JPH10288117A - エンジンの燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 断線時等の通電遮断時の燃料噴射を防止す
る。 【解決手段】 燃圧室３と差圧室８の差圧に応じて変位
する針弁２と、針弁２によって開閉されて燃圧室３の燃
料を噴射する噴口１ａと、燃圧室３と差圧室８を連通す
る絞り通路２０と、ピエゾアクチュエータの伸縮に応じ
て差圧室８を加減圧するピストン１１と、ピストン１１
内部に画成された第２燃圧室３０と、差圧室８と第２燃
圧室３０の差圧に応動するとともに針弁２に連結された
押圧ピストン７と、燃圧室３と第２燃圧室３０とを連通
する連通室１７及び連通路１９手段とを備え、リターン
スプリング４を第２燃圧室３０内に収装して、押圧ピス
トン７を介して針弁２を閉弁方向へ付勢する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、圧電素子または
磁歪素子等のアクチュエータを介して針弁前後の燃料圧
力を変化させることにより針弁を駆動するエンジンの燃
料噴射弁に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から自動車用エンジンに備えられる
燃料噴射弁に、印加電圧に応じて体積変化する圧電素子
や磁界の変化に応じて体積変化する磁歪素子を備えたア
クチュエータによって針弁（弁体）を開弁作動させるも
のが知られており、針弁をこれらアクチュエータにより
駆動することにより、燃料噴射弁の応答性を向上でき、
噴射可能範囲が拡大してエンジンの高出力化に対応でき
るとともに、少量の燃料を安定して噴射することが可能
となってエンジンの燃費低減を図ることができる。

【０００３】このような燃料噴射弁としては、例えば特
開平６−２８０７１１号公報に開示されるものが知られ
ており、アクチュエータとして圧電素子からなるピエゾ
アクチュエータを用いるとともに、針弁の開閉をその前
後差圧に基づいて行うようにしたものである。

【０００４】これについて説明すると、針弁の前後には
燃圧室と差圧室が画成されており、燃圧室には所定の圧
力で燃料が導入され、差圧室は燃圧室とオリフィスによ
り連通されている。針弁背後側の差圧室にはピエゾアク
チュエータが設けられており、このピエゾアクチュエー
タの伸縮により針弁の開閉作動が制御される。すなわ
ち、ピエゾアクチュエータに電圧を印加して伸長させた
状態で針弁前後の燃圧室と差圧室の圧力はオリフィスを
介して均等化されている。

【０００５】このとき針弁はリターンスプリングの張力
により閉弁保持している。この状態からピエゾアクチュ
エータの両極端子を短絡させてピエゾアクチュエータを
瞬時に収縮させると、針弁背後の差圧室の容積が拡大す
る。

【０００６】このとき、差圧室は針弁前方の燃圧室に対
してオリフィスを介して連通しているので、一時的に差
圧室の内圧が低下して針弁の前後に開弁方向の圧力差が
発生する。これにより針弁はリターンスプリングに抗し
て開弁し、噴口が開いて燃料が噴射されることになる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の燃料噴射弁では、ピエゾアクチュエータに
印加される電圧を遮断して針弁を開弁させる構造となっ
ているため、ピエゾアクチュエータに電圧を供給する配
線が断線するなどで供給電圧が低下した場合、ピエゾア
クチュエータが収縮するのに伴って針弁が開弁し、所定
の噴射時期以外で燃料が一時的に噴射されてしまう可能
性があった。

【０００８】そこで、本発明は上記の問題点に鑑みてな
されたものであり、エンジンの燃料噴射弁において、断
線時等の燃料噴射を防止することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】第１の発明は、加圧燃料
が導かれる燃圧室と、燃圧室と差圧室の差圧に応じて変
位する針弁と、針弁によって開閉されて燃圧室の燃料を
噴射する噴口と、燃圧室と差圧室を連通する絞り通路
と、針弁を閉弁方向に付勢する第１の弾性部材と、圧電
素子または磁歪素子から構成されたアクチュエータと、
アクチュエータの伸縮に応じて差圧室の圧力を加減圧す
るピストンとを備えたエンジンの燃料噴射弁において、
前記ピストン内部に画成された第２の燃圧室と、前記差
圧室と第２燃圧室の差圧に応動するとともに、前記針弁
に連結された押圧部材と、前記燃圧室と第２燃圧室とを
連通する連通手段とを備え、前記第１弾性部材は、第２
燃圧室内に収装されて押圧部材を介して針弁を閉弁方向
へ付勢する。

