JPH10281038A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ニードル弁体の変位速度および噴射圧力を低
下させることなく、実際に噴射される燃料の噴射特性が
所定のブーツ型特性とする。 【解決手段】 噴射孔８４、８５を開く際のニードル弁
体８６の変位量を時間とともに階段状（ブーツ型特性
状）に変化させるとともに、順次、複数個の噴射孔８
４、８５を開く。これにより、初期の噴射状態は、第１
噴射孔８４の面積によって決定され、ニードル弁体８６
の変位量の影響を殆ど受けないので、ニードル弁体８６
の変位速度を低下させる必要がなく、かつ、初期リフト
量を大きくすることができる。また、ニードル弁体８６
の変位量を時間とともに、ブーツ型特性のごとく階段状
に変化させるので、ニードル弁体８６の変位速度を低下
させることなく、長い保持時間（初期噴射率が保たれる
時間）を確保するこができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料噴射弁に関す
るものであり、ディーゼル内燃機関（エンジン）用の燃
料噴射弁のごとく、高い噴射圧力を必要とするものに適
用して有効である。

【０００２】

【従来の技術】燃料噴射弁の一般的な構造は、高圧燃料
が導かれる燃料溜まり室と、この燃料溜まり室と連通す
るとともに複数個の噴射孔が形成された袋部（サック
部）とを有し、このサック部と燃料溜まり室との連通部
を針状の弁体（ニードル弁）にて開閉するものである。

【０００３】ところで、ディーゼルエンジンの燃料噴射
の特性として、従来から知られているように、初期の噴
射率を小さくするとともに、この噴射率を所定の時間保
持し（以下、この時間を保持時間と呼ぶ。）、その後、
噴射率を大きくする、いわゆるブーツ型特性が望まれて
いる。なお、噴射率とは、単位時間に実際に噴射される
燃料の噴射量（噴射体積、噴射質量）をいう。

【０００４】そして、このブーツ型特性を実現する手段
として、例えば特開平３−４７４５９号公報に記載の発
明では、燃料の噴射量は、上記連通部を流通する燃料の
流量に影響されること着目して、弁体の変位量（リフト
量）の特性がブーツ型特性となるようにしている。ま
た、特開平７−３３２１９９号公報に記載の発明では、
燃料の噴射量は、実際に開口している噴射孔の開口面積
に影響されることに着目して、実際に開口している噴射
孔の開口面積の変化特性がブーツ型特性となるようにし
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、発明者等
は、上記２つの公報に記載の発明をそれぞれ試作検討を
したが、いずれの発明も、実際に噴射される燃料の噴射
特性として、適当なブーツ型特性を得ることができなか
った。そこで、発明者等は引き続き検討を重ねたとこ
ろ、以下の原因が判明した。

【０００６】すなわち、燃料噴射弁の開閉は、クランク
シャフトのクランク角に対応させて、適切に弁体を変位
（リフト）させて噴射孔を開閉する必要があるので、弁
体の変位速度（作動速度）は、できる限り大きくする必
要がある。このため、特開平３−４７４５９号公報に記
載の発明では、初期の噴射率を決定する初期リフト量が
大きくなってしまい、初期の噴射率が過度に大きくなっ
てしまう。また、特開平７−３３２１９９号公報に記載
の発明では、所定の保持時間を確保することができな
い。したがって、いずれの発明も、適当なブーツ型特性
を得ることが困難である。

【０００７】つまり、上記いずれの公報に記載の発明
も、適当なブーツ型特性を得るには、弁体の変位速度を
小さくする必要があるので、燃料噴射弁の応答性の悪化
を招いてしまう。本発明は、上記点に鑑み、弁体の変位
速度を低下させることなく、実際に噴射される燃料の噴
射特性が所定のブーツ型特性となる燃料噴射弁を提供す
ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、以下の技術的手段を用いる。請求項１に
記載の発明では、噴射孔（８４、８５）を開く際の弁体
（８６）の変位量を時間とともに階段状に変化させると
ともに、順次、複数個の噴射孔（８４、８５）を開くこ
とを特徴とする。

