JP2002202028A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料噴射弁のノズルニードルを駆動するアク
チュエータの軸がノズルニードルに対し偏心している構
成において、アクチュエータおよびアクチュエータの変
位を伝達する駆動力伝達系の作動を損なう外力の発生を
防止し、燃料噴射弁の作動の安定性を確保する。 【解決手段】 燃料噴射弁Ｖは、圧電アクチュエータ１
の変位を、大径ピストン２と、作動流体を充填した変位
拡大室３と、小径ピストン４を介して、ノズルニードル
７の背圧室７１の圧力を増減する３方弁５に伝達する。
圧電アクチュエータ１の軸と、噴孔７３を開閉するノズ
ルニードル７の軸は偏心しており、さらに、変位拡大室
３の上端側に大径ピストン２をアクチュエータ１と同軸
に配置する。変位拡大室３の下端側には小径ピストン４
を３方弁５およびノズルニードル７と同軸に配置する。
大小ピストン２、４を偏心させることで、小径ピストン
４の作動の安定性を保持し、高圧通路６２の壁厚も確保
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の燃料噴
射弁に関する。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジン等に高圧燃料を噴射
する燃料噴射弁は、アクチュエータによってノズルニー
ドルを駆動することにより高圧通路に連通する噴孔を開
閉する構成となっている。かかる燃料噴射弁において、
最近の燃料噴射圧の高圧化に伴い、高圧通路のストレス
が増大しており、高圧通路外周に十分な強度を確保する
必要が生じている。この要求に答えるものとして、例え
ば、米国特許第５８２００３３号、特開平１１−３５１
０９８号公報等に開示されるように、アクチュエータの
軸を、燃料噴射弁全体の中心軸と一致するノズルニード
ルの軸から偏心させたものがある。このような構造で
は、アクチュエータの偏心によって、これら部材を収容
する本体ハウジングのアクチュエータ側方に、広いスペ
ースが生まれるので、ここに高圧通路を配置すれば、通
路壁を厚くして強度を高めることが可能である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一方、圧電素子または
磁歪素子を変位発生源とするアクチュエータを用いるこ
とが検討されている。しかしながら、上記のようにアク
チュエータを偏心させて配置する構造の燃料噴射弁に適
用する場合には、以下のような問題がある。

【０００４】例えば、圧電または磁歪アクチュエータを
用いる場合、アクチュエータを大型化することなく必要
な変位量を得るために、アクチュエータと一体に変位す
る大径のピストン部材と、制御弁を駆動する小径のピス
トン部材の間に、作動油を充填した変位拡大室を配し、
大径のピストン部材の変位を、変位拡大室および小径の
ピストン部材にて増幅して伝達するようにしたものがあ
る。制御弁は、ノズルニードルの背圧と高圧側ないし低
圧側との連通を切換えて、ノズルニードルの昇降を制御
するものである。

【０００５】ここで、アクチュエータをノズルニードル
に対して偏心させるために、例えば、変位を拡大するた
めの大径のピストン部材、変位拡大室、小径のピストン
部材をアクチュエータと同軸に配置し、一方、制御弁の
弁体はノズルニードルと同軸となるように配置したとす
る。ところが、この構成では、制御弁の弁体を駆動する
小径のピストン部材が、弁体の軸と偏心して接触するこ
とになるため、弁体駆動時の反力によって小径のピスト
ン部材にモーメントが発生し、これによって小径のピス
トン部材が摺動壁面に対してこじれを起こす懸念があ
る。このような事態が発生した場合、制御弁の弁体を駆
動する駆動力伝達系の確実なる作動が得られず、燃料噴
射弁の安定なる作動を確保することが困難になる。

