JP2006037945A - コモンレール用インジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】 ディーゼルエンジンのコモンレール式インジェクタに使用される油圧伝達装置の全長を短くし、インジェクタをコンパクトな構造とする。
【解決手段】 インジェクタ１のピエゾアクチュエータの変位を伝達する油圧伝達装置６１を、ピエゾピストン６２とバルブピストン６４とで構成する。ピエゾピストン６２を上端閉鎖の筒状としてその内周にバルブピストン６４を摺動自在に配置し、両ピストンで囲まれる空間を油密室６３とする。摺動部を重ねることで摺動長を確保しつつ装置の全長を短縮できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射装置に用いられるインジェクタに関する。

ディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射装置では、各気筒に共通のレールを設けて高圧燃料を蓄圧し、所定のタイミングでインジェクタを駆動して各気筒に所定量の燃料を噴射するようになっている。コモンレール用のインジェクタとしては、ピエゾアクチュエータを駆動部に用いたピエゾインジェクタがあり、応答性が良いことから高度な燃料噴射制御が期待されている。ここで、ピエゾインジェクタの駆動部は、通常、ピエゾアクチュエータの変位を油圧を介して伝達する油圧伝達装置を備えている。

油圧伝達装置を備えるインジェクタの従来技術として、例えば特許文献１〜３が知られている。
特開２００２−１１５６１７号公報 米国特許出願公開第２００２−０１０４９７６号明細書 米国特許出願公開第２００３−０１５５５４０号明細書

ピエゾインジェクタは、一般に、ノズルニードルの背圧を制御弁で制御する構成となっている。ところが、ピエゾアクチュエータは収納部材との熱膨張率の差が大きいため、制御弁と直接結合することはできない。そのため、ピエゾアクチュエータ側部材から制御弁側部材に動力を伝達させる際に、油密伝達装置が用いられる。油圧伝達装置は、ピエゾアクチュエータと一体に変位するピエゾ側の第１ピストンと制御弁の弁体を駆動するバルブ側の第２ピストンを有し、シリンダ内に直列に配設した第１、第２ピストンの間に油密室を設けている。制御弁は、ノズルニードルに背圧を作用させる制御室と低圧通路の間を開閉し、ピエゾアクチュエータに通電しない状態では、低圧通路を閉鎖する位置にある。この時、制御室は、高圧通路と連通して高圧となっており、ノズルニードルが噴孔を閉鎖している。

ピエゾアクチュエータに通電すると第１ピストンがピエゾアクチュエータと一体に変位し、油密室の圧力を上昇させる。これに伴って第２ピストンが制御弁の弁体を押し下げ、低圧通路を開放すると、制御室の圧力が降下し、ノズルニードルがリフトして燃料が噴射される。このように、油圧を介在させることで、構成部材間で異なる熱変形量を油密室への燃料流入・燃料リークにより吸収して良好な伝達性能を維持できる利点がある。また、特許文献１〜３のように、第１ピストンを大径とし、第２ピストンを小径とすると、両ピストンの受圧面積比に応じて変位を拡大して伝達することができる。

しかしながら、上記従来の構成では、第１ピストン、第２ピストンともにある程度の摺動長を必要とするため、油圧伝達装置の軸方向長が長くなる。その結果、ピエゾアクチュエータを用いるインジェクタの全長が長くなってしまうという問題が生じている。

そこで、本発明の目的は、ディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射装置に使用されるインジェクタにおいて、ピエゾアクチュエータ等の変位を伝達する際の摺動長を確保しつつ、変位伝達装置の全長ひいてはインジェクタの全長を短くして、全体をコンパクトな構造とすることにある。

請求項１のコモンレール用インジェクタは、ノズルニードルに閉弁方向の圧力を作用させる制御室と低圧通路との間を制御弁で開閉することにより、制御室の圧力を増減させる。制御弁の弁体を駆動する駆動部は、通電により変位を発生するアクチュエータと、このアクチュエータと一体にシリンダ内を摺動する第１ピストンと、弁体を駆動する第２ピストンと、両ピストン間に形成される油密室を有する。第１ピストンは上端閉鎖の筒状に形成され、この筒状部内に第２ピストンを上下方向に摺動自在に挿置して、筒状部内周面と第２ピストン端面とで囲まれる空間に作動油を充填し、油密室を構成する。

上記構成によれば、第１ピストンの筒状部内に第２ピストンを収容し、摺動範囲が重なるように構成したので、ピエゾアクチュエータ等の変位時に、各ピストンの摺動長を確保したまま、装置の軸方向長を短くできる。従って、第１、第２ピストンを一直線上に配置した従来構造に比べて油圧伝達装置の長さが短くなるので、インジェクタの全長を短くしコンパクトな構造とすることができる。

請求項２の発明のように、インジェクタボデーに穿設した縦穴にてシリンダを形成すれば、その内周面に案内されて第１ピストンが安定して上下方向に変位することができる。

請求項３の発明のように、第１ピストンの上端部および下端部にガイド部となる大径部を設け、該ガイド部がシリンダの内周面に案内される構成とすれば、インジェクタボデーが曲がったりした場合でも摺動性を確保できる。

