(57)【要約】【課題】ニードル３に作用する開弁方向の燃料圧力を抑制することにより、閉弁力を大きくして良好な閉弁動作を行うことができるインジェクタ１を提供する。【解決手段】ニードル３には、縦孔７の内周面をガイド面として摺動する摺動部３ｂが一体に設けられ、且つ摺動部３ｂの反スプリング側に絞り１１が設けられている。この絞り１１は、例えば、摺動部３ｂの外周面を三面カットして設けられ、縦孔７内でニードル３の周囲に形成される環状のニードル室１２と、ボディ２に形成された高圧通路８とを連通している。これにより、絞り１１を介してニードル室１２に導入される燃料圧力が、制御室４の燃料圧力より低くなるため、両者の圧力差がニードル３を押し下げる閉弁力として作用し、この閉弁力がスプリング１０の反力に加わることにより、ニードル３を押し下げる力が大きくなり、ニードル３のバウンスによる再開弁を抑制できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に縦孔が形成されると共に、この縦孔に通じる噴孔を有するボディと、
前記縦孔内を開弁方向と閉弁方向とに移動可能に収容されるニードルと、
このニードルを閉弁方向へ付勢する燃料圧力を蓄える制御室と、
この制御室の燃料圧力を制御する圧力制御手段と、
前記ニードルを開弁方向へ付勢する燃料圧力を蓄えるニードル室とを備え、
前記ニードルが前記縦孔内を開弁方向へ移動する開弁動作時に、前記ニードル室を通じて供給された燃料を前記噴孔より噴射する内燃機関用インジェクタであって、
前記ニードルが前記縦孔内を閉弁方向へ移動する閉弁動作時に、前記ニードル室の燃料圧力が前記制御室の燃料圧力より低くなる様に、前記ニードル室に導入される燃料圧力を抑制する圧力抑制手段を備えたことを特徴とする内燃機関用インジェクタ。
【請求項２】
請求項１に記載した内燃機関用インジェクタにおいて、
前記圧力抑制手段は、噴孔面積に対する絞り面積の割合が３倍以下となる様な絞りとしたことを特徴とする内燃機関用インジェクタ。
【請求項３】
請求項１または２に記載した内燃機関用インジェクタにおいて、
前記ニードル室は、前記縦孔の内周面と前記ニードルの外周面との間に、前記圧力抑制手段としての絞りを有していることを特徴とする内燃機関用インジェクタ。
【請求項４】
請求項３に記載した内燃機関用インジェクタにおいて、
前記絞りは、前記ニードルのリフト量が大きい時より小さい時の方が絞り量が大きくなる可変絞りを形成していることを特徴とする内燃機関用インジェクタ。
【請求項５】
請求項１または２に記載した内燃機関用インジェクタにおいて、
前記ニードル室は、前記縦孔の内周面と前記ニードルの外周面との間に形成される隙間を含み、前記圧力抑制手段として、前記隙間の通路断面積を小さくしたことを特徴とする内燃機関用インジェクタ。
【請求項６】
請求項１または２に記載した内燃機関用インジェクタにおいて、
前記ニードル室に燃料圧力を導入する高圧通路を有し、この高圧通路に前記圧力抑制手段としての絞りを設けたことを特徴とする内燃機関用インジェクタ。
【請求項７】
請求項４に記載した内燃機関用インジェクタにおいて、
前記可変絞りは、前記ニードルのリフト量が小さい時に、噴孔面積に対する絞り面積の割合が３倍以下となり、前記ニードルのリフト量が大きい時には、噴孔面積に対する絞り面積の割合が５倍以上となることを特徴とする内燃機関用インジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に高圧燃料を噴射するためのインジェクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、コモンレール等に蓄圧された高圧燃料をインジェクタからディーゼル機関の燃焼室に噴射する蓄圧式燃料噴射装置が知られている（特許文献１参照）。
この蓄圧式燃料噴射装置に用いられるインジェクタは、ニードルに閉弁力を与えるスプリングと、同じくニードルを閉弁方向に付勢する燃料圧力を蓄える制御室と、この制御室の燃料圧力を制御する圧力制御手段等を備え、この圧力制御手段により制御室の燃料圧力が低圧側に開放されると、ニードルの下面に作用する燃料圧力によりニードルがリフトして噴射が行われ、制御室に高圧燃料が蓄えられると、スプリングの閉弁力によりニードルが押し戻されて噴射が終了する。
