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JP4650395B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

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Description

本発明は、自動車用内燃機関の燃料噴射弁に関し、特に電磁制御弁を用いてノズルニードルを開閉制御する燃料噴射弁に関する。
ディーゼルエンジン用のコモンレール式燃料噴射弁として、従来より、コモンレールからの高圧燃料を噴射ノズルのノズル室に供給するとともに、電磁制御弁を用いてノズルニードルの背圧を増減することで、燃料の噴射と停止とを切替えるものがある(例えば、特許文献1等)。電磁制御弁は、ソレノイドと一体の弁体が収容される弁室と、燃料タンクに連通する低圧燃料排出流路またはコモンレールに連通する高圧燃料導入流路との連通と遮断を切替えることで、ノズルニードル背圧室の圧力すなわちノズルニードルの着座と離座とを制御し、燃料噴射を高度に制御可能としている。
特開2004−251205号公報
一方、ソレノイドを小径化して装置全体を小型にするために、本発明者等により、電磁制御弁により駆動されるもう一つの制御弁を設けてノズルニードル背圧室の圧力を制御する装置が提案されている(特許文献2または特願2006−198007)。この装置では、コモンレールからの高圧燃料が導入される圧力制御室を設け、電磁制御弁が圧力制御室と低圧燃料排出流路の間を開閉すると、もう一つの制御弁の背圧が増減し、ノズルニードル背圧室と低圧燃料排出流路の間を開閉するように構成されている。
特開2006−257874号公報
電磁制御弁のソレノイドを小径化すると、小径化による磁極面積の低下で吸引力も低下するから、その分、弁体に作用するリフト方向の燃料圧力を小さくする必要がある。この構成では、ノズルニードルの応答性は、もう一つの制御弁にて制御されるノズルニードル背圧室の燃料流出速度に依存するから、電磁制御弁の弁体に作用する燃料圧力を小さくするためにシート径を小さくしても、ノズルニードルの応答性に影響を与えることがないという利点がある。
ただし、ソレノイドを小さく構成すると、弁体を閉弁方向に付勢するスプリング力が小さく設定されることになる。この場合、電磁制御弁の弁体やアーマチャの作動が、開閉弁に伴う低圧排出流路の圧力変動の影響を受けやすくなり、噴射量バラツキが生じるおそれがある。その対策として、例えば、特許文献2には、アーマチャ室入口に逆止弁を設けて、圧力制御室やノズルニードル背圧室から流出する燃料による圧力変動がアーマチャ室へ伝播することを抑制する構成例が示されている。
また、アーマチャ室では、アーマチャの作動に伴い燃料中の空気が脱気し、気泡が発生してアーマチャ室上部に滞留すると、電磁制御弁の挙動が不安定になるおそれがある。このため、特願2006−198007では、低圧系を僅かに昇圧させて(例えば0.2MPa程度)、アーマチャ室内が負圧となって空気が脱気しないようにし、燃料圧力で弁体のバウンス抑制を行っている。
ところが、特許文献2の逆止弁は、非常に小型で構成が複雑となり、コスト上昇が避けられない。また、特願2006−198007の構成では、低圧系を昇圧することで気泡の発生は抑制されるが、従来よりもアーマチャの動作が遅れがちとなる。このため、微小噴射量制御のように電磁制御弁を高速で開閉弁することが要求される場合に、制御性が悪化するおそれがある。
本発明はこの実情に鑑みなされたもので、低圧系で発生する圧力変動を抑制して、電磁制御弁の作動を安定化し、かつ高速で開閉弁して応答性を向上させることにより、小型でしかも噴射量制御性に優れた燃料噴射弁を実現することにある。
請求項1記載の発明において、燃料噴射弁は、高圧燃料導入流路から高圧燃料が供給される圧力制御室と、圧力制御室と低圧燃料排出流路との連通および遮断を制御する電磁制御弁と、ノズルニードルが噴孔を開閉して高圧燃料導入流路から供給される高圧燃料を噴射するノズル部とを備えており、電磁制御弁が作動して圧力制御室の圧力を増減させるとノズルニードルが昇降する。
電磁制御弁は、駆動体によって吸引駆動されるアーマチャと、該アーマチャと一体の弁体を有し、弁体が収容される弁室とアーマチャを収容するアーマチャ室は低圧流路によって低圧燃料排出流路に連通される。さらに、アーマチャ室より下流の低圧流路または低圧燃料排出流路の途中には、低圧流路または低圧燃料排出流路を流通する燃料と接触するように配置され燃料圧力により体積を変化させる圧縮弾性体を収容する弾性体収容室が設けられる。
上記弾性体収容室は、上記アーマチャ室の直上位置で上記駆動体の外周側面とボデー部材との間に形成した空間部に上記圧縮弾性体を収容してなり、
上記アーマチャ室の燃料は、上記圧縮弾性体の底面に接して形成される上記低圧流路を経て上記低圧燃料排出経路に排出される。
上記弾性体収容室となる上記空間部を上記駆動体の下端側外周に設け、上記駆動体の上端側外周のボデー部材には、上記駆動体の上端側外周側面に接してこれを熱伝達可能に保持する支持部を設けた。
上記構成において、電磁制御弁の弁体が開弁すると、圧力制御室から燃料が流出して低圧燃料排出流路に排出される。この流出燃料により弁室やアーマチャ室の圧力が変動するが、弾性体収容室に収容される圧力弾性体が、燃料に接触してその圧力に応じて体積を変化させる。これにより低圧系における圧力の変動を抑制することができるので、弁体およびアーマチャの挙動が安定する。従って、逆止弁を設けたり、低圧系を昇圧する必要がなく、小型で簡易な構成であり、しかも噴射量制御性に優れた燃料噴射弁を実現することができる。
