JPH0467026B2

JPH0467026B2 -

Info

Publication number: JPH0467026B2
Application number: JP27178284A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Ito; Yasuyuki Sakakibara; Kazuhide Watanabe; Masahiro Takigawa
Original assignee: Nippon Soken Inc
Current assignee: Soken Inc
Priority date: 1984-12-25
Filing date: 1984-12-25
Publication date: 1992-10-27
Also published as: JPS61149568A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、内燃機関、特にデイーゼルエンジン
に設けられる燃料噴射弁に関し、より詳しくは、
アキユームレータノズルとして知られる燃料噴射
弁に関するものである。

従来の技術従来この種の燃料噴射弁は、燃料供給源から供
給される燃料の圧力がニードル弁に対して閉弁方
向には作用せず、開弁方向にのみ作用し、ばねの
弾発力が閉弁方向に働くように構成されている。
そしてニードル弁は、燃料の供給が停止されると
開弁して、燃料を噴口から噴射し、これにより蓄
圧室内の燃料圧が低下して閉弁し、噴射を終了す
るようになつている。

発明が解決しようとする問題点上記構成を有する従来の燃料噴射弁によると、
閉弁圧はばねの弾発力によつて決まるため、その
大きさに制限があり、このため、比較的低い圧力
でもつてニードル弁が開くこととなり、充分な燃
料噴射圧を得ることができないという問題があつ
た。すなわち、燃料の霧化には限界があり、エン
ジン性能をさらに向上させることが困難であつ
た。また、従来の燃料噴射弁は、燃料供給の停止
によつてニードル弁が開弁し、蓄圧室内の燃料圧
の低下によつてニードル弁が閉弁する構成を有す
るので、燃料の噴射時間が極めて短く、したがつ
て騒音が大きいという問題があつた。

問題点を解決するための手段上記問題点を解決するため、本発明に係る燃料
噴射弁は、ピエゾアクチユエータを設け、このピ
エゾアクチユエータによつて拡縮する制御油圧室
内の燃料圧を、ニードル弁の閉弁方向に作用させ
るようにしたことを特徴としている。

実施例以下図示実施例により本発明を説明する。

第１図は本発明の一実施例に係る燃料噴射弁す
なわちアキユームレータノズル１を示す。このア
キユームレータノズル１は直噴型デイーゼルエン
ジンの燃焼室内に燃料を噴射するために用いられ
るものであつて、各気筒に１個ずつ、例えば４気
筒の場合４個、装着される。図示しない公知の列
型噴射ポンプから圧送されてきた燃料は、後述す
るように、入口ポート１１からこのアキユームレ
ータノズル１内に流入し、ニードル弁１２の開閉
動作によつて噴口１３から噴射される。噴射ポン
プによる送油時期は通常のように各々の気筒の圧
縮上死点近辺ではなく、その充分前、例えば圧縮
上死点前60°クランクアングルには既に終了して
いる。噴射ポンプによる１回の送油量は、従来公
知のように噴射ポンプのレバー開度で調量され
る。

アキユームレータノズル１のハウジングは、ピ
エゾホルダ２０、デイスタンスピース２１、ノズ
ルホルダ２２、およびノズルチツプ２３によつて
形成される。ピエゾホルダ２０は有底筒状を有
し、その開口部側にはデイスタンスピース２１が
配設され、このデイスタンスピース２１のピエゾ
ホルダ２０とは反対側にはノズルホルダ２２が設
けられる。ノズルホルダ２２はフランジ２４をデ
イスタンスピース２１に密着させており、このノ
ズルホルダ２２とデイスタンスピース２１とピエ
ゾホルダ２０は、大リテーナ２５により相互に密
着して結合される。同様に、ノズルホルダ２２の
先端には小リテーナ２６を介してノズルチツプ２
３が密着して結合される。

