JP2014202155A

JP2014202155A - コモンレール用燃料噴射ノズル

Info

Publication number: JP2014202155A
Application number: JP2013080208A
Authority: JP
Inventors: 松岡　寛; Hiroshi Matsuoka; 寛松岡
Original assignee: ACR Co Ltd
Current assignee: ACR Co Ltd
Priority date: 2013-04-08
Filing date: 2013-04-08
Publication date: 2014-10-27
Anticipated expiration: 2033-04-08
Also published as: JP6209764B2

Abstract

【課題】このコモンレール用燃料噴射ノズルは，押圧ばねによる針弁の噴孔閉弁力をアクチュエータで直接解放することによって噴孔を開放して燃料を噴射させ，エンジンのサイクル中の噴射回数を増大させ，高応答性に構成する。【解決手段】アクチュエータであるピエゾアクチュエータ３は，ノズル本体１内のプッシュロッド５の周囲でノズル本体１に一方の端部３６が支持され且つ他方の端部３７がプッシュロッド５のフランジ部３５に対向して配設されている。ピエゾアクチュエータ３の所定の伸びに応じた力で，プッシュロッド５を開弁方向にリフトさせる。即ち，針弁２は，ピエゾアクチュエータ３の付勢でプッシュロッド５をリフトさせて押圧ばね７のばね力を針弁２から開放し，針弁２がフリーになって燃料圧で噴孔１７が開放する。【選択図】図２

Description

この発明は，例えば，ハイブリッド自動車等の自動車に用いられるディーゼルエンジンに燃料を噴射するため適用されるコモンレール用燃料噴射ノズルに関する。

従来，ディーゼルエンジンの燃料噴射装置は，燃料噴射装置を高圧に溜めて，高圧の燃料を燃料噴射ノズルに送り，ノズル部における針弁を弁シートから開放して高圧の燃料を噴射するコモンレール式燃料噴射装置が開発されている。該コモンレール式燃料噴射装置は，２０００バール以上の燃料を多段噴射できることが可能なため最新のエンジンで採用されている。該燃料噴射装置は，燃料の噴射系の最大の欠点は，コストが高いことであり，噴射系部品のコストと噴射系以外のエンジン部品が同じといわれる程高額である。そのため，ディーゼルエンジンは，極めて高い熱効率を有しながら走行距離の短い道路事情の日本では普及しない原因の１つと言われている。

従来，内燃機関の燃料噴射装置として，圧電素子の応答性を活かし，ソレノイド式燃料噴射ノズルの耐リーク性や取付性を活かし，コントロールピストンのリフト量を十分に確保するものが知られている。該内燃機関の燃料噴射装置は，コントロールピストンによってニードル弁に連結してニードル弁の摺動を制御し，燃料チャンバ内に配置されたリターンスプリングがニードル弁を噴口閉鎖方向に付勢し，電圧変化によって変位する圧電素子によってコントロールピストンのリフトが制御される。圧電素子の変位は，変位拡大機構のてこの作用によって，変位を拡大してコントロールピストンに伝達し，コントロールピストンとニードル弁のリフト量を確保するものである（例えば，特許文献１参照）。

また，燃料噴射ノズルの噴射率制御装置として，副噴射及び主噴射を適切に行い，エンジンの燃焼を向上させて窒素酸化物の排出を低減するものが知られている。該燃料噴射ノズルは，スプリングの上端に圧接されたフリーピストンを上下方向に摺動可能に設け，ピストンの上面に積層型圧電素子を当接し，圧電素子の端子間に電圧を印加することにより圧電素子が上下方向に伸縮してスプリングの弾性力を変化させる。上記燃料噴射ノズルは，エンジンの運転状態を検出するセンサの検出出力に基づいてコントローラが圧電素子を制御するものである（例えば，特許文献２参照）。

また，本出願人は，針弁に作用するスプリングのばね力を駆動体を用いて制御することによって燃料噴射を繊細に制御することを可能にしたユニットインジェクタを開発して先に特許出願した。該ユニットインジェクタは，ノズルを配設したノズルホルダ内に設けられたバランスチャンバ内に配設され且つ針弁をノズルに形成された弁シートに押し付けるスプリングとスプリングのばね力に対抗する方向に力を作用させる積層圧電アクチュエータとを備えている。該ユニットインジェクタは，スプリングホルダ内に形成されたバランスチャンバ内に，スプリングと積層圧電アクチュエータとは直列に配設されているものである（例えば，特許文献３参照）。

特開平０９−２１７６６６号公報特開平０５−４４５９１号公報特開２０１２−１３７０１９号公報

しかしながら，従来のコモンレール用燃料噴射ノズルは，ピエゾアクチュエータ又はソレノイドにより油圧を制御して針弁を持ち上げて燃料を噴射しているが，この方法では，複雑な油圧システムを必要とすると共に，油圧によって作動させるため，応答性に限界があった。また，ユニットインジェクタにおける針弁は，プランジャで作られる圧力により自動的に動き，燃料を噴射する構造であるため，噴射状態を細かく制御することには向いていない。プランジャで作られた高圧燃料を電磁ソレノイドで逃がす構造を追加して噴射を複数回噴射できるようにしたものが開発されているが，針弁をアクチュエータで直接駆動していないため，細かい制御はコモンレール式燃料噴射装置に劣ると共に，上記のような構造を追加するため，構造が複雑になり，コモンレール式燃料噴射装置の利点が損なわれる。

ところで，燃料噴射装置において，針弁を作動するための補助手段としてピエゾ素子即ち圧電素子が利用されているが，上記の背景技術のようにいずれも燃料噴射ノズルのヘッド部に配設され，コントローラの指令で針弁を押し下げるスプリングのばね力に対抗するアクチュエータとしては満足できるものではなかった。