請求項４の発明のように、第１ピストンの下端側にリング形状バネを配置して上向きの荷重を負荷し、ピエゾアクチュエータ等にプリセット力を与える構成とすることができる。この位置にバネを配置することにより、セット長の設定が容易になる。

請求項５の発明のように、リング形状バネを単独直列一枚、もしくは直列ないし並列あるいはその両方を用いた各種組み合わせによる複数枚の皿バネとし、その外径側端縁部が第１ピストンの下端面に当接するように配置すると、変位による内外周の摩擦をなくすことができる。

請求項６の発明のように、第１ピストンの下端側に第２ピストンの摺動径より小さいリング部材を設け、リング形状バネを単独直列一枚、もしくは直列ないし並列あるいはその両方を用いた各種組み合わせによる複数枚の皿バネとしてその内径側端縁部が、リング部材の下端面に当接するように配置してもよい。この時、リング形状バネの外径を大きくすることができ、バネ定数を小さくできる。また、組付けが容易かつ変位時の荷重変動を抑制できる。

請求項７の発明のように、リング形状バネに代えて、上記アクチュエータのプリセット力となる上向きの荷重を負荷するスリットスプリングを配置することもでき、第１ピストンの外周側の空間を利用して容易に設置できる。

請求項８の発明のように、上記第１ピストンの上端外周部に、上記スリットスプリングの上端側を支持する座面を形成すれば、スリットスプリングの設置が容易であり、該座面を介してアクチュエータにプリセット力を付与することができる。

請求項９の発明のように、上記第２ピストンの下端部外周に、上記スリットスプリングの下端側を支持する座面をなすリング状部材を配設すると、スリットスプリングの高さ調節が容易にできる。

請求項１０の発明のように、上記リング状部材を、上記シリンダ内空間と上記低圧通路の間を遮断するように配設すると、制御弁からのリークが駆動部へ流入するのを抑制し、油密室へのエアの混入やキャビテーション・エロージョンの発生を防止できる。

請求項１１の発明のように、第２ピストンの上端側または外周、例えば油密室内にバネ部材を配設すると、簡素な構造で第２ピストンを制御弁の弁体側に付勢することができる。

請求項１２の発明のように、第２ピストンの上端部に凹部を設けてその内部に容積低減部材を収容し、バネ部材をコイルスプリングとして容積低減部材の周囲に配置すると、構造が簡素かつ油密室容積を低減でき、駆動力伝達効率を向上できる。

請求項１３の発明のように、油密室と低圧通路の間に逆止弁を設け、油密室へのみ作動油の流入を許容するようにすると、作動時の摺動部からの漏れを容易に補給することができる。

請求項１４の発明のように、逆止弁がバネ部材を有しない構成とすると、油密室容積を低減でき、駆動力伝達効率を大きくできる。

請求項１５の発明のように、第１ピストンの上端側に密接配置したプレート状の逆止弁部材と、第１ピストンとの衝合部に、弁体を収容する室を形成し、低圧通路および油密室を連通させて逆止弁を構成することができ、構造が簡素にできる。

請求項１６の発明のように、逆止弁部材の下端面と第１ピストンの上端面を、互いに押し付けられて平面で接触する構成とすると、圧入、接合等の工程が不要になる。

請求項１７の発明のように、逆止弁部材の下端面と第１ピストンの上端面の押し付け力が、上記アクチュエータにプリセット力を付与するバネ部材によって与えられるようにすると、特別に押付部材を配置する必要がない。

請求項１８の発明のように、逆止弁部材とアクチュエータの接触端面が、凸球面と凹円錐面あるいは平面とを組み合わせて構成すると、位置ずれ吸収部材を兼ねることにより部品点数を低減できる。

請求項１９の発明のように、逆止弁部材の下端面に設けた凹部と第１ピストンの上端面とで弁体が収容される室を形成し、凹部と弁体によって逆止弁リフト量が決定されるようにすると、逆止弁構造が簡易になり、リフト量の調節が容易である。

請求項２０の発明のように、逆止弁は、弁体が収容される室と低圧通路を連通する通路を、油密室の圧力上昇で弁体が上端位置に移動した時に閉鎖される室の天井面に開口させる一方、室と油密室を連通する通路を、油密室の圧力低下で弁体が下端位置に移動した時に閉鎖されない室の底面に開口させると、逆止弁構造が簡易になり、バネ部材が不要である。

請求項２１の発明のように、第１ピストンの閉鎖端部と筒状部とを別部材にて構成すると、閉鎖端側の筒部内の加工が容易になり、安価に製造できる。

請求項２２の発明のように、アクチュエータとして応答性が高いピエゾアクチュエータを用いると、コンパクトで高性能なコモンレール用インジェクタが実現できる。

以下、図面に基づいて本発明の第１の実施形態を説明する。図１は第１の実施形態におけるインジェクタ１構成を示す図で、ディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射装置への適用例として説明する。エンジンの各気筒に対応して設けられるインジェクタ１は（ここではそのうち１つのみを示す）、コモンレールから燃料（ここでは軽油）の供給を受けるようになっている。コモンレールには高圧サプライポンプにより圧送される燃料が噴射圧力に相当する所定の高圧で蓄えられる。

