(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルホルダの収容孔の内部に収容され、燃料が満たされた差圧室に先端が臨んだピストンと、このピストンを進退させるアクチュエータと、上記差圧室に臨んだ後面及びこの後面に作用する燃料圧に対向する燃料圧を受ける受圧面を有するニードル弁と、を備え、ピストンの進退により生じるニードル弁前後の差圧により、このニードル弁を進退させて燃料噴孔を開閉する差圧式燃料噴射弁において、
上記アクチュエータをピストン後退方向に予圧する戻りバネと、
上記ピストンと該ピストンを摺動可能に収容するシリンダとの間に介装され、上記差圧室を大気圧側から液密に隔成するシール部材を備え、
このシール部材よりも大気圧側の上記収容室内に上記戻りバネを配設し、
上記アクチュエータとピストンとを別体に構成するとともに、このアクチュエータが通電に応じて伸縮するものであり、
上記戻りバネが、ピストンの後面に当接するアクチュエータの先端の外周縁部に直接当接するものであり、
かつ、上記アクチュエータの先端に当接するピストンの後面が滑らかな球面状に形成されていることを特徴とする差圧式燃料噴射弁。
【請求項２】
上記収容孔は、上記シリンダが上記アクチュエータを収容する収容部よりも小径となっており、これらシリンダと収容部との間に棚部が有段形成され、この棚部上に上記戻りバネが配設されていることを特徴とする請求項１に記載の差圧式燃料噴射弁。
【請求項３】
上記棚部と戻りバネとの間に荷重調整用シムが配設されていることを特徴とする請求項２に記載の差圧式燃料噴射弁。
【請求項４】
上記戻りバネとの干渉を回避するように、上記棚部付近のピストンの後部側が部分的に小径化されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の差圧式燃料噴射弁。
【請求項５】
上記戻りバネが皿バネであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の差圧式燃料噴射弁。
【請求項６】
上記差圧室は、ピストンの先端が臨んだ変圧室と、ニードル弁の後面が臨んだ背圧室と、ピストン先端に対向する変圧室の壁面の略中央に一端が開口し、この変圧室と背圧室とを連通する連通路と、を有し、
上記変圧室の壁面とピストン先端との間の間隙を、上記連通路が開口する中央部が外周側より大きくなるように設定したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の差圧式燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ニードル弁前後の差圧によりニードル弁を進退させて燃料噴孔を開閉する差圧式燃料噴射弁の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平６−２８０７１１号公報には、燃料が満たされた差圧室に先端が臨んだピストンと、この差圧室に後面が臨んだニードル弁と、通電により伸縮してピストンを進退させる電歪アクチュエータ（ピエゾ素子）とを備え、ピストンの進退に応じて生じるニードル弁前後の差圧により、ニードル弁を進退させて燃料噴孔を開閉するように構成した差圧式の燃料噴射弁が開示されている。
【０００３】
また、この差圧式燃料噴射弁では、電歪アクチュエータの収縮方向への移動応答性を向上する目的で、差圧室内に皿バネ（戻りバネ）が配設されている。この皿バネは、ピストンに当接して該ピストン並びに電歪アクチュエータをピストン後退方向へ常時予圧している。
【０００４】
