JP3922780B2 - 燃料噴射弁及びその駆動方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高圧燃料を噴射し、かつ、高い噴射量調量精度が要求される直接噴射式のディーゼルエンジン、ガソリンエンジンに用いられる燃料噴射装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高圧燃料を噴射する燃料噴射弁としては、電歪アクチュエータ、及び、ソレノイドをアクチュエータとして用いる公知の燃料噴射弁がある。図１３は、その例として、電歪アクチュエータをアクチュエータとして用いる公知の燃料噴射弁である特公平４−５４０６５に示される燃料噴射弁の横断面図である。
【０００３】
ニードル１０１のガイド部１０２により背圧室１０３と油だまり１０４とが隔離されており、ニードル１０１には、頂面に接するスプリング１０５による下向き荷重と、ガイド部１０２の直径相当にかかる下向き背圧荷重と、環状のシート部より内側に相当するサック部１０７の圧力による上向き荷重と、ガイド部１０２の直径とシート部１０６の直径の直径差空成る面積に油だまりの燃料圧がかかることによる上向き荷重が作用している。背圧が規定圧の時には荷重の総和が下向きになることで閉弁しており、電歪アクチュエータ１０９の伸縮などアクチュエータの作動による背圧室１０３の油圧低下でニードル１０１を下方に押し下げている背圧荷重が減少し、荷重が上向きになるとニードル１０１は上昇する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
内燃機関の排気浄化や燃費改善には、１噴射期間中の噴射率を制御するなどの高精度な制御が可能となる噴射弁が求められており、そのためには、ニードルの変位量、作動応答などの高精度な制御が求められる。
前記公知の燃料噴射弁では、背圧を低下させることでニードルの上向き荷重を増加させて開弁を行っているが、本発明の制御圧力室に相当する背圧室内の燃料は圧力が低下するとともにその圧縮率が下がり（容積変化量に対する圧力変化量の割合が小さくなる）、ニードルの微小変位に対して背圧が変化しにくくなるので、開弁中のニードルのふらつきが大きい。
【０００５】
また、電歪アクチュエータを急激に大きく変位させることで、背圧室内には振幅の大きい圧力脈動が発生するため、ニードルの荷重も変動し変位量が影響されてしまう。
これらの理由から、背圧室の減圧による開弁を行う従来公知の噴射弁では、高精度な噴射量制御は達成できない。
【０００６】
本発明は、前記の課題を解決するため、制御圧力室を加圧することで開弁する噴射弁の構成とし、１噴射期間中の燃料噴射率を制御するなどの高精度な制御が可能な燃料噴射弁及び、エンジン条件に応じた最適な噴射率で燃料噴射することが可能となり、燃料消費の向上、排気ガスの浄化などが実現できる燃料噴射弁の駆動方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【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、請求項１ないし請求項５に記載の技術的手段を採用する。
請求項１に記載の燃料噴射弁では、第１ガイド軸と第２ガイド軸の段差により形成される第１の下向きの受圧面を制御圧力室に連通または露呈させてあり、また電歪アクチュエータの変位量を印加電圧値により制御することにより制御圧力室の圧力を高精度に制御できる。ニードルは制御圧力室が加圧されることにより上昇し、ニードルスプリングのスプリング力と制御圧力室の圧力による荷重により、そのリフト量が決定されるので、ニードルのリフト量を電歪アクチュエータに印加する電圧値によって高精度に制御することができる。
【０００８】
また、ニードルの第３ガイド軸の頂面周りの燃料室まで燃料噴射弁に供給される高圧の噴射燃料を導入する燃料圧伝達路を設けているので、ニードル上部に燃料圧による下向きの荷重を加えることができ、従って、ニードルの上昇に対抗するニードルスプリング荷重を前記の荷重相当分小さくすることができ、ニードルスプリングを小型化、低バネ定数化し易く、低バネ定数ではニードル上昇時の下向き荷重増加が小さくてすむため、電歪アクチュエータの変位量が小さくてすみ、電歪アクチュエータも小型にできる。
【０００９】
請求項２に記載の燃料噴射弁では、更に、油だまりとドレン穴とを隔離すると共に第１ガイド軸と第４ガイド軸の段差により形成される第２の下向きの受圧面をドレン穴に露呈させ、かつ第１ガイド軸より細径の第４ガイド軸を設けている。従って、第４ガイド軸と第１ガイド軸の段差に相当する面積に荷重が作用しないので、上向き荷重が更に低下する。上向き荷重が減少しているので、対抗する下向き荷重は小さくでき、ニードルスプリング力は更に小さくできる。
【００１０】
スプリング力は設定荷重が小さいほどスプリングを小型化、低バネ定数化し易く、低バネ定数ではニードル上昇時の下向き荷重増加が小さくてすむため、電歪アクチュエータの変位量が更に小さくてすみ、電歪アクチュエータも更に小型にできる。
請求項３に記載の燃料噴射弁では、更にロッドがニードルと分割されているが、ニードルとロッドは密着するので、作用・効果は請求項２の場合と同じになる。
【００１１】
請求項４に記載の燃料噴射弁では、逆止弁より上流側に噴射燃料圧よりも低い一定の圧力にて下流の逆止弁側に燃料を供給するレギュレータを設けているので、噴射燃料圧が高く、制御圧力室と噴射燃料圧を同等にすると電歪アクチュエータにかかる荷重が許容荷重を越えてしまう場合には、レギュレータを設けることで制御圧力室の内圧を電歪アクチュエータの許容荷重を越えない範囲に制御され、電歪アクチュエータの荷重は許容範囲内に保たれるので、噴射燃料圧によらず電歪アクチュエータの適正な作動を得ることができる。
【００１３】
請求項５に記載の燃料噴射弁の駆動方法では、電歪アクチュエータの伸長による制御圧力室の圧力上昇量が開弁に要求される圧力上昇量よりもわずかに低くなるような開弁前昇圧をおこなうように電歪アクチュエータに印加する電圧を徐々に上昇するので、燃料噴射遅れがなくなり、燃料消費の向上、排気ガスの浄化などが実現できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は第１の発明に対応する第１実施形態のシステム図である。
図１において、電歪アクチュエータ１は噴射弁ケーシング２内において、上端面３をケーシング壁面４に接し、下端面５をピストン上端面６に接する。アクチュエータ１の側面上部からリード線７が出ており、噴射弁ケーシング２の穴８を通って噴射弁外部の駆動回路９に連結されている。ピストン１０は、スプリング１１により上方へ押され、電歪アクチュエータ１と密着することで電歪アクチュエータ１の伸縮により上下動する。ピストン側面１２は、噴射弁ケーシング２のガイド面１３に対してわずかなクリアランスを有し、制御圧力室１４とアクチュエータ室１５とを隔離したまま摺動可能である。
【００１５】
ニードル２０は、下方のシート部２１にてノズルケーシング２２と着座することで、噴孔２３を経て外部へ開口するサック部２４とノズルケーシング２２内の油だまり２５との連通を遮断している。ニードル２０の第１ガイド軸３０はノズルケーシング２２の第１の第１ガイド穴３１に対しわずかなクリアランスを有し上下方向に摺動可能に支持されており、第２ガイド軸３２は噴射弁ケーシング２の第２のガイド穴３３に対しわずかなクリアランスを有し上下方向に摺動可能に支持されている。第２ガイド軸３２上方のスプリング座面３４は、一端を噴射弁ケーシング２内に形成されたニードルスプリング収納室１００に収納されているニードルスプリング３５に接している。
【００１６】
また、第１ガイド穴３１と第２ガイド穴３３の差に相当する環状の制御圧力室ニードル部４０は、制御圧力連通路４１によってピストン１０の底面と噴射弁ケーシング２の内壁面との微小な隙間で形成される制御圧力室１４に連通している。すなわち、第１ガイド軸３０と第２ガイド軸３２の段差により形成される第１の下向きの受圧面１３０は制御圧力室１４に露呈しているのと同等の構成となっている。制御圧力室１４は制御燃料導入路４２で噴射燃料流路４５に連通しており、制御燃料導入路４２の制御圧力室１４近傍にオリフィス４３と逆止弁４４を設けている。
【００１７】
噴射燃料流路４５は高圧ポンプからコモンレール、ノズルケーシング２２のインレット４７を経て油だまり２５までを連通する。
図２は第１の発明の第１実施形態に示す燃料噴射弁の作動を説明する作動説明図である。
