JP4428281B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

本発明は、インジェクタボディ内のニードル弁を圧電素子等の変位素子によってリフトさせる燃料噴射弁に係り、特に、変位素子とニードル弁との熱膨張差に起因するニードル弁の意図しないリフトを防止しながら、変位素子とニードル弁に適切な荷重を与える燃料噴射弁に関する。

燃料噴射弁として、インジェクタボディ内のニードル弁を圧電素子等の変位素子を用いてリフトさせるものが知られている。上記変位素子は、一端が上記インジェクタボディ内に形成された反力受け部に係合され、他端が上記ニードル弁に係合されている。かかる変位素子は、その作動時に上記反力受け部に反力を取って伸長し、バネ等によって弁シート部に押し付けられている上記ニードル弁を上記弁シート部からリフトさせる。これにより、上記弁シート部に形成された噴射孔が開放され、燃料が噴射される。

このように、変位素子をインジェクタボディ内の反力受け部に突き当てて伸長させニードル弁をリフトさせるタイプの問題点として、変位素子とニードル弁との熱膨張差に起因してニードル弁に意図しないリフトが生じることが挙げられる。すなわち、変位素子を駆動した際の発熱や、燃料及び周囲温度の変化による温度上昇により、変位素子及びニードル弁に熱膨張による寸法変化が発生し得るところ、変位素子の熱膨張がニードル弁のそれよりも大きい場合、変位素子を作動させなくても変位素子の熱膨張によってニードル弁がリフトされ、噴射孔が開放されてしまう。

この対策として、特許文献１に記載されているように、熱膨張係数の異なる材料を適宜組み合わせて変位素子の熱膨張を吸収するようにした超磁歪式アクチュエータが知られている。

実開平６−５０３６８号公報

しかし、上記超磁歪式アクチュエータのように熱膨張係数の異なる材料を適宜組み合わせて変位素子の熱膨張を吸収する場合、材質や寸法の制約を受け、設計の自由度が減り、またコストも増大する。

そこで、本発明の目的は、インジェクタボディ内のニードル弁を圧電素子等の変位素子によってリフトさせる燃料噴射弁において、変位素子とニードル弁との熱膨張差に起因するニードル弁の意図しないリフト防止を、熱膨張係数の異なる材料を適宜組み合わせることなく、即ち材質や寸法の制約を受けず設計の自由度を増し且つコストを低減して達成する燃料噴射弁を提供することにある。

上記目的を達成するために創案された本発明は、インジェクタボディ内に収容され、噴射孔の近傍に形成された弁シート部に着座した状態からリフト方向にスライド可能なニードル弁と、上記インジェクタボディ内に上記ニードル弁をリフトさせるために収容され、作動時に反力受け部に反力を取って伸長する変位素子と、該変位素子と上記ニードル弁との間に介設され、上記変位素子が作動されて素早く伸長したときその伸長を上記ニードル弁に伝えてこの弁をリフトさせ、上記変位素子が熱膨張により緩慢に伸長したときその伸長を上記ニードル弁に伝えることなくこの弁をリフトさせない熱膨張吸収機構を有する中間体とを備え、該中間体は、上記変位素子の伸長に連動して上記ニードル弁のスライド方向に移動する駆動部材と、上記ニードル弁に設けられ上記駆動部材に対し上記スライド方向に所定隙間が隔てられた被駆動部材と、上記所定隙間に介在された液体と、上記駆動部材が上記被駆動部材に近付いたとき上記所定隙間から逃げる上記液体に所定抵抗を与えるための絞りとからなり、上記駆動部材と上記被駆動部材とを上記スライド方向に交互に複数配置し、これら各駆動部材と被駆動部材との間に夫々上記所定隙間を形成し、これら所定隙間の上記スライド方向に隣り合うもの同士を連通する連通路を夫々設け、これら各連通路を上記絞りとしたものである。

上記所定抵抗は、上記変位素子が作動されて上記駆動部材が上記被駆動部材に所定速度以上の高速で近付いたとき上記液体が上記所定隙間から逃げないように上記液体の粘度を考慮して設定されると共に、上記変位素子が熱膨張して上記駆動部材が上記被駆動部材に上記所定速度未満の低速で近付いたとき上記液体が上記所定隙間から逃げるように設定される。