【０００６】また、高圧化の進むエンジンの燃焼圧に耐
えるため、燃料噴射弁をエンジンにクランプさせる際の
クランプ力が大きくなっている。この時、圧電または磁
歪アクチュエータは曲げ強度が小さいため、そのクラン
プ方向を考えないと、アクチュエータ等に歪みが生じる
おそれがある。特に、アクチュエータの軸が偏心してい
るものは、クランプさせる時の作用力がどのようにアク
チュエータに作用するかを考慮する必要がある。これが
適切になされないと、クランプによる歪みがアクチュエ
ータ等に作用し、ひいては燃料噴射弁の安定なる作動が
損なわれるおそれがある。

【０００７】本発明は上記実情に鑑み、燃料噴射弁のノ
ズルニードルを駆動するアクチュエータの軸がノズルニ
ードルに対し偏心している構成において、アクチュエー
タおよびアクチュエータの変位を伝達する駆動力伝達系
の作動を損なう外力の発生を防止し、燃料噴射弁の作動
の安定性を確保することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１の燃料噴射弁
は、圧電あるいは磁歪アクチュエータと、該アクチュエ
ータによって駆動されて噴孔を開閉するノズルニードル
を有し、上記アクチュエータの軸と上記ノズルニードル
の軸は偏心している。また、上記アクチュエータの変位
を、大径の第１のピストン部材と、作動流体を充填した
変位拡大室と、小径の第２のピストン部材とを介して、
上記ノズルニードルの背圧室の圧力を増減する制御弁に
伝達する構成としており、かつ上記変位拡大室の一端側
に上記第１のピストン部材を上記アクチュエータと同軸
に配置するとともに、上記変位拡大室の他端側に上記第
２のピストン部材を上記制御弁と同軸にかつ上記第１の
ピストン部材に対し偏心させて配置したものである。

【０００９】上記構成によれば、上記小径の第２のピス
トン部材を上記制御弁と同軸に配置したので、制御弁の
弁体の駆動時の反力によって上記第２のピストン部材に
モーメントが発生し、こじれを起こすのを防止できる。
上記アクチュエータと一体に駆動する上記第１のピスト
ン部材は上記アクチュエータと同軸とする。よって、上
記制御弁の弁体を駆動する駆動力伝達系が良好に作動
し、燃料噴射弁の作動安定性が確保できる。

【００１０】請求項２の燃料噴射弁は、上記第１のピス
トン部材と上記第２のピストン部材の偏心量をｅ、上記
第１のピストン部材の直径をＤ、上記第２のピストン部
材の直径をｄとした時に、２ｅ＞Ｄ−ｄの関係を満足す
るようにこれらの値を設定する。

【００１１】上記関係を満たす時、すなわち偏心量ｅ
が、上記第１のピストン部材の直径Ｄと上記第２のピス
トン部材の直径ｄの差の１／２よりも大きいと、上記第
２のピストン部材の外周縁の一部が上記第１のピストン
部材の外周縁より外側に位置する。この時、上記第１の
ピストン部材のシリンダ壁が上記第１のピストン部材の
上方への移動を規制するストッパとして機能するので、
上記第２のピストン部材の振動等が抑制され、燃料噴射
の安定性がより向上する。

【００１２】請求項３の燃料噴射弁は、圧電あるいは磁
歪アクチュエータと、該アクチュエータによって駆動さ
れて噴孔を開閉するノズルニードルを有し、上記アクチ
ュエータと上記ノズルニードルの中心軸が偏心している
同様の構成において、上記アクチュエータを収容する本
体ハウジングを、上記アクチュエータの軸および上記ノ
ズルニードルの軸に直交して両軸心を結ぶ直線に対して
線対称な位置にある２点にて、内燃機関にクランプした
ことを特徴とするものである。

【００１３】上記構成のように、燃料噴射弁の本体ハウ
ジングをクランプすると、線対称の２点が作用点となる
ために、上記アクチュエータには曲げ力が働かない、と
いう効果を奏する。従って、上記アクチュエータ等に歪
みが生じるおそれがなく、燃料噴射弁の安定した作動を
確実に得ることができる。

