JPS61169654A - 燃料噴射ノズル - 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 本発明は内燃機関の二段開弁式燃料噴射ノズルに関する
。

従来の技術及び問題点 ディーゼルエンジンに用いられる燃料噴射ノズルとして
ホール型ノズルやビントル型ノズル等の種々のタイプの
ものが知られているが、これらは全て燃料噴射ポンプか
ら圧送された燃料の圧力によりニードル弁をリフトさせ
るようにしたものであり、ニードル弁は戻しばねに付勢
されていて燃料の圧送が終了すると噴孔を閉鎖すべく着
座するようになっている。これらのニードル弁のほとん
どは一段開弁式であり、噴孔の個数や向き並びにニード
ル弁の先端形状等に変化を与えることによって噴射系を
適合するようにしている。しかしながら、噴射圧力と噴
射期間とは相反する関係にあるために、最近ますますき
びしくなる要求を満足することができなくなってきてい
る。例えば、燃料噴霧の微粒化を向上させるためには噴
射ノズルの噴射圧力を高める必要があり、このためには
燃料噴射ポンプの燃料圧送圧力を上げ且つ燃料噴射ノズ
ルの総噴孔面積を小さくする必要がある。一方、良好な
燃料と空気の混合を得るためには、さらに噴射期間（噴
射ノズルより燃料を噴射する時間）が適切でなければな
らないが、噴射期間も噴孔面積に依存し、噴孔面積を小
さくすると噴射期間が長くなることになる。噴射期間が
不適切に長くなると噴射さ杵る燃料の燃焼室内の分布に
極端な濃淡を生じてしまうため燃料と空気の混合が不良
になり、噴射期間が短かすぎると燃料が燃焼室に十分に
行き渡らない。そこで、エンジンの高速、高負荷運転時
に良好な燃焼が得られるように噴射系を適合しようとす
る場合には噴射期間が長くなり過ぎないように噴口面積
をある程度大きくすることが要求されるが、すると低速
、低負荷運転時には噴射ポンプからの圧力波が小さく且
つ噴孔面積が大きいために噴射圧力が低下することにな
る。

このような問題点を解決するためには、燃料噴射ノズル
のニードル弁の動きを二段階に制御するもの（二段開弁
式ノズル）を用いるのが有効な手段である。二段開弁式
ノズルとしては、２個のばねを用いたものが知られてお
り、これによれば、低速、低負荷時に噴射ポンプの圧力
波が小さいために１段目のばねは撓むが２段目のばねが
ニードル弁のリフト量を低く押さえ、噴孔面積を小さく
した場合と同様の効果が得られる。高速、高負荷領域に
おいては２段目のばねまで撓み、ニードル弁のリフト量
が増えて噴孔面積を大きくした場合と同様の効果が得ら
れる。二段開弁式ノズルとしてはさらに、特開昭５７−
１５１０５８号公報等に示されているようなセントプル
プランジャノズルも知られている。このタイプのノズル
は第１の開弁のためには従来同様ばねを用いるものであ
るが、第２の開弁リフトは噴射ポンプからの圧力を背圧
として受けるプランジャによって制御される。

以上述べた従来の二段開弁式噴射ノズルでは、第１及び
第２の開弁圧が予め設定された固定値となっている。即
ち、２段ばね式ノズルではばねの初期荷重を、セントラ
ルブランジャ式ではプランジャの径をそれぞれ設定しな
ければならず、従って、従来の二段開弁式ノズルではそ
のような初期設定の範囲内で二段に作用するに過ぎない
ため、低速、低負荷から高速、高負荷までの高範な運転
領域にわたって良好な機関性能を得るには負荷、回転数
に応じて自由に開弁を制御する要求に反し、充分に良好
な結果を得ることができない。本考案は第２の開弁を電
歪式アクチュエータにより電気的に回転数、負荷に応じ
て自由に制御できるようにした二段開弁式ノズルを提供
するものである。

燃料噴射ノズルに電歪式アクチュエータを用いた例は特
開昭５９−５８１２９号公報や特開昭５９−２０６６６
８号公報に記載されている。これらはいずれも一段開弁
式燃料噴射ノズルである。

