JPH1113584A - エンジンの燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 エンジンの燃料噴射弁において、燃料の二次
噴射や初期噴射を防止する。 【解決手段】 針弁２を噴口１ｂの閉弁方向に付勢する
第一リターンスプリング４と、針弁２の背後に画成され
る背圧室８を拡縮するスプール弁６と、印加される電圧
に応じてスプール弁６を駆動するピエゾアクチュエータ
１０とを備え、スプール弁６は背圧室８を収縮するポジ
ションａにて燃料供給通路３１と背圧室８を連通する一
方、背圧室８を拡張するポジションｂにて燃料供給通路
３１と燃料室３を連通する構成とする。

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、電磁歪アクチュ
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
より針弁を作動させるエンジンの燃料噴射弁に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車用エンジンに備えられる燃料噴射
弁等に、印加電圧に応じて伸張するピエゾアクチュエー
タ（圧電素子）を備え、ピエゾアクチュエータを介して
針弁（弁体）を開弁作動させるものがあった。針弁をピ
エゾアクチュエータにより駆動することにより、燃料噴
射弁の高速応答性が高まり、最大噴射量と最小噴射量の
比（ダイナミックレンジ）が拡大してエンジンの高出力
化に対応できる。また、少量の燃料を安定して噴射でき
るので、エンジンの燃費低減がはかれる。

【０００３】この種の燃料噴射弁として、針弁をその前
後差圧に基づいて開弁させるようにしたものが知られて
いる。針弁の前後には燃料室と差圧室が画成されてお
り、燃料室には所定の圧力で燃料が導入され、差圧室は
燃料室とオリフィスを介して連通されている。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料室と差
圧室の圧力はオリフィスを介して均等化されている。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
されている。この状態からピエゾアクチュエータの両端
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。このとき、
差圧室は針弁前方の燃料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。（この種の燃料噴射弁の公
知例としては、例えば特開平５−９９０９２号公報を参
照。）

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来のこの
ようなピエゾアクチュエータを用いた燃料噴射弁では、
開弁した後針弁がシート部に着座して噴口を閉じるとき
に、噴口の圧力が一時的に増大することに起因して、針
弁がシート部に着座できず一時的にシート部から離れる
ジャンピングを起こして、所定の噴射時期以外で燃料を
再度噴射する二次噴射を起こす可能性があった。

【０００５】また、エンジンの始動時において、燃料ポ
ンプからの燃料はまず燃料室に導かれ、次いでオリフィ
スを介して背圧室に燃料が流入するので、背圧室の圧力
が上昇し終わるまでの間は、針弁の前後に圧力差が生じ
るため、針弁が所定の噴射時期以外でリターンスプリン
グに抗して開弁して燃料が噴射されてしまう初期燃料噴
射を起こす可能性があった。

【０００６】本発明は上記の問題点を鑑みてなされたも
のであり、エンジンの燃料噴射弁において、燃料の二次
噴射や初期噴射を防止することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載のエンジ
ンの燃料噴射弁は、燃料供給通路から燃料室に導かれる
加圧燃料を噴射する噴口と、噴口を開閉する針弁と、針
弁を閉弁方向に付勢する第一リターンスプリングと、針
弁の背後に画成される背圧室を拡縮するスプール弁と、
印加される電圧または磁界に応じてスプール弁を駆動す
る電磁歪アクチュエータとを備え、スプール弁は背圧室
を収縮するポジションａにて燃料供給通路に対して背圧
室を連通し燃料室を遮断する一方、背圧室を拡張するポ
ジションｂにて燃料供給通路に対して燃料室を連通し背
圧室を遮断する構成とするものとした。

【０００８】請求項２に記載のエンジンの燃料噴射弁
は、請求項１に記載の発明において、前記スプール弁を
エンジン始動前にポジションａに保持する構成とした。

【０００９】請求項３に記載のエンジンの燃料噴射弁
は、請求項１または２に記載の発明において、前記電磁
歪アクチュエータの伸縮に応じて拡縮する差圧室を備
え、スプール弁が背圧室と差圧室の圧力差に応じてポジ
ションａとポジションｂの間で移動する構成とした。

【００１０】請求項４に記載のエンジンの燃料噴射弁
は、請求項３に記載の発明において、前記スプール弁を
ポジションａ方向に付勢する第二リターンスプリングを
備えるものとした。

