JP2007138874A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】 アクチュエータの小型化および駆動電力低減と、応答性の向上による高度な噴射量制御とを両立させる。
【解決手段】 ピエゾアクチュエータ１３を駆動して、レバー部材２の一端側の端面Ａを下方変位させ、支点Ｂを挟んだ他端側の端面Ｃを上方に拡大変位させる。端面Ｃに当接するつば部３２とともに制御弁３がリフトすると、バルブ制御室５５が低圧燃料通路７２に連通して圧力低下し、従動弁４がリフトする。これに伴い、ノズル制御室５３が低圧燃料通路７２に連通して圧力低下し、ニードル弁５をリフトさせる。レバー部材２の変位拡大機能と変位反転機能により、ピエゾアクチュエータ１３の微小変位を上昇開弁する制御弁３に効率よく拡大伝達し、従動弁４に作用する油圧を増減して、応答性よく燃料噴射を制御できるので、小型化と高精度な燃料噴射量制御が両立できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は内燃機関の燃料噴射弁に関し、特にピエゾ素子の変位をてこ原理により拡大して伝達することにより制御弁を駆動し、ニードル弁を開閉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装置において、アクチュエータにて制御弁を駆動し、ニードル弁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燃料噴射弁が用いられている。アクチュエータは、ソレノイドを用いたソレノイドアクチュエータやピエゾ素子を用いたピエゾアクチュエータが知られている。

かかる燃料噴射弁において、アクチュエータの小型化により装置全体をコンパクトにすることが要求されている。ところが、アクチュエータを小型化しようとして、例えばソレノイドを小径とすると、磁極面積の低下に伴い吸引力が低下する。あるいはピエゾ素子を構成する圧電体の積層枚数を低減すると、伸長量の低下により駆動力が低下する。このため、駆動力を確保しながら、アクチュエータの小型化を図ることのできる制御弁構造が検討されている。

そこで、本出願人等は、先に、ソレノイド弁駆動の噴射弁において、油圧で作動する従動弁を採用し、アクチュエータの小型化、駆動電力の低減を図ることが提案した（特願２００４−１３５３７１）。この従動弁は、ノズル背圧室の圧力を低圧源に開放するための開放通路に設けられて、該開放通路の連通・遮断を切替えるもので、上昇開弁するソレノイド弁にて従動弁の背圧を制御する構成となっている。従動弁の駆動力が油圧によって得られるので、ソレノイドの体格に依存せずにリフト量が調整でき、ソレノイドを小型にできる利点がある。

一方、特許文献１には、ピエゾアクチュエータを用いた噴射弁において、ピエゾ素子の微小変位をてこの原理を用いて拡大するレバー部材を設けることが提示されている。このものでは、レバー部材の一端側を支点とし、中間部をピエゾ駆動力が加わる力点として、作用点となる他端側を同方向に拡大変位させる。ピエゾ駆動力の伝達方向は同方向であるため、下降開弁する制御弁が採用され、レバー部材の他端側に当接する制御弁のピストンが、ノズル背圧室の圧力を制御してニードル弁を開閉する。
特表２００３−５０７６７９号公報

しかしながら、前記構成のソレノイド弁は、通電により発生する電磁力で弁体を吸引駆動するという特性上、低応答性であり、そのため、微小噴射量制御性がよくないことが懸念される。ソレノイド弁に代えて、高応答性のピエゾアクチュエータを用いた弁を採用することで、応答性を改善することが考えられるが、ピエゾ素子の駆動方向（伸長方向）と、ソレノイドの駆動方向（吸引方向）が逆であるため、特許文献１のピエゾアクチュエータとレバー部材を用いた構成をそのまま採用することができない、といった不具合があった。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、アクチュエータの小型化および駆動電力低減と、応答性の向上による高度な噴射量制御とを両立させることができる燃料噴射弁を実現しようとするものである。

