(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングの中心軸に沿って制御用電歪アクチュエータを中心軸を一致させて配設すると共に、該制御用電歪アクチュエータの一端に油密な可動部材をなす段付ピストンの一端面を当接させ、
該段付ピストンの他端面には圧縮付勢された接触用スプリングを当接させると共に圧力室内の油圧を作用させ、
該圧力室には該圧力室への油の流入のみを許すチェック弁と前記圧力室からの油の流出、停止を制御する電磁二方弁とを連通し、
該電磁二方弁のソレノイドへ無通電時にはバルブニードルスプリングによりバルブニードルと座との間で前記圧力室との連通をシールすると共に前記チェック弁を通って前記圧力室へ油を流入させ、前記ソレノイドへの通電時にはアーマチャを吸引して該アーマチャと結合している前記バルブニードルを前記座から離座させてドレンへの通路を開いて前記圧力室内の油を流出させ、
また、前記制御用電歪アクチュエータの他端には中間部材を介してニードル弁を当接させ、
前記制御用電歪アクチュエータへ無通電で前記制御用電歪アクチュエータが収縮している時には前記電磁二方弁のソレノイドへ通電して前記圧力室内の油を流出させ、圧縮付勢された前記接触用スプリングの押圧力により前記段付ピストン、前記制御用電歪アクチュエータ、前記中間部材、前記ニードル弁を押圧してそれらを隙間無く当接させ、
前記制御用電歪アクチュエータへ通電し、前記制御用電歪アクチュエータが伸長する時には、前記電磁二方弁の前記ソレノイドを無通電として前記圧力室を油密にシールすると共に前記チェック弁を通って前記圧力室へ油を流入させて前記圧力室内を所定圧力に保つことにより前記段付ピストンを油圧で支持して前記制御用電歪アクチュエータの伸長力を支持することを特徴とする燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電歪アクチュエータによりニードルリフトを直接行う燃料噴射弁に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電歪アクチュエータを用いた燃料噴射弁の従来技術としては、特公平４−６７０２６に示された油圧を介してニードル弁を開閉するものが公知である。しかしかかる燃料噴射弁は、油圧を介してＯＮ−ＯＦＦ制御を行うため、応答遅れがあり、またニードルの開弁量を連続的に制御できない。
【０００３】
近年、燃料噴射弁としては応答良く、短時間で、かつ噴射開始から終わりまでの噴射率を自在に制御することが望まれており、ニードル弁の直接制御が要求されている。
ところが、ニードル弁の直接制御を行う直動弁の課題は、電歪アクチュエータとハウジングとの熱膨張が異なるため、使用可能な温度範囲が狭いことであり、熱膨張対策をした直動弁の従来技術としては、特開昭６０−１２９４８１に示されたように、熱変位調整部材を設け、電歪アクチュエータとの熱変位量の和をハウジングの熱変位量と合わせることが一般的である。しかしかかる噴射弁では、均一な温度変化には対応できるが、急激な温度変化により、ハウジング内外部の温度が異なる時には対応できないという問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は各部の温度にむらがある時でも、応答良く、短時間で、かつ連続的にニードル弁の開弁量を制御することにより直動弁の問題点である熱膨張差を解決することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するために、請求項１に記載した構成を用いる。請求項１によれば、接触用スプリングにより電歪アクチュエータの伸長力がかかる各部材を隙間無く当接させているので、熱膨張差やへたり等の経時変化を補償することができると共に、ニードル弁の開弁量の連続的制御が可能になるという効果がある。
【０００６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の第１の実施形態の燃料噴射弁の中心軸に沿った横断面図である。
この燃料噴射弁は、直噴型エンジンの燃焼室内に燃料を噴射するために用いられるものであって、各気筒に１個ずつ、例えば４気筒の場合は４個、装着される。図示しない公知のポンプから圧送されてきた燃料は、燃料インレット２２から燃料噴射弁内に流入し、燃料通路２１を通り、ニードル弁１６が開弁することによって座１７を通り噴射される。
【０００７】
燃料噴射弁の主要部は、ニードル弁１６の制御部１、制御部１の位置決めを行う端部固定部２より構成される作動部と、ノズル部３よりなり、ノズル部３はリテーナ７により作動部のハウジング４に締結される。
