JP3777708B2 - インジェクタ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、蓄圧室に貯留された作動流体の圧力を利用して燃料を燃焼室に噴射するインジェクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの燃料噴射制御に関して、噴射圧力の高圧化を図り、且つ燃料の噴射タイミング及び噴射量等の噴射条件をエンジンの運転状態に応じて最適に制御する方法として、蓄圧式燃料噴射システムが知られている。蓄圧式燃料噴射システムは、ポンプによって所定圧力に加圧された燃料噴射制御用の作動流体を蓄圧室に貯留し、作動流体の圧力を利用してインジェクタから対応する燃焼室内に燃料を噴射する蓄圧式燃料噴射システムである。加圧燃料が各インジェクタにおいてエンジンの運転状態に対して最適な噴射条件で噴射されるように、コントローラが蓄圧室内の圧力及び各インジェクタに設けられた制御弁を制御している。
【０００３】
蓄圧式燃料噴射システムの一つのタイプとして、加圧された燃料それ自体を作動流体として用いるシステムがある。このシステムでは、バランスチャンバ内の燃料圧を制御することによって針弁のリフトを制御し、高圧燃料をインジェクタから燃焼室内に噴射するものである。インジェクタに供給すべき高圧燃料は、燃料ポンプから蓄圧器としてのコモンレールに貯留されている。電子制御ユニットであるコントローラは、エンジン回転数センサ、エンジン気筒判別センサ及び上死点検出センサ、アクセルペダル踏込み量センサ等のエンジンの運転状態を検出するための各種センサからの信号が入力されている。コントローラは、これらの信号に基づいて、エンジン出力が運転状態に即した最適出力になるように、インジェクタによる燃料の噴射条件、即ち、燃料の噴射タイミング及び噴射量を制御する。また、コモンレールには圧力センサが設けられており、コモンレール内の燃料圧は、コントローラの制御の下で燃料ポンプと流量制御弁とによって所定圧力に維持されている。なお、蓄圧システムの詳細は、周知のものであり、また本発明に直接関係するところではないので、これ以上の説明を省略する。
【０００４】
コモンレール式の燃料噴射システムにおいては、インジェクタには、常時、燃料噴射圧相当の燃料圧の圧力を有する燃料が供給されており、電磁弁の作動によって針弁が駆動され、開放された噴孔から燃料が噴射される。そのため、電磁弁やノズルの往復動部材がその復帰時に案内部材に対してスムースに案内されずに復帰位置に戻らないスティック現象を生じることがある。このようなスティック現象が生じると、燃料は開口した噴孔から噴射し続けて、エンジンが破損してしまうおそれがある。このため、インジェクタへの燃料の入口に、燃料の通過量を制限するフローリミッタを設けて、燃料の噴射時間が長くなると燃料の通路を閉じてしまうものが従来から提案されている（特開平４−２４１７６７号公報、特開平４−２５２８６０号公報参照）。
【０００５】
上記各公報に開示されているフローリミッタと同様のタイプの構造が、図３に示されている。フローリミッタ４０は、高圧燃料を蓄圧するコモンレールと、各インジェクタに延びる燃料配管との間に配置され、コモンレールから燃料配管へ供給される燃料の量が所定値以上となったときに、その燃料の流れを停止させるものである。フローリミッタ４０は、ハウジング４１内の中空孔４２内にピストン４３、ピストン４３のインジェクタ側にピストン４３と一体的に移動可能に設けられたボール体４４、ボール体４４をコモンレール側に付勢するスプリング４５、及びボール体４４とスプリング４５との間に配設されたスプリングシート４６から構成されている。ピストン４３のコモンレール側への移動を規制する規制部材４７が設けられている。ピストン４３と規制部材４７とには、それぞれ燃料の通過を許容するオリフィス４８、４９が形成されている。また、中空孔４２のインジェクタ側には、ボール体４４の外径よりも小さい圧入孔５０が形成されている。
【０００６】