この発明の目的は，上記の問題を解決することであり，針弁をプッシュロッドを介して押え付けている押圧ばねのばね力即ち前記針弁の閉弁力をピエゾアクチュエータ等のアクチュエータの直接的な作動によって，ばね力を直接解放して針弁による噴孔を開放させる構造であって，極めてシンプルに構成すると共に前記針弁の作動に高い応答性を確保し，且つエンジン１サイクル中の噴射回数も従来のものよりも多くすることが可能になり，燃料の燃焼を的確に行なって排気ガスの有害物質の排出を削減し，エンジン性能のアップに貢献できるコモンレール用燃料噴射ノズルを提供することである。

この発明は，先端部に噴孔，前記噴孔へ燃料を供給する燃料溜まり部及び前記燃料を前記燃料溜まり部に供給する燃料通路が形成されたノズル本体，前記ノズル本体内に配設され且つ前記燃料の燃料圧に応答してリフトして前記噴孔を開放する針弁，並びに前記ノズル本体内のチャンバに配設された押圧ばねのばね力で前記針弁を介して前記噴孔を閉方向に押圧するプッシュロッドを備えていることから成るコモンレール用燃料噴射ノズルにおいて，
前記ノズル本体内に一端が支持配設され且つ他端が前記プッシュロッドの端部に対向して配設されたアクチュエータを備えており，前記アクチュエータは，コントローラからの指令に応答して作動されて前記プッシュロッドをリフトさせ，前記針弁は，前記プッシュロッドのリフトによってフリーになって燃料圧でリフトして前記噴孔が開放され，前記噴孔を通じて前記燃料通路及び前記燃料溜まり部からの前記燃料が噴射されることを特徴とするコモンレール用燃料噴射ノズルに関する。

また，このコモンレール用燃料噴射ノズルにおいて，前記アクチュエータは，前記プッシュロッドが挿通する中央孔付きの筒体に形成され，一端が前記ノズル本体に支持配設され且つ他端が前記筒体の前記中央孔に挿通された前記プッシュロッドの端部に形成されたフランジ部に対向し，前記アクチュエータの作動によって前記プッシュロッドが前記フランジ部を介して前記押圧ばねの前記ばね力に抗して前記プッシュロッドをリフトさせるものである。

或いは，このコモンレール用燃料噴射ノズルにおいて，前記プッシュロッドは，一端に前記押圧ばねの前記ばね力を受ける端面プレート部を備え，他端に前記針弁に対向するロッド部を備えており，前記アクチュエータは，中実構造に形成され，前記プッシュロッドの前記端面プレート部と前記ロッド部との間に形成された前記プッシュロッドの筒部に収容されており，前記アクチュエータは，前記一端が前記ノズル本体に支持配設され且つ前記他端が前記プッシュロッドの前記端面プレートに対向して配設され，前記アクチュエータの作動で前記プッシュロッドが前記端面プレートを介して前記押圧ばねの前記ばね力に抗して前記プッシュロッドをリフトさせるものである。

また，このコモンレール用燃料噴射ノズルにおいて，前記アクチュエータは，前記一端が前記ノズル本体に配設されたピストン台座に支持又は前記ピストン台座に配設されたアクチュエータ台座に支持されている。また，このコモンレール用燃料噴射ノズルは，前記アクチュエータの前記一端と前記ピストン台座との隙間，及び／又は前記アクチュエータの前記他端と前記プッシュロッドの前記フランジ部との隙間を小さく調整するため，前記隙間にシムが介在されている。

また，このコモンレール用燃料噴射ノズルは，前記アクチュエータ台座と前記ピストン台座との隙間に供給される燃料によって構成される燃料圧ピストンと，前記燃料圧ピストンに予め決められた所定の燃料圧を維持するため前記ノズル本体に形成された低圧燃料通路に設けられた逆止弁とを備えており，前記逆止弁は前記アクチュエータの作動に応答して前記燃料圧ピストンへ前記燃料を供給する前記低圧燃料通路を閉鎖して前記燃料圧ピストンの前記燃料圧を維持するものである。

このコモンレール用燃料噴射ノズルにおいて，前記アクチュエータ台座は，前記燃料圧ピストンに予め決められた所定の力を発生させるための受圧面積を有しており，前記燃料圧ピストンに維持される前記燃料圧は，前記針弁に作用する前記高圧燃料による燃料圧より小さい値に設定されている。また，前記燃料圧ピストンに供給された前記燃料は，燃料タンクから燃料ポンプによって前記ノズル本体に形成された前記低圧燃料通路を通じて供給される。

また，このコモンレール用燃料噴射ノズルにおいて，前記針弁を前記噴孔の閉鎖方向に作用させる力は，前記押圧ばねの前記ばね力に加えて，燃料タンクからの燃料を加圧して蓄圧した燃料蓄圧室から供給される燃料圧による。
また，前記押圧ばねは，一端が前記ノズル本体に支持され且つ他端が前記プッシュロッドに直接又は前記プッシュロッドと前記押圧ばねとの間に介在した押圧ピストンに支持されている。
また，前記燃料溜まり部に前記燃料通路を通じて供給される前記燃料は，燃料タンクの燃料を加圧する燃料加圧用高圧ポンプからの加圧燃料を蓄圧した燃料蓄圧室から供給されており，前記針弁と前記ノズル本体との隙間からオーバフローした燃料は前記ノズル本体に形成された前記バランスチャンバ及びオーバフロー燃料通路を通じて前記燃料タンクに戻されるものである。

このコモンレール用燃料噴射ノズルにおいて，前記アクチュエータは，ピエゾ素子を積層して形成されたピエゾアクチュエータであり，前記ピエゾアクチュエータは，前記コントローラからの指令に応答して印加されて作動され，前記ピエゾアクチュエータへの印加電圧に応じて予め決められた所定の長さに伸びて前記プッシュロッドをリフトさせて前記針弁をリフトさせるものである。

