JPH109084A - 圧電式燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 噴射弁のニードル弁を応答性の高い圧電素子
を適用した場合においても、あらゆる使用温度域で熱膨
張の影響を受けず、圧電素子の変位を有効に使用できる
ようにし、ピエゾ素子を小型化できコストダウンを可能
にすること。 【解決手段】 燃料を噴射するための噴口２９を開閉す
るニードル弁２と、該ニードル弁の閉弁を付勢するとと
もにニードル弁をノズルに押圧するバネ１０と、ニード
ル弁を開弁状態に伸張駆動するピエゾ素子８とを備え、
前記ピエゾ素子８と直列に膨張補正部材９を設け、該線
膨張補正部材の寸法Ｌｘは、ケーシング部線膨張係数を
Ｋｂ、膨張に関係するケーシング部長さをＬｂ、電歪素
子の線膨張係数をＫｐ、電歪素子の長さをＬｐ、線膨張
吸収部材の線膨張係数をＫｘ、線膨張吸収部材の線膨張
係数をＬｘとしたとき、Ｌｘ＝（Ｋｂ×Ｌｂ−Ｋｐ×Ｌ
ｐ）／Ｋｘの関係で構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電式燃料噴射弁
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の内燃機関においてはレスポンスや
燃費、出力の向上のニーズが高まっており、なかでも噴
射弁は重要な役割をもっている。

【０００３】ところで、従来は、高速応答の電歪素子を
用いることによって、噴射弁のレスポンスの向上、また
低燃費化された場合の少量の燃料噴射量の安定供給、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）を拡大する技術が提案されており、例えば図３に示
す特開平２−１１２６６３号公報に示されるものは、噴
射口を有する金属製の弁ケース８０内に同軸的に可動部
材として金属製のニードル弁８１が介挿され、ニードル
弁８１と弁ふたとの間にコイルバネ８２が介挿され、ニ
ードル弁の肩部と弁ケースの先端部との間に中空円筒状
の圧電素子８４がニードル弁８１と同軸に介挿されてい
るものであった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の圧電アクチュエータは、金属製のニードル弁
８１と弁ケース８０との間に、中空円筒状の圧電素子８
４を介挿するものであるため、温度が変化すると、ニー
ドル弁８１および弁ケース８０と圧電素子８４の線膨張
係数の差により、ニードル弁８１のストロークにバラツ
キが生じたり、開弁閉弁に支障をきたすという問題点が
あった。

【０００５】本発明は、このような従来の問題点に着目
してなされたもので、線膨張吸収部材を電歪素子と直列
に配設することにより上記問題点を解決することを目的
としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は上述の課題を解
決するために、図１に示すように、燃料を噴射するため
の噴口を開閉するニードル弁と、該ニードル弁の閉弁を
付勢するとともにニードル弁をノズルに押圧するバネ手
段と、ニードル弁を開弁状態に伸張駆動する電歪素子と
を備え、前記電歪素子と直列に膨張吸収部材を設け、該
線膨張吸収部材の寸法Ｌｘは、ケーシング部線膨張係数
をＫｂ、膨張に関係するケーシング部長さをＬｂ、電歪
素子の線膨張係数をＫｐ、電歪素子の長さをＬｐ、線膨
張吸収部材の線膨張係数をＫｘ、線膨張吸収部材の線膨
張係数をＬｘとしたとき、 Ｌｘ＝（Ｋｂ×Ｌｂ−Ｋｐ×Ｌｐ）／Ｋｘ の関係で構成する。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて詳細に説明する。

【０００８】図２は、本発明の実施の形態を示す図であ
る。

【０００９】まず構成を説明すると、１は噴射弁構造体
であるケーシングであり、一端はニードル座面１ａとニ
ードル弁２の球状先端部２ａとによりポペット弁を形成
しており、ニードル弁の開閉に応じて燃料を噴射、非噴
射状態とする。他端は、内部部品を挿入するため開口し
ており、部品挿入後ケーシングエンド３が溶接により接
続される。またケーシング１内には燃料通路１ｂおよび
約直角に燃料通路１ｃが設けられており、それぞれ連通
している。燃料通路１ｃ部は穴開け加工後に、栓４によ
り一端を閉口してある。また、この栓４は噴射弁内部の
エア抜き口としても使用できる。１ｄはノックピン５用
の穴、１ｅは配線取り出し穴である。