かかるフローリミッタにおいて、通常の燃料噴射状態であれば、コモンレールからの高圧燃料は、規制部材４７のオリフィス４９、ピストン４３のオリフィス４８、ボール体４４の周囲、スプリングシート４６を通って、インジェクタ側に流れる。このとき、ピストン４３及びボール体４４が流量に応じてインジェクタ側、即ち、圧入孔５０側に移動する。インジェクタの燃料噴射期間が長くなると、ボール体４４の移動量が増大して圧入孔５０内に圧入され、ボール体４４による弁が閉鎖状態となり、インジェクタへの燃料の供給を完全に停止する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のタイプのフローリミッタは、ピストン４３、ボール体４４、スプリング４５、及びそのシート４６等の多くの構成部品を必要としており、構造が複雑であるという問題点がある。また、ピストン４３とボール体４４とをスプリングのばね力に抗して移動させる目的で、燃料が通過するオリフィス前後の差圧を利用しているため、オリフィスの開口面積を相当に絞って設定している。このような絞りを有するオリフィスは、燃料噴射時において燃料の通過に対する抵抗となり、燃料噴射率を低下させるという問題点もある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の目的は、上記問題を解決し、インジェクタの先端において、針弁が既に有している噴孔の開閉機構を利用して、コントローラによって設定される燃料噴射期間が経過してもなお燃料の噴射が継続されている状態に応じて燃料の流れを制限するフローリミッタ機能をも、針弁に持たせることにより、簡単且つ低コストでフローリミッタ機能を奏することができると共に、従来のフローリミッタに見られるようなオリフィス前後の差圧を利用することに起因して生じる燃料の圧力損失がないインジェクタを提供することである。
【０００９】
前記目的を達成するため、この発明によるインジェクタは、燃料供給路を備えると共に内部に中空穴が形成され且つ先端に前記燃料供給路を通じて供給された燃料を噴射するための噴孔が形成されたノズル本体及び前記中空穴にリフト可能に配置され且つ前記ノズル本体に形成された弁シートに離接して前記噴孔を開閉する針弁を具備してなるインジェクタにおいて、前記針弁は、弁本体及び該弁本体の先端凹面に対し微小な隙間を隔てて離接可能な前記弁本体と当接する側の面と前記噴孔を開閉するための弁フェースとを有する弁部材の２部材で構成されており、燃料噴射期間経過後に前記弁本体の下降による前記噴孔の閉鎖が行われない状態に応じて、前記弁部材が該弁部材の前記弁本体と当接する側の面に前記噴孔を閉鎖させる大きさの燃料圧を受けるようにしたことを特徴とするものである。
【００１０】
この発明によるインジェクタは、上記の構成を有しているので、針弁が本体の中空穴内をリフトすることにより燃料が噴孔から噴射され、針弁の下降によって噴孔が閉鎖されて燃料の噴射が停止される。針弁の弁部材は、弁本体の先端凹面に離接可能に当接しているので、針弁のリフト時には、互いの離接面間には負圧が生じて弁本体に追従してリフトする。燃料噴射期間は、コントローラが各種のセンサからの信号、特に、エンジン回転数とアクセル踏込み量とに応じて設定される。針弁が正常に作動していれば、弁部材は下降する弁本体と共に下降して噴孔が閉じられる。この燃料噴射期間が経過してもなお、針弁の下降が行われない場合には、弁部材は、弁本体と当接する側の面に受ける燃料圧に基づいて下降して噴孔を閉鎖する。
【００１１】
また、このインジェクタにおいて、前記弁部材の前記弁本体と当接する側の面が受ける燃料圧は、前記燃料供給路と前記微小な隙間とを連通するように前記弁本体内に形成され且つ燃料供給路の有効通路面積よりも小さい有効通路面積を有する送油路を通じて供給される。弁本体内に形成された送油路の有効通路面積は、燃料供給路の有効通路面積よりも小さいから、針弁のリフト時に低下した弁本体と弁部材間の燃料圧は、前記送油路を通じて次第に上昇し、燃料噴射期間の経過後に燃料供給路内の燃料圧まで回復する。この回復した燃料圧は、弁部材の弁本体と当接する側の面に作用して、弁部材を下降させる。