具体的には、アーマチャ室の直上に弾性体収容室を形成すると、上記アーマチャ室から低圧燃料流路へ排出される燃料と、圧縮弾性体とを接触させて、圧力変動を抑制する効果を得やすい。また、アーマチャ室から上方へ移動する燃料からの脱気ガスを捕集しやすく、駆動体からの伝熱で圧縮弾性体の温度低下を抑制できるので、ガス状態が安定し、圧縮弾性体によるダンパー効果を効率よく発揮できる。
弾性体収容室が駆動体を完全に囲ってしまうと、駆動体からの放熱が不十分となるおそれがある。そこで弾性体収容室を駆動体の下端側外周のみに設け、駆動体の上端側は基体側へ熱伝達可能な支持部に密接されることで、放熱性を高める。このように駆動体に隣接して、軸方向に弾性体収容室と支持部とを適切に配置することで、圧縮弾性体への伝熱と駆動体の放熱とを両立させることができる。
請求項2記載の発明では、上記圧縮弾性体は、燃料成分中から分離されるガス体である。
圧力制御室から高圧燃料が流出すると、高圧燃料は急激に圧力低下して燃料成分中に溶け込んでいた空気等がガス化し上方へ移動する。このガスを圧縮弾性体としてアーマチャ室下流に設けた空間部に捕集することで、弾性体収容室を形成することができる。
請求項記載の発明では、上記アーマチャ室を上記弁室の直上に配置し、上記弁室の頂面と上記アーマチャ室の底面を連通する低圧流路を設けた。
好適には、アーマチャ室が弁室の直上にあると、弁室で発生した脱気ガスが上方へ移動して、両室を連通する低圧流路からアーマチャ室へ流入しやすくなり、アーマチャ室上方の弾性体収容室に圧縮弾性体となるガス体を効率よく収容することができる。
請求項記載の発明では、
高圧燃料導入流路から高圧燃料が供給される圧力制御室と、
上記圧力制御室と低圧燃料排出流路との連通および遮断を制御する電磁制御弁と、
ノズルニードルが噴孔を開閉して上記高圧燃料導入流路から供給される高圧燃料を噴射するノズル部とを備え、
上記電磁制御弁の作動に伴い上記圧力制御室の圧力が増減して上記ノズル部を駆動する燃料噴射弁であって、
上記電磁制御弁は、駆動体によって吸引駆動されるアーマチャと、該アーマチャと一体の弁体を有し、
上記弁体が収容される弁室と上記アーマチャを収容するアーマチャ室を低圧流路にて上記低圧燃料排出流路に連通させるとともに、上記アーマチャ室より下流の上記低圧流路または上記低圧燃料排出流路の途中に、上記低圧流路または上記低圧燃料排出流路を流通する燃料と接触するように配置され燃料圧力により体積を変化させる圧縮弾性体を収容する弾性体収容室を設け、
上記圧縮弾性体は、燃料成分中から分離されるガス体であり、
上記低圧燃料排出流路を上記電磁制御弁の側方に配置して上記アーマチャ室および上記弁室を接続し、上記アーマチャ室の上方位置において、上記低圧燃料排出流路から上方に分岐させて形成した空間部に上記圧縮弾性体を収容して、上記弾性体収容室とした。
請求項記載の発明では、上記圧縮弾性体は、変形自在な収容バッグに充填されたガス体である。
請求項記載の発明では、収容バッグを複数に分割して、分割されたバッグのそれぞれに上記圧縮弾性体を充填した。
請求項記載の発明では、上記圧力制御室の圧力により作動する油圧式切替弁と、
高圧燃料導入流路から高圧燃料が供給されて上記ノズルニードルの背圧を発生するノズルニードル背圧室とを設け、
上記電磁制御弁が上記圧力制御室の圧力を増減するのに伴い、上記油圧式切替弁が、上記ノズルニードル背圧室と上記低圧燃料排出流路との連通および遮断を切り替える構成とした。
電磁制御弁に加えて、油圧切替弁を設けてノズルニードル背圧室と第1の低圧室の間を開閉する構成とすると、駆動体を小型化することができる。油圧切替弁を開閉する駆動力は油圧によって得られるので、駆動体の駆動力に依存することなく油圧切替弁のリフト量を十分大きく設定することができる。駆動体の駆動力は、スプリング力に抗してアーマチャを吸引し、油圧室と第2の低圧室の間を開閉するための駆動力として足りればよい。従って、小型で噴射性能に優れた燃料噴射弁を実現することができる。
(第1実施形態)
以下、本発明を適用した第1実施形態について図 1、2により説明する。図2は、本発明の燃料噴射弁であるインジェクタIの全体構成を示す図で、例えばコモンレール式の燃料噴射システムを備えたディーゼルエンジンに適用される。図略のコモンレールには高圧サプライポンプにて高圧に加圧された燃料が蓄圧され、インジェクタIの高圧燃料導入口611から高圧燃料導入流路61へ供給される。インジェクタIからのリーク燃料は、低圧燃料排出流路62から図略の燃料タンクへ排出される。インジェクタIは、エンジンの各気筒に1対1に対応して設けられ、図略のECUにより運転状態に応じた最適な噴射量、噴射時期となるように駆動が制御されてコモンレールが供給する燃料を噴射する。
図2に示すように、インジェクタIは、棒状の基体Bを構成するボデー部材として、ノズルボデーB1、ディスタンスピースB2、バルブボデーB3、ホルダB4、バルブボデーB6、およびリテーニングナットB5を有している。ノズルボデーB1、ディスタンスピースB2、バルブボデーB3、およびバルブボデーB6を収容するホルダB4は対向端面で当接しリテーニングナットB5により互いに結合している。基体B内部には種々の凹所や孔が形成されて、各部構成部材が収容されるとともに、燃料の流路が形成される。
インジェクタIは、図中の下端部を、対応する気筒の燃焼室内に突出するノズル部1とする。ノズル部1を構成するノズルボデーB1には、基体Bの軸方向に縦孔111が形成され、これにノズルニードル11が収容されている。ノズルニードル11はその上端部で筒状部材112内に摺動自在に保持されている。縦孔111の図中の下端側底部はノズルボデーB1の先端部に達し、該先端部に形成したノズル室13の室壁を貫通して噴孔12が形成してある。縦孔111はノズルニードル11の摺動部よりも下端側で、ディスタンスピースB2、バルブボデーB3、およびホルダB4に形成された高圧燃料導入流路61と連通している。
