JP3903875B2 - インジェクタ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料噴射装置を構成するインジェクタに関する。
【0002】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンの燃料噴射装置として、筒内への燃料噴射用のインジェクタが、ポンプから圧送された燃料を蓄えるコモンレールから燃料の供給を受けるようにしたものがあり、コモンレール式として知られている。インジェクタは、先端に噴孔が形成されたノズル部に、噴孔を開閉するニードルがその後端部で摺動自在に保持され、前記コモンレールからの燃料がニードルの先端部の外周に形成された油溜まり室に導入される。この導入燃料は噴射燃料として供されるとともに、ニードルを離座方向に作用する付勢力を発生する制御油として供される。前記コモンレールからの燃料はまた、ニードルの後端面を室壁面とする背圧室に導入され、ニードルの着座方向に作用する付勢力を発生する制御油として供される。ニードルは背圧室の燃料圧力が低下してニードルに対する離座方向の付勢力が優勢となると離座し、その状態から背圧室の燃料圧力が上昇して着座方向の付勢力が優勢となると着座する。
【0003】
図6はインジェクタ内部の、背圧室の燃料圧力を切り換える背圧制御部を中心とする構造を示すもので、背圧制御部は、前記背圧室と常時連通する弁室901を有しており、弁室901内にはボール902が配設されている。ボール902は、弁室901の天井面に開口する低圧ポート903または弁室901の底面に開口する高圧ポート904を閉鎖可能である。低圧ポート903は低圧の燃料タンクと連通している。高圧ポート904はコモンレールと連通しており、エンジンの運転中は高圧である。弁室901の上方にはシリンダ905が上下方向に形成され、シリンダ905内には、摺動径の異なる2つのピストン906,907が配設されている。下側のピストン906は、ピン状の下端部9061が低圧ポート903から弁室901内に突出し弁体902を押圧自在であり、上側のピストン907は上方から図示しないアクチュエータにより押圧駆動される。両ピストン906,907の間は燃料が導入され油圧室908となっている。
【0004】
ボール902が下方変位して低圧ポート903を開き高圧ポート904を閉じている状態では、前記背圧室と低圧の燃料タンクとは連通し、背圧室の燃料圧力が略コモンレール内の燃料圧力(以下、適宜、コモンレール圧力という)の圧力値から低下して、ニードルは離座する。一方、低圧ポート903を閉じ高圧ポート904を開いている状態では、前記背圧室と低圧の燃料タンクとは遮断され、背圧室の燃料圧力が略コモンレール圧力の圧力値となり、ニードルは着座する。高圧ポート904を閉鎖状態のボール902を上昇せしめる力は、高圧ポート904からの高圧燃料により与えられる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図示の状態はエンジン停止状態のものである。したがって、上側ピストン907に対する下向きの駆動力は解除されているが、コモンレール圧力も略0(常圧)になっているので低圧ポート903を閉鎖状態に保つ力がボール902に作用しない。このため、エンジンの停止状態の期間の長さによっては、図示のように、上側ピストン907が下方変位していないにもかかわらず、ボール902や下側ピストン906はニードルの開弁時と同様に最下位置に降下してしまっており、低圧ポート903が開いた状態となっている。イグニッションスイッチがオンすると、この状態からポンプのコモンレールへの燃料圧送が開始されることになる。このとき、ボール902を低圧ポート903側に変位せしめて通常のニードル閉弁状態と同じ状態にするのは、ポンプの作動開始によりコモンレールを経て高圧ポート904からボール902に向けて噴出する燃料の動圧である。
【0006】
しかしながら、低圧ポート903が開放しているので、コモンレールからの燃料は低圧ポート903から燃料タンクへとリークしている。このため、高圧ポート904からの燃料によりボール902に作用する上向きの付勢力は、ボール901や下側ピストン906の自重、スプリング910のばね力、さらにはエンジン停止中の下側ピストン906の低下に伴ってピストン906,907の摺動部等から油圧室908内に流入した燃料の圧縮反力に打ち勝つことができず、ボール902の上昇に失敗する。結局、コモンレール圧力が必要な圧力値まで上昇せず、エンジンの始動に失敗することになる。
【0007】
本発明は前記実情に鑑みなされたもので、ポンプ作動開始時にコモンレール圧力がスムーズに上昇して良好な始動性が得られる燃料噴射装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明では、ポンプから圧送された燃料を蓄えるコモンレールにより燃料の供給を受けるインジェクタであって、コモンレールから供給された燃料を噴射する噴孔が形成され、該噴孔の開閉がニードルにより切り換え自在なノズル部と、前記燃料が導入されてニードルの背圧を発生せしめる背圧室と、該背圧室と低圧源との間を連通と遮断とのいずれかの状態に切り換える背圧制御部と、該背圧制御部を駆動する駆動部とを有し、