請求項１記載の発明は、噴孔を開閉するニードル弁と、油圧で作動する従動弁と、該従動弁を作動させる制御部を備え、該制御部にて従動弁に作用する油圧を増減するのに伴いニードル弁が昇降して燃料の噴射と停止とを切替える燃料噴射弁であり、制御部は、ピエゾアクチュエータと、このピエゾアクチュエータの駆動時にニードル弁のリフト方向に変位する制御弁を有する。ピエゾアクチュエータと制御弁の間には、ピエゾアクチュエータの変位を拡大する変位拡大機能と、変位方向を反転する変位反転機能とを備える変位伝達部を設けている。

上記構成によれば、変位伝達部により、ピエゾアクチュエータの変位が拡大して伝達されるので、小さな変位量で制御弁を大きくリフトさせることができる。また、変位方向が反転するので、駆動方向が従来のソレノイド弁と同方向となり、ピエゾアクチュエータ駆動の燃料噴射弁に、上昇開弁する弁構造と油圧作動従動弁を組み合わせた機構を容易に適用して、駆動力を低減できる。しかも、ピエゾアクチュエータはソレノイドに比べて応答性がよいので、微小噴射等の制御性が向上する。よって、小型で駆動電力が小さく、かつ高精度な燃料噴射量制御が可能な燃料噴射弁を得ることができる。

請求項２記載の発明では、変位伝達部を、中間部を支点とし、両端部にピエゾアクチュエータの駆動力と制御弁の閉弁付勢力がそれぞれ同方向に作用するてこ構造のレバー部材にて構成する。レバー部材は、一端側がピエゾアクチュエータと一体に変位する時に、他端側が制御弁をピエゾアクチュエータの変位と反対方向に、かつ拡大された変位量で駆動する。

変位伝達部は、好適には、てこ原理を利用したレバー部材からなり、両端をピエゾアクチュエータおよび制御弁に当接させることで、一端に加えたピエゾアクチュエータの駆動力を他端において反転させ、かつ中間部の支点からの距離の比に応じて拡大伝達することができる。

請求項３記載の発明では、制御弁は、弁軸体の外周につば部を備える。また、レバー部材は、他端側の先端に設けた二股部が弁軸体を両側から挟持して弁保持部となっており、該弁保持部が制御弁のつば部と当接してピエゾアクチュエータの駆動力を伝達する。

ピエゾアクチュエータの駆動時には、レバー部材の先端に設けた弁保持部が制御弁の弁軸体を挟持するので、レバー部材と制御弁が一体に変位し、弁保持部が制御弁のつば部に当接してリフトさせることで、駆動力を効率よく伝達してニードル弁を開閉し、応答性を高めることができる。

請求項４記載の発明では、制御弁を、レバー部材による駆動力の伝達方向と反対方向に付勢して、ピエゾアクチュエータの非駆動時に制御弁を閉弁位置に安定させるバネ部材を設ける。

ピエゾアクチュエータの駆動停止時には、バネ部材が制御弁を速やかに付勢して閉弁位置に安定させるので、燃料噴射が速やかに終了する。この時、バネ部材の付勢力は制御弁の閉弁が維持できるに足りればよく、ピエゾアクチュエータはこの付勢力に抗して制御弁を開弁できればよいので、必要な駆動力は小さい。

請求項５記載の発明では、制御弁は、従動弁に背圧を与えるバルブ制御室と低圧源との連通・遮断を切替えることで、従動弁を駆動する。

ピエゾアクチュエータで駆動される制御弁により、バルブ制御室と低圧源の連通・遮断を二値切替する簡単な構成で、従動弁を駆動し燃料噴射を制御できる。従動弁を開閉する駆動力が油圧によって得られるので、弁構造が比較的自由に設定でき、所望の噴射特性が得られる。

請求項６記載の発明では、制御弁は、バルブ制御室の上方に位置し低圧源に連通する制御弁室に配設され、ピエゾアクチュエータの非駆動時に、バルブ制御室から制御弁室への通路出口を閉鎖する閉弁位置にある。