高圧燃料導入流路61は、ホルダB4端面に開口する高圧燃料導入口611を介して、コモンレールに連通しており、ノズルニードル11の離座時にはコモンレールから高圧燃料導入流路61に供給される高圧燃料が噴孔12から噴射される。
縦孔111の上端部には、ディスタンスピースB2を上壁とするとともにノズルニードル11の上端部を下壁として、ノズルニードル11の背圧を発生させるノズルニードル背圧室5が形成される。また、ノズルニードル11の外周に配設したコイルスプリング14が常時、ノズルニードル11を着座方向に付勢している。また、ノズルニードル11には高圧燃料導入流路61からの燃料の圧力が離座方向に付勢されており、ニードル背圧室5の圧力が所定の開弁開始圧力以下になったときにノズルニードル11が離座して燃料が噴射され、ニードル背圧室5の圧力が所定の閉弁開始圧力以上になったときにノズルニードル11が着座して燃料噴射が停止するようになっている。
ノズルニードル背圧室5の圧力の高低の切替えは、背圧制御部2によってなされる。背圧制御部2は、駆動体であるソレノイド31にて駆動される電磁制御弁3と、油圧式切替弁4とを有している。電磁制御弁3は、圧力制御室21と低圧燃料排出流路62との連通および遮断を制御し、圧力制御室21の圧力を増減させて油圧式切替弁4を駆動する。電磁制御弁3のソレノイド31周囲には、本発明の特徴部分である弾性体収容室7が形成される。油圧式切替弁4は3方弁構造で、ノズルニードル背圧室5を高圧燃料導入流路61または低圧燃料排出流路62と選択的に連通させ、ノズルニードル背圧を増減させる。背圧制御部2の詳細構造を、図1に拡大して示す。なお、図1では、背圧制御部2の各部や流路構成を説明しやすくするため図2とは一部異なる断面としてある。
図1において、バルブボデーB3には下端部で拡径する縦孔23がインジェクタIの軸方向に形成され、縦孔23の拡径部により第2バルブ室22が形成される。油圧式切替弁4は、棒状の本体部4b下端寄りにくびれ部を有しており、くびれ部よりも上端側が摺動部となって縦孔23に摺動自在に保持されている。くびれ部よりも下端側は第2バルブ室22内に位置して、大径の弁体部4aとなっている。弁体部4aの上端部および下端部はテーパ状に面取りされており、かつ第2バルブ室22の側壁面との間に環状の間隙が形成される大きさとしてある。
バルブボデーB3とニードルボデーB1との間に挟まれ、第2バルブ室22の下壁部を形成するディスタンスピースB2には、インジェクタIの軸方向に貫通する孔が形成されており、第2バルブ室22とニードル背圧室5とを常時、連通する連通路51となっている。連通路51には途中にオリフィス52が形成されている。
バルブボデーB3には、高圧燃料導入流路61から分岐して第2バルブ室22に通じる高圧分岐通路63が形成されている。高圧分岐通路63の先端は油圧式切替弁4のくびれ部位置で縦孔23の側壁面に開口しており、くびれ部外周の環状空間を介して、第2バルブ室22と連通している。油圧式切替弁4の弁体部4aが上方変位すると、弁体部4aの上側テーパ部が第2バルブ室22の段面を上側シートとして着座する。この時、第2バルブ室22と高圧分岐通路63との連通が遮断される。
一方、ディスタンスピースB2には、低圧燃料排出流路62から分岐して第2バルブ室22に通じる低圧分岐通路65が形成されている。低圧分岐通路65は、油圧式切替弁4の弁体部4aの下端面と対向する位置で第2バルブ室22の下壁面に開口しており、この開口端はオリフィスを有する第2排出孔64となっている。弁体部4aが下方変位して第2バルブ室22下壁面の下側シートに着座することにより、第2排出孔64を閉鎖すると、第2バルブ室22と低圧分岐通路65との連通が遮断される。
油圧式切替弁4は、その本体部4bよりも上方の縦孔23内に形成される圧力制御室21の圧力の増減により変位する。また、本体部4b内には、上端側が圧力制御室21に開口し下端側がくびれ部下端位置まで達する縦孔41と、該縦孔41をくびれ部外周の環状空間と常時、連通させる横孔42が形成される。この縦孔41と横孔42とにより、圧力制御室21に、高圧燃料導入流路61から高圧分岐通路63を介して高圧燃料が供給され、油圧式切替弁4の背圧を発生するようになっている。また、油圧式切替弁4は、圧力制御室21に収容されるコイルスプリング24のスプリング力により常時、下方に付勢されている。
圧力制御室21は、連通路66を介して弁室である第1バルブ室34に通じている。連通路66は、縦孔23の頂部からバルブボデーB3の上端面に達して第1バルブ室34の下壁面に開口する小孔により構成され、その開口端は、オリフィスを有する第1排出孔67となっている。第1バルブ室34は、バルブボデーB3と、その上方のバルブボデーB6の下端面に形成した凹所により形成される。第1バルブ室34は、バルブボデーB3側の環状凹所に接続する低圧流路81を介して、低圧燃料排出流路62に常時、連通している。
電磁制御弁3は、ソレノイド31に対向位置するアーマチャ32と、アーマチャ32と一体に変位するバルブニードル36および弁体35を有して、圧力制御室21と第1バルブ室34との連通と遮断を切替える。ソレノイド31は二重筒状のステータの環状空間部にコイルを巻回したもので、コイルに接続されるリード線37(図2参照)を介して通電される。
ソレノイド31の下端に面して設けたアーマチャ室33には、円盤状のアーマチャ32が収容されており、弁部隙間dを介してソレノイド31の磁極面と対向している。ソレノイド31の内周にはコイルスプリング38が収容されて、アーマチャ32と弾接し、アーマチャ32をソレノイド31から離間する方向に付勢している。アーマチャ32の外周部には、複数の貫通孔321が設けられ、アーマチャ32の移動に伴いその上下空間を燃料が流通可能となっている。
