JP6731492B2 - 燃料噴射弁 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に用いられる燃料噴射弁であって、電圧の印加により全長が伸長する圧電素子を有し、圧電素子の全長の伸縮により弁体の開閉を行う燃料噴射弁に関する。

特開２００２−３１０１０号公報（特許文献１）には、通電の開始により圧電素子の伸びを直接弁体に伝えて、弁体を押すときに弁体先端部が弁座から離れることで、燃料流路を開いて燃料を噴射する燃料噴射弁が記載されている。この燃料噴射弁は、通電が終了すると、弁体を付勢するスプリングの力により弁体が引き戻されて弁座と当接し、燃料流路が閉鎖されることにより燃料噴射を終了する。

特開２００２−３１０１０号公報

特許文献１の燃料噴射弁では、圧電素子は電圧を印加すると伸長する構造であるために、直接弁体を動作させる場合、電圧の印加により弁体を押す構造になる。このような燃料噴射弁は、弁体を押し出すことにより弁体と弁座との間に形成される隙間から燃料を噴射する構造となる。すなわち、このような燃料噴射弁は、電圧の印加により弁体が燃料噴射弁の外側に向かって変位し、これにより燃料通路が開く外開きの弁構造を有する。外開きの弁構造では、弁体の弁座と当接する先端部の形状は円錐形状が一般的であり、この円錐形状により、生成される噴霧は傘状噴霧となる。一般的に用いられている電磁方式の燃料噴射弁は、通電することにより直接弁体を引き上げて燃料噴射弁の内側に向かって弁体を変位させ、弁体と弁座との間の燃料通路を開く内開きの弁構造を有する。このような燃料噴射弁では、噴孔を複数設けて燃料を噴射することにより、噴霧形状を所望の形状にすることができる。これに対して、外開きの弁構造では、弁体の形状及び数が制約を受け、噴霧形状の自由度が少なく、燃焼性能の改善には限界がでてくる。

本発明の目的は、電圧を印加することにより伸長する駆動素子を備えた燃料噴射弁において、簡単な機構で内開きの弁構造を実現すると共に、弁体に作用する種々の力関係を最適に設定した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、本発明の燃料噴射弁は、
軸方向に変位可能に構成され、軸方向において燃料の流れる方向の上流側に配設された上流側シート部及び下流側に配設された下流側シート部を有する弁体と、
前記上流側シート部が当接することにより上流側燃料通路が閉じられ、前記上流側シート部が離間することにより上流側燃料通路が開かれる上流側弁座と、
前記下流側シート部が当接することにより下流側燃料通路が閉じられ、前記下流側シート部が離間することにより下流側燃料通路が開かれる下流側弁座と、
前記上流側シート部が前記上流側弁座と当接する方向に前記弁体を付勢する付勢部材と、
前記下流側シート部が前記下流側弁座と当接する方向に前記弁体を駆動する駆動素子と、
を備え、
前記駆動素子への通電を行っていない状態では、前記上流側シート部が前記上流側弁座と当接する向きに前記弁体を付勢する、前記付勢部材の付勢力を含む上流向き付勢力が、前記下流側シート部が前記下流側弁座と当接する向きに前記弁体を付勢する下流向き付勢力よりも大きくなるように構成され、
前記上流側シート部が前記上流側弁座から離間し、かつ前記下流側シート部が前記下流側弁座から離間した状態に、前記弁体を前記駆動素子により駆動して燃料を噴射する。

本発明によれば、簡単な機構で内開きの弁構造を実現できることが可能となる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施例に係る燃料噴射弁の構成を示す断面図である。 図１の下流側シート部１ｂ（図１のＢ部）の近傍を拡大して示す拡大断面図である。 図１の上流側シート部１ａ（図１のＡ部）の近傍を拡大して示す拡大断面図である。 図１のベローズ体８の近傍を拡大して示す拡大断面図である。 図１のダンパー体１２の近傍を拡大して示す拡大断面図である。 各条件における上流側シート部１ａの状態を示した拡大断面図である。 各条件における下流側シート部１ｂの状態を示した拡大断面図である。 本発明に係る燃料噴射弁１００の印加電圧と、上流側シート部１ａ及び下流側シート部１ｂの各弁座との当接状態との関係を示す図である。 図８Ａに示す上流側シート部１ａ及び下流側シート部１ｂの各弁座との当接状態を示す図である。 本発明に係る燃料噴射弁１００の弁体１に作用する力関係を示した図である。 本発明に係る燃料噴射弁１００のベローズ体８の組付け方法の詳細を示した図である。 本発明に係る燃料噴射弁１００の弁体１及びノズル体３の詳細断面図である。 本実施例に係る燃料噴射弁の全体図を示す。 本実施例の弁体駆動機構の断面拡大図を示す。 本実施例の弁体駆動機構の三次元形状図を示す。 本実施例の弁体駆動機構の動作を説明するための図である。 駆動素子として圧電素子を用いた図を示す。 本発明の実施例の流量制御弁の全体図を示す。 本発明の実施例の駆動素子を用いた弁体駆動機構の詳細を示す図である。

以下に、本発明の構造が多く用いられる燃料噴射弁の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
［実施例１］
図１は、本発明の一実施例に係る燃料噴射弁１００の構成を示す断面図である。図２は、図１の下流側シート部１ｂ（図１のＢ部）の近傍を拡大して示す拡大断面図である。図３は、図１の上流側シート部１ａ（図１のＡ部）の近傍を拡大して示す拡大断面図である。図４は、図１のベローズ体８の近傍を拡大して示す拡大断面図である。図５は、図１のダンパー体１２の近傍を拡大して示す拡大断面図である。

本発明の一実施例に係る燃料噴射弁１００の構成について、図１を参照して説明する。
なお、以下の説明において、上流側及び下流側は、燃料の流れ方向における上流側及び下流側を表す。また、燃料噴射弁１００の噴孔２ｂが設けられる側の端部を先端部（先端側の端部）と呼び、先端部に対して反対側の端部を基端部（基端側の端部）と呼ぶ。先端部は下流側の端部であり、基端部は上流側の端部である。また、説明の中で使用する上下方向を、図１に基づいて定義する。すなわち、基端部は先端部に対して上方にあり、先端部は基端部に対して下方にある。この上下方向は説明を簡便にするために定義するものであり、燃料噴射弁１００の実装状態における上下方向とは関係が無い。

ノズル体３の下流側（先端側又は内燃機関側）には、ノズル体３と同軸上に下流側弁座部材（先端側弁座部材）２が接合されている。弁体１は下流側弁座部材２の上流側に配設されている。弁体１はノズル体３に内包され、ノズル体３に対して同軸状に配設されている。そして弁体１は、ノズル体３の内部で、ノズル体３の中心軸線１００Ａに沿う方向に、移動可能に設けられている。すなわち弁体１は、軸方向に変位可能に構成されている。
さらに弁体１は、軸方向において燃料の流れる方向の上流側に配設された上流側シート部１ａと、下流側に配設された下流側シート部１ｂとを有する。なおノズル体３の中心軸線は、燃料噴射弁１００の中心軸線１００Ａに一致し、中心軸線１００Ａと同軸に構成されている。

ノズル体３と弁体１との間には、弁体１を上流側（基端側）に向けて付勢する第一付勢部材４が設置される。すなわち第一付勢部材４は、上流側シート部１ａが上流側弁座７ａと当接する方向に弁体１を付勢する。本実施例の場合、第一付勢部材４はコイルスプリングで構成している。弁体１の上流側には、燃料を封止するベローズ体（シール体）８が設けられている。ベローズ体８の上流側には、駆動素子１１が弁体１及びベローズ体８と同軸上に位置するように設けられている。すなわち駆動素子１１は、上流側シート部１ａに対して下流側シート部１ｂが設けられた側とは反対側に設けられている。駆動素子１１が収容された空間はベローズ体８により封止され、駆動素子１１は燃料から遮蔽されている。