上記所定隙間は、上記変位素子と上記ニードル弁との上記スライド方向に沿った最大熱膨張差よりも大きく設定される。

上記液体は、上記インジェクタボディ内に導かれた燃料である。

本発明によれば、インジェクタボディ内のニードル弁を圧電素子等の変位素子によってリフトさせる燃料噴射弁において、変位素子とニードル弁との熱膨張差に起因するニードル弁の意図しないリフト防止を、熱膨張係数の異なる材料を適宜組み合わせることなく、即ち材質や寸法の制約を受けず設計の自由度を増し且つコストを低減して達成する燃料噴射弁を提供できる。

本発明の好適実施形態を添付図面に基づいて説明する。

先ず、本実施形態に係る燃料噴射弁の概要を図１を用いて説明する。

図１に示すように、この燃料噴射弁１は、インジェクタボディ２内に収容され、噴射孔３の近傍に形成された弁シート部４に着座した状態からリフト方向にスライド可能なニードル弁５と、インジェクタボディ２内にニードル弁５をリフトさせるために収容され、作動時に反力受け部６に反力を取って伸長する変位素子７と、変位素子７とニードル弁５との間に介設され、変位素子７が作動されて素早く伸長したときその伸長をニードル弁５に伝えてこの弁５をリフトさせ、変位素子７が熱膨張により緩慢に伸長したときその伸長をニードル弁５に伝えることなくこの弁５をリフトさせない熱膨張吸収機構を有する中間体８とを備えている。

この中間体８は、変位素子７の伸長に連動してニードル弁５のスライド方向Ｓに移動する駆動部材９と、ニードル弁５に設けられ駆動部材９に対しスライド方向Ｓに所定隙間Ｔｃが隔てられた被駆動部材１０と、所定隙間Ｔｃに介在された液体（非常に圧縮比が小さい：図中、白抜き部分）と、駆動部材９が被駆動部材１０に近付いたとき所定隙間Ｔｃから逃げる液体に所定抵抗を与えるための絞り１１とからなる。

絞り１１の所定抵抗は、変位素子７が作動されて駆動部材９が被駆動部材１０に所定速度以上の高速で近付いたとき液体が上記所定隙間Ｔｃから逃げないように液体の粘度を考慮して設定されると共に、変位素子７が熱膨張して駆動部材９が被駆動部材１０に上記所定速度未満の低速で近付いたとき液体が上記所定隙間Ｔｃから逃げるように設定されている。また、上記所定隙間Ｔｃは、変位素子７とニードル弁５との上記スライド方向Ｓに沿った最大熱膨張差よりも大きく設定されている。

以上の構成によれば、インジェクタボディ２内のニードル弁５を圧電素子、超磁歪素子等の変位素子７を用いてリフトさせる燃料噴射弁１において、変位素子７とニードル弁５との熱膨張差に起因するニードル弁５の意図しないリフト防止を、熱膨張係数の異なる材料を適宜組み合わせることなく、即ち材質や寸法の制約を受けず設計の自由度を増し、且つコストを低減して実現できる。

以下、本実施形態に係る燃料噴射弁１を図１〜図５を用いて詳述する。

図１に示すように、筒状に形成されたインジェクタボディ２の一端部には、先端部に噴射孔３が開口されたノズル１２がノズル固定ナット１３によって装着されている。ノズル１２の内面には、噴射孔３の近傍に位置させて、ニードル弁５の先端部が着座する弁シート部４が形成されている。インジェクタボディ２の他端部には、スプリング押え部材１４がネジ等を介して装着されている。スプリング押え部材１４は、後述する素子与圧スプリング１５の一端部及びニードル与圧スプリング１６の一端部が、夫々圧縮状態で当接される。

インジェクタボディ２の内部には、ニードル弁５がボディ２の長手方向にスライド可能に収容されている。ニードル弁５は、一端部（先端部）が弁シート部４に着座されると共に他端部がフランジ１７を介してニードル与圧スプリング１６に当接されており、スプリング１６により弁シート４に所定の力で押し付けられている。このニードル弁５は、インジェクタボディ２の内部に収容された変位素子７（圧電素子、超磁歪素子等）の伸長に伴って上記長手方向の図中上方に移動され、弁シート部４からリフトされる。

変位素子７は、一端部がインジェクタボディ２の内部に段差状に形成された反力受け部６に当接され、他端部が上記長手方向（ニードル弁５のスライド方向Ｓ）に自在に移動するようになっている。変位素子７は、図例では、ニードル弁５をこれと所定間隔を隔てて囲繞するように円筒状に形成され、その外径がインジェクタボディ２の内部に上記スライド方向Ｓに沿って形成された収容穴１８（スライド穴）よりも僅かに小さく設定され、作動時に伸長すると反力受け部６に反力を取ってスライド穴１８に沿って伸長するようになっている。

