(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピエゾスタックの伸縮によって圧力が増減するピエゾポンプ室と、該ピエゾポンプ室内の圧力を受けてシリンダ内を摺動する作動ピストンと、上記作動ピストンによって駆動されて、低圧通路に連通するスピル室と高圧通路に連通する制御室の間を開閉する弁部材とを備え、上記弁部材を開閉して上記制御室内の圧力を増減することにより噴孔を開閉するピエゾインジェクタにおいて、一端が上記スピル室に開口し他端が上記ピエゾポンプ室に開口する通路を設けて、該通路に上記スピル室から上記ピエゾポンプ室へのみ流体を流入させる逆止弁を設け、かつ上記ピエゾスタックと上記ピエゾポンプ室の間に位置して、上記ピエゾスタックの伸縮を上記ピエゾポンプ室に伝達するピエゾピストンを設け、上記ピエゾピストンの外周に上記低圧通路に連通する逃がし溝を設けたことを特徴とするピエゾインジェクタ。
【請求項２】
上記通路および上記逆止弁を上記作動ピストン内に設けた請求項１記載のピエゾインジェクタ。
【請求項３】
上記逃がし溝と上記ピエゾスタックとの間にシール部材を配設した請求項１または２記載のピエゾインジェクタ。
【請求項４】
上記弁部材が閉弁方向に上記制御室内の圧力の作用を受けており、上記制御室内の圧力が所定の設定圧力に達するまで上記弁部材が開弁を保持するように上記弁部材を付勢する付勢部材を設けた請求項１ないし３のいずれか記載のピエゾインジェクタ。
【請求項５】
上記所定の設定圧力を噴射圧より低く設定した請求項４記載のピエゾインジェクタ。
【請求項６】
上記スピル室と上記低圧通路の間に絞りを設けた請求項１ないし５のいずれか記載のピエゾインジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コモンレール噴射システムに用いられるピエゾインジェクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の燃料噴射システムとして、燃料供給ポンプから圧送される高圧燃料をコモンレールに蓄圧するコモンレール噴射システムが知られている。このシステムでは、機関の運転状態に基づいてコモンレール圧力を目標値に制御するとともに、コモンレール内の高圧燃料を所定のタイミングでインジェクタから各気筒に噴射供給している。インジェクタには、例えば、ノズルニードルの背圧をピエゾ弁で制御するピエゾインジェクタが用いられる（米国特許第５７７９１４９号、特開平９−１８４４６３号公報等）。
【０００３】
ピエゾインジェクタは、一般に、ピエゾスタックの伸縮を油圧変換するためのピエゾポンプ室と、ピエゾポンプ室内の油圧の作用でシリンダ内を摺動する作動ピストンを有し、作動ピストンと一体のプッシュロッドを介して制御油圧室内に配した弁部材を駆動している。制御油圧室は、例えば、ノズルニードルの背圧室に連通するポートとドレーン通路に連通するポート、およびコモンレールに連通するポートを有し、ピエゾスタックの収縮時には、弁部材はドレーン通路に連通するポートを閉塞している。この時、制御油圧室を介して背圧室とコモンレールが導通し、ノズルニードルの背圧が上昇して噴孔を閉鎖している。次に、ピエゾスタックが伸長してピエゾポンプ室内の圧力が上昇すると、作動ピストンが弁部材を駆動してドレーン通路を開放し、コモンレールに連通するポートを閉塞する。このため、背圧室の圧力が低下してノズルニードルがリフトし、燃料噴射がなされる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のピエゾインジェクタは、ピエゾポンプ室内に気泡が混入していると作動不良を生じる問題がある。例えば、ピエゾインジェクタの作動中に、雰囲気温度や圧力等の変化によりピエゾポンプ室内に気泡が発生する場合があるが、上記従来の構成では気泡を抜く手段がないために、ピエゾスタックの伸縮が作動ピストンに正しく伝達されないおそれがあった。また、エンジン出荷に際する始動時には、ピエゾポンプ室内に燃料がないため、弁部材が作動せず、このためピエゾポンプ室内に燃料を充填する工程を別途必要とする不具合があった。