【００１０】また、第２の発明は、加圧燃料が導かれる
燃圧室と、燃圧室と差圧室の差圧に応じて変位する針弁
と、針弁によって開閉され燃圧室の燃料を噴射する噴口
と、燃圧室と差圧室を連通する絞り通路と、針弁を閉弁
方向に付勢する第１の弾性部材と、圧電素子または磁歪
素子から構成されたアクチュエータと、アクチュエータ
の伸縮に応じて差圧室の圧力を加減圧するピストンとを
備えたエンジンの燃料噴射弁において、前記ピストン内
部に画成された第２の燃圧室と、前記差圧室と第２燃圧
室の差圧に応動するとともに、前記針弁の基端と接離可
能な押圧部材と、前記針弁を開弁方向へ付勢する第２の
弾性部材と、前記燃圧室と第２燃圧室とを連通する連通
手段とを備え、前記第１弾性部材は、第２燃圧室内に収
装されて押圧部材を介して針弁を閉弁方向へ付勢する。

【００１１】また、第３の発明は、前記第１または第２
の発明において、前記ピストンの受圧面積Ａ３を押圧部
材の受圧面積Ａ２より大きく設定する。

【００１２】また、第４の発明は、前記第１または第２
の発明において、前記連通手段は、ピストン外周に配設
された一対のシール部材とケーシング内周との間に画成
された連通室と、この連通室に対向するケーシング側に
開口して前記燃圧室と連通する連通路とを備え、前記第
２燃圧室は連通室に面したピストン外周で開口する。

【００１３】また、第５の発明は、前記第１の発明にお
いて、前記第１弾性部材が発生する付勢力を押圧部材が
受ける圧力より小さく設定する。

【００１４】また、第６の発明は、前記第１の発明にお
いて、前記押圧部材は、針弁の基端側に一体的に形成さ
れる。

【００１５】また、第７の発明は、前記第２の発明にお
いて、前記第１弾性部材のバネ定数は第２弾性部材のバ
ネ定数よりも大きく設定する。

【００１６】また、第８の発明は、前記第２の発明にお
いて、前記第１弾性部材が発生する付勢力を押圧部材が
受ける圧力より小さく、かつ、第２弾性部材が発生する
付勢力は針弁が受ける圧力より大きく設定する。

【００１７】

【発明の効果】第１の発明は、噴口を開閉する針弁と、
第１弾性部材に付勢されて差圧室と第２燃圧室の差圧に
応動する押圧部材を直列的に配置するとともに、燃圧室
と第２燃圧室とを連通することにより、圧電素子または
磁歪素子で構成されたアクチュエータへの通電を行う
と、アクチュエータは伸長してピストンは差圧室の容積
を縮小させるため、差圧に応動する押圧部材は第１弾性
部材に抗して第２燃圧室内へ変位して、押圧部材に連結
された針弁が開弁方向へ駆動される。このとき、第２燃
圧室の圧力は上昇しようとするが、連通手段を介して第
２燃圧室内の圧力は燃圧室へ逃げてほぼ等しくなり、押
圧部材に加わる差圧に基づいて駆動することができ、閉
弁駆動するには、通電を遮断してアクチュエータを収縮
させればよく、アクチュエータの収縮に伴ってピストン
は差圧室の容積を拡大する方向へ変位して圧力が低下
し、押圧部材は燃圧室を介して第２燃圧室へ加わる燃圧
と第１弾性部材の付勢力によって、針弁を閉弁させるこ
とができ、この閉弁動作は通電の遮断によって行うこと
ができるため、前記従来例のような所定の噴射時期以外
での開弁を防止するとともに、断線時などの燃料噴射を
防いでフェイルセーフを確保することができる。

【００１８】また、第２の発明は、アクチュエータに駆
動されるピストンの第２燃圧室に収装された押圧部材
を、針弁の端部と接離可能に配設し、針弁には開弁方向
へ付勢する第２弾性部材を設けたため、アクチュエータ
の伸長時には押圧部材の差圧が増大して第１弾性部材を
圧縮しながら針弁から離れるため、針弁は第２弾性部材
によって開弁駆動される一方、アクチュエータの収縮時
には、押圧部材の差圧が減少するため、第１弾性部材に
付勢された押圧部材が第２弾性部材に抗して、針弁を閉
弁することができ、通電遮断時には、必ずアクチュエー
タは収縮するため、所定の噴射時期以外での開弁を防止
するとともに、断線時などの燃料噴射を防いでフェイル
セーフを確保することができ、さらに、針弁と押圧部材
を別体とすることで、加工精度を容易に確保して、応答
性の均一化を推進できる。

【００１９】また、第３の発明は、ピストンの受圧面積
Ａ３を押圧部材の受圧面積Ａ２より大きく設定すること
により、圧電素子、磁歪素子からなるアクチュエータの
微少な変位を拡大して針弁を開閉するストロークを確保
することができる。