図中、インジェクタ１は、上半部をピエゾアクチュエータ６を有する駆動部１０１とし、制御弁としての制御弁部１０２を用いて、ノズルニードル５を有するノズル部１０３を駆動し、燃料噴射を行なう。インジェクタ１は、図略の燃焼室壁に取付けられ、上記各部１０１〜１０３の構成部品が収納されるインジェクタボデーを構成するボデー部材Ｂ１〜Ｂ４内には、燃料導入口１１にて図略のコモンレールに連通する高圧通路１２、燃料導出口１４にて図略の燃料タンクへ連通する低圧通路１３等の通路が形成される。ボデー部材Ｂ１〜Ｂ４は、リテーナＢ５によって油密に締付け固定される。

ノズル部１０３は、ボデー部材Ｂ１の上端部に設けた筒状部４２内に、スプリング５６の座となる大径部５１を有するノズルニードル５を摺動自在に保持している。ボデー部材Ｂ４内の空間は、油溜まり室５２を構成し、その上部壁に開口する高圧通路１２を介してコモンレールから高圧燃料が供給されている。ボデー部材Ｂ４の下端にはサック部５３が形成され、サック部５３形成壁を貫通して燃料を噴射するための噴孔５４が形成される。

ノズルニードル５は下端位置にある時に、円錐形状の先端部が油溜まり室５２とサック部５３の境界部に設けられるノズルシート５５に着座し、サック部５３を閉じて油溜まり室５２から噴孔５４への燃料供給を遮断する。ノズルニードル５がリフトしてノズルシート５５から離座し、サック部５３を開くと燃料が噴射される。

ノズルニードル５の上端面および筒状部４２の内壁面およびボデー部材Ｂ３下端面により画成される空間は、ノズル背圧を制御する制御室４となる。制御室４には、制御弁部１０２の弁室２１および通路２５を介して、高圧通路１２から制御油としての燃料が導入され、ノズルニードル５の背圧を発生している。この背圧はノズルニードル５に下向きに作用して、大径部５１と筒状部４２の下端面との間に保持されるスプリング５６とともにノズルニードル５を閉弁方向に付勢する。一方、油溜まり室５２の高圧燃料がノズルニードル５先端部の円錐面に上向きに作用しノズルニードル５を開弁方向に付勢している。

３方弁構造の制御弁部１０２は、ノズル部１０３の制御室４と連通路４１を介して常時連通する弁室２１と、弁室２１内に収容される略球状の弁体２を有している。弁室２１の天井面に設けた開口部に低圧側シート２２が、対向する底面開口部には高圧側シート２３が形成され、弁体２はこれらシート２２、２３のいずれかに選択的に着座するようになっている。低圧側シート２２は、下流に形成した絞り部３１、通路３２を介して低圧通路１３に連通し、一方、高圧側シート２３は上流の通路２５を介して高圧通路１２に連通している。低圧側シート２２下流に絞り部３１を設けることで、ノズル開弁速度を低く抑えることができ、噴射量制御性が向上する。また、弁室２１は、連通路４１を介してノズル部１０３の制御室４と常時連通している。

弁体２は、駆動部１０１により押圧駆動されることで上下動し、弁体２のシート位置が切り替わる。弁体２が上端位置にある時には、その略球面が、弁室２１天井面の低圧側シート２２に着座して低圧通路１３との連通を遮断する。弁体２が下端位置にある時には、その水平な底面が、弁室２１底面の高圧側シート２３に着座して、高圧通路１２との連通を遮断する。これに伴い、弁室２１に連通する制御室４の圧力、すなわちノズルニードル５の背圧が増減する。シート部の一方を平面シートとすると、弁室２１を構成するボデー部材Ｂ２、Ｂ３が位置ずれしても、弁体２と低圧側または高圧側シート２２、２３とのシート不良が生じにくくなるので、リーク防止効果がある。また、加工も容易となる。

通路２５の弁室２１側端部には、バルブスプリング２４が配設されて弁体２を上向きに付勢している。バルブスプリング２４を弁室２１外に配置することで、弁室２１容積すなわち制御室４容積を小さくできるので、応答性が向上する。また、バルブスプリング２４により弁体２を低圧側シート２２に着座させておくことで、エンジン始動時に高圧サプライポンプが速やかに昇圧を開始することができる。

駆動部１０１は、アクチュエータとしてのピエゾアクチュエータ６の駆動力を、油圧伝達装置６１と摺動ピン部材３を用いて、制御弁部１０２の弁体２に伝達する。ピエゾアクチュエータ６は、ボデー部材Ｂ１に穿設した縦穴の上端部内に収容され、下端部内に油圧伝達装置６１が収容される。ピエゾアクチュエータ６はＰＺＴ等の圧電セラミック層と電極層を交互に積層したピエゾスタックを有し、積層方向（上下方向）を伸縮方向として、図示しない駆動回路により充放電されるようになっている。縦穴の側方には低圧通路１３があり、その下端はボデー部材Ｂ２に形成した通路３２に接続している。

