JP3838288B2 - Fuel injection valve - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は電歪アクチュエータによりニードルリフトを直接行う燃料噴射弁に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
電歪アクチュエータを用いた燃料噴射弁の従来技術としては、特公平4−67026に示された油圧を介してニードル弁を開閉するものが公知である。しかしかかる燃料噴射弁は、油圧を介してON−OFF制御を行うため、応答遅れがあり、またニードルの開弁量を連続的に制御できない。
【0003】
近年、燃料噴射弁としては応答良く、短時間で、かつ噴射開始から終わりまでの噴射率を自在に制御することが望まれており、ニードル弁の直接制御が要求されている。
ところが、ニードル弁の直接制御を行う直動弁の課題は、電歪アクチュエータとハウジングとの熱膨張が異なるため、使用可能な温度範囲が狭いことであり、熱膨張対策をした直動弁の従来技術としては、特開昭60−129481に示されたように、熱変位調整部材を設け、電歪アクチュエータとの熱変位量の和をハウジングの熱変位量と合わせることが一般的である。しかしかかる噴射弁では、均一な温度変化には対応できるが、急激な温度変化により、ハウジング内外部の温度が異なる時には対応できないという問題があった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は各部の温度にむらがある時でも、応答良く、短時間で、かつ連続的にニードル弁の開弁量を制御することにより直動弁の問題点である熱膨張差を解決することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために、請求項1に記載した構成を用いる。請求項1によれば、接触用スプリングにより電歪アクチュエータの伸長力がかかる各部材を隙間無く当接させているので、熱膨張差やへたり等の経時変化を補償することができると共に、ニードル弁の開弁量の連続的制御が可能になるという効果がある。
【0006】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の第1の実施形態の燃料噴射弁の中心軸に沿った横断面図である。
この燃料噴射弁は、直噴型エンジンの燃焼室内に燃料を噴射するために用いられるものであって、各気筒に1個ずつ、例えば4気筒の場合は4個、装着される。図示しない公知のポンプから圧送されてきた燃料は、燃料インレット22から燃料噴射弁内に流入し、燃料通路21を通り、ニードル弁16が開弁することによって座17を通り噴射される。
【0007】
燃料噴射弁の主要部は、ニードル弁16の制御部1、制御部1の位置決めを行う端部固定部2より構成される作動部と、ノズル部3よりなり、ノズル部3はリテーナ7により作動部のハウジング4に締結される。
ハウジング4は有底の段付筒状をなし、その中に制御部1、端部固定部2、接触用スプリング6、プレート23が、制御部1及び端部固定部2と連結棒5を介してニードル弁16と絶えず接触を保つようにスクリュー24にて固定されている。制御部1はケース11内に制御用電歪アクチュエータ8、ピストン9、皿バネ10、スリーブ12を組み込みキャップ13にて固定されている。ここで、連結棒5、ピストン9は中間部材を形成する。ピストン9はケース11内で制御用電歪アクチュエータ8の伸縮に追随して摺動可能となっている。また、その時皿バネ10は、ピストン9を上方に付勢し、制御用電歪アクチュエータ8に当接させる。これにより、制御用電歪アクチュエータ8には約50kgfのプリセット荷重をかけている。
【0008】
端部固定部2はプレス部材15と、電歪アクチュエータからなりその中心軸を制御用電歪アクチュエータ8の中心軸と直交する方向に配設した固定用アクチュエータ14により構成され、プレス部材15は2面幅を有し中央にリード線26を通す孔を有する円柱であり、上下面は制御部1及び接触用スプリング6と接し、2面幅部には固定用アクチュエータ14の端部が固定されている。
【0009】
固定用アクチュエータ14とハウジング4の大径部のクリアランスは、固定用アクチュエータ14が通電時には伸長し、ハウジング4の内周面の大径部に当接して接触力により押圧固定し、固定用アクチュエータ14が下方から力を受けても移動しないようにしており、無通電時には収縮して上下方向に可動できるクリアランスにて取付てある。また、固定用アクチュエータ14のリード線25はプレート23の孔から外部に伸びており、図示しない駆動回路に接続している。
【0010】
ここで用いる制御用電歪アクチュエータ8は直径20mm、厚さ0.5mmの円板状のPZT素子と、直径18mm、厚さ0.02mmのステンレス板とを交互に積層して円柱状にしたものであり、各々のPZT素子の厚み方向に並列に電圧を印加できるように側面電極とステンレス板とが結合されている。側面電極とリード線26は電気的に接続されてプレート23の孔から外部へ伸びており、図示しない駆動回路と電気的に結合されている。
【0011】
PZT素子はチタン酸ジルコン酸鉛を主成分として焼結された強誘電体セラミックスであり、ピエゾ効果を有する代表的な素子である。その物性は、厚み方向に500Vの電圧を印加すると0.5μm厚みが増し、逆に500Vの電圧を印加しておきショートさせると0.5μm厚みが減る。
本第1の実施形態の制御用電歪アクチュエータ8はPZT素子を200枚、機械的には直列に、電気的には並列に結合しているため、500Vの電圧を印加することで100μmの伸縮が得られる。より詳しくは、この種の強誘電体セラミックスは電圧印加時の注入電荷量に対してリニアに変位することが公知であり、本第1の実施形態では電荷量制御式の駆動回路を使用している。
【0012】
ノズル部3は、ノズルボデー28、ニードル弁16、閉弁用スプリング18、スプリングプレート27及び止め具19よりなり、閉弁用スプリング18により閉弁されている。
図2は本第1の実施形態の燃料噴射弁の作動状況を示すタイムチャートである。
【0013】
作動初期には、固定用アクチュエータ14及び制御用アクチュエータ8はショートしてあり、接触用スプリング6により端部固定部2、制御部1、連結棒5及びノズル部3のニードル弁16上端の止め具19は接触している。
