(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を圧縮するプランジャ，エンジンの回転速度に同期して前記プランジャを駆動するカム，及び前記燃料を噴射する噴孔を備えたノズル内に配設され且つ前記燃料の圧力により上下動する針弁を有し，前記針弁の上下動によって前記噴孔を開閉して燃料を噴射することから成るユニットインジェクタにおいて，
前記ノズルを配設したノズルホルダ内に配設されたスプリングホルダ，前記スプリングホルダ内に形成されたバランスチャンバ，前記バランスチャンバ内に配設され且つ前記針弁を前記ノズルに形成された弁シートに押し付けて前記噴孔を閉鎖するスプリング，及び前記バランスチャンバ内に配設され且つ前記スプリングのばね力に対抗して前記噴孔の開放方向に前記針弁を動かす力を作用させる駆動体を有し，
前記スプリングと前記駆動体とは，前記バランスチャンバ内で前記プッシュロッドに設けたフランジ部を介在させて直列に配設されており，前記スプリングは前記スプリングホルダと前記フランジ部との間に配設され且つ前記駆動体は前記フランジ部と前記スプリングホルダに対して固定されたベースとの間に配設されており，前記駆動体の伸びにより前記針弁を直接駆動して前記噴孔を開放することを特徴とするユニットインジェクタ。
【請求項２】
前記駆動体は積層圧電アクチュエータ又は電磁ソレノイドで構成されていることを特徴とする請求項１に記載のユニットインジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は，例えば，ハイブリッド自動車等に使用されるディーゼルエンジンに適用されるユニットインジェクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来，ディーゼルエンジンの燃料噴射装置は，燃料噴射装置を高圧に溜めて，高圧の燃料を燃料噴射ノズルに送り，ノズル部における針弁を弁シートから開放して高圧の燃料を噴射するコモンレール式燃料噴射装置が開発されている。該コモンレール式燃料噴射装置は，２０００バール以上の燃料を多段噴射できることが可能なため最新のエンジンで採用されている。該燃料噴射装置は，燃料の噴射系の最大の欠点は，コストが高いことであり，噴射系部品のコストと噴射系以外のエンジン部品が同じといわれる程高額である。そのため，ディーゼルエンジンは，極めて高い熱効率を有しながら走行距離の短い日本では普及しない原因の１つと言われている。一方，ユニットインジェクタは，コモンレール式と同等の高圧を作ることが可能であり，エンジンの吸排気カム軸にプランジャ駆動用のカムを設けることができるため，コンパクトで低価格である。
【０００３】
従来，内燃機関の燃料噴射装置として，圧電素子の応答性を活かし，ソレノイド式燃料噴射ノズルの耐リーク性や取付性を活かし，コントロールピストンのリフト量を十分に確保するものが知られている。該内燃機関の燃料噴射装置は，コントロールピストンによってニードル弁に連結してニードル弁の摺動を制御し，燃料チャンバ内に配置されたリターンスプリングがニードル弁を噴口閉鎖方向に付勢し，電圧変化によって変位する圧電素子によってコントロールピストンのリフトが制御される。圧電素子の変位は，変位拡大機構のてこの作用によって，変位を拡大してコントロールピストンに伝達し，コントロールピストンとニードル弁のリフト量を確保するものである（例えば，特許文献１参照）。
【０００４】
また，コマンドパルスの立ち下げ直後に重畳パルスを発生させて圧電素子の変位の振動を低減させた圧電アクチュエータを用いた燃料噴射装置が知られている。該燃料噴射装置は，圧電素子の電極間に所定幅の駆動パルスを供給することにより圧電素子に寸法歪みを発生させるものであり，駆動パルスのオンのタイミングに重畳して一旦駆動パルスを微小時間だけオフさせ，再びオンさせるようなパルスを重畳する。重畳したパルスは圧電素子の振動の１／４周期未満のタイミングで供給する。圧電アクチュエータは共振現象を防止することができる（例えば，特許文献２参照）。
【０００５】
