(57)【要約】【課題】組み立て性を向上させ低コストでの製作を可能とし、また、熱変形による影響をなくし摩耗低減を可能とした燃料噴射弁及び圧電素子駆動型燃料噴射弁を提供する。【解決手段】ノズル部５の内側を進退自在にスライドするとともに燃料噴射孔１８を開閉する弁体４と、電気的作用により伸縮する圧電素子２との間に、圧電素子２の熱膨張変形量との和が０（零）となる熱膨張変形量を有する中間要素を少なくとも一つ介在させる。また、中間要素が二以上の場合に、その中間要素同士を同じ材質で形成する。また、中間要素が二以上の場合に、その中間要素同士の接触面を球面接触となるように形成する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズル部の内側を進退自在にスライドするとともに燃料噴射孔を開閉する弁体と、電気的作用により伸縮する圧電素子との間に、該圧電素子の熱膨張変形量との和が０（零）となる熱膨張変形量を有する中間要素を少なくとも一つ介在させた
ことを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料噴射弁において、
前記中間要素の熱膨張率を正（プラス側）とした
ことを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料噴射弁において、
前記中間要素の熱膨張率を４．５×１０−６以上とした
ことを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料噴射弁において、
前記中間要素が二以上の場合に、該中間要素同士を同じ材質で形成した
ことを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項５】
請求項１に記載の燃料噴射弁において、
前記中間要素が二以上の場合に、該中間要素同士の接触面を球面接触となるように形成した
ことを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項６】
請求項１に記載の燃料噴射弁において、
前記弁体を前記燃料噴射孔の外側に開弁する外開き弁体とした
ことを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項７】
圧電素子の伸縮作用により燃料の噴射を行う圧電素子駆動型燃料噴射弁であって、
燃料噴射孔の外側に開弁する外開き弁体と、該外開き弁体の外周に設けた支持バネとを備えた
ことを特徴とする圧電素子駆動型燃料噴射弁。
【請求項８】
圧電素子の伸縮作用により燃料の噴射を行う圧電素子駆動型燃料噴射弁であって、
前記圧電素子と前記伸縮作用により駆動される弁体との間に球面接触部分を形成した
ことを特徴とする圧電素子駆動型燃料噴射弁。
【請求項９】
圧電素子の伸縮作用により燃料の噴射を行う圧電素子駆動型燃料噴射弁であって、
前記圧電素子を収容するボディ部と、前記燃料の噴射を行うノズル部とを備え、これら前記ボディ部と前記ノズル部とをカップリングで結合した
ことを特徴とする圧電素子駆動型燃料噴射弁。
【請求項１０】
圧電素子の伸縮作用により燃料の噴射を行う圧電素子駆動型燃料噴射弁であって、
前記圧電素子を収容するボディ部に、前記圧電素子の周囲に燃料を供給するためのパイプを取り付けた
ことを特徴とする圧電素子駆動型燃料噴射弁。
【請求項１１】
圧電素子の伸縮作用により燃料の噴射を行う圧電素子駆動型燃料噴射弁であって、
前記圧電素子を収容するボディ部の一方に、前記燃料に対する第一シール部を設け、且つ、前記ボディ部の他方と前記燃料の噴射を行うノズル部との間に、前記燃料に対する第二シール部を設け、且つ、前記圧電素子の周囲に前記燃料に対する燃料通路を設けた
ことを特徴とする圧電素子駆動型燃料噴射弁。
【請求項１２】
圧電素子の伸縮作用により燃料の噴射を行う圧電素子駆動型燃料噴射弁であって、
前記圧電素子を収容するボディ部に、前記燃料に対するシールと前記圧電素子に対する保持とを同時に行うためのシール兼保持部材を設けた
ことを特徴とする圧電素子駆動型燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１  】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車等の内燃機関（エンジン）に取り付けられる燃料噴射弁に関する。また、圧電素子の伸縮作用により燃料の噴射を行う圧電素子駆動型燃料噴射弁に関する。
【０００２  】
【従来の技術】