【特許文献１】特開平９−３２６８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記のインジェクタは、閉弁方向の燃料圧力（制御室の燃料圧力）を受けるニードルの断面積と、開弁方向の燃料圧力を受けるニードルの断面積とが等しいことから、制御室の燃料圧力が低圧側に開放されてニードルがリフトした後、制御室に高圧燃料が蓄えられると、ニードルに作用する閉弁方向の燃料圧力と開弁方向の燃料圧力とが釣り合うため、スプリングの閉弁力のみでニードルが押し戻される。ところが、スプリングの閉弁力が数十Ｎと小さいため、閉弁時にニードルがバウンスして再開弁することにより、二次噴射を発生するという問題があった。
【０００４】
また、インジェクタに高圧燃料を供給するコモンレール内に脈動が生じると、その脈動の影響により、インジェクタに供給される高圧が変動する。この時、制御室の燃料圧力は、オリフィスを介して導入されるため、ニードルを開弁方向に付勢する燃料圧力と、ニードルを閉弁方向に付勢する燃料圧力との間に応答遅れのずれが生じる。その結果、閉弁力が変化して、閉弁スピードが変化するため、安定した噴射率が得られなくなるという問題を生じる。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、ニードルに作用する開弁方向の燃料圧力を抑制することにより、閉弁力を大きくして良好な閉弁動作を行うことができる内燃機関用インジェクタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（請求項１の発明）
本発明は、内部に縦孔が形成されると共に、この縦孔に通じる噴孔を有するボディと、縦孔内を開弁方向と閉弁方向とに移動可能に収容されるニードルと、このニードルを閉弁方向へ付勢する燃料圧力を蓄える制御室と、この制御室の燃料圧力を制御する圧力制御手段と、ニードルを開弁方向へ付勢する燃料圧力を蓄えるニードル室とを備え、ニードルが縦孔内を開弁方向へ移動する開弁動作時に、ニードル室を通じて供給された燃料を噴孔より噴射する内燃機関用インジェクタであって、ニードルが縦孔内を閉弁方向へ移動する閉弁動作時に、ニードル室の燃料圧力が制御室の燃料圧力より低くなる様に、ニードル室に導入される燃料圧力を抑制する圧力抑制手段を備えたことを特徴とする。
【０００６】
上記の構成によれば、ニードルを閉弁方向へ付勢する燃料圧力より、ニードルを開弁方向へ付勢する燃料圧力の方が低くなるので、両圧力差による閉弁力が生じる。その結果、ニードルを閉弁方向へ付勢する燃料圧力と、ニードルを開弁方向へ付勢する燃料圧力とが等しい従来のインジェクタと比較すると、両圧力差による閉弁力が生じることにより、ニードルの閉弁力が大きくなるため、ニードルのバウンスによる再開弁を抑制できる。
また、ニードル室に導入される燃料圧力が抑制されるので、インジェクタに供給される高圧が変動した場合でも、ニードルを開弁方向に付勢する燃料圧力と、ニードルを閉弁方向に付勢する燃料圧力との間に生じる応答遅れのずれが略解消されるため、閉弁スピードが安定して、噴射率のばらつきを抑制できる。
【０００７】
（請求項２の発明）
請求項１に記載した内燃機関用インジェクタにおいて、圧力抑制手段は、噴孔面積に対する絞り面積の割合が３倍以下となる様な絞りとしたことを特徴とする。これにより、絞りによる圧力降下を発生させることが可能となる。
【０００８】
（請求項３の発明）
請求項１または２に記載した内燃機関用インジェクタにおいて、ニードル室は、縦孔の内周面とニードルの外周面との間に、圧力抑制手段としての絞りを有していることを特徴とする。この絞りを設けることにより、絞りより下流の燃料圧力が抑制され、ニードルを開弁方向へ付勢する燃料圧力が低くなるため、閉弁力が大きくなって、良好な閉弁動作を行うことが可能になる。
【０００９】
（請求項４の発明）
請求項３に記載した内燃機関用インジェクタにおいて、絞りは、ニードルのリフト量が大きい時より小さい時の方が絞り量が大きくなる可変絞りを形成していることを特徴とする。
この構成によれば、ニードルのリフト量が小さい時、例えば、ニードルが着座する直前にのみ絞り効果を持たせることができるので、絞りを設けたことによる最高噴射率の低下を抑制することが可能である。
【００１０】
（請求項５の発明）
