(57)【要約】【課題】  噴射時にリターン通路で発生する動圧を低減し、バルブピストンに閉弁方向に作用する力を低減して、安定した作動を確保する。【解決手段】  ノズルニードル５１に閉弁方向の圧力を作用させる制御室５と、高圧燃料通路１１およびリターン通路１２との連通・遮断を切換える三方弁４を有する。ピエゾスタック２０によりバルブピストン３を駆動して三方弁４を押し下げた時に、リターン通路１２に発生する動圧を、可動壁８２を室壁とする容積可変の室８１を有する動圧低減手段８にて吸収し、バルブピストン３に動圧が作用するのを抑制する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルニードルに閉弁方向の圧力を作用させる制御室と、該制御室と高圧通路および低圧通路との連通・遮断を切換える三方弁と、アクチュエータにより駆動されて上記三方弁を上記低圧通路に至る低圧シート面から離座させるピストン部材とを有し、上記制御室と上記低圧通路が連通した時に上記ノズルニードルが開弁するインジェクタであって、
上記低圧通路の途中に設けられ、上記制御室から上記低圧通路へ流出する流体の圧力に応じて容積を変化させることにより上記低圧通路に発生する動圧を低減する動圧低減手段を備えることを特徴とするインジェクタ。
【請求項２】
上記動圧低減手段は、上記低圧通路に連通する容積可変の室を有し、上記三方弁が上記低圧シート面から離座した時に上記制御室から流出する流体の圧力に応じて容積を変化させるものである請求項１記載のインジェクタ。
【請求項３】
上記動圧低減手段は、上記低圧通路に連通する容積可変の室と、その室壁の一部を構成する可動壁とを有する請求項２記載のインジェクタ。
【請求項４】
インジェクタボディの端面に螺挿されるねじ部材の内部に、上記低圧通路に連通する上記容積可変の室と空気室を隣接して設け、これら両室を区画する室壁を上記可動壁となした請求項３記載のインジェクタ。
【請求項５】
上記ピストン部材を中空として、その内部を上記低圧通路に連通する上記容積可変の室と空気室とに区画し、これら両室を区画する室壁を上記可動壁となした請求項３記載のインジェクタ。
【請求項６】
上記空気室に、上記可動壁を上記容積可変の室の容積を縮小する方向に付勢するスプリングを収容した請求項４または５記載のインジェクタ。
【請求項７】
上記動圧低減手段は、上記低圧通路に連通する容積可変の室と、その室壁の一部を構成するダイヤフラムからなる請求項２記載のインジェクタ。
【請求項８】
上記三方弁に、上記低圧シート面着座方向に圧力を作用させる室を設け、該室と上記低圧通路の上流部とを連通する連通孔を設けた請求項１ないし７のいずれか記載のインジェクタ。
【請求項９】
上記アクチュエータがピエゾアクチュエータである請求項１ないし８のいずれか記載のインジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、ディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射装置に使用されて、高圧で燃料を噴射するインジェクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンにおいて、各気筒に共通のコモンレールに高圧燃料を蓄圧するコモンレール燃料噴射システムが知られている。コモンレール燃料噴射システム用のインジェクタは、例えば、噴孔を開閉するノズルニードルの背面に制御弁で圧力制御される制御室を設け、アクチュエータによって制御弁を駆動してノズルニードルを昇降するようになっている。この構成において、コモンレールからの燃料は、インジェクタの燃料通路に導入されて噴孔へ供給される一方で、ノズルニードルの後端面を室壁とする制御室に導入され、ノズルニードルに閉弁方向の圧力を作用させる制御油として使用される。
【０００３】
アクチュエータには、応答性の良好なピエゾアクチュエータを用いることができる（例えば、特許文献１等）。また、ピエゾアクチュエータは、変位が微小であることから、ピエゾアクチュエータの伸縮に伴い上下動する大径のピエゾピストンと、上記制御弁を駆動する小径のバルブピストンを設けるとともに、これら大小ピストンの間に作動油を充填した変位拡大室を設けてなる変位拡大機構が提案されている。この変位拡大機構を用いると、ピエゾアクチュエータの伸長による変位が油圧に変換された後、大小ピストンの径差に応じて増幅されるので、上記制御弁を駆動するのに必要な変位量を効率よく得ることができる。