【００１４】請求項４の燃料噴射弁は、上記アクチュエ
ータを収容する本体ハウジング内に、上記アクチュエー
タと略平行に延びて上記噴孔に燃料を供給する高圧通路
を設けるとともに、該高圧通路の軸心と、上記アクチュ
エータおよび上記ノズルニードルの両軸心とを略同一線
上に配置したものである。

【００１５】上記アクチュエータを上記ノズルニードル
に対し偏心させることで、本体ハウジング内にスペース
が形成されて、高圧通路の形成が容易になる。さらに、
上記高圧通路と上記アクチュエータおよび上記ノズルニ
ードルを、軸心が略同一線上に並ぶように配置すると、
上記高圧通路の外周壁を十分に取ることができ、外周の
強度を確保することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の燃料噴射弁をディ
ーゼルエンジンのコモンレール噴射システムに適用した
第１の実施の形態について説明する。図１（ａ）は本発
明の主要部断面図、図２は燃料噴射弁Ｖのエンジンヘッ
ドへの取付け構造を示すものである。図１（ａ）におい
て、燃料噴射弁Ｖは、圧電アクチュエータ１が収容され
る本体ハウジングＨ１を有し、その下端に、流路形成部
材Ｈ２、Ｈ３を介してノズルボディＨ４を配設し、リテ
ーナＨ５で油密に固定してなる。ハウジングＨ１内に
は、上下方向に燃料供給用の高圧通路６２が形成され、
図２のようにハウジングＨ１上側部に突設した燃料導入
管６３を介して、外部のコモンレール（図略）に連通し
ている。ハウジングＨ１上側部には、また、燃料導出管
６５が突設され、燃料導出管６５から流出する燃料は、
燃料タンク（図略）へ戻される。

【００１７】ハウジングＨ１は略円柱状で、図１（ａ）
のように、中心軸に対し偏心して縦穴６１が設けられ、
該縦穴６１内に、上記圧電アクチュエータ１が脱着可能
に挿通配設されている。縦穴６１は、高圧通路６２の側
方に平行に設けられ、縦穴６１と圧電アクチュエータ１
の間に形成される隙間は、上記燃料導出管６５に連通す
るドレーン通路６４となっている。圧電アクチュエータ
１は、薄肉の金属管１１内に収容されるピエゾスタック
１２と、ピエゾスタック１２と一体に上下動するロッド
部材１３、ロッド部材１３によって駆動されるプレート
状の変位伝達部材１４を有し、ロッド部材１３周りに
は、金属管１１下端に連続するベローズ１５が延出して
変位伝達部材１４の外周に接続している。ベローズ１５
は、駆動部材１３の変位に追従して上下方向に伸縮する
ことにより変位伝達部１４を変位可能となすとともに、
ピエゾスタック１２への予荷重を与える。

【００１８】ピエゾスタック１２は、金属管１１の上端
に固定されるコネクタ部１６（図２参照）によって外部
の制御装置と電気的に接続され、また、外周に配設した
絶縁部材（図略）によって金属管１１との間の絶縁を確
保している。圧電アクチュエータ１は、例えば、コネク
タ部１６の外周に配したリテーニングナットを締め付け
ることによって縦穴６１の上端に固定され、縦穴６１の
上端開口部は、コネクタ部との間に介設されるリング状
のシム（図略）にてシールされる。また、このシムによ
り圧電アクチュエータ１の取付け高さの調整を行ってい
る。

