JPH10148164A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】気泡の発生が防止でき、耐腐食性および耐久性
に優れた燃料噴射弁を提供する。 【解決手段】ニードル弁２と圧電素子６との間に圧力室
１２を形成し、圧電素子６の伸縮により圧力室１２内の
作動油の圧力を変化させ、ニードル弁２を開閉動作させ
る燃料噴射弁であり、圧力室１２にニードル弁２の最大
リフトを規制するストッパ部材１０を設け、当該ストッ
パ部材１０のニードル弁２との当接面１０ｂに、少なく
とも１つのスリット１０ａを形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電素子を有する
電歪式アクチュエータにより燃料噴射の制御を行う内燃
機関の燃料噴射弁に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の内燃機関では、レスポンスや燃
費、出力を向上させるといったニーズが高まっており、
このようなニーズに対応することに燃料噴射弁は重要な
役割をもっている。燃料噴射弁は、開閉に要する時間が
短い程、すなわち開閉の応答が良いほど制御性がよく、
また内燃機関の性能も向上する。この開閉を短時間で行
うことができるアクチュエータとして電歪のものが知ら
れているが、この電歪式アクチュエータにより直接弁を
開閉しようとするとリフトを大きくとることができない
という問題があるため、電歪式アクチュエータは弁の開
閉のためのトリガとして用い、実際の弁の開閉およびそ
の開閉状態の維持は油圧によって行う燃料噴射弁が提案
されている。

【０００３】例えば、電歪として高速応答性に優れた圧
電素子を用いることによって、噴射弁のレスポンスの向
上や、低燃費化された場合の少量の燃料噴射量の安定供
給、あるいは高出力化に対応するため噴射可能範囲（ダ
イナミックレンジ）を拡大するといった技術は、特開昭
６２−６７，２７５号公報や特開平４−１７９，８５３
号公報にて提案されており、圧電素子とニードル弁との
間に燃料等の作動油を介在させて、圧電素子の変位をニ
ードル弁に伝達することが開示されている。

【０００４】この種の燃料噴射弁は、圧電素子の変位を
燃料に伝達することによりニードル弁を駆動するもので
あり、ニードル弁のストロークは、開弁時にはニードル
弁の後端部がストッパーに当接することで規定される一
方、閉弁時にはニードル弁がシート部に当接することで
規定される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、特開昭６２
−６７，２７５号公報に示された技術では、当接部の面
積が大きく、ニードル弁が当接する際に、油が圧縮され
てエッジ部を通過するため、いわゆるキャビテーション
等が発生し易い条件となり、気泡が発生したり、耐腐食
性が低下するおそれがある。また、油の圧縮反力により
ニードル弁の作動に遅れが生じるおそれもある。

【０００６】また、特開平４−１７９，８５３号公報に
示されたものは、当接部の面積が小さいため上記の問題
点が発生しにくいものの、当接部の面積が小さいゆえ面
圧が高くなるという問題がある。尤も、この問題は、耐
久性に優れた材料を用いることにより回避可能ではある
が、この場合にはコストが増加するという新たな問題点
が生じる。

【０００７】本発明は、このような従来技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、気泡の発生が防止できると
ともに、油圧縮によるニードル弁の作動遅れを防止で
き、耐腐食性、耐久性および応答性に優れた燃料噴射弁
を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の燃料噴射弁は、ニードル弁と圧電素子との
間に圧力室を形成し、前記圧電素子の伸縮により前記圧
力室内の作動油の圧力を変化させ、前記ニードル弁を開
閉動作させる燃料噴射弁において、前記圧力室に前記ニ
ードル弁の最大リフトを規制するストッパ部材を設け、
当該ストッパ部材の前記ニードル弁との当接面に、少な
くとも１つのスリットを形成したことを特徴とする。

【０００９】また上記目的を達成するために、本発明の
燃料噴射弁は、ニードル弁と圧電素子との間に圧力室を
形成し、前記圧電素子の伸縮により前記圧力室内の作動
油の圧力を変化させ、前記ニードル弁を開閉動作させる
燃料噴射弁において、前記圧力室に前記ニードル弁の最
大リフトを規制するストッパ部材を設け、前記ニードル
弁の前記ストッパ部材との当接面に、少なくとも１つの
スリットを形成したことを特徴とする。

【００１０】本発明の燃料噴射弁では、ニードル弁とス
トッパ部材との当接面の面積を面圧が大きくならず耐久
性の点でも問題のない充分な面積とした上で、ストッパ
部材のニードル弁との当接面、又はニードル弁のストッ
パ部材との当接面に、少なくとも１つのスリットを形成
したので、ニードル弁がストッパ部材に当接する際に、
油が圧縮されても当該油はスリットを通過するため、キ
ャビテーションの発生が抑制される。したがって、気泡
が発生して燃料噴射量が変動したり、腐食により耐久性
が低下することを防止できる。また、油圧縮によるニー
ドル弁の作動遅れが抑制される。

