JPH04252826A - 燃料噴射ポンプ - 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】 【０００１】 【産業上の利用分野】本発明はディーゼルエンジン等の
内燃機関に使用する燃料噴射ポンプに関し、詳細には電
歪体で駆動するスピル弁により燃料噴射制御を行なう電
歪式噴射制御装置を備えた燃料噴射ポンプに関する。 【０００２】 【従来の技術】内燃機関、特にディーゼルエンジンにお
いては排気ガスの性状改善やエンジン性能向上のため燃
料噴射制御の精度向上が要求されている。このため、従
来より、ソレノイド駆動の電磁スピル弁を用いてプラン
ジャの加圧行程中に溢流通路を開閉することにより燃料
噴射時期や噴射量を制御する電子制御式の燃料噴射ポン
プが考案されている。しかし、近年のディーゼルエンジ
ンの高速化，多気筒化等の傾向から燃料噴射制御精度の
一層の向上が必要とされており、電磁スピル弁以上の高
応答性を有する制御装置が要求されるようになっている
。 【０００３】そのため、高い応答性を有する電歪素子を
用いて変圧室の容積を変化させ、変圧室内の流体圧変化
によりスピル弁の弁体を駆動して溢流通路を開閉するよ
うにした電歪式噴射制御装置が開発されている。（特開
昭６３−０６５１３２号公報参照）　 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】しかし、特開昭６３−
０６５１３２号公報に見られるように、従来の燃料ポン
プの電歪式噴射制御装置では、スピル弁閉弁時には燃料
油圧力がスピル弁の弁体に作用して弁体の開弁方向に力
を加える構造になっているため、例えば燃料噴射弁の噴
射圧力が高く、スピル弁閉弁時に燃料油圧力が大きく上
昇するような場合、燃料噴射中にスピル弁が燃料油圧力
に負けて開弁してしまう問題が生じる可能性がある。 【０００５】また、同様にスピル弁開弁時には溢流通路
を通って流出する燃料油圧力がスピル弁の閉弁を阻止す
る方向に働くが、ポンプの送油率が高い場合にはこの圧
力も大きくなり、パイロット噴射を行うときにスピル弁
の閉弁動作が不安定になる問題が生じる。このため、溢
流通路の径を絞り、弁体に作用する力を低減する必要が
あったが、このように溢流通路の径を絞ると、溢流通路
を通って流れる燃料油流量を大きく設定できないため、
ポンプ自体の送油率が制限されてしまい、最大燃料噴射
量や噴射率が低下してしまう問題が生じる。 【０００６】上記問題を解決するためには、スピル弁の
弁体としてスプールを用いることが考えられるが、スプ
ール弁は構造上弁体の作動行程を大きくとる必要があり
、応答性が低下する問題があり、使用することはできな
い。本発明は上記問題に鑑み、燃料噴射圧力が高い場合
でも確実に作動し、送油率を下げることなく高い応答性
を確保できる噴射制御装置を備えた燃料噴射ポンプを提
供することを目的としている。 【０００７】 【課題を解決するための手段】本発明によれば、シリン
ダ内に形成される圧力室内の燃料を加圧する往復動プラ
ンジャと、圧力室内の加圧燃料を燃料噴射弁に供給する
噴射燃料通路と、前記圧力室とシリンダ外の低圧部とを
連通する溢流通路と、該溢流通路を開閉する制御弁と、
電圧の印加に応じて伸縮する電歪体、該電歪体の伸縮に
応じて前記制御弁を開閉駆動する流体圧力を発生する変
圧室とを備え、前記電歪体への電圧印加を制御すること
により燃料噴射制御を行なう燃料噴射ポンプにおいて、
前記制御弁は、前記流体圧力により弁座に押圧される円
筒形状弁体を備え、該弁体は弁体端面周縁部で前記弁座
に当接し前記溢流通路を閉塞すると共に、閉弁時に前記
弁体端面が前記溢流通路低圧側に面するようにしたこと
を特徴とする燃料噴射ポンプが提供される。 【０００８】 【作用】円筒形弁体と弁座との間のシールは弁体の円筒
端面周縁部で行なわれるため閉弁時上記シールにより溢
流通路が閉塞されると弁体の端面には溢流通路上流側の
燃料油圧力が作用しない。また溢流通路上流側の燃料油