【０００５】
本発明は上記実情に鑑みてなされたもので、その目的は、ピエゾインジェクタの作動時に、ピエゾポンプ室内に発生する気泡を抜くことができ、さらに、エンジン始動時に、ピエゾポンプ室内のエアを抜いて容易に燃料を充填することができる、構成簡易で作動性の良好なピエゾインジェクタを得ることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１において、ピエゾインジェクタは、ピエゾスタックの伸縮によって圧力が増減するピエゾポンプ室と、該ピエゾポンプ室内の圧力を受けてシリンダ内を摺動する作動ピストンと、上記作動ピストンによって駆動されて、低圧通路に連通するスピル室と高圧通路に連通する制御室の間を開閉する弁部材とを備え、上記弁部材を開閉して上記制御室内の圧力を増減することにより噴孔を開閉している。その特徴は、一端が上記スピル室に開口し他端が上記ピエゾポンプ室に開口する通路を設けたこと、そして、該通路に上記スピル室から上記ピエゾポンプ室へのみ流体を流入させる逆止弁を設けたことにある。また、上記ピエゾスタックと上記ピエゾポンプ室の間に位置して、上記ピエゾスタックの伸縮を上記ピエゾポンプ室に伝達するピエゾピストンを設け、上記ピエゾピストンの外周に上記低圧通路に連通する逃がし溝を設けたことにある。
【０００７】
従来の構成では、インジェクタ作動中に、ピエゾポンプ室内に気泡が発生すると、ピエゾスタックの伸縮が正しく伝達されず、作動不良を引き起こす原因となる。これに対し、上記請求項１の構成では、上記ピエゾスタックの伸長に伴う昇圧時に、上記ピエゾポンプ室内の作動流体の一部が微小クリアランスを介してリークすると、その分、上記ピエゾスタックの収縮時に、上記ピエゾポンプ室内の圧力が降下する。このため、低圧となった上記ピエゾポンプ室に、これより圧力の高い上記スピル室から、上記通路および上記逆止弁を介して作動流体が流入する。これを繰り返すことにより、上記ピエゾポンプ室内の気泡を小さいうちに排出することができるので、作動不良の発生を防止することができる。特に上記逃がし溝により、上記ピエゾポンプ室から上記低圧通路への作動流体の流出が容易になり、気泡抜きを速やかに行うことができる。
【０００８】
請求項２の構成では、上記通路および上記逆止弁を上記作動ピストン内に設ける。このように、気泡抜きのための機構を、既成部材である上記作動ピストン内に設けることで、簡単な構成の変更で気泡抜きが可能になり、インジェクタを大型化することもない。
【０００９】
請求項３の構成では、上記低圧通路に連通する逃がし溝を設けた構成において、該逃がし溝と上記ピエゾスタックとの間にはシール部材を配置する。
【００１０】
請求項４の構成では、上記弁部材が閉弁方向に上記制御室内の圧力の作用を受けており、上記制御室内の圧力が所定の設定圧力に達するまで上記弁部材が開弁を保持するように上記弁部材を付勢する付勢部材を設ける。
【００１１】
始動時には、上記制御室内に流入する上記高圧通路の流体圧力が所定の設定圧力に達するまで、上記付勢部材により上記弁部材の開弁を保持する。この時、上記高圧通路から上記制御室を介して上記スピル室へ作動流体が流入し、さらに、その一部が上記通路および上記逆止弁を経て上記ピエゾポンプ室に流入する。上記通路には上記逆止弁が配設されているため、上記ピエゾポンプ室内の作動流体は上記スピル室へ戻ることはなく、微小クリアランスを介して流出する。この過程において、上記ピエゾポンプ室内のエアが抜け、作動流体で充填される。よって、予めピエゾポンプ室内に燃料を充填する作業が不要となり、作業性が向上する。