駆動素子１１の上流側には構成部品の線膨張を相殺するためのダンパー体１２が配設されている。ダンパー体１２の上流側には、ダンパー体１２の位置を固定する固定部品１４が配設されている。駆動素子１１及びベローズ体８の外周にはケーシング体１６が設けられ、駆動素子１１及びベローズ体８はケーシング体１６に内包されている。ケーシング体１６は二重円管構造を有し、二重円管で形成される隙間（内側の円管と外側の円管との間の隙間）に燃料通路を形成している。ケーシング体１６の上流側に上部ケーシング１３が接合されている。

燃料は、上部ケーシング１３の燃料供給口１３ａから供給され、ケーシング体１６が有する燃料通路を通り、弁体１の上流側シート部１ａに至る。上流側シート部１ａを通過した燃料は、弁体１とノズル体３との隙間を流れて、弁体１の下流側シート部１ｂに至る。
下流側シート部１ｂを通過した燃料は噴孔２ｂから燃料噴射弁１００の外部、例えば内燃機関に噴射され、燃料噴霧ＦＳが生成される。

次に各部の構造について、詳細に説明する。

下流側弁座部材２は下流側弁座２ｃと噴孔２ｂとを有する。噴孔２ｂは下流側弁座２ｃの下流側に設けられる。下流側弁座２ｃに弁体１の下流側シート部１ｂが当接することにより、下流側弁座２ｃと下流側シート部１ｂとの間の燃料通路が閉じられて閉弁し、下流側弁座２ｃから下流側シート部１ｂが離間することにより、下流側弁座２ｃと下流側シート部１ｂとの間の燃料通路が開かれて開弁する。このように下流側シート部１ｂは、下流側弁座２ｃに当接する当接部を構成する。下流側シート部１ｂが下流側弁座２ｃに当接することにより下流側燃料通路が閉じられ、下流側シート部１ｂが下流側弁座２ｃから離間することにより下流側燃料通路が開かれる。

下流側シート部１ｂが下流側弁座２ｃから離間することにより、下流側弁座２ｃと下流側シート部１ｂとの間の燃料通路を流下した燃料は、噴孔２ｂから噴射される。このとき噴孔２ｂは、噴射した燃料が所望の噴霧を形成することができるように、形状（形、断面積、長さ等）や数が決められている。噴孔２ｂが形成される下流側弁座部材２は、必要とされる噴霧を形成するための部品である。

下流側弁座部材２はノズル体３の下流側端部の内周側に挿入されて固定されている。下流側弁座部材２は下流側端部の外面側に球状凸形状部２ｄを有し、内側に円錐面又は球面に形成された内面２ｅを有している。下流側弁座２ｃは下流側弁座部材２の内面２ｅに形成されている。

燃料を噴射するための噴孔２ｂは、球状凸形状部２ｄの箇所に１箇所以上開口される。
この噴孔２ｂは球状凸形状部２ｄの外面から内側の円錐面又は球面２ｅまで貫通している。噴孔２ｂは、中心軸線２ｂＡ方向に単一の直径で形成される場合と、直径が異なる複数の孔を中心軸線２ｂＡ方向に連結した段付きの形状で形成される場合とがある。本実施例の噴孔２ｂは、２つの孔を連結した形状であり、下流側の孔の直径が上流側の孔の直径よりも大きい。しかし噴孔２ｂの形状は、この形状に限定される訳ではなく、その他の形状であってもよい。

下流側弁座部材２の円錐面又は球面２ｅには弁体１の下流側シート部１ｂが衝突するために、高硬度、溶接性、機械的特性の良好な材料（例えば、SUS420J2の熱処理材）で製作する。

弁体１は、内燃機関へ燃料が洩れることを防止するために、弁体１の上流側部分と下流側部分とに分けられ、各部分に外方に向かって凸形状となる略球面状のシート部を具備する。弁体１の上流側部分に設けられる球面状シート部が上流側シート部１ａであり、弁体１の下流側部分に設けられる球面状シート部が下流側シート部１ｂである。

本実施例では、弁体１の上流側端部に弁体中間部材１ｃとの嵌合凸部１ｅが設けられているため、上流側シート部１ａは弁体１の上流側端部よりも少し下流側（先端側）に寄った位置に設けられている。上流側シート部１ａには弁体１の衝突力が加わるので、嵌合凸部１ｅのように外径が細い箇所とのつなぎ部１ｄにはＲ部を形成し、衝撃による応力を緩和する構造にするとよい。一方、下流側シート部１ｂは弁体１の下流側端部に設けられている。弁体１の詳細動作は図５にて説明する（後述）。

図２に示すように、弁体１はノズル体３の内面との摺動部１８を１箇所以上有している。摺動部１８は円筒形を一部切り欠き、流路を形成することもある。弁体１の下流側シート部１ｂは下流側弁座部材２のテーパー面に衝突するために、高硬度、溶接性、機械的特性も良好な材料（例えば、SUS420J2の熱処理材）で製作する。

ノズル体３は弁体１を内包し、その内周面で、弁体１を中心軸線１００Ａに沿う方向に摺動可能に案内する。ノズル体３は噴霧位相を決めるため、下流側弁座部材２との接合時の位置あわせに必要な形状（例えば平面）を具備する。ノズル体３の先端部近傍の外周面には、内燃機関で発生する燃焼ガスをシールするため、シール部材１９を取り付ける溝３ａが１つ以上形成される。なお、弁体１の摺動部１８はノズル体３の内径に接触摺動する面の一部を切り欠いて、燃料の流路を形成することも出来る。

ノズル体３には上流側端部に径方向外方に拡大した、フランジ部（拡径部）３ｅが設けられている。このフランジ部３ｅに第一付勢部材４とストローク量の微調整に用いる円環状の調整リング５とを組付ける。

第一付勢部材４は、弁体１を上流方向に付勢するための部品である。第一付勢部材４の内径は、弁体１の外径より大きく、且つ第一付勢部材４の外径は第一ケーシング７の内径よりも小さく設定する。第一付勢部材４はノズル体３及び弁体１と同軸上に組付けられる。第一付勢部材４の一方の端面は、ノズル体３のフランジ部３ｅの上流側（基端側）の端面に着座している。一方、第一付勢部材４の他方の端面は弁体１の上流側シート部１ａのフランジ部１ａａの下面（上流側シート部１ａとは反対側の面）に着座している。このために上流側シート部１ａは弁体１の軸方向における中央部分の直径よりも大きな直径を有している。すなわち、弁体１は上流側シート部１ａが設けられる部分で拡径しており、この拡径した部分の下端面に第一付勢部材４の他方の端面が着座している。第一付勢部材４は、倒れを防止するために、両端面を研磨する。また、第一付勢部材４には、腐食に強く、バネ定数が大きいSUS631等の材質が用いられる。

調整リング５の詳細は下記のとおりである。弁体１、ノズル体３及び下流側弁座部材２の部品公差によって寸法ばらつきが生じるため、必要とするストローク量（100μm程度）が得られるように、各部品の寸法ばらつきを調整する必要がある。そこで、リング幅Ｗ（図１参照）の公差を厳しく管理した調整リング５で、弁体１、ノズル体３及び下流側弁座部材２の部品公差によって生じる寸法ばらつきを調整する。図１に示すように、調整リング５はノズル体３のフランジ部３ｅに一方の端面を、他方の端面を第一ケーシング７に当接して、固定される。調整リング５は、弁体１の下流側シート部１ｂと下流側弁座部材２の下流側弁座２ｃとの間に形成される隙間の実寸法と必要ストローク量との差分を調整リング５の板厚Ｗで調整し、必要ストローク量が得られるようにする。

第一ケーシング７は、第一付勢部材４を内包し、上流側シート部１ａと協働して機関停止時の燃料封止を行なう部品である。第一ケーシング７は上流側シート部１ａと当接する上流側弁座７ａを有している。第一ケーシング７をノズル体３に組付けると、弁体１の上流側シート部１ａは、先に組付けた第一付勢部材４の力により、第一ケーシング７の上流側弁座７ａに当接した状態となる。上流側シート部１ａが上流側弁座７ａに当接することにより上流側燃料通路が閉じられ、上流側シート部１ａが上流側弁座７ａから離間することにより上流側燃料通路が開かれる。

