針弁や
弁座の摩耗や破損は効果的に防止される。

［実施例］ 第１図において、シリンダヘッド１の燃料噴射弁取り付
は孔２にスリーブ３が固定状態で嵌め込まれており、ス
リーブ３に燃料噴射弁の弁本体組立体５が嵌め込まれて
固定されている。弁本体組立体５は全体が概ね筒状て、
その中心線Ｏ−Ｏが例えばシリンダ中心線と平行となる
姿勢で配置されている。

弁本体組立体５において、弁本体６の先端にはインター
ピース７を挾んだ状態でノズルボディ８が着座しており
、それらがケースナツト９により一体的に固定されてい
る。弁本体６の基端にはねじ孔１０が設けである。ねじ
孔１０には、その底部側に差動ピストンボディ１１（ケ
ーシング）を嵌め込んだ状態で人口金具１２のねじ部が
螺合して固定されている。人口金具１２は弁本体６から
外部へ突出しており、その突出端部に燃料高圧管１３の
出口が接続している。燃料高圧管１３の人口は図示され
ていない燃料噴射ポンプに接続している。

上記部品の外に、入口金具１２の近傍において、弁本体
６には出口金具１５が入口金具１２と平行に取り付けで
ある。出口金具１５は一端部が弁本体６のねじ孔に螺合
しており、他端が外部の漏油管１６の入口に接続してい
る。

弁本体組立体５を構成する上記各部はいずれも中心線Ｏ
−Ｏと同心又は平行に延びる筒状体である。そして、ノ
ズルボディ８の内部には針弁２０が収容され、弁本体６
の内部にはばね受け２１とその延長部２２が収容され、
差動ピストンボディ１１の内部には差動ピストン２３が
収容されている。これらの針弁２０とばね受け２１（及
びそれと一体の延長部２２）と差動ピストン２３は互い
に別体の部品で構成されており、隣接する端部において
凹凸嵌合部により同心に連結されている。

針弁２０は円錐形の先端面がノズルボディ８の内周に形
成した環状かつテーバ状の弁座２４に着座するようにな
っている。この弁座２４に対する針弁２０の開閉動作を
制御するために、ノズルスプリング２５と作動室２６及
び油圧室２７が設けである。

ノズルスプリング２５はばね受は延長部２２の周囲に設
けてあり、一端かばね受け２１に着座し、他端が弁本体
６の内周面に設けた環状段部に着座している。作動室２
６はノズルボディ８の内周面の環状四部で形成されてお
り、針弁２０の長手方向中間部を囲んでいる。針弁２０
は先端側の部分が基端側の部分よりも小径であり、画部
分の間に形成したテーバ状外周面が作動室２６に面して
いる。油圧室２７は、差動ピストンボディ１１の入口金
具１２側の端面に形成した浅い（中心線〇−〇方向の長
さの短い）円形断面の窪みで形成されている。

上記ノズルスプリング２５の弾力、ならびに、差動ピス
トン２３に対する油圧室２７内部の油圧は針弁２０を閉
鎖する方向に作用する。又、作動室２６の油圧は針弁２
０の上記テーバ状外周面に対して針弁２０を開放する方
向に作用する。

燃料通路３０は人口が燃料高圧管１３の内部通路に接続
しており、出口がノズルボディ８の先端に形成した噴口
３１に接続している。燃料通路３０は、具体的には、次
のように構成されている。

入口金具１２の中心孔は燃料高圧管１３の出口から油圧
室２７まで延びる燃料通路部分を形成している。差動ピ
ストンボディ１１の外周寄りの部分には、油圧室２７か
ら弁本体６との接合面まで延びる通路孔が形成されてい
る。弁本体６、インターピース７、ノズルボディ８の外
周寄りの部分には、差動ピストンボディ１１内の上記通
路に接続して上記作動室２６まで延びる一連の通路孔が
形成されている。又、油圧室２７よりも下流側の通路部
分は、ノズルボディ８の内周と針弁２０の上記小径部の
間の環状の隙間と、弁座２４と針弁２０との間の隙間、
ならびに、ノズルボディ８先端部の内部空間（サック部
３２）により形成されている。