ピエゾホルダ２０の内部に形成されたボア３０
には、ピエゾアクチユエータ３１とピストン３２
と皿ばね３３が収容される。ピエゾアクチユエー
タ３１の上端はボア３０の底部に固定され、また
ピエゾアクチユエータ３１の下端にピストン３２
が連結される。ピエゾアクチユエータ３１の外径
はボア３０の内径よりも小さいが、ピストン３２
はボア３０と略同じ径を有し、このボア３０内に
摺動自在に支持される。皿ばね３３はピストン３
２の下面とデイスタンスピース２１の上面に係合
し、ピストン３２を常時上方へ付勢してこれをピ
エゾアクチユエータ３１に当接させる。しかして
ピストン３２の下面とデイスタンスピース２１の
上面との間には、制御油圧室３４が形成される。
この制御油圧室３４は、ピエゾアクチユエータ３
１が膨張し、皿ばね３３に抗してピストン３２を
押下げたとき収縮し、ピエゾアクチユエータ３１
が収縮したとき、あるいはピエゾアクチユエータ
３１を収縮させるのに充分な高圧の燃料が供給さ
れたとき、膨張する。

ピエゾアクチユエータ３１は、直径15mm、厚さ
0.5mmの円板状のPZT素子と、直径15mm、厚さ
0.01mmの銅板とを交互に積層して円柱状にしたも
のであり、各々のPZT素子の厚み方向に並列に
電圧を印加できるようにリード線３５と銅板とが
結合される。リード線３５はグロメツト３６を介
してピエゾホルダ２０の外部へ伸びており、後述
する電気回路１００の一部を構成する。PZT素
子はチタン酸ジルコン酸鉛を主成分として焼成さ
れた強誘電体セラミツクスであり、ピエゾ効果を
有する代表的な素子である。その物性は、厚み方
向に500Vの電圧を印加すると0.5μmだけ厚みが
増し、逆に500Vの電圧が発生している時これを
シヨートさせると0.5μm厚みが減り、また厚み方
向に200Kg／cm²の圧力を作用させると、厚み方向
に200Vの電圧を発生するというものである。本
実施例においては、ピエゾアクチユエータ３１
は、PZT素子を100枚、電気的並列に結合してあ
るので、500Vの電圧を印加すると50μmの伸長が
得られる。

ノズルホルダ２２とノズルチツプ２３により形
成される段付空間内には、ニードル弁１２が昇降
自在に収容され、またノズルホルダ２２内に形成
された大径ボア４０内には、ばね４１と逆止弁４
２が設けられる。ノズルホルダ２２内には、デイ
スタンスピース２１側に大径ボア４０が、ノズル
チツプ２３側に小径ボア４３が穿設される。大径
ボア４０は、デイスタンスピース２１の中央に形
成された連通穴４４を介して制御油圧室３４に連
通可能であり、小径ボア４３は、ノズルチツプ２
３に穿設された小径ボア４５と同じ径を有すると
ともにこのボア４５に接続する。しかして大径ボ
ア４０と小径ボア４３，４５により上記段付空間
が形成される。一方、ノズルチツプ２３の小径ボ
ア４５の下端は、下方に窄まる円錐面状のシート
面４６が形成され、さらにその下方には１または
複数の噴口１３が穿設される。

ニードル弁１２の下端部５０は、円錐状に成形
されてシート面４６に密着可能であり、これによ
り、噴口１３を小径ボア４５から遮断することが
でき、シート面４６から離座したとき噴口１３を
小径ボア４５に連通させる。ニードル弁１２は真
直ぐ上方に延び、その上端部５１はデイスタンス
ピース２１の連通穴４４内に常時嵌入する。ニー
ドル弁１２の略中央であつて大径ボア４０の下端
面近傍には鍔状のばね座５２が形成され、またニ
ードル弁１２の上方部分には円筒状の逆止弁４２
が摺動自在に嵌合される。コイル状のばね４１は
ニードル弁１２の外周に嵌合され、上端が逆止弁
４２の下面に係合し、下端がばね座５２の上面に
係止する。しかしてばね４１は、逆止弁４２とば
ね座５２を相互に引離す方向に付勢する。したが
つて非作動時、逆止弁４２はデイスタンスピース
２１の下面に密着し、ニードル弁１２は下方に付
勢されて下端部５０をシート面４６に着座させ
る。なお、逆止弁４２の外径は大径ボア４０の内
径よりも半径にして約0.2mm小さく、また逆止弁
４２の内径はニードル弁１２の外径よりも半径に
して約2μm大きい。

後述するように、逆止弁４２はピエゾホルダ２
０に形成された通路５４から供給される燃料の圧
力を受け、これによりばね４１を圧縮させて下降
し、大径ボア４０内に高圧燃料を導き、噴口１３
から噴射されるまでこれを保持する。しかして大
径ボア４０は高圧燃料を保持する蓄圧室を構成す
る。