具体的には、閉弁時に制御弁が下降してバルブ制御室からの通路出口を閉鎖する構成とするとよい。制御弁がバルブ制御室の圧力をリフト方向に受けるので、ピエゾアクチュエータの駆動時に、油圧力アシストにより開弁が容易になる。

請求項７記載の発明では、従動弁は、ニードル弁に背圧を与えるノズル制御室と低圧源との間に配設され、バルブ制御室の圧力が増減するのに伴い昇降してノズル制御室と低圧源との連通・遮断を切替える。

具体的には、従動弁にてノズル制御室と低圧源との間を開閉し、ニードル弁の背圧を増減して燃料噴射を制御する構成とする。従動弁のシート径やリフト量、ノズル制御室の圧力低下速度の設定等を適切に行うことにより、燃料噴射の制御性を向上できる。

図１、図２に本発明を適用した第１実施形態になる燃料噴射弁Ｉの構成を示す。燃料噴射弁Ｉは、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、図示しないエンジンの各気筒に１対１に対応して設けられる。燃料噴射弁Ｉは、公知のＥＣＵによる制御で、エンジンの運転状態に応じた所定の噴射時期・噴射量となるように開閉駆動されて、コモンレールに所定の噴射圧で蓄圧される高圧燃料を噴射する。

燃料噴射弁Ｉの基体は、ボデー６１、レバーボデー６２、制御弁ボデー６３、オリフィスプレート６４、従動弁ボデー６５、オリフィスプレート６６、ノズルボデー６７、およびリテーニングナット６８により構成され、略丸棒状の全体形状を与えている。ボデー６１、レバーボデー６２、制御弁ボデー６３、オリフィスプレート６４、従動弁ボデー６５、オリフィスプレート６６、ノズルボデー６７はこの順に積層されて対向端面で当接しリテーニングナット６８により互いに結合している。

基体には内部に種々の凹所や孔が形成されて、後述する各種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。燃料噴射弁Ｉは先端部（図中の下端部）を気筒燃焼室内に突出するノズル部１１としており、そのノズルボデー６７には基体の軸方向に縦孔６７ａが形成されて、ニードル弁５を収容している。ニードル弁５はその上端部が縦孔６７ａに圧入した筒状部材６７ｂ内に保持され、摺動自在となっている。縦孔６７ａの下端はノズルボデー６７の先端部に達しており、該先端部に形成されるサック室の室壁を貫通して噴孔５１が形成してある。

基体内には、ボデー６１からノズルボデー６７へ至る高圧燃料通路７１が形成され、基体の上端面に開口する燃料導入口７１ａがコモンレールに連通している。高圧燃料通路７１は、ノズルボデー６７内において、縦孔６７ａの中間部に形成される燃料溜まり５２に接続し、コモンレールからの加圧された燃料を供給している。しかして、ニードル弁５の離座時には、ニードル弁５と縦孔６７ａの間隙および先端サック室を経て供給される高圧燃料が噴孔５１から噴射される。

縦孔６７ａの上端部には、ニードル弁５の上端面を室壁としてニードル弁５の背圧を発生させるノズル制御室５３が形成される。縦孔６７ａ内にはまた、ニードル弁５の上部外周にニードルスプリング５ａが収容され、常時、ニードル弁５を閉弁方向（図の下方）に付勢している。一方、ニードル弁５には高圧燃料通路７１からの燃料圧力が開弁方向（図の上方）に作用しており、ノズル制御室５３の圧力が所定の開弁開始圧力以下になった時にニードル弁５が離座して燃料が噴射される。ノズル制御室５３の圧力が所定の閉弁開始圧力以上になるとニードル弁５のニードルシート５ｂが着座して燃料噴射が停止する。余剰の燃料は、低圧燃料通路７２（一部図示を略す）から外部の低圧源に戻される。