前記背圧制御部が、前記背圧室と低圧源との間に介設された弁室と、前記低圧源と連通し前記弁室の天井面に開口する低圧ポートと、コモンレールと連通し前記低圧ポートの直下で前記弁室の底面に開口する高圧ポートと、前記弁室内に配設され前記低圧ポートまたは前記高圧ポートを閉鎖する弁体とを有し、
前記駆動部が、前記弁室の上方で上下方向に形成されたシリンダ内に配設され、ピン状の下端部が前記低圧ポートから前記弁室内に突出し前記弁体を押圧自在なピストンと、該ピストンに対する上下方向の駆動力を発生するアクチュエータとを有し、
前記駆動部による駆動で前記弁体が下方変位して前記弁室が前記低圧ポートを介して前記低圧源と連通するように構成されたインジェクタにおいて、
前記弁体を常時、上方に付勢する付勢力を発生する付勢手段を具備せしめ、
前記弁体は、前記低圧ポートに対向する上側部分の少なくとも前記ピストンとの当接部が平坦面となっており、かつ外周には径方向外方に突出するスプリング座を設けて、該スプリング座と前記弁室の底面との間に前記付勢手段となるスプリングを介設し、
該付勢手段の付勢力を、前記コモンレールの燃料圧力が常圧で前記駆動部が前記ピストンを非駆動状態のときに、前記弁体が下向きの押圧力に抗して前記低圧ポートを閉鎖可能な力に設定する。
【0009】
エンジン停止状態であっても、弁体は付勢手段の上向き付勢力により低圧ポートの閉鎖状態が維持されるから、エンジン始動時には背圧室の燃料圧力はコモンレールの燃料圧力とともに速やかに上昇する。これにより、始動性が向上する。 また、前記付勢手段を、弁体と弁室底面間に介設したスプリングにより構成することで、簡単に弁体への上向きの付勢力を発生することができ、しかも、自身の弾発力により弁室内に保持されるから、構成が簡単である。
【0010】
請求項2記載の発明では、請求項1の発明の構成において、前記背圧制御部を、前記弁室が前記背圧室と連通し、前記高圧ポートには略コモンレール内燃料圧力の燃料が常時導入され、前記弁体が下方変位時には高圧ポートを閉鎖する三方弁構造とする。
【0011】
駆動部による駆動で弁体が低圧ポートを開くときには弁体が弁室の底面に達して固定されるから、付勢手段の付勢力がさ程強いものでなくとも弁体が振動するようなことはない。これにより、弁室内を背圧室から低圧ポートへと向かう燃料流れが弁体の振動で不安定になるのを防止することができる。
【0012】
また、付勢手段の付勢力がさ程強いものでなくともよいから、弁体の下方変位時に駆動部が出力することを要求される駆動エネルギーも小さなものでよく、エネルギー消費を抑制することができる。
【0013】
また、弁体の振動が回避されることで、弁体やピストンが磨耗することもないし、長寿命である。
【0014】
請求項3記載の発明は、本発明の課題を解決するための他の構成であり、前記のように構成されたインジェクタにおいて、
前記弁体を常時、上方に付勢する付勢力を発生する付勢手段を具備せしめ、
前記弁体を、シート径と摺動部径が略同径のバランスピストン弁として、前記低圧ポートに対向する上側部分の少なくとも前記ピストンとの当接部を平坦面とし、前記摺動部を前記高圧ポートの下方に配置するとともに、前記摺動部下方にスプリング室を設けて、前記付勢手段としてのスプリングを収容したものである。
【0015】
この構成においても同様の効果が得られ、圧力バランスされたバランスピストン弁を用いると、開弁のための力をほぼゼロにできるので、駆動エネルギーの低減効果が大きい。
【0016】
請求項4記載の発明では、請求項1または2いずれか記載の構成において、前記弁体が、略球状のボール弁であり、前記スプリング座として、前記弁体の最大径よりも小さな内径を持つ環状部材を弁体下方から設置する。
【0017】
略球状のボール弁とすることで、前記弁室内に配設されて背圧制御を行う前記弁体構成を容易に実現できる。ボール状の弁体に対して付勢手段から弁体に安定的に付勢力を印加させ得る。付勢手段として、弁体の最大径に左右されずに比較的大径のスプリングを選択することができ、設計の自由度が広くなる。
【0018】
請求項5記載の発明では、請求項1ないし4の発明の構成において、前記ピストンにはこれを下方に付勢する別の付勢手段の座とならしめるための環状突起部を設け、かつ、前記ピストンが上方に自由に移動するのを抑制すべく、前記シリンダが形成された本体部に、前記環状突起部の上方で該環状突起部を受ける面を形成する。
【0019】
環状突起部が前記面と当接する位置が、ピストンの移動範囲の機械的な上限となり、ピストンを駆動するアクチュエータ等に不測の衝撃が印加されるのを防止することができるとともに、弁体が低圧ポートを閉鎖状態においてピストンの下端部が弁体から離れることがあってもその間隙を微小量に抑えることができる。
【0020】