【０００９】これにより、初期の噴射状態は、最初に開
いた噴射孔（８４）の面積によって決定され、弁体（８
６）の変位量の影響を殆ど受けないので、弁体（８６）
の変位速度（作動速度）を低下させる必要がない。した
がって、燃料噴射弁の応答性の悪化を招くことなく、初
期の噴射率が過度に大きくなってしまうことを防止する
ことができる。

【００１０】また、弁体（８６）の変位量を時間ととも
に、ブーツ型特性のごとく階段状に変化させるので、弁
体（８６）の変位速度（作動速度）を低下させることな
く、特開平７−３３２１９９号公報に記載の発明より長
い保持時間を確保するこができる。以上に述べたよう
に、本発明によれば、弁体（８６）の変位速度を低下さ
せることなく、実際に噴射される燃料の噴射特性を適当
なブーツ型特性とすることができる。

【００１１】請求項２に記載の発明では、燃料ポンプ
（５）から圧送される高圧燃料が流通する第１通路（９
３）と、第１通路（９３）を経由して高圧燃料が導かれ
る燃料溜まり室（８２）と、第１通路（９３）より通路
面積の小さい第２通路（９４）を経由して燃料ポンプ
（５）から圧送される燃料が導かれる第１圧力室（９
０）と、第１圧力室（９０）の一部を構成するととも
に、第１圧力室（９０）内の圧力変動に連動して摺動す
る第１ピストン（８８）と、第２通路（９４）より通路
面積の小さい第３通路（９７）を介して第１圧力室（９
０）と連通する第２圧力室（９６）と、第１圧力室（９
０）内と低圧側（４）とを連通させる第４通路（９２）
に設けられ、この第４通路（９２）を開閉する電磁弁
（９１）と、第１ピストン（８８）と同方向に摺動可能
に配設されて両圧力室（９０、９６）の一部を構成する
とともに、電磁弁（９１）の開弁後、第１ピストン（８
８）が衝突する第２ピストン（９８）と、燃料溜まり室
（８２）と連通し、高圧燃料を噴射する複数個の噴射孔
（８４、８５）と、第１ピストン（８８）と連動して摺
動し、その摺動量に応じて順次、前記複数個の噴射孔
（８４、８５）を開閉する１つの弁体（８６）とを備え
ることを特徴とする。

【００１２】これにより、第１ピストン（８８）の変位
量を、後述するように、時間とともに階段状に変化させ
ることができるので、請求項１に記載の発明と同等の効
果を得ることができる。なお、上記各手段の括弧内の符
号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係
を示すものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）本実施形態は、本発明に係る燃料噴射
弁をディーゼルエンジン（以下、エンジンと略す。）の
蓄圧式燃料噴射装置１に適用したした例であり、図１は
蓄圧式燃料噴射装置１の模式図である。

【００１４】図１中、２はエンジンでり、３は燃料タン
ク４内の燃料を吸引する低圧燃料ポンプ（フィードポン
プ）であり、５はエンジン２の近傍に配設されて、低圧
燃料ポンプ３により送られてきた燃料を所定圧力まで加
圧する高圧燃料ポンプである。６は高圧燃料ポンプ５に
て加圧された燃料が収容されるコモンレール（蓄圧容
器）であり、このコモンレール６には、配管７を介して
燃料噴射弁（インジェクタ）８が各気筒毎に配設されて
いる。そして、これらの燃料噴射弁８の開閉は、燃料噴
射弁８の電磁弁９１を駆動する駆動回路を含む駆動装置
（以下、ＥＤＵと呼ぶ。）９を介して、後述する電子制
御装置１０により開閉制御される。なお、燃料噴射弁８
の構造は後述する。

【００１５】そして、コモンレール６には、コモンレー
ル６内の圧力を検出する圧力センサ（圧力検出手段）１
１が配設されており、この圧力センサ１１の出力信号
（検出値）は、中央演算装置（ＣＰＵ）、記憶手段をな
す読み込み専用記憶装置（ＲＯＭ）、および随時読み書
き可能な記憶装置（ＲＡＭ）等から構成された電子制御
装置（以下、ＥＣＵと略す。）１０に入力されている。