請求項１または２に記載した内燃機関用インジェクタにおいて、ニードル室は、縦孔の内周面とニードルの外周面との間に形成される隙間を含み、圧力抑制手段として、隙間の通路断面積を小さくしたことを特徴とする。
この構成では、縦孔の内周面とニードルの外周面との間に形成される隙間を調整することにより、絞りとしての機能を持たせることができる。
【００１１】
（請求項６の発明）
請求項１または２に記載した内燃機関用インジェクタにおいて、ニードル室に燃料圧力を導入する高圧通路を有し、この高圧通路に圧力抑制手段としての絞りを設けたことを特徴とする。
この構成では、高圧通路に絞りを設けるので、縦孔の内周面とニードルの外周面との間に絞りを設ける場合と比較して、絞りの形成が容易であり、絞りを設けることによるコストアップを抑えることが可能である。
【００１２】
（請求項７の発明）
請求項４に記載した内燃機関用インジェクタにおいて、可変絞りは、ニードルのリフト量が小さい時に、噴孔面積に対する絞り面積の割合が３倍以下となり、ニードルのリフト量が大きい時には、噴孔面積に対する絞り面積の割合が５倍以上となることを特徴とする。これにより、最高噴射率の低下を抑制することが可能となり、エンジン性能の低下を抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１はインジェクタ１の全体断面図である。
本実施例のインジェクタ１は、例えば、ディーゼル機関用の蓄圧式燃料噴射装置（図示せず）に使用されるもので、図１に示す様に、ボディ２と、このボディ２に収容されるニードル３、このニードル３を閉弁方向（図１の下方向）に付勢する燃料圧力を蓄える制御室４、及び制御室４の燃料圧力を制御する圧力制御手段（後述する）等より構成される。  
【００１５】
ボディ２には、燃料を噴射するための噴孔５と、この噴孔５にサック室６を介して連通する縦孔７、コモンレール（図示せず）に接続される高圧通路８、及び燃料タンク等の低圧側に連通する低圧通路９等が形成されている。
ニードル３は、縦孔７内に挿入されて、スプリング１０により常時閉弁方向に付勢され、自身の先端部に設けられた円錐状のシート面３ａが、縦孔７の端部に設けられたシート部７ａに当接して、サック室６と縦孔７との間を遮断している。
【００１６】
このニードル３には、縦孔７の内周面をガイド面として摺動する摺動部３ｂが一体に設けられ、且つ摺動部３ｂの反スプリング側に絞り１１が設けられている。この絞り１１は、例えば、摺動部３ｂの外周面を三面カットして設けられ、縦孔７内でニードル３の周囲に形成される環状のニードル室１２と、ボディ２に形成された高圧通路８とを連通している。なお、絞り１１の絞り量（通路断面積）は、ニードル３の閉弁状態（シート面３ａがシート部７ａに着座している状態）からニードル３の最大リフト位置まで一定である。
制御室４は、縦孔７の一部であり、摺動部３ｂの上部に形成され、オリフィス１３を介して高圧通路８に連通している。
【００１７】
圧力制御手段は、以下に説明するピエゾスタック１４、ピエゾピストン１５、バルブピストン１６、及びボール弁１７等より構成される。
ピエゾスタック１４は、印加電圧に応じて伸張するピエゾ素子（圧電素子）を複数枚積層して構成され、ボディ２の上部に形成されたピエゾ室２ａに収容されている。
【００１８】
ピエゾピストン１５は、ピエゾ室２ａの下部に連通して形成されたシリンダ２ｂに摺動自在に挿入され、ピエゾ室２ａに配置されたピストン頭部１５ａがスプリング１８に付勢されてピエゾスタック１４に押圧されている。
バルブピストン１６は、シリンダ２ｂの下部に連通して形成された小径シリンダ２ｃに摺動自在に挿入され、ピエゾピストン１５との間に燃料で満たされた変位拡大室２ｄを形成し、その変位拡大室２ｄの燃料を介してピエゾピストン１５の変位が増幅されて伝達される。なお、小径シリンダ２ｃには、低圧通路９が接続されている。
【００１９】
ボール弁１７は、小径シリンダ２ｃの下部に連通して形成されたバルブ室２ｅに収容され、同じくバルブ室２ｅに収容されたスプリング１９によりバルブ室２ｅの上方へ付勢されて、小径シリンダ２ｃとバルブ室２ｅとの連通部を閉じている。
