(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加圧燃料が導かれる燃圧室と、
燃圧室と差圧室の差圧に応じて変位する針弁と、
針弁によって開閉されて燃圧室の燃料を噴射する噴口と、
針弁を閉弁方向に付勢する弾性部材と、
圧電素子または磁歪素子から構成されたアクチュエータと、
アクチュエータの伸縮に応じて差圧室の圧力を加減圧するピストンと、
このピストンに取り付けられて差圧室側とアクチュエータを収装する空間とを画成するシール部材を備えたエンジンの燃料噴射弁において、
前記差圧室は、針弁に面した第１の差圧室と、前記ピストンを収装した第２の差圧室と、これら第１及び第２の差圧室を連通する連通路から構成され、
この第２の差圧室は、前記ピストンの端面と対向する壁面に密着可能かつ前記連通路に面して貫通孔を備えた板状部材と、ピストンの端面とこの板状部材との間に配設された筒状のベローズとから画成され、
前記板状部材は、前記連通路内周に嵌合する筒部を有する
ことを特徴とするエンジンの燃料噴射弁。
【請求項２】
前記板状部材に設けた貫通孔の内径は、前記連通路の内径よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの燃料噴射弁。
【請求項３】
前記ベローズは、前記アクチュエータを収縮方向へ向けて付勢する可撓性部材で形成されたことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧電素子または磁歪素子等のアクチュエータを介して針弁前後の燃料圧力を変化させることにより針弁を駆動するエンジンの燃料噴射弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から自動車用エンジンに備えられる燃料噴射弁には、印加電圧に応じて体積変化する圧電素子や、磁界の変化に応じて体積変化する磁歪素子を備えたアクチュエータによって針弁（弁体）を開弁作動させるものが知られており、針弁をこれらアクチュエータで駆動することにより、燃料噴射弁の応答性を向上でき、噴射可能範囲が拡大してエンジンの高出力化に対応できるとともに、少量の燃料を安定して噴射することが可能となってエンジンの燃費低減を図ることができる。
【０００３】
このような燃料噴射弁としては、例えば、特開平５−１８０１１３号公報に開示されるものが知られており、アクチュエータとして圧電素子からなるピエゾアクチュエータを用いるとともに、針弁の開閉をその前後差圧に基づいて行うようにしたものである。
【０００４】
これについて説明すると、針弁の前後には燃圧室と差圧室が画成されており、燃圧室には所定の圧力で燃料が導入され、差圧室は燃圧室とオリフィスにより連通されている。針弁背後側の差圧室にはピストンを備えたピエゾアクチュエータが設けられており、このピエゾアクチュエータの伸縮により針弁の開閉作動が制御される。ピストン外周には、ケーシング内周と摺接するＯリングが設けられて、差圧室とピエゾアクチュエータを収装する空間とを画成している。
【０００５】
そして、ピエゾアクチュエータに予め設定した電圧を印加して、伸長させた状態で針弁前後の燃圧室と差圧室の圧力はオリフィスを介して均等化されている。
【０００６】
このとき針弁はリターンスプリングの付勢力により閉弁保持している。この状態からピエゾアクチュエータへの印加電圧を所定の開弁電圧へ変更してピエゾアクチュエータを瞬時に収縮させると、針弁背後の差圧室の容積が拡大する。
【０００７】
