JP3882240B2

JP3882240B2 - 燃料噴射弁

Info

Publication number: JP3882240B2
Application number: JP32223796A
Authority: JP
Inventors: 隆福田; 雅彦勝; 孝之荒井
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1996-11-18
Filing date: 1996-11-18
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2016-11-18
Also published as: JPH10148164A

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。
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。
【０００３】
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。
【０００４】
この種の燃料噴射弁は、圧電素子の変位を燃料に伝達することによりニードル弁を駆動するものであり、ニードル弁のストロークは、開弁時にはニードル弁の後端部がストッパーに当接することで規定される一方、閉弁時にはニードル弁がシート部に当接することで規定される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特開昭６２−６７，２７５号公報に示された技術では、当接部の面積が大きく、ニードル弁が当接する際に、油が圧縮されてエッジ部を通過するため、いわゆるキャビテーション等が発生し易い条件となり、気泡が発生したり、耐腐食性が低下するおそれがある。また、油の圧縮反力によりニードル弁の作動に遅れが生じるおそれもある。
【０００６】
また、特開平４−１７９，８５３号公報に示されたものは、当接部の面積が小さいため上記の問題点が発生しにくいものの、当接部の面積が小さいゆえ面圧が高くなるという問題がある。尤も、この問題は、耐久性に優れた材料を用いることにより回避可能ではあるが、この場合にはコストが増加するという新たな問題点が生じる。
【０００７】
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、気泡の発生が防止できるとともに、油圧縮によるニードル弁の作動遅れを防止でき、耐腐食性、耐久性および応答性に優れた燃料噴射弁を提供することを目的とする。
【０００８】
【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、ニードル弁と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、前記圧力室に前記ニードル弁の最大リフトを規制する、当該圧力室を構成する部品とは別部品のストッパ部材を設け、当該ストッパ部材の前記ニードル弁との当接面に、前記ニードル弁の中心から偏心したスリットを形成したことを特徴とする。
【００１０】
本発明の燃料噴射弁では、ニードル弁とストッパ部材との当接面の面積を面圧が大きくならず耐久性の点でも問題のない充分な面積とした上で、ストッパ部材のニードル弁との当接面、又はニードル弁のストッパ部材との当接面に、少なくとも１つのスリットを形成したので、ニードル弁がストッパ部材に当接する際に、油が圧縮されても当該油はスリットを通過するため、キャビテーションの発生が抑制される。したがって、気泡が発生して燃料噴射量が変動したり、腐食により耐久性が低下することを防止できる。また、油圧縮によるニードル弁の作動遅れが抑制される。また偏心したスリットを形成したため、ニードル弁がストッパ部材に当接したときに、当該ストッパ部材に旋回力が生じ、この旋回力によって当該ストッパ部材が次第に旋回するため、当接面のばらつきによる片あたり等の問題発生も防止できるという効果もある。
【００１１】
本発明の燃料噴射弁は、燃料の噴射口を開閉し前後の差圧により駆動されるニードル弁と、当該ニードル弁を閉弁方向に付勢してノズルに押圧するバネ手段と、前記ニードル弁の前後の差圧を発生させる圧電素子と、前記ニードル弁の最大リフトを規定するストッパ部材とを有し、ニードル弁とストッパ部材との当接面の少なくとも一方に、少なくとも１つのスリットが形成された燃料噴射弁としてさらに具体化できる。
【００１２】
【発明の効果】
本発明の燃料噴射弁によれば、高速でしかも無限に近い回数当接するニードル弁とストッパ部材との当接面の耐久性を充分に確保した上で、キャビテーションによる気泡の発生を防止できるので、燃料噴射量が安定し内燃機関の性能が向上する。また、油圧縮によるニードル弁の作動遅れが防止できるので高応答の噴射弁が実現できる。また、耐腐食性および耐久性がより向上し、燃料噴射弁としての信頼性を高めることができる。また偏心したスリットによりストッパ部材が次第に旋回するため、当接面のばらつきによる片あたり等の問題発生も防止できる。
【００１３】
【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全体断面図、図２は図１に示す燃料噴射弁の要部を拡大して示す断面図、図３は図１に示すストッパ部材を示す正面図および側面図である。