【００１０】２はニードル弁であり、ケーシング１に挿
入された線膨張吸収部材でもある素子端部部材７の円筒
状の穴７ａに摺動可能に、また、ニードル弁他端部２ｂ
の外周部はケーシング１の内周面に摺動可能に保持され
ている。また、ニードル弁２はピエゾ素子８の円筒状の
中心穴、および線膨張補正部材９を若干のクリアランス
を保って貫通し、構成されている。またニードル弁２は
本実施の形態では、チタン合金で構成されており、その
線膨張係数は約８×１０^-6／℃である。本実施の形態で
は線膨張が比較的小さく噴射弁に適用可能な材料として
チタン合金を用いたが他の材料で代用してもかまわな
い。

【００１１】３は、ケーシング１の後端部を形成するケ
ーシングエンドであり、燃料通路３ａおよび３ｂ、ノッ
クピン５用の穴３ｃが設けられている。燃料通路３ａは
テーパねじ形状をなしており、燃料配管の接続に用い
る。

【００１２】４は前記のごとく燃料通路１ｃの栓および
エア抜きである。

【００１３】５はケーシングエンドとケーシングの位置
決め、および燃料通路１ｂ，３ｂの位置決め用ノックピ
ンであり、図２には１本のみが表現されているが、図示
しない断面に更に１本のノックピンが設けられており、
位置決めされている。

【００１４】６は各部の寸法公差を吸収するためのシム
であり、各部寸法にあわせて厚み調整する。

【００１５】本実施の形態では、シム６の材質としてケ
ーシング１と同一の材料を使用しているが、シム材料と
して別の材料を使用するときは、シムの線膨張係数を考
慮すればよい。

【００１６】７は線膨張補正部材９とともに本発明の線
膨張補正部材をなし、ピエゾ素子８の一端を保持する端
板であり、中心部に開口した穴によりニードル弁２を摺
動可能に保持している。端板７の外周部にはＯリング１
２、および内周部にはＯリング１３が設けられ、燃料通
路１ｃより流入した燃料がピエゾ素子８側へ流入するの
を防止している。本実施の形態の場合においては、亜鉛
合金を使用しており、線膨張係数は約４０×１０^-6／℃
である。

【００１７】８はピエゾ素子（電歪素子）であり、例え
ば５００Ｖの電圧を印加したときに約５０ミクロンの変
位が得られる５０ｍｍの素子である。また、この素子の
線膨張係数は約２×１０^-6／℃である。

【００１８】９は端板７と合わせて本発明の線膨張補正
部材であり、ニードル弁２が約中心部を貫通するドーナ
ツ状をなしている。本実施の形態の場合、亜鉛合金を使
用しており、前記したように線膨張係数は約４０×１０
^-6／℃である。

【００１９】１０はニードル弁２を閉弁方向に付勢する
バネであり、使用燃圧が端板７に作用しピエゾ素子８を
介して、ニードル弁２を開弁方向に付勢する力より大き
く設定されており、ピエゾ素子駆動時以外はニードル弁
が開弁状態にならないように考慮してある。

【００２０】１１はケーシング１に設けられた燃料通路
１ｂとケーシングエンド３に設けられた燃料通路３ｂと
を接続する際、燃料を外部に漏れないようシールを行う
Ｏリングであり、ケーシング１に設けられたＯリング溝
１ｆに設置されている。

【００２１】１４はピエゾ素子８のリード線であり、ケ
ーシング１のリード線取り出し穴１ｅを貫通し外部へ取
り出されケーシング１にゴムブッシュもしくは接着剤等
１５等で簡単に固定されている。

【００２２】次に、その動作を説明する。機関停止時に
は、バネ１０の付勢力によりニードル弁２の先端部２ａ
はケーシングシート部１ａに押圧されるため、燃料がシ
ールされ燃料の停止状態を保つ。

【００２３】機関運転時には、図示せぬ高圧燃料ポンプ
で高圧に圧送された燃料を、圧力調整器で約一定に保た
れた燃料が燃料通路３ａ，３ｂ，１ｂ，１ｃを経て燃料
室１６に導かれる。

【００２４】開弁時動作は、ピエゾ素子で５００Ｖの電
圧を印加するとピエゾ素子が５０μｍ伸張するが、ピエ
ゾ素子端板７はシム６により隙間なくケーシング１に保
持されているため、線膨張補正部材９を介してニードル
弁２の端部２ｂを、バネ１０の力に打ち勝って開弁方向
に５０μｍ移動する。このため噴口部ケーシング１の先
端座部１ａとニードル弁２の球状先端部２ａに隙間が生
じ燃料室１６の燃料が噴射弁より噴射される。また、閉
弁時動作は、ピエゾ素子に印加されていた電荷を取り除
くことにより約５０μｍ収縮するためバネ１０の付勢力
により閉弁する。