このコモンレール用燃料噴射ノズルは，上記のように構成されているので，アクチュエータ，特にピエゾアクチュエータの伸びによって，押圧ばねを収縮させ，押圧ばねのばね力がピエゾアクチュエータの伸びによって打ち消され，ばね力が解放されると，針弁がリフトして噴孔を開弁させることができる。即ち，針弁には，燃料溜まりに供給された高圧燃料の燃料圧力により，噴孔を開放する方向に開弁力が作用している。針弁の開弁力は，針弁の摺動部の断面積から針弁のシート部の断面積を差し引いた面積に燃料圧力を乗じた値の力になっている。これに対して，針弁には，押圧ばねのばね力が作用して針弁を閉弁方向に押し付けている。そこで，このコモンレール用燃料噴射ノズルは，ピエゾ素子の積層体から成るピエゾアクチュエータの伸びにより針弁を押さえ付けている力を解放すると，針弁は，燃料圧力による燃料圧で開放方向に動く即ちリフトさせることができる。また，ピエゾアクチュエータは，例えば，ピエゾアクチュエータに直流電圧１５０Ｖが印加されると，ピエゾ積層体の全長が１０ｍｍであると，アクチュエータ台座を基準にして，伸び量が１０μｍ〜１５μｍであり，ピエゾ積層体が全長３０ｍｍの場合には，１５０Ｖの印加で３０μｍ〜４５μｍになり，ピエゾ積層体の伸び量は電圧にほぼ比例するものである。即ち，ピエゾアクチュエータは，コントローラからの指令に応答して印加電圧が制御されて作動され，ピエゾアクチュエータへの印加電圧に応じて予め決められた所定の長さに伸びてプッシュロッドをリフトさせて針弁をリフトさせ，噴孔を開放する。また，ピエゾアクチュエータは，プッシュロッドのフランジ部と台座ピストン又はノズル本体との間に挟まれて配設されているが，プッシュロッドのフランジ部とピエゾアクチュエータの端部との間に発生する隙間は，多くのノズル部品の公差即ちバラツキを集積した値であるので，ピエゾアクチュエータは，そのバラツキを考慮して，上記隙間を短めに設定する必要がある。

ところで，コモンレール用燃料噴射ノズルの組立中に，部品バラツキによる隙間の長さを測定し，その隙間に見合ったシム等で隙間を調整しても，５μｍ程度の隙間で調整することは難しい。更に，針弁のシート部のなじみ，各々の部品の線膨張を考慮すると，隙間には１０μｍ〜１５μｍの範囲の余裕が必要である。そこで，その隙間にアクチュエータ台座を配設して，常に隙間を零にすることによって，針弁をリフトさせるのに，ピエゾアクチュエータの伸びを有効に活用することができる。また，ピエゾアクチュエータに対する受圧面積を大きく（逆止弁を含む）することで，ピエゾアクチュエータの力を受けても，燃料が圧縮されて台座が低くなる長さを最小にすることができる。アクチュエータ台座の受圧部に係る圧力が大き過ぎると，その圧だけ台座面が上昇し，ノズル針弁が開放するので，その燃料圧は燃料タンクから高圧ポンプで送油する程度の圧力が望ましい。この場合，台座の縮む長さは，３〜５μｍ程度である。更に，針弁を閉弁方向に押え付けるためにピストンを用いることで，燃料圧力が高いときには，押さえ付け力も自動で高くなり，シール性を確保できる。押圧ばねのばね力だけであると，高圧時の開弁力に打ち勝つために大型化になり好ましくないものであるが，本願発明は，ピエゾアクチュエータの作動即ち伸び量がプッシュロッドに直接的に作用してプッシュロッドを針弁から解放させるので，極めて応答性が良好に成る。また，プッシュロッドが挿通する筒形にピエゾアクチュエータを形成すると，構造そのものは簡単になるが，ピエゾアクチュエータの製造コストが高くなる。又は，ピエゾアクチュエータが挿通する筒形にプッシュロッドを形成すると，プッシュロッドの形状が複雑になるが，ピエゾアクチュエータを中実形に構成することができ，ピエゾアクチュエータの加工が簡単でコスト低減に寄与できる。

この発明によるコモンレール用燃料噴射ノズルを組み込んだ燃料噴射装置の概略を示す回路図である。この発明によるコモンレール用燃料噴射ノズルの第１実施例を示す断面図である。図２のコモンレール用燃料噴射ノズルの要部の拡大断面図である。この発明によるコモンレール用燃料噴射ノズルの第２実施例を示す断面図である。この発明によるコモンレール用燃料噴射ノズルの第３実施例を示す断面図である。この発明によるコモンレール用燃料噴射ノズルの第４実施例を示す断面図である。図６のコモンレール用燃料噴射ノズルにおけるプッシュロッドとピエゾアクチュエータとが位置する領域を示す拡大断面図である。図６のコモンレール用燃料噴射ノズルにおける図７のＡ−Ａ断面を示す断面図である。図６のコモンレール用燃料噴射ノズルにおけるアクチュエータ台座を示す平面図である。図９のアクチュエータ台座を示す正面図である。図２，図４，及び図５に示すコモンレール用燃料噴射ノズルに組み込まれたピエゾアクチュエータを示す説明図である。図６に示すコモンレール用燃料噴射ノズルに組み込まれたピエゾアクチュエータを示す説明図である。

