JP2007231737A - 駆動力伝達装置および燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料噴射装置の油圧式駆動力伝達装置において、摺動部品に燃料劣化物が付着することによる摺動性の低下を防止し、安定した作動を可能とする。
【解決手段】 大径のピエゾピストン３１および小径のバルブピストン３２間に作動油を充填してなる油密室３３を設けて、ピエゾアクチュエータ２によるピエゾピストン３１の変位を油密室３３を介してバルブピストン３２に伝達し、制御弁４１を駆動する。油密室３３を、シリンダ部材３５の上部大径部と下部小径部の連結部に設け、大径部内周面をピエゾピストン３１を案内する大径ガイド面３５ａ、小径部内周面をバルブピストン３２を案内する小径ガイド面３５ｂとするとともに、バルブピストン３２摺動部の油密室３３側端面が、ピエゾアクチュエータ２の非作動時に、小径ガイド面３５ｂの上端縁より下方に位置するようにして、燃料劣化物が付着しても、摺動隙間への噛み込みが生じない構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アクチュエータの駆動力を油圧を介して伝達する駆動力伝達装置、および駆動力伝達装置を用いて制御弁を駆動しノズルニードルを昇降させる燃料噴射装置に関する。

ディーゼルエンジンにおいて、各気筒に共通のコモンレールに高圧燃料を蓄圧するコモンレールシステムが知られている。コモンレールには燃料供給ポンプから高圧燃料が圧送されて所定圧に制御され、所定のタイミングで各気筒に燃料を噴射している。コモンレール用の燃料噴射装置は、一般に、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、制御室の圧力を制御する制御弁を有し、アクチュエータで制御弁を駆動して制御室の圧力を増減する構成となっている。

アクチュエータには、例えば、ピエゾアクチュエータが用いられ、応答性が良いことから高度な燃料噴射制御が期待できる。アクチュエータの駆動力を油圧を介して伝達する駆動力伝達装置は、２つのピストンの間に油密室を形成し、アクチュエータの変位を油圧を介して伝達するもので、径の異なる２つのピストンを使用すると、大径ピストンおよび小径ピストンの受圧面積比に応じて変位を拡大伝達する効果が得られる（例えば、特許文献１、２等）。
特開２００４−１７６６５６号公報 特開２００４−３０８４７９号公報

制御弁としては、例えば、制御室を高圧通路または低圧通路に選択的に連通させる３方弁構造が用いられ、低圧通路に至る低圧側シートおよび高圧通路に至る高圧側シートの間を移動し、シート位置を切り替える。ピエゾアクチュエータが通電により伸長すると、油圧式の駆動力伝達装置が制御弁を駆動して低圧側シートから離座させた後、高圧側シートに着座させる。これにより制御室の圧力が低下してノズルニードルがリフトし、燃料が噴射される。

ところで、燃料噴射装置は、その作動時に非常に高温となる（例えば１５０℃程度まで）。このため、高温作動中にエンジンが停止された場合には、高温の燃料噴射装置内に残された燃料が劣化し、さらに冷えることで周辺部品に付着する問題がある。特に、燃料が作動油として使用される駆動力伝達装置において、この燃料劣化物が摺動部品に付着すると摺動抵抗が大きくなり、摺動不能となるおそれがある。

そこで、本発明の目的は、燃料噴射装置に用いられる油圧式駆動力伝達装置において、摺動部品に燃料劣化物が付着することによる摺動性の低下を防止し、安定した作動を可能とすることにある。

本発明請求項１の駆動力伝達装置は、シリンダ内に摺動自在に保持された大径ピストンおよび小径ピストンと、両ピストン間に作動油を充填してなる油密室を備えており、アクチュエータによる上記大径ピストンの変位を上記油密室の作動油を介して上記小径ピストンに伝達する。上記油密室は、段付に形成した上記シリンダの上部大径部と下部小径部の連結部に設けられており、上記シリンダの大径部内周面を上記大径ピストンを案内する大径ガイド面、小径部内周面を上記小径ピストンを案内する小径ガイド面とするとともに、上記アクチュエータの非作動時に、上記小径ピストン摺動部の上記油密室側端面が上記小径ガイド面の上記油密室側端縁よりも反油密室側に位置するように構成される。

