(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズル内側のシート面に離接して噴孔を開閉する針弁と、針弁を閉じ方向に付勢する手段と、針弁の後端部に延設され予め定めた量の弾性変形が可能な細径部を有するロッド部と、ロッド部に沿って軸方向変位可能に設けられた超磁歪素子からなるアクチュエータと、通電時にアクチュエータを伸び方向に駆動するコイルと、アクチュエータの後端部をロッド部に連接する連接部とを備え、コイル通電時のアクチュエータの伸び方向の変位に基づき針弁を開作動させるようにしたことを特徴とする燃料噴射弁。
【請求項２】
針弁ないしロッド部の後端部に、針弁が予め定めた量以上開き方向にストロークしたときに反力が著増する非線形特性を有する弾性体を介装したことを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、超磁歪素子をアクチュエータとして使用した燃料噴射弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
筒内燃料噴射方式の火花点火式内燃機関に適用する燃料噴射弁には高度の応答性及び開閉精度が求められる。このような要求に応える燃料噴射弁として、超磁歪素子を利用したアクチュエータに信号電流を供給して伸縮作動させることにより針弁の開閉を制御するようにしたものが知られている（例えば特開平４−８１５６５号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
超磁歪素子を利用したアクチュエータは、超磁歪素子を包囲するように設けられたコイルと、超磁歪素子に所定の初期変位を付与する永久磁石とを備えており、コイルに供給する電流により永久磁石に抗して超磁歪素子を伸縮変位させるようになっている。
【０００４】
しかしながら、コイルには永久磁石によるバイアス方向とは対抗する方向に超磁歪素子が変位するように電流が供給されるので、使用回数の増加に従って永久磁石が徐々に劣化を起こすという不都合がある。この永久磁石の減磁現象により超磁歪素子の初期変位量が不足することになるので、燃料噴射弁にこのようなアクチュエータを用いた場合には使用経過に従って燃料噴射量特性にも変動をきたし燃料噴射量が不正確になる。
【０００５】
また、温度変化に伴う熱膨張や超磁歪素子の変位特性変化に原因して針弁のストローク量にばらつきを生じるという問題もある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、ノズル内側のシート面に離接して噴孔を開閉する針弁と、針弁を閉じ方向に付勢する手段と、針弁の後端部に延設され予め定めた量の弾性変形が可能な細径部を有するロッド部と、ロッド部に沿って軸方向変位可能に設けられた超磁歪素子からなるアクチュエータと、通電時にアクチュエータを伸び方向に駆動するコイルと、アクチュエータの後端部をロッド部に連接する連接部とを備え、コイル通電時のアクチュエータの伸び方向の変位に基づき針弁を開作動させるものとする。
【０００７】
請求項２の発明は、前記請求項１の発明において、針弁ないしロッド部の後端部に、針弁が予め定めた量以上開き方向にストロークしたときに反力が著増する非線形特性を有する弾性体を介装したものとする。
【０００８】
【作用・効果】
請求項１の発明によれば、コイルへの通電に伴い超磁歪素子からなるアクチュエータが伸び方向に変位し、この変位は連接手段を介してロッド及び針弁に伝えられて針弁を開き方向に移動させる。この場合、バイアスを与える永久磁石を要することなく閉じ方向に閉弁付勢された状態の針弁を必要なリフト量だけストロークさせることができ、したがって永久磁石を使用した場合の劣化や誤差の問題を生じることがなく、またコストも低減される。
【０００９】
また、ロッド部の細径部は軸方向に比較的大きな弾性変形を許容するので、この弾性変形によりアクチュエータの過剰な変位量が吸収され、これにより大きな変位特性を有する超磁歪素子を用いた場合であってもその伸び作動時の過剰変位を無理なく吸収してアクチュエータ及び針弁を保護することができる。
【００１０】
請求項２の発明によれば、針弁のストローク区間での移動を容易にしつつ、それを超えた領域でのアクチュエータの伸び作動が非線形特性を有する弾性体により抑制されるので、アクチュエータの余剰な変位をある程度吸収しつつ針弁ないしロッド部の伸び変形及び応力を軽減してその保護を図ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態につき図面を示して説明する。図１以下の各図において、１は燃料噴射弁であり、筒状の本体２とその端部に固定されたノズルボディ３とからなる。４はノズルボディ３の内部に収装された針弁、５は針弁後端部に延設されたロッド部、６はロッド部５を包囲するように本体２に収装された円筒形状のアクチュエータ、７はこのアクチュエータ６を包囲するように同じく本体２に収装された電磁コイル、８は本体後端の開口部に固定されたキャップである。なお、この説明ではノズルボディ３側を前方または先端側、キャップ８側を後方または後端側としている。
【００１２】