デイスタンスピース２１の連通穴４４は、ニー
ドル弁１２の上端部５１よりも半径で約0.5mm大
きく、したがつて制御油圧室３４内の燃料圧は常
に逆止弁４２の上面に作用する。連通穴４４の外
周側には、この連通穴４４と同心円状に環状溝５
３が刻設される。環状溝５３はデイスタンスピー
ス２１の下面に形成され、その内径は連通穴４４
の内径よりも半径で約１mm大きく、その外径は逆
止弁４２の外径よりも半径で約１mm小さい。した
がつて逆止弁４２がデイスタンスピース２１の下
面に密着すると、環状溝５３はこの逆止弁４２に
より開口側を完全に閉塞される。環状溝５３はデ
イスタンスピース２１の径方向に形成された通路
５５に連通する。この通路５５は、ピエゾホルダ
２０の側壁部に軸方向に形成された通路５４に連
通するようになつており、このため、デイスタン
スピース２１はノツクピン５６によりピエゾホル
ダ２０とノズルホルダ２２に対して位置決めされ
る。したがつて入口ポート１１に流入する燃料
は、通路５４，５５を通り、環状溝５３に導かれ
る。

第２図はピエゾアクチユエータ３１に印加する
電圧を制御する電気回路１００を示す。

この回路１００の基本的な作用は、ピエゾアク
チユエータ３１とコンデンサ１０１との電荷の交
換であり、ピエゾアクチユエータ３１の電荷は、
コイル１０２、サイリスタ１０３を介してコンデ
ンサ１０１に移動し、コンデンサ１０１の電荷
は、サイリスタ１０４、コイル１０２を介してピ
エゾアクチユエータ３１に移動する。ピエゾアク
チユエータ３１の電荷をコンデンサ１０１に移動
した後、制御油圧室３４の油圧が低下するとピエ
ゾアクチユエータ３１には分極と逆の電圧が発生
し、ピエゾアクチユエータ３１を劣化させる怖れ
があるので、この逆電圧の印加を防止する対策と
してダイオード１０５が設けられる。

本実施例は以上の構成を有するので、次のよう
に作用して燃料を噴射する。

エンジンのある気筒のピストンが圧縮上死点前
90°クランクアングルの位置にきた時、その気筒
に取り付けられているアキユームレータノズル１
に対して列型噴射ポンプの対応するポンプユニツ
トから燃料が吐出され始める。この吐出された燃
料は噴射鋼管を経てアキユームレータノズル１の
入口ポート１１に到り、通路５４，５５を経てデ
イスタンスピース２１の環状溝５３に到る。環状
溝５３はそれまでばね４１に付勢された逆止弁４
２によつて閉塞されているが、圧送されてきた燃
料はこれを押し開け、蓄圧室である大径ボア４０
内に流入するとともに、連通穴４４を通つて制御
油圧室３４内へも流入する。

ここで、ニードル弁１２に作用する燃料圧に関
し、下向きに作用する圧力についての受圧面積は
ニードル弁１２の最大断面積に等しいのに対し、
上向きに作用する圧力についての受圧面積は、最
大断面積からニードル弁１２の下端部５０がシー
ト面４６に密着する部分を差引いた分の断面積で
ある。したがつてニードル弁１２に作用する力は
下向きの成分の方が大きく、ニードル弁１２は着
座状態を維持し、噴口１３を閉塞している。しか
してアキユームレータノズル１に供給された燃料
は大径ボア４０と制御油圧室３４の中に圧縮され
ながら流入し、蓄圧される。ポンプからの供給量
が少ない時、この圧力は500Kg／cm²位であるが、
多い時1000Kg／cm²位になる。ポンプからの送油は
圧縮上死点前60°には終了する。それに伴い逆止
弁４２はばね４１の弾発力によつて上昇し、環状
溝５３を閉じるとともに、大径ボア４０と制御油
圧室３４との導通も遮断する。アキユームレータ
ノズル１はこの状態を維持しつつ噴射まで待機す
る。

この時、ピエゾアクチユエータ３１は制御油圧
室３４内の燃料圧によつて収縮され、これにより
電荷を発生して電圧が上昇する。この時ピエゾア
クチユエータ３１の収縮量を第３図のＢ点に、電
圧を第４図のＢ点にそれぞれ示す。なお、第３
図、第４図とも横軸は制御油圧室３４の燃料圧力
であり、また両図ともＢ点が２個あるが、○印は
ポンプからの送油量が大きい場合を、△印は送油
量が小さい場合を示す。後述するＣ，Ｄ，Ｅ，Ａ
点についても同様である。

