JP3760572B2 - エンジンの燃料噴射装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電磁歪アクチュエータを介して針弁前後の燃料圧力を変化させることにより針弁を作動させるエンジンの燃料噴射弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用エンジンに備えられる燃料噴射弁等に、印加電圧に応じて伸張するピエゾアクチュエータ（圧電素子）を備え、ピエゾアクチュエータを介して針弁（弁体）を開弁作動させるものがあった。針弁をピエゾアクチュエータにより駆動することにより、燃料噴射弁の高速応答性が高まり、最大噴射量と最小噴射量の比（ダイナミックレンジ）が拡大してエンジンの高出力化に対応できる。また、少量の燃料を安定して噴射できるので、エンジンの燃費低減がはかれる。
【０００３】
この種の燃料噴射弁として、針弁をその前後差圧に基づいて開弁させるようにしたものが知られている。針弁の前後には燃圧室と背圧室が画成されており、燃圧室には所定の圧力で燃料が導入され、背圧室は燃圧室とオリフィスにより連通されている。針弁背後側の背圧室にはピエゾアクチュエータが設けられており、このピエゾアクチュエータの伸縮により針弁の開閉作動が制御される。すなわち、ピエゾアクチュエータに電圧を印加して伸長させた状態で針弁前後の燃圧室と背圧室の圧力はオリフィスを介して均等化されている。このとき針弁は第一リターンスプリングの張力により閉弁保持されている。この状態からピエゾアクチュエータの両端子を短絡させてピエゾアクチュエータを瞬時に収縮させると、針弁背後の背圧室の容積が拡大する。このとき、背圧室は針弁前方の燃圧室に対してオリフィスを介して連通しているので、一時的に背圧室の内圧が低下し針弁の前後に開弁方向の圧力差が発生する。これにより針弁は第一リターンスプリングに抗して開弁し、噴口が開いて燃料が噴射されることになる。（この種の燃料噴射弁の公知例としては、例えば特開平５−９９０９２号、実開昭６３−２４３６２号公報を参照。）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のこのようなピエゾアクチュエータを用いた燃料噴射弁では、エンジンの始動時において、電動燃料ポンプが駆動されて燃圧室に導かれる燃料圧力が上昇するエンジンの起動前に、まず燃圧室に燃料が導かれ、次いでオリフィスを介して背圧室に燃料が流入するので、背圧室の圧力が上昇し終わるまでの間は、針弁の前後に圧力差が生じるため、針弁が所定の噴射時期以外で第一リターンスプリングに抗して開弁して燃料が噴射されてしまう初期燃料噴射を起こす可能性があった。
【０００５】
本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、エンジンの燃料噴射弁において、燃料の初期噴射を防止することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のエンジンの燃料噴射弁は、印加される電圧または磁界に応じて伸縮する電磁歪アクチュエータと、電磁歪アクチュエータの伸縮に応じて拡縮する背圧室と、
燃料供給通路から加圧燃料が導かれる燃圧室と、燃圧室と背圧室を連通する第一絞り通路と、燃圧室と背圧室との圧力差に応じて変位する針弁と、針弁を閉弁方向に付勢する第一リターンスプリングと、針弁によって開閉される噴口とを備えるエンジンの燃料噴射装置において、背圧室に燃料供給圧を導く背圧通路と、燃料供給通路に燃料供給圧を導く第二絞り通路と、燃料供給通路に面する大プランジャと、背圧通路に面して大プランジャより断面積が小さい小プランジャとを備え、第二リターンスプリングによって開弁方向に付勢されるとともに大プランジャの背後には大気圧を導く大気圧室が設けられており、背圧通路と燃料供給通路の圧力差に応動し、燃料供給圧が上昇するのに伴って背圧通路を閉塞するスプールバルブを有する弁手段とを備えるものとした。
【０００９】
請求項２に記載のエンジンの燃料噴射弁は、請求項１に記載の発明において、前記スプールバルブは小プランジャの端面を背圧通路を画成する壁面に当接して背圧通路を閉塞する構造とした。
【００１０】
【発明の作用および効果】
請求項１に記載の発明において、エンジン停止時に針弁まわりの燃圧室と背圧室の圧力はそれぞれ低下している。このとき針弁は第一リターンスプリングの弾性復元力により閉弁される。
【００１１】
エンジンの始動に際して燃料ポンプが駆動されて燃料供給圧が上昇する過程で、弁手段を介して背圧通路が開通しており、背圧室と燃圧室の圧力が上昇するのに伴って、針弁前後の受圧面積差により針弁が閉弁方向に付勢される。こうして、針弁が第一リターンスプリングの弾性復元力とその前後差圧による押圧力を合わせた力によって閉弁位置に保持される。これにより、エンジン起動前に針弁が開弁して燃料が噴射されてしまう初期噴射を防止できる。この結果、エンジンの始動性を高められ、排気エミッションの悪化を防止することができる。
【００１２】
燃料供給圧が上昇し終わると、弁手段を介して背圧通路が閉塞される。そして、背圧室と燃圧室の圧力は第一絞り通路を介して均等化される。
【００１３】
こうして始動の準備が整ったところで行われるエンジン起動時、電磁歪アクチュエータがエンジン回転に同期して背圧室を拡張してその圧力を低下させる。燃圧室は絞り通路を介して圧力低下が遅れて伝わるので、背圧室と燃圧室に圧力差が直ちに発生する。この圧力差により針弁が第一リターンスプリングに抗して噴口を開き、燃圧室に導かれる高圧燃料が噴口を通ってエンジンの燃焼室に噴射される。
【００１４】
