(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の制御手段により調整される作動流体の圧力に応じて動作し、流体燃料を噴射するための噴孔を開閉するニードル弁と、
前記ニードル弁を取り巻くように形成された環状のシール室を有し、前記ニードル弁を軸方向の移動自在な態様で内蔵するノズルボディと、
前記シール室内に設置され、前記ニードル弁の周面と摺接する摺接面を有する環状のリップ部を備える第１弾性部材と、
前記リップ部と前記シール室の周面との間に、当該リップ部と当該周面とによって圧縮された状態で介在する環状の第２弾性部材と、
前記シール室内において前記ニードル弁の軸方向における前記第１弾性部材の少なくとも一方側に設置され、前記シール室内に作用する前記流体燃料の圧力を受けた際に前記ニードル弁の前記周面または前記シール室の前記周面に押し付けられる環状の第３弾性部材と、
を備え、
前記第１弾性部材は、当該リップ部から前記ニードル弁の径方向に突出した環状のフランジ部を含み、
前記第２弾性部材は、前記リップ部と前記フランジ部と前記シール室の前記周面とによって取り囲まれるようにして設置されており、
前記第３弾性部材は、前記フランジ部における前記第２弾性部材の接触部位の反対側の部位と接触する環状のフランジ接触面と、前記フランジ接触面の反対側の面であって前記ニードル弁から離れるに従って前記第１弾性部材に近づくようにもしくは離れるように傾斜する面として形成された環状のテーパ面と、前記ニードル弁の前記周面に摺接する摺接面とを含み、
前記燃料噴射弁は、前記第３弾性部材の前記テーパ面と重なり合う環状のテーパ面を有し、前記ニードル弁の軸方向の移動が規制された態様で前記シール室内に設置された環状の規制部材を更に備え、
前記規制部材は、前記第３弾性部材に比して強度の高い材質からなることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項２】
前記シール室内において前記流体燃料の圧力が作用する側に前記第２弾性部材が配置されるように、前記フランジ部に対する前記第２弾性部材の配置が決定されていることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料噴射弁に係り、特に、内燃機関に気体燃料を供給するうえで好適な燃料噴射弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１には、液圧作動方式の燃料噴射装置が開示されている。この従来の燃料噴射装置は、ニードル弁を作動させるための作動液（作動流体）へのメーン燃料（流体燃料）の漏れを防止するために、メーン燃料よりも高圧のシール油による液体シールを用いるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００１−５２５８９９号公報
【特許文献２】特開２００９−２４３４１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１に記載のように液体シールを利用した構成では、燃料噴射装置の構造が複雑となるため、コストが高くなる。また、上記従来の構成では、液体シールのためのシール油とメーン燃料との間のシール構造は、クリアランスシール構造となっている。このため、作動液へのメーン燃料の漏れ防止のために、シール油の圧力をメーン燃料の圧力よりも高くした場合に、圧力の高いシール油がクリアランスシール部を通ってメーン燃料側に漏れ出てしまうという問題がある。また、メーン燃料が水素のような分子の大きさが小さい気体燃料である場合には、クリアランスを十分に小さくしたとしてもメーン燃料がシール油側に漏れ出てしまうことが懸念される。
【０００５】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、ニードル弁を作動させるための作動流体およびニードル弁の開弁時に噴射される流体燃料のそれぞれが他方に向けて漏れ出るのを簡便な構成を利用して防止できるようにした燃料噴射弁を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の発明は、燃料噴射弁であって、