【００１６】ところで、ＥＣＵ１０には、エンジン２の
クランクシャフト（図示せず）のクランク角（回転角）
を検出するクランク角センサ１３からの出力信号、およ
び乗員が操作するアクセル手段（図示せず）の開度を検
出するアクセル開度センサ１４からの出力信号が入力さ
れている。そして、ＥＣＵ１０は、クランク角センサ１
３からの出力信号に基づいて燃料噴射弁８の開閉作動を
制御するとともに、クランク角センサ１８の出力信号か
らエンジン２の回転数を算出し、この算出したエンジン
回転数およびアクセル開度からコモンレール６内の圧力
が所定値（図２参照）となるように高圧ポンプ５を制御
する。

【００１７】次に、燃料噴射弁８の構造について述べ
る。図３は、燃料噴射弁８の構造を示す模式図であり、
８１はコモンレール６からの高圧燃料が導かれる燃料溜
まり室８２が形成されたノズルボディである。また、８
３は燃料溜まり室８２と連通するとともに、図４に示す
ように、複数個の噴射孔８４、８５が形成された袋部
（サック部）であり、このサック部８３と燃料溜まり室
８３との連通部８３ａは、針状のニードル弁体（以下、
ニードルと略す。）８６により開閉される。

【００１８】なお、噴射孔８４、８５は、ノズルボディ
８１（サック部８３）に対して、互いにニードル８６の
長手方向（摺動方向）にずれて形成されており、噴射孔
８５（以下、この噴射孔を第２噴射孔８５と呼ぶ。）
は、噴射孔８４（以下、この噴射孔を第１噴射孔８４と
呼ぶ。）よりニードル８６の先端側に位置している。と
ころで、ニードル８６の先端（一端）側には、燃料噴射
弁８の閉弁時に、ノズルボディ８１に形成されたシート
部８１ａに接触する円錐台形状のテーパ部８６ａと、こ
のテーパ部８６ａから第２噴射孔８５側に向けて延びる
円柱状の円柱部８６ｂとが形成されている。

【００１９】そして、円柱部８６ｂの円周面８６ｃは、
サック部８３の内壁８３ｂに摺動可能に接触しており、
この円周面８６ｃが内壁８３ｂに接触することによって
燃料溜まり室８２から第２噴射孔８５へ燃料が流通する
ことを防止している。なお、第１噴射孔８４は、燃料溜
まり室８２側に向けて開口しているとともに、テーパ部
８６ａがシート部８１ａに接触することにより閉塞され
る。

【００２０】また、ニードル８６の他端側は、図１に示
すように、インジェクタボディ８７内に摺動可能に配設
された第１ピストン８８に連接されており、これによ
り、ニードル８６は、第１ピストン８８と一体的に第１
ピストン８８の長手方向に摺動する。なお、８９は、ニ
ードル８６を、常時、第１ピストン８８を介して連通部
８３ａ（両噴射孔８４、８５）を閉じる向きに押圧する
スプリング（弾性部材）である。

【００２１】また、第１ピストン８８は、コモンレール
６からの高圧燃料が導かれる第１圧力室９０の一部を構
成するとともに、この第１圧力室９０内の圧力変動に連
動してニードル８６の長手方向に摺動するように構成さ
れている。また、９１は第１圧力室９０と燃料タンク４
とを連通させる戻り通路（第４通路）９２を開閉する電
磁弁であり、この電磁弁９１はＥＤＵ９を介してＥＣＵ
１０により制御されている。

【００２２】なお、コモンレール６から燃料溜まり室８
２に高圧燃料を供給する燃料通路（第１通路）９３の圧
力損失は、コモンレール６から第１圧力室９０に高圧燃
料を供給する制御圧通路（第２通路）９４の圧力損失よ
り小さくなるように設定されており、図１中、９５は、
制御圧通路９４の圧力損失が燃料通路９３の圧力損失よ
り大きい（通路面積を小さくする）ことを模式的に示す
絞り抵抗である。また、戻り通路９２の圧力損失は、後
述するオリフィス９７の圧力損失より小さくなるように
設定されている。

