JP3994893B2

JP3994893B2 - 燃料噴射弁

Info

Publication number: JP3994893B2
Application number: JP2003068409A
Authority: JP
Inventors: 和英渡辺
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-03-13
Filing date: 2003-03-13
Publication date: 2007-10-24
Anticipated expiration: 2023-03-13
Also published as: JP2004278358A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピエゾアクチュエータを用いた内燃機関の燃料噴射弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジン等に高圧燃料を噴射する燃料噴射弁は、アクチュエータによってノズルニードルを駆動することにより高圧燃料通路に連通する噴孔を開閉する構成となっている。かかる燃料噴射弁として、近年、応答性の良好なピエゾアクチュエータを駆動源とするものが提案されている（例えば、特許文献１等）。この燃料噴射弁は、ピエゾアクチュエータの変位を油圧てこを利用した変位拡大機構によって拡大し、バルブを動作させることにより噴射を制御している。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−４１１２５号公報
【０００４】
変位拡大機構は、ピエゾアクチュエータの伸縮によって駆動される大径ピストンと、バルブを動作させる小径ピストンの間に、作動油としての燃料を充填した変位拡大室を設けてなる。変位拡大室の圧力が増減して、その圧力を受けた小径ピストンが摺動すると、これに伴いバルブ位置が切換えられ、燃料噴射がなされる。すなわち、ピエゾアクチュエータが伸長して変位拡大室の圧力が上昇し、所定の圧力に達すると、小径ピストンがバルブを押し下げる。バルブが離座してリターン通路が開放されると、ノズルニードルに油圧を作用させる制御室の圧力が低下して、ノズルニードルが開弁する。一方、ピエゾアクチュエータが収縮して変位拡大室の圧力が低下すると、バルブが着座してリターン通路を閉鎖する。これに伴い、制御室の圧力が再び上昇してノズルニードルが閉弁する。
【０００５】
また、変位拡大機構では、ピエゾアクチュエータが伸長して変位拡大室の圧力を上昇させると、変位拡大室の燃料が大径ピストン、小径ピストンの摺動部クリアランスからリークする。このリーク燃料を補填するため、特許文献１では、変位拡大室に開口する通路を設けてチェック弁を設置しており、噴射終了時にチェック弁を介して流入する燃料により変位拡大室の圧力を維持している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ピエゾアクチュエータの伸長時、小径ピストンが動き出すと同時に、バルブが離座し、リターン通路へ高圧燃料がスピルされるために、スピル燃料によりリターン通路の圧力が脈動する。この時、上記従来構造では、チェック弁を設けた通路の他端側がリターン通路に連通しているため、リターン通路の圧力脈動の影響を受けて、チェック弁作動が不安定になりやすい。その結果、変位拡大室への燃料充填状態が毎回変化し、噴射量特性のサイクル間変動が大きなものになってしまう懸念があった。
【０００７】
本発明の目的は、変位拡大機構を備える燃料噴射弁において、変位拡大室へ燃料を補填するチェック弁の安定化した作動を実現すること、そして、変位拡大室への燃料充填状態を安定させて、サイクル間変動を小さくし、安定した噴射量特性を有する制御性の高い燃料噴射弁を得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の燃料噴射弁は、ノズルニードルに閉弁方向の圧力を作用させる制御室と、該制御室とリターン通路の間を開閉することにより上記制御室の圧力を増減する制御弁と、該制御弁を駆動する駆動部を備え、上記駆動部が、ピエゾアクチュエータの伸縮に伴って摺動する大径ピストンと、上記制御弁に当接してこれと一体に摺動する小径ピストンの間に、作動流体が充填される変位拡大室を有している。燃料噴射弁には、上記変位拡大室と上記リターン通路の間に位置し、上記変位拡大室方向へのみ制御流体を流入させて上記変位拡大室に制御流体を補填するチェック弁が設けてあり、該チェック弁の上流に設けた流体室と上記リターン通路とを絞りを介して連通させてある。そして、上記大径ピストンを中空としてその内部に上記チェック弁および上記流体室を収容する構成としている。