燃料噴射弁Ｉは中間部に、ノズル制御室５３の圧力の高低の切替えを行う従動弁４を配置し、その上方に従動弁４を制御する制御部１２を設けている。従動弁４は従動弁ボデー６５に収容される。制御部１２は、ボデー６１に収容されるピエゾアクチュエータ１３と、制御弁ボデー６３に収容される制御弁３、およびこれらの間に配設される変位伝達部であるレバー部材２とを有している。ピエゾアクチュエータ１３は、ピエゾ素子１４とピストン１５を有し、レバー部材２はレバーボデー６２に収容される。

図１により、従動弁４および制御部１２の詳細構成を説明する。従動弁ボデー６５には、縦孔６５１が基体の軸方向に形成され、下端部が拡径して従動弁室５４を形成している。従動弁４は棒状で下端寄りにくびれ部を有しており、くびれ部よりも上端部側の軸部４ｂが縦孔６５１の小径部に摺動自在に保持されている。従動弁４のくびれ部よりも下端側は従動弁室５４内に突出して、弁体部４ａとなっている。弁体部４ａは、軸部４ｂよりもやや大径でかつ従動弁室５４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り、その外周部上下端縁はテーパ状に面とりされている。

従動弁４の弁体部４ａを収容する従動弁室５４と、ニードル弁５に背圧を与えるノズル制御室５３とは、連通路７３にて常時、連通している。連通路７３は、従動弁ボデー６５とノズルボデー６７との間に挟まれるオリフィスプレート６６を貫通する孔にて形成される。

また、オリフィスプレート６６には、低圧燃料通路７２から分岐し、アウトオリフィス７５ａを介して従動弁室５４に通じる低圧分岐通路７５が形成されている。低圧分岐通路７５は、従動弁４と対向する位置で従動弁室５４の底面に開口し、従動弁４が下方変位した時に弁体部４ａ下端面にて閉鎖される。この開口端の外周縁部が弁体部４ａが着座する下側シート５４１となる。また、従動弁４が上方変位すると、弁体部４ａの上側のテーパ部が従動弁室５４の段面を上側シート５４２として着座する。

従動弁ボデー６５には、高圧燃料通路７１から分岐する高圧分岐通路７４が形成されている。高圧分岐通路７４の先端は、従動弁４のくびれ部位置で縦孔６５１の側壁面に開口しており、従動弁４のくびれ部外周の環状空間４３と常時、連通している。また、従動弁４の上方には、オリフィスプレート６４に設けた凹所にてバルブ制御室５５が形成され、従動弁４の上端部がバルブ制御室５５内に突出している。従動弁４には、その上面に開口してバルブ制御室５５に連通するとともに底部が前記くびれ部位置に達する縦孔４１と、該縦孔４１と環状空間４３とを連通する横孔からなるインオリフィス４２とが形成され、高圧分岐通路７４から従動弁４内を経てバルブ制御室５５に高圧燃料が供給されるようになっている。また、バルブ制御室５５には従動弁スプリング４４が配設されて、そのスプリング力により従動弁４を下方に付勢している。

従動弁４は、制御弁３を駆動してバルブ制御室５５の圧力を増減することにより変位する。制御弁３は、棒状の弁軸部３ａが制御弁ボデー６３を貫通する縦孔６３１に摺動自在に保持され、その下端面に設けた凹部に略半球状の弁体部３１を保持して一体に変位する構成となっている。弁体部３１は、縦孔６３１の下端部を拡径して設けた制御弁室５６内に位置している。縦孔６３１の上端はレバーボデー６２内空間６２１に開口し、該空間６２１に突出する制御弁３の上端部は、弁軸部３ａより大径のつば部３２となっている。制御弁３の上方には、つば部３２上面に当接するバネ部材としての制御弁スプリング３３が配設されて、そのスプリング力により制御弁３を下方に付勢している。