油圧伝達装置６１は、縦穴の下半部内をシリンダ１５として、該シリンダ１５に摺動自在に設けた第１ピストンとしてのピエゾピストン６２と、ピエゾピストン６２内に摺動自在に設けた第２ピストンとしてのバルブピストン６４と、両ピストンの間に作動油を充填した油密室６３を有している。これらピストン６２、６４と油密室６３の構成は、本発明の特徴部分であり、以下に詳細を示す。

ピエゾピストン６２は上端閉鎖の筒状で、その上端面にピエゾアクチュエータ６の下端面が当接している。ピエゾピストン６２は一定径で外周面がシリンダ１５の内周面に密接し、該内周面に案内されて上下方向に摺動するようになっている。ピエゾピストン６２の下端側には、バルブピストン６４より小径のリング部材７が一体に設けられ、このリング部材７とボデー部材Ｂ２の間にリング形状バネとしてのピエゾプリセットスプリング６５が配設される。ピエゾプリセットスプリング６５は、断面ハの字形の皿バネで、内径側端縁部が、リング部材７の下端面に当接するように配置されている。これにより、ピエゾピストン６２の下端面に上向きの荷重が負荷され、ピエゾピストン６２をピエゾアクチュエータ６に押し付けて一体に変位可能とするとともに、ピエゾアクチュエータ６のピエゾプリセット力として利用される。

ピエゾプリセットスプリング６５は、リング形状バネであればよく、皿バネ以外に、波板バネ等、他の形状としてもよい。ピエゾプリセットスプリング６５をピエゾピストン６２の下端側に設置することでセット長の設定が容易になる。本実施形態のように、リング部材７を介設することで、ピエゾプリセットスプリング６５の外径を大きくし、バネ定数を小さくできる。また、組付けが容易であり、変位時の荷重変動を抑制する効果が得られる。なお、図２に第２の実施形態として示すように、断面逆ハの字形の皿バネで構成することもできる。この場合は、リング部材７を設けず、外径側端縁部が、ピエゾピストン６２の下端面に設けた段部７１に当接支持されるように配置する。このようにすると、変位による内外周の摩擦がなく、部品点数が低減できる。

また、皿バネを複数枚用いることもでき、直列または並列に適宜組み合わせて配設することにより、任意のバネ定数を実現することができる。その場合、バルブピストン６４の小径の下端部もしくはインジェクタボデー内径を皿バネのガイドとして用いるほか、新たにガイド部材を用いることもできる。その一例について図３を用いて説明する。

図３（ａ）、（ｂ）は、第３、第４の実施形態であり、ピエゾプリセットスプリング６５として２枚の皿バネを用い、断面ハの字形の皿バネ直上に断面逆ハの字形の皿バネが重なるように組み合わせている。このように複数の皿バネを直列に重ねて使用すると、バネ定数を低減することができる。この時、図３（ａ）に示す第３の実施形態では、バルブピストン６４の小径の下端部６４２を一定径として、その外周面が、リング形状のピエゾプリセットスプリング６５の内径ガイドとなるようにしている。なお、ボデー部材Ｂ１の内周面７３をピエゾプリセットスプリング６５の外径ガイドとすることも可能である。この場合、皿バネがバルブピストン６４に接触しないので、バルブピストン６４の駆動力をロスすることがない。また、図示するように、ピエゾプリセットスプリング６５の下方に、リング板状の高さ調節プレート７２を配置することもできる。

図３（ｂ）の第４の実施形態も、２枚の皿バネを重ねてピエゾプリセットスプリング６５とした例であり、本実施形態では、さらに、ガイド部材７４を別体で設けている。ガイド部材７３は、リング板の中央に上方に突出する筒状部を有し、この筒状部の外周面を、ピエゾプリセットスプリング６５の内径ガイドとしている。筒状部は、バルブピストン６４の小径の下端部６４１周りに、間隔を有して配置されているので、内径ガイドとしてもバルブピストン６４と接触せず、その駆動力をロスすることがない。また、ガイド部材７４は、高さ調節プレート７２の役割を兼ねることができる。

バルブピストン６４は一定径の摺動部が、ピエゾピストン６２の筒状部に下方から内挿され、その内周面に対して摺動自在となっている。バルブピストン６４の小径の下端部は、ピエゾピストン６２の筒状部から下方に突出し、摺動ピン部材３に当接している。ピエゾピストン６２筒状部の上部内壁面とバルブピストン６４の上端面とで囲まれる空間には、作動油としての燃料が充填されて油密室６３を形成している。油密室６３内には、コイルスプリングや波板バネなどのバネ部材６６が配設されて、バルブピストン６４を制御弁部１０２の弁体２方向に付勢している。バネ部材６６を油密室６３内に配置することで、構成が簡素にできるので好ましい。

