JP2000314353A

JP2000314353A - インジェクタ

Info

Publication number: JP2000314353A
Application number: JP11124767A
Authority: JP
Inventors: Terukazu Nishimura; 輝一西村
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1999-04-30
Filing date: 1999-04-30
Publication date: 2000-11-14

Abstract

(57)【要約】【課題】初期噴射率抑制に際し、部品点数及びコスト
の増加を防止すると共に、弁バネの経時変化による噴射
特性への影響を少なくする。【解決手段】本発明は、圧力制御室１０のリーク穴１
２を開閉する開閉弁１１と、この開閉弁１１を閉弁方向
に付勢する弁バネ１１ａと、この弁バネ１１ａのバネ力
に抗じて開閉弁１１を開弁方向に駆動する電磁ソレノイ
ド８５とを有したインジェクタにおいて、弁バネ１１ａ
及び電磁ソレノイド８５を互いにオフセットして配置し
たものである。これによれば開閉弁１１の初期片開きが
実現され、弁バネ数の増加なく初期噴射率を抑制でき
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ディーゼルエンジ
ン等に適用される燃料噴射用インジェクタに関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】直噴式ディーゼルエンジンや直噴式ガソ
リンエンジン等においては、高圧噴射が可能で噴霧微粒
化に有利なコモンレール式燃料噴射装置が用いられる。
特に噴霧微粒化には噴孔径縮小という方法もあるが、加
工上限界があるので噴射圧は益々高まる傾向にある。こ
ういった意味でコモンレール方式は近年さらに注目視さ
れている。

【０００３】一般にコモンレール式燃料噴射装置では高
圧ポンプで加圧された燃料をコモンレール（蓄圧室）に
一旦貯留し、これをインジェクタから所定タイミングで
所定量ずつ、各気筒内に噴射するようになっている。

【０００４】インジェクタは、その下端ないし先端に設
けられた噴孔を、ニードル（針弁）の昇降により開閉
し、燃料噴射を実行する。特にインジェクタのうち圧力
バランス式と称されるものがある。これはニードル後端
側の圧力制御室（バランスチャンバ）の圧力を制御する
ことによりニードルを昇降させるものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ディーゼル
燃焼の場合、燃料噴射開始から所定の着火遅れ期間を経
て初期燃焼が開始する。この初期燃焼の際に急激な燃焼
が行われると、筒内温度が急上昇し、NOx 発生量が増大
する。そこで初期燃焼を比較的緩慢に行いつつ後の主燃
焼に繋げたいという要請がある。

【０００６】通常、コモンレール式インジェクタでは、
ニードル上昇と同時にインジェクタ内に待機していた加
圧燃料が一気に大量に噴射される傾向にある。これだと
初期噴射率が増大し、初期燃焼が急激となって先の要請
に合わない。そこで、初期噴射率を抑制し得る圧力バラ
ンス式インジェクタが種々提案されている（特開平11-2
2584号公報等）。

【０００７】一般に、圧力バランス式インジェクタで
は、高圧燃料が常時供給される圧力制御室を備え、この
室内燃料を選択的にリークさせることで室内圧を低圧に
し、ニードル上昇を開始させる。このインジェクタでは
圧力制御室のリーク穴を開閉する開閉弁と、開閉弁を閉
弁方向に付勢する弁バネと、当該バネ力に抗じて開閉弁
を開弁方向に駆動する電磁ソレノイドとが備えられる。

【０００８】従来、開閉弁を二段階で開放し、初期燃料
リーク速度を遅くしてニードルの二段階上昇を行わせ、
初期噴射率抑制を図ったインジェクタがある。

【０００９】しかし、これは弁バネを二つ設ける手法を
採っていた。これだと当然弁バネの数が増え、部品点数
増加によるコスト上昇を招く。また互いの弁バネのバネ
定数の差に基づいて噴射特性が決定されるため、弁バネ
のへたり等、経時変化により噴射特性に影響が及ぶ可能
性がある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、圧力制御室の
リーク穴を開閉する開閉弁と、この開閉弁を閉弁方向に
付勢する弁バネと、この弁バネのバネ力に抗じて上記開
閉弁を開弁方向に駆動する電磁ソレノイドとを有したイ
ンジェクタにおいて、上記弁バネ及び上記電磁ソレノイ
ドを互いにオフセットして配置したものである。