バルブボデーB6には、第1バルブ室34の上壁部を貫通して、その直上に位置するアーマチャ室33底面に至る縦孔39が形成されており、この縦孔39にバルブニードル36が摺動自在に保持されている。バルブニードル36は、上端部がアーマチャ室33内に突出して、アーマチャ32の下端面に固定されており、バルブニードル36の下端部は第1バルブ室34内に突出している。
第1バルブ室34内に突出するバルブニードル36下端部は、下端面に設けた凹陥部に半球状の弁体35を保持して一体に変位するようになっている。弁体35は、平坦な下端面が第1バルブ室34の下壁面と第1排出孔67の開口位置で対向している。弁体35が下方変位して第1排出孔67外周縁部のシート面に着座すると、第1排出孔67が閉鎖されて、第1バルブ室34と圧力制御室21との連通が遮断される。弁体35が上方変位して第1排出孔67外周縁部のシート面から離座し、第1排出孔67を開放すると、圧力制御室21の燃料が第1バルブ室34から低圧流路81を経て、低圧燃料排出流路62へ流出する。
バルブボデーB6には、バルブニードル36が摺動する縦孔39の側方に、第1バルブ室34の頂面とアーマチャ室33の底面とを連通する複数の低圧流路82が形成されている。これにより、電磁制御弁3の開弁時に流出する燃料が、第1バルブ室34から低圧流路82を介してアーマチャ室33へも流出可能となる。
また、アーマチャ室33およびソレノイド31の側方には、弾性体収容室7となる空間部71が形成される。空間部71は、ホルダB4の内周面とソレノイド31の下半部外周側面との隙間、およびバルブボデーB6の上端部外周に形成した環状溝との隙間からなる。空間部71は、バルブボデーB6の上端部を切り欠いて形成した低圧流路83によりアーマチャ室33に連通する一方、ソレノイド31の底部側面と対向するホルダB4内周面に開口する低圧流路84により、低圧燃料排出流路62に連通している。これにより、アーマチャ室33は、低圧流路83、空間部71、低圧流路84を介して、低圧燃料排出流路62に常時、連通する。
低圧流路84より上方の空間部71は、圧縮弾性体Gとして、燃料成分中から分離されるガス体を収容する弾性体収容室7となっている。弾性体収容室7は、ホルダB4の内周面とソレノイド31の外周側面との隙間に形成される上方が閉塞された空間で、上方閉塞部位から低圧流路84形成部位までの容積を、弾性体収容室7の容積と定義する。ガス体は、主に燃料中に混入されている空気成分(窒素、酸素)が脱気したもので、その他、水分、燃料成分といった成分がガス化したものを含む多成分気体塊である。これら成分は、電磁制御弁3の開弁に伴う急激な圧力低下によりガス化して燃料から脱離し、流路を上方へ移動して弾性体収容室7に溜まる。弾性体収容室7へは脱気したガスが常時補充されて圧縮弾性体Gを所定容積に維持し、弾性体収容室7の容積を超える気体成分は、低圧流路84から低圧燃料排出流路62へ排出される。
弾性体収容室7の圧縮弾性体Gは、低圧流路84より下方の空間部71を流通する燃料と接触し、その圧力に応じて体積を変化させるダンパー効果を有する。この効果を得るためには、弾性体収容室7の容積(圧縮弾性体Gの体積)が大きい方がよく、ソレノイド31外周に設けることで、所望の容積を容易に確保できる。また、ガスが発生するアーマチャ室33の上方位置に近接して設けるので、脱気したガスが溜まりやすい。
また、ソレノイド31の外周に弾性体収容室7を配置することで、ソレノイド31の熱を隣接する弾性体収容室7の圧縮弾性体Gに伝達し、圧縮弾性体Gを高温に保持する効果が得られる。これにより、圧縮弾性体Gの温度低下で体積が減少することが抑制され、安定したガス状態を維持できる。
この時、弾性体収容室7が、ソレノイド31の外周側面を完全に包囲しないようにして、ソレノイド31から基体Bへの放熱性を確保することが望ましい。本実施形態では、ホルダB4の内周面を、弾性体収容室7の上方において内方に突出させ、ソレノイド31の上端部外周側面に密接してこれを熱伝達可能に保持する支持部B7とする。支持部B7は、ソレノイド31の熱をホルダB4を介して基体B側へ伝達する放熱体として機能し、ソレノイド31が過度に温度上昇するのを抑制する。
このように、ソレノイド31の外周側において、弾性体収容室7と支持部B7とを軸方向にバランスよく配置させることで、ソレノイド31から基体Bへの放熱と、圧縮弾性体Gへの熱伝達の効果を両立させることができる。例えば、ソレノイド31の発熱量は、駆動電流、導線抵抗、駆動時間で決まってくる。その発熱量を表面から放熱するため、その体格に依存する要素が強い。ただし、小型化したソレノイド31においては、表面積が相対的に小さくなるため、好ましくは弾性体の熱伝達よりも、放熱性を優先することが多い。この場合は、弾性体収容室7との接触面積よりも、支持部B7との接触面積が大きい方がより好ましい。
図3(a)は、図 1、2 に示した第1実施形態のインジェクタIの概略構成を示すブロック図で、圧力制御室21と電磁制御弁3が、オリフィスを有する第1排出孔67を介して連通している。電磁制御弁3は、第1バルブ室34が低圧流路81を介して、アーマチャ室33が低圧流路83を介して、それぞれ低圧燃料排出流路62に接続されており、第1バルブ室34とアーマチャ室33は、複数の低圧流路82により連通している(図1参照)。
第1実施形態の弾性体収容室7は、第1バルブ室34の直上に位置するアーマチャ室33下流の、低圧流路83と低圧流路84の間に配置される。弾性体収容室7の圧縮弾性体Gは、低圧流路83から低圧流路84へ向かう燃料Fと接触して圧力変動を吸収する。この構成では、圧力制御室21と第1バルブ室34が連通すると、排出される燃料からの脱気により発生したガス体(圧縮弾性体G)が上方へ移動し、アーマチャ室33の上方に位置する弾性体収容室7に収容される一方、低圧燃料排出流路62への排出経路が2系統あるので、通路面積を確保して燃料を速やかに排出することができ、制御性が向上する。