【００１９】圧電アクチュエータ１の変位伝達部材１４
の変位は、ロッド２１を介して第１のピストン部材であ
る大径ピストン２に伝達される。大径ピストン２の下方
には、変位拡大室３、第２のピストン部材である小径ピ
ストン４が設けられ、小径ピストン４によって、制御弁
である３方弁５の弁体５１を駆動するようになしてい
る。大径ピストン２は、ハウジングＨ１に縦穴６１と同
軸的に連続して設けられたシリンダＳ内に、小径ピスト
ン４は、ハウジングＨ１の中心軸と同軸的に流路形成部
材Ｈ２に設けたシリンダ６６内に、それぞれ摺動自在に
配設される。これらシリンダＳ、６６は連続的に、かつ
偏心させて設けられ、その連結部に形成される空間に作
動流体としての燃料を充填することにより、変位拡大室
３が形成される。変位拡大室３は、変位拡大室３は、圧
電アクチュエータ１の変位を油圧変換し、大小ピストン
２、４の径差によって拡大して、小径ピストン４に伝達
する。なお、大径ピストン２は、ロッド２１周りに設け
たスプリング２８によってアクチュエータ１側に付勢さ
れている。

【００２０】大径ピストン２の下端側には、逆止弁２２
が設けられている。逆止弁２２は、プレート状の弁体２
４と、弁体２４を大径ピストン２側に付勢する皿ばね２
５と、これらを保持する逆止弁ホルダ２６からなり、弁
体２４は、大径ピストン２内に設けられドレーン通路６
４に連通する低圧通路２３を開閉する。逆止弁ホルダ２
６は、中央に逆止弁ホルダ２６内空間と変位拡大室３を
連通させる貫通穴２７を有し、燃料リーク等により、変
位拡大室３内の圧力が低下した時に、弁体２４を開弁さ
せて、低圧通路２３から逆止弁ホルダ２６内空間、貫通
穴２７を介して変位拡大室３へ燃料を補充する。これに
より、変位拡大室３内の圧力低下による気泡の発生等を
防止することができる。

【００２１】３方弁５の弁体５１は小径ピストン４の軸
線上に位置し、小径ピストン４の円錐状の先端部に当接
している。３方弁５は、小径ピストン４によって駆動さ
れて、ノズルニードル７の背圧室７１への連通路５２
を、高圧通路６２に連通する高圧通路５３またはドレー
ン通路６４に連通する低圧通路５４に選択的に連通させ
ることにより、背圧室７１の圧力を増減する。ノズルニ
ードル７は、ノズルボディＨ４の中心軸と同軸的に設け
られるシリンダ内に摺動自在に配置され、ノズルボディ
Ｈ４先端の噴孔７３を開閉する。

【００２２】通路７２は、３方弁５を介さずに高圧通路
６２と背圧室７１を連通させる高圧通路で、高圧通路６
２から高圧通路５３へ至る通路の途中に、オリフィスを
介して連通している。この通路により、高圧通路６２と
背圧室７１が常時連通するため、噴射開始時は、背圧室
７１の圧力低下を緩和し、ノズルニードル７を緩やかに
開弁させる。一方、噴射終了時は、圧力を直ちに上昇さ
せて、ノズルニードル７を迅速に閉弁させる効果があ
る。

【００２３】ここで、好適には、図１（ｂ）のように、
シリンダ６６の外周縁の一部がシリンダＳの外周縁より
も外側に位置するように、大径ピストン２と小径ピスト
ン４の偏心量ｅ（すなわちシリンダＳ、６６の偏心量）
を設定するのがよい。具体的には、大径ピストン２直径
をＤ、小径ピストン４直径をｄとした時に、２ｅ＞Ｄ−
ｄの関係を満足するようにこれら値を設定すると、図１
（ａ）のように、小径ピストン４の上方にストッパ６７
が形成される。このストッパ６７は、小径ピストン４の
上方への移動を規制し、振動等を抑制するので燃料噴射
の安定性がより向上する。また、この時、シリンダＳ、
６６の接続部の開口面積６８が、シリンダ６６の断面積
よりも小さいため、この開口部を燃料が流通することに
よるダンパ効果で振動抑止効果が向上する。

【００２４】なお、本実施の形態では、逆止弁ホルダ２
６は、変位拡大室３内（シリンダＳの下端部内）に遊嵌
されている。このようにすると、大径ピストン２に追従
して逆止弁ホルダ２６が上昇しないので、小径ピストン
４の変位に伴い貫通穴２７内を燃料が流通し、ダンパ部
として機能させることができる。