このような差圧式燃料噴射弁は、電歪アクチュエータの通電制御による高精度の燃料噴射時期制御と、ニードル弁の前後に作用する燃料圧を利用した高い燃料噴射圧とを両立できるため、特に燃焼室内に直接燃料を噴射する直噴式ガソリンエンジンのような内燃機関に適している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の差圧式燃料噴射弁では、差圧室内に収容される皿バネによって、差圧室内形状の自由度が小さくなり、差圧室内の容積が必然的に大きくなる。この結果、ピストンのストロークに対する差圧室内の容積変化及び圧力変化が小さくなり、ニードル弁前後の差圧が小さくなるから、ニードル弁のリフト特性、特に応答性が低下してしまう。
【０００６】
また、皿バネの内側と外側で差圧室が隔成される形となるから、皿バネの内側と外側で圧力差を生じ、差圧室内の圧力脈動が大きくなってしまう。
【０００７】
このような差圧室内の圧力脈動がニードル弁へ伝達するのを低減するために、上記特開平６−２８０７１１号公報に記載された差圧式燃料噴射弁では、差圧室内に、ピストンの前進に伴って流路を狭くする絞り部を設けているが、この場合、ニードル弁への圧力伝達効率が低下してしまう。
【０００８】
加えて、差圧室の中で、皿バネとピストン先端との間に隔成される領域の圧力変化は、ニードル弁のストロークに対して寄与度が小さくなる。すなわち、電歪アクチュエータの伸縮による差圧室内の圧力変化効率が実質的に低下してしまう。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで、請求項１の発明は、ノズルホルダの収容孔の内部に収容され、燃料が満たされた差圧室に先端が臨んだピストンと、このピストンを進退させるアクチュエータと、上記差圧室に臨んだ後面及びこの後面に作用する燃料圧に対向する燃料圧を受ける受圧面を有するニードル弁と、を備え、ピストンの進退により生じるニードル弁前後の差圧により、このニードル弁を進退させて燃料噴孔を開閉する差圧式燃料噴射弁において、上記アクチュエータをピストン後退方向に予圧する戻りバネを備え、この戻りバネを差圧室の外側の収容孔内に配設したことを特徴としている。
【００１０】
また、上記ピストンと該ピストンを摺動可能に収容するシリンダとの間に介装され、上記差圧室を大気圧側から液密に隔成するシール部材を備え、このシール部材よりも大気圧側に上記戻りバネを配設したことを特徴としている。
【００１１】
更に、上記アクチュエータとピストンとを別体に構成するとともに、このアクチュエータが通電に応じて伸縮するものであり、上記戻りバネが、ピストンの後面に当接するアクチュエータの先端の外周縁部に直接当接するものであり、かつ、上記アクチュエータの先端に当接するピストンの後面が滑らかな球面状に形成されていることを特徴としている。
【００１２】
請求項６の発明は、上記差圧室は、ピストンの先端が臨んだ変圧室と、ニードル弁の後面が臨んだ背圧室と、ピストン先端に対向する変圧室の壁面の略中央に一端が開口し、この変圧室と背圧室とを連通する連通路と、を有し、上記変圧室の壁面とピストン先端との間の間隙を、上記連通路が開口する中央部が外周側より大きくなるように設定したことを特徴としている。
【００１３】
【発明の効果】
本発明によれば、戻りバネが差圧室の外側に配設されており、戻りバネを差圧室内に配設する必要がないから、差圧室内形状の自由度が大きくなり、差圧室内の容積を効果的に縮小することができる。従って、ピストンのストロークに対する差圧室内の圧力変化、ひいてはニードル弁前後の差圧が大きくなり、ニードル弁のリフト特性、特にその応答性を向上することができる。
【００１４】
また、上述した従来例のように戻りバネを差圧室内に配設することによる圧力脈動の増加並びに差圧室内の圧力変化効率の低下等を生じることもない。
【００１５】
