JP3852145B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子を有する電歪式アクチュエータにより燃料噴射の制御を行う内燃機関の燃料噴射弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の内燃機関では、レスポンスや燃費、出力を向上させるといったニーズが高まっており、このようなニーズに対応することに燃料噴射弁は重要な役割をもっている。
【０００３】
燃料噴射弁は、開閉に要する時間が短い程、すなわち開閉の応答が良いほど制御性がよく、また内燃機関の性能も向上する。この開閉を短時間で行うことができるアクチュエータとして電歪のものが知られているが、この電歪式アクチュエータにより直接弁を開閉しようとするとリフトを大きくとることができないという問題があるため、電歪式アクチュエータは弁の開閉のためのトリガとして用い、実際の弁の開閉およびその開閉状態の維持は油圧によって行う燃料噴射弁が提案されている。
【０００４】
例えば、電歪として高速応答性に優れた圧電素子を用いることによって、噴射弁のレスポンスの向上や、低燃費化された場合の少量の燃料噴射量の安定供給、あるいは高出力化に対応するため噴射可能範囲（ダイナミックレンジ）を拡大するといった技術は、特開昭６２−６７，２７５号公報や特開平４−１７９，８５３号公報にて提案されており、圧電素子とニードル弁との間に燃料等の作動油を介在させて、圧電素子の変位をニードル弁に伝達することが開示されている。
【０００５】
特開平４−１７９，８５３号公報に開示された燃料噴射弁は、図３に示されるように、弁ケーシング５内に、同軸的に可動部材としての金属製ニードル弁２が介挿されており、このニードル弁２と圧電素子６との間には、圧力室１３が、圧電素子６に接合されたピストン２２，２３を介して形成されている。そして、圧電素子６のｍｓｅｃオーダの瞬間的な伸縮にともない、燃料供給室３ａ内の圧力に対し、圧力室１３内の圧力が過渡的に変化（収縮時は低く、伸長時は高くなる。）するので、圧力室１３と燃料供給室３ａとの圧力バランスが崩れ、これによりニードル弁２が開閉する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この種の燃料噴射弁において、圧電素子６の変位量をＹ、ニードル弁２の基端部２１とピストン２２の断面積をそれぞれＡ１，Ａ２とすると、ニードル弁２のリフト量は、Ｅ０×Ｙ×Ａ２／Ａ１で表される。ここで、Ｅ０は変位拡大効率であり、０≦Ｅ０≦１である。
【０００７】
すなわち、ニードル弁２のリフト量は、圧電素子６の変位量Ｙ、ピストン２２とニードル弁２の基端部２１との断面積比（Ａ２／Ａ１）および変位拡大効率Ｅ０に比例するため、ニードル弁２を必要なだけリフトさせるためには、圧電素子６の変位量Ｙを大きくするか、断面積比Ａ２／Ａ１を大きくするか、あるいは変位拡大効率Ｅ０を大きくする必要がある。ただし、圧電素子６の変位量Ｙを大きくするために当該圧電素子６を大型化すると、コストアップおよび燃料噴射弁自体の大型化につながり好ましくない。また、ピストン２２とニードル弁２の基端部２１との断面積比Ａ２／Ａ１は、燃料噴射弁の寸法によってある程度決まってしまうので、大きく変動させることはできない。したがって、変位拡大効率Ｅ０を極力１に近づけることが有効である。
【０００８】
しかしながら、従来の燃料噴射弁にあっては、圧力室１３と圧電素子６とのシールは、Ｏリング２４で行われていたため、本来的には圧電素子６が変位して圧力室内の容積がＶ＝Ｙ×Ａ２だけ大きくなるはずのものが、図４に示すように、ピストン２３に組み込まれたＯリング２４の弾性変形によって、実際の圧力室内の容積変化は、Ｖ−ΔＶとなる。これが、上述した変位拡大効率Ｅ０を小さくする原因となって、ニードル弁２のレスポンスが低下するという問題があった。また、圧電素子６の伸縮にともない、Ｏリング２４には常にシール面との摺動による発熱や摩耗が生じるので、疲労劣化するおそれもあった。