【００１１】

【発明の作用および効果】請求項１に記載の発明におい
て、燃料噴射弁の開弁作動時に、電磁歪アクチュエータ
がスプール弁をポジションｂに切換え、燃料供給通路か
ら導かれる高圧燃料を燃料室に供給する。一方、スプー
ル弁が背圧室の容積を拡大するのに伴って、背圧室と燃
料室に圧力差が発生し、この圧力差により針弁が第一リ
ターンスプリングに抗して噴口を開き、燃料室の高圧燃
料が噴口を通って噴射される。

【００１２】燃料噴射弁の閉弁作動時に、電磁歪アクチ
ュエータはスプール弁をポジションａに切換え、燃料供
給通路と燃料室の連通を遮断して噴口への燃料の供給を
停止する。一方、スプール弁がポジションａに移動する
のに伴って燃料供給通路からの高圧燃料が背圧室に供給
され、背圧室の圧力が直ちに上昇し、背圧室と燃料室の
圧力差および第一リターンスプリングの付勢力により針
弁は噴口を閉じ、燃料の噴射が停止する。

【００１３】針弁が噴口を閉じるときに、燃料室の圧力
が一時的に上昇しようとするが、スプール弁が燃料室へ
の燃料の供給を停止しているとともに、前述したように
背圧室の圧力を高めていることにより、針弁が閉弁後に
再度開弁することなく、所定の噴射時期以外で燃料を噴
射する二次噴射を防止できる。

【００１４】請求項２に記載の発明において、エンジン
始動時に燃料ポンプが駆動されて燃料供給通路に導かれ
る燃料圧力が上昇する際に、スプール弁はポジションａ
に保持されている。燃料ポンプが駆動されるのに伴って
背圧室に導かれる燃料圧力が上昇すると、針弁が閉弁方
向に付勢され、エンジン始動時に所定の噴射時期以外で
針弁が開弁して燃料が噴射されてしまう初期噴射を防止
できる。この結果、エンジンの始動性を高められ、排気
エミッションの悪化を防止することができる。

【００１５】請求項３に記載の発明において、燃料噴射
弁の開弁作動時に、電磁歪アクチュエータが差圧室を拡
張し、差圧室と背圧室の圧力差によりスプール弁がポジ
ションｂに切換わる。

【００１６】燃料噴射弁の閉弁作動時に、電磁歪アクチ
ュエータが差圧室を収縮するのに伴って、差圧室の圧力
が直ちに回復し、差圧室と背圧室の圧力差によりスプー
ル弁がポジションａに切換わる。

【００１７】請求項４に記載の発明において、エンジン
始動前に燃料ポンプが駆動されて燃料供給通路に導かれ
る燃料圧力が上昇するときに、スプール弁は第二リター
ンスプリングの弾性復元力によりポジションａに保持さ
れる。

【００１８】燃料噴射弁の開弁作動時に、電磁歪アクチ
ュエータが差圧室を拡張し、差圧室と背圧室の圧力差に
よりスプール弁が第二リターンスプリングに抗してポジ
ションｂに切換わる。

【００１９】燃料噴射弁の閉弁作動時に、電磁歪アクチ
ュエータがエンジン回転に同期して差圧室を収縮するの
に伴って、差圧室の圧力が直ちに回復し、差圧室と背圧
室の圧力差および第二リターンスプリングの付勢力によ
りスプール弁がポジションａに切換わる。

【００２０】

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

【００２１】図１に示すように、燃料噴射弁７はその先
端に設けられるノズルボディ１を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はエンジンの燃焼室
天井壁から燃焼室に臨み、ノズルボディ１の先端に開口
した噴口１ｂから燃料噴霧をピストンの冠部に向けて噴
出するようになっている。

【００２２】ノズルボディ１の内部に針弁２が摺動可能
に収装される。ノズルボディ１の内部には針弁２のまわ
りに燃料室３が画成される。ノズルボディ１の先端に噴
口１ｂが開口し、噴口１ｂは針弁２によって開閉され
る。

【００２３】図３に示すように、フューエルタンク５９
に貯溜された燃料は、電動モータ５４により駆動される
低圧燃料ポンプ５８を介して吸い上げられ、高圧燃料ポ
ンプ５７に圧送される。