【００１１】これによれば開閉弁の初期片開きが実現さ
れ、弁バネ数の増加なく初期噴射率を抑制できる。

【００１２】ここで、上記弁バネ又は上記電磁ソレノイ
ドの一方の中心が上記リーク穴の中心に一致されるのが
好ましい。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態を添付
図面に基いて説明する。

【００１４】図８は本発明が適用される直噴ディーゼル
エンジンのコモンレール式燃料噴射装置を示す。エンジ
ンの各気筒毎にインジェクタ１が設けられ、各インジェ
クタ１には、高圧管７３を通じ、コモンレール７２に貯
留されたコモンレール圧（数10〜数100MPa）の高圧燃料
が常時供給されている。コモンレール７２への燃料圧送
は主に高圧ポンプ７８によって行われる。即ち、燃料タ
ンク７４の常圧程度の燃料が燃料フィルタ７５を通じて
フィードポンプ７６に吸引され、これにより燃料がフィ
ード管７７を通じて高圧ポンプ７８に送られる。ここで
燃料が高圧に加圧され、高圧管７９を通じてコモンレー
ル７２に送られる。インジェクタ１は前述の圧力バラン
ス式コモンレールインジェクタである。よってインジェ
クタ１内の圧力制御室からリークされた燃料がリーク管
８１を通じて燃料タンク７４に戻される。また高圧ポン
プ７８は出口圧を制御するための圧力制御部を有してい
るため、高圧ポンプ７８から排出された燃料が戻り管８
０を通じて燃料タンク７４に戻されるようになってい
る。

【００１５】燃料噴射制御を実行する電子制御ユニット
（以下ＥＣＵという）８２が設けられ、これはエンジン
の運転状態（回転数、負荷等）に応じた所定の駆動電流
をインジェクタ１の電磁ソレノイド８５に送り、インジ
ェクタ１を開閉制御する。またＥＣＵ８２はエンジン運
転状態に応じてコモンレール圧をフィードバック制御す
る。即ち、コモンレール２にコモンレール圧センサ８３
が設けられ、この値に基づき高圧ポンプ７８の出口圧を
制御する。

【００１６】次に、ここで用いる圧力バランス式コモン
レールインジェクタの作動原理を説明する。図９に示す
ように、インジェクタ１においては、ノズルボディ５１
内の穴５２にニードル５３が昇降自在に収容され、これ
ら穴５２とニードル５３との隙間を通じて噴孔５５にコ
モンレール圧Ｐｃの高圧燃料が導かれる。燃料入口は５
６で示される。ニードル５３後端側に圧力制御室５７が
設けられ、これは絞り５８を境に噴孔５５側の燃料通路
６１と連通状態で仕切られる。圧力制御室５７にはリー
ク穴５９が設けられ、リーク穴５９の出口が開閉弁６０
により開閉される。開閉弁６０は電磁ソレノイドと弁バ
ネとの協同作用により昇降駆動される。ニードル５３は
バネ定数の比較的低いバネ（図示せず）でインジェクタ
閉弁方向（下向き）に常時付勢されている。

【００１７】図９に示す噴孔閉鎖状態では、リーク穴５
９が閉じられ、ニードル５３は下方のシート部６２に着
座している。このときニードル５３は下向きの燃圧力Ｆ
₁と下向きのバネ力Ｆ₃と上向きの燃圧力Ｆ₂とを受け
ている。下向きを正とするとニードル５３が受ける力Ｆ
はＦ₁＋Ｆ₃−Ｆ₂である。ここでコモンレール圧をＰ
ｃ、ニードル断面積をＡ₁、シート部断面積をＡ₂とす
ると、Ｆ₁＝Ｐｃ×Ａ₁ Ｆ₂＝Ｐｃ×（Ａ₁−Ａ₂）よってＦ＝Ｆ₁＋Ｆ₃−Ｆ₂＝Ｆ₃＋Ｐｃ×Ａ₂とな
り、一旦噴孔５５が閉まってしまえば仮にバネ力Ｆ₃が
なくても理論的には閉弁が維持される。ただしバネ力Ｆ
₃があることでニードル５３の着座即ち閉弁は完全とな
る。

【００１８】Ａ₂は微小であり、Ｐｃ×Ａ₂も小さい値
である。よってバネ力Ｆ₃がないとすれば、ニードル５
３は燃圧でバランスされたいわば浮いた状態に近い。こ
のバランス状態を崩すことによりニードル５３が上昇し
燃料噴射が実行されるのである。