問題点を解決するための手段 本考案による燃料噴射ノズルは、先端部に噴孔を形成し
たノズルボディとノズルホルダとを組付け、この組立体
には前記噴孔に通じる燃料通路が形成されているととも
に前記噴孔を閉鎖可能にニードル弁が配置され、前記燃
料通路から供給された燃料の圧力によりニードル弁をリ
フトさせるようにした燃料噴射ノズルにおいて、プレッ
シャピンを介してニードル弁を閉鎖方向に付勢するばね
が設けられるとともに、プレッシャピンと間隔をあけて
ニードル弁と整列し且つニードル弁がリフトしたときに
プレッシャピンに当接することのできるプランジャが配
置され、該プランジャが圧力室の液体を介して圧電素子
アクチュエータにより少なくとも２つの位置間で駆動さ
れるようにしたことを特徴とするものである。

実施例 第１図に示される燃料噴射ノズルは、ノズルボディ１０
とノズルホルダ１２の組立体として形成され、これらは
ディスタンスピース１４を介してリテーナ１６により螺
着される。ノズルボディ１０の先端には噴孔１８が形成
される。ノズルボディ１０にはニードル弁２０が摺動可
能に収められており、ニードル弁２０の先端部が噴孔１
８を閉鎖可能になっていることは従来のノズル同様であ
る。

ノズルボディ１０．ディスタンスピース１４及びノズル
ホルダ１２の組立体には噴孔１８に通じる燃料通路２２
　、２２″が形成され、この燃料通路２２は図示しない
燃料噴射ポンプに連通される。この燃料通路２２の一部
２４はニードル弁２０の回りに環状に延びる油溜まりと
なっており、燃料が燃料噴射ポンプから圧送されたとき
にその圧力がニードル弁２０のテーパ一部に作用してニ
ードル弁２０をリフトさせる。又、燃料通路２２と交差
してノズルホルダ１２に設けた横方向の穴２５にはプラ
グ２６が挿入されている。プラグ２６は環状溝２８を有
していてその上下の燃料通路２２　、２２　′を常時連
通せしめるとともに、内端部に向かって開口する通路３
０を有し、この通路３０は上流側の燃料通路２２′とプ
ラグ２６の内端側の穴２５を連結する。穴２５にはばね
に付勢されたチェックボール３２が配置され、通路３０
の内端開口部を閉鎖している。穴２５は絞り３４を介し
て後述する圧力室５６に通じている。

ニードル弁２０の上端部は直径が小さくなっていてディ
スタンスピース１４の中央部に設けた穴から突出してい
る。ノズルホルダ１２にはニードル弁２０と同一軸線上
に整列してボアが形成されており、このボアは幾段かの
段付きになっている。

最下段のボア部分には戻しばね３６が配置され、戻しば
ね３６はそのばね座となるプレッシャピン３８を介して
ニードル弁２０を噴孔１８閉鎖方向に付勢し、戻しばね
３６の上端とノズルホルダ１２のボア壁との間にはシム
４０が挿入されることができ、ばね３６の設定荷重を調
節可能になっている。ばね３６の中央部を通ってばね３
６と干渉しないように、プランジャ４２が前述のボア内
に摺動可能に挿入され、その下端はニードル弁２０と常
時接触しているプレッシャピン３８の中央凸部付近まで
延びる。プランジャ４２は段付形状となっていて同様に
段付きとなっているボアの肩部４４に制限された位置を
下限位置として、その上方の位置に自由に動くことがで
きる。この下限位置において、プランジャ４２の下端は
ニードル弁２０がリフトしていないときのプレッシャピ
ン３８と所定の間隔をあけた状態にある。この間隔がニ
ードル弁２０の第１の開弁リフト量を定めるものであり
、プランジャ４２が上方からの押圧力を受けてこの下限
位置に維持されている限り燃料噴射ポンプからの圧力波
の大小にかかわらず、ニードル弁２０はプレッシャピン
３８がプランジャ４２に当接する位置までしかリフトす
ることができない。