また，燃料噴射ノズルの噴射率制御装置として，副噴射及び主噴射を行うことによってエンジン内での燃焼を向上させて窒素酸化物の排出を低減するものが知られている。該燃料噴射ノズルは，プレッシャスプリングにより第１ニードルバルブを第１シート面に圧接し，フィードホールに連通する燃料溜り室の圧力がスプリングの弾性力に抗して第１ニードルバルブを押し上げる。上下動可能にスプリングの上端に圧接されたフリーピストンの上方に第２ノズルボデーを設け，ボデー内の第２ニードルバルブを積層型圧電素子により第２シート面に接離可能に設ける。燃料をピストンの上面に導く燃料導入通路を第２ニードルバルブより開閉し，ピストンの上面の燃料を燃料排出通路及びオリフィスを介して排出する。コントローラは，センサの検出出力に基づいて積層型圧電素子を制御する（例えば，特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−２１７６６６号公報
【特許文献２】特開２０００−２３４７４号公報
【特許文献３】特開平５−１１８２５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら，ユニットインジェクタにおける針弁は，プランジャで作られる圧力により自動的に動き，燃料を噴射する構造であるため，噴射状態を細かく制御することには向いていない。プランジャで作られた高圧燃料を電磁ソレノイドで逃がす構造を追加して噴射を複数回噴射できるようにしたものが開発されているが，針弁を直接駆動していないため，細かい制御はコモンレール式燃料噴射装置に劣ると共に，上記のような構造を追加するため構造が複雑になり，コモンレール式燃料噴射装置の利点が損なわれる。
【０００８】
ところで，燃料噴射装置において，圧電素子が利用されているが，上記の背景技術のようにいずれも燃料噴射ノズルのヘッド部に配設され，針弁を押し下げるスプリングのばね力を可変に制御するものではない。
【０００９】
この発明の目的は，上記の問題を解決することであり，燃料噴射ノズルの針弁に直接ばね力を作用させているスプリングのばね力に圧電素子や電磁ソレノイドの駆動体で直接作用させ，ユニットインジェクタの高圧噴射とシンプルさを損なわずに，スプリングのばね力を駆動体即ちアクチュエータを用いて制御することによって燃料噴射を繊細に制御することを可能にし，負荷変動の多く大きいハイブリッド車や電気自動車の車両に搭載して好ましいディーゼルエンジンに組み込むことができるユニットインジェクタを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明は，燃料を圧縮するプランジャ，エンジンの回転速度に同期して前記プランジャを駆動するカム，及び前記燃料を噴射する噴孔を備えたノズル内に配設され且つ前記燃料の圧力により上下動する針弁を有し，前記針弁の上下動によって前記噴孔を開閉して燃料を噴射することから成るユニットインジェクタにおいて，
前記ノズルを配設したノズルホルダ内に配設されたスプリングホルダ，前記スプリングホルダ内に形成されたバランスチャンバ，前記バランスチャンバ内に配設され且つ前記針弁を前記ノズルに形成された弁シートに押し付けて前記噴孔を閉鎖する方向にばね力を作用させるスプリング，及び前記バランスチャンバ内に配設され且つ前記スプリングの前記ばね力に対抗して前記噴孔の開放方向に前記針弁を動かす力を作用させる駆動体を有し，  前記スプリングと前記駆動体とは，前記バランスチャンバ内で前記プッシュロッドに設けたフランジ部を介在させて直列に配設されており，前記スプリングは前記スプリングホルダと前記フランジ部との間に配設され且つ前記駆動体は前記フランジ部と前記スプリングホルダに対して固定されたベースとの間に配設されており，前記駆動体の伸びにより前記針弁を直接駆動して前記噴孔を開放することを特徴とするユニットインジェクタに関する。
【００１１】
このユニットインジェクタにおいて，前記駆動体は積層圧電アクチュエータ又は電磁ソレノイドで構成されているものである。
【発明の効果】
【００１２】