燃料噴射弁の閉弁作動時に、電磁歪アクチュエータがエンジン回転に同期して背圧室を収縮させることにより背圧室の圧力が直ちに回復し、針弁前後の受圧面積差により針弁が閉弁方向に付勢される。こうして、針弁が第一リターンスプリングの弾性復元力とその前後差圧による押圧力を合わせた力によって移動して噴口を閉塞し、燃料の噴射が停止される。
【００１５】
また、エンジンの始動に際して燃料ポンプが駆動されて燃料供給圧が上昇する過程で、第二絞り通路を介して燃料供給通路の圧力上昇が背圧通路の圧力上昇より遅れるため、スプールバルブは背圧通路と燃料供給通路の圧力差に応動して背圧通路を開いており、燃料ポンプの吐出圧が背圧通路を介して背圧室へと直ちに導かれる。第二絞り通路を介して燃圧室の圧力上昇が背圧室の圧力上昇より遅れるため、燃圧室と背圧室の圧力差によって針弁が閉弁方向に付勢される。こうして、針弁が第一リターンスプリングの弾性復元力とその前後差圧による押圧力を合わせた力によって閉弁位置に保持される。これにより、エンジン起動前に針弁が開弁して燃料が噴射されてしまう初期噴射を防止できる。この結果、エンジンの始動性を高められ、排気エミッションの悪化を防止することができる。
【００１６】
こうして初期噴射を防止しつつ燃料供給圧が上昇し終わり、燃料供給通路と背圧通路の圧力が第二絞り通路を介して均等化されると、スプールバルブは背圧通路と燃料供給通路の圧力差に応動して背圧通路を閉塞する閉位置に保持される。
【００１７】
こうして始動の準備が整ったところで行われるエンジン起動時、電磁歪アクチュエータがエンジン回転に同期して背圧室を拡張してその圧力を低下させる。燃圧室には第二絞り通路を介して圧力低下が遅れて伝わるので、背圧室と燃圧室に圧力差が直ちに発生する。この圧力差により針弁が第一リターンスプリングに抗して噴口を開き、燃圧室に導かれる高圧燃料が噴口を通ってエンジンの燃焼室に噴射される。
【００１８】
さらに、エンジンの始動に際して燃料ポンプが駆動されて燃料供給圧が上昇する過程で、第二絞り通路を介して燃料供給通路の圧力上昇が背圧通路の圧力上昇より遅れるため、スプールバルブは第二リターンスプリングの弾性復元力により背圧通路を開いており、燃料ポンプの吐出圧が背圧通路を介して背圧室へと直ちに導かれる。第二絞り通路を介して燃圧室の圧力上昇が背圧室の圧力上昇より遅れるため、燃圧室と背圧室の圧力差によって針弁が閉弁方向に付勢される。こうして、針弁が第一リターンスプリングの弾性復元力とその前後差圧による押圧力を合わせた力によって閉弁位置に保持される。これにより、エンジン起動前に針弁が開弁して燃料が噴射されてしまう初期噴射を防止できる。この結果、エンジンの始動性を高められ、排気エミッションの悪化を防止することができる。
【００１９】
こうして初期噴射を防止しつつ燃料供給圧が上昇し終わり、燃料供給通路と背圧通路の圧力が第二絞り通路を介して均等化されると、スプールバルブは大プランジャと小プランジャの受圧面積の差により第二リターンスプリングに抗して背圧通路を閉塞する閉位置に保持される。
【００２０】
スプールバルブの変位に伴って、大プランジャの背後に画成された大気圧室が拡縮するが、大気圧室にはエア抜き通路を介して空気が出入りし、スプールバルブの変位を妨げることがない。
【００２１】
こうして始動の準備が整ったところで行われるエンジン起動時、電磁歪アクチュエータがエンジン回転に同期して背圧室を拡張してその圧力を低下させる。燃圧室には第二絞り通路を介して圧力低下が遅れて伝わるので、背圧室と燃圧室に圧力差が直ちに発生する。この圧力差により針弁が第一リターンスプリングに抗して噴口を開き、燃圧室に導かれる高圧燃料が噴口を通ってエンジンの燃焼室に噴射される。
【００２２】
請求項２に記載の発明において、初期噴射を防止しつつ燃料供給圧が上昇し終わり、燃料供給通路と背圧通路の圧力が第二絞り通路を介して均等化されると、スプールバルブは大プランジャと小プランジャの受圧面積の差により第二リターンスプリングに抗して背圧通路を閉塞する閉位置に保持される。この閉位置において、スプールバルブは小プランジャの端面を背圧通路を画成する壁面に当接して背圧通路を閉塞する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を筒内噴射式火花点火エンジンに備えられる燃料噴射弁に適用した実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１に示すように、燃料噴射弁７はエンジンの燃焼室天井壁から燃焼室に臨むノズルボディ１を備える。ノズルボディ１の先端に開口した噴口１ｂから燃料噴霧をピストンの冠部に向けて噴出するようになっている。
【００２５】
ノズルボディ１の内部に針弁２が摺動可能に収装される。ノズルボディ１の先端に噴口１ｂが開口される。噴口１ｂは針弁２の先端に円錐面状に突出したシール部２ａが、ノズルボディ１のシート部１ａに着座することにより閉塞され、シート部１ａから離れることにより開通する。
【００２６】
図５に示すように、フューエルタンク５９に貯溜された燃料は、電動モータ５４により駆動される第一燃料ポンプ５８を介して吸い上げられ、第二燃料ポンプ５７に圧送される。通常、第二燃料ポンプ５７の吐出圧が第一燃料ポンプ５８の吐出圧より高く設定されている。
【００２７】
エンジン５０により駆動される第二燃料ポンプ５７は、さらに加圧した燃料を蓄圧室５６へと送り、蓄圧室５６から各気筒の燃料噴射弁７に燃料を圧送する。
【００２８】
エンジン５０により駆動される第二燃料ポンプ５７は、さらに加圧した燃料を蓄圧室５６へと送り、蓄圧室５６から各気筒の燃料噴射弁７に燃料を圧送する。燃料戻し通路５２にはプレッシャレギュレータ５５が設けられ、蓄圧室５６の余剰燃料をフューエルタンク５９へと戻すことで、燃料噴射弁７に導かれる燃料圧力を所定値以下に保つようになっている。