【特許文献１】特開２００１−１４０７２７号公報
【０００４】
制御弁としては、三方弁構造の制御弁が好適に用いられる。特許文献１に記載される三方弁は、低圧通路に至る低圧シートまたはコモンレールに至る高圧シートにそれぞれ着座し得る弁体を備え、着座位置によって制御室と低圧通路または高圧通路との連通を切換えている。また、変位拡大室にコモンレール圧を導入し、さらに、小径ピストンおよび三方弁シート部の受圧面積を等しくすると、油圧により発生する力を常にキャンセルして、高圧時においても小さな駆動力で三方弁を作動させることが可能となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記構成のインジェクタにおいて、ピエゾアクチュエータを駆動すると、バルブピストンに押されて三方弁が低圧シートから離座する。これにより、制御室とリターン通路が連通して制御室圧力が低下し、ノズルニードルが上昇してノズルから燃料が噴射される。噴射を終了するためには、アクチュエータの駆動を停止し、三方弁を低圧シートに着座させて制御室圧力を回復させる。
【０００６】
ところが、燃料噴射開始時、三方弁が低圧シートから離座する際に、制御室から高圧の燃料が非常に高速でリターン通路に流出するため、リターン通路内に大きな動圧が発生する。この動圧により、バルブピストンに三方弁閉弁方向の力が作用し、三方弁が開弁不良となって噴射が不安定になる可能性がある。また、ピエゾインジェクタは、バルブピストンのリフト速度が速いために、フルリフト後にオーバーシュート振動が発生し、噴射指令値が短い領域において、噴射量が指令値に対しリニアに得られないといった問題があった。
【０００７】
本発明は、噴射時にリターン通路で発生する動圧を低減し、バルブピストンに閉弁方向に作用する力を低減して、安定した作動を確保すること、さらにオーバーシュート振動等を抑制することにより、高性能で信頼性の高いインジェクタ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】
【０００８】
本発明請求項１記載のインジェクタは、ノズルニードルに閉弁方向の圧力を作用させる制御室と、該制御室と高圧通路および低圧通路との連通・遮断を切換える三方弁と、アクチュエータにより駆動されて上記三方弁を上記低圧通路に至る低圧シート面から離座させるピストン部材とを有し、上記制御室と上記低圧通路が連通した時に上記ノズルニードルが開弁するようになっている。そして、上記低圧通路の途中に設けられ、上記制御室から上記低圧通路へ流出する流体の圧力に応じて容積を変化させることにより上記低圧通路に発生する動圧を低減する動圧低減手段を備えるものである。
【０００９】
上記制御室から上記低圧通路へ高速で流出する流体によって、上記低圧通路に動圧が発生すると、上記ピストン部材が閉弁方向の力を受けて作動が不安定になるおそれがあるが、本発明によれば、上記動圧低減手段を設置して動圧を吸収し、動圧が上記ピストン部材に作用するのを抑制することができる。よって、上記ピストン部材の作動が安定し、安定した噴射性能を有する信頼性の高いインジェクタが実現できる。
【００１０】
請求項２記載の発明では、上記動圧低減手段は、上記低圧通路に連通する容積可変の室を有し、上記三方弁が上記低圧シート面から離座した時に上記制御室から流出する流体の圧力に応じて容積を変化させるものである。
【００１１】
具体的には、上記低圧通路に連通する容積可変の室を設けて、上記制御室から流出する流体の圧力に応じて容積を変化させるようにすることで、上記効果が得られる。
【００１２】
請求項３記載の発明では、上記動圧低減手段は、上記低圧通路に連通する容積可変の室と、その室壁の一部を構成する可動壁とを有する。
【００１３】
上記構成において、上記低圧通路に動圧が発生すると、上記可動壁が移動して、上記容積可変の室の容積を拡大させ、動圧を低減する。