また、図４〜図７は、それぞれ、図１に示すストッパ部材の他の実施形態を示す正面図および側面図である。
【００１４】
図１に示すように、本実施形態の燃料噴射弁において、ノズル１の一端は、ノズルシート部１ｃと、ニードルシート部２ｃとでポペット弁を形成するノズル部であり、燃料噴射のための噴口１ａから、ニードル２の開閉に応じて燃料を噴射又は非噴射状態とする。ノズル１の他端は、ケーシング３との接合部であり、ニードル２の摺動に悪影響を与えない同軸度を１ｄ及び３ｆで保ちながら溶接等で油密に接合されている。
【００１５】
ニードル２は、２ａ及び２ｂで摺動可能に保持されており、ニードル２の一端には、前記ニードルシート部２ｃが形成され、他端２ｄは、ニードル２が図中右方向へ移動した際、ストッパ部材１０と当接することで、当該ニードル２のストローク量が規定される。
【００１６】
また、２ａと１ｂとの摺動部は、本実施形態では、３０μｍ程度と比較的隙間を大きく形成してあり、ニードル２の倒れや座屈等を防止する作用がある。
これに対して、２ｂと３ｇとの摺動部は、燃料通路３ａからの燃料を圧力室１２まで導き、かつ圧力室１２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。本実施形態では、このクリアランスを６μｍに設定している。
【００１７】
３は、噴射弁構造体であるケーシングであり、一端は前述のとおりノズル１と油密に溶接され、他端３ｃは、内部部品を挿入するため開口され、部品を挿入したのち、ケーシングエンド７が溶接により取り付けられる。
【００１８】
また、このケーシング３には、燃料通路３ａおよび燃料導入部３ｂが設けられており、燃料室１３と連通している。燃料導入部３ｂ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。なお、３ｄは前記燃料通路３ａを設ける際に使用したドリル加工穴であって、通常燃料は流れはない。また、３ｅは、圧電素子６の配線取出し用孔である。
【００１９】
４は、圧電素子６の一端に当接するピストン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。
５は、圧力室１２と圧電素子６とのシールを保つためのＯリングである。
６は、噴射弁アクチュエータである圧電素子であり、一端は、ピストン６ａを介して皿バネ４に当接し、他端は、ケーシングエンド７に当接してセットされている。
【００２０】
ピストン６ａは、圧力室１２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、前記Ｏリング５と当該Ｏリング５のはみ出しを防止するためのバックアップリング９を外周部に介装する溝が設けられ、図中左方の燃料が右方の圧電素子６へ流入するのを防止している。
【００２１】
７は、前述のとおりケーシング３の後端部を形成するケーシングエンドであり、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３に接合される。
【００２２】
８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、圧電素子リード線は、ケーシング３のリード線取出し孔３ｅを貫通し、ブッシュ８を貫通して、外部へ取り出される。
【００２３】
１１は、ニードル２を図中左方向へ付勢するコイルバネであり、１２は、ニードル２を駆動するための差圧を発生させる圧力室、１３は、燃料導入部３ｂ及び燃料通路３ａから導かれた燃料が収容される燃料室である。
【００２４】
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１１の付勢力によって、ニードル２の先端部２ｃはノズルシート１ｃ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。
【００２５】
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、燃料通路３ｂ、３ａを経て、燃料室１３に導かれる。このとき、燃料室１３内に導かれた燃料は、ニードル２ｂとノズル３ｇの間の隙間を通過し、圧力室１２まで導かれる。
【００２６】
この状態で燃料の圧力の増加度合とコイルバネ１１との釣り合いを適正に設定している限り、燃料は噴射されない。
これと同時に、圧電素子６に５００Ｖの電圧を印加して、約０．５秒程度の時間で伸張させ、スタンバイを完了する。
【００２７】
内燃機関が始動したとき及び始動したのちにおいては、ピストン６ａが皿バネ４によって図中右方向に付勢されているため、圧電素子６に貯まった電荷を取り除くことにより、当該圧電素子６は、約０．１ｍｓの時間で図中右方向へ収縮する。圧力室１２の圧力は、圧電素子６の駆動前においては、フィード圧の５ＭＰａに保たれているが、圧電素子６の収縮によってピストン３ａが右方向へ約５０μｍ移動するため、圧力室１２の圧力は、瞬時に約２ＭＰａまで下降する。これにより、ニードル２の燃料室側と圧力室側のバランスが崩れ、ニードル２はストッパ部材１０に当接するまで移動し、燃料室１３の燃料が噴口１ａから噴射される。
【００２８】
このときの発生差圧は、圧力室１２の容積、ピストン６ａの径、ニードル差圧作用部により可変できるため、目的に応じて最適な値を選べばよい。
