JP2009108721A

JP2009108721A - インジェクタ

Info

Publication number: JP2009108721A
Application number: JP2007280230A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Sotozono; 祐一外薗
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-10-29
Filing date: 2007-10-29
Publication date: 2009-05-21

Abstract

【課題】簡易な機構によって燃料切れ後のエンジンの再始動を確実にするインジェクタを提供する。
【解決手段】本実施形態に係るインジェクタ１は、アクチュエータ２と、アクチュエータ２の動力によって変位する第１ピストン３１と、燃料が充填された変位伝達室３２を介して第１ピストン３１の変位が伝達される第２ピストン３３と、第２ピストン３３の変位によって変位するニードル６とを備え、第１ピストン３１の下端面には、第２ピストン３３の上端面に向けて突出した押圧部３１ｂが形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関に採用されるインジェクタに関する。

従来から、内燃機関に採用されるインジェクタとしては、ピエゾアクチュエータの伸縮と一体に変位する大径ピストンと、燃料が充填された変位拡大室を介して小径ピストンの変位が伝達される小径ピストンを備えたものが知られている（特許文献１参照）。変位拡大室は、ピエゾアクチュエータの少ない変位を拡大して小径ピストンに伝達する機能を有している。ピエゾアクチュエータの変位は、この変位拡大室を介して伝達され、所定の噴射が実現される。また、変位拡大室内の燃料は、各ピストンの昇降に伴って、リークしたり浸入したりする構成となっている。

特開２００５−９４８１号公報

このようなインジェクタにおいて、燃料切れが発生すると、インジェクタにおける変位拡大室内に燃料の補充が行われなくなり、変位拡大室内に気泡を含む低圧の燃料が流入する恐れがある。このような状態でピエゾアクチュエータが変位しても、気泡を圧縮するたけで、燃料を噴射させるのに必要な変位を小径ピストンに伝達することが困難となり、燃料の噴射が行われなくなる恐れがある。このような場合には、エンジンを再始動することができない恐れがある。

このような燃料切れの発生は、頻繁に起こることは少ないと思われる。このような頻繁に起こることのないケースに対して、対策用のソレノイドなどを追加することは、コストと搭載スペースなどの観点により問題がある。

したがって本発明の目的は、簡易な機構によって燃料切れ後のエンジンの再始動を確実にするインジェクタを提供することである。

上記目的は、動力源と、前記動力源の動力によって変位する第１ピストンと、燃料が充填された変位伝達室を介して前記第１ピストンの変位が伝達される第２ピストンと、前記第２ピストンの変位によって変位するニードルとを備え、前記第１及び第２ピストンの少なくとも一方に他方に向けて突出した押圧部が形成されている、ことを特徴とするインジェクタによって達成できる。

この構成により、燃料切れが発生して、例えば気泡が混入した低圧の燃料が変位伝達室に充填された場合であっても、第１及び第２ピストンの少なくとも一方に他方に向けて突出した押圧部が形成されているので、この押圧部が、他方のピストンを押圧する、又は他方のピストンから押圧されることにより、第１ピストンの変位を、第２ピストンへと伝達することができる。このように簡易な機構によって、低コストで、搭載スペースに影響を与えることなく、燃料切れ後であってもエンジンの再始動を行うことができる。

上記構成において、前記変位伝達室は、前記第１ピストンの変位を拡大して前記第２ピストンに伝達し、前記変位伝達室に供給される燃料の圧力が正常な正常燃圧である場合には、前記第１ピストンの変位に関わらず、前記押圧部は前記他方のピストンと接せず、前記変位伝達室に供給される燃料の圧力が前記正常燃圧よりも低い異常燃圧の場合には、前記第１ピストンの変位により、前記押圧部は前記他方のピストンを押圧する、構成を採用できる。

この構成により、正常燃圧の場合には、第１ピストンの変位は、変位伝達室を介して第２ピストンに伝達されることになる。これにより、動力源として、変位の小さいピエゾアクチュエータを用いた場合であっても、正常燃圧時には、第１ピストンの変位を、第２ピストンの変位に伝達することができる。また、気泡などが混入した異常燃圧の燃料が変位伝達室に供給された場合には、押圧部が他方のピストンを押圧することにより、第１ピストンの変位を第２ピストンへと伝達することができる。これにより、燃料切れ後であってもエンジンの再始動を行うことができる。