圧力は弁体の側面から軸線に対して直角方向に向けて作
用するため、弁体を開弁方向に向けて押圧する力が発生
しない。 【０００９】更に上記弁体端面から、弁体と同一軸心を
有する小径円筒を延設し、ハウジングの該小径円筒側面
に対向する壁面に溢流通路下流側入口を開口させ、小径
円筒端面に燃料油が流入しないように小径円筒周囲とハ
ウジングとの間をシールすれば、制御弁開弁時にも弁体
を開弁方向に向けて押圧する力を少くでき、パイロット
噴射を行う際、開弁時に溢流通路内の圧力が高くなって
も制御弁閉弁動作を円滑に行なうことができる。 【００１０】 【実施例】次に図１から図８を用いて本発明の第１の実
施例を説明する。図１は本発明を適用した燃料噴射ポン
プの一実施例の構成を示す縦断面図である。本実施例の
燃料噴射ポンプ１は分配型ポンプで、シリンダボア２内
に摺動自在に支持されたプランジャ３は、図示しないエ
ンジンによって駆動され、エンジン回転数の２分の１の
回転数に同期して回転往復運動を行なう。 【００１１】プランジャ３はその外周に、１個の分配ポ
ート４とエンジン気筒数と同数の吸入グルーブ５とが形
成され、このプランジャ３の先端面とシリンダボア２と
の間には圧力室６が形成されている。シリンダ７及びケ
ーシング８には、低圧室９とシリンダボア２とを連通す
る吸入通路１０と、外部の各噴射弁１１をシリンダボア
２に導通可能な分配通路１２とが形成されている。この
分配通路１２はエンジン気筒数と同数設けられるととも
に、その途中にはそれぞれデリバリ弁１３が設けられて
いる。デリバリ弁１３はばね１４に抗して開放可能であ
り、逆止弁としての機能および吸戻し弁としての機能を
有する。 【００１２】従って、プランジャ３が図中左行して圧力
室６が膨張する時、すなわち吸入行程時にはいずれかの
吸入グルーブ５が吸入通路１０に導通して低圧室９内の
燃料が圧力室６に吸入され、これとは逆に、プランジャ
３が図中右行して圧力室６が圧縮される時、すなわち圧
縮行程時には、分配ポート４がいずれかの分配通路１２
に導通して圧力室６内の加圧燃料が外部に吐出される。 【００１３】なお、プランジャ３が右行し始める時期は
、噴射弁１１に噴射開始が要求される時期よりも十分に
早く、プランジャ３の右行を停止する時期は、噴射弁１
１に噴射停止が要求される時期よりも十分に遅くなるよ
うに固定されている。燃料噴射ポンプ１のケーシング８
には、本発明によるスピル弁すなわち圧力制御弁１５が
設けられており、この圧力制御弁１５により燃料噴射ポ
ンプ１　の燃料噴射開始時期、噴射量、噴射率が制御さ
れる。 【００１４】圧力制御弁１５は、本実施例においては、
電圧の印加に応じて伸縮する電歪体であるピエゾ積層体
１６と、このピエゾ積層体１６の伸縮変位を受けて変位
するピストン１７と、このピストン１７を図中上方に付
勢する皿バネ１８と、前記ピエゾ積層体１６、ピストン
１７、皿バネ１８を収納するピエゾハウジング１９と、
キャップハウジング２０と、スピル弁の弁体であるバル
ブニードル２１と、このバルブニードル２１を常に開弁
方向に付勢するスプリング２２と、バルブニードル２１
、スプリング２２を収納するバルブハウジング２３とか
ら構成されている。 【００１５】バルブハウジング２３はノックピン２４に
よりケーシング８に固定されており、圧力制御弁１５全
体はケーシング８に螺着されている。またピエゾハウジ
ング１９とピストン１７との間にはバルブニードル２１
を閉弁方向に付勢する圧力を発生する変圧室２５が形成
されている。またピストン１７は圧力室２５内に配設さ
れた皿バネ１８により変圧室２５の容積を増大する方向
に付勢されている。２６はピストン１７外周とピエゾハ
ウジング１９との間から変圧室２５内の圧力が洩れるこ
とを防止するためのＯリングである。 【００１６】ピエゾ積層体１６は、本実施例では直径１
５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの円板状のＰＺＴ素子と、直径
