JP2009215940A - 燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料噴射装置４において、製造コスト、外形サイズならびに重量の減少を図りながら、積層型圧電素子７の絶縁性を確保して、信頼性を向上可能とする。
【解決手段】燃料噴射装置４は、多数の圧電素子２１を保護ケースに収納せずに剥き出しにした構成の積層型圧電素子７と、ボディ６の一端側に設けた噴孔１４を開閉する弁体８と、積層型圧電素子７による変位を拡大して弁体８を開弁させるための動力伝達部９と、噴孔１４に高圧燃料を導く燃料供給経路（５１〜５４）とを含む。積層型圧電素子７が、ボディ６内において高圧燃料から隔離される領域に収納配置され、前記領域に封入される絶縁オイル４１中に浸漬されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば自動車等に搭載されるエンジンに用いる燃料噴射装置に関する。

近年では、ディーゼルエンジン等の燃料供給システムとして、コモンレールを使用した蓄圧式燃料噴射システムを用いる傾向にある。

この蓄圧式燃料噴射システムは、サプライポンプにより燃料タンクから燃料を取り出して高圧にしてコモンレール内に蓄積させておき、このコモンレール内の高圧燃料を各燃料噴射装置からエンジンの燃焼室内に噴射させるような構成になっている。

燃料噴射装置は、駆動源でノズルニードルを昇降作動させることにより燃料噴射装置ボディの下端に設けられる噴孔を開閉させて、高圧燃料を噴射させるものである。

この燃料噴射装置の駆動源として、ピエゾアクチュエータを用いるものがある（例えば特許文献１〜３参照。）。

特許文献に記載のピエゾアクチュエータは、例えば多数の圧電素子を積層してなる積層型圧電素子を保護ケース内に密閉収納した構成になっている。

なお、特許文献１，２に係る従来例の場合、ピエゾアクチュエータの保護ケースと燃料噴射装置ボディとの対向空間を、噴孔側へ高圧燃料を送るための通路として利用することにより、ピエゾアクチュエータを高圧燃料内に配置するようになっている。一方、特許文献３に係る従来例の場合、ピエゾアクチュエータの保護ケースと燃料噴射装置ボディとの対向空間に、燃料タンクに戻す高圧燃料の通路として利用することにより、ピエゾアクチュエータを高圧燃料内に配置するようになっている。

通常、ピエゾアクチュエータの駆動力のみでノズルニードルを直接的に昇降作動させることに無理があるので、前記従来例では、ピエゾアクチュエータによる駆動力を拡大することによりノズルニードルを昇降作動させるようにしている。そこで、従来例では、前記ピエゾアクチュエータ周辺の高圧燃料の圧力を利用してピエゾアクチュエータによる駆動力を拡大するようにしている。
特表２００６−５１０８５０号公報 特表２００７−５０６８９７号公報 特開２００７−１５４７００号公報

上記従来例では、ピエゾアクチュエータを高圧燃料中に配置している関係より、このピエゾアクチュエータの保護ケースを、高圧燃料の圧力に耐える強固な構造にする必要があり、そのために、製造コスト、外形サイズならびに重量の増加を余儀なくされている。

これに対し、仮に、前記ピエゾアクチュエータの代わりに、多数の圧電素子を保護ケースに収納せずに剥き出しにした構成の積層型圧電素子を用いることが考えられる。その場合には、前記積層型圧電素子を高圧燃料中に配置させる必要があり、この積層型圧電素子を構成する各圧電素子に高圧燃料が直接的に触れることになるために、燃料中に混在する水分や不純物等が、圧電素子の絶縁性を低下させるおそれがあり、好ましくないと言える。ここに改良の余地がある。

本発明は、燃料噴射装置において、多数の圧電素子を保護ケースに収納せずに剥き出しにした構成の積層型圧電素子を駆動源として用いることにより、製造コスト、外形サイズならびに重量の減少を図りながら、前記積層型圧電素子の絶縁性低下を回避して、信頼性を向上可能とすることを目的としている。

本発明に係る燃料噴射装置は、保護ケース無しの積層型圧電素子と、ボディの一端側に設けた噴孔を開閉する弁体と、前記積層型圧電素子による変位を拡大して前記弁体を開弁させるための動力伝達部と、前記噴孔に高圧燃料を導く燃料供給経路とを含み、前記積層型圧電素子が、前記ボディ内において前記高圧燃料から隔離される領域に収納配置され、前記領域に封入される絶縁オイル中に浸漬されている、ことを特徴としている。

