(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
噴孔を開閉するノズルニードルに油圧を作用させる制御室と、上記制御室の油圧を増減する制御弁を備え、上記制御弁をアクチュエータで駆動して上記制御室の圧力を制御することにより上記ノズルニードルをリフトさせる燃料噴射弁において、上記ノズルニードルのリフト方向に間隔をおいて対向する磁石および検出コイルを設けて、これら磁石および検出コイルの一方がノズルニードルと一体に変位し、他方が上記ノズルニードル側に上記制御室を区画形成するボディ部材に固定される構成として、上記磁石によって発生し上記検出コイルに投入される磁束量の変化から、上記ノズルニードルのリフト量を検出するリフト量検出部となし、
該リフト量検出部は、
上記磁石を上記ノズルニードルの上記ボディ部材に対向する端部に一体に設け、上記ボディ部材を強磁性体材料にて構成するとともに、上記検出コイルが外周に巻回されるボビン部材を筒状に形成し、上記検出コイルを上記ボビン部材とともに上記ボディ部材の上記制御室と反対側に埋設固定して、上記ボビン部材の筒内が強磁性体材料にて構成されるようにしたことを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項２】
上記磁石を、上記ノズルニードルの上記ボディ部材に対向する端部に設けた縦穴に挿通し、外周に固定材を充填して固定した請求項１記載の燃料噴射弁。
【請求項３】
上記ノズルニードルの端面に対向する上記ボディ部材の一部を、上記ボディ部材材料より高強度の材料で構成した請求項１または２記載の燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼル機関のコモンレールシステムに用いられる燃料噴射弁に関し、詳しくはニードルのリフト量を検出する手段を備えた燃料噴射弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼル機関のコモンレール式燃料噴射システムでは、各気筒に共通のコモンレールに高圧燃料を蓄圧し、機関の運転状態に応じた所定のタイミングで燃料噴射弁のノズルニードルをリフトして、燃料を噴射している。燃料噴射弁は、ノズルニードルに背圧を与える制御室を有し、この制御室の圧力を、電子制御弁で増減することによってノズルニードルのリフトを制御する構成となっている。電子制御弁を開閉駆動する制御部は、エンジン回転数やアクセル開度等に基づいて、最適な燃料噴射量を算出し、所定の燃料噴射時期に所定の時間だけ燃料噴射弁が開弁するように、電子制御弁に指令信号を出力する。
【０００３】
近年、この燃料噴射制御の精度をより高めるために、ノズルニードルのリフト量を直接検出することが検討されている。従来技術としては、例えば、ノズルニードルまたはノズルニードルと連動する部材の周りに、誘導コイルを配設し、誘導コイルのインダクタンス変化からリフト量を計測するものがあるが、燃料噴射弁の高圧部に誘導コイルが配設されるために、導線を引き出す際の燃料シールが問題となる。
【０００４】
一方、高圧燃料から隔離するためにノズルニードルを取り囲むようにディスタンスピースを設け、高圧燃料と接触しないディスタンスピースの内部に、リフト量を検出するコイルを配置するとともに、ディスタンスピースの内周に永久磁石を配置して、ディスタンスピース、ノズルボディ、ノズルニードル、永久磁石等で構成される磁気回路の抵抗値から、リフト量を検出するようにしたものがある。