(57)【要約】【課題】  リフト時のニードルのオーバーシュートによるニードルの油密室内への燃料の流入を抑制し、燃料噴射精度を向上することを目的とする。【解決手段】  燃料噴射弁１００は、ピエゾスタック３８と、ピエゾスタック３８が伸長した場合に、油密室１６、油密室２６に充填された燃料を介して押圧されることにより基端側に変位するニードル１０と、ピストン４２内を貫通するように形成され、油密室１６、２６内へ燃料を供給する燃料通路４３と、油密室１６、２６内の燃料の圧力が低下した場合に燃料通路４３内の燃料の流通を許可するチェック弁４４とを備え、ピエゾスタック３８の伸長に応じてピストン４２が摺動することにより、ピストン４２の摺動面に形成された燃焼通路４３の開口部４３ｂの位置がノズルボディ８の壁面にオーバーラップし、開口部４３ｂの流路面積が変更される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピエゾスタックと、
前記ピエゾスタックが伸長した場合に、油密室内に充填された燃料を介して押圧されることによりノズルボディの基端側に変位するニードルと、
ノズルボディ内部に形成された空間内で摺動し、前記ピエゾスタックが伸長することにより、前記油密室内に充填された燃料を押圧するピストンと、
前記ピストン内部を貫通し、開口部の一つが前記油密室に向けて形成され、他の開口部が前記ピストンの摺動面に形成される燃料通路と、
前記油密室内の燃料の圧力が低下した場合に、前記燃料通路内を通じて、前記油密室内への燃料の流入を許可する開閉弁と、
を有し、
前記ピエゾスタックの伸長に応じて前記ピストンが摺動することにより、前記他の開口部の位置が前記ノズルボディの壁面にオーバーラップして、前記他の開口部の流路面積が変更されることを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項２】
前記ピエゾスタックの伸長により、前記ニードルがオーバーシュートする場合に、前記他の開口部の位置が前記ノズルボディの壁面にオーバーラップして、前記他の開口部が前記ノズルボディの壁面により閉塞されることを特徴とする請求項１記載の燃料噴射弁。
【請求項３】
前記燃料通路は、前記油密室とリターン通路とを連通する通路であって、
前記開閉弁は、前記燃料通路上に配設されて、前記油密室に充填された燃料の圧力が前記リターン通路の燃料の圧力より低圧となった場合に、前記リターン通路の燃料を前記油密室内へ流入させる逆止弁であることを特徴とする請求項１または２記載の燃料噴射弁。
【請求項４】
ピエゾスタックと、
前記ピエゾスタックが伸長した場合に、油密室に充填された燃料を介して押圧されることによりノズルボディの基端側に変位するニードルと、
前記油密室内へ燃料を供給する燃料通路と、
前記油密室内の燃料の圧力が低下した場合に前記燃料通路内を通じて前記油密室内への燃料の流入を許可する開閉弁と、
前記ピエゾスタックの伸長に応じて、前記燃料通路における燃料の流路面積を変更する流路面積変更手段と、
を有する燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料噴射弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関のコモンレール式燃料噴射システムは、ノズルボディ内部に備えたニードルを動作させることにより燃料噴射弁の噴孔の開閉を行い、燃料を噴射する。燃料噴射弁の開閉状態を制御するアクチュエータとして、電圧の印加に応じて伸縮するピエゾスタックが用いられることがある。
【０００３】
特許文献１には、ピエゾスタックへの電圧を制御することにより、１噴射期間中の燃料噴射率を制御する燃料噴射弁が開示されている。
【０００４】
