(57)【要約】【課題】  燃料噴射弁の大型化を回避しつつ、ピエゾスタックの変位以上のニードルリフト量を得る燃料噴射装置及び燃料噴射弁を提供することを目的とする。【解決手段】  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１６，２６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ニードル１０と、リターン燃料流通部に含まれるピストン室１４内の燃料の油密室１６，２６への流入を阻んでおり、ニードル１０のオーバーシュートに伴って、油密室１６，２６に充填された燃料の圧力がピストン室１４内の燃料の圧力より低圧となった場合に、ピストン室１４内の燃料を油密室１６，２６へ流入させる逆止弁４０ａと、ニードル１０をオーバーシュートさせるようにピエゾスタック３８に電圧の印加を指令するＥＣＵ２と、を有する。【選択図】図４
2010285909.tif 000002
【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、
リターン燃料流通部内の燃料の前記油密室への流入を阻んでおり、前記ニードルのオーバーシュートに伴って、前記油密室に充填された燃料の圧力が前記リターン燃料流通部内の燃料の圧力より低圧となった場合に、前記リターン燃料流通部内の燃料を前記油密室へ流入させる逆止弁と、
前記ニードルをオーバーシュートさせるように前記ピエゾスタックに電圧の印加を指令する指令手段と、
を有する燃料噴射装置。
【請求項２】
ピエゾスタックと、
外部からの指令に基づいて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、
リターン燃料流通部内の燃料の前記油密室への流入を阻んでおり、外部からの充電に係る指令に基づいて引き起こされる前記ニードルのオーバーシュートに伴って、前記油密室に充填された燃料の圧力が前記リターン燃料流通部内の燃料の圧力より低圧となった場合に、前記リターン燃料流通部の燃料を前記油密室へ流入させる逆止弁と、
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、燃料噴射装置及び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では、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が行われ、燃料が噴射される。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。
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、ニードルのリフト量を連続的に調節する燃料噴射弁が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２３１７７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述した燃料噴射弁において、十分なニードルリフトを確保するために、全長の長いピエゾスタックを利用したり、ニードルの変位を拡大させる機構を利用したりすることがある。
しかしながら、これらの措置を講じた場合、燃料噴射弁自体の大型化が避けられない。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、燃料噴射弁の大型化を回避しつつ、ピエゾスタックの変位以上のニードルリフト量を得る燃料噴射装置及び燃料噴射弁を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる課題を解決するため本発明の燃料噴射装置は、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、リターン燃料流通部内の燃料の前記油密室への流入を阻んでおり、前記ニードルのオーバーシュートに伴って、前記油密室に充填された燃料の圧力が前記リターン燃料流通部内の燃料の圧力より低圧となった場合に、前記リターン燃料流通部内の燃料を前記油密室へ流入させる逆止弁と、前記ニードルをオーバーシュートさせるように前記ピエゾスタックに電圧の印加を指令する指令手段と、を有する燃料噴射装置である。
この構成によれば、ニードルのオーバーシュートが生じ、油密室内に多量の燃料を導入することが可能となるので、ニードルはピエゾスタックの変位以上に変位することが可能となる。
【０００７】