【０００９】
従来の構成では、噴射終了時に高圧のスピル燃料がリターン通路へ噴出するために、リターン通路の圧力が脈動し、その影響でチェック弁の作動が不安定となる問題があった。これに対し、本発明の構成では、チェック弁の上流に絞りを設けたので、リターン通路の圧力脈動が直接、チェック弁に作用するのを防止できる。また、チェック弁と絞りとの間に、所定容量の流体室が形成されるので、安定した圧力でチェック弁を動作させることが可能となる。従って、燃料充填状態が安定し、サイクル間変動を小さくして、制御性に優れた燃料噴射弁を実現できる。
【００１３】
しかも、上記チェック弁および上記流体室を、上記大径ピストン内に設置することで、装置をより小型にできる。
【００１４】
請求項２の構成では、上記絞りが、上記大径ピストンに設けられ上記流体室と上記大径ピストン外周の低圧部を連通する通孔からなる。
【００１５】
具体的には、上記大径ピストン外周に上記リターン通路へ連通する空間を設け、上記大径ピストンの側壁に、該空間と上記流体室とを連通させる通孔を貫設し、上記絞りとすることができ、上記効果が容易に得られる。
【００１６】
請求項３の構成では、上記絞りが、上記大径ピストンが摺動するシリンダと上記大径ピストン外周面との間に形成される摺動部クリアランスからなり、上記大径ピストンに上記流体室と上記絞りとを連通させる通路を設ける。
【００１７】
あるいは、上記大径ピストン外周の摺動部クリアランスを、上記絞りとすることもでき、この摺動部クリアランスと上記流体室を上記通路を介して連通させることで、同様の効果が得られる。
【００１８】
請求項４の構成では、上記大径ピストンに、一端が上記流体室に開口し他端が上記大径ピストンの外周面に開口するとともに上記大径ピストンが上端位置にある時に該大径ピストン外周の低圧部に連通して上記絞りとなる通路を設ける。
【００１９】
あるいは、上記大径ピストンが上端位置となった時に、上記絞りとなるように上記通路を形成することもでき、同様の効果が得られる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の第１の実施形態を説明する。図１は本発明の燃料噴射弁１の全体構成図で、例えば、ディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射装置に適用される。燃料噴射弁１は、ディーゼルエンジンの各気筒に対応して設けられ、共通のコモンレール (図略）から燃料の供給を受けるようになっている。コモンレールには燃料タンク (図略）の燃料が高圧サプライポンプ (図略）により圧送されて噴射圧力に相当する所定の高圧で蓄えられる。
【００２１】
燃料噴射弁１は、ノズルニードル３を有するノズル部１０１（下端部）が、図略の燃焼室内に突出するように取り付けられる。燃料噴射弁１の中間部は制御弁としてのバルブ２を有する背圧制御部１０２、上端部はピエゾ駆動部１０３を構成している。燃料噴射弁１はハウジング１３を有し、ハウジング１３内には上記各部１０１〜１０３を構成する各部品が収納されるとともに、燃料タンクに連通するリターン通路１１、コモンレールに連通するインレットに接続される高圧通路１２等の通路が形成される。
【００２２】
ノズル部１０１は、ハウジング１３の下端部内に形成した縦穴３１に、段付きのノズルニードル３を摺動自在に保持している。ノズルニードル３の下半小径部の外周には環状の油溜まり室３２が形成されており、常時高圧通路１２と連通する油溜まり室３２にコモンレールからの高圧燃料が供給されている。縦穴３１の下方には、これに連なってサック部３３が形成され、サック部３３形成壁を貫通して燃料噴射用の噴孔３４が形成される。
【００２３】
ノズルニードル３は下端位置にある時に、円錐形の先端部がサック部３３と縦穴３１の境界部に設けたシートに着座し、サック部３３を閉じて油溜まり室３２から噴孔３４への燃料供給を遮断する。ノズルニードル３が上昇してシートから離座し、サック部３３を開くと燃料が噴射される。
【００２４】
ノズルニードル３の上端面および縦穴３１の壁面により画成される空間は、ノズルニードル３に背圧を与える制御室４としてある。制御室４は、メインオリフィス４１を介して背圧制御部１０２のバルブ室２１と常時連通するとともに、サブオリフィス４２を介して高圧通路１５と常時連通しており、これらメインオリフィス５１、サブオリフィス４２から導入される制御流体としての燃料が、ノズルニードル３の背圧を発生している。この背圧はノズルニードル３に下向きに作用して、制御室４内に収納されたスプリング４３とともにノズルニードル３を着座方向に付勢する。一方、油溜まり室３２の高圧燃料がノズルニードル３の段差面に上向きに作用しノズルニードル３を離座方向に付勢している。
