JPH09310653A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、磁歪素子を用いる内開き式の
燃料噴射弁において、信頼性の高い燃料噴射弁を提供す
るにある。 【解決手段】燃料噴射弁の筺体１内には、磁場を発生す
る電磁コイル３と、この電磁コイル３により磁場を印加
されると収縮する電気−機械変換素子４が固定されてい
る。さらに、先端に球弁９の固定されたロッド１０が、
電気−機械変換素子４によって、下方に押しつけられて
いる。従って、電磁コイル３により、電気−機械変換素
子４に磁場を印加すると、電気−機械変換素子４が変位
し、この変位により、ロッド１０が駆動され、燃料が噴
射される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料噴射弁に係
り、特に、内燃機関に用いるに好適な超磁歪素子を利用
した燃料噴射弁に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の排気規制は、石油燃料、ガソリン
に依存した車社会が引き起こした地球規模の環境破壊を
是正する意味で必要不可欠である。この規制に伴って、
燃料を少なくして効率よく燃焼するリーンバーンが注視
されている。従来のリーンバーンは、燃料を機関の吸気
ポート部に供給して周囲に発生する吸気行程の気流速度
によって気筒内に持ち込むことを前提にしているので、
液流が発生したり、気筒内での空気との混合がうまくい
かず、混合気形成の限界があって、燃焼改善には寄与し
ていなかった。

【０００３】このリーンバーンを達成するには、燃料付
着が少ない気筒内に直接燃料を供給する直接噴射が有効
である。直接噴射の課題は、噴射弁の応答性，熱耐久な
どがある。従来の噴射弁では、電磁気発生のコイルの熱
寿命がなく、８０℃を越えて使用することができなかっ
た。また、内燃機関の筒内に直接燃料を噴射するために
は、燃料噴射弁は、高圧高速噴射が必要となっている。

【０００４】ガソリン機関用燃料噴射弁を高圧高速化す
る方式として、各種の方式が検討されている。その方式
としては、従来の電磁式を改良する方式，圧電素子を利
用する方式，磁歪素子を利用する方式が有力視されてい
る。

【０００５】この中で磁歪素子を利用する燃料噴射弁と
して、従来から知られているものは、大部分が外開き方
式の燃料噴射弁である。外開き方式の燃料噴射弁は、弁
体が燃焼室方向に動く構造を有している。磁歪素子に磁
場を印加することにより、磁歪素子が伸び、これによっ
て、弁体を燃焼室方向に動かし、弁体とバルブシートの
間隙から燃料を噴射する。

【０００６】しかしながら、外開き方式の燃料噴射弁
は、弁体が燃焼室内に位置するため、燃料噴射弁の先端
部の弁体周辺にデポジットが形成される。このデポジッ
トの形成によって、噴霧形状が燃料噴射弁の使用ととも
に経時変化するという問題がある。

【０００７】外開き方式の燃料噴射弁のデポジットの問
題を解決する方式として、内開き方式の燃料噴射弁があ
る。内開き方式の燃料噴射弁としては、例えば、特開平
４−８１５６５号公報や特開平６−９１５９号公報に記
載のように、磁場を印加することにより、伸びる性質を
有する磁歪素子を使用して弁体を駆動するものが知られ
ている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
磁歪素子を用いる内開き式の燃料噴射弁では、磁場を印
加することにより、伸びる性質を有する磁歪素子を使用
しているため、特開平４−８１５６５号公報に記載のよ
うに、予め磁場を印加する永久磁石を必要としたり、特
開平６−９１５９号公報に記載のように、円筒形の磁歪
素子の内部に弁体を挿入する構造としたりする必要があ
り、構成が複雑になっていた。その結果、燃料噴射弁の
ように、高速な開弁動作を行わせるには信頼性が低いと
いう問題があった。

【０００９】本発明の目的は、磁歪素子を用いる内開き
式の燃料噴射弁において、信頼性の高い燃料噴射弁を提
供するにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、筺体の先端に固定されたノズルのシート
面に当接する弁を、このシート面から放すことにより開
弁して燃料を噴射する燃料噴射弁において、上記筺体内
に固定収納され、磁場を発生する電磁コイルと、この電
磁コイルにより磁場を印加されると収縮する電気−機械
変換素子と、上記弁に固定されるとともに、上記電気−
機械変換素子により上記弁を上記シート面に押しつける
ように配置されたロッドとを備え、上記電磁コイルによ
り上記電気−機械変換素子に磁場を印加することによ
り、上記電気−機械変換素子を収縮させて開弁するよう
にしたものであり、かかる構成により、構成を簡単にし
て、信頼性を向上し得るものとなる。

