(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング内に、噴孔を開閉するニードルに開弁方向の燃料圧を作用させる制御室と、上記ニードルに閉弁方向の付勢力を作用させるスプリング部材を有し、該制御室内の燃料をピエゾ駆動部により加圧して上記ニードルをリフトさせる燃料噴射装置において、上記ニードルと一体に摺動するピストン部材を設けて、該ピストン部材の下端面に上記制御室内の燃料圧を作用させる一方、上端面に閉弁方向の燃料圧を作用させる背圧室を設けて、該背圧室を燃料供給路を介して上記ハウジング外部の燃料通路に連通させ、かつ上記ハウジング内の、上記燃料供給路より上記噴孔に近い位置に上記噴孔に供給する燃料を蓄える蓄圧室を設けて、上記背圧室と上記蓄圧室とを連絡穴にて連通させるとともに、上記連通穴を複数設けたことを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項２】
ハウジング内に、噴孔を開閉するニードルに開弁方向の燃料圧を作用させる制御室と、上記ニードルに閉弁方向の付勢力を作用させるスプリング部材を有し、該制御室内の燃料をピエゾ駆動部により加圧して上記ニードルをリフトさせる燃料噴射装置において、上記ニードルと一体に摺動するピストン部材を設けて、該ピストン部材の下端面に上記制御室内の燃料圧を作用させる一方、上端面に閉弁方向の燃料圧を作用させる背圧室を設けて、該背圧室を燃料供給路を介して上記ハウジング外部の燃料通路に連通させ、かつ上記ハウジング内の、上記燃料供給路より上記噴孔に近い位置に上記噴孔に供給する燃料を蓄える蓄圧室を設けて、上記背圧室と上記蓄圧室とを連絡穴にて連通させるとともに、上記蓄圧室を、上記ニードルまたは上記ニードルと上記ピストン部材を連結する軸部材の外周に設け、上記蓄圧室内に上記スプリング部材を配設したことを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項３】
上記連通穴を複数設けた請求項２記載の燃料噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関のコモンレール燃料噴射システムに好適に用いられる燃料噴射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術として、特開平１１−２００９８１号公報に記載されるピエゾ駆動式の燃料噴射装置があり、コモンレール内の高圧燃料を内燃機関の各気筒に噴射供給するために用いられている。図５に示すように、この燃料噴射装置は、ハウジング１００の上半部内に収容したピエゾスタック１０２を伸縮させることにより、制御室１０１内の燃料を増減し、これに伴ってニードル１０３を駆動する構成を有している。制御室１０１はレギュレータを介して高圧ポンプに連通し、ピエゾスタック１０２の収縮時にほぼコモンレール圧となるように制御されている。この時、ニードル１０３は、下端部１０３ｃがシート部１１１に着座して、燃料溜まり１０５と噴孔１１２の連通を遮断している。
【０００３】
ニードル１０３は、中間部１０３ｂがハウジング１００の第１ガイド穴１０４内に摺動可能に保持され、大径の上端部１０３ａが第２ガイド穴１０６内に摺動可能に位置している。上端部１０３ａ上方のスプリング室１０７には、スプリング１０９が収容されて、ニードル１０３に閉弁方向の力を作用させている。一方、ニードル１０３には、上端部１０３ａと中間部１０３ｂの段差面１１０に加わる制御室１０１内の燃料圧、中間部１０３ｂと下端部１０３ｃの段差面１０８に加わる燃料溜まり１０５の燃料圧、および下端部１０３ｃの直径とシート部の直径の差に相当する面積に加わる燃料溜まり１０５の燃料圧とによる開弁方向の力が作用しており、この開弁力が、スプリング１０９の閉弁力を上回るとニードル１０３がリフトする。
【０００４】