【００２５】以上が通常の作動であるが、次に噴射弁の
温度が変化した場合の動作を示す。

【００２６】機関の余熱により噴射弁が加熱されると、
ニードル弁リフトに関係するニードルの膨張は、ケーシ
ングとニードルが並んでいる部位では膨張が相殺され、
また、シム６もケーシング材とほぼ同一の線膨張係数で
あるため、端板７のシム６側からニードル弁２端部の線
膨張補正部材９との接触面までの長さであり、本実施の
形態では６０ｍｍである。したがって０℃を基準とする
と、１００℃では６０×８×１０^-6×１００＝４８μｍ
膨張する。

【００２７】また、ピエゾ素子は５０×２×１０^-6×１
００＝１０μｍ膨張する。したがって線膨張吸収部材が
ない場合には、相対的にピエゾ素子が３８μｍ収縮した
ことであるから、ピエゾ素子が５０μｍ変位しても、ニ
ードル弁２は１２μｍしかリフトせず、噴射弁の機能を
果たさない。そこで、線膨張補正部材を亜鉛合金で形成
し、（６０×８×１０^-6−５０×２×１０^-6）／４０×
１０^-6＝９．５ｍｍで構成すれば、膨張分が相殺され５
０ミクロンのピエゾ素子の変位を有効に使用出来るため
問題の発生がない。

【００２８】また、本発明は温度の関数ではないため、
長さを決定すればあらゆる使用温度域で効果が得られ
る。

【００２９】かかる構成においては、内燃機関が運転し
ている場合、噴射弁は運転中の余熱で加熱された状態に
おいては、噴射弁ケーシングを構成する金属材料が線膨
張係数に応じて伸張し、また金属材料に対して線膨張係
数の小さいセラミックで形成された電歪素子は相対的に
収縮する。このとき線膨張補正部材は電歪素子が相対的
に収縮する長さだけ伸張するように構成しているため、
相対位置はほとんど変化しない。

【００３０】また、噴射弁が外気等により冷却された場
合には、噴射弁ケーシングを構成する金属材料が線膨張
係数に応じて収縮し、また金属材料に対して線膨張係数
の小さいセラミックで形成された電歪素子は相対的に伸
張する。このとき線膨張補正部材は電歪素子が相対的に
伸張する長さだけ収縮するため、ニードル弁のストロー
クが安定して得られ、線膨張差に起因する作動不良等を
引き起こすこともない。

【００３１】

【発明の効果】以上説明してきたように、噴射弁のニー
ドル弁を応答性の高い圧電素子を適用した場合において
も、あらゆる使用温度域で熱膨張の影響を受けないた
め、圧電素子の変位を有効に使用できるため、ピエゾ素
子を小型化でき、コストダウンを図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のクレーム対応図である。

【図２】本発明の実施の形態を示す図である。

【図３】従来の圧電式燃料噴射弁を示す図である。

【符号の説明】

１ ケーシング １ａ ニードル座面（ケーシングシート部） １ｂ，１ｃ，３ａ，３ｂ 燃料通路 １ｄ，３ｃ ノックピン用の穴 １ｅ 配線取り出し穴 １ｆ Ｏリング溝 ２ ニードル弁 ２ａ ニードル弁球状先端部 ２ｂ ニードル弁他端部 ３ ケーシングエンド ４ めくら栓およびエア抜き口 ５ ノックピン ６ シム ７ 端板 ８ ピエゾ素子 ９ 線膨張補正部材 １０ バネ １１，１２，１３ Ｏリング １４ リード線 １５ ゴムブッシュもしくは接着剤等 １６ 燃料室

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料を噴射するための噴口を開閉するニ
   ードル弁と、 該ニードル弁の閉弁を付勢するとともにニードル弁をノ
   ズルに押圧するバネ手段と、 ニードル弁を開弁状態に伸張駆動する電歪素子とを備
   え、 前記電歪素子と直列に膨張吸収部材を設け、 該線膨張吸収部材の寸法Ｌｘは、ケーシング部線膨張係
   数をＫｂ、膨張に関係するケーシング部長さをＬｂ、電
   歪素子の線膨張係数をＫｐ、電歪素子の長さをＬｐ、線
   膨張吸収部材の線膨張係数をＫｘ、線膨張吸収部材の線
   膨張係数をＬｘとしたとき、 Ｌｘ＝（Ｋｂ×Ｌｂ−Ｋｐ×Ｌｐ）／Ｋｘ の関係で構成することを特徴とする圧電式燃料噴射弁。