【００２９】
針弁２とノズルボディ１の間には燃圧室３が画成される。第一燃料ポンプ５８から圧送される燃料は、燃料供給通路３１から燃圧室３に導入され、針弁２のリフトに伴って噴口１ｂから噴射される。
【００３０】
針弁２はその基端側にピストン部２ｃを有する。ノズルボディ１およびケーシング９とピストン部２ｃの間には背圧室８が画成される。燃圧室３と背圧室８はピストン部２ｃの外周に形成された第一絞り通路（隙間）５を介して連通する。
【００３１】
針弁２を閉弁方向に付勢する第一リターンスプリング４が設けられる。コイル状をした第一リターンスプリング４は針弁２の基端部とケーシング９の間に圧縮された状態で介装され、針弁２と同軸上に配置される。なお、第一リターンスプリング４が針弁２に付与する弾性復元力は、針弁２に働く燃焼圧に対抗して針弁２を閉弁保持できるように設定される。
【００３２】
針弁２の基端部とケーシング９の間にはシム１７が介装され、シム１７によって針弁２の軸方向の移動が規制される。シム１７は円盤状に形成され、シム１７の板厚によって針弁２の最大リフト量が決まる。
【００３３】
ケーシング９の内部には背圧室８を画成するピストン１１が摺動可能に介装される。背圧室８は、ノズルボディ１およびケーシング９とピストン部２ｃによって画成される室８ａと、ケーシング９とピストン１１によって画成される室８ｂとから構成される。
【００３４】
ピストン１１の外周にはＯリング１２が介装される。Ｏリング１２がケーシング９の円筒状をした内壁面に摺接することにより、背圧室８の密封がはかれる。
【００３５】
ピストン１１を介して針弁２を開閉駆動するピエゾアクチュエータ１０が設けられる。ピエゾアクチュエータ１０は円盤状をした複数のピエゾ素子が、同じく円盤状をした内部電極を挟んで積層される。
【００３６】
ピエゾアクチュエータ１０の固定端には端板１４が結合される。ケーシング９の開口端にはアジャストプレート２１が取付けられる。端板１４はアジャストプレート２１に当接してピエゾアクチュエータ１０の固定端を支持する。
【００３７】
プランジャ１１とケーシング９の間には皿バネ状をした与圧スプリング１８が介装される。ピエゾアクチュエータ１０は与圧スプリング１８によって圧縮荷重が付加された状態で伸縮させるので、安定した作動性が確保される。
【００３８】
ピエゾアクチュエータ１０は各ピエゾ素子にリード線２０を介して図示しない駆動用アンプから電圧が印加されることにより伸長する。このとき、背圧室８の圧力が高められて針弁２は閉弁する。ピエゾアクチュエータ１０は各ピエゾ素子に印加される電圧が遮断短絡されることにより収縮する。このとき、燃圧室３に対して背圧室８の圧力が低下し、針弁２は第一リターンスプリング４に抗して開弁方向に移動する。
【００３９】
なお、ピエゾアクチュエータ１０に代えて印加される磁界の強さに応じて伸縮する超磁歪素子からなる磁歪アクチュエータを用いてもよい。ここではピエゾアクチュエータと磁歪アクチュエータ等を総称して電磁歪アクチュエータとする。
【００４０】
コントローラ１９では演算された燃料噴射量に対応するパルス信号がつくられ、このパルス信号に応じた電圧が駆動用アンプ１８を介してピエゾアクチュエータ１０に印加される。
【００４１】
コントローラ１９はエンジン５０の回転数、エンジン５０の吸入空気量を始めエンジン運転条件を検出する各種信号を入力し、これらのエンジン運転条件に応じて燃料噴射量を演算する。
【００４２】
背圧室８には燃料供給源に連通する背圧通路３２が接続される。第一燃料ポンプ５８または第二燃料ポンプ５７の吐出圧は、背圧通路３２を通って背圧室８に導かれる。
【００４３】
背圧通路３２を燃料供給圧が上昇するのに伴い閉塞する弁手段として、ノズルボディ１にスプールバルブ３０が介装される。
【００４４】
図３に示すように、スプールバルブ３０は断面積の異なる大プランジャ３３と小プランジャ３４を有し、大プランジャ３３の端面が燃料供給通路３１に面し、小プランジャ３４の端面が背圧通路３２に面している。
【００４５】
大プランジャ３３の外周にはＯリング１３が介装される。Ｏリング１３がノズルボディ１の円筒状をしたシリンダ２５に摺接することにより、大気圧室３６に対する燃料供給通路３１の密封がはかれる。
【００４６】
ノズルボディ１と大プランジャ３０の背後には大気圧室３６が画成される。大気圧室３６にはエア抜き通路３７を介して大気圧が導かれる。
【００４７】
ノズルボディ１にはシリンダ２５の開口部を閉塞する栓体２６が嵌められる。スプールバルブ３０の端面には十字状に窪む溝３５が形成される。スプールバルブ３０の端面が栓体２６に接合した状態でも、溝３５によって燃料供給通路３１が開通している。
【００４８】
小プランジャ３４の外周にはＯリング１９が介装される。Ｏリング１４がノズルボディ１の小シリンダ２７に摺接することにより、大気圧室３６に対する背圧通路３２の密封がはかれる。
【００４９】
スプールバルブ３０とノズルボディ１の間には第二リターンスプリング３８が圧縮された状態で介装される。第二リターンスプリング３８の弾性復元力によりスプールバルブ３０は図１、図３に示すように、背圧通路３２を開通する開位置に保持される。
【００５０】
燃料供給通路３１と背圧通路３２に第一燃料ポンプ５８からの吐出圧が導かれる状態で、スプールバルブ３０は大プランジャ３０と小プランジャ３４の受圧面積の差により第二リターンスプリング３８に抗して図２に示すように背圧通路３２を閉塞する閉位置に保持される。
【００５１】
スプールバルブ３０が図３において下降するとやがて小プランジャ３４の端面が背圧通路３２の通路壁面に面接合して、背圧通路３２を閉塞するようになっている。