プランジャ４２の前述の押圧力が除かれると、ニードル
弁２０は第２段開弁リフトとしてプレッシャピン３８及
びプランジャ４２とともにさらに上方にリフトすること
ができる。このときの最大リフト量はディスタンスピー
ス１４により制限される。前述の押圧力はさらに上方に
装着した電歪式アクチュエータから圧力室５６の液体を
介して伝えられる。このために、ノズルホルダ１２には
アクチュエータケース４６が螺着され、アクチュエータ
ケース４６内には多数のディスク状のＰＺＴからなるピ
エゾ素子４８が積層して収められている。５０　、５２
は各ピエゾ素子４８に電圧を付加するためのリード線で
ある。アクチュエータケース４６内にはピエゾ素子アク
チュエータ４８に隣接してピストン５４が摺動可能に配
置されている。

このピストン５４とプランジ中４２との間に圧力室５６
が形成される。この圧力室５６は断面Ｔ字状に見えるよ
うに、ピストン５４側（即ち圧電素子４８側）の径が大
きく、プランジャ４２側の径が小さくなっている。従っ
て、比較的に小さい圧電素子４８の変位が圧力室５６に
より増幅した変位としてプランジャ４２に伝えられる。

この圧力室５６には燃料通路２２′から横方向の穴２５
を介して常時燃料が充満されており、プランジャ４２と
そのボア壁との間から漏れた燃料はリターン通路５８か
ら噴射ポンプへ戻ることができるようになっている。プ
ランジャ４２とピストン５４との間に押圧力が働いてい
るときには、チェックボール３２が燃料通路３２方向へ
の逆流を防止しているので、圧力室５６内の圧力が維持
される。

次に第１図を簡略化した第２図から第゛４図を参照して
作用を説明する。

第２図は燃料の圧送はじめの状態である。この状態では
噴射ポンプからの圧力波は燃料通路２２′。

２２を通り燃料溜まり２４に達するが、まだばね３６の
初期設定荷重には打ち勝つことができず二一ドル弁２０
はノズルボディ１０に着座したま＼である。このとき、
ピエゾアクチュエータ４８には端子５０　、５２より電
圧が掛けられピエゾアクチュエータ４８は縦方向に伸長
している。また圧力室５６の燃料はプランジャ４２とノ
ズルボディ１２との間隙かられずかに溢流してリターン
通路５８より噴射ポンプに至るが、この為、圧力室５６
部分の燃料圧力は徐々に低下する。この部分の圧力が下
り、燃料通路２２′の圧力との差圧がチェックボール３
２の設定荷重以上になると、チェ７クボール３２を開い
て、絞り３４を通して、圧力室５６に燃料が補給される
。

第３図は噴射ポンプよりの圧力波が高まり、ばね３６の
設定力に打ち勝つニードル弁２０が開弁した状態である
。ニードル弁２０のリフトが進み、プレッシャピン３８
がプランジャ４２に接するとプランジャ４２は図で上方
の向きの力を受ける。

圧力室５６の燃料は圧縮されるが、液体の非圧縮性によ
りプランジャ４２は変位せず、ニードル弁２０はプラン
ジャ４２の下限位置に保持される。

ここで、ピエゾアクチュエータ４８の端子５０゜５２に
印加した電圧を切るとピエゾアクチュエータ４８は伸長
した状態から元の伸縮無しの状態に戻る。圧力室５６の
圧力は瞬間的に低下し、プランジャ４２は圧力室５６の
大径部分の面積と小径部分の面積に比例した量だけ、プ
レッシャピン３８からの力を受けて上昇する。圧力室５
６の圧力が低下した場合、チェックバルブ３２を通して
燃料が流入しようとするが絞り３４の作用により、圧力
室５６への燃料流入は、プランジャ４２の動きに比較し
て遅いため、プランジャ４２が第４図に示される位置へ
動くことになる。

以上の様にしてピエゾアクチュエータ４８への通電の制
御により２段開弁式ノズルの２段目の開弁が任意に制御
できる。

噴射ポンプよりの圧送が終わるとニードル弁２０はばね
３６に戻されて閉じる。このときプランジャ４２は圧力
室゛５６の圧力により落下し、これに応じてピエゾアク
チュエータ４８に通電を行ない伸長させておくことによ
り元の第２図の状態に復帰する。