【００１２】
また、このインジェクタにおいて、前記弁部材の前記弁本体と当接する側の面が受ける燃料圧は、前記燃料供給路と前記微小な隙間とを連通するように前記弁本体の先端凹面上又は弁部材の前記弁本体と当接する側の面上或いはこれら両方の面上に形成され且つ燃料供給路の有効通路面積よりも小さい有効通路面積を有する送油溝を通じて供給される。針弁のリフト時に低下した弁本体と弁部材間の燃料圧の回復については、送油路を弁本体内に形成する上記の場合と同様である。
【００１３】
また、このインジェクタにおいて、前記弁本体の先端凹面と弁部材の前記弁本体と当接する側の面との間には微小な隙間が形成されている。送油路又は送油溝等から前記弁本体の先端凹面と弁部材の前記弁本体と当接する側の面との間に供給される燃料圧は直ちに、上記微小な隙間を通じて前記弁部材の前記弁本体と当接する側の面に作用して、弁部材を迅速に作動させる。
【００１４】
更に、このインジェクタにおいて、前記弁部材はボール又は先細テーパ面を有する錐体である。ボールの球面又は錐体の先細テーパ面は、先端側にノズル本体に形成された弁シートに着座可能な弁フェースを有し、また、燃料供給路の燃料圧を受けて針弁をリフトさせる受圧面を有し、更に弁本体の先端凹面に離接可能に当接する側に、弁部材を下降させる燃料圧を受ける面を含むことになる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明による燃料噴射装置の一実施例を、図１の記載を参照して説明する。図１はこの発明によるインジェクタの全体を示す断面図であり、図２は図１に示したインジェクタの先端部の構造を示す拡大断面図である。
【００１６】
このタイプの蓄圧式燃料噴射システムに用いられるインジェクタの一つが図１に示されている。エンジンの気筒数に応じた数のインジェクタが用意されており、コモンレール（図示せず）に貯留された高圧燃料は、燃料流路の一部を構成する分岐管１８を通じて各インジェクタ１に供給される。インジェクタ１の上側側部には燃料入口継手２０を介して分岐管１８が接続されている。インジェクタ１の本体内部には、燃料通路２１，２２が形成されており、分岐管１８及び燃料通路２１，２２から燃料流路が構成されている。燃料流路を通じて供給された燃料は、第１燃料溜まり２３及び針弁４の周囲の通路を通じて、針弁４のリフト時に開く噴孔５から燃焼室内に噴射される。余剰の燃料は戻り管１９を通じてコモンレールに戻される。
【００１７】
インジェクタ１には、針弁４のリフトを制御するために、バランスチャンバ式の針弁リフト機構が設けられている。即ち、インジェクタ１の最上部には、制御弁としての電磁弁２６が設けられており、コントローラ３８からの制御信号としての制御電流が、信号線２７を通じて電磁弁２６のソレノイド２８に送られる。ソレノイド２８が励磁されると、アーマチュア２９が上昇して、燃料路３１の端部に設けられた開閉弁３２を開くので、燃料流路からバランスチャンバ３０に供給された燃料の燃料圧が燃料路３１を通じて解放される。
【００１８】
インジェクタ１の中央本体内部に形成された中央中空穴３３内には、コントロールピストン３４が昇降可能に設けられている。低下したバランスチャンバ３０内の圧力に基づく力とリターンスプリング３５のばね力とによってコントロールピストン３４に働く押下げ力よりも、第１燃料溜まり２３に臨むテーパ面３６及び後述する針弁４の先端部に作用する燃料圧に基づいてコントロールピストン３４を押し上げる力が勝るため、コントロールピストン３４は上昇する。その結果、針弁４がリフトして、噴孔５から燃料が噴射される。燃料噴射量は、燃料流路内の燃料圧と針弁４のリフト（リフト量、リフト期間）とによって定められ、針弁４のリフトは、開閉弁３２の開閉制御をするためにソレノイド２８へ送られる制御電流としての噴射パルスによって決定される。
【００１９】