【００２０】また、第４の発明は、ピストン外周に配設
された一対のシール部材とケーシング内周との間に連通
室を画成し、第２燃圧室は連通室に面したピストン外周
で開口することで連通室に接続され、さらに、連通室に
対向するケーシング側には燃圧室と連通する連通路を開
口させることで、摺動するピストン内部の第２燃圧室と
針弁側の燃圧室を連通させて、ピストン変位時の第２燃
圧室の圧力変動を燃圧室側へ逃がして、押圧部材は差圧
に応じて円滑に作動することができる。

【００２１】また、第５の発明は、前記第１の発明にお
いて、第１弾性部材が発生する付勢力を押圧部材が受け
る圧力より小さく設定したため、差圧室の内圧が上昇し
たときに、押圧部材は第１弾性部材に抗して変位でき、
針弁を確実に開弁することができる。

【００２２】また、第６の発明は、押圧部材は針弁の基
端側に一体的に形成されるため、押圧部材の変位が針弁
の変位となり、燃料噴射弁の応答速度を向上させること
ができる。

【００２３】また、第７の発明は、第１弾性部材のバネ
定数は第２弾性部材のバネ定数よりも大きいため、アク
チュエータの非通電時には、第１弾性部材は押圧部材を
介して第２弾性部材に抗して針弁を閉弁させることがで
きる。

【００２４】また、第８の発明は、第１弾性部材が発生
する付勢力を押圧部材が受ける圧力より小さく、かつ、
第２弾性部材が発生する付勢力は針弁が受ける圧力より
大きく設定することで、差圧室の圧力が増大した場合に
は、第１弾性部材に抗して押圧部材を変位させるととも
に、第２弾性部材によって針弁の開弁を行うことができ
る。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を筒内噴射式火花点
火エンジンに配設される燃料噴射弁に適用した一実施形
態を添付図面に基づいて説明する。

【００２６】図１において、燃料噴射弁はケーシング９
の先端部には、図示しないエンジンの燃焼室に臨ませる
ノズルボディ１が設けられ、このノズルボディ１は先端
に開口した噴口１ａから、燃料噴霧を燃焼室内へ向けて
噴射するように構成される。

【００２７】ノズルボディ１の内部には、噴口１ａ側に
弁体２ａを形成する一方、他端にロッド部２ｃを形成し
た針弁２が摺動可能に収装され、ノズルボディ１の内部
には針弁２のまわりに燃圧室３が画成され、噴口１ａは
針弁２によって開閉される。

【００２８】針弁２は基端側（図中右側）のロッド部２
ｃをケーシング９のほぼ中程に、設けた隔壁９ａの貫通
孔９ｂで摺動自由に支持されており、針弁２の途中には
フランジ状の大径部２ｂが設けられる。なお、ロッド部
２ｃと貫通孔９ｂの間には間隙などで形成された絞り通
路（オリフィス）２０が設けられ、燃圧室３に供給され
た燃料は、この絞り通路２０を介して後述する差圧室８
へ供給される。

【００２９】隔壁９ａに当接するノズルボディ１の基端
側には、燃料入口６と連通する燃圧室３が針弁２を取り
囲むように画成され、大径部２ｂはこの燃圧室３内周と
の間に所定の間隙を形成し、燃圧室３の底部と大径部２
ｂの弁体２ａ側には、針弁２を開弁方向へ付勢する第２
弾性部材としての予圧スプリング５が介装される。

【００３０】さらに、ケーシング９の隔壁９ａよりも基
端側（図中右側）は、筒状に形成されており、内周には
圧電素子からなるピエゾアクチュエータ１０が軸方向
（図中左右方向）へ伸縮自在に配設され、ケーシング９
の開口端（基端）には封止部材１６が配設される。

【００３１】なお、ピエゾアクチュエータ１０は、ＰＺ
Ｔ（チタン酸ジルコン酸鉛）系セラミック、ＰＭＮ（ニ
オブ酸マグネシウム酸鉛）系セラミックなどからなる圧
電素子を円盤状に形成した部材を多数積層し、これら、
各圧電素子間及び両端には図示しない電極が介装され
て、図示しないコントローラからの印加電圧に応じてピ
エゾアクチュエータ１０は、軸方向へ伸縮する。

【００３２】隔壁９ａと対向したピエゾアクチュエータ
１０の先端には、ピストン１１が固設され、このピスト
ン１１と隔壁９ａの間には差圧室８が画成される。そし
て、ピストン１１と隔壁９ａとの間には、ピエゾアクチ
ュエータ１０を収縮方向へ付勢する皿バネ状のリターン
スプリング２２が介装される。