変位素子７の上端面には、スライド穴１８にガイドされて上下方向に移動可能なスライダー１９が載置されている。スライダー１９は、その上端面に素子与圧スプリング１５が当接されており、素子与圧スプリング１５は、スライダー１９を介して変位素子７を反力受け部６に所定力で押し付ける。スライダー１９は、略円筒体からなり、その外径がスライド穴１８の径より僅かに小径に設定されており、変位素子７の作動時には素子７の素早い伸長に伴って超高速で、変位素子７の熱膨張時には素子７の緩慢な伸長に伴って極低速で、スライド穴１８に沿って移動する。

スライダー１９とニードル弁５との間には、変位素子７が作動されて素早く伸長したときその伸長をニードル弁５に伝えてこの弁５をリフトさせ、変位素子７が熱膨張により緩慢に伸長したときその伸長をニードル弁５に伝えることなくこの弁５をリフトさせない熱膨張吸収機構を有する中間体８が介設されている。中間体８は、スライダー１９に設けられた駆動部材９と、ニードル弁５に設けられ駆動部材９に対し上記スライド方向Ｓに所定隙間Ｔｃが隔てられた被駆動部材１０と、所定隙間Ｔｃに介在された液体と、駆動部材９が被駆動部材１０に近付いたとき所定隙間Ｔｃから逃げる液体に所定抵抗を与えるための絞り１１とからなる。

詳しくは、図６に示すように、駆動部材９はスライダー１９の内周面に設けられ内方に延出されたフランジからなり、被駆動部材１０はニードル弁５の上部に装着された円板からなり、これら駆動部材９と被駆動部材１０とは上記スライド方向Ｓに交互に複数配置されている。各駆動部材９と被駆動部材１０との間には、ニードル与圧スプリング１６によりニードル弁５が弁シート部４に着座され且つ素子与圧スプリング１５により変位素子７が反力受け部６に押し付けられた状態で、上記所定隙間Ｔｃが形成されている。

所定隙間Ｔｃは、変位素子７を駆動した際の発熱や、燃料、周囲温度の変化による変位素子７とニードル弁５との上記スライド方向Ｓに沿った最大熱膨張差よりも大きく設定されている。また、所定隙間Ｔｃは、液体（ここでは燃料）が溜められる（入り込む）ことができるサイズ（数十ミクロン程度）となっている。

所定隙間Ｔｃは、各駆動部材９の上面側のものと下面側のものとで必ずしも同じ寸法でなくてもよい。要は、変位素子７とニードル弁５とが、反力受け部６と弁シート部４とに夫々反力を取って、スライド方向Ｓに熱伸縮したとき、駆動部材９と被駆動部材１０とが接触しない寸法であればよい。隣接する駆動部材９の間隔をＴａ、その間に挟まれた被駆動部材１０の板厚をＴｂとすると、Ｔａ−Ｔｂ＝Ｔが変位素子７とニードル弁５とのスライド方向Ｓの熱膨張差を吸収する寸法となる。

各所定隙間Ｔｃの隣り合うもの同士は、内径側の連通路Ｒａ又は外径側の連通路Ｒｂによって連通されている。内径側の連通路Ｒａは、図３に示すように、駆動部材９（フランジ）の内径端部とニードル弁５の外周部との間にリング状に形成され、外径側の連通路Ｒｂは、図２に示すように、被駆動部材１０（円板）の外径端部とスライダー１９（円筒体）の内周面との間にリング状に形成されている。

内径側の連通路Ｒａと外径側の連通路Ｒｂとは、隣り合う所定隙間Ｔｃ同士を、スライド方向Ｓに交互にジグザグに連通し、駆動部材９が被駆動部材１０に近付いたとき所定隙間Ｔｃから逃げる液体に所定抵抗を与えるための絞り１１を構成する。

この絞り１１の所定抵抗すなわち各連通路Ｒａ、Ｒｂの半径方向の隙間は、トータルで、変位素子７が作動されて駆動部材９が被駆動部材１０に所定速度以上の高速で近付いたとき液体が所定隙間Ｔｃから逃げないように液体の粘度を考慮して設定されると共に、変位素子７が熱膨張して駆動部材９が被駆動部材１０に所定速度未満の低速で近付いたとき液体が所定隙間Ｔｃから逃げるように設定されている。連通路Ｒａ、Ｒｂの半径方向の隙間は、具体的には所定隙間Ｔｃよりも小さく、１〜５ミクロン程度となっている。