特許文献１の燃料噴射弁は、ニードルの第１ガイド軸と、第１ガイド軸よりも大径の第２ガイド軸とを備えている。このニードルの第１ガイド軸と、第２ガイド軸との段差により形成される下向きの受圧面は、電歪アクチュエータ（ピエゾスタック）の変位に応じて圧力変化される制御圧力室（油密室）に連通または露呈されている。したがって、電歪アクチュエータが変位することにより油密室内の圧力が変化し、ニードルに加わる圧力が上昇してニードルがリフトする。また、噴射燃料通路からこの油密室へ燃料を導入できる構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２００９８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、このような燃料噴射弁のニードルは、ニードルに加わる燃料の圧力とスプリングの付勢力とによりバランスを取っている。ニードルのリフトは、ニードルに加わる燃料の圧力を制御することにより制御される。このため、ニードルに加わる燃料の圧力が急激に変化するような場合、電歪アクチュエータの変位量（ピエゾスタックの伸長量）に対して、ニードルのリフト量が大きくなることがある（以下、「オーバーシュート」と称する）。
【０００７】
このような燃料噴射弁において、ニードルがオーバーシュートする場合、ニードルのリフトを制御する油密室内の油圧が低下する。これにより、油密室内が負圧となり、油密室内へ燃料が供給される。この結果、油密室内の燃料が過多となるため、ニードルがオーバーシュートした位置から戻りにくくなり、噴射の精度が低下する。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、リフト時のニードルのオーバーシュートによる油密室内への燃料の流入を抑制し、燃料噴射精度を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
かかる課題を解決するため本発明の燃料噴射装弁は、ピエゾスタックと、前記ピエゾスタックが伸長した場合に、油密室内に充填された燃料を介して押圧されることによりノズルボディの基端側に変位するニードルと、ノズルボディ内部に形成された空間内で摺動し、前記ピエゾスタックが伸長することにより、前記油密室内に充填された燃料を押圧するピストンと、前記ピストン内部を貫通し、開口部の一つが前記油密室に向けて形成され、他の開口部が前記ピストンの摺動面に形成される燃料通路と、前記油密室内の燃料の圧力が低下した場合に、前記燃料通路内を通じて、前記油密室内への燃料の流入を許可する開閉弁と、を有し、前記ピエゾスタックの伸長に応じて前記ピストンが摺動することにより、前記他の開口部の位置が前記ノズルボディの壁面にオーバーラップして、前記他の開口部の流路面積が変更されることを特徴とする。
【００１０】
このような構成とすることにより、ピエゾスタックが伸長した場合に、燃料通路の流路面積を狭め、油密室内へ流入する燃料量を減少することができる。このため、ニードルのリフト時において油密室内の燃料の圧力が低下する場合、油密室内の燃料の増加を抑制することができる。これにより、油密室内の燃料の増加が抑制され、ニードルのリフト制御が安定し、燃料の噴射精度を向上することができる。
【００１１】
また、このような燃料噴射弁は、前記ピエゾスタックの伸長により、前記ニードルがオーバーシュートする場合に、前記他の開口部の位置が前記ノズルボディの壁面にオーバーラップして、前記他の開口部が前記ノズルボディの壁面により閉塞される構成とすることができる。
【００１２】
このような構成とすることにより、ニードルがオーバーシュートして、油密室内の燃料の圧力が低下するような場合に、油密室への燃料の流入が抑制され、油密室の燃料の増加を抑制することができる。この結果、ニードルのリフト制御をより安定させて、燃料の噴射精度を向上することができる。特に、油密室内の燃料の圧力低下が大きいニードルのオーバーシュート時において、油密室内への燃料の流入が抑制されるため、噴射精度が維持される。
【００１３】
このような燃料噴射弁において、前記燃料通路は、前記油密室とリターン通路とを連通する通路であって、前記開閉弁は、前記燃料通路上に配設されて、前記油密室に充填された燃料の圧力が前記リターン通路の燃料の圧力より低圧となった場合に、前記リターン通路の燃料を前記油密室内へ流入させる逆止弁とすることができる。このような構成とすることにより、リターン通路内の燃料を効率よく利用できる。