【００１１】上記燃料噴射弁において、好ましくは、上
記電気−機械変換素子の周囲をシールするとともに、燃
料をこのシールされた電気−機械変換素子の外周を通っ
てノズルに流通させるようにしたものであり、かかる構
成により、電気−機械変換素子を長寿命化し得るものと
なる。

【００１２】上記燃料噴射弁において、好ましくは、上
記電気−機械変換素子の上側から附勢力を加える第１の
バネと、上記電気−機械変換素子の下側から附勢力を加
える第２のバネとを備え、上記第１のバネの附勢力を第
２のバネの附勢力より大きくすることにより、上記電気
−機械変換素子に下向きの附勢を与え、上記ロッドを下
方に押しつけるようにしたものであり、かかる構成によ
り、電気−機械変換素子に加える初期応力を設定し得る
ものとなる。

【００１３】上記燃料噴射弁において、好ましくは、上
記電気−機械変換素子の上側に当接する固定板と、上記
電気−機械変換素子の下側に当接する受け板とを備え、
上記電気−機械変換素子によって発生した力を上記固定
板及び受け板により垂直面で受け止めて伝達するように
したものであり、かかる構成により、電気−機械変換素
子のへき開を防止し得るものとなる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図１〜図９を用いて、本発
明の一実施形態による燃料噴射弁について説明する。図
１は、本発明の一実施形態による燃料噴射弁の断面図で
ある。最初に、全体的な構造について説明する。

【００１５】円筒形の筺体１の内部には、磁気抵抗部材
２が挿入され、固定されている。円筒のコイル筺体８の
中には、コイル３が収納されており、コイル筺体８の下
端は、磁気抵抗部材２に固定されている。コイル３の収
納されたコイル筺体８の内部には、円柱形の中実の電気
−機械変換素子４が挿入されている。電気−機械変換素
子４は、磁場を印加すると、収縮する性質を有する磁歪
素子である。磁歪素子の材料としては、例えば、鉄（Ｆ
ｅ）とサマリウム（Ｓｍ）の合金である。

【００１６】コイル筺体８の上端及び電気−機械変換素
子４の上端には、固定板１３が当接している。固定板１
３と筺体１の内部の上端の間には、バネ１５が挿入され
ており、固定板１３に対して、下方向への強い附勢力を
与えている。従って、固定板１３によって、コイル筺体
８及び磁気抵抗部材２は、下方に押しつけられており、
筺体１内に固定されている。また、電気−機械変換素子
４の上端４Ａは、固定板１３により押さえつけれている
ため、固定端として作用する。即ち、コイル３に通電す
ることにより、電気−機械変換素子４が収縮しても、電
気−機械変換素子４の上端４Ａの位置は変わらない。一
方、電気−機械変換素子４の下端４Ｂは、自由端として
作用し、電気−機械変換素子４が収縮すると、電気−機
械変換素子４の下端４Ｂは、上方に変位する。

【００１７】電気−機械変換素子４の下端には、受け板
１６が当接している。受け板１６と磁気抵抗部材２の間
には、バネ５が挿入されており、受け板１６を上方に附
勢しているとともに、電気−機械変換素子４を圧縮する
方向にプレストレスを加えている。受け板１６の外周と
コイル筺体８の間には、Ｏリング１７が取り付けられて
おり、電気−機械変換素子４の外周に燃料が付着するこ
とを防止している。

【００１８】上述したように、電気−機械変換素子４の
上側には固定板１３が当接し、電気−機械変換素子４の
下側には受け板１６が当接するように構成されているた
め、電気−機械変換素子４において発生する力を垂直面
で受けている。電気−機械変換素子４である超磁歪素子
は、一般に劈開性を有するため、このようにして電気−
機械変換素子４で発生する力を垂直面で受けることによ
り、電気−機械変換素子４の劈開を防止して、長寿命化
を図ることができる。

【００１９】円筒形の筺体１の先端には、円筒形のノズ
ル２１が固定されている。ノズル２１の内部には、先端
に球形の球弁９が固定されたロッド１０が挿入されてい
る。球弁９は、ノズル２１の先端に開口したノズル部１
１のシート面に当接している。ロッド１０のほぼ中央に
は、ガイド部１４が固定されている。ガイド部１４は、
ノズル２１の内径部に対して摺動可能であり、ロッド１
０の上下方向の移動をガイドする。ガイド部１４には、
図示しない溝が形成されており、ガイド部１４の上方か
ら下方へ燃料が通過するようになっている。ロッド１０
の上部には、フック７が固定されている。フック７と磁
気抵抗部材２の間には、バネ６が挿入されており、フッ
ク７を上方に附勢しており、ロッド１０の上方端部１０
Ａが受け板１６に押しつけられている。また、磁気抵抗
部材２の貫通穴２Ａは、ロッド１０の上下方向の移動を
ガイドする。