【００３３】一方、封止部材１６と対向したピエゾアク
チュエータ１０の基端には板状のスペーサ１４が固設さ
れ、このスペーサ１４と封止部材１６との間にはボール
１５が介装される。このボール１５は、ピエゾアクチュ
エータ１０の軸線上に設けられて、封止部材１６に対す
るピエゾアクチュエータ１０の相対的な回動を許容し、
ピエゾアクチュエータ１０に軸まわりのねじれが発生す
るのを防止する。

【００３４】ここで、差圧室８と対向する側のピストン
１１には第２燃圧室３０が内部に画成され、この第２燃
圧室３０には針弁２の基端と接離可能なロッド部７ａを
備えた押圧部材としての押圧ピストン７が摺動自由に収
装される。

【００３５】この押圧ピストン７には、隔壁９ａの貫通
孔９ｂへ向けて針弁２の基端と接離するロッド部７ａが
突設される一方、第２燃圧室３０と押圧ピストン７との
間には、ロッド部７ａを介して針弁２を閉弁方向へ付勢
する第１弾性部材としてのリターンスプリング４が介装
される。また、押圧ピストン７の外周とピストン１１の
内周の間には間隙などで構成された絞り通路（オリフィ
ス）２１が設けられる。

【００３６】リターンスプリング４は針弁２を開弁側へ
付勢する予圧スプリング５に対向して閉弁させるもの
で、リターンスプリング４のバネ定数をＫ２、予圧スプ
リング５のバネ定数をＫ１とすると、これらバネ定数の
関係は、 Ｋ１＜Ｋ２ ………（１） として設定される。

【００３７】ピエゾアクチュエータ１０の先端に設けら
れてケーシング９内を摺動するピストン１１の外周に
は、軸方向へ所定の間隔で一対のＯリング１２、１２が
設けられ、ピストン１１外周とケーシング９内周との間
には、これらＯリング１２、１２によって連通室１７が
画成され、ピストン１１の内部の第２燃圧室３０は、こ
の連通室１７と対向するピストン１１外周に開口して連
通する。

【００３８】一方、針弁２を取り囲む燃圧室３は、ケー
シング９内に形成された連通路１９を介して連通室１７
と連通する。この連通路１９は、ピエゾアクチュエータ
１０の最収縮位置から最伸長位置の間で、常時ピストン
１１の側面と対向可能なケーシング９内の所定の位置に
開口しており、ピストン１１の肉厚及びＯリング１２、
１２の配設間隔は、ピエゾアクチュエータ１０のストロ
ークに応じて設定される。

【００３９】次に、針弁２のロッド部２ｃの端面は、ピ
ストン１１と隔壁９ａの間の差圧室８に面しており、こ
のロッド部２ｃ端面の受圧面積をＡ１とし、差圧室８に
面した押圧ピストン７の受圧面積をＡ２、同じく差圧室
８に面したピストン１１の受圧面積をＡ３とすると、次
のように設定される。

【００４０】Ａ１＜Ａ２＜Ａ３ ………（２） また、ピストン１１の外周に配設されてケーシング９内
壁と摺接するＯリング１２、１２は差圧室８を連通室１
７から画成するとともに、連通室１７内の燃料がピエゾ
アクチュエータ１０側及び連通室１７へ漏れるのを防止
する。

【００４１】次に、ケーシング９の所定の側面には、図
示しない燃料供給手段と連通する燃料入口６が開口形成
され、燃料入口６から圧送された加圧燃料は、針弁２を
取り囲む燃圧室３へ流入してから、連通路１９及び連通
室１７を介して、押圧ピストン７背面の第２燃圧室３０
へ供給される。

【００４２】また、差圧室８と燃圧室３及び第２燃圧室
３０との間には、絞り通路２０、２１がそれぞれ形成さ
れるため、加圧燃料が供給されると、これら絞り通路２
０、２１を介して燃圧室３及び第２燃圧室３０から差圧
室８へ徐々に燃料が供給される。

【００４３】ここで、燃料入口６から供給される燃圧を
Ｐ１とし、針弁２の前後差圧、すなわち、差圧室８と燃
圧室３の差圧をΔＰ１とし、押圧ピストン７の前後差
圧、すなわち、差圧室８と第２燃圧室３０の差圧をΔＰ
２とし、また、針弁２を開弁方向へ付勢する予圧スプリ
ング５が発生する付勢力（弾性復元力）をＦ１、対抗す
るリターンスプリング４が発生する付勢力をＦ２とする
と、上記各ピストン７、１１及び針弁２の端面の各受圧
面積Ａ１〜Ａ３と、これらスプリング４、５が発生する
付勢力の関係は次のように設定される。