【００５２】
燃料供給通路３１は第二絞り通路３９を介して燃料入口２９に接続され、エンジン始動に際して第一燃料ポンプ５８の吐出圧が上昇するときに、燃料供給通路３１の圧力が背圧通路３２の圧力より遅れて上昇するようになっている。
【００５３】
以上のように構成され、次に作用について説明する。
【００５４】
エンジン停止時にピエゾアクチュエータ１０は収縮し、針弁２まわりの燃圧室３と背圧室８の圧力はそれぞれ低下している。このとき針弁２は第一リターンスプリング４の弾性復元力によりノズルボディ１のシート部１ａに押し付けられ、噴口１ａを閉塞している。スプールバルブ３０は第二リターンスプリング３８の弾性復元力により背圧通路３２を開いている。
【００５５】
エンジン５０の始動に際してエンジン５０が起動される前に、第一燃料ポンプ５８が電動モータ５４により駆動される。第一燃料ポンプ５８の吐出圧が上昇する過程で、第二絞り通路３９を介して燃料供給通路３１の圧力上昇が背圧通路３２の圧力上昇より遅れるため、スプールバルブ３０は第二リターンスプリング３８の弾性復元力により背圧通路３２を開いており、第一燃料ポンプ５８の吐出圧が図１に矢印で示すように背圧通路３２を介して背圧室８へと直ちに導かれる。第二絞り通路３９を介して燃圧室３の圧力上昇が背圧室８の圧力上昇より遅れるため、燃圧室３と背圧室８の圧力差によって針弁２が閉弁方向に付勢される。こうして、針弁２が第一リターンスプリング４の弾性復元力とピストン部２ｃの前後に生じる圧力差による押圧力を合わせた力によってノズルボディ１のシート部１ａに強く押し付けられる。これにより、エンジン起動前に針弁２が開弁して燃料が噴射されてしまう初期噴射を防止できる。この結果、エンジンの始動性を高められ、排気エミッションの悪化を防止することができる。
【００５６】
このようにして初期噴射を防止しつつ第一燃料ポンプ５８の吐出圧が上昇し終わり、燃料供給通路３１と背圧通路３２の圧力が第二絞り通路３９を介して均等化されると、スプールバルブ３０は大プランジャ３３と小プランジャ３４の受圧面積の差により第二リターンスプリング３８に抗して図２に示すように背圧通路３２を閉塞する閉位置に保持される。スプールバルブ３０はその閉位置において、小プランジャ３４の端面を背圧通路３２の通路壁面に面接合させて、背圧通路３２を閉塞する。
【００５７】
スプールバルブ３０の変位に伴って、大プランジャ３０の背後に画成された大気圧室３６が拡縮するが、大気圧室３６にはエア抜き通路３７を介して空気が出入りし、スプールバルブ３０の変位が可能となる。
【００５８】
このエンジン起動前に、ピエゾアクチュエータ１０は電圧が印加されて伸長しており、起動時における針弁２の開弁作動に備える。
【００５９】
こうして始動の準備が整ったところで行われるエンジン起動時、ピエゾアクチュエータ１０がエンジン回転に同期して印加される電圧が遮断短絡されることにより収縮する。ピエゾアクチュエータ１０の収縮に伴ってピストン１１が移動することにより、背圧室８はその容積が拡大してその圧力が低下する。燃圧室３は第一絞り通路５を介して圧力低下が遅れて伝わるので、背圧室８と燃圧室３に圧力差が直ちに発生する。この圧力差により針弁２が第一リターンスプリング４に抗して噴口１ｂを開き、図２に矢印で示すように燃圧室３に導かれる高圧燃料が噴口１ｂを通ってエンジン５０の燃焼室に噴射される。
【００６０】
燃料噴射弁７の閉弁作動時に、ピエゾアクチュエータ１０はエンジン回転に同期して電圧が印加されることにより伸長し、ピストン１１が移動することにより背圧室８の圧力が直ちに回復し、背圧室８と燃圧室３の圧力差および第一リターンスプリング４の付勢力により針弁２が移動してノズルボディ１のシート部１ａに着座する。針弁２がシート部に着座することにより、噴口１ｂが閉塞され、燃料の噴射が停止される。
【００６１】
燃料噴射弁７は、ピエゾアクチュエータ１０の変位方向と針弁２の変位方向が一致しているため、ピエゾアクチュエータ１０と針弁２を直列に並べられ、構造の簡素化がはかれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示し、燃料流入初期における燃料噴射弁の断面図。
【図２】同じく定常時における燃料噴射弁の断面図。
【図３】同じく図１のＡ部を拡大した断面図。
【図４】同じくスプールバルブの平面図。
【図５】同じく燃料供給系のシステム図。
【符号の説明】
１ ノズルボディ
１ｂ 噴口
２ 針弁
２ｃ 大ピストン
３ 燃圧室
４ 第一リターンスプリング
５ 第一絞り通路
７ 燃料噴射弁
８ 背圧室
１０ ピエゾアクチュエータ
１１ ピストン
１８ 与圧スプリング
３０ スプールバルブ
３１ 燃料供給通路
３２ 背圧通路
３３ 大プランジャ
３４ 小プランジャ
３６ 大気圧室
３７ エア抜き通路
３８ 第二リターンスプリング
３９ 第二絞り通路
【発明の属する技術分野】
この発明は、電磁歪アクチュエータを介して針弁前後の燃料圧力を変化させることにより針弁を作動させるエンジンの燃料噴射弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用エンジンに備えられる燃料噴射弁等に、印加電圧に応じて伸張するピエゾアクチュエータ（圧電素子）を備え、ピエゾアクチュエータを介して針弁（弁体）を開弁作動させるものがあった。針弁をピエゾアクチュエータにより駆動することにより、燃料噴射弁の高速応答性が高まり、最大噴射量と最小噴射量の比（ダイナミックレンジ）が拡大してエンジンの高出力化に対応できる。また、少量の燃料を安定して噴射できるので、エンジンの燃費低減がはかれる。
【０００３】