所定の制御手段により調整される作動流体の圧力に応じて動作し、流体燃料を噴射するための噴孔を開閉するニードル弁と、
前記ニードル弁を取り巻くように形成された環状のシール室を有し、前記ニードル弁を軸方向の移動自在な態様で内蔵するノズルボディと、
前記シール室内に設置され、前記ニードル弁の周面と摺接する摺接面を有する環状のリップ部を備える第１弾性部材と、
前記リップ部と前記シール室の周面との間に、当該リップ部と当該周面とによって圧縮された状態で介在する環状の第２弾性部材と、
前記シール室内において前記ニードル弁の軸方向における前記第１弾性部材の少なくとも一方側に設置され、前記シール室内に作用する前記流体燃料の圧力を受けた際に前記ニードル弁の前記周面または前記シール室の前記周面に押し付けられる環状の第３弾性部材と、
を備え、
前記第１弾性部材は、当該リップ部から前記ニードル弁の径方向に突出した環状のフランジ部を含み、
前記第２弾性部材は、前記リップ部と前記フランジ部と前記シール室の前記周面とによって取り囲まれるようにして設置されており、
前記第３弾性部材は、前記フランジ部における前記第２弾性部材の接触部位の反対側の部位と接触する環状のフランジ接触面と、前記フランジ接触面の反対側の面であって前記ニードル弁から離れるに従って前記第１弾性部材に近づくようにもしくは離れるように傾斜する面として形成された環状のテーパ面と、前記ニードル弁の前記周面に摺接する摺接面とを含み、
前記燃料噴射弁は、前記第３弾性部材の前記テーパ面と重なり合う環状のテーパ面を有し、前記ニードル弁の軸方向の移動が規制された態様で前記シール室内に設置された環状の規制部材を更に備え、
前記規制部材は、前記第３弾性部材に比して強度の高い材質からなることを特徴とする。
【０００８】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記シール室内において前記流体燃料の圧力が作用する側に前記第２弾性部材が配置されるように、前記フランジ部に対する前記第２弾性部材の配置が決定されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
第１の発明によれば、上記構成を有する第１弾性部材と第２弾性部材との組み合わせにより、従来の液体シールのような高価なシールを用いることなく、シール性を確保することができる。そして、これらの第１および第２弾性部材に加え、上記構成を有する第３弾性部材を備えたことにより、フェールセーフ的にシール性を向上させることができる。このように、本発明によれば、作動流体および流体燃料のそれぞれが他方に向けて漏れ出るのを簡便な構成を利用して防止できるようになる。また、本発明によれば、流体燃料の圧力を受けた際に、第３弾性部材の摺接面が上記テーパ面の作用によってニードル弁の周面もしくはシール室の周面に押し付けられるようになるので、ニードル弁回りのシール性を向上させることができる。
【００１１】
第２の発明によれば、流体燃料の圧力の作用によって第２弾性部材が押し潰されることによるシール性の向上効果と、流体燃料の圧力の作用によって第３弾性部材の摺接面がニードル弁の周面もしくはシール室の周面に押し付けられることによるシール性の向上効果の双方を、より効果的に得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料噴射弁の全体構成を概略的に説明するための断面図である。
【図２】図１に示すニードル弁周りのシール構造の詳細を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
［燃料噴射弁の全体構成およびその動作の説明］
図１は、本発明の実施の形態１における燃料噴射弁１０の全体構成を概略的に説明するための断面図である。より具体的には、本実施形態の燃料噴射弁１０は、作動流体（ここでは一例として作動液体）の圧力に応じて流体燃料（ここでは一例として気体燃料）の噴射を制御する弁である。
【００１４】