このようにすると、ノズルニードル全体が高圧燃料中に位置する構成であっても、高圧燃料部には永久磁石のみが配置され、コイルは高圧燃料と接触しないようにできるので、燃料シールの必要はない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この技術では、ノズルニードルがリフトした時に、磁気回路を構成する部材間のギャップが変化し、永久磁石からの磁束が通る磁気回路抵抗が変化するのを利用しているため、磁気回路を構成する部材の磁気応答性により、検出の応答性が制限されるという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、背圧制御方式の燃料噴射弁のように、ノズルニードル全体が高圧燃料中に位置する構成において、ノズルニードルのリフト量を高応答に検出可能な燃料噴射弁を得ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１の燃料噴射弁は、噴孔を開閉するノズルニードルに油圧を作用させる制御室と、上記制御室の油圧を増減する制御弁を備え、上記制御弁をアクチュエータで駆動して上記制御室の圧力を制御することにより上記ノズルニードルをリフトさせるもので、上記ノズルニードルのリフト方向に間隔をおいて対向する磁石および検出コイルを設けて、これら磁石および検出コイルの一方がノズルニードルと一体に変位し、他方が上記ノズルニードル側に上記制御室を区画形成するボディ部材に固定されるリフト量検出部とする。上記リフト量検出部は、上記磁石によって発生し上記検出コイルに投入される磁束量の変化から、上記ノズルニードルのリフト量を検出する。
該リフト量検出部は、 上記磁石を上記ノズルニードルの上記ボディ部材に対向する端部に一体に設け、上記ボディ部材を強磁性体材料にて構成するとともに、上記検出コイルが外周に巻回されるボビン部材を筒状に形成し、上記検出コイルを上記ボビン部材とともに上記ボディ部材の上記制御室と反対側に埋設固定して、上記ボビン部材の筒内が強磁性体材料にて構成されるようにしたことを特徴とする。
【０００８】
上記構成において、上記磁石および検出コイルのいずれか一方が上記ノズルニードルと一体に変位すると、上記磁石と上記検出コイルの相対距離が変化するために、上記磁石から出て上記検出コイル内を通る磁束量が変化する。この磁束量は、上記磁石と上記検出コイルの相対距離の変化によって、高応答に変化するので、磁気回路構成部材の磁気応答性に大きく依存する磁気回路抵抗を計測する従来構成に比べて、はるかに高応答の検出が可能となる。また、構成が簡素で、経済性、実用性に優れる。
具体的には、上記磁石を上記ノズルニードルの端部に一体に設け、上記検出コイルを、強磁性体材料よりなる上記ボディ部材に埋設固定するとともに、上記検出コイルが外周に巻回されるボビン部材を筒状に形成した構成とすると、上記検出コイルと高圧燃料との分離が容易にでき、上記磁石によって発生する磁束が上記検出コイルの中を通りやすくなる。また、強度も向上する。
【０００９】
請求項２のように、具体的には、上記磁石を、上記ノズルニードルの上記ボディ部材に対向する端部に設けた縦穴に挿通し、外周に固定材を充填して固定した構成とすることができる。
【００１０】
請求項３のように、上記ノズルニードルの端面に対向する上記ボディ部材の一部を、上記ボディ部材材料より高強度の材料で構成すると、リフト時に上記ノズルニードルが繰り返し当接して破損等を生じることを防止でき、耐久性が向上する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の基本構成となる第１の形態を図面に従って説明する。図１は、本発明の燃料噴射弁の概略構成図で、例えば、ディーゼルエンジンのコモンレール噴射システムに好適に使用される。燃料噴射弁は、電歪アクチュエータ５１を収容する第１ボディＢ１の下端面に接して制御弁３を構成する第２ボディＢ２を配設し、その下方に第３、第４ボディＢ３、Ｂ４を介してノズルニードル１を摺動自在に収容する第５ボディＢ５を配設してなる。第４ボディＢ４には、本発明の特徴であるリフト量検出部６が設けられ、第５ボディＢ５の先端には、噴孔１１が形成される。
【００１３】