この種の燃料噴射弁として、針弁をその前後差圧に基づいて開弁させるようにしたものが知られている。針弁の前後には燃圧室と背圧室が画成されており、燃圧室には所定の圧力で燃料が導入され、背圧室は燃圧室とオリフィスにより連通されている。針弁背後側の背圧室にはピエゾアクチュエータが設けられており、このピエゾアクチュエータの伸縮により針弁の開閉作動が制御される。すなわち、ピエゾアクチュエータに電圧を印加して伸長させた状態で針弁前後の燃圧室と背圧室の圧力はオリフィスを介して均等化されている。このとき針弁は第一リターンスプリングの張力により閉弁保持されている。この状態からピエゾアクチュエータの両端子を短絡させてピエゾアクチュエータを瞬時に収縮させると、針弁背後の背圧室の容積が拡大する。このとき、背圧室は針弁前方の燃圧室に対してオリフィスを介して連通しているので、一時的に背圧室の内圧が低下し針弁の前後に開弁方向の圧力差が発生する。これにより針弁は第一リターンスプリングに抗して開弁し、噴口が開いて燃料が噴射されることになる。（この種の燃料噴射弁の公知例としては、例えば特開平５−９９０９２号、実開昭６３−２４３６２号公報を参照。）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のこのようなピエゾアクチュエータを用いた燃料噴射弁では、エンジンの始動時において、電動燃料ポンプが駆動されて燃圧室に導かれる燃料圧力が上昇するエンジンの起動前に、まず燃圧室に燃料が導かれ、次いでオリフィスを介して背圧室に燃料が流入するので、背圧室の圧力が上昇し終わるまでの間は、針弁の前後に圧力差が生じるため、針弁が所定の噴射時期以外で第一リターンスプリングに抗して開弁して燃料が噴射されてしまう初期燃料噴射を起こす可能性があった。
【０００５】
本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、エンジンの燃料噴射弁において、燃料の初期噴射を防止することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のエンジンの燃料噴射弁は、印加される電圧または磁界に応じて伸縮する電磁歪アクチュエータと、電磁歪アクチュエータの伸縮に応じて拡縮する背圧室と、
燃料供給通路から加圧燃料が導かれる燃圧室と、燃圧室と背圧室を連通する第一絞り通路と、燃圧室と背圧室との圧力差に応じて変位する針弁と、針弁を閉弁方向に付勢する第一リターンスプリングと、針弁によって開閉される噴口とを備えるエンジンの燃料噴射装置において、背圧室に燃料供給圧を導く背圧通路と、燃料供給通路に燃料供給圧を導く第二絞り通路と、燃料供給通路に面する大プランジャと、背圧通路に面して大プランジャより断面積が小さい小プランジャとを備え、第二リターンスプリングによって開弁方向に付勢されるとともに大プランジャの背後には大気圧を導く大気圧室が設けられており、背圧通路と燃料供給通路の圧力差に応動し、燃料供給圧が上昇するのに伴って背圧通路を閉塞するスプールバルブを有する弁手段とを備えるものとした。
【０００９】
請求項２に記載のエンジンの燃料噴射弁は、請求項１に記載の発明において、前記スプールバルブは小プランジャの端面を背圧通路を画成する壁面に当接して背圧通路を閉塞する構造とした。
【００１０】
【発明の作用および効果】
請求項１に記載の発明において、エンジン停止時に針弁まわりの燃圧室と背圧室の圧力はそれぞれ低下している。このとき針弁は第一リターンスプリングの弾性復元力により閉弁される。
【００１１】
エンジンの始動に際して燃料ポンプが駆動されて燃料供給圧が上昇する過程で、弁手段を介して背圧通路が開通しており、背圧室と燃圧室の圧力が上昇するのに伴って、針弁前後の受圧面積差により針弁が閉弁方向に付勢される。こうして、針弁が第一リターンスプリングの弾性復元力とその前後差圧による押圧力を合わせた力によって閉弁位置に保持される。これにより、エンジン起動前に針弁が開弁して燃料が噴射されてしまう初期噴射を防止できる。この結果、エンジンの始動性を高められ、排気エミッションの悪化を防止することができる。
【００１２】
燃料供給圧が上昇し終わると、弁手段を介して背圧通路が閉塞される。そして、背圧室と燃圧室の圧力は第一絞り通路を介して均等化される。
【００１３】
こうして始動の準備が整ったところで行われるエンジン起動時、電磁歪アクチュエータがエンジン回転に同期して背圧室を拡張してその圧力を低下させる。燃圧室は絞り通路を介して圧力低下が遅れて伝わるので、背圧室と燃圧室に圧力差が直ちに発生する。この圧力差により針弁が第一リターンスプリングに抗して噴口を開き、燃圧室に導かれる高圧燃料が噴口を通ってエンジンの燃焼室に噴射される。
【００１４】
燃料噴射弁の閉弁作動時に、電磁歪アクチュエータがエンジン回転に同期して背圧室を収縮させることにより背圧室の圧力が直ちに回復し、針弁前後の受圧面積差により針弁が閉弁方向に付勢される。こうして、針弁が第一リターンスプリングの弾性復元力とその前後差圧による押圧力を合わせた力によって移動して噴口を閉塞し、燃料の噴射が停止される。
【００１５】
また、エンジンの始動に際して燃料ポンプが駆動されて燃料供給圧が上昇する過程で、第二絞り通路を介して燃料供給通路の圧力上昇が背圧通路の圧力上昇より遅れるため、スプールバルブは背圧通路と燃料供給通路の圧力差に応動して背圧通路を開いており、燃料ポンプの吐出圧が背圧通路を介して背圧室へと直ちに導かれる。第二絞り通路を介して燃圧室の圧力上昇が背圧室の圧力上昇より遅れるため、燃圧室と背圧室の圧力差によって針弁が閉弁方向に付勢される。こうして、針弁が第一リターンスプリングの弾性復元力とその前後差圧による押圧力を合わせた力によって閉弁位置に保持される。これにより、エンジン起動前に針弁が開弁して燃料が噴射されてしまう初期噴射を防止できる。この結果、エンジンの始動性を高められ、排気エミッションの悪化を防止することができる。