【００１４】
請求項４記載の発明では、インジェクタボディの端面に螺挿されるねじ部材の内部に、上記低圧通路に連通する上記容積可変の室と空気室を隣接して設け、これら両室を区画する室壁を上記可動壁とする。
【００１５】
より具体的には、インジェクタボディと別体のねじ部材の内部に、上記動圧低減手段を設けることができ、インジェクタ本体を小型にできるので有利である。
【００１６】
請求項５記載の発明では、上記ピストン部材を中空として、その内部を上記低圧通路に連通する上記容積可変の室と空気室とに区画し、これら両室を区画する室壁を上記可動壁とする。
【００１７】
上記ピストン部材の内部に、上記動圧低減手段を設けると、動圧を速やかに低減し、しかもインジェクタ本体の小型化が可能である。
【００１８】
請求項６記載の発明では、上記空気室に、上記可動壁を上記容積可変の室の容積を縮小する方向に付勢するスプリングを収容する。
【００１９】
具体的には、上記可動壁をスプリングで支持する構成とし、そのばね力を適宜設定することで、リターン圧に応じて上記可動壁を移動させ、動圧を効果的に低減できる。
【００２０】
請求項７記載の発明では、上記動圧低減手段を、上記低圧通路に連通する容積可変の室と、その室壁の一部を構成するダイヤフラムとで構成する。
【００２１】
あるいは、ダイヤフラムのように変形可能な室壁を有する室を設けて、上記容積可変の室としてもよい。この場合も、リターン圧に応じて上記ダイヤフラムが容積を拡大する方向に変形することにより、動圧を効果的に低減できる。
【００２２】
請求項８記載の発明では、上記三方弁に、上記低圧シート面へ着座する方向の圧力を作用させる室を設け、該室と上記低圧通路の上流部とを連通する連通孔を設ける。
【００２３】
このようにすると、上記低圧通路の動圧がリフト中の上記三方弁にブレーキをかける方向に作用し、オーバーシュートを抑制して、噴射量変動を低減することができる。
【００２４】
請求項９記載の発明では、上記アクチュエータをピエゾアクチュエータとする。
【００２５】
ピエゾアクチュエータは応答性が良好で制御性に優れるので、より高性能なインジェクタが実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面に基づいて本発明の第１の実施形態を説明する。図１は本発明のインジ
ェクタの概略構成図である。本発明のインジェクタは、例えば、ディーゼルエンジンのコモンレール式燃料噴射システム用として用いられ、エンジンの各気筒に対応して設けられて共通のコモンレールから燃料の供給を受けるようになっている。コモンレールには高圧サプライポンプにより圧送される燃料（軽油）が噴射圧力に相当する所定の高圧で蓄えられる。
【００２７】
図１において、インジェクタは、図略の燃焼室壁に取付けられるボディ１を有し、ボディ１内にはインジェクタ各部の構成部品が収納されるとともに、図略のコモンレールに連通する高圧燃料通路１１、図略の燃料タンクに連通する低圧通路としてのリターン通路１２等の通路が形成される。
【００２８】
インジェクタは、ボディ１の下端部内に形成した縦穴５３に、段付きのノズルニードル５１を摺動自在に保持している。ノズルニードル５１の下半小径部の外周には環状の油溜まり室１３が形成されており、油溜まり室１３には常時高圧燃料通路１１を介してコモンレールからの高圧燃料が供給されている。縦穴５３の下方には、これに連なってサック部が形成され、サック部形成壁を貫通して燃料噴射用のノズル１４が形成される。
【００２９】
ノズルニードル５１は下端位置にある時に、円錐形の先端部がサック部と縦穴５３の境界部に設けたシート面１５に着座し、油溜まり室１３からノズル１４への燃料供給を遮断する。ノズルニードル５１が上昇してシート面１５から離座し、燃料が噴射される。
【００３０】
ノズルニードル５１の上端面および縦穴５３の壁面により画成される空間は、ノズルニードル５１に背圧を与える制御室５としてある。制御室５には、バランス三方弁４およびメインオリフィス６１を介して、また、高圧燃料通路１１からサブオリフィス６２を介して、制御油としての燃料が導入されており、ノズルニードル５１の背圧を発生している。この背圧はノズルニードル５１に下向きに作用して、制御室５内に収納されたスプリングニードル５２とともにノズルニードル５１を着座方向に付勢する。一方、油溜まり室１３の高圧燃料がノズルニードル５１のシート面１５より外周部に上向きに作用しノズルニードル５１を離座方向に付勢している。