無噴射時には、電歪アクチュエータ１の印加電圧は低く、電歪アクチュエータ１は基準長さにある。制御圧力室１４はレギュレータを経た調整された供給圧にあり、油だまり２５の噴射燃料圧はコモンレールからの直接の供給圧にある。この状態では、シート部２１の断面積にかかるサック部２４の圧力と、（（第１ガイド軸３０の直径の断面積）−（シート部２１の直径の断面積））にかかる噴射燃料圧と、第１の下向き受圧面１３０にかかる制御燃料圧とによる上向きの荷重に対し、ニードルスプリング３５による下向き荷重が勝っていることで、ニードル２０はシート部２１にて着座している。
【００１８】
所望する開弁時期に、電歪アクチュエータ１の印加電圧を上昇させると、制御圧力室１４が容積減少により圧力上昇し、制御圧力室１４の圧力がニードル開弁圧を越えるため、ニードル２０は直ちに上昇する。
開弁後、所望する閉弁時期までは開弁後の印加電圧を維持することで、制御圧力室１４の圧力は高く維持されることでニードルのリフト量は維持される。
【００１９】
所望する閉弁時期には、印加電圧を基準電圧まで低下し、電歪アクチュエータ１を収縮させることで制御圧力室１４の圧力を低下させ、ニードル２０の下向き荷重が勝ることでニードル２０は下降し、着座した時点で噴射は終了する。
図３は、第１の発明の第１実施形態における、第１ガイド軸３０、第２ガイド軸３２に各々油密を保持するＯリング２０１、２０２を設けた場合の第１の発明に対応する第２の実施形態のシステム図である。
【００２０】
その作動は前記の第１の実施形態と同様である。
図４は、第１の発明に対応する第３実施形態のシステム図である。
電歪アクチュエータ１は、噴射弁ケーシング２内において、上端面３をケーシング壁面４に接し、下端面５をピストン上端面６に接している。電歪アクチュエータ１の側面上部からリード線７が出ており、噴射弁ケーシング２の穴８を通って噴射弁外部の駆動回路９に連結されている。ピストン１０は、スプリング１１により上方へ押され、電歪アクチュエータ１と密着することで電歪アクチュエータ１の伸縮により上下動する。ピストン側面１２は、噴射弁ケーシング２のガイド面１３に対してわずかなクリアランスを有し、制御圧力室１４とアクチュエータ室１５とを隔離したまま摺動可能である。
【００２１】
第３実施形態においてはノズルケーシング２２は上側ノズルケーシング２２０と下側ノズルケーシング２２１とから構成されている。
ニードル２０は、下方のシート部２１にて下側ノズルケーシング２２１と着座することで、噴孔２３を経て外部へ開口するサック部２４と下側ノズルケーシング２２１内の油だまり２５との連通を遮断している。第１ガイド軸３０は上側ノズルケーシング２２０のガイド穴３１内径に対してわずかなクリアランスを有し上下方向に摺動可能に支持されており、第２ガイド軸３２はピストン１０のガイド穴３３に対しわずかなクリアランスを有し上下方向に摺動可能に支持されており、第２ガイド軸３２上方のスプリング座面３４は、一端を電歪アクチュエータ１の底面端面５に接しているニードルスプリング３５に接している。
【００２２】
第１ガイド軸３０と第２ガイド軸３２の差に相当する環状の隙間部分と、ピストン１０の底面と噴射弁ケーシング２の内壁面との微小な隙間により制御圧力室１４が形成される。制御圧力室１４は制御燃料導入路４２で噴射燃料流路４５に連通しており、制御燃料導入路４２の制御圧力室１４近傍にオリフィス４３と逆止弁４４をもうけてある。
【００２３】
噴射燃料流路４５は高圧ポンプからコモンレール、噴射弁ケーシング２のインレット４７を経て油だまり２５までを連通する。
本第３実施形態の作動は、第１実施形態と同様であるため説明は省略する。
図５は第１の発明に対応する第４実施形態のシステム図である。
【００２４】
電歪アクチュエータ１は、噴射弁ケーシング２内において、上端面３をケーシング壁面４に接し、下端面５をピストン上端面６に接する。電歪アクチュエータ１の側面上部からリード線７が出ており、噴射弁ケーシング２の穴８を通って噴射弁外部の駆動回路９に連結されている。電歪アクチュエータ１は、中央に円孔のある断面形状のピエゾ素子を複数重ね、円筒状に形成されている。
【００２５】
ピストン１０は、その中心軸に第２ガイド穴３３を有し、スプリング１１により上方へ押され、電歪アクチュエータ１と密着することで電歪アクチュエータ１の伸縮により上下動する。ピストン摺動面１２は、噴射弁ケーシング２のガイド面１３に対してわずかなクリアランスを有し、制御圧力室１４とアクチュエータ室１５とを隔離したまま摺動可能である。
【００２６】
第４実施形態においても、ノズルケーシング２２は上側ノズルケーシング２２０と下側ノズルケーシング２２１とから構成されている。
ニードル２０は、下方のシート部２１にて下側ノズルケーシング２２１と着座することで、噴孔２３を経て外部へ開口するサック部２４と下側ノズルケーシング２２１内の油だまり２５との連通を遮断している。第１ガイド穴３０は上側ノズルケーシング２２０の第１ガイド穴３１に対しわずかなクリアランスを有し上下方向に摺動可能に支持されており、第２ガイド軸３２はピストン１０の第２ガイド穴３３に対しわずかなクリアランスを有し上下方向に摺動可能に支持されている。第２ガイド軸３２上方のスプリング座面３６は、ニードルスプリング収納室１００においてニードルスプリング３５に接している。第３ガイド軸５０は、噴射弁ケーシング２の一部をなす噴射弁ボディ２４０の第３ガイド穴５１に対しわずかなクリアランスを有し上下方向に摺動可能に支持されている。
【００２７】
第１ガイド軸３０と第２ガイド軸３２の差に相当する環状の隙間部分と、ピストン１０の底面と噴射弁ケーシング２との隙間により制御圧力室１４が形成され、制御圧力室１４は制御燃料導入路４２で噴射燃料流路４５に連通しており、制御燃料導入路４２の制御圧力室１４近傍にオリフィス４３と逆止弁４４を設けてある。
【００２８】
噴射燃料流路４５は高圧ポンプからコモンレール、噴射弁ケーシング２のインレット４７を経て油だまり２５までを連通し、その中途から分岐した燃料圧伝達路４８はニードル２０の頂面周辺の燃料室４９まで連通する。
前記の第２実施形態と同じく、第４実施形態における、第１ガイド軸３０、第２ガイド軸３２、第３ガイド軸５０に油密を保持するＯリングを設けた場合も、その作動は後述する前記の第４実施形態の作動と同様である。
【００２９】
第１の発明の第４実施形態の燃料噴射弁の作動を、第１実施形態と比較しながら説明する。
図１、図２及び図５において、無噴射時には、電歪アクチュエータ１の印加電圧は低く、電歪アクチュエータ１は基準長さにある。また、制御圧力室１４、油だまり２５の噴射燃料圧とも供給圧にある。この状態では、シート部２１の断面積にかかるサック部２４の圧力と、（（第１ガイド軸３０の直径の断面積）−（シート部２１の直径断面積））にかかる噴射燃料圧と、制御圧力室１４の受圧部にかかる制御燃料圧とによる上向きの荷重に対し、ニードル２０頂面にかかる燃料圧と、ニードルスプリング３５による下向き荷重が勝っていることで、ニードル２０はシート部２１にて着座している。第１実施形態に対して、噴射燃料圧による下向きの荷重が増加されるため、ニードルスプリング３５の荷重を低く設定する。
【００３０】
所望する開弁時期に、電歪アクチュエータ１の印加電圧を上昇させると、制御圧力室１４が容積減少により圧力上昇し、制御圧力室１４の圧力がニードル開弁圧を越えるため、ニードル２０は直ちに上昇する。
開弁後、所望する閉弁時期までは開弁後の印加電圧を維持することで、制御圧力室１４の圧力は高く維持されることでニードル２０のリフト量は維持される。
【００３１】
所望する閉弁時期には、印加電圧を基準電圧まで低下し、電歪アクチュエータ１を収縮させることで制御圧力室１４の圧力を低下させ、ニードル２０の下向き荷重が勝ることでニードル２０は下降し、着座した時点で噴射は終了する。
図６は第１の発明に対応する第５実施形態のシステム図である。
【００３２】
電歪アクチュエータ１は、噴射弁ケーシング２内において、上端面３をケーシング壁面４に接し、下端面５をピストン上端面６に接する。電歪アクチュエータ１の側面上部からリード線７が出ており、噴射弁ケーシング２の穴８を通って噴射弁外部の駆動回路９に連結されている。電歪アクチュエータ１は、中央に円孔のある断面形状のピエゾ素子を複数重ね、円筒状に形成されている。
【００３３】
ピストン１０は、その中心軸に第２のガイド穴３３を有し、スプリング１１により上方へ押され、電歪アクチュエータ１と密着することで電歪アクチュエータ１の伸縮により上下動する。ピストン摺動面１２は、噴射弁ケーシング２のガイド面１３に対してわずかなクリアランスを有し、制御圧力室１４とアクチュエータ室１５とを隔離したまま油密に摺動可能である。