【００２４】エンジン５０により駆動される高圧燃料ポ
ンプ５７は、さらに加圧した燃料を蓄圧室５６へと送
り、蓄圧室５６から各気筒の燃料噴射弁７に燃料を圧送
する。燃料戻し通路５２にはプレッシャレギュレータ５
５が設けられ、蓄圧室５６の余剰燃料をフューエルタン
ク５９へと戻すことで、燃料噴射弁７に導かれる燃料圧
力を所定値以下に保つようになっている。

【００２５】燃料ポンプ５８から圧送される燃料は、燃
料噴射弁内の燃料供給通路３１と第二燃料通路３３を通
って燃料室３に導入され、針弁２のリフトに伴って噴口
１ｂから噴射される。

【００２６】針弁２はその基端側にピストン部２ｃを有
する。ノズルボディ１およびケーシング９とピストン部
２ｃおよび後述するスプール弁６の間には背圧室８が画
成される。

【００２７】燃料室３と背圧室８はピストン部２ｃのま
わりに形成された第一絞り通路（隙間）５を介して連通
する。この背圧室８は第二燃料通路３３とは別に形成さ
れた第一燃料通路３２を介しても燃料供給通路３１から
の燃料を導くことができるようになっている。

【００２８】燃料ポンプ５８から導かれる燃料圧力は、
燃料供給通路３１と第二燃料通路３３を通って背圧室８
に導かれる。

【００２９】針弁２を閉弁方向に付勢する第一リターン
スプリング４が設けられる。第一リターンスプリング４
は針弁２のピストン部２ｃとケーシング９の間に圧縮さ
れた状態で介装され、針弁２と同軸上に配置される。な
お、第一リターンスプリング４が針弁２に付与する弾性
復元力は、針弁２に働く燃焼圧に対抗して針弁２を閉弁
保持できるように設定される。

【００３０】ノズルボディ１の基端とケーシング９の間
にはシム１７が介装される。このシム１７は円盤状に形
成され、シム１７の板厚によって針弁２の最大リフト量
が決まる。

【００３１】ケーシング９の内部には背圧室８を画成す
るスプール弁６が摺動可能に介装される。スプール弁６
はケーシング９の内壁面に摺接する２つのランド部を有
する。

【００３２】スプール弁６はその摺動位置に応じて図１
に示すように燃料供給通路３１と第一燃料通路３２を連
通し、かつ燃料供給通路３１と第二燃料通路３３の連通
を遮断するポジションａと、図２に示すように燃料供給
通路３１と第二燃料通路３３を連通し、かつ燃料供給通
路３１と第一燃料通路３２の連通を遮断するポジション
ｂに切換えられる。

【００３３】スプール弁６を図１に示すポジションａに
保持する第二リターンスプリング１５が設けられる。第
二リターンスプリング１５はスプール弁６とケーシング
９の間にリテーナ２９を介して圧縮された状態で介装さ
れ、スプール弁６と同軸上に配置される。

【００３４】ケーシング９の内部にはスプール弁６との
間に差圧室１６を画成するピストン１１が摺動可能に介
装される。ピストン１１の外周にはＯリング１２が介装
される。Ｏリング１２がケーシング９の円筒状をした内
壁面に摺接することにより、差圧室１６の密封がはかれ
る。

【００３５】ピストン１１を介して針弁２を開閉駆動す
るピエゾアクチュエータ１０が設けられる。ピエゾアク
チュエータ１０は円盤状をした複数のピエゾ素子が、同
じく円盤状をした内部電極を挟んで積層される。

【００３６】ピストン１１はピエゾアクチュエータ１０
の移動端に結合される。ピストン１１はピエゾアクチュ
エータ１０の伸縮動作に伴って変位し、差圧室１６を拡
縮する。

【００３７】ピエゾアクチュエータ１０の固定端には端
板１４が結合される。ケーシング９の開口端にはアジャ
ストプレート２１，２２が取付けられる。端板１４はア
ジャストプレート２１に当接してピエゾアクチュエータ
１０の固定端を支持する。

【００３８】スプール弁６は背圧室８と差圧室１６を仕
切り、背圧室８と差圧室１６の圧力差に応じてポジショ
ンａとポジションｂの間で変位する。

【００３９】背圧室８と差圧室１６はスプール弁６のま
わり形成された第二絞り通路（隙間）２５を介して連通
する。

【００４０】ピエゾアクチュエータ１０が各ピエゾ素子
に印加される電圧が遮断短絡されて収縮すると、差圧室
１６を拡大してその圧力を低下させ、背圧室８との間に
差圧を発生させ、第二リターンスプリング１５に抗して
スプール弁６をポジションｂに移動させる。