この構成によれば、保護ケース無しの積層型圧電素子を燃料噴射装置のボディ内に収納しているから、従来例のように保護ケース有りのピエゾアクチュエータを用いる燃料噴射装置に比べて、製造コスト、外形サイズならびに重量を軽減することが可能になる。

しかも、積層型圧電素子を絶縁オイルで保護して、積層型圧電素子を構成する圧電素子を高圧燃料に触れさせないようにしているから、積層型圧電素子の絶縁性が低下せずに済み、積層型圧電素子の絶縁破壊が避けられる。そのため、高圧燃料中に積層型圧電素子を浸漬させる場合に比べて、燃料中に混在する水分や不純物等で積層型圧電素子を構成する圧電素子等の絶縁性が低下される心配が無くなるので、積層型圧電素子の破損を長期にわたって回避できるようになる等、燃料噴射装置の信頼性向上を図るうえで有利となる。

好ましくは、前記絶縁オイルは、前記高圧燃料と同等の圧力が付与された状態で前記配置領域に封入されたものとすることができる。

このように、積層型圧電素子の配置領域に充填する絶縁オイルを、高圧燃料と同等の高圧に設定して釣り合わせているから、積層型圧電素子の変位量を従来例と同等に設定することが可能になる等、燃料噴射のための制御が複雑にならずに済む。

好ましくは、前記ボディは、棒状で中空に形成され、このボディの内部空間に、前記積層型圧電素子、動力伝達部ならびに弁体が直列に並んだ状態で配置され、前記積層型圧電素子の配置領域と前記動力伝達部の配置領域とが、前記ボディに固定されるダイアフラムシールにより気密に隔離される、ものとすることができる。

このように、燃料噴射装置の構成要素の配置形態等を特定しているから、具現化が容易となる。しかも、積層型圧電素子の配置領域と動力伝達部の配置領域とを隔離するための要素として、ダイアフラムシールを特定している。このダイアフラムシールは、一般的に公知のものであり、入手コストを抑制するうえで有利となる。

好ましくは、前記動力伝達部は、その配置領域内に前記積層型圧電素子の伸縮動作に伴い昇降されるよう配置される増幅ピストンと、高圧燃料が充填されかつ当該高圧燃料が前記増幅ピストンによって加圧されたときに前記弁体を開弁方向に付勢する力を発生するための制御室とを含む、構成とすることができる。

このような動力伝達部であれば、積層型圧電素子の微小な変位を増幅させるために高圧燃料を利用しており、特別な流体を用いずに済む等の利点がある。

本発明によれば、保護ケース無しの積層型圧電素子を駆動源として用いる燃料噴射装置において、コストダウン、小型化ならびに軽量化を図りながら、前記積層型圧電素子の絶縁性低下を回避することが可能となる。したがって、燃料噴射装置の信頼性を向上することが可能になる。

以下、本発明の最良の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１から図３に、本発明に係る燃料噴射装置の一実施形態を示している。

この実施形態では、本発明に係る燃料噴射装置について、例えばディーゼルエンジン用の蓄圧式燃料噴射システムに備えるものとした例を挙げている。

図１において、１は燃料タンク、２はサプライポンプ、３はコモンレール、４は燃料噴射装置である。

なお、燃料噴射装置４の数は、燃焼室の数と同数、つまり、４気筒エンジンの場合には四個、６気筒エンジンの場合には六個となる。図１においては、燃料噴射装置４を一個のみ記載して、その他の記載を省略している。

一般的に、サプライポンプ２により燃料タンク１から燃料を取り出して高圧にしてコモンレール３内に蓄積させておき、このコモンレール３内の高圧燃料を各燃料噴射装置４からエンジンの各吸気ポートまたは燃焼室（図示省略）に噴射させるようになっている。

この一連の動作が制御装置５により制御される。制御装置５は、例えばＥＦＩ＿ＥＣＵ（Electronic Fuel Injection Engine Control Computer）と呼ばれるもので、少なくともサプライポンプ２の動作や、燃料噴射装置４による燃料噴射動作等を制御する機能を有している。

次に、本発明に係る燃料噴射装置４の構成を詳細に説明する。

燃料噴射装置４は、主として、ボディ６、積層型圧電素子７、弁体としてのノズルニードル８、動力伝達部９を備えている。

ボディ６は、中空の棒状部材１１と、その先端側つまり長手方向下側に取り外し可能に取り付けられるキャップ１２およびニードルシリンダ１３とを有している。このように、この実施形態でのボディ６は、スリーピース構造になっている。ニードルシリンダ１３の先端つまり下端には、燃料噴射用の噴孔１４が設けられている。