【００２３】ところで、９６は、制御圧通路９４より圧
力損失が大きい（通路面積の小さい）オリフィス（第３
通路）９７を介して第１圧力室９０と連通する第２圧力
室であり、この第２圧力室９６は、第１ピストン８８と
同方向に摺動する第２ピストン９８、およびインジェク
タボディ８７により形成されている。なお、９９は、第
２ピストン９８を第１ピストン８８側に向けて押圧する
スプリング（弾性部材）である。

【００２４】また、第１ピストン８８と第２ピストン９
８との間は、図１に示すように、電磁弁９１が閉じた状
態（連通部８３ａを閉じた状態）において、所定の隙間
１００が形成されており、この隙間１００の寸法（両ピ
ストン８８、９８間の距離）δ₁ は、ニードル８６の円
柱部８６ｂの軸方向寸法δ₂ （図４参照）より小さくな
っている。

【００２５】因みに、第１ピストン８８のうち第１圧力
室９０内の圧力を受ける部位の面積Ｓ_S （＝πｄ₁ ² ／
４）は、ニードル８６のうち燃料溜まり室８２の圧力を
受ける部位の面積Ｓ_O （＝πｄ₂ ² ／４）より大きくな
るようになっている。また、１０１は金属製のチェック
パッキンであり、このチェックパッキン１０１は、イン
ジェクタボディ８７とノズルボディ８１とを油密に接合
するとともに、第１ピストン８８の最大変位量δ₃ （＞
δ₂ ）を規制している。

【００２６】次に、燃料噴射弁８の作動を述べる。 １．開弁 ＥＣＵ１０より開弁信号が発せられると、ＥＤＵ９は電
磁弁９１を開弁させる。これにより、第１圧力室９０内
の燃料は燃料タンク４に向けて流出するとともに、第１
圧力室９０内の圧力が低下するので、両ピストン８８、
９８は、第１圧力室９０の体積が縮小する向き（図３の
上側）に変位（リフト）しようとする。

【００２７】しかし、オリフィス９７の圧力損失が戻り
通路９２より大きいため、主に第１圧力室９０内の燃料
が燃料タンク４に向けて流出するので、実際には、主に
第１ピストン８８が第２ピストン９８に衝突するまで変
位（リフト）する（図５参照）。したがって、この状態
では、第１噴射孔８４のみが開いた状態となり、第１噴
射孔８４からのみ燃料が噴射される（ブーツ型特性の初
期の噴射状態）。

【００２８】そしてさらに、電磁弁９１が開いたまま時
間が進むと、オリフィス９７を経由して第２圧力室９６
内の燃料が燃料タンク４に向けて流出し始めるので、第
１ピストン８８が第２ピストン９８に接触したまま、両
ピストン８８、９８が第１圧力室９０の体積が縮小する
向きに変位（リフト）し始める（図６参照）。そして、
第１ピストン８８が変位し始めた時からのニードル８６
の総変位量（総リフト量）が、δ₂ 以上となったときに
第２噴射孔８５が開かれた状態となり、燃料が両噴射孔
８４、８５から噴射される。

【００２９】因みに、第１ピストン８８が変位し始めた
時からの総変位量がδ₂ に達するまでの時間が、上記し
た保持時間となる。 ２．閉弁 ＥＣＵ１０より閉弁信号が発せられると、ＥＤＵ９は電
磁弁９１を閉弁させる。これにより、制御圧通路９４よ
り第１圧力室９０に供給される燃料により第１圧力室９
０内の圧力が上昇すると、面積Ｓ_S と面積Ｓ_O と差（Ｓ
_S ＞Ｓ_O ）およびスプリング８９の弾性力により、第１
ピストン８８は、連通部８３ａ（両噴射孔８４、８５）
を閉じる向きの力を受けて、第１圧力室９０の体積が拡
大する向きに変位し、両噴射孔８４、８５を閉じる。

