JPH11351105A - 内燃機関用燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 噴孔面積を変えることのできる可変噴孔ノズ
ルにおいて、ノズルニードル３のリフトの小さい時に第
１噴孔１１のみから確実な燃料噴射を行うことができ、
且つ第２噴孔１２から低い圧力の燃料が漏出することを
防止することのできるインジェクタ１を提供する。 【解決手段】 先端部にノズル本体２の摺動部１０内を
摺動自在に変位する突起部２１を有するノズルニードル
３と、コイルスプリング５を収容するスプリング室３２
と、摺動部１０に設けられた第１、第２噴孔１１、１２
とからインジェクタ１を構成した。そして、このインジ
ェクタ１を、スプリング室３２からノズルニードル３の
外周に設けた燃料通路２３を経て第１噴孔１１のみに高
圧燃料が供給されるように構成した。これにより、燃料
通路２３の通路面積を噴孔面積以上となるように大きな
クリアランスに設定できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関への燃料
噴射を行う燃料噴射ノズル等の内燃機関用燃料噴射弁に
関するもので、特にディーゼルエンジンへの燃料噴射を
電子制御する電子制御燃料噴射システムの燃料噴射弁に
係わる。

【０００２】

【従来の技術】近年、内燃機関、特にディーゼルエンジ
ンより排出される排気ガスのエミッションの低減を図る
ことで排気規制強化や地球環境保護を目的としたり、ド
ライバビリティの向上を目的としたりするために、ディ
ーゼルエンジンへの燃料噴射を電子制御する電子制御燃
料噴射システムの開発が盛んに行われている。その一例
を図４に示す。この電子制御燃料噴射システムによれ
ば、燃料タンク１００からフィードポンプ１０１の作用
により吸い上げられた燃料は、電子制御される高圧ポン
プ１０２で高圧燃料としてコモンレール１０３に圧送さ
れる。

【０００３】ここで、コモンレール１０３への圧送量
は、エンジン制御装置（以下ＥＣＵと呼ぶ）１０４から
の制御信号により高圧ポンプ１０２に取り付けた電磁弁
を制御することで調整される。燃料噴射量は、ディーゼ
ルエンジンの各気筒にそれぞれ設置されたインジェクタ
の電磁弁１０５への通電をＥＣＵ１０４から制御するこ
とにより決められる。

【０００４】このような電子制御燃料噴射システムに用
いられる燃料噴射ノズル（以下インジェクタと呼ぶ）１
０６の概略構造を図５に示す。コモンレール１０３から
供給される高圧燃料は、絞り１０７を介してコマンドピ
ストン１０８の図示上方に設けられた制御室１０９とイ
ンジェクタ１０６のノズル本体１１０に設けられた小径
の燃料孔１１１を介して油溜まり室１１２に供給され
る。

【０００５】一方、ＥＣＵ１０４からの制御信号を受け
てドライブ回路等からなるＥＤＵ１１３によってコイル
１１４に電流が流れて電磁弁１０５のバルブ１１５が開
弁すると、制御室１０９内に充填された高圧燃料が、絞
り１１６を介してリーク経路１１７に流出する。このた
め、制御室１０９の内部圧力が低下し、油溜まり室１１
２内の高圧燃料がノズルニードル１１９を図示上方に押
し上げる力が、コマンドピストン１０８を図示下方に押
し下げる力に打ち勝つ。これにより、ノズルニードル１
１９が図示上方に上昇し、ノズル本体１１０の先端に設
けられた噴孔１１８から高圧燃料がエンジン燃焼室に噴
射される。

【０００６】ここで、理想的な噴射を考えた場合に、エ
ンジン負荷が低負荷の時等の小噴射量時は、ＨＣやスモ
ーク等の微粒子を低減するために、ディーゼルエンジン
に噴射する高圧燃料の微粒化が必要であり、そのために
は噴孔１１８の孔径をより小さくするのが有効である。
一方、エンジン負荷が高負荷の時等の大噴射量時には、
燃費向上およびスモーク抑制の観点から噴射期間をなる
べく短くする必要があり、そのためには、噴孔１１８の
孔径をより大きくするのが有効である。このように燃料
噴射量の多少によって要求される噴孔１１８の孔径が異
なるという矛盾が生じる。