請求項6記載の発明では、請求項1ないし4の発明の構成において、前記ピストンにはこれを下方に付勢する別の付勢手段の座とならしめるための環状突起部を設け、該環状突起部の上方で前記付勢手段を格納する、前記ピストンの外周の環状空間を、前記ピストンが上昇する時にその上昇速度を緩和するダンパ室とする。
【0021】
前記環状空間は、ピストンの上昇時に燃料等の排出が抑制されて、好適にピストンの上昇速度を抑制し、適正な速度に制御することができる。これにより、ピストンの動きがスムーズになる。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の第1実施形態を説明する。図1、図2、図3に本発明を適用したディーゼルエンジンのコモンレール式の燃料噴射装置を示す。燃料噴射装置の全体構成を示す図3において、ディーゼルエンジンの気筒数分のインジェクタ10が各気筒に対応して設けられ(図例ではインジェクタ10は1つのみ図示)、供給ライン15を介して連通する共通のコモンレール14から燃料の供給を受けるようになっている。コモンレール14には燃料タンク11の燃料がポンプである高圧サプライポンプ13により圧送されて高圧で蓄えられる。
【0025】
インジェクタ10は、ECU17、駆動回路18、さらに圧力センサ19等により制御される。駆動回路18はECU17の指令信号を受けてインジェクタ10の後述するピエゾスタック71を充放電し、例えば必要な時期に必要な時間だけインジェクタ10から各気筒の燃焼室内に略コモンレール圧力に等しい噴射圧力で燃料を噴射するようになっている。
【0026】
圧力センサ19はコモンレール14に設けられてコモンレール圧力を検出し、その検出結果に基づいてECU17が高圧サプライポンプ13を制御してコモンレール14への燃料の圧送量を調整し、コモンレール圧力を他のセンサ入力等により知られる運転条件に応じた適正な噴射圧となるように制御する。
【0027】
また、コモンレール14からインジェクタ10に供給された燃料は、上記燃焼室への噴射用の他、インジェクタ10の制御油圧等としても用いられ、インジェクタ10から低圧のドレーンライン16を経て燃料タンク11に還流するようになっている。
【0028】
インジェクタ10はエンジンの図略の燃焼室壁を貫通し図1中下端部が燃焼室内に突出するように取り付けられ、下端部から順にノズル部101、背圧制御部102、駆動部103が構成される。インジェクタ10は棒状体2を有し、上記各部101〜103を構成する各部品を格納する穴や燃料が流通する通路が形成される。
【0029】
ノズル部101は、棒状体2の下端部2aにサック部42が形成され、サック部42形成壁を貫通して燃料噴射用の噴孔43が形成される。棒状体2の下端部2aはまた、サック部42の上方に、供給ライン15に通じる高圧通路31とつながる縦穴21が連なって形成されている。
【0030】
縦穴21の上側部分には段付きのノズルニードル61が先端を下側に向けて配設され、後端部であるその上側大径部612で摺動自在に保持されている。ノズルニードル61の先端部である下側小径部611の外周には環状の油溜まり室41が形成され、油溜まり室41は常時高圧通路31と連通しコモンレール14からの高圧燃料が供給されている。
【0031】
ノズルニードル61は下降状態では円錐形の下端部がサック部42の上端の縦穴21との境界の段部43aをシート部として着座してサック部42を閉じ、噴孔43からの燃料噴射を禁止し、燃料を噴射する時は上昇してサック部42の前記段部43aから離座してサック部42を開くようになっている。
【0032】
油溜まり室41の高圧燃料はノズルニードル61の段面61aおよび円錐状の先端面61bに上向きに作用しノズルニードル61を離座方向に付勢する。
【0033】
ノズルニードル61の上方でその後端面61cおよび縦穴21の壁面により画成される空間53は、高圧通路31から制御油としての燃料が導入されており、ノズルニードル61の背圧を発生する背圧室53としてある。この背圧はノズルニードル61に下向きに作用し、背圧室53内に収納されたスプリング62とともにノズルニードル61を着座方向に付勢する。
【0034】
背圧室53はアウトオリフィス54を介して常時、弁室55と連通している。弁室55は天井面が円錐状に形成されており、天井面の最上部には低圧ポート22が開口している。低圧ポート22は後述する縦穴23を介してドレーンライン16に通じる低圧通路32とつながっており、縦穴23に配設される後述する小径ピストン64の外周に形成される空間56を介して低圧通路32と常時連通している。
【0035】
低圧ポート22の直下位置で弁室55の底面には、高圧通路31と連通する高圧制御通路52の先端部が開口しており、高圧ポート521としてある。
【0036】