本発明によれば、簡易な機構によって燃料切れ後のエンジンの再始動を確実にするインジェクタを提供できる。

以下、本発明の第１の実施形態を図１に基づいて説明する。本実施形態は、ディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射装置への適用例を示すものである。図１は、インジェクタ１の構成を示す図である。ここでは、エンジンの各気筒に対応して設けられるインジェクタ１のうち１つのみを示している。

インジェクタ１は、図示しないコモンレールに接続されて、燃料（ここでは軽油）の供給を受けるようになっており、コモンレールには高圧サプライポンプにより圧送される燃料が噴射圧力に相当する所定の高圧で蓄えられる。

図１において、インジェクタ１は、動力源であるアクチュエータ２、第１ピストン３１、第２ピストン３３が収容されるボディＢ１と、制御バルブ３５が収容されるボディＢ２と、燃料溜まり室１３と弁室１４とを連通する通路と、弁室１４と制御室１５とを連通する通路とを形成するボディＢ３と、ニードル６が収容されるボディＢ４を有する。これらボディＢ１〜Ｂ４は、この順に上下に積層されて、リテーナＢ５により密に締付け固定され、図略の燃焼室壁に取付けられる。

ノズルボディを構成するボディＢ１〜Ｂ３を貫通して、燃料供給用の高圧燃料通路１２が形成される。高圧燃料通路１２は、ボディＢ１の上端面に開口する燃料導入口１１を介してコモンレールに連通するとともに、ボディＢ４内に設けた燃料溜まり室１３に連通している。ボディＢ１には、高圧燃料通路１２の側方に、リターン通路となる低圧燃料通路２２が形成され、図示しない燃料出口２３を介して外部に設けた燃料タンクへ接続している。低圧燃料通路２２は、ボディＢ２に形成された低圧通路２１と連通している、

アクチュエータ２はＰＺＴ等の圧電セラミック層と電極層を交互に積層したピエゾスタックからなり、積層方向（上下方向）を伸縮方向として、図示しない駆動回路により充放電されるようになっている。第１ピストン３１、第２ピストン３３は、シリンダ５内に摺動自在に保持され、両ピストン３１、３３間に形成される変位伝達室３２を形成する。

第１ピストン３１は、アクチュエータ２の動力によって変位し、第２ピストン３３は、変位伝達室３２を介して第１ピストン３１の変位が伝達される。また、ニードル６は、第２ピストン３３の変位によって変位する。詳細については後述する。

アクチュエータ２の駆動力は、摺動ピン３４を介して、制御バルブ３５に伝達される。摺動ピン３４は、ボディＢ２に穿設した縦孔に摺動自在に収容され、該縦孔の下端拡径部からなる弁室１４に制御バルブ３５が収容される。制御バルブ３５は上部が半球状になっており、下部が円柱状に形成されている、摺動ピン３４は、第２ピストン３３の鍔部３３ａの下端面に鉛直下方に突出するように形成されている。摺動ピン３４の下端小径部周りには、環状通路が形成され、低圧通路２１を介して低圧燃料通路２２に連通している。

ボディＢ４には、ニードル６が摺動自在に保持される。ボディＢ４の下端サック室壁を貫通して噴孔６４が設けられ、摺動ピン３４が制御バルブ３５を駆動すると、ニードル６が昇降して噴孔６４を開閉する。ボディＢ４内の空間は燃料溜まり室１３を構成し、ニードル６が下端位置にある時に、円錐形状の先端部が燃料溜まり室１３とサック室の境界部に設けられるノズルシート６５に着座して、燃料溜まり室１３から噴孔６４への燃料供給を遮断する。ニードル６がリフトしてノズルシート６５から離座すると、燃料が噴射される。

ニードル６の上方には、制御室１５が形成される。弁室１４は、ボディＢ３を貫通する連通路を介して、制御室１５と常時連通する。制御室１５は、ボディＢ４の上端部に設けられてニードル６の上端部が摺動自在に保持される筒状部６６内壁面とニードル６の上端面により画成される空間からなる。