以上説明したように、本発明によればピエゾアクチュエ
ータ（電歪式アク、チュエータ）４８への通電制御によ
り二段開弁を任意に行うことができる。第５図はピエゾ
アクチュエータ４８の通電制御回路の一例を示しており
、ピエゾアクチュエータ４８への駆動回路１０１がイン
タフェース１０２を介してコンピュータ（ＣＰＵ）１０
３により制御され、コンピュータ１０３は回転数センサ
１０５、負荷センサ（或いは噴射センサ）　１０６　、
クランク角センサ１０７等のセンサ出力に基づいてピエ
ゾアクチュエータ４８の通電制御を行う。例えば、第６
図に示されるように第１の開弁時期を検出し、これは電
子制御噴射ポンプでは容易に制御し且つ知ることができ
る。従って、第１の開弁時期から第２の開弁時期までの
クランク角θを適切に定めておけば所望の二段開弁が実
施できる。このクランク角θは例えば第７図に示される
ように負荷と回転数との関数としてマツプ化して定めて
おくことができ、このマツプを第５図のメモリ１０４に
記憶させておけばよい。第５図から第７図に示される制
御では、低回転、低負荷時にはθが大きく、従って、は
とんど第１段の開弁で噴射を行い、高回転、高負荷に行
くほどθが小さくなって第２段目の開弁の割合が大きく
なる。

第８図は他の制御回路の例を示し、噴射管もしくは噴射
ノズルにとりつけられた噴射管内圧センサ１０７により
管内圧を検知し、第９図に示されるように管内圧が予め
定められた値Ｐを越えると第２の開弁が行われるように
する。尚、Ｐは回転数の関数としてメモリに記憶してお
くことができる。

第９図の低速、低負荷時を示す左半部ではＰに達してい
ないので第２の開弁のみであり、高速、高負荷時を示す
右半部ではＰを越えて第２開弁が行われる。第９図の左
半部に示されるように第１の開弁のみを行うことによっ
て実線（ロ）に示されるように小噴孔面積から比較的に
高い噴射圧力で長い噴射期間で噴射を行うことができる
。尚、一点鎖線（イ）は一段開弁式噴射を仮定したもの
である。

又、右半部に示されるように高速、高負荷時ではでは第
２の開弁を行うことによって噴射圧力を適切に維持しつ
つ比較的短い期間に噴射を行うことができる。

発明の詳細 な説明したように、本発明によれば二段目の開弁をエン
ジンの回転数や負荷等に応じて自由に制御することがで
きるので、エンジンの広範な運転条件に適した燃料供給
が可能であり、燃費改善、吐煙濃度や排気エミッション
の低減、ノズルの信顛性や耐久性の向上を図ることが可
能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による燃料噴射ノズルの断面図、第２図
から第４図はそれぞれ異なった状態にある第１図のノズ
ルの略解説明図、第５図は制御回路の一例を示す図、第
６図は二段開弁を説明する図、第７図は第２の開弁時期
を説明する図、第８図は他の制御回路を示す図、第９図
は管内圧とノズルリフトを説明する図である。 １０・・・ノズルボディ、　　１２・・・ノズルホルダ
、１８・・・噴孔、　　　　　　２０・・・ニードル弁
、２２　、２２　′・・・燃料通路、　　３６・・・ば
ね、３８・・・プレッシャピン、４２・・・プランジャ
、４８・・・ピエゾ素子、　　５６・・・圧力室。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　先端部に噴孔を形成したノズルボディとノズルホルダ
   とを組付け、この組立体には前記噴孔に通じる燃料通路
   が形成されているとともに前記噴孔を閉鎖可能にニード
   ル弁が配置され、前記燃料通路から供給された燃料の圧
   力によりニードル弁をリフトさせるようにした燃料噴射
   ノズルにおいて、プレッシャピンを介してニードル弁を
   閉鎖方向に付勢するばねが設けられるとともに、プレッ
   シャピンと間隔をあけてニードル弁と整列し且つニード
   ル弁がリフトしたときにプレッシャピンに当接すること
   のできるプランジャが配置され、該プランジャが圧力室
   の液体を介して圧電素子アクチュエータにより少なくと
   も２つの位置間で駆動されるようにした燃料噴射ノズル
   。