【００２０】次に、燃料の流路について説明する。燃料
は、筺体１の上部に取り付けられて燃料流入部１２から
流入し、バネ１５の配置された空間を経て、コイル筺体
８の外周と筺体１の内周の間の間隙を通過し、バネ５及
びバネ６の配置される空間に流れる。ここで、コイル筺
体８の下端には、燃料が流通するための溝が形成されて
いる。さらに、燃料は、磁気抵抗部材２の貫通穴２Ａを
通って、ガイド部１４の溝から下流に流れる。そして、
球弁９とノズル２１の先端の隙間から流出し、ノズル部
１１から噴射される。

【００２１】電気−機械変換素子４に磁界を与える磁路
は、筺体１の外周部，磁気抵抗部材２，受け板１６，電
気−機械変換素子４，固定板１３により構成される。そ
こで、これらの部材については、磁気の流れ易い材質の
磁性体としている。磁気の流れ易い材料としては、例え
ば、フェライト系ＳＵＳがある。

【００２２】一方、電気−機械変換素子４の近傍に位置
するロッド１０は、非磁性体としており、例えば、オー
ステナイト系ＳＵＳである１８−８ＳＵＳを使用してい
る。即ち、燃料噴射弁を高速で開閉弁するためには、コ
イル３を流れる電流は、開閉弁の過度時に高速で変化
し、応答する必要があるため、コイルのインダクタンス
Ｌをできるかぎり小さくすることが望ましい。ここで、
コイルのインダクタンスＬは、磁路のパーアンスをＰと
すると、Ｌ＝Ｎ²Ｐ（Ｎはコイルの巻数）となる。ロッ
ド１０に磁性体を用いると、パーアンスＰの値は著しく
大きくなるため、コイルのインダクタンスＬが大きくな
り、高速な開閉弁が困難となるため、ロッド１０に非磁
性体を用いるようにしている。

【００２３】次に、動作について説明する。コイル３に
通電しない状態では、電気−機械変換素子４は、伸びた
状態となっている。従って、受け板１６は、バネ５及び
バネ６の附勢力に抗して、ロッド１０を下方に押しつけ
ており、球弁９は、ノズル部１１のシール面に押しつけ
られいる。これによって、球弁９はノズル部１１を塞
ぎ、燃料は噴射しない。

【００２４】ここで、コイル３に通電すると、電気−機
械変換素子４は縮む方向に変位するが、上端４Ａは強い
バネ１５にて固定されているので、下端４Ｂが収縮し
て、バネ５の力で押されながら、電気−機械変換素子４
自体が上方に移動する。この結果、バネ６が伸びて、こ
のバネ６と一体となって可動するロッド１０は、上方に
移動し、ロッド１０と一体に動く球弁９も上方に移動し
て、球弁９は弁座から離れて、燃料が噴射される。

【００２５】更に、ここで、ロッド１０の上下直動を補
助する目的で、磁気抵抗部材２のロッド１０の貫通部１
０Ａは、ロッド１０の直径に比して精度よく加工され、
ガイドの役も果たしている。また、固定板１３は、磁気
が流れ易い材料で構成するとともに、筺体部との間隙が
少なくなるように直径を選定し、磁束の漏れが少なくな
るようにしている。

【００２６】本発明の特徴は、磁場を印加すると収縮す
る電気−機械変換素子を用いているところにあり、噴射
弁上流に加わる燃料圧力が７０ｋｇ／ｃｍ²の場合、通
常、弁により弁座には５ｋｇ程度の力が作用すれば、弁
部よりの燃料漏れはない。

【００２７】電気−機械変換素子４は、通常酸化しやす
い材質であるので、図１のごとく素子４の上端に耐食金
属の固定板１３を配置し、下端に耐食金属の受け板１６
を配置して、電気−機械変換素子４をサンドイッチ構造
とし、この電気−機械変換素子４には直接作動液、例え
ばガソリン等と接触しない構造としている。したがっ
て、電気−機械変換素子４の下端の防食金属板１６の側
面には滑合するＯリング１７を設け、液体進入を防止す
るようにしている。