上述の燃料噴射弁にでは、前述の如く、針弁２０に対し
て閉鎖方向の力を加えるための手段として差動ピストン
２３とノズルスプリング２５が設けてあり、ノズルスプ
リング２５を主要な閉鎖力付加手段として場合、差動ピ
ストン２３は補助的な閉鎖力付加手段を構成している。

従って、油圧室２７内の加圧燃料から差動ピストン２３
に加わるピストン閉鎖方向の力は、作動室２６内等の加
圧燃料から針弁２０に加わる開放方向の力に対して、充
分に小さくする必要がある。又、差動ピストン２３を、
後述するごとく有効に作動させるためには、差動ピスト
ン２３の受圧面積をある程度大きくする必要がある。

この点を考慮して本件発明者はシミュレーション計算モ
デルに基づいて検討を行った。それによると、図示の実
施例の如く、差動ピストン２３が全長にわたって一定の
直径の円柱体であり、その一端面だけが油圧室２７に而
している構造では、差動ピストン２３の直径を針弁２０
のステム部（ばね受け２１側の針弁大径部）の直径の５
０％〜８０％にすると、上記構成の噴射弁が有効に作動
することが分かった。

すなわち、差動ピストン２３の受圧面積を針弁２０の受
圧面積の２５％〜６４％に設定すると、上記構成の噴射
弁を有効に作動させることできる。

上記構造によると、第２図にその時間と噴射率の関係を
示す如く、初期段階Ｔｌ　　（時間的区間）では、比較
的低い噴射率で燃料噴射が行われる。

それに続く主噴射段階Ｔ２では、噴射率が急激に上昇し
て所定の最高値に達し、その状態が継続する。後期噴射
段階Ｔ３では、噴射率が急激に下降して噴射が停止する
。

この動作を具体的に説明すると以下の通りである。

針弁開放動作の初期段階Ｔ１において、針弁２０が燃料
に対して絞り作用を及ぼしながら全閉位置（先端が弁座
２４に着座する位置）から全開位置（針弁２０の大径基
端部がインターピース７の端面に当接する位置）まで移
動する。この動作では、燃料高圧管１３に近い油圧室２
７の油圧の方が作動室２６の油圧よりも時間的に先行し
て上昇し、同一の時間では、油圧室２７の油圧が作動室
２６の油圧よりも高くなる。又、作動室２６は噴゛口３
１に近接している。しかも、針弁２０の開度が次第に増
加するので、作動室２６の圧力上昇率（単位時間当りの
圧力上昇値）は油圧室２７の圧力上昇率よりも低い。

これらの理由等により針弁２０の開放動作は規１１され
、比較的低速で移動する。その結果、初期段階では低い
噴射率で噴射が行われる。但し、噴射圧力はノズルスプ
リング２５の弾力と差動ピストン２に加わる油圧荷重と
の和に対応するので・従来のように、差動ピストン２３
を備えていない装置、すなわち、ノズルスプリングだけ
で針弁を閉鎖する構造に比べ、一般に、噴射開始時に噴
口３１へ供給される燃料の圧力は高くなり、高圧で燃料
が噴射される。

上記初期段階Ｔ１が終了して針弁２ｏが全開位置に達す
ると、針弁２０の開度は増加しない（すなわち、ノズル
部の流路面積や流量係数が燃料の流通を促進する方向に
は変化せず）、又、燃料高圧管１３から供給される燃料
の油圧及び量はその後も増加する。しかも、初期段階Ｔ
Ｉが終了した段階では、それまでの針弁２０での絞り動
作の結果、針弁２０よりも上流側の油圧は高められてい
る。それらの結果、初期段階Ｔ１が終了すると、高圧の
燃料が噴口３１へ流れ、噴口３１での燃料噴射圧力及び
燃料噴射率は所定の最大値まで急激に上昇し、所定時間
にわたって維持される。