図４に示すように、第一ケーシング７の上流側には、ベローズ体８を支える構造を有している。例えば、第一ケーシング７とベローズ体８の上側金具８ｂとの間に支持部位７ｂを設けて、ベローズ体８が支持される構造とする。支持部位は第一ケーシング７と一体でも別体でもよい。本実施例では、支持部位７ｂを第一ケーシング７と一体にした構成について説明する。

第一ケーシング７の支持部位７ｂの下部に切欠き部（開口部）７ｃを設けて燃料流れＦＦの流路としている。

弁体１の上端部には、嵌合凸部１ｅに下端部を嵌合した弁体中間部材１ｃが連結されている。弁体中間部材１ｃは弁体１と駆動素子１１との間を中継する中継部材である。ベローズ体８の下端部と弁体中間部材１ｃの拡径部１ｃｂとをレーザ溶接で接合するために、第一ケーシング７にはビームを通すための貫通部（本実施例では切欠き部７ｃ）を設けている。第一ケーシング７は高い燃料圧力が印加されるので、許容耐力が大きく、且つ溶接性の優れた材料（例えば、SUS630といった析出硬化系ステンレス鋼）で製作される。

図４に示す溶接リング６は、ノズル体３と第一ケーシング７とを溶接するための部品である。溶接リング６はノズル体３と第一ケーシング７とに対して圧入により仮固定され、その後溶接にて完全固定される。

この箇所は、燃料の圧力が印加されるために、溶接長は0.5mm以上確保する必要がある。溶接リング６は高い燃料圧力が印加されるので、許容耐力が大きく、且つ溶接性の優れた材料（例えば、SUS630といった析出硬化系ステンレス鋼）で製作される。

ベローズ体８は燃料が駆動素子１１側に流入しないよう、駆動素子１１の収容室と燃料流路部とを遮断する部品である。ベローズ体８は蛇腹状部材（蛇腹部材）８ａと上側金具８ｂとで構成される。蛇腹状部材８ａの上流側端部は上側金具８ｂと溶接により接合され、また蛇腹状部材８ａの下流側端部は弁体中間部材１ｃの下部に形成された拡径部１ｃｂの外周面と溶接により接合されている。

上側金具８ｂは、中心部に貫通孔８ｂａが形成され、空洞となっている。空洞８ｂａは、蛇腹状部材８ａを上側金具８ｂに溶接すると、蛇腹状部材８ａの内側の空間を駆動素子１１の収容室に連通させる貫通孔となっている。弁体中間部材１ｃは蛇腹状部材８ａの内部を貫通して、上側金具８ｂの上端面から突出し、駆動素子１１と線接触で接合されている。すなわち蛇腹状部材８ａは、弁体中間部材１ｃの径方向外方に設けられ、弁体中間部材１ｃを内包する。なお蛇腹状部材８ａは、自然長（自然な状態での長さ）となる初期状態から圧縮した状態で、燃料噴射弁１００に組み付けられている。

本実施例では、駆動素子１１は下端面に円錐状の凹部１１ａを具備している。また弁体中間部材１ｃは、上端部が略球形に形成されている。弁体中間部材１ｃの略球形の上端部が凹部１１ａの開口縁と当接することで、弁体中間部材１ｃは駆動素子１１と線接触で接合される。ベローズ体８は初期に圧縮状態としておくことで、耐久性が増加する。そのため、ベローズ体８に圧縮を加えるために、第一ケーシング７の突当て部に隙間８ｄ（図１０参照）を設けている。ベローズ体８の初期圧縮についての詳細は、図１０を用いて後述する。

なお図４に示すように、上側金具８ｂの下面側の外周部には、蛇腹状部材８ａの圧縮量を調整するための部品として、ベローズリング１５が設けられる。ベローズ体８の寸法は、ベローズの製作方法や接合により、ばらつきが大きく、必要とする蛇腹状部材８ａの圧縮量がばらつく。そのため、ベローズリング１５の厚さを調整して、蛇腹状部材８ａの圧縮量を調整することができる機構を設けた。

第二ケーシング９は、二重円管構造を有するケーシング体１６の内側の円管部材（筒状部材）を構成する部品であり、駆動素子１１の周方向の位置とベローズ体８の圧縮量を保持し、燃料流路を構成する部品である。第二ケーシング９の下流側端部の内周面に設けた径方向内方に向かって突出する凸部９ｂでベローズ体８の上側金具８ｂを下方に押し、ベローズ体８を圧縮する。この状態でベローズ体８の上側金具８ｂの外周と第二ケーシング９の外周は重ねあわせ溶接で接合する。第二ケーシング９の上流側端部の外周面には、図５に示すように、径方向外方に向かって突出するフランジ状突起（環状突起）９ａがあり、フランジ状突起９ａで上部ケーシング１３との位置あわせを行なう。

第二ケーシング９は高い燃料圧力が印加されるので、許容耐力が大きく、且つ溶接性の優れた材料（例えば、SUS630といった析出硬化系ステンレス鋼）で製作される。

上部ケーシング１３はダンパー体１２とそれを固定する固定部材１４とを内周面側に保持し、また燃料供給口１３ａを構成する部品である。さらに、燃料噴射弁１００を内燃機関に組付けるための取付け部品でもある。

上部ケーシング１３には、第二ケーシング９、第三ケーシング１０、ダンパー体１２及び固定部品１４の取付け穴が同軸上に形成され、段付きの孔１２ｅを形成している。燃料供給口１３ａは第二ケーシング９と第三ケーシング１０とを取り付ける穴とは同軸上に構成されていない。なお第三ケーシング１０は、二重円管構造を有するケーシング体１６の外側の円管部材（筒状部材）を構成する部品であり、第二ケーシング９と共に燃料流路を構成するための部品である。

図５に示すように、上部ケーシング１３の下流側端面から取付け穴１２ｅに第二ケーシング９及び第三ケーシング１０を挿入する。第二ケーシング９にはフランジ状突起９ａが設けてあり、第三ケーシング１０にはフランジ状突起１０ａが設けてある。フランジ状突起９ａ及びフランジ状突起１０ａは、それぞれ上部ケーシング１３の取付け穴１２ｅに当接した状態で位置が固定された後、全周が溶接される。なお、固定及び溶接は、第二ケーシング９、第三ケーシング１０の順番で行う。

上部ケーシング１３は高い燃料圧力が印加されるので、許容耐力が大きく、且つ溶接性の優れた材料（例えば、SUS630といった析出硬化系ステンレス鋼）で製作される。

駆動素子１１は、下流側シート部１ｂが下流側弁座２ｃと当接する方向に、弁体１を移動させるための部品である。前述の通り、駆動素子１１の下流側端面（下端面）１１ａは弁体中間部材１ｃと当接している。駆動素子１１の下流側端面１１ａは円錐状の凹部を具備し、下流側端面１１ａと同様、当接部の面圧を低減させ、磨耗を防ぐ。上流側端面も円錐状の凹部１１ｂを具備しているが、円錐状の凹部を具備している別部材を上流部端面に組付けることもできる。駆動素子１１は電圧を印加されると、全長が伸びる。駆動素子１１の一例である圧電素子の場合、薄いセラミックス製の素子を積層して構成され、電圧を印加すると数μｍから数十μｍ全長が伸びる。素子は両端部を金属製の蓋で固定され、素子の外周は伸縮できる形状の金属ケーシングにて覆われる。セラミックス製の圧電素子では、金属に比べて非常に線膨張率が低く、ステンレス鋼の１／１０程度となる。

第三ケーシング１０の上流側端面はフランジ状突起１０ａになっている。第三ケーシング１０の下流側端面から１０ｍｍほど上流側までの内径は、第一ケーシング７の外径と同じだが、それより上流側では第一ケーシング７の外径よりも１ｍｍ以上大きくなる。第三ケーシング１０の内周にノズル体３を下流側端部から挿入するようにして、第三ケーシング１０を上部ケーシング１３に組み付ける。第三ケーシング１０のフランジ状突起１０ａを、上部ケーシング１３の取付け穴１２ｅに突き当てて固定し、上部ケーシング１３と第三ケーシング１０のフランジ状突起１０ａの外周とを溶接する。

