JP2003293898A - 燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電素子の伸縮をてこを介して弁体を駆動さ
せるものにおいて、作動環境に係わらず圧電素子の微小
変位を伝達可能な燃料噴射装置を提供する。 【解決手段】 内燃機関に装着されるハウジング１０
と、ハウジング１０の縦穴１０ｂ内に保持され、電気信
号により伸縮する変位発生部材２０と、変位発生部材２
０で発生する変位を受けて弁体３０を駆動する駆動伝達
部５０とを備え、駆動伝達部５０は、変位発生部材２０
に当接可能な第１の部位５１ａと、弁体３０に当接可能
な第２の部位５１ｂとを有し、第１の部位５１ａと第２
の部位５１ｂとを離間させることでその変位を拡大する
レバー５１を設けるとともに、レバー５１の支点となる
第３の部位５１ｃ側に、第１の部位５１ａと変位発生部
材２０、および第２の部位５１ｂと弁体３０を当接させ
る変位調整部５２を設けている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料噴射装置に関
し、特に燃料噴射装置の駆動源として用いられる圧電素
子を備えた燃料噴射装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料噴射装置としては、例えばデーゼル
機関用燃料噴射システムとしてのコモンレール式燃料噴
射装置において、コモンレールに蓄圧した高圧燃料を、
電気的信号により伸縮する圧電素子の変位動作を利用し
て３方弁または２方弁の弁体を駆動することで、内燃機
関の燃焼室に噴射供給するものが知られている。

【０００３】この種の燃料噴射装置は、図３に示すよう
に、上記弁体３３０と圧電素子（以下、ピエゾアクチュ
エータと呼ぶ）３２０との間にレバー等のてこ（以下、
レバーと呼ぶ）３５１を備えたものがある（フランス国
特許公開ＦＲ２７９９３１８号公報）。フランス国特許
公開ＦＲ２７９９３１８号公報によれば、このレバーを
介してピエゾアクチュエータの伸縮による変位を弁体に
伝達する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の構成では、ピエ
ゾアクチュエータ、弁体、レバー等の構成部材は、多種
の材料が用いられ、高温、高圧下の作動環境で使用され
ている。それら構成部材の物性値（詳しくは、例えば熱
膨張係数）に応じて部材ごとに温度変化による伸縮の変
化が生じ、結果として部材間で変位差が生じる。場合に
よっては、ピエゾアクチュエータの伸縮によって噴射燃
料を制御する制御動作時には、大きな変位ロスとなる可
能性があり、弁体を駆動する駆動ロスが生じるおそれが
ある。

【０００５】この対策として、構成部材間の物性値が略
同一になるように構成部材の材料を選定する方法が考え
られる。すなわちそれぞれの固有機能（例えば、電気信
号に応じて伸縮する材料であること、変位伝達部材（レ
バー）として耐磨耗性に優れている材料であること等）
を有する部材の物性値を限りなく近づけることでその変
位差を小さくことが考えられるが、ピエゾアクチュエー
タにおける設計狙い通りの微小な変位に対して、駆動ロ
スなく、レバーおよび弁体が追従できる追従性を得るこ
とは難しいという問題がある。

【０００６】本発明は、このような事情を考慮してなさ
れたものであり、したがってその目的は、圧電素子の伸
縮を利用しレバー等のてこを介して弁体を駆動させて燃
料噴射させるものにおいて、作動環境に係わらず圧電素
子の微小変位を伝達可能な燃料噴射装置を提供すること
にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１によれ
ば、内燃機関に燃料を噴射するための燃料噴射装置であ
って、内燃機関に装着されるハウジングと、このハウジ
ングの上端面に開口する縦穴に収容されるとともに、そ
の縦穴の上端開口部に締結される固定部材によって縦穴
内に保持され、電気信号により軸方向に伸縮する変位発
生部材と、そのハウジングの下部内に配され、変位発生
部材で発生する変位を受けて噴孔の開閉を行なう弁体を
駆動する駆動伝達部とを備え、駆動伝達部は、変位発生
部材に当接可能な第１の部位と、弁体に当接可能な第２
の部位とを有し、第１の部位と第２の部位とが径方向に
離間されていることでその変位を拡大する変位拡大レバ
ーが設けられているとともに、変位拡大レバーの支点と
なる第３の部位側に、第１の部位と変位発生部材、およ
び第２の部位と弁体をそれぞれ当接させる変位調整部が
設けられている。