第１ボディＢ１の側壁には、図略のコモンレールに連通する高圧燃料入口１０１が開口し、第１〜第５ボディＢ１〜Ｂ５内を上下方向に延びる高圧燃料通路１０２を経て、ノズルニードル１の中間部周りに設けた燃料溜まり１２に高圧燃料が供給される。第１、第２ボディＢ１、Ｂ２内に形成される低圧燃料通路１０４は、第１ボディＢ１側壁の低圧燃料出口１０３を経て図略の燃料タンクに連通している。なお、第１〜第５ボディＢ１〜Ｂ５は、外周にリテーナ１３を外挿して締結することにより互いに油密に固定される。また、本形態では、ボディ部材となる第４ボディＢ４を、セラミックスや銅・アルミニウム系材料のような非磁性体あるいは弱磁性体材料で構成し、それ以外の構造部材（第１〜第３ボディ、第５ボディＢ１〜Ｂ３、Ｂ５およびリテーナ１３）は、鉄系材料等の強磁性体材料で構成している。
【００１４】
第１ボディＢ１に設けた中空部内には、上半部に印加電圧に応じて伸縮する電歪アクチュエータ５１が、下半部に電歪アクチュエータ５１の下端面に接して大径ピストン５２が摺動自在に配設されている。大径ピストン５２は、その下方の変位拡大室５３内に配したスプリング４２によって上方に付勢されており、これにより、電歪アクチュエータ５１と一体に変位するようになしてある。変位拡大室５３は、第１ボディＢ１と第２ボディＢ２の衝合部に形成されて、電歪アクチュエータ５１の変位を油圧変換し、第２ボディＢ２内を摺動する小径ピストン５４に伝達するもので、この際、大小ピストン５２、５４の受圧面積比に応じて変位が拡大される。
【００１５】
大径ピストン５２には、中間部外周に、リーク燃料を低圧部へ逃がすための低圧環状溝１０６が設けられ、低圧排出通路１０７を介して低圧燃料通路１０４に連通している。大径ピストン５２の上端部外周には、シール用のＯリング４１が配設されて、電歪アクチュエータ５１との間をシールしている。
【００１６】
変位拡大室５３は、チェック弁７１および中間圧通路７２を介して、第３ボディＢ３下端部に設けられる中間圧室７に連通している。中間圧室７は、中間圧入口ピン７３周囲のクリアランスによって高圧燃料通路１１５、１０２に、中間圧出口ピン７４周囲のクリアランスによって低圧燃料通路１０４に連通しており、中間圧入口ピン７３、中間圧出口ピン７４周囲のクリアランスを適切に設定することによって、所定の中間圧に制御される。この中間圧は、変位拡大室５３の設定圧に等しく、リーク等によって変位拡大室５３の油圧が低下すると、チェック弁７１が開弁して燃料を補充し、所定の中間圧に保持している。
【００１７】
小径ピストン５４は、大径の摺動部５４ａとその下方に延びる細径部５４ｂからなり、細径部５４ｂ周りには、アウト通路１０５を介して低圧燃料通路１０４に連通するアウトボリューム５５が設けられる。
【００１８】
制御弁３は、第２ボディＢ２の下端部に形成される弁室３１と、弁室３１内に配設され、小径ピストン５４によって駆動される略球状の弁体３２を有している。弁室３１の頂面中央には、弁体３２によって開閉される低圧ポート３３が開口し、低圧ポート３３は、上方のアウトボリューム５５に連通している。小径ピストン５４は細径部５４ｂの先端が低圧ポート３３を貫通して弁体３２に当接し、弁体３２が低圧ポート３３を開放すると、弁室３１内の油圧がアウトボリューム５５、アウト通路１０５を経て低圧燃料通路１０４に排出される。
【００１９】
弁室３１は、底面外周部に開口するアウトオリフィス１１４とこれに連続するアウトオリフィス通路１１３によって、第５ボディＢ５の上端部に形成される制御室２と、常時連通している。制御室２は、制御室イン通路１１６、インオリフィス１１２およびインオリフィス通路１１１を介して高圧燃料通路１０２に連通しており、高圧燃料通路１０２から流入する高圧燃料によって、ノズルニードル１に下向き（閉方向）の油圧力を付与している。また、制御室２内には、スプリング２１が配設されて、ノズルニードル１を下向き（閉方向）に付勢している。
【００２０】