【００３１】
ボディ１の上半部内に形成した縦穴内には、上側から順にピエゾアクチュエータとしてのピエゾスタック２０、大径のピエゾピストン２、小径のバルブピストン３が同軸的に配設されている。ピエゾスタック２０はＰＺＴ等の圧電セラミック層と電極層とを交互に積層してコンデンサ構造とした一般的なもので、積層方向すなわち上下方向を伸縮方向としており、図示しない駆動回路により充放電されるようになっている。ピエゾスタック２０には、ピエゾピストン２の上端部外周に設けられたスプリングピエゾ２１により一定の初期荷重が印加される。これにより、ピエゾピストン２はピエゾスタック２０の伸縮に伴い、一体に上下動する。
【００３２】
大径のピエゾピストン２と小径のバルブピストン３は、縦穴に設けたシリンダ内に摺動自在に保持されている。バルブピストン３は、小径の下端部が三方弁４の上端に当接しており、ピエゾピストン２とバルブピストン３の間には、燃料が充填されて変位拡大室２２を形成している。従って、ピエゾスタック２０が伸長してピエゾピストン２を押圧すると、その押圧力が変位拡大室２２の燃料を介してバルブピストン３に伝えられ、バルブピストン３が下方に付勢されて三方弁４を押圧するようになっている。
【００３３】
ここで、バルブピストン３は、ピエゾピストン２よりも小径としてあるので、ピエゾスタック２０の伸長量が拡大されてバルブピストン３の上下方向の変位に変換される。このように、大小２つのピストン２、３と変位拡大室２２とは、油圧式変位拡大機構として機能する。
【００３４】
バランス三方弁４（以下、三方弁４と称する）は、弁室４４の天井面に開口する低圧シート面４１または底面に開口する高圧シート面４２に選択的に着座して、メインオリフィス６１を介して弁室４４と常時連通する制御室５の圧力を増減する。低圧シート面４１と高圧シート面４２は弁室４４の天井面中央部と底面中央部の対向位置に設けられ、低圧シート面４１はスピル通路３１に続くリターン通路１２と連通し、高圧シート面４２は通路３２に続く高圧燃料通路１１と連通している。
【００３５】
三方弁４は、大径の弁部４３の下方に摺動部を有する圧力バランス型構造で、弁部４３となる上端部が弁室４４内に位置し、下端部の摺動部４２が高圧シート面４２に続くシリンダ内を摺動するようになっている。弁部４３と摺動部を連結する細径部周りの環状空間には、高圧燃料通路１１へ至る通路３２が開口している。
【００３６】
三方弁４の弁部４３が低圧シート面４１に着座する上端位置にある時には、高圧シート面４２に続く高圧燃料通路１１が制御室５と連通する。弁部４３が高圧シート面４２に着座する下端位置にある時には、低圧シート面４１に続くリターン通路１２が制御室５と連通する。このように三方弁４の作動状態が切り換わるのに伴い、弁室４４に連通する制御室５の圧力、すなわちノズルニードル５１の背圧が増減する。
【００３７】
三方弁４は、低圧シート面４１および高圧シート面４２と摺動部径をほぼ同一径とし、弁部４３に上向き（高圧シート面４２から離座させる方向）に作用する油圧と摺動部に下向き（低圧シート面４１から離座させる方向）に作用する油圧とをほぼバランスさせている。これにより、ピエゾスタック２０を伸長させて三方弁４を下方変位させる際にピエゾスタック２０に要求される駆動エネルギーを小さくできる。なお、三方弁４の上端面外周部をフラットな面とせず、傾斜面とするとシート位置が安定する。また、上端面中央を略球面状としてバルブピストン３に当接させると、軸のずれを吸収することができる。
【００３８】
三方弁４の下方には、スプリングバルブ７１を収容するスプリング室７が設けてあり、三方弁４は、スプリングバルブ７１によって上方に付勢されている。スプリング室７は、連通路７２を介してスピル通路３１直後のリターン通路１２に通じている。このようにすると、噴射開始時に、三方弁４の下方への移動が抑制されることがなく、弁部４３が低圧シート面４１から速やかに離座するとともに、リターン圧の導入により、三方弁４フルリフト時にはピエゾピストン２の振動を抑制する効果が得られる。