同時に、差圧室は針弁前方の燃圧室に対してオリフィスを介して連通しているので、一時的に差圧室の内圧が低下して針弁の前後に開弁方向の圧力差が発生する。これにより針弁はリターンスプリングに抗して開弁し、噴口が開いて燃料が噴射されることになる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来例では、ケーシング内周を摺動するピストンの外周にＯリングを設けて、差圧室とピエゾアクチュエータを収装する大気圧側の空間とを画成する構造となっているが、ピエゾアクチュエータを伸長駆動すると、ピストンは差圧室の容積を縮小する方向へ変位して、差圧室の圧力が上昇するが、このとき、ケーシング内周と摺接するＯリングの端部は、差圧室内の圧力増大に伴って大気圧側へ変形するため、差圧室内の容積は拡大することになり、ピストンの変位に応じた差圧室の圧力上昇が得られず、圧力損失が生じてピエゾアクチュエータの駆動効率が低下するという問題があり、逆に、ピエゾアクチュエータを伸長状態から収縮させる開弁時には、Ｏリングが差圧室の急激な圧力低下によってピストン及びピエゾアクチュエータの変位方向に対してピストンを引っ張る方向に変形するため、差圧室の圧力を速やかに低減できずに、減圧側で圧力損失を生じてピエゾアクチュエータの駆動効率が低下するという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、ピストンのＯリングの変形に起因する圧電素子や磁歪素子を用いた燃料噴射弁の圧力損失を抑制して駆動効率を向上させることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、加圧燃料が導かれる燃圧室と、燃圧室と差圧室の差圧に応じて変位する針弁と、針弁によって開閉されて燃圧室の燃料を噴射する噴口と、針弁を閉弁方向に付勢する弾性部材と、圧電素子または磁歪素子から構成されたアクチュエータと、アクチュエータの伸縮に応じて差圧室の圧力を加減圧するピストンと、このピストンに取り付けられて差圧室側とアクチュエータを収装する空間とを画成するシール部材を備えたエンジンの燃料噴射弁において、前記差圧室は、針弁に面した第１の差圧室と、前記ピストンを収装した第２の差圧室と、これら第１及び第２の差圧室を連通する連通路から構成され、この第２の差圧室は、前記ピストンの端面と対向する壁面に密着可能かつ前記連通路に面して貫通孔を備えた板状部材と、ピストンの端面とこの板状部材との間に配設された筒状のベローズとから画成され、前記板状部材は、前記連通路内周に嵌合する筒部を有する。
【００１１】
また、第２の発明は、前記第１の発明において、前記板状部材に設けた貫通孔の内径は、前記連通路の内径よりも小さい。
【００１２】
また、第３の発明は、前記第１の発明において、前記ベローズは、前記アクチュエータを収縮方向へ向けて付勢する可撓性部材で形成される。
【００１４】
【発明の効果】
第１の発明は、ピストンを収装する第２差圧室を、ピストン端面と貫通孔を設けた板状部材との間に設けた筒状のベローズによって画成したため、連通路に面した貫通孔を介して第１及び第２差圧室は等しい内圧となり、開弁時及び閉弁時には第１及び第２差圧室の内圧が変動するが、板状部材は第２差圧室の内圧によって常時壁面に密着するため、この壁面と板状部材の間から燃料がベローズ外周へ漏れるのを抑制されて、ピストン外周に設けたシール部材にはこれら差圧室の圧力変動が直接加わることがなくなって、前記従来例のような差圧室の圧力変動によるシール部材の変形を防いで、変形による圧力損失の発生を防止することが可能となって、アクチュエータの駆動効率を向上させることができ、その分、ピエゾアクチュエータの小型化が可能となって、製造コストの低減を推進でき、また、シール部材は前記従来例のように圧力によって変形することがないため、耐久性を向上させることが可能となる。また、板状部材は連通路内周に嵌合する筒部を有するため、第１差圧室と第２差圧室は筒部内周の貫通孔を介して連通し、筒部が貫通孔内周に嵌合するため、貫通孔と連通路の位置はずれることがなくって、板状部材と壁面との間からベローズ外周へ燃料が漏れるのを確実に防止でき、ピストンに設けたシール部材の変形をさらに確実に防止することができる。