このユニットインジェクタは，上記のように構成されているので，針弁を駆動体で直接駆動することができ，インジェクタ自体を高圧に耐える構造に構成し，シンプルな構造に構成でき，コントローラの指令で駆動体である積層圧電アクチュエータを制御することによって，燃焼室への燃料噴射のタイミング及び噴射量を細かく的確に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】この発明によるユニットインジェクタの一実施例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
このユニットインジェクタは，例えば，ディーゼルエンジンを搭載したバイブリッド車に適用して好ましいものである。このユニットインジェクタは，ねじ部を備えた締付ナット１０によってエンジンのボディ等に固定されている。このユニットインジェクタにおいて，カム２は，エンジン（図示せず）の回転速度の１／２の速度で回転するように構成されている。ユニットインジェクタに設けられているプランジャ１は，燃料を加圧即ち圧縮するため，カム２の回転によって回転しつつ上下動するものであり，プランジャ１の上下動に応答して圧縮燃料が針弁１８に作用し，針弁１８を上下動させることになる。針弁１８を上下動することによって，針弁１８が着座するノズルシート部即ち弁シート１９−１に離接することに成り，針弁１８によってノズル１９に形成されている噴孔１９−２が開閉され，ノズルリセス即ち燃料溜まり部１９−３の燃料が開口した噴孔１９−２から噴射されるように構成されている。
【００１５】
このユニットインジェクタにおいて，カム２の回転によって，噴射行程時にリフトするカム２のリフト領域２−１がタペット３のローラ部３−１にさしかかると，タペット３は，タペット３のローラ部３−１を介してプランジャ１と一体構造になっているプランジャ上部１−１を押し下げ，プランジャ１を下方向に動かす。タペット３は，タペット保持筒４に摺動自在に支持されている。タペット保持筒４には，内部にスプリングシート６が上下に配設され，上下のスプリングシート６間にはスプリング８が介在されている。プランジャ１は，その上端に設けられたプランジャ長さ微調整用のシム５によってタペット３に対して適正な位置に位置調整されている。プランジャ１の上部１−１にはコッター７が取り付けられており，コッター７には上方に位置するスプリングシート６が取り付けられており，スプリングシート６はコッター７を介してプランジャ１の軸部１−６と一体化されている。スプリング８は，カム２によるプランジャ１の押し下げ作動が無い時は，常にプランジャ１を上方に押し上げる作用をするものである。
【００１６】
プランジャ１には，下端部に斜め溝から成るリード１−３が加工されている。リード１−３は，プランジャ１の外周に溝状の斜めのスリットを刻んだものであって，プランジャ１の外周に軸方向に延びる溝状の縦のスリット１−４に連通されている。斜めスリットのリード１−３は，プランジャ１の旋回時に燃料通路である燃料入口・出口１１−１に連通し，縦のスリット１−４は燃料圧縮室２０に常時連通している。プランジャ１には，外周面にプランジャ部スプライン１−２が形成されており，レバー９にはプランジャ１のスプライン１−２に係合するレバー部スプライン９−１が形成されている。従って，レバー９を回転させることによりプランジャ１を回転させることができ，プランジャ１が回転すると，プランジャ１が上下動して所定の位置に調整できるように構成されている。また，プランジャ１はレバー９にスプライン係合しているので，プランジャ１がカム２の回転でタペットローラ３−１を通じて押し下げられると，プランジャ１は回転しながら上下動することになる。ノズルホルダ１３には，その中空内にシリンダであるバレル１１が配設されており，バレル１１には，プランジャ１との間の１〜２ミクロン程度の隙間が形成されて，プランジャ１がバレル１１内に上下動可能に挿通している。プランジャ１が下方に動くに従って，燃料圧縮室２０に入っている燃料が圧縮されるように構成されている。
【００１７】