【０００８】これにより、電気信号により軸方向に伸縮
する変位発生部材の変位を変位拡大レバーを介して弁体
に伝達する際に、変位発生部材、弁体および変位拡大レ
バー間の材料の物性値に違いがあることあるいはそれら
物性値が同一でなく略同じであることで、温度変化等に
よる変位差が生じたとしても、変位拡大レバーを変位発
生部材および弁体のそれぞれに当接させるための変位調
整部を、変位拡大レバーの支点に設けるので、変位差を
吸収することが可能である。したがって、作動環境に係
わらず、電気信号により伸縮する変位発生部材つまり圧
電素子の微小変位を、伝達ロスなく、伝達することが可
能である。

【０００９】上記変位拡大レバーは、本発明の請求項２
に記載するように、湾曲状に形成されている。

【００１０】これにより、例えば軸方向に湾曲する湾曲
状に形成された変位拡大レバーにおいて、第１の部位も
しくは第２の部位が湾曲状の湾曲面に起因して、変位発
生部材、弁体に対して湾曲すなわち曲面で当接すること
が可能である。このため、変位発生部材、弁体との当接
状態の安定化が図れるとともに、上記変位調整部に支点
を介して当接することで、部材間の物性値差による変位
差が吸収されるので、変位発生部材の微小変位に対し
て、駆動ロスなく、レバーおよび弁体が追従できる追従
性の向上を図る構成として好適である。

【００１１】本発明の請求項３によれば、変位調整部
は、第３の部位に当接可能なピストン部材と、ピストン
部材を第３の部位側に付勢する付勢スプリングとを備え
ている。

【００１２】第３の部位に当接可能なピストン部材と、
ピストン部材を第３の部位側に付勢する付勢スプリング
とを備えるので、変位拡大レバーの支点である第３の部
位が温度変化等によって変位したとしても、変位調整部
は第３の部位に確実に当接することができる。

【００１３】本発明の請求項４によれば、ピストン部材
は、ハウジングに形成された収容孔に摺動自在に支承さ
れており、ピストン部材と収容孔との隙間は、所定の微
小な離間距離に形成されている。

【００１４】これにより、弁体を駆動させるため、変位
発生部材つまり圧電素子を作動させて変位拡大レバーを
移動させる際において、支点である第３の部位は、付勢
スプリングによる付勢力、およびピストン部材と収容孔
との隙間を所定の微小な離間距離に形成することで生じ
るいわゆるダンパ効果によるピストン部材の抵抗力とに
よって安定化が図れる。したがって、変位発生部材の微
小変位に対して、駆動ロスなく、レバーおよび弁体が追
従できる追従性の向上が可能である。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の燃料噴射装置を、具体化
した実施形態を図１および図２に従って説明する。図１
は、本発明の実施形態の燃料噴射装置の概略構成を表す
模式的断面図であって、いわゆる圧電素子の伸縮による
変位動作を利用して燃料噴射を行なうものの構成を表す
断面図である。図２は、図１中の変位調整部の周りを示
す断面図である。

【００１６】図１に示すように、燃料噴射装置１は、内
燃機関に搭載され、内燃機関の燃焼室（図示せず）に燃
料を噴射供給するものであって、内燃機関に装着される
ハウジング１０と、ハウジング１０の上端面１０ａに開
口する縦穴１０ｂに収容されるとともに、この縦穴１０
ｂの上端開口部１０ｃに締結される固定部材１５によっ
て縦穴１０ｂ内に保持され、電気信号により軸方向に伸
縮する変位発生部材（以下、ピエゾアクチュエータと呼
ぶ）２０と、ハウジング１０の下部１１内に配され、変
位発生部材２０で発生する変位を受けて噴孔（図示せ
ず）の開閉を行なう弁体３０を駆動する駆動伝達部５０
とを備えている。なお、この駆動伝達部５０は、電気信
号により伸縮するピエゾアクチュエータ２０の微小な変
位を、噴孔から内燃機関へ噴射供給する燃料の噴射、噴
射停止を行なう弁体３０の上下移動量に変換するため、
その微小変位を弁体３０の上下移動量に拡大させる変位
拡大手段である。