【００１４】
また、本発明の燃料噴射弁は、ピエゾスタックと、前記ピエゾスタックが伸長した場合に、油密室に充填された燃料を介して押圧されることによりノズルボディの基端側に変位するニードルと、前記油密室内へ燃料を供給する燃料通路と、前記油密室内の燃料の圧力が低下した場合に前記燃料通路内を通じて前記油密室内への燃料の流入を許可する開閉弁と、前記ピエゾスタックの伸長に応じて、前記燃料通路における燃料の流路面積を変更する流路面積変更手段と、を有することとしても良い。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の燃料噴射装置は、前記ピエゾスタックの伸長に応じて、前記燃料通路に流入する燃料の流路面積を変更することにより、油密室内への燃料の流入を抑制し、燃料噴射精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】燃料噴射弁の断面図である。
【図２】燃料噴射弁のピストンの移動について示した説明図である。
【図３】ＥＤＵの回路の一例である。
【図４】比較例の燃料噴射弁の動作を示した説明図である。
【図５】実施例の燃料噴射弁の動作を示した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１８】
図１は、燃料噴射弁１００の断面図、図２は、燃料噴射弁１００のピストン４２の移動を示した説明図、図３は、ＥＤＵ４の回路の一例である。図１において、燃料噴射弁１００は閉弁状態であり、後述するピエゾスタック３８に電圧は印加されていない。
【００１９】
燃料噴射弁としての燃料噴射弁１００は、図１に示すように、ノズルボディ８を有し、その内部にニードル１０、ピエゾスタック３８、ピストン４２を備える。
【００２０】
ノズルボディ８内には、基端側から先端側へ向けて順に、ピエゾスタック３８が収納されるアクチュエータ室１２、ピストン室１４、第１油密室１６、第１制御室２２、第２制御室２４、第２油密室２６、燃料溜り室２８が設けられている。ノズルボディ８の先端部には、噴孔６が設けられており、燃料溜り室２８内の燃料が噴射される。ノズルボディ８内には、コモンレールと連結した高圧燃料通路３０が設けられている。
【００２１】
また、第１油密室１６と第２油密室２６とは、油密通路３４により連通されている。リターン通路３６はアクチュエータ室１２及び第２制御室２４とに連通されている。アクチュエータ室１２は、ピストン４２の隙間を介してピストン室１４と連通されている。したがって、ピストン室１４はリターン通路３６と連通する。高圧燃料通路３０内の燃料の圧力は、リターン通路３６内の燃料の圧力より高圧となっている。
【００２２】
アクチュエータ室１２には、ピエゾスタック３８が設けられている。ピエゾスタック３８は、後述するＥＤＵ４による電圧の印加により伸長するアクチュエータである。ピエゾスタック３８は、最大ストロークに達するまで、印加電圧が増加するほど伸長する。
【００２３】
ピエゾスタック３８の先端側にはピストン４２が接続されている。ピストン４２は、ピエゾスタック３８の先端側に接続された基端部４２ａと先端部４２ｂと、基端部４２ａと先端部４２ｂとを接続する小径部４２ｃとを備えている。ピストン室１４にはスプリング４６ａが設けられており、スプリング４６ａはピストン４２を基端側に付勢している。ピストン４２の基端部４２ａと小径部４２ｃはピストン室１４に配置され、ピストン４２の先端部４２ｂは、第１油密室１６内に配置されている。
【００２４】
ピストン４２は、ピエゾスタック３８の伸長、収縮に伴い、上下動する。これにより、ピストン４２の先端部４２ｂが、第１油密室１６の内壁に沿って摺動する。また、ピストン４２が上下動することにより、第１油密室１６内に充填された燃料が圧力を受ける。さらに、ピストン４２には、先端部４２ｂの内部を貫通するように燃料通路４３が形成されている。燃料通路４３は、ピストン室１４から、第１油密室１６へ燃料を供給する通路である。