従来の燃料噴射装置の作動を図６のタイムチャートに基づいて説明する。図中、時間(1) は駆動回路から電圧が印加されてピエゾスタック１０２が伸長を始める時間を、時間(2) はニードル１０３がリフトを開始する時間を、時間(3) はニードル１０３のリフト量が最大になる時間を示している。図６（ａ）において、ピエゾスタック１０２が収縮状態にある、時間(1) 以前では、スプリング１０９による閉弁方向の力が、開弁方向に作用する力の総和より大きく、ニードル１０３はシート部１１１に押圧されて閉弁している。また、制御室１０１および燃料溜まり１０５内はコモンレール圧に保たれている。時間(1) において、ピエゾスタック１０２が伸び始めると、制御室１０１内の容積が減少して圧力が上昇し、段差面１１０に作用する開弁方向の力が次第に増加する。
【０００５】
時間(2) で開弁方向の力の総和が閉弁方向の力より大きくなると、ニードル１０３がシート部１１１から離れてリフトし始め、燃料の噴射が開始される。時間(2) から時間(3) にかけて、制御室１０１の圧力はスプリング１０９が収縮することによる反発力の増加により徐々に増加する。時間(3) でピエゾスタック１０２の伸び量が最大になり、ニードル１０３のリフト量が最大になる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記構成の燃料噴射装置では、上述したように、開弁方向に作用する力を燃料圧が受持ち、閉弁方向に作用する力をスプリング１０９が受持つ構造となっている。ところが、この構造では、制御室１０１および燃料溜まり１０５の圧力がコモンレール圧によって変動し、図６（ａ）に示すように、コモンレール圧が高くなると、制御室１０１および燃料溜まり１０５の圧力が増加して開弁方向の力が増加する。このため、装置によって異なるコモンレールの設定圧に合わせて、閉弁方向に作用する力を受持つスプリング力を増加させる、つまりスプリング１０９を交換する必要が生じる。
【０００７】
一方、図６（ｂ）に示すように、スプリング１０９を交換せずに設定圧の変化に対応した場合を考えると、コモンレール圧が高い状態でも閉弁を維持する必要から、スプリング１０９は閉弁力（スプリング力）の大きいものを用いる必要がある。この時、コモンレール圧が低い状態では、閉弁力が燃料圧による開弁力よりはるかに大きくなり、時間 (2)´で開弁するまでに必要な制御室１０１圧力の増加量が大きくなる。つまり、制御室１０１の容積を大きく減少させる必要があるために、ピエゾスタック１０２の伸び量が大きくなり、ピエゾスタック１０２を含む駆動部の体格が大きくなって、装置全体が大型化する問題がある。
【０００８】
そこで、本発明では、コモンレールに設定圧に応じてスプリング１０９を変更する必要がなく、かつ開弁に必要な制御室の圧力の増加量を一定にすることで、開弁に必要なピエゾスタックの伸び量を最小にし、装置の小型化を可能にすることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１の燃料噴射装置は、ハウジング内に、噴孔を開閉するニードルに開弁方向の燃料圧を作用させる制御室と、上記ニードルに閉弁方向の付勢力を作用させるスプリング部材を有し、該制御室内の燃料をピエゾ駆動部により加圧して上記ニードルをリフトさせるものである。そして、上記ニードルと一体に摺動するピストン部材を設けて、該ピストン部材の下端面に上記制御室内の燃料圧を作用させる一方、上端面に閉弁方向の燃料圧を作用させる背圧室を設けて、該背圧室を燃料供給路を介して上記ハウジング外部の燃料通路に連通させ、かつ上記ハウジング内の、上記燃料供給路より上記噴孔に近い位置に上記噴孔に供給する燃料を蓄える蓄圧室を設けて、上記背圧室と上記蓄圧室とを連絡穴にて連通させるとともに、上記連通穴を複数設けたことを特徴とする。
【００１０】
上記構成によれば、上記ニードルと一体のピストン部材の上端面に、閉弁方向の燃料圧を作用させる背圧室を設けたので、開弁方向の燃料圧とほぼバランスし、上記ニードルには、上記スプリング部材の閉弁力のみが作用する。よって、コモンレール圧の設定圧変化に応じて、上記スプリング部材を変更する必要がなく、開弁に必要な制御室の圧力増加量を一定とできる。しかも、上記背圧室を連絡穴にて上記蓄圧室に連通させたので、例えば、上記ピストン部材の移動に伴い上記背圧室の容積が縮小しても、上記背圧室内の燃料が上記連絡穴から上記蓄圧室に排出されて、上記背圧室の圧力上昇を抑制する。従って、上記ニードルを速やかにリフトさせることができ、開弁に必要なピエゾの伸び量を最小にして、ピエゾ駆動部の体格を小型にすることができる。また、上記連絡穴を複数設けたことにより、開弁時の上記背圧室から上記蓄圧室への燃料の排出、あるいは、閉弁時の上記蓄圧室から上記背圧室への燃料の導入がより速やかになされる。