バレル１１には，燃料通路１２と連通する燃料入口・出口１１−１が形成されている。ノズルホルダ１３には，燃料通路１３−１が形成されており，燃料通路１３−１はバレル１１に形成されている燃料入口・出口１１−１と連通している。燃料入口・出口１１−１は，燃料通路１３−１と燃料通路１２を通じて燃料ポンプ（図示せず）に連通され，燃料ポンプからの燃料が燃料圧縮室２０に燃料が供給されるように構成されている。ノズルホルダ１３内には，バランスチャンバ２５を形成するスプリングホルダ１４が配設されており，バランスチャンバ２５は，通路２８を通じて燃料が供給されるか又は外気に連通している。バランスチャンバ２５には，スプリング１５と積層圧電アクチュエータ１６が配設されている。プッシュロッド１７は，スプリング１５のばね力を針弁１８に伝え，針弁１８の先端をノズル１９の弁シート１９−１に押さえ付けて噴孔１９−２を閉鎖し，燃料噴射を停止するため噴孔１９−２をシールをする。スプリングホルダ１４の下端とノズル１９の上端との間には，積層圧電アクチュエータ１６の土台，即ち積層圧電アクチュエータ１６の下端を支持するベース２２が配設されている。このユニットインジェクタでは，バレル１１，スプリングホルダ１４，ノズル１９，及びベース２２は，リテーニングナット２１により締結されて一体化されている。
【００１８】
また，プッシュロッド１７は，その中間部にはシートを構成するフランジ部２７が一体構造に構成されている。このユニットインジェクタでは，スプリング１５は，その上端がスプリングホルダ１４の上端面に着座し，スプリング１５の下端がプッシュロッド１７のフランジ部２７の上面に着座している。これに対して，積層圧電アクチュエータ１６は，その上端がフランジ部２７の下面に着座し，下端がベース２２の上面に着座している。従って，スプリング１５はそのばね力がプッシュロッド１７を針弁１８の方向に押し下げるように働き，また，積層圧電アクチュエータ１６はその積層厚さの増大はプッシュロッド１７を針弁１８とは反対側の方向に押し上げるように働く。それ故に，スプリング１５と積層圧電アクチュエータ１６とは，プッシュロッド１７のフランジ部２７を介在して直列に配設されることによって，スプリング１５のばね力と積層圧電アクチュエータ１６の積層長さ増加によって発生する力とは，互いに対抗する方向即ち相反する方向に作用することになり，言い換えれば，コントローラ（図示せず）の指令で積層圧電アクチュエータ１６に印加すると，スプリング１５のばね力が可変に制御されることになる。
【００１９】
また，このユニットインジェクタでは，燃料圧縮室２０は，燃料を圧縮即ち加圧するチャンバであり，バレル１１とプランジャ１とにより形成された空間であって，燃料通路１２及び燃料入口・出口１１−１を通じて燃料が充填されている。燃料圧縮室２０と，燃料通路１４−１，燃料通路１９−４，燃料溜まり部１９−３，針弁１の先端部１８ー１とノズル先端部１９−５で形成する隙間２４は，連通状態になっており，燃料が充填されている。
【００２０】
このユニットインジェクタは，上記のように，燃料を圧縮するプランジャ１，ディーゼルエンジンの駆動即ち回転速度に同期してプランジャ１を駆動するカム２，燃料の圧力により針弁１を自動的に動かして燃料を噴射するノズル１９を有しており，特に，ノズル１９を構成するノズルホルダ１３内に形成されたバランスチャンバ２５に配設され且つ針弁１をノズルホルダ１３の弁シート１９−１に押さえ付けるスプリング１５と，スプリング１５のばね力に対抗する方向即ちばね力を弱める方向に力を作用させるバランスチャンバ２５内に配設された駆動体である積層圧電アクチュエータ１６とを備えていることを特徴を有するものである。このユニットインジェクタにおいて，駆動体は，積層圧電アクチュエータ１６の他に，電磁ソレノイドで構成することも可能である。また，このユニットインジェクタにおいて，スプリング１５と積層圧電アクチュエータ１６とは，ノズルホルダ１３のバランスチャンバ２５内にフランジ部２７を介在させて直列に配設されているものである。
【００２１】