図１に示すように、燃料噴射弁１０のメインボディ１２の内部には、気体燃料が流通する気体燃料通路１４が形成されている。気体燃料通路１４の一端には、加圧された気体燃料の供給を外部より受けるための気体燃料供給口１６が設けられている。また、メインボディ１２の内部には、作動液体が流通する作動液体通路１８が形成されている。作動液体通路１８の一端には、気体燃料の圧力の２倍の圧力となるように調整された作動液体の供給を外部より受けるための作動液体供給口２０が設けられている。
【００１５】
作動液体通路１８の他端は、インオリフィス２２を介して制御室２４と接続されている。制御室２４には、作動液体の排出口として機能するアウトオリフィス２６が接続されている。制御室２４の近傍のメインボディ１２には、図示省略するＥＣＵ(Electronic Control Unit)からの指令に応じて電気的に駆動される電磁弁２８が設置されている。電磁弁２８は、アウトオリフィス２６を開閉するアーマチャ２８ａと、ステータ（電磁石）２８ｂとを備えている。ＥＣＵからの指令に基づいてステータ２８ｂが発した磁力によりアーマチャ２８ａがステータ２８ｂに吸引されると、アウトオリフィス２６が開放されるようになっている。その結果、制御室２４内の圧力が低下する。つまり、上記の構成によれば、電磁弁２８を電気的に制御することにより、制御室２４内の作動液体の圧力を調整することができる。
【００１６】
また、メインボディ１２内には、コマンドピストン３０が軸方向の移動自在に配置されている。コマンドピストン３０の一方の端面は、制御室２４を区画するための壁面として機能している。つまり、コマンドピストン３０の一端には、制御室２４内の作動液体の圧力が作用している。コマンドピストン３０の他端は、ニードル弁３２の一端と当接している。また、コマンドピストン３０の上記他端の近傍には、ニードル弁３２を閉弁側に付勢するスプリング３４が設置されている。
【００１７】
ニードル弁３２は、軸方向の移動自在な態様でノズルボディ３６に内蔵されており、ノズルボディ３６の先端部に形成され気体燃料を噴射するための噴孔３８を開閉する弁である。メインボディ１２とノズルボディ３６とは、ニードル弁３２が挿通される挿通孔４０ａを有する環状のパッキングチップ４０を両者の間に介した状態で、リテーニングナット４２によって締め付けられることによって一体的に結合されている。このような構成によって、メインボディ１２とパッキングチップ４０との間、およびノズルボディ３６とパッキングチップ４０との間を通って作動液体や気体燃料が外部に漏れ出ることが防止されている。尚、パッキングチップ４０は、ニードル弁３２の開弁時にフルリフト位置を規制するという機能をも有している。
【００１８】
ノズルボディ３６の中央部位には、ニードル弁３２を取り囲むようにして燃料だまり４４が形成されている。メインボディ１２内の気体燃料通路１４は、パッキングチップ４０に形成された燃料通路４０ｂおよびノズルボディ３６内に形成された気体燃料通路４６を介して、燃料だまり４４と連通している。また、燃料だまり４４は、ニードル弁３２とその周囲のノズルボディ３６とで形成された環状通路４８を介して、噴孔３８に連通している。
【００１９】
本実施形態の燃料噴射弁１０は、電磁弁２８の駆動がＯＦＦとされている状態では、コマンドピストン３０およびニードル弁３２を図１中の下方に付勢する力（制御室２４内に作用する作動液体の圧力およびスプリング３４の付勢力）がニードル弁３２に作用する気体燃料の圧力に打ち勝った状態となるように構成されている。このような状態から電磁弁２８の駆動がＯＮとされると、制御室２４内の作動液体の圧力が低下し、ニードル弁３２に作用する気体燃料の圧力が上記の下方に付勢する力に打ち勝つようになる。その結果、コマンドピストン３０とともにニードル弁３２が図１中の上方に移動し、噴孔３８から気体燃料が噴射されるようになる。以上のように、本実施形態の燃料噴射弁１０によれば、ＥＣＵからの指令に基づく電磁弁２８の制御により制御室２４内の作動液体の圧力を調整することによって、ニードル弁３２の開閉を制御することができ、その結果、燃料噴射を制御することが可能となる。
【００２０】
［ニードル弁周りのシール構造の説明］