このボディ６の内部空間に、上から下へ向けて、積層型圧電素子７、動力伝達部９、ノズルニードル８が直列に並んだ状態で収納配置されている。

積層型圧電素子７は、例えば図３に示すように、多数の圧電素子（または電歪素子）２１を積層して、各圧電素子２１の内部に形成された内層電極（図示省略）を適宜一対の外部電極２２に接続し、この一対の外部電極２２に一対の引き出しリード２３を接続したような構成になっている。このように、積層型圧電素子７は、各圧電素子２１等を保護ケース内に収納せずに剥き出しにした構成である。

そして、積層型圧電素子７は、その積層された多数の圧電素子２１の積層方向両端を一対の台座２５，２６で挟んだ状態で、ボディ６の内部空間の上側領域に収納配置されている。一対の引き出しリード２３は、ボディ６の棒状部材１１の上側開口に装着されている密閉蓋１５を貫通して外部に取り出されている。

この積層型圧電素子７は、その一対の引き出しリード２３を介して各圧電素子２１に電圧を印加すると積層方向の寸法が大きくなるように伸びる一方で、前記電圧印加を停止すると自然状態に縮んで積層方向の寸法が小さくなる。

ノズルニードル８は、ニードルシリンダ１３内に上下昇降可能に収納されており、この昇降動作に伴いニードルシリンダ１３の噴孔１４を開閉する。

動力伝達部９は、ボディ６の内部空間における長手方向中間、つまりボディ６の棒状部材１１の下側開口寄りとニードルシリンダ１３の大径部とで囲む領域に設けられており、積層型圧電素子７による伸び変位を拡大してノズルニードル８を上昇させて噴孔１４を開放させるものである。

この動力伝達部９は、主として、増幅ピストン３１、大径コイルバネ３２、小径コイルバネ３３、制御室３４を含む構成になっている。以下で、各構成要素を具体的に説明する。

増幅ピストン３１は、有底円筒形に形成されており、底が上側で開口が下側に位置するようにニードルシリンダ１３の大径部内周に摺動可能に嵌入されている。

この増幅ピストン３１は、積層型圧電素子７の伸び変位に伴い直接的に押動されて、ニードルシリンダ１３の内壁面でガイドされて昇降されるようになっている。この増幅ピストン３１の内部空間には、その下側開口からノズルニードル８の大径部が摺動可能に嵌入されている。

大径コイルバネ３２は、ボディ６の棒状部材１１の下側開口寄りに、増幅ピストン３１の上鍔部３１ａとニードルシリンダ１３の上端面１３ａとで挟まれて圧縮される状態で収納されている。

この大径コイルバネ３２は、その弾性復元力でもって増幅ピストン３１の上鍔部３１ａを積層型圧電素子７の下側台座２６に押し付けるように付勢する。

小径コイルバネ３３は、増幅ピストン３１の内部空間に、当該増幅ピストン３１の底壁内面（図中上側に位置している）とノズルニードル８の上端面とで挟まれて圧縮される状態で収納されている。

この小径コイルバネ３３は、その弾性復元力でもってノズルニードル８をニードルシリンダ１３の下側弁座面に押し付けられて噴孔１４を閉塞するように付勢する。

制御室３４は、増幅ピストン３１の下端面とニードルシリンダ１３の内部空間の段付き壁面との対向間に設けられており、所定容量の高圧燃料が貯留されるようになっている。

この制御室３４内の高圧燃料は、増幅ピストン３１を下降させると加圧されるが、増幅ピストン３１を上昇させると前記加圧力が消失される。つまり、この制御室３４内の高圧燃料の圧力が上昇すると、ノズルニードル８を上昇させて噴孔１４を開放させるようになる一方、前記高圧燃料に対する加圧力が消失されると、ノズルニードル８を下降させて噴孔１４を閉塞させるようになる。

そして、ボディ６の内部空間において積層型圧電素子７の配置領域と動力伝達部９の配置領域とは、ダイアフラムシール４０により気密に隔離されている。

このダイアフラムシール４０は、可撓性を有するものとされ、その外周部分がボディ６の棒状部材１１の開口寄り内壁面に固着されており、また、内周部分が積層型圧電素子７の下側台座２６に固着されている。

このようにダイアフラムシール４０によって密閉空間とされる積層型圧電素子７の配置領域には、絶縁オイル４１が充填されており、これにより、積層型圧電素子７が絶縁オイル４１中に浸漬されている。