制御弁室５６と、バルブ制御室５５とは、オリフィスプレート６４に設けた連通路７６にてアウトオリフィス７６ａを介して接続される。アウトオリフィス７６ａは制御弁室５６の底面に開口し、弁体部３１の平坦な下端面に対向位置している。アウトオリフィス７６ａの開口端の外周縁部は、シート面５６１となり、弁体部３１が着座することで、制御弁室５６とバルブ制御室５５との連通が遮断される。制御弁室５６は、オリフィスプレート６４上面に設けた環状凹部を介して低圧燃料通路７２と常時、連通しており、弁体部３１が離座すると、バルブ制御室５５の圧力が開放される。

図２において、制御弁３を駆動するピエゾアクチュエータ１３は、通電により伸縮して変位を発生するピエゾ素子１４と、ピエゾ素子１４の下端面に当接するロッド１５ａを有してピエゾ素子１４と一体に上下動するピストン１５とからなる。これらピエゾ素子１４およびピストン１５は、ボデー６１に形成した縦孔６１１内に収容される。ピエゾ素子１４は、多数の圧電板と内部電極を交互に積層して一体化した公知の積層体構造を有する。圧電板は、例えば、ＰＺＴ (チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電材料を矩形に成形してなり、その表面に内部電極を印刷形成したものを所定枚数積層して焼成することによりピエゾ素子１４とする。各圧電板は上下表面に形成した一対の内部電極が、ピエゾ素子１４の対向する二側面に形成した一対の側面電極にそれぞれ接続され、ピエゾ素子１４の上面に接続する電極リード棒１３１を介して、図示しない外部回路により通電制御される。

ピエゾ素子１４およびピストン１５の変位は、変位伝達部であるレバー部材２により、制御弁３に拡大伝達される。レバー部材２は、てこの原理を用いて変位を拡大する変位拡大機能と、変位方向を反転する変位反転機能とを備える。図１において、レバー部材２はレバーボデー６２内空間６２１に収容され、一端側（図の左端側）上面に設けた凸状部２１が空間６２１内に突出するピストン１５下端面に当接している。レバー部材２の他端側（図の右端側）は制御弁３の本体部側面を挟持する弁保持部２２となり、レバー部材２下面に設けた凸状部２３にて、制御弁ボデー６３上面に設けた凹部６３２に遊嵌支持されている。このレバー部材２の詳細形状を図３により説明する。

図３に示すように、レバー部材２は概略矩形平板状で、図の左端上面を蒲鉾形に突出させて凸状部２１とし、その湾曲する表面をピストン当接端面Ａとしている。凸状部２１に隣接するレバー部材２の下面側に、同様の蒲鉾形に突出する凸状部２３が設けられ、支点Ｂとなる。凹部６３２は、支点受け部として機能する。弁保持部２２は、レバー部材２の右端部が、制御弁３の弁軸体３ａ外周面に沿って先端方向に略Ｕ字状に延出した二股状となっており、対向する一対の腕部２２ａ、２２ｂ間に制御弁３を挟持する。一対の腕部２２ａ、２２ｂの上面は蒲鉾形に突出し、その湾曲する表面が制御弁３のつば部３１下面に当接してフランジ当接端面Ｃとなる。

ピストン当接端面Ａの頂部と支点Ｂの頂部との距離Ｌｘと、支点Ｂの頂部とフランジ当接端面Ｃの頂部との距離Ｌｙは、下記式で表される関係を満足するように設定するとよい。
Ｌｘ＜Ｌｙ
１．１≦Ｌｙ／Ｌｘ≦３
Ｌｘ＜Ｌｙとすることで、ピエゾ素子１４の変位を拡大伝達することができ、好適には、距離の比Ｌｘ／Ｌｙが１．１〜３の範囲となるように、適宜設定される。本実施形態では、例えば、Ｌｘ：Ｌｙ＝１：２（Ｌｙ／Ｌｘ＝２）としている。本発明では、レバー部材２の長手方向（水平方向）において、支点Ｂがピストン当接端面Ａとフランジ当接端面Ｃの間に位置し、レバー部材２の板面に対して、ピストン当接端面Ａとフランジ当接端面Ｃは同一方向（上方向）に、支点Ｂは下方向に突設される。これにより、ピエゾ素子１４の伸縮方向（垂直方向）に対し、ピストン当接端面Ａの変位方向とは反対方向に、フランジ当接端面Ｃを変位させることが可能となる。