高温の装置内に残った燃料が劣化し、さらに冷やされて周辺部品に付着する場合がある。特に燃料が充填される油密室において燃料劣化物が摺動部品に付着すると、作動により摺動隙間に燃料劣化物が噛み込む懸念がある。これに対し、上記構成では、油密室に露出する小径ピストンの摺動部端面を、小径ガイド面の上端縁、すなわちシリンダ大径部と小径部の段差面よりも下方に配置したので、小径ピストンの摺動部外周に燃料劣化物が付着しにくい。また、小径ガイド面の露出面に燃料劣化物が付着しても、作動時に、下降する小径ピストンの摺動部との間に噛み込むことはない。

よって、油密室内の燃料劣化物が噛み込んで、小径ピストンの摺動性が低下するのを防止し、安定した作動を実現できる。

請求項２の発明のように、好適には、上記アクチュエータの非作動時に、上記小径ピストン摺動部の反油密室側端部が、上記小径ガイド面の反油密室側端縁よりも反油密室側に位置する構成とする。

さらに油密室と反対側においても、小径ピストンの摺動部が小径ガイド面の下端縁に位置するようにすれば、小径ガイド面に燃料劣化物が付着して摺動隙間に噛み込むのを防止できる。この時、小径ガイド面の下方に突出する小径ピストンの摺動部外周に燃料劣化物が付着しても、作動により摺動隙間に噛み込まない位置であり、摺動性への影響はない。このように小径ピストンと小径ガイド面の摺動部位置関係を、最適化することで、燃料劣化物の付着による摺動性の低下を防止して安定した作動が可能となる。

請求項３の発明は、請求項１または２記載の駆動力伝達装置を用いた燃料噴射装置の発明であり、具体的には、駆動力伝達装置と、ノズルニードルの背圧を制御する制御弁を備える。

上記構成において、アクチュエータが作動すると、大径ピストンから油密室を介して伝達される駆動力により小径ピストンが制御弁を駆動し、ノズルニードルを開弁させる。このように油圧を利用することで、小さい駆動力で効率よく燃料噴射装置を駆動することができる。

請求項４の発明では、上記アクチュエータアクチュエータをピエゾアクチュエータとする。応答性のよいピエゾアクチュエータを本発明に適用することで、その駆動力を効率よく伝達し、制御性を向上することができる。

請求項５の発明のように、具体的には、上記ノズルニードルに閉弁方向の圧力を作用させる制御室を備える。上記制御弁は、上記制御室と低圧通路との連通・遮断を切り替えて上記制御室の圧力を増減させることにより、ノズルニードルを昇降させる。

以下、図面に基づき本発明の駆動力伝達装置を備えた燃料噴射装置について説明する。図１は、本発明をディーゼルエンジンのコモンレール用ピエゾインジェクタに適用した第１の実施形態である。図１（ａ）において、１は燃料噴射装置としてのインジェクタで、駆動力伝達装置としての駆動力伝達部３を備え、図示しないエンジンのシリンダヘッドに取り付けられる。インジェクタ１は、各気筒に共通に設けた図略のコモンレールに接続され、コモンレールから燃料の供給を受けて、対応する気筒燃焼室に燃料を噴射するようになっている。コモンレールは公知の構成で、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、インジェクタボデーＢ内に、アクチュエータとしてのピエゾアクチュエータ２、駆動力伝達部３、制御弁部４およびノズル部５を構成する各部材を収容し、噴射燃料または作動油となる燃料の通路を形成してなる。ピエゾアクチュエータ２、駆動力伝達部３、制御弁部４およびノズル部５は、上下方向にこの順に配設される。インジェクタボデーＢの上部側壁には、コモンレールに連通する燃料導入口１１が開口し、インジェクタボデーＢ内に軸方向に形成した高圧通路１２に接続している。また、高圧通路１２の側方には、軸方向に低圧通路１３が形成され、インジェクタボデーＢの上端面に開口する燃料導出口１４を経て図略の燃料タンクへ連通している。

