(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力制御室内に高圧燃料を充満させることでニードルを下降させて閉弁し、上記圧力制御室内の燃料をリークさせることで上記ニードルを上昇させて開弁するインジェクタであって、
上記圧力制御室内の燃料をリークさせるためのリーク穴と、該リーク穴の出口に設けられた弁シートと、該弁シートに対して着座・離間可能に設けられた開閉弁と、該開閉弁を上記弁シートに押し付ける弁バネと、該弁バネの押し付け反力を支えるバネシートとを有し、
該バネシートが上記弁バネの伸縮方向に移動可能であり、且つ、上記バネシートの位置がエンジンの運転状態に応じて複数位置に切り替えられることを特徴とするインジェクタ。
【請求項２】
上記バネシートが、エンジン高回転且つ高負荷時に上記圧力制御室に供給される燃料の圧力が高まると上記弁バネの収縮方向に移動され、エンジン低回転且つ低負荷時に上記圧力制御室に供給される燃料の圧力が低くなると上記弁バネの伸長方向に移動される請求項１記載のインジェクタ。
【請求項３】
上記圧力制御室に、コモンレールから高圧燃料が導入されるようになっており、上記バネシートは、上記コモンレール内の圧力が増大すると上記弁バネの収縮方向に移動され、上記コモンレール内の圧力が減少すると上記弁バネの伸長方向に移動される請求項１又は２記載のインジェクタ。
【請求項４】
上記バネシートは、ピストン状に形成され、流体圧力の作用によりその位置が変化される請求項１〜３のいずれかに記載のインジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ディーゼルエンジン等に適用される燃料噴射用インジェクタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
直噴式ディーゼルエンジンや直噴式ガソリンエンジン等においては、高圧噴射が可能で噴霧微粒化に有利なコモンレール式燃料噴射装置が用いられる。特に噴霧微粒化には噴孔径縮小という方法もあるが、加工上限界があるので噴射圧は益々高まる傾向にある。こういった意味でコモンレール方式は近年さらに注目視されている。
【０００３】
一般にコモンレール式燃料噴射装置では高圧ポンプで加圧された燃料をコモンレール（蓄圧室）に一旦貯留し、これをインジェクタから所定タイミングで所定量ずつ、各気筒内に噴射するようになっている。
【０００４】
インジェクタは、その下端ないし先端に設けられた噴孔を、ニードル（針弁）の昇降により開閉し、燃料噴射を実行する。特にインジェクタのうち圧力バランス式と称されるものがある。これはニードル後端側の圧力制御室（バランスチャンバ）の圧力を制御することによりニードルを昇降させるものである。
【０００５】
一般にこの種のインジェクタでは、圧力制御室にコモンレール圧の高圧燃料を導入してニードルを下降させ、インジェクタを閉弁すると共に、圧力制御室の燃料をリークさせることでニードルを上昇させ、インジェクタを開弁するようになっている。この圧力制御室の燃料リークが電磁弁により選択的に行われる。
【０００６】
電磁弁は、圧力制御室のリーク穴出口を開閉する開閉弁と、開閉弁を閉弁方向に付勢する弁バネと、当該バネ力に抗じて開閉弁を開弁方向に駆動する電磁ソレノイドとから主に構成される。特にリーク穴出口閉鎖時には、その出口を区画する弁シートに開閉弁がバネ力で押し付けられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、圧力制御室には最大200MPa程度の高圧燃料がコモンレールから導入される。よってこれに対抗し出口閉鎖時の燃料リークを確実に無くすため、弁バネのセット力は比較的大きな値、例えば５〜６kgとされている。
【０００８】