請求項６の発明によれば、連通路がいわゆる絞り部として機能し、変圧室と背圧室との間で伝達される圧力脈動を効果的に低減することができる。加えて、変圧室壁面とピストン先端との間の間隙を、連通路が開口する中央部を外周側よりも大きくしてあるため、変圧室内の圧力変化を効率良く連通路並びに背圧室へ伝達することができ、ニードル弁への圧力伝達効率が向上する。この結果、ニードル弁のリフト特性を向上することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係わる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
図１は、この発明の第１実施例に係わる燃料噴射弁を示す断面図で、図２は図１の要部拡大図である。この燃料噴射弁は、例えば筒内直接噴射式のガソリンエンジンのような内燃機関に好適に使用されるもので、ノズルホルダ１０の先端部に螺合するノズルナット１２によって、先端部に燃料噴孔１４が貫通形成されたノズルボディ１６が固定され、かつ、ノズルホルダ１０の内部に差圧室１８が隔成されている。なお、ノズルボディ１６の外周に凹設された周方向溝には、ノズルホルダ１０の内部壁面との間をシールするＯリング２０が配設されている。
【００１８】
差圧室１８は、アクチュエータとしてのピエゾ素子２１の伸縮に応じて軸方向に進退されるピストン２２の先端２２ａが臨んだ変圧室２６と、ノズルボディ１６の内部に摺動可能に収容されているニードル弁２４の後面２４ａが臨んだ背圧室２８と、変圧室２６と背圧室２８とを連通する連通路３０と、を有している。つまり、差圧室１８は、主に、ノズルホルダ１０の内部壁面と、ピストン２２の先端２２ａと、ニードル弁２４の後面２４ａとによって隔成されている。
【００１９】
ニードル弁２４には、その後面２４ａに背圧室２８内の燃料圧が作用するとともに、この燃料圧に対向する燃料圧がその前面側の傾斜する受圧面２４ｂに作用する。このため、ピストン２２の進退に応じて差圧室１８内の容積及び内圧が変化すると、これに伴ってニードル弁２４前後に差圧が生じる。この差圧によって、ニードル弁２４を進退させて燃料噴孔１４を開閉するように構成されている。
【００２０】
なお、この実施例では、ニードル弁２４が最も図１の左方向すなわち閉弁方向に位置しているときに、円錐状に形成されたニードル弁２４の先端面２４ｃが同じく円錐状に形成されたノズルボディ１６のシート面に着座して燃料噴孔１４が閉じられる一方、ニードル弁２４が図１の右方向すなわち開弁方向にリフトすると燃料噴孔１４が開かれるようになっている。
【００２１】
そして本実施例では、ピエゾ素子２１を収縮方向すなわちピストン後退方向（図１，２の右方向）に予圧する戻りバネとしての皿バネ７０を、差圧室１８の外側に配設している。具体的には、ピエゾ素子２１とピストン２２とを別体に構成するとともに、ピエゾ素子２１の先端２１ａとピストン２２の後面２２ｂとを当接可能に軸方向に対向配置し、上記ピエゾ素子先端２１ａの外周縁部に、上記皿バネ７０の一端を直接当接させている。なお、ピエゾ素子先端２１ａとピストン後面２２ｂとの当接位置がばらつかないように、ピストン後面２２ｂは滑らかな球面状に形成されている。
【００２２】
詳述すると、ノズルホルダ１０には燃料導入通路３２が穿設されており、この燃料導入通路３２を通って環状溝３４に圧送されてくる燃料は、ノズルボディ１６に形成された径方向孔１６ａを通って、ノズルボディ１６の内部壁面とニードル弁２４との間に隔成される燃料溜まり室３６内へ導入されるとともに、例えばニードル弁２４の後部外周面とノズルボディ１６の内周面との間の微少隙間を通って差圧室１８内へ導入される。
【００２３】
ニードル弁２４は、受圧面２４ｂが形成された後部が前部に比して大径に形成されている。従って、燃料溜まり室３６内の高い燃料圧は、全体として受圧面２４ｂを介して開弁方向に作用する。一方、ニードル弁２４の後面２４ａには閉弁方向の高い燃料圧が作用する。この後面２４ａの受圧面積は受圧面２４ｂの受圧面積よりも大きいので、両者の燃料圧が等しい状態では、ニードル弁２４は閉状態に保たれる。
