JP3904121B2

JP3904121B2 - 蓄圧式燃料噴射弁

Info

Publication number: JP3904121B2
Application number: JP25201697A
Authority: JP
Inventors: 祥博都筑; 敦哉岡本
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 1997-09-17
Filing date: 1997-09-17
Publication date: 2007-04-11
Anticipated expiration: 2017-09-17
Also published as: DE19837213A1; JPH1193800A; DE19837213B4

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関に適用される蓄圧式の燃料噴射装置に係り、特に蓄圧式燃料噴射装置に使用される燃料噴射弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の蓄圧式燃料噴射弁としては、特開平７−２９３３８７号公報に記載されているものがある。これは、ソレノイド弁（油圧制御弁）の開閉によりニードルの背圧を制御することによってニードルを移動させて噴孔を開閉し、コモンレール（蓄圧容器）から供給される高圧燃料を調量して噴射するものである。しかしながら、コモンレールは、それをエンジンに組み込む上から、きわめて大きな容積とすることは不可能であるし、燃料噴射弁（インジェクタ）の近傍に設けるか、あるいは燃料噴射弁に直接に接続することはきわめて困難である。そのため、従来の燃料噴射弁による蓄圧式燃料噴射装置においては、高圧燃料の供給が燃料の噴射に十分に追従せず、噴射開始直後から噴射の中期にかけて、実噴射圧がかなり大幅に低下する結果、燃料の微粒化が十分に進まないので、空気との混合状態が不完全となって燃焼状態が悪化し、大量のスモークを発生する場合がある。また、近年の排気規制の強化に応じてスモーク排出量を一定レベル以下に抑えた場合には、エンジンの出力が大幅に低下するという問題がある。噴射圧の変動の問題はコモンレールの圧力を高めることによって或る程度解決することができるが、そのためにはコモンレールその他の耐圧性を高める必要上、それらが大型化するという問題を伴う。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来技術における前述のような問題に対処して、体積が大きいために燃料噴射弁から多少とも離して設置する必要があるコモンレールのような蓄圧容器をさらに高圧化することによって一層大型化することなく、簡単な手段によって噴射圧力の変動を効果的に抑制することができる、改良された蓄圧式燃料噴射弁を提供することを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載された蓄圧式燃料噴射弁を提供する。
【０００５】
本発明は基本的に、噴孔を開閉するニードルと、噴孔の近傍で高圧燃料を貯溜するとともにそこに作用する油圧力によってニードルを押し上げる油だまりと、外部のコモンレールから油だまりへ高圧燃料を導入する燃料通路とを備えている蓄圧式燃料噴射弁において、油だまりから見てコモンレールに連通する燃料通路および噴孔に連通する燃料通路とは別に、一端において油だまりに連通して高圧燃料を導く制御通路と、制御通路の他端に連通し高圧燃料を貯溜する容積一定の空間からなるリザーバとを備えていることを特徴とする。
【０００６】
従って、燃料噴射弁の内部の油だまりと、外部のコモンレールだけでは燃料噴射に伴う噴射圧の変動を十分に抑制することができない時でも、本発明の蓄圧式燃料噴射弁においては、制御通路の長さと、リザーバの容積を適当に設定することによって、個々の燃料噴射弁において圧力変動によって噴射圧が低下する時期と、その燃料噴射弁の油だまりから制御通路を通ってリザーバへ到達する圧力波の高圧部分がリザーバから同じ制御通路を通って再び油だまりへ戻って来る時期とを一致させることにより、噴射圧の著しい低下を阻止することができる。