図１において、レバー部材２には、左端のピストン当接端面Ａにピストン１５が当接し、右端のフランジ当接端面Ｃに制御弁３のつば部３２が当接している。フランジ当接端面Ｃにはつば部３２を介して上方の制御弁スプリング３３から下向きの付勢力が作用し、支点Ｂを挟んで反対側のピストン当接端面Ａを上向きに付勢している。制御弁スプリング３３の付勢力は、ピストン当接端面Ａをピストン１５に当接させるとともに、制御弁３の弁体部３１が連通路７６の閉鎖を維持可能な程度であればよい。なお、ピストン当接端面Ａ、支点Ｂ、フランジ当接端面Ｃを構成する凸状部２１、２３、弁保持部２２の表面を湾曲面とするのは、当接端面間の位置ずれ等を吸収して変位の伝達を良好に行うためである。

次に図４〜６により本発明の作動を説明する。図４〜６では上記構成の燃料噴射弁Ｉを模式的に示している。図４は、ピエゾ素子１４の非通電時の状態を示し、ピエゾ素子１４は収縮状態にあるので、ピエゾ素子１４と一体のピストン１５からピストン当接端面Ａにピエゾ素子１４の駆動力は作用せず、レバー部材２の弁保持部２２と一体の制御弁３は、制御弁スプリング３３の付勢力で制御弁室５６の弁体部３１がシート面５６１に着座する。これによりアウトオリフィス７６ａが閉鎖され、インオリフィス４２を介して高圧分岐通路７４に連通するバルブ制御室５５の圧力が高くなり、従動弁４が下側シート５４１に着座し、低圧燃料通路７２に連通するアウトオリフィス７５ａを閉鎖する。この時、ノズル制御室５３は、連通路７３および従動弁室５４を介して高圧分岐通路７４に連通して高圧となり、ニードル弁５のニードルシート５ｂがサック室を閉鎖する下端位置となるので、燃料は噴射されない。

この状態からピエゾ素子１４に通電すると、図５のように、ピエゾ素子１４が伸長してピストン１５を下降させ、レバー部材２のピストン当接端面Ａを下向きに変位させる。これに伴い、支点Ｂを挟んで反対側のフランジ当接端面Ｃが、制御弁３のつば部３２を、制御弁スプリング３３の付勢力に抗して上向きに変位させる。この変位量は、距離の比Ｌｙ／Ｌｘに応じて、例えば２倍に拡大される（Ｌｙ／Ｌｘ＝２の時）。制御弁３の弁軸部３ａが上昇すると、弁体部３１の底面に作用する連通路７６の燃料圧力を受けて、弁体部３１がシート面５６１から容易に離座し、バルブ制御室５５がアウトオリフィス７６ａおよび制御弁室５６を介して低圧燃料通路７２と連通する。バルブ制御室５５の圧力が低下して、従動弁４に作用する下向き付勢力が上向き付勢力を下回ると、従動弁４の弁体部４ａが下側シート５４１から離座して低圧燃料通路７２に連通するアウトオリフィス７５ａを開放する。次いで、弁体部４ａが上側シート５４２に着座して高圧分岐通路７４との連通を遮断する。

