(57)【要約】【課題】ノズルボディ内でニードルが円滑に摺動可能な構成の燃料噴射装置を提供する。【解決手段】燃料噴射装置は、高圧状態の燃料が貯留される蓄圧室、蓄圧室に貯留された燃料を噴射する噴射孔を有するノズルボディと、噴射孔を閉塞させる閉塞位置、及び噴射孔を開放する開放位置の間を、ノズルボディの内壁に沿って摺動するニードルとを備え、ニードルは、噴射孔に向けて直径が小さくなるように、摺動方向に縮径する円錐部を含むことを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンのシリンダに燃料を噴射する燃料噴射装置であって、
高圧状態の燃料が貯留される蓄圧室、前記蓄圧室に貯留された燃料を噴射する噴射孔を有するノズルボディと、
前記噴射孔を閉塞させる閉塞位置、及び前記噴射孔を開放する開放位置の間を、前記ノズルボディの内壁に沿って摺動するニードルとを備え、
前記ニードルは、前記噴射孔に向けて直径が小さくなるように、摺動方向に縮径する円錐部を含むことを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料噴射装置において、
前記円錐部における前記噴射孔側の端部の直径と前記円錐部における前記噴射孔に対し反対側の端部の直径との差が、０．１μｍ以上で３μｍ以下の条件を満たすことを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料噴射装置において、
前記ニードルは、前記円錐部の前記噴射孔に対し反対側の端部と連続して、摺動方向において直径が同一の円柱部を備えることを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料噴射装置において、
前記円柱部における軸方向の長さは、前記円錐部における軸方向の長さ及び前記円柱部における軸方向の長さを合わせた長さの１０％以上で且つ４０％以下の長さに設定されることを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項５】
請求項１に記載の燃料噴射装置と、
前記燃料噴射装置から噴射された燃料を燃焼させて駆動力を発生させるエンジンと、
前記エンジンが発生させた駆動力で動作する動作部とを備えることを特徴とする作業機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンのシリンダに燃料を噴射する燃料噴射装置、及び燃料噴射装置を有するエンジンを備えた作業機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、コモンレールを介して供給される燃料を電気的な制御で噴射する燃料噴射装置が記載されている。特許文献１に記載の燃料噴射装置は、コモンレールから供給される燃料が溜まる燃料溜まり室、及び燃料を噴射する燃料噴射孔が形成されたノズルボディと、ノズルボディ内を上下動して燃料噴射孔を開閉する弁ニードルと、弁ニードルの上下動を制御するソレノイドとを備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１４２７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年のディーゼルエンジンの排出ガス規制値の厳格化に伴って、燃料の低硫黄化が進んでいる。そのため、従来は潤滑剤として機能していた硫黄成分に代えて、潤滑性向上剤を添加することによって、燃料噴射装置内の摺接部の摩耗を防いでいる。また、上記構成の燃料噴射装置において、摺接するノズルボディと弁ニードルとの間の油膜形成を促すために、弁ニードルの外面に円周溝を形成することが考えられる。
【０００５】
しかしながら、従来技術の構成では、潤滑性向上剤と弁ニードルの円周溝とを併用すると、変質した潤滑性向上剤が円周溝に付着して、燃料噴射装置内のニードルがノズルボディに対し固着する虞がある。
【０００６】