以下，図面を参照して，このコモンレール用燃料噴射ノズルの実施例について説明する。まず，図１〜図３を参照して，このコモンレール用燃料噴射ノズルの一実施例を説明する。このコモンレール用燃料噴射ノズル５０は，例えば，ディーゼルエンジンを搭載したバイブリッド車に適用して好ましいものである。このコモンレール用燃料噴射ノズルは，ノズル本体１に設けたねじ部５１によってエンジンのボディ等に固定されている。コモンレール用燃料噴射ノズル５０は，高圧燃料パイプ２７からの高圧燃料が燃料溜まり部３３に供給され，その高圧燃料圧によって針弁２が上昇し，噴孔１７が開放して燃料が燃焼室即ちエンジンに燃料噴射軌跡１８に沿って噴射される。コモンレール用燃料噴射ノズル５０を構成するノズル本体１は，針弁２が組み込まれたノズルボディ１Ｂ，高圧燃料入口９とオーバフロー燃料出口を備えた上部１Ｕ，ノズルボディ１Ｂと上部１Ｕとの間に位置する中間部１Ｍ，押圧ばね７とプッシュロッド５との間に介在した押圧ピストン６を支持する支持部１Ｓ，及びこれらを収容し且つねじ部５１を備えたノズルケース１Ｃから構成されている。ノズルケース１Ｃは，ノズル本体１を構成する上部１Ｕ，支持部１Ｓ，中間部１Ｍ，及びノズルボディ１Ｂが収容固定されている。高圧燃料通路８は，上部１Ｕ，支持部１Ｓ，中間部１Ｍ，及びノズルボディ１Ｂに連通して形成されている。ノズルケース１Ｃには，コモンレール用燃料噴射ノズル５０をエンジンのシリンダヘッド等に取り付けるため，外周面にねじ部５１が設けられている。

ノズル本体１の上部１Ｕの凹部で形成されたばね収容チャンバ４２Ｓには，プッシュロッド５を閉弁方向に押し下げる押圧ばね７が収容されており，また，中間部１Ｍを貫通するバランスチャンバ４２には，プッシュロッド５及びプッシュロッド５の周囲に配設，即ち，プッシュロッド５を挿通させる中央孔３Ｈを備えたピエゾ素子の積層体であるピエゾアクチュエータ３が配設されている。ピエゾアクチュエータ３は，図１１に示すように，プッシュロッド５が挿通する貫通孔８６が形成されている。コモンレール用燃料噴射ノズル５０では，ノズルボディ１Ｂと中間部１Ｍとの間には，ピストン台座１６が介在されており，ピストン台座１６には，アクチュエータ台座１５の肩部１５Ｓがピストン台座１６の段部４３に隙間３９で形成される燃料圧ピストン３９Ｐを介して支持されると共に，針弁２の上端面４７との間に隙間４０を形成して着座している。アクチュエータ台座１５には，隙間３４Ｃを介してアクチュエータであるピエゾアクチュエータ３の端部３６が対向している。ピストン台座１６には，低圧燃料通路１０に連通する凹部４４が形成され，凹部４４にはボール３１とスプリング３２から構成される逆止弁１４が配設されている。中間部１Ｍに形成された低圧燃料通路１０の端部は，逆止弁１４を構成するボール３１がスプリング３２に押し付けられて着座するシート部に形成されている。針弁２は，ノズルボディ１Ｂに形成された中空穴に燃料通路４９を周囲に形成するように配設され，ノズルボディ１Ｂに形成された弁シート４１に着座している。針弁２は，ノズルボディ１に収容された針弁摺動部４６となる大径部２Ｌ，周囲に燃料通路４９を形成する小径部２Ｓ，及びノズルボディ１の円錐孔５４に位置する先端側の円錐弁部２Ｖから成り，大径部２Ｌと小径部２Ｓとの境がノズルボディ１Ｂの燃料溜まり部３３に位置して段部４５に形成されている。高圧燃料３０Ｈは，上部１Ｕに形成された高圧燃料入口９から，高圧燃料通路８，ノズルボディ１Ｂに形成された燃料溜まり部３３，及び針弁２とノズルボディ１との間で針弁周りに形成された燃料通路４９へと供給される。コモンレール用燃料噴射ノズル５０は，プッシュロッド５の針弁２への押し下げ力がフリーになると，主として燃料溜まり部３３の高圧燃料３０Ｈが針弁２の段部４５に作用し，針弁２を上下動させることになる。針弁２が上下動することによって，針弁２が着座する弁シート４１に離接することになり，針弁２によってノズルボディ１Ｂに形成されている噴孔１７が開閉され，燃料溜まり部３３の燃料が開口した噴孔１７から噴射されるように構成されている。

図１に示すように，コモンレール用燃料噴射ノズル５０へ供給される高圧燃料３０Ｈは，燃料タンク２０に収容された燃料３０が燃料ポンプ１９で加圧用燃料調整弁２１を通じて燃料加圧用高圧ポンプ２２に送り込まれて燃料３０が加圧されて高圧にされる。高圧ポンプ２２で高圧にされた高圧燃料３０Ｈは，燃料蓄圧室２３に蓄圧され，燃料蓄圧室２３から高圧燃料パイプ２７を通じてコモンレール用燃料噴射ノズル５０の高圧燃料通路８に送り込まれる。コントローラ２４は，車速，エンジン状態の検出情報に応じて燃焼室即ちエンジンに送り込む燃料流量を制御するように構成されている。コモンレール用燃料噴射ノズル５０におけるバランスチャンバ４２に漏洩した燃料はオーバーフロー燃料通路１２を通じてオーバーフロー燃料出口１３からオーバーフロー燃料戻しパイプ２９から燃料タンク２０に戻される。また，アクチュエータ台座１５とピストン台座１６との間の隙間３９に，押圧ピストンを構成する燃料圧ピストン３９Ｐを形成するため，隙間３９に低圧燃料を供給する低圧燃料通路１０を形成することができる。低圧燃料通路１０には，燃料タンク２０の燃料３０が低圧燃料パイプ２８を通じて低圧燃料入口１１から供給されるように構成されている。ノズル本体１における低圧燃料に対しては，燃料圧ピストン３９Ｐを低圧燃料で構成するため，低圧燃料通路１０を形成するピストン台座１６に逆止弁１４が設けられている。コントローラ２４は，燃料蓄圧室２３の燃料圧を調整すると共に，コモンレール用燃料噴射ノズル５０に設けられている後述のピエゾアクチュエータ３への電圧の印加を制御し，ピエゾアクチュエータ３の作動をエンジンのサイクルに応答して制御する。