ノズルニードル１の中間部周りには、高圧燃料通路１０２に連通する燃料溜まり１２が形成されており、ノズルニードル１の下半部外周と第５ボディＢ５との間隙を通って、燃料溜まり１２から噴孔１１へ燃料が供給されるようになっている。ノズルニードル１のリフトは、制御弁３を用いて、制御室２の油圧を増減することによって制御される。すなわち、電歪アクチュエータ５１を駆動して制御弁３の弁体３２を下降させると、低圧ポート３３が開放され、弁室３１および制御室２の圧力が低下する。制御室２の圧力が所定圧以下となると、ノズルニードル１がリフトを開始し、噴孔１１から燃料が噴射される。
【００２１】
ノズルニードル１の上方には、リフト量検出部６を構成する棒状の永久磁石６１と検出コイル６２が配設される。永久磁石６１は、制御室２内に突出するノズルニードル１の上端部中央に埋設されて、ノズルニードル１と一体にリフトするようになっており、上端部は、制御室２に連続する磁石室６３内に挿通位置している。磁石室６３は、非磁性体あるいは弱磁性体材料からなる第４ボディＢ４下部に設けた中空部からなる。第４ボディＢ４上部には、検出コイル６２が外周に巻回される略Ｉ字断面のボビン部材６４が埋設されており、永久磁石６１と検出コイル６２とは、ノズルニードル１のリフト方向に間隔をおいて対向位置している。ボビン部材６４は樹脂等の非磁性体材料からなる。
【００２２】
ノズルニードル１のリフトとともに、永久磁石６１と検出コイル６２の相対距離が変化すると、永久磁石６１の磁極から出て検出コイル６２に投入される磁束量が変化する。従って、この磁束量の変化からノズルニードル１のリフト量を検出することができる。
【００２３】
以下に、上記構成の燃料噴射弁の作動について説明する。電歪アクチュエータ５１に通電しない状態では、電歪アクチュエータ５１は収縮しており、大小ピストン５２、５４は変位しないので、制御弁３の弁体３２が低圧ポート３３を閉鎖して、弁室３１とアウトオリフィス１１４を介して連通する制御室２は高圧となる。この時、ノズルニードル１は、制御室２の油圧力とスプリング２１のバネ力で下降し、噴孔１１を閉鎖している。
【００２４】
ここで、電歪アクチュエータ５１に通電すると、印加電圧に応じて電歪アクチュエータ５１が伸長し、大径ピストン５２を下降させる。これに伴い、変位拡大室５３の圧力が上昇し、小径ピストン５４が下降して、制御弁３の弁体３２が低圧ポート３３が開放する。アウトオリフィス１１４の開度は、弁体３２のリフトとともに上昇し、同時に制御室２の圧力が低下する。制御室２の圧力が所定圧以下となると、ノズルニードル１がリフトを開始する。
【００２５】
その後、電歪アクチュエータ５１の印加電圧を低下させると、電歪アクチュエータ５１が収縮する。これに応じて変位拡大室５３の圧力が低下し、小径ピストン５４が上昇して制御弁３の弁体３２が低圧ポート３３を閉鎖する。これに伴い、制御室２の圧力が上昇して所定圧を越えると、ノズルニードル１が降下し、閉弁する。
【００２６】
次に、リフト量検出部６によるリフト量の検出原理を説明する。図２において、磁石室６３および検出コイル６２が配設される第４ボディＢ４とボビン部材６３は非磁性体あるいは弱磁性体材料で、第３、第５ボディＢ３、Ｂ５とリテーナ１３は強磁性体材料で構成されており、図のように、永久磁石６１周りに、これら部材を通る磁気回路が形成される。ノズルニードル１のリフトに伴い、これと一体の永久磁石６１が変位すると、永久磁石６１と検出コイル６２の相対距離が変化するため、検出コイル６２の中を通る磁束量が高応答に変化する。そして、検出コイル６２の出力から直接ノズルニードル１のリフト速度を、さらに、その積分値からノズルニードル１のリフト量を高応答に検出することができる。
【００２７】
上記構成によれば、部材の磁気応答性と無関係に、検出コイル６２の中を通る磁束量が高応答に変化するので、磁気回路の抵抗を検出する従来方法に比べて、検出応答性を大幅に向上させることができる。しかも、検出コイル６２と永久磁石６１を対向させる簡単な構成であり、永久磁石６１が収容される磁石室６３と検出コイル６２を保持するボビン部材６４を分離して配置することで、検出コイル６２を高圧燃料から容易に分離することができる。
