(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体通路から導かれる加圧流体を噴射する噴口と、
軸方向に移動して前記噴口を開閉するニードルと、
前記ニードルを開弁方向に付勢するニードル付勢手段と、
印加される電圧により伸長して前記ニードルを閉弁方向に押圧する圧電素子と、
前記圧電素子の基端に結合されるピストンと、
前記ピストンを摺動可能に収装するケーシングと、
前記圧電素子を圧縮する方向に前記ピストンを付勢するピストン付勢手段と
前記ピストンと前記ケーシングとの間に画成されるダンパ室と、
前記流体通路と前記ダンパ室とを連通する連通路と、
前記連通路中に設けられ、前記ダンパ室に出入りする前記加圧流体に抵抗を付与する絞り通路と、を備え、
前記ピストン付勢手段の弾性復元力を前記ニードル付勢手段の弾性復元力より大きく設定したことを特徴とする噴射弁。
【請求項２】
前記絞り通路がダンパ室に出入りする流体に付与する抵抗を、ニードルの開弁期間中におけるダンパ室の降下圧力ΔＰをダンパ室の最大圧力差の１０％以内となるように設定したことを特徴とする請求項１に記載の噴射弁。
【請求項３】
前記連通路を前記ケーシングに形成したことを特徴とする請求項１または２に記載の噴射弁。
【請求項４】
前記ケーシングに螺合するボルトを備え、ボルトにダンパ室と連通路を結ぶ絞り通路を形成したことを特徴とする請求項３に記載の噴射弁。
【請求項５】
前記圧電素子を圧縮する方向にピストンを付勢する手段として、ピストンと同芯上に配置されるサラバネと、サラバネの一端を支持する後端部材と、ケーシングに対する後端部材の螺合位置を調節する手段と、を備えたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの燃料噴射弁等に適用される、圧電素子をアクチュエータとする弁構造に関するものである。
【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積層圧電素子（ピエゾ素子）を用いてニードル（弁体）を開弁作動させるものがあった。ニードルを圧電素子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、高出力化がはかれる。また、少量の燃料を安定して噴射することが可能となり、燃費の低減がはかれる。
【０００３】
従来、この種の燃料噴射弁として、例えば図７に示すようなものがある。(特開平２−１１２６６３号公報、参照)。
【０００４】
これについて説明すると、ノズルボディ５１にニードル５２が摺動可能に収装される。ノズルボディ５１の内部にはニードル５２のまわりに燃料室５３が画成される。ノズルボディ５１の先端に噴口５１ｂが開口し、噴口５１ｂはニードル５２によって開閉される。
【０００５】
図示しない燃料噴射ポンプから圧送される燃料は、燃料入口６３から燃料通路６２を通して燃料室５３に導入され、ニードル５２のリフトに伴って噴口５１ｂから噴射される。
【０００６】
ニードル５２を閉弁方向に付勢するコイル状のスプリング５４が設けられる。
【０００７】
ニードル５２を開弁方向に駆動する圧電素子６０が設けられる。圧電素子６０はリード線６８を介して電圧が印加されることによりスプリング５４に抗して伸長し、リテーナ６７を介してニードル６２をリフトさせる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の燃料噴射弁にあっては、金属製のニードル５２とノズルボディ５１の間に線膨張係数の異なる圧電素子６０が介装される構造のため、燃料噴射弁の温度が変化すると、ノズルボディ５１と圧電素子６０の間に熱膨張差が生じ、この結果ニードル５２のリフト量が変わって、所期の燃料噴射量が得られないという問題点が考えられる。
【０００９】
本発明は上記の問題点を鑑みてなされたものであり、圧電素子をアクチュエータとする噴射弁において、噴射量のバラツキを抑えることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の噴射弁は、流体通路から導かれる加圧流体を噴射する噴口と、軸方向に移動して前記噴口を開閉するニードルと、前記ニードルを開弁方向に付勢するニードル付勢手段と、印加される電圧により伸長して前記ニードルを閉弁方向に押圧する圧電素子と、前記圧電素子の基端に結合されるピストンと、前記ピストンを摺動可能に収装するケーシングと、前記圧電素子を圧縮する方向に前記ピストンを付勢するピストン付勢手段と前記ピストンと前記ケーシングとの間に画成されるダンパ室と、前記流体通路と前記ダンパ室とを連通する連通路と、前記連通路中に設けられ、前記ダンパ室に出入りする前記加圧流体に抵抗を付与する絞り通路と、を備え、前記ピストン付勢手段の弾性復元力を前記ニードル付勢手段の弾性復元力より大きく設定するものとした。