【００１７】ピエゾアクチュエータ２０は、電気信号、
詳しくは電圧の印加または解除により伸縮するいわゆる
積層型圧電素子（ピエゾスタック）であって、両面に電
極を形成した円板状の圧電体を積層してなり、各圧電体
の正電極および負電極は、それぞれ積層体の側面に塗布
形成した側面電極（図示せず）を介して、外部の電源供
給装置から電気信号を受けるための外部接続部としての
コネクタ部（図示せず）に電気的に接続されている。な
お、積層型圧電素子２０の外周には絶縁部材等が配設さ
れて、後述のハウジング１０（詳しくは、縦穴１０ｂ）
との間の絶縁を確保している。なお、電気信号によって
伸縮するピエゾアクチュエータ２０の変位量は、積層さ
れる圧電体の積層数に応じて、同一の入力される電気信
号に対し増減可能である。

【００１８】ハウジング１０は、略円柱状で、中心軸に
対して同軸または変心する縦穴１０ｂ内に、上記ピエゾ
アクチュエータ２０が挿入固定されている。すなわちピ
エゾアクチュエータ２０の軸を中心軸とする略円柱状体
が内燃機関に搭載されていてもよいし、弁体３０の軸を
中心軸とする略円柱状体が内燃機関に搭載されるもので
あってもよい。 なお、略円柱状体の先端側は、内燃機
関の燃焼室へ燃料噴射できるように、噴孔が配設される
弁部が設けられており、弁体３０の上下移動に基づいて
弁部の開閉が行なわれるように弁部等を収容する収容部
材をないしている。すなわち、例えばハウジング１０内
に収容する弁体３０については、図１に示すように、ハ
ウジング１０の下部１１内に、弁体３０を図１の上下方
向に摺動自在に支承する摺動孔１１ａが形成されてい
る。

【００１９】なお、本実施形態で説明するハウジング１
０は、弁体３０の軸を中心軸とする略円柱状体に形成さ
れ、内燃機関に搭載されるものとして説明する。

【００２０】さらになお、以上説明する本発明の燃料噴
射装置を適用する装置は、以下、高圧燃料を蓄圧するコ
モンレールを備えたいわゆるコモンレール式燃料噴射シ
ステムにおいて、内燃機関の各気筒に設けられ、コモン
レールに蓄圧された高圧燃料をその気筒の燃焼室に噴射
供給するインジェクタ１として説明する。

【００２１】ここで、上記ハウジング１０は、鋳造物等
で一体成形される部材からなるものに限らず、別部材を
組合わせてピエゾアクチュエータ２０を縦穴１０ｂに挿
入固定してもよい。すなわち、ハウジング１０は、別部
材としての、下部１１と、下部１１に形成された有底孔
１１ｂに挿入組付け可能で、縦穴１０ｂが形成される円
筒部材１２と、円筒部材１２を下部１１へ組付固定する
ための螺合部材１３とを備える構成であってもよい。以
下、本実施形態で説明するハウジング１０は、下部１
１、円筒部材１２、および螺合部材１３とを備え、これ
ら部材を組付けることで形成されるものとして説明す
る。

【００２２】ここで、本発明の特徴である圧電素子（詳
しくは、ピエゾアクチュエータ２０）の伸縮を利用し、
レバー等のてこを介して弁体３０を駆動させて燃料噴射
させるものにおいて、作動環境に係わらず圧電素子の微
小変位を伝達可能な構成について、以下説明する。

【００２３】図１に示すように、ピエゾアクチュエータ
２０と弁体３０との間には、ピエゾアクチュエータ２０
の微小な変位を弁体３０の上下移動量に変換するため、
その微小変位をその上下移動量に拡大させる変位拡大手
段としての駆動伝達部５０が設けられている。この駆動
伝達部５０は、支点からそれぞれの作用点までの距離Ｌ
に応じて変位量を変えるいわゆるてことしてのレバー５
１と、レバー５１の支点に当接する変位調整部５２とを
備えている。

【００２４】レバー（以下、変位拡大レバーと呼ぶ）５
１は、略湾曲状に形成されており、図１に示に示すよう
に軸方向に湾曲して湾曲状に形成されている。この変位
拡大レバー５１のピエゾアクチュエータ２０側に当接す
る部位（以下、第１の部位と呼ぶ）５１ａは、てこの原
理を利用する支点としての部位（以下、第３の部位）５
１ｃとの距離Ｌ１に比べて、弁体３０側に当接する部位
（以下、第１の部位と呼ぶ）５１ｂの距離Ｌ２が、変位
拡大レバー５１の湾曲形状に起因して、大きくなってい
る（Ｌ１＜Ｌ２）。これにより、電気信号により生じる
ピエゾアクチュエータ２０の変位ｆを、変位拡大レバー
５１における第２の部位５１ｂと第１の部位５１ａの距
離Ｌの比（以下、レバー比と呼ぶ）Ｌ２／Ｌ１に応じて
拡大でき、よって、レバー比Ｌ２／Ｌ１に比例する弁体
３０の変位Ｆに変換できる（図１参照）。