【０００９】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、ニードル弁のリフト量を大きくでき、しかも耐久性およびシール性に優れた燃料噴射弁を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の燃料噴射弁は、弁本体内にニードル弁と圧電素子とを設け、前記弁本体内であって前記ニードル弁と前記圧電素子との間に圧力室を形成し、前記圧電素子の伸縮により前記圧力室内の作動油の圧力を変化させ、前記ニードル弁を開閉動作させる燃料噴射弁において、前記弁本体と前記圧電素子の圧力室側の端部との間にベローズを設け、当該ベローズ内を前記圧力室の一部とし、前記弁本体の内周面と前記ベローズの外周面とが接触してベローズの外周方向への膨張を抑制していることを特徴とする。
【００１１】
本発明の燃料噴射弁では、弁本体と圧電素子の圧力室側の端部との間にベローズが設けられ、当該ベローズ内が圧力室の一部とされているので、ベローズ自体の弾性変形がなく、したがって変形拡大効率Ｅ０を１に近づけることができる。この結果、ニードル弁のリフト量を大きくすることができ、応答性が向上する。また、ベローズは弁本体等との摺動動作がないので、発熱や摩耗による劣化のおそれがなく、燃料のシール性およびベローズ自体の耐久性にも優れている。
【００１２】
また、本発明の燃料噴射弁では、前記弁本体の内周面と前記ベローズの外周面とが接触してベローズの外周方向への膨張を抑制している。こうすることで、供給される燃料圧が高くてベローズが膨張しようとしても、これを弁本体の内周面で受けるので、ベローズに作用する応力増加が抑制でき、その結果、ベローズ自体の耐久性がさらに高くなる。
【００１３】
本発明の燃料噴射弁において、前記弁本体の前記ベローズとの接触面が、前記ベローズよりも硬度が小さい材料からなることが好ましい。ベローズは山部と谷部とが連続的に形成されて構成されるが、ベローズの外周面、すなわち主として山部が弁本体の内周面に接触する。この弁本体の接触面をベローズの材料より低硬度の材料で構成することで、山部への過大な応力集中を緩和することができ、その結果、ベローズ自体の耐久性がさらに高くなる。
【００１４】
本発明の燃料噴射弁において、前記ベローズの前記圧電素子との装着端部に、前記弁本体内を移動可能な端板が設けられていることが好ましい。このようにベローズと圧電素子とを分離して構成することにより、ベローズを弁本体へ組み込む作業および圧電素子を弁本体へ組み込む作業が容易となり、製造時間の短縮によるコストダウンが期待できる。
【００１５】
【発明の効果】
本発明の燃料噴射弁によれば、自己弾性変形の少ないベローズを用いているので、変形拡大効率を１に近づけることができ、その結果、ニードル弁のリフト量を大きくすることができ、応答性が向上する。
【００１６】
また、ベローズは弁本体等との摺動動作がないので、発熱や摩耗による劣化のおそれがなく、燃料のシール性およびベローズ自体の耐久性にも優れている。
【００１７】
本発明の燃料噴射弁において、弁本体の内周面とベローズの外周面とを接触させれば、ベローズに作用する応力増加が抑制でき、ベローズ自体の耐久性がさらに高くなる。
【００１８】
本発明の燃料噴射弁において、弁本体のベローズとの接触面をベローズよりも硬度が小さい材料から構成すれば、ベローズの山部への過大な応力集中を緩和することができ、ベローズ自体の耐久性がさらに高くなる。
【００１９】