主噴射段階Ｔ２は、燃料噴射弁に対する供給圧力が低下
することにより終了する。この段階では、油圧室２７の
油圧とノズルスプリング２５の弾力とにより針弁２０は
閉鎖方向へ速やかに移動させられ、その結果、主噴射終
了後は急激に燃料噴射動作が停止する。すなわち、後だ
れの無い状態で噴射動作を終了できる。但し、針弁２０
が閉鎖位置の直前まで移動した時点では、油圧室２７の
油圧室の油圧も著しく低下しているので、針弁２０は概
ねノズルスプリング２５の力だけで弁座２４に着座する
。従って針弁２０が弁座２４に衝突する力は小さく、そ
の結果、針弁２０や弁座２４の摩耗や破損は効果的に防
止される。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明では、第２図に示す前述の噴
射率変化特性を得ることができ、又、噴射圧力を高める
ことができる。しかも、閉弁動作における針弁２０と弁
座２４との衝突力を小さく設定できる。従って、エンジ
ンの運転性能を向上させることができ、しかも耐久性に
優れた燃料噴射弁を得ることができる。

又、燃料噴射動作の初期段階で低噴射率の燃料噴射を行
うようにしたので、前記特願昭６０−１２２２６９号に
記載の構造のように、噴射動作の開始と同時に噴射率を
急激に上昇させるための構造（すなわち、通路全体の容
積を増大させて容積相殺効果を得るための工夫）は不要
であり、その結果、本発明では、燃料通路全体の容積を
、通路抵抗などに悪影響が出ない範囲で極力小さくして
通路による蓄圧作用を排除し、噴射動作を正確に制御す
ることが可能となる。

［別の実施例］ 上述の構造では、針弁開閉方向（中心線Ｏ−０と平行な
方向）に延びる延長部２２と差動ピストン２３とが別体
の部品で形成されている。両者は簡単な構造の凹凸嵌合
部で連結されており、差動ピストン２３は延長部２２か
ら針弁開閉方向に離れ得る状態にある。又、差動ピスト
ン２４はをばね受け２１とその延長部２２を挾んで針弁
２０と反対側に位置している。このような構造を、溢流
型噴射装置に採用すると、噴射動作の応答性に関して次
のような不具合が生じる可能性もある。

すなわち、溢流型噴射装置では必然的に吸戻行程が存在
する。そのために、第１図の構造をそのまま使用すると
、吸戻行程において油圧室２７が負圧状態となり、差動
ピストン２３が単独で入口金具１２側へ浮き上がってし
まい、その状態で次の燃料噴射サイクルが開始される。

その結果、油圧室２７に燃料の圧力波が到達しても、そ
の直後は、差動ピストン２３が延長部２２側へ空走する
だけであり、差動ピストン２３が延長部２２に連結した
後でなければ、差動ピストン２３は実質的な燃料燃料制
御動作を開始しない。従って、外部からの燃料供給動作
に対する針弁２ｏの開放動作に遅れが生じ、又、このよ
うな遅れは、特に高速運転状態において問題となる。

その様な問題を解決するためには、第１ａ図の構造を採
用する。

第１ａ図において、差動ピストン２３に面する入口金具
１２の端面中央部には、環状の切り欠き２８が設けてあ
り、その切り欠き２８と油圧室２７とに補助スプリング
２９（圧縮コイルスプリング）が設けである。補助スプ
リング２９は弱い圧縮コイルスプリングで、両端が差動
ピストン２３の端面と切り欠き２８の環状底部（段部）
とにそれぞれ着座しており、上述の如く差動ピストン２
３が延長部２２から離れて浮き上がることを防止する。

