JP2015090088A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】制御室を排出通路に連通させてノズルニードルを開弁作動させる形式の燃料噴射弁において、噴射量精度を向上させる。
【解決手段】制御室２６に弁体スプリング３４およびスプリングシート３５を配置することにより、それらの容積分だけ制御室２６の容積が小さくなる。その結果、ノズルニードル２２を開弁作動させる際の制御室２６の圧力変動が小さくなり、ノズルニードル２２の作動が安定して噴射量精度が向上する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料を内燃機関の燃焼室に噴射する燃料噴射弁に関するものである。

従来、この種の燃料噴射弁として、例えば特許文献１に記載されたものがある。この特許文献１に記載された燃料噴射弁は、ノズルニードルに閉弁向きの燃料圧力を作用させる制御室を備え、制御室の燃料圧力を制御することにより、ノズルニードルを開弁作動または閉弁作動させるようになっている。

具体的には、制御室の燃料を低圧部に排出させる排出通路が開口する低圧シート面と、低圧シート面に対向し、高圧燃料を制御室に供給する高圧供給通路が開口する高圧シート面とを備え、低圧シート面と高圧シート面との間に形成された弁室に弁体が配置され、この弁体が低圧シート面および高圧シート面と接離して、制御室を排出通路および高圧供給通路に選択的に連通させるようになっている。また、弁体を低圧シート面に向かって付勢するスプリングは、高圧供給通路に配置されている。

そして、制御室を排出通路に連通させて制御室の燃料圧力を下げることにより、ノズルニードルが開弁向きに移動して噴孔が開かれ、燃料が噴孔から内燃機関の燃焼室に噴射されるようになっている。

特開２００６−４６３２３号公報

しかしながら、制御室の容積が大きい場合は、ノズルニードルを開弁作動させる際に制御室の圧力変動が大きくなってしまい、ノズルニードルの作動が安定せずに噴射量精度が低下してしまうという問題が発生する。特に、排出通路の通路面積を大きくして開弁速度を高くした燃料噴射弁においては、制御室の圧力変動がより大きくなるため、噴射量精度が大幅に低下してしまう。

本発明は上記点に鑑みて、制御室を排出通路に連通させてノズルニードルを開弁作動させる形式の燃料噴射弁において、噴射量精度を向上させることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、高圧燃料を内燃機関の燃焼室に噴射するための噴孔（２１１）を有するノズルボデー（２１）と、ノズルボデー内で往復動して噴孔を開閉するノズルニードル（２２）と、ノズルニードルに閉弁向きの燃料圧力を作用させる制御室（２６）と、制御室の燃料を低圧部に排出させる排出通路（３１３）が開口する低圧シート面（３１２）と、低圧シート面に対向し、高圧燃料を制御室に供給する高圧供給通路（２４３、３２３）が開口する高圧シート面（２４２、３２１）と、低圧シート面と高圧シート面との間に形成された弁室（２４１、３１１）と、弁室に配置され、低圧シート面および高圧シート面と接離して、制御室を排出通路および高圧供給通路に選択的に連通させる弁体（３３）と、弁体を高圧シート面に向かって駆動する駆動手段（４）と、制御室に配置され、弁体を低圧シート面に向かって付勢するスプリング（３４）とを備えることを特徴とする。

これによると、スプリングを制御室に配置したことにより、スプリングの分だけ制御室の容積が小さくなり、ノズルニードルを開弁作動させる際の制御室の圧力変動が小さくなるため、ノズルニードルの作動が安定して噴射量精度を向上させることができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態に係る燃料噴射弁を示す断面図である。 第１実施形態に係る燃料噴射弁における制御弁機構の拡大断面図である。 第１実施形態に係る燃料噴射弁における制御弁機構の他の作動状態を示す拡大断面図である。 第１実施形態に係る燃料噴射弁の第１変形例を示す要部の断面図である。 第１実施形態に係る燃料噴射弁の第２変形例を示す要部の断面図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料噴射弁を示す断面図である。 第２実施形態に係る燃料噴射弁における制御弁機構の拡大断面図である。 第２実施形態に係る燃料噴射弁の変形例を示す要部の断面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。