【００２５】
燃料通路４３の開口部４３ａは、第１油密室１６に向けて形成されている。燃料通路４３の他の開口部４３ｂは、ピストン４２の先端部４２ｂの摺動面に形成されている。また、開口部４３ａには、第１油密室１６内の燃料の圧力が低下した場合に、燃料通路４３内を通じて、第１油密室１６内へ流入する燃料の流入を許可するチェック弁４４が設けられている。このチェック弁４４は本発明の開閉弁である。チェック弁４４は、第１油密室１６内に充填された燃料の圧力が低下し、ピストン室１４内に充填された燃料の圧力以下となった場合に開弁し、燃料通路４３内の燃料の流通を許可する。
【００２６】
図２の説明図は、ピストン４２の開口部４３ｂ周辺を拡大して示している。ピエゾスタック３８の収縮時、すなわち、ピストン４２が最も基端側に位置する場合、開口部４３ｂはピストン室１４内に開口し、燃料通路４３内とピストン室１４内とが連通する（図２（ａ））。ピエゾスタック３８へ電圧が印加され、ピエゾスタック３８が伸長し、ピストン４２が先端側へ移動することにより、開口部４３ｂの一部が第１油密室１６を形成する壁面にオーバーラップし、開口部４３ｂの燃料の流路面積が減少する（図２（ｂ））。さらに、ピエゾスタック３８への印加電圧が上昇することにより、ピエゾスタック３８が伸長し、ピストン４２がさらに先端側へ移動する。これにより、開口部４３ｂは、第１油密室１６の壁面にオーバーラップして、第１油密室１６の壁面に閉塞され、ピストン室１４内からの燃料の流入が遮断される（図２（ｃ））。このように形成された開口部４３ｂ、第１油密室１６の壁面は、本発明の流路面積変更手段に相当し、ピエゾスタック３８の伸長に応じて、燃料通路４３に流入する燃料の流路面積を変更する。また、ピエゾスタック３８への印加電圧が除去されることにより、ピストン４２が基端側へ復帰し、開口部４３ｂがピストン室１４に開口する。
【００２７】
図１に示すニードル１０は、ピエゾスタック３８が伸長し、ピストン４２が先端側へ移動した場合、第１油密室１６、油密通路３４、第２油密室２６内に充填された燃料を介して押圧されることによりノズルボディ８の基端側に変位する。
【００２８】
ニードル１０の先端側は燃料溜り室２８に配置される。ニードル１０の基端側は第１制御室２２、第２制御室２４に配置される。第１制御室２２及び燃料溜り室２８には、高圧燃料通路３０が接続される。したがって、第１制御室２２及び燃料溜り室２８には、高圧燃料通路３０を通じて燃料が導入される。第２制御室２４には、リターン通路３６が接続される。また、第２制御室２４には、スプリング４６ｃが設けられている。第２制御室２４には、第１制御室２２や第２油密室２６からリークする燃料が溜る。この燃料は、リターン通路３６を通じて排出される。
【００２９】
ニードル１０の中間に形成された鍔部１１は、第２制御室２４及び第２油密室２６に摺動自在に配置される。つまり、ニードル１０は、ノズルボディ８内に摺動自在に配置される。鍔部１１の先端側の面である受圧面１１ａは、第２油密室２６内の燃料から基端側に付勢する力、言い換えれば、開弁方向の圧力を受ける。鍔部１１の基端側の面である受圧面１１ｂは、第２制御室２４内の燃料から先端側に付勢する圧力、言い換えれば閉弁方向の圧力を受ける。また、鍔部１１の基端側の面である受圧面１１ｂは、スプリング４６ｃからニードル１０を先端側に付勢する力を受ける。さらに、ニードル１０の基端側の受圧面１０ｃは第１制御室２２内の燃料から、先端側に付勢する圧力、言い換えれば閉弁方向の圧力を受ける。
【００３０】
ピエゾスタック３８が伸長し、ピストン４２が先端側へ移動することにより、第１油密室１６、第１油密室１６に連通した油密通路３４、第２油密室２６内の燃料の圧力が上昇する。このため、鍔部１１の先端側の受圧面１１ａが受ける力が増加する。燃料噴射弁１の噴射停止状態では、ニードル１０を先端側に付勢する力が基端側へ付勢する力を上回っている。鍔部１１の先端側の受圧面１１ａが受ける力が増加することにより、ニードル１０を基端側に付勢する力が先端側へ付勢する力を上回ると、ニードル１０が基端側へ移動する。これにより、噴孔６を閉塞していたニードル１０の先端部が噴孔から離間し、噴孔６から燃料が噴射される。