また、第三ケーシング１０の下流側内径部と第一ケーシング７の上流側外径部とは圧入となっており、第三ケーシング１０の下流側と第一ケーシング７の上流側とを重ねあわせて、溶接で全周を接合する。これにより、第二ケーシング９の外径（外周）と第三ケーシング１０の内径（内周）の間が隙間となり、ここを燃料が流れる。

ダンパー体１２は、部品間の線膨張率の差を相殺するための部品である。ダンパー体１２は駆動素子１１の上流側に位置している。ダンパー体１２は先端側の端部に略球状（半球状）になっている突起部１２ｃを具備しており、駆動素子１１の上流側端面に具備された円錐状の凹部１１ｂと当接している。

ダンパー体１２はシリンダ１２ｂとプランジャ１２ａとダイアフラム１２ｄとから構成されており、シリンダ１２ｂとプランジャ１２ａとダイアフラム１２ｄとの間には油が封入されている。油は気泡が混入しないように、脱気した状態でシリンダ１２ｂとプランジャ１２ａとダイアフラム１２ｄとの間に注入される。温度が高くなると油が膨張し、その膨張した分、ダイアフラム１２ｄが変形し、それに接続されているシリンダ１２ｂが追従して移動する。この移動により、下流側弁座２と弁体１の隙間が発生しないように接触を維持する。ダンパー体１２は駆動素子１１が高周波で駆動した場合の挙動では変動しない特性を有する。

固定部品１４はダンパー体１２を固定する部品である。ダンパー体１２に当接している駆動素子１１の駆動力は１０００Ｎ以上あり、この荷重を受けても、固定部品１４が軸方向に移動しないように、固定部品１４に印加する圧入荷重が設定される。

固定部品１４の固定方法は次のとおりである。固定部品１４を上部ケーシング１３の内周面１３ｂに圧入する。固定部品１４の圧入長さが規定値となるよう微調整を行なう。弁体１１の移動量が規定値となったときに、上部ケーシング１３と固定部品１４は仮固定される。固定方法は、かしめ等とする。その後、駆動素子１１が駆動するときの荷重に耐えるように、上部ケーシング１３と固定部品１４を接合して完全固定する。

図６は、各条件における上流側シート部１ａの状態を示した拡大断面図である。図７は、各条件における下流側シート部１ｂの状態を示した拡大断面図である。図８Ａは、本発明に係る燃料噴射弁１００の印加電圧と、上流側シート部１ａ及び下流側シート部１ｂの各弁座との当接状態との関係を示す図である。図８Ｂは、図８Ａに示す上流側シート部１ａ及び下流側シート部１ｂの各弁座との当接状態を示す図である。なお図８Ｂでは、図８Ａに示す段階（１）〜（６）に対応させて、上流側シート部１ａ及び下流側シート部１ｂの各弁座との当接状態を示している。

加圧装置で規定圧力に加圧された燃料は、図示しない燃料配管を介して、上部ケーシング１３に具備された燃料供給口１３ａに供給され、燃料噴射弁１００の内部に流入する。

図８Ａ及び図８Ｂの（１）は機関及び燃料加圧装置の停止時の状態を示す。この時、駆動素子１１への電圧の印加は行われていない。この状態では、弁体１に設けられた第一付勢部材４の力により、弁体１は上流側シート部１ａが上流側弁座７ａと当接する位置まで押し上げられ、上流側シート部１ａと上流側弁座７ａとの間の燃料通路が閉じた状態である（図６（ａ）の状態）。この場合、燃料加圧装置は停止しているため燃料の供給は行われていないが、前回、機関の運転を停止するまで供給されていた燃料は上流側シート部１ａ及び上流側弁座７ａによって止められ、上流側シート部１ａ及び上流側弁座７ａの下流側には流下しない。従って、燃料噴射弁１００は閉弁した状態である。なお、下流側シート部１ｂと下流側弁座２ｃとの間の燃料通路は開いた状態である（図７（ａ）の状態）。

図８Ａ及び図８Ｂの（１）で、機関が停止されたままの状態で燃料加圧装置が作動すると、燃料が供給される。しかしこの状態では、駆動素子１１への電圧の印加は行われていない。そのため弁体１は、第一付勢部材４の付勢力とベローズ体８から作用する上流方向への力の双方により、上流方向へ押し上げられている。その結果、弁体１の上流側シート部１ａは第一ケーシング７の上流側弁座７ａと当接し、上流側シート部１ａと上流側弁座７ａとの間の燃料通路が閉じた状態が維持されている（図６（ａ）の状態）。この状態では、下流側シート部１ｂ側の燃料通路は開いているものの、上流側シート部１ａ側の燃料通路が閉じているため、燃料の流れが遮断される。この場合も、燃料噴射弁１００は閉弁した状態を維持している。このとき、燃料を遮断しないと、内燃機関の燃焼室内に燃料が流入してしまい、機関始動時に圧縮が発生し、内燃機関を破壊してしまう可能性がある。

図８Ａ及び図８Ｂの（２）は、燃料加圧装置が始動された後、機関が始動された状態（機関の作動中の状態）を示している。この状態では、エンジンコントロールユニットからの指令値に基づいて、燃料を燃料噴射弁１００から所定の流量だけ噴射する。弁体１は、必要とされる流量の燃料が流れ、圧力損失や噴霧性能が維持されるよう、下流側シート部１ｂ側の流路面積と上流側シート部１ａ側の流路面積との比が最適となるように、駆動素子１１に印加される電圧が制御されて駆動される。すなわち、駆動素子１１の駆動電圧が図８Ａの中間電圧に制御され、上流側シート部１ａと上流側弁座７ａとの間の燃料通路が開き（図６（ｂ）の状態）、下流側シート部１ｂと下流側弁座２ｃとの間の燃料通路も開いている状態であり、燃料噴射弁１００が開弁した状態である（図７（ａ）の状態）。

図８Ａ及び図８Ｂの（３）は、機関及び燃料加圧装置が共に作動している状態において、燃料噴射を停止させる状態を示す。弁体１の下流側シート部１ｂと下流側弁座２ｃとが当接するように、駆動素子１１に通電を行う。これにより、弁体１が下流側弁座２ｃ側へ移動する。結果、燃料流路が閉塞され、燃料噴射が停止する。すなわち、上流側シート部１ａと上流側弁座７ａとの間の燃料通路は開いた状態（図６（ｃ）の状態）であるが、下流側シート部１ｂと下流側弁座２ｃとの間の燃料通路が閉じた状態（図７（ｃ）の状態）となり、燃料噴射弁１００が閉弁した状態となる。

機関駆動時には、図８Ａ及び図８Ｂの（２）の状態と（３）の状態とを繰り返すことにより、機関の燃焼に必要とされる燃料量を適切なタイミングで燃料噴射弁１００から供給することが可能となる。図８Ａ及び図８Ｂの（４）の状態は（３）と同じ状態、（５）の状態は（２）と同じ状態である。ただし、（５）の状態では、途中で機関及び燃料加圧装置が停止され、弁体１は第一付勢部材４の付勢力とベローズ体８から作用する上流方向への力の双方により、上流方向へ押し上げられる。これにより、上流側シート部１ａが上流側弁座７ａに当接し、燃料噴射弁１００は閉弁した状態で動作を停止する。

すなわち本実施例の燃料噴射弁１００は、上流側シート部１ａが上流側弁座７ａから離間し、下流側シート部１ｂが下流側弁座２ｃから離間した状態に、弁体１を駆動素子１１により駆動して燃料を噴射する。燃料噴射弁１００は、駆動素子１１への通電を行っていない状態では、上流側シート部１ａが上流側弁座７ａと当接する向きに弁体１を付勢する、第一付勢部材４の付勢力を含む上流向き付勢力が、下流側シート部１ｂが下流側弁座２ｃと当接する向きに弁体１を付勢する下流向き付勢力よりも大きくなるように構成されている。燃料噴射弁１００は、駆動素子１１への通電中に、駆動素子１１の駆動力を含む下流向き付勢力が上流向き付勢力よりも大きくなるように駆動素子１１を駆動することにより、下流側シート部１ｂを下流側弁座２ｃに当接させて下流側燃料通路を閉じる。