本発明は、上記した実状に鑑みてなされたものであり、その目的は、ノズルボディ内でニードルが円滑に摺動可能な構成の燃料噴射装置、及びこのような燃料噴射装置を有するエンジンを備えた作業機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、エンジンのシリンダに燃料を噴射する燃料噴射装置であって、高圧状態の燃料が貯留される蓄圧室、前記蓄圧室に貯留された燃料を噴射する噴射孔を有するノズルボディと、前記噴射孔を閉塞させる閉塞位置、及び前記噴射孔を開放する開放位置の間を、前記ノズルボディの内壁に沿って摺動するニードルとを備え、前記ニードルは、前記噴射孔に向けて直径が小さくなるように、摺動方向に縮径する円錐部を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ノズルボディ内でニードルが円滑に摺動可能な構成の燃料噴射装置を得ることができる。なお、上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に係る作業機械の代表例である油圧ショベルの側面図。
【図２】エンジンの構成を示す概略図。
【図３】インジェクタの内部構造を模式的に示す縦断面図。
【図４】開放位置のニードルを示す図。
【図５】閉塞位置のニードルを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明に係る作業機械の実施形態について、図面を用いて説明する。図１は本発明に係る作業機械の代表例である油圧ショベル１の側面図である。なお、本明細書中の前後左右は、特に断らない限り、油圧ショベル１に搭乗して操作する作業者の視点を基準としている。また、作業機械の具体例は油圧ショベル１に限定されず、ダンプトラック、モータグレーダー、ホイールローダー等であってもよい。
【００１１】
図１に示すように、油圧ショベル１は、走行体２と、この走行体２の上側に旋回可能に取り付けられる旋回体３とを備える。旋回体３は、ベースとなる旋回フレーム５と、この旋回フレーム５の前方左側に配置されるキャブ７と、旋回フレーム５の前方中央に上下方向に回動可能に取り付けられるフロント作業機４と、旋回フレーム５の後方に配置されるカウンタウェイト６と、油圧ショベル１を動作させるための駆動力を発生させるエンジン１０とを備える。
【００１２】
キャブ７には、油圧ショベル１を操作する作業者が搭乗する内部空間が形成されている。フロント作業機４は、ブーム４ａ、アーム４ｂ、バケット４ｃ、及び油圧シリンダ（油圧アクチュエータ）４ｄ〜４ｆを含む。カウンタウェイト６は、フロント作業機４との重量バランスを取るためのもので、円弧状をした重量物である。
【００１３】
キャブ７の内部空間には、走行体２を走行させ、旋回体３を旋回させ、フロント作業機４の動作させるための作業者の操作を受け付け、受け付けた操作に対応する信号をコントローラ（図示省略）に出力する操作装置（ステアリング、ペダル、レバー、スイッチなど）が配置されている。すなわち、キャブ７に搭乗した作業者が操作装置を操作することによって、油圧ショベル１が動作する。
【００１４】
図２は、エンジン１０の構成を示す概略図である。図２に示すように、エンジン１０は、内部にシリンダ１１が形成されたシリンダブロック１２と、シリンダ１１の内部を長手方向に往復動するピストン１３と、ピストン１３の直線運動を回転運動に変換してクランクシャフト１４を回転させるコンロッド１５と、シリンダ１１に空気を供給する吸気ポート１６を開閉する吸気バルブ１７と、シリンダ１１から空気を排出する排気ポート１８を開閉する排気バルブ１９と、シリンダ１１に燃料（例えば、軽油）を噴射するインジェクタ（燃料噴射装置）２０とを備える。
【００１５】
エンジン１０は、吸入行程、圧縮行程、燃焼行程、排気行程を繰り返すことによって、走行体２を走行させ、旋回体３を旋回させ、フロント作業機４を動作させるための駆動力を発生させる。走行体２、旋回体３、及びフロント作業機４は、本発明の「動作部」に相当する。
【００１６】
吸入行程は、吸気バルブ１７を開き且つ排気バルブ１９を閉じた状態で、シリンダ１１内でピストン１３を降下させる行程である。これにより、吸気ポート１６を通じてシリンダ１１内に空気が流入する。圧縮行程は、吸気バルブ１７及び排気バルブ１９を閉じた状態で、シリンダ１１内でピストン１３を上昇させる行程である。これにより、シリンダ１１内の空気が圧縮されて高温高圧の状態となる。
【００１７】
燃焼行程は、インジェクタ２０から噴射された燃料を燃焼させる行程である。具体的には、インジェクタ２０からシリンダ１１内に燃料を噴射すると、高温高圧の空気と混ざって自然着火する。これにより、シリンダ１１内の空気が膨張してピストン１３を押し下げる。排気行程は、吸気バルブ１７を閉じ且つ排気バルブ１９を開いた状態で、シリンダ１１内でピストン１３を上昇させる行程である。これにより、燃焼した後の燃料及び空気が排気ポート１８を通じてシリンダ１１から排出される。
【００１８】