ノズルボディ３の先端部には噴孔１０が開口形成されており、その内側面には針弁４の弁体部１１が着座するシート部１２が設けられている。ノズルボディ３の内部には本体２との間に燃料室１３が画成されており、この燃料室１３には本体燃料供給口１４を介して図示しない燃料系統からの所定の圧力に調圧された燃料が供給される。
【００１３】
針弁４には円盤状のストッパ１５が設けられており、針弁４がシート部１２に着座した状態でこのストッパ１５と本体２の対向端面との間に生じる隙間δが針弁４の最大ストローク量を規定している。このストッパ１５には、その前後を連通する開口部１６が形成されると共に、本体２の対向端面との間に介装されたコイルスプリング１７により針弁４を閉じ方向に付勢している。
【００１４】
針弁４の後端部は本体２に形成されたシリンダ部１８に軸方向に摺動可能に嵌合している。嵌合部分には２重のシールリング１９が設けられ、これにより燃料室１３の燃料が後方のアクチュエータ６等を収納した部分に漏洩しないようにしている。
【００１５】
針弁４の後端部に延設されたロッド部５は円筒状のアクチュエータ６を貫通してその後端部が本体２後端のバネ室２０に臨んでいる。このロッド後端部には連接手段としてアクチュエータ６の後端面と対向するように円盤状のフランジ部２１が設けられると共に、このフランジ部２１とアクチュエータ後端面との間には隙間管理のためのシム２２が介装されている。２３はアクチュエータ６を圧縮方向に付勢するコイルスプリングであり、シム２２とキャップ８との間に介装されている。
【００１６】
ロッド部５の途中部分は細径に形成されており、後述するアクチュエータ６の軸方向の余剰変位を弾性変形により許容するようにしている。
【００１７】
アクチュエータ６は超磁歪素子からなり、その外周に設けられたコイル７に通電したときに生じる磁界の作用により伸び変位する特性を有している。また、コイル通電時の伸び方向の最大変位量は、上述したストッパ１５により規制される針弁４の最大ストローク量よりも大となるように設定されている。
【００１８】
コイル７には図示しない燃料噴射制御系の駆動回路が接続され、燃料噴射量に相当するパルス幅を有する駆動信号が入力される。駆動信号は、予めプログラムされた制御内容に従って所定の燃料噴射量となるように演算される。すなわち、燃料室１８に供給される燃料の圧力は一定値に調整されているので、燃料噴射量は噴射弁の開弁時間つまりコイル７に対する駆動信号の通電時間によって決められることになる。
【００１９】
この燃料噴射弁は次のようにして作動する。コイル７が非通電状態のとき、アクチュエータ６は自由状態にあり、伸び方向の変位はゼロであるので、針弁４はコイルスプリング１７の張力によりシート部１２に密着して閉弁している。この状態からコイル７に通電すると、コイル７はこの駆動信号により磁界を発生し、これによりアクチュエータ６は伸び方向に変形する。この変形は、アクチュエータ６の後端面を後方に変位させる。アクチュエータ後端面とシム２２またはロッドフランジ部２１との間の初期隙間の分だけアクチュエータ６が変位すると、この変位によりコイルスプリング２３に抗してシム２２及びフランジ部２１が後退し、これに伴いロッド部５に連結した針弁４が後退方向にストロークして噴孔１０を開放しはじめる。
【００２０】
アクチュエータ６がさらに伸び変位して針弁４のストッパ１５が本体２の対向端面に当接するとそれ以上の針弁４のストロークは規制されて一定のリフト位置で開弁保持状態となる。この位置よりもさらにアクチュエータ６が伸び変位しようとした場合には、この余剰な変位によるストローク量は、ロッド部５の細径部分の弾性的な伸び変形により吸収される。
【００２１】
この開弁状態からコイル７への通電が終了すると、アクチュエータ６はコイルスプリング２３の張力により加勢されつつ初期状態にまで速やかに縮み変形し、これに伴い、ロッド部５及び針弁４も初期位置つまり閉弁位置にまで前進して噴射を終了する。
【００２２】
ところで、この燃料噴射弁では上述したとおりアクチュエータ６の最大変位量が針弁４の最大ストローク量よりも大に設定してあるところから確実に所定の針弁リフトが得られ、したがってアクチュエータ６に少々の寸法誤差や温度変化による特性変動があったとしても常に正確な燃料噴射特性が得られる。また、アクチュエータ６にバイアスを付与しておくための永久磁石が不要であるので、燃料噴射弁の小型化及び低コスト化も可能である。
【００２３】
図２に本発明の第二の実施の形態を示す。これはロッドフランジ部２１とキャップ部８との間に非線形特性を有するゴム等からなる弾性体２５を介装した点で図１とは異なる。
【００２４】
弾性体２５のばね定数（反力）は、図３に示したようにその変位量が少ない領域では変位量に対する変化が緩やかな特性であるが、ある変位量を超えると急激に上昇する非線形特性を有する。このような弾性体２５をフランジ部２１の背後に介装しておくことにより、針弁４がストッパ１５により規制されるまでのストローク範囲ではロッド部５及びアクチュエータ６の伸び方向の変位が容易に許容される一方、この範囲を超えた変位に対しては強い対抗力をフランジ部２１に作用させてアクチュエータ６の伸び変位を抑制するような作用を持たせることができる。
【００２５】