【００１９】この燃料噴射実行中ないし噴孔開放状態を
示したのが図１０である。このときリーク穴５９が開か
れ、圧力制御室５７の燃料がリークされる。絞り５８が
あるため圧力制御室５７への燃料供給がリークに追いつ
かず、圧力制御室５７の圧力がコモンレール圧Ｐｃより
低圧のＰｌとなる。これによって圧力バランスが崩れ、
ニードル５３が上昇し燃料噴射が実行される。この実行
中はＦ₁＝Ｐｌ×Ａ₁ Ｆ₂＝Ｐｃ×Ａ₁ Ｆ＝Ｆ₁＋Ｆ₃−Ｆ₂＝（Ｐｌ−Ｐｃ）×Ａ₁＋Ｆ₃ となり、Ｆ＜０つまりニードル５３は上昇される。

【００２０】この状態からリーク穴５９が閉じられると
圧力制御室５７がコモンレール圧Ｐｃに復帰する。する
とニードル５３は燃圧によっては完全バランスされてい
るが、バネ力Ｆ₃を受けているためこれによって下降す
る。つまりバネ力Ｆ₃は主にニードル下降に必要とな
る。ただしその値自体は小さな値で済むのでバネ定数の
低いバネが使用できる。こうしてＦが負の値から正の値
に転じた時点でニードル５３の下降が開始し、ニードル
５３がシート部６２に着座すれば燃料噴射が停止する。

【００２１】かかる原理に基づくインジェクタの具体的
態様を図７に示す。インジェクタ１は、そのノズルボデ
ィ３内の穴３ａにニードル４を昇降自在に収容させる。
またインジェクタ１は、先の高圧管７３に通ずる燃料入
口２からコモンレール圧の燃料を導入し、その高圧燃料
を穴３ａとニードル４との隙間を通じて下方の噴孔１６
に導く。穴３ａ内では前述の如くニードル４が高圧燃料
に浸漬され、いわば浮いた状態となっている。ニードル
４はバネ８によって下方即ちインジェクタ閉弁方向に常
時付勢される。バネ８はコイルスプリングからなり、ニ
ードル４に固定されたバネ受け５と、穴３ａの段差部６
下面との間に圧縮状態で挟まれる。

【００２２】ニードル４の頂面９が小容積の圧力制御室
１０に臨まされ、圧力制御室１０には燃料入口２から分
岐された入口通路７と絞り通路１４とを通じて高圧燃料
が常時導かれる。頂面９付近ではニードル４と穴３ａの
隙間がほとんどなく、その隙間を通じた圧力制御室１０
への燃料供給は行われない。そこで別系統の入口通路７
及び絞り通路１４を設け、ここから圧力制御室１０に燃
料供給を行うようにしたものである。よってここでは絞
り通路１４が前記絞り５８をなす。

【００２３】圧力制御室１０の燃料が開閉弁１１の昇降
によりリーク穴１２から選択的にリークされる。開閉弁
１１は弁バネ１１ａにより常時下方（閉弁方向）に付勢
され、通常はリーク穴１２を閉じている。これにより圧
力制御室１０がコモンレール圧となり、ニードル４がシ
ート部に着座して噴孔１６を閉じ、噴射停止状態とな
る。電磁ソレノイド８５が励磁されると開閉弁１１が弁
バネ１１ａのバネ力に抗じて上方（開弁方向）に駆動さ
れ、リーク穴１２を開く。これにより圧力制御室１０の
燃料がリークし、圧力制御室１０が低圧となり、ニード
ル４が上昇してシート部から離れ、噴孔１６が開き、燃
料噴射が実行される。なおリーク燃料はリーク通路１７
を通じて先のリーク管８１に至る。

【００２４】図１に開閉弁１１、弁バネ１１ａ及び電磁
ソレノイド８５を含む電磁弁２０周辺を詳細に示す。開
閉弁１１は所謂フラットシートバルブで、円形平板状に
形成されると共に電磁弁２０のアーマチュアを兼ねる。
図１には現れてないが、開閉弁１１の上方に微小の隙間
があり、開閉弁１１が微小ストローク（ 0.1〜0.2mm程
度）だけ昇降できるようになっている。リーク穴１２
は、穴３ａに挿入固定された弁座部材２１の中心に穿設
され、その上端の出口１２ａが絞られる。弁座部材２１
は、リーク穴出口１２ａを区画する中心突起２２と、外
周端縁部に位置する外周突起２３とを有する。これら突
起２２，２３の上面が同一高さ位置で同一平面をなし、
フラットに形成される。これにより開閉弁１１が突起２
２，２３の上面に均一に着座する。こうすることによっ
て開閉弁１１が中心突起２２のみに押しつけられず、開
閉弁１１の湾曲、凹み等が防止される。リーク穴１２、
弁座部材２１、ニードル４及び穴３ａはそれぞれ同軸上
に位置される。