図3(b)に第2実施形態として示すように、低圧燃料排出流路62への排出経路を1系統とすることもできる。この場合は、第1バルブ室34に続く低圧流路81を省略し、アーマチャ室33側の低圧流路83、84の上方に弾性体収容室7を配置するのがよい。この構成例を図4に示す。図4は、インジェクタIの主要部構成を簡略化して示すもので、全体構成および各部の詳細構造は上記第1実施形態と同様であり、説明を省略する。
図4において、背圧制御部2を構成する電磁制御弁3は、第1バルブ室34が低圧燃料排出流路62へ直接接続されておらず、複数の低圧流路82により連通するアーマチャ室33を介してのみ、低圧燃料排出流路62と連通している。アーマチャ室33の上方には、ソレノイド31の外周に空間部71が形成されて低圧流路84により低圧燃料排出流路62に接続している。空間部71は、低圧流路84の上側を圧縮弾性体が収容される弾性体収容室7としており、その下側の空間を低圧流路83としている。上記第1実施形態では、低圧流路83、84間に空間部71が配設される構成となっているが、このように低圧流路83と一体になっていてもよい。
次に、本発明のインジェクタIの作動と、弾性体収容室7における圧縮弾性体のダンパー効果について、図1、図4〜図6により詳述する。
図4において、ソレノイド31に通電すると、ソレノイド31がアーマチャ32を吸引して、バルブニードル36が上方変位する。すると弁体35が、圧力制御室21から第1バルブ室34への第1排出孔67の燃料圧力を受けて開弁し、圧力制御室21の高圧燃料が、第1排出孔67を経て第1バルブ室34に流出する。流出燃料は、第1バルブ室34の頂面に開口する低圧流路82からアーマチャ室33、弾性体収容室7下方の空間部71(低圧流路83)、低圧流路84を経て、低圧燃料排出流路62に排出される。
ここで、圧力制御室21に供給されるコモンレールの燃料圧力は、例えば200MPaの高圧となっている。この高圧燃料が急激に第1バルブ室34の低圧燃料(例えば0.1MPa)中に噴出すると、圧力の急激な低下により、減圧沸騰やキャビテーションなどが発生し、燃料中から脱気したガスG0(図中●)が発生する。ガスG0は燃料Fとともに低圧燃料排出流路62へ向かうが、燃料Fに比べて比重が小さいために、鉛直方向上方へ移動しやすく、アーマチャ室33から低圧流路83に至ると、より上方へ移動して行き止まりとなる弾性体収容室7に溜まる。このようにして弾性体収容室7には、圧縮弾性体Gが常に充填され、所定容量を超える場合には、底部の低圧流路84から余剰のガスG1(図中○)が、低圧燃料排出流路62に排出される。
この時、圧力制御室21の高圧燃料が排出されることにより、油圧式切替弁4の背圧となる圧力制御室21の圧力が低下する。すると、図1における第2バルブ室22において弁体部4aが下側シートから離座するとともに上方変位して上側シートに着座する。この状態では、弁体部4aが第2バルブ室22と高圧燃料導入流路61との間を遮断して、第2バルブ室22への高圧燃料の供給が禁止されるとともに、第2排出孔64が開放されて、ノズルニードル背圧室5の燃料が、オリフィス52、連通路51、第2バルブ室22、低圧分岐通路65を経て、低圧燃料排出流路62へ流出する。これによりノズルニードル背圧室5の圧力が低下し、開弁圧力以下になるとノズルニードル11がリフトして噴孔12から燃料噴射が開始される。
一方、図5に示すように、ソレノイド31への通電を停止して電磁制御弁3を閉弁すると、アーマチャ32およびバルブニードル36が下方変位し、弁体35が第1排出孔67を閉鎖する(図5左半図)。この時、圧力制御室21と低圧燃料排出流路62の間が遮断されるために、圧力制御室21の燃料圧力が上昇して、図1における油圧式切替弁4が上側シートから離座するとともに下側シートに着座する。この状態では、第2バルブ室22と低圧燃料排出流路62とが遮断されるとともに、高圧燃料導入流路61、高圧分岐通路63、第2バルブ室22、連通路51を経てニードル背圧室5に高圧燃料が供給される。ニードル背圧室5の圧力が上昇し、閉弁圧力以上になると、ノズルニードル11が閉弁して燃料噴射を終了する。
上記構成のインジェクタIは、ニードル背圧室5と低圧燃料排出流路62の連通と遮断の切替えを、油圧駆動の油圧式切替弁4にて制御するので、必要な駆動力を電磁制御弁3のソレノイド31の仕様に依存することなく設定することができ、ソレノイド31の体格を小さくすることができる。ただし、この場合、アーマチャ32を弁体35の閉弁方向に付勢するコイルスプリング38のスプリング力も小さく設定され、電磁制御弁3の作動が外力の影響を受けて不安定となりやすい。
このため、弾性体収容室7を有しない従来構成では、図11に点線で示すように、ECUからの駆動パルスに対して直線性が得られない。これは、図12に示すように、第1バルブ室34およびアーマチャ室33の圧力変動が大きく影響していると考えられる。例えば、電磁制御弁3の開弁時、第1バルブ室34に高圧燃料が急激に噴出すると、第1バルブ室34およびこれに連通するアーマチャ室33の圧力が瞬間的に上昇し(図12の状態A)、弁体35を持ち上げる力が大きくなる。このため状態Aにある間は、所望のタイミングで電磁制御弁3を閉弁できない。その後、低圧流路83、84を通じて燃料が排出され、各室内の圧力が降下すると(図12の状態B)、所望のタイミングで電磁制御弁3を閉弁できるようになる。
この状態A、Bによって駆動パルス幅に対する制御弁開弁時間(噴射量)の直線性が悪くなり、噴射量制御性が悪化する。すなわち、図11のように駆動パルス幅が大きい(噴射量が多い)場合には、直線性が得られるが、駆動パルス幅が小さい(噴射量が少ない)と、電磁制御弁3の降下が遅れ、噴射量が目標値より増加してしまう。なお、図12の状態Aにおいて、圧力上昇のピークが2つあるのは、電磁制御弁3の開弁の後、続いて油圧式切替弁4が第2排出孔64を開放し、ノズルニードル背圧室5の燃料が第2バルブ室22を経て流出し、低圧燃料排出流路62の圧力が上昇することによる。この圧力上昇が低圧流路84を介して連通するアーマチャ室33および第1バルブ室34に伝播するために、アーマチャ32に作用する油圧力が変化し、弁体35の閉弁タイミングにバラツキが生じる。