噴射時期、例えば圧縮上死点になつた時、サイ
リスタ１０３がON状態にされてピエゾアクチユ
エータ３１の電荷はコンデンサ１０１に移動し、
ピエゾアクチユエータ３１の電圧は第４図にＣ点
で示されるように略0Vになる。これと同時にピ
エゾアクチユエータ３１は収縮し、その収縮量は
第３図に示されるようにＢ点からＣ点に示される
値に増大する。なおコンデンサ１０１の電位がピ
エゾアクチユエータ３１の電位を上回つてもなお
電荷の移動があるのはコイル１０２の作用であ
り、これはＬ−Ｃ共振現象として公知である。こ
のＬ−Ｃ共振において、その後コンデンサ１０１
の電荷がピエゾアクチユエータ３１に戻ろうとす
るが、これを利用してサイリスタ１０３をOFF
にしている。

上述のようにピエゾアクチユエータ３１が第３
図のＢ点からＣ点へ収縮することにより、制御油
圧室３４の容積は拡大され、この拡大量に比例し
てこの制御油圧室３４内の圧力が低下する。これ
により、ニードル弁１２は上向きの力が作用する
ようになり、ニードル弁１２は上昇して噴口１３
を開口し、大径ボア４０内の燃料をエンジンの燃
焼室内に噴射する。この燃料噴射により、大径ボ
ア４０内の燃料圧は低下し、これに従つてニード
ル弁１２には下向きの力が作用してこのニードル
弁１２は降下し、ついにはシート面４６に着座し
て噴射を終了する。このニードル弁１２の降下に
より制御油圧室３４内の圧力は低下し、これによ
りピエゾアクチユエータ３１は若干膨張する。し
かして、第３図に示されるようにピエゾアクチユ
エータ３１の収縮量は、Ｃ点からＤ点へ向つて少
なくなる。また制御油圧室３４内の圧力は、第４
図に示されるようにＣ点からＤ点へ向つて小さく
なる。なお、ピエゾアクチユエータ３１の収縮量
が小さくなつて元の長さに復帰しようとする際、
ピエゾアクチユエータ３１は電荷の供給を必要と
するが、これはダイオード１０５によりなされ
る。

いかなる運転条件でも燃料噴射をすることの必
要が起り得ない時期、例えば圧縮の上死点後60°
クランクアングルにおいてサイリスタ１０４が
ONにされる。するとコンデンサ１０１の電荷は
コイル１０２を介してピエゾアクチユエータ３１
に移動してこれを伸長させる。この結果制御油圧
室３４は収縮し、その燃料圧は高圧となる。この
状態を第３図および第４図にＥ点で示す。なおＥ
点とＢ点が一致しないのは、電荷の移動の際に生
じる損失によるものである。

しかしてピエゾアクチユエータ３１の伸長によ
り、制御油圧室３４の圧力が大径ボア４０の圧力
を充分上回ると、逆止弁４２が下降して制御油圧
室３４を環状溝５３により導通させ、図示しない
噴射ポンプ側へその油圧をリリーフさせる。制御
油圧室３４の圧力が大径ボア４０の圧力と略等し
くなつた時、逆止弁４２はばね４１の弾発力によ
つて再び環状溝５３を閉塞する。この状態をＡ点
に示す。

次にピストンが圧縮の上死点前90°にきた時、
噴射ポンプから燃料が圧送されてきてＢ点の状態
となる。以後、Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅ→Ａと繰返す。

上記第１の実施例によれば、次の〜の効果
が得られる。

従来の列型噴射ポンプを使用したままで、噴
射時期の電子制御が可能である。

アキユームレータノズル１の開弁にピエゾア
クチユエータ３１を使用しているので、開閉動
作の応答が早い。

ピエゾアクチユエータ３１の駆動にはこのア
クチユエータ自体に発生する電圧を利用してい
るので、特別な駆動電源を必要としない。

ニードル弁１２の着座力は燃料圧を使つてい
るので、ばね４１の力が弱くても閉弁圧を高く
することができる。

第３図からわかるように、噴射量が大きい
程、噴射開始圧および噴射終了圧を高くするこ
とができ、エンジン性能上望ましい。

第５図は本発明の第２実施例における電気回路
２００を示し、この第２実施例のその他の構成は
第１実施例と全く同様である。この第２実施例
は、アキユームレータノズル１にいわゆるパイロ
ツト噴射をさせたものである。すなわち、主噴射
の前に少量の噴射を行なつて燃料噴射量の急激な
変化を押えて騒音の低下を図るものである。