更に、図１に示すように、ノズルボディ３６におけるメインボディ１２側の端部付近には、気体燃料と作動液体とを分離し、これらの気体燃料および作動液体のそれぞれが他方に向けて漏れ出るのを防止するためのニードル弁周りのシール構造５０が設けられている。
【００２１】
図２は、図１に示すニードル弁周りのシール構造５０の詳細を説明するための図である。
図２に示すように、ノズルボディ３６には、メインボディ１２側（パッキングチップ４０側）が開口端となり、かつ、ニードル弁３２を取り巻くように形成された環状のシール室５２が設けられている。シール室５２内には、シール構造５０の構成要素であるリップシール５４、Ｏリング５６、バックアップリング５８およびサポートリング６０がニードル弁３２に挿通された状態で配置されている。
【００２２】
リップシール５４は、弾性体（ここでは一例として樹脂）からなる。リップシール５４は、ニードル弁３２の周面３２ａを覆うように形成され、当該周面３２ａと摺接する摺接面５４ａ１を有する環状のリップ部５４ａを備えている。更に、リップシール５４は、当該リップ部５４ａからニードル弁３２の径方向に突出した環状のフランジ部５４ｂを備えている。フランジ部５４ｂの先端には、シール室５２の周面５２ａと接触する接触面５４ｂ１が形成されている。
【００２３】
Ｏリング５６は、弾性体（ここでは一例としてゴム）からなる。Ｏリング５６は、リップシール５４のリップ部５４ａとシール室５２の周面５２ａとの間に、当該リップ部５４ａと当該周面５２ａとによって圧縮された状態で介在している。更に付け加えると、Ｏリング５６は、リップ部５４ａとフランジ部５４ｂと周面５２ａとによって取り囲まれるようにして設置されている。
【００２４】
バックアップリング５８は、弾性体（ここでは一例として樹脂）からなる。バックアップリング５８は、フランジ部５４ｂにおけるＯリング５６の接触部位の反対側の部位（接触面５４ｂ２）と接触する環状のフランジ接触面５８ａを備えている。また、バックアップリング５８は、フランジ接触面５８ａと反対側の面であってニードル弁３２から離れるに従ってリップシール５４のフランジ部５４ｂに近づくように傾斜する面として形成されたテーパ面５８ｂを備えている。更に、バックアップリング５８は、ニードル弁３２の周面３２ａに摺接する摺接面５８ｃと、シール室５２の周面５２ａに接触する接触面５８ｄとを備えている。
【００２５】
サポートリング６０は、バックアップリング５８に比して強度の高い材質（具体的には、金属などの剛体）からなる。サポートリング６０は、バックアップリング５８のテーパ面５８ｂと重なり合う環状のテーパ面６０ａを備えている。また、サポートリング６０におけるテーパ面６０ａと反対側の環状の接触面６０ｂは、パッキングチップ４０と接触している。このような構成によって、サポートリング６０は、ニードル弁３２の軸方向（より具体的には、図２における上方向）の移動が規制された態様でシール室５２内に設置されている。
【００２６】
シール室５２内においてフランジ部５４ｂに対するＯリング５６側の部位には、ニードル弁３２とノズルボディ３６との隙間６２を介して、気体燃料の圧力が作用している。一方、パッキングチップ４０の近くのニードル弁３２の周辺には、作動液体の圧力が作用している。従って、ニードル弁３２の周囲を通って気体燃料と作動液体とが混ざらないようにすることが重要である。
【００２７】
以上説明した本実施形態のニードル弁周りのシール構造５０では、リップシール５４のリップ部５４ａとシール室５２の周面５２ａとの間に、当該リップ部５４ａと当該周面５２ａとによって圧縮させた状態でＯリング５６を介在させている。すなわち、ニードル弁３２のように高速で往復運動する要素のシールにはＯリング５６は不向きであるため、本シール構造５０では、当該要素のシールはリップシール５４のリップ部５４ａが担うようにし、摺動が生じないシール室５２の周面５２ａのシールはＯリング５６が担うようにしている。そのうえで、本シール構造５０によれば、圧縮された状態で設置されているＯリング５６の反発力によって、Ｏリング５６とシール室５２の周面５２ａとの間の接触部６４、およびＯリング５６とリップ部５４ａとの接触部６６にシール荷重が生ずるようになる。