上記所定隙間Ｔｃ等に浸入する液体である燃料（非圧縮性流体）は、図１に示すように、スプリング押え部材１４に形成された導入口２０からインジェクタボディ２内のスプリング収容室２１に導かれる。スプリング収容室２１の燃料は、図２及び図３に示すようにスライダー１９の外周部にその一部を切り欠くように形成された通路部２２、及び図４に示すようにスライダー１９の下端部に半径方向に凹設された通路部２３を通って、図１に示すニードル弁５と変位素子７との間の隙間２４に導かれる。その後、燃料は、ニードル弁５の下部に設けられたガイド部２５の外周部に図５に示すように形成された通路部２６を通って弁シート部４の近傍に至る。これにより、燃料噴射弁１の内部には燃料がボイドなく充満される。

本実施形態の作用を述べる。

燃料を噴射するべく変位素子７を作動させると、変位素子７が反力受け部６に反力を取って素早く伸長し、スライダー１９が上方に素早く押し上げられ、駆動部材９が被駆動部材１０に所定速度以上の超高速で近付こうとする。すると、所定隙間Ｔｃに介在された燃料を介して被駆動部材１０が素早く押し上げられ、ニードル弁５が弁シート部４からリフトされて噴射孔３から燃料が噴射される。所定隙間Ｔｃに介在された燃料は、駆動部材９が所定速度以上の高速で移動するときには、連通路Ｒａ、Ｒｂの絞り機能によって逃げるような移動ができないからである。即ち、このとき駆動部材９及び被駆動部材１０は、所定隙間Ｔｃに介在された燃料と共に一体となって上昇することになる。

他方、変位素子７を駆動した際の発熱や、燃料、周囲温度の変化による温度上昇により、変位素子７がニードル弁５よりも大きく熱膨張したときは、変位素子７が非作動状態であっても、変位素子７の熱膨張によりスライダー１９が緩慢に押し上げられ、駆動部材９が被駆動部材１０に上記所定速度未満の極低速で近付く。この場合、所定隙間Ｔｃに介在された燃料が連通路Ｒａ、Ｒｂを通って徐々に逃げるので、被駆動部材１０が押し上げられることはなく、ニードル弁５がリフトされない。よって、変位素子７とニードル弁５との熱膨張差による意に反したニードル弁５のリフト（燃料噴射）は生じない。

このように本実施形態に係る燃料噴射弁１は、上記連通路Ｒａ、Ｒｂの径方向の隙間（絞り１１の所定抵抗に相関する）を燃料の粘度を考慮して適切に設定したので、変位素子７が作動されて駆動部材９が素早く被駆動部材１０に近付こうとするときには、所定隙間Ｔｃから燃料が逃げないため近付くことが出来ず、これらが一体となって上昇移動してニードル弁５がリフトする。他方、変位素子７が熱膨張して駆動部材９が緩慢に被駆動部材１０に近付こうとするときには、所定隙間Ｔｃから燃料が逃げるため、近付くことが可能となり、変位素子７の熱膨張が空振り状態となってニードル弁５のリフトが防止される。この結果、変位素子７の作動時の適切なニードル弁５のリフトすなわち燃料噴射を確保できると共に、変位素子７とニードル弁５との熱膨張差による意に反したニードル弁５のリフトすなわち意図しない燃料噴射を未然に防止でき、温度条件に拘わらず安定した駆動が可能な燃料噴射弁１を実現できる。

上記所定隙間Ｔｃは、変位素子７とニードル弁５との上記スライド方向Ｓに沿った最大熱膨張差よりも大きく設定されているので、駆動部材９と被駆動部材１０とが上記熱膨張差に起因して接触することはない。すなわち、変位素子７の上記スライド方向Ｓに沿った熱膨張がニードル弁５のそれよりも大きい場合、既述のように、駆動部材９が被駆動部材１０を押し上げることによって生じ得る、ニードル弁５のリフト（意図しない燃料噴射）を未然に防止できる。逆に、ニードル弁５の上記スライド方向Ｓに沿った熱膨張が変位素子７のそれよりも大きい場合、所定隙間Ｔｃが変位素子７とニードル弁５とのスライド方向Ｓに沿った最大熱膨張差よりも小さく設定されていると、弁シート部４に反力を取って伸長するニードル弁５の被駆動部材１０が駆動部材９を押し上げ、スライダー１９が変位素子７から離間する事態（変位素子７の作動時の伸長がスライダー１９に伝わらなくなる事態）が生じ得るが、本実施形態ではこのような事態は生じない。