ピエゾピストン６２の上端部内には、油密室６３と低圧通路１３を連通し、油密室方向への作動油の流入のみを許容する逆止弁８が設けられる。逆止弁８は、油密室６３および低圧通路１３にそれぞれ開口する通路にボール状の弁体を配設してなる。逆止弁８により、燃料リーク等で油密室６３の圧力が低下した時に、低圧通路１３から油密室６３に燃料を補充することができる。

摺動ピン部材３は、ボデー部材Ｂ２に形成した摺動穴に対して摺動自在に設けられ、その下端が弁室２１内の弁体２に当接している。摺動ピン部材３は、両端部が細径のピン状に形成され、弁体２側のピン状先端部と摺動穴との間に形成される環状空間に絞り部３１が開口している。従って、摺動ピン部材３が弁体２を押し下げると、この環状空間および絞り部３を介して弁室２１と低圧通路１３が連通する。

従って、ピエゾアクチュエータ６が伸長してピエゾピストン６２を下方に押圧すると、その押圧力が油密室６３の燃料を介してバルブピストン６４に伝達される。ピエゾアクチュエータを構成するＰＺＴ等の圧電セラミックは金属と熱変形量が異なるため、両者を混在させる手段として、このように油圧を利用した変位伝達装置を用いるとよい。これにより、部材間で異なる熱変形量を、油密室６３への燃料流入及び燃料リークにより吸収して、良好な伝達性能を維持することができる。

次に、本実施形態におけるインジェクタ１の作動を説明する。図１はピエゾアクチュエータ６が放電状態で縮小している状態を示している。弁体２は弁室２１内の燃料圧力とバルブスプリング２４力により上方に付勢されて、低圧側シート２２を閉鎖する上端位置にあり、低圧通路１３に至る絞り部３１、通路３２と弁室２１との連通が遮断される。高圧側シート２３は開放されており、連通路４１を介して弁室２１と連通する制御室４は、高圧通路１２から通路２５、高圧側シート２３を介して流入する燃料により高圧となっている。この制御室４の圧力とスプリング５６の付勢力によって、ノズルニードル５はノズルシート５５に着座し、燃料は噴射されない。

この状態から、ピエゾアクチュエータ６に通電すると、ピエゾアクチュエータ６が充電されて伸長する。これに伴い、ピエゾピストン６２が下方に移動して油密室６３の作動油（ここでは軽油）が圧縮される。この作動油の圧力でバルブピストン６４が下方に移動し、摺動ピン部材３が弁体２を押し下げると、弁体２が低圧側シート２２から離座し、さらに下方変位して高圧側シート２３に着座する。これにより、制御室４が弁室２１、低圧側シート２２、絞り部３１、通路３２を介して低圧通路１３に連通し、制御室４の圧力が降下する。そしてノズルニードル５の下向きの付勢力が上向きの付勢力を下回ると、ノズルニードル５が離座して燃料噴射が開始される。

次に、ピエゾアクチュエータ６を再び放電して収縮させると、ピエゾピストン６２が上方へ移動し、油密室６３の圧力が降下して弁体２の押し下げ力が解除される。よって、弁体２が低圧側シート２２に着座して、制御室４と低圧通路１３の間が遮断され、通路２５を介して流入する高圧燃料により制御室４圧力が再び上昇し、ノズルニードル５が着座して噴射が終了する。

本実施形態によれば、ピエゾアクチュエータ６の変位を油圧伝達装置６１を用いて効率よく伝達し、制御性よく燃料噴射を行うことができる。しかも、油圧伝達装置６１は、ピエゾピストン６２を筒状として、その内周をバルブピストン６４が摺動するように構成したので、ピストン摺動長を確保しながら装置全長を大幅に短縮することができる。この効果は、図９に示すようにピエゾピストン６２とバルブピストン６４を一直線上に配置した構成と比較すると明らかである。また、本実施形態では、ボデー部材Ｂ１の縦穴をシリンダ１５として用いたので、図９のように縦穴内にシリンダ形成部材１６を配置してピエゾピストン６２とバルブピストン６４を案内する構成に比べて、安定した摺動が可能である。よって、コンパクトで高応答かつ高性能なインジェクタ１を実現できる。

図４は、本発明の第５の実施形態であり、ピエゾピストン６２の他の構成例を示す。インジェクタ１の全体構成および基本作動は上記第１の実施形態と同様であり、説明を省略する。図４のように、本実施形態では、ピエゾピストン６２の外径を一定径とせず、ガイド部となる上端部６２１および下端部６２２を他の部分より大径とする。これにより、ガイド部となる上端部６２１および下端部６２２の外周面のみがシリンダ１５に当接して摺動し、ピエゾピストン６２の中間部とシリンダ１５の間には間隙が形成される。このように、ピエゾピストン６２を上端部６２１および下端部６２２の２箇所でガイドする構成とすることで、ボデー部材Ｂ１に変形が生じる等の不具合が生じた場合でも、摺動性を確保できる。