時刻t1の時、端部固定部2ノ固定用アクチュエータ14に通電することで制御部1の上端が固定され、接触用スプリング6とニードル弁16は力の伝達が切り離される。
【0014】
その後、時刻t2の時に制御用電歪アクチュエータ8に通電し、任意に注入電荷量を制御することで、制御用電歪アクチュエータ8を伸縮させる。すると端部固定部2にて上端が固定されているため、制御用電歪アクチュエータ8はニードル弁16を押し下げてニードル弁16は開弁し、制御用電歪アクチュエータ8の伸縮量がニードル弁16のリフト量と比例するため、燃料噴射量の任意制御が可能となる。
【0015】
時刻t3にて噴射終了した後の時刻t4の時、端部固定部2の固定用アクチュエータ14をショートすることで、固定用アクチュエータ14は収縮してクリアランスができ、上下方向に可動できるようになるので、再び接触用スプリング6の付勢力が制御部1方向に伝達されるようになり、端部固定部2、制御部1、連結棒5及びノズル部3のニードル弁16上端の止め具19は接触を保つ。
【0016】
時刻t5の時、再び端部固定部2の固定用アクチュエータ14に通電し、以下同じ繰り返しとなり、時刻t1から時刻t5までが1サイクルとなる。
ここで、制御部1の作動中は端部固定部2の固定が必要であるが、休止中は固定の必要が無い。それゆえ、温度変化による熱膨張差やへたりにより制御部1とハウジング4の寸法変化が生じても休止中に接触用スプリング6により絶えず端部固定部2、制御部1、連結棒5及びノズル部3のニードル弁16上端の止め具19を接触させることができ、制御部1によるニードル弁16の開弁量の連続的制御が可能となる。
【0017】
また、温度変化による熱膨張差やへたりはサイクル毎に生じるわけではないため、端部固定部2のショートは間欠的に、例えば10サイクル毎でもよい。
図3は本発明を内開弁へ適用した第2の実施形態の燃料噴射弁の中心軸に沿った横断面図である。
図1の第1の実施形態の外開弁との相違点は、制御部1とニードル弁16の接触方法が、略円板状で下部にリング状突起を有するてこ部32と有底筒状でてこ部32の外周に当接する連結部29を用いることで制御部1の変位方向と逆向きの変位をニードル弁16に伝達可能となること、及びニードル弁16を閉弁方向に付勢する閉弁用スプリング18の位置を、ハウジング4と結合し、連結部29の側面側から連結部29と接触させないように挿入させたプレート35とニードル弁16の上端面に結合させた円板状の止め具19の間に設けたことである。ここではピストン9、連結部29、てこ部32が中間部材を形成する。
【0018】
この構成にすることによりPZT素子の発熱によるハウジング4との熱膨張差、へたり等による寸法変化を補償することが可能であり、内開弁の開弁量を連続的に精密に制御できる。
また、本実施形態の固定用アクチュエータ14については制御部1に用いられている電歪アクチュエータの他に、磁歪アクチュエータ(例えば(株)モリテックス社製)、または図4に示す油圧を電磁式二方弁で制御する方式のものに置き換えることも可能である。
【0019】
図4は固定用アクチュエータ14を電磁式二方弁を用いた油圧式に置き換えた第3の実施形態の燃料噴射弁の中心軸に沿った横断面図である。
第3の実施形態では、制御部1の上端に段付ピストン42が上下可動かつ油密を保って設置され、接触用スプリング6にて押圧力を付勢されることにより、段付ピストン42からノズル部3のニードル弁16までの各部の接触を保っており、熱膨張差やへたり等による寸法変化を補償する。
【0020】
また、圧力室51の遮断用のバルブニードル45はアーマチャ47と結合しておりバルブニードルスプリング46により通常時には、隔離板44のほぼ中央に設けられた座49にて燃料インレット40からドレン48への通路をシールするように付勢されている。ここではピストン9、連結部29、てこ部32が中間部材を形成する。
【0021】
作動について説明すると、燃料インレット40は図示しないポンプに接続されており、圧送された燃料はチェック弁41を通り圧力室51に充填される。
燃料の噴射は、圧力室51が密閉されているため、制御用電歪アクチュエータ8に通電すると制御用電歪アクチュエータがノズル側に伸長し、ニードル弁16が開弁することで行われる。
【0022】
制御用電歪アクチュエータ8がショートされて無通電になり、制御用電歪アクチュエータ8が収縮して燃料の噴射が終了した後ソレノイド50に通電することで、アーマチャ47を吸引し、結合しているバルブニードル45が座49から離座し、ドレン48への通路を開き、圧力室51の燃料はドレン48から排出され、図示しない燃料タンクへリターンされる。
【0023】
次回燃料圧送前にソレノイド50への通電を止め、再びバルブニードルスプリング46により、座49にて燃料インレット40からドレン48への通路をシールし、圧力室51への燃料充填及び燃料噴射に備えることによりPZT素子の発熱によるハウジング4との熱膨張差、へたり等による寸法変化を補償することが可能であり、内開弁の開弁量を連続的に精密に制御できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態の燃料噴射弁の中心軸に沿った横断面図である。
【図2】本第1の実施形態の燃料噴射弁の作動状況を示すタイムチャートである。
【図3】本発明を内開弁へ適用した第2の実施形態の燃料噴射弁の中心軸に沿った横断面図である。
【図4】固定用アクチュエータ14を電磁式二方弁を用いた油圧式に置き換えた第3の実施形態の燃料噴射弁の中心軸に沿った横断面図である。
【符号の説明】
4 ハウジング
6 接触用スプリング
8 制御用電歪アクチュエータ
14 固定用アクチュエータ
15 プレス部材
16 ニードル弁
41 チェック弁
42 段付ピストン
45 バルブニードル
46 バルブニードルスプリング
47 アーマチャ
48 ドレン
49 座
50 ソレノイド
51 圧力室[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel injection valve that directly performs needle lift by an electrostrictive actuator.
[0002]
[Prior art]