弁室55内には、略球状のボール弁として上側部分および下側部分を水平にカットしたバルブ63が配設されている。バルブ63は上下動可能な弁体である。上昇時には、弁座としての、前記天井面の低圧ポート22の外周部(以下、低圧側シートという)551に着座し低圧ポート22を閉じて弁室55を前記低圧通路32と遮断する。これにより、背圧室53がアウトオリフィス54、弁室55、高圧制御通路52を介して高圧通路31と連通し、ノズルニードル61の背圧が上昇してノズルニードル61が着座する。
【0037】
バルブ63の下降時には、前記カット面で、弁座としての、前記底面の高圧ポート521の外周部(以下、高圧側シートという)552に着座し弁室55を高圧ポート521と遮断し、これにより、背圧室53がアウトオリフィス54、弁室55、低圧ポート22を介して低圧通路32と連通し、ノズルニードル61の背圧が低下してノズルニードル61が離座する。
【0038】
バルブ63の外周には座であるスプリング座66が設けてある。スプリング座66は、内径がバルブ63の最大径である直径よりもやや小さめの環状に成形した板状部材であり、バルブ63にその下側から嵌めてある。スプリング座66と弁室55の底面との間にはスプリング座66と略同径の付勢手段であるバルブスプリング67が介設され、スプリング座66を介してバルブ63を上方へ付勢している。スプリング座66を設けることで、バルブ63に対してバルブスプリング67から安定的に付勢力を印加させ得るから、バルブスプリング67として、バルブ63の直径に左右されずに比較的大径のものを選択することができ、設計の自由度が広くなる。バルブスプリング67は、高圧側シート552の外周で弁室55の底面に形成された環状凹部553により位置決めされている。また、スプリング座66は弁室55内の燃料の流れを阻害しないように外径等の形状を決定しておく。バルブスプリング67のばね力は後述する。
【0039】
背圧制御部102はバルブ63が駆動部103により押圧駆動されることで、作動状態が切り換わるようになっている。駆動部103は、弁室55の上方に上下方向に形成されたシリンダである前記縦穴23を有し、縦穴23に、これと同軸に下側から、下側のピストンである小径ピストン64、スプリング68、皿ばね69、大径ピストン65、ピエゾスタック71が配設されてなる。縦穴23は下端面に前記低圧ポート22の上端が開口している。
【0040】
小径ピストン64は縦穴23の壁面と摺接する等径部644の下方が環状突起部である鍔部643となっており、さらにその下は下側ほど縮径する円錐部642となっている。さらにその下は低圧ポート22を貫通してバルブ63と対向し、バルブ63を押圧するプレッシャピン641としてある。プレッシャピン641は低圧ポート22よりも小径に形成される。
【0041】
小径ピストン64の非摺動部の外周の空間56のうち、空間56の上端を規定するインジェクタ10の本体部である棒状体2の下向き環状段面231と、小径ピストン鍔部643とで画される環状空間58に、別の付勢手段であるスプリング68が小径ピストン64と同軸に配設されている。スプリング68は、小径ピストン64を下方に付勢し、バルブ63とプレッシャピン641との当接性を高めている。
【0042】
また、棒状体2には、環状段面231よりも下方に面である別の環状段面232が形成され、縦穴23が環状段面232よりも下方で拡径せしめてある。環状段面232は小径ピストン鍔部643とその上方で上下方向に対向している。鍔部643が環状段面232と当接する位置が、小径ピストン64の移動範囲の上限となる。
【0043】
大径ピストン65は小径ピストン64よりも大径の円形部材で、縦穴23に摺動自在に保持されている。
【0044】
ピエゾスタック71はPZT等の圧電セラミック層と電極層とが交互に積層してコンデンサ構造を有する一般的なもので、積層方向すなわち伸縮方向を縦穴23の形成方向として、縦穴23の最上部に配設されている。ピエゾスタック71には、大径ピストン65の下方に設けられた皿ばね69により、大径ピストン65を介して一定の初期荷重が印加されるようになっている。
【0045】
小径ピストン64と大径ピストン65との間は燃料が充填されて油圧室57としてあり、ピエゾスタック71が伸長して大径ピストン65を押圧すると、その押圧力が油圧室57の燃料を介して小径ピストン64に伝えられる。ここで、小径ピストン64は大径ピストン65よりも小径としているので、ピエゾスタック71の伸長量が拡大されて小径ピストン64の上下方向の変位に変換される(以下、適宜、油圧室を変位拡大室という)。変位拡大室57は常時十分な燃料が満たされるようにチェック弁104を介して低圧通路32と接続されている。チェック弁104は低圧通路32から変位拡大室57に向かう方向を順方向として設けられており、ピエゾスタック71の伸長により大径ピストン65が押圧された時には閉じて燃料を変位拡大室57に閉じ込めるようになっている。
【0046】