【００１２】
請求項５の構成では、上記所定の設定圧力を噴射圧より低く設定する。これにより、上記気泡抜きが行われている間は、上記制御室の圧力が大気圧であっても上記噴孔が開放されず、噴射がなされないようにすることができる。
【００１３】
請求項６の構成では、上記スピル室と上記低圧通路の間に絞りを設ける。上記絞りにより、上記スピル室の圧力が高くなり、上記通路を経て上記ピエゾポンプ室へ流体が流入しやすくなるので、気泡抜きをよりスムーズに行うことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。図１はピエゾインジェクタ１の全体構成図で、例えばコモンレール噴射システムの燃料噴射弁として用いられる。図１において、ピエゾインジェクタ１の筒状ハウジング１１は、上端部にピエゾスタック２を収容する上端閉鎖の筒状部材２２をねじ固定するとともに、下端部に燃料を噴射する弁部材としてのノズルニードル４を収容するバルブボディ４１をネジ固定してなる。ピエゾスタック２は、角柱もしくは円柱状の圧電体からなり、電荷の注入により伸長し、電荷の除去により収縮する性質を有する。そして、筒状部材２２の上端面を貫通してピエゾスタック２の上端面に接続するリード線２１を介して外部のコントローラ（図略）により制御される。
【００１５】
ハウジング１１内には、ピエゾピストン２３を摺動自在に収納するシリンダ１２が形成され、その下端部をピエゾポンプ室３となしている。ピエゾピストン２３の上端面はピエゾスタック２の下端面に当接しており、ピエゾスタック２の伸縮がピエゾピストン２３に直接伝達されて、ピエゾポンプ室３の容積を縮小または拡大するようになしてある。ピエゾポンプ室３内には皿バネ３１が配設されて、ピエゾピストン２３を介してピエゾスタック２を上方、すなわち収縮方向に付勢している。
【００１６】
また、ピエゾピストン２３の外周には環状の逃がし溝２４が形成してあり、逃がし溝２４は通路１３を介して、低圧通路たるドレーン通路１４に連通している。ピエゾピストン２３の外周とシリンダ１２内周面の間には２〜１０μｍのクリアランス２６が設けてあり、ピエゾポンプ室３の容積縮小時に、このクリアランス２６からリークする燃料が、逃がし溝２４、通路１３を介してドレーン通路１４に流出する。このように、ピエゾポンプ室３の上方へ燃料がリークする構成とすると、ピエゾポンプ室３の上部にたまりやすい気泡を抜くために有利である。逃がし溝２４より上方のピエゾピストン２３外周には、シール部材たるＯリング２５が収容される環状溝が形成してあって、ピエゾスタック２側への燃料漏れを防止している。なお、ドレーン通路１４は、図示しない配管により外部の燃料タンクに接続している。
【００１７】
シリンダ１２下方のハウジング１１内には、これより小径のシリンダ１５が同軸に形成してあり、その内部に作動ピストン５が摺動自在に収納されている。シリンダ１５の下端部には、絞り６１を介してドレーン通路１４に連通するスピル室６が形成してある。その下方の、ハウジング１１とバルブボディ４１の衝合部には、３方弁の形態をなす制御室としての制御油圧室７が形成されている。制御油圧室７は、スピル室６に連通するポート７１と、その直下のポート７２および側方に開口するポート７３の３つのポートを有し、ポート７２は高圧通路１６に、ポート７３はノズルニードル４上方に設けられる背圧室８にそれぞれ連通している。作動ピストン５は下端面中央より下方に突出する細径のプッシュロッド５１を有し、このプッシュロッド５１がポート７１内を通過して、制御油圧室７内に配設される弁部材たるボール弁７４に当接している。ボール弁７４は、ポート７１またはポート７２を選択的に閉塞し、ポート７３は常に開放状態にある。