図１〜図３に示す本実施形態の燃料噴射弁は、コモンレール（図示せず）から供給される高圧燃料を、圧縮着火式内燃機関（以下、内燃機関という。図示せず）の燃焼室に噴射するものである。

燃料噴射弁は、インジェクタボデー１、ノズル２、制御弁機構３、アクチュエータ４、リテーニングナット５を、主要構成要素として備えている。

略円筒状のインジェクタボデー１には、コモンレールから供給される高圧燃料が流通する高圧燃料通路１１と、アクチュエータ４が収納されるアクチュエータ収納室１２が形成されている。このアクチュエータ収納室１２は、図示しない燃料タンクに接続されており、常に低圧になっている。

ノズル２は、略円筒状のノズルボデー２１、ノズルボデー２１に摺動自在に挿入された略円柱状のノズルニードル２２、ノズルニードル２２を閉弁向きに付勢するノズルスプリング２３、およびシリンダ２４を備えている。

ノズルボデー２１には、高圧燃料を内燃機関の燃焼室に噴出させる噴孔２１１が形成され、ノズルニードル２２の先端部（すなわち、噴孔側端部）がノズルボデー２１に接離することにより噴孔２１１が開閉されるようになっている。

ノズルボデー２１内には、コモンレールから高圧燃料が常時供給される燃料溜まり室２５が形成され、コモンレールからの高圧燃料は燃料溜まり室２５を介して噴孔２１１に向かって流れるようになっている。

円筒状のシリンダ２４は、ノズルスプリング２３によって後述する第２プレート３２に押し付けられ、ノズルニードル２２の後端部（すなわち、反噴孔側端部）がシリンダ２４に挿入されている。

このシリンダ２４および第２プレート３２内には、内部の燃料圧力が高圧と低圧に切り替えられる制御室２６が形成されている。そして、ノズルニードル２２は、制御室２６内の燃料圧力により閉弁向きに付勢されるとともに、燃料溜まり室２５の燃料圧力により開弁向きに付勢される。

制御室２６の圧力を制御する制御弁機構３は、インジェクタボデー１とノズル２との間に配置されている。そして、インジェクタボデー１とリテーニングナット５とを螺合させることにより、燃料噴射弁の構成要素が一体化されている。

制御弁機構３は、第１プレート３１、第２プレート３２、弁体３３、弁体スプリング３４、スプリングシート３５およびロッド３６を備えている。

第１プレート３１と第２プレート３２は積層され、第１プレート３１がインジェクタボデー１と当接し、第２プレート３２がノズルボデー２１と当接している。

第１プレート３１および第２プレート３２には、インジェクタボデー１の高圧燃料通路１１とノズルボデー２１内の燃料溜まり室２５とを連通させる高圧燃料通路３１０、３２０が形成されている。

第１プレート３１における第２プレート３２側には、凹形状の弁室３１１が形成され、その弁室３１１の底部が低圧シート面３１２となっている。より詳細には、低圧シート面３１２は、平坦な平坦シート面３１２ａと、平坦シート面３１２ａの中央部に位置するテーパ状のテーパシート面３１２ｂとからなる。

第２プレート３２には、低圧シート面３１２に対向する位置に高圧シート面３２１が形成されている。

第２プレート３２には、制御室２６の一部をなす第２プレート連通孔３２２が形成されている。この第２プレート連通孔３２２は、弁室３１１と連通している。

第１プレート３１には、制御室２６の燃料を弁室３１１を介して低圧部としてのアクチュエータ収納室１２に排出させる排出通路３１３が形成されており、この排出通路３１３はテーパシート面３１２ｂの中央部に開口している。また、排出通路３１３中には、アウトオリフィス３１４が形成されている。