【００２５】
背圧制御部１０２は、３方弁構造のバルブ２が、バルブ室２１の天井面に設けた低圧シート２２または底面に設けた高圧シート２３に選択的に着座して、流路を切換えるようになっている。低圧シート２２と高圧シート２３はバルブ室２１の天井面と底面の対向位置に設けられ、低圧シート２２はスピル室１４を介してリターン通路１１に連通している。高圧シート２３は通路１５を介して高圧通路１２と連通している。
【００２６】
なお、サブオリフィス４２は、噴射開始時に制御室４の圧力降下を緩和して、ノズルニードル３を緩やかに開弁し、一方、噴射停止時には制御室４の圧力上昇を促進して、ノズルニードル３を迅速に閉弁させる機能を有する。
【００２７】
バルブ２は圧力バランス型構造で、バルブ室２１内に収容される大径の弁部２ａと、高圧シート２３の下方に形成されるシリンダ内を摺動する摺動部２ｂを有している。弁部２ａと摺動部２ｂを連結する細径部の外周には、環状空間が形成されており、ここに高圧通路１２に連通する通路１５が開口している。バルブ２が上端位置にある時には、弁部２ａの頂面が、バルブ室２１天井面の低圧シート２２に着座し、バルブ室２１とスピル室１４との間を遮断する。バルブ２が下端位置にある時には、弁部２ａの下部テーパ面が、バルブ室２１底面の高圧シート２２に着座し、バルブ室２１と通路１５との間を遮断する。
【００２８】
バルブ２はピエゾ駆動部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おり、これに伴いバルブ室２１に連通する制御室４の圧力、すなわちノズルニードル３の背圧が増減する。ここで、低圧シート２２の径と、高圧シート２３の径と、摺動部２ｂの径は略同径となっており、バルブ２が低圧シート２２に着座した状態において、バルブ室２１内の高圧燃料が弁部２ａを上向きに付勢する力と摺動部２ｂを下向きに付勢する力とがほぼ釣り合うようにしてある。これにより、燃料噴射時に弁部２ａを押し下げて低圧シート２２から離座させるために必要な駆動力を小さくできる。好ましくは、低圧シート２２の径と高圧シート２３の径を、摺動部２ｂの径より僅かに大きくすると、バルブ２の意図しない開弁を防止し、または噴射を速やかに終了させることができる。
【００２９】
バルブ２の摺動部２ｂ下方には、スプリング２５が収容されてバルブ２を上方に付勢している。なお、スプリング２５が収容される空間は、連通路２４を介してスピル室１４に連通しており、該空間が密室となってダンパ力が生じないようになっている。このようにするとバルブ２の下方への移動が抑制されず、噴射開始時に弁部２ａを低圧シート２２から速やかに離座させることができる。
【００３０】
ピエゾ駆動部１０３は、バルブ室２１の上方に配設したシリンダ形成部材８内に、上側から順にピエゾアクチュエータ５１、大径ピストン５２、小径ピストン５４を同軸に配設してなる。大径ピストン５２と小径ピストン５４は、シリンダ形成部材８に設けたシリンダ内に摺動自在に保持される。大径ピストン５２と小径ピストン５４の間の空間には、燃料が充填されて変位拡大室５３を形成している。
【００３１】
ピエゾアクチュエータ５１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、積層方向すなわち上下方向を伸縮方向としており、図示しない駆動装置により充放電されるようになっている。ピエゾアクチュエータ５１には、大径ピストン５２の上端部外周に設けられたピエゾスプリング５５により一定の初期荷重が印加される。これにより、大径ピストン５２はピエゾアクチュエータ５１の伸縮に伴い、一体に上下動する。小径ピストン５４は、ピン状の下端部が背圧制御部１０２の低圧シート２２付近へ延び、バルブ室２１内のバルブ２頂面に当接している。小径ピストン５４の中間部外周にはフランジが形成され、該フランジ上に支持されるスプリングによって小径ピストン５４が下方に付勢されている。
【００３２】
従って、ピエゾアクチュエータ５１が伸長して大径ピストン５２を押圧すると、その押圧力が変位拡大室５３の燃料を介して小径ピストン５４に伝えられる。この時、小径ピストン５４は、大径ピストン５２よりも小径としてあるので、ピエゾアクチュエータ５１の伸長量が拡大されて小径ピストン５４の上下方向の変位に変換される。このように、大小２つのピストン５２、５４と変位拡大室５３とは、油圧式変位拡大機構として機能する。