【００１８】
高圧通路１６は、ハウジング１１およびバルブボディ４１内を上下方向に延びており、その下端は、ノズルニードル４の中間部周りに形成される燃料溜まり８１に開口している。また、高圧通路１６の上端はハウジング１１側部から、図示しない配管により外部の高圧燃料源（例えばコモンレール等の高圧リザーバ）に接続し、エンジンの運転中は２０ＭＰａ〜２００ＭＰａの燃料が供給されている。この燃料圧の作用により、ボール弁７４は上向きの力を受け（ポート７１を閉塞する方向）、プッシュロッド５１との当接を維持する。そして、ピエゾスタック２が十分に伸長している時には、プッシュロッド５１により下向きの力を受けてポート７２を閉塞し、ピエゾスタック２が十分に収縮している時には、燃料圧の作用でポート７１を閉塞する。
【００１９】
本発明では、作動ピストン５の内部に、スピル室６とピエゾポンプ室３とを連通する通路５２を設けるとともに、スピル室６からピエゾポンプ室３への流れのみを許容する逆止弁９を設けている。逆止弁９は、通路５２のピエゾポンプ室３への開口端に形成した弁座９２と、作動ピストン５の上端部に設けた凹部内に保持され弁座９２に当接してこれを閉塞可能なボール弁９１を有している。ボール弁９１は、ピエゾピストン２３下端面との間に配設されるスプリング９３によって閉弁方向に付勢されている。スプリング９３の付勢力は、スピル室６とピエゾポンプ室３のわずかな差圧でボール弁９１が開弁するように設定してあり、スピル室８からピエゾポンプ室３へ燃料を流入させることにより、気泡抜きを可能にしている。
【００２０】
また、作動ピストン５も、その上端面とピエゾピストン２３下端面との間に配設されるスプリング５３によって、スピル室６方向に付勢されている。この時、スプリング５３の付勢力を、高圧通路１６から制御油圧室７に流入する燃料圧が所定の設定圧力以下ではボール弁７４がポート７１を閉塞せず、制御油圧室７とスピル室６の導通が保持されるように設定する。これにより、始動時において、燃料圧が所定の設定圧力に達するまで、ポート７１を経てスピル室６へ燃料が流入し、さらに通路５２を経てピエゾポンプ室３に燃料が充填される。
【００２１】
一方、バルブボディ４１に設けたシリンダ４２内には、コマンドピストン４３が摺動自在に配設されている。シリンダ４２の上端部に設けられる背圧室８は、ポート７３を通じて常に制御油圧室７と導通し、背圧室８の圧力が増減するのに伴ってコマンドピストン４３がシリンダ４２内を上下動する。コマンドピストン４３は、下端部周りに設けられるスプリング室４４内のスプリング４５によって下方に付勢されるとともに、下端面がノズルニードル４に当接して、背圧室８の圧力をノズルニードル４に伝達するようになしてある。なお、スプリング４５は、コマンドピストン４３下端に設けたフランジとスプリング室４４上面との間に保持され、スプリング室４４はドレーン通路１４に連通している。
【００２２】
ノズルニードル４は上半部が大径で下半部がこれより小径としてあり、その肩部４６が燃料溜まり８１内に位置して燃料圧を受けるようにしてある。ノズルニードル４は下端部を弁体として、バルブボディ４１先端の噴孔８２を閉塞しており、背圧室８内の圧力が降下すると、燃料溜まり８１の燃料圧の作用でリフトし、噴孔８２と燃料溜まり８１とがノズルニードル４の下半部周りに形成される通路８３を介して導通する。
【００２３】