As a prior art of a fuel injection valve using an electrostrictive actuator, one that opens and closes a needle valve via a hydraulic pressure shown in Japanese Patent Publication No. 4-67026 is known. However, since this fuel injection valve performs ON-OFF control via hydraulic pressure, there is a response delay and the valve opening amount of the needle cannot be controlled continuously.
[0003]
In recent years, as a fuel injection valve, it has been desired to control the injection rate from the start to the end of the injection freely in a short time and with good response, and direct control of the needle valve is required.
However, the problem of the direct acting valve that directly controls the needle valve is that the electrostrictive actuator and the housing have different thermal expansion, so that the usable temperature range is narrow. As a technique, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-129481, it is common to provide a thermal displacement adjusting member so that the sum of the thermal displacement amount with the electrostrictive actuator matches the thermal displacement amount of the housing. However, such an injection valve can cope with a uniform temperature change, but has a problem that it cannot respond when the temperature inside and outside the housing differs due to a sudden temperature change.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention solves the difference in thermal expansion which is a problem of a direct acting valve by controlling the valve opening amount in a short time and continuously with good response even when the temperature of each part is uneven. With the goal.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention uses the configuration described in
[0006]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a cross-sectional view taken along the central axis of the fuel injection valve according to the first embodiment of the present invention.
This fuel injection valve is used to inject fuel into the combustion chamber of a direct injection type engine, and is installed in each cylinder, for example, four in the case of four cylinders. Fuel pumped from a known pump (not shown) flows into the fuel injection valve from the
[0007]
The main part of the fuel injection valve is composed of a
The
[0008]
The
[0009]
The clearance between the
[0010]
The
[0011]
A PZT element is a ferroelectric ceramic sintered with lead zirconate titanate as a main component, and is a typical element having a piezoelectric effect. As for the physical properties, when a voltage of 500 V is applied in the thickness direction, the thickness increases by 0.5 μm, and conversely, when a voltage of 500 V is applied and short-circuited, the thickness decreases by 0.5 μm.
The
[0012]
The
FIG. 2 is a time chart showing the operating state of the fuel injection valve of the first embodiment.