制御室１５は、弁室１４を介して、高圧燃料通路１２から制御油としての燃料が導入されることにより、ニードル６の背圧を発生している。この背圧はニードル６に下向きに作用して、スプリング４１とともにノズルニードル５を閉弁方向に付勢する。スプリング４１は、ニードル６の中間部外周に設けたフランジ部６１と筒状部６６の下端面との間に保持される。一方、燃料溜まり室１３の高圧燃料がニードル６先端部の円錐面に上向きに作用しニードル６を開弁方向に付勢している。

制御バルブ３５は、シート位置を選択的に切換えることにより、弁室１４と常時連通する制御室１５の圧力を制御する。制御バルブ３５が上端位置にある時には、上端部球面が弁室１４頂面の開口を閉鎖して、摺動ピン３４周りの環状通路に続く低圧通路２１、低圧燃料通路２２との連通を遮断する。制御バルブ３５が下端位置にある時には、下端面が弁室１４底面の開口を閉鎖して燃料溜まり室１３と弁室１４との連通を遮断する。これに伴い、弁室１４に連通する制御室１５の圧力、すなわちニードル６の背圧が減少する。

アクチュエータ２に通電しない通常状態において、制御バルブ３５は弁室１４に配設されるスプリング４２と燃料圧力により上方に付勢されて、上端位置にある。この時、弁室１４と連通する制御室１５の圧力が上昇するために、ニードル６は閉弁位置となる。

ボディＢ１に収納されているシリンダ５は、上半部内を大径の第１ピストン３１を、下半部内を小径の第２ピストン３３を、摺動自在に保持している。第１ピストン３１と第２ピストン３３の間に形成される空間には、作動油となる燃料が充填されて変位伝達室３２を構成する。これにより、第１ピストン３１の変位を変位伝達室３２にて油圧に変換し、両ピストン３１、３３の流路断面積比に応じて拡大して伝達することができる。具体的には、第１ピストン３１と、第２ピストン３３との断面積比は、２：１となっている。従って、変位拡大室３２は、第１ピストン３１の変位を拡大して第２ピストン３３へと伝達する機能を有している。

第１ピストン３１は、上端が大径のフランジ部３１ａとなってシリンダ５から上方に突出し、上端面がアクチュエータ２の下端面に当接している。第２ピストン３３は下端面に設けた突出部が摺動ピン３４の上端面に当接している。シリンダ５は、下端外周に張り出すフランジ部５ａを有している。

フランジ部５ａと第１ピストン３１のフランジ部３１ａの間に、バネ４４が挟持されている。バネ４４は中空略円筒状バネで、シリンダ５の外周面との間隙にクリアランスを有して配置されており、第１ピストン３１をアクチュエータ２に押し付けて、第１ピストン３１とアクチュエータ２とを一体に変位可能とする。

次に、本実施形態におけるインジェクタ１の作動を説明する。図１において、アクチュエータ２が放電状態で縮小している状態では、上述したように制御バルブ３５が上端位置にあり、制御室１５の油圧力とスプリング４１のバネ力によって、ニードル６は閉弁している。この状態から、アクチュエータ２に通電すると、アクチュエータ２が充電されて伸長する。これに伴い、第１ピストン３１が下方に移動して変位伝達室３２内の燃料（ここでは軽油）を圧縮し、この油圧力が第２ピストン３３をおよび摺動ピン３４を押し下げると、制御バルブ３５が下端位置へ移動し、弁室１４と燃料溜まり室１３との連通を閉鎖する。

これにより、制御室１５が、弁室１４、低圧通路２１を介して低圧燃料通路２２に連通する。制御室１５の圧力が降下してニードル６に作用する上向きの付勢力が下向きの付勢力を上回ると、ニードル６がノズルシート６５から離座し、噴孔６４から燃料が噴射される。その後、アクチュエータ２を再び放電して収縮させると、制御バルブ３５の押し下げ力が解除されて上端位置に戻り、制御室１５圧力が再び上昇してニードル６が着座し、噴射が終了する。

次に、本実施形態におけるインジェクタ１の特徴部分について詳細に説明する。図２は、変位伝達室３２周辺の拡大図である。変位伝達室３２は、第１ピストン３１の下端面には、第２ピストン３３の上端面に向けて突出した押圧部３１ｂが形成されている。押圧部３１ｂは、厚みの薄い円板状に形成されている。押圧部３１ｂは、変位伝達室３２内に臨むように設けられている。図２に示した状態は、アクチュエータ２が放電状態である場合を示している。また、押圧部３１ｂの下端面と第２ピストン３３の上端面との間にクリアランスαを有して、第１ピストン３１は保持される。