【００２８】次に、図２を用いて、燃料噴射弁の組立方
法について説明する。図２は、本発明の一実施形態によ
る燃料噴射弁の組立説明図である。

【００２９】図２において、燃料噴射弁の外套部となる
筺体１及びノズル２１は除去してあり、組み込み手順の
通りに並んでいる。球形の球弁９を有する弁体１０は、
そのロッドの途中にガイド１４が付加されている。さら
に、弁体１０の上端には切欠部１０Ｂを設けてあり、バ
ネ６を押さえるフック７がインサートされる構造になっ
ている。フック７は、図２（Ａ）に断面図を示し、図２
（Ｂ）に平面図を示すように、その一部に開口部７Ａが
形成されている。弁体１０の上部を磁気抵抗部材２の開
口部２Ａを通して挿入した後、弁体１０の上部からバネ
６を入れる。その後、バネ６を縮めた状態で、弁体１０
の切欠部１０Ａにフック７の開口部７Ａをはめられる。
これによって、バネ力による荷重が上部に向かった作用
する。磁歪抵抗部材２には、バネ６より直径が大きいバ
ネ５が入り、このバネ５はＯ−リング溝１６Ａを持つ受
け板１６を押し上げるように作用する。

【００３０】受け板１６は、弁が弁座に作用する力を調
整するために各種の厚みが用意されており、最適な厚み
の受け板１６が選ばれて挿入される。受け板１６の他の
面は超磁歪素子４と面接触するように平行度があるよう
に加工されている。バネ５を入れる前に、コイル３を収
納したコイル筺体８を磁気抵抗部材２の上部に置く。置
いた後に受け板１６，電気−機械変換素子４を開口した
部分に挿入して、固定板１３を超磁歪素子である電気−
機械変換素子４に面接触するように当てて、その上部に
弁体１０及び超磁歪素子である電気−機械変換素子４を
一体で下方に押す力としてバネ１５が作用するように置
く。

【００３１】固定板１３は、コイル筺体８にも接触して
おり、超磁歪素子である電気−機械変換素子４は、収縮
する場合は上方に変位、移動するように構成されてい
る。これらが一体になったところで、噴射弁の外套部で
ある筺体及びノズルに一括挿入して磁気抵抗部材２をか
しめるようにして、一体固定する。ここで、弁と弁座を
ある一定の力で押さえる必要から、コイル筺体８と磁気
抵抗部材２の間にスペーサー２０を挿入し、位置の制御
に使用している。このスペーサー２０の厚みは種々用意
されており、容易に選定できるようになっている。

【００３２】次に、図３を用いて、電気−機械変換素子
の特徴について説明する。図３は、本発明の一実施形態
による燃料噴射弁において用いる電気−機械変換素子で
ある超磁歪素子の特性を説明する図である。

【００３３】図３において、横軸は、磁界の強さを示
し、縦軸は、変位量を示している。すなわち、磁界が強
くなるほど負の変位を示すもであり、磁界を印加する
と、収縮する性質を有している。磁界の強さは印加電流
に比例するので、最終的には、コイルに印加する電流量
の大きさが、素子の変位量に関係する。変位限界の領域
では比例関係がくずれ、かつ、ヒステリシスが存在して
磁界の強さを増す場合と減ずる場合で同じ磁界の強さに
対する変位量が異なっている。実際に噴射弁の弁の開閉
に使う場合は、過度的な使用を避けてｏｎ−ｏｆｆで使
用することが一般で、このヒステリシスの影響は受けに
くい。

【００３４】次に、図４を用いて、超磁歪素子が磁界に
応じて変位する理由について説明する。図４は、本発明
の一実施形態による燃料噴射弁において用いる電気−機
械変換素子である超磁歪素子が磁界の強さに応じて歪む
様子を模擬的に示した図である。

【００３５】図４（Ａ）に示すように、磁界がかけられ
ていない状態では、原子配列は四方勝手な方向を示して
いる。この時の全長をＬ0とする。それに対して、図４
（Ｂ）に示すように、磁界が掛けられると、磁界と直交
する方向に原子レベルでの配列ができあがり、これによ
って磁界がかけられた方向にあたかも収縮したようにな
る。その時の全長は、Ｌmとなる。なお、超磁歪の容積
は磁界の有無に関わらず一定であり、磁界と直角の方向
の幅、太さは縮小していることになる。ここで、磁歪量
を（Ｌm−Ｌ0）／Ｌ0で表すと、磁界強度Ｈと磁歪量の
関係は、図４（Ｃ）に示すようになる。