ハウジング４は有底の段付筒状をなし、その中に制御部１、端部固定部２、接触用スプリング６、プレート２３が、制御部１及び端部固定部２と連結棒５を介してニードル弁１６と絶えず接触を保つようにスクリュー２４にて固定されている。制御部１はケース１１内に制御用電歪アクチュエータ８、ピストン９、皿バネ１０、スリーブ１２を組み込みキャップ１３にて固定されている。ここで、連結棒５、ピストン９は中間部材を形成する。ピストン９はケース１１内で制御用電歪アクチュエータ８の伸縮に追随して摺動可能となっている。また、その時皿バネ１０は、ピストン９を上方に付勢し、制御用電歪アクチュエータ８に当接させる。これにより、制御用電歪アクチュエータ８には約５０ｋｇｆのプリセット荷重をかけている。
【０００８】
端部固定部２はプレス部材１５と、電歪アクチュエータからなりその中心軸を制御用電歪アクチュエータ８の中心軸と直交する方向に配設した固定用アクチュエータ１４により構成され、プレス部材１５は２面幅を有し中央にリード線２６を通す孔を有する円柱であり、上下面は制御部１及び接触用スプリング６と接し、２面幅部には固定用アクチュエータ１４の端部が固定されている。
【０００９】
固定用アクチュエータ１４とハウジング４の大径部のクリアランスは、固定用アクチュエータ１４が通電時には伸長し、ハウジング４の内周面の大径部に当接して接触力により押圧固定し、固定用アクチュエータ１４が下方から力を受けても移動しないようにしており、無通電時には収縮して上下方向に可動できるクリアランスにて取付てある。また、固定用アクチュエータ１４のリード線２５はプレート２３の孔から外部に伸びており、図示しない駆動回路に接続している。
【００１０】
ここで用いる制御用電歪アクチュエータ８は直径２０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの円板状のＰＺＴ素子と、直径１８ｍｍ、厚さ０．０２ｍｍのステンレス板とを交互に積層して円柱状にしたものであり、各々のＰＺＴ素子の厚み方向に並列に電圧を印加できるように側面電極とステンレス板とが結合されている。側面電極とリード線２６は電気的に接続されてプレート２３の孔から外部へ伸びており、図示しない駆動回路と電気的に結合されている。
【００１１】
ＰＺＴ素子はチタン酸ジルコン酸鉛を主成分として焼結された強誘電体セラミックスであり、ピエゾ効果を有する代表的な素子である。その物性は、厚み方向に５００Ｖの電圧を印加すると０．５μｍ厚みが増し、逆に５００Ｖの電圧を印加しておきショートさせると０．５μｍ厚みが減る。
本第１の実施形態の制御用電歪アクチュエータ８はＰＺＴ素子を２００枚、機械的には直列に、電気的には並列に結合しているため、５００Ｖの電圧を印加することで１００μｍの伸縮が得られる。より詳しくは、この種の強誘電体セラミックスは電圧印加時の注入電荷量に対してリニアに変位することが公知であり、本第１の実施形態では電荷量制御式の駆動回路を使用している。
【００１２】
ノズル部３は、ノズルボデー２８、ニードル弁１６、閉弁用スプリング１８、スプリングプレート２７及び止め具１９よりなり、閉弁用スプリング１８により閉弁されている。
図２は本第１の実施形態の燃料噴射弁の作動状況を示すタイムチャートである。
【００１３】
作動初期には、固定用アクチュエータ１４及び制御用アクチュエータ８はショートしてあり、接触用スプリング６により端部固定部２、制御部１、連結棒５及びノズル部３のニードル弁１６上端の止め具１９は接触している。
時刻ｔ１の時、端部固定部２ノ固定用アクチュエータ１４に通電することで制御部１の上端が固定され、接触用スプリング６とニードル弁１６は力の伝達が切り離される。
【００１４】
その後、時刻ｔ２の時に制御用電歪アクチュエータ８に通電し、任意に注入電荷量を制御することで、制御用電歪アクチュエータ８を伸縮させる。すると端部固定部２にて上端が固定されているため、制御用電歪アクチュエータ８はニードル弁１６を押し下げてニードル弁１６は開弁し、制御用電歪アクチュエータ８の伸縮量がニードル弁１６のリフト量と比例するため、燃料噴射量の任意制御が可能となる。
【００１５】
時刻ｔ３にて噴射終了した後の時刻ｔ４の時、端部固定部２の固定用アクチュエータ１４をショートすることで、固定用アクチュエータ１４は収縮してクリアランスができ、上下方向に可動できるようになるので、再び接触用スプリング６の付勢力が制御部１方向に伝達されるようになり、端部固定部２、制御部１、連結棒５及びノズル部３のニードル弁１６上端の止め具１９は接触を保つ。
【００１６】
時刻ｔ５の時、再び端部固定部２の固定用アクチュエータ１４に通電し、以下同じ繰り返しとなり、時刻ｔ１から時刻ｔ５までが１サイクルとなる。