【００１１】
請求項２に記載の噴射弁は、請求項１に記載の発明において、前記絞り通路がダンパ室に出入りする流体に付与する抵抗を、ニードルの開弁期間中におけるダンパ室の降下圧力ΔＰをダンパ室の最大圧力差の１０％以内となるように設定するものとした。
【００１２】
請求項３に記載の噴射弁は、請求項１または２に記載の発明において、前記連通路を前記ケーシングに形成するものとした。
【００１３】
請求項４に記載の噴射弁は、請求項３に記載の発明において、前記ケーシングに螺合するボルトを備え、ボルトにダンパ室と連通路を結ぶ絞り通路を形成するものとした。
【００１４】
請求項５に記載の噴射弁は、請求項１から４のいずれか一つに記載の発明において、前記圧電素子を圧縮する方向にピストンを付勢する手段として、ピストンと同芯上に配置されるサラバネと、サラバネの一端を支持する後端部材と、ケーシングに対する後端部材の螺合位置を調節する手段とを備えるものとした。
【００１６】
【発明の作用および効果】
請求項１に記載の噴射弁において、圧電素子に印加される電圧を断続することにより、圧電素子を伸縮させてニードルを軸方向に移動し、噴口を開閉する。
【００１７】
噴口の開閉に際して圧電素子が伸縮するのに伴ってピストンはダンパ室の容積を変えようとするが、絞り通路がダンパ室から出入りする流体に抵抗を付与するので、ピストンの変位が抑えられ、圧電素子の基端は固定端として保持される。
【００１８】
一方、噴射弁の環境温度変化に伴うニードル、ケーシングと圧電素子の間に生じる熱膨張差は、圧電素子の基端に結合されるピストンがダンパ室を伸縮させて変位することにより吸収され、ニードルのリフト量を一定に保ち、所期の噴射量が得られる。また、圧電素子に電圧が印加されると、圧電素子が伸長してニードルを座面に近づけ、噴口を閉じる。圧電素子に印加される電圧が遮断されると、付勢手段がニードルを圧電素子の収縮に追従させてニードルを座面から離し、噴口を開く。圧電素子の変位方向とニードルの変位方向が一致しているため、圧電素子とニードルを直列に並べ、圧電素子にニードルを当接させて駆動することが可能となる。この結果、圧電素子の駆動力を逆転させてニードルに伝達する機構が不要となり、構造の簡素化がはかれる。
【００１９】
請求項２に記載の噴射弁において、絞り通路がダンパ室に出入りする流体に付与する抵抗を、ニードルの開弁期間中におけるダンパ室の降下圧力ΔＰをダンパ室の最大圧力差の１０％以内となるように設定することより、ニードルの開弁期間中におけるピストンの変位量が十分に小さく抑えられ、圧電素子の基端が固定端として保持される。この結果、少量の燃料を安定して噴射することが可能となり、燃費の低減がはかれる。
【００２０】
請求項３に記載の噴射弁において、流体通路と絞り通路を連通する連通路をケーシングに形成することにより、ダンパ室に出入りする流体は流体通路から導かれ、構造の簡素化がはかれる。
【００２１】
請求項４に記載の噴射弁において、ケーシングに螺合するボルトに絞り通路を形成することにより、ボルトを交換することにより絞り通路の大きさを変更することが可能となり、生産性や整備性の向上がはかれる。
【００２２】
請求項５に記載の噴射弁において、圧電素子を圧縮する方向にピストンを付勢する手段として、ピストンと同芯上に配置されるサラバネはピストンに対して周方向に均一に分布する力を付与するため、ピストンを偏心方向に付勢することなく、ピストンの動きを円滑にして、安定した作動性が確保される。
【００２３】
ケーシングに対する後端部材の螺合位置を調節することにより、サラバネの付勢力を容易に調節することができる。
【００２７】
【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。
【００２８】
図１、図２に示すように、ノズルボディ１とシリンダ９の内部にニードル２が摺動可能に収装される。ノズルボディ１とシリンダ９の内部にはニードル２のまわりに燃料室（流体室）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はニードル２によって開閉される。
【００２９】