【００２５】弁バネ１１ａはコイルスプリングからな
り、その中心Ｏｂがリーク穴１２の中心Ｏｒと一致さ
れ、開閉弁１１の中心部を上方から押圧する。リーク穴
出口１２ａには最大圧が高圧であるコモンレール圧が作
用されるため、これに抗じるため弁バネ１１ａのバネ定
数は極めて高く設定される。

【００２６】弁バネ１１ａの外周側にこれを囲繞するコ
イル状の電磁ソレノイド８５が設けられる。特に電磁ソ
レノイド８５の中心Ｏｄは弁バネ中心Ｏｂ（リーク穴中
心Ｏｒ）に対し図示右側にｈだけオフセットされてい
る。これにより電磁ソレノイド８５はリーク穴中心Ｏｒ
に対し同軸でなく偏心されることになる。

【００２７】図３乃至図５に開閉弁１１の作動を示す。
なおこれに対応した噴射状態が図６に経時的に示され
る。図６において、上段はＥＣＵ８２が発生するコマン
ドパルスで、OFF が噴射停止、ONが噴射実行を意味す
る。中段はリーク穴出口１２ａの実質的な開放面積、下
段は燃料噴射率である。

【００２８】図３のように開閉弁１１が着座した状態
（図６の）から、ＥＣＵ８２でコマンドパルスが発生
し、電磁ソレノイド８５に所定電圧（例えばDC100V）が
印加されたとする。すると電磁ソレノイド８５が励磁さ
れ、電磁ソレノイド８５から発生される電磁力（開閉弁
吸引力）が次第に上昇していく。この上昇過程におい
て、電磁ソレノイド８５が右側にオフセットされている
ため、開閉弁１１はまず図４のように右側が持ち上がり
（図６の）、次に図５のように左側が持ち上がるよう
になる（図６の）。

【００２９】弁バネ１１ａのバネ力中心Ｆｂはリーク穴
中心Ｏｒに一致し、これに対し電磁ソレノイド８５の電
磁力中心Ｆｄは右側に寄る。この力の作用点のズレによ
り、梃子の原理から、励磁初期では開閉弁１１が左側の
外周突起２３を支点に持ち上がり、リーク穴出口１２ａ
が片開きするようになる。

【００３０】この状態では、リーク穴出口１２ａが半開
状態なので、圧力制御室１０からの燃料リーク速度もさ
ほど大きくない。よって圧力制御室１０の減圧速度は遅
く、ニードル上昇速度も遅くなる。これによって初期噴
射率が抑制されNOx の低減が図られる。

【００３１】もっとも、このすぐ後に電磁ソレノイド８
５の電磁力が十分高まる。これにより開閉弁１１の左側
が持ち上がりリーク穴出口１２ａが全開状態となる。こ
うなるとリーク速度が増大され圧力制御室１０の減圧速
度が速くなり、ニードル４は短時間のうちに一気に最大
上昇される。こうして大量の噴射が実行され二段噴射が
達成されるのである。

【００３２】なお、リーク穴出口１２ａから流出した燃
料は弁座部材２１のリークポート２４を抜けてリーク通
路１７に至る。開閉弁１１の貫通穴２５は弁昇降時に弁
上下間の燃料通過を許容するためのものである。リーク
ポート２４及び貫通穴２５は複数ずつ設けられる。ＥＣ
Ｕ８２のコマンドパルスがOFF されると、電磁ソレノイ
ド８５が消磁され、開閉弁１１が閉弁されて図３の状態
に戻る。

【００３３】次に、図２を用いて他の実施の形態を説明
する。ここでは弁バネ１１ａと電磁ソレノイド８５との
オフセット関係が逆となっている。即ち、電磁ソレノイ
ド中心Ｏｄがリーク穴中心Ｏｒに一致される一方、弁バ
ネ中心Ｏｂが電磁ソレノイド中心Ｏｄ（リーク穴中心Ｏ
ｒ）に対し図示右側にオフセットされている。これによ
り弁バネ１１ａがリーク穴中心Ｏｒに対し偏心される。