本発明の燃料噴射弁において、ベローズの圧電素子との装着端部に弁本体内を移動可能な端板を設け、ベローズと圧電素子とを分離して構成すれば、ベローズを弁本体へ組み込む作業および圧電素子を弁本体へ組み込む作業が容易となり、製造時間の短縮によるコストダウンが期待できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の燃料噴射弁の実施形態を示す断面図であり、本実施形態の燃料噴射弁は、弁本体である円筒状ケーシング５を有し、このケーシング５内には圧電素子６が内蔵されている。
【００２１】
圧電素子６の両端には、それぞれ端板６ａ，６ｂが取り付けられており、これら両端板６ａ，６ｂは、ケーシング５内を移動できる寸法に形成されている。このうち、圧電素子６の基端部に取り付けられた端板６ｂは、ケーシング５の一端に設けられた蓋７に溶接等で接合されている。また、他方の端板６ａは、圧電素子６の伸縮動作に応じてケーシング５内を移動するが、この端板６ａには金属製（例えば、ステンレス）のベローズ９が装着されている。
【００２２】
なお、符号１５は圧電素子６の配線取出し用孔、符号１７は圧電素子６のリード線取出し孔用ブッシュであり、リード線取出し部分の簡単なシールとして設定されている。また、圧電素子リード線１６は、ケーシング５のリード線取出し孔１５を貫通し、ブッシュ１７を貫通して外部へ取り出され、このリード線１６を介して５００Ｖ程度の高電圧が圧電素子６に印加される。
【００２３】
ケーシング５の他端には、ニードルホルダ３が溶接等によって接合されており、この接合面で、前述したベローズ９のフランジ部９ａが挟持されている。本実施形態では、ベローズ９の外径は、ケーシング５の内径とほぼ等しく形成されており、ベローズ９の外周面とケーシング５の内周面とは接触した状態となっている。
【００２４】
本実施形態のベローズ９は、内部に形成された圧力室１３の圧力を圧電素子６の伸縮に応じて増減させるためのものであり、また、圧力室１３に導かれた燃料が図中右方向の圧電素子６へ流入するのを防止する機能もある。
【００２５】
なお、符号４は、圧電素子６の端板６ａを図中右方向に付勢する皿バネであり、そのセット長は、ケーシングエンド７の位置によって調整される。このケーシングエンド７は、皿バネ４のセット長及び圧電素子６の長さに応じて、その位置が決定され、溶接等でケーシング５に接合される。
【００２６】
一方、ニードルホルダ３には、ノズル１が溶接等で油密に接合されており、このノズル１の一端は、ノズルシート部１ａと、ニードルシート部２ｂとでポペット弁を形成している。そして、燃料噴射のための噴口１ｂから、ニードル弁２の開閉に応じて燃料を噴射又は非噴射状態とする。
【００２７】
ノズル１内に収容されたニードル弁２は、オリフィス部２ａで摺動可能に保持されており、このオリフィス部２ａが、ニードル弁２の姿勢保持機能と燃料のオリフィス機能とを発揮する。ニードル弁２の他端２ａは、ニードル弁２が図中右方向へ移動した際、ストッパ部材１１と当接することで、当該ニードル弁２のストローク量が規定される。
【００２８】
また、ニードル弁２のオリフィス部２ａは、燃料通路１０からの燃料を圧力室１３まで導き、かつ圧力室１３の圧力が瞬時に増減する際には、ごく少量の燃料しか流れない程度の若干のクリアランスを保つように形成されている。
【００２９】
符号３ｂ，３ｃ，および上述した１３は、ニードル弁２を駆動するための差圧を発生させる圧力室であり、燃料供給室３ａとは、オリフィス部２ａを介して連通している。
【００３０】
ニードル弁２とニードルホルダ３との間には、当該ニードル弁２を図中左方向へ付勢するコイルバネ１２が設けられている。なお、ケーシング５には、燃料通路１０が設けられており、燃料供給室３ａと連通している。燃料導入部１４は、テーパねじ形状をなし、燃料配管との接続に用いられる。
【００３１】
次に動作を説明する。
内燃機関が停止しているときは、コイルバネ１２の付勢力によって、ニードル弁２の先端部２ｂはノズルシート部１ａに押圧され、これにより燃料がシールされるので燃料の停止状態が保たれる。