押圧部３１ｂは、第１ピストン３１と同一材料により一体に形成されている。クリアランスαは、アクチュエータ２が放電状態にある場合であって、変位伝達室３２に導入された燃料が正常な燃圧である場合に、即ち高圧状態にある燃料が導入されている場合に（以下、正常燃圧と称する）、押圧部３１ｂの下端面と第２ピストン３３の上端面との間に形成されるクリアランスの大きさである。

次に、変位伝達室３２に導入された燃料の圧力が正常燃圧である場合と、正常燃圧よりも低い異常な燃圧（以下、異常燃圧と称する）である場合とにおいて、第１ピストン３１の昇降に伴う変位伝達室３２の状態について説明する。図３（Ａ）は、正常燃圧状態において第１ピストン３１が下端近くまで下降した状態を示している。図３（Ｂ）は、異常燃圧状態において第１ピストン３１が下端近くまで下降した状態を示している。

図３（Ａ）に示すように、第１ピストン３１が下端近くまで下降すると、変位伝達室３２内の燃料が圧縮されて、その作用で第２ピストン３３の上端面に対して下方に圧力が作用して、第２ピストン３３は下降する。これにより、燃料が噴射される。第１ピストン３１が上端位置から下端近くに移動する際に、押圧部３１ｂは、第２ピストン３３の上端部当接しない。即ち、第１ピストン３１の変位によらず、押圧部３１ｂは、第２ピストン３３の上端部当接しない。尚、この場合でのクリアランスβは、クリアランスαよりも大きくなる。

一方、異常燃圧の場合、例えば、変位伝達室３２内に、気泡が混入した燃料が供給された場合には、変位伝達室３２内の圧力は、正常に燃料が変位伝達室３２内に供給された場合と比較して、低い状態となる。このような状態で、第１ピストン３１が下端近くまで下降すると、気泡が潰れるだけで、変位伝達室３２内の圧力は上昇しない。または、ある程度は上昇するが、第２ピストン３３を下方へ移動させ、燃料を噴射させるに至らない恐れがある。

しかしながら、異常燃圧の場合には、第１ピストン３１が上端位置から下端近くに移動する際に、第１ピストン３１が下端近くに達する前に押圧部３１ｂが第２ピストン３３の上端面に当接する。そして、図３（Ｂ）に示すように、押圧部３１ｂが第２ピストン３３を直接下方に押して下方に移動させることができる。これにより、燃料を噴射することができる。

具体的には、例えば、燃料切れの状態で変位伝達室３２内に、気泡が混じった燃料が供給されたままエンジンが停止し、給油後にエンジンを再始動する場合には、上述したように、第２ピストン３３を下方へ移動させることができる。これにより、制御室１５内の燃料の一部が変位伝達室３２へと流れ込み、変位伝達室３２内の気泡は、新しく変位伝達室３２内に供給された燃料の圧力によって潰され、変位伝達室３２内の圧力は正常な状態となる。

これにより、燃料切れ後のエンジンの再始動が可能となる。また、第１ピストン３１の下端面に、突起状に形成された押圧部３１ｂを設けるという、簡易な機構によって燃料切れ後のエンジンの再始動が可能となるので、低コストで、搭載スペースに影響を与えることがない。

次に、制御バルブ３５への力学的作用について説明する。コモンレール内の燃料の圧力をＰｃとする。また、制御バルブ３５の上端部のシートの断面積をＳ_１とする。制御バルブ３５を上方に付勢するスプリング４２の力をＦＳとする。コモンレール内の圧力をＰｃとすると、弁室１４内の燃料の圧力もＰｃでると考えられる。従って、制御バルブ３５に上方に作用する力ＦＵは、以下のように算出される。

（数１）
ＦＵ＝Ｐｃ＊Ｓ_１＋ＦＳ…（１）

次に、アクチュエータ２のストロークをΔＬとすると、摺動ピン３４が制御バルブ３５を押す力ＦＤを求める。体積弾性係数Ｋを有するボリュームＶ燃料が、ΔＶだけ圧縮された場合に燃料に生じる圧力ΔＰは、以下のように算出される。