これに対し、図5右半部に示すように、弾性体収容室7を設けた本発明構成では、状態Aのような瞬間的な圧力上昇を、燃料Fに接触する圧縮弾性体Gのダンパー効果によって抑制する。すなわち電磁制御弁3の開弁時、第1バルブ室34に高圧燃料が流出すると、燃料Fと圧縮弾性体Gの境界面が上昇し、圧縮弾性体Gが圧縮される。しかし、弾性係数は、水(液体)が2.1GPaレベル、空気(気体)が142kPaレベルと、気体の弾性係数が小さいために、圧力上昇は僅かで収まる(図12の状態C)。つまり、開弁により液体量が増加した分を、柔らかい気体の体積減少で補い、液体の圧力上昇を抑えることができる。よって、図11のように、全領域で駆動パルス幅に対する直線性が得られ、噴射量制御性を改善することができる。
図6は、ソレノイド31から圧縮弾性体Gへの伝熱(A)と、ソレノイド31から基体Bを構成するホルダB4への放熱(B)の様子を示す図である。ガス体は一般に温度が低下すると、液化し始める。弾性体収容室7に圧縮弾性体Gを収容した上記構成では、圧縮弾性体Gの体積が減少すると、上述したダンパー効果が低下してしまうおそれがある。そこで、上記第1、2実施形態の構成では、弾性体収容室7をソレノイド31の周方向の側面に隣接して配置している。その結果、ソレノイド31の発熱を圧縮弾性体Gとなるガス体に伝熱(A)させ、ガス体を冷やさずに高い温度に保つことができるので、液化されることを防ぎ、ガス状態を安定化できる。
ただし、ソレノイド31の周囲を完全に覆うと、放熱不足が生じてソレノイド31が損傷するおそれがある。従って、上記第1、2実施形態のように、ホルダB4から延出する支持部B7をソレノイド31の外周側面に接して配置し、支持部B7を介して放熱(B)させる必要がある。このように、軸方向に適切な割合で弾性体収容室7と支持部B7がソレノイド31外周を囲い、伝熱(A)と放熱(B)とをバランスよく行うことで、ソレノイド31の損傷を防止しながら、ダンパー効果を安定して得ることができる。
図7に本発明の参考例である第3形態として示すように、伝熱(A)と放熱(B)とを行う部位を軸方向に配置する代わりに、周方向に交互に配置することもできる。図7は、インジェクタIの主要部である背圧制御部2の構成を簡略化して示すもので、基本的構造は上記第2実施形態と同様であり、説明を省略する。
図7において、アーマチャ室33の上方には、ソレノイド31の外周に空間部71が形成されて低圧流路84により低圧燃料排出流路62に接続している。空間部71は、低圧流路84の上側の部分が周方向に6分割されており、圧縮弾性体が収容される弾性体収容室7と、ソレノイド31の発熱をホルダB4側へ伝熱させる機能とソレノイド31の支持機能を備えた放熱体B8とが、交互に配置される。
支持部となる放熱体B8は、空間部71幅に相当する所定厚さの円弧状ブロック体で、高熱伝導性を有する金属等からなる。放熱体B8は、円弧状の外周面がホルダB4内周面に固定され、円弧状の内周面がソレノイド31の外周側面に密接してソレノイド31を支持しながら、その熱をホルダB4へ放熱させて熱による損傷を防止している。本実施形態では3つの放熱体B8を、ソレノイド31の外周に等間隔で配置し、それらの間に圧縮弾性体Gが収容される3つの弾性体収容室7を形成している。
ホルダB4の上端面には、空間部71の上端部外周に続く環状溝72が設けられ、該環状溝72を介して3つの弾性体収容室7が連通している。弾性体収容室7および放熱体B8の下側の空間は、アーマチャ室33に続く低圧流路83となっている。本実施形態の構成によっても、アーマチャ室33および第1バルブ室34で脱気したガス成分を弾性体収容室7に収容し、低圧流路83に接する圧縮弾性体Gの変形によって、アーマチャ室33および第1バルブ室34の圧力変動を抑制する同様のダンパー効果が得られる。また、放熱体B8がソレノイド31の外周に均等配設されるので、ソレノイド31からの放熱が効率よくなされる。
また周方向に配置する場合、ソレノイド31とボデーB4の接触軸方向長さが長くできるため、ボデーB4の内径とソレノイド31の外径との隙間によるソレノイド31の傾斜(かたぎ)が低減でき、弁部隙間dをより安定して製作できる。
ダンパー効果を得るための弾性体収容室7の容積(圧縮弾性体Gの体積)は、高圧燃料の流出量や圧縮弾性体Gの弾性係数にも依存するが、通常、電磁制御弁3の最大流量以上、例えば、約10mm3 以上とするのがよく、できるだけ大きい方が望ましい。図13は、弾性体収容室7の容積と、圧力変動ピーク値の関係を示す図で(電磁制御弁3流量:10mm3 の場合)、弾性体収容室容積が大きくなるほど圧力変動が抑制され、ダンパー効果が大きくなっていることがわかる。好適には、電磁制御弁3の5倍程度ないしそれ以上で圧力変動ピーク値が大きく低下し、10倍を超えると圧力変動ピーク値は収束に向かい、15倍を超えるとほぼ一定値となる。従って好適には、電磁制御弁3の5倍から10倍程度(約50〜100mm3 程度)の範囲とすると、ソレノイド31周囲の流路構成等に影響を与えることなく、弾性体収容室7を設定でき、効率的にダンパー効果が得られる。
弾性体収容室7の配置は、圧力変動を抑制するという観点からは、できるだけアーマチャ室33に近い方が好ましい。また、電磁制御弁3からの排出流路は2系統ある方が、排出流路断面積が大きくなるので早期に排出でき、圧力変動を抑えやすい。上記第1実施形態の構成は、これらを両立させる構成であるが、上記図3(a)に示したように、第1バルブ室34側の低圧流路81が弾性体収容室7に接続されない。そこで、図3(c)に第実施形態として示すように、弾性体収容室7に第1バルブ室34およびアーマチャ室33の両方が接続されるように構成することもできる。この構成例を図8に示す。図8は、インジェクタIの主要部構成を示すもので、全体構成および各部の詳細構造は上記第1実施形態と同様であり、説明を省略する。