【００１６】
こうして初期噴射を防止しつつ燃料供給圧が上昇し終わり、燃料供給通路と背圧通路の圧力が第二絞り通路を介して均等化されると、スプールバルブは背圧通路と燃料供給通路の圧力差に応動して背圧通路を閉塞する閉位置に保持される。
【００１７】
こうして始動の準備が整ったところで行われるエンジン起動時、電磁歪アクチュエータがエンジン回転に同期して背圧室を拡張してその圧力を低下させる。燃圧室には第二絞り通路を介して圧力低下が遅れて伝わるので、背圧室と燃圧室に圧力差が直ちに発生する。この圧力差により針弁が第一リターンスプリングに抗して噴口を開き、燃圧室に導かれる高圧燃料が噴口を通ってエンジンの燃焼室に噴射される。
【００１８】
さらに、エンジンの始動に際して燃料ポンプが駆動されて燃料供給圧が上昇する過程で、第二絞り通路を介して燃料供給通路の圧力上昇が背圧通路の圧力上昇より遅れるため、スプールバルブは第二リターンスプリングの弾性復元力により背圧通路を開いており、燃料ポンプの吐出圧が背圧通路を介して背圧室へと直ちに導かれる。第二絞り通路を介して燃圧室の圧力上昇が背圧室の圧力上昇より遅れるため、燃圧室と背圧室の圧力差によって針弁が閉弁方向に付勢される。こうして、針弁が第一リターンスプリングの弾性復元力とその前後差圧による押圧力を合わせた力によって閉弁位置に保持される。これにより、エンジン起動前に針弁が開弁して燃料が噴射されてしまう初期噴射を防止できる。この結果、エンジンの始動性を高められ、排気エミッションの悪化を防止することができる。
【００１９】
こうして初期噴射を防止しつつ燃料供給圧が上昇し終わり、燃料供給通路と背圧通路の圧力が第二絞り通路を介して均等化されると、スプールバルブは大プランジャと小プランジャの受圧面積の差により第二リターンスプリングに抗して背圧通路を閉塞する閉位置に保持される。
【００２０】
スプールバルブの変位に伴って、大プランジャの背後に画成された大気圧室が拡縮するが、大気圧室にはエア抜き通路を介して空気が出入りし、スプールバルブの変位を妨げることがない。
【００２１】
こうして始動の準備が整ったところで行われるエンジン起動時、電磁歪アクチュエータがエンジン回転に同期して背圧室を拡張してその圧力を低下させる。燃圧室には第二絞り通路を介して圧力低下が遅れて伝わるので、背圧室と燃圧室に圧力差が直ちに発生する。この圧力差により針弁が第一リターンスプリングに抗して噴口を開き、燃圧室に導かれる高圧燃料が噴口を通ってエンジンの燃焼室に噴射される。
【００２２】
請求項２に記載の発明において、初期噴射を防止しつつ燃料供給圧が上昇し終わり、燃料供給通路と背圧通路の圧力が第二絞り通路を介して均等化されると、スプールバルブは大プランジャと小プランジャの受圧面積の差により第二リターンスプリングに抗して背圧通路を閉塞する閉位置に保持される。この閉位置において、スプールバルブは小プランジャの端面を背圧通路を画成する壁面に当接して背圧通路を閉塞する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を筒内噴射式火花点火エンジンに備えられる燃料噴射弁に適用した実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００２４】
図１に示すように、燃料噴射弁７はエンジンの燃焼室天井壁から燃焼室に臨むノズルボディ１を備える。ノズルボディ１の先端に開口した噴口１ｂから燃料噴霧をピストンの冠部に向けて噴出するようになっている。
【００２５】
ノズルボディ１の内部に針弁２が摺動可能に収装される。ノズルボディ１の先端に噴口１ｂが開口される。噴口１ｂは針弁２の先端に円錐面状に突出したシール部２ａが、ノズルボディ１のシート部１ａに着座することにより閉塞され、シート部１ａから離れることにより開通する。
【００２６】
図５に示すように、フューエルタンク５９に貯溜された燃料は、電動モータ５４により駆動される第一燃料ポンプ５８を介して吸い上げられ、第二燃料ポンプ５７に圧送される。通常、第二燃料ポンプ５７の吐出圧が第一燃料ポンプ５８の吐出圧より高く設定されている。
【００２７】
エンジン５０により駆動される第二燃料ポンプ５７は、さらに加圧した燃料を蓄圧室５６へと送り、蓄圧室５６から各気筒の燃料噴射弁７に燃料を圧送する。
【００２８】
エンジン５０により駆動される第二燃料ポンプ５７は、さらに加圧した燃料を蓄圧室５６へと送り、蓄圧室５６から各気筒の燃料噴射弁７に燃料を圧送する。燃料戻し通路５２にはプレッシャレギュレータ５５が設けられ、蓄圧室５６の余剰燃料をフューエルタンク５９へと戻すことで、燃料噴射弁７に導かれる燃料圧力を所定値以下に保つようになっている。
【００２９】
針弁２とノズルボディ１の間には燃圧室３が画成される。第一燃料ポンプ５８から圧送される燃料は、燃料供給通路３１から燃圧室３に導入され、針弁２のリフトに伴って噴口１ｂから噴射される。
【００３０】
針弁２はその基端側にピストン部２ｃを有する。ノズルボディ１およびケーシング９とピストン部２ｃの間には背圧室８が画成される。燃圧室３と背圧室８はピストン部２ｃの外周に形成された第一絞り通路（隙間）５を介して連通する。
【００３１】
針弁２を閉弁方向に付勢する第一リターンスプリング４が設けられる。コイル状をした第一リターンスプリング４は針弁２の基端部とケーシング９の間に圧縮された状態で介装され、針弁２と同軸上に配置される。なお、第一リターンスプリング４が針弁２に付与する弾性復元力は、針弁２に働く燃焼圧に対抗して針弁２を閉弁保持できるように設定される。