１５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの銅板とを交互に積層して円
板状にしたものであり、各々ＰＺＴ素子の厚み方向に並
列に電圧を印加できるようにリード線２７と銅板とが結
合されている。リード線２７はグロメット２８を介して
ピエゾハウジング１９の外部へ伸びていて、図示しない
制御回路に接続されている。 【００１７】ＰＺＴ素子はチタン酸ジルコン酸鉛を主成
分として焼成された強誘電体セラミックスであり、電歪
効果を有する代表的な素子である。その物性は、厚み方
向に５００Ｖの電圧を印加すると０．５μｍ厚みが増し
、逆に　５００Ｖの電圧が発生している時にこれをショ
ートさせると０．５μｍ厚みが減り、また厚み方向に　
２００ｋｇ／ｃｍ２　の圧力を作用させると厚み方向に
　２００Ｖの電圧が発生するというものである。 【００１８】本実施例において、ピエゾ積層体１６はＰ
ＺＴ素子を　１００枚積層して電気的に並列に結合した
ものであり、従って　５００Ｖの電圧を印加すると全体
で５０μｍの伸長が得られる。皿バネ１８により図中上
方に付勢されているピストン１７は、前記ピエゾ積層体
１６の伸縮を受けてピエゾハウジング１９内で摺動し、
変圧室２５の容積を変動させる。 【００１９】バルブニードル２１はバルブハウジング２
３内に摺動自在に配設されており、このバルブニードル
２１のケーシング８側にはスプリング室２９が形成され
ている。 また、スプリング室２９にはバルブニードル２１を常時
開弁方向に付勢するスプリング２２が挿入されていて、
このスプリング室２９はケーシング８に穿設された溢流
通路下流側（低圧室通路）３０を介して低圧室９に導通
している。 また、バルブニードル２１の図中上方には、ピエゾハウ
ジング１９に穿設された変圧室通路３１があり、ピエゾ
積層体１６が伸長し変圧室２５の容積減少に伴ない変圧
室内圧力が増大するとバルブニードル２１はシート面３
２に着座して圧力室６に通じる溢流通路上流側（圧力室
通路）３３とスプリング室２９との連通が遮断される。 さらに、バルブニードル２１の図中上方には、ピエゾハ
ウジング１９に溝３４が形成され、変圧室２５と圧力室
６は、連通通路３５によって連通している。 【００２０】図２は本実施例のバルブニードル２１の形
状を示す、バルブハウジング２３の切取図である。バル
ブニードル２１は中実の円柱形状であり、バルブハウジ
ング２３に形成されたボア内に摺動自在に配設されてお
り、変圧室２５の圧力が増大するとバルブニードル２１
の下端部のシート面３６はバルブハウジング２３に形成
された弁座のシート面３２に押圧される。 【００２１】圧力室通路３３はバルブニードル２１の側
面全周にわたって開口している。またバルブハウジング
２３の前記シート面３２の角度θ１　はバルブニードル
２１のシート面３６の角度θ２　より小さく設計されて
いる。そのためピエゾ積層体１６が伸長しバルブニード
ル２１がシート面３２に着座した時、バルブニードル端
面の周縁部３７がシート３２に当接し、この部分でシー
ルが行なわれて圧力室通路３３とスプリング室２９が遮
断される。従って閉弁時、圧力室通路３３内の圧力はバ
ルブニードル２１の半径方向にのみ作用することとなり
、バルブニードルを開弁方向に押圧する力は発生しない
。このため、圧力室通路３３の圧力が高い場合でも、バ
ルブニードル２１が弁座３２から離れることがなく、圧
力室通路３３の遮断が確実に行なわれる。 【００２２】次に、図３〜図６を用いて本実施例の作動
を説明する。図３〜図５は本実施例の作動状態を示す断
面図で、図３は吸入行程時の状態図、図４は噴射開始時
の状態図、図５は噴射終了時の状態図、図６は本実施例
の時間の経過につれての各部の動きを示した作動説明図
である。プランジャ３の吸入行程時には、図３に示され
るように、プランジャ３の吸入グルーブ５は、フィード
ポンプ（図示せず）より数気圧に加圧された燃料が供給
される吸入通路１０に導通し、プランジャ３の図中左方