次に、上記構成のピエゾインジェクタ１の作動を説明する。まず、（１）基本作動について、ピエゾインジェクタ１のピエゾスタック２にリード線２１を介して電荷を注入し、これを伸長させると、ピエゾピストン２３が下降してピエゾポンプ室３の容積を縮小する。これに伴うピエゾポンプ室３の油圧作用により作動ピストン５が下降して、これと一体のプッシュロッド５１がポート７１を閉塞していたボール弁７４を押し下げる。ボール弁７４がポート７１から離れ、プッシュロッド５の下降に従ってさらに下降すると、ボール弁７４がポート７２を閉塞する。これにより制御油圧室７と高圧通路１６の導通が遮断され、代わりに制御油圧室７と低圧のスピル室６と導通するため、制御油圧室７内の圧力が低下する。同時に、ポート７３を介して制御油圧室７と導通している背圧室８の圧力も低下する。
【００２４】
ノズルニードル４は、燃料溜まり８１内において肩部４６に開弁方向の圧力作用を受けている。コマンドピストン４２に下向きに作用する背圧室８の油圧が低下すると、開弁力が、スプリング４５の付勢力と背圧室８の下向きの油圧力の総和に打ち勝って、ノズルニードル４をリフトさせる。これにより燃料溜まり８１と噴孔８２とが導通し、噴孔８２から高圧燃料の噴射が開始される。
【００２５】
その後、ピエゾスタック２の電荷を放出して、これを収縮させると、ピエゾピストン２３が皿バネ３１の付勢力によって上昇し、ピエゾポンプ室３の容積を拡大する。これによりピエゾポンプ室３の圧力が降下すると、ボール弁７４に上向きに作用する油圧力が、スプリング５３、９３の付勢力と作動ピストン５に下向きに作用するピエゾポンプ室３の油圧力の総和に打ち勝って、ボール弁７４とプッシュロッド５１が一体となって上昇する。これによりボール弁７４がポート７２から離れて高圧燃料が流入し、次いで、ポート７１を閉塞するため、制御油圧室７の圧力が上昇してポート７３を介して導通している背圧室８の圧力を上昇させる。背圧室８の圧力上昇により、コマンドピストン４２とともにノズルニードル４が下降して燃料溜まり８１と噴孔８２との導通を遮断し、燃料噴射を停止する。
【００２６】
（２）次に、始動時のピエゾポンプ室３内のエア抜きと燃料の充填は、以下のようにしてなされる。始動時には、高圧通路１６の燃料圧が０から所定の圧力、例えば２０ＭＰａに上昇するまで１〜２秒を要し、その間は燃料噴射は行われない。その昇圧の途中、例えば５ＭＰａまでは、ボール弁７４がスピル室６に連通するポート７１を閉塞することができないように、作動ピストン５を付勢するスプリング５３の付勢力を設定する。スプリング５３の付勢力は、また、高圧通路１６の燃料圧が、例えば１ＭＰａ以上では、ボール弁７４が高圧通路１６に連通するポート７２を閉塞することができないように設定する。つまり、高圧通路１６の燃料圧が１〜５ＭＰａの間は、制御油圧室７はポート７２にもポート７１にも同時に導通しているものとする（図示の状態）。
【００２７】
この時、高圧通路１６の燃料は、制御油圧室７を介してスピル室６へ流出し、さらに絞り６１を介してドレーン通路１４へ流出する。その際、絞り６１の作用によりスピル室６内の燃料圧は、ドレーン通路１４の燃料圧よりも高くなる。このため、スピル室６の燃料の一部が、通路５３より逆止弁９を介してピエゾポンプ室３に流入し、さらにクリアランス２６、逃がし溝２４を介してドレーン通路１４に流出する。この時、絞り６１を設けたことでピエゾポンプ室３へ燃料は流入しやすくなるが、絞り６１を設けない構成であっても圧力脈動により生じる差圧で、同様の効果が得られる。このようにしてピエゾポンプ室３のエアを完全にパージし、ピエゾポンプ室３内を燃料で充填することが可能になる。なお、ノズルニードル４を閉弁方向に付勢しているスプリング４５の付勢力は、燃料溜まり８１の燃料圧が１５ＭＰａ、背圧室８の燃料圧が０ＭＰａの状態で閉弁し得る値に設定してあるので、前述のエア抜き時（例えば、高圧通路の燃料圧が５ＭＰａ以下であって、制御油圧室７がスピル室８と導通している時）に、意図しない燃料噴射が発生することはない。
【００２８】