図９は、本発明に係る燃料噴射弁１００の弁体１に作用する力関係を示した図である。

図９（１）は機関及び燃料加圧装置の停止時に作用する力を示す。各部の荷重（力）関係は（数１）のとおりとなる。

ｋ_１ｘ_１は第一付勢部材４のばね定数ｋ_１と圧縮量ｘ_１により、弁体１が上流方向へ付勢される力である。Ｆ_１はダンパー体１２が駆動素子１１を下流方向に押す荷重である。

図９（２）は機関が停止した状態で燃料加圧装置が動作して燃料圧力が印加された状態において作用する力を示す。各部の荷重（力）関係は（数２）のとおりとなる。

ｋ_１ｘ_１は第一付勢部材４のばね定数ｋ_１と圧縮量ｘ_１により、上流方向へ付勢される力である。（πＤ_３ ^２/４）Ｐはベローズ体８の有効径Ｄ_３に燃料圧力Ｐが作用し、弁体１が上流方向へ付勢される力である。これは、ベローズ体８内部が空気層となり、外部に加圧された燃料が存在するためである。（πＤ_２ ^２/４）Ｐはシート径Ｄ_２に液体の圧力Ｐが作用し、下流方向に付勢される力である。Ｆ_１はダンパー体１２が駆動素子１１を押す荷重である。

図９（３）は燃料噴射時に作用する力を示す。各部の荷重（力）関係は（数２）のとおりとなる。

ｋ_１ｘ_１は第一付勢部材４のばね定数ｋ_１と圧縮量ｘ_１により、上流側方向へ付勢される力である。（πＤ_３ ^２/４）Ｐはベローズ体８の有効径Ｄ_３に液体圧力Ｐが作用し、弁体１が上流側方向へ印加される力である。これは、ベローズ体８内部が空気層となり、外部に加圧された燃料が存在するためである。Ｆ_１はダンパー体１２を押す下流側に印加する力である。Ｆ_２は駆動素子１１により弁体１が下流側に押される力である。右項と左項とは、平衡状態で釣り合い、弁体１は所望の位置で停止する。

図９（４）は燃料噴射停止時に作用する力を示す。各部の荷重（力）関係は（数４）のとおりとなる。

（πＤ_１ ^２/４）Ｐは弁体１の下流側シート径Ｄ_１に液体圧力Ｐが作用し、上流側方向へ印加される力である。ｋ_１ｘ_１は第一付勢部材４のばね定数ｋ_１と圧縮量ｘ_１により、弁体１が上流側方向へ付勢される力である。（πＤ_３ ^２/４）Ｐはベローズ体８の有効径Ｄ_３に液体圧力Ｐが作用し、弁体１が上流側方向へ付勢される力である。これは、ベローズ体８内部が空気層となり、外部に加圧された燃料が存在するためである。Ｆ_１はダンパー１２が駆動素子１１を押す力であり、下流側に向かう力である。Ｆ_２は駆動素子１１により弁体１が下流側に押される力である。

上記（１）〜（４）の力関係が成立しない場合、燃料が噴射しない又弁体１が下流側弁座２ｃに当接せずに、燃料が洩れてしまう等の不具合が生じる。

図１０は、本発明に係る燃料噴射弁１００のベローズ体８の組付け方法の詳細を示した図である。

ベローズ体８は第二ケーシング９の組付け時に、ベローズ体８の上側金具８ｂが第二ケーシング９に引きずられて、蛇腹状部材８ａを圧縮してしまう。蛇腹状部材８ａの圧縮量が圧縮許容値を超えると、蛇腹状部材８ａは塑性変形を起こして伸縮性が失われ、弁体１が移動しなくなる。そのため、上側金具８ｂの下端面に受け部品を設けるか、第一ケーシング７に受け部を設けて、蛇腹状部材８ａの圧縮量を抑える必要がある。

一方、ベローズ体８は流体圧力、温度、弁体１の移動により伸びが発生する。このとき、蛇腹状部材８ａの伸び量が伸び許容値を超えると、蛇腹状部材８ａは塑性変形を起こして伸縮性が失われ、弁体１が移動しなくなる。蛇腹状部材８ａの材質変更や肉圧増加、全長拡大により改善可能ではあるが、燃料噴射弁１００の許容寸法や相手側の内燃機関レイアウトにより、ベローズ体８の改善は制約を受ける。そこで、図１０に示すように、組付け時に蛇腹状部材８ａに圧縮を与えて、伸び量の拡大を図る。そのために、第一ケーシング７とベローズ体８の上側金具８ｂの下端面との間にすきま８ｄを有する構造として、第二ケーシング９と第一ケーシング７とで上側金具８ｂを挟み込み、蛇腹状部材８ａに圧縮を加える構造とする。ベローズリング１５はベローズ体８の寸法ばらつきを吸収するための部品である。

図１１は、本発明に係る燃料噴射弁１００の弁体１及びノズル体３の詳細断面図である。

供給された燃料は上流部から徐々に流路内部で発生するせん断抵抗による損失（圧力低下）を受ける。そのため、弁座２の噴孔２ｂから噴出する燃料量は、上流部より供給されたそれより減少する。特に、弁体１とノズル体３により形成される流路１７は狭く、かつ長いため、損失を生じやすい。そこで、ノズル体３の内径を上流部に向かうに従い徐々に拡大する構成とし、流路抵抗を低減させ、圧力損失を低減できるようにする。すなわち、下流部より上流に向かうにしたがいノズル体３のノズル径ｄ１、ｄ２、ｄ３が、ｄ１＜ｄ２＜ｄ３の関係となるように構成する。

本実施例によれば、弁体１に固定された弁体中間部材１ｃを設け、駆動素子（圧電素子）１１の伸縮を、弁体中間部材１ｃを介して弁体１に伝えることで、弁体１ｂが弁座２ｃから引上げられる機構を実現できる。このため、簡単な機構で、燃料を噴孔２ｂから噴射する燃料噴射弁１００を実現できる。燃料噴射弁１００において、弁体１に作用する燃料圧力及び付勢部材４の力関係を適切に設定でき、弁座２ｃと弁体１との接触を良好にすることができ、油密性能を良好に維持することができる。
［実施例２］
図１２は、本実施例に係る燃料噴射弁の全体図を示し、図１２（ａ）には、燃料噴射弁１が閉弁状態であるとき、図１２（ｂ）には、燃料噴射弁が開弁状態であるときの拡大図を示す。

燃料噴射弁の上方の燃料供給口２０８から、燃料が供給される。燃料は、二重円管のすきまの流路を流れて、ノズル２０３と弁体２０２の隙間から、弁座部へと到達する。駆動素子２０６は電圧又は電流に比例して伸長する素子を用いる。また、駆動素子２０６の下方端部には、弁体駆動機構２１２が設けられており、駆動素子２０６が下流方向に伸長した動作を上流方向へと変換する機能を持つ。後述するが本実施例によれば、弁体駆動機構２１２と弁体２０２の端部は当接しており、弁体２０２を上流側に引き上げることができる。弁座２０１はノズル２０３先端外周部に形成されており、ノズル２０３の先端部には弁座２０１が設けられている。なお、弁座２０１はノズル２０３の先端部に溶接等により接合されている。駆動素子２０６が動作することにより、当接している弁体２０２が下方に押し上げられ、弁座２０１から弁体２０２が離れ、シート部燃料流路２１０ａを形成して、弁座２０１に開口している噴孔２１１より燃料を噴射する。通電が終了すると、弁体２０２に設けられたスプリング２０４の力により弁体２０２と弁座２０１が当接し、これにより生じる隙間がシート部燃料流路２１０を閉塞し噴射が終了する。

背景でも説明した通り、一般的に、駆動素子２０６及び圧電素子２１７（ピエゾ素子）を有する燃料噴射弁は、弁体２０２を押すことにより燃料を噴射する構造をとっている。
そのため強度などの観点から、弁体先端は円錐形状を取るのが一般的であり、生成される噴霧は傘状噴霧となる。現在多く開発されている通電により弁体２０２を引き上げて燃料を複数の噴射孔から噴出させることを可能とした流量制御弁と比較すると、噴霧レイアウトの自由度が少ないことが課題となっている。