この絶縁オイル４１としては、公知のいろいろな種類のものを用いることが可能であるが、極力、絶縁性が高くかつ水分等の不純物の少ないものを選択するのが好ましい。なお、ボディ６の棒状部材１１には、絶縁オイル４１の注入口１６が設けられており、この注入口１６には、絶縁オイル４１の注入後に閉塞するための閉塞部材としてのボルト１７およびシール１８が装着されるようになっている。

一方、動力伝達部９の配置領域には、ボディ６の棒状部材１１に設けられる燃料導入路５１から供給される高圧燃料が充填されるようになっている。

積層型圧電素子７の配置領域に充填される絶縁オイル４１には、動力伝達部９の配置領域に供給される高圧燃料の圧力と同等の圧力が付与されるようになっている。つまり、ダイアフラムシール４０を挟んだ二つの領域に充填される絶縁オイル４１と高圧燃料との圧力を、釣り合わせている。

次に、動力伝達部９の配置領域における高圧燃料の充填場所や供給経路について説明する。

まず、ボディ６の棒状部材１１の内部空間における開口寄り内周面と増幅ピストン３１の外周面との対向間に第１環状空間５２が、また、ニードルシリンダ１３の大径部外周面とキャップ１２の内周面との対向間に第２環状空間５３が、さらに、ニードルシリンダ１３の小径部内周面とノズルニードル８の小径部外周面との対向間に第３環状空間５４が、それぞれ設けられている。

ボディ６の棒状部材１１に設けられる燃料導入路５１は、第１環状空間５３に開放されている。この第１環状空間５２がニードルシリンダ１３に設けられる第１連通路１３ｂを介して第２環状空間５３に連通連結されていて、この第２環状空間５３がニードルシリンダ１３に設けられる第２連通路１３ｃを介して第３環状空間５４に連通連結されている。これにより、コモンレール３内から燃料導入路５１に供給される高圧燃料は、前記第１〜第３環状空間５２〜５４に導入されるようになる。

ところで、動力伝達部９の制御室３４は、ニードルシリンダ１３に対する増幅ピストン３１の摺動案内面における微小のクリアランスを介して第１環状空間５２に液圧的に連通連結されている。そのため、第１環状空間５２内の高圧燃料が、前記クリアランスを通じて制御室３４に導入されるようになる。

次に、上述した構成の燃料噴射装置４の動作を説明する。

まず、燃料噴射を行うには、制御装置５により積層型圧電素子７に適宜の駆動電圧を印加することにより、積層型圧電素子７の各圧電素子２１に電荷を蓄積させる。

この電荷の蓄積によって、積層型圧電素子７が前記駆動電圧に比例して伸びて積層型圧電素子７の下側台座２６が増幅ピストン３１を押圧する。

この増幅ピストン３１の押圧力が大径コイルバネ３２の伸張弾性力に打ち勝つと、増幅ピストン３１が下降して、制御室３４の高圧燃料を加圧する。

この制御室３４内の高圧燃料の圧縮に伴い、制御室３４の内圧が所定レベル以上に上昇すると、図２に示すように、小径コイルバネ３３の伸張弾性力に打ち勝ってノズルニードル８を上昇させるので、ニードルシリンダ１３の先端に設けてある噴孔１４が開放されて、この噴孔１４から適宜量の高圧燃料が外部に噴射されるようになる。

一方、燃料噴射を停止させる場合には、制御装置５から積層型圧電素子７への電圧印加を停止することにより、積層型圧電素子７の各圧電素子２１に蓄積された電荷を放出させるようにすればよい。

この電荷が放出される間に、積層型圧電素子７が電圧印加時の伸張分だけ元の状態に収縮するので、制御室３４の高圧燃料に対する前記加圧力が消失し、大径コイルバネ３２の伸張弾性力でもって増幅ピストン３１および積層型圧電素子７の下側台座２６が上昇されることになる。

この制御室３４の内圧が所定レベル未満に降下すると、小径コイルバネ３３の弾性力によってノズルニードル８を下降させるので、噴孔１４が閉塞されて高圧燃料の噴射が停止されるようになる。

なお、制御室３４内の高圧燃料が、加圧時にニードルシリンダ１３に対する増幅ピストン３１の摺動案内面におけるクリアランスから僅かながらもリークする可能性があるが、前記加圧力の消失時に前記クリアランスを通じて制御室３４へ高圧燃料が吸入補填されるので、制御室３４内の高圧燃料の容量は略一定に保たれる。

以上説明したように、本発明の特徴を適用した実施形態によれば、多数の圧電素子２１を保護ケース無しで剥き出しにした構成の積層型圧電素子７を燃料噴射装置４のボディ６内に収納して、この積層型圧電素子７を絶縁オイル４１中に浸漬させるようにしている。