【００３３】
次に、本発明の特徴部分について説明する。油圧式変位拡大機構の作動に伴い、変位拡大室５３の燃料の一部が大径ピストン５２、小径ピストン５４の摺動部クリアランスからリークする。そのため、これを補填する機構を設けることが行われており、本実施形態では、大径ピストン５２を中空として、その内部に、変位拡大室５３方向へのみ燃料を流入させるチェック弁６を収容する。大径ピストン５２内に形成される中空部は段付形状で、チェック弁６は、大径の下室６３内に配設されたプレート状の弁体６１と、該弁体６１を上方に付勢して段付部に当接させるスプリング６２を有している。下室６３は通路６４により変位拡大室５３と連通している。小径の上室は流体室７１となり、所定の開口面積とした絞り７２を介して大径ピストン５２の外周に形成される、低圧部としての空間５６に連通している。絞り７２は、一端が流体室７１の上部内側壁に開口し他端が大径ピストン５２の外周面に開口する通孔からなり、空間５６は通路５７にてリターン通路１１に連通している。従って、変位拡大室５３の圧力が低下するとチェック弁６が開弁して、リターン通路１１の燃料が通路５７、絞り７２、流体室７１を経て流入し、燃料が補充される。
【００３４】
上記構成の燃料噴射弁１の作動を説明する。ピエゾアクチュエータ５１が放電状態で縮小している状態（図示の状態）では、低圧シート２２径≧摺動部２ｂ径であるために、インレットより高圧通路１２に供給される高圧燃料の圧力で、バルブ２は低圧シート２２に着座している。この状態から、図略の駆動装置のスイッチをＯＮとし、ピエゾアクチュエータ５１に電圧を加えると、ピエゾアクチュエータ５１が伸長して大径ピストン５２を押し下げ、変位拡大室５３の圧力が上昇する。この圧力は小径ピストン５４に下向きに作用する。そして、変位拡大室５３の圧力が、バルブ２の作動開始圧力〔（小径ピストン５４の下向き力）＞（バルブ２の上向き力）となる圧力〕に達すると、小径ピストン５４がバルブ２を押し下げて、バルブ２の弁部２ａが低圧シート２２から離座し、さらに下方変位して高圧シート２３に着座する。低圧シート２２が開放されると、制御室４内の燃料がメインオリフィス４１、バルブ室２１およびスピル室１４を経てリターン通路１１に流出するために、制御室４の圧力が降下する。そして、ノズルニードル３の下向きの付勢力が上向きの付勢力を下回ると、ノズルニードル３が離座して燃料噴射が開始される。
【００３５】
次に、ピエゾアクチュエータ５１を放電させると、ピエゾアクチュエータ５１が収縮して大径ピストン５２が上方へ移動し、変位拡大室５３の圧力が降下してバルブ２の押し下げ力が解除される。これにより、高圧通路１２に連通する高圧シート２３が開放され、制御室４に、通路１５、バルブ室２１およびメインオリフィス４１を介して流入する高圧燃料と、サブオリフィス４２を介して流入する高圧燃料とにより、制御室４圧力が再び上昇する。そして、ニードル３が着座して噴射が終了する。
【００３６】
ところで、噴射開始時には、低圧シート２２が開放されて、バルブ室２１と制御室４内の高圧燃料がスピル室１４に噴出し、このスピル燃料によりリターン通路１１の圧力が脈動する。一方、噴射中は、変位拡大室の圧力が約１０ＭＰａ程度まで上昇するので、変位拡大室５３の燃料が大径ピストン５２、小径ピストン５４の摺動部クリアランスからリークする。そのため、噴射終了時に、ピエゾアクチュエータ５１が収縮すると変位拡大室５３の圧力が低下し、チェック弁６の弁体６１が開弁して変位拡大室５３に燃料を補填する。
【００３７】
この時、従来の構成では、高圧スピル燃料に起因するリターン通路１１の圧力脈動の影響で、チェック弁６の作動が不安定となる問題があったが、本実施の形態では、チェック弁６の上流に絞り７２を設けたので、リターン通路１１の圧力脈動が直接、チェック弁６に作用するのを防止できる。また、チェック弁６と絞り７２との間に、所定容量の流体室７１が形成されているので、安定した圧力でチェック弁６を動作させることができる。よって、燃料充填状態が安定し、サイクル間変動を小さくできるので、噴射制御性が大幅に向上する。また、チェック弁６と所定容量の流体室７１を、大径ピストン５２内に収容しているので、装置が大型化することがない。
【００３８】
図２に、本発明の第２の実施形態を示す。上記第１の実施形態では、大径ピストン５２の側壁に絞り７２を貫設して、チェック弁６の上流に設けた流体室７１と、大径ピストン５２外周の空間５６を連通させる構成としたが、図２に示すように、大径ピストン５２の摺動部と、シリンダ形成部材８に設けたシリンダとの間の摺動部クリアランス７３を絞りとして用いることもできる。大径ピストン５２は、下半部を中空としてチェック弁６を収容し、その上流の流体室７１の上部内側壁に一端が開口し他端が摺動部クリアランス７３に開口する通路７４が形成される。その他の基本構成は上記第１の実施の形態と同様であり、説明を省略する。