【００３０】次に、本実施形態の特徴を述べる。本実施
形態によれば、初期の噴射状態は、主に第１噴射孔８４
の面積によって決定され、ニードル８６の変位量の影響
を殆ど受けないので、ニードル８６の変位速度（作動速
度）を低下させる必要がない。したがって、燃料噴射弁
の応答性の悪化を招くことなく、初期の噴射率が過度に
大きくなってしまうことを防止することができる。

【００３１】また、第１、２圧力室９０、９６の体積を
順次縮小させることにより、第１ピストン８８を変位さ
せるので、ニードル８６の変位量を時間とともに、ブー
ツ型特性のごとく階段状に変化させることができる。し
たがって、ニードル８６の変位速度（作動速度）を低下
させることなく、特開平７−３３２１９９号公報に記載
の発明より長い保持時間を確保するこができる。なお、
両圧力室９０、９６および電磁弁９２等のニードル８６
を時間とともに階段状に変位させる機構を総称してリフ
ト機構と呼ぶ。

【００３２】因みに、図７は、噴射率と時間との関係を
示すグラフであり、実線は本実施形態を示し、破線は特
開平３−４７４５９号公報に記載の発明を示し、一点鎖
線は特開平７−３３２１９９号公報に記載の発明を示し
ている。そして、このグラフからも明らかなように、本
実施形態に係る燃料噴射弁８によれば、より理想的なな
噴射特性を得るこができるので、排気ガス中の有害物質
（エミッション）の低減など、よりエンジン２の性能を
向上させることができる。

【００３３】ところで、仮に、特開平３−４７４５９号
公報に記載の発明において、初期の噴射率が過度に大き
くなってしまうことを防止するには、本実施形態のシー
ト部８１ａの径寸法に相当するシート寸法を小さくする
か、または、本実施形態の隙間１００に相当するをニー
ドル８６の初期変位量（初期リフト量）δ₁ を小さくす
る等して、弁体の変位量とシート寸法とによって決定さ
れる、燃料が流通する部位の面積を小さくする必要があ
る。

【００３４】しかし、この手段では、シート寸法（燃料
が流通する部位の面積）を小さくするか、または、初期
リフト量δ₁ を小さくする必要があるので、この部位を
流通する際の燃料の圧力損失が大きくなり、噴射圧力の
低下を招いてしまう。これに対して、本実施形態によれ
ば、初期の噴射率は、前述のごとく、第１噴射孔８４の
面積に決定されるので、シート部８１ａの径寸法および
初期リフト量δ₁ を小さくする必要がない。したがっ
て、連通部８３ａにおける燃料の圧力損失を抑制するこ
とができるので、噴射圧力の低下を抑制することができ
る。

【００３５】また、特開平３−４７４５９号公報に記載
の発明における初期の噴射率は、前述のごとく、弁体の
変位量とシート寸法とによって決定されるので、特開平
３−４７４５９号公報に記載の発明では、隙間１００の
寸法δ₁ に相当する部位の寸法のバラツキは、そのまま
初期噴射率のバラツキを招いてしまう。したがって、特
開平３−４７４５９号公報に記載の発明の初期噴射率の
バラツキは、隙間寸法を構成する複数個の部品の集積公
差によって決定することとなる。

【００３６】これに対して本実施形態によれば、初期噴
射率のバラツキは、第１噴射孔８４の径寸法バラツキの
みの影響を受けるので、特開平３−４７４５９号公報に
記載の発明のごとく複数個の部品の集積公差の影響を受
けるものに比べて、初期噴射率のバラツキを小さくする
ことができる。したがって、隙間１００の寸法δ₁ を構
成する各部品の寸法公差を緩和することができるので、
燃料噴射弁８の製造原価低減を図ることができる。

【００３７】（第２実施形態）上述の実施形態では、ニ
ードル８６を図３の上方に変位させることにより燃料噴
射弁８を開弁させたが、本実施形態は、図８に示すよう
に、ニードル８６を紙面下方に変位させることにより燃
料噴射弁８を開弁させるようにしたものである。