【００１１】本発明の燃料噴射弁は、燃料の噴射口を開
閉し前後の差圧により駆動されるニードル弁と、当該ニ
ードル弁を閉弁方向に付勢してノズルに押圧するバネ手
段と、前記ニードル弁の前後の差圧を発生させる圧電素
子と、前記ニードル弁の最大リフトを規定するストッパ
部材とを有し、ニードル弁とストッパ部材との当接面の
少なくとも一方に、少なくとも１つのスリットが形成さ
れた燃料噴射弁としてさらに具体化できる。

【００１２】

【発明の効果】本発明の燃料噴射弁によれば、高速でし
かも無限に近い回数当接するニードル弁とストッパ部材
との当接面の耐久性を充分に確保した上で、キャビテー
ションによる気泡の発生を防止できるので、燃料噴射量
が安定し内燃機関の性能が向上する。また、油圧縮によ
るニードル弁の作動遅れが防止できるので高応答の噴射
弁が実現できる。また、耐腐食性および耐久性がより向
上し、燃料噴射弁としての信頼性を高めることができ
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１は本発明の燃料噴射弁の実施形
態を示す全体断面図、図２は図１に示す燃料噴射弁の要
部を拡大して示す断面図、図３は図１に示すストッパ部
材を示す正面図および側面図である。また、図４〜図７
は、それぞれ、図１に示すストッパ部材の他の実施形態
を示す正面図および側面図である。

【００１４】図１に示すように、本実施形態の燃料噴射
弁において、ノズル１の一端は、ノズルシート部１ｃ
と、ニードルシート部２ｃとでポペット弁を形成するノ
ズル部であり、燃料噴射のための噴口１ａから、ニード
ル２の開閉に応じて燃料を噴射又は非噴射状態とする。
ノズル１の他端は、ケーシング３との接合部であり、ニ
ードル２の摺動に悪影響を与えない同軸度を１ｄ及び３
ｆで保ちながら溶接等で油密に接合されている。

【００１５】ニードル２は、２ａ及び２ｂで摺動可能に
保持されており、ニードル２の一端には、前記ニードル
シート部２ｃが形成され、他端２ｄは、ニードル２が図
中右方向へ移動した際、ストッパ部材１０と当接するこ
とで、当該ニードル２のストローク量が規定される。

【００１６】また、２ａと１ｂとの摺動部は、本実施形
態では、３０μｍ程度と比較的隙間を大きく形成してあ
り、ニードル２の倒れや座屈等を防止する作用がある。
これに対して、２ｂと３ｇとの摺動部は、燃料通路３ａ
からの燃料を圧力室１２まで導き、かつ圧力室１２の圧
力が瞬時に増減する際には、ごく少量の燃料しか流れな
い程度の若干のクリアランスを保つように形成されてい
る。本実施形態では、このクリアランスを６μｍに設定
している。

【００１７】３は、噴射弁構造体であるケーシングであ
り、一端は前述のとおりノズル１と油密に溶接され、他
端３ｃは、内部部品を挿入するため開口され、部品を挿
入したのち、ケーシングエンド７が溶接により取り付け
られる。

【００１８】また、このケーシング３には、燃料通路３
ａおよび燃料導入部３ｂが設けられており、燃料室１３
と連通している。燃料導入部３ｂは、テーパねじ形状を
なし、燃料配管との接続に用いられる。なお、３ｄは前
記燃料通路３ａを設ける際に使用したドリル加工穴であ
って、通常燃料は流れはない。また、３ｅは、圧電素子
６の配線取出し用孔である。

【００１９】４は、圧電素子６の一端に当接するピスト
ン６ａを図中右方向に付勢する皿バネであり、そのセッ
ト長は、ケーシングエンド７の位置によって調整され
る。５は、圧力室１２と圧電素子６とのシールを保つた
めのＯリングである。６は、噴射弁アクチュエータであ
る圧電素子であり、一端は、ピストン６ａを介して皿バ
ネ４に当接し、他端は、ケーシングエンド７に当接して
セットされている。

【００２０】ピストン６ａは、圧力室１２の圧力を圧電
素子６の伸縮に応じて増減させるためのものであり、前
記Ｏリング５と当該Ｏリング５のはみ出しを防止するた
めのバックアップリング９を外周部に介装する溝が設け
られ、図中左方の燃料が右方の圧電素子６へ流入するの
を防止している。