【００２５】さらに、湾曲状に形成された変位拡大レバ
ー５１を湾曲状に形成するので、ピエゾアクチュエータ
２０側の当接部、弁体３０側の当接部に対して、変位拡
大レバー５１の第１の部位５１ａ、第２の部位５１ｂ
が、それぞれ湾曲面つまり曲面で当接することが可能で
ある。このため、ピエゾアクチュエータ２０側の当接
部、弁体３０側の当接部に対して変位拡大レバー５１の
当接状態の安定化が図れる。

【００２６】なお、この湾曲状に形成された変位拡大レ
バー５１の外周側には、変位拡大レバー５１がピエゾア
クチュエータ２０の伸縮に対して第３の部位５１ｃを支
点として可動可能な範囲で、ガイド穴１１ｃが設けられ
ていることが望ましい。これにより、少なくとも第３の
部位（支点）のずれを防止できるので、さらに上記当接
状態の安定化が図れる。

【００２７】ここで、内燃機関に搭載され、内燃機関
（詳しくは、燃焼室）に高圧燃料を噴射供給する燃料噴
射装置１は、一般に、内燃機関の運転時、高温、高圧下
の作動環境で使用される。このため、燃料噴射装置１の
構成部材は、運転状態の変化つまり温度変化する環境で
使用されと、構成部材ごとの物性値（詳しくは、熱膨張
係数）に応じてそれぞれ温度変化による伸縮の変化が生
じ、結果として部材間で変位差が生じることがある。つ
まり、駆動伝達部５０において、変位拡大レバー５１の
各部位５１ａ、５１ｂ、５１ｃに当接可能に配置さてい
るピエゾアクチュエータ２０側の当接部、弁体３０側の
当接部、およびハウジング１０（詳しくは、駆動伝達部
５０が配置される下部１１）の当接部が、ピエゾアクチ
ュエータ２０、弁体３０、およびハウジング１０の熱膨
張係数に応じて伸縮する。この結果、伸縮による部材２
０、３０、１０間の変位差により、第１の部位５１ａと
ピエゾアクチュエータ２０側の当接部との間に隙間が発
生するおそれがある（図１参照）。この結果、ピエゾア
クチュエータ２０の微小な変位ｆに対して、弁体３０の
移動量Ｆが隙間δ分伝達ロスを生じて低下する。

【００２８】これに対して、本発明の実施形態では、変
位拡大レバー５１の支点である第３の部位５１ｃ側に
は、変位調整部５２が設けられている。この変位調整部
５２は、第３の部位５１ｃに当接可能なピストン部材５
２ａと、ピストン部材５２ａを第３の部位５１ｃ側に付
勢する付勢スプリング５２ｂと、ピストン部材５２ａ、
付勢スプリング５２ｂを収容する収容孔５２ｃとから構
成されている。なお、このピストン部材５２ａは、収容
孔５２ｃに摺動自在に支承されている。

【００２９】これにより、変位調整部５２は、上記隙間
δが生じているとき、付勢スプリング５２ｂの付勢力に
よって第３の部位５１ｃを上方に移動させることができ
るので、第１の部位５１ａとピエゾアクチュエータ２０
側の当接部とを再当接させ、結果として隙間δを解消で
きる。詳しくは、上記隙間δが発生すると、変位拡大レ
バー５１は、第２の部位５１ｂを支点として、第３の部
位５１ｃを、ピストン部材５２ａを介して付勢スプリン
グ５２ｂの付勢力によって左回転する。このとき、湾曲
形状の変位拡大レバー５１にある第３の部位５１ａは、
第２の部位５１ｂを支点とする左回転により、図１に示
す上方に移動ができ、よって発生した隙間δを消失させ
ることができる。

【００３０】これにより、ピエゾアクチュエータ２０の
微小変位、つまり圧電素子の微小変位を、伝達ロスな
く、伝達することが可能である。

【００３１】したがって、燃料噴射装置１が搭載される
内燃機関の運転状態が変化、つまり燃料噴射装置１の使
用環境が変化しても、圧電素子の微小変位を、伝達ロス
なく、伝達することが可能である。

【００３２】なお、上記ピストン部材５２ａと収容孔５
２ｃとの隙間γは、所定の微小な離間距離（例えば１０
〜３０μｍ）に形成されていることが望ましい（図２参
照）。