図５は、本発明の第６の実施形態であり、逆止弁８および油密室６３の他の構成例を示す。インジェクタ１の全体構成および基本作動は上記第１の実施形態と同様であり、説明を省略する。図５のように、本実施形態では、逆止弁８をピエゾピストン６２の上側に配置した逆止弁部材８１を用いて構成する。逆止弁部材８１は、下端面に開口する略円錐形状の凹部８３を有し、この凹部８３とピエゾピストン６２の上端面とで囲まれる室にボール状の弁体８２を収容している。凹部８３の天井面には、逆止弁部材８１内を設けた通路８５に接続する開口部８４が形成され、通路８５は逆止弁部材８１の側面に開口して低圧通路１３に連通している。凹部８３の底部は、やや大径に形成され、この大径の外周部にピエゾピストン６２の上端面を貫通して油密室６３に至る一つ以上の通路８６が開口している。

ボール状の弁体８２は凹部８３とピエゾピストン６２の上端面とで囲まれる室内に保持され、油密室６３の圧力によって上下方向に移動するようになっている。燃料リーク等により油密室６３の圧力が低下すると、図示するように、ボール状の弁体８２が下端位置に移動し、低圧通路１３から通路８５、開口部８４、凹部８３、通路８６を経て、油密室６３に燃料が補給される。通路８６は、弁体８２が下端位置にある時でも閉鎖されない位置に形成される。油密室６３の圧力が上昇すると、通路８６から凹部８３に流入する燃料圧で、ボール状の弁体８２が上昇し、開口部８２を閉鎖する。リフト量はボール状の弁体８２と凹部８３形状によって決定される。このような構成とすることで、バネ部材を設けることなく、簡易に逆止弁８を構成することができる。

逆止弁部材８１は、ピエゾアクチュエータ６とピエゾピストン６２の間に挟持される。逆止弁部材８１下端面とピエゾピストン６２上端面は、ピエゾピストン６２下端側に配置したピエゾプリセットスプリング６５（図１参照）によって、互いに押し付けられることにより、平面で接触している。この構成により、圧入、接合等の工程が不要になる。また、ピエゾアクチュエータ６のピエゾプリセットスプリング６５を利用することで、部材点数を増加することなく油密性を確保することができる。また、逆止弁部材８１の上端面はゆるやかな略凹円錐面状に形成され、略凸球面状としたピエゾアクチュエータ６の下端面に接触している。こうすることで、両部材の位置関係にずれが生じても（角度・軸等）、その位置ずれを吸収して駆動力を伝達することができる。この効果を得るための、逆止弁部材８１の上端面とピエゾアクチュエータ６の下端面は、上述した形状に限らず、同様の効果が得られる形状となっていればよい。例えば、一方が略球面状で、他方が略凸球面状または略凹円錐面状等、種々の組み合わせが採用でき、位置ずれ吸収部材を兼ねることにより部品点数を低減できる。

油密室６３を構成するバルブピストン６４の上端面には、凹部６４１が形成され、この凹部６４１内に柱状の容積低減部材６７が配置してある。コイルスプリング６６は、容積低減部材６７の周囲を取り巻くように凹部６４１内に配置される。このようにすると、簡単な構成でコイルスプリング６６を支持するとともに、油密室６３の容積を低減できるので、応答性が向上し駆動力伝達効率を向上できる。

図６は、本発明の第７の実施形態であり、ピエゾピストン６２の他の構成例を示す。インジェクタ１０の全体構成および基本作動は上記第１の実施形態と同様であり、説明を省略する。図６のように、本実施形態では、上端閉鎖のピエゾピストン６２を、両端が開口する筒状部６２ｂとその上端を閉鎖するプレート部材６２ａの２部材で構成する。プレート部材６２ａの下端面と筒状部６２ｂの上端面は、ピエゾプリセットスプリング６５によって、互いに押し付けられ、油密性を確保している。その他の油密伝達装置６１および逆止弁８構成は、上記第４の実施形態と同様である。

本実施形態によれば、ピエゾピストン６２を閉鎖端部側のプレート部材６２ａと筒状部６２ｂの２つの部材に分割したので、一部材とする場合に比べて筒状部（特に閉鎖端側）の加工が容易になり、安価に製造できる。また、筒状部６２ｂ下端面に段差を必要としない場合、上下対称な構造とすることができるので、組み付けが容易になる。

以上のように、本発明は、アクチュエータの変位を油圧を介して伝達する機構において、２つのピストンの一方を筒状として他方を収容する構成としたので、摺動長が装置の全長に及ぼす影響を大幅に減少する。アクチュエータとしては、通電により変位を発生する素子であれば、いずれを用いてもよく、上記各実施形態で使用したピエゾ素子の他、磁歪素子等が挙げられる。よって、インジェクタ全体をコンパクトに形成できる。

上記実施形態ではピエゾピストンを構成する筒状部６２ｂ上端面とプレート部材６２ａ下端面とがピエゾプリセットスプリング６５により密接する構造となっているが、図７に第８の実施形態として示すように、プレート部材６２ａは筒状部６２ｂの内径に挿置されてもよい。その場合プレート部材６２ａはバネ部材６６により逆止弁部材８１に密接し、筒状部６２ｂはピエゾプリセットスプリング６５により、逆止弁部材８１と密接し油密性を確保する。本実施形態ではプレート部材６２ａはインジェクタボデー内径と接せず、筒状部６２ｂに対して相対変位を生じないので摺動箇所を１箇所減らすことができる。バネ部材６６は、ここでは、波板バネとしてあり、油密室６３容積を小さくできる利点がある。