このパイロツト噴射を行なうため、第２実施例
の電気回路２００は第１実施例の電気回路１００
にさらにサイリスタ２０１、コンデンサ２０２、
およびトランジスタ２０３が追加される。サイリ
スタ２０１はピエゾアクチユエータ３１の電荷の
一部をコンデンサ２０２に対して放出させる作用
を果し、トランジスタ２０３はサイリスタ２０１
の下流にあつて、コンデンサ２０２の端子電圧を
調整する作用を果す。

本実施例は上記電気回路２００を有するので、
次のように作用する。

アキユームレータノズル１が噴射ポンプより燃
料を供給され、閉弁状態を維持しているとする。
ここで圧縮上死点前10°クランクアングルになる
と、サイリスタ２０１がON状態にされてピエゾ
アクチユエータ３１の電荷のごく一部、電圧降下
にしてせいぜい数10V分がコンデンサ２０２に放
出される。この結果その電圧降下量に比例したわ
ずかのパイロツト噴射がなされる。その後、圧縮
上死点になつてからサイリスタ１０３がONにさ
れ、メイン噴射が行なわれる。メイン噴射につい
ては第１実施例と同じである。その後、次のパイ
ロツト噴射までに、トランジスタ２０３は帯電さ
れているコンデンサ２０２の電荷を放出する。こ
の時トランジスタ２０３は、サイリスタ２０１が
ONになつた時ピエゾアクチユエータ３１の電圧
降下量が設定値となるようなコンデンサ２０２の
端子電圧を得るように、コンデンサ２０２の電荷
を放出する。

発明の効果以上のように本発明によれば、ニードル弁の閉
弁圧を大きくすることができるので、燃料噴射圧
を充分高くすることができ、エンジン性能を向上
させることが可能となる。また、パイロツト噴射
が可能になるので、燃料噴射における騒音を低減
させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例を示す断面図、第
２図は第１実施例の電気回路を示す回路図、第３
図は制御油圧室の圧力をピエゾアクチユエータの
収縮量との関係を示すグラフ、第４図は制御油圧
室の圧力とピエゾアクチユエータの電圧との関係
を示すグラフ、第５図は第２実施例の電気回路を
示す回路図である。１……燃料噴射弁、１２……ニードル弁、１３
……噴口、３１……ピエゾアクチユエータ、３４
……制御油圧室、４０……大径ボア（蓄圧室）、
４２……逆止弁、５４，５５……通路、１００，
２００……電気回路（制御手段）。

Claims

【特許請求の範囲】

１燃料を一時的に保持する制御油圧室および蓄
圧室が形成されるとともに、燃料供給源から間欠
的に圧送されてくる燃料をこれら制御油圧室およ
び蓄圧室に導くための通路が形成され、かつ、該
蓄圧室内の燃料を外部へ噴射するための噴口が穿
設されたハウジングと、このハウジング内に収容
されるとともに上記制御油圧室を区画形成し、印
加される電圧に応じて伸縮してこの制御油圧室を
拡縮するピエゾアクチユエータと、上記ハウジン
グ内に往復動自在に設けられるとともに上記制御
油圧室および蓄圧室内の圧力を受け、上記蓄圧室
と噴口を連通もしくは遮断するニードル弁と、上
記通路、制御油圧室、および蓄圧室を通常遮断
し、上記通路および制御油圧室内の圧力に応じて
開放する逆止弁と、上記ピエゾアクチユエータの
電圧を制御する手段とを備え、上記燃料供給源か
ら供給された燃料は、上記通路を通り、上記逆止
弁を介して制御油圧室および蓄圧室へ圧送され、
上記制御油圧室内の燃料圧が相対的に高い時、上
記ニードル弁は上記蓄圧室と噴口を遮断し、上記
制御油圧室内の燃料圧が相対的に低い時、上記ニ
ードル弁は上記蓄圧室と噴口を連通させてこの噴
口から燃料を噴射することを特徴とする燃料噴射
弁。