【００３３】これにより、ピストン部材５２ａの位置
（詳しくは、軸方向の位置）を移動させようとする外力
が、ピストン部材５２ａに作用するとき、ピストン部材
５２ａと収容孔５２ｂとで区画される空間に溜まってい
る液体が所定微小隙間γを通じて排出しにくくなり（以
下、ダンパ効果と呼ぶ）、このダンパ効果によって、ピ
ストン部材５２ａを移動させようとする方向に抵抗する
現象を生じさせる（以下、抵抗力と呼ぶ）ことが可能で
ある。

【００３４】したがって、弁体３０を駆動させるため、
ピエゾアクチュエータ２０を作動させて変位拡大レバー
５１を移動させる際において、支点である第３の部位５
１ｃは、付勢スプリング５２ｃによる付勢力、および所
定微小隙間γによるダンパ効果によって発生するピスト
ン部材の抵抗力とで対抗することができるので、ピエゾ
アクチュエータ２０の微小変位に対して、駆動ロスな
く、変位拡大レバー５１および弁体３０が追従できる追
従性の向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の燃料噴射装置の概略構成を
表す模式的断面図であって、いわゆる圧電素子の伸縮に
よる変位動作を利用して燃料噴射を行なうものの構成を
表す断面図である。

【図２】図１中の変位調整部の周りを示す断面図であ
る。

【図３】従来の燃料噴射装置の概略構成を表す模式的断
面図であって、いわゆる圧電素子の伸縮による変位動作
を利用して燃料噴射を行なうものの構成を表す断面図で
ある。

【符号の説明】

１ 燃料噴射装置（インジェクタ） １０ ハウジング １０ａ 上端面 １０ｂ 縦穴 １０ｃ 上端開口部 １１ （ハウジング１０の）下部 １１ａ 摺動孔 １１ｂ 有底孔 １１ｃ ガイド穴 １２ 円筒部材 １３ 螺合部材 １５ 固定部材 ２０ （電気信号により伸縮する）変位発生部材（圧電
素子、ピエゾアクチュエータ） ３０ 弁体 ５０ 駆動伝達部 ５１ 変位拡大レバー ５１ａ （ピエゾアクチュエータ２０側に当接可能な）
第１の部位 ５１ｂ （弁体３０側に当接可能な）第２の部位 ５１ｃ （支点としての）第３の部位 ５２ 変位調整部 ５２ａ ピストン部材 ５２ｂ 付勢スプリング ５２ｃ 収容孔 ｆ （ピエゾアクチュエータ２０の）変位 Ｆ （弁体３０の）移動量 δ （ピエゾアクチュエータ２０側当接部と第１の部位
５１ａとの）隙間 γ （ピストン部材５２ａと収容孔５２ｃとの間の）隙
間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｒ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関に燃料を噴射するための燃料噴
   射装置であって、 前記内燃機関に装着されるハウジングと、 前記ハウジングの上端面に開口する縦穴に収容されると
   ともに、前記縦穴の上端開口部に締結される固定部材に
   よって前記縦穴内に保持され、電気信号により軸方向に
   伸縮する変位発生部材と、 前記ハウジングの下部内に配され、前記変位発生部材で
   発生する変位を受けて噴孔の開閉を行なう弁体を駆動す
   る駆動伝達部とを備え、 前記駆動伝達部は、前記変位発生部材に当接可能な第１
   の部位と、前記弁体に当接可能な第２の部位とを有し、
   前記第１の部位と前記第２の部位とが径方向に離間され
   ていることで前記変位を拡大する変位拡大レバーが設け
   られているとともに、前記変位拡大レバーの支点となる
   第３の部位側に、前記第１の部位と前記変位発生部材、
   および前記第２の部位と前記弁体をそれぞれ当接させる
   変位調整部が設けられていることを特徴とする燃料噴射
   装置。
2. 【請求項２】 前記変位拡大レバーは、湾曲状に形成さ
   れていることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射装
   置。
3. 【請求項３】 前記変位調整部は、前記第３の部位に当
   接可能なピストン部材と、前記ピストン部材を前記第３
   の部位側に付勢する付勢スプリングとを備えていること
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料噴射
   装置。
4. 【請求項４】 前記ピストン部材は、前記ハウジングに
   形成された収容孔に摺動自在に支承されており、 前記ピストン部材と前記収容孔との隙間は、所定の微小
   な離間距離に形成されていることを特徴とする請求項１
   から請求項３のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。