【００３６】この性質を学術的に表現をすれば、遷移金
属に属するサマリウム（Ｓｍ）等で形成される強磁性体
は、交換相互エネルギーによる磁気モーメントが加わ
り、双方が平行になる状態まで原子の位置が移動する。
即ち、強磁性体が自発磁化の方向に歪むことになる。な
お、サマリウムは磁界が加わると収縮する性質があり、
本発明にはこの性質を利用している。すなわち、従来の
電磁ソレノイド弁のごとく、コイルに電圧が印加された
場合に、超磁歪素子の収縮と同時に弁を押し上げて開く
ように設定されたバネによって、弁部が遅れなくロッド
に追随して持ち上がる構成を取っている。

【００３７】なお、テリビウム（Ｔｂ），ジスプロジウ
ム（Ｄｙ）等の遷移金属で形成される強磁性体は、磁界
の印加方向に伸長する性質を有している。

【００３８】次に、図５を用いて、超磁歪素子の温度特
性について説明する。図５は、本発明の一実施形態によ
る燃料噴射弁において用いる電気−機械変換素子である
超磁歪素子の温度と歪み量の関係を示す説明図である。

【００３９】超磁歪素子は、変位するごとに内部の金属
粒子間の摩擦による発熱を伴い、素子自体の温度上昇が
発生する。あまり電気−機械変換素子自体の温度が上昇
するとキュリー点に近づき磁界を掛けても変位しなくな
るので、本発明では電気−機械変換素子を燃料自体で冷
却するようにしている。すなわち、図１に示した通り、
電気−機械変換素子４の両端面を受け板１６及び固定板
１３の金属部材で接するように配置して、固体熱伝達に
よる熱冷却を図るようにしている。受け板１６及び固定
板１３の外面は、燃料に接触しているため、電気−機械
変換素子４の熱を燃料に熱伝達して、電気−機械変換素
子４を冷却するようにしている。

【００４０】また、図５に示すように、粉末冶金法（ビ
ルトマン法より廉価）で製造した超冶歪素子は、温度
（自己発熱、周囲より伝達の２種類あり）によって歪み
量が変化する特徴を有している。特に、高温域では歪み
量が低下する問題を持っており、この問題を解消するに
は、図５中に示してあるように、超磁歪素子の温度が１
００℃以上にならないことが重要である。この点につい
ても、電気−機械変換素子を燃料自体で冷却するように
している。

【００４１】さらに、冷却効率を高めるためには、本発
明は、内燃機関の燃料噴射弁として超磁歪素子を使用す
るので、内燃機関のシリンダ壁面を冷却している機関冷
却水温度に合致する温度を上限として素子温度を管理す
ればよく、機関の冷却水を超磁歪素子の周辺に導くこと
により、素子温度を制御することができる。

【００４２】次に、図６，図７を用いて、超磁歪素子に
予め初期荷重を加えるプレストレスについて説明する。
図６は、本発明の一実施形態による燃料噴射弁において
用いる電気−機械変換素子である超磁歪素子の初期荷重
の有無によるコイルへの印加電流と歪み量の関係を説明
する図であり、図７は、本発明の一実施形態による燃料
噴射弁において用いる電気−機械変換素子である超磁歪
素子の初期荷重と歪み量の関係を説明する図である。

【００４３】図６において、横軸は、コイルへの印加電
流（Ａ）を示し、縦軸は、歪み量（μｍ）を示してい
る。同図（Ａ）は、初期荷重がない場合におけるコイル
への印加電流と歪み量の関係を示している。この時の歪
み量の最大値は、約３０μｍである。一方、同図（Ｂ）
は、所定の初期荷重を超磁歪素子に加えた場合における
コイルへの印加電流と歪み量の関係を示している。この
時の歪み量の最大値は、約４０μｍである。

【００４４】図７は、初期荷重と歪み量の関係を示して
おり、図示するように、初期荷重がＳ0（初期荷重＝
０）の時の歪み量をσ0とすると、初期荷重の増加とと
もに、歪み量も増加する。そして、初期荷重がＳ1の
時、最大の歪み量σ1を示し、その後は、初期荷重を増
加すると、歪み量が低下する特性を有している。最大の
歪み量を示す時の初期荷重は、１００−１２５ｋｇ／ｃ
ｍ²である。

【００４５】そこで、本実施形態では、この初期荷重を
加えるために、図１に示したように、超磁歪素子である
電気−機械変換素子４の上端側を固定板１３を介して、
バネ１５により初期荷重を加えるようにしている。初期
荷重の量は、図示しない調整ネジ等によって容易に調整
可能である。