コモンレール用燃料噴射ノズル５０は，概して，先端部に噴孔１７，噴孔１７に連通する中間部に燃料溜まり部３３，及び高圧燃料３０Ｈを燃料溜まり部３３に供給する燃料通路８が形成されたノズル本体１，高圧燃料３０Ｈの燃料圧に応答してリフトして噴孔１７を開放して高圧燃料３０Ｈを噴孔１７から噴射させる針弁２，並びにノズル本体１内に配設された押圧ばね７のばね力で針弁２を噴孔閉方向に押圧するプッシュロッド５を備えている。特に，針弁２は，ノズルボディ１Ｂ内で上下動するようにノズルボディ１Ｂに挿通されており，プッシュロッド５による押し下げ力から解放されると，燃料圧で上昇してノズルボディ１Ｂに設けた噴孔１７を開放し，噴孔１７から高圧燃料３０Ｈが噴射される。ノズルボディ１Ｂには，上部の大径孔５２，下部の小径孔５３，大径孔５２と小径孔５３との間の燃料溜まり部３３，弁シート４１が形成される先端側の円錐孔５４，及び円錐孔５４の部位に形成された噴孔１７が形成されている。針弁２は，ノズルボディ１Ｂの大径孔５２内で摺動する大径部２Ｌ，ノズルボディ１Ｂの小径孔５３内で上下動する小径部２Ｓ，大径部２Ｌと小径部２Ｓとの間の燃料溜まり部３３に位置する段部４５，及びノズルボディ１Ｂの円錐孔５４内で上下動して円錐孔５４に形成された弁シート４１に着座する円錐弁部２Ｖから構成されている。プッシュロッド５は，ノズル本体１の中間部１Ｍのバランスチャンバ４２内に配設され，プッシュロッド５の先端部はバランスチャンバ４２の下部に配設された台座ピストンであるアクチュエータ台座１５の中空孔を挿通して針弁２へと伸びている。針弁２の上部の当接面を構成する上端面４７には，押圧ばね７のばね力で押し下げられたプッシュロッド５の先端面４８が当接している。従って，針弁２は，プッシュロッド５が押圧ばね７のばね力より解放されると，フリーになって燃料圧のみが作用することになる。針弁２に付勢される燃料圧即ち針弁２の開弁力は，ノズルボディ１Ｂの大径孔５２の直径をＤ１とし，針弁２の円錐弁部２Ｖが着座するノズルボディ１Ｂの円錐孔５４に形成された弁シート４１の直径をＤ２とすると，針弁２の摺動部であるノズルボディ１Ｂの大径孔５２の断面積〔π（Ｄ１／２）²〕から針弁２の円錐弁部２Ｖ又はノズルボディ１Ｂの弁シート４１の断面積〔π（Ｄ２／２）²〕を差し引いた面積〔π（Ｄ１／２）²−π（Ｄ２／２）²〕〕に燃料圧力を乗じた値の力になっている。これに対して，針弁２には，押圧ばね７のばね力が作用して針弁２を閉弁方向に押し付けている。

このコモンレール用燃料噴射ノズルは，具体的には，図２及び図３に示すように，ノズル本体１内のプッシュロッド５の周囲においてノズル本体１に一方の端部３６が支持配設され且つ他方の端部３７がプッシュロッド５の端部に形成されたフランジ部３５に対向してアクチュエータを構成するピエゾアクチュエータ３が配設されている。詳細には，プッシュロッド５の端部３７には，フランジ部３５が一体構造に形成されている。ピエゾアクチュエータ３は，一端がノズル本体１を構成するノズルボディ１Ｂと中間部１Ｍとの間に介在したピストン台座１６に着座したアクチュエータ台座１５に隙間３４Ｃを介して支持され，他端がフランジ部３５に対して予め決められた所定の隙間，好ましくは零隙間を有して配設されている。コントローラ２４には，燃料蓄圧室２３の圧力信号の情報がライン２５を通じて送られると共に，エンジン，車両装置等からの情報９０が入力される。そこで，ピエゾアクチュエータ３は，コントローラ２４の指令によって配線２６を通じてピエゾアクチュエータ３の電極４（＋と−）に電圧が印加されると，その印加電圧に応じた伸びが発生し，その伸びに応じた力を発生させてプッシュロッド５を開弁方向にリフトさせ，プッシュロッド５のリフトによって針弁２がフリーになり，針弁２が燃料圧でリフトして噴孔１７が開放され，燃料が噴射軌跡１８に沿って噴射される。本願発明では，アクチュエータとしては，ピエゾ素子を積層して形成されたピエゾアクチュエータ３を用いている。また，コモンレール用燃料噴射ノズル５０は，コントローラ２４からの指令で電源からピエゾアクチュエータ３の正負の電極４に通電して，ピエゾアクチュエータ３が伸びを発生すると，ピエゾアクチュエータ３の伸びに応答してプッシュロッド５をリフトさせて押圧ばね７が収縮し，プッシュロッド５のリフトで押圧ばね７のばね力が針弁２から解放され，針弁２を燃料圧でリフトし，針弁２が噴孔７を開放し, 噴孔７から高圧燃料３０Ｈが燃焼室（図示せず）に噴射される。そこで，コモンレール用燃料噴射ノズル５０は，針弁２を押し下げるプッシュロッド５に作用する押圧ばね７のばね力がピエゾアクチュエータ３の伸びで解放されると，針弁２を押し下げる力が無くなり，針弁２は燃料圧でリフトすることになる。