更に、リップ部５４ａ（の摺接面５４ａ１）とニードル弁３２の周面３２ａとの間にもシール荷重（緊迫力）が生ずることとなる。このため、このようなリップシール５４とＯリング５６とを用いてシールの対象（高速で往復移動するニードル弁３２と摺動しないシール室５２の周面５２ａ）に適したシールを行う構成によって、ニードル弁３２とノズルボディ３６とのシール性およびシールの信頼性を高く確保することができる。また、上記構成によれば、上記隙間６２を介してシール室５２内に進入した気体燃料の圧力が高くなるにつれ、Ｏリング５６がより押し潰されてシール荷重が増すという効果を得ることもできる。
【００２８】
更に、本実施形態のシール構造５０は、リップシール５４およびＯリング５６に加え、上記テーパ面５８ｂを有するバックアップリング５８と、上記テーパ面６０ａを有し、かつパッキングチップ４０によってニードル弁３２の軸方向の移動が規制されたサポートリング６０とを備えている。その結果、上記隙間６２を介してシール室５２内に進入した気体燃料の圧力がリップシール５４やＯリング５６に作用した際に、テーパ面５８ｂ、６０ａの作用によってバックアップリング５８が変形する。具体的には、バックアップリング５８の摺接面５８ｃがニードル弁３２の周面３２ａに押し付けられ、当該摺接面５８ｃと当該周面３２ａとの間にシール荷重が生ずることとなる。これと同時に、リップシール５４の接触面５４ｂ２とバックアップリング５８のフランジ接触面５８ａとの間にもシール荷重が生ずることとなる。これにより、万一、リップ部５４ａとニードル弁３２の周面３２ａとの間から気体燃料が作動液体側に漏れ出ることがあったとしても、本シール構造５０によれば、摺接面５８ｃとニードル弁３２の周面３２ａとの間、およびリップシール５４の接触面５４ｂ２とバックアップリング５８のフランジ接触面５８ａとの間を利用して、フェールセーフ的にシールを行うことが可能となる。また、上記構成によれば、上記隙間６２を介してシール室５２内に進入した気体燃料の圧力が高くなるにつれ、摺接面５８ｃとニードル弁３２の周面３２ａとの間、およびリップシール５４の接触面５４ｂ２とバックアップリング５８のフランジ接触面５８ａとの間のシール荷重が増すという効果を得ることもできる。
【００２９】
以上説明したように、本実施形態のニードル弁周りのシール構造５０によれば、気体燃料および作動液体のそれぞれが他方に向けて漏れ出るのを簡便な構成を利用して防止することができるようになる。
【００３０】
また、以上説明したシール構造５０では、シール室５２内において気体燃料の圧力が作用する側にＯリング５６が配置されるように、フランジ部５４ｂに対するＯリング５６の配置が決定されている。これにより、上述した効果、すなわち、上記隙間６２を介してシール室５２内に進入した気体燃料の圧力が高くなるにつれ、Ｏリング５６がより押し潰されてシール荷重が増すという効果を奏することができるようになる。
【００３１】
ところで、上述した実施の形態１においては、シール室５２内においてニードル弁３２の軸方向におけるリップシール５４のフランジ部５４ｂの上方側（フランジ部５４ｂにおけるＯリング５６の接触部位の反対側の部位（接触面５４ｂ２））に、バックアップリング５８を備えるようにしている。しかしながら、本発明における第３弾性部材の設置部位は、上記に限定されるものではない。すなわち、例えば、バックアップリング５８およびサポートリング６０は、上記のようにフランジ部５４ｂの上方側に備えられた構成に代え、或いはそれとともに、フランジ部５４ｂの下方側（Ｏリング５６側）に設置されていてもよい。このように、バックアップリング５８およびサポートリング６０がフランジ部５４ｂの下方側（Ｏリング５６側）に設置されていた場合には、バックアップリング５８に作用する気体燃料の圧力によってバックアップリング５８を変形させて、バックアップリング５８の摺接面５８ｃをニードル弁３２の周面３２ａに押し付けることができ、当該摺接面５８ｃと当該周面３２ａとの間にシール荷重を生じさせることができる。ただし、上記図２に示す構成の方が、気体燃料の圧力の作用によってＯリング５６が押し潰されることによるシール荷重の向上効果と、気体燃料の圧力の作用によってバックアップリング５８が変形することによるシール荷重の向上効果の双方を、より効果的に得られるのでよい。