【００４６】次に、図８を用いて、超磁歪素子を駆動す
る駆動回路について説明する。図８は、本発明の一実施
形態による燃料噴射弁において用いる超磁歪素子駆動回
路の回路図である。

【００４７】バッテリー５０の電圧は、昇圧回路６０に
よって昇圧される。バッテリー５０の電圧は、約１２Ｖ
であり、これが、昇圧回路６０によって、約５０Ｖまで
昇圧される。昇圧回路６０によって昇圧された電圧は、
整流回路７０によって整流される。整流回路７０の出力
電圧は、スイッチング回路８０の中のトランジスタＴｒ
１，Ｔｒ２のコレクタに印加される。

【００４８】一方、バッテリー５０の電圧で駆動される
燃料噴射制御回路９０は、エンジンの回転数等のエンジ
ン情報を取込み、燃料噴射量を制御する駆動パルス信号
を出力し、スイッチング回路８０の中のトランジスタＴ
ｒ１，Ｔｒ２のベースに供給する。従って、スイッチン
グ回路８０の中のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２は、駆動
パルス信号に応じて導通し、整流回路７０から供給され
る電流が流れ、この電流が、コイル３に流れる。コイル
３に電流が流れることにより、磁場が形成され、図１に
示した磁歪素子である電気−機械変換素子４に磁場が印
加される。

【００４９】コイル３のインダクタンスは時定数を有す
るため、燃料噴射弁の応答性を高めるために、昇圧回路
６０によって印加電圧を瞬時に高めるようにして、コイ
ル３に流れる初期の電流を高め、コイルに発生する磁界
の強さを大きくすることにより、良好な応答性が得られ
ている。

【００５０】次に、図９を用いて、図８に示した回路の
信号波形及び弁の動作について説明する。図９は、本発
明の一実施形態による燃料噴射弁において用いる超磁歪
素子駆動回路の各部の信号波形及び弁の動作を示す図で
ある。

【００５１】図９において、（Ａ）は、図８に示した燃
料噴射制御回路９０が出力する駆動パルス信号を示して
いる。駆動パルス信号は、方形状のパルス信号であり、
印加時間幅は約７ｍｓである。（Ｂ）は、図８に示した
コイル３に流れる電流の大きさを示している。（Ｃ）
は、図１に示したロッド１０の先端に固定された球弁９
の変位を変位センサで測定した結果，即ち、弁リフト量
を示している。

【００５２】ここで、同図（Ｂ）に示す電流波形と
（Ｃ）に示す変位の相関を見ると、以下のことが分か
る。

【００５３】（１）電流が立ち上がると同時に変位が生
じる。即ち、時刻Ｔ１において、電流が増加し始めると
同時に、弁の変位が変位し初めている。従って、弁の応
答性がよいことが理解される。また、電流の立ち上がり
時期をセンシングすることで、アクチュエータである燃
料噴射弁の動作開始点が推測できる。

【００５４】（２）電流波形と同形状の変位が生じてい
る。即ち、電流波形からアクチュエータのリフト位置が
推測でき、また、燃料噴射弁として使用した場合に、従
来できなかったリフト位置が可変な比例弁として燃料制
御が可能となる。

【００５５】従って、印加電流値の変化から弁自体の自
己診断が可能となり、万一、燃料噴射弁が動作していな
いときは、運転者に警告を発することも可能となる。

【００５６】また、弁のリフト量が経時変化を起こした
場合においても駆動回路の電流値を監視しておき、変化
量を推測でき、例えば、開弁時間幅を延長したり、縮小
したりするような補正をすることが可能となる。

【００５７】以上説明したように、燃料噴射弁の弁を開
閉するために、磁場が印加されると収縮する性質を有す
る超磁歪素子を使用することにより、簡単な構造で内開
きの燃料噴射弁を構成することができる。従って、燃料
噴射弁としての信頼性を向上することができる。

【００５８】一般に、この種の燃料噴射弁には、外開き
弁と内開き弁があるが、燃焼室に直接燃料を噴射する直
噴システムでは、外開き弁の場合は弁の先端が燃焼室に
露出するため、その先端にデポジット（燃焼残渣などの
異物）が埋積し、燃料の噴射形状を変化させ、正当な燃
料の噴射を妨げる恐れがあるが、それに対して、内開き
弁とすることにより、かかる問題が生じなくなる。