【０００７】また、特にエンジン回転速度がアイドル回
転速度の時には、騒音低減等の観点から着火遅れ期間中
の燃料噴射量を抑える必要がある。これらのことを、燃
料噴射量に対する噴射期間というまとめ方をしたもの
を、図６のグラフに示す。通常の燃料噴射ノズルでは、
図６のグラフ中に破線で示すように、燃料噴射量と噴射
期間とはリニアな関係にあるが、図６のグラフ中に実線
で示すように、燃料噴射量の少ない領域では着火遅れ期
間中の燃料噴射量を抑えるために噴射期間を長く、燃料
噴射量の多い領域では燃費、スモークを抑えるために噴
射期間を短くする必要があるが、これを達成するには噴
射圧力を変えるか、噴孔面積を変える方法がある。な
お、噴射圧力では高圧化が必要であり、製品コスト、耐
久性の面で不利となってしまう。

【０００８】インジェクタの噴孔面積を変える方法の一
例としては、図７に示したように、ノズルニードル１２
１の先端部に突起部１２２を設け、ノズル本体１２３の
先端部に内部で突起部１２２が摺動する筒状の摺動部１
２４を設け、その摺動部１２４にノズルニードル１２１
の上昇量（リフト量）に応じて開放される第１、第２噴
孔１２５、１２６を設けたインジェクタ（一般に「可変
噴孔ノズル」と呼ばれる。特開平７−３３２１９９号公
報等）１２０がある。

【０００９】このインジェクタ１２０によれば、ノズル
ニードル１２１のリフトが小さい時には、図８に示した
ように、ノズルニードル１２１の突起部１２２内に設け
た連通路１２７を介して高圧燃料がサック室１２８に流
入して図示下方の第１噴孔１２５のみから高圧燃料の噴
射が行われる。また、ノズルニードル１２１のリフトが
大きくなると、図９に示したように、図示上方の第２噴
孔１２６からも高圧燃料の噴射が行われる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記のイン
ジェクタ１２０のような可変噴孔ノズル構造では、エン
ジン負荷が低負荷の時等の小リフト時において、本来燃
料噴射を行うべき、図示下方の第１噴孔１２５のみだけ
でなく、燃料噴射をしてはいけない第２噴孔１２６から
も燃料が噴出されてしまうことが分かった。

【００１１】この理由は、ノズルニードル１２１を閉弁
方向に押し付けるためのコイルスプリング１２９を収納
するスプリング室１３０の内部圧力が油溜まり室１３１
の内部圧力に対して低圧であるため、高圧のかかる油溜
まり室１３１からのリークを防ぐために摺動部Ｓ１にお
いては、ノズルニードル１２１とノズル本体１２３との
クリアランスを詰める必要がある。

【００１２】ところが、摺動部Ｓ１および摺動部Ｓ２の
２箇所ともクリアランスを詰めるのは加工上難しく、ど
ちらかのクリアランスを多少犠牲にしなければならな
い。この場合、クリアランスに対する漏れ面積の小さい
突起部１２２側の摺動部Ｓ２をラフにすると、本来、ノ
ズルニードル１２１が小リフト時に第１噴孔１２５のみ
から燃料噴射されるべき時でも、高圧燃料が摺動部Ｓ２
を通って第２噴孔１２６からも漏出してしまう。

【００１３】この際、クリアランスを通って燃料が噴出
するため、噴射圧力はかなり低く、微粒化の劣った噴霧
となり、燃焼が悪くなる。このため、ディーゼルエンジ
ンより排出される排気ガス中の黒煙（スモーク）や炭化
水素（ＨＣ）等が多くなり、エミッションの悪化を招く
という問題が生じる。