【００３２】
内燃機関の運転が開始される前においては、図示しない電動高圧燃料ポンプで高圧に圧送され、同じく図示しない圧力調整器で約５ＭＰａ一定に保たれた燃料が、燃料入口１４、燃料通路１０を経て、燃料供給室３ａに導かれる。このとき、燃料供給室３ａ内に導かれた燃料は、オリフィス部２ａを通過し、圧力室３ｂ，３ｃおよび１３まで導かれる。
【００３３】
この状態では、各圧力室内の燃料圧力は供給圧力に全て等しいので、ニードル弁２は、コイルバネ１２からの付勢力と燃料供給圧（噴口１ｂの直径×燃料供給圧）との合力によって閉弁状態を保ち、燃料は噴射されない。
【００３４】
このような状態で、例えばピエゾ素子などからなる圧電素子６に、図外の制御駆動回路から約５００Ｖの電圧を印加すると、圧電素子６は、圧電素子自体の軸方向の長さについて瞬時にＺ（長さの約０．１％、例えば約５０μｍ）だけ伸長する。
【００３５】
端板６ａの断面積をＡ３とすると、このとき、Ｚ×Ａ３の容積だけ圧力室１３，３ｃ，３ｂの容積が減少するが、圧力室１３，３ｃ，３ｂ内の燃料はオリフィス部２ａから燃料供給室３ａへ即座には流入しないので、圧力室１３，３ｃ，３ｂ内の燃料が圧縮されて燃料供給室３ａの圧力より上昇する。この燃料の上昇圧と、コイルバネ１２の付勢力とによって、ニードル弁２は閉弁方向に押しつけられ、依然としてニードル弁２の先端部２ｂはノズルシート部１ａに押圧されるので、燃料のシール状態が維持される。この噴射の準備が完了した状態が初期状態である。
【００３６】
この初期状態から、スタータにより内燃機関が始動すると同時に、それまで圧電素子６に印加されていた５００Ｖの電圧を０Ｖとして圧電素子６に貯まった電荷を取り除く。これにより、当該圧電素子６は、自己収縮機能と皿バネ４の付勢力とによって瞬時に図中右方向へ収縮し、圧力室１３，３ｃ，３ｂの容積がＺ×Ａ３だけ増加する。
【００３７】
この圧力室１３，３ｃ，３ｂの圧力は、圧電素子６の駆動前においては、燃料のフィード圧に保たれており、しかもオリフィス部２ａの存在により燃料供給室３ａの燃料は瞬時に圧力室１３，３ｃ，３ｂに移動しないので、この圧電素子６の収縮によって、圧力室１３，３ｃ，３ｂの圧力は燃料供給室３ａの圧力より下降する。これにより、ニードル弁２の燃料供給室側と圧力室側のバランスが崩れ、ニードル弁２には開弁方向の力が作用し、この力がコイルバネ１２の付勢力を越えたときに、当該ニードル弁２が開弁し燃料供給室３ａの燃料が噴口１ｂから噴射される。
【００３８】
このとき、本実施形態の燃料噴射弁では、圧力室１３，３ｃ，３ｂの一部１３が、金属製ベローズ９で構成され、しかも、ケーシング５の内周面とベローズ９の外周面とを接触して設け当該ベローズ９の外周方向への膨張を抑制しているので、圧力室１３，３ｃ，３ｂの容積変化は、ほぼＺ×Ａ３となり、変位拡大効率Ｅ０を１に近づけることができる。これにより、ニードル弁２のリフト特性が安定することとなる。
【００３９】
またこれに加え、ベローズ９の外周方向への膨張を抑制する構造を採用し、しかもベローズ９のストローク量、すなわち圧電素子６の変位量が約０．１ｍｍ以下であることから、ベローズ９の疲労劣化が防止でき、従来のＯリングに比べて、格段に耐久性が向上するとともに、シール性の低下が防止できる。
【００４０】
一方、閉弁時は、圧電素子６に５００Ｖの電圧を印加して約５０μｍ伸張させる。このとき、圧力室１３，３ｃ，３ｂには、上述したニードル弁２の開弁時間中に燃料が流入しているので、開弁初期に比べて燃料量が増加している。この状態で、圧力室１３，３ｃ，３ｂの容積がＺ×Ａ３だけ減少し、しかもオリフィス２ａの効果によって燃料供給室３ａ内の燃料は瞬時には圧力室１３，３ｃ，３ｂに流入しないので、当該圧力室１３，３ｃ，３ｂの圧力は、元の燃料フィード圧力に加えて、開弁時に圧力室１３，３ｃ，３ｂへ流入した燃料分だけ上乗せした圧力まで上昇する。この上昇圧力とコイルバネ１２の付勢力とによって、ニードル弁２が閉弁状態となる。