吸入行程、圧縮行程、燃焼行程、排気行程において、シリンダ１１内を上下動するピストン１３は、コンロッド１５を介してクランクシャフト１４を回転させる。このクランクシャフト１４の回転で、駆動輪、発電機、油圧ポンプなどを駆動することによって、油圧ショベル１が動作する。
【００１９】
インジェクタ２０には、油圧ポンプ５２及びコモンレール５３を介して、燃料タンク５１に貯留された燃料が供給される。油圧ポンプ５２は、燃料タンク５１に貯留された燃料をコモンレール５３に圧送する。コモンレール５３は、油圧ポンプ５２から供給された燃料を高圧状態で蓄積し、高圧流路５４を通じてインジェクタ２０に供給する。また、インジェクタ２０は、コモンレール５３から供給された燃料をシリンダ１１に噴射すると共に、リークした燃料を低圧流路５５を通じて燃料タンク５１に還流させる。
【００２０】
油圧ポンプ５２及びインジェクタ２０を含む油圧ショベル１の動作は、ＥＣＭ（Ｅｎｇｉｎｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｍｏｄｕｌｅ）５６によって制御される。図示は省略するが、ＥＣＭ５６は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、及びＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）を備える。
【００２１】
ＥＣＭ５６は、ＲＯＭに格納されたプログラムコードをＣＰＵが読み出して実行することによって、ソフトウェアとハードウェアとが協働して油圧ショベル１の動作を制御する。ただし、ＥＣＭ５６の具体的な構成はこれに限定されず、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）などのハードウェアによって実現されてもよい。
【００２２】
次に、図３〜図５を参照して、本実施形態に係るインジェクタ２０の構成を説明する。図３は、インジェクタ２０の内部構造を模式的に示す縦断面図である。図４は、開放位置のニードル２１を示す図である。図５は、閉塞位置のニードル２１を示す図である。図３に示すように、インジェクタ２０は、ノズルボディ３０と、ニードル２１と、制御ピストン２２と、制御バルブ２３と、ソレノイド２４とを主に備える。ノズルボディ３０は、蓄圧室３１と、噴射孔３２と、背圧制御室３３と、制御弁室３４とを主に備える。
【００２３】
蓄圧室３１は、高圧流路５４を通じてコモンレール５３から供給された燃料を、高圧状態を維持したまま貯留する空間である。噴射孔３２は、ノズルボディ３０の外壁を貫通して、蓄圧室３１をノズルボディ３０の外部に連通させる。噴射孔３２の先端は、シリンダ１１内に配置される。背圧制御室３３は、入口オリフィス３５を通じて高圧流路５４に接続され、出口オリフィス３６を通じて制御弁室３４に接続された空間である。また、背圧制御室３３を区画する壁の一部は、制御ピストン２２によって構成される。制御弁室３４は、出口オリフィス３６を通じて背圧制御室３３に接続され、低圧流路５５を通じて燃料タンク５１に接続されている。
【００２４】
ニードル２１は、蓄圧室３１内に配置されている。そして、ニードル２１は、図４に示す開放位置と、図５に示す閉塞位置との間を、蓄圧室３１の円筒形状の内壁に沿って、摺動可能に構成されている。また、ニードル２１の先端には、噴射孔３２を開閉するノズルシート２５が設けられている。ニードル２１が閉塞位置に位置しているとき、ノズルシート２５は、噴射孔３２の外縁に当接して噴射孔３２を閉塞させる。一方、ニードル２１が開放位置に位置しているとき、ノズルシート２５は、噴射孔３２から離間して噴射孔３２を開放する。
【００２５】
制御ピストン２２は、一端が背圧制御室３３の内壁の一部を構成し、他端がニードル２１に接続されている。すなわち、制御ピストン２２は、ニードル２１と一体となって、ノズルボディ３０内を移動可能に構成されている。
【００２６】
制御バルブ２３は、制御弁室３４内に配置されて、出口オリフィス３６を開閉する。また、制御バルブ２３は、付勢部材の一形態であるコイルバネ２７によって、出口オリフィス３６を閉塞する向きに付勢されている。制御バルブ２３は、磁性材料（例えば、金属）によって形成されている。ソレノイド２４は、ＥＣＭ５６から電力が供給されると磁力を発生させ、ＥＭＣ５６からの電力の供給が停止すると磁力を消失する電磁石である。
【００２７】