【００２４】
変圧室２６は、ピストン２２のストロークに対する差圧室１８内の容積変化が大きくなるように、少なくとも背圧室２８より大径で、ピストン２２と略同径に形成されている。加えて、図２に示すように、ピストン２２の先端２２ａとこれに対向する変圧室２６の壁面２６ａとの間の間隙Ｌ１が小さく設定されている。
【００２５】
背圧室２８内には、ニードル弁２４を常時閉弁方向に付勢するリターンスプリング４２が配設されており、例えば内燃機関を停止した状態でも燃料噴孔１４が確実に閉じられようになっている。このリターンスプリング４２に対応してニードル弁２４の後面２４ａ及びノズルホルダ１０の内部底面に凹部が形成されている。更に、背圧室２８内には、ノズルボディ１６の端面とノズルホルダ１０の壁面との間にディスタンスピース４４が介装されており、このディスタンスピース４４とニードル弁２４の後面２４ａとの間にはニードル弁２４のリフト量に対応する間隙が形成されている。
【００２６】
連通路３０は、差圧室１８内の圧力分布が不均一とならないように、その一端が変圧室２６の壁面２６ａの略中央部に開口するとともに、他端が背圧室２８の壁面の略中央部に開口している。また連通路３０は、少なくとも変圧室２６や背圧室２８よりも小径な細い管状に形成されており、変圧室２６と背圧室２８との間で伝達される圧力脈動を低減する絞り部として機能している。
【００２７】
ピストン２２，ピエゾ素子２１，皿バネ７０，及び皿バネ７０の基端を支持するリング状の皿バネ荷重調整シム７２は、ノズルホルダ１０に穿設された収容孔６２の内部に収容されている。この収容孔６２は、図２にも示すように、ピストン２２を摺動可能に収容するシリンダ６２ａが、ピエゾ素子２１を収容するピエゾ素子収容部６２ｂよりも小径となっており、両者６２ａ，６２ｂの境界部分に棚部６２ｃが有段形成されている。この棚部６２ｃに上記シム７２が載置されている。なお、製造の際には、収容孔６２内に、ピストン２２，シム７２，皿バネ７０，ピエゾ素子２１がこの順に挿入され、最後にキャップ６４で収容孔６２の開口部が閉塞される。
【００２８】
ピエゾ素子２１は、図外のコントロールユニットの制御により印加される電圧のオン，オフに応じて伸縮するもので、具体的には電圧が印加されると伸張し、電圧印加を停止すると収縮する。
【００２９】
ピストン２２は、その後面２２ｂがピエゾ素子先端２１ａに押圧されることにより前進し、先端２１ａが変圧室２６内の燃焼圧に押圧されることにより後退するようになっている。また、ピストン２２は、皿バネ７０及びシム７２との干渉を回避するために、その後部２２ｃ側が相対的に小径に形成されている。
【００３０】
ピストン２２とシリンダ６２ａとの間には、シール部材としてのＯリング３８が介装されている。つまりＯリング３８は、ピストン２２の外周面に凹設された周方向溝２２ｄに配設されて、シリンダ６２ａの内壁面に摺接しており、このＯリング３８によって、差圧室１８が大気圧側Ｔから液密に隔成されている。つまり、Ｏリング３８よりもピエゾ素子２１側の空間領域は実質的に大気圧となっている。
【００３１】
皿バネ７０は、Ｏリング３８よりも大気圧側Ｔの収容孔６２内に配設されており、かつ、シム７２とピエゾ素子先端２１ａとの間の軸方向間隙に介装されている。
【００３２】
内燃機関が稼動している状態では、通常、図外のコントロールユニットの制御によりピエゾ素子２１に一定の電圧が印加されている。このため、ピエゾ素子２１は最も伸張した状態となり、ピストン２２は差圧室１８内の燃料圧に対向して最も前進した位置に保持される。従って上述したように燃料噴孔１４は閉じられている。
【００３３】