【００３２】
針弁２の基端部とケーシング９の間にはシム１７が介装され、シム１７によって針弁２の軸方向の移動が規制される。シム１７は円盤状に形成され、シム１７の板厚によって針弁２の最大リフト量が決まる。
【００３３】
ケーシング９の内部には背圧室８を画成するピストン１１が摺動可能に介装される。背圧室８は、ノズルボディ１およびケーシング９とピストン部２ｃによって画成される室８ａと、ケーシング９とピストン１１によって画成される室８ｂとから構成される。
【００３４】
ピストン１１の外周にはＯリング１２が介装される。Ｏリング１２がケーシング９の円筒状をした内壁面に摺接することにより、背圧室８の密封がはかれる。
【００３５】
ピストン１１を介して針弁２を開閉駆動するピエゾアクチュエータ１０が設けられる。ピエゾアクチュエータ１０は円盤状をした複数のピエゾ素子が、同じく円盤状をした内部電極を挟んで積層される。
【００３６】
ピエゾアクチュエータ１０の固定端には端板１４が結合される。ケーシング９の開口端にはアジャストプレート２１が取付けられる。端板１４はアジャストプレート２１に当接してピエゾアクチュエータ１０の固定端を支持する。
【００３７】
プランジャ１１とケーシング９の間には皿バネ状をした与圧スプリング１８が介装される。ピエゾアクチュエータ１０は与圧スプリング１８によって圧縮荷重が付加された状態で伸縮させるので、安定した作動性が確保される。
【００３８】
ピエゾアクチュエータ１０は各ピエゾ素子にリード線２０を介して図示しない駆動用アンプから電圧が印加されることにより伸長する。このとき、背圧室８の圧力が高められて針弁２は閉弁する。ピエゾアクチュエータ１０は各ピエゾ素子に印加される電圧が遮断短絡されることにより収縮する。このとき、燃圧室３に対して背圧室８の圧力が低下し、針弁２は第一リターンスプリング４に抗して開弁方向に移動する。
【００３９】
なお、ピエゾアクチュエータ１０に代えて印加される磁界の強さに応じて伸縮する超磁歪素子からなる磁歪アクチュエータを用いてもよい。ここではピエゾアクチュエータと磁歪アクチュエータ等を総称して電磁歪アクチュエータとする。
【００４０】
コントローラ１９では演算された燃料噴射量に対応するパルス信号がつくられ、このパルス信号に応じた電圧が駆動用アンプ１８を介してピエゾアクチュエータ１０に印加される。
【００４１】
コントローラ１９はエンジン５０の回転数、エンジン５０の吸入空気量を始めエンジン運転条件を検出する各種信号を入力し、これらのエンジン運転条件に応じて燃料噴射量を演算する。
【００４２】
背圧室８には燃料供給源に連通する背圧通路３２が接続される。第一燃料ポンプ５８または第二燃料ポンプ５７の吐出圧は、背圧通路３２を通って背圧室８に導かれる。
【００４３】
背圧通路３２を燃料供給圧が上昇するのに伴い閉塞する弁手段として、ノズルボディ１にスプールバルブ３０が介装される。
【００４４】
図３に示すように、スプールバルブ３０は断面積の異なる大プランジャ３３と小プランジャ３４を有し、大プランジャ３３の端面が燃料供給通路３１に面し、小プランジャ３４の端面が背圧通路３２に面している。
【００４５】
大プランジャ３３の外周にはＯリング１３が介装される。Ｏリング１３がノズルボディ１の円筒状をしたシリンダ２５に摺接することにより、大気圧室３６に対する燃料供給通路３１の密封がはかれる。
【００４６】
ノズルボディ１と大プランジャ３０の背後には大気圧室３６が画成される。大気圧室３６にはエア抜き通路３７を介して大気圧が導かれる。
【００４７】
ノズルボディ１にはシリンダ２５の開口部を閉塞する栓体２６が嵌められる。スプールバルブ３０の端面には十字状に窪む溝３５が形成される。スプールバルブ３０の端面が栓体２６に接合した状態でも、溝３５によって燃料供給通路３１が開通している。
【００４８】
小プランジャ３４の外周にはＯリング１９が介装される。Ｏリング１４がノズルボディ１の小シリンダ２７に摺接することにより、大気圧室３６に対する背圧通路３２の密封がはかれる。
【００４９】
スプールバルブ３０とノズルボディ１の間には第二リターンスプリング３８が圧縮された状態で介装される。第二リターンスプリング３８の弾性復元力によりスプールバルブ３０は図１、図３に示すように、背圧通路３２を開通する開位置に保持される。
【００５０】
燃料供給通路３１と背圧通路３２に第一燃料ポンプ５８からの吐出圧が導かれる状態で、スプールバルブ３０は大プランジャ３０と小プランジャ３４の受圧面積の差により第二リターンスプリング３８に抗して図２に示すように背圧通路３２を閉塞する閉位置に保持される。
【００５１】
スプールバルブ３０が図３において下降するとやがて小プランジャ３４の端面が背圧通路３２の通路壁面に面接合して、背圧通路３２を閉塞するようになっている。
【００５２】
燃料供給通路３１は第二絞り通路３９を介して燃料入口２９に接続され、エンジン始動に際して第一燃料ポンプ５８の吐出圧が上昇するときに、燃料供給通路３１の圧力が背圧通路３２の圧力より遅れて上昇するようになっている。
【００５３】
以上のように構成され、次に作用について説明する。
【００５４】
エンジン停止時にピエゾアクチュエータ１０は収縮し、針弁２まわりの燃圧室３と背圧室８の圧力はそれぞれ低下している。このとき針弁２は第一リターンスプリング４の弾性復元力によりノズルボディ１のシート部１ａに押し付けられ、噴口１ａを閉塞している。スプールバルブ３０は第二リターンスプリング３８の弾性復元力により背圧通路３２を開いている。
【００５５】