向の移動とともに低圧室９の燃料を圧力室６内に吸入す
る。ここで、吸入通路１０と導通している吸入グルーブ
５と　１８０°ずれた位置になる別の吸入グルーブ５は
連通通路３５と導通しており、スプリング室２９及び変
圧室２５は図６に示されるように低圧室９と同じ圧力の
５ｋｇ／ｃｍ２　になっている。 【００２３】プランジャ３の吸入行程が終了すると、吸
入通路１０と圧力室６との連通がプランジャ３の回転に
より遮断され、連通通路３５と圧力室６との連通も同様
に遮断される。プランジャ３の圧縮行程時には、図示し
ない制御回路から　５００Ｖの噴射開始信号がピエゾ積
層体１６に印加され、図４に示されるようにピエゾ積層
体１６は伸長し、ピストン１７を皿バネ１８に抗して押
し下げて変圧室２５の容積を縮小させる。このため、変
圧室２５、圧力は図６に示されるように７０ｋｇ／ｃｍ
２　に上昇し、バルブニードル２１はシート面３２に押
しつけられて圧力室６とスプリング室２９との導通が遮
断される。この時バルブニードル２１のリフトは０．２
ｍｍであり、十分な応答性が得られる。 【００２４】圧力室６の圧力はプランジャ３の右行とと
もに上昇してゆき、噴射弁１１の開弁圧である　１６０
ｋｇ／ｃｍ２　に達すると図４に示されるように噴射を
開始する。その後、プランジャ３は右行を続けこの右行
につれて圧力室６内の圧力はさらに上昇する。ここで、
バルブニードル２１の直径ｄ１　は７ｍｍであり、変圧
室２５内の圧力は７０ｋｇ／ｃｍ２　となっている。従
って、バルブニードル２１の下方向の閉弁力Ｆ１　は、
Ｆ１　＝７０×（π／４）×（０．７）２≒２６．９ｋ
ｇｆ　となる。 【００２５】プランジャ３の噴射終了時には、制御回路
によりピエゾ積層体１６に印加されていた　５００Ｖの
印加電圧が解除され、図５に示すように、ピエゾ積層体
１６は収縮し、ピストン１７は皿バネ１８により上昇す
る。これにより、変圧室２５の容積は増加し、変圧室２
５、の圧力は、図６に示されるように７０ｋｇ／ｃｍ２
　から５ｋｇ／ｃｍ２　まで低下する。この状態では、
バルブニードル２１の閉弁力Ｆ２　はＦ２　＝５×（π
／４）×（０．７）２＝１．９ｋｇｆとなり、スプリン
グ２２のセット荷重Ｆ３（３ｋｇｆ　程度とされる）よ
り小さくなりバルブニードル２１は上方向に移動して開
弁し、圧力室６の燃料はスプリング室２９、低圧室通路
３０を経て低圧室９にスピルされ、圧力室６の圧力は低
圧室９の圧力まで低下する。 【００２６】以上のように、本実施例の燃料噴射ポンプ
１によれば、噴射開始時期はピエゾ積層体１６の伸長時
期を調整することで制御でき、噴射終了時期（噴射量）
はピエゾ積層体１６の収縮時期を調整することで制御で
きる。また、バルブニードル２１の下方向の閉弁力Ｆ１
　に対向する力はスプリング２２のセット荷重Ｆ３　と
スプリング室２９の圧力だけであり、圧力室６の圧力に
は依存しない。従って圧力室６の圧力が高い場合でもバ
ルブニードル２１に開弁方向の力が加わることがなく、
バルブニードル２１が確実に閉弁保持される。 【００２７】なお、噴射弁１１の開弁圧がそれほど高く
なく、圧力室６の圧力がそれほど高くならない場合には
、図２に示すバルブニードル２１に代えて図７に示すバ
ルブニードル２１ａを使用してもよい。バルブニードル
２１ａはシート径ｄ２　のシート３８を持ち、バルブハ
ウジング２３のシート面３２の角度θ１　に対して図中
の角度θ２，θ３　は次のような関係を持つ。 【００２８】θ３　＜θ１　＜θ２　圧力室通路３３と
スプリング室２９との遮断はシート３８及びシート面３
２が閉じることにより行われる。またシート径ｄ２　は
以下に示す関係を満たすように決める。 Ｆ１　＞Ｆ３　＋Ｆ４　＋Ｆ５　 ここで、Ｆ１　およびＦ３　は前述のバルブニードル２
１の閉弁力およびスプリング２２のセット荷重であり、
Ｆ４　および、Ｆ５　は、 Ｆ４　＝Ｐｍａｘ　×（π／４）×（０．７２−ｄ２２
）　Ｆ５　＝５×（π／４）×ｄ２２ である。ただし、ここで、Ｐｍａｘ　は圧力室９の最大
圧力であり、低圧室９の圧力は５ｋｇ／ｃｍ２　とした