図２には、図１に示したインジェクタの先端部の構造が拡大断面によって示されている。インジェクタ１のノズル本体２（この発明によるインジェクタの本体に相当する）には、内部に中空穴３が形成されており、中空穴３内を針弁４がリフト可能に収容されている。ノズル本体２の先端には、噴孔５が形成されている。針弁４は、針弁４の大部分を占める弁本体６と、弁本体６の先端に設けられている弁部材７とを有している。中空穴３と針弁４との間には、上流側の第１燃料供給路８と、第１燃料供給路８の下流側にあって、第１燃料供給路８の有効通路断面積がやや小さい有効通路断面積を有する第２燃料供給路９が形成されている。第１燃料供給路８を通じて供給された燃料は、ノズル本体２の先端と弁部材７との間に形成された第２燃料溜まり１０を経て、噴孔５からエンジンの燃焼室（図示せず）内に噴射される。
【００２０】
針弁４の弁部材７は、ボールの形状を有しており、球面の先端側部分は弁フェース１１となっている。弁フェース１１は、ノズル本体２に形成された球面の一部から構成される環状の弁シート１２に離接可能であり、弁フェース１１の弁シート１２への離接に応じて、噴孔５が開閉される。弁部材７は弁本体６によって、約上半分を抱持されているが、弁部材７は弁本体６に対して離接可能に当接しており、弁本体と当接する側の面１３は弁本体６の凹状の球面から成る先端凹面１４に対向しており、弁本体と当接する側の面１３と先端凹面１４との間には、微小な隙間１５が形成されている。弁本体６には、第１燃料供給路８と隙間１５とを連通する送油路１６が形成されている。
【００２１】
弁部材７の弁本体と当接する側の面１３が受ける燃料圧は、弁本体６内に形成された送油路１６を通じて供給される。送油路１６の有効通路面積は、第１燃料供給路８の有効通路面積よりも相当に小さく設定されているので、微小な隙間１５内の圧力が低下した場合であっても、微小な隙間１５内の圧力は、第１燃料供給路８内の噴射圧力に相当する高い燃料圧まで直ちに回復することはない。したがって、針弁４の弁本体６がリフトするときには、微小な隙間１５に負圧が生じるが、その負圧は直ちに第１燃料供給路８内の高い燃料圧にまで回復することはなく、弁部材７が弁本体と当接する側の面１３に作用する低い圧力と、第２燃料供給路９内の高い燃料圧との差圧に基づいて、弁本体６に追従してリフトすることになる。微小な隙間１５内の圧力は、送油路１６を通じて、第１燃料供給路８内の燃料圧にまで次第に回復するが、その回復に要する期間は、コントローラ３８の演算によって設定される通常の燃料噴射期間よりも長く設定されている。
【００２２】
このインジェクタは、上記のように構成されており、次にその作動を説明する。針弁４のリフト時には、弁本体６がリフトするが、微小な隙間１５内は第１，第２の燃料供給路８，９内の燃料圧を維持できずに負圧となる。このため、弁部材７は第２燃料供給路９内の噴射圧力相当の高い燃料圧を下半分の表面で受けて、弁本体と当接する側の面１３に作用する圧力との差圧に基づいて、弁本体６に追従してリフトする。燃料噴射期間を経過しても、針弁４の下降による噴孔５の閉鎖が行われないために燃料の噴射が継続されている場合には、微小な隙間１５内の燃料圧は、第１燃料供給路８内の燃料圧が送油路１６を通じて供給されることにより、次第に回復する。燃料噴射中は、有効通路面積が第１燃料供給路８と比較してやや狭い第２燃料供給路９内、即ち、弁部材７の周囲での燃料の流れは速いので、第２燃料供給路９での燃料圧は低圧となり、面１３に作用する回復した燃料圧との差圧に基づいて、弁部材７が弁本体６から離れて下降し、弁部材７は噴孔５を閉鎖することになる。
【００２３】
弁部材７の弁本体と当接する側の面１３が受ける燃料圧の供給は、弁本体６内に形成した送油路１６の代わりに、第２燃料供給路９に一端が開口するように弁本体６の先端凹面１４上に形成した送油溝とすることもできる。弁部材７がボールでなく上下に回転するものでなければ、送油溝は、弁部材７の弁本体と当接する側の面１３上、或いは弁本体６の先端凹面と弁部材７の弁本体と当接する側の面１３上の両方に形成してもよい。いずれの場合であっても、送油溝の有効通路面積は、第２燃料供給路９の有効通路面積よりも小さい値に設定される。なお、弁部材７はボールであるとして説明したが、弁部材７の形状はボールに限られることはなく、円錐体のような先細テーパ面を有する錐体に形成することもできる。