【００１５】
また、第２の発明は、板状部材に設けた貫通孔の内径を連通路の内径よりも小さく設定したため、板状部材がずれた場合にも壁面が第２差圧室に面することを防いで、壁面へ押圧した板状部材と壁面との間から燃料がベローズ外周へ漏れるのを確実に防止できる。
【００１６】
また、第３の発明は、筒状のベローズは可撓性を備えた部材で構成されて常時アクチュエータを収縮方向へ付勢するようにしたため、アクチュエータへ収縮方向のプリロードを付与する部材を別途設ける必要がなく、部品点数の増大を抑制できるとともに、板状部材の壁面への密着を確実に行うことができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を筒内噴射式火花点火エンジンに配設されるエンジンの燃料噴射弁に適用した一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１、図２において、燃料噴射弁のケーシング９の先端部には、図示しないエンジンの燃焼室に臨ませるノズルボディ１が設けられ、このノズルボディ１は先端に開口した噴口１ａから、燃料噴霧を燃焼室内へ向けて噴射するように構成される。
【００２０】
ノズルボディ１の内部には、噴口１ａ側に弁体２ａを形成する一方、他端にピストン部２ｃを形成した針弁２が摺動可能に収装され、ノズルボディ１の内部には針弁２のまわりを取り囲むように燃圧室３が画成されて、噴口１ａは針弁２によって開閉される。
【００２１】
燃圧室３への加圧燃料の供給は、ケーシング９の側面に開口した燃料入口６から行われ、この燃料入口６は図示しない燃料供給手段と連通する。
【００２２】
針弁２は、噴口１ａ側のノズルボディ１のシート部と接離する弁体２ａを形成する一方、ケーシング９の隔壁９a側の基端（図中右側）にノズルボディ１の内周を摺動するピストン部２ｃが形成され、さらに、弁体２ａとピストン部２ｃの間には棒状のロッド部２ｂが形成される。
【００２３】
ピストン部２ｃの背面、すなわち、ケーシング９の隔壁９ａと対向する側には、ピストン部２ｃと隔壁９ａとの間に第１差圧室としての差圧室８が画成され、この差圧室８にはピストン部２ｃを介して針弁２を閉弁方向へ付勢する弾性部材としてのリターンスプリング４が介装される。
【００２４】
そして、ピストン部２ｃの端面と隔壁９ａとの間には所定の間隙等からなる絞り通路２０が形成され、この絞り通路２０を介して燃圧室３と差圧室８の間で燃料の移動を徐々に行うことができる。
【００２５】
一方、ケーシング９の隔壁９ａよりも基端側（図中右側）は筒状に形成されており、内周には圧電素子からなるピエゾアクチュエータ１０が軸方向（図中左右方向）へ伸縮自在に配設され、ケーシング９の開口端（基端）には封止部材１６が配設される。
【００２６】
なお、ピエゾアクチュエータ１０は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）系セラミック、ＰＭＮ（ニオブ酸マグネシウム酸鉛）系セラミックなどからなる圧電素子を円盤状に形成した部材を多数積層し、これら、各圧電素子間及び両端には図示しない電極が介装されて、図示しないコントローラからの印加電圧に応じてピエゾアクチュエータ１０は、軸方向へ伸縮する。
【００２７】