近年、排気ガスをクリーン化するために、エンジン筒内に燃料を直接噴射する筒内燃料噴射装置が注目されている。排気ガスをクリーン化するためには、従来にも増して空気の量に対して燃料を少なくする、いわゆる超リーンバーンエンジンにする必要がある。このような希薄なガソリン混合気に着火するためには、点火プラグの近傍だけを相対的に濃い混合気にする必要があり、燃料噴射装置の応答性を従来に比べて飛躍的に速くする必要がある。
【０００３  】
従来の電磁石によるものよりも高速で応答する燃料噴射装置としては、伸縮部材（圧電素子）と拡大機構とを備え、その伸縮部材の変位が直動型であって、さらには伸縮部材の周囲に燃料とは別の液体が封入された構成のものが知られている（例えば特許文献１参照）。上記構成の燃料噴射装置は、伸縮部材と拡大機構との摩耗や熱変形の影響、弁開閉の不安定問題を解消することを目的として提案されている。
【０００４  】
【特許文献１】
特開平９−２８７５３８号公報  （第３−４頁、第１図）
【０００５  】
【発明が解決しようとする課題】
ところで上記従来技術にあっては、伸縮部材（圧電素子）の周囲に液体を封入する必要性があるため、構造と製作とが複雑化してしまっていた。また、圧電素子と弁体とが直接接触しているため、液体に温度変化が生じると圧電素子が縮む方向に変位し、これに伴って弁が開弁する方向に動いてシート部の油密不良を引き起こす可能性があった。さらに、圧電素子と弁体とが直接接触しているため、摩耗により弁の変位量が不安定になって噴射量の再現性がなくなる可能性があった。
【０００６  】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされるもので、組み立て性を向上させ低コストでの製作を可能とし、また、熱変形による影響をなくし摩耗低減を可能とした燃料噴射弁及び圧電素子駆動型燃料噴射弁を提供することを課題とする。
【０００７  】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために種々の発明を提案する。そのうちの幾つかの特徴は次の通りである。
【０００８  】
すなわち、ノズル部の内側を進退自在にスライドするとともに燃料噴射孔を開閉する弁体と、電気的作用により伸縮する圧電素子との間に、該圧電素子の熱膨張変形量との和が０（零）となる熱膨張変形量を有する中間要素を少なくとも一つ介在させたことを特徴としたものである。また、前記中間要素の熱膨張率を正（プラス側）としたことを特徴としたものである。また、前記中間要素の熱膨張率を４．５×１０−６以上としたことを特徴としたものである。また、前記中間要素が二以上の場合に、該中間要素同士を同じ材質で形成したことを特徴としたものである。また、前記中間要素が二以上の場合に、該中間要素同士の接触面を球面接触となるように形成したことを特徴としたものである。また、前記弁体を前記燃料噴射孔の外側に開弁する外開き弁体としたことを特徴としたものである。
【０００９  】
以上のような特徴を有する発明により、熱変形の影響をなくして弁開閉の不安定問題を解消することが可能になる。また、長期間の作動であっても弁の開閉距離が変化することはなく、必要な流量特性を得られるようにすることが可能になる。
【００１０  】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の燃料噴射弁の一実施の形態を示す断面図である。
【００１１  】
図１において、引用符号１は本発明の燃料噴射弁を示している。その燃料噴射弁１は、主に、圧電素子２と、圧電素子２を収容するボディ部３と、弁体４と、弁体４を収容するノズル部５とを備えて構成されている。以下、各構成部材について詳細に説明する。
【００１２  】
圧電素子２は、電気的作用により自身が伸縮する例えばピエゾ素子等の伸縮部材であって、本形態においては、素子本体とその素子本体を収容するケースとを備えて構成されている。素子本体には、燃料噴射弁１の外側に引き出される電極６、６が設けられている。その電極６、６には、伸縮作用を引き起こすための電圧が印可されるようになっている。ケースは、ボディ部３の内周面に対して適宜間隔を有するように形成されている。言い換えれば、ボディ部３の内周面との間に燃料通路を設けることができるようなサイズに形成されている。
【００１３  】