しかし、コモンレール圧はエンジンの運転状態に応じて変わるもので、上記最大値より当然低い場合もある。このとき最大時と同じように開閉弁を押し付けたのでは、開閉弁や弁シートに過度の負担がかかってしまう。
【０００９】
開閉弁には、リーク穴出口から付加される燃圧力とバネ力とが常時作用し、電磁ソレノイドから受ける電磁力が選択的に作用される。インジェクタ開弁から閉弁に切り替わる瞬間、電磁力が消失され、開閉弁がバネ力により燃圧力に抗じて弁シートに押し付けられる。このときレスポンス向上の理由から開閉弁は高速動作し、弁シートに衝突状態で押し付けられる。従って開閉弁と弁シートとは噴射毎に衝突することとなる。
【００１０】
コモンレール圧が高いときは燃圧力も大きいため、衝突時の衝撃は比較的小さくて済む。しかし、コモンレール圧が低いと燃圧力も小さくなり、衝突時の衝撃は大きくなってしまう。このような衝突が噴射毎に繰り返される結果、開閉弁や弁シートが変形損傷したり、シール性悪化による燃料リークが発生したりするという、種々の問題が生じる。
【００１１】
つまり、最大圧力時に合わせてバネ力を大きくした結果、低圧時に過度のバネ力となり、これが電磁弁シート部（開閉弁と弁シート）の変形等を生じさせ、燃料リーク、耐久性悪化等の問題を引き起こしている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、圧力制御室内に高圧燃料を充満させることでニードルを下降させて閉弁し、上記圧力制御室内の燃料をリークさせることで上記ニードルを上昇させて開弁するインジェクタであって、上記圧力制御室内の燃料をリークさせるためのリーク穴と、該リーク穴の出口に設けられた弁シートと、該弁シートに対して着座・離間可能に設けられた開閉弁と、該開閉弁を上記弁シートに押し付ける弁バネと、該弁バネの押し付け反力を支えるバネシートとを有し、該バネシートが上記弁バネの伸縮方向に移動可能であり、且つ、上記バネシートの位置がエンジンの運転状態に応じて複数位置に切り替えられるようにしたものである。
【００１３】
これによれば、エンジンの運転状態に応じて、バネシートの位置を変えることで、開閉弁を弁シートに押し付ける弁バネのバネ力を変化させることができる。
【００１４】
ここで、上記バネシートが、エンジン高回転且つ高負荷時に上記圧力制御室に供給される燃料の圧力が高まると上記弁バネの収縮方向に移動され、エンジン低回転且つ低負荷時に上記圧力制御室に供給される燃料の圧力が低くなると上記弁バネの伸長方向に移動されるのが好ましい。
【００１５】
また、上記圧力制御室に、コモンレールから高圧燃料が導入されるようになっており、上記バネシートは、上記コモンレール内の圧力が増大すると上記弁バネの収縮方向に移動され、上記コモンレール内の圧力が減少すると上記弁バネの伸長方向に移動されるのが好ましい。
【００１６】
また、上記バネシートは、ピストン状に形成され、流体圧力の作用によりその位置が変化されるのが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基いて説明する。
【００１８】
図６は本発明が適用される直噴ディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射装置を示す。エンジンの各気筒毎にインジェクタ１が設けられ、各インジェクタ１には、高圧管７３を通じ、コモンレール７２に貯留されたコモンレール圧（数10〜数100MPa）の高圧燃料が常時供給されている。コモンレール７２への燃料圧送は主に高圧ポンプ７８によって行われる。即ち、燃料タンク７４の常圧程度の燃料が燃料フィルタ７５を通じてフィードポンプ７６に吸引され、これにより燃料がフィード管７７を通じて高圧ポンプ７８に送られる。ここで燃料が高圧に加圧され、高圧管７９を通じてコモンレール７２に送られる。インジェクタ１は前述の圧力バランス式コモンレールインジェクタである。よってインジェクタ１内の圧力制御室からリークされた燃料がリーク管８１を通じて燃料タンク７４に戻される。また高圧ポンプ７８は出口圧を制御するための圧力制御部８４を有しているため、高圧ポンプ７８から排出された燃料が戻り管８０を通じて燃料タンク７４に戻されるようになっている。