従って、第１ａ図の構造では、燃料噴射ポンプからの燃
料供給動作に対して針弁２ｏの動作に遅れが生じること
を防止できる。

第３図の実施例では、差動ピストン２３の長手方向中間
部に環状の段部３５が設けてあり、段部３５よりもばね
受は延長部２２側の部分が油圧室２７（第１油圧室）側
の部分よりも大径となっている。油圧室３６は段部３５
の周囲に形成してあり、その近傍の燃料通路３ｏに接続
している。又、差動ピストン２３の人口金具１２側の端
面が対向する室３７は接続油路３８を介して漏油油路３
９に接続している。

この構造では、油圧室３６から差動ピストン２３の上記
環状段部３５の環状面に加わる油圧が針弁閉鎖方向に作
用する。より厳密には、図示の実施例では、段部３５の
内周に連続する部分（差動ピストン２３の中間部）が、
入口金具１２側の部分よりも僅かに小径であり、上記入
口金具側部分と上記中間部の間にも半径方向幅の非常に
狭い環状段部が形成されている。従って、その狭い段部
の環状面に加わる針弁開放方向の油圧荷重と段部３５の
環状面に加わる針弁閉鎖方向の油圧荷重との差が、実際
の針弁閉鎖方向の力となる。

この構造では、入口金具１２側の上記狭い環状面と段部
３５の環状面との差（すなわち有効受圧面積）が針弁２
０の受圧面積差の２５２６〜６４％に設定しである。

第４図の構造では、差動ピストンボディ１１がノズルボ
ディ８とインターピース７の間に設けてあり、差動ピス
トン２３は、針弁２０とばね受け２１の間に配置されて
それらに連結している。

差動ピストンボディ１１の内周には、差動ピストン１１
の長手方向中間部を囲む環状の油圧室４０が形成しであ
る。油圧室４０は外周部が燃料通路３０に連通している
。

差動ピストン２３は、ばね受け２１側の部分４１が小径
であり、針弁２０側の部分４２が大径である。又、上記
側部分４１．４２の間において、差動ピストン２３には
最も小径のくびれ部分が設けてあり、そのくびれ部分の
周囲に上記油圧室４０が形成されている。

この構造では、油圧室４０内の加圧燃料は、油圧室４０
に而する小径部分４１の環状端面を針弁開放方向に押し
、油圧室４０に面する大径部分４２の環状端面を針弁閉
鎖方向に押す。このように、差動ピストン２３の有効受
圧面積は小径部分４１と大径部分４２に環状端面の面積
差となり、その値が針弁２０の受圧面積の２５％〜６４
％に設定される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の断面図、第１ａ図は別の実施例
の断面部分図、第２図は第１図の実施例の燃料噴射弁の
噴射特性を概略的に示す示すグラフ、第３図、第４図は
それぞれ更に別の実施例の断面図である。 ５・・・弁本体組立体、６・・・弁本体、８・・・ノズ
ルボディ、２０・・・針弁、２３・・・差動ピストン、
２５・・・ノズルスプリング、２６・・・作動室、２７
・・・油圧室、３０・・・燃料通路、３１・・・噴口

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　先端にノズルボデイを有する概ね筒状の弁本体組立体
   を設け、弁本体組立体の内部に、ノズルボデイの噴口を
   開閉する針弁と、針弁を閉鎖方向に付勢するノズルスプ
   リングと、針弁に連結する差動ピストンと、外部の高圧
   油供給通路の出口から上記噴口まで延びる燃料通路と、
   針弁に開放方向の油圧を及ぼすための作動室と、差動ピ
   ストンに針弁閉鎖方向の油圧を及ぼすための油圧室とを
   設け、上記作動室と油圧室を上記燃料通路に連通させ、
   差動ピストンの受圧面積を針弁の受圧面積の２５％〜６
   ４％に設定したことを特徴とする内燃機関の燃料噴射弁
   。