【００４１】ピエゾアクチュエータ１０が各ピエゾ素子
に図示しない駆動用アンプから電圧が印加されて伸長す
ると、差圧室１６を収縮して圧力を回復させ、つまりス
プール弁６にかかる差圧を相殺し、第二リターンスプリ
ング１５によりスプール弁６をポジションａに移動させ
る。

【００４２】なお、ピエゾアクチュエータ１０に代えて
印加される磁界の強さに応じて伸縮する超磁歪素子から
なる磁歪アクチュエータを用いてもよい。ここではピエ
ゾアクチュエータと磁歪アクチュエータ等を総称して電
磁歪アクチュエータとする。

【００４３】燃料噴射弁７は、ピエゾアクチュエータ１
０の変位方向とスプール弁６および針弁２の変位方向が
一致しているため、ピエゾアクチュエータ１０とピスト
ン１１とスプール弁６と針弁２および第一、第二リター
ンスプリング４，１５を直列に並べられ、構造の簡素化
がはかれる。

【００４４】コントローラ１９で演算された燃料噴射量
に対応するパルス信号がつくられ、このパルス信号に応
じた電圧が駆動用アンプを介してピエゾアクチュエータ
１０に印加される。

【００４５】コントローラ１９はエンジン５０の回転
数、エンジン５０の吸入空気量を始めエンジン運転条件
を検出する各種信号を入力し、これらのエンジン運転条
件に応じて燃料噴射量を演算する。

【００４６】ピストン１１とケーシング９の間にはリテ
ーナ２９を介して皿バネ状をした与圧スプリング１８が
介装される。ピエゾアクチュエータ１０は与圧スプリン
グ１８によって圧縮荷重が付加された状態で伸縮させる
ので、安定した作動性が確保される。

【００４７】以上のように構成され、次に作用について
説明する。

【００４８】エンジン停止時にピエゾアクチュエータ１
０は収縮し、燃料室３と背圧室８および差圧室１６の圧
力はそれぞれ低下している。このとき針弁２は第一リタ
ーンスプリング４の弾性復元力によりノズルボディ１の
シート部１ａに押し付けられる。

【００４９】エンジン５０の始動に際して燃料ポンプが
駆動されると燃料供給通路３１に導かれる燃料圧力が上
昇する。このとき、図１に示すように、スプール弁６は
第二リターンスプリング１５の弾性復元力によりポジシ
ョンａに保持され、燃料供給通路３１は第一燃料通路３
２に連通するとともに、燃料供給通路３１と第二燃料通
路３３との連通は遮断されている。したがって、燃料ポ
ンプ吐出圧は、まず背圧室８に導かれ、針弁２を閉弁方
向に付勢する。このとき、燃料室３には、燃料圧力が作
用せず、針弁２は第一リターンスプリング４の弾性復元
力とピストン部２ｃに生じる押圧力を合わせた力によっ
てノズルボディ１のシート部１ａに強く押し付けられ
る。これにより、エンジンの始動に際して針弁２が開弁
して燃料が噴射されてしまう初期噴射を防止できる。

【００５０】こうして初期噴射を防止しつつ背圧室８の
圧力が高まるのに伴って第一絞り通路５を介して燃料室
３の圧力が高められ、ピストン部２ｃの前後に生じる燃
料室３と背圧室８の圧力は第一絞り通路５を介して均等
化されている。

【００５１】次に、燃料噴射弁８の開弁動作は、エンジ
ン回転に同期してピエゾアクチュエータ１０に印加され
る電圧が遮断短絡されることにより行われる。

【００５２】このてき、ピエゾアクチュエータ１０は収
縮し、ピストン１１が移動して差圧室１６の容積を拡大
すると、差圧室１６の圧力が低下し、背圧室８との圧力
差によりスプール弁６は第二リターンスプリング１５に
抗してポジションｂに移動する。

【００５３】こうしてスプール弁６がポジションｂに移
動すると、図２に示すように燃料供給通路３１と第一燃
料通路３２の連通が遮断されるとともに燃料供給通路３
１は第二燃料通路３３に連通する。これにより、燃料供
給通路３１から導かれる高圧燃料は第二燃料通路３３を
通って直ちに燃料室３に供給される。