【００４４】Ｆ１＞ΔＰ１×Ａ１ ………（３） Ｆ２＜ΔＰ２×Ａ２ ………（４） 以上のように構成され、次に作用について説明する。

【００４５】図１は、エンジン停止時における燃料噴射
弁の状態を示しており、図示しないコントローラから電
圧が印加されていないため、ピエゾアクチュエータ１０
は収縮するとともに、リターンスプリング２２によって
付勢されて最収縮位置となっており、このとき、第２燃
圧室３０の容積は最大となって、これと連通する差圧室
８の圧力は低下し、また、燃料入口６へ燃料が圧送され
ないため、燃圧室３及び第２燃圧室３０との圧力は共に
低下し、これら各室の圧力は、絞り通路２０、２１を介
して均一になり、針弁２は、上記（１）式より、リター
ンスプリング４のバネ定数Ｋ２の方が予圧スプリング５
のバネ定数Ｋ１より大きく設定されるため、閉弁方向へ
付勢されて弁体２ａがノズルボディ１のシート部に押し
付けられて閉弁状態を保持することができる。

【００４６】すなわち、リターンスプリング４の付勢力
が針弁２を開弁方向へ付勢する予圧スプリング５に抗し
て、押圧ピストン７のロッド７ａを介して針弁２を閉弁
し、エンジン停止中に噴口１ａから燃料が洩れることが
防止される。

【００４７】エンジンを始動するため、図示しない燃料
供給手段から燃料入口６へ所定の燃圧Ｐ１で燃料が圧送
されると、燃圧室３及びその下流の第２燃圧室３０へ燃
圧Ｐ１が導かれて圧力が上昇する。

【００４８】このとき、加圧燃料が絞り通路２０、２１
を通って差圧室８へ流入し終わるまでの間は、針弁２と
押圧ピストン７に前後差圧がそれぞれ生じる。

【００４９】しかし、燃圧室３と第２燃圧室３０には等
しく燃圧Ｐ１が加わるとともに、針弁２がリターンスプ
リング４と予圧スプリング５の付勢力（バネ定数）の差
によって、押圧ピストン７がロッド部７ａを介して針弁
２をノズルボディ１のシート部へ押し付けることによ
り、所定の噴射時期以外での針弁２が開弁するのを確実
に防止できる。

【００５０】エンジン始動時および始動後における燃料
噴射弁の開弁動作は、ピエゾアクチュエータ１０がエン
ジン回転に同期して印加される電圧に応じて、また、リ
ターンスプリング２２に抗して伸長駆動することで行わ
れる。

【００５１】ピエゾアクチュエータ１０の伸長に伴っ
て、ピストン１１が差圧室８の容積を縮小する方向（隔
壁９ａ側）へ移動し、差圧室８の圧力は急上昇し、同時
に、針弁２を付勢している押圧ピストン７に対してピス
トン１１が隔壁９ａ側へ変位するため第２燃圧室３０の
容積も縮小して、第２燃圧室３０の圧力も上昇しようと
するが、第２燃圧室３０内の圧力は連通室１７、連通路
１９を介して燃圧室３へ逃げることができるため、燃圧
室３と第２燃圧室３０の圧力はほぼ等しくなる。

【００５２】このとき、差圧室８の圧力は燃圧室３と第
２燃圧室３０の圧力よりも増大するため、押圧ピストン
７の前後差圧ΔＰ２はリターンスプリング４に抗して増
大しするため、上記（４）式より押圧ピストン７は針弁
２のロッド部２ｃから離れてリターンスプリング４の圧
縮方向へ変位する。

【００５３】一方、針弁２の前後差圧ΔＰ１も差圧室８
の圧力増大に伴って大きくなり、この前後差圧は針弁２
の閉弁側に作用するが、上記（３）より予圧スプリング
５の付勢力Ｆ１が針弁２の端面に作用する油圧力ΔＰ１
×Ａ１より大きく、また、押圧ピストン７のロッド部７
ａが針弁２のロッド部２ｃの端面から離れて、針弁２の
変位が許容されているため、針弁２は開弁して噴口１ａ
を介して燃圧室３内の燃料が噴射される。

【００５４】次に、燃料噴射弁の閉弁動作は、ピエゾア
クチュエータ１０への電圧の印加を遮断して収縮駆動さ
せることにより行われる。

【００５５】ピエゾアクチュエータ１０は電圧の遮断に
よって収縮するとともに、リターンスプリング２２の付
勢力によって最収縮位置まで変位する。

【００５６】ピエゾアクチュエータ１０の収縮に伴っ
て、ピストン１１が差圧室８の容積を増大する方向（封
止部材１６側）へ移動し、差圧室８の内圧は容積の急増
に伴って急減圧する。