そこで、本実施例では駆動素子２０６と弁体２０２の間に弁体駆動機構２１２を備えることにより、駆動素子２０６を利用していながら、弁体２０２を引き上げることができるように構成した。図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に図示するように、通電時には開弁を行い、無通電時には弁は閉弁する。その結果、複数の燃料噴射孔を用いることも可能とすることができるようになるという効果を得ることができる。弁体駆動機構の構造や動作原理については後で詳述する。

図１３には、弁体駆動機構２１２の断面拡大図を示す。加えて、図１４には弁体駆動機構２１２の三次元形状図を示す。弁体駆動機構２１２は、ロッド２１３、駆動素子２０６と板状部材２１４ａ、リング状部材２１４、台座部２１５、弁体キャップ部２１６、金属シール部Ｂ ２０５ｂにより構成される。次にこれらの動作機構について説明する。また、駆動素子２０６を用いる流量制御弁の場合、駆動素子２０６が燃料に触れると劣化や腐食などが発生してしまうため、金属シール部材を設置する。

本実施例において、リング状部材２１４、又は板状部材２１４ａは弁体２０２を押し上げる役割を果たすため押上部と呼ぶ。また弁体駆動機構２１２は押上部（リング状部材２１４、板状部材２１４ａ）の内周側端部よりも外周側で接触して支持する支持部（台座部２１５）を備える。そしてロッド２１３は押上部（リング状部材２１４、板状部材２１４ａ）と、支持部（台座部２１５）と押上部（リング状部材２１４、板状部材２１４ａ）との接触部２２１よりも外周側において接触して、押上部（リング状部材２１４、板状部材２１４ａ）を下側に動かす。よって、本実施例ではロッド２１３のことを動作部と呼ぶ。
動作部（ロッド２１３）により下側に動いた押上部（リング状部材２１４、板状部材２１４ａ）は接触部２２１よりも内周側において弁体２０２と接触することで弁体２０２を押し上げる。

なお、本実施例の構造とは逆に、動作部（ロッド２１３）は、押上部（リング状部材２１４、板状部材２１４ａ）を、支持部（台座部２１５）と押上部（リング状部材２１４、板状部材２１４ａ）との接触部２２１よりも内周側で接触して、下側に動かすようにしても良い。

図１３、１４を用いて本実施例の弁体駆動機構２１２の動作を具体的に説明する。板状部材２１４は、てこの原理により上部に弁体２０２を引き上げることができる。弁体駆動機構２１２上部には駆動素子２０６が備えられており、駆動素子２０６が通電されることにより、駆動力を下流方向に伝える。このとき、板状部材２１４ａの支持部（台座部２１５）、動作部（ロッド２１３）、押上部（リング状部材２１４、板状部材２１４ａ）が、支点、力点、作用点の作用により動作することにより、下流方向に伝えられる駆動力を上流方向への力に変換することができる。

具体的には押上部は、動作部（ロッド２１３）、に接する位置に配置される枠部材（リング状部材２１４）を有し、駆動素子２０６による駆動力を枠部材（リング状部材２１４）に伝える動作部は駆動素子２０６と枠部材（リング状部材２１４）との間において軸方向に設けられた複数のロッド２１３により構成される。また、この複数のロッド２１３は、周方向において均等な間隔を有して配置される。板状部材２１４ａはリング状部材２１４の内周側に取り付けられており、複数のロッド２１３はリング状部材２１４を付勢することで板状部材が下流方向に動く。

複数ロッド２１３の代わりに全周に渡って、枠部材２２３と板状部材２１４ａ（リング状部材２１４）とをつなぐ金属部材を設けることも可能であるが、本実施例により材料の削減が可能となる。また、この複数のロッド２１３は、少なくとも３本以上かつ均等な間隔を持って配置されることが望ましい。これは、弁体駆動機構２１２上部に配置された駆動素子２０６から与えられる力を均等に弁体駆動機構２１２に与えるためである。また、均等に配置されない場合、弁体駆動機構２１２内で傾きができてしまう。傾きができると、故障や部品の破損の原因になるため、避けることが好ましい。

本実施例の弁体駆動機構２１２によれば、上記したように複数のロッド２１３がリング状部材２１４及び複数の板状部材２１４ａを付勢することで弁体２０２を上流側（あるいは）複数枚備えられ、前記板状部材２１４は、均等な間隔を持って配置される。また、板状部材２１４ａも上記したロッド２１３と同様、複数枚、詳しくは３枚以上配置されることが望ましい。これも、また上部から伝わる駆動素子２０６の力が偏って下流部に伝わることを妨げる懸念があるためであり、傾きを持って駆動素子２０６からの力を下流に伝える動作を繰り返すと、板状部材２１４の故障及び破損の原因になることが考えられる。また、板状部材２１４は、強度の観点から金属であることが望ましい。

弁体駆動機構２１２において、弁体２０２の上部にフランジ部を有し、フランジ部は押上部（板状部材２１４ａ）の内周側端部に接する。なお、フランジ部は図１３のキャップ部２１６の外周部に突出している部分のことを指す。また、フランジ部は弁体２０２の上端部に設けられたキャップ部２１６に形成されているが、これに限らず、弁体２０２の上部に形成するようにしても良い。この部分が前記した板状部材２１４をひっかけることにより、弁体は上流方向に押し上げられるという役割を果たす。

すなわち前記した弁体駆動機構２１２を備えた流量制御弁において、前記フランジ部は、前記弁体の上部に備えられ、前記弁体と前記フランジ部は別体である場合でも適応可能である。駆動素子２０６を用いた燃料噴射弁の弁体は非常に長い。それゆえ、フランジ部を弁体の上部に設置する際に加工が困難であるという問題があった。そこで、弁体の上部に、弁体とは別体の燃料シール部材Ｂ ２０５ｂ及び、金属シール部材上部に配置されるキャップ部材２１６を設ける。この構成をとることにより、加工が簡易化される。また実際に、流量制御弁を組み立てる際の組み立ての簡易化も期待できる。また、燃料シール部材金具Ｂ ２０５ｂは、燃料をシールするという役割を果たすことができれば、金属である必要はなく、その他の材料であっても使用は可能である。

今回、流量制御弁であれば弁体駆動機構２１２を適用することが可能であるが、本実施例においては、燃料噴射弁を例にとって以下説明する。

前記した弁体駆動機構２１２において、押上部（板状部材２１４ａ）は、フランジ部の下部に当接し、フランジ部下部に接する部分を作用点、ロッド２１３が接する部分を力点としたとき、押上部（板状部材２１４ａ）の下部に備えられた部分を支点として弁体２を押し上げる。このように押上部（リング状部材２１４、板状部材２１４ａ）は、てこの原理を利用して弁体２を押し上げることができる。この動作に関して、図１５を用いて説明する。図１５（ａ）は駆動素子６に通電される前の状態である。そのため前記した板状部材２１４も押し下がることなく平面上に存在している。続いて、駆動素子２０６への通電がスタートした時点での弁体駆動機構２１２を図１５（２）に示す。この図からもわかる通り、駆動素子２０６から発せられる駆動力は、動作部を通じて、板状部材２１４に伝えられる。このことにより、板状部材２１４の外周側端部は下流方向に押し下げられる。この結果、接触部２２１が支点、押し下げ部が作用点として働き、弁体２０２を上流方向に押し上げる。図１５（３）には、板状部材２１４が台座に接する程度まで押し下げられた状態を示す。この図からも明白なように、動作部（ロッド２１３）が押し下げられることで弁体２０２は押し上げられる。まとめると駆動素子２０６が通電された後、下流方向に駆動力を示した場合においても、弁体駆動機構２１２を介することにより、弁体２０２自体には駆動力と逆方向の力を伝えることができる。

弁体駆動機構２１２を備えた燃料噴射弁は複数の噴射孔を持つ。一般的に駆動素子２０６を用いて燃料噴射を行う燃料噴射弁においては、駆動素子２０６が、電圧を印化すると伸長する構造であるために、弁体２０２を押すことにより、燃料を噴射する構造となる。
そのため、強度の問題を解決するため弁体２０２の先端は円錐形状が一般的であり、生成される噴霧は傘状噴霧となる。しかし通電により弁体２０２を引き上げて燃料を複数の噴射孔より噴霧する燃料噴射弁と比較すると、噴霧レイアウトの自由度が非常に低い。燃料噴射弁への効率的な噴霧のためには、駆動素子２０６を用いた場合においても、噴霧のレイアウト性を向上させることが好ましい。