【００２１】７は、前述のとおりケーシング３の後端部
を形成するケーシングエンドであり、皿バネ４のセット
長及び圧電素子６の長さに応じて、その位置が決定さ
れ、溶接等でケーシング３に接合される。

【００２２】８は、圧電素子６のリード線取出し孔用ブ
ッシュであり、リード線取出し部分の簡単なシールとし
て設定されている。また、圧電素子リード線は、ケーシ
ング３のリード線取出し孔３ｅを貫通し、ブッシュ８を
貫通して、外部へ取り出される。

【００２３】１１は、ニードル２を図中左方向へ付勢す
るコイルバネであり、１２は、ニードル２を駆動するた
めの差圧を発生させる圧力室、１３は、燃料導入部３ｂ
及び燃料通路３ａから導かれた燃料が収容される燃料室
である。

【００２４】次に動作を説明する。内燃機関が停止して
いるときは、コイルバネ１１の付勢力によって、ニード
ル２の先端部２ｃはノズルシート１ｃに押圧され、これ
により燃料がシールされるので燃料の停止状態が保たれ
る。

【００２５】内燃機関の運転が開始される前において
は、図示しない電動高圧燃料ポンプで高圧に圧送され、
同じく図示しない圧力調整器で約５ＭＰａ一定に保たれ
た燃料が、燃料通路３ｂ、３ａを経て、燃料室１３に導
かれる。このとき、燃料室１３内に導かれた燃料は、ニ
ードル２ｂとノズル３ｇの間の隙間を通過し、圧力室１
２まで導かれる。

【００２６】この状態で燃料の圧力の増加度合とコイル
バネ１１との釣り合いを適正に設定している限り、燃料
は噴射されない。これと同時に、圧電素子６に５００Ｖ
の電圧を印加して、約０．５秒程度の時間で伸張させ、
スタンバイを完了する。

【００２７】内燃機関が始動したとき及び始動したのち
においては、ピストン６ａが皿バネ４によって図中右方
向に付勢されているため、圧電素子６に貯まった電荷を
取り除くことにより、当該圧電素子６は、約０．１ｍｓ
の時間で図中右方向へ収縮する。圧力室１２の圧力は、
圧電素子６の駆動前においては、フィード圧の５ＭＰａ
に保たれているが、圧電素子６の収縮によってピストン
３ａが右方向へ約５０μｍ移動するため、圧力室１２の
圧力は、瞬時に約２ＭＰａまで下降する。これにより、
ニードル２の燃料室側と圧力室側のバランスが崩れ、ニ
ードル２はストッパ部材１０に当接するまで移動し、燃
料室１３の燃料が噴口１ａから噴射される。

【００２８】このときの発生差圧は、圧力室１２の容
積、ピストン６ａの径、ニードル差圧作用部により可変
できるため、目的に応じて最適な値を選べばよい。

【００２９】一方、閉弁時の動作については、以下のよ
うになる。すなわち、５００Ｖの電圧を印加することに
より圧電素子６は約５０μｍ伸張するため、圧力室１２
の圧力は、元の圧力５ＭＰａに加えて、ニードル２ｂと
ノズル３ｇとの隙間から圧力室１２内へ流入した燃料分
だけ上乗せした圧力まで上昇する。この圧力上昇とバネ
１１とによってニードル２が閉弁状態となる。

【００３０】以上が噴射弁の基本的動作であるが、上記
の動作の中で、ニードル２がストッパ部材１０に当接す
る際に、図２に示すように燃料の急激な流れが発生する
ため、キャビテーションの発生し易い状況となり、また
高温時には気泡が発生するなどの問題があった。また、
作動油の圧縮によりニードル弁の遅れが生じ、フルリフ
トするまでに時間がかかるという問題があった。

【００３１】このような従来の問題に対処するために、
本実施形態では、図３に示すように、ストッパ部材１０
のニードル２との当接面１０ｂ側に、ニードル２との当
接面積を充分に確保した上で、軸線を通る肉厚の薄いス
リット１０ａを形成している。これにより、ニードル２
がストッパ部材１０に当接したときに、圧力室１２内の
燃料がスリット１０ａに逃げることができるため、キャ
ビテーションや気泡発生の問題が生じない。また、油の
局部的な圧縮も生じない。