また、本発明の燃料噴射弁は、ピエゾスタックと、外部からの指令に基づいて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、リターン燃料流通部内の燃料の前記油密室への流入を阻んでおり、外部からの充電に係る指令に基づいて引き起こされる前記ニードルのオーバーシュートに伴って、前記油密室に充填された燃料の圧力が前記リターン燃料流通部内の燃料の圧力より低圧となった場合に、前記リターン燃料流通部の燃料を前記油密室へ流入させる逆止弁と、を有する燃料噴射弁である。
この構成によれば、ニードルのオーバーシュートが生じ、油密室内に多量の燃料を導入することが可能となるので、ニードルはピエゾスタックの変位以上に変位することが可能となる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃料噴射弁の大型化を回避しつつ、ピエゾスタックの変位以上のニードルリフト量を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】燃料噴射弁の断面図である。
【図２】ＥＤＵの回路の一例である。
【図３】ピエゾ電圧のタイミングチャート及びニードルリフト量のグラフである。
【図４】燃料噴射弁の動作を例示する部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。
【００１１】
図１は、燃料噴射弁１００の断面図、図２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。
【００１２】
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等から構成されている。ＥＤＵ４は、図２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を含んで構成されている。ＥＣＵ２は本発明の指令手段の一例である。
【００１３】
ＥＤＵ４について図２を参照し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。コンデンサ６０とピエゾスタック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。
【００１４】
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に昇圧されている。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。スイッチＳＷ１が接続され、蓄えられた電荷がピエゾスタック３８に流入する。これにより、ピエゾスタック３８に電圧が印加されて、ピエゾスタック３８は伸張する。スイッチＳＷ２が接続されると、ピエゾスタック３８から電荷が放出される。これによりピエゾスタック３８は放電し、ピエゾスタック３８は収縮する。
【００１５】
図１に戻り、燃料噴射弁１００は、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を備えている。
【００１６】
ニードル１０の先端側は燃料溜り室２８に配置されている。ニードル１０の基端側は、第１制御室２２及び第２制御室２４に配置されている。第１制御室２２及び燃料溜り室２８には、コモンレールと連結した高圧燃料通路３０が接続されている。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。このため、第１制御室２２内の燃料の圧力と燃料溜り室２８内の燃料の圧力とは、ともに高圧燃料通路３０内の燃料の圧力となる。
【００１７】
第２制御室２４には、リターン通路３６が接続されている。また、第２制御室２４には、スプリング４６ｃが設けられている。スプリング４６ａは、ピストン４０を基端側に付勢する力を創出する。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を通じて排出されたり、アクチュエータ室１２に流入したりする。なお、リターン通路３６、第２制御室２４や、後述するアクチュエータ室１２、ピストン室１４、燃料通路４０ｂは本発明のリターン燃料流通部に含まれる。
【００１８】
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ている。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ている。鍔部１１の先端側の面である受圧面１１ａは、第２油密室２６内の燃料からニードル１０を基端側に移動させる力を受ける。鍔部１１の基端側の面である受圧面２４ａは、スプリング４６ｃによってニードル１０を先端側に付勢する力を受ける。したがって、受圧面１１ａ，２４ａが受ける力のバランスが崩れることによって、ニードル１０は基端側へ移動したり、先端側へ移動したりする。ニードル１０が基端側に移動することにより、ニードル１０の先端部がノズルボディ８のシート部１０ｂから離座する。これにより、ノズルボディに形成された噴孔６を通じて燃料が噴射される。