【００３４】こうなると、上向きの電磁力中心Ｆｄがリ
ーク穴中心Ｏｒに一致する一方、下向きのバネ力中心Ｆ
ｂが右側にズレるため、開閉弁１１はまず右側の外周突
起２３を支点に左側が持ち上がり、次いで右側が持ち上
がるようになる。これによっても初期片開きが実現され
初期噴射率の抑制が図れる。

【００３５】従来は、弁バネ１１ａと電磁ソレノイド８
５との中心がリーク穴中心に一致されていた。これだと
開閉弁１１が最初から両開きし、噴射初期から大量の燃
料リーク、燃料噴射が行われる。本発明では開閉弁１１
を意図的に片開きでき、二段噴射の達成及び初期噴射率
抑制に効果を発揮する。しかもこれを弁バネ１１ａ、電
磁ソレノイド８５の配置変更のみで行えるため、弁バネ
を二つ用いる従来方法に比べ部品点数、コストの上で有
利である。さらにバネ定数の差という概念がないので、
弁バネの経時変化による噴射特性への影響が少なく、長
期間安定して所望の性能を得られる。

【００３６】ところで、本発明は上記以外の実施形態を
採ることもできる。例えば図１の実施形態について弁バ
ネ１１ａをリーク穴中心Ｏｒより左側にオフセットして
もよい。こうするとバネ力中心Ｆｂが支点側によるた
め、より片開き傾向が強まる。この場合リーク穴中心Ｏ
ｒより右側にオフセットすると、電磁ソレノイド８５の
オフセット分と相殺されて片開きが実現されない可能性
がある。よってオフセットはしないか、したとしてもそ
の量は最少にとどめるべきである。図２の実施形態につ
いても同様のことがいえ、電磁ソレノイド８５をリーク
穴中心Ｏｒより左側にオフセットしてもよい。要は、弁
バネ１１ａと電磁ソレノイド８５とを互いにオフセット
すれば、力の作用点がズレ、片開きが達成されるのであ
る。オフセット量ｈを増加すれば当然に片開き傾向が強
まり、初期噴射時間を延長できる。場合によってはリー
ク穴入口に開閉弁を設け、これを片開きする構成も可能
である。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば以下の如き優れた効果が
発揮される。

【００３８】(1) 初期噴射率抑制に際し、部品点数及び
コストの増加を防止できる。

【００３９】(2) 弁バネの経時変化による噴射特性への
影響を少なくできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態の要部拡大縦断面図である。

【図２】他の実施形態の要部拡大縦断面図である。

【図３】図１の実施形態の開閉弁の作動を示し、全閉状
態である。

【図４】図１の実施形態の開閉弁の作動を示し、片開き
状態である。

【図５】図１の実施形態の開閉弁の作動を示し、全開状
態である。

【図６】図１の実施形態の噴射特性を示すタイミングチ
ャートである。

【図７】実施形態に係る圧力バランス式インジェクタの
全体を示す縦断面図である。

【図８】コモンレール式燃料噴射装置のシステム図であ
る。

【図９】実施形態に係る圧力バランス式インジェクタの
作動原理を示し、インジェクタ閉弁状態である。

【図１０】同開弁状態である。

【符号の説明】

１インジェクタ１０，５７圧力制御室１１，６０開閉弁１１ａ弁バネ１２，５９リーク穴８５電磁ソレノイドｈオフセット量Ｏｂ弁バネの中心Ｏｄ電磁ソレノイドの中心Ｏｒリーク穴の中心

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【手続補正書】

【提出日】平成１１年５月１４日（１９９９．５．１
４）

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【図２】

【図３】

【図４】

【図５】

【図６】

【図７】

【図８】

【図９】

【図１０】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧力制御室のリーク穴を開閉する開閉弁
と、該開閉弁を閉弁方向に付勢する弁バネと、該弁バネ
のバネ力に抗じて上記開閉弁を開弁方向に駆動する電磁
ソレノイドとを有したインジェクタにおいて、上記弁バ
ネ及び上記電磁ソレノイドを互いにオフセットして配置
したことを特徴とするインジェクタ。
【請求項２】上記弁バネ又は上記電磁ソレノイドの一
方の中心が上記リーク穴の中心に一致される請求項１記
載のインジェクタ。