[0013]
At the initial stage of operation, the
At time t1, the upper end of the
[0014]
Thereafter, the
[0015]
At time t4 after the end of injection at time t3, the fixing
[0016]
At time t5, the fixing
Here, it is necessary to fix the
[0017]
In addition, since the difference in thermal expansion or sag due to temperature change does not occur every cycle, the short circuit of the
FIG. 3 is a cross-sectional view along the central axis of a fuel injection valve according to a second embodiment in which the present invention is applied to an inner valve.
The difference from the first embodiment in FIG. 1 is that the
[0018]
With this configuration, it is possible to compensate for a dimensional change due to a difference in thermal expansion from the
In addition to the electrostrictive actuator used in the
[0019]
FIG. 4 is a cross-sectional view along the central axis of the fuel injection valve of the third embodiment in which the fixing
In the third embodiment, a stepped
[0020]
Further, the
[0021]
The operation will be described. The
Since the
[0022]
The control electrostrictive
[0023]
Before energizing the fuel the next time, the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view along a central axis of a fuel injection valve according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a time chart showing the operating state of the fuel injection valve of the first embodiment.
FIG. 3 is a cross-sectional view along the central axis of a fuel injection valve according to a second embodiment in which the present invention is applied to an inner valve.
FIG. 4 is a cross-sectional view along the central axis of a fuel injection valve according to a third embodiment in which the fixing
[Explanation of symbols]
4
Claims (1)
該段付ピストンの他端面には圧縮付勢された接触用スプリングを当接させると共に圧力室内の油圧を作用させ、
該圧力室には該圧力室への油の流入のみを許すチェック弁と前記圧力室からの油の流出、停止を制御する電磁二方弁とを連通し、
該電磁二方弁のソレノイドへ無通電時にはバルブニードルスプリングによりバルブニードルと座との間で前記圧力室との連通をシールすると共に前記チェック弁を通って前記圧力室へ油を流入させ、前記ソレノイドへの通電時にはアーマチャを吸引して該アーマチャと結合している前記バルブニードルを前記座から離座させてドレンへの通路を開いて前記圧力室内の油を流出させ、
また、前記制御用電歪アクチュエータの他端には中間部材を介してニードル弁を当接させ、
前記制御用電歪アクチュエータへ無通電で前記制御用電歪アクチュエータが収縮している時には前記電磁二方弁のソレノイドへ通電して前記圧力室内の油を流出させ、圧縮付勢された前記接触用スプリングの押圧力により前記段付ピストン、前記制御用電歪アクチュエータ、前記中間部材、前記ニードル弁を押圧してそれらを隙間無く当接させ、
前記制御用電歪アクチュエータへ通電し、前記制御用電歪アクチュエータが伸長する時には、前記電磁二方弁の前記ソレノイドを無通電として前記圧力室を油密にシールすると共に前記チェック弁を通って前記圧力室へ油を流入させて前記圧力室内を所定圧力に保つことにより前記段付ピストンを油圧で支持して前記制御用電歪アクチュエータの伸長力を支持することを特徴とする燃料噴射弁。A control electrostrictive actuator is disposed along the central axis of the housing so that the central axes thereof coincide with each other, and one end surface of a stepped piston forming an oil-tight movable member is brought into contact with one end of the control electrostrictive actuator. ,
The other end face of the stepped piston is brought into contact with a compression biased contact spring and the hydraulic pressure in the pressure chamber is applied,
The pressure chamber communicates with a check valve that allows only the inflow of oil into the pressure chamber and an electromagnetic two-way valve that controls the outflow and stop of the oil from the pressure chamber,
When the solenoid of the electromagnetic two-way valve is not energized, the valve needle spring seals the communication with the pressure chamber between the valve needle and the seat, and oil flows into the pressure chamber through the check valve. When energizing to, the armature is sucked and the valve needle coupled to the armature is separated from the seat to open the passage to the drain, and the oil in the pressure chamber flows out,
Further, a needle valve is brought into contact with the other end of the electrostrictive actuator for control via an intermediate member,
When the electrostrictive actuator for control is contracted without energizing the electrostrictive actuator for control, the solenoid of the electromagnetic two-way valve is energized to flow out the oil in the pressure chamber, and the compression-biased contact Pressing the stepped piston, the electrostrictive actuator for control, the intermediate member, and the needle valve by the pressing force of a spring to bring them into contact with no gaps,
When the electrostrictive actuator for control is energized and the electrostrictive actuator for control is extended, the solenoid of the electromagnetic two-way valve is de-energized to seal the pressure chamber in an oil-tight manner and pass through the check valve. A fuel injection valve characterized in that oil is flowed into a pressure chamber to maintain the pressure chamber at a predetermined pressure so that the stepped piston is hydraulically supported to support the extension force of the control electrostrictive actuator.
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