【００３４】
ニードル２０は、下方のシート部２１にて下側ノズルケーシング２２１と着座することで、噴孔２３を経て外部へ開口するサック部２４と下側ノズルケーシング２２１内の油だまり２５との連通を遮断している。第１ガイド軸３０は上方ノズルケーシング２２０の第１ガイド穴３１に対しわずかなクリアランスを有し、上下方向に摺動可能に油密に支持されており、第２ガイド軸３２は上側ノズルケーシング２２０の第２ガイド穴３３に対しわずかなクリアランスを有し、上下方向に摺動可能に油密に支持されており、第２ガイド軸３２は第１ガイド軸３０より広径であり、第２ガイド軸３２はピストン１０の第２のガイド穴３３に対しわずかなクリアランスを有し、上下方向に摺動可能に油密に支持されている。第２ガイド軸３２上方のスプリング座面３６は、ニードルスプリング３５に接している。第３ガイド軸５０は、噴射弁ボディ２４０の第３のガイド穴５１に対しわずかなクリアランスを有し、上下方向に摺動可能に油密に支持されている。
【００３５】
また、第４のガイド軸９１は上側ノズルケーシング２２０の第４ガイド穴９０に対しわずかなクリアランスを有し、摺動可能に油密に支持されている。
第１ガイド軸３０と第２ガイド軸３２の差に相当する環状の隙間部分と、ピストン１０底面と噴射弁ケーシング２との隙間により制御圧力室が形成される。制御圧力室１４は制御燃料導入路４２で噴射燃料流路４５に連通しており、制御燃料導入路４２の制御圧力室１４近傍にオリフィス４３と逆止弁４４を設けている。
【００３６】
噴射燃料流路４５は高圧ポンプからコモンレール、噴射弁ケーシング２のインレット４７を経て油だまり２５までを連通し、その中途から分岐した燃料圧伝達路４８はニードル２０頂面周辺の燃料室４９まで連通する。
第１ガイド軸３０と第４ガイド軸９１の段差により形成される第２の下向きの受圧面１１１はドレン穴１１０に露呈されている。ドレン穴１１０は、図示しない噴射弁ケーシング２内部のドレン流路を経て噴射弁外部のドレン路に連通している。
【００３７】
また、前記の実施形態と同じく、第５実施形態における、第１ガイド軸３０、第２ガイド軸３２、第３ガイド軸５０、第４ガイド軸９１に油密を保持するＯリングを設けた場合も、その作動は前記の第５実施形態の作動と同様である。
第５実施形態では、作動に関しては前記の第４の実施形態と同様であるので省略する。
【００３８】
図７は第１の発明に対応する第６の実施形態を示すシステム図である。この第６実施形態は、第５実施形態におけるニードル２０のスプリングガイド部３００より上方を削除し、第３ガイド穴５１に対してわずかなクリアランスを有して上下に摺動可能で、かつ、下端面がニードル２０頂面に接するロッド５２を設けたものである。
【００３９】
その作動は、第５実施形態と同様である。
第２の発明における第１の実施形態について説明する。
第１実施形態の構成は、前記の図１に示す第１の発明の第１実施形態にて記載した燃料噴射弁にて、規定の噴射燃料圧にて高圧燃料が圧送される噴射燃料導入路から分岐し制御圧力室１４に至る制御燃料導入路において、その中途に設けられている逆止弁４４より上流側に、噴射燃料圧よりも低い一定の圧力にて下流の逆止弁４４側に燃料を供給するレギュレータを設けている。
【００４０】
図８は第２の発明における第１実施形態で用いるレギュレータの作動説明図である。
作動は、図８に示す様に、レギュレータは、規定の噴射燃料圧に制御されている噴射燃料導入路の圧力に対して、前記逆止弁４４側への制御圧力室１４への供給圧力を減圧し、制御圧力室１４の圧力を一定値以下に維持する。
【００４１】
この効果としては以下の通りである。
一般的に、電歪アクチュエータ１には強度上許容される荷重に限界があり、また、その状態では変位性能も著しく悪化するので、それを越えて使用することは避けなければならない。
噴射燃料圧と制御燃料室１４の圧力が同等であっても、電歪アクチュエータに負荷される荷重が許容荷重を越えないような噴射燃料圧である場合には、レギュレータの効果はない。しかし、噴射燃料圧が高く、制御圧力室１４と噴射燃料圧を同等にすると電歪アクチュエータ１にかかる荷重が許容荷重を越えてしまう場合には、レギュレータを設けることで、制御圧力室１４の内圧を電歪アクチュエータの許容荷重を越えない範囲に制御され、電歪アクチュエータ１の荷重は許容範囲内に保たれる。これにより、噴射燃料圧によらず、電歪アクチュエータ１の適正な作動を得ることができる。
【００４２】
図９は第３の発明に対応する第１実施形態として、電歪アクチュエータの駆動方法を説明する作動説明図である。
第１の発明の第１実施形態に記載の燃料噴射弁を作動させる際に、本発明を適用する場合についての作動を図９を参照して説明する。
【００４３】
第１の発明の第１実施形態の駆動方法である図２では、印加電圧の変化時間を短くし、ニードルリフトの急峻な変化を実現しているのに対して、本第３の発明の第１実施形態では、開弁後の印加電圧を時間経過に対して任意に変化させることで、エンジンの負荷状況や回転数に応じて、１噴射期間内のニードルリフトを変化させる。
【００４４】
無噴射時には、電歪アクチュエータ１の印加電圧は低くアクチュエータは基準長さにある。
制御圧力室１４、油だまり２５の噴射燃料圧とも規定圧にある。この状態では、シート部２１内面積にかかるサック部２４の圧力と、（（第１ガイド軸３０の断面積）−（シート部２１の断面積））にかかる噴射燃料圧と、制御圧力室１４の受圧面１３０にかかる制御燃料圧とによる上向きの荷重に対し、ニードル２０頂面にかかる燃料圧と、スプリング３５による下向き荷重が勝っていることで、ニードル２０はシート部２１にて着座している。
【００４５】
所望する開弁時期に、電歪アクチュエータ１の印加電圧を上昇させると、制御圧がニードル開弁圧を越え、ニードル２０は直ちに上昇する。
開弁後、電歪アクチュエータ１は印加電圧を徐々に上昇させると、電歪アクチュエータ１電圧変化に応じて伸長する。この時、ニードル２０は、上下方向の荷重が等しくなる位置まで制御圧力室１４の圧力増加に対応してニードルスプリング３５の荷重を増加しながら上昇する。
【００４６】
所望する閉弁時期には、印加電圧を基準電圧まで低下し、電歪アクチュエータ１を収縮させることで制御圧力室１４の圧力を低下させ、ニードル２０の下向き荷重が勝ることでニードル２０は下降し、着座した時点で噴射は終了する。
この作動により、ニードルリフト量は電歪アクチュエータ１の印加電圧の変化に対応して制御できる。
【００４７】
図１０は第３の発明に対応する第２の実施形態として、電歪アクチュエータの駆動方法を説明する作動説明図である。
第１の発明の第１実施形態に記載の燃料噴射弁を作動させる際に、本発明を適用する場合の作動を図１０を参照して説明する。
【００４８】
無噴射時には、電歪アクチュエータ１の印加電圧は低く電歪アクチュエータ１は基準長さにある。
制御圧力室１４、油だまり２５の噴射燃料圧とも規定圧にある。この状態ではシート部２１内面積にかかるサック部２４の圧力と、（（第１ガイド軸３０の断面積）−（シート部２１の断面積））にかかる噴射燃料圧と、制御圧力室１４の受圧面１３０にかかる制御燃料圧とによる上向きの荷重に対し、ニードル２０の頂面にかかる燃料圧と、ニードルスプリング３５による下向き荷重が勝っていることで、ニードル２０はシート部２１にて着座している。
【００４９】
所望する開弁時期に、電歪アクチュエータ１の印加電圧を上昇させると、制御圧がニードル開弁圧を越え、ニードルは直ちに上昇する。
開弁後、所望する噴射率変化時期までの期間（初期噴射率期間）は開弁後の印加電圧を維持し、ニードル２０のリフト量は維持される。
次に、所望する噴射率変化時期に、電歪アクチュエータ１の印加電圧を再び上昇させると、電歪アクチュエータ１はさらに伸長する。この時、制御圧力室１４の圧力が上昇するが、それまで上下方向の荷重が等しくなって静止していたニードル２０は、制御圧力室１４の圧力増加に対応してニードルスプリング３５の荷重を増加しながら上昇し、上下方向の荷重が等しくなった時点で再び静止する。
【００５０】
所望する閉弁時期には、印加電圧を基準電圧まで低下し、電歪アクチュエータ１を収縮させることで制御圧力室１４の圧力を低下させ、ニードル２０の下向き荷重が勝ることでニードル２０は下降し、着座した時点で噴射は終了する。
図１１は第３の発明に対応する第３実施形態として、電歪アクチュエータの駆動方法を説明する作動説明図である。第１の発明の第１実施形態に記載の燃料噴射弁を作動させる際に、本発明を適用する場合についての作動を図１１を参照して説明する。
【００５１】