圧電素子２は、本形態において、熱膨張率が４．５×１０−６となるものを使用している。より具体的には、熱膨張率が４．５×１０−６であり且つφ１０で全長が４０ｍｍの素子本体を、全長が５０ｍｍのケースに収容したものを使用している（一例であるものとする）。尚、圧電素子２の熱膨張率は、負（マイナス側）であるものとする。すなわち、圧電素子２は、温度が高くなるにつれて縮む方向に変位するものとする。
【００１４  】
圧電素子２には、スペーサ（中間要素）７が固定されている。そのスペーサ７は、圧電素子２と弁体４との間に介在する部材であって、圧電素子２及び弁体４と同軸になるように配置固定されている。スペーサ７は、圧電素子２にネジ固定される平面視正方形状の基部と、その基部に連成される半球形状の球面接触部分とを有している。
【００１５  】
スペーサ７は、本形態において、熱膨張率が２．２５×１０−６となるものを使用している。より具体的には、熱膨張率が２．２５×１０−６であり且つ基部が平面視８ｍｍ×８ｍｍの正方形状、球面接触部分が４ｍｍの半球形状で全長が後述する弁ガイド２１と合わせて４０ｍｍのものを使用している（一例であるものとする）。尚、スペーサ７の熱膨張率は、正（プラス側）であるものとする。すなわち、スペーサ７は、温度が高くなるにつれて伸びる方向に変位するものとする。
【００１６  】
ボディ部３は、両端が開口する筒状部材であって、圧電素子２よりも全長が長く形成されている。このようなボディ部３の中間には、外周面から内周面にかけて貫通する貫通孔が形成されている。その貫通孔には、燃料（本形態ではガソリンであるが軽油等であってもよいものとする）を導入するためのパイプ８が取り付けられている（パイプ８の取り付け位置は任意であるものとする）。パイプ８により導入された燃料は、圧電素子２の周囲に形成された上記燃料通路を通過してノズル部５へ送られるように形成されている。
【００１７  】
ボディ部３の一方の端部に相当する上端部分には、スペーサ９及びキャップ１０が設けられている。これらスペーサ９及びキャップ１０は、Ｏリング１１により固定される圧電素子２を保持するために設けられている。キャップ１０は、ボディ部３の上端部分に対してネジ固定されるように形成されている（上端部分に溶接されるような構造であってもよいものとする）。スペーサ９は、キャップ１０とボディ部３の端面との間に介在するように設けられている。Ｏリング１１は、燃料に対するシール（第一シール部）と圧電素子２に対する保持、固定とを同時に行うためのシール兼保持部材としての機能を有している。
【００１８  】
ボディ部３の他方の端部に相当する下端部分には、キャップ１２が設けられている。そのキャップ１２は、ノズル部５をカップリング結合するために設けられている。キャップ１２は、ボディ部３の下端部分に対してネジ固定されるように形成されている（下端部分に溶接されるような構造であってもよいものとする）。キャップ１２は、Ｏリング（第二シール部）１３を有し且つボディ部３の内周面に液密に固定されるノズル部５を押さえ付けるように固定されている。
【００１９  】
ノズル部５は、ボディ部３に差し込まれカップリング結合される大径部と、これよりも小径の細長い小径部とを有しており、外周面が図示のような段付き形状となる筒状部材に形成されている。ノズル部５の一方の端部に相当する大径部の端面は、ボディ部３の内周面に形成される段付きストッパ部分に当接する部分であって、平坦に形成されている。また、大径部の周囲には、Ｏリング１３が取り付けられている。ノズル部５の外周面の段付き部分は、キャップ１２により押さえ付けられる平坦な面が形成されている。小径部の外周中間には、環状のシール材１４が取り付けられている。
【００２０  】
ノズル部５の小径部は、所謂ロングノズル部であって、燃料噴射弁１のエンジンに対する取り付けの自由度を高めるために図示のような細長い形状に形成されている。シール材１４は、ノズル部５の小径部とシリンダヘッド側の挿入穴の内周面とをシールしてエンジンの燃焼ガス漏れを防止する機能を有している。尚、燃焼受圧面積を小さくすることができるので、シール材１４の小形簡易化、コスト低減を図ることができるという利点を有している。
【００２１  】
ノズル部５の他方の端部に相当する小径部の端面には、オリフィスプレート１５が取り付けられている。また、オリフィスプレート１５の上には、スワラー（燃料旋回子）１６とプレート１７とが取り付けられている。オリフィスプレート１５は、例えばステンレス製であって、円板状のチップのように形成されている。このようなオリフィスプレート１５の中央には、燃料噴射孔１８が貫通形成されている。燃料噴射孔１８には、弁座１９が連成されている。その弁座１９は、弁体４が外開きの弁体であるため（後述する）、オリフィスプレート１５の外側に形成されている。オリフィスプレート１５は、ノズル部５の小径部の端面に圧入された後に、溶接されるようになっている。オリフィスプレート１５は、スワラー１６をノズル部５に対して押さえ付けるように固定されている。