【００１９】
燃料噴射制御を司る電子制御ユニット（以下ＥＣＵという）８２が設けられ、これはエンジンの運転状態（回転数、負荷等）に応じた所定の駆動パルスをインジェクタ１に送り、インジェクタ１を開閉制御する。またＥＣＵ８２はエンジン運転状態に応じてコモンレール圧をフィードバック制御する。即ち、コモンレール７２にコモンレール圧センサ８３が設けられ、この値に基づきＥＣＵ８２が高圧ポンプ７８の出口圧を制御する。
【００２０】
気筒判別センサ、クランク角センサ、アクセル開度センサ、水温センサ、吸気管内圧センサ等の各種センサ類がＥＣＵ８２に接続され、ＥＣＵ８２はこれらセンサ類からエンジン運転状態に関する情報を読み込めるようになっている。
【００２１】
次に、ここで用いる圧力バランス式コモンレールインジェクタの作動原理を説明する。図４に示すように、インジェクタ１においては、ノズルボディ５１内の穴５２にニードル５３が昇降自在に収容され、これら穴５２とニードル５３との隙間を通じて噴孔５５にコモンレール圧Ｐｃの高圧燃料が導かれる。燃料入口は５６で示される。ニードル５３後端側に圧力制御室５７が設けられ、これは絞り５８を境に噴孔５５側の燃料通路６１と連通状態で仕切られる。圧力制御室５７にはリーク穴５９が設けられ、リーク穴５９の出口が開閉弁６０により開閉される。開閉弁６０は後述するように、図示しない電磁ソレノイド及び弁バネとともにインジェクタ１の電磁弁を構成する。ニードル５３はバネ定数の比較的低いバネ（図示せず）でインジェクタ閉弁方向（下向き）に常時付勢されている。
【００２２】
図４に示す噴孔閉鎖状態では、リーク穴５９が閉じられ、ニードル５３は下方のシート部６２に着座している。このときニードル５３は下向きの燃圧力Ｆ1 と下向きのバネ力Ｆ3 と上向きの燃圧力Ｆ2 とを受けている。下向きを正とするとニードル５３が受ける力ＦはＦ1 ＋Ｆ3 −Ｆ2 である。ここでコモンレール圧をＰｃ、ニードル断面積をＡ1 、シート部断面積をＡ2 とすると、
Ｆ1 ＝Ｐｃ×Ａ1 
Ｆ2 ＝Ｐｃ×（Ａ1 −Ａ2 ）
よってＦ＝Ｆ1 ＋Ｆ3 −Ｆ2 ＝Ｆ3 ＋Ｐｃ×Ａ2 となり、一旦噴孔５５が閉まってしまえば仮にバネ力Ｆ3 がなくても理論的には閉弁が維持される。ただしバネ力Ｆ3 があることでニードル５３の着座即ち閉弁は完全となる。
【００２３】
Ａ2 は微小であり、Ｐｃ×Ａ2 も小さい値である。よってバネ力Ｆ3 がないとすれば、ニードル５３は燃圧でバランスされたいわば浮いた状態に近い。このバランス状態を崩すことによりニードル５３が上昇し燃料噴射が実行されるのである。
【００２４】
この燃料噴射実行中ないし噴孔開放状態を示したのが図５である。このときリーク穴５９が開かれ、圧力制御室５７の燃料がリークされる。絞り５８があるため圧力制御室５７への燃料供給がリークに追いつかず、圧力制御室５７の圧力がコモンレール圧Ｐｃより低圧のＰｌとなる。これによって圧力バランスが崩れ、ニードル５３が上昇し燃料噴射が実行される。この実行中は
Ｆ1 ＝Ｐｌ×Ａ1 
Ｆ2 ＝Ｐｃ×Ａ1 
Ｆ＝Ｆ1 ＋Ｆ3 −Ｆ2 ＝（Ｐｌ−Ｐｃ）×Ａ1 ＋Ｆ3 
となり、Ｆ＜０つまりニードル５３は上昇される。
【００２５】
この状態からリーク穴５９が閉じられると圧力制御室５７がコモンレール圧Ｐｃに復帰する。するとニードル５３は燃圧によっては完全バランスされているが、バネ力Ｆ3 を受けているためこれによって下降する。つまりバネ力Ｆ3 は主にニードル下降に必要となる。ただしその値自体は小さな値で済むのでバネ定数の低いバネが使用できる。こうしてＦが負の値から正の値に転じた時点でニードル５３の下降が開始し、ニードル５３がシート部６２に着座すれば燃料噴射が停止する。