図示しない燃料噴射ポンプから圧送される燃料は、燃料入口１３から燃料通路（流体通路）１２を通して燃料室３に導入され、ニードル２のリフトに伴って噴口１ｂから噴射される。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、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。
【００３０】
ノズルボディ１の内側には噴口１ｂのまわりに座面１ａが円錐面状に窪む。一方、ニードル２の先端にはシート部２ａが円錐面状に突出する。シート部２ａが座面１ａに着座することにより、噴口１ｂが閉塞される。シート部２ａが座面１ａから離れることにより、噴口１ｂが開かれる。
【００３１】
ニードル２の途中からは支持部２ｂが外径方向に突出し、支持部２ｂがノズルボディ１の円筒状をした内壁面に摺接することにより、シート部２ａを座面１ａと同軸上に案内する。支持部２ｂとノズルボディ１の内壁面の間には燃料が流通する通路が形成されている。
【００３２】
ニードル２はその基端側にピストン部２ｃが環状に突出形成される。ピストン部２ｃの外周に形成された環状溝にはＯリング５が介装される。Ｏリング５がシリンダ９の円筒状をした内壁面に摺接することにより、燃料室３の密封がはかれる。環状溝にはＯリング５の背後にバックアップリング６が介装され、液圧によりＯリング５が環状溝からはみ出さないようになっている。
【００３３】
ニードル２を開弁方向に付勢するサラバネ４が設けられる。このサラバネ４はニードル２のピストン部２ｃとノズルボディ１の間に圧縮された状態で介装され、ニードル２と同芯上に配置される。これにより、サラバネ４はその弾性復元力にによりニードル２のシート部２ａを座面１ａから離すようになっている。
【００３４】
シリンダ９内にはニードル２を閉弁方向に押圧する圧電素子１０が設けられる。この圧電素子１０はリード線２３を介して電圧が印加されることにより、瞬時にニードル２の摺動方向に伸長し、シート部２ａが座面１ａに着座する。一方、圧電素子１０はこれに印加される電圧を遮断し、かつ圧電素子１０の両端子間を短絡させことにより瞬時に収縮し、ニードル２が燃料室３の燃料圧力とサラバネ４の付勢力を合わせた力によって軸方向に移動し、シート部２ａが座面１ａから離れる。圧電素子１０がニードル２を閉弁方向に押圧する力は、燃料室３の燃料圧力とサラバネ４の付勢力を合わせた力より大きく設定されている。
【００３５】
こうした圧電素子１０は円盤状をした複数の圧電単体（ピエゾ素子）が、同じく円盤状をした内部電極板を挟んで積層される。圧電単体は電圧が印加され電荷が蓄えられることによりその板厚が増え、電圧を遮断しその両端子間を短絡することによりその板厚が減るようになっている。
【００３６】
圧電素子１０の駆動端（先端）とニードル２の間には端板１１とボール８およびシム７が介装される。
【００３７】
圧電素子１０の駆動端には端板１１が結合される。ボール８は端板１１とニードル２の間に介装される。端板１１とニードル２の基端面には球面状に窪む一対の凹部がそれぞれ形成される。ボール８は各凹部の間に挟持される。
【００３８】
シム７は円盤状に形成される。シム７はニードル２の基端とシリンダ９の間に介装され、ニードル２の軸方向の移動を規制する。すなわち、圧電素子１０の変位量はニードル２のフルリフト量Ａより大きく設定されるので、シム７の板厚によってニードル２のフルリフト量Ａが決まる。
【００３９】
リード線２３はシリンダ９の穴２２から取り出され、穴２２とリード線２３の間はシール２４を介して密封される。
【００４０】
リード線２３は図示しない駆動回路へと延びている。図示しないコントロールユニットはエンジンの吸入空気量や回転数に応じて燃料噴射量を演算する。コントロールユニットで演算された燃料噴射量に対応するパルス信号がパルス発生器でつくられ、このパルス信号に応じた電圧が駆動回路を介して圧電素子１０に印加される。
【００４１】
圧電素子１０の基端にはピストン１６が結合され、シリンダ９に対して変位可能に設けられる。
【００４２】
シリンダ９の開口端に螺合する後端部材２０が設けられる。後端部材２０の先端とピストン１６の間にはサラバネ１７が圧縮された状態で介装される。サラバネ１７の弾性復元力はサラバネ４の弾性復元力より大きく設定され、サラバネ１７の弾性復元力により圧電素子１０の駆動端をニードル２の基端にボール８を介して押し付け、ニードル２のシート部２ａを座面１ａに押し付けるようになっている。
【００４３】