次に，このユニットインジェクタの制御及び作動について説明する。このユニットインジェクタは，エンジンの駆動即ち回転速度に対応してカム２が回転し，カム２の回転によってカム２の噴射行程のリフト領域２−１がタペット３のローラ部３−１に達すると，カム２によってローラ部３−１を介してプランジャ１を押し下げられ，燃料圧縮室２０に入っている燃料が圧縮される。圧縮された燃料は，ノズルホルダ１３内のノズル１９に形成されている燃料溜まり部１９−３で，針弁１８の軸部２６の断面積と弁シート１９−１のシート径１８−２の断面積（言い換えれば，弁シート１９−１に着座した針弁１８の先端部１８−１の断面積）との面積差分に燃料圧力が針弁１８に作用し，スプリング１５のばね力に抗して針弁１８を押し上げようとする。この時，燃料圧力による力よりスプリング１５のばね力が大きい場合には，針弁１８は動かず，ノズル１９に形成されている噴孔１９−２は開放しない。バランスチャンバ２５内において，スプリング１５に直列に配設された駆動体を構成する積層圧電アクチュエータ１６が組み込まれているので，積層圧電アクチュエータ１６がコントローラの指令でプラス電極１６−２からマイナス電極１６−１へと通電されると，積層圧電アクチュエータ１６の積層厚さが増加し，プッシュロッド１７を押し上げる力が発生する。積層圧電アクチュエータ１６は，スプリング１５のばね力に抗する方向に作用力が働くように構成されているので，積層圧電アクチュエータ１６を通電して積層圧電アクチュエータ１６の積層厚さが増すことによって，スプリング１５のばね力が弱くなり，針弁１８へ作用するばね力が小さくなり，針弁１８は燃料圧力を受けて動くようになり，その結果，噴孔１９−２が開放して燃料が燃焼室（図示せず）に噴射されることになる。
【００２２】
また，コントローラの指令で積層圧電アクチュエータ１６への通電を停止すると，積層圧電アクチュエータ１６の積層厚さが薄くなって元に復帰し，積層圧電アクチュエータ１６によるスプリング１５への作用が無くなり，針弁１８はスプリング１５のばね力によって動き，噴孔１９−２を閉鎖して燃料噴射が停止する。コントローラの指令で必要な時に積層圧電アクチュエータ１６に通電すると，再度，積層圧電アクチュエータ１６がスプリング１５のばね力を弱めて針弁１８を動かして噴孔１９−２を開放し，ノズル１９から燃料が噴射される。
【００２３】
一方，プランジャ１による燃料圧縮量に対して噴孔１９−２からの噴射量が少なければ，プランジャ１による燃料圧力は増加し，スプリング１５の設定ばね圧によっては，積層圧電アクチュエータ１６に通電することなく，燃料圧がスプリング１５のばね力に抗して針弁１８を作動し，噴孔１９−２が開口して燃料が噴射される。また，積層圧電アクチュエータ１６の積層厚さと積層厚さの増加分は，比例関係になっているので，積層圧電アクチュエータ１６への通電による針弁１の可動量は，その厚さにより制限される。一方，スプリング１５のばね力に抗して針弁１が動く範囲は，針弁１の端面が突き当たるまでの距離で限定される。従って，積層圧電アクチュエータ１６による針弁リフトとばね力に抗した時の針弁リフトは，個別に設定が可能であるので，エンジンの燃焼に適した針弁リフトを設定することができる。
【００２４】
一般に，ユニットインジェクタは，次のようにして作動される。
ユニットインジェクタにおいて，積層圧電アクチュエータ１６がバランスチャンバ２５内に設けられていないとすると，次のように作動される。即ち，ユニットインジェクタにおいて，カム２によりプランジャ１が下方に移動し，プランジャ１の下面１−５が燃料入口・出口１１−１の下面に一致したところから燃料入口・出口１１−１がプランジャ下面１−５により閉鎖されて，燃料圧縮室２０の燃料の圧縮即ち加圧が開始される。一方，針弁１８は，プランジャ１の駆動タイミングからプッシュロッド１７には押し下げ力が作用していないので，スプリング１５のばね力により上方よりプッシュロッド１７を介して弁シート１９−１に押さえ付けられている。ここで，燃料圧縮室２０の燃料の圧力がプランジャ１の下方への動きによって上昇すると，針弁１８の軸部２６の直径１８−３の断面積と，ノズル１９の先端部の円形に延びるノズルシート部である弁シート１９−１のシート径の断面積との差分の面積に燃料圧が作用し，針弁１８を上方に押し上げる力が作用する。針弁１８を上方に押し上げる力がスプリング１５の力より大きくなると，針弁１８は上方に動き，その結果，噴孔１９−２から高圧の燃料が噴射される。噴孔１９ー２からは，プランジャ１がカム２により下方に移動するため，継続して燃料を噴射することになる。