図8において、背圧制御部2を構成する電磁制御弁3は、第1バルブ室34が低圧流路81により低圧燃料排出流路62へ直接接続される一方、複数の低圧流路82によりアーマチャ室33と連通している。アーマチャ室33の上方には、ソレノイド31が配置されるが、その外周側面はホルダB4内周面に密接支持され、これらの間に空間部は形成されない。アーマチャ室33は側壁に開口する低圧流路83と、これに続く低圧流路84を介して低圧燃料排出流路62に接続される。
低圧燃料排出流路62は、第1バルブ室34が低圧流路81により低圧燃料排出流路62へ直接接続される一方、複数の低圧流路82によりアーマチャ室33と連通している。低圧燃料排出流路62は、第1バルブ室34およびアーマチャ室33の側方を軸方向に延び、低圧流路82が接続される位置より上方で分岐して、その一方は、管壁に開口する流出孔68を介して燃料タンクへ至る低圧通路へ接続している。分岐路のもう一方は、分岐点からさらに上方へ延び上端がソレノイド31の上方に達する止まり孔73となっており、その内部空間を圧縮弾性体Gが収容される弾性体収容室7’としている。
圧縮弾性体Gは、上記実施形態と同様、第1バルブ室34に燃料が噴出する際に減圧沸騰やキャビテーションなどにより脱気したガスが溜まったものである。比重の軽いガスは、アーマチャ室33に連通する低圧流路83、84または第1バルブ室34に連通する低圧流路81を介して低圧燃料排出流路62に流出し、さらに上方へ移動して弾性体収容室7’に溜まり気体塊となる。弾性体収容室7’の容積は、止まり孔73の上端から流出孔68までの容積で定義され、所定容量を超える場合には、底部側の流出孔68から低圧燃料排出流路62に排出される。
本実施形態においても、弾性体収容室7’に収容される圧縮弾性体Gが、アーマチャ室33下流の低圧燃料排出流路62を流通する燃料と接触しているので、アーマチャ室33および第1バルブ室34における圧力変動を、圧縮弾性体Gの体積変化によって抑制するダンパー効果が得られる。また、第1バルブ室34が低圧燃料排出流路62に直接連通しており、排出流路面積が大きくできる。さらに、弾性体収容室7’がアーマチャ室33上方の低圧燃料排出流路62からさらに上方に形成されるので、発生したガスが弾性体収容室7’に溜まりやすい。
このように、弾性体収容室7’を低圧燃料排出流路62に形成することもできる。本実施形態の弾性体収容室7’の配置は、弾性体収容室7’がソレノイド31に接触していないので、基体Bが固定されるエンジンヘッド側からの放熱が大きく、弾性体収容室7’内の圧縮弾性体Gを温度低下のおそれが小さい場合や、ソレノイド31の発熱が大きく、ソレノイド31から基体B側のホルダB4への放熱面積を大きく必要がある場合に有効である。
図9に本発明の第5実施形態を示す。本実施形態の基本構成は上記第4実施形態と同様であり、説明を省略する。図9は、インジェクタIの主要部である背圧制御部2の構成を示すもので、基本的構造は上記第3実施形態と同様であり、圧縮弾性体Gを変形自在な弾性体収容袋としての弾性体バッグ9に収容した点で異なっている。以下、相違点を中心に説明する。
本実施形態においても、低圧燃料排出流路62は、第1バルブ室34およびアーマチャ室33の側方を軸方向に延び、低圧流路82が接続される位置より上方で分岐して流出孔68へ接続している。分岐点の上方には上端がソレノイド31の上方に達する低圧燃料排出流路62より大径の止まり孔73’が形成され、その内部空間を圧縮弾性体Gとなるガス体が収容される弾性体収容室7’としている。背圧制御部2を構成する電磁制御弁3は、第1バルブ室34が低圧流路81により低圧燃料排出流路62へ直接接続される一方、複数の低圧流路82によりアーマチャ室33と連通している。
本実施形態において、圧縮弾性体Gは、耐熱性ビニル等からなる袋状の弾性体バッグ9に充填された状態で、弾性体収容室7’内に収容される。圧縮弾性体Gとなるガス体には、空気を用いることが望ましい。弾性体バッグ9に圧縮弾性体Gを充填、密閉し、僅かな内圧を付加した状態で、低圧燃料排出流路62からこれより大径の止まり孔73’に挿入すると、内圧により弾性体バッグ9が弾性体収容室7’内に拡がり、保持固定される。
圧縮弾性体Gを収容する弾性体バッグ9は、その下方の低圧燃料排出流路62を流通する燃料と接触し、燃料圧力に応じて体積が変化することにより、低圧燃料排出流路62の圧力変動を抑制する、同様の効果を有する。また、本実施形態のように弾性体バッグ9を用いる構成では、燃料からの脱気に依存することなく、所定容量の圧縮弾性体Gを弾性体収容室7’内に確保することができるので、安定してダンパー効果を得ることができる。
図10に本発明の第6実施形態として示すように、弾性体バッグ9を、複数に分割して各バッグ91にそれぞれ圧縮弾性体Gを充填する構成としてもよい。複数のバッグ91は、互いに接合されて一体となっており、全体として所定容量の圧縮弾性体Gを弾性体バッグ9に収容する。その他の構成は上記第5実施形態と同様である。
本実施形態の構成によれば、弾性体バッグ9が複数に分割されていることで、変形が容易となり、低圧燃料排出流路62への弾性体バッグ9の挿入性が向上する。
以上のように、本発明によれば、弾性体収容室に収容した圧縮弾性体と、低圧流路または低圧燃料排出流路を流通する燃料とを接触させるので、アーマチャ室および第1バルブ室の圧力変動を抑制し、噴射量制御におけるの直線性を向上させることができる。