後端部材２０はこれに螺合するナット２１を介してシリンダ９に締結され、シリンダ９に対する螺合位置を変えることにより、各サラバネ１７、４の弾性復元力が調節される。
【００４４】
後端部材２０とピストン１６の間にダンパ室２７が画成される。このダンパ室２７は後述するように絞り通路２５を介して燃料室３に連通するため、圧電素子１０の瞬時の伸縮に対して、ダンパ室２７の体積は略一定に保持される。このため、圧電素子１０基端はピストン１６を介して固定端として保持される。
【００４５】
ピストン１６の外周に形成された環状溝にはＯリング１５とバックアップリング１４が介装される。後端部材２０の外周に形成された環状溝にはＯリング１８とバックアップリング１９が介装される。各Ｏリング１５、１８を介してダンパ室２７の密封がはかれる。
【００４６】
ダンパ室２７はシリンダ９に形成された連通路２６と、絞り通路２５を介して燃料室３に連通される。
【００４７】
連通路２６はシリンダ９の筒状をした壁部にドリル加工によって形成された２つの通孔２６ａ、２６ｂにより画成される。通孔２６ａの一端は燃料室３に連通し、通孔２６ｂの開口端には栓体２８が介装されて閉塞される。
【００４８】
シリンダ９に連通路２６を貫通して螺合するボルト３１が設けられ、ボルト３１に連通路２６とダンパ室２７を連通する絞り通路２５が形成される。
【００４９】
図３、図４に示すように、ボルト３１はシリンダ９に螺合するネジ部３２と、シリンダ９の外壁に接合する頭部３３を有し、頭部３３の六角穴３４に係合する工具を介してシリンダ９のネジ穴に締結される。
【００５０】
ネジ部３２の外周には環状溝３５が形成される。絞り通路２５は環状溝３５に開口する通孔３６と、通孔３６に連通してその先端に開口する通孔３７によって画成される。
【００５１】
図５は絞り通路２５のモデル図である。絞り通路２５の直径をｄ、長さをｒ、ダンパ室２７の圧力をＰ１、燃料室３の圧力をＰ２とすると、絞り通路２５を通過する燃料の流量Ｑは次式で算出される。
【００５２】
Ｑ＝Ｃ×Ａ×（２×ΔＰ／ρ）1/2    …（１）
ただし、Ｃ    ：［（Ｒｅ／６４）／（ｒ／ｄ＋０．４９５）］1/2
Ａ    ：絞り断面積
ΔＰ  ：圧力差（＝Ｐ１−Ｐ２）
ρ    ：密度
Ｒｅ  ：レイノルズ数（＝ｖｄ／υ）
ｖ    ：絞り内部の平均流速
υ    ：動粘性係数
図６は圧電素子１０を収縮させる経過時間（噴射期間）と（１）式を用いて算出した圧力差ΔＰの関係を示す特性図であり、圧電素子１０の変位によって圧力が約２０ｋｇ／ｍ2上昇し、圧電素子１０の変位量を約５０μｍとした場合、絞り通路２５の直径ｄを０．５ｍｍ以下、好ましくは０．３ｍｍ程度に設定することにより、経過時間が１０ｍｓに達するまで圧力差ΔＰは２ｋｇ／ｍ2程度に抑えられる。したがって、最大噴射期間が約１０ｍｓとする燃料噴射弁にあっては、絞り通路２５の直径ｄを０．５ｍｍ以下、０．３ｍｍ程度に設定することにより、ニードル２の開弁期間中におけるダンパ室２７の降下圧力ΔＰをダンパ室２７の最大圧力差の１０％以内となり、ダンパ室２７の体積変化がほとんど無く、圧電素子１０の基端を保持することができる。
【００５３】
以上のように構成され、次に作用について説明する。
【００５４】
図１、図２はエンジン始動前の状態にある燃料噴射弁を示しており、圧電素子１０は電圧が印加されて伸長しており、ニードル２のシート部２ａを座面１ａに着座させている。この状態で図示しない燃料噴射ポンプは電動モータによって駆動され、燃料室３およびダンパ室２７の圧力が約５ＭＰａに高められる。
【００５５】
なお、エンジン停止時も、サラバネ１７の弾性復元力により圧電素子１０の駆動端をニードル２の基端にボール８を介して押し付け、ニードル２のシート部２ａを座面１ａに着座させて、燃料の洩れを防止するようになっている。
【００５６】
エンジン始動時および始動後における燃料噴射弁の開弁作動は、圧電素子１０がエンジン回転に同期して印加される電圧を遮断し、かつ圧電素子１０の両端子間を短絡させることにより瞬時に収縮し、ニードル２は燃料室３の燃料圧力とサラバネ４の付勢力を合わせた力によって軸方向に移動し、シート部２ａが座面１ａから離れる。シート部２ａが座面１ａから離れると、燃料室３の高圧燃料が噴口１ｂを通ってエンジンの燃焼室に噴射される。
【００５７】
燃料噴射弁の閉弁作動は、圧電素子１０がエンジン回転に同期して電圧を印加されることにより伸長し、ニードル２は燃料室３の燃料圧力とサラバネ４の付勢力を合わせた力に抗して軸方向に移動し、シート部２ａが座面１ａに近づいて着座する。シート部２ａが座面１ａに近づいて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。