上記構成のインジェクタ２０において、ニードル２１は、蓄圧室３１に貯留された燃料の圧力によって、開放位置に向けて付勢されている。また、ニードル２１は、付勢部材の一形態であるコイルバネ２６によって、閉塞位置に向けて付勢されている。さらに、制御ピストン２２は、背圧制御室３３に貯留された燃料の圧力によって、ニードル２１を閉塞位置に向けて付勢する。
【００２８】
そして、ソレノイド２４に電力が供給されていないとき、制御バルブ２３によって出口オリフィス３６が閉じられて、背圧制御室３３内の燃料が高圧に保たれる。その結果、制御ピストン２２及びコイルバネ２６の付勢力が蓄圧室３１の付勢力より大きくなって、ニードル２１が閉塞位置に保持される。すなわち、噴射孔３２から燃料が噴射されない。
【００２９】
次に、ソレノイド２４に電力を供給すると、制御バルブ２３がコイルバネ２７の付勢力に抗してソレノイド２４に引き寄せられて、出口オリフィス３６を開放する。その結果、背圧制御室３３に貯留された燃料が制御弁室３４を通じて低圧流路５５に流出する。ここで、入口オリフィス３５を通じて背圧制御室３３に流入する燃料より、出口オリフィス３６を通じて背圧制御室３３から流出する燃料が大きくなるように設計されているので、背圧制御室３３に貯留されている燃料の圧力が減少する。その結果、蓄圧室３１の付勢力が制御ピストン２２及びコイルバネ２６の付勢力より大きくなって、ニードル２１が閉塞位置から開放位置に移動する。すなわち、噴射孔３２から燃料が噴射される。
【００３０】
さらに、ソレノイド２４への電力の供給を停止すると、コイルバネ２７の付勢力によって制御バルブ２３が出口オリフィス３６を閉塞する。これにより、入口オリフィス３５を通じて背圧制御室３３に高圧の燃料が供給されて、制御ピストン２２の付勢力が上昇する。その結果、制御ピストン２２及びコイルバネ２６の付勢力が蓄圧室３１の付勢力より大きくなって、ニードル２１が開放位置から閉塞位置に移動する。すなわち、噴射孔３２からの燃料噴射が停止する。
【００３１】
このように、ソレノイド２４への電力の供給を開始及び停止すると、閉塞位置と開放位置との間をニードル２１が移動することによって、インジェクタ２０からの燃料の噴射を開始及び停止させることができる。そして、ＥＣＭ５６の制御に従って高精度に燃料の噴射を開始及び停止するためには、蓄圧室３１の内壁に沿ってニードル２１がスムーズに摺動することが必要である。
【００３２】
そこで、図４及び図５に示すように、本実施形態に係るニードル２１は、円錐部２１ａと、円柱部２１ｂとを有する。なお、円錐部２１ａは、円柱部２１ｂよりノズルシート２５（換言すれば、噴射孔３２）に近い位置に配置される。典型例として、円柱部２１ｂの先端に円錐部２１ａが配置され、円錐部２１ａの先端にノズルシート２５が配置される。
【００３３】
円錐部２１ａは、例えば、円錐台形状の外形を呈する。円錐部２１ａは、噴射孔３２に向けて直径が小さくなるように、ニードル２１の摺動方向（軸方向）に縮径してテーパ状を成している。すなわち、図４及び図５に示すように、円錐部２１ａの縦断面を側面視すると、円錐部２１ａの外面は、噴射孔３２に近づくほど幅が狭くなる平滑な傾斜面となる。換言すれば、円錐部２１ａは、先細り形状となっている。さらに換言すれば、円錐部２１ａと蓄圧室３１の内壁との間隔は、噴射孔３２に近づくほど大きくなる。
【００３４】
ここで、本実施形態において「縮径する」とは、円錐部２１ａの基端側から先端側に向かって、直径が大きくなる部分が存在しないことを指す。換言すれば、円錐部２１ａの任意の二箇所で直径を測定すれば、先端側で測定した直径が、基端側で測定した直径より常に小さくなる。すなわち、本実施形態に係る円錐部２１ａには、円周溝などが形成されていない。また、「平滑な傾斜面」との表現も同様のことを表すものとする。
【００３５】
円柱部２１ｂは、例えば、円柱形状の外形を呈する。円柱部２１ｂは、円錐部２１ａの基端から連続して、ニードル２１の摺動方向において直径が同一の部分である。すなわち、図４及び図５に示すように、円柱部２１ｂの縦断面を側面視すると、円柱部２１ｂの外形線は平行になる。換言すれば、円柱部２１ｂと蓄圧室３１の内壁との間隔は、ニードル２１の摺動方向において同一である。
【００３６】
上記構成のニードル２１において、円錐部２１ａの先端（噴射孔３２側の端部）の直径ａは、円錐部２１ａの基端（噴射孔３２と反対側の端部）の直径ｂより小さい。より好ましくは、直径ａ、ｂは、０．１μｍ≦（ｂ−ａ）≦３μｍを満たす。また、ニードル２１の摺動方向（軸方向）において、円錐部２１ａ及び円柱部２１ｂを合わせた長さＬ０と、円柱部２１ｂの長さＬとは、０．１×Ｌ０≦Ｌ≦０．４×Ｌ０を満たす。