バルブ室２ｅは、連通路２０を介して制御室４に連通すると共に、分岐通路２１を介して高圧通路８とも連通している。従って、ボール弁１７がバルブピストン１６に押されて小径シリンダ２ｃとバルブ室２ｅとの連通部を開くと、小径シリンダ２ｃに接続された低圧通路９と、連通路２０を介してバルブ室２ｅに通じる制御室４との間が連通する。
【００２０】
次に、インジェクタ１の作動を説明する。
ピエゾスタック１４に通電されると、ピエゾスタック１４が伸張してピエゾピストン１５が下方に押し下げられ、そのピエゾピストン１５の変位により変位拡大室２ｄの燃料が加圧される。加圧された燃料圧力を受けてバルブピストン１６が小径シリンダ２ｃ内を下方へ押し下げられると、ボール弁１７がバルブピストン１６に押されて、小径シリンダ２ｃとバルブ室２ｅとの連通部を開口する。これにより、制御室４が低圧通路９と連通して、制御室４の高圧燃料が低圧通路９へ排出されることにより、制御室４の燃料圧力が低下する。
【００２１】
なお、制御室４には、高圧通路８よりオリフィス１３を介して高圧燃料が流入するが、制御室４に流入する燃料量に対し、制御室４から流出する燃料量の方が多いため、制御室４からの燃料流出に応じて制御室４の燃料圧力が次第に低下する。
制御室４の燃料圧力が低下して、ニードル３に作用する閉弁力より開弁力の方が上回ると、ニードル３が縦孔７内をリフトしてニードル室１２とサック室６とが連通することにより、ニードル室１２に供給される高圧燃料がサック室６に流入して、噴孔５より内燃機関の燃焼室に噴射される。
【００２２】
ピエゾスタック１４への通電が終了すると、ピエゾスタック１４が収縮してピエゾピストン１５がスプリング１８の反力で押し上げられることにより、それまでバルブピストン１６を加圧していた変位拡大室２ｄの燃料圧力が低下する。その結果、ボール弁１７がスプリング１９の反力で押し上げられ、小径シリンダ２ｃとバルブ室２ｅとの連通部を閉じることにより、制御室４と低圧通路９との間が遮断される。これにより、制御室４の燃料圧力が上昇して、ニードル３に作用する開弁力より閉弁力の方が上回ると、ニードル３が縦孔７内を下方へ押し戻され、ニードル３のシート面３ａが縦孔７のシート部７ａに着座することにより、ニードル室１２とサック室６との連通が遮断されて噴射が終了する。
【００２３】
（実施例１の効果）
上記のインジェクタ１は、高圧通路８とニードル室１２との間に絞り１１を設けているので、その絞り１１を介してニードル室１２に導入される燃料圧力（ニードル３を開弁方向に付勢する燃料圧力）が低くなる。その結果、ピエゾスタック１４への通電終了により、ボール弁１７が閉弁（小径シリンダ２ｃとバルブ室２ｅとの連通部を閉じる）して制御室４の燃料圧力が上昇すると、制御室４の燃料圧力よりニードル室１２の燃料圧力の方が低くなるため、両者の圧力差がニードル３を押し下げる閉弁力として作用する。この閉弁力がスプリング１０の反力に加わることにより、従来のインジェクタと比較して、ニードル３を押し下げる力が大きくなるため、ニードル３のバウンスによる再開弁を抑制でき、二次噴射を防止できる。
【００２４】
また、ニードル室１２に導入される燃料圧力が絞り１１によって抑制されるため、例えば、コモンレールからインジェクタ１に供給される高圧が変動した場合でも、ニードル室１２の燃料圧力と制御室４の燃料圧力との間に生じる応答遅れのずれが略解消されるため、ニードル３の閉弁スピードが安定して、噴射率のばらつきを抑制できる。
【実施例２】
【００２５】
図２はインジェクタ１のノズル部分の断面図である。
本実施例のインジェクタ１は、図２に示す様に、縦孔７の内周面を径方向外側に拡大して形成された環状の燃料チャンバ２２を有し、この燃料チャンバ２２に高圧通路８が接続されている。
一方、ニードル３には、実施例１と同様に、摺動部３ｂの反スプリング側に外周面をカットした絞り１１が設けられ、この絞り１１が燃料チャンバ２２との間に可変絞りを形成している。
【００２６】
即ち、図２に示す様に、ニードル３のリフト量が大きい時は、燃料チャンバ２２に連通する絞り１１の開口面積が大きくなるため、絞り効果が小さくなる。従って、絞り１１を設けたことによる最高噴射率の低下を抑制することが可能である。
また、図３に示す様に、ニードル３のリフト量が小さい時は、燃料チャンバ２２に連通する絞り１１の開口面積が小さくなるため、絞り効果が大きくなる。その結果、実施例１の場合と同様に、ニードル３の閉弁力が増大して、ニードル３のバウンスによる再開弁を抑制でき、二次噴射を防止できる。