【００１９】
第２油密室２６は、油密通路３４によって第１油密室１６と連通している。第２油密室２６、油密室３４及び第１油密室１６内には、燃料が充填される。第２油密室２６、油密室３４及び第１油密室１６内の燃料の圧力が上昇すると、この圧力に応じた力が受圧面２４ａに作用する。これにより、ニードル１０が基端側に移動する。
【００２０】
リターン通路３６は、ピエゾスタック３８が収納されるアクチュエータ室１２と連通している。アクチュエータ室１２には、リターン通路３６内の燃料が流入する。また、アクチュエータ室１２は、ピストン室１４と連通している。したがって、ピストン室１４には、アクチュエータ室１２内の燃料が流入する。なお、リターン通路３６内の燃料の圧力は、高圧燃料通路３０内の燃料の圧力より低圧となっている。
【００２１】
ピストン室１４には、ピストン４０の上部が配置されている。ピストン４０の上部には、ピエゾスタック３８の下部が当接している。ピストン４０の下部は、第１油密室１６に位置している。このため、ピエゾスタック３８が伸長するとピストン４０が押圧され、ピストン４０は先端側に変位する。そして、ピストン４０が先端側に変位すると、第１油密室１６の体積が縮小し、第１油密室１６内の燃料の圧力が上昇する。
【００２２】
ピストン４０の内部には、燃料通路４０ｂが形成されている。燃料通路４０ｂの一端は、ピストン室１４に開口している。このため、ピストン室１４内の燃料は、燃料通路４０ｂ内に流入する。燃料通路４０ｂの他端には、逆止弁収容部４０ｃが形成されている。そして、逆止弁収容部４０ｃ内には、逆止弁４０ａが収容されている。逆止弁４０ａは、燃料通路４０ｂを第１油密室１６とピストン室１４との圧力差によって閉塞しており、ピストン室１４内の燃料が第１油密室１６内へ流入することを阻止している。この逆止弁４６ａは、第１油密室１６内の圧力がピストン室１４内の圧力より低圧となった場合に開弁する。これにより、燃料通路４０ｂを通じてピストン室１４内の燃料が第１油密室１６内に流入する。
【００２３】
第１油密室１６内の圧力がピストン室１４内の圧力より低圧となる場合としては、例えば、ニードル１０のオーバーシュートが生じ、第２油密室２６の体積が拡張した場合がある。なお、第２油密室２６内の燃料が第２制御室２４内へリークした場合にも、リーク前より第２油密室２６内の燃料の量が減少し、第１油密室１６内の圧力がピストン室１４内の圧力より低圧となり得る。
【００２４】
次に、ピエゾスタック３８に対する印加電圧の制御について説明する。
図３は、ピエゾ電圧のタイミングチャート及びニードルリフト量のグラフである。
【００２５】
ＥＣＵ２は燃料噴射時期や燃料噴射量を判断し、ＥＤＵ４に命令を発信する。ＥＣＵ２からの命令に応じて、ＥＤＵ４はピエゾスタック３８に電圧を印加したり、ピエゾスタック３８を放電したりして、ピエゾスタック３８を駆動する。
【００２６】
図３（ａ）における実線のタイミングチャートは本実施例に係る印加電圧を示している。二点鎖線のタイミングチャートは、比較例に係る印加電圧を示している。実線のタイミングチャートに基づく電圧をピエゾスタック３８に印加することで、ニードル１０はオーバーシュートを繰り返す。
【００２７】
一方、二点鎖線のタイミングチャートは、ニードル１０のオーバーシュートを生じさせない印加電圧である。実線のタイミングチャートと二点鎖線のタイミングチャートとは、ピエゾスタック３８に印加する電圧の大きさ及び印加速度が相違する。
【００２８】
このような電圧印加パターンを採用することにより、ニードル１０のオーバーシュートを生じさせることができる。なお、ニードル１０のオーバーシュートを生じさせることができれば、ピエゾスタック３８への電圧印加パターンは、図３（ａ）に示した電圧印加パターンに限定されない。
【００２９】
タイミングチャートの傾きは、単位時間当たりのピエゾ電圧を示す。充電時において、実線のタイミングチャートの傾きが示すように、本実施例の印加速度は比較例の印加速度より高い。また、本実施例の最高電圧Ｖ１は、比較例の最高電圧Ｖ２より高い。すなわち、本実施例では、比較例に対し、ピエゾスタック３８の充電量が多くなる。言い換えれば、高エネルギーがピエゾスタック３８に与えられる。このように印加速度や印加電圧を高めることで、ニードル１０のオーバーシュートが生じる。したがって、ＥＤＵ４はニードル１０をオーバーシュートさせるだけの印加をピエゾスタック３８に行う。
【００３０】