【００３９】
上記構成によっても、チェック弁６の上流に、所定容量の流体室７１を設けて絞りとなる摺動部クリアランス７３を介して、リターン通路１１と連通させたので、圧力脈動の影響を受けることなく、チェック弁６を安定して作動させる同様の効果が得られる。
【００４０】
なお、摺動部クリアランス７３は、大径ピストン５２外径およびシリンダ内径を一定径として、開口面積が軸方向で一定となるようにしても、大径ピストン５２外径またはシリンダ内径を一定とせず、摺動部クリアランス７３の軸方向の開口面積が変化するように、例えば、変位拡大室５３側の摺動部クリアランス７３よりも、空間５６側すなわちリターン通路１１側の摺動部クリアランス７３の方が大きくなるように設定してもよい。
【００４１】
図３に、本発明の第３の実施形態を示す。本実施形態では、大径ピストン５２の下半部を中空としてチェック弁６を収容し、その上流の流体室７１の上部内側壁から側方へ延びる通路７４を形成する。通路７４は、大径ピストン５２が上端位置にある図示の状態において、大径ピストン５２外周の空間５６と、所定の開口面積で連通する絞り７５を形成するように構成される。その他の基本構成は上記第１の実施の形態と同様であり、説明を省略する。
【００４２】
上記構成によっても、チェック弁６の上流に、所定容量の流体室７１を設けるとともに、噴射終了時に絞り７５を介してリターン通路１１と連通させることにより、圧力脈動の影響を受けることなく、チェック弁６を安定して作動させる同様の効果が得られる。
【００４３】
上記各実施の形態では、バルブ２を３方弁構造としたが、２方弁を用いてノズルニードル３を開閉する構成とすることもできる。また、上記各実施の形態では、メインオリフィス５１とサブオリフィス４２の両方を設けているが、サブオリフィス４２を設けない構成とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における燃料噴射弁の全体断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態における燃料噴射弁の全体断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態における燃料噴射弁の全体断面図である。
【符号の説明】
１燃料噴射弁
１１リターン通路
１２高圧通路
１３ハウジング
１４スピル室
２バルブ
２ａ弁部
２ｂ摺動部
２１バルブ室
２２低圧シート
２３高圧シート
２６スピル室
３ノズルニードル
３４噴孔
４制御室
４１メインオリフィス
４２サブオリフィス
５１ピエゾアクチュエータ
５２大径ピストン
５３変位拡大室
５４小径ピストン
５６空間（低圧部）
６チェック弁
６１弁体
６２スプリング
７１流体室
７２絞り
７３摺動部クリアランス（絞り）
７４通路
７５絞り
８シリンダ形成部材
１０１ノズル部
１０２背圧制御部
１０３ピエゾ駆動部（駆動部）

Claims

ノズルニードルに閉弁方向の圧力を作用させる制御室と、該制御室とリターン通路の間を開閉することにより上記制御室の圧力を増減する制御弁と、該制御弁を駆動する駆動部を備え、上記駆動部が、ピエゾアクチュエータの伸縮に伴って摺動する大径ピストンと、上記制御弁に当接してこれと一体に摺動する小径ピストンの間に、作動流体が充填される変位拡大室を有している燃料噴射弁であって、上記変位拡大室と上記リターン通路の間に位置し、上記変位拡大室方向へのみ制御流体を流入させて上記変位拡大室に制御流体を補填するチェック弁を設けるとともに、該チェック弁の上流に設けた流体室と上記リターン通路とを絞りを介して連通させ、かつ上記大径ピストンを中空としてその内部に上記チェック弁および上記流体室を収容したことを特徴とする燃料噴射弁。
上記絞りが、上記大径ピストンに設けられ上記流体室と上記大径ピストン外周の低圧部を連通する通孔からなる請求項１記載の燃料噴射弁。
上記絞りが、上記大径ピストンが摺動するシリンダと上記大径ピストン外周面との間に形成される摺動部クリアランスからなり、上記大径ピストンに上記流体室と上記絞りとを連通させる通路を設けた請求項１記載の燃料噴射弁。
上記大径ピストンに、一端が上記流体室に開口し他端が上記大径ピストンの外周面に開口するとともに上記大径ピストンが上端位置にある時に該大径ピストン外周の低圧部に連通して上記絞りとなる通路を設けた請求項１記載の燃料噴射弁。