【００２５】上記構成において、圧電アクチュエータ１
が通電パルスの入力により伸長すると、その変位が大径
ピストン２に伝えられ、変位拡大室３の燃料圧力を利用
して変位を拡大して小径ピストン４に伝える。拡大され
た変位量で小径ピストン４が下降すると、弁体５１が下
降して低圧流路５４が開放され、背圧室７１内の燃料が
３方弁５からドレーン通路６４に流出する。これによ
り、背圧室７１内の圧力が低下してノズルニードル７が
上昇し、燃料が噴射される。一方、通電を終了して、圧
電アクチュエータ１を収縮させると、大径ピストン２が
上昇するのに伴い、小径ピストン４が上昇する。次いで
弁体５１が高圧通路５３の燃料圧で上昇して、背圧室７
１に高圧通路６２から高圧燃料が流入し、ノズルニード
ル７が下降して、燃料噴射を停止する。

【００２６】上記構成では、ハウジングＨ１内に、圧電
アクチュエータ１をノズルニードル７に対し偏心させて
設けたので、圧電アクチュエータ１の側方に、高圧通路
６２を形成するための十分な空間が確保できる。この
時、図３に示すように、高圧通路６２を、ノズルニード
ル７の軸心を挟んで圧電アクチュエータ１と反対側にな
るように、さらに、高圧通路６２の軸心と圧電アクチュ
エータ１の軸心（すなわち大径ピストン２の軸心）およ
びノズルニードル７の軸心（すなわち小径ピストン４の
軸心）が同一直線（共通中心線ａ）上に並ぶように配置
するとより好ましい。これにより、高圧通路６２の外周
壁を十分に取ることができ、外周の強度を確保すること
ができる。

【００２７】また、本発明では、圧電アクチュエータ１
とロッド２１および大径ピストン２を同軸に設け、小径
ピストン４を、３方弁５の弁体５１およびノズルニード
ル７と同軸に設けたので、弁体５１の駆動時の反力によ
って小径ピストン４にモーメントが発生し、こじれを起
こすのを防止できる。よって、弁体５１を駆動する駆動
力伝達系が良好に作動し、燃料噴射弁Ｖの作動安定性が
確保できる。また、小径ピストン４をノズルニードル７
に対し偏心させず、ハウジングＨ１と別体の流路形成部
材Ｈ２に設けたので、加工の難しい偏心穴（縦穴６１お
よびシリンダＳ）の形成が比較的容易になる。

【００２８】上記構成の燃料噴射弁Ｖのエンジンヘッド
９への取付けは、図２のように、クランプ８によってな
される。クランプ８は、図３のように、略矩形の金属板
の左半部を二股フォーク状に切り欠いてなり、これを、
燃料噴射弁ＶのハウジングＨ１外壁に平行に設けた一対
の切り欠き部１７、１８に図の右方から外挿して、ハウ
ジングＨ１を挟み込んでいる。また、クランプ８は、右
半部の中央に挿通したボルト８１によってエンジンヘッ
ド９方向に押付け固定され、右端下方に突出する縦壁８
２底面がエンジンヘッド９上面に当接する（図２）。こ
の時、ボルト８１は、上述した共通中心線ａ上に位置す
る。なお、図２中、９１はエンジン燃焼室、９２はエン
ジンヘッドの取付け穴と燃料噴射弁Ｖの間に配設される
ガスケットである。

【００２９】クランプ８にはてこの原理が利用されてお
り、ボルト８１が力点、切り欠き部１７、１８が作用点
であり、ボルト８１に対して切り欠き部１７、１８の反
対側、図２の縦壁８２に支点が設けられる。ここで、本
実施の形態では、燃料噴射弁Ｖの切り欠き部１７、１８
を、大径ピストン２、小径ピストン４、高圧通路６２の
軸に直交して両軸心を結ぶ直線（共通中心線ａ）に対し
て線対称な２箇所に設ける。このようにすると、線対称
の２点が作用点となるために、アクチュエータ１には曲
げ力が作用しない。従って、曲げ強度が小さい圧電アク
チュエータ１を用いた場合でも、歪み等が生じるおそれ
がなく、燃料噴射弁Ｖを安定して作動させることができ
る。