このため、従来例のように保護ケースに積層型圧電素子７を封入しているピエゾアクチュエータを用いる場合に比べて、燃料噴射装置４の製造コスト、外形サイズならびに重量を軽減することが可能になる。

しかも、上記構成では、積層型圧電素子７を高圧燃料中に浸漬させる場合に比べて、燃料中に混在する水分や不純物等で積層型圧電素子７を構成する圧電素子２１の絶縁性が低下する心配が無くなるので、積層型圧電素子７の破損を長期にわたって回避できるようになる等、燃料噴射装置４の信頼性向上を図るうえで有利となる。

さらに、上記実施形態では、積層型圧電素子７の配置領域に充填する絶縁オイル４１を、動力伝達部９の配置領域に充填する高圧燃料と同等の高圧に設定しているから、積層型圧電素子７の配置領域と動力伝達部９の配置領域との圧力を釣り合わせている。これにより、前記両領域を隔離するためのダイアフラムシール４０に過剰な負荷が作用しない状態にすることができるので、ダイアフラムシール４０の長寿命化が可能であるだけでなく、積層型圧電素子７による変位量を従来例と同等にすることが可能になる等、燃料噴射のための制御が複雑にならずに済む点でも、有利となる。

なお、本発明は、前記実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内および当該範囲と均等の範囲で包含されるすべての変形や応用が可能である。以下、本発明の他の実施形態を例に挙げる。

（１）上記燃料噴射装置４に備える駆動源としての積層型圧電素子７の構成については、特に限定されるものではなく、要するに、保護ケース無しの剥き出しタイプであれば、同様に使用することができる。

（２）上記燃料噴射装置４に備える動力伝達部９の構成についても、特に限定されるものではなく、例えば特開２００７−１５４７００号公報、特開２００７−１７０３３０号公報や、特表２００７−５０６８９７号公報に示すような構成に置き換えることも可能である。

（３）上記燃料噴射装置４において、燃料導入路５１の設置場所等についても特に限定されるものではなく、従来公知の燃料噴射装置に用いられている形態に変更することができる。

本発明に係る燃料噴射装置の一実施形態を示す断面図である。 図１中の燃料噴射装置において、燃料噴射状態を示す断面図である。 図１中の積層型圧電素子を拡大して示す斜視図である。

符号の説明

４ 燃料噴射装置
５ 制御装置
６ 燃料噴射装置のボディ
７ 積層型圧電素子
８ ノズルニードル
９ 動力伝達部
１１ 棒状部材
１２ キャップ
１３ ニードルシリンダ
１４ 噴孔
２１ 圧電素子
２６ 下側台座
３１ 増幅ピストン
３４ 制御室
４０ ダイアフラムシール
４１ 絶縁オイル
５１ 燃料導入路（燃料供給経路の一部に相当）
５２ 第１環状空間（燃料供給経路の一部に相当）
５３ 第２環状空間（燃料供給経路の一部に相当）
５４ 第３環状空間（燃料供給経路の一部に相当）

Claims (4)

1. 保護ケース無しの積層型圧電素子と、ボディの一端側に設けた噴孔を開閉する弁体と、前記積層型圧電素子による変位を拡大して前記弁体を開弁させるための動力伝達部と、前記噴孔に高圧燃料を導く燃料供給経路とを含み、
   前記積層型圧電素子が、前記ボディ内において前記高圧燃料から隔離される領域に収納配置され、前記領域に封入される絶縁オイル中に浸漬されている、ことを特徴とする燃料噴射装置。
2. 請求項１に記載の燃料噴射装置において、
   前記絶縁オイルは、前記高圧燃料と同等の圧力が付与された状態で前記配置領域に封入されている、ことを特徴とする燃料噴射装置。
3. 請求項１または２に記載の燃料噴射装置において、
   前記ボディは、棒状で中空に形成され、このボディの内部空間に、前記積層型圧電素子、動力伝達部ならびに弁体が直列に並んだ状態で配置され、
   前記積層型圧電素子の配置領域と前記動力伝達部の配置領域とが、前記ボディに固定されるダイアフラムシールにより気密に隔離される、ことを特徴とする燃料噴射装置。
4. 請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料噴射装置において、
   前記動力伝達部は、その配置領域内に前記積層型圧電素子の伸縮動作に伴い昇降されるよう配置される増幅ピストンと、高圧燃料が充填されかつ当該高圧燃料が前記増幅ピストンによって加圧されたときに前記弁体を開弁方向に付勢する力を発生するための制御室とを含む、ことを特徴とする燃料噴射装置。

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