【００３２】本発明の燃料噴射弁において、スリット１
０ａは、図３に示す実施形態にのみ限定されず種々に変
更することができる。第２実施形態としては、図４に示
すように、ストッパ部材１０のニードル２との当接面１
０ｂ側に、ニードル２との当接面積を充分に確保した上
で、軸線を通る２本の肉厚の薄いスリット１０ａを形成
している。これにより、ニードル２がストッパ部材１０
に当接したときに、圧力室１２内の燃料がスリット１０
ａに逃げるため、キャビテーションや気泡発生の問題が
生じず、油の局部的な圧縮も生じない。

【００３３】また、第３実施形態としては、図５に示す
ように、ストッパ部材１０のニードル２との当接面１０
ｂ側に、ニードル２との当接面積を充分に確保した上
で、軸線を通る３本の肉厚の薄いスリット１０ａを形成
している。これにより、ニードル２がストッパ部材１０
に当接したときに、圧力室１２内の燃料がスリット１０
ａに逃げるため、キャビテーションや気泡発生の問題が
生じず、油の局部的な圧縮も生じない。

【００３４】第４実施形態としては、図６に示すよう
に、ストッパ部材１０のニードル２との当接面１０ｂ側
に、ニードル２との当接面積を充分に確保した上で、軸
線を通る１本の肉厚の薄いスリット１０ａを形成すると
ともに、外周中心と同軸に周状溝１０ａ’を形成してい
る。この周状溝１０ａ’も本発明にいうスリットであ
る。これにより、ニードル２がストッパ部材１０に当接
したときに、圧力室１２内の燃料がスリット１０ａおよ
び周状溝１０ａ’に逃げるため、キャビテーションや気
泡発生の問題が生じず、油の局部的な圧縮も生じない。

【００３５】第５実施形態としては、図７に示すよう
に、ストッパ部材１０のニードル２との当接面１０ｂ側
に、ニードル２との当接面積を充分に確保した上で、偏
心した４本の肉厚の薄いスリット１０ａを形成してい
る。これにより、ニードル２がストッパ部材１０に当接
したときに、圧力室１２内の燃料がスリット１０ａに逃
げるため、キャビテーションや気泡発生の問題が生じ
ず、油の局部的な圧縮も生じ難い。また偏心したスリッ
ト１０ａを形成したため、ニードル２がストッパ部材１
０に当接したときに、当該ストッパ部材１０に旋回力が
生じ、この旋回力によって当該ストッパ部材１０が次第
に旋回するため、当接面のばらつきによる片あたり等の
問題発生も防止できるという効果もある。

【００３６】なお、以上説明した実施形態は、本発明の
理解を容易にするために記載されたものであって、本発
明を限定するために記載されたものではない。したがっ
て、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技
術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨
である。

【００３７】例えば、以上説明した図３〜図７のスリッ
ト１０ａ，１０ａ’は、いずれもストッパ部材１０のニ
ードル２との当接面１０ｂ側に形成したものであるが、
本発明のスリットはこれに限らず、ニードル２のストッ
パ部材１０との当接面側に形成し、ストッパ部材１０を
平板状とすることも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の燃料噴射弁の実施形態を示す全体断
面図である。

【図２】 図１に示す燃料噴射弁の要部を拡大して示す
断面図である。

【図３】 図１に示すストッパ部材を示す正面図および
側面図である。

【図４】 図１に示すストッパ部材の他の実施形態を示
す正面図および側面図である。

【図５】 図１に示すストッパ部材のさらに他の実施形
態を示す正面図および側面図である。

【図６】 図１に示すストッパ部材のさらに他の実施形
態を示す正面図および側面図である。

【図７】 図１に示すストッパ部材のさらに他の実施形
態を示す正面図および側面図である。

【符号の説明】

２…ニードル弁 ６…圧電素子 １０…ストッパ部材 １０ａ…スリット １０ｂ…ストッパ部材とニードル弁との当接面 １２…圧力室

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ニードル弁と圧電素子との間に圧力室を
   形成し、前記圧電素子の伸縮により前記圧力室内の作動
   油の圧力を変化させ、前記ニードル弁を開閉動作させる
   燃料噴射弁において、 前記圧力室に前記ニードル弁の最大リフトを規制するス
   トッパ部材を設け、当該ストッパ部材の前記ニードル弁
   との当接面に、少なくとも１つのスリットを形成したこ
   とを特徴とする燃料噴射弁。
2. 【請求項２】 ニードル弁と圧電素子との間に圧力室を
   形成し、前記圧電素子の伸縮により前記圧力室内の作動
   油の圧力を変化させ、前記ニードル弁を開閉動作させる
   燃料噴射弁において、 前記圧力室に前記ニードル弁の最大リフトを規制するス
   トッパ部材を設け、前記ニードル弁の前記ストッパ部材
   との当接面に、少なくとも１つのスリットを形成したこ
   とを特徴とする燃料噴射弁。