【０００７】
それによって、燃料噴射弁における噴射圧の変化による噴射率の変動を効果的に抑制することが可能となり、燃料の微粒化が悪化するのを防止して、エンジンにおける良好な燃焼状態を維持することができるので、スモークの排出量を減少させることができる。また、コモンレールの圧力を高めて噴射圧の変動を抑える従来技術に比べて、コモンレールや燃料噴射弁の燃料油圧に対する強度を比較的小さくすることができることと、高圧燃料ポンプの負荷も小さくなるため、燃料噴射装置全体が小型で安価なものとなる。
【０００８】
具体的に、本発明の蓄圧式燃料噴射弁は、前述の基本的な構成に加えて、コマンドピストンとニードルを閉弁方向へ付勢する弾性手段と、コマンドピストンの一側に形成される制御室と、ニードルを進退作動させるために制御室の圧力を制御する油圧制御弁をも備えているものとすることができる。さらに、油圧制御弁は電磁弁とすることができ、油圧制御弁を二方向弁として実施する場合は、制御室へ導入される高圧燃料の一部を油圧制御弁によって低圧側へ逃がすことによって、また、油圧制御弁を三方向弁として実施する場合は、高圧と低圧を切り換えて制御室へ供給することにより、制御室の油圧を変化させてニードルを開弁または閉弁方向へ移動させる。
【０００９】
リザーバは、弁本体の肉厚部分に形成された円形の穴からなる空間を、穴の口に中空のプラグを螺着することによって比較的簡単に構成することができるが、リザーバはそれ以外の形状、構造とすることもできる。実験の結果、リザーバの空間の容積は０．３ cm³以上あれば、十分満足な結果が得られる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図２は本発明の燃料噴射弁が適用される蓄圧式燃料噴射装置の全体構成を示した図である。燃料タンク１より低圧ポンプ２によって汲み上げられた燃料は高圧ポンプ３へ供給される。高圧ポンプ３から吐出される高圧の燃料は、コモンレール４において蓄圧され、エンジンの各気筒ごとに設けられた燃料噴射弁５へ供給される。コモンレール４には圧力センサ６が取りつけられており、その他各種のセンサからの信号が入力される電子式制御装置（ＥＣＵ）により、エンジンの運転条件に最適となるように高圧ポンプ３をコントロールして、コモンレール４内を所望の圧力に調整する。
【００１１】
コモンレール４と燃料噴射弁５は高圧配管８により連結されているが、その長さはそれぞれのエンジンの搭載条件により変化する。燃料噴射弁５もＥＣＵ７からエンジンの運転条件に合わせた最適の噴射パルスにより駆動される。
【００１２】
図１に本発明の特徴部分である燃料噴射弁５の断面を示す。その要部の詳細は図３に拡大して示されている。
配管８に通じる燃料インレット１２よりオリフィススクリュ２１の中に設けられたインオリフィス２０を介して、制御室１３へ高圧燃料が導入される。制御室１３はアウトオリフィス１４を介して油圧制御弁１５へ通じている。
【００１３】
図示例における油圧制御弁１５は、制御室１３の高圧燃料の一部を低圧通路１９へ逃がすことによって制御室１３の圧力を変化させる所謂二方向弁であって、弁体５１と、その中に摺動自在に挿入されたバランスロッド５２などから成っている。バランスロッド５２は、弁体５１を押し上げるように作用する制御室１３の燃料油圧に対抗して、その下面へ導入する同じ油圧によって弁体５１を押し下げることにより、ソレノイド６０の必要な出力を軽減する効果を有する。バランスロッド５２の直径は、弁体５１が係合するシート部５４の直径よりも小さくする。
通常はバルブスプリング５３により弁体５１は下方へ付勢されており、その下方の円錐状の先端がシート部５４に着座して、制御室１３と低圧通路１９との間を遮断している。