【００３９】
本実施の形態では、ボディ１の上端面に螺結されるねじ部材としてのホロスクリュー型部材８５内に、リターン通路１２に発生する動圧を低減する動圧低減手段８を設けている。動圧低減手段８は、リターン通路１２の上端部に接続する容積可変の室８１と、その上方に隣接する空気室８３と、これら両室を区画する可動壁８２を有し、可動壁８２は、空気室８３内に収容されるスプリング８４によって、容積可変の室８１方向に付勢されている。リターン通路１２と容積可変の室８１の接続部から分岐する低圧通路１２１は、ホロスクリュー型部材８５の側部を貫通して外部へ延びている。可動壁８２は、図に示す通常状態では、ホロスクリュー型部材８５の中間部内周に設けた段部に押し付けられており、リターン通路１２の圧力が上昇すると、空気室８３を圧縮しながら上方へ移動して、容積可変の室８１の容積を拡大させ、動圧を吸収する。
【００４０】
上記構成のインジェクタの作動を説明する。図１において、ピエゾスタック２０に通電すると、ピエゾスタック２０が伸長してピエゾピストン２を押し下げ、変位拡大室２２の圧力を上昇させる。この油圧力によりバルブピストン３が下方に移動し、三方弁４を押し下げると、弁部４１が低圧シート面４１から離座し、さらに下方変位して高圧シート面４２に着座する。これにより、リターン通路１２に連通する低圧シート面４１が開放され、制御室５内の燃料がメインオリフィス６１および弁室４４を介して流出するために、制御室５の圧力が降下する。そして、ノズルニードル５１の下向きの付勢力が上向きの付勢を下回ると、ノズルニードル５１がシート面１５から離座して燃料噴射が開始される。
【００４１】
一方、ピエゾスタック２０を放電させると、ピエゾスタック２０の収縮に伴いピエゾピストン２が上方へ移動し、変位拡大室２２の圧力が降下して三方弁４の押し下げ力が解除される。これにより、高圧燃料通路１１に連通する高圧シート面４２が開放され、制御室５に弁室４４およびメインオリフィス６１を介して流入する高圧燃料と、サブオリフィス６２を介して流入する高圧燃料とにより、制御室５圧力が再び上昇する。そして、ノズルニードル５１の下向きの付勢力が上向きの付勢を上回ると、ノズルニードル５１が着座して噴射が終了する。
【００４２】
ここで、図２（ａ）に示すように、動圧低減手段８を有しない従来構造では、燃料噴射時、小径のバルブピストン３が下方に変位して三方弁４を押し下げた後、制御室５から高圧の燃料が高速でリターン通路１２に流出するために、リターン通路１２に動圧が発生する。さらに、この動圧の作用で、バルブピストン３が再び上方に変位する戻りが発生し、三方弁４の動作が不安定になる。これに対し、図２（ｂ）に示す本実施の形態では、動圧低減手段８を設けたことにより、動圧の吸収が可能となる。すなわち、リターン通路１２の圧力が上昇すると、可動壁８２がスプリング８４のばね力に抗して上方へ移動し、容積可変の室８１の容積を拡大させて、発生する動圧を低減する。その結果、動圧の作用によるバルブピストン３の戻りを抑制して、噴射条件によらず、常に安定した作動を確保し、噴射を安定させることが可能となる。
【００４３】
また、本実施の形態のように、動圧低減手段８をボディ１と別体で設けることで、インジェクタ本体を小型化できる利点がある。また、動圧低減手段８は、ホロスクリュー一体型の簡素な構成であり、リターン通路１２のボディ１からの取出口に直結して設置されるので、速やかに動圧を低減して安定した作動を実現できる。
【００４４】
図３（ａ）、（ｂ）は、連通孔７２の効果を示す図である。従来のピエゾインジェクタ構造では、バルブピストン３のリフト速度が速いために、図３（ａ）のように、フルリフト時に、大径のピエゾピストン２にオーバーシュート振動が発生しやすい。これに対し、図３（ｂ）に示す本実施の形態のように、三方弁４下部のスプリング室７とリターン通路１２上流部を連通孔７２で接続し、スプリング室７にリターン圧が導入されるようにすると、リフト中の三方弁４にブレーキをかけて、フルリフト時の振動を穏やかにすることができる。その結果、ピエゾピストン２のオーバーシュート振動を抑制できるので、例えば、噴射間隔が短いマルチ噴射の際のピストン挙動の安定化を図り、噴射間隔の変更による噴射量変動を低減することができる。