【００１４】

【発明の目的】本発明の目的は、ノズルニードルのリフ
トを段階的に変更することにより、噴孔面積を変えるこ
とのできる内燃機関用燃料噴射弁を提供することにあ
る。また、ノズルニードルのリフトの小さい時に第１噴
孔のみから確実な燃料噴射を行うことができ、且つ第２
噴孔から低い圧力の燃料が漏出することを防止すること
のできる内燃機関用燃料噴射弁を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
よれば、第１噴孔のみから高圧燃料を噴射する際に、ス
プリングを収納するスプリング室と摺動部の先端側に設
けられた第１噴孔付近とを同一圧力とすることにより、
内燃機関の負荷が低負荷の時等の小噴射量の時のように
ノズルニードルが少し上昇した場合に、第１噴孔のみか
ら高圧燃料の噴射を確実に行うことができ、且つノズル
ニードルの突起部と摺動部とのクリアランスを通って低
圧力の燃料が漏出することはない。したがって、内燃機
関より排出される排気ガス中のスモークやＨＣ等が少な
くなり、エミッションの低減を図ることができる。

【００１６】請求項２に記載の発明によれば、ノズルニ
ードルが少し上昇した場合に、高圧燃料は、ノズルニー
ドルを閉弁方向に付勢するスプリングを収納するスプリ
ング室から、ノズルニードルの外周に設けた燃料通路を
介して第１噴孔に供給される。スプリング室の内部圧力
が高圧であるため、燃料通路をシールする必要はなく、
燃料通路の通路面積を噴孔面積以上となるように比較的
に大きなクリアラスに設定することが可能となる。

【００１７】この結果、精度が必要なのは、ノズルニー
ドルの先端に設けた突起部とノズル本体の摺動部とのク
リアランスを詰めることが可能となる。これにより、内
燃機関の負荷が低負荷の時等の小噴射量の時のようにニ
ードルリフトが小さい場合に、第１噴孔のみから高圧燃
料の噴射を確実に行うことができ、且つノズルニードル
の突起部と摺動部とのクリアランスを通って低圧力の燃
料が漏出することはない。したがって、内燃機関より排
出される排気ガス中のスモークやＨＣ等が少なくなり、
エミッションの低減を図ることができる。

【００１８】請求項３に記載の発明によれば、ノズル本
体の先端部に、ノズルニードルを摺動自在に支持する摺
動部を設け、ノズルニードルの先端部に、ノズルニード
ルが少し上昇した際に、燃料通路と第１噴孔とをサック
室を介して連通する連通路が形成された突起部を設けて
いる。それによって、ノズルニードルが多く上昇した際
に、燃料通路と第１噴孔および第２噴孔とがサック室お
よび連通路を介して連通することで、高圧燃料が第１噴
孔および第２噴孔の両方から噴射される。

【００１９】

【発明の実施の形態】〔実施例の構成〕発明の実施の形
態を実施例に基づき図面を参照して説明する。ここで、
図１はインジェクタの概略構造を示した図で、図２はイ
ンジェクタの主要構造を示した図である。

【００２０】本実施例の電子制御燃料噴射システムのイ
ンジェクタ１は、本発明の内燃機関用燃料噴射弁に相当
するもので、例えばディーゼルエンジン（以下エンジン
と略す）の各気筒に取り付けられたノズル本体２と、こ
のノズル本体２内を摺動するノズルニードル３と、この
ノズルニードル３と一体的に往復変位するコマンドピス
トン４と、ノズルニードル３およびコマンドピストン４
を閉弁方向に付勢するコイルスプリング５と、図示しな
いＥＣＵにより電子制御される二方電磁弁６とから構成
される。

【００２１】ノズル本体２の先端部には、内周でノズル
ニードル３を摺動自在に保持する筒状の摺動部１０が設
けられている。この摺動部１０の先端側の外周には、高
圧燃料をエンジンの各気筒内に噴射する複数の第１噴孔
１１が形成されている。そして、摺動部１０の後端側の
外周には、高圧燃料をエンジンの各気筒内に噴射する複
数の第２噴孔１２が形成されている。

【００２２】ノズル本体２の中間部には、摺動部１０よ
りも内径の大きい筒状の胴体部１３が設けられている。
また、ノズル本体２には、胴体部１３内にコモンレール
で蓄圧された高圧燃料を供給するための燃料孔１４、ノ
ズル本体２の後端側に設けられる制御室２ａ内にコモン
レールで蓄圧された高圧燃料を供給するための燃料孔１
５、および制御室２ａからリーク通路（低圧通路）に排
出するための燃料孔１６が形成されている。その燃料孔
１５の途中には通路断面積を絞る絞り部１７が設けら
れ、燃料孔１６の途中には通路断面積を絞る絞り部１８
が設けられている。ここで、絞り部１７、１８には、例
えばオリフィス等の固定絞りが使用されている。