【００２２  】
スワラー１６は、例えば焼結合金製であって、平面視において正三角形に近い形状であり、その正三角形の頂点に代わりＲを三方に設けたチップのように形成されている。このようなスワラー１６の中央には、弁体４を摺動案内するガイド孔が貫通形成されている。また、スワラー１６の上面には、環状溝と複数の案内溝とが形成されている。環状溝は、ガイド孔の周りに形成されている。また、複数の案内溝は、環状溝に連続するように、且つ放射状に形成されている。一方、スワラー１６の下面には、燃料を旋回させるための複数の通路溝と、環状流路とが形成されている。通路溝は、ガイド孔と環状流路との間に形成されている。環状流路は、スワラー１６の周囲及びノズル部５の内周面との間に形成される燃料通路に連続するように形成されている。スワラー１６の周囲の上記Ｒは、ノズル部５の内周面に嵌合するように形成されている。
【００２３  】
プレート１７は、ノズル部５の内周面との間に燃料通路を確保することができるような形状に形成されており、スワラー１６の上に取り付けられている。また、プレート１７は、チップのように形成されている。このようなプレート１７の中央には、弁体４を摺動案内するガイド孔が貫通形成されている。プレート１７は、ノズル部５内に収容されるスプリング２０に対しての受け部材として設けられている。そのスプリング２０は、弁体４の外周に設けられている。また、スプリング２０は、支持バネとしての機能を有している。
【００２４  】
弁体４は、ノズル部５の内側を進退自在にスライドするとともに燃料噴射孔１８を開閉する部材であって、細長い軸部とその軸部に連成される円錐形状の弁部とを有している。また、弁体４は、燃料噴射孔１８の外側に開弁する外開き弁体として形成されている。軸部の外周には、スプリング２０が設けられている。弁部の反対側には、弁ガイド２１が設けられている。弁体４と弁ガイド２１は、ネジ固定されている。
【００２５  】
弁ガイド２１は、弁体４と圧電素子２にネジ固定されるスペーサ７との間に介在する略棒状の部材（中間要素）であって、その周囲には、ノズル部５の内周面を摺動するガイド部２２が形成されている。ガイド部２２は、弁ガイド２１の中間に形成されており、ノズル部５の内周面との間に燃料通路を確保することができるような形状に形成されている。すなわち、ガイド部２２は、平面視において正方形に近い形状であり、その正方形の頂点に代わりＲを四方に設けたチップのように形成されている。弁ガイド２１は、ガイド部２２を形成することにより、軸ずれ防止機能を有している。
【００２６  】
弁ガイド２１の一方の端部に相当する端面は、スペーサ７の球面接触部分に対して球面接触する半球形状の凹部が球面接触部分として形成されている。また、弁ガイド２１の他方の端部に相当する端面は、スプリング２０に対しての受け部分として形成されている。その受け部分の内側には、ねじ穴が形成されており、弁体４の軸部が固定されている。
【００２７  】
弁ガイド２１は、本形態において、熱膨張率が２．２５×１０−６となるものを使用している。また、スペーサ７と同じ材料、例えばＳＵＳ４２０を用いて形成されている（同じ材質同士で球面接触するようにすれば摩耗低減に効果的である）。尚、弁ガイド２１の熱膨張率は、正（プラス側）であるものとする。すなわち、弁ガイド２１は、温度が高くなるにつれて伸びる方向に変位するものとする。
【００２８  】
上記構成において、高圧燃料ポンプから供給される燃料がボディ部３の中間に取り付けられたパイプ８を通って燃料噴射弁１内に充満され、また、伸縮作用を引き起こすための電圧が圧電素子２に印可されると、圧電素子２が図中下向きに変位（駆動）し、これに伴ってスペーサ７及び弁ガイド２１がスプリング２０を押し下げる。この時、弁体４の弁部とオリフィスプレート１５の燃料噴射孔１８との間に隙間が生じて弁体４が開弁し、高圧燃料噴射が行われる。
【００２９  】
本形態においては、燃料噴射弁１の圧電素子２に１５０Ｖを印可すると、圧電素子２の先端部分が約４０μｍ変位するように構成されている。圧電素子２の先端部分がこのように変位すると、スペーサ７及び弁ガイド２１がスプリング２０の付勢力に抗しながら約４０μｍ押し下げられ、弁ガイド２１と一体になった弁体４が下向きに約４０μｍ駆動される。