ケーシング９の開口端側に設けた封止部材１６と隔壁９ａの間には、ピエゾアクチュエータ１０を収装する空間９０が画成される。なお、この空間９０は、例えば円形断面を備えて、後述するピストン１１を内周９ｄで軸方向へ摺動自由に支持する。
【００２８】
そして、封止部材１６と対向するピエゾアクチュエータ１０の基端側には板状のスペーサ１４が固設され、このスペーサ１４と封止部材１６との間にはボール１５が介装され、ピエゾアクチュエータ１０はスペーサ１４を介して基端側を支持されるため、ピエゾアクチュエータ１０を伸長駆動すると、先端側は隔壁９ａに向けた軸方向へ変位する。
【００２９】
また、スペーサ１４と封止部材１６との間に介装されたボール１５は、ピエゾアクチュエータ１０の軸線上に設けられて、封止部材１６に対するピエゾアクチュエータ１０の相対的な回動を許容し、ピエゾアクチュエータ１０に軸まわりのねじれが発生するのを防止する。
【００３０】
一方、隔壁９ａと対向したピエゾアクチュエータ１０の先端には、ケーシング９の内周９ｄを軸線Ｃに沿って摺動するピストン１１が固設される。このピストン１１の端面１１ａは隔壁９ａの壁面９ｃと対向しており、これら端面１１ａと壁面９ｃの間には、板状部材としての画成板７及びベローズ５を介して第２差圧室としての圧力室１３が後述するように画成され、この圧力室１３は隔壁９ａに設けた連通路としての円形断面の貫通孔９ｂを介して差圧室８と連通する。
【００３１】
ベローズ５は可撓性を備えた部材で構成され、ピストン１１の端面１１ａの周縁部１１ｂから壁面９ｃへ向けて筒状、例えば円筒状に形成され、基端を周縁部１１ｂに固設する一方、先端を壁面９ｃに密着可能な画成板７に固設される。
【００３２】
画成板７は、所定の板状部材、例えば、円板状部材で構成されて、貫通孔９ｂに面した位置で同軸的に円形の貫通孔７ａを形成する。そして、画成板７の貫通孔の内径は隔壁９ａの貫通孔９ｂの内径より小さく設定される。
【００３３】
画成板７はベローズ５の弾性によって隔壁９ａ側に押圧され、常時壁面９ｃと密着し、ベローズ５、画成板７及びピストン１１の端面１１ａで囲まれた空間が第２差圧室としての圧力室１３を画成し、貫通孔７ａ、９ａを介して差圧室８と連通する。
【００３４】
そして、ピストン１１の外周には、ケーシング９の内周９ｄと摺接するシール部材としてのＯリング１２が設けられ、ベローズ５の外周に漏れた燃料が空間９０内へ侵入するのを防止する。
【００３５】
なお、リターンスプリング４のバネ定数ｋは、ピストン１１の受圧面積をＡ、針弁２のピストン部２ｃに加わる前後差圧をΔＰ、ピストン１１に加わる力をＦ、リターンスプリング４が発生する力をＦｋとすると、ピエゾアクチュエータ１０を収縮駆動して針弁２を開弁させた状態では、
｜Ｆ｜＝｜ΔＰ×Ａ｜＞｜Ｆｋ｜  ………（１）
となるように、リターンスプリング４のバネ定数が設定される。
【００３６】
以上のように構成され、次に、燃料噴射弁の作用について説明する。
【００３７】
図１は、燃料噴射弁の閉弁状態を示しており、図示しないコントローラは所定の閉弁電圧を印加してピエゾアクチュエータ１０を伸長駆動する一方、図示しない燃圧供給回路より所定の圧力Ｐｆ（以下、燃圧とする）の加圧燃料が燃料入口６を介して燃圧室３へ供給される。
【００３８】
ピエゾアクチュエータ１０は印加された閉弁電圧に応じて隔壁９ａ側へ伸長し、ベローズ５の弾性に抗して最伸長位置まで駆動され、ピエゾアクチュエータ１０の伸長に伴って、ピストン１１は圧力室１３の容積を縮小する方向（隔壁９ａ側）へ移動するため、圧力室１３の圧力は上昇して画成板７の貫通孔７ａ及び隔壁９ａの貫通孔９ｂを介して圧力室１３と連通する差圧室８の圧力が上昇する。
【００３９】
この差圧室８の圧力上昇とリターンスプリング４の付勢力によって、ピストン部２ｃは燃圧室３の燃圧Ｐｆに抗して噴口１ａ側に押圧されて、弁体２ａが噴口１ａを閉鎖して閉弁状態を維持することができる。