。 【００２９】また、本実施例と同一構成で噴射率制御（
パイロット噴射）を行なうことも可能である。図８は噴
射率制御を行った場合の時間の経過につれての各部の動
きを示した作動説明図である。図８において、図６と異
なるのは、ピエゾ積層体１６を伸長させた後、一旦収縮
させ、再び伸長させている点である。従って、この収縮
の際に変圧室２５の圧力が低下し、バルブニードル２１
は瞬間的に開弁し、再び閉じる。これにより、圧力室６
の圧力も低下し、噴射が一旦途切れ、パイロット噴射が
行われる。 【００３０】このように、ピエゾ積層体１６の収縮時期
及び収縮期間を変えることでパイロット噴射、メイン噴
射の噴射量や、パイロット噴射とメイン噴射との間隔等
を自由に制御することができる。次に、図９〜図１３を
用いて本発明の第２の実施例を説明する。図９は本実施
例のバルブニードル２１を示し、第１の実施例でパイロ
ット噴射を行った時にピエゾ積層体が一旦収縮してバル
ブニードル２１が瞬間的に開弁し、再度閉弁しようとし
ている状態を示し、図１０に示す作動説明図において（
ｃ）の状態である。このとき、バルブニードル２１には
図９矢印に示すように閉弁方向と反対向きに力ＰＢ　（
　背圧）　がかかっている。そのためパイロット噴射を
行うとき送油率が高い燃料噴射ポンプにおいては、回転
数や閉時期により背圧が変化するためバルブニードル２
１の下方向への閉弁力Ｆ１　より、背圧ＰＢ　によりバ
ルブニードル２１が受ける力（ＰＢ　×（π／４）×ｄ
１２）　の方が大きくなる場合があり（図１０（ｃ））
、閉動作が不安定となり噴射量がバラつくという問題が
生じる恐れがある。 【００３１】本実施例ではこの問題を防止するため、図
１１に示すような構成としている。図１１においてバル
ブニードル２１の下端面には、バルブニードル２１と同
軸にバルブニードル本体より小径の中空円筒状のスカー
ト３９が形成されるとともに、スプリング室２９と低圧
室９とを連通する通路４０とは別に、バルブニードルの
前記スカート部３９側面に対向するバルブハウジング２
３壁面に開口する溢流通路（低圧室通路）４１が設けら
れ、低圧室９とスカート部３９側面部分を連通している
。 【００３２】また、図１１に示すようにスカート部３９
外径ｄ３　と弁座３２の内径ｄ４　との差はバルブニー
ドル２１の最大リフトｘ（ｘ＝０．２ｍｍ）より充分に
大きくとられており、例えばｄ３　＝５．０ｍｍに対し
ｄ４　＝６．０ｍｍ程度とされている。このため、この
部分が燃料の溢流に対して絞りとなることはない。一方
、スカート部３９下部ではスプリング室２９の内径ｄ５
　はスカート部３９外周と比較的小さなクリアランスを
持つようにされており、（例えばｄ５　＝５．０５ｍｍ
）　この部分から燃料油がスプリング室２９に流入する
際に大きな抵抗を与えるようにしてスプリング室２９圧
力を低く保持するようにしている。 【００３３】上記のように構成したことから、本実施例
においては、背圧ＰＢ　によりバルブニードル２１に加
わる上向きの力は第１の実施例に対して（ｄ１２−ｄ３
２）／ｄ１２　　倍（本実施例では０．４８倍）となり
、上向きの力が減少する（図１２）。このため、送油率
が大きい場合でもバルブニードル２１の閉弁を阻止する
力は小さく、閉動作が安定するため、従来のように圧力
室通路３３の径を小さくする等の対策が不要になり、送
油率や最大噴射量を低下させることがない。 【００３４】なお本実施例ではバルブニードル２１下部
に中空のスカート部３９を設けたが、第１３図に示すよ
うに中実円筒状突起部４２の形状としても同様な効果が
得られる。 【００３５】 【発明の効果】以上説明したように本発明の燃料噴射ポ
ンプによれば燃料噴射圧力が高い場合や、送油率が高い
場合でも、制御弁が確実に作動するため、高応答、高精
度の燃料噴射制御を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用する燃料噴射ポンプの実施例縦断
面図である。