無噴射時には、電歪アクチュエータ１の印加電圧は低く電歪アクチュエータ１は基準長さにある。また、制御圧力室１４、油だまり２５の噴射燃料圧とも規定圧にある。この状態では、シート部２１内面積にかかるサック部２４の圧力と、（（第１ガイド軸３０の断面積）−（シート部２１の断面積））にかかる噴射燃料圧と、制御圧力室１４の受圧面１３０にかかる制御燃料圧とによる上向きの荷重に対し、ニードル２０頂面にかかる燃料圧と、ニードルスプリング３５による下向き荷重が勝っていることで、ニードル２０はシート部２１にて着座している。
【００５２】
所望する開弁時期に、電歪アクチュエータ１の印加電圧を上昇させると、制御圧がニードル開弁圧を越え、ニードル２０は直ちに上昇する。
開弁後、所望する時期までは開弁後の印加電圧を維持し、ニードル２０のリフト量は維持される。
次に、所望する噴射率変化時期に、電歪アクチュエータ１の印加電圧を減少させると、電歪アクチュエータ１は収縮する。この時、制御圧力室１４の圧力が低下するが、それまで上下方向の荷重が等しくなって静止していたニードル２０は、制御圧力室１４の圧力低下に対応してニードルスプリング３５の荷重を減少しながら下降し、上下方向の荷重が等しくなった時点で再び静止する。
【００５３】
所望する閉弁時期には、印加電圧を基準電圧まで低下し、電歪アクチュエータ１を収縮させることで制御圧力室１４の圧力を低下させ、ニードル２０の下向き荷重が勝ることでニードル２０は下降し、着座した時点で噴射は終了する。
図１２は第４の発明の第１実施形態として、電歪アクチュエータの駆動方法を説明する作動説明図である。
【００５４】
第１の発明の第１実施形態に記載の燃料噴射弁を作動させる際に、本発明を適用する場合についての作動を図１２を参照して説明する。
無噴射時には、電歪アクチュエータ１の印加電圧は低く電歪アクチュエータ１は基準長さにあり、制御圧力室１４、油だまり２５の噴射燃料圧とも規定圧にある。
【００５５】
この状態では、シート部２１内面積にかかるサック部２４の圧力と、（（第１ガイド軸３０の断面積）−（シート部２１の断面積））にかかる噴射燃料圧と、制御圧力室１４の受圧面１３０にかかる制御燃料圧とによる上向きの荷重に対し、ニードル２０の頂面にかかる燃料圧と、ニードルスプリング３５による下向き荷重が勝っていることで、ニードル２０はシート部２１にて着座している。
【００５６】
所望する噴射開始時期の数十μｓ〜数十ｍｓ以前の時点から噴射開始直前までの期間において、電歪アクチュエータ１の印加電圧を徐々に増加し、電歪アクチュエータ１を伸長させることで制御圧力室１４の圧力を上昇させる。この時の印加電圧増加量は、制御圧力室１４がニードル２０の開弁の必要昇圧量より少なく、かつ圧力脈動による開弁の発生しない緩やかな電圧増加のため、ニードル２０は開弁しない。この動作を開弁前昇圧と言う。
【００５７】
開弁前昇圧の後、所望する開弁時期までは電圧を維持する。
所望する開弁時期に、電圧を更に上昇させると、制御圧力室圧がニードル２０の開弁圧を越えるため、ニードル２０は直ちに上昇する。
開弁後、所望する閉弁時期までは開弁後の印加電圧を維持し、ニードル２０のリフト量は維持される。
【００５８】
所望する閉弁時期には、印加電圧を基準電圧まで低下し、電歪アクチュエータ１を収縮させることで制御圧力室１４の圧力を低下させ、ニードル２０の下向き荷重が勝ることでニードル２０は下降し、着座した時点で噴射は終了する。
以上、前述の発明の各種実施形態を用いて説明した燃料噴射弁及びその駆動方法を用いることにより、噴射率をその一噴射の期間内に変化させることが可能となる。これにより、エンジン回転数や負荷状況などのエンジン条件に応じた最適な噴射率で燃料噴射することが可能となり、燃料消費の向上、排気ガスの浄化などが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の発明に対応する第１実施形態のシステム図である。
【図２】 第１の発明の第１実施形態に示す燃料噴射弁の作動を説明する作動説明図である。
【図３】 第１の発明の第１実施形態における、第１ガイド軸３０、第２ガイド軸３２に各々油密を保持するＯリング２０１、２０２を設けた場合の第１の発明に対応する第２の実施形態のシステム図である。
【図４】 第１の発明に対応する第３実施形態のシステム図である。
【図５】 第１の発明に対応する第４実施形態のシステム図である。
【図６】 第１の発明に対応する第５実施形態のシステム図である。
【図７】 第１の発明に対応する第６の実施形態を示すシステム図である。
【図８】 第２の発明における第１実施形態で用いるレギュレータの作動説明図である。
【図９】 第３の発明に対応する第１実施形態として、電歪アクチュエータの駆動方法を説明する作動説明図である。
【図１０】 第３の発明に対応する第２の実施形態として、電歪アクチュエータの駆動方法を説明する作動説明図である。
【図１１】 第３の発明に対応する第３実施形態として、電歪アクチュエータの駆動方法を説明する作動説明図である。
【図１２】 第４の発明の第１実施形態として、電歪アクチュエータの駆動方法を説明する作動説明図である。
【図１３】 電歪アクチュエータをアクチュエータとして用いる公知の燃料噴射弁である特公平４−５４０６５に示される燃料噴射弁の横断面図である。
【符号の説明】
１ 電歪アクチュエータ
２ 噴射弁ケーシング
１０ ピストン
１４ 制御圧力室
２０ ニードル
２２ ノズルケーシング
２５ 油だまり
３０ 第１ガイド軸
３１ 第１ガイド穴
３２ 第２ガイド軸
３３ 第２ガイド穴
４２ 制御燃料導入路
４３ オリフィス
４４ 逆止弁
４５ 噴射燃料流路
４８ 燃料圧伝達路
４９ 燃料室
５０ 第３ガイド軸
５１ 第３ガイド穴
５２ ロッド
９０ 第４ガイド穴
９１ 第４ガイド軸
１００ ニードルスプリング収納室
１１０ ドレン穴
１１１ 第２の下向きの受圧面
１３０ 第１の下向きの受圧面
【発明の属する技術分野】
本発明は、高圧燃料を噴射し、かつ、高い噴射量調量精度が要求される直接噴射式のディーゼルエンジン、ガソリンエンジンに用いられる燃料噴射装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高圧燃料を噴射する燃料噴射弁としては、電歪アクチュエータ、及び、ソレノイドをアクチュエータとして用いる公知の燃料噴射弁がある。図１３は、その例として、電歪アクチュエータをアクチュエータとして用いる公知の燃料噴射弁である特公平４−５４０６５に示される燃料噴射弁の横断面図である。
【０００３】
ニードル１０１のガイド部１０２により背圧室１０３と油だまり１０４とが隔離されており、ニードル１０１には、頂面に接するスプリング１０５による下向き荷重と、ガイド部１０２の直径相当にかかる下向き背圧荷重と、環状のシート部より内側に相当するサック部１０７の圧力による上向き荷重と、ガイド部１０２の直径とシート部１０６の直径の直径差空成る面積に油だまりの燃料圧がかかることによる上向き荷重が作用している。背圧が規定圧の時には荷重の総和が下向きになることで閉弁しており、電歪アクチュエータ１０９の伸縮などアクチュエータの作動による背圧室１０３の油圧低下でニードル１０１を下方に押し下げている背圧荷重が減少し、荷重が上向きになるとニードル１０１は上昇する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
内燃機関の排気浄化や燃費改善には、１噴射期間中の噴射率を制御するなどの高精度な制御が可能となる噴射弁が求められており、そのためには、ニードルの変位量、作動応答などの高精度な制御が求められる。
前記公知の燃料噴射弁では、背圧を低下させることでニードルの上向き荷重を増加させて開弁を行っているが、本発明の制御圧力室に相当する背圧室内の燃料は圧力が低下するとともにその圧縮率が下がり（容積変化量に対する圧力変化量の割合が小さくなる）、ニードルの微小変位に対して背圧が変化しにくくなるので、開弁中のニードルのふらつきが大きい。
【０００５】
また、電歪アクチュエータを急激に大きく変位させることで、背圧室内には振幅の大きい圧力脈動が発生するため、ニードルの荷重も変動し変位量が影響されてしまう。
これらの理由から、背圧室の減圧による開弁を行う従来公知の噴射弁では、高精度な噴射量制御は達成できない。
【０００６】