【００１１】
請求項２の構成では、ハウジング内に、噴孔を開閉するニードルに開弁方向の燃料圧を作用させる制御室と、上記ニードルに閉弁方向の付勢力を作用させるスプリング部材を有し、該制御室内の燃料をピエゾ駆動部により加圧して上記ニードルをリフトさせる燃料噴射装置において、上記ニードルと一体に摺動するピストン部材を設けて、該ピストン部材の下端面に上記制御室内の燃料圧を作用させる一方、上端面に閉弁方向の燃料圧を作用させる背圧室を設けて、該背圧室を燃料供給路を介して上記ハウジング外部の燃料通路に連通させ、かつ上記ハウジング内の、上記燃料供給路より上記噴孔に近い位置に上記噴孔に供給する燃料を蓄える蓄圧室を設けて、上記背圧室と上記蓄圧室とを連絡穴にて連通させる。そして、上記蓄圧室を、上記ニードルまたは上記ニードルと上記ピストン部材を連結する軸部材の外周に設け、上記蓄圧室内に上記スプリング部材を配設したことを特徴とする。このようにすると、上記請求項１と同様に、上記ニードルを速やかにリフトさせることができ、開弁に必要なピエゾの伸び量を最小にして、ピエゾ駆動部の体格を小型にすることができるとともに、ハウジング径を大きくすることなく、上記蓄圧室の容積を確保でき、装置の小型化が可能である。
【００１２】
請求項３の構成では、請求項２の構成において、上記連通穴を複数設ける。これにより、開弁時の上記背圧室から上記蓄圧室への燃料の排出、あるいは、閉弁時の上記蓄圧室から上記背圧室への燃料の導入がより速やかになされる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図１、２により本発明の第１の実施の形態を説明する。図１は、本実施の形態の燃料噴射装置の全体構成図で、高圧ポンプで加圧した高圧燃料をコモンレールに蓄圧し、エンジンの各気筒に対応して設けたインジェクタＩに供給する構成を有している。高圧ポンプには図略の燃料タンクからフィードポンプを経て燃料が供給される。インジェクタＩは、ピストン部材である変位拡大ピストン２が摺動自在に配設される本体ハウジング１を有し、ハウジング１の下端にはニードル３を収容するノズルボデー３１が、上端にはピエゾ駆動部４を構成するピエゾスタック４１を収容するピエゾカバー４２が固定してある。ノズルボデー３１はノズルリテーナ３２で、ピエゾカバー４２はリテーナ４３を用いてハウジング１にそれぞれ固定される。
【００１４】
ピエゾ駆動部４は、ハウジング１の上端開口部内に嵌着される容器状のホルダ４４と、ホルダ４４内に収容されるピストン４５を有する。ホルダ４４の上端面はピエゾカバー４２の下端面に当接している。リテーナ４３はこれらピエゾカバー４２およびホルダ４４に外挿されてハウジング１に螺結されており、ピエゾカバー４２およびホルダ４４には下向きの力が作用してハウジング１に密着している。ピストン４５はホルダ４４内周面とわずかなクリアランスを有して摺動可能であり、その上面はピエゾスタック４１の下面に当接している。そして、ピストン４５下面とホルダ４４との空間４６に配したスプリング４７の付勢力がピストン４５を介してピエゾスタック４１に上向きに作用してピエゾスタック４１上面をピエゾカバー４２頂面に密着させている。よって、外部の駆動回路により、ピエゾスタック４１上面に接続するリード線４８を介してピエゾスタック４１を伸縮させると、これと密着を保持しつつピストン４５が一体に上下動する。
【００１５】
筒状のノズルボデー３１は、リテーナ３２から突出する先端部に噴孔３３を有し、ニードル３がシート面３４に着座することにより噴孔３３とその上流側とを遮断するようになしてある。ニードル３の上端は、変位拡大ピストン２の下面に一体に設けた軸部材２ａの下端に、コネクタ２１によって連結されており、連結端面を密着させていることによりニードル３と変位拡大ピストン２は一体となって上下動する。ハウジング１の下半部内には、小径の軸部材２ａ周りに高圧燃料を蓄える蓄圧室１１が形成してあり、ニードル３とノズルボデー３１との間隙によって形成される燃料溜まり３５に高圧燃料を供給している。