このため、従動弁室５４およびアウトオリフィス７５ａを介してノズル制御室５３が低圧燃料通路７２と連通し、圧力が低下する。ニードル弁５に作用する下向き付勢力が上向き付勢力を下回るとニードル弁５が上昇を開始し、噴孔５２が開放されて燃料が噴射される。なお、本実施形態の構成では、アウトオリフィス７５ａの絞り作用により弁体部４１ａと下側シート５４１との間隙における圧力が急減しないので、この残圧が弁体部４ａのリフトをアシストする方向に作用し、開弁を速める方向に作用するとともに、作動安定性を高める。

燃料噴射の停止時は、図６のように、ピエゾ素子１４を放電させて再び収縮状態とし、ピストン１５を上昇させる。すると、レバー部材２のピストン当接端面Ａへの下向きの付勢力が解消され、ピストン当接端面Ａがピストン１５に追従して上昇するのに伴い、反対側のフランジ当接端面Ｃおよび制御弁３が制御弁スプリング３３の付勢力により下向きに変位する。この変位量は、距離の比Ｌｙ／Ｌｘに応じて、例えば２倍に拡大される（Ｌｙ／Ｌｘ＝２の時）。制御弁３が下降すると弁体部３１がシート面５４１に着座し、次いで、バルブ制御室５５の圧力が上昇して、従動弁４を下降させる。従動弁４の弁体部４ａが上側シート５４２から離座し、下側シート５４１に着座して低圧燃料通路７２に連通するアウトオリフィス７５ａを閉鎖すると、従動弁室５４を介して高圧分岐通路７４から流入する燃料により、ノズル制御室５３が高圧となり、ニードル弁５が下降して噴孔５１を閉鎖する。

以上の構成において、ピエゾアクチュエータ１３は、制御弁スプリング３３の付勢力に抗してレバー部材２を駆動し、制御弁３を上昇開弁させて流体圧を制御し従動弁４およびニードル弁５を開弁する。弁体吸引力を発生するソレノイド弁と異なり、ピエゾ素子１４が伸縮して変位を発生する高応答性のピエゾアクチュエータ１３を用い、かつ遅れのない機械的伝達機構のレバー部材２を採用することで、制御弁の応答性を大きく向上することができる。

さらに、レバー部材２は、てこ原理によるリフト拡大機能を有して、ピエゾアクチュエータ１３に要求される変位量を小さくできるとともに、駆動方向を反転する機能を有し、油圧力アシストが得られる上昇開弁する弁機構を採用して、駆動力を低減できる。この小変位量・小駆動力によりアクチュエータの小型化や駆動電力の低減が可能となる。

図７は、本発明の燃料噴射弁Ｉの効果を従来の燃料噴射弁と比較して示すタイムチャートである。従来の燃料噴射弁は、ソレノイドアクチュエータを用いた以外は本発明と同様の構成を有する。図示するように、電磁力駆動の従来の燃料噴射弁は、通電による磁力で吸引力を発生させて弁体部を移動させるため、制御弁３のリフト開始時には弁体部の質量による遅れが生じ、リフト終了時には慣性力による遅れが生じる。これに対し、本発明の構成では、駆動電圧に応じて変位が生じるため、リフト開始時および終了時の遅れが極めて小さい。従って、通電時間に応じて容易に噴射量を増減することができるので（図中、実線および点線に示す）、噴射量制御性が向上する。

よって、本発明によれば、小型かつ小電力駆動であり高精度な噴射量制御が可能な燃料噴射弁を実現することができ、特に微小噴射量の制御性に優れている。

本発明の第１実施形態になる燃料噴射弁の要部断面図である。 第１実施形態の燃料噴射弁の全体断面図である。 第１実施形態の燃料噴射弁の要部拡大断面図であり、図１のＡ−Ａ線断面図である。 第１実施形態の燃料噴射弁の作動を説明するための図で、ピエゾ素子に通電しない初期状態を示す燃料噴射弁の全体概略図である。 第１実施形態の燃料噴射弁の作動を説明するための図で、燃料噴射時の状態を示す燃料噴射弁の全体概略図である。 第１実施形態の燃料噴射弁の作動を説明するための図で、噴射停止時の状態を示す燃料噴射弁の全体概略図である。 本発明の効果を従来と比較して示す燃料噴射制御のタイミングチャートである。