【００１４】
オリフィススクリュ２１は、さらに燃料噴射弁５の本体５０に穿孔して形成された通路１６へも通じており、高圧燃料はノズル１７に形成された油だまり１８へ導入されている。ノズル１７にはニードル７１が上下方向に摺動自在に挿入されており、ニードル７１はニードルスプリング７３によって下方へ付勢されて噴孔を塞いでいる。ニードル７１の上には、コマンドピストン７４が上下方向に一体となって移動するように設けられており、その上端面は制御室１３に臨んでいる。
【００１５】
本発明の特徴として、油だまり１８からさらに制御通路９を介して、一定容積のリザーバ１０へ高圧燃料が導入されるように構成されている。
【００１６】
ここで、リザーバ１０の構造および配置についてより詳細に説明する。通常、体積の大きいコモンレール４は、エンジンへの装着の制約から油だまり１８の近傍に配置することができないので、コモンレール４からの高圧燃料の供給遅れを防止するために、本発明においてはリザーバ１０を、燃料噴射弁５の本体５０の内部に設けた点に特徴がある。
【００１７】
図１及び図３に示す例では、インジェクタの本体５０の中に通路１６と平行に制御通路９が穿孔形成され、その上方に延びた先端が、制御室１３の近傍の本体５０の厚肉部に形成されたリザーバ１０に連通している。リザーバ１０は制御通路９以外のものには開口しない行き止まりの小さな空洞となっており、この場合は円形の穴として形成されるとともに、中空のボルト状のプラグ１１をリザーバ１０の穴の一部に形成された雌ねじ部に螺入することによって外部から閉塞されている。ただし、リザーバ１０の形状は円形の穴に限られる訳ではない。
【００１８】
ここで圧力波の伝達速度ａは、Ｋを体積弾性率、ρを密度とすれば、
ａ＝（Ｋ／ρ）^1/2
として表すことができる。
【００１９】
たとえば、油だまり１８からの圧力波の高圧部分が制御通路９を通ってリザーバ１０に到達し、そこで反射されて１００μｓ後に再び油だまり１８へ帰って来ることにより、その圧力が上昇するように設定しようとすれば、燃料である軽油のＫは２．５×１０⁹Ｐａ（ａｔ１２０ＭＰａ）、ρは８３７kg／ｍ³であるから、ａ＝１７２８ｍ／ｓとなるので、１００μｓならば、１７．２８cmの距離を必要とする。この場合、圧力波は油だまり１８からリザーバ１０までの制御通路９を往復するので、制御通路９の長さはこの距離の半分の８．６４cmとすればよい。
【００２０】
制御通路９の太さは、燃料噴射弁５の大きさ（直径）の制約にもよるが、直径２mm以上とするのが、リザーバ１０と油だまり１８との間の高圧燃料の流れを円滑にするために好適である。
【００２１】
また、リザーバ１０の容積は、圧力上昇を大きくするためには大きいほどよいが、燃料噴射弁５の大きさによる制約もあるため、大きな容積をとることは一般に困難である。しかし、本発明のような構成では、リザーバ１０までの制御通路９の容積も蓄圧作用を有するため、リザーバ１０の容積を０．３cm³以上とすることで、十分な噴射圧力の上昇が得られることを、発明者らは実験によって確認している。
【００２２】
次に、燃料噴射弁５の作動について説明する。噴射を開始する時、ＥＣＵ７は制御弁１５のソレノイド６０へ通電する。それによって弁体５１が吸引され、バルブスプリング５３の下方への付勢力に逆らって弁体５１が上方へ移動する。従って、弁体５１の先端はシート部５４から離座し、制御室１３内の高圧燃料が低圧通路１９へ逃けるので、制御室１３の圧力が低下する。従って、コマンドピストン１４を下方へ押圧していた油圧による力がなくなり、油だまり１８に作用する油圧による力が、ニードルスプリング７３の付勢力に打ちかってニードル７１を上昇させる結果、噴孔７２から燃料が噴射される。
【００２３】