【００１６】
蓄圧室１１内は、仕切り部材１２によって上下に区画され、スプリング室を兼ねる下室内には、変位拡大ピストン２周りにスプリング１３が配設されて、変位拡大ピストン２およびこれと一体のニードル３を下方（すなわち閉弁方向）に付勢している。蓄圧室１１の上下室は仕切り部材１２に設けた複数の通路１４によって連通している。
【００１７】
軸部材２ａは、上端部が、蓄圧室１１上方の第１のガイド穴１５内にわずかなクリアランスを有して摺動可能に保持されており、第１のガイド穴１５の上方に設けた大径の第２のガイド穴１６内に、軸部材２ａより大径の変位拡大ピストン２が位置している。この変位拡大ピストン２の下面２ｂと、軸部材２ａ、第２のガイド穴１６の底部内壁面との間に形成される環状空間によって、制御室５が形成され、制御室５はハウジング１およびホルダ４４内に形成される連通路５１を介して、ピストン４５下方の空間４６に連通している。制御室５と連通路５１および空間４６は、図略のオリフィス通路を介してコモンレールから供給される高圧燃料が満たされ、変位拡大ピストン２に対し上向き（開弁方向）の燃料圧を作用させている。
【００１８】
変位拡大ピストン２の上面２ｃと、第２のガイド穴１６の上部内壁面との間に形成される空間は、背圧室６としてある。この背圧室６は、ハウジング側方に突出する燃料供給路１７、およびバーフィルタ１８を介してコモンレールに連通し、コモンレールから供給される高圧燃料によって、変位拡大ピストン２に対し下向き（閉弁方向）の燃料圧を作用させている。また、蓄圧室１１から上方に延びる連絡穴２２が、背圧室６近傍にて燃料供給路１７に接続し、この連絡穴２２により背圧室６と蓄圧室１１とが連通している。
【００１９】
上記構成の燃料噴射装置の作動を図２のタイムチャートを用いて説明する。図において、時間▲１▼より以前は、駆動回路からピエゾスタック４１への電圧が印加がなく、ピエゾスタック４１は収縮している。この時、制御室５と背圧室６および蓄圧室１１内の圧力はコモンレール内の圧力と等しく、変位拡大ピストン２の上面２ｃに作用する背圧室６内の燃料圧による閉弁方向の力と、下面２ｂに作用する制御室５内の燃料圧、ニードル２とシート面３４の直径差に相当する面積に作用する燃料溜まり３５内の燃料圧による開弁方向の力とは、ほぼバランスしている。従って、ニードル２には、スプリング１３の付勢力による閉弁方向の力のみが作用し、ニードル２がシート部３４に着座するため、燃料の噴射は行われない。
【００２０】
次いで、ニードル２を開弁させるべく、時間▲１▼においてピエゾスタック４１への印加電圧を増加させると、ピエゾスタック４１が伸長し、これと一体のピストン４５がスプリング４７の付勢力に抗して下方に移動する。これに伴いピストン４５下方の空間４６の容積が減少し、連通路５１を介してこれと連通する制御室５内の圧力が上昇して、変位拡大ピストン２の下面２ｂに作用する開弁方向の力が増加する。この開弁方向の力が、スプリング１３による閉弁方向の力より大きくなると、時間▲２▼で、変位拡大ピストン２がリフトし始める。同時に、変位拡大ピストン２と一体のニードル２がリフトを開始し、シート面３４から離れると、蓄圧室１１から燃料溜まり３５に供給される燃料が噴孔３３から噴射される。
【００２１】
ここで、変位拡大ピストン２がリフトを開始すると、背圧室６の容積が減少して圧力が増加するが、本発明では、背圧室６が連絡穴２２を介して蓄圧室１１と連通させているため、変位拡大ピストン２に作用する閉弁方向の圧力増加が抑制される。すなわち、ニードル２がリフトして燃料が噴射されることによって、蓄圧室１１内の圧力が減少するため、連絡穴２２の径を十分大きくすれば、背圧室６の燃料を速やかに蓄圧室１１に排出することができる。よって、変位拡大ピストン２に作用する閉弁方向の圧力増加を抑制し、瞬間的なピエゾスタック４１の動きに合わせた変位拡大ピストン２のリフトが可能になる。
【００２２】