更に，プランジャ１が下方に移動し，プランジャ１のリード１−３の下部が燃料入口・出口１１−１に交差すると，燃料圧縮室２０の圧縮された燃料は，縦のスリット１−４を通じてリード１−３を経由して燃料入口・出口１１−１に戻り，燃料圧縮室２０の燃料圧は低下して噴射は終了する。また，プランジャ１はレバー９により回転させることが可能であり，その結果，燃料入口・出口１１−１とリード１−３が交差するプランジャ移動位置を変えることができるように構成されている。リード１−３と燃料入口・出口１１−１が交差する位置をプランジャ１の移動量が大きい位置になるように，プランジャ１をレバー９により回転させると，燃料噴射量は増大するように調節できる。また，プランジャ１の縦のスリット１−４が燃料入口・出口１１−１と交差する位置に回転した場合は，燃料は噴射されないようになる。
【００２５】
この発明によるユニットインジェクタは，スプリング１５に直列に配設した積層圧電アクチュエータ１６を備えているので，燃料圧力がバランスして燃料が噴射される以前に，積層圧電アクチュエータ１６に通電して，積層圧電アクチュエータ１６の積層長さ寸法を伸ばすことによって，スプリング１５のばね力を開放し，燃料圧力により針弁１８を上方に動かし，燃料を噴射させることに特徴を有している。積層圧電アクチュエータ１６は，プラス電極１６−２とマイナス電極１６−１との電極に，百数十ボルトの電圧を印加することにより，積層長さ寸法を伸ばすことができるものである。積層圧電アクチュエータ１６は，ピエゾ素子即ち圧電素子が１０ｍｍ程度にまで積層された場合に，１０μｍ程度の積層長さの伸びが得られる。従って，積層圧電アクチュエータ１６は，燃料の噴射に必要な長さ分だけ積層すればよいことになる。燃料圧縮室２０の燃料の燃料圧が高まっているが，噴孔１９−２から燃料を噴射するほどではない時に，積層圧電アクチュエータ１６に印加することで，スプリング１５を介して針弁１８に伝わるスプリング１５のばね力が解放される。針弁１８を押さえているスプリング１５のばね力が解放されると，針弁１８は，燃料圧縮室２０，燃料通路１４−１，ノズル先端部１９−５，隙間２４の圧力により上方に動き，その結果，噴孔１９−２が開口して燃料が噴射される。積層圧電アクチュエータ１６は，極めて短時間だけ印加することが可能であるため，１サイクル中に複数回噴射が可能になる。前述したように積層圧電アクチュエータ１６のリフトは，ピエゾ素子即ち圧電素子の積層厚さにより決まる。従って，例えば，積層圧電アクチュエータ１６の積層厚さを３０ｍｍとすれば，針弁リフトは３０μｍになる。
【００２６】
実際に，メイン噴射に必要な針弁リフト量が６０μｍ程度であるとする場合は，以下の動きとなる。即ち，カム２の動きにより燃料圧力がさらに高圧となると，針弁１８の上に動く力はプッシュロッド１７を介してスプリング１５を押し上げ，最大リフト量２３まで針弁１８は動くことができる。これらから，エンジンの圧縮行程後半で１回〜３回程度の燃料を積層圧電アクチュエータ１６のアクチュエータで駆動し，その後，メイン噴射は燃料圧力で大きなリフトで燃料を噴射する等が可能であり，エンジンの燃焼を制御することができる。更に，燃料のメイン噴射の後に，噴射する場合は，カムプロファイルを２段，カム軸に燃料の圧縮行程を行うカム部を周方向に２個形成し，燃料圧縮を必要なタイミングで再度行うことができが，このような作動は，積層圧電アクチュエータ１６を用いることによって作動させることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
この発明によるディーゼルエンジン用ユニットインジェクタは，例えば，バイブリッド車に適用して好ましいものである。
【符号の説明】
【００２８】
１        プランジャ
２        カム
１３      ノズルホルダ
１４      スプリングホルダ
１５      スプリング
１６      積層圧電アクチュエータ（駆動体）
１７      プッシュロッド
１８      針弁
１９      ノズル
１９−１  弁シート
２２      積層アクチュエータのベース
２５      バランスチャンバ
２７      フランジ部
【図１】
0005752410.tif 000002