本発明は、前記の課題を解決するため、制御圧力室を加圧することで開弁する噴射弁の構成とし、１噴射期間中の燃料噴射率を制御するなどの高精度な制御が可能な燃料噴射弁及び、エンジン条件に応じた最適な噴射率で燃料噴射することが可能となり、燃料消費の向上、排気ガスの浄化などが実現できる燃料噴射弁の駆動方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【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、請求項１ないし請求項５に記載の技術的手段を採用する。
請求項１に記載の燃料噴射弁では、第１ガイド軸と第２ガイド軸の段差により形成される第１の下向きの受圧面を制御圧力室に連通または露呈させてあり、また電歪アクチュエータの変位量を印加電圧値により制御することにより制御圧力室の圧力を高精度に制御できる。ニードルは制御圧力室が加圧されることにより上昇し、ニードルスプリングのスプリング力と制御圧力室の圧力による荷重により、そのリフト量が決定されるので、ニードルのリフト量を電歪アクチュエータに印加する電圧値によって高精度に制御することができる。
【０００８】
また、ニードルの第３ガイド軸の頂面周りの燃料室まで燃料噴射弁に供給される高圧の噴射燃料を導入する燃料圧伝達路を設けているので、ニードル上部に燃料圧による下向きの荷重を加えることができ、従って、ニードルの上昇に対抗するニードルスプリング荷重を前記の荷重相当分小さくすることができ、ニードルスプリングを小型化、低バネ定数化し易く、低バネ定数ではニードル上昇時の下向き荷重増加が小さくてすむため、電歪アクチュエータの変位量が小さくてすみ、電歪アクチュエータも小型にできる。
【０００９】
請求項２に記載の燃料噴射弁では、更に、油だまりとドレン穴とを隔離すると共に第１ガイド軸と第４ガイド軸の段差により形成される第２の下向きの受圧面をドレン穴に露呈させ、かつ第１ガイド軸より細径の第４ガイド軸を設けている。従って、第４ガイド軸と第１ガイド軸の段差に相当する面積に荷重が作用しないので、上向き荷重が更に低下する。上向き荷重が減少しているので、対抗する下向き荷重は小さくでき、ニードルスプリング力は更に小さくできる。
【００１０】
スプリング力は設定荷重が小さいほどスプリングを小型化、低バネ定数化し易く、低バネ定数ではニードル上昇時の下向き荷重増加が小さくてすむため、電歪アクチュエータの変位量が更に小さくてすみ、電歪アクチュエータも更に小型にできる。
請求項３に記載の燃料噴射弁では、更にロッドがニードルと分割されているが、ニードルとロッドは密着するので、作用・効果は請求項２の場合と同じになる。
【００１１】
請求項４に記載の燃料噴射弁では、逆止弁より上流側に噴射燃料圧よりも低い一定の圧力にて下流の逆止弁側に燃料を供給するレギュレータを設けているので、噴射燃料圧が高く、制御圧力室と噴射燃料圧を同等にすると電歪アクチュエータにかかる荷重が許容荷重を越えてしまう場合には、レギュレータを設けることで制御圧力室の内圧を電歪アクチュエータの許容荷重を越えない範囲に制御され、電歪アクチュエータの荷重は許容範囲内に保たれるので、噴射燃料圧によらず電歪アクチュエータの適正な作動を得ることができる。
【００１３】
請求項５に記載の燃料噴射弁の駆動方法では、電歪アクチュエータの伸長による制御圧力室の圧力上昇量が開弁に要求される圧力上昇量よりもわずかに低くなるような開弁前昇圧をおこなうように電歪アクチュエータに印加する電圧を徐々に上昇するので、燃料噴射遅れがなくなり、燃料消費の向上、排気ガスの浄化などが実現できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は第１の発明に対応する第１実施形態のシステム図である。
図１において、電歪アクチュエータ１は噴射弁ケーシング２内において、上端面３をケーシング壁面４に接し、下端面５をピストン上端面６に接する。アクチュエータ１の側面上部からリード線７が出ており、噴射弁ケーシング２の穴８を通って噴射弁外部の駆動回路９に連結されている。ピストン１０は、スプリング１１により上方へ押され、電歪アクチュエータ１と密着することで電歪アクチュエータ１の伸縮により上下動する。ピストン側面１２は、噴射弁ケーシング２のガイド面１３に対してわずかなクリアランスを有し、制御圧力室１４とアクチュエータ室１５とを隔離したまま摺動可能である。
【００１５】
ニードル２０は、下方のシート部２１にてノズルケーシング２２と着座することで、噴孔２３を経て外部へ開口するサック部２４とノズルケーシング２２内の油だまり２５との連通を遮断している。ニードル２０の第１ガイド軸３０はノズルケーシング２２の第１の第１ガイド穴３１に対しわずかなクリアランスを有し上下方向に摺動可能に支持されており、第２ガイド軸３２は噴射弁ケーシング２の第２のガイド穴３３に対しわずかなクリアランスを有し上下方向に摺動可能に支持されている。第２ガイド軸３２上方のスプリング座面３４は、一端を噴射弁ケーシング２内に形成されたニードルスプリング収納室１００に収納されているニードルスプリング３５に接している。
【００１６】
また、第１ガイド穴３１と第２ガイド穴３３の差に相当する環状の制御圧力室ニードル部４０は、制御圧力連通路４１によってピストン１０の底面と噴射弁ケーシング２の内壁面との微小な隙間で形成される制御圧力室１４に連通している。すなわち、第１ガイド軸３０と第２ガイド軸３２の段差により形成される第１の下向きの受圧面１３０は制御圧力室１４に露呈しているのと同等の構成となっている。制御圧力室１４は制御燃料導入路４２で噴射燃料流路４５に連通しており、制御燃料導入路４２の制御圧力室１４近傍にオリフィス４３と逆止弁４４を設けている。
【００１７】
噴射燃料流路４５は高圧ポンプからコモンレール、ノズルケーシング２２のインレット４７を経て油だまり２５までを連通する。
図２は第１の発明の第１実施形態に示す燃料噴射弁の作動を説明する作動説明図である。
無噴射時には、電歪アクチュエータ１の印加電圧は低く、電歪アクチュエータ１は基準長さにある。制御圧力室１４はレギュレータを経た調整された供給圧にあり、油だまり２５の噴射燃料圧はコモンレールからの直接の供給圧にある。この状態では、シート部２１の断面積にかかるサック部２４の圧力と、（（第１ガイド軸３０の直径の断面積）−（シート部２１の直径の断面積））にかかる噴射燃料圧と、第１の下向き受圧面１３０にかかる制御燃料圧とによる上向きの荷重に対し、ニードルスプリング３５による下向き荷重が勝っていることで、ニードル２０はシート部２１にて着座している。
【００１８】
所望する開弁時期に、電歪アクチュエータ１の印加電圧を上昇させると、制御圧力室１４が容積減少により圧力上昇し、制御圧力室１４の圧力がニードル開弁圧を越えるため、ニードル２０は直ちに上昇する。
開弁後、所望する閉弁時期までは開弁後の印加電圧を維持することで、制御圧力室１４の圧力は高く維持されることでニードルのリフト量は維持される。
【００１９】
所望する閉弁時期には、印加電圧を基準電圧まで低下し、電歪アクチュエータ１を収縮させることで制御圧力室１４の圧力を低下させ、ニードル２０の下向き荷重が勝ることでニードル２０は下降し、着座した時点で噴射は終了する。
図３は、第１の発明の第１実施形態における、第１ガイド軸３０、第２ガイド軸３２に各々油密を保持するＯリング２０１、２０２を設けた場合の第１の発明に対応する第２の実施形態のシステム図である。
【００２０】
その作動は前記の第１の実施形態と同様である。
図４は、第１の発明に対応する第３実施形態のシステム図である。
電歪アクチュエータ１は、噴射弁ケーシング２内において、上端面３をケーシング壁面４に接し、下端面５をピストン上端面６に接している。電歪アクチュエータ１の側面上部からリード線７が出ており、噴射弁ケーシング２の穴８を通って噴射弁外部の駆動回路９に連結されている。ピストン１０は、スプリング１１により上方へ押され、電歪アクチュエータ１と密着することで電歪アクチュエータ１の伸縮により上下動する。ピストン側面１２は、噴射弁ケーシング２のガイド面１３に対してわずかなクリアランスを有し、制御圧力室１４とアクチュエータ室１５とを隔離したまま摺動可能である。
【００２１】
第３実施形態においてはノズルケーシング２２は上側ノズルケーシング２２０と下側ノズルケーシング２２１とから構成されている。
ニードル２０は、下方のシート部２１にて下側ノズルケーシング２２１と着座することで、噴孔２３を経て外部へ開口するサック部２４と下側ノズルケーシング２２１内の油だまり２５との連通を遮断している。第１ガイド軸３０は上側ノズルケーシング２２０のガイド穴３１内径に対してわずかなクリアランスを有し上下方向に摺動可能に支持されており、第２ガイド軸３２はピストン１０のガイド穴３３に対しわずかなクリアランスを有し上下方向に摺動可能に支持されており、第２ガイド軸３２上方のスプリング座面３４は、一端を電歪アクチュエータ１の底面端面５に接しているニードルスプリング３５に接している。