このようにすると、針弁４の最大ストローク量を超える領域でのアクチュエータ６の余剰な伸び変位が、ロッド部５の伸び変形のみでなく、弾性体２５の反力によっても抑制されるので、それだけロッド部５に生じる応力を軽減して余剰な変形に伴う消耗を少なくすることができる。
【００２６】
図４及び図５は本発明の第三の実施の形態である。これは、本体シリンダ部１８への嵌合部分にて針弁４とロッド部５とが分割されるようにこれらを別体で形成してある。詳細は図５に示したとおりであり、針弁４後端部４Ａとロッド部先端部５Ａとはそれぞれシリンダ部１８に摺動可能に嵌合しており、互いの対向端面間には差圧室２６が画成されている。なお２７はロッド部先端部５Ａに設けられた突起であり、この突起２７により針弁後端部４Ａとの間に一定の間隔つまり差圧室２６を確保するようにしている。
【００２７】
差圧室２６は、本体２に形成された細径の通路状のオリフィス２８を介してノズル内燃料室１３に連通している。また、本体シリンダ部１８には、差圧室２６を挟んでロッド部先端部５ａと針弁後端部４Ａのそれぞれの側にシールリング１９が介装されており、これにより差圧室２６の圧力漏洩を防止している。
【００２８】
この燃料噴射弁では、コイル７が励磁されていない閉弁状態においては、針弁４はコイルスプリング１７の張力により閉弁保持される一方、アクチュエータ６は変位ゼロであるのでロッド部５は後端側のコイルスプリング２３の張力によりシム２２及びアクチュエータ６の後端面に付勢された状態にある。このときロッド部先端部５Ａと針弁後端部４Ａとの間の間隔つまり差圧室２６の容積は最小である。
【００２９】
この状態からコイル７が励磁されると、このときのアクチュエータ６の伸び変位によりロッド部５が共に後方に変位する。これにより差圧室２６は容積を拡大しようとするが、オリフィス２８により燃料の流入が規制されているので当初は圧力低下が生じ、このためコイルスプリング１７の張力に抗して針弁４が吸引されて後退し開弁する。
【００３０】
こうして針弁４がストッパ１５により規制される最大ストローク位置まで移動すると、それ以後はアクチュエータ６の余剰変位に対して針弁４は移動せずロッド部５のみが移動可能となる。この余剰ストロークはオリフィス２８を介しての燃料室１３からの燃料の導入により許容される。したがって、アクチュエータ６の余剰変位によるロッド部５の変形負担は前掲の実施形態によるものに比較して一段と軽減される。
【００３１】
コイル７の励磁が終了したときの閉じ作動時には、まずロッド部５がアクチュエータ６の圧縮変位と共にコイルスプリング２３の張力により前進して差圧室２６を圧縮しようとするので、差圧室２６の圧力が上昇し、これにより針弁４が押されて速やかに閉弁する。針弁４がシート部１２に着座した閉弁状態となってもアクチュエータ６の余剰変位の分だけさらにロッド部５は前進しようとするが、この変位は差圧室２６から燃料室１３へとオリフィス２８を介して燃料を押し出すことで許容される。
【００３２】
図６と図７はそれぞれ差圧室２６に関する他の実施形態を示している。図６は、図５のもののようにオリフィス２８を通路状に形成するのではなく、針弁後端部４Ａの嵌合部分についてはシールリングを設けずにシリンダ部１８に嵌合隙間を形成し、これをオリフィスとして機能させることにより構造の簡略化を図っている。
【００３３】
図７のものは、図示したようにシリンダ部１８の内径とロッド部先端部５Ａおよび針弁後端部４Ａの外径を、ロッド部側については比較的大径に、針弁側については比較的小径に形成して、この径差に基づき、ロッド部５のストローク量が針弁４に増幅して伝えられるようにしたものである。このようにすることにより、比較的小さいロッド部５の変位で必要な針弁リフトが得られるので、アクチュエータ６として変位量の小さいもの、つまり小型のものを適用可能となり、それだけ燃料噴射弁の小型化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第一の実施形態の縦断面図。
【図２】  本発明の第二の実施形態の縦断面図。
【図３】  第二の実施形態の弾性体の非線形特性を示す特性線図。
【図４】  本発明の第三の実施形態の縦断面図。
【図５】  第三の実施形態のＡ部詳細図。
【図６】  他の構成例についての図４のＡ部に相当する部分の詳細図。
【図７】  さらに他の構成例についての図４のＡ部に相当する部分の詳細図。
【符号の説明】
１    燃料噴射弁
２    本体
３    ノズルボディ
４    針弁
５    ロッド部
６    アクチュエータ（超磁歪素子）
７    コイル
１０  噴孔
１２  シート部
１３  燃料室
１４  燃料供給口
１５  ストッパ
１７  コイルスプリング
１８  シリンダ部
２１  フランジ部
２２  シム
２３  コイルスプリング
【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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【図６】
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【図７】
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