【００２６】
かかる原理に基づくインジェクタの具体的態様を図３に示す。インジェクタ１は、そのノズルボディ３内の穴３ａにニードル４を昇降自在に収容させる。またインジェクタ１は、先の高圧管７３に通ずる燃料入口２からコモンレール圧の燃料を導入し、その高圧燃料を穴３ａとニードル４との隙間を通じて下方の噴孔１６に導く。穴３ａ内では前述の如くニードル４が高圧燃料に浸漬され、いわば浮いた状態となっている。ニードル４はバネ８によって下方即ちインジェクタ閉弁方向に常時付勢される。バネ８はコイルスプリングからなり、ニードル４に固定されたバネ受け５と、穴３ａの段差部６下面との間に圧縮状態で挟まれる。
【００２７】
図１に詳細に示すが、ニードル４の頂面９が小容積の圧力制御室１０に臨まされ、圧力制御室１０には燃料入口２から分岐された入口通路７と絞り通路１４とを通じて高圧燃料が常時導かれる。頂面９付近ではニードル４と穴３ａの隙間がほとんどなく、その隙間を通じた圧力制御室１０への燃料供給は行われない。そこで別系統の入口通路７及び絞り通路１４を設け、ここから圧力制御室１０に燃料供給を行うようにしたものである。よってここでは絞り通路１４が前記絞り５８に相当する。
【００２８】
インジェクタ頂部に電磁弁２０が設けられる。これは電磁弁ボディ３２で区画され、圧力制御室１０のリーク穴１２の出口を開閉する開閉弁１１と、開閉弁１１を閉弁方向に付勢する弁バネ１１ａと、当該バネ力に抗じて開閉弁１１を開弁方向に駆動する電磁ソレノイド８５とから主に構成される。
【００２９】
開閉弁１１の昇降により圧力制御室１０の燃料がリーク穴１２から選択的にリークされ、これによってインジェクタ１が開閉するようになっている。即ち、開閉弁１１は弁バネ１１ａにより常時下方（閉弁方向）に付勢され、通常はリーク穴１２を閉じている。これにより圧力制御室１０がコモンレール圧となり、ニードル４がシート部に着座して噴孔１６を閉じ、噴射停止状態となる。電磁ソレノイド８５が励磁されると開閉弁１１が弁バネ１１ａのバネ力に抗じて上方（開弁方向）に駆動され、リーク穴１２を開く。これにより圧力制御室１０の燃料がリークし、圧力制御室１０が低圧となり、ニードル４が上昇して噴孔１６が開き、燃料噴射が実行される。なおリーク燃料はリーク通路１７を通じて先のリーク管８１に至る。
【００３０】
図１に示すように、開閉弁１１は所謂フラットシートバルブで、円形平板状に形成されると共に電磁弁２０のアーマチュアを兼ねる。開閉弁１１の上方に微小の隙間があり、開閉弁１１が微小ストローク（ 0.1〜0.2mm 程度）だけ昇降できるようになっている。リーク穴１２は弁座部材２１の中心に穿設され、その上端の出口１２ａが絞られる。弁座部材２１はノズルボディ３内に挿入固定されると共に、リーク穴出口１２ａを区画する中心突起２２（本発明の弁シートをなす）と、外周端縁部に位置する外周突起２３とを有する。これら突起２２，２３の上面が同一高さ位置で同一平面をなし、フラットに形成される。これにより開閉弁１１が突起２２，２３の上面に均一に着座ないし面当たりする。こうすることによって開閉弁１１が中心突起２２のみに押しつけられず、開閉弁１１の湾曲、凹み等が防止される。開閉弁１１、弁座部材２１及びニードル４はそれぞれ同軸配置される。なお弁座部材２１とノズルボディ３との間に、開閉弁１１の昇降ストロークを微調節するための調節板３０が介設される。
【００３１】
弁バネ１１ａはコイルスプリングからなり、電磁弁ボディ３２の中心穴３１に挿入されて上下に伸縮可能である。そして開閉弁１１の中心部を直接上方から押圧し、インジェクタ閉弁時に開閉弁１１を上記突起２２，２３の上面（シート面）に押し付ける。
【００３２】
弁バネ１１ａの外周側にこれを囲繞するコイル状の電磁ソレノイド８５が設けられる。電磁ソレノイド８５がＥＣＵ８２によって励磁（ON）されると、開閉弁１１が弁バネ１１ａのバネ力に抗じて上昇する。