しかも、コモンレール圧の設定圧が変化した場合でも、変位拡大ピストン２に作用する開弁方向の燃料圧と閉弁方向の燃料圧とはバランスされており、スプリング１３の閉弁方向の力のみが変位拡大ピストン２に作用することになる。よって、コモンレール圧にかかわらず、必要な制御室５の圧力増加量を一定とすることができ、時間▲３▼でピエゾスタック１０２の伸び量が最大になり、ニードル１０３のリフト量が最大になる。従って、コモンレール圧に応じてスプリング１３を変更する必要がなく、ピエゾスタック４１の伸び量が最小となるようにスプリング力を設定して、ピエゾ駆動部の体格を小型にすることができる。また、蓄圧室１１を軸部材２ａ周りに設け、スプリング１３を配設する構成としたことにより、装置全体をより小型にすることが可能である。
【００２３】
図３に本発明の第２の実施の形態を示す。本実施の形態では、背圧室６と蓄圧室１１を連通する連絡穴２２を複数設けている。これにより、変位拡大ピストン２のリフト時に、背圧室６から蓄圧室１１への燃料の排出をより速やかに行うことができる。また、図３において、背圧室６には、図示しないハウジング１内に、コモンレールから背圧室６へ至る燃料供給通路が形成されている。その他の構成は、上記第１の実施の形態と同様である。
【００２４】
図４は、本発明の第２の実施の形態における作動を説明するためのタイムチャートで、第１の実施の形態と比較して示している。図中、時間▲２▼以前は、第１の実施の形態と同様である。時間▲２▼で、ニードル３がリフトを開始すると、連絡穴２２を複数設けた第２の実施の形態では、背圧室６から蓄圧室１１へ燃料が排出しやすいために、背圧室６の圧力上昇が小さく、制御室５の圧力上昇が速やかになされるために、第１の実施の形態よりも早い時間▲３▼´において、変位拡大ピストン２のリフト量が最大となる。
【００２５】
閉弁時も同様であり、時間▲４▼でピエゾスタック４１への印加電圧を減少させてこれを収縮させると、ピストン４４の上方への移動に伴い、制御室５の圧力が低下して変位拡大ピストン２が下降を開始する。そして、開弁方向の力がスプリング１３による閉弁方向の力より小さくなると、ニードル３がシート面３４に着座して噴射が終了する。この時、変位拡大ピストン２の下降とともに、背圧室６の容積が増加するが、複数の連通穴２２を有する第２の実施の形態では、容積増加分の燃料が蓄圧室１１から直ちに供給されて、背圧室６の圧力低下が微小であるために、変位拡大ピストン２が速やかに下降し、ピエゾスタック４１の収縮が終了する時間▲５▼より以前に、噴射が終了する。
【００２６】
このように、本実施の形態によれば、開閉弁をより迅速に行うことができ、噴射特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す、コモンレール燃料噴射装置の全体構成図である。
【図２】第１の実施の形態の作動を説明するためのタイムチャートである。
【図３】第２の実施の形態の燃料噴射装置の全体構成図である。
【図４】第２の実施の形態の作動を説明するためのタイムチャートである。
【図５】従来の燃料噴射装置の全体構成図である。
【図６】従来の燃料噴射装置の作動を説明するためのタイムチャートで、（ａ）はコモンレール圧が変化した場合の影響を示す図、（ｂ）はスプリングを変更しない場合のコモンレール圧変化の影響を示す図である。
【符号の説明】
Ｉ  インジェクタ
１  ハウジング
１１  蓄圧室
１３  スプリング（スプリング部材）
２  変位拡大ピストン（ピストン部材）
２ａ  軸部材
２２  連絡穴
３  ニードル
３１  ノズルボデー
３３  噴孔
３４  シート部
３５  燃料溜まり
４  ピエゾ駆動部
４１  ピエゾスタック
４２  ピエゾカバー
４５  ピストン
５  制御室
５１  連通路
６  背圧室
【図１】
0004079578.tif 000002
【図２】
0004079578.tif 000003
【図３】
0004079578.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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