前記バルブスプリング67のばね力について説明する。バルブスプリング67の弾発力は、コモンレール圧力が0でピエゾスタック71が放電状態すなわち駆動部103が非駆動状態のときに、バルブ63や小径ピストン64の自重、スプリング68等の下向きの付勢力に抗して、バルブ63が低圧ポート22を閉鎖し得るばね力に設定されている。ここでコモンレール圧力が0のときとしているのは、バルブ63が低圧ポート22を閉鎖した状態においては、弁室55内が高圧のときに前記のごとく低圧側シート551のシート径で規定される上向きの付勢力が発生するが、これを除外しても、すなわち、エンジン停止状態においても、バルブ63に対する上向きの付勢力が下向きの付勢力よりも優勢となるようにするためである。
【0047】
さて、燃料噴射が順次行われる通常運転時において、ピエゾスタック71が放電状態で縮小しているときは、バルブ63に対して下向きに、スプリング68の弾発力、小径ピストン64の自重等が作用しているが、低圧側シート551のシート径で規定されるバルブ63の受圧面の大きさに応じて、弁室55内の高圧燃料が上方に付勢しており、また、バルブスプリング67の前記弾発力が上方に付勢している。したがって、バルブ63が低圧側シート551に着座し低圧ポート22を閉鎖している。
【0048】
一方、ピエゾスタック71が充電され伸長すると大径ピストン65を押し下げる。ここで、ピエゾスタック71および駆動回路18は、ピエゾスタック71の発生する駆動力が弁室55内の燃料圧力やバルブスプリング67の上向き付勢力に抗してバルブ63を下方変位可能な駆動力となるように構成しておく。これにより、バルブ63に対する下向きの付勢力が優勢となり、小径ピストン64を押し下げ、バルブ63が低圧側シート551から離座して高圧側シート552に着座する。
【0049】
ピエゾスタック71の充放電を行う駆動回路18は公知の構成のもので、例えば車載のバッテリを電源として、DC−DC回路、ピエゾスタック71への充放電電流を制限するインダクタ、ピエゾスタック71における電荷の移動を制御するスイッチ回路等からなる。ピエゾスタック71の充電保持期間の設定は、ECU17からの指令信号により前記スイッチ回路等の制御を行うことで可能としてある。
【0050】
ECU17は例えばマイクロコンピュータ等で構成され、演算された燃料噴射時期および噴射量に応じて前記指令信号を出力する。
【0051】
燃料噴射開始時には、先ず、ピエゾスタック71が所定の電荷量まで充電されてピエゾスタック71が伸長することにより、プレッシャピン641が下降してバルブ63を押し下げる。これによりバルブ63は低圧側シート551から離座するとともに高圧側シート552に着座して弁室55の燃料圧が低下し、ニードル61に離座方向に作用する力の方が着座方向に作用する力よりも優勢となって、ニードル61が離座して燃料噴射が開始される。
【0052】
噴射停止は反対にピエゾスタック71の放電によりピエゾスタック71を縮小してバルブ63への押し下げ力を解除する。弁室55内の燃料圧は低圧通路32に通じる低圧ポート22が開口する天井面側が低圧となっており、また、バルブ63の底面には高圧ポート521から高圧の燃料圧力が作用しているから、バルブ63には全体としては上向きの燃料圧が作用し、前記バルブ63への押し下げ力の解除により、バルブ63が高圧側シート552から離座するとともに再び低圧側シート551に着座して弁室55の燃料圧力が上昇するため、ニードル61が着座し噴射が停止する。したがって、ピエゾスタック71の充電保持期間を設定することで、充電保持期間に対応した一定の期間、インジェクタ10から燃料が噴射される。
【0053】
スプリング68によりバルブ63とプレッシャピン641との当接性が十分であり、噴射開始の指令に対し、バルブ63が低圧側シート551に着座状態のまま小径ピストン64が変位することによるピエゾスタック71における無駄なエネルギー消費がなくなる。また、小径ピストン64が変位を開始してからバルブ63と当接するまでのタイムラグがなくなり、燃料噴射の制御精度が向上する。
【0054】
また、前記充電保持期間が終了しピエゾスタック71の駆動力が解除されると、小径ピストン鍔部643が上昇して前記環状空間58は容積が縮小する。このとき、環状空間58の燃料の排出が、実質的に小径ピストン鍔部643の外周でのみなされるから、環状空間58は、小径ピストン64の上昇速度を緩和するダンパ室として機能し、小径ピストン64が、適正な速度に制御される。小径ピストン64の変位が滑らかなものとなる。
【0055】
また、小径ピストン64の変位の上限が鍔部643を受ける前記環状段面232で規定されているから、ピエゾスタック71等に不測の衝撃が印加されるのを防止することができるとともに、バルブ63が低圧側シート551に着座した状態において、万一、プレッシャピン641がバルブ63から離れることがあっても、その間隙を微小量に抑え、小径ピストン64によるバルブ63の押圧開始時期への影響を抑制することができる。
【0056】