【００２９】
一方、閉弁時の動作については、以下のようになる。すなわち、５００Ｖの電圧を印加することにより圧電素子６は約５０μｍ伸張するため、圧力室１２の圧力は、元の圧力５ＭＰａに加えて、ニードル２ｂとノズル３ｇとの隙間から圧力室１２内へ流入した燃料分だけ上乗せした圧力まで上昇する。この圧力上昇とバネ１１とによってニードル２が閉弁状態となる。
【００３０】
以上が噴射弁の基本的動作であるが、上記の動作の中で、ニードル２がストッパ部材１０に当接する際に、図２に示すように燃料の急激な流れが発生するため、キャビテーションの発生し易い状況となり、また高温時には気泡が発生するなどの問題があった。また、作動油の圧縮によりニードル弁の遅れが生じ、フルリフトするまでに時間がかかるという問題があった。
【００３１】
このような従来の問題に対処するために、本実施形態では、図３に示すように、ストッパ部材１０のニードル２との当接面１０ｂ側に、ニードル２との当接面積を充分に確保した上で、軸線を通る肉厚の薄いスリット１０ａを形成している。これにより、ニードル２がストッパ部材１０に当接したときに、圧力室１２内の燃料がスリット１０ａに逃げることができるため、キャビテーションや気泡発生の問題が生じない。また、油の局部的な圧縮も生じない。
【００３２】
本発明の燃料噴射弁において、スリット１０ａは、図３に示す実施形態にのみ限定されず種々に変更することができる。
第２実施形態としては、図４に示すように、ストッパ部材１０のニードル２との当接面１０ｂ側に、ニードル２との当接面積を充分に確保した上で、軸線を通る２本の肉厚の薄いスリット１０ａを形成している。これにより、ニードル２がストッパ部材１０に当接したときに、圧力室１２内の燃料がスリット１０ａに逃げるため、キャビテーションや気泡発生の問題が生じず、油の局部的な圧縮も生じない。
【００３３】
また、第３実施形態としては、図５に示すように、ストッパ部材１０のニードル２との当接面１０ｂ側に、ニードル２との当接面積を充分に確保した上で、軸線を通る３本の肉厚の薄いスリット１０ａを形成している。これにより、ニードル２がストッパ部材１０に当接したときに、圧力室１２内の燃料がスリット１０ａに逃げるため、キャビテーションや気泡発生の問題が生じず、油の局部的な圧縮も生じない。
【００３４】
第４実施形態としては、図６に示すように、ストッパ部材１０のニードル２との当接面１０ｂ側に、ニードル２との当接面積を充分に確保した上で、軸線を通る１本の肉厚の薄いスリット１０ａを形成するとともに、外周中心と同軸に周状溝１０ａ’を形成している。この周状溝１０ａ’も本発明にいうスリットである。これにより、ニードル２がストッパ部材１０に当接したときに、圧力室１２内の燃料がスリット１０ａおよび周状溝１０ａ’に逃げるため、キャビテーションや気泡発生の問題が生じず、油の局部的な圧縮も生じない。
【００３５】
第５実施形態としては、図７に示すように、ストッパ部材１０のニードル２との当接面１０ｂ側に、ニードル２との当接面積を充分に確保した上で、偏心した４本の肉厚の薄いスリット１０ａを形成している。これにより、ニードル２がストッパ部材１０に当接したときに、圧力室１２内の燃料がスリット１０ａに逃げるため、キャビテーションや気泡発生の問題が生じず、油の局部的な圧縮も生じ難い。また偏心したスリット１０ａを形成したため、ニードル２がストッパ部材１０に当接したときに、当該ストッパ部材１０に旋回力が生じ、この旋回力によって当該ストッパ部材１０が次第に旋回するため、当接面のばらつきによる片あたり等の問題発生も防止できるという効果もある。
【００３６】
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。
【００３７】
例えば、以上説明した図３〜図７のスリット１０ａ，１０ａ’は、いずれもストッパ部材１０のニードル２との当接面１０ｂ側に形成したものであるが、本発明のスリットはこれに限らず、ニードル２のストッパ部材１０との当接面側に形成し、ストッパ部材１０を平板状とすることも可能である。
【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】図１に示す燃料噴射弁の要部を拡大して示す断面図である。
【図３】図１に示すストッパ部材を示す正面図および側面図である。
【図４】図１に示すストッパ部材の他の実施形態を示す正面図および側面図である。
【図５】図１に示すストッパ部材のさらに他の実施形態を示す正面図および側面図である。
【図６】図１に示すストッパ部材のさらに他の実施形態を示す正面図および側面図である。
【図７】図１に示すストッパ部材のさらに他の実施形態を示す正面図および側面図である。
【符号の説明】
２…ニードル弁
６…圧電素子
１０…ストッパ部材
１０ａ…スリット
１０ｂ…ストッパ部材とニードル弁との当接面
１２…圧力室

Claims

ニードル弁と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、
前記圧力室に前記ニードル弁の最大リフトを規制する、当該圧力室を構成する部品とは別部品のストッパ部材を設け、当該ストッパ部材の前記ニードル弁との当接面に、前記ニードル弁の中心から偏心したスリットを形成したことを特徴とする燃料噴射弁。