エンジン５０の始動に際してエンジン５０が起動される前に、第一燃料ポンプ５８が電動モータ５４により駆動される。第一燃料ポンプ５８の吐出圧が上昇する過程で、第二絞り通路３９を介して燃料供給通路３１の圧力上昇が背圧通路３２の圧力上昇より遅れるため、スプールバルブ３０は第二リターンスプリング３８の弾性復元力により背圧通路３２を開いており、第一燃料ポンプ５８の吐出圧が図１に矢印で示すように背圧通路３２を介して背圧室８へと直ちに導かれる。第二絞り通路３９を介して燃圧室３の圧力上昇が背圧室８の圧力上昇より遅れるため、燃圧室３と背圧室８の圧力差によって針弁２が閉弁方向に付勢される。こうして、針弁２が第一リターンスプリング４の弾性復元力とピストン部２ｃの前後に生じる圧力差による押圧力を合わせた力によってノズルボディ１のシート部１ａに強く押し付けられる。これにより、エンジン起動前に針弁２が開弁して燃料が噴射されてしまう初期噴射を防止できる。この結果、エンジンの始動性を高められ、排気エミッションの悪化を防止することができる。
【００５６】
このようにして初期噴射を防止しつつ第一燃料ポンプ５８の吐出圧が上昇し終わり、燃料供給通路３１と背圧通路３２の圧力が第二絞り通路３９を介して均等化されると、スプールバルブ３０は大プランジャ３３と小プランジャ３４の受圧面積の差により第二リターンスプリング３８に抗して図２に示すように背圧通路３２を閉塞する閉位置に保持される。スプールバルブ３０はその閉位置において、小プランジャ３４の端面を背圧通路３２の通路壁面に面接合させて、背圧通路３２を閉塞する。
【００５７】
スプールバルブ３０の変位に伴って、大プランジャ３０の背後に画成された大気圧室３６が拡縮するが、大気圧室３６にはエア抜き通路３７を介して空気が出入りし、スプールバルブ３０の変位が可能となる。
【００５８】
このエンジン起動前に、ピエゾアクチュエータ１０は電圧が印加されて伸長しており、起動時における針弁２の開弁作動に備える。
【００５９】
こうして始動の準備が整ったところで行われるエンジン起動時、ピエゾアクチュエータ１０がエンジン回転に同期して印加される電圧が遮断短絡されることにより収縮する。ピエゾアクチュエータ１０の収縮に伴ってピストン１１が移動することにより、背圧室８はその容積が拡大してその圧力が低下する。燃圧室３は第一絞り通路５を介して圧力低下が遅れて伝わるので、背圧室８と燃圧室３に圧力差が直ちに発生する。この圧力差により針弁２が第一リターンスプリング４に抗して噴口１ｂを開き、図２に矢印で示すように燃圧室３に導かれる高圧燃料が噴口１ｂを通ってエンジン５０の燃焼室に噴射される。
【００６０】
燃料噴射弁７の閉弁作動時に、ピエゾアクチュエータ１０はエンジン回転に同期して電圧が印加されることにより伸長し、ピストン１１が移動することにより背圧室８の圧力が直ちに回復し、背圧室８と燃圧室３の圧力差および第一リターンスプリング４の付勢力により針弁２が移動してノズルボディ１のシート部１ａに着座する。針弁２がシート部に着座することにより、噴口１ｂが閉塞され、燃料の噴射が停止される。
【００６１】
燃料噴射弁７は、ピエゾアクチュエータ１０の変位方向と針弁２の変位方向が一致しているため、ピエゾアクチュエータ１０と針弁２を直列に並べられ、構造の簡素化がはかれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示し、燃料流入初期における燃料噴射弁の断面図。
【図２】同じく定常時における燃料噴射弁の断面図。
【図３】同じく図１のＡ部を拡大した断面図。
【図４】同じくスプールバルブの平面図。
【図５】同じく燃料供給系のシステム図。
【符号の説明】
１ ノズルボディ
１ｂ 噴口
２ 針弁
２ｃ 大ピストン
３ 燃圧室
４ 第一リターンスプリング
５ 第一絞り通路
７ 燃料噴射弁
８ 背圧室
１０ ピエゾアクチュエータ
１１ ピストン
１８ 与圧スプリング
３０ スプールバルブ
３１ 燃料供給通路
３２ 背圧通路
３３ 大プランジャ
３４ 小プランジャ
３６ 大気圧室
３７ エア抜き通路
３８ 第二リターンスプリング
３９ 第二絞り通路
Claims (2)
- 印加される電圧または磁界に応じて伸縮する電磁歪アクチュエータと、
電磁歪アクチュエータの伸縮に応じて拡縮する背圧室と、
燃料供給通路から加圧燃料が導かれる燃圧室と、
燃圧室と背圧室を連通する第一絞り通路と、
燃圧室と背圧室との圧力差に応じて変位する針弁と、
針弁を閉弁方向に付勢する第一リターンスプリングと、
針弁によって開閉される噴口と、
を備えるエンジンの燃料噴射装置において、
背圧室に燃料供給圧を導く背圧通路と、
燃料供給通路に燃料供給圧を導く第二絞り通路と、
燃料供給通路に面する大プランジャと、背圧通路に面して大プランジャより断面積が小さい小プランジャとを備え、第二リターンスプリングによって開弁方向に付勢されるとともに大プランジャの背後には大気圧を導く大気圧室が設けられており、背圧通路と燃料供給通路の圧力差に応動し、燃料供給圧が上昇するのに伴って背圧通路を閉塞するスプールバルブを有する弁手段と、
を備えたことを特徴とするエンジンの燃料噴射装置。 - 前記スプールバルブは小プランジャの端面を背圧通路を画成する壁面に当接して背圧通路を閉塞する構造とした
ことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの燃料噴射弁。
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| JP16879797A JP3760572B2 (ja) | 1997-06-25 | 1997-06-25 | エンジンの燃料噴射装置 |
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