【００３８】また、本実施形態では、サック部８３を廃
止するとともに、両噴射孔８４、８５をニードル８６の
先端側に形成している。なお、両噴射孔８４、８５は、
ニードル８６の径外方側に向けて開口しており、ノズル
ボディ８１のうちニードル８６の先端側と摺動可能に接
触する壁面８１ｂにより閉塞される。

【図面の簡単な説明】

【図１】蓄圧式燃料噴射装置の模式図である。

【図２】アクセル開度およびエンジン回転数とコモンレ
ール圧との関係を示すマップである。

【図３】第１実施形態に係る燃料噴射弁の断面図であ
る。

【図４】サック部の拡大図である。

【図５】初期の噴射状態を示す燃料噴射弁の断面図であ
る。

【図６】終期の噴射状態を示す燃料噴射弁の断面図であ
る。

【図７】噴射率と時間との関係を示すグラフである。

【図８】第２実施形態に係る燃料噴射弁の断面図であ
る。

【符号の説明】

８２…燃料溜まり室、８３…サック部 、８４、８５…
噴射孔、８６…ニードル弁体（弁体）、９０…第１圧力
室、９１…電磁弁、９６…第２圧力室、９７…オリフィ
ス（第３通路）。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｍ 45/08 Ｆ０２Ｍ 45/08 Ｂ 47/00 47/00 Ｆ 51/00 51/00 Ｆ 61/04 61/04 Ｆ 61/18 ３２０ 61/18 ３２０Ｄ ３５０ ３５０Ｂ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料ポンプ（５）から圧送される高圧燃
   料を内燃機関（２）に噴射する燃料噴射弁であって、 前記燃料ポンプ（５）から圧送される高圧燃料が噴射さ
   れる複数個の噴射孔（８４、８５）と、 前記複数個の噴射孔（８４、８５）を開閉する１つの弁
   体（８６）と、 前記弁体（８６）を変位させて前記複数個の噴射孔（８
   ４、８５）を開くリフト機構（８８、９０、９１、９
   ６）とを備え、 前記噴射孔（８４、８５）を開く際の前記弁体（８６）
   の変位量を時間とともに階段状に変化させるとともに、
   順次、前記複数個の噴射孔（８４、８５）を開くことを
   特徴とする燃料噴射弁。
2. 【請求項２】 燃料ポンプ（５）から圧送される高圧燃
   料を内燃機関（２）に噴射する燃料噴射弁であって、 前記燃料ポンプ（５）から圧送される高圧燃料が流通す
   る第１通路（９３）と、 前記第１通路（９３）を経由して高圧燃料が導かれる燃
   料溜まり室（８２）と、 前記第１通路（９３）より通路面積の小さい第２通路
   （９４）を経由して前記燃料ポンプ（５）から圧送され
   る燃料が導かれる第１圧力室（９０）と、 前記第１圧力室（９０）の一部を構成するとともに、前
   記第１圧力室（９０）内の圧力変動に連動して摺動する
   第１ピストン（８８）と、 前記第２通路（９４）より通路面積の小さい第３通路
   （９７）を介して前記第１圧力室（９０）と連通する第
   ２圧力室（９６）と、 前記第１圧力室（９０）内と低圧側（４）とを連通させ
   る第４通路（９２）と、 前記第４通路（９２）を開閉する電磁弁（９１）と、 前記第１ピストン（８８）と同方向に摺動可能に配設さ
   れて前記両圧力室（９０、９６）の一部を構成するとと
   もに、前記電磁弁（９１）の開弁後、前記第１ピストン
   （８８）が衝突する第２ピストン（９８）と、 前記燃料溜まり室（８２）と連通し、高圧燃料を噴射す
   る複数個の噴射孔（８４、８５）と、 前記第１ピストン（８８）と連動して摺動し、その摺動
   量に応じて順次、前記複数個の噴射孔（８４、８５）を
   開閉する１つの弁体（８６）とを備えることを特徴とす
   る燃料噴射弁。