【００５９】直噴システムに使用する燃料噴射弁は、高
圧高速でなければならないが、弁を開閉するのに使用す
る超磁歪素子の極めて大きい発生力によって達成するこ
とができる。超磁歪素子の発生力に関して重要なこと
は、素子に与えられる初期応力によって歪量が左右され
る点で、噴射弁を設計する際に最適の初期応力を付与で
きる構造でなければならない。また、弁を閉じる力は高
圧燃料を遮断し、しかも、高速で閉弁させるためには、
十分な力が必要であるが、耐久性の面からは自ずと制限
があり、最適値に設計する必要がある。

【００６０】それらの点において、本実施形態では、磁
歪素子４の初期応力の設定は、スプリング１５により与
え、弁の閉弁力はスプリング５，６によって、それぞれ
最適値に設定することが可能である。

【００６１】また、磁歪素子４とロッド１０は別体構造
としているため、ノズル部１１のシート面に対する球弁
９の位置調整は、磁歪素子４の位置調整とは独立して行
えるため、弁の計量精度を高めることができるものであ
る。

【００６２】さらに、磁歪素子４の外周側を燃料が流通
するようにしているので、磁歪素子４を冷却して、磁歪
素子４の温度変化を小さく抑え、弁の有効ストロークの
変化を小さくすることができる。

【００６３】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、磁歪素子を用いる内開き方式の燃料噴射弁における
信頼性を向上することができる。

【００６４】また、超磁歪素子を使用することにより、
高圧高速の弁の開閉が可能となるため、直噴システムに
使用する燃料噴射弁を提供することができる。

【００６５】また、その際、磁歪素子に与える初期応力
を設定と、閉弁力の設定をそれぞれ独立したスプリング
によって行うことが可能となる。

【００６６】さらに、磁歪素子の温度変化を小さく抑
え、弁の有効ストロークの変化を小さくすることができ
る。

【００６７】次に、図１０を用いて、本発明の他の実施
形態による燃料噴射弁について説明する。図１０は、本
発明の他の実施形態による燃料噴射弁の断面図である。
なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

【００６８】図１０において、超磁歪素子である電気−
機械変換素子４は、円柱形の中実の変換素子であり、電
気−機械変換素子４の上端４Ａは、固定板１３，バネ１
５’を介して、噴射弁の筺体１の内壁に接している。固
定板１３とコイル３を収納するコイル筺体８は、Ｏ−リ
ング１９を介して接している。このため、燃料入り口１
２から入った燃料は、電気−機械変換素子４を濡らすこ
とがない。バネ１５は、機密性を保つ他に、図６及び図
７において説明したように、プレストレスがある一定の
値になると、超磁歪素子はこれに反発する歪み量を多く
取れるためである。超磁歪素子は、プレストレスが１０
０−１２５ｋｇ／ｃｍ²で歪み量が最大になり、燃料噴
射弁の弁のストロークを大きく取れる。また、燃料噴射
弁を量産する時に、弁のリフト量を管理調整するのに、
このバネ１５の初期荷重を図示しない調整ネジ等で調整
することで対応できる。

【００６９】一方、電気−機械変換素子４の他端４Ｂ
は、印篭合わせにチップ１８を介して受け板１６が設置
され、受け板１６は、バネ１５で電気−機械変換素子４
を上向きに押す力として作用している。また、受け板１
６の外周とコイル筺体８の間には、ガイド部材２２が挿
入されており、受け板１６の上下動のガイドをするとと
もに、電気−機械変換素子４が燃料によって濡れること
がないようにしている。

【００７０】燃料の計量は、球弁９と弁座１１の間隙に
よって行われるが、弁９のリフトに過程では計量精度が
落ちるので、できるだけ早く開弁し、過渡状態での使用
を避ける必要がある。そこで、球弁９に結合するロッド
１０がガイド１４で横ぶれを無くしながら、電気−機械
変換素子４の変位に呼応してバネ６の作用によってフッ
ク７を上方に押しやることによって、ロッド１０，球弁
９は一気に電気−機械変換素子４の変化に追随して移動
し、弁座１１と弁９の間隙が生じることになる。

【００７１】ここで、前述したとおり、燃料は、電気−
機械変換素子４を濡らさないで弁部に到達することが必
要であり、そこで、燃料は、コイル筺体８の外側壁を通
って下降して、ロッド１０の途中に出て、ガイド１４を
介して球弁９に到達する構造になっている。この場合、
燃料入り口１２の燃料圧力とロッド１０の周囲の圧力は
同じになるように、燃料流路は確保することが望まし
く、高圧でコイル３を下向きに押す力が勝ると、弁９及
び弁座が破壊することになる。超磁歪素子に燃料が浸漬
しないように、固定板３とコイル筺体８の間にＯリング
１９を挿入している。