【００２８】
図３は、第２の形態である。本形態では、制御室２の頂面となる第４ボディＢ４下面に、第４ボディＢ４の構成材料より高強度な材料、例えば鉄系材料等からなるストッパリング２２を埋設している。ストッパリング２２は、ノズルニードル１が上方へ変位した時にこれに当接して、そのリフト量を規制するストッパとして機能する。永久磁石６１は、ストッパリング２２内を経て、その上方に延びる磁石室６４内に挿通位置する。その他の構成は、第１の形態と同様である。
【００２９】
磁石室６４が形成される第４ボディＢ４は、非磁性体または弱磁性体材料からなり、比較的強度が低いために、ノズルニードル１が繰り返し衝突することにより、耐久性が低下するおそれがある。そこで、ノズルニードル１が当接する部位のみを別体のストッパリング２２として、強度を高め、耐久性を向上させることができる。
【００３０】
図４は、本発明の第３の実施の形態である。本実施の形態では、本発明のリフト量検出部６が設けられる第４ボディＢ４を、強磁性体材料で構成するとともに、検出コイル６２を保持するボビン６４を筒状に形成して、その周りに検出コイル６２を巻回している。ボディ強度を向上させるには、従来より構造部材材料として利用される鉄系の強磁性体材料が好適に用いられるが、図５（ａ）のように、リフト量検出部６が設けられる第４ボディＢ４を、強磁性体材料で構成しただけでは、永久磁石６１の磁極から上方の第３ボディＢ３へ向かう磁束が、非磁性体材料のボビン部材６４を避け、強磁性体材料からなる第４ボディＢ４を経て第３ボディＢ３へ向かうために、検出コイル６２内を通過しなくなる。
【００３１】
そこで、本実施の形態では、第４ボディＢ４に埋設されるボビン部材６４を筒状とし、その筒内が強磁性体材料で構成されるようにする。これにより、図５（ｂ）のように、検出コイル６２内を通過して第５ボディＢ５へ向かう磁束が形成されるので、高強度で、耐久性に優れ、かつリフト量検出部６による高応答な検出が可能となる。
【００３２】
図６に、ノズルニードル１への永久磁石６１の固定方法の例を示し、図６（ａ）のように、ノズルニードル１の上端に設けた縦穴１４に永久磁石６１を挿通し、外周に固定材８を充填することで、簡便に固定することができる。また、図６（ｂ）のように、永久磁石６１を、下端部が大径の段付き形状とするとともに、ノズルニードル１の側部に、縦穴１４の中間部に連通する複数の穴１５を設けて固定材８でモールドすることにより、固定材８の接着力と剪断力の両方の効果で、接着強度をより高めることができる。図６（ｃ）のように、永久磁石６１の中間部を小径とし、この小径部に至る複数の穴１５を設けて固定材８でモールドするようにしてもよい。複数の穴１５は、図６（ｄ）〜（ｅ）のように、周方向の２〜４箇所に均等に形成すればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の基本構成である第１の形態の燃料噴射弁の全体断面図である。
【図２】  第１の形態の作動を説明するための燃料噴射弁の要部拡大断面図である。
【図３】  第２の形態の燃料噴射弁の全体断面図である。
【図４】  本発明を適用した第３の実施の形態の燃料噴射弁の全体断面図である。
【図５】  本発明を適用した第３の実施の形態の作動を説明するための図で、（ａ）はボビンが筒状でない場合の燃料噴射弁の要部拡大断面図、（ｂ）はボビンを筒状に形成した場合の燃料噴射弁の要部拡大断面図である。
【図６】  （ａ）〜（ｃ）は永久磁石の固定構造の例を示す主要部断面図であり、（ｄ）〜（ｆ）は永久磁石の固定用の穴形状の例を示すノズルニードルの横断面図である。
【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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