また，ピエゾアクチュエータ３の端部３６は，座面を形成するアクチュエータ台座１５に支持されており，ピエゾアクチュエータ３の端部３７はプッシュロッド５のフランジ部３５に隙間３８を持って対向している。隙間３８は，隙間零に近づけることがピエゾアクチュエータ３のレスポンスを良好にするので，アクチュエータ台座１５とピストン台座１６との間の隙間３９に，ピエゾアクチュエータ３が付勢された時に逆止弁１４が低圧燃料通路１０を閉鎖して燃料圧ピストン３９Ｐが形成されるように構成されている。即ち，コモンレール用燃料噴射ノズル５０は，アクチュエータ台座１５の肩部がピストン台座１６の段部４３に配設して支持されており，アクチュエータ台座１５の肩部とピストン台座１６の段部４３との間に隙間３９が形成される。隙間３９には，ピストン台座１６に形成された逆止弁１４と低圧燃料通路１０を通じて低圧燃料が供給され，それによって隙間３９が燃料圧ピストン３９Ｐに構成されている。隙間３９には，ノズル本体１に形成された燃料路である低圧燃料通路１０からピストン台座１６に形成された逆止弁１４に低圧燃料が供給される。燃料圧ピストン３９Ｐは，ピエゾアクチュエータ３が付勢されると，ピエゾアクチュエータ３の端部３６がアクチュエータ台座１５を押し下げ，隙間３９に存在する燃料３０が加圧され，ボール３１が中間部１Ｍに形成された低圧燃料通路１０の端部の弁座に着座して，低圧燃料通路１０が閉鎖されることによって構成される。逆止弁１４は，ピエゾアクチュエータ３が作動に応答して燃料圧ピストン３９Ｐの燃料路１０を閉鎖するように作用する。また，アクチュエータ台座１５は，燃料圧ピストン３９Ｐに所定の力を発生させるための受圧面積を有しており，燃料圧ピストン３９Ｐへ供給する燃料圧は，針弁２に作用する高圧燃料３０Ｈによる燃料圧より小さい値に設定されている。また，燃料圧ピストン３９Ｐの燃料による燃料圧は，燃料タンク２０より供給された燃料の供給圧力である。

コモンレール用燃料噴射ノズル５０では，針弁２を噴孔１７の閉鎖方向に作用させる力は，押圧ばね７によるばね力と，燃料タンク２０からの燃料を加圧して蓄圧した燃料蓄圧室２３から供給された高圧燃料３０Ｈの燃料圧とである。また，押圧ばね７は，一端がノズル本体１に支持されて且つ他端がプッシュロッド５に，プッシュロッド５と押圧ばね７との間に介在した押圧ピストン６に支持されている。コモンレール用燃料噴射ノズル５０では，燃料溜まり部３３に供給される高圧燃料３０Ｈは，燃料タンク２０の燃料を加圧する燃料加圧用高圧ポンプ２２からの加圧燃料を蓄圧した燃料蓄圧室２３から供給されている。また，燃料溜まり部３３から針弁２とノズル本体１との隙間からオーバフローした燃料は，ノズル本体１に形成されているオーバフロー燃料通路１２を通じてオーバフロー燃料出口１３か燃料タンク２０に戻される。また，燃料圧ピストン３９Ｐに供給される高圧燃料３０Ｈより低い燃料圧に設定されている低圧燃料は，燃料タンク２０から燃料ポンプ１９によってノズル本体１に形成された低圧燃料通路１０を通じて供給される。

次に，図４を参照して，このコモンレール用燃料噴射ノズルの第２実施例を説明する。第２実施例のコモンレール用燃料噴射ノズルは，図２に示した第１実施例から押圧ピストンを無くしたものである。ノズル本体１は，第１実施例と比較すると，支持部１Ｓが無く，上部１Ｕと中間部１Ｍとが一体に構成されている。コモンレール用燃料噴射ノズル５０は，プッシュロッド５と押圧ばね７との間の第１実施例の押圧ピストン６が無く，押圧ばね７がプッシュロッド５のフランジ部３５の上面に直接当接し，押圧ばね７のばね力がプッシュロッド５に直接付勢されている。従って，ノズル本体１に形成されたバランスチャンバ４２は，ストレートな中空に形成されており，ばね収容チャンバ４２Ｓ内に押圧ばね７，及びバランスチャンバ４２内にプッシュロッド５とピエゾアクチュエータ３が配設されている。第２実施例は．第１実施例と比較して，作動そのものは同様であるので，同様の部材には同一の符号を付して，重複する説明を省略する。

次に，図５を参照して，このコモンレール用燃料噴射ノズルの第３実施例を説明する。第３実施例のコモンレール用燃料噴射ノズルは，図４に示した第２実施例からアクチュエータ台座であるアクチュエータ台座を無くし，それに伴って低圧燃料通路１０及び逆止弁１４を無くしてシンプルに構成したものである。第３実施例のコモンレール用燃料噴射ノズル５０は，第１実施例と比較して燃料圧ピストン３９Ｐ及び低圧燃料通路１０に逆止弁１４を持たない構造であるので，ピエゾアクチュエータ３の一端の端部３６の端面はアクチュエータ台座１５Ｐにシム３４を介して支持され，他端の端部３７は隙間を無くすためシム３４を介してプッシュロッド５のフランジ部３４に対向しており，アクチュエータ台座１５Ｐには第１実施例や第２実施例のような燃料圧ピストンの機能が無く，部材間で生じる隙間，例えば，ピエゾアクチュエータ３とフランジ部３５との隙間３８及びピエゾアクチュエータ３とアクチュエータ台座１５Ｐとの隙間等をシム３４で調整しているので，各種の部材を高精度に作製する必要があり，シム３４で隙間が零に成るように調整する必要がある。第３実施例は．第１実施例や第２実施例と比較して，作動そのものは同様であるので，同様の部材には同一の符号を付して，重複する説明を省略する。