そこで本実施例では、弁体駆動機構２１２を用いて駆動素子２０６の駆動方向を逆転させることで、通電により弁体２０２を駆動させる燃料噴射弁と同じ方式で燃料を噴射することが可能となる。よって駆動素子２０６により燃料を噴射させる本実施例の燃料噴射弁であっても、複数の噴射孔を備えることが可能となる。その結果、駆動素子６を用いた場合においても、噴霧のレイアウト性を向上が期待できるという特有の効果を得ることができる。
［実施例３］
実施例２では駆動素子２０６を駆動部として用いる例を紹介したが、本実施例においては、図１６に示すように駆動素子６として圧電素子２１７を用いる。圧電素子２１７は他の駆動素子２０６よりも動作周期が非常に早いため、低噴射パルスでの駆動が可能であり、少量で安定的に燃料を噴射することが可能となるという顕著な効果を示す。

ただし燃料を噴射する際には、燃料噴射弁自体も高温状態となる。流量制御弁を構成している金属部品（例えば、ステンレス鋼など）よりも、圧電素子２１７の構成している部材の線膨張率が小さいもの場合もある。このとき、温度が上昇すると、流量制御弁を構成している金属は大きく伸びるが、駆動素子２０６は、前記金属以上に伸びず、結果的に弁体２０２を押し下げる距離が短くなってしまい、燃料のシールができず流出し続けてしまうという問題が生じる。

そこで、本実施例の弁体駆動機構２１２を備えた燃料噴射弁において、前記駆動素子２０６上部にダンパー２０７を設けることを特徴とする。ダンパー２０７はシリンダとプランジャ、加えてシリンダとプランジャの隙間に封入されているオイルで構成される。シリンダとプランジャの隙間にオイルが封入されていることにより、温度が高くなるとオイルが膨張し、シリンダが伸びるようになる。こうしてシリンダが伸びることにより、弁座と弁体２０２の隙間が発生しない状態となる。このため、燃料噴射弁を構成する金属の伸び量よりも、駆動素子２０６による伸び量を大きくすることができる。本実施例の場合、弁体駆動機構２１２を備えたことにより、弁体２０２へ駆動力が働くまでの間隔が長くなることにより、駆動素子２０６による伸び量がある程度短くなってしまう。そのため、ダンパー７は重要な役割を果たす。

なお、圧電素子２１７は防水密閉構造になっているあるいは、耐燃料性がある場合には、液中に設置することも可能である。

上述した実施例２及び実施例３では、「弁体を押し上げる押上部と、前記押上部の内周側端部よりも外周側で前記押上部に接触して支持する支持部と、前記支持部と前記押上部との接触部よりも外周側において前記押上部と接触して、前記押上部を下側に動かす動作部と、を備え、前記動作部により下側に動いた前記押上部は前記接触部よりも内周側において前記弁体と接触することで前記弁体を押し上げる」という構成を備える。これにより、ノズル先端外周部に弁体と当接する弁座と、当該弁座と当接することで燃料通路を閉じ、前記弁座から離れることによって前記燃料通路を形成するように稼働する前記弁体を備える流量制御弁において、簡単な機構にて多噴孔から噴出させることを可能とした流量制御弁を提供することができる。
［実施例４］
上述した実施例では、内開きの弁構造について説明したが、弁体の駆動機構の一部を外開きの弁構造に適用することにより、弁体の駆動機構を簡単な構造で実現することができる。以下、図面を参照しながら説明する。

図１７は、本実施例にかかる流量制御弁を説明する図である。弁体３０２の先端部に通常時（電圧未印加時）閉とする制御弁である。流量制御弁の上方の燃料供給口３０８から燃料が供給され、二重円管のすきまの流路を流れノズル３０３と弁体３０２のすきまから、弁座部へと到達する。駆動素子３０６は電圧又は電流に比例して伸長する素子である。
なお、この駆動素子は、素線を円周上に巻いたコイル等のソレノイドでもよい。この場合は、コイルに通電したときに、磁気吸引力により弁体２を押し下げる構造とする。

駆動素子３０６の下方端部には、弁体３０２の先端部が当接しており、駆動素子３０６の動作によりこれを直接動作させる。弁座３０１はノズル３０３先端外周部に形成されている。ノズル３０３の先端部にキャップ部品３１２が設けられている。駆動素子３０６が動作することにより、当接している弁体３０２が下方に押し下げられ、弁座３０１から弁体３０２が離れ、シート部燃料流路３１０を形成して、キャップ部品３１２に開口している噴口３１１より燃料を噴射する。通電が終了すると弁体３０２に設けられたスプリング３０４の力により弁体３０２と弁座３０１が当接し、これにより生じるすきまがシート部燃料流路３１０を閉塞し噴射が終了する。

駆動素子３０６に圧電素子を用いる場合、流量制御弁を構成している金属部品（例えばステンレス鋼など）より圧電素子の構成している部材は線膨張率が小さいものがある。このとき、温度が上昇すると、構成している金属は大きく伸びるが圧電素子は伸びずに弁体３０２を押し下げる距離が相対的に短くなり、弁体３０２のストローク量が減少し、最終的には開弁しなくなる。

そのため、温度が上昇した場合は弁体３０１と圧電素子との間に隙間ができないようにダンパー３０７を設ける。ダンパー３０７にはシリンダとプランジャからなり、シリンダとプランジャの隙間にはオイルが封入されており、温度が高くなるとオイルが膨張し、シリンダが伸びる。この伸びにより、弁体３０２と圧電素子の隙間が発生しない状態となる。なお、圧電素子は防水密閉構造になっている又は耐燃料性がある場合は液中に設置することも可能である。圧電素子は動作周期が非常に速いために、低噴射パルスでの駆動が可能であり、小流量で安定して噴射可能となる。

図１８は第１参照例から第３参照例についての詳細を示した図である。金属製シール部材３０５ａの両端は金属製シール部材上流側金具３０５ｂ及び金属製シール部材下流側金具３０５ｃにそれぞれ圧入されており、圧入部は溶接等により接合させている。この箇所に燃料圧力が印加されるために、想定されうる燃料圧力以上の気密性の確保が必要である。

金属製シール部材３０５ａを金属製シール部材上流側金具３０５ｂ及び金属製シール部材下流側金具３０５ｃに接合した後、金属製シール部材下流側金具３０５ｃは、弁体３０２の先端部端面を金属製シール部材下流側金具圧入部３０５ｄに圧入し、金具圧入部の外周溶接等にて固定する。金属製シール部材上流側金具３０５ｂは、金属製シール部材下流側金具３０５ｃを弁体３０２に圧入、接合後に内側パイプ部品３１１へ圧入し、内側パイプ部品３１１の外周側より溶接等にて接合される。

金属製シール部材下流側金具３０５ｃの片側は棒上の形状であり、先端は球面となっている。これが金属製シール部材３０５ａの内部を貫通するように取り付けられている。この球面が駆動素子３０６の端面と接触するように構成されている。球面は組み立てられた状態において必ず金属製シール部材３０５ａより突出するように、筒の全長寸法を決定する。駆動素子３０６の先端側の端面には円錐状の溝が形成されており、この溝に金属製シール部材下流側金具３０５ｃの先端部球面が入り込み、当接する。これにより、接触面の面圧を低減することができる。なお、両者の材料硬度が高い場合は、円錐状の溝ではなく、平坦な面でもよい。

金属製シール部材下流側金具３０５ｃは駆動素子６の動きを弁体２に伝える。このとき、金属製シール部材上流側金具３０５ｂは内側パイプ部品３１１に固定されているため、金属製シール部材３０５ａは伸縮性のある構造である。形状は蛇腹状で、この蛇腹部が伸縮して、金属製シール部材下流側金具３０５ｃの動きに追従する。なお、材料自体に伸縮性と必要強度が満足できれば、蛇腹形状ではない、筒状の部材でもよい。