【００４１】
この場合も、開弁時と同様、圧力室１３，３ｃ，３ｂの一部１３が、金属製ベローズ９で構成され、しかも、ケーシング５の内周面とベローズ９の外周面とを接触して設け当該ベローズ９の外周方向への膨張を抑制しているので、圧力室１３，３ｃ，３ｂの容積変化は、ほぼＺ×Ａ３となり、変位拡大効率Ｅ０を０に近づけることができる。これにより、ニードル弁２のリフト特性が安定することとなる。
【００４２】
本発明の燃料噴射弁は上述した実施形態にのみ限定されることなく種々に改変することができる。
図２は本発明の燃料噴射弁の他の実施形態を示す断面図であり、本実施形態では、ケーシング５のベローズ９の接触面に、ベローズ９を構成する材料より硬度が小さい材料からなる円環状部材８が設けられている。例えば、ベローズ９を金属から構成した場合には、円環状部材８をゴムなどから構成する。ただし、円環状部材８をゴムから構成する場合には、従来のＯリングで用いられていたゴム材料よりも硬度が大きいゴム材料を用いることが望ましい。
【００４３】
こうすることにより、初期組み込み時におけるベローズ９の外周面とケーシング５の内周面との密着性が高まり、ベローズ９の山部の変形がさらに抑制され、これにより変位拡大効率Ｅ０をさらに１に近づけることができる。
【００４４】
また、本実施形態では、ベローズ９を圧電素子６に直接取り付けるのではなく、まずベローズ９を端板９ｂに取り付け、これをケーシング５とノズルホルダ３との接合面（図２の左側）からケーシング５内へ挿入する一方で、圧電素子６はケーシング５内へ図中右側の開口から挿入する。これにより、燃料噴射弁の組立作業が容易となり、製造時間の短縮によるコストダウンが達成できる。
その他の構成は上述した第１実施形態と同様であり、上述した同様の作用効果を奏する。
【００４５】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の燃料噴射弁の実施形態を示す全体断面図である。
【図２】 本発明の燃料噴射弁の他の実施形態を示す全体断面図である。
【図３】 従来の燃料噴射弁を示す断面図である。
【図４】 従来の燃料噴射弁を示す要部断面図である。
【符号の説明】
１…ノズル
１ａ…ノズルシート部
１ｂ…噴口
２…ニードル弁
２ａ…オリフィス部
２ｂ…ニードル先端部
３…ニードルホルダ
３ａ…燃料供給室
３ｂ…圧力室
３ｃ…圧力室
４…皿バネ
５…ケーシング（弁本体）
６…圧電素子
６ａ，６ｂ…端板
８…円環状部材
９…ベローズ
９ａ…フランジ部
９ｂ…端板
１０…燃料通路
１１…ストッパ部材
１２…コイルバネ
１３…圧力室
１４…燃料入口

Claims (3)

1. 弁本体内にニードル弁と圧電素子とを設け、前記弁本体内であって前記ニードル弁と前記圧電素子との間に圧力室を形成し、前記圧電素子の伸縮により前記圧力室内の作動油の圧力を変化させ、前記ニードル弁を開閉動作させる燃料噴射弁において、
   前記弁本体と前記圧電素子の圧力室側の端部との間にベローズを設け、当該ベローズ内を前記圧力室の一部とし、
   前記弁本体の内周面と前記ベローズの外周面とが接触してベローズの外周方向への膨張を抑制していることを特徴とする燃料噴射弁。
2. 前記弁本体の前記ベローズとの接触面が、前記ベローズよりも硬度が小さい材料からなることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射弁。
3. 前記ベローズの前記圧電素子との装着端部に、前記弁本体内を移動可能な端板が設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料噴射弁。

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