次に，図６を参照して，このコモンレール用燃料噴射ノズルの第４実施例を説明する。第４実施例は，先の第１実施例〜第３実施例と比較して，アクチュエータとしてピエゾアクチュエータと，コントローラからの指令に応答してピエゾアクチュエータの作動即ち伸びによってリフトするプッシュロッドを備えている点は同一の技術的思想である。また，第１実施例〜第３実施例は，ピエゾアクチュエータ３がプッシュロッドを挿通させる中央孔３Ｈ付きの筒体に形成され，ピエゾアクチュエータ３に挿通するプッシュロッド５の端部に形成されたフランジ部３５に対向し，アクチュエータ３の作動によってプッシュロッド５がフランジ部３５を介して押圧ばね７のばね力に抗してプッシュロッド３をリフトさせている。これに対して，第４実施例は，ピエゾアクチュエータ３Ａを中実構造に形成し，プッシュロッド５Ａを中空孔５Ｈ付きの筒形に形成して該筒部５Ｄの中空孔５Ｈにピエゾアクチュエータ３Ａを挿通収容したものである。即ち，プッシュロッド５Ａは，一端に押圧ばね７のばね力を受ける端面プレート部５Ｃを備え，他端に針弁２に対向するロッド部５Ｂを備えており，ピエゾアクチュエータ３Ａは，プッシュロッド５Ａの端面プレート部５Ｃとロッド部５Ｂとの間に形成されたプッシュロッド５Ａの筒部５Ｄに収容されており，ピエゾアクチュエータ３Ａは，一端面３Ｌがノズル本体１に支持されたアクチュエータ台座１５Ａに支持配設され且つ他端面３Ｕがプッシュロッド５Ａの端面プレート５Ｃに対向して接触配設されており，ピエゾアクチュエータ３Ａの作動で，プッシュロッド５Ａが端面プレート５５Ｃを介して押圧ばね７のばね力に抗してプッシュロッド５Ａをリフトさせるものである。

第４実施例では，ピエゾアクチュエータ３Ａは，特に，図１２に示すように，丸形，四角形，楕円形等の中実構造であり，製造コストを低減できるものである。また，プッシュロッド５Ａについては，筒部５Ｄの針弁２側の端部に一体構造になっているロッド部５Ｂの周囲に一対の三日月状孔８５が形成されている。ロッド部５Ｂの下端面５Ｌは，プッシュロッド５の非リフト時に針弁２の上端面を押圧して針弁２を閉弁する押圧面を形成している。ロッド部５Ｂの上端面５Ｕは，隙間３８Ａを形成してピエゾアクチュエータ３Ａの下端面３Ｌに対向しており，プッシュロッド５Ａのリフト時にピエゾアクチュエータ３Ａの下端面３Ｌに接触する。言い換えれば，下端面３Ｌと上端面５Ｕとの間の隙間３８Ａは，ピエゾアクチュエータ３Ａの印加によって伸びる伸び量よりも少なくとも大きいか同じに設定されている。アクチュエータ台座１５Ａは，その下端部の肩部１５Ｓがピストン台座１６の段部４３に隙間３９で形成される燃焼圧ピストン３９Ｐを介して支持されており，上端部にはプッシュロッド３Ａの一対の三日月状孔８５にそれぞれ挿通する一対の三日月状凸部８４が設けられている。また，アクチュエータ台座１５Ａには，プッシュロッド５Ａのロッド部５Ｂが挿通する中央孔８７が形成されている。ピエゾアクチュエータ３Ａは，その下端面３Ｌがアクチュエータ台座１５Ａの一対の三日月状凸部８４の上端面１５Ｕで配設支持されており，上端面３Ｕがプッシュロッド５Ａの端面プレート５Ｃに対向して接触配設されている。第４実施例は，ピエゾアクチュエータ３Ａがコントローラ２４の指令で印加されると，ピエゾアクチュエータ３Ａが伸びて，プッシュロッド５Ａの端面プレート部５Ｃを押圧ばね６のばね力に抗して押し上げ，プッシュロッド５Ａがリフトすると，プッシュロッド５Ａのロッド部５Ｂの下端面５Ｌが針弁２の上端面から離れ，針弁２が押圧ばね６のばね力から解放される。針弁２が押圧ばね６のばね力から解放されると，針弁２は，燃料圧でリフトし，噴孔１７が開放し，燃料３０が噴孔１７から燃料噴射軌跡１８に沿って燃焼室（図示せず）に噴射される。ここで，第４実施例は．第１実施例〜第３実施例と比較して，作動そのものは基本的には同様であるので，同様の部材には同一の符号に添字Ａを付して，重複する説明を省略する。

この発明によるコモンレール用燃料噴射ノズルは，例えば，バイブリッド車におけるディーゼルエンジンに適用して好ましいものである。

１ノズル本体
２針弁
３，３Ａピエゾアクチュエータ
４電極
５，５Ａプッシュロッド
６押圧ピストン
７押圧ばね
８高圧燃料通路
１０低圧燃料通路
１２オーバーフロー燃料通路
１４逆止弁
１５，１５Ａアクチュエータ台座
１６ピストン台座
１７噴孔
１９燃料ポンプ
２０燃料タンク
２３燃料蓄圧室
２４コントローラ
３０燃料
３０Ｈ高圧燃料
３３燃料溜まり部
３４シム
３５フランジ部
３６，３７端部
３８，３９，３９Ａ，４０隙間
３９Ｐ燃料圧ピストン
４２バランスチャンバ
４９燃料通路
５０燃料噴射ノズル