弁体３０２の摺動部３１３との距離をとることが可能なため、摺動部の変形を抑制することができ、弁体３０２の先端部からの洩れ量や噴霧のばらつきを低減が可能である。

以上のように本実施例では、ノズル３０３の先端の内周部に弁体２と当接する弁座を備え、弁体３０２がノズル３０３の弁座と当接することで燃料通路を閉じ、弁座から離れることによって燃料通路を形成するように稼働する。そして、弁体３０２を駆動する駆動素子３０６と燃料流路を遮蔽するシール部材３０５を駆動素子３０６の下面に設け、かつ弁体３０２の上部に設けた。より具体的にはシール部材は金属製であり、駆動素子３０６の直下に配置され、かつ、弁体３０２の上端部に取り付けられる。

シール機構３０５は、弁体３０２の周囲の燃料流路と駆動素子３０６の側とをシールする金属製シール部材３０５ａにより構成される。この金属製シール部材３０５ａの内周側には弁体３０２に取り付けられる金属製シール部材下流側金具３０５ｃが配置され、金属製シール部材下流側金具３０５ｃの下面と金属製シール部材３０５ａの上面とが接触することで弁体３０２の周囲の燃料流路と駆動素子３０６の側とをシールする。

金属製シール部材下流側金具３０５ｃの上端は駆動素子３０６の下面と接触しており、駆動素子３０６が駆動するとこの駆動力が金属製シール部材下流側金具３０５ｃ、及び金属製シール部材３０５ａを介して弁体３０２に伝わる。金属製シール部材３０５ａと駆動素子３０６との間には金属製シール部材上流側金具３０５ｂが配置され、金属製シール部材下流側金具３０５ｃは金属製シール部材上流側金具３０５ｂの内周側を通って駆動素子３０６と接触する。このとき駆動素子３０６の下面は円錐形状の凹部が形成され、金属製シール部材下流側金具３０５ｃの上端がこの凹部と接触することが望ましい。

また、金属製シール部材３０５ａは弁体３０２と伸縮自在な蛇腹機構を有しており、駆動素子３０６が駆動すると、金属製シール部材下流側金具３０５ｃが付勢されて、このとき金属製シール部材３０５ａの蛇腹機構が伸びることで、駆動素子３０６の伸長を弁体３０２に伝達する。なお、金属製シール部材３０５ａと金属製シール部材下流側金具３０５ｃとは溶接で固定されるとともに、金属製シール部材下流側金具３０５ｃは弁体３０２の上部に被さって固定される。

燃料流路を遮蔽する金属製シール部材下流側金具３０５ｃの両側に弁体３０２の構成部材に取り付けうる金具を溶接等により接合されている。

弁体に直接燃料遮蔽部材を溶接等により、接合した構造では、溶接等による影響で弁体が変形して、ノズル部との摺動が出来なる可能性がある。また、燃料遮蔽部材をノズル部に配置した構造では、ノズル外径が拡大するといった問題がある。本実施例では、軸方向に移動する弁体と、弁体を駆動する駆動素子と、を備えた流量制御弁において、駆動素子と燃料通路を遮蔽するシール部材を駆動素子の下面に、かつ弁体の上部に設けている。これにより、流量制御弁の精度を向上させ、さらに内燃機関等への取り付けの自由度を向上させることが可能となる。

なお、本発明は上記した各実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また、本実施例においては、駆動素子を用いた燃料制御弁に関して中心的に説明したが、駆動素子の中でも磁歪素子や圧電素子に適用してもよいし、燃料制御弁以外の流量制御弁に適用してもよい。また燃料噴射弁の配置方法においても、上記実施形態での例示に限るものではない。

１…弁体、１ａ…上流部シート部、１ｂ…下流部シート部、１ｃ…弁体中間部材、２…下流側弁座、２ａ…下流側シート部、２ｂ…噴孔、３…ノズル体、４…第一付勢部材、５…調整リング、６…溶接リング、７…第一ケーシング、７ａ…上流側弁座、７ｂ…支持部位、８…ベローズ体（シール体）、８ａ…蛇腹部材、８ｂ…上側金具、８ｃ…すきま、９…第二ケーシング、９ａ…フランジ状突起、１０…第三ケーシング、１０ａ…フランジ状突起、１１…駆動素子、１１ａ…駆動素子下流側端面の凹部、１１ｂ…駆動素子上流側端面の凹部、１２…ダンパー体、１２ａ…プランジャ、１２ｂ…シリンダ、１２ｃ…突起部、１２ｄ…ダイアフラム、１３…上部ケーシング、１３ａ…燃料供給口、１４…固定部品、１５…ベローズリング、１６…ケーシング体、１７…流路、１８…摺動部、１９…シール部材、２０１…弁座、２０２…弁体、２０３…ノズル、２０４…スプリング、２０５…金属性シール部材、２０５ａ…金属性シール部材金具Ａ、２０５ｂ…金属性シール部材金具Ｂ、２０６…駆動素子、２０７…ダンパー、２０８…燃料供給口、２０９…電圧入力端子、２１０…シート部、２１０ａ…シート部燃料流路、２１１…噴孔、２１２…弁体駆動機構、２１３…ロッド、２１４…枠部材、２１４ａ…板状部材、２１５…台座、２１６…金属シール部材上部金具キャップ、２１７…圧電素子、２２０…押上部、２２１…支持部、２２２…動作部、３０１…弁座、３０２…弁体、３０３…ノズル、３０４…スプリング、３０５…金属性シール部、３０５ａ…金属製シール部材、３０５ｂ…金属製シール部材上流側金具、３０５ｃ…金属製シール部材下流側金具、３０５ｄ…金属製シール部材下流側金具圧入部、３０６…駆動素子、３０６ａ…駆動素子端面溝部、３０７…ダンパー、３０８…燃料供給口、３０９…電圧入力端子、３１０…シート部、３１０ａ…シート部燃料流路、３１１…内側パイプ部品、３１２…溶接等接合箇所、３１３…摺動部。

Claims (4)

1. 軸方向に変位可能に構成され、軸方向において燃料の流れる方向の上流側に配設された上流側シート部及び下流側に配設された下流側シート部を有する弁体と、
   前記上流側シート部が当接することにより上流側燃料通路が閉じられ、前記上流側シート部が離間することにより上流側燃料通路が開かれる上流側弁座と、
   前記下流側シート部が当接することにより下流側燃料通路が閉じられ、前記下流側シート部が離間することにより下流側燃料通路が開かれる下流側弁座と、
   前記上流側シート部が前記上流側弁座と当接する方向に前記弁体を付勢する付勢部材と、
   前記下流側シート部が前記下流側弁座と当接する方向に前記弁体を駆動する駆動素子と、
   を備え、
   前記駆動素子への通電を行っていない状態では、前記上流側シート部が前記上流側弁座と当接する向きに前記弁体を付勢する、前記付勢部材の付勢力を含む上流向き付勢力が、前記下流側シート部が前記下流側弁座と当接する向きに前記弁体を付勢する下流向き付勢力よりも大きくなるように構成され、
   前記上流側シート部が前記上流側弁座から離間し、かつ前記下流側シート部が前記下流側弁座から離間した状態に、前記弁体を前記駆動素子により駆動して燃料を噴射する燃料噴射弁。
2. 請求項１に記載の燃料噴射弁において、
   前記駆動素子への通電中に、前記駆動素子の駆動力を含む前記下流向き付勢力が前記上流向き付勢力よりも大きくなるように前記駆動素子を駆動することにより、前記下流側シート部を前記下流側弁座に当接させて下流側燃料通路を閉じることを特徴とする燃料噴射弁。
3. 請求項２に記載の燃料噴射弁において、
   前記駆動素子は、前記上流側シート部に対して前記下流側シート部が設けられた側とは反対側に設けられ、
   前記駆動素子と前記上流側シート部との間を中継する中継部と、前記中継部の径方向外方に設けられ前記中継部を内包する蛇腹部材と、を備え、
   前記蛇腹部材は自然長となる初期状態から圧縮した状態で組み付けられたことを特徴とする燃料噴射弁。
4. 請求項２に記載の燃料噴射弁において、
   前記弁体を内包するノズル体を備え、
   前記ノズル体は上流側に向かって内径が大きくなることを特徴とする燃料噴射弁。

Images