【００３７】
上記の実施形態によれば、例えば以下の作用効果を奏する。
【００３８】
上記構成のインジェクタ２０において、蓄圧室３１には、高圧流路５４を通じて供給された高圧状態の燃料が貯留される。ただし、蓄圧室３１内の燃料の一部は、ニードル２１に対して噴射孔３２と反対側（例えば、コイルバネ２６の設置位置周辺）の隙間からリークして、低圧流路５５を通じて燃料タンク５１に還流する。そのため、蓄圧室３１内の燃料の圧力は、噴射孔３２に近いほど高く、噴射孔３２から離れるほど低くなる。その結果、特にニードル２１が閉塞位置に位置している場合において、蓄圧室３１内の燃料は、図５に矢印で示すように、高圧側から低圧側に移動する。
【００３９】
そこで上記の実施形態のように、噴射孔３２に向かって円錐部２１ａを縮径することによって、ニードル２１と蓄圧室３１の内壁との間隔は、噴射孔３２に近い位置ほど大きくなる。これにより、前述した高圧側から低圧側への燃料の移動がスムーズとなり、ニードル２１と蓄圧室３１の内壁との間に油膜が形成されやすくなる。その結果、蓄圧室３１の内壁に対するニードル２１の焼き付きが防止され、ニードル２１がスムーズに摺動可能になる。
【００４０】
なお、（ｂ−ａ）が小さすぎると、前述した燃料の移動をスムーズにする機能を十分に発揮できない。一方、（ｂ−ａ）が大きすぎると、蓄圧室３１内でニードル２１が偏る「片当たり」が発生する可能性が高まる。また、ニードル２１と蓄圧室３１の内壁との間隔が大きすぎると、油膜が形成されにくくなる。そこで、円錐部２１ａの両端の直径ａ、ｂは、前述の関係を満たすのが望ましい。
【００４１】
また、上記の実施形態において、円柱部２１ｂの外面は、ニードル２１の摺動をガイドするガイド面として機能する。そのため、円柱部２１ｂを設けることによって、片当たりを防いで、ニードル２１をさらに安定して摺動させることができる。ただし、円柱部２１ｂは省略可能である。
【００４２】
なお、円柱部２１ｂの長さＬが短すぎると、ガイド面としての機能を十分に発揮できない。一方、円柱部２１ｂの長さＬが長すぎると、相対的に円錐部２１ａが短くなるので、前述の燃料の移動をスムーズにする機能を十分に発揮できない。そこで、ニードル２１の摺動方向の長さＬ０、Ｌは、前述の関係を満たすのが望ましい。
【００４３】
上述した実施形態は、本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をそれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。当業者は、本発明の要旨を逸脱することなしに、他の様々な態様で本発明を実施することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１          油圧ショベル（作業機械）
２          走行体
３          旋回体
４          フロント作業機
５          旋回フレーム
１０        エンジン
１１        シリンダ
１２        シリンダブロック
１３        ピストン
１４        クランクシャフト
１５        コンロッド
１６        吸気ポート
１７        吸気バルブ
１８        排気ポート
１９        排気バルブ
２０        インジェクタ（燃料噴射装置）
２１        ニードル
２１ａ      円錐部
２１ｂ      円柱部
２２        制御ピストン
２３        制御バルブ
２４        ソレノイド
２５        ノズルシート
２６，２７  コイルバネ
３０        ノズルボディ
３１        蓄圧室
３２        噴射孔
３３        背圧制御室
３４        制御弁室
３５        入口オリフィス
３６        出口オリフィス
５１        燃料タンク
５２        油圧ポンプ
５３        コモンレール
５４        高圧流路
５５        低圧流路
５６        ＥＣＭ
【図１】
2020051368.tif 000003
【図２】
2020051368.tif 000004
【図３】
2020051368.tif 000005
【図４】
2020051368.tif 000006
【図５】
2020051368.tif 000007