【００２２】
第１ガイド軸３０と第２ガイド軸３２の差に相当する環状の隙間部分と、ピストン１０の底面と噴射弁ケーシング２の内壁面との微小な隙間により制御圧力室１４が形成される。制御圧力室１４は制御燃料導入路４２で噴射燃料流路４５に連通しており、制御燃料導入路４２の制御圧力室１４近傍にオリフィス４３と逆止弁４４をもうけてある。
【００２３】
噴射燃料流路４５は高圧ポンプからコモンレール、噴射弁ケーシング２のインレット４７を経て油だまり２５までを連通する。
本第３実施形態の作動は、第１実施形態と同様であるため説明は省略する。
図５は第１の発明に対応する第４実施形態のシステム図である。
【００２４】
電歪アクチュエータ１は、噴射弁ケーシング２内において、上端面３をケーシング壁面４に接し、下端面５をピストン上端面６に接する。電歪アクチュエータ１の側面上部からリード線７が出ており、噴射弁ケーシング２の穴８を通って噴射弁外部の駆動回路９に連結されている。電歪アクチュエータ１は、中央に円孔のある断面形状のピエゾ素子を複数重ね、円筒状に形成されている。
【００２５】
ピストン１０は、その中心軸に第２ガイド穴３３を有し、スプリング１１により上方へ押され、電歪アクチュエータ１と密着することで電歪アクチュエータ１の伸縮により上下動する。ピストン摺動面１２は、噴射弁ケーシング２のガイド面１３に対してわずかなクリアランスを有し、制御圧力室１４とアクチュエータ室１５とを隔離したまま摺動可能である。
【００２６】
第４実施形態においても、ノズルケーシング２２は上側ノズルケーシング２２０と下側ノズルケーシング２２１とから構成されている。
ニードル２０は、下方のシート部２１にて下側ノズルケーシング２２１と着座することで、噴孔２３を経て外部へ開口するサック部２４と下側ノズルケーシング２２１内の油だまり２５との連通を遮断している。第１ガイド穴３０は上側ノズルケーシング２２０の第１ガイド穴３１に対しわずかなクリアランスを有し上下方向に摺動可能に支持されており、第２ガイド軸３２はピストン１０の第２ガイド穴３３に対しわずかなクリアランスを有し上下方向に摺動可能に支持されている。第２ガイド軸３２上方のスプリング座面３６は、ニードルスプリング収納室１００においてニードルスプリング３５に接している。第３ガイド軸５０は、噴射弁ケーシング２の一部をなす噴射弁ボディ２４０の第３ガイド穴５１に対しわずかなクリアランスを有し上下方向に摺動可能に支持されている。
【００２７】
第１ガイド軸３０と第２ガイド軸３２の差に相当する環状の隙間部分と、ピストン１０の底面と噴射弁ケーシング２との隙間により制御圧力室１４が形成され、制御圧力室１４は制御燃料導入路４２で噴射燃料流路４５に連通しており、制御燃料導入路４２の制御圧力室１４近傍にオリフィス４３と逆止弁４４を設けてある。
【００２８】
噴射燃料流路４５は高圧ポンプからコモンレール、噴射弁ケーシング２のインレット４７を経て油だまり２５までを連通し、その中途から分岐した燃料圧伝達路４８はニードル２０の頂面周辺の燃料室４９まで連通する。
前記の第２実施形態と同じく、第４実施形態における、第１ガイド軸３０、第２ガイド軸３２、第３ガイド軸５０に油密を保持するＯリングを設けた場合も、その作動は後述する前記の第４実施形態の作動と同様である。
【００２９】
第１の発明の第４実施形態の燃料噴射弁の作動を、第１実施形態と比較しながら説明する。
図１、図２及び図５において、無噴射時には、電歪アクチュエータ１の印加電圧は低く、電歪アクチュエータ１は基準長さにある。また、制御圧力室１４、油だまり２５の噴射燃料圧とも供給圧にある。この状態では、シート部２１の断面積にかかるサック部２４の圧力と、（（第１ガイド軸３０の直径の断面積）−（シート部２１の直径断面積））にかかる噴射燃料圧と、制御圧力室１４の受圧部にかかる制御燃料圧とによる上向きの荷重に対し、ニードル２０頂面にかかる燃料圧と、ニードルスプリング３５による下向き荷重が勝っていることで、ニードル２０はシート部２１にて着座している。第１実施形態に対して、噴射燃料圧による下向きの荷重が増加されるため、ニードルスプリング３５の荷重を低く設定する。
【００３０】
所望する開弁時期に、電歪アクチュエータ１の印加電圧を上昇させると、制御圧力室１４が容積減少により圧力上昇し、制御圧力室１４の圧力がニードル開弁圧を越えるため、ニードル２０は直ちに上昇する。
開弁後、所望する閉弁時期までは開弁後の印加電圧を維持することで、制御圧力室１４の圧力は高く維持されることでニードル２０のリフト量は維持される。
【００３１】
所望する閉弁時期には、印加電圧を基準電圧まで低下し、電歪アクチュエータ１を収縮させることで制御圧力室１４の圧力を低下させ、ニードル２０の下向き荷重が勝ることでニードル２０は下降し、着座した時点で噴射は終了する。
図６は第１の発明に対応する第５実施形態のシステム図である。
【００３２】
電歪アクチュエータ１は、噴射弁ケーシング２内において、上端面３をケーシング壁面４に接し、下端面５をピストン上端面６に接する。電歪アクチュエータ１の側面上部からリード線７が出ており、噴射弁ケーシング２の穴８を通って噴射弁外部の駆動回路９に連結されている。電歪アクチュエータ１は、中央に円孔のある断面形状のピエゾ素子を複数重ね、円筒状に形成されている。
【００３３】
ピストン１０は、その中心軸に第２のガイド穴３３を有し、スプリング１１により上方へ押され、電歪アクチュエータ１と密着することで電歪アクチュエータ１の伸縮により上下動する。ピストン摺動面１２は、噴射弁ケーシング２のガイド面１３に対してわずかなクリアランスを有し、制御圧力室１４とアクチュエータ室１５とを隔離したまま油密に摺動可能である。
【００３４】
ニードル２０は、下方のシート部２１にて下側ノズルケーシング２２１と着座することで、噴孔２３を経て外部へ開口するサック部２４と下側ノズルケーシング２２１内の油だまり２５との連通を遮断している。第１ガイド軸３０は上方ノズルケーシング２２０の第１ガイド穴３１に対しわずかなクリアランスを有し、上下方向に摺動可能に油密に支持されており、第２ガイド軸３２は上側ノズルケーシング２２０の第２ガイド穴３３に対しわずかなクリアランスを有し、上下方向に摺動可能に油密に支持されており、第２ガイド軸３２は第１ガイド軸３０より広径であり、第２ガイド軸３２はピストン１０の第２のガイド穴３３に対しわずかなクリアランスを有し、上下方向に摺動可能に油密に支持されている。第２ガイド軸３２上方のスプリング座面３６は、ニードルスプリング３５に接している。第３ガイド軸５０は、噴射弁ボディ２４０の第３のガイド穴５１に対しわずかなクリアランスを有し、上下方向に摺動可能に油密に支持されている。
【００３５】
また、第４のガイド軸９１は上側ノズルケーシング２２０の第４ガイド穴９０に対しわずかなクリアランスを有し、摺動可能に油密に支持されている。
第１ガイド軸３０と第２ガイド軸３２の差に相当する環状の隙間部分と、ピストン１０底面と噴射弁ケーシング２との隙間により制御圧力室が形成される。制御圧力室１４は制御燃料導入路４２で噴射燃料流路４５に連通しており、制御燃料導入路４２の制御圧力室１４近傍にオリフィス４３と逆止弁４４を設けている。
【００３６】
噴射燃料流路４５は高圧ポンプからコモンレール、噴射弁ケーシング２のインレット４７を経て油だまり２５までを連通し、その中途から分岐した燃料圧伝達路４８はニードル２０頂面周辺の燃料室４９まで連通する。
第１ガイド軸３０と第４ガイド軸９１の段差により形成される第２の下向きの受圧面１１１はドレン穴１１０に露呈されている。ドレン穴１１０は、図示しない噴射弁ケーシング２内部のドレン流路を経て噴射弁外部のドレン路に連通している。
【００３７】
また、前記の実施形態と同じく、第５実施形態における、第１ガイド軸３０、第２ガイド軸３２、第３ガイド軸５０、第４ガイド軸９１に油密を保持するＯリングを設けた場合も、その作動は前記の第５実施形態の作動と同様である。
第５実施形態では、作動に関しては前記の第４の実施形態と同様であるので省略する。
【００３８】
図７は第１の発明に対応する第６の実施形態を示すシステム図である。この第６実施形態は、第５実施形態におけるニードル２０のスプリングガイド部３００より上方を削除し、第３ガイド穴５１に対してわずかなクリアランスを有して上下に摺動可能で、かつ、下端面がニードル２０頂面に接するロッド５２を設けたものである。
【００３９】
その作動は、第５実施形態と同様である。
第２の発明における第１の実施形態について説明する。