本発明の第1実施形態におけるインジェクタの主要部拡大断面図である。 第1実施形態におけるインジェクタの全体構成を示す断面図である。 (a)は第1実施形態のインジェクタの概略構成を示すブロック図、(b)は第2実施形態のインジェクタの概略構成を示すブロック図、(c)は第実施形態のインジェクタの概略構成を示すブロック図である。 本発明の第2実施形態のインジェクタにおける脱気ガスの発生を説明する概略断面図である。 本発明の第2実施形態のインジェクタにおける作動を説明する概略断面図である。 本発明の第2実施形態になるインジェクタにおけるソレノイド伝熱と放熱の状態を説明する概略断面図である。 本発明の参考例である第3形態におけるインジェクタの主要部拡大断面図である。 本発明の第4実施形態におけるインジェクタの主要部拡大断面図である。 本発明の第5実施形態になるインジェクタの主要部拡大断面図である。 本発明の第6実施形態になるインジェクタの主要部拡大断面図である。 本発明の弾性体収容室による噴射量制御性への効果を、弾性体収容室を設けない従来構成と比較して示す図である。 本発明の弾性体収容室によるアーマチャ室および第1バルブ室の圧力変動に対する効果を弾性体収容室を設けない従来構成と比較して示す図である。 本発明の弾性体収容室の容積と圧力変動ピーク値との関係を示す図である。
符号の説明
B 基体
B4 ホルダ(ボデー部材)
B7 支持部
B8 放熱体(支持部)
1 ノズル部
11 ノズルニードル
12 噴孔
2 背圧制御部
21 圧力制御室
22 第2バルブ室
23 縦孔
24 コイルスプリング
3 電磁制御弁
31 ソレノイド(駆動体)
32 アーマチャ
33 アーマチャ室
34 第1バルブ室(弁室)
35 弁体
36 バルブニードル
4 油圧式切替弁
4a 弁体部
4b 本体部
5 ノズルニードル背圧室
51 連通路
61 高圧燃料導入流路
62 低圧燃料排出流路
63 高圧分岐通路
64 第2排出孔
65 低圧分岐通路
66 連通路
67 第1排出孔
71 空間部
7、7’ 弾性体収容室
81〜84 低圧流路
9 弾性体バッグ(弾性体収容袋)
G 圧縮弾性体

Claims (7)

  1. 高圧燃料導入流路から高圧燃料が供給される圧力制御室と、
    上記圧力制御室と低圧燃料排出流路との連通および遮断を制御する電磁制御弁と、
    ノズルニードルが噴孔を開閉して上記高圧燃料導入流路から供給される高圧燃料を噴射するノズル部とを備え、
    上記電磁制御弁の作動に伴い上記圧力制御室の圧力が増減して上記ノズル部を駆動する燃料噴射弁であって、
    上記電磁制御弁は、駆動体によって吸引駆動されるアーマチャと、該アーマチャと一体の弁体を有し、
    上記弁体が収容される弁室と上記アーマチャを収容するアーマチャ室を低圧流路にて上記低圧燃料排出流路に連通させるとともに、上記アーマチャ室より下流の上記低圧流路または上記低圧燃料排出流路の途中に、上記低圧流路または上記低圧燃料排出流路を流通する燃料と接触するように配置され燃料圧力により体積を変化させる圧縮弾性体を収容する弾性体収容室を設け、
    上記弾性体収容室は、上記アーマチャ室の直上位置で上記駆動体の外周側面とボデー部材との間に形成した空間部に上記圧縮弾性体を収容してなり、上記アーマチャ室の燃料は、上記圧縮弾性体の底面に接して形成される上記低圧流路を経て上記低圧燃料排出経路に排出されるとともに、上記弾性体収容室となる上記空間部を上記駆動体の下端側外周に設け、上記駆動体の上端側外周のボデー部材には、上記駆動体の上端側外周側面に接してこれを熱伝達可能に保持する支持部を設けたことを特徴とする燃料噴射弁。
  2. 上記圧縮弾性体は、燃料成分中から分離されるガス体である請求項1記載の燃料噴射弁。
  3. 上記アーマチャ室を上記弁室の直上に配置し、上記弁室の頂面と上記アーマチャ室の底面を連通する低圧流路を設けた請求項1または2記載の燃料噴射弁。
  4. 高圧燃料導入流路から高圧燃料が供給される圧力制御室と、
    上記圧力制御室と低圧燃料排出流路との連通および遮断を制御する電磁制御弁と
    ノズルニードルが噴孔を開閉して上記高圧燃料導入流路から供給される高圧燃料を噴射するノズル部とを備え、
    上記電磁制御弁の作動に伴い上記圧力制御室の圧力が増減して上記ノズル部を駆動する燃料噴射弁であって、
    上記電磁制御弁は、駆動体によって吸引駆動されるアーマチャと、該アーマチャと一体の弁体を有し、
    上記弁体が収容される弁室と上記アーマチャを収容するアーマチャ室を低圧流路にて上記低圧燃料排出流路に連通させるとともに、上記アーマチャ室より下流の上記低圧流路または上記低圧燃料排出流路の途中に、上記低圧流路または上記低圧燃料排出流路を流通する燃料と接触するように配置され燃料圧力により体積を変化させる圧縮弾性体を収容する弾性体収容室を設け、
    上記圧縮弾性体は、燃料成分中から分離されるガス体であり、
    上記低圧燃料排出流路を上記電磁制御弁の側方に配置して上記アーマチャ室および上記弁室を接続し、上記アーマチャ室の上方位置において、上記低圧燃料排出流路から上方に分岐させて形成した空間部に上記圧縮弾性体を収容して、上記弾性体収容室としたことを特徴とする燃料噴射弁。
  5. 上記圧縮弾性体は、変形自在な弾性体収容袋に充填されたガス体である請求項1ないし4のいずれか記載の燃料噴射弁。
  6. 上記弾性体収容袋を複数に分割して、分割された弾性体収容袋のそれぞれに上記圧縮弾性体を充填した請求項5記載の燃料噴射弁。
  7. 上記圧力制御室の圧力により作動する油圧式切替弁と、
    高圧燃料導入流路から高圧燃料が供給されて上記ノズルニードルの背圧を発生するノズルニードル背圧室とを設け、
    上記電磁制御弁が上記圧力制御室の圧力を増減するのに伴い、上記油圧式切替弁が、上記ノズルニードル背圧室と上記低圧燃料排出流路との連通および遮断を切り替える構成とした請求項1ないし6のいずれか記載の燃料噴射弁。
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