【００３０  】
本発明の燃料噴射弁１は、上記構成からも分かるように、熱膨張率と長さとの積で表される熱膨張変形量が圧電素子２と、スペーサ７及び弁ガイド２１とで同じになるように構成されている。すなわち、マイナス側の熱膨張変形量となる圧電素子２と、プラス側の熱膨張変形量となるスペーサ７及び弁ガイド２１との和が０（零）となるように構成されている。従って、熱変形による影響をなくし、弁開閉の不安定問題を解消することができる。
【００３１  】
また、本発明の燃料噴射弁１は、上記構成からも分かるように、圧電素子２の周囲に燃料とは別の液体を封入する必要性がないため、構造と製作の複雑化を避けることができる。従って、組み立て性を良好にすることができるとともに、低コストで製作することができる。
【００３２  】
さらに、本発明の燃料噴射弁１は、上記構成からも分かるように、圧電素子２と弁体４との間に同材質であって球面接触部分を有するスペーサ７及び弁ガイド２１を介在させていることから、摩耗低減を図るとともに、長期間の作動においても弁の開閉距離を変わらずに維持することができる。従って、必要な流量特性を得られるようにすることができる。
【００３３  】
尚、燃料噴射弁１は、圧電素子２の伸縮作用により燃料の噴射を行うものであることから、その名称を圧電素子駆動型燃料噴射弁や直動型燃料噴射弁としても差し支えないものとする。
【００３４  】
次に、図２を参照しながら本発明の燃料噴射弁１を用いた筒内燃料噴射装置について説明する。図２は筒内燃料噴射装置の構成図である。
【００３５  】
図２において、吸気管５１を通過する吸入空気は、エアフローセンサ５２、スロットルバルブ５３にて計測及び制御された後、吸気弁５４の開閉に伴って燃焼室５５内に供給される。エアフローセンサ５２にて計測された吸入空気量信号は、制御ユニット５６へ送られる。
【００３６  】
燃料は、燃料タンク５７内に蓄えられており、高圧燃料ポンプ５８によって燃料噴射弁１に加圧供給される。ここで、制御ユニット５６からの噴射弁駆動信号に基づいて燃料噴射弁１の弁体４の開閉制御を行うと、燃焼室５５に燃料が供給される。燃料噴射弁１への駆動信号は、制御ユニット５６へ送られてくるエンジンの回転数、吸入空気量、空燃比等の信号により制御される。
【００３７  】
燃焼室５５内の吸入空気と燃料の混合気に、点火プラグ５９により発生させられる火花が点火すると混合気は燃焼する。燃焼後のガスは排気弁６０の開閉に伴い排気管６１内を通過する。そして、そのガスは排気される。尚、排気管６１内には、Ｏ２センサ６２、三元触媒６３が配設される。Ｏ２センサ６２は、空燃比制御の信号を制御ユニット５６へ送る機能を有する。また、三元触媒６３は、排気ガス中の有害物質を吸着する機能を有する。
【００３８  】
その他、本発明は本発明の主旨を変えない範囲で種々変更実施可能なことは勿論である。
【００３９  】
すなわち、弁ガイド２１を複数の部材で構成してもよいものとする。また、弁ガイド２１とスペーサ７との間に球面接触部分を有する他の中間要素を配設してもよいものとする。さらに、弁ガイド２１を廃止してガイド部２２と半球形状の凹部とを有する弁体４を用いてもよいものとする。
【００４０  】
尚、本発明に係る燃料噴射弁１は、自動車の他に船舶や農耕機械等の内燃機関（エンジン）に用いることを妨げないものとする。
【００４１  】
【発明の効果】
以上説明したように、圧電素子の周囲に液体を封入することを不要にすることができる。また、組み立て性を良好にすることができる。また、低コストで製作することができる。また、熱変形による影響をなくすことができる。また、摩耗低減を図ることができる。また、最適な流量特性を得られるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料噴射弁の一実施の形態を示す断面図である。
【図２】本発明の燃料噴射弁を用いた筒内燃料噴射装置の構成図である。
【符号の説明】
１  燃料噴射弁
２  圧電素子
３  ボディ部
４  弁体
５  ノズル部
６  電極
７  スペーサ（中間要素）
８  パイプ
９  スペーサ
１０、１２  キャップ
１１、１３  Ｏリング
１４  シール材
１５  オリフィスプレート
１６  スワラー
１７  プレート
１８  燃料噴射孔
１９  弁座
２０  スプリング
２１  弁ガイド
２２  ガイド部
【図１】
2004353488.tif 000003
【図２】
2004353488.tif 000004