駆動源となるピエゾアクチュエータ２と駆動力伝達部３は、インジェクタボデーＢの上半部に設けた縦穴Ｂ１に収容される。ピエゾアクチュエータ２を構成するピエゾスタック２１は、ＰＺＴ等の圧電セラミック層と電極層を交互に積層してなり、図示しない駆動回路により充放電されて、積層方向（上下方向）に伸縮するようになっている。縦穴Ｂ１内の空間は、通路２２にて低圧通路１３に連通している。

駆動力伝達部３は、縦穴Ｂ１内に設置したシリンダとしての筒状シリンダ部材３５に、大径ピストンであるピエゾピストン３１と、小径ピストンであるバルブピストン３２を摺動自在に保持してなる。ピエゾピストン３１は、フランジ状とした上端部がシリンダ部材３５の上方に突出してピエゾスタック２１の下端面に当接し、ピエゾスタック２１と一体に変位可能となっている。ピエゾピストン３１とバルブピストン３２の間には、作動油となる燃料を充填した油密室３３が形成される。

油密室３３は、段付に形成されたシリンダ部材３５の上部大径部と、その下方の下部小径部との連結部に設けられる。図１（ｂ）に示すように、ピエゾピストン３１が案内される大径部の内周面は、大径ガイド面３５ａ、バルブピストン３２が案内される小径部の内周面は、小径ガイド面３５ｂとなっている。

図１（ａ）において、シリンダ部材３５外周には、ピエゾピストン３１の上端フランジ部とシリンダ部材３５の下端フランジ部との間に、筒状のピエゾスプリング３６が配設されている。ピエゾスプリング３６は、筒壁に形成した多数のスリットにより軸方向に変形可能な公知のスリットスプリング構造を有し、ピエゾピストン３１を上方に付勢してピエゾスタック２１に密着させ、両者の接触を維持しながら、ピエゾスタック２１に一定の初期荷重を印加している。

バルブピストン３２は、下端部が外方に張り出すフランジ部３２１となっている。シリンダ部材３５は、小径ガイド面３５ｂ下方の端部が段付きに拡径しており、この段面とバルブピストン３２のフランジ部３２１の間に、バルブスプリング３７が配設されている。バルブスプリング３７はコイルスプリングよりなり、バルブピストン３２を下方に付勢して、ピン部材である摺動ピン３４に当接させている。

従って、ピエゾスタック２１が伸長してピエゾピストン３１を下方に押圧すると、その押圧力が油密室３３において油圧変換されバルブピストン３２に伝達される。この時、大径のバルブピストン３２と小径のピエゾピストン３１の受圧面積比に応じて、変位が拡大され、摺動ピン３４を介して制御弁部４に伝達される。

制御弁部４は３方弁構造で、ノズル部５の制御室５２と連通路４６にて常時連通する弁室４２と、弁室４２内に収容される制御弁４１を有している。弁室４２は、頂面に低圧通路１３に連通する低圧シート４３を、底面に高圧通路１２に連通する高圧シート４４を有しており、制御弁４１が、低圧シート４３または高圧シート４４に選択的に着座することにより、制御室５２の圧力を増減するようになっている。

制御弁部４の制御弁４１は、略半円球状の上半部と円柱状の下半部を有する形状となっている。上半部の略球面が低圧シート４３に着座するシート面を構成し、下半部のフラットな底面が高圧シート４３に着座するシート面を構成する。制御弁４１の中間部外周に形成されるフランジ４１１と弁室４２底面との間には、コイルスプリングよりなるバルブスプリング４５が配設されて、制御弁４１を上方に付勢している。初期状態において低圧シート４３が閉鎖されていると、エンジン始動時に高圧サプライポンプにより速やかに昇圧を開始することができる。

制御弁４１の頂面は、フラット面に形成されて摺動ピン３４の下端面に当接している。摺動ピン３４は一定径の円柱状ピンで、インジェクタボデーＢに設けた摺動穴に摺動自在に支持されている。摺動穴の下半部は拡径されて摺動ピン３４との間に低圧室１６を形成している。低圧室１６は、弁室４２の頂面に開口するとともに、オリフィス１７を介して低圧通路１３と常時連通する。