【００４０】
画成板７の貫通孔７ａの内径を、隔壁９ａの貫通孔９ｂの内径より小さく設定したため、画成板７が径方向へずれた場合にも壁面９ｃが圧力室１３に面することを防いで、壁面９ｃへ押圧した画成板７と壁面９ｃとの間から燃料がベローズ５の外周へ漏れるのを確実に防止でき、万一、燃料が漏れてもピストン１１の外周に設けたＯリング１２によって、空間９０内へ燃料が侵入するのを防止することができる。
【００４１】
そして、この閉弁状態を維持している期間が長期に渡る場合には、ピストン部２ｃとノズルボディ１の内周の絞り通路２０を介して、燃圧室３と差圧室８及び圧力室１３の圧力は均一化される。
【００４２】
一方、燃料噴射弁の開弁駆動は、図示しないコントローラがピエゾアクチュエータ１０への印加する駆動電圧を、上記閉弁電圧から開弁電圧へ切り換えることにより行われ、ピエゾアクチュエータ１０は上記伸長状態から急激に収縮する。
【００４３】
ピエゾアクチュエータ１０は、コントローラから印加された開弁電圧に伴って収縮するとともに、ベローズ５の弾性によって最収縮位置へ向けて付勢される。
【００４４】
この開弁状態では、ピエゾアクチュエータ１０が収縮状態にあるため、ピストン１１は封止部材１６側へ変位して圧力室１３の容積は急増する。
【００４５】
圧力室１３の内圧は容積の急増に伴って急減圧し、この急減圧に伴って差圧室８の圧力も急減する。差圧室８は急減圧する一方、燃圧室３には常時所定の燃圧Ｐｆが加わっているため、針弁２のピストン部２ｃに加わる前後差圧は増大して、針弁２はリターンスプリング４の付勢力に抗して開弁方向（隔壁９ａ側）へ変位する。
【００４６】
針弁２の変位に伴って弁体２ａは開弁して噴口１ａが開き、燃料入口６から供給された燃圧室３内の加圧燃料は、図示しない燃焼室内に噴射される。
【００４７】
閉弁状態から開弁する際には、圧力室１３の側壁を構成するベローズ５がピストン１１によって軸方向（軸線Ｃ方向）へ引っ張られるとともに、圧力室１３及び差圧室８の圧力減少に伴って、ベローズ５は外周側から内周側へ向かう圧力を支持し、画成板７は上記したようにベローズ５の弾性によって、壁面９ｃへ付勢されて密着するため、圧力室１３の気密を保持することができる。
【００４８】
この開弁時では、図２に示すように、Ｏリング１２はピエゾアクチュエータ１０を収装する空間９０とを画成しているだけであり、ベローズ５の外周には圧力室１３からの圧力、すなわち急減圧の影響が加わることがなくなって、ほぼ空間９０の大気圧に等しい圧力が加わるだけであるため、前記従来例のように圧力の急減によってＯリング１２がピストン１１及びピエゾアクチュエータ１０の収縮方向に抗して変形するのを防止して、圧力損失の発生を抑制することが可能となって、迅速に圧力室１３の内圧を低減して速やかに開弁することができ、燃料噴射弁の応答性を向上させることができる。
【００４９】
そして、燃料噴射を中止させるには、再びピエゾアクチュエータ１０へ閉弁電圧を印加して急激に伸長駆動させ、ピストン１１はベローズ５を圧縮しながら圧力室１３及び差圧室８の圧力を増大させて、上記閉弁状態と同様に、リターンスプリング４の付勢力を加えて針弁２を閉弁させる。
【００５０】
開弁状態から閉弁する際には、圧力室１３の側壁を構成するベローズ５がピストン１１によって軸方向（軸線Ｃ方向）へ圧縮されるとともに、圧力室１３及び差圧室８の圧力上昇に伴って、内周側から外周側へ向かう圧力を支持し、同様に、画成板７にも壁面９ｃへ向けて圧力が加わって、上記したように貫通孔７ａの内径を貫通孔９ａの内径よりも小さく設定したため壁面９ｃへ密着することができ、圧力室１３内の燃料がベローズ５外周へ漏れるのを防止できる。