【００２３】ノズルニードル３は、先端側にノズル本体
２の摺動部１０内を摺動自在に変位する突起部２１を有
し、且つ後端側にノズル本体２の胴体部１３内を往復変
位すると共に、突起部２１よりも外径の大きい大径部２
２を有している。なお、大径部２２の外周とノズル本体
２の胴体部１３の内周との間には、図３（ａ）および図
３（ｂ）に示したように、燃料通路２３が形成されてい
る。

【００２４】また、突起部２１には、ノズルニードル３
が少し上昇した際に、燃料通路２３と第１噴孔１１とを
摺動部１０の先端に設けられたサック室２４を介して連
通すると共に、ノズルニードル３が多く上昇した際に、
燃料通路２３と第１、第２噴孔１１、１２とを摺動部１
０の先端に設けられたサック室２４を介して連通する連
通路２５、２６が形成されている。なお、連通路２５
は、突起部２１の径方向を一文字状または十文字状に貫
通する貫通孔で、連通路２６は、突起部２１の軸方向に
形成されて連通路２５と突起部２１の先端面とを連通す
る連通孔である。

【００２５】コマンドピストン４は、ノズルニードル３
の大径部２２の後端面に連結された軸状部２７、および
この軸状部２７よりも後端側に設けられて、ノズル本体
２の胴体部１３よりも後端側の摺動部２８内に摺動自在
に支持された大径部２９を有している。なお、大径部２
９の後端側には、燃料孔１５を介してコモンレールから
高圧燃料が供給される上記の制御室（背圧室）２ａが形
成されている。

【００２６】コイルスプリング５は、コマンドピストン
４の軸状部２７の外周に配されており、先端（一端）が
ノズルニードル３の大径部２２の後端面（他端面）に保
持され、後端（他端）がノズル本体２の胴体部１３と摺
動部２８とを区画する区画部３１に保持されている。そ
して、コイルスプリング５は、ノズル本体２の胴体部１
３内に形成されるスプリング室３２内に収容されてい
る。

【００２７】ここで、本実施例では、ノズルニードル３
が少しリフトして、第１噴孔１１のみから高圧燃料を噴
射する際に、スプリング室３２と第１噴孔１１付近のサ
ック室２４とが同一圧力となる構造にするために、図１
ないし図３に示したように、コモンレールから高圧燃料
が供給される上記の燃料通路２３を形成している。

【００２８】二方電磁弁６は、燃料孔１６の途中に設け
られており、最適な時期に燃料孔１６を開くようにＥＣ
Ｕにより電子制御される開閉弁である。この二方電磁弁
６は、具体的には、燃料孔１６を開閉するバルブ、通電
されるとバルブを開弁させる電磁コイル、およびこの電
磁コイルへの通電が停止された際にバルブを閉弁させる
ためのリターンスプリング（いずれも図示せず）等より
なる周知の構造を有している。

【００２９】〔実施例の作用〕次に、本実施例のインジ
ェクタ１の作用を図１ないし図３に基づいて簡単に説明
する。

【００３０】１）無噴射時 二方電磁弁６が燃料孔１６を閉じているため、コモンレ
ールからの高圧燃料が燃料孔１５の絞り部１７を通って
制御室２ａ内に満たされる。ここで、ノズル本体２の胴
体部１３の内部、すなわち、スプリング室３２および燃
料通路２３には、燃料孔１４を介して常にコモンレール
から高圧燃料が導入されているが、コイルスプリング５
の図示下方への付勢力およびコマンドピストン２９とノ
ズル３にかかる油圧力によってノズルニードル３がノズ
ル本体２のシート部に着座している。これにより、ノズ
ルニードル３はリフトせず、エンジンへの高圧燃料の噴
射は成されない。