【００５７】この、差圧室８の急減圧によって、押圧ピ
ストン７に加わる前後差圧ΔＰ２も減少するため、リタ
ーンスプリング４が発生する付勢力Ｆ２の方が大きくな
ると、第２燃圧室３０を圧縮していた押圧ピストン７
は、リターンスプリング４の付勢力Ｆ２に応じて針弁２
側へ変位し、第２燃圧室３０の容積を拡大させながら、
ロッド部７ａが針弁２のロッド部２ｃの押圧を開始す
る。

【００５８】このとき、押圧ピストン７の針弁２側への
変位に伴って第２燃圧室３０の圧力も減少しようとする
が、第２燃圧室３０は連通室１７、連通路１９を介して
燃圧室３と連通しているため、所定の燃圧Ｐ１が加わる
ため、燃圧室３と第２燃圧室３０の圧力はほぼ等しくな
る。

【００５９】ピエゾアクチュエータ１０が最収縮位置に
達する頃には、差圧室８の圧力が最も減少して、リター
ンスプリング４に付勢される押圧ピストン７は、上記
（１）式より、バネ定数の差と第２燃圧室３０に加わる
燃圧Ｐ１によって予圧スプリング５に抗して針弁２を閉
弁させることができ、弁体２ａがノズルボディ１のシー
ト部に当接して噴口１ａを封止することで、燃圧室３か
ら燃焼室への燃料噴射が停止する。

【００６０】上記閉弁動作は、ピエゾアクチュエータ１
０への通電経路の断線等で、電圧の印加が遮断された場
合にも同様に作動するため、電気系統の故障時のフェイ
ルセーフを確保することができるのである。

【００６１】こうして、ピエゾアクチュエータ１０に駆
動されるピストン１１内に画成した第２燃圧室３０内
に、針弁２と直列的に配置した押圧ピストン７を摺動自
由に収装し、この第２燃圧室３０をピストン１１外周に
画成した連通室１７から連通路１９を介して加圧燃料が
供給される燃圧室３と連通させるとともに、針弁２を開
弁方向に付勢する予圧スプリング５と、押圧ピストン７
を介して針弁２を閉弁させるリターンスプリング４のバ
ネ定数Ｋ１、Ｋ２を上記（１）式のように設定するとと
もに、各受圧面積Ａ１〜Ａ３及び油圧力と付勢力Ｆ１、
Ｆ２の関係を上記（２）〜（４）式のように設定するこ
とで、ピエゾアクチュエータ１０の微少な変位によって
差圧室８と押圧ピストン７及び針弁２の端面との間に差
圧を発生させることで、針弁２を開閉駆動することが可
能となり、ピエゾアクチュエータ１０の伸長時にのみ針
弁２が開弁する一方、ピエゾアクチュエータ１０への通
電が遮断された際には、ピエゾアクチュエータ１０が収
縮することで確実に燃料の噴射を中止することができ、
ピエゾアクチュエータ１０の駆動回路等が故障した際に
所定の噴射時期以外での噴射を確実に防止してフェイル
セーフを確保することができるのである。

【００６２】また、針弁２と押圧ピストン７を別体とす
ることで、加工精度を容易に確保することが可能となっ
て、安定した応答性の確保と製造コストの低減を両立さ
せることができるのである。

【００６３】また、変位するピストン１１内に画成した
第２燃圧室３０の圧力変動は、ピストン１１の外周に設
けた一対のＯリング１２、１２によって画成された連通
室１７を介して、連通路１９から燃圧室３へ伝達するこ
とで、常時燃圧室第２燃圧室３０の圧力を等しく設定す
ることが可能となって、針弁２の開閉駆動を確実に行う
ことができるのである。

【００６４】図２は第２の実施形態を示し、前記第１実
施形態の押圧ピストン７を針弁２と一体に構成したもの
で、その他の構成は前記第１実施形態と同様である。

【００６５】図２において、針弁２のロッド部２ｃは差
圧室８を挿通して第２燃圧室３０側まで延設され、この
ロッド部２ｃの端部に押圧ピストン７’が取り付けられ
る。

【００６６】この場合も上記（１）式と同様に、リター
ンスプリング４のバネ定数Ｋ２の方が予圧スプリング５
のバネ定数Ｋ１よりも大きく設定され、また、押圧ピス
トン７’及びピストン１１の受圧面積の関係も上記
（２）式と同様に、 Ａ２＜Ａ３ ………（２’） として設定される。

【００６７】そして、リターンスプリング４が発生する
付勢力Ｆ２は上記（４）式と同様であり、押圧ピストン
７’の前後差圧とバネ定数Ｋ１、Ｋ２の関係に応じて針
弁２の開閉駆動が行われる。