【００３０】上記実施の形態では、圧電アクチュエータ
を用いたが、これに限るものではなく、同様に通電によ
り変位を発生する磁歪素子を用いた磁歪アクチュエータ
を用いてもよい。また、制御弁として３方弁を用いる必
要はなく、他の方式でノズルニードルを開閉させる構成
でもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の第１の実施の形態における燃
料噴射弁の主要部断面図、（ｂ）はその要部拡大図であ
る。

【図２】第１の実施の形態の燃料噴射弁のエンジンヘッ
ドへの取付け構造を示す概略図である。

【図３】図２のＡ−Ａ線断面図である。

【符号の説明】

Ｖ 燃料噴射弁 Ｈ１ ハウジング １ 圧電アクチュエータ １７、１８ 切り欠き部 ２ 大径ピストン（第１のピストン部材） ３ 変位拡大室 ４ 小径ピストン（第２のピストン部材） ５ ３方弁（制御弁） ５１ 弁体 ６１ 縦穴 ６２ 高圧通路 ６４ ドレーン通路 ７ ノズルニードル ７１ 背圧室 ７３ 噴孔 ８ クランプ ９ エンジンヘッド（内燃機関）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3G066 AA07 AB02 AC09 AD07 BA46 BA51 BA65 CC01 CC06T CC06U CC08T CC08U CC14 CD30 CE12 CE16 CE27 CE34 CE35

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電あるいは磁歪アクチュエータと、該
   アクチュエータによって駆動されて噴孔を開閉するノズ
   ルニードルを有し、上記アクチュエータの軸と上記ノズ
   ルニードルの軸が偏心している内燃機関の燃料噴射弁に
   おいて、上記アクチュエータの変位を、大径の第１のピ
   ストン部材と、作動流体を充填した変位拡大室と、小径
   の第２のピストン部材とを介して、上記ノズルニードル
   の背圧室の圧力を増減する制御弁に伝達する構成とし、
   上記変位拡大室の一端側に上記第１のピストン部材を上
   記アクチュエータと同軸に配置するとともに、上記変位
   拡大室の他端側に上記第２のピストン部材を上記制御弁
   と同軸にかつ上記第１のピストン部材に対し偏心させて
   配置したことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 【請求項２】 上記第１のピストン部材と上記第２のピ
   ストン部材の偏心量をｅ、上記第１のピストン部材の直
   径をＤ、上記第２のピストン部材の直径をｄとした時
   に、２ｅ＞Ｄ−ｄの関係を満足するようにこれらの値を
   設定する請求項１記載の燃料噴射弁。
3. 【請求項３】 圧電あるいは磁歪アクチュエータと、該
   アクチュエータによって駆動されて噴孔を開閉するノズ
   ルニードルを有し、上記アクチュエータの軸と上記ノズ
   ルニードルの軸が偏心している内燃機関の燃料噴射弁に
   おいて、上記アクチュエータを収容する本体ハウジング
   が、上記アクチュエータの軸および上記ノズルニードル
   の軸に直交して両軸心を結ぶ直線に対して線対称な位置
   にある２点にて、内燃機関にクランプされることを特徴
   とする燃料噴射弁。
4. 【請求項４】 上記アクチュエータを収容する本体ハウ
   ジングに、上記噴孔に燃料を供給する高圧通路を設け
   て、該高圧通路の軸心と、上記アクチュエータの軸心お
   よび上記ノズルニードルの軸心とを、略同一線上に配置
   した請求項１ないし３のいずれか記載の燃料噴射弁。