【００４５】
図４に本発明の第２の実施形態を示す。本実施形態では、バルブピストン３を中空として、動圧低減手段９を設けている。動圧低減手段９は、バルブピストン３の中空部内を上下に区画する可動壁９３と、可動壁９３の上部に形成される空気室９１と、可動壁の下方に形成される容積可変の油室９４とからなり、油室９４は連通孔９５にてリターン通路１２に連通している。また、可動壁９３は、空気室９１内に収容されるスプリング９２によって油室９４側に付勢されている。
【００４６】
本実施の形態の構成によっても、燃料噴射時に、リターン通路１２で発生する動圧を、可動壁９３がスプリング９２のばね力に抗して上方へ移動し、油室９４の容積を拡大させることによって、低減することができる。その結果、動圧の作用によるバルブピストン３の戻りを抑制して、安定した作動を確保する同様の効果が得られる。しかも、動圧低減手段９を、バルブピストン３内に設けたので、スピル通路３１に続くリターン通路１２の上流端部に連通孔９５を開口させて、噴射時に高圧燃料が流出することにより発生する動圧を速やかに低減できる。また、動圧低減手段９を別体で設ける必要がないので、インジェクタがより小型にできる。
【００４７】
図５に本発明の第３の実施形態を示す。本実施形態は、上記図４の第２の実施の形態の変形例で、スプリング９２で支持される可動壁９３の代わりに、空気室９１と油室９４を区画する室壁としてダイヤフラム９６を設置して、動圧低減手段９としている。本実施の形態によっても、リターン通路１２の圧力の上昇に応じてダイヤフラム９６が弾性変形し、油室９４の容積を拡大するので、動圧低減に対して同様の効果が得られる。
【００４８】
以上のように、本発明によれば、容積可変の室を有する動圧低減手段を設けることによって、リターン通路１２で発生する動圧を低減し、安定した燃料噴射を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１の実施形態を示すインジェクタの全体断面図である。
【図２】（ａ）は従来構造におけるリターン圧と小径ピストン変位の時間変化を示す図、（ｂ）は第１の実施形態構造におけるリターン圧とバルブピストン（小径ピストン）変位の時間変化を示す図である。
【図３】（ａ）は従来構造における三方弁下部圧力とピエゾピストン（大径ピストン）変位の時間変化を示す図、（ｂ）は第１の実施形態構造における三方弁下部圧力とピエゾピストン（大径ピストン）変位の時間変化を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施形態を示すインジェクタの全体断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態を示すインジェクタの要部拡大断面図である。
【符号の説明】
【００５０】
１  ボディ（インジェクタボディ）
１１  高圧燃料通路（高圧通路）
１２  リターン通路（低圧通路）
２  ピエゾピストン
２０  ピエゾスタック（アクチュエータ）
２１  スプリングピエゾ
２２  変位拡大室
３  バルブピストン（ピストン部材）
３１  スピル通路
３２  通路
４  バランス三方弁（三方弁）
４１  低圧シート面
４２  高圧シート面
４３  弁部
４４  弁室
５  制御室
５１  ノズルニードル
５２  スプリングニードル
６１  メインオリフィス
６２  サブオリフィス
７  スプリング室
７１  スプリングバルブ
７２  連通孔
８  動圧低減手段
８１  容積可変の室
８２  可動壁
８３  空気室
８４  スプリング
８５  ホロスクリュー型部材（ねじ部材）
９  動圧低減手段
９１  空気室
９２  スプリング
９３  可動壁
９４  油室（容積可変の室）
９５  連通孔
９６  ダイヤフラム
【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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