【００６８】エンジン停止時ではコントローラから電圧
が印加されていないため、ピエゾアクチュエータ１０は
収縮するとともに、リターンスプリング２２によって付
勢されて最収縮位置となっており、燃圧室３、差圧室８
及び第２燃圧室３０の圧力は、絞り通路２０、２１を介
して均一になり、針弁２は、上記（１）式より、リター
ンスプリング４のバネ定数Ｋ２の方が予圧スプリング５
のバネ定数Ｋ１より大きく設定されるため、閉弁方向へ
付勢されて弁体２ａがノズルボディ１のシート部に押し
付けられて閉弁状態を保持することができ、エンジン停
止中に噴口１ａから燃料が洩れることが防止される。

【００６９】エンジンを始動するため、図示しない燃料
供給手段から燃料入口６へ所定の燃圧Ｐ１で燃料が圧送
されると、燃圧室３及びその下流の第２燃圧室３０へ燃
圧Ｐ１が導かれて圧力が上昇する。

【００７０】このとき、加圧燃料が絞り通路２０、２１
を通って差圧室８へ流入し終わるまでの間は、針弁２と
押圧ピストン７’に前後差圧がそれぞれ生じるが、燃圧
室３と第２燃圧室３０には等しく燃圧Ｐ１が加わるとと
もに、リターンスプリング４が押圧ピストン７’を介し
て針弁２をノズルボディ１のシート部へ押し付けること
により、所定の噴射時期以外での針弁２が開弁するのを
確実に防止できる。

【００７１】エンジン始動時および始動後における燃料
噴射弁の開弁動作は、ピエゾアクチュエータ１０がエン
ジン回転に同期して印加される電圧に応じて行われ、ピ
エゾアクチュエータ１０がリターンスプリング２２に抗
して伸長すると、ピストン１１が差圧室８の容積を縮小
する方向へ移動して、差圧室８の圧力は急上昇し、同時
に、針弁２を付勢している押圧ピストン７’に対してピ
ストン１１が隔壁９ａ側へ変位するため第２燃圧室３０
の容積も縮小して、第２燃圧室３０の圧力も上昇しよう
とするが、第２燃圧室３０内の圧力は連通室１７、連通
路１９を介して燃圧室３へ逃げて、燃圧室３と第２燃圧
室３０の圧力はほぼ等しくなる。

【００７２】したがって、差圧室８の圧力は燃圧室３と
第２燃圧室３０の圧力よりも増大するため、押圧ピスト
ン７’の前後差圧ΔＰ２はリターンスプリング４に抗し
て増大し、上記（４）式より押圧ピストン７’はリター
ンスプリング４の圧縮方向へ変位するため針弁２は開弁
して、噴口１ａを介して燃圧室３内の燃料が噴射され
る。

【００７３】次に、燃料噴射弁の閉弁動作は、前記と同
様に、ピエゾアクチュエータ１０への電圧の印加を遮断
して収縮駆動させることにより行われる。ピエゾアクチ
ュエータ１０は電圧の遮断によって収縮するとともに、
リターンスプリング２２の付勢力によって最収縮位置ま
で変位する。

【００７４】ピエゾアクチュエータ１０の収縮に伴っ
て、ピストン１１が差圧室８の容積を増大する方向（封
止部材１６側）へ移動し、差圧室８の内圧は容積の急増
に伴って急減圧する。

【００７５】この、差圧室８の急減圧によって、押圧ピ
ストン７’に加わる前後差圧ΔＰ２も減少するため、リ
ターンスプリング４が発生する付勢力Ｆ２の方が、押圧
ピストン７’に加わる圧力よりも大きくなると、第２燃
圧室３０を圧縮していた押圧ピストン７’は、リターン
スプリング４の付勢力Ｆ２に応じて針弁２側へ変位し、
第２燃圧室３０の容積を拡大させながら針弁２の閉弁を
開始する。

【００７６】ピエゾアクチュエータ１０が最収縮位置に
達する頃には、差圧室８の圧力が最も減少して、リター
ンスプリング４に付勢される押圧ピストン７’は、上記
（１）式より、バネ定数の差によって予圧スプリング５
に抗して針弁２を閉弁させることができ、弁体２ａがノ
ズルボディ１のシート部に当接して噴口１ａを封止する
ことで、燃圧室３から燃焼室への燃料噴射が停止する。

【００７７】こうして、針弁２と押圧ピストン７’を一
体に構成した場合も、前記第１実施形態と同様に、ピエ
ゾアクチュエータ１０の微少な変位を差圧室８の圧力変
化に変換して、針弁２の開閉を確実に行うことができる
とともに、針弁２は押圧ピストン７’に加わる差圧に応
じて迅速に開閉することが可能となり、燃料噴射弁の応
答速度をさらい向上させるとともに、上記閉弁動作は、
ピエゾアクチュエータ１０への通電経路の断線等で、電
圧の印加が遮断された場合にも同様に作動するため、電
気系統の故障時のフェイルセーフを確保することができ
るのである。