【００３３】
ここで、本実施形態では開閉弁１１に付加するバネ力をエンジン運転状態に応じて切り替えられるようになっている。以下その構成について説明する。
【００３４】
まず、弁バネ１１ａの押し付け反力をリーク穴出口１２ａの反対側で支えるバネシート３３が設けられる。バネシート３３は弁バネ１１ａの上方に位置し、弁バネ１１ａに直接当接する。このバネシート３３は上下に移動可能で、その位置を複数位置に切り替えられるようになっている。
【００３５】
即ち、バネシート３３はピストン状に形成され、中心穴３１の上部をなす摺動穴３４内を摺動可能となっている。図は最下位置にあるときを示し、このときバネシート３３はシム３５に当接する。シム３５の高さ寸法ないし厚さを変えることでバネシート３３の最下位置を容易に調節できる。
【００３６】
バネシート３３は上部３６が下部３７より若干大径とされ、これに合わせて摺動穴３４も段差状に形成される。バネシート３３の上部３６と下部３７とに摺動部のシールのためのシール部材たるＯリング３８が設けられる。
【００３７】
バネシート３３の上方に流体室３９が区画形成され、この流体室３９の流体圧力をバネシート３３頂面に選択的に作用させることで、バネシート３３を下降・上昇させるようになっている。ここでは作動流体として圧縮エアが用いられる。
【００３８】
電磁弁ボディ３２の頂部に流体室３９に開口する雌ネジ穴４０が設けられ、これにニップル４１が螺合取付けされている。ニップル４１の露出部分にロックナット４２が螺合締結され、これによってニップル４１が上下位置調節可能に固定される。ここではニップル４１の下端が流体室３９内に若干突出され、バネシート３３の上昇時にこれを当接させてバネシート３３の最上位置を規定するようになっている。
【００３９】
図は流体室３９に圧縮エアが供給されたときの状態を示す。このときバネシート３３は圧縮エアに押されて最下位置に固定されるので、弁バネ１１ａの圧縮ストロークが大きくなり、開閉弁１１には高いバネ力が作用する。逆に流体室３９から圧縮エアが排出されると、バネシート３３が弁バネ１１ａに押されて上昇し、ニップル４１の下端に当接する。よってバネシート３３が最上位置で固定されることになるから、弁バネ１１ａの圧縮ストロークが小さくなり、開閉弁１１には低いバネ力が作用する。
【００４０】
流体室３９に圧縮エアを給排するため、ニップル４１上端部にエア配管４３が接続される。図６に示すようにこのエア配管４３はエアチャンバ４４に接続されてエアの供給を受ける。エア配管４３の途中にＥＣＵ８２によって切り替えられる三方電磁弁４５が設けられる。三方電磁弁４５がONされるとエアチャンバ４４から流体室３９に圧縮エアが供給され、三方電磁弁４５がOFF されると圧縮エアの供給が停止されると共に、流体室３９の圧縮エアが三方電磁弁４５の排気ポートから排出される。エアチャンバ４４への圧縮エアの供給はコンンプレッサ４６によりなされる。４７はエアチャンバ４４の圧力を所定値以下に保持するためのリリーフ弁である。
【００４１】
かかる構成においては、エンジンが高回転・高負荷になるとコモンレール圧が増大される。そしてコモンレール圧が増大すると、リーク穴出口１２ａから開閉弁１１に作用する燃圧が高くなる。そこでこのコモンレール圧の増大に合わせて三方電磁弁４５がONされ、流体室３９に圧縮エアが供給される。こうなると開閉弁１１へのバネ力が高くなるので、インジェクタ１を閉弁している最中、開閉弁１１を中心突起２２に強力に押し付けられ、高燃圧に抗じて燃料リークを確実に防止できる。このときは開閉弁１１にバネ力と反対方向の高燃圧が作用するので、インジェクタが閉弁する瞬間、開閉弁１１の中心突起２２への衝突はそれ程大きくならず、開閉弁１１の変形等耐久性は問題とならない。
【００４２】