【図２】図１の実施例のバルブニードル形状を示す図で
ある。

【図３】図１の実施例の燃料ポンプの吸入行程の作動状
態を示す図である。

【図４】図１の実施例の燃料ポンプの燃料噴射行程の作
動状態を示す図である。

【図５】図１の実施例の燃料ポンプの燃料噴射終了時の
作動状態を示す図である。

【図６】図３から図５に示した状態における各部の作動
状態を説明する図である。

【図７】本発明の第１の実施例の改変例バルブニードル
形状を示す図である。

【図８】図１の実施例において、パイロット噴射を行な
った場合の各部作動状態を示す図である。

【図９】図１の実施例においてパイロット噴射を行なっ
た場合のバルブニードル状態を示す図である。

【図１０】図１の実施例において、パイロット噴射を行
なう際、噴射圧が高い場合のバルブニードルが受ける力
と、各部作動状態との関係を示す図である。

【図１１】本発明の第２の実施例のバルブニードル形状
を示す図である。

【図１２】図１１の実施例においてパイロット噴射を行
なう際、噴射圧が高い場合のバルブニードルが受ける力
と各部作動状態との関係を示す図である。

【図１３】本発明の第２の実施例の改変例のバルブニー
ドル形状を示す図である。

【符号の説明】

１…燃料噴射ポンプ ３…プランジャ ６…圧力室 ９…低圧室 １１…燃料噴射弁 １３…デリバリ弁 １５…圧力制御弁 １６…ピエゾ積層体 １７…ピストン ２１…バルブニードル ２２…スプリング ２５…変圧室 ２９…スプリング室 ３０…低圧室通路 ３３…圧力室通路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　シリンダ内に形成される圧力室内の燃
   料を加圧する往復動プランジャと、圧力室内の加圧燃料
   を燃料噴射弁に供給する噴射燃料通路と、前記圧力室と
   シリンダ外の低圧部とを連通する溢流通路と、該溢流通
   路を開閉する制御弁と、電圧の印加に応じて伸縮する電
   歪体と、該電歪体の伸縮に応じて前記制御弁を開閉駆動
   する流体圧力を発生する変圧室とを備え、前記電歪体へ
   の電圧印加を制御することにより燃料噴射制御を行なう
   燃料噴射ポンプにおいて、前記制御弁は、前記流体圧力
   により弁座に押圧される円筒形状弁体を備え、該弁体は
   弁体端面周縁部で前記弁座に当接し前記溢流通路を閉塞
   すると共に、閉弁時に前記弁体端面が前記溢流通路低圧
   側に面するようにしたことを特徴とする燃料噴射ポンプ
   。
2. 【請求項２】　　前記制御弁の前記弁体端面には、弁体
   と同心の、弁体により小径の円筒部が設けられ、前記溢
   流通路低圧側は前記円筒部側面に対向するハウジング壁
   面に開口しており、該溢流通路低圧側開口部と前記小径
   円筒部の端部との間には、小径円筒側面とハウジング壁
   面との間隙から燃料油が小径円筒部端部側へ流出するの
   を制限する手段が設けられていることを特徴とする請求
   項１記載の燃料噴射ポンプ。