図８に、本発明の第９の実施形態を示す。上記各実施形態では、ピエゾアクチュエータ６にプリセット力を付与するために、リング形状バネであるプリセットスプリング６５を用いたが、本実施形態では、リング形状バネの代わりにスリットスプリング６８を用いている。インジェクタ１の全体構成および基本作動は上記第１の実施形態と同様であり、説明を省略する。図８のように、本実施形態では、ピエゾピストン６２の上端部６２１を他の部分より大径のガイド部として、上端部６２１の外周面のみがシリンダ１５に当接して摺動する構成とする。ピエゾピストン６２の小径の筒状部とシリンダ１５の間には、間隙が形成され、この間隙にスリットスプリング６８が配置される。

スリットスプリング６８は、公知の構成で、例えば円筒材に周方向のスリットを複数形成することによりバネ特性を付与している。ピエゾピストン６２の上端部６２１には、スリットスプリング６８の上端縁を支持する座面６２３が設けられ、スリットスプリングはこの座面６２３を介し、ピエゾアクチュエータ６に予荷重を付与する。スリットスプリング６８の下端側にはリング状部材７５が設けられ、その上面が、スリットスプリング６８の下端縁を支持する座面を形成している。ピエゾピストン６２の筒状部外周はスリットスプリング６８の内周ガイドとなっている。なお、本実施形態では、コイルスプリング６６を油密室６３内に配置せず、ピエゾピストン６２の下方に突出させたバルブピストン６４の下半部外周に配置している。バルブピストン６４の下半部外周にはフランジ６４３が設けられ、コイルスプリング６６は、このフランジ６４３とピエゾピストン６２の下端面との間に保持される。

リング状部材７５は、スリットスプリング６８のセット長を調節するための高さ調節部材として用いられる。リング状部材７５を、上記ガイド部材７４（図３（ｂ）参照）のように、内周または外周に筒状のガイド部を有する形状とすることもできる。リング状部材７５は、シリンダ１５の下端部内周面に密接するように、ボデー部材Ｂ２上面に載置される。これにより、ボデー部材Ｂ２上面に開口して低圧通路１３に接続する通路３２とシリンダ１５内空間との間が、リング状部材７５にて遮断されるので、制御弁部１０２からのリークが、駆動部１０１の油圧伝達装置６１やピエゾアクチュエータ６へ流入するのを抑制し、また、油密室６３へのエアの混入やキャビテーション・エロージョンの発生を防止することができる。

なお、上記実施形態では、制御弁部１０２を３方弁構造としたが、３方弁構造でなく、弁室２１と低圧通路１３との間を連通状態と遮断状態とに切り替える２方弁構造としたインジェクタに適用することももちろんできる。また、弁体形状や、その他の構成を変更することもできる。

本発明の第１の実施形態を示すインジェクタの全体構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態を示すインジェクタの主要部構成を示す断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の第３、第４の実施形態を示すインジェクタの主要部構成を示す断面図である。 本発明の第５の実施形態を示すインジェクタの主要部構成を示す断面図である。 本発明の第６の実施形態を示すインジェクタの主要部構成を示す断面図である。 本発明の第７の実施形態を示すインジェクタの主要部構成を示す断面図である。 本発明の第８の実施形態を示すインジェクタの主要部構成を示す断面図である。 本発明の第９の実施形態を示すインジェクタの主要部構成を示す断面図である。 ２つのピストンを一直線上に配置したインジェクタの主要部構成を示す断面図である。

符号の説明

１ インジェクタ
１２ 高圧通路
１３ 低圧通路
１０１ ノズル部
１０２ 制御弁部
１０３ ピエゾ駆動部
２ バルブニードル
２１ バルブ室
２２ 低圧側シート
２３ 高圧側シート
４ 制御室
４１ 連通路
５ ノズルニードル
５２ 油溜まり室
５４ 噴孔
６ ピエゾアクチュエータ（アクチュエータ）
６１ 油圧伝達装置
６２ ピエゾピストン（第１ピストン）
６３ 油密室
６４ バルブピストン（第２ピストン）
６５ ピエゾプリセットスプリング（リング形状バネ）
６６ バネ部材
６７ 容積低減部材
６８ スリットスプリング
７ リング部材
８ 逆止弁
８１ 逆止弁部材
８２ 弁体
８３ 凹部
８４ 開口部
８５、８６ 通路

Claims (22)