【００５４】一方、スプール弁６が移動するのに伴って
背圧室８の容積が拡大する。このとき、背圧室８は第二
燃料通路３３との連通が遮断されているので、背圧室８
の圧力が低下する。したがって、背圧室８と燃料室３と
の間には圧力差が生じ、針弁２は第一リターンスプリン
グ４に抗して噴口１ｂを開き、燃料室３の高圧燃料がエ
ンジン５０の燃焼室に噴射される。

【００５５】燃料噴射弁７の閉弁作動時は、エンジン回
転に同期して、ピエゾアクチュエータ１０はに電圧が印
加されることにより行われる。

【００５６】このとき、ピエゾアクチュエータ１０は伸
長し、ピストン１１が移動して、差圧室１６の容積が縮
小すると、差圧室１６の圧力が直ちに回復し、差圧室１
６と背圧室８の圧力差および第二リターンスプリング１
５の付勢力によりスプール弁６がポジションａに移動す
る。

【００５７】スプール弁６がポジションａに移動する
と、図１に示すように燃料供給通路３１と第二燃料通路
３３の連通が遮断されるとともに、燃料供給通路３１は
第一燃料通路３２に連通する。これにより、燃料供給通
路３１から導かれる高圧燃料は第一燃料通路３２を通っ
て直接背圧室８に供給され、この高圧燃料は針弁２を閉
弁方向に直ちに押圧することになる。

【００５８】こうして、背圧室８と燃料室３の圧力差お
よび第一リターンスプリング４の付勢力により針弁２が
移動してノズルボディ１のシート部１ａに着座する。針
弁２がシート部に着座することにより、噴口１ｂが閉塞
され、燃料の噴射が停止される。

【００５９】ところで、針弁２がシート部１ａに着座す
る際、スプール弁６は第二燃料通路３３を閉塞して燃料
室３への燃料の供給を停止しているので、閉弁間際にお
ける燃料室３の圧力の上昇を抑えることが可能であり、
背圧室８の圧力が高められていることと相俟って、針弁
２がシート部１ａに着座した後、ジャンピングして再度
開弁することなく、所定の噴射時期以外で燃料を噴射す
る二次噴射を防止できる。また、閉弁時は、背圧室８の
圧力が高められるので、副次的に針弁２の閉弁速度が上
昇し、針弁２の閉弁応答性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態を示し、閉弁時における燃料
噴射弁の断面図。

【図２】同じく開弁時における燃料噴射弁の断面図。

【図３】同じく燃料供給系のシステム図。

【符号の説明】

１ ノズルボディ １ｂ 噴口 ２ 針弁 ２ｃ ピストン部 ３ 燃料室 ４ 第一リターンスプリング ５ 第一絞り通路 ６ スプール弁 ７ 燃料噴射弁 ８ 背圧室 ９ ケーシング １０ ピエゾアクチュエータ １１ ピストン １５ 第二リターンスプリング １６ 差圧室 １８ 与圧スプリング ２５ 第二絞り通路 ３１ 燃料供給通路 ３２ 第一燃料通路 ３３ 第二燃料通路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大木 俊治 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 (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料供給通路から燃料室に導かれる加圧燃
   料を噴射する噴口と、 噴口を開閉する針弁と、 針弁を閉弁方向に付勢する第一リターンスプリングと、 針弁の背後に画成される背圧室を拡縮するスプール弁
   と、 印加される電圧または磁界に応じてスプール弁を駆動す
   る電磁歪アクチュエータとを備え、 スプール弁は背圧室を収縮するポジションａにて燃料供
   給通路に対して背圧室を連通し燃料室を遮断する一方、
   背圧室を拡張するポジションｂにて燃料供給通路に対し
   て燃料室を連通し背圧室を遮断する構成としたことを特
   徴とするエンジンの燃料噴射弁。
2. 【請求項２】前記スプール弁をエンジン始動前にポジシ
   ョンａに保持する構成と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。
3. 【請求項３】前記電磁歪アクチュエータの伸縮に応じて
   拡縮する差圧室を備え、 スプール弁が背圧室と差圧室の圧力差に応じてポジショ
   ンａとポジションｂの間で移動する構成としたことを特
   徴とする請求項１または２に記載のエンジンの燃料噴射
   弁。
4. 【請求項４】前記スプール弁をポジションａ方向に付勢
   する第二リターンスプリングを備えたことを特徴とする
   請求項３に記載のエンジンの燃料噴射弁。