本実施形態のように、シート部の一方を平面シートとすると、軸ずれ等によるシート不良が生じにくくなる。また、滑らかな球面ないし円錐面シートとすると異物の噛みこみ等を抑制でき、例えば低圧側を球面ないし円錐面シートとすることで、噛みこみによりノズル閉弁タイミングが遅れて噴射量が増加するのを防止する効果がある。

ノズル部５は、インジェクタボデーＢ内に設置した筒状シリンダ部材５５に、ノズルニードル５１の上端部を摺動自在に保持し、ノズルニードル５１の上端面と筒状シリンダ部材５５内壁面とで区画される空間を制御室５２としている。ノズルニードル５１周囲の空間は、高圧通路１２に連通する油溜まり室５４を構成している。また、油溜まり室５４は、連通路１５を介して制御弁部４の高圧シート４４に連通している。ノズルニードル５１の中間部外周に設けたフランジと筒状シリンダ部材５５の間には、コイルスプリングよりなるニードルスプリング５６が配設されている。

制御室５２には制御油としての燃料が導入されて、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５１に下向きに作用し、ニードルスプリング５６とともにノズルニードル５１を閉弁方向に付勢している。一方、油溜まり室５４の高圧燃料がノズルニードル５１に上向きに作用している。

次に、上記構成のインジェクタ１の作動について説明する。図１（ａ）はインジェクタ１が無噴射の状態を示す。この時、ピエゾアクチュエータ２への通電はオフとなって作動せず、ピエゾスタック２１は放電状態で収縮している。駆動力伝達装置３は駆動されず、ピエゾピストン３１およびバルブピストン３２は、図１（ｂ）に示す上端位置にある。

本実施形態では、この初期位置において、バルブピストン３２の摺動部と、これを案内する小径ガイド面３５ｂとの位置関係を、摺動部の上端面３２ａ（油密室３３側端面）が、小径ガイド面３５ｂの上端縁３５ｃ（油密室３３側端縁）より下方に位置するように、さらに、摺動部の下端部３２ｂ（他端側端部）が、小径ガイド面３５ｂの下端縁３５ｄ（他端側端縁）より下方に位置するように構成する。この摺動位置の限定により、燃料劣化物の噛み込みを防止し、安定した作動を可能にする。これについては、詳細を後述する。

この時、駆動力伝達装置３は制御弁部４を駆動せず、制御弁４１は低圧シート４３を閉鎖する上端位置となる。従って、高圧シート４４が開放されて弁室２が高圧通路１２と連通し、連通路４６を介して弁室４２と連通する制御室５２が高圧となる。この制御室５２の圧力とニードルスプリング５６の付勢力によって、ノズルニードル５１が着座し閉弁する。このため、油溜まり室５４からインジェクタボデーＢの先端に設けた噴孔５３への燃料供給が遮断され、燃料は噴射されない。

一方、図２に示す噴射時には、ピエゾアクチュエータ２に通電することによりピエゾスタック２１が充電されて伸長する。図に矢印で示すように（オン行程）、ピエゾスタック２１の変位とともに駆動力伝達部３のピエゾピストン３１が下方に移動し、油密室３３の作動油（ここでは軽油）を圧縮する。この作動油の圧力でバルブピストン３２が下方に移動し、変位を拡大して摺動ピン３４および制御弁部４に伝達する。バルブピストン３２が摺動ピン３４を押し下げると、制御弁４１が低圧シート４３から離座し、さらに下方変位して高圧シート４４に着座する。

これにより、弁室４２が、低圧シート４３、低圧室１６、オリフィス１７を介して低圧通路１３に連通し、弁室４２と連通する制御室５２の圧力が降下する。制御室５２の圧力降下により、ノズルニードル５１に加わる上向き付勢力が下向き付勢力を上回ると、ノズルニードル５が上方へ移動して、噴孔５３から燃料噴射が開始される。この時、低圧室１６下流のオリフィス１７により、制御室５２の圧力降下は緩やかとなり、ノズル開弁速度は小さくなる。また、弁室４２の圧力がアシスト力として、高圧シート４４を閉鎖する方向に作用し、高圧シート閉弁に要する駆動力を小さくできる。