さらに、図３（ｂ）における実線のグラフは本実施例に係るニードル１０のリフト量を示している。二点鎖線のグラフは、比較例に係るニードル１０のリフト量を示している。図４に示す各グラフと図３に示す各タイミングチャートの線の種類は対応する。
【００３１】
本実施例において、時刻ｔ１にピエゾスタック３８に電圧の印加が開始されると、時刻ｔ２においてニードル１０はリフト量ｈ２となる。すなわち、ニードル１０は比較例におけるリフト量ｈ３を超えてリフトする。なお、リフト量ｈ３からリフト量ｈ２にかけての移動は、印加速度及び印加電圧を高めたことに伴うニードル１０の慣性力によりなされる。
【００３２】
ニードル１０は、その後、時刻ｔ３までリフト量ｈ２を維持する。時刻ｔ３にピエゾスタック３８の放電がなされた場合、時刻ｔ３から時刻ｔ４にかけてニードル１０は先端側に移動し、時刻ｔ４にリフト量が０である状態、すなわち、リフト量ｈ０となる。
【００３３】
そして、時刻ｔ５に再びピエゾスタック３８の印加が開始されると、時刻ｔ５から時刻ｔ６にかけてニードル１０は基端側に移動し、時刻ｔ６にリフト量ｈ１となる。その後、リフト量ｈ１を時刻ｔ７まで維持する。時刻ｔ７にピエゾスタック３８の放電がなされた場合、時刻ｔ７から時刻ｔ８にかけてニードル１０は先端側に移動し、時刻ｔ８にリフト量ｈ０となる。
【００３４】
以上説明したように、実線のタイミングチャートで示した本実施例の電圧印加パターンであれば、ニードル１０のオーバーシュートが生じる。一方、二点鎖線のタイミングチャートで示した比較例の電圧印加パターンであれば、ニードル１０のオーバーシュートは生じない。このように、ピエゾスタック３８への印加電圧を切り替えることにより、ニードル１０のオーバーシュートの制御をすることができる。
【００３５】
ここで、ニードル１０のオーバーシュートが生じた際の燃料の移動について図４を参照して詳しく説明する。
図４は、実施例に係る燃料噴射弁１００の動作を例示する部分断面図である。なお、図４では、図１に示される燃料噴射弁１００の主要な構成要素の符号のみを示す。
【００３６】
図４（ａ）に示すように、時刻ｔ１において、ピエゾスタック３８に電圧が印加される前には、ニードル１０はノズルボディ８のシート部１０ｂに着座し、リフト量ｈ０を維持する。この際の、第１油密室１６、油密通路３４及び第２油密室２６内の燃料の圧力をＰ１とする。また、リターン燃料流通部に含まれる第２制御室２４及びピストン室１４内の燃料の圧力をＰ０とする。圧力Ｐ１は、ニードル１０を基端側に移動させるように鍔部１１に作用する。圧力Ｐ０は、ニードル１０を先端側に移動させるように鍔部１１に作用する。
【００３７】
ここで、図４（ｂ）に示すように、時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけて、ピエゾスタック３８にＥＤＵ４から電圧が印加されると、ピエゾスタック３８は先端方向に伸長する。ピエゾスタック３８の伸長により、ピストン４０は先端側に移動する。ピストン４０が先端側に移動すると、第１油密室１６、油密通路３４及び第２油密室２６内の燃料の圧力が圧力Ｐ１から圧力Ｐ２に上昇する。つまり、ピエゾスタック３８の動作に応じて、受圧面１１ａに作用する第２油密室２６内の燃料の圧力が上昇する。
【００３８】
このように、第２油密室２６内の燃料の圧力が上昇するため、ニードル１０の受圧面１１ａが受ける開弁方向の力は上昇する。開弁方向の力が閉弁方向の力より大きくなると、ニードル１０は基端側に移動する。具体的には、図４（ｂ）に示すように、時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけてニードル１０は基端側に移動する。そして、リフト量ｈ３を経て、時刻ｔ２にピエゾ電圧がＶ１に達し、同図（ｃ）に示すように、リフト量ｈ２となる。すなわち、ニードル１０のオーバーシュートが生じる。
【００３９】
本実施例では、比較例に対し、印加電圧及び印加速度が高い。このため、ニードル１０は勢いよく基端側に移動し始める。そして、ニードル１０は高い慣性力を伴って移動することによりリフト量ｈ３を超えてリフト量ｈ２に到達する。ニードル１０のオーバーシュートはこのようにして生じる。
【００４０】
ニードル１０のオーバーシュートが生じると、第２油密室２６の体積は、オーバーシュートが生じていない場合と比べて、膨張する。これにより、時刻ｔ２における第１油密室１６、油密通路３４及び第２油密室２６内の燃料の圧力Ｐ３は、ピストン室１４内の燃料の圧力Ｐ０より低圧となる。この結果、ピストン室１４内の燃料の圧力と第１油密室１６、油密通路３４及び第２油密室２６内の燃料の圧力とのバランスが崩れ、図４（ｃ）に示すように、燃料通路４０ｂを塞いでいた逆止弁４０ａが開弁する。これにより、ピストン室１４内の燃料が第１油密室１６内に流入する。ピエゾスタック３８には、時刻ｔ３に至るまで電圧Ｖ１の印加が継続される。この結果、ニードル１０はリフト量ｈ２を維持する。