【００５８】
ところで、サラバネ１７はピストン１６を介してニードル２を座面１ａに押圧している。このため燃料噴射弁の環境温度に変化が生じるとニードル２、ケーシング９と圧電素子１０の間に生じる熱膨張差は、圧電素子１０の基端に結合されるピストン１６がダンパ室２７を伸縮させて変位することにより吸収され、圧電素子１０の端板１１はニドール２が噴口１ｂを閉塞する位置に保持されることになる。
【００５９】
そして、絞り通路２５がダンパ室２７に出入りする流体に付与する抵抗を、前述の通りニードルの開弁期間中におけるダンパ室２７の降下圧力ΔＰをダンパ室２７の最大圧力差の１０％以内となるように設定することより、ニードル２の短絡的な開弁動作におけるピストン１６の変位量が十分に小さく抑えられ、圧電素子１０の基端が保持される。この結果、少量の燃料を安定して噴射することが可能となり、燃費の低減がはかれる。
【００６０】
一方、燃料室３と絞り通路２５を連通する連通路２６をケーシング９に形成することにより、ダンパ室２７に出入りする流体は燃料通路１３から導かれ、構造の簡素化がはかれる。
【００６１】
また、ケーシング９に螺合するボルト３１に絞り通路２５を形成することにより、ボルト９を交換することにより絞り通路２５の大きさを変更することが可能となり、生産性や整備性の向上がはかれる。
【００６２】
圧電素子１０を圧縮する方向にピストン１６を付勢する手段として、ピストン１６と同芯上に配置されるサラバネ１７はピストン１６に対して周方向に均一に分布する力を付与するため、ピストン１６を偏心方向に付勢することなく、ピストン１６の動きを円滑にして、安定した作動性が確保される。
【００６３】
ケーシング９に対する後端部材２０の螺合位置を調節することにより、サラバネ１７の付勢力を容易に調節することができる。
【００６４】
また、開弁作動時、圧電素子１０の変位量は、ニードル２のフルリフト量より大きく設定されているため、ニードル２はシム７に着座して所定のフルリフト量だけ移動する。したがって、ニードル２のフルリフト時に、ニードル２のシート部２ａと座面１ａの間には一定の燃料流路が画成され、燃料室３に導かれる燃料圧力によって定まる燃料噴射率が得られる。
【００６５】
開弁作動時、圧電素子１０はボール８を介してニードル２に当接するため、圧電素子１０の寸法誤差や圧電素子１０の傾き等に影響されることなく、ニードル２の動きを円滑にして、安定した作動性が確保される。また、圧電素子１０に偏荷重を与えないため、圧電素子１０の耐久性も向上できる。
【００６６】
燃料噴射弁は、圧電素子１０の変位方向とニードル２の変位方向が一致しているため、圧電素子１０とニードル２を直列に並べ、圧電素子１０にニードル２を当接させて駆動することが可能となる。この結果、圧電素子１０の駆動力を逆転させてニードル２に伝達する機構が不要となり、構造の簡素化がはかれる。
【００６７】
なお、本実施形態では、圧電素子１０の変位が直接的にニードル２に伝えられる構造としたが、圧電素子１０の変位が拡大あるいは縮小してニードル２に伝えられる構造としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す燃料噴射弁の断面図。
【図２】同じく燃料噴射弁の断面図。
【図３】同じくボルトの正面図。
【図４】同じくボルトの側面図。
【図５】同じく絞り通路のモデル図。
【図６】同じく圧電素子を収縮させる経過時間と圧力差ΔＰの関係を示す特性図。
【図７】従来例を示す燃料噴射弁の断面図。
【符号の説明】
１    ノズルボディ
１ａ  座面
１ｂ  噴口
２    ニードル
２ａ  シート部
３    燃料室
４    サラバネ
５    Ｏリング
６    バックアップリング
７    シム
８    ボール
９    シリンダ
１０    圧電素子
１１    端板
１２    燃料入口
１３    燃料通路
１４    バックアップリング
１５    Ｏリング
１６    ピストン
１７    サラバネ
１８    Ｏリング
１９    サラバネ
２０    後端部材
２３    リード線
２５    絞り通路
２７    ダンパ室
３１    ボルト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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