ピエゾアクチュエータ２への通電が終了すると、ピエゾスタック２１が再び収縮し、図に矢印で示す逆の作動により（オフ行程）、ピエゾピストン３１が上方へ移動し、油密室３３の圧力が降下してバルブピストン３２および摺動ピン３４の押し下げ力が解除される。すると、制御弁４１が高圧シート４４から離座し、さらに低圧シート４３に着座して、制御室５２と低圧通路１３の間が遮断される。これにより、制御室５２圧力が再び上昇し、ノズルニードル５１が閉弁する。

ここで、インジェクタ１が高温となった状態でエンジンが停止した場合などに、高温の装置内に残された燃料が劣化し、その後、さらに冷却されることで周辺部品に付着することがある。特に、燃料が充填された油密室３３内において、摺動部品の露出面に燃料劣化物が付着することによる不具合が懸念される。図３（ｂ）は、従来の駆動力伝達装置の一例を示す図で、ピエゾスタック２１に通電しない初期状態において（図３（ｂ）左半図）、バルブピストン３２’の摺動部上端面が、油密室３３’を構成するシリンダ部材３５’の大径部内に突出する構成となっている。また、バルブピストン３２’の摺動部下端面が小径ガイド面３５ｂ’の下端縁より上方に位置し、摺動部に続く下端小径部が、シリンダ部材３５’の小径部内に位置している。

この構成では、油密室３３’内の燃料劣化物６’がバルブピストン３２’の突出する上端部外周に付着し、あるいは、小径ガイド面３５ｂ’の下端部内周面に燃料劣化物６’が付着する。この状態から、ピエゾスタック２１に通電されると（図３（ｂ）右半図）、下降するバルブピストン３２’の摺動部外周面と小径ガイド面３５ｂ’の摺動隙間に、燃料劣化物６’を噛み込んでしまう。

ここで、バルブピストン３２の移動時に作用する力は次のようになる。ピエゾアクチュエータ２への通電時、バルブピストン３２には、ピエゾ発生力（例えば、約１５００Ｎ）が作用して、これを下方に移動させる。これに対し、通電を終了した時には、制御弁４１に作用する弁室４２の油圧力と制御弁４１を付勢するバルブスプリング４５のスプリング力（例えば、約２０Ｎ）により上方に移動する。油圧力はアイドル状態であれば、通常、約１０Ｎであるので、バルブピストン３２が上方に移動する力は、例えば、約３０Ｎ（油圧力＋スプリング力）となる。

ところが、図３（ｂ）のように、バルブピストン３２’に、燃料劣化物６’が付着し噛み込んだ場合、摺動抵抗が約３０Ｎないしそれ以上となると、バルブピストン３２’は上方に移動できなくなる。その結果、通電を停止してもバルブピストン３２’が初期位置に戻れず、燃料噴射を終了できなくなる問題が生じる。なお、ピエゾピストン３１’は、通電時はピエゾ発生力、通電終了時はピエゾスプリング（図略）のスプリング力（例えば、約５００Ｎ）が作用し、バルブピストン３２’と比較すると大きい。

そこで、本実施形態では、図３（ａ）左半図に示すように、バルブピストン３２と小径ガイド３５ｂ面の摺動部位置関係を、バルブピストン３２の摺動部上端面３２ａが、小径ガイド面３５ｂの上端縁３５ｃより下方に位置し、かつ、摺動部下端部３２ｂが、小径ガイド面３５ｂの下端縁３５ｄより下方に位置させている。この時、油密室３３内に生じた燃料劣化物６が、バルブピストン３２上方の小径ガイド面３５ｂ上端部内周面に付着しても、噛み込みは生じにくい。あるいは、小径ガイド面３５ｂの下方に突出するバルブピストン３２の摺動部下端部３２ｂの外周面に、周囲の低圧部にて生じた燃料劣化物６が付着した場合も同様である。

すなわち、この状態から、ピエゾスタック２１に通電すると、図３（ａ）右半図に示すように、ピエゾピストン３１の下降に伴い、バルブピストン３２が下降するが、摺動部と小径ガイド面３５ｂとの間に燃料劣化物６を噛み込んでしまうことがない。したがって、燃料劣化物６が付着した場合でも、作動を再開した時に燃料劣化物６を摺動隙間に噛み込むのを防止して、安定した作動を実現できる。