符号の説明

Ｉ 燃料噴射弁
１１ ノズル部
１２ 制御部
１３ ピエゾアクチュエータ
１４ ピエゾ素子
１５ ピストン
２ レバー部材
２１ 凸状部
２２ 弁保持部
２３ 凸状部
３ 制御従動弁
３ａ 弁軸体
３１ 弁体部
３２ つば部
３３ 制御弁スプリング（バネ部材）
４ 従動弁
４１ 縦孔
４２ インオリフィス
４４ 従動弁スプリング
５ ニードル弁
５１ 噴孔
５２ 燃料溜まり
５３ ノズル制御室
５４ 従動弁室
５５ バルブ制御室
５６ 制御弁室
６１ ボデー
６２ レバーボデー
６３ 制御弁ボデー
６３２ 凹部
６４、６６ オリフィスプレート
６５ 従動弁ボデー
６７ ノズルボデー
６８ リテーニングナット
７１ 高圧燃料通路
７２ 低圧燃料通路
７３ 連通路
７４ 高圧分岐通路
７５ 低圧分岐通路
７５ａ アウトオリフィス
７６ 連通路
７６ａ アウトオリフィス

Claims (7)

1. 噴孔を開閉するニードル弁と、油圧で作動する従動弁と、該従動弁を作動させる制御部を備え、該制御部にて前記従動弁に作用する油圧を増減するのに伴い前記ニードル弁が昇降して燃料の噴射と停止とを切替える燃料噴射弁において、
   前記制御部が、ピエゾアクチュエータと、前記ピエゾアクチュエータの駆動時に前記ニードル弁のリフト方向に変位する制御弁とを有し、
   前記ピエゾアクチュエータと前記制御弁の間に、前記ピエゾアクチュエータの変位を拡大する変位拡大機能と、変位方向を反転する変位反転機能とを備える変位伝達部を設けたことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 前記変位伝達部は、中間部を支点とし両端部に前記ピエゾアクチュエータの駆動力と前記制御弁の閉弁付勢力がそれぞれ同方向に作用するてこ構造のレバー部材からなり、
   該レバー部材の一端側が前記ピエゾアクチュエータと一体に変位する時に、他端側が前記制御弁を前記ピエゾアクチュエータの変位と反対方向に、かつ拡大された変位量で駆動する構成とした請求項１記載の燃料噴射弁。
3. 前記制御弁は、弁軸体の外周につば部を備え、
   前記レバー部材は、前記他端側の先端二股部が前記弁軸体を両側から挟持する弁保持部となるとともに、該弁保持部が前記つば部と当接して前記ピエゾアクチュエータの駆動力を伝達する構成とした請求項２記載の燃料噴射弁。
4. 前記制御弁を、前記レバー部材による駆動力の伝達方向と反対方向に付勢して、前記ピエゾアクチュエータの非駆動時に前記制御弁を閉弁位置に安定させるバネ部材を設けた請求項２または３記載の燃料噴射弁。
5. 前記制御弁は、前記従動弁に背圧を与えるバルブ制御室と低圧源との連通・遮断を切替えることで、前記従動弁を駆動する請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料噴射弁。
6. 前記制御弁は、前記バルブ制御室の上方に位置し低圧源に連通する制御弁室に配設され、前記ピエゾアクチュエータの非駆動時に、前記バルブ制御室から前記制御弁室への通路出口を閉鎖する閉弁位置にある請求項５記載の燃料噴射弁。
7. 前記従動弁は、前記ニードル弁に背圧を与えるノズル制御室と低圧源との間に配設され、前記バルブ制御室の圧力が増減するのに伴い昇降して前記ノズル制御室と低圧源との連通・遮断を切替える請求項６記載の燃料噴射弁。
   

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