【実施例３】
【００２７】
図４はインジェクタ１のノズル部分の断面図である。
本実施例のインジェクタ１は、図４に示す様に、燃料チャンバ２２に接続される高圧通路８に絞り１１を設けた一例である。この場合、高圧通路８に絞り１１としてのオリフィスを設けるだけで良いので、絞り１１の形成が容易であり、絞り１１を設けることによるコストアップを低く抑えることが可能である。なお、本実施例では、１本の高圧通路８が分岐して制御室４と燃料チャンバ２２とに接続されているので、絞り１１は、高圧通路８の分岐点から燃料チャンバ２２までの間に設けることができる。
【実施例４】
【００２８】
図５はインジェクタ１のノズル部分の断面図である。
本実施例のインジェクタ１は、図５に示す様に、縦孔７の内周面とニードル３の外周面との隙間を小さくすることで絞り１１を形成した一例である。この場合、縦孔７とニードル３との隙間が小さくなることで圧損が増大し、ニードル３のシート面３ａに作用する燃料圧力が低下することにより、閉弁力を大きくできる。
【実施例５】
【００２９】
図６は絞り面積と噴孔面積との割合に対する高圧燃料の圧力低下率を示す図であり、図７は絞り面積と噴孔面積との割合に対して噴孔から流出する燃料の流速低下率を示す図である。
噴孔５の通路断面積（噴孔面積と呼ぶ）と絞り１１の通路断面積（絞り面積と呼ぶ）との割合に対する高圧燃料の圧力低下率をシュミレーションした結果、図６に示す様に、噴孔面積に対する絞り面積の割合が３倍以下になると、圧力低下率が次第に大きくなることが解明された。そこで、本実施例では、噴孔面積に対する絞り面積の割合を３倍以下とする。これにより、ニードル３の閉弁動作時にニードル室１２の圧力降下を発生させることができるので、制御室４の燃料圧力よりニードル室１２の燃料圧力の方が低くなり、両者の圧力差がニードル３を押し下げる閉弁力として作用する。
【００３０】
また、実施例２に記載した可変絞りを採用した場合には、ニードル３のリフト量が大きい時に、絞り１１による高圧燃料の圧力降下を抑制する必要がある。これに対し、図６に示すシュミレーション結果によれば、噴孔面積に対する絞り面積の割合が５倍以上であれば、高圧燃料の圧力降下率を３％程度に抑えることができる。ここで、絞り面積と噴孔面積との割合に対して噴孔５から流出する燃料の流速低下率をシミュレーションした結果、図７に示す様に、噴孔面積に対する絞り面積の割合が５倍以上では、燃料の流速低下率が１．５％程度と殆ど無視できる範囲にあることが分かった。
そこで、ニードル３のリフト量が大きい時には、噴孔面積に対する絞り面積の割合が５倍以上となり、ニードル３のリフト量が小さい時には、噴孔面積に対する絞り面積の割合が３倍以下となる様に、可変絞りを構成することが望ましい。
【００３１】
（変形例）
実施例１では、ボール弁１７を駆動するためのアクチュエータとしてピエゾスタック１４を用いているが、本発明の圧力制御手段として、ソレノイド式アクチュエータ（例えば電磁弁）を採用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】実施例１に係わるインジェクタの全体断面図である。
【図２】実施例２に係わるインジェクタのノズル部分（ニードルのリフト量：大）の断面図である。
【図３】実施例２に係わるインジェクタのノズル部分（ニードルのリフト量：小）の断面図である。
【図４】実施例３に係わるインジェクタのノズル部分の断面図である。
【図５】実施例４に係わるインジェクタのノズル部分の断面図である。
【図６】絞り面積と噴孔面積との割合に対する高圧燃料の圧力低下率を示す図である（実施例５）。
【図７】絞り面積と噴孔面積との割合に対して噴孔から流出する燃料の流速低下率を示す図である（実施例５）。
【符号の説明】
【００３３】
１  内燃機関用インジェクタ
２  ボディ
３  ニードル
４  制御室
５  噴孔
７  縦孔
８  高圧通路
１１  絞り（圧力抑制手段）
１２  ニードル室
１４  ピエゾスタック（圧力制御手段）
１７  ボール弁（圧力制御手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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