【００３１】２）噴射時 二方電磁弁６がＥＣＵからの指令により開弁するため、
燃料孔１６が開かれる。このため、制御室２ａ内の高圧
燃料が燃料孔１６を通ってリーク通路に排出され、制御
室２ａの内部圧力が低圧となる。すると、ノズルニード
ル３は、燃料孔１４を通って燃料通路２３内に導入され
る高圧燃料により図示上向きの力を受けて、少しだけリ
フトする。これにより、燃料通路２３内の高圧燃料が、
ノズルニードル３の突起部２１に形成された連通路２
５、２６、およびノズル本体２の先端に設けられたサッ
ク室２４を介して第１噴孔１１のみからエンジンに噴射
される。

【００３２】さらに、二方電磁弁６の電磁コイルへの通
電が続くと、更に制御室２ａの内部圧力が低圧となり、
ノズルニードル３のリフト量が大きくなる。これによ
り、燃料通路２３内の高圧燃料が、連通路２５、２６お
よびサック室２４を介して第１噴孔１１および第２噴孔
１２の両方からエンジンに噴射される。

【００３３】３）噴射終了時 二方電磁弁６がＥＣＵからの指令により閉弁すると、制
御室２ａの内部圧力が回復するため、コマンドピストン
４が図示下方に押し付けられ、コイルスプリング５の図
示下方への付勢力により、ノズルニードル３がノズル本
体２のシート部に着座して噴射が終了する。

【００３４】〔実施例の効果〕以上のように、本実施例
の電子制御燃料噴射システムのインジェクタ１は、エン
ジン負荷が低負荷の時等の小噴射量時に、ＨＣやスモー
ク等の微粒子を低減するために、エンジンに噴射する高
圧燃料の微粒化が必要な際、第１噴孔１１のみの燃料噴
射とすることで、噴孔の孔径をより小さくすることがで
きる。また、エンジン負荷が高負荷の時等の大噴射量時
には、燃費向上およびスモーク抑制の観点から噴射期間
をなるべく短くする必要があるため、第１、第２噴孔１
１、１２の両方で燃料噴射することで、見掛け上噴孔の
孔径を大きくすることができる。

【００３５】ここで、ノズルニードル３がリフトする際
に、高圧燃料は、スプリング室３２から燃料通路２３お
よび連通路２５、２６を通ってサック室２４に供給され
る。このため、燃料通路２３は、スプリング室３２の内
部圧力が高圧であるため、シールをする必要はなく、燃
料通路２３の通路面積（胴体部１３の内周と大径部２２
の外周との隙間）を噴孔面積以上となるように比較的に
大きなクリアランスに設定できる。この結果、精度が必
要なのは、ノズルニードル３の先端部に設けた突起部２
１とノズル本体２の先端部に設けた摺動部１０（軸方向
寸法Ｓ３）のみとなるため、この部分のクリアランスを
詰めることが可能となる。

【００３６】したがって、エンジン負荷が低負荷の時等
の小噴射量時のように、ノズルニードル３のリフトが小
さい場合には、第１噴孔１１のみから燃料噴射が行わ
れ、従来の技術のような第２噴孔１２からの漏出を防止
することができ、確実な燃料噴射を行うことができる。
これにより、噴射初期に高圧化が図れるために燃料の微
粒化が良く、エンジンより排出される排気ガス中の黒煙
（スモーク）や炭化水素（ＨＣ）等の排出を低減でき、
エミッションの低減を図ることができる。

【００３７】さらに、インジェクタ１を上記のような構
成とすることで、従来の技術では油溜まりに高圧燃料を
導くための燃料孔が不要となるため、インジェクタ１の
先端部の細径化が可能となると共に、燃料孔の加工コス
トも削減できる。また、高圧部（スプリング室３２およ
び燃料通路２３）の容積を大きくできるため、噴射によ
る燃料噴射圧力の低下を抑えることもできる。

【００３８】〔変形例〕本実施例では、所謂可変噴孔ノ
ズルと呼ばれるインジェクタ１を備えた電子制御燃料噴
射システム（コモンレールシステム）に適用した例を説
明したが、可変噴孔ノズルを使用していればコモンレー
ルシステムに限らず適用できる技術であることは言うま
でもない。本実施例では、燃料孔１６の途中に設ける電
磁弁として二方電磁弁６を利用したが、燃料孔１６の途
中に設ける電磁弁として三方電磁弁を利用しても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】インジェクタの概略構造を示した断面図である
（実施例）。