このようにして、ピエゾポンプ室３内のエアを排出し速やかに燃料を充填することができる。よって、始動に際し、ピエゾポンプ室３に燃料を充填する工程を別途設ける必要がなく、組付け時の作業性が向上する。ピストン５およびボール弁７４の駆動を効果的に行うことができる。この始動時におけるピエゾポンプ室３のエア抜きの作用は、ピエゾポンプ室３に燃料が充填されていないおそれがある、エンジン出荷に際する始動時、ガス欠後の再始動時、長時間放置後のエンジン始動の際などにも有効である。
【００２９】
（３）さらに、基本作動中の気泡抜きの作用について説明する。基本作動中において、雰囲気温度や圧力の変化に伴い、ピエゾポンプ室３内に小さな気泡を生じることがある。この小さな気泡がたまってある体積を占めるようになると、ピエゾピストン２３の動きが作動ピストン５に伝達されなくなるおそれがある。これに対し、上記構成では、上記通路５３と逆止弁９の作用で、気泡抜きを行うことができる。すなわち、ピエゾスタック２の伸長時にピエゾポンプ室３が高圧となると、ピエゾポンプ室３の燃料のうちのごくわずかな量が、クリアランス２６、逃がし溝２４を介してドレーン通路１４にリークする。その分、ピエゾスタック２の収縮時にピエゾポンプ室３が低圧となり、その圧力降下が設定値に達すると、通路５３より逆止弁９を介してスピル室６内の燃料がピエゾポンプ室３に流入する。これを繰り返すことによって、ピエゾポンプ室３内の気泡を、小さいうちにパージすることができ、作動不良の発生を防止することができる。
【００３０】
以上のように、本発明によれば、始動時のエア抜きおよび作動中の気泡抜きを効果的に行うことができるので、始動に先立ってピエゾポンプ室３に燃料を充填しておく必要がなく、簡単な構成で、作動性の良好なピエゾインジェクタを実現できる。また、気泡抜きのための通路５３および逆止弁９を作動ピストン５に内蔵したので、インジェクタが大型化することもない。さらに、スピル室６とドレーン通路１４間に絞り６１を設ける一方、ピエゾピストン２３周りに逃がし溝２４を設けたので、スピル室６からピエゾポンプ室３へスムーズに燃料が流れる。しかも、スピル室６から通路５３、ピエゾポンプ室３を経て、その上方の逃がし溝２４へ、燃料が上向きに流れるようにしたので、ピエゾポンプ室３の上部にたまりやすい気泡を効率よく排出することができる。
【００３１】
上記実施の形態では、制御油圧室７の各ポートを開閉する弁部材として、ボール弁７４を設けたが、ポペット弁を用いてもよい。また、制御油圧室７は３方弁の形態でなく、２方弁で構成することもできる。この場合には、ポート７２は不要であり、代わりに背圧室８をオリフィスを介して高圧通路１６と連通させればよい。逆止弁９を作動ピストン５内に配設せず、これと独立して設けることももちろん可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態におけるピエゾインジェクタの全体断面図である。
【符号の説明】
１  ピエゾインジェクタ
１１  ハウジング
１２  シリンダ
１３  通路
１４  ドレーン通路（低圧通路）
１５  シリンダ
１６  高圧通路
２  ピエゾスタック
２３  ピエゾピストン
２４  逃がし溝
２５  Ｏリング（シール部材）
２６  クリアランス
３  ピエゾポンプ室
３１  皿バネ
４  ノズルニードル（弁体）
４２  シリンダ
４３  コマンドピストン
４４  スプリング室
４５  スプリング
５  作動ピストン
５１  プッシュロッド
５２  通路
５３  スプリング
６  スピル室
６１  絞り
７  制御油圧室（制御室）
７１、７２、７３  ポート
７４  ボール弁（弁部材）
８  背圧室
８１  燃料溜まり
８２  噴孔
８３  通路
９  逆止弁
９１  ボール弁
９２  弁座
９３  スプリング
【図１】
0004038941.tif 000002