第２プレート３２には、高圧燃料通路３２０から分岐して、高圧燃料を弁室３１１を介して制御室２６に供給する高圧供給通路３２３が形成されている。この高圧供給通路３２３は高圧シート面３２１に開口している。また、高圧供給通路３２３中には、インオリフィス３２４が形成されている。

弁体３３は、弁室３１１に配置され、テーパシート面３１２ｂおよび高圧シート面３２１と接離して、制御室２６を排出通路３１３および高圧供給通路３２３に選択的に連通させるようになっている。また、弁体３３には、弁体３３がテーパシート面３１２ｂから離れているときに排出通路３１３と制御室２６とを連通させる弁体連通孔３３１が形成されている。

弁体スプリング３４は、制御室２６に配置され、その一端側はノズルニードル２２に当接している。

スプリングシート３５は、制御室２６に配置され、その一端側はノズルニードル２２に当接している。より詳細には、スプリングシート３５におけるノズルニードル２２側の部位は、制御室２６の一部をなす第２プレート連通孔３２２内に位置している。

弁体スプリング３４およびスプリングシート３５の各他端側が当接し、弁体スプリング３４の付勢力がスプリングシート３５を介して弁体３３に伝達されるとともに、弁体スプリング３４により弁体３３が低圧シート面３１２に向かって付勢されるようになっている。

駆動手段としてのアクチュエータ４は、ピエゾ素子が多数積層されて電荷の充放電により伸縮する円柱状のピエゾスタック４１と、ピエゾスタック４１の伸縮変位を弁体３３に伝達する変位拡大機構４２とを備えている。

変位拡大機構４２は、シリンダ４２１と、シリンダ４２１内に摺動自在に挿入された２つのピストン４２２、４２３とを備えている。２つのピストン４２２、４２３間には、燃料が充填された液室４３が形成されている。

第１ピストン４２２は、ピエゾスタック４１により直接駆動されるようになっている。そして、ピエゾスタック４１の伸長時には、第１ピストン４２２により液室４３の圧力が高められるようになっている。

第２ピストン４２３は、第１ピストン４２２よりも小径で、液室４３の圧力を受けて作動し、第２ピストン４２３の変位は、ロッド３６を介して弁体３３に伝達されるようになっている。

そして、ピエゾスタック４１の伸長時には、アクチュエータ４により弁体３３が高圧シート面３２１に向かって駆動されるようになっている。その際、ピエゾスタック４１の長さの変化は、第１ピストン４２２と第２ピストン４２３の受圧面積比分拡大されて、弁体３３に伝達される。

次に、上記燃料噴射弁の作動を説明する。ピエゾスタック４１に通電されると、ピエゾスタック４１が伸長して第１ピストン４２２が駆動され、第１ピストン４２２により液室４３の圧力が高められる。高圧化された液室４３の圧力により、第２ピストン４２３が弁体３３側に向かって駆動される。

また、図３に示すように、第２ピストン４２３の変位がロッド３６を介して弁体３３に伝達されることにより、弁体３３およびスプリングシート３５が弁体スプリング３４の付勢力に抗して、ノズルニードル２２側に向かって駆動される。

そして、弁体３３が高圧シート面３２１に当接して弁室３１１と高圧供給通路３２３との間が閉じられるとともに、弁体３３がテーパシート面３１２ｂから離れて、弁室３１１と排出通路３１３との間が弁体連通孔３３１を介して連通する。したがって、制御室２６の燃料は、弁室３１１、弁体連通孔３３１、アウトオリフィス３１４、および排出通路３１３を介して燃料タンクへ戻される。

これにより、制御室２６の圧力が低下してノズルニードル２２を閉弁向きに付勢する力が小さくなるため、燃料溜まり室２５の燃料圧力に付勢されてノズルニードル２２が開弁向きに移動し、ノズルニードル２２の先端部がノズルボデー２１から離れて噴孔２１１が開かれ、噴孔２１１から内燃機関の燃焼室内に燃料が噴射される。