さて、イグニッションスイッチがオンし、エンジンが始動するときの作動について説明する。エンジン停止状態が継続すると、コモンレール圧力は0であり、弁室55内の燃料圧力も略0である。前記のごとくバルブスプリング67は弾発力がエンジン停止状態のときに、バルブ63や小径ピストン64の自重、スプリング68等の下向きの付勢力に抗し得る弾発力に設定されているから、バルブ63が低圧側シート551から離座することはない。したがって、高圧サプライポンプ13の運転開始時において背圧室53と低圧ポート22との遮断状態は保持されている。これにより、背圧室53の燃料圧力、コモンレール圧力はともに速やかに上昇する。
【0057】
しかも、本実施形態では、背圧制御部102が、背圧室53が低圧ポート22または高圧ポート521のいずれかと連通する三方弁構造となっているから、通常運転時には、ピエゾスタック71が充電されてバルブ63が低圧ポート22を開くときにはバルブ63が弁室55の底面に達して固定される。したがって、バルブスプリング67の弾発力がさ程強いものでなくともバルブ63がプレッシャピン641との間で振動するようなことはない。これにより、弁室55内を背圧室53から低圧ポート22へと向かう燃料流れがバルブ63の振動で不安定になるのを防止することができる。
【0058】
また、バルブスプリング67の弾発力がさ程強いものでなくともよいから、バルブ63の下方変位時に駆動部103が出力することを要求される駆動エネルギーも小さなものでよく、エネルギー消費を抑制することができる。
【0059】
また、バルブ63の振動が回避されることで、バルブ63や小径ピストン64が磨耗することもないし、長寿命である。
【0060】
また、本実施形態のように小径ピストンに対してスプリングから常時、下向きの付勢力が加えられている構成のものでは、バルブと小径ピストンとの当接性が向上する一方で、前掲図6のように、エンジン停止状態の間に小径ピストンである下側ピストンがスプリングにより押し下げられ、よりバルブの上方変位を妨げる方向に作用する。これに対して本実施形態では、バルブスプリングを設けたことで、バルブの上方変位が妨げられるのを回避することができるから、バルブと小径ピストンとの当接性の向上と、始動性の向上とを両立することができる。
【0061】
また、小径ピストンを下方に付勢するスプリングが省略された構成のインジェクタにおいてもエンジン停止状態において小径ピストンが自重で降下しようとするから、バルブスプリングを設けることで、始動性の向上を図ることができる。この場合、バルブを下向きに付勢するスプリングがない分、バルブスプリングはばね力の小さなもので足りる。
【0064】
また、本実施形態は、背圧制御部の弁体としてボール弁を用いたが、弁体構造はボール弁に限らず、他の構造とすることもできる。この実施形態を次に示す。
【0065】
図4、図5により本発明の第2実施形態を説明する。図4のように、本実施形態のインジェクタおよびこれを適用した燃料噴射装置の基本構成は、第1実施形態と同じであり、以下、相違点を中心に説明する。第1実施形態では、背圧制御部102の弁体としてボール状のバルブ63を用いたが、本実施形態では、シート径と摺動部径が略同径のバランスピストン弁であるバルブ72を用いる。また、バルブ72を収容するために、弁室55底面の高圧ポート521に続く縦穴24を有している。
【0066】
図5において、バルブ72はピストン状で、弁室55内に配設される大径の弁部721の下方に、高圧ポート521を貫通する細径部722を有し、さらにその下方は、縦穴24の壁面と摺接する摺動部としてのガイド部723となっている。弁室55は、水平面とした天井面および底面の中央部に、縦穴24径と略同じ径の低圧ポート22および高圧ポート521がそれぞれ開口している。弁部721は、平らな頂面721aが低圧ポート22外周部の低圧側シート551に着座して、弁室55と低圧通路32とを遮断し、細径部722から上側へ向けて拡径する円錐部721bが、高圧ポート521外周部の高圧側シート552に着座し弁室55を高圧ポート521と遮断する。
【0067】
高圧ポート521直下の、バルブ72の細径部722周りに形成される環状空間には、高圧通路31と連通する高圧制御通路52の先端部が開口しており、コモンレール14から高圧燃料が供給されている。
【0068】
バルブ72のガイド部723下方の縦穴24内は、バルブスプリング73を収容するスプリング室731となっており、バルブ72は、バルブスプリング73によって上方に付勢されている。なお、スプリング室731は、密室となってダンパ力が生じないように、連通路732を介して低圧通路32に通じている。これにより、バルブ72の下方への移動が抑制されないので、噴射開始時に弁部721が低圧側シート551から速やかに離座する。
【0069】
バルブスプリング73のばね力について説明する。本実施形態においても、バルブスプリング73の弾発力を、コモンレール圧力が0で駆動部103が非駆動状態のときに、バルブ72が低圧ポート22を閉鎖し得るばね力に設定されている。すなわち、ピエゾスタック71が収縮しているときは、バルブ72に対して下向きに、小径ピストン64をバルブ72に当接させるためのスプリング68の弾発力や、小径ピストン64の自重等が作用しているが、この下向きの付勢力よりもバルブスプリング73のばね力を大きくすることで、エンジン停止状態であっても、弁部721を低圧側シート551に着座させ低圧ポート22を閉鎖することが可能になる。