他方、エンジンが低回転・低負荷になるとコモンレール圧が減少される。そしてコモンレール圧が減少すると、開閉弁１１に作用する燃圧も低くなる。そこでこのコモンレール圧の減少に合わせて三方電磁弁４５がOFF され、流体室３９の圧縮エアが排出される。こうなると開閉弁１１へのバネ力が低くなり、インジェクタが閉弁する瞬間の開閉弁１１の中心突起２２への衝突を弱めることができる。これによって開閉弁１１や中心突起２２の変形、損傷等を防止でき、耐久性を確保できる。一方、開閉弁１１に作用する燃圧が低いので、バネ力が低く開閉弁１１の押し付けが弱くても、燃圧に十分対抗でき燃料リークの問題はない。
【００４３】
次に他の実施の形態について説明する。なお前記実施形態と同一の構成については図中同一符号を付し説明を省略する。図２に示すようにこの実施形態では、図１の実施形態に比べバネシート３３の上部３６が大径とされ（Ｄ1 ＜Ｄ2 ）、これに合わせて摺動穴３４の上部と流体室３９も拡径されている。上述の説明から分かるように、かかる上部３６は流体圧力（エア圧）を受ける部分で、受圧面積が大きいほど小流体圧力で大きな弁バネ支持力を得られる。よって図１の実施形態でも上部３６を下部３７より大径とし、倍力効果を得るようにしているが、ここではさらに一歩進めて径及び受圧面積の拡大を図っている。これにより図１の実施形態に比べ流体圧力を減少できるようになり、コンプレッサ４６等装置規模の縮小を図れる。なお、バネシート３３の形状変更に伴い、シム３５も平板リング状のものに形状変更されている。
【００４４】
もっとも、図３に略示するが、流体圧力が十分大きければバネシート３３を特段拡径せず一定径とすることは可能である。
【００４５】
このように、本発明ではバネシートの位置を切り替えられるので、開閉弁に与えるバネ力を増減させることができる。よって燃圧（コモンレール圧）の増減に応じてバネ力を増減させることにより、電磁弁シート部の耐久性とシール性とを両立できる。特に低燃圧時にバネ力を減少させることにより、開閉弁に過度のバネ力を与えずに済み、開閉弁の衝突時の衝撃を弱め、開閉弁及び弁シートの変形、損傷を確実に防止できる。
【００４６】
以上、本発明の実施の形態には上述のものに限るものではない。例えばバネシートに作用する流体圧力は油圧でもよい。また本実施形態ではバネシート３３の位置を上下二箇所に切り替えられるようにしたが、さらに複数箇所で切り替えられるようにしてもよい。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば以下の如き優れた効果が発揮される。
【００４８】
(1) 開閉弁に与えるバネ力を増減させることができ、電磁弁シート部の耐久性とシール性とを両立できる。
【００４９】
(2) 低燃圧時に開閉弁の衝突を弱め、開閉弁及び弁シートの変形、損傷を確実に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の要部拡大縦断面図である。
【図２】他の実施形態の要部拡大縦断面図である。
【図３】実施形態に係る圧力バランス式インジェクタの全体を示す縦断面図である。
【図４】実施形態に係る圧力バランス式インジェクタの作動原理を示し、インジェクタ閉弁状態である。
【図５】同開弁状態である。
【図６】コモンレール式燃料噴射装置のシステム図である。
【符号の説明】
１  インジェクタ
１０  圧力制御室
１１  開閉弁
１１ａ  弁バネ
１２  リーク穴
１２ａ  出口
２０  電磁弁
２２  中心突起（弁シート）
３３  バネシート
８５  電磁ソレノイド
【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】
0003815129.tif 000006
【図６】
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