【００５１】
このとき、Ｏリング１２は、図２に示すように、ピエゾアクチュエータ１０を収装する空間９０とを画成しているだけであり、圧力室１３からの圧力が直接加わることがなくなって、ベローズ５の外周にはほぼ空間９０の大気圧に等しい圧力が加わるだけであるため、前記従来例のように圧力の急増によってＯリング１２がピストン１１及びピエゾアクチュエータ１０の伸長方向に抗して変形するのを防止して、圧力損失の発生を抑制することが可能となり、迅速に圧力室１３の内圧を増大して速やかに閉弁することができ、燃料噴射弁の応答性を向上させることができる。
【００５２】
こうして、ピストン端面１１ａに設けたベローズ５及び画成板７によって圧力室１３を画成したため、開弁時及び閉弁時共に圧力室１３の圧力変動によるＯリング１２の変形を防ぐことができ、前記従来例のようなＯリングの変形による圧力損失の発生を防止して、ピエゾアクチュエータ１０の駆動効率を向上させることができ、その分、ピエゾアクチュエータ１０の小型化が可能となって、製造コストの低減を推進でき、また、Ｏリング１２は前記従来例のように変形することがないため、上前記従来例に比して耐久性を向上させることが可能となって、さらに、ベローズ５は可撓性を備えた部材で構成されたため、ピエゾアクチュエータ１０へ収縮方向のプリロードを付与する部材を別途設ける必要がなく、部品点数の増大を抑制できるのである。なお、収縮方向のプリロードを付与するのは、ピエゾアクチュエータ１０を圧縮環境下で用いる必要があるためで、これにより、ピエゾアクチュエータ１０の耐久性が向上する。
【００５３】
図３は第２の実施形態を示し、前記第１実施形態の画成板７に、貫通孔９ｂへ嵌合する筒部７ｂを形成したもので、その他の構成は前記第１実施形態と同様である。
【００５４】
隔壁９ａの貫通孔９ｂに対応する画成板７の所定の位置には、差圧室８へ向けて筒部７ｂが形成されており、筒部７ｂ内周の貫通孔７ａを介して差圧室８と圧力室１３が連通する。
【００５５】
この場合、筒部７ｂが貫通孔９ｂに嵌合するため、貫通孔７ａと貫通孔９ｂの位置がずれることがなくなって、壁面９ｃは圧力室１３に露出することはなく、画成板７と隔壁９ａの壁面９ｃとの間からベローズ５外周へ燃料が漏れるのを確実に防止して、ピストン１１に設けたＯリング１２の変形をさらに確実に防止することができる。
【００５６】
なお、上記実施形態において、ピストン１１を駆動するアクチュエータとして圧電素子からなるピエゾアクチュエータ１０を採用した場合を示したが、図示はしないが、磁界の強さに応じて伸縮する磁歪素子を用いた磁歪アクチュエータまたは超磁歪アクチュエータを採用しても同様である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料噴射弁の概略断面図である。
【図２】ピストンとベローズ及び画成板の関係を示す拡大断面図である。
【図３】第２の実施形態を示す燃料噴射弁の概略断面図である。
【符号の説明】
１  ノズルボディ
１ａ  噴口
２  針弁
２ａ  弁体
２ｃ  ピストン部
３  燃圧室
４  リターンスプリング
５  ベローズ
６  燃料入口
７  画成板（板状部材）
７ａ  貫通孔
７ｂ  筒部
８  差圧室（第１差圧室）
９  ケーシング
９ａ  隔壁
９ｂ  貫通孔（連通路）
９ｃ  壁面
９ｄ  内周
１０  ピエゾアクチュエータ
１１  ピストン
１１ａ  端面
１１ｂ  周縁部
１２  Ｏリング
１３  圧力室（第２差圧室）
【図１】
0003817826.tif 000002
【図２】
0003817826.tif 000003
【図３】
0003817826.tif 000004