第１実施形態の構成は、前記の図１に示す第１の発明の第１実施形態にて記載した燃料噴射弁にて、規定の噴射燃料圧にて高圧燃料が圧送される噴射燃料導入路から分岐し制御圧力室１４に至る制御燃料導入路において、その中途に設けられている逆止弁４４より上流側に、噴射燃料圧よりも低い一定の圧力にて下流の逆止弁４４側に燃料を供給するレギュレータを設けている。
【００４０】
図８は第２の発明における第１実施形態で用いるレギュレータの作動説明図である。
作動は、図８に示す様に、レギュレータは、規定の噴射燃料圧に制御されている噴射燃料導入路の圧力に対して、前記逆止弁４４側への制御圧力室１４への供給圧力を減圧し、制御圧力室１４の圧力を一定値以下に維持する。
【００４１】
この効果としては以下の通りである。
一般的に、電歪アクチュエータ１には強度上許容される荷重に限界があり、また、その状態では変位性能も著しく悪化するので、それを越えて使用することは避けなければならない。
噴射燃料圧と制御燃料室１４の圧力が同等であっても、電歪アクチュエータに負荷される荷重が許容荷重を越えないような噴射燃料圧である場合には、レギュレータの効果はない。しかし、噴射燃料圧が高く、制御圧力室１４と噴射燃料圧を同等にすると電歪アクチュエータ１にかかる荷重が許容荷重を越えてしまう場合には、レギュレータを設けることで、制御圧力室１４の内圧を電歪アクチュエータの許容荷重を越えない範囲に制御され、電歪アクチュエータ１の荷重は許容範囲内に保たれる。これにより、噴射燃料圧によらず、電歪アクチュエータ１の適正な作動を得ることができる。
【００４２】
図９は第３の発明に対応する第１実施形態として、電歪アクチュエータの駆動方法を説明する作動説明図である。
第１の発明の第１実施形態に記載の燃料噴射弁を作動させる際に、本発明を適用する場合についての作動を図９を参照して説明する。
【００４３】
第１の発明の第１実施形態の駆動方法である図２では、印加電圧の変化時間を短くし、ニードルリフトの急峻な変化を実現しているのに対して、本第３の発明の第１実施形態では、開弁後の印加電圧を時間経過に対して任意に変化させることで、エンジンの負荷状況や回転数に応じて、１噴射期間内のニードルリフトを変化させる。
【００４４】
無噴射時には、電歪アクチュエータ１の印加電圧は低くアクチュエータは基準長さにある。
制御圧力室１４、油だまり２５の噴射燃料圧とも規定圧にある。この状態では、シート部２１内面積にかかるサック部２４の圧力と、（（第１ガイド軸３０の断面積）−（シート部２１の断面積））にかかる噴射燃料圧と、制御圧力室１４の受圧面１３０にかかる制御燃料圧とによる上向きの荷重に対し、ニードル２０頂面にかかる燃料圧と、スプリング３５による下向き荷重が勝っていることで、ニードル２０はシート部２１にて着座している。
【００４５】
所望する開弁時期に、電歪アクチュエータ１の印加電圧を上昇させると、制御圧がニードル開弁圧を越え、ニードル２０は直ちに上昇する。
開弁後、電歪アクチュエータ１は印加電圧を徐々に上昇させると、電歪アクチュエータ１電圧変化に応じて伸長する。この時、ニードル２０は、上下方向の荷重が等しくなる位置まで制御圧力室１４の圧力増加に対応してニードルスプリング３５の荷重を増加しながら上昇する。
【００４６】
所望する閉弁時期には、印加電圧を基準電圧まで低下し、電歪アクチュエータ１を収縮させることで制御圧力室１４の圧力を低下させ、ニードル２０の下向き荷重が勝ることでニードル２０は下降し、着座した時点で噴射は終了する。
この作動により、ニードルリフト量は電歪アクチュエータ１の印加電圧の変化に対応して制御できる。
【００４７】
図１０は第３の発明に対応する第２の実施形態として、電歪アクチュエータの駆動方法を説明する作動説明図である。
第１の発明の第１実施形態に記載の燃料噴射弁を作動させる際に、本発明を適用する場合の作動を図１０を参照して説明する。
【００４８】
無噴射時には、電歪アクチュエータ１の印加電圧は低く電歪アクチュエータ１は基準長さにある。
制御圧力室１４、油だまり２５の噴射燃料圧とも規定圧にある。この状態ではシート部２１内面積にかかるサック部２４の圧力と、（（第１ガイド軸３０の断面積）−（シート部２１の断面積））にかかる噴射燃料圧と、制御圧力室１４の受圧面１３０にかかる制御燃料圧とによる上向きの荷重に対し、ニードル２０の頂面にかかる燃料圧と、ニードルスプリング３５による下向き荷重が勝っていることで、ニードル２０はシート部２１にて着座している。
【００４９】
所望する開弁時期に、電歪アクチュエータ１の印加電圧を上昇させると、制御圧がニードル開弁圧を越え、ニードルは直ちに上昇する。
開弁後、所望する噴射率変化時期までの期間（初期噴射率期間）は開弁後の印加電圧を維持し、ニードル２０のリフト量は維持される。
次に、所望する噴射率変化時期に、電歪アクチュエータ１の印加電圧を再び上昇させると、電歪アクチュエータ１はさらに伸長する。この時、制御圧力室１４の圧力が上昇するが、それまで上下方向の荷重が等しくなって静止していたニードル２０は、制御圧力室１４の圧力増加に対応してニードルスプリング３５の荷重を増加しながら上昇し、上下方向の荷重が等しくなった時点で再び静止する。
【００５０】
所望する閉弁時期には、印加電圧を基準電圧まで低下し、電歪アクチュエータ１を収縮させることで制御圧力室１４の圧力を低下させ、ニードル２０の下向き荷重が勝ることでニードル２０は下降し、着座した時点で噴射は終了する。
図１１は第３の発明に対応する第３実施形態として、電歪アクチュエータの駆動方法を説明する作動説明図である。第１の発明の第１実施形態に記載の燃料噴射弁を作動させる際に、本発明を適用する場合についての作動を図１１を参照して説明する。
【００５１】
無噴射時には、電歪アクチュエータ１の印加電圧は低く電歪アクチュエータ１は基準長さにある。また、制御圧力室１４、油だまり２５の噴射燃料圧とも規定圧にある。この状態では、シート部２１内面積にかかるサック部２４の圧力と、（（第１ガイド軸３０の断面積）−（シート部２１の断面積））にかかる噴射燃料圧と、制御圧力室１４の受圧面１３０にかかる制御燃料圧とによる上向きの荷重に対し、ニードル２０頂面にかかる燃料圧と、ニードルスプリング３５による下向き荷重が勝っていることで、ニードル２０はシート部２１にて着座している。
【００５２】
所望する開弁時期に、電歪アクチュエータ１の印加電圧を上昇させると、制御圧がニードル開弁圧を越え、ニードル２０は直ちに上昇する。
開弁後、所望する時期までは開弁後の印加電圧を維持し、ニードル２０のリフト量は維持される。
次に、所望する噴射率変化時期に、電歪アクチュエータ１の印加電圧を減少させると、電歪アクチュエータ１は収縮する。この時、制御圧力室１４の圧力が低下するが、それまで上下方向の荷重が等しくなって静止していたニードル２０は、制御圧力室１４の圧力低下に対応してニードルスプリング３５の荷重を減少しながら下降し、上下方向の荷重が等しくなった時点で再び静止する。
【００５３】
所望する閉弁時期には、印加電圧を基準電圧まで低下し、電歪アクチュエータ１を収縮させることで制御圧力室１４の圧力を低下させ、ニードル２０の下向き荷重が勝ることでニードル２０は下降し、着座した時点で噴射は終了する。
図１２は第４の発明の第１実施形態として、電歪アクチュエータの駆動方法を説明する作動説明図である。
【００５４】
第１の発明の第１実施形態に記載の燃料噴射弁を作動させる際に、本発明を適用する場合についての作動を図１２を参照して説明する。
無噴射時には、電歪アクチュエータ１の印加電圧は低く電歪アクチュエータ１は基準長さにあり、制御圧力室１４、油だまり２５の噴射燃料圧とも規定圧にある。
【００５５】
この状態では、シート部２１内面積にかかるサック部２４の圧力と、（（第１ガイド軸３０の断面積）−（シート部２１の断面積））にかかる噴射燃料圧と、制御圧力室１４の受圧面１３０にかかる制御燃料圧とによる上向きの荷重に対し、ニードル２０の頂面にかかる燃料圧と、ニードルスプリング３５による下向き荷重が勝っていることで、ニードル２０はシート部２１にて着座している。
【００５６】
所望する噴射開始時期の数十μｓ〜数十ｍｓ以前の時点から噴射開始直前までの期間において、電歪アクチュエータ１の印加電圧を徐々に増加し、電歪アクチュエータ１を伸長させることで制御圧力室１４の圧力を上昇させる。この時の印加電圧増加量は、制御圧力室１４がニードル２０の開弁の必要昇圧量より少なく、かつ圧力脈動による開弁の発生しない緩やかな電圧増加のため、ニードル２０は開弁しない。この動作を開弁前昇圧と言う。
【００５７】
開弁前昇圧の後、所望する開弁時期までは電圧を維持する。