【００７８】なお、上記実施形態において、ピストン１
１を駆動するアクチュエータとして圧電素子からなるピ
エゾアクチュエータ１０を採用した場合を示したが、図
示はしないが、磁界の強さに応じて伸縮する磁歪素子を
用いた磁歪アクチュエータまたは超磁歪アクチュエータ
を採用しても同様である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す燃料噴射弁の断面
図。

【図２】第２の実施形態を示す燃料噴射弁の断面図。

【符号の説明】

１ ノズルボディ １ａ 噴口 ２ 針弁 ２ａ 弁体 ２ｂ 大径部 ２ｃ ロッド部 ３ 燃圧室 ４ リターンスプリング（第１弾性部材） ５ 予圧スプリング（第２弾性部材） ６ 燃料入口 ７ 押圧ピストン ７ａ ロッド部 ８ 差圧室 ９ ケーシング ９ａ 隔壁 １０ ピエゾアクチュエータ １１ ピストン １２ Ｏリング １７ 連通室 １９ 連通路 ２０、２１ 絞り通路 ２２ リターンスプリング ３０ 第２燃圧室

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｈ０１Ｌ 41/12 Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｃ (72)発明者 福田 隆 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】加圧燃料が導かれる燃圧室と、 燃圧室と差圧室の差圧に応じて変位する針弁と、 針弁によって開閉され燃圧室の燃料を噴射する噴口と、 燃圧室と差圧室を連通する絞り通路と、 針弁を閉弁方向に付勢する第１の弾性部材と、 圧電素子または磁歪素子から構成されたアクチュエータ
   と、 アクチュエータの伸縮に応じて差圧室の圧力を加減圧す
   るピストンとを備えたエンジンの燃料噴射弁において、 前記ピストン内部に画成された第２の燃圧室と、 前記差圧室と第２燃圧室の差圧に応動するとともに、前
   記針弁に連結された押圧部材と、 前記燃圧室と第２燃圧室とを連通する連通手段とを備
   え、 前記第１弾性部材は、第２燃圧室内に収装されて押圧部
   材を介して針弁を閉弁方向へ付勢することを特徴とする
   エンジンの燃料噴射弁。
2. 【請求項２】加圧燃料が導かれる燃圧室と、 燃圧室と差圧室の差圧に応じて変位する針弁と、 針弁によって開閉され燃圧室の燃料を噴射する噴口と、 燃圧室と差圧室を連通する絞り通路と、 針弁を閉弁方向に付勢する第１の弾性部材と、 圧電素子または磁歪素子から構成されたアクチュエータ
   と、 アクチュエータの伸縮に応じて差圧室の圧力を加減圧す
   るピストンとを備えたエンジンの燃料噴射弁において、 前記ピストン内部に画成された第２の燃圧室と、 前記差圧室と第２燃圧室の差圧に応動するとともに、前
   記針弁の基端と接離可能な押圧部材と、 前記針弁を開弁方向へ付勢する第２の弾性部材と、 前記燃圧室と第２燃圧室とを連通する連通手段とを備
   え、 前記第１弾性部材は、第２燃圧室内に収装されて押圧部
   材を介して針弁を閉弁方向へ付勢することを特徴とする
   エンジンの燃料噴射弁。
3. 【請求項３】前記ピストンの受圧面積Ａ３を押圧部材の
   受圧面積Ａ２より大きく設定したことを特徴とする請求
   項１または請求項２に記載のエンジンの燃料噴射弁。
4. 【請求項４】前記連通手段は、ピストン外周に配設され
   た一対のシール部材とケーシング内周との間に画成され
   た連通室と、この連通室に対向するケーシング側に開口
   して前記燃圧室と連通する連通路とを備え、前記第２燃
   圧室は連通室に面したピストン外周で開口したことを特
   徴とする請求項１または請求項２に記載のエンジンの燃
   料噴射弁。
5. 【請求項５】前記第１弾性部材が発生する付勢力を押圧
   部材が受ける圧力より小さく設定したことを特徴とする
   請求項１に記載のエンジンの燃料噴射弁。
6. 【請求項６】前記押圧部材は、針弁の基端側に一体的に
   形成されたことを特徴とする請求項１に記載のエンジン
   の燃料噴射弁。
7. 【請求項７】前記第１弾性部材のバネ定数は第２弾性部
   材のバネ定数よりも大きく設定したことを特徴とする請
   求項２に記載のエンジンの燃料噴射弁。
8. 【請求項８】前記第１弾性部材が発生する付勢力を押圧
   部材が受ける圧力より小さく、かつ、第２弾性部材が発
   生する付勢力は針弁が受ける圧力より大きく設定したこ
   とを特徴とする請求項２に記載のエンジンの燃料噴射
   弁。