【００４１】
なお、時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけて、ニードル１０が基端側に移動すると、第２油密室２６や第１油密室１６内の燃料は、わずかながら第２制御室２４内にリークし、移動前と比べて減少することがある。このような燃料の減少によっても、第１油密室１６、油密通路３４及び第２油密室２６内の圧力が低圧となる一助となり得る。
【００４２】
次いで、時刻ｔ３においてピエゾスタック３８の放電が開始されると、時刻ｔ３から時刻ｔ４にかけて、ピエゾスタック３８は収縮し、ピストン４０はスプリング４６ａの復元力により基端側に移動する。そして、時刻ｔ４に達すると、図４（ｄ）に示すように、ニードル１０はリフト量ｈ０に戻る。ここで、第１油密室１６、油密通路３４及び第２油密室２６内には、時刻ｔ２から時刻ｔ３にかけてピストン室１４内の燃料が流入している。このため、時刻ｔ１における第１油密室１６、油密通路３４及び第２油密室２６内の燃料の量は、時刻ｔ４における燃料の量より多い。すなわち、過充填状態となる。このため、時刻ｔ１における燃料の圧力Ｐ１より、時刻ｔ４における燃料の圧力Ｐ４の方が高圧となる。
【００４３】
ピエゾスタック３８には時刻ｔ５に至るまで電圧が印加されない。このため、図４（ｄ）に示すように、ニードル１０はリフト量ｈ０を維持する。
【００４４】
次いで、時刻ｔ５から再びピエゾスタック３８に電圧の印加が開始されると、時刻ｔ５から時刻ｔ６にかけて、ニードル１０は基端側に移動する。そして、時刻ｔ６においてピエゾ電圧がＶ１に達すると、ニードル１０はリフト量ｈ１となる。時刻ｔ５の時点で、第１油密室１６、油密通路３４及び第２油密室２６内の燃料は、図４（ｃ）に示す場合と比べて多く、圧力は上昇している。このため、ピストン４０の押圧力が図４（ｂ）や（ｃ）に示す場合と同じであっても、ニードル１０を基端側に移動させるように鍔部１１にさらに強く作用する。これにより、リフト量ｈ１はリフト量ｈ２より高くなる。
【００４５】
すなわち、ニードル１０のオーバーシュートが再び生じ、リフト量ｈ２からリフト量ｈ１まで増加した分の体積は膨張する。この結果、第１油密室１６内の圧力がピストン室１４内の圧力よりも低下し、図４（ｅ）に示すように、燃料通路４０ｂを塞いでいた逆止弁４０ａが再び開弁する。そして、ピストン室１４内の燃料が燃料通路４０ｂを通じて第１油密室１６内に流入する。さらに、第２油密室２６内の燃料が第２制御室２４内にリークする。このため、第１油密室１６、油密通路３４及び第２油密室２６内の燃料の圧力Ｐ５は、リターン通路３６内の燃料の圧力Ｐ０と等圧となる。ピエゾスタック３８に電圧の印加が継続されることで、ニードル１０は、時刻ｔ７に至るまでリフト量ｈ１を維持する。
【００４６】
ここで、時刻ｔ７において放電が開始されると、時刻ｔ８に至るまでピエゾスタック３８は収縮し、ピストン４０はスプリング４６ａの復元力により基端側に移動する。そして、時刻ｔ８になると、ニードル１０は再びリフト量ｈ０となる。
【００４７】
このように、第１油密室１６内にピストン室１４内からの燃料を流入させ、第１油密室１６や第２油密室２６内の燃料の圧力を上昇させた噴射を繰り返すことで、ニードル１０のオーバーシュートが大きくなる。これを繰り返すことで一定量のリフト量に収束する。すなわち、鍔部１１の受圧面１１ａが第２油密室２６から受ける基端側への圧力とスプリング４６ｃによって先端側に付勢する力とが釣り合う位置にリフト量が収束する。
【００４８】
したがって、燃料噴射弁１００の構造を大型化したり、複雑化したりしないでも、ピエゾスタック３８の変位と変位拡大量設計以上のリフト量を得ることができる。特に、本実施例に係る燃料噴射弁１００は電圧の印加態様を変更するだけであるため、製造コストを増加させずに実現できる。
【００４９】
以上、本発明は、上述した実施例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】
【００５０】
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
４０  ピストン
４０ａ  逆止弁
１００  燃料噴射弁
【図１】
2010285909.tif 000003
【図２】
2010285909.tif 000004
【図３】
2010285909.tif 000005
【図４】
2010285909.tif 000006