【0070】
また、本実施形態では、弁室55と低圧通路32とを遮断する低圧側シート551の径(低圧シート径)と、弁室55と高圧通路31とを遮断する高圧側シート552の径(高圧シート径)と、バルブ72のガイド部723が摺動する縦穴24の径(ガイド径)が略同じ径となっているので、バルブ72の弁部721が低圧ポート22を閉鎖した状態において、弁室55内の高圧燃料がバルブ72の弁部721を上向きに付勢する力とガイド部723を下向きに付勢する力とが、ほぼ釣り合う。従って、燃料噴射時にバルブ72の弁部721を押し下げて低圧側シート551から離座させるために必要な駆動力を小さくできる。
【0071】
ただし、実際には、非噴射時に弁室55と低圧通路32の間を確実に遮断するために、低圧側シート551の径(低圧シート径)を、ガイド部723が摺動する縦穴24の径(ガイド径)よりも僅かに大きくしておくのがよい。このとき、バルブ72に作用する上向きの付勢力(=(π/4)・{(低圧シート径)2−(ガイド径)2}×高圧燃料の圧力+バルブスプリング73の弾発力)が、小径ピストン64のスプリング68の弾発力等の下向きの付勢力よりも大きくなるので、弁部721が低圧側シート551に着座した状態を維持できる。
【0072】
また、噴射終了時のバルブ72の戻り力を確保するよう、高圧側シート552の径(高圧シート径)は、ガイド部723が摺動する縦穴24の径(ガイド径)よりも若干大きくしてある。このとき、弁部721が高圧側シート552に着座した状態において、高圧ポート521の高圧燃料が弁部721を押し上げる力がガイド部723を押し下げる力に対して優勢となるので、バルブ72が速やかに高圧側シート552から離座する。
【0073】
本実施形態の作動は、第1実施形態と同様で、燃料噴射開始時には、ピエゾスタック71が伸長して大径ピストン65を押し下げることにより、変位拡大室57の圧力が上昇し、小径ピストン64がバルブ72を押し下げる。すると、バルブ72の弁部721が低圧側シート551から離座し、次いで高圧側シート552に着座して弁室55の燃料圧が低下する。これにより、背圧室53の燃料が、アウトオリフィス54、弁室55、低圧ポート22を介して低圧通路32に抜けるために、背圧が低下してノズルニードル61が離座し、燃料噴射がなされる。
【0074】
逆に、ピエゾスタック71が収縮してバルブ72への押し下げ力が解除されると、バルブスプリング73の上向きの付勢力と、弁部721に上向きに作用する高圧ポート521の高圧の燃料圧力によって、弁部721が高圧側シート552から離座し、次いで低圧側シート551に着座する。これに伴い、アウトオリフィス54を介して弁室55よりの高圧燃料が背圧室53に流入するとともに、インオリフィス51を通じて高圧通路31よりの高圧燃料が背圧室53に流入し、背圧室53の圧力が上昇するため、ニードル61が着座し噴射が停止する。
【0075】
本実施形態によっても、第1実施形態と同様に、バルブスプリング73を設けたことで、高圧がかかっていない状態でもバルブ72が低圧側シート551に着座するから、低圧ポート22を閉鎖して、圧送された燃料が低圧側へリークするのを防ぐことができる。よって、バルブ72と小径ピストン64との当接性の向上と始動性の向上とを両立することができる。
【0076】
また、本実施形態では、圧力バランスタイプの三方弁構造を採用し、低圧シート径と高圧シート径およびガイド径をほぼ同じとしたので、バルブ72は圧力バランス状態となり、開弁に必要な力をほぼゼロにできる。従って、第1実施形態のようにボール弁を用いた構造と比べて、さらに駆動エネルギーの低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用した第1実施形態のインジェクタの断面図である。
【図2】第1実施形態のインジェクタの拡大断面図である。
【図3】第1実施形態のインジェクタを含み構成された燃料噴射装置の構成図である。
【図4】本発明を適用した第2実施形態のインジェクタの断面図である。
【図5】第2実施形態のインジェクタの拡大断面図である。
【図6】従来のインジェクタの部分断面図である。
【符号の説明】
10 インジェクタ
101 ノズル部
102 背圧制御部
103 ピエゾアクチュエータ(駆動部)
11 燃料タンク(低圧源)
13 高圧サプライポンプ(ポンプ)
14 コモンレール
22 低圧ポート
232 環状段面(面)
41 油溜まり室
43 噴孔
521 高圧ポート
53 背圧室
55 弁室
58 環状空間
61 ノズルニードル(ニードル)
63 バルブ(弁体)
64 小径ピストン(ピストン)
641 プレッシャピン(下端部)
66 スプリング座(環状部材)
67 バルブスプリング(付勢手段)
68 スプリング(別の付勢手段)
71 ピエゾスタック
72 バルブ(弁体)