【００７２】以上説明したように、本実施形態によれ
ば、磁歪素子を用いる内開き方式の燃料噴射弁における
信頼性を向上することができる。

【００７３】また、超磁歪素子を使用することにより、
高圧高速の弁の開閉が可能となるため、直噴システムに
使用する燃料噴射弁を提供することができる。

【００７４】また、その際、磁歪素子に与える初期応力
を設定と、閉弁力の設定をそれぞれ独立したスプリング
によって行うことが可能となる。

【００７５】さらに、磁歪素子の温度変化を小さく抑
え、弁の有効ストロークの変化を小さくすることができ
る。

【００７６】

【発明の効果】本発明によれば、磁歪素子を用いる内開
き式の燃料噴射弁における信頼性を向上することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態による燃料噴射弁の断面図
である。

【図２】本発明の一実施形態による燃料噴射弁の組立説
明図である。

【図３】本発明の一実施形態による燃料噴射弁において
用いる電気−機械変換素子である超磁歪素子の特性を説
明する図である。

【図４】本発明の一実施形態による燃料噴射弁において
用いる電気−機械変換素子である超磁歪素子が磁界の強
さに応じて歪む様子を模擬的に示した図である。

【図５】本発明の一実施形態による燃料噴射弁において
用いる電気−機械変換素子である超磁歪素子の温度と歪
み量の関係を示す説明図である。

【図６】本発明の一実施形態による燃料噴射弁において
用いる電気−機械変換素子である超磁歪素子の初期荷重
の有無によるコイルへの印加電流と歪み量の関係を説明
する図である。

【図７】本発明の一実施形態による燃料噴射弁において
用いる電気−機械変換素子である超磁歪素子の初期荷重
と歪み量の関係を説明する図である。

【図８】本発明の一実施形態による燃料噴射弁において
用いる超磁歪素子駆動回路の回路図である。

【図９】本発明の一実施形態による燃料噴射弁において
用いる超磁歪素子駆動回路の各部の信号波形及び弁の動
作を示す図である。

【図１０】本発明の他の実施形態による燃料噴射弁の断
面図である。

【符号の説明】

１…筺体 ２…磁気抵抗部材 ３…コイル ４…電気−機械変換素子 ５，６…バネ ７…フック ８…コイル筺体 ９…球弁 １０…ロッド １１…ノズル部 １２…燃料注入部 １３…固定板 １４…ガイド部 １５，１５’…バネ １６…受け板 １７，１９…Ｏ−リング １８…チップ ２０…スペーサー ２１…ノズル ２２…ガイド部材

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 筺体の先端に固定されたノズルのシート
   面に当接する弁を、このシート面から放すことにより開
   弁して燃料を噴射する燃料噴射弁において、 上記筺体内に固定収納され、磁場を発生する電磁コイル
   と、 この電磁コイルにより磁場を印加されると収縮する電気
   −機械変換素子と、 上記弁に固定されるとともに、上記電気−機械変換素子
   により上記弁を上記シート面に押しつけるように配置さ
   れたロッドとを備え、 上記電磁コイルにより上記電気−機械変換素子に磁場を
   印加することにより、上記電気−機械変換素子を収縮さ
   せて開弁することを特徴とする燃料噴射弁。
2. 【請求項２】 請求項１記載の燃料噴射弁において、 上記電気−機械変換素子の周囲をシールするとともに、
   燃料をこのシールされた電気−機械変換素子の外周を通
   ってノズルに流通させることを特徴とする燃料噴射弁。
3. 【請求項３】 請求項１記載の燃料噴射弁において、 上記電気−機械変換素子の上側から附勢力を加える第１
   のバネと、 上記電気−機械変換素子の下側から附勢力を加える第２
   のバネとを備え、 上記第１のバネの附勢力を第２のバネの附勢力より大き
   くすることにより、上記電気−機械変換素子に下向きの
   附勢を与え、上記ロッドを下方に押しつけることを特徴
   とする燃料噴射弁。
4. 【請求項４】 請求項１記載の燃料噴射弁において、 上記電気−機械変換素子の上側に当接する固定板と、 上記電気−機械変換素子の下側に当接する受け板とを備
   え、 上記電気−機械変換素子によって発生した力を上記固定
   板及び受け板により垂直面で受け止めて伝達することを
   特徴とする燃料噴射弁。