所望する開弁時期に、電圧を更に上昇させると、制御圧力室圧がニードル２０の開弁圧を越えるため、ニードル２０は直ちに上昇する。
開弁後、所望する閉弁時期までは開弁後の印加電圧を維持し、ニードル２０のリフト量は維持される。
【００５８】
所望する閉弁時期には、印加電圧を基準電圧まで低下し、電歪アクチュエータ１を収縮させることで制御圧力室１４の圧力を低下させ、ニードル２０の下向き荷重が勝ることでニードル２０は下降し、着座した時点で噴射は終了する。
以上、前述の発明の各種実施形態を用いて説明した燃料噴射弁及びその駆動方法を用いることにより、噴射率をその一噴射の期間内に変化させることが可能となる。これにより、エンジン回転数や負荷状況などのエンジン条件に応じた最適な噴射率で燃料噴射することが可能となり、燃料消費の向上、排気ガスの浄化などが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の発明に対応する第１実施形態のシステム図である。
【図２】 第１の発明の第１実施形態に示す燃料噴射弁の作動を説明する作動説明図である。
【図３】 第１の発明の第１実施形態における、第１ガイド軸３０、第２ガイド軸３２に各々油密を保持するＯリング２０１、２０２を設けた場合の第１の発明に対応する第２の実施形態のシステム図である。
【図４】 第１の発明に対応する第３実施形態のシステム図である。
【図５】 第１の発明に対応する第４実施形態のシステム図である。
【図６】 第１の発明に対応する第５実施形態のシステム図である。
【図７】 第１の発明に対応する第６の実施形態を示すシステム図である。
【図８】 第２の発明における第１実施形態で用いるレギュレータの作動説明図である。
【図９】 第３の発明に対応する第１実施形態として、電歪アクチュエータの駆動方法を説明する作動説明図である。
【図１０】 第３の発明に対応する第２の実施形態として、電歪アクチュエータの駆動方法を説明する作動説明図である。
【図１１】 第３の発明に対応する第３実施形態として、電歪アクチュエータの駆動方法を説明する作動説明図である。
【図１２】 第４の発明の第１実施形態として、電歪アクチュエータの駆動方法を説明する作動説明図である。
【図１３】 電歪アクチュエータをアクチュエータとして用いる公知の燃料噴射弁である特公平４−５４０６５に示される燃料噴射弁の横断面図である。
【符号の説明】
１ 電歪アクチュエータ
２ 噴射弁ケーシング
１０ ピストン
１４ 制御圧力室
２０ ニードル
２２ ノズルケーシング
２５ 油だまり
３０ 第１ガイド軸
３１ 第１ガイド穴
３２ 第２ガイド軸
３３ 第２ガイド穴
４２ 制御燃料導入路
４３ オリフィス
４４ 逆止弁
４５ 噴射燃料流路
４８ 燃料圧伝達路
４９ 燃料室
５０ 第３ガイド軸
５１ 第３ガイド穴
５２ ロッド
９０ 第４ガイド穴
９１ 第４ガイド軸
１００ ニードルスプリング収納室
１１０ ドレン穴
１１１ 第２の下向きの受圧面
１３０ 第１の下向きの受圧面
Claims (5)
- 電歪アクチュエータの伸縮に伴う制御圧力室の容積変化に応じた圧力変化を受けて開閉弁する燃料噴射弁において、
ノズルケーシングの第１ガイド穴に対して微小なクリアランスを保って油密に摺動し、油だまりと前記制御圧力室とを隔離する第１ガイド軸と、
噴射弁ケーシングに対して摺動するピストンの第２ガイド穴に対して微小なクリアランスを保って油密に摺動可能であり、前記制御圧力室とニードルスプリング収納室とを隔離し、前記第１ガイド軸の上方に形成され、かつ前記第１ガイド軸より広径の第２ガイド軸と、
該第２ガイド軸より上方に前記噴射弁ケーシングの第３ガイド穴に対してわずかなクリアランスを保ち、油密に摺動する第３ガイド軸と、
前記第１ガイド軸と前記第２ガイド軸の段差により形成される第１の下向きの受圧面を前記制御圧力室に露呈するニードルと、
該ニードルの前記第３ガイド軸の頂面周りの燃料室まで、燃料噴射弁に供給される高圧の噴射燃料を導入する燃料圧伝達路とを有し、
前記制御圧力室と噴射燃料流路をつなぐ制御燃料導入路の途中に、前記制御圧力室から前記噴射燃料流路への燃料流れを抑制する逆止弁と、急激な燃料流れを抑制するオリフィスとを直列に設け、
前記制御圧力室を前記電歪アクチュエータにより加圧することで開弁して燃料を噴射することを特徴とする燃料噴射弁。 - 電歪アクチュエータの伸縮に伴う制御圧力室の容積変化に応じた圧力変化を受けて開閉弁する燃料噴射弁において、
ノズルケーシングの第１ガイド穴に対して微小なクリアランスを保って油密に摺動しドレン穴と前記制御圧力室とを隔離する第１のガイド軸と、
ピストンの第２ガイド穴に対して微小なクリアランスを保って油密に摺動し、前記制御圧力室とニードルスプリング収納室とを隔離し、前記第１ガイド軸の上方に形成され、かつ前記第１ガイド軸より広径の第２ガイド軸と、
該第２ガイド軸より上方に噴射弁ケーシングの第３のガイド穴に対してわずかなクリアランスを保ち上下方向に油密に摺動する第３ガイド軸と、
ノズルケーシングの第４ガイド穴に対して微小なクリアランスを保って油密に摺動し油だまりと前記ドレン穴とを隔離し、かつ前記第１ガイド軸より細径の前記第４ガイド軸と、
前記第１ガイド軸と前記第２ガイド軸の段差により形成される第１の下向きの受圧面を前記制御圧力室に露呈し、前記第１ガイド軸と前記第４ガイド軸の段差により形成される第２の下向きの受圧面をドレン穴に露呈するニードルと、
前記第３ガイド軸の頂面付近の燃料室に燃料噴射弁に供給される噴射燃料を導入する燃料圧伝達路とを有し、
前記制御圧力室と噴射燃料流路をつなぐ制御燃料導入路の中途に、前記制御圧力室から前記噴射燃料流路への燃料流れを抑制する逆止弁と、急激な燃料流れを抑制するオリフィスとを直列に設け、
前記制御圧力室を前記電歪アクチュエータにより加圧することで開弁し燃料を噴射することを特徴とする燃料噴射弁。 - 電歪アクチュエータの伸縮に伴う制御圧力室の容積変化に応じた圧力変化を受けて開閉弁する燃料噴射弁において、
ノズルケーシングの第１ガイド穴に対して微小なクリアランスを保って油密に摺動しドレン穴と前記制御圧力室とを隔離する第１ガイド軸と、
ピストンの第２ガイド穴に対して微小なクリアランスを保って摺動し前記制御圧力室とニードルスプリング収納室とを隔離し、前記第１ガイド軸の上方に形成され、かつ前記第１ガイド軸より広径の第２ガイド軸と、
ノズルケーシングの第４ガイド穴に対して微小なクリアランスを保って油密に摺動し油 だまりと前記ドレン穴とを隔離し、かつ前記第１ガイド軸より細径の前記第４ガイド軸と、
前記第１ガイド軸と前記第２ガイド軸の段差により形成される第１の下向きの受圧面を制御圧力室に露呈し、前記第１ガイド軸と前記第４ガイド軸の段差により形成される第２の下向きの受圧面をドレン穴に露呈するニードルと、
噴射弁ケーシングの第３ガイド穴上方の燃料室に燃料噴射弁に供給される噴射燃料を導入する燃料圧伝達路と、
前記噴射弁ケーシングの前記第３ガイド穴に対してわずかなクリアランスを有して上下方向に油密に摺動し、上端面に燃料室の圧力を受けることで押し下げられ、下端を前記ニードル上面に接しているロッドとを設け、
前記制御圧力室と噴射燃料流路をつなぐ制御燃料導入路の中途に、前記制御圧力室から前記噴射燃料流路への燃料流れを抑制する逆止弁と、急激な燃料流れを抑制するオリフィスとを直列に設け、
前記制御圧力室を前記電歪アクチュエータにより加圧することで開弁し燃料を噴射することを特徴とする燃料噴射弁。 - 前記制御圧力室と前記噴射燃料流路をつなぐ前記制御燃料導入路において、前記噴射燃料流路と前記逆止弁との間にレギュレータを設け、前記制御圧力室を噴射燃料圧に比べて低圧にしたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料噴射弁。
- 電歪アクチュエータへの印加電圧を制御することにより燃料噴射弁を開閉弁させる燃料噴射弁の駆動方法において、
前記電歪アクチュエータの伸長による制御圧力室の圧力上昇により開弁する燃料噴射弁に対して、
前回の噴射終了から今回所望する噴射開始時期直前までの噴射しない期間中に、前記電歪アクチュエータの伸長による前記制御圧力室の圧力上昇量が開弁に要求される圧力上昇量よりもわずかに低くなるように前記電歪アクチュエータに印加する電圧を徐々に上昇することにより、要求開弁時期までは着座を維持する一方で、ニードルに作用する上下方向の荷重差が少ない高圧状態にまで加圧することを特徴とする電歪アクチュエータを用いた燃料噴射弁の駆動方法。
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