【００３２】
また、上述した実施の形態１においては、ニードル弁３２から離れるに従ってフランジ部５４ｂに近づくように傾斜する面として形成されたテーパ面５８ｂを備えるバックアップリング５８をフランジ部５４ｂの接触面５４ｂ２と接触するように配置するとともに、当該テーパ面５８ｂと重なり合うテーパ面６０ａを有し、パッキングチップ４０によりニードル弁３２の軸方向の移動が規制されたサポートリング６０を備えるようにしている。しかしながら、本発明における第３弾性部材と規制部材の組み合わせは、上記に限定されるものではない。すなわち、例えば、フランジ部５４ｂとパッキングチップ４０との間に介在するバックアップリングとサポートリングの配置を上記と逆にし、かつ、上記テーパ面５８ｂと逆向きのテーパ面（すなわち、ニードル弁３２から離れるに従ってフランジ部５４ｂから離れるように傾斜する面として形成されたテーパ面）をバックアップリングが備えるようにしてもよい。これは、フランジ部５４ｂの下方側（Ｏリング５６側）にバックアップリング５８およびサポートリング６０を設置する場合も同様である。
【００３３】
また、上述した実施の形態１においては、上記テーパ面５８ｂを有するバックアップリング５８とそれに対応するサポートリング６０との組み合わせによって、シール室５２内に作用する気体燃料の圧力を受けた際に、バックアップリング５８の摺接面５８ｃがニードル弁３２の周面３２ａに押し付けられるように構成している。しかしながら、本発明における第３弾性部材は、上記に限定されるものではない。すなわち、例えば、バックアップリングにおけるテーパ面のテーパの向きを上記テーパ面５８ｂと逆向きにすることによって、シール室５２内に作用する気体燃料の圧力を受けた際に、バックアップリング５８の摺接面５８ｃがシール室５２の周面５２ａに押し付けられるように構成されたものであってもよい。
【００３４】
尚、上述した実施の形態１においては、図示省略するＥＣＵの指令を受ける電磁弁２８および制御室２４が前記第１の発明における「制御手段」に、リップシール５４が前記第１の発明における「第１弾性部材」に、Ｏリング５６が前記第１の発明における「第２弾性部材」に、バックアップリング５８が前記第１の発明における「第３弾性部材」に、それぞれ相当している。
また、上述した実施の形態１においては、パッキングチップ４０によりニードル弁３２の軸方向位置が規制されるサポートリング６０が前記第１の発明における「規制部材」に相当している。
【符号の説明】
【００３５】
１０  燃料噴射弁
１２  メインボディ
１４  メインボディ内の気体燃料通路
１６  気体燃料供給口
１８  メインボディ内の作動液体通路
２０  作動液体供給口
２２  インオリフィス
２４  制御室
２６  アウトオリフィス
２８  電磁弁
３０  コマンドピストン
３２  ニードル弁
３２ａ  ニードル弁の周面
３４  スプリング
３６  ノズルボディ
３８  噴孔
４０  パッキングチップ
４０ａ  挿通孔
４０ｂ  燃料通路
４２  リテーニングナット
４４  燃料だまり
４６  ノズルボディ内の気体燃料通路
４８  環状通路
５０  ニードル弁周りのシール構造
５２  シール室
５２ａ  シール室の周面
５４  リップシール
５４ａ  リップシールのリップ部
５４ａ１  リップ部の摺接面
５４ｂ  リップシールのフランジ部
５４ｂ１  フランジ部の接触面
５４ｂ２  フランジ部の接触面
５６  Ｏリング
５８  バックアップリング
５８ａ  バックアップリングのフランジ接触面
５８ｂ  バックアップリングのテーパ面
５８ｃ  バックアップリングの摺接面
５８ｄ  バックアップリングの接触面
６０  サポートリング
６０ａ  サポートリングのテーパ面
６０ｂ  サポートリングの接触面
６２  ニードル弁とノズルボディとの隙間
６４  Ｏリングとシール室の周面との間の接触部
６６  Ｏリングとリップ部との接触部
【図１】
0005592741.tif 000002
【図２】
0005592741.tif 000003