Claims

先端部に噴孔，前記噴孔へ燃料を供給する燃料溜まり部及び前記燃料を前記燃料溜まり部に供給する燃料通路が形成されたノズル本体，前記ノズル本体内に配設され且つ前記燃料の燃料圧に応答してリフトして前記噴孔を開放する針弁，並びに前記ノズル本体内のチャンバに配設された押圧ばねのばね力で前記針弁を介して前記噴孔を閉方向に押圧するプッシュロッドを備えていることから成るコモンレール用燃料噴射ノズルにおいて，
前記ノズル本体内に一端が支持配設され且つ他端が前記プッシュロッドの端部に対向して配設されたアクチュエータを備えており，
前記アクチュエータは，コントローラからの指令に応答して作動されて前記プッシュロッドをリフトさせ，前記針弁は，前記プッシュロッドのリフトによってフリーになって燃料圧でリフトして前記噴孔が開放され，前記噴孔を通じて前記燃料通路及び前記燃料溜まり部からの前記燃料が噴射されることを特徴とするコモンレール用燃料噴射ノズル。
前記アクチュエータは，前記プッシュロッドが挿通する中央孔付きの筒体に形成され，一端が前記ノズル本体に支持配設され且つ他端が前記筒体の前記中央孔に挿通された前記プッシュロッドの端部に形成されたフランジ部に対向し，前記アクチュエータの作動によって前記プッシュロッドが前記フランジ部を介して前記押圧ばねの前記ばね力に抗して前記プッシュロッドをリフトさせることことを特徴とする請求項１に記載のコモンレール用燃料噴射ノズル。
前記プッシュロッドは，一端に前記押圧ばねの前記ばね力を受ける端面プレート部を備え，他端に前記針弁に対向するロッド部を備えており，
前記アクチュエータは，中実構造に形成され，前記プッシュロッドの前記端面プレート部と前記ロッド部との間に形成された前記プッシュロッドの筒部に収容されており，
前記アクチュエータは，前記一端が前記ノズル本体に支持配設され且つ前記他端が前記プッシュロッドの前記端面プレートに対向して配設され，前記アクチュエータの作動で前記プッシュロッドが前記端面プレートを介して前記押圧ばねの前記ばね力に抗して前記プッシュロッドをリフトさせることを特徴とする請求項１に記載のコモンレール用燃料噴射ノズル。
前記アクチュエータは，前記一端が前記ノズル本体に配設されたピストン台座に支持又は前記ピストン台座に配設されたアクチュエータ台座に支持されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のコモンレール用燃料噴射ノズル。
前記アクチュエータの前記一端と前記ピストン台座との隙間，及び／又は前記アクチュエータの前記他端と前記プッシュロッドの前記フランジ部との隙間を小さく調整するため，前記隙間にシムが介在されていることを特徴とする請求項４に記載のコモンレール用燃料噴射ノズル。
前記アクチュエータ台座と前記ピストン台座との隙間に供給される燃料によって構成される燃料圧ピストンと，前記燃料圧ピストンに予め決められた所定の燃料圧を維持するため前記ノズル本体に形成された低圧燃料通路に設けられた逆止弁とを備えており，前記逆止弁は前記アクチュエータの作動に応答して前記燃料圧ピストンへ前記燃料を供給する前記低圧燃料通路を閉鎖して前記燃料圧ピストンの前記燃料圧を維持することを特徴とする請求項４又は５に記載のコモンレール用燃料噴射ノズル。
前記アクチュエータ台座は，前記燃料圧ピストンに予め決められた所定の力を発生させるための受圧面積を有しており，前記燃料圧ピストンに維持される前記燃料圧は，前記針弁に作用する前記高圧燃料による燃料圧より小さい値に設定されていることを特徴とする請求項６に記載のコモンレール用燃料噴射ノズル。
前記燃料圧ピストンに供給された前記燃料は，燃料タンクから燃料ポンプによって前記ノズル本体に形成された前記低圧燃料通路を通じて供給されることを特徴とする請求項６又は７に記載のコモンレール用燃料噴射ノズル。
前記針弁を前記噴孔の閉鎖方向に作用させる力は，前記押圧ばねの前記ばね力に加えて，燃料タンクからの燃料を加圧して蓄圧した燃料蓄圧室から供給される燃料圧によることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のコモンレール用燃料噴射ノズル。
前記押圧ばねは，一端が前記ノズル本体に支持され且つ他端が前記プッシュロッドに直接又は前記プッシュロッドと前記押圧ばねとの間に介在した押圧ピストンに支持されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載のコモンレール用燃料噴射ノズル。
前記アクチュエータは，ピエゾ素子を積層して形成されたピエゾアクチュエータであり，前記ピエゾアクチュエータは，前記コントローラからの指令に応答して印加されて作動され，前記ピエゾアクチュエータへの印加電圧に応じて予め決められた所定の長さに伸びて前記プッシュロッドをリフトさせて前記針弁をリフトさせることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載のコモンレール用燃料噴射ノズル。
前記燃料溜まり部に前記燃料通路を通じて供給される前記燃料は，燃料タンクの燃料を加圧する燃料加圧用高圧ポンプからの加圧燃料を蓄圧した燃料蓄圧室から供給されており，前記針弁と前記ノズル本体との隙間からオーバフローした燃料は前記ノズル本体に形成された前記バランスチャンバ及びオーバフロー燃料通路を通じて前記燃料タンクに戻されることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のコモンレール用燃料噴射ノズル。