この時の噴射率（単位時間当りの噴射量）の時間的変化と、それに対応する噴射圧の変動の状況を示したものが図４および図５である。従来の蓄圧式燃料噴射装置では、図４に示すように、噴射開始の直後にニードル室２２（油だまり１８から噴孔７２までの燃料通路）の圧力、即ち実噴射圧が大きく低下し、噴射の後期になって漸く、コモンレール４からの供給によって圧力が上昇する。
【００２４】
これに対して、制御通路９とリザーバ１０を有する本発明の構成を用いることにより、図５に示すように、油だまり１８の近傍の容積の若干の増加の効果として、噴射直後のニードル室２２の圧力の落込み量を半減させることができる。さらに、リザーバ１０からの圧力波により、噴射の初期から中期におけるニードル室圧（噴射圧）を上昇させることが可能となる。
【００２５】
なお、図示の実施形態では二方向弁としての電磁弁を油圧制御弁１５として使用しているが、必要に応じて油圧制御弁１５には三方向電磁弁等を使用することができる。この場合は、高圧側と低圧側を択一的に制御室１３に接続して、その圧力を変化させることにより、ニードル７１を上下方向に駆動する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の蓄圧式燃料噴射弁の実施形態を例示する縦断面図である。
【図２】本発明の燃料噴射弁を適用する燃料噴射装置の全体構成図である。
【図３】図１の一部を拡大して示す縦断面図である。
【図４】従来の燃料噴射弁の噴射特性と噴射圧の変動を示す線図である。
【図５】本発明の燃料噴射弁の噴射特性と噴射圧の変動を示す線図である。
【符号の説明】
３…高圧ポンプ
４…コモンレール
５…蓄圧式燃料噴射弁
９…制御通路
１０…リザーバ
１１…中空のプラグ
１２…燃料インレット
１３…制御室
１５…油圧制御弁
１６…燃料通路
１８…油だまり
１９…低圧通路
２０…インオリフィス
２２…ニードル室
５０…燃料噴射弁の本体
５１…弁体
５２…バランスロッド
６０…ソレノイド
７１…ニードル
７２…噴孔
７３…ニードルスプリング
７４…コマンドピストン

Claims

蓄圧式燃料噴射装置に使用される蓄圧式燃料噴射弁であって、高圧燃料を噴射する噴孔を開閉するニードルと、噴射される高圧燃料を貯溜するとともにその油圧力によって前記ニードルを開弁方向へ付勢する油だまりと、外部に設けられた高圧燃料の貯溜蓄圧容器であるコモンレールから前記油だまりへ高圧燃料を導く燃料通路と、前記油だまりから前記噴孔へ高圧燃料を導く燃料通路とを備えている蓄圧式燃料噴射弁において、
前記油だまりから見て前記コモンレールに連通する前記燃料通路および前記噴孔に連通する前記燃料通路とは別に、一端において前記油だまりに連通して高圧燃料を導く制御通路と、前記制御通路の他端に連通して高圧燃料を貯溜する容積一定の空間からなる少なくとも１つのリザーバとを備えていることを特徴とする蓄圧式燃料噴射弁。
請求項１に記載された構成に加えて、前記ニードルと連動するコマンドピストンと、前記ニードルを閉弁方向へ付勢する弾性手段と、前記ニードルを前記弾性手段とともに閉弁方向へ付勢するために前記コマンドピストンの一側に形成されて、制御された油圧力を導入される制御室と、前記ニードルを進退作動させるために前記制御室の圧力を制御する油圧制御弁をも備えている蓄圧式燃料噴射弁。
請求項２において、前記油圧制御弁が電磁弁である蓄圧式燃料噴射弁。
請求項２または３のいずれかにおいて、前記油圧制御弁が前記制御室と低圧通路との間に挿入された二方向弁である蓄圧式燃料噴射弁。
請求項４において、前記油圧制御弁が内部にバランスロッドを備えている蓄圧式燃料噴射弁。
請求項２または３のいずれかにおいて、前記油圧制御弁が前記制御室に高圧と低圧を選択的に導入する三方向弁である蓄圧式燃料噴射弁。
請求項１ないし６のいずれかにおいて、前記リザーバの空間が弁本体の肉厚部分に形成された円形の穴からなり、中空のプラグを前記穴に螺着することによって外部から遮断されている蓄圧式燃料噴射弁。
請求項１ないし７のいずれかにおいて、前記リザーバの空間の容積が０．３ cm³以上である蓄圧式燃料噴射弁。