【００３１】
また、図１に示すように、燃料噴射弁１００はＥＤＵ（Electronic Driving Unit）４を介してＥＣＵ（Engine Control Unit）２と接続されている。ＥＣＵ２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等から構成される。ＥＤＵ４は、図３に示すように、コンデンサ６０、抵抗６２及び２つのスイッチＳＷ１、ＳＷ２を含んで構成される。
【００３２】
ＥＤＵ４について具体的に説明すると、ピエゾスタック３８には、コンデンサ６０と抵抗６２とが並列に接続されている。抵抗６２は、ピエゾスタック３８に蓄積された電荷を消費するためのもので、代わりにコンデンサを用いることもできる。コンデンサ６０とピエゾ燃料噴射弁３８との間にはスイッチＳＷ１が直列に接続されている。抵抗６２とピエゾスタック３８との間にはスイッチＳＷ２が直列に接続されている。スイッチＳＷ１，ＳＷ２は、ＥＣＵ２からの指令により開閉する。
【００３３】
コンデンサ６０には、ピエゾスタック３８に付加するための電荷が蓄えられている。コンデンサ６０は、ＥＤＵ４内の昇圧機構により予め所定の電圧が印加されている。コンデンサ６０及びスイッチＳＷ１はピエゾスタック３８に対する充電手段として機能する。抵抗６２及びスイッチＳＷ２は放電手段として機能する。
【００３４】
次に、本実施例の燃料噴射弁１００の作用効果について説明する。初めに、本発明の比較例を説明する。図４に比較例の燃料噴射弁２００の構成を示す。比較例の燃料噴射弁２００は、ピストン４０の構造が異なる点で実施例の燃料噴射弁１００と相違する。比較例のピストン４０は、小径部４０ｃに燃料通路４３の開口部４３ｂが形成されている。すなわち、燃料通路４３の開口部４３ｂが、実施例のピストン４２では、先端部４２ｂに形成されているのに対し、比較例のピストン４０は、小径部４０ｃに形成されている点で相違する。なお、その他の構成は実施例の燃料噴射弁１００と同一であるため、燃料噴射弁１００と同一の構成要素については、その詳細な説明は省略し、後述する図４中では同一の参照番号を付して説明する。
【００３５】
図４は比較例の燃料噴射弁２００の動作を示した説明図である。図４（ａ）は燃料噴射前の燃料噴射弁２００の状態を示し、図４（ｂ）は、燃料噴射時の燃料噴射弁２００の状態を示し、図４（ｃ）は、燃料噴射後の状態を示している。
【００３６】
図４（ａ）の状態において、ピエゾスタック３８に電圧が印加されると、ピエゾスタック３８が伸長し、ピストン４０へ先端向きの力を加えるため、ピストン４０が先端側へ移動する。これにより、第１油密室１６と、第１油密室１６と連通した油密通路３４、及び第２油密室２６内の燃料の圧力が上昇する。第２油密室２６内の燃料の圧力が上昇し、ニードル１０に加わる基端向きの力が先端向きの力を上回ると、ニードル１０がリフトし、燃料が噴射される。なお、このとき、第２油密室２６内の燃料が僅かに第２制御室２４へリークする。
【００３７】
この状態でニードル１０がオーバーシュートした場合、図４（ｂ）の状態へ移行する。ニードル１０がリフトすることにより、第２油密室２６の容積が拡大し、第２油密室２６、油密通路３４、第１油密室１６内の燃料の圧力が低下する。ニードル１０がオーバーシュートする場合には、第２油密室２６と、第２油密室２６と連通する油密通路３４、第１油密室１６の燃料の圧力がさらに低下する。これにより、第１油密室１６に充填された燃料の圧力が、ピストン室１４に充填された燃料の圧力以下となり、チェック弁４４が開弁し、ピストン室１４内から第１油密室１６内へ燃料が流入する。
【００３８】