【図２】図１のインジェクタの主要構造を示した断面図
である（実施例）。

【図３】（ａ）、（ｂ）は燃料通路の形状を示した断面
図である（実施例）。

【図４】電子制御燃料噴射システムの全体構造を示した
概略図である（第１従来例）。

【図５】電子制御燃料噴射システムの主要構造を示した
概略図である（第１従来例）。

【図６】燃料噴射量と噴射期間との関係を示したグラフ
である。

【図７】電子制御燃料噴射システムの主要構造を示した
概略図である（第２従来例）。

【図８】図７のインジェクタの小リフト時を示した説明
図である（第２従来例）。

【図９】図７のインジェクタの大リフト時を示した説明
図である（第２従来例）。

【符号の説明】

１ インジェクタ（内燃機関用燃料噴射弁） ２ ノズル本体 ２ａ 制御室 ３ ノズルニードル ５ コイルスプリング ６ 二方電磁弁 １０ 摺動部 １１ 第１噴孔 １２ 第２噴孔 １４ 制御室 ２１ 突起部 ２２ 大径部 ２３ 燃料通路 ２４ サック室 ２５ 連通路 ２６ 連通路 ３２ スプリング室

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（ａ）先端に設けられた突起部、およびこ
   の突起部よりも後端側に設けられて前記突起部よりも外
   径の大きい大径部を有するノズルニードルと、 （ｂ）内部を前記ノズルニードルの突起部が摺動する筒
   状の摺動部と、 （ｃ）この摺動部の先端側に設けられて、前記ノズルニ
   ードルが少し上昇した際に、内燃機関に高圧燃料を噴射
   するための第１噴孔と、 （ｄ）この第１噴孔よりも先端側に対して逆側の前記摺
   動部に設けられて、前記ノズルニードルが多く上昇した
   際に、前記内燃機関に高圧燃料を噴射するための第２噴
   孔と、 （ｅ）前記ノズルニードルを、前記突起部にて前記第１
   噴孔および前記第２噴孔を閉塞する閉弁方向に付勢する
   スプリングと、 （ｆ）前記ノズルニードルの大径部よりも後端側に設け
   られて、前記スプリングを収納するスプリング室とを備
   え、 前記第１噴孔のみから高圧燃料を噴射する際に、前記ス
   プリング室と前記第１噴孔付近とが同一圧力となる構造
   にしたことを特徴とする内燃機関用燃料噴射弁。
2. 【請求項２】（ａ）先端に設けられた突起部、およびこ
   の突起部よりも後端側に設けられて前記突起部よりも外
   径の大きい大径部を有するノズルニードルと、 （ｂ）内部を前記ノズルニードルの突起部が摺動する筒
   状の摺動部と、 （ｃ）この摺動部の先端側に設けられて、前記ノズルニ
   ードルが少し上昇した際に、内燃機関に高圧燃料を噴射
   するための第１噴孔と、 （ｄ）この第１噴孔よりも先端側に対して逆側の前記摺
   動部に設けられて、前記ノズルニードルが多く上昇した
   際に、前記内燃機関に高圧燃料を噴射するための第２噴
   孔と、 （ｅ）前記ノズルニードルを、前記突起部にて前記第１
   噴孔および前記第２噴孔を閉塞する閉弁方向に付勢する
   スプリングと、 （ｆ）前記ノズルニードルの大径部よりも後端側に設け
   られて、前記スプリングを収納すると共に、内部に高圧
   燃料が供給されるスプリング室と、 （ｇ）前記大径部の周囲に設けられて、前記スプリング
   室と連通する燃料通路とを備えた内燃機関用燃料噴射
   弁。
3. 【請求項３】請求項２に記載の内燃機関用燃料噴射弁に
   おいて、 前記摺動部は、前記ノズルニードルを摺動自在に支持す
   るノズル本体の先端部に設けられ、 前記突起部は、前記ノズルニードルが少し上昇した際
   に、前記燃料通路と前記第１噴孔とを前記摺動部の先端
   に設けられたサック室を介して連通する連通路を設けた
   ことを特徴とする内燃機関用燃料噴射弁。