この伸張状態でピエゾ素子２１への電圧印加を一時的にオフにすると、図３（ａ）に示すようにピエゾ素子２１が収縮し、これに伴ってピストン２２が差圧室１８内の燃料圧により後退方向に移動する。これにより差圧室１８内の容積が増加し、図３（ｂ）に示すように差圧室１８の内圧が低下する。この結果、上述したようにニードル弁２４の前後で差圧が生じ、図３（ｃ）に示すようにニードル弁２４が若干の位相遅れを伴って開弁方向にリフトする。
【００３４】
そして、再びピエゾ素子２１に電圧を印加することにより、ピエゾ素子２１が伸張してピストン２２が前進し、差圧室１８における内部容積が減少するとともに内圧が増加し、これに伴うニードル弁２４前後の差圧によりニードル弁２４が閉弁方向に移動する。
【００３５】
以上のような本実施例では、皿バネ７０が差圧室１８の外側の収容孔６２内に配設されており、言い換えると皿バネ７０を差圧室１８内に配設する必要がないから、差圧室１８内形状の自由度が大きく、差圧室１８内の容積を効果的に縮小することができる。具体的には、変圧室２６の軸方向間隙Ｌ１を大幅に小さく設定できる。従って、ピストン２２のストロークに対する差圧室１８内の容積及び圧力変化、ひいてはニードル弁２４前後の差圧が大きくなり、ニードル弁２４のリフト特性、特にその応答性を格段に向上することができる。
【００３６】
また、上述した従来例のように皿バネ７０を差圧室１８内に配設することによる圧力脈動の増加並びに差圧室１８内の圧力変化効率の低下等を生じることもない。
【００３７】
図３（ａ）〜（ｃ）において、破線は、皿バネ７０を差圧室１８の外側に配設した本実施例の特性を示しており、実線は、皿バネを差圧室内に配設した比較例の特性を示している。この図３より、本実施例では比較例に比して、（ａ）に示すピエゾ素子２１の伸縮変位に応じて、（ｂ）に示す差圧室１８の内圧変化が大きくなっており、（ｃ）に示すニードル弁２４のリフト特性、特に応答性が向上していることが分かる。
【００３８】
図４は、本発明の第２実施例に係わる燃料噴射弁の要部拡大断面図である。この第２実施例が第１実施例と異なる点は、ピストン２２の先端２２ａに対向する変圧室２６の壁面２６ａが、連通路３０の一端が開口する中央部がピストン２２側から見て最も凹んだ略円錐状に形成されている。この結果、ピストン先端２２ａと変圧室壁面２６ａとの間の間隙Ｌ２は、連通路３０が開口する中央部が外周側よりも大きくなる。従って、変圧室２６内の圧力変化を効率良く連通路３０並びに背圧室２８（図１）へ伝達することができ、ニードル弁２４（図１）への圧力伝達効率が向上し、ひいてはニードル弁２４のリフト特性を向上することができる。
【００３９】
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、例えば図１，２に示すピエゾ素子２１とピストン２２とを一体に構成することもできる。この場合には、一体化されたピエゾ素子２１とピストン２２とを収容孔６２内に挿入する際に、皿バネ７０やシム７２と干渉することがないように、皿バネ７０及びシム７２の内径をシリンダ６２ａの外径よりも大きくする必要がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１実施例に係わる燃料噴射弁を示す断面図。
【図２】図１の要部拡大図。
【図３】（ａ）がピエゾ素子の変位を示す特性図、（ｂ）が差圧室の内圧変化を示す特性図、（ｃ）がニードル弁のリフト特性図。
【図４】この発明の第２実施例に係わる燃料噴射弁の要部拡大断面図。
【符号の説明】
１８…差圧室
２１…ピエゾ素子（アクチュエータ）
２２…ピストン
２４…ニードル弁
２４ａ…後面
２４ｂ…受圧面
２６…変圧室
２８…背圧室
３０…連通路
３８…Ｏリング（シール部材）
６２ａ…シリンダ
７０…皿バネ（戻りバネ）
【図１】
0003666220.tif 000002
【図２】
0003666220.tif 000003
【図３】
0003666220.tif 000004
【図４】
0003666220.tif 000005