（数２）
ΔＰ＝Ｋ（ΔＶ／Ｖ）…（２）

また、第１ピストン３１の断面積をＳ_２とすると、第１ピストン３１のストロークは、アクチュエータ２のストロークと同一なので、上記式２を、以下のように変形できる。

（数３）
Ｋ（ΔＶ／Ｖ）＝Ｋ（ΔＬ＊Ｓ_２）／Ｖ…（３）

従って、摺動ピン３４の断面積をＳ_３とすると、摺動ピン３４が制御バルブ３５を押す力ＦＤは、以下のように算出される

（数４）
ＦＤ＝Ｓ_３＊ΔＰ＝Ｓ_３＊Ｋ（ΔＬ＊Ｓ_２）／Ｖ…（４）

ＦＵ＜ＦＤの場合に、制御バルブ３５が下方に移動して燃料が噴射されることになる。これに対し、変位伝達室３２内に供給される燃料が正常燃圧の場合には、体積弾性係数Ｋの値は、比較的大きな値をとるが、変位伝達室３２内に気泡が混入した場合のような、変位伝達室３２内の圧力が低い異常燃圧の場合には、体積弾性係数Ｋの値は、小さな値をとる。このため、上記式３において、アクチュエータ２のストロークΔＬが同一の場合であっても、異常燃圧時には、正常燃圧時と比較し、燃料に生じる圧力ΔＰが小さな値となり、ＦＵ＞ＦＤとなり、制御バルブ３５が下方に移動しないことになる。

従って、異常燃圧時においては、変位伝達室３２内の燃料の作用のみによっては、制御バルブ３５は下方に移動しないことになる。しかしながら、前述したように、押圧部３１ｂが、第２ピストン３３の上端面に直接当接して下方へ押すことにより、制御バルブ３５を下方へ移動させることができ、燃料を噴射させることができる。

尚、前述したクリアランスαは、変位伝達室３２に供給される燃料に気泡が混入していない状態で、押圧部３１ｂが第２ピストン３３の上端面に当接する前に、ＦＵ＜ＦＤとなるように設定されており、かつ、変位伝達室３２に供給される燃料に気泡が混入しているような燃料の圧力が低い状態では、押圧部３１ｂが第２ピストン３３の上端面に当接するように設定する必要がある。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の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された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

押圧部は、第２ピストン３３の上端面に設けてもよい。

変位伝達室は、第１ピストンの変位を拡大して第２ピストンへ伝達する構成に限定されない。例えば、第１ピストンの変位と同等の変位を第２ピストンへ伝達するものであってもよい。

インジェクタの構成を示す図である。変位伝達室周辺の拡大図である。第１ピストンの昇降に伴う変位伝達室の状態についての説明図である。

符号の説明

１インジェクタ
１１燃料導入口
１２高圧燃料通路
１３燃料溜まり室
１４弁室
１５制御室
２アクチュエータ
２１低圧通路
２２低圧燃料通路
２３燃料出口
３１第１ピストン
３１ａフランジ部
３１ｂ押圧部
３２変位伝達室
３３第２ピストン
３４摺動ピン
３５制御バルブ
４１、４２、４３スプリング
４４バネ
５シリンダ
５ａフランジ部
６ニードル
６１フランジ部
６４噴孔
６５ノズルシート

Claims

動力源と、
前記動力源の動力によって変位する第１ピストンと、
燃料が充填された変位伝達室を介して前記第１ピストンの変位が伝達される第２ピストンと、
前記第２ピストンの変位によって変位するニードルとを備え、
前記第１及び第２ピストンの少なくとも一方に他方に向けて突出した押圧部が形成されている、ことを特徴とするインジェクタ。
前記変位伝達室は、前記第１ピストンの変位を拡大して前記第２ピストンに伝達し、
前記変位伝達室に供給される燃料の圧力が正常な正常燃圧である場合には、前記第１ピストンの変位に関わらず、前記押圧部は前記他方のピストンと接せず、前記変位伝達室に供給される燃料の圧力が前記正常燃圧よりも低い異常燃圧の場合には、前記第１ピストンの変位により、前記押圧部は前記他方のピストンを押圧する、ことを特徴とする請求項１に記載のインジェクタ。