ここで、制御室２６には弁体スプリング３４およびスプリングシート３５が配置されているため、それらの容積分だけ制御室２６の容積が小さくなる。その結果、ノズルニードル２２を開弁作動させる際の制御室２６の圧力変動が小さくなり、ノズルニードル２２の作動が安定して噴射量精度が向上する。

その後、ピエゾスタック４１への通電が停止されるとピエゾスタック４１が縮み、液室４３の圧力が低下するため、図１、図２に示すように、弁体３３、スプリングシート３５、ロッド３６、および第２ピストン４２３が、弁体スプリング３４により押し戻される。

そして、弁体３３が高圧シート面３２１から離れて弁室３１１と高圧供給通路３２３との間が開かれるとともに、弁体３３がテーパシート面３１２ｂに当接して弁室３１１と排出通路３１３との間が閉じられる。したがって、コモンレールからの高圧燃料が、高圧供給通路３２３、インオリフィス３２４、および弁室３１１を介して制御室２６に導入される。

これにより、制御室２６の圧力が上昇してノズルニードル２２を閉弁向きに付勢する力が大きくなるため、ノズルニードル２２が閉弁向きに移動し、ノズルニードル２２の先端部がノズルボデー２１に当接して噴孔２１１が閉じられ、燃料噴射が終了する。

以上述べたように、本実施形態では、ノズルニードル２２を開弁作動させる際の制御室２６の圧力変動が小さくなり、噴射量精度が向上する。

なお、上記実施形態においては、弁体スプリング３４をシリンダ２４内の制御室２６に配置したが、弁体スプリング３４のセット長が短い場合は、図４に示す第１実施形態の第１変形例のように、スプリングシート３５を廃止し、且つ制御室２６の一部をなす第２プレート連通孔３２２内に弁体スプリング３４を配置してもよい。

また、弁体スプリング３４のセット長が長い場合は、図５に示す第１実施形態の第２変形例のように、スプリングシート３５を廃止してもよい。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。以下、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図６、図７に示すように、本実施形態の制御弁機構３は、シリンダ２４、第１プレート３１、弁体３３、弁体スプリング３４、およびロッド３６にて構成されている。換言すると、第１実施形態における第２プレート３２およびスプリングシート３５が廃止されている。

シリンダ２４は、ノズルスプリング２３によって第１プレート３１に押し付けられている。そして、シリンダ２４における第１プレート３１側に、凹形状の弁室２４１が形成され、その弁室２４１の底部が高圧シート面２４２となっている。

また、シリンダ２４における反第１プレート側に制御室２６が形成されている。より詳細には、この制御室２６は、ノズルニードル２２が挿入される大径制御室２６１と、この大径制御室２６１と弁室２４１とを連通させる小径制御室２６２とを備えている。

シリンダ２４には、弁室２４１と燃料溜まり室２５とを連通させて、高圧燃料を弁室２４１を介して制御室２６に供給する高圧供給通路２４３が形成されている。この高圧供給通路２４３は高圧シート面２４２に開口している。また、高圧供給通路２４３中には、インオリフィス２４４が形成されている。

第１プレート３１には、高圧シート面２４２に対向する位置に低圧シート面３１２が形成されている。

弁体３３は、弁室２４１に配置され、低圧シート面３１２および高圧シート面２４２と接離して、制御室２６を排出通路３１３および高圧供給通路２４３に選択的に連通させるようになっている。弁体スプリング３４は、小径制御室２６２に配置されている。

次に、上記燃料噴射弁の作動を説明する。ピエゾスタック４１に通電されると、第１実施形態と同様に第２ピストン４２３が弁体３３側に向かって駆動され、弁体３３が弁体スプリング３４の付勢力に抗して、ノズルニードル２２側に向かって駆動される。

そして、弁体３３が高圧シート面２４２に当接して弁室２４１と高圧供給通路２４３との間が閉じられるとともに、弁体３３が低圧シート面３１２から離れて、弁室２４１と排出通路３１３との間が弁体連通孔３３１を介して連通する。したがって、制御室２６の燃料は、弁室２４１、弁体連通孔３３１、アウトオリフィス３１４、および排出通路３１３を介して燃料タンクへ戻される。