ここで、制御部１の作動中は端部固定部２の固定が必要であるが、休止中は固定の必要が無い。それゆえ、温度変化による熱膨張差やへたりにより制御部１とハウジング４の寸法変化が生じても休止中に接触用スプリング６により絶えず端部固定部２、制御部１、連結棒５及びノズル部３のニードル弁１６上端の止め具１９を接触させることができ、制御部１によるニードル弁１６の開弁量の連続的制御が可能となる。
【００１７】
また、温度変化による熱膨張差やへたりはサイクル毎に生じるわけではないため、端部固定部２のショートは間欠的に、例えば１０サイクル毎でもよい。
図３は本発明を内開弁へ適用した第２の実施形態の燃料噴射弁の中心軸に沿った横断面図である。
図１の第１の実施形態の外開弁との相違点は、制御部１とニードル弁１６の接触方法が、略円板状で下部にリング状突起を有するてこ部３２と有底筒状でてこ部３２の外周に当接する連結部２９を用いることで制御部１の変位方向と逆向きの変位をニードル弁１６に伝達可能となること、及びニードル弁１６を閉弁方向に付勢する閉弁用スプリング１８の位置を、ハウジング４と結合し、連結部２９の側面側から連結部２９と接触させないように挿入させたプレート３５とニードル弁１６の上端面に結合させた円板状の止め具１９の間に設けたことである。ここではピストン９、連結部２９、てこ部３２が中間部材を形成する。
【００１８】
この構成にすることによりＰＺＴ素子の発熱によるハウジング４との熱膨張差、へたり等による寸法変化を補償することが可能であり、内開弁の開弁量を連続的に精密に制御できる。
また、本実施形態の固定用アクチュエータ１４については制御部１に用いられている電歪アクチュエータの他に、磁歪アクチュエータ（例えば（株）モリテックス社製）、または図４に示す油圧を電磁式二方弁で制御する方式のものに置き換えることも可能である。
【００１９】
図４は固定用アクチュエータ１４を電磁式二方弁を用いた油圧式に置き換えた第３の実施形態の燃料噴射弁の中心軸に沿った横断面図である。
第３の実施形態では、制御部１の上端に段付ピストン４２が上下可動かつ油密を保って設置され、接触用スプリング６にて押圧力を付勢されることにより、段付ピストン４２からノズル部３のニードル弁１６までの各部の接触を保っており、熱膨張差やへたり等による寸法変化を補償する。
【００２０】
また、圧力室５１の遮断用のバルブニードル４５はアーマチャ４７と結合しておりバルブニードルスプリング４６により通常時には、隔離板４４のほぼ中央に設けられた座４９にて燃料インレット４０からドレン４８への通路をシールするように付勢されている。ここではピストン９、連結部２９、てこ部３２が中間部材を形成する。
【００２１】
作動について説明すると、燃料インレット４０は図示しないポンプに接続されており、圧送された燃料はチェック弁４１を通り圧力室５１に充填される。
燃料の噴射は、圧力室５１が密閉されているため、制御用電歪アクチュエータ８に通電すると制御用電歪アクチュエータがノズル側に伸長し、ニードル弁１６が開弁することで行われる。
【００２２】
制御用電歪アクチュエータ８がショートされて無通電になり、制御用電歪アクチュエータ８が収縮して燃料の噴射が終了した後ソレノイド５０に通電することで、アーマチャ４７を吸引し、結合しているバルブニードル４５が座４９から離座し、ドレン４８への通路を開き、圧力室５１の燃料はドレン４８から排出され、図示しない燃料タンクへリターンされる。
【００２３】
次回燃料圧送前にソレノイド５０への通電を止め、再びバルブニードルスプリング４６により、座４９にて燃料インレット４０からドレン４８への通路をシールし、圧力室５１への燃料充填及び燃料噴射に備えることによりＰＺＴ素子の発熱によるハウジング４との熱膨張差、へたり等による寸法変化を補償することが可能であり、内開弁の開弁量を連続的に精密に制御できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の燃料噴射弁の中心軸に沿った横断面図である。
【図２】本第１の実施形態の燃料噴射弁の作動状況を示すタイムチャートである。
【図３】本発明を内開弁へ適用した第２の実施形態の燃料噴射弁の中心軸に沿った横断面図である。
【図４】固定用アクチュエータ１４を電磁式二方弁を用いた油圧式に置き換えた第３の実施形態の燃料噴射弁の中心軸に沿った横断面図である。
【符号の説明】
４  ハウジング
６  接触用スプリング
８  制御用電歪アクチュエータ
１４  固定用アクチュエータ
１５  プレス部材
１６  ニードル弁
４１  チェック弁
４２  段付ピストン
４５  バルブニードル
４６  バルブニードルスプリング
４７  アーマチャ
４８  ドレン
４９  座
５０  ソレノイド
５１  圧力室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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