【００２４】
【発明の効果】
この発明によるインジェクタは、上記のように、針弁を弁本体と弁本体の先端凹面に離接可能に当接し且つ噴孔を開閉する弁部材との２部構成で構成し、燃料噴射期間を経過したにもかかわらず、弁本体の下降による噴孔の閉鎖が行われていない状態では、弁部材は弁本体と当接する側の面に噴孔を閉鎖させる大きさの燃料圧を受ける。針弁の弁部材は、弁本体の先端凹面に離接可能に当接する構造であり、針弁のリフト時には弁本体に追従してリフトし、燃料噴射期間が経過してもなお針弁の下降が行われない場合には、弁本体と当接する側の面に受ける燃料圧に基づいて下降して噴孔を閉鎖する。したがって、燃料噴射期間の経過後に燃料の噴射を停止させるフローリミッタ機構が、従来のようなインジェクタとは多くの構成部品を必要とした別個の装置としてではなく、インジェクタのノズルにおいて簡単な構造で得ることができる。また、フローリミッタ機構の動作に、燃料のオリフィス通過による圧力降下を利用していないので、燃料噴射時において燃料の通過に対する抵抗がなく、燃料噴射率が全体的に低下することもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明によるインジェクタの一実施例を示す断面図である。
【図２】 図１に示すインジェクタの要部拡大断面図である。
【図３】 従来のフローリミッタの一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ インジェクタ
２ ノズル本体
３ 中空穴
４ 針弁
５ 噴孔
６ 弁本体
７ 弁部材
８ 第１燃料供給路
９ 第２燃料供給路
１１ 弁フェース
１２ 弁シート
１３ 弁本体と当接する側の面
１４ 先端凹面
１５ 微小な隙間
１６ 送油路

Claims (4)

1. 燃料供給路を備えると共に内部に中空穴が形成され且つ先端に前記燃料供給路を通じて供給された燃料を噴射するための噴孔が形成されたノズル本体及び前記中空穴にリフト可能に配置され且つ前記ノズル本体に形成された弁シートに離接して前記噴孔を開閉する針弁を具備してなるインジェクタにおいて、
   前記針弁は、弁本体及び該弁本体の先端凹面に対し微小な隙間を隔てて離接可能な前記弁本体と当接する側の面と前記噴孔を開閉するための弁フェースとを有する弁部材の２部材で構成されており、燃料噴射期間経過後に前記弁本体の下降による前記噴孔の閉鎖が行われない状態に応じて、前記弁部材が該弁部材の前記弁本体と当接する側の面に前記噴孔を閉鎖させる大きさの燃料圧を受けるようにしたことを特徴とするインジェクタ。
2. 前記弁部材の前記弁本体と当接する側の面が受ける前記燃料圧は、前記燃料供給路と前記微小な隙間とを連通するように前記弁本体内に形成され且つ前記燃料供給路の有効通路面積よりも小さい有効通路面積を有する送油路を通じて供給されることを特徴とする請求項１に記載のインジェクタ。
3. 前記弁部材の前記弁本体と当接する側の面が受ける前記燃料圧は、前記燃料供給路と前記微小な隙間とを連通するように前記弁本体の前記先端凹面上又は前記弁部材の前記弁本体と当接する側の面上或いはこれら両方の面上に形成され且つ前記燃料供給路の有効通路面積よりも小さい有効通路面積を有する送油溝を通じて供給されることを特徴とする請求項１に記載のインジェクタ。
4. 前記弁部材は、ボール又は先細テーパ面を有する錐体であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のインジェクタ。

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