これにより、制御室２６の圧力が低下してノズルニードル２２を閉弁向きに付勢する力が小さくなるため、燃料溜まり室２５の燃料圧力に付勢されてノズルニードル２２が開弁向きに移動し、ノズルニードル２２の先端部がノズルボデー２１から離れて噴孔２１１が開かれ、噴孔２１１から内燃機関の燃焼室内に燃料が噴射される。

ここで、制御室２６には弁体スプリング３４が配置されているため、それらの容積分だけ制御室２６の容積が小さくなる。その結果、ノズルニードル２２を開弁作動させる際の制御室２６の圧力変動が小さくなり、ノズルニードル２２の作動が安定して噴射量精度が向上する。

その後、ピエゾスタック４１への通電が停止されるとピエゾスタック４１が縮み、液室４３の圧力が低下するため、図６、図７に示すように、弁体３３、ロッド３６、および第２ピストン４２３が、弁体スプリング３４により押し戻される。

そして、弁体３３が高圧シート面２４２から離れて弁室２４１と高圧供給通路２４３との間が開かれるとともに、弁体３３が低圧シート面３１２に当接して弁室２４１と排出通路３１３との間が閉じられる。したがって、燃料溜まり室２５の高圧燃料が、高圧供給通路２４３、インオリフィス３２４、および弁室２４１を介して制御室２６に導入される。

これにより、制御室２６の圧力が上昇してノズルニードル２２を閉弁向きに付勢する力が大きくなるため、ノズルニードル２２が閉弁向きに移動し、ノズルニードル２２の先端部がノズルボデー２１に当接して噴孔２１１が閉じられ、燃料噴射が終了する。

以上の説明から明らかなように、本実施形態では、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、上記実施形態においては、弁体スプリング３４を小径制御室２６２に配置したが、弁体スプリング３４のセット長が長い場合は、図８に示す第２実施形態の変形例のように、大径制御室２６１および小径制御室２６２の両方にわたって弁体スプリング３４を配置してもよい。

（他の実施形態）
本発明は上記した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した範囲内において適宜変更が可能である。

また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。

また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。

また、上記各実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されるものではない。

４ アクチュエータ（駆動手段）
２１ ノズルボデー
２２ ノズルニードル
２６ 制御室
３３ 弁体
３４ スプリング
２１１ 噴孔
２４１ 弁室
２４２ 高圧シート面
２４３ 高圧供給通路
３１１ 弁室
３１２ 低圧シート面
３１３ 排出通路
３２１ 高圧シート面
３２３ 高圧供給通路

Claims (2)

1. 高圧燃料を内燃機関の燃焼室に噴射するための噴孔（２１１）を有するノズルボデー（２１）と、
   前記ノズルボデー内で往復動して前記噴孔を開閉するノズルニードル（２２）と、
   前記ノズルニードルに閉弁向きの燃料圧力を作用させる制御室（２６）と、
   前記制御室の燃料を低圧部に排出させる排出通路（３１３）が開口する低圧シート面（３１２）と、
   前記低圧シート面に対向し、高圧燃料を前記制御室に供給する高圧供給通路（２４３、３２３）が開口する高圧シート面（２４２、３２１）と、
   前記低圧シート面と前記高圧シート面との間に形成された弁室（２４１、３１１）と、
   前記弁室に配置され、前記低圧シート面および前記高圧シート面と接離して、前記制御室を前記排出通路および前記高圧供給通路に選択的に連通させる弁体（３３）と、
   前記弁体を前記高圧シート面に向かって駆動する駆動手段（４）と、
   前記制御室に配置され、前記弁体を前記低圧シート面に向かって付勢するスプリング（３４）とを備えることを特徴とする燃料噴射弁。
2. 前記制御室に配置され、前記スプリングの付勢力を前記弁体に伝達するスプリングシート（３５）を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。

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