ピストン室１４から第１油密室１６内へ燃料が流入した後、燃料の噴射の停止指示を受けると、ピエゾスタック３８へ印加されている電圧が除去されてピエゾスタック３８が収縮する。このため、第１油密室１６、油密通路３４、第２油密室２６の圧力が低下して、ニードル１０が基端側へ戻ろうとする。このとき、第１油密室１６、油密通路３４、第２油密室２６には、当初、ピエゾスタック３８へ電圧を印加する前の状態よりも多くの燃料が充填されている（図４（ｃ））。この増加した分の燃料は、リークにより抜け出るが、それには時間を要するため、ニードル１０の基端側へ戻る速度が遅くなり、燃料の噴射制御精度が低下する。なお、燃料噴射開始時に、室内の圧力が上昇した第２油密室２６内の燃料が僅かに第２制御室２４へリークする。しかしながら、噴射停止時には、このリーク量以上にピストン室１４内から第１油密室１６内へ燃料が流入するため、上記のような問題が生ずる。
【００３９】
次に、本実施例の燃料噴射弁１００の動作について説明する。図５は燃料噴射弁１００の動作について示した説明図であって、図５（ａ）は噴射停止時の状態を示し、図５（ｂ）は噴射開始時の状態を示し、図５（ｃ）はニードル１０がオーバーシュートした状態を示し、図５（ｄ）は噴射終了時の状態を示している。
【００４０】
噴射指示のない状態（図５（ａ））から、燃料の噴射指示を受け、ピエゾスタック３８に電圧が印加されると、ピエゾスタック３８が伸長する。ピエゾスタック３８が伸長し、ピストン４２が先端側へ移動することにより、燃料通路４３の開口部４３ｂの一部または全部が第１油密室１６の壁面にオーバーラップする（図５（ｂ））。これにより、ピストン室１４から燃料通路４３へ流入する燃料の流路面積が減少し、第１油密室１６への燃料の流入が抑制される。ニードル１９がオーバーシュートする状況では、開口部４３ｂの全部が第１油密室１６の壁面にオーバーラップし、燃料通路４３への燃料の流入が閉塞される（図５（ｃ））。このため、第２油密室２６との容積が拡張し、第１油密室１６、油密通路３４、第２油密室２６内に充填された燃料の圧力が低下しても、ピストン室１４内から第１油密室１６内へ燃料が供給されない。したがって、この状態から、ピエゾスタック３８に印加した電圧を除去し、ニードル１０が元の位置に戻る際に、第１油密室１６、油密通路３４、第２油密室２６内の燃料が増加していないので、迅速にニードル１０は元の位置に復帰することができる。すなわち、ニードル１０は迅速に着座することができる。このため、燃料の噴射制御の精度を向上することができる。
【００４１】
また、燃料噴射開始時に、室内の圧力が上昇した第２油密室２６内の燃料が僅かに第２制御室２４へリークする。このため、噴射停止後、噴射開始前の元の状態へ戻る際に、第１油密室１６、油密通路３４、第２油密室２６内の燃料の圧力は、リークした燃料に相当する分低下している。すなわち、第１油密室１６に充填された燃料の圧力は、ピストン室１４に充填された燃料の圧力よりも低く、チェック弁４４が開弁する状態である。したがって、噴射停止後に、ピストン４２が基端側へ移動し、開口部４３ｂがピストン室１４に開口することにより、燃料の流路面積が確保され、リークした量に相当する燃料がピストン室１４から第１油密室１６へ供給される（図５（ｄ））。これにより、素早く元の圧力状態に復帰するため、燃料の噴射精度が維持される。
【００４２】
以上、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することが可能である。
【符号の説明】
【００４３】
２  ＥＣＵ
４  ＥＤＵ
６  噴孔
８  ノズルボディ
１０  ニードル
１１  鍔部
１２  アクチュエータ室
１４  ピストン室
１６  第１油密室
２２  第１制御室
２４  第２制御室
２６  第２油密室
２８  燃料溜り室
３０  高圧燃料通路
３４  油密通路
３６  リターン通路
３８  ピエゾスタック
４２  ピストン
４３  燃料通路
４４  チェック弁
１００  燃料噴射弁
【図１】
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【図２】
2010285910.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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