以上のように、上記構成によれば、バルブピストン３２と小径ガイド３５ｂ面の摺動位置を限定することで、燃料劣化物の噛み込みによる摺動性の低下を防止し、油圧式の駆動力伝達装置を良好に作動させる。よって、インジェクタ１からの燃料噴射を安定して実施することができる。

また、ピエゾアクチュエータ２を用いることで、応答性よく燃料噴射が実施できる。この場合、ピエゾスタック２１の変位が非常に小さいため、駆動力伝達部３を大径のピエゾピストン３１と小径のバルブピストン３２を組み合わせて構成し、変位を拡大して伝達することでより効率よく駆動力を伝達することができる。

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、磁歪素子等を用いることもできる。

（ａ）は本発明の第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、（ｂ）はその要部拡大断面図である。 第１の実施形態におけるインジェクタの噴射時の状態を示す図である。 （ａ）は本発明の第１の実施形態の作動を説明するための図で、ピエゾアクチュエータへの非通電時、通電時のピエゾピストンおよびバルブピストンの状態を示す要部拡大断面図、（ｂ）は従来の駆動力伝達装置におけるピエゾアクチュエータへの非通電時、通電時のピエゾピストンおよびバルブピストンの状態を示す要部拡大断面図である。

符号の説明

Ｂ インジェクタボデー
Ｂ１ 縦穴
１ インジェクタ
１１ 燃料導入口
１２ 高圧通路
１３ 低圧通路
１４ 燃料導出口
１５ 連通路
１６ 低圧室
１７ オリフィス
２ ピエゾアクチュエータ（アクチュエータ）
２１ ピエゾスタック
２２ 連通路
３ 駆動力伝達部
３１ ピエゾピストン（大径ピストン）
３２ バルブピストン（小径ピストン）
３２ａ 摺動部上端面
３２ｂ 摺動部下端面
３２１ フランジ部
３３ 油密室
３４ 摺動ピン
３５ シリンダ部材
３５ａ 大径ガイド面
３５ｂ 小径ガイド面
３５ｃ 上端縁
３５ｄ 下端縁
３６ ピエゾスプリング
３７ バルブスプリング
４ 制御弁部
４１ 制御弁
４２ 弁室
４３ 低圧側シート
４４ 高圧側シート
４５ バルブスプリング
４６ 連通路
５ ノズル部
５１ ノズルニードル
５２ 制御室
５３ 噴孔
５４ 油溜まり室

Claims (5)

1. シリンダ内に摺動自在に保持された大径ピストンおよび小径ピストンと、両ピストン間に作動油を充填してなる油密室を備えており、アクチュエータによる上記大径ピストンの変位を上記油密室の作動油を介して上記小径ピストンに伝達する駆動力伝達装置であって、
   上記油密室が、段付に形成した上記シリンダの上部大径部と下部小径部の連結部に設けられており、
   上記シリンダの大径部内周面を上記大径ピストンを案内する大径ガイド面、小径部内周面を上記小径ピストンを案内する小径ガイド面とするとともに、
   上記アクチュエータの非作動時に、上記小径ピストン摺動部の上記油密室側端面が、上記小径ガイド面の上記油密室側端縁よりも反油密室側に位置することを特徴とする駆動力伝達装置。
2. 請求項１記載の駆動力伝達装置において、上記アクチュエータの非作動時に、上記小径ピストン摺動部の反油密室側端部が、上記小径ガイド面の反油密室側端縁よりも反油密室側に位置する駆動力伝達装置。
3. 請求項１または２記載の駆動力伝達装置と、ノズルニードルの背圧を制御する制御弁を備え、上記アクチュエータの作動時に、上記大径ピストンから上記油密室を介して伝達される駆動力により上記小径ピストンが上記制御弁を駆動することを特徴とする燃料噴射装置。
4. 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３記載の燃料噴射装置。
5. 上記ノズルニードルに閉弁方向の圧力を作用させる制御室を備え、上記制御弁は、上記制御室と低圧通路との連通・遮断を切り替えることにより上記制御室の圧力を増減させる請求項３または４記載の燃料噴射装置。