1. コモンレールから高圧通路を経て供給される燃料を噴射するインジェクタであって、ノズルニードルに閉弁方向の圧力を作用させる制御室と、該制御室と低圧通路との間を開閉することにより上記制御室の圧力を増減させる制御弁と、上記制御弁の弁体を駆動する駆動部を備え、上記駆動部が、通電により変位を発生するアクチュエータと、上記アクチュエータと一体にシリンダ内を摺動する第１ピストンと、上記弁体を駆動する第２ピストンと、両ピストン間に形成される油密室を有し、上記第１ピストンを上端閉鎖の筒状として、該筒状部内に上記第２ピストンを上下方向に摺動自在に挿置し、上記筒状部の上部内壁面と上記第２ピストン上端面とで囲まれる空間に作動油を充填して上記油密室としたことを特徴とするコモンレール用インジェクタ。
2. インジェクタボデーに穿設した縦穴にて上記シリンダを形成し、その内周面に案内されて上記第１ピストンが摺動する構成とした請求項１記載のコモンレール用インジェクタ。
3. 上記第１ピストンの上端部および下端部にガイド部となる大径部を設け、該ガイド部が上記シリンダの内周面に案内される構成とした請求項２記載のコモンレール用インジェクタ。
4. 上記第１ピストンの下端側に、上記アクチュエータのプリセット力となる上向きの荷重を負荷するリング形状バネを配置した請求項１から３のいずれか記載のコモンレール用インジェクタ。
5. 上記リング形状バネが単独直列一枚、もしくは直列ないし並列あるいはその両方を用いた各種組み合わせによる複数枚の皿バネであり、その外形側端縁部が上記第1ピストンの下端面に当接するように配置されてある請求項４記載のコモンレール用インジェクタ。
6. 上記リング形状バネが単独直列一枚、もしくは直列ないし並列あるいはその両方を用いた各種組み合わせによる複数枚の皿バネであり、その内径側端縁部が、上記第１ピストンの下端側に設けられ上記第２ピストンの摺動径より小さいリング部材の下端面に当接するように配置される請求項４記載のコモンレール用インジェクタ。
7. 上記第１ピストンの外周に、上記アクチュエータのプリセット力となる上向きの荷重を負荷するスリットスプリングを配置した請求項１から３のいずれか記載のコモンレール用インジェクタ。
8. 上記第１ピストンの上端外周部に、上記スリットスプリングの上端側を支持する座面を形成した請求項７記載のコモンレール用インジェクタ。
9. 上記第２ピストンの下端部外周に、上記スリットスプリングの下端側を支持する座面をなすリング状部材を配設した請求項８記載のコモンレール用インジェクタ。
10. 上記リング状部材を、上記シリンダ内空間と上記低圧通路の間を遮断するように配設した請求項９記載のコモンレール用インジェクタ。
11. 上記第２ピストンの上端側または外周に配置されて、上記第２ピストンを上記弁体側に付勢するバネ部材を設ける請求項１から１０のいずれか記載のコモンレール用インジェクタ。
12. 上記第２ピストンの上端部に凹部を設けてその内部に容積低減部材を収容し、容積低減部材の周囲に上記バネ部材となるコイルスプリングを配置した請求項１１記載のコモンレール用インジェクタ。
13. 上記油密室と上記低圧通路の間に、上記油密室への作動油の流入のみを許容する逆止弁を設ける請求項１から１２のいずれか記載のコモンレール用インジェクタ。
14. 上記逆止弁がバネ部材を備えていない請求項１３記載のコモンレール用インジェクタ。
15. 上記逆止弁は、上記第１ピストンの上端面に密接配置されるプレート状の逆止弁部材と、上記第１ピストンと上記逆止弁部材の衝合部に形成されて弁体を収容する室と、該室と上記低圧通路および上記油密室を連通する通路を備える請求項１４記載のコモンレール用インジェクタ。
16. 上記逆止弁部材の下端面と上記第１ピストンの上端面は、互いに押し付けられることにより平面で接触している請求項１５記載のコモンレール用インジェクタ。
17. 上記逆止弁部材の下端面と上記第１ピストンの上端面の押し付け力が、上記アクチュエータにプリセット力を付与するバネ部材によって与えられる請求項１６記載のコモンレール用インジェクタ。
18. 上記逆止弁部材と上記アクチュエータの接触端面が、凸球面と凹円錐面あるいは平面とを組み合わせることにより、位置ずれを吸収可能な形状となっている請求項１６記載のコモンレール用インジェクタ。
19. 上記逆止弁部材の下端面に設けた凹部と上記第１ピストンの上端面とで上記室を形成し、上記凹部とここに配設される上記弁体によって逆止弁リフト量が決定される請求項１４から１８のいずれか記載のコモンレール用インジェクタ。
20. 上記室と上記低圧通路を連通する通路を、上記油密室の圧力上昇で上記弁体が上端位置に移動した時に閉鎖される上記室の天井面に開口し、上記室と上記油密室を連通する通路を、上記油密室の圧力低下で上記弁体が下端位置に移動した時に閉鎖されない上記室の底面に開口させた請求項１９記載のコモンレール用インジェクタ。
21. 上記第１ピストンの閉鎖端部と筒状部とを別部材にて構成した請求項１から２０のいずれかに記載のコモンレール用インジェクタ。
22. 上記アクチュエータがピエゾアクチュエータである請求項１から２１のいずれかに記載のコモンレール用インジェクタ。
    

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