絞り１１の所定抵抗は、上記連通路Ｒａ、Ｒｂの径方向の隙間の大きさ、及びそれらのスライド方向Ｓに沿った組み合わせ数を設計段階で適当に設定することで、全体としての細かく調節できる。よって、設計の自由度が広がる。また、連通路Ｒａ、Ｒｂは、上記スライド方向Ｓにジグザグに複数配置されているので、効率よく絞り１１の所定抵抗を稼ぐことができる。

本実施形態によれば、インジェクタボディ２内のニードル弁５を変位素子７を用いてリフトさせる燃料噴射弁１において、変位素子７とニードル弁５との熱膨張差に起因するニードル弁５の意図しないリフト防止を、熱膨張係数の異なる材料を適宜組み合わせることなく、即ち材質や寸法の制約を受けず設計の自由度を増し、且つコストを低減して実現できる。

本発明の実施形態は上記タイプに限定されない。上記所定隙間Ｔｃに介在される液体は、燃料に限られずオイル等の非圧縮性流体を用いてもよい。また、スライダー１９を省略し、駆動部材９を変位素子７の上部に取り付けるようにしてもよい。また、変位素子７は、円筒状のものに限られず、ロッド状のものをニードル弁５を囲むように周方向に間隔を隔てて複数配置してもよい。

本発明の一実施形態に係る燃料噴射弁の側断面図である。 図１のII−II線断面図である。 図１のIII−III線断面図である。 図１のIV−IV線断面図である。 図１のV−V線断面図である。 図１の要部拡大図である。

符号の説明

１ 燃料噴射弁
２ インジェクタボディ
３ 噴射孔
４ 弁シート部
５ ニードル弁
６ 反力受け部
７ 変位素子
８ 中間体
９ 駆動部材
１０ 被駆動部材
１１ 絞り
Ｒａ 連通路
Ｒｂ 連通路
Ｔｃ 所定隙間

Claims (4)

1. インジェクタボディ内に収容され、噴射孔の近傍に形成された弁シート部に着座した状態からリフト方向にスライド可能なニードル弁と、
   上記インジェクタボディ内に上記ニードル弁をリフトさせるために収容され、作動時に反力受け部に反力を取って伸長する変位素子と、
   該変位素子と上記ニードル弁との間に介設され、上記変位素子が作動されて素早く伸長したときその伸長を上記ニードル弁に伝えてこの弁をリフトさせ、上記変位素子が熱膨張により緩慢に伸長したときその伸長を上記ニードル弁に伝えることなくこの弁をリフトさせない熱膨張吸収機構を有する中間体とを備え、
   該中間体は、上記変位素子の伸長に連動して上記ニードル弁のスライド方向に移動する駆動部材と、上記ニードル弁に設けられ上記駆動部材に対し上記スライド方向に所定隙間が隔てられた被駆動部材と、上記所定隙間に介在された液体と、上記駆動部材が上記被駆動部材に近付いたとき上記所定隙間から逃げる上記液体に所定抵抗を与えるための絞りとからなり、
   上記駆動部材と上記被駆動部材とを上記スライド方向に交互に複数配置し、これら各駆動部材と被駆動部材との間に夫々上記所定隙間を形成し、これら所定隙間の上記スライド方向に隣り合うもの同士を連通する連通路を夫々設け、これら各連通路を上記絞りとしたことを特徴とする燃料噴射弁。
2. 上記所定抵抗は、上記変位素子が作動されて上記駆動部材が上記被駆動部材に所定速度以上の高速で近付いたとき上記液体が上記所定隙間から逃げないように上記液体の粘度を考慮して設定されると共に、上記変位素子が熱膨張して上記駆動部材が上記被駆動部材に上記所定速度未満の低速で近付いたとき上記液体が上記所定隙間から逃げるように設定された請求項１記載の燃料噴射弁。
3. 上記所定隙間は、上記変位素子と上記ニードル弁との上記スライド方向に沿った最大熱膨張差よりも大きく設定された請求項１又は２記載の燃料噴射弁。
4. 上記液体は、上記インジェクタボディ内に導かれた燃料である請求項１〜３いずれかに記載の燃料噴射弁。

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