721 弁部
722 細径部
723 ガイド部(摺動部)
73 バルブスプリング(付勢手段)
731 スプリング室
Claims (6)
- ポンプから圧送された燃料を蓄えるコモンレールにより燃料の供給を受けるインジェクタであって、コモンレールから供給された燃料を噴射する噴孔が形成され、該噴孔の開閉がニードルにより切り換え自在なノズル部と、前記燃料が導入されてニードルの背圧を発生せしめる背圧室と、該背圧室と低圧源との間を連通と遮断とのいずれかの状態に切り換える背圧制御部と、該背圧制御部を駆動する駆動部とを有し、
前記背圧制御部が、前記背圧室と低圧源との間に介設された弁室と、前記低圧源と連通し前記弁室の天井面に開口する低圧ポートと、コモンレールと連通し前記低圧ポートの直下で前記弁室の底面に開口する高圧ポートと、前記弁室内に配設され前記低圧ポートまたは前記高圧ポートを閉鎖する弁体とを有し、
前記駆動部が、前記弁室の上方で上下方向に形成されたシリンダ内に配設され、ピン状の下端部が前記低圧ポートから前記弁室内に突出し前記弁体を押圧自在なピストンと、該ピストンに対する上下方向の駆動力を発生するアクチュエータとを有し、
前記駆動部による駆動で前記弁体が下方変位して前記弁室が前記低圧ポートを介して前記低圧源と連通するように構成されたインジェクタにおいて、
前記弁体を常時、上方に付勢する付勢力を発生する付勢手段を具備せしめ、
前記弁体は、前記低圧ポートに対向する上側部分の少なくとも前記ピストンとの当接部が平坦面となっており、かつ外周には径方向外方に突出するスプリング座を設けて、該スプリング座と前記弁室の底面との間に前記付勢手段となるスプリングを介設し、
該付勢手段の付勢力を、前記コモンレールの燃料圧力が常圧で前記駆動部が前記ピストンを非駆動状態のときに、前記弁体が下向きの押圧力に抗して前記低圧ポートを閉鎖可能な力に設定したことを特徴とするインジェクタ。 - 請求項1記載のインジェクタにおいて、前記背圧制御部を、 前記弁室が前記背圧室と連通し、前記高圧ポートには略コモンレール内燃料圧力の燃料が常時導入され、前記弁体が下方変位時には高圧ポートを閉鎖する三方弁構造としたインジェクタ。
- ポンプから圧送された燃料を蓄えるコモンレールにより燃料の供給を受けるインジェクタであって、コモンレールから供給された燃料を噴射する噴孔が形成され、該噴孔の開閉がニードルにより切り換え自在なノズル部と、前記燃料が導入されてニードルの背圧を発生せしめる背圧室と、該背圧室と低圧源との間を連通と遮断とのいずれかの状態に切り換える背圧制御部と、該背圧制御部を駆動する駆動部とを有し、
前記背圧制御部が、前記背圧室と低圧源との間に介設された弁室と、前記低圧源と連通し前記弁室の天井面に開口する低圧ポートと、コモンレールと連通し前記低圧ポートの直下で前記弁室の底面に開口する高圧ポートと、前記弁室内に配設され前記低圧ポートまたは前記高圧ポートを閉鎖する弁体とを有し、
前記駆動部が、前記弁室の上方で上下方向に形成されたシリンダ内に配設され、ピン状の下端部が前記低圧ポートから前記弁室内に突出し前記弁体を押圧自在なピストンと、該ピストンに対する上下方向の駆動力を発生するアクチュエータとを有し、
前記駆動部による駆動で前記弁体が下方変位して前記弁室が前記低圧ポートを介して前記低圧源と連通するように構成されたインジェクタにおいて、
前記弁体を常時、上方に付勢する付勢力を発生する付勢手段を具備せしめ、
前記弁体を、シート径と摺動部径が略同径のバランスピストン弁として、前記低圧ポートに対向する上側部分の少なくとも前記ピストンとの当接部を平坦面とし、
前記摺動部を前記高圧ポートの下方に配置するとともに、前記摺動部下方にスプリング室を設けて、前記付勢手段としてのスプリングを収容し、
該付勢手段の付勢力を、前記コモンレールの燃料圧力が常圧で前記駆動部が前記ピストンを非駆動状態のときに、前記弁体が下向きの押圧力に抗して前記低圧ポートを閉鎖可能な力に設定したことを特徴とするインジェクタ。 - 請求項1または2いずれか記載のインジェクタにおいて、前記弁体が、略球状のボール弁であり、前記スプリング座として、前記弁体の最大径よりも小さな内径を持つ環状部材を弁体下方から設置したことを特徴とするインジェクタ。
- 請求項1ないし4いずれか記載のインジェクタにおいて、前記ピストンにはこれを下方に付勢する別の付勢手段の座とならしめるための環状突起部を設け、かつ、前記ピストンが上方に自由に移動するのを抑制すべく、前記シリンダが形成された本体部に、前記環状突起部の上方で該環状突起部を受ける面を形成したインジェクタ。
- 請求項1ないし4いずれか記載のインジェクタにおいて、前記ピストンにはこれを下方に付勢する別の付勢手段の座とならしめるための環状突起部を設け、該環状突起部の上方で前記付勢手段を格納する、前記ピストンの外周の環状空間を、前記ピストンが上昇する時にその上昇速度を緩和するダンパ室としたインジェクタ。
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